專利名稱：過壓保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過壓保護(hù)，尤其涉及在電話應(yīng)用中的電子設(shè)備的過壓保護(hù)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明適用于POTS(通常電話系統(tǒng))設(shè)備的過壓保護(hù)。在使用中，從交換機(jī)到用戶的POTS線可傳輸不同的信號(hào)。例如此線可傳輸標(biāo)志有電話打進(jìn)的振鈴信號(hào)，在通話過程中交換的信息信號(hào)，線路測(cè)試信號(hào)，計(jì)量信號(hào)或打電話人的ID信號(hào)。
在交換機(jī)中，這些信號(hào)不需來自相同的源。事實(shí)上，為方便起見，每個(gè)信號(hào)可通過不同的途徑產(chǎn)生，利用繼電器開關(guān)交換到線路上。以這種形式組成的交換機(jī)的例子如圖中的圖1所示。
其中圖示的交換機(jī)10包含1個(gè)SLIC(用戶線接口電路)12，它通過SLIC保護(hù)14和SLIC繼電器開關(guān)16與POTS線中的TIP(塞尖)線18和Ring(塞環(huán))線20相連。信息信號(hào)由SLIC發(fā)送和接收，電壓水平在1V rms區(qū)域，兩條導(dǎo)線18，20上加-3V至-50V的直流偏壓。SLIC12通常在IC(集成電路)上使用。
用于產(chǎn)生振鈴信號(hào)的振鈴發(fā)生器22，通過振鈴繼電器開關(guān)24與TIP線18和Ring線20相連，典型的振鈴信號(hào)是不對(duì)稱的，峰值負(fù)電壓在-200V區(qū)域，峰值正電壓水平在+100V區(qū)域。
用于產(chǎn)生測(cè)試電平的測(cè)試設(shè)備26通過測(cè)試?yán)^電器開關(guān)28與TIP線18和Ring線20相連，測(cè)試電平的幅值通常低于振鈴信號(hào)。
過流保護(hù)分別由TIP線18和Ring線20上的電阻器36、38提供。過壓保護(hù)通過保護(hù)器30在POTS線上提供，包括連接在各自的線路和地之間的過壓保護(hù)器32和34。使用中，POTS線易遭到從雷擊或交流電源故障所傳導(dǎo)、耦合或輻射出的有害電壓。這些電壓可超過振鈴電壓水平。為保護(hù)振鈴和測(cè)試發(fā)生器，過壓保護(hù)器32，34被放置在輸入線路上。這些保護(hù)器32，34的過壓限制水平對(duì)于SLIC的耐受力來講通常過高，因此SLIC還有它自己的保護(hù)器14。在圖1中，示出SLIC保護(hù)器14包括二極管和連接的對(duì)地加有反向偏壓的晶體閘流管，并帶有晶體管用作閘流管上的放大柵極。保護(hù)器14可通過由英國(guó)的Power Innovations Ltd of Bedford生產(chǎn)的器件TISPPI3L2來實(shí)施。為了減小尺寸，提高可靠性，逐漸引入半導(dǎo)體取代繼電器開關(guān)16、24、28。這被稱為SSR(固態(tài)繼電器)或LCAS(線卡訪問開關(guān))，一種典型的LCAS是由朗迅科技公司生產(chǎn)的L7582。在L7582中，振鈴反饋開關(guān)24是通過門控信號(hào)接通并由振鈴信號(hào)的交流分量關(guān)斷的三端雙向可控硅開關(guān)元件。由于其它開關(guān)16、28的傳輸?shù)闹绷餍盘?hào)，這些開關(guān)由雙向MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)完成。
三端雙向可控硅開關(guān)24比MOS開關(guān)相對(duì)強(qiáng)健，具有更高的電壓承受能力。因此，進(jìn)線保護(hù)器30被設(shè)置用來保護(hù)MOS開關(guān)。在關(guān)斷狀態(tài)下，MOS開關(guān)可被用于承受約±300V的電壓。對(duì)這個(gè)電壓水平的保護(hù)可通過常用的保護(hù)器來獲得。
由于SLIC可以保持一對(duì)SLIC開關(guān)16的一端電壓大約在-50V，這種保護(hù)應(yīng)是不對(duì)稱的，不超過+250V或-350V。TIP線18上的開關(guān)的最大電壓僅為振鈴電壓的一半。因此，電壓保護(hù)器30應(yīng)限制電壓在+125V和-150V之間。
當(dāng)MOS開關(guān)在開狀態(tài)時(shí)，將只傳導(dǎo)不大于約200mA的電流水平。在這些電流水平下，MOS開關(guān)作為恒定電流元件起作用，這意味著在導(dǎo)通的MOS開關(guān)兩端將會(huì)有一大的電壓。對(duì)于短時(shí)的閃電脈沖，假設(shè)電壓水平被保護(hù)器30、32限制，MOS開關(guān)不會(huì)被損壞。
相反，在交流過壓條件下，長(zhǎng)時(shí)間的能量損耗能使MOS開關(guān)過熱，在此條件下，MOS開關(guān)可能發(fā)生故障。為克服這個(gè)問題，通常包括一個(gè)過熱關(guān)斷電路，又稱熱關(guān)斷電路。然而，熱關(guān)斷電路需要一段時(shí)間作出反應(yīng)；在這段時(shí)間里開關(guān)會(huì)由于過高的溫度上升而發(fā)生故障。
在開狀態(tài)下，MOS開關(guān)僅能耐受最大±170V的電壓。由于SLIC對(duì)一個(gè)開關(guān)端子有-50V的電壓偏置，保護(hù)器對(duì)電壓的限制應(yīng)為+120V和-170V。由于負(fù)振鈴信號(hào)(-200V)將由過壓保護(hù)器30設(shè)置的-170V的限制而被箝位，這個(gè)限制電壓水平將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生誤操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一個(gè)改進(jìn)了的過壓保護(hù)器。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供了適合保護(hù)導(dǎo)體的過壓保護(hù)器。此過壓保護(hù)器包含至少第1，第2和第3雙極保護(hù)元件；其中每個(gè)保護(hù)元件的第1電極與公用節(jié)點(diǎn)相連；第1和第3元件在一個(gè)方向上具有擊穿導(dǎo)通特性，在另一方向上具有二極管導(dǎo)通特性；第2元件在雙向上具有擊穿導(dǎo)通特性；第1和第3元件各自的第1電極為相同極性。
在過壓保護(hù)器的一種優(yōu)選形式里，第1保護(hù)元件的第2電極和第2保護(hù)元件的第2電極適于連接到被保護(hù)的導(dǎo)體。
這樣，可由保護(hù)器定義兩條過壓保護(hù)路徑，一個(gè)通過第1和第3元件，另一個(gè)通過第2和第3元件。
在過壓保護(hù)器的另一種優(yōu)選形式中，第1保護(hù)元件的第2電極和第3保護(hù)元件的第2電極適于連接到被保護(hù)的導(dǎo)體。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第1和第3元件有預(yù)定的擊穿電壓，擊穿電壓是不同的。第2元件在兩個(gè)不同的導(dǎo)通方向上有不同的擊穿電壓。本電路的設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了一個(gè)特定的過壓保護(hù)器，能夠選擇對(duì)特定導(dǎo)體進(jìn)行過壓保護(hù)的過壓限制。過壓保護(hù)器可以包含通過第1電極連接到公用節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步的保護(hù)元件，其第2電極適于連接到導(dǎo)體用于它的過壓連接。


以下將結(jié)合附圖，舉例描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，其中圖1顯示了如上所述的POTS交換和線路的示意電路圖；圖2顯示了本發(fā)明中過壓保護(hù)器的具體實(shí)施例；圖3顯示了包含在圖2中過壓保護(hù)器的反向?qū)ǖ膯蜗蜷l流管特性的曲線；圖4顯示了包含在圖2中過壓保護(hù)器的雙向閘流管二極管特性的曲線圖；圖5顯示了包含在圖2中過壓保護(hù)器的兩個(gè)反向?qū)ǖ膯蜗蜷l流管特性的曲線；
圖6顯示了反向?qū)▎蜗蜷l流管串聯(lián)一個(gè)包含在圖2中過壓保護(hù)器的雙向閘流管二極管的特性曲線；圖7顯示了包含在圖2中的過壓保護(hù)器實(shí)施方法的結(jié)構(gòu)透視圖；圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明過壓保護(hù)器另一實(shí)施例；圖9顯示了包含在圖8中的過壓保護(hù)器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)透視圖。
具體實(shí)施例方式
圖2中描述的過壓保護(hù)器130能夠用在圖1顯示的POTS交換機(jī)10中，代替那里描述的過壓保護(hù)器。
過壓保護(hù)器130包含3個(gè)以星型方式將保護(hù)元件132、134、136連接到一個(gè)公用節(jié)點(diǎn)138。第1元件132是如圖3所示的具有導(dǎo)通特性的反向?qū)▎蜗蜷l流管二極管。第2元件134是如圖4所示特性的雙向閘流管二極管。第3元件是近似于第1元件132的反向?qū)▎蜗蜷l流管二極管。在每種情況下，保護(hù)器電壓限制值在一般情況下被稱作Vbo。
單向閘流管二極管132、136的負(fù)極與公用節(jié)點(diǎn)相連。第1單向閘流管二極管(第1元件)132的正極，和不與公用節(jié)點(diǎn)138相連的雙向二極管(第2元件)134的一個(gè)電極，分別與圖1中的TIP線18和Ring線20相連。第3單向閘流管二極管(第3元件)136的正極與地相連接。
當(dāng)過壓保護(hù)器以上述建議的方式連接時(shí)，TIP線和地之間連接的復(fù)合特性如圖5所示。在正極性，限制電壓將為第1元件132的Vbo和第3元件136的正向二極管電壓的總和。在負(fù)極性，限制電壓將為第3元件136的Vbo和第1元件132的正向二極管電壓的總和。若這兩個(gè)Vbo的值不同，限制電壓將不對(duì)稱。
沒有第1元件132的操作，Ring到地限制特性將由第2和第3元件134，136的特性決定。在正極性，限制電壓將為第2元件134的(+ve)Vbo和第3元件136的正向二極管電壓總和。在負(fù)極性，限制電壓Vbo I將為第3元件136的Vbo和第2元件134的(-ve)Vbo的總和。
如果第3元件136是由來自反向?qū)ǖ牡?元件132的電流所切換的，負(fù)極保護(hù)電壓Vbo2變成為第2保護(hù)器的Vbo和第3保護(hù)器的低電壓導(dǎo)通狀態(tài)電壓Vt的總和。Ring線到地端子對(duì)的保護(hù)特性如圖6所示。
在正常操作中，Ring線到地的負(fù)限制電壓(Vbo1)是高的。例如，如果第2元件134的Vbo為-160V，第3元件136的Vbo為-130V，Vbo1將為-290V。此值將保護(hù)電路，不會(huì)導(dǎo)致振鈴信號(hào)被箝位。在交流過壓條件下，保護(hù)電壓將降至Vbo2，這是第2元件134的Vbo和第3元件136低電壓ON狀態(tài)電壓Vt的總和(應(yīng)用中約為2V)。因此，交流保護(hù)電平將為-162V，這將保護(hù)ON狀態(tài)的MOS開關(guān)。
上述配置的一種特定組合如圖7所示。二極管由基片上的pn-n+層構(gòu)成，閘流晶體管由n+pn-p構(gòu)成。所有的端子連接制作在一面上，單個(gè)元件132、134、136通過繞P層的包層彼此隔離開。
與地面相連的第3元件136傳輸通過第1和第2元件132，134的電流的總和。由此，第3元件136的電流容量處理能力最好比第1和第2元件132、134的更高。單個(gè)閘流管的電壓限制可通過改良擴(kuò)散，局部減小在pn結(jié)處n型材料的電阻率來設(shè)置。這種減小如圖7中4個(gè)虛線區(qū)域140所示。
盡管以上示出用n型材料作為啟始(starting)材料，可以理解，將所有材料的摻雜類型顛倒，可以形成互補(bǔ)的形式。
在圖7的結(jié)構(gòu)中，所有3種元件(2個(gè)單向和1個(gè)單向)由垂直擴(kuò)散彼此隔離開。
圖8顯示了本發(fā)明的過壓保護(hù)器的另一實(shí)施例，其中的元件與TIP線18，Ring線20和地線與圖2以不同的配置相連。
在一些平衡線通信系統(tǒng)，一般期望在線地之間電壓比線線之間的電壓有更高的限制值。
一個(gè)例子是若在一個(gè)系統(tǒng)中，有多個(gè)不同的接地的線路，電源頻率的噪聲就可能發(fā)生。在這種情況下，線路可以允許“懸空”。為防止絕緣擊穿(打火)，地和線之間可以連接一高的電壓保護(hù)器(典型的約500V)。線路之間的保護(hù)可限壓到一個(gè)低得多的水平。
在一些情況下，網(wǎng)絡(luò)失去了與地的連接。有這種可能，由于設(shè)備正在工作，會(huì)通過線到地的保護(hù)器將危險(xiǎn)的交流電平加到線上。為阻止這一情況，接地保護(hù)器可有一個(gè)高于交流電源峰值的保護(hù)電壓。線路之間的電壓可限制在一個(gè)低得多的值。
在電話交換機(jī)中，在電話線進(jìn)入建筑處設(shè)有保護(hù)。這被稱為主保護(hù)，用于去掉大多數(shù)進(jìn)來的電壓浪涌。驅(qū)動(dòng)此線路的電子設(shè)備也可有保護(hù)--次級(jí)保護(hù)。確保次級(jí)保護(hù)不旁路主保護(hù)也不承受主保護(hù)應(yīng)承受的能量是很重要的。
對(duì)于使用變壓器耦合的數(shù)字系統(tǒng)(ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))，ASDL-不對(duì)稱數(shù)字用戶線)，可以使用下述次級(jí)保護(hù)的方法。適應(yīng)于線電壓，將保護(hù)加到各線路間。線到地的保護(hù)在高于主保護(hù)的電壓下實(shí)現(xiàn)，以確保在次級(jí)保護(hù)前主保護(hù)應(yīng)導(dǎo)通。這樣，僅在主保護(hù)出現(xiàn)故障時(shí)次級(jí)保護(hù)才工作。
這3種情況要求有比線線電壓更高的線地電壓。一個(gè)在單片硅上實(shí)現(xiàn)的非常經(jīng)濟(jì)的方法是，2個(gè)單向和1個(gè)不對(duì)稱的雙向轉(zhuǎn)折(breakover)觸發(fā)閘流管的星型連接。此例顯示了一個(gè)有550V的線地電壓和320V的線線電壓的保護(hù)器。假設(shè)正向二極管電壓降為1V，這2個(gè)串聯(lián)在線之間的單向保護(hù)器132、136將有一個(gè)320V-1V＝319V的轉(zhuǎn)折電壓和1個(gè)1V的二極管電壓。這種不對(duì)稱保護(hù)器134從星型中心點(diǎn)138到地將有550V-1V＝549V的電壓和550V-319V＝231V的電壓，以在兩個(gè)極性上從地到線給出550V的電壓。
如圖8建議的保護(hù)器實(shí)施例如圖9所示。在實(shí)踐中，由于不對(duì)稱保護(hù)器承載來自單向的保護(hù)器132、136的電流的總和，它應(yīng)有單向保護(hù)器雙倍的電流承受能力。
權(quán)利要求
1.一種適于保護(hù)導(dǎo)體的過壓保護(hù)器，包括至少第1，第2和第3雙極保護(hù)元件(132，134，136)，其中每個(gè)保護(hù)元件(132，134，136)的第1電極與公用節(jié)點(diǎn)(138)相連；第1和第3元件(132，136)在一個(gè)方向上有擊穿導(dǎo)通特性，在另一個(gè)方向上有二極管導(dǎo)通特性；第2元件(134)在雙向上有擊穿導(dǎo)通特性；第1和第3元件(132，136)各自的第1電極為相同極性。
2.如權(quán)利要求1所述的過壓保護(hù)器，其中，第1保護(hù)元件(132)的第2電極和第2保護(hù)元件(134)的第2電極適于與被保護(hù)導(dǎo)體(18，20)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的過壓保護(hù)器，其中，第3保護(hù)元件(136)的第2電極適于接地。
4.如權(quán)利要求1所述的過壓保護(hù)器，其中，第1保護(hù)元件(132)的第2電極和第3保護(hù)元件(136)的第2電極適于與被保護(hù)的導(dǎo)體(18，20)相連。
5.如權(quán)利要求4所述的過壓保護(hù)器，其中，第2保護(hù)元件(134)的第2電極適于接地。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的過壓保護(hù)器，其中，第1和第3保護(hù)元件(132，136)有預(yù)定的擊穿電壓，其擊穿電壓是不同的。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的過壓保護(hù)器，其中，第2保護(hù)元件(134)在兩個(gè)不同的導(dǎo)通方向上有不同的擊穿電壓。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的過壓保護(hù)器，其中所述過壓保護(hù)器進(jìn)一步包括經(jīng)第1電極連接到公用節(jié)點(diǎn)的又一個(gè)保護(hù)元件，其第2電極適于連接到導(dǎo)體用于過壓連接。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的過壓保護(hù)器，其中該保護(hù)器集成在單片半導(dǎo)體器件中。
10.如權(quán)利要求9所述的的過壓保護(hù)器，其中所述保護(hù)元件由半導(dǎo)體的擴(kuò)散區(qū)域構(gòu)成，通過連續(xù)層面將各保護(hù)元件彼此分離。
11.如權(quán)利要求9所述的的過壓保護(hù)器，其中所述保護(hù)元件由半導(dǎo)體的擴(kuò)散區(qū)域構(gòu)成，通過連續(xù)層面將第2元件(134)與第1和第3元件(132，136)分離開來。
12.如權(quán)利要求10或11所述的過壓保護(hù)器，其中所述保護(hù)元件(132，134，136)包含二極管和閘流管。
13.如權(quán)利要求12所述的過壓保護(hù)器，其中，每個(gè)閘流管可通過在晶閘管連接處引入中間擴(kuò)散層來彼此獨(dú)立設(shè)計(jì)。
全文摘要
一種適合于保護(hù)導(dǎo)體的過壓保護(hù)裝置,至少包括第1、第2和第3雙極保護(hù)元件(132,134,136)。每個(gè)保護(hù)元件的第1電極與公用節(jié)點(diǎn)(138)相連。第1保護(hù)元件(132)的第2電極和第2第3保護(hù)元件(134,136)的第2電極適合于連接到被保護(hù)的導(dǎo)體。第1和第3元件(132,136)在一個(gè)方向上有過壓擊穿導(dǎo)通特性,在另一個(gè)方向上有二極管導(dǎo)通特性。第2元件(134)在雙向上有過壓擊穿導(dǎo)通特性。其中第1和第3元件(132,136)各自的第1電極為相同極性。
文檔編號(hào)H04M3/18GK1375157SQ9981697
公開日2002年10月16日 申請(qǐng)日期1999年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月26日
發(fā)明者邁克爾·J·梅圖姆, 史蒂文·W·拜厄特 申請(qǐng)人:電力革新有限公司