CN1734875A - 具有i2t或其它函数的电子电路保护装置 - Google Patents

Abstract

一种电路保护装置，包括：一个电流感测电路，连接到输出电源开关上以提供代表输出电流的反馈信号；一个过电流感测器，当反馈信号超过预先设置的参考电平时，提供一个过电流警告信号；一个函数产生电流，响应反馈信号，根据预先设定的函数关系，反馈信号产生与输出电流相关的第一信号，一个积分电路，连接到函数产生电路的输出上，以提供代表第一信号和t的积的第二信号，其中t是紧跟过电流警告信号产生的占用时间；一个控制电路，响应预先设置的第二信号值，以停止电路开关。如果输出电路超过代表短路状况的第二预先设定限制，基本上没有延时地切断控制电路。本发明还披露了一种相关的方法，分段线性近似电路形式的函数产生器。

Description

具有I2T或其它函数的电子电路保护装置

相关申请参考

本申请基于并要求申请于2004年8月2日的美国临时申请60/598,130，申请于2004年11月3日的60/624,562的优先权，上述文件的公开内容都在这里全部引入参考。

技术领域

本发明涉及一种电路保护装置，特别是涉及以常见的双元件熔丝或者热磁断路器的形式起作用，以保护半导体电源开关和汽车或其它应用的电力线路系统的电子电路。上述装置响应高故障电流，可以快速断开电源开关的驱动电路，还提供一种响应低负荷，根据I²T函数或者其它希望得到的函数，提供延时断开。本发明是在汽车电路系统范围内描述的，但是本领域普通技术人员会了解，其它半导体领域也可以应用本发明。

背景技术

保险丝是公知的线路保护装置，其根据比如超过1000％额定的高故障电流，能提供基本上是瞬间的跳闸，或者根据大约500％至1000％额定的过电流，其能提供延时跳闸。所谓的双元件熔丝和机械断路器也是公知的装置，其能在一个单独的装置中提供上述所有的功能。其具有的优点是同时具有在短路状况下快速切断电路，以及延时断开以调节瞬时的起峰电流的功能。保险丝和电路断路器可以在很多场合提供上述功能，但是在有些情况下，上述常见装置不能很好地适用。

比如，在汽车领域，汽车的保护电路系统中，虽然使用双元件保险丝，但是通常使用分开的快速动作保险丝和延时保险丝。

前灯电路和发动机是需要应用延时断开性能的例子。汽车的前灯暴露于一个很宽的温度范围，当在非常低的温度打开灯时，灯会经历很快的瞬间高起峰电流，比如，是常规40摄氏度下进行操作时电流的10倍。发动机也会产生高起峰(启动)电流。

即使不考虑在未来产生的短路或过电流情况下，必需手头留有不同类型的保险丝，在汽车中更换断开的保险丝也很不方便，因为保险丝通常设置在远离乘客和车厢的位置。

常见的断路器确实能提供双重保护功能，并能容易地更换，但是即使最小的热磁断路器，其设计安装的面板也不能在实际中小到使用在汽车中，会不方便设置。更重要的是断路器的费用高。

还有类似目的的元件，在比起峰电流低的电流情况下提供保护。其原理是在电源开关打开后，在一段时间内在高水平上设置保护电流，过了这一段时间后，在低水平上设置保护电流。这种方法的主要缺点是，运行状况只与时间有关，而不是与损耗的能量有关。比如，如果是打开的灯泡，电流保护将处于低水平，而灯泡将由于装置设置了灯泡起峰电流保护模式而永远不会被打开。

而且，为了更好的过电流保护，应当根据能量损耗而进行控制。

因此需要一种适合于保护汽车中半导体电源的开关装置的电流保护装置，以及类似的能提供瞬间短路保护和延时断开以调整瞬时起峰电流的装置，并克服现有装置的缺陷。

发明内容

为了实现上述的需求，本发明提供一种电路保护装置和一种电路保护方法，用于开关半导体电源装置，特别是用于汽车电子系统或者类似领域，当负载超过代表过电流状态的第一预先设定限制时，其提供了延时的切断，当负载电路达到代表短路状况的第二原先设定限制时，其瞬间切断。对于过电流的延时决定是根据负载电路超过第一限制的量，产生代表量I²t的信号，其中I是负载电流，t是占用时间。或者，可以使用其他函数关系。在更广的意义上，任何形式为(a+bi+ci²+di³)的多项式都可以使用。作为非限制性目的的下面的实施例，I²关系将作为使用的例子。

根据本分明的一个方面，电路保护装置，包括：一个电流感测电路，连接到输出电源开关上以提供代表输出电流I的反馈信号；一个过电流感测器，当反馈信号超过预先设置的参考电平时，提供一个过电流警告信号；一个函数产生电路，响应反馈警告信号，根据函数关系I²，(或者其他希望的关系)产生第一信号，一个积分电路，连接到函数产生器电路的输出上，以提供代表第一信号产物的第二信号和t，其中t是紧跟过电流警告信号产生的占用时间；一个控制电路，响应预先设置的用以停止电路开关的门电路第二信号值，切断信号的提供取决于过电源信号的大小。

而且，根据本发明的第一方面，第一信号函数由分段线性近似电路产生，其包括一个校准电流源和一个积分电路。而且根据本发明的第一方面，控制电路是设计成使电源开关的驱动电路停止工作的门闩电路。根据本发明第一方面的附加特征是，控制电路设计成，当输出电流超过预先设置的短路电流参考电平时，没有延时地操作控制电路以使驱动电路停止。

根据本发明第一方面的变形，可以通过其他方式实现在电路反馈信号和控制信号之间实现所需的函数关系。比如，将电流图转换成数字信号，从而实现部分或者全部数字化，需要的函数由合适的计算机实现。

根据本发明的第二方面，一种具有一个半导体输出电源开关的汽车电子或类似系统的保护方法，包括如下步骤：将电流感测电路连接到电源开关上以得到代表电源开关的输出电流I的反馈信号；比较反馈信号与预先设置的代表过电流状况的参考电平；当过电流状况存则时，根据函数关系f(I²)，产生第一信号；对第一信号积分以提供代表第一信号乘以t的第二信号，其中t是自过电流状况产生开始的占用时间；当第二信号超过第二预先设定参考电平时，产生用于使电源开关停止的控制信号，控制信号提供的时间取决于过电流信号的大小。

而且，根据本发明的第二方面，第二信号由分段线性近似或者数字计算机产生。而且，根据本发明的第二方面，控制信号操作设计成使输出电源开关的驱动电路停止工作的门闩电路。根据本发明第二方面的附加特征是，当输出电流超过预先设定电路电流参考电压时，没有延时地产生控制信号。

根据本发明的第三方面，用于产生第一信号的一种分段线性近似电路，构造为：一系列电流反射镜电路被反馈信号平行驱动，并连接到前述串联的电流反射镜的输出上；各电流反射镜的电流参考源；加法器电路，连接到电流反射镜电路和电流参考源，以根据分段规则提供输出。

而且，根据本发明的第三方面，反射率决定分段近似的各段斜率。作为非限定目的的实施例，第n个电流反射镜的反射率R_n与第(n-1)个电流反射镜的关系是根据公式R_n＝2R_(n-1)。

附加地根据本发明第三方面，电流参考电压选择成决定斜率改变发生的各电流。

根据本发明第四方面，分段线性近似电路适于产生除了从通式(a+bi+ci²+di³……)产生的矩形波。

本发明的其他特征和优点从下面参照附图的描述中会更明显。

附图说明

图1是本发明采用MOSFET电源开关的电路的保护装置的总体方块图；

图2显示了图1中I²t函数的详细的实施方式；

图3显示显示了提供I²信号的分段线性近似电路的实施；

图4是显示图3中电路的表现的波形图；

图5是显示整个装置操作的函数的表格。

整个附图中同样的部分采用了同样的附图标记。

具体实施方式

参考图1，电流保护装置10驱动输出开关晶体管12，图中出于显示的目的，晶体管为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，但也可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，或者其它的电源开关。图1中还显示了系统作为完整的电路，包括MOSFET 12，但是保护电路和电源开关可以是组合起来的。而且，可以使用分散的元件。

值得进一步关注的是，高压端和低压端开关晶体管共同连接到一个输出节点54，电源电路可以形成全桥式或半桥式。在这种情况下，保护电路10与每个输出开关连接。

保护装置10确定为具有通过任何常规或希望的结构的驱动电路14，控制MOSFET 12的运转。还可以设置常见的电荷泵18、相配的反向电池保护电路20。驱动器14连接导保护逻辑线路上，其决定驱动器14在什么时候应当停止。

保护装置电路包括连接到逻辑信号输入引脚24的输入电路22，施密特触发器电路26，门闩电路28和与门16。

施密特触发器电路26为门闩电路28提供置位值输入，并且也为与门16提供输入。对门闩触发器28的复位输入由或门30提供。从下面将详细描述的I²T函数产生器32接收第一输入，提供延时过电流切断信号。第二输入是从一个任何型号的电流感应输出阈值电路34得到，其提供瞬间的电路切断信号。第三输入由温度传感器36提供，其提供超过装置温度升高范围的保护。

超载切断功能由一个比较器38，以及I²t函数产生器32实现。这在附图2、3中详细描述。比较器38由参考电压源40和引脚41的电流反馈信号提供信号(参见图1)。参考电压源40预置希望的代表过电流状况的阈值电平，引脚42提供代表负载电流被电源输出MOSFET12传送的负载电流。电流反馈信号由包括二极管44、46晶体管48和50以及驱动晶体管50的栅极引出线运算放大器52的电路产生。运算放大器52的正极输入由输出引脚54提供，负极从晶体管48和50之间的节点获得。

图2显示了作为例子的非限制性的I²t函数产生器32的总体构造，以及提供过电流警告信号的比较器38。作为例子的I²分段线性近似电路本身在图3中显示。参照图2，I²信号源显示为电源56，其通过适配的晶体管开关58连接到电容60上，供给施密特触发器双阈值电平电路62信号。电压源40为比较器38设定代表受到保护的线路和系统组建的额定值的阈值电平，当电流反馈引脚42的反馈信号代表的电流超过过电流限制，就向开关58提供控制信号。当关闭开关58时，电容60被来自电源56的I²电流信号充电，当其达到电路62的阈值电平上限，在导线64上提供输出信号，作为或门30的一个输入，传送到门闩电路28。当条件满足时，门闩电路28的Q输出下降，与门16的输出也下降，在导线66上的信号使驱动器14不工作。

电容60两端的电压由重新启动放电电流源68控制。在电路62降低到阈值电平的下限以前时，电容60保持充足地充电以防止门闩电路28设置值。

为了重新启动驱动器14，输入引脚24的信号必须重复循环以通过施密特触发器26为门闩的电路28置值。这样使用允许与门16的输出来重新激活驱动器14。然而，直到电容60充分地放电到低于触发电路62阈值电平以下，或门30防止门闩电路28被设置值。这样，一旦反馈信号下降到比较器38的过电流阈值以下，开关58打开，电流源68对电容60放电。上述电路的函数显示在图5的真值表中，表格的栏目中列出了操作条件，输入引脚24的信号，输出引脚54的信号，以及反馈引脚42的电压。

显示出的结构确保，如果更换灯泡，电路不会保持锁定关闭。这样，如果一个灯泡在开关打开的情况下更换，则电流保护水平低，但是由于灯泡的输入起峰电流，装置不会保持在保护模式。

现在看图3，分段线性近似电路56包括四个电流反射镜电路M56，M57，M58和M59，分别连接到电流参照电路M51，M52，M53和M54，连接如图所示。电流反馈引脚42的信号以任意合适的方式连接，以通过电阻R53提供电流，上述电阻馈送具有统一的反射系数的电流反射镜电路M55，以向前面提到的电流反射镜电路M56至M59提供输入。M59设计成提供最适合于矩形脉冲函数积分的反射系数。电流反射镜电路M56至M59的反射系数最好分别是1X，2X，4X，以及8X。这些系数限定了分段近似元件的斜率。

电流参照电路M51至M54根据电流比1∶3∶16∶64，分别为电流反射镜电路M56至M59提供电流信号。这决定了反射镜电路的电流电平在近似元件改变的哪个斜率上。

由全部反射镜电路M56至M59产生的电流集中在电阻R55上。在每个反射镜电路的引脚设置二极管电路D17至D20，用于在反射镜电路和连接的电流参考电路之间衡量电流差。

特别是，例如考虑到引脚M56-M51，如果M56想要引入的电流小于M51想要引入的电流，二极管D71阴极的电压接近于VDD提供的电压，因此由于二极管的组确特征，没有电流从这个引脚通过电阻R55流过。当M56所想要引入的电流比M51想要引入的电流高时，二极管D71阴极上的电压接近于GND(接地)，因此电路从M56流过电阻R55。

在实施中，受到反射率和参考电流率的指示，集中在电阻R55上的输出信号如下式(1)至(4)所示：

(1)如果IR＜IM51:IM16＝0

(2)如果IM51＜IR53＜IM52:IR55＝(IR53-IM51)

(3)如果IM52＜2xIR53＜IM53:IR55＝(IR53-IM51)+(2xIR53-IM52)

(4)如果IM53＜4xIR53＜IM54:IR55＝(IR53-IM51)+(2xIR53-IM52)+(4xIR53-IM53)。

图4显示了电路56提供的分段线性近似的效果。这里，比较了I²的模拟与由波线A显示的I代表的输入信号以及由波线B代表的实际I²函数。波线C至F分别代表模拟的各阶段中，各二极管D17至D20带来的影响。可以观察到，如上面描述的对放射率和电流参考优化，在很宽的输入范围内，非常好的近似于真正的平方函数，提供综合的输出。

由于I²t函数直接与输入到系统的能量有直接的关系，反过来，可以与由于热量产生的潜在损害相关，因此具有很多的优点。

分段线性近似电路也可以是最佳的其他近似函数，比如I³，In(I)，cos(I)……，仅有的限制是近似元件的斜率不改变方向。这是通过直接的计算或者试验以及对错误模拟的方式得到的。

虽然根据特定实施方式描述了本发明，对于本领域普通技术人员而言，可以有很多其他的变形和更改以及其他的使用。因此，应当注意的是，本分明不限于这里公开的特定方式，而应当由权利要求的范围限定。

Claims (15)

1、一种具有半导体输出电源开关的电气系统的电路保护装置，包括：

一个电流感测电路，连接到电源上以提供代表电源的电流输出I的反馈信号；

一个阈值装置，当反馈信号超过第一预先设置的参考电平时，提供一个过电流警告信号；

一个函数产生电路，响应反馈警告信号，以产生一个代表函数关系f(I)的信号；

一个积分电路，连接到函数产生电路的输出上，以提供代表量f(I)*t的信号，其中t是紧跟过电流警告信号产生的占用时间；以及

一个控制电路，响应积分电路的输出的第一阈值，提供使电源停止工作的关闭信号。

2、根据权利要求1所述的电路保护装置，其中控制电路包括：门闩电路，其可操作地设定为第一状态，以停止电源开关的驱动电路，并且设定为第二状态，以启动电源开关的驱动电路。

3、根据权利要求1所述的电路保护装置，其中函数产生电路是一个矩形波形成电路，其根据函数关系f(I)＝I²产生信号。

4、根据权利要求1所述的电路保护装置，其中函数产生电路可操作地提供一个I²的分段线性近似，作为代表输出电流I的输入的函数。

5、根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，当输出电流超过预先设置的第二短路电流参考值时，控制电路可操作地在基本上没有时间延时的情况下，停止电源开关的控制电路。

6、根据权利要求1所述的电路保护装置，还包括一个积分电路的清除电路，其中仅当积分电路的输出低于第二阈值电平时，控制电路可操作地使电源供应驱动电路工作。

7、根据权利要求1所述的电路保护装置，其中函数关系的形式是f(I)＝a+bi²+ci³+……。

8、一种分段线性近似电路，响应代表可变的I的输入信号，产生输出信号，其代表根据所要求的函数关系f(I)的变量，上述电路包括：

多个电流反射镜电路以串联连接，每个都具有不同的反射率；

电流反射镜电路被I的输入可变信号以及前述串联的电流反射镜的输出平行驱动；

相对各电流反射镜的多个电流参考源，每个电流参考源具有不同的值；以及

加法器电路，连接到电流反射镜电路和电流参考源，以提供输出信号，其代表根据从多个电流反射镜电路的组合电流的输出变量。

9、根据权利要求8所述的分段线性近似电路，其中：

反射率选择成，决定曲线元件的斜率，其代表输出变量相对输入变量；

电流参考值选择成，决定发生斜率改变时各输入值的变化。

10、根据权利要求9所述的分段线性近似电路，其中：反射率和电流参考选择成，输出变量I与输出变量的关系是根据函数关系f(I)＝I²。

11、根据权利要求8所述的分段线性近似电路，其中：函数关系的形式是f(I)＝a+bi²+ci²+……。

12、一种具有一个半导体输出电源开关的电子或类似系统的保护方法，包括如下步骤：

将电流感测电路连接到电源开关上以得到代表电源开关的输出电流I的反馈信号；

比较反馈信号与代表过电流状况的预先设置的参考电平；

根据预先设置的函数关系，与电流I相关产生第一信号；

对第一信号分以提供第二信号，其代表第一信号和t的积，其中t是自过电流状况产生开始的占用时间；

当第二信号超过第二预先设定参考电平时，提供用于使电源开关的驱动电路停止的控制信号，控制信号提供的时间取决于过电流信号的大小。

13、根据权利要求12所述的方法，还包括：当I超过代表短路状况的第二预先设定电平时，基本上没有时间延时地停止驱动电路的步骤。

14、根据权利要求12所述的方法，其中函数关系的形式是f(I)＝I²。

15、根据权利要求12所述的方法，其中函数关系的形式是f(I)＝a+bI²+cI³+……。

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