CN105891653A - 具有错误检测的电负载控制器 - Google Patents

Abstract

一种控制器(12)，配置为检测操作电负载(14)的电路(10)中的错误状态，该控制器(12)包括栅极驱动器(22)和电压检测器(42)。栅极驱动器(22)被配置为控制至开关装置(16)的栅极电流(24)。控制该栅极电流(24)以使得当该开关装置(16)从接通状态(38)转换到断开状态(36)时开关装置(16)以线性状态(34)工作。该电压检测器(42)被配置为确定该开关装置(16)上的压降(44)。该控制器(12)被配置为在该开关装置从接通状态(38)被操作为线性状态(34)之后当压降(44)大于电压阈值(46)的时间比无错误间隔(48)长时指示无错误状态。

Description

具有错误检测的电负载控制器

技术领域

本公开总地涉及一种控制器，其被配置为检测电负载和/或与电负载的连接中的错误，更具体地涉及在开关装置从“导通状态”操作到“线性状态”后当开关装置上的压降大于电压阈值的时间比无错误间隔长时指示无错误状态。

背景技术

已知感测电阻器可被用于通过监测感测电阻器上的电压来监测经过电负载的电流，并且基于所测量的电流检测错误状态。在开路(OC)错误或“对地短路”(short-to-ground，STG)错误状态的情形下，几乎零电流流过开关装置，此开关装置在此开关装置的导通状态期间控制电负载。不期望地，需要电流监测电路以及电流感测装置(例如，感测电阻器)。此外，利用外部感测元件和信号放大器(诸如低价值感测电阻器)来检测开路负载状态的电流监测电路是昂贵的且消耗宝贵的印刷电路板空间。同样不期望地，在开关装置处于导通状态时检测OC错误通常需要系统电平(行为)诊断，通常不向配置为检测操作电负载的电路中的错误状态的控制器传递信息。

当FET(即开关装置)的导通状态电流(漏极电流ID)与导通电阻(Rdson)的数学乘积在数量级上相对较小时，外部场效应晶体管(FET)的集成漏极-源极电压(VDS)感测方法通常不是有效的。流过典型的外部FET的漏极电流无法从漏极-源极产生足够的电压以实现可靠的检测。集成的感测-FET是昂贵的并且关于它们区分工作电流与开路电流的能力是相对不灵敏的。可选的高“导通电阻”解决方案具有不期望地高静态功耗。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种控制器，其配置为检测操作电负载的电路中的错误状态。控制器包括栅极驱动器和电压检测器。栅极驱动器被配置为控制至开关装置的栅极电流。控制栅极电流以使得当开关装置从导通状态转换到断开状态时在线性状态下操作开关装置。电压检测器被配置为确定开关装置上的压降。控制器被配置为在开关装置从接通状态被操作为线性状态之后当压降大于电压阈值的时间比无错误间隔长时指示无错误状态。

在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现出，这些优选实施例仅作为非限定性的示例且结合附图而给出。

附图说明

现在将参考附图借助示例来描述本发明，在附图中：

图1是根据一个实施例的操作电负载的电路的示意图。

图2是根据一个实施例的当没有检测到错误时存在于图1的电路中的信号的曲线图；以及

图3是根据一个实施例的当检测到错误时存在于图1的电路中的信号的曲线图。

具体实施方式

本文描述的是一种用于操作电负载(即电装置)的电路，其能够检测到对地短路(STG)和开路(OC)状态而不干扰电负载的工作。

图1示出包括控制器12的电路10的非限制性示例，控制器12被配置为检测电路10中的错误状态。通常，电路10操作作为电路10的一部分或者电耦合到电路10的电负载14。作为示例而非限制，电负载可以是车辆(例如汽车)中的装置，诸如燃料泵、风扇、螺线管、电动机或汲取一定量电流(例如，>50毫安)的其他机电装置。这些装置可优选地经由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他类似装置(下文中的开关装置16)的操作来控制。

控制器12可包括处理器18，诸如微处理器或其它控制电路，该其它控制电路诸如包括用于处理数据的专用集成电路(ASIC)的模拟和/或数字控制电路，如对本领域技术人员而言应当显而易见的那样。尽管控制器12被示为单个实体，但预想控制器12可由许多离散的零件形成，这些离散的零件可借助一个或多个印刷电路板来互连。控制器12可包括用于存储一个或多个例程、阈值和捕获的数据的存储器20，包括非易失性存储器，诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。该一个或多个例程可由处理器18执行以执行用于确定由控制器12所接收的信号是否指示存在于电路10中的错误状态，如上所述。

图2示出当没有检测到对地短路(STG)或开路(OC)状态时存在于电路10中的信号的曲线图40的非限制性示例。曲线图40中的信号包括栅极-漏极电压(下文中的VGS 28)、漏极-源极电压(下文中的VDS 30)、以及漏极电流(下文中的ID 32)，可被用于确定开关装置16的工作状态。曲线图40还示出由控制器12所指示或输出的错误状态(下文中的FLT 26)。尽管图1示出FLT 26由控制器12输出，但预想可仅在控制器12内使用对应于FLT 26的错误状态以由控制器12来确定或选择行动的进程，如将在以下的描述中变得显而易见。

作为示例而非限制，以下是针对图2和3中示出的多个时期的典型时间。本领域技术人员将认识到这些时间通常依赖于施加到开关装置16的栅极电流的大小。T1到T2：45us–开关装置16的接通时间。T3到T4：15us–自从测试的开始当栅极电压降低直到针对无错误状态的测试完成且负载电流返回到正常为止的时间。自从T3处的测试的开始一直到在无错误间隔48的结束处完成测试为止的时间通常为10us左右。T7到T8：20us–自从运行OC或STG测试的命令起一直到栅极电压达到它的断开状态阈值且可标记OC/STG错误为止的时间。开关装置16的断开时间通常与接通时间相同，但这不是要求。

返回参见图1，控制器12包括栅极驱动器22，配置为控制进入或离开开关装置16的栅极电流24(IG)。如将被本领域技术人员认识到，当栅极电流24沿所示方向流动时，假设VGS 28如图所示在时刻T1之前处于或接近地电位(GND)，VGS 28将增加，如在图2的时刻T1与T2之间所示。本领域技术人员还将认识到VGS 28在T1与T2之间水平的平坦区对应于开关装置16以线性模式工作(下文中的线性状态34)的时候。本领域技术人员还将认识到当开关装置16在断开状态36与接通状态38之间转换时开关装置16以线性状态34工作。

如将在以下描述中变得显而易见，优选地控制栅极电流24以使得当开关装置16从接通状态38转换到断开状态36时开关装置16以线性状态34工作足够的时期从而可执行电路10的诊断测试。这种电流控制可借助栅极驱动器22内的串联电阻器(未示出)，或者通过使栅极驱动器22装备有受控的电流源(也未示出)，如将被本领域技术人员认识到。

控制器12还包括电压检测器42，配置为确定开关装置16上的压降44。在此非限制性示例中，压降44等于VDS 30，也在图2中示出。预想开关装置16可以是例如除了MOSFET、IGBT以外的类型的装置，在此情况下，压降44将是集电器-发射器电压(collector-to-emitter voltage，VCE)

电压检测器42可装备有电压比较器(未示出)，该比较器的一个输入连接到配置为输出电压阈值46(图2)的电压源，另一个输入连接至开关装置16的漏极(D)，如在图1中示出。作为示例而非限制，电压阈值46的适当值为一伏特(1V)。然而，应该认识到基于电负载14和开关装置16的电特性来选择为电压阈值46所选的值。为了确定电流是否经历对地短路(STG)状态或开路(OC)状态而不要通过将开关装置操作为断开状态36来使电负载14失效，开关装置16可被操作为线性状态34使得期望在开关装置16上呈现相对较小的电压。即，当开关装置16转换脱离接通状态38且进入线性状态34时，期望压降44(即VDS 30)增加，如在图2中时刻T3与T4之间所示。

如果压降44大于或变为大于电压阈值46，由电压检测器42输出到处理器18的信号可开启处理器18中的计时器(未示出)。如果计时器被配置为只要压降44(即VDS 30)保持大于电压阈值46就运行，并且计时器运行超过预定时间且在此时间期间运行(在此示例中为一微妙(1us)的无错误间隔48)，那么指示没有STG或OC状态存在于电路10中。使用计时器来确认压降44持续大于电压阈值46的值一段时期是有利的，因为瞬态噪声不可能导致当STG或OC状态实际上存在时控制器12不小心地指示无错误状态(FLT＝‘0’)。在此示例中，由FLT 26在时刻T3与T4之间的测试间隔期间保持不变来指示无错误状态。如此，控制器12被配置为在开关装置16从接通状态38被操作为线性状态34之后当压降44大于电压阈值46的时间比无错误间隔48长时指示无错误状态。

优选地，控制器12被配置为在指示无错误状态之后将开关装置16操作为接通状态38。即，一旦在无错误间隔48内压降44大于电压阈值46，那么栅极驱动器22可被操作以将栅极电流24注入开关装置16且由此使开关装置16返回到接通状态38。这通过最小化VDS 30处于不同于接通状态38的某一值的大小和持续时间而最小化对电负载14的工作的干扰来完成。这也最小化开关装置可经历的自发热量。

图3示出当检测到对地短路(STG)或开路(OC)状态时存在于电路10中的信号的曲线图40’的非限制性示例。在时刻T1与T2之间，电路10的操作类似于图2中同一时间所示的操作。然而，在此示例中，在时刻T5和T6之间，对地短路(STG)或开路(OC)状态发生，导致ID 32下降到接近零。即，STG状态存在，分流(shunt)开关装置16周围的电流，或者OC状态存在，防止电流流过电负载14。在时刻T7之前，这些状态中的一个或两者存在而没有被检测。在时刻T7，开始由电路10执行的测试，类似于图2中时刻T3处开始测试的时候。

在时刻T7处开始，VGS降低且开关装置16开始从接通状态38转换到线性状态34。由于不存在经过开关装置16的电流，即ID 32基本上为零；不存在如图2中时刻T3与T4之间的情况的VDS 30的增大。因为不存在VDS 30增大到大于电压阈值46的值的情况，所以不启动处理器18中的前述计时器，且VGS继续减小直到VGS处于一值为止，该值对应于期望开关装置16处于或进入断开状态36的值。

由于没有检测到压降44增加到大于电压阈值46的值，推测错误状态存在，即对地短路(STG)或开路(OC)状态存在。作为响应，控制器12产生错误标记，即FLT在时刻T8从低转变为高。如此，控制器12被配置为当开关装置16从接通状态38被操作为断开状态36的同时当压降44不大于电压阈值46的时间比无错误间隔48(图2)长时指示错误状态(FLT＝‘1’)。

因此，提供了控制器12，配置为检测操作电负载14的电路10中的错误状态。通过短暂地解除开关装置16的栅极电压的偏置解决了与一般需要高度灵敏的和/或昂贵的VDS感测电路的开路检测相关联的问题。这通过操纵VGS28以闭环的方式来执行，从而使得在此过程中不切断电负载14的能量。常规实施方式需要昂贵的感测FET或感测电阻器和比较器。通过利用数控感测算法在提出的实施方式中避免了这种花费和复杂性。避免了高静态功耗，因为当执行此测试时，基本上以相对较低的值保持开关装置16的有效接通电阻。可通过输入控制器12的命令来开始STG/OC测试，或者可通过控制器12以自主的方式周期性地执行。

如果在测试期间VDS 30上升到电压阈值46之前VGS 28电压减小到V_{FET_OFF}阈值，那么FLT 26被设定为指示开路或者对地短路负载的存在。跟随检测到OC/STG的存在，VGS可返回到接通状态38，使得如果去除了OC/STG错误，将恢复电路10的正常工作。可以以满足OC/STG错误检测的应用需要的速率同时处于工作的接通状态38来执行此测试。有可能足够快速地执行从而可发生几乎实时的OC/STG错误检测。

尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。

Claims (3)

1.一种控制器(12)，配置为检测操作电负载(14)的电路(10)中的错误状态，所述控制器(12)包括：

栅极驱动器(22)，配置为控制至开关装置(16)的栅极电流(24)，其中控制所述栅极电流(24)以使得当所述开关装置(16)从接通状态(38)转换到断开状态(36)时所述开关装置(16)以线性状态(34)工作；

电压检测器(42)，配置为确定所述开关装置(16)上的压降(44)，其中所述控制器(12)被配置为在所述开关装置从所述接通状态(38)被操作为所述线性状态(34)之后当所述压降(44)大于电压阈值(46)的时间比无错误间隔(48)长时指示无错误状态。

2.如权利要求1所述的控制器(12)，其特征在于，所述控制器(12)被配置为在指示所述无错误状态之后将所述开关装置(16)操作为所述接通状态(38)。

3.如权利要求1所述的控制器(12)，其特征在于，所述控制器(12)被配置为在所述开关装置从所述接通状态(38)被操作为所述断开状态(36)的同时当所述压降(44)不大于所述电压阈值(46)的时间比错误间隔长时指示错误状态。