DE102016101889A1

DE102016101889A1 - Widerstandsänderungseinrichtung zum Bereitstellen von Überstromschutz

Info

Publication number: DE102016101889A1
Application number: DE102016101889.9A
Authority: DE
Inventors: Gary Bentley
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: TW201633643A; US20160241023A1; US9653913B2; TWI683494B; CN105896499A; CN105896499B; DE102016101889B4

Abstract

Eine Überstromschutzeinrichtung kann Folgendes umfassen: einen Eingangsanschluss, um einen Eingangsstrom zu empfangen; einen Ausgangsanschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist; und eine Strombegrenzerschaltung, die im Siliziumsubstrat integriert ist und zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss angeordnet ist. Die Strombegrenzerschaltung kann Folgendes umfassen: ein Serienpassglied, das einen Passzustand, der durch einen ersten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, und einen Begrenzungszustand, der durch einen zweiten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist, aufweist, wobei das Serienpassglied ein Serienstrommessglied beinhaltet, das im Siliziumsubstrat integriert ist und konfiguriert ist, um den Eingangsstrom zu empfangen und eine Messspannung basierend auf dem empfangenen Eingangsstrom auszugeben, wobei das Serienpassglied konfiguriert ist, um die Strombegrenzerschaltung in den Begrenzungszustand zu versetzen, wenn die Messspannung angibt, dass der Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau überschreitet.

Description

Hintergrund
Gebiet der Offenbarung
Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen das Gebiet der Schaltungsschutzeinrichtungen. Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen insbesondere eine Schutzeinrichtung, die durch Auslösen einer Widerstandsänderung Überstromschutz bereitstellt.
Erörterung des Standes der Technik
Schaltungsschutzeinrichtungen bilden eine elektrische Verbindung mit einer Komponente oder Komponenten in einer zu schützenden Schaltung. Gewisse dieser Schutzeinrichtungen werden verwendet, um Schaltungen gegen übermäßigen Strom zu schützen, während andere Einrichtungen Schutz gegen Überspannungstransienten bereitstellen, wenn eine Spannungsspitze auftritt. Ein für Überspannungsschutz verwendeter Einrichtungstyp ist eine Zener-Diode, die ausgelegt ist, um eine spezifische Durchbruchspannung in Sperrrichtung aufzuweisen, die die Leitspannung ist, wenn die Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Dies wird durch Dotieren des p-n-Übergangs geregelt, wodurch Elektronen erlaubt wird, vom p-Typ-Material zum n-Typ-Material zu tunneln. Ein anderer Typ einer Überspannungsschutzeinrichtung ist eine Lawinendurchbruchdiode, die in Trägereffektmultiplikation bei Lawinendurchbruch arbeitet, wenn ein Überspannungszustand auftritt.
Sicherungen (oder Schmelzeinsätze) repräsentieren einen gemeinen Typ einer Schutzeinrichtung, die verwendet wird, um Strom zu begrenzen oder zu unterbrechen. Eine Sicherung kann durch Bereitstellen einer offenen Schaltung, wenn durch die Sicherung geleiteter Strom eine vorbestimmte Grenze überschreitet, die unter verschiedenen Sicherungen gemäß dem Sicherungswert variiert, Strom begrenzen oder unterbrechen. Während der Sicherungsvorgang nützlich sein kann, um sicherzustellen, dass Strom, der durch eine Einrichtung oder Schaltungen geleitet werden kann, die zu schützen sind, nicht einen sicheren Wert überschreitet, besteht ein Nachteil darin, dass die geschützten Elemente, sobald die Sicherung sich öffnet, bis zum Sicherungswechsel inaktiv gemacht werden können. Während gewisse Typen von Überspannungsschutzeinrichtungen reversibel sein können, kann eine Überspannungsschutzeinrichtungen nicht die gleichen Überstromschutzfunktionen bedienen, wie eine Sicherung liefern kann. Es ist mit Bezug auf diese und andere Überlegungen, dass die vorliegenden Verbesserungen notwendig waren.
Kurzübersicht
In einer Ausführungsform umfasst eine Überstromschutzeinrichtung, die in einem Siliziumsubstrat integriert ist, einen Eingangsanschluss, um Eingangsstrom zu empfangen; und einen Ausgangsanschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist; und eine Strombegrenzerschaltung, die im Siliziumsubstrat integriert ist und zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss angeordnet ist und Folgendes beinhaltet: ein Serienpassglied, das einen Passzustand, der durch einen ersten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, und einen Begrenzungszustand, der durch einen zweiten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist, aufweist, wobei das Serienpassglied ein Serienstrommessglied beinhaltet, das im Siliziumsubstrat integriert ist und konfiguriert ist, um den Eingangsstrom zu empfangen und eine Messspannung basierend auf dem empfangenen Eingangsstrom auszugeben, wobei das Serienpassglied konfiguriert ist, um die Strombegrenzerschaltung in den Begrenzungszustand zu versetzen, wenn die Messspannung angibt, dass der Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau überschreitet.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Verfahren zum Begrenzen von Strom unter Verwendung einer Überstromschutzeinrichtung, die in einem Siliziumsubstrat integriert ist, Folgendes umfassen: Übertragen eines Eingangsstroms von einem Eingangsanschluss an einen Ausgangsanschluss über ein Serienpassglied, das im Siliziumsubstrat integriert ist, wenn das Serienpassglied in einem Passzustand ist, der einen ersten elektrischen Widerstand aufweist, Erfassen, unter Verwendung eines Serienstrommessglieds, dass ein Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat; Schalten des Serienpassglieds auf einen Begrenzungszustand, der einen zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist; und Übertragen des Eingangsstroms vom Eingangsanschluss an den Ausgangsanschluss über das Serienpassglied im Begrenzungszustand, wobei der Eingangsstrom das vorbestimmte Niveau nicht überschreitet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A veranschaulicht eine Ausführungsform einer Strombegrenzerschaltung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
1B zeigt eine beispielhafte Schutzschaltung, die den Strombegrenzer von 1A umfasst;
2 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Strombegrenzerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
2A veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Strombegrenzerschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung;
2B veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Strombegrenzerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
2C–2F veranschaulichen einen beispielhaften Betrieb der Strombegrenzerschaltung von 2A;
3 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Überspannungsschutzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
3A veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer anderen Überspannungsschutzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
3B veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Überspannungsschutzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
3C veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Überspannungsschutzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
3D veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer anderen Überspannungsschutzschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
4 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Schutzschaltung, die Shunt-Überspannungsschutz und Reihenstrombegrenzung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung bereitstellt; und
5 veranschaulicht eine Halbleiterschichtdarstellung von Komponenten der Schutzschaltung von 4.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegenden Ausführungsformen werden nun genauer mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen verschiedene Ausführungsformen gezeigt werden. Die Ausführungsformen können in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sind nicht so auszulegen, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt sind. Diese Ausführungsformen werden bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist, und werden Fachleuten den Geltungsbereich der Ausführungsformen voll vermitteln. In den Zeichnungen beziehen sich durchgehend gleiche Nummern auf gleiche Elemente.
In verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung kann eine Vorrichtung eine Schutzschaltung in Form eines bistabilen Überstrombegrenzers umfassen, der in einem Siliziumsubstrat integriert ist. Der bistabile Überstrombegrenzer kann durch zwei stabile Zustände gekennzeichnet sein. Insbesondere kann, im Gegensatz zum Betrieb von bekannten Sicherungen, der bistabile Überstrombegrenzer zwischen stabilen Zuständen hin- und hergeschaltet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Vorrichtung Folgendes umfassen: einen Eingangsanschluss, um einen Eingangsstrom zu empfangen, einen Ausgangsanschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, sowie eine Strombegrenzerschaltung, die ein Serienpassglied, das zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss angeordnet ist, und Serienmessglied, das im Siliziumsubstrat integriert ist, umfasst. Das Serienpassglied kann einen Passzustand, der einen elektrischen Widerstand aufweist, und einen Begrenzungszustand, der einen zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist, aufweisen. Das Serienstrommessglied kann konfiguriert sein, um den Eingangsstrom zu erfassen und eine Messspannung basierend auf dem erfassten Eingangsstrom auszugeben, wobei das Serienpassglied konfiguriert ist, um die Strombegrenzerschaltung in den Begrenzungszustand zu versetzen, wenn die Messspannung angibt, dass der Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau überschreitet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann auch eine Shunt-Überspannungsschutzschaltung mit einem Strombegrenzer eingeschlossen sein. Der Shunt-Überspannungsschutz kann in einigen Ausführungsformen unabhängig von der Überstromschaltung bereitgestellt sein oder kann in anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine Strombegrenzungsschaltung auszulösen.
Zum Beispiel kann die Schutzschaltung, in bestimmten Ausführungsformen, eine Serienstrombegrenzerstufe umfassen und ferner eine Shunt-Überspannungsstufe umfassen, die mit dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und entlang einem elektrischen Weg angeordnet ist, der elektrisch parallel zu einem ersten Stromweg liegt, wobei die Shunt-Überspannungsstufe konfiguriert ist, um Strom zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss zu begrenzen, wenn am Eingangsanschluss oder Ausgangsanschluss erfasste Hauptspannung ein vorbestimmtes Hauptspannungsniveau überschreitet.
In einigen Ausführungsformen kann das Serienpassglied als eindirektionales Passglied konfiguriert sein, während in anderen Ausführungsformen das Serienpassglied als bidirektionales Passglied konfiguriert sein kann. In zusätzlichen Ausführungsformen kann die Shunt-Überspannungsstufe ein eindirektionales oder bidirektionales (3-Anschluss-)Überspannungsglied umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein zusätzlicher Anschluss Zustandsänderungen zwischen zwei 4-Anschluss-Einrichtungen bereitstellen.
1A veranschaulicht eine Ausführungsform einer Strombegrenzerschaltung 100 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. In den vorliegenden Ausführungsformen können mindestens einige der Komponenten der Strombegrenzerschaltung 100 in einem Siliziumsubstrat enthalten sein. Die Strombegrenzerschaltung 100 umfasst einen Eingangsanschluss 102 und einen Ausgangsanschluss 104. Die Strombegrenzerschaltung 100 kann angeordnet sein, um andere Komponenten (nicht gezeigt) durch Begrenzen des maximalen Stroms, der durch eine Komponente oder Komponenten geleitet werden kann, zu schützen. Die Strombegrenzerschaltung 100 umfasst einen Widerstand 108, der in einem Stromweg 106 angeordnet ist, der sich zwischen dem Eingangsanschluss 102 und Ausgangsanschluss 104 erstreckt. Es ist auch ein Strombegrenzer 110 im Stromweg 106 angeordnet und der Einfachheit halber als Schalter illustriert. Der Strombegrenzer (Schalter) 110 kann in zwei unterschiedlichen stabilen Zuständen vorliegen, die zum Beispiel dem Stromweg 106, der sich zwischen dem Eingangsanschluss 102 und Ausgangsanschluss 104 erstreckt, zwei unterschiedliche Widerstände verleihen. Wie in 1A gezeigt, umfasst die Strombegrenzerschaltung 100 auch ein Messglied 112, das angeordnet sein kann, um Passstrom zu erfassen, der entlang dem Stromweg 106 fließt. Zum Beispiel kann mit Hilfe oder Widerstand 108 eine Messspannung am Messglied 112 erfasst werden. Das Messglied 112 und der Strombegrenzer 110 können als Passschaltung oder Passglied wirken, die in zwei unterschiedlichen stabilen Zuständen arbeiten. Wenn sie in einem Passzustand (nicht gezeigt) arbeiten, kann der Stromweg 106 einen ersten Widerstand aufweisen, der gestattet, dass Strom zwischen dem Eingangsanschluss 102 und Ausgangsanschluss 104 fließt. Das Messglied 112 kann bestimmen, dass ein Niveau erfasster Spannung unterhalb eines Schwellenwerts liegt, bei dem der Passzustand auszuschalten ist. In dem Fall einer Erhöhung des Stroms kann durch das Messglied 112 ein vorbestimmtes Messspannungsniveau erfasst werden, das einem vorbestimmten Eingangsstromsniveau entsprechen kann, wodurch angegeben wird, dass ein maximaler zulässiger Strom erreicht worden ist. Dies kann das Messglied 112 auslösen, um ein Signal über die Betätigungseinrichtung 114 an den Strombegrenzer (Schalter) 110 zu senden, um den Zustand auf einen Begrenzungszustand (in 1A schematisch gezeigt) zu ändern, der einen zweiten Widerstand aufweist, der höher als der erste Widerstand ist. Wie unten detailliert, können mindestens einige der Schaltungskomponenten des Strombegrenzers 110 als Halbleitereinrichtungen implementiert sein, die innerhalb eines Siliziumsubstrats ausgebildet sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Strombegrenzerschaltung 100 über Halbleiterkomponenten implementiert sein, die in einem Silizium- oder anderen Halbleitersubstrat implementiert sind, einschließlich P/N-Übergang-Dioden, bipolaren Transistoren und Feldeffekttransistoren, wie etwa Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFET).
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Strombegrenzer 110 als Schaltung implementiert sein, die zwei elektrisch parallele Stromwege umfasst, wo Strom entlang einem ersten Stromweg (nicht gezeigt), der, wenn im Passzustand, einen Abschnitt des Stromweges 106 bildet, übertragen wird, und wo Strom entlang einem zweiten Stromweg (nicht gezeigt), der, wenn in einem Begrenzungszustand, einen alternativen Abschnitt des Stromweges 106 bildet, geleitet wird, wobei der erste Stromweg und der zweite Stromweg elektrisch parallel zueinander sind. Der erste Stromweg kann mit einem ersten Widerstand konfiguriert sein, der niedriger als ein zweiter Widerstand des zweiten Stromweges ist. In besonderen Ausführungsformen kann der erste Stromweg einen siliziumgesteuerten Haupt-Gleichrichter (SCR) umfassen und kann der zweite Stromweg eine ergänzende Einrichtung umfassen, die mit dem Haupt-SCR so gekoppelt ist, dass der erste Widerstand des ersten Stromweges und der zweite Widerstand des zweiten Stromweges durch den jeweiligen Widerstand des Haupt-SCR und der ergänzenden Einrichtung bestimmt werden, wobei die beiden Einrichtungen innerhalb eines gemeinen Siliziumsubstrats implementiert sein können.
Mit Bezug auf 1B wird dort eine Schutzschaltung 120 gezeigt, die die Strombegrenzerschaltung 100 umfasst. In diesem Beispiel umfasst die Schutzschaltung 120 auch einen zusätzlichen Stromweg, Stromweg 126, der zwischen dem Eingangsanschluss 102 und Ausgangsanschluss 104 liegt, und eine Parallele zum Stromweg 106 (in 1A gezeigt) bildet. Im Betrieb kann die Schutzschaltung 120 Strombegrenzung durch Verwendung der Strombegrenzerschaltung 100 bereitstellen. Darüber hinaus kann die Schutzschaltung 120 ein Paar Dioden umfassen, wobei das Paar Dioden antiparallel zueinander angeordnet sind. Wie in 1B illustriert, umfasst die Schutzschaltung eine Diode 122 und Diode 124, die, mit ihren Anoden miteinander verbunden, entlang dem Stromweg 126 angeordnet sind. Die Diode 122 und Diode 124 können daher Spannung entlang dem Stromweg 126 begrenzen. Der Überspannungsschutz wird daher durch Parallelschalten von Strom in einem Überspannungszustand entlang dem Stromweg 126, der als gemeinsamer Anschluss funktioniert, bereitgestellt.
Wie oben erwähnt, kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Strombegrenzerschaltung eine Vielzahl von SCRs umfassen. Wie auf dem Gebiet bekannt, ist ein SCR eine stromsteuernde Einrichtung, die innerhalb von vier dotierten Halbleiterschichten implementiert ist, die in einem Siliziumsubstrat in einer N-P-N-P-Sequenz angeordnet sind. Ein SCR bildet daher drei separate P-N-Übergänge und umfasst ferner drei Anschlüsse. Der Anodenanschluss eines SCR (SCR-Anode) ist mit einer äußeren P-Typ-Schicht einer PNPN-Struktur verbunden, der Kathodenanschluss ist mit einer äußeren N-Typ-Schicht verbunden, während das Gate des SCR mit der P-Typ-Schicht (inneren), am nächsten zur Kathode, verbunden ist. Wie bekannt, weist der SCR zwei stabile Zustände auf, bei denen entweder ein großer Strom durch den SCR fließt, wenn der SCR in einem verriegelten Leitzustand mit niedrigem Widerstand (EIN-Zustand) ist, oder kein Strom fließt.
In einigen Ausführungsformen kann das Serienpassglied aus einem empfindlichen Gate-Haupt-SCR oder alternativer Schaltung, die ähnliche Funktionalität durchführt, konstruiert sein. Insbesondere kann der Haupt-SCR eine Gatestromspeisung von der Anode aufweisen, die so konfiguriert ist, dass, während die Versorgungsspannung steigt, wenn eine Last angeschlossen ist, Gatestrom von der anodenangeschlossenen Speisung in den Haupt-SCR fließt, bis interne Regeneration den Haupt-SCR in einen verriegelten Leitzustand mit niedrigem Widerstand versetzt. Der Haupt-SCR kann dann in einem Vt-Leitzustand bleiben, bis die Versorgung oder Last entfernt werden oder die Versorgungsspannung auf einen Wert verringert wird, wo der SCR entriegelt und der Stromfluss zum Gatespeisungswiderstand und Gate-Kathoden-Stromweg zurückkehrt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Strombegrenzerschaltung, zusätzlich zu einem Haupt-SCR, eine Verriegelungs- oder „Einschalt“-Schaltung umfassen, die konfiguriert ist, um Strom in ein Gate des Haupt-SCR zu treiben, um den Haupt-SCR in einen EIN-Zustand mit niedrigem Widerstand zu versetzen. Die Strombegrenzerschaltung kann auch eine ergänzende Schaltung umfassen, wie etwa einen siliziumgesteuerten Schalter (SCS). Wie bekannt ist, kann ein SCS so betrachtet werden, dass er aus einem siliziumgesteuerten Gleichrichter besteht, bei dem die interne N-Basis des PNP-Transistors mit einem anderen externen Anschluss verbunden ist, um als Anodengate zu wirken.
Wie in den Ausführungsformen unten detailliert, können die Einschalt-Schaltung, der Haupt-SCR und die ergänzende Schaltung interoperativ sein, um Stromleitung durch die Strombegrenzerschaltung zu regeln, so dass die Strombegrenzerschaltung zwischen den zwei stabilen Zuständen schaltet. Unter normalen Bedingungen wirkt die Strombegrenzerschaltung, um Strom durch den Haupt-SCR zu führen, der in einem EIN-Zustand bleibt, um einen Weg mit niedrigem Widerstand bereitzustellen. Unter Überstrombedingungen wirkt die Strombegrenzerschaltung, um Strom durch die ergänzende Schaltung zu führen, die einen Weg mit hohem Widerstand bereitstellt.
In bestimmten Ausführungsformen kann eine Strombegrenzerschaltung ein Serienstrommessglied umfassen, das verwendet wird, um Passstrom zu erfassen, und entweder in der Anode oder Kathode eines Haupt-SCR angeordnet ist. Eine am Serienstrommessglied anliegende Spannung kann verwendet werden, um eine kleinere ergänzende Schaltung auszulösen, die einen SCS umfasst, so dass der SCS in einen EIN-Zustand ausgelöst wird, wenn eine vorbestimmte Überstrombedingung durch die Last vorhanden ist. Der SCS kann angeordnet sein, um den Haupt-SCR des internen regenerativen Stroms zu berauben, was bewirkt, dass der Haupt-SCR in einen AUS-Zustand degeneriert, wobei die Schaltung, die den SCS enthält, als der einzige übrige Stromweg von einem Eingangsanschluss an einen Ausgangsanschluss bleibt. Der SCS kann eine kleinere physische Größe im Vergleich zum Haupt-SCR aufweisen und kann demgemäß, wenn im EIN-Zustand, einen größeren Widerstand, verglichen mit dem des Haupt-SCR, darstellen. Die Widerstandsänderung im Strombegrenzer zwischen einem Passzustand und einem Begrenzungszustand kann daher bestimmt werden durch ein Verhältnis zwischen dem Haupt-SCR-Vt-Leit-EIN-Zustand-Widerstand zum Widerstand des übrigen Leitweges der ergänzenden Schaltung, wenn der SCS in einen EIN-Zustand versetzt wird.
In verschiedenen Ausführungsformen können Strombegrenzungseinrichtungen verwendet werden, die Rücken-an-Rücken oder antiparallel konstruiert sind, um bidirektionalen Stromfluss bereitzustellen. Darüber hinaus können Strombegrenzungseinrichtungen der vorliegenden Ausführungsformen auch an AC-Stromquellen implementiert werden. Derartige Strombegrenzer der vorliegenden Ausführungsformen sind möglicherweise nicht für die Verwendung als „Sicherheitssicherung“ geeignet, da in unterschiedlichen Betriebszuständen „stromführende Teile“ vorliegen können.
In den folgenden Figuren werden beispielhafte Implementierungen von Stromschutzschaltungen sowie Spannungsschutzschaltungen präsentiert, die in einem Siliziumsubstrat implementiert sein können.
2 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Strombegrenzerschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. In dieser Ausführungsform kann die Strombegrenzerschaltung 200 mindestens teilweise in einem Siliziumsubstrat, und insbesondere in einer Vielzahl von dotierten Halbleiterschichten, implementiert sein. Die Strombegrenzerschaltung 200 umfasst einen Haupt-SCR 202, der aus einem ersten PNP-Transistor 204 und einem ersten NPN-Transistor 206 besteht, wobei der Kollektor des ersten PNP-Transistors um das 204 mit der Basis des ersten NPN-Transistors 206 verbunden ist.
Die Strombegrenzerschaltung 200 umfasst ferner einen zweiten PNP-Transistor 208, bei dem der Emitter mit der Basis des ersten NPN-Transistors 206 verbunden ist. Des Weiteren umfasst die Strombegrenzerschaltung 200 einen dritten PNP-Transistor 210, bei dem der Kollektor mit der Basis des ersten PNP-Transistors 204 und dem Kollektor des ersten NPN-Transistors 206 verbunden ist. Der zweite PNP-Transistor 208 kann daher als Treiber für den Haupt-SCR 202 wirken. Der zweite PNP-Transistor 208 kann insbesondere als Einschalt-Komponente für den Haupt-SCR 202 wirken, um Strom vom Kathodengate (P-Gate, z. B. Basis des ersten NPN-Transistors 206) des Haupt-SCR 202 im Pull-Modus zu beziehen. In anderen Ausführungsformen kann ein NPN-Transistor als Push-Anordnung verwendet werden, um das Kathodengate zu treiben. Gleichermaßen kann ein PNP-Transistor oder NPN-Transistor in einer Gegentaktanordnung (Pull- oder Push-Anordnung) verwendet werden, um das Anodengate (N-Gate), z. B. Basis des ersten PNP-Transistors 204) des Haupt-SCR 202 zu treiben. Ein Vorteil der Verwendung eines NPN-Transistors, um ein P-Gate eines SCR in einer Push-Anordnung zu treiben, besteht darin, dass ein NPN-Transistor im Allgemeinen eine niedrige Stromverstärkung aufweisen kann, um einen SCR zu initiieren, für den niedrigstmöglichen Basisstrom einzuschalten. Die Verwendung eines PNP-Transistortreibers, um im Pull-Modus von einem N-Gate eines SCR zu beziehen, kann strukturelle Vorteile hinsichtlich der Integration in einem Siliziumsubstrat mit sich ziehen.
Die Strombegrenzerschaltung 200 umfasst ferner eine Diode 212, deren Kathode mit dem Emitter des ersten PNP-Transistors 204 verbunden ist. Die Strombegrenzerschaltung umfasst ferner einen zweiten NPN-Transistor 211, dessen Kollektor mit der Basis des dritten PNP-Transistors 210 verbunden ist. Der zweite NPN-Transistor 211 und dritte PNP-Transistor 210 können als siliziumgesteuerter Schalter, oder SCS 214, funktionieren, dessen Betrieb unten detailliert wird. Die Strombegrenzerschaltung 200 kann auch, wie gezeigt, eine Reihe von Widerständen, R1, R2, R3, R3' und R4, umfassen. Der detaillierte Betrieb von Varianten der Strombegrenzerschaltung 200 wird unten beschrieben.
Kurz dargestellt kann sich in einem Passzustand der Haupt-SCR 202 der Strombegrenzerschaltung 200 in einem EIN-Zustand befinden, und die Strombegrenzerschaltung 200 kann daher einen Widerstand darstellen, der dem EIN-Zustand-Widerstand des Haupt-SCR 202 entspricht. Die Strombegrenzerschaltung 200 kann konfiguriert sein, um von einem Passzustand auf einen Begrenzungszustand durch Schalten des Haupt-SCR 202 in einen AUS-Zustand zu schalten, wenn Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau überschreitet, wobei Strom nicht mehr durch den Haupt-SCR fließt. Wie bekannt ist, wenn der Anodenstrom in einem SCR unter das Niveau des Haltestroms reduziert wird, schaltet der SCR aus. In einer Implementierung kann dies durch Parallelschalten eines Teils der Stromlast, die durch die Strombegrenzerschaltung 200 in einem Passzustand gehen kann, in einen parallelen Stromweg, der parallel zu einem Weg ist, der den Haupt-SCR 202 umfasst, erreicht werden. Zum Beispiel kann der parallele elektrische Weg durch eine ergänzende Schaltung gehen, wie oben erörtert, wobei die ergänzende Schaltung einen SCS umfasst, wobei die ergänzende Schaltung einen höheren Widerstand in einem EIN-Zustand des SCS verglichen zum Widerstand des Haupt-SCR 202, wenn in einem EIN-Zustand, aufweist. Wenn daher der Haupt-SCR 202 in den AUS-Zustand geschaltet wird, kann übriger Strom durch den SCS geleitet werden, wobei ein viel höherer elektrischer Widerstand erzeugt und somit der maximale Strom begrenzt wird.
Die Strombegrenzerschaltung 200 kann anschließend wirken, um den Haupt-SCR 202 in einen EIN-Zustand zurückzusetzen, wenn der Eingangsstrom unter das vorbestimmte Niveau reduziert wird.
2A veranschaulicht eine Strombegrenzerschaltung 220 gemäß weiteren Ausführungsformen der Offenbarung. Die Strombegrenzerschaltung 220 kann als eine Variante der Strombegrenzerschaltung 200 betrachtet werden, wo gleiche Elemente gleich gekennzeichnet sind. Darüber hinaus ist die Anordnung der Elemente in der Strombegrenzerschaltung 220 ähnlich wie die der Strombegrenzerschaltung 200. Insbesondere funktioniert der PNP-Transistor 208 als Einschalt-Komponente für den Haupt-SCR 202, die Strom vom Kathodengate (Basis des ersten NPN-Transistors 206) des Haupt-SCR 202 im Pull-Modus bezieht.
Die Strombegrenzerschaltung 220 umfasst ferner einen Messwiderstand Rsense, der sich zwischen der Basis des dritten PNP-Transistors 210 und dem Ausgang der Kathode der Diode 212 erstreckt. Der Rsense kann verwendet werden, um einen Schalter in der Strombegrenzerschaltung 220 auszulösen, um den Zustand der Strombegrenzerschaltung 220 von einem Passzustand auf einen Begrenzungszustand zu ändern, wie unten detailliert.
2B veranschaulicht eine Strombegrenzerschaltung 240 gemäß weiteren Ausführungsformen der Offenbarung. Die Strombegrenzerschaltung 240 kann als eine Variante der Strombegrenzerschaltung 200 betrachtet werden, wo gleiche Elemente gleich gekennzeichnet sind. Die Strombegrenzerschaltung 240 umfasst ferner einen dritten NPN-Transistor 242, der als Einschalt-Komponente für den Haupt-SCR 202 wirkt, die Strom für das Kathodengate (Basis des ersten NPN-Transistors 206) des Haupt-SCR 202 im Push-Modus treibt. Die Strombegrenzerschaltung 240 umfasst auch den Messwiderstand Rsense, der sich zwischen dem Emitter des ersten NPN-Transistors 206 und dem Kollektor des dritten PNP-Transistors 210 erstreckt. Der Rsense kann verwendet werden, um einen Schalter in der Strombegrenzerschaltung 220 auszulösen, um den Zustand der Strombegrenzerschaltung 220 von einem Passzustand auf einen Begrenzungszustand zu ändern, wie unten detailliert.
Im Betrieb kann entweder die Strombegrenzerschaltung 220 oder die Strombegrenzerschaltung 240 eine jeweilige Schaltung in einen von drei möglichen Zuständen versetzen: 1) einen Einschalt-Zustand, das heißt ein Transistor, bei dem Einschalt-Glieder im Haupt-SCR 202 leitend werden; 2) einen Passzustand, bei dem der Haupt-SCR 202 in einen regenerativen EIN-Zustand versetzt wird, der einen relativ niedrigeren Widerstand verleiht; und 3) einen Begrenzungszustand, bei dem der Haupt-SCR 202 durch die Wirkung eines SCS 214 derart degeneriert, dass Einschalt-Strom über den SCS 214 umgeleitet wird, und einen Begrenzungszustand präsentiert, der durch einen Stromweg mit relativ hohem Widerstand durch den SCS 214 gekennzeichnet ist.
2C–2F präsentieren einen beispielhaften Betrieb der Strombegrenzerschaltung 220 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Die Strombegrenzerschaltung 220 ist wie oben beschrieben in unterschiedlichen Zuständen illustriert. Obwohl der Betrieb der Strombegrenzerschaltung 220 in den nachfolgenden Figuren detailliert wird, wird es leicht nachvollziehbar sein, dass die Strombegrenzerschaltung 240 ähnlich funktionieren kann. Die Ausführungsformen sind in diesem Kontext nicht beschränkt.
In 2C wird ein Beispiel des Betriebs der Strombegrenzerschaltung 220 in einem Passzustand gezeigt, bei dem der SCR 202 in einem EIN-Zustand ist. Es kann angenommen werden, dass die Stromlast durch die Strombegrenzerschaltung 220 innerhalb eines normalen Bereichs liegt, bei dem sich ein Leitweg durch den Haupt-SCR entwickelt, wie durch den Stromweg 252 gezeigt. In diesem Szenario ist der Haupt-SCR 202 in einem regenerativen Modus und im EIN-Zustand verriegelt, so dass Strom wie gezeigt im Stromweg 252 durch den Haupt-SCR 202 zwischen dem EINGANGs-Anschluss und AUSGANGs-Anschluss fließt. In diesem Szenario ist der SCS 214 in einem AUS-Zustand, bei dem kein Leitweg durch den SCS 214 vorliegt.
In 2D wird ein Beispiel eines Überstromzustands gezeigt, bei dem der zwischen dem EINGANGs-Anschluss und AUSGANGs-Anschluss fließende Strom eine vorbestimmte Grenze überschreitet, wie durch den Stromweg 254 gezeigt. Diese Grenze kann einem vorbestimmten Messwiderstand entsprechen, der durch den Rsense geht. Insbesondere der Überstromzustand kann bewirken, dass sich eine Spannung durch die Diode 212 entwickelt, die adäquat ist, um zu bewirken, über Rsense, dass der SCS 214 in einen EIN-Zustand übergeht und beginnt, Strom zu leiten. Wenn der SCS 214 leitend wird, kann sich, wie gezeigt, ein Stromweg 256 zwischen dem EINGANGs-Anschluss und AUSGANGs-Anschluss entwickeln. Der dritte PNP-Transistor 210 regeneriert dann mit dem zweiten NPN-Transistor 211.
Wie in 2E gezeigt, da die Basis des dritten PNP-Transistors 210 mit dem SCR 202, wie gezeigt, verbunden ist, wenn der SCS 214 in den EIN-Zustand übergeht, bewirkt diese Regeneration, über den Leitweg 258, dass der regenerative Strom des Haupt-SCR 202 vom ersten PNP-Transistor 204 umgeleitet wird. Als Resultat degeneriert der erste PNP-Transistor 204 vom ersten NPN-Transistor 206, wodurch der Haupt-SCR 202 in einen AUS-Zustand versetzt wird.
In 2F wird ein Beispiel des Betriebs der Strombegrenzerschaltung 220 in einem Begrenzungszustand gezeigt, nachdem der Haupt-SCR 202 als Resultat des Überstromszenarios von 2D und 2E in einen AUS-Zustand versetzt wurde. Da der dritte PNP-Transistor 210 und zweite NPN-Transistor 211 in einem regenerativen Zustand sind, wird der Haupt-SCR 202 in einem AUS-Zustand gehalten und der zweite PNP-Transistor 208 davon abgehalten, vom Anodengate des Haupt-SCR 202 im Pull-Modus Auslösestrom zu beziehen.
In einer nachfolgenden Stufe kann die Strombegrenzerschaltung 220 angeordnet sein, um zu erfassen, wenn der Eingangsstrom unter einen Schwellenwert fällt, wodurch angegeben wird, dass der Überstromzustand beendet ist, und auf einen Passzustand zurückzukehren, wenn ein Überstromzustand beendet wird. Dies kann durch die Anordnung und den intrinsischen Betrieb der Komponenten in der Strombegrenzerschaltung 220, wie oben detailliert, automatisch erfolgen. Wenn daher der vom EINGANGs-Anschluss an den AUSGANGs-Anschluss fließende Strom durch externe Beeinflussung (wie etwa Löschen eines Fehlers und/oder Abschalten einer Stromversorgung oder vorübergehendes umkehren der Versorgungspolarität) reduziert wird, kann der Strom durch den SCS 214 unter einen intern definierten Haltestrom des SCS 214 fallen, was in natürlicher Degeneration des SCS 214 in einem AUS-Zustand resultiert. Wenn der SCS 214 einen AUS-Zustand einnimmt, wird die Umleitung des „Einschalt“-Stroms und die Umleitung des Regenerationsstroms des Haupt-SCR 202 beendet. Als Resultat kann der Haupt-SCR 202 durch eine Einschalt-Schaltung, die den zweiten PNP-Transistor 208 umfasst, aufgrund der Wiederaufnahme von Strom in das Gate des Haupt-SCR 202, wieder in den EIN-Zustand ausgelöst werden.
Die relative Änderung des Widerstands der Strombegrenzerschaltung 220 kann gemäß Auslegung der Komponenten, wie etwa dem Widerstand R3' sowie dem SCS 214, angepasst werden. Zum Beispiel der Wert des Widerstands für den Haupt-SCR 202, wenn in einem EIN-Zustand, kann als R_SCR repräsentiert werden, und der Wert des Widerstands des SCS kann als R_SCS repräsentiert werden, so dass der Passzustandswiderstand gleich dem der Strombegrenzerschaltung 220 ist gleich R_SCR ist, während der Begrenzungszustandswiderstand gleich R_SCS + R3' ist, wobei R3' der Widerstand des Widerstands R3' ist. In einigen Beispielen kann das Verhältnis von (R_SCS + R3')/R_SCS im Bereich von 500:1 bis 1000:1 liegen. In anderen Ausführungsformen kann das Verhältnis (R_SCS + R3')/R_SCS bis zu 10000:1 sein. Um dies zu erreichen, kann der zweite NPN-Transistor 211 in einem Siliziumsubstrat als eine vierschichtige Struktur angeordnet sein, die eine kleinere Fläche aufweist als zum Beispiel der erste PNP-Transistor 204, der erste NPN-Transistor 206 oder der dritte PNP-Transistor 210. Der dritte PNP-Transistor 210 kann auch eine kleinere Fläche aufweisen als der erste PNP-Transistor 204, da nur ein adäquater Strom vom SCS 214 generiert werden muss, um den ersten PNP-Transistor 204 und ersten NPN-Transistor 206 zu degenerieren
3 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Überspannungsschaltung 300 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Überspannungsschaltung 300 umfasst einen PNP-Transistor 304, dessen Emitter mit der Kathode einer Diode 302 verbunden ist und dessen Basis mit dem Kollektor eines NPN-Transistors 308 verbunden ist. Eine erste Lawinendurchbruchdiode 306 ist so konfiguriert, dass ihre Kathode mit der Basis des PNP-Transistors 304 und dem Kollektor des NPN-Transistors 308 verbunden ist. Die Überspannungsschaltung 300 kann als Shunt-Überspannungsstufe einer Einrichtung funktionieren, bei der die Strombegrenzerschaltung 200 als Serienstufe funktioniert. Insbesondere kann die Überspannungsschaltung 300 als Klemmschaltung („Crowbar“-Schaltung) funktionieren, bei der Überspannung durch Generieren eines Weges mit niedrigem Widerstand begrenzt wird, um Spannung zu begrenzen, die sich entlang einem Stromweg entwickeln kann.
3A veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Schutzschaltung 322, die eine Überspannungsschutzschaltung 320 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst. In diesem Beispiel umfasst die Schutzschaltung 322 die Überspannungsschutzschaltung 320 in einer Konfiguration, die in einer Überstromschutzschaltung 330 integriert ist, deren Betrieb im Allgemeinen oben mit Bezug auf 2–2F beschrieben wurde. Wie ersichtlich sein wird, ist nur ein Teil der Überstromschutzschaltung 330, einschließlich einem Haupt-SCR 310, gezeigt. Die Schutzschaltung 332 kann daher andere Komponenten einer Überstromschutzschaltung umfassen, wie allgemein in 2A–2F gezeigt. Der Haupt-SCR 310 umfasst den PNP-Transistor 304 und NPN-Transistor 312, deren Betrieb in einer Strombegrenzerschaltung oben allgemein erörtert wurde.
Die Überspannungsschutzschaltung 320 umfasst auch eine erste Lawinendurchbruchdiode 306 und zweite Lawinendurchbruchdiode 306B. Die Überspannungsschutzschaltung 320 umfasst auch einen PNP-Transistor 304B, dessen Emitter und Basis denen des PNP-Transistors 304 gemein sind. Die Überspannungsschutzschaltung 320 umfasst ferner den NPN-Transistor 308 wie in 3.
Im Betrieb wird, wenn ein Potenzial (Spannung) entweder am EINGANGs- oder AUSGANGs-Anschluss mit Bezug auf Masse (siehe 1B) steigt, ein Potenzial erreicht, bei dem die erste Lawinendurchbruchdiode 306 oder zweite Lawinendurchbruchdiode 306B beginnen, Strom vom EINGANGs-Anschluss oder AUSGANGs-Anschluss durch Basis-Emitter des NPN-Transistors 308 lawinenmäßig durchzulassen. Wenn das Potenzial am EINGANGs-Anschluss weiter zunimmt, kann der NPN-Transistor 308 beginnen, durch Basis-Emitter des PNP-Transistors 304 zu leiten. Dies resultiert in einem regenerativen Vorgang, so dass das Paar PNP-Transistor 304/NPN-Transistor 308 als SCR wirken, um den EINGANGs-Anschluss an Masse „niederohmig kurzzuschließen“ („crowbar“), so dass die Spannung unter die Aulösespannung gebracht wird und unter der Auslösespannung bleibt.
Wenn das Potenzial in einem Überspannungszustand am AUSGANGs-Anschluss weiter zunimmt, wirken die zweite Lawinendurchbruchdiode 306B und der NPN-Transistor 308, um das Potenzial am AUSGANGs-Anschluss an eine Spannung zu klemmen, die durch die Summe der Lawinenspannung + der Emitter-Basis-Spannung Vbe für den NPN-Transistor 308 gegeben wird. Falls unter diesem Umstand gleichzeitig ein Potenzial am EINGANGs-Anschluss vorliegt, kann das Paar PNP-Transistor 304/NPN-Transistor 308 regenerieren und den EINGANGs-Anschluss wie oben erwähnt niederohmig kurzschließen (crowbar).
In der Ausführungsform von 3A ist die erste Lawinendurchbruchdiode 306 mit der Basis des PNP-Transistors 304 verbunden und die zweite Lawinendurchbruchdiode 306B mit dem AUSGANGs-Anschluss verbunden. In zusätzlichen Ausführungsformen sind andere Konfigurationen von Lawinendurchbruchdioden möglich. 3B veranschaulicht eine andere Schutzschaltung 342, die die Überstromschutzschaltung 330 und eine Überspannungsschutzschaltung 340 umfasst. Die Schutzschaltung 362 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 322 darin, dass die zweite Lawinendurchbruchdiode 306B mit dem Kollektor des PNP-Transistors 304, nicht dem AUSGANGs-Anschluss, verbunden ist. Demgemäß geht Strom zwischen der zweiten Lawinendurchbruchdiode 306B durch den Widerstand R3, bevor er den AUSGANGs-Anschluss erreicht.
3C veranschaulicht eine andere Schutzschaltung 362, die die Überstromschutzschaltung 330 und eine Überspannungsschutzschaltung 360 umfasst. Die Schutzschaltung 362 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 322 darin, dass die erste Lawinendurchbruchdiode 306 mit dem EINGANGs-Anschluss, nicht der Basis, des PNP-Transistors 304 verbunden ist.
3D veranschaulicht eine andere Schutzschaltung 382, die die Überstromschutzschaltung 330 und eine Überspannungsschutzschaltung 380 umfasst. Die Schutzschaltung 382 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 322 darin, dass der PNP-Transistor 304B ausgelassen ist. Der Kollektor des PNP-Transistors 304 mit der ersten Lawinendurchbruchdiode 306, zweiten Lawinendurchbruchdiode 306B und Basis des NPN-Transistors 308 verbunden. Der PNP-Transistor 304 kann daher so betrachtet werden, dass er als Doppelkollektor-Transistor funktioniert.
4 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer anderen Schutzschaltung 400, die Shunt-Überspannungsschutz und Reihenstrombegrenzung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung bereitstellt. In einer Implementierung kann die Schutzschaltung 400 sowohl die Funktionen der Strombegrenzerschaltung 200 als auch der Überspannungsschaltung 300 implementieren. 5 veranschaulicht eine Halbleiterschichtdarstellung von Komponenten der Schutzschaltung 400. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschaltung 400 als fünfschichtige Einrichtung implementiert sein, die fünf Halbleiterschichten enthält, die in einem Siliziumsubstrat integriert sind. Wie illustriert, kann die Schutzschaltung 400 sowohl den Haupt-SCR 202 als auch den zweiten PNP-Transistor 208, auf die mit Bezug auf 2 oben beschriebene Weise angeordnet, umfassen. Die Schutzschaltung 400 kann auch eine Diode 402 umfassen, die eine Kathode aufweist, die mit dem Emitter des ersten PNP-Transistors 204 verbunden ist. Darüber hinaus umfasst die Schutzschaltung 400 einen NPN-Transistor 404 dessen Kollektor mit der Basis des ersten PNP-Transistors 204 und dem Kollektor des ersten NPN-Transistors 206 verbunden ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegenden Ausführungsformen einen neuartigen Überstromschutz durch Implementieren von Strombegrenzungsschaltung in einem Siliziumsubstrat auf eine Weise bereitstellen, die reversible, bistabile Widerstandszustände in einer Strombegrenzungsschaltung bereitstellt. Im Gegensatz zu einem Sicherungsglied stellen die vorliegenden Ausführungsformen die Fähigkeit bereit, eine Stromschutzschaltung nach Behebung des Überstromzustands auf einen Niedrigwiderstandszustand zurückzusetzen.
Die vorliegende Offenbarung soll durch die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen in ihrem Geltungsbereich nicht beschränkt sein. In der Tat werden andere verschiedene Ausführungsformen und Modifikationen der vorliegenden Offenbarung, zusätzlich zu den hier beschriebenen, den durchschnittlichen Fachleuten auf dem Gebiet von der vorangehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden. Es ist daher beabsichtigt, dass derartige andere Ausführungsformen und Modifikationen in den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Des Weiteren, obwohl die vorliegende Offenbarung hier im Kontext einer bestimmten Implementierung in einer bestimmten Umgebung für einen bestimmten Zweck beschrieben wurde, werden durchschnittliche Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ihre Nützlichkeit nicht darauf beschränkt ist und dass die vorliegende Offenbarung in einer beliebigen Anzahl von Umgebungen für eine beliebige Anzahl von Zwecken vorteilhaft implementiert werden kann. Die unten dargelegten Ansprüche sind daher in Anbetracht der gesamten Breite und im Sinne der vorliegenden Offenbarung, wie hier beschrieben, auszulegen.

Claims

Eine Überstromschutzeinrichtung, die in einem Siliziumsubstrat integriert ist, die Folgendes beinhaltet: einen Eingangsanschluss, um einen Eingangsstrom zu empfangen; einen Ausgangsanschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist; und eine Strombegrenzerschaltung, die im Siliziumsubstrat integriert ist und zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss angeordnet ist und Folgendes beinhaltet: ein Serienpassglied, das einen Passzustand, der durch einen ersten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, und einen Begrenzungszustand, der durch einen zweiten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist, aufweist, wobei das Serienpassglied ein Serienstrommessglied beinhaltet, das im Siliziumsubstrat integriert ist und konfiguriert ist, um den Eingangsstrom zu empfangen und eine Messspannung basierend auf dem Eingangsstrom auszugeben, wobei das Serienpassglied konfiguriert ist, um die Strombegrenzerschaltung in den Begrenzungszustand zu versetzen, wenn die Messspannung angibt, dass der Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau überschreitet.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Serienpassglied einen ersten Stromweg, der durch den ersten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, und einen zweiten Stromweg, der elektrisch parallel zum ersten Stromweg liegt und durch den zweiten elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, beinhaltet, wobei der erste elektrische Widerstand durch eine erste Einrichtung innerhalb des Siliziumsubstrats, angeordnet innerhalb des ersten Stromweges, bestimmt wird und wobei der zweite elektrische Widerstand durch eine zweite Einrichtung innerhalb des Siliziumsubstrats, angeordnet innerhalb des zweiten Stromweges, bestimmt wird.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Serienpassglied konfiguriert ist, um ein Übertragen von Strom über den ersten Stromweg zu blockieren, wenn die Messspannung ein vorbestimmtes Messspannungsniveau überschreitet, wobei Strom im Begrenzungszustand ausschließlich über den zweiten Stromweg passiert.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Serienpassglied einen Haupt-SCR beinhaltet, wobei die Überspannungsschutzeinrichtungen ferner einen siliziumgesteuerten Schalter (SCS) beinhaltet, der mit dem Haupt-SCR gekoppelt ist und konfiguriert ist, um in einen EIN-Zustand auszulösen, der den Haupt-SCR des internen regenerativen Stroms beraubt, wenn die Messspannung ein vorbestimmtes Messspannungsniveau überschreitet.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Haupt-SCR eine SCR-Anode beinhaltet und eine Gatestromspeisung von der SCR-Anode umfasst, wobei, während eine am Eingangsanschluss angeschlossene Versorgungsspannung steigt, wenn eine Last an die Überstromschutzeinrichtung angeschlossen wird, Gatestrom von einer anodenangeschlossenen Speisung in den Haupt-SCR fließt, bis interne Regeneration den Haupt-SCR auf einen verriegelten Leitzustand mit niedrigem Widerstand schaltet, der das Serienpassglied in den Passzustand versetzt.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 5, die ferner einen Treibertransistor beinhaltet, der mit einem Kathodengate oder Anodengate des SCR gekoppelt ist, wobei der Treibertransistor konfiguriert ist, um den SCR am Kathodengate bzw. Anodengate einzuschalten.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Überstromschutzeinrichtung eine Fünf-Schicht-Einrichtung beinhaltet, die fünf Halbleiterschichten enthält, die im Siliziumsubstrat integriert sind.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Strombegrenzerschaltung eine Serienstrombegrenzerstufe beinhaltet, wobei die Überstromschutzeinrichtung ferner eine Shunt-Überspannungsstufe beinhaltet, die mit dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und entlang einem elektrischen Weg angeordnet ist, der elektrisch parallel zum ersten Stromweg liegt, wobei die Shunt-Überspannungsstufe konfiguriert ist, um Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss zu begrenzen, wenn am Eingangsanschluss oder Ausgangsanschluss erfasste Spannung ein vorbestimmtes Hauptspannungsniveau überschreitet.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Shunt-Überspannungsstufe ein Paar Dioden beinhaltet, die antiparallel zueinander angeordnet sind.
Überstromschutzeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Serienpassglied konfiguriert ist, um vom Begrenzungszustand auf den Passzustand zu schalten, wenn der Eingangsstrom unter das vorbestimmte Niveau fällt.
Ein Verfahren zum Begrenzen von Strom unter Verwendung einer Überstromschutzeinrichtung, die in einem Siliziumsubstrat integriert ist, das Folgendes beinhaltet: Übertragen eines Eingangsstroms von einem Eingangsanschluss an einen Ausgangsanschluss über ein Serienpassglied, das im Siliziumsubstrat integriert ist, wenn das Serienpassglied in einem Passzustand ist, der einen ersten elektrischen Widerstand aufweist, Erfassen, unter Verwendung eines Serienstrommessglieds, dass ein Eingangsstrom ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat; Schalten des Serienpassglieds auf einen Begrenzungszustand, der einen zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist; und Übertragen des Eingangsstroms vom Eingangsanschluss an den Ausgangsanschluss über das Serienpassglied im Begrenzungszustand, wobei der Eingangsstrom das vorbestimmte Niveau nicht überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner Folgendes beinhaltet: Erfassen, dass der Eingangsstrom niedriger als das vorbestimmte Niveau ist; und Bewirken, dass das Serienpassglied vom Begrenzungszustand auf den Passzustand schaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Übertragen des Eingangsstroms im Passzustand das Übertragen des Eingangsstroms entlang einem ersten Stromweg durch eine erste Einrichtung innerhalb des Siliziumsubstrats beinhaltet, der den ersten elektrischen Widerstand definiert, und wobei das Übertragen des Eingangsstroms in einem Begrenzungszustand das Übertragen des Eingangsstroms entlang einem zweiten Stromweg durch eine zweite Einrichtung innerhalb des Siliziumsubstrats beinhaltet, wobei der zweite Stromweg elektrisch parallel zum ersten Stromweg ist und den zweiten elektrischen Widerstand definiert.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Erfassen, dass der Eingangsstrom das vorbestimmte Niveau erreicht hat, das Bestimmen beinhaltet, dass eine Messspannung ein vorbestimmtes Messspannungsniveau überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Schalten des Serienpassglieds auf den Begrenzungszustand beinhaltet, dass bewirkt wird, dass sich der erste Stromweg öffnet, wobei der Eingangsstrom entlang dem zweiten Stromweg und nicht entlang dem ersten Stromweg übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Serienpassglied einen Haupt-SCR beinhaltet, wobei das Serienstrommessglied mit einem siliziumgesteuerten Schalter (SCS) gekoppelt ist, der am Haupt-SCR angeschlossen ist, und wobei das Schalten auf den Begrenzungszustand das Auslösen eines EIN-Zustandes im SCS beinhaltet, der den Haupt-SCR des internen regenerativen Stroms beraubt, wenn die Messspannung ein vorbestimmtes Messspannungsniveau überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Haupt-SCR eine SCR-Anode beinhaltet und mit einer Gatestromspeisung von der SCR-Anode konfiguriert ist, und wobei das Übertragen des Eingangsstroms, wenn das Serienpassglied in einem Passzustand ist, Folgendes beinhaltet: Anschließen einer gelieferten Versorgungsspannung an den Eingangsanschluss, wenn eine Last an der Überstromschutzeinrichtung angeschlossen ist; und Fließen von Gatestrom von einer anodenangeschlossenen Speisung in den Haupt-SCR, während die Versorgungsspannung steigt, bis interne Regeneration den Haupt-SCR auf einen verriegelten Leitzustand mit niedrigem Widerstand schaltet, der das Serienpassglied in den Passzustand versetzt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner Folgendes beinhaltet: Bestimmen, dass die am Eingangsanschluss oder Ausgangsanschluss erfasste Spannung ein vorbestimmtes Hauptspannungsniveau überschreitet; und Begrenzen der Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss über eine Shunt-Überspannungsstufe, die entlang einem elektrischen Weg angeordnet ist, der elektrisch parallel zum ersten Stromweg und zweiten Stromweg ist.
Eine Schutzschaltung, die in einem Siliziumsubstrat integriert ist, die Folgendes beinhaltet: einen Eingangsanschluss, um einen Eingangsstrom zu empfangen; einen Ausgangsanschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist; eine Serienstrombegrenzerstufe, die im Siliziumsubstrat integriert ist und zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss angeordnet ist und Folgendes beinhaltet: ein Serienpassglied, das konfiguriert ist, um zwischen einem Passzustand, der durch einen ersten elektrischen Widerstand entlang einem ersten Stromweg gekennzeichnet ist, und einem Begrenzungszustand, der durch einen zweiten elektrischen Widerstand entlang einem zweiten Stromweg gekennzeichnet ist, der höher als der erste elektrische Widerstand ist, reversibel zu schalten; und eine Shunt-Überspannungsstufe, die mit dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und entlang einem elektrischen Weg angeordnet ist, der elektrisch parallel zum ersten Stromweg und zweiten Stromweg liegt, wobei die Shunt-Überspannungsstufe konfiguriert ist, um Spannung zwischen dem Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss zu begrenzen, wenn am Eingangsanschluss oder Ausgangsanschluss erfasste Spannung ein vorbestimmtes Hauptspannungsniveau überschreitet.