CN109863659B - 用于半桥峰值和保持预驱动器的短路检测 - Google Patents

Abstract

电流传感器（116、136）测量流入和流出诸如螺线管线圈的感应负载（130）的电流，并且向处理器（146）提供信号以用于将其转换成数字值。处理器计算测量的电流之间的差并且如果差超过阈值，则处理器向驱动器（102）提供信号以关断测量的电流中的至少一个。螺线管线圈和驱动其的电子器件（108、110）被保护免受由到线圈的连接处的短路导致的损坏。

Description

用于半桥峰值和保持预驱动器的短路检测

背景技术

螺线管通常需要相对大的电流来激励，并且在被激励后需要更小或较小的电流保持闭合。用于驱动螺线管的众所周知的电路包括半桥峰值和保持驱动器（half-bridgepeak-and-hold driver）。一些这样的电路调制提供到螺线管的电流脉冲的宽度或持续时间，以便激励螺线管，即，提供致动电流，以及保持其闭合，即提供保持电流。

现有技术的半桥峰值和保持驱动器的问题是它们不能检测到对电池电压或地的短路或者驱动器接通。更具体地说，螺线管线圈的高侧被无意地直接连接到电池电压，这也被称为短路到电池故障，螺线管以及驱动螺线管的电子设备能够被损坏。类似地，当线圈的低侧短路到地时，螺线管以及驱动它的电子设备也能够被损坏。用于检测由半桥峰值和保持驱动器驱动的感应负载（诸如螺线管）的高侧和低侧的短路的装置和方法将是对现有技术的改进。

附图说明

图1是用于检测具有高侧输出端口和低侧输出端口的半桥峰值和保持预驱动器的输出上的故障的装置的框图；

图2描绘了在施加短路接地故障并从负载移除之前和之后的电流传感器的输出；以及

图3描绘了检测具有高侧输出和低侧输出的半桥峰值和保持驱动器的输出上的故障的方法的步骤。

具体实施方式

图1是用于检测半桥峰值和保持驱动器（下文中简称为“驱动器”）的输出上的故障的装置的优选实施例的框图。装置100当然包括本领域公知的半桥峰值和保持预驱动器102，为了简洁起见，省略了对其的进一步描述。

驱动器102具有“高侧”输出104和低侧输出106，这样命名是因为高侧输出104提供高或正输出电压，从该高侧输出104向负载提供电流；低侧输出106提供较低、接地或负电位电压，来自负载的电流返回到该低侧输出106。输出104、106被连接到对应的场效应晶体管（FET）108和110，该场效应晶体管（FET）108和110在本文中被认为是开关，该开关响应于来自驱动器102的高侧和低侧输出的电压输出而被接通和断开。FET因此向负载提供脉冲宽度调制电流。

第一开关或晶体管108通过二极管115连接在小值电阻112和参考电位113之间。电阻是小值的，即通常小于10 欧姆并且横跨其提供与流过其的电流成比例的电压降。第一电阻器112在本文中被认为是电流传感器的一部分，该电流传感器被认为是感测或测量流过其的电流量的器件，并提供表示或对应于流向负载的电流的幅值的输出电压117。

常规的运算放大器116横跨电阻器112连接。放大器116放大由于流过电阻器112的电流而造成的横跨小电阻器112的电压，并提供输出电压，该输出电压的幅值对应于流过电阻器112的电流。放大器116的输出118被提供到峰值检测器120。

峰值检测器120包括正向偏压二极管（forward biased diode）122，其阴极连接到与电阻126并联连接的电容124。二极管122因此允许电流在一个方向上流动，只要二极管122的阳极上的电压超过阴极电压，二极管122将这样做。电容器124因此“存储”来自放大器的电压峰值，减去横跨二极管122的电压降。并联的电阻126使电容器124放电，从而允许来自放大器的输出电压中的连续变化被存储并且然后由处理器读取。

驱动器102的低侧输出106还连接到场效应晶体管110，该场效应晶体管110连接在负载130的低侧128和第二小值电阻器132之间。第二低值电阻器132连接在第二开关110和地或用于装置100的参考电位113之间。

类似于第一开关108，第二开关110通过由驱动器102提供到其的电压接通和断开。当电流正在流过第二小值电阻器132时，第二电压放大器136向第二峰值检测器140提供其输出电压138。

第一和第二峰值检测器120和140的输出142和144被分别提供到微处理器146。微处理器在本文中被认为是比较器，因为其采用峰值检测器120和140的两个模拟电压，将两个模拟电压转换为数字值，将数字值相互比较并且基于该比较，通过提供到驱动器102的控制信号输出150断开或接通驱动器102。

如本领域中已知的，驱动器102的高侧输出104是脉冲宽度调制电压。它改变流过负载130和电阻器112的电流的占空比和频率，以便提供足以闭合或致动负载130的电流，并且在螺线管闭合之后，将电流减小到仅保持螺线管闭合所需要的较低值。在负载130的高侧148短接到电池或者低侧128短接到地的情况中，图1中描绘的装置100能够通过确定通过负载130的高侧148的电流何时超过或小于流过低侧128的电流来关断驱动器102。

流过高侧的电流超过流过低侧的电流不适当的量的确定由通过高侧电阻112的峰值电流的瞬时或接近瞬时值与通过低侧电阻132的峰值电流相比而确定。如果该差超过预定的设计选择值，则微处理器146向驱动器102提供输出信号150，从而断开驱动器，将负载130与电池114隔离并保护负载130免受损坏。

图2描绘了电路中的电压的示波器迹线。电压的变化被描绘为时间的函数。开始时间t = 0没有电流正流过负载130，因为高和低输出104和106分别是断开的。结果，开关108和110不导通。没有电流流过小值电流感测电阻器112和132。结果，来自放大器116和136的输出电压为零。

在稍后的时间处，t = 1，高侧输出104变为有效或高，其接通第一开关108。（正常操作，低侧开关110始终接通；到负载130的电流通过仅操纵第一开关108来提供）。

在第一开关108在t = 1处被接通之后，由附图标记202标识的电流如所示的向上尖刺。来自电流感测电路的输出电压118和138上升到最大值204，直到高侧输出104在t =206处关断。通过负载的电流很快降低。来自峰值检测器的输出电压呈指数下降，如应该从并联的电容和电阻124和126所预期的那样。

在t = 3、208处，在施加负载130的低侧128的短路到地故障的同时再次激活高侧输出104。来自峰值检测器120和140的输出电压的差表示为由附图标记210标识的线，其低于阈值212。由迹线202表示的通过负载的电流由于比较器146断开驱动器电路并有效地将负载从电池电压断开的事实而保持为零。

现在参考图3，检测具有高侧和低侧输出的半桥峰值和保持驱动器的输出上的故障的方法300如图所示。在第一步骤302处，“监测”从电源流入到负载中的电流。监测流入到感应负载（诸如螺线管）中的电流能够使用图2中所示的电路来完成。 流入到负载中的电流通过脉冲宽度调制，从而调制到连接在电源和负载之间的开关的控制电压。在开关接通的时间期间，通过负载的电流将因此具有响应于由电池“看到”的阻抗而达到峰值的值。监测电流流入到负载中因此使得能够通过峰值检测器（诸如图1中所描绘的峰值检测器）检测和保持电流的峰值。

在第二步骤304处，生成表示负载电流的信号并且该信号表示当由驱动器接通开关时流入到负载中的瞬时电流。在图1所示的实施例中，负载电流信号是模拟电压。该电压由比较器或微处理器转换为数字值。

在第三步骤306处，由峰值检测器确定负载电流峰值并将该模拟电压转换为数字值。

在步骤308，以及步骤310和312处，监测流过负载的低侧的电流，生成对应的信号并且也确定其电流的峰值。

在步骤314处，向控制开关（即在负载中的电池和负载接地之间串联的开关）提供信号，该控制开关减少流过其的电流量或使其完全关断，从而保护螺线管线圈免受损坏。

高侧（HS）和低侧（LS）峰值检测器输出之间的电压差（该电压差是用于检测短路故障条件的阈值）应该被设置为在故障条件期间足以保护负载和硬件组件（例如MOSFET开关和分流电阻器）两者的水平。例如，如果负载需要在保持阶段期间以1.5 A的平均电流进行调节，并且在任何“长”时间段内（例如> 1秒）都不能够承受超过3.5 A的平均电流，那么高侧和低侧峰值检测器输出之间的电压差应该设置为反映小于2.0 A的负载电流差的水平，以便确保最大平均负载电流不超过3.5 A限值。2 A的负载电流差值由HS和LS峰值检测器的输出的电压差值表示，其主要由分流电阻器的值和电流感测放大器的增益值确定。因此，对于电流感测放大器，使用10 毫欧姆分流电阻器，增益值为32，2 A电流差值等于2 A * 10毫欧姆 * 32 = 0.64 V的 HS和LS峰值检测器输出电压之间的差，并且该电压值由处理器转换为代表性的数字A / D转换器值。请注意，峰值检测器中横跨二极管的电压降不影响阈值，因为它们相互抵消。另请注意，HS和LS两者上的分流电阻器值和电流感测放大器的增益值必须相同。

以上描述仅用于说明的目的。在所附权利要求中阐述了本发明的真实范围。

Claims (11)

1.一种用于检测具有高侧输出和低侧输出的半桥峰值和保持预驱动器的输出上的故障的装置，所述装置包括：

第一电流传感器，所述第一电流传感器联接在第一开关和电源之间，所述第一开关响应于由所述第一开关从所述半桥峰值和保持预驱动器接收的信号而接通和断开，当所述第一开关接通时所述第一电流传感器提供表示从所述电源流入到负载中的电流的第一信号；

第一峰值检测器，所述第一峰值检测器联接到所述第一电流传感器并提供第一输出信号，所述第一输出信号表示当所述第一开关接通时从所述电源流入到所述负载中的电流的瞬时的峰值；

第二电流传感器，所述第二电流传感器联接在第二开关和用于所述电源的参考电位之间，所述第二开关响应于由所述第二开关从所述半桥峰值和保持预驱动器接收的信号而接通和断开，所述第二电流传感器提供第二信号，所述第二信号表示从所述负载流出并流入到所述参考电位中的电流；

第二峰值检测器，所述第二峰值检测器联接到所述第二电流传感器并且提供第二输出信号，所述第二输出信号对应于从所述负载流出并流入到所述参考电位的节点中的电流的瞬时的峰值；

比较器，所述比较器联接到所述第一峰值检测器和所述第二峰值检测器并且联接到所述半桥峰值和保持预驱动器，所述比较器被配置为当来自所述第一峰值检测器的所述第一输出信号超过来自所述第二峰值检测器的所述第二输出信号的量大于第一预定阈值量时，在预定时间量内断开所述半桥峰值和保持预驱动器。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述负载包括螺线管，所述螺线管需要具有第一幅值的第一致动电流以及更小的第二保持电流，并且其中所述半桥峰值和保持预驱动器配置为通过使用提供到所述第一开关的脉冲宽度调制信号接通和断开所述第一开关而将所述第一致动电流和所述第二保持电流提供到所述螺线管。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器中的每个均包括横跨分流电阻器连接的放大器，所述分流电阻器与所述负载串联连接，横跨所述分流电阻器连接的所述放大器提供表示流过所述分流电阻器的电流的瞬时的幅值的输出电压。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一开关包括第一电流控制开关，且所述第二开关包括第二电流控制开关，所述第一电流控制开关联接在所述负载的高侧和所述第一电流传感器的分流电阻器之间，所述第一电流控制开关响应于由所述半桥峰值和保持预驱动器提供到所述第一电流控制开关的控制信号而接通和断开到所述负载的电流。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一电流控制开关和所述第二电流控制开关分别为第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的栅极端子连接到所述半桥峰值和保持预驱动器的输出。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述比较器包括处理器。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述处理器具有至少一个模数转换器，并且其中，所述处理器被配置为：

接收来自所述第一峰值检测器和所述第二峰值检测器的信号；

将所述信号转换为对应的数字值；

比较与来自所述峰值检测器的信号对应的所述数字值；以及

向所述半桥峰值和保持预驱动器提供控制信号，当通过所述负载的电流超过预定值时，所述控制信号导致所述半桥峰值和保持预驱动器关断所述第一开关和所述第二开关中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一峰值检测器和所述第二峰值检测器中的每个均包括二极管，所述二极管连接在电流传感器和彼此并联连接的电容和电阻之间，并联连接的电阻和电容被连接在所述二极管和所述参考电位之间。

9.一种检测具有高侧输出和低侧输出的半桥峰值和保持预驱动器的输出上的故障的方法，所述方法包括：

监测从电源流入到负载中的电流，来自所述电源并流入到所述负载中的电流通过第一开关，所述第一开关响应于由所述半桥峰值和保持预驱动器提供到所述第一开关的信号而接通和断开以调制流入到所述负载中的电流，

生成第一负载电流信号，所述第一负载电流信号表示当所述第一开关接通时流入到所述负载中的电流；

确定当第一开关接通时流过所述负载的电流的幅值中的峰值；

监测通过第二开关从所述负载流入到参考电位中的电流，所述第二开关响应于由所述半桥峰值和保持预驱动器提供到所述第二开关的信号而接通和断开，

生成第二负载电流信号，所述第二负载电流信号表示当所述第二开关接通时从所述负载流到所述参考电位的电流；

确定当第二开关接通时从所述负载流出并流入到所述参考电位中的电流的幅值中的峰值；以及

当在所述第一开关接通时从所述电源流入到所述负载中的电流的幅值中的峰值超过在第二开关接通时从所述负载流出并流入到所述参考电位中的电流的幅值中的峰值预定量时，向所述第一开关和所述第二开关提供信号，所述第一开关和所述第二开关减小或关断通过所述第一开关和所述第二开关的电流。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述负载包括螺线管，所述螺线管需要第一闭合电流和更小的第二保持电流，其中，监测流入到所述负载中的电流的步骤包括：确定响应于使用由所述半桥峰值和保持预驱动器提供到所述第一开关的脉冲宽度调制信号接通所述第一开关而流入到所述螺线管中的电流的幅值。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，提供权利要求1所述的装置的步骤，其中，所述第一峰值检测器和所述第二峰值检测器中的每个均包括二极管，所述二极管连接在电流传感器和彼此并联连接的电容和电阻之间，并联连接的电阻和电容被连接在所述二极管和所述参考电位之间。

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