一種過電壓保護系統的製作方法

2023-07-14 05:53:01 1

一種過電壓保護系統的製作方法
【專利摘要】本申請涉及一種過電壓保護系統。在一個總的方面，本申請提供一種過電壓保護系統，其包括輸入端子；過電壓保護裝置，所述過電壓保護裝置連接至所述輸入端子且被配置成經由所述輸入端子接收能量，所述過電壓保護裝置在環境溫度下具有低於源的目標最大工作電壓的擊穿電壓，所述源被配置成在所述輸入端子處被接收；以及輸出端子，所述輸出端子連接至所述過電壓保護裝置及負載。
【專利說明】一種過電壓保護系統

【技術領域】
[0001]本申請涉及一種過電壓保護系統。

【背景技術】
[0002]可使用諸如瞬態電壓抑制(TVS)裝置的過電壓保護裝置來保護集成電路(例如，下遊集成電路)不受不期望的電源狀況(如，過電壓狀況)的影響。過電壓保護裝置可能沒有針對其要保護的集成電路被正確地調準。因此，針對過電壓保護選擇的過電壓保護裝置可能無法以所需的方式提供對集成電路的過電壓保護。例如，未與要保護的集成電路正確地匹配的過電壓保護裝置的容差誘髮型死點(tolerance induced dead spots)可導致不期望的過電壓保護。可能出現各種無規律的失效模式和/或對預期用於在輸入電源埠處進行保護的集成電路的損壞。因此，需要用以解決目前技術的不足並提供其他新穎和創新特徵的系統、方法和設備。
實用新型內容
[0003]在一個總的方面，本申請公開了一種過電壓保護系統，包括:輸入端子；過電壓保護裝置，所述過電壓保護裝置連接至所述輸入端子且被配置成經由所述輸入端子接收能量，所述過電壓保護裝置在環境溫度下具有低於源的目標最大工作電壓的擊穿電壓，所述源被配置成在所述輸入端子處被接收；以及輸出端子，所述輸出端子連接至所述過電壓保護裝置及負載。
[0004]在一些實施例中，所述擊穿電壓為額定擊穿電壓，所述過電壓保護裝置在高於所述環境溫度的溫度下具有浮動擊穿電壓額定值，所述浮動擊穿電壓大於或等於所述目標最大工作電壓。
[0005]在一些實施例中，所述擊穿電壓為在初始電流下的額定擊穿電壓，所述過電壓保護裝置在高於所述初始電流的穩定電流下具有浮動擊穿電壓額定值，所述浮動擊穿電壓額定值大於或等於所述目標最大工作電壓。
[0006]在一些實施例中，在所述環境溫度下的所述擊穿電壓低於在所述輸入端子處的所述目標最大工作電壓的95 %。
[0007]在一些實施例中，所述擊穿電壓為在初始電流下的額定擊穿電壓，所述過電壓保護裝置響應於在所述源和所述負載工作期間經由所述輸入端子接收的所述能量而具有高於所述額定擊穿電壓的穩態擊穿電壓。
[0008]在一些實施例中，所述目標最大工作電壓為在一規範內指定的系統電壓。
[0009]在一些實施例中，所述能量為來自電源的充電電壓。
[0010]在一些實施例中，所述輸入端子、所述過電壓保護裝置以及所述輸出端子包括在行動電話中。
[0011]在一些實施例中，所述輸入端子、所述過電壓保護裝置和所述輸出端子包括在電信裝置中。
[0012]在一些實施例中，所述過電壓保護裝置是瞬態電壓抑制裝置，所述瞬態電壓抑制裝置包括:所述瞬態電壓抑制裝置的半導體部分；輸入導電部件，所述輸入導電部件具有包含在所述瞬態電壓抑制裝置的所述半導體部分的輸入端子中的部分並且具有第一熱傳遞屏障；以及輸出導電部件，所述輸出導電部件包含在所述瞬態電壓抑制裝置的所述半導體部分的輸出端子中並且具有第二熱傳遞屏障。
[0013]在一些實施例中，連接至所述輸入導電部件的所述部分具有第一寬度，並且所述第一熱傳遞屏障具有不同於所述第一寬度的第二寬度，使得來自所述瞬態電壓抑制裝置的熱傳遞得以降低。
[0014]在一些實施例中，連接至所述輸入導電部件的所述部分沿著第一平面對準，所述第一熱傳遞屏障沿著與所述第一平面不平行的第二平面對準。
[0015]在一些實施例中，所述熱傳遞屏障由所述輸入導電部件中的至少一個凹口限定。
[0016]在一些實施例中，連接至所述輸入導電部件的所述部分包括一材料，所述材料的導熱率高於在所述熱傳遞屏障中包括的材料的導熱率。
[0017]在一些實施例中，所述第一熱傳遞屏障和所述第二熱傳遞屏障被配置成在工作期間改變來自所述瞬態電壓抑制裝置的熱傳遞的速率，使得用於將所述瞬態電壓抑制裝置加熱至所述瞬態電壓抑制裝置的目標擊穿電壓的穩定電流的量得以降低。
[0018]在附圖和以下說明中給出了一個或多個具體實施的細節。其他特徵從說明和附圖中以及從權利要求中將顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為示出了旨在保護負載不受過電壓狀況影響的過電壓保護裝置的示意圖。
[0020]圖2A示出了圖1所示過電壓保護裝置的過電壓裝置工作點的實例。
[0021]圖2B為示出了通過圖1所示過電壓保護裝置的穩定電流的示意圖。
[0022]圖2C和2D示出了根據實施例的設計場景。
[0023]圖3A至圖3D為示出了根據一實施例的過電壓保護裝置的示意圖。
[0024]圖4為示出了根據一實施例的另一過電壓保護裝置的另一實例的框圖。
[0025]圖5為示出了根據一實施例的另一過電壓保護裝置的又一實例的框圖。
[0026]圖6為示出了過電壓保護裝置的示例性溫度係數與過電壓保護裝置的擊穿電壓的關係的不意圖。
[0027]圖7A和7B與過電壓保護裝置的具體示例性構造及負載有關。
[0028]圖8為示出了用於選擇瞬態電壓抑制裝置的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0029]圖1為示出了旨在保護負載140 (例如，下遊集成電路)不受過電壓狀況(還可稱為過電壓事件)影響的過電壓保護裝置100的示意圖。過電壓保護裝置100可為連接至負載140的輸入電源保護部件(未示出)的部分。如圖1所示，過電壓保護裝置100和負載140包括在計算裝置170中。計算裝置170可被配置成連接至源130 (還可稱為電源)，源130被配置成向計算裝置170供電。在一些實施例中，過電壓保護裝置100可被配置成向負載140提供保護，該保護必須在考慮源130的工作點(例如，期望工作點)的情況下實現。
[0030]如圖1所示，過電壓保護裝置100連接至輸入端子(例如，埠 ) IN和輸出端子(例如，埠)0UT。負載140經由輸出端子OUT連接至過電壓保護裝置100。在一些實施例中，輸入端子IN可為計算裝置170的輸入端子。可經由輸入端子IN、過電壓保護裝置100及輸出端子OUT接收提供至負載140的電源。可經由輸入端子IN從源130處接收提供至負載140的電源。
[0031]過電壓保護裝置100被配置成響應於諸如電壓尖峰(與電源噪聲或其他瞬態電源事件有關)的不期望電源狀況(其可包括過電壓狀況)而使能量從負載140分流出去。在該實施例中，可將能量分流至地或至不同於地的另一電壓。在一些實施例中，過電壓保護裝置100可被配置成基於一種或多種電壓狀況(例如，在指定時間段內維持的電壓水平，超過閾值電壓的電壓)來保護負載140不受由例如電源(未示出)產生的電壓的影響。
[0032]在一些實施例中，源130可為電池、電源、發電機、包括在連接至(例如，接插到)例如電源插座中的電源適配器(或電源轉換器)中的一個或多個部件，和/或其他。例如，在一些實施例中，提供至負載140(以及通過過電壓保護裝置100)的能量(例如，電壓、充電電壓)可來自例如充電適配器。作為另一具體實例，在一些實施例中，源130可為任何類型的電源，例如，開關電源、直流(DC)電源、交流(AC)電源和/或其他。作為又一具體實例，在一些實施例中，源130可包括這樣的電源，其可為任何類型的電源，例如，直流(DC)電源，諸如電池、燃料電池和/或其他。
[0033]在傳統保護解決方案中，TVS裝置的擊穿電壓(BV)是在電流下指定的，其中所述電流為脈動或相對較低，(因為)測試方法要避免結點發熱。如此，傳統擊穿電壓額定值為環境溫度擊穿電壓額定值。因此，在傳統系統設計中，選擇使得擊穿電壓額定值高於源的最大工作電壓的TVS裝置。在本設計方法中，由於部件容差的存在，在最大源電壓與最大TVS擊穿電壓之間通常存在明顯差距一從而需要將受保護負載配置成在明顯高於期望電壓的電壓下工作。與本方法有關的更多詳情在例如圖2D中示出。
[0034]根據本文描述的實施例，利用浮動擊穿電壓TVS設計來處理系統，其中傳統擊穿電壓額定值可低於最大源工作電壓。例如，根據本文所描述的實施例，過電壓保護裝置100可被配置使得即使在工作期間過電壓保護裝置100的特徵(例如擊穿電壓)發生改變(例如，漂移)的情況下，過電壓保護裝置100亦可保護負載140。具體地，過電壓保護裝置100可被配置成考慮補償過電壓保護裝置100的漂移以使得可由過電壓保護裝置100在源130的目標工作點(或工作窗口)(例如，最大目標工作點)下保護負載140。例如，可大致或完全消除在源130的最大源電壓與過電壓保護裝置100向負載140提供保護(例如，使能量從負載140分流出去)的點之間的容差死點。在一些實施例中，可將過電壓保護裝置100配置(例如，根據預期源130工作點、預期負載140工作點而配置)為具有已知水平的漂移，以使得在負載140處於目標工作點和/或在源130處於目標工作點(例如，最大源電壓)時，可由過電壓保護裝置100保護負載140。當在(源130和/或負載140的)目標工作點時，過電壓保護裝置100可達到穩態(例如，熱穩態)，這使得電壓保護裝置100提供所需水平的保護。
[0035]例如，如果過電壓保護裝置100為瞬態電壓抑制(TVS)裝置(還可稱為瞬態電壓抑制器)或雪崩擊穿裝置或齊納二極體，則TVS 二極體可被配置成在TVS 二極體的擊穿電壓下使能量從負載140分流(並將電壓鉗制)。具體地，TVS 二極體可被配置為使得當在穩態擊穿電壓(其可稱為穩態浮動擊穿電壓)下時，TVS 二極體的擊穿電壓與源130的最大源電壓相一致(例如，TVS 二極體的擊穿電壓大約等於、稍高於源130的最大源電壓)。在一些實施例中，源130的最大源電壓可為源130的目標最大源電壓。源130的最大源電壓可處於負載140的目標工作點(或工作窗口)，或者可在負載140的目標工作點(或工作窗口)內。在一些實施例中，穩態擊穿電壓可稱為目標擊穿電壓。在一些實施例中，可將最大源電壓指定在與源130(和/或負載140)相關的規範(例如，系統規範)內。在一些實施例中，源130的最大源電壓可為一使得負載140可安全地工作而不會以不期望方式受損的電壓。在一些實施例中，負載140的最大工作電壓(還可稱為最大負載電壓)大於或等於源130的最大源電壓。當源130正在最大源電壓下工作時，TVS 二極體的自熱可導致擊穿電壓穩定在大約等於源130的最大源電壓的電壓處。具體地，當TVS 二極體在計算裝置170和源130的工作期間達到熱穩態時，TVS 二極體的擊穿電壓可大約等於(或被配置成等於)源130的最大源電壓。因此，當負載140處於目標工作點(或工作窗口)或者在目標工作點(或工作窗口)內時，可將TVS 二極體配置為具有與源130的最大源電壓一致的擊穿電壓。在初次啟動源130時，TVS 二極體可受熱，導致TVS 二極體的擊穿電壓增大(例如，動態增大)，直至TVS 二極體達到熱穩態。
[0036]作為根據本文實施例的一具體實例，在I毫安(mA)的電流下以及在環境溫度(例如，大約25°C的溫度)下，過電壓保護裝置100可被額定為具有34.5V的擊穿電壓範圍，且源130可具有35V的最大源電壓。源130的35V的最大源電壓可在負載140的允許工作窗口內，或者可處於負載140的允許工作窗口的上邊界。由於使用傳統設計技術將要求TVS的擊穿電壓高於最大穩態源工作電壓，因此過電壓保護裝置100將表現為不與源適當地匹配。但是在計算裝置170和源130在源130的最大源電壓下工作期間，可將0.05mA的電流通過(或提供至)過電壓保護裝置100，導致自熱以及55°C的穩態溫度。在0.05mA的電流和55°C的溫度下，過電壓保護裝置100的擊穿電壓可(以一正溫度係數)增大至35.0V的穩態擊穿電壓，該穩態擊穿電壓大約等於源130的最大源電壓。因此，過電壓保護裝置100將立即保護負載140不受到超過源130的35V最大源電壓的輸入電壓的影響。
[0037]如本實例所示，擊穿電壓響應於源電壓的改變而從第一擊穿電壓改變(例如，浮動)至第二擊穿電壓。第一擊穿電壓可稱為額定擊穿電壓或初始擊穿電壓，而第二擊穿電壓可稱為浮動擊穿電壓或目標最大擊穿電壓。過電壓保護裝置100依賴於正溫度係數特性來運用本文所描述的保護技術。在較低的電壓系統(例如，在約5V的電壓下工作的系統)中，過電壓保護裝置可具有可能妨礙本文所述的設計技術的負溫度係數。
[0038]相比之下，在使用傳統設計技術的情況下，如果源具有35V的最大源電壓，則設計者將找到具有35V或更大的最小擊穿電壓的TVS。考慮到典型容差，這可能需要選擇具有37V典型擊穿電壓的裝置。因此，過電壓保護裝置將不會開始鉗制源的電壓輸出並保護負載不受超過源的35V最大源電壓的輸入電壓的影響。過電壓保護裝置的37V的擊穿電壓與源的35V的最大源電壓之間的差可稱為死區。
[0039]在一些實施例中，在計算裝置170在源130的源電壓下(和/或在負載140的目標工作點(或工作窗口)下)工作期間通過過電壓保護裝置100的電流可稱為穩定電流(或可稱為平衡電流或穩態電流)。在一些實施例中，在計算裝置170在源130的最大源電壓下(和/或在負載140的最大工作點下)工作期間通過過電壓保護裝置100的電流可稱為最大穩定電流(或可稱為最大平衡電流或最大穩態電流)。類似地，在過電壓保護裝置100的穩定電流下且在源130的源電壓下(和/或在負載140的目標工作窗口內)的過電壓保護裝置100的溫度可稱為穩定或穩態溫度。在一些實施例中，在過電壓保護裝置100的穩定電流下且在源130的最大源電壓下(和/或在負載140的最大工作窗口下)的過電壓保護裝置100的溫度可稱為最大穩定溫度或最大穩態溫度。
[0040]在一些實施例中，源130的最大源電壓可導致過電壓裝置工作點(或窗口)，該過電壓裝置工作點(或窗口)包括過電壓保護裝置100的指定溫度、通過過電壓保護裝置100的指定穩定電流、穩態或穩定溫度和/或其他。如果與溫度和電壓有關，則在源130的最大源電壓下的過電壓(OV)裝置工作點(或窗口)可稱為最大熱電工作點(或窗口)。如果與過電壓保護裝置100有關而被提及，則熱電工作點可稱為最大過電壓熱電工作點。具體地，可將過電壓保護裝置100配置為使得過電壓保護裝置100將通過使用能量以達到在源130的典型工作期間將存在的過電壓保護裝置100的溫度和/或通過過電壓保護裝置100的指定穩定電流，來分流來自源130的能量，以便穩定其BV。換句話講，可將過電壓保護裝置100配置為使得過電壓保護裝置100將使能量從源130分流出去以達到所需的熱電工作點。
[0041]圖2A示出了圖1所示過電壓保護裝置100的過電壓裝置工作點W的實例。在圖2A所示的圖中，沿著第一 y軸示出(例如，由源130提供的)漸增源電壓，且沿著X軸示出過電壓保護裝置100的溫度(其可能為過電壓保護裝置100的結點溫度)。過電壓保護裝置的漸增擊穿電壓沿著第二 y軸示出。如圖2A所示，源130具有最大源電壓Vmax及典型源電壓Vtyp。過電壓保護裝置100具有隨溫度升高而增大的擊穿電壓21 (例如，穩態擊穿電壓)。在一些實施例中，過電壓保護裝置100的溫度可為過電壓保護裝置100的結點(例如，PN結)溫度，可為過電壓保護裝置100周圍的環境溫度，或可為過電壓保護裝置100的殼體的溫度。在一些實施例中，負載140的目標工作電壓可具有大於或等於源130的最大源電壓Vmax的上邊界和/或等於或小於源130的典型源電壓Vtyp的下邊界。
[0042]如圖2A所示，過電壓裝置工作點W處於溫度T2。儘管圖2A中未示出，但過電壓裝置工作點W可與負載140的目標工作點(未示出)(例如，目標工作電壓、目標工作溫度和/或其他)一致。在一些實施例中，目標工作點W可包括在負載140的目標工作窗口(未示出)中。
[0043]如圖2A所示，過電壓保護裝置100的擊穿電壓21被配置使得如果由源130提供的輸入電壓從典型(或目標)源電壓Vtyp處增大，則過電壓保護裝置100將在輸入電壓達到源130的最大源電壓Vmax時或之前將能量從源130分流出去。具體地，在該實施例中，過電壓保護裝置100的擊穿電壓21被配置為使得在由源130提供的電壓處於最大源電壓Vmax時，過電壓保護裝置100將在V2的擊穿電壓下分流電流能量。由於過電壓保護裝置100的擊穿電壓21 (其與負載140的目標工作點一致)處於或低於源130的最大源電壓，因此過電壓保護裝置100將能量從源130分流出去。通過將能量從源130分流出去，過電壓保護裝置100將自熱，並使其浮動擊穿電壓上升以達到並保持工作點W。在一些實施例中，與源130的最大源電壓一致的擊穿電壓21 (其示出為大約為擊穿電壓V2)可稱為目標擊穿電壓。儘管圖2A中未示出，但在一些實施例中，擊穿電壓21可與一定範圍內的擊穿電壓或擊穿電壓容差(例如，±5%的擊穿電壓容差)相關。
[0044]在包括過電壓保護裝置100和負載140在內的電路工作期間，通過過電壓保護裝置100的穩定電流將使過電壓保護裝置100的溫度保持在過電壓裝置工作點W處。換句話講，通過過電壓保護裝置100的穩定電流可限定過電壓裝置工作點W。換言之，穩定電流(或平衡電流)可將過電壓保護裝置的結點加熱至工作DC溫度。保持V2的擊穿電壓所需的穩定電流的大小將基於環境溫度以及包括裝置的導熱率在內的其他設計因素。圖2B為示出了通過圖1所示過電壓保護裝置100的、基於環境溫度保持所需擊穿電壓V2對應於Vmax源電壓所需的穩定電流25的示意圖。如圖2B所示,通過過電壓保護裝置100的穩定電流25隨著環境溫度升高而減小。在一些實施例中，穩定電流25可與一定範圍內的穩定電流或穩定電流容差(例如，±5%的穩定電流容差)相關。
[0045]在一些實施例中，穩定電流的電流範圍可改變數毫安且隨著超過10°C的溫度改變而改變。在一些實施例中，穩定電流的電流範圍可改變少於或多於數毫安且隨著超過10°c的溫度改變而改變。例如，在一些實施例中，穩定電流的電流範圍可改變大約10毫安且隨著大約100°C的溫度改變而改變。在一些實施例中，穩定電流相對於溫度的改變可基於源電壓而不同。例如，穩定電流相對於溫度的改變可隨著源電壓增大而增大。儘管圖2B所示的關係為線性關係，但在一些實施例中，穩定電流隨著溫度的改變可為非線性關係。
[0046]在一些實施例中，穩定電流可基於(來自源的)輸入電壓、過電壓保護裝置的擊穿電壓、過電壓保護裝置的擊穿電壓的溫度係數、結點對空氣的熱阻(Θ1Α)和/或其他。在一些實施例中，一旦設定了輸入電壓(例如，最大源電壓)並且設定了過電壓保護裝置的擊穿電壓，則可將過電壓保護裝置的結點溫度(T1)配置為使得所需穩定電流與環境溫度或過電壓保護裝置的溫度成反比且與9卩成正比。在一些實施例中，利用較低的封裝及板導熱率(例如，更高的Θ1Α)，可以降低(或最小化)穩定電流。有關0#的更多細節在下文中討論。
[0047]重新參考圖2Α，溫度Tl為過電壓保護裝置100被額定為擊穿(例如，在傳統的室溫規範中被額定為擊穿)的溫度。在溫度Tl下，擊穿電壓21處於額定擊穿電壓VI。如圖2Α所不,處於額定擊穿電壓Vl的擊穿電壓21明顯低於負載140的最大源電壓Vmax。由於過電壓保護裝置100的擊穿電壓21隨著過電壓保護裝置的溫度升高而增大，因此額定室溫擊穿電壓Vl不能用作指導。Tl下的擊穿電壓21小於Vmax，因此過電壓保護裝置的溫度升高直至T2下的擊穿電壓等於(或大約等於)Vmax。在一些實施例中,額定擊穿電壓可為最大源電壓Vmax的大約95 %。在一些實施例中，額定擊穿電壓可大於或小於最大源電壓Vmax的 95%。
[0048]圖2A還示出了常規過電壓保護裝置(未示出)的擊穿電壓22，該常規過電壓保護裝置在溫度Tl下具有等於源130的最大源電壓Vmax的額定擊穿電壓。在傳統裝置中，由於裝置容差的存在，擊穿電壓22通常在溫度Tl下高於源電壓(Vmax)。如圖2A所示，常規過電壓保護裝置的擊穿電壓22隨著溫度升高而增大。但是，如圖2A所示，由於常規過電壓保護裝置在溫度Tl下的額定擊穿電壓等於源130的最大源電壓，因此常規過電壓保護裝置在溫度T2(其在操作點W處)下的擊穿電壓明顯高於源130的最大源電壓Vmax。因此，常規過電壓保護裝置將不會向負載140提供保護，直至源130的電壓遠遠超過最大源電壓Vmax。使得常規電壓保護裝置將電流從負載140分流出去的電壓與源130的最大源電壓Vmax之間的差可稱為死區或死點。這個死區需要負載140被設計為耐受相應更高的電壓。
[0049]如圖2A所示，經調準而以與負載140的目標工作點相關的穩定電流工作的過電壓保護裝置100通過消除與常規過電壓保護裝置相關的容差誘髮型死區來改善鉗制保護。在一些具體實施中，如果環境溫度超過例如溫度T2，則對於具有擊穿電壓特性21的過電壓保護裝置而言，在源處於Vmax時，所需穩定電流將大約為零。
[0050]重新參照圖1，通過過電壓保護裝置100的可與穩態溫度和擊穿電壓對應的穩定電流可基於由源130提供到過電壓保護裝置100中(和/或到計算裝置170中)的輸入電壓。在一些實施例中，通過過電壓保護裝置100的穩定電流可基於過電壓保護裝置100的擊穿電壓或洩露。在一些實施例中，通過過電壓保護裝置100的穩定電流可基於過電壓保護裝置100的散熱能力和/或過電壓保護裝置100的熱係數。過電壓保護裝置100的散熱能力可由結點對空氣的熱阻(Θ JA)來表示。相對較高的Θ可將過電壓保護裝置100保持在穩態溫度下。下文結合例如圖3A至圖3D更詳細地描述過電壓保護裝置的ΘΜ。
[0051]在一些實施例中，將電源用於加熱過電壓保護裝置100的結點以使擊穿電壓(Vz)上升至輸入電壓水平。隨著(計算裝置的)環境溫度升高，為使過電壓保護裝置100的結點溫度保持升高而所需要的電源(或穩定電流)的量開始下降，直至不需要對結點進行內部加熱的某個點。
[0052]重新參照圖1，負載140可包括一個或多個電子部件(例如，傳感器、電晶體、微處理器、專用集成電路(ASIC)、分立部件、電路板)，這些電子部件可能會由於相對快速的電壓增大而以不期望的方式被損壞。因此，輸入電源保護裝置100可被配置成檢測並防止這些相對較快的電壓增大損壞負載140和/或與負載140相關的其他部件(例如電路板)。
[0053]如圖1所示，過電壓保護裝置100和負載140可包括在(例如，集成到)計算裝置170中。在一些實施例中，計算裝置170可為例如計算機、個人數字助理(PDA)、行動電話、主機、電子測量裝置、數據分析裝置、電信裝置、配置為防雷保護的裝置、手機、電子裝置和/或其他。
[0054]在一些實施例中，過電壓保護裝置100可被配置成將導電狀態從電壓調節狀態改變至短路狀態(例如，高導電/低電阻狀態)。當處於電壓調節狀態時，過電壓保護裝置100可被配置成將過電壓保護裝置(及下遊負載)兩端的電壓限制(例如，鉗制)在閾值電壓(例如，電壓限值、鉗位電壓)。例如，如果過電壓保護部分為或者包括TVS 二極體，則當處於電壓調節狀態時，TVS 二極體可被配置成將TVS 二極體兩端的電壓限制在TVS擊穿電壓。在一些實施例中，TVS 二極體可以是用任何類型的半導體材料的PN結(其由P型半導體和η型半導體形成或與它們相關)形成的半導體裝置，所述任何類型的半導體材料例如矽(例如摻雜矽)、砷化鎵、鍺、碳化矽，和/或其他。
[0055]在一些實施例中，輸入電源保護裝置100的過電壓保護裝置100可為或可包括例如任何類型的瞬態電壓抑制器。在一些實施例中，過電壓保護裝置100可為或可包括例如任何類型的被配置成在電壓調節狀態(響應於電壓改變)和短路狀態(響應於溫度改變)之間改變的裝置。在一些實施例中，可將過電壓保護裝置100配置成在電壓調節狀態與短路狀態之間可逆地或不可逆地改變。在一些實施例中，輸入電源保護裝置100的過電壓保護裝置100可包括一個或多個TVS 二極體、一個或多個金屬氧化物變阻器和/或其他。
[0056]圖2C為示出了與源相關的源工作電壓範圍290重疊在計算裝置中所包括的負載的負載工作電壓範圍294上的示意圖。圖2C還示出了 TVS裝置擊穿容差範圍292重疊在負載工作電壓範圍294上。負載工作電壓範圍294大於(例如，寬於)源工作電壓範圍290和TVS裝置擊穿容差範圍292。
[0057]可將TVS裝置設計使得TVS裝置的擊穿電壓從環境溫度下的擊穿電壓Wl (例如，第一擊穿電壓、初始擊穿電壓、額定擊穿電壓)增大至與源的最大源電壓Yl—致的擊穿電壓W2(在穩定電流下)(例如，浮動擊穿電壓、最大擊穿電壓)。因此，TVS裝置將在大約擊穿電壓W2下將能量(例如，電流)從負載分流出去。由於TVS裝置在W2下的擊穿電壓大約等於最大源工作電壓Yl，因此可將負載工作電壓範圍294的最大電壓Xl降低至設計保護裕度Ql內，例如更接近最大源工作電壓Yl的最大電壓X2。較之於必須以諸如最大電壓Xl的更高最大電壓工作的負載的設計，最大電壓X2的降低可使得在設計負載時的成本節省。儘管圖2C未示出，但在一些實施例中，TVS裝置擊穿容差範圍292可超過最大源工作電壓Yl0
[0058]在不採用本文所述的設計原理的情況下，可將結合圖2C示出的工作範圍修改為圖2D所示的配置。如圖2D所示，將設計保護裕度Ql明顯降低至最大負載電壓Xl與TVS裝置容差範圍292的最大擊穿電壓之間的範圍。另外，形成從最大源電壓Yl到TVS裝置的實際擊穿電壓W4的Q2的容差誘髮型死區。在圖2D所示的示意圖中，TVS裝置的最大工作電SVm W3設計為高於最大源電壓Y1。因此，較之於圖2C所示，必須將負載被設計為維持的最大電壓保持得相對較高。
[0059]圖3A至圖3D為示出了根據一實施例的過電壓保護裝置300的示意圖。過電壓保護裝置300包括半導體部分320和導電部件32、33。半導體部分320可為例如製作在矽襯底中的瞬態電壓抑制器(例如，TVS 二極體)。如圖3A所示，導電部件32連接至半導體部分320的頂側且導電部件33連接至半導體部分320的底側。過電壓保護裝置300為遠側部分302和近側部分304。
[0060]導電部件32、33中的任一者可用作輸入導電部件或輸出導電部件。例如，如果導電部件32正用作輸入導電部件，則可將導電部件32連接至半導體部分320的輸入側。相應地，導電部件33可以正用作輸出導電部件，且可將導電部件33連接至半導體部分320的輸出側。類似地，導電部件32可用作輸出導電部件，而導電部件33可用作輸入導電部件。圖3B為示出了過電壓保護裝置300的頂視圖的示意圖。
[0061]傳統TVS封裝通常設計成使從管芯320至外部環境的導熱率最大化。對於作為本文所述實施例的部分的所設計封裝而言，情況不是這樣。如圖3A所示，導電部件32、33可各自包括熱傳遞屏障。導電部件32包括熱傳遞屏障34，導電部件33包括熱傳遞屏障35。熱傳遞屏障被配置成防止或顯著最小化從半導體部分320向外界(例如，印刷電路板)散發的熱量。換句話講，熱傳遞屏障可在過電壓保護裝置300工作期間有助於保持半導體部分320的溫度(例如，響應於穩定電流的穩態溫度)。隨著過電壓保護裝置300的熱量滯留能力增加，為將過電壓保護裝置300保持在指定過電壓裝置工作點(例如，過電壓裝置工作溫度)而所需要的穩定電流可降低。過電壓保護裝置的封裝可設計為具有相對較高的熱容量但是降低的導熱率，以實現具有高鉗制能力以及相對較低的穩定平衡電流需求的解決方案。因此，在保護負載不受源的影響時，過電壓保護裝置300可以所需的方式在指定過電壓裝置工作點(例如，過電壓裝置工作溫度)下保持工作。熱傳遞屏障34、35可被配置成在不抑制(或基本上不抑制)電傳導的情況下防止(或基本上防止)熱傳遞。
[0062]過電壓保護裝置300散熱的能力可由結點對環境的熱阻(Θ JA)來表示。較高的9#可表示較低的散熱能力。穩定電流可與Θ1Α成比例，使得較高的Θ1Α導致較低的穩定電流。在一些實施例中，導電部分33具有連接至半導體部分320的部分，該部分所包括的材料的導熱率高於、低於或等於熱傳遞屏障35中所包括的材料的導熱率。在一些實施例中，導電部分32具有連接至半導體部分320的部分，該部分所包括的材料的導熱率高於、低於或等於熱傳遞屏障34中所包括的材料的導熱率。
[0063]具體地，如圖3C (其為過電壓保護裝置300的遠視圖)所示，導電部件33包括熱傳遞屏障35。在該實施例中，熱傳遞屏障35由導電部件33的兩個凹口部分(留下相對較小的熱傳遞表面積)限定，所述兩個凹口部分基本上防止熱量從半導體部分320通過導電部件33散發至例如印刷電路板(PCB)(未示出)。換句話講，熱傳遞屏障35可保持或基本上保持半導體部分320中的熱量。如圖3C所示，包括在導電部件33中的熱傳遞屏障35的寬度Al比半導體部分320的寬度Α2和/或導電部件33的寬度A3 (和/或平均寬度)窄。
[0064]如圖3D (其為過電壓保護裝置300的近視圖)所示，導電部件32包括熱傳遞屏障34。在該實施例中，熱傳遞屏障34包括導電部件32的單個凹口部分(留下相對較小的熱傳遞表面積)，所述單個凹口部分基本上防止熱量從半導體部分320通過導電部件32散發至例如印刷電路板(PCB)(未示出)。換句話講，熱傳遞屏障34可保持或基本上保持半導體部分320中的熱量。如圖3D所示，包括在導電部件32中的熱傳遞屏障34的寬度BI比半導體部分320的寬度Β2和/或導電部件32的寬度Β3(和/或平均寬度)窄。
[0065]在該實施例中，熱傳遞屏障34和35沿著與導電部件32和33的連接至半導體部分320的部分不平行的平面對準。在一些實施例中，熱傳遞屏障34和35沿著與導電部件32和33的連接至半導體部分320的部分垂直(或大致垂直)的平面對準。
[0066]儘管示出為具有凹口(或凹部)，但在一些實施例中，導電部件32、33中的一者或多者可具有採用不同形狀或輪廓的熱傳遞屏障。例如，導電部件32、33中的一者或多者可具有彎曲部分、開口(其導致減小的表面積)和/或其他。在一些實施例中，導電部件32、33中的一者或多者可具有多個熱傳遞屏障。在一些實施例中，導電部件32、33中的僅一者可具有熱傳遞屏障。
[0067]圖4為示出了根據一實施例的另一過電壓保護裝置400的另一實例的方框圖。如圖4所示，過電壓保護裝置400包括半導體部分420 (例如，TVS裝置)和散熱部件430。過電壓保護裝置400還包括可被配置成在不抑制(或基本上不抑制)電傳導的情況下防止(或基本上防止)熱傳遞的熱傳遞屏障44、45。熱傳遞屏障44、45(其可為導電部件)中的任一者可用作輸入導電部件或輸出導電部件。
[0068]熱傳遞屏障45可連接至(例如，電連接至)半導體部分420，且熱傳遞屏障44可連接至(例如，電連接至)散熱部件430。具體地，散熱部件430 (具有相對較高的導熱率)設置在(例如，電氣地設置在)熱傳遞屏障44 (具有相對較低的導熱率)與半導體部分420之間，而半導體部件420直接連接至熱傳遞屏障45。在一些實施例中，散熱部件430可具有比熱傳遞屏障44和/或熱傳遞屏障45的導熱率更高的導熱率。
[0069]散熱部件430被配置成在例如浪湧或瞬態能量事件期間(基於相對較高的導熱率)將熱量抽吸離開半導體部分420。但是，熱傳遞屏障44、45的相對較低的導熱率有利於為使半導體部分420的溫度上升並因此使半導體部分420的擊穿電壓上升至目標水平而所需要的相對較低的穩定電流。
[0070]在一些實施例中，散熱部件430可設置在半導體部分420的僅一部分上面。換句話講，散熱部件430的表面積可不同於半導體部分420的表面積。
[0071]儘管未示出，但在一些實施例中，在半導體部分420的與散熱部件430相對的一側上可包括一個或多個散熱部件。在此類實施例中，半導體部分420可設置在散熱部件430與其它的散熱部件之間。在此類實施例中，其它的散熱部件可直接連接至熱傳遞屏障45 (且設置在半導體部分420與熱傳遞屏障45之間)。
[0072]圖5為示出了根據一實施例的另一過電壓保護裝置500的又一實例的方框圖。如圖5所示，過電壓保護裝置500包括半導體部分520 (例如，TVS裝置)和散熱部件530。過電壓保護裝置500還包括可被配置成在不抑制(或基本上不抑制)電傳導的情況下防止(或基本上防止)熱傳遞的熱傳遞屏障54、55。熱傳遞屏障54、55(其可為導電部件)中的任一者可用作輸入導電部件或輸出導電部件。
[0073]熱傳遞屏障55可連接至(例如，電連接至)半導體部分520，且熱傳遞屏障54可連接至(例如，電連接至)散熱部件530。具體地，散熱部件530 (具有相對較高的導熱率)設置在(例如，電氣地設置在)熱傳遞屏障54 (具有相對較低的導熱率)與半導體部分520之間，而半導體部件520直接連接至熱傳遞屏障55。在一些實施例中，散熱部件530可具有比熱傳遞屏障54和/或熱傳遞屏障55的導熱率更高的導熱率。
[0074]散熱部件530被配置成在例如浪湧或瞬態能量事件期間(基於相對較高的導熱率)將熱量抽吸離開半導體部分520。但是，熱傳遞屏障54、55的相對較低的導熱率有利於為使半導體部分520的溫度上升並因此使半導體部分520的擊穿電壓上升至目標水平而所需要的相對較低的穩定電流。
[0075]在一些實施例中，散熱片部件530可設置在半導體部分520的僅一部分上面。換句話講，散熱部件530的表面積可不同於半導體部分520的表面積。
[0076]儘管未不出，但在一些實施例中，在半導體部分520的與散熱部件530相對的一側上可包括一個或多個散熱部件。在此類實施例中，半導體部分520可設置在散熱部件530與額外的散熱部件之間。在此類實施例中，額外的散熱部件可直接連接至熱傳遞屏障55(且設置在半導體部分520與熱傳遞屏障55之間)。
[0077]圖6為示出了過電壓保護裝置的示例性溫度係數(TC)(以每攝氏度(V )的伏特數(V)計)與過電壓保護裝置(在指定溫度下)的擊穿電壓的關係的示意圖。如圖6所示，溫度係數為隨著擊穿電壓的增大而增大的正溫度係數。可將這個關係用於降低在特定裝置的工作電壓下的所需穩定電流。儘管未示出，但在一些實施例中，過電壓保護裝置的溫度係數與擊穿電壓的關係可為非線性的。
[0078]圖7A和7B與過電壓保護裝置(例如，TVS 二極體)以及具有16V的最大工作電壓的源的具體示例性構造相關。過電壓保護裝置和源的構造可與圖1所示的構造相同或類似。圖7A為示出了過電壓保護裝置的漸增擊穿電壓71與溫度的關係的曲線圖。過電壓保護裝置在ImA下具有14.7V的額定擊穿電壓。圖7B為示出了與將16V源施加至過電壓保護裝置相關的16V保持測試(或穩態工作電壓)的曲線圖。在該實例中，在過電壓保護裝置自熱時誘發初始鉗位電流，使得擊穿電壓穩定(例如，達到穩態擊穿電壓)。在該實施例中，過電壓保護裝置在大約125°C的溫度下穩定，這就導致如圖7A所示的大約16V的擊穿電壓。該擊穿電壓與源的16V的最大源電壓(如果最大源電壓用作設計點)匹配(或大致匹配)。如圖7B所示，由於在Θ JA為125°C/W的情況下，過電壓保護裝置穩定在大約小於60mA的穩定電流處，因此通過過電壓保護裝置的初始電流可相對較高(例如，大於2A)。在該特定實例中，在大約400秒時達到穩定(或穩態)。如該實例所示，過電壓保護裝置的自熱被用來支持用於在大約16V最大源電壓下保護負載的的擊穿電壓。儘管從最大源電壓方面描述了這些實例，但在一些實施例中，可基於負載的電壓(例如，最大負載電壓、典型負載電壓)來配置過電壓保護裝置。
[0079]重新參照圖1，可使用包括下文所闡述的方法在內的各種方法來選擇過電壓保護裝置100的特性。首先，識別源130的典型源電壓和最大源電壓。可選擇過電壓保護裝置100使得其最大浮動擊穿電壓大於或等於源130的最大源電壓。可識別過電壓保護裝置100在源130的典型源電壓下的穩定電流(其可為最大平衡電流)，並且還可識別在源130的典型源電壓下的穩定電流。最後，可識別負載140的下遊能力。應當驗證的是，負載140的最大工作電壓大於過電壓保護裝置130的最大額定擊穿電壓，並且大於過電壓保護裝置130的期望最大浮動擊穿電壓。一旦識別出負載140的最大工作電壓，便可確定過電壓保護裝置100的鉗制能力。上文所述的方法可表徵為熱電反饋迴路，該熱電反饋迴路以有源的方式將過電壓保護裝置100的擊穿電壓與源130的輸入工作最大源電壓匹配，以取消或最小化目標最大工作電壓與過電壓保護裝置100的激活(例如，開啟)之間的鉗制死空間。
[0080]作為負載140為電信背板的一具體實例，可將典型源電壓識別為48V並且可將目標最大源電壓識別為60V。可將過電壓保護裝置100選擇為在ImA下具有54V至60V的傳統擊穿規範並具有5%容差的裝置。可將在最大源電壓下的穩定電流(其可為最大平衡電流)識別為14mA，並且可將在48V的典型工作源處的漏電流識別為I μ A。最後，可將負載140的下遊能力識別為75V，並且可將鉗制性能識別為在75V下為5.5Α且具有440W的總受保護功率。儘管在最大源電壓方面描述了該實例，但在一些實施例中，可基於負載的電壓(例如，最大負載電壓、典型負載電壓)來配置過電壓保護裝置。
[0081]上文給出的方法與選擇過電壓保護裝置的常規方法形成對比，後者包括選擇具有比源的最大源電壓大的反向工作電壓(Vm)的裝置。可查看相關擊穿額定值和擊穿電壓與最高環境工作溫度的關係。如果使用這種常規方法，則在遠高於最大工作源電壓之前，可能不會開始鉗制(存在鉗制死點)，這就可能導致在源的最大源電壓與過電壓保護裝置之間形成顯著死區，該死區將不能為負載提供適當下遊保護。
[0082]如果在電信背板應用中採用上文所述的常規選擇方法，則可選擇在ImA下具有67V至74V的擊穿電壓並具有5%容差的裝置。此類裝置在65°C的工作溫度下的擊穿電壓可高達例如77V。在此類情況下，擊穿電壓將比為負載識別的最大75V的電壓高2V。
[0083]圖8為示出了用於選擇瞬態電壓抑制裝置的方法的流程圖。該方法可與為圖1所示的負載140選擇瞬態電壓抑制裝置100相關聯。
[0084]如圖8所示，可在包括負載的裝置的輸入端子處識別目標最大工作電壓(例如，目標最大源電壓)(方框810)。該裝置可為例如電信背板裝置、行動電話和/或其他。
[0085]可選擇這樣的連接至負載的過電壓保護裝置，其中該過電壓保護裝置具有大致等於目標最大工作電壓(例如，目標最大源電壓、目標最大負載電壓)的擊穿電壓並且其中該擊穿電壓在一工作點處，該工作點包括在負載的典型工作電壓下的穩定電流以及由該穩定電流誘發的溫度(方框820)。
[0086]在一些實施例中，可將過電壓保護裝置100集成到單個集成部件(例如，單個分立部件)中。在一些實施例中，可將過電壓保護裝置100集成到具有三個端子一輸入端子IN、輸出端子OUT及接地端子的單個封裝中。
[0087]本文所述的各種技術的具體實施可在數字電子電路中或在計算機硬體、固件、軟體中或在它們的組合中實現。方法的部分也可以通過專用邏輯電路(例如，FPGA(現場可編程門陣列)或ASIC(專用集成電路))執行，並且裝置可用專用邏輯電路(例如，FPGA(現場可編程門陣列)或ASIC(專用集成電路))來實現。
[0088]具體實施可在計算系統中實現，該計算系統包括後端部件(例如，數據伺服器)，或者包括中間件部件(例如，應用伺服器)，或者包括前端部件(例如，具有圖形用戶界面或網頁瀏覽器的客戶端計算機(用戶可通過該客戶端計算機與具體實施互動))，或者這樣的後端部件、中間部件或前端部件的任意組合。部件可通過數字數據通信的任何形式或介質(例如，通信網絡)進行互連。通信網絡的例子包括區域網(LAN)和廣域網(WAN)，如網際網路。
[0089]一些具體實施可使用各種半導體加工和/或封裝技術來實現。一些實施例可使用與半導體襯底相關的各種類型的半導體加工技術來實現，所述半導體襯底包括但不限於(例如)矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)，等等。
[0090]雖然所描述的具體實施的某些特徵已被示出為如本文所述，但本領域的技術人員現將可以想到許多修改、替代、變更和等同方案。因此，應當理解，所附權利要求旨在覆蓋落入所述實施例的範圍內的所有此類修改和變更。應當理解，所述實施例僅以舉例的方式而不是以限制的方式呈現，並且可在形式和細節方面進行各種變更。本文所述的裝置和/或方法的任一部分可以以任何組合方式加以組合，但相互排斥的組合除外。本文所述的實施例可包括所描述的不同實施例的功能、部件和/或特徵的各種組合和/或子組合。
【權利要求】
1.一種過電壓保護系統，包括: 輸入端子； 過電壓保護裝置，所述過電壓保護裝置連接至所述輸入端子且被配置成經由所述輸入端子接收能量，所述過電壓保護裝置在環境溫度下具有低於源的目標最大工作電壓的擊穿電壓，所述源被配置成在所述輸入端子處被接收；以及 輸出端子，所述輸出端子連接至所述過電壓保護裝置及負載。
2.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述擊穿電壓為額定擊穿電壓，所述過電壓保護裝置在高於所述環境溫度的溫度下具有浮動擊穿電壓額定值，所述浮動擊穿電壓大於或等於所述目標最大工作電壓。
3.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述擊穿電壓為在初始電流下的額定擊穿電壓，所述過電壓保護裝置在高於所述初始電流的穩定電流下具有浮動擊穿電壓額定值，所述浮動擊穿電壓額定值大於或等於所述目標最大工作電壓。
4.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，在所述環境溫度下的所述擊穿電壓低於在所述輸入端子處的所述目標最大工作電壓的95%。
5.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述擊穿電壓為在初始電流下的額定擊穿電壓，所述過電壓保護裝置響應於在所述源和所述負載工作期間經由所述輸入端子接收的所述能量而具有高於所述額定擊穿電壓的穩態擊穿電壓。
6.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述目標最大工作電壓為在一規範內指定的系統電壓。
7.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述能量為來自電源的充電電壓。
8.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述輸入端子、所述過電壓保護裝置以及所述輸出端子包括在行動電話中。
9.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述輸入端子、所述過電壓保護裝置和所述輸出端子包括在電信裝置中。
10.根據權利要求1所述的過電壓保護系統，其中，所述過電壓保護裝置是瞬態電壓抑制裝置，所述瞬態電壓抑制裝置包括: 所述瞬態電壓抑制裝置的半導體部分； 輸入導電部件，所述輸入導電部件具有包含在所述瞬態電壓抑制裝置的所述半導體部分的輸入端子中的部分並且具有第一熱傳遞屏障；以及 輸出導電部件，所述輸出導電部件包含在所述瞬態電壓抑制裝置的所述半導體部分的輸出端子中並且具有第二熱傳遞屏障。
11.根據權利要求10所述的過電壓保護系統，其中，連接至所述輸入導電部件的所述部分具有第一寬度，並且所述第一熱傳遞屏障具有不同於所述第一寬度的第二寬度，使得來自所述瞬態電壓抑制裝置的熱傳遞得以降低。
12.根據權利要求10所述的過電壓保護系統，其中，連接至所述輸入導電部件的所述部分沿著第一平面對準，所述第一熱傳遞屏障沿著與所述第一平面不平行的第二平面對準。
13.根據權利要求10所述的過電壓保護系統，其中，所述熱傳遞屏障由所述輸入導電部件中的至少一個凹口限定。
14.根據權利要求10所述的過電壓保護系統，其中，連接至所述輸入導電部件的所述部分包括一材料，所述材料的導熱率高於在所述熱傳遞屏障中包括的材料的導熱率。
15.根據權利要求10所述的過電壓保護系統，其中，所述第一熱傳遞屏障和所述第二熱傳遞屏障被配置成在工作期間改變來自所述瞬態電壓抑制裝置的熱傳遞的速率，使得用於將所述瞬態電壓抑制裝置加熱至所述瞬態電壓抑制裝置的目標擊穿電壓的穩定電流的量得以降低。
【文檔編號】H02H9/04GK204243743SQ201420117600
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2013年3月15日
【發明者】阿德裡安·米科萊扎克 申請人:快捷半導體(蘇州)有限公司, 快捷半導體公司