DE102015109277A1

DE102015109277A1 - Strommessung

Info

Publication number: DE102015109277A1
Application number: DE102015109277.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Arndt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN106249020A; CN106249020B; US20160363615A1

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Messung eines durch einen Schalter fließenden Laststroms, bei dem ein Messstrom mit einem definierten Offset-Strom beaufschlagt wird, bei dem der definierte Offset-Strom während mindestens zweier Zeitintervalle bestimmt wird, während dessen der Schalter eingeschaltet ist, bei dem der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom anhand des Messstroms bestimmt wird. Auch wird eine entsprechende Schaltung angegeben.

Description

Es werden ein Verfahren und eine Schaltung zur effizienten und genauen Strommessung vorgestellt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bekannte Ansätze zur Strommessung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren angegeben zur Messung eines durch einen Schalter fließenden Laststroms,

– bei dem ein Messstrom mit einem definierten Offset-Strom beaufschlagt wird,
– bei dem der definierte Offset-Strom während mindestens zweier Zeitintervalle bestimmt wird, während dessen der Schalter eingeschaltet ist,
– bei dem der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom anhand des Messstroms bestimmt wird.

Der Schalter ist dabei insbesondere ein elektronischer Schalter, umfassend z.B. einen Transistor (Bipolar-Transistor, MOSFET, IGBT, etc.). Der Schalter kann auch mehrere elektronische Schalter umfassen, z.B. einen Leistungsschalter und einen Messschalter, wobei der Leistungs- und Messschalter miteinander gekoppelt sein können. Beispielsweise ist es möglich, dass Leistungs- und Messschalter als MOSFETs ausgeführt sind und dabei deren Gate-Anschlüsse und deren Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Aus zwei dreipoligen MOSFETs ergibt sich somit ein vierpoliger Schalter, der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und zwei Source-Anschlüsse aufweist, wobei an dem Source-Anschluss des Messschalters beispielhaft der Messstrom bereitgestellt wird und über den Source-Anschluss des Leistungsschalters beispielhaft eine Last mit Strom versorgt wird.
Der Laststrom ist dabei ein beliebiger Strom, der von den Schalter in Richtung eines Verbrauchers oder einer Last fließt.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine flexible und genaue Messung des Laststroms. Insbesondere kann die hier vorgestellte Lösung Teil eines multifunktionalen elektrischen Schaltkreises, umfassend z.B. den hier vorgestellten Schalter, sein. Der Schaltkreis kann z.B. als ein integrierte Schaltkreis, z.B. auf mindestens einem Chip, ausgeführt sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass der definierte Offset-Strom während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird, wobei während dieser mindestens zwei Zeitintervalle der Laststrom nicht über den Pfad des Messstroms geführt wird.
Der Messstrom wird zumindest vorübergehend, insbesondere dauerhaft während der Einschaltdauer des Schalters, mit dem definierten Offset-Strom beaufschlagt.
Der definierte Offset-Strom wird ermittelt während der mindestens zwei Zeitintervalle, während derer der Schalter eingeschaltet ist und insbesondere der Laststrom nicht Teil des Messstroms ist.
Hierbei sei angemerkt, dass insoweit der Begriff "definierter Offset-Strom" dem eingeprägten Offset-Strom entspricht, der z.B. von einer Stromquelle oder (über ein resistives Element) mittels einer Spannungsquelle bereitgestellt werden kann.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom bestimmt wird, indem der definierte Offset-Strom von dem Messstrom subtrahiert wird, zumindest dann, wenn der Messstrom nicht während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird.
Also kann der Laststrom immer dann bestimmt werden, wenn der Schalter eingeschaltet ist und wenn es sich gerade um keinen der durch die mindestens zwei Zeitintervalle vorgegebenen Zeiträume handelt.
Mit anderen Worten gibt es also zwei Messmodi zur Bestimmung des Messstroms, die zu unterschiedlichen Zeiten ausgeführt werden: Einmal wird der Laststrom nicht über den Pfad des Messstroms geführt (Modus I) und einmal wird der Laststrom zumindest anteilig im Messstrom berücksichtigt (Modus II). In dem Modus I kann der definierte Offset-Strom bestimmt werden, in dem Modus II kann der Laststrom bestimmt werden, wobei in dem Modus II der vorab in dem Modus I bestimmte definierte Offset-Strom zur Bereinigung des Laststroms herangezogen wird.
Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, dass der definierte Offset-Strom zeitnah zur Ermittlung des Laststroms bestimmt wurde. So kann sichergestellt werden, dass bei der Bestimmung des Laststroms sich der definierte Offset-Strom nicht wesentlich verändert hat und damit der ermittelte Laststrom eine hohe Genauigkeit aufweist.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der definierte Offset-Strom größer ist als ein schalterabhängiger Offset-Strom.
Der schalterabhängige Offset-Strom geht vorzugsweise auf Schwankungen des Schalters zurück, die bedingt sind z.B. durch die Fertigung, durch Temperatur und/oder Alterung. Dadurch, dass der definierte Offset-Strom größer als der schalterabhängige Offset-Strom ist, kann erreicht werden, dass der Messstrom unabhängig von der Varianz des schalterabhängigen Offset-Stroms immer positiv ist.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die mindestens zwei Zeitintervalle mehrere Zeitintervalle gleicher Zeitdauer umfassen.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die mindestens zwei Zeitintervalle mehrere Zeitintervalle unterschiedlicher Zeitdauern umfassen.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die mindestens zwei Zeitintervalle zumindest teilweise regelmäßig wiederkehren.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die mindestens zwei Zeitintervalle zumindest teilweise unregelmäßig wiederkehren.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass in den definierten Offset-Strom zusätzlich eine Information eingeprägt wird.
Bei der Information kann es sich z.B. um einen absoluten Wert oder um einen zeitlich veränderlichen Wert handeln. Auch kann die Information z.B. in Form einer Kennlinie, z.B. einer Temperaturabhängigkeit des definierten Offset-Stroms codiert sein. Grundsätzlich kann jede Form der Kodierung bzw. Modulation eingesetzt werden, um dem definierten Offset-Strom die Information einzuprägen.
Bei der Strommessung kann somit zusätzlich zu der Bestimmung des Laststroms während der mindestens zwei Zeitintervalle, während derer der definierte Offset-Strom bestimmt wird, auch diese Information bestimmt bzw. dekodiert werden.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die zusätzliche Information eine Temperaturabhängigkeit darstellt, so dass basierend auf dem definierten Offset-Strom, der während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird, eine Temperatur ermittelbar ist.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die zusätzliche Information einen Betriebsmodus oder Status umfasst, der dem definierte Offset-Strom überlagert wird und der basierend auf dem definierten Offset-Strom, der während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird, dekodierbar ist.
Auch wird eine Schaltung zur Messung eines Laststroms vorgeschlagen,

– mit einem Schalter,
– mit einer Messeinheit,
– wobei die Messeinheit derart eingerichtet ist, dass – ein Messstrom mit einem definierten Offset-Strom beaufschlagbar ist, – der definierte Offset-Strom während mindestens zweier Zeitintervalle bestimmbar ist, wobei der Schalter während der mindestens zwei Zeitintervalle eingeschaltet ist, – der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom anhand des Messstroms bestimmbar ist.

Bei der Messeinheit handelt es sich z.B. um eine Verarbeitungseinheit, eine Steuereinheit, einen Controller, z.B. Mikrocontroller oder Prozessor anhand derer unterschiedliche Strompfade schaltbar und/oder auswertbar sind. Insbesondere kann die Messeinheit weitere Komponenten umfassen, z.B. eine Vergleichseinheit, eine Digitalisiereinheit, eine Strom- und oder Spannungsquelle. Auch können diskrete Bauteile vorgesehen sein, um die Messeinheit oder Teile davon zu realisieren. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Messeinheit in der hier beschriebenen Art und Weise umzusetzen. Das gleiche gilt für den Schalter. Auch ist es möglich, das Schalter und Messeinheit oder Teile davon integriert, z.B. auf einem Chip oder mindestens einem Silikonplättchen (Die) ausgeführt sind.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Schalter mindestens einen Transistor, einen MOSFET, einen IGBT oder einen sonstigen elektronischen Schalter umfasst.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Schalter einen Leistungsschalter und einen Messschalter umfasst, die beide gekoppelt sind, so dass über den Leistungsschalter eine Last verbindbar ist und über den Messschalter der Messstrom detektierbar ist.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Messeinheit derart eingerichtet ist, dass während der mindestens zwei Zeitintervalle der Laststrom nicht über den Pfad des Messstroms geführt wird.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Messeinheit derart eingerichtet ist, dass der der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom bestimmbar ist, indem der definierte Offset-Strom von dem Messstrom subtrahiert wird, zumindest dann, wenn der Messstrom nicht während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden weiter ausgeführt im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 ein Diagramm umfassend eine ideale Kennlinie für eine Zielfunktion zur Strommessung. Hiernach beträgt der (messbare) Messstrom I_IS;
2 ein Diagramm mit einem Bereich, bei dem der Messstrom I_IS von der Veränderung des K_ILIS-Faktors abhängt;
3 ein Diagramm mit einem Bereich für den sich möglicherweise ergebenden Messstrom I_IS basierend auf einem variierenden K_ILIS-Faktor und dem vorstehend genannten Offset-Strom I_{IS_Off};
4 ein Diagramm mit einem Bereich, der gegenüber dem Bereich aus 3 in Richtung der positiven I_IS-Achse um einen definierten Offset-Strom I_{IS_Off_def} nach oben verschoben ist;
5 einen zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals (als Stromsignal) eines elektronischen Schalters, z.B. eines Highside-Schalters einer Halbbrücke;
6 zeitliche Verläufe des Ansteuersignals, des Stromsignals und eines Messstroms I_IS für den Fall eines zusätzlich vorgesehenen definierten Offset-Stroms;
7 zeitliche Verläufe eines Ansteuersignals für einen elektronischen Schalter, eines sich basierend auf dem Ansteuersignal ergebendes Stromsignal I_L an einer Last (Laststrom) sowie eines hierauf basierenden Messstroms I_IS;
8 ein beispielhaftes Diagramm einer Temperaturabhängigkeit des Offset-Stroms;
9 ein Diagramm für ein Beispiel einer Codierung von zwei Zuständen mittels des Offset-Stroms;
10 ein beispielhaftes Schaltbild für einen Schalter umfassend einen Leistungs-n-Kanal-MOSFET und einen Mess-n-Kanal-MOSFET, wobei die MOSFETs einen gemeinsamen Gate-Anschluss und einen gemeinsamen Drain-Anschluss aufweisen.
Insbesondere wird ein Ansatz für einen Strommess-Ausgang (auch bezeichnet als "Strom-Sense"-Ausgang) vorgeschlagen, der ein Messen des Laststroms über einen Laststrombereich unterstützt. Dieser Ansatz wird nachfolgend insbesondere anhand eines sogenannten Highside-Schalters erläutert, ist aber ebenso für sogenannte Lowside-Schalter oder andere Halbleiterbauelemente anwendbar.
Der Highside-Schalter ist insbesondere ein elektronischer Schalter, z.B. Transistor, der mit einem Anschluss an einer Versorgungsspannung angeschlossen ist, wohingegen der Lowside-Schalter insbesondere ein elektronischer Schalter, z.B. Transistor, ist, der mit einem Anschluss an Masse angeschlossen ist. Der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter können Teil einer Brückenschaltung, insbesondere einer Halbbrückenschaltung sein.
Beispielsweise wird eine Verbesserung einer Strommessgenauigkeit erreicht, indem ein Strom-Offset mittels einer Strom-Messschaltung auf einen positiven Wert gezogen wird, und einer auszuwertenden Komponente (insbesondere zu vorgegebenen Zeitpunkten, z.B. regelmäßig oder unregelmäßig) zur Verfügung gestellt wird. Die auszuwertende Komponente kann z.B. ein Mikrocontroller sein oder einen solchen umfassen. Der Mikrocontroller kann z.B. den Strom-Offset über einen Widerstand als ein Spannungssignal bestimmen, das Spannungssignal an einem seiner Eingänge digitalisieren und intern weiterverarbeiten.
Es ist ein Hochstrom-Schalter vom Typ BTS50060-1TEA bekannt. Es wird insbesondere vorgeschlagen, die Funktionalität eines derartigen Hochstrom-Schalters so zu erweitern, dass ein bereitgestellter Strom-Offset zeitlich variiert wird.
Allgemein verfolgt eine Strommess-Schaltung das Ziel, den zu messenden Laststrom I_L eindeutig in einen messbaren Messstrom I_IS zu überführen. 1 zeigt ein Diagramm umfassend eine ideale Kennlinie 101 für eine Zielfunktion zur Strommessung. Hiernach beträgt der (messbare) Messstrom I_IS:
Ein Strommess-Faktor K_ILIS bezeichnet ein Verhältnis zwischen dem Laststrom I_L und dem Messstrom I_IS, d.h. der Laststrom I_L ist um dem Faktor K_ILIS größer als der Messstrom I_IS.
Durch Schwankungen in der Fertigung oder aufgrund von Temperatur- und Alterungseffekten erfährt auch die Strommess-Schaltung in ihrer Zielfunktion eine Variation des K_ILIS-Faktors. 2 zeigt ein Diagramm mit einem Bereich 201, bei dem der Messstrom I_IS von der Veränderung des K_ILIS-Faktors abhängt.
Zusätzlich zu der Veränderung des K_ILIS-Faktors wird die Strommess-Genauigkeit noch durch Fertigungs-Schwankungen, Temperatur-, Alterungs- und ggf. weitere Effekte verschlechtert.
Solche Effekte resultieren in einem Offset, der einem Offset-Strom I_{IS_Off} entspricht, der sich dem Messstrom I_IS überlagert (d.h. zu diesem addiert oder von diesem subtrahiert wird):
3 zeigt ein Diagramm mit einem Bereich 301 für den sich möglicherweise ergebenden Messstrom I_IS basierend auf einem variierenden K_ILIS-Faktor und dem vorstehend genannten Offset-Strom I_{IS_Off}.
Eine mögliche Genauigkeit für die Strommessung ergibt sich durch Begrenzungen des Bereichs 301, die durch Linien 302 und 303 angedeutet sind. Je weiter die Linien 302 und 303 von der idealen Kennlinie 101 entfernt sind, desto ungenauer ist die Strommessung.
Im Fall des Hochstrom-Schalters vom Typ BTS50060-1TEA ist es bekannt, dass der Offset auf einen positiven Messstrom verzerrt wird. 4 zeigt ein Diagramm mit einem Bereich 401, der gegenüber dem Bereich 301 aus 3 in Richtung der positiven I_IS-Achse um einen Wert I_{IS_Off_def} nach oben verschoben ist. Hierbei sei erwähnt, dass die Auslenkung der Bereiche 301 und 401 unterschiedlich sein kann.
Der Messstrom I_IS ergibt sich somit zu
wobei gilt I_{IS_Off} < I_{IS_Off_def} und wobei I_{IS_Off} schalterabhängig bestimmt wird (z.B. durch eine Vorab-Messung) und I_{IS_Off_def} bekannt ist.
Bei I_{IS_Off_def} handelt es sich beispielhaft um einen positiv verzerrten Offset-Strom (nachfolgend auch bezeichnet als "definierter Offset-Strom").
Dieser definierte Offset-Strom kann nun der auszuwertenden Komponente, z.B. dem Mikrocontroller, bereitgestellt werden. Dieser Mikrocontroller erhält somit den Messstrom mit einem Laststrom-Anteil und dem definierten Offset-Strom und kann mit Kenntnis des definierten Offset-Stroms aus dem K_ILIS-Faktor den Laststrom bestimmen, da Schwankungen durch den definierten Offset-Strom reduziert bzw. weitgehend oder auch vollständig herausgerechnet werden können.
Somit reduziert sich ein Bereich 401 der Ungenauigkeit, der den Offset-Strom I_{IS_Off} berücksichtigt auf einen Bereich 402, da der individuelle Offset-Strom I_{IS_Off} eines jeden Schalters vermessen und so in der Gesamtberechnung berücksichtigt werden kann.
5 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals 501 (als Stromsignal) eines elektronischen Schalters, z.B. eines Highside-Schalters einer Halbbrücke. Zu einem Zeitpunkt t1 wird das Ansteuersignal 501 eingeschaltet und zu einem Zeitpunkt t3 wird das Ansteuersignal 501 ausgeschaltet.
Ein Stromsignal I_L 502 an einer Last folgt mit zeitlicher Verzögerung dem Ansteuersignal 501, d.h. das Stromsignal 502 wird zu einem Zeitpunkt t2 ein- und zu einem Zeitpunkt t4 ausgeschaltet. Die Verzögerung zwischen den Zeitpunkten t2 und t1 sowie zwischen den Zeitpunkten t4 und t3 ist begründet dadurch, dass erst nach einer Verzögerung zwischen dem Einschalten des Schalters der Laststrom I_L zu fließen beginnt (entsprechende Verzögerung gilt auch für das Ausschalten des Schalters).
Weiterhin ist in 5 der abhängige Verlauf eines Messstroms I_IS 503 gezeigt. Der Messstrom 503 folgt zeitlich dem Stromsignal 502. Hierbei ist die Höhe des Messstroms 503 über ein vorgegebenes Teilerverhältnis aus dem Stromsignal 502 bestimmt.
5 zeigt somit den Fall ohne definierten Offset-Strom I_{IS_Off_def}.
Im Gegensatz zu 5 zeigt 6 beispielhaft die zeitlichen Verläufe des Ansteuersignals 501, des Stromsignals 502 und eines Messstroms I_IS 603 für den Fall eines zusätzlich vorgesehenen definierten Offset-Stroms.
Im Unterschied zu 5 fällt zu dem Zeitpunkt t4 der Messstrom I_IS 603 nicht auf null ab, sondern verbleibt noch für eine definierte Zeit bis zu einem Zeitpunkt t5 auf einem Niveau 604, das der Höhe des definierten Offset-Stroms I_{IS_Off_def} entspricht. Somit ist zwischen den Zeitpunkten t2 und t4 der Messstrom I_IS 603 in Form des Laststroms I_L mit vorgegebenen K_ILIS-Faktor und definiertem Offset-Strom bestimmbar. Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 ist der Laststrom I_L gleich Null, damit ergibt sich für diesen Zeitraum der Messstrom I_IS 603 zu: I_IS = I_{IS_Off} + I_{IS_Off_def}.
Da der schalterabhängige Offset-Strom I_{IS_Off} bekannt ist, kann der definierte Offset-Strom I_{IS_Off_def} mittels der Messung bestimmt werden (einfache Umformung der obigen Gleichung): I_{IS_Off_def} = I_IS – I_{IS_Off}.
Es wird insbesondere vorgeschlagen, die Qualität bzw. Genauigkeit der Strommessung zu verbessern.
So wird beispielsweise vorgeschlagen, den definierten Offset-Strom I_{IS_Off_def} häufiger zu bestimmen. Insbesondere kann der definierte Offset-Strom I_{IS_Off_def} zeitnah zu der Messung des Laststroms bestimmt werden.
Beispielsweise kann der definierte Offset-Strom I_{IS_Off_def} regelmäßig oder unregelmäßig, beispielsweise mit einer konstanten oder veränderlichen Häufigkeit bestimmt werden. Insbesondere ist es möglich, den definierten Offset-Strom I_{IS_Off_def} selbständig bzw. automatisiert zu bestimmen, ohne dass dafür spezielle zusätzliche Anschlüsse oder Befehle erforderlich sind.
So kann der definierte Offset-Strom gegebenenfalls eine deutliche Abhängigkeit von extern vorliegenden Zuständen, z.B. Temperatur- oder Versorgungsschwankungen aufweisen. Durch häufiges Bestimmen des Offset-Stroms kann eine verbesserte Messung erreicht werden, indem mit dem aktuelleren Offset-Strom I_{IS_Off_def} entsprechend der Laststrom I_L mit höherer Genauigkeit bestimmt wird. Insbesondere wird somit wirksam verhindert, dass die Messung des definierten Offset-Stroms I_{IS_Off_def} selten, also mit großer Verzögerung zur Messung des Stroms I_IS erfolgt und somit der definierte Offset-Strom überholt bzw. veraltet ist. Dies mag insbesondere für Schalter zutreffen, die mit einer geringen Schaltfrequenz betrieben werden bzw. die beispielsweise für eine relativ lange Zeitdauer entweder ein- oder ausgeschaltet sind.
Der definierte Offset-Strom unterliegt ebenso Schwankungen wie der gesamte Messstrom. Der definierte Offset-Strom stellt also einen Anteil des Messstroms dar, der diesen verfälscht. Allerdings kann durch Subtraktion des definierten Offset-Stroms von dem Messstrom der Laststrom mit höherer Genauigkeit bestimmt werden.
7 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals 701 für einen elektronischen Schalter, den zeitlichen Verlauf eines sich basierend auf dem Ansteuersignal 701 ergebenden Stromsignals I_L 702 an einer Last (also einen Laststrom) sowie den zeitlichen Verlauf eines hierauf basierenden Messstroms I_IS 703.
Zu einem Zeitpunkt t1 wird der elektronische Schalter, z.B. ein Highside-Schalter einer Halbbrücke, eingeschaltet und zu einem Zeitpunkt t8 wird dieser Schalter ausgeschaltet (vergleiche Ansteuersignal 701). Mit einer zeitlichen Verzögerung zu dem Ansteuersignal 701 wird ab einem Zeitpunkt t2 und bis zu einem Zeitpunkt t9 die Last mit Strom versorgt (vergleiche Stromsignal I_L 702).
Das Signal des Messstroms I_IS 703 ergibt sich aus dem Stromsignal I_L 702, wobei das Signal des Messstroms I_IS 703 während der Zeit, in der das Stromsignal I_L 702 die Last versorgt, für mindestens eine Zeitdauer nur einen definierten Offset-Strom 704 bestimmt. In 7 sind beispielhaft drei Zeitintervalle B gezeigt, d.h. zwischen Zeitpunkten t3 und t4, t5 und t6 sowie t7 und t9, während derer jeweils nur der definierte Offset-Strom 704 bestimmt wird. Weiterhin sind drei Zeitintervalle A dargestellt, während derer das Stromsignal I_L 702 die Last versorgt. Also während der Zeitintervalle von t2 bis t3, von t4 bis t5 und von t6 bis t7 wird der Messstrom I_IS 703 in Form des Laststroms I_L 702 mit vorgegebenen K_ILIS-Faktor und definiertem Offset-Strom bestimmt gemäß der oben angegebenen Beziehung
Hierbei sei angemerkt, dass unterschiedlich viele Zeitintervalle A und/oder B konstanter oder variierender Länge zwischen den Zeitpunkten t2 und t9 vorgesehen sein können.
Während der Messintervalle A wird also der Messstrom I_IS gemessen, wobei der Laststrom (oder ein Teil des Laststroms) in die Messung eingeht. Während der Messintervalle B geht hingegeben der Laststrom nicht in die Bestimmung des Messstroms I_IS ein. Dies kann erreicht werden, indem während der Messintervalle B der Laststrom nicht über den Messpfad des Messstroms I_IS geführt wird.
10 zeigt ein beispielhaftes Schaltbild für einen Schalter 770 umfassend einen Leistungs-n-Kanal-MOSFET T2 und einen Mess-n-Kanal-MOSFET T1. Die beiden MOSFETs T1 und T2 können als ein Chip ausgeführt sein, wobei die MOSFETs T1 und T2 einen gemeinsamen Gate-Anschluss 760 und einen gemeinsamen Drain-Anschluss 761 aufweisen.
Der Source-Anschluss des MOSFETs T1 ist über eine steuerbare Stromquelle 752 (Serienstromregler) mit einem Anschluss 763 verbunden, an dem der Messstrom I_IS bereitgestellt wird. Der Source-Anschluss des MOSFETs T2 ist mit einem Anschluss 762 verbunden, an den die Last angeschlossen werden kann. Über den Anschluss 762 fließt dann der Laststrom I_L.
Die steuerbare Stromquelle 752 erhält ihr Steuersignal über den Ausgang eines Komparators 751. Der Komparator 751 vergleicht die Spannung an dem Source-Anschluss des MOSFETs T1

– entweder mit dem Drain-Anschluss 761 plus dem definierten Offset-Strom (angedeutet durch eine Offset-Spannungsquelle 753)
– oder mit dem Source-Anschluss 762 des MOSFETs T2 plus dem definierten Offset-Strom.

Der definierte Offset-Strom wird in 10 durch die Offset-Spannungsquelle 753, die dem entsprechenden Eingang des Komparators vorgeschaltet ist, bereitgestellt. Der Komparator 751 regelt basierend auf einer Spannungsdifferenz den Strom der Stromquelle 752.
Die vorstehend genannten unterschiedlichen Vergleichsoperationen des Komparators können durch einen Umschalter 756 eingestellt werden, indem der über die Spannungsquelle 753 verbundene Eingang des Komparators 751 entweder mit einem Knoten 754 oder mit einem Knoten 755 verbunden wird. Der Knoten 754 ist mit dem Source-Anschluss des MOSFETs T2 verbunden und der Knoten 755 ist mit dem Drain-Anschluss verbunden.
Ist der Knoten 755 über die Spannungsquelle 753 mit dem Eingang des Komparators 751 verbunden, so erfährt der Komparator 751 eine Verzerrung. Vorzugsweise ist das Potential an dem Source-Anschluss des MOSFETs T1 dabei stets kleiner als das Potential an dem Source-Anschluss des MOSFETs T2.
Der Messstrom I_IS 703 kann z.B. in Form eines alternierenden Signals bereitgestellt werden, während die Last über den Anschluss 762 mit Energie versorgt wird. Insbesondere kann hierbei an einem Pin (Anschluss) der Messstrom I_IS 703 abwechselnd als

– anteiliger Last-Strom I_L 702 mit definiertem Offset-Strom oder
– definierter Offset-Strom ohne Anteil des Last-Stroms I_L 702

Mit Kenntnis des definierten Offset-Stroms als auch des K_ILIS-Faktors ist es möglich, anhand des Messstroms I_IS 703 den Laststrom I_L 702 zu bestimmen. Beispielsweise kann der Laststrom I_L 702 mittels eines Mikrocontrollers ermittelt werden.
Optional kann alternierend zwischen anteiligem Last-Strom I_L 702 mit definiertem Offset-Strom und definiertem Offset-Strom ohne Anteil des Last-Stroms I_L 702 umgeschaltet werden mit einer vorgegebenen Frequenz. Eine solche Frequenz kann z.B. 1kHz oder weniger betragen. Hierbei kann vorteilhaft ein Mikrocontroller die alternierenden Signale jeweils in ihrem eingeschwungenen Zustand auswerten. Eine Option ist es, dass die alternierenden Signale für identische Zeitdauern bereitgestellt werden; in so einem Fall beträgt der sogenannte Duty-Cycle (aktiver Anteil) für die beiden Signale jeweils 50%.
Eine weitere Option ist es, dass alternierende Signale genutzt werden können, um eine Abhängigkeit mit mindestens einem Parameter und/oder mindestens einem Modus zu implementieren (codieren) bzw. eine solche Abhängigkeit zu erkennen (decodieren).
Weist beispielsweise der definierte Offset-Strom eine Temperaturabhängigkeit auf, so kann bei der Auswertung des definierten Offset-Stroms unter Kenntnis der Temperaturabhängigkeit auch auf die Temperatur des Schalters bzw. auf eine Komponente in der Nähe des Schalters rückgeschlossen werden.
8 zeigt ein beispielhaftes Diagramm einer Temperaturabhängigkeit 802 des Offset-Stroms 801. Ist die Temperaturabhängigkeit 802 (z.B. in Form einer Geraden als Kennlinie) bekannt, z.B. durch einen Wert für den definierten Offset-Strom bei 25°C und durch die Steigung der Geraden, so kann anhand des aktuellen Offset-Stroms 801 auf die aktuelle Temperatur rückgeschlossen werden. Beispielsweise wird ein Wert 803 eines Offset-Stroms gemessen und für diesen Wert 803 eine aktuelle Temperatur 804 bestimmt.
Durch die hier vorgestellte Lösung werden die beiden Werte anteiliger Last-Strom I_L mit definiertem Offset-Strom und definierter Offset-Strom ohne Anteil des Last-Stroms I_L mit geringer zeitlicher Verzögerung (also nahezu zeitgleich) bereitgestellt, so dass auch die Temperaturbestimmung zeitnah, d.h. mit geringer oder ohne signifikante zeitliche Verzögerung möglich ist.
Grundsätzlich ist es möglich, auch andere Informationen zu codieren. Beispielsweise können Fehlerinformationen, Warnungen oder Betriebsmodi mittels des definierten Offset-Stroms codiert werden. So könnte z.B. bei Erreichen eines Warnzustands der definierte Offset-Strom weiter vorverzerrt werden.
9 zeigt ein Diagramm für ein Beispiel einer Codierung von zwei Zuständen mittels des Offset-Stroms.
In dem in 9 gezeigten Beispiel springt der definierte Offset-Strom 901 von einem Wert 902 auf einen Wert 903, sobald z.B. in einem integrierten Schaltkreis ein Betriebsmodus von "normal" in "Warnung" wechselt. Mit anderen Worten kann in dem Wert des Offset-Stroms 901 eine zusätzliche Information codiert werden, die bei der Messung des Offset-Stroms 901 dann entsprechend dekodiert wird. Infolge der dekodierten Information kann eine vorgegebene Aktion ausgeführt bzw. eingeleitet werden. Beispielsweise kann in dem Modus "Warnung" eine Warnung oder Fehlermeldung ausgegeben werden. Entsprechend kann ein Benutzer oder ein Steuergerät eine Diagnose starten oder das System in einen sicheren Zustand überführen, z.B. abschalten.
In einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen wenigstens zum Teil als Hardware umgesetzt werden, wie zum Beispiel als spezielle Hardware-Komponenten oder ein Prozessor. Allgemein können die Techniken als Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder als irgendeine Kombination daraus umgesetzt werden. Falls sie als Software umgesetzt werden, können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder darüber übertragen werden und von einer hardware-basierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Zu computerlesbaren Medien können computerlesbare Speichermedien zählen, die einem dinglichen Medium entsprechen, wie zum Beispiel Datenspeichermedien oder Übertragungsmedien, einschließlich irgendeines Mediums, das die Übertragung eines Computerprogramms von einem Ort an einen anderen ermöglicht, z.B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll. Computerlesbare Medien können auf diese Art und Weise im Allgemeinen (1) dinglichen, computerlesbaren Speichermedien entsprechen, die nichtflüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium, wie zum Beispiel einem Signal oder einer Trägerwelle. Datenspeichermedien können irgendwelche verfügbaren Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Umsetzung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium enthalten.
Als Beispiel und nicht einschränkend: Solche computerlesbaren Speichermedien können RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Disk-Speicher, Magnetplattenspeicher oder andere Magnetspeichereinrichtungen, Flash-Speicher oder irgendein anderes Medium umfassen, das zum Speichern von gewünschtem Programm-Code in Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann. Auch wird irgendeine Verbindung korrekt ein computerlesbares Medium genannt, d.h. ein computerlesbares Übertragungsmedium. Falls zum Beispiel Anweisungen von einer Website, einem Server oder einer anderen entfernten Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, Glasfaserkabels, Twisted Pair, von DSL (Digital Subscriber Line) oder drahtlosen Technologien, wie zum Beispiel Infrarot, Funk und Mikrowellen, übertragen werden, dann beinhaltet die Definition des Mediums das Koaxialkabel, Glasfaserkabel, Twisted Pair, DSL oder drahtlose Technologien, wie zum Beispiel Infrarot, Funk und Mikrowellen. Es versteht sich allerdings, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien enthalten, sondern stattdessen auf nicht transiente, dingliche Speichermedien gerichtet sind. Zu Disk und Disc, wie hier verwendet, zählen CD (Compact Disc), Laser-Disc, optische Disc, DVD (Digital Versatile Disc), Floppy Disk und Blue-ray Disc, wobei Disks Daten normalerweise magnetisch wiedergeben, während Discs Daten optisch mit Laser wiedergeben. Kombinationen der oben Genannten sollten ebenfalls im Bereich computerlesbarer Medien beinhaltet sein.
Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, wie zum Beispiel einer oder mehreren zentralen Recheneinheiten (CPU, Central Processing Unit), digitalen Signalprozessoren (DSPs), universellen Mikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs, Application Specific Integrated Circuits), FGPAs (Field Programmable Gate Arrays) oder anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltkreisen. Dementsprechend kann sich der Begriff „Prozessor“, wie er hier verwendet wird, auf irgendeine der vorher genannten Strukturen oder auf irgendeine andere Struktur, die zur Umsetzung der hier beschriebenen Techniken in der Lage ist, beziehen. Zusätzlich kann in einigen Aspekten die hier beschriebene Funktionalität in zweckgebundenen Hardware- und/oder Software-Modulen bereitgestellt werden, die zum Codieren und Decodieren ausgelegt sind oder die in einem kombinierten Codec integriert sind. Ebenfalls könnten die Techniken gänzlich in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen umgesetzt werden.
Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielzahl von Einrichtungen oder Vorrichtungen, einschließlich eines drahtlosen Handgeräts, einer integrierten Schaltung (IC) oder einem Satz von ICs (z.B. einem Chip-Satz) umgesetzt werden. Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionale Aspekte von Einrichtungen zu betonen, die dazu ausgelegt sind, die offenbarten Techniken auszuführen, die aber nicht notwendigerweise die Realisierung durch unterschiedliche Hardware-Einheiten erfordern. Vielmehr können, wie oben beschrieben worden ist, verschiedene Einheiten in einer einzigen Hardware-Einheit kombiniert werden oder als eine Sammlung zusammenarbeitender Hardware-Einheiten bereitgestellt werden, einschließlich einem oder mehreren Prozessoren in Verbindung mit geeigneter Software und/oder Firmware, wie oben beschrieben wurde.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Offenbarung offenbart worden sind, wird sich für Fachleute ergeben, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Offenbarung erreichen werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Für Durchschnittsfachleute wird offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, in geeigneter Weise ausgetauscht werden können. Es soll erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt worden sind, mit Merkmalen aus anderen Figuren verknüpft werden können, auch in solchen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt worden ist. Weiterhin können die Verfahren der Offenbarung entweder in reinen Software-Umsetzungsformen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen verwirklicht werden oder in hybriden Umsetzungsformen, die eine Kombination aus Hardware-Logik und Software-Logik nutzen, um die gleichen Resultate zu erreichen. Solche Modifikationen des erfindungsgemäßen Konzepts sollen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt sein.

Claims

Verfahren zur Messung eines durch einen Schalter fließenden Laststroms, – bei dem ein Messstrom mit einem definierten Offset-Strom beaufschlagt wird, – bei dem der definierte Offset-Strom während mindestens zweier Zeitintervalle bestimmt wird, während dessen der Schalter eingeschaltet ist, – bei dem der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom anhand des Messstroms bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der definierte Offset-Strom während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird, wobei während dieser mindestens zwei Zeitintervalle der Laststrom nicht über den Pfad des Messstroms geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom bestimmt wird, indem der definierte Offset-Strom von dem Messstrom subtrahiert wird, zumindest dann, wenn der Messstrom nicht während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der definierte Offset-Strom größer ist als ein schalterabhängiger Offset-Strom.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Zeitintervalle mehrere Zeitintervalle gleicher Zeitdauer umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Zeitintervalle mehrere Zeitintervalle unterschiedlicher Zeitdauern umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Zeitintervalle zumindest teilweise regelmäßig wiederkehren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens zwei Zeitintervalle zumindest teilweise unregelmäßig wiederkehren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in den definierten Offset-Strom zusätzlich eine Information eingeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die zusätzliche Information eine Temperaturabhängigkeit darstellt, so dass basierend auf dem definierten Offset-Strom, der während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird, eine Temperatur ermittelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die zusätzliche Information einen Betriebsmodus oder Status umfasst, der dem definierte Offset-Strom überlagert wird und der basierend auf dem definierten Offset-Strom, der während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird, dekodierbar ist.
Schaltung zur Messung eines Laststroms, – mit einem Schalter, – mit einer Messeinheit, – wobei die Messeinheit derart eingerichtet ist, dass – ein Messstrom mit einem definierten Offset-Strom beaufschlagbar ist, – der definierte Offset-Strom während mindestens zweier Zeitintervalle bestimmbar ist, wobei der Schalter während der mindestens zwei Zeitintervalle eingeschaltet ist, – der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom anhand des Messstroms bestimmbar ist.
Schaltung nach Anspruch 12, bei der der Schalter mindestens einen Transistor, einen MOSFET, einen IGBT oder einen sonstigen elektronischen Schalter umfasst.
Schaltung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der der Schalter einen Leistungsschalter und einen Messschalter umfasst, die beide gekoppelt sind, so dass über den Leistungsschalter eine Last verbindbar ist und über den Messschalter der Messstrom detektierbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der die Messeinheit derart eingerichtet ist, dass während der mindestens zwei Zeitintervalle der Laststrom nicht über den Pfad des Messstroms geführt wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der die Messeinheit derart eingerichtet ist, dass der Laststrom basierend auf dem definierten Offset-Strom bestimmbar ist, indem der definierte Offset-Strom von dem Messstrom subtrahiert wird, zumindest dann, wenn der Messstrom nicht während der mindestens zwei Zeitintervalle bestimmt wird.