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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht den Vorteil
und die Priorität
der folgenden US Provisional Anmeldungen: US Anmeldung mit der laufenden
Nummer 60/557,493, eingereicht am 30. März 2004, mit dem Titel FULLY
INTEGRATED LINEAR CABIN FAN CONTROLLER; US Anmeldung mit der laufenden
Nummer 60/574, 441, eingereicht am 25. Mai 2004, mit dem Titel FULLY
INTEGRATED LINEAR CABIN FAN CONTROLLER und US Anmeldung mit der
laufenden Nummer 60/574,443, eingereicht am 25. Mai 2004 mit dem
Titel BLOWER STRUCTURE WITH CONVERSION OF PWM DUTY CICYLE TO OUTPUT
VOLTAGE; die gesamte Offenbarung jeder dieser Anmeldungen wird hiermit
durch Bezugnahme darauf mit aufgenommen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgung und insbesondere
einen Gleichstrommotorantrieb sowie vor allem einen integrierten,
vollständig
geschützten
Gleichstrommotorantrieb für
beispielsweise einen Gleichstrombürstenmotor. Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere eine vollständig integrierte Schaltung
für einen
Motorantrieb, die sowohl die Leistungsschalter als auch eine integrierte
Schaltung beinhaltet, die in der Schaltung für den Motorantrieb verwendet
wird.
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Es
besteht ein Bedarf an Gleichstrommotorantrieben, insbesondere im
Bereich von 100 bis 350 Watt, und die Gleichstrommotoren im Bereich
von 12 bis 14 Volt mit Leistung versorgen, wie sie beispielsweise
bei Kraftfahrzeuganwendungen, wie beispielsweise für Drucklüfter-Motoren,
benutzt werden. Es besteht ebenfalls ein Bedarf nach einer integrierten Steuerschaltung,
um solche Gleichstrommotoren zu steuern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Gleichstrommotor, die über einen großen Bereich
der Motorcharakteristik eine Programmierbarkeit sowie Schutz für die Steuerschaltung
und die Last zur Verfügung
stellt. Diese Schutzverfahren umfassen ein eingebettetes Temperaturmanagement,
um das Risiko der Thermoinstabilität des MOSFET-Schalter zu minimieren.
Die offene Architektur der Steuerung stellt ferner ein einfaches
Design dar, das geeignet ist, um unterschiedliche Motorarten oder
Lastanwendungen zu betreiben.
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Erfindungsgemäß wird ein
selbstadaptiver PWM Eingang bereitgestellt, der mit den meisten
Geschwindigkeitssignalen eines HVAC Systemprozessor verbindbar ist.
Die Leistungsableitung wird überwacht
und über
die Verminderung des Motorstroms gesteuert. Darüber hinaus schaltet die Schaltung zum
Schutz die integrierte Steuerschaltung im Falle einer überhöhten Sperrschichttemperatur
des Leistungsschalter aus. Die integrierte Schaltung und der Motor
sind dann ohne einen externen Sensor geschützt, wodurch das Design wesentlich
vereinfacht wird.
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Eine
Wärmesenke
stellt den Leistungstransistorschaltern, die in der integrierten
Steuerschaltung enthalten sind, eine thermische Kühlung zur Verfügung. Schutzstrategien
einschließlich
veränderbarer
Strombegrenzung gegenüber
(versus) der Motorgeschwindigkeit oder eine von der Temperatur herabgesetzte
Performance können
eingesetzt werden.
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Gemäß einem
Aspekt umfasst die Erfindung einen Motorantrieb, der eine erste
Leistungshalbleiterschaltungseinrichtung umfasst, welche ein Paar hauptstromtragende
Anschlüsse
aufweist, wobei die hauptstromtragenden Anschlüsse in Serie mit einer Motorlast
gekoppelt sind; eine erste Stromsteuerschleife für die Schaltungseinrichtung,
wobei die Schleife einen Stromsensor für die Schaltungseinrichtung
zum Steuern des Stroms durch die Schaltungseinrichtung aufweist;
einen strombegrenzenden Kreis, der, um den Strom in der Schaltungseinrichtung
auf einem gewünschten
Level zu halten, die erste Stromsteuerschleife treibt, wobei der
strombegrenzende Schaltkreis einen ersten und zweiten Eingang aufweist;
einen Geschwindigkeitsregelkreis, der einen ersten Eingang aufweist,
der mit einem Geschwindigkeitssteuereingang verbunden ist und einen
zweiten Eingang, der mit einem Spannungsfeedback von dem Motor verbunden
ist, das die gegenwärtige
Motorgeschwindigkeit darstellt, wobei der Geschwindigkeitsregelkreis
dem ersten Eingang des Strombegrenzungskreises einen Ausgang zur
Verfügung
stellt, um den Motor zu der gewünschten
Motorgeschwindigkeit zu treiben; und einen Leistungsbegrenzungskreis,
um die Leistung, die von dem Motor verbraucht wird, auf einen vorherbestimmten
Level zu begrenzen und um dem zweiten Eingang des Strombegrenzungskreises
einen Ausgang zur Verfügung
zu stellen, wobei der Leistungsbegrenzungskreis einen Eingang aufweist,
der angebunden ist, um das Spannungsfeedback des Motors zu empfangen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
eine erste und eine zweite Leistungsschaltungseinrichtung verbunden,
als ob sie ihre den Hauptstrom tragenden Anschlüsse parallel verbunden hätten, und
es wird eine erste und zweite Stromsteuerschleife angegeben, für jede Leistungsschaltungseinrichtung
eine, mit einem Stromsensor für
jede Leistungsschaltungseinrichtung, wobei der Strom in jeder Leistungsschaltungseinrichtung
unabhängig gesteuert
werden kann.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, die auf die
begleitenden Zeichnungen Bezug nimmt, offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird detaillierter in der folgenden detaillierten Beschreibung
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein
Blockdiagramm der Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 zeigt
die Verbindung der integrierten Schaltung der 1 mit
der Mikroprozessor-Steuerung und dem Last Gleichstrommotor;
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3 ist
ein Graph der Motorspannung gegenüber dem Geschwindigkeitskommando;
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4 zeigt
den Bereich des PWM Eingangs Signals;
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5 stellt
graphisch das PWM Eingangs-Signal und das umgewandelte analoge Signal dar;
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6 zeigt
ein anderes Beispiel des PWM Eingangs-Signals und des umgewandelten
analogen Signal;
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7 zeigt
eine direkte Startprofilmethode um C IN_V zu bestimmen;
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8 ist
ein Graph, der den maximalen Laststrom auf eine programmierbare
Spannung bezieht;
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9 präsentiert
einen Graph, der den Motorstrom und die Leistungsableitung zeigt;
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10 zeigt
den Wärmetransport
durch die integrierte Schaltung;
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11 ist
ein weiterer Graph, der sich auf den Wärmetransport bezieht;
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12 zeigt
weitere Wellenformen für
die Schaltung;
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13 ist
angegeben, um den Überspannungsschutz
zu erklären;
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14 ist
angegeben, um den Überlastschutz
zu erklären;
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15 zeigt,
wie der Kreis in dem Fall eines Kurzschlusses arbeitet;
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16 zeigt,
wie der Kreis im Falle eines blockierten Rotors arbeitet;
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17 zeigt
die Packung der integrierten Schaltung;
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17A zeigt die Die (Blättchen oder Chip) Anordnung
auf dem Kupfersubstrat;
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18 zeigt
einen Graph des Übergangs (Transient)
Rth;
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19 illustriert die Packung des MOSFET Schalters
und des Antriebs IC in einer Seitenansicht;
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20 zeigt
die Sperrschicht (Junction) Temperatur des ICs und des MOSFETs (thermische Antwortzeit);
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21 ist
eine vereinfachte Ansicht des gesamten Rth der Anordnung; und
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22 zeigt
ein schematisches Diagramm der Motorsteuerung der 1.
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Andere
Objekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden von der folgenden
detaillierten Beschreibung offenbart.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug nun zu den Zeichnungen zeigt 1 das Blockdiagramm
von der Motorsteuerung. Die Referenz Nr. 10 ist die integrierte
Steuerschaltung die eine Last, wie einen Gleichstrommotor 200, steuert.
Insbesondere kann der Motor 200 ein Kabinendrucklüfterantriebsmotor
für eine
Kraftfahrzeug HVAC (Heizen, Lüften
und Klimatisieren (Airconditioning)) Funktion sein. Sowohl Drehmoment
und Geschwindigkeitssteuerschleifen als auch eine programmierbare
Geschwindigkeitsantwortzeit sind Funktionalitäten des Motorantriebs, die
von der Schaltung zur Verfügung
gestellt werden. Die Steuerung 10 weist ein PWM/Analoginterface 12 auf,
umfassend einen PWM Demodulator 13 und einen Digital zu
Analog Wandler 14. Die Komponenten 13 und 14 bezwecken
ein PWM Eingangs Signal auf Leitung IN_PWM in ein analoges Signal
auf Leitung IN_V zu wandeln. In der Steuerung 10 sind auch
der PWM zu Analog Wandler ebenso, wie die Logiksteuerung, die Ruhemodus
(Schlafmodus oder Sleep Mode) Steuerung, das Temperaturmanagement
und der Kurzschlussschutz, die alle weiter unten beschrieben werden,
eingebettet. Der Controller 10 umfasst ein Hybrid (Gemisch)
von digitalen, analogen und Leistungskreisen.
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Wieder
zu 1 zukehrend umfasst die Ausgangsstufe bevorzugt
zwei stromfühlende
Leistungs MOSFETs M1 und M2, die auf der Low Seiten (Low Side) Position
arbeiten und deren Leistungsanschlüsse parallel angeordnet sind.
Entsprechend sind die Sourcen der zwei MOSFETs M1 und M2 und die
Drains der zwei MOSFETs M1 und M2, wie gezeigt, miteinander verbunden.
Der Drainausgang wird der Low Seite der Motorlast 200 zur
Verfügung gestellt,
wobei (with) die andere Seite der Last mit der B+ Leistungsversorgung
+Vbat verbunden ist. Die Gates der zwei MOSFETs sind , wie unten
erklärt werden
wird, nicht parallel verbunden, so dass der Strom in jeden MOSFET
unabhängig
geregelt werden kann.
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Die
Sourcen sind mit einer –Vbat
verbunden, die auch Masse (Ground) ist. Obwohl zwei MOSFETs gezeigt
sind, die ihre Hauptanschlüsse
parallel haben, kann die Schaltung einen einzelnen MOSFET benutzen.
Jedoch erhöht
der Gebrauch von zwei MOSFETs die Leistungsableitungs Fähigkeit
und die zwei Stromsteuerschleifen erlauben die unabhängige Regelung
des Stromes in jeder.
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Die
Gates der zwei MOSFETs werden entsprechend unabhängig von den Gatetreibern 16 und 18 getrieben.
Ein Strommesswert (current sense) von einer zusätzlichen Source und einem Sourcewiderstand
werden über
Summierer (Sumers) 19 und 20 für jeden MOSFET zurückgeführt. Die
positiven Eingänge
zu den Summierern 19 und 20 sind parallel. Es
können
auch andere Stromsensoren benutzt werden, beispielsweise Widerstände in den Haupt-Source-Drainkreisen.
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Jeder
der MOSFETs M1 und M2 wird daher als eine unabhängig gesteuerte Stromquelle
in einer entsprechenden Stromsteuerschleife getrieben. Jede bietet
einen aktiven Klemmen (active clamp) Schutz CL1 und CL2 auf. Der
Laststrom wird aktiv zwischen den beiden Einrichtungen aufgeteilt.
Die Leistungsableitung wird daher zwischen zwei Silikon-Dice verteilt und
die maximalen Sperrschicht (Junction) Temperaturerhöhungen sind
daher begrenzt.
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Block 22 umfasst
einen Strombegrenzungsblock, I Begrenzung (I Limitation). Der I
Begrenzungsblock liefert an beide Low Seiten MOSFET Stromsteuerschleifen
das gleiche Ausgangskommando (Command). Der maximale Laststrom wird über einen
externen Widerstand R eingestellt (progammed). Im Fall einer überhöhten Leistungsableitung,
beispielsweise mehr als 150 Watt, wird dieses Maximum erniedrigt
und von dem Uberleistungsschutzblock 24 gesteuert. Unabhängig vom
Geschwindigkeitsschleifenbetrieb, kann der Motorstrom nicht den
niedrigsten Begrenzungswert zwischen der Strombegrenzung I_Lim,
der von dem Widerstand R eingestellt (programmed) wird, und dem
Leistungsbegrenzungskreis 24 übersteigen.
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Entsprechend
weist jeder MOSFET Schalter seinen eigenen unabhängigen Stromsteuerkreis über die
Stromsensoren, die Summer 19 und 20 und die Gatetreiberstufen 16 und 18,
die jeweils von dem Strombegrenzungsblock 22 getrieben
werden, auf.
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Der
Leistungsbegrenzungskreis 24 überwacht die Spannung über den
zwei MOSFETs Vd über
eine Widerstandsteilerstufe 25B. Es generiert den in jedem
Drain maximal akzeptablen Strom entsprechend einer Gesamtleistungsableitung
von 150 Watt. Diese Funktionalität
setzt jedes Mal, wenn die Umstände
neigen die maximale Leistungsfähigkeit sowohl
im Transient als auch im Steady Zustand (Übergangs- als auch eingeschwungenen
Zustand) zu übersteigen,
den programmierten Strombegrenzungs-Wert I_Lim außer Kraft.
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Die
Motorspannung wird über
zwei Widerstandsteiler 25A und 25B, die die Batteriespannung +Vbat
berücksichtigen
gemessen oder erfasst und von der Differenzstufe 26 wird
ein Differenzsignal generiert. Dieses Feedback wird mit dem analogen
Geschwindigkeitseingang IN_V von dem Ausgang des Digital zu Analog
Wandler 14 über
die Differenzstufe 27 verglichen und, um eine konstante
Motorgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, von dem Verstärker 28 verstärkt. Die
Motorspannung wird in Stufe 26 mit der Batteriespannung
verglichen und dieses Feedback wird von Stufe 27 mit dem
analogen Geschwindigkeitseingang IN_V verglichen und dann, um eine
konstante Motorgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, von dem Verstärker 28 verstärkt. Eine
Filterkondensator 29 verlangsamt die Geschwindigkeitsveränderungen,
nicht nur um die HVAC Systemanforderungen zu erfüllen, sondern auch um eine Übergangsantwort
auf den Leistungsbegrenzungseffekt auf die Geschwindigkeit zu verhindern.
Das PWM Interface 12 generiert die Spannung an IN_V aber
es kann auch über
einen Widerstand erzwungen werden, wenn ein externer analoger Geschwindigkeitseingang
anstelle eines PWM Eingangs angeboten wird.
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Das
PWM Interface 12 bietet einen selbstadaptiven Schaltkreis,
der, ohne einer Anpassung oder einer Oszillatorsynchronisation,
Eingangsfrequenzen von 60 Hz bis zu 3000 Hz abdeckt. Es übersetzt
das Tastverhältnis,
d. h. die Dauer des ON-Status gegenüber der Periode, in ein stabiles
analoges Geschwindigkeitskommando. Ein beständiger logischer Level an dem
IN_PWM Eingang hat keine Auswirkung. Das PWM Interface wird detaillierter in
der US Patentanmeldung mit der fortlaufenden Nummer 10/974,581, eingereicht
am 27. Oktober 2004, und dem Rechtsnachfolger dieser Anmeldung (IR-2505)
zugeordnet, deren gesamte Offenbarung hierin unter Bezugnahme einbezogen
wird, beschrieben.
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Der
Ruheverbrauch wird reduziert, wenn die beiden Anschlüsse IN_V
und IN_PWM für
eine feste Zeit kein Geschwindigkeitskommando erkannt (sensed) haben.
Dies wird Sleep Mode (Schlafmodus oder Ruhe Modus) genannt. Dieser
Schaltkreis, der weiter unten detaillierter beschrieben wird, trennt
die Steuerung 10 mit der Ausnahme des Eingangstakterkennungsblocks 30 ab.
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Der
Eingangstakterkennungsblock 30 ist für geringen Stromverbrauch optimiert.
Er erkennt das Vorhandensein eines PWM Geschwindigkeitskommandos
durch die Überwachung
der Flanken (Edges, Ecken) des IN_PWM Anschlusses. Sobald eine steigende
Flanke detektiert wird, weckt er die Steuerung auf. Vorzugsweise überwacht
er auch das analoge Signal IN_V. Wenn sowohl eine steigende Flanke
an IN_PWM detektiert wird und IN_V größer als .6V ist, ermöglicht es
die Übersetzung
des Tastverhältnisses
in ein Geschwindigkeitssignal durch das PWM Interface 12.
Wenn im Sleep Mode, geht die Leistungsversorgung für den Logikschaltkreis
in einen geringen Leistungsverbrauchsmodus. Wenn für eine bestimmte
Zeit weder eine steigende Flanke noch IN_PWM detektiert werden und
IN_V geringer als .6V ist, geht die Steuerung in den Sleep Mode.
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Der
Unter/Überspannungsblock 32 stoppt den
Motor, wenn die Batteriespannung entweder über 18 V oder unter 8 V geht.
Das Entladen des IN_V Anschlusses lässt den Motor sachte ausschalten.
Eine Softstart-Sequenz beschleunigt den Motor wieder, wenn die Batteriespannung
wieder hergestellt ist.
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Der
Temperaturblock 34 umfasst einen Temperatursensor, der
in dem Die der Steuerung 10 eingebettet ist. Dieser Block
schaltet die Steuerung ab, wenn die MOSFET Sperrschicht Temperatur über 125°C beobachtet
wird. Dieser Temperaturschutz wird von einem Latch 36 verriegelt
(latched) und eine Feedbackdiagnosesequenz wird auf dem IN_PWM Anschluss
an den HVAC Prozessor 52 gesendet. Entsprechend dient der
Anschluss IN_PWM einer dualen Funktion, als dem Geschwindigkeitssteuereingang
und zur diagnostischen Analyse Funktionalität. Ein Low Level an dem IN_PWM
Pin für
eine Mindestzeit setzt diesen Schutz zurück.
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Die
Logiksteuerung/Diagnose 38 stellt ein Geschwindigkeitseingangsmanagement
und Diagnosen zur Verfügung.
Der Logikblock 38 schließt über die Signale 38A, 38B und 38C die
Stromsteuerschleife als auch die MOSFET Gates mit Masse (Ground,
Erde) kurz, wenn die Steuerung ausgeschalten ist. Das verbundene
Timing, das alle Signale beim Einschalten freigibt, wird auch in
dieser Schaltung implementiert. Der Ruhemodus und das Batteriemanagement
ebenso wie die Übertemperaturdiagnose
werden auch in diesem Block generiert.
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Von
einem Kondensator 40 wird die Spannungswelligkeit aufgrund
der Motor 200 Bürsten
gefiltert. Er ist zwischen der Batteriespannung +Vbat und dem Geschwindigkeitsfeedback
Cp_V vorgesehen. Wenn I_Lim und IN_V offen gelassen werden, wird
der maximale Motorstrom intern auf 40 A festgesetzt. Sowohl die
150 Watt Leistungsbegrenzung als auch die thermische Abschaltung
schützen
die Applikation immer noch vollständig im Falle einer Überlast, einem
Zustand eines blockierten Rotors oder Kurzschluss, wie unten erklärt werden
wird.
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Die
Kapazität 29,
die an IN_V angeschlossen wird, führt eine sanfte Geschwindigkeitssteuerung ein
und hilft die Energie zu reduzieren, die von den MOSFETs M1 und
M2 geklemmt (clamped) wird. Durch die Programmierung des Widerstands
R an dem I_lim Anschluss wird für
Motoren mit geringer Leistung ein besserer Schutzlevel erreicht.
Dieser Eingang kann dynamisch von externen Komponenten getrieben
werden, um ein spezifisches Stromschutzprofil zu erfüllen. Beispielsweise
bietet ein resistiver Teiler zwischen den Anschlüssen IN_V und I_lim einen einfachen
Weg, um einen veränderlichen Stromschutz,
der linear an die Geschwindigkeit angepasst ist, zu erreichen. Der
Anschluss IN_V kann auch von externen Komponenten, wie Wärmesenketemperatursensoren
oder jedem anderen Schaltreis verstärkt oder geschwächt werden.
Schließlich
können
die Strom und Geschwindigkeitssteuerschleife kombiniert werden,
um komplexe und verfeinerte Strategien zu erreichen.
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Entsprechend
verwendet die Steuerung 10 sowohl die Strom als auch die
Geschwindigkeitssteuerschleife, um den Betrieb des Motors 200 zu
steuern.
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Die
Steuerung 10 integriert die gesamte Kabinenlüfterantriebsfunktionalität, einschließlich der Leistungsschalter
in einem einzigen integrierten Schaltkreispaket. Der hohe Integrationslevel
verbessert nicht nur die Zuverlässigkeit
der Applikation, sondern bietet auch einen hohen Standard an Performance
zu geringen Kosten. Die duale MOSFET Topologie in Verbindung mit
dem eingebetteten thermischen Management reduziert den Designaufwand um
die Kühlperformance
zu optimieren und verlangt, nur wenige externe passive Komponenten
auszuwählen.
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Zukehrend
zu 22 zeigt diese Figur das schematische Diagramm
der Steuerung in größerem Detail.
Der PWM Eingang IN_PWM wird unter 6 gezeigt. Der PWM Eingang
IN_PWM wird dem PWM Interface 12, wie vorher beschrieben,
zur Verfügung gestellt,
welches ein Taktsignal von einem Taktgenerator 12A erhält. Der
Ausgang des PWM Interface 12 ist das analoge Signal IN_V.
Der Ausgang des PWM Interface wird einer Spannungs- oder Geschwindigkeitsregulierungsschleife
V zur Verfügung
gestellt, welche, wie vorher beschrieben wurde, über die Teiler 25A und 25B eine
Motorspannung proportional zu der Motorgeschwindigkeit aus der Batteriespannung und
Motorfeedbackspannung zur Verfügung
stellt. Der Ausgang der Stufe 27 wird von Verstärker 28 verstärkt und
der I Begrenzungsstufe 22, die eine strombegrenzende Stufe 22A und
eine leistungsbegrenzende Stufe 22B umfasst, welche von
der Stufe 24A gesteuert wird, welche die Spannung Vd über den Teiler 25B überwacht,
zur Verfügung
gestellt. Wie vorher beschrieben, hebt die Leistungsbegrenzungsstufe
die Strombegrenzungsstufe auf, wenn die Gesamtleistung einen vorherbestimmten
Level, beispielsweise 150 Watt, übersteigt.
Der Ausgang der I Begrenzungsstufe 22A, 22B wird
dem Levelshifter 31 zur Verfügung gestellt. Der Ausgang
des Levelshifter 31 wird den zwei Stromregulierungsteuerschleifen
I1 und I2 zur Verfügung
gestellt, um den Strom durch jeden der Switche M1 und M2 unabhängig zu steuern.
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Nun
zukehrend zu 2 zeigt diese Figur das Steuer
IC 10 implementiert als ein 15 Pin Paket. Das PWM Geschwindigkeitskommando
IN_PWM wird an 6 zur Verfügung gestellt. Typischerweise
umfasst ein HVAC Steuerboard 50, das Teil eines HVAC Steuersystems
eines Kraftfahrzeugs ist, einen Mikroprozessor 52. Der
I_lim Widerstand R ist mit der Steuerung 10 verbunden gezeigt.
Auch ist der IN_V Kondensator 29 gezeigt. Die Sourcen der
MOSFETs sind mit –Vbat
und der Kondensator 40 ist zwischen der Batteriespannung
und dem Motorspannungsfeedback CP_V angeschlossen. Die gesteuerte
Seite des Motors +VM ist mit den Drains der MOSFETs M1 und M2 verbunden.
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Nun
der 3 zukehrend ist ein Graph der Motorspannung gegenüber dem
Geschwindigkeitskommando (im Arbeitszyklus) (Duty Cycle) und der analogen
Spannung IN_V gezeigt. Das Geschwindigkeitskommando ist ein niederfrequentes
PWM Signal, das von dem HVAC Steuerboard 50 zur Verfügung gestellt
wird. Der Pin IN_PWM kann ein Schmitt-Triggerinterface aufweisen
und wird bevorzugt gegen elektrostatische Entladung geschützt (Electrostatically
Discharge Protected). Die Eingangsimmunität ist bevorzugt ausreichend
hoch zur Verfügung
gestellt, um jegliche logische Verbindung mit Masse in den meisten
Applikationen zu vermeiden. Das Tastverhältnis an dem IN_PWM Pin wird
als Geschwindigkeitsanforderung gelesen, die in ein analoges Kommando
IN_V umgewandelt wird. Dieses Signal treibt die Geschwindigkeitsveränderungszeitkonstante
und die Motorspannungsschleife V. Beide Charakteristiken sind in 3 in
einer einzelnen Motorspannungsumformkurve gezeigt.
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5 zeigt
ein Beispiel des PWM Eingangs und den analogen Ausgang IN_V.
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Der
PWM zu Analog Spannungswandler wird weder durch die Eingangsfrequenz
noch durch die Veränderung
der Batteriespannung beeinflusst und daher ist (er) ein selbstadaptives
Interface. Der Bereich des Tastverhältnisses reicht von 5 bis 95
% mit einer Trägerfrequenz
zwischen 60 Hz und 3000 Hz. Wenn es geringer als 5 % ist, wird der
IN_V Pin auf 0,6 V herabgezogen, so dass der Motor nicht länger mit
Leistung versorgt wird. Wenn das Tastverhältnis höher als 95 % ist, wird der
IN_V Pin auf 5 Volt gehalten. Siehe 3 und 4.
Dies repräsentiert eine
konstante 15 Volt Spannung an dem Lüftermotor 200, wann
auch immer die Batterie selbst höher
als 15 V ist (zuzüglich
dem Spannungsabfall am MOSFET). Das IN_PWM Signal muss länger als
eine vorgegebene Zeit, beispielsweise 10 Millisekunden, stabil sein,
um akkurat umgewandelt zu werden und um an den IN_V Pin übertragen
zu werden. Wenn für
länger
als eine bestimmte Zeit, beispielsweise 260 Millisekunden, an dem
IN_PWM Input kein Signal ist und wenn der IN_V Pin niedriger als
0,6 V ist, wird die Steuerung in den Sleep (Ruhe) und Reset Modus
geschalten. Die Steuerung wacht auf, sobald an dem IN_PWM Signalpin
wieder steigende Flanken erkannt werden oder IN_V > 0,6 V (ist). Dies
ist in 4 gezeigt.
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Der
IN_V Kondensator 29 und die Impedanz des internen Kreises
begrenzen die Geschwindigkeitsveränderungen. Die verbundene Zeitkonstante agiert
während
dem Hochlaufen (Ramp Up) als auch der Drosselung (Slow Down). Jedes
Mal, wenn das Tastverhältnis
unter 5 % kommt, wird der Kondensator 29 zusätzlich über einen
Widerstand entladen. Diese zweite Zeitkonstante liefert eine sanfte
Ausschaltzeit (Soff Turn-Off), die die EMI Störungen begrenzt und die der
Demagnetisierung (Active Clamp) hilft.
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Der
thermische Schutz schaltet die Applikation im Falle einer exzessiven
MOSFET Grenzschicht Temperatur endgültig ab. Das HVAC Steuerboard 50 wird über die
Diagnosesequenz Dg informiert, die auf dem IN_PWM Pin übertragen
wird. Diese Sequenz umfasst ein 13 Hz – 50 % Tastverhältnis Pull
Down Signal, das an dem Eingang über
eine 1K Impedanz erzwungen wird. Durch das Hinzunehmen eines einfachen
Widerstands in Serie mit seinem eigenen Ausgang ist der HVAC Mikroprozessor
dann in der Lage, die Dg Sequenz zu erkennen. Dies ist in 6 gezeigt,
die zeigt, dass nach einem thermischen Abschalten eine 13 Hz Diagnosesequenz
an Pin IN_PWM erzwungen wird, welche von dem Prozessor 52 gelesen
werden kann.
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Die
maximale Veränderung
der Motorgeschwindigkeit ist üblicherweise
auf einige wenige Volt/Sekunde begrenzt. Die externe IN_V Kapazität 29 und
die interne Impedanz des Kreises (etwa 100 KOhms) sind die Parameter
dieser Zeitkonstanten. Ein optimierter Wert für die Kapazität kann mit
einigen Tests erreicht werden, aber als eine erste Schätzung muss
sie die mechanische Trägheit
der gesamten Applikation abdecken. Der Leistungsbegrenzungskreis 24 (150
W) bringt auch eine Bedingung für
diese Zeitkonstante. Wenn Geschwindigkeitsübergänge zu schnell erfolgen, könnte manchmal
die Begrenzung aktiviert werden und könnte einen unangenehmen Effekt
in der Form einer Veränderung
des akustischen Rauschens generieren. Schließlich bestimmt die IN_V Kapazität 29 auch
die Sanftheit der Motorabschaltung. Unter all diesen Kriterien dominiert
für gewöhnlich die mechanische
Zeitkonstante. Siehe 7.
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Messen
des direkten Starteinschaltstromprofils ist der einfachste Weg um
diese Zeitkonstante zu schätzen.
Auch können
die Geschwindigkeitsänderungsanforderungen
der Applikation direkt in einen Kapazitätswert umgesetzt werden. In
beiden Fällen wird
ein 0 bis 100 % Geschwindigkeitsänderungstest bei
der maximalen Batteriespannung benötigt, um die Abwesenheit von
irgendeinem Leistungsbegrenzungseffekt während der Geschwindigkeitsübergänge zu bestätigen.
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Der
I-Lim Widerstand R begrenzt den maximalen Strom, der der Last zur
Verfügung
gestellt wird. Obwohl es dynamisch durch das Erzwingen einer Spannung
(0 bis SV) angepasst werden kann, weist der I_Lim Kreis
vorzugsweise eine 100 μA Stromquelle 22A auf.
Siehe 1. Ein einfacher Widerstand kann das Programmieren
bereitstellen. Dieser Wert muss mit ein wenig Spanne etwas höher als der
maximale normale Betriebsstrom festgesetzt werden (max. Last bei
der höchsten
Batteriespannung). Das ist für
gewöhnlich
der maximale von dem Fahrzeugskabelbaum zugelassene Strom. 8 zeigt
die I_Lim Charakteristiken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Strombegrenzungsbereich von 4 bis 40 Ampere. Der Graph zeigt
den maximalen Laststrom, als eine Funktion der programmierten I-Lim
Spannung oder des Widerstands R.
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Das
Abziehen der Vd Spannung von der Vbat Spannung mittels Stufe 26 misst
(senses) die Motorgeschwindigkeit. Das Signal wird gefiltert, um die
Welligkeit aufgrund der Bürsten
zu eliminieren. Der Filter ist aus der internen Impedanz des Spannungssensors
und der externen Kapazität 40 CP_V zusammengesetzt.
Für gewöhnlich ist
ein 47 nF Keramikkondensator ausreichend, um ein zuverlässiges Geschwindigkeitsfeedback
an die Geschwindigkeits/Spannungssteuerschleife zu garantieren.
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Die
maximale Leistungsableitung kann entweder über einen Test oder Simulation
evaluiert werden. Von der elektrischen Charakteristik des Motors, die
in dem aktuellen Gehäuse
(Housing) und mit angeschlossenem Ventilator gemessen wird, (Strom Vs.Spannung)
korrespondiert das Leistungsableitungsprofil mit dem Spannungsabfall über dem
MOSFET multipliziert mit dem Motorstrom für jede Motorspannung. Dieses
Profil sollte für
den Worst Case der Applikation eingerichtet werden; für gewöhnlich 16
V Batteriespannung und 70°C
Luftrstrom (Airflow). Ein Beispiel einer Motorcharakteristik und
dem verbundenen Leistungsprofil wird in 9 präsentiert.
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In
dem Bespiel von 9 beträgt bei einem Betrieb bei 16V
Batteriespannung die maximale Leistungsableitung 90 Watt. Die Größe der Wärmesenke (Heat
Sink) Rth kann bestimmt werden, indem der Luftfluss mit 70°C und das
thermische Widerstandsflussdiagramm von 10 angenommen
wird.
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10 fasst
den gesamten Hitzetransfer durch den IC zusammen. Die Gesamtsumme
der Leistung wird zwischen den beiden MOSFET Dice (Plättchen oder
Chips) aufgeteilt, während
das thermische Ausschalten des ICs (IC thermal shut down) als ein „resistiver
Teiler " Rth1 und
Rth2 an jedem MOSFET symbolisiert ist. Obwohl sie nicht den exakten
Technologieaufbau widerspiegelt, ist diese Repräsentation akkurat und hilft,
den endgültigen
(Ultimate) thermischen Schutzmodus zu verstehen. Die typischen Werte
dieser Äquivalenzschematik
sind die Folgenden:
- a) Rth MOSFET Die/Trägerstreifen
(Lead Frame) = 1,4°C/W
pro MOSFET (gegenwärtige
Werte Technologieanordnung (Assembly Technology))
- b) Rth MOSFET Die/I.C. Sensor = Rth 1 = 0,8°C/W pro MOSFET (äquivalenter
thermischer Teiler)
- c) Rth I.C. Sensor/Trägerstreifen
= Rth 2 = 0,6°C/W
pro MOSFET (äquivalenter
thermischer Teiler)
- d) GesamtRth2xMOSFET Dice/Trägerstreifen
= 0,7°C/W
für den
IC.
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In
diesem Beispiel beträgt
die Hälfte
der Leistungssumme 45W. Jede Temperaturerhöhung wird gezeigt und die Wärmesenke
(Heat Sink oder Kühlkörper) Rth
wird wie folgt berechnet [LuftflussΘ – TrägerstreifenΘ]/Pmax.
Dieses Ergebnis ist die Gesamt Rth Anforderung für das Kühlsystem. Isolationsscheiben
(Isolating Washers), thermisches Fett oder irgendeine spezifische
Befestigungstechnologie muss in diesem Rth Budget eingeschlossen
werden. Die Wärmesenke
(Heat Sink oder Kühlblech)
Rth wird dann wieder benutzt, um die Sperrschicht (Juncition) Temperatur
des MOSFETs während
normalen Betriebsbedingungen (14V Batteriespannung – 50 % C
Luftfluss – Pmax
@ 14V) abzuschätzen.
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In
dem Beispiel von 11 würde die maximale Grenzschicht
(Junction)Temperatur unter normalen Bedingungen auf 130°C begrenzt
werden. Ein solcher Wert würde
die Applikation befähigen
eine geringe PPM Fehlerrate zu erreichen. In dem Motorleistungsbereich
der Steuerung der Erfindung überschreitet
typischerweise die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmesenke
und dem IC Sensor 15°C. Wegen
der thermischen Abschaltung des ICs (125°C) und egal welcher Umstände bleibt
die Wärmesenketemperatur
mit dem Plastikgehäuse
des HVAC Systems (110°C)
kompatibel.
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Zusätzlich wird
wegen der Leistungsbegrenzungssteuerung 24 die Erhöhungen der
inneren Temperatur niemals die Temperaturerhöhung, die dem Gesamtleistungsabfluss
von 150 W entspricht, übersteigen.
Daher kann durch das Designen einer optimierten Wärmesenke
die gesamte Applikation ohne einem externen Temperatursensor funktionieren.
Der Übertemperaturschutz 34 jedoch
schaltet im Fall von „abnormaler
thermischer Überlast" die ganze Applikation
ab, ohne ein Risiko für
entweder das Silikon oder den Lüftermotor.
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Die
IC Designarchitektur ermöglicht
es, der Steuerung in der rauen Kraftfahrzeugumgebung (ISO Pulse,
umgekehrten Batterie (Reverse Battery), Lastspeicherung (Load Dump),
etc.), mit wenigen externen Komponenten betreiben. Die positiven
und negativen Impulse werden durch den Motorpfad eingespannt (Clamped)
und die umgekehre Batterie Bedingung beeinflusst das IC selbst nicht,
(sie) resultiert lediglich in einem Rückwärtsdrehen des Lüfters wegen
der MOSFET Körperdioden.
Die Geschwindigkeitsanläufe
(Ramp Ups) und Drosselungen (Slow Downs) werden durch den IN_V Kondensator 29 begrenzt.
Diese Zeitkonstante wird auch benutzt, um den Lüfter ruhig auszuschalten. Zusätzlich lässt der Active
Clamp Kreis jeden MOSFET sich wie eine Leistungs-Zenerdiode verhalten.
Die induktive Motorenergie wird dann in einem der Transistoren M1
und M2 nach jedem Ausschalten verbraucht. Die Active Clamp ist gerade höher als
die maximale Lastspeicherungs (Load Dump) Spannung eingestellt.
Während
des Load Dump Profils schaltet die Steuerung 10 gut im
Vorhinein ab, so dass die Acitve Clamp die induktive Energie verbraucht
und die induktive Energie vor der maximalen Spitzen Spannung abführt.
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12 zeigt
die Motorspannung und Stromantworten auf ein PWM Geschwindigkeitskommando.
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Wenn
die Batteriespannung den normalen Betriebsbereich übersteigt
oder in dem Fall des thermischen Ausschaltens, werden die MOSFET
Gates über
einen 100 KOhm Widerstand herabgezogen. Diese hohen Gatewiderstände stellen
immer noch ein sanftes Ausschaltprofil zur Verfügung, so dass die induktive
Energie, die von den Transistoren abgeführt wird, unter ihrer Energiefähigkeit
bleibt. Während
einer Load Dump Bedingung schaltet die Steuerung 10 den
Motor 200 ab und entlädt
die Geschwindigkeitszeitkonstantenkapazität 29. Wenn die Batteriespannung
zurückkommt,
wird eine Softstartsequenz initiiert, um wieder sanft das Geschwindigkeitskommando
zu erreichen. Es sollte erwähnt
werden, dass, wenn die Batterie plötzlich entfernt wird die Geschwindigkeitsschleife
als Reaktion die MOSFETs völlig
einschaltet. Die Gegen-EMF des Motor versorgt dann die Steuerung 10 mit
Leistung bis die Spannung des Vbat Pin unter die Unterspannungsschwelle
geht. Die gesamte Applikation erträgt wegen der Rotor/Propellerträgheit tatsächlich die
kurzen Batteriespannungsausfälle.
Sobald die Batteriespannung unter 8,5V geht oder 18V übersteigt,
schaltet der Kreis den Ausgang ab. Dies resultiert in einer leichten
Entladung der IN_V Kapazität 29,
so dass ein Restart „in
Flight" möglich ist.
Die Ausschaltwellenform ist langsam und sanft, so dass die Clamp
Ableitung begrenzt ist. 13 präsentiert
die selbe Sequenz, aber mit einem Load Dump Profil. Wie gezeigt,
arbeitet der Überspannungsschutz,
wenn die Überspannung
aufgrund der Load Dump erkannt oder erfasst wird. Die Motorspannung
wird festgehalten (clamped), die Kapazität 29 wird entladen
und wenn wiederum die Batteriespannung unter 18V sinkt ist ein Softstart
implementiert.
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Die
Steuerung 10 ist in der Lage die gesamte Applikation (IC
und Motor) zu schützen
solange die verbundene Wärmesenke
richtig ausgelegt ist und in dem entsprechenden Luftzug gelegen
ist. Die unterschiedliche Natur der Fehler führt überhaupt zu drei Schlüsselfällen:
- a) Motor in blockierter Bedingung. Hintergrund dieses
Schutzes ist den „brenzligen
Geruch", der in
der Kabine in diesem Fall generiert wird, zu vermeiden und den Motor
von Beschädigungen
abzuhalten.
- b) Kurzschluss. In diesem Fall schützt der Schutz den IC selbst
vor einem Schaden.
- c) Überlast:
Die Hauptursache für
die Überlast kann
entweder in dem HVAC System oder in dem Motor/Lüfter selbst sein. In beiden
Fällen
stellt es eine lange und wiederholte Überbelastung (Overstress) sowohl
für den
Motor als auch den IC dar. Ein wichtiger Hintergrund des Schutzes
ist, die kontinuierlichen und wiederholten Effekte eines Überstress
zu vermeiden.
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Die
drei Fälle
werden von dem Kreis in der Steuerung 10 einschliesslich
der programmierten Strombegrenzung 22, der Maximumsleistungsbegrenzung 24 und
der Sperrschichttemperaturabschaltung 34 abgedeckt. Die
zwei MOSFETs werden von zwei unabhängigen Steuerschleifen getrieben, um
weiteren Schutz zur Verfügung
zu stellen. Der Gesamtstrom in dem Motor kann den programmierten
Wert nicht überschreiten.
Selbst wenn der I_Lim Pin offen gelassen wird, kann der maximale
Strom in dem Motor 40A nicht übersteigen. Der Kurzschlussstrom
ist dann begrenzt, so dass die MOSFET Dice die Konditionen permanent
ertragen können.
Wenn die gesamte Leistungsableitung in den MOSFETs durch die Fehlerbedingung
größer als
beispielsweise 150 W wird (das ist gewöhnlich der Fall), wird der Strom
eines Kurzschlusses auf einen geringeren Wert als den programmierten
I_Lim Wert reduziert. Dieser geringe andauernde Strom beschädigt weder die
Applikation noch den Kabelbaum (Wiring Harness). Schließlich schaltet
die Steuerung endgültig die
Applikation ab, wenn die IC Temperatur die Ausschaltschwelle erreicht.
Obiges deckt alle drei genannten Fälle ab. Zusätzlich erreicht die Wärmesenken
Temperatur niemals die maximale Temperatur, die von dem HVAC Gehäuse-Plastik
ertragbar ist. Die verbundenen Aktionen des Schutzes sind in 14, 15 und 16 zusammengefasst.
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14 zeigt
den Betrieb im Falle einer Überlast.
Der Motorstrom wird begrenzt, um den Leistungsverbrauch auf 150
W zu erhalten und wenn die thermische Überlasttemperatur erreicht
wird, wird der Motor deaktiviert.
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15 zeigt
den Betrieb im Falle eines Kurzschluss. Wenn I-Lim erreicht wird,
reduziert der leistungsbegrenzende Kreis 24 den Motorstrom
und wenn thermische Überlast
existiert, wird der Motor deaktiviert.
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16 zeigt
den Betrieb im Fall eines blockierten Rotors. Er ist ähnlich zu
dem Fall der 15, wenn der Strom die I-Lim
Grenze überschreitet.
Die gestrichelten Linien zeigen den Fall der blockierten Kondition
bei geringer Geschwindigkeit, der ähnlich zu der Überlastbedingung
von 14 ist.
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Die
Steuerung 10 kann entweder in einem Durchgangsbohrung (Through
Hole) SIP 15 Pin Paket, welches Q100 kraftfahrzeugkompatibel
ist, eingepackt werden oder auf jedem anderen Substrat, das drei
Dice auf dem selben Heat Spreader behausen kann. Das Teil ist aus
drei unterschiedlichen Dice zusammengesetzt: Zwei MOSFETs, beispielsweise 2x
GEN7.0. Hexfets, verfügbar
von International Rectifier Corporation, und 1 Treiber IC 10A. Die MOSFETs
sind auf den Trägerstreifen
gelötet,
während
der IC isoliert ist. Dies ist in 17 gezeigt.
Diese Misch- Technologie bietet eine einfache und zuverlässige Lösung für eine komplexe
Applikation. Die Form des Trägerstreifens
ist auch angepasst, um die Hochstromverbindungen zu unterstützen (die
Source Pins sind eingegossen (fused)) und das Tab 10B (2)
ist auch an Pin #8 verfügbar
(40 A Dauer (continous) Strommöglichkeit).
Da die MOSFETs gelötet
sind, ist das Tab mit dem Ausgangspin (MOSFET Drains) verbunden. 19 zeigt eine Seitenansicht.
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Das
präsentierte
Profil berücksichtigt
die gesamte Leistung, die in der Steuerung 10 abgeleitet wird.
Es stellt den Übergang
Rth der Steuerung dar unter der Annahme der Gesamtsumme der Leistung, die
in den zwei MOSFETs abgeleitet wird. Obwohl es den eingeschwungenen
Wert bis zu 0.7°C/W
erhöht, wird
die Benutzung einer thermischen Masse (compound) zwischen der Steuerung
und der Wärmesenke
bevorzugt.
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Der
IC weist einen eingebetteten Temperatursensor auf. Er muss zwischen
die Leistungs MOSFETs eingebaut werden. Siehe 17A. Dann wird das Feedback, im Vergleich zu der
gegenwärtigen Temperatur
der MOSFETs, verzögert.
Diese thermische Antwortzeit wird bei dem IC Design (Architektur und
Schutz) berücksichtigt.
Wie in 20 gezeigt, beträgt die Verzögerung für einen
150 W Leistungsschritt etwa 20 ms. 18 zeigt über der
Zeit die Sperrschicht Temperatur der MOSFETs für 150 W Leistungsableitung
und einer Wärmesenke
Temperatur von 20°C.
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Um
das Wärmesenke
Design und die Grenzschicht Berechnungen zu vereinfachen, binden
nun alle gezeigten thermischen Impedanzen den Effekt der thermischen
Masse (0.3°C/Wmax.)
ein. Das geht von einem konstanten Druck auf das gesamte Paket von
(TBC) 20 Kilogramm aus. Die Rth Struktur der Steuerung ist in 21 präsentiert,
aber nun mit den tatsächlichen
Rths, die für
das Wärmesenke
Design benutzt werden. Sie korrespondieren mit den max. Werten und
beinhalten nicht nur die thermische Masse, sondern auch die Prozessveränderungen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele
darauf beschrieben wurde, werden dem Fachmann viele andere Variationen
und Modifikationen und andere Nutzen offenbart. Daher sollte die
vorliegende Erfindung nicht durch die spezifische Offenbarung hierin
limitiert werden, sondern nur durch die angefügten Ansprüche.