本發(fā)明涉及過電壓保護(hù)電路。

背景技術(shù)：

電子組件通常由恒定電壓直流電(DC)電源供電。這些電子組件專門被設(shè)計成由特定DC電壓供電，并具有一定的誤差容限。輸入電壓中的任何尖峰，即使是暫時的，也可能造成組件永久性失效。在許多工業(yè)或消費者應(yīng)用中，常見的是高壓電源尖峰。這些尖峰持續(xù)時間可為數(shù)微秒至較大毫秒時值。隨著半導(dǎo)體晶片上電子組件的緊密度不斷增加，由于對來源于這些尖峰的較大電流所生成的熱量的耐受容量有限，這些組件會更容易失效。即使組件經(jīng)受住了這些暫時的尖峰，整個系統(tǒng)也有可能在電壓尖峰期間不能進(jìn)行可靠的運作。

歷史上，過電壓和過電流保護(hù)是使用電容器、二極管及保險絲實現(xiàn)的。然而，這些解決方案都需要過多的空間。在當(dāng)今即使是小型裝置也提供大量功能和特征的市場中，需要在更小的空間中制造大量電路。因此，即使不是對于全部應(yīng)用，也是對于許多應(yīng)用而言，這些傳統(tǒng)的過電壓保護(hù)方法都不再適用。還存在可用于過電壓保護(hù)的其它類型的電路。但是，那些電路通常包括相當(dāng)多的組件，并會消耗更多的電力。另外，這些電路中的一些電路不適于處理持續(xù)時間短的尖峰。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供此發(fā)明內(nèi)容是為了以簡化形式引入下文在具體實施方式中進(jìn)一步描述的概念的選擇。此發(fā)明內(nèi)容并非意圖識別所主張標(biāo)的物的關(guān)鍵特征或基本特征，也并非意圖用于限制所主張標(biāo)的物的范圍。

在一個實施例中，公開過電壓保護(hù)電路。過電壓保護(hù)電路包括輸入電壓端口、輸出電壓端口、耦合到輸入電壓端口的低通濾波器和耦合到低通濾波器的電壓調(diào)節(jié)器。過電壓保護(hù)電路還包括具有柵極、漏極和源極的晶體管。晶體管耦合到輸入電壓端口和輸出電壓端口，且柵極耦合到電壓調(diào)節(jié)器。

在一個或多個實施例中，低通濾波器包括電阻器和電容器，電壓調(diào)節(jié)器包括分壓器。電壓調(diào)節(jié)器還包括在第一輸入端耦合到分壓器的運算放大器，和在第二輸入端的參考電壓輸入端。電壓調(diào)節(jié)器另外包括耦合到運算放大器的輸出端的調(diào)節(jié)器晶體管。分壓器包括至少兩個電阻器，電阻值取決于參考電壓值的選擇。晶體管為常見的源極晶體管。

在另一個實施例中，公開用于提供過電壓保護(hù)的方法。該方法包括向源極跟隨器晶體管的漏極供應(yīng)輸入電壓，向低通濾波器供應(yīng)該輸入電壓，從低通濾波器的輸出端生成第一驅(qū)動信號，使用第一驅(qū)動信號生成第二驅(qū)動信號，以及利用第二驅(qū)動信號驅(qū)動源極跟隨器晶體管。第一驅(qū)動信號的生成包括使用參考電壓和運算放大器，第二驅(qū)動信號的生成包括在耦合到源極跟隨器晶體管的柵極的晶體管中吸收電流。

附圖說明

為了可詳細(xì)地理解本發(fā)明的上述特征的方式，可通過參考實施例來作出上文簡要概括的本發(fā)明的更特定描述，所述實施例中的一些實施例在附圖中加以示出。然而，應(yīng)注意，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，且因此不應(yīng)被視為限制本發(fā)明的范圍，這是因為本發(fā)明可準(zhǔn)許其它同等有效的實施例。在結(jié)合附圖閱讀此說明書后，所主張的標(biāo)的物的優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將變得顯而易見，附圖中的相同參考標(biāo)號已用于指代相同元件，且其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的過電壓保護(hù)電路的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的簡單的無源低通濾波器；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的簡單的電壓調(diào)節(jié)器；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的過電壓保護(hù)電路；

圖5示出了模擬圖，以展示圖1或圖4中所描繪的過電壓保護(hù)電路的活動；以及

圖6示出了用于生成驅(qū)動信號以調(diào)節(jié)電壓的方法。

具體實施方式

圖1示出了過電壓保護(hù)電路100的示意圖。過電壓保護(hù)電路100可用于多種應(yīng)用。然而，由于它的簡單性和低功耗，過電壓保護(hù)電路100極其適于低電壓和節(jié)能應(yīng)用。應(yīng)注意，一些先前技術(shù)解決方案通過燃燒電力來實現(xiàn)快速運算，而本文中所描述的過電壓保護(hù)電路100的實施例則燃燒相對極少的電力。因此，低功率晶體管可用于過電壓保護(hù)電路100。

傳統(tǒng)的電壓保護(hù)電路通常是高耗電的，因為驅(qū)動傳遞晶體管的電路需要足夠快速以超過在輸入供電電壓中快速產(chǎn)生的電壓尖峰。過電壓保護(hù)電路100包括低通濾波器(LPF)102以獲得高電源抑制比(PSRR)和滿足對高速運算放大器的需要。在一些實施例中，運算放大器需要比LPF 102更快(在輸入端和輸出端之間會延遲)。PSRR被限定為運算放大器中供電電壓的變化比其產(chǎn)生的等效(差分)輸出電壓的比率。

過電壓保護(hù)電路100可視需要包括二極管106或等效組件或電路，以在V_IN下降到V_OUT以下的情況下防止電流逆流。過電壓保護(hù)電路100還包括晶體管108。晶體管108可以是源極跟隨器晶體管或布置。過電壓保護(hù)電路100可包括一些其它組件，諸如在一些實施例中，可存在耦合到地面和V_OUT的電阻器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員相當(dāng)了解此類額外組件。

在一些實施例中，LPF 102可以是如圖2中示出的無源RC濾波器。如圖所示，LPF 102包括電阻器(R)和電容器(C)。在其它實施例中，LPF 102可以是RLC濾波器或是包括運算放大器的有源低通濾波器。對于電壓信號而言，LPF 102會減弱輸入信號V_IN中的高頻率尖峰。然而，LPF 102在由其RC時間常量確定的截止頻率以下減弱得極少。當(dāng)V_IN中出現(xiàn)尖峰時，LPF 102阻止該尖峰的高頻部分通過LPF 102。

過電壓保護(hù)電路100包括電壓調(diào)節(jié)器104。在一些實施例中，電壓調(diào)節(jié)器104可以是并聯(lián)調(diào)節(jié)器。并聯(lián)調(diào)節(jié)器提供從供電電壓向地面并經(jīng)過可變電阻的路徑。并聯(lián)調(diào)節(jié)器比串聯(lián)調(diào)節(jié)器更簡單，有時僅由齊納(zener)二極管構(gòu)成，且可用于極低功率的電路，在此類極低功率的電路中，被浪費的電流量極小，所以無需擔(dān)心。

在其它實施例中，過電壓保護(hù)電路100使用如圖3中所描繪的電壓調(diào)節(jié)器104。電壓調(diào)節(jié)器104包括耦合到IN端口的分壓器120。IN端口也直接耦合到OUT端口。根據(jù)應(yīng)用具體需要，例如V_IN和V_REF值，分壓器120在IN端口進(jìn)行分壓。電壓調(diào)節(jié)器120耦合到運算放大器122的第一輸入端。運算放大器122的第二輸入端耦合到V_REF。運算放大器122充當(dāng)誤差放大器，并輸出電壓，該電壓是通過分壓器120和V_REF輸入的電壓的差分。如上文所指出，運算放大器122可以是低電壓或常規(guī)的運算放大器。運算放大器122的輸出端耦合到晶體管124的柵極。當(dāng)運算放大器122施加電壓時，晶體管124開始導(dǎo)電。電流吸收器在電壓調(diào)節(jié)器104的OUT端口降低該電壓(V_G)。

電壓調(diào)節(jié)器104的OUT端口驅(qū)動晶體管108的柵極。晶體管108提供源極跟隨器布置。在一個例子中，晶體管108可以是NMOS晶體管。晶體管108的柵極端用作輸入端，源極為輸出端，且漏極為兩者(輸入端和輸出端)所共用的。電壓調(diào)節(jié)器104的輸出端應(yīng)用于晶體管108的柵極。在其它實施例中，可使用類似的雙極共集電極配置晶體管。應(yīng)注意，只要能夠?qū)崿F(xiàn)源極跟隨器配置，也可使用其它類型的晶體管。

在一個例子中，晶體管108為MOS型晶體管是有利的。第一，與無源裝置相比，晶體管108可處理較大電流，以及第二，它不需要大帶寬驅(qū)動電路來提供輸入端和輸出電壓端口之間的高帶寬隔離。MOS型晶體管108的組合和LPF 102處理較大和快速輸入電壓的瞬變，且控制回路(a)可保護(hù)自身免于過電壓，及(b)可以是緩慢的，并因此是低功耗的。快速響應(yīng)通過晶體管108的輸出阻抗來實現(xiàn)，且低功耗通過使用LPF 102并在飽和區(qū)中由控制回路驅(qū)動晶體管108來實現(xiàn)。

如上文所述，過電壓保護(hù)電路100充當(dāng)源極跟隨器，在晶體管108中將該輸入電壓減去較小電壓降復(fù)制至輸出端。濾波型的輸入電壓用于驅(qū)動晶體管108。V_IN中的快速電壓變化被晶體管108的輸出阻抗和LPF102阻止。輸入電壓的緩慢變化被控制回路阻止，因為V_G被控制成要低于所允許的最大電壓。在一些實施例中，如果晶體管108的漏極-源極之間的電壓降需要保持在較低水平，那么可使用電荷泵來提高柵極電壓。電荷泵是一種DC至DC轉(zhuǎn)換器，它使用電容器作為儲能元件以產(chǎn)生更高或更低電壓的電源。

圖4示出了過電壓保護(hù)電路100，它使用了LPF 102和電壓調(diào)節(jié)器104的簡單實施方案。如圖所示，LPF 102包括電阻器R1和電容器C1。R1和C1的接合點耦合到分壓器的一端，該分壓器包括兩個電阻器R3和R4。R1和C1的接合點也耦合到晶體管108的柵極。R3和R4的接合點耦合到運算放大器122的第一輸入端，運算放大器122的第二輸入端耦合到參考電壓源極V_REF。運算放大器122放大它的兩個輸入端處的電壓之間的差值。運算放大器122的輸出端耦合到晶體管124的柵極。視情況選用的二極管106在V_IN和晶體管108之間耦合。在一個或多個實施例中，R3和R4的值取決于V_REF值的選擇。在其它實施例中，可基于R3和R4的比值選擇V_REF。

圖5示出了在圖4中標(biāo)記為Point1、Point2、Point3、Point4和Point5的各個位置處的電壓的樣本模擬圖。應(yīng)注意，圖5中所描繪的圖并不按比例，且即使所示線路為直線，實際上，這些線路中的至少一些線路可能至少在一些位置不是平滑的直線。該模擬圖基于輸入電壓(例如，在上電時)中的40V尖峰，V_REF為大約1.25V，且分壓器比值為大約2/21。

如圖所示，在Point1的電壓上升到大約40 V。在Point2的電壓上升并穩(wěn)定在大約1.33V。在Point3的電壓穩(wěn)定在大約790.5mV。當(dāng)在Point2和Point3的電壓穩(wěn)定在這些電壓值時，在Point4和Point5的電壓停止進(jìn)一步提高，并穩(wěn)定在大約13.95V(Point5)和14.44V(Point4)。通常，在Point5的電壓的穩(wěn)定需要大約5微秒。所希望的輸出電壓為大約14V。如圖所示，無論在Point1的電壓如何上升，在Point5的電壓保持穩(wěn)定。

圖6示出了用于調(diào)節(jié)電壓的方法200。因此，在步驟202中，將輸入電壓施加到源極跟蹤晶體管的源極。在步驟204中，也將該輸入電壓施加到低通濾波器。在步驟206中，使用參考電壓和比較器，從低通濾波器的輸出端生成第一驅(qū)動信號。在步驟208中，使用第一驅(qū)動信號和晶體管生成第二驅(qū)動信號。隨后在步驟210中，第二驅(qū)動信號用于驅(qū)動源極跟蹤晶體管，以使得無論輸入電壓怎么上升，源極跟蹤晶體管的漏極都輸出固定電壓。

除非在此另外指出或明顯與上下文相矛盾，否則在描述所述標(biāo)的物的上下文中(尤其在所附權(quán)利要求書的上下文中)術(shù)語“一”和“所述/該”以及類似指示物的使用應(yīng)解釋為涵蓋單個與復(fù)數(shù)個兩者。除非在此另外指出，否則在此引證數(shù)值的范圍僅意在用作單獨地提及每個單獨的數(shù)值落在該范圍內(nèi)的速記方法，并且每個單獨的數(shù)值被結(jié)合到本說明書中就像它被單獨地在此引證一樣。此外，由于尋求保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定，如在下文中與被授權(quán)的任何等效者一起所闡述的，所以上述描述僅旨在說明，而不意在限制。在此提供的對任一和全部例子，或示例性語言(例如，“諸如”)的使用僅意圖更好地說明所述標(biāo)的物，并不對所述標(biāo)的物的范圍加以限制，除非所述標(biāo)的物以其它方式主張。在權(quán)利要求書和書面描述兩者中，使用術(shù)語“基于”和用于產(chǎn)生結(jié)果的條件的其它類似短語并不意圖排除產(chǎn)生那一結(jié)果的任何其它條件。本說明書中的任何語言都不應(yīng)該理解為指示實施所主張的本發(fā)明必需的任何未主張元件。

在此描述了優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人已知的用于實施所主張的標(biāo)的物的最佳模式。當(dāng)然，在閱讀上述描述之后，那些優(yōu)選實施例的變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將變得顯而易見。發(fā)明人期望熟練的技術(shù)人員酌情采用此類變化，發(fā)明人也希望所主張的標(biāo)的物以其它方式實施，而不僅僅是依照本文中的特定描述。因此，這里所主張的標(biāo)的物包括適用法律所允許的在此隨附的權(quán)利要求書中所述的標(biāo)的物的所有修改和等效物。此外，除非在此另外指出或明顯與上下文相矛盾，否則包含上述元件的所有可能變化的任何組合。