CN106233628A - 器件输入保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于保护输入电路的部件的输入保护电路。该输入保护电路包括可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得该电路能够在具有较小电流的正常操作范围中运转。齐纳二极管能够测量电路的电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）以避免模拟信号输入的影响。如果电压输入小于齐纳二极管击穿电压，则MOSFET断开。如果电压输入高于齐纳二极管击穿电压，则齐纳二极管击穿，电流经由MOSFET直接流到地。如果电流高于可复位熔丝跳闸电流，则可复位熔丝将关断，直到可复位熔丝被复位为止。在可复位熔丝被复位之后保护电路重启。
Description
技术领域
实施例一般地涉及电路和输入信号。实施例还涉及电源和其它电路，并且涉及保护电路及部件。
背景技术
模拟输入是通常由传感器生成并由控制器接收的具有定义范围的可测量电信号。模拟输入能够以与所测量的属性有关的可定义的方式连续地变化。由某些类型的传感器所生成的模拟信号可能需要通过转换到较高水平标准信号来调节，所述较高水平标准信号被以电子方式传输到接收控制器。
可以经由通常位于控制器处或者与控制器相关联的A/D（模数）转换器将模拟输入转换成数字信号。可以将模拟输入信号划分成三种基本类型的信号：电压、电流和电阻。例如，在工业控制产品中，可能需要非常高的频率以将模拟电流输入和模拟电压输入用作信号输入。这样的输入在环境温度（例如40℃到75℃）下需要非常高的精确度（例如0.1%）。
图1图示了常规的模拟输入电路100的示例性示意图，模拟输入电路100未被提供有保护电路。在图1中示出的场景中，作为示例，可以利用电阻器110（例如250欧姆）来将模拟电流输入电路100接地。电阻器110连接到开关108，其继而连接到地。电阻器110还电连接到输入106和电阻器116。电容器112连接到地并且连接到电阻器116和电阻器118。电容器114连接到地和电阻器118，电阻器118继而电连接到A/D转换器120。输出126连接到节点128，节点128为来自A/D转换器120的输出并且继而又连接到A/D转换器120的负输入。
与电阻器110相关联的电阻能够在具有电流输入（例如4-20mA）情况下导致电压，而A/D转换器120能够被用来读取该电压。与这样的模拟电路100相关联的关键问题在于当高功率信号（例如高达30V）被错误地引入到电路100中时，250欧姆的电阻110可能被损坏，这是因为电阻的最大功率耗散通常小于例如3.6W（P=U*U/R=30*30/250=3.6W）。一般而言，可以利用0.5W的电阻，因为3.6W的电阻导致非常大的电路封装，使得其最大电流例如是44.7mA并且电压例如是11.2V。这样的模拟电路100不限制电压和电流输入信号并且可能实际上损坏内部电路。
基于以上内容，认为存在对用于通过限制电压和电流输入信号来保护输入电路和其它部件（例如电源等）的改进的保护电路的需要，正如将在本文中更详细地描述的那样。
发明内容
以下的概述被提供来促进对所公开的实施例特有的创新性特征中的一些的理解，并且不意在全面描述。通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体能够获得对本文中所公开的实施例的各个方面的全面领会。
因此，所公开的实施例的一个方面是提供改进的输入电路。
所公开的实施例的另一方面是提供用于通过限制电压和/或电流输入信号来保护输入电路的改进的保护电路。
如本文所描述的，现在能够实现上述方面和其它的目的及优点。本文中公开了用于保护输入电路的部件的输入保护电路。该保护电路一般地可以包括可复位熔丝（resettable fuse），其充当电流限制集成电路或者帮助提供电流限制集成电路以维持最大电流，使得输入电路在较小电流情况下以正常方式运转。可以包括齐纳二极管以测量电路的电压并控制金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）以避免信号输入的影响。如果电压输入（Vin）小于齐纳二极管击穿电压，则MOSFET断开。如果电压输入（Vin）高于齐纳二极管击穿电压，则齐纳二极管击穿，电流经由MOSFET直接流到地。如果电流高于可复位熔丝跳闸电流（例如在23℃时0.34A），则可复位熔丝可以关断，直到可复位熔丝被复位为止。在可复位熔丝被复位之后保护电路能够重启。这样的保护电路能够限制输入电路的电压输入和电流输入并且保护内部电路部件不受损坏。
附图说明
附图进一步图示了本发明并且与本发明的详细描述一起服务于解释本发明的原理，附图中，在不同的视图中由始至终相似的附图标记指的是相同的或功能上类似的元件，并且所述附图被并入并且形成说明书的部分。
图1图示了常规输入电路图的示意图；
图2图示了根据优选实施例的具有电连接到保护电路以限制电压和电流输入的输入电路的器件电路的示意图；
图3图示了根据实施例的齐纳二极管的电流-电压特性图；
图4图示了根据实施例的MOSFET的电流-电压特性图；以及
图5图示了根据可替换的实施例的具有输入功率保护器件的器件电路。
具体实施方式
在这些非限制性示例中所讨论的特定值和配置可以变化，并且仅仅被引用来说明至少一个实施例且不意在限制其范围。
现在将在下文中参照附图更加全面地描述实施例，附图中示出了本发明的说明性实施例。本文中所公开的实施例可以以许多不同的形式体现并且不应当被解释为限于本文中所陈述的实施例；而是，提供这些实施例来使得本公开内容将是全面而完整的，并且将本发明的范围完全地传达给本领域技术人员。相似的附图标记由始至终指代相似的元件。正如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联列出的项目中的一个或多个的任何和全部组合。
本文中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且不意在限制本发明。正如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或附加。
图2图示了根据优选实施例的器件电路202的示意图，器件电路202包括电连接到保护电路200以限制电压和电流输入的输入电路100。注意，在图1-4中，相同或相似的块一般由相同的附图标记指示。应当进一步领会，在这样的图中示出的任何数字值（例如欧姆、电阻等）仅仅出于说明性目的而提供，并且不视为对所公开的实施例的限制。
电连接到输入电路100的保护电路200一般地包括输入208（其与图1中所示的输入106类似），所述输入208电连接到聚合物正温度系数器件和/或可复位熔丝210，聚合物正温度系数器件和/或可复位熔丝210继而电连接到齐纳二极管220，所述齐纳二极管220继而连接到电阻器222。熔丝210继而连接到晶体管230（例如MOSFET），所述晶体管230继而连接到地和电阻器222。电阻器222也连接到地。齐纳二极管220、MOSFET 230和熔丝210连接到电阻器110和116。从这点来说，剩余的电路部件类似于图1中所示的那些。
保护电路200通过防止最大电流和电压大于功能电阻（或定义的电阻）来保护与电阻器110相关联的电阻不损坏该电路。保护电路200可以包括促进对电路100的其它部件的保护的合适的电路系统和/或其它电气部件（例如二极管、晶体管等）。因此，可以领会的是，在图2中未示出的附加电气部件可以添加到电路100/200，这取决于设计的考虑。保护电路200防止相对高幅度的信号（例如电压信号、电流信号等）被提供到可能被这样的信号所损坏的下游部件（例如模数转换器120）。
保护电路200因此一般地包括聚合物正温度系数器件和/或可复位熔丝210来作为电流限制IC。聚合物正温度系数器件（PPTC，通常称为可复位熔丝、聚合物熔丝（polyfuse）或聚合物开关（polyswitch））是无源电子部件，其能够被采用来保护不受电子电路中的过电流故障的侵害。例如，聚合物PTC器件210可以包括非导电结晶有机聚合物基体，其加载有炭黑粒子以使得它导电。在较凉时，聚合物处于结晶态，其中迫使碳进入晶体之间的区域中，从而形成许多导电链。由于该器件是导电的（即“初始电阻”），因此它能够传递称作“保持电流”的给定电流。如果通过该器件传递了过多电流（即“跳闸电流”），则该器件将开始变热。随着器件210变热，聚合物将膨胀，从结晶态改变到无定形态。
这种膨胀使碳粒子分离并且使导电通路断裂，从而使器件210的电阻增加。这继而将使器件210更快地变热并且膨胀得更多，进一步提高电阻。这种电阻的增加相当大地降低了电路100中的电流。小电流仍然流过器件210并且足以把温度维持在如下水平处：该水平将把该器件保持在高电阻态。可以认为器件210具有锁存功能。注意，PTC 210可以是例如PTC 1812L014（Littelfuse）部件，这取决于设计考虑。PTC 210提供了例如在-40℃时0.23A和在85℃时0.06A的最大保持电流，因此保护电路200正常在小于0.06A的情况下运转良好。
保护电路200电路可以另外包括齐纳二极管220以测量电路100的电压并且控制或允许功率MOSFET 230断开或闭合。齐纳二极管220可以是例如低漏电流齐纳二极管以避免模拟信号输入的影响。
图3图示了根据实施例的齐纳二极管220的示例性电流-电压特性图300。图3中示出的图300绘制了x轴电压数据304与y轴电流数据302以产生指示正向电流的曲线306、指示漏电流的曲线310和指示雪崩电流的曲线312。相对于曲线312示出了反向电压并且相对于漏电流曲线310在x轴上示出了击穿电压308。
齐纳二极管220是允许电流在正向方向上以与理想二极管相同的方式流动的二极管，但是当电压高于称为击穿电压、“齐纳膝处电压”、“齐纳电压”、“雪崩点”、或“峰值反向电压”的某一值时还准许电流在反向方向上流动。注意，齐纳二极管220的一个示例为BZV55C9V1（D1）部件，该部件具有通常大约9.1V的击穿电压和大约0.5uA的最大漏电流。在本文中指示这样的值仅仅是出于说明性的目的，并且不视为限制所公开的实施例的特征。
图4图示了根据实施例的关联的MOSFET 230的示例性电流-电压特性图400。图400绘制了在x轴上的漏源电压数据406与在y轴上的漏电流数据402。在图400中相对于曲线408、410和412示出了代表性数据。
金属氧化物半导体场效应晶体管230（MOSFET、MOS-FET或MOS FET）是用于放大或切换电子信号的晶体管。尽管MOSFET是具有源极（S）、栅极（G）、漏极（D）和体（B）端子的四端子器件，但MOSFET的体（或衬底）通常连接到源极端子，使得它成为像其它场效应晶体管那样的三端子器件。因为这两个端子通常在内部彼此连接（短路），因此在电气图中仅出现三个端子。MOSFET 230目前为止是在数字和模拟电路二者中最常见的晶体管。
注意，MOSFET 230可以是例如低漏电流MOSFET以避免模拟信号输入的影响。MOSFET 230可以是例如NTR5198NL，其具有的VDSS最大值为60V；Vgs最大为±20V；它的最大DS电流在100℃时为0.4W/0.205Ω2A；并且漏电流在85℃处非常低（约20nA），如图4中所示。如果电压输入（Vin）小于9.1V（VZ），则齐纳二极管220不能工作，所以功率MOSFET 230断开。如果电压输入（Vin）大于9.1V，齐纳二极管220将击穿。R1的电压可以如以下在等式（1）中所示的那样定义：
VR1=Vin-Vz
Vgs (Q1) = VR1= Vin-Vz > VGS(th) (最大值 =2.34V) (1)
然后，MOSFET 230能够闭合并且VDS=0V。电流能够通过MOSFET 230直接流到地，并且其与Vin被短路到功率地类似。如果电流大于PTC 210跳闸电流（在23℃时为0.34A），则PTC 210将关断，直到PTC 210被复位为止。保护电路200能够在PTC 210被复位为“良好（fine）”之后重启运转。保护电路200在保护内部电路100部件不受损坏的同时限制输入信号的电压输入和电流输入。保护电路200配置和操作低廉，这是因为例如PTZ/齐纳/MOSFET装置的原因。
保护电路200可以被容易地适配成限制电压和电流输入，同时还易于组装，并且导致比较低的构造成本。保护电路200保护内部电路100的部件并且避免由常规配置所引起的损坏。
图5图示了根据可替换的实施例的具有输入功率保护器件500的器件电路504的示意图。器件电路504的配置包括电源550，电源550经由输入节点502耦合到输入功率保护器件500，所述输入功率保护器件500继而在节点512处向负载540提供输出。输入功率保护器件500一般地包括过电流保护部分，过电流保护部分电连接到过电压检测与控制电路200和泄放（bleed off）电流电路508，所述泄放电流电路508继而连接到地506。
因此，之前所讨论的电路200或其变形可以被合并到器件电路504的设计中。图5的意义在于所公开的实施例不仅可以被用在例如模拟输入电路的情境中，而且用于保护诸如例如电源和其它电路之类的其它器件和部件。
图5中所示的设计提供了一种独特的解决方案，其中不需要控制过电流保护部分并且在过电流发生时发生自动的切断。此外，这样的设计仅包括过电压检测功能，不包括实际的电压保护电路。泄放电流电路508可以被用于直接泄放电流并且能够包括例如之前所讨论的MOSFET 110以将节点504短路到地506，使得泄放电流非常大。当泄放电流电路508运转时，电流初始被增加到非常大的值，这是因为其使用短路到地506的节点输出512。然后，电流下降到零，并且当电流较高时上升到过电流值。
基于上文，可以领会到本文中公开了优选的和可替换的许多实施例。例如，在一个实施例中，可以实现输入保护电路，其包括可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得该电流限制集成电路在具有较小电流的正常范围中运转；以及齐纳二极管，其测量输入电路电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管以避免信号输入的影响并且由此限制与输入电路相关联的电压输入和电流输入，同时保护输入电路的部件不受损坏。
在另一实施例中，齐纳二极管可以是低漏电流齐纳二极管。在又一实施例中，金属氧化物半导体场效应晶体管可以是低漏电流金属氧化物半导体场效应晶体管。在再一个实施例中，如果电压输入小于齐纳二极管击穿电压，则金属氧化物半导体场效应晶体管断开。在另一实施例中，如果电压输入大于齐纳二极管击穿电压，则齐纳二极管击穿，电流通过金属氧化物半导体场效应晶体管直接流到地。
在另一实施例中，如果电流大于与可复位熔丝相关联的可复位熔丝跳闸电流，则可复位熔丝可以被自动地关断，直到可复位熔丝被复位为止。在再一个实施例中，在可复位熔丝被复位到良好值之后保护电路重启电路运转。在另一实施例中，齐纳二极管可以是低漏电流齐纳二极管并且其中金属氧化物半导体场效应晶体管包括低漏电流金属氧化物半导体场效应晶体管。
在又一实施例中，如果电压输入大于齐纳二极管击穿电压，则齐纳二极管击穿，电流通过金属氧化物半导体场效应晶体管直接流到地。在再一个实施例中，如果电流大于与可复位熔丝相关联的可复位熔丝跳闸电流，则可复位熔丝可以被自动地关断，直到可复位熔丝被复位为止。
在再一个实施例中，可以提供输入保护电路，其包括可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得电流限制集成电路在具有较小电流的正常范围中运转；以及齐纳二极管，其测量输入电路电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管以避免信号输入的影响并且由此限制与输入电路相关联的电压输入和电流输入，同时保护输入电路的部件不受损坏，其中齐纳二极管包括低漏电流齐纳二极管。
在另一实施例中，可以提供模拟输入保护电路，其包括可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得电流限制集成电路在具有较小电流的正常范围中运转；以及齐纳二极管，其测量模拟输入电路电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管以避免模拟信号输入的影响并且由此限制与模拟输入电路相关联的电压输入和电流输入，同时保护模拟输入电路的部件不受损坏。
将领会到的是，上文所公开的和其它的特征及功能的变形或其替换可以按期望被组合到许多其它不同的系统或应用中。并且随后可由本领域技术人员在其中做出各种目前未预见的或未预料到的替换、修改、变形或改进，所述替换、修改、变形或改进也意在被随附的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种输入保护电路，包括：
可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得所述电流限制集成电路在具有较小电流的正常范围中运转；以及
齐纳二极管，其测量输入电路电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管以避免信号输入的影响并且由此限制与所述输入电路相关联的电压输入和电流输入，同时保护所述输入电路的部件不受损坏。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述齐纳二极管包括低漏电流齐纳二极管。
3.如权利要求1所述的电路，其中所述金属氧化物半导体场效应晶体管包括低漏电流金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.如权利要求1所述的电路，其中如果电压输入小于齐纳二极管击穿电压，则所述金属氧化物半导体场效应晶体管断开。
5.如权利要求1所述的电路，其中如果所述电压输入大于所述齐纳二极管击穿电压，则所述齐纳二极管击穿，电流通过所述金属氧化物半导体场效应晶体管直接流到地。
6.如权利要求1所述的电路，其中如果所述电流大于与所述可复位熔丝相关联的可复位熔丝跳闸电流，则所述可复位熔丝被自动地关断，直到所述可复位熔丝被复位为止。
7.如权利要求1所述的电路，其中所述齐纳二极管包括低漏电流齐纳二极管并且其中所述金属氧化物半导体场效应晶体管包括低漏电流金属氧化物半导体场效应晶体管。
8.一种输入保护电路，包括：
可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得所述电流限制集成电路在具有较小电流的正常范围中运转；以及
齐纳二极管，其测量输入电路电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管以避免信号输入的影响并且由此限制与所述输入电路相关联的电压输入和电流输入，同时保护所述输入电路的部件不受损坏，其中所述齐纳二极管包括低漏电流齐纳二极管。
9.一种模拟输入保护电路，包括：
可复位熔丝，所述可复位熔丝充当电流限制集成电路以维持最大电流，使得所述电流限制集成电路在具有较小电流的正常范围中运转；以及
齐纳二极管，其测量模拟输入电路电压并且控制金属氧化物半导体场效应晶体管以避免模拟信号输入的影响并且由此限制与所述模拟输入电路相关联的电压输入和电流输入，同时保护所述模拟输入电路的部件不受损坏。
10.如权利要求9所述的电路，其中所述齐纳二极管包括低漏电流齐纳二极管。
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