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Hintergrund
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Gebiet
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Ausführungsformen betreffen das Gebiet von Halbleitergeräten und insbesondere Überspannungsschutzgeräte und Linearregler.
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Diskussion des Standes der Technik
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Überspannungsschutzgeräte werden eingesetzt, um elektronische Schaltungen und Komponenten vor Schäden durch Überspannungsfehlerzuständen zu schützen. Linearregler stellen eine Klasse von Geräten dar, die zum Aufrechterhalten einer konstanten Ausgangsspannung und zum Schutz gegen Überspannungszustände verwendet werden. Linearregler können für Schutzanwendungen in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, einschließlich Automobil-, Flugzeug- und Militärfahrzeuganwendungen, um nur einige zu nennen. Verschiedene Technologien können unterschiedliche Standards für den Betrieb festlegen, wobei die unterschiedlichen Standards je nach der Leistung oder Spannung, die auf ein sicheres Niveau abgeführt werden soll, stark variieren können.
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Herkömmliche DC-DC-Wandler von Linearreglern können nicht so ausgelegt sein, dass sie die Anforderungen erfüllen, einen Überspannungszustand auf ein niedriges oder sicheres Niveau gemäß den verschiedenen Standards zu klemmen und die erforderliche Leistung abzuführen.
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In Bezug auf diese und andere Überlegungen wird die vorliegende Offenbarung bereitgestellt.
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Zusammenfassung
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Beispielhafte Ausführungsformen sind auf verbesserte Überspannungsschutzgeräte gerichtet. In einer Ausführungsform kann eine Vorrichtung eine Geräteanordnung zur transienten Spannungsunterdrückung (Transient Voltage Suppression, TVS), die an einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist; und ein Linearregler-Modul enthalten, das ein Paar von Eingängen aufweist, das mit einem entsprechenden Paar von Ausgängen der TVS-Geräteanordnung verbunden ist, wobei die TVS-Geräteanordnung wenigstens eine TVS-Diode enthält, die zwischen einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang des Paares von Ausgängen geschaltet ist, um ein erstes Klemmspannungssignal zu erzeugen, und wobei das Linearregler-Modul dazu eingerichtet ist, ein zweites Klemmspannungssignal zu erzeugen, das eine zweite Klemmspannung aufweist, die unabhängig von einer ersten Klemmspannung des ersten Klemmspannungssignals ist, das von der TVS-Geräteanordnung empfangen ist.
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In einer anderen Ausführungsform kann ein Verfahren zum Bereitstellen eines Überspannungsschutzes Empfangen eines Spannungsimpulses in einer Geräteanordnung zur transienten Spannungsunterdrückung (Transient Voltage Suppression, TVS), die an einen ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei die TVS-Geräteanordnung wenigstens eine TVS-Diode enthält, die zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss geschaltet ist; Ausgeben eines ersten Klemmspannungssignals von der TVS-Geräteanordnung; Empfangen des ersten Klemmspannungssignals an einem Linearregler-Modul, das ein Paar von Eingängen aufweist, das mit einem entsprechenden Paar von Ausgängen der TVS-Geräteanordnung verbunden ist; und Ausgeben eines zweiten Klemmspannungssignals von dem Linearregler enthält, wobei das zweite Klemmspannungssignal eine zweite Klemmspannung aufweist, die kleiner als eine erste Klemmspannung des ersten Klemmspannungssignals ist.
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Figurenliste
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- 1 stellt ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar;
- 2A stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar;
- 2B stellt ein Schaltbild einer Ladungspumpe der Vorrichtung von 2A dar;
- 3 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar;
- 4 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar;
- 5 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar;
- 6 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar; und
- 7 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die vorliegenden Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen beispielhafte Ausführungsformen gezeigt sind, näher beschrieben. Die Ausführungsformen sind nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt auszulegen. Vielmehr sind diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und ihren Umfang Fachleuten vollständig vermittelt. In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen durchweg auf ähnliche Elemente.
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In der folgenden Beschreibung und/oder den folgenden Ansprüchen können die Begriffe „auf“, „darüberliegend“, „angeordnet auf“ und „darüber“ in der folgenden Beschreibung und den folgenden Ansprüchen verwendet werden. „Auf“, „darüberliegend“, „angeordnet auf“ und „darüber“ können verwendet werden, um anzugeben, dass zwei oder mehr Elemente in direktem physischen Kontakt miteinander stehen. Der Begriff „auf“, „darüberliegend“, „angeordnet auf“ und „darüber“ können auch bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente nicht in direktem Kontakt miteinander stehen. So kann beispielsweise „über“ bedeuten, dass sich ein Element oberhalb eines anderen Elements befindet, ohne sich gegenseitig zu berühren, und dass sich ein anderes Element oder andere Elemente zwischen den beiden Elementen befinden können. Darüber hinaus kann der Begriff „und/oder“ „und“ bedeuten kann, er kann „oder“ bedeuten, er kann „exklusiv-oder“ bedeuten, er kann „eine“ bedeuten, er kann „einige, aber nicht alle“ bedeuten, er kann „keine“ bedeuten und/oder er kann „beide“ bedeuten, obwohl der Umfang des beanspruchten Gegenstands in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Hybridvorrichtung vorgesehen, die einen Linearregler und eine Geräteanordnung zur transienten Spannungsunterdrückung (Transient Voltage Suppression, TVS) enthält. Diese Komponenten bieten zusammen Schutz vor Ereignissen wie zum Beispiel DC-Netzüberspannungsereignissen und Einschaltstrom, einschließlich Ereignissen, die auf einer Zeitskala von Millisekunden (ms) stattfinden. In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Hybridvorrichtung vorgesehen, die Schutz für Automobil-, Flugzeug- und Militärfahrzeuganwendungen bietet, bei denen Schutzanforderungen für DC-Systeme variieren können, um einen angemessenen Schutz für elektronische Geräte zu gewährleisten. Die Hybridvorrichtung der vorliegenden Ausführungsformen kann insbesondere diesen Überspannungsschutz bereitstellen und gleichzeitig einen effizienten Betrieb für ein bestimmtes System gewährleisten.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Hybridvorrichtung in einen Träger oder eine Platine eingebaut oder darauf angeordnet sein, wie zum Beispiel eine dem Stand der Technik bekannte Leiterplatte. Die Vorrichtung kann eine TVS-Geräteanordnung enthalten, die eine zweidimensionale Anordnung von leitenden Knoten enthalten, um TVS-Dioden aufzunehmen, die in elektrischer Reihe und in elektrisch paralleler Weise wechselseitig angeordnet sind.
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Die Anordnung von TVS-Dioden kann für verschiedene Überspannungsanforderungen angepasst sein, wobei eine einzelne TVS-Diode oder eine Gruppe von TVS-Dioden in Reihe zusammen mit einer parallelen Konfiguration von TVS-Dioden je nach Überspannungstestanforderung eingesetzt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die TVS-Diodenanordnung auf einer Leiterplatte in einer Durchgangsloch-Konfiguration angebracht oder alternativ als eine Mehrzahl von oberflächenmontierten Geräten angeordnet sein.
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1 stellt ein Schaltbild einer Vorrichtung 100 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar. Die Vorrichtung 100 kann einen Überspannungsschutz für eine Vielzahl von Anwendungen bereitstellen, bei denen die Art des Überspannungszustandes oder der Überspannung erheblich variieren kann. Die Vorrichtung 100 kann dazu verwendet werden, die Anforderungen zu erfüllen, um die Überspannung auf ein niedriges oder sicheres Niveau senken zu helfen, wie es von verschiedenen Standards gefordert wird. Wie in 1 dargestellt, kann die Vorrichtung 100 eine TVS-Geräteanordnung 102 enthalten, die an einen ersten Eingangsanschluss 110 und einem zweiten Eingangsanschluss 112 gekoppelt ist. Beim Ereignis oder eines Überspannungszustands, bei dem sich eine Hochspannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 entwickelt, kann die Vorrichtung 100 die Spannung klemmen, um eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die während des Überspannungszustands auf ein akzeptables Niveau geklemmt ist. Diese Klemmung kann eine bestimmte Komponente schützen, die elektrisch mit den Ausgangsanschlüssen der Vorrichtung 100 verbunden ist.
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Die Vorrichtung 100 kann ferner ein Linearregler-Modul 104 enthalten, das ein Paar von Eingängen aufweist, die mit einem entsprechenden Paar von Ausgängen der TVS-Geräteanordnung 102 verbunden ist, wobei die Architektur des Linearregler-Moduls 104 und Varianten des Linearregler-Moduls 104 nachfolgend beschrieben sind. Im Betrieb kann die TVS-Geräteanordnung 102 ein erstes Klemmspannungssignal erzeugen, wobei dieses Signal an das Linearregler-Modul 104 übertragen wird, während das Linearregler-Modul ein zweites Klemmspannungssignal erzeugt, wobei das zweite Klemmspannungssignal unabhängig von der ersten Klemmung ist. Insbesondere kann die TVS-Geräteanordnung 102 die Spannung auf eine erste Klemmspannung klemmen, während der Linearregler eine zweite Klemmspannung erzeugt, die niedriger als die erste Klemmspannung ist. Die Vorrichtung 100 kann besonders effektiv sein, um Überspannungsereignisse und Einschaltstrom auf einer Gleichstrom (DC)-Leitung zu regeln, bei der die Dauer des Ereignisses in der Größenordnung von Millisekunden liegt. Die Ausführungsformen sind in diesem Zusammenhang nicht eingeschränkt.
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2A stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung dar, die als Vorrichtung 200 gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Die Vorrichtung 200 kann die TVS-Geräteanordnung 102, wie vorstehend beschrieben, sowie das Linearregler-Modul 210 enthalten, das an den Ausgang der TVS-Geräteanordnung 102 gekoppelt ist. In diesem Beispiel kann die TVS-Geräteanordnung eine fünf mal fünf Matrix von TVS-Gerätepositionen oder leitenden Knoten 203 enthalten, wie dargestellt. In diesem Beispiel enthält das Linearregler-Modul 210 eine Ladungspumpe 20 und ein Ausgang-DC-Spannungsfilter 208, das an einen Ausgang des Linearregler-Moduls 210 gekoppelt ist. Die TVS-Diode 206 kann dazu eingerichtet sein, eine maximale Klemmspannung für das Linearregler-Modul 210 in Übereinstimmung mit einem bestimmten Design einzustellen. Das Linearregler-Modul 104 enthält ferner einen Metall-Oxid-Feldeffekttransistor, MOSFET, 202, wobei der MOSFET 202 an einen Ausgang der TVS-Geräteanordnung 102 gekoppelt ist. In einigen Beispielen kann der MOSFET 202 mit der TVS-Diode 206 zusammenwirken, um das zweite Klemmspannungssignal bei einer Spannung von 50 V oder weniger auszugeben.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die TVS-Geräteanordnung 102, wenn sie mit Geräten bestückt ist, Dioden wie Zenerdioden enthalten, die eine Klemmspannung aufweisen, die die Klemmspannung für die TVS-Geräteanordnung einstellt. Ebenso kann die TVS-Diode 206 in einigen Ausführungsformen eine Zener-Diode sein, und insbesondere kann die Durchbruchspannung der TVS-Diode 206 in einigen Ausführungsformen 40 V oder weniger betragen.
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Wie weiter in 2A vorgeschlagen, kann die TVS-Geräteanordnung 102 als eine zweidimensionale Anordnung angeordnet sein, wobei die Anordnung eine Gruppe elektrisch miteinander verbundener Pads oder leitender Knoten 203 darstellt, bei der verschiedene Konfigurationen von TVS-Dioden mit gewünschten Knoten verbunden sein können, um den entsprechenden Überspannungsschutz zu gewährleisten. So kann beispielsweise die TVS-Geräteanordnung 102 ein zweidimensionales Schaltungsmuster darstellen, das mit wenigstens einer TVS-Diode konfigurierbar sein kann, die an einer bestimmten Position (elektrischer Knoten) in dem Muster angeordnet ist, um eine Anordnung aus einer oder mehreren elektrisch verbundenen TVS-Dioden zu bilden. In einem Beispiel ist eine erste Gruppe von TVS-Dioden (eine bestimmte Spalte von TVS-Dioden) in der TVS-Geräteanordnung 102 in elektrischer Reihe zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 geschaltet, wobei wenigstens eine zusätzliche Gruppe von TVS-Dioden (eine weitere Spalte von TVS-Dioden) in elektrischer Reihe zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 geschaltet ist. Weiterhin können die einzelnen Spalten von TVS-Dioden angeordnet sein, wobei die erste Gruppe von TVS-Dioden in elektrisch paralleler Weise zu der wenigstens eine zusätzliche Gruppe von TVS-Dioden angeordnet ist. Wie nachstehend ausgeführt, bietet diese Anordnung Flexibilität bei der Adressierung von Überspannungen für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen die Zahl von TVS-Geräten und die Konfiguration von TVS-Geräten in einer TVS-Geräteanordnung je nach der Anwendung wählbar sein kann, um ein Überspannungsereignis auf ein akzeptables Niveau zu klemmen, bevor es von einem Eingangsanschluss eines Linearreglers empfangen ist. Darüber hinaus kann in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen die Durchbruchspannung der TVS-Diode 206 je nach der Anwendung angepasst sein. Außerdem reduziert die Verwendung einer TVS-Geräteanordnung, um Spannung zu klemmen, die an Linearregler-Modul 210 bereitgestellt wird, die von einem MOSFET bei einem Überspannungsereignis abgegebene Leistung und erhöht dementsprechend die obere Grenze an Leistung, die von der Vorrichtung 200 bewältigt wird, wie unten beschrieben.
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2B stellt ein Schaltbild einer Ladungspumpe 204 der Vorrichtung 200 von 2A dar. In diesem Beispiel kann die Ladungspumpe 204 als 12 V-Ladungspumpe ausgeführt sein, wobei die Ausführungsformen in diesem Zusammenhang nicht eingeschränkt sind. In diesem Beispiel ist die Ladungspumpe 204 auf der Basis eines bekannten IC 555 aufgebaut und fungiert als ein MOSFET-Treiber, um die Eingangsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung abfallen zu helfen. Während diese Ausführungsform einen Linear-DC-Regler enthält, der unter Verwendung einer Ladungspumpe und eines MOSFET aufgebaut ist; in anderen Ausführungsformen können andere Arten von DC/DC-Linearreglern in Verbindung mit einer TVS-Geräteanordnung verwendet werden.
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3 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung dar, die als Vorrichtung 300 dargestellt ist, gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. In diesem Beispiel kann die Vorrichtung 300 eine Variante der Vorrichtung 200 sein, bei der eine bestimmte Gruppe von TVS-Dioden der verschiedenen Positionen der TVS-Geräteanordnung 102 zur Verwendung ausgewählt ist. 3 stellt auch ein Betriebsszenario dar, bei dem ein Überspannungsereignis, dargestellt durch eine 202 V-350 ms-Wellenform, auftritt. Die Vorrichtung 300 kann beispielsweise für den Einsatz in einem 24 V-150 W-Automobilsystem ausgelegt sein. Wie durch die Eingangsspannungswellenform 304 veranschaulicht, beträgt die Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 vor einem Überspannungsereignis 24 V, wie sie für das Automobilsystem vorgesehen ist. Während des Überspannungsereignisses wird eine Spitzenspannung von 202 V zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 wahrgenommen. Diese Spannung breitet sich über die TVS-Geräteanordnung 102 aus. In dieser Ausführungsform ist die TVS-Geräteanordnung mit einer Gerätegruppe 302 bestückt, die dazu eingerichtet ist, das Überspannungsereignis zu verarbeiten. Die Gerätegruppe 302 stellt eine Spalte von TVS-Geräten dar, die in elektrischer Reihe angeordnet sind, wobei die effektive Klemmspannung der TVS-Geräteanordnung eine Summe der Klemmspannungen der einzelnen TVS-Geräte der Gerätegruppe 302 sein kann. Im besonderen Beispiel von 3 können alle TVS-Dioden gleich sein, und eine Klemmspannung von ungefähr 17 V kann für ein bestimmtes TVS-Gerät gelten. Dementsprechend kann die Gerätegruppe 302, die in elektrischer Reihe unter Verwendung von fünf TVS-Geräten angeordnet ist, eine Klemmspannung von ungefähr 85 V aufweisen. Dieses Verhalten ist durch die Wellenform 306 dargestellt, wobei die Wellenform 306 die Spannung darstellt, die von der TVS-Geräteanordnung 102 als Reaktion auf die Eingangsspannungswellenform 304 ausgegeben wird. Wie beobachtet, wird eine maximale Spannung von 85 V als Transient ausgegeben, die der Dauer entspricht, in der die Eingangsspannungswellenform 304 85 V überschreitet.
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Wie weiter in 3 gezeigt, ist das Linearregler-Modul 310 dazu eingerichtet, eine Wellenform 308 als Reaktion auf das Überspannungsereignis auszugeben, das die Eingangsspannungswellenform 304 erzeugt. In diesem Beispiel kann die TVS-Diode 206 dazu eingerichtet sein, eine Klemmspannung von 36 V zu erzeugen, so dass die maximale Spannung, die von dem Linearreglers 310 ausgegeben wird, 36 V beträgt, die für die Dauer anhält, in der die Wellenform 306 36 V überschreitet, wie dargestellt. Dementsprechend kann in diesem Beispiel ein 24 V-150 W-Automobilsystem gegen ein 202V-350ms-Überspannungsereignis geschützt werden, wobei die Vorrichtung 300 nur für kurze Zeit 36 V ausgibt.
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4 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung dar, die als Vorrichtung 400 gezeigt ist, gemäß anderen Ausführungsformen der Offenbarung. In diesem Beispiel kann die Vorrichtung 400 eine Variante der Vorrichtung 200 sein, bei der eine bestimmte Gruppe von TVS-Dioden der verschiedenen Positionen der TVS-Geräteanordnung 102 zur Verwendung ausgewählt ist. 4 stellt auch ein Betriebsszenario dar, bei dem ein Überspannungsereignis, dargestellt durch eine 101 V-400 ms-Wellenform, auftritt. Die Vorrichtung 400 kann beispielsweise für den Einsatz in einem 12 V-100 W-Automobilsystem ausgelegt sein. Wie durch die Eingangsspannungswellenform 404 veranschaulicht, beträgt die Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 vor einem Überspannungsereignis 12 V, wie sie für das Automobilsystem vorgesehen ist. Während des Überspannungsereignisses wird eine Spitzenspannung von 101 V zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 wahrgenommen. Diese Spannung breitet sich über die TVS-Geräteanordnung 102 aus. In dieser Ausführungsform ist die TVS-Geräteanordnung mit einer Gerätegruppe 402 bestückt, die dazu eingerichtet ist, das Überspannungsereignis zu verarbeiten. Die Gerätegruppe 402 stellt einen Teil einer Spalte von drei TVS-Geräten dar, die in elektrischer Reihe angeordnet sind, wobei die effektive Klemmspannung der TVS-Geräteanordnung eine Summe der Klemmspannungen der einzelnen TVS-Geräte der Gerätegruppe 402 sein kann. Im besonderen Beispiel von 4 können alle TVS-Dioden gleich sein, und eine Klemmspannung von ungefähr 17 V kann für ein bestimmtes TVS-Gerät gelten. Dementsprechend kann die Gerätegruppe 402, die in elektrischer Reihe unter Verwendung von drei TVS-Geräten angeordnet ist, eine Klemmspannung von ungefähr 50 V aufweisen. Dieses Verhalten ist durch die Wellenform 406 dargestellt, wobei die Wellenform 406 die Spannung darstellt, die von der TVS-Geräteanordnung 102 als Reaktion auf die Eingangsspannungswellenform 404 ausgegeben wird. Wie beobachtet, wird eine maximale Spannung von 50 V als Transient ausgegeben, die der Dauer entspricht, in der die Eingangsspannungswellenform 404 50 V überschreitet.
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Wie weiter in 4 gezeigt, ist das Linearregler-Modul 410 dazu eingerichtet, als Reaktion auf das Überspannungsereignis, das die Eingangsspannungswellenform 404 erzeugt, eine Wellenform 408 auszugeben. In diesem Beispiel kann die TVS-Diode 206 dazu eingerichtet sein, eine Klemmspannung von 30 V zu erzeugen, so dass die maximale Spannung, die das Linearregler-Modul 410 ausgibt, 30 V beträgt, die für die Dauer anhält, in der die Wellenform 406 24 V überschreitet, wie dargestellt. Dementsprechend kann in diesem Beispiel ein 12 V-100 W-Automobilsystem gegen ein 101 V-400 ms-Überspannungsereignis geschützt werden, wobei die Vorrichtung 400 nur für kurze Zeit 30 V ausgibt.
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5 stellt ein Schaubild einer anderen Vorrichtung dar, die als Vorrichtung 500 gezeigt ist, gemäß anderen Ausführungsformen der Offenbarung. In diesem Beispiel kann die Vorrichtung 500 eine Variante der Vorrichtung 200 sein, bei der eine bestimmte Gruppe von TVS-Dioden der verschiedenen Positionen der TVS-Geräteanordnung 102 zur Verwendung ausgewählt ist. 5 stellt auch ein Betriebsszenario dar, bei dem ein Überspannungsereignis, dargestellt durch eine 100 V-50 ms-Wellenform, auftritt. Die Vorrichtung 500 kann beispielsweise für den Einsatz in einem 28 V-600 W-Militärsystem ausgelegt sein. Die Vorrichtung 500 kann dazu ausgelegt sein, gegen Überspannungsimpulse zu schützen, wie beispielsweise eine Reihe von fünf Impulsen, die in Abständen von einer Sekunde auftreten. Wie durch die Eingangsspannungswellenform 504 veranschaulicht, beträgt die Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 vor einem Überspannungsereignis 28 V, wie sie für das Militärsystem ausgelegt ist. Während des Überspannungsereignisses wird eine Spitzenspannung von 100 V zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 wahrgenommen. Diese Spannung breitet sich über die TVS-Geräteanordnung 102 aus. In dieser Ausführungsform ist die TVS-Geräteanordnung mit einer Gerätegruppe 502 bestückt, die dazu eingerichtet ist, das Überspannungsereignis zu verarbeiten. Die Gerätegruppe 502 stellt eine zwei mal drei Anordnung von TVS-Geräten dar, wie dargestellt, wobei zwei Spalten von Geräten elektrisch parallel zueinander angeordnet sind, wobei eine bestimmte Spalte drei TVS-Geräte enthält, die in elektrischer Reihe angeordnet sind. Die effektive Klemmspannung der TVS-Geräteanordnung kann eine Summe der Klemmspannungen der einzelnen TVS-Geräte innerhalb einer bestimmten Spalte der Gerätegruppe 502 sein. Im besonderen Beispiel von 5 können alle TVS-Dioden gleich sein, und eine Klemmspannung von ungefähr 17 V kann für ein bestimmtes TVS-Gerät gelten. Dementsprechend kann die Gerätegruppe 502, die eine bestimmte Spalte aufweist, in der drei TVS-Geräte in elektrischer Reihe angeordnet sind, eine Klemmspannung von ungefähr 50 V aufweisen. Dieses Verhalten ist durch die Wellenform 506 dargestellt, wobei die Wellenform 506 die Spannung darstellt, die von der TVS-Geräteanordnung 102 als Reaktion auf die Eingangsspannungswellenform 504 ausgegeben wird. Wie beobachtet, wird eine maximale Spannung von 50 V als Transient ausgegeben, die der Dauer entspricht, in der die Eingangsspannungswellenform 504 50 V überschreitet.
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Wie weiter in 5 gezeigt, ist das Linearregler-Modul 510 dazu eingerichtet, eine Wellenform 508 als Reaktion auf das Überspannungsereignis auszugeben, das die Eingangsspannungswellenform 504 erzeugt. In diesem Beispiel kann die TVS-Diode 206 dazu eingerichtet sein, eine Klemmspannung von 36 V zu erzeugen, so dass die maximale Spannung, die von dem Linearregler-Modul 510 ausgegeben wird, 36 V beträgt, die für die Dauer anhält, in der die Wellenform 506 36 V überschreitet, wie dargestellt. Dementsprechend kann in diesem Beispiel ein 28 V-600 W-Militärsystem gegen ein 100 V-50 ms-Überspannungsereignis (z. B. 5 Impulse in 5 Sekunden, wobei jede Impulsenergie weniger als 60 Joule beträgt) oder eine Reihe von Überspannungsereignissen geschützt werden, wobei die Vorrichtung 500 nur für kurze Zeit ein 36 V-Signal ausgibt.
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6 stellt ein Schaubild einer anderen Vorrichtung dar, die als Vorrichtung 600 gezeigt ist, gemäß anderen Ausführungsformen der Offenbarung. In diesem Beispiel kann die Vorrichtung 600 eine Variante der Vorrichtung 200 sein, bei der eine bestimmte Gruppe von TVS-Dioden der verschiedenen Positionen der TVS-Geräteanordnung 102 zur Verwendung ausgewählt ist. 6 stellt auch ein Betriebsszenario dar, bei dem ein Überspannungsereignis, dargestellt durch eine 600 V-10 µs-Wellenform, auftritt. Die Vorrichtung 600 kann beispielsweise für den Einsatz in einem 28 V-100 W-Flugzeugsystem ausgelegt sein. Wie durch die Eingangsspannungswellenform 604 veranschaulicht, beträgt die Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 vor einem Überspannungsereignis 28 V, wie sie für das Flugzeugsystem ausgelegt ist. Während des Überspannungsereignisses breitet sich diese Spannung als Spitzenspannung von 600 V zwischen dem ersten Eingangsanschluss 110 und dem zweiten Eingangsanschluss 112 aus. In dieser Ausführungsform ist die TVS-Geräteanordnung mit einer Gerätegruppe 602 bestückt, die dazu eingerichtet ist, das Überspannungsereignis zu verarbeiten. Die Gerätegruppe 602 stellt einen Teil einer Spalte von drei TVS-Geräten dar, die in elektrischer Reihe angeordnet sind, wobei die effektive Klemmspannung der TVS-Geräteanordnung eine Summe der Klemmspannungen der einzelnen TVS-Geräte der Gerätegruppe 602 sein kann. Im besonderen Beispiel von 6 können alle TVS-Dioden gleich sein, und eine Klemmspannung von ungefähr 33 V kann für ein bestimmtes TVS-Gerät gelten. Dementsprechend kann die Gerätegruppe 602, die in elektrischer Reihe unter Verwendung von drei TVS-Geräten angeordnet ist, eine Klemmspannung von ungefähr 100 V aufweisen. Dieses Verhalten wird durch die Wellenform 606 dargestellt, wobei die Wellenform 606 die Spannung darstellt, die von der TVS-Geräteanordnung 102 als Reaktion auf die Eingangsspannungswellenform 604 ausgegeben wird. Wie beobachtet, wird eine maximale Spannung von 100 V für eine sehr kurze Zeit ausgegeben, die der Dauer entspricht, in der die Eingangsspannungswellenform 504 100 V überschreitet.
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Wie weiter in 6 gezeigt, ist das Linearregler-Modul 610 dazu eingerichtet, eine Wellenform 608 als Reaktion auf das Überspannungsereignis auszugeben, das die Eingangsspannungswellenform 604 erzeugt. In diesem Beispiel kann die TVS-Diode 206 dazu eingerichtet sein, eine Klemmspannung von 36 V zu erzeugen, so dass die maximale Spannung, die von dem Linearregler-Modul 610 ausgegeben wird, 36 V beträgt, die für die Dauer anhält, in der die Wellenform 606 36 V überschreitet, wie dargestellt. Dementsprechend kann in diesem Beispiel ein 28 V-100 W-Flugzeugsystem gegen ein 600 V-10 µs-Überspannungsereignis geschützt werden, wobei die Vorrichtung 500 nur für kurze Zeit 36 V ausgibt.
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7 stellt ein Schaltbild einer anderen Vorrichtung dar, die als Vorrichtung 700 gezeigt ist, gemäß anderen Ausführungsformen der Offenbarung. In diesem Beispiel kann die Vorrichtung 700 eine TVS-Geräteanordnung 102 enthalten, wie in den vorgenannten Ausführungsformen besprochen, wobei eine bestimmte Gruppe von TVS-Dioden der verschiedenen Positionen der TVS-Geräteanordnung 102, wie vorstehend beschrieben, über die TVS-Geräteanordnung 102 bestückt sein kann. Die Vorrichtung 700 kann sich von den vorgenannten Ausführungsformen dadurch unterscheiden, dass zwei verschiedene Linearregler in elektrischer Reihe mit der TVS-Geräteanordnung 102 angeordnet sind und in elektrischer Reihe miteinander angeordnet sind. Wie in 7 gezeigt, kann ein erster Linearregler 710, der direkt an den Ausgang der TVS-Geräteanordnung 102 gekoppelt ist, an einer Ausgangsseite mit einem zweiten Linearregler 712 verbunden sein. In einem bestimmten Beispiel kann der erste Linearregler 710 im Falle eines Überspannungsereignisses dazu angeordnet sein, eine Klemmspannung von 58 V an den zweiten Linearregler 712 auszugeben. Der zweite Linearregler 712 wiederum kann so angeordnet sein, dass er beispielsweise eine Klemmspannung von 38 V ausgibt. Die Ausführungsformen sind in diesem Zusammenhang nicht eingeschränkt. Diese Mehrfach-Linearregler-Topologie bietet größere Flexibilität bei der Handhabung von Hochspannung-Überspannungsereignissen, einschließlich z. B. höhere Ströme.
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Neben anderen Vorteilen, die sich aus den vorliegenden Ausführungsformen ergeben, ermöglicht die Bereitstellung einer Architektur, bei der eine TVS-Geräteanordnung in Reihe mit einem oder mehreren Linearreglern angeordnet ist, eine bessere Handhabung von Leistung während eines Überspannungsereignisses. Um diesen Vorteil zu veranschaulichen, kann der MOSFET 202 in einer Ausführungsform als IRFP4568 ausgeführt sein. In einem Beispiel kann eine anfänglich eingegebene transiente Überspannung 100 V 50 ms betragen, während ein thermischer Widerstand des MOSFET Rth(j-c) 0,29 C/W beträgt und die Klemmspannung für das Linearregler 104-Modul 40 V beträgt. Unter der Annahme, dass ein Laststrom von 3 A (100 W Leistung) durch den MOSFET 202 fließt, ergibt sich die Erhöhung der Grenzflächentemperatur aus (100 - 40) x 3 x 0,29 = 52,2 °C. In dem obigen Beispiel kann eine obere Soll-Grenzflächentemperatur 150 °C betragen. Um die Grenzflächentemperatur unter 150 °C zu halten, ist eine zulässige anfängliche Beginn-Gehäusetemperatur 150 - 52,2 = 97,8 °C. Einschließlich eines 5 °C-Puffers für mehrfache transiente Überspannung beträgt eine zulässige anfängliche Beginn-Gehäusetemperatur 97,8 - 5 = 92,8 °C.
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Während der MOSFET eines Linearreglers wie MOSFET 202 als ein Regler für ein Überspannungsereignis fungieren kann, wird die Verlustleistung des MOSFET durch die Lastleistung begrenzt. Je höher die Leistung, desto mehr ohmscher Verlust wird als Wärme in der MOSFET-Grenzfläche abgeführt. Wenn beispielsweise ein 202 V-Lastausgleich auf einem IRFP4568 MOSFET stattfindet und die Klemmspannung auf 36 V eingestellt ist, dann ist der Temperaturanstieg für diesen Lastausgleich (202 - 36) * I * 0,29. Häufig kann ein Wert von 75 °C für die anfängliche MOSFET-Gehäusetemperatur eingestellt sein. Daraus ergibt sich die Gleichheit (202 - 36) * I * 0,29 = 150 - 75, oder ein Wert des maximalen Stroms, Imax = 1,56 A. Das bedeutet, dass die maximal zulässige Leistung 28 * 1,56 = 43,7 W beträgt. In den Flugzeug-/Militär-/Automobil-Anwendungen können Konstrukteure höhere Modulleistungseigenschaften in Betracht ziehen, um verschiedene Energiesystemanforderungen zu erfüllen. Um beispielsweise einen Leistungsbedarf von 200 W unter Verwendung des obigen Falls zu decken, bei dem die maximale Leistung 43,7 W für einen bestimmten MOSFET beträgt, kann eine parallele Anordnung vieler Module erforderlich sein, um den Gesamtleistungsbedarf zu decken. Insbesondere um die 200 W-Anforderung zu erfüllen, sind mindestens 5 parallel arbeitende Module erforderlich, wenn ein bestimmter MOSFET maximal 43,7 W verarbeitet.
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Im Gegensatz dazu kann eine TVS-Geräteanordnung in der Architektur, die durch die vorliegenden Ausführungsformen bereitgestellt wird, in nur einem Beispiel bequem eine erste geklemmte Spannung von 65 V als Reaktion auf ein 202 V-Überspannungsereignis bereitstellen. Wenn ein MOSFET 202 die 65 V-Klemmspannung von der TVS-Geräteanordnung 102 empfängt, ist die Verlustleistung entsprechend viel geringer: (65 - 36) * I * 0,29 = 75, was einen Imax = 8,9 A ergibt. Die maximale Verlustleistung in einem einzelnen Modul ist dann durch 28 * 8,9 = 249,2 W gegeben. Dementsprechend reicht eine einzelne Vorrichtung, wie beispielsweise die Vorrichtung 200, die eine TVS-Anordnung aufweist, um eine geklemmte Spannung von 65 V auszugeben, aus, um wenigstens 200 W Eingangsleistung zu verarbeiten.
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Darüber hinaus kann in Ausführungsformen, in denen zwei Linearregler in Reihe geschaltet sind, wie in 7, die Belastbarkeit gegenüber einer Vorrichtung mit nur einem Linearregler verdoppelt werden.
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Während die vorliegenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen offenbart wurden, sind zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Ergänzungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen definierten Bereich und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt bleiben und dass sie den vollen Umfang haben, der durch die Sprache der folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
