CN104040819B - 用于高功率负载的可诊断反向电压保护 - Google Patents

Abstract

本发明涉及诊断电系统(200)中的反向电压保护开关(209)的状态的系统和方法。所述电系统包括以串联类型配置的电源(207)、电负载(201)、以及反向电压保护开关(209)。所述电系统还包括被配置为将反向电压保护电路的源极端子有选择地连接到地的接地开关(213)。将所述反向电压保护电路的端子与电源断开连接。闭合所述接地开关以将所述反向电压保护开关的一个端子连接到地。向所述反向电压保护开关的另一个端子施加偏置电压，并且断开所述反向电压保护开关。当所述反向电压保护开关断开，所述反向电压保护开关的偏置端子处的电压小于阈值时，则检测出跨反向电压保护开关的不正确的短路状态。

Description

用于高功率负载的可诊断反向电压保护

背景技术

本发明涉及用于在电池的反向应用期间保护电器件的系统和方法。当电池连接不正确时，反向电流可能损坏电器件。

发明内容

以下所描述的系统和方法提供用于通过如下方式保护电器件的系统：当电池或其它电源连接不正确时，阻止反向电流流过电路。具体而言，以下所描述的系统为利用高侧开关和低侧开关二者控制的高功率电负载提供保护。所述电路包括可控制的反向电压保护(RVP)开关，其阻止反向电压施加到负载，并且还可以对其进行控制来诊断保护电路中的硬件故障。

除了别的以外，本发明提供包括电源和由电源操作的电负载的电系统。反向电压保护开关以串联类型配置连接到负载与电源之间，并且阻止反向电压施加到电负载。反向电压保护开关包括控制端子、第一端子(例如，源极)、以及第二端子(例如，漏极)。电系统还包括反向电压保护诊断电路，该反向电压保护诊断电路包括连接在反向电压保护开关的第一端子与负载之间的接地开关、连接到反向电压保护开关的第二端子的可控制的偏置电压源、以及控制系统。控制系统被配置为通过以下动作来检测反向电压保护开关中的错误状态：将反向电压保护开关的第二端子与电源断开连接、断开反向电压保护开关、闭合接地开关、施加来自偏置电压源的偏置电压、以及如果反向电压保护开关的第二端子处的电压小于阈值则确定跨反向电压保护开关存在不正确的短路。

在特定实施例中，控制系统还被配置为通过以下动作来检测反向电压保护开关中的错误状态：将反向电压保护开关的第二端子与电源断开连接、闭合反向电压保护开关、闭合接地开关、施加来自偏置电压源的偏置电压、以及当反向电压保护开关的第二端子处的电压大于阈值时则确定跨反向电压保护开关存在不正确的开路状态。

在一些实施例中，电系统包括以串联类型配置连接在电负载与电源之间的高侧控制开关和以串联类型配置连接在反向电压保护开关的第二端子与电源之间的低侧控制开关。反向电压保护开关以串联类型配置连接在电负载与低侧控制开关之间。

在另一个实施例中，本发明提供诊断电系统中的反向电压保护开关的状态的方法。电系统包括电源、电负载、以及采用串联类型配置的反向电压保护开关。电系统还包括被配置为将反向电压保护电路的第一端子有选择地连接到地的接地开关。所述方法包括以下动作：将反向电压保护电路的第二端子与电源断开连接、闭合接地开关以将反向电压保护开关的第一端子连接到地、向反向电压保护开关的第二端子施加偏置电压、断开反向电压保护开关、以及当反向电压保护开关的第二端子处的电压小于阈值时则确定跨反向电压保护开关存在不正确的短路状态。

在一些实施例中，所述方法还包括以下动作：将反向电压保护电路的第二端子与电源断开连接、闭合接地开关以将反向电压保护开关的第一端子连接到地、向反向电压保护开关的第二端子施加偏置电压、闭合反向电压保护开关、以及当反向电压保护开关的第二端子处的电压小于阈值时则确定跨反向电压保护开关存在不正确的开路状态。

通过参考具体实施方式和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1是具有反向电压保护系统的电系统的框图。

图2是具有不同的反向电压保护系统的另一个电系统的框图。

图3是示出用于诊断图2的电系统的反向电压保护系统中的错误状态的方法的流程图。

图4是示出图2的电系统的附加的电路部件的示意图。

具体实施方式

在详细阐述本发明的任何实施例之前，应该理解的是，本发明并不将其应用限制为下文的说明中所阐释的或以下附图中所示出的构造的细节和部件的设置。本发明能够具有其它的实施例并且能够以各种方式来实践或完成。

通常对包括诸如电机的机电系统的直流(DC)电系统进行设计，从而将以特定的方向来施加来自电源的电流。当电源连接不正确致使电池的端子反向连接时，则反向电流/反向电压被施加到电系统。该反向电压能够损坏电系统。

阻止反向电压施加到电负载的一种方式是以串联类型配置将二极管连接在电负载与电源之间。然而，对于高功率的负载(例如，大于10安培)而言，二极管上的功率损耗产生热量并且带来热方面的问题。为了解决这种问题，可以使用MOSFET来阻止反向电压施加到负载。

图1示出包括反向电压保护系统的高功率电系统的一个示例。电系统100包括电负载101。高侧开关103和低侧开关105通过将负载101有选择地连接到电源107来控制负载101。反向电压保护(RVP)开关109以串联类型配置连接在低侧开关105与电源107之间。

本文中所使用的术语“串联类型配置”指的是一种电路设置，其中通常以顺序的方式设置所描述的元件，从而将一个元件的输出耦合到另一个元件的输入，但是同一个电流可能不通过每个元件。例如，在“串联类型配置”中，附加的电路元件可能与“串联类型配置”中的元件中的一个或多个并联连接。此外，可以将附加电路元件连接到串联类型配置的节点处，从而使电路中出现支路。因此，串联类型配置中的元件未必形成真正的“串联电路”。作为进一步说明，图4的元件401、403、405和409(以下详细讨论)以串联类型配置连接。

在图1的示例中，RVP开关包括场效应晶体管(FET)。RVP开关109是不可切换的或永远保持在闭合位置。该设置使得电流能够在预期的方向中流动，但是当电池或其它电源反向连接时阻止电流流动。图1中所示出的电系统和其它更基本的反向电压保护电路的缺点是，不能对可能禁用或阻碍电路的功能的电路问题进行可靠的诊断。图2示出另一个电系统，该电系统包括使得能够对反向电压保护电路中的错误状态进行可靠的检测的电路上元件。

类似于图1的系统，图2的电系统200包括高功率电负载201。高侧控制开关203和低侧控制开关205通过将负载201有选择地连接到电源207来控制负载201的操作。然而，在该示例中，反向电压保护开关209以串联类型配置连接在电负载201与低侧开关205之间。RVP开关209是可控制的开关，其包括第一端子、第二端子、和控制端子。RVP开关209基于被提供给控制端子的输入来断开和闭合，从而允许或阻止电流在第一和第二端子之间流动。在以下所示出的示例中，RVP开关209被示出为场效应晶体管(FET)，并且因此第一和第二端子分别指的是源极和漏极端子。然而，在其它结构中可以利用其它可控制的开关来实现RVP开关209。

将附加的部件并入到电系统中，所述附加的部件包括用于控制RVP开关209的状态的控制器或控制系统211、用于将RVP开关209的源极端子有选择地连接到地的接地开关213、用于向RVP开关209的漏极端子有选择地施加偏置电压的偏置电压源215、以及用于测量RVP开关209的漏极端子处的电压的反馈系统217。在一些结构中，接地开关213、偏置电压源215、以及反馈系统217均由控制系统211操作或监控。控制系统211包括处理器和用于存储用于对系统的操作进行控制的可执行指令的存储器(例如，根据图3中所示出的过程)。在其它实施例中，可以采用其它方式来实现控制系统，所述其它方式例如ASIC或模拟控制电路。

在图2的示例中，将所有示出的部件集成到电系统的印刷电路板(PCB)或集成电路(IC)中。然后将PCB或IC封装在外壳内。因此，系统能够执行自诊断并且将错误状态通知给用户。在其它结构中，这些部件可以提供可接入的接入端口，从而可以由外部系统或部件来操作电路以执行诊断功能。

图3示出对图2的电系统中的RVP开关209进行诊断的方法。由控制系统211对该方法定期进行自动初始化。然而，在其它结构中，通过用户输入或当电系统200连接到外部诊断系统时，对诊断方法进行初始化。

为了执行诊断方法，断开高侧开关和低侧开关二者(步骤301和303)，将电负载201与电源207断开连接。闭合接地开关213以将RVP开关209的源极端子连接到地(步骤305)。然后将来自偏置电压源215的偏置电压施加到RVP开关209的漏极端子(步骤307)。

然后诊断方法执行对错误状态的两个检查。首先，闭合RVP开关209(步骤309)并且反馈系统217测量RVP开关209的漏极端子处的电压(步骤311)。在正常操作状态下，闭合RVP开关209使偏置电压通过接地开关213连接到地。因此，应该在漏极端子处检测到低电压(例如，零伏或低于阈值的电压)。然而，如果RVP开关209未能正确闭合，则出现不正确的“开路”状态，并且漏极端子处的电压将保持为高(例如，等于偏置电压或大于阈值)。如果漏极端子处的电压为高，则系统表明错误状态(步骤313)。如果电压为低，则系统进入第二个测试。

第二个诊断测试检查RVP开关209中的短路状态。断开RVP开关209(步骤315)。接地开关213保持闭合而高侧开关203和低侧开关205保持断开。反馈系统217再次测量RVP开关209的漏极端子处的电压。在正常操作状态下，断开RVP开关209使偏置电压与地断开连接。因此，应该在漏极端子处检测到高电压(例如，等于偏置电压或大于阈值的电压)。然而，如果跨RVP开关209存在不正确的短路状态，则偏置电压将通过接地开关213保持连接到地并且漏极端子处的电压将保持为低(例如，零伏或小于阈值的电压)。如果反馈系统217测量到高电压(步骤317)，则系统判定RVP开关209正常运行或呈现不能诊断出来的错误状态(步骤319)。然而，如果反馈系统217测量到低电压，则系统判定RVP开关209中存在短路并且表明错误状态(步骤321)。

图4是示出图2的系统的一种实施方式的电路图。受控制的MOSFET401提供高侧开关以控制电负载403。也将RVP开关实现为受控制的MOSFET405。一系列晶体管为RVPMOSFET405提供控制接口407。第三个受控制的MOSFET409提供低侧开关。第四个受控制的开关411用作接地开关。在该示例中，反馈系统413包括用于提供偏置电压并测量MOSFET405的漏极端子处的电压的节点。

以上所提供的示例仅示出权利要求中所限定的本发明的一些可能的实施方式。其它电路设置和诊断方法是可能的。因此，本发明(除了其它的以外)提供了包括用于诊断反向电压保护系统的错误状态的反向电压保护特征和机制的电系统。在以下权利要求中将阐述本发明的各种特征和优势。

Claims (12)

1.一种监控电系统中的反向电压保护电路的操作的方法，所述系统包括：

与电源构成串联类型配置的电负载和所述反向电压保护电路，所述反向电压保护电路包括具有第一端子、第二端子、和控制端子的反向电压保护开关，所述第一端子耦合到所述电负载，所述第二端子耦合到所述电源，所述反向电压保护开关基于至所述控制端子的输入来断开和闭合所述第一端子与所述第二端子之间的连接，以及

连接在所述反向电压保护开关的所述第一端子与地之间的接地开关，所述方法包括：

将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接；

闭合所述接地开关以将所述反向电压保护开关的所述第一端子连接到地；

向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加偏置电压；

断开所述反向电压保护开关；以及

在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接、所述接地开关闭合、所述反向电压保护开关断开、并且向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加所述偏置电压的同时，当所述反向电压保护开关的所述第二端子处的电压小于阈值时，确定跨所述反向电压保护开关存在不正确的短路状态。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下动作：

闭合所述反向电压保护开关；以及

在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接、所述接地开关闭合、所述反向电压保护开关闭合、并且向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加所述偏置电压的同时，当所述反向电压保护开关的所述第二端子处的电压超过阈值时，确定跨所述反向电压保护开关存在不正确的开路状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电系统还包括以串联类型配置连接在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源之间的低侧开关，并且其中将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接的动作包括断开所述低侧开关。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电系统还包括：

以串联类型配置连接在所述电源与所述电负载之间的高侧开关，所述高侧开关通过将所述电负载有选择地连接到所述电源来控制所述电负载的操作；以及

以串联类型配置连接在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源之间的低侧开关。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接的动作包括断开所述低侧开关，并且所述方法还包括断开所述高侧开关以将所述电负载与所述电源断开连接。

6.一种电系统，包括：

电负载；

连接到所述电负载的电源；

以串联类型配置与所述电负载和所述电源连接的反向电压保护开关，所述反向电压保护开关包括第一端子、第二端子、和控制端子，所述第一端子耦合到所述电负载，所述第二端子耦合到所述电源，所述反向电压保护开关基于至所述控制端子的输入来断开和闭合所述第一端子与所述第二端子之间的连接；

连接在所述反向电压保护开关的所述第一端子与地之间的接地开关；

连接到所述反向电压保护开关的所述第二端子的偏置电压源；以及

被配置为通过以下动作来监控所述反向电压保护开关的操作的控制系统：

将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接；

闭合所述接地开关以将所述反向电压保护开关的所述第一端子连接到地；

向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加偏置电压；

断开所述反向电压保护开关；以及

在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接、所述接地开关闭合、所述反向电压保护开关断开、并且向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加所述偏置电压的同时，当所述反向电压保护开关的所述第二端子处的电压小于阈值时，确定跨所述反向电压保护开关存在不正确的短路状态。

7.根据权利要求6所述的电系统，其中所述控制系统还被配置为：

闭合所述反向电压保护开关；以及

在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接、所述接地开关闭合、所述反向电压保护开关闭合、并且向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加所述偏置电压的同时，当所述反向电压保护开关的所述第二端子处的电压超过阈值时，确定跨所述反向电压保护开关存在不正确的开路状态。

8.根据权利要求6所述的电系统，还包括以串联类型配置连接在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源之间的低侧开关，并且其中所述控制系统被配置为通过断开所述低侧开关来将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接。

9.根据权利要求6所述的电系统，还包括：

以串联类型配置连接在所述电源与所述电负载之间的高侧开关，所述高侧开关通过将所述电负载有选择地连接到所述电源来控制所述电负载的操作；以及

以串联类型配置连接在所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源之间的低侧开关。

10.根据权利要求9所述的电系统，其中所述控制系统被配置为通过断开所述低侧开关来将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接，并且所述控制系统还被配置为通过断开所述高侧开关以将所述电负载与所述电源断开连接来监控所述反向电压保护开关的操作。

11.根据权利要求9所述的电系统，其中所述反向电压保护开关包括场效应晶体管，所述反向电压保护开关的所述第一端子包括所述场效应晶体管的源极端子，并且所述反向电压保护开关的所述第二端子包括所述场效应晶体管的漏极端子。

12.一种电系统，包括：

电源；

电负载；

包括第一端子、第二端子、和控制端子的高侧开关，所述高侧开关基于至所述高侧开关的所述控制端子的输入来断开和闭合所述高侧开关的所述第一端子与所述高侧开关的所述第二端子之间的连接，所述高侧开关以串联类型配置连接在所述电源与所述电负载之间，从而使得所述高侧开关的所述第一端子连接到所述电源，并且所述高侧开关的所述第二端子连接到所述电负载；

包括第一端子、第二端子、和控制端子的反向电压保护开关，所述反向电压保护开关基于至所述反向电压保护开关的所述控制端子的输入来断开和闭合所述反向电压保护开关的所述第一端子与所述反向电压保护开关的所述第二端子之间的连接，所述反向电压保护开关连接在所述电负载与低侧开关之间，从而使得所述反向电压保护开关的所述第一端子连接到所述电负载，并且所述反向电压保护开关的所述第二端子连接到所述低侧开关；

包括第一端子、第二端子、和控制端子的所述低侧开关，所述低侧开关基于至所述低侧开关的所述控制端子的输入来断开和闭合所述低侧开关的所述第一端子与所述低侧开关的所述第二端子之间的连接，所述低侧开关以串联类型配置连接在所述反向电压保护开关与所述电源之间，从而使得所述低侧开关的所述第一端子连接到所述反向电压保护开关，并且所述低侧开关的所述第二端子连接到所述电源；

包括第一端子、第二端子、和控制端子的接地开关，所述接地开关基于至所述接地开关的所述控制端子的输入来断开和闭合所述接地开关的所述第一端子与所述接地开关的所述第二端子之间的连接，所述接地开关的所述第一端子连接到所述反向电压保护开关的所述第一端子，并且所述接地开关的所述第二端子连接到地；

连接到所述反向电压保护开关的所述第二端子的偏置电压源；

连接到所述反向电压保护开关的所述第二端子的电压测量电路；以及

连接到所述高侧开关的所述控制端子、所述反向电压保护开关的所述控制端子、所述低侧开关的所述控制端子、以及所述接地开关的所述控制端子的控制系统，并且所述控制系统被配置为：

通过有选择地断开和闭合所述高侧开关和所述低侧开关来控制所述电负载的操作；

通过以下动作来监控所述反向电压保护开关的操作：

断开所述低侧开关以将所述反向电压保护开关的所述第二端子与所述电源断开连接；

断开所述高侧开关以将所述电负载与所述电源断开连接；

闭合所述接地开关以将所述反向电压保护开关的所述第一端子连接到地；

激活所述偏置电压源以向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加偏置电压；

断开所述反向电压保护开关；以及

在所述高侧开关断开、所述低侧开关断开、所述接地开关闭合、所述反向电压保护开关断开、并且向所述反向电压保护开关的所述第二端子施加所述偏置电压的同时，当所述反向电压保护开关的所述第二端子处的电压小于阈值时，确定跨所述反向电压保护开关存在不正确的短路状态。