CN1937343A - 过电流检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测负载电路中的过电流的过电流检测装置，配置该过电流检测装置，以利用设置在电池VB与负载1之间的半导体开关来驱动和关闭负载。通过将在半导体开关的两端产生的电压(V1－V2)与因为用于连接该半导体开关(FET1)和负载1的铜箔布线图形3的电感Lp而在电流发生变化时产生的电压(V3－V2)相加获得和电压(V1－V3)。设置了比较器CMP1，用于将和电压与事先设置的过电流确定电压(V1－V4)进行比较。在比较器CMP1检测到该和电压超过该过电流确定电压时，确定产生了过电流。

Description

过电流检测装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测负载电路中的过电流的过电流检测装置，该负载电路利用半导体开关对负载进行接通/断开控制。
背景技术
例如，诸如安装在车辆上的灯或者电机的负载通过半导体开关连接到电池(DC电源)，以通过接通和分别断开该半导体开关，来控制该负载，从而驱动它或者使它停止。
在这种负载电路中，在发生短路时，过量电流流过耦合的电线。因此，在检测到出现过电流时，需要立即断开该半导体开关，以彻底保护该电路。
因此，建议了一种以测量该半导体开关的两端之间产生的电压，然后，在测量的电压超过事先设置的过电流确定电压，从而断开该半导体开关时检测到出现过电流的方式配置的电路。
图2是示出包括过电流检测装置的负载电路的配置的相关技术的电路图。如该图所示，半导体开关(FET101)设置在负载101与电池VB之间。半导体开关(FET101)的漏极连接到电池VB的正极端，而其源极(电压V2)连接到负载101的一端。负载101的另一端和电池VB的负极端分别接地。
负载101包括电阻分量RL和电感分量LL。
半导体开关(FET101)的栅极通过电阻器R103连接到驱动器电路102的输出端。电阻器的符号R101至R103的下侧所示的数字值分别表示这些电阻器的具体电阻值。
电池VB的正极端(FET101的漏极)通过电阻器R101和R102的串联电路接地。因此，假定电池VB的电压(FET101的漏极电压)是V1，则在电阻器R101与R102之间的接点的电压(下面将该电压称为基准电压V4)等于利用电阻器R101和R102对电压V1进行分压获得的电压。该基准电压V4施加到比较器CMP101的负侧(negative side)输入端，而将半导体开关(FET101)的源极电压V2施加到比较器CMP101的正侧输入端。
假定半导体开关(FET101)的漏极与源极之间的电压是V DS，则其漏极电流是ID，而半导体开关(FET101)的接通电阻是Ron，获得下面的等式(1)：
V DS＝V1-V2＝Ron·ID    ...(1)
假定电池V1与基准电压V4之间的压差(V1-V4)是过电流确定电压，则在漏极与源极之间的电压V DS超过过电流确定电压(V1-V4)时，比较器CMP101的输出信号被倒置(inverted)，从而检测到过电流。在检测到产生过电流时，将断开(turn-off)指令信号送到驱动器电路102，从而使已经施加到半导体开关(FET101)的栅极的驱动信号停止，以断开该半导体开关(FET101)。
换句话说，假定半导体开关(FET101)的电阻Ron是恒定的，则在流入负载101的电流，即，漏极电流ID升高时，漏极与源极之间的电压V DS升高。在漏极与源极之间的电压V DS超过过电流确定电压(V1-V4)时，断开半导体开关(FET101)，从而保护该电路。
在漏极电流(流过负载101的电流)处于当前正常状态下的电流的情况下，为了防止将该漏极电流错误地确定为过电流，将过电流确定电压(V1-V4)设置为大于在正常状态下漏极与源极之间的电压V DS的最大值(下面称为V DSmax)的值。即，为了防止在正常状态下产生大的电流，例如，接通电源时产生的涌流(rush current)被错误地确定为过电流，需要将过电流确定电压(V1-V4)设置得高于在正常状态下产生的漏极与源极之间的电压V DS的最大值V DSmax。
此外，鉴于比较器(CMP101)对某些元件具有特定偏置电压±Voff，而且因为构成该控制电路的各部分的差异而存在电压变化A，所以需要这样设置过电流确定电压(V1-V4)，以满足下面的等式(2)。
(V1-V4)＞V DSmax+Voff+A    ...(2)
因此，不能将过电流确定电压(V1-V4)的值设置得显著大于在正常状态下产生的位于漏极与源极之间的电压V DS。
然而，在将过电流确定电压(V1-V4)的值设置得大于在正常状态下产生的的位于漏极与源极之间的电压V DS时，在出现短路，并因此而实际流过过电流的情况下，则其需要花费很长时间来使半导体开关(FET101)断开从而保护该电路。
如上所述，在现有技术的过电流检测设备中，为了防止诸如在正常状态下产生的涌流的大电流被错误地确定为过电流，需要将过电流确定电压(V1-V4)设置为大值。另一方面，在由于电路短路等而产生了过电流的情况下，为了立即检测到这种现象，从而断开半导体开关(FET101)，以保护各部件和线路，要求过电流确定电压(V1-V4)尽可能接近在正常状态下产生的位于漏极与漏极之间的电压V DS。这些要求自相矛盾，因此，存在的问题是，难以同时满足这些要求。
发明内容
为了解决相关技术的这些问题，设计了本发明，而且本发明的目的是提供一种过电流检测装置，该过电流检测装置可以使正常状态下的漏极电流ID与用于检测过电流确定的电流之间的差值小，而且它可以防止正常状态下产生的大电流被错误地确定为过电流。
为了实现上述目的，该专利申请的权利要求1中要求的本发明是一种用于检测负载电路中的过电流的过电流检测装置，配置该过电流检测装置，以利用设置在DC电源与负载之间的半导体开关驱动和关闭负载，其中
产生比较电压，该比较电压是通过将在半导体开关的两端产生的第一电压与因为用于连接该半导体开关和负载的线路的电感分量而在电流发生变化时产生的第二电压相加而获得的。
设置用于将和电压与事先设置的过电流确定电压进行比较的比较装置，而且
在该比较装置检测到该和电压超过过电流确定电压时，其确定产生了过电流。
以这样的方式设置权利要求2中所要求的发明，将半导体开关布置在板上，利用设置在该板上的铜箔，形成用于连接半导体开关和负载的至少部分电线，而且因为铜箔的电感分量而在电流发生变化时产生的电压是第二电压。
根据权利要求1所要求的发明，获得该第二电压，该第二电压是因为用于连接该半导体开关的电线的电感分量而在电流发生变化时产生的。将该第二电压与作为半导体开关的两端的电压的第一电压相加。将该和电压与过电流确定电压进行比较，从而检测过电流的产生。因此，在短时间内类似突然的(dead)短路电流，电流值突然发生变化，第二电压升高，而且迅速超过过电流确定电压。因此，在电流值升高到非常大之前的时点，可以检测到产生了过电流。在检测到该过电流时，断开该半导体开关，从而确实保护该电路。
第二电压不根据因为正常情况下流动的涌流导致的电流变化而变得非常高，因此，该和电压不超过该过电流确定电压。因此，可以防止将正常操作确定为过电流的所谓错误确定。
根据权利要求2所要求的发明，在半导体开关与负载之间设置铜箔，而且利用铜箔的电感分量，而产生第二电压。因此，由于利用相当简单的配置，可以提供要求的电感分量，所以可以简化该电路配置。
附图说明
图1是示出包括根据本发明实施例的过电流检测装置的负载驱动器电路配置的电路图；
图2是示出包括相关技术的过电流检测装置的负载驱动器电路的配置的电路图。
具体实施方式
下面将根据附图说明本发明实施例。图1是示出包括根据本发明实施例的过电流检测装置的负载电路配置的电路图。该图所示的负载电路包括：电池(DC电源)VB；负载1，例如，电机或者灯；以及设置在电池VB与负载1之间的印刷电路板4。
电池VB的正极侧输出端连接到印刷电路板4的连接器J1，而其负极侧输出端接地。
负载1包括电感分量LL和电阻分量RL。该负载的一端连接到印刷电路板4的连接器J2，而其另一端接地。
印刷电路板4包括：半导体开关(FET1)，用于接通和断开负载1；比较器CMP1(比较装置)；驱动器电路2；铜箔布线图形3；以及电阻器R1至R3。
半导体开关(FET1)和铜箔布线图形3被连接在连接器J1与J2之间。半导体开关(FET1)的漏极连接到连接器J1，而其源极通过铜箔布线图形3连接到连接器J2。假定半导体开关(FET101)的漏极电压(连接器J1的电压)是V1，其源极电压是V2，而且位于铜箔布线图形3的连接器J2端的所要求的点P1的电压为V3。该点P1被连接到比较器CMP1的正极侧输入端。铜箔布线图形3被形成为细长矩形，而且它包括电感器Lp。
半导体开关(FET1)的栅极通过电阻器R3连接到驱动器电路2。
连接器J1通过电阻器R1和R2的串联电路接地，而在电阻器R1与R2之间的接点(其电压被称为基准电压V4)被连接到比较器CMP1的负极侧输入端。
即，比较器CMP1将过电流确定电压(V1-V4)与和电压(V1-V3)之间的幅值进行比较，该和电压(V1-V3)是通过将半导体开关(FET1)的漏极与源极之间的电压V DS(V1-V2：第一电压)与因为电流变化而在电感器Lp的两端产生的电压(V2-V3：第二电压)相加而获得的，然后，在该和电压(V1-V3)超过该过电流确定电压(V1-V4)时，使输出信号倒置，以检测过电流的产生。
接着，将说明采用以这样的方式配置的根据本发明实施例的过电流检测装置的负载电路的运行过程。
当在驱动负载1，同时从驱动器电路2输出驱动信号时，将该驱动信号通过电阻器R3提供到半导体开关(FET1)的栅极，从而接通半导体开关(FET1)。因此，电流流过电池VB、半导体开关(FET1)、铜箔布线图形3以及负载1的通路，从而驱动负载1。
在半导体开关(FET1)的漏极电压V1与位于点P1的电压V3之间的压差(V1-V3)超过利用电压V1与基准电压V4之间的压差而获得的过电流确定电压(V1-V4)时，即，在满足下面的等式(3)时，使比较器CMP1的输出信号倒置，从而使驱动器电路2停止输出信号。结果，使半导体开关(FET1)断开，从而保护构成该负载电路的各部件和线路。
(V1-V3)＞(V1-V4)    ...(3)
假定铜箔布线图形3的电感，即，半导体开关(FET1)的源极与点P1之间的电感是Lp，半导体开关(FET1)的接通电阻是Ron，漏极电流是ID，而满足等式(3)的漏极电流是ID2，则获得下面的等式(4)。
(V1-V4)＝Ron·ID2+Lp·dID2/dt    ...(4)
等式(4)右侧的第一项代表半导体开关(FET1)的漏极与源极之间的电压(V1-V2)，而等式(4)右侧的第二项代表因为电感Lp而根据电流的时变产生的电压(V2-V3)。
假定在图2所示相关技术的方法中此时被确定为异常电流的漏极电流是ID1，则获得下面的等式(5)。
(V1-V4)＝Ron·ID1    ...(5)
下面的等式(6)表示漏极电流ID1，ID2与基于等式(4)和(5)的电压(V1-V4)之间的关系。
Ron·ID2+Lp·dID2/dt＝Ron·ID1
ID2＝ID1-(Lp/Ron)·(dID2/dt)    ...(6)
根据等式(6)，在相同过电流情况下，电流ID2比电流ID1小(Lp/Ron)·(dID2/dt)。即，在产生过电流时，可以检测到该过电流，从而以比相关技术小(Lp/Ron)·(dID2/dt)的电流，断开半导体开关(FET1)。
接着，将说明铜箔布线图形3的形状与电感之间的具体关系。在将铜箔布线图形3的形状设置为3mm宽、0.4mm厚、20mm长时，该铜箔布线图形3的电感Lp约为0.016[μH]。此时，铜箔布线图形3的电阻值是一个相当小的值0.34[mΩ]，因此可以忽略该电阻值。
假定半导体开关(FET1)的接通电阻Ron是5[mΩ]，而电流ID2的时变速率dID2/dt是1·106[A/s]，则获得下面的等式(7)：
(Lp/Ron)·(dID2/dt)
＝{(0.016·10-6)/(0.005)}·(1·106)＝3.2[A]    ...(7)
即，与相关技术所示的过电流检测方法相比，在该实施例中，可以理解该过电流确定值减小了3.2[A]。由于dID2/dt的值是电流升高的时变速率，所以在电流升高速率升高时，该确定电流值变小，因此，增强了该实施例的效果。相反，在电流升高速率变小时，该确定电流值变大，因此，降低了实施例的效果。
以这种方式，在根据该实施例的过电流检测装置中，在半导体开关(FET1)与负载1之间设置铜箔布线图形3，而且在漏极电流ID突然发生变化时，利用铜箔布线图形3的电感Lp产生与该电流的时变量成正比的电压。然后，产生电压(V1-V3)，该电压(V1-V3)由在电感Lp这样产生的电压与在半导体开关(FET1)的源极与漏极之间产生的电压的和值(additional value)组成的，然后，将该电压(V1-V3)与过电流确定电压(V1-V4)进行比较，以检测过电流的产生。
因此，如果象发生短路一样，电流突然升高，则由电感Lp产生的电压升高，并且这样使电压(V1-V3)可能变大。换句话说，基于产生的过电流在流过的电流小的时间点，可以检测到过电流的产生，因此，可以防止破坏构成该电路的各部件和线路。
此外，由于因为接通电源时流过的涌流导致的电流变化速率小于产生过电流时的电流变化速率，所以因为电感Lp产生的电压分量，即，等式(4)的右侧的第二项的电压小，因此，可以防止将涌流错误地确定为过电流。
如上所述，尽管根据该图所示的实施例，对根据本发明的过电流检测装置进行了说明，但是本发明并不局限于此，而且利用具有同样功能的任意配置，可以替换各部件的配置。
例如，在该实施例中，在半导体开关(FET1)与负载1之间设置铜箔布线图形3，利用该铜箔布线图形的电感Lp产生根据该电流的时变量变化的电压。然而，本发明并不局限于此，利用连接到该半导体开关(FET1)和负载1的线路的电感分量，可以获得同样的效果。
对于迅速检测过电流的产生，本发明相当有用。

Claims (2)

1.一种用于检测负载电路中的过电流的过电流检测装置，配置该过电流检测装置，以利用设置在DC电源与负载之间的半导体开关驱动和关闭负载，该过电流检测装置包括：
比较器，用于将和电压与事先设置的过电流确定电压进行比较，该和电压是通过将在半导体开关的两端产生的第一电压与因为用于连接该半导体开关和负载的电线路的电感分量而在电流发生变化时产生的第二电压相加而获得的，
其中在该和电压超过该过电流确定电压时，该比较器检测到产生了过电流。
2.根据权利要求1所述的过电流检测装置，其中该半导体开关被设置在板上，至少部分用于连接半导体开关和负载的电线由设置在该板上的铜箔形成，而且因为铜箔的电感分量而在电流发生变化时产生的电压是第二电压。
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