專利名稱：電路保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電子電路，更特別地，涉及包括一個(gè)具有正溫度系數(shù)(PTC)的電阻的電路保護(hù)裝置，表示為PTC_r，與半導(dǎo)體裝置結(jié)合起來工作。
PTC_r電路保護(hù)裝置眾所周知。該裝置與一個(gè)負(fù)載串聯(lián)，并且在通常的操作條件下，處于低溫、低電阻狀態(tài)。但是，如果通過該P(yáng)TC_r裝置的電流過量增加，和/或該P(yáng)TC_r裝置周圍的環(huán)境溫度過量增加，則PTC_r裝置將會“跳閘”，即變換到高電阻狀態(tài)從而電流實(shí)際上被減小到安全水平。通常PTC_r裝置保持在跳閘狀態(tài)，即使故障已解除，直到裝置脫離電源并被冷卻。當(dāng)電流和/或溫度回復(fù)到其通常水平后，PTC_r裝置將變回低溫、低電阻狀態(tài)。
一個(gè)PTC_r裝置的例子是其包括由導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的PTC_r成分。不會引起一批相似裝置中的任何裝置發(fā)生跳閘的最大穩(wěn)態(tài)電流被表示為“保持電流”(Ihold)，且將引起所有裝置發(fā)生跳閘的最小穩(wěn)態(tài)電流被表示為“跳閘電流”(Itrip)。一般地，當(dāng)環(huán)境溫度增加時(shí)Ihold與Itrip之間的差別慢慢減小，并且環(huán)境溫度越高，保持電流與跳閘電流間的差別越小。
PTC和半導(dǎo)體裝置在電路中一起使用。在一些實(shí)例中PTC_r裝置被用來在過流和/或過溫度狀況下保護(hù)半導(dǎo)體裝置。在另一些實(shí)例中，半導(dǎo)體和PTC_r裝置被一起用來在過流和/或過壓狀況下保護(hù)其所在的電路。大多數(shù)例子中，PTC_r裝置在其正常電流下工作并且一般具有大尺寸。大尺寸的PTC_r裝置不適合尺寸與重量都很重要的便攜式電子裝置。大尺寸的PTC_r裝置也不適合高密度電子電路。
需要減小PTC_r電路保護(hù)裝置的尺寸以使它們更適于便攜式電子裝置和高密度電子電路。
本發(fā)明提供了一種減小了尺寸和重量并特別適用于例如便攜式電子裝置和高密度電子電路的電路保護(hù)裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電路保護(hù)裝置包括一個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)元件，和一個(gè)具有基極、集電極以及發(fā)射極端子的雙極型結(jié)晶體管。PTC元件連接在晶體管的基極和集電極端子之間。PTC元件可以熱耦合至晶體管并且與晶體管一起作為一個(gè)混合裝置被封裝。電負(fù)載可以連接到晶體管的集電極端子。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，晶體管是NPN型的。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，晶體管是PNP型的。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，電路保護(hù)裝置包括一個(gè)PTC元件和一個(gè)具有基極、集電極以及發(fā)射極端子的達(dá)林頓電路。PTC元件電連接于達(dá)林頓電路的基極和集電極端子之間。PTC元件可以熱耦合至達(dá)林頓電路并且與達(dá)林頓電路一起作為一個(gè)混合裝置被封裝。電負(fù)載可以連接到達(dá)林頓電路的集電極端子。在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，達(dá)林頓電路包括兩個(gè)NPN型雙極型晶體管。在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，達(dá)林頓電路包括兩個(gè)PNP型雙極型晶體管。
本發(fā)明的第五和第六實(shí)施例是第三和第四實(shí)施例的變化。在本發(fā)明第五和第六實(shí)施例的每一個(gè)中，達(dá)林頓電路是一個(gè)互補(bǔ)的達(dá)林頓電路并包括一個(gè)NPN型雙極型晶體管和一個(gè)PNP型晶體管。
本發(fā)明還公開了一種保護(hù)電負(fù)載的方法。
參考以下說明并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它目的將一起被充分理解及變得更清楚。
圖面說明附圖中參考標(biāo)記表示為這樣的部分

圖1A示出本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖1B示出本發(fā)明的第二實(shí)施例；圖1C是第一和第二實(shí)施例的電流與電壓特性圖；圖2A示出本發(fā)明的第三實(shí)施例；圖2B示出本發(fā)明的第四實(shí)施例；圖2C是第三和第四實(shí)施例的電流與電壓特性圖；圖3A示出本發(fā)明的第五實(shí)施例；圖3B示出本發(fā)明的第六實(shí)施例；圖3C是第五和第六實(shí)施例的電流與電壓特性圖。
圖1A示出本發(fā)明的第一實(shí)施例。如圖1A所示，正溫度系數(shù)(PTC)電阻Rp1連接在NPN型雙極型晶體管Q1的基極和集電極端子之間。電負(fù)載RL連接在晶體管Q1的集電極端子和電壓源Vcc之間。
作為一例，Rp1可以是聚合的PTC電阻，象Raychem公司(MenloPark，California)制造的PolySwitchTM裝置。Rp1的電阻值可以從，比如說1ohm(當(dāng)其中的電流在跳閘電流1安培以下時(shí))，變換到100兆歐(當(dāng)電流達(dá)到跳閘電流時(shí))。其電阻值也可以從，比如說25℃時(shí)的1歐，變換到150℃時(shí)的100兆歐。也可使用其它類型的PTC電阻。
本實(shí)施例中，在通常條件下，集電極電流ic1是基極電流ib1的β倍，也流經(jīng)Rp1。這樣就能夠使用象Rp1的具有較小跳閘電流額定值的PTC電阻以獲得電路整體較高的跳閘電流。通過近似地β倍的因數(shù)減小整個(gè)電路的面積。整個(gè)電路的重量同樣被減少。
當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，Rp1跳閘，造成晶體管Q1截止。這樣就沒有電流流經(jīng)晶體管Q1和負(fù)載RL。因此Rp1使晶體管和負(fù)載不會過流。
對典型的功率晶體管，象許多半導(dǎo)體公司制造的2N3055，β對小信號是30且對大信號在10到15之間。因此，若Rp1的跳閘電流是1A，它將在基極電流ib1為1A時(shí)跳閘并變成很大電阻，而且集電極，即負(fù)載電流ic1為10到15A。這樣僅用一個(gè)跳閘電流是1A的PTC電阻，二端裝置就能象跳閘電流為10到15A的PTC電阻一樣工作。
在以上實(shí)施例里，Rp1也可熱耦合至雙極型晶體管Q1以在防止過流時(shí)跳閘外防止晶體管過熱。這樣，若晶體管Q1開始過熱，例如由于通過晶體管的電流過量，來自晶體管的熱量加熱Rp1，引起Rp1電阻增加，從而限制了流經(jīng)Q1基極端子的電流并導(dǎo)致Q1截止。熱耦合提高了保護(hù)速度并且使Rp1更快跳閘。本例中，Rp1和Q1也可作為一個(gè)混合裝置被封裝。
圖1B示出本發(fā)明的第二實(shí)施例。這是圖1A所示第一實(shí)施例的變化。本例中，PNP雙極型晶體管Q2代替了圖1A中使用的NPN雙極型晶體管Q1，并且連接到PTC電阻Rp1。Rp1也可熱耦合至晶體管Q2并作為一個(gè)混合裝置被一起封裝。
第二實(shí)施例的工作方式與圖1A中的第一實(shí)施例相似。那就是，假定晶體管Q2的β在10到15之間，當(dāng)一個(gè)跳閘電流是1A的PTC電阻作為Rp1時(shí)，圖1B所示的二端裝置象跳閘電流為10到15A的PTC電阻一樣工作，圖1C中表示得更清楚。
圖1C是本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的電流與電壓特性圖。除RL的負(fù)載線外，PTC電阻Rp1的i-v曲線以及第一和第二實(shí)施例被示于圖1C。在該圖中，假定第一與第二實(shí)施例的每一個(gè)二端裝置的跳閘電流為10A且PTC電阻Rp1的跳閘電流為1A。交點(diǎn)P1就是圖1A和1B中電路工作的工作點(diǎn)。
圖2A示出本發(fā)明的第三實(shí)施例。如圖2A所示，PTC電阻Rp2連接在達(dá)林頓電路12的基極和集電極端子之間。電負(fù)載RL耦合在達(dá)林頓電路12的集電極端子和電壓源Vcc之間。本例中，Rp2可以是一個(gè)聚合的PTC電阻或者任何其它類型的PTC電阻，就象第一實(shí)施例中的Rp1一樣。達(dá)林頓電路12包括兩個(gè)NPN雙極型晶體管Q3和Q4。
在第三實(shí)施例中，流經(jīng)Rp2的電流也流進(jìn)達(dá)林頓電路12的基極端子。在通常條件下，達(dá)林頓電路12的集電極電流ic2是基極電流ib2的β倍。這樣就能夠使用象Rp2的具有較小跳閘電流額定值的PTC電阻以獲得圖2A所示電路整體較高的跳閘電流，因?yàn)檫_(dá)林頓電路12的β值是晶體管Q3和Q4各自的β值的乘積。作為一例，若晶體管Q3和Q4每個(gè)都有10到15的β值，則達(dá)林頓電路12的β值就是100到225。這樣，當(dāng)使用跳閘電流僅為0.1A的PTC電阻時(shí)，圖2A所示二端裝置象跳閘電流為10到23A的PTC電阻一樣工作。通過近似地兩個(gè)β值的乘積的顯著因數(shù)減小整個(gè)電路的尺寸。整個(gè)電路的重量同樣被明顯減少。
當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，Rp2跳閘，造成晶體管Q3進(jìn)而達(dá)林頓電路12斷開。這樣就沒有電流流經(jīng)達(dá)林頓電路12和負(fù)載RL。因此達(dá)林頓電路和負(fù)載在過流狀況下被Rp2所保護(hù)。
在第三實(shí)施例中，Rp2也可熱耦合至達(dá)林頓電路12以在防止過流時(shí)跳閘外防止達(dá)林頓電路過熱。這樣，若達(dá)林頓電路12開始過熱，例如由于通過電路的電流過量，來自達(dá)林頓電路的熱量加熱Rp2，引起Rp2電阻增加，從而限制了流經(jīng)達(dá)林頓電路12的基極端子的電流并導(dǎo)致達(dá)林頓電路關(guān)閉。熱耦合提高了保護(hù)速度并且使Rp2更快跳閘。本例中，Rp2和達(dá)林頓電路12也可作為一個(gè)混合裝置被封裝。
圖2B示出本發(fā)明的第四實(shí)施例。這是圖2A所示第三實(shí)施例的變化。本例中，包括兩個(gè)PNP雙極型晶體管Q5和Q6的達(dá)林頓電路16代替了圖2A中使用的達(dá)林頓電路12。一個(gè)PTC電阻Rp2連接在達(dá)林頓電路16的基極和集電極端子之間。Rp2也可熱耦合至達(dá)林頓電路16并作為一個(gè)混合裝置被一起封裝。
第四實(shí)施例的工作方式與圖2A中的第三實(shí)施例相似。那就是，如果PNP雙極型晶體管Q5和Q6每一個(gè)的β值在10到15之間，達(dá)林頓電路16的β值即在100到225之間。當(dāng)一個(gè)跳閘電流僅為0.1A的PTC電阻用作Rp2時(shí)，圖2B所示的二端裝置象跳閘電流為10到23A的PTC電阻一樣工作，圖2C中表示得更清楚。
圖2C是本發(fā)明第三和第四實(shí)施例的電流與電壓特性圖。除RL的負(fù)載線外，PTC電阻Rp2的i-v曲線以及第三和第四實(shí)施例被示于圖2C。在該圖中，假定第三與第四實(shí)施例的每一個(gè)二端裝置的跳閘電流為10A且PTC電阻Rp2的跳閘電流為0.1A。交點(diǎn)P2就是圖2A和2B中電路工作的工作點(diǎn)。
圖3A示出本發(fā)明的第五實(shí)施例。如圖示，PTC電阻Rp3連接在互補(bǔ)的達(dá)林頓電路22的基極和集電極端子之間。電負(fù)載RL連接在達(dá)林頓電路22的集電極端子和電壓源Vcc之間。本例中，Rp3可以是一個(gè)聚合的PTC電阻或者任何其它類型的PTC電阻。達(dá)林頓電路22包括一個(gè)PNP雙極型晶體管Q7和一個(gè)NPN雙極型晶體管Q8。
在第五實(shí)施例中，如在第三實(shí)施例中那樣，能夠使用象Rp3的具有較小跳閘電流額定值的PTC電阻以獲得圖3A所示電路整體較高的跳閘電流，因?yàn)檫_(dá)林頓電路22的β值是晶體管Q7和Q8各自的β值的乘積。根據(jù)晶體管的額定值，β值在寬范圍變化，等等。比如說，若晶體管Q7和Q8每個(gè)都有10到15的β值，則達(dá)林頓電路22的β值就是100到225。這樣，當(dāng)使用跳閘電流僅為0.1A的PTC電阻時(shí)，圖3A所示二端裝置象跳閘電流為10到23A的PTC電阻一樣工作。圖3A所示這一實(shí)施例比第三實(shí)施例提供了更高的電流增益，因?yàn)檫_(dá)林頓電路22減小了通過其基極和發(fā)射極端子的Vbe。達(dá)林頓電路22的電壓Vbe為大約0.6V，比第三實(shí)施例中達(dá)林頓電路12的1.2V的Vbe小。從而，整個(gè)電路的尺寸和重量比第三實(shí)施例中的電路小。
當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，Rp3跳閘，造成達(dá)林頓電路22斷開。這樣就沒有電流流經(jīng)達(dá)林頓電路22和負(fù)載RL。因此Rp3使達(dá)林頓電路和負(fù)載不會過流。
在此第五實(shí)施例中，Rp3也可熱耦合至達(dá)林頓電路22以在防止過流時(shí)跳閘外防止達(dá)林頓電路過熱。這樣，若達(dá)林頓電路22開始過熱，例如由于通過電路的電流過量，來自達(dá)林頓電路的熱量加熱Rp3，引起Rp3電阻增加，從而限制了流經(jīng)達(dá)林頓電路22的基極端子的電流并導(dǎo)致達(dá)林頓電路關(guān)閉。熱耦合提高了保護(hù)速度并且使Rp3更快跳閘。本例中，Rp3和達(dá)林頓電路22也可作為一個(gè)混合裝置被封裝。
圖3B示出本發(fā)明的第六實(shí)施例。這是圖3A所示第五實(shí)施例的變化，兩個(gè)晶體管Q7和Q8的位置被改變。在本例中，一個(gè)PTC電阻Rp3連接在達(dá)林頓電路26的基極和集電極端子之間，該電路包括一個(gè)NPN雙極型晶體管Q9和一個(gè)PNP雙極型晶體管Q10。Rp3也可熱耦合至達(dá)林頓電路26并作為一個(gè)混合裝置被一起封裝。
第六實(shí)施例的工作方式與圖3A中的第五實(shí)施例相似。那就是，如果晶體管Q9和Q10每一個(gè)的β值在10到15之間，達(dá)林頓電路26的β值即在100到225之間。當(dāng)一個(gè)跳閘電流僅為0.1A的PTC電阻用作Rp3時(shí)，圖3B所示的二端裝置象跳閘電流為10到23A的PTC電阻一樣工作，圖3C中表示得更清楚。
圖3C是本發(fā)明第五和第六實(shí)施例的電流與電壓特性圖。除RL的負(fù)載線外，PTC電阻Rp3的i-v曲線以及第五和第六實(shí)施例被示于圖3C。在該圖中，假定第五與第六實(shí)施例的每一個(gè)二端裝置的跳閘電流為10A且PTC電阻Rp3的跳閘電流為0.1A。交點(diǎn)P3就是圖3A和3B中電路工作的工作點(diǎn)。
當(dāng)結(jié)合幾個(gè)具體實(shí)施例說明本發(fā)明之后，根據(jù)前面的描述，顯然對本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，許多進(jìn)一步的替換、修改、應(yīng)用和變化將是清楚的。因此，這里描述的本發(fā)明旨在圍繞所有這樣的替換、修改、應(yīng)用和變化，它們都落入權(quán)利要求的實(shí)質(zhì)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種用于保護(hù)電負(fù)載的電路保護(hù)裝置，包括(a)一個(gè)具有基極、集電極和發(fā)射極端子的雙極型晶體管；以及(b)一個(gè)連接在所述晶體管的基極和集電極端子之間的正溫度系數(shù)(PTC)元件。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述PTC元件熱耦合至所述晶體管并且所述PTC元件和所述晶體管作為一個(gè)混合裝置被封裝。
3.如權(quán)利要求1或2的裝置，其中電負(fù)載連接到所述晶體管的集電極端子。
4.如權(quán)利要求1、2或3的裝置，其中所述晶體管是NPN型或者PNP型。
5.一種用于保護(hù)電負(fù)載的電路保護(hù)裝置，包括(a)一個(gè)具有基極、集電極和發(fā)射極端子的達(dá)林頓電路；以及(b)一個(gè)連接在所述達(dá)林頓電路的基極和集電極端子之間的正溫度系數(shù)(PTC)元件。
6.如權(quán)利要求5的裝置，其中所述PTC元件熱耦合至所述達(dá)林頓電路并且所述PTC元件和所述達(dá)林頓電路作為一個(gè)混合裝置被封裝。
7.如權(quán)利要求5或6的裝置，其中電負(fù)載連接到所述達(dá)林頓電路的集電極端子。
8.如權(quán)利要求5的裝置，其中所述達(dá)林頓電路包括兩個(gè)NPN型雙極型晶體管或者兩個(gè)PNP型雙極型晶體管。
9.如權(quán)利要求5的裝置，其中所述達(dá)林頓電路是一個(gè)互補(bǔ)的達(dá)林頓電路并且包括一個(gè)NPN型雙極型晶體管和一個(gè)PNP型晶體管。
10.一種用于保護(hù)電負(fù)載的方法，包括的步驟有(a)在一個(gè)雙極型晶體管或者一個(gè)達(dá)林頓電路的基極與集電極端子之間連接一個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)元件；以及(b)連接電負(fù)載到所述晶體管或者所述達(dá)林頓電路的集電極端子。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中所述晶體管是NPN型或者PNP型。
12.如權(quán)利要求10的方法，其中所述達(dá)林頓電路包括兩個(gè)NPN型雙極型晶體管或者兩個(gè)PNP型雙極型晶體管。
13.如權(quán)利要求10的方法，其中所述達(dá)林頓電路是一個(gè)互補(bǔ)的達(dá)林頓電路并且包括一個(gè)NPN型雙極型晶體管和一個(gè)PNP型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種減小了尺寸和重量并特別適用于例如便攜式電子裝置和高密度電子電路的電路保護(hù)裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,電路保護(hù)裝置包括一個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)元件和一個(gè)具有基極、集電極以及發(fā)射極端子的雙極型結(jié)晶體管。PTC元件連接在晶體管的基極和集電極端子之間。PTC元件也可熱耦合至晶體管并且與晶體管一起作為一個(gè)混合裝置被封裝。電負(fù)載也可連接到晶體管的集電極端子。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例,電路保護(hù)裝置包括一個(gè)PTC元件和一個(gè)具有基極、集電極以及發(fā)射極端子的達(dá)林頓電路(12)。PTC元件電連接于達(dá)林頓電路的基極和集電極端子之間。PTC元件也可熱耦合至達(dá)林頓電路并且與達(dá)林頓電路一起作為一個(gè)混合裝置被封裝。電負(fù)載也可連接到達(dá)林頓電路的集電極端子。達(dá)林頓電路也可以是互補(bǔ)的達(dá)林頓電路(22)。
文檔編號H02H9/02GK1354907SQ99812508
公開日2002年6月19日 申請日期1999年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月22日
發(fā)明者S·索里, C·麥科伊, H·杜菲, A·I·科甘, R·G·博馬坎蒂 申請人:泰科電子有限公司