CN103795227A - 具有控制信号驱动供电电压的电力开关系统 - Google Patents

具有控制信号驱动供电电压的电力开关系统 Download PDF

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Abstract

本公开公开了具有控制信号驱动供电电压的电力开关系统。该电力开关系统具有由得自输入控制信号的供电电压供电的开关控制电路。系统可以包括电力开关，该电力开关被配置为在电池电压和接地之间电气耦接装置，当电力开关闭合时该装置由电池供电；耦接到电力开关的栅极端口的控制电路，该控制电路被配置为通过响应于向控制电路提供的开关控制信号调整向栅极端口提供的栅极驱动信号，打开和闭合电力开关；以及被配置为基于开关控制信号生成供电电压的电压调节电路，以使该供电电压向控制电路供电。

Description

具有控制信号驱动供电电压的电力开关系统
相关申请的交叉参考
本申请要求于2012年10月31日提交的美国临时申请第61/720，567号的权益，其全部内容包括在此作为参考。
技术领域
本公开涉及电力开关系统，并且更具体地，涉及具有得自输入控制信号的供电电压的电力开关系统。
背景技术
汽车的点火系统一般采用交替地构成及断开从电池通过点火线圈到接地的电气连接的电力开关电路。该切换通常基于从发动机控制单元接收的信号，该发动机控制单元按发动机操作需要定时点燃发动机火花塞。可以实施为集成电路（IC）的开关电路需要供电电压向该电路及其构成组件供电。该供电电压一般由车辆电池提供并可以因此包括高电压瞬变、大电压摆动、高频噪声以及可能对开关电路有害的其他产物。
因此需要附加电路来保护开关电路IC免于这些电压瞬变并免于静电放电（ESD）。在一些情况下，可能包括更大电阻器和电容器的保护电路会消耗一半以上的IC面积。这通常导致开关电路IC的尺寸和成本增加，并且如果由电池带来的这些严酷环境条件不由保护电路适当滤波，则可能不利地影响可靠性。
发明内容
本公开为电力开关系统提供系统和方法，该电力开关系统具有由得自输入控制信号的供电电压供电的开关控制电路。
该系统可以包括电力开关，该电力开关被配置为将装置电气耦接在电池电压和地之间，当电力开关闭合时该装置由电池供电。该示例的系统也可以包括耦接到电力开关的栅极端口的控制电路，该控制电路被配置为通过响应于向控制电路提供的开关控制信号调整向栅极端口提供的栅极驱动信号，打开和闭合电力开关。该示例的系统可以进一步包括被配置为基于开关控制信号生成供电电压的电压调节电路，并且该供电电压向控制电路供电。
根据另一方面，提供可以包括点火线圈的系统，该点火线圈通过其第一端子耦接到电池。该示例的系统也可以包括电力开关，该电力开关被配置为当电力开关闭合时将点火线圈的第二端子耦接到地。该示例的系统可以进一步包括耦接到电力开关的栅极端口的控制电路，该控制电路被配置为通过响应于由发动机控制单元生成的火花正时信号调整向栅极端口提供的栅极驱动信号，打开和闭合电力开关。该示例的系统可以进一步包括被配置为基于开关控制信号生成供电电压的电压调节电路，并且该供电电压向控制电路供电。
根据另一方面提供了一种方法。该方法可以包括：配置电力开关将装置电气耦接在电池电压和地之间，从而当电力开关闭合时从电池向该装置供电。该示例的方法也可以包括将控制电路耦接到电力开关的栅极端口。该示例的方法可以进一步包括由控制电路调整向栅极端口施加的栅极驱动信号从而打开和闭合电力开关，该调整响应于向控制电路提供的开关控制信号。该示例的方法可以进一步包括基于开关控制信号生成供电电压。该示例的方法可以进一步包括以供电电压向控制电路供电。
附图说明
所要求主题的实施方式的特征和优点随着以下详细描述进行以及参考其中相似参考号示出相似部件的附图变得明显，并且其中：
图1示出了根据本公开的一个示范实施方式的上层系统图示；
图2示出了根据本公开的一个示范实施方式的框图；
图3示出了根据本公开的另一示范实施方式的框图；
图4示出了根据本公开的另一示范实施方式的框图；
图5示出了根据本公开的另一示范实施方式的框图；以及
图6示出了根据本公开的示范实施方式的操作的流程图。
尽管以下详细描述参考示出了实施方式进行，但其许多替换、修改和变化对本领域技术人员明显。
具体实施方式
总体上，本公开提供了针对具有开关控制电路的电力开关系统的系统和方法。电力开关系统可以被配置为基于从发动机控制单元或其他外部源提供的输入控制信号，将从电池输送的电力切换到发动机点火线圈。开关控制电路可以由得自输入控制信号的供电电压供电。开关控制电路可以包括被配置为从输入控制信号生成供电电压的电压调节电路，消除从电池获得供电电压的需要并且消除了提供相关滤波和保护免于电池电压瞬变的需要。
在一些实施方式中，电力开关电路可以被配置为切换电力到电动机或其他车辆组件，并且输入控制信号可以由操作员控制开关或车辆计算机系统提供。
图1示出了根据本公开的一个示范实施方式的上层系统图示100。待被供电装置106可以电气耦接在电池104和电力开关108之间。电力开关108被配置为在开关控制器电路102的控制下将待被供电装置106选择性耦接到地。具有电压调节器的开关控制器电路102生成打开和闭合电力开关108的栅极驱动信号。栅极驱动信号的生成可以响应于从外部源向开关控制器102提供的开关控制信号而执行。开关控制器电路102可以由得自开关控制信号输入而不是电池104的供电电压供电。开关控制器电路102的电压调节器部件可以被配置为基于开关控制信号输入生成供电电压。
在一些实施方式中，系统100可以在机动车或包括内燃机的其他类型车辆中采用。电池可以是12伏电池或适合于车辆的任何其他类型电池。待被供电装置可以是可能需要切换接通和断开或以其他方式控制的点火线圈（例如点火线圈的主侧）、热火花塞（例如在柴油机中）、螺线管、电动机或在车辆中包括的任何其他类型装置。例如，电动机可以用来驱动电动窗、动力制动器和/或动力转向。开关控制信号可以由发动机控制单元（例如火花正时信号）、车辆计算机系统、用户/驾驶员操作开关或与车辆关联的任何其他源提供。
在一些实施方式中，开关控制器电路102和电力开关108可以配置为集成电路（IC）。电力开关108可以是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或绝缘栅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。电力开关108可以包括沿电力路径流动的电流通过其进入和离开该开关的集电极端口和发射极端口。电力开关108也可以包括栅极端口，栅极驱动信号通过其施加从而控制开关的状态（例如接通或断开，打开或闭合）。
图2示出了根据本公开的一个示范实施方式的框图200。开关控制器电路102被示为包括电压调节电路202、栅极驱动电路204、电压基准电路206和电流感测电路208。电流感测电路208可以耦接到位于从电池104通过装置106和开关108到地的电力电路路径中的电流感测电阻器210。
电压调节电路202可以被配置为基于输入到开关控制器电路102的开关控制信号生成供电电压。供电电压可以用来向开关控制器电路102的组件供电。在一些实施方式中，电压调节电路202可以是电压钳或带隙基准电压生成器。
电流感测电路208可以被配置为感测从集电极端口到发射极端口流过电力开关108的电流。在一些实施方式中这可以通过电流感测电阻器210实现，该电流感测电阻器被配置为在电力路径中从而提供与电流成比例的电压读数。
电压基准电路206可以被配置为生成稳定电压基准（例如在温度中的变化和/或在控制信号电压等中的变化上的稳定），该稳定电压基准可以为与源自电流感测电路208的感测电流的比较用作基础从而控制栅极驱动电路204。栅极驱动电路204可以被配置为调整到电力开关108的栅极驱动信号从而将电力开关接通和断开，或调节流过电力开关的电流电平。该调整可以基于作为到开关控制器电路的输入和/或感测电流与生成的稳定电压基准的比较的所提供的开关控制信号。
在一些实施方式中，开关控制器电路102也可以提供（未示出）热关断、电流限制和/或最大停留时间限制功能从而保护点火线圈。
机动车电池一般在包括显著正和负电压瞬变、高频噪声和静电放电的严峻环境中提供电力。额定12伏电池在操作期间可以从6到24伏变化。负载突降（load dump）可以导致在400毫秒中的130伏摆动，并且场衰减可以在100微秒内达到-400伏。结果，从电池或点火电路接收电力的任何装置一般需要由电压调节器、滤波器和其他保护电路保护。认识到从电压调节电路202向开关控制器电路102的组件提供供电电压允许开关控制器电路在不从电池抽取电力的情况下运作。这消除额外滤波和瞬变保护电路的需求以及相关的成本和空间消耗。
图3示出了根据本公开的另一示范实施方式的框图300。发动机控制单元（ECU）302提供开关控制信号作为到具有电压调节器102的开关控制器电路的输入。ECU302可以通过车辆的防火墙306与开关控制器电路102分离，这使得ECU能够生成具有相对较低电气噪声的开关控制信号。如上面描述操作的开关控制器电路102生成根据ECU302的定时交替地打开和闭合电力开关108的栅极驱动信号。以对于驱动点火线圈优选的低侧电力驱动配置示出了电力开关108。电力开关108的交替状态允许电池104通过点火线圈304的初级绕组提供电压和电流脉冲，该点火线圈生成比为车辆发动机产生火花更高的电压。
图4示出了根据本公开的另一示范实施方式的框图400。在该实施方式中示出半桥驱动配置。电池104向负载404（其可以是例如螺线管或单向电机）供电。操作负载404的信号可以源自可以由发动机防火墙306与发动机舱分离的操作员开关或车辆计算机402，这可以使得能够生成具有相对较低电气噪声的开关控制信号。如上面描述操作的开关控制器电路102生成基于开关控制信号打开和闭合低侧电力开关408和高侧电力开关406的栅极驱动信号。当电力开关406、408闭合时，完成使得能够向负载供电或操作负载的从电池104通过负载404到地的电路或电力路径。在一些实施方式中，电力路径可以用于制动电动机或电流的再循环。
图5示出了根据本公开的另一示范实施方式的框图500。在该实施方式中示出全桥驱动配置。电池104向负载504（其可以是例如用于电动座椅或电动窗的双向电机）供电。操作负载504的信号可以源自可以由发动机防火墙306与发动机舱分离的操作员开关或车辆计算机402，这可以使得能够生成具有相对较低电气噪声的开关控制信号。如上面描述操作的开关控制器电路102生成基于开关控制信号打开和闭合低侧电力开关508、512和高侧电力开关506、510的栅极驱动信号。响应于电力开关506、508、510和512的打开和闭合，可以在两个电力路径的任一个中完成使得能够以双向方式向负载供电或操作负载的从电池104通过负载504到地的电路。
图6示出了根据本公开的示范实施方式的操作的流程图600。在操作610，电力开关被配置为电气耦接电池电压和接地之间的装置从而当电力开关闭合时从电池向装置供电。在操作620，控制电路耦接到电力开关的栅极端口。在操作630，栅极驱动信号由控制电路调整并施加到栅极端口从而打开和闭合电力开关。调整是响应于向控制单元提供的开关控制信号而执行的。在操作640，供电电压基于开关控制信号生成。在操作650，控制电路由供电电压供电。
在此描述方法的实施方式可以在包括一种或更多存储介质的系统中实施，该存储介质在其上个别地或在组合中存储在由一个或更多处理器执行时执行方法的指令。这里，处理器可以包括例如系统CPU（例如多核处理器）和/或可编程电路。因此，意图根据在此描述方法的操作可以跨多个物理装置例如在若干不同物理位置的处理结构分布。同样，如由本领域技术人员理解，意图方法操作可以个别地或在子组合中执行。因此，如由本领域技术人员理解，不是流程图中的每个的操作中的全部都需要执行，并且本公开明确意图这样操作的全部子组合都能够实现。
存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如包括软盘、光盘、紧凑光盘只读存储器（CD-ROM）、可重写紧凑光盘（CD-RW）、数字通用光盘（DVD）和磁-光盘的任何类型盘片，半导体器件例如只读存储器（ROM）、随机访问存储器（RAM）例如动态和静态RAM、可编程只读存储器（PROM）、可擦写可编程只读存储器（EPROM）、电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）、闪存存储器、磁或光卡，或适合于存储电子指令的任何其他类型介质。
如在此在任何实施方式中使用，“电路”可以简单地或在任何组合中包括例如硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。应用程序可以实施为可以在可编程电路例如主处理器或其他可编程电路上执行的代码或指令。如在此在任何实施方式中使用，模块可以实施为电路。电路可以实施为集成电路例如集成电路芯片。
因此，本公开为电力开关系统提供系统和方法，该电力开关系统具有由得自输入控制信号的供电电压供电的开关控制电路。
该系统可以包括电力开关，该电力开关被配置为将装置电气耦接在电池电压和地之间，当电力开关闭合时该装置由电池供电。该示例的系统也可以包括耦接到电力开关的栅极端口的控制电路，该控制电路被配置为通过响应于向控制电路提供的开关控制信号调整向栅极端口提供的栅极驱动信号，打开和闭合电力开关。该示例的系统可以进一步包括被配置为基于开关控制信号生成供电电压的电压调节电路，并且该供电电压向控制电路供电。
根据另一方面，提供可以包括点火线圈的系统，该点火线圈通过其第一端子耦接到电池。该示例的系统也可以包括电力开关，该电力开关被配置为当电力开关闭合时将点火线圈的第二端子耦接到地。该示例的系统可以进一步包括耦接到电力开关的栅极端口的控制电路，该控制电路被配置为通过响应于由发动机控制单元生成的火花正时信号调整向栅极端口提供的栅极驱动信号，打开和闭合电力开关。该示例的系统可以进一步包括被配置为基于开关控制信号生成供电电压的电压调节电路，并且该供电电压向控制电路供电。
根据另一方面提供了一种方法。该方法可以包括：配置电力开关将装置电气耦接在电池电压和地之间，从而当电力开关闭合时从电池向该装置供电。该示例的方法也可以包括将控制电路耦接到电力开关的栅极端口。该示例的方法可以进一步包括由控制电路调整向栅极端口施加的栅极驱动信号从而打开和闭合电力开关，该调整响应于向控制电路提供的开关控制信号。该示例的方法可以进一步包括基于开关控制信号生成供电电压。该示例的方法可以进一步包括以供电电压向控制电路供电。
已在此采用的术语和表示用作描述而不是限制的术语，并且在这样术语和表示的使用中不意图排斥示出并描述的任何等效（或其部分），并且认识到各种修改在权利要求的保护范围内是可能的。因此，权利要求意图覆盖全部这样的等效。各种特征、方面和实施方式已在此描述。如由本领域技术人员理解，特征、方面和实施方式易受到相互组合以及变化和修改。因此应认为本公开包括这样的组合、变化和修改。

Claims (22)

1.一种系统，包括：
电力开关，被配置为将装置电气耦接在电池电压和地之间，当所述电力开关闭合时所述装置由所述电池供电；
控制电路，耦接到所述电力开关的栅极端口，所述控制电路被配置为通过响应于向所述控制电路提供的开关控制信号调整向所述栅极端口提供的栅极驱动信号来打开和闭合所述电力开关；以及
电压调节电路，被配置为基于所述开关控制信号生成供电电压，其中，所述供电电压向所述控制电路供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制电路进一步包括：
电压基准电路，被配置为生成电压基准信号；
电流感测电路，被配置为估计从所述电力开关的集电极端口到所述电力开关的发射极端口的电流；以及
栅极驱动电路，被配置为基于所述开关控制信号并且进一步基于估计的所述电流与所述电压基准信号的比较，调整所述栅极驱动信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力开关是绝缘栅双极型晶体管。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力开关是绝缘栅金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压调节电路是电压钳。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压调节电路是带隙基准电压生成器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，待被供电的所述装置从以下各项组成的组中选择：发动机点火线圈、热火花塞、螺线管驱动器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关控制信号是由发动机控制单元生成的火花正时信号。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，待被供电的所述装置是电动机，所述电动机与从由电动窗系统、动力转向系统和动力制动器系统构成的组中选择的车辆系统相关。
10.一种点火系统，包括：
点火线圈，通过所述点火线圈的第一端子耦接到电池；
电力开关，被配置为当所述电力开关闭合时将所述点火线圈的第二端子耦接到地；
控制电路，耦接到所述电力开关的栅极端口，所述控制电路被配置为通过响应于发动机控制单元生成的火花正时信号调整向所述栅极端口提供的栅极驱动信号，打开和闭合所述电力开关；以及
电压调节电路，被配置为基于所述开关控制信号生成供电电压，其中，所述供电电压向所述控制电路供电。
11.根据权利要求10所述的点火系统，其中，所述控制电路进一步包括：
电压基准电路，被配置为生成电压基准信号；
电流感测电路，被配置为估计从所述电力开关的集电极端口到所述电力开关的发射极端口的电流；以及
栅极驱动电路，被配置为基于所述火花正时信号并且进一步基于所估计的所述电流与所述电压基准信号的比较，调整所述栅极驱动信号。
12.根据权利要求10所述的点火系统，其中，所述控制电路进一步包括：
停留时间检测电路，被配置为检测有关所述点火线圈的超过最大停留时间阈值的停留时间；以及
栅极驱动电路，被配置为基于来自所述停留时间检测电路的响应调整所述栅极驱动信号。
13.根据权利要求10所述的点火系统，其中，所述电力开关是绝缘栅双极型晶体管。
14.根据权利要求10所述的点火系统，其中，所述电力开关是绝缘栅金属氧化物半导体场效应晶体管。
15.根据权利要求10所述的点火系统，其中，所述电压调节电路是电压钳。
16.根据权利要求10所述的点火系统，其中，所述电压调节电路是带隙基准电压生成器。
17.一种方法，包括：
配置电力开关从而将装置电气耦接在电池电压和地之间，以便当所述电力开关闭合时从所述电池向所述装置供电；
将控制电路耦接到所述电力开关的栅极端口；
由所述控制电路调整向所述栅极端口施加的栅极驱动信号从而打开和闭合所述电力开关，所述调整是响应于向所述控制电路提供的开关控制信号；
基于所述开关控制信号生成供电电压；以及
以所述供电电压向所述控制电路供电。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
生成电压基准信号；
估计从所述电力开关的集电极端口到所述电力开关的发射极端口的电流；以及
基于所述开关控制信号并且进一步基于估计的所述电流与所述电压基准信号的比较来调整所述栅极驱动信号。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，供电电压的所述生成进一步包括向所述开关控制信号应用电压钳。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，供电电压的所述生成进一步包括根据所述开关控制信号驱动带隙基准电压生成器。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，待被供电的所述装置从包括以下各项的组中选择：发动机点火线圈、热火花塞、螺线管驱动器。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述开关控制信号是由发动机控制单元生成的火花正时信号。
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