CN1292603A - 带短路负载保护的光响应半导体开关 - Google Patents

带短路负载保护的光响应半导体开关 Download PDF

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Abstract

一种改进的带短路负载保护的光响应半导体开关,它能成功地中断负载的过载。本开关包括受光电元件启动的输出晶体管,它使负载与它的电源相连,还包括过载传感器,当负载中遇到过载情况时它提供过载信号。分路晶体管与限流电阻元件串联连接于光电元件的两端,以确定电流从光电元件通过限流电阻元件而离开的分流路径。

Description

带短路负载保护的光响应半导体开关
本发明涉及一种光学传播用的带短路负载保护的光响应半导体开关。
日本专利出版物平11-163706揭示了一种光学传播中所用的光响应半导体开关。这种开关包括一个光电元件，它根据自光源吸收的光给出一个工作电压，还包括一个输出晶体管，它受所述工作电压的触发，变成导通，用以使负载与电源相连。为防止该输出晶体管因负载意外短路而过载，该开关包括一个过载传感器，用以检测过载情况，还包括一个分路晶体管，它响应所述过载情况而变为导通，使来自光电元件的电流离开所述输出晶体管，使其关断，以中断过载电流。另外，该开关包括一闩锁电路，它响应所述过载情况，给出及保持一个送到所述输出晶体管控制极的中断信号，以保持切断输出晶体管，继续中断过载电流。在这种现有技术中，所述分路晶体管被包含于所述闩锁电路中，以便还响应闩锁动作。因此，分路晶体管必须满足两个不同的要求，其一是截断所述输出晶体管，再一则是保持加给与所述闩锁电路中的一个电阻相连之输出晶体管控制极的中断信号。采用这种将分路晶体管限制于闩锁电路中，对于使用改变产生电流之电容的光电元件而言，要想把两个要求结合起来多少有些困难。例如，当采用具有较大产生电流之电容的光电元件，用以将一相应的高压加给所述输出晶体管的控制极，使其快速接通时，为了闩锁动作而使分路晶体管导通可能尚不足以使加给输出晶体管控制极的电压降至其阈值电压以下，甚至在使分路晶体管导通，从光电元件取出电流时，也不能截断该输出晶体管。因此，这种现有的开关对电路的设计提出限制，而且就与光电元件的产生电流的电容无关地实现中断过载而言也是不能令人满意的。
考虑到现有技术的上述不足，本发明实现提供一种改进的具有短路保护的光响应半导体开关，它能切实地中断负载的过载。本发明的半导体开关包括一个输出开关晶体管，它接在一对输出端子之间，所述输出端子适于连接包含负载和给负载供能之电源的负载电路。所述输出开关晶体管有一个具有阈值电压的控制极，在此电压下，该输出开关晶体管导通，使负载与电源连接。本开关包括一个光电元件，用于当从光源吸收光时产生电能。所述电能提供一个随自光电元件流出之电流的增大而减小的工作电压。一个过载传感器与所述负载电路连接，当负载电路遇到从电源流过负载的过载电流时，给出一个过载信号。一个分路晶体管与接在所述光电元件两端之限流电阻元件串联连接，以确定来自光电元件之电流流过该限流电阻元件离开所述输出开关晶体管的分流路径。本开关还包括一个闩锁电路，它与所述过载传感器及分路晶体管连接。所述闩锁电路由所述光电元件供能，而且一旦收到过载信号就给出中断信号，并在去掉所述过载信号之后保持该中断信号。所述中断信号造成所述分路晶体管成为导通的，使来自光电元件的电流流过所述分流路径，同时使加给输出开关晶体管的控制极的工作电压降至阈值电压以下，以断开所述输出开关晶体管，用以解除负载与电源的连接。
本发明的特点在于所述分路晶体管和限流电阻元件与所述闩锁电路分开形成，并且所述限流电阻元件被接在输出开关晶体管的控制极与所述光电元件的正极之间，以限制来自光电元件的电流，当所述分路晶体管被导通时，使其限制在有如把加给输出开关晶体管控制极之工作电压降低到阈值电压以下那样低的程度，同时允许光电元件给出为保持中断信号而提供给所述闩锁电路的电压。于是，限流电阻元件与分路晶体管的串联组合能够保证提供供给所述闩锁电路的电压，与此同时，还能限制加给所述输出开关晶体管之控制极的工作电压，以便一方面保持闩锁电路的中断信号，另一方面还响应中断信号无误地断开所述输出开关晶体管，能够有效地和可靠地中断过载。再有，由于限流电阻元件是与闩锁电路分开形成的，因此只需通过选择所述限流电阻元件的阻抗，就能够毫不费力地确保上述过载中断，而与光电元件的变化的产生电路的电容无关。由此，可使所述输出晶体管对于负载电路的过载受到完全的保护。
按照本发明的一种方案，通过***负载电路中的电流反应电阻得到过载传感器，并安排一个晶体管开关接收电流反应电阻两端所产生的电压，以便当电压超过预定值时给闩锁电路提供过载信号。
按照本发明的另一种方案，通过与输出端子间的旁路输出晶体管开关串联并与所述输出晶体管开关并联的电流反应电阻得到过载传感器，并安排一个晶体管开关接收电流反应电阻两端所产生的电压，以便当电压超过预定值时给闩锁电路提供过载信号。
为驱动由DC电源供能的负载，最好由单独一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)确定所述输出开关晶体管，将所述MOSFET的栅极-源极连接在所述光电元件的两端，而将它的漏极-源极连接在输出端子之间。
为驱动由AC电源供能的负载，所述开关最好包括一对输出开关晶体管，其中每一个均为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形式。将两个输出开关晶体管串联连接于输出端子之间，其中使每个MOSFET的源极互相连接，并以每个MOSFET的栅极公共相连，以接收来自光电元件的工作电压。
最好由具有设定输入端、重置输入端和输出端的双稳态多谐振荡器得到所述闩锁电路。所述设定输入端被连接成接收过载信号；所述重置输入端被连接成接收来自光电源极的工作电压；而将输出端连接成接通或者断开所述分路晶体管。
所述分路晶体管最好是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，它的漏极-源极与限流电阻元件串联，它接在光电元件两端。按照这种连接，通过第一电阻元件和第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结合在一起，以及第二电阻元件和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结合在一起得到所述双稳态多谐振荡器，其中所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极-源极与第一电阻元件串联，接在光电元件两端，第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极-源极与第二电阻元件串联，接在光电元件两端。第一MOSFET的栅极连到第二电阻元件与第二MOSFET漏极之间的点。第二MOSFET的栅极连到第一电阻元件与第一MOSFET漏极之间的点。还将第二电阻元件和第二MOSFET漏极之间的点连到所述分路晶体管(MOSFET)的栅极，以便对该分路晶体管栅极提供中断信号。第二MOSFET的栅极通过第一电阻元件接收来自光电元件的工作电压，以便成为导通的，从而降低通过第二电阻元件加到第一MOSFET栅极和分路晶体管(MOSFET)栅极的工作电压，使第一MOSFET和分路晶体管(MOSFET)不导通，从而给所述输出开关晶体管的控制极加以工作电压，使之接通。第二MOSFET的栅极还接收过载信号，使第二MOSFET不导通，从而提高加给第一MOSFET和分路晶体管(MOSFET)栅极的电压，以使第一MOSFET和分路晶体管(MOSFET)导通，这保持第二MOSFET不导通，以持续导通分路晶体管(MOSFET)，用以在去掉来自光电元件的工作电压之前保持输出开关晶体管的中断。
对于上述电路结构，限流电阻元件、第一电阻元件和第二电阻元件中的每一个最好都是穿通空间电荷电阻器。所述穿通空间电荷电阻器包括导电类型为n型和p型中的一种的半导体基片、散布在所述基片表面内并与基片导电类型相反的阱、一对按互相隔开的关系分散于所述阱表面内的区域。所述一对区域与所述基片导电类型相同。所述区域上各自形成电极，以便把工作电压加于所述区域之间，部分地通过所述阱。在这种情况下，所述区域合在一起，其间形成一个耗尽层，能够响应微小的电流，从而确定限流电阻元件、第一电阻元件和第二电阻元件中的每一个的电阻。由于可将穿通空间电荷电阻器实现为微型结构而表现出高电阻，即使每个电阻元件都需要明显的高电阻，而采用较小的产生电流之电容的光电元件时，也可将整个开关制成小型的。
另外，可用二极管分别得到所述限流电阻元件、第一电阻元件和第二电阻元件。
最好由具有确定控制极之栅极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)得到所述输出开关晶体管。使齐纳二极管接在输出开关晶体管的栅极-源极两端，与按以下方式与光电元件并联连接，也即使得齐纳二极管的阴极连接到输出开关晶体管的栅极。选择齐纳二极管的击穿电压高于光电元件的开路电压。于是，即使由于负载短路而将过高的电压加于输出开关晶体管上，齐纳二极管也能将输出开关晶体管的栅极电压箝位于击穿电压，以保护输出晶体管免至破坏电压。
可将一二极管连接于限流电阻元件两端，以该二极管的阳极连接于所述输出开关晶体管的栅极。于是，当使光电元件断开而停止提供工作电压时，所述二极管在限流电阻元件两端建立旁路，以放出输出开关晶体管栅极上积累的电荷，从而加速放电，快速切断所述输出开关晶体管。
按照这种连接，为了避免当负载电路受到高压噪声，如雷电冲击波时所述开关的短路中断故障，可将一电阻与二极管串联连接于所述限流电阻元件两端。当发生高压噪声同时所述输出开关晶体管保持接通时，冲击电流将从所述输出开关晶体管(MOSFET)的漏极流到栅极，通过漏极-栅极路径中的寄生电容进入光电元件，从而瞬间失去光电元件的工作电压。如果发生这种情况，闩锁短路将会重新切断所述分路晶体管，不能中断负载电路中的过载，没能保护负载电路，以及输出开关晶体管。然而，上述旁路中所包括的电阻能够很好地限定所述冲击电流，以避免负载电路的无意的重置，确保中断过载抵抗高压噪声的安全保护。
代替在限流电阻元件两端连接的二极管，可以将放电金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)用于同样的响应光电元件不起作用而快速切断输出开关晶体管的目的。放电MOSFET的源极连在限流电阻元件与光电元件的正极之间，漏极和栅极共同连接到输出开关晶体管的栅极，以便当光电元件不起作用时，通过该MOSFET放出输出开关晶体管栅极上积累的电荷。
最好由第三金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)得到形成过载传感器的晶体管；当第三MOSFET被接通时，对闩锁电路提供过载信号。按照这种连接，可用一附加的光电元件提供偏离电压，当吸收光时，它增加一个出现在电流反应电阻两端的被检测的电压。可将这个附加的光电元件连接电路中的第三MOSFET，以便在测得的电压与超过预定值的偏离电压相加时，接通该第三MOSFET。从而，即使所述电流反应电阻两端的检测电压较低，也能成功地启动第三MOSFET，用以提高第三MOSFET或过载传感器对过载情况的灵敏度。因此，第三MOSFET能够很好地响应低值过载，用以成功地保护输出开关晶体管。
按照本发明的又一方案，所述开关还包括第二分路晶体管，由连接在所述分路晶体管两端的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成。第二分路晶体管的漏极接到所述输出开关晶体管的控制极与限流电阻元件之间的点上，它的源极与所述分路晶体管的源极相连。第二分路晶体管的栅极被连接成直接接收电流反应电阻两端产生的电压，以响应超过预定值的电流反应电阻的电压，使第二分路晶体管变为导通，令电流从光电元件流过限流电阻元件，并通过第二分路晶体管，离开所述输出开关晶体管，先于所述闩锁电路，响应提供接通分路晶体管的中断信号。采用这种安排，可使输出开关晶体管被切断，迅速响应过载情况而中断所述过载，而没有用来启动闩锁电路的等待；并可由其后被启动的闩锁电路保持切断。于是，即使面对瞬间的过载电流，也能够容易地给所述输出开关晶体管以更为可靠的保护。
本开关可以包括一个偏置装置，用于在闩锁电路响应过载信号给出中断信号时，从光电元件给分路晶体管的栅极提供偏置电流。采用给分路晶体管附加偏流或偏压，可使分路晶体管迅速地接通，通过输出开关晶体管快速中断过载，从而有效地保护输出开关晶体管以及相关元件。
再有，本开关还可包括一个阻断电路，用于阻断在闩锁电路响应过载信号给出中断信号时从光电元件流到输出开关晶体管栅极的电流，从而加快过载的中断，立即保护输出开关晶体管抵抗过载。
另外，过载传感器可以包括一个低通滤波器，它拒绝或消除电流反应电阻两端出现的高频电压，使得只在电流反应电阻两端电压超过预定值并维持超过一定的时间的情况下，过载传感器才对闩锁电路提供过载信号。于是，使闩锁电路避免响应只是瞬间(如较小的噪声)在负载电路中出现的非临界过载而给出中断信号，以及对于输出开关晶体管的保护为不需要的冲击电流。
此外，本开关可包括一个延时器，它延迟从过载传感器对闩锁电路提供过载信号，用以缩短光电元件产生电能的时间，从而消除在启动光电元件之后电流反应电阻两端立刻出现的瞬变电压。随着包含延时器的同时，可使输出开关晶体管避免响应在启动光电元件之后立刻出现的非临界过载，用以确保可靠的开关工作。
从以下参照附图对实施例的详细描述，将使本发明的这些以及其它目的和特点变得愈为清晰，其中：
图1是本发明第一实施例具有短路负载保护之光响应半导体开关的电路图；
图2是说明上述开关中所用穿通空间电荷电阻器的断面图；
图3是说明上述开关中所用扩散电阻器的断面图；
图4是本发明第二实施例的半导体开关；
图5是第一实施例的第一种改型的电路图；
图6是第一实施例的第二种改型的电路图；
图7是本发明第三实施例光响应半导体开关的电路图；
图8是本发明第四实施例光响应半导体开关的电路图；
图9是本发明第五实施例光响应半导体开关的电路图；
图10是本发明第六实施例光响应半导体开关的电路图；
图11是说明第六实施例的第一种改型的电路图；
图12是说明第六实施例的第二种改型的电路图；
图13是本发明第七实施例光响应半导体开关的电路图；
图14是说明第七实施例一种改型的电路图；
图15是本发明第八实施例光响应半导体开关的电路图；
图16是说明第八实施例一种改型的电路图；
图17是本发明第九实施例光响应半导体开关的电路图；
图18是说明第九实施例一种改型的电路图；
图19是说明第一实施例第三种改型的电路图；
第一实施例(图1)
参照图1，表示本发明第一实施例光响应半导体开关。本开关被用于与发光二极管1结合，构成光继电器，用于使负载2与电源3连接和断开连接。本开关包括光电二极管阵列形式的光电元件10，当从发光二极管1吸收光时产生电能。此电能给出一个工作电压，该电压随着光电二极管阵列10的电流的增加而降低。加给所述工作电压，以启动呈n沟道增强型金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)形式的输出开关晶体管20，它的栅极-源极被接在光电二极管阵列10的两端。输出MOSFET20的漏极和源极分别连到输出端子21，所述端子适于用于与负载1和电源3组成的负载电路连接。输出MOSFET20的栅极被连接成接收来自光电二极管阵列10的工作电压，使输出MOSFET20响应光电二极管阵列10变为导通，使负载2与电源3连接。为保护本开关，特别是输出MOSFET20不受可能流过负载之过载的损害，所述过载缘于负载的偶然短路；本开关包括负载传感器30、闩锁电路40和分路晶体管50，它们联合在一起，保持输出MOSFET20被断开，用以一旦出现过载情况而中断过载。
过载传感器30由电流反应电阻31和MOSFET32组成，所述电流反应电阻31接在输出MOSFET20的源极与输出端21之间，所述MOSFET32的栅极连接成接收检测电阻31两端的电压，以便在检测电压超过表现过载的预定值时它变为导通。MOSFET32的漏极通过第一电阻41连到光电二极管阵列10的正极，其源极连到光电二极管阵列10的负极。
闩锁电路40成双稳态多谐振荡器形式，包括串联连接的第一电阻41和第一MOSFET42，它们接在光电二极管阵列10的两端，还包括串联连接的第二电阻43和第二MOSFET44，它们接在光电二极管阵列10的两端。第一MOSFET42的栅极连接到第二电阻43和第二MOSFET44的漏极之间的接点，而第二MOSFET44的栅极连接到第一电阻41和第一MOSFET42的漏极之间的接点。分路晶体管50也是一个MOSFET，它的漏极-源极与限流电阻51串联连接，接在光电二极管阵列10的两端，并且它接在输出MOSFET20的栅极-源极的两端。分路晶体管50的栅极连接到第二电阻43与第二MOSFET44的漏极之间的接点。将闩锁电路40构造成使得在光电二极管阵列10启动时，第二MOSFET44首先被导通，从而降低加于第一MOSFET42的栅极和分路晶体管50的电压，以保持该二者不导通。当MOSFET32响应过载情况而变为导通时，第二MOSFET44变为不导通，从而使第一MOSFET42和分路MOSFET50导通，于是从光电二极管阵列10引出电流，通过分路MOSFET50，离开输出MOSFET20，并因此而使输出MOSFET20断开，以中断负载电路的过载。这种情况一直被保持到光电二极管阵列10不起作用。在这种意义上，闩锁电路40，也即双稳态多谐振荡器的设定输入端被限定于第一电阻41与第一MOSFET42之间的接点处，以便在发生过载情况时接收因MOSFET32的导通所引出的过载信号。双稳态多谐振荡器的重置输入端被限定于第一电阻41与光电二极管阵列10的正极之间的接点处，以便接收来自光电二极管阵列10的工作电压，而双稳态多谐振荡器的输出端被限定于第二电阻43与第二MOSFET44之间的接点处，以便一旦MOSFET32将过载信号加给所述设定输入端时，对分路MOSFET50的栅极给出一个中断信号。于是，使所述中断信号一直保持到因光电二极管阵列10的不起作用而使本开关被重置。
限流电阻51***在输出MOSFET20的栅极与光电二极管阵列10的正极之间，在这样的位置，用以限制在闩锁电路40工作给出中断信号的情况下从光电二极管阵列10流过分路MOSFET的分路电流，从而从阵列10给出足够的电压，加给闩锁电路40，借此使闩锁电路40保持由阵列10供能，以继续提供中断信号。
二极管52连在电阻51的两端，以其阳极连接于输出MOSFET20的栅极，在该电阻两端建立一个旁路，用以在阵列10不起作用时，排放输出MOSFET20的栅极积累的电荷，从而加速放电，迅速断开所述输出MOSFET。齐纳二极管53连在输出MOSFET20的栅极-源极两端，以齐纳二极管53的阴极连接于输出MOSFET20的栅极。齐纳二极管53还连在光电二极管阵列10两端，其击穿电压高于阵列10的开路电压。当由于负载的短路而把过高的电压加于输出MOSFET20时，齐纳二极管53将输出MOSFET20的栅极电压箝位在所述击穿电压，以保护它免受破坏性电压。
以下参照图2，它表示图1电路中的电阻41、43和51所用的穿通空间电荷电阻器元件。穿通空间电荷电阻器形成于n型或p型半导体基板60中。与基板导电类型相反的阱61分散于基板60的表面，一对与基板导电类型相同的区域62以互相隔开的关系分散于阱61的表面。分别形成于区域62上的是电极63，它们把工作电压加在两个区域之间而部分地通过所述的阱。随着加给工作电压，所述区域62结合在一起，其间形成耗尽层64，导致引出微小电流，从而确定电阻的阻值较高。可将如此构成的穿通空间电荷电阻器作成微型结构，同时表现出较高的电阻。因此，当采用小产生电流电容的光电二极管阵列10，对每个电阻41、43和51需要明显高的电阻时，可将整个开关制成小型的。
图3表示一种可被用为另一种供选择的扩散电阻器，可用为电阻41、43和51的另一种供选择的电阻元件。所述扩散电阻器包括n型或p型的半导体基板65、导电类型相反的阱66和分散于阱66表面内、导电类型与基板相同的区域67。由于阱66接地，区域67用为高电阻元件。于是，可以微型结构实现高电阻，使开关小型化。第二实施例(图4)
参照图4，它表示本发明第二实施例的光响应半导体开关。这个实施例的开关被设计用于由AC电源3A给负载2供能的负载电路，而且除了采用附加输出MOSFET22，以及过载传感器30A中的附加电流反应电阻33和附加传感器MOSFET34以外，与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“A”的类似参考数码表示。附加输出MOSFET22与输出MOSFET20A串联连接在输出端子21A之间，以MOSFET20A和22的源极互相连接，并以MOSFET20A和22的栅极共连，接收光电二极管阵列10A的工作电压。附加电阻33与端子31A串联连接在输出端子21A之间，对附加传感器MOSFET34的栅极提供结果电压。附加传感器MOSFET34的漏极-源极与MOSFET32A的漏极-源极并联连接，使得当电阻31A和33任何一个或者二者遇到过载情况时，过载传感器30A产生过载信号，降低加给闩锁电路40A的第二MOSFET44A的电压，从而接通分路MOSFET50A，以中断负载电路中的过载。
图5表示是第一实施例的第一种改型，除了在限流电阻51B两端附加与二极管52B串联的电阻54之外，它与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“B”的类似参考数码表示。电阻54包含在电路中，以避免当负载短路受到高压噪声，如如雷电冲击波情况下所述开关的短路中断故障。当负载短路中出现高压噪声同时输出MOSFET20B被导通时，冲击电流将通过输出MOSFET20B的漏极-栅极间的寄生电容从输出MOSFET20B的漏极流到栅极，流入光电二极管阵列10B，从而瞬间失去阵列10B的工作电压，从而重置闩锁电路40B。如果发生这种情况，分路MOSFET50B将被断开，即使在由于高压所引起的过载情况下，也不能中断负载电路中的过载，从而闩锁电路40B不能保护负载电路以及输出MOSFET20B。为了避免闩锁电路40B的无意重置，包括电阻54，以限制冲击电流，确保安全地保护抵抗所因加给负载电路的瞬间高压所引起的过载情况。
应予说明的是，按照这种连接，本改型以及后面将要描述的其它改型和各实施例的特点可被同样地加给图4的第二实施例。
图6表示第一实施例的第二种改型，除了为响应光电二极管阵列10C的不起作用而快速断开输出MOSFET之目的采用放电MOSFET55代替连在限流电阻两端的二极管52之外，它与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“C”的类似参考数码表示。放电MOSFET55的源极连在限流电阻51C与光电二极管阵列10C的正极之间的接点，其漏极和栅极共同连到输出MOSFET20C的栅极，用以在光电二极管阵列10C不起作用时，通过MOSFET55排放输出MOSFET20C的栅极积累的电荷，能够立即响应阵列10C的不起作用而断开MOSFET20C。第三实施例(图7)
参照图7，它表示本发明第三实施例的光响应半导体开关，除在过载传感器30D中包含旁路MOSFET35之外，它与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“D”的类似参考数码表示。旁路MOSFET35的源极-漏极与电流反应电阻31D串联，连接于输出MOSFET20D的漏极-源极两端，其栅极与输出MOSFET20D的栅极相连，共同接收来自光电二极管阵列10D的工作电压。旁路MOSFET35和电阻31D在输出MOSFET20D两端形成高电阻路径，以便只使一小部分流过电阻31D，用于检测过载，而使大部分负载电流流过输出MOSFET20D。当过载传感器30D检测到过载时，闩锁电路40D响应于保持分路MOSFET50D不导通，从而断开MOSFET20D和35，中断负载电路。第四实施例(图8)
参照图8，它表示本发明第四实施例的光响应半导体开关，除了包含附加的光电二极管11，以提供偏离电压，用以提高对过载的灵敏度之外，它与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“E”的类似参考数码表示。光电二极管11的阴极连到MOSFET32E的源极，它的阳极通过电流反应电阻31E连到MOSFET32E的栅极，使光电二极管11所给的偏离电压与电阻31E两端的电压相加，并加给MOSFET32E的栅极。于是，电流反应电阻31E两端较低的检测电压可成功地启动MOSFET32E，用以提高过载传感器30E对过载情况的灵敏度。因此，MOSFET32E能够很好地响应低值过载，从而有效地保护输出MOSFET20E。第五实施例(图9)
参照图9，它表示本发明第五实施例的光响应半导体开关，除了使用第二分路MOSFET56之外，它与第一实施例相同；所述第二分路MOSFET56的漏极-源极连接于分路MOSFET50F的漏极-源极的两端。类似的元件用带后缀“F”的类似参考数码表示。第二分路MOSFET56的栅极-源极连在电流反应电阻31F两端，由电阻31F两端表现的电压启动。于是，响应电阻31F超过预定值的电压，第二分路MOSFET56变为导通，使来自光电二极管阵列10F的电流先于闩锁电路40F响应提供接通分路MOSFET50F的中断信号，而流过限流电阻51F，离开输出MOSFET20F。因此，可使输出MOSFET20F被断开，以便立即响应过载情况，中断过载，而不等待闩锁电路40F的启动，而且因随后启动闩锁电路40F，还能保持断开。第六实施例(图10)
参照图10，它表示本发明第六实施例的光响应半导体开关，除了过载传感器30G包含一个低通滤波器之外，它与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“G”的类似参考数码表示。由一积分电路得到所述低通滤波器，所述积分电路由被***于电流反应电阻31G与MOSFET32G的栅极之间的电阻36，以及MOSFET32G的栅极-源极电容组成。所述积分电路，即所述低通滤波器的作用在于消除出现在电流反应电阻31G两端的高频电压，使过载传感器只在电阻31G给出超过预定值并持续一定时间的电压情况下对闩锁电路40G提供过载信号。因此，避免闩锁电路40G响应只是瞬间在负载电路中出现的非临界过载(如较小的噪声)，以及不需要输出开关晶体管保护的冲击电流，而给出中断信号。
图11表示第六实施例的第一种改型，除了过载传感器30H中附加了电容器37之外，它与第六实施例相同。类似的元件用带后缀“H”的类似参考数码表示。电容器37与电阻36H串联连接于电流反应电阻31H两端，并与电阻36H合在一起形成类似的低通滤波器，其功能与第六实施例所述的目的相同。
图12表示第六实施例的第二种改型，除了它的低通滤波器由串联于MOSFET32J的漏极-源极两端的电阻38和电容器39得到之外，它与第六实施例相同。类似的元件用带后缀“J”的类似参考数码表示。电阻38和电容器39合在一起形成一个积分电路，它消除MOSFET32J的漏极-源极两端出现的高频电压，只在电阻31J给出超过预定值的电压并出现一定时间的情况下才提供过载信号。也就是使MOSFET44J不导通，以便确保只响应上述情况而对分路MOSFET50J中断信号，在相反情况下保持导通，以避免负载电路响应只是瞬间出现在负载电路中的非临界过载而无意的中断。第七实施例(图13)
参照图13，它表示本发明第七实施例的光响应半导体开关，除了过载传感器30K包含一个延时器之外，它与第一实施例相同；所述延时器由电阻71、电容器72和MOSFET73组成。类似的元件用带后缀“K”的类似参考数码表示。电阻71与电容器72串联连接在光电二极管阵列10K两端。MOSFET73的漏极-源极与MOSFET32K的漏极-源极串联连接在MOSFET42K漏极-源极两端，其栅极连接在电阻71和电容器72之间的点。因此，使MOSFET73导通，使得MOSFET32K能够只在自光电二极管阵列10K启动的很短时间之后便对闩锁电路40K提供过载信号。换句话说，延时器的作用在于，当光电二极管10K产生电能时，使得从过载传感器30K对闩锁电路40K给出过载信号延迟很短的时间，从而在光电二极管阵列10K启动之后立刻消除电流反应电阻31K两端出现的瞬间电压。
图14表示第七实施例的一种改型，除了MOSFET 73L的栅极通过限流电阻51L连到光电二极管阵列10L的正极之外，它与第七实施例相同。类似的元件用带后缀“L”的类似参考数码表示。MOSFET73L具有固有的栅极-源极电容，它与电阻51L合在一起形成一个类似的延时器，其功能与第七实施例所述有相同的目的。因此，可避免输出MOSFET20L在光电二极管阵列10L启动之后立刻响应非临界的过载出现，以确保可靠的开关动作。第八实施例(图15)
参照图15，它表示本发明第八实施例的光响应半导体开关，除了包含一个用于偏置电路80之外，它与第一实施例相同；所述偏置电路用于从光电二极管阵列10M加给偏流，以快速中断过载。类似的元件用带后缀“M”的类似参考数码表示。偏置电路80有一个MOSFET81，它的漏极连到限流动作51M与光电二极管阵列10M的正极之间的点，它的源极连到分路MOSFET50M的栅极。MOSFET81的栅极连接在闩锁电路40M的输出端，也即动作43M与MOSFET44M之间的接点，使得在闩锁电路40M响应过载情况给出中断信号时，MOSFET81变为导通，把来自光电二极管阵列10M的电流送至分路MOSFET50M的栅极，从而加速MOSFET50M的导通，并因此响应所述过载情况造成过载的快速中断，用以有效地保护输出MOSFET20M以及相关的元件。
图16表示第八实施例的一种改型，除了偏置电路80N包括一个代替MOSFET81的双极晶体管82之外，它与第八实施例相同。类似的元件用带后缀“N”的类似参考数码表示。晶体管82的集电极连到电阻51N与光电二极管阵列10N的正极之间的点，它的发射极连到分路MOSFET50N的栅极，用以把来自阵列10N的电流提供给MOSFET50N的栅极。晶体管82的基极连到闩锁电路的输出端，以便使得晶体管82响应负载电路中的过载情况而导通，从而为了与第八实施例同样的目的而加速启动分路MOSFET50N。第九实施例(图17)
参照图17，它表示本发明第九实施例的光响应半导体开关，除了预备阻断电路90之外，它与第一实施例相同；所述阻断电路用于阻断在闩锁电路40N响应过载信号给出中断信号时从光电元件10P流到输出MOSFET20P栅极的电流。类似的元件用带后缀“P”的类似参考数码表示。阻断电路90包括一个双极晶体管91，它的集电极-发射极插在限流电阻51P与光电二极管阵列10P之间，还包括一个MOSFET92，它的源极通过电阻93连到晶体管91的基极。MOSFET92的栅极连到闩锁电路40P的设定输出端，即电阻41P与MOSFET42P之间的接点，使得当光电二极管阵列10P启动时，MOSFET92与MOSFET44P一起导通，还使得响应过载情况而与MOSFET44P一起不导通。这就是说，当启动光电二极管阵列10P以接通输出MOSFET20P时，MOSFET92响应导通，并引起晶体管91导通，以保持输出MOSFET20P导通。当遇到过载情况时，MOSFET92成为不接通，以便断开晶体管91，从而阻断从所述光电二极管阵列流入输出MOSFET20P栅极的电流。于是，来自光电二极管阵列10P的电流被充分地用于启动分路MOSFET50P。这就是说，造成电流主要经过电阻43P流到分路MOSFET50P的栅极，同时同样快速地启动，以便立即保护输出MOSFET20P免于过载情况。
图18表示第九实施例的一种改型，除了阻断电路90Q采用MOSFET94代替所述双极晶体管91之外，它与第九实施例相同。类似的元件用带后缀“Q”的类似参考数码表示。MOSFET94的源极-漏极插在限流电阻51Q与光电二极管阵列10Q之间，它的栅极连到MOSFET92Q的源极。电阻95连在MOSFET94的源极-漏极两端。MOSFET92Q的栅极连到闩锁电流40Q的输出端，使得在光电二极管阵列10Q被启动，以接通输出MOSFET20Q的情况下，它与分路MOSFET50Q一起保持断开。在这种情况下，MOSFET94保持接通，以将来自光电二极管阵列10Q的电流送到输出MOSFET20Q的栅极。当检测到过载情况时，闩锁电路40Q引起MOSFET92Q和分路MOSFET50Q同时接通，这顺次又使MOSFET94不导通，从而阻断从光电二极管阵列10Q朝向输出MOSFET20Q的电流。于是，使来自光电二极管阵列10Q的电流被禁止流入输出MOSFET20Q，并充分地被用于启动分路MOSFET50Q，以快速中断流过输出MOSFET20Q的过载电流。
图19表示第一实施例的又一种改型，除了分别使用二极管组51R、41R和43R作为本开关的电路的电阻性元件之外，它与第一实施例相同。类似的元件用带后缀“R”的类似参考数码表示。按照对于电阻性元件所需的特定阻值选择每组二极管的数目。

Claims (19)

1．一种带短路负载保护的光响应半导体开关，所述开关包括：
一个输出开关晶体管(20)，它接在一对输出端子(21)之间，所述输出端子适于连接包含负载(2)和给所述负载供能之电源(3)的负载电路；所述输出开关晶体管有一个具有阈值电压的控制极，在此电压下，所述输出开关晶体管导通，使所述负载与所述电源连接；
一个光电元件(10)，用以当从光源(1)吸收光时在所述光电元件的正负极两端产生电能，所述电能提供一个随自所述光电元件流出之电流的增大而减小的工作电压；
一个过载传感器(30)与所述负载电路连接，当所述负载电路遇到从所述电源流过所述负载的过载电流时，给出一个过载信号；
一个分路晶体管(50)与接在所述光电元件两端之限流电阻元件(51)串联连接，以确定来自所述光电元件之电流流过所述限流电阻元件(51)离开所述输出开关晶体管(20)的分流路径；
一个闩锁电路(40)，它与所述过载传感器及分路晶体管连接，所述闩锁电路由所述光电元件供能，而且一旦收到所述过载信号就给出中断信号，并在去掉所述过载信号之后保持该中断信号；所述中断信号造成所述分路晶体管(50)成为导通的，使来自所述光电元件的电流流过所述分流路径，同时使加给所述输出开关晶体管的控制极的工作电压降至所述阈值电压以下，以断开所述输出开关晶体管，用以解除所述负载与所述电源的连接；其特征在于：
所述分路晶体管(50)和所述限流电阻元件(51)与所述闩锁电路(40)分开形成；并且所述限流电阻元件(51)被接在所述控制极与所述光电元件(10)的正极之间，以限制来自所述光电元件(10)的电流，当所述分路晶体管被导通时，使其限制在有如被加给所述输出开关晶体管(20)的控制极之工作电压降低到所述阈值电压以下那样低的程度，同时允许光电元件(10)给出为保持所述中断信号而提供给所述闩锁电路(40)的电压。
2．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述过载传感器(30)包括***所述阻断电路中的电流反应电阻(31)，和晶体管开关(32)，它被连接成接收所述电流反应电阻两端产生的电压，以便当所述电压超过预定值时，给所述闩锁电路提供所述过载信号。
3．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述过载传感器(30D)包括与旁路开关晶体管(35)串联连接的电流反应电阻(31D)，在所述输出端子(21D)两端与所述输出开关晶体管(20D)并联；晶体管开关(32D)被连接成接收所述电流反应电阻两端产生的电压，以便当所述电压超过预定值时，给所述闩锁电路(40D)提供所述过载信号。
4．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述输出开关晶体管(20，20B，20C，20D，20E，20F，20G，20H，20J，20K，20L，20M，20N，20P，20Q，20R)包含单独一个金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，它的栅极-源极连在所述光电元件两端，它的漏极-源极接在所述输出端子之间。
5．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，一对输出开关晶体管(20A)每一个都由金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)形成，它们被串联连接在所述输出端子(21A)之间，以各MOSFET的源极互相连接，并且以各MOSFET的栅极共连，以便从所述光电元件(10A)接收所述工作电压。
6．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，由双稳态多谐振荡器得到所述闩锁电流(40)，它有设定输入端、重置输入端和输出端，所述设定输入端被连接成接收所述过载信号，所述重置输入端被连接成从所述光电元件(10)接收所述工作电压，而所述输出端被连接成接通和断开所述分路晶体管(50)。
7．如权利要求6所述的半导体开关，其特征在于，由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)得到所述分路晶体管(20)，它的漏极-源极与所述限流电阻元件(51)串联，它接在所述光电元件(10)两端，其中所述双稳态多谐振荡器包括：
第一电阻元件(41)和第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(42)，它的漏极-源极与所述第一电阻元件串联，接在所述光电元件(10)两端；
第二电阻元件(43)和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(44)，它的漏极-源极与所述第二电阻元件串联，接在所述光电元件两端；
所述第一MOSFET(42)的栅极连到所述第二电阻元件(43)与所述第二MOSFET(44)的漏极之间的点；
所述第二MOSFET(44)的栅极连到所述第一电阻元件(41)与所述第一MOSFET(42)的漏极之间的点；
所述第二电阻元件(43)和所述第二MOSFET(44)的漏极之间的点连到所述分路晶体管(MOSFET)(50)的栅极；
所述第二MOSFET(44)的栅极通过所述第一电阻元件(41)接收来自所述光电元件(10)的工作电压，以便在接收所述工作电压时成为导通的，从而降低通过所述第二电阻元件(43)加到所述第一MOSFET(42)的栅极和所述分路晶体管(MOSFET)(50)的栅极的工作电压，使所述第一MOSFET(42)和所述分路晶体管(MOSFET)(50)不导通；
所述第二MOSFET(44)的栅极还接收所述过载信号，使所述第二MOSFET不导通，从而提高加给所述第一MOSFET(42)和所述分路晶体管(MOSFET)(50)的栅极的电压，以使所述第一MOSFET(42)和所述分路晶体管(MOSFET)(50)导通，用以保持第二MOSFET不导通，以持续导通分路晶体管(MOSFET)(50)，用以在去掉来自所述光电元件(10)的工作电压之前保持所述输出开关晶体管(20)的中断。
8．如权利要求7所述的半导体开关，其特征在于，所述限流电阻元件(51)、第一电阻元件(41)和第二电阻元件(43)中的每一个都是穿通空间电荷电阻器，所述穿通空间电荷电阻器包括：
导电类型为n型和p型中的一种的半导体基片(61)；
散布在所述基片表面内并与所述基片导电类型相反的阱；
一对按互相隔开的关系分散于所述阱表面内的区域(62)，所述一对区域与所述基片导电类型相同；
分别形成于所述区域上的一对电极(63)，用以把所述工作电压加于所述区域之间，部分地通过所述阱；所述区域合在一起其间形成一个耗尽层(64)，能够响应微小的电流，从而确定所述限流电阻元件、第一电阻元件和第二电阻元件中的每一个的电阻。
9．如权利要求7所述的半导体开关，其特征在于，所述限流电阻元件(51R)、第一电阻元件(41R)和第二电阻元件(43R)分别由二极管得到。
10．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述输出开关晶体管(20)由具有确定所述控制极之栅极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成；使齐纳二极管(53)接在所述输出开关晶体管(20)的栅极-源极两端，与所述光电元件(10)并联连接；所述齐纳二极管的阴极连接到输出开关晶体管(20)的栅极；所述齐纳二极管(53)的击穿电压高于所述光电元件(10)的开路电压。
11．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述输出开关晶体管(20)由具有确定所述控制极之栅极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成；二极管(52)连在所述限流电阻元件(51)两端，以所述二极管的阳极连接到所述输出开关晶体管(20)的栅极。
12．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述输出开关晶体管(20B)由具有确定所述控制极之栅极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成；所述二极管(52B)与电阻(54)串联连接在所述限流电阻元件(51B)两端，以所述二极管的阳极连接到所述输出开关晶体管的栅极。
13．如权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，所述输出开关晶体管(20C)由具有确定所述控制极之栅极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成；一个放电金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(55)连接于所述限流电阻元件(51C)两端，以所述放电MOSFET(55)的源极连接到所述限流电阻元件(51C)与所述光电元件(10C)之间的接点，并以所述放电MOSFET(55)的漏极和栅极共连于所述输出开关晶体管(20C)的栅极。
14．如权利要求7所述的半导体开关，其特征在于，还包括一个附加的光电元件(11)，当吸收光时，它给出偏离电压；所述过载传感器(30E)包括***所述负载电流内的电流反应电阻(31E)，以在其间产生一个检测电压；第三金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(32E)，当它被导通时，对所述闩锁电路(40E)提供所述过载信号；所述附加光电元件(11)与所述第三MOSFET(32E)相连，将所述偏离电压与所述检测电压相加，并加给所述第三MOSFET(32E)的栅极，用以在所述检测电压加所述偏离电压超过一个预定值时，接通所述第三MOSFET。
15．如权利要求2所述的半导体开关，其特征在于，还包括第二分路晶体管(56)，它由连接在所述分路晶体管(50F)两端的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成，以所述第二分路晶体管(56)的漏极接到所述输出开关晶体管(20F)的控制极与所述限流电阻元件(51F)之间的点上，并以述第二分路晶体管(56)的源极与所述分路晶体管(50F)的源极相连；所述第二分路晶体管的栅极被连接成接收所述电流反应电阻(31F)两端产生的电压，以响应超过预定值的所述电流反应电阻的电压；所述第二分路晶体管(56)变为导通，使电流从所述光电元件(10F)流过所述限流电阻元件(51F)，并通过所述第二分路晶体管(56)离开所述输出开关晶体管(20F)，先于所述闩锁电路(40F)响应以提供接通所述分路晶体管(50F)的中断信号。
16．如权利要求7所述的半导体开关，其特征在于，还包括偏置装置(80，80N)，用于在所述闩锁电路(40M，40N)响应所述过载信号给出中断信号时，从所述光电元件(10M，10N)给所述分路晶体管(50M，50N)的栅极提供偏置电流。
17．如权利要求7所述的半导体开关，其特征在于，还包括阻断电路(90，90Q)，用于在所述闩锁电路(40P，40Q)响应所述过载信号给出中断信号时阻断从所述光电元件(10P，10Q)流到输出开关晶体管(20P，20Q)栅极的电流。
18．如权利要求2所述的半导体开关，其特征在于，所述过载传感器(30G，30H，30J)还包括低通滤波器，它消除所述电流反应电阻(31G，31H，31J)两端出现的高频电压，使得只在电流反应电阻两端电压超过所述预定值并维持超过一定的时间的情况下，所述过载传感器才对所述闩锁电路(40G，40H，40J)提供过载信号。
19．如权利要求2所述的半导体开关，其特征在于，还包括延时器(71，72，73，73L，51L)，它延迟从所述过载传感器(30K，30L)对所述闩锁电路(40K，40L)提供所述过载信号，用以缩短所述光电元件(10K，10L)产生电能的时间，从而消除在启动所述光电元件之后，所述电流反应电阻(31K，31L)两端立刻出现的瞬变电压。
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