TWI506907B - 整合的過電流及過電壓保護裝置及用於過電流及過電壓保護之方法 - Google Patents

整合的過電流及過電壓保護裝置及用於過電流及過電壓保護之方法 Download PDF

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Description

整合的過電流及過電壓保護裝置及用於過電流及過電壓保護之方法
本說明係關於一種整合的過驅動與過電壓保護裝置。
本申請案主張在2011年2月4日提出申請且標題為「Integrated Overdrive and Overvoltage Protection Device」之序列號為61/439,744之美國臨時專利申請案之優先權及權益，該申請案以其全文引用之方式併入本文中。
本申請案亦主張在2012年1月13日提出申請且標題為「Integrated Overdrive and Overvoltage Protection Device」之序列號為13/350,565之美國非臨時專利申請案之優先權及權益，序列號為13/350,565之美國非臨時專利申請案主張在2011年2月4日提出申請之序列號為61/439,744之美國臨時專利申請案之優先權及權益。此等申請案兩者均以全文引用之方式併入本文中。
可使用多個裝置保護輸入電力埠及/或相關組件免受不期望的電力條件(例如，過電流條件及/或過電壓條件)之影響。當使用多個裝置保護輸入電力埠免受不期望的電力條件之影響時，不可預測及/或不想要的互動可該裝置之間發生。舉例而言，選擇用於輸入電力埠之過電壓保護之某些裝置可能不以一有利方式與選擇用於輸入電力埠之過電流保護之其他裝置互動。不匹配及/或獨立操作的組件可導致各種不規則失效模式及/或對意欲用於輸入電力埠處之保護的下游組件之損壞。因此，需要用以解決目前技術 之不足且提供其他新穎及創新特徵之系統、方法及設備。
在一項一般態樣中，一種設備可包括一過電流保護裝置。該設備可包括過一電壓保護裝置，該過電壓保護裝置耦合至該過電流保護裝置且經組態以在該過電壓保護裝置之擊穿電壓回應於熱而增加之後致使該過電流保護裝置降低穿過該過電壓保護裝置的一電流。
在另一一般態樣中，一種方法可包括在一過電壓保護裝置處於一擊穿狀態時在該過電壓保護裝置處接收一電流，且基於該電流且基於該過電壓保護裝置之一擊穿電壓而產生一回饋電壓。該方法可包括將該回饋電壓提供至耦合至該過電壓保護裝置之一過電流保護裝置，且回應於該過電壓保護裝置之該擊穿電壓超過一觸發擊穿電壓而使該過電流保護裝置自一接通狀態改變至電流限制狀態。
在另一一般態樣中，一種設備可包括：一過電壓保護裝置，其具有經組態以回應於該過電壓保護裝置之溫度增加而增加之一電壓限制；及一過電流保護裝置，其耦合至該過電壓保護裝置且加偏壓至一接通狀態。該設備可包括一控制電路，該控制電路經組態以在該電壓限制下將跨越該過電壓保護裝置之一電壓之至少一部分提供至該過電流保護裝置。
在隨附圖式及以下說明中陳述一或多項實施方案之細節。從該說明及圖式且從申請專利範圍將明瞭其他特徵。
圖1係圖解說明一輸入電力保護裝置100之一方塊圖。如圖1中所展示，輸入電力保護裝置100耦合至一過電流保護部分110(其可包括一或多個裝置)，過電流保護部分110耦合至一過電壓保護部分130(其可包括一或多個裝置)。而且，輸入電力保護裝置100包括耦合至過電流保護部分110及過電壓保護部分130之一控制電路120。因此，過電流保護部分110可在經由控制電路120耦合時耦合至過電壓保護部分130。在某些實施例中，過電流保護部分110及過電壓保護部分130(及/或其部分)可共同稱作輸入電力保護裝置100之組件。
輸入電力保護裝置100經組態以將電力保護提供至一負載140以免受一或多個不期望的電力條件之影響。在某些實施例中，不期望的電力條件(其可包括過一電壓條件及/或一過電流條件)(例如，一電壓尖峰(與電源雜訊相關)及/或一電流尖峰(由負載切換導致))可由一電源150產生。舉例而言，負載140可包括可因由電源150在能量脈衝(例如，一持續性能量脈衝)中產生之電流及/或電壓之相對快速增加而以不期望的方式受到損壞之電子組件(例如，感測器、電晶體、微處理器、專用積體電路(ASIC)、離散組件、電路板)。因此，輸入電力保護裝置100可經組態以偵測電流及/或電壓之此等相對快速增加且防止其損壞負載140及/或與負載140相關聯之其他組件(例如，一電路板)。
在某些實施例中，過電流保護部分110及過電壓保護部分130可包括在輸入電力保護裝置100中，使得過電流保護 部分110提供連續過電流保護且過電壓保護部分130提供分流至接地過電壓保護。在某些實施例中，由過電流保護部分110提供之連續過電流保護及由過電壓保護部分130提供之至接地過電壓保護的分流可整合至輸入電力保護裝置100之一單個封裝中，使得輸入電力保護裝置100係一單獨離散組件。
輸入電力保護裝置100之過電壓保護部分130可經組態以保護負載140免受(舉例而言)由電源150產生的電壓突然或持續增加。換言之，輸入電力保護裝置100之過電壓保護部分130可經組態以回應於(舉例而言)一過電壓事件而將電壓保護提供至負載140。在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電壓保護部分130可經組態以基於一或多個電壓條件(例如，一電壓位準持續達一指定時間週期、一電壓超過一臨限電壓)而保護負載140免受由電源150產生之電壓之影響。特定而言，過電壓保護部分130可經組態以將跨越過電壓保護裝置(及一下游負載)之一電壓限制(例如，箝位)於一擊穿電壓(例如，一臨限電壓、一電壓限制、一箝位電壓)處。當過電壓保護部分130正將一電壓限制於該擊穿電壓處時，過電壓保護部分130可稱作處於一擊穿狀態。
在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電壓保護部分130可係或可包括(舉例而言)任一類型之空乏模式裝置及/或瞬變電壓抑制器(TVS)(亦可稱作瞬變電壓抑制裝置)。在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電壓保 護部分130可係或可包括(舉例而言)經組態以擊穿且限制(例如，箝位)一電壓之任一類型之裝置。過電壓保護部分130可包括具有隨著溫度及/或電流而改變之一限制電壓(例如，一擊穿電壓)之任一類型之裝置。特定而言，過電壓保護部分130可包括具有(舉例而言)帶有一正溫度係數特性之一限制電壓(例如，隨著溫度增加而增加之一限制電壓)之任一類型之裝置。在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電壓保護部分130可包括一或多個TVS二極體(例如，具有一正溫度係數之一齊納二極體)、一或多個金屬氧化物變阻器及/或等等。舉例而言，若過電壓保護部分130係或包括一TVS二極體，則該TVS二極體可經組態以將跨越該TVS二極體之一電壓限制於一TVS擊穿電壓處。
輸入電力保護裝置100之過電流保護部分110可經組態以保護負載140(及/或過電壓保護部分130)免受(舉例而言)由電源150產生之電流的突然或持續增加。換言之，輸入電力保護裝置100之過電流保護部分110可經組態以回應於(舉例而言)一過電流事件而將電流保護提供至負載140(及/或過電壓保護部分130)。在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電流保護部分110可經組態以基於一或多個電流條件(例如，一電流位準持續達一指定時間週期、一電流超過一臨限電壓、一短的高電流脈衝)而保護負載140(及/或過電壓保護部分130)免受由電源150產生之電流之影響。
在某些實施例中，過電流保護部分110可係或可包括一 部分，該部分經組態以在一電流自電源150輸出(且穿過過電流保護部分110)時致使一導電狀態自一接通狀態(例如，一高導電狀態、一低電阻狀態、一非飽和狀態)改變至一電流限制狀態(例如，一低導電狀態、一高電阻狀態)，這防止或限制(顯著限制)電流流動至負載140(及/或穿過過電壓保護部分130)。在某些實施例中，過電流保護部分110可在處於電流限制狀態時飽和。當處於該電流限制狀態時，電流可限制至一電流限制，該電流限制可稱作一飽和電流限制或一飽和電流。
舉例而言，在某些實施例中，過電流保護部分110可係或可包括經組態以限制自電源150至負載140(及/或過電壓保護部分130)的一電流之任一類型之半導體裝置。在某些實施例中，過電流保護部分110可係或可包括經組態以基於電場而限制電流(限制至一電流限制)之任一類型之飽和裝置。作為一特定實例，過電流保護部分110可係或可包括一接面場效應電晶體(JFET)裝置、一累積溝渠場效應電晶體(ACCUFET)裝置及/或等等。若過電流保護部分110包括一JFET裝置，則該JFET裝置可經組態以在該JFET裝置飽和時將穿過該JFET裝置的電流限制至該JFET裝置之一飽和電流。因此，在一電流限制狀態(其可在JFET裝置飽和時發生)中，JFET裝置可保護負載140(及/或過電壓保護部分130)免受由電源150產生之處於(或超過)飽和電流的電流。換言之，當處於一電流限制狀態時，JFET裝置可將至負載140(及/或至過電壓保護部分130)且由電源150產生之 電流限制至該飽和電流。在某些實施例中，在過電流條件已結束之後，過電流保護部分110可經組態以使導電狀態自電流限制狀態(例如，低導電狀態、高電阻狀態)改變至接通狀態(例如，高導電狀態、低電阻狀態)。在某些實施例中，當處於接通狀態時，JFET裝置可能不飽和。
在某些實施例中，當過電流保護部分110處於電流限制狀態時，過電流保護部分110之電流限制能力可變化。舉例而言，當過電流保護部分110處於電流限制狀態時，穿過過電流保護部分110的電流可自當該過電流保護部分處於該接通狀態(例如，非飽和狀態)時穿過過電流保護部分110的電流稍微減小。穿過過電流保護部分110的電流之減小可由經由(舉例而言)一控制接針施加至過電流保護部分110的電壓(亦可稱作控制電壓)觸發。施加至過電流保護部分110的電壓之一改變(例如，一降低、一增加)可觸發穿過過電流保護部分110的電流之一進一步減小。在某些實施例中，過電流保護部分110可具有可減小或增加穿過過電流保護部分110的電流之一臨限值控制電壓。
作為一特定實例，若過電流保護部分110係一JFET裝置，則施加至JFET裝置(例如，JFET裝置之一閘極接針)的一指定閘極電壓(例如，該閘極電壓之一指定絕對值、一指定負閘極至源極電壓(VGS ))可導致JFET裝置之一溝渠(例如，一導電溝渠)之一大小縮小(例如，一減小)及穿過JFET裝置的電流之一對應降低(由於JFET裝置之一降低的飽和電流)。可縮小(使用施加至JFET裝置之閘極的一電 壓)JFET裝置之溝渠之大小，直至電流不再流動穿過(或實質上不流動穿過)JFET裝置。JFET裝置是一A級半導體裝置，其經組態以回應於JFET裝置之閘極上之一所施加電壓(例如，所施加負電壓、所施加控制電壓)而調製JFET裝置內之溝渠之電阻。
在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電流保護部分110可係或可包括(舉例而言)經組態以在導電狀態之間(例如，自接通狀態至電流限制狀態)改變之任一類型之裝置。換言之，過電流保護部分110可包括具有一電流限制狀態(例如，一高電阻狀態)之任一類型之電流敏感切換裝置。
在某些實施例中，過電流保護部分110可係或可包括一部分，該部分經組態以導致一開路電路(例如，熔化以產生一開路電路、熔斷以產生一開路電路)，該開路電路在來自電源150(且穿過過電流保護部分110)之電流輸出超過一臨限值電流(在一指定時間週期內)時防止電流流動至負載140。舉例而言，在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之過電流保護部分110可係或可包括(舉例而言)一熔絲、一矽電流限制開關、一基於多晶矽的熔絲、一電子熔絲(e熔絲)、一聚合物正溫度係數(PPTC)裝置、一陶瓷正溫度係數(CPTC)裝置及/或等等。作為一特定實例，一熔絲係可結合過電流保護部分110內之一JFET裝置而使用。
在某些實施例中，過電流保護部分110及過電壓保護部分130可經組態以交互操作(例如，可匹配)。換言之，過電 流保護部分110及過電壓保護部分130可經組態(例如，定大小)以使得過電流保護部分110及過電壓保護部分130共同以期望的方式操作。舉例而言，過電壓保護部分130可經組態以致使過電流保護部分110自一接通狀態改變至一電流限制狀態。
在某些實施例中，過電壓保護部分130可經組態以回應於過電壓保護部分130被加熱(例如，溫度增加、回應於一電流而溫度增加)而致使過電流保護部分110改變至電流限制狀態。過電壓保護部分130之該加熱可係由穿過過電壓保護部分130的電流(例如，穿過過電壓保護部分130而分流之電流)導致及/或可係由自輸入電力保護裝置100之其他組件轉移至過電壓保護部分130的熱(例如，來自過電流保護部分110的熱)導致。因此，在某些實施例中，過電壓保護部分130可經組態以回應於穿過過電壓保護部分130的電流而致使過電流保護部分110改變至電流限制狀態。作為一特定實例，包括在過電壓保護部分130中之一齊納二極體可具有隨著一溫度增加而增加之一擊穿電壓。可利用過電壓保護部分130內之該齊納二極體之增加的擊穿電壓來觸發過電流保護部分110改變至一電流限制狀態且限制穿過過電流保護部分110的電流。
在某些實施例中，過電流保護部分110可係或可包括經加偏壓而以接通狀態操作的一裝置。換言之，過電流保護部分110可以接通狀態操作，直至被觸發而改變至該電流限制狀態。在此等實施例中，過電壓保護部分130可經組 態以致使過電流保護部分110自接通狀態改變至電流限制狀態，且保持處於該電流限制狀態。而且，在此等實施例中，過電流保護部分110可在過電壓保護部分130不再觸發過電流保護部分110而保持處於接通狀態時自電流限制狀態改變回至該接通狀態。舉例而言，過電流保護部分110可係或可包括一JFET裝置，該JFET裝置經加偏壓(及經組態)而以一接通狀態操作(在正常負載140及/或電源150操作期間不限制電流)，直至將一指定閘極電壓(例如，一控制電壓、一指定負閘極至源極電壓(VGS ))施加至該JFET裝置以將JFET裝置內之一導電溝渠之至少一部分降低(例如，減小、夾止(pinch off))至該JFET裝置限制電流的一點。
如圖1中所展示，輸入電力保護裝置100包括控制電路120。控制電路120可經組態以促進過電壓保護部分130與過電流保護部分110之間的互動。舉例而言，控制電路120可經組態以界定一回饋信號(例如，一回饋電壓及/或一回饋電流)，該回饋信號可經組態以觸發過電流保護部分110改變導電狀態。該回饋信號可由控制電路120基於過電壓保護部分130之行為而界定(例如，產生)。在某些實施例中，控制電路120可係任一種類之控制電路，其經組態以回應於跨越過電壓保護部分130的一電壓(例如，一控制電壓)而將一回饋信號提供至過電流保護部分110以使得過電流保護部分110以電流限制狀態操作(例如，控制電流、減小電流)。在某些實施例中，控制電路120可包括各種類型的之裝置，例如電阻器、電晶體、控制電路及/或等等。 舉例而言，結合以下各圖來闡述與輸入電力保護裝置100之組件之間的互動相關的更多細節。
在某些實施例中，輸入電力保護裝置100之組件之間的互動可係保護性互動。換言之，來自輸入電力保護裝置100之一個組件可經組態以保護輸入電力保護裝置100之另一組件。舉例而言，過電流保護部分110可經組態以自一接通狀態(非飽和狀態)改變至一電流限制狀態，以使得穿過過電壓保護部分130之電流可由過電流保護部分110限制。而且，過電壓保護部分130可經組態以限制一電壓，以使得跨越過電流保護部分110之一電壓降亦可受到限制。在某些實施例中，過電流保護部分110(其降低由過電壓保護部分130吸收之電力)與過電壓保護部分130(其關斷過電流保護部分110)之互動可導致吸收比在沒有上文所闡述之過電流保護部分110與過電壓保護部分130之間的互動之情形下原本將吸收之更少之電力的輸入電力保護組件。舉例而言，結合以下各圖更詳細地闡述與由輸入電力保護裝置100內之組件提供之相互保護相關的更多細節。
在某些實施例中，過電流保護部分110、控制電路120及/或過電壓保護部分130可整合成一單個組件。換言之，過電流保護部分110、控制電路120及/或過電壓保護部分130可整合成輸入電力保護裝置100，以使得輸入電力保護裝置100係一單個整合組件(例如，單個離散組件)。換言之，輸入電力保護裝置100可係包括過電流保護部分110、控制電路120及/或過電壓保護部分130的一單個整合組件。舉 例而言，控制電路120及過電壓保護部分130可整合成一單個離散裝置，且過電流保護部分110可整合成一單獨的單個離散裝置。特定而言，過電流保護部分110、控制電路120及/或過電壓保護部分130可整合至具有三個端子-一輸入端子102、一輸出端子104及一接地端子106(其可共同稱作端子)的輸入電力保護裝置100之一單個封裝中。在某些實施例中，該等端子可稱作埠、接針、部分及/或等等(例如，輸入埠102可稱作輸入接針102或輸入部分102)。
由於過電流保護部分110、控制電路120及/或過電壓保護部分130可整合成一單個組件，因此可簡化組裝且可減小生產成本。在某些實施例中，過電流保護部分110、控制電路120及/或過電壓保護部分130可整合成一單個組件(即，輸入電力保護裝置100)，以使得一單獨的過電流保護裝置及過電壓保護裝置至一計算裝置(例如，例如計算裝置10)中的安裝可不必要。而是，過電流保護及過電壓保護可由輸入電力保護裝置100提供，輸入電力保護裝置100包括過電流保護部分110及過電壓保護部分130兩者。在某些實施例中，藉由使用輸入電力保護裝置100(其可係一單個組件)可比在使用多個單獨組件來達成過電流保護及過電壓保護之情形下更高效地分配電路板空間。在某些實施例中，可透過將輸入電力保護裝置100之組件中之一或多者整合成一單個離散組件而促進輸入電力保護裝置100之組件之間的熱轉移。
總之，跨越過電壓保護部分130的電壓可回應於熱(其可 由穿過過電壓保護部分130的電流導致)及/或電流(若電流迅速地上升，其可能不導致過電壓保護部分130之加熱)而增加且觸發過電流保護部分110改變至一電流限制狀態。跨越過電壓保護部分130的電壓回應於電流(例如，僅係電流)而上升可至少部分歸因於過電壓保護部分130之電阻。而且，過電流保護部分110可回應於跨越過電壓保護部分130之一相對高的電壓及/或穿過負載140之一相對大的電流(其可致使過電流保護部分110飽和)而改變至(或可處於)一電流限制狀態。因此，情景之一組合(包括以上中之任一者)可觸發輸入電力保護裝置100之操作。
如圖1中所展示，輸入電力保護裝置100、電源150及負載140可包括在(例如，整合至)一計算裝置10中。在某些實施例中，計算裝置10可係(舉例而言)一電腦、一個人數位助理(PDA)、一主機電腦、一記憶體組件(例如，一硬磁碟機)、一轉接器、一電子量測裝置、一資料分析裝置、一蜂巢式電話、一電子裝置及/或等等。
在某些實施例中，電源150可係任一類型之電源，例如，舉例而言，一切換模式電力供應源、一直流電(DC)電力供應源、一交流電(AC)電力供應源及/或等等。在某些實施例中，電源150可包括一電源，該電源可係任一類型之電源，例如，舉例而言，一直流電(DC)電源，例如一電池、一燃料單元及/或等等。
在某些實施例中，電源150可係經組態以發射一或多個信號(例如，資料信號)之一信號源，例如一發射器。在某 些實施例中，電源150可經由一接線或以無線方式耦合至輸入電力保護裝置100。在此等實施例中，輸入電力保護裝置100之一或多個部分可包括在經組態以自電源150接收一或多個信號之一收發器中。
圖2係輸入電力保護裝置200之組件之一示意圖。如圖2中所展示，輸入電力保護裝置200包括一JFET裝置210，JFET裝置210充當輸入電力保護裝置200之一過電流保護部分。輸入電力保護裝置200亦包括一齊納二極體230(其可係一類型之TVS二極體且通常可稱作一齊納二極體裝置)，齊納二極體230充當輸入電力保護裝置200之一過電壓保護部分。
JFET裝置210可經組態以充當輸入電力保護裝置200內之一電子控制開關或一壓控電阻。在某些實施例中，JFET裝置210及/或齊納二極體230可係使用任一類型之半導體材料(例如，舉例而言，矽(例如，一經摻雜矽)、砷化鎵、鍺、碳化矽及/或等等)中之PN接面(其藉助一p型半導體及一n型半導體而形成或與該p型半導體及該n型半導體相關聯)形成之一半導體裝置。換言之，JFET裝置210及/或齊納二極體230可包括一矽基板，該矽基板包括一PN接面之至少一部分(或與該PN接面之至少一部分相關聯)。在某些實施例中，該PN接面可係(舉例而言)藉由使用離子植入、摻雜劑之擴散、磊晶生長及/或等等進行摻雜而在半導體之一單個晶體或多個晶體中產生。
如圖2中所展示，輸入電力保護裝置200包括一控制電路 220。特定而言，在此實施例中，控制電路220係包括一電阻器R21及一電阻器R22之一分壓器。電阻器R21耦合於JFET 210之一閘極212與一源極211之間。電阻器R22耦合於JFET 210之閘極212與一接地端子206(亦可稱作一接地節點)之間。
在此實施例中，輸入電力保護裝置200包括三個端子-一輸入端子202、一輸出端子204及接地端子206。如圖2中所展示，輸入端子202耦合至(例如，電耦合至)JFET裝置210之一汲極213。齊納二極體230耦合至(例如，電耦合至)JFET裝置210之源極211，源極211亦耦合至(例如，電耦合至)輸出端子204。因此，JFET裝置210之源極211及齊納二極體230兩者均耦合至輸出端子204且充當一單個節點。齊納二極體230亦耦合至接地端子206。
在此實施例中，齊納二極體230可具有在(舉例而言)一過電壓事件期間隨著溫度之增加而增加的一擊穿電壓(即，具有一正溫度係數)。可經由控制電路220利用齊納二極體230之擊穿電壓增加來觸發JFET裝置210以自一接通狀態(JFET裝置210被加偏壓至的狀態)改變至一電流限制狀態。
特定而言，在一過電壓事件期間，齊納二極體230可經組態以將跨越輸入電力保護裝置(例如，跨越齊納二極體230)的一電壓限制(例如，箝位)至齊納二極體230之一擊穿電壓。齊納二極體230可將與該過電壓事件相關聯之電流分流至接地節點。在將電流分流至接地節點時，齊納二極 體230(例如，齊納二極體230內之一PN接面)可回應於流動穿過齊納二極體230之電流而溫度增加。因此，齊納二極體230之擊穿電壓將回應於溫度增加而增加。
控制電路220之電阻器R21、R22可經組態以將一電壓(例如，一控制電壓)施加至JFET裝置210(例如，施加至JFET裝置210之閘極212)，此將致使被加偏壓至一接通狀態的JFET裝置210自接通狀態改變至一電流限制狀態(其可在JFET裝置210飽和時發生)。特定而言，電阻器R21、R22可經定大小以使得在齊納二極體230之擊穿電壓達到一指定值時，JFET裝置210將自接通狀態改變(例如，開始改變)至電流限制狀態(針對穿過JFET裝置210之一既定電流)。在某些實施例中，JFET裝置210將改變至電流限制狀態的齊納二極體230之擊穿電壓可稱作一觸發擊穿電壓或一觸發擊穿點。在某些實施例中，施加至JFET裝置210之閘極212的電壓(例如，控制電壓)可稱作一回饋電壓或一回饋信號。如圖2中所展示，跨越JFET裝置210的電壓(即，跨越電阻器R21的電壓)將係自JFET裝置210之源極211至閘極212的一電壓降(即，一負電壓)。
齊納二極體230之擊穿電壓可隨著齊納二極體230之溫度增加而增加。若參考為一絕對電壓則JFET之閘極至源極電壓可在跨越齊納二極體230之增加的電壓(其將被箝位於齊納二極體230之擊穿電壓處)內增加(或若參考為一負電壓則降低)。JFET裝置210之電阻將隨著增加的閘極電壓(例如，控制電壓)而增加且穿過JFET裝置210的電流將降低。 穿過JFET裝置210的電流將降低，此乃因當JFET裝置210處於電流限制狀態時，JFET裝置210之溝渠將隨著閘極至源極電壓(即，閘極至源極電壓之一絕對值)增加而關閉(例如，繼續關閉、逐漸關閉、關斷、變為受限制)。
圖3A至圖3C係圖解說明輸入電力保護裝置200之操作之曲線圖。特定而言，圖3A係圖解說明圖2中所展示之齊納二極體之一擊穿電壓30之一曲線圖。圖3B係圖解說明跨越圖2中所展示之電阻器的電壓VR21 及VR22 之一曲線圖。圖3C係圖解說明穿過圖2中所展示之JFET裝置的電流35之一曲線圖。如圖3A至圖3C中所展示，該等曲線圖中之每一者之x軸係齊納二極體之溫度且齊納二極體之溫度正向右增加。該等曲線圖中的每一者在齊納二極體之一溫度T1處開始且假設該齊納二極體回應於一能量脈衝(例如，一過電壓事件及/或一過電流事件)而處於一擊穿狀態。
如圖3A中所展示，隨著該齊納二極體之溫度增加，該齊納二極體之擊穿電壓30增加。在此實施例中，該齊納二極體之擊穿電壓30以大約一線性方式增加。在某些實施例中，該齊納二極體之擊穿電壓30可不以大約一線性方式增加。在某些實施例中，該齊納二極體之擊穿電壓30可回應於經由該齊納二極體分流之一電流而增加(當該齊納二極體處於一擊穿狀態時)。在某些實施例中，經由該齊納二極體分流之電流可與能量脈衝相關聯。
在某些實施例中，溫度T1可約為0℃且溫度T2可係大於T1之一溫度。在某些實施例中，溫度T1可大於0℃(例如， 25℃)或小於0℃(例如，-25℃)。在某些實施例中，溫度T2可係50℃或更高(例如，100℃、200℃、300℃、800℃)。在某些實施例中，擊穿電壓可(舉例而言)介於毫伏與伏之間。舉例而言，擊穿電壓可係5伏、50伏及等等。
在圖3B中，相對於接地繪示分別與電阻器R21及R22對應之電壓VR21 及VR22 。因此，電壓VR21 跟隨齊納二極體之擊穿電壓30，且跨越電阻器R21的電壓係電壓VR21 與電壓VR22 之間的差。如圖3B中所展示，當該齊納二極體之擊穿電壓30隨著該齊納二極體之溫度增加而增加時，電壓VR21 及VR22 亦增加。在此實施例中，JFET裝置之閘極至源極電壓(其係一負值)(即，閘極至源極電壓之絕對值)係跨越電阻器R21的電壓，該電壓係電壓VR21 與電壓VR22 之間的差。
如圖3C中所展示，穿過JFET裝置的電流37係JFET裝置之一飽和電流37。電流37表示為一虛線，此乃因電流37表示當JFET裝置飽和時穿過JFET裝置的一理論最大電流。JFET裝置之飽和電流37係JFET裝置之閘極至源極電壓之一函數。如圖3C中所展示，飽和電流37隨著JFET裝置之閘極至源極電壓增加(其展示於圖3B中)而降低，此乃因JFET裝置之溝渠隨著閘極至源極電壓增加而降低(或穿過JFET裝置的電阻增加)。
而且，如圖3C中所展示，在此說明性實例中，假設穿過JFET裝置的電流35恆定(或實質上恆定)(且正恰好低於電流37而操作(至少在最初))，直至該齊納二極體之溫度處於溫 度T2。在溫度T2處，當JFET裝置飽和時穿過JFET裝置的電流35(其係透過JFET裝置而獲得之實際電流)與穿過JFET裝置的電流37相交。
當齊納二極體之溫度達到溫度T2時，該齊納二極體之擊穿電壓30處於一觸發擊穿電壓VTR，如圖3A中所展示。當在溫度T2處達到觸發擊穿電壓VTR時，JFET裝置之閘極至源極電壓為Q，其為電壓VR21 與電壓VR22 之間的差，如圖3B中所展示。當JFET裝置之閘極至源極電壓為Q時，JFET裝置自一接通狀態改變至一電流限制狀態，如圖3C中所展示。如圖3C中所展示，穿過JFET裝置的電流35未開始降低且不被視為處於一電流限制狀態，直至JFET裝置飽和。當處於該電流限制狀態時，穿過JFET裝置的電流35沿飽和電流37曲線降低。
當齊納二極體之擊穿電壓30隨著齊納二極體之溫度增加超出溫度T2而繼續增加(展示於圖3A中)時，JFET裝置之閘極至源極電壓(VGS )之絕對值繼續增加(或若參考為一負電壓則降低)(如圖3B中所展示)。因此，JFET裝置之電阻增加且穿過JFET裝置的電流30降低，如圖3C中所展示。穿過JFET裝置的電流30降低，此乃因當JFET裝置處於電流限制狀態時，穿過JFET裝置的一溝渠隨著閘極至源極電壓(即，閘極至源極電壓之一絕對值)增加而關閉(例如，繼續關閉、關斷、限制)。
在此實施例中，穿過JFET裝置的電流35在溫度T1與T2之間係恆定的(例如，實質上恆定)。在某些實施例中，穿 過JFET裝置的電流可基於耦合至輸入電力保護裝置之能量脈衝及/或組件之特性而變化(例如，增加、降低)。
儘管未展示，但若穿過JFET裝置的電流35高於圖3C中所展示之電流，則穿過JFET裝置的電流35將受限制之齊納二極體之溫度將低於溫度T2。因此，JFET裝置將在低於溫度T2之溫度下自接通狀態改變至電流限制狀態。而且，歸因於較高電流35(其亦將流動穿過齊納二極體)，齊納二極體之溫度可比與圖3A相關聯更快速地增加(例如，在一較短時間週期期間)。因此，齊納二極體及JFET裝置可針對一相對高能量脈衝(例如，相對高電流)比針對相對低的能量脈衝(例如，相對低電流)提供更快速之電力保護。
返回參照圖2，JFET裝置210經組態以透過電阻器R22高於接地而浮動。因此，JFET裝置210不需要經組態以處置全軌道對接地電壓，其由齊納二極體230處置。因此，在某些實施例中，JFET裝置210可組態而具有比在繫結至接地之情形下將需要的更低之電壓額定值。而且，由於穿過齊納二極體230的電流將限制至JFET裝置210之飽和電流(且由於齊納二極體230回應於齊納二極體230之溫度上升而熱觸發JFET裝置210以減小其電流)，因此可根據JFET裝置210之飽和電流將齊納二極體230定大小(例如，大小縮小)。
而且，隨著JFET裝置210之電阻增加，穿過JFET裝置210的電流將降低且導致穿過齊納二極體230的一較低電流。在一些例項中，穿過齊納二極體230的該較低電流將 導致齊納二極體230之一較低溫度(若電流降低持續達一充足時間週期)及跨越齊納二極體230之一較低電壓。跨越齊納二極體230的該較低電壓將抵消JFET裝置210之電阻增加。此等相反力可導致輸入電力保護裝置200之一穩定狀態操作。當輸入電力保護裝置200正以一穩定狀態操作時，齊納二極體230之加熱速率將處於一穩定狀態(當穿過齊納二極體230之電流固定時)。在某些實施例中，此等相反力可導致輸入電力保護裝置200之操作振盪，直至達到輸入電力裝置200之一穩定狀態操作點。結合圖5A至圖5E更詳細地論述輸入電力裝置之穩定狀態操作。
儘管在一齊納二極體及一JFET裝置之背景下論述此實施例及本文所闡述之實施例中之諸多實施例，但諸多類型之過電壓保護部分及/或過電流保護部分可與齊納二極體及/或JFET裝置一起使用或替代齊納二極體及/或JFET裝置來使用。舉例而言，輸入電力保護裝置200之過電壓保護部分可係具有隨著溫度而改變(例如，隨著溫度而增加)之一擊穿電壓之任一類型之裝置。輸入電力保護裝置200之該過電流保護部分可係任一類型之裝置，其在處於電流限制狀態時可被加偏壓至一接通狀態、自該接通狀態改變至一電流限制狀態且可限制穿過裝置的一電流。
圖4A至圖4E係圖解說明輸入電力保護裝置之組件回應於一能量脈衝之行為之曲線圖。輸入電力保護裝置包括一過電壓保護裝置、一控制電路及一過電流保護裝置，例如圖1及圖2中所展示之彼等組件。該等曲線圖圖解說明由輸 入電力保護裝置之組件回應於一能量脈衝而提供之電力保護。
圖4A係圖解說明跨越過電壓保護裝置的電壓之一曲線圖，圖4B係圖解說明過電壓保護裝置之一狀態之一曲線圖，且圖4C係圖解說明過電壓保護裝置之一溫度之一曲線圖。圖4D係圖解說明過電流保護裝置之一狀態之一曲線圖，且圖4E係圖解說明穿過該過電流保護裝置之一電流之一曲線圖。在圖4A到圖4E中，時間正向右增加，且能量脈衝大約在時間U1處開始且大約在時間U2處結束。
如圖4A中所展示，回應於大約在時間U1處開始之能量脈衝，跨越過電壓保護裝置的電壓大約在時間U1處陡峭增加。在此實施例中，過電壓保護裝置(其可係一齊納二極體)回應於能量脈衝而大約在時間U1與U2之間自一非擊穿狀態(例如，一正常操作狀態、一關斷狀態)改變至一擊穿狀態，如圖4B中所展示。因此，在時間U1與U2之間(在時間U1與U2之間的時間週期期間)跨越過電壓保護裝置的電壓大約係過電壓保護裝置之擊穿電壓。
而且，回應於能量脈衝，過電壓保護裝置之溫度(例如，過電壓保護裝置之一半導體基板之一接面之溫度、過電壓保護裝置之一半導體基板之溫度)大約在時間U1處開始增加，如圖4C中所展示。在此實施例中，過電壓保護裝置之溫度大約線性地增加。
如圖4A中所展示，回應於展示於圖4C中之過電壓保護裝置之溫度增加，跨越過電壓保護裝置的電壓大約在時間 U1與U2之間大約線性地增加。換言之，過電壓保護裝置之擊穿電壓回應於溫度增加而增加。因此，跨越過電壓保護裝置的電壓(其被箝位於擊穿電壓處)亦增加。
如圖4A中所展示，跨越電壓保護裝置的電壓不上升至觸發擊穿電壓VTX。儘管未展示，但在某些實施例中，當齊納二極體處於該擊穿狀態時，跨越齊納二極體的電壓可回應於透過齊納二極體分流之一電流而在時間U1與U2之間增加。透過齊納二極體分流之電流可與能量脈衝相關聯。儘管未展示，但在某些實施例中，若能量脈衝之持續時間比時間U1與U2之間的時間週期長(如圖4A中所展示)，則跨越過電壓保護裝置的電壓可已增加超出擊穿電壓VTX。
亦如圖4C中所展示，過電壓保護裝置之溫度保持低於一失效溫度FT(亦可稱作一擊穿溫度)。在某些實施例中，過電壓保護裝置可在過電壓保護裝置之溫度超過失效溫度FT時失效。舉例而言，若過電壓保護裝置係一齊納二極體，則回應於高於齊納二極體之該失效溫度FT之一溫度而跨越齊納二極體之一PN接面的金屬遷移可導致該齊納二極體內(例如，跨越該PN接面)之一短路。
在某些實施例中，過電壓保護裝置之溫度增加速率可取決於(舉例而言)過電壓保護裝置周圍之封裝(或其缺少)、來自過電壓保護裝置周圍其他裝置之熱(或其缺少)及/或等等。舉例而言，在某些實施例中，與過電壓保護裝置相關聯(例如，耦合至其、在其周圍)之一或多個散熱器(例如，半導體組件、封裝)可經組態以使得其吸收原本將被引導 至過電壓保護裝置的熱。在此等例項中，過電壓保護裝置回應於一能量脈衝之溫度增加之速率可比在沒有該(等)散熱器之情形下更快速。在某些實施例中，過電壓保護裝置可與一或多個熱源(例如，裝置、電阻器)(及/或絕緣體)相關聯，該一或多個熱源經組態以引導(及/或含納)至過電壓保護裝置的熱，以使得過電壓保護裝置之溫度增加以及跨越電壓保護裝置的所得電壓(在處於擊穿狀態時)將以一相對迅速之速率增加(例如，在一臨限值時間週期內增加超出觸發擊穿電壓VTX)。
如圖4D中所展示，過電流保護裝置保持處於一非飽和接通狀態，此乃因來自控制電路之一回饋信號未回應於跨越過電壓保護裝置的電壓而致使過電流保護裝置改變至一電流限制狀態。在此實施例中，控制電路經組態以回應於跨越過電壓保護裝置的電壓上升至觸發擊穿電壓VTX而致使過電流保護裝置改變至該接通狀態。
儘管未展示，但若跨越過電壓保護裝置的電壓已上升至或超過觸發擊穿電壓VTX，則過電流保護裝置可自接通狀態改變至電流限制狀態。該改變可由控制電路回應於跨越過電壓保護裝置的電壓上升至或超過觸發擊穿電壓VTX而觸發。在此等例項中，當過電流保護裝置處於電流限制狀態時，穿過過電流保護裝置及/或過電壓保護裝置的電流可受到限制(例如，減小)。
如圖4E中所展示，穿過過電流保護裝置的電流大約在時間U1處增加且在時間U1與U2之間的能量脈衝期間保持處 於增加的位準。如圖4E中所展示，在此實施例中與能量脈衝相關聯之電流實質上恆定。儘管未展示，但在某些實施例中，與能量脈衝相關聯之電流(及/或電壓)可變化。在此等例項中，穿過過電流保護裝置的電流可變化，過電壓保護裝置之溫度(展示於圖4A中)可以一非線性方式增加，且/或跨越過電壓保護裝置的電壓(展示於圖4C中)亦可以一非線性方式增加。
儘管未展示飽和電流，但穿過過電流保護裝置的電流未達到過電流保護裝置之飽和電流。因此，過電流保護裝置不改變至一電流限制狀態。在某些實施例中，當過電流保護裝置(例如，例如一JFET)飽和時，與一能量脈衝相關聯之電流可限制至飽和電流。而且，儘管未展示，但過電流保護裝置之溫度亦保持低於過電流保護裝置之一失效溫度。
圖5A至圖5E係圖解說明一輸入電力保護裝置之組件回應於另一能量脈衝之行為之曲線圖。輸入電力保護裝置包括一過電壓保護裝置、一控制電路及一過電流保護裝置，例如圖1及2中所展示之彼等組件。該等曲線圖圖解說明由輸入電力保護裝置之組件回應於一能量脈衝而提供之電力保護。
特定而言，圖5A係圖解說明跨越過電壓保護裝置的一電壓之一曲線圖，圖5B係圖解說明穿過過電壓保護裝置的一電流之一曲線圖，且圖5C係圖解說明過電壓保護裝置之一溫度之一曲線圖。圖5D係圖解說明穿過過電流保護裝置的 一電流之一曲線圖，且圖5E係圖解說明跨越過電流保護裝置的一電壓之一曲線圖。在圖5A至圖5E中，時間正向右增加，且能量脈衝大約在時間S1處開始且超出(例如，持續超出)時間S3而繼續。
如圖5A中所展示，回應於大約在時間S1處開始之能量脈衝，跨越過電壓保護裝置的電壓大約在時間S1處陡峭增加。在此實施例中，過電壓保護裝置(其可係一齊納二極體)回應於能量脈衝而大約在時間S1處自一非擊穿狀態(例如，一正常操作狀態、一關斷狀態)改變至一擊穿狀態。因此，超出時間S1之跨越過電壓保護裝置的電壓大約係過電壓保護裝置之擊穿電壓。
如圖5B中所展示，來自能量脈衝之電流回應於過電壓保護裝置大約在時間S1處自非擊穿狀態(例如，正常操作狀態、關斷狀態)改變至擊穿狀態而開始流動穿過過電壓保護裝置。換言之，當過電壓保護裝置回應於能量脈衝而改變至擊穿狀態時，過電壓保護裝置開始透過過電壓保護裝置分流與能量脈衝相關聯之電流。經由過電壓保護裝置對電流之分流導致過電壓保護裝置之溫度增加(大約在時間S1處開始，如圖5C中所展示)。
過電壓保護裝置之溫度(例如，過電壓保護裝置之一半導體基板之一接面之溫度、過電壓保護裝置之該半導體基板之溫度)大約在時間S1處開始增加，直至時間S2之後不久，如圖5C中所展示。在此實施例中，過電壓保護裝置之溫度在時間S1與S2之間大約線性地增加。如結合圖4A至 圖4E所闡述，過電壓保護裝置之溫度增加速率可取決於散熱器、熱源及/或等等。
如圖5A中所展示，當處於擊穿狀態時，跨越過電壓保護裝置的電壓隨著過電壓保護裝置之溫度增加而增加，如圖5C中所展示。在此實施例中，跨越過電壓保護裝置的電壓(其大約等於過電壓保護裝置之擊穿電壓)大約在時間S2處達到或超過觸發擊穿電壓VTX。
亦如圖5C中所展示，過電壓保護裝置之溫度保持低於一失效溫度FT(亦可稱作一擊穿溫度)。在某些實施例中，過電壓保護裝置可在過電壓保護裝置之溫度超過該失效溫度FT時失效。舉例而言，若過電壓保護裝置係一齊納二極體，則回應於高於該齊納二極體之失效溫度FT之溫度而跨越齊納二極體之一PN接面的金屬遷移可導致該齊納二極體內(例如，跨越該PN接面)之一短路。
如圖5D中所展示，穿過過電流保護裝置的電流大約在時間S1處增加且在時間S1與S2之間保持處於增加的位準。如圖5D中所展示，在此實施例中與能量脈衝相關聯之電流實質上恆定。儘管未展示，但在某些實施例中，與能量脈衝相關聯之該電流(及/或電壓)可變化。在此等例項中，穿過過電流保護裝置的電流可變化，過電壓保護裝置之溫度(展示於圖5A中)可以一非線性方式增加，且/或跨越過電壓保護裝置的電壓(展示於圖5B中)亦可以一非線性方式增加。
儘管未展示飽和電流，但穿過過電流保護裝置的電流在 時間S1與S2之間未達到過電流保護裝置之飽和電流。而且，儘管未展示，但過電流保護裝置之溫度亦保持低於過電流保護裝置之一失效溫度。
如圖5D中所展示，過電流保護裝置大約在時間S2處自一接通狀態(在處於一非飽和狀態時)改變至一電流限制狀態。在此實施例中，過電流保護裝置回應於跨越過電壓保護裝置的電壓上升至觸發擊穿電壓VTX而改變至電流限制狀態。在某些實施例中，過電流保護裝置可經由一控制電路大約在時間S2處被觸發以自接通狀態改變至電流限制狀態，該控制電路基於過電壓保護裝置之電壓達到或超過觸發擊穿電壓VTX而產生一回饋信號。
當處於電流限制狀態時(大約在時間S2之後)，過電流保護裝置飽和。因此，穿過過電流保護裝置的電流受過電流保護裝置之飽和限制。如圖5D中所展示，穿過過電流保護裝置的電流大約在時間S2處開始降低，直至大約時間S3。
如圖5E中所展示，隨著能量脈衝之開始，跨越過電流保護裝置的電壓大約在時間S1處初始增加(自一標稱電壓或零電壓)。穿過過電流保護裝置的降低之電流與跨越過電流保護裝置的電壓之額外增加(大約在時間S2處開始)對應(如圖5E中所展示)，其導致過電流保護裝置之降低之飽和電流。換言之，跨越過電流保護裝置的一電壓降增加且致使過電流保護裝置限制電流(在處於電流限制狀態時)(限制至過電流保護裝置的飽和電流)。
回應於過電流保護裝置在處於電流限制狀態時降低電流 (如圖5D中所展示)，穿過過電壓保護裝置的電流亦大約在時間S2處開始降低，如圖5B中所展示。穿過過電壓保護裝置的降低之電流導致過電壓保護裝置之溫度增加速率降低，如圖5C中所展示。
儘管未展示，但在某些實施例中，過電壓保護裝置(及/或輸入電力保護裝置之其他組件)之溫度降低之一時間延遲可在輸入電力保護裝置之操作期間發生。在某些實施例中，一時間延遲可由儲存於過電壓保護裝置及/或過電流保護裝置周圍之組件中之熱導致以實現滯後效應。在某些實施例中，過電壓保護裝置之溫度可回應於電流受過電流保護裝置限制(當處於電流限制狀態時)而立即(實質上立即)降低。
如圖5C中所展示，過電壓保護裝置之溫度降低可導致圖5A中所展示之跨越過電壓保護裝置的電壓降低。然而，由於能量脈衝超出時間S3繼續，因此過電壓保護裝置保持處於擊穿狀態(且具有大約處於擊穿電壓之一電壓)。
在此實施例中，輸入電力保護裝置在跨越過電壓保護裝置的電壓超過該觸發擊穿電壓VTX之後達到一穩定狀態操作點。在此實施例中，大約在時間S3處漸近地地獲得裝置之穩定狀態操作點，如圖5A至圖5E中所展示。透過輸入電力保護裝置之組件之間的電壓、電流及溫度互動獲得輸入電力保護裝置之穩定狀態操作點。此穩定狀態操作能力優於可能在一瞬變事件(例如，一能量脈衝事件)期間不繼續操作之一矽開關型裝置。
特定而言，當跨越過電壓保護裝置的電壓隨著由穿過過電壓保護裝置的電流(展示於圖5B中)導致之溫度增加(展示於圖5C中)而增加超出觸發擊穿電壓VTX(展示於圖5A中)時，穿過過電流保護裝置的電流(展示於圖5D中)降低。以一回饋方式，過電流保護裝置降低穿過過電流保護裝置的電流(展示於圖5D中)，其亦降低流動穿過過電壓保護裝置的電流(展示於圖5B中)，此導致降低之溫度(展示於圖5C中)及跨越過電壓保護裝置的降低之電壓(展示於圖5A中)(其可保持高於觸發擊穿電壓VTX)。最終，輸入電力保護裝置之組件基於此等抵消之互動而固定於一穩定狀態操作點處。在某些實施例中，輸入電力保護裝置可在固定於一穩定狀態操作點處之前振盪。
儘管圖5A至圖5E中未展示，但在某些實施例中，在大約在時間S3處獲得穩定狀態操作點之前可發生振盪。儘管未明確展示，但跨越過電壓保護裝置的電壓係電流及溫度兩者之一函數。因此，較高電流脈衝可導致較低溫度下之電流限制(例如，比所展示更快速之電流限制)(其可導致改良之電力保護)。在此等實施例中，電力保護可在比如圖5A至圖5E中所圖解說明之時間S2更早之時間發生(或可被觸發)。
儘管結合圖3A到圖5E所闡述之組件之行為被闡述為(舉例而言)在指定電壓、電流下及/或在指定時間進行轉變，但當經實施(例如，使用半導體裝置實施)時，該組件之轉變可稍微在該指定電壓、電流及/或指定時間之前發生或 稍微在該等指定電壓、電流及/或指定時間之後發生。特定而言，擊穿電壓之變化、熱傳導性、處理變化、溫度變化、裝置之切換時間、電路轉變延遲及/或等等可導致可稍微在圖3A到圖5E中所展示之電壓、電流、溫度及/或時間之前或稍微在圖3A到圖5E中所展示之該等電壓、電流、溫度及/或時間之後觸發組件之轉變的條件(例如，非理想條件)。
圖6係包括一控制電路620之一輸入電力保護裝置600之一示意圖。如圖6中所展示，輸入電力保護裝置600包括一JFET裝置610，JFET裝置610充當輸入電力保護裝置600之一過電流保護部分。輸入電力保護裝置600亦包括一齊納二極體630(其可係一類型之TVS二極體且通常可稱作一齊納二極體裝置)，齊納二極體630充當輸入電力保護裝置600之一過電壓保護部分。
圖6中所展示之控制電路620可係經組態以回應於跨越齊納二極體630的電壓而將一回饋信號提供至JFET裝置610以使得JFET裝置610以電流限制狀態操作之任一種類之控制電路。在某些實施例中，控制電路620可係或可包括(舉例而言)電子組件、感測器、電晶體、微處理器、專用積體電路(ASIC)、離散組件及/或等等。
圖7係包括一控制電路720之另一輸入電力保護裝置700之一示意圖。如圖7中所展示，輸入電力保護裝置700包括一JFET裝置710，JFET裝置710充當輸入電力保護裝置700之一過電流保護部分。輸入電力保護裝置700亦包括一齊 納二極體730(其可係一類型之TVS二極體且通常可稱作一齊納二極體裝置)，齊納二極體730充當輸入電力保護裝置700之一過電壓保護部分。
圖7中所展示之控制電路720包括一電阻器724及一齊納二極體722。電阻器724耦合於JFET裝置710之一閘極712與一源極711之間。在此實施例中，齊納二極體722經組態以回應於齊納二極體722失效短路而致使JFET裝置710改變至一電流限制狀態且完全(或幾乎完全)關斷JFET裝置710之一溝渠(以使得電流不流動穿過JFET裝置710)。
特定而言，齊納二極體722可經組態以將導電狀態自一電壓調節狀態改變至一短路狀態(例如，一高導電/低電阻狀態)，其係一熱誘發短路狀態(例如，不可逆短路狀態)。當處於電壓調節狀態時，齊納二極體722可經組態以將一電壓限制(例如，箝位)於一擊穿電壓(例如，一電壓限制、一箝位電壓)處，從而增加JFET裝置710對齊納二極體730之電壓變化之敏感性。在某些實施例中，電阻器724之電阻及/或齊納二極體722之電力容量可經組態(例如，使用一摻雜濃度及/或金屬結構來組態)以使得齊納二極體722之短路狀態可係該裝置之一失效模式，在該失效模式中齊納二極體722之結構之一物理改變導致短路。特定而言，齊納二極體722可經組態以回應於齊納二極體722之一溫度增加超出一臨限值溫度(例如，一失效溫度、一短路溫度)而自該電壓調節狀態改變至該短路狀態。舉例而言，回應於高於齊納二極體722之一臨限值溫度BT之一溫度(由內部加熱 及/或來自JFET裝置710、電阻器724及/或齊納二極體730之熱產生)而跨越齊納二極體722之一PN接面的金屬遷移可導致齊納二極體722內(例如，跨越該PN接面)之一短路。在某些實施例中，臨限值溫度BT可介於(舉例而言)華氏200度與華氏700度之間(例如，華氏350度、華氏400度、華氏450度)。
在某些實施例中，一旦齊納二極體722已改變至短路狀態，則齊納二極體722不可改變回至電壓調節狀態。換言之，自電壓調節狀態至短路狀態之一改變可係一不可逆改變(例如，物理改變)。圖7中所展示之輸入電力保護裝置700之不可逆操作與上文所闡述之輸入電力保護裝置之可逆操作相對。
在某些實施例中，齊納二極體722之操作可與齊納二極體730之短路狀態操作分離。換言之，齊納二極體730可經組態以在齊納二極體722不失效短路之情形下觸發JFET裝置710改變至電流限制狀態。同樣，齊納二極體722可經組態以改變至短路狀態且可在齊納二極體730(舉例而言)不超過齊納二極體730之一擊穿電壓之情形下致使JFET裝置710改變至電流限制狀態(及關斷)。在某些實施例中，齊納二極體722可經組態以歸因於一熱誘發之第二擊穿機制而改變至一可逆熱短路(或高導電)狀態。可使用(舉例而言)齊納二極體722內之一摻雜濃度來界定可逆熱短路狀態之溫度。
圖8A係包括一控制電路820之又一輸入電力保護裝置800 之一示意圖。如圖8A中所展示，輸入電力保護裝置800包括一JFET裝置810，JFET裝置810充當輸入電力保護裝置800之一過電流保護部分。輸入電力保護裝置800亦包括一齊納二極體830(其可係一類型之TVS二極體且通常可稱作一齊納二極體裝置)，齊納二極體830充當輸入電力保護裝置800之一過電壓保護部分。
圖8A中所展示之控制電路820包括一電阻器824及正向偏壓二極體822(其包括二極體D1到二極體DN)。電阻器824耦合於JFET裝置810之一閘極812與一源極811之間。在此實施例中，二極體822經組態以與齊納二極體830一起操作以加速JFET裝置810至一電流限制狀態的改變。特定而言，二極體822可經組態以回應於二極體822之溫度增加而朝向接地拉動JFET裝置810之一閘極812之一電壓。在某些實施例中，二極體822可包括3個以上二極體(例如，25個二極體、100個二極體)。在某些實施例中，二極體822可包括3個以下二極體(例如，一個二極體、兩個二極體)。
如圖8A中所展示，二極體822之溫度可回應於自JFET裝置810轉移至二極體822之熱H1而增加。而且，二極體822之溫度可回應於自齊納二極體830轉移至二極體822之熱H2而增加。在某些實施例中，熱H2可係回應於流動穿過齊納二極體830之電流而產生。在某些實施例中，二極體822之溫度可係回應於流動穿過二極體822之電流而增加，當電流正流動穿過二極體822時二極體822可被正向偏壓。
在某些實施例中，電阻器724(其可熱耦合至JFET裝置 810及/或齊納二極體830)可具有一正溫度係數(PTC)以促進(或主要導致)JFET裝置810之加速關斷。在某些實施例中，可替代二極體822中之一或多者使用具有一負溫度係數(NTC)之一電阻器(其可熱耦合至JFET裝置810及/或齊納二極體830)，以產生由二極體822產生之加速關斷效應。在某些實施例中，使用一或多個NTC及/或PTC電阻裝置可消除對齊納二極體830之需要以展現一PTC特性。
圖8B係圖解說明齊納二極體830及圖8A中所展示之二極體822之溫度特性之一曲線圖。圖8B中之曲線圖假設二極體822包括24個二極體(具有大約0.7 V之一室溫正向電壓降)。如圖8B中所展示，跨越二極體822的電壓82隨著溫度增加而降低，且跨越齊納二極體的電壓84隨著溫度增加而增加。跨越齊納二極體830的電壓84在大於25℃下大約為13.2 V，且跨越二極體822的電壓82在大約25℃下大約為16.6 V。
如圖8B中所展示，在大約160℃下JFET裝置810之閘極至源極電壓(VGS )大約為0 V，此乃因其係跨越二極體822的電壓等於跨越齊納二極體830的電壓之點(假設輸入電力保護裝置800正接收一能量脈衝且電阻824相對小)。在超出160℃之溫度下，跨越齊納二極體830的電壓84與跨越二極體822的電壓82之間的差可驅動施加至JFET裝置810之閘極電壓之增加。在某些實施例中，即使JFET裝置810之溝渠可在大於大約160℃之一溫度下開始關斷。在某些實施例中，即使JFET裝置810之溝渠可在大於大約160℃之一溫度 下開始關斷，JFET裝置810也可不限制穿過JFET裝置810的電流，此乃因JFET裝置810可能尚未飽和。如圖8B中所展示，結合二極體822之負溫度係數使用齊納二極體830之擊穿電壓之正溫度係數，以觸發JFET裝置810限制穿過JFET裝置810的電流。
圖8C係圖解說明圖8A中所展示之輸入電力保護裝置800之組件之實例性規格之一表格。在此實施例中，當超過齊納二極體830之VGS時，JFET裝置810將完全關斷(或幾乎完全關斷)。儘管未展示，但可藉由增加齊納二極體830之擊穿電壓及/或藉由減小二極體822之總電壓降(透過較少二極體或降低二極體822中之至少一些二極體之正向降電壓)來降低JFET裝置810關斷(或幾乎完全關斷)時之溫度。。由此得出，可藉由降低齊納二極體830之擊穿電壓及/或藉由增加二極體822之總電壓降(透過較多二極體或增加二極體822中之至少一些二極體之正向降電壓)來增加JFET裝置810關斷(或幾乎完全關斷)時之溫度。類似地，JFET裝置810可經組態以飽和且分別在JFET裝置810之VGS 關斷電壓降低或增加之情形下在一較低或較高電壓下關斷(或幾乎完全關斷)。
僅藉助實例方式呈現圖8C中所展示之參數。在某些實施例中，JFET裝置810之參數可不同於圖8C中所展示之彼等參數。舉例而言，最小BVGDS 可高於26 V或低於26 V。作為另一實例，VG (關斷)可高於-2 V或低於-2 V。
圖9係圖解說明一種用於操作一輸入電力保護裝置之方 法之一流程圖。輸入電力保護裝置可與上文所闡述之輸入電力保護裝置(例如，結合圖1所闡述之輸入電力保護裝置100)中的一或多者類似或相同。
如圖9中所展示，在一過電壓保護裝置處於一擊穿狀態時在該過電壓保護裝置處接收一電流(方塊910)。在某些實施例中，該電流可與一瞬變事件(例如，一能量脈衝)相關聯。在某些實施例中，該瞬變事件可經組態以觸發過電壓保護裝置改變至擊穿狀態。在某些實施例中，過電壓保護裝置可係一齊納二極體。
基於該電流且基於該過電壓保護裝置之一擊穿電壓而產生一回饋電壓(方塊920)。在某些實施例中，該回饋電壓是基於溫度(其係穿過過電壓保護裝置的電流之一函數)之過電壓保護裝置之電壓上升之一函數。在某些實施例中，該回饋電壓可係由一控制電路產生。在某些實施例中，該控制電路可包括一或多個電阻器、二極體、齊納二極體及/或等等。在某些實施例中，該控制電路可包括具有回應於溫度而降低之一電壓之一或多個組件。因此，控制電路之至少一或多個部分可具有一負溫度係數。
將回饋電壓提供至耦合至過電壓保護裝置之一過電流保護裝置(方塊930)。在某些實施例中，過電流保護裝置可係一JFET裝置、一ACCUFET裝置及/或等等。在某些實施例中，該過電流保護裝置可串聯安置於一輸入電力保護裝置內且可具有耦合至該過電壓保護裝置之一輸出端子。在某些實施例中，該回饋電壓可係由耦合至過電流保護裝置及 過電壓保護裝置之一控制電路提供。
將過電流保護裝置自一接通狀態改變至一電流限制狀態或回應於溫度而減小電流限制狀態之一電流限制(方塊940)。在某些實施例中，過電流保護裝置可經組態以在處於電流限制狀態時以飽和狀態而操作。在某些實施例中，過電壓保護裝置之擊穿電壓可回應於熱而增加。因此，過電壓保護裝置可具有帶有一正溫度係數之一擊穿電壓。在某些實施例中，過電流保護裝置改變至電流限制狀態的點可取決於與一能量脈衝相關聯之能量等級(例如，電流之位準、熱之等級)。在某些實施例中，一輸入電力保護裝置之一或多個部分可整合成一單個離散組件，以促進該輸入電力保護裝置之該(等)部分之間的熱轉移。
在一項一般態樣中，一種設備可包括一過電流保護裝置及一過電壓保護裝置，該過電壓保護裝置耦合至該過電流保護裝置且經組態以在該過電壓保護裝置之一擊穿電壓回應於熱而增加之後致使該過電流保護裝置降低穿過該過電壓保護裝置的一電流。
本文所闡述之各種技術之實施方案可以數位電子電路或以電腦硬體、韌體、軟體或其組合來實施。方法之部分可由專門用途邏輯電路(例如，一FPGA(現場可程式化閘陣列)或一ASIC(專用積體電路))執行，且一設備(例如，該輸入電力保護裝置)可實施於專門用途邏輯電路(例如，FPGA(現場可程式化閘陣列)或ASIC(專用積體電路))內。
一些實施方案可係使用各種半導體處理及/或封裝技術 來實施。某些實施例可係使用與半導體基板(包括但不限於(舉例而言)矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)及/或等等)相關聯之各種類型之半導體處理技術來實施。
雖然已如本文所闡述圖解說明瞭所闡述之實施方案之某些特徵，但熟習此項技術者現在將能想出諸多修改形式、替代形式、改變及等效形式。因此，應理解，隨附申請專利範圍意欲涵蓋歸屬於該等實施例之範疇內之所有此等修改形式及改變。應理解，已僅藉助實例方式而非限制方式呈現該等實施例，且可做出形式及細節之各種改變。本文所闡述之設備及/或方法之任一部分可以任一組合形式來組合，除互斥組合之外。本文所闡述之實施例可包括所闡述之不同實施例之功能、組件及/或特徵之各種組合及/或子組合。
10‧‧‧計算裝置
100‧‧‧輸入電力保護裝置
102‧‧‧輸入端子
104‧‧‧輸出端子
106‧‧‧接地端子
110‧‧‧過電流保護部分
120‧‧‧控制電路
130‧‧‧過電壓保護部分
140‧‧‧負載
150‧‧‧電源
200‧‧‧輸入電力保護裝置
202‧‧‧輸入端子
204‧‧‧輸出端子
206‧‧‧接地端子
210‧‧‧接面場效應電晶體裝置
211‧‧‧源極
212‧‧‧閘極
213‧‧‧汲極
220‧‧‧控制電路
230‧‧‧齊納二極體
600‧‧‧輸入電力保護裝置
610‧‧‧接面場效應電晶體裝置
620‧‧‧控制電路
630‧‧‧齊納二極體
700‧‧‧輸入電力保護裝置
710‧‧‧接面場效應電晶體裝置
711‧‧‧源極
712‧‧‧閘極
720‧‧‧控制電路
722‧‧‧齊納二極體
724‧‧‧電阻器
730‧‧‧齊納二極體
800‧‧‧輸入電力保護裝置
810‧‧‧接面場效應電晶體裝置
812‧‧‧閘極
820‧‧‧控制電路
822‧‧‧正向偏壓二極體
824‧‧‧電阻器
830‧‧‧齊納二極體
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧二極體
DN‧‧‧二極體
H1‧‧‧熱
H2‧‧‧熱
R21‧‧‧電阻器
R22‧‧‧電阻器
圖1係圖解說明一輸入電力保護裝置之一方塊圖。
圖2係一輸入電力保護裝置之組件之一示意圖。
圖3A係圖解說明圖2中所展示之齊納二極體之一擊穿電壓之一曲線圖。
圖3B係圖解說明跨越圖2中所展示之電阻器的電壓之一曲線圖。
圖3C係圖解說明穿過圖2中所展示之接面場效應電晶體(JFET)裝置的電流之一曲線圖。
圖4A到圖4E係圖解說明一輸入電力保護裝置之組件回應於一能量脈衝之行為之曲線圖。
圖5A到圖5E係圖解說明一輸入電力保護裝置之組件回應於另一能量脈衝之行為之曲線圖。
圖6係包括一控制電路之一輸入電力保護裝置之一示意圖。
圖7係包括一控制電路之另一輸入電力保護裝置之一示意圖。
圖8A係包括一控制電路之又一輸入電力保護裝置之一示意圖。
圖8B係圖解說明齊納二極體及圖8A中所展示之二極體之溫度特性之一曲線圖。
圖8C係圖解說明圖8A中所展示之輸入電力保護裝置之組件之實例性規格之一表格。
圖9係圖解說明一種用於操作一輸入電力保護裝置之方法之一流程圖。
10‧‧‧計算裝置
100‧‧‧輸入電力保護裝置
102‧‧‧輸入端子
104‧‧‧輸出端子
106‧‧‧接地端子
110‧‧‧過電流保護部分
120‧‧‧控制電路
130‧‧‧過電壓保護部分
140‧‧‧負載
150‧‧‧電源

Claims (28)

  1. 一種過電壓及過電流保護裝置，其包含：一輸入端子；一輸出端子；一過電流保護裝置，其耦合至該輸入端子及該輸出端子，該過電流保護裝置經組態以回應於一控制電壓而控制穿過該過電流保護裝置之一電流；及一過電壓保護裝置，其耦合至該過電流保護裝置及該輸出端子，該過電壓保護裝置經組態以回應於該過電壓保護裝置之一箝位電壓之熱誘發改變而致使該過電流保護裝置降低通過該過電流保護裝置之該電流。
  2. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一控制電路，其耦合至該過電流保護裝置且耦合至該過電壓保護裝置，該控制電壓係基於該控制電路之一熱回應而控制的。
  3. 如請求項1之裝置，其中該過電壓保護裝置經組態以在該過電壓保護裝置處於一擊穿狀態時回應於該過電壓保護裝置之該箝位電壓超過一觸發擊穿電壓而致使該過電流保護裝置降低該電流。
  4. 如請求項1之裝置，其中該過電壓保護裝置經組態以經由基於跨越該過電壓保護裝置之一電壓而產生之一回饋信號致使該過電流保護裝置降低該電流。
  5. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一分壓器，其並聯耦合至該過電壓保護裝置且包括至 少一個電阻器，該過電壓保護裝置經組態以基於經由該分壓器產生之一回饋電壓而致使該過電流保護裝置降低該電流。
  6. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一分壓器，其並聯耦合至該過電壓保護裝置且包括至少一個電阻器及複數個二極體，當該過電流保護裝置降低穿過該過電壓保護裝置之該電流時，該過電流保護裝置飽和。
  7. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一分壓器，其並聯耦合至該過電壓保護裝置且包括至少一個電阻器及複數個二極體。
  8. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一分壓器，其與該過電壓保護裝置及該過電流保護裝置一起整合至一封裝中，該分壓器熱耦合至該過電壓保護裝置或該過電流保護裝置中之至少一者。
  9. 如請求項1之裝置，其中該過電流保護裝置具有經組態以耦合至一電源之一第一端子，該過電流保護裝置具有耦合至該過電壓保護裝置之一第二端子。
  10. 如請求項1之裝置，其中該過電流保護裝置包括一接面場效應電晶體裝置，該接面場效應電晶體裝置具有安置於一電源與該過電壓保護裝置之間的一溝渠。
  11. 如請求項1之裝置，其中該過電壓保護裝置包括一齊納二極體，該齊納二極體之該箝位電壓具有一正溫度係數。
  12. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一控制電路，其熱耦合至該過電壓保護裝置或該過電流保護裝置中之至少一者，來自該過電壓保護裝置或過電流裝置中之該至少一者之熱致使該控制電路減小穿過該過電流保護裝置之電流降低之該控制電壓。
  13. 如請求項12之裝置，其中該控制電路包括一負溫度係數裝置、一正溫度係數裝置或複數個二極體中之至少一者。
  14. 如請求項1之裝置，其中該過電流保護裝置包括經組態以自一接通狀態改變至一電流限制狀態之一半導體切換裝置，該過電流保護裝置經組態以在處於該電流限制狀態時基於至該半導體切換裝置之一控制接針之電壓回饋而降低該電流。
  15. 一種用於過電壓及過電流保護之方法，其包含：在過電壓保護裝置處於一擊穿狀態時經由一過電流保護裝置在該過電壓保護裝置處接收一電流；基於該電流且基於該過電壓保護裝置之一擊穿電壓而產生一回饋電壓；將該回饋電壓提供至耦合至該過電壓保護裝置之該過電流保護裝置；及將該過電流保護裝置自一接通狀態改變至一電流限制狀態或回應於該過電壓保護裝置之一溫度改變而減小該電流限制狀態之一電流限制。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含： 回應於該過電壓保護裝置之該擊穿電壓之一改變而修改該電流限制狀態之一電流限制。
  17. 如請求項15之方法，其中當該擊穿電壓自低於一觸發擊穿電壓之一第一電壓改變至高於該觸發擊穿電壓之一第二電壓時，該過電壓保護裝置之該擊穿電壓超過該觸發擊穿電壓。
  18. 如請求項15之方法，其中該過電壓保護裝置之一溫度回應於穿過該過電壓保護裝置之電流而增加，該過電壓保護裝置之該擊穿電壓回應於溫度之增加而增加，直至該擊穿電壓超過一觸發擊穿電壓。
  19. 如請求項15之方法，其中來自該過電壓保護裝置或該過電流裝置中之至少一者之熱致使一控制電路減小一觸發擊穿電壓。
  20. 如請求項15之方法，其中回應於該過電流保護裝置自該接通狀態至該電流限制狀態之該改變而降低穿過該過電壓保護裝置之該電流。
  21. 如請求項15之方法，其中在一第一時間處執行該改變，回應於該過電流保護裝置在該第一時間處自該接通狀態至該電流限制狀態之該改變而降低穿過該過電壓保護裝置之該電流，該過電壓保護裝置之該溫度回應於電流之該降低而降低，該過電壓保護裝置之該擊穿電壓回應於溫度之該降低而下降至低於一觸發擊穿電壓，該方法進一步包含：回應於該過電壓保護裝置之該擊穿電壓下降至低於該 觸發擊穿電壓而在該第一時間之後的第二時間處將該過電流保護裝置自該電流限制狀態改變至該接通狀態。
  22. 如請求項15之方法，其中使在該過電壓保護裝置處所接收之該電流與一過電壓事件相關聯。
  23. 一種過電壓及過電流保護裝置，其包含：一第一端子，其經組態以接收一供應電壓；一第二端子，其經組態以提供該供應電壓至一電路負載；一過電壓保護裝置，其耦合至該第二端子，該過電壓保護裝置具有經組態以回應於該過電壓保護裝置之溫度之一增加而增加之一電壓限制；一過電流保護裝置，其耦合至該第一端子、該第二端子及該過電壓保護裝置，該過電流保護裝置被加偏壓至一接通狀態；及一控制電路，其與該過電壓保護裝置操作地耦合，該控制電路經組態以將跨越該過電壓保護裝置之一電壓之至少一部分提供至該過電流保護裝置，跨越該過電壓保護裝置之該電壓之至少該部分經組態以觸發過電流保護裝置自該接通狀態改變至一電流限制狀態，或回應於該過電壓保護裝置之溫度改變而減小該電流限制狀態之一電流限制。
  24. 如請求項23之裝置，其中跨越該過電壓保護裝置之該電壓之該至少該部分經組態以在該電壓限制回應於熱而增加且超過一觸發臨限電壓時觸發該過電流保護裝置自該 接通狀態改變至一電流限制狀態。
  25. 如請求項23之裝置，其中該控制電路包括並聯耦合至該過電壓保護裝置之一分壓器，該過電流保護裝置包括一接面場效應電晶體裝置，且該過電壓保護裝置包括一齊納二極體。
  26. 如請求項23之裝置，其中該控制電路經組態以回應於來自該過電流保護裝置或該過電壓保護裝置中之至少一者之熱而減小該過電流保護裝置之一觸發臨限電壓。
  27. 如請求項23之裝置，其中該過電流保護裝置包括一半導體裝置，該半導體裝置經組態以回應於一控制電壓而自該接通狀態改變至一電流限制狀態或減小其電流限制狀態。
  28. 如請求項23之裝置，其中該控制電路包括經組態以自一電壓調節狀態改變至一短路狀態的一齊納二極體。
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