CN115589186A - 用于在故障状况期间保护起动发电机系统的方法和装置 - Google Patents

用于在故障状况期间保护起动发电机系统的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请题为“用于在故障状况期间保护起动发电机系统的方法和装置”。示例装置包括：具有第一电源输入的电平移位器(306)；栅极驱动器(308)，其具有耦合到第一电源输入并适于耦合到二极管(316)的阴极的第二电源输入，该栅极驱动器(308)具有适于耦合到开关(164)的控制端子的输出；以及具有输入和输出的电流源电路(318)，该输入适于耦合到电源(122)并且该输出适于耦合到第一电源输入、第二电源输入和电容器(304)。

Description

用于在故障状况期间保护起动发电机系统的方法和装置
技术领域
本说明书总体上涉及起动发电机系统，并且更具体地涉及用于在故障状况期间保护起动发电机系统的方法和装置。
背景技术
起动发电机系统由发动机(例如，车辆发动机、飞行器发动机等)实现，用于驱动负载(例如，马达)。起动发电机系统包括可以驱动马达以启动发动机并且可以生成并向马达提供恒定功率以操作发动机的电路系统。此外，起动发电机系统包括可以在马达的故障状况期间保护起动发电机系统的电路系统。
发明内容
对于用于在故障状况期间保护起动发电机系统的方法和装置，一种示例集成电路包括具有第一电源输入的电平移位器。该示例集成电路包括栅极驱动器，该栅极驱动器具有耦合到第一电源输入并适于耦合到二极管的阴极的第二电源输入，该栅极驱动器具有适于耦合到开关的控制端子的输出。该示例集成电路包括具有输入和输出的电流源电路，该输入适于耦合到电源，并且该输出适于耦合到第一电源输入、第二电源输入和电容器。
附图说明
图1是用于操作和/或向示例负载供电的示例系统的示意图。
图2A是包括在图1的示例系统的第一示例负载驱动器集成电路(IC)中以驱动低侧晶体管的第一示例相位电路的示意图。
图2B是用于示出在故障状况期间通过图2A的第一示例负载驱动器IC中的第一示例相位电路的信号流的图2A的示意图的注释版本。
图3是包括用于在故障状况期间驱动图1的低侧晶体管的低侧电源补偿电路系统的第二示例负载驱动器IC的示意图。
在附图中使用相同的参考数字或其它附图标记来指定(功能上和/或结构上)相同或相似的特征。
具体实施方式
高压(例如48伏)起动发电机系统用于操作和/或向负载(诸如马达)供电。在一些示例中，起动发电机系统包括驱动多个开关(例如，外部开关，诸如金属氧化物硅场效应晶体管、双极结型晶体管、晶体管等)以向负载供电的马达驱动器集成电路(IC)。这些开关包括低侧开关和高侧开关。高侧开关在正常操作期间驱动负载(例如马达)，而低侧开关在故障状况操作中将电流从负载短路连接到接地。
在一些示例中，故障情况操作在牵引期间或在维修店处响应于车辆系统的车轮在车辆关闭时旋转而发生在起动发电机系统中。在此类示例中，当车辆关闭时车轮的旋转导致三相马达(例如，用于在正常操作中推动车辆的马达)以发电机模式运行，其中能量被从马达反馈到设计用于驱动马达的电路。从马达反馈的能量被称为反电动势(emf)。对于较大的马达，反电动势(BEMF)可能会导致马达驱动器IC的48伏电压轨超过200伏，从而导致起动发电机系统中的部件(例如电子部件)失效。起动发电机系统通过接通低侧开关以使马达电流短接到地来避免系统部件失效。这被称为有源短路(active short circuit)。
启动有源短路的马达驱动器IC的一部分从电源获得低侧电源，该电源从总电源(例如，48伏、52伏等的电池电源)获得其功率。例如，马达驱动器IC从由起动发电机系统实现的DC到DC转换器接收相对于总电源功率较小的电源功率，其中DC到DC转换器耦合到总电源并将48伏转换至12伏。在一些示例中，在故障状况期间，需要该较小的电源来接通低侧开关。然而，较小的电源可能无法在故障状况期间接通。例如，设置在较小电源和马达驱动器IC之间的去耦电容器可能会在故障状况期间短路，DC到DC转换器可能会因故障状况而关闭和/或无法正常工作等。在此类示例中，较小的电源不提供电源来接通低侧开关，从而导致系统故障。
本文公开的示例解决了在故障状况期间接通低侧开关的问题。例如，本文公开的示例有助于在故障状况期间向马达驱动器IC提供一致的电源，以确保低侧开关在需要它们的时间期间接通。本文公开的示例通过为每个相位(例如，每个低侧开关)添加浮动低侧电源来解决该问题，从而允许容忍在较小的电源引脚以及任何相位上的短路。例如，当较小的电源短接到地时，浮动低侧电源在故障状况期间通过提供适当的电源来接通相应的低侧开关来补偿该短路。
图1是用于操作和/或向示例负载102供电的示例系统100的示意图。系统100包括示例控制系统104、示例负载驱动器集成电路(IC)106、示例高侧开关108以及示例低侧开关110。系统100由示例系统电源(VBAT)112供电。在该示例中，负载102可以是电动马达(例如，无刷马达或任何三相马达)，并且电源112是电池。虽然在该示例中，控制系统104和负载驱动器106被示为单独的集成电路(例如，在不同的半导体衬底上实现)，但是这些系统可以在相同的半导体衬底上实现和/或被封装在相同的器件封装件中。此外，在一些示例中，开关108和110可以被制造在相同的半导体衬底和/或相同的器件封装件上。系统104和106可以与开关108和110在相同的半导体衬底上实现和/或被封装在相同的器件封装件或模块中。在一些示例中，系统100被用在电动车辆中。在其它示例中，系统100可以用在工业设备或BEMF可能损坏该系统的任何发电系统中。
在图1中，控制系统104被配置为生成控制信号以向负载驱动器IC 106提供与哪些开关组(例如，高侧开关108和/或低侧开关110)将被接通和哪些将被关断相对应的信息/信号。控制系统104包括示例比较器118、示例DC到DC转换器120和示例控制器176。
在图1中，比较器118包括第一比较器输入(例如，非反相输入)、第二比较器输入(例如，反相输入)和比较器输出。第一比较器输入耦合到系统电源(VBAT)112并被配置为经由示例第一开关124接收示例系统电源电压(VBAT_SYSTEM)122。第二比较器输入耦合到阈值电压180，也被称为过电压阈值180。比较器输出耦合到控制器176以提供触发、通知信号等，通知控制器176驱动高侧开关108或低侧开关110。比较器118比较系统电源电压(VBAT_SYSTEM)122和过电压阈值180以确定系统电源电压(VBAT_SYSTEM)122何时超过正常操作电压(例如，55伏、60伏等)。在一些示例中，可以基于系统100中的部件的操作状况来确定过电压阈值180。例如，可以基于引起比较器118、控制器176、负载驱动器IC 106等发生故障的电压电平来定义过电压阈值180。
在图1中，DC到DC转换器120包括转换器输入和转换器输出。转换器输入耦合到系统电源(VBAT)112并被配置为经由第一开关124接收系统电源电压(VBAT_SYSTEM)122。转换器输出在第一端子126处耦合到负载驱动器IC 106。DC到DC转换器120可以由生成与其输入电压不同的输出电压的开关模式功率转换器来实现。例如，DC到DC转换器120从系统电源112获得48伏输入并且在输出处将输入向下转换为12伏。在一些示例中，转换器(经由转换器输出)经由第一端子126向负载驱动器IC 106提供低侧功率(PVDD)。
在图1中，控制器176是微控制器。另外和/或可替代地，控制器176是微处理器、微型计算机、逻辑电路系统、状态机、专用集成电路(ASIC)和/或任何类型的嵌入式计算硬件。控制器176耦合到比较器输出和负载驱动器IC 106以提供控制信号。控制器176包括第一控制器输出114和第二控制器输出116。第一控制器输出114和第二控制器输出116耦合到负载驱动器IC 106。在一些示例中，控制器176将在第一控制器输出114上输出“高电平”(例如，逻辑高、逻辑1、高电压等)并且响应于比较器输出变低而在第二控制器输出116上输出“低电平”(例如，逻辑低、逻辑0、低/零电压等)。在一些示例中，控制器176将响应于比较器输出切换(例如，从低转换到高)而在第一比较器输出114上输出“低电平”并且在第二控制器输出116上输出“高电平”。
在图1中，第一开关124由固态开关(诸如DC固态继电器、AC固态继电器等)实现。可替代地，第一开关124由半导体器件(诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)等)实现。第一开关124可以被配置为耦合到逻辑控制电路系统(未示出)，以便接通和关断第一开关124。例如，逻辑控制电路系统响应于系统100关断(例如，当车辆关闭时)关断第一开关124(例如，第一开关124打开)，并且逻辑控制电路系统响应于系统100接通(例如，当车辆正在运行、操作、开启等时)接通第一开关124(例如，第一开关124闭合)。第一开关124耦合在系统电源(VBAT)112和系统100的块(例如，控制系统104和高侧开关108)之间。
在图1中，系统电源(VBAT)112由电池实现。例如，系统电源(VBAT)112可以是48伏电池。另外和/或可替代地，系统电源(VBAT)112是电压源和/或任何其它类型的电源。
在图1中，负载驱动器IC 106被配置为驱动高侧开关108和低侧开关110。IC(诸如负载驱动器IC 106)是可以在相同半导体衬底上彼此耦合的一个或多个电路。负载驱动器IC 106包括第一端子126、示例第二端子128、示例第三端子130、示例第四端子132、示例第五端子134、示例第六端子136、示例第七端子138、示例第八端子140、示例第九端子142和示例第十端子144。负载驱动器IC 106包括示例第一高侧(HS)相位电路146、示例第二HS相位电路148、示例第三HS相位电路150、示例第一低侧(LS)相位电路152、示例第二LS相位电路154、示例第三LS相位电路156和示例高侧电源178。
在图1的负载驱动器IC 106中，HS相位电路146、148、150在第二端子128处耦合到第一控制器输出114以接收控制信号并且耦合到高侧电源178以接收电源。HS相位电路146、148、150包括驱动高侧开关108的电路系统。例如，HS相位电路146、148、150可以包括响应于读取第一控制器输出114上的控制信号而激活和/或去激活高侧开关108的任何类型的电路系统。
在图1的负载驱动器IC 106中，高侧电源178包括用于每一个HS相位电路146、148、150的自举电路系统。在一些示例中，自举电路系统被设计为为HS相位电路146、148、150提供正电压偏置。当HS相位电路146、148、150处于激活状态(例如，接通并驱动高侧晶体管158、160、162)时，HS相位电路146、148、150的参考电压上升到接近桥电源电压(例如，电源电压和自举电容器的电压之间的差异)。HS相位电路146、148、150的供电然后将超过桥电源电压以确保HS相位电路146、148、150保持激活。该临时高侧电源由高侧电源178的自举电容器提供。在一些示例中，高侧电源178包括用于第一HS相位电路146的第一自举电路系统、用于第二HS相位电路148的第二自举电路系统以及用于第三HS相位电路150的第三自举电路系统。
在图1的负载驱动器IC 106中，LS相位电路152、154、156在第三端子130处耦合到第二控制器输出116以接收控制信号。LS相位电路152、154、156在第一端子126处耦合到DC到DC转换器120的输出以获得低侧功率(PVDD)。LS相位电路152、154、156包括驱动低侧开关110的电路系统。例如，LS相位电路152、154、156包括响应于读取第二控制器输出116上的控制信号而激活和/或去激活低侧开关110的任何类型的电路系统。LS相位电路152、154、156将在下文结合图2A、图2B和图3更详细地描述。
在图1中，高侧开关108和低侧开关110是外部开关。例如，高侧开关108和低侧开关110在控制系统104和负载驱动器IC 106外部。高侧开关108包括示例第一HS晶体管158、示例第二HS晶体管160和示例第三HS晶体管162。第一HS晶体管158、第二HS晶体管160和第三HS晶体管162是N沟道MOSFET(nMOSFET)。可替代地，第一HS晶体管158、第二HS晶体管160和第三HS晶体管162可以是N沟道场效应晶体管(FET)、N沟道绝缘栅双极晶体管(IGBT)、N沟道结型场效应晶体管(JFET)或NPN双极结型晶体管(BJT)。
在图1中，低侧开关110包括示例第一LS晶体管(FETA)164、示例第二LS晶体管(FETB)166和示例第三LS晶体管(FETC)168。第一LS晶体管(FETA)164、第二LS晶体管(FETB)166和第三LS晶体管(FETC)168是N沟道MOSFET。可替代地，第一LS晶体管(FETA)164、第二LS晶体管(FETB)166和第三LS晶体管(FETC)可以是FET、IGBT、JFET或NPN BJT。
第一HS晶体管158的栅极(例如，控制端子、基极端子等)在第五端子134处耦合到第一HS相位电路146的输出。第一HS晶体管158的漏极(例如，电流端子、集电极端子等)耦合到第一开关124。第一HS晶体管158的源极(例如电流端子、发射极端子等)耦合到第一LS晶体管164的漏极。第二HS晶体管160的栅极在第五端子134处耦合到第二HS相位电路148的输出。第二HS晶体管160的漏极耦合到第一开关124。第二HS晶体管160的源极耦合到第二LS晶体管166的漏极。第三HS晶体管162的栅极在第七端子138处耦合到第三HS相位电路150的输出。第三HS晶体管162的漏极耦合到第一开关124。第三HS晶体管162的源极耦合到第三LS晶体管168的漏极。
第一LS晶体管164的栅极在第八端子140处耦合到第一LS相位电路152的输出。第一LS晶体管164的源极耦合到公共电位(例如接地)。第二LS晶体管166的栅极在第九端子142处耦合到第二LS相位电路154的输出。第二LS晶体管166的源极耦合到公共电位(例如接地)。第三LS晶体管168的栅极在第十端子144处耦合到第三LS相位电路156的输出。第三LS晶体管168的源极耦合到公共电位(例如接地)。
在图1的示例中，端子126、128、130、132、134、136、138、140、142、144可以由铝、铜等或任何其它导电材料或它们的组合构成和/或以其它方式组成。在图1的示例中，端子126、128、130、132、134、136、138、140、142、144是引脚(例如，IC引脚)。可替代地，端子126、128、130、132、134、136、138、140、142、144可以是支腿(例如，导电支腿)、引线(例如，导电引线)、接线片(例如，导电接线片)，或任何其它类型的电接触件。在一些示例中，端子126、128、130、132、134、136、138、140、142、144可以是可互连集成电路(诸如形成在不同半导体管芯和/或不同器件封装件上的电路)或连接在相同半导体芯片上形成的电路的任何类型的导电互连件。
在图1中，负载102是马达。例如，负载102是三相马达，当其接通并操作时从系统100获取电力。如果负载102是三相马达(如图1中所示)，它包括第一负载输入170、第二负载输入172和第三负载输入174。第一负载输入170耦合到第一HS晶体管158的源极和第一LS晶体管164的漏极。第二负载输入172耦合到第二HS晶体管160的源极和第二LS晶体管166的漏极。第三负载输入174耦合到第三HS晶体管162的源极和第三LS晶体管168的漏极。
图2A是包括在第一示例负载驱动器集成电路(IC)200中以驱动低侧晶体管(例如，第一LS晶体管164)的第一示例LS相位电路202的示意图。图2B是用于示出当系统100中发生故障状况时流过第一示例负载驱动器IC 200中的第一示例LS相位电路200的信号流的图2A的示意图的注释版本。图2A和图2B的示意图可用于实现图1的负载驱动器IC 106的一部分。例如，图2A的第一示例LS相位电路202可用于实现图1的第一LS相位电路152。第一示例LS相位电路202包括示例电平移位器204和示例LS栅极驱动器206。LS栅极驱动器206包括上拉晶体管208、下拉晶体管210和逻辑门212。
在图2A中，电平移位器204是用于将第二控制器输出116上的信号从一个逻辑电平或电压域转换到不同的逻辑电平或电压域的电路系统，从而促进控制系统104和第一示例LS相位电路202之间的兼容性。电平移位器204可以是逻辑电平移位器、电压电平移位器和/或用于促进控制系统104和第一示例LS移相位电路202之间的兼容性的任何类型的电平移位器。电平移位器204包括电平移位器输入、电平移位器电源输入和电平移位器输出。电平移位器204的输入(例如电平移位器输入)在第三端子130处耦合到图1的第二控制器输出116，并且电平移位器204的电源输入(例如电平移位器电源输入)在第一端子126处耦合到图1的DC-DC转换器120。电平移位器204的输出(例如电平移位器输出)耦合到LS栅极驱动器206的输入。
在图2A中，LS栅极驱动器206控制第八端子140处的电压以接通和关断第一LS晶体管164。LS栅极驱动器206使用特定电压范围(例如，8伏-17伏)的电源电压(例如，来自低侧电源PVDD)。LS栅极驱动器206包括上拉晶体管208以将第一LS晶体管164的栅极处的电压拉高，并且包括下拉晶体管210以将第一LS晶体管164的栅极处的电压拉低。LS栅极驱动器206包括逻辑门212以反转电平移位器204的输出，从而向下拉晶体管210提供与上拉晶体管208的栅极电压不同的栅极电压。
上拉晶体管208和下拉晶体管210是N沟道MOSFET。可替代地，上拉晶体管208和下拉晶体管210可以是N沟道FET、N沟道IGBT、N沟道JFET或NPN BJT。上拉晶体管208的栅极(例如，控制端子、基极端子等)耦合到电平移位器204的输出。上拉晶体管208的漏极(例如，集电极端子、电流端子等)在第一端子126处耦合到低侧电源(PVDD)。上拉晶体管208的源极(例如，发射极端子、电流端子等)耦合到下拉晶体管210的漏极并经由第八端子140耦合到第一LS晶体管164的栅极。下拉晶体管210的栅极耦合到逻辑门212的输出。下拉晶体管210的漏极耦合到上拉晶体管208的源极并经由第八端子140耦合到第一LS晶体管164的栅极。下拉晶体管210的源极耦合到接地。
上拉晶体管208和下拉晶体管210包括固有的体二极管。例如，体二极管是MOSFET结构固有的。它本质上是寄生的，并且耦合在MOSFET的漏极和源极之间。第一体二极管的阴极耦合到上拉晶体管208的漏极并且第一体二极管的阳极耦合到上拉晶体管208的源极。第二体二极管的阴极耦合到下拉晶体管210的漏极，并且第二体二极管的阳极耦合到下拉晶体管210的源极。
逻辑门212是反相器、反相器逻辑门等。另外和/或可替代地，逻辑门212是逻辑AND门、逻辑OR门和/或通过以反转电平移位器204的输出的方式耦合逻辑门的任何类型的逻辑门。
在图2A的第一示例LS相位电路202的正常操作中，响应于第二控制器输出116变高，第三端子130处的电压电位变高。例如，比较器118进行切换(toggle)并且控制器176指示负载驱动器IC 200接通第一LS晶体管164。第一端子126处的电压电位满足电源电压范围以响应于DC到DC转换器120(图1)的输出向第一示例LS相位电路202供电。电平移位器204和LS栅极驱动器206被供给低侧电源(PVDD)并按设计进行操作。例如，电平移位器204获得第三端子130处的电压电位，并将输出电压调节为使上拉晶体管208接通而下拉晶体管208关断的电平。最终，上拉晶体管208完全接通导致上拉晶体管208的源极/漏极之间的低阻抗路径(本质上，在第一端子126处短路连接到低侧电源(PVDD))，并且第八端子140处的电压电位为高(例如，高到足以接通第一LS晶体管164)。下拉晶体管210被关断，并且在第八端子140处提供下拉晶体管210的漏极处的所有电流。
在第一示例LS相位电路202的正常操作中，响应于第二控制器输出116变低，第三端子130处的电压电位变低。例如，比较器118从高状态切换到低状态(例如，系统电源电压122下降到过压阈值180以下)并指示负载驱动器IC 200关断第一LS晶体管164。电平移位器204关断上拉晶体管208并接通下拉晶体管210以使第八端子140处的电压电位接地。例如，下拉晶体管210的漏极处的电流泄放到接地并且第八端子140处的电压变低。随着第八端子140处的电位被拉至接地，第一LS晶体管164关断。
以下描述参考图1的系统100以及图2A和图2B中所示的电路系统。在系统100的示例故障操作中，高侧开关108和HS相位电路146、148、150被关断，并且没有电流流向负载102。然而，负载102无意中运行(例如，轮胎在维修店打滑和/或在被拖走时)。然后，第一、第二和第三负载输入170、172和174用作输出，并且负载102的反电动势被注入高侧晶体管158、160、162(高侧开关108)中。例如，负载102充当响应于系统100生成反电动势的发电机。由于系统100关闭，第一开关124打开。在该故障状况中，负载102试图经由HS晶体管158、160、162的体二极管将负载电流(ILOAD)(由反电动势引起)推回系统100。控制系统104检测到负载102的故障状况，并且在第二控制器输出116上生成高电平，表明接通低侧开关110。例如，比较器118响应于供电系统电压122超过过电压阈值180从低切换到高，并且控制器176向第三端子130输出一个值，通知LS相位电路152、154、156接通LS晶体管164、166、168。控制系统104启动LS晶体管164、166、168，以便使负载电流ILOAD泄放到接地。以该方式，负载电流(ILOAD)不会损坏系统100。
然而，当接通LS晶体管164、166、168时，在该故障操作期间可能会出现问题。问题在于，为了接通LS晶体管164、166、168，低侧电源(PVDD)需要启动LS相位电路152、154、156，并且在一些示例中，在第一端子126处没有低侧电源。例如，存在并联耦合到DC到DC转换器120的输出和第一端子126的电容器(未示出)。该电容器可以用作去耦电容器以从低侧电源(PVDD)中去除由控制系统104生成的噪声。在一些示例中，由于随着时间推移正常的部件发生故障/磨损，该电容器(未示出)可能在故障状况期间短路连接到地。如果反电动势不受接通LS晶体管164、166、168控制，并且电压(例如，VBAT_SYSTEM122)升得太高，则去耦电容器可能短路。在此类示例中，第一端子126处的电压电位大约为零，并且LS相位电路152、154、156没有被提供电力以进行操作。在导致第一端子126处的电压电位近似为零和/或低于LS相位电路152、154、156的工作电压的故障操作期间可能发生其它示例。当不向LS相位电路152、154、156提供低侧电源(PVDD)时，LS开关110不接通，并且负载电流(ILOAD)继续提高系统电源电压(VBAT_SYSTEM)122的值，直到系统部件发生故障(例如，过热、烧毁、关机等)。
第一示例负载驱动器IC 200未被最优地配置为在该类型的故障操作期间补偿低侧功率(PVDD)。例如，第一示例负载驱动器IC 200未被最优地配置为在PVDD短接到地时为LS相位电路152、154、156供电。例如，转向图2B，当第一端子126短接到地且电压电位为零伏时，由于上拉晶体管208的第一体二极管，无法将第八端子140处的电压电位上拉。例如，如果第八端子140的电压电平高于第一端子126的电压电平，则上拉晶体管208的第一体二极管在正向偏置情况中导通电流，并且在独立于上拉晶体管208的栅极的情况下，不能切断从第八端子140流向第一端子126的第一体二极管的电流。例如，信号路径201在图2B中描绘，以示出电流流过第一示例LS相位电路202的方向。在图2B中，当第一端子126短接到地时，体二极管也将短接到地，并且因此第八端子140处的电压电位永远不会达到足以接通第一LS晶体管164的电平。本文公开的示例解决了图2B中所示的问题，即使当第一端子126处的电位短接到地时也能接通LS开关110。
图3是包括用于驱动图1的低侧晶体管164的低侧电源补偿电路系统302的第二示例负载驱动器IC 300的示意图。在该示例中，第二示例负载驱动器IC300替代了图2A和图2B的第一示例负载驱动器IC 200。在一些示例中，第二示例负载驱动器IC 300可以实现图1的负载驱动器IC 106。第二示例负载驱动器IC 300示出仅一个低侧相位电路的实施方式。然而，第二示例负载驱动器IC300可以实现多个低侧相位电路以驱动多个低侧开关。在该示例中，第二示例负载驱动器IC 300包括图1的第一LS相位电路152。另外和/或可替代地，第二示例负载驱动器IC 300可以包括第二LS相位电路154、第三LS相位电路156或第二示例负载驱动器IC 106中的任何其它相位电路。在替代示例中，可以使用第二示例负载驱动器IC300代替图1的第一LS相位电路152；可以使用第二负载驱动器IC 300代替图1的第二LS相位电路154；并且可以使用第三负载驱动器IC 300代替图1的第三LS相位电路156。第二示例负载驱动器IC 300包括示例低侧电源补偿电路系统302、示例电容器(CVGL)304(其可以在第二示例负载驱动器IC 300内部或外部)和图1的第一LS相位电路152。第一LS相位电路152包括示例电平移位器306和示例LS栅极驱动器308。LS栅极驱动器308包括示例上拉晶体管310、示例下拉晶体管312和示例逻辑门314。低侧电源补偿电路302包括示例二极管316和示例电流源电路318。
在图3中，响应于第一端子126处的电压电位为低、短接到地等，低侧(LS)电源补偿电路系统302补偿提供给LS相位电路的低侧功率。在一些示例中，LS电源补偿电路系统302被重复、复制、拷贝等，并被提供用于第二示例负载驱动器IC 300和/或负载驱动器IC 106的每个低侧相位(例如，每个LS相位电路152、154、156)。在一些示例中，LS电源补偿电路系统302被用作用于第二示例负载驱动器IC 300和/或负载驱动器IC 106中的低侧相位的浮动低侧电源。
在图3中，电平移位器306是用于将第二控制器输出116上的信号从一个逻辑电平或电压域转换到不同的逻辑电平或电压域的电路，从而促进控制系统104和第一LS相位电路152之间的兼容性。电平移位器306可以是逻辑电平移位器、电压电平移位器和/或用于促进控制系统104和第一LS移相位电路152之间的兼容性的任何类型的电平移位器。电平移位器306包括电平移位器输入、电平移位器电源输入和电平移位器输出。电平移位器306的输入(例如电平移位器输入)在第三端子130处耦合到图1的第二控制器输出116，并且电平移位器306的电源输入(例如，电平移位器电源输入)在第一相位端子(VGLA)320处耦合到LS电源补偿电路系统302。电平移位器306的输出(例如，电平移位器输出)耦合到LS栅极驱动器308的输入。
在图3中，LS栅极驱动器308控制第八端子140处的电压以接通和关断第一LS晶体管164(FETA或场效应晶体管-A)。LS栅极驱动器308利用在特定电压范围(例如，8伏-17伏)中的电源电压(例如，来自低侧电源PVDD和/或来自电源补偿电路系统302)。LS栅极驱动器308包括上拉晶体管310以将第一LS晶体管164的栅极处的电压拉高，并且包括下拉晶体管312以将第一LS晶体管164的栅极处的电压拉低。LS栅极驱动器308包括逻辑门314以反转电平移位器306的输出，以向下拉晶体管312提供与上拉晶体管310的栅极电压不同的栅极电压。
上拉晶体管310和下拉晶体管312是nMOSFET。可替代地，上拉晶体管310和下拉晶体管312可以是N沟道FET、N沟道IGBT、N沟道JFET或NPN BJT。上拉晶体管310的栅极(例如，控制端子、基极端子等)耦合到电平移位器306的输出。上拉晶体管310的漏极(例如，集电极端子、电流端子等)在第一相位端子(VGLA)320处耦合到二极管316。上拉晶体管310的源极(例如，发射极端子、电流端子等)耦合到下拉晶体管312的漏极，并经由第八端子140耦合到第一LS晶体管164的栅极。下拉晶体管312的栅极耦合到逻辑门312的输出。下拉晶体管的漏极312耦合到上拉晶体管310的源极并经由第八端子140耦合到第一LS晶体管164的栅极。下拉晶体管312的源极耦合到接地。
上拉晶体管310和下拉晶体管312包括固有的体二极管。例如，体二极管是MOSFET结构固有的。它本质上是寄生的，并且耦合在MOSFET的漏极和源极之间。第一体二极管的阴极耦合到上拉晶体管310的漏极并且第一体二极管的阳极耦合到上拉晶体管310的源极。第二体二极管的阴极耦合到下拉晶体管312的漏极，并且第二体二极管的阳极耦合到下拉晶体管312的源极。
逻辑门314是反相器、反相器逻辑门等。另外和/或可替代地，逻辑门314是逻辑AND门、逻辑OR门和/或通过以反转电平移位器306的输出的方式耦合逻辑门的任何类型的逻辑门。
二极管316是阻流二极管。可替代地，二极管316可以是允许电流仅在一个方向上流动的任何类型的二极管。二极管316的阳极耦合到图1的DC到DC转换器120的输出。二极管316的阴极在第一相位端子(VGLA)320处耦合到外部电容器304的正端子和第二示例负载驱动器IC 300。电平移位器306和上拉晶体管310的漏极耦合到第一相位端子320并且因此耦合到二极管316的阴极。在一些示例中，第二示例负载驱动器IC 300包括用于第二示例负载驱动器IC中的每个LS相位的相位端子300。例如，第二示例负载驱动器IC 300可以包括用于第二LS相位电路154的第二相位端子(VGLB)和用于第三LS相位电路156的第三相位端子(VGLC)。在此类示例中，第二相位端子(VGLB)可以耦合到不同于(第一)二极管316的第二二极管，并且第三相位端子(VGLC)可以耦合到不同于(第一)二极管316和第二二极管的第三二极管。在一些示例中，二极管316可以被第二示例负载驱动器IC 300包括和/或实现，并且因此直接耦合到电平移位器306和上拉晶体管310的漏极。
电流源电路318从系统电源电压(VBAT_SYSTEM)122导出和/或提供电流。在一些示例中，电流源电路318将从系统电源电压122汲取少量电流。电流源电路318的输入(例如，电流源输入)在第四端子132处耦合到图1的第一开关124。电流源电路318的输出(例如，电流源输出)耦合到外部电容器304的正端子和二极管316的阴极。电流源电路318被包括在第二示例负载驱动器IC 300中和/或由第二示例负载驱动器IC 300实现。另外和/或可替代地，电流源电路318可以在第二示例负载驱动器IC 300的外部。在一些示例中，负载驱动器IC106中的LS相位电路152、154、156中的每个相位包括电流源电路。另外和/或可替代地，LS相位电路152、154、156的每个相位共享电流源电路318。
在第二示例负载驱动器IC 300的示例第一故障操作中，控制器176在第二控制器输出116处输出高电平以经由第三端子130启动电平移位器306，从而接通第一LS晶体管164。响应于第二控制器输出116上的高信号，在第一相位端子(VGLA)320处存在电压电位。在该第一故障状况下，DC到DC转换器120输出的低侧电源(PVDD)通过故障去耦电容器(未示出)短接到地。在第一示例负载驱动器IC 200中，当第一端子126处的电位由于上拉晶体管310的体二极管而短接到地时，第八端子140处的电位将短接到地。然而，第二示例负载驱动器IC 300的二极管316有利地阻止从阴极到阳极的任何电流流动，并且因此，第八端子140和第一相位端子320处的电压电位不会短接到地。
在示例第一故障操作中，系统电源电压122随着负载102将功率输出回到系统100(例如，反电动势)而增加。随着系统电源电压122增加，电流源电路318将泄放少量电流并对外部电容器304充电。外部电容器304将随时间推移(例如，几毫秒、1秒等)存储来自电流源电路318的电荷/电流，最终存储足够的电荷以驱动第一LS晶体管164的栅极电压接通。第一相位端子320处的电压响应于外部电容器304的电荷而增加，因为第一相位端子320耦合到外部电容器304。二极管316防止第一相位端子320处的电荷通过二极管316流回到地，并且因此，电平移位器306(和上拉晶体管310)被提供足够的功率以接通第一LS晶体管164。
在第二示例负载驱动器IC 300的示例第二故障操作中，第二控制器输出116处的控制信号经由第三端子130启动电平移位器306以接通第一LS晶体管164。DC到DC转换器120的输出的低侧电源(PVDD)经由故障去耦电容器(未示出)短接到地。由于二极管316未正确操作，在第一相位端子(VGLA)320处没有电压电位，该电位被下拉晶体管312短接到地，电容器304可能被短路等。第一LS晶体管164不响应于二极管316的短路和/或电容器304上的短路而接通。然而，因为低侧(LS)电源补偿电路系统302对于每一相位是重复的，所以响应于相应的LS补偿电路系统经由相应的电流源电路对相应的相位端子充电，第二LS相位电路154和/或第三LS相位电路156中的至少一个或两者接通第二LS晶体管166和/或第三LS晶体管168。在此类示例中，当LS晶体管164、166、168中的至少一个或多个接通时，系统100被充分保护免受负载102的反电动势的影响。例如，LS晶体管164、166、168中的至少一个或多个可以断开负载102以保护系统100。
在本说明书中，术语“和/或”(当以诸如A、B和/或C的形式使用时)是指A、B、C的任何组合或子集，诸如：(a)单独的A；(b)单独的B；(c)单独的C；(d)A与B；(e)A与C；(f)B与C；以及(g)A与B与C。此外，如本文所用，短语“A或B中的至少一个”(或“A和B中的至少一个”)是指包括以下任何一种的实施方式：(a)至少一个A；(b)至少一个B；(c)至少一个A和至少一个B。
本文描述的示例方法、装置和制品在发生故障状况时通过允许对起动发电机系统的负载驱动器IC的低侧电路上的短路的容限来改善起动发电机系统。负载驱动器IC实现了低侧电源补偿电路系统，确保始终向低侧驱动部件提供足够的功率，该部件将驱动低侧开关接通以在故障状况期间保护起动发电机系统。本文公开的示例包括用于阻止耦合到低侧开关的栅极的端子短接到地的二极管。本文公开的示例包括电流源和电容器以在故障状况期间从增加的电源电压汲取电流并对耦合到低侧驱动部件的端子充电。
本文公开了用于在故障状况期间保护起动发电机系统的示例方法、装置、系统和制品。进一步的示例及其组合包括以下内容：
示例1包括一种集成电路，该集成电路包括：具有第一电源输入的电平移位器；具有耦合到第一电源输入并适于耦合到二极管的阴极的第二电源输入的栅极驱动器，该栅极驱动器具有适于耦合到开关的控制端子的输出；以及具有输入和输出的电流源电路，该输入适于耦合到电源，并且该输出适于耦合到第一电源输入、第二电源输入和电容器。
示例2包括示例1的集成电路，其中该集成电路包括适于耦合到二极管的阳极和DC到DC转换器以接收低侧电源的第一端子。
示例3包括示例1的集成电路，其中该栅极驱动器包括：具有第一漏极、第一源极和第一栅极的第一晶体管，该第一漏极适于耦合到二极管的阴极，并且该第一栅极适于耦合到电平移位器的输出；具有第二漏极、第二源极和第二栅极的第二晶体管，该第二漏极耦合到第一源极，并且该第二栅极耦合到电平移位器的输出，并且该集成电路包括适于耦合到电容器的第一端子。
示例4包括示例1的集成电路，其中该集成电路包括控制输入，该控制输入耦合到电平移位器的输入并且适于耦合到控制器输出以接收控制信号。
示例5包括示例1的集成电路，其中该集成电路包括适于耦合到低侧晶体管的栅极的第一端子。
示例6包括示例5的集成电路，其中该栅极驱动器包括：具有第一漏极、第一源极和第一栅极的第一晶体管，该第一漏极适于耦合到二极管的阴极，该第一源极耦合到第一端子，并且该第一栅极耦合到电平移位器的输出；以及具有第二漏极、第二源极和第二栅极的第二晶体管，该第二漏极耦合到第一源极和第一端子，并且该第二栅极耦合到电平移位器的输出。
示例7包括一种装置，该装置包括：集成电路，该集成电路包括：具有电源输入的相位电路和具有电流源输出的电流源电路，该电流源输出耦合到电源输入；具有阳极和阴极的二极管，该阳极被配置为耦合到DC到DC转换器，并且该阴极耦合到电源输入；以及电容器，其耦合到电流源输出和电源输入。
示例8包括示例7的装置，其中该集成电路包括耦合在电源输入和二极管的阴极之间的第一端子、耦合到电流源电路的输入并被配置为耦合到开关的第二端子、耦合在相位电路的输出和低侧晶体管之间的第三端子，以及耦合到相位电路的输入并被配置为耦合到控制器输出以接收控制信号的第四端子。
示例9包括示例7的装置，其中该相位电路包括：具有电平移位器电源输入和电平移位器输出的电平移位器，该电平移位器电源输入是电源输入并被配置为耦合到二极管的阴极；以及具有栅极驱动器输入、栅极驱动器电源输入和栅极驱动器输出的栅极驱动器，该栅极驱动器电源输入是电源输入并被配置为耦合到二极管的阴极，该栅极驱动器输入耦合到电平移位器输出。
示例10包括示例9的装置，其中该栅极驱动器包括：具有第一漏极、第一源极和第一栅极的第一晶体管，该第一漏极耦合到二极管的阴极，并且该第一栅极耦合到电平移位器输出；以及具有第二漏极、第二源极和第二栅极的第二晶体管，该第二漏极耦合到第一源极，并且该第二栅极耦合到电平移位器输出。
示例11包括示例7的装置，其中该集成电路包括：具有第一漏极、第一源极和第一栅极的第一晶体管，该第一漏极耦合到电源输入；耦合到第一漏极和阴极的第一端子；具有第二漏极和第二栅极的第二晶体管，该第二漏极耦合到第一源极；耦合到第二漏极和第一源极并被配置为耦合到低侧晶体管的第二端子；耦合到电流源电路的输入并被配置为耦合到开关的第三端子；具有电平移位器输入、电平移位器电源输入和电平移位器输出的电平移位器，该电平移位器电源输入耦合到第一端子并且该电平移位器输出耦合到第一栅极和第二栅极；以及耦合到电平移位器输入并被配置为耦合到控制器输出以接收控制信号的第四端子。
示例12包括示例7的装置，其中该二极管是阻流二极管。
示例13包括示例7的装置，其中该集成电路包括二极管。
示例14包括示例7的装置，其中该集成电路包括电容器。
示例15包括一种系统，该系统包括：控制系统，该控制系统包括DC到DC转换器；耦合到DC到DC转换器的负载驱动器，该负载驱动器包括至少一个相位电路以及耦合在DC和DC转换器和至少一个相位电路之间的低侧电源补偿电路系统；以及具有栅极和漏极的晶体管，该栅极耦合到至少一个相位电路的输出，并且该漏极适于耦合到负载。
示例16包括示例15的系统，其中该系统包括开关，该开关耦合到DC到DC转换器的输入并且适于耦合到电池。
示例17包括示例15的系统，其中该控制系统包括具有第一比较器输入、第二比较器输入和比较器输出的比较器，该第一比较器输入适于耦合到开关，该第二比较器输入耦合到阈值电压，并且该比较器输出耦合到控制器。
示例18包括示例15的系统，其中该低侧电源补偿电路系统包括：具有阳极和阴极的二极管，该阳极耦合到DC到DC转换器的输出，并且该阴极耦合到至少一个相位电路；以及具有电流源输入和电流源输出的电流源电路，该电流源输入适于耦合到开关，并且该电流源输出耦合到阴极和至少一个相位电路。
示例19包括示例15的系统，其中为每个相位电路复制低侧电源补偿电路系统。
示例20包括示例15的系统，其中该系统包括耦合到低侧电源补偿电路系统的电容器。
在整个说明书中使用术语“耦合”。该术语可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果设备A向控制设备B提供信号以执行动作，则在第一示例中，设备A耦合到设备B，或者在第二示例中，如果中间部件C基本上不会改变设备A和设备B之间的功能关系，使得设备B通过设备A提供的控制信号由设备A控制，则设备A通过中间部件C耦合到设备B。
被“配置为”执行任务或功能的设备可以由制造商在制造时被配置(例如，编程和/或硬连线)以执行该功能和/或在制造之后可由用户配置(或可重新配置)以执行该功能和/或其它附加或替代功能。配置可以通过设备的固件和/或软件编程，通过硬件部件的构造和/或布局以及设备的互连，或它们的组合。
如本文所用，术语“端子”、“节点”、“互连”、“引脚”和“引线”可互换使用。除非有相反的特别说明，否则这些术语通常用于表示设备元件、电路元件、集成电路、设备或其它电子或半导体部件之间的互连或终端之间的互连。
在本文中描述为包括某些部件的电路或设备可以替代地适于耦合到那些部件以形成所描述的电路或设备。例如，描述为包括一个或多个半导体元件(诸如晶体管)、一个或多个无源元件(诸如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(诸如电压和/或电流源)可以替代地仅包括单个物理器件(例如，半导体管芯和/或集成电路(IC)封装件)内的半导体元件，并且可以适于在制造时或在制造后例如由最终用户和/或第三方耦合到至少一些无源元件和/或源以形成所述结构。
尽管本文描述了特定晶体管的使用，但也可以使用其它晶体管(或等效器件)来代替。例如，可以使用p型MOSFET代替n MOSFET，而对电路的改变很少或没有改变。此外，可以使用其它类型的晶体管(诸如双极结型晶体管(BJT))。
本文描述的电路可被重新配置以包括被替换的部件以提供与在部件替换之前可用的功能至少部分类似的功能。除非另有说明，否则显示为电阻器的部件通常代表串联和/或并联耦合以提供由所示电阻器表示的阻抗量的任何一个或多个元件。例如，本文作为单个部件示出和描述的电阻器或电容器可以替代地分别是并联耦合在相同节点之间的多个电阻器或电容器。例如，本文作为单个部件示出和描述的电阻器或电容器可以替代地是分别串联耦合在与单个电阻器或电容器相同的两个节点之间的多个电阻器或电容器。
在前面的描述中使用的短语“接地”包括机箱接地、大地接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适于本说明书的教导。除非另有说明，否则数值之前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述数值的+/-10％。
在权利要求的范围内，对所描述的实施例进行修改是可能的，并且其它实施例也是可能的。

Claims (20)

1.一种集成电路，包括：
电平移位器，其具有第一电源输入；
栅极驱动器，其具有耦合到所述第一电源输入并适于耦合到二极管的阴极的第二电源输入，所述栅极驱动器具有适于耦合到开关的控制端子的输出；以及
电流源电路，其具有输入和输出，所述输入适于耦合到电源，并且所述输出适于耦合到所述第一电源输入、所述第二电源输入和电容器。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路包括第一端子，所述第一端子适于耦合到所述二极管的阳极和DC到DC转换器以接收低侧电源。
3.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述栅极驱动器包括：
第一晶体管，其具有第一漏极、第一源极和第一栅极，所述第一漏极适于耦合到所述二极管的所述阴极，并且所述第一栅极耦合到所述电平移位器的输出；
第二晶体管，其具有第二漏极、第二源极和第二栅极，所述第二漏极耦合到所述第一源极，并且所述第二栅极耦合到所述电平移位器的所述输出；以及
所述集成电路包括适于耦合到所述电容器的第一端子。
4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路包括控制输入，所述控制输入耦合到所述电平移位器的输入并适于耦合到控制器输出以接收控制信号。
5.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路包括第一端子，所述第一端子适于耦合到低侧晶体管的栅极。
6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述栅极驱动器包括：
第一晶体管，其具有第一漏极、第一源极和第一栅极，所述第一漏极适于耦合到所述二极管的所述阴极，所述第一源极耦合到所述第一端子，并且所述第一栅极耦合到所述电平移位器的输出；以及
第二晶体管，其具有第二漏极、第二源极和第二栅极，所述第二漏极耦合到所述第一源极和所述第一端子，并且所述第二栅极耦合到所述电平移位器的所述输出。
7.一种装置，包括：
集成电路，其包括：
相位电路，其具有电源输入；以及
电流源电路，其具有电流源输出，所述电流源输出耦合到所述电源输入；
二极管，其具有阳极和阴极，所述阳极被配置为耦合到DC到DC转换器，并且所述阴极被耦合到电源输入；以及
电容器，其耦合到所述电流源输出和所述电源输入。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述集成电路包括：
第一端子，其耦合在所述电源输入和所述二极管的所述阴极之间；
第二端子，其耦合到所述电流源电路的输入并被配置为耦合到开关；
第三端子，其耦合在所述相位电路的输出和低侧晶体管之间；以及
第四端子，其耦合到所述相位电路的输入并被配置为耦合到控制器输出以接收控制信号。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述相位电路包括：
电平移位器，其具有电平移位器电源输入和电平移位器输出，所述电平移位器电源输入是所述电源输入并被配置为耦合到所述二极管的所述阴极；以及
栅极驱动器，其具有栅极驱动器输入、栅极驱动器电源输入和栅极驱动器输出，所述栅极驱动器电源输入是所述电源输入并被配置为耦合到所述二极管的所述阴极，所述栅极驱动器输入耦合到所述电平移位器输出。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述栅极驱动器包括：
第一晶体管，其具有第一漏极、第一源极和第一栅极，所述第一漏极耦合到所述二极管的所述阴极，并且所述第一栅极耦合到所述电平移位器输出；以及
第二晶体管，其具有第二漏极、第二源极和第二栅极，所述第二漏极耦合到所述第一源极，并且所述第二栅极耦合到所述电平移位器输出。
11.根据权利要求7所述的装置，其中所述集成电路包括：
第一晶体管，其具有第一漏极、第一源极和第一栅极，所述第一漏极耦合到所述电源输入；
第一端子，其耦合到所述第一漏极和所述阴极；
第二晶体管，其具有第二漏极和第二栅极，所述第二漏极耦合到所述第一源极；
第二端子，其耦合到所述第二漏极和所述第一源极，并被配置为耦合到低侧晶体管；
第三端子，其耦合到所述电流源电路的输入，并被配置为耦合到开关；
电平移位器，其具有电平移位器输入、电平移位器电源输入和电平移位器输出，所述电平移位器电源输入耦合到所述第一端子，并且所述电平移位器输出耦合到所述第一栅极和所述第二栅极；以及
第四端子，其耦合到所述电平移位器输入，并被配置为耦合到控制器输出以接收控制信号。
12.根据权利要求7所述的装置，其中所述二极管是阻流二极管。
13.根据权利要求7所述的装置，其中所述集成电路包括所述二极管。
14.根据权利要求7所述的装置，其中所述集成电路包括所述电容器。
15.一种系统，包括：
控制系统，其包括DC到DC转换器；
负载驱动器，其耦合到所述DC到DC转换器，所述负载驱动器包括：
至少一个相位电路；以及
耦合在所述DC到DC转换器和所述至少一个相位电路之间的低侧电源补偿电路系统；以及
晶体管，其具有栅极和漏极，所述栅极耦合到所述至少一个相位电路的输出，并且所述漏极适于耦合到负载。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统包括开关，所述开关耦合到所述DC到DC转换器的输入并且适于耦合到电池。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制系统包括具有第一比较器输入、第二比较器输入和比较器输出的比较器，所述第一比较器输入适于耦合到开关，所述第二比较器输入耦合到阈值电压，并且所述比较器输出耦合到控制器。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述低侧电源补偿电路系统包括：
二极管，其具有阳极和阴极，所述阳极耦合到所述DC到DC转换器的输出，并且所述阴极耦合到所述至少一个相位电路；以及
电流源电路，其具有电流源输入和电流源输出，所述电流源输入适于耦合到开关并且所述电流源输出耦合到所述阴极和所述至少一个相位电路。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述低侧电源补偿电路系统被复制用于每个相位电路。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统包括耦合到所述低侧电源补偿电路系统的电容器。
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