电气保护器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电气保护器件。
【背景技术】
[0002] 众所周知，电子设备中通常会使用保护器件，该保护器件基本上用于避免电流过 载以及可能由此引起的任何损坏。
[0003] 非常常用的是传统保险丝，传统保险丝以优异的方式执行保护功能;但是，它们是 不可逆的。显然，除非更换了熔断的保险丝，否则受保护器件的完整功能无法恢复。
[0004] 为克服此问题，通常优选的是使用所谓的电子保险丝（电保险丝）。这种类型的器 件充分利用功率MOSFET，该功率MOSFET被配置成限制可传递到受保护负载的最大电流。但 是通常，过载的开始即会导致功率MOSFET饱和，并且以实质并且永久的方式修改电子保险 丝的工作点，至少直到执行重置操作为止。如图1中所示，在实践中，只要功率MOSFET仍在欧 姆区中，则随着负载（用f表示)所需的电流增大，电子保险丝能够提供受限于保护值Imp 的电流1〇。过电流可能将功率MOSFET置于饱和状态下。最大电流有效地受限于保护值ITRIP， 但是功率MOSFET仍然处于饱和中，并且电子保险丝可以提供的最大饱和电流I sat小于保护 值ITRIP。为了恢复初始工作条件，在这种情况下，也必须执行重置操作。显而易见，如果受保 护的器件的常规工作条件包括介于最大饱和电流Isat与保护值Itrip之间的电流，则在电子 保险丝跳闸之后，除非执行重置操作，否则无法向受保护的器件适当地供电。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是提供能够克服所述的限制的一种电气保护器件。
[0006] 根据本实用新型的一个实施例，提供了一种电气保护器件，该电气保护器件包括 输入线路、输出端子以及功率晶体管，该功率晶体管耦合在输入线路与输出端子之间。感测 晶体管耦合在输入线路与输出端子之间，并且具有主体端子。控制级耦合到功率晶体管以 及感测晶体管的相应控制端子，并且被配置成将功率晶体管的第一电流限制于保护值。主 体驱动级耦合到主体端子，并且被配置成根据功率晶体管的操作条件来偏置感测晶体管的 主体端子。
【附图说明】
[0007] 为更好地理解本实用新型，现在将纯粹地通过非限定的示例并且参考附图来描述 本实用新型的一个实施例，其中：
[0008] 图1是示出关于已知保护器件的电气量(electrical quantity)的图表；
[0009] 图2是根据本实用新型的一个实施例的电子设备的混合框图和电气图，该电子设 备包括保护器件；
[0010]图3是示出关于图2中的保护器件的电气量的图表;以及
[0011]图4是图2中的保护器件的一个部件的截面图。
【具体实施方式】
[0012] 参见图2,电子设备1包括根据本实用新型的一个实施例的受保护的电子器件2和 保护器件3。
[0013] 受保护的电子器件2可以是需要避免遭受过电流的任何类型的电子器件。作为非 限定的示例，受保护的电子器件2可以是硬盘或者USB供电单元。
[0014] 保护器件3从电源5接收输入电压VIN，该电源位于电子设备1的内部(例如，电池)或 者外部(例如，市电电力线）；并且向受保护的电子器件2提供输出电流I out。
[0015] 保护器件3包括输入线路8、功率晶体管10、感测晶体管11、电荷栗12、控制级电路 或控制级13、主体驱动级电路或主体驱动级15以及输出端子17。
[0016] 输入线路8连接到电源5,以便接收输入电压V?。
[0017]在一个实施例中，功率晶体管10是N-沟道MOS晶体管，并且其漏极端子耦合到输入 线路8,并且其源极端子耦合到输出端子17。在所描述的示例中，功率晶体管10的漏极到源 极电压由输入电压Vin与输出端子17上的输出电压Vqut之间的差值给出。功率晶体管10的栅 极端子耦合到控制级13的输出，并且通过电阻器14耦合到电荷栗12的输出。此外，功率晶体 管10的源极端子与其相应的主体端子短路。功率电流Ip流过功率晶体管10,并且受限于保 护值Itr 1P(另参见图3的段落，该附图示出了功率电流Ip(用实线表示)随着受保护的电子器 件2所需的电流(用虚线表示)的增大的变化）。
[0018] 在一个实施例中，感测晶体管11是低压N-沟道MOS晶体管，并且该感测晶体管的宽 长比(aspect ratio)相较于功率晶体管10的宽长比小了系数K。此外，感测晶体管11是具有 四个可用端子的晶体管。如图4中所示，具体而言，感测晶体管11具有:位于具有第二导电型 (此处为P型）主体区域22中的全部都具有第一导电型(此处为N+型）的源极区域20和漏极区 域21。栅极区域23布置在主体区域22上、介于源极区域20与漏极区域21之间。通常，在MOS晶 体管中，源极区域和主体区域短路，如同功率晶体管10的情况一样(再次参见图4,该附图示 出了功率晶体管10的源极区域40、漏极区域41、栅极区域42和主体区域43,以及分别用10a、 IOb和IOc表示的源极端子、漏极端子和栅极端子）。然而，在感测晶体管11中，除了源极端 子、漏极端子和栅极端子(分别用lla、llb和Ilc表示)之外，还提供了一个单独的主体端子 lld，用于独立于源极区域20和栅极区域21地偏置主体区域22。
[0019] 再次参见图2,感测晶体管11的漏极端子Ilb耦合到输入线路8,并且其源极端子 Ila通过电阻性感测元件25耦合到输出端子17,该电阻性感测元件构成控制级13的一部分。 感测晶体管11的栅极端子Ilc耦合到电荷栗12的输出以及控制级13的输出。然而，主体端子 I Id耦合到主体驱动级15的输出。感测电流Is流过感测晶体管11。
[0020] 电荷栗12耦合到输入线路8,并且可以根据控制级13的状态而被致动，以驱动功率 晶体管10和感测晶体管11。
[0021] 控制级13包括上文已提及的电阻性感测元件25,并且还包括控制放大器26和参考 电压发生器27,该参考电压发生器提供参考电压V REF。电阻性感测元件25和参考电压发生器 27具有共同的端子，具体而言连接到输出端子17，并且各自具有连接到控制放大器26的对 应的输入的另外的端子。控制放大器26的输出连接到功率晶体管10的栅极端子以及感测晶 体管11的栅极端子11a，并且通过电阻器14连接到电荷栗12的输出。控制放大器26被配置成 根据电阻性感测元件25的电压，来驱动功率晶体管10的栅极端子以及感测晶体管11的栅极 端子。
[0022] 主体驱动级15被配置成根据功率晶体管的漏极到源极电压来偏置感测晶体管11 的主体端子Ild(图4)，从而避免流经功率晶体管10的电流在功率晶体管10本身变为饱和状 态时被过度限制。在一个实施例中，具体而言，主体驱动级15被配置成偏置感测晶体管11的 主体端子lld，以便功率晶体管10的功率电流Ip与感测晶体管11的感测电流Is之间的比率大 体上恒定。
[0023] 在一个实施例中，主体驱动级15包括按照跟随器配置的形式的主体驱动放大器31 和感测网络30。感测网络30可以包括电阻器33和电流发生器34,该电阻器和电流发生器串 联在输出端子17与处于恒定电势下(例如，处于接地电势下）的线路35之间。具体而言，电阻 器33连接到输出端子，而电流发生器34连接到恒定电势线路35。
[0024] 主体驱动放大器31具有:第一输入31a，具体而言，该第一输入是非反向的输入，连 接到介于电阻器33与电流发生器34之间的中间节点；以及第二输入31b，具体而言，该第二 输入是反向的输入，直接连接到输出;从而，获得跟随器配置。
[0025] 主体驱动放大器31的输出还耦合到感测晶体管11的主体端子lld，并且使得能够 向主体区域22施加主体电压Vb。
[0026]电流发生器34供应恒定电流IC，并且因此在主体驱动放大器31的第一输入31a上 存在等于(Vqut-RqIc)的驱动电压Vd，其中Ro是电阻器33的电阻。鉴于对输出电压Vqut的依赖 性，所以主体驱动放大器31的第一输入31a上的电压，指示了功率晶体管10的漏极到源极电 压，并且从而指示了功率晶体管10的状态(在欧姆区域中的操作，或者在饱和状态下的操 作）。此外，由于主体驱动放大器31按照跟随器配置的形式、并且作为缓冲器操作，所以主体 电压Vb等于驱动电压Vd。
[0027]起初，功率晶体管10和感测晶体管11在输出电流IQUT，处于标称值范围内的条件下 被偏置以在欧姆区域中操作。在这些条件下，通过感测晶体管11的感测电流Is根据系数K与 通过功率晶体管I 〇的功率电流Ip成比例。
[0028]只要由电阻性感测元件25上的感测电流Is决定的电压小于参考电压Vref(图3)，那 么控制放大器26(图2)就完全不平衡，并且在与电荷栗12共同操作的情况下，驱使功率晶体 管10和感测晶体管11在欧姆区域中操作。如果受保护的电子器件2所需要的输出电流I qut增 大(例如，根据图3中的斜线），则控制放大器26调整功率晶体管10和感测晶体管11的栅极端 子上的电压，从而使得电阻性感测元件25上的电压将不超过参考电压V REF。当功率电流Ip达 到保护值Itrip时，具体而言，可得出下式：
[0029] Vref = RsIs
[0030] 其中Rs是电阻性感测元件25的电阻。
[0031]如果Rqnp和Rons分别是功率晶体管10和感测晶体管11 (在欧姆区域中）的导通状态 电阻，则通过向包括功率晶体管10、感测晶体管11和电阻性感测元件25的网孔应用基尔霍 夫电压定律，可得出下式：
[0033]如果将感测晶体管11与功率晶体管10之间的几何比率Ka限定如下 [0034] Ka=Rons/Ronp (2)
[0035]那么，根据方程式（1)，可得出下式：
[0037]如果将功率电流Ip(处于保护值Itrip)与感测电流Is之间的比率指定为Ktrip，那么 根据方程式(1)和(3)可得出下式：
[0041] 如果受保护的电子器件2的电流要求进一步增大，则功率晶体管10进入饱和区域， 并且输出电压Vqut减小，从而避免所提供的输出电流Io进一步增大。
[0042] 在饱和区域中，功率晶体管10和感测晶体管11的操作由以下定律描述：
[0045] 其中