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    • 专利摘要:
    本發明提供一種超電壓保護方法及電路，該超電壓保護方法及電路不僅保護負載，而且保護該負載之內部電路系統免受超電壓。超電壓保護電路包括正供應輸入節點、輸出節點及負供應節點。超電壓保護電路進一步包括第一功能電路，該第一功能電路經配置以開啟MOSFET且經配置以維持該MOSFET處於低電阻狀態。第二功能電路經配置以偵測超電壓且控制MOSFET之閘極，以調節輸出節點處之電壓。第三功能電路經配置以提供啟動，其中超電壓保護電路未損壞，及/或第三功能電路經配置以調節操作電壓，以使得超電壓不出現於超電壓保護電路上。外部組件包括MOSFET，該MOSFET具有閘極，該閘極耦接至超電壓保護電路之電荷泵之輸出端。超電壓保護電路實質上隨著正供應輸入節點電壓浮動。
    公开号:TW201301760A
    申请号:TW101116695
    申请日:2012-05-10
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Robert Curtis Dobkin；David Henry Soo
    申请人:Linear Techn Inc；
    IPC主号:H02H1-00
    专利说明:
    防止電路之系統超電壓之電路系統
    本揭示案大體而言係關於防止電路之系統超電壓，且更特定言之係關於其中超電壓保護電路與供應器及地面隔離之電路之系統。
    電子電路之系統可易受暫態電壓峰值之損壞。若電壓升高超過安全臨限，則電路之系統保護電路系統試圖藉由將超過安全臨限的任何非所欲電壓阻斷或者藉由將該非所欲電壓接地短路，來限制供應至電子電路之系統之電壓。
    當保護電子電路之系統的電路系統存在時，在高於超電壓保護電路之崩潰電壓的電壓下之保護可能需要不同方法。通常，控制保護之電路系統在該電路系統可防護的電壓量方面受限制。因此，需要可在低電壓下操作，且能夠控制高電壓MOSFET以在電路之系統中防護高電壓暫態之控制及保護電路。
    提供一種超電壓保護電路及方法。保護電路系統可包括若干不同操作功能電路。舉例而言，第一功能電路可「開啟」通過MOSFET且提供該通過MOSFET處於低電阻狀態，從而在整個MOSFET上使較低電壓下降。電荷泵可在正常操作中驅動MOSFET之閘極，從而維持該MOSFET在低「開啟」電阻狀態下「開啟」。第二功能電路可偵測超電壓、控制MOSFET之閘極以調節輸出、啟動計時器以防止MOSFET過熱(亦即，歸因於功率過熱)，且若MOSFET過熱，則第二功能電路可在保護週期期間提供冷卻功能。此外，在電壓施加於系統時，第三功能電路可為內部電路系統之有序啟動提供保護。此內部電路系統可調節該內部電路系統之操作電壓，以使得高電壓不會出現在超電壓保護系統之負載上。
    在一個實施例中，保護電路系統可由自輸入供應器至控制電路系統之電阻器及自控制電路系統至地面之另一電阻器供電。內部分路調節器可將整個控制電路系統上的電壓調節至低電壓。此電壓可足以向超電壓保護電路之內部電路系統供電。保護電路可包括用於MOSFET之閘極的參考電路系統、放大器電路系統、電荷泵電路系統及控制機構。
    此等以及其他組件、步驟、特徵結構、目標、益處及優點現將自對說明性實施例之以下詳細描述及隨附圖式的審查而變得明確。
    現描述說明性實施例。可另外或替代地使用其他實施例。可省略顯而易見或不必要之細節以節省篇幅或用於更有效之呈現。可用額外組件或步驟及/或不用所描述之所有組件或步驟來實踐一些實施例。
    下文論述的各種實例為電子系統提供超電壓之保護。超電壓保護電路系統可實質上獨立於該超電壓保護電路系統之額定電壓操作，藉此對電子負載提供無限的超電壓保護。換言之，超電壓保護電路獨立於外部超電壓操作。超電壓保護電路系統使用可調節的浮動拓撲，以賦能高電壓操作。
    超電壓保護電路將功率分配至不遭受超電壓暫態之負載。此外，超電壓保護電路包括兩個分路調節器，該兩個分路調節器與外部壓降電阻元件RSS 120及RIN 108耦接，以幫助保護超電壓保護電路本身免受外部超電壓。超電壓保護電路可最佳地經由三個操作狀態來解釋。就此而言，第1a圖至第1c圖提供圖示三個操作狀態之簡圖：啟動模式(例如，在超電壓保護電路102電力開啟時)、運行模式(例如，在超電壓保護電路102之正常操作期間)及調節模式(例如，當存在超電壓事件時)。
    第1a圖圖示超電壓保護電路102，該超電壓保護電路102具有正供應節點VDD 222，該正供應節點VDD 222耦接至外部電阻元件RIN 108，該外部電阻元件RIN 108耦接至外部輸入端101。第1a圖之超電壓保護電路具有負供應節點VSS 130，該負供應節點VSS 130經由外部電阻元件RSS 120耦接至地面。在第一操作模式期間(亦即，啟動模式期間)，藉由經由分路器202鉗制正供應節點222與負供應節點130之間的電壓，來保護超電壓保護電路102中之相關電路區塊免受輸入端101處的超電壓。因此，超電壓保護電路102隨著輸入端101處的電壓浮動。由於超電壓保護電路不受輸入端101處的超電壓影響，故該超電壓保護電路可有效地調節MOSFET 106，以使得在可連接至輸出端104的任何負載處皆不存在超電壓。
    通常先前技術突波保護器之電源由輸入供應器關閉，藉此將突波電壓限制至超電壓保護電路之輸入接腳之崩潰電壓。相反，如例如運行模式之第1b圖及調節模式之第1c圖中所示，超電壓保護電路102之實質部分的電源由輸出端104關閉。因此，MOSFET 106將突波與超電壓保護電路102之功率接腳隔離。此隔離允許突波電壓高達外部MOSFET 106之崩潰電壓。
    舉例而言，在啟動模式(亦即，第1a圖)中，小的涓流電流(例如，15 μA)流經輸入電阻元件RIN 108。至於電阻元件108，該電阻元件108可為電阻器或恆定電流源電晶體(例如，JFET)。電流220之一半可用以對MOSFET 106之閘極充電，而電流220之另一半作為用於邏輯供應器204及連接至VCC之所有區塊(例如，邏輯及計時器232、關閉比較器216、計時器比較器230及電流源)之偏壓電流。當MOSFET 106之閘極218處的接腳帶電時，MOSFET 106在輸出端104處產生電壓。MOSFET 106之源極在斜升期間跟隨閘極。回復電壓VSS 130電容地耦接至輸出端104(經由隨後在第2圖中圖示的電容器C1 210)，從而根據輸出端104處的電壓斜升。當VSS 130電壓增加時，電阻元件RSS 120中之電流亦增加。舉例而言，電阻元件可為電阻器或諸如JFET之恆定電流源裝置。超過超電壓保護電路102之靜態電流的RSS 120中之任何電流(藉由超電壓保護電路102汲取的電流)可對C1 210充電。隨後，超過超電壓保護電路之靜態電流的電流可通過分路調節器Z3(於第1c圖中圖示)。因此，超過靜態電流之RSS電流在C1 210充電至分路器118電壓(例如，5.7 V)之後通過分路調節器。舉例而言，分路調節器可為5.7 V。換言之，輸出端104處之電壓可藉由MOSFET 106上拉，且回復電壓VSS 130可藉由RSS 120下拉。電容器C1(210)耦接於VOUT 104與VSS 130之間，且電容器C1(210)藉由低於輸出電壓104的預定電壓(例如，5.7 V)下的齊納118鉗制。此配置為第一配置，其中超電壓保護電路102調節該超電壓保護電路102自身的操作電壓，以使得該超電壓保護電路102獨立於超電壓保護電路102之內部組件的額定電壓而操作。
    此斜升產生超電壓保護電路102之運行模式(如第1b圖中所示)，其中輸出104足夠高，以供應足夠的電壓至超電壓保護電路102之電荷泵110。電荷泵110隨後可用以對MOSFET 106之閘極充電以超過源極預定位準(例如，12 V)。因此，一旦電容器C1 210(於第2圖中圖示)得以充電至超過預定電壓，則可賦能電荷泵110。此舉可使閘極充電電流增至三倍。舉例而言，預定電壓可為4.75 V。電荷泵110驅動MOSFET 106之閘極超過輸入端101處的輸入供應電壓第二預定電壓，從而確保該MOSFET 106處於低開啟電阻狀態。第二預定電壓可為12 V。
    當輸出端104處的電壓實質上等於輸入端101處的電壓時，可保護連接至輸出端104的負載免受輸入端101之超電壓。在於第1c圖中圖示之調節模式中，超電壓調節放大器112可經由參考電壓(例如，1.23 V)以輸出端104作為參考。舉例而言，若整個上部回饋電阻器上的壓降RFB1(114)超過參考電壓236(在此實例中1.23 V)，則超電壓調節放大器112將閘極下拉以調節RFB1(114)電壓(亦即，FB節點224處的電壓)返回至1.23 V之參考電壓。因此，輸出端104處的電壓藉由設定RFB1(114)與RFB2(116)之間的合適比率來鉗制。參考236及超電壓調節放大器112實質上藉由電容器C1 210供電。當電容器210充電至預定電壓(例如，2.55 V)時，賦能參考236及超電壓調節放大器112。超電壓參考放大器112使用兩個回饋電阻器RFB1 114及RFB2 116來監控輸出104電壓。
    在一個實例中，若輸出端104處之電壓在100 V之電壓下調節，則整個RFB2(114)上的壓降為98.77 V。若齊納Z3(118)為5.7 V，則整個RSS(120)上的壓降為94.3 V(亦即，100 V至5.7 V)。因此，當輸出端處於高電壓時，整個兩個電阻器RFB2(116)與RSS(120)上的大部分電壓下降。因此，超電壓保護電路102隨著供應器向上浮動。
    第2圖圖示符合本發明之實施例的超電壓保護電路之示例性功能圖，該超電壓保護電路連接至外部組件。在此實例中，外部電阻器RIN 108連接至超電壓保護電路102之VDD接腳222。通過RIN 108之電流使分路調節器(齊納202)通電，該齊納202隨後使邏輯供應器204通電，從而提供VCC。分路調節器202向邏輯及計時器區塊232提供「始終帶電的」VCC供應器242。當超電壓故障清除時，在通電重設期間重設邏輯及計時器區塊232。在驗證關閉輸入非有效之後，閘極接腳218用來自VDD 222的預定電流(例如，7.5 μA)充電。此舉與啟動模式一致。
    在第2圖之實例中，一旦VOUT 104與VSS 130之間的電壓差超過預定臨限(例如，2.55 V)，則賦能超電壓調節放大器112。接下來，超過UVLO2(206)臨限(例如，為4.75 V)，且電荷泵110開啟。UVLO2為比較器及輸出104與VSS 130之間的4.75 V參考監控電壓。舉例而言，電荷泵110用20 μA來對閘極接腳218充電，以達到該閘極接腳218之超過輸出端104之電壓12 V的終值(該輸出端104之電壓可藉由齊納Z4(208)鉗制)。對閘極接腳218之此充電允許電容器210充電，直至將該電容器210藉由Z3(118)鉗制至Z3之崩潰電壓(例如，5.7 V)為止。在此運行模式中，將MOSFET 106配置為低電阻通路電晶體。在此模式下，MOSEFT 106幾乎不具有壓降及功率耗散。
    一旦通電，超電壓保護電路102就準備保護可耦接至VOUT 104之負載以免受超電壓暫態事件。超電壓調節放大器112藉由感測回饋(FB)接腳224上相對於輸出104的電壓，如整個RFB1(114)上的壓降，來監控輸出端104與地面之間的負載電壓。在超電壓情形下，VOUT 104處的電壓升高直至超電壓調節放大器102驅動MOSFET 106之閘極以調節且限制輸出端104處的電壓為止。此舉與調節模式一致。
    儘管MOSFET 106得以調節，但取決於負載電流及超電壓之量值，可能存在加熱。就此而言，為保護MOSFET 106，調節時間可藉由使電容器CT 228上之電荷傾斜變化，直至計時器接腳234超過參考電壓238(例如，2.8 V)為止來限制。因此，邏輯/計時器區塊232、比較器230及電容器CT 228提供低通濾波。在一個實例中，比較器230使用9 μA/1.8 μA電流源(分別為246及248)以對電容器CT 228充電/放電。若超電壓訊號249有雜訊，則該超電壓訊號249以9 μA充電電容器228且以1.8 μA放電，從而提供有雜訊的超電壓訊號之低通濾波之效應直至達到/超過2.8 V臨限為止。實際濾波係經由計時器比較器230與電容器228一起提供。電壓源238提供所要參考電壓。
    舉例而言，調節時間可藉由使電容器CT 228經由計時器/邏輯區塊232以一電流(例如，9 μA)傾斜變化，直至計時器接腳234超過預定電壓(例如，2.8 V)為止來限制。一旦超過計時器接腳臨限，則可進入故障狀態。此舉鉗制閘極218至輸出端104達MOSFET 106之冷卻時間。舉例而言，冷卻時間可為10 sec。換言之，在故障狀態下，邏輯/計時器區塊232為MOSFET 106提供冷卻時間。此外，邏輯/計時器區塊232在關閉(SD)比較器216啟動關閉之前提供濾波時間(例如，1 ms)。SD比較器216檢查接腳之狀態。此外，SD比較器216向邏輯/計時器區塊232發出請求關閉之訊號。
    在通電時，邏輯/計時器區塊232自VDD接腳222供電，該VDD接腳222可經由電阻器RIN 108供電。邏輯/計時器區塊232具有較小(例如，小於10 μA)之靜態電流，以防止加載電阻供應器108。此外，邏輯/計時器區塊232防止邏輯產生的直通電流。舉例而言，藉由將電流限制裝置(未圖示)包括於個別邏輯閘極與VCC供應軌之間來限制直通電流。電流限制裝置可設定成1 μA至2 μA。
    在調節模式期間，在整個MOSFET 106上提供超額電壓。就此而言，藉由超電壓保護電路102來防止MOSFET 106過熱。舉例而言，在一個實施例中，超電壓保護電路102經由計時器接腳234限制超電壓調節時間。用電流(例如，9 μA)對計時器接腳234充電直至接腳234超過預定臨限(例如，2.8 V)為止。當達到/超過預定臨限時，計時器比較器230設定超電壓故障訊號，MOSFET 106關閉，且超電壓保護電路102進入冷卻時期(例如，9秒)。在此冷卻時期期間，邏輯及計時器區塊232為有效的，而閘極接腳被拉至與輸出104之位準相同的位準。
    在一個實施例中，超電壓故障訊號保持設定，直至接腳雙態觸發為止。一旦故障清除，就允許閘極接腳218再次開啟MOSFET 106。在另一實施例中，在預定時期(例如，9秒)之後超電壓故障訊號自動地重設且再啟動。
    在一個實例中，超電壓保護電路102亦使用與外部壓降電阻器RSS 120及RIN 108耦接之兩個分路調節器(亦即，分路調節器202及118)，以在VDD 222及輸出104接腳處產生內部供應軌。不論超電壓保護電路102組件之額定電壓如何，此等經分路調節的供應軌允許來自無限高電壓暫態之超電壓保護。
    在一個實例中，在超電壓事件期間，輸出端104處之電壓藉由調節MOSFET 106之閘極來鉗制。當供應增加時，VDD 222電壓可藉由電阻器RIN 108拉高。超過VDD 222靜態電流的RIN 108中之任何電流通過分路調節器Z1(202)。舉例而言，分路調節器Z1可為12 V。換言之，VDD 222處之電壓藉由RIN 108拉高，直至該電壓在調節器Z1(202)電壓(例如，12 V)下鉗制超過回復電壓為止。此配置為第二配置，在該第二配置中超電壓保護電路102保護該超電壓保護電路102之內部電路系統。
    在啟動開始時、在關閉期間或在超電壓故障之後，將閘極接腳218鉗制至輸出接腳104，藉此關閉MOSFET 106。此舉允許VSS 130及輸出104接腳藉由輸出端104處的負載及RSS 120拉至地面。在此條件期間，VDD接腳222可用分路調節器202(例如，12 V)鉗制至VSS 130。隨後將減去來自分路調節器之此12 V之全供應電壓施加於RIN電阻器108，該RIN電阻器108設定分路器202電流。舉例而言，分路電流可高達10 mA，該分路電流可比典型的VDD接腳靜態電流(例如，9 μA)高若干數量級。
    在「運行」模式中，輸出端104處之電壓等於輸入供應器101。當電容器C1(210)完全充電時，通過電容器210之電流lC1為零。就此而言，輸出端104與VSS 130接腳之間的電壓用分路調節器118(例如，5.7 V)鉗制。舉例而言，在RSS 120上提供減去5.7 V之輸入電壓供應器101。RSS 120電流可劃分成三個區域：(i)5.7 V分路電流，(ii)輸出端與VSS之間的偏壓電流，及(iii)RIN 108電流。舉例而言，5.7 V之分路電流可高達10 mA，該分路電流實質上超過典型的輸出偏壓電流(例如，160 μA)。
    在一個實施例中，在斜升輸入供應器(101)之後分路調節(例如，分路調節至12 V)VDD 222與VSS 130接腳之間的電壓。接下來，內部產生的供應器VCC可提供通電重設脈衝(例如，30 μs之持續時間)，該通電重設脈衝清除邏輯及計時器區塊232中之故障鎖存器，且該通電重設脈衝初始化內部鎖存器。接下來，關閉比較器216可決定接腳是否在外部被拉低，藉此請求低偏壓電流關閉狀態。否則允許開啟外部MOSFET 106。
    舉例而言，開啟閘極218自VDD接腳222上拉電流源220(例如，7.5 μA)開始用於使MOSFET 106閘極通電之「自舉」方法。一旦閘極218達到VDD接腳222電壓(減去肖特基(Schottky)二極體240壓降)，則7.5 μA電流源220損失電壓頂部空間且停止對閘極218充電。充電閘極218之此自舉方法在閘極218電壓停止增加之後依賴於將電容器C1(210)充電至足夠電壓。隨後將C1(210)上之電壓用作對電荷泵110之供應，該電荷泵110將MOSFET 106之閘極充電至該閘極之終值(例如，超過輸出104之上12 V)。若電荷泵110電流超過C1(210)充電電流，則電容器C1(210)放電。若電壓降低至預定值(例如，4.35 V)以下，則電荷泵110暫停，從而允許電容器C1(210)再充電。
    分路調節器118及202向超電壓保護電路102內之不同電路提供供應電壓。舉例而言，分路調節器118充當用於電荷泵110及超電壓調節放大器112之供應器(藉由電容器C1 210繞過)。至於分路調節器202，該分路調節器202向邏輯供應器區塊204提供「始終帶電的」VCC 242供應器。因此，超電壓保護電路102包括邏輯供應器區塊204與電荷泵110之間的電壓供應器之分離。舉例而言，電阻器108及120以及分路調節器202及118可用以將電壓供應器分離成超電壓保護電路102之不同區塊。此分離促進不同供應器之間的隔離且此分離提供用於電阻器120及108之獨立的尺寸調整。如此允許電阻器108具有較大電阻值，從而匹配VCC供應器之低電流要求。類似地，電阻器120可尺寸調節為儘可能大，同時電阻器120仍能夠汲取較大電荷泵電流及來自電阻器108的VSS電流。藉由允許兩個電阻器尺寸得以儘可能大地調節，來最小化此等電阻器之功率耗散及實體尺寸。
    電容器C1 210繞過輸出節點104與VSS 130之間的供應器。電容器C1 210用於啟動模式。兩個分路調節器(亦即，分路調節器202及分路調節器118)提供供應器，該等供應器在啟動模式期間具有特殊功能。舉例而言，分路調節器202為邏輯區塊提供「始終帶電的」(亦即，開啟)供應器。因此，諸如「關閉」或「故障」之不同狀態可較容易地決定。此外，分路調節器202亦向閘極節點218提供涓流充電以用於自舉功能。
    至於分路調節器118，該分路調節器118結合自舉電容器C1 210為電荷泵110及超電壓調節放大器112提供高電流供應器。
    在一個實施例中，電荷泵110使用大量電流，且RIN 108及RSS 120可較大(以分別限制VDD 222及VSS 130供應器之電流)。電荷泵經由C1 210「自舉」。
    在超電壓保護系統之上文概述的情況下，目前可能有幫助的是提供自舉功能之高位準實例。通過分路調節器202之VDD接腳222向MOSFET 106之閘極提供涓流電流。MOSFET 106隨後用以對電容器210充電。電容器C1 210接著又將電流供應至電荷泵110。電荷泵110向MOSFET 106之閘極提供電流，該MOSFET 106之該閘極接著又對C1 210充電。
    儘管使超電壓保護電路102浮動，但參考接地之電路與超電壓保護102之間的通訊亦可用。舉例而言，接腳226上之接地電阻器可藉由將接腳226拉至關閉()比較器216臨限以下來啟動部分關閉。舉例而言，部分關閉可藉由將接腳226拉至SD比較器216臨限以下達1 ms來啟動。關閉狀態可將閘極接腳218鉗制至輸出接腳104且關閉狀態可減小所有區塊之靜態電流，直至重設接腳226為止。靜態電流可減小至10 μA。
    超電壓保護電路102防止輸入供應器101上之超電壓到達連接至VOUT 104之負載。在正常操作期間，MOSFET 106完全開啟，從而為耦接至VOUT 104之負載供電以具有極小的壓降。當輸入端101處之電壓增加時，接腳輸出104處之電壓增加，直至輸出端104處之電壓達到調節位準(VREG)為止。任何進一步之電壓增加皆提供於整個MOSFET 106上。MOSFET 106仍開啟，因此超電壓保護電路在短暫(例如，1 ms至300 ms)的超電壓事件期間提供連續操作。
    在一個實例中，用兩個回饋電阻器RFB1及RFB2(分別為114及116)配置VREG位準(亦即，輸出端104處的經調節電壓)。超電壓調節放大器112將FB接腳224處的電壓與低於輸出104接腳的預定臨限(例如，1.23 V)比較。在調節期間，在RFB1 114上的壓降與預定臨限(例如，1.23 V)相稱，而在RFB2 116上提供VREG電壓之剩餘部分。
    在一個實例中，當輸出端104處於調節點時，開啟計時器以防止MOSFET 106中過度的功率耗散。通常，計時器接腳212用預定下拉電流(例如，1.8 μA)保持較低。在調節期間，計時器接腳212用預定電流(例如，9 μA)充電。若調節點針對計時器接腳212保持足夠長的時間以達到預定電壓位準(例如，第2圖之實例中之2.8 V)，則超電壓故障鎖存於邏輯及計時器區塊232中。舉例而言，用於設定計時器電容器之方程式可藉由電容器CT 228來調整：CT=3.5．t[nF/ms]
    如上所述，在一個實施例中，超電壓保護電路102自動啟動(例如，經由計時器)，而在另一實施例中該超電壓保護電路102保持鎖存關閉，直至藉由雙態觸發接腳226來重設為止。冷卻時期可為九秒，該冷卻時期提供極低脈衝功率工作循環。
    第3圖圖示根據本發明之另一實施例之超電壓保護電路102，該超電壓保護電路102在VSS 130迴路上具有雙極電晶體(例如，PNP 306)，且在基極接腳308上具有電阻器RSS 304。RSS 304耦接於雙極電晶體306之基極與集極之間。在一些實施例中，RSS 304之功率電阻器可在實體上較大。較大值RSS 304(亦即，較低功率及較小實體尺寸)可結合如第3圖中所示之雙極電晶體306使用。舉例而言，除來源自基極接腳308之電流(例如，0.8 μA)之外，來自電晶體306之基極電流流經RSS 304，該基極電流限制最大RSS 304值。在一些實施例中，最小PNP 306之β係數(Beta)低至35。就此而言，當VSS 130電流為350 μA時，基極電流為10 μA。因此，此舉允許與不具有雙極電晶體306的實施例相比較大35(亦即，β係數)倍的RSS 304。舉例而言，此PNP 306選擇可能在MOSFET 106於供應電壓101之較大變化範圍內處於低電阻狀態時是有用的。
    返回參閱第2圖，更詳細地論述MOSFET 106可能是有幫助的。MOSFET之考慮包括導通電阻(RDS(ON))、最大汲極-源極電壓(V(BR)DSS)、臨限電壓及安全操作區域(safe operation area；SOA)。
    舉例而言，MOSFET 106之最大允許汲極-源極電壓高於供應電壓VSS。若輸出接地短路或輸出處於超電壓事件期間，則在MOSFET 106上出現全供應電壓VSS。
    在一個實施例中，MOSFET 106之SOA涵蓋所有故障條件。在正常操作中，通路電晶體(亦即，MOSFET 106)完全開啟，從而耗散極少的功率。但在超電壓故障期間，閘極接腳218用以調節通過MOSFET 106之輸出電壓104。MOSFET上之大電流(例如，10 A及10 A以上之電流)及高壓降(例如，100 V及100 V以上之電壓)可在此等情況下共存。
    第2圖之齊納二極體150為鉗，該鉗經配置以驅動外部PNP(例如，第3圖之PNP 306)之基極。在一個實施例中，當基極接腳140降低至VSS接腳130以下時，賦能二極體150(同時去能齊納二極體118)。此壓降指示PNP連接至基極140及VSS 130。
    儘管上文已描述被視為最佳模式及/或其他實例之內容，但應理解可對被視為最佳模式及/或其他實例之內容進行各種修改且本文所揭示之標的可以各種形式及實例實施，且教示可應用於眾多應用中，本文僅描述了該等應用中之一些應用。意欲藉由以下申請專利範圍主張屬於本教示之真實範疇內的任何及所有應用、修改及變化。
    除非另有說明，否則包括在以下申請專利範圍中且在此說明書中闡述之所有量測、值、額定值、位置、量值、尺寸及其他規格皆為近似的而非精確的。在此說明書中闡述之所有量測、值、額定值、位置、量值、尺寸及其他規格意欲具有符合在此說明書中闡述之所有量測、值、額定值、位置、量值、尺寸及其他規格相關的功能及符合在此說明書中闡述之所有量測、值、額定值、位置、量值、尺寸及其他規格所屬的技術中慣有的內容之合理的範圍。
    保護之範疇僅由現在遵循之申請專利範圍限制。彼範疇意欲且應闡釋為當根據此說明書及以下申請歷史闡釋時如符合用於申請專利範圍中的語言之普通意義一樣廣泛，且闡釋為涵蓋所有結構及功能等效物。儘管申請專利範圍中之任何項皆不欲包括未能滿足專利法之章節101、102或103之要求的標的，亦不應以此方式來闡釋該等申請專利範圍。在此不主張此標的之任何非意欲之包括。
    除上文即刻所述內容之外，所述或所圖示之任何事物皆不欲或不應闡釋為使任何組件、步驟、特徵結構、目標、益處、優點或上述各者之均等物貢獻給公眾，無論該任何組件、步驟、特徵結構、目標、益處、優點或上述各者之均等物在申請專利範圍中敍述或未敍述。
    應理解，除本文以另外方式闡述特定意義的情況之外，本文所使用的術語及表達具有相對於詢問及研究之該等術語及表達的相應各別區域給予此等術語及表達的普通意義。諸如第一及第二及類似者之關係術語可僅用以將一個實體或動作與另一實體或動作區別開，而不必需要或暗示此等實體或動作之間的任何實際的此類關係或次序。術語「包含」或「包含」之任何其他變體意欲涵蓋非獨佔的內含物，以使得包含一列元件的程序、方法、製品或設備不僅包括彼等元件而且可包括未明確地列出之或此程序、方法、製品或設備固有的其他元件。藉由「一」進行之元件在無進一步約束的情況下不排除在包含該元件的程序、方法、製品或設備中之額外相同元件之存在。
    提供本揭示案之摘要以允許讀者迅速地確定本技術揭示案之本質。該摘要是在將並非用來闡釋或限制申請專利範圍之範疇或意義之情況下提交。此外，在上述詳細描述中，可以看出，出於簡化本揭示案之目的，將各種特徵結構在各種實施例中群組化在一起。揭示案之此方法將不被闡釋為反映所主張之實施例需要比每一請求項中明確描述之特徵結構更多特徵結構之意圖。實情為，如以下申請專利範圍反映，發明標的在於少於單一揭示之實施例之所有特徵結構。因此，以下申請專利範圍在此併入實施方式中，其中每一請求項堅持該每一請求項自身作為單獨主張之標的。
    101‧‧‧輸入端
    102‧‧‧超電壓保護電路
    104‧‧‧輸出端
    106‧‧‧MOSFET
    108‧‧‧電阻元件RIN
    110‧‧‧電荷泵
    112‧‧‧超電壓調節放大器
    114‧‧‧回饋電阻器RFB1
    116‧‧‧回饋電阻器RFB2
    118‧‧‧分路調節器
    120‧‧‧電阻元件RSS
    130‧‧‧負供應節點VSS
    140‧‧‧基極接腳
    150‧‧‧齊納二極體
    202‧‧‧分路調節器
    204‧‧‧邏輯供應器
    206‧‧‧UVLO2
    208‧‧‧齊納Z4
    210‧‧‧電容器
    216‧‧‧SD比較器
    218‧‧‧閘極接腳
    220‧‧‧電流源
    222‧‧‧VDD接腳
    224‧‧‧FB接腳
    226‧‧‧接腳
    228‧‧‧電容器CT
    230‧‧‧計時器比較器
    232‧‧‧計時器/邏輯區塊
    234‧‧‧計時器接腳
    236‧‧‧參考電壓
    238‧‧‧電壓源
    240‧‧‧肖特基二極體
    242‧‧‧VCC供應器
    246‧‧‧電流源
    248‧‧‧電流源
    249‧‧‧超電壓訊號
    304‧‧‧電阻器RSS
    306‧‧‧雙極電晶體
    308‧‧‧基極接腳
    圖式為說明性實施例。該等圖式並未圖示所有實施例。可另外或替代地使用其他實施例。可省略可能顯而易見或不必要之細節以節省篇幅或用於更有效之說明。可用額外組件或步驟及/或不用所圖示之所有組件或步驟來實踐一些實施例。當在不同圖式中出現相同元件符號時，該元件符號係指相同或類似之组件或步驟。
    第1a圖圖示符合本發明之實施例的處於啟動模式的超電壓保護系統之簡圖。
    第1b圖圖示符合本發明之實施例的處於運行模式的超電壓保護系統之簡圖。
    第1c圖圖示符合本發明之實施例的處於調節模式之超電壓保護系統之簡圖。
    第2圖圖示符合本發明之實施例的超電壓保護系統之示例性功能圖。
    第3圖圖示根據本發明之實施例的超電壓保護電路區塊，該超電壓保護電路區塊在迴路上具有PNP且在基極接腳上具有電阻器。
    101‧‧‧輸入端
    102‧‧‧超電壓保護電路
    104‧‧‧輸出端
    106‧‧‧MOSFET
    108‧‧‧電阻元件RIN
    110‧‧‧電荷泵
    112‧‧‧超電壓調節放大器
    114‧‧‧回饋電阻器RFB1
    116‧‧‧回饋電阻器RFB2
    118‧‧‧分路調節器
    120‧‧‧電阻元件RSS
    130‧‧‧負供應節點VSS
    140‧‧‧基極接腳
    150‧‧‧齊納二極體
    202‧‧‧分路調節器
    204‧‧‧邏輯供應器
    206‧‧‧UVLO2
    208‧‧‧齊納Z4
    210‧‧‧電容器
    216‧‧‧SD比較器
    218‧‧‧閘極接腳
    220‧‧‧電流源
    222‧‧‧VDD接腳
    224‧‧‧FB接腳
    226‧‧‧接腳
    228‧‧‧電容器CT
    230‧‧‧計時器比較器
    232‧‧‧計時器/邏輯區塊
    234‧‧‧計時器接腳
    236‧‧‧參考電壓
    238‧‧‧電壓源
    240‧‧‧肖特基二極體
    242‧‧‧VCC供應器
    246‧‧‧電流源
    248‧‧‧電流源
    249‧‧‧超電壓訊號
    权利要求:
    Claims (39)
    [1] 一種超電壓保護電路，該超電壓保護電路包含：一正供應節點；一輸出節點；一負供應節點；一第一功能電路，該第一功能電路包括一電荷泵，且該第一功能電路經配置以開啟一MOSFET且經配置以維持該MOSFET處於一低電阻狀態；一第二功能電路，該第二功能電路經配置以偵測一超電壓且控制該MOSFET之一閘極，以調節該輸出節點處之一電壓；以及一第三功能電路，該第三功能電路經配置以限制施加在該超電壓保護電路上的超電壓之量值；其中該正供應節點及該負供應節點經配置以經由外部組件分別連接至一正電源供應器及地面，以使得該超電壓保護電路經操作以隨著施加於該正供應節點之一電壓浮動。
    [2] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路調節該超電壓保護電路自身的操作電壓，以使得該超電壓保護電路實質上獨立於該正供應節點處之一超電壓操作。
    [3] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中：該MOSFET為一外部組件，且該MOSFET之該閘極耦接至該電荷泵之一輸出端。
    [4] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路之該第一功能電路包括至少一個電荷泵，該至少一個電荷泵經配置以驅動該MOSFET之該閘極且經配置以維持該MOSFET在一低電阻狀態下開啟。
    [5] 如請求項4所述之超電壓保護電路，其中該至少一個電荷泵經配置以驅動該MOSFET之該閘極超過一正電源供應位準且超過該輸出節點處之一預定電壓位準。
    [6] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中該等外部組件包括：至少一個電阻元件，該至少一個電阻元件耦接於該超電壓保護電路之該正供應節點與該正電源供應器之間；以及至少一個電阻元件，該至少一個電阻元件耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與地面之間。
    [7] 如請求項6所述之超電壓保護電路，其中耦接於該超電壓保護電路之該正供應節點與該正電源供應器之間的該至少一個電阻元件及耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與地面之間的該至少一個電阻元件各自為(i)一電阻器或(ii)一恆定電流電晶體中之一者。
    [8] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路進一步包含至少一個分路調節器，該至少一個分路調節器經配置以鉗制該超電壓保護電路之該輸出節點與該負供應節點之間的一預定電壓。
    [9] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路進一步包含至少一個分路調節器，該至少一個分路調節器經配置以鉗制該超電壓保護電路之該輸出節點與一基極節點之間的一預定電壓。
    [10] 如請求項1所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路進一步包含至少一個分路調節器，該至少一個分路調節器經配置以鉗制該超電壓保護電路之該正供應節點與該負供應節點之間的一預定電壓。
    [11] 如請求項10所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路進一步包含一邏輯及計時器區塊，該邏輯及計時器區塊防止來自邏輯電路之一直通電流。
    [12] 如請求項11所述之超電壓保護電路，其中：該超電壓保護電路之該第二功能電路包括一超電壓調節放大器，該超電壓調節放大器經配置以驅動該MOSFET之該閘極；且該至少一個分路調節器經配置以鉗制該輸出節點與該負供應節點之間的該預定電壓，且該輸出節點為用於該電荷泵及該超電壓調節放大器之一供應器。
    [13] 如請求項12所述之超電壓保護電路，其中經配置以鉗制該超電壓保護電路之該正供應輸入節點與該負供應節點之間的該預定電壓之該至少一個分路調節器向該邏輯及計時器區塊提供一始終開啟的供應器。
    [14] 如請求項10所述之超電壓保護電路，其中該輸出節點經由該電荷泵向該輸出節點本身自舉，其中一輸出電容器向該電荷泵供電；且該輸出電容器耦接於該輸出節點與該負供應節點之間。
    [15] 如請求項4所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路之該第二功能電路進一步經配置以提供一冷卻功能，以防止該MOSFET過熱。
    [16] 如請求項15所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路之該第二功能電路進一步經配置以進行至少以下操作中之一者：調節該MOSFET之一開啟時間；在偵測到一故障狀態之後啟動至少一個計時器；以及維持該MOSFET關閉直至出現以下情況中之至少一者為止：(i)在偵測到該故障狀態之後已經過一預定時間；及(ii)重設對一關閉比較器之一輸入。
    [17] 如請求項6所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路之該輸出節點藉由至少一個外部電容器電容地耦接至該負供應節點。
    [18] 如請求項17所述之超電壓保護電路，其中該超電壓保護電路之該輸出節點處的該電壓藉由該MOSFET上拉，且該負供應節點處的該電壓藉由耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與一地面之間的該至少一個電阻器拉低，直至該負供應節點藉由該至少一個分路調節器鉗制至一預定電壓為止，該至少一個分路調節器經配置以鉗制該超電壓保護電路之該輸出節點與該負供應節點之間的一預定電壓。
    [19] 如請求項18所述之超電壓保護電路，其中在一超電壓事件期間，該輸出節點處之該電壓藉由調節該MOSFET之該閘極來鉗制。
    [20] 如請求項5所述之超電壓保護電路：其中該超電壓保護電路進一步包含一超電壓放大器，該超電壓放大器經配置以使用一第一回饋電阻器及一第二回饋電阻器來監控該輸出節點處之該電壓；其中該超電壓放大器之一負節點連接至該第一回饋電阻器與該第二回饋電阻器兩者，且該第一回饋電阻器之一另一端連接至該輸出節點，且該第二回饋電阻器之一另一端連接至一地面；且其中在一超電壓事件期間，該超電壓放大器用一預定電流控制該MOSFET之該閘極之一放電，直至該輸出節點處之該電壓得以調節為止。
    [21] 如請求項3所述之超電壓保護電路，其中外部組件包括：至少一個電阻器，該至少一個電阻器耦接於該超電壓保護電路之該正供應節點與一正電源供應器之間；至少一個PNP，該至少一個PNP耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與地面之間；以及至少一個電阻器，該至少一個電阻器在該PNP之該基極與地面之間。
    [22] 一種調節一輸出電壓之方法，該方法包含以下步驟：實質上獨立於該超電壓保護電路之內部電路組件之電壓操作範圍來調節一超電壓保護電路之一操作電壓；在一超電壓保護電路之一輸出節點處提供一經調節電壓；監控該超電壓保護電路之一正供應輸入節點處之一輸入電壓；使該超電壓保護電路隨著施加於該正供應節點之一電壓浮動；以及在偵測到該正供應節點處的一超電壓之後，防止該超電壓達到該超電壓保護電路之該輸出節點。
    [23] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：開啟一MOSFET且維持該MOSFET處於一低電阻狀態。
    [24] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：調節該超電壓保護電路之操作電壓，以使得該超電壓保護電路實質上獨立於該正供應節點處之一超電壓操作。
    [25] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：驅動該MOSFET之一閘極，以維持該MOSFET在一低電阻狀態下開啟，其中該驅動之步驟係藉由一電荷泵。
    [26] 如請求項24所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：驅動該MOSFET之該閘極超過一正電力供應位準且超過該超電壓保護電路之該輸出節點處的一電壓的一預定位準；以及將一MOSFET耦接至該超電壓保護電路之該輸出節點。
    [27] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：將至少一個電阻元件耦接於該超電壓保護電路之該正供應節點與一正電源供應器之間；以及將至少一個電阻元件耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與一地面之間。
    [28] 如請求項27所述之方法，其中耦接於該超電壓保護電路之該正供應節點與該正電源供應器之間的該至少一個電阻元件及耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與地面之間的該至少一個電阻元件為(i)一電阻器或(ii)一恆定電流電晶體中之每一者。
    [29] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：鉗制該超電壓保護電路之該輸出節點與該負供應節點之間的一預定電壓。
    [30] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：鉗制該超電壓保護電路之該輸出節點與一基極節點之間的一預定電壓。
    [31] 如請求項22所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：鉗制該超電壓保護電路之該正供應節點與該負供應節點之間的一預定電壓。
    [32] 如請求項31所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：防止來自邏輯電路之一直通電流。
    [33] 如請求項24所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：向該電荷泵自舉一輸出電容器。
    [34] 如請求項24所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：冷卻該MOSFET。
    [35] 如請求項34所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：調節該MOSFET之一開啟時間；在偵測到一故障狀態之後啟動至少一個計時器；以及維持該MOSFET關閉直至出現以下情況中之至少一者為止：(i)在偵測到該故障狀態之後已經過一預定時間；及(ii)重設對一關閉比較器之一輸入。
    [36] 如請求項27所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：將至少一個外部電容器電容地耦接於該負供應節點與該輸出節點之間。
    [37] 如請求項36所述之方法，該方法進一步包含以下步驟藉由一MOSFET上拉該超電壓保護電路之該輸出節點處之該電壓；以及藉由耦接於該超電壓保護電路之該負供應節點與一地面之間的該至少一個電阻器拉低該負供應節點處的該電壓，直至該負供應節點藉由該至少一個分路調節器鉗制至一預定電壓為止，該至少一個分路調節器經配置以鉗制該超電壓保護電路之該輸出節點與該負供應節點之間的一預定電壓。
    [38] 如請求項37所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在一超電壓事件期間，藉由調節該MOSFET之一閘極來鉗制該輸出節點處之該電壓。
    [39] 如請求項27所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：使用一第一回饋電阻器及一第二回饋電阻器監控該輸出節點處之該電壓；以及在判定一超電壓事件之後，用一預定電流控制一MOSFET之一閘極之一放電，直至該輸出節點處之該電壓得以調節為止。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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