具有並聯fet的遠程電源控制器的製作方法
2023-10-23 09:59:17
專利名稱：具有並聯fet的遠程電源控制器的製作方法
技術領域：
此處公開的主題總體上涉及遠程電源控制器領域。
背景技術：
遠程電源控制器(RPC)是控制和保護到電氣負載的電源連接的固態器件。可以在包括但不限於飛機或太空飛行器電氣系統的複雜電氣系統中發現RPC。RPC允許在負載處而不是在電源處執行切換，減小了整體電氣系統的複雜性。RPC用於控制到負載的功率應用，且還可以用作保險絲或斷路器，保護電氣設備免於故障或過載狀況。對於DC電源應用，RPC可以設計為將電流限制為規定水平以保護配電系統。RPC可以包含具有相對較高功率能力和低電壓降的金屬氧化物半導體場效應電晶體(M0SFET或FET)。RPC兩端的電壓降依賴於處於FET處於接通(ON)狀態的電阻，即稱為 RDS (on)的參數。RPC兩端的低電壓降對於減小損耗和增加RPC效率是至關重要的。當故障或過載發生時，限流RPC中的FET在維持高達全線電壓的同時必須支持限流值。因此，FET 必須在故障過程中消耗大量的功率。取決於FET的能量能力，FET僅能維持相對較高的功率水平達有限的時間段。FET的能量能力由針對特定時間持續時間具有限定的區域的電壓和電流的關係圖表示。這指定了 FET的安全操作區(S0A)。可能相對較小的一些FET被設計為用於切換應用且可以實現低得多的RDS(on) 值；然而，較小的FET可能具有大大縮減的能量(SOA)能力。具有較高RDS(on)的FET也可能較大，且與較小FET相比可能具有大大增加的SOA能力。對利用所應用的電壓和電流二者操作來說優選的具有大SOA能力的FET的類型是線性FET。
發明內容
根據本發明的一個方面，遠程電源控制器(RPC)包括線連接；負載連接；並聯布置在線連接和負載連接之間的第一場效應電晶體(FET)和第二 FET，其中第一 FET具有比第二 FET的安全操作區(SOA)低的S0A，且其中第一 FET具有比第二 FET低的飽和電阻 (RDS (on))；以及連接在第一 FET和第二 FET之間的電壓偏置元件，使得在RPC中的電流高於限流設置點的情況下，電壓偏置元件被配置成促使第一 FET截止。根據本發明的另一方面，一種操作遠程電源控制器(RPC)的方法，該RPC包含線連接、負載連接以及並聯布置在線連接和負載連接之間的第一場效應電晶體(FET)和第二 FET，其中該第一 FET具有比第二 FET的安全操作區(SOA)低的S0A，其中該第一 FET具有比第二 FET低的飽和電阻(RDS(on))，包括在RPC中的電流低於限流設置點時，使得第一 FET 導通且使得第二 FET導通；且在RPC中的電流高於限流設置點的情況下，使得第一 FET截止。本發明的其他方面、特徵和技術將從結合附圖的下述描述中變得更加顯而易見。
現在參考附圖，其中在若干圖中，相似的元件被相似地標記 圖1說明包含並聯FET的遠程電源控制器的實施例。圖2說明操作包含並聯FET的遠程電源控制器的方法的實施例。圖3A-B說明用於包含並聯FET的遠程電源控制器的時序圖的實施例。
具體實施例方式提供用於具有並聯FET的RPC的系統和方法的實施例，其中下面詳細討論示例性實施例。RPC可以包含並聯FET，每個FET是不同類型的。在RPC中使用具有不同特性的並聯FET可以將每個獨立FET上的負載減小到可忍受的水平。FET之一可以被選擇為在正常操作情況期間使用，且另一 FET可以被選擇為用於過載狀況的消耗或者限流。FET特性包括安全操作區(SOA)和RDS (on)。SOA限定了 FET的功率和能量處理能力。SOA限定了 FET能夠無損地處理達某一時間的漏極電流值的範圍以及漏源電壓值的範圍。漏極電流和漏源電壓二者在操作中均必須保持低於它們各自的對於FET的安全操作的最大值，且漏極電流和電壓的乘積必須也保持低於用於FET器件的最大功率消耗。RDS (on) 給出當FET完全導通(S卩，當FET飽和時)FET的電阻。圖1示出包含並聯FET 104和105的RPC 100的實施例。RPC 100的功能是控制和保護連接到負載連接109的布線和負載，該負載連接109通過連接到線連接112的電源供電。FET 105可以具有相對較低RDS(on)和減小的SOA能力。FET 104可以包含具有較高SOA能力和相對較高RDS(on)的線性FET。電流流過RPC 100，從線連接112通過FET 104和/或105流到負載連接109。電壓偏置元件106位於FET 104的柵極電壓和FET 105 的柵極電壓之間。RPC 100還包含電源101、參考電壓102、差分放大器103、電阻器107和 108、負載連接109、接地連接110、整流二極體111和線連接112。電源101可以包含用於 FET 104和105的柵極驅動電源。在一些實施例中，電源101可以是10至15伏特的電源。 在一些實施例，參考電壓102可以處於毫伏的範圍。電壓偏置元件106兩端的電壓可以是大約幾伏特。在一些實施例中，電壓偏置元件106可以包含分壓器、電池或諸如齊納二極體的一個或更多二極體。在一些實施例中，電阻器107的值可以是以千歐姆計，且在一些實施例中，電阻器108的值可以處於毫歐的範圍。電阻器108可以包含分流器且向差分放大器 103提供低毫伏信號。在一些實施例中，RPC 100還可以包含在差分放大器103周圍的增益和頻率響應整形元件、上升和下降時間控制或者時序電路來控制限流時間。圖2說明操作包含並聯FET的RPC的方法200的實施例。參考圖1討論圖2。在框201中，RPC 100以正常負載操作。在正常負載期間，RPC 100中的電流低於限流設置點。 限流設置點由連接到負載連接109的負載的功率能力確定。差分放大器103的輸出為高， 且足夠的柵極電壓被應用於FET 104和105 二者以使得它們導通。然而，與FET 104相比， 更多的電流經過FET 105，因為FET 105具有比FET 104的RDS(on)低的RDS(on)。在框 202中，RPC 100以限流模式操作，該限流模式可以包含過載或故障狀況。限流模式在RPC 100中的電流高於限流設置點時觸發。差分放大器103比較來自電阻器108的分壓與參考電壓102，且將到FET 104的柵極驅動調節為中等電壓以將電流維持在所期望的限流水平。 電壓偏置元件106和電阻器107兩端的減小的電壓促使FET 105截止，使得PRC 100中的電流僅經過FET 104。因為FET 104的較高的SOA，FET 104可以在相對較大範圍的電流和電壓值內消耗功率。如果限流狀況維持，則在框203中，在限流時間段期滿以後，PRC 100截止。限流時間段可以基於FET 104的SOA而被確定，且可以是固定時間段，或者可以是反比於RPC 100兩端的電壓的時間量。在一些實施例中，限流時間段可以由時序電路來實施。圖3A-B說明用於包含並聯FET的RPC的時序圖的實施例。參考圖2討論圖3A-B。 在圖3A中，線301a表示RPC 100中的電流水平。在正常操作(圖2的框201)期間，電流 301a在零(由線303a表示)與限流設置點(由線30 表示)之間。在限流(圖2的框202) 期間，電流301a被限制在限流設置點30加。在限流時間段期滿之後(圖2的框203)，RPC 100關斷，且電流301a變成零線303a。在圖中，線301b表示FET 105的柵極電壓，且線 302b表示FET 104的柵極電壓。線30 表示FET柵極閾值(即導通FET所需的電壓量)且線304b表示零電壓。在正常操作(圖2的框201)期間，柵極電壓301b和302b 二者均高於 FET柵極閾值30北。在限流(圖2的框202)期間，柵極電壓301b高於FET柵極閾值30北， 且柵極電壓302b低於FET柵極閾值30北。在限流時間段期滿(圖2的框203)之後，RPC 100關斷，且柵極電壓301b和302b 二者變成零線304b。示例性實施例的技術效果和益處包括保護電氣設備免於過載或者故障狀況。此處使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，且並不旨在限制本發明。儘管為了說明和描述目的介紹了本發明的描述，但本發明的描述並不旨在是排他性的或限制本發明為所公開的形式。在不偏離本發明的範圍和精神的條件下，此處沒有描述的很多修改、變型、備選、替換或等價布置對本領域技術人員來說是顯而易見的。另外，儘管描述了本發明的各個實施例，但應當理解本發明的方面可以僅包括所述實施例中的一些。因此，本發明不應視為受前述描述限制，而是僅由所附權利要求的範圍限制。
權利要求
1.一種遠程電源控制器(RPC)，包含線連接；負載連接；並聯布置在線連接和負載連接之間的第一場效應電晶體(FET)和第二 FET，其中該第一 FET具有比第二 FET的安全操作區(SOA)低的S0A，且其中該第一 FET具有比第二 FET低的飽和電阻(RDS(on))；以及連接在第一 FET和第二 FET之間的電壓偏置元件，使得在RPC中的電流高於限流設置點的情況下，電壓偏置元件被配置成促使第一 FET截止。
2.根據權利要求1所述的RPC，其中該電壓偏置元件包含分壓器、電池或二極體中的一個。
3.根據權利要求1所述的RPC，其中該電壓偏置元件包含齊納二極體。
4.根據權利要求1所述的RPC，還包含具有輸出端的差分放大器，該差分放大器的輸出端連接到第一 FET的柵極和第二 FET的柵極。
5.根據權利要求4所述的RPC，其中該電壓偏置元件位於第一FET和差分放大器的輸出端之間。
6.根據權利要求4所述的RPC，其中該差分放大器的第一輸入端連接到參考電壓，且該差分放大器的第二輸入端連接到分流器。
7.根據權利要求1所述的RPC，還包含時序電路，該時序電路被配置成在第一FET截止之後在限流時間段逝去之後使RPC截止。
8.根據權利要求7所述的RPC，其中該限流時間段是預定時間段。
9.根據權利要求7所述的RPC，其中該限流時間段反比於RPC兩端的電壓。
10.根據權利要求7所述的RPC，其中該限流時間段基於第二FET的S0A。
11.一種操作遠程電源控制器(RPC)的方法，該RPC包含線連接、負載連接以及並聯布置在線連接和負載連接之間的第一場效應電晶體(FET)和第二 FET，其中該第一 FET具有比第二 FET的安全操作區(SOA)低的S0A，其中該第一 FET具有比第二 FET低的飽和電阻 (RDS (on))，該方法包含在RPC中行進的電流低於限流設置點的情況下，使得第一 FET導通且使得第二 FET導通；以及在RPC中的電流高於限流設置點的情況下，使得第一 FET截止。
12.根據權利要求11所述的方法，其中使第一FET截止包含在第一 FET和第二 FET之間提供電壓偏置，其中該電壓偏置被配置成促使第一 FET截止。
13.根據權利要求11所述的方法，還包含在第一FET截止之後在限流時間段逝去之後使得RPC截止。
14.根據權利要求13所述的方法，其中該限流時間段是預定時間段。
15.根據權利要求13所述的方法，其中該限流時間段反比於RPC兩端的電壓。
16.根據權利要求13所述的方法，其中該限流時間段基於第二FET的S0A。
全文摘要
本發明涉及一種具有並聯FET的遠程電源控制器。一種遠程電源控制器(RPC)包括線連接；負載連接；並聯布置在線連接和負載連接之間的第一場效應電晶體(FET)和第二FET，其中第一FET具有比第二FET的安全操作區(SOA)低的SOA，且其中第一FET具有比第二FET低的飽和電阻(RDS(on))；以及連接在第一FET和第二FET之間的電壓偏置元件，使得在RPC中的電流高於限流設置點的情況下，該電壓偏置元件被配置成促使第一FET截止。
文檔編號H02M3/155GK102201734SQ201110073600
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月25日 優先權日2010年3月26日
發明者A. 富克斯 D. 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司