CN105703343A - 涌流电流限制器 - Google Patents

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Abstract

用于电子保险丝的涌流电流限制器在点火时检测连接到电子保险丝的负载类型。通过检测负载的类型，限制器阻止大峰值电流流经保险丝。当短路发生时，限制器确保电子保险丝只以线性模式操作一次。

Description

涌流电流限制器
技术领域
本发明的各个实施例一般涉及限制涌流电流。
背景技术
保险丝通常用于保护电线和电气设备以防电流过量。对于车辆，例如汽车，尤其需要保险丝。在各种汽车和卡车中，已经使用了插片型，Bosch型，Lucas型，玻璃管型，以及限制器型保险丝。
当这种保险丝操作时，当危险情况发生时，它们可能“动作(trip)”。在重复操作之后，保险丝可能“烧断”，这导致操作失败。因此，这种保险丝可能必须定期更换，因为“烧断的保险丝”将引起车辆中的一些部件不再正常工作。
发明内容
各种实施例简单总结如下。在以下发明内容中可能作了一些简化和省略，其目的是强调和介绍各种实施例的一些方面，但并不是为了限制本发明的内容。在以下部分的各个实施例的详细描述将使本领域技术人员能够制造和使用本发明的思想。
各个实施例涉及涌流电流限制器，包括耦合到主设备的电流检测设备，配置为检测来自主设备的按比例的检测电流；耦合到电流检测设备的电流控制设备；耦合到主设备和电流控制设备的栅极驱动器，配置为驱动主设备的栅源电压；和耦合到栅极驱动器和电流控制设备的源极电压监视器，其中源极电压监视器配置为监视主设备的源极电压。
在各个实施例中，电流检测设备可能是运算放大器。运算放大器在一个端子测量来自主设备的经过电阻损耗补偿的电压。主设备可能是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设备，MOSFET可能包括主MOSFET和检测MOSFET。检测MOSFET的按比例的检测电流可能比来自主MOSFET的电流小约2000倍。源极电压监视器可能还包括移位设备，模拟数字转换器(ADC)，和电压比较器。ADC可能包括逐次逼近寄存器(SAR)，SAR可能是12比特SAR。
另外，各个实施例涉及一种涌流电流限制器，包括耦合到主设备的电流控制设备，补偿主设备中的电阻损耗；耦合到主设备和电流控制设备的栅极驱动器，配置为驱动主设备的栅源电压。和耦合到栅极驱动器和电流控制设备的源极电压监视器，其中源极电压监视器配置为监视主设备的源极电压。
在各个实施例中，主设备可能是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设备，可能包括主MOSFET和检测MOSFET。源极电压监视器可能还包括移位设备，模拟数字转换器(ADC)，和电压比较器。ADC包括逐次逼近寄存器(SAR)，可能是12比特SAR。
另外，各个实施例涉及一种限制主设备中的涌流电流的方法，该方法包括检测来自主设备的按比例的检测电流；基于所述按比例的检测电流控制在主设备中的电流；用所控制的电流驱动主设备的栅源电压；和监视主设备的输出电压以识别耦合到主设备的负载类型。
在各个实施例中，当输出电压显示为线性增加时，耦合到主设备的负载可能被确定为电容性负载。当负载被确定为电容性负载时，可能给主设备的栅极充电。
在各个实施例中，当输出电压不变时，耦合到主设备的负载可能被确定为低欧姆负载。当负载被确定为低欧姆电阻时可能禁止主设备工作。
附图说明
为了更好地理解各种实施例，参考以下附图，其中：
图1A示出了具有电子保险丝的电路；
图1B示出了用于电子保险丝的功率MOSFET；
图2示出了用于涌流电流限制器的第一实施例；和
图3示出了用于涌流电流限制器的第二实施例。
为了便于理解，相同的参考数字用于表示具有基本相同或相似的结构和/或基本相同或相似的功能的元件。
具体实施方式
说明书和附图示出了本发明的原理。可以理解的是，本领域技术人员可以设计包含在本申请范围内的本申请的原理的各种具体布置，虽然这些具体布置没有在本文中明确记载或示出。另外，这里记载的所有例子主要是为了教导作用以帮助读者理解本发明的原理以及发明人在技术进步上所贡献的思想，它不是为了限制为这些具体记载的实施例和条件。另外，本文用的术语“或者”指的是非排他的(即，和/或)，除非另外指出(如“要不然”或“或替代地”)。这里记载的各种实施例不一定是互相排斥的，因为一些实施例可以与一个或更多其他实施例相结合以形成新的实施例。本文中所使用的术语“上下文”和“上下文对象”将被理解为是相同的，除非另有指出。
图1A示出了具有电子保险丝120的电路100。保险丝120连接在电池110和负载130之间。在示例的实施例中，电池110是汽车电池。在示例的实施例中，负载130可能包括电容性负载或低欧姆负载，但是也可能包含其它类型的负载。可能使用电池或DC电源。
电子保险丝120可能代替其它保险丝用于汽车应用和非汽车应用。保险丝可能需要在点火期间给大电容性负载充电。在汽车应用中，这种充电过程可能导致电流峰值达到数百安培。瞬态电流可能与电流峰值的大小具有相同数量级，电流峰值和在保险丝100的负载130处的短路相关联。电子保险丝120力图区分这些方案。
在点火期间保险丝重复给大的电容性负载充电。在充电过程中，电子保险丝可能提供更复杂的响应。取代以相同的方式响应每个负载，改善的电子保险丝可能首先确定负载类型。在确定负载类型之后，电子保险丝可能以适合所确定类型的负载的不同方式响应，以下将进一步详细描述。
电子保险丝120可能根据所附的负载130的类型不同地运作。当负载130是低欧姆负载时，例如对地短路，电子保险丝120可能不会动作(trip)。因此，当短路出现在系统中时，电子保险丝120不会传导过大的峰值电流。
当负载130是大的电容性负载时，电子保险丝120可能在点火期间制造相对小的瞬态电流。当重复遭受大的瞬态电流时保险丝可能会烧断，因此减少瞬态电流可能是有益的。瞬态电流的减少可能大大改善系统的电磁兼容性(EMC)性能。对于汽车应用，电池110和相关联的电缆可能在每个电子保险丝120的生命周期中遭受瞬态电流高达15,000次，因此减少瞬态电流可能是非常有益的。
通常，电子保险丝120是有源器件，可以测量各种电流和电压。电子保险丝120可能限制电流和消散过度功率例如热，而不是允许过高电流。电子保险丝120也可能设计为避免重复操作，因此限制设备上的压力以及过热的形成。
图1B示出了用于电子保险丝120的功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)140的细节。功率MOSFET140包括漏极(D)端150，栅极(G)端160，源极(S)端170，开尔文(K)端180和检测电流(IS)端190。MOSFET140具有漏源电阻，漏源电阻作为G端160和S端170之间的电压差的函数而变化。当G端160和S端170之间的电压差是最小时，MOSFET140类似于一个断开的开关。相反，当合适的电压施加在G端160和S端170之间时，MOSFET140的漏源电阻减少，允许电流在S端170和D端150之间流动。
如图1B所示，功率MOSFET140包括主MOSFET144和检测MOSFET148。检测MOSFET148可能是主MOSFET144按比例缩小的版本。主MOSFET144和检测MOSFET148之间的尺寸比，描述为“n∶1”，可能比2000大。结果，检测MOSFET148可能在IS端190具有的电流比主MOSFET144的S端170处的电流小2000倍。结果，检测MOSFET148可能用作测量工具。
K端180可能也用于测量。当S端170是用于主MOSFET144的理想源极时，真正的MOSFET具有的源极键合线可能具有很大的阻力。源极键合线的阻力，表征为Rsbw165，其大小可以是主MOSFET144的总阻力的50％。因此，S端170在Rsbw165两端遭受大的电压降，导致比真实的源极电压小的输出电压。相反，K端180可能提供用于MOSFET144的真实源极电压的高精度测量。
加到功率MOSFET140上的K端180和IS端190提供诊断信息以监视MOSFET140的状态。通过在K端180而不是S端170处测量真实的源极电压，在键合线上的电压的建立不是减少用于电流检测的准确度。IS端190可以用于安全地遵守在主MOSFET144上的电流，因为流经检测MOSFET148的电流是通过大的因子按比例缩小，该大的因子例如是2000。
图2示出了用于涌流电流限制器200的第一实施例。涌流电流限制器200可能包括第一电路210，电流控制器220，栅极驱动器230，源极电压监视器240。
涌流电流限制器200可能通过多个端子被连接到电子保险丝205。在一个实施例中，电子保险丝205可能包括MOSFET，MOSFET具有漏极，栅极，和源极。该MOSFET可能包括主MOSFET144和检测MOSFET148，如前面对于图1B的描述。电子保险丝205的漏极可能耦合到电池110，而电子保险丝205的源极可能耦合到负载130。在本实施例中，Rsource206表示电子保险丝205的源极电阻。电子保险丝205的栅极可能耦合到涌流电流限制器200。
第一电路210可能耦合到电子保险丝205的K和IS端。在一个实施例中，第一电路210可能包括运算放大器213和MOSFET216。通过运算放大器213的反相端耦合到电子保险丝205的IS端，运算放大器213的非反相端耦合到电子保险丝205的K端，第一电路210可能检测在电子保险丝205的栅极处的电流。
为了测量，运算放大器213的反相端可能耦合到电子保险丝205的IS端以限制运算放大器213遭受大电流。如上面对于图1B的描述，检测MOSFET148的IS端190处具有的电流可能比主MOSFET144的S端170处的电流小2000倍。结果，为了防止大电流尖峰，运算放大器213测量MOSFET205的IS端处相对小的电流。
如上面对于图1B的描述，主MOSFET144的K端170可能报告真实的源极电压，补偿RSbw165的S端160和K端170之间的电压降。以相似的方式，运算放大器213的非反相端测量MOSFET205真实的源极电压。它补偿Rsource206两端的电压降。
电流控制器220可能包括放大器电路225。在一个实施例中，放大器电路225可能在负极端子耦合在第一电路210内部的MOSFET216。放大器电路225的正极端子可能耦合到参考电压。
栅极驱动器230可能包括放大器233和移位器236。栅极驱动器230可能耦合到电子保险丝205的栅极(G)端，电子保险丝205的源极(S)端，和电流控制器220。放大器233可能耦合到电子保险丝205的G和S端。移位器236可能耦合到电流控制器220。
源极电压监视器240可能包括移位器243，模拟数字转换器(ADC)246，和电压比较器249。源极电压监视器240可能耦合到电子保险丝205的S端，电流控制器220，和栅极驱动器230。移位器243可能耦合到电子保险丝205的S端。电压比较器249可能耦合到电流控制器220和栅极驱动器230。
在一个实施例中，ADC246可能包括逐次逼近寄存器(SAR)。在另一个实施例中，SAR可能是12比特SAR。其它实施也是可能的。
在汽车点火时或制造大的瞬态电流的另一个事件时，电流限制器200可能将电子保险丝205的MOSFET配置为恒定电流源。特别地，电流限制器200可能将流经负载130的电流限制到相对小的、恒定值，该值减少对电子保险丝205的危害风险。
一旦通过电子保险丝205的电流在理想水平，源极电压监视器240可能在电子保险丝205的源极处测量输出电压。当负载130是电容性负载时，所监视的输出电压将显示线性增加。当负载130是低欧姆负载时，例如对地短路，所监视的输出电压基本不变。
如果是电容性负载130，电子保险丝205可能使用栅极驱动器230增加在MOSFET的栅极处的电荷，而对于低欧姆负载130停用MOSFET。这将减少对MOSFET的危害风险。另外，与遭受瞬时尖峰的不稳定电流相比，基本恒定的电流水平可能是相对低的。这两个因素可能提供MOSFET更安全的运作。
在汽车点火时或制造大的瞬态电流的另一个事件时，特别是当出现短接到地时，电子保险丝205可能消散很多功率。电子保险丝205所消散的功率的量等于电子保险丝205两端的电压降与由电子保险丝205所设定的恒定电流的乘积。模拟已经显示即使在客户要求的高环境温度下，MOSFET可以安全地处理该所消散的功率。
总之，电子保险丝205防止在汽车点火时或者制造大的瞬态电流的其它事件时大的电流流入系统。甚至当负载130是短路电路时这种保护也存在。这些因素有助于保护元件，例如汽车电池110和任何所附的项目，例如电缆束。
在通电时MOSFET中不会出现重复的雪崩操作。因此，系统的EMC性能得到很大改善。在汽车的生命周期中这种情形可能出现至20,000次，因此重复的雪崩模式的消除是非常有益的。
图3示出了用于涌流电流限制器300的第二实施例。涌流电流限制器300可能包括电流控制器310，栅极驱动器320，源极电压监视器330。
涌流电流限制器300可能通过多个端子被连接到电子保险丝305。在一个实施例中，电子保险丝305可能包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，MOSFET具有漏极，栅极，和源极。电子保险丝305的漏极可能耦合到电池110，而电子保险丝305的源极可能耦合到负载130。在本实施例中，Rsource306表示电子保险丝305的源极电阻。电子保险丝305的栅极可能耦合到涌流电流限制器300。
电流控制器310可能包括放大器电路313。在一个实施例中，放大器电路313可能在负极端耦合到电子保险丝305的K端。放大器电路313的正极端子可能通过参考电压316耦合到电子保险丝305的源极(S)端。
栅极驱动器320可能包括放大器323和移位器326。栅极驱动器320可能耦合到电子保险丝305的栅极(G)端，电子保险丝305的S端，和电流控制器310。放大器323可能耦合到电子保险丝305的G和S端。移位器326可能耦合到电流控制器310。
源极电压监视器330可能包括移位器333，模拟数字转换器(ADC)336，和电压比较器339。源极电压监视器330可能耦合到电子保险丝305的S端，电流控制器310，和栅极驱动器320。移位器333可能耦合到电子保险丝305的S端。电压比较器339可能耦合到栅极驱动器320。
在一个实施例中，ADC336可能包括逐次逼近寄存器(SAR)。在另一个实施例中，SAR可能是12比特SAR。其它实施也是可能的。
应该注意的上述实施例的各个方面可能被结合产生其它实施例。另外，在方法中的各个步骤可能以不同的顺序执行或同时执行。上述实施例的各个方法也可能使用处理器和计算机指令实施以导致特定的机械执行实施例。另外，上述实施例的部分可能使用ASIC或其它特定硬件元件实现。
如这里所使用的，术语“处理器”将被理解为包括各种设备，例如微处理器，现场可编程门阵列(FPGA)，专用集成电路(ASIC)，和其它相似的工艺和计算设备。
本领域技术人员可以理解的是，这里的任何方框图表示体现本发明原理的示意性的电路。
虽然在这里描述的各种示例性实施例采用了参考特定示例方面的附图标记，可以理解的是本发明可以采用其它实施例以及它的细节可以在各种明显的方面进行修改。对于本领域技术人员明显的是，在保留发明思想和范围的同时可以进行变化和修改。因此，上述披露，说明，和附图只是用于示例的目的而不以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种涌流电流限制器，其特征在于，包括：
耦合到主设备的电流检测设备，配置为检测来自主设备的按比例的检测电流；
耦合到电流检测设备的电流控制设备；
耦合到主设备和电流控制设备的栅极驱动器，配置为驱动主设备的栅源电压；和
耦合到栅极驱动器和电流控制设备的源极电压监视器，其中源极电压监视器配置为监视主设备的源极电压。
2.根据权利要求1所述的涌流电流限制器，其特征在于，电流检测设备是主MOSFET的按比例缩小的MOSFET版本。
3.根据权利要求2所述的涌流电流限制器，其特征在于，运算放大器在一个端子测量来自主设备的经过电阻损耗补偿的电压。
4.根据权利要求1所述的涌流电流限制器，其特征在于，主设备是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设备。
5.根据权利要求4所述的涌流电流限制器，其特征在于，MOSFET设备包括主MOSFET和检测MOSFET。
6.根据权利要求5所述的涌流电流限制器，其特征在于，检测MOSFET的按比例的检测电流比主MOSFET的电流小约2000倍。
7.根据权利要求1所述的涌流电流限制器，其特征在于，源极电压监视器还包括：
电平移位设备；
模拟数字转换器(ADC)；和
电压比较器。
8.根据权利要求7所述的涌流电流限制器，其特征在于，ADC包括逐次逼近寄存器(SAR)。
9.根据权利要求8所述的涌流电流限制器，其特征在于，SAR是12位SAR。
10.一种涌流电流限制器，其特征在于，包括：
耦合到主设备的电流控制设备，补偿在主设备中的电阻损耗；
耦合到主设备和电流控制设备的栅极驱动器，配置为驱动主设备的栅源电压；和
耦合到栅极驱动器和电流控制设备的源极电压监视器，其中源极电压监视器配置为监视主设备的源极电压。
11.根据权利要求10所述的涌流电流限制器，其特征在于，主设备是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设备。
12.根据权利要求11所述的涌流电流限制器，其特征在于，MOSFET设备包括主MOSFET和检测MOSFET。
13.根据权利要求10所述的涌流电流限制器，其特征在于，源极电压监视器还包括：
电平移位设备；
模拟数字转换器(ADC)；和
电压比较器。
14.根据权利要求13所述的涌流电流限制器，其特征在于，ADC包括逐次逼近寄存器(SAR)。
15.根据权利要求14所述的涌流电流限制器，其特征在于，SAR是12位SAR。
16.一种限制在主设备中的涌流电流的方法，其特征在于，所述方法包括：
检测来自主设备的按比例的检测电流；
基于所述按比例的检测电流控制在主设备中的电流；
用所控制的电流驱动主设备的栅源电压；和
监视主设备的输出电压以识别耦合到主设备的负载类型。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
当输出电压显示为线性增加时确定耦合到主设备的负载是电容性负载。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
当负载被确定为电容性负载时给主设备的栅极充电。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
当输出电压不超过阈值水平时确定耦合到主设备的负载是低欧姆负载。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：
当负载被确定为低欧姆负载时禁止主设备工作。
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