CN102545145B - 用于保护功耗电路的***和方法 - Google Patents

Abstract

一种保护功耗电路的***、设备和方法，该***包括用于接收功率的两个端子和用于提供所接收功率的两个端子。在接收端子之一与提供端子之间，提供由齐纳二极管控制的晶体管，晶体管用于在提供端子或接收端子上的电压超过齐纳二极管的击穿电压时，断开接收端子之一与提供端子之间的连接。

Description

用于保护功耗电路的***和方法

技术领域

本发明涉及用于保护功耗电路免受过压的***和方法，具体涉及用于保护电路免受负载倾卸(Load Dump)状况、浪涌脉冲或电压瞬变的***和方法。

背景技术

通常通过例如双向齐纳二极管将端子短接(shorting)至电路，来执行针对负载倾卸/浪涌脉冲/电压瞬变状况的保护，但是引起的高电压可能损坏这些短接装置，并由此损坏保护电路。还使用了其他技术。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种电路，能够保护功耗电路免受负载倾卸/浪涌脉冲/电压瞬变状况，在这些状况下，例如对该功耗电路馈电的电池从充电单元断开，从而充电单元提供功率浪涌，该功率浪涌可能损坏功耗电路。

本发明的另一目的是提供一种负载倾卸保护电路，其也可以受到其他状况的控制，以用于多种目的。

因此，在第一方面，本发明涉及一种用于保护功耗电路的***，该***包括：

第一端子和第二端子，适于接收功率；

第三端子和第四端子，适于将接收的功率提供给功耗电路，第一端子连接至第三端子，第二端子连接至第四端子；

第一晶体管，至少具有第一、第二和第三管脚，第一管脚连接至第一和第二端子中的一个端子，第二管脚连接至第三和第三端子中与所述一个端子连接的那个端子，第一晶体管适于基于第三管脚上的信号，接通或断开第一和第二管脚间的导电连接，第一和第二端子中的另一端子以及第三和第四端子中的另一端子电互连，

保护元件，连接在第一和第三端子之一与第二和第四端子之一之间，保护元件适于在保护元件上的电压超过预定电压时输出信号；

用于从保护元件向第三管脚传输信号的装置。

在本文中，保护主要是针对高电压浪涌的保护，高电压浪涌可能由功率/电压提供器出于多种原因而引起的。本***旨在防止这种高电压到达用电设备。

通常，端子是可以用于接合或接触例如电池或电源等其他电路的导体或导体的一部分。通常，端子用于提供可以断开或分离的电连接，例如闪光灯中的电池端子或PCB上的焊盘。

本***提供在用于接收功率的端子与用于向用电设备传递功率的端子之间。在这方面，功率是可以按照任何方式提供的，例如从电池、发电机、发电站、干线电源、风力涡轮机、太阳能电池等提供的。

此外，用电设备可以是任意类型的用电设备，例如一组功耗设备。功耗设备可以是电视机、计算机、冰箱、冷冻机、灯、监视器、其他机动仪器等。用电设备可以大致是例如房屋、公寓、办公室、船舶和/或车辆的全部功率消费设备。

在本文中，第一晶体管可以是任意类型的晶体管，例如双极或场效应晶体管。使用多种不同指示符号(denotation)和基本技术，例如JFET、MOSFET、BJT、IGFET、IGBT，并且可以使用任意极性，例如NPN、PNP、N沟道或P沟道。如下进一步描述的，晶体管中可以具有保护二极管，至少对于功率耗散目的而需要该保护二极管。

不同类型的晶体管可以具有不同数目的管脚。然而，至少提供三个管脚，其中在典型地称为基极或栅极的一个管脚上的信号控制其他两个管脚(所谓的集电极或源极以及所谓的发射极或漏极)之间的导通特性。

当然，例如二极管、电阻器、电容器、线圈之类的其他电元件也可以连接至端子之一，并且可选地连接在端子之间，例如与晶体管串联。然而，为了不浪费功率，优选地在第一或第二端子中的一个端子与第三或第四端子中连接至该一个端子的那个端子所形成的每个对之间仅存在的组件是第一晶体管，如果需要，则可选地可以存在下面的第二晶体管。

晶体管管脚间电连接的断开或导通是晶体管的正常操作。通常，上述信号只是电压，该电压控制第一和第二管脚间流动的电流。当然，该电压依赖于环境、晶体管等。这对于本领域技术人员是熟知的。

在这方面，保护元件是监视如下电压的元件：在第一和第三端子之一与第二和第四端子之一上的电压。典型地，保护元件监视第一和第二端子上的电压或第三和第四端子上的电压。如果这些端子之间存在(例如串联耦接的)附加的电元件，也可以使用这种元件之间或这种元件上的电压。

保护元件适于在保护元件上的电压超过预定电压时输出信号。通常该预定电压选择为超过在第一和第二端子处提供的常规电压，但足够低以免损坏或毁坏用电设备。另一方面，优选地，晶体管被定尺寸并选择为忍耐较高电压，例如可设想的最高电压。

优选地，使信号适配于晶体管，以便信号操作晶体管在第一和第二管脚间不导通。在这方面，可以随后将保护元件的信号输出适配于晶体管。传输装置可以包括用于执行该适配的装置。备选地，保护元件可以包括对信号进行电适配以提供要输出至第三管脚的信号的装置。传输装置可以简单地是导体。该适配例如可以是电压和/或电流的减小或增大。

当然，保护元件可以是任意类型的电路，该电路适于在达到阈值电压时输出信号。

在一个实施例中，保护元件包括与一个或多个第一电组件(electrical component)串联的齐纳二极管，齐纳二极管具有对应于上述预定电压的击穿电压，上述信号对应于齐纳二极管和所述一个或多个第一电组件之中的一个或多个上的电压。其他类型的保护元件可以是放大器、比较器、分压器等。注意，上述信号输出可以是超过预定值或限值(或降至预定值或限值以下)的电压或电流，在该预定值或限值以上(以下)晶体管会操作。

在这方面，有利的是提供具有类似功能的施密特触发器或电路，使得晶体管不会在电压降到阈值限值以下时就立即导通(open)，而是等待，直到电压下降到该阈值限值以下预定电压时才导通。

一个实施例还包括第一二极管，对第一二极管定位，以从第一管脚至第二管脚导通。该二极管可以是晶体管的保护二极管，可以出于功率耗散原因来使用该二极管以防止晶体管的其他部分不得不耗散其中传输通过的电流产生的热。

在一个实施例中，该***还包括：

用于在电源错误定位时阻止功率从第一和第二端子流向第三和第四端子的阻止装置，该阻止装置包括第二晶体管，第二晶体管至少具有第四、第五和第六管脚，第四管脚连接至第一和第二端子中的一个预定端子，第五管脚连接至第三和第四端子中与所述一个预定端子连接的那个端子，第二晶体管适于基于第六管脚上的信号，接通或断开其第四和第五管脚间的导电连接；

第二二极管，与一个或多个第二电组件串联连接，并连接在第一和第三端子之一与第二和第四端子之一之间；

用于向第六管脚传输信号的装置，该信号对应于二极管和一个或多个第二电组件中的一个或多个上的电压。

当然，第二晶体管可以提供为与第一晶体管串联，或者可以用于断开第一和第二端子之一与第三和第四端子之一形成的另一对之间的连接。此外，其他电组件可以与第二晶体管串联，并连接至第四和/或第五管脚，以经由这种其他电组件将这些管脚连接至相应的端子。

在这种情况下，优选地，提供上述齐纳二极管和第二二极管，以具有从第一、第二、第三和第四端子中的两个端子(第一/第三端子和第二/第四端子)到另外两个端子的导通方向。

在一个实施例中，该***还包括第三二极管，被定位以从第四管脚至第五管脚导通。第三二极管可以与第一二极管用于相同目的。

此外，可能希望至少在晶体管串联时，第一和第三二极管具有相反的导通方向，使得这些二极管之一具有从第一/第二端子朝向第三/第四端子的导通方向，另一二极管具有相反方向。如果晶体管是并联的，优选地，第一和第三二极管具有相同方向(从或朝向第一/第二端子)。如果要阻止电流，可以使用在该方向上具有二极管阻挡的晶体管来控制或阻挡该电流。

在一个实施例中，该***还包括用于产生至第三和/或第六管脚的信号以操作晶体管的装置。这种装置可以包括传感器等，例如用于感测向用电设备和/或第三/第四端子提供功率，其中可能希望断开第一/第二端子，特别是在电池与这些端子连接的情况下。替代传感器，上述产生装置可以根据提供的功率导出信号。

本发明的第二方面涉及一种设备，包括根据第一方面的使用齐纳二极管作为保护元件的***、以及电池，电池的正极连接至第一端子，负极连接至第二端子，齐纳二极管被连接为从负极至正极导通。

在这种情况下，优选地，齐纳二极管的击穿电压选择为超过电池的工作或最大电压，使得在电池的正常工作或供电期间齐纳二极管不用作保护元件。然而，如果电池上的电压增大，例如在电池故障或将电池接入/接出期间，齐纳二极管起作用以将电池从用电设备断开。

本发明的第三方面涉及一种车辆或船舶，包括根据本发明第二方面的设备、以及通过向第一和第二端子提供电流来对电池充电的装置。在这种情况下，突然从电池断开充电装置或者突然从充电装置/用电设备断开电池，会引起电荷浪涌，如果没有由于第一晶体管的操作而阻止这种情况，电荷浪涌可能毁坏用电设备。

在第四方面，本发明涉及一种保护功耗电路的方法，该方法包括：

在至少第一和第二端子上接收功率；

经由第三和第四端子向功耗单元提供接收的功率，第一和第三端子互连，第二和第四端子互连；

在第一和第三端子中的一个端子与第二和第四端子中连接至所述一个端子的那个端子之间提供保护元件，所述保护元件在保护元件上的电压超过预定电压时输出信号；

从保护元件输出的信号操作第一晶体管以断开第一和第二端子之一与第三和第四端子之一之间的电连接。

在这种情况下，可以在端子上提供和供应功率，例如DC或AC功率。

当然，上述信号可以是增大或减小的电压或电流。

在一个实施例中，提供步骤包括：提供与一个或多个第一电组件串联的齐纳二极管，作为保护元件，齐纳二极管的击穿电压对应于上述预定电压。如上所述，其他类型的保护元件也是可以的。

在上述或另一实施例中，该方法还可以包括：提供第一二极管，以从第一管脚至第二管脚导通。

此外，该方法还包括：

提供第二二极管，第二二极管与一个或多个第二电组件串联，并在第一和第三端子中的一个预定端子与第二和第四端子中的一个端子(如，连接至所述一个预定端子的一个端子)之间；

如果向第一和第二端子提供功率，并且相对于预定极化将功率反转，则通过操作第二晶体管将第一和第二端子中的一个预定端子与第三和第四端子中连接至该预定端子的那个端子之间的电连接断开，来阻止向第三和第四端子提供接收到的功率。

如上所述，优选地，齐纳二极管和第二二极管被提供为具有从第一、第二、第三和第四端子中的两个端子(第一/第三端子和第二/第四端子)到另外两个端子的导通方向。

在一个实施例中，该方法还包括：提供第三二极管以从第四管脚至第五管脚导通。

在一个实施例中，功率提供步骤包括提供电池，电池的正极连接至第一端子，负极连接至第二端子，齐纳二极管被连接为从负极至正极导通。

一个实施例还包括步骤：通过向第一和第二端子提供电流，对电池充电。

当然，也可以在其他情况下使用上述晶体管，以将第一/第二端子从第三/第四端子断开。在一个实施例中，该方法还包括步骤：确定从第二源向用电设备提供功率，并向第三和/或第六管脚传输信号。在这种情况下，可能希望确保所提供的功率不到达第一/第二端子，特别是在电池与这些端子连接的情况下。

附图说明

下面参照附图描述优选实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的***的第一实施例；以及

图2示出了根据本发明的结合了倒置电池保护的***的第二实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例，其中***10提供在两对端子12/14和16/18之间

端子12/14连接至电池B，端子16/18连接至用电设备C，其中***10适于从电池B向用电设备C提供功率。

端子12与16通过导体连接。在端子14和18之间提供晶体管24，提供晶体管24的集电极/源极连接至端子14，发射极/漏极连接至端子18。

晶体管24的栅极/基极连接在齐纳二极管20与电阻器22之间，齐纳二极管20与电阻器22串联连接在端子12和14之间。

此外，电池B由交流发电机A充电。

在正常工作时，交流发电机A和/或电池B提供的电压在齐纳二极管20的击穿电压以下，齐纳二极管20操作以使电流从端子12经由电阻器22流向晶体管24的基极/栅极，晶体管24允许电流在端子14和18之间流动，从而从交流发电机A和/或电池B向用电设备C提供功率。

然而，在所谓的负载倾卸情况下***10的工作改变，在负载倾卸情况下，电池B突然从交流发电机A断开，或者电池B(在无交流发电机A的情况下)连接至端子12和14。在这种情况下，在端子12和14上产生高电压。在车辆的10-32V***中，该增大的电压可能高达120V。当然，可以使用任意电压制(voltage regime)。如果将该电压施加至用电设备C，则可能毁坏用电设备C或其部件，例如其中的半导体器件。

然而，***10防止了上述情况，因为上述高电压超过齐纳二极管20的击穿电压，从而晶体管24的栅极/基极达到端子14的电位，这使晶体管26将端子14从端子18“断开”，由此保护了用电设备C的电路。

在该电路中，由齐纳二极管20执行对过高电压的“检测”。当然，也可以使用其他类型的电路，例如放大器、比较器、分压器等。

当然，齐纳二极管20和晶体管24选择为相应地检测和耐受该过高电压。在这种情况下，电池B提供10-32V区间内的电压，齐纳二极管20具有36V的击穿电压，电阻器22可以是22kΩ电阻器，晶体管24能够耐受至少100V。

注意，可能希望包括例如施密特触发器等延迟电路，以便在齐纳二极管20上的电压下降到击穿电压以下时不立即将晶体管24导通。因此，可能希望不将晶体管24导通，直到电压下降到在击穿电压以下预定电压(例如3V)以下。

该晶体管24可以是任意类型的晶体管。图中所示晶体管中具有保护二极管26。保护二极管26不是必需的，但是希望具有保护二极管26，因为这会大大减少所需的热耗散。

图2示出了具有半电路(semi-circuit)10’的电路50，该半电路10’对应于图1的电路10。

在图2中，未示出交流发电机A，但是通常交流发电机A是存在的，至少在车辆或船舶中。

保留齐纳二极管20的操作，但是改变设置，使得齐纳二极管20在端子12和14之间与两个电阻器22’和22”串联设置。设置了晶体管40，晶体管40的基极/栅极连接在电阻器22’和22”之间，集电极连接至晶体管24的基极/栅极，发射极经由二极管42连接至端子14。此外，在晶体管24的基极/栅极与端子12之间提供了电阻器44。

再次，如果齐纳二极管20上的电压超过击穿电压，则电流流向晶体管40的基极/栅极，这使得电流流向晶体管24的基极/栅极，从而再次阻止电流从集电极/源极流向发射极/漏极。

此外，电路50包括另一晶体管28，晶体管28的基极/栅极耦接在二极管34和电阻器32之间，二极管34和电阻器32串联耦接在端子16和18之间。

在电池B倒置的情况下晶体管28进行操作。这可以是错误替换了电池B的情况。该问题是已知的，使用晶体管28来保护用电设备C免受这种情况的解决方案是已知的，例如参考US2008/0198522。然后，二极管34导通，将晶体管28的集电极/源极拉至端子18，从而晶体管28“截止”。此外，保护二极管28阻止电流从端子14(此时为正)流向端子18。

因此，当无负载倾卸发生时，晶体管24导通。如果负载倾卸发生，晶体管24不导通，其保护二极管26阻止任何电流从端子18流向端子14。然而，晶体管28保持导通，其保护二极管30允许电流流动。

另一方面，如果电池B倒置，晶体管28截止，保护二极管30阻止电流从端子14向端子18流动。晶体管26不操作以保护用电设备C免受这种情况。

图2中在电阻器32和二极管34之间和两个电阻器22’和22”之间分别提供了两个黑点。电路50中的这些位置可以用于在其他情况下控制晶体管26和28的操作，其他情况是：还希望将用电设备C从电池B和/或交流发电机A断开。这种情况之一是：外部电源用于向用电设备C馈电。在如此施加的电压低于电池提供的电压的情况下，电池仍然向用电设备供电，这是不希望发生的情况。如果如此施加的电压超过电池的电压，则施加的电压对用电设备供电，并且也对电池充电，这是不希望或不允许发生的情况。在车辆或船舶中，制造商可能不允许除了通过交流发电机A之外的其他方式对电池充电。因此，如果将车辆/船舶连接至例如来自干线网络的AC电压，可以允许在端子16和18处对用电设备C提供功率，但是不允许对电池B充电。在这种情况下，可以提供用于产生DC信号(例如12V)的电路(未示出)，DC信号被提供至电路50中的黑点处。晶体管26和18将端子14和18断开。此外，二极管30阻止任何电流流动，从而用电设备C由该外部源供电，而不影响电池B和交流发电机A。

注意，电流10’和50是可以互换的，而不会改变功能性。

Claims (14)

1.一种用于保护功耗电路的***，该***包括：

第一端子和第二端子，适于接收功率；

第三端子和第四端子，适于将接收的功率提供给功耗电路，第一端子连接至第三端子，第二端子连接至第四端子；

第一晶体管，至少具有第一、第二和第三管脚，第一管脚连接至第一和第二端子中的一个端子，第二管脚连接至第三和第四端子中与所述一个端子连接的那个端子，第一晶体管适于基于第三管脚上的信号，接通或断开第一和第二管脚间的导电连接，第一和第二端子中的另一端子以及第三和第四端子中的另一端子电互连，

保护元件，连接在第一和第三端子之一与第二和第四端子之一之间，保护元件适于在保护元件上的电压超过预定电压时输出信号；

用于从保护元件向第三管脚传输信号的装置；

用于在错误放置电源时阻止功率从第一和第二端子流向第三和第四端子的阻止装置，该阻止装置包括第二晶体管，第二晶体管至少具有第四、第五和第六管脚，第四管脚连接至第一和第二端子中的一个预定端子，第五管脚连接至第三和第四端子中与所述一个预定端子连接的那个端子，第二晶体管适于基于第六管脚上的信号，接通或断开其第四和第五管脚间的导电连接，并且第二晶体管与第一晶体管串联，使得第二晶体管的第四管脚连接到第一端子和第二端子中与第一晶体管的第一管脚相连的端子，并且第二晶体管的第五管脚连接到第三端子和第四端子中与第一晶体管的第二管脚相连的端子；

第二二极管，与一个或多个第二电组件串联连接，并连接在第一和第三端子之一与第二和第四端子之一之间；

用于向第六管脚传输信号的装置，该信号对应于二极管和所述一个或多个第二电组件之中的一个或多个上的电压。

2.根据权利要求1所述的***，其中保护元件包括与一个或多个第一电组件串联的齐纳二极管，齐纳二极管具有对应于所述预定电压的击穿电压，所述信号对应于齐纳二极管和所述一个或多个第一电组件之中的一个或多个上的电压。

3.根据权利要求1或2所述的***，还包括：第一二极管，被放置为从第一管脚至第二管脚导通。

4.根据权利要求1所述的***，还包括：第三二极管，被放置为从第四管脚至第五管脚导通。

5.根据权利要求1所述的***，还包括：用于产生至第三和/或第六管脚的信号的装置。

6.一种设备，包括根据权利要求2所述的***、以及电池，其中电池的正极连接至第一端子，负极连接至第二端子，齐纳二极管被连接为从负极至正极导通。

7.一种车辆或船舶，包括根据权利要求6所述的设备、以及通过向第一和第二端子提供电流来对电池充电的装置。

8.一种保护功耗电路的方法，该方法包括：

至少在第一和第二端子上接收功率；

经由第三和第四端子向功耗单元提供接收的功率，第一和第三端子互连，第二和第四端子互连；

在第一和第三端子之一与第二和第四端子之一之间提供保护元件，所述保护元件在所述保护元件上的电压超过预定电压时输出信号；

从保护元件输出的信号操作第一晶体管断开第一和第二端子之一与第三和第四端子之一之间的电连接，所述第一晶体管至少具有第一、第二和第三管脚，第一管脚连接至第一和第二端子中的一个端子，第二管脚连接至第三和第四端子中与所述一个端子连接的那个端子；

提供第二二极管，第二二极管与一个或多个第二电组件串联，并位于第一和第三端子中的一个预定端子与第二和第四端子中的一个端子之间；

如果向第一和第二端子提供功率，并且功率是相对于预定极化而反转的，则通过操作第二晶体管将第一和第二端子中的一个预定端子与第三和第四端子中连接至该预定端子的那个端子之间的电连接断开，来阻止向第三和第四端子提供接收到的功率，所述第二晶体管至少具有第四、第五和第六管脚，第四管脚连接至第一和第二端子中的一个预定端子，第五管脚连接至第三和第四端子中与所述一个预定端子连接的那个端子，并且所述第二晶体管与第一晶体管串联，使得第二晶体管的第四管脚连接到第一端子和第二端子中与第一晶体管的第一管脚相连的端子，并且第二晶体管的第五管脚连接到第三端子和第四端子中与第一晶体管的第二管脚相连的端子。

9.根据权利要求8所述的方法，其中提供步骤包括：提供与一个或多个第一电组件串联的齐纳二极管，作为保护元件，齐纳二极管的击穿电压对应于所述预定电压。

10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：提供第一二极管，以从第一管脚至第二管脚导通。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括：提供第三二极管以从第四管脚至第五管脚导通。

12.根据权利要求9所述的方法，其中功率提供步骤包括：提供电池，电池的正极连接至第一端子，负极连接至第二端子，齐纳二极管被连接为从负极至正极导通。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤：通过向第一和第二端子提供电流，对电池充电。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤：确定从第二源向用电设备提供功率，并向第三和/或第六管脚传输信号。