專(zhuān)利名稱(chēng):一種用于防止不希望的差模瞬變電流的保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及電涌保護(hù)裝置。
背景技術(shù):
在電路連接到外部電纜的情況下,由于瞬變過(guò)壓能夠沿電纜傳輸,所以可能會(huì)出現(xiàn)損壞電路的危險(xiǎn)。這種過(guò)壓可能是由多種因素中的任何一種所造成的。例如,閃電、靜電放電或位于電纜遠(yuǎn)端的設(shè)備故障,都可以是造成過(guò)壓的原因?,F(xiàn)在已有幾種技術(shù),用于把電路與潛在的具有破壞性的浪涌分離開(kāi)。這些技術(shù)包括如圖1所示的電感耦合、電容耦合以及圖2中所示的光電隔離技術(shù)。隔離變壓器通常用以實(shí)現(xiàn)電感耦合。
圖1是典型電路配置的示意圖,其中,電纜包括一對(duì)導(dǎo)體2和4,所述導(dǎo)體2和4端接在隔離變壓器6上,所述隔離變壓器6連接到負(fù)載12上。如果存在共模電壓浪涌,那么導(dǎo)體2和4上電勢(shì)的變化實(shí)際上是相等的,從而,使得流過(guò)變壓器6的初級(jí)線圈8的凈電流基本為零。結(jié)果,共模瞬變不會(huì)在次級(jí)線圈10中感生出故障電流,因此,隔離變壓器6為負(fù)載12提供了共模保護(hù)。
然而,如果電壓瞬變對(duì)導(dǎo)體2和4之一的影響顯著地大于對(duì)另一個(gè)的影響,那么,浪涌電流將流過(guò)初級(jí)線圈8、并且在次級(jí)線圈10的輸出端子之間感生出瞬變電壓。該浪涌電流可能會(huì)損壞該隔離裝置,也可能會(huì)損壞要被保護(hù)的設(shè)備。因此,應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到當(dāng)隔離變壓器對(duì)共模瞬變提供良好的保護(hù)措施時(shí),其對(duì)差模浪涌卻不提供保護(hù)。
經(jīng)常使用隔離變壓器的一個(gè)地方是用來(lái)實(shí)現(xiàn)本地計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(loal area computer data network)(LANs)。參照?qǐng)D3,表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)形式的數(shù)字處理卡(或者其通常被稱(chēng)為“LAN卡”)借助于J8-45插座18連接到LAN電纜16的J8-45插頭22上。LAN卡14包括隔離變壓器模塊20,所述隔離變壓器模塊20將插座18連接到數(shù)據(jù)處理芯片24上,所述數(shù)據(jù)處理芯片24再借助于PCI插槽連接器28、而與工作站的中央處理器26進(jìn)行通信,所述PCI插槽連接器28插接到PCI連接器30內(nèi),所述PCI連接器30再安裝到工作站的主板32上。
圖4是圖3中現(xiàn)有技術(shù)的卡的示意圖,其中,同樣的標(biāo)號(hào)用來(lái)表示同樣的部件。該卡借助于相應(yīng)的平衡式雙絞線來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)脈沖,所述平衡式雙絞線封裝在LAN電纜16中、并且端接在J8-45插座18的引腳RX+、RX-上以及引腳TX+、TX-上。
隔離模塊20包括一對(duì)變壓器20A和20B,所述變壓器20A和20B分別將處理芯片24與發(fā)送和接收雙絞線上的瞬變隔離。正如前面已說(shuō)明的,隔離變壓器20A和20B對(duì)具有破壞性的共模瞬變提供了相當(dāng)強(qiáng)的抗擾性,但是對(duì)差模瞬變卻沒(méi)有提供抗擾性。例如,如果電壓瞬變出現(xiàn)在引腳RX+上而沒(méi)有出現(xiàn)在引腳RX-上,那么該瞬變電壓將穿過(guò)隔離變壓器傳輸,并且可能損壞處理芯片24。
本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)便的方法,用于解決上面所討論的差模瞬變所引起的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方案,提供的一種差模浪涌保護(hù)裝置包括一對(duì)輸入連接點(diǎn)和一對(duì)相應(yīng)的輸出連接點(diǎn);第一固態(tài)保護(hù)裝置,其串聯(lián)在所述一對(duì)輸入連接點(diǎn)中的第一輸入連接點(diǎn)和所述一對(duì)相應(yīng)的輸出連接點(diǎn)中的第一輸出連接點(diǎn)之間;以及第二固態(tài)保護(hù)裝置,其串聯(lián)在所述一對(duì)輸入連接點(diǎn)中的第二輸入連接點(diǎn)和所述一對(duì)相應(yīng)的輸出連接點(diǎn)中的第二輸出連接點(diǎn)之間。
第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置可以集成在一個(gè)單獨(dú)的小型保護(hù)封裝中。
優(yōu)選地,設(shè)置浪涌放電器,以對(duì)由所述第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置所提供的保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充;選擇浪涌放電器,以便在使用中、使其在所述第一或第二固態(tài)保護(hù)裝置任一個(gè)被擊穿之前觸發(fā)。
所述浪涌放電器并聯(lián)連接在所述輸入連接點(diǎn)之間。
優(yōu)選地,所述第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置由一對(duì)匹配的單極瞬變阻塞單元(TBU)構(gòu)成,每個(gè)單極瞬變阻塞單元包括兩個(gè)串連連接的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
所述差模浪涌保護(hù)裝置可以設(shè)置以與諸如網(wǎng)卡的數(shù)字信號(hào)處理卡結(jié)合在一起。
優(yōu)選地,所述固態(tài)保護(hù)裝置設(shè)置在所述數(shù)字信號(hào)處理卡的共模隔離裝置和所述數(shù)字信號(hào)處理卡的外部連接點(diǎn)之間??商鎿Q地,也可以把固態(tài)保護(hù)設(shè)備設(shè)置于所述隔離裝置的輸出端和所述卡的數(shù)字信號(hào)處理芯片之間。
在所述的裝置沒(méi)有結(jié)合數(shù)字處理卡一起設(shè)置的情況下,它可以設(shè)置還包括共模隔離裝置,所述共模隔離裝置設(shè)置在所述第一固態(tài)保護(hù)裝置、所述第二固態(tài)裝置與所述輸出連接點(diǎn)之間。
所述共模隔離裝置可以由隔離變壓器構(gòu)成。
可替換地,所述共模隔離裝置可以由另一個(gè)合適的裝置構(gòu)成,例如光電隔離器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案,可以提供包括一個(gè)或多個(gè)所述差模浪涌保護(hù)裝置的電纜。在這種情況下,所述一對(duì)輸入連接點(diǎn)可以端接在所述電纜的第一連接器上,所述輸出連接點(diǎn)可以端接在所述電纜的第二連接器上。
所述電纜的第一連接器可以由插座構(gòu)成,所述第二連接器可以由插頭構(gòu)成??商鎿Q地,所述第一連接器可以由插頭構(gòu)成,所述第二連接器可以由插頭構(gòu)成。
典型地,所述電纜由LAN電纜構(gòu)成,所述第一和第二連接器由LAN電纜連接器構(gòu)成。
為使本發(fā)明各種不同方案的更多優(yōu)選特征更加清楚,以下將參照各個(gè)附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中共模保護(hù)電路的示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中另一個(gè)共模保護(hù)電路的示意圖。
圖3描述了現(xiàn)有技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)接口卡的外觀。
圖4是圖3中網(wǎng)絡(luò)接口卡的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的浪涌保護(hù)模塊的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的差模保護(hù)裝置封裝示意圖。
圖7是圖6的差模保護(hù)裝置封裝的電路示意圖。
圖8是圖7的差模保護(hù)裝置封裝的變形電路示意圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的網(wǎng)絡(luò)接口卡的示意圖。
圖10描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的差模浪涌保護(hù)裝置的外觀。
圖11是圖7的保護(hù)裝置的示意圖。
圖12描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的差模浪涌保護(hù)裝置的外觀。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)D5,來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的隔離模塊34。隔離模塊34包括共模隔離裝置42,在本實(shí)施方式中,共模隔離裝置42由變壓器構(gòu)成,應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到可以用一些其它的共模隔離裝置(諸如光電隔離器)來(lái)替代變壓器。隔離模塊34包括兩個(gè)相同的、串聯(lián)連接的單極瞬變阻塞單元(TBU)36和38,所述單極瞬變阻塞單元(TBU)36和38連接在變壓器42的初級(jí)線圈40的相應(yīng)端。
TBU是晶體管裝置,其被設(shè)計(jì)成一旦流經(jīng)它的電流達(dá)到某一預(yù)定的觸發(fā)水平,其就使電路變?yōu)殚_(kāi)路。TBU 36包括兩個(gè)耗盡型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),分別是N溝道型FET(N-channel FET)Q1和P溝道型FET(P-channel FET)Q2。Q1和Q2與它們的傳導(dǎo)路徑串聯(lián)連接,晶體管Q1的柵極連接到晶體管Q2的漏極上,Q1和Q2的源極相互連接,并且晶體管Q1的漏極連接到第一端子44上。電阻器R1連接在Q1的漏極和Q2的柵極之間。Q2的漏極連接到初級(jí)線圈40的第一端上。事實(shí)上,TBU 36的功能為從端子44流向初級(jí)線圈40的正向電流的保險(xiǎn)絲。TBU 38的結(jié)構(gòu)與TBU 36的結(jié)構(gòu)相同,因此TBU 38的作用為從端子46流向初級(jí)線圈40的正向電流的保險(xiǎn)絲。為了維持電路的平衡,選擇TBU 38和TBU 36以使它們具有的插入損耗盡可能地接近。
當(dāng)流過(guò)負(fù)載的電流達(dá)到預(yù)定的觸發(fā)水平時(shí),TBU 36和TBU 38通過(guò)觸發(fā)以使電路變?yōu)殚_(kāi)路、而保護(hù)與端子43和45并聯(lián)連接的負(fù)載免受差模浪涌電流的損壞。如果流入端子44的差模電流達(dá)到觸發(fā)水平,那么TBU 36將使電路變?yōu)殚_(kāi)路??商鎿Q地,如果流出端子44的差模電流達(dá)到觸發(fā)水平,那么TBU 38將觸發(fā)。當(dāng)然,相對(duì)于圖4中所描述的線路接法,TBU可以反向排列。
在這種情況下,如果流入端子44的差模電流達(dá)到觸發(fā)水平,那么TBU 38將使電路變?yōu)殚_(kāi)路;反之,如果流出端子44的差模電流達(dá)到觸發(fā)水平,那么TBU 36將觸發(fā)。
如果已觸發(fā)的TBU兩端之間的電壓繼續(xù)上升、然后最終達(dá)到擊穿電壓,那么TBU在這種情況下將再次導(dǎo)通。目前,可得到擊穿電壓達(dá)800V的TBU。為了提供保護(hù)、以免受超過(guò)擊穿電壓的浪涌的破壞,隔離模塊34可以包括浪涌放電器48。典型地,使用如標(biāo)號(hào)48所示的氣體放電器。然而,作為替代,可以使用任何合適的浪涌放電器。浪涌放電器48線到線地并聯(lián)連接端子44和46,并且選擇浪涌放電器48,以便其在TBU兩端的電壓達(dá)到擊穿電壓90%的時(shí)候觸發(fā)。因此,如果差模浪涌接近TBU的擊穿電壓,那么浪涌放電器將觸發(fā),并在差模浪涌擊穿已觸發(fā)的TBU、且隨后穿過(guò)隔離變壓器42傳輸以致可能損壞連接在輸出端子43和45之間的任何負(fù)載之前,將該浪涌短路。
可以從澳大利亞昆士蘭(Queensland)州布里斯班(Brisbane)市露西婭街(St Lucia)昆士蘭大學(xué)校內(nèi)的76A大廈的Fultec Pty Ltd公司購(gòu)買(mǎi)到合適的TBU。在已授權(quán)的專(zhuān)利號(hào)為5,742,463的美國(guó)專(zhuān)利和申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/AU03/00175的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)中,描述了用于實(shí)現(xiàn)TBU的合適的電路,上述二者都是由本發(fā)明人發(fā)明的。美國(guó)專(zhuān)利5,742,463和國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/AU03/00175兩者的說(shuō)明書(shū)通過(guò)相互參照的方式而合并在一起。
參照?qǐng)D6,根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式,具有如圖所示的四個(gè)連接器A、B、C、D的差模保護(hù)裝置43被方便地設(shè)置于單獨(dú)的封裝內(nèi)。該裝置可以任意地設(shè)置有或不設(shè)置有浪涌放電器。圖7中顯示的是不具有浪涌放電器的裝置43的內(nèi)部電路示意圖;與此相反,圖8顯示的是具有浪涌放電器的另一種類(lèi)型的差模保護(hù)裝置的示意圖。該裝置還可能有更多的變形。例如,可以提供具有八個(gè)端子這種類(lèi)型的裝置,其中包括兩個(gè)圖7或圖8的電路。
在圖9中,顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的數(shù)字處理卡的示意圖,在本實(shí)施例中數(shù)字處理卡是LAN卡。應(yīng)當(dāng)注意,圖9的LAN卡包括兩對(duì)TBU 51A、51B和52A,52B,他們分別與插座18的端子TX+,TX-和RX+,RX-串聯(lián)連接。
(每個(gè)TBU都與圖5的TBU 36和38相同,并且這些TBU可以被設(shè)置于八個(gè)端子這種類(lèi)型的圖6所示的裝置43中)。浪涌放電器19和21分別連接在引腳TX+、TX-之間以及RX+、RX-之間。選擇浪涌放電器,以便它們?cè)赥BU兩端的電壓達(dá)到TBU擊穿電壓的90%的時(shí)候觸發(fā)。如前面說(shuō)明,如果差模浪涌接近TBU的擊穿電壓,那么浪涌放電器將觸發(fā),并可以在差模浪涌擊穿TBU、且隨后穿過(guò)隔離變壓器傳輸以致可能損壞邏輯電路24之前,將浪涌短路。
圖10描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的差模浪涌保護(hù)器50的外觀,同時(shí),圖11是相應(yīng)的電路示意圖。浪涌保護(hù)器50包括用于連接到LAN卡的插座上的J8-45插頭52。J8-45插頭連接到差模保護(hù)模塊54上,所述差模保護(hù)模塊54包括如圖11所示的TBU和浪涌放電器。該浪涌保護(hù)器還包括J8-45插座58,所述J8-45插座58連接到模塊54中電路上、并且用于連接LAN電纜。
圖12是圖10和圖11的差模浪涌保護(hù)器的變形,其是結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明的差模保護(hù)功能的電纜63。其中,電纜63包括連接到數(shù)字處理卡的連接器52。在本實(shí)施例中,電纜63是LAN電纜,連接器52和59是J8-45插頭,顯然,對(duì)于其他應(yīng)用可以使用其他連接器。差模保護(hù)模塊54連接到連接器52上,所述差模保護(hù)模塊54與圖10中的差模保護(hù)模塊相同、并包括圖11所描述的電路。距離相對(duì)較長(zhǎng)的電纜61將保護(hù)模塊54連接到遠(yuǎn)程連接器59上,所述保護(hù)模塊54包括如圖11所示的TBU和浪涌放電器。在使用中,連接器52插入諸如LAN卡的數(shù)字處理卡中,而連接器59插入諸如網(wǎng)絡(luò)集線器的遠(yuǎn)程設(shè)備中。如果需要,可以在插頭59的附近插入第二模塊。當(dāng)然,也可能有圖12所示電纜的變形。
例如,可以將設(shè)置在外殼54內(nèi)部的電路集成到連接器52和59中的連接器52內(nèi)或連接器59內(nèi)。
盡管根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述,但是其本意并非是將本發(fā)明局限于這些實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言,等同的方法、結(jié)構(gòu)、配置、過(guò)程、步驟和其它改進(jìn)均落入如下的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種差模浪涌保護(hù)裝置,包括一對(duì)輸入連接點(diǎn)和一對(duì)相應(yīng)的輸出連接點(diǎn);第一固態(tài)保護(hù)裝置,其串聯(lián)在所述一對(duì)輸入連接點(diǎn)中的第一輸入連接點(diǎn)和所述一對(duì)相應(yīng)的輸出連接點(diǎn)中的第一輸出連接點(diǎn)之間;以及第二固態(tài)保護(hù)裝置,其串聯(lián)在所述一對(duì)輸入連接點(diǎn)中的第二輸入連接點(diǎn)和所述一對(duì)相應(yīng)的輸出連接點(diǎn)中的第二輸出連接點(diǎn)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置,其中,所述第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置集成在一個(gè)單獨(dú)的小型保護(hù)封裝中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置,還包括浪涌放電器;設(shè)置所述浪涌放電器,以對(duì)由所述第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置所提供的保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充;選擇所述浪涌放電器,以便在使用中、使其在所述第一或第二固態(tài)保護(hù)裝置任一個(gè)被擊穿之前觸發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置,其中,所述浪涌放電器并聯(lián)連接在所述輸入連接點(diǎn)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置,其中,所述第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置由一對(duì)匹配的單極瞬變阻塞單元(TBU)構(gòu)成,每個(gè)單極瞬變阻塞單元包括兩個(gè)串連連接的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置,其與數(shù)字信號(hào)處理卡相結(jié)合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置,還包括浪涌放電器;設(shè)置所述浪涌放電器,以對(duì)由所述第一和第二固態(tài)保護(hù)裝置所提供的保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充;并且選擇所述浪涌放電器,以便在使用中、使其在所述第一或第二固態(tài)保護(hù)裝置任一個(gè)被擊穿之前觸發(fā)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置,其中,所述固態(tài)保護(hù)裝置連接在所述數(shù)字信號(hào)處理卡的共模隔離裝置和所述數(shù)字信號(hào)處理卡外部連接點(diǎn)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置,其中,所述數(shù)字信號(hào)處理卡由LAN卡構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置,還包括共模隔離裝置,所述共模隔離裝置設(shè)置在所述第一固態(tài)保護(hù)裝置、所述第二固態(tài)裝置與所述輸出連接點(diǎn)之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置,還包括共模隔離裝置,所述共模隔離裝置設(shè)置在所述第一固態(tài)保護(hù)裝置、所述第二固態(tài)裝置與所述輸出連接點(diǎn)之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置,其中,所述共模隔離裝置由隔離變壓器構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置,其中,所述共模隔離裝置由光電隔離裝置構(gòu)成。
14.一種電纜,包括一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要求1所述的裝置,其中,所述一對(duì)輸入連接點(diǎn)端接在所述電纜的第一連接器上,其中,所述輸出連接點(diǎn)端接在所述電纜的第二連接器上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電纜,其中,所述第一連接器由插座構(gòu)成,以及所述第二連接器由插頭構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電纜,其中,所述第一連接器由插頭構(gòu)成,以及所述第二連接器由插頭構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電纜,其中,所述電纜由LAN電纜構(gòu)成,以及所述第一和第二連接器由LAN電纜連接器構(gòu)成。
全文摘要
一種差模浪涌保護(hù)裝置(34),包括串連連接在相應(yīng)的輸入連接點(diǎn)和輸出連接點(diǎn)之間的第一(36)和第二(38)固態(tài)保護(hù)裝置。所述裝置可以與諸如隔離變壓器(42)的共模保護(hù)裝置結(jié)合設(shè)置??商鎿Q地,所述裝置可以集成設(shè)置在單獨(dú)的小型保護(hù)封裝中。在優(yōu)選的實(shí)施方式中,該裝置包括浪涌放電器(48),設(shè)置浪涌放電器補(bǔ)充由所述第一(36)和第二(48)固態(tài)保護(hù)裝置所提供的保護(hù),并選擇浪涌放電器以便在使用中使其在所述第一或第二固態(tài)保護(hù)裝置被擊穿之前觸發(fā)。所述裝置可以集成在諸如LAN卡的數(shù)字處理卡中,也可以集成在電纜中以提供簡(jiǎn)便的差模保護(hù)。
文檔編號(hào)H02H9/02GK1703815SQ200380101017
公開(kāi)日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月8日
發(fā)明者理查德·艾倫·哈里斯 申請(qǐng)人:富爾特克專(zhuān)營(yíng)有限公司