CN107706882B - 用于机动车的车载电路系统内的电负载的电子熔断器 - Google Patents

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Abstract

本发明建议了一种用于机动车的车载电路系统内的电负载的电子熔断器(1)。电子熔断器包括：支路电阻(3)，所述支路电阻在输入侧与电子熔断器的输入(E)连接；以及可控开关元件(7)，所述可控开关元件在输入侧与支路电阻的输出联接，在输出侧与可与电负载(2)联接的电子熔断器的输出(A)联接，且具有控制输入(Gate)。此外，电子熔断器具有用于记录所述支路电阻上的降低的电压的电压检测器(5)，且所述电压检测器形成为在降低的电压上超阈值时将用于断开电负载的控制信号(8)提供到控制输入上；以及具有保持器件(6)，所述保持器件与电压检测器联接，且形成为在可控开关元件已断开电负载时将控制信号保持在断路状态(Out)中。

Description

用于机动车的车载电路系统内的电负载的电子熔断器
技术领域
本发明涉及用于机动车的车载电路系统内的电负载的电子熔断器。
背景技术
本发明在下文中主要结合机动车的车载电路系统内的负载解释。但应理解的是本发明能够使用在要保护电连接的各种应用中。
为保护机动车内的电导线和电路不受到过载，通常使用熔融熔断器。为此，特别地已知如下的熔断熔断器，即其中借助于熔融的例如锌的金属体将两个导电轨之间的间隙桥接。此类熔断装置例如在DE 10 2014 115 588中公开。
替代地可使用电子熔断器，所述电子熔断器设置为在满足熔断条件时被触发。熔断条件能够取决于被保护的导线上的信号或另外的事件，使得防止负载的过载情况或损坏。熔断条件的示例是信号达到或高于预先确定的阈值(或下降到此阈值以下)。因此，能够识别到电流(或电压或温度)的不安全的升高，且触发熔断事件。
带有电流分配器的智能车载电路系统必须满足两个基本的任务：第一，通过开关元件在高压侧(Highside)上为用电器供电和断电，且第二，对于用电器进行保护以防止逐渐的过电流和突然的短路。为进行保护以防止突然的短路，要求记录电流。通常的方法基于使用专门的集成电路的支路电流测量。为此，在市场上存在一些集成的模块，如LT6108或INA200。此方法主要用于精确的电流测量，但伴随以相对高的成本、供电电压的需求和在On状态相对高的耗电。
在德国公开文献DE 10 2011 121 850 A1中描述了断路器，所述断路器带有：被构造用于断开电路的开关单元；被构造为记录表征电路内流动的电流的量的值的传感器单元；和被构造为根据所记录的值来控制开关单元的控制单元，使得所述开关单元断开电路；以及自保持电路，所述自保持电路被构造为在电路被开关单元断开之后保持开关单元的开关状态，直至控制单元的信号控制开关单元使其取消电路的断开。
美国专利申请US 2005/0135034 A1描述了可复位的功率开关，所述功率开关包括带有导通电流的导电导线的电流监测电路和中断电路。传感器输出指示了电流的大小的电平。比较器将电平与参考电势进行比较且产生电路指示信号。基于逻辑的断路器作为对于电路指示信号的响应控制导线内的电流。
美国专利US 6 594 129 B1公开了用于通过由微型计算机通过使用半导体继电器进行开关控制来为灯负载供电的半导体继电器系统。
德国公开文献DE 10 2011 057 002 A1示出了用于对电压源和负载之间提供的防反接保护设备的运行状态监测的设备，所述设备具有可响应于控制装置的栅极控制信号而激活到其通道的导通状态的MOSFET开关单元。在此建议为MOSFET开关单元对应配设用于记录通道上的电压降的装置相关，所述装置形成为在电压源的极性未反接时记录装置产生对应于MOSFET开关单元的激活状态的检测信号。
电子熔断器的缺点可能是，只要不再满足熔断条件，电子熔断器又将被监测的导线接通。另外的缺点可能是，所述电子熔断器如同电熔断器不能被复位。另一个缺点是相对高的静态耗电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题因此是通过使用构造上尽可能简单的装置克服所述的缺点且实现在触发之后保留在被触发状态(锁定)的熔断器。另外的技术问题在于与已知的解决方法相比降低静态耗电。
此技术问题通过独立权利要求的对象解决。本发明的有利的扩展在从属权利要求、描述和附图中给出。
根据本发明的电子熔断器包括支路电阻、可控开关元件、电压检测器以及保持器件。电子熔断器特别地适合于保护机动车的车载电路系统内的电负载。
在优选的实施形式中涉及机动车的12V车载电路系统。
电子熔断器的输入通过支路电阻和可控开关元件与电子熔断器的输出相连接。输入可与能量存储器或另外的电压源连接，输出可与被保护的负载电连接。此外，可控开关元件具有控制输入。所述控制输入在英语中也称为栅极(Gate)。
电压检测器构造为记录在支路电阻上的电压降，且在支路电阻上的降低的电压超过阈值时提供控制信号。电压检测器的控制信号输出与可控开关元件的控制输入连接。控制信号设置为通断可控开关元件。在此，在超过阈值时断开可控开关元件。因此，没有超过阈值的电压从电子熔断器被传递。电压检测器因此设置为在下降的电压超过阈值时将用于断开电负载的控制信号提供给可控开关元件的控制输入。
保持器件与电压监测器联接且形成为在可控开关元件切换到不导通时保持在断路状态(Off)，且因此将与电子熔断器连接的电负载断开。
由于简单的开关结构，可实现性价比有利的对于过电流的快速检测，从而将检测与断路相关联。
在有利的实施形式中，可开关的控制元件实现为半导体开关元件。半导体开关元件能够特别地是功率晶体管。也可行的是将电压检测器和保持器件实现为半导体部件。因此，电子熔断器可简单地实现在电路板上。
优选地，可开关的控制元件实施为MOSFET，特别地实施为p沟道管。与n沟道MOSFET相反，因此不需要电荷泵且电路能够以更少的部件实现且实现为不带有至带有较低的损失功率或耗电。
电压检测器能够实施为晶体管，特别地实施为pnp晶体管。在此，阈值能够对应于pnp晶体管的基极-发射极电压。因此，在支路电阻上降低的电压对应于pnp晶体管的阈值时，pnp晶体管通断。因此，能够有效地在电子部件内实现阈值监测和开关过程。
取决于电流方向，与电子熔断器的输入连接的支路电阻的一个接触部能够称为支路电阻的输入，且支路电阻的另一个接触部能够称为支路电阻的输出。在一个实施形式中，pnp晶体管的发射极与电子熔断器的输入(对应于支路电阻的输入)联接，且pnp晶体管的基极与支路电阻的输出联接。
在pnp晶体管的基极和支路电阻的输出之间能够布置第一电阻。在第一电阻上的电压降大于pnp晶体管的基极-发射极电压时，保持MOSFET的Off状态，或pnp晶体管保持导通。
第一电阻与第二电阻一起用于保持在Off状态，以此保持pnp晶体管导通。
为保护功率晶体管特别是功率晶体管的栅极不受瞬态过压的影响，有利地在MOSFET的栅极和源极之间布置第一二极管。第一二极管能够特别地是Z二极管，也称为齐纳二极管。第一二极管的导通方向是源极的方向，即可控开关元件的输入的方向。
此外，保持器件具有npn晶体管。在此，npn晶体管的基极通过第二二极管与pnp晶体管的集电极电联接。二极管的导通方向是npn晶体管的基极的方向。npn晶体管的集电极通过第二电阻与pnp晶体管的基极电联接。npn晶体管的发射极与地电联接。npn晶体管的布置实现了在电子熔断器激活之后将功率晶体管锁定在断开的非导通状态中。因此，在支路电阻上降低的电压超过阈值时电子熔断器触发，且然后保持在此状态中。
此外，功率晶体管的栅极通过电阻与地电联接。这在使用p沟道MOSFET时的优选实施形式中适用。带有n沟道MOSFET的替代的解决方案附加地要求至少一个电荷泵以及作为在此所述的电阻的替代要求驱动器。
将重置功能且补充地或替代地将通过外部控制信号的触发集成到电子熔断器内。这能够通过第二npn晶体管与控制装置组合实现，或替代地通过两个(手动的或可控的)按键实现。
电子熔断器具有第二npn晶体管和控制装置。控制装置能够例如以微处理器、信号处理器、FPGA或ASIC的形式实施。在此，第二npn晶体管的集电极与(第一)npn晶体管的基极联接，第二npn晶体管的发射极与地联接，且第二npn晶体管的基极与控制装置的复位输出联接。此外，控制装置的控制输出与(第一)npn晶体管的基极电联接，且控制装置的诊断输入与(第一)npn晶体管的集电极电联接。有利地，在控制输出和(第一)npn晶体管的基极之间布置第三二极管，其中导通方向是(第一)npn晶体管的基极的方向。
在此所述的方法实现了基于支路电流测量的对于过电流的快速检测和通过P沟道MOSFET的负载断开。除熔融熔断器的重要特征外，如在正常运行中的持续导电的状态，此电路具有诊断、测试和复位可能性。
通过复位输出能够在激活或触发之后将电子熔断器在此复位，使得电子熔断器又可导电。通过控制输出能够触发电子熔断器以用于测试目的，或基于外部控制信号将电子熔断器触发，以不再向所连接的负载供电。为此，控制装置能够通过通信总线与布置在上级的控制设备连接。通信总线能够例如是标准化的通信总线，例如I2C、LIN或CAN。
在替代的变体中，电子熔断器具有两个按键，所述按键可手动地或替代地通过上级布置的控制逻辑控制。在此，第一按键布置在电子熔断器的输入和(第一)npn晶体管的基极之间，且第二按键布置在(第一)npn晶体管的基极和地之间。附加地，在第一按键和(第一)npn晶体管的基极之间能够布置第三二极管。
附图说明
下文中通过参考附图解释本发明的有利的实施例。各图为：
图1示出了根据本发明的实施例的电子熔断器的第一实施例的电路图；
图2示出了根据本发明的实施例的电子熔断器的第二实施例的电路图；
图3示出了根据本发明的实施例的电子熔断器的第三实施例的电路图；和
图4示出了根据本发明的实施例的电子熔断器的第四实施例的电路图。
附图仅是示意性的图示且仅用于解释本发明。相同的或作用相同的元件在各处提供以相同的附图标号。为清晰起见在随后的附图中部分地省略了附图标号。
具体实施方式
在图1中图示了用于机动车12的车载电路系统11内的负载2的电子熔断器1。在最简单的构造中，车载电路系统11包括由能量存储器4通过电子熔断器1供电的负载2。此负载2代表了另外的负载2和电子熔断器4以及电流分配器等。电子熔断器1包括支路电阻3、可控开关装置7、电压检测器5以及保持器件6。此外，电子熔断器1具有输入E和输出A。输入E与能量存储器4电联接，输出A与电负载2电联接。共同的地GND在图1中的图示中由四个接地连接GND代表。输入E通过支路电阻3和可控开关元件7与输出A电联接。电压检测器5与支路电阻3并联布置。此外，可控开关元件7的控制输入Gate与电压检测器5和地电联接。保持器件6与电压检测器5、可控开关元件7的栅极以及地连接。
在变体中，可控开关元件7是半导体开关，特别地具有功率晶体管的形式。
图2示出了本发明的第二实施例，其中可控开关元件7形成为MOSFET7。MOSFET 7在此也称为P-Ch，因为所述MOSFET 7是P沟道MOSFET 7。在此，电压检测器5包括pnp晶体管pnp，且保持器件6包括npn晶体管npn-1。
MOSFET P-Ch或可控开关元件7的源极与支路电阻3电联接，MOSFET P-Ch或可控开关元件7的漏极与电子熔断器1的输出A电联接。pnp晶体管pnp的发射极与电子熔断器1的输入电联接，且pnp晶体管pnp的基极通过第一电阻R1与MOSFET P-Ch或可控开关元件7的源极电联接。在所图示的带有p沟道MOSFET的实施例中，在MOSFET的栅极和源极之间布置了第一二极管D1，所述第一二极管D1的导通方向是源极方向。pnp晶体管pnp的集电极与MOSFET的栅极或可控开关元件7的控制输入连接。
此外，pnp晶体管pnp的集电极通过第二二极管D2与(第一)npn晶体管npn-1的基极电联接。第二二极管D2的导通方向是npn晶体管npn-1的方向。npn晶体管的发射极与地GND连接，npn晶体管npn-1的集电极通过第二电阻R2与pnp晶体管pnp的基极连接。
电子熔断器1的电路包括：用于记录流过的电流的支路电阻3、作为开关元件7的P沟道MOSFET P-Ch、作为电压检测器5的pnp晶体管pnp和作为保持器件6的npn晶体管npn-1。在达到pnp晶体管pnp的基极-发射极阈值电压时通过pnp晶体管pnp的P沟道MOSFET P-Ch的锁定的断路形成了本发明的核心。pnp晶体管pnp的基极和发射极直接与支路电阻3连接，以此基极-发射极电压和支路值决定性地用于确定短路电流的大小。达到锁定的断路，方式是附加的npn晶体管npn-1在过电流时将pnp晶体管pnp的基极下拉，该附加的npn晶体管npn-1的基极连接以及P沟道MOSFET的栅极连接由pnp晶体管pnp的集电极控制。
在图3中图示的电子熔断器1的第三实施例特别地与第二实施例的差异在于用于复位的第二npn晶体管npn-2。控制和诊断由控制装置μC提供。
在图2中图示的第二实施例因此在图3中被扩展以第二npn晶体管npn-2以及控制装置μC。第二npn晶体管npn-2的集电极与第一npn晶体管npn-1的基极连接。第二npn晶体管npn-2的发射极与第一npn晶体管npn-1的发射极且与地GND电联接。第二npn晶体管npn-2的基极与控制装置μC的复位输出RESET连接。
控制装置μC的诊断输入13与(第一)npn晶体管npn-1的集电极连接，控制装置μC的TEST或OFF输出通过第三二极管D3与第一npn晶体管npn-1的基极或第二npn晶体管npn-2的集电极电联接。
控制装置为供电与能量存储器4联接且附加地具有通信总线连接14，在此在第三实施例中实施为LIN-Bu。在所示的实施例的变体中，通信总线实施为I2C、CAN或另外的标准总线以用于与上级布置的控制设备通信。
选择地在诊断输入前设置保护电路。根据标准，在此施加从12V到0V的边沿，使得电压分配器或电流限制器能够限制信号电平以用于保护诊断输入。
在图3中图示的电路包括：用于记录流过的电流的支路电阻3(支路)、作为开关元件7的P沟道MOSFET P-Ch、作为电压检测器5的pnp晶体管pnp、作为保持器件6的第一npn晶体管npn-1和用于复位的第二npn晶体管npn-2。在施加电池电压时，电子熔断器1立即被置于导通状态中，因为P-Ch MOSFET 7的栅极通过电阻Rg处在地GND上。控制装置μC的信号在此被认为是逻辑零(如在睡眠模式中)。二极管D1在瞬态过压时保护功率晶体管7的栅极。此外，此二极管D1由于其漏电电流导致静态耗电。用电器2引出过电流，因此在支路电阻3上电压降低。如果此电压达到pnp晶体管pnp的基极-发射极电压，则所述pnp晶体管pnp导通。然后，功率晶体管7的栅极被拉高到其源极电势且MOSFET 7开始阻断。因为pnp晶体管pnp通过二极管D2也为第一npn晶体管npn-1供电，所述第一npn晶体管npn-1又通过第二电阻R2连接到pnp晶体管pnp的基极上，所以这作为正反馈起作用。pnp晶体管pnp因此保持被导通控制。以此达到P沟道MOSFET P-Ch 7的锁定的断路。通过诊断导线可检测此状态。电平在此从“高”(典型地为12V)切换到“低”(典型地0V)。为再次激活电路，必须馈送外部RESET信号(高电平)。此信号控制第二npn晶体管npn-2，所述第二npn晶体管npn-2又将第一npn晶体管npn-1的基极拉到地GND。以此，第一npn晶体管npn-1失去其控制且pnp晶体管pnp的基极通过第一电阻R1被拉到其发射极电势。以此，pnp晶体管pnp阻断且MOSFET P-Ch 7再次导通。为测试电路，也能够通过第三二极管D3馈送外部信号。以此，控制第一npn晶体管npn-1且将pnp晶体管pnp的基极拉到地GND。然后，MOSFET P-Ch 7断路。这模拟了过电流情况。
所示的电路设置为用于基本上12V的信号电平。当然，专业人员能够将电路匹配为用于24V或48V。但规划了附加的栅极电路，且补充地或替代地作为电阻Rg的替代规划了驱动器。
手动触发的RESET功能(复位)以及Test功能可替代地通过各一个按键实现。相应的第四实施例在图4中图示。在电子熔断器的输入E和npn晶体管npn-1的基极之间的第一按键9实现了手动触发。第二按键10替代了第三实施例的第二npn晶体管，以能够将电路复位。因此，第四实施例对应于第二实施例，其中附加地在电子熔断器1和npn晶体管npn-1的基极之间布置了第一按键9。在第一按键和npn晶体管npn-1的基极之间布置了电阻和第三二极管D3。第三二极管D3的导通方向是npn晶体管npn-1的方向。
附图标记列表
1 电子熔断器
2 电负载
3 支路电阻
4 能量存储器，电池
5 电压检测器
6 保持器件
7 可控开关元件，半导体开关
8 控制信号
9 第一按键
10 第二按键
11 车载电路系统
12 机动车
13 诊断输入
14 通信总线连接
A 输出
E 输入
Gate 半导体元件/MOSFET的控制输入
GND 地
μC 控制装置
D1 二极管
D2 第二二极管
D3 第三二极管
npn-1npn 晶体管
npn-2 第二npn晶体管
P-Ch 半导体开关元件/MOSFET
pnp pnp 晶体管
R1 第一电阻
R2 第二电阻
R3 第三电阻
Rg 电阻

Claims (13)

1.一种用于机动车的车载电路系统内的电负载的电子熔断器(1)，该电子熔断器带有：
-支路电阻(3)，所述支路电阻(3)在输入侧与所述电子熔断器(1)的输入(E)连接；
-可控开关元件(7)，所述可控开关元件(7)在输入侧与所述支路电阻(3)的输出联接，在输出侧与电子熔断器(1)的能与电负载(2)联接的输出(A)联接，且具有控制输入(Gate)；
-用于记录所述支路电阻(3)上下降的电压的电压检测器(5)，且所述电压检测器(5)构造为在下降的电压超过阈值时将用于断开电负载(2)的控制信号(8)提供给控制输入(Gate)上；和
-保持器件(6)，所述保持器件与所述电压检测器(5)联接且构造为在可控开关元件(7)已断开电负载(2)时将控制信号(8)保持在断路状态(Out)中，
-其中所述保持器件(6)具有第一npn晶体管(npn-1)，
-第二npn晶体管(npn-2)，其中：
-所述第二npn晶体管(npn-2)的集电极与第一npn晶体管(npn-1)的基极联接，所述第二npn晶体管(npn-2)的发射极与地(GND)连接，且所述第二npn晶体管(npn-2)的基极与控制装置(μC)的复位输出联接，
-控制装置(μC)的控制输出通过第三二极管(D3)在导通方向上与第一npn晶体管(npn-1)的基极联接，和
-控制装置(μC)的诊断输入与第一npn晶体管(npn-1)的集电极联接。
2.根据权利要求1所述的电子熔断器(1)，其中，所述可控开关元件(7)构造为半导体开关元件。
3.根据权利要求1或2所述的电子熔断器(1)，其中，所述可控开关元件(7)构造为p沟道MOSFET(P-Ch)。
4.根据权利要求1或2所述的电子熔断器(1)，其中，所述电压检测器(5)具有pnp晶体管(pnp)。
5.根据权利要求3所述的电子熔断器(1)，其中，所述电压检测器(5)具有pnp晶体管(pnp)。
6.根据权利要求4所述的电子熔断器(1)，其中，pnp晶体管(pnp)的基极通过第一电阻(R1)与所述支路电阻(3)的输出相联接，pnp晶体管(pnp)的发射极与支路电阻(3)的输入相联接，且pnp晶体管(pnp)的集电极与所述保持器件(6)相联接。
7.根据权利要求5所述的电子熔断器(1)，其中，pnp晶体管(pnp)的基极通过第一电阻(R1)与所述支路电阻(3)的输出相联接，pnp晶体管(pnp)的发射极与支路电阻(3)的输入相联接，且pnp晶体管(pnp)的集电极与所述保持器件(6)相联接。
8.根据权利要求7所述的电子熔断器(1)，其中，pnp晶体管(pnp)的集电极与通过第一二极管(D1)在导通方向上与p沟道MOSFET(P-Ch)的源极相联接。
9.根据权利要求5所述的电子熔断器(1)，其中，pnp晶体管(pnp)的集电极与通过第一二极管(D1)在导通方向上与p沟道MOSFET(P-Ch)的源极相联接。
10.根据权利要求4所述的电子熔断器(1)，其中，pnp晶体管(pnp)的集电极通过第二二极管(D2)从所述pnp晶体管(pnp)在导通方向上出发与第一npn晶体管(npn-1)的基极相联接，第一npn晶体管(npn-1)的集电极通过第二电阻(R2)与pnp晶体管(pnp)的基极相联接，且第一npn晶体管(npn-1)的发射极与地(GND)相联接。
11.根据权利要求5所述的电子熔断器(1)，其中，pnp晶体管(pnp)的集电极通过第二二极管(D2)从所述pnp晶体管(pnp)在导通方向上出发与第一npn晶体管(npn-1)的基极相联接，第一npn晶体管(npn-1)的集电极通过第二电阻(R2)与pnp晶体管(pnp)的基极相联接，且第一npn晶体管(npn-1)的发射极与地(GND)相联接。
12.根据权利要求3所述的电子熔断器(1)，其中，p沟道MOSFET的栅极通过电阻(Rg)与地相联接。
13.根据权利要求1或2所述的电子熔断器(1)，作为第二npn晶体管(npn-2)的替代带有：
-第一按键(9)，通过所述第一按键将所述电子熔断器(1)的输入(E)通过第三二极管(D3)在导通方向上与第一npn晶体管(npn-1)的基极相联接，和
-第二按键(10)，通过所述第二按键将第一npn晶体管(npn-1)的基极与地(GND)相联接。
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