CN1045141C

CN1045141C - 将电网与过电流条件下的负荷隔离的电路

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Publication number: CN1045141C
Application number: CN95101904A
Authority: CN
Inventors: 布鲁斯·迈克尔·卡西迪
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 1999-09-15
Anticipated expiration: 2015-02-06
Also published as: CN1112741A; US5488533A

Abstract

一种支路保护电路，用于将电网与诸如过电流条件下的负荷隔离。该电路采用一个由两个集成在同一个硅基片上功率场效应晶体管组成的电流检测场效应晶体管。该电流检测FET用以检测是否在较大的一个FET中的电流超过了一个预定的阈值，该电路不测量通过晶体管的特定电流值，该电路仅用于检测阈值电流是否被超过，因此，与需要确定通过一个晶体管的特定电流值的电路相比，明显地简单。

Description

将电网与过电流条件下的负荷隔离的电路

本发明涉及支路保护电路，它能将电网与诸如过电流条件下的故障负荷隔离。能够将电网与故障负荷隔离是非常重要的，尤其是对于配电结构而言。在一些对于可靠性要求低的应用中，用熔丝来完成电网与故障负荷的隔离。在另外的一些应用中，特别是在会出现高功率消耗的情况下，通过与用电设备串联电阻来完成电网与故障负荷的隔离。

以下例举了典型的现有技术的设备：1980年5月6日由Sears提出的美国专利4,202,023号中公开了一种电路过电流保护器；1986年2月25日由Ganesan等人提出的美国专利4,573,099号中公开了一种在正供电轨端和负供电轨端之间进行过电压保护的COMS电路；1986年12月2日由Damiano等人提出的美国专利4,626,954号中公开了一种带有过负荷保护的固态功率控制器；1989年1月3日由Hechtman等人提出的美国专利4795920号中公开的驱动电路，用于交替地向负荷供给电流和吸收电流，同时交替地呈现高阻抗；1991年2月19日由Nadd提出美国专利4,994,886号中公开的复合MOS晶体管以及将它应用于续流二极管结构。1991年5月21日由Wilcox提出的美国专利5017816号公开的自适应性栅极放电电路，用于向功率场效应晶体管FET的栅极放电；1991年5月21日由Szetesi提出的美国专利5018041号中公开的限流电路，用于瞬时性限制快速高侧(fast high side)功率开关或功率FET的电流；1991年6月11日由Wodarczyk等人提出的美国专利5,023,692号公开的功率MOS晶体管，把限流电路加入到晶体管的相同基片中；1991年6月25日由Hiroto等人提出的美国专利5027251号中公开的MOSFET器件，包括功率MOSFET和漏极相互连通的电流镜式MOSFET；1991年7月2日由Euiott等人提出的美国专利5,029,269号公开的延时电源过电压关闭装置，用以保护脉冲宽度调制DC-DC电源；1992年2月11日由Lee提出的美国专利5,088,018号公开了过电压保护电源电路，用以防止过电压直接加到板型控制屏显示元件上；1992年4月14日由Nakayama提出的美国专利5105251号中公开一种半导体器件，它是由在同一半导体芯片上形成，并有公共漏极的第一和第二功率MOS晶体管组成。

本发明的主要目的是提供一种低功率消耗和高可靠性的支路保护电路，一旦出现负荷故障便马上跳开，故障消失以后便闭合。常规的支路保护电路中包括有相对复杂的电路装置用以测量流经晶体管的电流。根据本发明的支路保护电路设计为仅检测当流经晶体管的电流是否超过预定的阈值，但是并不去测量具体的电流值。因此，根据本发明的支路保护电路中采用了不太昂贵和不太复杂的电路。

根据本发明，提供一种将电网与过电流条件下的负荷隔离的电路，包括：晶体管装置，具有一个耦接到电源和负荷之间的负荷电流通路，用于提供负荷电流；还具有一个耦接到所述电源的检测电流通路，用于提供与所述负荷电流成比例但又大大小于所述负荷电流的检测电流，其中，当由于所述负荷电流通路上的电压降增加而使负荷电流增加时，负荷电压降低；电压箝位装置，用于防止所述检测电流通路的输出降到低于一个预定电压；电流检测装置，耦接到所述检测电流通路输出上；以及比较器，具有耦接到所述检测电流通路输出的第一输入端，耦接到所述负荷的第二输入端和一个输出端，当所述负荷电压大于所述检测电流通路输出的一个电压时，用于激励所述晶体管装置，当所述负荷电压小于所述检测电流通路输出的电压时，用于对所述晶体管装置去激励。

这里公开的根据本发明的支路保护电路提供了上述现有技术中未教导或建议过的一种简化装置，用以将电网与故障负荷隔离。根据本发明的电路不太复杂，比上述现有技术中公开的常规电路和装置经济。从以下的叙述中将会体现出其它的优点。

这里提供了用于将电网与过电流引起的故障负荷隔离的支路保护电路。该电路包括用于检测故障负荷的装置，当故障负荷出现时跳开，故障消失时又使电路闭合。该支路保护电路采用一个电流检测FET，它是由两个功率FET在公共的硅基片上集成，共用公共的栅极和漏极。该电流检测FET当较大的一个FET中的电流超过了对应于故障负荷出现的预定阈值时，提供检测的手段。该电路中包括的装置用来检测对应于加在负荷上的过负荷电流按比缩小的电流，还有对此响应的装置，驱动电流检测FET到“关断”状态，以将负荷与电网隔离，直到过电流条件消失为止。该电路并不决定或者测量电流的具体值，仅仅检测是否已经超过了预定的电流值，比起检测具体电流的电路而言，只需要比较简单的元件和电路。基于本发明支路保护电路消耗相对小的功率，因此，提供了高的可靠性。

图1为根据本发明的将电网与故障负荷隔离的支路保护电路。

图2所示为图1中电流检测FET的等值电路和与本发明支路保护电路配合的其它电路元件。

根据本发明的支路保护电路的最佳实施例将参考图1和2进行说明。支路保护电路的最佳实施例提供的电路装置，能将电网与诸如过电流条件下的故障负荷隔离，特别是用在配电结构中。根据本发明的最佳实施例的电路在一旦出现故障的负荷时便跳开，一旦故障消除便合上。该电路的特征是低功率消耗和高可靠性。支路保护电路包括有一电流检测FET，它是由在同一块硅片上集成的两个功率FET组成。这两个功率FET共用公共的栅极和漏极，一个功率FET比另一个功率FET大许多(约大5000倍)。然而，并不是用FET器件和其它电路一起来作为常规的测量手段，测量通过二个功率FET中较大一个中的电流。根据本发明的电流检测FET器件仅仅检测通过较大的功率FET中电流是否超过予定的阈值电流。这样一来，较为简单的测定使能够采用比起测量实际电流时明显简化的电路，特别是当FET和正轨端有关时。

首先参考附图1，开始假定标号2所表示的负荷是电子可控制的，因此可使在到达予定电压(Vth)之前为容性。根据本发明的支路保护电路表示为标号4，它在电气上与负荷2相联接。当电源加到电路4上时，Vout通过一电阻R1充电，直到Vout=VD3＜Vth为止。由电阻R3，晶体管Q2和二极管D1和D3所形成的箝位电路在电气上与电流检测FET Q1联接，保持检测节点电压高于Vout。因此，电流检测FET Q1处于关断状态。但是，一旦Vout＞VD3，比较器M2的输出升高，使电气上与Q1相联的驱动器M1接通，驱动器M1又使电流检测FET Q1导通，使Vout和检测节点电压接近Vin。驱动器M1有一充电泵，将FET Q1的栅极驱动到大约为10V＞Vin。

图2所示为晶体管Q1导通时，电流检测FET Q1的等值电路以及元件J1和C1。根据本发明，标号6表示的Vout将大于标号8表示的检测节点处的检测电压，使负荷电流乘以RF1小于J1乘以RF2。然而，当负荷电流增大到某一值，使Vout小于检测电压时，比较器M2(它的输出联在驱动器M1的输入上)改变状态，造成驱动器M1(见图1)改变状态，将电流检测FET Q1关断。电流检测器J1由常规的有源电路组成。电容器C1在电气上联在J1的输入端，以防止电流检测FET Q1起初接通时，检测节点8处的检测电压上升得比输出电压Vout(标号6表示)更快。

因此，当出现过电流，并必须将电网与负荷2隔离时，比较器M2改变状态，使驱动器M1关断，它又将电流检测FET Q1关断。Vout降到接近于零电压。但是，由于Q2,R3和D1,D3的箝位安排，使检测点8的检测电压仍保持为等于电压VD3。箝位电路在电气上与电流检测FET Q1相联，因此，在故障即过电流状态消除以前，Q1保持为＂关断＂状态。在支路保护电路中有电阻R2，二极管D2和电容器C2(见图1)，联在比较器M2和FETQ1的驱动器M1之间，目的在于防止电路跳开时非常短时间的电流。因而，线路中的瞬时涌流不会引起故障或过电流，也不会由电气上联在此处的驱动器M1将电流检测FET Q1关断。

从以上有关支路保护电路的叙述中明显地看出，J1提供了按比例的过电流检测值。例如，参考图2，如果RF2=5000×RF1(即形成电流检测FETQ1的两个功率FET中的一个功率FET比另外一个大5000倍)，对于5安培的过电流保护，需要将J1设为1毫安。当通过J1的电流达到1毫安时，通过负荷的电流将为5A(5000×1mA)，造成了过电流条件。因而，从支路保护电路4通过的5A电流并到达负荷2造成1mA电流通过检测器J1，是由于集成在同一硅片上，共用栅极和漏极的电流检测FET Q1的两个功率FET的大小为5000/1比率所造成的。通过J1检测到1mA或更大的电流时，驱动比较器M2，它又依次驱动触发器M1，作为故障(过电流条件)使FETQ1关断。故障消除后，由于低输入电压将切断其它负荷。因此，Vout将再次由R1充电，直到Vout达到等于电压VD3为止。在这一点上，Q1再次接通，Vout充电到Vin。

从以上讨论中显而易见，根据本发明的电路会当负荷电流超过予定电流极限时自动地将负荷与电网隔离。同样，当负荷电流低于过电流极限时，负荷将被重新接通到电网上。该电路设计为检测负荷电流高于或低于予定的电流极限(按照负荷电流的予定比例，检测按比例减少的电流)，并不测量负荷电流的实际值或者按比例减少的电流实际值。因此，整个电路运行较为简单，不需要用太复杂的元件，比起常规的测量电流实际值的电路来说，制造更加经济。

对于熟悉本领域的技术人员来说，本发明范围内其它一些修正和优点是显然的。因此，用附图对最佳实施例的说明仅仅用作描述，并不限制本发明的范围。由以下的权利要求和全部等价例来限定本发明的范围。

Claims

1．一种将电网与过电流条件下的负荷隔离的电路，其特征在于包括：

晶体管装置，具有一个耦接到电源和负荷之间的负荷电流通路，用于提供负荷电流；还具有一个耦接到所述电源的检测电流通路，用于提供与所述负荷电流成比例但又大大小于所述负荷电流的检测电流，其中，当由于所述负荷电流通路上的电压降增加而使负荷电流增加时，负荷电压降低；

电压箝位装置，用于防止所述检测电流通路的输出降到低于一个预定电压；

电流检测装置，耦接到所述检测电流通路输出上；以及

比较器，具有耦接到所述检测电流通路输出的第一输入端，耦接到所述负荷的第二输入端和一个输出端，当所述负荷电压大于所述检测电流通路输出的一个电压时，用于激励所述晶体管装置，当所述负荷电压小于所述检测电流通路输出的电压时，用于对所述晶体管装置去激励。

2．如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压箝位装置包括：

一个晶体管，具有一个耦接到所述检测电流通路输出的输出端；以及

二极管装置，耦接以接受来自所述电源的偏置电流，并耦接到所述晶体管的控制端，对所述晶体管施以偏压，以输出所述预定电压。

3．如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述晶体管装置包括两个FET，其中一个所述FET包括一个低阻的漏极到源极通路，形成所述负荷电流通路，另一个FET包括一个非常高阻的漏极到源极通路，形成所述检测电流通路。

4．如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述两个FET集成到一个共同的基片上，并具有一个共同的漏极和共同的源极。

5．如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括一个并联电阻，跨接在所述晶体管装置的所述负荷电流通路上，当所述晶体管装置被去激活时提供一个负荷电流，所述电阻大于所述负荷电流通路的导通电阻。

6．如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述检测电流通路输出连接到所述比较器的所述第一输入。

7．如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电流检测装置与所述检测电流通路输出相连。

8．如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述负荷与所述比较器的所述第二输入相连。

9．如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括一个驱动器，置于所述比较器输出和所述晶体管装置的控制端之间。