TW517389B - Overvoltage protection circuit - Google Patents

Description

517389 五、發明說明（l) ——_____ 發明背景·· 本發明係指過壓保護裝置與電 電路具體實現，和特別適用於盥電Z肩域’尤指以積體 那一型式的過壓保護電路。 σ戎相關之電氣設備的 先前技藝： 在電話 佈線通常提 電、過壓保 統上係提供 電路（1C)來 輸）、C (編 和測試等功 現行製造的 能納入。因 f取網路中’ €電話線饋送給用戶的電 供一種稱為BORSCHT的功能，甘1 φ +

f:振鈴、訊號傳㉚、編碼、混合及測試。傳 :種稱為「用戶線介面電路（SLIC)」的單積體 執仃BORSCHT中的B (電池饋電）、s (訊號傳 號）和Η (混合）等功能。至於過壓保護、振鈴 能，則需另行附加電路佈線來執行。事實上， 用戶線介面電路已有越來越多將振鈴及測試功 此’只有過壓保護仍需外接結合。 發明綱要： 本發明之目的在於提供一種特別適用於與電話線相關 之電氣設備的改良過壓保護電路。

依本發明第一實施例所提供的一種過壓保護電路，其 包括一可供導線連接到一參考電位的第一切換器；和一第 一觸發器，其可經運作而使切換器從第一斷路（〇FF )狀態 切換到第二導通（〇N)狀態；其中第一觸發器係由導線上超 過一第一數值的電壓予以電壓觸發，和由導線上超過一第

517389 五、發明說明（2) 、笔疋予以電流觸發，據而從這二個各別的電壓值 提供過壓保護。 」电I值

f·本發明所舉的一形式中，第一數值大於第二數值。 士第觸發為、宜包括一個在導線上之電壓超過第二數值 以電，觸發第一切換器的電流觸發元件，和一個在導 、、泉上之電I起過第一數值時，以電壓觸發第一切 壓觸發元件。 σ I 义包流觸發元件宜依據流過導線的電流而可運作產生一 觸發汛唬，據以回應超過一預定值的該電流而觸發切換器 的傳導。 、口口 本發明亦提供一種導線過壓保護電路，其包括一第一 矽控整流器（SCR)，其設有一個可供連接到導線的陽極端 子丄一個可供連接到參考電位的陰極端子，以及一閘；和 一第一觸發器，其可經運作而使第一矽控整流器從第一斷 路（OFF)狀態切換到第二導通（〇Ν)狀.態；其中第一觸發器 係由導線上超過一第一數值的電壓予以電壓觸發，和由導 線上超過一第二數值的電壓予以電流觸發，據而從這二個 各別的電壓值提供過壓保護。 第一數值宜大於第二數值。 第一矽控整流器宜包括一個在導線上之電壓超過第二 數值時，以電流觸發該矽控整流器的電流觸發元件。 電流觸發元件宜依據流過導線的電流而可運作產生一 觸發訊號，據以回應超過一預定值的該電流而觸發切換哭 的傳導。 、

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電流觸發元件宜被連接在閘與陰極端子之間。 為便貴審查委員能對本發明之目的、形狀、構造壯 特徵及其功效，做更進步之認識與瞭解，茲舉實施:=置 合圖式，將本發明詳述如下： 1亚配 發明詳細說明： 第一 a圖大體在參照號碼1 0處所示者，係一習用 線介面電路（SL 1C) 22和屬於已知設計、用以防止電与、曾 線Π，13之電壓與電流過載，進而防止用戶線介面％電導 2 2党損的相關過壓保護電路1 9。第一 b圖所示者係這1 電路19的電氣特性。與饋電給用戶線介面電路22'的 相比，由於振鈐功能所需的供電電壓較高，所以用戶^ '也 面電路2 2上設有另一個負電壓供電。於是，用戶線介線$ 路2 2刀別具有正系使用所需之_ 7 〇伏和振鈴功能所需之笔 -150伏的二種負電壓供電12，14。為使功率消耗应^ 至最低，這二種負電壓供電12，14係以連接到線路=减 放大器16 ’18的-個切換開關17在内部進行切換力： 要振鈐時即增高它們的電壓擺幅。 便需 由於供應給用戶線介面電路2 2的♦ -150伏之間切換，為對導線u，13提俾電可在-70和 壓降至-150伏以下時，保護電路19必須=二的保護，當電 電壓。然而，由於線路電壓在限定過載 以限定線路的 伏’所以當線路驅動器放大器被切 ：可降至-150 J Μ伏時，這種保 517389 五、發明說明（4) 護即不適宜。第一 出在此情況下，幾乎有=之電路19的電壓/電流特性顯示 器放大器16，18。以的過/會被施加給線路驅動 16，18即可能引起m =載程度’線路驅動器放大器 習用方的電流。 介面電路之線路驅動器的輪出::口2以m j，士用：線 這些高過壓之内。秋而，更把電流流量限定在 的能力，…正；使用；有高功率耗散 的壓降。 了 '、泉路饋電電壓會產生相當大 -a圖所示者係依本發明構成 弟 電路22提供保護之第一每二;^苒烕，用以對用戶線介面 ^11 ^ ° 而在第二a圖中僅顯示出一 δ亥寺保護電路相同，因 用戶線介面電路2 2可以3 ’月晰。在此貫施例中， 面電路2 2，例如，以丨f ·弟a圖所不的習用用戶線介 利用一切換開關17，即可在^ PEB 42 6 6品名所製造者。 交替切換二個負電壓供電丨2 ^ Η驅動器放大器1 6，1 8之間 過壓保護電路40係接於導14 (PG) 42之間。在此實施例中，、〃與一保護接合及接地線 表示。由於供應給用 妾地線4 2係以接地零電壓 壓是負的，所以接地線42;每電^路22和導線1 1的供電電 電流源，以便在發生過壓供電流給導線Π的 保護電路40包括_個屬“ 。 接於接地線42的陽極44鱼、空hU(SCR) 47形式’ /、v線Π的陰極46之間的保護裝

517389 五、發明說明（5) 置。矽控整流器4 7屬於習用形式，可由二個具有二共同 電極的雙極電晶體T R 1 ’ T R 2表示。於是，保護電路4 〇的陽 極44係由第二電晶體TR2的射極構成，而陰極46則由第一 電晶體TR1的射極構成。各電晶體TR1，TR2的基極則被連 接到另一電晶體的集極。 為能對導線1 1提供適當的保護，保護電路4 〇包括若干 其它電路組件。首先，第一電晶體TR1的基極（亦為第二電 晶體TR2的集極）係利用一第一電阻器R1而被連接到導線 11 ^ 另利用一個突崩或齊納（z e n e r)二極體D1使第 一電晶體TR1的基極連接到第二電晶體TR2的基極。二極體 D1的極性取向與電晶體TR1和TR2的集基二極體相同，並在 f向偏壓超過一預定位準時，展現出突崩潰情形。此外， ::ί :! ίΤΚ1的基極係利用一與電阻器R1平行的短路48 而被直接連接到導線1 1。 第一a圖的貫施例包括- 為盥矽_敕&哭e °符力外一個冤路組件。弟一個即 反平行連接的一習用半導體二極體 ^ "豆Μ的陽極連接到矽控整流器47的陰極， (選用)元件 以=控整流器47的陽極。第二 這第二電阻R2時，t:賴二電阻以。若是省略 路。 14弟一電阻^2提供的連接自然屬於開 弟—b圖係第一 第二a圖之電路的:&回之保護電路40的電氣特性圖。現將 雷茂自Λ 運作說明於後。 電昼觸發（V〇1

La§e Triggering)

第9頁 517389 五、發明說明（6) =鈴模式時’切換開關17即運作而把_15 供電 路驅動器放大器18。因此，保護電路4〇可運作而 保。又V線1 1免於發生任何可能使導 以下的過壓情形。當這導線上的 1:到1bu伙 保護電路40的矽控整流哭47 g _ %值在50伏以下叶， 變成不導電。 …7即“「斷路(。⑴」狀態和 弟一電晶體T R 2的基射極技而t 二電晶體TR2的基極實質在灾$ _、、翌°偏墊，以致該第 超過齊納二極體Μ的破貝^電W動/然而，由於尚未 極經由第一電阻器们而“^導:==晶體™的基 如發生使線路電壓降到—丨5 〇以 、私1位準。導線11 的數值），電晶龍過壓時（即大於150伏 D1)的壓差即增加。告這壓tt (即越過齊納二極體 雷懕日车，1 I細 田坆£是增加到齊納二極體D 1的破壞 ……亥背納二極體D1便屈服而開始導電。 =電晶體m之基極因而獲 :的電流。此舉又轉而使 ，使電:傳上曰 進而:吏=，—電晶體T R i之基射“面。匕=;大’ 加，和使其開始傳導雷泣。木7 ^ ^ 9 生再生μ吏流過該等；個電晶體導電時，即發 電路40的陽極44食险；^ „电*迅速增加。於是，保護 wo)盘間的連接，和連帶的接地零點 流便從接地零匕 納二極體〇1之壓降因=，增加後者的電壓。同時，齊 m™始終保持充分輕：將後者關閉。電晶體 几刀V私狀恶，直到過壓原因消除為 517389 五、發明說明（7) 止。這！’石夕控整流器47從導電的開狀態變回到不導電 的關狀態。 」个夺包 電流觸發（Current Triggering) 未處於振鈐模式時，切換開關17便將_7〇伏電壓的電 源線切換^線路驅動器放大器16。在此模式，線路驅動器 使二條導線11 ’ 1 3保持偏壓。線路電流係平行流過電阻哭 R1和R2 (如有時）。如果R1*R2的數值經正確選擇，所發°。 展出的電壓將會太I，致使第—電晶體TR1傳導電流。X 然而，導線1 1如發生使線路降到_7〇伏以下的過壓 日寸，相當大的線路電流就會流過電阻器R丨，R 2。該等帝阻 器因而獲得的壓降會促使基極電流流入第一電晶體以^。 接著，此舉促使第二電晶體TR2傳導電流，增加第二電晶 體TR2的基極電流，結果二個電晶體就變得充分導電，g 而開啟矽控整流器4 7。 由此可看出，第二a圖的過壓保護電路能依據用戶線 介面電路22的運作模式而從—70伏和—15〇伏二者保護導線 11免於過壓。 二極體D2的用意是截斷（cllp)導線丨丨可能反向發生的 任=過壓，亦即正極性過壓。發生正極性過壓時，線路驅 動器放大器^可能會試圖以沉降彳以仏…^電流來減低正 偏移。 這電流會流過第一電阻器R 1 (和第二電阻器 Μ，如有時），使第一電晶體TR1的基射極接面反向偏壓。 這電壓可能足以致使第一電晶體TR1受損，因而設置二極 體D2來截斷這種反向偏壓。二極體”可以外接到或與保護

5l7389 友、發明說明（8) 電路40構成一體。 另可設置弟二電阻哭P 9 和增加觸發電流位準。^曰f便減低觸發電流的熱敏性 Θ，# I g i < π 杰的數值是在幾歐姆的區威 成的功率：電壓損二電多路的保偷 式給ΪΞ;述’可知導線13係由同-保護電路4。以相同方 弟二圖所不者係前流仅， 300。它包括ϋ板;;;笔路40的一種可行的石夕結構 有金屬鍍層3〇2，3 04。％板】。屬 1二:其上和下表面分別設 m L八屋加 至屬鍍層304形成保護電路4〇的 ^極44 ’上金屬錢層3 0 2則形成陰極46。二極體D2係由設 在N -型基板各邊的N +和p型摻雜 ,〇 ’、 整流器47和齊納：極體D1H3〇，308構成，而石夕控 ^月且1^則由？+，1^，和~+型區310，312 :3」6，P型區。3〇8,以及N-型基板構成。電阻器…係由一 3〇==+ ^之間—端子3 1 8經由P型區而到上金屬鑛層 d 0 2的路徑構成。 第四a圖所示者係依本發明構成之第二實施例的保護 ，路440，其中保護電路440設電閘並使用供電電壓當作 4蒼考電壓。在這實施例中，保護電路44〇設有一附加带 晶體TR5觸發器，其集極被連接到陽極44，射極則被連^ 到第二電晶體TR2的集極和第一電晶體TR1的基極。該附加 電晶體TR5的基極係由線路4 〇 2直接連接到—；[5 〇伏的供電。 附加電晶體丁 R 5是被連接當作射極輸出器。 免 如果附加電晶體TR5的射極被拉到在—ι5〇ν供電位準以

517389 五、發明說明（9) ;:〇量：：、:该：加電晶體TR5便會在射極與集極之間傳 v大里的电 。由於附加電晶體TR5的射極 m的基極保持在接近_15GV的供電執道，所以_^曰= TR1將開始導電和對電晶體TR2提供基極電流。 電晶體TR2將開始導電，以致開啟矽控整流器47。為保； 免於發生低於-7 0伏的過壓情形，開啟機制與參照第二a圖 所述者相同。第四b圖係第圖之保護電路的電氣特1生〇 圖。 ”、 _ 如同第二a圖，導線1 3係由與電路40相同的一保講電 路給予保護。 ” ^包 第五圖所示者係第四a圖之電路的一種可行的石夕結構 5 0 0。該結構的左部與第三圖相似，其中附加電晶體係 由另二個N +型區504，506，一P型區508，和N -型基板3〇1 構成。基極區（P型區5 0 8 )則經由一端子5 1 〇連接到—1 5 〇 伏線。 如述各實施例尤其但不限於適用第一 a圖所示型式的 用戶線介面電路22，即具有二個負電壓供電，一個供正常 使用，另一個用於振鈐功能。然而，有些用戶線介面電路 設有二個電壓供電，而第六圖所示者即為一種具有三個電 壓供電’並由一切換電路6 0 2切換和由一保護電路μ 〇保護 的用戶線介面電路6 2 2。在這實施例，中，用戶線介面電路 622設有一個在正常使用期間被切換到線路驅動器放大器 1 6，1 8的-5 0伏電源，和二個7 0伏電源，其中一個屬於負 極性，另一個屬於正極性，以供實現振鈴功能。

第13頁 517389 五、發明說明（ίο) 、/為保護正和負極性二者的用戶線介面電路，保護電路 $須提供雙向切換。若提供二個反平行配置的矽控整流 二即可達成此舉。實際上，如第六圖所示，第二a圖之 μ施例的二極體D2改由一個與現有（第一）矽控整流器47 反平行的第二矽控整流器6 4 7取代。然而，第一電晶體 邝1的基極雖能被接取以供執行電流觸發，但矽控整流器 64Y之第三電晶體TR3的基極卻不能。 發 第七a圖所示者即為與設有三個電壓供電之用戶線介 面電路合用的另一實施例的保護電路74〇。在這實施例 I，第二a圖之實施例的二極體D2改由一個與第一矽控整 流器47互補的矽控整流器電路747取代。結果，保護電路 HO包括一對互補的矽控整流器（p型閘與N型閘）ο ^， 747，以致在二極性的過壓情況下可執行電壓與電流觸 14電路僅觸發與過壓極性對應的電流方向。 ，七b圖是第七a圖之保護電路的電氣特性圖。 構 ，八圖所不者係一種適於第七a圖之實施例的士 第八圖右邊的結構與第三圖的結構相似 =31〇構成第-石夕控整流器47的隔離區。互補:夕= 。。47 則由 p+，N，P_，N_ 和^ 型區 7〇2 工 ^ 和710 構成。 7〇6，708 第九a圖所示實施例係與設有三個電壓佴带 介面電路合用的保護電路940，其為、甩之用戶線 改。在此，二極魏改由互補閉式石夕控整流^施例的修 代。後者亦使用供電電壓當作保護灸懕。。電路747取 > 1电&。在這實施例

第14頁 517389 五、發明說明（11) 中，保護電路940設有一附加電晶體TR6，其集極被連接到 陽極44，射極則被連接到第三電晶體TR3的集極與第四電 晶體TR4的基極。該附加電晶體TR6的基極係由一線路7〇4 連 =到+7〇伏的供電’ ％電晶體TR5的基極則由線路 2 0 2連接至\[ — 7 0佚白6綠兄々 松 七a圖之電路的組合。。弟九&圖的電路實際上是第_和 弟九b圖是第六^固 則是第九&圖之伴$ 保護電路的電氣特性圖。第十圖 雖然已說明若干\路的-種可行的石夕結構。 化门右卞I轉每 從事種種變化與修改:I 5知例，但嫻熟本技藝者均知可 路中的切換元件，但其，如，、所揭示的矽控整流器雖是電 宜用於各種應用。i ^它f式的切換元件亦適於，甚或較 施，但亦可全部或部 則述實施例雖以單一積體電路實 〆σ物改用離散組件予以實現。

517389 圖式簡單說明、 圖式簡要說明： 第一 a圖係一已知過壓保護電路的示意方塊圖； 第一 b圖係第一 a圖之保護電路的電氣特性圖； _ 第二a圖係依本發明構成之過壓保護裝置第一實施例 . 的不意電路圖； 第二b圖係第二a圖之保護電路的電氣特性圖； 第三圖所示者係第二a圖之保護電路的一較佳矽結 〜 構； - 第四a圖係依本發明構成之過壓保護裝置第二實施例 的示意電路圖； · 第四b圖係第四a圖之保護電路的電氣特性圖； 第五圖係第二a圖之保護電路的一可行的矽結構； 第六圖係依本發明構成之過壓保護裝置第三實施例的 不意電路圖， 第七a圖係依本發明構成之過壓保護裝置第四實施例 的不意電路圖， 第七b圖係第七a圖之保護電路的電氣特性圖； 第八圖係第七a圖之保護電路的一可行的矽結構； 第九a圖係依本發明構成之過壓保護裝置第五實施例 _ 的不意電路圖， 第九b圖係第九a圖之保護電路的電氣特性圖；和 第十圖係第九a圖之保護電路的一可行的矽結構。 主要元件編號： '

第16頁 517389 圖式簡單說明 用戶線介面電路（SL I C) 22 導線1 1，1 3 過壓保護電路1 9 負電壓供電1 2 ，1 4 , 線路驅動器放大器1 6，1 8 - 切換開關1 7 電阻器2 0 ' 過壓保護電路40 - 接地線4 2 矽控整流器（SCR) 47 M| 陽極44 陰極46

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Claims (1)

1. 517389 支月 修正 曰 案號 90131335 六、申請專利範^ ' 9 · 種過壓保護電路，該電路包括·· 極端：第一：控整流器’其設有一個可供連接到導線的陽 :: 可供連接到參考電位的陰極端子，以及- -斷政f “觸發态’其可經運作而使第-矽控整流器從第 斷路狀態切換到第二導通狀態； 以電器係由導線上超過一第-數值的電壓予 觸發，據：r:ί上超過一第二數值的電壓予以電流 據而攸沒一個各別的電壓值提供過壓保護。 值大：第專利範圍第9項所述之電路，其中第-數 發哭wm利範圍第1〇項所述之電路，，中第-觸 發第一切換器的電流觸發元件。 以電概觸 12·如申請專利範圍第1丨項所述之電路，i 發兀件可依據流過導線的電流而運作產生一觸發訊浐， 以回應超過一預定值的該電流而觸發切換器的傳導。 13·如申請專利範圍第1 2項所述之電路，其中雷冷 發元件係被連接在閘與陰極端子之間。 其中電流觸 其中電流觸 其中電流觸 14·如申請專利範圍第1 3項所述之電路 發元件包括一電阻元件。 15·如申請專利範圍第1 3項所述之電路 發元件包括第一及第二平行電阻元件。 16.如申請專利範圍第1 5項所述之電路

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   517389 案號 90131335 年 六、申請專利範圍 修正 發元件可跟導線串聯相接。 17·如申請專利範圍第16項所述之電路，其中第一觸 發器包括一個在導線上之電壓超過第一數值時，以電壓觸 發第一矽控整流器的電壓觸發元件。 18·如申請專利範圍第1 7項所述之電路，其中： 第一石夕控整流器包括一第一npn型電晶體裝置和一第 二pnp型電晶體裝置； 各該電晶體裝置的基極係被電連接到另一裝置的集 極； 各裝置的射極係分別被電連接到陽極和陰極端子其中 一個； 、 該等裝置之一的基極係被電連接到矽控整流器的閘； 電壓觸發元件是個橫越電晶體裝置之基極予以電連接的齊 納二極體裝置；和 該齊納二極體裝置具有一個預定反向破壞電壓，以便 回應導線上超過第一數值的電壓而觸發第一矽控整流器的 傳導。 19\如申請專利範圍第18項所述之電路，其中電壓觸 ^元Γ是個連接於閘和陽極端子之間的電晶體裝置，該電 晶體裝置的基極則被連接到第一數值的一預定參考電壓。 2〇、如申請專利範圍第18項所述之電路，其中電壓觸 發元件疋一第三Pnp型電晶體裝置，其集極被連接到第二 pnp聖電s曰體裝置，射極被連接到閘，基極則被連接到第 一數值的一預定參考電壓。

   第20頁 517389

   2 1 ·如申請專利範圍第2 〇項所述之電路，另包括一個 在陽極和陰極端子之間反平行連接的二極體裝置。 2 2·如申請專利範圍第2 〇項所述之電路，另包括： 一個被反平行連接到第一矽控整流器的第二矽控整济 器；和 ^ 第二觸發器； 其中： 第一觸發器係由超過屬於第一極性之第一數值的電壓 予以電觸1¾ ’弟一觸發器則由超過屬於反向極性之第一 數值的電壓予以電壓觸發。 2 3 ·如申請專利範圍第9、j ii 2、} 3、i 4、 15、16、17、18、19、20、21或22項所述之電路，另包 個與第一石夕控整流器平行相接的互補第二矽控敕、、六 器，以便提供一對互補的矽控整流器；和 /；，L 第二觸發器，其可經運作而使第 斷路狀悲切換到第二導通狀態； 其中： ^ ’ 一矽控整流器從第 第一觸發器係由導線 壓予以電壓觸發，以及由 極性之電壓予以電流觸發 第二觸發器係由導線 壓予以電壓觸發，以及由 之電壓予以電流觸發； 上超過第一數值的第一極性之電 導線上電壓超過第二數值的第一 ；和 上超過第一數值的反向極性之電 導線上超過第二數值的反向極性

   第21頁 517389 案號 90131335 年月曰 修正 六、申請專利範圍 據而從這二種極性之二個各別的電壓值提供過壓保 護。 IBil 第22頁