電氣保護器件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電氣保護器件。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，電子設備中通常會使用保護器件，該保護器件基本上用于避免電流過 載以及可能由此引起的任何損壞。
[0003] 非常常用的是傳統保險絲，傳統保險絲以優異的方式執行保護功能;但是，它們是 不可逆的。顯然，除非更換了熔斷的保險絲，否則受保護器件的完整功能無法恢復。
[0004] 為克服此問題，通常優選的是使用所謂的電子保險絲（電保險絲）。這種類型的器 件充分利用功率MOSFET，該功率MOSFET被配置成限制可傳遞到受保護負載的最大電流。但 是通常，過載的開始即會導致功率MOSFET飽和，并且以實質并且永久的方式修改電子保險 絲的工作點，至少直到執行重置操作為止。如圖1中所示，在實踐中，只要功率MOSFET仍在歐 姆區中，則隨著負載（用f表示)所需的電流增大，電子保險絲能夠提供受限于保護值Imp 的電流1〇。過電流可能將功率MOSFET置于飽和狀態下。最大電流有效地受限于保護值ITRIP， 但是功率MOSFET仍然處于飽和中，并且電子保險絲可以提供的最大飽和電流I sat小于保護 值ITRIP。為了恢復初始工作條件，在這種情況下，也必須執行重置操作。顯而易見，如果受保 護的器件的常規工作條件包括介于最大飽和電流Isat與保護值Itrip之間的電流，則在電子 保險絲跳閘之后，除非執行重置操作，否則無法向受保護的器件適當地供電。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的是提供能夠克服所述的限制的一種電氣保護器件。
[0006] 根據本實用新型的一個實施例，提供了一種電氣保護器件，該電氣保護器件包括 輸入線路、輸出端子以及功率晶體管，該功率晶體管耦合在輸入線路與輸出端子之間。感測 晶體管耦合在輸入線路與輸出端子之間，并且具有主體端子。控制級耦合到功率晶體管以 及感測晶體管的相應控制端子，并且被配置成將功率晶體管的第一電流限制于保護值。主 體驅動級耦合到主體端子，并且被配置成根據功率晶體管的操作條件來偏置感測晶體管的 主體端子。
【附圖說明】
[0007] 為更好地理解本實用新型，現在將純粹地通過非限定的示例并且參考附圖來描述 本實用新型的一個實施例，其中：
[0008] 圖1是示出關于已知保護器件的電氣量(electrical quantity)的圖表；
[0009] 圖2是根據本實用新型的一個實施例的電子設備的混合框圖和電氣圖，該電子設 備包括保護器件；
[0010]圖3是示出關于圖2中的保護器件的電氣量的圖表;以及
[0011]圖4是圖2中的保護器件的一個部件的截面圖。
【具體實施方式】
[0012] 參見圖2,電子設備1包括根據本實用新型的一個實施例的受保護的電子器件2和 保護器件3。
[0013] 受保護的電子器件2可以是需要避免遭受過電流的任何類型的電子器件。作為非 限定的示例，受保護的電子器件2可以是硬盤或者USB供電單元。
[0014] 保護器件3從電源5接收輸入電壓VIN，該電源位于電子設備1的內部(例如，電池)或 者外部(例如，市電電力線）；并且向受保護的電子器件2提供輸出電流I out。
[0015] 保護器件3包括輸入線路8、功率晶體管10、感測晶體管11、電荷栗12、控制級電路 或控制級13、主體驅動級電路或主體驅動級15以及輸出端子17。
[0016] 輸入線路8連接到電源5,以便接收輸入電壓V?。
[0017]在一個實施例中，功率晶體管10是N-溝道MOS晶體管，并且其漏極端子耦合到輸入 線路8,并且其源極端子耦合到輸出端子17。在所描述的示例中，功率晶體管10的漏極到源 極電壓由輸入電壓Vin與輸出端子17上的輸出電壓Vqut之間的差值給出。功率晶體管10的柵 極端子耦合到控制級13的輸出，并且通過電阻器14耦合到電荷栗12的輸出。此外，功率晶體 管10的源極端子與其相應的主體端子短路。功率電流Ip流過功率晶體管10,并且受限于保 護值Itr 1P(另參見圖3的段落，該附圖示出了功率電流Ip(用實線表示)隨著受保護的電子器 件2所需的電流(用虛線表示)的增大的變化）。
[0018] 在一個實施例中，感測晶體管11是低壓N-溝道MOS晶體管，并且該感測晶體管的寬 長比(aspect ratio)相較于功率晶體管10的寬長比小了系數K。此外，感測晶體管11是具有 四個可用端子的晶體管。如圖4中所示，具體而言，感測晶體管11具有:位于具有第二導電型 (此處為P型）主體區域22中的全部都具有第一導電型(此處為N+型）的源極區域20和漏極區 域21。柵極區域23布置在主體區域22上、介于源極區域20與漏極區域21之間。通常，在MOS晶 體管中，源極區域和主體區域短路，如同功率晶體管10的情況一樣(再次參見圖4,該附圖示 出了功率晶體管10的源極區域40、漏極區域41、柵極區域42和主體區域43,以及分別用10a、 IOb和IOc表示的源極端子、漏極端子和柵極端子）。然而，在感測晶體管11中，除了源極端 子、漏極端子和柵極端子(分別用lla、llb和Ilc表示)之外，還提供了一個單獨的主體端子 lld，用于獨立于源極區域20和柵極區域21地偏置主體區域22。
[0019] 再次參見圖2,感測晶體管11的漏極端子Ilb耦合到輸入線路8,并且其源極端子 Ila通過電阻性感測元件25耦合到輸出端子17,該電阻性感測元件構成控制級13的一部分。 感測晶體管11的柵極端子Ilc耦合到電荷栗12的輸出以及控制級13的輸出。然而，主體端子 I Id耦合到主體驅動級15的輸出。感測電流Is流過感測晶體管11。
[0020] 電荷栗12耦合到輸入線路8,并且可以根據控制級13的狀態而被致動，以驅動功率 晶體管10和感測晶體管11。
[0021] 控制級13包括上文已提及的電阻性感測元件25,并且還包括控制放大器26和參考 電壓發生器27,該參考電壓發生器提供參考電壓V REF。電阻性感測元件25和參考電壓發生器 27具有共同的端子，具體而言連接到輸出端子17，并且各自具有連接到控制放大器26的對 應的輸入的另外的端子。控制放大器26的輸出連接到功率晶體管10的柵極端子以及感測晶 體管11的柵極端子11a，并且通過電阻器14連接到電荷栗12的輸出。控制放大器26被配置成 根據電阻性感測元件25的電壓，來驅動功率晶體管10的柵極端子以及感測晶體管11的柵極 端子。
[0022] 主體驅動級15被配置成根據功率晶體管的漏極到源極電壓來偏置感測晶體管11 的主體端子Ild(圖4)，從而避免流經功率晶體管10的電流在功率晶體管10本身變為飽和狀 態時被過度限制。在一個實施例中，具體而言，主體驅動級15被配置成偏置感測晶體管11的 主體端子lld，以便功率晶體管10的功率電流Ip與感測晶體管11的感測電流Is之間的比率大 體上恒定。
[0023] 在一個實施例中，主體驅動級15包括按照跟隨器配置的形式的主體驅動放大器31 和感測網絡30。感測網絡30可以包括電阻器33和電流發生器34,該電阻器和電流發生器串 聯在輸出端子17與處于恒定電勢下(例如，處于接地電勢下）的線路35之間。具體而言，電阻 器33連接到輸出端子，而電流發生器34連接到恒定電勢線路35。
[0024] 主體驅動放大器31具有:第一輸入31a，具體而言，該第一輸入是非反向的輸入，連 接到介于電阻器33與電流發生器34之間的中間節點；以及第二輸入31b，具體而言，該第二 輸入是反向的輸入，直接連接到輸出;從而，獲得跟隨器配置。
[0025] 主體驅動放大器31的輸出還耦合到感測晶體管11的主體端子lld，并且使得能夠 向主體區域22施加主體電壓Vb。
[0026]電流發生器34供應恒定電流IC，并且因此在主體驅動放大器31的第一輸入31a上 存在等于(Vqut-RqIc)的驅動電壓Vd，其中Ro是電阻器33的電阻。鑒于對輸出電壓Vqut的依賴 性，所以主體驅動放大器31的第一輸入31a上的電壓，指示了功率晶體管10的漏極到源極電 壓，并且從而指示了功率晶體管10的狀態(在歐姆區域中的操作，或者在飽和狀態下的操 作）。此外，由于主體驅動放大器31按照跟隨器配置的形式、并且作為緩沖器操作，所以主體 電壓Vb等于驅動電壓Vd。
[0027]起初，功率晶體管10和感測晶體管11在輸出電流IQUT，處于標稱值范圍內的條件下 被偏置以在歐姆區域中操作。在這些條件下，通過感測晶體管11的感測電流Is根據系數K與 通過功率晶體管I 〇的功率電流Ip成比例。
[0028]只要由電阻性感測元件25上的感測電流Is決定的電壓小于參考電壓Vref(圖3)，那 么控制放大器26(圖2)就完全不平衡，并且在與電荷栗12共同操作的情況下，驅使功率晶體 管10和感測晶體管11在歐姆區域中操作。如果受保護的電子器件2所需要的輸出電流I qut增 大(例如，根據圖3中的斜線），則控制放大器26調整功率晶體管10和感測晶體管11的柵極端 子上的電壓，從而使得電阻性感測元件25上的電壓將不超過參考電壓V REF。當功率電流Ip達 到保護值Itrip時，具體而言，可得出下式：
[0029] Vref = RsIs
[0030] 其中Rs是電阻性感測元件25的電阻。
[0031]如果Rqnp和Rons分別是功率晶體管10和感測晶體管11 (在歐姆區域中）的導通狀態 電阻，則通過向包括功率晶體管10、感測晶體管11和電阻性感測元件25的網孔應用基爾霍 夫電壓定律，可得出下式：
[0033]如果將感測晶體管11與功率晶體管10之間的幾何比率Ka限定如下 [0034] Ka=Rons/Ronp (2)
[0035]那么，根據方程式（1)，可得出下式：
[0037]如果將功率電流Ip(處于保護值Itrip)與感測電流Is之間的比率指定為Ktrip，那么 根據方程式(1)和(3)可得出下式：
[0041] 如果受保護的電子器件2的電流要求進一步增大，則功率晶體管10進入飽和區域， 并且輸出電壓Vqut減小，從而避免所提供的輸出電流Io進一步增大。
[0042] 在飽和區域中，功率晶體管10和感測晶體管11的操作由以下定律描述：
[0045] 其中