TWI446668B - 使用阻隔二極體之線性低電容過電壓保護電路以及保護通信線路以免過電壓的方法 - Google Patents

Description

使用阻隔二極體之線性低電容過電壓保護電路以及保護通信線路以免過電壓的方法

一般言之，本發明係有關過電壓保護裝置及電路，更明確地說，係有關提供對於通信線路之低電容保護的過電壓保護電路。

相關申請案

此非臨時專利申請案主張於2006年10月19日提出申請之序號第60/852,895號之發明名稱為"Linear Low Capacitance Overvoltage Protection Circuit Using Blocking Diode"之待審臨時申請案的優先權。該臨時申請案的全部揭示係併入於本文當做參考資料。本申請案與於2005年10月19日提出申請之待審申請案序號第11,254,162號案有關。

電子設備中有很多電路提供對於過電壓、過電流等有害影響的防護。這些保護電路通常被設計成為一般電子電路之整體的一部分，但也可以是外加的輔助裝置或電路。

保護電路通常可被建構在矽基板上，諸如雙極電晶體、二極體或閘流體。矽雙極裝置可載大量的電流，且因此很適於用來保護電子電路不受過電壓及過電流的破壞。構成固態雙極裝置的接面具有固有電容，此電容為空乏區之寬度的函數。半導體接面中之空乏區的功能如同電容器的"電介質"層。由於空乏區的寬度隨著跨施於該接面之電壓 而變，因此，雙極半導體接面之電容的改變，為跨施於該接面之電壓的函數。電容值隨著電壓而變的電容器為固有的非線性裝置。換言之，跨置於要被保護之電路中的雙極過電壓保護裝置會影響電路的操作，即使該過電壓保護裝置保持在關閉狀態。非線性會導致次最佳通道效能及互調變失真。

在很多應用中都會經驗上述的不利影響，包括慣常使用電壓保護電路的通信線路，用以保護發送及接收電路免受可能不慎耦接至該通信線路的高電壓。在很多閘流體系列的裝置中可用來回應過電壓狀況，並提供通信線路與接地間的低阻抗路徑，或可安全地將能量消散的其它路徑。

使用矽雙極過電壓保護裝置的不利影響，可能不是由這類裝置具有固有電容之事實所引起，而是來自於電容之改變為該裝置所受電壓、頻率及溫度之函數的特性。例如，很多通信線路適於用來高速載送各種協定的數位信號，包括ADSL、T1、E1、ADSL2＋、ADSL2＋＋、10BaseT、VDSL、VDSL2、T3、100BaseT等。這些協定中很多是經由數據機或其它發送與接收電路在各遠方目的地間載送。為了使高速資料的傳輸最佳化，很多數據機利用選擇適當之等化組件的初始處理，以便可用通信線路之頻率響應及與該通信線路相關之電路所允許的最高速率來傳送數位信號。由數據機所選擇的等化參數為那些存在於實施等化測試時的參數。這通常在當使用數據機時，及在其初始化操作之後的每一次再啟動時實施一次。可看到，如果在該等 化對話之後通信線路的電氣狀態改變，該傳輸資料的速率可能不是最佳化，且因此會發生傳輸錯誤。

會出現傳輸效率不佳的例子與以下的例子有關。被連線或被啟動成為操作的數據機將被程式化為自動實施等化處理，以決定所要切換成的最佳操作電氣參數，以使高速資料傳輸最佳化。數據機將被連接到通信線路，諸如適於載送VDSL或其它資料信號的電話DSL線路。用以載送數位信號之DSL線路的(電話機的)掛機(on－hook)狀態典型上為48伏。在該數據機根據等化處理期間所存在之DSL通信線路的電氣特性完成等化處理後，其處於提供VDSL信號傳輸的最佳狀態。典型上，數據機以通信線路之長度為函數來調適數位信號的電壓大小，以便實現以最低的電力位準使傳輸資料錯誤率減至最小。

假設連接到同一DSL通信線路之使用者的電話機處於摘機(off－hook)狀態，在使用者的實際通信對話期間，VDSL信號係以高速率來予以傳送。換言之，該使用者同時使用DSL通信線路而以電話機進行語音通信並以數據機進行資料通信。此摘機狀態將不同組的電壓置於該通信線路上。通信線路從掛機狀態的48伏變為大約10伏的摘機狀態。因而，過電壓保護裝置(及其它可能的裝置)的電容，將隨著電壓的改變而改變，因此而改變了該被等化之數據機所連接之通信線路的電氣特性。此時，此通信線路具有不同的電氣特性，其有效的傳輸速率可能降低，但該數據機仍以該等化對話期間所最佳化的速率來傳送。因此， 在通信線路之接收端處的資料接收機或數據機可能會偵測到由於資料以高於該通信線路在摘機狀態能夠可靠載送之速率而產生的錯誤。過度的錯誤率可能致使該數據機被重新訓練，其致使在重新訓練對話期間之服務的暫停。這通常係不能接受的，且造成使用者的困擾。

從以上所述可知，吾人需要一項使過電壓保護裝置及電路的電容不易以電壓做為函數而改變的技術，並藉以降低與通信線路連接之裝置或電路之電氣特性的改變。對於過電壓保護電路的另一需要包括施予該過電壓保護裝置二偏壓，以使以跨施於該裝置上之電壓做為函數之電容的改變減至最小，且其中該偏壓的大小不需要大於被保護之線路所經驗的線路電壓。對於過電壓保護電路還存在有另一需要，其中，對施予過電壓保護裝置一偏壓，以使以施加於該裝置上之電壓及頻率做為函數且也是以該過電壓保護裝置之溫度為函數之該裝置之電容的改變減至最小。

依據本發明之過電壓保護電路的重要特徵，以一電壓來偏壓一雙極過電壓保護裝置，以減小做為施加於該裝置之電壓的函數之電容的改變。除此之外，至少一個阻隔二極體與該偏壓供應器串聯連接，以防止電流反方向流過該偏壓供應器。以此配置，當所要保護的通信線路上出現通常會發生的高電壓時，避免電流流動路徑通過該偏壓供應器，否則其會影響該電路的電容。

依據本發明的一實施例，揭示有一過電壓保護電路，其包含一二極體電橋及一連接在二極體電橋的相對節點間之過電壓保護電路，過電壓保護電路的一端係適於連接一偏壓，以使過電壓保護裝置的電容特性線性化。至少一阻隔二極體係連接在偏壓端子與過電壓保護裝置之間，以防止電流反向流過提供偏壓的偏壓供應器。

依據本發明的另一實施例，揭示有一過電壓保護電路，其包括一過電壓保護裝置，回應一過電壓而被驅動成低電壓導通狀態。設置一導體，用以將DC偏壓耦接至該過電壓保護裝置以降低其電容。在該偏壓導體中設置至少一阻隔二極體，且該阻隔二極體被該DC偏壓所正向偏壓。

依據本發明的另一實施例，揭示有一過電壓保護電路，其包括具有至少4個二極體的橋式整流器，該電橋的第一及第二個二極體具有其陰極連接至第一節點，以及該電橋的第三及第四個二極體具有其陽極連接至第二節點。該第一個二極體的陽極和該第三個二極體的陰極係連接至該電橋的第三節點，且該電橋的該第三節點係適於連接至第一通信線路導體。該第二個二極體的陽極與該第四個二極體的陰極係連接至該電橋的第四節點，且該電橋的該第四節點係適於連接至第二通信線路導體。一過電壓保護裝置，係連接於該電橋的該第一與第二節點之間。第一阻隔二極體與第一隔離電阻器串聯連接而形成一介於其間之接點及第一和第二端子。該串聯連接之第一阻隔二極體的該第一端子與第一隔離電阻器係連接至該二極體電橋的該第一 節點，該第一阻隔二極體係配置於該處而讓電流能夠流入該二極體電橋的該第一節點。該串聯連接之第一阻隔二極體的該第二端子與第一隔離電阻器係適於連接至偏壓供應器的第一端子。第二阻隔二極體與第二隔離電阻器串聯連接而形成一介於其間之接點及第三與第四端子。該串聯連接之第二阻隔二極體的該第三端子與第二隔離電阻器係連接至該二極體電橋的該第二節點，該第二阻隔二極體係配置於該處而讓電流能夠流出該二極體電橋的該第二節點。該串聯連接之第二阻隔二極體的該第四端子與第二隔離電阻器係適於連接至該偏壓供應器的第二端子。

按照本發明的又一實施例，揭示一保護通信線路以免過電壓的方法。該方法包含步驟：使用一閘流體以提供過電壓保護給通信線路，並以一偏壓而使該閘流體偏壓，以便線性化該閘流體的該電容，並縮小電容隨著由該通信線路所載之電壓之改變的改變。當該通信線路上之該電壓超過該偏壓供應器電壓的大小時，防止電流以反方向流過該偏壓的供應器，以進一步線性化該閘流體的電容負載。

參照圖1，圖中顯示的過電壓保護電路10適於保護低電壓通信線路，諸如ADSL、T1、E1、ADSL2＋、ADSL2＋＋、10BaseT，VDSL，VDSL2，T3，100BaseT等等。此過電壓保護電路10係詳細描述於2005年10月19日所提出之待審的申請案第11/254,162號。此過電壓保護電路 10可跨接於通信線路之上，諸如具有尖塞導體12與振鈴導體14的電話線路。在超過過電壓裝置44之崩潰電壓(V_BO )的電壓被耦接至通信線路導體12或14其中之一或兩者的情況中，該過電壓裝置44將被驅動成從二極體電橋46導通，並將電流短路到接地50。該過電壓可存在於通信線路導體12與14之間、導體12與接地50之間、導體14與接地50之間、或導體12和14兩者與接地50之間。電橋46讓所使用的單向過電壓裝置44能夠將兩個極性的過電壓耦接至接地50。

依據此電路10的重要特徵，偏壓48係跨施於過電壓保護裝置44之上，其可以是單向的Sidactor過電壓保護裝置，可從德州Irving市的Littelfuse,Inc.,公司處獲得，商標為Teccor。利用偏壓跨施於過電壓保護裝置44之上可使電路10的電容特性線性化。藉由此，其意謂者做為電路10所受到之電壓及頻率的函數之電容的改變可減小。除此之外，由於過電壓保護裝置之操作溫度所致使之電容的改變也減少。因此，做為電壓、頻率、及溫度改變之函數的電容特性也更線性，且與這些參數的改變也更無關。在十億位元的乙太網路應用中，對過電壓保護裝置的偏壓已明顯減少在溫度改變或處於高溫環境中的錯誤。事實上，偏壓愈高，電路之電容隨電壓、頻率、及溫度的改變愈小。

圖2以曲線來舉例說明習用過電壓保護裝置的電容/頻率特性，其做為跨施於該裝置之不同電壓的函數。須注意，水平頻率軸為對數尺度。特別是，該曲線描繪零件編號P3100SCMC之Sidactor過電壓保護裝置的電氣特性，該 零件可從Teccor電子公司獲得到。線30描繪該裝置被跨施以0伏於其上的電容/頻率特性。線32描繪該裝置被跨施以1伏於其上的電容/頻率特性。線34描繪該裝置被跨施以2伏於其上的電容/頻率特性。線36描繪該裝置被跨施以5伏於其上的電容/頻率特性。線38描繪該裝置被跨施以15伏於其上的電容/頻率特性。線40描繪該裝置被跨施以40伏於其上的電容/頻率特性。這些電氣特性為該裝置處於測試電路中而並無任何其它通信電路與其連接時的電氣特性。

須注意，跨施於雙極過電壓保護裝置之上的電壓愈高，電容隨頻率的改變愈小。這對絕大多數的雙極過電壓保護裝置來說都為真。不過，所面臨的問題是，當與通信電路或通信線路連接時，跨於過電壓保護裝置之上的電壓通常無法每時每刻都得知或預測到。因此，當跨於這類裝置之上的電壓為低時，其它通信電路勢必隨著過電壓保護裝置之電容的變動而操作。當在DSL線路上傳送VDSL及其它高速數位信號時，這表示除了將傳送速率降至適應過電壓保護裝置之電容增加所需之較低的資料率之外，就是接受較高的錯誤率。這些解決後都不是通信提供者或使用者所能接受的方案。

現請回頭參考圖2，注意到，對於跨於過電壓保護電路之上的低電壓而言，亦即在約1至5伏之間，該裝置之電容的改變實質上大於跨於該裝置之上的較高電壓。對該例的該特定裝置來說，對於電壓跨施於該裝置之上的1伏來 說，在1MHz與10MHz間的頻率範圍之間，該裝置的電容從大約40pf改變至大約35pf，其改變為大約5pf。這表示該裝置的電容大約改變了12.5%。有了1伏的電位跨施於該裝置之上，在100MHz處的電容大約為33pf。考慮以40伏跨於相同的過電壓保護裝置之上，1MHz與10MHz間之電容的改變為大約1pf(28pf－27pf)。或電容的改變大約3.6%。以40伏偏壓跨於該裝置之上，在100MHz處，該裝置呈現的電容為大約24pf。從圖2中直的40伏線可看出電容改變的程度小。圖中的其它線代表以較低之電壓跨於該裝置之上，這些線呈現非常大的非線性。從其中可看出，經由確保有其大小大於正常跨施於該裝置之上的電壓，該裝置內之電容的改變可相對應地減小。如前所述，以較大的電壓跨施於雙極半導體接面之上，該裝置之導體區(電容器板)間有一較寬的空乏區，且電容因此而較小。

依據本發明的一重要特徵，以一偏壓施加於該過電壓保護裝置44之上，俾使其持續以較低的電容操作，因此讓通信線路能夠以最佳的速率及頻寬操作。經由確保一直有至少一預定的電壓跨於該過電壓保護裝置之上，其確保連接於該處之通信線路所經歷之電容改變的程度減至最小一至少該電容是由過電壓保護裝置所貢獻。前述的優點，在過電壓保護裝置經歷頻率及溫度改變的情況中也能實現。

圖1舉例說明使用浮動偏壓供應電壓的過電壓保護電路10。在此，Sidactor過電壓保護裝置44為一單向的雙極裝置，其連接至包括有尖塞導體12與振鈴導體14的通信線 路。尖塞導體12與振鈴導體14係經由電橋46的二極體對而分別連接至過電壓保護裝置44的節點68及69。尖塞導體12經由二極體對52及54而連接到過電壓保護裝置44，且振鈴導體14經由二極體對56及58而連接到過電壓保護裝置44。過電壓保護裝置44經由二極體對60及62取道節點68及69而連接到接地50。特別是，二極體62的陰極係連接到接地50，以及二極體60的陽極係連接到接地50。兩個極性的過電壓都可按習用的方式，從尖塞導體12或振鈴導體14或兩者，經由電橋46之不同的二極體而導通到接地50。可看出，通過過電壓保護裝置44之各不同的電流路徑包括第一個二極體、過電壓保護裝置44、及接著的第二個二極體。這3個組件全部係串聯連接，因此降低了過電壓保護電路10對通信線路12與14所呈現的有效電容。

偏壓供應器48的偏壓跨施於過電壓保護裝置44的端子之上。該偏壓以DC電壓為較佳，且以連續的方式而被施加於過電壓保護裝置44。或者，在當通信線路12與14係作用於傳送通信信號時的時間期間才施加該偏壓。

在浮動式偏壓供應器的實施例中，偏壓係由偏壓供應器48經由至少一個隔離電阻器64而被施加於過電壓保護裝置44，且以使用兩個隔離電阻器為較佳，如圖所示之選用的隔離電阻器66。隔離電阻器64及66具有足夠高的電阻，以便當過電壓保護裝置44回應一過電壓而被驅動成導電狀態時，提供偏壓供應器48與過電壓保護裝置44間的隔離。實際上，隔離電阻器64及66每一個都可以是一百萬歐姆之 大小或更大。不過，在某些應用中，每一個電阻器64及66的值可以低至數百歐姆。在當通信線路12與14上的過電壓將過電壓保護裝置44觸發成導通時的時間周期期間，該偏壓的存在並不會以其它方式影響過電壓保護裝置44的崩潰電壓或其它電氣特性。

偏壓供應器48的極性經過選擇，以使電橋46的二極體在通信線路12與14的正常操作期間被反向偏壓。雖然所顯示的偏壓供應器48並非參考到接地，即為浮動，但在其它的通信線路情況中，該過電壓保護裝置可以有不同的架構。在不同架構的偏壓供應器中，重點是偏壓供應器的正端子相對於接地不得為負，且其負端子相對於接地不得為正。

在圖1之過電壓保護電路的操作中，假設供應器48的偏壓a)大於通信線路的最高工作電壓，以及b)低於過電壓保護裝置44的崩潰電壓。如以下的描述，當使用阻隔二極體與偏壓供應器48串聯時，不需要a)的限制。由於以固定的偏壓跨施於過電壓保護裝置44之上，因此該裝置44的電容相對地保持不變。由於跨於該等二極體之上的電壓隨著線路電壓的改變而改變，因此，線路電壓的改變將改變該電橋二極體的電容。如前所述，當以高資料率或在其它環境中操作時，電路電容的改變將為關鍵且不受歡迎，過電壓保護裝置44的偏壓可增進通信線路的效能，並減少資料傳送的錯誤。

圖1的過電壓保護電路10在數項考慮下行使其所欲的 目的。首先，如前所述，過電壓保護裝置44所選擇的崩潰電壓以大於通常在該通信線路上傳送的高電壓為較佳，諸如發訊或振鈴電壓，其大小通常大於電池電壓或語聲或資料信號。其次，偏壓48的大小應大於在通信線路上通常會遭遇到的電壓。如果沒有做到這些考慮，過電壓保護裝置44將會被除了不慎耦接到通信線路之過電壓以外的高工作電壓驅動成為導通，或者，即使沒有過電壓耦接到通信線路，電橋的各二極體也可能被正向地偏壓。

圖3的曲線圖舉例說明各種閘流體裝置的電容特性做為線路電壓的函數。曲線圖的線73舉例說明崩潰電壓為260伏之單個Sidactor過電壓保護裝置(P2600SCMC)的電容特性。曲線圖的線75舉例說明崩潰電壓為135伏之兩個Sidactor過電壓保護裝置串聯連接(P2703ACMC)的電容特性。曲線圖的線77舉例說明崩潰電壓為72伏之4個Sidactor過電壓保護裝置串聯連接(P0720SCMC)的電容特性。曲線圖的線79舉例說明另一個Sidactor過電壓保護裝置(P3100SCMC)與兩個反向並聯之MUR二極體串聯連接的電容特性。須注意，VDSL2線路的線路電壓係以圖3的水平軸來予以表示。

當諸如圖1所示類型的半導體過電壓保護電路10跨接於尖塞導體與振鈴導體式之雙絞線對之上的通信線路時，此電路的電容/線路電壓特性如圖3中的線70及72所示。曲線圖的線70舉例說明跨施於過電壓保護裝置44之上的偏壓為零時，過電壓保護電路10的電容為大約12pf。換言之， 圖1中所示的偏壓48被開路(open circuited)。當過電壓保護電路10中之裝置44的偏壓48增加到大約53伏時，電容/線路電壓特性係如圖3中的線72所示。在此事件中，可看出電容低至大約7pf且較平直，直至通信線路電壓超過53伏的偏壓。當尖塞導體12或振鈴導體14上的線路電壓超過偏壓供應器48的電壓時，該電容突然上升，如曲線72的上升部分74所示。此電容的急速增加非吾人所欲見，且代表通信線路上不穩定的電氣情況，且因此造成資料傳送錯誤。

經由注意在低線路電壓處之最嚴重的情況，即可瞭解跨於過電壓保護電路上所經歷之不同的電壓，其中不同的半導體過電壓保護裝置對於通信線路的電容呈現大的變化。這可發生於通信線路的乾狀態期間，其中電話線路在載送密集通訊流量之時間的期間，與個別的電話交談相較，該通信線路上實際沒有電力。電話線路在此狀態期間的線路電壓係在0伏與大約4伏之間。在通信線路的摘機狀態期間，跨於尖塞導體與振鈴導體導體的電壓可在8伏與20伏之間。有效的電話交談在電話的摘機狀態期間進行。當電話被置於掛機狀態時，尖塞導體與振鈴導體導體之間的電壓可在48伏與56伏之間。這些電壓僅是標稱值。實際上，根據線路的條件及其它情況，線路電壓與上述的值可有極大的不同。在適於載送資料信號的電話線路中，事實上電話機可能掛機，但數據機可能連接至通信線路，且有源地(actively)傳送資料信號。

例如，當高速通信線路的使用者經由數據機或其它資料介面來發送或接收資料，且該通信線路突然經歷高電壓(諸如該通信線路上的振鈴電壓或摘機狀態)時，如上所述的資料傳送錯誤可能發生。在這些周期期間，當線路電壓超過53伏時，在此例中，過電壓保護電路的電容突然上升。跨連於該通信線路之電容的此種突然增加，可使連接到在安裝或後續再啟動期間被初始等化之資料數據機之通信線路的電氣參數混亂。當通信線路呈現不同的電容時，亦即電容增加時，資料數據機與該通信線路之間的電氣匹配被打亂，且因此發生傳送錯誤。

假設例如一超過該53伏之偏壓的電壓(諸如100伏的信號)被施加到圖1之電路的尖塞導體12。如果過電壓保護裝置44的崩潰電壓大於100伏，此裝置44將保持在不導通狀態。不過，電橋46的二極體52將變為被正向偏壓，且電流將流過隔離電阻器64並(以反方向)進入偏壓供應器48，並接著經由另一隔離電阻器66及電橋二極體58而到達振鈴導體14。或者，如果偏壓供應器48為接地型式，則該電流可從供應器流向地。當電流以反方向流過偏壓供應器48時，呈現於通信線路的電容突然增加，如圖3之向上彎曲的線74所示，且發生資料傳送錯誤。據信係當一或多個電橋二極體的接面變為正向偏壓時，該偏壓供應器的電容扮演過電壓保護電路10的電容，且對該電容的增加有明顯的影響。

依據本發明的一重要特徵在於防止電流經由被通信線 路電壓所正向偏壓的電橋二極體流入偏壓供應器。此乃經由阻隔二極體82a來予以防止，如圖4的過電壓保護電路80所示。雖然可以只使用一個阻隔二極體82a，但以使用一對阻隔二極體82a與82b為較佳。圖4的電路80除了附加的阻隔二極體82a與82b之外，基本上與圖1中所示的電路相同，且包括很多相同的低電容優點。阻隔二極體82a被柱立(poled)以使來自偏壓供應器48的洩漏電流可通過被正向偏壓的阻隔二極體82a，並到達過電壓裝置44。不過，如果在通信線路的尖塞導體12或振鈴導體14上發生高電壓的應用，諸如振鈴電壓，阻隔二極體82a即被反向偏壓。換言之，以圖4的過電壓保護電路80，當每一個電流路徑中具有被反向偏壓的阻隔二極體82a與82b時，可防止因回應通信線路上的高線路電壓而使電流流入偏壓供應器48。

在圖4所示之本發明的較佳實施例中，過電壓保護裝置44被連接於二極體電橋46的相對節點68與69之間。隔離電阻器64與選用的隔離電阻器66也經由各自的阻隔二極體82a及82b而被耦接至各自的節點68及69。隔離電阻器64與66的功用是隔離偏壓供應器48與二極體電橋節點68及69。換言之，當通信線路上的過電壓使過電壓保護裝置44被驅動成導通時，偏壓供應器48並未被有效地短路。通信線路的尖塞導體12被連接到由二極體52之陰極與二極體54之陽極所定義之電橋46的節點20。通信線路的振鈴導體14被連接到由二極體56之陽極與二極體58之陰極所定義之電橋 46的節點22。電路接地50或其它的參考電位被連接到由二極體60之陽極與二極體62之陰極所定義之電橋的節點24。

阻隔二極體82a可以是圖4所示過電壓保護電路80中唯一使用的阻隔二極體。以相同的方式，阻隔二極體82b也可以是唯一使用的阻隔二極體，且被置於偏壓供應器48的負側。在後者的情況中，阻隔二極體82b被柱立以防止來自通信線路上的高電壓流過電橋二極體並通過偏壓供應器48。較佳是，在正與負供應線中之隔離電阻器64及66的電橋側上都設置阻隔二極體82a及82b。雖然隔離電阻器64及66的兩側都可設置各自的阻隔二極體82a及82b，但以設置在隔離電阻器64及66的電橋側為較佳。理由是如此即可將阻隔二極體82a與82b連同電橋二極體都製造在一半導體晶片上。該(等)阻隔二極體可置於過電壓保護電路內的很多位置，以使不欲見的洩漏電流不會以反方向流過偏壓供應器48。事實上，如果在其它類型之回應高線路電壓的過電壓保護電路中發現類似的洩漏電流路徑，都可使用阻隔二極體來阻隔這類電流，並保持這類過電壓保護電路之較固定的電容特性。

圖5舉例說明圖4之過電壓保護電路80的電容/線路電壓特性。曲線73、75、77、79、及70舉例說明具有上述不同結構之過電壓保護裝置的電壓保護電路80且無偏壓跨施於過電壓保護裝置44之上時的電容特性。曲線84舉例說明圖4之電壓保護電路80且在過電壓保護裝置44之上跨施53伏之偏壓時的電容特性。在通信線路的整個電壓範圍內， 曲線84通常為直線，但從大約50伏的線路電壓開始稍微上升。在大約53伏時，線84與代表被施予零偏壓之過電壓保護裝置44的線70在某些程度上持續地一致。重要的是，在電壓保護電路80中，電容絕不會大於以零伏偏壓(線70)跨施於過電壓保護裝置44之上的情況。與圖3相較(線72所示)，當高於偏壓供應器48之電壓施加於通信線路12與14其中之一或兩者的導體之上時，圖5之線84在零偏壓值以上的電容並不增加。使用可顯現較固定電容的電壓保護電路80，遭遇的資料傳送錯誤也較少。

依據本發明的重要特徵，不再需要提供比通信線路上通常會遇到之線路電壓高的偏壓，即使是振鈴電壓。使用了阻隔二極體82a及82b，偏壓可遠低於通信線路上一般所遇到的電壓，因此，可防止電流流入偏壓供應器48，否則會造成額外的電容加諸於電壓保護電路80。有了實際上平坦的電容負載特性，電壓保護電路80可以很容易地與很多不同類型及結構的通信線路結合。事實上，一或少數幾個通用的過電壓保護電路可提供給各式各樣的通信線路使用，不必顧及該線通常所載送之線路電壓的大小。當過電壓保護電路的電容負載特性與信號頻率、資料率或線路電壓大致無關時，資料數據機及其它通信線路介面電路的設計也變得非常簡單及簡化。以另一方式說，可使用相同的偏壓供應器(大小)，不必顧及不同之通信線路應用中所經歷的線路電壓。

圖6的曲線圖舉例說明與上述圖4類似之過電壓保護電 路但以不同之偏壓施加於過電壓保護裝置44的一般電容特性。線120代表當零偏壓跨施於裝置44之上時的電容特性。該電容隨著線路電壓以對數的方式增加(如圖之水平軸所描繪)而減小。其原因為過電壓保護裝置44之雙極接面中的空乏區加寬，電容器板間的有效間隔因此而加大，且該電容減小。在無偏壓跨施於過電壓保護裝置44之上時，該電容隨著線路電壓改變，其代表吾人所不欲見的電氣特性改變。

圖6的線122代表以3.3伏的偏壓跨施於過電壓保護電路上時之過電壓保護電路的電容特性。在此，在直到大約1伏之前，該電路的電容特性基本上保持固定，接著增加到代表零伏偏壓的值，且之後與線120之零偏壓的電容特性保持一致。線122及圖中其它線所表示之電容的向上偏折或轉向，據信為電橋二極體被該線路電壓正向偏壓所貢獻電容。線124代表電路被施以5.0伏之偏壓的電容特性。線126代表以12.0伏之偏壓為函數的電容。線128、130、及132代表當偏壓分別為24.0、30.0、及50.0伏時的電容。從圖中可看出，偏壓的大小愈大，電容愈在一較寬的線路電壓範圍中保持較平坦且固定。當在偏壓電路中使用阻隔二極體時，無例子顯示電容的增加會超過當完全不使用偏壓時的電容增加。

圖7的圖描述使用本發明之過電壓保護裝置以溫度為函數的電容特性。實線140為使用P3002SB Sidactor過電壓保護裝置之電路的電容特性，其可從Littlefuse,Inc.以 商標名Teccor來予以獲得。線140為對該Sidactor裝置施以零偏壓的電容特性。虛線142也描述這類裝置之以溫度為函數的電容特性，但使用15.0伏的偏壓。從圖中可看出，當對過電壓保護裝置施以偏壓時，電容的改變減小，且與溫度的改變較無關。實線144與虛線146分別代表使用Sidactor P3100SCMC過電壓保護裝置之本發明之過電壓保護電路的電容特性。線144描述對Sidactor裝置施以零偏壓之以溫度為函數的電容特性。線146描述對Sidactor裝置施以15.0伏偏壓之以溫度為函數的電容特性。再次，當對過電壓保護裝置施以偏壓時，電容隨著溫度的改變非常小。本發明的此特徵已發現對於若干領域有利，包括十億位元的乙太網路領域，其發現使用偏壓可實質地減少以溫度之改變為函數的傳送錯誤。

如前所述，本發明的過電壓保護電路並不需要以浮動偏壓供應器操作。更明確地說，也可使用以地為參考的偏壓供應器，如圖8所示。在此偏壓供應器48的負端子被接地。同樣地，隔離電阻器66也接地，且與第二阻隔二極體82b串聯連接。為保持一被隔離的電路，第二隔離電阻器66為必要的。在所有其它方面，圖6的過電壓保護電路提供與上述相同的優點。

圖9舉例說明的過電壓保護電路76使用4個二極體的電橋。過電壓保護電路76非常適於使通信線路的電容負載減至最小。此保護電路76包括一以4個二極體所建構的電橋，其節點78及80分別連接至通信線路的尖塞導體12與振鈴 導體14。二極體電橋的節點82及84分別連接到阻隔二極體82a及82b。隔離電阻器64及66分別與阻隔二極體82a及82b串聯連接，並耦接至偏壓供應器48以提供跨於臨限裝置(threshold device)86的偏壓，諸如TVS裝置86，其為齊納二極體或其它臨限裝置的主裝置。TVS裝置86可經過選擇，以提供適於所涉及之應用的反向崩潰電壓。該偏壓提供與前文結合圖4之實施例所描述之相同的功能。此外，電橋的二極體52、54、56、及58可被構造成或選擇為低電容，即，該等二極體所包括的接面區域僅能提供所使用之過電壓保護裝置之突波電流耐受力的100%－150%。換言之，藉由控制電橋二極體的電流載送能力，以使該等電橋二極體的電容減至最小，且不使二極體的電流耐受力大於所需。

雖然圖4中所示的電壓保護電路80可提供特定的優點，但本發明的特徵並不限於這類過電壓保護電路。圖10舉例說明利用本發明的另一應用。在此，藉由過電壓保護裝置90提供尖塞導體12與振鈴導體14的單向保護，諸如某些通信線路電路只需要此類型的保護。偏壓供應器48的正端子經由隔離電阻器64連接到阻隔二極體82a的陽極。阻隔二極體82a的陰極連接到單向性過電壓保護裝置90的一端子。以相同的方式，偏壓供應器48的負端子連接到隔離電阻器66，其依次連接到第二阻隔二極體82b的陰極。阻隔二極體82b的陽極連接到單向性過電壓保護裝置90的另一端子。二極體94的陰極連接到阻隔二極體82a的陽極，以 及二極體96的陽極連接到另一阻隔二極體82b的陽極。二極體94的陽極連接到二極體92的陰極，並連接到尖塞導體12。二極體96的陰極連接到二極體92的陽極，並連接到振鈴導體14。

可瞭解，單向性過電壓保護裝置90係以偏壓48來予以偏壓，以使其電容特性線性化。隔離電阻器64與66以及阻隔二極體82a與82b提供與前文所述相同的功能。二極體94與96防止偏壓48對尖塞導體12或振鈴導體14施以偏壓。操作中，當正的過電壓被施加到尖塞導體12時，過電壓保護裝置90崩潰，並導通所產生的電流。由該過電壓所產生的電流通過二極體94、過電壓保護裝置90、二極體96、並到達振鈴導體14。如果振鈴導體14上發生正的過電壓，所產生的電流通過二極體92到達尖塞導體12。再次，偏壓供應器48的大小可小於在這類通信線路上一般會遭遇到的通信線路電壓。

在阻隔二極體或多個阻隔二極體的實施中，熟悉此方面技術之人士可發現，將阻隔二極體82a及82b與一或多個電橋二極體結合在同一晶片上有利於半導體晶片的製造。例如，圖4實施例的阻隔二極體82a可製造在用來製造電橋二極體52、56、及60的同一晶片上，且所有4個二極體的陰極連接在一起。在此情況，阻隔二極體82a可以連接在電橋節點68與隔離電阻器64之間。以相同的方式，阻隔二極體82b可置於負偏壓供應器電路內，且與電橋二極體54、58、及62製造在同一晶片上，而所有二極體的陽極 連接在一起。在此情況下，阻隔二極體可連接於電橋二極體54、58、及62的陽極與隔離電阻器66之間。電橋二極體60與62的電流承載能力以製造成其它電橋二極體的兩倍為較佳。這是因為每一個二極體60或62可能需要承載尖塞與振鈴導體12及14兩者同時發生過電壓所產生的電流。

依據本發明的概念，過電壓保護電路的各種實施例都能提供超越習知技術之保護電路之增強且優異的效能。依據本發明之偏壓電路的幾個準則說明如下。偏壓的正電壓不得低於零伏為較佳。偏壓的負電壓不得高於零伏為較佳。最後，該偏壓應小於所使用之過電壓保護裝置的崩潰或臨限電壓。須瞭解，這些僅只是準則，此為可以使用本發明之原理及概念的情況，但不需被某些或全部的該準則所束縛。如所瞭解，本發明的實施不再需要偏壓大於通信線路電壓。

圖11舉例說明過電壓保護電路120經封裝在一模組中的實施例。圖12顯示QFN封裝組件100的插腳輸出，也舉例說明過電壓保護電路120之組件被連接到的導體路徑及導體接墊。該模組為QFN表面黏著封裝組件100，極適於用於電話線路路介面單元及其它通信線路。從圖中可看出，過電壓保護電路的尖塞與振鈴端子被橋式跨接於各自的通信線路導體12及14之上。接地導體被連接到通信線路電路的接地。所說明的通信線路包括一對保險絲101及103，其分別提供導體12及14及連接於該處之電路的過電壓保護。也可使用其它的過電壓保護電路與裝置，包括正溫度係 數電阻器。在此例中，通信線路連接到線路變壓器105的初級。線路變壓器105的次級連接到適於處理通信線路所載送之數位信號的晶片組107。該晶片組可以是處理DSL信號類型的DSL驅動器。當然，本發明的各式過電壓保護電路可用適於載送很多其它數位信號協定及格式的晶片組耦接至其它通信線路的主機。

圖11中所舉例說明的過電壓保護電路實施例使用外部的浮動偏壓供應器48係經由外部的雙隔離電阻器64及66而被耦接至封裝組件100。偏壓供應器48的正端子係連接至隔離電阻器64，且偏壓供應器48的負端子係連接至隔離電阻器66。隔離電阻器64的另一端子係連接至封裝組件100的接腳7，且隔離電阻器66的另一端子係連接至封裝100的接腳2。封裝組件的端子1及8兩者都連接到通信線路的尖塞導體12。封裝組件的端子4及5兩者都連接到通信線路的振鈴導體14，且封裝組件的端子3及6兩者都連接到電路的接地。

圖11的過電壓保護電路120包括6個二極體的電橋46，2個阻隔二極體82a及82b，以及可從Littelfuse,Inc.,Des Plaines,Illinois以Teccor之商標獲得的Sidactor過電壓保護裝置44。在乙太網路的應用中，可選擇能提供低至5－8伏之崩潰電壓的Sidactor過電壓保護裝置44，在乾迴路應用中所選擇的崩潰電壓為30伏，在POTS上之DSL的應用中為250－350伏。依據本發明的一實施例，定義過電壓保護電路的電路及裝置包括其內製造有4個二極體的一晶 片，亦即二極體52、56、60、及82a。所製造的第二晶片內結合二極體54、58、62、及82b於其中。第三晶片包括過電壓保護裝置44。該3個半導體晶片互連所形成的電路顯示圖9之封裝組件100的外形

封裝組件100是以各式的金屬導體路徑及接墊製造而成，全部如圖10所示。封裝組件100是由振鈴導體路徑102、大接地導體路徑104、尖塞導體路徑106、第一隔離電阻器導電接墊108、及第二隔離電阻器導電接墊110所構造而成。QFN封裝組件100以8接腳的封裝組件為較佳。如前所述，過電壓保護電路120可很容易地以通信線路介面來予以實施，不需要切斷或用其它方式中斷任何導體路徑。更明確地說，過電壓保護電路120為簡單地橋跨於線路介面之現有的尖塞導體、振鈴導體、及接地導體電路。以相同的方式，過電壓保護電路120可以很容易地結合到新設計的通信線路介面電路內。振鈴導體路徑102與尖塞導體路徑106係以粗的金屬路徑來予以建構，以便這類路徑可與現有的振鈴與尖塞導體插介串聯，而不會影響這些導體的電流載送能力。

二極體電橋46的節點22係連接到振鈴導體路徑102，其定義封裝組件100的接腳4及5。二極體電橋46的節點20係連接到尖塞導體路徑106，其定義封裝組件100的接腳1及8。二極體電橋46的節點24係連接到接地導體路徑104，其定義封裝組件100的接腳3及6。客製提供之隔離電阻器64的一端子係連接到隔離電阻器導電接墊108，其定義封 裝組件100的接腳7。另一隔離電阻器66的一端子係連接到電阻器導電接墊110，其定義封裝組件100的接腳2。如前所述，隔離電阻器64及66的值以大為較佳，以便當過電壓保護裝置44被驅動成導通時，提供偏壓供應器48與過電壓保護裝置44間的電氣隔離。

偏壓供應器48可以是任何習用的類型，包括經穩壓或未經穩壓的參考供應器。各種電壓的偏壓供應器都可使用，視所涉及的應用而定。如前所述，當使用本發明的原理時，偏壓供應器48的電壓不需要高於在通信線路上一般所能遇到的高電壓。使用外部的偏壓供應器46對過電壓保護裝置44施以偏壓可實現極適於用於高速數位通信線路的低電容電路10。偏壓供應器48的正端子係連接到隔離電阻器64的端子，偏壓供應器48的負端子係連接到第二隔離電阻器66。

所描述的一實施例與將該電路整合到QFN封裝組件內有關。不過，還有很多其它類型的封裝組件也都可實現，包括將各個獨立之組件安裝在印刷電路板上。同樣地，具有其它接腳結構的其它封裝組件也都容易達成。同樣地，熟悉此方面技術之人士可將所有的固態組件整合到單晶片中，包括過電壓保護裝置。此外，包括隔離電阻器的整個過電壓保護電路可結合到單一模組內。即使是偏壓供應器的組件都可結合到與過電壓保護電路同一個模組中。

雖然前文描述的過電壓保護電路與使用Sidactor過電壓保護裝置有關，但也可使用其它的閘流體裝置，無論是 有閘或無閘。此外，本發明也可使用諸如以雙極半導體技術所構造成的齊納二極體及TVS裝置等定限裝置及其它的雙極定限裝置，並實現操作電容的下降的結果。本文所描述的較佳實施例使用具有一對導體的通信線路。此並非本發明之實施的限制，本發明的概念及原理也可應用於具有單一導體的通信線路。

雖然已參考了特定的過電壓保護電路揭示了本發明的較佳及其它實施例，但須瞭解，在細節方面可做諸多修改變，完全取決於工程師的選擇，不會偏離如所附申請專利範圍所定義之本發明的精神與範圍。

10‧‧‧過電壓保護電路

12‧‧‧尖塞導體

14‧‧‧振鈴導體

44‧‧‧過電壓保護裝置

46‧‧‧二極體電橋

50‧‧‧接地

62‧‧‧二極體

48‧‧‧偏壓供應器

64‧‧‧隔離電阻器

66‧‧‧隔離電阻器

80‧‧‧電壓保護電路

82a‧‧‧阻隔二極體

82b‧‧‧阻隔二極體

76‧‧‧過電壓保護電路

86‧‧‧TVS裝置

90‧‧‧過電壓保護裝置

101‧‧‧保險絲

102‧‧‧保險絲

120‧‧‧過電壓保護電路

100‧‧‧QFN封裝組件

105‧‧‧線路變壓器

107‧‧‧晶片組

102‧‧‧振鈴導體路徑

104‧‧‧接地導體路徑

106‧‧‧尖塞導體路徑

108‧‧‧隔離電阻器導電接墊

110‧‧‧隔離電阻器導電接墊

從以下配合附圖對本發明之較佳及其它實施例之更詳細的描述將可明瞭其它的特徵及優點，在所有的視圖中，其中相同的參考符號通常指示相同的部件、功能或元件，其中：圖1係過電壓保護電路的示意圖，其線性化閘流體裝置的電容；圖2的曲線圖描述雙極閘流體裝置的電容/頻率特性為所施加之各不同偏壓的函數；圖3以曲線圖描述在通信線路的不同狀況期間，且沒有本發明之阻隔二極體的各種過電壓保護裝置及圖1之過電壓保護電路的電容/通信線路電壓特性；圖4係結合阻隔二極體之過電壓保護電路的示意圖； 圖5係與圖3類似的曲線，但顯示圖4之過電壓保護電路當通信線路電壓超過偏壓且具有本發明之阻隔二極體時的不同特性；圖6的曲線舉例說明以不同大小之偏壓施加於該過電壓保護裝置上之本發明之過電壓保護電路的電容特性；圖7的曲線舉例說明本發明之過電壓保護電路兩不同之過電壓保護裝置的電容特性為溫度的函數；圖8係利用接地偏壓供應器的另一實施例；圖9係使用4個二極體電橋及TVS裝置的另一實施例；圖10係結合偏壓、阻隔二極體及單向過電壓保護裝置的另一過電壓保護電路；圖11係舉例說明結合按照本發明之過電壓保護電路的模組之視圖；以及圖12係舉例說明具體化本發明之過電壓保護電路之QFN封裝組件的接腳輸出之視圖。

12‧‧‧尖塞導體

14‧‧‧振鈴導體

20‧‧‧節點

22‧‧‧節點

24‧‧‧節點

44‧‧‧過電壓保護裝置

46‧‧‧二極體電橋

50‧‧‧接地

52‧‧‧二極體

54‧‧‧二極體

56‧‧‧二極體

58‧‧‧二極體

60‧‧‧二極體

62‧‧‧二極體

48‧‧‧偏壓供應器

64‧‧‧隔離電阻器

66‧‧‧隔離電阻器

68‧‧‧節點

69‧‧‧節點

80‧‧‧電壓保護電路

82a‧‧‧阻隔二極體

82b‧‧‧阻隔二極體

Claims (21)

1. 一種過電壓保護電路，包含：二極體電橋；過電壓保護裝置，係連接於該二極體電橋的相對節點之間；該過電壓保護電路的端子係於連接至偏壓，以線性化該過電壓保護裝置的電容特性；以及至少一阻隔二極體，係連接於該偏壓端子與該過電壓保護裝置之間，以防止電流反向流過提供該偏壓的偏壓供應器。
2. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，其中，該過電壓保護電路係適於連接到通信線路，且其中，該阻隔二極體被連接而使得低於該過電壓保護裝置之崩潰電壓，且大於該偏壓之量值的通信線路電壓防止電流反向流過該偏壓供應器。
3. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，另包括隔離電阻器，係連接於該偏壓端子與該過電壓保護裝置端子之間。
4. 如申請專利範圍第3項的過電壓保護電路，其中，該偏壓供應器包括經由該隔離電阻器而被連接至該過電壓保護裝置的正端子，且該偏壓供應器具有經由第二隔離電 阻器而被連接至該過電壓保護裝置之第二端子的負端子。
5. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，其中，該二極體電橋包括至少4個二極體，但不包括該阻隔二極體。
6. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，其中，該二極體電橋包括6個二極體，但不包括該阻隔二極體。
7. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，其中，該過電壓保護裝置係連接於該二極體電橋的相對節點之間，且該偏壓係耦接於該相對節點之間。
8. 如申請專利範圍第7項的過電壓保護電路，其中，該二極體電橋的第二節點係適於連接到通信線路的尖塞導體，以及該二極體電橋的第三節點係適於連接到該通信線路的振鈴導體。
9. 如申請專利範圍第8項的過電壓保護電路，其中，該二極體電橋的第四節點係適於連接至電路接地。
10. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，其中，該過電壓保護電路係適於連接到通信線路，且其中，該偏壓不被施加於該通信線路。
11. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，另包括經封裝的模組，而該過電壓保護電路的組件係安裝於該經封裝的模組，該經封裝的模組具有適於連接至該偏壓供應器之正電壓的正偏壓端子、適於連接至該偏壓供應器之負電壓的負偏壓端子、適於連接至通信線路之尖塞導體的尖塞導體端子、適於連接至該通信線路之振鈴導體的振鈴導 體端子、以及適於連接至參考電壓的接地端子。
12. 如申請專利範圍第1項的過電壓保護電路，另包括兩個阻隔二極體，第一阻隔二極體係配置以防止電流流入該偏壓供應器的正端子，以及第二阻隔二極體係配置以防止電流從該偏壓供應器的負端子流出。
13. 一種過電壓保護電路，包含：過電壓保護裝置，回應於過電壓而被驅動成為低電壓導通狀態；導體，用以將DC偏壓耦接至該過電壓保護裝置，以降低其電容；以及在該偏壓導體內的至少一阻隔二極體，該阻隔二極體被該DC偏壓所正向偏壓。
14. 如申請專利範圍第12項的過電壓保護電路，另包括橋式整流器，而該過電壓保護裝置係連接至該橋式整流器，使得由於該過電壓所產生的電流以一個方向而被載經過該過電壓保護裝置。
15. 如申請專利範圍第13項的過電壓保護電路，另包括隔離電阻器，用以隔離偏壓供應器與該過電壓保護裝置。
16. 一種過電壓保護電路，包含：橋式整流器，具有至少4個二極體，該電橋的第一及第二個二極體具有其陰極連接至第一節點，以及該電橋的第三及第四個二極體具有其陽極連接至第二節點；該第一個二極體的陽極和該第三個二極體的陰極係連 接至該電橋的第三節點，其中，該電橋的該第三節點係適於連接至第一通信線路導體，以及該第二個二極體的陽極與該第四個二極體的陰極係連接至該電橋的第四節點，其中，該電橋的該第四節點係適於連接至第二通信線路導體；過電壓保護裝置，係連接於該電橋的該第一與第二節點之間；第一阻隔二極體，係與第一隔離電阻器串聯連接而形成一介於其間之接點及第一和第二端子，該串聯連接之第一阻隔二極體與第一隔離電阻器的該第一端子係連接至該二極體電橋的該第一節點，而於該處，該第一阻隔二極體係配置成讓電流能夠流入該二極體電橋的該第一節點，且該串聯連接之第一阻隔二極體與第一隔離電阻器的該第二端子係適於連接至偏壓供應器的第一端子；以及第二阻隔二極體，係與第二隔離電阻器串聯連接而形成一介於其間之接點及第三與第四端子，該串聯連接之第二阻隔二極體與第二隔離電阻器的該第三端子係連接至該二極體電橋的該第二節點，而於該處，該第二阻隔二極體係配置成讓電流能夠流出該二極體電橋的該第二節點，且該串聯連接之第二阻隔二極體與第二隔離電阻器的該第四端子係適於連接至該偏壓供應器的第二端子。
17. 如申請專利範圍第16項的過電壓保護電路，另包括：該電橋的第五個二極體，該第五電橋二極體的陰極係 連接至該二極體電橋的該第一節點；該電橋的第六個二極體，該第六電橋二極體的陽極係連接至該二極體電橋的該第二節點；以及該第五電橋二極體的陽極係適於連接至參考電壓，且該第六電橋二極體的陰極係適於連接至該參考電壓。
18. 如申請專利範圍第17項的過電壓保護電路，其中，該參考電壓包含接地電位。
19. 一種保護通信線路以避免過電壓的方法，包含步驟：使用閘流體，以對通信線路提供過電壓保護；以偏壓而使該閘流體偏壓，以便線性化該閘流體的該電容，並縮小電容隨著由該通信線路所載電壓之改變的改變；以及當該通信線路上之該電壓超過該偏壓供應器電壓的量值時，防止電流以反方向流過該偏壓的供應器，以進一步線性化該閘流體的電容負載。
20. 如申請專利範圍第19項的方法，另包括使用單向導通的閘流體及二極體電橋，而在該處，該等電橋二極體係連接到該通信線路，以讓該閘流體能夠回應於兩個極性的過電壓而導通於一個方向上。
21. 如申請專利範圍第19項的方法，另包括以偏壓而使該閘流體偏壓，以便使該閘流體的電容與該閘流體所受到之電壓及溫度的改變更加無關。