CN112421569A - 智能电子开关 - Google Patents

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CN112421569A CN202010805659.XA CN202010805659A CN112421569A CN 112421569 A CN112421569 A CN 112421569A CN 202010805659 A CN202010805659 A CN 202010805659A CN 112421569 A CN112421569 A CN 112421569A
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Abstract

本申请的各实施例涉及智能电子开关。本文描述了一种可以用作智能开关的集成电路。根据一个实施例，该集成电路包括功率晶体管以及电流感测电路，该功率晶体管耦合在供电引脚和输出引脚之间，该电流感测电路耦合到功率晶体管并且被配置成生成电流感测信号，该电流感测信号指示穿过功率晶体管的负载电流。该集成电路还包括监控电路，该监控电路被配置成：接收电流感测信号，并且基于电流感测信号和阈值提供保护信号，其中监控电路包括滤波器，该滤波器被配置成接收取决于电流感测信号的滤波器输入信号。滤波器具有具有两个或更多个时间常数的传输特性。

Description

智能电子开关
技术领域
本公开涉及智能半导体开关领域。
背景技术
几乎每个电气设施(例如，车辆中的电气设施、房屋中的电气设施、较大设施的电气子系统)都包括用于提供过电流保护的一个或多个熔断器。标准熔断器包括一段导线，在穿过熔断器的电流低于标称电流的情况下，该导线提供低欧姆电流路径。但是，这段导线被设计成：当穿过熔断器的电流在特定时间内超过标称电流时，这段导线升温并且熔化或汽化。一旦熔断器被触发，该熔断器就必须用新的熔断器代替。
熔断器正越来越多地被断路器取代。断路器是一种自动操作的电气开关，该电器开关被设计用于保护电路免受由过电流、过载或短路引起的损坏。断路器可以包括机电继电器，当检测到过电流(即，超过标称电流的电流)时，该机电继电器被触发以将受保护的电路与电源断开连接。在许多应用中(例如，在车辆的车载电源中)，可以使用电子开关(例如，MOS晶体管、IGBT等)来实施断路器，以在过电流的情况下将受保护的电路与电源断开连接。这种电子断路器还可以被称为电子熔断器(电熔断器或智能熔断器)。除了用作断路器的功能之外，电子熔断器还可以用于规律地接通和关断负载。通常，使用所谓的驱动器电路或简称为驱动器(在MOS晶体管的情况下为栅极驱动器)来控制诸如MOS晶体管的电子开关的开关状态(接通/关断)。
通常，常规的熔断器——以及电子熔断器——设计用于(假设的)恒定电负载，该恒定电负载导致电缆的特定的热负荷。即，恒定的电负载导致高于环境温度的特定电缆温度。熔断器的目的是确保电缆的热负荷保持在限定的限度内。因此，已知的电子熔断器电路被设计用于模仿常规熔断器的时间-电流特性(该时间-电流特性定义了在熔断器触发断开负载之前，特定电流水平可以流过电子熔断器多长时间)。但是，在许多应用中，负载动态地变化。考虑到通常使用的电缆的热时间常数在几分钟的范围内(例如，在一些应用中为90秒)，与电缆的热时间常数相比，电负载的持续例如30秒的激活可以是高度动态的过程。
发明内容
本文描述了一种可以用作智能开关的集成电路。根据一个实施例，该集成电路包括功率晶体管以及电流感测电路，该功率晶体管耦合在供电引脚和输出引脚之间，该电流感测电路耦合到功率晶体管并且被配置成生成电流感测信号，该电流感测信号指示穿过功率晶体管的负载电流。该集成电路还包括监控电路，该监控电路被配置成：接收电流感测信号，并且基于电流感测信号和阈值提供保护信号，其中监控电路包括滤波器，该滤波器被配置成接收取决于电流感测信号的滤波器输入信号。滤波器具有具有两个或更多个时间常数的传输特性。
此外，本文描述了可以用于操作作为电子熔断器的智能电子开关的方法。根据一个实施例，该方法包括：通过接通功率晶体管来使能来自供电引脚和输出引脚的负载电流路径，提供表示穿过功率晶体管的负载电流的信号，以及基于电流感测信号和阈值生成保护信号。保护信号的生成包括使用滤波器对取决于负载电流信号的滤波器输入信号进行滤波，该滤波器具有具有两个或更多个时间常数的传输特性。
附图说明
参考以下附图和描述可以更好地理解下面所描述的实施例。图中的部件并不一定按比例绘制；相反，重点在于说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的附图标记指定对应的部分。其中：
图1示意性地图示了电子熔断器电路的一个示例以及电子熔断器电路的示例性应用，该电子熔断器电路包括电子开关和被配置成驱动该电子开关的控制电路。
图2更详细地图示了图1的控制电路的一个示例。
图3图示了在图2的控制电路中使用的逻辑电路的一个示例。
图4示出了说明图2中所示的控制电路的功能的时序图。
图5a是图示针对0.35mm2电缆和不同的最大电缆温度的一系列特性曲线(时间相对于电流)的图。
图5b是图示针对比环境温度高25开尔文的最大电缆温度和不同电缆横截面的一系列特性曲线(时间相对于电流)的图。
图6图示了在图2的示例中使用的监控电路的一个示例。
图7图示了电熔断器(“智能熔断器”)电路的第一示例，该电子熔断器(“智能熔断器”)电路允许选择导线横截面和最大电缆温度。
图8是图示负载、电缆和新型增强型电子熔断器的时间-电流特性曲线的图。
图9是可以在图6的电子熔断器中使用的示例性监控电路，该监控电路用于实施具有如下的时间-电流特性的电子熔断器，这样的时间-电流特性可以适于负载的时间-电流特性。
图10图示了用于确定要在包括在图9的监控电路中的滤波器中使用的时间常数和增益的方法。
图11图示了具有数字通信接口的增强型电子熔断器电路的另一示例。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考了附图。附图形成本说明书的一部分，并且出于说明的目的，附图示出了可以如何使用和实施本发明的示例。应当理解的是，除非另外特别地指出，否则本文所描述的各个实施例的特征可以彼此组合。
图1图示了可以作为电子熔断器操作的电子电路的一个示例。因此，该电子电路还被称为电子熔断器电路F。根据本示例，电子熔断器电路包括电子开关2，电子开关2具有控制节点21，并且具有在第一负载节点22与第二负载节点23之间的负载电流路径。电子电路还包括控制电路1，该控制电路1耦合到电子开关2的控制节点21并且被配置成驱动电子开关2。具有电子开关2和控制电路1的电子熔断器电路F可以被单片式地集成在一个半导体裸片(芯片)中，或者可以被集成在布置在一个集成电路封装中的两个半导体裸片中。电子熔断器电路F被配置成驱动负载Z(在图1中以虚线示出连接负载的导线)，该负载Z可以与电子开关2的负载电流路径串联连接。因此，电子开关2的负载电流路径和负载Z的串联电路可以连接在供电节点之间，在这些供电节点处可以提供正供电电位和负供电电位或地电位GND(零伏)。在下面，两个供电节点之间的电压被称为供电电压VB。可以根据例如由微控制器8提供给控制电路1的输入信号SIN来接通和关断穿过负载Z的负载电流iL。然而，根据应用，可以由任何其它电路装置代替微控制器来生成输入信号SIN。
在一个示例性应用中，电子熔断器电路F可以用于驱动车辆中的负载Z。在这种情况下，提供供电电压VB的电源是车辆电池。通常，“驱动负载”可以包括通过接通或关断电子开关2来接通或关断穿过负载的负载电流。负载可以是车辆中使用的任何负载。负载Z的示例尤其包括不同类型的灯、不同类型的电机、继电器、加热系统等。在图1中图示的示例中，电子开关2和负载Z以高侧配置连接。即，负载Z连接在电子开关2与接地节点GND之间。但是，这仅是示例。电子开关2和负载Z还可以以低侧配置或以任何其它配置连接。例如，在低侧配置中，电子开关连接在负载Z与接地节点GND之间。
根据图1的示例，负载Z可以经由(例如，包括在电缆中的)导电线连接到电子开关2。根据电子电路和相应的负载Z在车辆的电气设施中的位置，导线可以具有几十厘米或甚至更大(例如，高达10m)的相当长的长度。现代车辆包括多个电负载，因此需要多个导线将各个负载连接到它们相应的电子开关。为了节省成本和资源，期望的是确定各个导线的尺寸，使得从长远来看，这些可以承受所连接的负载的标称电流。但是，如果电流上升到标称电流以上，则导线可能会由于过热而损坏或甚至毁坏。根据一个示例性实施例，控制电路1因此可以具有电流监控功能，以便监控穿过电子开关2(和负载Z)的负载电流iL。电流监控允许在检测到过载情况时关断电子开关2，以便保护导线(和负载Z)。“过载情况”是如下的情况：如果电子开关2(在特定时间内)未被关断以将导线(和负载Z)与提供供电电压VB的电源(例如，车辆电池)断开连接，则这样的情况可能会导致导线或负载损坏或毁坏。在下文中将进一步详细解释该机制。由于电子熔断器电路F被配置成接通和关断负载Z并且保护导线，因此电子熔断器电路F在下文中也被称为切换和保护电路。
在图1的示例中，电子开关2被示意性地绘制为包括开关的电路块。在下文中，术语“电子开关”包括任何类型的电子开关或电子电路装置，其具有控制节点21以及在第一负载节点22与第二负载节点23之间的负载电流路径，并且被配置成根据在控制节点21处接收的驱动信号而被接通和关断。“接通”意指电子开关2在导通状态下操作，在该导通状态下，电子开关2能够在第一负载节点22与第二负载节点23之间传导电流。“关断”意指电子开关2在关断状态下操作，在该关断状态下，电子开关2能够防止电流在第一负载节点22与第二负载节点23之间流动。根据一个示例，电子开关2包括至少一个晶体管。至少一个晶体管可以是例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、BJT(双极结型晶体管)或HEMT(高电子迁移率晶体管)。
在下文中，参考附图说明控制电路1的示例及其功能。特别地，参考附图中绘制的功能块来说明控制电路1的功能。应当注意的是，这些功能块表示控制电路1的功能，而不是控制电路1的具体实施方式。这些功能块可以是被配置成执行下文所说明的相应功能的专用电路块。然而，还可以由被配置成执行存储在存储器中的软件/固件的可编程电路(处理器)来执行各个功能块的功能。
图2图示了控制电路1的一个示例性实施方式。在该示例中，控制电路1包括监控电路4，该监控电路4被配置成基于负载电流iL的电流-时间特性来生成第一保护信号OC。“基于负载电流iL的电流-时间特性来生成第一保护信号OC”的表述可以包括：监控电路4处理负载电流iL的瞬时电流振幅以及之前的电流振幅以生成第一保护信号OC。即，监控电路4在某个时间段上评估负载电流iL，以便生成第一保护信号OC。为了能够评估负载电流iL，监控电路4接收电流感测信号CS，并且基于电流感测信号CS生成第一保护信号OC。电流感测信号CS表示负载电流iL，并且根据一个示例，电流感测信号CS可以与负载电流iL成比例。在图2的示例中，电流感测信号CS在电子开关2的感测输出24处可用。在这种情况下，被配置成测量负载电流iL并且提供电流感测信号CS的电流测量电路可以(至少部分地)被集成在电子开关2中。然而，这仅是示例。还可以使用与电子开关2分离的电流测量电路。各种电流感测电路(例如，分流电阻器、Sense-FET电路等)是已知的，并且因此在本文中不再详细说明。
图2中图示的控制电路1被配置成：基于保护信号OC和在电子熔断器电路F的第一输入节点(例如，输入引脚)PIN处接收的输入信号SIN来驱动电子开关2。保护信号OC以及输入信号SIN被提供给逻辑电路3，该逻辑电路3基于保护信号OC和输入信号SIN生成驱动信号SON。驱动信号SON被直接或间接地(例如，经由驱动器电路5)提供给电子开关2的控制节点21，以便接通或关断电子开关2。根据一个示例，驱动信号SON可以是逻辑信号，该逻辑信号具有指示期望接通电子开关2的接通水平或指示期望关断电子开关2的关断水平。驱动器电路5(或简称为驱动器)被配置成基于驱动信号SON的相应信号水平来驱动电子开关2。例如，电子开关2包括诸如(如图2中示意性地图示的)MOSFET的晶体管。MOSFET是一种压控半导体器件，其根据施加在栅极节点与源极节点之间的驱动电压而接通或关断。在该示例中，驱动器5被配置成基于驱动信号SON生成驱动电压(栅极电压VG)，以便根据该驱动信号来接通或关断MOSFET。在使用MOSFET时，驱动器5还被称为栅极驱动器。
图3的电路图示了逻辑电路3(的一部分)的一个示例性实施方式。在本示例中，逻辑电路3包括反相器33、SR锁存器31(触发器)和与门32。与门32的第一输入被配置成接收输入信号SIN，而SR锁存器31的复位输入R被配置成接收由反相器33提供的反相输入信号。SR锁存器31的置位输入S被配置成接收保护信号OC。SR锁存器31的反相输出Q’和与门32的第二输入连接。在与门32的输出处提供驱动信号SON。
逻辑电路3的功能由图4的时序图进一步图示。输入信号SIN的初始低水平引起SR锁存器31的复位，这导致SR锁存器31的反相输出Q’处的高水平。因此，与门32的两个输入都“看到”高水平，并且因此与门32的输出提供具有高水平的驱动信号SON。当输入信号SIN变为低水平时(指示电子开关2的关断，参见图4，时刻t1和t2)，与门32在其第一输入处“看见”低水平，并且因此，与门32的输出提供具有低水平的驱动信号SON(这引起功率晶体管2的关断)。换句话说，如果SR锁存器31处于其复位状态，则输入信号SIN被馈送通过逻辑电路3(即，驱动信号SON等于输入信号SIN)。一旦响应于保护信号OC变为高水平而使SR锁存器31被置位，则SR锁存器31的反相输出Q’被设置为低水平(参见图4，时刻t3)。因此，与门32在其第二输入处看见低水平，并且因此驱动信号SON被设置为低水平。换句话说，输入信号SIN被与门32无效(blanked)。驱动信号SON保持在低水平，直到输入信号SIN被设置为低水平(指示电子开关2的关断和SR锁存器31的复位，参见图4，时刻t4)，并且再次变为高水平(指示电子开关2的接通，参见图4，时刻t5)。再次注意，还可以以各种其它方式来实施图3的示例性实施方式的功能。
如上面所提到的，连接负载Z和电子熔断器电路F的导线可以被设计成承受负载Z的标称电流。导线(或电缆)的寿命取决于导线温度。图5A和图5B是示出一系列特性曲线的图，其中每个特性曲线与最大温度差dT(高于环境温度的最大温度)和电缆横截面(例如，以mm2为单位的横截面面积)的特定组合相关联。每个特性曲线可以被视为“等温线”(相同温度dT的线)，并且表示电流与导线在不超过指定的温度差dT的情况下可以承载电流的最大允许时间段之间的关系。图5A示出了对于各种温度差dT和0.35mm2的特定横截面面积的特性曲线，而图5B示出了对于25K(开尔文)的特定温度差dT和各种横截面面积的特性曲线。从图5A和图5B中可以看出，具有0.35mm2的横截面面积的导线可以承载大约9A(安培)的电流几乎无限长的时间，而不会超过高于环境温度25K的温度差dT。从图5B中可以看出，在超过高于环境温度25K的温度差dT之前，具有0.75mm2的横截面面积的导线可以承载10A(安培)的电流大约100秒，或者承载35A的电流大约1秒。通常，对于给定的横截面面积和给定的温度差，电流越高，可允许的时间段越短。应当注意的是，在图5A和图5B中示出的特性曲线具有以双对数表示的线性下降分支。
从图5A和图5B中可以看出，对于给定的电流(参见图5A，电流ix)和特定的横截面面积(例如，在图5A的示例中为0.35mm2)，温度差dTx(例如，温度值dT1、dT2、dT3、dT4、dT5、dT6)与给定的积分时间tx(例如，时间t1、t2、t3、t4、t5、t6)相关联。因此，对于特定的导线横截面，可以通过在时间上对由穿过导线的负载电流iL＝ix产生的功率进行积分来确定温度值dT(表示高于环境温度的温度)。当温度值dT达到经定义的第一基准温度差dTR时，第一保护信号OC可以指示电子开关2的关断。可以使用数字滤波器来有效地实施所提到的积分，该数字滤波器可以被包括在监控电路4中(参见图2)。图6中图示了监控电路的一个示例性实施方式。
基本上，图6的监控电路被配置成基于电流感测信号CS来确定第一保护信号OC。如所提到的，可以在具有积分特性的数字滤波器42中完成积分。根据所描绘的示例，电流感测信号CS被提供给滤波器45的输入以去除具有相当高频率的瞬态等，该电流感测信号CS可以是与负载电流iL成比例的电压，该滤波器45可以是(可选的)模拟低通滤波器。滤波器45的输出可以连接到模数转换器(ADC)41的输入，该模数转换器(ADC)41被配置成将经滤波的电流感测信号CS数字化。ADC 41可以具有对数特性，以便将图5A和图5B中所示的对数特性曲线考虑在内。然后，(例如，经对数化的)数字电流感测信号CSDIG由数字滤波器42“变换”为温度值dT。然后所得到的温度值dT(表示高于环境温度的温度差)被提供给数字比较器43，该数字比较器43可以被配置成：当数字滤波器42的输出处提供的温度值dT超过为特定导线横截面指定的第一基准温度差dTR(例如，25K)时，将第一保护信号OC设置为高水平。因此，根据ADC 41的特性，可以省略图6中绘制的平方单元46。应当理解的是，平方单元46可以由其它合适的非线性函数代替。本质上，提供给滤波器42的输入信号表示由负载电流iL产生的功率。
如所提到的，数字滤波器42被配置成将(视情况而定，经平方的)负载电流(由经数字化的电流感测信号CSDIG表示)和相关联的积分时间转换成温度值dT，电流在该积分时间期间穿过导线。在本示例中，滤波器特性42取决于表征导线的参数(例如，承载电流的导线的横截面面积)，并且滤波器特性42可以由一系列特性曲线表示，诸如在图5A的图(对于0.35mm2的示例性横截面面积)中所示的一系列特性曲线。在一个特定示例中，可以将特性曲线(或相关的曲线)存储为查找表，即，通过将特性曲线的多个采样点存储在存储器中。两个采样点之间的值可以使用例如内插法确定。
图7图示了电子熔断器电路的一个示例，该电子熔断器电路还被称为智能熔断器电路10。图7的电路与图2的电路基本相同，并且参考相应的说明。然而，逻辑电路3比图2的示例中复杂，并且监控电路4根据图6实施，其中已经省略了模拟低通滤波器45(低通滤波器45是可选的)。但是，与图6中的示例不同地，在本示例中，监控电路4是可配置的，以便可以基于至少一个导线参数来选择监控电路4的特性，这例如允许选择用于特定的导线横截面和/或所期望的基准温度差dTR的特性。在本文中所描述的示例中，至少一个导线参数是或表示电缆横截面面积和/或高于环境温度的最大温度值。如从图5的图中可以看出的，这两个导线参数定义了特定的特性曲线，该特定的特性曲线表示电子熔断器电路对于特定的导线/电缆的所期望的行为。应当理解的是，诸如导线直径或绝对温度(例如，在测量了环境温度的情况下)的其它参数可以用作导线参数。此外，导线参数不一定表示任何物理量(诸如，横截面面积或温度)，而是可以仅是允许确定(例如，选择)由监控电路使用的所期望的特性的数值参数。如图7中所示，电子熔断器电路可以是布置在一个芯片封装中的集成电路，其中电子开关2和其余的电路部件(驱动器5、逻辑电路3和监控电路4)可以被集成在同一半导体裸片中，或者可以被集成在布置在芯片封装中的两个分离的半导体裸片中。然而，在其它实施例中，智能熔断器电路10可以分布在两个或更多个分离的芯片封装中。在图7的示例中，所绘制的所有电路部件被集成在一个半导体芯片中。
电子开关2的负载电流路径可以连接在智能熔断器电路10的供电引脚SUP和输出引脚OUT之间。通常，逻辑电路3可以被配置成接收至少一个导线参数，在本示例中，这些导线参数包括来自微控制器或其它控制电路装置的关于导线横截面面积A和基准温度差dTR的信息。如图7中所图示的，逻辑电路3可以被配置成：经由输入引脚IN(输入信号SIN，也参见图2)以及输入引脚SELWIRE和SELdT(表示导线横截面面积和温度差的选择信号SS1和SS2)从控制器接收信号，并且为电子开关2提供驱动信号SON。驱动器5可以被配置成将信号SON转换成适合于接通和关断电子开关2的驱动电压或驱动电流，该信号SON是二进制逻辑信号。与在图2的示例中一样，监控电路4接收(模拟)电流感测信号CS，并且基于该电流感测信号CS生成第一保护信号OC，例如，该第一保护信号OC可以由如图3的示例中所示的逻辑电路3处理。
基于被包括在至少一个导线参数中并且例如从控制器8(参见图8)接收的信息，控制逻辑3可以配置数字滤波器42和/或比较器43，以使监控电路4的特性与导线横截面面积A和基准温度差dTR的特定组合相对应。在本示例中，可以基于在输入引脚SELWIRE和SELdT处接收的选择信号SS1和SS2来配置监控电路4。因此，选择信号SS1可以表示基准温度差dTR(该基准温度差dTR可以用作比较器43中的温度阈值)作为第一导线参数，并且选择信号SS2可以表示导线的横截面面积A作为第二导线参数。图7中所示的接地引脚GND耦合到基准电位(例如，地电位)，并且被连接到逻辑电路3和需要基准电位来正确操作的其它电路部件。应当注意的是，单个(模拟)输入引脚可能就足以选择具有所期望的横截面和温度差的导线。此外，应当理解的是，在另一个实施例中，第一导线参数和第二导线参数还可以被编码为单个(例如，数字的)选择信号。应当理解的是，与监控电路所使用的特性有关的信息如何被提供给逻辑电路3的具体机制并不重要。基本上，监控电路4被配置成适合于特定的导线。
如上面所提到的，图5a和图5b中图示的特性曲线可以被视为等温线。因此，特定等温线上的(与高于环境温度的特定温度差相关联的)每个点表示电流和时间的特定组合。换句话说，等温线为每个电流定义了如下的时间跨度，电流需要在该时间跨度期间穿过电缆以达到与等温线相关联的(高于环境温度的)温度。选择常规的熔断器，以使其在电缆达到给定的最大温度差(即，给定的热负荷)之前熔断。已知的电子熔断器设备模仿该行为，并且在所估计的(高于环境温度的)电缆温度达到预定义的基准温度时，将负载与电源断开连接。为了获得这种行为，图6的监控电路中的滤波器42需要具有一阶(低通)特性和滤波器增益。这种滤波器特性可以由传递函数H(s)＝R1/(1+sτ1)表示，其中s表示拉普拉斯变量，R1表示滤波器增益，并且τ1是一阶滤波器的时间常数。
图8示出了图示上面所描述的电缆的等温线的图(参见图8，点划线，该点划线类似于图5中所示的曲线)。如所提到的，已知的电熔断器设备使用这种特性，以在负载电流高到使电缆的所产生的(所估计的)温度达到与等温线相关联的温度(基准温度dTR)时，将负载与电源断开连接。但是，动态负载具有与表征电缆的等温线的时间-电流特性明显不同的时间-电流特性。在图8中图示了一个示例(参见图8，虚线)。如果电子熔断器被设计成使用负载的时间-电流特性(而不是电缆的时间-电流特性)，则可以检测负载的电流行为何时偏离负载的已知的时间-电流特性。这种偏离可以指示负载的故障。图8的图中的实线图示了根据下面所描述的实施例的新型电子熔断器的所期望的时间-电流特性。实线被设计为使得其以给定的偏移近似地跟随虚线(负载的时间-电流特性)。实线定义了在图8中由灰色阴影表示的“安全操作区”(SOA)。如可以看出的，通过使用电子熔断器中的时间-电流特性可以使SOA适于特定的负载，该时间-电流特性对应于实线(而不对应于虚线，因为虚线被实施在已知的电子熔断器设备中)。
如所提到的，已知的电子熔断器在监控电路4中使用一阶滤波器42，一阶滤波器42导致与上面所讨论的等温线相对应的电流-时间特性(参见图8中的虚线)。在监控电路4中使用高阶滤波器作为滤波器42(参见图6)允许灵活地使由电子熔断器设备使用的电流-时间特性(参见图8，实线)适于负载的电流-时间特性(参见图8，虚线)。滤波器阶数越高，由电子熔断器设备使用的电流-时间特性可以越好地适于特定负载的电流-时间特性。可以基于将在后面讨论的测量来计算特定负载的电流-时间特性。仿真已经表明，可以使用三阶滤波器以足够的质量对各种负载的时间-电流特性进行建模。
图9图示了根据本文所描述的实施例的监控电路4的一个示例性实施方式。类似于图6的示例，监控电路接收电流感测信号CS，该电流感测信号CS被数字化(数字电流感测信号CSDIG)并且被平方(平方单元46)。应当理解的是，可以使用数字乘法器来实施平方单元46。经平方的电流感测信号CSDIG 2与电功率PEL成比例，并且负载中的任何热量生成也将与电功率PEL成比例。经平方的电流感测信号CSDIG 2被提供给滤波器42，并且滤波器输出信号dT被提供给比较器43，该比较器43被配置成生成保护信号OC，该保护信号OC指示滤波器输出信号dT是否已经超过基准值dTR。
如果滤波器42是具有形式为H(s)＝R1/(1+Sτ1)的传递函数H(s)的一阶滤波器，则滤波器输出可以被解释为所估计的温度，并且基准值dTR可以被解释为与如上面所讨论的等温线相关联的温度(参见图8，点划线)。但是，在本示例中，滤波器42是具有二或更高的滤波器阶数的高阶滤波器。即，本示例中的滤波器传递函数可以写为：
H(s)＝R1/(1+sτ1)+R2/(1+sτ2)+R3/(1+sτ3) (1)
在该示例中，滤波器传递函数H(s)表示具有不同增益R1、R2、R3和不同时间常数τ1、τ2、τ3的三个一阶滤波器的并联连接。应当注意的是，这种滤波器结构并不重要，上面的等式也可以写为：
Figure BDA0002629028060000131
利用高阶滤波器42，可以使电子熔断器10的时间-电流特性适于负载的时间-电流特性。(与已知的电子熔断器电路相比)电子熔断器的功能被增强，并且电子熔断器的时间-电流特性不必模仿常规的熔断器，而是可以适于负载的特性。
图10的图a至图d图示了用于设计/计算高阶滤波器42的滤波器系数的方法。该方法以在正常操作/典型操作期间穿过负载的电流的测量波形开始。在图10的图(a)中图示了示例性的波形(负载电流随时间的变化)。图10的图a的波形还可以通过对多个测量波形进行平均来计算。
基于图10的图(a)的测量波形，可以计算时间-电流特性。在图10的图(b)中示出了一个示例。如上面所讨论的，时间-电流特性指示特定电流水平穿过负载(并且因此还穿过将负载与电源连接的电子熔断器)多长时间。用于从测量波形(图(a))获得负载的时间-电流特性(图(b))的一个选项是确定对于不同时间间隔(例如，0.01)的均方根值(RMS值，也被称为有效值)，并且为每个时间间隔选择最大值。因此，假设对于τ≥0，图10的图(a)的波形被表示为iL(t)，则对于给定的时间tx，时间-电流特性的点(ix,tx)可以被计算为
Figure BDA0002629028060000141
其中当在间隔[0，T]中定义(已经测量了)iL(t)时，u是时间偏移，并且可以从0到T-tx变化。换句话说，对于所测量的电流特性iL(t)，在具有窗口长度tx的滑动时间窗口中计算RMS值，并且确定最大RMS值(即，对于滑动时间窗口的各个时间位置所计算的RMS值的最大值)。针对多个窗口长度tx评估等式(3)，例如，在图10的示例中针对10-2s、10-1s、1s、10s、102s和103s评估等式(3)。在图10的图(b)、图(c)和图(d)中图示了所得到的组合(ix,tx)。
从图10的图(b)可以看出，负载的所计算得到的时间-电流特性指示对于特定电流的最大时间。根据所示出的示例，15A(RMS)的电流将最多出现0.2s。在下一步中，选择合适的电缆。如上面所讨论的，电缆可以由等温线表示，等温线在图10的图(c)中示出。电缆的时间-电流特性的位置取决于电缆的直径和可允许的高于环境温度的温度差(即，电缆的可允许热负荷)。通常，试图选择尽可能小的导线直径(这意味着将电缆的时间-电流特性移动到尽可能接近负载的时间-电流特性)，以避免使电缆尺寸过大。图10的图(c)图示了一个合理的选择。
常规的熔断器将具有与电缆类似的时间-电流特性。即，一旦达到临界的时间-电流组合(例如，持续1s的30A(RMS)的电流)，熔断器将熔断。如上面所讨论的，已知的电子熔断器被设计成模仿常规熔断器的行为，并且在达到上面所提及的临界的时间-电流组合时，将负载与电源断开连接。
如上面参考图9讨论的，具有高阶滤波器42的监控电路4允许实施具有如下的时间-电流特性的增强型电子熔断器，这样的时间-电流特性具有较复杂的形状并且可以适于负载的时间-电流特性。图10图示了采用三阶滤波器的增强型电子熔断器的时间-电流特性的一个示例。如在图10的图(d)中可以看出，对于30A(RMS)的电流，增强型电子熔断器将在30ms后将负载与电源断开连接，而以常规方式实施的电子熔断器在断开负载之前将等待1秒钟。由于增强型电子熔断器的时间-电流特性适于特定负载的时间-电流特性，因此引起如下的电流的负载故障可以被及早检测，这样的电流异常得高，但是仍然过低而无法触发常规的熔断器。
下面参考图11总结本文所描述的实施例的一些方面，图11图示了与图6的实施例类似但是具有数字通信接口31(诸如，串行外围接口(SPI)等)的电子熔断器设备的一个示例。通常，根据本文所描述的实施例的电子熔断器电路是包括功率晶体管2的集成电路，该功率晶体管2耦合在集成电路的供电引脚SUP和输出引脚OUT之间。通过接通和关断功率晶体管2，可以将输出引脚OUT连接到供电引脚SUP，并且可以将输出引脚OUT从供电引脚SUP断开连接。集成电路还包括电流感测电路，该电流感测电路耦合到功率晶体管2，并且被配置成生成电流感测信号CS，该电流感测信号CS指示穿过功率晶体管2的负载电流iL。电流感测电路可以包括感测晶体管，该感测晶体管耦合到功率感测器，并且提供感测电流作为与负载电流iL基本成比例的电流感测信号。使用耦合到功率晶体管的感测晶体管的电流感测电路在半导体技术领域中是众所周知的(例如，根据US20020024376A1)，并且因此在本文中不再进一步讨论。集成电路还包括监控电路4(也参见图9)，该监控电路4被配置成：接收电流感测信号CS并且基于电流感测信号CS和阈值dTR提供保护信号OC。监控电路4包括滤波器42，该滤波器42被配置成接收滤波器输入信号，该滤波器输入信号取决于电流感测信号CS(例如，滤波器输入信号与经平方的电流感测信号成比例)，并且该滤波器具有带有两个或更多个时间常数τ1、τ2、τ3的传递特性。
根据一个实施例，两个或更多个的时间常数τ1、τ2、τ3表示二阶或更高阶的低通滤波器。常数τ1、τ2、τ3定义了滤波器的相应的极点。可以通过将两个或更多个一阶滤波器并联耦合来实施二阶或更高阶的滤波器，其中每个一阶滤波器由时间常数和增益(参见图9，增益R1、R2、R3)表征。增益可以像时间常数一样是可配置的。为此，集成电路可以包括通信接口31，该通信接口31允许例如跨串行总线接收配置数据(例如，时间常数τ1、τ2、τ3和增益R1、R2、R3)。通信接口31还允许从外部控制器(参见图1，微控制器8)接收接通和关断命令，响应于接通和关断命令，控制逻辑3触发接通或关断。当保护信号OC指示负载电流已经达到临界的时间-电流组合时，也可以触发关断，该临界的时间-电流组合由实施在集成电路中的时间-电流特性定义(并且由滤波器42的时间常数和增益定义)。作为通过数字通信链路接收接通和关断命令的备选方案，二进制输入信号(诸如，图7的示例中的输入信号SIN)的水平转换可以被视为接通命令(例如，从低水平到高水平的转换)或关断命令(例如，从高水平到低水平的转换)。
应当理解的是，尽管监控电路4的数字实施方式、特别是滤波器42的数字实施方式可以具有一些优点，但是模拟实施方式也是可行的，并且在一些应用中可以是优选的。
尽管已经相对于一个或多个实施方式说明和描述了本发明，但是可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下对所说明的示例进行改变和/或修改。例如，与所示出的示例相比，用于触发特定动作的逻辑水平可以颠倒。逻辑门可以由执行基本相同功能的其它逻辑电路等代替。特别地，关于由上面所描述的部件或结构(单元、组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这种部件的术语旨在与执行所描述部件的指定功能的任何部件或结构相对应(例如，在功能上等效)，即使在结构上与所公开的结构不等效，所公开的结构在本发明的本文所说明的示例性实施方式中执行功能。

Claims (21)

1.一种集成电路，包括：
功率晶体管(2)，耦合在供电引脚(SUP)和输出引脚(OUT)之间；
电流感测电路，耦合到所述功率晶体管(2)，并且所述电流感测电路被配置成生成电流感测信号(CS)，所述电流感测信号(CS)指示穿过所述功率晶体管(2)的负载电流(iL)；
监控电路(4)，被配置成：接收所述电流感测信号(CS)，并且基于所述电流感测信号(CS)和阈值(dTR)提供保护信号(OC)；
其中所述监控电路(4)包括滤波器(42)，所述滤波器(42)被配置成接收取决于所述电流感测信号(CS)的滤波器输入信号，所述滤波器(42)具有具有两个或更多个时间常数(τ1、τ2、τ3)的传输特性。
2.根据权利要求1所述的集成电路，
其中所述两个或更多个时间常数(τ1、τ2、τ3)表示二阶或更高阶的低通滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的集成电路，
其中所述两个或更多个时间常数(τ1、τ2、τ3)表示低通滤波器的两个或更多个相应的极点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，
其中所述两个或更多个时间常数(τ1、τ2、τ3)表示并联连接的两个或更多个的相应的一阶低通滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的集成电路，
其中所述滤波器(42)具有可配置的增益。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的集成电路，还包括：
逻辑电路(3)，被配置成：响应于所述保护信号(OC)，触发所述功率晶体管(2)的关断或发信号通知错误。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述逻辑电路(3)被配置成：接收接通命令，并且响应于所述接通命令而触发所述功率晶体管的接通。
8.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述接通命令由二进制输入信号(SIN)的水平转换表示。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的集成电路，其中所述滤波器输入信号表示所述电流感测信号(CS)的非线性函数。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的集成电路，其中所述监控电路(4)还包括：
比较器(43)，被配置成：接收所述滤波器(42)的输出信号(dT)和所述阈值(dTR)，并且基于所述滤波器(42)的所述输出信号(dT)和所述阈值(dTR)来提供所述保护信号(OC)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的集成电路，其中所述监控电路(4)还包括：
模数转换器(41)，被配置成将所述电流感测信号(CS)数字化。
12.根据权利要求11所述的集成电路，
其中所述模数转换器(41)具有分段线性的特性，并且所述滤波器(42)接收数字电流感测信号作为输入信号。
13.根据权利要求11所述的集成电路，
其中所述模数转换器(41)具有线性的特性，并且所述滤波器(42)接收表示所述数字电流感测信号的非线性函数的信号作为输入信号。
14.根据权利要求9或13所述的集成电路，
其中所述非线性函数是平方函数。
15.一种方法，包括：
通过接通功率晶体管(2)来使能来自供电引脚(SUP)和输出引脚(OUT)的负载电流路径；
提供表示穿过所述功率晶体管(2)的所述负载电流(iL)的信号；
基于电流感测信号(CS)和阈值(dTR)生成保护信号(OC)；
其中生成所述保护信号(OC)包括使用滤波器(42)对取决于负载电流信号(CS)的滤波器输入信号(CSDIG 2)进行滤波，所述滤波器具有具有两个或更多个时间常数(τ1、τ2、τ3)的传输特性。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
响应于所述保护信号(OC)，触发所述功率晶体管(2)的关断或发信号通知错误。
17.根据权利要求15或16所述的方法，
其中所述滤波器输入信号指示所述负载电流(iL)的非线性函数。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中生成所述保护信号(OC)还包括：
将所述滤波器(42)的输出信号(dT)与所述阈值(dTR)进行比较，所述保护信号(OC)指示所述滤波器(42)的所述输出信号(dT)是否已经超过所述阈值(dTR)。
19.一种方法，包括：
提供表示穿过负载的负载电流相对于时间的测量波形；
基于所述测量波形，计算所述负载的时间-电流特性；
根据所述负载的所述时间-电流特性，计算两个或更多个时间常数(τ1、τ2、τ3)；以及
将计算得到的所述时间常数(τ1、τ2、τ3)用于根据权利要求1至14中任一项所述的集成电路中。
20.根据权利要求19所述的方法，
其中所述负载的所述时间-电流特性表示所述负载电流在整个给定的时间段上的最大RMS值。
21.根据权利要求20所述的方法，
其中使用所述集成电路的数字通信接口将所述时间常数(τ1、τ2、τ3)编程到所述集成电路中。
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