提供過(guò)電流保護(hù)的電阻變化器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及提供過(guò)電流保護(hù)的電阻變化器件。一種過(guò)電流保護(hù)器件可以包括接收輸入電流的輸入端子；耦合至輸入端子的輸出端子；以及集成到硅襯底內(nèi)并且布置于輸入端子和輸出端子之間的電流限制器電路。所述電流限制器電路可以包括具有由第一電阻表征的通過(guò)狀態(tài)和由高于第一電阻的第二電阻表征的限制狀態(tài)的串聯(lián)通過(guò)元件，所述串聯(lián)通過(guò)元件包括集成到硅襯底內(nèi)的串聯(lián)電流感測(cè)元件，所述串聯(lián)電流感測(cè)元件被配置為接收輸入電流并基于接收到的輸入電流輸出感測(cè)電壓，其中，將所述串聯(lián)通過(guò)元件配置為在感測(cè)電壓指示輸入電流超過(guò)預(yù)定電平時(shí)將電流限制器電路置于限制狀態(tài)。
【專利說(shuō)明】
提供過(guò)電流保護(hù)的電阻變化器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)施例涉及電路保護(hù)器件領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及通過(guò)觸發(fā)電阻變化而提供過(guò)電流保護(hù)的保護(hù)器件。
【背景技術(shù)】
[0002]電路保護(hù)器件與所要保護(hù)的電路中的一個(gè)或多個(gè)部件形成電連接。這些保護(hù)器件中的某些器件用于保護(hù)電路避免遭受過(guò)高的電流，而其他器件則可以提供針對(duì)出現(xiàn)電壓尖脈沖時(shí)的過(guò)壓瞬變提供保護(hù)。一種類型的用于過(guò)壓保護(hù)的器件是齊納二極管，其被設(shè)計(jì)為具有特定的反向擊穿電壓，該反向擊穿電壓是二極管受到反向偏置時(shí)的傳導(dǎo)電壓。通過(guò)對(duì)p-n結(jié)進(jìn)行摻雜從而允許電子從P型材料隧穿至η型材料而對(duì)其加以控制。另一種類型的過(guò)電壓保護(hù)裝置是雪崩擊穿二極管，在發(fā)生過(guò)壓狀況時(shí)，其以雪崩擊穿處的載流子碰撞倍增來(lái)工作的。
[0003]熔絲(或熔性連接)代表用于限制或終止電流的常見(jiàn)類型的保護(hù)器件。熔絲可以在通過(guò)其傳導(dǎo)的電流超過(guò)預(yù)定極限時(shí)提供開(kāi)路從而限制或終止電流，對(duì)于不同的熔絲而言所述極限根據(jù)熔絲額定值而變化。盡管熔絲操作可用于確保通過(guò)所要保護(hù)的器件或電路傳導(dǎo)的電流不超過(guò)安全值，但是一個(gè)缺點(diǎn)是一旦熔絲斷開(kāi)，就會(huì)使受保護(hù)的元件不工作直到更換熔絲為止。盡管某些類型的過(guò)電壓保護(hù)器件是可逆的，但是過(guò)電壓保護(hù)器件可能無(wú)法提供與熔絲可以提供的一樣的過(guò)電流保護(hù)功能。正是對(duì)于這些以及其他考慮而言才需要本發(fā)明的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，一種集成到硅襯底內(nèi)的過(guò)電流保護(hù)器件包括:接收輸入電流的輸入端子;耦合至所述輸入端子的輸出端子；以及集成到硅襯底內(nèi)的電流限制器電路。所述電流限制器電路布置于輸入端子和輸出端子之間并且包括:具有以第一電阻為表征的通過(guò)狀態(tài)和以高于第一電阻的第二電阻為表征的限制狀態(tài)的串聯(lián)通過(guò)元件，所述串聯(lián)通過(guò)元件包括集成到硅襯底內(nèi)的串聯(lián)電流感測(cè)元件，所述感測(cè)元件被配置為接收輸入電流并在接收到的輸入電流的基礎(chǔ)上輸出感測(cè)電壓，其中，所述串聯(lián)通過(guò)元件被配置為在感測(cè)電壓指示輸入電流超過(guò)了預(yù)定電平時(shí)將所述電流限制器電路置于限制狀態(tài)。
[0005]在另一實(shí)施例中，一種采用集成到硅襯底內(nèi)的過(guò)電流保護(hù)器件限制電流的方法可以包括在串聯(lián)通過(guò)元件處于具有第一電阻的通過(guò)狀態(tài)時(shí)通過(guò)集成到硅襯底內(nèi)的串聯(lián)通過(guò)元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子，采用串聯(lián)電流感測(cè)元件檢測(cè)輸入電流達(dá)到了預(yù)定電平;將串聯(lián)通過(guò)元件切換至具有高于第一電阻的第二電阻的限制狀態(tài)；以及通過(guò)處于限制狀態(tài)的串聯(lián)通過(guò)元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子，其中，所述輸入電流不超過(guò)預(yù)定電平。
【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1A描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的電流限制器電路的實(shí)施例；
[0007]圖1B示出了包括圖1A的電流限制器的示范性保護(hù)電路；
[0008]圖2描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的電流限制器電路的電路圖；
[0009]圖2A描述了根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的電流限制器電路的電路圖；
[0010]圖2B描述了根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的電流限制器電路的電路圖；
[0011]圖2C-2F描述了圖2A的電流限制器電路的示范性操作；
[0012]圖3描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的過(guò)電壓保護(hù)電路的電路圖；
[0013]圖3A描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的另一過(guò)電壓保護(hù)電路的電路圖；
[0014]圖3B描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的另一過(guò)電壓保護(hù)電路的電路圖；
[0015]圖3C描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的另一過(guò)電壓保護(hù)電路的電路圖；
[0016]圖3D描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的另一過(guò)電壓保護(hù)電路的電路圖；
[0017]圖4描述了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的提供分路過(guò)電壓保護(hù)和串聯(lián)電流限制的保護(hù)電路的電路圖；
[0018]圖5描述了圖4的保護(hù)電路的部件的半導(dǎo)體層表示。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在下文中將參考示出了各種實(shí)施例的附圖更充分地描述本發(fā)明的實(shí)施例。可以通過(guò)很多種不同的形式體現(xiàn)所述實(shí)施例，不應(yīng)將其推斷為局限于文中闡述的實(shí)施例。提供這些實(shí)施例是為了使本公開(kāi)透徹、完整并將本實(shí)施例的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，始終采用類似的附圖標(biāo)記表示類似的元件。
[0020]在本公開(kāi)的各種實(shí)施例中，一種設(shè)備可以包括具有集成到硅襯底內(nèi)的雙穩(wěn)定過(guò)電流限制器的形式的保護(hù)電路。所述雙穩(wěn)定過(guò)電流限制器可以以兩種穩(wěn)定狀態(tài)為特征。值得注意的是，與已知熔絲的操作不同，所述雙穩(wěn)定過(guò)電流限制器可以在所述穩(wěn)定狀態(tài)之間來(lái)回切換。在各種實(shí)施例中，所述設(shè)備可以包括接收輸入電流的輸入端子、耦合至輸入端子的輸出端子以及包括設(shè)置在輸入端子和輸出端子之間的串聯(lián)通過(guò)元件以及集成到所述硅襯底內(nèi)的串聯(lián)感測(cè)元件的電流限制器電路。所述串聯(lián)通過(guò)元件可以具有通過(guò)狀態(tài)和限制狀態(tài)，所述通過(guò)狀態(tài)具有第一電阻，所述限制狀態(tài)具有高于第一電阻的第二電阻?？梢詫⑺龃?lián)電流感測(cè)元件配置為檢測(cè)輸入電流以及在檢測(cè)到的輸入電流的基礎(chǔ)上輸出感測(cè)電壓，其中，將所述串聯(lián)通過(guò)元件配置為在感測(cè)電壓指示輸入電流超過(guò)預(yù)定電平時(shí)將所述電流限制器電路置于限制狀態(tài)。
[0021]在各實(shí)施例中，還可以包含分路過(guò)電壓保護(hù)電路連同電流限制器。在一些實(shí)施例中，可以獨(dú)立于過(guò)電流電路提供分路過(guò)電壓保護(hù)，或者在其他實(shí)施例中，可以采用分路過(guò)電壓觸發(fā)電流限制器電路。
[0022]例如，在具體實(shí)施例中，所述保護(hù)電路可以包括串聯(lián)電流限制器級(jí)，還包括耦合至所述輸入端子和輸出端子的分路過(guò)電壓級(jí)，該分路過(guò)電壓級(jí)沿與所述第一電流通路電并聯(lián)的電通路布置，其中，將所述分路過(guò)電壓級(jí)配置為當(dāng)在輸入端子或輸出端子處檢測(cè)到的主電壓超過(guò)預(yù)定主電壓電平時(shí)限制輸入端子和輸出端子之間的電流。
[0023]在一些實(shí)施例中，可以將所述串聯(lián)通過(guò)元件配置為單向通過(guò)元件，而在其他實(shí)施例中，可以將所述串聯(lián)通過(guò)元件配置為雙向通過(guò)元件。在其他實(shí)施例中，所述分路過(guò)電壓級(jí)可以包括單向或雙向(3端子)過(guò)電壓元件。在具體實(shí)施例中，額外的端子可以在兩個(gè)4端子器件之間提供狀態(tài)變化。
[0024]圖1A示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的電流限制器電路100的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，可以將電流限制器電路100的至少一些部件實(shí)施到硅襯底中。電流限制器電路100包括輸入端子102和輸出端子104。通過(guò)限制可以通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)部件的最大電流，電流限制器電路100可以被布置以保護(hù)其他部件(未示出)。電流限制器電路100包括布置到在輸入端子102和輸出端子104之間延伸的電流通路106內(nèi)的電阻器108。還將電流限制器110布置到電流通路106內(nèi)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)將其圖示為開(kāi)關(guān)。電流限制器(開(kāi)關(guān))110可以以兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài)存在，其向(例如)在輸入端子102和輸出端子104之間延伸的電流通路106賦予兩個(gè)不同的電阻。如圖1A所示，電流限制器電路100還包括感測(cè)元件112，可以將其布置為檢測(cè)沿電流通路106流動(dòng)的電流。例如，可以借助于電阻器108檢測(cè)到跨感測(cè)元件112的感測(cè)電壓。感測(cè)元件112和電流限制器110可以充當(dāng)按照兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài)工作的通過(guò)電路或通過(guò)元件。在以通過(guò)狀態(tài)(未示出)工作時(shí)，電流通路106可以表現(xiàn)出第一電阻，其允許電流在輸入端子102和輸出端子104之間流動(dòng)。感測(cè)元件112可以確定檢測(cè)到的電壓的電平低于通過(guò)狀態(tài)將被關(guān)閉的閾值。假設(shè)電流提高，那么可通過(guò)感測(cè)元件112檢測(cè)到預(yù)定感測(cè)電壓電平，其對(duì)應(yīng)于指示達(dá)到了最大容許電流的預(yù)定輸入電流電平。其可以觸發(fā)感測(cè)元件112通過(guò)致動(dòng)器114向電流限制器(開(kāi)關(guān))110發(fā)送信號(hào)，使之將狀態(tài)改為限制狀態(tài)(如圖1A示意性所示)，該狀態(tài)具有高于第一電阻的第二電阻。如下文詳述的，電流限制器110的電路元件中的至少一些實(shí)現(xiàn)為形成于娃襯底內(nèi)的半導(dǎo)體器件。
[0025]在各實(shí)施例中，可以通過(guò)實(shí)施到硅或其他半導(dǎo)體襯底內(nèi)的半導(dǎo)體元件來(lái)實(shí)施電流限制器電路100，所述半導(dǎo)體元件包括P/N結(jié)二極管、雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0026]在各實(shí)施例中，可以將電流限制器110實(shí)現(xiàn)為包括兩個(gè)電并聯(lián)的電流通路的電路，其中，在處于通過(guò)狀態(tài)時(shí)沿形成電流通路106的一部分的第一電流通路(未示出)來(lái)傳輸電流，且在處于限制狀態(tài)時(shí)沿形成電流通路106的交替部分的第二電流通路(未示出)來(lái)通過(guò)電流，所述第一電流通路和第二電流通路彼此電并聯(lián)。第一電流通路被配置為具有第一電阻，其低于第二電流通路的第二電阻。在具體實(shí)施例中，第一電流通路可以包括主可控硅整流器(SCR)，且第二電流通路可以包括耦合至主SCR的輔助器件，從而使得第一電流通路的第一電阻和第二電流通路的第二電阻由主SCR和輔助器件的相應(yīng)電阻決定，其中這兩個(gè)器件都可以被實(shí)施到共同的硅襯底內(nèi)。
[0027]現(xiàn)在來(lái)看圖1B，其示出了包括電流限制器電路100的保護(hù)電路120。在本范例中，保護(hù)電路120還包括額外的電流通路，即電流通路126，電流通路126被設(shè)置到輸入端子102和輸出端子104之間，并形成與電流通路106并聯(lián)(如圖1A所示)。在操作當(dāng)中，保護(hù)電路120可以利用電流限制器電路100提供電流限制。此外，保護(hù)電路120可以包括一對(duì)二極管，其中，將一對(duì)二極管布置為彼此反并聯(lián)(ant1-parallel)。如圖1B所示，所述保護(hù)電路包括沿電流通路126被布置為陽(yáng)極相互連接的二極管122和二極管124。因而，二極管122和二極管124可以限制沿電流通路126的電壓。因而，在過(guò)壓狀態(tài)下通過(guò)沿電流通路126分路電流而提供過(guò)電壓保護(hù)，電流通路126起著公共端子的作用。
[0028]如上所述，在各種實(shí)施例中，限流電路可以包括多個(gè)SCR。本領(lǐng)域已知，SCR是電流控制器件，其實(shí)施在四個(gè)摻雜半導(dǎo)體層內(nèi)，所述四個(gè)摻雜半導(dǎo)體層在硅襯底中按照N-P-N-P順序布置。因而，SCR形成了三個(gè)單獨(dú)的P-N結(jié)，還包括三個(gè)端子。SCR(SCR陽(yáng)極)的陽(yáng)極端子連接至PNPN結(jié)構(gòu)的外P型層，陰極端子連接至外N型層，同時(shí)SCR的柵極連接至離陰極最近的(內(nèi)側(cè))P型層。已知的SCR具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，其中，要么當(dāng)SCR處于閂鎖低電阻導(dǎo)電狀態(tài)(ON狀態(tài))時(shí)有大電流流過(guò)SCR，要么沒(méi)有電流流過(guò)。
[0029]在一些實(shí)施例中，可以由敏感的柵極主SCR或者執(zhí)行類似功能的替代電路來(lái)構(gòu)造所述串聯(lián)通過(guò)元件。具體而言，主SCR可以具有來(lái)自陽(yáng)極的柵極電流饋線，該柵極電流饋線被配置為使得在連接了負(fù)載時(shí)隨著電源電壓的升高，柵極電流從連接陽(yáng)極的饋線流入到主SCR內(nèi)，直到內(nèi)部再生(regenerat1n)將主SCR置于閂鎖低電阻導(dǎo)電狀態(tài)為止。之后，主SCR可以保持在Vt導(dǎo)電狀態(tài)內(nèi)，直到去除了電源或負(fù)載，或者使電源電壓下降到一定值，從而使SCR去閂鎖并且電流回到柵極饋電電阻器和柵極一陰極電流通路為止。
[0030]在各種實(shí)施例中，電流限制器電路除了包括主SCR之外還可以包括閂鎖或“開(kāi)啟”電路，所述電路被配置為將電流驅(qū)動(dòng)到主SCR的柵極內(nèi)，從而將主SCR置于低電阻ON狀態(tài)條件內(nèi)。電流限制器電路還可以包括輔助電路，例如，硅可控開(kāi)關(guān)(SCS)。已知，可以認(rèn)為SCS構(gòu)成了硅可控整流器，其中，PNP型晶體管的內(nèi)部N基極和NPN型晶體管的集電極連接至另一外部端子，以充當(dāng)陽(yáng)極柵極。
[0031]如下面的實(shí)施例中所詳述的，所述開(kāi)啟電路、主SCR和輔助電路可以是互操作的，從而控制通過(guò)電流限制器電路的電流傳導(dǎo)，使得電流限制器電路在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。在正常電流條件下，電流限制器電路起著引導(dǎo)電流通過(guò)主SCR的作用，所述主SCR保持在ON狀態(tài)內(nèi)，以提供低電阻通路。在過(guò)電流狀況下，電流限制器電路起著引導(dǎo)電流通過(guò)輔助電路的作用，所述輔助電路提供了高電阻通路。
[0032]在特定實(shí)施例中，電流限制器電路可以包括串聯(lián)電流感測(cè)元件，其用于檢測(cè)通過(guò)電流并且位于主SCR的陽(yáng)極或者陰極內(nèi)?？梢圆捎每绱?lián)電流感測(cè)元件出現(xiàn)的電壓來(lái)觸發(fā)包括SCS的較小的輔助電路，從而當(dāng)由負(fù)載表現(xiàn)出預(yù)定過(guò)電流狀況時(shí)將SCS觸發(fā)到ON狀態(tài)。SCS可以被布置為主SCR絕滅(starve)內(nèi)部再生電流，其使得主SCR退化到OFF狀態(tài)，從而使包含SCS的電路作為從輸入端子到輸出端子的唯一保留電路。與主SCR相比，SCS可以具有更小的實(shí)際尺寸，并且在處于ON狀態(tài)時(shí)與主SCR的電阻相比將相應(yīng)地呈現(xiàn)出更大的電阻。因而，可以通過(guò)主SCR Vt傳導(dǎo)ON狀態(tài)電阻與SCS被置于ON狀態(tài)時(shí)的輔助電路剩余導(dǎo)電通路電阻的比值來(lái)確定在通過(guò)狀態(tài)和限制狀態(tài)之間電流限制器的電阻變化。
[0033]在各實(shí)施例中，可以采用被構(gòu)造為背對(duì)背的或者反并聯(lián)的電流限制器件提供雙向電流流動(dòng)。此外，還可以將本發(fā)明的實(shí)施例的電流限制器件實(shí)施到AC電源上。本發(fā)明的實(shí)施例的此類電流限制器可能不適于用作“安全”熔絲，因?yàn)椤坝须?live)部分”可能在不同的操作狀態(tài)中存在。
[0034]在下面的附圖中介紹可以實(shí)施到硅襯底內(nèi)的電流保護(hù)電路以及電壓保護(hù)電路的示范性實(shí)施方式。
[0035]圖2示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的電流限制器電路200的電路圖。在這一實(shí)施例中，可以將電流限制器電路200至少部分地實(shí)施到硅襯底內(nèi)，尤其是實(shí)施到多個(gè)摻雜半導(dǎo)體層內(nèi)。電流限制器電路200包括由第一PNP型晶體管204和第一NPN型晶體管206構(gòu)成的主SCR202，其中，將第一 PNP型晶體管204的集電極連接至第一 NPN型晶體管206的基極。
[0036]電流限制器電路200還包括第二PNP型晶體管208，其中，其發(fā)射極連接至第一 NPN型晶體管206的基極。此外，電流限制器電路200包括第三PNP型晶體管210，其中，其集電極連接至第一 PNP型晶體管204的基極和第一 NPN型晶體管206的集電極。因而，第二 PNP型晶體管208可以充當(dāng)主SCR 202的驅(qū)動(dòng)器。第二PNP型晶體管208尤其可以充當(dāng)主SCR 202的開(kāi)啟部件，其工作方式是從主SCR 202的陰極柵極(P柵極，例如，第一NPN型晶體管206的基極)來(lái)拉出電流。在其他實(shí)施例中，NPN型晶體管可以被用作推布置(push arrangement)，以驅(qū)動(dòng)所述陰極柵極。類似地，可以以推或拉布置來(lái)使用PNP型晶體管或NPN型晶體管，以驅(qū)動(dòng)主SCR 202的陽(yáng)極柵極(N柵極，例如，第一PNP型晶體管204的基極)。以推布置使用NPN型晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)SCR的P柵極的優(yōu)點(diǎn)在于，NPN型晶體管一般可以表現(xiàn)出低電流增益，從而以最低的可能基極電流來(lái)觸發(fā)SCR開(kāi)啟。采用PNP型晶體管驅(qū)動(dòng)器從SCR的N柵極牽拉可以取得有關(guān)向硅襯底內(nèi)的集成的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。
[0037]電流限制器電路200還包括二極管212，其陰極連接至第一PNP型晶體管204的發(fā)射極。所述電流限制器電路還包括第二 NPN型晶體管211，其集電極連接至第三PNP型晶體管210的基極。第二NPN型晶體管211和第三PNP型晶體管210可以充當(dāng)硅可控開(kāi)關(guān)或SCS 214，下文將詳述其操作。電流限制器電路200還可以包括如圖所示的電阻器R1、R2、R3、R3’和R4的串聯(lián)。下文將描述電流限制器電路200的各種變型的詳細(xì)操作。
[0038]簡(jiǎn)言之，在通過(guò)狀態(tài)下，電流限制器電路200的主SCR 202可以存在于ON狀態(tài)，因而電流限制器電路200可以呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)于主SCR 202的ON狀態(tài)電阻的電阻。電流限制器電路200可以被配置為在輸入電流超過(guò)預(yù)定電平時(shí)通過(guò)將主SCR 202切換到OFF狀態(tài)而從通過(guò)狀態(tài)切換至限制狀態(tài)，在限制狀態(tài)中，電流不再通過(guò)主SCR流動(dòng)。已知，在SCR內(nèi)的陽(yáng)極電流降至保持電流的電平以下時(shí)，SCR關(guān)閉。在一種實(shí)施方式中，可以通過(guò)將可以在通過(guò)狀態(tài)下通過(guò)電流限制器電路200的電流負(fù)荷的一部分分流到與包括主SCR 202的通路并聯(lián)的并聯(lián)電流通路內(nèi)而達(dá)到這一目的。例如，所述并聯(lián)電通路可以通過(guò)上文討論的輔助電路，其中，所述輔助電路包括SCS，其中，與主SCR 202處于ON狀態(tài)的電阻相比，在SCS處于ON狀態(tài)時(shí)輔助電路將表現(xiàn)出更高的電阻。因而，在主SCR 202被切換至OFF狀態(tài)時(shí)，可以將剩余的電流路由為通過(guò)SCS，從而建立高得多的電阻，并由此限制最高電流。
[0039]接下來(lái)，電流限制器電路200可以在輸入電流降至預(yù)定電平以下時(shí)實(shí)施操作，從而使主SCR 202返回ON狀態(tài)。
[0040]圖2A描繪了根據(jù)本公開(kāi)的其他實(shí)施例的電流限制器電路220。可以認(rèn)為電流限制器電路220是電流限制器電路200的變型，其中，采用相同附圖標(biāo)記標(biāo)示類似的元件。此外，電流限制器電路220中的元件的布置與電流限制器電路200的元件布置類似。具體而言，第二PNP型晶體管208起著主SCR 202的開(kāi)啟部件的作用，其從主SCR 202的陰極柵極(第一NPN型晶體管206的基極)來(lái)拉出電流。
[0041 ]電流限制器電路220還包括感測(cè)電阻器Rsense，其在第三PNP型晶體管210的基極和二極管212的陰極的輸出之間延伸。可以采用Rsense觸發(fā)電流限制器電路220中的開(kāi)關(guān)，從而將電流限制器電路220的狀態(tài)從通過(guò)狀態(tài)改為限制狀態(tài)，如下文所詳細(xì)闡述的。
[0042]圖2B描繪了根據(jù)本公開(kāi)的其他實(shí)施例的電流限制器電路240?？梢哉J(rèn)為電流限制器電路240是電流限制器電路200的變型，其中，采用相同附圖標(biāo)記標(biāo)示類似的元件。電流限制器電路240還包括第三NPN型晶體管242，其起著主SCR 202的開(kāi)啟部件的作用，該部件將推動(dòng)針對(duì)主SCR 202的陰極柵極(第一NPN型晶體管206的基極)的電流。電流限制器電路240還包括感測(cè)電阻器Rsense，其在第一 NPN型晶體管206的發(fā)射極和第三PNP型晶體管210的集電極之間延伸?？梢圆捎肦sense觸發(fā)電流限制器電路220中的開(kāi)關(guān)，從而將電流限制器電路220的狀態(tài)從通過(guò)狀態(tài)改為限制狀態(tài)，如下文所詳細(xì)闡述的。
[0043]在操作當(dāng)中，電流限制器電路220或電流限制器電路240可以將相應(yīng)的電路置于三種可能的狀態(tài)之一內(nèi):I)開(kāi)啟條件，其是指在晶體管，其中，開(kāi)啟元件變?yōu)橄蛑鱏CR 202傳導(dǎo)；2)通過(guò)狀態(tài)，其中，將主SCR 202置于再生ON狀態(tài)，其將賦予相對(duì)較低的電阻；以及3)限制狀態(tài)，其中，主SCR 202因SCS 214的動(dòng)作而退化，從而使得開(kāi)啟電流通過(guò)SCS 214而轉(zhuǎn)向，并呈現(xiàn)出以通過(guò)SCS 214的具有相對(duì)較高的電阻的電流通路為特征的限制狀態(tài)。
[0044]圖2C-2F示出了根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施例的電流限制器電路220的示范性操作。電流限制器電路220被示為處于上文所述的不同狀態(tài)。盡管在接下來(lái)的附圖中將詳細(xì)示出電流限制器電路220的操作，但是可以容易地認(rèn)識(shí)到電流限制器電路240可以類似地操作。實(shí)施例不限于這一語(yǔ)境。
[0045]在圖2C中示出了處于通過(guò)狀態(tài)的電流限制器電路220的操作的例子，在通過(guò)狀態(tài)中，主SCR 202處于ON狀態(tài)。可以假設(shè)通過(guò)電流限制器電路220的電流負(fù)荷處于正常范圍內(nèi)，其中，通過(guò)主SCR的導(dǎo)電通路形成為如電流通路252所示。在這種情況下，主SCR 202處于再生模式內(nèi)，并且被閂鎖(latch)到ON狀態(tài)，從而使電流如在輸入端子和輸出端子之間的通過(guò)主SCR 202的電流通路252所示的來(lái)傳輸。在這種情況下，SCS 214處于OFF狀態(tài)，其中，不存在通過(guò)SCS 214的導(dǎo)電通路。
[0046]在圖2D中示出了過(guò)電流狀況的例子，其中，在輸入端子和輸出端子之間傳輸?shù)碾娏鞒^(guò)了預(yù)定極限，如電流通路254所示。這一極限可以對(duì)應(yīng)于通過(guò)Rsense的預(yù)定感測(cè)電阻。具體而言，過(guò)電流狀況可能導(dǎo)致通過(guò)二極管212形成某一電壓，該電壓足以通過(guò)Rsense使得SCS 214進(jìn)入ON狀態(tài)并開(kāi)始傳導(dǎo)電流。在SCS 214變得導(dǎo)電時(shí)，輸入端子和輸出端子之間的電流通路256可以如圖所示來(lái)形成。之后，第三PNP型晶體管210利用第二NPN型晶體管211再生。
[0047]如圖2E所示，由于第三PNP型晶體管210的基極如圖所示連接至SCR 202，因而在SCS 214進(jìn)入ON狀態(tài)時(shí)，這一再生通過(guò)導(dǎo)電通路258使得主SCR 202的再生電流從第一PNP型晶體管204轉(zhuǎn)向。因此，第一PNP型晶體管204由第一NPN型晶體管206退化，其將主SCR 202置于OFF狀態(tài)。
[0048]在圖2F中示出了由于圖2D和圖2E的過(guò)電流狀況而將主SCR 202置于OFF狀態(tài)之后處于限制狀態(tài)的電流限制器電路220的操作的例子。由于第三PNP型晶體管210和第二 NPN型晶體管211處于再生狀態(tài)，因而主SCR 202保持在OFF狀態(tài)內(nèi)，并且避免第二PNP型晶體管208從主SCR 202的陽(yáng)極柵極拉出觸發(fā)電流。
[0049]在接下來(lái)的階段當(dāng)中，電流限制器電路220被布置為檢測(cè)輸入電流何時(shí)降至閾值以下，以表明過(guò)電流狀態(tài)已經(jīng)停止，繼而在過(guò)電流狀況停止時(shí)返回通過(guò)狀態(tài)。這一點(diǎn)是通過(guò)上文詳述的電流限制器電路220中的部件的布置和固有操作自動(dòng)完成的。因而，在外部影響(例如，消除了故障和/或關(guān)閉了電源或者暫時(shí)反轉(zhuǎn)了電源極性)降低了從輸入端子流向輸出端子的電流時(shí)，通過(guò)SCS 214的電流可能降至SCS 214的內(nèi)部定義保持電流以下，從而使得SCS 214自然退化到OFF狀態(tài)。在SCS 214恢復(fù)OFF狀態(tài)時(shí)，“開(kāi)啟”電流的轉(zhuǎn)向以及主SCR202的再生電流的轉(zhuǎn)向停止。因此，由于恢復(fù)了流入到主SCR 202的柵極內(nèi)的電流而通過(guò)包括第二PNP型晶體管208的開(kāi)啟電路再次將主SCR 202觸發(fā)到ON狀態(tài)。
[0050]可以根據(jù)諸如電阻器R3’以及SCS 214的部件的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)電流限制器電路220的電阻的相對(duì)變化。例如，可以將主SCR 202處于ON狀態(tài)時(shí)的電阻值表示為Rscr，可以將SCS的電阻值表示為Rscs，從而使得電流限制器電路220的通過(guò)狀態(tài)電阻等于RSCR，而限制狀態(tài)電阻等于Rscs+R3 ’，其中，R3 ’是電阻器R3 ’的電阻。在一些范例中，比值(Rscs+R3 ’)/Rscs聊處于500:1到1000:1的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，比值(Rscs+R3’)/Rscs可以高達(dá)10，000:1。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可以將第二NPN型晶體管211作為四層結(jié)構(gòu)布置到硅襯底內(nèi)，所述四層結(jié)構(gòu)具有比(例如)第一PNP型晶體管204、第一NPN型晶體管206或第三PNP型晶體管210更小的面積。第三PNP型晶體管210還可以具有比第一 PNP型晶體管204更小的面積，因?yàn)橹豁殢腟CS214生成足以使第一 PNP型晶體管204和第一 NPN型晶體管206退化的電流。
[0051 ]圖3示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的過(guò)電壓電路300的電路圖。過(guò)電壓電路300包括PNP型晶體管304，其發(fā)射極連接至二極管302的陰極，其基極連接至NPN型晶體管308的集電極。第一雪崩擊穿二極管306被配置為使其陰極連接至PNP型晶體管304的基極和NPN型晶體管308的集電極。過(guò)電壓電路300可以充當(dāng)器件的分路過(guò)電壓級(jí)，其中，電流限制器電路200充當(dāng)串聯(lián)級(jí)。具體而言，過(guò)電壓電路300可以充當(dāng)“撬棍”電路(crowbar circuit)，其中，通過(guò)生成低電阻通路而限制可能沿電流通路形成的電壓，由此限制過(guò)電壓。
[0052]圖3A描繪了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的包括過(guò)電壓保護(hù)電路320的保護(hù)電路322的電路圖。在本范例中，保護(hù)電路322包括處于與過(guò)電流保護(hù)電路330集成的配置當(dāng)中的過(guò)電壓保護(hù)電路320，所述過(guò)電流保護(hù)電路的操作大致如上文參考圖2-2F所述。顯然，僅示出了包括主SCR 310的過(guò)電流保護(hù)電路330的一部分。因而，保護(hù)電路332可以包括大體如圖2A-2F所示的過(guò)電流保護(hù)電路的其他部件。主SCR 310包括PNP型晶體管304和NPN型晶體管312，上文已經(jīng)大致討論了它們?cè)陔娏飨拗破麟娐分械牟僮鳌?br>[0053]過(guò)電壓保護(hù)電路320還包括第一雪崩擊穿二極管306和第二雪崩擊穿二極管306B。過(guò)電壓保護(hù)電路320還包括PNP型晶體管304B，PNP型晶體管304B的發(fā)射極和基極與PNP型晶體管304的發(fā)射極和基極是共通的。過(guò)電壓保護(hù)電路320還包括圖3所示的NPN型晶體管308。
[0054]在操作中，當(dāng)電勢(shì)(電壓)在輸入或輸出端子上相對(duì)于公共電勢(shì)上升時(shí)(參考圖1B)，達(dá)到某一電勢(shì)，在該電勢(shì)上，第一雪崩擊穿二極管306或第二雪崩擊穿二極管306B開(kāi)始使來(lái)自輸入端子或輸出端子的通過(guò)NPN型晶體管308的電流發(fā)生雪崩效應(yīng)。當(dāng)電勢(shì)在輸入端子上進(jìn)一步提高時(shí)，NPN型晶體管308可以開(kāi)始通過(guò)PNP型晶體管304的基極一發(fā)射極導(dǎo)電。這導(dǎo)致了再生操作，從而使得PNP型晶體管304/NPN型晶體管308的對(duì)充當(dāng)SCR，從而將輸入端子“撬動(dòng)(crowbar)”到公共電勢(shì)(Common)，由此電壓被拉到觸發(fā)電壓以下，并保持低于觸發(fā)電壓。
[0055]當(dāng)電勢(shì)在過(guò)電壓狀況下在輸出端子處進(jìn)一步增大時(shí)，第二雪崩擊穿二極管306B和NPN型晶體管308操作以將輸出端子上的電勢(shì)箝位到由雪崩電壓+NPN型晶體管308的發(fā)射極一基極電壓Vbe之和所給定的電壓上。如果在這一情況下，在輸入端子上還同時(shí)存在電勢(shì)，那么PNP型晶體管304/NPN型晶體管的對(duì)可以再生并如上文所述撬動(dòng)輸入端子。
[0056]在圖3A的實(shí)施例中，第一雪崩擊穿二極管306被連接至PNP型晶體管304的基極，第二雪崩擊穿二極管306B被連接至輸出端子。在額外的實(shí)施例中，雪崩擊穿二極管的其他配置也是可能的。圖3B示出了另一保護(hù)電路342，其包括過(guò)電流保護(hù)電路330和過(guò)電壓保護(hù)電路340。保護(hù)電路362與保護(hù)電路322的區(qū)別在于，第二雪崩擊穿二極管306B連接至PNP型晶體管304的集電極而非輸出端子。相應(yīng)地，第二雪崩擊穿二極管306B之間的電流在抵達(dá)輸出端子之前通過(guò)電阻器R3。
[0057]圖3C示出了另一保護(hù)電路362，其包括過(guò)電流保護(hù)電路330和過(guò)電壓保護(hù)電路360。保護(hù)電路362與保護(hù)電路322的區(qū)別在于，第一雪崩擊穿二極管306被連接至輸入端子而非PNP型晶體管304的基極。
[0058]圖3D示出了另一保護(hù)電路382，其包括過(guò)電流保護(hù)電路330和過(guò)電壓保護(hù)電路380。保護(hù)電路382與保護(hù)電路322的區(qū)別在于省略了PNP型晶體管304B。因而PNP型晶體管304的集電極被連接至第一雪崩擊穿二極管306、第二雪崩擊穿二極管306B和NPN型晶體管308的基極。因而，可以認(rèn)為PNP型晶體管304起著雙集電極晶體管的作用。
[0059]圖4示出了根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的提供分路過(guò)電壓保護(hù)和串聯(lián)電流限制的另一保護(hù)電路400的電路圖。在一種實(shí)施方式中，保護(hù)電路400可以實(shí)施電流限制器電路200以及過(guò)電壓電路300的功能。圖5示出了保護(hù)電路400的部件的半導(dǎo)體層表示。在一些實(shí)施例中，保護(hù)電路400可以被實(shí)現(xiàn)為五層器件，其包含集成到硅襯底內(nèi)的五個(gè)半導(dǎo)體層。如圖所示，保護(hù)電路400可以包括主SCR 202以及按照上文相對(duì)于圖2描述的方式布置的第二PNP型晶體管208。保護(hù)電路400還可以包括二極管402，二極管402具有連接至第一 PNP型晶體管204的發(fā)射極的陰極。此外，保護(hù)電路400還包括NPN型晶體管404，NPN型晶體管404的集電極連接至第一 PNP型晶體管204的基極和第一 NPN型晶體管206的集電極。
[0060]總而言之，本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)按照在電流限制器電路中提供可逆雙穩(wěn)定電阻狀態(tài)的方式在硅襯底中實(shí)施電流限制器電路而提供了一種新穎的過(guò)電流保護(hù)。與熔絲元件不同，本發(fā)明的實(shí)施例提供了在解決了過(guò)電流狀況之后使電流保護(hù)電路返回低電阻狀態(tài)的能力。
[0061]本公開(kāi)的范圍不受文中描述的具體實(shí)施例限制。實(shí)際上，除了文中描述的那些實(shí)施例以外，本公開(kāi)的各種其他實(shí)施例以及對(duì)本公開(kāi)的修改對(duì)于閱讀了上文的描述和附圖的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是清楚的。因而，意在使這樣的其他實(shí)施例和修改也落在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。此外，盡管在出于特定目的、在特定環(huán)境下的、特定實(shí)施方式的語(yǔ)境下描述了本公開(kāi)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其用途不限于此，可以在很多種環(huán)境下出于任何數(shù)量的目的有利地實(shí)施本公開(kāi)。因而，應(yīng)當(dāng)在考慮文中描述的本公開(kāi)的全部寬度和精神的情況下對(duì)下文闡述的權(quán)利要求做出解釋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種集成到硅襯底中的過(guò)電流保護(hù)器件，包括: 接收輸入電流的輸入端子； 耦合至輸入端子的輸出端子；以及 集成到硅襯底內(nèi)并且布置于輸入端子和輸出端子之間的電流限制器電路，包括: 具有由第一電阻表征的通過(guò)狀態(tài)和由高于第一電阻的第二電阻表征的限制狀態(tài)的串聯(lián)通過(guò)元件，所述串聯(lián)通過(guò)元件包括集成到娃襯底內(nèi)的串聯(lián)電流感測(cè)元件，所述串聯(lián)電流感測(cè)元件被配置為接收輸入電流并基于所述輸入電流輸出感測(cè)電壓，其中所述串聯(lián)通過(guò)元件被配置為在感測(cè)電壓指示輸入電流超過(guò)預(yù)定電平時(shí)將電流限制器電路置于限制狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述串聯(lián)通過(guò)元件包括由第一電阻表征的第一電流通路和與所述第一電流通路電并聯(lián)且由第二電阻表征的第二電流通路，其中所述第一電阻是由布置到第一電流通路內(nèi)的硅襯底內(nèi)的第一器件決定的，并且其中所述第二電阻是由布置到第二電流通路內(nèi)的硅襯底內(nèi)的第二器件決定的。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述串聯(lián)通過(guò)元件被配置為在感測(cè)電壓超過(guò)預(yù)定感測(cè)電壓電平時(shí)阻止電流通過(guò)第一電流通路傳輸，其中，在限制狀態(tài)下電流僅通過(guò)第二電流通路傳輸。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述串聯(lián)通過(guò)元件包括主SCR，其中所述過(guò)電流保護(hù)器件還包括硅可控開(kāi)關(guān)(SCS)，所述硅可控開(kāi)關(guān)被耦合至主SCR并且被配置為在感測(cè)電壓超過(guò)預(yù)定感測(cè)電壓電平時(shí)觸發(fā)到ON狀態(tài)，所述ON狀態(tài)使主SCR絕滅內(nèi)部再生電流。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述主SCR包括SCR陽(yáng)極并且包括來(lái)自SCR陽(yáng)極的柵極電流饋線， 其中，在負(fù)載被連接至過(guò)電流保護(hù)器件時(shí)隨著連接至輸入端子的電源電壓的升高，柵極電流從連接陽(yáng)極的饋線流入到主SCR內(nèi)，直到內(nèi)部再生使得主SCR返回到將所述串聯(lián)通過(guò)元件置于通過(guò)狀態(tài)的閂鎖低電阻導(dǎo)電狀態(tài)為止。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的過(guò)電流保護(hù)器件，還包括耦合至SCR的陰極柵極或陽(yáng)極柵極的驅(qū)動(dòng)晶體管，所述驅(qū)動(dòng)晶體管被配置為分別在所述陰極柵極或陽(yáng)極柵極處開(kāi)啟所述SCR。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述過(guò)電流保護(hù)器件包括五層器件，所述五層器件含有集成到硅襯底內(nèi)的五個(gè)半導(dǎo)體層。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，電流限制器電路包括串聯(lián)電流限制器級(jí)，所述過(guò)電流保護(hù)器件還包括耦合至所述輸入端子和輸出端子的分路過(guò)電壓級(jí)，所述分路過(guò)電壓級(jí)沿與所述第一電流通路電并聯(lián)的電通路布置，其中，所述分路過(guò)電壓級(jí)被配置為當(dāng)在輸入端子或輸出端子處檢測(cè)到的電壓超過(guò)預(yù)定主電壓電平時(shí)限制輸入端子和輸出端子之間的電壓。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述分路過(guò)電壓級(jí)包括彼此反并聯(lián)布置的一對(duì)二極管。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)器件，其中，所述串聯(lián)通過(guò)元件被配置為在輸入電流降至預(yù)定電平以下時(shí)從限制狀態(tài)切換至通過(guò)狀態(tài)。11.一種采用集成到硅襯底內(nèi)的過(guò)電流保護(hù)器件限制電流的方法，包括: 在集成到硅襯底內(nèi)的串聯(lián)通過(guò)元件處于具有第一電阻的通過(guò)狀態(tài)時(shí)通過(guò)串聯(lián)通過(guò)元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子， 采用串聯(lián)電流感測(cè)元件檢測(cè)輸入電流達(dá)到了預(yù)定電平； 將串聯(lián)通過(guò)元件切換至具有高于第一電阻的第二電阻的限制狀態(tài)；以及在限制狀態(tài)下通過(guò)所述串聯(lián)通過(guò)元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子，其中，輸入電流不超過(guò)所述預(yù)定電平。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括: 檢測(cè)輸入電平低于所述預(yù)定電平；以及 使所述串聯(lián)通過(guò)元件從限制狀態(tài)切換至通過(guò)狀態(tài)。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在通過(guò)狀態(tài)中傳輸輸入電流包括沿第一電流通路通過(guò)所述硅襯底內(nèi)的第一器件來(lái)傳輸輸入電流，所述第一電流通路定義了所述第一電阻，并且其中在限制狀態(tài)中傳輸電流包括沿第二電流通路通過(guò)硅襯底內(nèi)的第二器件來(lái)傳輸輸入電流，所述第二電流通路與所述第一電流通路電并聯(lián)并且定義了所述第二電阻。14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，檢測(cè)輸入電流達(dá)到了預(yù)定電平包括判斷感測(cè)電壓超過(guò)了預(yù)定感測(cè)電壓電平。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，將所述串聯(lián)通過(guò)元件切換至限制狀態(tài)包括使第一電流通路斷開(kāi)，其中，輸入電流沿第二電流通路而非沿第一電流通路傳輸。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述串聯(lián)通過(guò)元件包括主SCR，其中，所述串聯(lián)電流感測(cè)元件被耦合至連接至主SCR的硅可控開(kāi)關(guān)(SCS)，并且其中切換至限制狀態(tài)包括在感測(cè)電壓超過(guò)預(yù)定感測(cè)電壓電平時(shí)觸發(fā)SCS中的ON狀態(tài)，所述ON狀態(tài)使主SCR絕滅內(nèi)部再生電流。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法， 其中，主SCR包括SCR陽(yáng)極，并且主SCR被配置有來(lái)自所述SCR陽(yáng)極的柵極電流饋線，并且 其中，在串聯(lián)通過(guò)元件處于通過(guò)狀態(tài)時(shí)傳輸輸入電流包括: 在負(fù)載被連接至過(guò)電流保護(hù)器件時(shí)將所提供的電源電壓連接至輸入端子；以及隨著電源電壓的升高使柵極電流從連接陽(yáng)極的饋線流入到SCR內(nèi)，直到內(nèi)部再生將SCR變?yōu)閷⒋?lián)通過(guò)元件置于通過(guò)狀態(tài)的閂鎖低電阻導(dǎo)電狀態(tài)為止。18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括: 判斷在輸入端子或輸出端子處檢測(cè)到的電壓超過(guò)了預(yù)定主電壓電平；以及通過(guò)分路過(guò)電壓級(jí)限制輸入端子和輸出端子之間的電壓，所述分路過(guò)電壓級(jí)是沿與第一電流通路和第二電流通路電并聯(lián)的電通路布置的。19.一種集成到硅襯底中的保護(hù)電路，包括: 接收輸入電流的輸入端子； 親合至輸入端子的輸出端子； 集成到硅襯底內(nèi)并且布置于輸入端子和輸出端子之間的串聯(lián)電流限制器級(jí)，包括:被配置為在由沿第一電流通路的第一電阻表征的通過(guò)狀態(tài)和由沿第二電流通路的高于第一電阻的第二電阻表征的限制狀態(tài)之間可逆切換的串聯(lián)通過(guò)元件；以及 耦合至所述輸入端子和輸出端子并且沿與所述第一電流通路和第二電流通路電并聯(lián)的電通路布置的分路過(guò)電壓級(jí)，其中所述分路過(guò)電壓級(jí)被配置為當(dāng)在輸入端子或輸出端子處檢測(cè)到的電壓超過(guò)預(yù)定主電壓電平時(shí)限制輸入端子和輸出端子之間的電壓。
【文檔編號(hào)】H02H9/02GK105896499SQ201610086592
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年2月16日
【發(fā)明人】G·本特萊伊
【申請(qǐng)人】保險(xiǎn)絲公司