一种TBU电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种TBU电路。

背景技术

TBU：Transient Blocking Units的缩写，即瞬态阻断单元，或者称为瞬态浪涌电流抑制，由MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管或结型场效应晶体管)半导体技术制成的高速电路保护装置。可以简单理解为PTC(自恢复保险丝)的升级版。常与TVS管、GDT管等电子元件配合使用，保护敏感的电子电路不受NEMP、LEMP等引起的浪涌电压、电流的干扰和损伤。

公开号为CN101702509A的专利申请公开了一种阻断型浪涌保护器件，包括第一耗尽型场效应晶体管Q1、第二耗尽型场效应晶体管Q2以及第一电阻，进一步公开了第一耗尽型场效应晶体管为耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)，以及高压耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(HVNMOSFET)，所述第二耗尽型场效应晶体管为耗尽型P沟道结型场效应晶体管(PJFET)。该专利申请的Q1、Q2相互反馈，能够起到限流的作用，但是，在现有工艺情况下，耗尽型P沟道结型场效应晶体管一般不能承受100V以上的高压，还需再在其电流流入端连接一个高压N沟道耗尽型MOSFET，以阻断高电压瞬态浪涌。因此，专利申请不能抑制高压。

发明内容

本发明旨在提供一种TBU电路，采用P沟道耗尽型MOSFET作为高压器件，既能限流，也能够抑制高压。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案具体如下：

一种TBU电路，包括N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET、P沟道耗尽型MOSFET以及限流元件，所述N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的源极连接P沟道耗尽型MOSFET的源极，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的漏极连接P沟道耗尽型MOSFET的栅极，所述限流元件的一端连接N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的栅极，限流元件的另一端连接P沟道耗尽型MOSFET的漏极。

该种TBU电路的工作原理：在正常工作情况下，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET、P沟道耗尽型MOSFET均导通，TBU瞬态浪涌电流抑制电路呈现为小电阻的类似短路状态，相当于PTC的正常工作下的特性；当N沟道耗尽型MOSFET的漏极端流入浪涌电流时，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET、P沟道耗尽型MOSFET的漏-源电阻增大，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的漏-源电压增加，使得P沟道耗尽型MOSFET的栅-源电压增加，从而使得P沟道耗尽型MOSFET的导电沟道变窄，源-漏电阻进一步增加，使得N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的源-栅电压进一步增加，从而又使得N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的导电沟道进一步变窄，又进一步使得P沟道耗尽型MOSFET的栅-源电压增加，从而N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET和P沟道耗尽型MOSFET相互反馈形成夹断，最终使TBU电路呈现为高阻状态，类似于PTC的熔断状态，从而阻断浪涌电流通过被保护电路。其中，由于P沟道耗尽型MOSFET能够承受高压，因此，该种TBU电路能够抑制高压。

优选的，所述P沟道耗尽型MOSFET的耐压为400-850V。可用于抑制大于400V的瞬态高压，所述限流元件承受高压。

优选的，所述限流元件为限流电阻。

进一步优选的，所述限流电阻的阻值根据被保护电路的电流确定。

进一步的，为了保护N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET、P沟道耗尽型MOSFET，所述N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的栅极和源极之间并联第一稳压元件，所述P沟道耗尽型MOSFET的源极和栅极之间并联第二稳压元件。

优选的，所述第一稳压元件为第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阳极连接N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的栅极，第一稳压二极管的阴极连接N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的源极；所述第二稳压元件为第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的阳极连接P沟道耗尽型MOSFET的源极，第二稳压二极管的阴极连接P沟道耗尽型MOSFET的栅极。

进一步优选的：所述第一稳压二极管的击穿电压小于N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的栅-源额定电压；所述第二稳压二极管的击穿电压小于P沟道耗尽型MOSFET的栅-源额定电压。

进一步的，所述N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的漏极连接P沟道耗尽型MOSFET的栅极。

使用时，所述TBU电路通过所述N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的漏极、P沟道耗尽型MOSFET的漏极串联在被保护电路中，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的漏极为电流流入端，P沟道耗尽型MOSFET的漏极为电流流出端。当被保护电路的输入端出现浪涌电流时，TBU瞬态浪涌电流抑制电路形成夹断，阻断该浪涌电流流过被保护电路。

优选的，所述N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET、P沟道耗尽型MOSFET、限流元件、第一稳压元件、第二稳压元件集成封装成二端器件，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的漏极连接二端器件的一端，P沟道耗尽型MOSFET的漏极连接二端器件的另一端。

优选的，使用时，所述二端器件串联在被保护电路中，所述二端器件的一端连接电流流入端。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用了P沟道耗尽型MOSFET，既能阻断浪涌电流，也能抑制高电压脉冲干扰(不需要增加额外的器件)，具有过流、过压的双重保护功能。

2、本发明仅采用两个耗尽型器件，就能阻断高压瞬态浪涌，不同于其它方案，需要三个耗尽型器件才能阻断高压瞬态浪涌。

3、本发明采用稳压措施，能够有效的保护电路中的N沟道耗尽型MOSFET(或N沟道JFET)、P沟道耗尽型MOSFET。

4、本发明采用集成封装，结构简单，性能稳定，可靠程度高。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为本发明的测试原理图以及对比例1的仿真原理图。

图3为对比例1的电流变化曲线示意图。

图4为对比例2的测试电路原理图。

图5为对比例2的电流变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

本实施例公开一种TBU电路，具体如图1所示，包括N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1、P沟道耗尽型MOSFET Q2以及限流元件，本实施例中，限流元件为限流电阻R，当然，也可以采用其它的限流元件，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的源极连接P沟道耗尽型MOSFET Q2的源极，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的漏极连接P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅极，限流电阻R的一端连接N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的栅极，限流电阻R的另一端连接P沟道耗尽型MOSFET Q2的漏极。

所述N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET的栅极和源极之间并联第一稳压元件，所述P沟道耗尽型MOSFET的源极和栅极之间并联第二稳压元件，本实施例中：第一稳压元件为第一稳压二极管D1，第一稳压二极管D1的阳极连接N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的栅极，第一稳压二极管的阴极连接N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的源极；第二稳压元件为第二稳压二极管D2，第二稳压二极管D2的阳极连接P沟道耗尽型MOSFET Q2的源极，第二稳压二极管D2的阴极连接P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅极。

其中：限流电阻R的阻值根据被保护电路的电流确定；第一稳压二极管D1的击穿电压小于N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的栅-源额定电压；第二稳压二极管D2的击穿电压小于P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅-源额定电压。

具体使用时，本实施例通过N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的漏极、P沟道耗尽型MOSFET Q2的漏极串联在被保护电路中，N沟道耗尽型MOSFET Q1或N沟道JFET的漏极为电流流入端。

在本实施例中，还可将N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1、P沟道耗尽型MOSFETQ2、限流元件、第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2集成封装成二端器件，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的漏极连接二端器件的一端，P沟道耗尽型MOSFET Q2的漏极连接二端器件的另一端；具体使用时，二端器件串联在被保护电路中，二端器件的一端连接电流流入端，二端器件的另一端为电流输出端。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例公开了该种TBU电路的一种测试电路以及工作原理，具体如图2所示，在N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的漏极、P沟道耗尽型MOSFET Q2的漏极上施加脉冲电源,其中，限流电阻R为200KΩ。

TBU模块中，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的栅-源电压等于稳压二极管D1两端的电压；稳压二极管D1与限流电阻R串联后，再与P沟道耗尽型MOSFET Q2的源-漏极并联；当P沟道耗尽型MOSFET Q2的源-漏极两端电压升高时，稳压二极管D1两端的电压值也会升高，即N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的源极-栅极电压VSG会增大，当VSG达到并超过N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的关断电压时，Q1会由导通状态变成关断状态。

P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅-源电压等于稳压二极管D2两端的电压，同时等于N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1漏-源极两端的电压。由图2中的电位极性可知，随着N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1漏-源极两端电压的增加，P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅-源电压VGS也会增加，当VGS达到并超过P沟道耗尽型MOSFET Q2的关断电压时，Q2会由导通状态变成关断状态。

根据MOSFET的特性可知，当MOSFET的栅-源电压逐渐接近其阈值(关断)电压时，MOSFET的导通电阻会逐渐变大，因此，当输入电压或电流增加时，N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1、P沟道耗尽型MOSFET Q2会相互促使对方趋于并达到关断状态，从而实现过流、过压保护。

通过改变N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1、P沟道耗尽型MOSFET Q2的阈值电压和导通电阻，可以控制TBU模块触发过流过压保护功能所需的电压和电流值。

第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2分别用于对N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1、P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅极进行过压保护，使N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFETQ1、P沟道耗尽型MOSFET Q2的栅-源极电压不超过其额定电压。电阻R用于对N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的栅极保护回路进行限流，电阻R与第一稳压二极管D1组成分压控制回路(稳压二极管D1两端的电压控制N沟道耗尽型MOSFET或N沟道JFET Q1的关断)，其阻值的大小与TBU模块通过最大电流的持续时长相关，电阻值越大，电路的电流达到最大值后持续的时间越长；电阻R值过小，则会使TBU模块在较高输入电压下的漏电流越大；本次仿真中选择200KΩ。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

对比例1

如图2所示，本对比例中，Q1为N沟道耗尽型MOSFET；Q2为P沟道耗尽型MOSFET。

Q1的参数为：VGS(OFF)＝-0.5V，RDS(ON)＝1.9Ω，BVDSS＝100V；Q2的参数为：VGS(OFF)＝1V，RDS(ON)＝5Ω，BVDSS＝400V。

V1脉冲源参数设置如下表：

本对比例的时域仿真结果如图3所示，由图3可见，当100V的脉冲到来时，电流由57.13mA快速升高至最大值(约76.9mA)，之后电路触发过流保护，电流迅速降低至约400uA；当100V脉冲结束后，电流快速恢复至57.13mA。

对比例2

如图4所示，Q1为N沟道耗尽型MOSFET；Q2为P沟道JFET，用来代替P沟道耗尽型MOSFET，实际搭建电路进行测试。

Q1的参数为：VGS(OFF)＝-1V，RDS(ON)＝1.9Ω，BVDSS＝100V；JFET的参数为：VGS(OFF)＝3.7V，RDS(ON)＝130Ω，BVDSS＝30V，D1、D2均为击穿电压为10V的稳压二极管。

V1为直流电源，将V1的输出电压从0V逐渐增加，测得流过TBU模块的电流变化如图5所示。