用於保護線路免於過電壓的結構和過電壓保護電路的製作方法
2023-09-17 03:59:20 4
專利名稱:用於保護線路免於過電壓的結構和過電壓保護電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及用於保護線路免於過電壓的結構和過電壓保護電路。一種結構保護SLIC電話線路接口免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓。該結構包括被連接在第一線路和第二線路中的每個線路與參考電勢之間的至少一個晶閘管。對於所有晶閘管，與在柵極側的主電極對應的金屬通過金屬的整個表面與對應的半導體區域相接觸。此外，每個晶閘管的柵極被直接連接到限定所述閾值之一的電壓源。
【專利說明】
用於保護線路免於過電壓的結構和過電壓保護電路
技術領域
[0001]本公開涉及用於保護被連接到電話線路的電子電路免受例如由於閃電所致的過電壓。
【背景技術】
[0002]圖1示出了與第8，687，329號美國專利(通過引用併入)的圖2相對應的被連接到電話線路的電子電路的一部分的結構。電子電話信號發送和接收電路1、或者SLIC(「Subscriber Line Interface Circuit」、「訂戶線接口電路」)被連接到由在電壓VTIP和VRING處的兩個導體3和5形成的電話線路。例如由於閃電所致的突發過電壓(overvoltage)可以在導體3和5上發生並且可能損壞電路I。導體3、5被連接到保護結構7，該保護結構在導體中之一上的電壓從兩個閾值電壓限定的區間出來時能夠朝著接地9對過電壓放電。電壓閾值由具有正電勢VH的電源電壓源11和具有負電勢VL的電源電壓源13來限定。保護結構7包括兩個陰極-柵極晶閘管(thyristor) 15和17，其陰極相應地被連接到導體3和5，並且具有接地的陽極。晶閘管15和17的柵極相應地被連接到NPN類型的兩個電晶體19和21的射極，該兩個電晶體19和21的集電極被連接到接地9並且其基極被連接到具有負電勢VL的電源13。保護結構7還包括兩個陽極-柵極晶閘管23和25，其陽極相應地被連接到導體3和5，並且其陰極被連接到接地9。晶閘管23和25的柵極相應地被連接到兩個PNP類型的電晶體27和29的射極，該兩個電晶體27和29的集電極被連接到接地9並且其基極被連接到具有正電勢VH的電源11。
[0003]在正常操作中，導體3和5的電壓維持在VL與VH之間。所有電晶體以及所有晶閘管是關斷的。
[0004]在導體3上的低於負電勢VL的負過電壓的情況中，電晶體19的基極的電勢變得大於其射極的電勢，並且電晶體19導通，這導通晶閘管15。在線路上的過電壓全過程上，晶閘管15維持導通並且向接地9對過電壓放電。
[0005]在線路5上的低於負電勢VL的負過電壓的情況中，該操作與在針對線路3上的負過電壓的情況所描述的操作相同，並且涉及(imply)晶閘管17和電晶體21。
[0006]類似地，在高於正電勢VH的正過電壓出現在線路3或5上的情況中，該操作類似於負過電壓的情況。在線路3上的正過電壓涉及陽極-柵極晶閘管23和PNP電晶體27。在線路5上的正過電壓涉及陽極-柵極晶閘管25和PNP電晶體29。
[0007]在過電壓結束之後，施加的晶閘管僅在流過其的電流變得低於其保持電流時關斷。晶丨?管的保持電流因而應當尚於能夠流過電話線路的最大電流。該最大電流例如在150mA的數量級。為了獲得高保持電流，該晶閘管設置有射極短路電路，諸如第5，274，524號美國專利中所描述的(通過引用併入)。
[0008]射極短路晶閘管的缺點在於它們具有低敏感度，也就是說，它們需要高柵極電流來導通。另外在不能存在過電壓的情況中，電流應當不能夠在保護結構與電話線路的導體之間流動，該電話線路具有在從VL到VH的範圍內的電壓。現在，在晶閘管的每個晶閘管中，射極短路電路的存在使得電流能夠在柵極與被連接到晶閘管的電話線路的導體之間流動。
[0009]因此，電晶體被提供以使得在電晶體的射極與基極之間的結在不存在過電壓時阻擋電流的流動。該電晶體還被用於放大由具有電勢VL和VH的電源供應的電流以達到導通晶閘管所必需的柵極電流。
【實用新型內容】
[0010]這裡期望提供一種用於保護電話線路免於過電壓的結構，其至少部分地克服了一些現有解決方案的缺點。
[0011]因此，實施例提供了一種用於保護SLIC電話線路免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓的結構，包括至少一個晶閘管，被連接在電話線路的每個導體與參考電勢之間，其中對於所有晶閘管，與在柵極側的電極對應的金屬通過金屬的整個表面與對應的半導體區域相接觸;並且該柵極被直接連接到限定所述閾值之一的電壓源。
[0012]根據實施例，適用於其中正閾值為零的情況，電話線路的每個導體被耦合到一二極體的陽極和一陰極-柵極晶閘管的陰極，所述二極體的陰極和所述晶閘管的陽極被耦合到參考電勢;共用負電壓源，被連接到兩個晶閘管的兩個柵極。
[0013]根據實施例，每個線路被連接到一陰極-柵極晶閘管的陰極和一陽極-柵極晶閘管的陽極，所述陰極-柵極晶閘管的陽極和所述陽極-柵極晶閘管的陰極被耦合到參考電勢；所述陰極-柵極晶閘管的柵極被直接連接到限定負閾值的共用負電壓源;並且所述陽極-柵極晶閘管的柵極被直接連接到限定正閾值的共用正電壓源。
[0014]根據實施例，晶閘管和二極體被形成在同一單片部件中。
[0015]根據實施例，所有晶閘管被形成在同一單片部件中。
[0016]根據實施例，電壓源中的至少一個電壓源是SLIC的電源。
[0017]根據實施例，電壓源中的至少一個電壓源包括至少一個電池。
[0018]實施例還提供了一種用於保護第一線路和第二線路免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓的結構，其特徵在於包括:至少一個晶閘管，被連接在第一線路和第二線路中的每個線路與參考電勢之間；其中，對於所欲所有晶閘管:與在柵極側的電極對應的金屬通過金屬的全部整個表面與對應的半導體區域相接觸;並且柵極被直接連接到限定負閾值和正閾值之一的電壓源。
[0019]根據實施例，正閾值為零，該結構包括:第一線路和第二線路中的每個線路被耦合到二極體的陽極和陰極-柵極晶閘管的陰極，並且二極體的陰極和晶閘管的陽極被耦合到參考電勢;共用負電壓源，被連接到陰極-柵極晶閘管的兩個柵極。
[0020]根據實施例，陰極-柵極晶閘管和二極體被形成在同一單片部件中。
[0021]根據實施例，第一線路和第二線路中的每個線路被連接到陰極-柵極晶閘管的陰極和陽極-柵極晶閘管的陽極，陰極-柵極晶閘管的陽極和陽極-柵極晶閘管的陰極被耦合到參考電勢；陰極-柵極晶閘管的柵極被直接連接到限定負閾值的共用負電壓源；並且陽極-柵極晶閘管的柵極被直接連接到限定正閾值的共用正電壓源。
[0022]根據實施例，所有晶閘管被形成在同一單片部件中。
[0023]根據實施例，電壓源中的至少一個電壓源是用於第一線路和第二線路的訂戶線接口電路的電源。
[0024]根據實施例，電壓源中的至少一個電壓源包括至少一個電池。
[0025]實施例還提供了一種過電壓保護電路，包括:第一線路;第二線路;第一陽極-柵極晶閘管，具有被連接到第一線路的陽極和被連接到接地節點的陰極;第二陽極-柵極晶閘管，具有被連接到第二線路的陽極和被連接到接地節點的陰極;第一電壓供應，被配置為在輸出節點處輸出第一電勢和進一步在輸出節點處接收電流，其中輸出節點被連接到第一陽極-柵極晶閘管和第二陽極-柵極晶閘管的柵極端子。
[0026]根據實施例，第一電壓供應是用於第一線路和第二線路的訂戶線接口電路的電源。
[0027]根據實施例，該電路還包括:第一陰極-柵極晶閘管，具有被連接到接地節點的陽極和被連接到第一線路的陰極;第二陰極-柵極晶閘管，具有被連接到接地節點的陽極和被連接到第二線路的陰極;第二電壓供應，被配置為在輸出節點處輸出第二電勢和進一步在輸出節點處接收電流，其中輸出節點被連接到第一陰極-柵極晶閘管和第二陰極-柵極晶閘管的柵極端子。
[0028]根據實施例，第一電壓供應和第二電壓供應是用於第一線路和第二線路的訂戶線接口電路的電源。
[0029]實施例還提供了一種過電壓保護電路，包括:第一線路;第二線路;第一陰極-柵極晶閘管，具有被連接到第一線路的接地節點的陽極和被連接到第一線路的陰極;第二陰極-柵極晶閘管，具有被連接到接地節點的陽極和被連接到第二線路的陰極;電壓供應，被配置為在輸出節點處輸出電勢和進一步在輸出節點處接收電流，其中輸出節點被連接到第一陰極-柵極晶閘管和第二陰極-柵極晶閘管的柵極端子。
[0030]根據實施例，該電路包括:第一二極體，具有被連接到第一線路的陽極和被連接到接地節點的陰極；以及第二二極體，具有被連接到第二線路的陽極和被連接到接地節點的陰極。
[0031]根據實施例，電壓供應是用於第一線路和第二線路的訂戶線接口電路的電源。
[0032]本實用新型的其中晶閘管沒有射極短路電路的保護結構的優點在於操作不需要電晶體，這使得能夠減少部件表面積，並且沒有外部部件(二極體或電晶體)，這減少了成本和批量。
[0033]另一優點在於不包括射極短路電路的晶閘管是高度敏感的，這允許了快速啟動並且因而改善了保護質量。
[0034]此外，所述晶閘管的特性可以獨立於能夠流過電話線路的最大電流來進行選擇。因而，具有不同特性的電話線路可以由具有相同特性的保護結構來保護。
【附圖說明】
[0035]以上及其他特徵和優點將在以下參照附圖對具體實施例的非限制性描述中詳細論述，在附圖中:
[0036]先前描述的圖1示出了被連接到電話線路的保護免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓的電路；
[0037]圖2A示出了被連接到電話線路的保護免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓的電路的實施例；
[0038]圖2B是實現圖2A的電路的單片部件的示例的截面圖；
[0039]圖3A示出了根據另一實施例的被連接到電話線路的保護免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓的結構；
[0040]圖3B是實現圖3A的電路的單片部件的示例的截面圖。
【具體實施方式】
[0041]在不同的附圖中，相同的元件用相同的附圖標記來表示，並且進另外各個附圖未按比例繪製。處於清楚的原因，僅已示出並詳細描述對於理解所描述的實施例有用的那些元件。
[0042]在以下描述中，在對說明絕對位置，諸如「高」、「低」、「左手」、「右手」之類的術語做出引用時，參照在正常使用位置上的附圖的定向。
[0043]圖2A示出了在SLIC側的被連接到電話線路的保護免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓的電路的實施例。線路的兩個導體3和5(在電壓VTIP和VRING處)被連接到保護結構30 ο結構30包括兩個陰極-柵極晶閘管32、34，陰極-柵極晶閘管32、34具有柵極36和38，並且其陽極被連接到接地GND。晶閘管32的陰極40被連接到導體3和晶閘管34的陰極42。結構30還包括兩個陽極-柵極晶閘管44和46，陽極-柵極晶閘管44和46具有柵極48和50，並且其陰極被連接到接地GND。晶閘管44的陽極52被連接到導體3，並且晶閘管46的陽極54被連接到導體5。
[0044]正電勢VH由電壓源56供應並且負電勢VL由電壓源58供應。每個電壓源可以當將其電勢保持在接近VH或VL的值處時供應或者吸收電流。陰極-柵極晶閘管的柵極36和38被直接連接到電壓源58，並且陽極-柵極晶閘管的柵極48和50被直接連接到電壓源56。電壓源56和58可以有可能是SLIC的電源，例如是電池或者穩定化的直流電源。
[0045]所有晶閘管被剝奪射極短路電路，也就是說，在每個晶閘管中，與在柵極側的主電極對應的金屬區域通過其整個表面而與對應的半導體區域相接觸，並且不是與具有被連接到其的柵極的層部分接觸。
[0046]在正常操作中，導體3和5的電壓保持在VL與VH之間，並且晶閘管是關斷的。
[0047]如果在導體3上發生比VL要負的負過電壓，則陰極40的電壓變得比柵極電壓36更低。電流從柵極36流向陰極40。晶閘管32不具有射極短路電路，它是高度敏感的並且迅速導通，這使得能夠對過電壓向接地放電。
[0048]在過電壓結束時，第一晶閘管32仍導通，並且傳導從接地流嚮導體3的電流。雖然晶閘管不包括射極短路電路，但是它的保持電流時低的。因此，流過晶閘管的電流通常維持得比其保持電流更高。然而，由於晶閘管柵極被維持在低於陰極電勢的電勢VL處，因此源自接地的電流的部分朝著電壓源58被偏離(deviate)而不是朝著陰極流動，這關斷晶閘管。換言之，在晶閘管傳導期間存在於柵極層中的電荷被電壓源58吸收。由於電荷不再可用於維持晶閘管導通，因此晶閘管關斷。這一操作是可能的，這是因為電壓源58是能夠當吸收電流的部分時維持電勢VL的實際電壓源。如果電勢VL例如由如兩個上面提到的專利中描述的齊納(Zener) 二極體限定電勢VL，則這一操作會是不可能的。
[0049]在線路5上的比電勢VL負的負過電壓的情況中，操作是一樣的並且涉及陰極-柵極晶閘管34。
[0050]在線路3或5上的比VH大的正過電壓的情況中，操作是相似的，並且涉及對應的陽極-柵極晶閘管44或46。
[0051]在上文中，應當理解到過電壓與電勢值的比較可以在前向二極體電壓降以內。
[0052]圖2B是使用圖2A的電路的單片部件的示例的截面圖。該單片部件由輕摻雜的N型半導體襯底60形成，半導體例如為矽。該部件的前表面在截面圖的頂部並且後表面在底部。該部件被分為相對於繪圖軸的兩個對稱的部分。左半邊包含晶閘管32和44，並且右半邊包含晶閘管34和46。這裡僅詳述左半邊，右半邊是對稱的並且具有一樣的操作。
[0053]晶閘管具有垂直結構並且在該部件的後部，金屬62限定參考電勢GND。
[0054]陽極-柵極晶閘管44位於在前表面處的金屬64與金屬62之間。它包括與金屬64相接觸的P型陽極區域66、不與金屬64直接接觸並且包含區域66的N型柵極區域68、包含區域68的P型阱70，以及與金屬62接觸的重摻雜的N型陰極層72。陽極區域66與柵極區域68之間的P/N雪崩電壓大於VH。柵極區域68經由重摻雜的N型區域74與金屬76相接觸。
[0055]陰極晶閘管32位於前表面金屬78與金屬62之間。它包括與金屬78相接觸的N型陰極區域80、不與金屬78直接接觸並且包含區域80的P型柵極區域82、N型襯底60的一部分、經由重摻雜的P型陽極層86與金屬62相接觸的P型後表面阱84。在柵極區域82與陰極區域80之間的P/N雪崩電壓大於VL。柵極區域82經由重摻雜的P型區域88與金屬90相接觸。常規地，該部件包括溝道阻止區域92。
[0056]金屬64和78意在被一起連接到導體3(VTIP)。
[0057]晶閘管44的柵極金屬76意在與具有電勢VH的電壓源56直接接觸。晶閘管32的柵極金屬90意在與具有電勢VL的電壓源58直接接觸。
[0058]圖3A示出了保護結構的另一實施例，該保護結構適用於其中正閾值為0(也就是說，在接地GND的電勢處)到前向二極體電壓降以內的情況。電話線路的兩個導體3和5被連接到保護結構100。負電勢VL由電壓源58供應。結構100包括按與前文所描述的保護結構30相同的方式連接的晶閘管32和34。結構100還包括二極體102和104，該二極體102和104其陽極相應地被連接到導體3和5並且其陰極被連接到接地GND。
[0059]在負過電壓的情況中，保護結構100的操作與圖2A的保護結構的操作相似。在導體3上的大於PN結的前向電壓降的正過電壓的情況中，該過電壓通過二極體1 2被偏離到接地。該操作與在導體5上的正過電壓的情況中的二極體104相似。
[0060]圖3B是使用圖3A的電路的單片部件的示例的截面圖。該部件時相對於繪圖軸對稱的，並且僅將描述左手邊部分。這一部件由輕摻雜的N型半導體襯底60形成，設置有後表面金屬62 ο左手邊部分包括二極體102和晶閘管32，並且右手邊部分包括二極體104和晶閘管34。晶閘管32和34以與圖2B中描述的方式來形成。二極體102被形成在前表面金屬106和金屬62之間，其陽極區域對應於經由重摻雜的P型層110與金屬106相接觸的P型阱108，其陰極區域對應於襯底60的一部分和重摻雜的N型層112。金屬106與金屬78相接觸並且意在被連接到導體3。
[0061]本文所描述的其中晶閘管沒有射極短路電路的保護結構的優點在於操作不需要電晶體，這使得能夠減少部件表面積，並且沒有外部部件(二極體或電晶體)，這減少了成本和批量(bulk)。
[0062]另一優點在於不包括射極短路電路的晶閘管是高度敏感的，這允許了快速啟動並且因而改善了保護質量。
[0063]此外，所述晶閘管的特性可以獨立於能夠流過電話線路的最大電流來進行選擇。因而，具有不同特性的電話線路可以由具有相同特性的保護結構來保護。
[0064]已經描述的具體實施例。本領域技術人員能夠想到各種變更、修改和改進。特別地，雖然已經描述由N型襯底形成單片部件，本領域技術人員應當清楚單片部件可以由P型襯底形成。
[0065]變更、修改和改進意在為本公開的一部分，並且意在本實用新型的精神和範圍之內。因此，以上描述僅通過示例方式做出並且不意在為限制性的。本實用新型僅在以下權利要求書所限定的及其等同物中進行限制。
【主權項】
1.一種用於保護線路免於過電壓的結構，其特徵在於被配置用於保護第一線路和第二線路免於低於負閾值或者高於正閾值的過電壓，所述結構包括: 至少一個晶閘管，被連接在所述第一線路和所述第二線路中的每個線路與參考電勢之間； 其中，對於所有晶閘管: 與在柵極側的電極對應的金屬通過所述金屬的整個表面與對應的半導體區域相接觸；並且 所述柵極被直接連接到限定所述負閾值和所述正閾值之一的電壓源。2.根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述正閾值為零，所述結構包括: 所述第一線路和所述第二線路中的每個線路被耦合到二極體的陽極和陰極-柵極晶閘管的陰極，並且所述二極體的陰極和所述晶閘管的陽極被耦合到所述參考電勢； 共用負電壓源，被連接到所述陰極-柵極晶閘管的兩個柵極。3.根據權利要求2所述的結構，其特徵在於，所述陰極-柵極晶閘管和所述二極體被形成在同一單片部件中。4.根據權利要求1所述的結構，其特徵在於: 所述第一線路和所述第二線路中的每個線路被連接到陰極-柵極晶閘管的陰極和陽極-柵極晶閘管的陽極，所述陰極-柵極晶閘管的陽極和所述陽極-柵極晶閘管的陰極被耦合到所述參考電勢； 所述陰極-柵極晶閘管的柵極被直接連接到限定所述負閾值的共用負電壓源;並且 所述陽極-柵極晶閘管的柵極被直接連接到限定所述正閾值的共用正電壓源。5.根據權利要求4所述的結構，其特徵在於，所有晶閘管被形成在同一單片部件中。6.根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述電壓源中的至少一個電壓源是用於所述第一線路和所述第二線路的訂戶線接口電路的電源。7.根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述電壓源中的至少一個電壓源包括至少一個電池。8.—種過電壓保護電路，包括: 第一線路； 第二線路； 第一陽極-柵極晶閘管，具有被連接到所述第一線路的陽極和被連接到接地節點的陰極； 第二陽極-柵極晶閘管，具有被連接到所述第二線路的陽極和被連接到接地節點的陰極； 第一電壓供應，被配置為在輸出節點處輸出第一電勢和進一步在所述輸出節點處接收電流，其中所述輸出節點被連接到所述第一陽極-柵極晶閘管和所述第二陽極-柵極晶閘管的柵極端子。9.根據權利要求8所述的電路，其特徵在於，所述第一電壓供應是用於所述第一線路和所述第二線路的訂戶線接口電路的電源。10.根據權利要求8所述的電路，其特徵在於還包括: 第一陰極-柵極晶閘管，具有被連接到所述接地節點的陽極和被連接到所述第一線路的陰極； 第二陰極-柵極晶閘管，具有被連接到所述接地節點的陽極和被連接到第二線路的陰極； 第二電壓供應，被配置為在輸出節點處輸出第二電勢和進一步在所述輸出節點處接收電流，其中所述輸出節點被連接到所述第一陰極-柵極晶閘管和所述第二陰極-柵極晶閘管的柵極端子。11.根據權利要求10所述的電路，其特徵在於，所述第一電壓供應和所述第二電壓供應是用於所述第一線路和所述第二線路的訂戶線接口電路的電源。12.—種過電壓保護電路，包括: 第一線路； 第二線路； 第一陰極-柵極晶閘管，具有被連接到所述第一線路的接地節點的陽極和被連接到所述第一線路的陰極； 第二陰極-柵極晶閘管，具有被連接到所述接地節點的陽極和被連接到所述第二線路的陰極； 電壓供應，被配置為在輸出節點處輸出電勢和進一步在所述輸出節點處接收電流，其中所述輸出節點被連接到所述第一陰極-柵極晶閘管和所述第二陰極-柵極晶閘管的柵極端子。13.根據權利要求12所述的電路，其特徵在於包括: 第一二極體，具有被連接到所述第一線路的陽極和被連接到所述接地節點的陰極；以及 第二二極體，具有被連接到所述第二線路的陽極和被連接到所述接地節點的陰極。14.根據權利要求12所述的電路，其特徵在於，所述電壓供應是用於所述第一線路和所述第二線路的訂戶線接口電路的電源。
【文檔編號】H02H9/04GK205724872SQ201620153580
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年2月29日
【發明人】J-M·西莫內, C·巴龍
【申請人】意法半導體(圖爾)公司