过电压保护电路的制作方法

本发明涉及过电压保护电路。

背景技术：

电子组件通常由恒定电压直流电(DC)电源供电。这些电子组件专门被设计成由特定DC电压供电，并具有一定的误差容限。输入电压中的任何尖峰，即使是暂时的，也可能造成组件永久性失效。在许多工业或消费者应用中，常见的是高压电源尖峰。这些尖峰持续时间可为数微秒至较大毫秒时值。随着半导体晶片上电子组件的紧密度不断增加，由于对来源于这些尖峰的较大电流所生成的热量的耐受容量有限，这些组件会更容易失效。即使组件经受住了这些暂时的尖峰，整个系统也有可能在电压尖峰期间不能进行可靠的运作。

历史上，过电压和过电流保护是使用电容器、二极管及保险丝实现的。然而，这些解决方案都需要过多的空间。在当今即使是小型装置也提供大量功能和特征的市场中，需要在更小的空间中制造大量电路。因此，即使不是对于全部应用，也是对于许多应用而言，这些传统的过电压保护方法都不再适用。还存在可用于过电压保护的其它类型的电路。但是，那些电路通常包括相当多的组件，并会消耗更多的电力。另外，这些电路中的一些电路不适于处理持续时间短的尖峰。

技术实现要素：

提供此发明内容是为了以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。此发明内容并非意图识别所主张标的物的关键特征或基本特征，也并非意图用于限制所主张标的物的范围。

在一个实施例中，公开过电压保护电路。过电压保护电路包括输入电压端口、输出电压端口、耦合到输入电压端口的低通滤波器和耦合到低通滤波器的电压调节器。过电压保护电路还包括具有栅极、漏极和源极的晶体管。晶体管耦合到输入电压端口和输出电压端口，且栅极耦合到电压调节器。

在一个或多个实施例中，低通滤波器包括电阻器和电容器，电压调节器包括分压器。电压调节器还包括在第一输入端耦合到分压器的运算放大器，和在第二输入端的参考电压输入端。电压调节器另外包括耦合到运算放大器的输出端的调节器晶体管。分压器包括至少两个电阻器，电阻值取决于参考电压值的选择。晶体管为常见的源极晶体管。

在另一个实施例中，公开用于提供过电压保护的方法。该方法包括向源极跟随器晶体管的漏极供应输入电压，向低通滤波器供应该输入电压，从低通滤波器的输出端生成第一驱动信号，使用第一驱动信号生成第二驱动信号，以及利用第二驱动信号驱动源极跟随器晶体管。第一驱动信号的生成包括使用参考电压和运算放大器，第二驱动信号的生成包括在耦合到源极跟随器晶体管的栅极的晶体管中吸收电流。

附图说明

为了可详细地理解本发明的上述特征的方式，可通过参考实施例来作出上文简要概括的本发明的更特定描述，所述实施例中的一些实施例在附图中加以示出。然而，应注意，附图仅示出了本发明的典型实施例，且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可准许其它同等有效的实施例。在结合附图阅读此说明书后，所主张的标的物的优点对本领域的技术人员而言将变得显而易见，附图中的相同参考标号已用于指代相同元件，且其中：

图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的过电压保护电路的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的简单的无源低通滤波器；

图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的简单的电压调节器；

图4示出了根据本发明的实施例的过电压保护电路；

图5示出了模拟图，以展示图1或图4中所描绘的过电压保护电路的活动；以及

图6示出了用于生成驱动信号以调节电压的方法。

具体实施方式

图1示出了过电压保护电路100的示意图。过电压保护电路100可用于多种应用。然而，由于它的简单性和低功耗，过电压保护电路100极其适于低电压和节能应用。应注意，一些先前技术解决方案通过燃烧电力来实现快速运算，而本文中所描述的过电压保护电路100的实施例则燃烧相对极少的电力。因此，低功率晶体管可用于过电压保护电路100。

传统的电压保护电路通常是高耗电的，因为驱动传递晶体管的电路需要足够快速以超过在输入供电电压中快速产生的电压尖峰。过电压保护电路100包括低通滤波器(LPF)102以获得高电源抑制比(PSRR)和满足对高速运算放大器的需要。在一些实施例中，运算放大器需要比LPF 102更快(在输入端和输出端之间会延迟)。PSRR被限定为运算放大器中供电电压的变化比其产生的等效(差分)输出电压的比率。

过电压保护电路100可视需要包括二极管106或等效组件或电路，以在V_IN下降到V_OUT以下的情况下防止电流逆流。过电压保护电路100还包括晶体管108。晶体管108可以是源极跟随器晶体管或布置。过电压保护电路100可包括一些其它组件，诸如在一些实施例中，可存在耦合到地面和V_OUT的电阻器。本领域的技术人员相当了解此类额外组件。

在一些实施例中，LPF 102可以是如图2中示出的无源RC滤波器。如图所示，LPF 102包括电阻器(R)和电容器(C)。在其它实施例中，LPF 102可以是RLC滤波器或是包括运算放大器的有源低通滤波器。对于电压信号而言，LPF 102会减弱输入信号V_IN中的高频率尖峰。然而，LPF 102在由其RC时间常量确定的截止频率以下减弱得极少。当V_IN中出现尖峰时，LPF 102阻止该尖峰的高频部分通过LPF 102。

过电压保护电路100包括电压调节器104。在一些实施例中，电压调节器104可以是并联调节器。并联调节器提供从供电电压向地面并经过可变电阻的路径。并联调节器比串联调节器更简单，有时仅由齐纳(zener)二极管构成，且可用于极低功率的电路，在此类极低功率的电路中，被浪费的电流量极小，所以无需担心。

在其它实施例中，过电压保护电路100使用如图3中所描绘的电压调节器104。电压调节器104包括耦合到IN端口的分压器120。IN端口也直接耦合到OUT端口。根据应用具体需要，例如V_IN和V_REF值，分压器120在IN端口进行分压。电压调节器120耦合到运算放大器122的第一输入端。运算放大器122的第二输入端耦合到V_REF。运算放大器122充当误差放大器，并输出电压，该电压是通过分压器120和V_REF输入的电压的差分。如上文所指出，运算放大器122可以是低电压或常规的运算放大器。运算放大器122的输出端耦合到晶体管124的栅极。当运算放大器122施加电压时，晶体管124开始导电。电流吸收器在电压调节器104的OUT端口降低该电压(V_G)。

电压调节器104的OUT端口驱动晶体管108的栅极。晶体管108提供源极跟随器布置。在一个例子中，晶体管108可以是NMOS晶体管。晶体管108的栅极端用作输入端，源极为输出端，且漏极为两者(输入端和输出端)所共用的。电压调节器104的输出端应用于晶体管108的栅极。在其它实施例中，可使用类似的双极共集电极配置晶体管。应注意，只要能够实现源极跟随器配置，也可使用其它类型的晶体管。

在一个例子中，晶体管108为MOS型晶体管是有利的。第一，与无源装置相比，晶体管108可处理较大电流，以及第二，它不需要大带宽驱动电路来提供输入端和输出电压端口之间的高带宽隔离。MOS型晶体管108的组合和LPF 102处理较大和快速输入电压的瞬变，且控制回路(a)可保护自身免于过电压，及(b)可以是缓慢的，并因此是低功耗的。快速响应通过晶体管108的输出阻抗来实现，且低功耗通过使用LPF 102并在饱和区中由控制回路驱动晶体管108来实现。

如上文所述，过电压保护电路100充当源极跟随器，在晶体管108中将该输入电压减去较小电压降复制至输出端。滤波型的输入电压用于驱动晶体管108。V_IN中的快速电压变化被晶体管108的输出阻抗和LPF102阻止。输入电压的缓慢变化被控制回路阻止，因为V_G被控制成要低于所允许的最大电压。在一些实施例中，如果晶体管108的漏极-源极之间的电压降需要保持在较低水平，那么可使用电荷泵来提高栅极电压。电荷泵是一种DC至DC转换器，它使用电容器作为储能元件以产生更高或更低电压的电源。

图4示出了过电压保护电路100，它使用了LPF 102和电压调节器104的简单实施方案。如图所示，LPF 102包括电阻器R1和电容器C1。R1和C1的接合点耦合到分压器的一端，该分压器包括两个电阻器R3和R4。R1和C1的接合点也耦合到晶体管108的栅极。R3和R4的接合点耦合到运算放大器122的第一输入端，运算放大器122的第二输入端耦合到参考电压源极V_REF。运算放大器122放大它的两个输入端处的电压之间的差值。运算放大器122的输出端耦合到晶体管124的栅极。视情况选用的二极管106在V_IN和晶体管108之间耦合。在一个或多个实施例中，R3和R4的值取决于V_REF值的选择。在其它实施例中，可基于R3和R4的比值选择V_REF。

图5示出了在图4中标记为Point1、Point2、Point3、Point4和Point5的各个位置处的电压的样本模拟图。应注意，图5中所描绘的图并不按比例，且即使所示线路为直线，实际上，这些线路中的至少一些线路可能至少在一些位置不是平滑的直线。该模拟图基于输入电压(例如，在上电时)中的40V尖峰，V_REF为大约1.25V，且分压器比值为大约2/21。

如图所示，在Point1的电压上升到大约40 V。在Point2的电压上升并稳定在大约1.33V。在Point3的电压稳定在大约790.5mV。当在Point2和Point3的电压稳定在这些电压值时，在Point4和Point5的电压停止进一步提高，并稳定在大约13.95V(Point5)和14.44V(Point4)。通常，在Point5的电压的稳定需要大约5微秒。所希望的输出电压为大约14V。如图所示，无论在Point1的电压如何上升，在Point5的电压保持稳定。

图6示出了用于调节电压的方法200。因此，在步骤202中，将输入电压施加到源极跟踪晶体管的源极。在步骤204中，也将该输入电压施加到低通滤波器。在步骤206中，使用参考电压和比较器，从低通滤波器的输出端生成第一驱动信号。在步骤208中，使用第一驱动信号和晶体管生成第二驱动信号。随后在步骤210中，第二驱动信号用于驱动源极跟踪晶体管，以使得无论输入电压怎么上升，源极跟踪晶体管的漏极都输出固定电压。

除非在此另外指出或明显与上下文相矛盾，否则在描述所述标的物的上下文中(尤其在所附权利要求书的上下文中)术语“一”和“所述/该”以及类似指示物的使用应解释为涵盖单个与复数个两者。除非在此另外指出，否则在此引证数值的范围仅意在用作单独地提及每个单独的数值落在该范围内的速记方法，并且每个单独的数值被结合到本说明书中就像它被单独地在此引证一样。此外，由于寻求保护范围由权利要求书限定，如在下文中与被授权的任何等效者一起所阐述的，所以上述描述仅旨在说明，而不意在限制。在此提供的对任一和全部例子，或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅意图更好地说明所述标的物，并不对所述标的物的范围加以限制，除非所述标的物以其它方式主张。在权利要求书和书面描述两者中，使用术语“基于”和用于产生结果的条件的其它类似短语并不意图排除产生那一结果的任何其它条件。本说明书中的任何语言都不应该理解为指示实施所主张的本发明必需的任何未主张元件。

在此描述了优选实施例，包括发明人已知的用于实施所主张的标的物的最佳模式。当然，在阅读上述描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。发明人期望熟练的技术人员酌情采用此类变化，发明人也希望所主张的标的物以其它方式实施，而不仅仅是依照本文中的特定描述。因此，这里所主张的标的物包括适用法律所允许的在此随附的权利要求书中所述的标的物的所有修改和等效物。此外，除非在此另外指出或明显与上下文相矛盾，否则包含上述元件的所有可能变化的任何组合。