專(zhuān)利名稱(chēng)：保護(hù)電路的保護(hù)部件和方法
本方法一般涉及保護(hù)一個(gè)電路，特別是在故障條件，例如短路、過(guò)流及過(guò)熱條件下保護(hù)一個(gè)電路。
在袖珍電子裝置中，電子器件，例如電池包，經(jīng)常受到物理的和電子的壓力。三種通常的和具有潛在破壞性的壓力是短路、過(guò)流和過(guò)熱。保險(xiǎn)絲提供保護(hù)以免受這些壓力的影響，但是保險(xiǎn)絲在每次激活后需要更換。具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻器還隨著溫度增加而增加電阻器的電阻以減小電流，通過(guò)這種辦法來(lái)提供保護(hù)以免受這些壓力的影響。短路、過(guò)流和其它的故障情況都可以引起溫度的增加。但是，熱敏電阻阻值的增加時(shí)，由于電路沒(méi)有完全斷開(kāi)，電池能量的排放仍在繼續(xù)。當(dāng)溫度超過(guò)某個(gè)預(yù)定值時(shí)，更復(fù)雜的溫度傳感器電路或者減小電流，或者關(guān)斷電源。一旦溫度低于某個(gè)預(yù)定值，這些類(lèi)型的電路通常把自己復(fù)位，而不管故障狀態(tài)的原因是否已經(jīng)消除。一些短路保護(hù)器件，例如硅控整流管(SCRs)，在檢測(cè)到故障狀態(tài)時(shí)關(guān)斷電路，并且在從電路中移走電源后復(fù)位電路；其它的器件減小電流，保護(hù)電路免受故障狀態(tài)的影響，卻不關(guān)斷電路，因此電路繼續(xù)對(duì)電池放電。
因此，最好安裝一個(gè)保護(hù)部件，當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí)關(guān)斷電路；當(dāng)在不把電源從電路中斷開(kāi)的情況下排除了故障時(shí)，復(fù)位電路。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)電路還應(yīng)具有限制電流和關(guān)斷電路的能力。保護(hù)電路簡(jiǎn)單、可靠、易于制造、價(jià)格低廉、重量輕及體積小也是我們所希望的。


圖1圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的保護(hù)部件的示意圖。
圖2圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的保護(hù)部件的示意圖。
圖3圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的雙向保護(hù)部件的示意圖。
圖4圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的保護(hù)開(kāi)關(guān)的示意圖。
圖5圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的保護(hù)開(kāi)關(guān)的示意圖。
圖6圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的雙向保護(hù)開(kāi)關(guān)的示意圖。
一般地講，本發(fā)明提供了一種保護(hù)電路免受超負(fù)荷影響的保護(hù)部件和方法。更特別的是，本發(fā)明提供了一種有源半導(dǎo)體部件，它能夠在短路情況下斷開(kāi)，并且在故障情況排除后復(fù)位自身。
圖1根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例圖解說(shuō)明了保護(hù)電路10的示意圖。保護(hù)電路10對(duì)電池包36進(jìn)行保護(hù)，使其免受負(fù)載38中潛在的故障條件的影響，負(fù)載38從電池包36中消耗能量。保護(hù)電路10有一個(gè)與電池包36正極相連的通用端子20。端子20也通過(guò)電池開(kāi)關(guān)34與負(fù)載38的正極相連。保護(hù)部件10的第一端子30連接到電池包36的負(fù)極，同時(shí)保護(hù)部件10的第二端子40被連接到負(fù)載38的負(fù)極。在故障條件下，保護(hù)部件10成為端子40和端子30間的絕緣體，導(dǎo)致了電池包36與負(fù)載38隔離。適合于負(fù)載38的結(jié)構(gòu)包括無(wú)源器件，例如電阻器、電容器和電感器，以及有源器件，例如晶體管。與串行連接的一個(gè)電壓源35及一個(gè)內(nèi)阻37相等效的電池包36可以包括單一電池，一個(gè)直流(DC)電源或它們的組合。
保護(hù)電路10包括第一N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)12，用作端子30和端子40間的開(kāi)關(guān)，以及控制FET12的第二N溝道絕緣柵FET14。FET12有著一個(gè)通過(guò)電阻16與端子20相連的柵極、一個(gè)與端子30相連的源極以及與端子40相連的漏極。FET14具有通過(guò)電阻22與FET12的漏極相連的柵極、與FET12的源極相連的源極及與FET12的柵極相連的漏極。電阻器18把FET12的漏極連接到FET14的源極。當(dāng)FET12非導(dǎo)通時(shí)，從而將電池包36與負(fù)載38相隔離，流過(guò)電阻器18的漏電流連續(xù)消耗電池電源。這樣的漏電流是不希望有的。因此，最好為電阻器18選擇很大的電阻值，例如兆歐姆的量級(jí)。
保護(hù)電路10還包括一個(gè)溫度傳感器24，該傳感器包括熱敏電阻器21、23及FET25。FET25的源極與FET12的源極相連，并且漏極與FET12的柵極相連。FET25的柵極通過(guò)電阻器21連接到端子20，并且通過(guò)電阻器23連接到FET25的源極。電阻器21具有負(fù)溫度系數(shù)，而電阻器23具有正溫度系數(shù)。流過(guò)電阻器21和23的漏電流從電池包36消耗電能。為了使漏電流最小，需要電阻器21和23的阻值很大，例如在兆歐的量級(jí)。應(yīng)該注意的是溫度傳感器24的結(jié)構(gòu)不局限于圖1所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度超過(guò)某一預(yù)定值時(shí)，任何能夠關(guān)斷FET12的傳感器可以被用來(lái)代替溫度傳感器24。作為例子，將溫度傳感器24移開(kāi)，并且在FET12的柵極和源極之間插入一只具有負(fù)溫度系數(shù)的控制電阻器，以完成溫度傳感器24的功能。在這個(gè)例子中，挑選具有正溫度系數(shù)的電阻器16以提高保護(hù)電路10的溫度傳感能力。
保護(hù)電路10還包括一個(gè)由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管27和29、一只電阻器31和一個(gè)放大器33組成的限流部件28。FET27的源極與FET12的源極相連，并且其漏極與FET12的柵極相連。FET29的柵極與FET27的漏極相連，其源極通過(guò)傳感電阻器31與FET27的源極相連，并且其漏極與FET12的漏極相連。放大器33的輸入端與FET29的源極相連，輸出端與FET27的柵極相連。應(yīng)該說(shuō)明，限流部件的結(jié)構(gòu)不局限于圖1所示的結(jié)構(gòu)。一個(gè)能夠根據(jù)FET12的源-漏電流來(lái)調(diào)整FET12的柵-源電壓的部件可以代替限流部件28。
圖1圖解說(shuō)明了保護(hù)部件10，它包括5個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在故障條件下，通過(guò)斷開(kāi)電池包36和負(fù)載38的負(fù)端，把電池包36和負(fù)載38隔離開(kāi)。應(yīng)該懂得，這一點(diǎn)不打算作為本發(fā)明的一條限制。在保護(hù)部件10中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管12、14、25、27和29可以由雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或諸如此類(lèi)的晶體管來(lái)代替。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管交換時(shí)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，柵極作為晶體管的控制極，源極和漏極作為電流的傳導(dǎo)極；對(duì)于雙極型晶體管，基極作為晶體管的控制極，發(fā)射極和集電極作為電流傳導(dǎo)極。如果在故障情況下，保護(hù)部件10被用來(lái)把電池包36的負(fù)端從負(fù)載38的負(fù)端上斷開(kāi)，例如圖1所示的實(shí)施例，保護(hù)部件10中的5個(gè)晶體管被設(shè)計(jì)為n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者NPN雙極型晶體管。另一方面，如果在故障條件下，保護(hù)電路10被用來(lái)把電池包36的正端從負(fù)載38的正端上斷開(kāi)，保護(hù)部件10中的5個(gè)晶體管被設(shè)計(jì)為p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者PNP雙極型晶體管。
在正常工作條件下，一條經(jīng)過(guò)電阻器16從電池包36的正端到FET12的柵極的充電路徑，通過(guò)把FET12的柵-源電壓提升到電池包36的輸出電壓來(lái)使FET12處于導(dǎo)通狀態(tài)。FET12的漏極和源極之間的電壓低于FET14的門(mén)限電壓，因此FET14是不導(dǎo)通的。處于導(dǎo)通狀態(tài)的FET12接通電池包36和負(fù)載38間的電流路徑。電阻器16和22分別保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管12和14，使它們免受由例如靜電放電所引起的電壓脈沖的影響。
在被看作是“硬性”短路(hard-short)的情況下，負(fù)載38的兩端被一種阻抗非常低的材料連接在一起。在硬性短路情況下，節(jié)點(diǎn)20和節(jié)點(diǎn)40間的電壓降低為0。FET12的柵-源電壓也降低為0。因此，F(xiàn)ET12的柵-源電壓等于FET12的漏-源電壓。如果FET12的漏-源電壓低于它的門(mén)限電壓，F(xiàn)ET12被關(guān)斷，從而把電池包36和負(fù)載38隔離開(kāi)。如果一個(gè)大于FET12門(mén)限電壓的電壓出現(xiàn)在FET12的漏極和源極間，同樣的電壓也就出現(xiàn)在FET14的柵極和源極間。當(dāng)FET14的柵極和源極間的電壓超過(guò)它的門(mén)限電壓時(shí)，它就變?yōu)閷?dǎo)通。處于導(dǎo)通狀態(tài)的FET14把FET12的柵極和源極間的電壓往下拉。當(dāng)FET12的柵-源電壓低于它的門(mén)限電壓時(shí)，F(xiàn)ET12變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而把電池包36和負(fù)載38隔離開(kāi)。當(dāng)短路條件被排除后，積聚在FET14的柵極上的電荷通過(guò)電阻器22和電阻器18消散，并且FET14變?yōu)榉菍?dǎo)通。從電池包36的正極經(jīng)過(guò)電阻器16到FET12的柵極的充電路徑把FET12的柵極和漏極間的電壓提升到電池包36的輸出電壓的電平，導(dǎo)致FET12變?yōu)閷?dǎo)通，并且保護(hù)部件10自身復(fù)位。
在被看作是“軟”電路(soft-short)的情況下，負(fù)載38的兩端間的阻抗是小的，但不是無(wú)限小的。在軟短路的情況下，負(fù)載38的低阻抗導(dǎo)致一個(gè)大的電流流過(guò)電池包36和負(fù)載38。這個(gè)大電流使電池包36的內(nèi)阻37的兩端出現(xiàn)一個(gè)電壓，致使電池包36的輸出電壓降低，從而導(dǎo)致負(fù)載38上的電壓降低，以及FET12的柵極和源極間的電壓降低。一方面，當(dāng)FET12的柵-源電壓降低至它的門(mén)限電壓以下時(shí)，F(xiàn)ET12變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而將電池包36與負(fù)載38隔離。另一方面，F(xiàn)ET12的柵-源電壓的下降和流過(guò)FET12的大電流使FET12的漏極和源極間出現(xiàn)了一個(gè)電壓。當(dāng)FET12的漏極和源極間的電壓等于FET14的門(mén)限電壓時(shí)，軟短路觸發(fā)電流被定義為在保護(hù)部件10中的電流值。當(dāng)保護(hù)電路中的電流達(dá)到軟短路觸發(fā)電流時(shí)，F(xiàn)ET14變?yōu)閷?dǎo)通，并且關(guān)斷FET12，從而將電池包36與負(fù)載38隔離。當(dāng)處于軟短路狀態(tài)的負(fù)載38被移去時(shí)，保護(hù)部件10自身復(fù)位到正常的工作狀態(tài)，即FET14處于非導(dǎo)通并且FET12導(dǎo)通。
通過(guò)調(diào)整FET12和FET14的門(mén)限電壓，可以調(diào)整保護(hù)部件10的短路響應(yīng)時(shí)間和軟短路觸發(fā)電流。FET12的高門(mén)限電壓和FET14的低門(mén)限電壓導(dǎo)致保護(hù)部件10具有快速短路響應(yīng)時(shí)間和低的軟短路觸發(fā)電流。電阻器22和FET14的柵電容在提升FET14的柵-源電壓時(shí)提供了一個(gè)時(shí)間延遲，從而避免了可能由負(fù)載38中的大電容所引起的保護(hù)部件10的意外關(guān)斷，溫度傳感器24檢測(cè)保護(hù)電路10的溫度，如果溫度超過(guò)了某一預(yù)定溫度值，就關(guān)斷FET12。隨著溫度上升，由于它們各自的正、負(fù)溫度系數(shù)，電阻器21的阻值下降，電阻器23的電阻值增加。由于電阻器21和23起電壓分配器的作用，與電阻器23兩端的電壓相等的FET25的柵極和源極間的電壓，隨著溫度的增加而上升。觸發(fā)溫度被定義為某一溫度，在該溫度下，F(xiàn)ET25的柵-源電壓超過(guò)它的門(mén)限電壓，導(dǎo)致FET25變?yōu)閷?dǎo)通，F(xiàn)ET12關(guān)斷。非導(dǎo)通的FET12的漏極和源極間的電壓使FET14導(dǎo)通。如果溫度的升高由一個(gè)很大的電流所引起，導(dǎo)通的FET14使FET12保持非導(dǎo)通狀態(tài)，甚至在溫度下降以及FET25關(guān)斷之后。保護(hù)部件10繼續(xù)把電池包36與負(fù)載38隔離，直到故障被排除。電阻器21和23的電阻率、電阻器21和23的溫度系數(shù)以及FET25的門(mén)限電壓決定了保護(hù)部件10的觸發(fā)溫度。
限流部件28通過(guò)調(diào)整FET12的柵-源電壓給流過(guò)負(fù)載38的負(fù)載電流加上了一個(gè)上限。根據(jù)FET12的漏-源電阻、FET29的漏-源電阻以及電阻器31的電阻，負(fù)載電流在FET12的漏-源電流和FET29的漏-源電流間分配。流過(guò)FET29的漏極和源極的電流在電阻器31兩端形成了一個(gè)傳感電壓(sense voltage)。放大器33把電阻器31兩端的電壓放大，并把放大后的電壓傳輸?shù)紽ET27的柵極。當(dāng)電阻器31兩端的傳感電壓達(dá)到或超過(guò)某一預(yù)定電壓值時(shí)，放大后的電壓就達(dá)到或超過(guò)FET27的門(mén)限電壓。FET27產(chǎn)生了一個(gè)流過(guò)電阻器16的電流，從而在電阻器16兩端形成了一個(gè)電壓。電阻器16兩端的電壓降低了FET12和FET29的柵-源電壓，從而限制了流過(guò)FET12和FET29的漏極和源極的負(fù)載電流。為了提高保護(hù)部件10的效率，希望流過(guò)電阻器31的電流盡可能地小。小電流會(huì)在電阻器31兩端形成小電壓。放大器33放大電阻器31兩端的小電壓，并且把一個(gè)大的電壓信號(hào)傳輸?shù)紽ET27的柵極，以致當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，F(xiàn)ET27的柵-源電壓達(dá)到或超過(guò)了它的門(mén)限電壓。
圖2圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的保護(hù)部件50的示意圖。在充電和放電周期里，保護(hù)部件50保護(hù)電池包76免受負(fù)載78中潛在的故障條件的影響。保護(hù)部件50具有一個(gè)與電池包76的負(fù)極以及負(fù)載78的負(fù)端相連的公共端60。保護(hù)部件50的第一端子70與電池包76的正極相連，保護(hù)部件50的第二端子80通過(guò)電源開(kāi)關(guān)74與負(fù)載78的正端相連。在故障條件下，端子70和端子80間的保護(hù)部件50變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而把電池包76與負(fù)載78隔離開(kāi)。適合于負(fù)載78的結(jié)構(gòu)包括無(wú)源器件，例如電阻器、電容器和電感器，以及有源器件，例如晶體管。電池包76等效于電壓源75和內(nèi)阻77的串聯(lián)，該電池包可以包括單個(gè)電池、直流電源或者兩者的組合。
保護(hù)部件50包括在放電周期里作為端子70和端子80間的開(kāi)關(guān)的第一p溝道絕緣柵FET52，作為FET52的控制器的第二p溝道絕緣柵FET54，以及在充電周期里作為端子80和端子70間的開(kāi)關(guān)的第三p溝道絕緣柵FET66。FET52的柵極通過(guò)電阻器56連接到端子60，并且它的源極與端子70相連。FET54的柵極通過(guò)電阻器62耦合到FET52的漏極，它的源極與FET52的源極相連，它的漏極與FET52的柵極相連。電阻器58把FET52的漏極耦合到FET54的源極。FET66的柵極經(jīng)由電阻器72連接到端子60，它的源極與端子80相連，并且它的漏極與FET52的漏極相連。FET52和FET66的柵極分別與結(jié)點(diǎn)55和57相連，用來(lái)接收控制信號(hào)。電阻器64把FET52的柵極耦合到FET52的源極。當(dāng)保護(hù)部件50關(guān)斷時(shí)，因?yàn)榱鬟^(guò)電阻器58的泄漏電流會(huì)消耗電池包76的電池能量，所以把電阻器58的電阻選為很大，例如兆歐姆的量級(jí)。同樣，為電阻器56和64選擇一個(gè)很大的總電阻，以減小流經(jīng)它們的漏電流。為了提高溫度傳感能力，使保護(hù)部件50將在高溫時(shí)關(guān)斷，電阻器56被設(shè)計(jì)為具有正溫度系數(shù)，而電阻器64被設(shè)計(jì)為具有負(fù)溫度系數(shù)。
圖2圖解說(shuō)明了保護(hù)部件50，它包括3個(gè)p溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在故障狀態(tài)下，通過(guò)斷開(kāi)它們的正端把電池包76與負(fù)載78隔離開(kāi)。應(yīng)該懂得，這一點(diǎn)不應(yīng)成為本發(fā)明的一個(gè)限制。保護(hù)部件50中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管52、54和66可以由雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或諸如此類(lèi)的器件來(lái)代替。例如，在圖2所示的實(shí)施例中，如果保護(hù)部件50用于在故障情況下把電池包76的正極從負(fù)載78的正端斷開(kāi)，保護(hù)部件50中的3個(gè)晶體管被設(shè)計(jì)為p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管。另一方面，如果保護(hù)部件50用于在故障情況下把電池包76的負(fù)極從負(fù)載78的負(fù)端斷開(kāi)，保護(hù)部件50中的3個(gè)晶體管被設(shè)計(jì)為n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管。再者，保護(hù)部件50中的電阻器64可以由與圖1所示的溫度傳感器24同樣結(jié)構(gòu)的溫度傳感器來(lái)代替。保護(hù)部件50還可以包括一個(gè)與圖1所示的限流部件的結(jié)構(gòu)一樣的限流部件而具有限流能力。
在放電周期中的正常工作條件下，從電池包76的負(fù)極通過(guò)電阻器56到FET52的柵極的充電路徑把FET52置于導(dǎo)通狀態(tài)；從電池包76的負(fù)極通過(guò)電阻器72到FET66的柵極的充電路徑把FET66置于導(dǎo)通狀態(tài)。FET52的源極和漏極間的電壓低于p溝道FET54的門(mén)限電壓的絕對(duì)值，因此，F(xiàn)ET54處于非導(dǎo)通狀態(tài)。均處于導(dǎo)通態(tài)的FET52和FET66構(gòu)成電池包36和負(fù)載38間的電流通路。應(yīng)該注意到由于FET66的體二極管(body diode)的方向性，即使FET66被關(guān)斷，電流可以從FET66的漏極流到它的源極。因此在放電周期里，F(xiàn)ET66的狀態(tài)對(duì)于保護(hù)部件50是無(wú)關(guān)緊要的。系統(tǒng)處理器(圖2中未表示)可以通過(guò)調(diào)整對(duì)結(jié)點(diǎn)55的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流。電阻器56、62和72分別保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管52、54和66，使它們免受由例如靜電放電所引起的電壓尖峰。
在放電周期中的硬短路情況下，結(jié)點(diǎn)80和結(jié)點(diǎn)60間的電壓下降到零。FET52的漏極的電勢(shì)下降，并接近FET52的柵極的電勢(shì)。FET52的源極的電勢(shì)也降低。如果FET52的源極和柵極間的電壓小于p溝道FET52的門(mén)限電壓的絕對(duì)值，F(xiàn)ET52變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而將電池包76與負(fù)載78隔離開(kāi)。如果一個(gè)大于p溝道FET52的門(mén)限電壓的絕對(duì)值的電壓在FET52的源極和漏極間形成，同樣的電壓也會(huì)在FET54的源極和柵極間形成。當(dāng)FET54的源極和柵極間的電壓大于它的門(mén)限電壓的絕對(duì)值時(shí)，F(xiàn)ET54變?yōu)閷?dǎo)通。處于導(dǎo)通的FET54把FET52的源極和柵極間的電壓向下拉。FET52變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而把電池包76與負(fù)載78隔離開(kāi)。因?yàn)樵谟捕搪窌r(shí)，F(xiàn)ET66的源極和柵極的電勢(shì)是相同的，所以FET66也被關(guān)斷。當(dāng)短路條件被排除后，積聚于FET54的柵極的電荷通過(guò)電阻器62和電阻58釋放，同時(shí)FET54變?yōu)榉菍?dǎo)通。流經(jīng)電阻器64和56的電流在FET52的源極和柵極間形成一個(gè)電壓，導(dǎo)致FET52導(dǎo)通以及保護(hù)部件50自身復(fù)位。
在軟短路狀態(tài)下，負(fù)載78兩端間的一個(gè)小的阻抗在電池包76和負(fù)載78中引成一個(gè)很大的電流。這個(gè)很大的電流在電池包76的內(nèi)阻77上形成一個(gè)電壓，以致電池包76的輸出電壓下降，導(dǎo)致FET52的源-柵電壓降低。一方面，當(dāng)FET52的柵-源電壓低于它的門(mén)限電壓時(shí)，它變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而把電池包76與負(fù)載78隔離開(kāi)。另一方面，下降的FET52的源-柵電壓和流過(guò)FET52的大電流在FET52的源極和漏極以及FET54的源極和柵極間形成一個(gè)電壓。當(dāng)FET54的源極和柵極間的電壓達(dá)到p溝道FET54的門(mén)限電壓的絕對(duì)值時(shí)，就達(dá)到了保護(hù)部件50的軟短路觸發(fā)電流，F(xiàn)ET54變?yōu)閷?dǎo)通。處于導(dǎo)通的FET54關(guān)斷FET52，從而把電池包76與負(fù)載78隔離開(kāi)。在軟短路狀態(tài)下，F(xiàn)ET66既可能是導(dǎo)通也可能是關(guān)斷的，這取決于它的門(mén)限電壓。當(dāng)帶有軟短路條件的負(fù)載78被移開(kāi)時(shí)，保護(hù)部件50自身復(fù)位到正常工作狀態(tài)，即FET54非導(dǎo)通，F(xiàn)ET52導(dǎo)通。
通過(guò)調(diào)整FET52和FET54的門(mén)限電壓，可以調(diào)整保護(hù)部件50的短路響應(yīng)時(shí)間和軟短路觸發(fā)電流。一個(gè)更負(fù)的FET52的門(mén)限電壓和絕對(duì)值較少的負(fù)的FET54的門(mén)限電壓導(dǎo)致保護(hù)部件50具有快速的短路響應(yīng)時(shí)間和低的軟短路關(guān)斷觸發(fā)電流。電阻器56與電阻器64的電阻之比還決定了保護(hù)部件50的軟短路觸發(fā)電流。一個(gè)高的電阻比值導(dǎo)致了保護(hù)部件50的低的軟短路觸發(fā)電流。電阻器62和FET54的柵電容在降低FET54的柵-源電壓時(shí)提供了一個(gè)時(shí)延，從而避免了可能由負(fù)載78中的大電容引起的保護(hù)部件50的意外關(guān)斷。
電阻器56和64檢測(cè)保護(hù)部件50的溫度，并且在溫度超過(guò)某一預(yù)定值時(shí)關(guān)斷FET52。隨著溫度升高，由于它們各自的正、負(fù)溫度系數(shù)，電阻器64的阻值減小，電阻器56的阻值增加。因?yàn)殡娮杵?6和64起電壓分配器的作用，與電阻器64兩端的電壓相等的FET52的柵極和源極間的電壓隨著溫度升高而降低。當(dāng)FET52的柵-源電壓負(fù)向小于它的門(mén)限電壓時(shí)，保護(hù)部件50達(dá)到觸發(fā)溫度，使FET52變?yōu)榉菍?dǎo)通。非導(dǎo)通的FET52的源極和漏極間的電壓使FET54導(dǎo)通。如果溫度的增加是由大電流所引起，導(dǎo)通的FET54使FET52保持非導(dǎo)通狀態(tài)，甚至在溫度下降到預(yù)定值以下的情況下也許如此。保護(hù)部件50繼續(xù)把電池包76與具有故障條件的負(fù)載78隔離，直到故障被排除。應(yīng)該注意到電阻器56和64的阻值比、電阻器56和64的溫度系數(shù)以及FET52的門(mén)限電壓決定了保護(hù)部件50的觸發(fā)溫度。
在充電周期里，負(fù)載78由用作電源的電池充電器來(lái)代替，而電池包76變成負(fù)載。充電電流通過(guò)電池包76的正極流入電池包76。由于FET52的體二極管的方向性，即使FET52被關(guān)斷，電流可以從FET52的漏極流到它的源極，因此，在充電周期里，F(xiàn)ET52的狀態(tài)對(duì)于保護(hù)部件50是無(wú)關(guān)緊要的。在對(duì)電池包76充電的同時(shí)，系統(tǒng)處理器(圖2中未表示)不斷地監(jiān)測(cè)電池包76的電平。如果檢測(cè)到異常情況，系統(tǒng)處理器就向結(jié)點(diǎn)57發(fā)送一個(gè)信號(hào)以關(guān)斷FET66。電池包76與電池充電器隔離以阻止進(jìn)一步的充電。再者，系統(tǒng)處理器能夠通過(guò)調(diào)整對(duì)結(jié)點(diǎn)57的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)電池的電流。
圖3圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，適于采用半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的雙向保護(hù)部件90的示意圖。保護(hù)部件90保護(hù)電路模塊87免受電路模塊97中潛在的故障條件的影響，以及保護(hù)電路模塊97免受電路模塊87中潛在的故障條件的影響。保護(hù)部件90具有一個(gè)與電路模塊87和97的正端相連的公共端79。保護(hù)部件90的第一端子88與電路模塊87的負(fù)端相連；保護(hù)部件90的第二端子98與電路模塊97的負(fù)端相連。在故障狀態(tài)下，端子88和98間的保護(hù)部件90變?yōu)榉菍?dǎo)通，從而把電路模塊87和97相互隔離開(kāi)。電路模塊87和97的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)包括無(wú)源器件，例如電阻器、電容器和電感器，以及有源器件，例如晶體管。
保護(hù)部件90包括2個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管82和92，用作端子88和端子98以及兩個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管84和94間的開(kāi)關(guān)，F(xiàn)ET84和FET94分別控制FET82和FET92。FET82的柵極經(jīng)由電阻器81連接到端子79，其源極與端子88相連，并且其漏極與FET92的漏極相連。FET92的柵極經(jīng)由電阻器91連接到端子79，F(xiàn)ET92的源極與端子98相連。FET84的柵極經(jīng)由電阻器85耦合到FET82的漏極，其源極與FET82的源極相連，其漏極與FET82的柵極相連。FET94的柵極經(jīng)由電阻器95耦合到FET92的漏極，其源極與FET92的源極相連，其漏極與FET92的柵極相連。電阻器83將FET82的漏極耦合到FET84的源極。電阻器93將FET92的漏極耦合到FET94的源極。FET82、92、84和94的柵極分別與結(jié)點(diǎn)86、96、89和99相連，用來(lái)接收控制信號(hào)。當(dāng)FET82和92關(guān)斷時(shí)，為了減小流過(guò)電阻器83和93的泄漏電流，最好把電阻器83和93選為很大的電阻值，例如兆歐姆的量級(jí)。
圖3圖解說(shuō)明了保護(hù)部件90，它包括4個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在故障情況下，通過(guò)斷開(kāi)它們的負(fù)極把電路模塊87和97相互斷開(kāi)。應(yīng)該懂得這一點(diǎn)不應(yīng)成為本發(fā)明的一個(gè)限制。保護(hù)電路90中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管82、84、92和94可以由雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或諸如此類(lèi)的器件來(lái)代替。如果保護(hù)部件90用來(lái)在故障情況下把電路模塊87的負(fù)極與電路模塊97的負(fù)極斷開(kāi)，例如圖3所示的實(shí)施例，保護(hù)電路90中的4個(gè)晶體管被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或NPN雙極型晶體管。另一方面，如果保護(hù)部件90用來(lái)在故障情況下把電路模塊87的正極與電路模塊97的正極斷開(kāi)，保護(hù)電路90中的4個(gè)晶體管被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或PNP雙極型晶體管。
保護(hù)部件90可以包括一個(gè)與圖1所示的溫度傳感器24結(jié)構(gòu)相同的溫度傳感器，或者一個(gè)與圖2中電阻器64類(lèi)似的電阻器，用于將FET82的柵極耦合到FET82的源極。同樣，F(xiàn)ET92的柵極和源極能夠通過(guò)一個(gè)與圖1所示的溫度傳感器24結(jié)構(gòu)相同的溫度傳感器，或者一個(gè)與圖2中的電阻器64類(lèi)似的電阻器耦合在一起。
保護(hù)部件90可以包括與圖1所示的限流部件28結(jié)構(gòu)相同的限流部件。如果該限流部件以一種與圖1所示的限流部件28耦合到FET12相類(lèi)似的接法被耦合到FET82，保護(hù)部件90將具有限制電流從端子99流到端子89的能力。如果該限流部件以一種與圖1所示的限流部件28耦合到FET12相類(lèi)似的接法被耦合到FET92，保護(hù)部件90將具有限制電流從端子89流到端子99的能力。因?yàn)楸Ｗo(hù)部件90具有雙向限制電流流動(dòng)的能力，所以需要兩個(gè)限流部件，一個(gè)耦合到FET82，另一個(gè)耦合到FET92。
在正常工作情況下，從端子79經(jīng)過(guò)電阻器81到FET82柵極的充電路徑，以及從端子79經(jīng)過(guò)電阻器91到FET92柵極的充電路徑分別將FET82和92置于導(dǎo)通狀態(tài)。FET82的漏極和源極間的電壓和FET92的漏極和源極間的電壓分別低于FET84和FET94的門(mén)限電壓。因此，F(xiàn)ET84和FET94是非導(dǎo)通的。處于導(dǎo)通的FET82和92構(gòu)成了電路模塊87和97間的電流通路。
在短路情況下，在放電周期里，保護(hù)部件90的工作方式與圖1所示的保護(hù)部件10以及圖2所示的保護(hù)部件50的工作方式相同。因?yàn)楸Ｗo(hù)部件90是對(duì)稱(chēng)的，所以在短路情況下，它在兩個(gè)方向中斷電流的流動(dòng)。FET82用來(lái)停止電流從端子98流向端子88，F(xiàn)ET92用來(lái)停止電流從端子88流向端子98。
結(jié)點(diǎn)86、96、89和99提供保護(hù)部件90的用戶(hù)控制。加在結(jié)點(diǎn)86上的控制信號(hào)用來(lái)中斷或調(diào)節(jié)從端子98流向端子88的電流。加在結(jié)點(diǎn)89上的控制信號(hào)用來(lái)中斷從端子98流向端子88的電流。加在結(jié)點(diǎn)96上的控制信號(hào)用來(lái)中斷或調(diào)節(jié)從端子88流向端子98的電流。加在結(jié)點(diǎn)99上的控制信號(hào)用來(lái)中斷從端子98流向端子88的電流。
圖4圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例的短路保護(hù)開(kāi)關(guān)的110的示意圖。保護(hù)開(kāi)關(guān)110保護(hù)電池包136免受負(fù)載138中潛在的故障條件的影響。保護(hù)開(kāi)關(guān)110具有一個(gè)與電池包136的負(fù)極和負(fù)載138的負(fù)端相連的公共端120。保護(hù)開(kāi)關(guān)110的第一電流傳導(dǎo)端130與電池包136的正極相連，保護(hù)開(kāi)關(guān)110的第二電流傳導(dǎo)端140經(jīng)過(guò)電源開(kāi)關(guān)134被耦合到負(fù)載138的正端。在故障情況下，在端子130和140間的保護(hù)開(kāi)關(guān)110變?yōu)榉菍?dǎo)通，導(dǎo)致電池包136與負(fù)載138隔離開(kāi)。適合于負(fù)載138的結(jié)構(gòu)包括無(wú)源器件，例如電阻器、電容器和電感器，以及有源器件，例如晶體管。與一個(gè)電壓源135和內(nèi)阻137串聯(lián)等效的電池包136可以包括單個(gè)電池、一個(gè)直流電源或者它們兩者的組合。
保護(hù)開(kāi)關(guān)110包括一個(gè)用作端子130和端子140間開(kāi)關(guān)的p溝道絕緣柵FET112，以及一個(gè)用于控制FET112的n溝道絕緣柵FET114。FET112的源極與端子130相連，它的漏極與端子140相連。FET114的柵極經(jīng)由電阻器118耦合到FET112的漏極，它的源極作為保護(hù)開(kāi)關(guān)110的控制端并連接到端子120，它的漏極連接到FET112的柵極。電阻器116將FET112的源極耦合到FET112的柵極。電阻器122將FET112的源極耦合到FET112的漏極?？刂齐娮杵?24的第一端連接到FET114的柵極，第二端連接到FET114的源極。流過(guò)電阻器116的電流和流過(guò)電阻器118和124的電流不流過(guò)負(fù)載138，因此被看作是泄漏電流。為了減小泄漏電流，電阻器116、118和124最好選擇為很大的阻值，例如兆歐姆的量級(jí)。最好也為電阻器122選擇很大的阻值，這是因?yàn)楫?dāng)保護(hù)開(kāi)關(guān)110關(guān)斷時(shí)，流過(guò)電阻器122、電阻器118和電阻器124的泄漏電流繼續(xù)消耗電池能量。為了提供溫度傳感能力，以使保護(hù)部件50在高溫時(shí)關(guān)斷，電阻器118被設(shè)計(jì)為具有正的溫度系數(shù)，電阻器124被設(shè)計(jì)為具有負(fù)的溫度系數(shù)。
圖4圖解說(shuō)明了保護(hù)開(kāi)關(guān)110，它包括p溝道FET112和n溝道FET114。圖4還圖解說(shuō)明了保護(hù)開(kāi)關(guān)110在故障情況下通過(guò)斷開(kāi)它們的正極把電池包136與負(fù)載138隔離開(kāi)。應(yīng)該懂得這一點(diǎn)不應(yīng)成為本發(fā)明的一個(gè)限制。保護(hù)開(kāi)關(guān)110中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管112和114可以由雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或諸如此類(lèi)的器件來(lái)代替。如果保護(hù)開(kāi)關(guān)110被用來(lái)在故障情況下把電池包136的正極與負(fù)載138的正端斷開(kāi)，例如圖4所示的實(shí)施例，F(xiàn)ET112被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管，F(xiàn)ET114被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管。另一方面，如果保護(hù)開(kāi)關(guān)110被用來(lái)在故障情況下把電池包136的負(fù)極與負(fù)載138的負(fù)端斷開(kāi)，F(xiàn)ET112被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管，F(xiàn)ET114被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管。
在正常工作情況下，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)134之后的一個(gè)非常短的瞬間，例如毫秒的量級(jí)，從端子130經(jīng)過(guò)電阻器122和電阻器118到FET114的柵極的充電路徑把FET114置于導(dǎo)通狀態(tài)。流過(guò)FET114的漏極和源極間的電流在電阻器116兩端形成了一個(gè)電壓并且接通FET112。端子130和端子140間的保護(hù)開(kāi)關(guān)110變?yōu)閷?dǎo)通。當(dāng)FET112導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載138的負(fù)載電流的一部分流過(guò)FET112，負(fù)載電流其余的部分流過(guò)電阻器122。因?yàn)镕ET112的源極和漏極間的電阻遠(yuǎn)小于電阻器122的電阻，因此流過(guò)電阻器122的這部分負(fù)載電流是微不足道的。
在硬短路情況下，F(xiàn)ET114的柵極電勢(shì)被拉低到與電池包136的負(fù)極電勢(shì)相同，從而使FET114變?yōu)榉菍?dǎo)通。從端子130經(jīng)由電阻器116到FET112柵極的充電路徑把FET12的柵極電勢(shì)提高到與FET112的源極電勢(shì)相同。FET112成為非導(dǎo)通并且把電池包136與負(fù)載138隔離開(kāi)。當(dāng)短路情況被排除后，經(jīng)過(guò)電阻器118到FET114柵極的充電路徑提高了FET114的柵極電勢(shì)。FET114變?yōu)閷?dǎo)通，并且依靠拉低FET112的柵極電勢(shì)接通FET112，導(dǎo)致保護(hù)開(kāi)關(guān)110自身復(fù)位。
在軟短路情況下，負(fù)載138的正、負(fù)端間的低阻抗造成了流過(guò)電池包136和負(fù)載138的一個(gè)很大的電流。這個(gè)很大的電流在電池包137的內(nèi)阻的兩端形成了一個(gè)電壓，并且減小了電池包136的輸出電壓，導(dǎo)致了電阻器118和124間的電壓降低。電阻器118和電阻器124形成了一個(gè)電壓分配器。軟短路觸發(fā)電流被定義為當(dāng)與電阻器124間的電壓相等的FET114的柵-源電壓等于FET114的門(mén)限電壓時(shí)保護(hù)開(kāi)關(guān)110中的電流。當(dāng)保護(hù)開(kāi)關(guān)110中的電流達(dá)到或超過(guò)軟短路觸發(fā)電流時(shí)，F(xiàn)ET114變?yōu)榉菍?dǎo)通，并且關(guān)斷FET112，導(dǎo)致電池包136與負(fù)載138隔離。當(dāng)帶有軟短路條件的負(fù)載138被移走時(shí)，保護(hù)開(kāi)關(guān)自己復(fù)位為正常工作狀態(tài)，這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管112和114都是導(dǎo)通的。
通過(guò)調(diào)整電阻器118與124的阻值比以及FET114的門(mén)限電壓，可以調(diào)整保護(hù)開(kāi)關(guān)110的短路響應(yīng)時(shí)間和軟短路觸發(fā)電流。電阻器118與124間的高的阻值比以及FET114的高門(mén)限電壓使保護(hù)開(kāi)關(guān)110具有很快的短路響應(yīng)時(shí)間和低的軟短路觸發(fā)電流。電阻器118和FET114的柵極電容在提高FET114的柵-源電壓時(shí)提供了一個(gè)時(shí)間延遲，從而避免了可能由負(fù)載138中的大電容所引起的保護(hù)開(kāi)關(guān)110的意外關(guān)斷。
電阻器118和124檢測(cè)保護(hù)開(kāi)關(guān)110的溫度，如果該溫度超過(guò)某一預(yù)定值就關(guān)斷FET112。隨著溫度的升高，由于它們各自的正、負(fù)溫度系數(shù)，電阻器118的阻值增加而電阻器124的阻值減小。因?yàn)殡娮杵?18和124起電壓分配器的作用，所以與電阻器124兩端的電壓相等的FET114的柵極和源極間的電壓隨著上升的溫度而降低。當(dāng)FET114的柵-源電壓低于它的門(mén)限電壓時(shí)，就達(dá)到了保護(hù)開(kāi)關(guān)110的觸發(fā)溫度，F(xiàn)ET114成為非導(dǎo)通并且把FET112關(guān)斷。應(yīng)該注意到電阻器118和電阻器124的阻值比、電阻器118和124的溫度系數(shù)以及FET114的門(mén)限電壓決定了保護(hù)開(kāi)關(guān)110的觸發(fā)溫度。
圖5圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的保護(hù)開(kāi)關(guān)150的示意圖。保護(hù)開(kāi)關(guān)150在充電和放電周期里保護(hù)電池包176免受負(fù)載178中潛在的故障條件的影響。保護(hù)開(kāi)關(guān)150的公共端160與電池包176的負(fù)極及負(fù)載178的負(fù)端相連。保護(hù)開(kāi)關(guān)150的第一端170被連接到電池包176的正極，保護(hù)開(kāi)關(guān)150的第二端180經(jīng)過(guò)電源開(kāi)關(guān)174被連接到負(fù)載178的正端。在故障情況下，端子170和端子180間的保護(hù)開(kāi)關(guān)150成為非導(dǎo)通，從而將電池包176與負(fù)載178隔離開(kāi)。適合于負(fù)載178的結(jié)構(gòu)包括無(wú)源器件，例如電阻器、電容器和電感器，以及有源器件，例如晶體管。與一個(gè)電壓源175和內(nèi)阻177串聯(lián)等效的電池包176可以包括單個(gè)電池、一個(gè)直流電源或者它們兩者的組合。
保護(hù)開(kāi)關(guān)150包括一個(gè)在放電周期里用作端子170和端子180間開(kāi)關(guān)的第一p溝道絕緣柵FET152，用于控制FET152的第一n溝道絕緣柵FET154，以及在充電周期里用作端子180和端子170間開(kāi)關(guān)的第二p溝道FET153，用于控制FET153的第二n溝道FET155。FET152的源極與端子170相連，它的漏極與FET153的漏極相連，它的柵極與FET154的漏極相連。FET154的柵極經(jīng)由電阻器158耦合到FET152的漏極，它的源極連接到端子160。電阻器156將FET152的源極耦合到FET152的柵極。電阻器162將FET152的源極耦合到FET152的漏極。FET153的源極與端子180相連，它的柵極與FET155的漏極相連。FET155的柵極經(jīng)過(guò)電阻器159耦合到FET153的源極，并且FET155的源極被連接到FET154的源極。電阻器157將FET153的源極耦合到FET153的柵極。FET154和FET155的柵極分別被連接到結(jié)點(diǎn)165和結(jié)點(diǎn)167，用來(lái)接收控制信號(hào)。流過(guò)電阻器156的電流和流過(guò)電阻器157的電流不流過(guò)負(fù)載178，因此被看作是泄漏電流。為了減小泄漏電流，電阻器156和157最好被選擇為很大的阻值，例如兆歐姆的量級(jí)。最好也為電阻器162選擇很大的阻值，這是因?yàn)楫?dāng)保護(hù)開(kāi)關(guān)150關(guān)斷時(shí)，流過(guò)電阻器162的電流連續(xù)地消耗電池能量。為了提供軟短路關(guān)斷能力，保護(hù)開(kāi)關(guān)150可以包括連接于FET154的柵極和源極之間的控制電阻器(未顯示)。為了進(jìn)一步提供溫度傳感能力，以使在放電周期里出現(xiàn)高溫時(shí)保護(hù)開(kāi)關(guān)150關(guān)斷，電阻器158被設(shè)計(jì)為具有正溫度系數(shù)，并且在FET154的源極和柵極間的控制電阻器被設(shè)計(jì)為具有負(fù)溫度系數(shù)。為了提供溫度傳感能力，以使在充電周期里出現(xiàn)高溫時(shí)保護(hù)開(kāi)關(guān)150關(guān)斷，電阻器159可以被設(shè)計(jì)為具有正溫度系數(shù)，并且一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電阻器(未表示)可以被包含在保護(hù)開(kāi)關(guān)150中并且連接于FET155的柵極和源極間。
圖5圖解說(shuō)明了保護(hù)開(kāi)關(guān)150，它包括兩個(gè)p溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管152和153以及兩個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管154和155。圖5還圖解說(shuō)明了保護(hù)開(kāi)關(guān)150在故障情況下通過(guò)斷開(kāi)它們的正極把電池包176與負(fù)載178隔離開(kāi)。應(yīng)該懂得這一點(diǎn)不應(yīng)成為本發(fā)明的一個(gè)限制。保護(hù)開(kāi)關(guān)150中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管152、153、154和155可以由雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或諸如此類(lèi)的器件來(lái)代替。如果保護(hù)開(kāi)關(guān)150被用來(lái)在故障情況下把電池包176的正極與負(fù)載178的正端斷開(kāi)，例如圖5所示的實(shí)施例，F(xiàn)ET152和153被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管，F(xiàn)ET154和155被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管。另一方面，如果保護(hù)開(kāi)關(guān)150被用來(lái)在故障情況下把電池包176的負(fù)極與負(fù)載178的負(fù)端斷開(kāi)，F(xiàn)ET152和153被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管，F(xiàn)ET154和155被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管。
在正常工作情況下，放電期間，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)174之后的一個(gè)非常短的瞬間，例如毫秒的量級(jí)，從端子170經(jīng)過(guò)電阻器162和電阻器158到FET154的柵極的充電路徑把FET154置于導(dǎo)通狀態(tài)。流過(guò)FET154的漏極和源極間的電流在電阻器156上形成了一個(gè)電壓并且接通FET152。當(dāng)FET152導(dǎo)通時(shí)，它的源極和漏極間的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻器162的阻值，因此，流過(guò)電阻器162的電流是微不足道的。同樣，從端子170的經(jīng)過(guò)電阻器162、FET153的漏-源極和電阻器159到FET155的柵極的充電路徑把FET155置于導(dǎo)通狀態(tài)，從而接通FET153。均處于導(dǎo)通的FET152和FET153構(gòu)成了電池包176和負(fù)載178間的電流通路。應(yīng)該注意到由于FET153的體二極管的方向性，即使FET153被關(guān)斷了，電流也可以從它的漏極流到它的源極。因此，在放電期間，F(xiàn)ET153的狀態(tài)對(duì)于保護(hù)開(kāi)關(guān)150來(lái)講是不重要的。在提高FET154的柵-源電壓時(shí)，電阻器158和FET154的柵電容提供了一個(gè)延遲時(shí)間，從而避免了可能由負(fù)載178中的大電容所引起的保護(hù)開(kāi)關(guān)150的意外關(guān)斷。圖5中未表示出的一個(gè)系統(tǒng)處理器能夠通過(guò)調(diào)整加在結(jié)點(diǎn)165上的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流。
在放電期間的硬短路情況下，F(xiàn)ET154的柵極電勢(shì)降低。當(dāng)FET154的柵極和源極間的電壓低于它的門(mén)限電壓時(shí)，F(xiàn)ET154變?yōu)榉菍?dǎo)通。從端子170經(jīng)由電阻器156到FET152的柵極的充電路徑把FET152的柵極電勢(shì)提高到與FET152的源極電勢(shì)相同。FET152變?yōu)榉菍?dǎo)通并且把電池包176與負(fù)載178隔離開(kāi)。同樣，F(xiàn)ET155和FET153也被關(guān)斷。當(dāng)短路情況被排除后，到FET154柵極的充電路徑和到FET155柵極的充電路徑分別使FET154和FET155導(dǎo)通。均處于導(dǎo)通的FET154和155分別接通FET152和FET153，從而把保護(hù)開(kāi)關(guān)150復(fù)位到正常工作狀態(tài)。
在充電期間，負(fù)載178由用作電源的電池充電器來(lái)代替，并且電池包176成為負(fù)載。充電電流通過(guò)電池包176的正極流進(jìn)電池包176。由于FET152的體二極管的方向性，即使FET152被關(guān)斷，電流也能夠從FET152的漏極流到它的源極，因此，在充電期間，F(xiàn)ET152的狀態(tài)對(duì)于保護(hù)開(kāi)關(guān)150來(lái)講是不重要的。在對(duì)電池包176充電的同時(shí)，圖5中未表示的系統(tǒng)處理器不斷地監(jiān)視著電池包176的電壓電平。如果檢測(cè)到異常情況，系統(tǒng)處理器向結(jié)點(diǎn)176發(fā)送一個(gè)信號(hào)以關(guān)斷FET155。一條從端子180經(jīng)過(guò)電阻器157到FET153的柵極的充電路徑把FET153的柵極電勢(shì)提高到FET153的源極電勢(shì)，導(dǎo)致FET153變?yōu)榉菍?dǎo)通，并且使電池包176與電池充電器隔離以阻止進(jìn)一步充電。再者，系統(tǒng)處理器能夠通過(guò)調(diào)整加在結(jié)點(diǎn)167上的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)電池的電流。
圖6圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的雙向保護(hù)開(kāi)關(guān)190的示意圖。保護(hù)開(kāi)關(guān)190保護(hù)電路模塊198免受電路模塊199中潛在的故障條件的影響，以及保護(hù)電路模塊199免受電路模塊198中的潛在的故障條件的影響。保護(hù)開(kāi)關(guān)190的公共端191與電路模塊198和199的負(fù)端相連。保護(hù)開(kāi)關(guān)190的第一端194連接到電路模塊198的正端，保護(hù)開(kāi)關(guān)190的第二端195連接到電路模塊199的正端。在故障情況下，端子194和端子195間的保護(hù)開(kāi)關(guān)190成為非導(dǎo)通，從而將電路模塊198與199相互隔離開(kāi)。適合于電路模塊198和199的結(jié)構(gòu)包括無(wú)源器件，例如電阻器、電容器和電感器，以及有源器件，例如晶體管。
保護(hù)開(kāi)關(guān)190包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)部件，每個(gè)開(kāi)關(guān)部件具有與圖4中的保護(hù)開(kāi)關(guān)110類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，兩個(gè)p溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管182和183用作端子194和端子195間的開(kāi)關(guān)，兩個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管184和185分別控制著FET182和FET183。FET182的源極與端子194相連，其漏極與FET183的漏極相連。FET183的源極與到端子195相連。FET184的柵極經(jīng)由電阻器188被耦合到FET182的漏極，它的源極連接到端子191，并且它的漏極與FET182的柵極相連。FET185的柵極經(jīng)過(guò)電阻器189耦合到FET183的漏極，并且它的源極連接到端子191，它的漏極與FET183的柵極相連。電阻器186將FET182的源極耦合到FET182的柵極。電阻器187將FET183的源極耦合到FET183的柵極。電阻器192將FET182的源極耦合到FET182的漏極。電阻器193將FET183的源極耦合到FET183的漏極。FET184和FET185的柵極分別連接到結(jié)點(diǎn)196和197，用來(lái)接收控制信號(hào)。
圖6圖解說(shuō)明了保護(hù)開(kāi)關(guān)190，它包括兩個(gè)p溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管182和183以及兩個(gè)n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管184和185。圖6還圖解說(shuō)明了保護(hù)開(kāi)關(guān)190，在故障情況下通過(guò)斷開(kāi)它們的正端把電路模塊198和199相互隔離開(kāi)。應(yīng)該懂得這一點(diǎn)不應(yīng)成為本發(fā)明的一個(gè)限制。保護(hù)開(kāi)關(guān)190中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管182、183、184和185可以由雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或諸如此類(lèi)的器件來(lái)代替。如果保護(hù)開(kāi)關(guān)190被用來(lái)在故障情況下把電路模塊198的正端與電路模塊199的正端斷開(kāi)，例如圖6所示的實(shí)施例，F(xiàn)ET182和183被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管，F(xiàn)ET184和185被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管。另一方面，如果保護(hù)開(kāi)關(guān)190被用來(lái)在故障情況下把電路模塊198的負(fù)端與電路模塊199的負(fù)端斷開(kāi)，F(xiàn)ET182和183被設(shè)計(jì)成n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者NPN雙極型晶體管，F(xiàn)ET184和185被設(shè)計(jì)成p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者PNP雙極型晶體管。為了提供軟短路關(guān)斷能力，保護(hù)開(kāi)關(guān)190可以包括第一控制電阻器(未表示)，用來(lái)將FET184的柵極耦合到FET184的源極，以及第二控制電阻器(未表示)，用于將FET185的柵極耦合到FET185的源極。為了具有溫度傳感能力，兩個(gè)控制電阻器被設(shè)計(jì)為具有負(fù)溫度系數(shù)，而電阻器188和189被設(shè)計(jì)為具有正溫度系數(shù)。
在正常工作情況下，從端子194經(jīng)過(guò)電阻器188到FET184柵極的充電路徑把FET184置于導(dǎo)通狀態(tài)。流過(guò)FET184的漏極和源極的電流在電阻器186上形成了一個(gè)電壓并且接通FET182。當(dāng)FET182導(dǎo)通時(shí)，由于電阻器192的很大電阻值，因此流過(guò)電阻器192的電流是微不足道的。同樣，從端子195經(jīng)過(guò)電阻器189到FET185柵極的充電路徑把FET185置于導(dǎo)通狀態(tài)。流過(guò)FET185的源極和漏極的電流在電阻器187上形成一個(gè)電壓，并使FET183接通。在FET183導(dǎo)通時(shí)，由于電阻器193的很大阻值，流過(guò)電阻器193的電流是微不足道的。均處于導(dǎo)通的FET182和FET183構(gòu)成了電路模塊198和199間的電流通路。
在短路情況下，保護(hù)開(kāi)關(guān)190在放電周期里與圖4所示的保護(hù)開(kāi)關(guān)110以及圖5所示的保護(hù)開(kāi)關(guān)150的工作方式相同。因?yàn)楸Ｗo(hù)開(kāi)關(guān)190是對(duì)稱(chēng)的，所以在短路情況下，它在兩個(gè)方向中斷電流的流動(dòng)。FET182用來(lái)停止電流從端子194流向端子195，F(xiàn)ET183用來(lái)停止電流從端子195流向端子194。
結(jié)點(diǎn)196和197提供保護(hù)開(kāi)關(guān)190的用戶(hù)控制。加在結(jié)點(diǎn)196上的控制信號(hào)用來(lái)中斷從端子194流向端子195的電流，加在結(jié)點(diǎn)197上的控制信號(hào)用來(lái)中斷從端子195流向端子194的電流。
現(xiàn)在，應(yīng)該體會(huì)到一種保護(hù)電路免受已形成的壓力的保護(hù)部件和方法。如果檢測(cè)到短路，依據(jù)本發(fā)明的保護(hù)部件將電源與負(fù)載切斷。當(dāng)帶有故障的負(fù)載被移開(kāi)或者通過(guò)切斷電源開(kāi)關(guān)而斷開(kāi)負(fù)載時(shí)，保護(hù)部件自身復(fù)位。再者，本發(fā)明的保護(hù)部件具有過(guò)熱切斷和限流能力以及用戶(hù)可控制性。該保護(hù)部件適合于用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)來(lái)制造。因此，這里提供了一種簡(jiǎn)單、可靠而且經(jīng)濟(jì)的方法，用來(lái)保護(hù)電源免受潛在的故障條件的影響。
權(quán)利要求
1.一種具有第一端子(30)、第二端子(40)和公共端子(20)的保護(hù)部件(10)，其中第一開(kāi)關(guān)的第一電流傳導(dǎo)端連接到第一端子，第二電流傳導(dǎo)端連接到第二端子，并且控制端連接到公共端，其中第一開(kāi)關(guān)包括第一晶體管(12)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中第一電流傳導(dǎo)極用作第一開(kāi)關(guān)的第一電流傳導(dǎo)端，第二電流傳導(dǎo)極用作第一開(kāi)關(guān)的第二電流傳導(dǎo)端；第二晶體管(14)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中第一電流傳導(dǎo)極被耦合到第一晶體管(12)的第一電流傳導(dǎo)極，第二電流傳導(dǎo)極被耦合到第一晶體管(12)的控制極；第一電阻器(16)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第一開(kāi)關(guān)的控制端，第二電極連接到第一晶體管(12)的控制極；第二電阻器(18)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第一晶體管(12)的第二電流傳導(dǎo)極，第二電極連接到第二晶體管(14)的第一電流傳導(dǎo)極；并且第三電阻器(22)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第二電阻器(18)的第一電極并且第二電極連接到第二晶體管(14)的控制極；
2.權(quán)利要求1中的保護(hù)部件(10)，其中第一開(kāi)關(guān)還包括一個(gè)具有第一電極和第二電極的溫度傳感器(24)，其中第一電極連接到第一晶體管(12)的第一電流傳導(dǎo)極，第二電極連接到第一晶體管(12)的控制電極。
3.權(quán)利要求2的保護(hù)部件(10)，其中溫度傳感器(24)包括第三晶體管(25)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中第一電流傳導(dǎo)極用作溫度傳感器(24)的第一電極，第二電流傳導(dǎo)極用作溫度傳感器(24)的第二電極；負(fù)溫度系數(shù)的第一控制電阻器(21)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第一開(kāi)關(guān)(10)的控制端(20)，并且第二電極連接到第三晶體管(25)的控制極；以及正溫度系數(shù)的第二控制電阻器(23)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第三晶體管(25)的控制極，第二電極連接到第三晶體管(25)的第一電流傳導(dǎo)極。
4.權(quán)利要求1中的保護(hù)部件(10)，其中第一開(kāi)關(guān)還包括第四晶體管(27)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中第一電流傳導(dǎo)極被耦合到第一晶體管(12)的第一電流傳導(dǎo)極，第二電流傳導(dǎo)極被耦合到第一晶體管(12)的控制極；第五晶體管(29)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中控制極被耦合到第一晶體管(12)的控制極，第一電流傳導(dǎo)極被耦合到第四晶體管(27)的控制極，并且第二電流傳導(dǎo)極被耦合到第一晶體管(12)的第二電流傳導(dǎo)極；以及傳感電阻器(31)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第五晶體管(29)的第一電流傳導(dǎo)極， 第二電極連接到第四晶體管(27)的第一電流傳導(dǎo)極。
5.權(quán)利要求1中的保護(hù)部件，其中第一開(kāi)關(guān)的第二電流傳導(dǎo)端經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)被耦合到保護(hù)部件的第二端子，其中第二開(kāi)關(guān)具有一個(gè)被耦合到保護(hù)部件公共端的控制端、一個(gè)被耦合到保護(hù)部件第二端子的第一電流傳導(dǎo)端以及被耦合到第一開(kāi)關(guān)的第二電流傳導(dǎo)端的第二電流傳導(dǎo)端。
6.保護(hù)開(kāi)關(guān)(110)具有第一端子(130)、第二端子(140)和一個(gè)公共端(120)，其中第一開(kāi)關(guān)部件具有與第一端子相連接的第一電流傳導(dǎo)端、與第二端子相耦合的第二電流傳導(dǎo)端以及一個(gè)與公共端相連接的控制端，其中第一開(kāi)關(guān)部件包括第一類(lèi)型的第一晶體管(112)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中第一電流傳導(dǎo)極用作第一開(kāi)關(guān)部件的第一電流傳導(dǎo)端，第二電流傳導(dǎo)極用作第一開(kāi)關(guān)部件的第二電流傳導(dǎo)端；第二類(lèi)型的第二晶體管(114)具有一個(gè)控制電極、第一電流傳導(dǎo)極和第二電流傳導(dǎo)極，其中第一電流傳導(dǎo)極被耦合到第一開(kāi)關(guān)部件的控制端，第二電流傳導(dǎo)極被耦合到第一晶體管(112)的控制極；第一電阻器(116)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第一晶體管(112)的第一電流傳導(dǎo)極，第二電極連接到第一晶體管(112)的控制極；第二電阻器(118)具有一個(gè)第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第一晶體管(112)的第二電流傳導(dǎo)極，第二電極連接到第二晶體管(114)的控制極；以及第三電阻器(122)具有第一電極和第二電極，其中第一電極連接到第一晶體管(112)的第一電流傳導(dǎo)極，第二電極連接到第一晶體管(112)第二電流傳導(dǎo)極
7.權(quán)利要求6的保護(hù)開(kāi)關(guān)(110)，其中第一開(kāi)關(guān)部件還包括一個(gè)具有第一電極和第二電極的控制電阻器(124)，其中第一電極連接到第二晶體管(114)的控制極和第二晶體管(114)的第一電流傳導(dǎo)極。
8.權(quán)利要求7的保護(hù)開(kāi)關(guān)(110)，其中第二電阻器(118)具有正溫度系數(shù)，而控制電阻器(124)具有負(fù)溫度系數(shù)。
9.權(quán)利要求6的保護(hù)開(kāi)關(guān)，其中第一開(kāi)關(guān)部件的第二電流傳導(dǎo)端經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)部件被耦合到保護(hù)開(kāi)關(guān)的第二端子，其中第二開(kāi)關(guān)部件的控制端被耦合到保護(hù)開(kāi)關(guān)的公共端，它的第一電流傳導(dǎo)端被耦合到保護(hù)開(kāi)關(guān)的第二端子，它的第二電流傳導(dǎo)端被耦合到第一開(kāi)關(guān)部件的第二電流傳導(dǎo)端。
10.一種保護(hù)電路的方法，其中以下步驟提供由第一模塊和第二模塊所定義的電路，其中第一電路模塊具有第一端子和第二端子，第二電路模塊具有第一端子和第二端子；把第一電路模塊的第一端子耦合到第二電路模塊的第一端子；提供第一開(kāi)關(guān)，它的第一電流傳導(dǎo)極耦合到第一電路模塊的第二端，它的第二電流傳導(dǎo)極耦合到第一電路模塊的第二端；將第一開(kāi)關(guān)置于導(dǎo)通狀態(tài)；一個(gè)電流從第一電路模塊的第一端經(jīng)由第二電路模塊和第一開(kāi)關(guān)流向第一電路模塊的第二端；直接地檢測(cè)第二電路模塊的第一端子和第二端子間的電壓；并且當(dāng)電壓小于預(yù)定電壓值時(shí)，作為響應(yīng)，把第一開(kāi)關(guān)置于非導(dǎo)通狀態(tài)以切斷電流。
全文摘要
保護(hù)部件(10)保護(hù)電池包(36)免受負(fù)載中潛在的故障條件的影響。保護(hù)部件(10)包括一個(gè)開(kāi)關(guān)(12)、一個(gè)控制FET(14)和3個(gè)電阻器(16、18、22)。在正常工作情況下，開(kāi)關(guān)(12)是導(dǎo)通的而控制FET是非導(dǎo)通的。如果檢測(cè)到短路，控制器(14)變?yōu)閷?dǎo)通并關(guān)斷開(kāi)關(guān)(12)。開(kāi)關(guān)(12)保持非導(dǎo)通狀態(tài)，直到把負(fù)載(38)從保護(hù)部件(10)上斷開(kāi)。保護(hù)部件(10)還包括一個(gè)在高溫時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)(12)的溫度傳感器(24)和一個(gè)給流過(guò)保護(hù)部件(10)的電流加上一個(gè)上限的限流部件(28)。
文檔編號(hào)H02H7/18GK1153413SQ9611337
公開(kāi)日1997年7月2日 申請(qǐng)日期1996年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者常蘇·米特 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司