CN108400781B - 功率开关装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种功率开关装置及其操作方法。功率开关装置包括被配置成在接通状态和断开状态之间切换负载信号的开关。功率开关装置的第一端子和第二端子被配置成向功率开关装置提供供电电压。第二端子还被配置成向功率开关装置提供控制信号。控制信号是通过将第二端子与外部电压源断开连接而生成的。功率开关装置的存储电路被配置成电容性地存储供电电压的状态。功率开关装置的控制电路被配置成根据所存储的供电电压的状态来控制功率开关装置的工作。

Description

功率开关装置及其操作方法

技术领域

本申请涉及功率开关装置以及操作功率开关装置的方法。

背景技术

已知使用功率开关装置用于各种应用。例如在机动车辆领域中，功率开关装置可以用于切换具有例如在1A或更大的范围内的大电流值的信号。

出于各种原因，期望将这种功率装置构建为具有低引脚数的半导体器件封装。低引脚数可以有助于实现好的热性能和电气性能，同时保持低生产成本。限制引脚数量的一种方法是省略专用接地引脚，并将功率开关装置实现为电流控制装置。在这样的电流控制装置中，通过将功率开关装置的控制输入引脚外部连接至地，实现切换至负载电流可以通过功率开关装置的接通状态。在这种状态下，控制输入引脚也用作功率开关装置的接地连接。切换至负载电流不能通过功率开关装置的断开状态是通过将控制输入引脚与地断开来实现的，这同时在没有供电电压的情况下断开(leave)功率开关装置。

然而，使用没有专用接地引脚的电流控制实现的上述方法可能具有这样的效果：功率开关装置可能不能区分有意切换至断开状态与供电电压的突然下降，例如由于连接至功率开关装置的负载短路而造成供电电压突然下降。这可能会限制功率开关装置的可操作性和功能性。

因此，需要这样的技术，其允许有效地操作功率开关装置而不需要功率开关装置上的过量的端子。

发明内容

根据一个实施方式，提供了一种功率开关装置。该功率开关装置包括开关，该开关被配置成在接通状态和断开状态之间切换负载信号。此外，功率开关装置包括被配置成向功率开关装置提供供电电压的第一端子和第二端子。第二端子还被配置成向功率开关装置提供控制信号。控制信号是通过将第二端子与外部电压源断开连接而生成的。此外，功率开关装置包括存储电路。存储电路被配置成电容性地存储供电电压的状态。此外，功率开关装置包括控制电路。控制电路被配置成根据所存储的供电电压的状态来控制功率开关装置的工作。

根据另一实施方式，提供了一种操作功率开关装置的方法。根据该方法，功率开关装置在接通状态和断开状态之间切换负载信号。经由功率开关装置的第一端子和第二端子向功率开关装置提供供电电压。此外，向功率开关装置提供控制信号。控制信号是通过将第二端子与外部电压源断开连接而产生的。电容性地存储供电电压的状态。根据所存储的供电电压的状态来控制功率开关装置的工作。

根据本发明的另外的实施方式，可以提供其他设备或方法。根据以下结合附图的详细描述，这些实施方式将是显而易见的。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的具有功率开关装置的电路；

图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的用在功率开关装置中的存储电路的示例；

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的功率开关装置的整体电路的示例；

图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于功率开关装置中的存储电路的另一示例；

图5示意性地示出了根据本发明的实施方式的在功率开关装置中使用的存储电路的另一示例；

图6示出了示意性地说明操作功率开关装置的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述各种实施方式。应该注意的是，这些实施方式仅用作示例，并不被解释为限制。例如，尽管实施方式具有多个特征，但是其他实施方式可以包括更少的特征和/或替代特征。此外，除非特别指出，否则来自不同实施方式的特征可以彼此组合。

以下所示的实施方式涉及功率开关装置和操作这种功率开关装置的方法。这里所示的功率开关装置例如可以用于机动车辆领域，例如用于控制电池的充电或放电或者用于控制向电动机供应电流。然而，应注意的是，所示出的功率开关装置也可用于各种其他领域，例如光伏系统或工业制造系统。

在所示出的示例中，功率开关装置用于在“接通状态”与“断开状态”之间切换负载信号，例如负载电流。在接通状态下，负载信号可以通过功率开关装置。在断开状态下，负载信号通过功率开关装置的通道被阻断。负载信号可具有高电流值，例如在1A或更高的范围内，通常在5A或更高的范围内。功率开关装置具有第一端子和第二端子，例如半导体电子器件封装的第一引脚和第二引脚，以向功率开关装置提供供电电压。例如，第一端子可以将功率开关装置电连接至正的外部供电电压，并且第二端子可以将功率开关装置电连接至地。然而，第一端子和第二端子对外部电压电平的其他分配也是可以的。例如，第一端子可以将功率开关装置电连接至负的外部供电电压，并且第二端子可以将功率开关装置电连接至地。此外，第一端子可以将功率开关装置电连接至正的外部供电电压，并且第二端子可以将功率开关装置电连接至负的外部供电电压。第二端子还用作功率开关装置的控制输入端。响应于将第二端子连接至其相关联的外部电压电平，功率开关装置将其负载信号切换至接通状态。这例如可能涉及关闭功率开关装置的基于晶体管的开关。响应于将第二端子与其相关联的外部电压电平断开连接，功率开关装置例如通过打开功率开关装置的上述基于晶体管的开关将其负载信号切换至断开状态。因此，功率开关装置由其供电电压端子中的一个来控制。

为了增强功率开关装置的控制功能，功率开关装置还被配置成电容性地存储其供电电压的状态。这可以通过在第二端子连接至其相关联的外部电压电平的同时对电容器充电并且在第二端子与其相关联的外部电压电平断开连接的同时使电容器放电来实现。因此，当第二端子再次连接至其相关联的外部电压电平时在电容器中存储的电荷可以用作估计第二端子与其相关联的外部电压电平断开连接的时间段的持续时间的基础。这又可以允许区分预期的开关事件与供电电压的非预期下降。此外，第二端子与其相关联的外部电压电平断开连接的时间段的持续时间也可以用于向功率开关装置指示其他控制信息。例如，第二端子与其相关联的外部电压电平断开连接的时间段的某个持续时间可以触发功率开关装置在不同的工作模式之间改变。

图1示意性地示出了根据实施方式的功率开关装置100。在所示的示例中，功率开关装置100形成为具有总数为四个外部连接引脚110、120、130、140的集成电路封装。然而，注意在其他实现方式中，外部连接引脚的总数可以更高，例如五个或更多，或者更低，例如三个或更少。假定外部连接引脚110、120、130、140被配置成将功率开关装置100的集成电路封装电气地且机械地连接至印刷电路板，例如通过焊接或通过将连接引脚插入印刷电路板上的相应的插口。然而，应注意的是，其他类型的端子可以用在功率开关装置100的集成电路封装上，例如各种类型的连接引线或焊盘。此外，可以理解的是，各种集成电路封装类型可以用于功率开关装置100，包括但不限于：双列直插封装(DIP，Dual In-Line Package)、四列直插封装(QUIP，Quad-In-Line-Package)、引脚栅格阵列(PGA，Pin Grid Array)封装、球栅阵列(BGA，Ball Grid Array)封装或者栅格阵列(LGA，Land Grid Array)封装。

第一连接引脚110和第二连接引脚120具有将功率开关装置100连接至外部电压源210的目的，从而向功率开关装置100提供供电电压。外部电压源210可以例如对应于电池。然而，注意到也可以使用其他类型的外部电压源，例如基于电源适配器等。在所示的示例中，第一连接引脚110将功率开关装置100连接至由V_S表示的正的外部供电电压电平，而第二连接引脚120将功率开关装置100连接至地。然而，注意到这些外部电压电平仅仅是示例性的，并且也可以使用其他电压电平，诸如正的外部供电电压电平和负的外部供电电压电平。此外，值得注意的是，第一连接引脚110对上述外部电压电平的分配可以和第二连接引脚120交换。此外，第二连接引脚120还用作功率开关装置100的控制输入。为了向功率开关装置100提供控制信息，第二连接引脚120选择性地与外部电源210断开连接。在所示的示例中，外部开关220连接在第二连接引脚120与地之间，并且可用于选择性地将第二连接引脚120与地断开。外部开关220由诸如外部控制电压的外部控制信号控制。在所示的示例中，外部开关220由MOS(金属氧化物半导体)晶体管T2形成。然而，注意到也可以使用外部开关220的其他实现方式，例如，使用基于多个晶体管的其他晶体管类型和/或更复杂的开关设计。

在由负载电阻R_L示意性表示的示例中，第三连接引脚130具有将功率开关装置100连接至外部负载的目的。外部负载可以例如对应于电动机或者要被充电的电池。在所示的示例中，表示为负载电流I_L的负载信号可以通过功率开关装置100和外部负载。借助功率开关装置100，负载信号可以在接通状态和断开状态之间切换。为此，功率开关装置100设置有开关180。在所示的示例中，开关180由增强型n沟道MOS晶体管T1形成，该增强型n沟道MOS晶体管T1利用其源极端子和漏极端子而连接在第一连接引脚110与第三连接引脚130之间。因此，负载电流I_L的流动可以通过向MOS晶体管T1的栅极端子施加足够高的栅极电压V_G而被激活。如果没有将栅极电压V_G施加到栅极端子，则MOS晶体管T1将阻断负载电流I_L的流动。应该注意的是，所示出的开关180的实现方式仅仅是示例性的，并且开关180的其他实现方式也可以被使用。例如，开关180可以由多个晶体管形成，和/或可以另外地或作为替代地使用其他晶体管类型，诸如增强型p沟道MOS晶体管、n沟道MOS晶体管和p沟道MOS晶体管的组合或者其他类型的场效应晶体管。更进一步地，注意到，功率开关装置100还可以包括多个开关，用于以与针对开关180所解释的方式类似的方式在接通状态和断开状态之间切换多个负载信号。这些多个负载信号例如可以被提供给多个外部负载，每个负载经由功率开关装置的相应连接引脚连接。

第四连接引脚140具有支持功率开关装置100的电流感测功能的目的。电流感测功能可以例如允许测量通过功率开关装置100的负载电流I_L的值。在所示的示例中，电流感测功能可以通过经由第四连接引脚140输出与负载电流I_L成比例的感测电流I_S来实现。通过经由外部感测电阻器R_S馈送该感测电流，感测电流I_S可以被转换成相应的感测电压V_SNS。

开关180的栅极电压V_G由功率开关装置100的控制电路150产生。在所示的示例中，控制电路150包括存储电路160和控制逻辑165。控制逻辑165负责通过产生栅极电压V_G来控制开关180的操作。这是根据通过第二连接引脚120提供的控制信息实现的。当第二连接引脚120与地断开连接时，这具有使功率开关装置100不再具有其供电电压的效果。在这种情况下，控制逻辑165也将不再被供电，并且施加到开关180的栅极电压V_G将会衰减，从而导致开关180打开并使负载信号进入断开状态。如果第二连接引脚120重新接地，则功率开关装置100再次被由外部电压源210供电，并且控制逻辑165再次变为可操作。在这种情况下，控制逻辑165可以判定产生具有足够高的值的栅极电压V_G使得开关180断开，这使负载信号处于接通状态。

此外，控制电路150可以实现故障检测和保护机制。特别地，控制电路150可以被配置成检测故障事件并且响应于检测到故障事件而调整对栅极电压V_G的控制。这种故障事件的典型示例是负载信号的过电流，该过电流例如是由负载的短路引起的。作为保护措施，控制电路150可以被配置成当检测到故障事件时断开开关180。这可能涉及使MOS晶体管T1的栅极主动放电。这里注意到，例如，通过使用耗尽型MOS晶体管，控制电路150可以被配置成即使在存在供电电压的损耗的情况下也执行MOS晶体管T1的栅极的这种放电。

在所示的功率开关装置100中，控制逻辑165的关于断开开关180的判定不仅取决于第二连接引脚120接地，还取决于其他标准，特别是如在功率开关装置100中电容性地存储的功率开关装置100的供电电压的状态。为了电容性地存储供电电压的状态，功率开关装置100包括存储电路160。如下面更详细地说明的，存储电路160可以通过在存在供电电压的情况下对电容器充电并且在供电电压不存在的情况下电容器放电来操作。当功率开关装置100再次被提供有其供电电压时，通过检测电容器中的电荷而可以评估功率开关装置100没有被充分供电的持续时间。这又使得能够区分以下事件：例如为了使负载信号处于断开状态或者向功率开关装置100指示某些控制信息而第二连接引脚120有意地与地断开的事件；以及涉及例如由于连接至功率开关装置的负载的意外短路造成的供电电压的无意的下降的其他事件。这里可以利用的是，有意地将第二连接引脚120与地断开的时间段可以被设计成使得它们不同于系统中可能出现电压降的常规的持续时间。通过示例的方式，与有意将第二连接引脚120与地断开连接以将负载信号置于断开状态相关联的时间段可以被限定为至少1s。在此期间，电容性存储的供电电压的状态将下降到阈值以下，这可以在当功率开关装置100再次被提供有其供电电压时被控制逻辑165检测到。与此相比，供电电压的常规意外下降可能短于1s，这意味着当供电电压从下降恢复时，电容性存储的供电电压的状态仍然高于阈值，这也可以在功率开关装置100再次被提供有其供电电压时被控制逻辑165检测到。因此，基于电容性存储的供电电压的状态，控制逻辑165可以区分第二连接引脚120与地的有意断开以便控制功率开关装置100的工作以及涉及供电电压的意外的暂时下降的其他事件。

除了由存储电路160存储的供电电压的状态之外，控制逻辑165还可以考虑在开关180的MOS晶体管的栅极中存储的电压。如上所述，当功率开关装置100不再由外部电压源210供电时，由控制逻辑165产生的栅极电压V_G也将落在取决于诸如MOS晶体管T1的栅源电容之类的MOS晶体管T1的栅极的电容的时间范围内。这个时间范围通常相对长，例如高于100μs。因此，由MOS晶体管的栅极存储的电压可以用于检测第二连接引脚120与地断开很短的时间段的事件。这些类型的事件可用于在保持开关180闭合且负载信号处于接通状态的同时向功率开关装置100提供控制信息。

在功率开关装置100经历其供电电压的损失之后，并且在功率开关装置100再次被提供有其供电电压时，控制逻辑165可以利用电容性存储的供电电压的状态和由晶体管T1的栅极存储的电压来区分将在下面进一步描述的不同的情况。

根据第一种情况，电容性存储的供电电压的状态低于第一阈值，并且由晶体管T1的栅极存储的电压低于第二阈值，这意味着供电电压的损耗长于第一持续时间，也长于第二持续时间。第一次持续时间可以被认为是电容性地存储供电电压的状态的寿命，并且可以在50μs到100μs的范围内。第二次持续时间可以被认为是保持MOS晶体管T1的栅极电压V_G处于足以保持开关180闭合的水平的寿命。第二次持续时间可以在100μs到200μs的范围内。控制逻辑165可以将第一种情况的观测结果解释为指示有意地将第二连接引脚120重新连接至地，从而将负载信号从断开状态切换至接通状态。结果，控制逻辑165可以根据需要生成栅极电压V_G以闭合开关180。

根据第二种情况，电容性存储的供电电压的状态高于第一阈值，并且由MOS晶体管T1的栅极存储的电压低于第二阈值，这意味着：供电电压在不再超过第一持续时间的时间内仍然存在；以及响应于检测到诸如由于负载短路而引起的过电流之类的故障事件，而通过控制电路150使MOS晶体管T1的栅极放电。控制逻辑165可以将第二种情况的观测结果解释为指示供电电压的无意的下降。结果，控制逻辑165可以启动保护和/或诊断措施。此外，控制逻辑165可以根据需要产生栅极电压V_G以闭合开关180。与第一种情况的情形相比，这可以以延迟方式和/或在上述保护措施有效和/或上述诊断措施表明没有将需要保持负载信号处于断开状态的持续故障的情况下实现。

根据第三种情况，电容性存储的供电电压的状态高于第一阈值，并且由MOS晶体管T1的栅极存储的电压高于第二阈值，这意味着供电电压的损耗短于第一持续时间。控制逻辑165可以将第三种情况的观测结果解释为指示第二连接引脚120与地的有意的短时间断开，从而在保持开关180闭合的同时向功率开关装置100指示某些控制信息。例如，向功率开关装置100指示的控制信息可以具有在不同的工作模式之间切换功率开关装置100的目的。这样的工作模式可以例如包括经由第四连接引脚140的上述电流感测功能被激活的工作模式以及经由第四连接引脚140的上述电流感测功能被去激活的工作模式。此外，向功率开关装置100指示的控制信息可以具有暂时将功率开关装置100切换至空闲模式的目的，在该空闲模式下开关180断开，即负载信号处于断开状态，同时保持供电电压并且因此例如对于由控制电路150执行的某些内部诊断过程保持控制电路150有效。

值得注意的是，上述由控制逻辑165可以区分的三种情况仅仅是示例性的。通过示例的方式，还可以通过定义除了上述的第一时间段和第二时间段之外的另外的时间段来区分另外的情况。例如，可以通过区分有意短时间断开第二连接引脚120与地的连接的不同时间来实现功率开关装置100的两个以上不同工作模式之间的选择，并且可以基于电容性存储的供电电压的状态和/或基于由MOS晶体管T1的栅极存储的电压来区分这些不同的时间。

图2示意性地示出了可以用在上述功率开关装置100中的用于电容性地存储供电电压的状态的存储电路160的示例。可以看出，在这个示例中，存储电路160包括形成RC电路的电容器C1和电阻器R1。电阻器R1的电阻值R₁和电容器C1的电容值C₁定义时间常数

τ₁＝R₁·C₁ (1)。

此外，存储电路160包括另外的电阻器R0、二极管D1和比较器电路，比较器电路在所示的示例中实现为施密特(Schmitt)触发器电路161。电阻器R0、二极管D1和电容器C1被串联连接在第一连接引脚110和第二连接引脚120之间。电阻器R1并联连接至电容器C1。

当第二连接引脚120接地时，电容器C1通过供电电压V_S充电。在这种状态下，电容器C1的充电电流由电阻器R0限制。在供电电压V_S的损耗期间，电容器C1通过电阻器R1放电。二极管D1防止电容器C1通过其他电路路径放电。假设电容器完全充电至V_S，则电容器C1的时间相关电压由下式给出：

因此，通过测量电容器C1两端的时间相关电压，可以估计供电电压损耗的持续时间。在存储电路160的情况下，由施密特触发器电路161检测供电电压恢复时电容器C1两端的电压。施密特触发器电路161将电容器C1两端的电压与上述第一阈值相比较，并根据比较输出状态信号VS_M。如果电容器C1两端的电压高于第一阈值，则状态信号VS_M具有高的值。否则，状态信号VS_M具有低的值。

图3示意性地示出了功率开关装置100和存储电路160的电路。如所示出的，状态信号VS_M作为一个输入被提供给控制逻辑165。如进一步示出的，功率开关装置100还包括比较器166，其用于检测由MOS晶体管T1的栅极存储的电压。在所示的示例中，比较器166将MOS晶体管T1的栅极和源极之间的电压差与第二阈值进行比较。例如可以将第二阈值选择为稍高于MOS晶体管T1的阈值电压。比较器166输出另一状态信号T1_ON。如果由MOS晶体管T1的栅极存储的电压高于第二阈值，则另一状态信号T1_ON具有高的值。否则，另一状态信号T1_ON具有低的值。当供电电压在损耗后返回时，控制逻辑可以因此利用以下控制规则基于状态信号VS_M的值和另一状态信号T1_ON的值来实现上述评估：1)如果状态信号VS_M的值低并且另一状态信号T1_ON的值低时，则根据从断开状态到接通状态的正常切换规则来控制功率开关装置100的工作。2)如果状态信号VS_M的值高并且另一状态信号T1_ON的值低，则根据关于供电电压下降后切换至接通状态的规则来控制功率开关装置100的工作。3)如果状态信号VS_M的值高并且另一状态信号T1_ON的值高，则基于诸如通过触发工作模式的改变的由第二输入引脚120与地的短时间断开所指示的控制信息来控制功率开关装置100的工作。

图4示意性地示出了可以用在上述功率开关装置100中的用于电容性地存储供电电压的状态的存储电路160’的另一示例。尽管在先前示出的示例中，假设外部电压源直接提供功率电路的供电电压，但是图4的示例假设功率开关装置100还包括电压调节器170，其由通过第一连接引脚110和第二连接引脚120提供的电压产生内部供电电压V_SI。与外部供电电压相比，由电压调节器产生的内部供电电压V_SI可以例如提供更好的稳定性和/或与功率开关装置100的更好的匹配。在图4的示例中，电压调节器170被配置成从外部供电电压导出内部地电位(由GND_int表示)。内部供电电压V_SI由通过第一连接引脚110外部提供的电压V_S与内部地电位GND_int之间的电压差给出。

如所示出的，存储电路160’包括电容器C1和耗尽型MOS晶体管T3。电容器C1和MOS晶体管T3形成RC电路，其中MOS晶体管T3代替电阻器。为此，MOS晶体管T3以欧姆方式(ohmicregime)工作。另外，存储电路160’包括作为恒流源工作的另一个耗尽型MOS晶体管T4、作为二极管工作的双极型晶体管T4以及比较器电路，在所示示例中比较器电路被实现为施密特触发器电路161。MOS晶体管T4、双极晶体管T5和电容器C1串联连接在第一连接引脚110和内部地电位GND_int之间。MOS晶体管T3并联连接至电容器C1。

当第二连接引脚120接地时，电容器C1由内部供电电压充电。在这种状态下，电容器C1的充电电流由MOS晶体管T4提供的恒定电流给出。在供电电压V_S的损耗期间，电容器C1通过MOS晶体管T3被放电。双极晶体管T5防止电容器C1通过其他电路路径放电。假设电容器C1完全充电到V_SI，则电容器C1的时间相关电压由下式给出：

其中，R1表示由MOS晶体管T3提供的电阻值。

在图4的示例中，可以通过测量电容器C1两端的时间相关电压来估计内部供电电压的损耗的持续时间。在存储电路160的情况下，由施密特触发器电路161检测内部供电电压恢复时电容器C1两端的电压。施密特触发器电路161将电容器C1两端的电压与上述第一阈值相比较，并根据比较结果输出状态信号VS_M。如果电容器C1两端的电压高于第一阈值，则状态信号VS_M具有高的值。否则，状态信号VS_M具有低的值。然后可以以与结合图3所描述的方式类似的方式使用该状态信号VS_M。

图5示意性地示出了可以用在上述功率开关装置100中的用于电容性地存储供电电压的状态的存储电路160”的另一示例。类似于图4的示例，图5的示例假设功率开关装置100还包括电压调节器170，其由通过第一连接引脚110和第二连接引脚120提供的电压产生内部供电电压V_SI。也是图5的示例，电压调节器170被配置成从外部供电电压导出内部地电位(由GND_int表示)。内部供电电压V_SI由通过第一连接引脚110外部提供的电压V_S与内部接地电位GND_int之间的电压差给出。

如所示出的，存储电路160”包括多个RC电路，用于以不同的时间常数电容性地存储内部供电电压V_SI的状态。存储电路160”的第一RC电路由第一电容器C1和第一电阻器R1形成，其定义第一时间常数τ₁＝R₁·C₁。存储电路160”的第二RC电路由第二电容器C2和第二电阻器R2形成，其定义第二时间常数τ₂＝R₂·C₂。存储电路160”的第三RC电路由第三电容器C3和第三电阻器R3形成，其定义第三时间常数τ₃＝R₃·C₃。为了获得时间常数τ₁,τ₂,τ₃的不同值，为第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3选择不同的电容值C₁、C₂、C₃和/或为第一电阻器R1、第二电阻器R2和第三电阻器R3选择不同的电阻值R₁、R₂、R₃。通过示例的方式，可以假设τ₁＜τ₂＜τ₃。注意到，如图5所示的不同RC电路的数量仅仅是示例性的，并且也可以使用其他数量的RC电路，例如，仅两个RC电路或者四个或更多个RC电路。

另外，存储电路160”包括另外的电阻器R0、作为二极管工作的第一双极晶体管T11、作为二极管工作的第二双极晶体管T12以及作为二极管工作的第三双极晶体管T13。更进一步地，存储电路160”包括第一比较器电路，其在所示示例中被实现为第一施密特触发器电路161；第二比较器电路，其在所示示例中被实现为第二施密特触发器电路162；以及第三比较器电路，其在所示例子中被实现为第三施密特触发器电路163。在第一RC电路的情况下，另外的电阻器R0、第一双极晶体管T11和第一电容器C1串联连接在第一连接引脚110和内部地电势GND_int之间。第一电阻器R1并联连接至第一电容器C1。在第二RC电路的情况下，另外的电阻器R0、第二双极晶体管T12和第二电容器C2串联连接在第一连接引脚110和内部地电势GND_int之间。第二电阻器R2并联连接至第二电容器C2。在第三RC电路的情况下，另外的电阻器R0、第三双极晶体管T13和第三电容器C3串联连接在第一连接引脚110和内部地电势GND_int之间。第三电阻器R3并联连接至第三电容器C3。

当第二连接引脚120接地时，电容器C1、C2、C3由内部供电电压充电。在这种状态下，充电电流受另外的电阻器R0的限制。在内部供电电压V_SI的损耗期间，第一电容器C1根据时间常数τ₁通过第一电阻器R1放电。双极晶体管T11防止第一电容器C1通过其他电路路径放电。类似地，第二电容器C2根据时间常数τ₂通过第二电阻器R2放电。双极型晶体管T12防止第二电容器C2通过其他电路路径放电。类似地，第三电容器C3根据时间常数τ₃通过第三电阻器R3放电。双极型晶体管T13防止第三电容器C3通过其他电路路径放电。

在图5的示例中，可以通过测量电容器C1、C2、C3两端的时间相关电压来估计内部供电电压的损耗的持续时间。由第一施密特触发器电路161检测内部供电电压恢复时第一电容器C1两端的电压。第一施密特触发器电路161将第一电容器C1两端的电压与上述第一阈值进行比较，并且根据比较结果输出第一状态信号VS_M1。如果第一电容器C1两端的电压高于第一阈值，则第一状态信号VS_M1具有高的值。否则，第一状态信号VS_M1具有低的值。由第二施密特触发器电路162检测内部供电电压恢复时第二电容器C2两端的电压。第二施密特触发器电路162将第二电容器C2两端的电压与上述第一阈值进行比较，并且根据比较结果输出第二状态信号VS_M2。如果第二电容器C2两端的电压高于第一阈值，则第二状态信号VS_M2具有高的值。否则，第二状态信号VS_M2具有低的值。由第三施密特触发器电路163检测内部供电电压恢复时第三电容器C3两端的电压。第三施密特触发器电路163将第三电容器C3两端的电压与上述第一阈值进行比较，并且根据比较结果输出第三状态信号VS_M3。如果第三电容器C3两端的电压高于第一阈值，则第三状态信号VS_M3具有较高的值。否则，第三状态信号VS_M3具有低的值。

由于时间常数τ₁、τ₂、τ₃的不同值，第一电容器C1两端的电压将首先降至第一阈值以下，之后第二电容器C2两端的电压将降至第一阈值以下，之后第三电容器C3两端的电压将降至第一阈值以下。因此，状态信号VS_M1、VS_M2和VS_M3的值指示内部供电电压损耗的持续时间。由具有高值的所有状态信号VS_M1、VS_M2和VS_M3指示最短持续时间。仅由具有高值的第二状态信号VS_M2和第三状态信号VS_M3指示下一个较长的持续时间。仅由具有高值的第三状态信号VS_M3指示再下一个较长的持续时间。状态信号VS_M1、VS_M2和VS_M3中的任何一个都不具有高值来指示又下一个较长的持续时间。因此，除了区分第二连接端子120与地之间的有意断开以及非有意的电压降之外，存储电路160”还能够区分第二连接端子120与地的有意断开的不同的持续时间。这可以用于向功率开关装置100指示各种控制信息。例如，控制逻辑165可以使用控制信息用于在功率开关装置100的不同工作模式之间进行选择，例如负载信号处于接通状态的正常工作模式，以及具有激活的电流感测功能的工作模式，以及空闲模式，诊断模式等。

图6示出了说明可以用于实现操作功率开关装置的以上原理的方法的流程图。图6的方法可以例如应用于操作具有如图1至图5所示的结构的功率开关装置。所示的步骤、操作、方法的所有过程可以由功率开关装置的控制电路执行或控制。这样的控制电路的一个示例是上述的控制电路150。

在610处，功率开关装置在接通状态和断开状态之间切换负载信号。供电电压经由功率开关装置的第一端子和第二端子被提供给功率开关装置。此外，将通过断开第二端子与外部电压源的连接而生成的控制信号提供给功率开关装置。在图1至图5的示例中，通过将第二连接引脚120与外部地断开连接来产生控制信号。然而，应该理解的是，可以使用其他外部电压电平而不是地，例如正的供电电压电平或负的供电电压电平。供电电压可以直接来自外部电压源，或者可以是例如通过如图4或图5所示的电压调节器而源自外部供电电压的内部供电电压。

在620处，电容性地存储供电电压的状态。这可以通过诸如上述存储电路160、160’或160”之类的功率开关装置的存储电路来实现。电容性地存储供电电压的状态通常涉及在第二端子连接至外部电压源的同时对电容器充电并且在第二端子与外部电压源断开连接的同时使电容器放电。电容性存储的供电电压的状态因此可以由电容器两端的时间相关电压来表示。

根据一些实施方式，由耦合至供电电压的至少一个电阻器-电容器电路存储供电电压的状态。电阻器-电容器电路确保用于电容性地存储供电电压状态的电容器的明确的充电和放电特性。在一些实施方式中，可以通过耦合至供电电压的多个电阻器-电容器电路来存储供电电压的状态。这些多个不同的电阻器-电容器电路可以分别具有不同的时间常数。多个电阻器-电容器电路使增强的时间粒度能够用于评估电容性存储的供电电压的状态。结合图5说明具有多个电阻器-电容器电路的存储电路的示例。

可以由至少一个比较器电路来检测电容性存储的供电电压的状态。这样的比较器电路可以包括施密特触发器电路，诸如在图2至图5的示例中使用的施密特触发器电路161、162、163。借助于比较器电路，可以以有效的方式检测和存储在供电电压在损耗之后恢复时电容性存储的供电电压的状态。特别地，所存储的供电电压的状态的这种检测可以涉及将所存储的状态与阈值进行比较。

在一些实施方式中，通过功率开关装置的至少一个晶体管，例如上述晶体管T1，来实现接通状态和断开状态之间的切换。在这样的实施方式中，也可以检测由晶体管的栅极存储的电压。

在640处，根据所存储的供电电压的状态来控制功率开关装置的工作。如果在630处检测到由栅极存储的电压，则可以根据由栅极存储的检测的电压另外地控制功率开关装置的工作。响应于第二端子连接至外部电压源，功率开关装置可以将负载信号切换至接通状态。响应于第二端子连接至外部电压源并且所存储的供电电压的状态高于阈值，功率开关装置可以延迟将负载信号切换至接通状态。此外，功率开关装置可以启动保护措施和/或诊断措施。如果在630处检测到在栅极中存储的电压，则可以响应于存储在栅极中的检测的电压高于阈值来实现功率开关装置的不同工作模式之间的切换。

在一些实施方式中，所存储的供电电压的状态可以用于至少区分将第二端子与外部电压源断开的第一时间段和将第二端子与外部电压源断开的第二时间段。然后可以根据至少第一时间段和第二时间段之间的区别来控制功率开关装置的不同工作模式之间的切换。结合图5说明涉及三个时间段之间的区分的相应示例。

如本文所描述的功率开关装置可应用于各种领域，包括机动车辆领域和能源技术领域。此外，如本文所描述的功率开关装置可以应用于各种工业制造系统或家用电器中。

应该理解的是，可以容易地对上述构思和实施方式进行各种修改。例如，所示的功率开关装置可以基于各种集成电路技术来实现，而不限于基于MOS晶体管的开关装置。此外，所示出的构思可以应用于被配置成切换多个负载信号的多通道功率开关装置。此外，注意到，所示出的构思可以应用于具有各种类型的端子的功率开关装置，而不限于如图1至图5的示例中所提及的连接引脚。此外，注意到，所示出的功率开关装置的控制电路可以基于硬线电路、基于诸如微控制器的可编程的处理器电路或其组合来实现。

至少一些实施方式由以下给出的示例限定：

示例1.一种功率开关装置，包括：

开关，被配置成在接通状态和断开状态之间切换负载信号；

第一端子和第二端子，被配置成向功率开关装置提供供电电压，

其中，第二端子还被配置成向功率开关装置提供控制信号，控制信号是通过将第二端子与外部电压源断开连接而生成的；

存储电路，被配置成电容性地存储供电电压的状态；以及

控制电路，被配置成根据所存储的供电电压的状态来控制功率开关装置的工作。

示例2.根据示例1的功率开关装置，

其中，控制电路被配置成：

响应于第二端子连接至外部电压源，将负载信号切换至接通状态。

示例3.根据示例1或2的功率开关装置，

其中，控制电路被配置成：

响应于第二端子连接至外部电压源并且所存储的供电电压的状态高于阈值，延迟将负载信号切换至接通状态。

示例4.根据前述示例中的任一项的功率开关装置，

其中，开关包括至少一个晶体管，并且控制电路还被配置成：

响应于第二端子连接至外部电压源，检测在至少一个晶体管的栅极中存储的电压，以及

根据所检测的在至少一个晶体管的栅极中存储的电压来控制功率开关装置的工作。

示例5.根据示例4的功率开关装置，

其中，控制电路还被配置成：

响应于所检测的在栅极中存储的电压大于阈值，控制功率开关装置的不同工作模式之间的切换。

示例6.根据前述示例中的任一项的功率开关装置，

其中，控制电路被配置成：

基于所存储的供电电压的状态至少区分使第二端子与外部电压源断开连接的第一时间段和使第二端子与外部电压源断开连接的第二时间段，以及

根据所述区分，在功率开关装置的不同工作模式之间进行切换。

示例7.根据前述示例中的任一项的功率开关装置，

其中，存储电路包括耦合至供电电压的至少一个电阻器-电容器电路。

示例8.根据前述示例中的任一项的功率开关装置，

其中，存储电路包括耦合至供电电压的多个电阻器-电容器电路，多个不同的电阻器-电容器电路中的每个具有不同的时间常数。

示例9.根据前述示例中的任一项的功率开关装置，

其中，存储电路包括被配置成检测所存储的供电电压的状态的至少一个比较器电路。

示例10.根据前述示例中的任一项的功率开关装置，

其中，存储电路被配置成在第二端子连接至外部电压源时对电容器进行充电并且在第二端子与外部电压源断开连接时使电容器放电。

示例11.一种操作功率开关装置的方法，包括：

使功率开关装置在接通状态和断开状态之间切换负载信号，经由功率开关装置的第一端子和第二端子向功率开关装置提供供电电压；

向功率开关装置提供控制信号，控制信号是通过将第二端子与外部电压源断开连接而生成的；

电容性地存储供电电压的状态；以及

根据所存储的供电电压的状态来控制功率开关装置的工作。

示例12.根据示例11的方法，包括：

响应于第二端子连接至外部电压源，使功率开关装置将负载信号切换至接通状态。

示例13.根据示例11或12的方法，包括：

响应于第二端子连接至外部电压源并且所存储的供电电压的状态大于阈值，使功率开关装置延迟将负载信号切换至接通状态。

示例14.根据示例11至13中任一项的方法，

其中，在接通状态和断开状态之间的切换由功率开关装置的至少一个晶体管来实现，并且方法还包括：

响应于第二端子连接至外部电压源，检测在至少一个晶体管的栅极中存储的电压，以及

根据所检测的在至少一个晶体管的栅极中存储的电压来控制功率开关装置的工作。

示例15.根据示例14的方法，包括：

响应于所检测的在栅极中存储的电压大于阈值，在功率开关装置的不同工作模式之间进行切换。

示例16.根据示例11至15中的任一项的方法，包括：

基于所存储的供电电压的状态，至少区分第二端子与外部电压源断开连接的第一时间段和第二端子与外部电压源断开连接的第二时间段，以及

根据所述区别，控制功率开关装置的不同工作模式之间的切换。

示例17.根据示例11至16中任一项的方法，包括：

通过耦合至供电电压的至少一个电阻器-电容器电路来存储供电电压的状态。

示例18.根据示例11至17中的任一项的方法，包括：

通过耦合至供电电压的多个电阻器-电容器电路来存储供电电压的状态，多个不同的电阻器-电容器电路中的每个具有不同的时间常数。

示例19.根据示例11至18中任一项的方法，包括：

通过至少一个比较器电路检测所存储的供电电压的状态。

示例20.根据示例11至19中任一项的方法，包括：

在第二端子连接至外部电压源时对电容器进行充电，并且在第二端子与外部电压源断开连接时使电容器放电。

Claims (20)

1.一种功率开关装置，包括：

开关，被配置成在接通状态和断开状态之间切换负载信号；

第一外部端子和第二外部端子，被配置成向所述功率开关装置提供供电电压，

其中，所述第二外部端子还被配置成向所述功率开关装置提供控制信号，所述控制信号是通过将所述第二外部端子与外部电压源断开连接而被生成的；

存储电路，被配置成电容性地存储所述供电电压的状态；以及

控制电路，被配置成根据所存储的所述供电电压的状态来控制所述功率开关装置的工作。

2.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述控制电路被配置成：

响应于所述第二外部端子被连接至所述外部电压源，将所述负载信号切换至所述接通状态。

3.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述控制电路被配置成：

响应于所述第二外部端子被连接至所述外部电压源并且所存储的所述供电电压的状态高于阈值，延迟将所述负载信号切换至所述接通状态。

4.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述开关包括至少一个晶体管，并且其中，所述控制电路还被配置成：

响应于所述第二外部端子被连接至所述外部电压源，检测在所述至少一个晶体管的栅极中存储的电压，以及

根据所检测的在所述至少一个晶体管的栅极中存储的电压来控制所述功率开关装置的工作。

5.根据权利要求4所述的功率开关装置，

其中，所述控制电路还被配置成：

响应于所检测的在所述栅极中存储的电压高于阈值，控制所述功率开关装置在不同工作模式之间的切换。

6.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述控制电路被配置成：

基于所存储的所述供电电压的状态，至少区分使所述第二外部端子与所述外部电压源断开连接的第一时间段和使所述第二外部端子与所述外部电压源断开连接的第二时间段，以及

根据所述区分，在所述功率开关装置的不同工作模式之间进行切换。

7.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述存储电路包括耦合至所述供电电压的至少一个电阻器-电容器电路。

8.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述存储电路包括耦合至所述供电电压的多个电阻器-电容器电路，所述多个电阻器-电容器电路中的每个具有不同的时间常数。

9.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述存储电路包括被配置成检测所存储的所述供电电压的状态的至少一个比较器电路。

10.根据权利要求1所述的功率开关装置，

其中，所述存储电路被配置成在所述第二外部端子被连接至所述外部电压源时对电容器进行充电，并且在所述第二外部端子与所述外部电压源断开连接时使所述电容器放电。

11.一种操作功率开关装置的方法，包括：

所述功率开关装置在接通状态和断开状态之间切换负载信号，经由所述功率开关装置的第一外部端子和第二外部端子向所述功率开关装置提供供电电压；

向所述功率开关装置提供控制信号，所述控制信号是通过将所述第二外部端子与外部电压源断开连接而被生成的；

电容性地存储所述供电电压的状态；以及

根据所存储的所述供电电压的状态来控制所述功率开关装置的工作。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

响应于所述第二外部端子被连接至所述外部电压源，所述功率开关装置将所述负载信号切换至所述接通状态。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

响应于所述第二外部端子被连接至所述外部电压源并且所存储的所述供电电压的状态高于阈值，所述功率开关装置延迟将所述负载信号切换至所述接通状态。

14.根据权利要求11所述的方法，

其中，在所述接通状态和所述断开状态之间的所述切换是通过所述功率开关装置的至少一个晶体管来完成的，并且所述方法还包括：

响应于所述第二外部端子被连接至所述外部电压源，检测在所述至少一个晶体管的栅极中存储的电压，以及

根据所检测的在所述至少一个晶体管的栅极中存储的电压来控制所述功率开关装置的工作。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

响应于所检测的在所述栅极中存储的电压高于阈值，在所述功率开关装置的不同工作模式之间进行切换。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括：

基于所存储的所述供电电压的状态，至少区分所述第二外部端子与所述外部电压源断开连接的第一时间段和所述第二外部端子与所述外部电压源断开连接的第二时间段，以及

根据所述区分，控制所述功率开关装置在不同工作模式之间的切换。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括：

通过耦合至所述供电电压的至少一个电阻器-电容器电路来存储所述供电电压的状态。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括：

通过耦合至所述供电电压的多个电阻器-电容器电路来存储所述供电电压的状态，所述多个电阻器-电容器电路中的每个具有不同的时间常数。

19.根据权利要求11所述的方法，还包括：

通过至少一个比较器电路检测所存储的所述供电电压的状态。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括：

在所述第二外部端子被连接至所述外部电压源时对电容器进行充电，并且在所述第二外部端子与所述外部电压源断开连接时使所述电容器放电。

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