一种过电压保护系统的制作方法
【专利摘要】本申请涉及一种过电压保护系统。在一个总的方面，本申请提供一种过电压保护系统，其包括输入端子；过电压保护装置，所述过电压保护装置连接至所述输入端子且被配置成经由所述输入端子接收能量，所述过电压保护装置在环境温度下具有低于源的目标最大工作电压的击穿电压，所述源被配置成在所述输入端子处被接收；以及输出端子，所述输出端子连接至所述过电压保护装置及负载。
【专利说明】一种过电压保护系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种过电压保护系统。
【背景技术】
[0002]可使用诸如瞬态电压抑制(TVS)装置的过电压保护装置来保护集成电路(例如，下游集成电路)不受不期望的电源状况(如，过电压状况)的影响。过电压保护装置可能没有针对其要保护的集成电路被正确地调准。因此，针对过电压保护选择的过电压保护装置可能无法以所需的方式提供对集成电路的过电压保护。例如，未与要保护的集成电路正确地匹配的过电压保护装置的容差诱发型死点(tolerance induced dead spots)可导致不期望的过电压保护。可能出现各种无规律的失效模式和/或对预期用于在输入电源端口处进行保护的集成电路的损坏。因此，需要用以解决目前技术的不足并提供其他新颖和创新特征的系统、方法和设备。
实用新型内容
[0003]在一个总的方面，本申请公开了一种过电压保护系统，包括:输入端子；过电压保护装置，所述过电压保护装置连接至所述输入端子且被配置成经由所述输入端子接收能量，所述过电压保护装置在环境温度下具有低于源的目标最大工作电压的击穿电压，所述源被配置成在所述输入端子处被接收；以及输出端子，所述输出端子连接至所述过电压保护装置及负载。
[0004]在一些实施例中，所述击穿电压为额定击穿电压，所述过电压保护装置在高于所述环境温度的温度下具有浮动击穿电压额定值，所述浮动击穿电压大于或等于所述目标最大工作电压。
[0005]在一些实施例中，所述击穿电压为在初始电流下的额定击穿电压，所述过电压保护装置在高于所述初始电流的稳定电流下具有浮动击穿电压额定值，所述浮动击穿电压额定值大于或等于所述目标最大工作电压。
[0006]在一些实施例中，在所述环境温度下的所述击穿电压低于在所述输入端子处的所述目标最大工作电压的95 %。
[0007]在一些实施例中，所述击穿电压为在初始电流下的额定击穿电压，所述过电压保护装置响应于在所述源和所述负载工作期间经由所述输入端子接收的所述能量而具有高于所述额定击穿电压的稳态击穿电压。
[0008]在一些实施例中，所述目标最大工作电压为在一规范内指定的系统电压。
[0009]在一些实施例中，所述能量为来自电源的充电电压。
[0010]在一些实施例中，所述输入端子、所述过电压保护装置以及所述输出端子包括在移动电话中。
[0011]在一些实施例中，所述输入端子、所述过电压保护装置和所述输出端子包括在电信装置中。
[0012]在一些实施例中，所述过电压保护装置是瞬态电压抑制装置，所述瞬态电压抑制装置包括:所述瞬态电压抑制装置的半导体部分；输入导电部件，所述输入导电部件具有包含在所述瞬态电压抑制装置的所述半导体部分的输入端子中的部分并且具有第一热传递屏障；以及输出导电部件，所述输出导电部件包含在所述瞬态电压抑制装置的所述半导体部分的输出端子中并且具有第二热传递屏障。
[0013]在一些实施例中，连接至所述输入导电部件的所述部分具有第一宽度，并且所述第一热传递屏障具有不同于所述第一宽度的第二宽度，使得来自所述瞬态电压抑制装置的热传递得以降低。
[0014]在一些实施例中，连接至所述输入导电部件的所述部分沿着第一平面对准，所述第一热传递屏障沿着与所述第一平面不平行的第二平面对准。
[0015]在一些实施例中，所述热传递屏障由所述输入导电部件中的至少一个凹口限定。
[0016]在一些实施例中，连接至所述输入导电部件的所述部分包括一材料，所述材料的导热率高于在所述热传递屏障中包括的材料的导热率。
[0017]在一些实施例中，所述第一热传递屏障和所述第二热传递屏障被配置成在工作期间改变来自所述瞬态电压抑制装置的热传递的速率，使得用于将所述瞬态电压抑制装置加热至所述瞬态电压抑制装置的目标击穿电压的稳定电流的量得以降低。
[0018]在附图和以下说明中给出了一个或多个具体实施的细节。其他特征从说明和附图中以及从权利要求中将显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为示出了旨在保护负载不受过电压状况影响的过电压保护装置的示意图。
[0020]图2A示出了图1所示过电压保护装置的过电压装置工作点的实例。
[0021]图2B为示出了通过图1所示过电压保护装置的稳定电流的示意图。
[0022]图2C和2D示出了根据实施例的设计场景。
[0023]图3A至图3D为示出了根据一实施例的过电压保护装置的示意图。
[0024]图4为示出了根据一实施例的另一过电压保护装置的另一实例的框图。
[0025]图5为示出了根据一实施例的另一过电压保护装置的又一实例的框图。
[0026]图6为示出了过电压保护装置的示例性温度系数与过电压保护装置的击穿电压的关系的不意图。
[0027]图7A和7B与过电压保护装置的具体示例性构造及负载有关。
[0028]图8为示出了用于选择瞬态电压抑制装置的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0029]图1为示出了旨在保护负载140 (例如，下游集成电路)不受过电压状况(还可称为过电压事件)影响的过电压保护装置100的示意图。过电压保护装置100可为连接至负载140的输入电源保护部件(未示出)的部分。如图1所示，过电压保护装置100和负载140包括在计算装置170中。计算装置170可被配置成连接至源130 (还可称为电源)，源130被配置成向计算装置170供电。在一些实施例中，过电压保护装置100可被配置成向负载140提供保护，该保护必须在考虑源130的工作点(例如，期望工作点)的情况下实现。
[0030]如图1所示，过电压保护装置100连接至输入端子(例如，端口 ) IN和输出端子(例如，端口)0UT。负载140经由输出端子OUT连接至过电压保护装置100。在一些实施例中，输入端子IN可为计算装置170的输入端子。可经由输入端子IN、过电压保护装置100及输出端子OUT接收提供至负载140的电源。可经由输入端子IN从源130处接收提供至负载140的电源。
[0031]过电压保护装置100被配置成响应于诸如电压尖峰(与电源噪声或其他瞬态电源事件有关)的不期望电源状况(其可包括过电压状况)而使能量从负载140分流出去。在该实施例中，可将能量分流至地或至不同于地的另一电压。在一些实施例中，过电压保护装置100可被配置成基于一种或多种电压状况(例如，在指定时间段内维持的电压水平，超过阈值电压的电压)来保护负载140不受由例如电源(未示出)产生的电压的影响。
[0032]在一些实施例中，源130可为电池、电源、发电机、包括在连接至(例如，接插到)例如电源插座中的电源适配器(或电源转换器)中的一个或多个部件，和/或其他。例如，在一些实施例中，提供至负载140(以及通过过电压保护装置100)的能量(例如，电压、充电电压)可来自例如充电适配器。作为另一具体实例，在一些实施例中，源130可为任何类型的电源，例如，开关电源、直流(DC)电源、交流(AC)电源和/或其他。作为又一具体实例，在一些实施例中，源130可包括这样的电源，其可为任何类型的电源，例如，直流(DC)电源，诸如电池、燃料电池和/或其他。
[0033]在传统保护解决方案中，TVS装置的击穿电压(BV)是在电流下指定的，其中所述电流为脉动或相对较低，(因为)测试方法要避免结点发热。如此，传统击穿电压额定值为环境温度击穿电压额定值。因此，在传统系统设计中，选择使得击穿电压额定值高于源的最大工作电压的TVS装置。在本设计方法中，由于部件容差的存在，在最大源电压与最大TVS击穿电压之间通常存在明显差距一从而需要将受保护负载配置成在明显高于期望电压的电压下工作。与本方法有关的更多详情在例如图2D中示出。
[0034]根据本文描述的实施例，利用浮动击穿电压TVS设计来处理系统，其中传统击穿电压额定值可低于最大源工作电压。例如，根据本文所描述的实施例，过电压保护装置100可被配置使得即使在工作期间过电压保护装置100的特征(例如击穿电压)发生改变(例如，漂移)的情况下，过电压保护装置100亦可保护负载140。具体地，过电压保护装置100可被配置成考虑补偿过电压保护装置100的漂移以使得可由过电压保护装置100在源130的目标工作点(或工作窗口)(例如，最大目标工作点)下保护负载140。例如，可大致或完全消除在源130的最大源电压与过电压保护装置100向负载140提供保护(例如，使能量从负载140分流出去)的点之间的容差死点。在一些实施例中，可将过电压保护装置100配置(例如，根据预期源130工作点、预期负载140工作点而配置)为具有已知水平的漂移，以使得在负载140处于目标工作点和/或在源130处于目标工作点(例如，最大源电压)时，可由过电压保护装置100保护负载140。当在(源130和/或负载140的)目标工作点时，过电压保护装置100可达到稳态(例如，热稳态)，这使得电压保护装置100提供所需水平的保护。
[0035]例如，如果过电压保护装置100为瞬态电压抑制(TVS)装置(还可称为瞬态电压抑制器)或雪崩击穿装置或齐纳二极管，则TVS 二极管可被配置成在TVS 二极管的击穿电压下使能量从负载140分流(并将电压钳制)。具体地，TVS 二极管可被配置为使得当在稳态击穿电压(其可称为稳态浮动击穿电压)下时，TVS 二极管的击穿电压与源130的最大源电压相一致(例如，TVS 二极管的击穿电压大约等于、稍高于源130的最大源电压)。在一些实施例中，源130的最大源电压可为源130的目标最大源电压。源130的最大源电压可处于负载140的目标工作点(或工作窗口)，或者可在负载140的目标工作点(或工作窗口)内。在一些实施例中，稳态击穿电压可称为目标击穿电压。在一些实施例中，可将最大源电压指定在与源130(和/或负载140)相关的规范(例如，系统规范)内。在一些实施例中，源130的最大源电压可为一使得负载140可安全地工作而不会以不期望方式受损的电压。在一些实施例中，负载140的最大工作电压(还可称为最大负载电压)大于或等于源130的最大源电压。当源130正在最大源电压下工作时，TVS 二极管的自热可导致击穿电压稳定在大约等于源130的最大源电压的电压处。具体地，当TVS 二极管在计算装置170和源130的工作期间达到热稳态时，TVS 二极管的击穿电压可大约等于(或被配置成等于)源130的最大源电压。因此，当负载140处于目标工作点(或工作窗口)或者在目标工作点(或工作窗口)内时，可将TVS 二极管配置为具有与源130的最大源电压一致的击穿电压。在初次启动源130时，TVS 二极管可受热，导致TVS 二极管的击穿电压增大(例如，动态增大)，直至TVS 二极管达到热稳态。
[0036]作为根据本文实施例的一具体实例，在I毫安(mA)的电流下以及在环境温度(例如，大约25°C的温度)下，过电压保护装置100可被额定为具有34.5V的击穿电压范围，且源130可具有35V的最大源电压。源130的35V的最大源电压可在负载140的允许工作窗口内，或者可处于负载140的允许工作窗口的上边界。由于使用传统设计技术将要求TVS的击穿电压高于最大稳态源工作电压，因此过电压保护装置100将表现为不与源适当地匹配。但是在计算装置170和源130在源130的最大源电压下工作期间，可将0.05mA的电流通过(或提供至)过电压保护装置100，导致自热以及55°C的稳态温度。在0.05mA的电流和55°C的温度下，过电压保护装置100的击穿电压可(以一正温度系数)增大至35.0V的稳态击穿电压，该稳态击穿电压大约等于源130的最大源电压。因此，过电压保护装置100将立即保护负载140不受到超过源130的35V最大源电压的输入电压的影响。
[0037]如本实例所示，击穿电压响应于源电压的改变而从第一击穿电压改变(例如，浮动)至第二击穿电压。第一击穿电压可称为额定击穿电压或初始击穿电压，而第二击穿电压可称为浮动击穿电压或目标最大击穿电压。过电压保护装置100依赖于正温度系数特性来运用本文所描述的保护技术。在较低的电压系统(例如，在约5V的电压下工作的系统)中，过电压保护装置可具有可能妨碍本文所述的设计技术的负温度系数。
[0038]相比之下，在使用传统设计技术的情况下，如果源具有35V的最大源电压，则设计者将找到具有35V或更大的最小击穿电压的TVS。考虑到典型容差，这可能需要选择具有37V典型击穿电压的装置。因此，过电压保护装置将不会开始钳制源的电压输出并保护负载不受超过源的35V最大源电压的输入电压的影响。过电压保护装置的37V的击穿电压与源的35V的最大源电压之间的差可称为死区。
[0039]在一些实施例中，在计算装置170在源130的源电压下(和/或在负载140的目标工作点(或工作窗口)下)工作期间通过过电压保护装置100的电流可称为稳定电流(或可称为平衡电流或稳态电流)。在一些实施例中，在计算装置170在源130的最大源电压下(和/或在负载140的最大工作点下)工作期间通过过电压保护装置100的电流可称为最大稳定电流(或可称为最大平衡电流或最大稳态电流)。类似地，在过电压保护装置100的稳定电流下且在源130的源电压下(和/或在负载140的目标工作窗口内)的过电压保护装置100的温度可称为稳定或稳态温度。在一些实施例中，在过电压保护装置100的稳定电流下且在源130的最大源电压下(和/或在负载140的最大工作窗口下)的过电压保护装置100的温度可称为最大稳定温度或最大稳态温度。
[0040]在一些实施例中，源130的最大源电压可导致过电压装置工作点(或窗口)，该过电压装置工作点(或窗口)包括过电压保护装置100的指定温度、通过过电压保护装置100的指定稳定电流、稳态或稳定温度和/或其他。如果与温度和电压有关，则在源130的最大源电压下的过电压(OV)装置工作点(或窗口)可称为最大热电工作点(或窗口)。如果与过电压保护装置100有关而被提及，则热电工作点可称为最大过电压热电工作点。具体地，可将过电压保护装置100配置为使得过电压保护装置100将通过使用能量以达到在源130的典型工作期间将存在的过电压保护装置100的温度和/或通过过电压保护装置100的指定稳定电流，来分流来自源130的能量，以便稳定其BV。换句话讲，可将过电压保护装置100配置为使得过电压保护装置100将使能量从源130分流出去以达到所需的热电工作点。
[0041]图2A示出了图1所示过电压保护装置100的过电压装置工作点W的实例。在图2A所示的图中，沿着第一 y轴示出(例如，由源130提供的)渐增源电压，且沿着X轴示出过电压保护装置100的温度(其可能为过电压保护装置100的结点温度)。过电压保护装置的渐增击穿电压沿着第二 y轴示出。如图2A所示，源130具有最大源电压Vmax及典型源电压Vtyp。过电压保护装置100具有随温度升高而增大的击穿电压21 (例如，稳态击穿电压)。在一些实施例中，过电压保护装置100的温度可为过电压保护装置100的结点(例如，PN结)温度，可为过电压保护装置100周围的环境温度，或可为过电压保护装置100的壳体的温度。在一些实施例中，负载140的目标工作电压可具有大于或等于源130的最大源电压Vmax的上边界和/或等于或小于源130的典型源电压Vtyp的下边界。
[0042]如图2A所示，过电压装置工作点W处于温度T2。尽管图2A中未示出，但过电压装置工作点W可与负载140的目标工作点(未示出)(例如，目标工作电压、目标工作温度和/或其他)一致。在一些实施例中，目标工作点W可包括在负载140的目标工作窗口(未示出)中。
[0043]如图2A所示，过电压保护装置100的击穿电压21被配置使得如果由源130提供的输入电压从典型(或目标)源电压Vtyp处增大，则过电压保护装置100将在输入电压达到源130的最大源电压Vmax时或之前将能量从源130分流出去。具体地，在该实施例中，过电压保护装置100的击穿电压21被配置为使得在由源130提供的电压处于最大源电压Vmax时，过电压保护装置100将在V2的击穿电压下分流电流能量。由于过电压保护装置100的击穿电压21 (其与负载140的目标工作点一致)处于或低于源130的最大源电压，因此过电压保护装置100将能量从源130分流出去。通过将能量从源130分流出去，过电压保护装置100将自热，并使其浮动击穿电压上升以达到并保持工作点W。在一些实施例中，与源130的最大源电压一致的击穿电压21 (其示出为大约为击穿电压V2)可称为目标击穿电压。尽管图2A中未示出，但在一些实施例中，击穿电压21可与一定范围内的击穿电压或击穿电压容差(例如，±5%的击穿电压容差)相关。
[0044]在包括过电压保护装置100和负载140在内的电路工作期间，通过过电压保护装置100的稳定电流将使过电压保护装置100的温度保持在过电压装置工作点W处。换句话讲，通过过电压保护装置100的稳定电流可限定过电压装置工作点W。换言之，稳定电流(或平衡电流)可将过电压保护装置的结点加热至工作DC温度。保持V2的击穿电压所需的稳定电流的大小将基于环境温度以及包括装置的导热率在内的其他设计因素。图2B为示出了通过图1所示过电压保护装置100的、基于环境温度保持所需击穿电压V2对应于Vmax源电压所需的稳定电流25的示意图。如图2B所示,通过过电压保护装置100的稳定电流25随着环境温度升高而减小。在一些实施例中，稳定电流25可与一定范围内的稳定电流或稳定电流容差(例如，±5%的稳定电流容差)相关。
[0045]在一些实施例中，稳定电流的电流范围可改变数毫安且随着超过10°C的温度改变而改变。在一些实施例中，稳定电流的电流范围可改变少于或多于数毫安且随着超过10°c的温度改变而改变。例如，在一些实施例中，稳定电流的电流范围可改变大约10毫安且随着大约100°C的温度改变而改变。在一些实施例中，稳定电流相对于温度的改变可基于源电压而不同。例如，稳定电流相对于温度的改变可随着源电压增大而增大。尽管图2B所示的关系为线性关系，但在一些实施例中，稳定电流随着温度的改变可为非线性关系。
[0046]在一些实施例中，稳定电流可基于(来自源的)输入电压、过电压保护装置的击穿电压、过电压保护装置的击穿电压的温度系数、结点对空气的热阻(Θ1Α)和/或其他。在一些实施例中，一旦设定了输入电压(例如，最大源电压)并且设定了过电压保护装置的击穿电压，则可将过电压保护装置的结点温度(T1)配置为使得所需稳定电流与环境温度或过电压保护装置的温度成反比且与9卩成正比。在一些实施例中，利用较低的封装及板导热率(例如，更高的Θ1Α)，可以降低(或最小化)稳定电流。有关0#的更多细节在下文中讨论。
[0047]重新参考图2Α，温度Tl为过电压保护装置100被额定为击穿(例如，在传统的室温规范中被额定为击穿)的温度。在温度Tl下，击穿电压21处于额定击穿电压VI。如图2Α所不,处于额定击穿电压Vl的击穿电压21明显低于负载140的最大源电压Vmax。由于过电压保护装置100的击穿电压21随着过电压保护装置的温度升高而增大，因此额定室温击穿电压Vl不能用作指导。Tl下的击穿电压21小于Vmax，因此过电压保护装置的温度升高直至T2下的击穿电压等于(或大约等于)Vmax。在一些实施例中,额定击穿电压可为最大源电压Vmax的大约95 %。在一些实施例中，额定击穿电压可大于或小于最大源电压Vmax的 95%。
[0048]图2A还示出了常规过电压保护装置(未示出)的击穿电压22，该常规过电压保护装置在温度Tl下具有等于源130的最大源电压Vmax的额定击穿电压。在传统装置中，由于装置容差的存在，击穿电压22通常在温度Tl下高于源电压(Vmax)。如图2A所示，常规过电压保护装置的击穿电压22随着温度升高而增大。但是，如图2A所示，由于常规过电压保护装置在温度Tl下的额定击穿电压等于源130的最大源电压，因此常规过电压保护装置在温度T2(其在操作点W处)下的击穿电压明显高于源130的最大源电压Vmax。因此，常规过电压保护装置将不会向负载140提供保护，直至源130的电压远远超过最大源电压Vmax。使得常规电压保护装置将电流从负载140分流出去的电压与源130的最大源电压Vmax之间的差可称为死区或死点。这个死区需要负载140被设计为耐受相应更高的电压。
[0049]如图2A所示，经调准而以与负载140的目标工作点相关的稳定电流工作的过电压保护装置100通过消除与常规过电压保护装置相关的容差诱发型死区来改善钳制保护。在一些具体实施中，如果环境温度超过例如温度T2，则对于具有击穿电压特性21的过电压保护装置而言，在源处于Vmax时，所需稳定电流将大约为零。
[0050]重新参照图1，通过过电压保护装置100的可与稳态温度和击穿电压对应的稳定电流可基于由源130提供到过电压保护装置100中(和/或到计算装置170中)的输入电压。在一些实施例中，通过过电压保护装置100的稳定电流可基于过电压保护装置100的击穿电压或泄露。在一些实施例中，通过过电压保护装置100的稳定电流可基于过电压保护装置100的散热能力和/或过电压保护装置100的热系数。过电压保护装置100的散热能力可由结点对空气的热阻(Θ JA)来表示。相对较高的Θ可将过电压保护装置100保持在稳态温度下。下文结合例如图3A至图3D更详细地描述过电压保护装置的ΘΜ。
[0051]在一些实施例中，将电源用于加热过电压保护装置100的结点以使击穿电压(Vz)上升至输入电压水平。随着(计算装置的)环境温度升高，为使过电压保护装置100的结点温度保持升高而所需要的电源(或稳定电流)的量开始下降，直至不需要对结点进行内部加热的某个点。
[0052]重新参照图1，负载140可包括一个或多个电子部件(例如，传感器、晶体管、微处理器、专用集成电路(ASIC)、分立部件、电路板)，这些电子部件可能会由于相对快速的电压增大而以不期望的方式被损坏。因此，输入电源保护装置100可被配置成检测并防止这些相对较快的电压增大损坏负载140和/或与负载140相关的其他部件(例如电路板)。
[0053]如图1所示，过电压保护装置100和负载140可包括在(例如，集成到)计算装置170中。在一些实施例中，计算装置170可为例如计算机、个人数字助理(PDA)、移动电话、主机、电子测量装置、数据分析装置、电信装置、配置为防雷保护的装置、手机、电子装置和/或其他。
[0054]在一些实施例中，过电压保护装置100可被配置成将导电状态从电压调节状态改变至短路状态(例如，高导电/低电阻状态)。当处于电压调节状态时，过电压保护装置100可被配置成将过电压保护装置(及下游负载)两端的电压限制(例如，钳制)在阈值电压(例如，电压限值、钳位电压)。例如，如果过电压保护部分为或者包括TVS 二极管，则当处于电压调节状态时，TVS 二极管可被配置成将TVS 二极管两端的电压限制在TVS击穿电压。在一些实施例中，TVS 二极管可以是用任何类型的半导体材料的PN结(其由P型半导体和η型半导体形成或与它们相关)形成的半导体装置，所述任何类型的半导体材料例如硅(例如掺杂硅)、砷化镓、锗、碳化硅，和/或其他。
[0055]在一些实施例中，输入电源保护装置100的过电压保护装置100可为或可包括例如任何类型的瞬态电压抑制器。在一些实施例中，过电压保护装置100可为或可包括例如任何类型的被配置成在电压调节状态(响应于电压改变)和短路状态(响应于温度改变)之间改变的装置。在一些实施例中，可将过电压保护装置100配置成在电压调节状态与短路状态之间可逆地或不可逆地改变。在一些实施例中，输入电源保护装置100的过电压保护装置100可包括一个或多个TVS 二极管、一个或多个金属氧化物变阻器和/或其他。
[0056]图2C为示出了与源相关的源工作电压范围290重叠在计算装置中所包括的负载的负载工作电压范围294上的示意图。图2C还示出了 TVS装置击穿容差范围292重叠在负载工作电压范围294上。负载工作电压范围294大于(例如，宽于)源工作电压范围290和TVS装置击穿容差范围292。
[0057]可将TVS装置设计使得TVS装置的击穿电压从环境温度下的击穿电压Wl (例如，第一击穿电压、初始击穿电压、额定击穿电压)增大至与源的最大源电压Yl—致的击穿电压W2(在稳定电流下)(例如，浮动击穿电压、最大击穿电压)。因此，TVS装置将在大约击穿电压W2下将能量(例如，电流)从负载分流出去。由于TVS装置在W2下的击穿电压大约等于最大源工作电压Yl，因此可将负载工作电压范围294的最大电压Xl降低至设计保护裕度Ql内，例如更接近最大源工作电压Yl的最大电压X2。较之于必须以诸如最大电压Xl的更高最大电压工作的负载的设计，最大电压X2的降低可使得在设计负载时的成本节省。尽管图2C未示出，但在一些实施例中，TVS装置击穿容差范围292可超过最大源工作电压Yl0
[0058]在不采用本文所述的设计原理的情况下，可将结合图2C示出的工作范围修改为图2D所示的配置。如图2D所示，将设计保护裕度Ql明显降低至最大负载电压Xl与TVS装置容差范围292的最大击穿电压之间的范围。另外，形成从最大源电压Yl到TVS装置的实际击穿电压W4的Q2的容差诱发型死区。在图2D所示的示意图中，TVS装置的最大工作电SVm W3设计为高于最大源电压Y1。因此，较之于图2C所示，必须将负载被设计为维持的最大电压保持得相对较高。
[0059]图3A至图3D为示出了根据一实施例的过电压保护装置300的示意图。过电压保护装置300包括半导体部分320和导电部件32、33。半导体部分320可为例如制作在硅衬底中的瞬态电压抑制器(例如，TVS 二极管)。如图3A所示，导电部件32连接至半导体部分320的顶侧且导电部件33连接至半导体部分320的底侧。过电压保护装置300为远侧部分302和近侧部分304。
[0060]导电部件32、33中的任一者可用作输入导电部件或输出导电部件。例如，如果导电部件32正用作输入导电部件，则可将导电部件32连接至半导体部分320的输入侧。相应地，导电部件33可以正用作输出导电部件，且可将导电部件33连接至半导体部分320的输出侧。类似地，导电部件32可用作输出导电部件，而导电部件33可用作输入导电部件。图3B为示出了过电压保护装置300的顶视图的示意图。
[0061]传统TVS封装通常设计成使从管芯320至外部环境的导热率最大化。对于作为本文所述实施例的部分的所设计封装而言，情况不是这样。如图3A所示，导电部件32、33可各自包括热传递屏障。导电部件32包括热传递屏障34，导电部件33包括热传递屏障35。热传递屏障被配置成防止或显著最小化从半导体部分320向外界(例如，印刷电路板)散发的热量。换句话讲，热传递屏障可在过电压保护装置300工作期间有助于保持半导体部分320的温度(例如，响应于稳定电流的稳态温度)。随着过电压保护装置300的热量滞留能力增加，为将过电压保护装置300保持在指定过电压装置工作点(例如，过电压装置工作温度)而所需要的稳定电流可降低。过电压保护装置的封装可设计为具有相对较高的热容量但是降低的导热率，以实现具有高钳制能力以及相对较低的稳定平衡电流需求的解决方案。因此，在保护负载不受源的影响时，过电压保护装置300可以所需的方式在指定过电压装置工作点(例如，过电压装置工作温度)下保持工作。热传递屏障34、35可被配置成在不抑制(或基本上不抑制)电传导的情况下防止(或基本上防止)热传递。
[0062]过电压保护装置300散热的能力可由结点对环境的热阻(Θ JA)来表示。较高的9#可表示较低的散热能力。稳定电流可与Θ1Α成比例，使得较高的Θ1Α导致较低的稳定电流。在一些实施例中，导电部分33具有连接至半导体部分320的部分，该部分所包括的材料的导热率高于、低于或等于热传递屏障35中所包括的材料的导热率。在一些实施例中，导电部分32具有连接至半导体部分320的部分，该部分所包括的材料的导热率高于、低于或等于热传递屏障34中所包括的材料的导热率。
[0063]具体地，如图3C (其为过电压保护装置300的远视图)所示，导电部件33包括热传递屏障35。在该实施例中，热传递屏障35由导电部件33的两个凹口部分(留下相对较小的热传递表面积)限定，所述两个凹口部分基本上防止热量从半导体部分320通过导电部件33散发至例如印刷电路板(PCB)(未示出)。换句话讲，热传递屏障35可保持或基本上保持半导体部分320中的热量。如图3C所示，包括在导电部件33中的热传递屏障35的宽度Al比半导体部分320的宽度Α2和/或导电部件33的宽度A3 (和/或平均宽度)窄。
[0064]如图3D (其为过电压保护装置300的近视图)所示，导电部件32包括热传递屏障34。在该实施例中，热传递屏障34包括导电部件32的单个凹口部分(留下相对较小的热传递表面积)，所述单个凹口部分基本上防止热量从半导体部分320通过导电部件32散发至例如印刷电路板(PCB)(未示出)。换句话讲，热传递屏障34可保持或基本上保持半导体部分320中的热量。如图3D所示，包括在导电部件32中的热传递屏障34的宽度BI比半导体部分320的宽度Β2和/或导电部件32的宽度Β3(和/或平均宽度)窄。
[0065]在该实施例中，热传递屏障34和35沿着与导电部件32和33的连接至半导体部分320的部分不平行的平面对准。在一些实施例中，热传递屏障34和35沿着与导电部件32和33的连接至半导体部分320的部分垂直(或大致垂直)的平面对准。
[0066]尽管示出为具有凹口(或凹部)，但在一些实施例中，导电部件32、33中的一者或多者可具有采用不同形状或轮廓的热传递屏障。例如，导电部件32、33中的一者或多者可具有弯曲部分、开口(其导致减小的表面积)和/或其他。在一些实施例中，导电部件32、33中的一者或多者可具有多个热传递屏障。在一些实施例中，导电部件32、33中的仅一者可具有热传递屏障。
[0067]图4为示出了根据一实施例的另一过电压保护装置400的另一实例的方框图。如图4所示，过电压保护装置400包括半导体部分420 (例如，TVS装置)和散热部件430。过电压保护装置400还包括可被配置成在不抑制(或基本上不抑制)电传导的情况下防止(或基本上防止)热传递的热传递屏障44、45。热传递屏障44、45(其可为导电部件)中的任一者可用作输入导电部件或输出导电部件。
[0068]热传递屏障45可连接至(例如，电连接至)半导体部分420，且热传递屏障44可连接至(例如，电连接至)散热部件430。具体地，散热部件430 (具有相对较高的导热率)设置在(例如，电气地设置在)热传递屏障44 (具有相对较低的导热率)与半导体部分420之间，而半导体部件420直接连接至热传递屏障45。在一些实施例中，散热部件430可具有比热传递屏障44和/或热传递屏障45的导热率更高的导热率。
[0069]散热部件430被配置成在例如浪涌或瞬态能量事件期间(基于相对较高的导热率)将热量抽吸离开半导体部分420。但是，热传递屏障44、45的相对较低的导热率有利于为使半导体部分420的温度上升并因此使半导体部分420的击穿电压上升至目标水平而所需要的相对较低的稳定电流。
[0070]在一些实施例中，散热部件430可设置在半导体部分420的仅一部分上面。换句话讲，散热部件430的表面积可不同于半导体部分420的表面积。
[0071]尽管未示出，但在一些实施例中，在半导体部分420的与散热部件430相对的一侧上可包括一个或多个散热部件。在此类实施例中，半导体部分420可设置在散热部件430与其它的散热部件之间。在此类实施例中，其它的散热部件可直接连接至热传递屏障45 (且设置在半导体部分420与热传递屏障45之间)。
[0072]图5为示出了根据一实施例的另一过电压保护装置500的又一实例的方框图。如图5所示，过电压保护装置500包括半导体部分520 (例如，TVS装置)和散热部件530。过电压保护装置500还包括可被配置成在不抑制(或基本上不抑制)电传导的情况下防止(或基本上防止)热传递的热传递屏障54、55。热传递屏障54、55(其可为导电部件)中的任一者可用作输入导电部件或输出导电部件。
[0073]热传递屏障55可连接至(例如，电连接至)半导体部分520，且热传递屏障54可连接至(例如，电连接至)散热部件530。具体地，散热部件530 (具有相对较高的导热率)设置在(例如，电气地设置在)热传递屏障54 (具有相对较低的导热率)与半导体部分520之间，而半导体部件520直接连接至热传递屏障55。在一些实施例中，散热部件530可具有比热传递屏障54和/或热传递屏障55的导热率更高的导热率。
[0074]散热部件530被配置成在例如浪涌或瞬态能量事件期间(基于相对较高的导热率)将热量抽吸离开半导体部分520。但是，热传递屏障54、55的相对较低的导热率有利于为使半导体部分520的温度上升并因此使半导体部分520的击穿电压上升至目标水平而所需要的相对较低的稳定电流。
[0075]在一些实施例中，散热片部件530可设置在半导体部分520的仅一部分上面。换句话讲，散热部件530的表面积可不同于半导体部分520的表面积。
[0076]尽管未不出，但在一些实施例中，在半导体部分520的与散热部件530相对的一侧上可包括一个或多个散热部件。在此类实施例中，半导体部分520可设置在散热部件530与额外的散热部件之间。在此类实施例中，额外的散热部件可直接连接至热传递屏障55(且设置在半导体部分520与热传递屏障55之间)。
[0077]图6为示出了过电压保护装置的示例性温度系数(TC)(以每摄氏度(V )的伏特数(V)计)与过电压保护装置(在指定温度下)的击穿电压的关系的示意图。如图6所示，温度系数为随着击穿电压的增大而增大的正温度系数。可将这个关系用于降低在特定装置的工作电压下的所需稳定电流。尽管未示出，但在一些实施例中，过电压保护装置的温度系数与击穿电压的关系可为非线性的。
[0078]图7A和7B与过电压保护装置(例如，TVS 二极管)以及具有16V的最大工作电压的源的具体示例性构造相关。过电压保护装置和源的构造可与图1所示的构造相同或类似。图7A为示出了过电压保护装置的渐增击穿电压71与温度的关系的曲线图。过电压保护装置在ImA下具有14.7V的额定击穿电压。图7B为示出了与将16V源施加至过电压保护装置相关的16V保持测试(或稳态工作电压)的曲线图。在该实例中，在过电压保护装置自热时诱发初始钳位电流，使得击穿电压稳定(例如，达到稳态击穿电压)。在该实施例中，过电压保护装置在大约125°C的温度下稳定，这就导致如图7A所示的大约16V的击穿电压。该击穿电压与源的16V的最大源电压(如果最大源电压用作设计点)匹配(或大致匹配)。如图7B所示，由于在Θ JA为125°C/W的情况下，过电压保护装置稳定在大约小于60mA的稳定电流处，因此通过过电压保护装置的初始电流可相对较高(例如，大于2A)。在该特定实例中，在大约400秒时达到稳定(或稳态)。如该实例所示，过电压保护装置的自热被用来支持用于在大约16V最大源电压下保护负载的的击穿电压。尽管从最大源电压方面描述了这些实例，但在一些实施例中，可基于负载的电压(例如，最大负载电压、典型负载电压)来配置过电压保护装置。
[0079]重新参照图1，可使用包括下文所阐述的方法在内的各种方法来选择过电压保护装置100的特性。首先，识别源130的典型源电压和最大源电压。可选择过电压保护装置100使得其最大浮动击穿电压大于或等于源130的最大源电压。可识别过电压保护装置100在源130的典型源电压下的稳定电流(其可为最大平衡电流)，并且还可识别在源130的典型源电压下的稳定电流。最后，可识别负载140的下游能力。应当验证的是，负载140的最大工作电压大于过电压保护装置130的最大额定击穿电压，并且大于过电压保护装置130的期望最大浮动击穿电压。一旦识别出负载140的最大工作电压，便可确定过电压保护装置100的钳制能力。上文所述的方法可表征为热电反馈回路，该热电反馈回路以有源的方式将过电压保护装置100的击穿电压与源130的输入工作最大源电压匹配，以取消或最小化目标最大工作电压与过电压保护装置100的激活(例如，开启)之间的钳制死空间。
[0080]作为负载140为电信背板的一具体实例，可将典型源电压识别为48V并且可将目标最大源电压识别为60V。可将过电压保护装置100选择为在ImA下具有54V至60V的传统击穿规范并具有5%容差的装置。可将在最大源电压下的稳定电流(其可为最大平衡电流)识别为14mA，并且可将在48V的典型工作源处的漏电流识别为I μ A。最后，可将负载140的下游能力识别为75V，并且可将钳制性能识别为在75V下为5.5Α且具有440W的总受保护功率。尽管在最大源电压方面描述了该实例，但在一些实施例中，可基于负载的电压(例如，最大负载电压、典型负载电压)来配置过电压保护装置。
[0081]上文给出的方法与选择过电压保护装置的常规方法形成对比，后者包括选择具有比源的最大源电压大的反向工作电压(Vm)的装置。可查看相关击穿额定值和击穿电压与最高环境工作温度的关系。如果使用这种常规方法，则在远高于最大工作源电压之前，可能不会开始钳制(存在钳制死点)，这就可能导致在源的最大源电压与过电压保护装置之间形成显著死区，该死区将不能为负载提供适当下游保护。
[0082]如果在电信背板应用中采用上文所述的常规选择方法，则可选择在ImA下具有67V至74V的击穿电压并具有5%容差的装置。此类装置在65°C的工作温度下的击穿电压可高达例如77V。在此类情况下，击穿电压将比为负载识别的最大75V的电压高2V。
[0083]图8为示出了用于选择瞬态电压抑制装置的方法的流程图。该方法可与为图1所示的负载140选择瞬态电压抑制装置100相关联。
[0084]如图8所示，可在包括负载的装置的输入端子处识别目标最大工作电压(例如，目标最大源电压)(方框810)。该装置可为例如电信背板装置、移动电话和/或其他。
[0085]可选择这样的连接至负载的过电压保护装置，其中该过电压保护装置具有大致等于目标最大工作电压(例如，目标最大源电压、目标最大负载电压)的击穿电压并且其中该击穿电压在一工作点处，该工作点包括在负载的典型工作电压下的稳定电流以及由该稳定电流诱发的温度(方框820)。
[0086]在一些实施例中，可将过电压保护装置100集成到单个集成部件(例如，单个分立部件)中。在一些实施例中，可将过电压保护装置100集成到具有三个端子一输入端子IN、输出端子OUT及接地端子的单个封装中。
[0087]本文所述的各种技术的具体实施可在数字电子电路中或在计算机硬件、固件、软件中或在它们的组合中实现。方法的部分也可以通过专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))执行，并且装置可用专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))来实现。
[0088]具体实施可在计算系统中实现，该计算系统包括后端部件(例如，数据服务器)，或者包括中间件部件(例如，应用服务器)，或者包括前端部件(例如，具有图形用户界面或网页浏览器的客户端计算机(用户可通过该客户端计算机与具体实施互动))，或者这样的后端部件、中间部件或前端部件的任意组合。部件可通过数字数据通信的任何形式或介质(例如，通信网络)进行互连。通信网络的例子包括局域网(LAN)和广域网(WAN)，如互联网。
[0089]一些具体实施可使用各种半导体加工和/或封装技术来实现。一些实施例可使用与半导体衬底相关的各种类型的半导体加工技术来实现，所述半导体衬底包括但不限于(例如)硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)，等等。
[0090]虽然所描述的具体实施的某些特征已被示出为如本文所述，但本领域的技术人员现将可以想到许多修改、替代、变更和等同方案。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入所述实施例的范围内的所有此类修改和变更。应当理解，所述实施例仅以举例的方式而不是以限制的方式呈现，并且可在形式和细节方面进行各种变更。本文所述的装置和/或方法的任一部分可以以任何组合方式加以组合，但相互排斥的组合除外。本文所述的实施例可包括所描述的不同实施例的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。
【权利要求】
1.一种过电压保护系统，包括: 输入端子； 过电压保护装置，所述过电压保护装置连接至所述输入端子且被配置成经由所述输入端子接收能量，所述过电压保护装置在环境温度下具有低于源的目标最大工作电压的击穿电压，所述源被配置成在所述输入端子处被接收；以及 输出端子，所述输出端子连接至所述过电压保护装置及负载。
2.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述击穿电压为额定击穿电压，所述过电压保护装置在高于所述环境温度的温度下具有浮动击穿电压额定值，所述浮动击穿电压大于或等于所述目标最大工作电压。
3.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述击穿电压为在初始电流下的额定击穿电压，所述过电压保护装置在高于所述初始电流的稳定电流下具有浮动击穿电压额定值，所述浮动击穿电压额定值大于或等于所述目标最大工作电压。
4.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，在所述环境温度下的所述击穿电压低于在所述输入端子处的所述目标最大工作电压的95%。
5.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述击穿电压为在初始电流下的额定击穿电压，所述过电压保护装置响应于在所述源和所述负载工作期间经由所述输入端子接收的所述能量而具有高于所述额定击穿电压的稳态击穿电压。
6.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述目标最大工作电压为在一规范内指定的系统电压。
7.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述能量为来自电源的充电电压。
8.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述输入端子、所述过电压保护装置以及所述输出端子包括在移动电话中。
9.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述输入端子、所述过电压保护装置和所述输出端子包括在电信装置中。
10.根据权利要求1所述的过电压保护系统，其中，所述过电压保护装置是瞬态电压抑制装置，所述瞬态电压抑制装置包括: 所述瞬态电压抑制装置的半导体部分； 输入导电部件，所述输入导电部件具有包含在所述瞬态电压抑制装置的所述半导体部分的输入端子中的部分并且具有第一热传递屏障；以及 输出导电部件，所述输出导电部件包含在所述瞬态电压抑制装置的所述半导体部分的输出端子中并且具有第二热传递屏障。
11.根据权利要求10所述的过电压保护系统，其中，连接至所述输入导电部件的所述部分具有第一宽度，并且所述第一热传递屏障具有不同于所述第一宽度的第二宽度，使得来自所述瞬态电压抑制装置的热传递得以降低。
12.根据权利要求10所述的过电压保护系统，其中，连接至所述输入导电部件的所述部分沿着第一平面对准，所述第一热传递屏障沿着与所述第一平面不平行的第二平面对准。
13.根据权利要求10所述的过电压保护系统，其中，所述热传递屏障由所述输入导电部件中的至少一个凹口限定。
14.根据权利要求10所述的过电压保护系统，其中，连接至所述输入导电部件的所述部分包括一材料，所述材料的导热率高于在所述热传递屏障中包括的材料的导热率。
15.根据权利要求10所述的过电压保护系统，其中，所述第一热传递屏障和所述第二热传递屏障被配置成在工作期间改变来自所述瞬态电压抑制装置的热传递的速率，使得用于将所述瞬态电压抑制装置加热至所述瞬态电压抑制装置的目标击穿电压的稳定电流的量得以降低。
【文档编号】H02H9/04GK204243743SQ201420117600
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】阿德里安·米科莱扎克 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司