[发明专利]线性低电容过电压保护电路

说明书

技术领域

本发明通常涉及过电压保护装置和电路，更具体地涉及降低经受电 压变化的电路中的电容变化的过电压保护电路。 背景技术

电子设备中的许多电路都提供免受过电压、过电流等不良影响损害 的保护。这些保护电路通常被设计作为所述通用电子电路整体的一部分，但也 可以被作为辅助装置或电路而添加。

保护电路通常可被构造在硅衬底上，如双极晶体管、二极管或晶闸 管。硅双极器件可携带大电流，因而更适合被用于保护电子电路，使其免受过 电压和过电流的损害。构造成具有结的固态双极器件具有固有电容，其是耗尽 区宽度的函数。在半导体结中的所述耗尽区作为电容的电介质层。由于所述耗 尽区的宽度随着施加在所述结上的电压而改变，所以双极半导体结的电容作为 施加于所述结上的电压的函数而变化。其值随电压而改变的电容本质上是非线 性器件。换言之，即使所述过电压保护装置保持在它的关闭状态，置于要保护 的电路上的双极过电压保护装置可影响所述电路的运行。所述非线性可导致次 优的沟道性能和互调失真。

前述的不利影响在许多应用中都经历过，包括通信线路，其过电压 保护电路常规地被用来保护发送和接收电路免受可不经意地被耦合到所述通信 线路上的高电压的影响。晶闸管家族中的许多器件都可被用于响应所述过电压 状况并在所述通信线路和地之间提供低阻抗通路，或其它能量可被安全耗散的 通路。

使用硅双极过电压保护装置的不利影响可能不是因为这些装置具有 固有电容所造成的，而是由于这些电容作为施加在所述装置上的电压的函数而 变化的特性而引起的。例如，许多通信线路适合于输送包括ADSL、T1、E1、 ADSL2+、ADSL2++、10BaseT、VDSL、VDSL2、T3、100BaseT等各种协议 的高速数字信号。这些协议中的多个协议通过调制解调器或其它发送和接收电 路在远程目的地间输送。为了优化高速数据的输送，许多调制解调器使用初始 进程选择适当的平衡元件，使得所述数字信号可以以与所述线路相关的线路和 电路的频率响应所允许的最大速度被传输。所述调制解调器所选择的平衡参数 是那些实施平衡测试时存在的参数——平衡测试通常在所述调制解调器处于服 务状态时，以及初始化操作后每次重新启动时进行一次。可以看到如果在平衡 对话后，所述线路的电气状态改变，那么所述数据传输率可能没被优化，因此 可发生传输错误。

传输效率低的实例可发生在如下实例中。放置在线路上或启动开始 运行的调制解调器可被编程以自动执行平衡进程，用于确定切换到运行的最好 电气参数从而优化高速数据传输。所述调制解调器将被连接到所述通信线路， 如适于输送VDSL或其它数据信号的电话DSL线路。用于输送数字信号的所述 DSL线路的(所述电话设备的)在钩(on hook)状态通常为48伏。当所述调 制解调器完成所述平衡进程后，即可基于存在于所述平衡进程期间的所述DSL 通信线路的电气特性，提供对于所述VDSL信号的最优传输。

在用户的实际通信通话期间，其中正高速传输VDSL信号，假定连 接到同一DSL通信线路的所述用户的电话机处于离钩状态。换言之，用户同时 使用所述DSL通信线路用所述电话机进行语音通信，用调制解调器进行数据通 信。这个离钩状态在通信线路上设置有不同的电压。所述通信线路从在钩状态 的48伏到离钩状态的大约10伏。由此，所述过电压保护装置和其它可能的设 备的电容将发生变化，从而改变了所述调制解调器用于平衡的线路的电气特性。 由于现在的通信线路具有不同的电气特性，有效传输速率可能会降低，但是所 述调制解调器保持以所述平衡会话期间优化的速率进行传输。结果，处于所述 通信线路接收端的所述数据接收器或调制解调器可检测出由于数据传输速率高 于所述线路在所述离钩状态下可靠传输的速率所引起的错误。过多的错误率可 导致调制解调器再调适(retrain)，并造成再调适期间暂时失去服务，这是不能 接受的。 综上所述，可以看出需要一种使过电压保护装置和电路的作为电压的函数的 电容不容易改变的技术，并由此降低连接到所述线路的所述装置或电路的电气 特性的变化。另外还需要一种用于封装过电压保护装置的高效方法，从而可将 普通的电压施加到所述引脚或端子上，使得所述电容/电压特性更加线性化。 发明内容 根据本发明的一个重要特征，披露了用于对通信线路提供过电压保护的过 电压保护装置的应用，以及通过一对隔离电阻器对所述过电压保护装置进行偏 置的偏置电路。所述偏置电压将所述过电压保护装置置于运行区域，在那里所 述装置的电容的变化很少取决于施加在所述装置上的电压。 根据本发明的另一个特征，披露了具有至少两端的过电压保护电路。所述 过电压保护装置响应于过电压，以在所述两端之间提供低阻抗通路。所述过电 压保护装置的特征在于浪涌电流。提供了具有至少四个二极管并具有第一节点 和第二节点的二极管桥。所述过电压保护装置连接在所述二极管桥的第一节点 和第二节点之间。所述二极管中的一些具有用于输送所述过电压保护装置的浪 涌电流的结面积，并且实质上不是很大，由此最小化所述二极管的电容。 根据本发明的又一个特征，披露了过电压保护电路，其包括适于连接到通 信线路的二极管桥。将过电压保护装置连接到所述二极管桥的节点上，使得由 位于所述通信线路上的不同极性的过电压所产生的电流沿一个方向通过所述过 电压保护装置。将一第一电阻和一第二电阻连接到所述过电压保护装置的不同 端上。所述电阻适合于连接到偏置电压源。 本发明的另一重要特征是一种采用过电压保护电路保护通信线路的方法。 所述方法包括用偏置电压偏置过电压保护装置以降低所述过电压保护装置的电 容。将所述过电压保护装置耦合到二极管桥，从而当二极管桥被连接到通信线 路时，由相应的过电压所引起的不同极性的电流沿一个方向通过所述过电压保 护装置。 根据本发明的又一特征，披露了一种用于构建过电压保护电路的方法。所 述方法包括选择具有理想峰值电流和理想转折电压的过电压保护装置的步骤。 进一步包括选择用于桥的二极管的步骤，使得所述桥的至少一些二极管具有实 际上不比所述过电压保护装置的峰值电流高的峰值电流。所述过电压保护装置 和所述桥的二极管串联布置，由此提供低电容过电压保护电路。 附图说明 以下对于附图所示的本发明的优选及其它实施例的更为具体的介绍，使得 进一步的特征和优点变得明显。在所有附图中，相同的附图标记通常表示的相 同部件、功能或元件，其中： 图1a示出了对通信线路提供过电压保护的第一种方法； 图1b示出了对通信线路提供过电压保护的第二种方法； 图1c示出了对通信线路提供过电压保护的第三种方法； 图2图解地示出了双极性半导体过电压保护装置常规的电容对频率特性， 其中所述装置上的电压是变化的参数； 图3用电气框图形式示出了根据本发明的一个实施例的偏置的过电压保护 电路； 图4为一电气原理图，示出了根据本发明一个实施例的过电压保护电路； 图5图解地示出了多个固态过电压保护装置的电容/电压特性； 图6示出了根据本发明的一过电压保护电路的另一实施例； 图7示出了根据本发明的一过电压保护电路的又一实施例；以及 图8示出了根据本发明的一过电压保护电路的又一实施例。 具体实施方式 参照附图1a，示出了环境10，其中本发明可被有利地被实施。此处，通信 线路包括尖端导体12和环形导体14。过电压保护装置16连接在地或一些其它 电压源，与所述尖端导体12之间以向所述导体12提供过电压保护。类似地把 所述环形导体14连接到过电压保护装置18以向其提供过电压保护。在该电路 10中，过电压保护装置16和18均优选为构建在同一硅芯片上的双向装置，从 而向通信线路导体12和14均呈现平衡电气特性。所述过电压保护装置16和18 的双向特性向两个极性的过电压提供过电压保护。此外，优选地过电压保护装 置16和18具有基本上相同的转折(breakover)电压(V_BO)。如果所述尖端导 体12和/或环形导体14上经历过电压，那么所述相应的过电压保护装置16和/ 或18将被驱动导通并提供对地的低电阻通路。由此保护连接到所述通信线路的 所述电子电路(未示出)。 当处于关闭状态时，所述过电压保护装置16和18相对于所述通信线路导 体12和14呈现高阻抗，但是仍然具有相关的固有电容。所述过电压保护装置 16和18通常是具有双极性结的四层晶闸管装置。这种双极性装置的电容可低于 100皮法。伊利诺伊州德斯普兰斯城littelfuse公司teccor品牌的sidactor过电压保护装置在工业中被作为过电压保护电路中的高速、高浪涌电流、低过 调(overshoot)装置而广泛应用。 图1b示出了另一实例20，其中单一的双向过电压保护装置22连接在通信 线路的所述尖端导体12和所述环形导体14之间以向其提供过电压保护。在该 保护结构中，施加到通信线路的任何过电压都会引起所述过电压保护装置22导 通并将能量耦合到另一通信线路上。连接到所述通信线路的下游电路由此被保 护。尽管未示出，但是单向过电压保护装置和二极管桥可替换所述双向过电压 保护装置22。 图1c示出了过电压保护结构，其中使用了三个过电压保护装置24、26和 28用于保护所述通信线路的尖端导体12和环形导体14。该结构表示用于所述 通信线路的平衡保护电路。串联装置24和28的累积转折电压优选地等同于串 联装置26和28的累积转折电压。所述装置可以用Webb的美国专利号为4905119 的专利中提到的方式选择。图1c中两装置的串联设置降低了每个半导体结中电 压的变化，降低了电容变化的幅值。 图2图解地示出了一常规双极过电压保护装置的电容/频率特性，该特性为 施加在所述装置上的不同电压的函数。应当注意的是所述水平频率轴为对数刻 度。尤其是，该图描述了Teccor Electronics的零件编号为P3100SCMC的 Sidactor过电压保护装置的电气特性，线30描述了施加有0伏的装置的电容/ 频率特性。线32描述了施加有1伏电压的装置的电容/频率特性。线34描述了 施加有2伏电压的装置的电容/频率特性。线36描述了施加有5伏电压的装置的 电容/频率特性。线38描述了施加有15伏电压的装置的电容/频率特性。线40 描述了施加有40伏电压的装置的电容/频率特性。这些电气特性是当测试电路不 连接任何其它通信电路时装置的特性。 应当注意的是当在所述双极性过电压保护装置上施加高电压时，电容作为 频率的函数变化较小。这对大多数双极性过电压保护装置而言都是真的。然而， 问题是当连接到通信电路或通信线路时，过电压保护装置上的电压并不总能得 知或被预测。因此，当这种装置上的电压低时，其它的通信电路将不得不在伴 随有所述过电压保护装置的电容变化时运行。当在DSL线路上传输VDSL和其 它高速度数据信号时，这意味着会将所述传输速度降低到小于为适应所述过电 压保护装置的增加的电容所必须的速率，或者是接受较高错误率。对于通信提 供商或用户而言，这些解决方法都是不能接受的。 回到图2，应当注意的是对于过电压保护装置上的低电压，即在大约1和5 伏之间，所述装置的电容的变化实质上大于所述装置上较高电压时的变化。对 于实例中的特定装置而言，以及当装置上施加一伏的电压时，在1MHz与10MHz 之间的频率范围内，所述装置的电容变化了大约5pf，从大约40pf到大约35pf。 这表示所述装置的电容变化了大约12.5％。当所述装置上施加有1伏电势时， 100MHz时的电容约为33pf。考虑同一过电压保护装置上施加有40伏的电压， 应当注意的是在1MHz和10MHz之间的电容的变化约为1pf(28pf-27pf)，或 电容变化了约3.6％。在100MHz时，其上具有40伏偏置电压的装置所表现的 电容约为24pf。从图2中线性的40伏线可看出小程度的电容变化。图表中表征 装置上较低电压的其它线有较大的非线性。也可看出通过确保在装置上施加幅 值比平常施加的电压大的电压，那么所述装置内的电容的变化就会相应地降低。 如上所述，当在双极性半导体结上施加较大电压时，在所述装置的导电区域(电 容器板)之间有较宽的耗尽区，并由此产生较小电容。 根据本发明的一个重要特性，在所述过电压保护装置上施加偏置电压，这 样其就以较小电容的持续方式运行，由此使得通信线路以最优速度和带宽运行。 通过确保在所述过电压保护装置上总有至少预定电压，可以确定连接到保护装 置上的所述通信线路的电容-至少由所述过电压保护装置所贡献的电容-经历 最小程度的变化。 现在参照图3，示出了本发明的一个实施例，其中过电压保护装置44通过二 极管桥46连接到通信线路12和14上。此外，将偏置电压48施加到所述过电 压保护装置44上，从而以上述方式降低装置电容的变化。图3中的过电压保护 电路42的一个重要优点是只需要一个过电压保护装置44，并且由于所述二极管 桥46，这种装置44只需要为单向装置。所述二极管桥46耦合所述通信线路12 和14的任一极性的过电压，使得相应的电流沿着相同的方向流经所述过电压保 护装置44。 使用二极管桥的另一重要优点是降低了所述过电压保护电路42的整体电 容。桥46的二极管的电容与所述过电压保护装置的电容串联降低了电路42的 整体电容。正如以下更透彻的描述，为了获得低电容过电压保护电路，桥二极 管的选择非常重要。 图4示出了根据本发明的一个实施例的偏置过电压保护电路。此处， Sidactor过电压保护装置44为连接到通信线路的单向双极性装置，所述通信线 路包括尖端导体12和环形导体14。还包括地50。所述尖端导体12、环形导体 14以及所述电路地50分别通过相应的桥46的二极管对连接到所述过电压保护 装置44的节点68和69。所述尖端导体12通过二极管对52和54连接到所述过 电压保护装置44，而所述环形导体14则通过二极管对56和58连接到过电压保 护装置44。所述过电压保护装置44经节点68和69通过二极管对60、62连接 到地50。特别地，所述二极管62的阴极连接到地50，而所述二极管60的阳极 连接到地50。如上所述，任一极性的过电压都能够以常规的方式从所述尖端导 体12和/或环形导体14通过桥46的多个二极管对地50导通。可以看出，通过 所述过电压保护装置44的多个电流通路包括第一二极管、所述过电压保护装置 44、然后第二二极管。这三个元件全部串联，从而降低了所述过电压保护电路 对所述通信线路12和14的有效电容。 根据本发明的一个重要特征，将一偏置电压施加在过电压保护装置44的端 子之间。所述电压优选地以持续的偏置被施加在所述过电压保护装置44上。可 选择地，也可只在通信线路12和14传输通信信号的时间内施加所述偏置电压。 偏置电压源48通过一对电阻器64和66将所述电压施加在所述过电压保护 装置44上。优选地，所述电阻器64和66具有足够高的电阻从而当过电压保护 装置44处于导通状态时，在所述电压源48和过电压保护装置44之间提供隔离。 实际上，所述电阻每个可以为1兆欧左右或更大。然而，在特定的应用中，每 个电阻器64和66的值也可以低到几百欧姆。在所述通信线路12和14的过电 压触发所述过电压保护装置44，使其导通的时间内，所述偏置电压的存在并不 影响所述过电压保护装置44的转折电压或其它电气特性。 应当注意的是，在图4的实施例中，所述偏置电压源48参考地，即负极端 连接到地。所述二极管桥46的节点69通过所述隔离电阻器66参考地。这偏置 了所述过电压保护装置44使其处于运行点上，在该点所述装置44展现出较小 的整体电容且电容作为频率的函数变化较小。图5图解地示出了来自Des Plaines Illinois Littelfuse的Teccor商标下多个不同的Sidactor过电压保护装置的电气特 性。这些电气特性是双极性装置的典型特性，因为较大的反向偏置结电压导致 较宽的耗尽区。可以看出当偏置电压约为10伏和更大时，所述过电压保护装置 的电容变得明显地低。应当注意的是当用晶闸管作为如数据通信线路的低压应 用中的过电压保护装置时，所述结的掺杂浓度必须足够高以降低所述装置的转 折电压。然而，具有高掺杂浓度的装置由于所述相应的较窄的耗尽区，使得结 电容增加。因此，难以获得具有低转折电压和低电容的晶闸管。但是这样的装 置又是保护高速数据通信线路所需要的。 回到附图4，所述偏置电压源48的极性优选使所述通信线路12和14在正 常运行期间，所述桥46的二极管被反向偏置。虽然所述偏置电压源48被示出 具有接地负极端，而在其它通信线路情况下，可将过电压保护电路配置成使所 述偏置电压源48的正极端连接到地。 在图4的过电压保护电路运行时，假定所述电压源48的偏置电压高于所述 通信线路的最高运行电压，但是低于所述过电压保护装置的转折电压。由于施 加在所述装置上的偏置电压恒定，所述过电压保护装置的电容保持不变。线路 电压的变化改变所述桥二极管的电容，因为二极管的电压随着所述线路电压的 改变而改变。如上所述，当以高数据速率或在电路电容变化严重且不希望的其 它环境中运行时，所述过电压保护装置的偏置可改善通信线路性能，降低数据 传输错误。 作为又一种替代方式，如果欲使用浮动偏置电压源，那么可实施图6中的 过电压保护电路72。在该实施例72中，所述电压源48的负极端连接到二极管 桥46的节点69。仅示出了单个的隔离电阻器64，但是也可在所述偏置电压源 48的负极端和二极管桥46的节点69间使用可选第二隔离电阻器66。此外，与 所述二极管桥46一起，只使用了单个的单向过电压保护装置44。电路72的其 它结构也可以省略电阻器64而使用电阻器66。 如上所述，与所述过电压保护装置44串联的桥46的二极管可提供低电容 保护电路。这样的设置尤其适合于应用在保护高速度数字和其它类型的通信线 路中。所述保护电路具有低电容特性，因为这种电路的整体电容小于所述串联 配置中的最低电容。因此，通过在保护电路中使用低电容装置，可以确定的是 整体电容至少可与所述低电容装置一样低。在以上描述的所述过电压保护电路 中，所述保护装置44可具有低至约20-30pf的电容。然而，所述桥二极管在设 计上较为简单，且可具有比所述过电压保护装置44约16pf的低电容更低的电容。 所述半导体二极管的电容为所述结面积和所述半导体区域掺杂浓度的函 数。结面积小的二极管具有低电容，但是在载流能力上有局限性。具有轻掺杂 的半导体区域的二极管具有低电容，并具有相应的高反向击穿电压。相应地， 为了获得低电容二极管，优先选择所述制造参数，这样就会采用结面积小和轻 掺杂的半导体区域。 根据本发明的一个重要特征，所述桥二极管52、54、56和58的载流能力 是由所述过电压保护装置44的最大载流能力决定的。换言之，没有必要为输送 比所述过电压保护装置44的电流大的电流而制造结面积大的桥二极管。因此， 如果所述过电压保护装置44的浪涌电流为200安培，那么应当制造或选择结面 积只需足够大到安全输送类似浪涌电流的桥二极管52、54、56和58。通过使所 述桥二极管的结面积大于所必需的，那么保护电路的整体电容就必定不增加。 优选地，将所述桥二极管60和62构造或选择成能够输送约两倍于二极管 52、54、56和58的电流的电流。这在通信线路12和14同时经历过电压的情况 下是值得推荐的。为了获得结构紧凑的半导体装置，优选地使二极管60和62 的结面积不大于所必需的面积。 所有的桥二极管都希望具有高的反向击穿电压，由此优选地半导体区域具 有轻掺杂浓度。这也会相应地降低所述结电容。 图7示出了尤其适合于最小化线路电容性负载的通信线路过电压保护电 路。该保护电路包括构造有四个二极管的桥，节点78和80分别连接到所述通 信线路的尖端导体12和环形导体14。所述二极管桥的节点82和84连接到相应 的电阻器64和66。所述电阻器64和66被耦合到偏置电压源48，用于为阈值 装置86(例如齐纳二极管)提供偏置电压。可选择所述齐纳二极管86来提供适 于所涉及应用的反向击穿电压。该偏置电压提供了与以上结合图4和6所描述 的功能相同的功能。此外，所述二极管52、54、56和58可被构造或选择以上 述方式用于低电容。 图8示出了本发明的另一实施例90，其与图6所示的实施例相似，但没有 所述电压偏置或所述隔离电阻器。此外，这种结构比采用上述方式通过仔细选 择用于低电容的二极管，提供了电容更低的过电压保护电路90。 综上所述，披露了过电压保护电路，用于将所述过电压保护装置偏置到运 行区域，由于电容的变化是频率和电压的函数，其中所述装置的电容被降低。 通过使用偏置过电压保护装置，连接到它的所述通信线路在高速度数据传输及 数据速率方面被优化。所述过电压保护电路不需要接地偏置源，只使用单个的 单向过电压保护装置。一对隔离电阻器将所述偏置电压源与所述过电压保护装 置以及所述通信线路隔离开。 与用于保护尖端和环形通信线路的Sidactor过电压保护装置的使用相关的 多种实施例已经被描述。这些元件只是示例性的，因为使用其它的过电压保护 装置和线路也可具有同等效果。例如，本发明的所述偏置过电压保护电路可利 用其它的两端和三端晶闸管，包括SCR、双向晶闸管(TRIAC)等等。除所述 尖端和环形通信线路外的通信线路也可使用本发明的过电压保护电路。 虽然以上已经结合各种实施例描述了本发明，但是应当理解的是所述披露 只是借助于实例进行，所以在不偏离由权利要求所限定的本发明的精神和范围 的情况下，可对细节和结构做许多改变。