CN1062435A - 电路保护装置 - Google Patents

Abstract

一种用于串联连接在电路线上的电路保护装置， 包含控制电路电流并有一控制输入端的晶体管开关 １以及控制该控制输入端的电压并响应通过该开关 的过电流的控制装置。该控制装置包含将开关１的 端电压一部分与基准电压相比较并当该部分大于基 准电压时使开关开路的比较电路3，该基准电压由齐 纳二极管或带隙二极管提供，该比较电路由开关端电 路上电压降加电使得该装置做成无需外部电源的双 端器件。该装置优点是其性能随温度的变化很小。

Description

本发明涉及用于保护电路免受例如由设备故障、静电放电或其它危险造成的过电流的装置及器件。

1987年7月31日授给Wickmann-Werke  GmbH的德国专利申请3725390号中描述了一种相当简单形式的电路保护装置。该装置包含控制电路电流的串联开关晶体管和控制该开关晶体管基极或栅极电压的控制晶体管。控制晶体管的基极或栅极电压由跨接开关晶体管的分压器设置使得当电路经历过电流时控制晶体管偏置为导通状态并使开关晶体管截止（OFF）。尽管该装置特别简单，但存在其性能随温度而显著变化的缺点。例如，许多场合下开路开关晶体管所需电流（“断路电流”）当温度开到100℃或更高时会变成环境断路电流的一小部分。这样，在电路正常工作时，通常只可有断路电流的很小部分例如20%通过开关。如允许较大电流通过，由于开关晶体管发热（由于该晶体管两端的压降始终为几伏特上下）会使断路电流电平下降，并带来在有些环节下出现该装置在正常电路电流时也发生断路的后果。

按照本发明，提供一种用以串联连接在电路线中的电路保护装置，包含用以控制电路电流并有一控制输入端的晶体管以及控制该控制输入端的电压并响应通过开关的过电流的控制装置，该控制装置包含将开关端电压的一小部分与基准电压相比较，并当该一小部分大于基准电压时使开关开路的比较器电路，该比较电路由晶体管开关的端电压加电。

按照本发明的装置这样便可用作双端器件，就是说，该装置无须独立电源。如需要，额外的端可包括例如旁路负载端任何过电流的第三端，例如，如在我们共同未决的国际申请PCT/GB91/01760号中所述，该申请公开的内容在此结合作为参考。

按照本明的装置具有可得到相对于温度非常平缓的性能变化的优点，此外，有可能以相当高的电路电流运行按照本发明的电路保护装置而无在正常电路电流下断路的危险。在许多场合下，该装置可工作在高达80%断路电流而无断路危险。

该装置最简形式可包含例如以开环运算放大器形式的比较电路，该电路的一个输入端与基准电压相连接而另一端通过分压器采样开关两端的电压差。基准电压应有相当稳定的温度特性，最好具有不大于±0.5%K^-1的温度系数，更为理想的是不大于±0.2%K^-1特别好的是不大于±0.1%K^-1。通常将齐纳二极管或带隙器件用作稳压器。

按照本发明的电路保护装置使用双极型和（或）场效应晶体管。当双极型晶体管用作开关时，它们最好采用达林顿结构以减少晶体管转为通路（ON）时所需的基极电流。该基极电流须通过比较器有选择地供给基极驱动电路。如将达林顿对或三元组用作开关晶体管，则可大大增大有效直流电流增益以便可利用非常大的基极输入阻抗。

使用场效应晶体管的场合，MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）是优选的，尤其是增强型的MOSFET。该装置可制成集成电路，这时开关电路中所用的电阻可由MOSFET例如以NMOS逻辑连接的它们的栅极和漏极来提供。此外，控制晶体管和一起构成开关晶体管基极或栅极的分压器的电阻由以CMOS逻辑连接的互补n沟道和P沟道的场效应晶体管对所提供。

在本发明最佳实施例中，该装置包括脉冲发生器，该发生器在开关开路时发送一个或多个脉冲给开关以闭合或试图闭合该开关。这种形式的脉冲发生器描述在例如1990年10月12日提交的我们共同未决的英国专利申请9022261.3和1990年12月5日提交的英国专利申请9026518.2（已结合在国际专利申请PCT/GB91/01761号中）中。这些英国申请公开的内容在此结合作为参考。如我们将会理解到的，按照本发明的装置装有复位脉冲发生器，它是上述英国专利申请所描述发明的改进。

任意多个装置可用来产生脉冲。尤其在打算产生大量脉冲的场合，例如这些脉冲可由已知的无稳态振荡器来产生。为了在两个脉冲之间提供足够的时间延迟，脉冲发生器包括一除法器是合适的，例如，一计数器或移位寄存器，其输入由相当快的振荡器如晶体器件或其它电路供给。的确，用户有可能通过选择用以复位开关的除法器输出来规定脉冲频率。尽管可使用单稳态振荡器，但除法器的输出一般通过高通滤波器送至比较器输入端。如果脉冲发生器或任何其它元件需要电源，通常最简单做法就是经适当的稳压，例如借助于齐纳二极管来稳压之后有选择地从开关端电压差取得电源。

如果需要，脉冲发生器可产生脉冲到一预定有限的最大数或一预定时间，如上述英国专利申请9022261.3所述。

按照本发明的装置可用分立元件构成或用已知技术做成单片电路。最好以单片集成形式制造该装置使这种器件较便宜、体积也小。如上所述使用除法器的好处在于脉冲发生电路中任何电容器的数值显著小于在没有除法器时所需的电容值，从而使该电路更适合于单片集成。

最好该装置包括与晶体管开关串联的非阻性元件。这种装置不仅可减小电路线上电压降，而且，更重要的是减小了该装置集成电路设计中需使用的硅片面积，进而降低了成本。

按照本发明的两种形式的装置可参考附图，借助实例说明如下，附图中：

图1是按照本发明的一个双端器件形式的电路图;

图2是图1所示装置I-V特性的图形表示;

图3是图1所示装置与德国专利申请3725390号中所述装置对温度变化的图形比较;

图4是包括复位脉冲发生器的装置第二形式的电路图。

参考附图1，保护电路免受过电流的装置包括起开关作用的NPN双极性面结型晶体管1，该晶体管位于端2和端2′之间并可与电路线串联连接。晶体管1的基极与用作比较器的运算放大器3的输出相连接。该运放的非反相输入端连接到由电阻4和齐纳二极管5形成的分压器，而反相输入端连接到由电阻6和7构成的第二分压器，两分压器均跨接于开关晶体管1。齐纳二极管5的温度系数为-0.06%K^-1。

运放3的V_CC和接地端也跨接到开关晶体管1以便当该装置受到过电流时给该运放加电。

在运行时，开关晶体管1处于其截止状态直至该晶体管端产生足够的电压使比较器3的输出可驱动开关晶体管1的基极。此处，比较器3的非反相输入从齐纳二极管5较高初始阻抗角度看处在比反相输入端要高的电压，这样开关晶体管1的基极可被驱动为高于其发射极而变为导通。当该装置受到例如来自瞬态电流或负截或源故障的过电流时，开关晶体管1端的电压差会增大使运放3的反相输入端的电压上升。运放3的反相输入端的电压也上升直至达到齐纳二极管5的齐纳电压，并将维持相对恒定。这样，较高过电流时，运放的输出变化，达到负端电压并使开关晶体管1截止。

图2示出通过该装置电流对开关晶体管1端电压的关系，图3示出该装置与德国申请3725390号所示的使用达林顿对作为开关晶体管的装置相比较的温度稳定性。如图3所见，本发明装置的温度特性与先有技术的相比要平稳得多。该温度稳定性使电路最大工作电流可增大到断路电流的很大部分而不会有偶然的装置断路，和先有技术的装置相比，后者有可能在与断路电流比相当低的工作电流下断路。

图4示出按照本发明装置的第二种形式，它装有复位脉冲发生器，该发生器在开关晶体管1开路后大约每20秒闭合该开关晶体管一次。

开关电路包含增强型MOSFET形式的开关晶体管1′，基本上和相对于图1所述相同，除了其中双极型开关晶体管1已用FET1′替代。

脉冲发生器包含此时在555计时器43设置的非稳态振荡器，该计时器的输出送到用作除法器的4020的14位计数器44的时钟输入端。计数据44的输出通过由33nF电容器46，1MΩ电阻47、可变电阻47′和1MΩ电阻47″构成的高通RC滤波器送到运放3的反相输入端。运放3的输出直接馈送到晶体管1′的栅极。1MΩ负截电阻56连接在运放3的输出与晶体管1′的漏极之间，因为运放3有一开路集电极。

555计时器43和计数器44由从开关晶体管1′端得到的电流加电并由跨接在该装置电源和接地脚的齐纳二极管48调整到某种程度。齐纳二极管48也保护计数器44和计时器43免受过电压。另一6.8V齐纳二极管49和5KΩ电阻50串联连接在计时器43和计数器44的V_CC脚及开关晶体管1′漏极之间。

在运行时，开关晶体管1′正常为导通（ON）而运放3输出为高。当出现过电流时，运放的反相输入电压上升而非反相输入电压由3.9V齐纳二极管52（温度系数0.06%K^-1）调整使运放输出变低即成为晶体管1′的源极电压从而使晶体管1截止。当开关晶体管1′已变为截止，其端电压升至10V以上从而由齐纳二极管48提供大致恒定电压给计时器43和计数器44。通过计时器和计数器电源电路的漏电流电阻50限制并通常处在1到2mA量级。当计时器43已加电，便以取决于电容器51的容量及电阻54和55的频率振荡，该频率通常为400Hz上下，例如采用1nF容量的电容器和1MΩ阻值的电阻。该振荡信号馈送到计数器44的时钟输入端，将最高位取作输出，其重复频率为每20秒输出一次。

当计数器输出降为其低位，运放3的反相输入暂时为低（对开关晶体管1′的源极电压）从而使运放输出升高一个短暂时间（取决于电容46和电阻47的时间常数）并使晶体管1′导通。如果过电流仍持续，运放3的输出当脉冲一结束便下降，而开关晶体管1′将保持为截止。这样该装置一径断路便每20秒就试图复位一次开关晶体管1′直至该装置复位。

Claims (8)

1、一种用于串联连接在电路线上的电路保护装置，包含控制电路电流并有一控制输入端的晶体管开关以及控制该控制输入端的电压并响应通过该开关的过电流的控制装置，该控制装置包含将开关端电压一部分与基准电压相比较，并当该部分大于基准电压时使开关开路的比较电路，该比较电路由开关线上电压降加电。

2、如权利要求1所述装置，其特征在于，该开关包含其栅极提供控制输入的增强型金属氧化物半导体场效应晶体管。

3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，基准电压包含齐纳二极管和带隙器件。

4、如权利要求1到3中任一项所述装置，其特征在于包含一脉冲发生器，当开关开路时，该脉冲发生器发送一个或多个脉冲给该开关以闭合或试图闭合该开关。

5、如权利要求4所述装置，其特征在于，脉冲发生器包含其输入由非稳态振荡器供给的除法器。

6、如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，由脉冲发生器产生的脉冲或每个脉冲的长度不大于250ms。

7、如权利要求4到6中任一项所述装置，其特征在于，脉冲发生器产生脉冲到一预定的有限最大数或一预定时间。

8、如权利要求1到7中任一项所述装置，其特征在于包含与晶体管开关串联的非阻性元件。

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