CN105977904A - 电气保护器件以及电子器件的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明的各个实施例涉及电气保护器件以及电子器件的保护方法。一种电气保护器件，该电气保护器件包括输入线路、输出端子以及功率晶体管，该功率晶体管耦合在输入线路与输出端子之间。感测晶体管连接在输入线路与输出端子之间，并且具有主体端子。控制级耦合到功率晶体管和感测晶体管的对应的控制端子，并且被配置成将功率晶体管的第一电流限制于保护值。主体驱动级耦合到主体端子，并且被配置成根据功率晶体管的操作条件来偏置感测晶体管的主体端子。

Description

电气保护器件以及电子器件的保护方法

技术领域

本发明涉及电气保护器件以及电子器件的保护方法。

背景技术

众所周知，电子设备中通常会使用保护器件，该保护器件基本上用于避免电流过载以及可能由此引起的任何损坏。

非常常用的是传统保险丝，传统保险丝以优异的方式执行保护功能；但是，它们是不可逆的。显然，除非更换了熔断的保险丝，否则受保护器件的完整功能无法恢复。

为克服此问题，通常优选的是使用所谓的电子保险丝(电保险丝)。这种类型的器件充分利用功率MOSFET，该功率MOSFET被配置成限制可传递到受保护负载的最大电流。但是通常，过载的开始即会导致功率MOSFET饱和，并且以实质并且永久的方式修改电子保险丝的工作点，至少直到执行重置操作为止。如图1中所示，在实践中，只要功率MOSFET仍在欧姆区中，则随着负载(用I′表示)所需的电流增大，电子保险丝能够提供受限于保护值I_TRIP的电流I₀。过电流可能将功率MOSFET置于饱和状态下。最大电流有效地受限于保护值I_TRIP，但是功率MOSFET仍然处于饱和中，并且电子保险丝可以提供的最大饱和电流I_SAT小于保护值I_TRIP。为了恢复初始工作条件，在这种情况下，也必须执行重置操作。显而易见，如果受保护的器件的常规工作条件包括介于最大饱和电流I_SAT与保护值I_TRIP之间的电流，则在电子保险丝跳闸之后，除非执行重置操作，否则无法向受保护的器件适当地供电。

发明内容

本发明的目的是提供能够克服所述的限制的一种电气保护器件以及一种电子器件的保护方法。

根据本发明的一个实施例，提供了一种电气保护器件，该电气保护器件包括输入线路、输出端子以及功率晶体管，该功率晶体管耦合在输入线路与输出端子之间。感测晶体管耦合在输入线路与输出端子之间，并且具有主体端子。控制级耦合到功率晶体管以及感测晶体管的相应控制端子，并且被配置成将功率晶体管的第一电流限制于保护值。主体驱动级耦合到主体端子，并且被配置成根据功率晶体管的操作条件来偏置感测晶体管的主体端子。

附图说明

为更好地理解本发明，现在将纯粹地通过非限定的示例并且参考附图来描述本发明的一个实施例，其中：

图1是示出关于已知保护器件的电气量(electrical quantity)的图表；

图2是根据本发明的一个实施例的电子设备的混合框图和电气图，该电子设备包括保护器件；

图3是示出关于图2中的保护器件的电气量的图表；以及

图4是图2中的保护器件的一个部件的截面图。

具体实施方式

参见图2，电子设备1包括根据本发明的一个实施例的受保护的电子器件2和保护器件3。

受保护的电子器件2可以是需要避免遭受过电流的任何类型的电子器件。作为非限定的示例，受保护的电子器件2可以是硬盘或者USB供电单元。

保护器件3从电源5接收输入电压V_IN，该电源位于电子设备1的内部(例如，电池)或者外部(例如，市电电力线)；并且向受保护的电子器件2提供输出电流I_OUT。

保护器件3包括输入线路8、功率晶体管10、感测晶体管11、电荷泵12、控制级电路或控制级13、主体驱动级电路或主体驱动级15以及输出端子17。

输入线路8连接到电源5，以便接收输入电压V_IN。

在一个实施例中，功率晶体管10是N-沟道MOS晶体管，并且其漏极端子耦合到输入线路8，并且其源极端子耦合到输出端子17。在所描述的示例中，功率晶体管10的漏极到源极电压由输入电压V_IN与输出端子17上的输出电压V_OUT之间的差值给出。功率晶体管10的栅极端子耦合到控制级13的输出，并且通过电阻器14耦合到电荷泵12的输出。此外，功率晶体管10的源极端子与其相应的主体端子短路。功率电流I_P流过功率晶体管10，并且受限于保护值I_TRIP(另参见图3的段落，该附图示出了功率电流I_P(用实线表示)随着受保护的电子器件2所需的电流(用虚线表示)的增大的变化)。

在一个实施例中，感测晶体管11是低压N-沟道MOS晶体管，并且该感测晶体管的宽长比(aspect ratio)相较于功率晶体管10的宽长比小了系数K。此外，感测晶体管11是具有四个可用端子的晶体管。如图4中所示，具体而言，感测晶体管11具有：位于具有第二导电型(此处为P型)主体区域22中的全部都具有第一导电型(此处为N+型)的源极区域20和漏极区域21。栅极区域23布置在主体区域22上、介于源极区域20与漏极区域21之间。通常，在MOS晶体管中，源极区域和主体区域短路，如同功率晶体管10的情况一样(再次参见图4，该附图示出了功率晶体管10的源极区域40、漏极区域41、栅极区域42和主体区域43，以及分别用10a、10b和10c表示的源极端子、漏极端子和栅极端子)。然而，在感测晶体管11中，除了源极端子、漏极端子和栅极端子(分别用11a、11b和11c表示)之外，还提供了一个单独的主体端子11d，用于独立于源极区域20和栅极区域21地偏置主体区域22。

再次参见图2，感测晶体管11的漏极端子11b耦合到输入线路8，并且其源极端子11a通过电阻性感测元件25耦合到输出端子17，该电阻性感测元件构成控制级13的一部分。感测晶体管11的栅极端子11c耦合到电荷泵12的输出以及控制级13的输出。然而，主体端子11d耦合到主体驱动级15的输出。感测电流I_S流过感测晶体管11。

电荷泵12耦合到输入线路8，并且可以根据控制级13的状态而被致动，以驱动功率晶体管10和感测晶体管11。

控制级13包括上文已提及的电阻性感测元件25，并且还包括控制放大器26和参考电压发生器27，该参考电压发生器提供参考电压V_REF。电阻性感测元件25和参考电压发生器27具有共同的端子，具体而言连接到输出端子17，并且各自具有连接到控制放大器26的对应的输入的另外的端子。控制放大器26的输出连接到功率晶体管10的栅极端子以及感测晶体管11的栅极端子11a，并且通过电阻器14连接到电荷泵12的输出。控制放大器26被配置成根据电阻性感测元件25的电压，来驱动功率晶体管10的栅极端子以及感测晶体管11的栅极端子。

主体驱动级15被配置成根据功率晶体管的漏极到源极电压来偏置感测晶体管11的主体端子11d(图4)，从而避免流经功率晶体管10的电流在功率晶体管10本身变为饱和状态时被过度限制。在一个实施例中，具体而言，主体驱动级15被配置成偏置感测晶体管11的主体端子11d，以便功率晶体管10的功率电流I_P与感测晶体管11的感测电流I_S之间的比率大体上恒定。

在一个实施例中，主体驱动级15包括按照跟随器配置的形式的主体驱动放大器31和感测网络30。感测网络30可以包括电阻器33和电流发生器34，该电阻器和电流发生器串联在输出端子17与处于恒定电势下(例如，处于接地电势下)的线路35之间。具体而言，电阻器33连接到输出端子，而电流发生器34连接到恒定电势线路35。

主体驱动放大器31具有：第一输入31a，具体而言，该第一输入是非反向的输入，连接到介于电阻器33与电流发生器34之间的中间节点；以及第二输入31b，具体而言，该第二输入是反向的输入，直接连接到输出；从而，获得跟随器配置。

主体驱动放大器31的输出还耦合到感测晶体管11的主体端子11d，并且使得能够向主体区域22施加主体电压V_B。

电流发生器34供应恒定电流I_C，并且因此在主体驱动放大器31的第一输入31a上存在等于(V_OUT-R₀I_C)的驱动电压V_D，其中R₀是电阻器33的电阻。鉴于对输出电压V_OUT的依赖性，所以主体驱动放大器31的第一输入31a上的电压，指示了功率晶体管10的漏极到源极电压，并且从而指示了功率晶体管10的状态(在欧姆区域中的操作，或者在饱和状态下的操作)。此外，由于主体驱动放大器31按照跟随器配置的形式、并且作为缓冲器操作，所以主体电压V_B等于驱动电压V_D。

起初，功率晶体管10和感测晶体管11在输出电流I_OUT，处于标称值范围内的条件下被偏置以在欧姆区域中操作。在这些条件下，通过感测晶体管11的感测电流I_S根据系数K与通过功率晶体管10的功率电流I_P成比例。

只要由电阻性感测元件25上的感测电流I_S决定的电压小于参考电压V_REF(图3)，那么控制放大器26(图2)就完全不平衡，并且在与电荷泵12共同操作的情况下，驱使功率晶体管10和感测晶体管11在欧姆区域中操作。如果受保护的电子器件2所需要的输出电流I_OUT增大(例如，根据图3中的斜线)，则控制放大器26调整功率晶体管10和感测晶体管11的栅极端子上的电压，从而使得电阻性感测元件25上的电压将不超过参考电压V_REF。当功率电流I_P达到保护值I_TRIP时，具体而言，可得出下式：

V_REF＝R_SI_S

其中R_S是电阻性感测元件25的电阻。

如果R_ONP和R_ONS分别是功率晶体管10和感测晶体管11(在欧姆区域中)的导通状态电阻，则通过向包括功率晶体管10、感测晶体管11和电阻性感测元件25的网孔应用基尔霍夫电压定律，可得出下式：

$I_P=\frac{R_S+R_{ONS}}{R_S{R}_{ONP}}{V}_{REF}---\left(1\right)$

如果将感测晶体管11与功率晶体管10之间的几何比率K_A限定如下

K_A＝R_ONS/R_ONP (2)

那么，根据方程式(1)，可得出下式：

$I_P=K_A\frac{V_{REF}}{R_S}(1+\frac{R_S}{K_A{R}_{ONP}})---\left(3\right)$

如果将功率电流I_P(处于保护值I_TRIP)与感测电流I_S之间的比率指定为K_TRIP，那么根据方程式(1)和(3)可得出下式：

$K_{TRIP}=\frac{I_P}{I_S}=K_A+\frac{R_S}{R_{ONP}}=\frac{R_{ONS}+R_S}{R_{ONP}}---\left(4\right)$

因此，可得出功率电流I_P的保护值I_TRIP

$I_{TRIP}=K_{TRIP}\frac{V_{REF}}{R_S}---\left(5\right)$

如果受保护的电子器件2的电流要求进一步增大，则功率晶体管10进入饱和区域，并且输出电压V_OUT减小，从而避免所提供的输出电流I₀进一步增大。

在饱和区域中，功率晶体管10和感测晶体管11的操作由以下定律描述：

$\begin{array}{c}{I}_P=\frac{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{ON}}{2}\frac{W_P}{L_P}{\left(V_{GSP}-V_{TP}\right)}^2\left(1+{\mathrm{\λV}}_{DSP}\right)=\\ =\frac{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{OX}}{2}\frac{W_p}{L_p}{\left(V_{GSS}+V_{REF}-V_{TP}\right)}^2(1+{\mathrm{\λV}}_{DSS}\\ +V_{REF})\end{array}---\left(6\right)$

$I_S=\frac{{\mathrm{\μ}}_N{C}_{OX}}{2}\frac{W_S}{L_S}{(V_{GSS}-V_{TS})}^2(1+{\mathrm{\λV}}_{DSS})---\left(7\right)$

其中：

V_GSP、V_DSP、V_TP、W_P和L_P分别是功率晶体管10的栅极到源极电压、漏极到源极电压、阈值电压、沟道宽度和沟道长度；

V_GSS、V_DSS、V_TS、W_S和L_S分别是感测晶体管11的栅极到源极电压、漏极到源极电压、阈值电压、沟道宽度和沟道长度；

μ_N是多数载流子(此处为电子)的迁移率；

C_OX是每单位面积的栅极氧化物电容；以及

λ是考虑到根据漏极到源极电压进行的沟道调制的效果的系数。

方程式(6)和(7)是在考虑到以下条件的情况下得出的：功率晶体管10栅极到源极电压和感测晶体管11的栅极到源极电压的差值等于电阻性感测元件25上的电压，并且当晶体管10、11在饱和区域中操作时，所述电压等于参考电压V_REF。换言之，可得出下式：

V_GSD＝V_GSS+V_REF

在晶体管10、11处于饱和状态(当保护器件3跳闸以限制流向受保护的电子器件2的输出电流I₀时，会发生的条件)下的情况下，功率电流I_D与感测电流I_S之间的饱和比率K_SAT由下式表示：

$\begin{array}{c}{K}_{SAT}=\frac{I_P}{I_S}\\ =K_A\frac{{(V_{GSS}+V_{REF}-V_{TP})}^2}{{(V_{GSS}-V_{TS})}^2}\frac{1+{\mathrm{\λV}}_{DSS}+V_{REF}}{1+{\mathrm{\λV}}_{DSS}}\end{array}---\left(8\right)$

如果忽略沟道调制效应，并且将过驱动电压V_OD限定为

V_OD＝V_GSS–V_TS (9)

则方程式(8)可以改写如下：

$K_{SAT}=K_A\frac{(V_{OD}+V_{REF}+V_{TS}-V_{TP})}{{V_{OD}}^2}---\left(10\right)$

如果也忽略阈值电压之间的差值，可得出下式：

$K_{SAT}=K_A{(1+\frac{V_{REF}}{V_{OD}})}^2---\left(11\right)$

其中，一旦通过将其按麦克劳林级数展开而近似，则可得出下式：

$K_{SAT}=K_A(1+2\frac{V_{REF}}{V_{OD}})---\left(12\right)$

处于饱和状态下的功率晶体管10可提供的最大电流，以下称为饱和电流I_PSAT，由以下关系式表示：

$I_{PSAT}=K_{SAT}{I}_S=K_{SAT}\frac{V_{REF}}{R_S}---\left(13\right)$

从方程式(5)和(13)，可以显而易见地看出，如果满足以下条件，则饱和电流I_PSAT具有保护值I_TRIP：

K_SAT＝K_TRIP (14)

基于方程式(4)和(12)，当满足下式时，满足条件(14)：

$V_{TS}=V_{GSS}-2\frac{R_{ONS}}{R_S}{V}_{REF}---\left(15\right)$

感测晶体管11的阈值电压V_TS又由源极区域20与主体区域22之间的电压决定，该电压由主体驱动级15通过主体端子11d设定。

在实践中，主体驱动级15使得能够根据功率晶体管10的操作条件(特别是，当功率晶体管10进入饱和区域中时)，来修改感测晶体管11的阈值电压V_TS。事实上，功率晶体管10进入饱和区域，会导致该功率晶体管的漏极到源极电压增大，并且输出电压V_OUT相应地减小，该输出电压由感测网络30检测并且通过主体驱动级15发送回到饱和晶体管11的主体端子11d。通过这种方式，通常由于达到饱和区域而引发的功率晶体管10的功率电流I_P的下降，在主体驱动级15的动作下得到了有效的补偿和消除。而且，在限制条件下，功率晶体管10因此而仍然能够提供等于保护值I_TRIP的电流。主体驱动级15以充分的近似来确保条件(15)得到满足。但是，主体驱动级结构15并一定是在图2中作为非限制性示例而图示的这一结构。

保护器件3的电流限制条件是进一步可逆的，而不需要任何重置动作。因此，一旦负载所需的(即，受保护的电子器件2所需的)过电流条件停止，那么保护器件3可以转换到正常操作条件。

最后，显而易见，可以在不脱离本发明的范围的前提下，对本说明书中所述的器件和方法进行修改和改变。

首先，显然，感测电路可以以互补的方式实施，其中部件的导电性、电压和电流与所描述的相反。

此外，可以得到这样一种感测网络，该感测网络以不同的方式提供指示功率晶体管的栅极到源极电压的电气量。例如，恒定电流发生器可以是可调整的，以便校准主体驱动级的动作。感测网络可以也包括分压器。

主体驱动放大器可以具有非单位的增益，并且不一定按仅仅具有缓冲功能的跟踪器构造。

以上描述的多个实施例可以相互结合，以提供其他实施例。本说明书中引用的以及/或者申请表格中列出的所有美国专利、美国专利申请公开案、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利公开案，均以全文引用的方式并入本申请中。在必要的情况下，可修改各个实施例的各个方面，以实施不同专利、申请和公开案的概念，从而提供另一些其他实施例。

可以根据以上详述的说明，对各个实施例做出这样的和其他的改变。通常，在随附的权利要求书中，所使用的术语不应被解释为限制对说明书和权利要求书中公开的具体实施例的权利主张，而是应视作包括所有可能的实施例，同时包括该权利要求要求权利的等同物的全部范围。因此，权利要求书不受限于本公开。

Claims (20)

1.一种电气保护器件，包括：

输入线路；

输出端子；

功率晶体管，所述功率晶体管耦合在所述输入线路与所述输出端子之间；

感测晶体管，所述感测晶体管耦合在所述输入线路与所述输出端子之间，并且具有主体端子；

控制级电路，所述控制级电路耦合到所述功率晶体管和所述感测晶体管的相应的控制端子，并且被配置成将所述功率晶体管的第一电流限制于保护值；以及

主体驱动级电路，所述主体驱动级电路耦合到所述主体端子，并且被配置成，根据所述功率晶体管的操作条件，来偏置所述感测晶体管的所述主体端子。

2.根据权利要求1所述的保护器件，其中所述主体驱动级电路被配置成，根据所述功率晶体管的导电端子之间的电压，来偏置所述感测晶体管的所述主体端子。

3.根据权利要求1所述的保护器件，其中所述主体驱动级电路被配置成，偏置所述感测晶体管的所述主体端子，从而使得：在所述功率晶体管从欧姆区域操作条件转换到饱和操作条件时，所述感应晶体管的阈值电压的绝对值增大。

4.根据权利要求1所述的保护器件，其中所述主体驱动级电路被配置成，偏置所述感测晶体管的所述主体端子，从而补偿由于所述功率晶体管从欧姆区域操作条件转换到饱和操作条件而引发的所述感测晶体管的所述第一电流的下降。

5.根据权利要求1所述的保护器件，其中所述主体驱动级电路包括：

感测网络电路，所述感测网络电路提供了指示所述输出端子上的输出电压的电压；以及

主体驱动放大器，所述主体驱动放大器具有耦合到所述感测网络的输入、以及耦合到所述感测晶体管的所述主体端子的输出。

6.根据权利要求5所述的保护器件，其中所述主体驱动放大器按照跟随器配置的形式。

7.根据权利要求6所述的保护器件，其中：

所述功率晶体管具有分别连接到所述输入线路和所述输出端子的导电端子；

所述感测网络电路包括电阻器和电流发生器，所述电阻器和所述电流发生器串联在所述输出端子与恒定电势线路之间；并且

所述主体驱动放大器的输入连接到介于所述感测电阻器与所述电流发生器之间的中间节点。

8.根据权利要求1所述的保护器件，其中所述控制级电路包括控制放大器，所述控制放大器被配置成，根据通过所述感测晶体管的第二电流，来驱动所述功率晶体管的和所述感测晶体管的栅极端子。

9.根据权利要求8所述的保护器件，

其中所述控制级电路包括：电阻性感测元件，所述电阻性感测元件位于所述感测晶体管与所述输出端子之间；以及参考发生器，所述参考发生器提供参考电压，并且具有第一端子，所述第一端子与所述参考电阻性元件的第一端子相同；并且

其中所述控制放大器具有连接到所述电阻性感测元件的第二端子的第一输入端子、以及连接到所述参考发生器的第二端子的第二输入端子。

10.根据权利要求1所述的保护器件，其中所述功率晶体管和所述感测晶体管是MOS晶体管，并且所述感测晶体管的宽长比小于所述功率晶体管的宽长比。

11.一种电子设备，所述电子设备包括：

电子器件；以及

保护器件，所述保护器件包括耦合到所述电子保护器件的输出节点，所述保护器件进一步包括：

输入节点，所述输入节点被配置成接收输入电压；

功率晶体管，所述功率晶体管具有耦合在所述输入节点与所述输出节点之间的导电节点，并且所述功率晶体管包括控制节点；

感测晶体管，所述感测晶体管具有耦合在所述输入节点与所述输出节点之间的导电节点，并且所述感测晶体管包括控制节点和主体节点；

控制级电路，所述控制级电路耦合到所述功率晶体管的和所述感测晶体管的控制节点，所述控制级调整所述控制节点上的控制信号的值，以将通过所述功率晶体管的第一电流限制于电流保护值；以及

主体驱动级电路，所述主体驱动级电路耦合到所述感测晶体管的所述主体节点，所述主体驱动级电路在所述主体节点上生成具有根据所述功率晶体管的操作条件的值的偏置信号，用于偏置所述感测晶体管的所述主体节点。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述主体驱动级电路被配置成，生成具有根据所述功率晶体管的所述导电节点之间的电压的值的所述偏置信号。

13.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述主体驱动级电路被配置成，响应于所述功率晶体管从欧姆区域操作条件转换到饱和区域操作条件，而生成所述偏置信号，用于控制所述感测晶体管的阈值电压。

14.根据权利要求11所述的电子设备，所述电子设备进一步包括电压源，所述电压源耦合到所述输入节点，以在所述输入节点上提供输入电压、并且向所述电子器件提供输出电流。

15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述电压源是以下各项中的一项：位于所述电子设备内部的电池、或者位于所述电子设备外部的市电电力线。

16.一种保护电子器件的方法，所述方法包括：

将功率晶体管和感测晶体管连接在输入线路与输出端子之间；

驱动所述功率晶体管的和所述感测晶体管的相应的控制端子，以便将所述功率晶体管的第一电流限制于保护值；以及

根据所述功率晶体管的操作条件，来偏置所述感测晶体管的主体端子。

17.根据权利要求16所述的方法，其中偏置所述感测晶体管的所述主体端子包括：根据所述功率晶体管的导电端子之间的电压，来向所述主体端子施加主体电压。

18.根据权利要求16所述的方法，其中偏置所述感测晶体管的所述主体端子包括：检测指示所述输出端子上的输出电压的电压，以及确定根据所述输出电压的所述主体电压。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述感测晶体管的所述主体端子被偏置，从而使得：响应于所述功率晶体管从所述欧姆区域操作条件转换到饱和操作条件，所述感应晶体管的阈值电压的绝对值增大。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述主体驱动级包括：感测网络，所述感测网络提供了指示所述输出端子上的输出电压的电压；以及主体驱动放大器，所述主体驱动放大器具有耦合到所述感测网络的输入、以及耦合到所述感测晶体管的所述主体端子的输出。