CN109643892B - 过压保护和线性调节器设备模块 - Google Patents

过压保护和线性调节器设备模块 Download PDF

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Abstract

装置可以包括耦合到第一输入端子和第二输入端子的瞬态电压抑制(TVS)设备阵列；以及一对输入连接到TVS设备阵列的分别一对输出的线性调节器模块，其中TVS设备阵列包括连接在该对输出的第一输出与第二输出之间以生成第一钳位电压信号的至少一个TVS二极管，以及其中线性调节器模块被配置为生成第二钳位电压信号，第二钳位电压信号具有独立于从TVS设备阵列接收的第一钳位电压信号的第一钳位电压的第二钳位电压。

Description

过压保护和线性调节器设备模块
技术领域
实施例涉及半导体设备的领域，并且尤其涉及过压保护设备和线性调节器。
背景技术
过压保护设备用来保护电子电路和组件不受由于过压故障状况而导致的损坏。线性调节器构成用来维护稳定的输出电压并且针对过压状况进行保护的一类设备。线性调节器可以用于许多不同背景下的保护应用，包括例如汽车、航空器和军用车辆应用。不同的技术可以设置不同的操作标准，其中不同的标准可以取决于耗散至安全级别的功率或者电压而广泛变化。
线性调节器的常规DC-DC转换器可能没有设计为适应满足将过压状况钳位至如由不同标准指定的低或者安全级别，以及消散必需的功率的需求。
正是关于这些和其他考虑，提供本公开内容。
发明内容
示例性实施例涉及改进的过压保护设备。在一个实施例中，装置可以包括耦合到第一输入端子和第二输入端子的瞬态电压抑制(TVS)设备阵列；以及一对输入连接到TVS设备阵列的分别一对输出的线性调节器模块，其中TVS设备阵列包括连接在该对输出的第一输出与第二输出之间以生成第一钳位电压信号的至少一个TVS二极管，以及其中线性调节器模块被配置为生成第二钳位电压信号，第二钳位电压信号具有独立于从TVS设备阵列接收的第一钳位电压信号的第一钳位电压的第二钳位电压。
在另一个实施例中，提供过压保护的方法可以包括接收耦合到第一输入端子和第二输入端子的瞬态电压抑制(TVS)设备阵列中的电压脉冲，其中TVS设备阵列包括连接在第一输入端子与第二输入端子之间的至少一个TVS二极管；从TVS设备阵列输出第一钳位电压信号；在一对输入连接到TVS设备阵列的分别一对输出的线性调节器模块处接收第一钳位电压信号；以及从线性调节器输出第二钳位电压信号，第二钳位电压信号具有小于第一经钳位的电压信号的第一钳位电压的第二钳位电压。
附图说明
图1展示根据公开内容实施例的装置的示意图；
图2A展示根据公开内容实施例的另一种装置的示意图；
图2B展示图2A的装置的电荷泵的示意图；
图3展示根据公开内容实施例的另一种装置的示意图；
图4展示根据公开内容实施例的另一种装置的示意图；
图5展示根据公开内容实施例的另一种装置的示意图；
图6展示根据公开内容实施例的另一种装置的示意图；以及
图7展示根据公开内容实施例的另一种装置的示意图；
具体实施方式
现在将参考附随附图在下文更加完整地描述本实施例，在附图中示出示例性实施例。实施例不解释为局限于本文中陈述的实施例。而是，提供这些实施例，使得本公开内容将彻底并且完整，并且将它们的范围完全地传达给本领域中那些技术人员。在附图中，相似的数字自始至终指相似的元素。
在下面的描述和/或权利要求书中，术语“上”、“覆盖”、“置于…上”以及“上面”可以在下面的描述和权利要求书中使用。“上”、“覆盖”、“置于…上”以及“上面”可以用来指示两个或者多个元素彼此直接物理接触。而且，术语“上”、“覆盖”、“置于…上”以及“上面”可以意思是两个或者多个元素彼此不直接接触。例如，“上面”可以意思是一个元素在另一个元素上方而彼此不接触，并且可以具有另一个或多个元素位于这两个元素之间。而且，术语“和/或”可以意思是“和”，它可以意思是“或者”，它可以意思是“排他性的或者”，它可以意思是“一个”，它可以意思是“一些，但不是全部”，它可以意思是“两者都不”，和/或它可以意思是“两者都”，但是所要求的主题的范围在这方面不受限制。
在各种实施例中，提供包括线性调节器和瞬态电压抑制(TVS)设备阵列的混合装置。这些组件一起提供针对诸如DC电源线过压事件和侵入电流这样的事件的保护，包括毫秒(ms)时间级发生的事件。在各种实施例中，提供给予关于汽车、航空器和军用车辆应用的保护的混合装置，其中关于DC电源系统的保护需求可以改变以便为电子装备提供适当保护。本实施例的混合装置可以具体地提供这种过压保护同时维持给定系统的有效操作。
在各种实施例中，混合装置可以合并在载体或者板中或者布置在载体或者板上，诸如如本领域中已知的电路板。装置可以包括具有导电节点的二维阵列的TVS设备阵列以适应以电气串联和电气并联的方式相互排列在彼此之间的TVS二极管。
可以关于不同的浪涌需求而调整TVS二极管的阵列，其中取决于浪涌测试需求，采用单个TVS二极管或者与TVS二极管的并联配置串联在一起的一组TVS二极管。在不同实施例中，TVS二极管阵列可以以通孔配置安装在电路板上或者作为替代可以作为多个表面安装的设备而排列。
图1展示根据公开内容实施例的装置100的示意图。装置100可以对于各种应用提供过压保护，其中过压状况或者浪涌的类型可以实质地变化。可以采用装置100以满足帮助将过压向下钳位至如由不同标准所需要的低或者安全级别的需求。如图1中所示，装置100可以包括耦合到第一输入端子110和第二输入端子112的TVS设备阵列102。在高电压显露在第一输入端子110与第二输入端子112之间的情况或者过压状况下，装置100可以钳位电压从而在过压状况下提供钳位至可接受级别的输出电压。这种钳位可以保护电气连接到装置100的输出端子的给定组件。
装置100还可以包括一对输入连接到TVS设备阵列102的分别一对输出的线性调节器模块104，其中在下面描述线性调节器模块104的体系结构以及线性调节器模块104的变体。在操作中，TVS设备阵列102可以生成第一钳位电压信号，其中该信号传输到线性调节器模块104，同时线性调节器模块生成第二钳位电压信号，其中第二钳位电压信号独立于第一钳位。特别地，TVS设备阵列102可以将电压钳位至第一钳位电压，而线性调节器生成小于第一钳位电压的第二钳位电压。装置100可以对于调节直流(DC)电源线上的过压事件和侵入电流特别有效，其中事件的持续时间为毫秒级。实施例不局限于这个背景下。
图2A展示根据公开内容的一些实施例，所示为装置200的另一种装置的示意图。装置200可以包括如上所述TVS设备阵列102，以及耦合到TVS设备阵列102的输出的线性调节器模块210。在该示例中，如所示，TVS设备阵列可以包含TVS设备位置或者导电节点203的五乘五矩阵。在该示例中，线性调节器模块210包括耦合到线性调节器模块210的输出的电荷泵20输出DC电压过滤器208。TVS二极管206可以被配置为根据具体设计设置关于线性调节器模块210的最大钳位电压。线性调节器模块104还包括金属氧化物场效应晶体管，MOSFET202，其中MOSFET 202耦合到TVS设备阵列102的输出。在一些示例中，MOSFET 202可以与TVS二极管206交互操作以输出处于50V或者更小电压的第二钳位电压信号。
根据不同的实施例，当填充设备时，TVS设备阵列102可以包括诸如齐纳二极管这样的二极管，其钳位电压设置TVS设备阵列的钳位电压。类似地，在一些实施例中，TVS二极管206可以是齐纳二极管，并且特别地，在一些实施例中，TVS二极管206的击穿电压可以是40V或者更小。
如图2A中进一步建议的，TVS设备阵列102可以排列为二维阵列，其中阵列代表一组电气互连的焊盘或者导电节点203，其中不同配置的TVS二极管可以连接到期望的节点以提供适当的过压保护。例如，TVS设备阵列102可以代表二维电路图案，可配置为至少一个TVS二极管位于图案中给定位置(电气节点)，以形成一个或多个电气连接的TVS二极管的阵列。在一个示例中，TVS设备阵列102中的第一组TVS二极管(给定列的TVS二极管)电气串联连接在第一输入端子110与第二输入端子112之间，其中至少另外一组TVS二极管(另一列TVS二极管)电气串联连接在第一输入端子110与第二输入端子112之间。而且，可以排列TVS二极管的各个列，其中第一组TVS二极管以与至少另外一组TVS二极管电气并联的方式排列。如下面详细描述的，该排列提供关于解决各种应用的过压浪涌的灵活性，其中TVS设备中TVS设备的数量以及TVS设备的配置可以根据应用而可选择，以便在由线性调节器的输入端子接收之前将过压事件钳位至可接受的级别。另外，根据各种实施例，可以根据应用裁剪TVS二极管206的击穿电压。而且，如下面详细描述的，使用TVS设备阵列来钳位提供到线性调节器模块210的电压减少了在过压事件中由MOSFET耗散的功率，并且因此增加由装置200处置的功率的上限。
图2B展示图2A的装置200的电荷泵204的示意图。在该示例中，电荷泵204可以设计为12V电荷泵，而实施例不局限于这种背景下。在该示例中，电荷泵204基于已知的IC 555而构建，并且用作MOSFET驱动器以帮助将输入电压下降至较低的输出电压。虽然该实施例涉及使用电荷泵和MOSFET构建的线性DC调节器，但是在其他实施例中，可以连同TVS设备阵列一起使用其他类型的DC/DC线性调节器。
图3展示根据公开内容实施例，所示为装置300的另一种装置的示意图。在该示例中，装置300可以是装置200的变体，其中选择使用TVS设备阵列102的不同位置的特定一组TVS二极管。图3也展示由202V，350ms波形代表的过压事件发生的操作场景。装置300可以被设计用于在例如24V 150W汽车系统中使用。如由输入电压波形304所例示的，在过压事件之前，第一输入端子110与第二输入端子112之间的电压如关于汽车系统所设计的为24V。在过压事件期间，在第一输入端子110与第二输入端子112之间经历202V的峰值电压。该电压传播通过TVS设备阵列102。在该实施例中，TVS设备阵列使用被配置为处理过压事件的设备组302填充。设备组302代表以电气串联排列的一列TVS设备，其中TVS设备阵列的有效钳位电压可以是设备组302的个体TVS设备的钳位电压的总和。在图3的特定示例中，所有TVS二极管可以是相同的，并且近似17V的钳位电压可以施加到给定TVS设备。因此，使用五个TVS设备以电气串联排列的设备组302可以表现出近似85V的钳位电压。该行为由波形306表现，其中波形306代表由TVS设备阵列102响应输入电压波形304而输出的电压。如所观察的，85V的最大电压作为与输入电压波形304超过85V的持续期间相对应的瞬态而输出。
如图3中进一步示出，线性调节器模块310被配置为响应生成输入电压波形304的过压事件而输出波形308。在该示例中，TVS二极管206可以被配置为生成36V的钳位电压，所以如所示，由线性调节器310输出的最大电压是36V，持续长达波形306超过36V的持续时间。因此，在该示例中，可以针对202V 350ms过压事件保护24V 150W汽车系统，其中装置300输出36V仅短的持续时间。
图4展示根据公开内容的其他实施例，所示为装置400的另一种装置的示意图。在该示例中，装置400可以是装置200的变体，其中选择使用TVS设备阵列102的不同位置的特定一组TVS二极管。图4也展示由101v，400ms波形代表的过压事件发生的操作场景。装置400可以被设计用于在例如12V 100W汽车系统中使用。如由输入电压波形404所例示的，在过压事件之前，第一输入端子110与第二输入端子112之间的电压如关于汽车系统所设计的为12V。在过压事件期间，在第一输入端子110与第二输入端子112之间经历101V的峰值电压。该电压传播通过TVS设备阵列102。在该实施例中，TVS设备阵列使用被配置为处理过压事件的设备组402填充。设备组402代表以电气串联排列的一列三个TVS设备的一部分，其中TVS设备阵列的有效钳位电压可以是设备组402的个体TVS设备的钳位电压的总和。在图4的特定示例中，所有TVS二极管可以是相同的，并且近似17V的钳位电压可以施加到给定TVS设备。因此，使用三个TVS设备以电气串联排列的设备组402可以表现出近似50V的钳位电压。该行为由波形406表现，其中波形406代表由TVS设备阵列102响应输入电压波形404而输出的电压。如所观察的，50V的最大电压作为与输入电压波形404超过50V的持续期间相对应的瞬态而输出。
如图4中进一步示出，线性调节器模块410被配置为响应生成输入电压波形404的过压事件而输出波形408。在该示例中，TVS二极管206可以被配置为生成30V的钳位电压，所以如所示，由线性调节器模块410输出的最大电压是30V，持续长达波形406超过24V的持续时间。因此，在该示例中，可以针对101V 400ms过压事件保护12V100W汽车系统，其中装置400输出30V仅短的持续时间。
图5展示根据公开内容的其他实施例，所示为装置500的另一种装置的示意图。在该示例中，装置500可以是装置200的变体，其中选择使用TVS设备阵列102的不同位置的特定一组TVS二极管。图5也展示由100V，50ms波形代表的过压事件发生的操作场景。装置500可以被设计用于在例如28V 600W军用系统中使用。装置500可以被设计为针对过压脉冲，诸如以一秒间隔发生的一连串五个脉冲进行保护。如由输入电压波形504所例示的，在过压事件之前，第一输入端子110与第二输入端子112之间的电压如关于军用系统所设计的为28V。在过压事件期间，在第一输入端子110与第二输入端子112之间经历100V的峰值电压。该电压传播通过TVS设备阵列102。在该实施例中，TVS设备阵列使用被配置为处理过压事件的设备组502填充。设备组502如所示代表TVS设备的二乘三阵列，其中两列设备彼此电气并联排列，其中给定列包括电气串联排列的三个TVS设备。TVS设备阵列的有效钳位电压可以是设备组502的给定列内个体TVS设备的钳位电压的总和。在图5的特定示例中，所有TVS二极管可以是相同的，并且近似17V的钳位电压可以施加到给定TVS设备。因此，具有三个TVS设备电气串联排列的给定列的设备组502可以表现出近似50V的钳位电压。该行为由波形506表现，其中波形506代表由TVS设备阵列102响应输入电压波形504而输出的电压。如所观察的，50V的最大电压作为与输入电压波形504超过50V的持续期间相对应的瞬态而输出。
如图5中进一步示出，线性调节器模块510被配置为响应生成输入电压波形504的过压事件而输出波形508。在该示例中，TVS二极管206可以被配置为生成36V的钳位电压，所以如所示，由线性调节器模块510输出的最大电压是36V，持续长达波形506超过36V的持续时间。因此，在该示例中，可以针对100V 50ms过压事件(例如，5秒内5个脉冲，其中每个脉冲能量小于60焦耳)，或者过压事件系列保护28V 600W军用系统，其中装置500输出36V仅短的持续时间。
图6展示根据公开内容的其他实施例，所示为装置600的另一种装置的示意图。在该示例中，装置600可以是装置200的变体，其中选择使用TVS设备阵列102的不同位置的特定一组TVS二极管。图6也展示由600V，10μs波形代表的过压事件发生的操作场景。装置600可以被设计用于在例如28V 100W航空器系统中使用。如由输入电压波形604所例示的，在过压事件之前，第一输入端子110与第二输入端子112之间的电压如关于航空器系统所设计的为28V。在过压事件期间，该电压作为在第一输入端子110与第二输入端子112之间经历的600V的峰值电压而传播。在该实施例中，TVS设备阵列使用被配置为处理过压事件的设备组602填充。设备组602代表以电气串联排列的一列三个TVS设备的一部分，其中TVS设备阵列的有效钳位电压可以是设备组602的个体TVS设备的钳位电压的总和。在图6的特定示例中，所有TVS二极管可以是相同的，并且近似33V的钳位电压可以施加到给定TVS设备。因此，使用三个TVS设备以电气串联排列的设备组602可以表现出近似100V的钳位电压。该行为由波形606表现，其中波形606代表由TVS设备阵列102响应输入电压波形604而输出的电压。如所观察的，输出100V的最大电压长达与输入电压波形504超过100V的持续期间相对应的非常短的时间。
如图6中进一步示出，线性调节器模块610被配置为响应生成输入电压波形604的过压事件而输出波形608。在该示例中，TVS二极管206可以被配置为生成36V的钳位电压，所以如所示，由线性调节器模块610输出的最大电压是36V，持续长达波形606超过36V的持续时间。因此，在该示例中，可以针对600V，10μs过压事件保护28V100W航空器系统，其中装置600输出36V仅短的持续时间。
图7代表根据公开内容的其他实施例，所示为装置700的另一种装置的示意图。在该示例中，如前述实施例中讨论的，装置700可以包括TVS设备阵列102，其中如上面讨论的，TVS设备阵列102的不同位置的任何特定组的TVS二极管可以填充到TVS设备阵列102上。装置700可以不同于前述实施例在于，两个不同的线性调节器与TVS设备阵列102电气串联排列并且彼此电气串联排列。如图7中所示，直接耦合到TVS设备阵列102的输出的第一线性调节器710可以在输出侧连接在第二线性调节器712。在一个特定示例中，第一线性调节器710可以在过压事件的情况下排列，以将58V的钳位电压输出到第二线性调节器712。依次可以排列第二线性调节器712以输出例如38V的钳位电压。实施例不局限于这种背景下。这种多个线性调节器的拓扑结构提供在处置高电压过压事件，包括例如更高电流方面更大的灵活性。
在由本实施例提供的其他优点中，TVS设备阵列与一个或多个线性调节器串联排列的体系结构的提供在过压事件期间提供功率的更好处理。为了例示这个优点，在一个实施例中，MOSFET 202可以实施为IRFP4568。在一个示例中，初始输入瞬态过压可能是100V50ms，而MOSFET Rth(j-c)的热电阻是0.29C/W，并且线性调节器104模块的钳位电压是40V。假设3A(100W功率)电流的负载电流通过MOSFET 202，由(100–40)x 3x 0.29＝-52.2℃给出结点温度增加。在上面的示例中，目标上限结点温度可以是150℃。为了维持结点温度低于150℃，允许的初始启动外壳温度(case temperature)是150-52.2＝97.8℃。包括用于多个瞬态过压的5C缓冲，所允许的初始启动外壳温度为97.8-5＝92.8℃。
虽然诸如MOSFET 202这样的线性调节器的MOSFET可以用作过压事件的调节器，MOSFET的功率耗散受负载功率所限制。功率越高，越多的欧姆损耗作为热量在MOSFET结点中耗散。例如，如果202V负载突降在IRFP4568MOSFET上发生，并且钳位电压设置在36V，那么该负载突降的温度增加是(202-36)*I*0.29。经常，75℃值可以设置用于初始MOSFET外壳温度。这产生等式(202-36)*I*0.29＝150-75，或者最大电流值，Imax＝1.56A。这意味着所允许的功率最大值是28*1.56＝43.7W。在航空器/军用/汽车应用中，设计者可以考虑增加模块功率容量以驱动不同的功率系统需要。为了满足200W功率需求，例如，对于给定MOSFET使用功率最大值为43.7W的上面的情况，可能需要许多模块的并联排列以满足总体功率需求。特别地，为了满足200W需求，需要以并联方式工作的至少5个模块，其中给定的MOSFET处置43.7W的最大值。
与此相反，在由本实施例提供的体系结构中，在仅一个示例中，TVS设备阵列可以响应202V过压事件便利地提供65V的第一经钳位的电压。因此，当MOSFET 202从TVS设备阵列102接收65V的经钳位的电压时，功率耗散低得多：(65-36)*I*0.29＝75，产生Imax＝8.9A。在单个模块中耗散的最大功率然后由28*8.9＝249.2W给出。因此，具有TVS阵列以输出65V的经钳位的电压的单个装置，诸如装置200，对于处置至少200W输入功率将是足够的。
另外，在如图7中两个线性调节器串联排列的实施例中，相对于仅具有一个线性调节器的装置，功率处置能力可以加倍。
虽然已经参考某些实施例而公开本实施例，但是在不背离如附加权利要求书中限定的本公开内容的范围和范畴的情况下，对于所描述的实施例的许多修改、更改和改变是可能的。因此，本实施例不打算局限于所描述的实施例，并且它具有由随附的权利要求书及其等同物的语言所限定的完整范围。

Claims (16)

1.一种装置，包括：
瞬态电压抑制TVS设备阵列，所述TVS设备阵列耦合到第一输入端子和第二输入端子；以及
线性调节器模块，所述线性调节器模块的一对输入连接到所述TVS设备阵列的相应一对输出，
其中所述TVS设备阵列连接在所述一对输出中的第一输出与第二输出之间以生成第一钳位电压信号，其中所述TVS设备阵列包括电串联连接在所述第一输入端子与第二输入端子之间的第一多个TVS二极管、电串联连接在所述第一输入端子与第二输入端子之间的第二多个TVS二极管，其中所述第一多个TVS二极管以电并联的方式与所述第二多个TVS二极管连接，以及
其中所述线性调节器模块被配置为生成第二钳位电压信号，所述第二钳位电压信号具有独立于从所述TVS设备阵列接收的所述第一钳位电压信号的第一钳位电压的第二钳位电压，其中所述第一和第二多个TVS二极管中的TVS二极管的一个子集可选择为根据应用生成所述第一钳位电压信号。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合在接地与所述线性调节器模块的输出电压之间的电荷泵。
3.根据权利要求1所述的装置，所述线性调节器模块还包括被配置为设置所述线性调节器模块的最大钳位电压的TVS二极管。
4.根据权利要求3所述的装置，所述线性调节器模块还包括耦合到所述TVS设备阵列的输出的金属氧化物场效应晶体管MOSFET，所述MOSFET与所述TVS二极管交互操作以输出处于40V或者更小的电压的所述第二钳位电压信号。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述线性调节器模块的所述TVS二极管的钳位电压是40V或者更小。
6.根据权利要求1所述的装置，所述TVS设备阵列包括位于所述TVS设备阵列中多个导电节点处的多个齐纳二极管。
7.根据权利要求1所述的装置，其中保护设备被配置为耗散至少200W输入功率。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述线性调节器模块的输出的输出DC电压滤波器。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一钳位电压是110V或者更小。
10.根据权利要求1所述的装置，所述线性调节器模块包括第一线性调节器模块，所述装置还包括连接到所述第一线性调节器模块的输出的第二线性调节器模块，所述第二线性调节器模块输出具有独立于所述第二钳位电压的第三钳位电压的第三钳位电压信号。
11.一种提供过压保护的方法，包括：
接收耦合到第一输入端子和第二输入端子的瞬态电压抑制TVS设备阵列中的电压脉冲，其中所述TVS设备阵列包括电串联连接在所述第一输入端子与第二输入端子之间的第一多个TVS二极管、电串联连接在所述第一输入端子与第二输入端子之间的第二多个TVS二极管，其中所述第一多个TVS二极管以电并联的方式与所述第二多个TVS二极管连接；
从所述TVS设备阵列输出第一钳位电压信号；
在线性调节器模块处接收所述第一钳位电压信号，所述线性调节器模块的一对输入连接到所述TVS设备阵列的相应一对输出；以及
从所述线性调节器模块输出第二钳位电压信号，所述第二钳位电压信号具有小于所述第一钳位电压信号的第一钳位电压的第二钳位电压，其中所述第一和第二多个TVS二极管中的TVS二极管的一个子集可选择为根据应用生成所述第一钳位电压信号。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：在所述线性调节器模块中提供TVS二极管以设置所述第二钳位电压信号的最大钳位电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述线性调节器模块还包括耦合到所述TVS阵列的输出的金属氧化物场效应晶体管MOSFET，所述MOSFET与所述TVS二极管交互操作以输出处于40V或者更小的电压的所述第二钳位电压信号。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述线性调节器模块的所述TVS二极管的钳位电压是40V或者更小。
15.根据权利要求11所述的方法，所述TVS设备阵列包括多个齐纳二极管。
16.根据权利要求11所述的方法，所述线性调节器包括第一线性调节器模块，所述方法还包括：提供连接到所述第一线性调节器模块的输出的第二线性调节器模块，以及从所述第二线性调节器模块输出具有独立于所述第二钳位电压的第三钳位电压的第三钳位电压信号。
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