CN104716638A - 热开关保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热开关保护电路。一种保护电路包括放电电路和可选地包括钳位电路。放电电路操作为在开关完成开关动作之前把来自电缆的信号线的电容放电到地电压，该电缆连接到测试下的设备。当未放电时，放电电路向测量电路呈现低泄漏，以便不干扰这样的测量。如果存在放电，钳位电路把电缆的信号线钳位到电缆的防护结构，以使得放电电路可以把信号线和防护结构两者耦合到地。保护电路在不显著恶化测量仪器的低电流性能的情况下操作。

Description

热开关保护电路

技术领域

本公开涉及保护电路，并且更具体地，涉及用于使用开关（诸如机电继电器）来把测试仪器连接到接受测试的设备（DUT）的开关系统的保护电路。

背景技术

通常，使用诸如机电继电器之类的开关把测试仪器连接到DUT的测试系统具有比仪器多得多的设备端子，并且给定的DUT仅具有几个端子。因此，任何给定测试通常具有许多未使用的管脚。这些未使用管脚仍然连接到DUT端子，但是这些管脚在测试期间不被仪器驱动。每个未使用管脚由于电缆和DUT端子而具有电容。出于各种与DUT布置有关的原因，在测试管脚和未使用管脚之间可能存在不希望的寄生连接，这可能引起这些未使用管脚电容被充电到高测试电压。

如果未使用管脚上的电压在启动下一个测试之前未被放电，并且该管脚在测试序列的下一个测试中被使用，随着继电器打开或闭合，存储在该电容中的能量将通过继电器触点突然放电。这被称为“热开关”。热开关可能使继电器触点退化，导致早期继电器失效。

通常，仪器能够在运行测试之前使该电容放电。然而，在这样的开关系统中，在不引起继电器热开关的情况下把仪器连接到已充电管脚是不可能的。而且，不存在简单的方式用于得知继电器的其它侧面处于足以诱发热开关的电压。

因为存储在未使用测试系统电缆或DUT电容中的能量与电压的平方成比例地增加，并且这个能量直接对损坏继电器触点负责，所以在较高电压测试系统中这是重要的问题，较高电压测试系统正越来越广泛地用于测试高电压设备。

本发明的实施例在不降级低电流性能的情况下防止热开关，并且解决了现有技术的其它限制。

发明内容

本发明的实施例包括保护电路，保护电路耦合到系统中的开关，开关通过电缆（诸如均包括信号线的同轴或三轴电缆）耦合到测试下的设备。保护电路包括触发信号接收器，其在所述开关改变状态之前接收信号。保护电路包括放电电路，其响应于接收到触发信号并且在所述开关结束改变操作状态之前把电缆的信号线电耦合到预先确定的电压。

在系统耦合到三轴电缆的实施例中，保护电路还可以包括钳位电路，被构造为在钳位电路接收到触发信号之后把电缆的信号线电耦合到电缆的防护结构。

当不处于放电模式中时，保护电流可以改为把信号线与预先确定的电压隔离。

其它实施例包括操作方法。

附图说明

图1是图示本发明的实施例解决的引起开关或继电器损坏的原理的电路图。

图2是根据本发明的实施例的热开关保护电路的部分电路图。

图3是图示本发明的实施例如何支持低电流测量的功能框图。

图4是图示根据本发明的实施例的热开关保护电路的详细电路图。

图5是图示根据本发明的其它实施例的热开关保护电路的详细电路图。

图6是图示根据本发明的再其它实施例的继电器开关保护电路的详细电路图。

具体实施方式

本发明的实施例通过对存在于继电器一侧上的电压进行自动放电来防止热开关，由此消除热开关的可能性。这通过使用不被热开关损坏的辅助固态开关来完成。该解决方案防止这样的热开关而同时不显著地使低电流性能恶化。这是重要的，因为通常一个测试系统必须能够测试高电压和低电流两者，并且还必须具有可靠的继电器触点。

图1描绘由本发明的实施例所解决的问题。电容器101耦合到继电器110，继电器110包括电触点112和可移动衔铁（armature）114。当线圈被电压源120驱动时，衔铁可以被线圈116激发。如果当继电器110中的触点112闭合时电容器101被充电到一电压，则电容器101将随着触点打开或闭合而通过继电器突然放电，引起电弧和继电器100中的触点112的退化。要注意电容器101可以表示实际电容器，或则它可以替代地表示在连接到继电器触点的电缆上存在的寄生电容。

防止电容性充电的一种方法将是：把电阻器与电容器101并联放置。然而，在测试期间端子连接到DUT时，如果电阻太低，这将损害测量性能，并且如果电阻太高，将无法对电容器101进行快速放电。

另一解决方案将是用能够热开关的继电器代替继电器110。不幸的是，低电流测试系统以及高电压测试系统经常要求继电器不能热开关。此外，能够热开关的继电器在物理上通常大于不能热开关的继电器。因此，使用这些种类的继电器在高密度开关矩阵中不具有优势。

第三解决方案将是简单地检测电容器101两端存在的电压并且防止继电器开关直到该电压衰减到足够低电平。这个解决方案的第一个问题是：在一些情况中，依赖于线圈控制电路的设计，延迟线圈信号可能无法实现。第二，即使其是可能的，但是电容器101上的电压自然衰减所要求的时间将引起整个开关系统具有不合乎期望的慢开关性能。

图2是根据本发明的实施例的继电器热开关保护电路200的部分电路图。图2描绘常开继电器210的情况。来自电压源220的电压从低电压到高电压改变以激发继电器210的线圈216并且使主触点212闭合。这种改变用作对触发和隔离电路230的触发，基于触发，触发和隔离电路230闭合不被热开关损坏的辅助放电开关240。在这个实施例中，晶体管242和252把电容器201放电到地260。整体放电动作在来自电压源220的电压改变和继电器210通过移动衔铁214来实际上闭合触点212所花费的时间之间通过辅助开关240发生。

支持低电流测量的电路200的另一重要特征是：在使用晶体管242、252作为放电开关240的各个放电开关的图2中所示的实施例中，驱动晶体管242、252的电路与继电器210的触发和线圈电路隔离。如果电路未被隔离，放电开关240两端的大电压差可能在三轴电缆的防护结构上诱发显著的偏置电流，该三轴电缆耦合在仪器和DUT之间。在这种情况下，信号管脚和三轴电缆的防护结构之间的偏置电流将损害低电流测量性能。

该示例性电路的附加重要特征是：它支持低电流测量。图3示出这个配置。这里，继电器310是开关低电流三轴电缆370的防护结构和中心管脚的双触点继电器。触点312耦合到节点332，节点332耦合到三轴电缆370的信号管脚，而触点313耦合到节点334，节点334耦合到三轴电缆370的防护结构。为了对三轴电缆370的有效电容进行自动放电，同时不导致三轴中心管脚的泄漏，低泄漏钳位电路380把中心管脚连接到三轴防护结构。

为了测试期间的低电流性能，开关310闭合并且仪器390把节点334驱动到非常接近于节点332处信号的电压。在这个时间期间，钳位电路380应当优选地是不激活的，并且因此仅引起节点332、334之间的低泄漏。当未测试时，开关310打开，并且没有仪器直接驱动节点334。然而，中心管脚可以通过DUT来连接并且被充电到一电压。恰好在开关310再次为了另一次测试而闭合之前，钳位电路380激活，由此确保防护电压沿着中心管脚移动。在近似相同的时间，触发和放电电路360内的放电电路加入，并且钳位电路380以及触发和放电电路360内的放电电路一起提供低阻抗路径用于中心管脚和防护结构两者对地的放电。

图3的低泄漏钳位电路380存在几种可能的实施例。图4示出一实施例，其中低泄漏钳位电路被构造有与气体放电管并联的MOSFET开关。图5示出一实施例，其中低泄漏钳位电路由低泄漏反并联二极管形成。存在其它可能的钳位电路实施例。因此，当被继电器控制信号触发时，本发明的实施例使防护管脚以及还使中心管脚对地放电。

更详细地说，图4的钳位和放电电路400是图3中图示的钳位和放电电路的详细示例。钳位和放电电路400包括可以耦合到三轴电缆的中心线或信号管脚（未图示）的节点432以及可以耦合到三轴电缆的防护结构的节点434。在其它实施例中，钳位和放电电路可以改为耦合到同轴电缆，诸如下面参考图6描述的。

钳位和放电电路400包括四个区段或部分，其中每个区段执行不同的功能。钳位电路部分420与放电电路部分460协作地操作以形成针对耦合到信号和防护节点432、434的开关或继电器的保护电路。在保护或放电模式中，钳位电路部分420把信号和防护节点432、434电耦合在一起或紧密电耦合在一起，并且放电电路460把节点耦合到参考电压，诸如地电压。在低泄漏模式中，钳位电路420与放电电路460操作为使信号和防护节点432、434到地之间的任何电流泄漏最小化。钳位激活电路450驱动钳位电路420，而放电激活电路451驱动放电电路460。在图4中图示的实施例中，激活电路450、451是相同的，但在一些实施例中它们可以不同。

在操作中，当信号和防护节点432、434由仪器驱动时，晶体管422、424在节点432、434之间处于低泄漏状态。气体放电管440类似地提供低泄漏。在这个模式中，晶体管422和424关断，并且节点432、434由仪器驱动到几乎相同电压，从而导致非常小的电流泄漏。相反地，当电路400处于放电模式时，晶体管422和424接通，引起电路400通过晶体管422、424把信号节点432短路到防护节点434。在低泄漏模式中，当DUT充电达到信号和防护节点432、434时，气体放电管440通过限制晶体管422、424之间的电压来保护晶体管422、424，同时在低电压下添加小的附加电流泄漏。

如上面提到的，钳位和放电电路400的钳位电路420和放电电路460在两种模式中操作。在放电模式中，钳位激活电路450中和放电激活电路451中的触发信号变换状态，例如从低到高。这引起光耦开关454和455接通，这继而把存储在电容器456上的电压提供给钳位电路420中的晶体管422和424的栅极，并且还把存储在晶体管457上的电压提供给放电电路460中的晶体管462和464的栅极。这引起晶体管422、424、462和464接通，这通过钳位电路420把信号和防护节点432、434彼此紧密耦合，并且还通过放电电路460把该节点紧密耦合到地电压。电容器456和457尺寸上足够大以在不显著损失电压的情况下驱动它们相应的晶体管。

以这种方式，放电模式操作为保护耦合在仪器和DUT之间的开关或继电器，DUT连接到信号和防护节点422、424。更具体地说，当继电器闭合时或者在继电器闭合之前放电模式被激活，以使得来自DUT的任何杂散电压在继电器闭合之前对地放电。这保护继电器触点免于降级。当被用于保护开关时，放电模式排出来自开关自身的任何杂散电压，以使得当开关被接通或关断时高电流或高电压不超过开关的容量。放电模式在短时间窗口内操作，仅在继电器或开关改变状态之前开始并且在开关结束改变状态之后结束。在一个示例性实施例中，其中开关是机械继电器，改变状态花费继电器大约几百微秒和几毫秒之间。在这样的情况中，放电电路460在继电器开关状态之前开始放电。在一些实施例中，放电电路460可以在继电器结束开关状态之前或在继电器结束开关状态时从放电状态改变到低电平状态。以这种方式，在继电器触点闭合之前，放电电路460已完成把继电器触点上的电压减小到地或接近地。在其它实施例中，在继电器已完成开关状态之后，放电电路460可以在放电状态中保持达几百微秒到几毫秒，这在继电器可能经历反冲的时间期间确保保护。

当放电模式未被激活时，钳位电路420和放电电路460操作在低泄漏模式。在低泄漏模式中，钳位电路420和放电电路460操作为最小化它们的存在对来自DUT的信号具有的任何影响。更具体地说，在低泄漏模式中，光耦开关454和455打开，这使电容器456和457从它们相应的晶体管422、424和462、464断开。随着时间，来自晶体管422、424、462、464的栅极电压将衰减，这关断这些晶体管。

图3中图示的低泄漏钳位380的另一可能实施例是图5中示出的电路500的钳位电路部分520。这里，钳位包括一对反并联二极管542、544，其耦合在信号节点532和地节点534之间。在这个布置中，当耦合到节点532、534的仪器驱动信号节点532时，仪器也将把防护结构534驱动到与信号节点532几乎相同的电压。低泄漏二极管542、544将在节点532、534之间添加一点泄漏。在放电模式中，当信号节点532不被用于测试而是仍借助于连接到DUT连接被充电时，两个二极管542、544之一将导电，从而有效地将耦合到信号节点532的中心管脚连接到防护节点534，并且允许电路放电耦合到仪器的三轴电缆的中心管脚。在剩余的二极管上可能存在小的残余电压，但是这样的电压通常不表示损坏开关或继电器触点的足够能量。

如图4中图示的实施例那样，放电激活电路550驱动放电电路560。然而，不同于图4，仅图示了一个激活电路550，但是所实施的实施例可以包括两个这样的电路，如图4中所图示的那样。

图6是图示根据本发明的再其它实施例的热开关保护电路600的详细电路图。保护电路600耦合到同轴电缆，而不是图3-5中图示的三轴电缆。因为在同轴电缆中不存在防护结构，所以在保护电路600中不需要包括钳位电路。保护电路600把信号节点634耦合到同轴电缆的信号或中心管脚。在一些实施例中，诸如图6中图示的，同轴电路的屏蔽结构可以耦合到节点636处的地电压。

虽然出于说明的目的已经图示和描述了本发明的特定实施例，但是将被理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。因此，本发明不应当受除了如所附权利要求之外的限制。

Claims (17)

1.一种保护电路，耦合到系统中的开关，所述系统被构造为通过电缆耦合到测试下的设备，所述电缆包括信号线，所述保护电路包括：

触发信号接收器，在所述开关改变状态之前接收信号；以及

放电电路，被构造为：响应于接收到触发信号并且在所述开关结束改变操作状态之前把电缆的信号线电耦合到预先确定的电压。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其中所述电缆还包括防护结构，所述保护电路还包括：

钳位电路，被构造为：在钳位电路接收到触发信号之后把电缆的信号线电耦合到电缆的防护结构。

3.根据权利要求1所述的保护电路，其中所述开关是机械继电器。

4.根据权利要求1所述的保护电路，其中所述放电电路在未将电缆的信号线电耦合到预先确定的电压时改为把信号线与预先确定的电压隔离。

5.根据权利要求1所述的保护电路，其中所述放电电路包括：

第一MOSFET晶体管和第二MOSFET晶体管，具有彼此耦合的源极端子，第一晶体管的漏极耦合到电缆的信号线，并且第二晶体管的漏极耦合到预先确定的电压。

6.根据权利要求5所述的保护电路，其中第一晶体管的漏极通过钳位电路耦合到电缆的信号线，所述钳位电路被构造为在钳位电路接收到触发信号之后把电缆的信号线电耦合到电缆的防护结构。

7.根据权利要求1所述的保护电路，其中第一MOSFET晶体管包括多于一个晶体管，并且其中第二MOSFET晶体管包括多于一个晶体管。

8.根据权利要求5所述的保护电路，还包括：电容器，耦合到第一和第二MOSFET晶体管的栅极端子，并且其中电容器基于触发信号的状态可开关地耦合到栅极端子。

9.根据权利要求2所述的保护电路，其中所述钳位电路包括：

互补二极管结构，使第一二极管的阳极和第二二极管的阴极耦合到电缆的信号线，并且使第二二极管的阳极和第一二极管的阴极耦合到电缆的防护结构。

10.根据权利要求2所述的保护电路，其中所述钳位电路包括：

第一MOSFET晶体管和第二MOSFET晶体管，具有彼此耦合的源极端子，第一晶体管的漏极耦合到电缆的信号线，并且第二晶体管的漏极耦合到电缆的防护结构。

11.根据权利要求10所述的保护电路，还包括：

气体放电管，电耦合在电缆的信号线和防护结构之间。

12.一种在开关事件期间保护开关免于损坏的方法，系统的开关部分被构造为通过电缆耦合到测试下的设备，所述方法包括：

感测即将来临的开关事件；以及

在开关事件发生之前通过放电电路把开关节点连接到预先确定的电压，所述预先确定的电压被选择为防止损害开关。

13.根据权利要求12所述的在开关事件期间保护开关免于损坏的方法，其中通过放电电路把开关节点连接到预先确定的电压包括：使包括两个串联耦合的MOS晶体管的放电电路加入，两个串联耦合的MOS晶体管使它们的源极彼此连接，当操作时，所述放电电路被构造为把开关节点耦合到地参考。

14.根据权利要求12所述的在开关事件期间保护开关免于损坏的方法，其中所述开关是机械继电器。

15.根据权利要求12所述的在开关事件期间保护开关免于损坏的方法，还包括：

把电缆的信号线和电缆的防护结构彼此电耦合；以及

把电耦合的信号线和防护结构连接到预先确定的电压。

16.根据权利要求12所述的在开关事件期间保护开关免于损坏的方法，其中把电缆的信号线和电缆的防护结构彼此电耦合包括：

使包括两个串联耦合的MOS晶体管的钳位电路加入，两个串联耦合的MOS晶体管使它们的源极彼此耦合，当操作时，所述钳位电路被构造为把电缆的信号线和电缆的防护结构电耦合。

17.根据权利要求12所述的在开关事件期间保护开关免于损坏的方法，其中在开关事件发生之前通过放电电路把开关节点连接到预先确定的电压包括：在开关事件完成之前通过放电电路把开关节点连接到预先确定的电压。