CN106921154B - 一种限流型压敏电阻 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种限流型压敏电阻，包括第一部分电路、第二部分电路和第三部分电路，所述第一部分电路包括二极管D1、二极管D2、MOS管G1、MOS管G2、MOS管G3、MOS管G4、电阻R1、电阻R2和电阻R3，二极管D1的阳极连接MOS管G2的漏极，二极管D1的阴极连接MOS管G1的漏极和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接MOS管G4的漏极，本发明产品能够替代背景技术3中TBU，从而打破国外的技术垄断，实现我国电子科技的自主创新，具有较为宽广的应用前景。

Description

一种限流型压敏电阻
技术领域
本发明涉及一种智能电阻，具体是一种限流型压敏电阻。
背景技术
现有技术存在以下几种：
1、压敏电阻+热敏电阻，如图4所示：当T、R线出现异常电圧（如雷击、电力线搭接等）时，压敏电阻的钳位特性能保护SLIC免遭损坏；当功率过大或者时间过长时，热敏电阻阻值增大甚至断开，其缺点是反应速度慢、是容量有限。
2、PTC+半导体放电管，如图5所示，与第一种保护相比，基本原理相同，只是将压敏电阻换成了体积更小、反应更快、参考电位范围可设置的半导体放电器件（最经典的器件是TISP61089），将热敏电阻换成可靠性更高的PTC（陶瓷）；
当T、R线出现异常电圧（如雷击、电力线搭接等）时，该电压一旦超出地到VBAT的范围，TISP61089会快速短路形成大电流，该电流流经PTC时，其阻值迅速增大，直至断开，从而保护SLIC免遭损坏。
与第一种保护相比，一是反应速度大大加快，二是TISP61089一旦动作，会将端电压降到接近0，所以其可靠性、稳定性大大提高。
其缺点是，一是PTC体积大，二是在T、R线端口存在高压。
3、半导体放电管+瞬态阻断单元，如图6所示，BS3500是一种大功率的半导体放电管，基本特性是：当其端电压小于350V时等效开路，当其端电压大于350V时等效短路，短路时能通过大于100A的电流。
TBU(PL085)是一种高速瞬态阻断单元，基本特性是：当其中电流大于0.2A时等效开路；当其任意一个端口电位高于地时等效开路；当其任意一个端口电位低于VBAT（负值）时等效开路。换句话说，只有当所有端口电位都处于（0-VBAT）之间，并且其中电流小于0.2A时，TBU才处于导通状态，SLIC才能正常工作。否则，一律开路，SLIC处于被保护状态。
TBU开路时能承受850V高电压。
当T、R线出现异常电圧（如雷击、电力线搭接等）时，该电压一旦超过350V，半导体器件（BS3500）会快速短路，形成第一道保护（高压保护）；该电压在350V以内但超出（0-VBAT）范围或者其中电流超过0.2A，则TBU会断开。即TBU形成第二道保护（低压保护）。
该方案所用两种器件都体积小、重量轻，是目前市面上较为完善的保护方案。
其缺点是：一是TBU(PL085)目前仅美国BOURNS公司独家生产；二是它不能适用于电话线电位高于地的场景（因为当其端口电位高于地时等效开路）。而在国内，该场景还是较多的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的限流型压敏电阻，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种限流型压敏电阻，包括第一部分电路、第二部分电路和第三部分电路，所述第一部分电路包括二极管D1、二极管D2、MOS管G1、MOS管G2、MOS管G3、MOS管G4、电阻R1、电阻R2和电阻R3，二极管D1的阳极连接MOS管G2的漏极和端口Tin，二极管D1的阴极连接MOS管G1的漏极和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接MOS管G4的漏极，MOS管G1的源极连接电阻R1，MOS管G1的栅极连接二极管D3的阴极、电阻R1的另一端和MOS管G3的栅极，MOS管G2的源极连接电阻R2和MOS管G3的源极，MOS管G2的栅极连接MOS管G4的栅极、电阻R2的另一端、电阻R3和二极管D3的阳极，MOS管G3的漏极连接电阻R3的另一端和MOS管G4的源极，第一部分电路包括二极管D11、二极管D21、MOS管G11、MOS管G21、MOS管G31、MOS管G41、电阻R11、电阻R21和电阻R31，第一部分电路和第二部分电路结构相同但方向相反，第一部电路中的二极管D1和二极管D2反向串联连接在T线输入端和输出端之间，第二部分电路中的二极管D11和二极管D21反向串联连接在R线输入端和输出端之间，第三部分电路包括二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、三极管G5、三极管G6、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，二极管D4的阳极连接二极管D5的阴极、端口Tout和二极管D2的阳极，二极管D4的阴极连接电阻R4、二极管D6的阴极和三极管G5的发射极，电阻R4的另一端连接三极管G5的基极和参考电位+V，三极管G5的集电极连接电阻R6，三极管G6的集电极连接电阻R7，电阻R6的另一端连接电阻R7的另一端，二极管D6的阳极连接二极管D7的阴极、端口Rout和二极管D21的阳极，二极管D5的阴极连接电阻R5、二极管D7的阴极和三极管G6的发射极，电阻R5的另一端连接三极管G6的基极和参考电位-V。
作为本发明的优选方案：所述MOS管G1为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，MOS管G2和MOS管G4为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，MOS管G3为P沟道-结型场效应低压MOS管。
作为本发明的优选方案：所述二极管D3为稳压二极管。
作为本发明的优选方案：所述二极管D1和二极管D2为高压二极管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明产品能够替代背景技术3中TBU，从而打破国外的技术垄断，实现我国电子科技的自主创新，具有较为宽广的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体电路图；
图2为第一部分电路的电路图；
图3为第三部分电路的电路图；
图4为现有技术1的电路图；
图5为现有技术2的电路图；
图6为现有技术3的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，一种限流型压敏电阻，包括第一部分电路、第二部分电路和第三部分电路，所述第一部分电路包括二极管D1、二极管D2、MOS管G1、MOS管G2、MOS管G3、MOS管G4、电阻R1、电阻R2和电阻R3，二极管D1的阳极连接MOS管G2的漏极和端口Tin，二极管D1的阴极连接MOS管G1的漏极和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接MOS管G4的漏极，MOS管G1的源极连接电阻R1，MOS管G1的栅极连接二极管D3的阴极、电阻R1的另一端和MOS管G3的栅极，MOS管G2的源极连接电阻R2和MOS管G3的源极，MOS管G2的栅极连接MOS管G4的栅极、电阻R2的另一端、电阻R3和二极管D3的阳极，MOS管G3的漏极连接电阻R3的另一端和MOS管G4的源极，第一部分电路包括二极管D11、二极管D21、MOS管G11、MOS管G21、MOS管G31、MOS管G41、电阻R11、电阻R21和电阻R31，第一部分电路和第二部分电路结构相同但方向相反，第一部电路中的二极管D1和二极管D2反向串联连接在T线输入端和输出端之间，第二部分电路中的二极管D11和二极管D21反向串联连接在R线输入端和输出端之间，第三部分电路包括二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、三极管G5、三极管G6、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，二极管D4的阳极连接二极管D5的阴极、端口Tout和二极管D2的阳极，二极管D4的阴极连接电阻R4、二极管D6的阴极和三极管G5的发射极，电阻R4的另一端连接三极管G5的基极和参考电位+V，三极管G5的集电极连接电阻R6，三极管G6的集电极连接电阻R7，电阻R6的另一端连接电阻R7的另一端，二极管D6的阳极连接二极管D7的阴极、端口Rout和二极管D21的阳极，二极管D5的阴极连接电阻R5、二极管D7的阴极和三极管G6的发射极，电阻R5的另一端连接三极管G6的基极和参考电位-V。
MOS管G1为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，MOS管G2和MOS管G4为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，MOS管G3为P沟道-结型场效应低压MOS管。二极管D3为稳压二极管。二极管D1和二极管D2为高压二极管。
本发明的工作原理是：BS3500是一种大功率的半导体放电管，基本特性是：当其端电压小于350V时等效开路，当其端电压大于350V时等效短路，短路时能通过大于100A的电流。
QXR85100即本发明，是一种特殊的压敏器件：内置的两个可变电阻随其端电压的变化而非线性变化。低压时（小于5V），阻值（50欧姆）恒定不变（定义为线性区），中压时（5V-20V），阻值急剧变大（定义为过渡区），高压时（20V-850V），阻值无穷大（定义为恒流区）。当其端口电位高于+VBAT时等效开路；当其端口电位低于-VBAT时等效开路。换句话说，只有当所有端口电位都处于（-VBAT - +VBAT）之间，并且其中两个电阻端电压小于20V（或者说其中电流小于0.1A=5V/50欧）时，TBU才处于导通状态，SLIC才能正常工作。否则，一律开路，SLIC处于被保护状态。开路时能承受850V高电压。
当T、R线出现异常电圧（如雷击、电力线搭接等）时，该电压一旦超过350V，半导体器件（BS3500）会快速短路，形成第一道（高压保护）保护；该电压在350V以内但超出（+VBAT- -VBAT）范围或者其中电流超过0.1A，则TBU会断开。即TBU形成第二道保护（低压保护）。
第一部分电路组成限流型压敏电阻，如图2所示，G1为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，它与R1构成高压恒流源。恒流电流为夹断电压与R1之比；
G3为P沟道-结型场效应低压MOS管，压敏可变电阻之核心器件（为叙述原理方便，令其导通状态开始起作用时的夹断电压为Vth1，其完全断开时的夹断电压为Vth2）；
G2、G4为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，分别担当不同极性时的高压、高速开关；
D3为稳压二极管，稳压值设计为15V，保护G3；
D1、D2为高压二极管，分别在不同极性时将压敏控制电压引导到G3；
R2、R3主要是起工作稳定作用。
下面以VAB为正电压的情况为例简述其工作原理（VAB为负电压时原理完全相同）。
在此状态下（令VB=0），D2始终截止，G4因存在体二极管而始终导通。
线性区（VA < 5V）
VA小于（Vth1+0.7V），G2、G3、G4均导通，其导通电阻为三个MOS管导通电阻之和。
随着VA的增大，VE增大，VF增大，VD增大，VC增大。因为所有器件处于线性状态，它们的增大速率是相同的。
过渡区（5V < VA < 20V ）
当VA大于（Vth1+0.7V）后，随着VA的进一步增大，G3导通电阻增大，虽然同样存在VE、VF、VD、VC同步增大的情况，但各自的增大速率发生了巨大变化；
VC几乎跟踪VA变化；
当VE增大至0.7V后被钳位而不再继续增大，其结果导致VD几乎完全跟踪VA增大，VF则以1/2VA的增大幅度随着VA增大。在此过程中，G2导通状态开始变差；
当VA接近（Vth2+0.7V）时，G3接近截止，G2也接近截止，VD不再随VA增大而增大，而是随VA增大而减小，VF也不再随VA增大而增大，而是随VA增大而减小，最终到VD、VF、VE几乎等电位。
恒流区（20V < VA <850V ）
当VA大于（Vth2+0.7V）后，G3完全截止，G2完全截止，VD=VE=VF=0.7V，VC=15.7V；
VA的增大部分，一个支路完全由G2承担，另一个支路完全由G1承担；
流过这第一部分的电流IA为恒定电流（即夹断电压与R1之比）。
第二部分电路组成限流型压敏电阻，其结构和工作原理与第一部分电路相同，不再赘述。
第三部分电路组成参考电位设置电路，如图3所示，其原理是，网络G为系统参考地；
网络+V为用户设置的相对于G的参考正电位（如果无正电位设置需求，可以接地，但不得悬空）；
网络-V为用户设置的相对于G的参考负电位（如果无负电位设置需求，可以接地，但不得悬空）；
当Tin端口电位高于+V时，则会有电流经Tin、限流型压敏电阻、Tout、D4、G5、R6到G。该电流一旦超过0.2A，限流型压敏电阻阻值就会快速增大直至断开（如前所述）而将所有电压承担；
同理，当Rin端口电位高于+V时，则会有电流经Rin、限流型压敏电阻、Rout、D6、G5、R6到G。该电流一旦超过0.2A，限流型压敏电阻阻值就会快速增大直至断开（如前所述）而将所有电压承担；
当Tin端口电位低于-V时，则会有电流经地、R7、G6、D5、Tout、限流型压敏电阻到Tin。该电流一旦超过0.2A，限流型压敏电阻阻值就会快速增大直至断开（如前所述）而将所有电压承担；
同理，当Rin端口电位低于-V时，则会有电流经地、R7、G6、D7、Rout、限流型压敏电阻到Rin。该电流一旦超过0.2A，限流型压敏电阻阻值就会快速增大直至断开（如前所述）而将所有电压承担。

Claims (4)

1.一种限流型压敏电阻，包括第一部分电路、第二部分电路和第三部分电路，其特征在于，所述第一部分电路包括二极管D1、二极管D2、MOS管G1、MOS管G2、MOS管G3、MOS管G4、电阻R1、电阻R2和电阻R3，二极管D1的阳极连接MOS管G2的漏极和端口Tin，二极管D1的阴极连接MOS管G1的漏极和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接MOS管G4的漏极，MOS管G1的源极连接电阻R1，MOS管G1的栅极连接二极管D3的阴极、电阻R1的另一端和MOS管G3的栅极，MOS管G2的源极连接电阻R2和MOS管G3的源极，MOS管G2的栅极连接MOS管G4的栅极、电阻R2的另一端、电阻R3和二极管D3的阳极，MOS管G3的漏极连接电阻R3的另一端和MOS管G4的源极，第二部分电路包括二极管D11、二极管D21、MOS管G11、MOS管G21、MOS管G31、MOS管G41、电阻R11、电阻R21和电阻R31，第一部分电路和第二部分电路结构相同但方向相反，第一部电路中的二极管D1和二极管D2反向串联连接在T线输入端和输出端之间，第二部分电路中的二极管D11和二极管D21反向串联连接在R线输入端和输出端之间，第三部分电路包括二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、三极管G5、三极管G6、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，二极管D4的阳极连接二极管D5的阴极、端口Tout和二极管D2的阳极，二极管D4的阴极连接电阻R4、二极管D6的阴极和三极管G5的发射极，电阻R4的另一端连接三极管G5的基极和参考电位+V，三极管G5的集电极连接电阻R6，三极管G6的集电极连接电阻R7，电阻R6的另一端连接电阻R7的另一端，二极管D6的阳极连接二极管D7的阴极、端口Rout和二极管D21的阳极，二极管D5的阴极连接电阻R5、二极管D7的阴极和三极管G6的发射极，电阻R5的另一端连接三极管G6的基极和参考电位-V。
2.根据权利要求1所述的一种限流型压敏电阻，其特征在于，所述MOS管G1为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，MOS管G2和MOS管G4为N沟道-耗尽型场效应高压MOS管，MOS管G3为P沟道-结型场效应低压MOS管。
3.根据权利要求2所述的一种限流型压敏电阻，其特征在于，所述二极管D3为稳压二极管。
4.根据权利要求2所述的一种限流型压敏电阻，其特征在于，所述二极管D1和二极管D2为高压二极管。
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