CN101490571B

CN101490571B - 用于检测可与开关接头连接的负载装置的状态的电路装置

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Publication number: CN101490571B
Application number: CN2007800237091A
Authority: CN
Inventors: B·阿恩特; R·福斯特; M·韦尔; G·沃尔法思
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: DE102006045308A1; DE102006045308B4; CN101490571A; US8416546B2; WO2008037510A1; US20090309607A1; EP2069811A1

Abstract

一种用于检测可与开关接头(5)连接的负载装置(2)的状态的方法，其中所述开关接头(5)可与预先给定的开关电位(GND、VBR)耦接和去耦，其中根据在所述开关接头(5)上的电压降来识别出所述负载装置(2)与所述开关接头(5)连接、所述负载装置(2)与所述开关接头(5)未连接、或者所述开关接头(5)与第一或第二开关电位(GND、VBR)之间短路，其中在所述开关接头(5)与预先给定的所述开关电位(GND、VBR)去耦的同时使得附加电流源(10)与所述开关接头(5)连接。

Description

用于检测可与开关接头连接的负载装置的状态的电路装置

本发明涉及一种方法和一种电路装置，借助该电路装置能够诊断特别是与低侧开关或高侧开关连接的负载的状态。

集成的功率开关通常是所谓的低侧开关(Low-Side-Schalter)，其中开关接头(Schaltanschluss)多数情况下可通过功率晶体管被接通到预先给定的低的电位上。这用于控制与开关接头连接的负载例如开关继电器，所述开关继电器必须接通特别大的电流或电压。例如，低侧开关将处于工作电压电位的负载与地连接。在高侧开关(High--Side-Schalter)中，相应的开关接头通过开关晶体管被置于预先给定的高电位，以便控制相应的负载。例如，高侧开关可以将处于地的负载与工作电压电位连接。为了确保相应的电路装置的电磁兼容性(EMV)，通常必须将缓冲电容器连接到开关接头上。这种功率开关特别是用在汽车领域中。

除了通过在开关接头上的分别预先给定的逻辑的电平来控制负载外，还希望识别出负载本身的可能的错误状态。例如，在开路负载状态下在负载例如继电器的控制端子和功率开关的开关接头之间的电连接可能会中断。另外可想到，对于相应的负载存在开关接头的短路、例如与地或者与电池供电电压短路。

为了能够识别出这些可能的错误，已知如下方法，即在相应的开关晶体管的断开状态下将参考电位施加到开关接头上，并测量电压的时间变化曲线。于是借助基本取决于缓冲电容器的充电和放电状况的电压曲线，可以得出开路负载状态。如此诊断所存在的问题特别是，在相应的诊断时间期间由于电容器的再充电而引起的不利的漫长的时间过程，在该诊断时间结束之后才能对负载进行可靠的诊断。诊断时间也称为“过滤时间(Filterzeit)”。

因此本发明的任务在于，提供一种用于检测与开关接头连接的负载的状态的方法，其中过滤时间尽可能地短。

所述任务通过根据权利要求1的、用于检测与开关接头连接的负载装置的状态的方法得以解决。另外，具有权利要求10或11的特征的电路装置也解决了所述任务。

据此规定一种用于检测可与开关接头连接的负载装置的状态的方法，其中开关接头可与预先给定的开关电位耦接或去耦。在此，根据在开关接头上的电压降来识别出负载与开关接头的连接、负载与开关接头未连接、或者开关接头与第一或第二开关电位之间的短路。在此，在开关接头与预先给定的开关电位去耦的同时使得附加电流源与开关接头连接。

优选在开关接头和第一开关电位之间设有电容器，借助该电容器来求得电压降。

根据本发明暂时地接入附加电流源，该附加电流源例如辅助或加速与开关接头连接的电容器的相应的充电或放电。因此例如在开路负载情况下开关接头快速地达到例如已知的诊断电位。

优选将附加电流源与开关接头连接预定的过滤时间间隔。在本方法的一种特别优选的变型中，如果在开关接头上测得的测量电位等于(entspricht)诊断电位，将附加电流源从开关接头去除。诊断电位如下选择，即例如在开路负载状态的情况下诊断电位必须被测量电位经过，以便产生电位平衡或者确保存储在电容器上的电荷的电荷平衡。

优选本方法具有如下方法步骤：

-使得负载装置与开关接头去耦；

-在开关接头上施加参考电位；和

-特别是为了电容器的充电或放电，在调节电位和开关接头之间接入附加电流源，直至在开关接头上的测量电位等于诊断电位或者直至预先给定的过滤时间结束。

例如分接位于开关接头上的测量电位，并将其与诊断电位相比较。如果预先给定的过滤时间间隔优选如下选择：在过滤时间间隔内，通过电容器的充电或放电，可利用所施加的参考电位和附加电流源使开关接头置于参考电位，则会产生用于相应的电路装置的特别高的诊断频率或开关频率，因为通过接入附加电流源可以实现电容器的特别快速的充电或放电。相应的诊断电位在此可以如下选择，即其在时间上在参考电位之前被测量电位达到。

在本方法的一种变型中，将负载装置设置在开关接头和作为预先给定的开关电位的地电位之间，开关接头可通过可控开关与电池电位耦接。在此，在负载装置与电池电位去耦之后，如果测量电位在过滤时间间隔内处于预先给定的开路负载电位范围内，则检测到负载装置与开关接头和/或与地电位未连接。在这种为高侧开关而设计的方法变型中，当存在开路负载状况时，电容器特别是通过附加电流源快速放电，从而会在开关接头上产生参考电位。诊断电位于是优选位于参考电位之上。开路负载电位范围于是可以定义为在上部的和下部的诊断电位之间的电压。

在本方法的另一种变型中，将负载装置设置在开关接头和作为预先给定的开关电位的电池电位之间，开关接头可通过可控开关与地电位耦接。在此，在负载装置与地电位去耦之后，如果测量电位在过滤时间间隔内处于预先给定的开路负载电位范围内，则检测到负载装置与开关接头和/或与电池电位未连接。

在该为低侧开关而设计的方法变型方案中，电容器特别是通过附加电流源快速被放电，从而必定在开关接头上出现参考电位。诊断电位则优选位于参考电位之下。一旦达到诊断电位，附加电流源就断开并提供诊断结果。

用于检测可连接在开关接头和第一开关电位之间的负载装置的状态的电路装置具有：

-可控开关，其连接在开关接头和第二开关电位之间；和

-连接在第一调节电位和开关接头之间的第一电流源和连接在开关接头和第二调节电位之间的第二电流源，其中在第一和第二电流源之间在开关接头上可分接(abgreifbar)参考电位；和

-附加电流源，其可被接入在第一调节电位和开关接头之间。

该电路装置例如构成高侧开关，其可快速地诊断负载状态。

根据另一实施方式，设置一种用于检测可以与开关接头连接的负载装置的状态的电路装置，其具有：

-可控开关，其连接在开关接头和第一开关电位之间；

-连接在第一调节电位和开关接头之间的第一电流源，和连接在开关接头和第二调节电位VP之间的第二电流源，其中在第一和第二电流源之间在开关接头上可分接参考电位；

并且具有

-附加电流源，其可被接入在第一调节电位和开关接头之间。

在此，负载装置可连接在开关接头和第二开关电位之间。

这种扩展方案特别适合于同样允许短的过滤时间并从而允许高的开关频率的低侧开关。优选地，相应的可控开关被实施为MOSFET、特别是P型或N型沟道的MOSFET。另外，第一和第二电流源和/或附加电流源优选被实施为可接入的可控电流源。此外优选设置有电容器，其连接在开关接头和第一开关电位之间。

在一种特别有益的实施方式中，设置有与开关接头耦接的控制装置，其如下被设计，即实施本发明的、用于检测可与开关接头连接的负载装置的状态的方法。

在此，控制装置有利地具有用于比较测量电位与诊断电位的比较装置。

在一种有益的方案中，电路装置被实施为集成的高侧开关或低侧开关，其中可控开关、第一和第二电流源、附加电流源和控制装置集成地构造在一个芯片上。

本发明的其它有益的方案是从属权利要求以及下面所述的实施例的主题。

下面借助优选的实施例对照附图详细说明本发明。图中示出：

图1示出本发明的电路装置的第一实施方式；

图2示出本发明的方法的一种变型；

图3示出电路装置的第一实施方式的电压曲线；

图4示出本发明的电路装置的第二实施方式；

图5示出电路装置的第二实施方式的电压曲线；和

图6示出本发明的电路装置的第三实施方式。

在附图中，只要未特别说明，相同的或相同功能的元件标有相同的参考标号。

在图1中示出作为高侧开关的电路装置的第一实施方式，其用于检测可与开关接头连接的负载装置的状态。电路装置1具有控制输入端12和开关接头5。在开关接头5上可连接负载装置2，该负载装置2例如连接在开关接头5和第一开关电位(这里选为地电位GND)之间。在开关接头5和地电位之间还连接有缓冲电容器3，该缓冲电容器缓冲电压尖峰并从而确保高侧开关的电磁兼容性。

设有构造成功率MOSFET晶体管的可控开关4，该可控开关具有控制端子或栅极端子13和在源极端子14和漏极端子15之间的可控制的区段(Strecke)。漏极端子15被连接到第二开关电位VBR，该第二开关电位例如具有汽车用电池的、由电池电压导出的12伏特的电池电位VBR。源极端子14与开关接头5连接。通过高侧开关1的控制输入端12，逻辑的控制信号CTR可与栅极端子13耦接，由此开关晶体管4使得可控制的区段断开或导通，并因此引起开关接头5与电池电位VBR的耦接，或者在可控端子13上的逻辑低电平情况下引起去耦。负载装置2因此可耦接在地电位GND和电池电位之间。

为了在线路节点16上提供参考电位VREF，设有第一和第二电流源6、8。第一电流源6通过可控开关7连接在线路节点16和第一调节电位VN之间。第二电流源8可借助可控开关9连接在线路节点16和第二调节电位VP之间。开关7、9受控制装置22控制，使得在线路节点16上施加恒定的参考电位VREF。为此控制装置22被耦接到线路节点16，并将控制信号CT1、CT2输出至开关7、9。通常，第一调节电位VN被置于0伏特、即地电位，第二调节电位VP处于5伏特的逻辑电平。在第一和第二电流源6、8具有相同大小的通常约为0.1mA的电流时，在电流源6、8接通的情况下，在线路节点16或开关接头5上产生2.5伏特的参考电位。另外，设有附加电流源10，该附加电流源可通过开关11连接在第一调节电位VN和开关接头5之间。在一个实施例中，该附加电流源10的电流大小为20mA。

为了诊断负载装置2是否可靠地与开关接头5和地电位GND电连接，主要实施在图2中所示的方法步骤。

为了进行诊断，在第一步骤S1中通过控制信号CTR将晶体管4断开，即开关接头5与电池电位VBR去耦。与晶体管4的断开的同时，在步骤S2中接通开关11，如果负载2已与开关接头5分开，从而可以通过附加电流源10将电容器3放电。这例如可以通过电机中的松线(loseLeitung)或汽车的束线来实现。另外开始过滤时间T，其确定用于诊断的时间间隔。T例如这样被选择，使得在开路负载情况下，其中接通附加电流源10，在该过滤时间T内电位V2可以出现在开关接头5上。

在步骤S3中，作为测量电位VM测量位于开关接头5上的电位，并检查该电位是否处于开路负载电位范围V2-V1内。例如，V2可以为3伏特，V1为2伏特。在此，可以由比较结果或测量电位VM的时间变化过程确定例如是否存在开路负载错误，也就是说，负载装置2未与开关接头5连接。如果达到诊断电位V2，则在步骤S4中将附加电流源10 断开。在这种情况下，必定存在未连接的负载2。但如果VM不在V2-V1内，则在步骤S5中检查过滤时间间隔T是否结束。如果情况并非如此，则重新执行步骤S5。如果确定出过滤时间已结束且测量电位尚未接近诊断电位V2，则可以得出结论：不存在负载装置的错误状态。同时，在过滤时间T结束之后在步骤S4中将附加电流源10断开。在结束步骤S6中输出相应的诊断结果。相反，如果导入步骤S4，则在步骤S6中诊断出开路负载错误。

图3示意性地示出测量电位VM的可能的电压曲线和附加电流源的切换时间过程和过滤时间T。在t＜t₀时，由此出发：开关晶体管4将开关接头VM以及耦接于其上的负载装置2接至电池电位VBR。为了进行诊断，即为了确定负载装置2是否可靠地与开关接头连接，在时间点t₀将晶体管4断开，即开关接头5与电池电位VBR去耦。这通过控制信号CTR来控制。同时，在线路节点16上存在由电流源6、8所提供的参考电位VREF。如果负载装置2因干扰未与开关接头5连接，则电容器3必须首先被放电，直至在开关接头5上出现2.5伏特的参考电位VREF。

虚线的曲线VM0示出在没有附加的电流源的情况下所测得的电压VM0的变化过程。电容器3在这种情况下非常缓慢地通过电流源6放电，从而在时间点t₂才出现参考电位VREF并可能识别出开路负载干扰。但根据本发明，在去耦的同时通过开关11将附加电流源10接入，这通过控制信号CT3的变化曲线(见图6)示出。由此，在开路负载状态下电容器3可以明显更快速地同样通过附加电流源10放电，从而在明显较短的时间间隔t₁之后VM已经接近开关接头5上的参考电位VREF并达到诊断电位V2。这在图3中用实线示出。因此在t₁之后已经可以将附加电流源10再次断开，且在过滤时间T结束后输出错误诊断。

过滤时间T被如下调节：即在过滤时间T结束后，例如被实现为6.8nF大小规格的电容器3在所有的三个电流源6、8、10都接通的情况下可靠地被放电，从而达到在V2和V1之间的开路负载电位范围。因此可以在明显早于t₂的时间点t₀+T确定出是否存在开路负载状况。

对于不存在错误状态、即负载装置3按规定与开关接头5连接这种情况，实际上在开关接头5与电池电位VBR去耦的同时在时间点t₀在开关接头上产生地电位GND，因为电容器3立即通过负载放电。因此如果在去耦之后测得电压低于V1，则可以认为没有干扰。

相反，如果存在开关接头5至电池电位VBR的短路，则即使在过滤时间T结束之后在时间点t₁在开关接头5上也不会产生低于V2的电位，从而也能识别出这种错误状况。

通过接入附加电流源10而明显缩短的、电容器3的放电时间允许明显提高的开关频率，因为在时间点t₁利用开关1通过对晶体管4的栅极端子13的控制已经可以又对电池电位进行耦接。通过仅在对可能存在或不存在的错误进行诊断或检测期间接入附加电流源10，还几乎不产生泄漏电流。在开关接头5静态地被断开即去耦的情况下，对负载装置2的潜在可能的开路负载状态进行检测。但因为仅仅设计了电容器3的充电电流或放电电流的非常短暂的提高，所以不存在通过由附加电流源10所提供的电流对负载装置2的供电的危险。

原则上也可以将用于检测负载装置状态的本发明方法的前述变型应用于低侧开关。在图4中示意性地示出相应的低侧开关100的一种实施方式。带有诊断功能的低侧开关100具有控制输入端12和开关接头5。在开关接头5和电池电位VBR之间连接有负载装置2。在开关接头5和地电位GND之间还连接有EMV缓冲电容器3。

作为可控开关4，MOSET晶体管设置有控制端子13、源极端子14和漏极端子15，其中源极端子14与地GND连接，漏极端子15与开关接头5连接。通过将控制信号CTR经由控制输入端12耦合入到栅极端子13上，可以将晶体管4断开和导通，从而使得开关接头5与地电位耦接或去耦。

设置有第一和第二电流源6、8，它们借助两个由控制装置22控制的开关7、9串联地连接在第一调节电位VN和第二调节电位VP之间。由此在两个电流源6、8之间可在线路节点16上分接受调节的参考电位VREF。另外，可通过附加的开关11在开关接头5和第二调节电位VP之间连接附加电流源10，所述第二调节电位VP例如处于5伏特。

为了诊断负载装置2实际上是否与开关接头5连接，例如可以定期地即周期性地以预先给定的过滤时间T、通过晶体管4的导通使得开关接头5与地电位GND去耦。因为相应的高端或低侧开关通常受脉宽调制的信号控制，因此根据本发明的、过滤时间T的缩短是特别有利的，因为由此可使用较小的脉宽并且从而可使用较快速的控制信号序列 CTR，并且仍然可实现对负载状态的诊断。

在图5中示出可以在开关接头5上被分接的测量电位的相应的电压曲线和附加电流源的接通的时间过程和过滤时间T的时间过程。如对照图1和3所述，在时间点t₀通过控制信号CTR将开关4打开，也就是说，在晶体管4的源极端子和漏极端子14、15之间的可控区段变成高阻的。如果已将负载装置2去除，则通过经由开关7、9将两个电流源6、8接入，必会在线路节点16或与其连接的开关接头5上产生2.5伏特的参考电位VREF。如果只有这两个电流源6、8激活，则产生测量电位的标有VMO的虚线的曲线，即在较晚的时间点t₂，电容器通过电流源8被充电了，从而在开关接头5上产生VREF。

但根据本发明设置有附加电流源10，其在与GND去耦的同时通过开关11与开关接头5连接。由此产生测量电位VM的实线的过程曲线。在明显较早的时间点t₁已经在开关接头5上出现诊断电位V1＜VREF，因为附加电流源10使得电容器3快速充电。过滤时间间隔T因此可以明显缩短。

第一和第二电流源6、8的可能的大小约为0.1mA，其中短暂地接入的附加电流源10可以是2mA的电流源。在电容器3的电容为6.8nF时，则得到约为5kHz的诊断或开关频率。

因此在测量电位处于V1和V2之间的范围内时可以得出开路负载状况。合适的值例如为V1＝2V，V2＝3V。如果在过滤时间间隔T期间在开关接头5与地电位GND去耦之后产生在V1和V2之间的范围内的电压，则识别出开路负载状态。相反，如果在去耦之后开关接头5短路至地GND，则测量电位明显低于V1，即实际上为地电位GND。如果负载装置2按照规定在开关接头5上保持没有干扰，则在开关接头5上产生朝向VBR走向的测量电位VM。

图6示出本发明的电路装置的第三实施例。设计为高侧开关的电路装置200主要具有与在图1中所示的电路装置1相同的元件。

另外设有控制装置22，其具有比较器17和控制器20。比较器17具有第一输入端18和第二输入端19，其中第二输入端19与参考电位VREF连接。比较器17的第一输入端18与开关接头5连接。比较器17提供比较结果CPR给控制器20，控制器20将控制信号CT1、CT2、CT3提供给可控制地设计的开关7、9、11，以便使得第一和第二电流源6和 8以及附加电流源10耦接。比较器17例如可以输出比较结果CPR，即测量电位VM大于、小于或等于诊断电位V2。

控制装置16的控制器20分析该比较结果CPR，并将错误信号ER提供给电路装置200的错误输出端21。控制装置16在此如下设计，即实施本发明的、用于检测负载装置2的状态的、如对照图1-3所述的方法。

也可考虑控制装置22带有两个比较器的实施方式，所述比较器将测量电位分别与低的和高的诊断电位V1、V2相比较。于是可确定，开关接头5上的测量电位VM是否处于开路负载电位范围V2-V1上。在图6中示出相应的可选择的、带有第一和第二输入端18′、19′的比较器17′，该比较器将第二比较结果CPR′提供给控制装置20。第二输入端18′在此与低的诊断电位V1连接，第一输入端18′与开关接头5连接。

本发明的电路装置特别是适合于集成在用于汽车领域的半导体芯片，其中通常使用功率开关作为高侧或低侧开关。通过根据本发明接入附加电流源，得到用于识别所设置的负载装置的、例如开路负载状态的改善的诊断性能。

尽管已借助优选的实施方式说明了本发明，但它并不局限于此，而是可进行多重改型。所给出的电流大小和电压仅仅是示例性的。另外可考虑将多个相应的高侧或低侧开关设计在一个集成的半导体组件上，其中错误输出端分别输出相应连接的负载的状态。本发明还易于实施，因为附加的或暂时接入的电流源不会产生明显的电路额外成本。

Claims

1.用于检测能连接在开关接头(5)和第一开关电位(GND)之间的负载装置(2)的状态的电路装置(1，200)，其具有：

a)可控开关(4)，所述可控开关(4)连接在所述开关接头(5)和第二开关电位(VBR)之间；

b)连接在第一调节电位(VN)和所述开关接头(5)之间的第一电流源(6)和连接在所述开关接头(5)和第二调节电位(VP)之间的第二电流源(8)，其中在所述第一和第二电流源(6，8)之间在所述开关接头(5)上能分接参考电位(VREF)；以及具有

c)附加电流源(10)，所述附加电流源(10)能接入在所述第一调节电位(VN)和所述开关接头(5)之间。

2.用于检测能与开关接头(5)连接的负载装置(2)的状态的电路装置(100)，其具有：

a)可控开关(4)，所述可控开关(4)连接在所述开关接头(5)和第一开关电位(GND)之间；

c)附加电流源(10)，所述附加电流源(10)能接入在所述第二调节电位(VP)和所述开关接头(5)之间；

其中所述负载装置(2)能连接在所述开关接头(5)和第二开关电位(VBR)之间。

3.如权利要求1或2所述的电路装置(1，100，200)，其特征在于，在所述开关接头(5)和所述第一开关电位(GND)之间连接有电容器(3)。

4.如权利要求1或2所述的电路装置(1，100，200)，其特征在于，所述可控开关(4)被实施为MOSFET。

5.如权利要求4所述的电路装置(1，100，200)，其特征在于，所述可控开关(4)被实施为P沟道或N沟道MOSFET。

6.如权利要求1或2所述的电路装置(1，100，200)，其特征在于，所述第一、第二电流源(6，8)和/或所述附加电流源(10)被实施为可接入的可控电流源。

7.如权利要求1或2所述的电路装置(1，100，200)，其特征在于，所述电路装置(1，100，200)被实施为集成的高侧开关或低侧开关，其中所述可控开关(4)、所述第一和第二电流源(6，8)、所述附加电流源(10)和控制装置(22)集成地被构造在一个芯片中。