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CN1663092A - 多负载保护和控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种电子装置(10)包括一个带有接点阵列的封装件(20)，在封装件里有一个热传导电子绝缘衬底(12)，在与衬底热接触的封装件里有多个聚合正温度系数(PPTC)电阻(14)，并且至少有一个诸如功率场效晶体管(16)这样的加热元件与衬底热接触，来响应于控制电流间接对PPTC元件加热，从而使PPTC元件从一个低阻抗状态跳闸到一个非常高的阻抗状态。同时也公开了一种控制多个电子负载的方法。

Description

多负载保护和控制装置
技术领域
本发明涉及由功率控制的电子电路保护装置。尤其，本发明在对功率控制元件提供高压隔离和对负载提供过电流保护的同时，提供了用于同步控制几个低或中功率负载的方法和装置。
背景技术
已经存在多个种类的设备用来向多个负载同时传送低或中的功率。所述负载可以是指示器，传感器，或诸如小型电动发动机或者用来把电能转换成原动力的螺线管的传动装置。在这些设备中，功率/数据/控制电平是由中央控制点经由多线总线提供，比如，计算机或者基于计算机的控制器。好的工程实践要求每个负载需要在不足/超负载的故障条件下受到保护。
通常的保护方法例如包括金属连接的保险丝，电路断路器和聚合正温度系数(PPTC)电阻器装置，等。当过电流条件出现时，保险丝连接一定要断开，断路器跳闸并且必须手动复位，而且PPTC装置从几个欧姆的小电阻转换或者跳闸到超过一个莫姆高电阻的高阻抗状态。转换是由于PPTC装置的局部加热导致的结果。PPTC装置独特的地方在于，当过电流条件被纠正并且电路的电源断开时，PPTC装置变冷并且自动回位到低电阻状态。这种自动复位的功能有显著的超过金属连接保险丝的优点，这就是保险丝装置必须在保险丝块进行手工移动和替换，断路器必须由其所保护的装置、设备或仪器的技术人员或其它用户进行手工复位。
众所周知，在绝缘陶瓷衬底上形成薄膜或者厚膜电阻器阵列，并且用标准的结构比如双列直插式封装件(DIP)或者双列直插式封装件(SIP)来封装该阵列。当带有固定阻抗负载的装置被广泛的用于端接计算机总线时，它们完全无源并且未采用等同于金属连接保险丝，断路器或者PPTC装置的方式提供过电流保护。
众所周知也可以提供一种单独的集成电路，它整个包括负载终端电阻器和一系列由场效晶体管(FET)装置形成的开关。该有源FET装置能够使负载响应一控制信号而被一起断开。此设备的例子可参见美国专利号为5381034，1995年1月10号授予Thrower等专利权的，名称为“SCSI终端负载”的美国专利和专利号为5382841，于1995年1月17号授予Feldbaumer专利权的，名称为“可转换的有源总线终端电路”的美国专利，上述公开的内容在此仅供参考。在这些专利中，电阻是作为集成电路生产过程的一部分来形成并修整的，但所述电阻只是提供了那样的总线负载阻抗。
为了控制或保护具有PTC或者NTC电阻器的温度功能的有源装置，还可以将正温度系数(PTC)或者负温度系数(NTC)电阻器耦合到一个有源装置，例如：晶体管，可控硅整流器(SCR)，半导体闸流管，FET等等。功率线路保护装置和方法的几个例子例如在以下专利中被描述，比如本申请的发明人的在先专利号为US6072681，于2000年6月6日授予Cogan等，名称为“功率线路保护装置和方法”的美国专利，其中所公开的内容在此全部包括。其中，PPTC装置通过一般的电绝缘热传导层耦合到作为电源开关的有源元件。如果负载发生过电流条件，PPTC装置就跳闸，使电源开关打开并且从线路/负载上断开电源。所述保护电路的计算机监测复位由一些已经被公开的电路结构提供。PPTC装置被热耦合从而控制有源装置或者电路的其他实施例可以参见一般指定的专利号为6331763，在2001年12月18日授予Thomas等(包括本专利的发明者)名称为“用来保护可再充电元件的装置和方法”，它所公开的内容在此仅供参考。
尤其“763”专利的图45-47里描述了一种三终端装置，它包括在它上面形成并且被热耦合到PPTC衬底元件上的FET调整器。在这些现有技术中，每个电路都采用单个PPTC装置与一个有源元件连接，尽管该方法为特定的应用运行良好，但是当它用于或者必须采用单个开关同时控制多线路的条件下，存在造价高的缺点。
然而，对某些应用和环境，特别是在苛刻的电环境下，比如机动车辆，迄今为止还没有解决的需要就是对多负载线路提供各自的过电流保护并且也能响应单独的控制信号而同时断开所有的负载。而单独的电路比如保险丝及其开关或者继电器可以串连连接从而运行这些单独的功能，在一个具备多个PPTC装置的优点和特征的装置里同时提供这些单独的功能，那个迄今为止还没有解决的需要就得到了解决。
发明内容
本发明总的目的是提供一种电子装置，它克服了现有技术的局限和缺点，可以对几个低功率或者中功率负载提供过电流保护而同时控制负载，并且还可以提供功率控制元件和负载之间的高压隔离。
本发明的另外一个目的是提供一种用单个装置来保护多功率负载的方法。该方法包括对每个负载的分别保护，并且该方法可以响应控制或者感应条件而同时断开所有的负载。
根据本发明原则和方面的电子装置包括有接点阵列的一个封装件。封装件里有一个热传导的电绝缘层。封装件里有多个电阻元件。每个电阻元件都有一个预先设置好的非零系数，并且和阵列连不同对的结点相连，并且与衬底热接触。在封装件里至少有一个加热元件并且与衬底热接触。许多的固态无源和有源的热元件都可以被成功使用，一个特别优选的具有温度自动调整能力的热元件是带有诸如功率场效晶体管(FET)等这样一个控制电极的半导体装置。加热元件有和相关的一个接点阵列相连的电极，并且通过加热衬底从而间接加热电阻元件来改变多个电阻元件的阻抗，最终响应控制电流。本发明优选的一个方面是，多个电阻元件包括聚合正温度系数(PPTC)电阻。本发明优选的另一方面是，多个电阻元件包括例如功率二极管、功率场效晶体管、功率双极三极管、功率半导体闸流管、功率可控硅整流器等这样至少有一个连接点的半导体装置。本发明上述两个优选方面中的任何一个，衬底都是由半导体装置的一个集成电极提供的，并且该半导体装置进一步包括在电阻元件和衬底之间的电子绝缘层。在本发明另一个可选的优选方面，衬底都包括一个引线架。
在本发明的一个优选配置里，电子装置包括一个有接点阵列的封装件，在封装件里有一个热传导的电绝缘层，在与衬底热接触的封装件里有多个聚合的正温度系数(PPTC)电阻器，其中每个电阻器都有一个预先设定的正温度系数并且和阵列的不同对接头相连接，并且在与衬底热接触的封装件里至少有一个功率场效晶体管，并且具有与相关的接点阵列相连的栅极、源极和漏极电极，用于响应控制电流，加热衬底并且间接加热PPTC电阻器从而使PPTC装置从一个低阻抗状态跳闸到一个高的阻抗状态。
一种根据本发明的原则用来对多个电子负载提供各自的电过负载保护，响应一个断开的控制信号对负载提供同时断开的方法包含以下步骤：
提供公共加热衬底，
安装或者形成多个聚合正温度系数(PPTC)电阻器从而与所述公共加热衬底热接触。
将多个电负载中的负载串联连接每个PPTC电阻器来使PPTC电阻器可以响应所述一个负载上的电过载而跳闸到一个高阻抗状态。
提供一个诸如功率FET这样的一个加热元件与公共加热层热接触，以及
将断开控制信号施加到功率FET的一个控制电极上来加热公共加热层，并且因此使多个PPTC电阻跳闸并且同时断开电负载。
通过下文结合附图对最优实施例的详细描述，本发明的上述及其其它的目的、优点、方面和特征将被更清楚的理解。
附图说明
图1是根据本发明原则的多负载保护和控制装置的电子电路示意图。
图2是体现本发明原则的装置顶部放大平面图。
图3A是具体体现发明原则的装置的第一个优选组装方法的等角投影图。
图3B是具体体现发明原则的装置的第二个优选组装方法的等角投影图。
图4A是图1的装置中，以平面-平行接线端配置的PPTC电阻器的放大图解侧面图，并且图中表示了内部电流流向和加热元件所施加的热能。
图4B是图2中所表示的实施例中，以并排接线端配置的PPTC电阻器的放大图解侧面图，并且图中表示了内部电流流向和加热元件所施加的热能。
图4C是图1的装置中，以倒装芯片终端实施例中配置的PPTC电阻器的放大图解侧面图，并且图中表示了内部电流流向和加热元件所施加的热能。
图5是依照本发明原则的装置中，PPTC装置跳闸时间比照FET加热功率的图表。
图6是根据图1所表示的装置中，PPTC装置阻抗比照由于FET加热所导致的衬底的温度的图表。
图7是包括根据本发明原则的装置的电路的电路示意图。
图8是包括符合本发明原则装置的电路和一个附加有源元件的另外一个电路示意图，该附加元件在图1所示的电路中衬底温度上升时将会断开。
图9是包括符合本发明原则装置的电路和多个附加有源元件的另一个电路示意图，在这些有源元件中当图1所示的电路中衬底温度上升时一输出有源元件将会打开。
具体实施方式
参照图1，单个装置10包括一个热传导衬底12，在正热传导装置中形成或附加在所述衬底12上的一列PPTC电阻元件14，以及在所述衬底12上或形成所述衬底的FET功率晶体管16。六个PPTC元件：14-1、14-2、14-3、14-4、14-5和14-n如图1所示，本领域普通技术人员可以理解，依据特殊应用的需要，PPTC元件14的阵列可以包含两个或者更多的这样的元件。每个PPTC元件14可以连接在电源和负载之间从而对所形成的电路提供过电流保护。而且，控制信号可以由外部控制电路17施加到功率FET16上。当足够的电压从外部电源19施加到功率FET16时，所产生的热量就通过衬底12传到阵列的每个PPTC元件14上，使得每个PPTC电阻元件14都跳闸到一个非常高的阻抗状态。然后当电源与FET16断开时，所产生的热量消失，每个PPTC元件14就返回到它的低阻抗状态。
诸如图1中所示的电阻14-n的PPTC元件可以串联FET16的控制电极(门)和外部控制电路17之间，以便将装置10的PPTC元件14保持在降低的FET功率损耗水平的跳闸状态，所形成的电路装置就可以根据自动热调整对正在的加热衬底12提供热过载保护，同时提供使PPTC元件14跳闸的非常高的内部电压。当控制电压从FET16的栅极上去除时(假设一个增加-模式的FET装置作为FET16的电源)，加热消失。在此之后，当PPTC元件14降温到低于预先设定的跳闸温度之下(例如图6所示)，他们会返回到一个低的阻抗状态，并且恢复在每个电源及其负载之间电流通路。
绝缘的栅极功率MOSFET16被作为优选的热能产生有源元件，也可以使用其他类型的加热元件，包括诸如二极管、双极型晶体管、可控硅整流器、半导体闸流管或功率集成电路这样的有源元件。还可以是诸如缠绕金属线、合成物或者薄膜电阻等这样的无源加热装置也可以用来做加热元件。
图2所示的是依照本发明原则的装置10的顶部放大平面图，在图2的实施例中，装置10被覆盖在适当的封装件20里。功率绝缘栅极MOSFET16包括形成FET漏极16D的硅片衬底，形成FET源极16S的一个平面层，和一个绝缘栅极16G。四个PPTC装置14-1，14-2，14-3和14-4都被直接组装在与之直接热接触的平面层16S上。封装件20包括连接或形成外部连接引脚或焊接垫的内部焊接垫阵列22。
图2示例了从焊接的焊接垫22延伸到功率MOSFET16电极和PPTC元件14的电子内部连接金属线24。PPTC元件14-1的焊接垫14A和14B被分别连接到连接焊接垫22A和22B。PPTC元件14-2的焊接垫14C和14D被分别连接到连接焊接垫22C和22D。PPTC元件14-3的焊接垫14E和14F被分别连接到连接焊接垫22E和22F。PPTC元件14-4的焊接垫14G和14H被分别连接到连接焊接垫22G和22H。
FET16的漏极连接三个连接焊接垫22J，22K，和22L；FET16的源极为了传送需要产生期望热量值的电流也连接三个连接焊接垫22M，22N，和22O。FET16的所述绝缘栅极16G连接一个连接焊接垫22I。
图2所示的装置10的PPRT元件14与FET16的源极16S直接热接触，，它们最好通过图2未示出的热传导绝缘层电绝缘，以便在每个PPTC元件14和FET16之间提供电隔离。
图2所示的装置可以被封装或者密封从而防止FET16芯片在周围环境中不希望的暴露。适当的外部封装引脚或者焊接垫(未示出)被连接到或者延伸到内部连接点22的每个上，并且使装置10可被插入一个插座或者直接被焊接到一个电路板上，这样就可以被应用到一个特别的装置里。
图3A表示的是依照本发明原则的装置10A的一种组装配置，其中，FET芯片16被安装到金属引线架封装件18上，PPTC元件芯片14-n被安装到由FET芯片16形成的衬底12A上。图3B表示的是依照本发明原则的的装置10B的另一种组装配置。其中，引线架封装件18提供了公共热衬底12B。所述PPTC装置14-n和FET芯片16被直接安装到引线架封装件18上。
图4A，4B和4C表示的是PPTC元件14的几种组装和连接选择。在图4A里，PPTC元件14有两个平行的平面电极。一个电极14A和连接焊接垫22相连，另一个电极14B直接和电传导衬底12C相连。在这种配置里，通常所有的PPTC元件14都被连接到公共电路接点，比如由衬底12C所提供的电路接点。在图4A的示例里，电流的流向被表示成单向的，从电极14A流向电极14B。(或者由于极性相反，电流流向相反)
如图4B所示，一个PPTC元件14-1，具有两个隔开、与相应的焊接垫相连的处于同一平面并排的端子14A和14B和一个向衬底12提供热连接的传导层21。绝缘层(未示来)可以在PPTC元件14-1和衬底12之间形成从而在二者之间提供所需电绝缘。图4B的装置里，PPTC元件14-1里的电流流向是双向的，从电极14A流向电极21，和从电极21流向电极14B。(或者由于极性相反，电流流向相反)
图4C表示的是布置在倒置或者倒装芯片结构里的PPTC元件14-7，这样可以使它的端部电极14X和14Y直接热连接于以电方式形成图案的衬底12D上的导电迹线。电流的方向是双向的，如图4B的示例。
图5表示的是对应于由FET16产生并且施加到衬底12和PPTC元件14上的瞬间加热而引起PPTC元件14跳闸(转换到一个非常高的阻抗状态)所需的单位为千分之一秒的时间的图表。
图6表示的是作为温度的函数的PPTC元件14的阻抗图。图6图表中表示的数据来自被直接安装到SO8传统封装件里的10A通用功率MOSFET上的PPTC电阻器。
图7表示的是装置10的一个电路应用，其中外部的电阻器30和电源相连，可控硅整流器和外部负载电阻器32和电源的接地回路相连。电阻30和32和装置10的第一电阻PPTC元件14-1串联。电阻30，14-1和32形成了一个电压分配器网络。如电阻32所表示的负载，本领域的技术人员可以用其他诸如马达、螺线管、白炽或者固状灯等等负载来代替。当衬底12的温度上升(导致PPTC电阻14-1的电阻增大)时，电阻14-1和32之间的接点上的输出电压将会降低。图7只表示了一个单独的输出电阻，但是人们可以理解输出电阻或者负载在某一个应用/装置里可以是提供给装置10的PPTC电阻14的其他元件。
图8所示的电路图除包括与图7的装置10以外，还包括输出FET装置36和与电源相连的适当源极电阻器34。在FET装置36源极上的输出电压在装置10的衬底12温度上升时将会降低。所述输出有源装置36可以由电磁式继电器、白炽灯、发光二极管指示器、激光二极管、比较器、仪表或者其他电平-感应或者电平-指示装置来替换。
在图9的装置中，在负载电阻器32和输出FET36之间放入了一个附加的诸如带有源极电阻38的FET40这样的有源装置。在此电路中，输出FET装置36的源极输出电平在装置10的衬底12温度升高时将会上升，输出电平因此可以提供与之相连的PPTC装置14的“跳闸”状态的正指示。
这些电路配置可以用来连接和/或者断开电负载而同时保持驱动电路和负载之间的电隔离(分开)。这些配置为功率控制以及电路保护提供有效的方式。此外，加热衬底12也可以用来做为一个被保护的元件，如图1电路的示例。
以上描述的本发明的优选实施例，就可以很好的实现本发明的目的，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的情况下可对结构进行相异于本发明实施例和应用的改变。因此，所公开的内容和描述只是单纯的说明并不意味着在任何意义上的限制。

Claims (13)

1.一种电子装置包括：
具有接点阵列的封装件，
在封装件中具有热传导电绝缘衬底，
在封装件里有多个电阻元件并且与衬底热接触，每个电阻元件都有预先设定的非零温度系数并且与阵列的一对不同的接点相连，
在封装件中至少有一个加热元件并且与衬底热接触，并且带有和相关的接点阵列相连的电极，用来响应外部施加的控制电流以便加热衬底并且间接加热电阻元件从而来改变多个电阻元件的阻抗。
2.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，多个电阻元件包含聚合正温度系数(PPTC)电阻。
3.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述至少一个加热元件包括带有至少一个连接点的半导体装置。
4.如权利要求3所述的电子装置，其特征在于，半导体装置包括功率二极管、功率场效晶体管、功率双极型晶体管、功率半导体闸流管和功率可控硅整流器。
5.如权利要求3所述的电子装置，其特征在于，衬底包括半导体装置的集成电极。
6.如权利要求5所述的电子装置，其特征在于，还包括在电阻元件和衬底之间的电绝缘层。
7.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，衬底包括形成图案的电迹线阵列，其中每个电阻元件包括两个处于同一平面的、隔开的、连接垫，所述垫直接和衬底的所述电迹线各自相连。
8.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，衬底包括引线架。
9.一种电子装置包括：
具有接点阵列的封装件，
在封装件中具有热传导电绝缘衬底，
在与衬底热接触的封装件中有多个聚合正温度系数(PPTC)电阻，每个PPTC电阻都具有预先设定的正温度系数，并且与阵列的一对不同的接点相连。
在与衬底热接触的封装件中至少有一个功率场效晶体管并且它带有连接于相关阵列的栅极、源极和漏极，用来加热衬底并且响应控制电流以便间接加热PPTC电阻，从而使PPTC电阻从低阻抗状态跳闸到非常高的阻抗状态。
10.如权利要求9所述的电子装置，其特征在于，包括电子电路配置，其中多个PPTC电阻之一串联在场效晶体管的栅极和外部控制信号源之间。
11.一种用来为多个电子负载提供单独的电子过负载保护并且响应断开控制信号同时断开负载的方法，包括以下步骤：
提供公共加热衬底，
提供多个与公共加热衬底热接触的多个聚合正温度系数(PPTC)电阻，每个PPTC电阻都和多个电子负载中的一个负载串联，使得PPTC元件可以响应一个负载上的电子过负载而跳闸到一个高阻抗状态，
提供与公共加热衬底热接触的加热元件；
把断开控制信号施加到加热元件上来加热公共加热衬底，从而使多个PPTC电阻跳闸并同时断开电子负载。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，提供加热元件的步骤包括提供带有控制电极的半导体功率转换装置，其中把断开控制信号施加到加热元件的步骤包括给控制电极施加断开控制信号。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，提供半导体功率转换装置的步骤包括提供具有栅极的场效晶体管的步骤；其中把断开控制信号施加到控制电极的步骤包括把断开控制信号施加到栅极。
CNB038140462A 2002-06-19 2003-06-16 多负载保护和控制装置及提供电过载保护的方法 Expired - Lifetime CN100420116C (zh)

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