在主电流路径中具有增强模式器件的瞬变阻挡单元制造技术

瞬变阻挡单元（ＴＢＵ）是一种具有串联晶体管的电路，这些晶体管在常态下传导电流，但是响应于过电流条件会自动地切换到高阻抗电流阻挡状态。此处，增强模式器件被用于主ＴＢＵ电流路径中，与在该环境中使用耗尽模式器件的常规做法相反。这一方案提供了两个主要的优点。第一个优点是ＴＢＵ参数对于受控性较差的耗尽模式器件参数的依赖性可以减小或被消除。第二个优点是这种ＴＢＵ除了可以提供过电流保护以外，还可以提供过电压保护。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及保护电负载使其免受电瞬变的影响。
技术介绍
瞬变阻挡单元(TBU)是彼此串联的两个或更多个晶体管的装置，使得当穿过这些 晶体管的TBU电流超过预定的阈值时这些晶体管就自动地切换成截止。随着TBU电流增大， TBU晶体管两端作为栅极电压被提供给TBU晶体管的电压降趋于使这些晶体管截止。当TBU 电流在阈值以下时，这种截止效应是可忽略的，并且TBU阻抗是很低的。当TBU电流升到阈 值以上时，这种截止效应强到足以引起正反馈，这导致TBU迅速且自动地切换到高阻抗截 止状态。该情形中的正反馈起因于TBU晶体管上增大的栅极电压会增大该TBU晶体管两端 的电压降这一趋势，并且这种增大的电压降作为栅极电压被提供给另一个TBU晶体管。TBU 电路如此连接以使得从这些增大的晶体管和栅极电压能够得到正反馈。图1示出了常规TBU的简单示例。在本示例中，两个耗尽模式(即，常态下导通 的)晶体管Ql和Q3串联连接，以使得相同的电流Itbu流过Ql和Q3。随着Itbu增大，Ql的 Vds和Q3的Vsd都增大。晶体管类型被选择成使得随着Ql的Vds增大，施加到Q3的栅极上 的电压起到关断Q3的作用。相似的是，随着Q3的Vsd增大，施加到Ql的栅极上的电压起到 关断Q 1的作用。这种装置中所固有的正反馈导致了一旦Itbu超过预定的阈值，TBU就从常 态的低阻抗状态快速跃变到高阻抗电流阻挡状态。在操作过程中，TBU可以响应于来自电 瞬变的过电流条件而切换到其高阻抗状态，由此保护了连接到该TBU的电器件或电路。图1的TBU示例是单极(或单向)TBU，因为它仅仅在阻挡具有预定极性的浪涌 (即，要么正的浪涌要么负的浪涌)上是有效的。图2示出了常规的双极TBU。图2的电路 可以被理解成提供两个串联的极性相反的单极TBU。第一单极TBU是由耗尽模式晶体管Ql 和Q3形成的，第二单极TBU是由耗尽模式晶体管Q2和Q3形成的。图2也示出了 TBU的典 型应用，其中它被串联地放置在电器件202和负载204之间，以便保护器件202免受来自负 载204的瞬变的影响。也保护了器件202不受可能形成于TBU和负载204之间(例如，在 传输线路上)的瞬变的影响。如果来自负载的瞬变导致TBU电流超过TBU阈值，则TBU将 切换到其截止状态，由此保护了该器件不受该瞬变的影响。TBU的一些早期的示例包括US 3，916，220、US 4，533，970 和 US 5，742，463。
技术实现思路
如上所述，常规的TBU依赖于在主电流路径中使用耗尽模式器件(即常态下导通 的晶体管)来提供过电流保护。然而，耗尽模式MOSFET制造起来往往比增强模式(即，常 态下截止的)MOSFET困难。与增强模式MOSFET相比，这种困难导致耗尽模式MOSFET的成 本更高和/或参数变化性更大。特别是，TBU阈值电流取决于主路径晶体管的阈值电压。受 控性较差的耗尽模式MOSFET阈值可能会直接导致受控性较差的TBU电流阈值，这对TBU产 量有很不利的影响。与常规TBU相关的另一个问题是，常规TBU将仅仅在穿过TBU的电流超过TBU阈 值时才切换成截止。在某些情况下，这一行为可能导致器件保护受到削弱。更具体地讲，受 TBU保护的器件可能并不总是能够发源(source)或吸陷(sink)该TBU阈值电流(例如，如 果受保护的器件是处在待机或睡眠模式中)。在这种情况下，TBU的接口一侧的瞬变可能到 达受保护的器件并且有可能破坏它。在本申请中，通过将一个或更多个增强模式晶体管并入到主TBU电流路径中，就 能够同时解决上述这些问题。图3示出了这一概念的示例性示意图。此处，晶体管Ml和M2 是增强模式MOSFET，M3是耗尽模式结型场效应晶体管(JFET)。主TBU电流路径穿过晶体 管Ml和M3。M2的栅极连接到Ml和M3之间的节点，Ml的栅极连接到M2。在合适的偏置下 (例如，如图所示)，在常态操作(即TBU电流低于阈值)期间Ml处存在足以使Ml导通的 栅极电压，并且M2是处于截止状态中。当TBU电流超过阈值时，因M3中的电流所导致的电 压降而使M2处的栅极电压增大，由此趋于使M2导通。当M2导通时，Ml的栅极电压减小到 Ml的导通阈值以下，从而使其截止。作为这一变化的结果，Ml两端所形成的增大的电压使 M3截止。随着M3的阻抗增大，M2被完全导通，并且Ml处的栅极电压进一步减小。当TBU 电流超过阈值时，所得的正反馈导致该电路快速且自动地切换到高阻抗电流阻挡状态。此 类电路所提供的电压触发能力与在下文中描述的多个示例相结合进行解释。为了更好地理解本专利技术的方案，将其与其它将增强模式晶体管与TBU结合起来使 用的方案进行比较是有帮助的。在US 7，342，433中，通过添加增强模式器件以控制主TBU 晶体管的栅极电压，来修改在主电流路径中具有耗尽模式晶体管的TBU。更具体地讲，主耗 尽模式TBU晶体管的栅极电压可以被增强模式器件控制，以减小TBU的导通阻抗。在US 2009/0231773中，辅助增强模式晶体管被添加到基本的TBU配置中，以便减 小TBU阈值电流对耗尽模式TBU晶体管的受控性较差的参数的依赖性。在2009年1月27 日提交的美国公开申请2009/0231773中，可以找到关于增强模式辅助式TBU的更多细节， 该申请整体通过参引整体纳入于此。在这些情形中，主TBU晶体管(即TBU电流流过的晶体管)全是耗尽模式器件，如 图1和2的示例中那样。将耗尽模式晶体管用作TBU中的主晶体管可减少部件数目(例 如，通过比较图1和3可以看出)，这在平常将决定性地赞同将耗尽模式器件用作主TBU晶 体管。然而，令人惊奇的是，发现将增强模式器件用作主TBU晶体管的优点往往能超过部件 数目增多这一缺点。更具体地讲，有两个主要的优点1)与耗尽模式MOSFET相比，具有稳固受控的阈值的增强模式MOSFET制造起来更 容易且成本更低，要求更少的处理步骤；以及2)增强模式器件能被配置成使得它们形成这样一种TBU 当TBU电压超出范围时该TBU切换到截止(除了提供过电流保护的常规TBU能力以外)。 附图说明图1是现有技术的瞬变阻挡单元的示意图。图2是现有技术的瞬变阻挡单元的另一个示意图。图3示出了涉及本专利技术的实施方式的示意图。图4是本专利技术的第一实施方式的示意图。图5是本专利技术的第二实施方式的示意图。图6是本专利技术的第三实施方式的示意图。图7是本专利技术的第四实施方式的示意图。图8是本专利技术的第五实施方式的示意图。图9是本专利技术的第六实施方式的示意图。具体实施例方式图4是本专利技术的第一实施方式的示意图。在本电路中，+V表明这是正轨道。M2和 M4是增强模式器件，M3是耗尽模式器件。较佳地，M2和M4是η沟道金属氧化物场效应晶 体管(NMOS)，Jl优选是ρ沟道结型场效应晶体管(JFET)。Jl和Μ2在主TBU电流路径中， 所以这些晶体管可以被称为主晶体管。Μ4不在主TBU电流路径中，所以称这一晶体管为辅 助晶体管是方便的。此处，Μ2的栅极连接到Μ4，Μ4的栅极连接到Jl和Μ2之间的节点。R4 连接到正轨道+V。只要Μ4是截止的(常态TBU导通模式)，Μ2的栅极就被拉高，这使其导 通。(在实践中，跨接在Μ4的漏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种瞬变阻挡单元（ＴＢＵ），包括：两个或更多个主晶体管，所述主晶体管被串联连接以使得当穿过ＴＢＵ输入和ＴＢＵ输出之间的每一个所述主晶体管的ＴＢＵ电流超过预定的阈值大小时，所述主晶体管自动地切换到高阻抗状态；以及一个或更多个辅助晶体管，每一个辅助晶体管将其栅极连接到所述主晶体管中的两个主晶体管之间的相应节点；其中，所述主晶体管中的一个或更多个是增强模式器件；并且其中，所述增强模式器件中的每一个将其栅极连接到所述辅助晶体管中相应的一个辅助晶体管。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AJ莫瑞什，
申请(专利权)人：柏恩氏股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]