CN105896515B

CN105896515B - 用于反向电池保护的装置和方法

Info

Publication number: CN105896515B
Application number: CN201610090402.4A
Authority: CN
Inventors: L.R.托戈佩拉扎; L.埃尔勒
Original assignee: TEMIC AUTOMOTIVE NA Inc
Current assignee: TEMIC AUTOMOTIVE NA Inc
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2018-12-04
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: US20160241013A1; US9768611B2; CN105896515A; DE102016200613A1

Abstract

一种用于向电路提供保护的装置包括：P沟道MOSFET；耦合到P沟道MOSFET的漏极并且耦合到负载的续流二极管；以及耦合到P沟道MOSFET的栅极的电荷泵。在正常操作模式中，电荷泵从电压调节器接收电压，并且被配置为倍增电压和使电压的极性反向，以供应到MOSFET的栅极。在反向电池操作模式中，电荷泵不从电压调节器接收用于对MOSFET的栅极供应的电压，从而引起MOSFET去激活，使得当MOSFET去激活时，防止电流流过续流二极管，以保护续流二极管。

Description

用于反向电池保护的装置和方法

技术领域

本申请涉及电气电路和保护这些电气电路。

背景技术

高侧（HSD）功率输出用于向负载提供功率。在使用HSD功率输出时的常见问题是需要外部续流二极管来保护免受高能电感负载在它们被关闭时生成的影响。在一些示例中，电感负载包括真实电感负载（例如，列出几例，雨刷电机、洗涤电机、螺线管、继电器）或具有明显电感的长的线束（例如，具有大于约40m的线束长度的商用车辆上的尾部输出）。

通常，HSD输出无法处理由具有高电流（例如，尾部输出的短路）或高电感（例如，高电感继电器）或二者（例如，失速状况下的雨刷电机）的电感负载产生的高能量。

当结合HSD输出使用续流二极管时，一个问题通常是保护续流二极管和HSD不受反向电池状况的影响（例如，商用车辆可以下降到大约-36V）。存在若干先前的方法用于保护续流二极管和HSD，但是这些方法都不提供对于高电流和高电感事件（例如，在失速状况下的雨刷电机或者在40m长度线束情况下尾部输出被短路（尾部输出通常具有>200A的高短路电流））的充分保护。

前述方法的问题导致一些用户对这些前述方法的不满。

附图说明

为了更完整地理解本公开，应当参考以下详细描述和附图，在附图中：

图1包括根据本发明的各种实施例的利用MOSFET来提供电路保护的系统的电路图；

图2包括根据本发明的各种实施例的利用MOSFET来提供电路保护的具有多个负载的系统。

技术人员将理解，为了简单和清楚的目的图示附图中的元件。将进一步理解的是，虽然可以以具体的发生次序来描述或描绘特定动作和/或步骤，但在本领域技术人员将理解并不实际需要关于顺序的这样的特定性。还将理解，除了在本文中另外阐述了特定含义的情况之外，本文使用的术语和表达具有符合关于调查和研究的其对应的相应领域的这种术语和表达的通常含义。

具体实施方式

本方法在尽可能低地保持系统成本的同时使用续流二极管来提供对系统的可靠保护。这样提供的电路使用MOSFET来箝位高能量电感瞬态而在正常操作模式下不增加功率耗散。当续流二极管进行箝位时，仅耗散功率。还提供了低成本和低部件数。在这些方面，单个MOSFET可以在多个输出之间被共享。本方法提供了高达高负电压的反向电池保护，并且这可以取决于MOSFET的最大漏源电压（VDS）。

在许多这些实施例中，一种用于向电路提供保护的装置包括：P沟道MOSFET；耦合到P沟道MOSFET的漏极并且耦合到负载的续流二极管；以及耦合到P沟道MOSFET的栅极的电荷泵。在正常操作模式中，电荷泵从电压调节器接收电压，并且被配置为倍增电压和使电压的极性反向，以供应到MOSFET的栅极。在反向电池操作模式中，电荷泵没有从电压调节器接收对MOSFET的栅极供应的电压，引起MOSFET去激活，使得当MOSFET去激活时，防止电流流过续流二极管，以保护续流二极管。

在一些方面中，当对负载的驱动器开关开路时，MOSFET和续流二极管进行协作以使负载中的电流再循环。在其他示例中，负载包括线束、风挡雨刷电机、洗涤电机或螺线管。

在其他方面中，MOSFET包括低RDS-on电阻。在一些示例中，低RDS-on电阻在约100欧姆和0.001欧姆之间。

在其他示例中，该装置进一步包括耦合到MOSFET的栅极的分压器网络。在其他示例中，装置进一步包括耦合到MOSFET的栅极的电压保护二极管。

现在参考图1，系统100包括保护装置102（包括续流二极管104、P沟道MOSFET 106、二极管108、第一电阻器110、第二电阻器112、二极管113和电荷泵114）、电池115、系统电压调节器116、高侧驱动器118和负载121，负载121可以被表示为电感器120和电阻器122。

续流二极管104进行操作以在驱动器118开路时使能量（电压和电流）再循环。再循环的能量缓解由于电感器120的存在而导致的过电压或过电流状况的问题。

P沟道MOSFET 106是本领域技术人员已知的p沟道器件。在一个示例中，MOSFET106包括接通时的低RDS-on电阻。在一些示例中，低RDS-on电阻在约100欧姆和0.001欧姆之间。其他示例是可能的。

二极管108充当MOSFET 106的保护器件，以防止在MOSFET 106的栅极处的输入电压超过操作电平（这可能损坏MOSFET 106）时，防止对MOSFET 106的损坏。

第一电阻器110和第二电阻器112提供电阻分压器，电阻分压器减小MOSFET 106的栅极处存在的电压。电荷泵114从电压调节器116接收电压，使该电压乘以一值，并且反转该电压。例如，电荷泵可以接收+3伏特，将其与因子3相乘（得出9伏特），并且使符号反向（得出-9伏特），以呈现给MOSFET 106（在通过由电阻器110和112形成的分压器减小之后）。应当理解，这是一个示例，并且其他示例是可能的。二极管113防止电流和电压在反向电池状况或操作模式发生时在调节器116处被接收。通过反向电池状况或操作模式，意味着该电池115的极性从正（如图中所示，使得其供应正电压）切换为负（其中电池115供应负电压）。正常操作模式是指该电池具有正电压。

电池115向系统供应电压和电流，并且在一个示例中，电池115可以是在车辆中布置的汽车电池。在这方面，系统100可以是布置在车辆（例如，汽车、卡车）中的系统。用户可能在反向电池操作模式（供应负电压）中错误地安装电池，并且在该情况发生时，该方法防止电路组件的损坏。

系统电压调节器116向电荷泵114提供噪声减少或无噪声电压。在一个示例中，高侧驱动器118可以是开关，但是可以包括各种元件，诸如二极管。驱动器118可以由外部微控制器（例如，如在发动机控制器中使用的）来控制（开路或闭合）。负载121可以被表示为电感器120和电阻器122。在一个示例中，负载121是线束、风挡雨刷电机、洗涤电机或螺线管。其他示例是可能的。

在一个示例中，MOSFET 106是低RDS-on P沟道MOSFET，并且这用于向续流二极管104提供接地路径。P沟道MOSFET 106通过在其栅极供应的负电压被接通。因为P沟道MOSFET106的电阻非常低（例如，100至0.001欧姆），所以在续流事件期间由MOSFET 106所吸收的能量是相当低的。如以下关于图2所示，MOSFET 106可以在系统上的多个续流二极管之间被共享。在反向电池事件的情况下，P沟道MOSFET被关断，从而将续流二极管与接地路径断开。该电路提供了对电感事件（续流二极管操作）以及反向电池事件的很好的保护。

在一些实施例中， MOSFET 106是常开的（作为开关，它被闭合，并且其沟道开路），功率流到负载121。驱动器118被关闭（作为开关开路），并且负载121上的电压反向。MOSFET106饱和。当电压变为负时，续流二极管104得到其再循环到负载121的电流。在没有MOSFET106的情况下，二极管104将不与负载并联连接，由此电感器电压将增加为高于驱动器118的操作额定，从而引起其被损坏。

在一个方面中并且在正常操作模式中，电荷泵114从电压调节器116接收电压，并且被配置为倍增该电压并使该电压的极性反向以供应给MOSFET 106的栅极。在反向电池操作模式中，电荷泵114不从电压调节器116接收电压（因为二极管113防止电压和电流在调节器113处被接收）以供应到MOSFET 106的栅极，使得MOSFET 106去激活。当MOSFET 106去激活时，防止电流流过续流二极管104，以保护续流二极管104不受过电压或过电流状况的影响。

现在参考图2，系统200包括保护装置202（包括续流二极管204、205和207、P沟道MOSFET 206、二极管208、第一电阻器210、第二电阻器212、二极管213和电荷泵214）、电池215、系统电压调节器216、第一高侧驱动器222、第二高侧驱动器224、第三高侧驱动器226、第一负载232、第二负载234和第三负载236。

保护装置202（包括续流二极管204、P沟道MOSFET 206、二极管208、第一电阻器210、第二电阻器212、二极管213和电荷泵214）、电池215以及系统电压调节器216如与图1相关联的类似编号的元件那样进行操作，并且这里将不重复该描述。

在该情况下，当反向电池状况发生（即，电池215的极性被反向）时并且当驱动器222、224或226中的任何一个开路时，保护装置202提供对整个系统200的保护。

MOSFET 206在系统上的多个续流二极管204、205和207之间共享。在反向电池事件的情况下，P沟道MOSFET 206断开，从而使续流二极管204、205和207与接地路径断开。该电路提供了对电感事件（续流二极管进行操作）以及反向电池事件或操作模式的非常好的保护。

在本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于执行本发明的最佳模式。应当理解，图示的实施例仅仅是示例性的，并且不应被视为限制本发明的范围。

Claims

1.一种用于向电路提供保护的装置，包括：

P沟道MOSFET；

耦合到P沟道MOSFET的漏极并且耦合到负载的续流二极管；

耦合到P沟道MOSFET的栅极的电荷泵；

使得在正常操作模式中，电荷泵从电压调节器接收电压，并且被配置为倍增所述电压和使所述电压的极性反向，以供应到MOSFET的栅极；

使得在反向电池操作模式中，电荷泵不从电压调节器接收用于对MOSFET的栅极供应的电压，从而引起MOSFET去激活；

使得当MOSFET去激活时，防止电流流过续流二极管，以保护续流二极管。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，当对负载的驱动器开关开路时，MOSFET和续流二极管进行协作以使负载中的电流再循环。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述负载包括线束、风挡雨刷电机、洗涤电机或螺线管。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述MOSFET包括低RDS-on电阻。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述低RDS-on电阻在100欧姆和0.001欧姆之间。

6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合到MOSFET的栅极的分压器网络。

7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合到MOSFET的栅极的电压保护二极管。

8.一种操作保护电路的方法，所述保护电路包括P沟道MOSFET、耦合到P沟道MOSFET的漏极并且耦合到负载的续流二极管、以及耦合到P沟道MOSFET的栅极的电荷泵，所述方法包括：

在正常操作模式中，在电荷泵处从电压调节器接收电压，并且在电荷泵处，倍增所述电压并且使所述电压的极性反向，并且将反向极性和倍增的电压供应到MOSFET的栅极；

在反向电池操作模式中，不在电荷泵处从电压调节器接收电压，并且不将电压供应到MOSFET的栅极，引起MOSFET去激活；

当MOSFET去激活时，防止电流流过续流二极管，以保护续流二极管。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，当对负载的驱动器开关开路时，MOSFET和续流二极管进行协作以使负载中的电流再循环。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述负载包括线束、风挡雨刷电机、洗涤电机或螺线管。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述MOSFET包括低RDS-on电阻。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述低RDS-on电阻在100欧姆和0.001欧姆之间。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保护电路进一步包括耦合到MOSFET的栅极的分压器网络。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保护电路进一步包括耦合到MOSFET的栅极的电压保护二极管。