CN109659894A - 自供电电子熔断器 - Google Patents

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Abstract

一种两端子式电子熔断器装置包括以特定拓扑结构连接的两个开关、四个二极管、开关控制电路和存储电容器。当AC电流流动通过熔断器时，充电电流充电存储电容器。随后，使用存储在存储电容器中的能量来供电开关控制电路。如果存储电容器上的电压下降，那么开关在适当的时间暂时地断开。断开开关允许充电电流流动。通过仅在流动通过熔断器的低电流期间断开开关并充电存储电容器，流动通过熔断器的负载电流得以最小化。如果检测到过载电流状况，那么熔断器切断，并且第一和第二开关断开。如果电容器不需要充电并且不存在过载状况，那么开关保持闭合。

Description

自供电电子熔断器
技术领域
所述实施方案涉及电子熔断器，并且涉及相关结构和方法。
背景技术
熔断器是通常放置于流至受保护电子电路的电流路径中的保护装置。在对设备造成危险的状况可能出现(例如，电子电路牵引的高电流)之前，熔断器熔断或切断或以其他方式断开。通常，由于流动通过熔断器的高电流，熔断器熔融。因此，熔断器的两个端子之间的电连接断开。由于熔断器断开，流动通过熔断器至电子电路的电流停止。如果熔断器未熔断或切断，那么其用作流至电子电路的电流路径的完整低电阻部分。存在各种类型的熔断器。熔断器被设计来在不同状况下熔断或切断。如果熔断器是熔断或切断时毁掉的类型，那么通常必须从电路移除熔断的熔断器，并用新熔断器更换，以使电路可再次操作。更换熔断器可能较为昂贵。通常称为电子熔断器(或eFuse)的熔断器是断开时并不毁掉(由于经历预定的潜在危险状况)的一类熔断器。相反，当电子熔断器断开时，其可再次复位为导电状态。期望具有改善的eFuse。
发明内容
在第一新型方面，一种有且仅有两个外部可触及熔断器装置封装端子的电子熔断器装置为自供电的。自供电电子熔断器装置包括第一熔断器装置封装端子、第二熔断器装置封装端子、第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、存储电容器和开关控制电路。第一开关具有第一端子、第二端子和第三端子。第一开关的第一端子联接至第一熔断器装置封装端子。第一二极管具有阳极和阴极。第一二极管的阴极联接至第一开关的第一端子。第一二极管的阳极联接至第一开关的第二端子。第二开关具有第一端子、第二端子和第三端子。第二开关的第一端子联接至第二熔断器装置封装端子。第二开关的第二端子在第二节点处联接至第一开关的第二端子。第二二极管具有阳极和阴极。第二二极管的阴极联接至第二开关的第一端子。第二二极管的阳极联接至第二开关的第二端子。第三二极管具有阳极和阴极。第三二极管的阳极联接至第一二极管的阴极。第四二极管具有阳极和阴极。第四二极管的阳极联接至第二二极管的阴极。第四二极管的阴极在第一节点处联接至第三二极管的阴极。存储电容器联接于第一节点与第二节点之间的充电电流路径中。联接至第一和第二开关的第三端子的开关控制电路由存储在存储电容器中的能量供电。外壳装设第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、存储电容器和开关控制电路，由此使得第一和第二熔断器装置封装端子为可从自供电电子熔断器装置外部触及自供电电子熔断器装置的仅有电端子。
在一个实施例中，第一开关为第一NFET，并且第一二极管为第一NFET的体二极管。同样，第二开关为第二NFET，并且第二二极管为第二NFET的体二极管。当存储电容器未被充电并且不存在过载状况时，第一和第二开关闭合，由此使得AC电流导通通过自供电电子熔断器装置。AC电流(可为正或负电流)从第一熔断器装置封装端子流动、通过第一开关、通过第二开关，并且经由第二熔断器装置封装端子流出自供电电子熔断器装置。
要对存储电容器充电，断开第一和第二开关。如果第一和第二开关断开，那么存储电容器可在AC电流的第一半周期中由第一电流路径中流动的电流充电。第一电流路径从第一熔断器装置封装端子延伸、通过第三二极管至第一节点、通过存储电容器至第二节点，并且通过第二二极管至第二熔断器装置封装端子。而且，如果第一和第二开关断开，那么存储电容器可在AC电流的第二半周期中由第二电流路径中流动的电流充电。第二电流路径从第二熔断器装置封装端子延伸、通过第四二极管至第一节点、通过存储电容器至第二节点，并且通过第一二极管至第一熔断器装置封装端子。如果存储电容器不需要充电并且在半周期期间不存在过载状况，那么第一和第二开关在整个半周期保持闭合，并且在所述半周期期间不存在存储电容器充电。
在自供电电子熔断器装置的一个实施例中，从第一节点流动至第二节点的充电电流流动通过电流限制器电路。电流限制器电路包括耗尽模式NFET。电流限制器的电阻器设定可流动通过电流限制器的最大充电电流。因此，设定存储电容器可藉以充电的最大充电电流。电流限制器的齐纳二极管设定存储电容器可被充电达到的最大电压。
在第二新型方面，一种方法包括导通AC电流通过自供电电子熔断器装置。在稳定状态的操作状况下，存储电容器上的电压低于12伏特电压阈值，但电流感测信号指出流动通过自供电熔断器装置的电流并非低于50毫安电流阈值。自供电电子熔断器装置的第一和第二开关接通并导电。方法包括等待直至电流感测信号指出电流低于50毫安电流阈值。响应于电流感测信号指出电流低于50毫安电流阈值，第一和第二开关断开。随后，存储电容器的充电开始。随着充电电流流动通过存储电容器，存储电容器上的电压增大并且上升至12伏特以上。存储电容器的充电在第一和第二开关断开的情况下继续。一旦存储电容器已充电至15伏特，第一和第二开关就闭合。通常，在第一和第二开关闭合的时间周期期间流动通过自供电电子熔断器装置的瞬时AC电流的绝对量值大于当第一和第二开关断开并且存储电容器被充电时流动通过自供电电子熔断器装置的瞬时AC电流的绝对量值。通过仅在AC负载电流处于低电平(例如，小于50毫安)期间断开第一和第二开关用于此电容器充电目的，负载接收到的流动通过熔断器的AC负载电流的扰动得以最小化。一旦存储电容器已充电至15伏特，并且第一和第二开关已闭合，第一和第二开关就保持闭合，直至检测出过载电流状况，或直至存储电容器上的电压下跌至12伏特电压阈值以下。
当存储电容器在其电压小于12伏特电压阈值的情况下变为放电的，随后第一和第二开关在AC负载电流处于低电平(例如，小于50毫安)期间变为断开用于电容器充电目的。如果通过自供电电子熔断器装置的电流不足以充电电容器，那么两个开关保持断开，并且负载经由电容器充电电路保持连接至AC电源。负载电流可流动通过电容器再充电电路。如果存储电容器变为充电(例如，至15伏特)，那么自供电电子熔断器装置将闭合开关。否则开关保持断开。
下文更详细描述进一步细节和实施方案和方法。此概述并不旨在限定本发明。本发明由权利要求书限定。
附图说明
附图示出本发明的实施方案，其中类似附图标号指示类似部件。
图1为根据一个新型方面的自供电电子熔断器装置的透视图。
图2为展示图1的自供电电子熔断器装置底部的透视图。
图3为图1的自供电电子熔断器装置的电路图。
图4为示出图1的自供电电子熔断器装置的存储电容器可如何在第一熔断器装置封装端子T1上的电压VT1高于第二熔断器装置封装端子T2上的电压VT2的情况下充电的图。
图5为示出图1的自供电电子熔断器装置的存储电容器可如何在在第一熔断器装置封装端子T1上的VT1低于第二熔断器装置封装端子T2上的电压VT2的情况下充电的图。
图6为示出图1的自供电电子熔断器装置的电流限制器电路的操作的图。
图7为示出图1的自供电电子熔断器装置的存储电容器的充电的图。
图8为示出第一和第二开关闭合的时间周期和第一和第二开关断开以使得存储电容器可再充电的时间周期的波形图。
图9为示出图1的自供电电子熔断器装置在包括AC电源的系统中操作的图。
图10为图1的自供电电子熔断器装置的更详细电路图。
图11为根据一个新型方面的方法的流程图。
图12为自供电电子熔断器装置的另一实施方案的图。
图13为图12的实施方案110的实施例的透视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的一些实施方案，所述实施方案的实施例在附图中示出。在以下描述中，“断开”的开关视为“断开状态”，而“闭合”的开关视为“连接状态”。短语“打开”开关、或“启动”开关，或“闭合”开关意指将开关置于“连接”状态。短语“关上”开关、或“关闭”开关，或“断开”开关意指将开关置于“切断”状态。
图1为根据一个新型方面的自供电电子熔断器装置1的透视图。“电子熔断器”装置也称为“eFuse”。自供电电子熔断器装置1包括第一熔断器装置封装端子2、第二熔断器装置封装端子3和绝缘外壳4。在一个实施例中，外壳4是组装在一起的一件或多件注塑塑料，由此将电子电路包封和装设在外壳内。灌封化合物提供在外壳4内，以便占据原本是空气空间的任何体积。第一和第二熔断器装置封装端子2和3是从外壳延伸的模压金属片件。所述端子为可从自供电熔断器装置外部触及自供电熔断器装置1的仅有电端子。自供电电子熔断器装置1的形状和尺寸使其可被推入熔断器插座。自供电电子熔断器装置1可具有适用于熔断器的任何形状和尺寸，包括常规标准熔断器的形状和尺寸。图1中示出的自供电电子熔断器装置1的特定形状和尺寸仅仅是一种可能的形状和尺寸。
图2为展示自供电电子熔断器装置1底部的透视图。
图3为自供电电子熔断器装置1的电路图。自供电电子熔断器装置1包括第一熔断器装置封装端子T1 2、第二熔断器装置封装端子T2 3、外壳4、第一开关SW1 5、第二开关SW26、第一二极管D1 7、第二二极管D2 8、第三二极管D3 9、第四二极管D4 10、存储电容器C111、电流限制器电路12和开关控制电路13。这些端子和电子部件可贴装至印刷电路板。电路包括VRECT节点N1 14、虚拟接地节点N2 15、第一端子节点N3 16、第二端子节点N4 17和VSUP+节点N5 18。在一般意义上，当不存在流动通过自供电电子熔断器装置1的高电流的过载电流的情形时，自供电电子熔断器装置1用作低电阻电导体或短路。因此，开关SW1和SW2变为接通和导电，由此低电阻(＜100毫欧)的电流路径存在并通过第一熔断器装置封装端子T1与第二熔断器装置封装端子T2之间的熔断器。然而，如果发生过载电流状况，那么自供电电子熔断器装置变为“切断”，由此并无电流流动通过自供电电子熔断器装置。因此，开关SW1和SW2变为断开且不导电。在图3的实施例中，此过载电流状况是40安培或更高通过自供电电子熔断器装置的状况。开关控制电路13由存储在存储电容器11中的能量供电。
图4示出在第一熔断器装置封装端子T12上的电压VT1高于第二熔断器装置封装端子T2 3上的电压VT2的情况下存储电容器11可如何充电。要充电存储电容器11，断开第一和第二开关SW1和SW2。电流在由虚线和箭头19所示出的第一电流路径中流动。电流限制器电路12操作以允许电流流动，由此使得存储电容器11上的电压可被充电高达特定电压阈值(在这种情况下，19伏特)，但电流限制器电路12操作以限制或阻止电流流动，由此使得存储电容器11上的电压不超过特定电压阈值。
图5示出在第一熔断器装置封装端子T12上的电压VT1低于第二熔断器装置封装端子T23上的电压VT2的情况下存储电容器11可如何充电。同样，要充电存储电容器11，断开第一和第二开关SW1和SW2。电流在由虚线和箭头20所示出的第二电流路径中流动。在图4的电流流动的情况下，电流限制器电路12操作以允许电流流动，由此使得存储电容器11上的电压可被充电高达电压阈值(19伏特)，但电流限制器电路12操作以限制或阻止电流流动，由此使得存储电容器11上的电压不超过电压阈值。
在自供电电子熔断器装置设置于正弦AC电流路径中的情况下，由图5的箭头20示出的电流为在开关SW1和SW2断开的情况下可能会在AC电流的一半周期内流动的电流。图4的箭头19示出的电流为在开关SW1和SW2断开的情况下可能会在AC电流的另一半周期内流动的电流。
图6是电流限制器电路12的一个实施例的图。在此实施例中，电流限制器电路12具有三个输入/输出连接节点或点。这些输入/输出连接节点或点由附图标号21-23代表。这三个点21-23与图3上指示的点21-23相同。电流限制器电路12包括耗尽模式N通道场效应晶体管(NFET)24、齐纳二极管25以及两个电阻器26和27。接地节点GND为图3的虚拟接地节点N215。节点N1为图3的VRECT节点N1 14。
考虑存储电容器C1 11被放电以使其电压低于12伏特的情形。如果N1节点上的电压高于N2节点上的电压，那么电流可经由IN点21流至电流限制器电路12。耗尽模式NFET 24导通。电流从漏极28流动、通过耗尽模式NFET 24，并经由源极29流出耗尽模式NFET 24。电流从OUT点22流动，并且通过存储电容器11，并且流至节点N2。箭头36示出此充电电流的路径。充电电流的量值受限于电阻器26。耗尽模式NFET 24具有约负4伏特的阈值电压。如果NFET 24的门极30上的电压下跌至4伏特或更低于NFET 24的源极上的电压，那么NFET 24断开。由于电阻器26和27的连接，如果流动通过NFET 24的电流足够高以致于电阻器26两端的电压降接近四伏特，那么NFET 24开始断开。电流流动量的减少降低电阻器26两端的电压降，并且耗尽模式NFET的门极30上的电压并非相对于源极上的电压为负电压。因此，耗尽模式NFET 24限制电流达到电阻器26所设定的峰值充电电流。齐纳二极管25设定存储电容器11可被充电达到的最大电压。由于充电电流，当存储电容器11被充电时，存储电容器11上的电压增大。然而，存储电容器11上的电压无法超过约19伏特，因为齐纳二极管25防止耗尽模式晶体管24的门极30上的电压超过15伏特。当存储电容器11两端的电压接近19伏特，耗尽模式NFET 24的源极29上的电压也接近19伏特。VGS接近负四伏特VGS阈值电压。因此，耗尽模式NFET 24开始断开。对于19伏特或更高的电容器电压，耗尽模式NFET 24无法变为接通和导电。
图7为示出存储电容器11从完全放电状态充电的图。虚线波形31表示存储电容器上的电压。细实线波形32表示归因于50赫兹、240伏特RMS和AC电源的正弦AC电压。自供电电子熔断器装置1起初并非位于正弦AC电源的电流路径中。时间t1表示正弦AC电压的过零点时间。此时，在示出的实施例中，自供电电子熔断器装置1仍未位于AC电流路径中。正弦AC电压的电压从零伏特增大。在示出的特定实施例中，自供电电子熔断器装置1在时间t2首次连接至AC电流路径。因此，AC电压波形32在时间t2之前以虚线形式展示，以便示出此时间期间熔断器两端不存在AC电压。从时间t2开始，正弦AC电压的电压存在于熔断器装置封装端子T1与T2之间的自供电电子熔断器装置1两端。因此，存储电容器11开始从零伏特充电。充电电流为恒定的，并且由电流限制器电路12的电阻器26固定。因此，如由波形31表示的存储电容器11上的电压几乎线性地增大。耗尽模式NFET 24的门极上的电压钳位在15伏特，随后当存储电容器11上的电压在时间t3达到约+19伏特时，电容器充电在时间t3停止。如果存储电容器11以电流限制器电路12的电阻器26所设定的最大速率充电，那么从电容器上零伏特的起初完全放电状态开始充电直至+19伏特，存储电容器11花费约0.6毫秒。十毫秒为50赫兹AC电压正弦波的一半周期。因此，存储电容器11在50赫兹AC电压正弦波的一半周期的仅百分之六的充电时间周期内即可完全充电。时间t2与t3之间的时间周期为此短充电时间周期。
在图7示出的实施例中，自供电电子熔断器装置1展示为在AC电压波的电压增大的时间t2首次联接至AC电流路径。因此，存储电容器11上的电压增大，并且AC电压也增大。情况并不总是如此。在另一实施例中，自供电电子熔断器装置1在AC电压波的电压减小的时间联接至AC电流路径。在这种情况下，当AC波的电压减小时，存储电容器11上的电压将增大。不管存储电容器的充电何时开始，最大充电电流受限于电流限制器电路12的电阻器26并由其设定。
当存储电容器11从其完全放电状态开始充电达恰好第一时间时，其被充电高达19伏特，如图7所示。然后，使用存储在存储电容器11中的能量来供电自供电电子熔断器装置的电路。因此，存储电容器11的电压减小，并且最终需要再充电。然而，在再充电操作中，存储电容器11并不始终再充电高达其最高19伏特。相反，如下文更详细描述，比较器电路监测存储电容器11上的电压。当比较器电路判定存储电容器11上的电压已超出15伏特电压阈值，那么比较器电路致使存储电容器11的进一步充电停止。进一步充电是通过闭合开关SW1和SW2来停止。因此，在第一初始电容器充电之后的再充电操作中，存储电容器11被充电高达15伏特电压阈值。
图8为示出若干“开关断开时间周期”CT1、CT2和CT3的简化波形图，其间第一和第二开关断开，由此使得存储电容器11可被再充电。这些时间周期是相对于流动通过自供电电子熔断器装置1的正弦AC电流100而展示。在示出的特定实施例中，第一和第二开关断开时间周期CT1和CT2出现在AC电流的连续半周期期间。在下一半周期期间没有开关断开时间周期。第三开关断开时间周期CT3出现在下一半周期期间。因此，AC电流的特定半周期期间可存在开关断开时间周期，或AC电流的特定半周期期间可不存在开关断开时间周期。AC电流的特定半周期期间是否存在开关断开时间周期取决于存储电容器是否需要再充电。在示出的实施例中和在所有实施例中，每一“开关断开时间周期”的持续时间始终小于一毫秒。50赫兹正弦AC电流的半周期为10毫秒。附图标号103标识此类一半周期。60赫兹正弦AC电流的一半周期为约8.3毫秒。因此，对于50Hz和60Hz AC电流，每一开关断开时间周期的持续时间始终小于流动通过自供电电子熔断器装置的正弦AC电流的半周期的持续时间的百分之十五(15％)。举例来说，在半周期103的第一部分101期间，开关SW1和SW2闭合，并且存储电容器不进行再充电。在半周期103的第二部分102(CT2)期间，开关SW1和SW2断开。存储电容器在此第二部分102(CT2)期间充电。在此第二部分102期间，存储电容器可被充电达一段时间，随后在过零点时间前后的短时间期间充电停止，随后充电器的充电恢复，但在时间102的整个第二部分，第一和第二开关SW1和SW2断开。
图9为示出在系统33中处于操作状态的自供电电子熔断器1的图。系统33包括240伏特AC电源37、负载35和自供电电子熔断器1。如果流动通过自供电电子熔断器1的电流超过40安培过载电流，那么自供电电子熔断器1切断。其中的开关SW1和SW2断开，并且没有电流可流动通过自供电电子熔断器1。自供电电子熔断器1保持在此断开(切断)状态，直至出现以下一种情况：1)复位按钮34被按下，或2)自供电电子熔断器1以某种方式与AC功率断开联接。自供电电子熔断器1可通过从其熔断器插座移除熔断器来与AC功率断开连接。自供电电子熔断器1也可通过关闭AC电源37来与AC功率断开连接。
图10为自供电电子熔断器装置1的更详细电路图。第一开关SW15为第一功率NFET，并且第二开关SW26为第二功率NFET。第一二极管D17为第一功率NFET 5的体二极管。第一功率NFET和第一二极管为相同半导体裸片的部分。第二二极管D28为第二功率NFET 6的体二极管。除了这些晶体管之外，还存在第一电流镜NFET 40和第二电流镜NFET 41。第一电流传感电阻器42联接于第一电流镜NFET40的源极43与虚拟接地节点N215之间。第一电流镜NFET40的漏极44联接至第一功率NFET 5的漏极45。电压VS1为第一传感电阻器42两端的电压降。第一电流镜NFET 40的门极46联接至第一功率NFET 5的门极47。流动通过第一电流镜NFET40的电流为流动通过第一功率NFET 5的电流的1/100。第二电流传感电阻器48联接于第二电流镜NFET 41的源极49与虚拟接地节点N215之间。第二电流镜NFET 41的漏极50联接至第二功率NFET 6的漏极51。电压VS2为传感电阻器48两端的电压降。第二电流镜NFET 41的门极52联接至第二功率NFET 6的门极53。流动通过第二电流镜NFET 41的电流为流动通过第二功率NFET 14的电流的1/100。第一功率NFET 5的源极54在虚拟接地节点N215处联接至第二功率NFET 6的源极55。电压降VS1指示流动通过第一开关SW1的电流。电压降VS2指示流动通过第二开关SW2的电流。第一功率NFET和第一电流镜NFET和第一二极管为相同的第一半导体裸片的部分。第二功率NFET和第二电流镜NFET和第二二极管为相同的第二半导体裸片的部分。电流镜NFET 40和41以及电流传感电阻器42和48的电流传感电路视为图3的开关控制电路13的部分。重要地，从第一熔断器装置封装端子T1、通过第一开关SW1、通过第二开关SW2，并且至第二熔断器装置封装端子T2的主电流路径中没有电流传感电路或传感电阻器。
当自供电电子熔断器装置1起初连接至带有负载35的AC电源37时(参见图9)，第一和第二开关SW1和SW2都处于断开状态。存储电容器11上的电压为零伏特。存储电容器11开始通过二极管D3或D4、耗尽模式NFET 24、电阻器26以及功率NFET 5和6中的一个的体二极管充电。电压阈值由包括电阻器56和57的电阻器电压分压器设定。此电压阈值为15伏特。在普通的再充电操作中，存储电容器11上的电压一超过此15伏特电压阈值，比较器58的输出就会从低转变至高，藉此允许熔断电路打开开关SW1和SW2。如上所述，打开开关SW1和SW2会终止再充电周期，由此使得存储电容器11上的电压保持在15伏特。然而，打开开关SW1和SW2也会将负载联接至AC电源37。为使开关SW1和SW2首次打开时流动通过自供电电子熔断器装置1的初始浪涌电流最小化，延迟SW1和SW2开关的初次打开，直至AC输入电压降到电压阈值以下。此电压阈值为20伏特，并且由包括电阻器59和60的电阻器电压分压器设定。呈纠正形式的AC输入电压为VRECT节点14上的电压，与虚拟接地节点N215上的电压相比。因为开关SW1和SW2的首次打开有所延迟，此首次充电操作期间存储电容器11上的电压超过15伏特并且达到其最大值19伏特。在此延迟之后，当电压阈值下跌至20伏特以下时，比较器61的输出从低转变至高。由此致使或门62的输出从低转变至高。此时，两输入式与门63的两个输入为数字逻辑高电压，因此与门63输出数字逻辑高值至与非门64的低输入引线。数字逻辑高也存在于与非门64的其他输入引线上。因此，与非门64输出数字逻辑低信号至NFET 65的门极。NFET 65的门极上的数字逻辑低信号致使NFET 65断开。NFET 65的漏极上的电压被上拉电阻器66上拉至高逻辑电平。漏极联接至门驱动器集成电路67的INA和INB端子。门驱动器集成电路67包括两个同相低侧门驱动器。INA端子联接至第一门驱动器的输入，并且OUTA端子联接至第一门驱动器的输出。INB端子联接至第二门驱动器的输入，并且OUTB端子联接至第二门驱动器的输出。两个门驱动器借助于都由节点N5上的电压供应的启用输入端子ENA和ENB而启用，所述电压此时为+19伏特。因此，门驱动器驱动+19伏特电压至第一和第二开关SW1和SW2的门极。由此打开第一和第二开关SW1和SW2。
如上文关联图6所述，晶体管24为耗尽模式NFET。所述晶体管用于以稳定电流充电存储电容器11，而不管当AC输入电压为高于存储电容器的电压时AC输入电压的瞬时值。充电电流的量值由电阻器26两端的电压降设定。如果存储电容器11上的电压超过齐纳二极管25的15伏特电压阈值，那么耗尽模式NFET 24的门极30上的电压被钳位在此+15伏特齐纳二极管电压。然而，耗尽模式NFET 24的源极29上的电压继续上升。当源极29上的电压超过门极30上的电压约负四伏特(即，变为更负于耗尽模式NFET的负四伏特VGS阈值)时，耗尽模式NFET 24断开。由此防止存储电容器11充电过度和功率消耗增大。因此，第一充电操作结束时存储电容器11上的电压保持在+19伏特。
如果负载电流超过40安培过载电流，那么此电流将被检测为过载电流状况。电流传感电阻器42和48中的一个两端的电压降超过对应比较器68和70电压阈值上的参考电压。此参考电压由包括电阻器71和72的电阻器电压分压器设定。两个比较器68和70中的一个切断，并且输出数字逻辑低信号。因此，与非门73输出数字逻辑高信号。由此致使第一RS锁存器设定。第一RS锁存器由或非门74和75形成。此RS锁存器的设定致使锁存器输出数字逻辑低信号至节点和导体76。由于导体76上的数字逻辑低信号，与门63输出数字逻辑低信号。此数字逻辑低逻辑信号逻辑信号存在于与非门64的输入上，致使与非门64输出数字逻辑高信号。由此打开NFET 65，并且放置数字逻辑低电平信号至门驱动器67的INA和INB输入。因此，门驱动器67驱动第一和第二开关的门极电压至零伏特，并且第一和第二开关SW1和SW2断开。第一和第二开关SW1和SW2的断开为过载电流状况下期望的动作。
包括电阻器77和电容器78的RC网络防止在高频AC噪声的情况下错误的过载电流熔断器切断(开关SW1和SW2由于检测到过载电流状况而断开)。由电阻器81和电容器82所设定的时间常数判定熔断电路的初次上电与过载状况可首次被检测到的瞬间之间的最短时间。在过载状况之后，一出现以下一种情况，自供电电子熔断器装置就保持断开状态(开关SW1和SW2断开)：1)至熔断器的AC功率未被移除，由此使得存储电容器11完全放电，或2)按钮34未被按下。按下按钮34致使第一RS锁存器复位。
除了包括或非门74和75的第一RS锁存器之外，还存在第二RS锁存器。此第二RS锁存器包括或非门79和80。此第二RS锁存器用于防止在存储电容器完全放电的情况下AC电压高于20伏特时开关SW1和SW2在初次上电之后打开。防止在初次上电时AC电压为高于20伏特的情况下开关SW1和SW2打开，防止了高电压状况下连接的负载所引起的浪涌电流。熔断器电路一上电，第二RS锁存器就复位。第二RS锁存器的复位状态为或非门80输出数字逻辑低信号的状态。
当第一和第二开关SW1和SW2都接通和导电时，T1与T2端子之间的熔断器两端的电压降VFUSE由SW1和SW2开关的负载电流和RDC(ON)电阻判定。因此，熔断器两端的电压降VFUSE近似等于2RDC(ON)x ILOAD。因为正常状态下的此电压并不超过熔断器操作所要求的存储电容器上的最小电压，存储电容器开关SW1和SW2连接期间放电。因此，存储电容器放电，并且要求定期再充电。
当以下两个条件都满足时，再充电过程开始：1)存储电容器11上的电压为小于12伏特，和2)负载电流小于50毫安电流阈值。比较器58检测出存储电容器11上的电压已下跌至12伏特以下。电阻器99提供磁滞。如果存储电容器上的电压下降至12伏特以下，那么比较器58开始输出数字逻辑低信号。如果存储电容器上的电压随后增大，比较器58将不会开始输出数字逻辑高信号，直至存储电容器上的电压上升至15伏特以上。当熔断器的电路消耗完存储电容器的能量并且存储电容器上的电压下降至12伏特以下时，比较器58开始输出数字逻辑低信号。此数字逻辑低信号被供应至或门83的一个输入引线。然而，如果或门83的其他输入引线上的数字信号为数字逻辑高值，那么数字逻辑低信号无法穿过或门83。仅当流动通过熔断器的负载电流为接近零的小电流时，第一和第二开关SW1和SW2才断开以供再充电操作。如果流动通过熔断器的负载电流较大，那么电路将等待以断开第一和第二开关SW1和SW2以供再充电操作。因此，如果比较器84和85检测出负载电流不低于电阻器86和87的电阻器分压器所确立的50毫安电流阈值，那么与非门88输出数字逻辑高。由此有效地阻止或门83的其他输入引线的数字逻辑低信号穿过或门83。随着穿过熔断器的AC电流的量值减小，通过熔断器的电流最终下降至电阻器86和87的电阻器分压器所确立的50毫安电流阈值以下。此时，两个传感电阻器42和48两端的电压降低于电阻器电压分压器的中心节点89上的电压。比较器84和85都输出数字逻辑高信号。因此，与非门88输出数字逻辑低信号。因为或门83的两个输入引线上的信号现在处于数字逻辑低电平，或门83输出数字逻辑低信号。由此致使与非门64输出数字逻辑高，并且致使NFET 65接通，并且致使数字逻辑低信号被放置至门驱动器67的INA和INB输入，并且致使门驱动器驱动SW1和SW2开关的门极上的电压至接地。由此开关SW1和SW2断开，以为存储电容器11的再充电做准备。重要地，开关SW1和SW2仅当流动通过熔断器的负载电流处于低电平(小于50毫安)时断开用于电容器再充电目的。由此负载接收到的流动通过熔断器的负载电流的扰动得以最小化。开关SW1和SW2断开后，上文所述的存储电容器再充电过程可继续。
在再充电过程结束时，当存储电容器11上的电压变为高于包括电阻器56和57的电阻器电压分压器的中心接头90上的电压时，第一和第二开关SW1和SW2可再次打开。忽略或门62的输入引线91上的信号引起的效应后，开关SW1和SW2仅可在AC电压低于电阻器59和60的电阻器电压分压器所设定的20伏特电压阈值的情况下再次打开。在负载感应的情况下，流动通过熔断器的负载电流与熔断器两端的AC电压之间可存在实质相移。此相移可能过大，以致于当AC电压变为高于电阻器59和60的电阻器分压器所设定电压阈值时不允许熔断器打开(即使存储电容器现在已完全充电)。为防止此情况，仅当负载首次被打开时使用作为比较器61的输出的输出信号(来判定合适打开SW1和SW2)。在再充电操作之后再次打开开关SW1和SW2的情况下，当已检测到超出50毫安的负载电流时，来自与非门88的信号转变为高，并且设定或非门79和80的第二RS锁存器。第二RS锁存器的设定放置数字逻辑高信号至或门62的输入引线91上。由此有效地阻止从比较器61输出的数字逻辑低信号穿过或门62并且将开关SW1和SW2保持在切断状态。因为来自比较器61的输出信号无法阻止开关SW1和SW2打开，开关可取决于从比较器58输出的信号的值而打开。如果存储电容器已被充电至具有大于15伏特的电压，那么比较器58输出数字逻辑高信号，并且此高信号穿过或门83，由此使得与非门64的上输入上为数字逻辑高信号。与非门64的下输入上的信号为数字逻辑高，因为与门63输出数字逻辑高信号。因此，当电容器已充电至15伏特时，与非门64输出数字逻辑低信号。因此，NFET65断开，并且门驱动器的INA和INB引线上的电压为高电压，并且门驱动器打开开关SW1和SW2。因此，当比较器58检测到存储电容器11上的电压为15伏特或更高时，再充电过程结束。
或非门79和80的第二RS锁存器的初始状态由包括电阻器81和电容器82的RC网络判定。上电时，电容器82尚未充电，因此节点和导体92上起初为数字逻辑高信号。由此第二锁存器复位，由此使得或门80输出数字逻辑低电平信号。在此复位状态下，第二锁存器并不在比较器61输出信号时阻断信号。但是，一旦第二锁存器已被设定(在电阻器81和电容器82的RC时间常数引起的延迟之后，和已检测出负载电流超出50毫安之后)，此后第二锁存器将在比较器61输出信号时阻断信号。
提供齐纳二极管93和电容器94，以防止比较器61在AC电压峰值的情况下受损。低压差(LDO)稳压器95由存储电容器11上和节点N518上的供应电压供电。LDO稳压器95输出3.3伏特供应电压至+3.3伏特节点96。此+3.3伏特供应电压供电熔断器的所有比较器和所有数字逻辑电路。自供电电子熔断器装置的电路时常处于闲置状态。+3.3供应电压引起的预期平均电流消耗小于0.5毫安。LDO稳压器97由+3.3供应电压供电，并且输出+1.8伏特供应电压至+1.8伏特节点98。+1.8伏特供应电压引起的平均电流消耗小于50微安。在一个实施例中，门驱动器集成电路67为低侧门驱动器集成电路，诸如，可购自IXYS Corporation，1590 Buckeye Drive，Milpitas，California的IXDN602或IXDN604。提供NFET 65以将门驱动器的输入电压移位至存储电容器的电平，藉此将门驱动器在稳定状态下的电流消耗最小化至约十毫安。在没有此电平移位的情况下，门驱动器集成电路67在稳定状态下的电流消耗将为约三毫安。如果负载未连接，那么熔断器并不消耗功率。在存储电容器11已完全放电后，熔断器再次处于其初始状态。随后，熔断器等待负载被连接。在连接负载之后，电流流动通过熔断器，并且熔断器初始化并闭合开关SW1和SW2，藉此连接负载35至AC电源34。发生开关SW1和SW2的此闭合，并且AC功率信号的半周期的延迟达最大(从负载首次连接时，直至开关闭合)。
图11为不存在过载状况时包括自供电熔断器装置1的方法200的流程图。起初，存储电容器处于完全放电状态。随后，当第一和第二开关SW1和SW2切断(断开)时，AC电流导通(步骤201)通过图10的自供电电子熔断器装置。由此致使存储电容器充电。熔断电路等待(步骤202)直至存储电容器上的电压高于第一电压阈值(15伏特)。熔断电路等待(步骤203)直至熔断器两端的AC电压低于AC电压阈值(20伏特)。随后，第一和第二开关打开(步骤204)。此时，存储电容器已被充电高达至少15伏特历时第一时间。熔断电路检测出(步骤205)流动通过熔断器的AC电流高于电流阈值(50毫安)，并且作为响应，设定第二锁存器。第二锁存器的此设定阻止(步骤206)AC电压传感信号防止开关打开。熔断电路监测(步骤207)存储电容器上的电压和电流感测信号。如果判定存储电容器上的电压(步骤208)低于第二电压阈值(12伏特)，并且如果判定AC电流为(步骤209)低于电流阈值(50毫安)，那么开关断开(步骤210)。开关的断开允许存储电容器开始再充电。存储电容器上的电压增大。当存储电容器上的电压不再低于第一电压阈值(15伏特)，那么开关打开(步骤211)。开关的打开停止存储电容器的再充电。
流程图右侧的步骤207至211表示自供电熔断器装置的稳定状态操作期间发生的步骤。当检测出存储电容器上的电压已下降至第二电压阈值(12伏特)以下，那么当AC电流下跌至电流阈值(50毫安)以下时开关关闭(断开)。由此启动电容器再充电操作。当存储电容器上的电压达到第一电压阈值(15伏特)，那么开关打开(闭合)。电容器再充电在开关关闭(断开)的“开关断开时间周期”期间发生。有关三个此类开关断开时间周期CT1、CT2和CT3的图示，参见图8。
流程图左侧的步骤201至206表示熔断器电路的初始上电期间发生的步骤。
图12为两端子式自供电电子熔断器装置的另一实施方案110的图。图10的NFET 5、二极管D1和电流镜NFET 40设置于单个裸片上。此裸片标记为图12的Q1。图10的NFET 14、二极管D2和电流镜NFET 41设置于单个裸片上。此裸片标记为图12的Q2。这两个裸片可例如为可购自IXYS Corporation，1590 Buckeye Drive，Milpitas，California的MMIXT132N50P3装置。耗尽模式NFET 24为第三独立半导体裸片。耗尽模式NFET 24可例如为可购自IXYSCorporation，1590 Buckeye Drive，Milpitas，California的IXTA3N50D2装置。图10的二极管D3为第四独立半导体裸片，标记为图12的D3。图10的二极管D4为第五独立半导体裸片，标记为图12的D4。这些二极管可例如为可购自Sangdest Microelectronic Co.，Ltd(SMC)的S1JTR装置。图10的电路的剩余部分，电阻器、电容器、按钮和封装端子以集成形式提供在单个集成电路裸片104上。这些集成电路裸片(Q1、Q2、24、D3、D4、104)被表面贴装至DCB(直接敷铜)基板105。DCB 105为注塑集成电路封装106的裸片承载基板。此集成电路封装106具有封装的主体部分和多个金属封装端子。所述金属封装端子中的一个标识为图12中的附图标号107。集成电路封装106贴装至印刷电路板(PCB)108上。图10的电阻器和电容器提供为PCB上的独立表面贴装部件。所述独立表面贴装部件中的一个标识为图12中的附图标号109。大型表面贴装部件11是图10中的存储电容器11。集成电路封装106的左上五个金属封装端子通过PCB的导线并联至第一金属端子T1 2。集成电路封装106的右上五个金属封装端子通过PCB的导线并联至第二金属端子T2 3。PCB的其他导线(未示出)将表面贴装电阻器和电容器联接至集成电路封装106的各个其他端子。在一个实施例中，第一和第二端子T1和T2是模压金属片件。这些模压金属片件被焊接至或电焊至PCB。在另一实施例中，第一和第二端子T1和T2是PCB的金属化延伸。PCB 107和其上贴装的部件被封入绝缘外壳4。图10的按钮34(未示出)被表面贴装至PCB 108的底侧。按钮34制为从外壳4延伸，由此使得可在自供电电子熔断器装置总体的外部进行操纵。
图13为图12的实施方案110的实施例的透视图。在此实施例中，未提供按钮34。
尽管已出于教示目的而关联特定具体实施方案描述本发明，本发明并不限于此。二极管D1和D2可为体二极管ofNFET，或可为非体二极管的独立二极管。开关SW1和SW2可为电活化机械开关。尽管描述了使用电流镜来传感AC电流流动的电流的实施方案，在其他实施例中，不存在电流镜，而是一个或多个电流传感电阻器设置于与第一和第二开关串联的主AC电流路径中。在使用电流镜的状况下，第一NFET的源极可直接联接至第二NFET源极，或者在使用此类传感电阻器传感AC电流的量值的状况下，第一NFET的源极可经由传感电阻器联接至第二NFET的源极。在任一种情况下，第一NFET的源极视为联接至第二NFET的源极。尽管第一和第二锁存器中的每一个为图10实施例中的交叉耦合式RS锁存器，在其他实施方案中，可为另一类时序逻辑元件，诸如触发器。尽管按钮在上文中描述为用于复位自供电电子熔断器装置的机构，其他实施方案中使用其他机构。举例来说，自供电电子熔断器装置可包括远程控制的光耦合器或RF控制的开关，其制为接近远程控制时功能与复位自供电电子熔断器装置的按钮相同。因此，所述实施方案的各个特征的各种修改、调适和组合可在不偏离权利要求书所提出的范围的情况下实践。

Claims (24)

1.一种自供电熔断器装置，包括：
第一熔断器装置封装端子；
第二熔断器装置封装端子；
具有源极、漏极和门极的第一N通道场效晶体管(FET)，其中所述第一NFET的所述漏极联接至所述第一熔断器装置封装端子；
具有阳极和阴极的第一二极管，其中所述第一二极管的所述阳极联接至所述第一NFET的所述源极，其中所述第一二极管的所述阴极联接至所述第一NFET的所述漏极；
具有源极、漏极和门极的第二N通道场效晶体管(FET)，其中所述第二NFET的所述漏极联接至所述第二熔断器装置封装端子，并且其中所述第二NFET的所述源极在第二节点处联接至所述第一NFET的所述源极；
具有阳极和阴极的第二二极管，其中所述第二二极管的所述阳极联接至所述第二NFET的所述源极，其中所述第二二极管的所述阴极联接至所述第二NFET的的所述漏极；
具有阳极和阴极的第三二极管，其中所述第三二极管的所述阳极联接至所述第一二极管的所述阴极；
具有阳极和阴极的第四二极管，其中所述第四二极管的所述阳极联接至所述第二二极管的所述阴极，其中所述第四二极管的所述阴极在第一节点处联接至所述第三二极管的所述阴极；
具有第一端子和第二端子的存储电容器，其中所述存储电容器联接于所述第一节点与所述第二之间的充电电流路径中；和
开关控制电路，所述开关控制电路由所述存储电容器中的电荷供电，并且联接至所述第一NFET的所述门极，并且联接至所述第二NFET的所述门极。
2.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，还包括：
外壳，所述外壳装设所述第一NFET、所述第二NFET、所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管、所述第四二极管、所述存储电容器和所述开关控制电路，其中所述第一熔断器装置封装端子和所述第二熔断器装置封装端子为可从所述自供电熔断器装置外部触及所述自供电熔断器装置的仅有电端子。
3.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述第一NFET为第一NFET裸片，其中所述第一NFET裸片包括体二极管，其中所述第一二极管为所述第一NFET裸片的所述体二极管，其中所述第二NFET为第二NFET裸片，其中所述第二NFET裸片包括体二极管，并且其中所述第二二极管为所述第二NFET裸片的所述体二极管。
4.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，还包括：
电流限制器电路，所述电流限制器电路联接于所述充电电流路径中，由此使得充电电流可从所述第一节点流动、通过所述电流限制器电路、通过所述存储电容器，并且流至所述第二节点。
5.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，还包括：
电流限制器电路，所述电流限制器电路联接于所述充电电流路径中，由此使得充电电流可从所述第一节点流动、通过所述电流限制器电路、通过所述存储电容器，并且流至所述第二节点，其中所述电流限制器电路包括耗尽模式场效晶体管。
6.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述自供电熔断器装置有且仅有两个外部可触及电端子。
7.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述存储电容器具有引线，其中所述引线联接至所述第一NFET的所述源极并且在所述第二节点联接至所述第二NFET的所述源极。
8.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述开关控制电路包括：
联接至所述第一NFET作为第一电流镜的第三NFET；和
联接至所述第二NFET作为第二电流镜的第四NFET。
9.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述第二NFET的所述源极经由导体直接联接至所述第一NFET的所述源极。
10.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述第二NFET的所述源极经由传感电阻器联接至所述第一NFET的所述源极。
11.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述开关控制电路包括时序逻辑元件，并且其中响应于检测到过载状况，所述时序逻辑元件由所述开关控制电路设定。
12.如权利要求1所述的自供电熔断器装置，其中所述开关控制电路包括时序逻辑元件和按钮，其中响应于检测到过载状况，所述时序逻辑元件被设定，并且其中响应于所述按钮的按下，所述时序逻辑元件被复位。
13.一种自供电熔断器装置，包括：
第一熔断器装置封装端子；
第二熔断器装置封装端子；
具有第一端子、第二端子和第三端子的第一开关，其中所述第一开关的所述第一端子联接至所述第一熔断器装置封装端子；
具有阳极和阴极的第一二极管，其中所述第一二极管的所述阴极联接至所述第一开关的所述第一端子；
具有第一端子、第二端子和第三端子的第二开关，其中所述第二开关的所述第一端子联接至所述第二熔断器装置封装端子，并且其中所述第二开关的所述第二端子在第二节点联接至所述第一开关的所述第二端子；
具有阳极和阴极的第二二极管，其中所述第二二极管的所述阴极联接至所述第二熔断器装置封装端子；
具有阳极和阴极的第三二极管，其中所述第三二极管的所述阳极联接至所述第一二极管的所述阴极；
具有阳极和阴极的第四二极管，其中所述第四二极管的所述阳极联接至所述第二二极管的所述阴极，其中所述第四二极管的所述阴极在第一节点处联接至所述第三二极管的所述阴极；
具有第一端子和第二端子的存储电容器，其中所述存储电容器联接于充电电流路径中，其中所述充电电流路径从所述第一节点延伸通过所述存储电容器并且至所述第二节点；
开关控制电路，所述开关控制电路由所述存储电容器中存储的电荷供电，并且联接至所述第一开关的所述第三端子，并且联接至所述第二开关的所述第三端子；和
外壳，所述外壳装设所述第一开关、所述第二开关、所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管、所述四二极管、所述存储电容器和所述开关控制电路。
14.如权利要求13所述的自供电熔断器装置，其中所述第一开关为电活化机械开关，并且其中所述第二开关为电活化机械开关。
15.如权利要求14所述的自供电熔断器装置，其中所述第一熔断器装置封装端子和所述第二熔断器装置封装端子为可从所述自供电电子熔断器装置外部触及所述自供电电子熔断器装置的仅有电端子。
16.如权利要求13所述的自供电熔断器装置，其中所述第一开关包括晶体管，其中所述第一二极管为所述第一开关的所述晶体管的体二极管，其中所述第二开关包括晶体管，并且其中所述第二二极管为所述第二开关的所述晶体管的体二极管。
17.如权利要求16所述的自供电熔断器装置，其中所述第一熔断器装置封装端子和所述第二熔断器装置封装端子为可从所述自供电电子熔断器装置外部触及所述自供电电子熔断器装置的仅有电端子。
18.一种自供电熔断器装置，包括：
第一熔断器装置封装端子；
第二熔断器装置封装端子；
开关构件，用于选择性地闭合以使得所述第一熔断器装置封装端子通过所述开关构件短接至所述第二熔断器装置封装端子，和用于选择性地断开以使得述第一熔断器装置封装端子并不通过所述开关构件联接至所述第二熔断器装置封装端子；
具有阳极和阴极的第一二极管，其中所述第一二极管的所述阴极联接至所述第一熔断器装置封装端子；
具有阳极和阴极的第二二极管，其中所述第二二极管的所述阴极联接至所述第二熔断器装置封装端子，并且其中所述第二二极管的所述阳极联接至所述第一二极管的所述阳极；
具有阳极和阴极的第三二极管，其中所述第三二极管的所述阳极联接至所述第一二极管的所述阴极；
具有阳极和阴极的第四二极管，其中所述第四二极管的所述阳极联接至所述第二二极管的所述阴极，其中所述第四二极管的所述阴极在节点处联接至所述第三二极管的所述阴极；
具有第一端子和第二端子的存储电容器，其中所述存储电容器联接于充电电流路径中，其中所述充电电流路径从所述节点延伸并且穿过所述存储电容器；
开关控制电路，所述开关控制电路由所述存储电容器中存储的电荷供电，并且经联接以控制所述开关构件；和
外壳，所述外壳装设所述开关构件、所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管、所述四二极管、所述存储电容器和所述开关控制电路。
19.如权利要求18所述的自供电熔断器装置，其中所述第一熔断器装置封装端子和所述第二熔断器装置封装端子为可从所述自供电熔断器装置外部触及所述自供电熔断器装置的仅有电端子。
20.如权利要求19所述的自供电熔断器装置，其中所述开关构件包括第一开关和第二开关，其中当所述开关构件选择性地闭合时所述第一开关和所述第二开关都闭合，并且其中当所述开关构件选择性地断开时所述第一开关和所述第二开关都断开。
21.如权利要求19所述的自供电熔断器装置，其中所述开关构件包括N通道场效晶体管(NFET)，其中所述NFET和所述第一二极管为相同半导体裸片的部分。
22.如权利要求18所述的自供电熔断器装置，还包括：
电流限制器电路，所述电流限制器电路联接于所述充电电流路径中，由此使得充电电流可从所述节点流动、通过所述电流限制器电路，并且通过所述存储电容器。
23.如权利要求18所述的自供电熔断器装置，还包括：
电流限制器电路，所述电流限制器电路联接于所述充电电流路径中，由此使得充电电流可从所述节点流动、通过所述电流限制器电路，并且通过所述存储电容器，其中所述电流限制器电路包括耗尽模式晶体管。
24.如权利要求18所述的自供电熔断器装置，其中所述开关控制电路包括：
第一晶体管，所述第一晶体管为第一电流镜的部分；和
第二晶体管，所述第二晶体管为第二电流镜的部分。
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