-
Querverweis auf in Zusammenhang stehende Patentanmeldungen
-
Diese Anmeldung beansprucht Anmeldungs-Vorrang der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/880,446, eingereicht am 20. September 2013, und der US-Patentanmeldung Nr. 14/184,866, eingereicht am 20. Februar 2014. Die gesamte Offenbarung der oben angeführten Anmeldungen ist hierdurch Bezug aufgenommen.
-
Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft Schaltkreise zum Entladen von Energie aus einer Induktivität.
-
Hintergrund
-
Die hier vorgelegte Beschreibung des Hintergrunds dient dem Zweck, allgemein den Kontext der Offenbarung darzustellen. Die Arbeit der vorliegend genannten Erfinder, in dem Ausmaß, in dem sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die bei der Einreichung nicht anderweitig als Stand der Technik gelten können, sind weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zugelassen.
-
Eine Anwendung eines industriellen High-Side-Schalters ist es, eine Spule (oder Induktivität) eines elektromagnetischen Relais anzusteuern. Während einer eingeschalteten Phase liefert der High-Side-Schalter der Spule Strom. Die Spule erzeugt magnetische Kraft, um Kontakte des elektromagnetischen Relais geschlossen zu halten. Wenn das elektromagnetische Relais geöffnet wird, ist es erwünscht, den Spulenstrom so schnell wie möglich gegen Null gehen zu lassen, um das elektromagnetische Relais zu schonen (hier als „schnelle Entmagnetisierung” bezeichnet).
-
Schnelle Entmagnetisierung kann erreicht werden, indem der Schalter veranlasst wird, sich als eine Zenerdiode hoher Spannung zu verhalten, die eine Spannung der Spule bei ungefähr VZener = 50 V unterhalb von VDD klemmt. Beispielsweise sieht bei einer Versorgungsspannung von VDD = 30 V die Induktivität der Spule eine Rückspannung von VDD – VZener= –20 V, die die Entmagnetisierung der Induktivität antreibt.
-
Während schneller Entmagnetisierung erzeugt eine integrierte Schaltung (IC) Wärmeleistung (P = VZener·IInduktivität), die sehr hoch werden kann, wenn große Relais verwendet sind (z. B. P = 50 W). Als Folge erwärmt sich das IC schnell. Leider kann der Spulenstrom nicht unterbrochen werden, während er fließt. Daher muss sich der High-Side-Schalter nur auf die Leistungsabgabefähigkeit des IC-Gehäuses stützen, um die Temperatur des ICs zu halten, bis die Spule vollständig entladen ist. Oberhalb eines bestimmten Energieniveaus (je nach der Größe des elektromagnetischen Relais und dem Anfangsstrom) versagt der High-Side-Schalter schließlich und ist dauerhaft beschädigt.
-
Zusammenfassung
-
Eine integrierte Schaltung zum Entmagnetisieren einer induktiven Last enthält einen Schalter zum Steuern von Strom, der der induktiven Last von einer Spannungsversorgung geliefert wird. Eine Zenerdiode enthält eine Anode, die mit einem Steueranschluss des Schalters verbunden ist, und eine Kathode, die mit der Spannungsversorgung verbunden ist. Ein erster Transistor enthält einen Steueranschluss und einen ersten und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des ersten Transistors ist mit der induktiven Last verbunden. Ein zweiter Transistor enthält einen Steueranschluss und einen ersten und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des zweiten Transistors ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Transistors verbunden. Ein Temperaturmess-Schaltkreis ist eingerichtet, eine Temperatur des Schalters zu messen und eine gemessene Temperatur zu erzeugen. Ein Vergleichsschaltkreis enthält Eingänge, die eine Referenztemperatur und die gemessene Temperatur empfangen, und einen Ausgang, der mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Transistors verbunden ist.
-
In anderen Merkmalen umfasst der Schalter einen ersten und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss ist mit der Spannungsversorgung verbunden, und der zweite Anschluss ist mit der induktiven Last verbunden.
-
In anderen Merkmalen umfasst der Schalter einen doppelt diffundierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (DMOS-FET). Der erste und der zweite Transistor umfassen DMOS-FETs.
-
In anderen Merkmalen weisen der erste und der zweite Transistor einen Durchgangswiderstandswert auf, der höher ist als ein Durchgangswiderstandswert des Schalters.
-
In anderen Merkmalen schaltet der Vergleichsschaltkreis den ersten und den zweiten Transistor ein, wenn die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur, und schaltet den ersten und den zweiten Transistor aus, wenn die gemessene Temperatur unter die Referenztemperatur fällt. Der Vergleichsschaltkreis schaltet den ersten und den zweiten Transistor ein, wenn die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur, und schaltet den ersten und den zweiten Transistor aus, wenn die gemessene Temperatur um einen vorgegebenen Betrag unter die Referenztemperatur fällt.
-
In anderen Merkmalen wird, wenn der Schalter ausgeschaltet wird, Strom von der Last durch die integrierte Schaltung mit einer ersten Geschwindigkeit abgeleitet, bis die gemessene Temperatur die Referenztemperatur erreicht. Die integrierte Schaltung leitet Strom mit einer zweiten Geschwindigkeit ab, die niedriger ist als die erste Geschwindigkeit, wenn die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur.
-
In anderen Merkmalen leitet die integrierte Schaltung Strom mit der zweiten Geschwindigkeit ab, bis die gemessene Temperatur um einen vorgegebenen Betrag unter die Referenztemperatur fällt. Die integrierte Schaltung leitet Strom mit der ersten Geschwindigkeit ab, nachdem die gemessene Temperatur um den vorgegebenen Betrag unter die Referenztemperatur gefallen ist.
-
In noch anderen Merkmalen umfasst der Schalter einen Transistor, der eine Diode vom Hauptteil zur Epitaxialschicht enthält. Der erste und der zweite Transistor enthalten Dioden vom Hauptteil zur Epitaxialschicht. Die induktive Last enthält eine Induktivität.
-
Ein Verfahren zum Entmagnetisieren einer induktiven Last enthält das Steuern von Strom, der einer induktiven Last durch eine Spannungsversorgung geliefert wird, unter Verwendung eines Schalters; das Verbinden einer Zenerdiode mit einem Steueranschluss des Schalters und mit der Spannungsversorgung; das Messen einer Temperatur des Schalters und Erzeugen einer gemessenen Temperatur; und das selektive Verbinden des ersten und des zweiten Transistors mit der induktiven Last, wenn der Schalter offen ist, um eine Entmagnetisierungsgeschwindigkeit der induktiven Last auf Grundlage der gemessenen Temperatur und einer Referenztemperatur zu reduzieren.
-
In anderen Merkmalen umfasst der Schalter einen doppelt diffundierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (DMOS-FET), und der erste und der zweite Transistor umfassen DMOS-FETs. Der erste und der zweite Transistor weisen einen Durchgangswiderstandswert auf, der höher ist als ein Durchgangswiderstandswert des Schalters.
-
In anderen Merkmalen enthält das Verfahren Einschalten des ersten und des zweiten Transistors, wenn der Schalter offen ist und die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur, und Ausschalten des ersten und des zweiten Transistors, wenn der Schalter offen ist und die gemessene Temperatur unter die Referenztemperatur fällt.
-
In anderen Merkmalen enthält das Verfahren Einschalten des ersten und des zweiten Transistors, wenn der Schalter offen ist und die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur, und Ausschalten des ersten und des zweiten Transistors, wenn der Schalter offen ist und die gemessene Temperatur um einen vorgegebenen Betrag unter die Referenztemperatur fällt.
-
In anderen Merkmalen enthält das Verfahren, wenn der Schalter offen ist, Ableiten von Strom von der induktiven Last mit einer ersten Geschwindigkeit, bis die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur, und Ableiten von Strom von der induktiven Last mit einer zweiten Geschwindigkeit, die niedriger ist als die erste Geschwindigkeit, wenn die gemessene Temperatur höher ist als die Referenztemperatur.
-
In anderen Merkmalen enthält das Verfahren, wenn der Schalter offen ist, Ableiten von Strom mit der zweiten Geschwindigkeit, bis die gemessene Temperatur um einen vorgegebenen Betrag unter die Referenztemperatur fällt, und Ableiten von Strom mit der ersten Geschwindigkeit, nachdem die gemessene Temperatur um einen vorgegebenen Betrag unter die Referenztemperatur gefallen ist.
-
Weitere Gebiete der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung werden aus der genauen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offensichtlich. Die genaue Beschreibung und spezifische Beispiele sind nur zu Zwecken der Erläuterung bestimmt und sollen nicht den Umfang der Offenbarung einschränken.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die vorliegende Offenbarung wird vollständiger aus der genauen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen verstanden, wobei:
-
1 ein Schaltbild und Funktions-Blockschaltbild einer integrierten Schaltung ist, die einen High-Side-Schalter enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
-
2 und 3 Kurven enthalten, die Temperatur, Strom und Spannung als Funktion der Zeit darstellen.
-
In den Zeichnungen können Bezugsnummern wiederverwendet sein, um ähnliche und/oder identische Elemente zu kennzeichnen.
-
Genaue Beschreibung
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum sicheren Entmagnetisieren einer Induktivität oder Spule, um eine integrierte Schaltung (IC) während der Entmagnetisierung zu schützen. Die Entmagnetisierung kann ohne Schaden erfolgen, unabhängig von einem Ausmaß an abzuführender Energie. Die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen die Verwendung von Relais beliebiger Größe und ermöglichen, dass das IC in kleineren Gehäusen montiert wird.
-
Wie weiter unten beschrieben, überwacht der Schaltkreis die Temperatur und arbeitet auf eine typische Weise, bis eine vorgegebene Temperatur überschritten ist. Wenn die vorgegebene Temperatur überschritten ist, sieht der Schaltkreis Schutz auf Kosten verringerter Leistungsfähigkeit vor. Die Verringerung der Leistungsfähigkeit weist für die meisten Anwendungen vernachlässigbare negative Auswirkung auf.
-
Gesteuerte Entmagnetisierung wird erreicht durch automatisches Wählen einer schnellen oder langsamen Entmagnetisierungs-Betriebsart. Während der schnellen Entmagnetisierungs-Betriebsart verhält sich der Schaltkreis in einer typischen Weise. Beispielsweise kann der Schaltkreis die Spulen- oder die Induktivitätsspannung auf ungefähr 50 V unterhalb VDD klemmen. Während der schnellen Entmagnetisierungs-Betriebsart steigt die Temperatur rasant an. Sobald die vorgegebene Temperatur erreicht ist, schaltet der Schaltkreis in die langsame Entmagnetisierungs-Betriebsart und reduziert die Leistungsabgabe auf ein Niveau, dem unbegrenzt standgehalten werden kann. Während der langsamen Entmagnetisierungs-Betriebsart entlädt sich die Spule oder Induktivität mit einer niedrigeren Geschwindigkeit, und die IC-Temperatur verringert sich. Sobald die Temperatur auf einen akzeptablen Wert zurückgefallen ist, wird wieder die schnelle Entmagnetisierungs-Betriebsart eingeleitet. Der Schaltkreis schaltet zwischen der schnellen und der langsamen Entmagnetisierungs-Betriebsart, bis die Spule oder Induktivität vollständig entladen ist.
-
1 stellt eine integrierte Schaltung (IC) 10 dar, die einen Schaltkreis 20 enthält. Der Schaltkreis 20 enthält einen High-Side-Schalter 28 mit einem ersten, mit VDD verbundenen Anschluss, einem zweiten, mit einem Ausgang verbundenen Anschluss und einem mit einer Zenerdiode 24 verbundenen Gate. Der High-Side-Schalter 28 enthält eine Diode 32 vom Hauptteil zur Epitaxialschicht (EPI). Ein Transistor 34 enthält einen ersten, mit dem Ausgang verbundenen Anschluss und eine Diode 36 vom Hauptteil zur Epitaxialschicht (EPI). Ein zweiter Anschluss des Transistors 34 ist mit einem ersten Anschluss eines Transistors 38 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transistors 38 ist mit einem Bezugspotential, wie etwa Masse, verbunden. Der Transistor 38 enthält eine Diode 40 vom Hauptteil zur Epitaxialschicht (EPI).
-
Gates des ersten und des zweiten Transistors 34 und 38 sind mit einem Ausgang eines Vergleichsschaltkreises 44 verbunden. Der Vergleichsschaltkreis 44 kann Hysterese benutzen. Ein invertierender Eingang des Vergleichsschaltkreises 44 ist mit einer ersten Temperaturreferenz TSchutz verbunden. Ein nicht invertierender Eingang des Vergleichsschaltkreises 44 ist mit einem Temperaturfühler 48 verbunden, der eine Temperatur des High-Side-Schalters 28 misst.
-
Eine Last 50 ist mit dem Ausgang des Schaltkreises 20 verbunden. Die Last 50 kann eine Induktivität L und einen Widerstand R enthalten, die in Reihe geschaltet sind, obwohl andere Arten von Lasten oder Schaltungsarten verwendet sein können.
-
Der High-Side-Schalter 28 treibt die Last 50. Der High-Side-Schalter 28 besteht aus einem Hochspannungstransistor mit niedrigem Durchlasswiderstand, wie etwa einem doppelt diffundierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (DMOS-FET) mit RON = 0,05 Ω, 65 V. Der maximale Strom ILAST, der zur Verfügung gestellt werden muss, beträgt 1 A. Die Zenerdiode 24 liegt zwischen VDD und einem Gate des High-Side-Schalters 28, um die schnelle Entmagnetisierungs-Betriebsart umzusetzen. Nachdem der High-Side-Schalter 28 ausgeschaltet wurde und der Ausgang durch den Strom der Induktivität L negativ gezogen wurde, schaltet die Zenerdiode 24 den High-Side-Schalter 28 ein und hält VAusg = VDD – VZENER – VGS. VGS ist die zum Halten von ILAST benötigte Gate-Source-Spannung des High-Side-Schalters 28; da der High-Side-Schalter 28 relativ groß ist, liegt VGS in einigen Beispielen in der Größenordnung von 1 V. In einigen Beispielen betragen VDD = 24 V, VZENER = 50 V, VGS = 1 V → VAusg_Entmag = –27 V.
-
Die Transistoren 34 und 38 können unter Verwendung von DMOS-FETs mit kleinerer Fläche als der High-Side-Schalter (und damit höherem Durchgangswiderstand) ausgeführt sein. In einigen Beispielen beträgt RON der Transistoren 34 und 38 0,5 Ω. Die Transistoren 34 und 38 werden normalerweise in einem ausgeschalteten Zustand gehalten (VGS = 0 V) und leiten entweder bei positiven oder negativen Werten von VAusg keinen Strom aufgrund entgegengesetzter Dioden 36 und 40 vom Hauptteil zur EPI. Der Transistor 34 kann ein p-Kanal-Transistor sein, und der Transistor 38 kann ein n-Kanal-Transistor sein.
-
2 zeigt eine Simulation von Proben-Entmagnetisierungskurven des High-Side-Schalters 28 während der schnellen Entmagnetisierungs-Betriebsart. Die Simulation in 2 wurde mit einem thermischen Modell für ein Quad-Flat No-Leads-Gehäuse (QFN-Gehäuse) gefahren. Der High-Side-Schalter 28 wirkt als 50-V-Klemmeinrichtung von VDD. Die IC-Temperatur erreicht niemals den Schwellwert TSchutz. Die Temperatur des High-Side-Schalters 28 (TMHS) wird überwacht, und TMHS bleibt unterhalb von TSchutz (die auf ungefähr 170°C oder in einigen Beispielen auf einen anderen Wert eingestellt sein kann).
-
Je nach den Werten von L, R und ILAST und den Wärmeableiteigenschaften des Gehäuses kann die Temperatur TMHS während der schnellen Entmagnetisierungs-Betriebsart TSchutz überschreiten. Herkömmliche High-Side-Schalter sind nicht in der Lage, die Temperatur TMHS zu begrenzen, weil der Induktivitätsstrom ILAST nicht begrenzt werden kann. Daher würde der High-Side-Schalter 28 weiter als 50-V-Klemmeinrichtung arbeiten und würde weiter hohe Leistung abgeben und sich erwärmen. Irgendwann kann der Schaltkreis 20 dauerhaft beschädigt sein.
-
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird, wenn die Temperatur TMHS TSchutz erreicht, die langsame Entmagnetisierungs-Betriebsart eingeleitet, und beide Transistoren 34 und 38 werden eingeschaltet. ILAST beginnt, durch die Transistoren 34 und 38 anstelle des High-Side-Schalters 28 zu fließen, und VAusg erhöht sich von –27 V auf ungefähr –1 V. Der High-Side-Schalter 28 hört auf, Leistung abzugeben, und die Transistoren 34 und 38 beginnen, Leistung abzugeben (ungefähr 1/50 der durch den High-Side-Schalter 28 abgegebenen Leistung). Das Ausmaß an Leistung, die durch die Transistoren 34 und 38 abgegeben wird, ist klein genug, um ihm unbegrenzt in dem gegebenen Gehäuse standzuhalten.
-
Als Ergebnis verringert sich nun der Induktivitätsstrom mit niedrigerer Geschwindigkeit, und das IC kühlt sich ab. Sobald die Temperatur TMHS unter TSchutz – THysterese fällt, schalten sich die Transistoren 34 und 38 AUS. An diesem Punkt wird der High-Side-Schalter 28 automatisch wieder eingeschaltet, indem VAusg durch den restlichen Induktivitätsstrom negativ gezogen wird. Der Vorgang wiederholt sich, bis ILAST verschwindet.
-
3 zeigt ein Beispiel der langsamen Entmagnetisierungs-Betriebsart gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Simulation in 3 wurde auch mit einem thermischen Modell für ein QFN-Gehäuse gefahren. Beginnend mit einer höheren Umgebungstemperatur (z. B. 85°C in diesem Beispiel) als in 2 erreicht die IC-Temperatur den Schwellwert TSchutz. An diesem Punkt hält die langsame Entmagnetisierungs-Betriebsart den Temperaturanstieg an und schützt den Schaltkreis 20.
-
Die vorstehende Beschreibung ist nur erläuternder Natur, und es ist keineswegs beabsichtigt, dass sie die Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Nutzungen einschränkt. Die weitreichenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen umgesetzt sein. Daher sollte, während diese Offenbarung besondere Beispiele enthält, der wahre Umfang der Offenbarung nicht so beschränkt sein, da andere Modifikationen nach Studium der Zeichnung, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden. Wie er hier benutzt ist, sollte der Satz „mindestens eines aus A, B und C” so ausgelegt werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) meint, unter Verwendung eines nicht-exklusiven logischen ODERs. Es versteht sich, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
