CN101682321B - 用于从感性负载散热的电路、集成电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电路(240)，包括感性负载(230)。电路(240)进一步包括能量吸收组件，该能量吸收组件可操作地耦合到感性负载(23)并且被布置为用于吸收由感性负载(230)所产生的能量。

Description

用于从感性负载散热的电路、集成电路和方法

发明领域

本技术领域通常涉及一种耗散电路，并且特别涉及一种用于感性负载驱动器的耗散电路。

背景技术

晶体管，特别是场效应晶体管(FET)，被广泛用于驱动感性负载。例如，在汽车工业中，功率FET用于驱动防抱死刹车系统(ABS)以及电子稳定程序(ESP)系统中的螺线管阀门。

感性负载具有电感器的特性，即，对抗电流的变化，在电路的电流上表现出与惯性施加给机械物体的速度相同的效应。

感性负载在磁场中储存能量。当电流改变方向时，或停止时，或磁场变化时，电动势(emf)通过磁场瓦解(collapsing)被感应回导体中。与电流中的变化的相对作用被标识为反电动势(反emf)。反电动势的大小与变化率成比例，即，感性负载上的电压或流经感性负载的电流的变化率越快，则反电动势越大。

反电动势导致的结果是，当感性负载经历功率的突然变化时，可引起大的反电动势，从而导致大的电压尖峰。

众所周知，感性负载驱动器电路包含再循环箝位器，以保护电路不受该种电压尖峰效应的影响。附图1示例了公知的感性负载驱动器电路100的例子。

电路100包括感性负载L1，其一端耦合到电源电压Vsup，一端耦合到晶体管M1的漏极。晶体管M1的源极耦合到地。晶体管M1作为感性负载L1和地之间的开关，有效地驱动感性负载L1。

在这样的电路结构下，当晶体管M1切换为“导通”时，Vox处的电压基本上为零(即接地)，在感性负载L1上产生电势差，且因此产生电流流过感性负载L1。如前所述，感性负载具有电感器的特性，其对抗电流的变化。因此，电流以低电流开始，且随着感性负载L1以磁场的形式存储能量而增大。

当晶体管M1切换为“关闭”时，Vox不再是接地，且感性负载L1经历了其上电压的变化。电压的变化产生由磁场的瓦解而导致的反电动势。随着之前在磁场中储存的能量的释放，反电动势使电流持续地流经感性负载L1，并且与感性负载上电压的变化率成比例。穿过感性负载L1的持续电流导致在Vox处的电压以电压尖峰的形式而增大。

如果Vox处的电压增大太多，将超过晶体管M1的击穿(或雪崩)电压。

为防止晶体管M1在其漏极处的该种电压增大，感性负载驱动器电路100有时包括形式为齐纳二极管Z1的再循环箝位器。齐纳二极管Z1的阴极耦合到晶体管M1的漏极，且齐纳二极管Z1的阳极耦合到晶体管M1的栅极，如图所示。

齐纳二极管Z1被构造为使得，当由于晶体管M1被切换为“关闭”而在Vox处产生电压增大时，在晶体管M1的击穿电压到达之前，而先达到齐纳二极管Z1的击穿电压。这样，当达到齐纳二极管Z1的击穿电压时，电流流过齐纳二极管Z1，从而将Vox处的电压限制在齐纳二极管Z1的击穿电压。

产生的流经齐纳二极管Z1的电流也流经电阻器R1再到地。流经电阻器R1的电流在电阻器R1上产生电势差，并且在晶体管M1的栅极和源极之间产生电势差。因此，如果流经齐纳二极管Z1的电流足够大，将使在电阻器R1上产生的电势差，以及因此而在晶体管M1的栅极和源极之间产生的电势差变得足够大而将晶体管M1翻转为“导通”，从而允许电流从Vox流至地。

如此，当足够大的电压尖峰发生时，齐纳二极管Z1不仅通过将漏极和栅极之间的电压限制在齐纳二极管Z1的击穿电压来保护晶体管M1，其还将晶体管M1切换为“导通”，使更多的电流通过晶体管M1而流至地。这样，电压尖峰产生的能量通过齐纳二极管Z1，并且更为明显地通过晶体管M1耗散。

技术人员将明白，电流经过晶体管M1产生的能量以热的形式耗散。因此，为了能耗散足够的热，以使组件不因过热而受影响，晶体管M1被限制为最小尺寸。

技术人员也将明白，为使成本最小化，期望包括该种感性负载驱动器电路的集成电路(IC)封装的整个覆盖区域(footprint)是最小化的。显然，晶体管M1最小尺寸的限制限定了IC封装覆盖区域的最小化。进一步，由于IC封装一般包括多个感性负载驱动器电路，以及因此包括多个晶体管，所以前述的覆盖区域尺寸问题进一步复杂化。

随着技术发展，感应驱动器电路的切换速度有了巨大的提高。虽然这种切换速度的加快提高了该种驱动器电路的反应，但切换速度的加快也导致感性负载经历的变化率的增大。结果，反电动势产生的电压尖峰增大。

结果是，虽然可能产生了相同量的能量，但其是在更短的时间里产生的。结果，感性负载驱动器电路，及更具体地，晶体管，被要求在更短的时间里耗散热量(能量)。这又要求晶体管(热量耗散区)增大尺寸以耗散产生的热。需要耗散的能量为：

E＝0.5*L*I²    [1]

结果，随着技术的进一步发展，IC封装没有变小，事实上其尺寸反而在增大，这进一步使散热问题复杂化。

因此，需要用于耗散从感性负载释放的能量的改进的电路、集成电路和方法。

附图说明

参考相应的附图，仅以例子的形式描述本发明的实施例，其中：

图1示出一种公知的感性负载驱动器电路的示例。

图2示出根据本发明示例性实施例的耗散电路。

图3示出根据本发明可选实施例的耗散电路。

图4示出根据本发明另一可选实施例的耗散电路。

图5示出根据本发明又一可选实施例的耗散电路。

具体实施方式

在介绍根据本发明的具体实施例之前，应该了解，这里描述的以及相应附图所示的各种设备组件已经在在图中由公知的符号合理地表示出来，其仅示出与理解本发明实施例有关的具体细节，以使对于从在此描述中受益的本领域技术人员而言显而易见的现有技术不会使得本公开变得模糊。所以，应该理解，为简要清楚的表述，在商业上可行的实施例中的有用或必需的通用和公知元件将不被描述，以便于这多个实施例更加清晰。

现在看图2，根据这里描述的本发明的概念示出耗散电路的示例性实施例。

示出了提供在集成电路(IC)封装210中的感性负载驱动电路200的一部分。感性负载驱动器电路200的该部分包括晶体管220，对于所示的实施例而言，该晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。晶体管220被布置为用于驱动感性负载230，其中，所述感性负载230例如是构成汽车中防抱死刹车系统(ABS)或电子稳定程序(ESP)系统的一部分的螺线管等。

根据本发明，感性负载驱动器电路200耦合到耗散电路240。耗散电路240包括能量吸收组件，对于所示的实施例其为电容器250。

感性负载230一端耦合于电源电压Vsup，另一端耦合到晶体管220的漏极。晶体管220的源极耦合到地。晶体管220作为感性负载230和地面之间的开关，驱动感性负载230。

当晶体管220切换为“导通”时，Vox处的电压基本上为零(即接地)，在感性负载230上产生电势差，且产生电流通过感性负载230。

当晶体管220切换为“关闭”时，Vox不再是接地，且感性负载230经历了其上电压的变化。电压的变化产生由于磁场的瓦解而导致的反电动势(emf)。随着之前在磁场中储存的能量的释放，反电动势使电流持续地流经感性负载230，并且与感性负载230上电压的变化率成比例。流经感性负载230的持续电流导致在Vox处的电压以电压尖峰的形式增大。

如果Vox处的电压增大太多，将超过晶体管220的击穿或雪崩电压。

对于公知的感性负载驱动器电路，驱动器电路内部提供有保护，且具体地说通过晶体管220自身来提供保护。但是，这导致如下的缺点，即，晶体管220，或者更具体地说形成晶体管的硅要耗散由感性负载所释放的能量。

相反地，根据本发明的示例性实施例，感性负载耦合到能量吸收组件，在所示的实施例中其为电容器250。这样，在此情况下，感性负载230释放的能量被电容器250吸收。因此，虽然晶体管220经历电压尖峰，但电流完全地流过，从而晶体管220被要求吸收的能量基本上为零。这样，晶体管220被充分地保护以免受释放的能量的影响。

进一步，通过初始存储能量，对于快速(例如，几乎瞬时)地耗散能量以防止元件受到损害或过热的需求得到基本缓解。有利地，存储的能量可随后在一个更长的时间里(例如，相比于公知现有技术的500微秒，在公布的100毫秒至1秒内)耗散。这提供了明显的优点，因为对于给定的能量，能量耗散的时间越长，在存储能量的耗散过程中产生的热就越少，且因此对组件造成损害的可能性就越小。

进一步，存储的能量可提供到采用该感性负载驱动器电路的系统或器件的不同的电路或模块中(未图示)，从而有效地提供“免费的”功率/能量，其通常被称为“再生”。

例如，电容器250在存储释放的能量时是高电压能量源，并且因此除了可消耗大量电流以产生同样高的电压的电荷泵之外还可使用电容器250，或使用电容器250来代替电荷泵。有利地是，这提高了能量效率，而且也可能完全去除了对电荷泵的需要，从而可释放管芯内的空间等。

可选地，电容器中储存的能量可用于补充和/或取代用于从低电压产生高电压的升压转换器，从而提供如采用电荷泵一样的相同的优点。

再回到图2，对耗散电路240的操作进行更详细的解释。对于所示实施例，电容器250包括两个连接，阴极和阳极。阴极耦合到地，而阳极经由二极管260和开关270耦合到Vox，并且该阳极经由二极管280和电流消耗器(current drain)290耦合到Vclamp源。在可选实施例中，电流消耗器290可提供在IC封装210内。进一步，电容器可通过任何合适的可选组件，例如没有反向电流的同步开关耦合到Vox。

开关270的目的是在“启动”操作中断开耗散电路240。在开关270没有与二极管260串联耦合的情况下，当Vsup在开始时上升时，电流将流过感性负载230流入电容器250中。该流过感性负载230的电流将激活感性负载230。如本领域技术人员所知，在感性负载驱动电路200形成，例如，ABS系统的部分的情况下，这将影响汽车的刹车，而这样是不可接受的。因此，配置开关270被布置为在初始启动阶段断开，以防止这样的电流。

如下文更详细的描述，Vclamp被布置为具有大于Vsup的电压。因此，一旦Vclamp在启动之后上升到其所需的电压值，且足够的电流流进电容器250后，二极管260阻止电流从Vclamp流至Vox。这样，没有电流流过感性负载230。如此，一旦Vclamp上升到其所需的值，开关270就闭合。

当晶体管220切换为“导通”时，Vox被有效地接地，导致电流流过感性负载230，从而使感性负载230以磁场的形式储存能量。

如前文所述，当晶体管220被随后切换为“关闭”时，Vox不再接地，且在感性负载230上的电压发生变化。电压的变化产生由磁场的瓦解而导致的反电动势(emf)。随着之前在磁场中储存的能量的释放，反电动势使电流持续地流经感性负载230，并且与感性负载230上电压的变化率成比例。通过感性负载230的持续电流使Vox处的电压产生类似的增大。

当Vox处的电压超过Vclamp时，电流从Vox经过二极管260(以及闭合的开关270)进入电容器250。如前文所述，Vclamp的值大于Vsup的值，但是被布置为小于晶体管220的击穿电压。这样，电流将在Vox超过晶体管220的击穿电压之前流经二极管260进入电容器250。在所示实施例中包括二极管280的预充电电路使得电容器250被预充电至Vclamp。一旦电容器250被预充电，二极管280用于隔离Vclamp源。如本领域技术人员所知，例如，使用用开关或电容器的，将电容器250预充电至Vclamp的可选方法也是可用的。

进一步，随着电容器250开始吸收来自感性负载230的电流，电流消耗器290消耗回到Vclamp的电流，从而耗散能量和热量。电容器250存储来自感性负载230的多余电流，从而允许电流消耗器290在延长的时间段里耗散能量和热，这样极大地减少了产生的热量。结果，与如果需要将由感性负载230释放的能量几乎瞬时地耗散所需的表面积相比，电流消耗器290需要明显更小的用于散热的表面积。

如本领域技术人员所知，这个创造性的构想提供极大的优势，其允许感性负载230释放的能量在延长的时间段里耗散，从而明显减少产生的热量。有利的是，这允许用于耗散能量/热的组件的尺寸极大的减小。

进一步地，通过移除用于从包含有感性负载驱动器电路的集成电路(IC)封装中散热所需的组件，该IC极大地减少了尺寸和成本，进一步地，可以实现通过技术进步而得到的优点。

参考附图3，示出了根据本发明的耗散电路的可选实施例。对于图2所示的实施例，示出了提供在集成电路(IC)封装210内的感性负载驱动器200的一部分。感性负载驱动器200的该部分包括用于驱动感性负载230的晶体管220。

根据本发明的该可选实施例，感性负载驱动器电路200耦合到耗散电路340。耗散电路340也包括能量吸收组件，在所示实施例中其也是电容器350的形式。

电容器350包括两个连接：阴极和阳极。与附图2所示的实施例中耦合到地相反，阴极耦合到Vsup；同时阳极经由二极管360耦合到Vox，并且阳极经由通过二极管380和电流消耗器390耦合到Vclamp源。

如本领域技术人员所知，对于图3所示的实施例，通过将电容器的阴极耦合到Vsup，使得在Vox和电容器350(在图2中)之间设置开关的需要得到基本缓和。但是，由于Vclamp大于Vsup，耗散电路350将仍以与图2所示的实施例相同的方式运作。

参考图4，示出了本发明的进一步可选的实施例。集成电路(IC)410包括多个感性负载驱动器电路402、404、406和408。每一感性负载驱动器电路402、404、406和408分别驱动感性负载432、434、436和438。

根据本发明进一步可选的实施例，感性负载驱动器电路402、404、406和408耦合到耗散电路440。耗散电路440包括能量吸收元件，在所示实施例中其也是电容器450的形式。

电容器450包括两个连接：阴极和阳极。阴极耦合到Vsup；而阳极经由二极管462、464、466和468耦合到每一个感性负载驱动器电路，并且经由二极管480和电流消耗器490耦合到Vclamp源。

这样，耗散电路440吸收和耗散从每一感性负载432、434、436和438释放的能量。如本领域技术人员所知，增加了通过本发明构想，特别是通过基本缓解对处于IC 410内的能耗散由感性负载432、434、436和438释放的能量的组件的需求而获得的优势。特别地，这些优点可表现在极大地节省IC的尺寸和成本方面。

参考图5，其示出了本发明的又一进一步的实施例，包括感性负载驱动器电路500和与图2的耗散电路相似的耗散电路540。

对于本发明的该实施例，感性负载驱动器电路500处在集成电路封装510内，除了(外部)耗散电路540之外，其具有形式为齐纳二极管515的内部耗散电路。齐纳二极管515如公知技术那样提供保护。这样，本发明的耗散电路540对传统方法的耗散电路提供辅助的保护和能量吸收/耗散。

特别地，用于驱动感性负载530的晶体管520具有一定量的固有的散热能力。如此，在晶体管520转换为“关闭”后，其能够在由于感性负载530的磁场瓦解而产生电压尖峰的过程中吸收能量。齐纳二极管515允许电流再循环到晶体管520中。

由外部耗散电路540提供的辅助的保护和能量吸收/耗散使得晶体管520在比传统方法极大缩短的时间内被要求进入此“再循环模式”。这样，当晶体管520用于吸收和耗散一些由感性负载530的磁场瓦解而产生的能量时，由外部耗散电路540提供的辅助保护和能量吸收/耗散基本缓解了对晶体管520大尺寸的需求，而这种大尺寸是不希望有的。

进一步地，利用晶体管520固有的能量吸收/耗散能力，降低了对外部耗散电路540的吸收/耗散要求，这样，实现了该种的外部电路的尺寸和/或成本的减小。

在前述中，描述了本发明的特定实施例。但是，在不脱离由下面所附的权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员应理解可以作出各种修正和改变。因此，说明书和附图是解释性的而不是限制性的，且所有这样的修正都被包括在本发明的范围内。

虽然在此描述的本发明涉及形成为汽车的防抱死刹车系统(ABS)以及电子稳定程序(ESP)系统的一部分，但是本领域技术人员应理解，本发明构思可广泛应用于诸如发动机、喷油器和阀门等的感性元件应用。

益处、优点、问题的解决方法以及任何可产生益处、优点或方法或使得任何益处、优点、问题的解决方法变得更加明显的因素都不应解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的或基本特征或要素。

本发明由所附权利要求唯一限定，包括该申请的审查过程中的任何修改以及出版的权利要求的所有的等价物。

此外在该文件中，除非更多的限定，术语“包含”、“具有”、“包括”、“容纳”或其任意其它变形旨在覆盖非排他性的包括，使得包括、具有、包含、容纳元件列表的工艺、方法、物件或装置不仅仅包括那些元件，而且还可以包括没有被明确列出或者该工艺、方法、物件、或者装置所固有的其他元件。

除非更多的限定，处于“包括一”、“具有一”或“包含一”之前的元件不排除在包括该元件的工艺、方法、物件或装置中存在另外的相同的元件。除非此处作了清楚的说明，术语“一”定义为一个或更多。

术语“基本上”、“大体上”、“本质地”、“大约”、“大致”或任意其它变形定义为与本领域技术人员所理解的接近。

这里所用的术语“耦合”定义为连接，但是无需是直接地或机械地连接。以一定方式“构造”的器件或结构至少以该方式构造，但也可以以未列出的其它方式构造。

这样，描述了用于耗散从感性负载释放的能量的改进的电路，其基本上缓解了与公知的感性负载电路相关的一个或多个问题。

Claims (10)

1.一种包括能量吸收组件的电路(240)，所述能量吸收组件可操作地耦合到感性负载(230)和电流消耗器(290)，使得所述能量吸收组件被布置为用于吸收由所述感性负载(230)产生的能量；其中，所述电路(240)的特征在于所述能量吸收组件包括：

电容器(250)，所述电容器(250)具有：

阳极，所述阳极经由二极管(260)和开关(270)耦合到所述感性负载(230)，经由所述电流消耗器(290)耦合到箝位电压源，所述开关(270)在所述电路的启动操作期间断开；以及

阴极，所述阴极耦合到地或者所述感性负载所耦合的电源电压，所述电源电压低于由所述箝位电压源提供的箝位电压；

使得所述电容器(250)被布置为存储由所述感性负载产生的能量，并且使得所述电流消耗器(290)被布置为耗散所述存储的能量。

2.权利要求1所述的电路(240)进一步的特征在于：感性负载驱动器(220)设置在集成电路封装(210)内，且所述能量吸收组件设置于其外部。

3.权利要求2所述的电路(240)进一步的特征在于：所述集成电路封装(210)包括内部耗散电路。

4.权利要求1所述的电路(240)进一步的特征在于：所述能量吸收组件进一步地经由预充电电路耦合到所述箝位电压电源。

5.权利要求4所述的电路(240)进一步的特征在于：所述预充电电路包括与电流消耗器(290)并联设置的二极管(280)。

6.权利要求1所述的电路(240)进一步的特征在于：所述箝位电压被布置为低于感性负载驱动器(200)的击穿电压。

7.权利要求1所述的电路(240)进一步的特征在于：所述能量吸收组件(250)经由二极管(260)，或者经由与所述二极管(260)串联的开关(270)耦合到所述感性负载(230)。

8.权利要求1所述的电路进一步的特征在于：由所述能量吸收组件储存的能量随后用作能量再生。

9.一种防抱死刹车或者电子稳定程序系统，包括如权利要求1所述的电路。

10.一种从包括感性负载(230)的电路(200)耗散能量的方法，所述方法的特征在于：

从所述感性负载(230)输送电流到包括电容器(250)的能量吸收组件，所述电容器(250)具有经由二极管(260)和在所述电路的启动操作期间断开的开关(270)耦合到所述感性负载(230)，经由电流消耗器(290)耦合到箝位电压源的阳极，以及耦合到地或电源电压的阴极，其中所述感性负载所耦合的所述电源电压低于由所述箝位电压源提供的箝位电压；

在所述能量吸收组件中存储由所述感性负载(230)生成的能量；以及

通过可操作地耦合到所述能量吸收组件的所述电流消耗器(290)耗散来自所述能量吸收组件的能量。

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