CN114079262B - 触发电路和包括该触发电路的电子保险丝装置 - Google Patents

Abstract

触发电路和包括该触发电路的电子保险丝装置(1)。触发电路与微控制器(8)一起工作以控制负载(2)。微控制器(8)具有低功率模式和外部中断输入端(12)，该外部中断输入端(12)用于触发从低功率模式的唤醒并发起与负载(2)相关的中断动作。触发电路包括：传感器输入端(24)，用于接收与负载(2)相关的传感器信号；阈值输入端(20)，用于接收阈值参考信号；以及比较器(22)，用于将传感器信号与阈值参考信号进行比较，并响应于该比较而将中断信号输出到外部中断输入端(12)。

Description

触发电路和包括该触发电路的电子保险丝装置

技术领域

本公开涉及一种触发电路和结合该触发电路的电子保险丝装置。本发明尤其涉及与微控制器结合使用的触发电路，用于汽车应用中的过电流保护。

背景技术

大多数电子系统需要保险丝或断路器装置来提供针对由短路或其它故障引起的过电流的过电流保护。在汽车应用中，这些保险丝系统对于维护车辆的电子安全系统特别重要，这些系统在具有自主驾驶系统的车辆中尤其关键。

历史上，保险丝系统包括具有熔丝阵列的保险丝板。这种熔丝提供低欧姆电流路径，当通过的电流超过阈值时，该低欧姆电流路径被加热并熔断，从而防止损坏所连接的负载。然而，这种系统的空间效率相对较低，并且每次发生过电流事件时需要新的保险丝。这样，有了朝向断路器系统的发展，并且最近，已经有了朝向电子保险丝系统的发展，该电子保险丝系统包括集成电路，该集成电路具有电流测量功能和用于控制晶体管开关以在检测到的电流超过阈值时断开负载的逻辑。同时，这种集成电路控制器通常还用于在正常操作期间接通和断开负载。因此，这些控制器通常被称为“智能输出驱动器”，因为它们在正常操作期间和在过电流事件中驱动电源模块的晶体管开关。虽然传统的智能输出驱动器是有效的，但是它们具有许多缺点。

首先，智能输出驱动器缺乏灵活性，因为每个驱动器只能在特定的电流域内使用。即，用于智能输出驱动器的集成电路的设计被优化以在特定电流范围内使用，并且由于它们的设计以及制造它们所需的制造工艺中的固有差异，将低和高电流驱动器组合是不切实际的。这也限制了集成逻辑块的能力。也就是说，尽管可以实现诸如警告和灵活电流窗口的基本特征，但是它们不能实现更高级的安全微控制器可能需要的附加逻辑能力和正在进行的电流监测诊断。

其次，智能输出驱动器在监测电流的同时消耗功率，如果车辆的电子装置被切换到低功率模式，则使得它们相对低效。也就是说，为了在发生过电流事件的情况下安全地切断电流路径而持续监测电流的需求意味着寄生功耗相对较高。尽管已经使用了用于监测电流的不同方法，但是所有这些方法都固有地依赖于保持在活动模式下的智能组件来提供监测功能。这样，对整个模块的静态电流需求对于汽车应用通常是不可接受的高，因为空闲电流消耗可能超过原始设备制造商的要求。

因此，仍然需要提供安全可靠的电力供应的改进的电子保险丝装置。

发明内容

本公开涉及一种与微控制器一起使用的触发电路，以提供保护负载免受过电流的电子保险丝装置。该触发电路可以与用于汽车应用的安全微控制器一起使用。

根据第一方面，提供了一种与微控制器一起使用的触发电路，该微控制器用于当处于活动模式时控制负载，并且具有低功率模式和外部中断输入端，其用于触发从所述低功率模式的唤醒并发起与所述负载相关的中断动作，所述触发电路包括：传感器输入端，用于接收与所述负载相关的传感器信号；阈值输入端，用于接收阈值参考信号；以及比较器，用于将所述传感器信号与所述阈值参考信号进行比较，并且用于响应于所述比较将中断信号输出到所述外部中断输入端。

以这种方式，触发电路可以利用模拟电路来提供对诸如过电流事件之类的负载事件的低延时响应。作为响应，微控制器可以被激活并且数字地确定适当的响应。因此，可以提供一种触发装置，其将模拟监测电路的低静态电流需求与微控制器的灵活性和处理能力相结合。这样，该触发电路可以与例如车辆的安全微控制器一起使用，以在车辆的发动机关闭时实现低功耗，同时仍然允许响应于在微控制器处于休眠模式时保持的那些负载的过电流事件而快速发起动作。

在实施方式中，微控制器是用于响应于过电流事件而将负载从电源断开的电子保险丝。以这种方式，即使当微控制器处于低功率模式时，也可以提供对电流过载的快速响应。

在实施方式中，传感器信号对应于通过电流路径从电源汲取的电流。以这种方式，提供了用于检测过电流事件的电流传感器。该传感器也可用于监测电流汲取特性。

在实施方式中，电流传感器包括分流电阻器或霍尔传感器。

在实施方式中，触发电路还包括开关，其可操作以响应于来自微控制器的输出而将负载与电源连接或断开。以这种方式，该开关可以被集成到所述触发电路中。在另选实施方式中，触发电路可以控制外部开关。

在实施方式中，触发电路还包括用于保持开关以在微控制器处于低功率模式时维持负载与电源的连接的锁存器。以这种方式，不需要微控制器主动地驱动开关来维持负载的连接。

在实施方式中，开关是晶体管，并且来自微控制器的输出控制晶体管的栅极。例如，开关可以是MOSFET或其它类型的晶体管。

在实施方式中，传感器输入端还包括围绕比较器的监测旁路，用于将传感器信号发送到微控制器，以便在处于活动模式时由微控制器进行监测。以这种方式，当为了例如诊断目的而激活传感器测量时，微控制器可以对其进行监测。

根据第二方面，提供了一种电子保险丝装置，其包括：根据以上描述中任一项所述的触发电路；以及微控制器，其用于在处于活动模式时控制负载，并且具有低功率模式和外部中断输入端，该外部中断输入端用于触发从所述低功率模式的唤醒并发起与所述负载相关的中断动作。

在实施方式中，外部中断输入端包括不可屏蔽中断NMI输入端。

在实施方式中，电子保险丝装置还包括模数转换器ADC模块，用于将传感器信号转换成用于微控制器的数字化传感器信号。以这种方式，微控制器可以直接监测传感器测量。

在实施方式中，电子保险丝装置还包括阈值生成模块，用于基于由微控制器设置的阈值输出生成阈值参考信号。以这种方式，可以根据例如特定负载或其它负载电路要求方便地改变阈值。

在实施方式中，阈值生成模块包括数模转换器DAC模块和脉宽调制PWM模块之一。PWM模块提供使用定时器模块的实现，从而通过避免处理器连续执行的需要，有助于最小化低功率模式期间的电流需求。

在实施方式中，该装置包括多个触发电路。以这种方式，可以由单个微控制器独立地监测多个负载。

在实施方式中，微控制器为多个触发电路中的每一个产生相应的阈值参考信号。以这种方式，可以使用同一微控制器来监测在不同的电流域内工作的负载。例如，同一安全微控制器可以监测高功率负载电路和低功率负载电路二者。

附图说明

现在将参照附图来描述说明性实施方式，其中：

图1示出了根据第一实施方式的电子保险丝装置的简化电路图；

图2示出了使用图1所示的电子保险丝装置的启动操作过程的流程图；

图3示出了图1的电子保险丝装置在正常电流条件期间的操作的流程图；以及

图4示出了图1的电子保险丝装置在过电流情况下的操作的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据第一实施方式的电子保险丝装置1的简化电路图，其包括模拟触发电路和微控制器8。电子保险丝装置1用于响应于电流测量传感器4检测到的电流，通过操作MOSFET 5形式的开关来控制负载2与电池3之间的电流路径6的切换。

MOSFET 5的开关通过栅极驱动器11来控制，该栅极驱动器11通过微控制器8的数字输出端10来控制。这样，当MOSFET 5导通时，建立负载5与电池3之间的电流路径6以允许负载汲取功率。还提供锁存器7，其可操作以响应于来自数字输出端10的脉冲信号将MOSFET锁定在导通状态。

负载电流测量传感器4沿电流路径6连接，用于监测由负载2汲取的电流电平。电流测量传感器可以被设置为分流电阻器或霍尔效应传感器装置。在该实施方式中，电流测量传感器4还包括差分放大器24，其将电流传感器信号输出到比较器21的第一输入端23。电流传感器信号以与感测的电流电平成比例的电压电平的形式提供。

比较器21将电流传感器信号的电压电平与通过第二输入端20施加的阈值信号的电压电平进行比较。如果电流传感器信号超过阈值，则比较器21通过中断输出端22输出数字中断信号。在该实施方式中，所述阈值信号是使用由微控制器8内的定时器模块13输出的脉宽调制(PWM)信号14生成的。PWM信号14通过PWM滤波器17(例如低通滤波器)进行滤波。一旦被滤波，输出阈值信号电压就与原始PWM信号14的占空比成比例。这样，微控制器8可以通过指示定时器模块13改变PWM信号14的占空比来调节输出中断信号的电流阈值。这由此允许数字PWM信号14被转换为用于比较器21的合适的模拟输入。一旦设置，定时器模块13就可以保持PWM信号14，而不需要微控制器执行连续的处理。这样，可以以最小的功率需求来维持阈值信号。应当理解，可以使用其它布置来从微控制器8产生合适的模拟阈值信号，例如微控制器8内的数模转换器(DAC)模块。

来自电流传感器4的输出被提供有另一旁路连接19，其从差分放大器24的输出端连接到微控制器8的模拟模块15内的模数转换器(ADC)输入端16。旁路连接19旁路比较器21并通过串行滤波器17馈送以向微控制器8提供电流传感器反馈。

比较器21的中断输出端22连接到微控制器8的不可屏蔽中断(NMI)端子12。这样，当比较器21输出数字中断信号时，NMI的激活触发微控制器8采取诊断响应动作，而与其当前状态无关。因此，即使微控制器8处于休眠模式，施加到NMI端子12的中断信号也促使快速硬件中断，迫使微控制器8唤醒并启动对由负载2汲取的感测电流的诊断协议。如果随后诊断出过电流情况，则微控制器8可以通过栅极驱动器11输出开关信号以关断MOSFET 5，从而断开负载2。这由此提供了低延时中断，只要检测到的电流超过由微控制器8通过PWM信号14设置的阈值，该低延时中断就可以优先化电流诊断协议。

现在将参照图2至图4描述装置1在各种情况下的操作。

图2示出了当图1所示的电子保险丝装置首次接通或复位时的启动操作过程的流程图。在步骤201中，微控制器软件被开启，然后启动配置例程202，其中由定时器模块13输出的PWM信号被设置为提供适当的电流阈值。例如，该阈值可以根据系统设计参数(例如所连接的负载、负载类型和线束尺寸)来选择。一旦配置例程202完成，就在步骤203中，由微控制器8激活MOSFET 5。然后微控制器的中断功能也被启用(步骤204)，这激活通过NMI端子12对中断信号的感测。在该阶段205，微控制器8然后可以使用ADC输入端16例如以指定的时间间隔监测流动的电流。锁存器7也可以在步骤206中被激活，以便即使微控制器8在休眠模式期间斜降也保持负载2通电。

图3示出了微控制器在正常电流条件下的活动模式301期间电子保险丝装置的操作步骤的流程图。在这种情况下，流过路径6的电流量低于阈值，因此比较器21不输出中断信号，因此NMI端子12不被激活(步骤302和303)。这样，微控制器8根据需要使用ADC输入端16间隔地监测电流流动(步骤304)，并且锁存器7可以在步骤305中被激活以将MOSFET 5保持在导通状态。微控制器的软件还可以决定使系统永久地处于该活动模式，或者将其自身转移到低功率休眠模式(步骤306)。

图4示出了电子保险丝装置1在过电流情况下的操作步骤的流程图，例如作为发生短路的结果。在这种情况下，过电流事件(步骤401)使得比较器21向NMI端子12输出中断信号，这在步骤403中激活NMI例程并迫使微控制器8醒来。这还在微控制器8的中断系统中产生数字标志，调用中断服务例程，该中断服务例程提示微控制器8读取ADC输入端16并确定随后应当发生的缓和过程的性质。例如，如果电流传感器信号的特性指示连续的过电流，则微控制器软件可以快速断开MOSFET 5。或者，如果特性指示电流峰值是由瞬态电容性负载引起的，则微控制器8可以维持MOSFET 5的连接以维持系统可用性。

因此，利用上述布置，在正常活动模式期间，微控制器8可以使用经由ADC输入端16接收的电流反馈来监测负载2。这样，可以在微控制器8中实现正在进行的诊断功能或复杂的融合算法，以例如随时间监测电流特性。如果出现过电流事件，则模拟部件提供保护响应的快速触发。具体地，比较器21响应于超过阈值的电流的任何增加而激活NMI 12，该NMI 12触发微控制器8以基于ADC输入端16快速诊断故障，并且如果合适，则切换MOSFET 5以将负载2从电流路径6断开。有利地，即使微控制器8处于低功率休眠模式，也可以启动该触发动作。也就是说，微控制器16可以关闭主动监测ADC输入端16的电源以节省功率，并且依靠模拟比较器来启动过电流响应。这不仅提供了低延时的响应时间，而且因为微控制器8随后确定响应动作，所以可以进行问题的更复杂的表征。例如，瞬时电流尖峰可能与延长的过电流情况不同，以在任何可能的时候维持系统可用性。这与传统智能电流驱动器所采取的更简单的响应动作形成对比，传统智能电流驱动器通常响应于任何检测到的电流尖峰而断开负载。

因此，该布置允许实现由微控制器8提供的灵活性，同时当微控制器处于休眠模式时仍然提供电流过载保护，而基本上不增加系统静态电流需求。这在汽车应用中是特别重要的，在汽车应用中，当发动机关闭时，有必要使尽可能多的非关键系统断电，然而某些关键系统必须保持供电。

另一个优点是触发阈值可以由微控制器使用PWM输出信号14或例如使用数模转换器自由调节。PWM信号的使用是特别有利的，因为该信号可以由内部定时器模块13保持，而不依赖于连续的CPU执行。这允许在微控制器处于低功率模式时产生阈值信号的同时实现低静态电流需求。

最后，逻辑和模拟电源部分的分割不仅允许单个微控制器监测多个保险丝，而且还允许单个微控制器监测不同车辆电流的整个带宽。也就是说，不同的模拟触发电路可以与不同的负载相关联，它们各自的阈值基于各自的负载特性来设置。

应当理解，上述实施方式仅出于说明的目的而示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同的配置，详细的实施方式对于本领域技术人员来说是易于实现的。

关于这一点，例如，应当理解，微控制器可以执行除了作为电子保险丝装置的一部分的作用之外的其它功能。例如，微控制器可以是触发部件随后与之联接的车辆安全微控制器。这样，现有的现成微控制器装置可以被编程用于实施方式中。在其它布置中，实施方式可被提供为包括数字微控制器以及一个或更多个模拟触发电路的完整的电子保险丝装置。

Claims (15)

1.一种与微控制器一起使用的触发电路，所述微控制器包括数模转换器DAC模块或脉宽调制PWM模块，所述数模转换器DAC模块或脉宽调制PWM模块被配置成生成阈值参考信号，所述触发电路包括：

传感器输入端，该传感器输入端用于接收与负载相关的传感器信号；

阈值输入端，该阈值输入端用于接收来自所述微控制器的所述阈值参考信号；以及

比较器，该比较器用于将所述传感器信号的电压与所述阈值参考信号的电压进行比较，并且响应于所述传感器信号的电压大于所述阈值参考信号的电压而将中断信号输出至所述微控制器，其中，

所述微控制器被配置成：

当所提供的功率受限时在低功率模式下工作；

响应于接收到所述中断信号而在活动模式下工作；并且

当处于所述活动模式时控制所述负载并基于所述传感器信号的电压确定缓和过程。

2.根据权利要求1所述的触发电路，其中，所述微控制器是用于响应于过电流事件而将所述负载从电源断开的电子保险丝。

3.根据权利要求2所述的触发电路，其中，所述传感器信号与通过电流路径从所述电源汲取的电流相对应。

4.根据权利要求3所述的触发电路，其中，所述传感器包括分流电阻器或霍尔传感器。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的触发电路，该触发电路还包括开关，该开关能操作以响应于来自所述微控制器的输出而将所述负载与所述电源连接或断开。

6.根据权利要求5所述的触发电路，该触发电路还包括锁存器，该锁存器用于保持所述开关，以在所述微控制器处于低功率模式时维持所述负载到所述电源的连接。

7.根据权利要求5所述的触发电路，其中，所述开关是晶体管，并且来自所述微控制器的输出控制所述晶体管的栅极。

8.根据权利要求1所述的触发电路，其中，所述传感器输入端还包括围绕所述比较器的监测旁路，用于将所述传感器信号传送至所述微控制器，以在所述微控制器处于活动模式时由所述微控制器来进行监测。

9.一种电子保险丝装置，该电子保险丝装置包括：

根据权利要求1至8中任一项所述的触发电路；以及

微控制器，该微控制器用于在处于活动模式时控制负载，并且具有低功率模式和外部中断输入端，该外部中断输入端用于触发从所述低功率模式的唤醒并发起与所述负载相关的中断动作。

10.根据权利要求9所述的电子保险丝装置，其中，所述外部中断输入端包括不可屏蔽中断NMI输入端。

11.根据权利要求9或10所述的电子保险丝装置，该电子保险丝装置还包括模数转换器ADC模块，用于将传感器信号转换成用于所述微控制器的数字化传感器信号。

12.根据权利要求9所述的电子保险丝装置，该电子保险丝装置还包括阈值生成模块，用于基于由所述微控制器设置的阈值输出来生成所述阈值参考信号。

13.根据权利要求12所述的电子保险丝装置，其中，所述阈值生成模块包括数模转换器DAC模块和脉宽调制PWM模块中的一者。

14.根据权利要求9所述的电子保险丝装置，其中，所述电子保险丝装置包括多个触发电路，所述触发电路是根据权利要求1至8中任一项所述的触发电路。

15.根据权利要求14所述的电子保险丝装置，其中，所述微控制器为所述多个触发电路中的每一个生成相应的阈值参考信号。