提供過電流保護的電阻變化器件的制作方法

提供過電流保護的電阻變化器件的制作方法
【專利摘要】本發明涉及提供過電流保護的電阻變化器件。一種過電流保護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狀態和由高于第一電阻的第二電阻表征的限制狀態的串聯通過元件，所述串聯通過元件包括集成到硅襯底內的串聯電流感測元件，所述串聯電流感測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電壓，其中，將所述串聯通過元件配置為在感測電壓指示輸入電流超過預定電平時將電流限制器電路置于限制狀態。
【專利說明】
提供過電流保護的電阻變化器件
技術領域
[0001]本實施例涉及電路保護器件領域。更具體而言，本發明的實施例涉及通過觸發電阻變化而提供過電流保護的保護器件。
【背景技術】
[0002]電路保護器件與所要保護的電路中的一個或多個部件形成電連接。這些保護器件中的某些器件用于保護電路避免遭受過高的電流，而其他器件則可以提供針對出現電壓尖脈沖時的過壓瞬變提供保護。一種類型的用于過壓保護的器件是齊納二極管，其被設計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的傳導電壓。通過對p-n結進行摻雜從而允許電子從P型材料隧穿至η型材料而對其加以控制。另一種類型的過電壓保護裝置是雪崩擊穿二極管，在發生過壓狀況時，其以雪崩擊穿處的載流子碰撞倍增來工作的。
[0003]熔絲(或熔性連接)代表用于限制或終止電流的常見類型的保護器件。熔絲可以在通過其傳導的電流超過預定極限時提供開路從而限制或終止電流，對于不同的熔絲而言所述極限根據熔絲額定值而變化。盡管熔絲操作可用于確保通過所要保護的器件或電路傳導的電流不超過安全值，但是一個缺點是一旦熔絲斷開，就會使受保護的元件不工作直到更換熔絲為止。盡管某些類型的過電壓保護器件是可逆的，但是過電壓保護器件可能無法提供與熔絲可以提供的一樣的過電流保護功能。正是對于這些以及其他考慮而言才需要本發明的改進。

【發明內容】

[0004]在一個實施例中，一種集成到硅襯底內的過電流保護器件包括: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狀態和以高于第一電阻的第二電阻為表征的限制狀態的串聯通過元件，所述串聯通過元件包括集成到硅襯底內的串聯電流感測元件，所述感測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上輸出感測電壓，其中，所述串聯通過元件被配置為在感測電壓指示輸入電流超過了預定電平時將所述電流限制器電路置于限制狀態。
[0005]在另一實施例中，一種采用集成到硅襯底內的過電流保護器件限制電流的方法可以包括在串聯通過元件處于具有第一電阻的通過狀態時通過集成到硅襯底內的串聯通過元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子，采用串聯電流感測元件檢測輸入電流達到了預定電平;將串聯通過元件切換至具有高于第一電阻的第二電阻的限制狀態；以及通過處于限制狀態的串聯通過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預定電平。
【附圖說明】
[0006]圖1A描述了根據本公開的實施例的電流限制器電路的實施例；
[0007]圖1B示出了包括圖1A的電流限制器的示范性保護電路；
[0008]圖2描述了根據本公開的實施例的電流限制器電路的電路圖；
[0009]圖2A描述了根據本公開的另一實施例的電流限制器電路的電路圖；
[0010]圖2B描述了根據本公開的另一實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描述了根據本公開的實施例的過電壓保護電路的電路圖；
[0013]圖3A描述了根據本公開的實施例的另一過電壓保護電路的電路圖；
[0014]圖3B描述了根據本公開的實施例的另一過電壓保護電路的電路圖；
[0015]圖3C描述了根據本公開的實施例的另一過電壓保護電路的電路圖；
[0016]圖3D描述了根據本公開的實施例的另一過電壓保護電路的電路圖；
[0017]圖4描述了根據本公開的實施例的提供分路過電壓保護和串聯電流限制的保護電路的電路圖；
[0018]圖5描述了圖4的保護電路的部件的半導體層表示。
【具體實施方式】
[0019]在下文中將參考示出了各種實施例的附圖更充分地描述本發明的實施例。可以通過很多種不同的形式體現所述實施例，不應將其推斷為局限于文中闡述的實施例。提供這些實施例是為了使本公開透徹、完整并將本實施例的范圍充分地傳達給本領域的技術人員。在附圖中，始終采用類似的附圖標記表示類似的元件。
[0020]在本公開的各種實施例中，一種設備可以包括具有集成到硅襯底內的雙穩定過電流限制器的形式的保護電路。所述雙穩定過電流限制器可以以兩種穩定狀態為特征。值得注意的是，與已知熔絲的操作不同，所述雙穩定過電流限制器可以在所述穩定狀態之間來回切換。在各種實施例中，所述設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置在輸入端子和輸出端子之間的串聯通過元件以及集成到所述硅襯底內的串聯感測元件的電流限制器電路。所述串聯通過元件可以具有通過狀態和限制狀態，所述通過狀態具有第一電阻，所述限制狀態具有高于第一電阻的第二電阻。可以將所述串聯電流感測元件配置為檢測輸入電流以及在檢測到的輸入電流的基礎上輸出感測電壓，其中，將所述串聯通過元件配置為在感測電壓指示輸入電流超過預定電平時將所述電流限制器電路置于限制狀態。
[0021]在各實施例中，還可以包含分路過電壓保護電路連同電流限制器。在一些實施例中，可以獨立于過電流電路提供分路過電壓保護，或者在其他實施例中，可以采用分路過電壓觸發電流限制器電路。
[0022]例如，在具體實施例中，所述保護電路可以包括串聯電流限制器級，還包括耦合至所述輸入端子和輸出端子的分路過電壓級，該分路過電壓級沿與所述第一電流通路電并聯的電通路布置，其中，將所述分路過電壓級配置為當在輸入端子或輸出端子處檢測到的主電壓超過預定主電壓電平時限制輸入端子和輸出端子之間的電流。
[0023]在一些實施例中，可以將所述串聯通過元件配置為單向通過元件，而在其他實施例中，可以將所述串聯通過元件配置為雙向通過元件。在其他實施例中，所述分路過電壓級可以包括單向或雙向(3端子)過電壓元件。在具體實施例中，額外的端子可以在兩個4端子器件之間提供狀態變化。
[0024]圖1A示出了根據本公開的實施例的電流限制器電路100的實施例。在本實施例中，可以將電流限制器電路100的至少一些部件實施到硅襯底中。電流限制器電路100包括輸入端子102和輸出端子104。通過限制可以通過一個或者多個部件的最大電流，電流限制器電路100可以被布置以保護其他部件(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內的電阻器108。還將電流限制器110布置到電流通路106內，為簡單起見將其圖示為開關。電流限制器(開關)110可以以兩種不同的穩定狀態存在，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賦予兩個不同的電阻。如圖1A所示，電流限制器電路100還包括感測元件112，可以將其布置為檢測沿電流通路106流動的電流。例如，可以借助于電阻器108檢測到跨感測元件112的感測電壓。感測元件112和電流限制器110可以充當按照兩種不同的穩定狀態工作的通過電路或通過元件。在以通過狀態(未示出)工作時，電流通路106可以表現出第一電阻，其允許電流在輸入端子102和輸出端子104之間流動。感測元件112可以確定檢測到的電壓的電平低于通過狀態將被關閉的閾值。假設電流提高，那么可通過感測元件112檢測到預定感測電壓電平，其對應于指示達到了最大容許電流的預定輸入電流電平。其可以觸發感測元件112通過致動器114向電流限制器(開關)110發送信號，使之將狀態改為限制狀態(如圖1A示意性所示)，該狀態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現為形成于娃襯底內的半導體器件。
[0025]在各實施例中，可以通過實施到硅或其他半導體襯底內的半導體元件來實施電流限制器電路100，所述半導體元件包括P/N結二極管、雙極晶體管和場效應晶體管，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。
[0026]在各實施例中，可以將電流限制器110實現為包括兩個電并聯的電流通路的電路，其中，在處于通過狀態時沿形成電流通路106的一部分的第一電流通路(未示出)來傳輸電流，且在處于限制狀態時沿形成電流通路106的交替部分的第二電流通路(未示出)來通過電流，所述第一電流通路和第二電流通路彼此電并聯。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和輔助器件的相應電阻決定，其中這兩個器件都可以被實施到共同的硅襯底內。
[0027]現在來看圖1B，其示出了包括電流限制器電路100的保護電路120。在本范例中，保護電路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(如圖1A所示)。在操作當中，保護電路120可以利用電流限制器電路100提供電流限制。此外，保護電路120可以包括一對二極管，其中，將一對二極管布置為彼此反并聯(ant1-parallel)。如圖1B所示，所述保護電路包括沿電流通路126被布置為陽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，在過壓狀態下通過沿電流通路126分路電流而提供過電壓保護，電流通路126起著公共端子的作用。
[0028]如上所述，在各種實施例中，限流電路可以包括多個SCR。本領域已知，SCR是電流控制器件，其實施在四個摻雜半導體層內，所述四個摻雜半導體層在硅襯底中按照N-P-N-P順序布置。因而，SCR形成了三個單獨的P-N結，還包括三個端子。SCR(SCR陽極)的陽極端子連接至PNPN結構的外P型層，陰極端子連接至外N型層，同時SCR的柵極連接至離陰極最近的(內側)P型層。已知的SCR具有兩種穩定狀態，其中，要么當SCR處于閂鎖低電阻導電狀態(ON狀態)時有大電流流過SCR，要么沒有電流流過。
[0029]在一些實施例中，可以由敏感的柵極主SCR或者執行類似功能的替代電路來構造所述串聯通過元件。具體而言，主SCR可以具有來自陽極的柵極電流饋線，該柵極電流饋線被配置為使得在連接了負載時隨著電源電壓的升高，柵極電流從連接陽極的饋線流入到主SCR內，直到內部再生(regenerat1n)將主SCR置于閂鎖低電阻導電狀態為止。之后，主SCR可以保持在Vt導電狀態內，直到去除了電源或負載，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“開啟”電路，所述電路被配置為將電流驅動到主SCR的柵極內，從而將主SCR置于低電阻ON狀態條件內。電流限制器電路還可以包括輔助電路，例如，硅可控開關(SCS)。已知，可以認為SCS構成了硅可控整流器，其中，PNP型晶體管的內部N基極和NPN型晶體管的集電極連接至另一外部端子，以充當陽極柵極。
[0031]如下面的實施例中所詳述的，所述開啟電路、主SCR和輔助電路可以是互操作的，從而控制通過電流限制器電路的電流傳導，使得電流限制器電路在兩種穩定狀態之間切換。在正常電流條件下，電流限制器電路起著引導電流通過主SCR的作用，所述主SCR保持在ON狀態內，以提供低電阻通路。在過電流狀況下，電流限制器電路起著引導電流通過輔助電路的作用，所述輔助電路提供了高電阻通路。
[0032]在特定實施例中，電流限制器電路可以包括串聯電流感測元件，其用于檢測通過電流并且位于主SCR的陽極或者陰極內。可以采用跨串聯電流感測元件出現的電壓來觸發包括SCS的較小的輔助電路，從而當由負載表現出預定過電流狀況時將SCS觸發到ON狀態。SCS可以被布置為主SCR絕滅(starve)內部再生電流，其使得主SCR退化到OFF狀態，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可以具有更小的實際尺寸，并且在處于ON狀態時與主SCR的電阻相比將相應地呈現出更大的電阻。因而，可以通過主SCR Vt傳導ON狀態電阻與SCS被置于ON狀態時的輔助電路剩余導電通路電阻的比值來確定在通過狀態和限制狀態之間電流限制器的電阻變化。
[0033]在各實施例中，可以采用被構造為背對背的或者反并聯的電流限制器件提供雙向電流流動。此外，還可以將本發明的實施例的電流限制器件實施到AC電源上。本發明的實施例的此類電流限制器可能不適于用作“安全”熔絲，因為“有電(live)部分”可能在不同的操作狀態中存在。
[0034]在下面的附圖中介紹可以實施到硅襯底內的電流保護電路以及電壓保護電路的示范性實施方式。
[0035]圖2示出了根據本公開的實施例的電流限制器電路200的電路圖。在這一實施例中，可以將電流限制器電路200至少部分地實施到硅襯底內，尤其是實施到多個摻雜半導體層內。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可以充當主SCR 202的驅動器。第二PNP型晶體管208尤其可以充當主SCR 202的開啟部件，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)來拉出電流。在其他實施例中，NPN型晶體管可以被用作推布置(push arrangement)，以驅動所述陰極柵極。類似地，可以以推或拉布置來使用PNP型晶體管或NPN型晶體管，以驅動主SCR 202的陽極柵極(N柵極，例如，第一PNP型晶體管204的基極)。以推布置使用NPN型晶體管來驅動SCR的P柵極的優點在于，NPN型晶體管一般可以表現出低電流增益，從而以最低的可能基極電流來觸發SCR開啟。采用PNP型晶體管驅動器從SCR的N柵極牽拉可以取得有關向硅襯底內的集成的結構優勢。
[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可以充當硅可控開關或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。下文將描述電流限制器電路200的各種變型的詳細操作。
[0038]簡言之，在通過狀態下，電流限制器電路200的主SCR 202可以存在于ON狀態，因而電流限制器電路200可以呈現出對應于主SCR 202的ON狀態電阻的電阻。電流限制器電路200可以被配置為在輸入電流超過預定電平時通過將主SCR 202切換到OFF狀態而從通過狀態切換至限制狀態，在限制狀態中，電流不再通過主SCR流動。已知，在SCR內的陽極電流降至保持電流的電平以下時，SCR關閉。在一種實施方式中，可以通過將可以在通過狀態下通過電流限制器電路200的電流負荷的一部分分流到與包括主SCR 202的通路并聯的并聯電流通路內而達到這一目的。例如，所述并聯電通路可以通過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狀態的電阻相比，在SCS處于ON狀態時輔助電路將表現出更高的電阻。因而，在主SCR 202被切換至OFF狀態時，可以將剩余的電流路由為通過SCS，從而建立高得多的電阻，并由此限制最高電流。
[0039]接下來，電流限制器電路200可以在輸入電流降至預定電平以下時實施操作，從而使主SCR 202返回ON狀態。
[0040]圖2A描繪了根據本公開的其他實施例的電流限制器電路220。可以認為電流限制器電路220是電流限制器電路200的變型，其中，采用相同附圖標記標示類似的元件。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)來拉出電流。
[0041 ]電流限制器電路220還包括感測電阻器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觸發電流限制器電路220中的開關，從而將電流限制器電路220的狀態從通過狀態改為限制狀態，如下文所詳細闡述的。
[0042]圖2B描繪了根據本公開的其他實施例的電流限制器電路240。可以認為電流限制器電路240是電流限制器電路200的變型，其中，采用相同附圖標記標示類似的元件。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的開啟部件的作用，該部件將推動針對主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還包括感測電阻器Rsense，其在第一 NPN型晶體管206的發射極和第三PNP型晶體管210的集電極之間延伸。可以采用Rsense觸發電流限制器電路220中的開關，從而將電流限制器電路220的狀態從通過狀態改為限制狀態，如下文所詳細闡述的。
[0043]在操作當中，電流限制器電路220或電流限制器電路240可以將相應的電路置于三種可能的狀態之一內:I)開啟條件，其是指在晶體管，其中，開啟元件變為向主SCR 202傳導；2)通過狀態，其中，將主SCR 202置于再生ON狀態，其將賦予相對較低的電阻；以及3)限制狀態，其中，主SCR 202因SCS 214的動作而退化，從而使得開啟電流通過SCS 214而轉向，并呈現出以通過SCS 214的具有相對較高的電阻的電流通路為特征的限制狀態。
[0044]圖2C-2F示出了根據本公開的各種實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。盡管在接下來的附圖中將詳細示出電流限制器電路220的操作，但是可以容易地認識到電流限制器電路240可以類似地操作。實施例不限于這一語境。
[0045]在圖2C中示出了處于通過狀態的電流限制器電路220的操作的例子，在通過狀態中，主SCR 202處于ON狀態。可以假設通過電流限制器電路220的電流負荷處于正常范圍內，其中，通過主SCR的導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，并且被閂鎖(latch)到ON狀態，從而使電流如在輸入端子和輸出端子之間的通過主SCR 202的電流通路252所示的來傳輸。在這種情況下，SCS 214處于OFF狀態，其中，不存在通過SCS 214的導電通路。
[0046]在圖2D中示出了過電流狀況的例子，其中，在輸入端子和輸出端子之間傳輸的電流超過了預定極限，如電流通路254所示。這一極限可以對應于通過Rsense的預定感測電阻。具體而言，過電流狀況可能導致通過二極管212形成某一電壓，該電壓足以通過Rsense使得SCS 214進入ON狀態并開始傳導電流。在SCS 214變得導電時，輸入端子和輸出端子之間的電流通路256可以如圖所示來形成。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進入ON狀態時，這一再生通過導電通路258使得主SCR 202的再生電流從第一PNP型晶體管204轉向。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。
[0048]在圖2F中示出了由于圖2D和圖2E的過電流狀況而將主SCR 202置于OFF狀態之后處于限制狀態的電流限制器電路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，因而主SCR 202保持在OFF狀態內，并且避免第二PNP型晶體管208從主SCR 202的陽極柵極拉出觸發電流。
[0049]在接下來的階段當中，電流限制器電路220被布置為檢測輸入電流何時降至閾值以下，以表明過電流狀態已經停止，繼而在過電流狀況停止時返回通過狀態。這一點是通過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完成的。因而，在外部影響(例如，消除了故障和/或關閉了電源或者暫時反轉了電源極性)降低了從輸入端子流向輸出端子的電流時，通過SCS 214的電流可能降至SCS 214的內部定義保持電流以下，從而使得SCS 214自然退化到OFF狀態。在SCS 214恢復OFF狀態時，“開啟”電流的轉向以及主SCR202的再生電流的轉向停止。因此，由于恢復了流入到主SCR 202的柵極內的電流而通過包括第二PNP型晶體管208的開啟電路再次將主SCR 202觸發到ON狀態。
[0050]可以根據諸如電阻器R3’以及SCS 214的部件的設計來調節電流限制器電路220的電阻的相對變化。例如，可以將主SCR 202處于ON狀態時的電阻值表示為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的通過狀態電阻等于RSCR，而限制狀態電阻等于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。在其他實施例中，比值(Rscs+R3’)/Rscs可以高達10，000:1。為了實現這一目的，可以將第二NPN型晶體管211作為四層結構布置到硅襯底內，所述四層結構具有比(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，因為只須從SCS214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示出了根據本公開的實施例的過電壓電路300的電路圖。過電壓電路300包括PNP型晶體管304，其發射極連接至二極管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。過電壓電路300可以充當器件的分路過電壓級，其中，電流限制器電路200充當串聯級。具體而言，過電壓電路300可以充當“撬棍”電路(crowbar circuit)，其中，通過生成低電阻通路而限制可能沿電流通路形成的電壓，由此限制過電壓。
[0052]圖3A描繪了根據本公開的實施例的包括過電壓保護電路320的保護電路322的電路圖。在本范例中，保護電路322包括處于與過電流保護電路330集成的配置當中的過電壓保護電路320，所述過電流保護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的過電流保護電路330的一部分。因而，保護電路332可以包括大體如圖2A-2F所示的過電流保護電路的其他部件。主SCR 310包括PNP型晶體管304和NPN型晶體管312，上文已經大致討論了它們在電流限制器電路中的操作。
[0053]過電壓保護電路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。過電壓保護電路320還包括PNP型晶體管304B，PNP型晶體管304B的發射極和基極與PNP型晶體管304的發射極和基極是共通的。過電壓保護電路320還包括圖3所示的NPN型晶體管308。
[0054]在操作中，當電勢(電壓)在輸入或輸出端子上相對于公共電勢上升時(參考圖1B)，達到某一電勢，在該電勢上，第一雪崩擊穿二極管306或第二雪崩擊穿二極管306B開始使來自輸入端子或輸出端子的通過NPN型晶體管308的電流發生雪崩效應。當電勢在輸入端子上進一步提高時，NPN型晶體管308可以開始通過PNP型晶體管304的基極一發射極導電。這導致了再生操作，從而使得PNP型晶體管304/NPN型晶體管308的對充當SCR，從而將輸入端子“撬動(crowbar)”到公共電勢(Common)，由此電壓被拉到觸發電壓以下，并保持低于觸發電壓。
[0055]當電勢在過電壓狀況下在輸出端子處進一步增大時，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箝位到由雪崩電壓+NPN型晶體管308的發射極一基極電壓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存在電勢，那么PNP型晶體管304/NPN型晶體管的對可以再生并如上文所述撬動輸入端子。
[0056]在圖3A的實施例中，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示出了另一保護電路342，其包括過電流保護電路330和過電壓保護電路340。保護電路362與保護電路322的區別在于，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。相應地，第二雪崩擊穿二極管306B之間的電流在抵達輸出端子之前通過電阻器R3。
[0057]圖3C示出了另一保護電路362，其包括過電流保護電路330和過電壓保護電路360。保護電路362與保護電路322的區別在于，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示出了另一保護電路382，其包括過電流保護電路330和過電壓保護電路380。保護電路382與保護電路322的區別在于省略了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示出了根據本公開的實施例的提供分路過電壓保護和串聯電流限制的另一保護電路400的電路圖。在一種實施方式中，保護電路400可以實施電流限制器電路200以及過電壓電路300的功能。圖5示出了保護電路400的部件的半導體層表示。在一些實施例中，保護電路400可以被實現為五層器件，其包含集成到硅襯底內的五個半導體層。如圖所示，保護電路400可以包括主SCR 202以及按照上文相對于圖2描述的方式布置的第二PNP型晶體管208。保護電路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的發射極的陰極。此外，保護電路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，本發明的實施例通過按照在電流限制器電路中提供可逆雙穩定電阻狀態的方式在硅襯底中實施電流限制器電路而提供了一種新穎的過電流保護。與熔絲元件不同，本發明的實施例提供了在解決了過電流狀況之后使電流保護電路返回低電阻狀態的能力。
[0061]本公開的范圍不受文中描述的具體實施例限制。實際上，除了文中描述的那些實施例以外，本公開的各種其他實施例以及對本公開的修改對于閱讀了上文的描述和附圖的本領域技術人員而言將是清楚的。因而，意在使這樣的其他實施例和修改也落在本公開的范圍內。此外，盡管在出于特定目的、在特定環境下的、特定實施方式的語境下描述了本公開，但是本領域技術人員將認識到其用途不限于此，可以在很多種環境下出于任何數量的目的有利地實施本公開。因而，應當在考慮文中描述的本公開的全部寬度和精神的情況下對下文闡述的權利要求做出解釋。
【主權項】
1.一種集成到硅襯底中的過電流保護器件，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狀態和由高于第一電阻的第二電阻表征的限制狀態的串聯通過元件，所述串聯通過元件包括集成到娃襯底內的串聯電流感測元件，所述串聯電流感測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電壓，其中所述串聯通過元件被配置為在感測電壓指示輸入電流超過預定電平時將電流限制器電路置于限制狀態。2.根據權利要求1所述的過電流保護器件，其中，所述串聯通過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的硅襯底內的第一器件決定的，并且其中所述第二電阻是由布置到第二電流通路內的硅襯底內的第二器件決定的。3.根據權利要求2所述的過電流保護器件，其中，所述串聯通過元件被配置為在感測電壓超過預定感測電壓電平時阻止電流通過第一電流通路傳輸，其中，在限制狀態下電流僅通過第二電流通路傳輸。4.根據權利要求1所述的過電流保護器件，其中，所述串聯通過元件包括主SCR，其中所述過電流保護器件還包括硅可控開關(SCS)，所述硅可控開關被耦合至主SCR并且被配置為在感測電壓超過預定感測電壓電平時觸發到ON狀態，所述ON狀態使主SCR絕滅內部再生電流。5.根據權利要求4所述的過電流保護器件，其中，所述主SCR包括SCR陽極并且包括來自SCR陽極的柵極電流饋線， 其中，在負載被連接至過電流保護器件時隨著連接至輸入端子的電源電壓的升高，柵極電流從連接陽極的饋線流入到主SCR內，直到內部再生使得主SCR返回到將所述串聯通過元件置于通過狀態的閂鎖低電阻導電狀態為止。6.根據權利要求5所述的過電流保護器件，還包括耦合至SCR的陰極柵極或陽極柵極的驅動晶體管，所述驅動晶體管被配置為分別在所述陰極柵極或陽極柵極處開啟所述SCR。7.根據權利要求1所述的過電流保護器件，其中，所述過電流保護器件包括五層器件，所述五層器件含有集成到硅襯底內的五個半導體層。8.根據權利要求2所述的過電流保護器件，其中，電流限制器電路包括串聯電流限制器級，所述過電流保護器件還包括耦合至所述輸入端子和輸出端子的分路過電壓級，所述分路過電壓級沿與所述第一電流通路電并聯的電通路布置，其中，所述分路過電壓級被配置為當在輸入端子或輸出端子處檢測到的電壓超過預定主電壓電平時限制輸入端子和輸出端子之間的電壓。9.根據權利要求8所述的過電流保護器件，其中，所述分路過電壓級包括彼此反并聯布置的一對二極管。10.根據權利要求1所述的過電流保護器件，其中，所述串聯通過元件被配置為在輸入電流降至預定電平以下時從限制狀態切換至通過狀態。11.一種采用集成到硅襯底內的過電流保護器件限制電流的方法，包括: 在集成到硅襯底內的串聯通過元件處于具有第一電阻的通過狀態時通過串聯通過元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子， 采用串聯電流感測元件檢測輸入電流達到了預定電平； 將串聯通過元件切換至具有高于第一電阻的第二電阻的限制狀態；以及在限制狀態下通過所述串聯通過元件將輸入電流從輸入端子傳輸至輸出端子，其中，輸入電流不超過所述預定電平。12.根據權利要求11所述的方法，還包括: 檢測輸入電平低于所述預定電平；以及 使所述串聯通過元件從限制狀態切換至通過狀態。13.根據權利要求11所述的方法，其中，在通過狀態中傳輸輸入電流包括沿第一電流通路通過所述硅襯底內的第一器件來傳輸輸入電流，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中傳輸電流包括沿第二電流通路通過硅襯底內的第二器件來傳輸輸入電流，所述第二電流通路與所述第一電流通路電并聯并且定義了所述第二電阻。14.根據權利要求11所述的方法，其中，檢測輸入電流達到了預定電平包括判斷感測電壓超過了預定感測電壓電平。15.根據權利要求13所述的方法，其中，將所述串聯通過元件切換至限制狀態包括使第一電流通路斷開，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.根據權利要求14所述的方法，其中，所述串聯通過元件包括主SCR，其中，所述串聯電流感測元件被耦合至連接至主SCR的硅可控開關(SCS)，并且其中切換至限制狀態包括在感測電壓超過預定感測電壓電平時觸發SCS中的ON狀態，所述ON狀態使主SCR絕滅內部再生電流。17.根據權利要求16所述的方法， 其中，主SCR包括SCR陽極，并且主SCR被配置有來自所述SCR陽極的柵極電流饋線，并且 其中，在串聯通過元件處于通過狀態時傳輸輸入電流包括: 在負載被連接至過電流保護器件時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極的饋線流入到SCR內，直到內部再生將SCR變為將串聯通過元件置于通過狀態的閂鎖低電阻導電狀態為止。18.根據權利要求13所述的方法，還包括: 判斷在輸入端子或輸出端子處檢測到的電壓超過了預定主電壓電平；以及通過分路過電壓級限制輸入端子和輸出端子之間的電壓，所述分路過電壓級是沿與第一電流通路和第二電流通路電并聯的電通路布置的。19.一種集成到硅襯底中的保護電路，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； 集成到硅襯底內并且布置于輸入端子和輸出端子之間的串聯電流限制器級，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狀態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之間可逆切換的串聯通過元件；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的電通路布置的分路過電壓級，其中所述分路過電壓級被配置為當在輸入端子或輸出端子處檢測到的電壓超過預定主電壓電平時限制輸入端子和輸出端子之間的電壓。
【文檔編號】H02H9/02GK105896499SQ201610086592
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月16日
【發明人】G·本特萊伊
【申請人】保險絲公司