開關裝置的制作方法

專利名稱：開關裝置的制作方法
本裝置涉及電路的過電流保護，例如，設備故障，靜電放電或其它跡象引起的過電流。這種裝置最好是雙向的，即能處理沿兩個方向流過裝置中的電流，而且最好能處理交流電流。通常，這種裝置可以作為一個開關工作，在正常情況下閉合，響應過電流故障時打開。本裝置特別適用于具有直流偏壓，從該直流偏壓可以引出電壓的通信線路。
1987年7月31日專利權授與WickmamWerke有限公司的德國專利申請3725390論述了一種形式較簡單的電路保護裝置。該裝置有一個控制電路電流的串聯開關晶體管和一個控制著開關晶體管的基極或柵極電壓的控制晶體管。控制晶體管的基極或柵極電壓用跨接開關晶體管的分壓器調定，從而使裝置遇到過電流時，控制晶體管會置成導通，同時使開關晶體管截止。雖然這種裝置特別簡單，但它不是雙向的，而且有這樣的缺點，即正常工作時，裝置在導通之前其兩端總是有很大的電壓降，在雙極型裝置的情況下，這個電壓降是由于開關晶體管的發射結電壓加到基極電阻器兩端的電壓降產生的。
現在我們設計了一種雙向的、在諸最佳實施例中起碼能對交流電路起保護作用的電路保護裝置，具體地說，我們設計了一種采用一對場效應晶體管(FET)的電路保護開關，該對晶體管最好配置得使其對裝置兩端的任何電壓來說，一個是正向偏置，一個是反向偏置。
因此，本發明提供一種供連接在電路中的裝置，該裝置包括(1)一對FET，串聯連接在電路的一個線路中，它們的源極或漏極連接在一起，其狀態可借助于作用到其各柵極的電壓加以改變(通常通過用一個電壓代替另一個電壓進行);
(2)一個控制器，連接到起碼一個(最好兩個)FET的柵極;
該控制器對該線路上的過電流有反應，從而改變FET的狀態。
這種裝置最好不僅起限流作用(即容許電流隨裝置兩端增加到一定范圍的電壓降而上升在超過該范圍時，電流保持恒定)，而且裝置兩端的電壓一達到一定閾值電壓時電流就下降。電壓降通常是由于電流流過裝置的電阻引起的，接著過電流會大大削弱此后流動的電流。這種情況可以視為“返送”，但返送度可能小于100%。
FET本身的特性可以視為限流作用，即從其ID(漏極電流)對VDS(漏-源電壓)的關系曲線可以看到，從VDS＝0至ID值穩定的某閾值有所上升。VGS(柵-源電壓)值不同，就有一系列這種曲線。
控制器的作用最好是使VGS在VDS升高(因而在流經裝置的電流增加)時變得更負(在溝FET的情況)，從而使工作點隨著電流的增加從一個ID-VDS曲線轉移到另一個曲線。結果引起返送效應。
增強型n溝FET與耗盡型n溝FET在產生這個過程的方式方面不一樣。增強型FET正常導通需要加偏壓，因而控制器的作用是消除這個偏壓，舉例說，將VGS從例如5伏減小到0伏。另一方面，耗盡型FET在VGS＝0時導通，這里控制器的作用是將VGS減小到例如-5伏。
控制器可以由一個開關組成，施加電壓(在n溝耗盡型FET的情況下)或減少或除去正電壓(在n溝增強型FET的情況下)，這樣做時可以基本上是瞬時的，逐步的，這視乎所要求的返送速度而定。控制器可以由晶體管組成，晶體管的電阻構成開關。
P溝FET的情況相反，往柵極上加極性更為正的電壓(例如增強型FET從例如-5伏至0伏，耗盡型FET從例如0伏至+5伏)時會使FET截止。
晶體管的柵極或基極電壓(其值確定該電阻)可以使其自動與裝置兩端的電壓降有關，因而與有待控制的電流值有關。
返送過程可以包括正反饋，因而可以非常之快。通常，FET為n溝型時，其溝道電阻隨柵極電壓極性變得更負而增大，FET為P溝型時，其溝道電阻隨柵極電壓極性變得更正而增大。此外，控制器的輸入是FET兩端的電壓降，這個電壓降本身是溝道電阻的函數，控制器的輸出即為VGS值。因此，過電流作為FET兩端的電壓降由控制器存儲起來，而這促使VGS發生變化。VGS變化使溝道電阻增大，從而增高FET兩端的電壓降，反過來又使VGS進一步變化，如此類推。
我們說FET連接在一起時，也包括在它們之間連接象電阻器之類的其它元件的可能性。任何這類電阻器的電阻值最好小于100千歐，更理想的情況是基本上等于0歐。
我們更樂意將FET配置得使其源極而不是其漏極連接在一起，因為這樣就可以將其柵極連接在一起，用單一電壓信號就可以加控制。這是因為控制源-漏電阻的，因而控制裝置的電阻值的是柵-源(而不是柵-漏)電壓。若漏極邊接在一起，則源極必然會彼此處于不同的電壓;若想使各柵-源電壓正確，則兩個柵電壓通常會不同。
本裝置最好用作過電流保護和/或諸如電話線路或其它通信線路之類的電信線路中的遠程開關。本裝置可以包括第一對FET(1)和控制器(2)，三者連接在線路的一根導線上，和第二對FET(1)和控制器(2)，三者連接線路的另一根導線上。此外，還可以配備一個分流開關將線路的導線互連起來，從而例如將電話機或電路中其它負荷兩端的過電壓旁路，或者將兩導線接地。這種分流開關可以用該控制器或另外一個控制器啟動。
本發明還提供一種電信系統或其它系統，該系統包括通信線路和本發明的裝置，裝置中的電壓是從線路上的一個偏壓產生的。本發明還提供裝有本發明裝置的終端設備，例如電話機、計算機、網絡接口裝置或交換開關等。
通常，成對FET中的各FET可以是增強型FET也可以是耗盡型FET，兩者可以是n溝或P溝FET。增強型FET在正常情況下應截止，通常需要偏壓來使其導通。這時，控制器就用來根據過電流，同時也可以根據單獨的選通信號消除偏壓。這可以通過斷開將偏壓加到FET的開關或通過短接FET的柵極和源極來達到。
耗盡型FET在正常情況下應導通，在此情況下，控制器可以用來根據過電流，也可以根據單獨的選通信號將偏壓加到FET上。
目前并不推薦一個增強型和一個耗盡型FET的混合電路，因為這樣做就要求控制器按相反的方式控制各FET，從而變得更為復雜。
在一個最佳實施例中，我們提供了一種能串聯連接在電路中對電路起過電流保護作用的裝置，該裝置包括(ⅰ)一對增強型FET(最好是n溝式)，串聯連接在線路中，其源極連接在一起，兩個FET可以通過在其柵極上加上電壓源作為偏壓使其導通;
(ⅱ)一對控制晶體管，各晶體管連接在其中一個FET的柵極與源極之間;各控制晶體管在裝置遇到過電流時變偏置成導通，從而使FET都截止。
本發明有這樣的好處，即出現在裝置兩端的電壓降低，裝置能雙向處理電流，且在最佳實施例中，開關可以通過改變電壓源的輸出遙控啟動。
完全有可能制造出線路電流為50毫安時電壓降不大于1伏，例如不大于0.6伏，特別是大約0.5伏的裝置。這個電壓降是由于加正偏壓的FET溝道電阻和出現在加反向偏壓的FET中的寄生二極管兩端的電壓降引起的。當然，溝道電阻較低的FET，兩端的電壓降在相同電流下較低。通常，寄生二極管是易漏泄的(這是最好不過)，因而50毫安時寄生二極管兩端的電壓降僅約0.1伏。起碼在增強型FET的情況下，當柵極正向偏置，且漏-源電流反向時，寄生二極管的特性基本上呈線性，而不是一般的非線性二極管特性。此外，本裝置還可以直接應用于交流電路中，從而無需使用整流電橋(整流電橋會使電壓降再增1.3伏)。
如上所述，本裝置的特性最好呈返送性，就是說，流過裝置的電流隨著裝置兩端電壓降的增加而增加，直到該電壓降達到某一叫做閾值電壓的電壓差值為止，這時通過裝置的電流下降到更小值。通常，裝置在不導通狀態下的最大漏泄電流對裝置在導通狀態下的最大電流(解扣電流)的比值不大于0.5，更理想的情況是不大于0.1，特別是不大于0.01。在許多情況下，該比值可小于10-4。視乎FET的偏置裝置的工作機理而定，可以使本裝置具有“緩慢”或“快速”的返送特性。裝置若能在例如短于100微秒的時間內快速地從其導通狀態切換到其截止狀態，就可以說具快速的返送特性，若其從導通狀態與截止狀態之間的過渡過程較長，則可以說該裝置具緩慢返送特性。采用哪一個特性好這視乎電路的用途而定。舉例說，具快速返送特性的裝置處于電流過渡過程時，通常會讓較少的能量通過供到負荷上，而當電路的負荷其電感特大或者需要使裝置對例如設備接上電源引起的短時電流過渡過程不敏感時，可能就更希望返送特性較緩慢。
控制晶體管可以是雙極型晶體管或FET。各控制晶體管的基極或柵極通常固定在跨接裝置兩端的分壓器中。這樣，因開關FET的電阻等而出現在裝置兩端的電壓會傳到各控制晶體管的基極或柵極上。
當發射結電壓上升到0.6伏以上或柵源電壓上升到控制晶體管的閾值電壓時，它們會導通，并“短接”開關FET的柵極和源極，從而使其截止。
必要時，可以對本裝置進行遙控，也可以將本裝置接固定的電壓源，在這種情況下，本裝置僅起過電流保護開關的作用。電壓源可以例如通過連接到線路電壓(或線路電壓的小部分)固定下來，也可以借助于倍壓電路等使其反向。
雖然上述裝置只需要其為雙端子的裝置，但按照本發明也可以形成三端子的裝置，其中第三端子在有過電流發生時接通，以便將從負荷流到地端子的電流分路掉。
保護一對線路的五端子保護裝置，如電話保護業中通常使用的那一種，可以采用上述過電流保護裝置來制造，該裝置可采用兩個將過電流分流到地端子的分流裝置和/或跨接在線路兩端的單一分流裝置。
本發明的裝置特別適用作維修終端單元(MTU)中的串聯開關。我們待審批的題為“輸電線測試設備”的英國專利申請9223770中論述了這種其特點可用于本發明中的MTU，這里也把該專利的公開內容包括進來，以供參考。
該專利申請要求保護一種可在通信信道中連接的開關裝置，該通信信道由一對線路組成，該開關裝置包括(1)一串聯開關，連接在各線路中，且最好一個電壓發生器控制，其電能取自出現在線路之間的電壓，該電壓發生器最好由一個控制電路控制;
(2)一個分流開關，連接在線路之間，可連接在串聯開關的交換側或用戶側;和(3)控制電路，收到沿信道發送的信號時能啟動串聯開關和分流開關;
其中控制電路收到單一信號時能啟動分流開關和串聯開關，但分流開關會在串聯開關仍然打開期間以外的一段時間保持閉合，以便可以在信道上進行種種試驗;
若分流開關處在串聯開關的交換測，則各開關由控制電路啟動之后，分流開關最好在串聯開關閉合之前打開;且若分流開關處在串聯開關的用戶側，則各開關由控制電路啟動之后，串聯開關最好在分流開關打開之前閉合。
現在參照附圖通過舉例說明本發明的內容附圖中

圖1是采用兩個增強型FET的裝置的電路圖;
圖2是采用兩個耗盡型FET的裝置的電路圖;
圖3(1-3)是采用兩對FET和兩個控制器的裝置的電路圖;
圖4(1-2)則是應用一些電荷泵的電路圖。
參看圖1。電路線路1的開關裝置包括一對n溝增強型場效應晶體管Q1和Q2，Q1和Q2配置得使它們的源極連接在一起，從而使這些晶體管有一個總是正向偏置，另一個總是反向偏置(但哪一個是正向偏置，哪一個是反向偏置，取決于線路電壓的極性)。這些FET中有一個反向偏置時，其“寄生的”漏-源二極管中就有電流流過，產生很低的電壓降。這使電路的交流特性基本上呈線性。
兩FETQ1和Q2的柵極連接在一起，該節點接正電壓源2。該節點還經10兆歐電阻器R1接兩FETQ1和Q2的源極，以防柵極端浮動。
這里裝設了一對NPN雙極型控制晶體管Q3和Q4，其各發射極最好連接在一起，從而使各晶體管Q3和Q4連接在相應的FET，Q1和Q2的柵極與源極端之間。雙極型晶體管的各基極固定在一對由電阻器R2、R3、R4和R5組成的分壓器，各分壓器跨接在FETQ1或Q2兩端。
工作時，接通電壓源2時，FETQ1和Q2因進入偏置狀態而導通，從而使電流可以在線路中流通，電流流經反向偏置FET的寄生二極管。若出現過電流，則控制晶體管Q3和Q4的基極-發射極電壓會上升到0.7伏左右，于是這些晶體管導通，從而短接FETQ1和Q2的柵極和源極，并使該兩FET截止，進而將線路斷開，保護了與線路相連接的任何設備。必要時，電流的流通也可以通過改變電壓源2的電壓來控制。
即使過電流已經過去，該裝置也仍然處于斷路狀態，這是因為整個系統的電壓會降在整個裝置上，從而確保各控制晶體管仍然導通。在此狀態下，唯一的漏泄電流是由于四個串聯連接的電阻器R2至R5產生的。這個漏泄電流可以減小到令人滿意的程度，方法是給各電阻器R2至R5選取高阻值，例如1兆歐。這種裝置只要將線路電壓除去即可以復原，促使控制晶體管Q3和Q4截止。
在電阻器R2與R4之間可以并聯一些電容器(圖中未示出)，以防止裝置在電力開始加到線路上時斷開，并防止通常因啟動過電流控制晶體管Q3和Q4而出現在線路上的寄生電流尖峰脈沖。
雖然上面說明本裝置時是說采用了雙極型過電流控制晶體管Q3和Q4，但完全也可以采用場效應晶體管、繼電器或其它器件或電路。
圖2示出了由兩個耗盡型FETQ2和Q3以及一個控制器組成的裝置。該裝置插入線路1中。控制器3包括整流器D1、D2、D3、D4、調節器4和負電壓發生器5。調節器4由FETQ1和電阻器R1組成，負電壓發生器是以7660集成電路加上電容器C1和C2為基本元件的。裝設了可變電阻器RV1，這樣就可以通過調節加到FETQ2和Q3各柵極上的負電壓選擇返送程度。
電流從接J1的源極經FETQ2和Q3流到接J2的負荷(圖中未示出回歸線)。該電流的流動促使Q2和Q3兩端產生電壓降，由于成對FET的電阻特性基本上呈線性，因而該電壓降與電流成正比。如圖1中所示，一個FET是正向偏置，另一個FET有一個容許電流反向流動的寄生二極管。
引起過電流的故障促使FETQ2和Q3兩端的電壓增大，該電壓加到控制器3的負電壓發生器5。由于整流器D1、D2、D3、D4，負電壓發生器操縱發生在線路1中的電流的任何一個方向，且裝置會在AC線路上工作。
達到裝置所要求的跳閘值時，負電壓發生器5將所需要的負偏壓加到FETQ2和Q3的各柵極上，使該兩FET截止。這樣，線路1斷開，保護了接線路1的設備。
圖3示出的電路有兩個基本上如圖1中所示的那種裝置，兩條線路中各有一個，例如電信系統的塞尖線和響鈴線。在此電路中，各FET的偏壓由光電子器件6產生。在某些情況下，這類光電子器件會抽取大量線路電流，而有這樣的問題時，我們更喜歡采用倍壓器或電荷泵來提供偏壓，必要時連同分壓器等一起。圖4示出了滿足我們目前降低耗電量要求的適當電路，其中電荷泵如圖中7所示。
元件可以采用各種不同的額定值，但我們更樂意采用下列額定值。
各FET的電流額定值最好大于1毫安，更理想的情況是大于10毫安，特別是大于100毫安，而且最好小于500安，通常小于10安，往往小于1安。可以采用各種類型的FET，包括MOSFET和JFET和n溝及P溝型，包括它們的組合在內。
它們的溝道電阻在導通時最好小于1千歐，更理想的情況小于100歐。導通電阻通常大于2毫歐，往往大于100毫歐。
理想的電壓額定值為1500伏至20伏，特別是400伏20伏，理想的功率消耗在1千瓦與200毫瓦之間，通常從1瓦至100毫瓦。理想的柵極閾值在10伏與0.8伏之間，特別是從1-4伏。
控制器的雙極晶體管其特性最好如下VCEO(最大) 20-400伏Ic(最大)100毫安-500毫安
hfc10-100
權利要求
1.一種用以連接在電路中的裝置，其特征在于包括(1)一對FET，串聯連接在該電路的一條線路中，其各源極或各漏極連接在一起，其狀態可通過加到其各柵極上的電壓來改變；(2)一個控制器，與起碼其中一個FET的柵極連接；所述控制器根據線路上的過電流改變起碼其中一個FET的狀態。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，各FET是個增強型FET，該FET可以通過往其柵極上加電壓而偏置得使其導通，該電壓可由控制器加以除去。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，各FET是個耗盡型FET，可由控制器使其截止。
4.根據以上任一權利要求所述的裝置，其特征在于，控制器由裝置兩端的電壓降供電。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，控制器由一對控制晶體管組成，各控制晶體管連接在其中一個FET的柵極與源極之間，裝置遇到過電流時，各控制晶體管進入偏置狀態而導通。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，各FET是增強型FET，各控制晶體管系配置得使其導通時短接各FET的柵極和源極。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，各FET是耗盡型FET，各控制晶體管則配置得使其導通時將一電壓源連接在各FET的各柵極與各源極之間。
8.根據權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，一個或各控制晶體管的基極或柵極固定在跨接裝置兩端的分壓器中。
9.如以上任一權利要求所述的裝置，其特征在于，控制器還根據改變著柵極上電壓的外部選通信號改變FET的狀態。
10.根據以上任一權利要求的裝置，用以連接在通信線路中，該裝置包括第一對FET(1)和控制器(2)，連接在線路中的一根導線中;和第二對FET(1)和控制器(2)，連接在線路的另一根導線中。
11.根據以上任一權利要求的裝置，用以連接在通信線路中，該裝置還包括一個分流開關，該分流開關由該或另一個控制器激勵時將線路的各導線互連起來或將線路的一根導線與地互連起來。
12.根據支上任一權利要求所述的裝置，其特征在于，控制器促使起碼其中一個n溝FET的VGS隨FET的VDS的增加而減小，從而使該FET的特性呈返送性，或者，控制器促使起碼其中一個P溝FET的VGS隨著FET的VDS的增加而增加，從而使該FET的特性呈返送性。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述返送過程包含正反饋，該正反饋是由于FET的溝道電阻隨著VGS值的變化而增加引起的。
14.一種通信系統，包括一個通信線路和根據以上任一權利要求所述的裝置，其特征在于，電壓是從線路上的一個直流偏壓產生的。
15.電信系統的一個終端設備，裝有1-14任一權利要求所述的裝置。
全文摘要
一種裝置，用以連接在一個電路中，該裝置包括(1)一對FET，串聯連接在電路的一個線路中，其各源極連接在一起，或其各漏極連接在一起，其狀態可通過加到其各柵極上的電壓加以改變；(2)一個控制器，與起碼其中一個FET的柵極相連接；該控制器根據線路上的過電流改變起碼其中一個FET的狀態。
文檔編號H02H3/08GK1089403SQ9311465
公開日1994年7月13日 申請日期1993年11月12日 優先權日1992年11月12日
發明者D·M·普賴亞, M·查里斯 申請人:雷伊化學有限公司