提供过电流保护的电阻变化器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及提供过电流保护的电阻变化器件。一种过电流保护器件可以包括接收输入电流的输入端子；耦合至输入端子的输出端子；以及集成到硅衬底内并且布置于输入端子和输出端子之间的电流限制器电路。所述电流限制器电路可以包括具有由第一电阻表征的通过状态和由高于第一电阻的第二电阻表征的限制状态的串联通过元件，所述串联通过元件包括集成到硅衬底内的串联电流感测元件，所述串联电流感测元件被配置为接收输入电流并基于接收到的输入电流输出感测电压，其中，将所述串联通过元件配置为在感测电压指示输入电流超过预定电平时将电流限制器电路置于限制状态。
【专利说明】
提供过电流保护的电阻变化器件
技术领域
[0001]本实施例涉及电路保护器件领域。更具体而言，本发明的实施例涉及通过触发电阻变化而提供过电流保护的保护器件。
【背景技术】
[0002]电路保护器件与所要保护的电路中的一个或多个部件形成电连接。这些保护器件中的某些器件用于保护电路避免遭受过高的电流，而其他器件则可以提供针对出现电压尖脉冲时的过压瞬变提供保护。一种类型的用于过压保护的器件是齐纳二极管，其被设计为具有特定的反向击穿电压，该反向击穿电压是二极管受到反向偏置时的传导电压。通过对p-n结进行掺杂从而允许电子从P型材料隧穿至η型材料而对其加以控制。另一种类型的过电压保护装置是雪崩击穿二极管，在发生过压状况时，其以雪崩击穿处的载流子碰撞倍增来工作的。
[0003]熔丝(或熔性连接)代表用于限制或终止电流的常见类型的保护器件。熔丝可以在通过其传导的电流超过预定极限时提供开路从而限制或终止电流，对于不同的熔丝而言所述极限根据熔丝额定值而变化。尽管熔丝操作可用于确保通过所要保护的器件或电路传导的电流不超过安全值，但是一个缺点是一旦熔丝断开，就会使受保护的元件不工作直到更换熔丝为止。尽管某些类型的过电压保护器件是可逆的，但是过电压保护器件可能无法提供与熔丝可以提供的一样的过电流保护功能。正是对于这些以及其他考虑而言才需要本发明的改进。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，一种集成到硅衬底内的过电流保护器件包括:接收输入电流的输入端子;耦合至所述输入端子的输出端子；以及集成到硅衬底内的电流限制器电路。所述电流限制器电路布置于输入端子和输出端子之间并且包括:具有以第一电阻为表征的通过状态和以高于第一电阻的第二电阻为表征的限制状态的串联通过元件，所述串联通过元件包括集成到硅衬底内的串联电流感测元件，所述感测元件被配置为接收输入电流并在接收到的输入电流的基础上输出感测电压，其中，所述串联通过元件被配置为在感测电压指示输入电流超过了预定电平时将所述电流限制器电路置于限制状态。
[0005]在另一实施例中，一种采用集成到硅衬底内的过电流保护器件限制电流的方法可以包括在串联通过元件处于具有第一电阻的通过状态时通过集成到硅衬底内的串联通过元件将输入电流从输入端子传输至输出端子，采用串联电流感测元件检测输入电流达到了预定电平;将串联通过元件切换至具有高于第一电阻的第二电阻的限制状态；以及通过处于限制状态的串联通过元件将输入电流从输入端子传输至输出端子，其中，所述输入电流不超过预定电平。
【附图说明】
[0006]图1A描述了根据本公开的实施例的电流限制器电路的实施例；
[0007]图1B示出了包括图1A的电流限制器的示范性保护电路；
[0008]图2描述了根据本公开的实施例的电流限制器电路的电路图；
[0009]图2A描述了根据本公开的另一实施例的电流限制器电路的电路图；
[0010]图2B描述了根据本公开的另一实施例的电流限制器电路的电路图；
[0011]图2C-2F描述了图2A的电流限制器电路的示范性操作；
[0012]图3描述了根据本公开的实施例的过电压保护电路的电路图；
[0013]图3A描述了根据本公开的实施例的另一过电压保护电路的电路图；
[0014]图3B描述了根据本公开的实施例的另一过电压保护电路的电路图；
[0015]图3C描述了根据本公开的实施例的另一过电压保护电路的电路图；
[0016]图3D描述了根据本公开的实施例的另一过电压保护电路的电路图；
[0017]图4描述了根据本公开的实施例的提供分路过电压保护和串联电流限制的保护电路的电路图；
[0018]图5描述了图4的保护电路的部件的半导体层表示。
【具体实施方式】
[0019]在下文中将参考示出了各种实施例的附图更充分地描述本发明的实施例。可以通过很多种不同的形式体现所述实施例，不应将其推断为局限于文中阐述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻、完整并将本实施例的范围充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，始终采用类似的附图标记表示类似的元件。
[0020]在本公开的各种实施例中，一种设备可以包括具有集成到硅衬底内的双稳定过电流限制器的形式的保护电路。所述双稳定过电流限制器可以以两种稳定状态为特征。值得注意的是，与已知熔丝的操作不同，所述双稳定过电流限制器可以在所述稳定状态之间来回切换。在各种实施例中，所述设备可以包括接收输入电流的输入端子、耦合至输入端子的输出端子以及包括设置在输入端子和输出端子之间的串联通过元件以及集成到所述硅衬底内的串联感测元件的电流限制器电路。所述串联通过元件可以具有通过状态和限制状态，所述通过状态具有第一电阻，所述限制状态具有高于第一电阻的第二电阻。可以将所述串联电流感测元件配置为检测输入电流以及在检测到的输入电流的基础上输出感测电压，其中，将所述串联通过元件配置为在感测电压指示输入电流超过预定电平时将所述电流限制器电路置于限制状态。
[0021]在各实施例中，还可以包含分路过电压保护电路连同电流限制器。在一些实施例中，可以独立于过电流电路提供分路过电压保护，或者在其他实施例中，可以采用分路过电压触发电流限制器电路。
[0022]例如，在具体实施例中，所述保护电路可以包括串联电流限制器级，还包括耦合至所述输入端子和输出端子的分路过电压级，该分路过电压级沿与所述第一电流通路电并联的电通路布置，其中，将所述分路过电压级配置为当在输入端子或输出端子处检测到的主电压超过预定主电压电平时限制输入端子和输出端子之间的电流。
[0023]在一些实施例中，可以将所述串联通过元件配置为单向通过元件，而在其他实施例中，可以将所述串联通过元件配置为双向通过元件。在其他实施例中，所述分路过电压级可以包括单向或双向(3端子)过电压元件。在具体实施例中，额外的端子可以在两个4端子器件之间提供状态变化。
[0024]图1A示出了根据本公开的实施例的电流限制器电路100的实施例。在本实施例中，可以将电流限制器电路100的至少一些部件实施到硅衬底中。电流限制器电路100包括输入端子102和输出端子104。通过限制可以通过一个或者多个部件的最大电流，电流限制器电路100可以被布置以保护其他部件(未示出)。电流限制器电路100包括布置到在输入端子102和输出端子104之间延伸的电流通路106内的电阻器108。还将电流限制器110布置到电流通路106内，为简单起见将其图示为开关。电流限制器(开关)110可以以两种不同的稳定状态存在，其向(例如)在输入端子102和输出端子104之间延伸的电流通路106赋予两个不同的电阻。如图1A所示，电流限制器电路100还包括感测元件112，可以将其布置为检测沿电流通路106流动的电流。例如，可以借助于电阻器108检测到跨感测元件112的感测电压。感测元件112和电流限制器110可以充当按照两种不同的稳定状态工作的通过电路或通过元件。在以通过状态(未示出)工作时，电流通路106可以表现出第一电阻，其允许电流在输入端子102和输出端子104之间流动。感测元件112可以确定检测到的电压的电平低于通过状态将被关闭的阈值。假设电流提高，那么可通过感测元件112检测到预定感测电压电平，其对应于指示达到了最大容许电流的预定输入电流电平。其可以触发感测元件112通过致动器114向电流限制器(开关)110发送信号，使之将状态改为限制状态(如图1A示意性所示)，该状态具有高于第一电阻的第二电阻。如下文详述的，电流限制器110的电路元件中的至少一些实现为形成于娃衬底内的半导体器件。
[0025]在各实施例中，可以通过实施到硅或其他半导体衬底内的半导体元件来实施电流限制器电路100，所述半导体元件包括P/N结二极管、双极晶体管和场效应晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0026]在各实施例中，可以将电流限制器110实现为包括两个电并联的电流通路的电路，其中，在处于通过状态时沿形成电流通路106的一部分的第一电流通路(未示出)来传输电流，且在处于限制状态时沿形成电流通路106的交替部分的第二电流通路(未示出)来通过电流，所述第一电流通路和第二电流通路彼此电并联。第一电流通路被配置为具有第一电阻，其低于第二电流通路的第二电阻。在具体实施例中，第一电流通路可以包括主可控硅整流器(SCR)，且第二电流通路可以包括耦合至主SCR的辅助器件，从而使得第一电流通路的第一电阻和第二电流通路的第二电阻由主SCR和辅助器件的相应电阻决定，其中这两个器件都可以被实施到共同的硅衬底内。
[0027]现在来看图1B，其示出了包括电流限制器电路100的保护电路120。在本范例中，保护电路120还包括额外的电流通路，即电流通路126，电流通路126被设置到输入端子102和输出端子104之间，并形成与电流通路106并联(如图1A所示)。在操作当中，保护电路120可以利用电流限制器电路100提供电流限制。此外，保护电路120可以包括一对二极管，其中，将一对二极管布置为彼此反并联(ant1-parallel)。如图1B所示，所述保护电路包括沿电流通路126被布置为阳极相互连接的二极管122和二极管124。因而，二极管122和二极管124可以限制沿电流通路126的电压。因而，在过压状态下通过沿电流通路126分路电流而提供过电压保护，电流通路126起着公共端子的作用。
[0028]如上所述，在各种实施例中，限流电路可以包括多个SCR。本领域已知，SCR是电流控制器件，其实施在四个掺杂半导体层内，所述四个掺杂半导体层在硅衬底中按照N-P-N-P顺序布置。因而，SCR形成了三个单独的P-N结，还包括三个端子。SCR(SCR阳极)的阳极端子连接至PNPN结构的外P型层，阴极端子连接至外N型层，同时SCR的栅极连接至离阴极最近的(内侧)P型层。已知的SCR具有两种稳定状态，其中，要么当SCR处于闩锁低电阻导电状态(ON状态)时有大电流流过SCR，要么没有电流流过。
[0029]在一些实施例中，可以由敏感的栅极主SCR或者执行类似功能的替代电路来构造所述串联通过元件。具体而言，主SCR可以具有来自阳极的栅极电流馈线，该栅极电流馈线被配置为使得在连接了负载时随着电源电压的升高，栅极电流从连接阳极的馈线流入到主SCR内，直到内部再生(regenerat1n)将主SCR置于闩锁低电阻导电状态为止。之后，主SCR可以保持在Vt导电状态内，直到去除了电源或负载，或者使电源电压下降到一定值，从而使SCR去闩锁并且电流回到栅极馈电电阻器和栅极一阴极电流通路为止。
[0030]在各种实施例中，电流限制器电路除了包括主SCR之外还可以包括闩锁或“开启”电路，所述电路被配置为将电流驱动到主SCR的栅极内，从而将主SCR置于低电阻ON状态条件内。电流限制器电路还可以包括辅助电路，例如，硅可控开关(SCS)。已知，可以认为SCS构成了硅可控整流器，其中，PNP型晶体管的内部N基极和NPN型晶体管的集电极连接至另一外部端子，以充当阳极栅极。
[0031]如下面的实施例中所详述的，所述开启电路、主SCR和辅助电路可以是互操作的，从而控制通过电流限制器电路的电流传导，使得电流限制器电路在两种稳定状态之间切换。在正常电流条件下，电流限制器电路起着引导电流通过主SCR的作用，所述主SCR保持在ON状态内，以提供低电阻通路。在过电流状况下，电流限制器电路起着引导电流通过辅助电路的作用，所述辅助电路提供了高电阻通路。
[0032]在特定实施例中，电流限制器电路可以包括串联电流感测元件，其用于检测通过电流并且位于主SCR的阳极或者阴极内。可以采用跨串联电流感测元件出现的电压来触发包括SCS的较小的辅助电路，从而当由负载表现出预定过电流状况时将SCS触发到ON状态。SCS可以被布置为主SCR绝灭(starve)内部再生电流，其使得主SCR退化到OFF状态，从而使包含SCS的电路作为从输入端子到输出端子的唯一保留电路。与主SCR相比，SCS可以具有更小的实际尺寸，并且在处于ON状态时与主SCR的电阻相比将相应地呈现出更大的电阻。因而，可以通过主SCR Vt传导ON状态电阻与SCS被置于ON状态时的辅助电路剩余导电通路电阻的比值来确定在通过状态和限制状态之间电流限制器的电阻变化。
[0033]在各实施例中，可以采用被构造为背对背的或者反并联的电流限制器件提供双向电流流动。此外，还可以将本发明的实施例的电流限制器件实施到AC电源上。本发明的实施例的此类电流限制器可能不适于用作“安全”熔丝，因为“有电(live)部分”可能在不同的操作状态中存在。
[0034]在下面的附图中介绍可以实施到硅衬底内的电流保护电路以及电压保护电路的示范性实施方式。
[0035]图2示出了根据本公开的实施例的电流限制器电路200的电路图。在这一实施例中，可以将电流限制器电路200至少部分地实施到硅衬底内，尤其是实施到多个掺杂半导体层内。电流限制器电路200包括由第一PNP型晶体管204和第一NPN型晶体管206构成的主SCR202，其中，将第一 PNP型晶体管204的集电极连接至第一 NPN型晶体管206的基极。
[0036]电流限制器电路200还包括第二PNP型晶体管208，其中，其发射极连接至第一 NPN型晶体管206的基极。此外，电流限制器电路200包括第三PNP型晶体管210，其中，其集电极连接至第一 PNP型晶体管204的基极和第一 NPN型晶体管206的集电极。因而，第二 PNP型晶体管208可以充当主SCR 202的驱动器。第二PNP型晶体管208尤其可以充当主SCR 202的开启部件，其工作方式是从主SCR 202的阴极栅极(P栅极，例如，第一NPN型晶体管206的基极)来拉出电流。在其他实施例中，NPN型晶体管可以被用作推布置(push arrangement)，以驱动所述阴极栅极。类似地，可以以推或拉布置来使用PNP型晶体管或NPN型晶体管，以驱动主SCR 202的阳极栅极(N栅极，例如，第一PNP型晶体管204的基极)。以推布置使用NPN型晶体管来驱动SCR的P栅极的优点在于，NPN型晶体管一般可以表现出低电流增益，从而以最低的可能基极电流来触发SCR开启。采用PNP型晶体管驱动器从SCR的N栅极牵拉可以取得有关向硅衬底内的集成的结构优势。
[0037]电流限制器电路200还包括二极管212，其阴极连接至第一PNP型晶体管204的发射极。所述电流限制器电路还包括第二 NPN型晶体管211，其集电极连接至第三PNP型晶体管210的基极。第二NPN型晶体管211和第三PNP型晶体管210可以充当硅可控开关或SCS 214，下文将详述其操作。电流限制器电路200还可以包括如图所示的电阻器R1、R2、R3、R3’和R4的串联。下文将描述电流限制器电路200的各种变型的详细操作。
[0038]简言之，在通过状态下，电流限制器电路200的主SCR 202可以存在于ON状态，因而电流限制器电路200可以呈现出对应于主SCR 202的ON状态电阻的电阻。电流限制器电路200可以被配置为在输入电流超过预定电平时通过将主SCR 202切换到OFF状态而从通过状态切换至限制状态，在限制状态中，电流不再通过主SCR流动。已知，在SCR内的阳极电流降至保持电流的电平以下时，SCR关闭。在一种实施方式中，可以通过将可以在通过状态下通过电流限制器电路200的电流负荷的一部分分流到与包括主SCR 202的通路并联的并联电流通路内而达到这一目的。例如，所述并联电通路可以通过上文讨论的辅助电路，其中，所述辅助电路包括SCS，其中，与主SCR 202处于ON状态的电阻相比，在SCS处于ON状态时辅助电路将表现出更高的电阻。因而，在主SCR 202被切换至OFF状态时，可以将剩余的电流路由为通过SCS，从而建立高得多的电阻，并由此限制最高电流。
[0039]接下来，电流限制器电路200可以在输入电流降至预定电平以下时实施操作，从而使主SCR 202返回ON状态。
[0040]图2A描绘了根据本公开的其他实施例的电流限制器电路220。可以认为电流限制器电路220是电流限制器电路200的变型，其中，采用相同附图标记标示类似的元件。此外，电流限制器电路220中的元件的布置与电流限制器电路200的元件布置类似。具体而言，第二PNP型晶体管208起着主SCR 202的开启部件的作用，其从主SCR 202的阴极栅极(第一NPN型晶体管206的基极)来拉出电流。
[0041 ]电流限制器电路220还包括感测电阻器Rsense，其在第三PNP型晶体管210的基极和二极管212的阴极的输出之间延伸。可以采用Rsense触发电流限制器电路220中的开关，从而将电流限制器电路220的状态从通过状态改为限制状态，如下文所详细阐述的。
[0042]图2B描绘了根据本公开的其他实施例的电流限制器电路240。可以认为电流限制器电路240是电流限制器电路200的变型，其中，采用相同附图标记标示类似的元件。电流限制器电路240还包括第三NPN型晶体管242，其起着主SCR 202的开启部件的作用，该部件将推动针对主SCR 202的阴极栅极(第一NPN型晶体管206的基极)的电流。电流限制器电路240还包括感测电阻器Rsense，其在第一 NPN型晶体管206的发射极和第三PNP型晶体管210的集电极之间延伸。可以采用Rsense触发电流限制器电路220中的开关，从而将电流限制器电路220的状态从通过状态改为限制状态，如下文所详细阐述的。
[0043]在操作当中，电流限制器电路220或电流限制器电路240可以将相应的电路置于三种可能的状态之一内:I)开启条件，其是指在晶体管，其中，开启元件变为向主SCR 202传导；2)通过状态，其中，将主SCR 202置于再生ON状态，其将赋予相对较低的电阻；以及3)限制状态，其中，主SCR 202因SCS 214的动作而退化，从而使得开启电流通过SCS 214而转向，并呈现出以通过SCS 214的具有相对较高的电阻的电流通路为特征的限制状态。
[0044]图2C-2F示出了根据本公开的各种实施例的电流限制器电路220的示范性操作。电流限制器电路220被示为处于上文所述的不同状态。尽管在接下来的附图中将详细示出电流限制器电路220的操作，但是可以容易地认识到电流限制器电路240可以类似地操作。实施例不限于这一语境。
[0045]在图2C中示出了处于通过状态的电流限制器电路220的操作的例子，在通过状态中，主SCR 202处于ON状态。可以假设通过电流限制器电路220的电流负荷处于正常范围内，其中，通过主SCR的导电通路形成为如电流通路252所示。在这种情况下，主SCR 202处于再生模式内，并且被闩锁(latch)到ON状态，从而使电流如在输入端子和输出端子之间的通过主SCR 202的电流通路252所示的来传输。在这种情况下，SCS 214处于OFF状态，其中，不存在通过SCS 214的导电通路。
[0046]在图2D中示出了过电流状况的例子，其中，在输入端子和输出端子之间传输的电流超过了预定极限，如电流通路254所示。这一极限可以对应于通过Rsense的预定感测电阻。具体而言，过电流状况可能导致通过二极管212形成某一电压，该电压足以通过Rsense使得SCS 214进入ON状态并开始传导电流。在SCS 214变得导电时，输入端子和输出端子之间的电流通路256可以如图所示来形成。之后，第三PNP型晶体管210利用第二NPN型晶体管211再生。
[0047]如图2E所示，由于第三PNP型晶体管210的基极如图所示连接至SCR 202，因而在SCS 214进入ON状态时，这一再生通过导电通路258使得主SCR 202的再生电流从第一PNP型晶体管204转向。因此，第一PNP型晶体管204由第一NPN型晶体管206退化，其将主SCR 202置于OFF状态。
[0048]在图2F中示出了由于图2D和图2E的过电流状况而将主SCR 202置于OFF状态之后处于限制状态的电流限制器电路220的操作的例子。由于第三PNP型晶体管210和第二 NPN型晶体管211处于再生状态，因而主SCR 202保持在OFF状态内，并且避免第二PNP型晶体管208从主SCR 202的阳极栅极拉出触发电流。
[0049]在接下来的阶段当中，电流限制器电路220被布置为检测输入电流何时降至阈值以下，以表明过电流状态已经停止，继而在过电流状况停止时返回通过状态。这一点是通过上文详述的电流限制器电路220中的部件的布置和固有操作自动完成的。因而，在外部影响(例如，消除了故障和/或关闭了电源或者暂时反转了电源极性)降低了从输入端子流向输出端子的电流时，通过SCS 214的电流可能降至SCS 214的内部定义保持电流以下，从而使得SCS 214自然退化到OFF状态。在SCS 214恢复OFF状态时，“开启”电流的转向以及主SCR202的再生电流的转向停止。因此，由于恢复了流入到主SCR 202的栅极内的电流而通过包括第二PNP型晶体管208的开启电路再次将主SCR 202触发到ON状态。
[0050]可以根据诸如电阻器R3’以及SCS 214的部件的设计来调节电流限制器电路220的电阻的相对变化。例如，可以将主SCR 202处于ON状态时的电阻值表示为Rscr，可以将SCS的电阻值表示为Rscs，从而使得电流限制器电路220的通过状态电阻等于RSCR，而限制状态电阻等于Rscs+R3 ’，其中，R3 ’是电阻器R3 ’的电阻。在一些范例中，比值(Rscs+R3 ’)/Rscs聊处于500:1到1000:1的范围内。在其他实施例中，比值(Rscs+R3’)/Rscs可以高达10，000:1。为了实现这一目的，可以将第二NPN型晶体管211作为四层结构布置到硅衬底内，所述四层结构具有比(例如)第一PNP型晶体管204、第一NPN型晶体管206或第三PNP型晶体管210更小的面积。第三PNP型晶体管210还可以具有比第一 PNP型晶体管204更小的面积，因为只须从SCS214生成足以使第一 PNP型晶体管204和第一 NPN型晶体管206退化的电流。
[0051 ]图3示出了根据本公开的实施例的过电压电路300的电路图。过电压电路300包括PNP型晶体管304，其发射极连接至二极管302的阴极，其基极连接至NPN型晶体管308的集电极。第一雪崩击穿二极管306被配置为使其阴极连接至PNP型晶体管304的基极和NPN型晶体管308的集电极。过电压电路300可以充当器件的分路过电压级，其中，电流限制器电路200充当串联级。具体而言，过电压电路300可以充当“撬棍”电路(crowbar circuit)，其中，通过生成低电阻通路而限制可能沿电流通路形成的电压，由此限制过电压。
[0052]图3A描绘了根据本公开的实施例的包括过电压保护电路320的保护电路322的电路图。在本范例中，保护电路322包括处于与过电流保护电路330集成的配置当中的过电压保护电路320，所述过电流保护电路的操作大致如上文参考图2-2F所述。显然，仅示出了包括主SCR 310的过电流保护电路330的一部分。因而，保护电路332可以包括大体如图2A-2F所示的过电流保护电路的其他部件。主SCR 310包括PNP型晶体管304和NPN型晶体管312，上文已经大致讨论了它们在电流限制器电路中的操作。
[0053]过电压保护电路320还包括第一雪崩击穿二极管306和第二雪崩击穿二极管306B。过电压保护电路320还包括PNP型晶体管304B，PNP型晶体管304B的发射极和基极与PNP型晶体管304的发射极和基极是共通的。过电压保护电路320还包括图3所示的NPN型晶体管308。
[0054]在操作中，当电势(电压)在输入或输出端子上相对于公共电势上升时(参考图1B)，达到某一电势，在该电势上，第一雪崩击穿二极管306或第二雪崩击穿二极管306B开始使来自输入端子或输出端子的通过NPN型晶体管308的电流发生雪崩效应。当电势在输入端子上进一步提高时，NPN型晶体管308可以开始通过PNP型晶体管304的基极一发射极导电。这导致了再生操作，从而使得PNP型晶体管304/NPN型晶体管308的对充当SCR，从而将输入端子“撬动(crowbar)”到公共电势(Common)，由此电压被拉到触发电压以下，并保持低于触发电压。
[0055]当电势在过电压状况下在输出端子处进一步增大时，第二雪崩击穿二极管306B和NPN型晶体管308操作以将输出端子上的电势箝位到由雪崩电压+NPN型晶体管308的发射极一基极电压Vbe之和所给定的电压上。如果在这一情况下，在输入端子上还同时存在电势，那么PNP型晶体管304/NPN型晶体管的对可以再生并如上文所述撬动输入端子。
[0056]在图3A的实施例中，第一雪崩击穿二极管306被连接至PNP型晶体管304的基极，第二雪崩击穿二极管306B被连接至输出端子。在额外的实施例中，雪崩击穿二极管的其他配置也是可能的。图3B示出了另一保护电路342，其包括过电流保护电路330和过电压保护电路340。保护电路362与保护电路322的区别在于，第二雪崩击穿二极管306B连接至PNP型晶体管304的集电极而非输出端子。相应地，第二雪崩击穿二极管306B之间的电流在抵达输出端子之前通过电阻器R3。
[0057]图3C示出了另一保护电路362，其包括过电流保护电路330和过电压保护电路360。保护电路362与保护电路322的区别在于，第一雪崩击穿二极管306被连接至输入端子而非PNP型晶体管304的基极。
[0058]图3D示出了另一保护电路382，其包括过电流保护电路330和过电压保护电路380。保护电路382与保护电路322的区别在于省略了PNP型晶体管304B。因而PNP型晶体管304的集电极被连接至第一雪崩击穿二极管306、第二雪崩击穿二极管306B和NPN型晶体管308的基极。因而，可以认为PNP型晶体管304起着双集电极晶体管的作用。
[0059]图4示出了根据本公开的实施例的提供分路过电压保护和串联电流限制的另一保护电路400的电路图。在一种实施方式中，保护电路400可以实施电流限制器电路200以及过电压电路300的功能。图5示出了保护电路400的部件的半导体层表示。在一些实施例中，保护电路400可以被实现为五层器件，其包含集成到硅衬底内的五个半导体层。如图所示，保护电路400可以包括主SCR 202以及按照上文相对于图2描述的方式布置的第二PNP型晶体管208。保护电路400还可以包括二极管402，二极管402具有连接至第一 PNP型晶体管204的发射极的阴极。此外，保护电路400还包括NPN型晶体管404，NPN型晶体管404的集电极连接至第一 PNP型晶体管204的基极和第一 NPN型晶体管206的集电极。
[0060]总而言之，本发明的实施例通过按照在电流限制器电路中提供可逆双稳定电阻状态的方式在硅衬底中实施电流限制器电路而提供了一种新颖的过电流保护。与熔丝元件不同，本发明的实施例提供了在解决了过电流状况之后使电流保护电路返回低电阻状态的能力。
[0061]本公开的范围不受文中描述的具体实施例限制。实际上，除了文中描述的那些实施例以外，本公开的各种其他实施例以及对本公开的修改对于阅读了上文的描述和附图的本领域技术人员而言将是清楚的。因而，意在使这样的其他实施例和修改也落在本公开的范围内。此外，尽管在出于特定目的、在特定环境下的、特定实施方式的语境下描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到其用途不限于此，可以在很多种环境下出于任何数量的目的有利地实施本公开。因而，应当在考虑文中描述的本公开的全部宽度和精神的情况下对下文阐述的权利要求做出解释。
【主权项】
1.一种集成到硅衬底中的过电流保护器件，包括: 接收输入电流的输入端子； 耦合至输入端子的输出端子；以及 集成到硅衬底内并且布置于输入端子和输出端子之间的电流限制器电路，包括: 具有由第一电阻表征的通过状态和由高于第一电阻的第二电阻表征的限制状态的串联通过元件，所述串联通过元件包括集成到娃衬底内的串联电流感测元件，所述串联电流感测元件被配置为接收输入电流并基于所述输入电流输出感测电压，其中所述串联通过元件被配置为在感测电压指示输入电流超过预定电平时将电流限制器电路置于限制状态。2.根据权利要求1所述的过电流保护器件，其中，所述串联通过元件包括由第一电阻表征的第一电流通路和与所述第一电流通路电并联且由第二电阻表征的第二电流通路，其中所述第一电阻是由布置到第一电流通路内的硅衬底内的第一器件决定的，并且其中所述第二电阻是由布置到第二电流通路内的硅衬底内的第二器件决定的。3.根据权利要求2所述的过电流保护器件，其中，所述串联通过元件被配置为在感测电压超过预定感测电压电平时阻止电流通过第一电流通路传输，其中，在限制状态下电流仅通过第二电流通路传输。4.根据权利要求1所述的过电流保护器件，其中，所述串联通过元件包括主SCR，其中所述过电流保护器件还包括硅可控开关(SCS)，所述硅可控开关被耦合至主SCR并且被配置为在感测电压超过预定感测电压电平时触发到ON状态，所述ON状态使主SCR绝灭内部再生电流。5.根据权利要求4所述的过电流保护器件，其中，所述主SCR包括SCR阳极并且包括来自SCR阳极的栅极电流馈线， 其中，在负载被连接至过电流保护器件时随着连接至输入端子的电源电压的升高，栅极电流从连接阳极的馈线流入到主SCR内，直到内部再生使得主SCR返回到将所述串联通过元件置于通过状态的闩锁低电阻导电状态为止。6.根据权利要求5所述的过电流保护器件，还包括耦合至SCR的阴极栅极或阳极栅极的驱动晶体管，所述驱动晶体管被配置为分别在所述阴极栅极或阳极栅极处开启所述SCR。7.根据权利要求1所述的过电流保护器件，其中，所述过电流保护器件包括五层器件，所述五层器件含有集成到硅衬底内的五个半导体层。8.根据权利要求2所述的过电流保护器件，其中，电流限制器电路包括串联电流限制器级，所述过电流保护器件还包括耦合至所述输入端子和输出端子的分路过电压级，所述分路过电压级沿与所述第一电流通路电并联的电通路布置，其中，所述分路过电压级被配置为当在输入端子或输出端子处检测到的电压超过预定主电压电平时限制输入端子和输出端子之间的电压。9.根据权利要求8所述的过电流保护器件，其中，所述分路过电压级包括彼此反并联布置的一对二极管。10.根据权利要求1所述的过电流保护器件，其中，所述串联通过元件被配置为在输入电流降至预定电平以下时从限制状态切换至通过状态。11.一种采用集成到硅衬底内的过电流保护器件限制电流的方法，包括: 在集成到硅衬底内的串联通过元件处于具有第一电阻的通过状态时通过串联通过元件将输入电流从输入端子传输至输出端子， 采用串联电流感测元件检测输入电流达到了预定电平； 将串联通过元件切换至具有高于第一电阻的第二电阻的限制状态；以及在限制状态下通过所述串联通过元件将输入电流从输入端子传输至输出端子，其中，输入电流不超过所述预定电平。12.根据权利要求11所述的方法，还包括: 检测输入电平低于所述预定电平；以及 使所述串联通过元件从限制状态切换至通过状态。13.根据权利要求11所述的方法，其中，在通过状态中传输输入电流包括沿第一电流通路通过所述硅衬底内的第一器件来传输输入电流，所述第一电流通路定义了所述第一电阻，并且其中在限制状态中传输电流包括沿第二电流通路通过硅衬底内的第二器件来传输输入电流，所述第二电流通路与所述第一电流通路电并联并且定义了所述第二电阻。14.根据权利要求11所述的方法，其中，检测输入电流达到了预定电平包括判断感测电压超过了预定感测电压电平。15.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述串联通过元件切换至限制状态包括使第一电流通路断开，其中，输入电流沿第二电流通路而非沿第一电流通路传输。16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述串联通过元件包括主SCR，其中，所述串联电流感测元件被耦合至连接至主SCR的硅可控开关(SCS)，并且其中切换至限制状态包括在感测电压超过预定感测电压电平时触发SCS中的ON状态，所述ON状态使主SCR绝灭内部再生电流。17.根据权利要求16所述的方法， 其中，主SCR包括SCR阳极，并且主SCR被配置有来自所述SCR阳极的栅极电流馈线，并且 其中，在串联通过元件处于通过状态时传输输入电流包括: 在负载被连接至过电流保护器件时将所提供的电源电压连接至输入端子；以及随着电源电压的升高使栅极电流从连接阳极的馈线流入到SCR内，直到内部再生将SCR变为将串联通过元件置于通过状态的闩锁低电阻导电状态为止。18.根据权利要求13所述的方法，还包括: 判断在输入端子或输出端子处检测到的电压超过了预定主电压电平；以及通过分路过电压级限制输入端子和输出端子之间的电压，所述分路过电压级是沿与第一电流通路和第二电流通路电并联的电通路布置的。19.一种集成到硅衬底中的保护电路，包括: 接收输入电流的输入端子； 親合至输入端子的输出端子； 集成到硅衬底内并且布置于输入端子和输出端子之间的串联电流限制器级，包括:被配置为在由沿第一电流通路的第一电阻表征的通过状态和由沿第二电流通路的高于第一电阻的第二电阻表征的限制状态之间可逆切换的串联通过元件；以及 耦合至所述输入端子和输出端子并且沿与所述第一电流通路和第二电流通路电并联的电通路布置的分路过电压级，其中所述分路过电压级被配置为当在输入端子或输出端子处检测到的电压超过预定主电压电平时限制输入端子和输出端子之间的电压。
【文档编号】H02H9/02GK105896499SQ201610086592
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月16日
【发明人】G·本特莱伊
【申请人】保险丝公司