CN110416968A - 一种电子保险丝及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子保险丝；隔离单元用于隔离第一电源域和第二电源域之间的信号；第一连接端VIN、通路单元、第二连接端VOUT、电流检测单元依次串联连接；所述通路单元处于导通或断开状态，用于控制所述第一连接端VIN到第二连接端VOUT的导通状态。电子保险丝的工作方法：电子保险丝未供电时处于通路状态；电子保险丝供电后，处于通路或断开状态。本发明的好处是：电子保险丝在未供电状态时即可以正常导通工作；扩大了保险丝的应用范围，同时实现了保险丝在过流状态下形成的I2t特性；对保险丝的状态监测准确，保护能力强。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种电子保险丝及其工作方法。
背景技术
保险丝是电系统中用于防范过大电流的电装置。如果耦合到电力电子供应器的负载从电力供应器汲取过大电流，那么保险丝会使所述负载与电力电子供应器断开连接以防止由此过大电流导致的电系统内的损坏。保险丝通常包含其物理尺寸经选择以将电流限制于阈值的导体。在电流超过此阈值的情况下，导体熔化以防止过大电流损坏电系统。
现有保险丝多利用发热熔断原理，熔断体部分是保险丝的核心，通过熔断体熔断时起到切断电流的作用，保险丝的熔体加工工艺要求较高，而且现有的保险丝响应速度较慢，熔断电流大小难以控制到准确数值。现有的保险丝熔断后即报废，不能二次使用。
保险丝逐渐被断路器取代。断路器是一种自动操作的电气开关，其被设计成保护电路免受由过电流或过载或短路导致的损坏。在很多应用中，可以使用电子开关(例如，MOS晶体管、IGBT等)来实现断路器以在过电流的情况下将受保护电路与电源断开。这样的电子断路器也可以被称为电子保险丝(电子保险丝e-fuse、智能保险丝、电子熔丝等)。
但是现有电子保险丝存在以下缺陷：
电子保险丝处于常断状态，需要控制电源供电(上电)后才能正常工作；
未实现保险丝在过流状态下形成的I2t特性；
对保险丝的状态监测简单且不准确，导致保护不够；
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种电子保险丝及其工作方法。
根据本发明的第一方面，本发明提出了一种电子保险丝；包括：
第一电源域、第二电源域、第一连接端VIN、第二连接端VOUT、隔离单元、控制与保护单元、通路单元、和电流检测单元；所述第一电源域是指外部信号的传输和隔离单元的工作电源域；所述第二电源域是隔离单元、控制与保护单元的工作电源域；所述隔离单元用于隔离第一电源域和第二电源域的之间的信号；并对信号进行解、译码处理；所述信号为外部信号和内部信号；
所述第一连接端VIN、通路单元、第二连接端VOUT、电流检测单元依次串联连接；所述通路单元处于导通或断开状态，用于控制所述第一连接端VIN到第二连接端VOUT的导通状态；
所述电流检测单元用于检测流过所述通路单元电流；所述控制与保护单元用于对所述通路单元的状态进行控制；所述控制与保护单元没有对所述通路单元进行控制时，所述通路单元处于导通状态。
根据本发明的一个优选实施方案，所述通路单元包括驱动单元和功率开关管；驱动单元用于驱动功率开关管；功率开关管的导通状态决定通路单元的导通或关断状态。
根据本发明的一个优选实施方案，所述驱动单元的第一端口连接控制与保护单元、驱动单元的第二端口连接功率开关管的被驱动端、驱动单元的第三端口连接功率开关管的输出端和电流检测单元；功率开关管的输入端接第一连接端VIN。
根据本发明的一个优选实施方案，所述功率开关管为多个子功率开关管并列组成。
根据本发明的一个优选实施方案，所述功率开关管为电控开关器件。
根据本发明的一个优选实施方案，所述功率开关管为结型场效应管或金属氧化物半导体场效应管。
根据本发明的一个优选实施方案，所述电控开关器件为：晶阀管、可控硅、继电器或接触器任一。
根据本发明的一个优选实施方案，所述结型场效应管为N沟道结型场效应管或P沟道结型场效应管。
根据本发明的一个优选实施方案，所述金属氧化物半导体场效应管为N沟道结型场效应管或P沟道结型场效应管。
根据本发明的一个优选实施方案，所述金属氧化物半导体场效应管为增强型绝缘栅场效应管或耗尽型绝缘栅场效应管。
根据本发明的一个优选实施方案，所述金属氧化物半导体场效应管为P沟道结型场效应管时，即PMOS管；功率开关管的被驱动端为功率PMOS管的栅极；功率开关管的输入端为功率PMOS管的漏极；功率开关管的输出端为功率PMOS管的源极；
根据本发明的一个优选实施方案，驱动单元为被控制与保护单元控制的开关；开关的两端分别为驱动单元的第二端口和第三端口。
根据本发明的一个优选实施方案，所述电流检测单元实现I2t的功能曲线，以I2t的曲线来触发保护。
根据本发明的一个优选实施方案，所述电流检测单元为电阻。
根据本发明的一个优选实施方案，所述电流检测单元为电流互感器。
根据本发明的一个优选实施方案，所述电流互感器为霍尔器件、TMR、磁通门、罗氏线圈之一。
根据本发明的一个优选实施方案，所述隔离单元为光耦隔离。
根据本发明的一个优选实施方案，所述隔离单元为变压器隔离。
根据本发明的第二方面，本发明提出了一种电子保险丝的工作方法，具体为：
电子保险丝未供电时处于通路状态；
电子保险丝供电后，处于通路或断开状态。
根据本发明方法的一个优选实施方案，电子保险丝供电后，检测流过电子保险丝的电流，如果所述电流超过设定值，所述电子保险丝被设置为断开状态。
根据本发明的方法一个优选实施方案，电子保险丝供电后，外部信号控制电子保险丝的导通状态。
根据本发明的方法一个优选实施方案，电子保险丝供电后，外部信号结合内部检测流过电子保险丝的电流是否超过设定值，控制所述电子保险丝被设置为通路或断开状态。
根据本发明的方法一个优选实施方案，所述检测流过电子保险丝的电流为通过拟合实现I2t的功能曲线进行检测，以I2t的曲线触发保护，将所述电子保险丝被设置为断开状态。
根据本发明的方法一个优选实施方案，所述实现I2t的功能曲线进行检测为设定不同的过流倍数以及过流时间。
本发明具有以下优点：
电子保险丝在未供电(上电)状态时即可以正常导通工作，扩大了保险丝的应用范围；
同时实现了保险丝在过流状态下形成的I2t特性；
对保险丝的状态监测准确，保护能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明电子保险丝总体框图。
图2本发明通路单元实施例。
图3本发明外部信号实施例。
图4本发明隔离单元实施例之一。
图5本发明隔离单元实施例之二。
图中标号说明：
1-第一电源域、2-第二电源域、11-隔离单元、12-控制与保护单元、13-通路单元、14-电流检测单元、111-输入线圈、112-输出线圈、113-发光器、114-受光器、137-驱动单元、138-功率开关管；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。
基本知识介绍：
对于保险丝来说，熔化热能值(I2T)，这是个保险丝的参数。按短时间绝热近似，相应的电流I平方乘熔断时间T而得。使保险丝的熔断体熔化，部份汽化的切断电流所需要的公称能量值，即保险丝熔断所需的最小热能值。它对于每一种不同的熔丝来说是个常数，是熔丝本身的材质和规格所决定的。12t有助于保险丝的选用。
″熔断积分(Melting Integral)：保险丝的熔断积分，是熔断这一保险丝的熔丝元件所需的能量，也称之为熔断值12t。熔丝元件的结构、材料和横截面积决定了这个值。每一系列保险丝根据额定电流值不同，使用了不同的材料和元件配置，因此确定每只保险丝的12t非常必要。通常在直流电路中，采用10倍的额定电流作为故障电流，使保险丝在极短的时间内断开，通过高速示波仪和积分程序来测得非常精确的I2t”。
本发明电子保险丝是结合了高耐压、低阻抗的功率开关管以及电流侦测的功能，并且可以实时的监控电子保险丝的状态。它的设计在最小的散热器下进行操作。即本发明中功率开关管阻抗很小，即使是大电流，发热也很小，需要的散热器小。
如图1本发明电子保险丝总体框图所示，电子保险丝包括第一电源域1、第二电源域2、第一连接端VIN、第二连接端VOUT、隔离单元11、控制与保护单元12、通路单元13和电流检测单元14。
这里的电源域是指保险丝中相关模块的整体或部分工作在一定的供电电压下。需要特别说明的是这里的供电电压不仅包括供电电源还包括供电地；供电地不一定是0V电压；它也可以是正电压或负电压；只是相对于供电电源的电压值低而已。例如在通常的电路中有模拟电路的电源和模拟电路的地；数字电路的电源和数字电路的地。
在本发明中第一电源域1的供电电源和供电地分别为第一电压、第一地；第二电源域2的供电电源和供电地分别为第二电压、第二连接端VOUT；
外部信号的传输和隔离单元11的工作在第一电源域1；隔离单元11、控制与保护单元12工作在第二电源域2；隔离单元11用于隔离第一电源域1和第二电源域2的之间的信号；其实隔离单元11就是为了隔离不同电源域之间的信号，以避免因为不同电源域之间信号的工作电源电压不同而导致信号传送错误，甚至导致不同电源域中的电路功能不正常。
隔离单元11通过对不同电源域的信号进行解、译码(或者称为调制、解调)处理而进行不同电源域之间信号的隔离传输。而这里提到的信号可以分为外部信号和内部信号；即是外部信号为第一电源域1下的信号；内部信号为第二电源域2下的信号。
外部信号是电子保险丝和外部进行交互控制的信号。内部信号工作在电子保险丝内部，是相对于外部信号经隔离单元11隔离的在第二电源域2下工作的信号。
第一连接端VIN、通路单元13、第二连接端VOUT和电流检测单元14依次串联连接。不同状态下，通路单元13处于导通或断开状态。这里需要说明的是前述依次串联的第一连接端VIN、通路单元13、第二连接端VOUT和电流检测单元14就类似于传统的保险丝功能。
当通路单元13处于导通状态时，第一连接端VIN到第二连接端VOUT形成通路，处于导通(或称之为通路)状态；
当通路单元13处于断开状态时，第一连接端VIN到第二连接端VOUT形成断路(或称之为开路)，处于断开状态。
通路单元13处于导通状态时，第一连接端VIN到第二连接端VOUT形成通路，电流就会流过这个通路。电流检测单元14用于检测流过通路单元的电流大小。
依据流过电路的大小，电流检测单元14就会给控制与保护单元12发出信号，同时，电流检测单元14实现I2t的功能曲线，以I2t的曲线来触发保护。进一步的电流检测单元14通过拟合实现I2t的功能曲线，也还可以通过其他方式实现I2t的功能曲线。这样的保护方式比传统的保险丝来的更安全更准确，它可以依据不同的产品来设定不同的过流倍数以及过流时间。
电流检测单元14可以用电阻实现，也可以是电流互感器，例如霍尔，TMR，磁通门，罗氏线圈等电流互感器。、
在第一电源域1和第二电源域2没有上电(即供电)时，通路单元13处于导通状态；在第一电源域1和第二电源域2上电后，通路单元13处于导通还是断开状态由控制与保护单元控制决定。
在第一电源域1和第二电源域2正常上电之后，如果流过通路单元13的电流超过预定的值，电流检测单元14发出信号给控制与保护单元12；控制与保护单元12同时结合外部信号的状态控制通路单元13变成断开状态。
反之，如果第一电源域1和第二电源域2没有正常上电，即使流过通路单元13的电流超过预定的值，控制与保护单元12也不会控制通路单元13处于何种状态。
当外部信号给出关断的命令时，通过隔离单元11处理后变成内部信号。内部信号通过控制与保护单元12控制通路单元13处于断开状态；反之，当外部信号给出导通的命令时，通路单元13处于导通状态。
通路单元13包括驱动单元137和功率开关管138；驱动单元用于驱动功率开关管；功率开关管的导通状态决定了通路单元的导通或关断状态。
驱动单元137有3个端口；第一端口通过131连接控制与保护单元、第二端口通过132连接功率开关管138的被驱动端(这里为了便于说明，图中用功率MOS管示意，即连接MOS的栅极)、第三端口通过133连接功率开关管138的输出端(即：图中功率MOS管的源级)和电流检测单元；功率开关管138的输入端(即图中功率MOS管的漏极)通过134连接第一连接端VIN。这里需要说明的是这里的功率MOS只是功率开关管的一种优选示意形式。这里的131-134是为了区分不同的连接线而进行的不同名称的定义。为了方便示意，驱动单元137和功率开关管138的端口名称并没有在图中画出，依据不同的连接线131-134便可以清楚的从图中得出。
这里需要特别说明的是通路单元13尤其是其中的驱动单元137在某些情况下也需要接第二电源域12的第二电压。
为了使功率开关管阻抗很小。这里所述功率开关管为多个功率开关管子并列组成。这样即使是大电流，发热也很小。
特别的通路单元中的功率开关管138可以为：结型场效应管(Junction FET-JFET)和金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET)。
同时，功率开关管138也可以为晶阀管、可控硅、继电器、接触器等电控开关器件。功率开关管具体采用哪种形式依据实际需要进行选择。
对于结型场效应管还可以为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管；
对于金属氧化物半导体场效应管也可以为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管；同时还可以为增强型绝缘栅场效应管、耗尽型绝缘栅场效应管。
上述功率开关管138只要在相应的工作状态下进行实现不同的导通或关断状态即可。
例如：对于N型JFET与N型功率MOS管的主要区别是阈值电压不同，JFET的阈值电压是负值，功率NMOS管是正值，所以JFET的栅极电压与源级电压短接的时候就导通了。即JFET需要0V电压就可以导通；JFET需要负压(例如：-15V)就可以关断。
而功率NMOS管需要一个正电压，所以功率MOS管需要0V电压就可以关断；功率NMOS管需要正压(例如：10V)，就可以导通。
驱动单元137的主要作用就是实现上述使功率开关管138进行导通或关断的作用。
如图2本发明通路单元实施例所示，这里的功率开关管138为功率PMOS管。驱动单元137的工作功能可以简要描述为：被控制与保护单元12通过131控制的开关。
开关的两端分别为驱动单元137的第二端口和驱动单元137的第三端口；即驱动单元137的第二端口通过132连接功率PMOS管的栅极(功率PMOS管的被驱动端级)；即驱动单元137的第三端口通过133连接功率PMOS管的漏极(功率PMOS管的输出端)。
通常情况下，如果第一电源域1和第二电源域2没有正常上电，开关闭合，驱动单元137的第二端口和第三端口短接，即功率PMOS管的栅极和漏极短接(此时即为功率PMOS管的二极管连接方式)。在此种情况下，因为功率PMOS管的阈值电压小于等于OV；因此功率PMOS管处于导通状态。
在第一电源域1和第二电源域12正常上电之后，如果流过通路单元13的电流超过预定的值，电流检测单元14发出信号给控制与保护单元12；控制与保护单元12同时结合外部信号的状态控制开关处于断开状态，此时功率PMOS管的栅极和漏极断开，功率PMOS管就处于关断状态。
对于外部信号可以有其它实现方式，为了便于介绍描述说明，在外部信号实施例的附图中，只示意与外部信号相关的单元，图中其它未示意部分与图1本发明电子保险丝总体框图中类似。
如图3本发明外部信号实施例所示，外部信号(图中以控制信号示意)输入给隔离单元11，这里控制信号用于控制通路单元13的状态(导通或断开)。
这里需要特别说明的是控制信号可以为电平信号，例如控制信号为第一电平信号时(例如为：高电平或低电平)，通过隔离单元11处理后，转换为内部信号；内部信号通过控制与保护单元12使通路单元13处于导通状态；反之，控制信号为第二电平信号时(与前面第二电平信号相反，例如为：低电平或高电平)，通路单元13处于断开状态。
更需要特别说明的是，在某些领域中，例如电力控制等某些工业领域甚至是航空宇航级别的应用中，对可靠性要求很高，电平控制信号不足可能因为噪声、抖动、干扰等原因不能稳定的控制电子保险丝的状态。
因此这里的(外部)信号会被设置为脉冲信号。具体工作时：控制信号为第一脉冲信号时(例如为：持续一定时间的高电平脉冲或低电平脉冲，即：一定脉冲宽度的信号)。通过隔离单11元处理后，转换为内部信号；内部信号通过控制与保护单元12使通路单元13处于导通状态；反之，控制信号为第二脉冲信号时(与前面第二电平信号相反，例如为：低电平脉冲或高电平脉冲)，通路单元13处于断开状态。
对于本发明中的隔离单元，可以为多种形式。需要说明的是不论何种形式，隔离单元需要满足前述本发明外部信号在不同的实施例中的传输功能。
如图4本发明隔离单元实施例之一所示；这里为变压器隔离的形式。其中包括输入线圈111和输出线圈112；输入线圈111的两端分别连输入信号和输入信号-地；输出线圈112的两端分别连输出信号和输出信号-地。另外还需要说明的是这里只是示意了变压器隔离的原理，实际中还包括相应的调制器和解调器，图中并没有示意。同时，由于是原理示意，图中也没有包含示意本发明电子保险丝总体框图中所出现的第一电源域和第二电源域相关的电源电压以及地情况。
如图5本发明隔离单元实施例之二所示；这里为光耦隔离的形式。其中包括发光器113和受光器114；发光器113的两端分别连输入信号和输入信号-地；受光器114的两端分别连输出信号和输出信号-地。另外还需要说明的是这里只是示意了光耦隔离的原理，实际中还包括相应的光耦驱动电路和光耦输出电路，图中并没有示意。同时，由于是原理示意，图中也没有包含示意本发明电子保险丝总体框图中所出现的第一电源域和第二电源域相关的电源电压以及地情况。
对于隔离单元，上述只是示意了单个信号的输入到输出的形式。实际中对于本发明可以是从外部信号到内部信号或者从内部信号到外部信号，也可以包含多个信号的传输。即依据前述外部信号的不同实施例，它们可以有多个不同的信号传输，且可以实现单向传输(外部信号到内部信号或者从内部信号到外部信号)，也可以实现双向传输(外部信号到内部信号同时从内部信号到外部信号)，只不过是输入输出信号的不同和方向不同而已。
依据前述保险丝的结构特点，本发明还提供出了一种电子保险丝的工作方法，即：
电子保险丝未供电时处于通路状态；
电子保险丝供电后，处于通路或断开状态。
这样可以保证保险丝未供电时，它的导通状态形成的通路使应用它的电路能够正常工作，扩大了应用范围和应用场景。
同时，电子保险丝供电后，通过相应的检测模块检测流过电子保险丝的电流，如果所述电流超过设定值，控制所述电子保险丝被设置为断开状态。
电子保险丝供电后，还可以通过外部信号控制电子保险丝的导通或断开状态。外部信号结合内部检测流过电子保险丝的电流是否超过设定值，控制所述电子保险丝被设置为通路或断开状态。
对于电流检测模块，检测流过电子保险丝的电流为通过拟合实现12t的功能曲线进行检测，以I2t的曲线触发保护，保护时将所述电子保险丝被设置为断开状态。同时为了满足不同产品的需求，实现I2t的功能曲线进行检测时可以设定不同的过流倍数以及过流时间。以便实现不同规格的I2t曲线，满足不同的应用环境。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电子保险丝；包括：
第一电源域、第二电源域、第一连接端VIN、第二连接端VOUT、隔离单元、控制与保护单元、通路单元、和电流检测单元；
所述隔离单元用于隔离第一电源域和第二电源域的之间的信号；并对信号进行解、译码处理；所述信号为外部信号和内部信号；
所述第一连接端VIN、通路单元、第二连接端VOUT、电流检测单元依次串联连接；所述通路单元处于导通或断开状态，用于控制所述第一连接端VIN到第二连接端VOUT的导通状态；
所述电流检测单元用于检测流过所述通路单元电流；
所述控制与保护单元用于对所述通路单元的状态进行控制。
2.如权利要求1所述的电子保险丝，其特征在于：所述控制与保护单元没有对所述通路单元进行控制时，所述通路单元处于导通状态。
3.如权利要求1所述的电子保险丝，其特征在于：所述通路单元包括驱动单元和功率开关管；驱动单元用于驱动功率开关管；功率开关管的导通状态决定通路单元的导通或关断状态。
4.如权利要求3所述的电子保险丝，其特征在于：所述驱动单元的第一端口连接控制与保护单元；驱动单元的第二端口连接功率开关管的被驱动端；驱动单元的第三端口连接功率开关管的输出端和电流检测单元；功率开关管的输入端接第一连接端VIN。
5.如权利要求3所述的电子保险丝，其特征在于：所述功率开关管为多个子功率开关管并列组成。
6.如权利要求3所述的电子保险丝，其特征在于：所述功率开关管为电控开关器件。
7.一种电子保险丝的工作方法，其特征在于：
电子保险丝未供电时处于通路状态；
电子保险丝供电后，处于通路或断开状态。
8.如权利要求7所述的电子保险丝的工作方法，其特征在于：电子保险丝供电后，检测流过电子保险丝的电流，如果所述电流超过设定值，所述电子保险丝被设置为断开状态。
9.如权利要求7所述的电子保险丝的工作方法，其特征在于：电子保险丝供电后，外部信号控制电子保险丝的导通状态。
10.如权利要求8或9任一所述的电子保险丝的工作方法，其特征在于：电子保险丝供电后，外部信号结合内部检测流过电子保险丝的电流是否超过设定值，控制所述电子保险丝被设置为通路或断开状态。
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