CN111327024A - 用于功率系统的具有切断开关的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及用于功率系统的具有切断开关的保护电路。一种操作功率保护系统的方法，功率保护系统耦合在功率源与功率转换器之间，该方法包括：由功率保护系统的控制器产生到功率保护系统的切断开关驱动信号，以将功率源电耦合到功率转换器；由功率保护系统的控制器检测在功率转换器处于操作时功率转换器的故障状况，其中该检测包括由功率保护系统的控制器检测在来自功率转换器的栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态的同时，流过切断开关的电流高于预定阈值；以及响应于检测到故障状况，由功率保护系统的控制器断开切断开关以将功率源与功率转换器隔离。

Description

用于功率系统的具有切断开关的保护电路
技术领域
本发明总体上涉及一种用于功率系统的保护电路，并且在特定实施例中，涉及一种具有被耦合在功率源与功率转换器之间的切断开关的保护电路。
背景技术
功率转换器在从计算机到汽车的很多电子应用中都很普遍。在一些实施例中，功率转换器内的电压是通过执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来生成的，而DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换是通过操作负载有电感器或变压器的开关。功率转换器的示例包括开关模式电源(SMPS)和线性调节器。因为功率转换是通过对电感器或变压器的受控充电和放电来执行的，并且减少了由于跨电阻性压降两端的功率耗散而导致的能量损失，SMPS通常比其他类型的功率转换系统更高效。
SMPS通常包括至少一个开关(也称为功率开关)和电感器或变压器。一些特定拓扑包括降压转换器、升压转换器和反激转换器等。控制电路通常被使用，以断开和闭合开关以对电感器充电和放电。在某些应用中，供应给负载的电流和/或电压经由反馈回路来控制。在某些拓扑中，在SMPS中使用的开关是使用共源共栅(cascode)开关实现的。线性调节器是另一类功率转换器，其中传输晶体管通过控制器来控制(例如，接通和断开)，以向外部负载提供稳定电压。
在诸如汽车安全应用等安全应用中，应当为连接到功率转换器的电子设备提供过电压保护。由于SMPS的功率开关或线性调节器的传输晶体管中的电短路，这种电短路可能导致功率源(例如，电池)的高电压被施加到电气设备，因此过电压状况可能发生。传统的过电压保护方法可能需要数十微秒的时间来检测过电压状况以将电子设备与危险的高电压隔离。在本领域中需要能够快速检测过电压状况并且保护电子设备免受高电压影响的电路和方法。
发明内容
根据一个实施例，一种操作功率保护系统的方法，该功率保护系统被耦合在功率源与功率转换器之间，该方法包括：由功率保护系统的控制器产生到功率保护系统的切断开关的驱动信号，以将功率源电耦合到功率转换器；以及由功率保护系统的控制器在功率转换器处于操作时，检测功率转换器的故障状况，该检测包括：由功率保护系统的控制器从功率转换器接收第一栅极控制信号，第一栅极控制信号指示在功率转换器处于操作时，功率转换器的第一电流路径是被接通还是被断开，以及当流过切断开关的第一电流高于第一预定阈值、同时第一栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，由功率保护系统的控制器指示故障状况。该方法还包括响应于检测到故障状况，由功率保护系统的控制器断开切断开关，以将功率源与功率转换器隔离。
根据一个实施例，一种操作功率系统的方法，功率系统包括功率转换器和保护电路，保护电路被耦合在电压源与功率转换器之间，该方法包括：由保护电路的控制器将保护电路的切断开关接通，切断开关被耦合在功率源与功率转换器的输入电压节点之间；通过导通和截止功率转换器的功率开关，启动功率转换器；以及在启动功率转换器之后，执行第一测试以检测功率转换器的高压侧功率开关的电短路，其中执行第一测试包括：由保护电路的控制器接收高压侧功率开关的栅极控制信号；以及当栅极控制信号具有与高压侧功率开关的OFF状态相对应的值时，由保护电路的控制器确定电流流过切断开关。
根据一个实施例，一种功率保护电路，其被配置为被耦合在电压源与功率转换器之间，该功率保护电路包括：控制器；驱动器电路，被配置为被耦合在控制器与切断开关之间，其中切断开关的第一负载路径端子被配置为被耦合到电压源，并且切断开关的第二负载路径端子被配置为被耦合到功率转换器；电流感测电路，被配置为被耦合到切断开关，并且感测流过切断开关的电流；电流测量电路，被耦合在控制器与电流感测电路之间，并且被配置为提供感测的、流过切断开关的电流的第一测量；比较器，被配置为被耦合在控制器与切断开关的第二负载路径端子之间，并且将第二负载路径端子处的电压与预定电压阈值相比较；以及下拉电路，被配置为被耦合在控制器与切断开关的第二负载路径端子之间，其中控制器被配置为：向切断开关断言驱动信号；基于第一测量，监测通过切断开关的电流；当功率转换器被激活、并且当功率转换器的栅极控制信号指示功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，检测到存在流过切断开关的电流，其中第一电流路径被耦合到切断开关的第二负载路径端子；以及当功率转换器被激活、并且当功率转换器的栅极控制信号指示功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，响应于检测到存在流过切断开关的电流，断开切断开关。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图的描述，在附图中：
图1示出了一个实施例中的具有保护电路的功率系统的框图；
图2A示出了一个实施例中的保护电路的框图；
图2B示出了一个实施例中的电流感测电路；
图3示出了一个实施例中的包括保护电路和开关模式电源(SMPS)的功率系统；
图4示出了一个实施例中的包括保护电路和线性调节器的功率系统；
图5示出了一个实施例中的用于在功率系统的操作期间的故障状况的检测的方法的定时图；
图6示出了另一实施例中的、用于在功率系统的操作期间的故障状况的检测的方法的定时图；
图7示出了一个实施例中的、用于在功率系统的自测试期间的设备失效的检测的方法的定时图；
图8示出了另一实施例中的、用于在功率系统的自测试期间的设备失效的检测的方法的定时图；以及
图9示出了一个实施例中的、用于操作被耦合在功率源与功率转换器之间的功率保护系统的方法的流程图。
除非另外指出，否则不同图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。附图被绘制以清楚地示出优选实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施例，在附图编号之后可以加上表示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母。
具体实施方式
下面将详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了可以在各种各样的特定环境中实现的很多适用的发明构思。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本发明的特定方式，而不限制本发明的范围。
将在关于在特定上下文中所公开的实施例的用于功率系统的保护电路、以及在特定实施例中的具有被耦合在功率源与功率转换器之间的切断开关的保护电路来描述本发明。
在一些实施例中，功率转换器的故障状况或保护电路的故障状况是通过执行合理性测试来检测的。在合理性测试中，功率转换器和/或保护电路以特定配置设置，以使得对于特定信号(例如，电压信号或电流信号)，特定值被预期。然后将特定信号的预期值与特定信号的测量值相比较。如果用于特定信号的预期值与测量值之间存在差异，则故障状况被检测到。响应于检测到故障状况，可以采取适当的过电压保护措施。例如，保护电路的切断开关可以断开，以将功率转换器与功率源隔离。作为另一示例，SMPS的功率开关的切换可以停止。
图1是一些实施例中的、具有被耦合在功率源170与功率转换器200之间的保护电路100(也被称为功率保护系统)的功率系统500的框图。注意，为简单起见，在图1中未示出功率系统500的所有细节。在所示实施例中，功率源170可以表示具有电压Vbat的电压源，诸如电池。备选地，功率源170可以使用产生电势的其他装置来实现。功率转换器200可以是任何合适类型的功率转换器，诸如开关模式电源(SMPS)或线性调节器。例如，功率转换器200可以是降压转换器、升压转换器、反激转换器、线性调节器等。功率转换器200还可以被称为调节器或功率调节器。如图1所示，功率转换器200的输入信号EN2启用或禁用功率转换器200的操作。功率转换器200在输出端口Vout处输出电压，输出端口Vout连接到外部负载以向外部负载供应电功率。
保护电路100包括切断开关101，其被电连接在功率源170与功率转换器200之间。切断开关101是可以通过控制信号(诸如来自驱动器103的控制电压)来接通或断开的开关。在一些实施例中，切断开关是晶体管，诸如n型横向双扩散金属氧化物半导体(NLDMOS)晶体管、p型横向双扩散金属氧化物半导体(PLDMOS)晶体管等。在一些实施例中，当切断开关101被接通(例如，处于ON状态)时，低阻抗电路径在切断开关101(例如，晶体管)的源极端子与漏极端子(其被统称为负载路径端子)之间形成，使得功率源170被电耦合到功率转换器200的输入电压节点201。当切断开关101断开时(例如，处于OFF状态)，高阻抗电路径在切断开关101的负载路径端子之间形成，使得功率源170与功率转换器200电隔离(例如，断开)。
在一些实施例中，切断开关101在功率系统500的正常操作期间被接通，使得功率源170被电耦合到功率转换器200，而当故障状况被检测到时，切断开关101断开以将功率源170与功率转换器200隔离，从而减少或防止与例如过电压状况有关的损坏，其细节在下文中讨论。
如图1所示，驱动器103被耦合在切断开关101与控制器105之间。在一些实施例中，驱动器103接受来自控制器105的栅极控制信号，并且将栅极控制信号转换为栅极电压，该栅极电压具有适当的电压水平和驱动能力，以接通或断开切断开关101。在所示实施例中，来自驱动器103的栅极电压被电耦合到切断开关101的栅极(参见图2A)。
控制器105可以是微控制器、数字信号处理器(DSP)等，并且可以具有存储器电路(例如，非易失性存储器)，该存储器电路可以被编程以使得控制器105可以执行存储在存储器电路中的程序(例如，计算机代码)。备选地或另外地，控制器105可以包括数字逻辑电路，该数字逻辑电路基于到控制器105的输入信号来执行逻辑决策/操作，诸如在下文中参考图5-8讨论的逻辑决策/操作。如图1所示，使能信号EN1启用或禁用控制器105的操作。
仍然参考图1，保护电路100包括电流感测电路107，用于感测(例如，测量)流过切断开关101的电流(例如，从功率源170朝向功率转换器200)。作为一个示例，电流感测电路107可以被实现为电流镜。作为另一示例，电流感测电路107可以被实现为分流电阻器，其被连接到切断开关101的源极端子或漏极端子，在这种情况下，跨分流电阻器的电压降指示(例如，是比例于)流过切断开关101的电流的值。因此，在所示实施例中，电流感测电路107输出比例于流过切断开关101的电流的值。
电流监测电路109也被称为电流测量电路，其被电耦合在电流感测电路107与控制器105之间。在一些实施例中，电流监测电路109测量电流感测电路107的输出，并且向控制器105发送测量的电流值。电流监测电路109还可以将测量的电流值与预定电流阈值相比较，并且向控制器105发送逻辑值(例如，逻辑高或逻辑低)以指示测量的电流值是高于还是低于预定电流阈值。
图1还示出了电压监测电路111，其被电耦合在控制器105与节点121之间，节点121被电耦合(例如，直接地或导电地连接)到切断开关101的负载路径端子、以及功率转换器200的输入电压节点201。如图1所示，节点121被设置在切断开关101与功率转换器200之间。电压监测电路111测量节点121处的电压，并且向控制器105发送测量的电压值。电压监测电路111还可以将测量的电压值与预定电压阈值相比较，并且将逻辑值(例如，逻辑高或逻辑低)发送到控制器105以指示测量的电压值是高于还是低于预定电压阈值。
图2A示出了根据一个实施例的、图1的保护电路100的框图。在图2A中，切断开关101被实现为晶体管，诸如NLDMOS晶体管。驱动器103可以使用本领域中已知的任何合适的驱动器电路来实现。在一些实施例中，驱动器103可以包括电荷泵电路。在图2A中，电压监测电路111被示出为电压比较器，其被耦合在节点121与控制器105之间，因此在下文中电压监测电路111也可以被称为电压比较器111。图2A还示出了被耦合在节点121与控制器105之间的下拉电路113。在所示实施例中，下拉电路113被配置为从节点121汲取电流，并且下拉电路113可以使用例如电流源电路、晶体管或可切换电阻性电路来实现。下拉电路113可以是弱下拉电路，并且可以具有有限的驱动能力(例如，在几毫安(mA)到数十mA之间)。如在下文中详细描述的，下拉电路113、电压比较器111、电流监测电路109和电流感测电路107被用于检测功率系统500的故障状况。
图2A进一步在框图的左侧示出了各种输入信号(例如，时钟信号、使能信号)，并且在框图的右侧示出了各种输出信号(例如，状态信号)。另外，输入电压信号和参考信号(例如，电接地信号)分别在框图的顶部和底部被示出。在一些实施例中，保护电路100被实现为在半导体衬底上单片形成的集成电路(IC)，尽管保护电路100也可以使用分立组件来实现。
图2B示出了一些实施例中的电流感测电路107的示意图。为了便于讨论，不是电流感测电路107的一部分的驱动器103和切断开关101也在图2B中示出。换言之，电流感测电路107包括图2B中的虚线框内的组件。
图2B的电流感测电路107作为电流镜而起作用，并且电流感测电路107包括晶体管131(例如，MOS晶体管)，晶体管131利用切断开关101的大小与晶体管131的大小之间的大比率，来与切断开关101(例如，MOS晶体管)相匹配。例如，切断开关101的大小可以是晶体管131的1000倍。对于图2B的电流镜电路，电流Ico(其流过切断开关101的负载路径端子)与电流Isense(其流过晶体管131的负载路径端子)之间的关系由Isense＝Ico×S131/S101来描述，其中S131和S101分别表示晶体管131的大小和切断开关101(例如，晶体管)的大小。因此，对于上面的示例，Isense可以是Ico的1/1000，或是甚至更小。
此外，图2B的电流感测电路107包括误差放大器133，误差放大器133用于将切断开关101和晶体管131的源极(例如，源极端子)保持在相同的电压水平，以用于闭合回路，并且用于确保上面描述的Ico与Isense之间的关系。图2B进一步示出了由误差放大器133来驱动的两个晶体管135和137(例如，MOS晶体管)。电流Isense流过晶体管135。电流Isense_out流过的晶体管137的漏极形成电流感测电路107的输出。在一些实施例中，晶体管135和137之间的比率(例如，大小比率)是1：1，并且因此，Isense_out等于Isense。在其他实施例中，将晶体管135和137之间的比率被调整为不同于1的值，使得Isense_out是比例于Isense(例如，是Isense的分数或倍数)。图2B所示的电流感测电路107是非限制性示例。电流感测电路107的其他配置或结构是可能的，并且完全旨在被包括在本公开的范围内。
图3示出了图1的功率系统500的一个实施例，其中保护电路100与图2A的保护电路100相同，并且功率转换器200是开关模式电源(SMPS)，诸如降压转换器。如图3所示，功率转换器200包括两个功率开关，诸如高侧功率开关211和低侧功率开关213，高侧功率开关211和低侧功率开关213被耦合到控制器205。在SMPS的正常操作期间，控制器205交替地接通和断开高侧功率开关211和低侧功率开关213。高侧功率开关211也可以被称为功率转换器200的第一电流路径，并且当高侧功率开关211被接通(或被断开)时，第一电流路径被称为处于ON状态(或者处于OFF状态)。
图3中的功率转换器200还包括电感器L，其被耦合在节点215(也可以被称为功率转换器200的开关节点)与输出端口Vout之间。功率转换器200还包括电容器C，其被耦合在输出端口Vout与参考电压节点(例如，电接地)之间。另外，图3的功率转换器200包括电流感测电路207，并且包括用于测量和/或用于将测量的电流值与预定阈值相比较的电流监测电路209，电流感测电路207可以与电流感测电路107相同或相似。
如图3所示，功率转换器200的控制器205例如通过信号路径221被耦合到保护电路100的控制器105。另外，功率转换器200的电流监测电路209的输出例如通过信号路径223被发送给保护电路100的控制器105。如下文所描述的，功率转换器200与保护电路100之间的通信允许功率系统500的各种故障状况的检测。
图4示出了图1的功率系统500的一个实施例，其中保护电路100与图2A的保护电路100相同，并且功率转换器200是具有传输晶体管(pass transistor)211的线性调节器。图4中的线性调节器的传输晶体管211还可以被称为线性调节器的第一电流路径，并且当传输晶体管211被接通(或被断开)时，第一电流路径被称为处于ON状态(或者处于OFF状态)。为简单起见，图4中并未示出线性转换器的所有细节。
类似于图3的功率转换器200，图4的功率转换器200还包括电流感测电路207、电流监测电路209和控制器205。此外，控制器205和电流监测电路209分别通过信号路径221和信号路径223被耦合到控制器105。在下文中关于各种故障状况的检测的讨论可以使用图3中的功率系统500作为一个示例(例如，可以参考功率转换器200的高侧功率开关211和低侧功率开关213)，其中应当理解，本公开的原理可以应用于具有其他类型的功率转换器的其他功率系统，诸如图4中的具有线性调节器的功率系统500。
在功率系统500的各种应用中，功率源170是具有高电压(例如12V、40V或甚至更高)的电池。功率转换器200对高电压进行下转换，并且在输出端口Vout处生成诸如3.3V或5V的输出电压。然后，较低的输出电压用于向具有较低额定电压(例如，3.3V、5V)的电气设备供应电功率。在功率系统500的操作期间，如果存在故障状况，诸如功率开关的电短路(参见例如图3中的211)，则功率源170的高电压(例如，12V、40V)可以被直接施加到具有较低额定电压(例如，3.3V、5V)的电气设备，从而导致可能损坏电气设备的过电压状况。为了检测过电压状况，输出端口Vout处的电压可以被测量和监测。但是，因为当高电压已经在输出端口Vout处(因此已经被施加到电气设备)时，检测才起作用，所以这种检测方法可能不足够快来防止对电气设备的损坏。另外，为了防止误检测，所测量的电压可能需要进行进一步处理(例如，被滤波以滤除所测量的电压中的随机杂散)。因此，这种检测方法的检测时间可以是大约为功率转换器200的脉冲宽度调制(PWM)控制信号的1个周期，并且可以是几微秒或数十微秒的量级。相反，本公开中所公开的保护电路100和检测方法实现了远远更快的过电压检测，例如，在用于保护电路100的控制器105的时钟信号的大约1个周期内，诸如小于200ns或小于100ns。更短的检测时间是有利的，因为它可以帮助更好地保护低电压域中的电气设备。
图5示出了一个实施例中的、用于在图3的功率系统500的操作期间检测故障状况的方法的定时图。特别地，图5示出了当高侧功率开关211(参见图3)具有电短路时的故障状况的检测。注意，当功率系统500处于正常操作时，切断开关101被接通，并且功率转换器200交替地导通和截止高侧功率开关211和低侧功率开关213。在图5-8中，时间标签T1、T2、T3、T4和T5用于表示图中的不同时刻。一幅图中的相同时间标签可以不一定与不同的图中的相同的时间标签相对应。
在图5中，信号501(被标记为“FSM采样”)是用于控制器105的时钟信号，其可以是例如比功率转换器200的PWM控制信号快10倍。信号502(被标记为“fail_coswitch_h_o”)是输出信号，其在被断言时(例如，具有逻辑高值)指示检测到故障状况。信号503(被标记为“coswitch_current”)示出了流过切断开关101的负载路径端子的电流的测量值，其由电流监测电路109来提供。信号504(被标记为“SW”)示出了功率转换器200的节点215处的电压。信号505(被标记为“pwm_coswitch_i”)是来自功率转换器200的控制器205的控制信号(例如，PWM控制信号)，用于接通和断开高侧功率开关211。例如，信号505的逻辑高值指示控制器205发送栅极控制信号以接通高侧功率开关211，并且信号505的逻辑低值指示控制器205发送栅极控制信号以断开高侧功率开关211。信号506(被标记为“en_coswitch_h_i”)是来自控制器105的使能信号，该使能信号在被断言时使得驱动器103接通切断开关101。
图5表示在从时间T1到时间T4的、当切断开关101被接通时的正常操作期间(例如，没有故障状况)的功率系统500的行为，并且功率转换器200交替地接通和断开高侧功率开关211和低侧功率开关213。注意，图5仅示出了用于高侧功率开关211的开关信号，而用于低侧功率开关213的开关信号在图5中未示出。例如，高侧功率开关211在时间T2到时间T3之间被接通，并且然后在时间T3之后被断开。
在时间T4，高侧功率开关211发生电短路，该电短路导致这样的电流：从功率源170流过切断开关101，流过(短路的)高侧功率开关211，并且流到电接地，而这如在时间T4到时间T5之间的信号503的上升电流值所指示。注意，在时间T4到时间T5之间，信号505具有逻辑低值，其表明控制器205发送栅极控制信号以断开高侧功率开关211。如果高侧功率开关211的确被断开，则功率转换器200不会从功率源170汲取电流，并且应当不存在流过切断开关101的电流。但是，由于电短路，低阻抗电路径存在于功率源170与电接地之间，并且因此，非预期的电流流过切断开关101。
因此，如上所讨论，当流过切断开关101的电流没有被预期时，这种电流的存在可以由控制器105来使用，以检测高侧功率开关211的故障状况(例如，电短路)。换言之，在功率系统500的正常操作期间，如果电流监测电路109检测到在信号505指示高侧功率开关211处于OFF状态的同时，流过切断开关101的电流高于预定电流阈值，则保护电路100的控制器105应当声明检测到故障状况(例如，高侧功率开关211的电短路)。注意，预定电流阈值由电流监测电路109用来检测流过切断开关101的电流的存在，并且因此，预定电流阈值不需要以严格的公差来实现。相反，预定电流阈值可以是任何合适的值，诸如100mA，以与没有流过切断开关101的电流的情形区分开。
如图5所示，信号502在控制器105的时钟信号的周期内被断言以指示检测到故障状况，并且信号506被控制器105解除断言以断开切断开关101，从而将功率源170与功率转换器200隔离以防止由于过电压而损坏。
如上所提及，尽管以图3的功率系统500为例讨论了图5所示的故障检测方法，但是图5所示的故障状况检测方法也可以用于图4的功率系统500以检测传输晶体管211的电短路。
以上参考图5讨论的保护电路100和检测方法实现了在可以小于约100ns的、控制器105的时钟信号的一个周期内的故障状况检测。结果，在流过切断开关101的电流从数安培(处于没有故障状况的正常操作中)增加到较大值(例如，超过十安培)之前，切断开关101被快速断开以实现过电压保护。由当前公开的方法提供的快速故障状况检测防止了功率转换器200的电感器被充电、以及使外部负载过载，并且有效地防止或减少了由于过电压状况的损坏。
图6示出了一个实施例中的、用于在功率系统500(例如，图3或图4中的功率系统500)的操作期间检测故障状况(例如，切断开关101的电短路)的方法的定时图。图6所示的检测方法使用保护电路100的电流监测电路109的输出、以及功率转换器200的电流监测电路209的输出。此外，该检测方法假定保护电路100的电流感测电路107、以及功率转换器200的电流感测电路207通过功率分割(例如，使用诸如图2B的电流感测电路107的电流镜)而不是通过分流电阻器来执行电流感测。
在图6中，信号601是图5控制器105的时钟信号，信号602是来自控制器105的输出信号，该输出信号在被断言时指示检测到故障状况。与图5中的信号505相同，信号603是来自控制器205的控制信号，该控制信号指示图3中的高侧功率开关211或图4中的传输晶体管211是被导通还是被截止。信号604与图5的信号504相同。与图5的信号503相同，信号605是流过切断开关101的负载路径端子的电流的测量值。信号606是流过图3中的针对高侧功率开关211或图4中的传输晶体管211的负载路径端子的电流的测量值。为了便于讨论，图3中的高侧功率开关211或图4中的传输晶体管211在下文中可以简单地称为晶体管211。
参考图6，从时间T1到时间T2，不存在故障状况，并且功率系统500正常地运行。例如，如信号605和信号606中的电流脉冲所指示，从时间T1到时间T2，在晶体管211被接通的时间间隔期间，电流流过切断开关101和晶体管211，而当晶体管211断开时，没有电流流过切断开关101。在时间T2，切断开关101具有电短路。在时间T3，如在时间T3的信号603的上升沿所指示，晶体管211再次被接通。结果，电流从功率源170流过(电短路的)切断开关101，并且通过晶体管211，并且因此，如在时间T3到时间T4之间的信号606的增加的电流值所指示，电流被电流监测电路209测量。
如果切断开关101没有被电短路，则电流监测电路109将能够测量和检测流过切断开关101的电流。但是，由于切断开关101的电短路，电流感测电路107被(电短路的)切断开关101有效地短路，并且因此，没有电流流过电流感测电路107。结果，如从时间T3到时间T4的信号605的低(例如，零)电流值所指示，电流监测电路109没有测量或检测到电流。换言之，虽然电流被预期由电流监测电路109测量或检测到，但是由于切断开关101的电短路而没有电流被测量或检测到。该差异可以由控制器105在合理性测试中使用以检测故障状况。特别地，控制器105从保护电路100的电流监测电路109接收第一输出，并且从功率转换器200的电流监测电路209接收第二输出。如果流过晶体管211的电流被检测到(例如，第二输出大于第二预定阈值)、并且流过切断开关101的电流(例如，第一输出小于第一预定阈值)没有被检测到，则控制器105确定切断开关101具有故障状况(例如，电短路)。
如图6所示，在时间T4，信号602由控制器602断言，以指示故障状况已经被检测到。控制器105还可以指令功率转换器200停止切换。在时间T5，功率转换器200停止切换。
注意，图6所示的方法可以修改，以在功率系统500的操作过程期间检测晶体管211的电短路。具体地，对于修改后的故障检测方法，信号605和606的波形被切换，其中图6中的其他信号保持不变。因此，可以如下描述修改后的故障状况检测方法。控制器105从保护电路100的电流监测电路109接收第一输出，并且从功率转换器200的电流监测电路209接收第二输出。如果流过切断开关101的电流(例如，第一输出大于第一预定阈值)被检测到、并且流过晶体管211的电流(例如，第二输出小于第二预定阈值)没有被检测到，则控制器105确定晶体管211具有故障状况(例如，电短路)。
图7示出了一个实施例中的、用于在功率系统的自测试期间检测设备失效的方法的定时图。自测试用于测试和标识保护电路100或功率转换器200中的故障状况，并且在所示实施例中在功率系统500开始正常操作之前被执行。换言之，当自测试正被执行时，功率转换器200不切换(例如，高侧功率开关211和低侧功率开关213保持处于OFF状态)。
在图7中，信号701是保护电路100的控制器105的时钟信号。信号702是保护电路100的电压比较器111的输出信号。针对信号702的逻辑高值指示节点121(参见例如图3)处的电压高于预定阈值，反之亦然。针对电压比较器111的预定阈值不必是准确的，并且可以是例如在零到功率源170的电压之间的合适的值。信号703是保护电路100的电流监测电路109的输出。在图7的示例中，针对信号703的逻辑高值指示流过切断开关101的电流高于预定阈值(例如，约100mA)，反之亦然。信号704是来自控制器105的、用于接通和断开截止开关101的使能信号(例如，逻辑高值用于接通切断开关101)。信号705是来自控制器105的、用于接通下拉电路113的使能信号，该下拉电路113在正常操作中被断开并且仅在自测试模式中被接通(例如，当信号705具有逻辑高值时)。信号706是在其被断言时启用自测试模式的使能信号(例如，来自控制器105)。
在图7中，从时间T1到T4的波形示出了在功率系统500中故障状况不存在情况下，在自测试期间的预期波形。这些波形将用作在出现故障时用于以下比较的基线：用于与从时间T5到时间T7的波形的比较的基线、以及与从时间T8到时间T11的波形的比较的基线。特别地，从时间T5到时间T7的波形对应于在其中切断开关101具有电短路的故障状况，并且从时间T9到时间T11的波形对应于在其中高侧功率开关211具有电短路的故障状况。
下文中描述用于检测上述故障状况的方法。参考图7，在时间T5之前的某个时间，切断开关101具有故障状况(例如，电短路)。在时间T5，信号706变为高，其启用自测试模式，并且信号705变为高，其接通下拉电路113。注意，信号704在时间T5为低，表明切断开关101应当处于OFF状态。由于功率转换器200的功率开关(例如，211、213)在自测试模式下断开，因此节点121(参见图3)与功率源170和功率转换器200隔离。因此，没有高电压被预期在节点121处。但是，由于切断开关101的电短路，节点121处的电压与具有高电压(例如，12V或40V)的功率源170的电压基本相同。结果，如从时间T5到时间T7的信号702所指示的，电压比较器111的输出变为高。控制器105通过在检测时间T6检测信号702的逻辑高值，来检测节点121处的这种非预期的高电压，并且声明切断开关101的故障状况。因此，控制器105可以断言错误信号以指示故障状况，并且可以停止功率系统500的操作。
仍然参考图7，使用时间T8到时间T11之间的波形来描述用于检测高侧功率开关211的电短路的方法。注意，在时间T5到时间T7之间的第一波形段和在时间T8到时间T11之间的第二波形段是彼此独立的。换言之，两个故障状况的检测是彼此独立的。
该检测方法假定在时间T8之前的某个时间，高侧功率开关211具有电短路。在时间T8，信号706变为高并且使功率系统500处于自测试模式中。在时间T9，信号705为低，使得下拉电路113被断开，并且信号704变为高以接通切断开关101。由于切断开关101正被接通，所以节点121具有高电压(例如，与功率源170的电压相同)，其使得电压比较器111的输出为高，如信号702所指示。由于在自测试模式期间功率转换器200被断开，没有电流被预期以流过切断开关101。但是，由于高侧功率开关211的电短路，所以非预期的电流从功率源170通过切断开关101和(短路的)高侧功率开关211流向外部负载。结果，如信号703所指示，电流监测电路109的输出变为高。控制器105通过检测在时间T10检测信号703的逻辑高值，来检测非预期的电流，并且声明高侧功率开关211的故障状况(例如，电短路)被检测到。控制器105可以断言错误信号以指示故障状况，并且可以停止功率系统500的操作以防止对功率系统500的损坏。
图8示出了一个实施例中的、用于在功率系统500的自测试期间设备失效的检测的附加方法的定时图。图8所示的信号与图7中的信号相同，并且时间T1到时间T4之间的波形与图7中的那些波形相同。
在图8中的时间T5到时间T7之间所示的波形可以用于检测电压比较器111的失效。参考图8，在时间T5，信号706变为高以使功率系统500处于自测试模式中。在时间T6，下拉电路113已经被断开，并且切断开关101被接通。由于切断开关101现在处于ON状态，因此节点121处的电压是高电压(例如，功率源170的电压)，并且因此，电压比较器111的输出应当为高，其指示节点121处的电压高于预定阈值。然而，由于比较器111的设备失效，比较器111不能正常工作，并且因此仍然具有逻辑低输出，其指示节点121处的电压低于预定阈值，如时间T6到时间T7之间的信号702的逻辑低值所指示。控制器105通过检测信号702的非预期的逻辑低值，来检测电压比较器111的故障。控制器105可以断言错误信号以指示故障状况，并且可以停止功率系统500的操作以防止对功率系统500的损坏。
在图8中的时间T8到时间T10之间所示的波形可以用于检测电流监测电路109的失效。参考图8，在时间T8，信号706变为高以使功率系统500处于自测试模式中。在时间T9，下拉电路113被接通，并且切断开关101已经被接通。在所示实施例中，下拉电路113是电流源，并且能够汇集来自节点121的电流，并且因此，电流通过切断开关101而流向下拉电路113。结果，电流监测电路109通常会输出逻辑高值，其指示所测量的电流值高于预定阈值。然而，由于电流监测电路109的设备失效，电流监测电路109的输出是低，其指示所测量的电流值低于预定阈值，如时间T9到时间T10之间的信号703的逻辑低值所指示。控制器105通过检测信号703的非预期逻辑低值，来检测该故障状况。控制器105可以断言错误信号以指示故障状况，并且可以停止功率系统500的操作以防止对功率系统500的损坏。注意，图8所示的以上两种故障状况检测方法假定切断开关101是正常工作的。如果切断开关101具有设备失效并且永久地停滞在OFF状态，则从时间T5到时间T7的波形、以及从时间T8到时间T10的波形将被观察到。
图9示出了根据一些实施例的操作功率保护系统的方法1000的流程图，该功率保护系统被耦合在功率源与功率转换器之间。应当理解，图9所示的实施例方法仅仅是很多可能的实施例方法的一个示例。本领域普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置和重复如图9所示的各个步骤。
参考图9，在步骤1010，功率保护系统的控制器产生到功率保护系统的切断开关的驱动信号，以将功率源电耦合到功率转换器。在步骤1020，功率保护系统的控制器检测在功率转换器处于操作时功率转换器的故障状况，其中该检测包括：由功率保护系统的控制器从功率转换器接收第一栅极控制信号，第一栅极控制信号指示在功率转换器处于操作时，功率转换器的第一电流路径是被接通还是被断开；以及当流过切断开关的第一电流高于第一预定阈值、同时第一栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，由功率保护系统的控制器指示故障状况。在步骤1030，响应于检测到故障状况，功率保护系统的控制器断开切断开关以将功率源与功率转换器隔离。
所公开的实施例实现了诸多优点。所公开的电路和方法能够在非常短的时间段内检测故障状况，诸如在控制器105的时钟信号的1个周期内。所公开的方法和方法能够在危险的高电压出现在功率转换器的输出处之前，检测到过电压状况，从而减少或防止由于过电压状况而造成的损坏。另外，用于在自测试模式下检测故障状况的方法提供了各种方法，以检查功率系统500的各种组件的功能。如果设备故障被检测到，则功率系统可以在自测试之后、且在功率转换器被接通之前被断开。这为功率系统提供了附加的保护层。
这里总结了本发明的示例实施例。从本文中提交的整个说明书和权利要求书中也可以理解其他实施例。
示例1.在一个实施例中，一种操作被耦合在功率源与功率转换器之间的功率保护系统的方法，包括：由功率保护系统的控制器产生到功率保护系统的切断开关的驱动信号，以将功率源电耦合到功率转换器；以及由功率保护系统的控制器在功率转换器处于操作状态时，检测功率转换器的故障状况，该检测包括：由功率保护系统的控制器从功率转换器接收第一栅极控制信号，第一栅极控制信号指示在功率转换器处于操作时，功率转换器的第一电流路径是被接通还是被断开，以及当流过切断开关的第一电流高于第一预定阈值、同时第一栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，由功率保护系统的控制器指示故障状况。该方法还包括响应于检测到故障状况，由功率保护系统的控制器断开切断开关，以将功率源与功率转换器隔离。
示例2.根据示例1的方法，其中该检测还包括：响应于检测到故障状况，由功率保护系统的控制器断言第一错误信号，其中第一错误信号指示功率转换器的第一电流路径的电短路。
示例3.根据示例1的方法，其中该指示还包括：由功率保护系统的电流感测电路感测流过切断开关的第一电流；以及由电流测量电路测量感测到的、流过切断开关的第一电流。
示例4.根据示例3的方法，其中该指示还包括：由功率保护系统的控制器确定在第一栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，由电流测量电路提供的测量值是高于预定阈值。
示例5.根据示例1的方法，其中该切断开关是晶体管，并且该功率保护系统包括驱动器电路，其被耦合在晶体管的栅极与功率保护系统的控制器之间，其中提供驱动信号包括：由功率保护系统的控制器向驱动器电路发送栅极控制电压，使得驱动器电路的输出被配置为接通切断开关。
示例6.根据示例1的方法，其中该功率转换器是开关模式电源，功率转换器的第一电流路径是高侧开关，功率转换器还包括低侧开关，并且其中在功率转换器处于操作时，高侧开关和低侧开关被交替地导通和截止。
示例7.根据示例1的方法，其中该功率转换器是线性调节器，并且功率转换器的第一电流路径是线性调节器的传输晶体管。
示例8.根据示例1的方法，还包括：在检测功率转换器的故障状况之前，在功率转换器没有处于操作时，执行功率保护系统的自测试，其中执行功率保护系统的自测试包括：由功率保护系统的控制器断开切断开关；由功率保护系统的控制器接通电流源，该电流源被耦合到在切断开关与功率转换器之间的第一节点；由功率保护系统的比较器将第一节点处的电压与第二预定阈值相比较；以及响应于检测到第一节点处的电压高于第二预定阈值，由功率保护系统的控制器断言指示切断开关的电短路的错误信号。
示例9.根据示例1的方法，还包括：在检测功率转换器的故障状况之前，在功率转换器没有处于操作时执行功率转换器的自测试，其中执行功率转换器的自测试包括：由功率保护系统的控制器接通切断开关；由功率保护系统的控制器检测存在流过切断开关的电流；以及响应于检测到存在流过切断开关的电流，由功率保护系统的控制器断言指示功率转换器的第一电流路径的电短路的错误信号。
示例10.根据示例1的方法，还包括：在检测功率转换器的故障状况之前，在功率转换器没有处于操作状态时执行功率保护系统的自测试，其中执行功率保护系统的自测试包括：由功率保护系统的控制器接通切断开关；由功率保护系统的比较器将第一节点处的电压与第二预定阈值相比较，其中第一节点是在切断开关与功率转换器之间；以及响应于检测到比较器的输出指示第一节点处的电压低于第二预定阈值，由功率保护系统的控制器断言指示比较器发生故障的错误信号。
示例11.根据示例1的方法，还包括：在检测功率转换器的故障状况之前，在功率转换器没有处于操作状态时执行功率保护系统的自测试，其中执行功率保护系统的自测试包括：由功率保护系统的控制器接通切断开关；由功率保护系统的控制器接通耦合到在切断开关与功率转换器之间的第一节点的电流源；由功率保护系统的电流测量电路测量流过切断开关的第一电流；以及响应于检测到由电流测量电路测量的第一电流小于第二预定阈值，由功率保护系统的控制器断言指示电流测量电路失灵的错误信号。
示例12.在一个实施例中，一种操作功率系统的方法，该功率系统包括功率转换器和保护电路，保护电路被耦合在电压源与功率转换器之间，该方法包括：由保护电路的控制器将保护电路的切断开关接通，切断开关被耦合在功率源与功率转换器的输入电压节点之间；通过导通和截止功率转换器的功率开关，启动功率转换器；以及在启动功率转换器之后，执行第一测试以检测功率转换器的高侧功率开关的电短路，其中执行第一测试包括：由保护电路的控制器接收高侧功率开关的栅极控制信号；以及当栅极控制信号具有与高侧功率开关的OFF状态相对应的值时，由保护电路的控制器确定电流流过切断开关。
示例13.根据示例12的方法，其中执行第一测试还包括：由保护电路的控制器断言指示高侧功率开关的电短路的第一错误信号。
示例14.根据示例12的方法，还包括：响应于检测到高侧功率开关的电短路，由保护电路的控制器断开保护电路的切断开关。
示例15.根据示例12的方法，还包括：在启动功率转换器之后，执行第二测试以检测保护电路的切断开关的电短路，其中执行第二测试包括：由保护电路的第一电流测量电路测量流过保护电路的切断开关的第一电流的第一值；由功率转换器的第二电流测量电路测量流过功率转换器的高侧功率开关的第二电流的第二值；以及响应于检测到流过保护电路的切断开关的第一电流的第一值小于第一预定阈值、并且流过功率转换器的高侧功率开关的第二电流的第二值大于第二预定阈值，由保护电路的控制器确定切断开关被电短路。
示例16.根据示例15的方法，还包括：响应于确定切断开关被电短路，由功率转换器的控制器停止切换功率转换器的功率开关。
示例17.根据示例12的方法，还包括：在启动功率转换器之后，执行第二测试以检测功率转换器的高侧功率开关的电短路，其中执行第二测试包括：由保护电路的第一电流测量电路测量流过保护电路的切断开关的第一电流的第一值；由功率转换器的第二电流测量电路测量流过功率转换器的高侧功率开关的第二电流的第二值；以及响应于检测到流过保护电路的切断开关的第一电流的第一值大于第一预定阈值，并且流过功率转换器的高侧功率开关的第二电流的第二值小于第二预定阈值，由保护电路的控制器确定高侧功率开关被电短路。
示例18.在一个实施例中，一种功率保护电路，被配置为耦合在电压源与功率转换器之间，该功率保护电路包括：控制器；驱动器电路，被配置为被耦合在控制器与切断开关之间，其中切断开关的第一负载路径端子被配置为被耦合到电压源，并且切断开关的第二负载路径端子被配置为被耦合到功率转换器；电流感测电路，被配置为被耦合到切断开关，并且感测流过切断开关的电流；电流测量电路，被耦合在控制器与电流感测电路之间，并且被配置为提供对感测的、流过切断开关的电流的第一测量；比较器，被配置为被耦合在控制器与切断开关的第二负载路径端子之间，并且将第二负载路径端子处的电压与预定电压阈值相比较；以及下拉电路，被配置为被耦合在控制器与切断开关的第二负载路径端子之间，其中控制器被配置为：向切断开关断言驱动信号；基于第一测量，监测通过切断开关的电流；当功率转换器被激活、并且功率转换器的栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，检测到存在流过切断开关的电流，第一电流路径被耦合到切断开关的第二负载路径端子；以及当在功率转换器被激活、并且当功率转换器的栅极控制信号指示针对功率转换器的第一电流路径的OFF状态时，响应于检测到存在流过切断开关的电流时，截止切断开关。
示例19.根据示例18的功率保护电路，还包括切断开关。
示例20.根据示例18的功率保护电路，其中控制器还被配置为：接受通过功率转换器的第一电流路径的电流的第二测量；以及通过确定第一测量指示没有流过切断开关的电流、并且第二测量指示存在流过功率转换器的第一电流路径的电流，检测切断开关的电短路。
尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但是本说明书旨在以限制性的意义来解释。参考说明书，说明性实施例的各种修改和组合、以及本发明的其他实施例的对于本领域技术人员将是显而易见。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (20)

1.一种操作功率保护系统的方法，所述功率保护系统被耦合在功率源与功率转换器之间，所述方法包括：
由所述功率保护系统的控制器产生到所述功率保护系统的切断开关的驱动信号，以将所述功率源电耦合到所述功率转换器；
由所述功率保护系统的所述控制器在所述功率转换器处于操作时，检测所述功率转换器的故障状况，所述检测包括：
由所述功率保护系统的所述控制器从所述功率转换器接收第一栅极控制信号，所述第一栅极控制信号指示在所述功率转换器处于操作时，所述功率转换器的第一电流路径是被接通还是被断开，以及
当流过所述切断开关的第一电流高于第一预定阈值、同时所述第一栅极控制信号指示针对所述功率转换器的所述第一电流路径的断开状态时，由所述功率保护系统的所述控制器指示所述故障状况；以及
响应于检测到所述故障状况，由所述功率保护系统的所述控制器断开所述切断开关，以将所述功率源与所述功率转换器隔离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测还包括：
响应于检测到所述故障状况，由所述功率保护系统的所述控制器断言第一错误信号，其中所述第一错误信号指示所述功率转换器的所述第一电流路径的电短路。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述指示还包括：
由所述功率保护系统的电流感测电路感测流过所述切断开关的所述第一电流；以及
由电流测量电路测量感测到的、流过所述切断开关的的所述第一电流。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述指示还包括：
由所述功率保护系统的所述控制器确定在所述第一栅极控制信号指示针对所述功率转换器的所述第一电流路径的断开状态时，由所述电流测量电路提供的测量是高于预定阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述切断开关是晶体管，并且所述功率保护系统包括驱动器电路，所述驱动电路被耦合在所述晶体管的栅极与所述功率保护系统的所述控制器之间，其中提供所述驱动信号包括：
由所述功率保护系统的所述控制器向所述驱动器电路发送栅极控制电压，使得所述驱动器电路的输出被配置为接通所述切断开关。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率转换器是开关模式电源，所述功率转换器的所述第一电流路径是高侧开关，所述功率转换器还包括低侧开关，并且其中在所述功率转换器处于操作时，所述高侧开关和所述低侧开关被交替地导通和截止。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率转换器是线性调节器，并且所述功率转换器的所述第一电流路径是所述线性调节器的传输晶体管。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在检测所述功率转换器的所述故障状况之前，在所述功率转换器没有处于操作时，执行所述功率保护系统的自测试，其中执行所述功率保护系统的所述自测试包括：
由所述功率保护系统的所述控制器断开所述切断开关；
由所述功率保护系统的所述控制器接通电流源，所述电流源被耦合到在所述切断开关与所述功率转换器之间的第一节点；
由所述功率保护系统的比较器将所述第一节点处的电压与第二预定阈值相比较；以及
响应于检测到所述第一节点处的所述电压高于所述第二预定阈值，由所述功率保护系统的所述控制器断言指示所述切断开关的电短路的错误信号。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：在检测所述功率转换器的所述故障状况之前，在所述功率转换器没有处于操作时执行所述功率转换器的自测试，其中执行所述功率转换器的所述自测试包括：
由所述功率保护系统的所述控制器接通所述切断开关；
由所述功率保护系统的所述控制器检测存在流过所述切断开关的电流；以及
响应于检测到存在流过所述切断开关的电流，由所述功率保护系统的所述控制器断言指示所述功率转换器的所述第一电流路径的电短路的错误信号。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：在检测所述功率转换器的所述故障状况之前，在所述功率转换器没有处于操作时执行所述功率保护系统的自测试，其中执行所述功率保护系统的所述自测试包括：
由所述功率保护系统的所述控制器接通所述切断开关；
由所述功率保护系统的比较器将第一节点处的电压与第二预定阈值相比较，其中所述第一节点是在所述切断开关与所述功率转换器之间；以及
响应于检测到所述比较器的输出指示所述第一节点处的所述电压低于所述第二预定阈值，由所述功率保护系统的所述控制器断言指示所述比较器发生故障的错误信号。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：在检测所述功率转换器的所述故障状况之前，在所述功率转换器没有处于操作时执行所述功率保护系统的自测试，其中执行所述功率保护系统的所述自测试包括：
由所述功率保护系统的所述控制器接通所述切断开关；
由所述功率保护系统的所述控制器接通耦合到在所述切断开关与所述功率转换器之间的第一节点的电流源；
由所述功率保护系统的电流测量电路测量流过所述切断开关的第一电流；以及
响应于检测到由所述电流测量电路测量的所述第一电流小于第二预定阈值，由所述功率保护系统的所述控制器断言指示所述电流测量电路失灵的错误信号。
12.一种操作功率系统的方法，所述功率系统包括功率转换器和保护电路，所述保护电路被耦合在电压源与所述功率转换器之间，所述方法包括：
由所述保护电路的控制器将所述保护电路的切断开关接通，所述切断开关被耦合在所述功率源与所述功率转换器的输入电压节点之间；
通过导通和截止所述功率转换器的功率开关，启动所述功率转换器；以及
在启动所述功率转换器之后，执行第一测试以检测所述功率转换器的高侧功率开关的电短路，其中执行所述第一测试包括：
由所述保护电路的所述控制器接收所述高侧功率开关的栅极控制信号；以及
当所述栅极控制信号具有与所述高侧功率开关的断开状态相对应的值时，由所述保护电路的所述控制器确定电流流过所述切断开关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中执行所述第一测试还包括：
由所述保护电路的所述控制器断言指示所述高侧功率开关的所述电短路的第一错误信号。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
响应于检测到所述高侧功率开关的所述电短路，由所述保护电路的所述控制器断开所述保护电路的所述切断开关。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括：在启动所述功率转换器之后，执行第二测试以检测所述保护电路的所述切断开关的电短路，其中执行所述第二测试包括：
由所述保护电路的第一电流测量电路测量流过所述保护电路的所述切断开关的第一电流的第一值；
由所述功率转换器的第二电流测量电路测量流过所述功率转换器的所述高侧功率开关的第二电流的第二值；以及
响应于检测到流过所述保护电路的所述切断开关的所述第一电流的所述第一值小于第一预定阈值、并且流过所述功率转换器的所述高侧功率开关的所述第二电流的所述第二值大于第二预定阈值，由所述保护电路的所述控制器确定所述切断开关被电短路。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
响应于确定所述切断开关被电短路，由所述功率转换器的所述控制器停止切换所述功率转换器的所述功率开关。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：在启动所述功率转换器之后，执行第二测试以检测所述功率转换器的所述高侧功率开关的电短路，其中执行所述第二测试包括：
由所述保护电路的第一电流测量电路测量流过所述保护电路的所述切断开关的第一电流的第一值；
由所述功率转换器的第二电流测量电路测量流过所述功率转换器的所述高侧功率开关的第二电流的第二值；以及
响应于检测到流过所述保护电路的所述切断开关的所述第一电流的所述第一值大于第一预定阈值，并且流过所述功率转换器的所述高侧功率开关的所述第二电流的所述第二值小于第二预定阈值，由所述保护电路的所述控制器确定所述高侧功率开关被电短路。
18.一种功率保护电路，被配置为被耦合在电压源与功率转换器之间，所述功率保护电路包括：
控制器；
驱动器电路，被配置为被耦合在所述控制器与切断开关之间，其中所述切断开关的第一负载路径端子被配置为被耦合到所述电压源，并且所述切断开关的第二负载路径端子被配置为被耦合到所述功率转换器；
电流感测电路，被配置为被耦合到所述切断开关，并且感测流过所述切断开关的电流；
电流测量电路，被耦合在所述控制器与所述电流感测电路之间，并且被配置为提供对感测的、流过所述切断开关的电流的第一测量；
比较器，被配置为被耦合在所述控制器与所述切断开关的所述第二负载路径端子之间，并且将所述第二负载路径端子处的电压与预定电压阈值相比较；以及
下拉电路，被配置为被耦合在所述控制器与所述切断开关的所述第二负载路径端子之间，
其中所述控制器被配置为：
向所述切断开关断言驱动信号；
基于所述第一测量，监测通过所述切断开关的所述电流；
当所述功率转换器被激活、并且当所述功率转换器的栅极控制信号指示针对所述功率转换器的第一电流路径的断开状态时，检测存在流过所述切断开关的电流，所述第一电流路径被耦合到所述切断开关的所述第二负载路径端子；以及
当所述功率转换器被激活、并且当所述功率转换器的所述栅极控制信号指示针对所述功率转换器的所述第一电流路径的所述断开状态时，响应于检测到存在流过所述切断开关的电流，截止所述切断开关。
19.根据权利要求18所述的功率保护电路，还包括所述切断开关。
20.根据权利要求18所述的功率保护电路，其中所述控制器还被配置为：
接受通过所述功率转换器的所述第一电流路径的电流的第二测量；以及
通过确定所述第一测量指示没有流过所述切断开关的电流、并且第二测量指示存在流过所述功率转换器的所述第一电流路径的电流，检测所述切断开关的电短路。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10937300B2 (en) * 2018-10-29 2021-03-02 OhnKat Inc. Radio frequency transmission device that triggers electromechanical actions wirelessly using smart device electrical behavior
CN110970866A (zh) * 2019-11-14 2020-04-07 华为技术有限公司 一种接触器控制装置和供电系统
US11699948B2 (en) * 2020-08-07 2023-07-11 Delta Electronics, Inc. Power supply system with self-excited drive function
US11545887B2 (en) * 2021-04-16 2023-01-03 Infineon Technologies Ag Safety cutoff circuit for power converter
US11888335B1 (en) * 2022-08-23 2024-01-30 Ampaire, Inc. Battery inrush and outrush current limiting
WO2024135189A1 (ja) * 2022-12-19 2024-06-27 ローム株式会社 信号伝達装置、電子機器、車両

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104885320A (zh) * 2012-12-21 2015-09-02 三菱电机株式会社 驱动保护电路、半导体模块以及汽车
CN104954002A (zh) * 2014-03-26 2015-09-30 英飞凌科技股份有限公司 功率开关的受控关断
US20150333502A1 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 Texas Instruments Deutschland Gmbh Short-circuit protection system for power converters
CN105450204A (zh) * 2014-09-19 2016-03-30 英飞凌科技奥地利有限公司 用于开关设备的故障检测
CN106452031A (zh) * 2015-08-04 2017-02-22 电力集成公司 在降压转换器中使用的具有反向电流防护的切换电路
CN106505861A (zh) * 2015-09-04 2017-03-15 电力集成公司 功率转换器中的输入与输出过电压保护
US20170366091A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 Nxp B.V. Isolated power converter with output voltage protection
CN107528297A (zh) * 2016-06-20 2017-12-29 株式会社捷太格特 过电流保护电路
CN107528452A (zh) * 2016-06-22 2017-12-29 瑞萨电子株式会社 驱动装置和电源系统
CN107615631A (zh) * 2015-05-20 2018-01-19 日产自动车株式会社 电源控制装置及其方法
US20180191254A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-05 Dialog Semiconductor Inc. Sense resistor short detection for synchronous rectifier

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7868779B2 (en) * 2005-04-04 2011-01-11 Codman NeuroSciences Sárl Circuitry for powering on and maintaining activation of a powered off electronic component
CN102901919B (zh) * 2011-07-29 2015-02-04 台达电子企业管理（上海）有限公司 双馈式感应发电系统及其有源撬棍电路的自我测试方法
JP6274365B2 (ja) * 2015-08-19 2018-02-07 日本精工株式会社 電子制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104885320A (zh) * 2012-12-21 2015-09-02 三菱电机株式会社 驱动保护电路、半导体模块以及汽车
CN104954002A (zh) * 2014-03-26 2015-09-30 英飞凌科技股份有限公司 功率开关的受控关断
US20150280416A1 (en) * 2014-03-26 2015-10-01 Infineon Technologies Ag Controlled switch-off of a power switch
US20150333502A1 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 Texas Instruments Deutschland Gmbh Short-circuit protection system for power converters
CN105450204A (zh) * 2014-09-19 2016-03-30 英飞凌科技奥地利有限公司 用于开关设备的故障检测
CN107615631A (zh) * 2015-05-20 2018-01-19 日产自动车株式会社 电源控制装置及其方法
CN106452031A (zh) * 2015-08-04 2017-02-22 电力集成公司 在降压转换器中使用的具有反向电流防护的切换电路
CN106505861A (zh) * 2015-09-04 2017-03-15 电力集成公司 功率转换器中的输入与输出过电压保护
US20170366091A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 Nxp B.V. Isolated power converter with output voltage protection
CN107528297A (zh) * 2016-06-20 2017-12-29 株式会社捷太格特 过电流保护电路
CN107528452A (zh) * 2016-06-22 2017-12-29 瑞萨电子株式会社 驱动装置和电源系统
US20180191254A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-05 Dialog Semiconductor Inc. Sense resistor short detection for synchronous rectifier

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