CN111788750B - 为高侧驱动器提供反向电流保护的电路 - Google Patents

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Abstract

一种在第一电压轨和第二电压轨(即VDD_HV和VDD_MV)之间操作的电子控制单元(ECU)(400)，其包括放大器电路(304')和单一电流感测电路(402、404、406、408)，该单一电流感测电路经耦合以对总线引脚(OUTx)承载信号并保护总线管脚不受对地短路和对电池短路的影响。单一电流感测电路包括：将信号传递到总线引脚的开关电路(402)；以及提供与总线引脚处的输出电流成比例的第二电流(IMrev)的正向电流感测电路(404)。当总线管脚(OUTx)上的电压高于给定值时，正向电流感测电路(404)使第二电流基本为零。单一电流感测电路还包括正向电流保护电路(406)和反向电流开关电路(408)，反向电流开关电路(408)接收第二电流并在第二电流为零时断开与第二电压的连接。

Description

为高侧驱动器提供反向电流保护的电路
技术领域
本发明总体涉及电子电路，并且更具体地涉及为高侧驱动器提供反向电流保护的电路。
背景技术
外设传感器接口(PSI)是一个不断发展的汽车标准，PSI5是当前版本，被认为是局域互联网络(LIN)的替代品。许多汽车应用使用PSI协议，如安全气囊加速度传感器、超声波、动力系统、制动应用等。PSI收发器中的电子控制单元(ECU)向传感器提供电源(例如基极电压)和同步脉冲，同步脉冲开始采集来自传感器的数据。传感器继而响应电流调制数据，该调制数据被ECU感测并转换为数字波形。收发器总线引脚(OUTx)可能对地或电池短路，并需要双向电流感测进行故障保护。对地短路和对电池短路的保护通常使用两种不同的电路，这会导致芯片面积增加和功耗增加，这将在下面进行说明。需要用于保护电路的更小的占用面积和更低的功耗。
发明内容
所描述的示例为对地短路和对电池短路保护提供了单一电流感测路径，消除了使用两个或更多个电流感测回路来提供这两种保护。这反过来在电路所需的面积和操作电路所需的功率方面提供了效率。
在一个方面，一种用于高侧驱动器的电子控制单元(ECU)包括放大器电路，放大器电路包括第一开关晶体管，该第一开关晶体管与第二开关晶体管在承载第一电压的第一电压轨(rail)和承载小于第一电压的第二电压轨之间串联耦合，放大器电路经耦合以控制第一开关晶体管和第二开关晶体管中的对应栅极；和单一电流感测电路，其经耦合以保护高侧驱动器上的总线引脚免受对地短路和对电池短路的影响。单一电流感测电路包括：输入节点，其位于第一开关晶体管和第二开关晶体管之间；开关电路，其经耦合以在正常操作期间将电流从输入节点传递到总线引脚；正向电流感测电路，其耦合到输入节点和第一电压轨，正向电流感测电路经耦合以在第一输出节点上提供第一电流和在第二输出节点上提供第二电流，第一电流和第二电流中的每个都与总线引脚处的输出电流成比例，其中当总线引脚上的总线电压高于给定值时，第一电流和第二电流基本上为零；反向电流开关电路，其经耦合以接收第二电流并进一步耦合至第二开关晶体管的栅极，反向电流开关电路经耦合以在第二电流输出为零时将第二开关晶体管断开；以及正向电流保护电路，其耦合到正向电流感测电路、第一电压轨和提供第三电压(其小于第二电压)的第三电压轨，正向电流保护电路进一步经耦合以响应于对地短路来断开开关电路。
在另一个方面，收发器芯片包括多个解码器；和多个收发器，多个收发器中的每个经由对应的通道耦合到多个解码器中的对应的解码器，多个收发器中的一个收发器包括用于高侧驱动器的电子控制单元(ECU)。ECU包括：放大器电路和单一电流感测电路。该放大器电路包括第一开关晶体管，其与第一电压轨和第二电压轨之间的第二开关晶体管串联耦合，放大器电路经耦合以控制第一开关晶体管和第二开关晶体管中的对应的栅极；该单一电流感测电路经耦合以保护ECU上的总线引脚免受对地短路和对电池短路的影响。该单一电流感测电路包括：输入节点，其位于第一开关晶体管和第二开关晶体管之间；开关电路，其经耦合以在正常操作期间将电流从输入节点传递到总线引脚；正向电流感测电路，其耦合到输入节点和第一电压轨，该正向电流感测电路经耦合以在第一输出节点上提供第一电流和在第二输出节点上提供第二电流，第一电流和第二电流中的每个与总线引脚处的输出电流成比例，其中当总线引脚上的总线电压高于所选值时，第一电流和第二电流基本上为零；反向电流开关电路，其经耦合以接收第二电流并进一步耦合至第二开关晶体管的栅极，反向电流开关电路经耦合以在第二电流为零时将第二开关晶体管断开；以及正向电流保护电路，其耦合至正向电流感测电路、第一电压轨和第三电压轨，该正向电流保护电路进一步经耦合以响应于对地短路来断开开关电路。
在又一个方面，一种片上系统(SOC)包括电源模块、多个第一收发器以及多个第二收发器。该电源模块经耦合以提供第一电压轨、第二电压轨和第三电压轨，第一电压轨提供第一电压、第二电压轨提供小于第一电压的第二电压和第三电压轨提供小于第二电压的第三电压；多个第一收发器经耦合以接收第二电压轨和第三电压轨；该多个第二收发器经耦合以接收第一电压轨、第二电压轨和第三电压轨，多个第二收发器中的每个经由对应的通道耦合到多个解码器的对应的解码器，多个第二收发器中的一个收发器包括用于高侧驱动器的ECU。ECU包括：放大器电路和单一感测电路。该放大器电路包括与第一电压轨和第二电压轨之间的第二开关晶体管串联耦合的第一开关晶体管，该放大器电路经耦合以控制第一开关晶体管和第二开关晶体管中的对应的栅极；单一感测电路经耦合以保护ECU上的总线引脚免受对地短路和对电池短路的影响。单一感测电路包括：输入节点，其位于第一开关晶体管和第二开关晶体管之间；开关电路，其经耦合以在正常操作期间将电流从输入节点传递到总线引脚；正向电流感测电路，其耦合到输入节点和第一电压轨，该正向电流感测电路经耦合以提供第一电流和第二电流，第一电流和第二电流中的每个与总线引脚处的输出电流成比例，其中当总线引脚上的总线电压高于所选值时，第一电流和第二电流基本上为零；反向电流开关电路，其经耦合以接收第二电流并进一步耦合到第二开关晶体管的栅极，反向电流开关电路经耦合以在第二电流为零时将第二开关晶体管断开；以及正向电流保护电路，其耦合到正向电流感测电路、第一电压轨和第三电压轨，正向电流保护电路进一步经耦合以响应于对地短路来断开开关电路。
附图说明
图1描绘了根据本说明书的一个实施例的可使用感测电路的高侧驱动器的ECU的高级示意图。
图2描绘了用于常规高侧驱动器的ECU的稍微更详细的示意图。
图3A和图3B共同描绘了用于常规高侧驱动器的ECU的实施方式。
图4描绘了根据本说明书的一个实施例的用于高侧驱动器的ECU的一部分的实施方式。
图5描绘了根据本说明书的一个实施例的包含独立的PSI5收发器芯片的系统的高级示意图，该独立的PSI5收发器芯片可使用所描述的保护电路。
图6描绘了根据本说明书的一个实施例的一个包含SOC的系统的高级示意图，该SOC可以使用所描述的保护电路。
具体实施方式
在附图中，相似的附图标记指示相似的元件。本说明书中对“一个/一种、一”实施例的不同引用不一定指向相同实施例，并且这种引用可以表示至少一个。此外，当特定特征、结构或特性与实施例一起描述时，这种特征、结构或特性可以与其他实施例一起发挥效用，而不管是否明确描述。如本文所用，术语“耦合”意指间接或直接电气连接，除非可以限定为以“可通信地耦合”(其可包括无线连接)。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是直接电连接，或者是经由其他设备和连接的间接电连接。
图1描绘了汽车系统100的高级示意图，汽车系统100包括用于高侧驱动器的ECU102和通过双向信号线116耦合到ECU的总线引脚OUTx的传感器104。尽管在该图中仅示出一个传感器，但通常有多个传感器耦合到ECU 102。在一个实施例中，尽管汽车系统100也可以在其它汽车协议下操作，但是汽车系统100被设计成使用PSI协议例如，PSI5来操作。在PSI5协议中，双向信号线116是一种向传感器提供电力和提供数据传输二者的两线连接。ECU102包括在VCC的轨道和本地接地之间操作的低压逻辑电路106，VCC可以是例如5V。ECU 102还包括高压同步脉冲生成和电流感测电路108，该高压同步脉冲生成和电流感测电路108在轨道VDD_HV和VDD_MV之间操作，轨道VDD_HV通常具有14-40V范围内的“高”电压，轨道VDD_MV具有在一个实施例中值为约7V的“中”电压。
低压逻辑电路106向同步脉冲生成和电流感测电路108提供信号110，该同步脉冲生成和电流感测电路108可指示应提供同步脉冲以启动来自相关联的传感器的数据收集。同步脉冲生成和电流感测电路108在总线引脚OUTx上提供信号112。当汽车系统100激活时，信号112将提供例如7V的基极电压。响应于接收信号110上的脉冲，同步脉冲生成和电流感测电路108提供同步脉冲，在一个实施例中为12V。同步脉冲触发来自传感器104的响应，传感器104使用双向信号线116上的电流调制提供信号114，“低”电平由传感器的正常(静态)电流消耗表示，而“高”电平由传感器增加的电流灌入(sink)而生成。同步脉冲生成和电流感测电路108经配置以检测电流的变化并提供数字信号。
双向信号线116可通过汽车系统运行数米。在汽车系统100的使用寿命期间，总线引脚OUTx可能会无意中对电池或地短路，因此当出现任一这些情况时，必须保护ECU 102。图2描绘了汽车系统200，其为图1的稍微更详细的描述。ECU 202包含低压逻辑电路204、放大器电路206(在本示例中为隔离放大器(floating amplifier))和两个保护电路：正向电流感测电路208和反向电流感测电路210。使用两个或更多个单独的保护电路是很常见的，尽管这些电路中的每个在一个芯片上占用大量的空间，并且也需要大量的功率消耗才能运行。根据PSI5协议，每个设备存在多个通道，使得每个通道都需要正向电流感测电路和反向电流感测电路二者，每个通道都需要大面积，以及每个通道的消耗电流在200μA范围内。
图3A和图3B共同描绘了可用作ECU 202的高侧驱动器电路的ECU 300。ECU 300包含低压逻辑电路302、放大器电路304(其又是一个隔离放大器)、正向电流感测电路306和反向电流感测电路308。低压逻辑电路302包含分压器，该分压器包括电阻器R5和电阻器R6，电阻器R5和电阻器R6在电路的低压部分的上轨和低压部分的下轨之间与N型金属氧化物硅(NMOS)晶体管Ma串联耦合。NMOS晶体管Ma在电路激活时接收使能信号。在电阻器R5和电阻器R6之间获得的电压耦合到放大器310的非反相输入，并且放大器310的输出耦合到放大器310的反相输入以及还耦合到电流拉出器(current source)312。电流拉出器312通过开关S1耦合到节点316，电流灌入器(current sink)314也通过第二开关S2耦合到节点316。同步信号控制开关S1、开关S2，使得低压逻辑电路302的输出等于下轨或参考电压Vref，而电容器C1耦合在低压逻辑电路302的输出信号和下轨之间，以确保信号在下轨值和Vref之间具有倾斜过渡。
低压逻辑电路302产生的信号提供给放大器电路304，在所示实施例中，放大器电路304是接收高压轨VDD_HV、中压轨VDD_MV和低压轨VDD_LV的隔离放大器电路。电压轨VDD_HV、VDD_MV和VDD_LV可分别称为第一电压轨、第二电压轨和第三电压轨。在一个实施例中，高压轨VDD_HV承载约14V的第一电压，中压轨VDD_MV承载约7V的第二电压，低压轨VDD_LV承载局部接地的第三电压，也称为低压轨。在图3A-图3B所示的实施例中，需要使放大器电路304产生的脉冲具有非常可控的形状，以避免射频(RF)干扰。由于这一需要，经接收的信号在脉冲整形放大器318的非反相输入上接收，脉冲整形放大器318耦合到高压轨VDD_HV、中压轨VDD_MV和低压轨VDD_LV中的每个。二极管DHV提供保护，以防止电流从所示电路流向上游。
脉冲整形放大器318提供反相输出和非反相输出，该反相输出耦合到P型金属氧化物硅(PMOS)晶体管M4的栅极，非反相输出耦合到NMOS晶体管M3的栅极。PMOS晶体管M4具有耦合到高压轨VDD_HV的源极，NMOS晶体管M3具有耦合到低压轨VDD_LV的源极。PMOS晶体管M5和NMOS晶体管M6并联耦合在PMOS晶体管M4的漏极和NMOS晶体管M3的漏极之间，PMOS晶体管M5的栅极通过电流拉出器Vbp耦合到高压轨VDD_HV，NMOS晶体管M6的栅极通过电流灌入器Vbn耦合到低压轨上。PMOS晶体管M2与NMOS晶体管M1串联耦合在VDD_HV和VDD_LV之间。PMOS晶体管M2的栅极耦合到PMOS晶体管M4的漏极，NMOS晶体管M1的栅极耦合到NMOS晶体管M3的漏极。位于PMOS晶体管M2的漏极和NMOS晶体管M1的漏极之间的节点320经耦合以驱动NMOS晶体管Mb的栅极和PMOS晶体管Mc的栅极，并且还通过包括电阻器R7和电阻器R8的分压器耦合到脉冲整形放大器318的反相输入，以提供反馈回路。NMOS晶体管Mb具有通过电流灌入器322耦合到VDD_LV的源极和耦合到VDD_HV的漏极；PMOS晶体管Mc具有通过电流拉出器324耦合到VDD_HV的源极和耦合到VDD_LV的漏极。最后，NMOS开关晶体管Msr与PMOS开关晶体管Msn串联耦合在高压轨VDD_HV和中压轨VDD_MV之间。NMOS开关晶体管Msr的栅极耦合到电流拉出器324和PMOS晶体管Mc之间的节点326，PMOS开关晶体管Msn的栅极耦合到NMOS晶体管Mb和电流灌入器322之间的节点328。位于NMOS开关晶体管Msr的源极和PMOS开关晶体管Msn的源极之间的节点330向正向电流感测电路306和反向电流感测电路308提供信号。在正常操作期间，例如，当不存在短路时，放大器电路304提供与中压轨VDD_MV上承载电压的值相等的基极电压来为传感器供电。当放大器电路304在脉冲整形放大器318的输入上接收脉冲时，放大器电路304提供具有设计用于最小化RF干扰的精确形状的脉冲。
在正向电流感测电路306内，NMOS晶体管M7F和NMOS晶体管M7R在节点330和总线引脚OUTX之间串联耦合。电流拉出器332与电阻器Rg在VDD_HV和节点330之间串联耦合；电流拉出器332和电阻器Rg之间的节点N2耦合到NMOS晶体管M7F的栅极和NMOS晶体管M7R的栅极。NMOS晶体管M7F的栅极和NMOS晶体管M7R的栅极耦合到节点N2上的稳定电压，确保在节点330上接收到的信号被传递到总线引脚OUTx，除非在对地短路期间，NMOS晶体管M7F和NMOS晶体管M7R被专门断开。
同样在正向电流感测电路306内，运算放大器OA2与PMOS晶体管M8、PMOS晶体管M10和NMOS晶体管M9、NMOS晶体管M16一起进行电流感测，运算放大器Opf结合第三电阻器R3、第四电阻器R4、NMOS晶体管M11、NMOS晶体管M12、二极管D3和电流灌入器If_ref提供防止对地短路的保护。运算放大器OA2的非反相输入耦合到节点330以接收输出信号并将将其输出提供给NMOS晶体管M16的栅极。PMOS晶体管M8和NMOS晶体管M16、M9串联耦合在高压轨VDD_HV和第三节点N3之间，第三节点N3通过背靠背二极管D1、D2耦合到NMOS晶体管M7F的栅极和NMOS晶体管M7R的栅极，背靠背二极管D1、D2分别被视为第一二极管和第二二极管。位于NMOS晶体管M16的源极和NMOS晶体管M9的漏极之间的节点N4耦合到运算放大器OA2的反相输入，并且NMOS晶体管M9的栅极与NMOS晶体管M7F的栅极和NMOS晶体管M7R的栅极共同耦合到节点N2。PMOS晶体管M8是二极管耦合的，PMOS晶体管M8的栅极进一步耦合到PMOS晶体管M10的栅极，PMOS晶体管M10耦合在VDD_HV和节点N7之间，节点N7为进一步的处理提供电流Ircv。
在防止对地短路的正向电流感测电路306的部分内，电阻器R3与VDD_HV和节点N3之间的NMOS晶体管M12和M11串联耦合，电阻器R4与VDD_HV和VDD_LV之间的电流灌入器If_ref串联耦合。NMOS晶体管M12的栅极耦合到运算放大器OA2的输出；NMOS晶体管M11的栅极耦合到节点N2；电阻器R3和NMOS晶体管M12的漏极之间的第五节点N5耦合到运算放大器Opf的非反相输入。位于电阻器R4和电流灌入器If_ref之间的第六节点N6耦合到运算放大器Opf的反相节点，运算放大器Opf的输出通过二极管D3耦合到节点N2并且还耦合到NMOS晶体管M7F的栅极和NMOS晶体管M7R的栅极。将参考图4讨论正向电流感测电路的操作，图4只包含对该电路的少量的补充。
反向电流感测电路308还包含两个运算放大器OA1和Opr。此外，反向电流感测电路308包括电阻器R1r和电阻器R2r，电阻器R1r与VDD_HV和VDD_MV之间的NMOS晶体管M15和PMOS晶体管M14串联耦合，电阻器R2r与VDD_HV和VDD_LV之间的电流灌入器Ir_ref串联耦合。运算放大器OA1的非反相输入耦合到节点330，节点330向总线引脚OUTx提供输出信号；运算放大器OA1的反相输入耦合到节点348，节点348位于NMOS晶体管M15和PMOS晶体管M14的对应源之间；运算放大器OA1的输出耦合到NMOS晶体管M15的栅极。位于电阻器R1r和NMOS晶体管M15之间的节点344耦合到运算放大器Opr的反相节点，而位于电阻器R2r和电流灌入器Ir_ref之间的节点346耦合到运算放大器Ofr的非反相输入。运算放大器Opr的输出通过二极管D4耦合到与PMOS晶体管M14的栅极和PMOS晶体管Msn的栅极共用的节点328。在反向电流感测电路308的正常操作期间，节点346上的电压小于节点344上的电压，导致运算放大器Opr输出低信号，该低信号不会改变PMOS开关晶体管Msn上的低值，并且通过PMOS开关晶体管Msn维持电流。当对电池短路导致反向电流流动时，运算放大器OA1导通NMOS晶体管M15，NMOS晶体管M15降低节点344上的电压，导致运算放大器Opr输出高信号，该高信号用于断开PMOS开关晶体管Msn，防止电流从总线引脚OUTx流向中压轨VDD_MV。
虽然ECU 300工作正常，但电路使用两个单独的感测电路来提供对地短路和对电池短路的保护。这两个感测电路都是高压电路，并增加了电路面积，而且单个PSI5通道的功耗至少增加了200μA。对于具有多通道的芯片或SOC来说，功耗甚至更大。可能出现的另一个问题是，在同步脉冲的上升沿期间，从高压轨VDD_HV到中压轨VDD_MV的交叉电流可能被误解为假反向电流，无意中触发反向电流保护。需要防止对电池短路的另一种解决方案可以是在总线引脚OUTx和中压轨VDD_MV之间要使用差分电压比较器来感测反向电流状况。然而，由于差分电压比较器也必须是高电压的，所以这种解决方案再次显著增加了面积。
图4描绘了高侧驱动器电路的ECU 400的一部分，该电路消除了使用第二感测电路来调节对电池的短路，并使用单一电流感测电路来保护总线引脚OUTx免受对地短路和对电池短路，即：确保总线引脚OUTx上的过高总线电压或过低总线电压不会对芯片造成损害。为了突出对ECU 300所做的改变，低电压逻辑电路302和放大器电路304到线A-A'左侧的部分在图中未示出，因为这些电路保持不变。示出的放大器电路304'的部分已从ECU 300修改，并且包含第八NMOS晶体管M20和第四、第五和第六PMOS晶体管M21、M22、M23、第二电流灌入器Csi2以及第三电流拉出器Cso2和第三电流拉出器Cso3。第八NMOS晶体管M20与PMOS晶体管M21、VDD_HV和VDD_LV之间的第二电流灌入器Csi2串联耦合。第二电流拉出器Cso2在VDD_HV和VDD_LV之间与PMOS晶体管M22串联耦合，第三电流拉出器Cso3与PMOS晶体管M23串联耦合。第三电流拉出器Cso3的一个端子耦合到VDD_HV，PMOS晶体管M23的漏极耦合到PMOS开关晶体管Msn的栅极，PMOS开关晶体管Msn也被称为第二开关晶体管。PMOS晶体管M21的栅极和PMOS晶体管M23的栅极耦合在一起，并与PMOS晶体管M21的漏极耦合，形成电流镜。最后，NMOS开关晶体管Msr(也称为第一开关晶体管)的栅极耦合到第二电流拉出器Cso2和PMOS晶体管M22之间的点。
单一电流感测电路包括四个部分，每部分用虚线围起来：1)开关电路402，其包括第一电流拉出器Isg、第二电阻器R2、第一二极管D1和第二二极管D2、第二NMOS晶体管M7F和第三NMOS晶体管M7R，第二、第三NMOS晶体管M7F和M7R具有一个共用源极；2)正向电流感测电路404，其包括第一运算放大器OA2、第三二极管D3、第四NMOS晶体管M16、第五NMOS晶体管M9、以及第一PMOS晶体管M8、第二PMOS晶体管M10和第三PMOS晶体管Mrev；3)正向电流保护电路406，其包括第二运算放大器Opf、第三电阻器R3和第四电阻器R4、第四二极管D4和第五二极管D5、第三电流灌入器If_ref、第六NMOS晶体管M12和第七NMOS晶体管M11，以及4)反向电流开关电路408，其包括第一电流灌入器Csi1、第一NMOS晶体管Mswitch和第一电阻器R1，并且反向电流开关电路408耦合到PMOS开关晶体管Msn的栅极。在所示的实施例中，开关电路402、正向电流感测电路404和正向电流保护电路406包含与它们在图3A和图3B中的对应电路相同的设备；并且除了在第四NMOS晶体管M16和第五NMOS晶体管M9之间的正向电流感测电路404中添加第三二极管D3以及在第六NMOS晶体管M12和第七NMOS晶体管M11之间的正向电流保护电路406中添加第四二极管D4外，以相同的方式操作。正向电流感测电路404也被修改为包括额外的PMOS晶体管Mrev，PMOS晶体管Mrev的栅极耦合到PMOS晶体管M8的栅极和PMOS晶体管M10的栅极。PMOS晶体管Mrev具有耦合到VDD_HV的源极和经耦合以经由节点N8向反向电流开关电路408提供电流IMrev的漏极。
在ECU 400的正常操作期间，放大器电路304'通过导通PMOS晶体管Msn在节点330处提供基极电压，提供电压VDD_MV。当由放大器电路304'提供脉冲信号时，PMOS开关晶体管Msn断开，NMOS开关晶体管Msr导通以提供电压VDD_HV。图3A中所示的放大器电路304和所示的修改作为在图4中的放大器电路304'二者都提供了整形以满足汽车电路的特定需求的脉冲，例如提供降低的噪声。然而，应当理解，其他放大器电路可以与本文所述的单一感测电路一起使用。所描述的单一感测电路示出与隔离放大器电路一起使用，但是所描述的单一感测电路也可以与非浮动的放大器电路一起使用。
输出信号，即基极电压和/或同步脉冲，通过开关电路402从节点330(也称为输入节点)传递到总线引脚OUTx。第二NMOS晶体管M7F的栅极和第三NMOS晶体管M7R的栅极耦合到在第二节点N2处提供的稳定电压，第二节点N2保持第二NMOS晶体管M7F和第三NMOS晶体管M7R完全导通，除非这些晶体管的栅极上的电压低于这些晶体管的阈值，如下面将会讨论。输出信号还提供给运算放大器OA2的非反相输入，而运算放大器OA2的输出被提供给第四NMOS晶体管M16的栅极。使用PMOS晶体管M8以及第四NMOS晶体管M16和第五NMOS晶体管M9向运算放大器OA2的反相输入供应反馈值，反馈值取自第四NMOS晶体管M16和第五NMOS晶体管M9之间的第四节点N4。第五NMOS晶体管M9和第七NMOS晶体管M11的大小与第二NMOS晶体管M7F的大小成比例，例如，如果第二NMOS晶体管M7F的尺寸为1000x1，第五NMOS晶体管M9和第七NMOS晶体管M11的值可以为10x1，然后将拉出(source)第二NMOS晶体管M7F的百分之一的电流。在ECU 400的正常操作期间，正向电流感测电路404的第四NMOS晶体管M16和第六NMOS晶体管M12通过总线引脚OUTx检测电流，包括由传感器发射的数据引起的变化，并且正向电流感测电路404在第一输出节点N7以及第二输出节点N8二者上提供比例电流，第一输出节点N7向具有比较器的处理电路提供比例电流Ircv(也称为第一电流)，以感测从传感器发送的数据，第二输出节点N8向反向电流开关电路408提供比例电流IMrev(也称为第二电流)。在总线引脚OUTx上对地短路的情况期间，运算放大器Opf通过限制第二NMOS晶体管M7F的栅极上的电压来调节电流，而NMOS晶体管Mswitch保持导通。
反向电流开关电路408在第一节点N9处接收比例电流IMrev，第一节点N9通过第一电流灌入器Csi1耦合到VDD_LV，使得以恒定速率灌入灌入所提供的电流。第一NMOS晶体管Mswitch耦合在PMOS开关晶体管Msn的栅极和VDD_LV之间；电阻器R1与PMOS开关晶体管Msn的栅极和VDD_LV之间的第一NMOS晶体管Mswitch并联耦合。第一NMOS晶体管Mswitch的栅极耦合到第一节点N9和第一电流灌入器Csi1之间的点。在ECU 400的正常操作期间，在第一节点N9处提供的电流IMrev大于由第一电流灌入器Csi1灌入的电流，并且第一NMOS晶体管Mswitch的栅极保持导通。在第一个NMOS晶体管Mswitch导通的情况下，PMOS开关晶体管Msn的栅极耦合到VDD_LV，VDD_LV的作用是使PMOS开关晶体管Msn保持导通。然而，当发生对电池短路时，第一节点N9处的第二电流IMrev变为零。这意味着第一NMOS晶体管Mswitch上的电压将随着第一电流灌入器Csi1灌入电流而下降，从而允许第一NMOS晶体管Mswitch断开。这反过来又允许PMOS开关晶体管Msn的栅极上升，从而断开PMOS开关晶体管Msn。值得注意的是，在ECU 300中，当发生对电池短路时，反向电流可从总线引脚OUTx传递通过第五NMOS晶体管M9和第四NMOS晶体管M16，并在第一输出节点N7处引起电流。然而，随着第三二极管D3的加入，不允许反向电流，导致第一输出节点N7上的第一电流Ircv和节点N8/N9上的第二电流IMrev在对电池短路期间变为零。因此，供应所需的反向电流开关保护不需要额外的感测电路，从而通过设计节省空间和功率。通过节点N4耦合到运算放大器OA2的非反相输入的电流灌入器Ioffset可以提供额外的优势。该电流灌入器提供的失调电流允许电路区分对电池短路和从高压轨VDD_HV到中压轨VDD_MV的瞬时交叉电流，即，通过节点N8的电流IMrev对于开放线路不为零，对于电池短路为零。对电池短路的电流限制水平可使用Ioffset值进行调整。
图5描绘了系统500的高级示意图，该系统500包含可使用用于高侧驱动器电路的所描述的ECU的独立PSI5收发器芯片502。PSI5收发器芯片502接收三个电源输入：提供高压的VDD_HV、提供中压的VDD_MV和提供低电压(如本地接地)的VDD_LV。三个电源输入耦合到一组PSI5收发器504，该组PSI5收发器504耦合到对应的通道和解码器。来自PSI5收发器芯片502的每个通道的输出提供给数据模块530，数据模块530提供所接收数据的软件处理。在所示的示例中，PSI5收发器芯片502具有四个PSI5收发器和四个通道，但是应当理解，可以存在根据需要通过使用芯片的特定系统提供的任意数量的通道。PSI5收发器506耦合到第一通道514，该第一通道514继而耦合到作为曼彻斯特解码器的第一解码器522；PSI5收发器508耦合到第二通道516，该通道516耦合到第二解码器524；PSI5收发器510耦合到第三通道518，该通道518耦合到第三解码器526；以及PSI5收发器512耦合到第四通道520，该第四通道520耦合到第四解码器528。
图6描绘了根据本说明书的一个实施例的包括SOC 602的系统600的高级示意图，该SOC 602可以使用描述的保护电路。SOC 602耦合到汽车电池601，并且当点火开关导通/闭合时，电源模块604向电源线提供高压轨VDD_HV、中压轨VDD_MV和低压轨VDD_LV。在SOC602上可以提供多个收发器系统，并且在所示的示例中，这些收发器系统包括LIN收发器606(其接收VDD_MV和VDD_LV)、Flex Ray(FR)收发器608(其还接收VDD_MV和VDD_LV)、控制器局域网(CAN)收发器610和PSI5收发器612，它们都接收所有三个VDD_HV、VDD_MV和VDD_LV。如在独立芯片中一样，PSI5收发器612包括四个收发器(未单独示出)，每个收发器耦合到对应的通道和解码器。解码器的输出提供给数据软件处理622。
如本文所描述的，一种创新型电路可保护高侧驱动器的总线引脚免受对地短路和电池短路的影响。所描述的电路在芯片上使用较少的面积，并且消耗较少的功率，因为该电路不需要单独的感测电路。所描述的保护电路可与PSI5收发器的高侧驱动器或其他高侧驱动器一起使用。此外，还展示了包括所描述的电路的独立芯片和SOC。使用所描述的保护电路，对电池短路可操作以传递小于10毫安的电流。
在本说明书中，除非明确说明，否则单数形式的元件并不意味着“一个且仅一个”，而是“一个或更多个”
在权利要求书的范围内，所描述的实施例可以进行修改，其他实施例也是可以修改的。

Claims (17)

1.一种用于高侧驱动器的电子控制单元即ECU，其包括：
放大器电路，其具有第一开关晶体管，所述第一开关晶体管与第二开关晶体管串联耦合在第一电压处的第一电压轨和第二电压处的第二电压轨之间，其中所述第二电压小于所述第一电压，所述放大器电路耦合到所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的对应栅极；以及
单一电流感测电路，其被配置为保护在所述高侧驱动器上的总线端子不受对地短路或者对电池短路的影响，所述单一电流感测电路包括：
输入端子，其位于所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管之间；
开关电路，其经耦合以在正常操作期间将电流从所述输入端子传递到所述总线端子；
正向电流感测电路，其耦合到所述输入端子和所述第一电压轨，所述正向电流感测电路被配置为在第一输出端子处提供第一电流和在第二输出端子处提供第二电流，所述第一电流和所述第二电流中的每个与所述总线端子处的输出电流成比例，其中当所述总线端子处的总线电压高于给定值时，所述第一电流和所述第二电流为零；
反向电流开关电路，其被配置为接收所述第二电流并耦合到所述第二开关晶体管的所述栅极，所述反向电流开关电路被配置为在第二电流输出为零时，将所述第二开关晶体管断开；以及
正向电流保护电路，其耦合到所述正向电流感测电路、所述第一电压轨和第三电压轨，所述第三电压轨提供小于所述第二电压的第三电压，所述正向电流保护电路被配置为响应于对地短路而断开所述开关电路。
2.根据权利要求1所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述第二开关晶体管是P型金属氧化物半导体晶体管即PMOS晶体管，并且所述反向电流开关电路包括：
第一端子，其被配置为接收所述第二电流；
第一电流灌入器，其耦合在所述第一端子和所述第三电压轨之间；
第一N型金属氧化物半导体晶体管即第一NMOS晶体管，其耦合在所述第二开关晶体管的所述栅极和所述第三电压轨之间，所述第一NMOS晶体管的栅极耦合到所述第一端子和所述第一电流灌入器之间的端子；以及
第一电阻器，其耦合在所述第二开关晶体管的所述栅极和所述第三电压轨之间。
3.根据权利要求2所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述开关电路包括：
第一电流拉出器，其与第二电阻器串联耦合在所述第一电压轨和所述输入端子之间，所述第一电流拉出器在第二端子处提供稳定的电压；以及
第二NMOS晶体管，其与第三NMOS晶体管串联耦合在所述输入端子和所述总线端子之间，所述第二NMOS晶体管和所述第三NMOS晶体管的对应栅极耦合到所述第二端子并且通过第一二极管和第二二极管耦合到所述第一NMOS晶体管和所述第二NMOS晶体管的共用源极。
4.根据权利要求3所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述正向电流感测电路包括：
第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管和第三PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管、所述第二PMOS晶体管和所述第三PMOS晶体管中的每个具有耦合到所述第一电压轨的源极并且具有耦合在一起的对应栅极，所述第一PMOS晶体管的漏极耦合到所述第一PMOS晶体管的栅极，所述第二PMOS晶体管的漏极提供所述第一电流，并且所述第三PMOS晶体管的漏极提供所述第二电流；
第四NMOS晶体管，其与第三二极管和第五NMOS晶体管串联耦合在所述第一PMOS晶体管的所述漏极和第三端子之间，所述第三端子在所述第二NMOS晶体管和所述第三NMOS晶体管的对应源极之间，所述第五NMOS晶体管具有耦合到所述第二NMOS晶体管和所述第三NMOS晶体管的所述对应栅极的栅极；
第一运算放大器，其具有耦合到所述输入端子的非反相输入、耦合到在所述第三二极管和所述第五NMOS晶体管之间的第四端子的反相输入以及耦合到所述第四NMOS晶体管的栅极的输出。
5.根据权利要求4所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述正向电流感测电路包括耦合在所述第四端子和所述第三电压轨之间的第二电流灌入器。
6.根据权利要求4所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述正向电流保护电路包括：
第三电阻器，其与第六NMOS晶体管、第四二极管和第七NMOS晶体管串联耦合在所述第一电压轨和所述第三端子之间，所述第六NMOS晶体管的栅极耦合到所述第一运算放大器的所述输出，并且所述第七NMOS晶体管的栅极耦合到所述第二NMOS晶体管的所述栅极；
第四电阻器，其与第三电流灌入器(If_ref)串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；以及
第二运算放大器，其具有耦合到在所述第三电阻器和所述第六NMOS晶体管之间的第五端子的非反相输入、耦合到在所述第四电阻器和所述第三电流灌入器之间的第六端子的反相输入以及通过第五二极管耦合到所述第二NMOS晶体管和所述第三NMOS晶体管的所述对应栅极的输出。
7.根据权利要求1所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述放大器电路包括隔离放大器。
8.根据权利要求2所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述放大器电路还包括：
第八NMOS晶体管，其与第四PMOS晶体管和第二电流灌入器串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；
第二电流拉出器，其与第五PMOS晶体管串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；以及
第三电流拉出器，其与第六PMOS晶体管串联耦合，所述第三电流拉出器的端子耦合到所述第一电压轨，并且所述第六PMOS晶体管的漏极耦合到所述第二开关晶体管的所述栅极，所述第四PMOS晶体管具有耦合到所述第六PMOS晶体管的栅极和所述第四PMOS晶体管的漏极的栅极，并且所述第一开关晶体管的所述栅极耦合到所述第二电流拉出器和所述第五PMOS晶体管之间的端子。
9.根据权利要求1所述的用于高侧驱动器的电子控制单元，其中所述第一电压为14V，所述第二电压为7V，并且所述第三电压处于本地接地。
10.一种收发器芯片，其包括：
多个解码器；以及
多个收发器，所述多个收发器中的每个收发器经由对应通道耦合到所述多个解码器中的对应解码器，所述多个收发器中的收发器包括用于高侧驱动器的电子控制单元即ECU，所述ECU包括：放大器电路，其包括与第二开关晶体管串联耦合在第一电压轨和第二电压轨之间的第一开关晶体管，所述放大器电路耦合到所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的对应栅极；以及单一电流感测电路，其经耦合以保护所述ECU上的总线端子免受对地短路或对电池短路的影响，所述单一电流感测电路包括：
输入端子，其位于所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管之间；
开关电路，其被配置为在正常操作期间将电流从所述输入端子传递到所述总线端子；
正向电流感测电路，其耦合到所述输入端子和所述第一电压轨，所述正向电流感测电路经耦合以在第一输出端子处提供第一电流和在第二输出端子处提供第二电流，所述第一电流和所述第二电流中的每个与所述总线端子处的输出电流成比例，其中当所述总线端子上的总线电压高于选定值时，所述第一电流和所述第二电流为零；
反向电流开关电路，其被配置为接收所述第二电流并且耦合到所述第二开关晶体管的所述栅极，当所述第二电流为零时，所述反向电流开关电路被配置为断开所述第二开关晶体管；以及
正向电流保护电路，其耦合到所述正向电流感测电路、所述第一电压轨和第三电压轨，所述正向电流保护电路被配置为响应于对地短路而断开所述开关电路。
11.根据权利要求10所述的收发器芯片，其中所述第二开关晶体管是P型金属氧化物半导体晶体管即PMOS晶体管，并且所述反向电流开关电路包括：
第一端子，其被配置为接收所述第二电流；
第一电流灌入器，其耦合在所述第一端子和所述第三电压轨之间；
第一N型金属氧化物半导体晶体管即第一NMOS晶体管，其耦合在所述第二开关晶体管的栅极和所述第三电压轨之间，所述第一NMOS晶体管的所述栅极耦合到所述第一端子和所述第一电流灌入器之间的端子；以及
第一电阻器，其耦合在所述第二开关晶体管的所述栅极和所述第三电压轨之间。
12.根据权利要求11所述的收发器芯片，其中所述放大器电路包括：
第八NMOS晶体管，其与第四PMOS晶体管和第二电流灌入器串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；
第二电流拉出器，其与第五PMOS晶体管串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；以及
第三电流拉出器，其与第六PMOS晶体管串联耦合，所述第三电流拉出器的端子耦合到所述第一电压轨，并且所述第六PMOS晶体管的漏极耦合到所述第二开关晶体管的所述栅极，所述第四PMOS晶体管具有耦合到所述第六PMOS晶体管的栅极并且耦合到所述第四PMOS晶体管的漏极的栅极，以及所述第一开关晶体管的栅极耦合到所述第二电流拉出器和所述第五PMOS晶体管之间的端子。
13.根据权利要求10所述的收发器芯片，其中所述多个收发器是外设传感器接口收发器。
14.一种片上系统即SOC，其包括：
电源模块，其被配置为提供在第一电压轨处的第一电压、在第二电压轨处的第二电压以及在第三电压轨处的第三电压，所述第二电压小于所述第一电压以及所述第三电压小于所述第二电压；
多个第一收发器，其耦合到所述第二电压轨和所述第三电压轨；以及
多个第二收发器，其耦合到所述第一电压轨、所述第二电压轨和所述第三电压轨，所述多个第二收发器中的每个经由对应通道耦合到多个解码器中的对应解码器，所述多个第二收发器中的收发器包括用于高侧驱动器的ECU，所述ECU包括：放大器电路，其具有与第二开关晶体管串联耦合在所述第一电压轨和所述第二电压轨之间的第一开关晶体管，所述放大器电路耦合到所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管中的对应栅极；和单一感测电路，其被配置为保护所述ECU上的总线端子免受对地短路或对电池短路的影响，所述单一感测电路包括：
输入端子，其位于所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管之间；
开关电路，其被配置为在正常操作期间将电流从所述输入端子传递到所述总线端子；
正向电流感测电路，其耦合到所述输入端子和所述第一电压轨，所述正向电流感测电路被配置为提供第一电流和第二电流，所述第一电流和所述第二电流中的每个与所述总线端子处的输出电流成比例，其中当所述总线端子上的总线电压高于所选值时，所述第一电流和所述第二电流为零；
反向电流开关电路，其被配置为接收所述第二电流并耦合到所述第二开关晶体管的所述栅极，所述反向电流开关电路被配置为在所述第二电流为零时将所述第二开关晶体管断开；以及
正向电流保护电路，其耦合到所述正向电流感测电路、所述第一电压轨和所述第三电压轨，所述正向电流保护电路被配置为响应于对地短路而断开所述开关电路。
15.根据权利要求14所述的片上系统，其中所述第二开关晶体管是P型金属氧化物半导体晶体管即PMOS晶体管，并且所述反向电流开关电路包括：
第一端子，其被配置为接收所述第二电流；
第一电流灌入器，其耦合在所述第一端子和所述第三电压轨之间；
第一N型金属氧化物半导体晶体管即第一NMOS晶体管，其耦合在所述第二开关晶体管的栅极和所述第三电压轨之间，所述第一NMOS晶体管的所述栅极耦合到所述第一端子和所述第一电流灌入器之间的端子；以及
第一电阻器，其耦合在所述第二开关晶体管的所述栅极和所述第三电压轨之间。
16.根据权利要求15所述的片上系统，其中所述放大器电路还包括：
第八NMOS晶体管，其与第四PMOS晶体管和第二电流灌入器串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；
第二电流拉出器，其与第五PMOS晶体管串联耦合在所述第一电压轨和所述第三电压轨之间；以及
第三电流拉出器，其与第六PMOS晶体管串联耦合，所述第三电流拉出器的端子耦合到所述第一电压轨，并且所述第六PMOS晶体管的漏极耦合到所述第二开关晶体管的栅极，所述第四PMOS晶体管具有耦合到所述第六PMOS晶体管的栅极和所述第四PMOS晶体管的漏极的栅极，以及所述第一开关晶体管的栅极耦合到所述第二电流拉出器和所述第五PMOS晶体管之间的端子。
17.根据权利要求14所述的片上系统，其中所述多个第二收发器是外设传感器接口收发器。
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