CN1545794A

CN1545794A - 过压保护电路

Info

Publication number: CN1545794A
Application number: CNA018224326A
Authority: CN
Inventors: ��˶��J��÷ͼķ; 迈克尔·J·梅图姆; W; 史蒂文·W·拜厄特
Original assignee: Power Innovations Ltd
Current assignee: Power Innovations Ltd
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2004-11-10
Also published as: WO2002050970A2; US20020075619A1; GB0030992D0; TW517389B; EP1344377A2; WO2002050970A3; JP2004523151A; AU2002217274A1

Abstract

一种过压保护电路，用于防止电话线导体(11，13)上的电压和电流过载，以防止损坏SLIC(22)，所述电路包括：第一SCR(47)，用于将所述导体连接到一个参考电势(42)；以及第一触发装置(D1，TR5，R1)，用于将所述SCR从第一关闭状态切换到第二接通状态。第一触发装置(D1，TR5，R1)由所述导体(11，13)上的超过第一幅度的电压来电压触发以及由所述导体(11，13)上的超过第二幅度的电压来电流触发，从而提供了在两个离散电压幅度的过压保护。

Description

过压保护电路

技术领域

本发明涉及过压保护装置和电路的领域。具体地说，本发明涉及被实现为集成电路的类型、并且特别适合用于与电话线有关的电子设备的过压保护电路的领域。

背景技术

在电话接入网络中，向用户提供电话线的电子电路传统上提供被称为BORSCHT的功能，其代表电池供电、过压保护、振铃、信令、编码、混合和测试。传统上，提供被称为用户线接口电路(SLIC)的单个集成电路(IC)，来执行BORSCHT的B、S、C和H功能，并且需要提供附加的电路来执行过压保护、振铃和测试的功能。实际上，正在越来越多地制造SLIC，来并入振铃和测试功能。这样，只有过压保护需要从外部并入。

发明内容

本发明旨在提供一种改进的过压保护电路，其特别有利于用于与电话线相关的电子设备中。

按照本发明的第一优选实施例，本发明提供了一种过压保护电路，所述电路包括：第一开关装置，用于将所述导体连接到一个参考电势；第一触发装置，用于将所述开关装置从第一关闭状态切换到第二接通状态；其中，所述第一触发装置由所述导体上的超过第一幅度的电压来电压触发，以及由所述导体上的超过第二幅度的电压来电流触发，从而提供了在两个离散电压幅度的过压保护。

在本发明的一个优选形式中，所述第一幅度大于所述第二幅度。

有益的是，所述第一触发装置包括：电流触发元件，用于当所述导体上的所述电压超过所述第二幅度时，电流触发所述第一开关装置；电压触发元件，用于当所述导体上的所述电压超过所述第一幅度时，电压触发所述第一开关装置。

最好是，所述电流触发元件用于根据流过所述导体的电流来产生触发信号，从而响应于所述超过一个预先选取的值的所述电流，来触发所述开关装置的导通。

本发明也提供了一种过压保护电路，用于一个导体，所述电路包括：第一SCR，具有用于连接到所述导体的阴极端子、和用于连接到一个参考电势的阳极端子、以及控制极；第一触发装置，用于将所述第一SCR从第一关闭状态切换到第二接通状态；其中，所述第一触发装置由所述导体上的超过第一幅度的电压来电压触发，以及由所述导体上的超过第二幅度的电压来电流触发，从而提供了在两个离散电压幅度的过压保护。

有益的是，所述第一幅度大于所述第二幅度。

最好是，所述第一SCR包括电流触发元件，用于当所述导体上的所述电压超过所述第二幅度时，来电流触发所述SCR。

有益的是，所述电流触发元件用于根据流过所述导体的电流，来产生触发信号，从而响应于所述超过一个预先选取的值的所述电流，来触发所述开关装置的导通。

最好是，所述电流触发元件被连接在所述控制极与所述阴极端子之间。

附图说明

现在参照附图仅仅通过示例来说明本发明，其中：

图1a是公知的过压保护电路的示意方框图；

图1b是图1a的保护电路的电特性的图；

图2a是按照本发明的过压保护电路的第一优选实施例的示意电路图；

图2b是图2a的保护电路的电特性的图；

图3示出了图2a的保护电路的优选的硅结构；

图4a是按照本发明的保护电路的第二优选实施例的示意电路图；

图4b是图4a的保护电路的电特性的图；

图5示出了图4a的保护电路的可能的硅结构；

图6是按照本发明的保护电路的第三实施例的示意电路图；

图7a是按照本发明的保护电路的第四实施例的示意电路图；

图7b是图7a的保护电路的电特性的图；

图8是图7a的保护电路的可能的硅结构；

图9a是按照本发明的保护电路的第五实施例的示意电路图；

图9b是图9a的保护电路的电特性的图；以及

图10是图9a的保护电路的可能的硅结构。

具体实施方式

图1a大体上在参考标号10示出了传统的公知结构的SLIC 22和相关的过压保护电路19，用于防止在电话线导体11、13上的电压和电流过载，以防止对SLIC 22的损害。图1b示出了保护电路19的电特性。由于振铃功能要求比对SLIC供电的负电池更高的电源电压，因此在SLIC上提供附加的负电压源。这样，SLIC具有两个负电压源12、14，分别为用于正常使用的-70伏特、和用于振铃功能的-150伏特。为了最小化功耗和浪费，这两个负电压源由开关17内部切换到线路驱动放大器16、18，以便当需要振铃时提高其电压摆幅。

由于对SLIC 22的电压源可以在-70伏特与-150伏特之间切换，为了对导线11、13提供足够的保护，保护电路19必须在电压低于-150伏特时开始限制在线路上的电压。然而，当线路驱动放大器被切换到-70伏特电源时，这种保护是不够的，因为在限制过压之前，线路电压将被降到-150伏特。图1b中所示的电路19的电压电流特性说明了：在这种情况下，几乎100伏特的过电压将被施加到线路驱动放大器。使用这中电平的过压，线路驱动放大器16、18就会输出高的、和可能为破坏性的电流。

传统上，串联电阻器20被直接连接到每个SLIC线路驱动器的输出，以便限制在这些高过电压上的电流。然而，这种电阻器必须能够进行高功率耗散，并且，在正常使用中，会在线路供应电压上的产生相当的压降。

图2a说明了按照本发明的过压保护电路40的第一优选实施例，过压保护电路40用于提供对SLIC 22的保护。对于每个线路导体11、13提供了分离的保护电路40。保护电路是相同的，因此，为了清楚起见，仅仅在图2a中示出了一个。在这个实施例中，SLIC可以是如图1a中所示的传统SLIC，例如，在商标Infineon PEB 4266下制造的SLIC。可以通过开关17，在线路驱动放大器16、18之间交替切换两个电压源12、14。

过压保护电路40被连接在导线11与保护接地(bonding)和地线(PG)42之间。在这个实施例中，PG 42被接地零电压表示。由于对SLIC 22的电压源和导线11是负的，所以，PG 42实际作为向导线11提供电流的电流源，以便当过压发生时提高其电压。

保护电路40包括可控硅整流器(SCR)47形式的保护器件47，保护器件47连接在PG 42与导线11之间，PG 42连接在其阳极44，导线11连接在其阴极46。SCR 47在形式上是传统的，并可通过具有两个公共电极的两个双极性晶体管TR1、TR2的组合来表示。这样，由第二晶体管TR2的发射极形成保护电路40的阳极44，并由第一晶体管TR1的发射极形成保护电路40的阴极46。每个晶体管TR1、TR2的基极连接到另一个晶体管的集电极。

为了对导线11提供足够的保护，保护电路40包括多个其他电路部件。首先，第一晶体管TR1的基极(也是第二晶体管TR2的集电极)通过第一电阻R1连接到导线11。其次，第一晶体管TR1的基极也通过雪崩或齐纳二极管D1连接到第二晶体管TR2的基极(也是第一晶体管TR1的集电极)。二极管D1的极性与晶体管TR1和TR2的集电极-基极二极管的方向相同，并且当反向偏压超过一个预定的电平时，将会雪崩击穿。另外，通过与电阻R1并联的短路线48，第一晶体管TR1的基极直接连接到导线11。

图2a的实施例也包括两个另外的电路元件。所述元件中的第一个是传统的半导体二极管D2，其与SCR 47反向并联连接，即，二极管D2的阳极连接到SCR 47的阴极，而二极管D2的阴极连接到SCR 47的阳极。第二个(可选的)元件是在导线11中串联的第二电阻R2。如果省略了第二电阻R2，则由第二电阻器R2提供的连接当然是开放电路(open circuit)。

图2b是图2a的保护电路40的电特性的图。图2a的电路的操作说明如下。

电压触发：

在振铃模式中，开关17将-150伏特的电压源连接到线路驱动器18。因此，保护电路40可用于对导线11的任何过电压进行保护，所述过电压可以是低于-150伏特的、导线11上的电压。当导线上的电压的幅度是-150伏特或更小时，保护电路40的SCR 47处于“关闭”状态而不导通。

第二晶体管TR2的基极-发射极结是正向偏置的，并且，第二晶体管TR2的基极大致在零伏特浮动。然而，由于还没有超过齐纳二极管D1的击穿电压，所以，第一晶体管TR1的基极经由第一电阻R1被保持在导线11的电压上。当导线11上发生低于-150伏特的线路电压的过电压(即，幅度大于150伏特)时，在晶体管TR1与TR2的基极之间(即，齐纳二极管D1两端)的电压差增加。当所述电压差增加到齐纳二极管D1的击穿电压时，齐纳二极管D1击穿并开始导通。

在第二晶体管TR2的基极上所导致的电压降使其导通一个增加的电流。这反过来导致通过第一晶体管TR1的电流的增加，增加了第一晶体管TR1的基极-发射极结两端的正向电压，并使其开始导通电流。一旦两个晶体管都导通，就发生正反馈，流过晶体管的电流迅速增加，在保护电路40的阳极44与阴极46之间的连接、以及继而在接地零电压与导线11之间的连接闭合。因此，电流从接地零向导线11流动，增加了后者的电压。同时，在齐纳二极管D1两端所产生的电压降的降低将使后者关闭。晶体管TR1和TR2保持完全导通，直到过电压的原因被消除时为止。此处，SCR 47从其导通状态恢复到不导通的、关闭状态的情况。

电流触发：

当不在振铃模式时，开关17将-70伏特的电压源线路切换到线路驱动器16。在这种模式中，线路驱动器在两个线路导体11、13上保持偏压。线路电流流过并联的电阻R1和R2(当存在时)。利用正确选择的R1和R2值，所产生的电压将会非常低，而不会由第一晶体管TR1引起电流导通。

然而，当导线11上出现低于-70伏特的线路的过电压时，实际线路电流将流过电阻器R1、R2。电阻器两端所产生的电压降使基极电流流入第一晶体管TR1。这随后使得第二晶体管TR2导通电流，增加了第二晶体管TR2的基极电流，结果导致两个晶体管变得完全导通，SCR 47导通。

可以看出，图2a的过压保护电路能够：根据SLIC工作的模式，对导线11在-70伏特和-150伏特的过电压进行保护。

二极管D2的目的是：对相反方向的、在导线11上可能发生的任何过电压、即正极性过电压进行保护。当正过电压发生时，线路驱动器18可能尝试通过降低(sinking)电流来减小正漂移。这个电流流过第一电阻器R1(和第二电阻器R2，如果存在的话)，反向偏置第一晶体管TR1的基极-发射极结。这个电压可能足够损害第一晶体管TR1，从而提供二极管D2来限幅这个反向偏压。二极管D2可以在保护电路40外部、或与保护电路40集成在一起。

可以提供第二电阻器R2来降低触发电流的温度敏感性、或增加触发电流水平。这个电阻器的值将在几个欧姆的范围中，并且带来比图1a的现有技术中的保护电阻少的多功耗和电压损失。

可以明白，如上所述，通过相同的保护电路40，以相同的方式来保护导线13。

图3示出了上述保护电路40的可能的硅结构300。其包括N^-基底301，在其上下表面上分别形成金属镀层302、304。下金属镀层304形成保护电路40的阳极44，上金属镀层302形成保护电路40的阴极46。通过N⁺和P掺杂的区域306、308，在N^-基底的每侧上形成二极管D2，同时，通过P⁺、N和N⁺区域310、312、316、P区域308、和N^-基底301，形成SCR 47和齐纳二极管D1。通过穿过P区域308、从N与N⁺区域之间的终端318到上金属镀层302的路径，形成电阻R1。

图4a示出了按照本发明的保护电路440的第二优选实施例，其中，保护电路440被控制(gated)着，使用电压源作为保护参考电压。在这个实施例中，保护电路440具有一个附加的晶体管触发器TR5，其集电极连接到阳极44，其发射极连接到第二晶体管TR2的集电极和第一晶体管TR1的基极。附加晶体管TR5的基极通过线路402直接连接到-150伏特的电压源。附加晶体管TR5被连接作为射级跟随器。

如果附加晶体管TR5的发射极被下拉(pull)到比-150伏特电源电平低大约0.7伏特，则附加晶体管TR5将在发射极与集电极之间导通大量的电流。由于第一晶体管TR1的基极被附加晶体管TR5的发射极保持接近-150伏特电源，第一晶体管TR1将开始导通，并将提供晶体管TR2的基极电流。然后，第二晶体管TR2将开始导通，接通SCR 47。为了对小于-70伏特的过电压进行保护，接通机制与图2a所述的相同。图4b是图4a的保护电路的电特性的图。

如图2a那样，线路13由相同于电路440的保护电路来保护。图5示出了图4的电路的可能的硅结构500。这个结构的左手部分类似于图3，通过两个另外的N⁺区域504、506、P区域508和N^-基底301，形成附加晶体管TR5。基极区域508通过端子510连接到-150伏特的线路。

上述实施例可以、但不是唯一地应用到图1a中所示类型的SLIC，具有两个负电源，一个用于正常使用，一个用于振铃功能。然而，一些SLIC被提供三个电源，图6示出了SLIC 622，其具有由开关电路602切换的三个电源、并且被保护电路640保护。在这个实施例中，SLIC具有-50伏特的电压源，其在正常使用期间被切换到线路驱动放大器16、18，该SLIC还具有两个70伏特的电压源，一个是负极性的，另一个是正极性的，用于实现振铃功能。

为了保护在正、和负极性中的SLIC，保护电路必须提供双向切换。这可以通过提供反向并联的两个SCR来实现。实际上，图2a的实施例的二极管D2被替换为：与现有的(第一)SCR 47反向并联的第二SCR 647，如图6中所示。然而，虽然第一晶体管TR1的基极可以被接入来用于电流触发，但是，SCR 647的第三晶体管TR3的基极不能。

图7a中示出了用于包括三个电压源的SLIC的保护电路740的另一个优选实施例。在这个实施例中，图2a的实施例的二极管D2被替换为与第一SCR47互补的SCR电路747。结果是保护电路740，其包括：互补SCR对(p控制极和n控制极)47、747，允许在两个极性的过电压下的电压和电流触发。这个电路将仅仅触发与过电压极性相对应的电流方向。

图7b是图7a的保护电路的电特性的图。图8中说明了用于图7a的实施例的合适的硅结构。在图8的右手侧的结构类似于图3的结构，但对于第一SCR 47，具有形成一个分离区域的P⁺区域310。通过P⁺、N、P^-和N⁺区域702、704、706、708和710，来形成互补SCR 747。

图9a示出了用于被提供有三个电压源的SLIC的保护电路940的实施例，其为图4a的实施例的改进。在此，二极管D2被替代为互补控制(gated)的SCR 747。后者也使用电压源作为保护参考电压。在这个实施例中，保护电路940具有附加晶体管TR6，其集电极连接到阳极44，其发射极连接到第三晶体管TR3的集电极和第四晶体管TR4的基极。附加晶体管TR6的基极通过线路704直接连接到+70伏特电源，同时，晶体管TR5的基极通过线路202连接到-70伏特线路。图9a的电路实际上是图4a和图7a的电路的组合。

图9b是图9a的保护电路的电特性的图，图10是用于图9a的保护电路的可能的硅结构。

虽然在此已经说明了多个特定的实施例，可以明白，各种改变和改进本身对于相关领域的技术人员显然的。例如，虽然已经公开了SCR作为在这些电路中的开关元件，但是也会发现其他类型的开关元件对于不同应用是适合或甚至是优选的。而且，虽然上述的实施例被最佳地实现为单个集成电路，它们也可以整体或部分地被利用分离元件来实现。

Claims

1.一种过压保护电路，用于导体(11，13)，所述电路包括：

第一开关装置(47)，用于将所述导体连接到一个参考电势(42)；以及

第一触发装置(D1，TR5，R1)，用于将所述开关装置从第一关闭状态切换到第二接通状态；

其中，所述第一触发装置(D1，TR5，R1)由所述导体(11，13)上的超过第一幅度的电压来电压触发、以及由所述导体(11，13)上的超过第二幅度的电压来电流触发，从而提供了在两个离散电压幅度的过压保护。

2.按照权利要求1的电路，其中，所述第一幅度大于所述第二幅度。

3.按照权利要求2的电路，其中，所述第一触发装置(D1，TR5，R1)包括：电流触发元件(R1)，用于当所述导体(11，13)上的所述电压超过所述第二幅度时，电流触发所述第一开关装置(47)。

4.按照权利要求2或3的电路，其中，所述第一触发装置(D1，TR5，R1)包括：电压触发元件(D1，TR5)，用于当所述导体(11，13)上的所述电压超过所述第一幅度时，电压触发所述第一开关装置(47)。

5.按照权利要求3或4的电路，其中，所述电流触发元件(R1)用于根据流过所述导体(11，13)的电流来产生触发信号，从而响应于所述超过一个预先选取的值的所述电流，来触发所述开关装置(47)的导通。

6.按照权利要求5的电路，其中，所述电流触发元件包括电阻元件(R1)。

7.按照权利要求5的电路，其中，所述电流触发元件包括第一和第二并联电阻元件(R1，R2)。

8.按照权利要求6或7的电路，其中，所述电流触发元件可与所述导体(11，13)串联。

9.一种过压保护电路，用于一个导体(11，13)，所述电路包括：

第一SCR(47)，具有：用于连接到所述导体(11，13)的阴极端子(46)、用于连接到一个参考电势的阳极端子、以及控制极(48)；

第一触发装置(D1，TR5，R1)，用于将所述第一SCR(47)从第一关闭状态切换到第二接通状态；

10.按照权利要求9的电路，其中，所述第一幅度大于所述第二幅度。

11.按照权利要求10的电路，其中，所述第一触发装置(D1，TR5，R1)包括电流触发元件(R1)，用于当所述导体(11，13)上的所述电压超过所述第二幅度时，来电流触发所述第一开关装置(47)。

12.按照权利要求10或11的电路，其中，所述电流触发元件(R1)用于根据流过所述导体(11，13)的电流来产生触发信号，从而响应于所述超过一个预先选取的值的所述电流，来触发所述开关装置的导通。

13.按照权利要求11或12的电路，其中，所述电流触发元件(R1)被连接在所述控制极(46)与所述阴极端子之间。

14.按照权利要求12或13的电路，其中，所述电流触发元件包括电阻元件(R1)。

15.按照权利要求12或13的电路，其中，所述电流触发元件(R1)包括第一和第二并联电阻元件(R1，R2)。

16.按照权利要求14或15的电路，其中，所述电流触发元件(R1)可与所述导体(11，13)串联。

17.按照权利要求9-16中的任一个权利要求的电路，其中，所述第一触发装置(D1，TR5，R1)包括电压触发元件(D1，TR5)，用于当所述导体(11，13)上的所述电压超过所述第一幅度时，电压触发所述第一SCR(47)。

18.按照权利要求17的电路，其中：

所述第一SCR包括第一NPN晶体管器件(TR1)和第二PNP晶体管器件(TR2)；

每个晶体管器件将其基极电连接到另一个器件的集电极；

每个器件的发射极分别电连接到阳极和阴极端子(44，46)中的一个；

所述器件的一个的基极电连接到SCR的控制极(46)；

所述电压触发元件是齐纳二极管装置(D1)，它电连接在所述器件(TR1，TR2)的基极之间；

所述齐纳二极管装置(D1)具有一个预先选择的反向击穿电压，来响应于在所述导体上超过所述第一幅度的所述电压而触发所述第一SCR的导通。

19.按照权利要求17或18的电路，其中，所述电压触发元件是连接在所述控制极(48)与所述阳极端子(44)之间的晶体管器件(TR5)，并且晶体管器件(TR5)的基极(202)连接到所述第一幅度的预先选择的参考电压。

20.按照权利要求18的电路，其中，所述电压触发元件是第三NPN晶体管器件(TR5)，其集电极连接到第二PNP的晶体管器件(TR2)的发射极，其发射极连接到所述控制极，其基极(202)连接到所述第一幅度的预先选择的参考电压。

21.按照权利要求9-20中的任一个权利要求的电路，还包括二极管装置(D2)，它被反向并联地连接在所述阳极与阴极端子(44，46)之间。

22.按照权利要求9-20中的任一个权利要求的电路，还包括：

第二SCR(647)，反向并联连接到所述第一SCR；

第二触发装置(D3)；

其中：

所述第一触发装置由超过第一极性的所述第一幅度的电压来电压触发，并且所述第二触发装置由超过反向极性的所述第一幅度的电压来电压触发(图6)。

23.按照权利要求9-22之中的任一个权利要求的电路，还包括：

互补第二SCR(747)，并联连接到所述第一SCR(47)，以便提供一个SCR的互补对；以及

第二触发装置(R3，D3)，用于将所述第一SCR从第一闭合状态切换到第二接通状态；

其中：

所述第一触发装置(D1、TR5，R1)由超过在所述导体(11，13)上的所述第一幅度的第一极性的电压来电压触发，以及由超过在所述导体(11，13)上的所述第二幅度的第一极性的电压来电流触发；以及

所述第二触发装置(D3，TR5，R3)由超过在所述导体(11，13)上的所述第一幅度的反向极性的电压来电压触发，以及由超过在所述导体(11，13)上的所述第二幅度的反向极性的电压来电流触发；

从而提供了在两个极性的两个离散电压幅度的过压保护。