CN109390910B - 与电流相关的热关断 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及与电流相关的热关断。根据一个示例，一种设备包括传输元件和控制器。控制器被配置为接收穿过传输元件的电流的测量值。基于电流的测量值，控制器被配置为选择热关断阈值。控制器进一步被配置为基于确定传输元件的温度大于热关断阈值来关闭传输元件。

Description

与电流相关的热关断
技术领域
本公开总体上涉及电子功率器件，并且特别地涉及包括热关断保护的电子功率器件。
背景技术
电子设备有时包括多个通道，每个通道可以包括耗散大量热量的功率级。耗散的热量可能导致功率级的温度上升到可能损坏功率级的水平。与传导低于阈值的电流的功率级相比，传导高于阈值的电流的功率级可能在更低的温度被损坏。在具有多个通道的设备的情况下，功率级的温度可能由于由相邻通道耗散的热量而升高，尽管该功率级操作于不存在由于自加热而损坏功率级的风险的电流水平。
发明内容
根据一个示例，一种设备包括第一传输元件和控制器。控制器被配置为接收穿过第一传输元件的电流的测量值。基于电流的测量值，控制器进一步被配置为选择热关断阈值。控制器进一步被配置为基于确定第一传输元件的第一温度大于热关断阈值来关闭第一传输元件。
根据另一示例，一种设备包括传输元件和控制器，控制器被布置为接收穿过传输元件的电流的测量值。控制器包括用于基于电流的测量值来选择热关断阈值的装置；以及用于基于确定传输元件的温度大于热关断阈值来关闭传输元件的装置。
根据另一示例，一种方法包括接通传输元件。该方法进一步包括选择热关断阈值以在第一温度阈值处关闭传输元件。该方法进一步包括测量穿过传输元件的电流；基于穿过传输元件的电流的测量值来将热关断阈值切换到第二温度阈值。
附图说明
图1是包括两个输出通道的示例设备的图。
图2是图1的示例设备的图，其示出了由于短路输出而引起的热梯度。
图3是基于电流水平来调节热关断阈值的第一示例通道的框图。
图4是示例功率级的框图。
图5是耦合到示例传输元件的示例电流感测装置的示意图。
图6是示例电流平均器的示意图。
图7是示例热关断检测器的示意图。
图8是用于基于电流水平来调节热关断阈值的示例阈值选择器的框图。
图9是耦合到示例功率级的示例输出控制器的示意图。
图10是示例温度传感器的示意图。
图11是示例通道控制器的框图。
图12A是用于实现与电流相关的热关断的示例过程的图的第一部分。
图12B是图12A的图的第二部分。
图13是基于估计的功率水平来调节热关断阈值的第二示例通道的框图。
图14是用于基于估计的功率水平来选择热关断阈值的示例阈值选择器的框图。
图15是耦合到示例阈值选择器的示例功率级的框图，该阈值选择器用于基于估计的功率水平来选择热关断阈值。
具体实施方式
参考附图，一种设备包括用于向负载供应功率的至少一个通道。通道包括功率级和控制器。功率级包括传输元件。控制器被配置为基于确定传输元件的温度上升到高于热关断阈值TSD来关闭传输元件。温度上升到高于热关断阈值TSD的确定是基于温度测量值的。控制器基于传输元件的电流水平或传输元件的估计的功耗来调节热关断阈值TSD。
图1示出了包括基底12、第一通道20、120和第二通道30的示例设备10。第一通道20、120包括通道控制器22、122、功率级24、124和第一温度传感器26。在第一示例中，第一通道20和通道控制器22基于电流水平来调节热关断阈值TSD。在第二示例中，第一通道120和通道控制器122基于估计的功率水平来调节热关断阈值TSD。第一通道20、120和第二通道30位于基底12上。如本文中使用的，“在基底上”表示形成第一通道20、120和第二通道30的电路和子电路的电子部件、晶体管、电阻器、电容器等被形成到基底12的一个或多个表面中和/或上。在一个示例中，设备10是形成在硅基底或其他类型的半导体基底上的集成电路。作为另一示例，设备10可以包括一个或多个通道，包括例如形成在陶瓷基底或另一种电绝缘材料上的电子部件。
第一通道20、120可以被配置为从耦合到第一通道20、120的输入的第一节点VIN1接收电力，并且向耦合到第一通道20、120的输出的第二节点VOUT1递送电力。第二节点VOUT1可以向负载设备28供电。输出电流IOUT1可以经由第二节点VOUT1流出功率级24、124至负载设备28。
第二通道30包括通道控制器32、功率级34和第二温度传感器36。第二通道30可以被配置为从耦合到第二通道30的输入的第三节点VIN2接收电力并且向耦合到第二通道30的输出的第四节点VOUT2递送电力。第四节点VOUT2可以向负载设备38供电。输出电流IOUT2可以经由第四节点VOUT2流出功率级34至负载设备38。
在示例设备10中，第二通道30可以与第一通道20、120相同或相似。也就是说，通道控制器32、功率级34和第二温度传感器36中的每个可以分别与第一通道20的通道控制器22、122、功率级24、124和第一温度传感器26相同或相似。为了本公开的目的，可以理解，术语“相同”包括轻微的变化，诸如由于制造公差而引起的变化，其中设备的功能保持在指定限度内。
如下面另外详细描述的，第一通道20、120中的功率级24、124包括第一传输元件50。第二通道30中的功率级34可以包括第二传输元件51。第一通道20、120的第一温度传感器26可以与功率级24、124中的第一传输元件50相距第一预定距离，并且被布置为向通道控制器22、122输出温度的测量值。第二通道30的第二温度传感器36可以与功率级34中的第二传输元件51相距第二预定距离，并且被布置为向通道控制器32输出温度的测量值。在一个示例中，第一预定距离可以与第二预定距离相同，使得第一通道20、120与第二通道30之间的热关断性能的差值最小化。如下面另外详细描述的，在基底12是硅基底的情况下，第一和第二预定距离可以很小，例如50微米或更小。在这种情况下，来自第一温度传感器26和第二温度传感器36的温度测量值分别提供第一通道20、120和第二通道30的温度的指示。
在设备10的其他示例中，第二通道30可以与第一通道20、120不同。例如，第二传输元件51可以大于或小于功率级24、124的第一传输元件50。此外，第二通道30可以包括或不包括热关断保护。第二通道30包括第二传输元件51或另一元件，该另一元件在某些操作条件下可以耗散足够热量以潜在地加热诸如第一通道20、120等相邻通道。
在诸如具有多个通道的设备10等设备中，由一个或多个其他通道耗散的热量可以增加第一通道20、120的温度。在如图2所示的示例设备10中，耦合到第二通道30的输出的第四节点VOUT2短路到接地。来自第二通道30的功率级34的耗散热量可以引起基底12中的热梯度37。
热梯度37可以在与第一通道20、120相关联的第一温度传感器26的位置处增加基底12的温度。在一些情况下，在第一温度传感器26的位置处的基底12的升高的温度可能导致第一通道20、120的功率级24、124的热关断，即使第一通道20、120在允许的区域中操作。出于本文档的目的，“允许的区域”被定义为表示其中确定第一通道20、120的温度将不会由于自加热而超过指定的热限值的操作区域。
可能导致来自第二通道30的热量触发第一通道20、120中的热关断的一个条件是第二通道30的第二温度传感器36与第一通道20、120的第一温度传感器26之间的失配。
例如，第一通道20、120和第二通道30中的每个通道的热关断温度可以被指定为在160℃至175℃的范围内。由于第一通道20、120与第二通道30之间的变化(例如，由制造公差导致的)，第一通道20、120的实际的热关断温度可以处于上述范围的低端160℃，并且第二通道30的实际的热关断温度可以处于上述范围的高端175℃。由于热梯度37，如图2所示，在第二温度传感器36被加热到175℃之前，第一温度传感器26可以被加热到160℃。这可能导致关闭第一通道20、120，尽管它在允许的区域中操作。在负载设备28是被配置为执行功能的模块或设备的情况下，例如车辆中的电子模块，诸如被配置为打开和关闭窗户的窗户控制模块，关闭第一通道20、120可能导致失去由该模块或设备提供的功能，尽管在第一通道20、120中不存在故障条件。
为了避免这种情况，在功率级24、124以低于预定阈值的电流水平或功率水平操作的情况下，第一通道20、120的热关断阈值TSD可以从第一温度水平调节到较高的第二温度水平。第一温度水平与第二温度水平之间的差值可以基于第一通道20、120中的第一温度传感器26与第二通道30中的第二温度传感器36之间的指定的最大失配误差。
例如，如上所述，用于保护第一通道20、120和第二通道30以免自加热的热关断阈值TSD可以被指定为在160℃至175℃的范围内。在这种情况下，指定的最大失配误差可以是上述范围的低端(160℃)与上述范围的高端(175℃)之间的差值，其等于15摄氏度。为了防止第一通道20、120由于由从第二通道30耗散的热量引起的热关断条件而关闭，第一通道20、120的热关断阈值TSD可以标称地增加15摄氏度，或者可能是稍大的值，例如16摄氏度，以考虑通过调节热关断阈值TSD而引入的任何附加公差。
作为另一示例，第一温度水平与第二温度水平之间的差值可以被设置为略小于指定的最大失配误差。例如，如果如上所述的最大失配误差是15摄氏度，但是已知沿着第二通道30与第一通道20、120之间的热梯度37将存在5摄氏度的下降，则第一温度水平和第二温度水平的差值可以被设置为等于最大失配误差减去沿着热梯度的热降，该热降在这种情况下等于10摄氏度。
图3是被配置为基于穿过功率级24的电流IOUT1来调节热关断阈值TSD的第一通道20的框图。第一通道20被配置为经由耦合到第一节点VIN1的输入来接收功率，并且经由耦合到第二节点VOUT1的输出向负载设备28(图1)供应功率。第一通道20包括通道控制器22、功率级24和第一温度传感器26。
通道控制器22包括热关断检测器60、阈值选择器62和输出控制器64，并且被配置为控制功率级24。通道控制器22被配置为基于确定如由温度TEMP的测量值所指示的功率级24的温度大于热关断阈值TSD，关闭功率级24中的第一传输元件50。热关断阈值TSD是基于穿过第一传输元件50的电流IOUT1的测量值ISEN来选择的。
在示例通道控制器22中，阈值选择器62被配置为从功率级24接收表示穿过第一传输元件50的电流IOUT1的测量值ISEN。基于测量值ISEN，阈值选择器62生成用于热关断检测器60的信号VTSD。信号VTSD是表示热关断阈值TSD的信号。测量值ISEN可以是表示穿过第一传输元件50的电流IOUT1的电流或电压。
作为示例，阈值选择器62可以被配置为针对大于或等于预定电流阈值IREF的测量值ISEN从第一温度水平选择热关断阈值TSD，并且针对小于预定电流阈值IREF的测量值ISEN从第二温度水平选择热关断阈值TSD。
阈值选择器62可以接收测量值ISEN作为第一输入，并且接收预定电流阈值IREF作为第二输入。阈值选择器62可以将测量值ISEN与预定电流阈值IREF相比较，并且基于这个比较来选择热关断阈值TSD。
在测量值ISEN大于或等于预定电流阈值IREF的情况下，阈值选择器62可以将第一温度水平选择为热关断阈值TSD。第一温度水平可以是用于保护第一通道20以免自加热的热关断阈值TSD。否则，阈值选择器62可以将第二温度水平选择为热关断阈值TSD。第二温度水平可以是被调节以降低由于来自第二通道30的加热而关闭第一通道20的可能性(尽管第一通道20在允许的区域中操作)的热关断阈值TSD。
在上面的示例中，第一温度水平可以低于第二温度水平。在这种情况下，确定测量值ISEN大于预定电流阈值IREF可能导致设置较低的第一温度水平。
或者，确定测量值ISEN低于预定电流阈值IREF将导致将热关断阈值TSD设置为较高的第二温度水平。
预定电流阈值IREF可以基于最大允许电流IMAX来确定，对于该最大允许电流IMAX，第一传输元件50可以由于自加热而加热到大于或等于指定的热限值的温度。
作为示例：
·由于自加热的指定的热限值TLSH可以是175℃。
·最高环境温度TAMBMAX可以是125℃
·对于1sOp板(仅覆盖面积)，包括具有第一通道20、120的器件的封装件的热阻Rth可以是167K/W。
·器件的最大压降Vdr可以是40V。
利用这组条件，最大允许电流IMAX可以根据下面的等式1来计算：
(IMAX)(Vdr)(Rth)+TAMBMAX＝TLSH 等式1
在上面的示例中，这导致最大允许电流IMAX＝7.5mA。
基于最大允许电流IMAX的范围，预定电流阈值IREF可以被确定为最大允许电流IMAX的一部分。例如，对于IMAX＝7.5mA的情况，IREF可以被设置为IMAX的大约1/75。也就是说，IREF可以被设置为等于IMAX/75+/-x，其中x是被包含以允许在生成IREF时的不准确性的公差，表示为IMAX/75的百分比。对于典型的系统，x可以在1％到10％的范围内。
热关断检测器60是被配置为接收第一传输元件50的温度的温度测量值TEMP并且将温度测量值TEMP与信号VTSD相比较的子电路，信号VTSD表示热关断阈值TSD。基于这个比较，热关断检测器60输出指示温度测量值TEMP是否超过信号VTSD的信号。
输出控制器64通常被配置为提供控制信号VCTL，控制信号VCTL在功率级24被激活的情况下接通功率级24并且在检测到热关断条件或功率级24未被激活的情况下关闭功率级24。
功率级24包括第一传输元件50和电流感测装置54。第一传输元件50被配置为在耦合到第一节点VIN1的输入处接收功率，并且在耦合到第二节点VOUT1的输出处提供电流IOUT1。第一传输元件50可以由在控制输入VCTLIN处接收的控制信号VCTL来控制，控制信号VCTL将第一传输元件50在接通状态与关闭状态之间切换。
通常，在控制输入VCTLIN处接收的控制信号VCTL控制由第一传输元件50向第二节点VOUT1递送的功率量。第一传输元件50可以被配置为简单的开关，从而基于控制信号VCTL来接通和关闭耦合到第二节点VOUT1的输出。或者，第一传输元件50可以被配置为在耦合到第二节点VOUT1的输出上递送经调节的电压或经调节的电流。更进一步地，第一传输元件50可以被控制以在耦合到第二节点VOUT1的输出处提供脉冲电压或脉冲电流。例如，脉冲电压或电流可以是脉冲宽度调制(PWM)的。
电流感测装置54是被配置为测量穿过第一传输元件50的电流并且向通道控制器22中的阈值选择器62提供测量值ISEN的子电路。例如，电流感测装置54可以被配置为将测量值ISEN生成为电流IOUT1的一部分，诸如1/75。更具体地，测量值ISEN可以被设置为等于IOUT1/75+/-y，其中y是被包含以允许在测量电流IOUT1时的不准确性的公差。对于典型的系统，y可以在1％到10％的范围内。在这种情况下，对于电流IOUT1＝7.5mA，测量值ISEN将近似等于100μA。
第一温度传感器26是被配置为测量温度并且输出温度测量值TEMP的子电路。通常，第一温度传感器26位于第一传输元件50的第一预定距离内，使得温度测量值TEMP是第一传输元件50的温度的指示。第一预定距离可以取决于用于制造第一传输元件50的技术。例如，对于作为集成器件制造在硅基底上的第一传输元件50，第一预定距离可以是50微米。
如本文中讨论的，为了便于理解，温度测量值TEMP随着温度的升高而增加，并且表示热关断阈值TSD的信号VTSD随着热关断温度的升高而增加。实际电路实现可以不同。例如，温度测量值TEMP可以是随着温度的升高而降低的电压。为了适应这一点，表示热关断阈值TSD的信号VTSD可以被生成为随着热关断温度的升高而减小。
图4是包括示例第一传输元件50和示例电流感测装置54的示例功率级24的示意图。示例第一传输元件50包括功率晶体管70。功率晶体管70是p沟道增强型金属氧化物半导体晶体管(p沟道晶体管)，并且可以包括源极(S)、栅极(G)和漏极(D)。功率晶体管70在耦合到第一节点VIN1的第一端子处接收功率，并且向耦合到第二节点VOUT1的第二端子递送功率。控制输入VCTLIN耦合到功率晶体管70的栅极(G)。在控制输入VCTLIN处接收的信号控制功率晶体管70。
另外地或替代地，第一传输元件50可以包括其他类型的功率元件。例如，第一传输元件50可以包括一个或多个n沟道MOS晶体管、一个或多个PNP晶体管、一个或多个NPN晶体管、一个或多个IGBT、或任何其他类型的功率开关器件。
电流感测装置54可以包括感测晶体管71。感测晶体管71也可以是p沟道增强型金属氧化物半导体晶体管(p沟道晶体管)，并且可以包括源极(S)、栅极(G)和漏极(D)。其尺寸可以被调节以在与功率晶体管70相同的操作条件下产生功率晶体管70的电流IOUT1的一部分，例如，功率晶体管70的电流IOUT1的1/75。可以选择另一部分，这取决于功率晶体管70的电流IOUT1的指定范围。
如图4所示，感测晶体管71和功率晶体管70可以被配置为在相同或几乎相同的操作条件下操作。例如，功率晶体管70的源极可以耦合到感测晶体管71的源极，并且功率晶体管70的栅极可以耦合到感测晶体管71的栅极。在一些情况下，感测晶体管71的漏极处的电压也可以被保持为与功率晶体管70的漏极处的电压基本上相同。本文中使用的“与电压基本上相同”可以是例如在电压的+/-20mV内，或者在一定范围内，使得测量值IOUT1的公差y保持在指定范围内，例如从0％到10％。功率晶体管70的漏极可以输出电流IOUT1，并且感测晶体管71的漏极可以输出测量值ISEN。穿过第一传输元件50的电流IOUT1与测量值ISEN之间的比率可以通过功率晶体管70和感测晶体管71的相对尺寸调节来建立。
作为另一示例，电流感测装置54可以包括与第一传输元件50串联的低阻抗电阻器，例如在10毫欧至1欧姆的范围内。电压/电流(V/I)转换器可以感测电阻器两端的电压，并且基于电阻器两端的电压来生成测量值ISEN。
图5是示出示例电流感测装置54的示意图，电流感测装置54与第一传输元件50串联并且包括电阻器72和V/I转换器73。在这种情况下，V/I转换器73被实现为具有PNP晶体管，PNP晶体管将电阻器72两端的电压降转换为测量值ISEN。
在另一示例中，电流IOUT1可以是脉冲电流。例如，功率级24可以被配置为提供脉冲宽度调制(PWM)输出。在这种情况下，通道控制器22可以确定电流IOUT1的平均值，并且生成信号ISENAVE以表示电流IOUT1的平均值。
图6是生成信号ISENAVE以表示电流IOUT1的平均值的示例电流平均器74的示意图。示例电流平均器74是子电路，并且包括具有第一晶体管75和第二晶体管76的电流镜、以及具有电阻器77和电容器78的低通滤波器。电流平均器74可以被配置为接收例如测量值ISEN的脉冲信号作为输入，并且生成信号ISENAVE。
通道控制器22可以包括电流平均器74。在这种情况下，通道控制器22可以基于信号ISENAVE来调节热关断阈值TSD。在一些情况下，信号ISENAVE可能需要通过附加电流镜从吸收电流(sink current)转换为源电流(source current)。
在一些情况下，功率级24可以被配置为吸收电流而不是发起电流。也就是说，电流IOUT1可以是流入第一传输元件50的负电流。在这种情况下，电流感测装置54可以被配置为生成测量值ISEN以指示流入第一传输元件50的电流IOUT1的水平。在其他情况下，功率级24可以是既发起电流又吸收电流的推挽级。在这种情况下，作为一个示例，源电流和吸收电流可以被独立地感测，并且每个都与相应的电流阈值单独地相比较。热关断阈值TSD可以基于IOUT1的测量的源电流和吸收电流分量的组合或者基于单独地测量的源电流和吸收电流分量中的任一个来调节。例如，基于所测量的源电流和吸收电流两者，热关断阈值TSD可以增加到较高温度水平，从而保持低于它们相应的电流阈值。
如图7所示，热关断检测器60可以是比较器80，比较器80接收温度测量值TEMP和表示热关断阈值TSD的信号VTSD作为输入，将输入TEMP、VTSD彼此相比较，并且基于比较来生成输出TEMPHIB。在温度测量值TEMP大于表示热关断阈值TSD的信号VTSD的情况下，比较器80将TEMPHIB生成为处于第一状态(例如，逻辑低)，并且在温度测量值TEMP小于或等于表示热关断阈值TSD的信号VTSD的情况下，比较器80将TEMPHIB生成为处于第二状态(例如，逻辑高)。在TEMPHIB指示热关断条件(TEMP大于VTSD)的情况下，通道控制器22关闭功率级24。
图8是示例阈值选择器62的示意图。在这个示例中，阈值选择器62包括电流比较器81和多路复用器(mux)82。电流比较器81接收测量值ISEN和预定的电流阈值IREF作为输入，并且生成信号MUXCTL。在测量值ISEN大于预定电流阈值IREF的情况下，电流比较器81将信号MUXCTL生成为处于第一状态(例如，逻辑高)，并且在测量值ISEN小于或等于预定电流阈值IREF的情况下，电流比较器81将信号MUXCTL生成为处于第二状态(例如，逻辑低)。
多路复用器(mux)82接收VREF1作为第一输入，接收VREF2作为第二输入，并且在控制输入上接收信号MUXCTL。VREF1可以是表示第一温度水平的电压，并且VREF2可以是表示第二温度水平的电压。例如，多路复用器(mux)82可以被配置为针对处于第一状态的信号MUXCTL将VREF1切换到输出信号VTSD，并且针对处于第二状态的信号MUXCTL将VREF2切换到输出信号VTSD。
如图8所示的示例阈值选择器62仅是用于选择热关断检测器60的阈值的子电路的一个示例实现。很多替代实现是可能的。作为另一示例，输出信号VTSD可以被生成为电阻器两端的电压降。信号MUXCTL可以将穿过电阻器的电流从第一水平切换到第二水平。
图9是耦合到示例功率级24的示例输出控制器64的示意图。
在这个示例中，输出控制器64被配置为生成控制信号VCTL，以在功率级24被激活时将耦合到功率级24的输出的第二节点VOUT1处的电压调节到特定范围。在接收到指示检测到热关断条件的信号(在这种情况下，OFFINB变为低状态)时，输出控制器64迫使控制信号VCTL进入高状态，从而有效地关闭功率级24。
图9的示例输出控制器64包括p沟道晶体管84和运算放大器85。运算放大器85接收参考电压VREF3作为输入。当功率级24被激活时，p沟道晶体管84关断。运算放大器85将第二节点VOUT1处的电压调节到特定范围。例如，参考电压VREF3可以是基于带隙的参考电压或其他参考电压。在OFFINB变为低状态的情况下，p沟道晶体管84导通，以将控制信号VCTL切换到高状态并且使功率晶体管70关断。
示例第一温度传感器26在图10中示出。示例第一温度传感器26生成温度测量值TEMP，其指示第一温度传感器26的位置处的温度。
示例第一温度传感器26包括NPN晶体管86，NPN晶体管86的发射极耦合到地并且集电极和基极耦合到节点N1。负载元件87耦合在正电源与节点N1之间。例如，负载元件87可以被实现为电阻器或电流源。节点N1耦合到反相放大器88的输入。反相放大器88反转并且放大节点N1上的信号以生成信号TEMP。在这种情况下，温度测量值TEMP随着由第一温度传感器26感测的温度的升高而增加。
图11示出了用于第一通道20的通道控制器22的另一示例。在这个示例中，通道控制器22包括热关断检测器60、阈值选择器62和输出控制器64，如上所述。另外，通道控制器22包括状态控制器66。状态控制器66被配置为控制第一通道20的状态，诸如接通第一通道，将热关断阈值TSD设置为第一水平，将热关断阈值TSD设置为第二水平，由于热关断条件而关闭第一通道20，等等。状态控制器66可以包括数字逻辑电路和/或处理器，并且可以被编程为基于操作条件和系统或用户输入来将第一通道20在状态之间切换。
图12A和12B是用于实现与电流相关的热关断的示例过程1200的框图，过程1200可以由设备10的第一通道20中的通道控制器22执行。如上所述，通道控制器22可以包括状态控制器66。过程1200在框1202中开始。
在框1202中，通道控制器22接收请求激活第一通道20的输入信号。例如，通道控制器22可以从用户或从包括第一通道20的系统接收输入。在接收到激活信号时，过程1200在框1204中继续。
在框1204中，通道控制器22将热关断阈值TSD设置为第一温度阈值。根据系统要求，第一温度阈值可以是低水平或高水平之一。低水平可以是保护第一通道20以免由于自加热而超过指定的热限值的水平。高水平可以高于低水平，以降低第一通道20由于来自第二通道30的加热而关闭的可能性。在将热关断阈值TSD设置为第一温度阈值之后，过程1200在框1206中继续。
在框1206中，通道控制器22接通功率级24中的第一传输元件50。第一传输元件50开始向负载设备28提供电流IOUT1。然后，过程1200在框1208中继续。
在框1208中，第一通道20中的电流感测装置54测量电流IOUT1，如上所述。电流感测装置54向通道控制器22提供测量值ISEN。测量值ISEN指示电流IOUT1的水平。然后，过程1200在框1210中继续。
在框1210中，通道控制器22确定测量值ISEN是否小于预定电流水平IREF。在测量值ISEN小于预定电流水平IREF的情况下，过程1200在框1212中继续。否则，过程1200在框1216中继续。
在框1212中，通道控制器22确定热关断阈值TSD是否被设置为低水平。在热关断阈值TSD被设置为低水平的情况下，过程1200在框1214中继续。否则，过程1200在框1220中继续。
在框1214中，通道控制器22将热关断阈值TSD切换到第二温度阈值，其中第二温度阈值是高水平。然后，过程1200在框1220中继续。
在框1210之后的框1216中，通道控制器22确定热关断阈值TSD是否被设置为高水平。在热关断阈值TSD被设置为高水平的情况下，过程1200在框1218中继续。否则，过程1200在框1220中继续。
在框1218中，通道控制器22将热关断阈值TSD切换到第二温度阈值，其中第二温度阈值是低水平。过程1200在框1220中继续。
在框1220中，通道控制器22确定第一通道20中的功率级24的温度是否大于热关断阈值TSD。在功率级24的温度大于热关断阈值TSD的情况下，过程1200在框1222中继续。否则，过程1200在框1208中继续。
在框1222中，通道控制器22关闭功率级24。在关闭功率级24之后，过程1200在框1226中继续。
在框1226中，通道控制器22确定通道控制器22是否应当继续监测第一通道20。例如，通道控制器22可以被编程为继续监测功率级24的温度，只要激活信号存在。在确定激活信号仍然存在的情况下，过程1200在框1228中继续。在激活信号不再存在的情况下，过程1200结束。
在框1228中，通道控制器22确定功率级24的温度是否大于热关断阈值TSD。在功率级24的温度大于热关断阈值TSD的情况下，过程1200在框1226中继续，并且继续监测功率级24的温度。输出级24的温度不再大于热关断阈值TSD的情况指示功率级24的温度已经下降到低于热关断阈值TSD。在这种情况下，功率级24可以重新接通。过程在框1206中继续。
作为基于穿过第一传输元件50的电流来选择热关断阈值TSD的替代方案，可以基于第一传输元件50的估计的功耗来确定热关断阈值TSD。第一通道120中的通道控制器122可以被配置为估计第一传输元件50的功耗，并且基于估计的功耗来选择热关断阈值TSD。
在这种情况下，除了接收测量值ISEN，通道控制器122进一步被配置为接收指示第一传输元件50两端的电压降的信号VSEN。然后，通道控制器122可以通过确定穿过第一传输元件50的电流和第一传输元件50两端的电压降的乘积来估计功率。如下面参考图13至15更详细描述的，第一通道120中的通道控制器122可以利用数字和/或模拟方法来估计功耗。然后，通道控制器122被配置为基于测量值ISEN和信号VSEN两者来选择热关断阈值TSD。
图13示出了被配置为基于第一传输元件50的估计的功耗来选择热关断阈值TSD的示例第一通道120。第一通道120包括功率级124和通道控制器122。除了第一传输元件50和电流感测装置54之外，功率级124进一步包括电压感测装置56。
电压感测装置56是被配置为测量指示第一传输元件50两端的电压降的电压的子电路。基于测量值，电压感测装置56生成信号VSEN。在一些情况下，电压感测装置56可以直接测量第一传输元件50两端的电压降。在其他情况下，例如当耦合到第一传输元件50的输入的第一节点VIN1上的电压已知时，电压感测装置56可以测量耦合到第一传输元件50的输出的第二节点VOUT1上的电压。在这种情况下，可以通过确定第一节点VIN1上的电压与第二节点VOUT1上的测量电压之间的差值来估计第一传输元件50两端的电压降。
在这个示例中，通道控制器122包括热关断检测器60、输出控制器64和阈值选择器162。如在先前示例中，热关断检测器60确定温度测量值TEMP是否超过表示热关断阈值TSD的信号VTSD。在热关断检测器60确定温度测量值TEMP超过信号VTSD的情况下，热关断检测器60向输出控制器64输出信号TEMPHIB，并且指示输出控制器64关闭功率级124。然后，控制器64关闭功率级124。
在这个示例中，阈值选择器162接收测量值ISEN和信号VSEN两者作为输入。阈值选择器162基于测量值ISEN和信号VSEN来估计第一传输元件50的功耗。基于估计的功率，阈值选择器162生成表示热关断阈值TSD的信号VTSD。
例如，可以基于最大功率来设置由于自加热而引起的功率阈值，最大功率是第一传输元件50在不会由于自加热而触发热关断的情况下可能消耗的。在这种情况下，功率阈值可以计算为
Figure BDA0001761635140000161
其中
·PTHRESHOLD是功率阈值，
·TLSH是由于自加热而引起的设备的指定的温度限值，
·TAMBMAX是最高环境工作温度，以及
·Rth是封装件的热阻。
在功耗大于功率阈值PTHRESHOLD的情况下，阈值选择器162可以选择第一温度水平用于热关断阈值TSD。在功耗小于或等于功率阈值PTHRESHOLD的情况下，阈值选择器162可以选择第二温度水平用于热关断阈值TSD。
在典型情况下，第二温度水平可以被选择为高于第一温度水平，使得当第一通道120在低于功率阈值PTHRESHOLD的功率水平下操作时，由于来自相邻的第二通道30的温度梯度而引起的热关断的概率被减小。相反，可以选择第一温度水平为较低水平，以保护第一通道120以免由于自加热而超过规定的热限值。
如上所述，在一些情况下，耦合到第一传输元件50的输入的第一节点VIN1上的电压可以是已知的。在这些情况下，电压感测装置56可以基于第一传输元件50的输出处的电压的测量值来生成信号VSEN。
图14是示例阈值选择器162的框图。在这个示例中，通道控制器122利用数字方法、基于测量值ISEN和信号VSEN来估计由第一传输元件50耗散的功率。阈值选择器162包括多路复用器(mux)82、第一模数(A/D)转换器100和第二A/D转换器101、和数字处理器102。阈值选择器162接收电流ISEN的测量值和信号VSEN作为输入，并且输出表示热关断阈值TSD的信号VTSD。注意，在这种情况下，测量值ISEN和信号VSEN中的一个或两个可能需要在A/D转换之前被转换为电压。
在这个示例中，测量值ISEN和信号VSEN中的每个可以是模拟信号。第一A/D转换器100和第二A/D转换器101可以分别将测量值ISEN和电压降的信号VSEN转换为数字值。数字处理器102可以计算第一传输元件50的估计的功耗。作为一个示例，数字处理器102可以计算穿过第一传输元件50的电流和第一传输元件50两端的电压降的乘积。作为另一示例，数字处理器102可以包括功耗值表，并且基于测量值ISEN和信号VSEN从表中选择值。
在估计第一传输元件50的功耗之后，数字处理器102还可以将第一传输元件50的估计的功耗与功率阈值PTHRESHOLD相比较。基于这个比较，数字处理器102可以控制多路复用器(mux)82选择表示热关断阈值TSD的信号VTSD，以输出到热关断检测器60。
图15是耦合到示例阈值选择器162的示例功率级124的框图，阈值选择器162用于基于估计的功率水平来选择热关断阈值TSD。在这个示例中，阈值选择器162利用模拟方法来估计第一传输元件50的功耗。阈值选择器162接收测量值ISEN和指示第一传输元件50两端的电压的信号VSEN。阈值选择器162然后通过确定测量值ISEN和信号VSEN的乘积来估计第一传输元件50的功耗。
功率级124包括如上所述的第一传输元件50和电流感测装置54。另外，功率级124包括被配置为生成信号VSEN的电压感测装置56。在这种情况下，信号VSEN是指示第一传输元件50两端的电压的电流。
阈值选择器162包括如上所述的电流比较器81和多路复用器(mux)82。另外，阈值选择器162包括吉尔伯特单元乘法器114。吉尔伯特单元乘法器114接收测量值ISEN和信号VSEN作为输入，并且生成IPDIS作为输出。IPDIS是表示测量值ISEN和信号VSEN的乘积的电流。因此，IPDIS表示第一传输元件50的估计的功耗。
然后，阈值选择器162例如使用电流比较器81将IPDIS与预定参考电流IREFPOW相比较。预定参考电流IREFPOW可以基于例如最大功耗或者用于保护第一通道120的另一限值来选择，针对最大功耗，第一通道120将不会由于自加热而超过指定的热限值。
在另一示例设备10中，第一通道可以包括并入多个温度水平的热关断阈值TSD。例如，多个温度水平中的每个可以基于穿过功率级24的相应电流水平或与第一通道相关联的功率级24的相应功耗来选择。
如上所述，设备10可以包括具有相应的功率级24、124的多个第一通道20、120和各自具有相应的功率级34的多个第二通道30。第一通道20、120中的一个或多个可以包括用于在功率级的温度上升到高于热关断阈值TSD的情况下关闭相应的功率级24、124的热关断阈值TSD。在穿过功率级24、124的电流或由功率级124耗散的功率高于阈值水平的情况下，热关断阈值TSD可以被设置在第一温度水平。第一温度水平可以是用于保护第一通道20、120以免自加热的热关断阈值TSD。在穿过功率级24、124的电流或由功率级124耗散的功率低于阈值水平的情况下，热关断阈值TSD可以被设置为第二温度水平。第二温度水平可以高于第一温度水平，以降低第一通道20、120由于来自相邻的第二通道30的热量而关闭的可能性。
进一步的实施例涉及以下示例：
1.一种设备10，包括：第一传输元件50；以及控制器22、122，控制器22、122被配置为接收穿过第一传输元件50的电流的测量值，基于电流的测量值选择热关断阈值，以及基于确定第一传输元件50的第一温度大于热关断阈值来关闭第一传输元件50。
2.根据示例1的设备10，进一步包括：基底12，第一传输元件50在基底12上；以及在基底12上的第一温度传感器26，被布置为向控制器22、122输出第一温度的测量值，其中第一温度大于热关断阈值的确定是基于第一温度的测量值的。
3.根据示例1或2的设备10，其中控制器22、122被配置为：在穿过第一传输元件50的电流的测量值大于或等于预定电流阈值的情况下，从第一温度水平选择热关断阈值，并且在穿过第一传输元件50的电流的测量值小于预定电流阈值的情况下，从第二温度水平选择热关断阈值。
4.根据示例3的设备10，其中预定电流阈值是基于最大允许电流的，针对最大允许电流，第一传输元件50能够由于自加热而加热到大于或等于指定的热限值的第二温度。
5.根据示例3的设备10，其中第一温度水平低于第二温度水平。
6.根据示例3的设备10，进一步包括：在基底12上的第二传输元件51；以及在基底12上的第二温度传感器36，其中第一温度水平与第二温度水平之间的差值是基于第一温度传感器26与第二温度传感器36之间的指定的最大失配误差的。
7.根据示例6的设备，其中第一温度传感器26在第一传输元件50的第一预定距离内，并且第二温度传感器在第二传输元件51的第二预定距离内。
8.根据示例1或2的设备10，其中控制器122进一步被配置为：接收第一传输元件50两端的电压降的指示，并且进一步基于第一传输元件50两端的电压降的指示来选择热关断阈值。
9.根据示例8的设备10，其中控制器122进一步被配置为：基于穿过第一传输元件50的电流的测量值和第一传输元件50两端的电压降的指示来估计第一传输元件50的功耗；以及基于第一传输元件50的功耗的估计来选择热关断阈值。
10.根据示例8的设备10，其中第一传输元件50两端的电压降的指示包括第一传输元件50的输出处的电压的测量值；并且其中该设备进一步包括电压感测子电路56，电压感测子电路56被配置为测量第一传输元件50的输出处的电压并且向控制器122输出该电压的测量值。
11.根据示例1或2的设备10，进一步包括：电流感测子电路54，被配置为测量穿过第一传输元件50的电流并且向控制器22、122输出该电流的测量值。
12.根据示例11的设备10，其中第一传输元件50包括具有漏极、栅极和源极的功率晶体管70，并且电流感测子电路54包括具有漏极、栅极和源极的感测晶体管71，功率晶体管70的漏极耦合到感测晶体管71的漏极，功率晶体管70的栅极耦合到感测晶体管71的栅极，功率晶体管70的源极被配置为输出穿过第一传输元件50的电流，并且感测晶体管71的源极被配置为输出穿过第一传输元件50的电流的测量值。
13.根据示例11的设备10，其中电流感测子电路54包括与第一传输元件50串联的电阻器72。
14.根据示例1或2的设备10，其中穿过第一传输元件50的电流是脉冲式的，并且该电流的测量值表示该电流的平均值。
15.根据示例1或2的设备10，其中穿过第一传输元件50的电流是流出第一传输元件50的正电流和流入第一传输元件50的负电流之一。
16.一种设备10，包括：传输元件50；以及被配置为接收穿过传输元件50的电流的测量值的控制器22、122，控制器22、122包括：用于基于电流的测量值来选择热关断阈值的装置；以及用于基于确定传输元件50的温度大于热关断阈值来关闭传输元件50的装置。
17.根据示例16的设备10，进一步包括：基底12，传输元件50在基底12上；以及在基底12上的第一温度传感器26，被布置为向控制器22、122输出温度的测量值，其中第一温度大于热关断阈值的确定是基于温度的测量值的。
18.根据示例16或17的设备10，其中控制器22、122进一步包括用于在穿过传输元件50的电流的测量值大于或等于预定电流阈值的情况下从第一温度水平选择热关断阈值、并且在穿过传输元件50的电流的测量值小于预定电流阈值的情况下从选择热关断阈值的装置。
19.一种方法，包括：接通传输元件50；选择热关断阈值以在第一温度阈值处关闭传输元件50；测量穿过传输元件50的电流；以及基于穿过传输元件50的电流的测量值，将热关断阈值切换到第二温度阈值。
20，根据示例19的方法，其中第一温度阈值高于第二温度阈值，该方法进一步包括：基于穿过传输元件50的电流的测量值来确定电流大于或等于电流阈值；以及基于该确定来将热关断阈值切换到第二温度阈值。
21.根据示例20的方法，进一步包括：基于来自温度传感器26的温度的测量值来确定温度大于或等于热关断阈值；以及关闭传输元件50。
22.根据示例19的方法，其中第一温度阈值低于第二温度阈值，该方法进一步包括：基于确定穿过传输元件50的电流小于电流阈值来将热关断阈值切换到第二温度阈值。
除非另有说明，否则本文中描述的电路和子电路仅是示例。这些电路和子电路的功能的其他实现应当被理解为被包括在本公开的范围内。
术语“第一”和“第二”用作标识符，并不表示顺序或重要性。
如本文中使用的，副词“基本上”表示形状、结构、测量值、数量、时间等可以偏离精确描述的几何形状、距离、测量值、数量、时间等，因为材料、机械加工、制造等存在缺陷。
本文中使用的术语“示例”是表示示例的意义，例如，对“示例窗口小部件”的引用应当被理解为简单地引用窗口小部件的示例。
计算机可执行指令可以从使用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序来编译或解释，各种编程语言和/或技术包括但不限于单独或组合的JavaTM、C、C++、Python、VisualBasic、Java脚本、Perl、HTML等。通常，处理器(例如，微处理器)例如从存储器、计算机可读介质等接收指令，并且执行这些指令，从而执行一个或多个过程，包括本文中描述的一个或多个过程。这样的指令和其他数据可以使用各种计算机可读介质来存储和传输。联网设备中的文件通常是存储在诸如存储介质、随机存取存储器等计算机可读介质上的数据的集合。
计算机可读介质包括参与提供可以由计算机读取的数据(例如，指令)的任何介质。这样的介质可以采用很多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质等。非易失性介质包括例如光盘或磁盘和其他永久存储器。易失性介质包括通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。常见形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、利用孔洞规则的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH EEPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁带、或计算机可以读取的任何其他介质。
在附图中，相同的附图标记表示相同的要素。此外，这些要素中的一些或全部可以改变。关于本文中描述的介质、过程、系统、方法等，应当理解，尽管这样的过程的步骤等已经被描述为根据某个有序序列来发生，但是这样的过程可以使用按照不同于本文描述的顺序的其他顺序执行的所描述的步骤来实践。还应当理解，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略本文中描述的某些步骤。换言之，提供本文中的过程的描述是为了说明某些实施例，并且决不应当被解释为限制所要求保护的发明。
因此，应当理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。在阅读以上描述之后，除了所提供的示例之外的很多实施例和应用对于本领域技术人员而言将是很清楚的。本发明的范围不应当参考以上描述来确定，而是应当参考所附权利要求以及这样的权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。预期并且意图在于，未来的发展将在本文中讨论的技术中发生，并且所公开的系统和方法将并入这样的未来的实施例中。总之，应当理解，本发明能够进行修改和变化，并且仅受所附权利要求的限制。除非本文中做出相反的明确指示，否则权利要求中使用的所有术语旨在给出本领域技术人员理解的普通和一般含义。特别地，除非权利要求引用到相反内容的明确限制，否则诸如“一个”、“该”、“所述”等单数冠词的使用应当被理解为引用一个或多个所指示的要素。

Claims (22)

1.一种用于热关断保护的设备，包括：
第一传输元件；以及
控制器，被配置为：
接收穿过所述第一传输元件的电流的测量值，
基于所述电流的测量值，从第一温度水平或者第二温度水平选择热关断阈值；以及
基于确定所述第一传输元件的第一温度大于所述热关断阈值来关闭所述第一传输元件；
基底，所述第一传输元件在所述基底上；
在所述基底上的第一温度传感器，被布置为向所述控制器输出所述第一温度的测量值；以及
在所述基底上的第二温度传感器，其中所述第一温度水平与所述第二温度水平之间的差值是基于所述第一温度传感器与所述第二温度传感器之间的指定的最大失配误差的。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中所述第一温度大于所述热关断阈值的确定是基于所述第一温度的测量值的。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置为：在穿过所述第一传输元件的电流的测量值大于或等于预定电流阈值的情况下，从所述第一温度水平选择所述热关断阈值，并且在穿过所述第一传输元件的电流的测量值小于所述预定电流阈值的情况下，从所述第二温度水平选择所述热关断阈值。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述预定电流阈值是基于最大允许电流的，针对所述最大允许电流，所述第一传输元件能够由于自加热而加热到大于或等于指定的热限值的第二温度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一温度水平低于所述第二温度水平。
6.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
在所述基底上的第二传输元件。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一温度传感器在所述第一传输元件的第一预定距离内，并且所述第二温度传感器在所述第二传输元件的第二预定距离内。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器进一步被配置为：接收所述第一传输元件两端的电压降的指示，并且进一步基于所述第一传输元件两端的电压降的指示来选择所述热关断阈值。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制器进一步被配置为：
基于穿过所述第一传输元件的电流的测量值和所述第一传输元件两端的电压降的指示来估计所述第一传输元件的功耗；以及
基于所述第一传输元件的功耗的估计来选择所述热关断阈值。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一传输元件两端的电压降的指示包括所述第一传输元件的输出处的电压的测量值；并且其中所述设备进一步包括电压感测子电路，所述电压感测子电路被配置为测量所述第一传输元件的输出处的电压、并且向所述控制器输出所述电压的测量值。
11.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
电流感测子电路，被配置为测量穿过所述第一传输元件的电流、并且向所述控制器输出所述电流的测量值。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一传输元件包括具有漏极、栅极和源极的功率晶体管，并且所述电流感测子电路包括具有漏极、栅极和源极的感测晶体管，所述功率晶体管的源极耦合到所述感测晶体管的源极，所述功率晶体管的栅极耦合到所述感测晶体管的栅极，所述功率晶体管的漏极被配置为输出穿过所述第一传输元件的电流，并且所述感测晶体管的漏极被配置为输出穿过所述第一传输元件的电流的测量值。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述电流感测子电路包括与所述第一传输元件串联的电阻器。
14.根据权利要求1所述的设备，其中穿过所述第一传输元件的电流是脉冲式的，并且所述电流的测量值表示所述电流的平均值。
15.根据权利要求1所述的设备，其中穿过所述第一传输元件的电流是流出所述第一传输元件的正电流和流入所述第一传输元件的负电流之一。
16.一种用于热关断保护的设备，包括：
传输元件；
控制器，被配置为接收穿过所述传输元件的电流的测量值，所述控制器包括：
用于基于所述电流的测量值从第一温度水平或者第二温度水平选择热关断阈值的装置；以及
用于基于确定所述传输元件的温度大于所述热关断阈值来关闭所述传输元件的装置；
基底，所述传输元件在所述基底上；
在所述基底上的第一温度传感器，被布置为向所述控制器输出所述温度的测量值；以及
在所述基底上的第二温度传感器，其中所述第一温度水平与所述第二温度水平之间的差值是基于所述第一温度传感器与所述第二温度传感器之间的指定的最大失配误差的。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述温度大于所述热关断阈值的确定是基于所述温度的测量值的。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述控制器进一步包括：
用于在穿过所述传输元件的电流的测量值大于或等于预定电流阈值的情况下从所述第一温度水平选择所述热关断阈值、并且在穿过所述传输元件的电流的测量值小于所述预定电流阈值的情况下从所述第二温度水平选择所述热关断阈值的装置。
19.一种用于热关断保护的方法，包括：
接通传输元件；
选择热关断阈值以在第一温度阈值处关闭所述传输元件；
测量穿过所述传输元件的电流；以及
基于穿过所述传输元件的电流的测量值，来将所述热关断阈值切换到第二温度阈值，
其中所述第一温度阈值与所述第二温度阈值之间的差值是基于第一温度传感器与第二温度传感器之间的指定的最大失配误差的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一温度阈值高于所述第二温度阈值，所述方法进一步包括：
基于穿过所述传输元件的电流的测量值来确定所述电流大于或等于电流阈值；以及
基于所述确定来将所述热关断阈值切换到所述第二温度阈值。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
基于来自所述第一温度传感器的温度的测量值来确定所述温度大于或等于所述热关断阈值；以及
关闭所述传输元件。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一温度阈值低于所述第二温度阈值，所述方法进一步包括：
基于确定穿过所述传输元件的电流小于电流阈值来将所述热关断阈值切换到所述第二温度阈值。
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