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Ausführungsformen betreffen die stromoptimierte Steuerung für einen elektronischen Schalter.
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Eine Aufgabe besteht darin, insbesondere eine verbesserte oder effiziente Möglichkeit zur Steuerung eines elektronischen Schalters zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Mindestens eines der folgenden Beispiele und/oder mindestens eine der Ausführungsformen kann als innovativ betrachtet werden. Sie kann mit anderen hierin beschriebenen Aspekten oder Ausführungsformen kombiniert werden. Jede hier beschriebene Ausführungsform oder Ausgestaltung ist nicht unbedingt als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausgestaltungen bevorzugt oder vorteilhaft aufzufassen.
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Insbesondere können Kombinationen der folgenden Merkmale genutzt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens können mit (einem) beliebigen Merkmal(en) der Vorrichtung oder des Systems oder umgekehrt kombiniert werden.
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Vorgeschlagen wird eine Schaltung, umfassend
- – einen elektronischen Schalter mit einem isolierten Gate;
- – eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer Ladung am isolierten Gate;
- – eine Energieversorgung zum Liefern einer Ladung an das isolierte Gate auf der Grundlage der von der Messeinrichtung ermittelten Ladung.
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Die Messeinrichtung kann die absolute oder relative Ladungsmenge am Gate des elektronischen Schalters und/oder eine Schwankung oder Änderung einer solchen Ladung messen. Die Messeinrichtung kann insbesondere eine Spannung am isolierten Gate des elektronischen Schalters ermitteln, z.B. eine am isolierten Gate und dem Source/Emitter-Anschluss oder dem Drain-/Kollektor-Anschluss des isolierten Gates anliegende Spannung. Die Messeinrichtung kann auch eine am Drain-/Kollektor- und Source-/Emitter-Anschluss anliegende Spannung ermitteln. Die ermittelte Spannung (Ladung) kann somit zur Steuerung der von der Energiequelle an das isolierte Gate des elektronischen Schalters gelieferten Energie (Ladung) verwendet werden.
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Folglich bietet die hier vorgeschlagene Schaltung die Funktionen einer (geregelten) Sicherung, die in Kombination mit jedem Gerät (Vorrichtung), das eine solche Sicherung nutzen kann, verwendet werden könnte. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere ein Fahrzeug, z.B. ein Auto sein. Entsprechend kann die Vorrichtung ein Teil eines solchen Fahrzeugs, z.B. eine Steuereinheit des Fahrzeugs, darstellen. Daher können mehrere solche Schaltungen als eine Vorrichtung verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist die Energieversorgung so eingerichtet, dass entweder eine hohe oder eine niedrige Ladungsmenge an das isolierte Gate des elektronischen Schalters geliefert wird.
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In einer Ausführungsform umfasst die Stromversorgung mindestens eines der folgenden Bauelemente:
- – eine einzelne Ladungspumpe;
- – eine einzelne Ladungspumpe mit einem Energiespar- und einem Hochleistungsmodus;
- – eine Niederleistungsladungspumpe und eine Hochleistungsladungspumpe;
- – mehr als zwei Ladungspumpen, von denen mindestens zwei dieser Ladungspumpen eine unterschiedliche Leistung haben;
- – mindestens eine Stromquelle und einen Stromspiegel;
- – einen Hochstrompfad und einen Niederstrompfad, wobei der Hochstrompfad mindestens eine Hochstromquelle und der Niederstrompfad mindestens eine Niederstromquelle umfasst.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung einen Treiber, der zwischen der Energieversorgung und isoliertem Gate eingekoppelt ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung eine Logikeinheit zur direkten oder indirekten Steuerung der Energieversorgung und des elektronischen Schalters, wobei die Messeinrichtung mit der Logikeinheit verbunden ist, um die ermittelte Ladung oder eine Information der ermittelten Ladung an die Logikeinheit zu liefern.
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Die Logikeinheit kann jede Art von Steuergerät, z.B. eine Mikrosteuerung, eine Steuerung, ein Prozessor oder dergleichen sein. Die Logikeinheit kann Teil des Geräts sein, in dem der elektronische Schalter genutzt wird. Zum Beispiel kann die Logikeinheit Teil einer Steuereinheit eines Fahrzeugs sein oder über eine Schnittstelle mit mindestens einer solchen Steuereinheit verfügen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Energieversorgung eine Niederleistungsladungspumpe, wobei die Logikeinheit so eingerichtet ist, dass sie die Niederleistungsladungspumpe mindestens teilweise während eines RUHE-Zustands wählt.
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In einer Ausführungsform wird in den RUHE-Zustand eingetreten, wenn das Gerät, mit dem die Schaltung verbunden ist, in einen Energiesparmodus eintritt.
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Das Gerät, z.B. das Fahrzeug, kann daher in einen Parkzustand eintreten, in dem der Stromverbrauch reduziert, insbesondere minimiert, sein sollte, um so wenig Batterieladung wie möglich zu verbrauchen. Daher kann ein solcher Energiesparmodus des Geräts von einem Normalmodus unterschieden werden, in dem die Lichtmaschine des Fahrzeugs aktiv ist und der Stromverbrauch der Schaltung, insbesondere des elektronischen Schalters, erhöht sein kann. In beiden Zuständen, dem RUHE-Zustand und dem EIN-Zustand, ist der elektronische Schalter leitfähig, im RUHE-Zustand kann der von der Schaltung verbrauchte Strom im Bereich von einigen Mikroampere liegen, während der Stromverbrauch im EIN-Zustand im Bereich von einigen Milliampere liegen kann. Dies sind jedoch nur Beispielwerte, um ein Merkmal der Schaltung zu veranschaulichen. Entsprechend sind Anwendungen für andere Geräte sowie andere Stromverbrauchswerte möglich.
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Wenn das Gerät zum Beispiel vom Normalmodus in den Energiesparmodus eintritt, kann eine Steuereinheit des Geräts dies der Logikeinheit anzeigen, die dann den Übergang vom EIN-Zustand in den RUHE-Zustand veranlasst.
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In einer Ausführungsform wird der elektronische Schalter zeitweilig aus dem RUHE-Zustand reaktiviert, wenn die Ladung am isolierten Gate unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
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In einer Ausführungsform ist eine Hochleistungsladungspumpe vorgesehen, die Ladung an das isolierte Gate liefert, wobei die Logikeinheit so eingerichtet ist, dass sie die Hochleistungsladungspumpe aktiviert, wenn die Ladung am isolierten Gate unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
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In einer Ausführungsform tritt die Schaltung wieder in den RUHE-Zustand ein, wenn die Ladung wiederhergestellt ist.
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In einer Ausführungsform ist die Logikeinheit so eingerichtet, dass sie
- – den elektronischen Schalter auf der Grundlage eines Auslösers aus dem RUHE-Zustand reaktiviert, indem sie dessen isoliertes Gate mit einer größeren Ladungsmenge im Vergleich zur im Ruhezustand gelieferten Ladung versorgt,
- – eine vorbestimmte Aktion ausführt und
- – den RUHE-Zustand reaktiviert.
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In einer Ausführungsform ist der Auslöser mindestens einer der folgenden:
- – ein externes, an die Logikeinheit angelegtes Signal;
- – ein Erkennen eines Fehlers;
- – ein Erkennen einer Temperatur, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
- – ein Erkennen eines Stroms, der einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
- – einen von einem Timer oder Taktgeber gelieferten Auslöser.
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In einer Ausführungsform umfasst die vorbestimmte Aktion mindestens eine der folgenden:
- – eine Strommessung;
- – eine Temperaturmessung;
- – eine Ausgabe einer Benachrichtigung;
- – ein Neuladen des isolierten Gates.
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Es können verschiedene Aktionen ausgeführt werden, während der elektronische Schalter zeitweise reaktiviert (im EIN-Zustand) ist. Dies bietet zusätzliche Flexibilität, denn die Schaltung gestattet das Ausführen verschiedener solcher Aktionen im Energiesparmodus des Geräts (z.B. des Fahrzeugs im Parkzustand), während die Häufigkeit dieser Aktionen anhand des insgesamt verfügbaren elektrischen Stroms angepasst werden kann. Den Aktionen können auch auf der Grundlage von z.B. einer Dringlichkeit (eines Fehlers oder Alarms) und/oder auf der Grundlage des noch verfügbaren elektrischen Stroms Prioritäten zugewiesen werden.
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Eine Benachrichtigung kann in dieser Hinsicht jede Information sein, die gespeichert und/oder an einen Speicher oder Adressaten übermittelt wird. Beispiele von Benachrichtigungen sind: eine Fehlermeldung, ein Fehlerbit (Flag), ein Alarm usw.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung eine Messeinheit zur Ermittlung mindestens eines der folgenden Auslöser:
- – einer Temperatur, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
- – eines Stroms, der einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
- – eines Timers.
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Die Messeinheit kann Teil der Messeinrichtung sein. Sie kann auch in eine der Komponenten der Schaltung integriert oder als mindestens eine zusätzliche Komponente vorgesehen werden. Zum Beispiel könnte die Messeinheit eine vom elektronischen Schalter bereitgestellte Strommessfunktion sein.
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In einer Ausführungsform umfasst die Energieversorgung eine Hochleistungsladungspumpe, wobei die Logikeinheit so eingerichtet ist, dass sie die Hochleistungsladungspumpe mindestens teilweise während eines EIN-Zustands wählt.
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In einer Ausführungsform wird in den EIN-Zustand eingetreten, wenn das Gerät, mit dem die Schaltung verbunden ist, in einen Normalbetriebsmodus eintritt.
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Der Normalbetriebsmodus kann jeder Modus des Geräts sein, der sich von einem völligen Abschaltzustand des Geräts (z.B. während Wartungsarbeiten) oder dem oben beschriebenen Energiesparmodus unterscheidet. Zum Beispiel kann sich ein Auto als beispielhaftes Gerät im Normalbetriebsmodus befinden, wenn es gefahren, wird, während seine Lichtmaschine aktiv ist, oder es sich in einem Ladezustand zum Wiederaufladen seiner Batterie oder dergleichen befindet.
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In einer Ausführungsform ist die Logikeinheit so eingerichtet, dass sie den elektronischen Schalter in einen AUS-Zustand schaltet, wenn ein Kurzschluss erkannt oder wenn ein vorbestimmtes Signal an die Logikeinheit angelegt wird.
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In seinem AUS-Zustand unterbricht der elektronische Schalter den Strom vom oder zum Gerät. Dieser Zustand entspricht dem einer aktivierten Sicherung. Das Eintreten in den AUS-Zustand kann mehrere Gründe haben, z.B.: Erkennen eines Kurzschlusses, Übertemperatur, Überstrom usw. Es kann auch auf einem vom Gerät an die Steuereinheit, z.B. eine Steuereinheit eines Fahrzeugs, angelegten externen Signal beruhen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung eine Komparatoreinheit, wobei die Eingänge der Komparatoreinheit mit dem elektronischen Schalter verbunden sind, um eine an den Anschlüssen des elektronischen Schalters anliegende Spannung zu ermitteln.
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Zum Beispiel kann ein erster Eingang der Komparatoreinheit mit dem isolierten Gate des elektronischen Schalters und ein zweiter Eingang der Komparatoreinheit mit dem Source-Anschluss des elektronischen Schalters gekoppelt sein. Optional kann der erste Eingang mit dem Source-Anschluss und der zweite Eingang mit dem Drain-Anschluss des elektronischen Schalters gekoppelt sein.
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In einer Ausführungsform ist der elektronische Schalter so eingerichtet, dass er in jeweils einem der folgenden Zustände betätigt werden kann:
- – einem EIN-Zustand, in dem eine große Ladungsmenge über die Energieversorgung an das isolierte Gate geliefert wird;
- – einem RUHE-Zustand, in dem eine geringe Ladungsmenge über die Energieversorgung an das isolierte Gate geliefert wird;
- – einem AUS-Zustand, in dem der elektronische Schalter ausgeschaltet ist.
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Der EIN-Zustand und der RUHE-Zustand sind beide leitfähige Modi des elektronischen Schalters. Der RUHE-Zustand ermöglicht, dass der elektronische Schalter in einem leitfähigen Modus ist, aber im Vergleich zum EIN-Zustand eine geringere Menge an Strom verbraucht. Die große Ladungsmenge ist größer als die geringe Ladungsmenge. Die große Ladungsmenge kann von einer Hochleistungsladungspumpe und die geringe Ladungsmenge von einer Niederleistungsladungspumpe geliefert werden. Während des Energiesparmodus des Geräts kann die Schaltung die geringe Ladungsmenge nutzen, um den elektronischen Schalter im leitfähigen Modus zu halten (seinen RUHE-Zustand nutzen).
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung einen Speicher zum Speichern mindestens eines Zustands des elektronischen Schalters.
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Ein solcher Speicher kann als ein Flag, Register und/oder Latch ausgeführt sein. Der Speicher kann mindestens einen vorherigen Zustand des elektronischen Schalters speichern. Der Speicher kann ein Flag sein, das angibt, dass der elektronische Schalter aus dem RUHE-Zustand in den AUS-Zustand eingetreten ist. Dies gestattet der Logikeinheit festzustellen, dass ein Fehler aufgetreten ist (z.B. Temperatur und/oder Strom überschreitet einen vorbestimmten Schwellenwert).
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In einer Ausführungsform umfasst der elektronische Schalter mindestens eines der folgenden Bauelemente:
- – einen Transistor,
- – einen PMOS,
- – einen NMOS,
- – einen FET,
- – einen JFET,
- – einen IGBT.
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Das isolierte Gate des elektronischen Schalters kann als Steuereingang dienen.
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In einer Ausführungsform ist der elektronische Schalter ein n-Kanal-High-Side-Schalter.
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Es wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, das mindestens eine der hierin beschriebenen Schaltungen umfasst.
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Außerdem wird ein Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Schalters mit einem isolierten Gate vorgeschlagen, umfassend die Schritte:
- – Ermitteln einer Ladung am isolierten Gate;
- – Liefern einer Ladung an das isolierte Gate auf der Grundlage der ermittelten Ladung.
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In einer Ausführungsform wird der elektronische Schalter in einem der folgenden Zustände betätigt:
- – einem EIN-Zustand, in dem eine große Ladungsmenge über die Energieversorgung an das isolierte Gate geliefert wird;
- – einem RUHE-Zustand, in dem eine geringe Ladungsmenge über die Energieversorgung an das isolierte Gate geliefert wird;
- – einem AUS-Zustand, in dem der elektronische Schalter ausgeschaltet ist.
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In einer Ausführungsform
- – wird in den RUHE-Zustand eingetreten, wenn das Gerät, mit dem die Schaltung verbunden ist, in einen Energiesparmodus eintritt;
- – wird in den EIN-Zustand eingetreten, wenn das Gerät, mit dem die Schaltung verbunden ist, in einen Normalbetriebsmodus eintritt.
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In einer Ausführungsform
- – wird der elektronische Schalter aus dem RUHE-Zustand reaktiviert, wenn die Ladung am isolierten Gate unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt;
- – die Ladung am isolierten Gate wird erhöht;
- – es wird wieder in den RUHE-Zustand eingetreten.
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In einer Ausführungsform
- – wird aufgrund eines Auslösers ein Zustandsübergang vom RUHE-Zustand in den EIN-Zustand durchgeführt,
- – eine vorbestimmte Aktion ausgeführt;
- – und der RUHE-Zustand reaktiviert.
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In einer Ausführungsform ist der Auslöser mindestens einer der folgenden:
- – ein externes, an die Logikeinheit angelegtes Signal;
- – Erkennen eines Fehlers;
- – Erkennen einer Temperatur, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
- – Erkennen eines Stroms, der einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
- – einen von einem Timer oder Taktgeber gelieferten Auslöser.
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In einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Aktion mindestens eine der folgenden:
- – eine Strommessung;
- – eine Temperaturmessung;
- – Ausgabe einer Benachrichtigung;
- – ein Neuladen des isolierten Gates.
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In einer Ausführungsform tritt der elektronische Schalter in einen AUS-Zustand ein, wenn ein Kurzschluss erkannt wird oder ein vorbestimmtes Signal auftritt.
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Das vorbestimmte Signal kann ein externes Signal sein, das von einem Gerät, z.B. einer Steuereinheit eines Autos, bereitgestellt wird.
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Vorgeschlagen wird eine elektronische Schaltvorrichtung, umfassend:
- – Mittel zur Ermittlung einer Ladung am isolierten Gate;
- – Mittel zum Liefern einer Ladung an das isolierte Gate auf der Grundlage der ermittelten Ladung.
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Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen der Veranschaulichung des Grundprinzips, so dass nur zum Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte dargestellt werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabgerecht. In den Zeichnungen stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche Merkmale.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels für eine High-Side-n-Kanal-Konfiguration.
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2 zeigt ein detaillierteres Schaltbild auf der Grundlage des in 1 dargestellten Blockschaltbilds.
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3 zeigt ein beispielhaftes Zustandsübergangsdiagramm für die drei Zustände „EIN-Zustand“, „RUHE-Zustand“ und „AUS-Zustand“ eines elektronischen Schalters.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Blockdiagramm aus 2.
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5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform auf der Grundlage von 2, die nur eine Hochleistungsladungspumpe umfasst.
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6 zeigt eine beispielhafte Schaltung mit mehreren Stromquellen zum Versorgen eines Hochstrompfads und eines Niederstrompfads für einen als Leistungstransistor verwendeten NMOS-Baustein.
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7 zeigt eine beispielhafte Schaltung mit mehreren Stromquellen zum Versorgen eines Hochstrompfads und eines Niederstrompfads für einen als Leistungstransistor verwendeten PMOS-Baustein.
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Die hierin dargestellten Beispiele beziehen sich auf Leistungsschalter, die zum Ersatz von passiven Sicherungen oder Relais in Geräten verwendet werden können, z.B. im Automobilbereich, insbesondere in Fahrzeugen wie Autos. Im Folgenden wird der Begriff elektronischer Schalter für eine beliebige Art von elektronischer Schaltfunktionalität in verschiedenen Anwendungsfallszenarios verwendet. Der elektronische Schalter kann mindestens einen der folgenden Bausteine umfassen: einen Transistor, einen PMOS, einen NMOS, einen FET, einen JFET, einen IGBT usw. Der elektronische Schalter kann ein isoliertes Gate aufweisen, das als Steuereingang dienen kann. Das hierin beschriebene Gerät kann ein Gerät sein, das einem Energiespar- oder Standby-Modus unterliegt. Das Gerät kann insbesondere ein Auto, eine Steuereinheit eines Autos sein. Die im Folgenden als Auto oder Fahrzeug bezeichneten Gegenstände sind Beispiele für solche Geräte. Die vorgestellte Lösung ist jedoch nicht auf solche Geräte beschränkt.
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Da während des Standby-Zustands (z.B. des Parkzustands eines Autos) mehrere Funktionen des Geräts aktiv bleiben müssen, muss der elektronische Schalter leitfähig bleiben und gleichzeitig so wenig Strom (Energie) wie möglich verbrauchen. Dieser Zustand, wenn der Schalter aktiviert ist, d.h. sich in einem leitfähigen Zustand befindet und nur eine geringe Menge an Strom verbrauchen sollte, wird auch als RUHE-Zustand (IDLE-Zustand oder Leerlauf-Zustand) bezeichnet.
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Dieser RUHE-Zustand ermöglicht die Nutzung des elektronischen Schalters als herkömmliche Sicherung, die keinen (nennenswerten) Strom verbraucht, wenn sich das Gerät im Standby-Zustand befindet. Zusätzlich zur Funktion einer herkömmlichen Sicherung kann der elektronische Schalter weitere Funktionen bieten, z.B. die Messung eines Stroms und z.B. das Abschalten eines Stroms auf der Grundlage eines vorbestimmten Auslösers, sogar ohne das Auftreten eines Kurzschlusses.
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Im RUHE-Zustand kann sich der elektronische Schalter in einem Energiesparmodus befinden, in dem er z.B. mehrere Mikroampere verbraucht.
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Wenn sich das Gerät (z.B. das Auto) in einem aktiven Modus befindet (gefahren wird), ist der Schalter ebenfalls in einem leitfähigem Zustand, der als EIN-Zustand bezeichnet wird, wobei eine am elektronischen Schalter anliegende Stromlast erheblich höher als im RUHE-Zustand sein kann. Ein Vergleich des RUHE-Zustands mit dem EIN-Zustand ergibt, dass der über den elektronischen Schalter fließende Strom in der Größenordnung von mehreren Zehnergruppen schwanken kann. Dies erfordert, dass die Steuerung für den elektronischen Schalter flexibel ist.
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Der EIN-Zustand des elektronischen Schalters kann im Normalbetrieb des Geräts verwendet werden, z.B. wenn das Fahrzeug gefahren wird. In diesem EIN-Zustand kann der Stromverbrauch des elektronischen Schalters mehrere Milliampere betragen.
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Weiterhin kann der elektronische Schalter in einen nicht leitfähigen Modus eintreten, der als AUS-Zustand bezeichnet wird. Zusätzlich zu den Zuständen des elektronischen Schalters wird eine Funktion vorgesehen, die eine Reduzierung des Stromverbrauchs für die Steuerung des elektronischen Schalters gestattet.
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Der RUHE-Zustand des elektronischen Schalters kann im Standby-Modus des Geräts verwendet werden, z.B. wenn das Fahrzeug geparkt ist. Im RUHE-Zustand kann der Stromverbrauch des elektronischen Schalters deutlich niedriger als der Stromverbrauch während des EIN-Zustands des elektronischen Schalters sein müssen, damit die Batterie des Geräts (z.B. des Autos) nicht vorzeitig entladen wird.
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Um in den RUHE-Zustand einzutreten, kann sich der elektronische Schalter im EIN-Zustand befinden. Dann tritt die Steuerung des elektronischen Schalters in einen Modus mit reduziertem Stromverbrauch ein. Dies Abfolge kann nützlich sein, um die volle Funktionsfähigkeit des elektronischen Schalters zu gewährleisten, die höhere Steuerströme erfordern kann als im RUHE-Zustand zur Verfügung stehen.
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Alternativ kann eine andere Abfolge von Zustandsänderungen verwendet werden. Der elektronische Schalter kann direkt in den RUHE-Zustand eintreten, was das Ergebnis eines von einer Steuerung, z.B. einer Mikrosteuerung, ausgeführten stufenweisen Schaltens oder das Ergebnis einer vom Schalter selbst bereitgestellten Zeitsteuerung sein kann.
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Es ist auch möglich, vom RUHE-Zustand automatisch wieder in den EIN-Zustand einzutreten, z.B. infolge eines Überstroms (d.h. eines Stroms, der höher als ein vorbestimmter Schwellenwert ist) und/oder infolge einer Überspannung (d.h. einer Spannung, die höher als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, z.B. einer Drain-Source-Spannung des elektronischen Schalters). Im Grunde kann jeder (z.B. vorbestimmte) Auslöser verwendet werden, um (automatisch) einen Zustandswechsel von RUHE zu EIN zu initiieren. Ein Beispiel ist ein Timer, der angibt, dass vom elektronischen Schalter (oder von einer zugehörigen Einheit, die den elektronischen Schalter einbezieht) eine Messung (z.B. Temperaturmessung) ausgeführt werden muss. Nach einer solchen Messung kann der elektronische Schalter wieder in den RUHE-Zustand zurückkehren. Diese Zusatzfunktion des elektronischen Schalters, die z.B. eine transiente Phase eines EIN-Zustands anhand eines (externen) Auslösers angibt, kann für mehrere Anwendungen genutzt werden, z.B. Überwachungszwecke, Messungen usw., die nicht auf einer zugrunde liegenden Zustandsänderung des Geräts (z.B. des Autos, das von seinem Standby-Zustand in den Fahrzustand eintritt) beruhen muss. Nach Abschluss der Anwendung kann der elektronische Schalter vom EIN-Zustand wieder in den RUHE-Zustand eintreten.
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1 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Beispiels für eine High-Side-n-Kanal-Konfiguration darstellt. Das Gate eines n-Kanal-MOSFETs M1 wird über einen Gate-Treiber 101 getrieben. Der Source-Anschluss des MOSFETs M1 ist über einen Widerstand 106 gegen Masse verbunden. Der Drain-Anschluss des MOSFETs M1 ist mit einem Knoten 107, der an eine Versorgungsspannung 108 angeschlossen ist, verbunden.
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Eine Komparatoreinheit 102 vergleicht die Gate-Source-Spannung Vgs des MOSFETs M1 und liefert ein Vergleichsergebnis an die Logikeinheit 105.
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Die Logikeinheit 105 kann jede Art von Steuergerät, z.B. eine Mikrosteuerung, eine Steuerung, ein Prozessor oder dergleichen sein. Die Logikeinheit 105 kann eine Hochleistungsladungspumpe 104 und eine Niederleistungsladungspumpe 103 sowie einen Gate-Treiber 101 steuern. Die Hochleistungsladungspumpe 104 und die Niederleistungsladungspumpe 103 sind jeweils mit einer Versorgungsspannung 108 verbunden und versorgen den Treiber 101 in Abhängigkeit von der Steuerung durch die Logikeinheit 105 mit Strom.
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Die Logikeinheit 105 wird über eine einzige Eingangs-Pin 109 gesteuert. Als Option können mehrere Eingangs-Pins (in 1 nicht dargestellt) zur Lieferung von externen Signalen an die Steuereinheit 105 vorgesehen werden.
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Daher überwacht die Komparatoreinheit 102 den Spannungsabfall Vgs zwischen Gate und Source des MOSFETs M1, der dem Zustand des elektronischen Schalter-MOSFETs M1 entspricht und angibt, ob die Gate-Source-Spannung Vgs ausreicht, um den maximal zulässigen Durchlasswiderstand zu garantieren. Die Niederleistungsladungspumpe 103 wird für den Energiesparmodus des MOSFETS M1 verwendet (und kann für diesen Modus optimiert sein). Die Niederleistungsladungspumpe 103 kann so bemessen werden, dass die Ladung am Gate des MOSFETs M1 aufrechterhalten wird.
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Als Option kann die Komparatoreinheit auch so eingerichtet werden, dass sie eine Spannung Vds über Drain und Source des MOSFETs M1 überwacht (nicht in 1 dargestellt).
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Wenn die am MOSFET M1 anliegende Spannung unter einen vorbestimmten Wert fällt, kann die Komparatoreinheit 102 den RUHE-Zustand erkennen und die Logikeinheit 105 kann allen angeschlossenen Komponenten eine Reduzierung des Stromverbrauchs angeben. Daher kann die Niederleistungsladungspumpe 103 aktiviert und die Hochleistungsladungspumpe 104 deaktiviert werden. Die Hochleistungsladungspumpe 104 kann zum Wiedereintreten des elektronischen Schalters MOSFET M1 aus dem RUHE-Zustand in den EIN-Zustand verwendet werden.
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Folglich können die folgenden Zustände des elektronischen Schalters (die auch als Modi angesehen werden können) ausgewählt werden:
- (S1) der elektronische Schalter ist ausgeschaltet: AUS-Zustand;
- (S2) der elektronische Schalter ist eingeschaltet, Normalbetrieb (Modus) des Geräts: EIN-Zustand;
- (S3) der elektronische Schalter ist mit reduziertem Stromverbrauch eingeschaltet (gilt auch für die den elektronischen Schalter versorgenden Steuerelemente), Standby-Modus des Geräts: RUHE-Zustand.
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Der zusätzliche Zustand (S3) hat den Vorteil, dass der elektronische Schalter zusätzlich zum Ausschaltzustand (S1) oder Einschaltzustand (S2) über einen Energiesparmodus, in dem der elektronische Schalter mit einer verringerten Menge an elektrischem Strom versorgt wird, um dessen leitfähigen Zustand zu erhalten, sowie über die Merkmale verfügt, dass
- – der Schalter weiterhin in den AUS-Zustand (S1) geschaltet werden und
- – dass er zusätzliche Funktionen vorsehen, z.B. vorbestimmte Aktionen ausführen und daher (automatisch und) zeitweilig wieder in den Zustand (S2) eintreten kann.
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Der Zustand (S3) kann automatisch aktiviert werden, sobald die Komparatoreinheit 102 über die Spannung Vgs feststellt, dass der elektronische Schalter MOSFET M1 eingeschaltet ist. Ein an die Eingangs-Pin 109 der Logikeinheit 105 angelegtes Signal kann anzeigen, dass sich das Gerät im Standby-Zustand oder im Normalbetrieb befindet. Daher kann je nach dem angesichts der von der Komparatoreinheit 102 festgestellten Spannung Vgs tatsächlich an die Eingangs-Pin 109 angelegten Signal in den Zustand (S2) oder (S3) eingetreten werden. Zum Beispiel können das Signal an der Eingangs-Pin 109 und das von der Komparatoreinheit 102 gelieferte Signal über ein UND-Gate kombiniert werden, um zu ermitteln, ob in den Zustand (S2) oder in den Zustand (S3) eingetreten werden soll.
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Es ist zu beachten, dass die Logikeinheit 105 über mehrere Eingangs-Pins verfügen kann, die für verschiedene Anwendungen verwendet werden können, was dem Benutzer eine flexible Konfiguration der Zustände (S1) bis (S3) des Schalters in Abhängigkeit von im Gerät, z.B. im Auto, verfügbaren externen Signalen ermöglicht.
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Zum Beispiel kann der elektronische Schalter eine Strommessfunktion umfassen. Im Zustand (S2) ist die Strommessfunktion aktiviert, und der vom elektronischen Schalter verbrauchte Strom kann mehrere Milliampere betragen. Im Zustand (S3) kann die Strommessfunktion deaktiviert sein, um den Stromverbrauch weiter zu reduzieren. Die Entscheidung, ob die Strommessfunktion aktiviert werden soll, kann von der Logikeinheit 105 anhand eines an eine ihrer Eingangs-Pins angelegten Signals getroffen werden. Doch kann die Logikeinheit 105 statt einer riesigen Anzahl an Eingangs-Pins einen Decoder umfassen, der verschiedene Muster („Befehl“), z.B. eine Bitfolge, decodieren kann, um die Entscheidung zu treffen. Auf der Grundlage der (Anzahl an) Eingangs-Pins und/oder solcher Muster hat der Benutzer einen hohen Grad an Flexibilität in Bezug auf die Nutzung verschiedener Funktionen des elektronischen Schalters und der ihn treibenden Komponenten, insbesondere in Bezug auf Energiesparmodi.
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Zum Beispiel kann selbst dann, wenn sich das Gerät (z.B. das Auto) in einem Standby-Zustand befindet, eine Zustandsänderung vom Zustand (S3) in den Zustand (S2) des elektronischen Schalters durchgeführt werden, damit die den elektronischen Schalter treibende Schaltung und/oder der elektronische Schalter selbst eine vorbestimmte Aktion oder Operation ausführt. Zum Beispiel können die folgenden den elektronischen Schalter einbeziehenden Schritte ausgeführt werden, wenn sich das Gerät im Standby-Modus befindet: ein Wechsel vom Zustand (S3) in den Zustand (S2), eine Strommessoperation durch den elektronischen Schalter oder durch dessen Nutzung, ein Wechsel von Zustand (S2) zurück in den Zustand (S3). Solche Zustandsänderungen können nur zu einer geringfügigen Erhöhung des Gesamtstromverbrauchs führen, was für viele Szenarios akzeptabel ist. Auch kann die Häufigkeit solcher Zustandswechsel an den Bedarf angepasst werden, insbesondere im Hinblick auf die jeweilige Anwendung und/oder aufgrund von Sicherheitsanforderungen.
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2 zeigt ein detaillierteres Schaltbild auf der Grundlage des in 1 dargestellten Blockschaltbilds.
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Die Hochleistungsladungspumpe 104 weist ein Oszillatorsignal 201 auf, das einem Wandler 202 zugeführt wird. Der Ausgang des Wandlers 202 ist über einen Kondensator C1 mit einem Knoten 207 und über eine Reihenschaltung, die einen Wandler 203 und einen Kondensator C1 umfasst, mit einem Knoten 208 verbunden. Der Knoten 107 ist über eine Diode 204 mit dem Knoten 207 und der Knoten 207 ist über eine Diode 205 mit dem Knoten 208 verbunden. Der Knoten 208 ist über eine Diode 206 mit dem Gate-Treiber 101 verbunden. Alle Dioden 204, 205 und 206 sind so angeordnet, dass ihre Kathode zum Gate-Treiber 101 weist.
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Die Niederleistungsladungspumpe 103 weist ein Oszillatorsignal 209 auf, das einem Wandler 210 zugeführt wird. Der Ausgang des Wandlers 210 ist über einen Kondensator C4 mit einem Knoten 215 und über eine Reihenschaltung, die einen Wandler 211 und einen Kondensator C3 umfasst, mit einem Knoten 216 verbunden. Der Knoten 107 ist über eine Diode 212 mit dem Knoten 215 und der Knoten 215 ist über eine Diode 213 mit dem Knoten 216 verbunden. Der Knoten 216 ist über eine Diode 214 mit dem Gate-Treiber 101 verbunden. Alle Dioden 212, 213 und 214 sind so angeordnet, dass ihre Kathode zum Gate-Treiber 101 weist.
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Der Gate-Treiber 101 weist zwei Stromspiegel 223, 224 und zwei Stromquellen 221, 222 auf. Die Logikeinheit 105 steuert den Gate-Treiber 101: ein an den Knoten 217 angelegtes Signal aktiviert entweder einen Schalter 220 (wenn das von der Logikeinheit 105 gelieferte Signal hoch ist) oder – über einen Wandler 218 – den Schalter 219 (wenn das von der Logikeinheit 105 gelieferte Signal niedrig ist). Wenn der Schalter 220 aktiviert wird, wird der Strom der Stromquelle 221 auf einen Knoten 225 gespiegelt und so zur Steuerung des Gates des MOSFETs M1 verwendet. Wenn der Schalter 219 aktiviert wird, wird der Strom der Stromquelle 222 auf das Gate des MOSFETs M1 gespiegelt. Folglich kann die Logikeinheit 105 dem Gate-Treiber anzeigen, dass dieser das Gate des MOSFETs M1 aktiv laden oder entladen soll. Im Zustand (S3) wird die Ladung des MOSFETs M1 über die Niederleistungsladungspumpe 103 aufrechterhalten.
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Die Komparatoreinheit 102 umfasst einen Komparator 226 und eine Referenzspannung 227, wobei der erste Eingang des Komparators 226 mit dem Gate des MOSFETs M1 und der zweite Eingang des Komparators 226 über die Referenzspannung 227 mit dem Source-Anschluss des MOSFETs M1 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 226 ist mit der Logikeinheit 105 verbunden. Die Referenzspannung 227 gestattet das Einstellen eines Offsets der zu vergleichenden Signale.
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Der Knoten 107 ist auch mit dem Drain-Anschluss eines MOSFETs M2, und der Knoten 225 ist mit dem Gate des MOSFETs M2 verbunden. Der Source-Anschluss des MOSFETs M1 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 228 und der Source-Anschluss des MOSFETs M2 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 228 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 228 ist mit dem Gate eines MOSFETs M3 verbunden. Der Source-Anschluss des MOSFETs M3 ist mit dem Source-Anschluss des MOSFETs M2 verbunden. Der Drain-Anschluss des MOSFETs M3 bietet einen Messstrom 229, der von einem externen Gerät verarbeitet oder zur weiteren Verarbeitung der Logikeinheit 105 zugeführt werden kann.
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Die MOSFETs M1 und M2 sind NMOS-Bausteine und der MOSFET M3 ist ein PMOS-Baustein. Der MOSFET M1 ist ein Leistungstransistor, der MOSFET M2 ist ein Messtransistor und der MOSFET M3 liefert einen Messstrom wie folgt: am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 228 liegt eine Referenzspannung an, wobei der Operationsverstärker 228 so gesteuert wird, dass seine beiden Eingänge gleich sind. Folglich liefert der MOSFET M3 einen Messstrom 229, der proportional zu dem durch den MOSFET M1 fließenden Strom, aber deutlich geringer ist. Zum Beispiel kann der Messstrom 229 im Verhältnis von 1:10000 zum durch den Leistungstransistor MOSFET M1 fließenden Strom stehen.
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Dies ist ein Beispiel dafür, wie der Strom durch den MOSFET M1 ermittelt werden kann, z.B. durch die Logikeinheit 105. Auf der Grundlage eines solchen Stroms kann der dritte Zustand (S3) ausgelöst werden, wenn der gemessene Strom unter einen vorbestimmten Wert fällt (der z.B. einem 1A betragenden, durch den MOSFET M1 fließenden Strom entspricht), und der zweite Zustand (S2) kann ausgelöst werden, wenn dieser Strom einen durch den MOSFET M1 fließenden Strom anzeigt, der größer als der vorbestimmte Wert ist.
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Folglich gestattet die vorgestellte Lösung insbesondere das Vorsehen eines dritten Zustands (S3) des elektronischen Schalters. Dieser dritte Zustand (S3) bietet einen reduzierten Stromverbrauch des elektronischen Schalters und der zugehörigen Komponenten, insbesondere jener Komponenten, die für die Steuerung des elektronischen Schalters vorgesehen sind.
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Es können verschiedene Arten von Ladungspumpe(n) realisiert werden, zum Beispiel wie oben angegeben zwei Ladungspumpen, eine Hochleistungsladungspumpe 104 und eine Niederleistungsladungspumpe 103. Alternativ kann eine einzelne Ladungspumpe (z.B. eine Hochleistungspumpe) verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die einzelne Ladungspumpe zwei Ladungspumpenfunktionen (die der Nieder- und der Hochleistungsladungspumpe) wie oben beschrieben erfüllt, um den Energiesparmodus des elektronischen Schalters sowie von dessen zugehörigen Komponenten (z.B. Treiber, Komparator usw.) zu ermöglichen.
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Zusätzlich oder als Alternative kann die (mindestens eine) Ladungspumpe von einem Taktgeber getrieben werden, um bei wechselnden Taktzyklen, z.B. bei unterschiedlichen Taktmustern und/oder Verzögerungsmustern, unterschiedliche Ladungen an das Gate des elektronischen Schalters zu liefern.
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Optional kann der Zustand (S3) ohne zusätzliche Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen betrieben werden. Der Zustand (S3) kann optional jedoch auch solche zusätzlichen Überwachungs- und/oder Sicherheitsfunktionen nutzen. Wenn für den Zustand (S3) ein paar Sicherheitsfunktionen erforderlich sind, um die mit dem elektronischen Schalter verbundene Leitung sowie den elektronischen Schalter selbst zu schützen, kann der Zustand (S3) die folgenden Funktionen bieten:
- – Übertemperaturschutz;
- – Thermoabschaltung bei Übertemperatur (über Latch oder Neustart)
- – Überstromschutz;
- – Abschaltung bei Überstrom (über Latch oder Neustart)
- – Abschaltung wegen Kurzschluss.
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Die Temperatur- und/oder Stromwerte, die den Übertemperatur- bzw. Überstromschutz auslösen, können die gleichen Werte wie im Zustand (S2) oder andere Werte sein.
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Als weitere Option kann der elektronische Schalter ein Fehler-Flag (dessen Zustand zum Beispiel in einem Latch gespeichert wird) umfassen. Das Fehler-Flag kann gesetzt werden, wenn der elektronische Schalter aus dem Zustand (S3) in den Zustand (S1) eintritt, d.h. aufgrund von z.B. einem der Fehler (Überstrom, Übertemperatur) wie oben angegeben abschaltet. Daher kann das Fehler-Flag dazu genutzt werden, einer Steuerung anzuzeigen, dass der elektronische Schalter nicht mehr leitfähig ist. Vorzugsweise kann der Strom, der in einem solchen Szenario verbraucht wird, d.h. beim Setzen des Fehler-Flags, dass sich der elektronische Schalter im Zustand (S1) befindet, niedrig sein. Jedoch kann der Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Art des Fehlers, z.B. infolge einer Priorität dieses Fehlers, höher als im Zustand (S3) sein.
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Es ist zu beachten, dass der elektronische Schalter entweder ein n-Kanal-MOSFET oder ein p-Kanal-MOSFET sein kann. Es ist auch möglich, einen Low-Side-n-Kanal-MOSFET vorzusehen. In solchen Fällen kann auf die Ladungspumpe(n) verzichtet werden.
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3 zeigt ein beispielhaftes Zustandsübergangsdiagramm, das die Zustände (S1), (S2) und (S3) umfasst, wobei ein Fehler (z.B. hohe Temperatur, hoher Strom, externes Signal zeigt einen Fehler der Logikeinheit an) der Grund für einen Übergang 301 vom Zustand (S3) in den Zustand (S1) oder für einen Übergang 302 vom Zustand (S2) in den Zustand (S1) und die damit verbundene Abschaltung des elektronischen Schalters sein kann.
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Wenn das Gerät, z.B. das Fahrzeug, aktiviert wird (z.B. in den Fahrmodus eintritt), wird der elektronische Schalter entweder vom Zustand (S3) – siehe Übergang 303 – oder vom Zustand (S1) – siehe Übergang 304 – in den Zustand (S2) aktiviert.
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Wenn das Gerät in den Energiesparmodus eintritt (z.B. das Auto geparkt wird), wechselt der Zustand des elektronischen Schalters vom Zustand (S2) in den Zustand (S3) – siehe Übergang 305.
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Wenn sich der elektronische Schalter im Zustand (S3) befindet, kann er aufgrund eines (internen oder externen) Auslösers einen Übergang 306 vom Zustand (S3) in den Zustand (S2) durchlaufen, wonach eine vorbestimmte Aktion (angezeigt durch Übergang 307, der im Zustand (S2) verbleibt) erfolgt und der Schalter über Übergang 308 in den Zustand (S3) zurückkehrt.
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Es ist auch möglich, dass der Schalter direkt vom Zustand (S1) in den Zustand (S3) eintritt, was durch einen Übergang 309 angegeben wird. Wenn die Ladung am isolierten Gate des elektronischen Schalters nicht ausreicht, können die Übergänge 306 bis 308 in einem nachfolgenden Schritt ausgeführt werden, um das isolierte Gate wieder auf den vorbestimmten Ladezustand zu bringen.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Blockdiagramm aus 2. Im Unterschied zu 2 ist der Ausgang der Niederleistungspumpe 103 mit dem Knoten 225 verbunden, was eine Alternative für die Bereitstellung einer Ladung für das Gate des MOSFETs M1 durch die Niederleistungspumpe 103 darstellt.
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5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform auf der Grundlage von 2, die nur eine Hochleistungsladungspumpe 103 umfasst. Die Komparatoreinheit 102 kann der Logikeinheit 105 während des Zustand (S3) anzeigen, wenn eine unzureichende Ladung am Gate des MOSFETs M1 festgestellt wird. Die Logikeinheit 105 kann dann die Hochleistungsladungspumpe zur Lieferung einer Ladung an das Gate des MOSFETS M1 aktivieren.
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6 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die mehrere Stromquellen zum Betreiben des MOSFETs M4 als Leistungstransistor nutzt. Der MOSFET M4 ist ein NMOS. Ein Gate-Treiber 601 ist über den Knoten 602 an die Versorgungsspannung 108 angeschlossen. Die Versorgungsspannung ist über einen Widerstand 615 auch mit dem Drain-Anschluss des MOSFETs M4 verbunden. Der Source-Anschluss des MOSFETs M4 ist gegen Masse verbunden. Die Komparatoreinheit 102 entspricht der in 2 dargestellten Komparatoreinheit. Die Logikeinheit 105 entspricht der in 2 dargestellten Logikeinheit.
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Der Gate-Treiber 601 umfasst drei Stromspiegel 603 bis 605 und drei Stromquellen 606 bis 608. Die Logikeinheit 105 steuert den Gate-Treiber 601: ein an den Knoten 612 angelegtes Signal aktiviert entweder einen Schalter 610 oder – über einen Wandler 613 – einen Schalter 609. Wenn der Schalter 610 aktiviert wird, wird der Strom der Stromquelle 606 auf einen Knoten 614 gespiegelt und so zur Steuerung des Gates des MOSFETs M4 verwendet. Wenn der Schalter 609 aktiviert wird, wird der Strom der Stromquelle 608 zur Steuerung des Gates des MOSFETs M4 gespiegelt. Folglich kann die Logikeinheit 105 dem Gate-Treiber 601 anzeigen, dass dieser das Gate des MOSFETs M4 aktiv laden oder entladen soll. Dies gestattet das Eintreten in den Zustand (S2) oder das Abschalten des MOSFETs M4 (d.h. Eintreten in den Zustand (S1)).
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Ein Schalter 611 kann während des Zustands (S3) aktiviert werden, um Strom von der Stromquelle 607 über den Stromspiegel 604 zum Gate des MOSFETs M4 zu liefern. Die Komparatoreinheit 102 kann der Logikeinheit 105 während des Zustand (S3) anzeigen, wenn eine unzureichende Ladung am Gate des MOSFETs M4 festgestellt wird. Die Logikeinheit 105 kann dann den Schalter 611 zur Lieferung einer Ladung an das Gate des MOSFETS M4 aktivieren.
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In 6 umfasst die Energieversorgung einen Hochstrompfad, der von den Stromquellen 606 und 608 versorgt wird, um den MOSFET M4 aktiv entweder ein- oder auszuschalten, und einen Niederstrompfad, der von der Stromquelle 607 versorgt und zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Ladungsmenge am Gate des MOSFETs M4 verwendet wird.
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7 zeigt eine alternative Implementierung des Gate-Treibers auf der Grundlage von 6, wobei ein MOSFET M5 im Unterschied zu dem in 6 dargestellten NMOS ein PMOS ist. Daher ist der Versorgungsstrom 108 an den Source-Anschluss des MOSFETs M5 angeschlossen und der Drain-Anschluss des MOSFETs M5 über einen Widerstand gegen Masse verbunden. Die unter Bezugnahme auf 6 gegebenen Erläuterungen, insbesondere zum Gate-Treiber 601, zur Logikeinheit 105 und zur Komparatoreinheit 102, gelten entsprechend.
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Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offen gelegt wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, mit denen manche Vorteile der Erfindung erreicht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es ist für den hinreichend qualifizierten Fachmann nachvollziehbar, dass weitere Komponenten, die die gleichen Funktionen erfüllen, auf geeignete Weise ersatzweise verwendet werden können. Es sollte erwähnt werden, dass die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläuterten Merkmale mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Verfahren in manchen oder allen Software-Implementierungen, unter Verwendung von geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination aus Hardware- und Softwarelogik nutzen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, erreicht werden. Solche Abwandlungen des Erfindungsgedankens sollen von den angefügten Ansprüchen abgedeckt werden.
