DE102015117849A1

DE102015117849A1 - Elektronische Sicherung

Info

Publication number: DE102015117849A1
Application number: DE102015117849.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Bader; Goran Keser
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-04-21
Also published as: CN105529676B; CN105529676A; US20160109212A1; US9979180B2

Abstract

Gemäß einem Beispiel wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung ein Schaltelement, einen integrierten Sensor, der ein Signal bereitstellt, und eine elektronische Sicherung umfasst, die ausgelegt ist eine Sicherungsbedingung basierend auf dem Signal und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft zu bestimmen und ein Sicherungsereignis auszulösen, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.

Description

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine elektronische Sicherung, die verschiedene Sicherungsfunktionen bereitstellt.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, eine elektronische Sicherung bereitzustellen oder zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Diese hierin vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf zumindest einer der nachfolgenden Lösungen basieren. Insbesondere können Kombinationen der nachfolgenden Merkmale eingesetzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens können mit (einem) beliebigen Merkmal(en) der Vorrichtung, des Geräts oder Systems oder umgekehrt kombiniert werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung angegeben, umfassend:

– ein Schaltelement,
– einen integrierten Sensor, der ein Signal bereitstellt, und
– eine elektronische Sicherung, die eingerichtet ist
– zum Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf dem Signal und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und
– zum Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.

Die Sicherungsbedingung kann eine Bedingung für die Aktivierung der elektronischen Sicherung sein, sodass eine Überlastungssituation oder Beschädigung einer Last verhindert wird, die Teil der Vorrichtung oder mit der Vorrichtung verbunden sein kann. Eine beispielhafte Sicherungsbedingung ist, dass das Signal einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet (als Alternative: unter diesen fällt). Eine unsichere Erhöhung des Stroms (oder der Spannung oder Temperatur) kann erkannt werden und das Sicherungsereignis kann ausgelöst werden.
Das Sicherungsereignis kann ein Signal sein, das von der elektronischen Sicherung (einer Verarbeitungslogik, die das Schaltelement steuert, oder dem Schaltelement selbst) bereitgestellt wird, um das Schaltelement auf gesteuerte Weise abzuschalten.
Die Vorrichtung kann ein geschützter FET (PROFET) sein oder sie kann einen PROFET umfassen. Wahlweise ist das Schaltelement ferner ein PROFET.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement ein elektronisches Schaltelement oder ein mechanisches Schaltelement umfasst.
Es ist eine Weiterbildung, dass die elektronische Sicherung ausgelegt ist, das Sicherungsereignis nicht auszulösen, falls die Sicherungsbedingung nicht erfüllt ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass der integrierte Sensor Teil des Schaltelements ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement und der integrierte Sensor auf einem einzigen Chip angeordnet sind.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement ein vertikales Element ist, das Folgendes umfasst:

– eine Steuerklemme,
– eine erste Klemme, und
– eine zweite Klemme,
– wobei die erste und die zweite Klemme über ein Signal, das an die Steuerklemme angelegt wird, elektrisch gekoppelt sind, und
– wobei die Steuerklemme und die erste Klemme auf einer Seite des vertikalen Elements angeordnet sind und die zweite Klemme auf der gegenüberliegenden Seite des vertikalen Elements angeordnet ist.

Die Steuerklemme kann auch als ein Steueranschluss oder Steuerpin aufgefasst werden. Grundsätzlich kann jede hierin erwähnte Klemme ein Anschluss oder ein Pin sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement mindestens eines der folgenden Elemente umfasst:

– einen Transistor;
– einen MOSFET;
– einen IGBT;
– einen JFET;
– eine Diode;
– ein vertikales Element;
– einen geschützten FET;
– ein High-Side-Schaltelement;
– ein Low-Side-Schaltelement; oder
– ein elektrisches Relais.

Es ist eine Weiterbildung, dass das Signal, das von dem integrierten Sensor bereitgestellt wird, ein Leistungssignal oder ein leistungsbasiertes Signal ist.
Das Signal kann insbesondere eine Leistung, einen Strom, eine Spannung oder eine Temperatur umfassen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die elektronische Sicherung mindestens eine Instanz umfasst, wobei jede Instanz:

– eine Sicherungsbedingung basierend auf dem Signal und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft bestimmt;
– das Sicherungsereignis auslöst, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.

Die hier genannte Instanz kann jeweils eine Einheit oder Komponente sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Instanz eine Hardwareinstanz oder eine Softwareinstanz ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Softwareinstanz ein thermisches Modell benutzt und eine thermische Belastung iterativ bestimmt und mit einem vordefinierten Schwellenwert vergleicht.
Die thermische Belastung kann eine thermische Last sein.
Falls der Schwellenwert (erreicht oder) überschritten ist, ist die Sicherungsbedingung erfüllt und das Sicherungsereignis wird ausgelöst.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Instanz zur Bestimmung der Sicherungsbedingung basierend auf einer Sicherungseigenschaft ausgelegt ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Sicherungseigenschaft mindestens teilweise simuliert oder von oder innerhalb der mindestens einen Instanz modelliert wird.
Somit kann die Sicherungseigenschaft von der jeweiligen Instanz repliziert oder modelliert werden. Jede Instanz kann eine Sicherungseigenschaft aufweisen. Mehrere Instanzen (des gleichen Typs oder unterschiedlicher Typen, d.h. Hardware- oder Softwareinstanzen) können für redundante oder verschiedene Sicherungseigenschaften bereitgestellt sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens zwei Instanzen einander überwachen.
Insbesondere überwachen wahlweise eine Softwareinstanz und eine Hardwareinstanz einander. Auch kann eine Softwareinstanz eine weitere Softwareinstanz oder eine Hardwareinstanz eine weitere Hardwareinstanz überwachen.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement abgeschaltet wird, falls mindestens eine Instanz das Sicherungsereignis ausgelöst hat.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Sicherungsbedingung bestimmt wird, falls das Signal einen Schwellenwert erreicht oder überschreitet.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Sicherungsereignis an das Schaltelement übermittelt wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Sicherungsereignis an eine Verarbeitungslogik übermittelt wird, die das Schaltelement steuert.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Signal von einem Sensor bereitgestellt wird, der sich außerhalb des Schaltelements befindet.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Schaltelement eine thermische Übertemperatur-Abschaltfunktion umfasst.
Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Steuern eines Schaltelements vorgeschlagen, umfassend:

– Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf einem Signal, das von einem integrierten Schalter des Schaltelements bereitgestellt wird, und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und
– Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.

Auch wird eine Vorrichtung bereitgestellt, umfassend:

– Mittel zum Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf einem Signal, das von einem integrierten Sensor des Schaltelements bereitgestellt wird, und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und
– Mittel zum Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.

Ferner wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, umfassend Softwarecodeabschnitte zum Ausführen der Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens.
Auch wird ein computerlesbares Medium (z.B. Speichermedium) angegeben, umfassend Anweisungen, die, wenn sie von einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, die digitale Verarbeitungsvorrichtung zu Folgendem veranlassen:

– Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf einem Signal, das von einem integrierten Sensor des Schaltelements bereitgestellt wird, und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und
– Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.

Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und erläutert. Die Zeichnungen dienen der Erläuterung des Grundprinzips, sodass nur Aspekte dargestellt werden, die für das Verständnis des Grundprinzips notwendig sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen ähnliche Merkmale.
1 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm mit einer elektronischen Sicherung, die ein Schaltelement, z.B. einen PROFET steuert;
2 zeigt ein anderes beispielhaftes Blockdiagramm mit einer elektronischen Sicherung, die eine Hardwareinstanz und eine Softwareinstanz umfasst;
3 zeigt ein weiteres beispielhaftes Blockdiagramm mit einer elektronischen Sicherung, die teilweise in dem Schaltelement integriert ist;
4 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Hardwareinstanz;
5 zeigt eine Schaltung der Hardwareinstanz;
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines thermischen Modells, wie es von einer Softwareinstanz verwendet werden kann;
7 zeigt Schritte eines Verfahrens, das von einer Softwareinstanz bereitgestellt werden kann;
8 zeigt beispielhafte Sicherungseigenschaften des Schaltelements, der Softwareinstanz und der Hardwareinstanz;
9 zeigt ein Diagramm, das eine Kurve eines Stroms darstellt, der zu einer Temperaturveränderung des Kabels oder der Sicherung führt; ferner zeigt ein Schwellenwert eine maximal zulässige Temperatur.
Hierin bereitgestellte Beispiele betreffen insbesondere ein modulares Sicherungskonzept, das z.B. als eine Zugabe zu vorhandenen Komponenten oder Systemen mitgeliefert werden kann. Eine elektrische Last kann laut Norm ISO 26262 (ASIL-B, Automotive Safety Integrity Level) über einen Halbleiterschalter geschützt werden. Der Halbleiterschalter kann ein High-Side-Schalter sein. Ein solcher High-Side-Schalter ist direkt oder indirekt zwischen einer Versorgungsspannung und einer Last verbunden (im Gegensatz zu einem Low-Side-Schalter, der direkt oder indirekt zwischen einer Last und Erdung verbunden ist).
Funktionelle Sicherheit kann mittels mindestens einer autarken Instanz, genauer mindestens zwei autarken Instanzen bereitgestellt werden, um die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Sicherung zu verringern. Die autarke Instanz kann eine Hardwareinstanz oder eine Softwareinstanz sein. Genauer kann wahlweise mindestens eine Hardwareinstanz und mindestens eine Softwareinstanz bereitgestellt werden. Mindestens zwei solche Instanzen können einander überwachen.
Eine Sicherung kann in diesem Kontext (eine) beliebige Schutzeinheit(en) sein, die insbesondere vermeiden können, dass die Last beschädigt oder zerstört wird.
Der Schutz der Last kann mittels einer gemeinhin bekannten irreversiblen mechanischen Sicherung (der hierin auch als „herkömmliche Sicherung“ bezeichnet wird, im Gegensatz zur elektronischen Sicherung) erzielt werden. Ein Durchbrennen dieser Sicherung erfordert ihren Austausch. Dies würde zu einem Ausfall der Last führen, was in verschiedenen Sicherheitsszenarien, z.B. bei einer Airbagregelung während des Fahrzeugbetriebs nicht akzeptabel sein kann.
Gemäß einer beispielhaften Lösung wird eine elektronische Sicherung bereitgestellt, die funktionelle Sicherheit umfasst. Eine solche elektronische Sicherung kann vordefinierte ASIL-Anforderungen erfüllen.
Zum Beispiel kann eine Schaltung (Hardware und/oder Software) Teil der elektronischen Sicherung sein und jede der Instanzen (Hardware und/oder Software) kann die Funktion der herkömmlichen Sicherung replizieren.
Die elektronische Sicherung kann teilweise mindestens einen der folgenden Vorteile haben:

– die elektronische Sicherung kann ein- und abgeschaltet werden; ein solches Schalten kann im Vergleich zu der herkömmlichen Sicherung genauer definiert werden;
– da die elektronische Sicherung auf definiertere Weise gesteuert werden kann, kann ein Drahtquerschnitt reduziert werden, was auch zu einer Reduzierung des Gewichts und der Kosten führen würde (z.B. bei einem Automobilkabelstrang);
– die Ausfallwahrscheinlichkeit kann durch Einführen von Redundanz verringert werden;
– die elektronische Sicherung kann (mindestens teilweise) in den Halbleiterschalter integriert werden;
– die elektronische Sicherung kann kontrolliert zurückgesetzt und/oder (ein- oder ab-)geschaltet werden;
– die elektronische Sicherung kann eine Selbsttestfunktion aufweisen, die zu einer weiteren Erhöhung ihrer funktionellen Sicherheit führt;
– die elektronische Sicherung kann von einer Überwachungsinstanz (z.B. einer elektronischen Steuereinheit) gesteuert werden, die einen Betriebsmodus einstellt oder verändert; zum Beispiel kann die elektronische Steuerung von dieser Überwachungsinstanz derart gesteuert werden, dass sie im Falle eines Zusammenstoßes nicht zurückgesetzt wird.

Die elektronische Sicherung kann insbesondere mindestens zwei Instanzen umfassen, z.B. Hardware und Software. Die elektronische Sicherung kann ein stromabhängiges Ausgabesignal eines High-Side-Schalters (z.B. ein Strom- oder ein beliebiges abgeleitetes Signal) benutzen und kann mindestens eine Sicherungsbedingung, z.B. eine Abschaltbedingung basierend auf einer Sicherungseigenschaft definieren. Die Sicherungseigenschaft kann modelliert, simuliert oder emuliert (reproduziert) werden. In anderen Beispielen können mehrere Sicherungseigenschaften oder -bedingungen verwendet werden, um die Sicherungsbedingung auszulösen.
Das stromabhängige Ausgangssignal eines High-Side-Schalters kann als Eingabesignal für eine Steuereinheit (z.B. eine Mikrosteuerung oder einen Prozessor) für die Software, die auf der Steuereinheit ausgeführt wird, zur Modellierung der Funktion der Sicherung verwendet werden.
1 zeigt eine Logik 101 (die z.B. eine Steuerung oder Verarbeitungsvorrichtung umfasst), die einen Halbleiterschalter 102, z.B. einen Leistungshalbleiterschalter als einen PROFET antreibt. Der Halbleiterschalter 102 ist mit einer Last 105 über einen Draht 106 verbunden. Der Halbleiterschalter 102 leitet ein lastabhängiges Signal 103, z.B. einen Strom an eine elektronische Sicherung 104. Die elektronische Sicherung 104 gibt der Logik 101 an, ob (oder nicht) eine Sicherungsbedingung, z.B. eine Abschaltbedingung erfüllt ist (siehe Signal 107). Die Logik 101 kann dann den Halbleiterschalter 102 abschalten.
Die elektronische Sicherung 104 kann ihr Signal 107 der Logik 101 bereitstellen, die dann den Halbleiterschalter 102 entsprechend der Sicherungsbedingung steuern kann. Somit kann die Logik 101 gemäß dem Signal 107 den elektronischen Schalter (für einen vordefinierten Zeitraum, z.B. bis eine Rücksetzung vorgenommen wird) abschalten.
Als Alternative kann das Signal 107 zu dem Halbleiterschalter 102 geleitet werden, um zu verhindern, dass der Schalter eingeschaltet wird.
Die elektronische Sicherung 104 kann mindestens eine Instanz aufweisen, wobei jede Instanz entweder vom Hardware- oder vom Softwaretyp ist. Zu Redundanzzwecken können mehrere Instanzen bereitgestellt werden, wobei mindestens zwei der Instanzen von unterschiedlichen Typen sein können.
Die Hardware sowie die Software können sich beide auf das Schaltverhalten des High-Side-Schalters und somit auf den Strom auswirken, der durch die Last fließt.
Die Hardware und die Software können (logisch und/oder physikalisch) miteinander verbunden sein. Beide Instanzen (Hardware und Software) können einander überwachen. Im Falle der Erkennung eines Fehlers in einer der Instanzen wird die Last dennoch geschützt, da die Funktion der elektronischen Sicherung von der anderen (nicht defekten) Instanz bereitgestellt werden kann.
Die Fehlfunktion (z.B. Fehler, Betriebsstörung) kann der Überwachungsinstanz berichtet werden. Die Überwachungsinstanz kann entscheiden, wie ein Betrieb der elektronischen Sicherung mit einer defekten Instanz gehandhabt wird. Zum Beispiel kann die elektronische Sicherung aktiviert, deaktiviert, ausgetauscht, repariert usw. werden.
Es ist auch möglich, dass mindestens eine der Instanzen nach Bedarf (z.B. unabhängig von dem gegenwärtigen Betriebsmodus) geprüft werden kann. Während einer solchen Prüfung kann die jeweils andere Instanz die Funktion der Sicherung bereitstellen.
2 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die eine elektronische Sicherung 201 mit einer Softwareinstanz 202 und einer Hardwareinstanz 203 umfasst. Beide Instanzen, nämlich Software 202 und Hardware 203, können einander überwachen (siehe Verbindung 204).
Eine Logik 205 (die z.B. eine Steuerung oder Verarbeitungsvorrichtung umfasst) treibt einen Halbleiterschalter 206, z.B. einen Leistungshalbleiterschalter als einen PROFET an. Der Halbleiterschalter 206 ist mit einer Last 207 über einen Draht 210 und einen Abtastwiderstand 208 (auch als Nebenwiderstand bezeichnet) verbunden. Der Halbleiterschalter 206 leitet ein lastabhängiges Signal 209 an die Hardware 203 und die Software 202.
Wahlweise kann ein Widerstand 208 bereitgestellt sein, der eine Spannung über den Widerstand 208 (und somit einen Strom durch den Widerstand 208) zu der Software 202 leitet.
Wahlweise leitet die Hardware 203 Informationen an die Software 202.
Basierend auf ihrer Eingabe bestimmt die Hardware 203, ob eine Abschaltbedingung erfüllt ist (oder nicht), und übermittelt ihr Ergebnis an die Logik 205 (siehe Signal 211). Außerdem bestimmt die Software 202 basierend auf ihrer Eingabe, ob eine Abschaltbedingung erfüllt ist (oder nicht), und übermittelt ihr Ergebnis an die Logik 205 (siehe Signal 212). Die Logik 205 kann dann den Halbleiterschalter 206 abschalten.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei die Hardware 203 in dem Halbleiterschalter 206 integriert ist. In diesem Beispiel benutzt die Hardware 203 das Signal, das von dem Halbleiterschalter 206 bereitgestellt wird, und die Software wird über den Widerstand 208 mit einer Spannung (oder einem Strom) versorgt, um zu bestimmen, ob eine Sicherungsbedingung erfüllt ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Hardware 203 Selbstdiagnose-(prüf)-Funktionen aufweisen kann.
Die vorgestellten Beispiele können insbesondere in Automobilszenarien benutzt werden. Zum Beispiel können Niederspannungstopologien unter Verwendung von 12 V und 48 V als Versorgungsspannungen kombiniert werden. Ein zentralisierter
Sicherungskasten kann durch eine Leitschiene ersetzt werden; anstatt herkömmlicher Sicherungen können elektronische Sicherungen wie hierin beschrieben mit dieser Leitschiene verbunden werden und an verschiedenen Stellen im gesamten Fahrzeug angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass die elektronischen Sicherungen dort angeordnet werden können, wo sie tatsächlich benötigt werden. Außerdem können die elektronischen Sicherungen an Stellen angeordnet werden, die vor unerwünschtem physikalischem Zugang versperrt sind, wodurch das Sicherheitsniveau weiter erhöht werden kann.
Die Eigenschaften (z.B. eine I²t-Eigenschaft) einer herkömmlichen Automobilsicherung (z.B. einer ATO-, Maxi-, Mini- oder Mikrosicherung) kann von der elektronischen Sicherung modelliert werden, z.B. der Hardware und/oder Software der elektronischen Sicherung.
Die elektronische Sicherung kann zu einem geschützten Feldeffekttransistor (FET) hinzugefügt werden, der auch als „PROFET“ bezeichnet wird, um Sicherheitsmerkmale bereitzustellen. Genauer kann mindestens eine Hardwareinstanz und mindestens eine Softwareinstanz bereitgestellt werden. Die Hardware kann eine Analogschaltung umfassen und kann flexibel an eine externe Last angepasst werden oder anpassbar sein. Die Hardware kann ferner Vorrichtungstoleranzen ausgleichen. Die Software kann eine Sicherungseigenschaft beispielsweise basierend auf Strom und Zeit implementieren und kann von einer Mikrosteuerung versorgt werden.
Hardware und Software können gemeinsam betrieben werden, sodass das System sicherer gemacht wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung, die einen PROFET 401 umfasst. Der PROFET 401 kann ein Leistungshalbleiterschalter sein. Der PROFET 401 umfasst eine Strommesskomponente 402, die einen gemessenen Strom 403 an eine Hardware 404 leitet.
Der Halbleiterschalter kann ein vertikales Element sein, das Folgendes umfasst:

– eine Steuerklemme,
– eine erste Klemme,
– eine zweite Klemme,
– wobei die erste und die zweite Klemme über ein Signal, das an die Steuerklemme angelegt wird, elektrisch gekoppelt sind, und
– wobei die Steuerklemme und die erste Klemme auf einer Seite des vertikalen Elements angeordnet sind und die zweite Klemme auf der gegenüberliegenden Seite des vertikalen Elements angeordnet ist.

Die gegenüberliegende Seite des vertikalen Elements kann auch mit einer Last verbunden sein. Die zweite Klemme kann ein Kollektor eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Transistors oder IGBT sein. Die erste Klemme kann ein Emitter sein und die Steuerklemme kann einem Gate eines IGBT oder einer Basis eines Bipolartransistors entsprechen. Im Falle eines MOSFET kann die Source der ersten Quelle entsprechen und das Drain kann der zweiten Klemme entsprechen.
Die Hardware 404 umfasst eine Versatz- und Skalierungskomponente 405, eine Quadratkomponente 406 und eine Integral- und Tiefpasskomponente 407 und einen Schmitt-Trigger 408.
Somit wird der gemessene Strom 403 skaliert und mit einem Versatz kombiniert, quadriert, integriert und tiefpassgefiltert und von dem Schmitt-Trigger 408 verarbeitet. Die Ausgabe des Schmitt-Triggers 408 wird als ein Signal 410 an eine Eingabekomponente 409 des PROFET 401 übermittelt.
5 zeigt ein beispielhaftes Schaltungsdiagramm der Hardware 404. Der gemessene Strom 403 wird über einen Widerstand R4 an den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 502 geleitet. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 502 ist über einen Widerstand R5 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 505 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 505 ist über einen Widerstand R6 mit einer Versorgungsspannung Vdd verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 505 ist auch mit dem Drain und dem Gate eines p-Kanal-MOSFET Q1 verbunden. Die Source des MOSFET Q1 ist mit Erde verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 505 ist mit seinem Ausgang verbunden.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 502 ist über einen Widerstand R3 mit Erde verbunden. Ein Versatz 501 ist über einen Widerstand R1 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 502 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 502 ist über einen Widerstand R2 mit seinem Ausgang verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 502 ist auch mit dem Drain und dem Gate eines p-Kanal-MOSFET Q2 verbunden. Die Source des MOSFET Q2 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 503 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 503 ist über einen Widerstand R7 mit Erde verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 503 ist über einen Widerstand R8 mit Erde verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand R9 mit seinem Ausgang verbunden. Ein Kondensator C1 ist parallel zu dem Widerstand R9 angeordnet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 503 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 504 verbunden.
Eine Referenzspannung 505 wird über einen Widerstand R10 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 504 geleitet. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 504 ist über einen Widerstand R11 mit seinem Ausgang verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 504 speist das Signal 410, das an den PROFET zurückgeführt werden kann (siehe 4).
5 identifiziert auch die Komponenten der Hardware 404, d. h. die Versatz- und Skalierungskomponente 405, die Quadratkomponente 406, die Integral- und Tiefpasskomponente 407 und den Schmitt-Trigger 408. Der Operationsverstärker 505 gleicht zusammen mit dem Widerstand R6 und dem MOSFET Q1 den internen Schwellenwert des MOSFET Q2 aus, sodass eine Quadrierung des Signals an dem Ausgang des Operationsverstärkers 502 von dem MOSFET Q2 ohne negative Auswirkungen auf seinen internen Schwellenwert erzielt werden kann. Eine solche Quadrierung kann auf den Grenzen des MOSFET Q2 zwischen einem linearen (ohmschen) und einem (aktiven) Sättigungsmodus basieren.
Die Hardware 404 kann zum Implementieren einer Sicherung, z.B. einer ATO-Verwendung, genauer einer Sicherungseigenschaft verwendet werden. Die Eigenschaft kann an bestimmte Anwendungsszenarien angepasst werden. Die Hardware 404 kann auch Temperaturausgleichsmittel bereitstellen. In einem bestimmten Beispiel kann ein Typ Hardware 404 für verschiedene ATO-Sicherungsprofile, z.B. 15A, 20A, 25A verwendet werden. Die Hardware kann durch Skalierung (z.B. durch einen Widerstand), durch einen Versatz (z.B. eine externe Spannung oder eine von einem Spannungsteiler erhaltene Spannung) und/oder eine Schwellenspannung für den Schmitt-Trigger konfiguriert sein.
Wie oben erwähnt, kann die elektronische Sicherung eine Softwareinstanz umfassen. Es gibt verschiedene Arten und Weisen zur Modellierung einer Sicherungseigenschaft durch Software. Ein Beispiel ist die Anwendung eines thermischen Modells. 6 zeigt eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines thermischen Modells eines Drahtes oder einer Sicherung. Eine Source 601 liefert die folgende Leistung: P_el = I²·R, wobei I den Strom bezeichnet und R den Innenwiderstand der Source 601 bezeichnet. Basierend auf dem Innenwiderstand R wird von dieser Source 601 Wärme erzeugt.
Eine Sicherung kann eine Wärmekapazität C_th aufweisen. Man geht davon aus, dass eine Leistungsabgabe in die Umgebung mit einer Umgebungstemperatur T_amb durch einen Widerstand R_th begrenzt wird. Somit ist die Veränderung einer thermischen Ladung dQ/dt zu der Wärmekapazität C_th auf die Source 601 und die Umgebungstemperatur T_amb zurückzuführen.
Eine iterative Funktion für die thermische Ladung Q_t zu einem Zeitpunkt t kann wie folgt bestimmt werden:
wobei t – 1 eine vorherige Iteration anzeigt und Δt eine Abtastrate (die z.B. 1 ms entspricht) ist. Die Temperaturdifferenz zwischen Draht und Umgebung zu einem Zeitpunkt t kann wie folgt definiert werden
Die (thermische) Ladung Q_t gibt eine Energie an, die als ein Zeitpunkt t gespeichert wird. Ein Beispiel eines thermischen Modells ist in der US 2010/0254059 A1 zu finden, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
9 zeigt ein Schaubild eines Stroms 903 (in Ampere), der zu einer Temperaturveränderung des Kabels oder der Sicherung führt, die durch ein Schaubild 902 angegeben ist. Ferner gibt ein Schwellenwert 901 eine maximal zulässige Temperatur an.
Ein numerischer Ansatz wird angewendet, um die gespeicherte Energie zu jedem Zeitpunkt t zu bestimmen. Falls sie einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht und/oder überschreitet, kann die Software bestimmen, dass die elektronische Sicherung aktiviert werden soll, und somit eine weitere Temperaturerhöhung vermeiden.
7 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Software, die zur Modellierung einer Sicherungsfunktion ausgeführt wird. In einem Schritt 701 stellt ein Analog-Digital-Wandler einen digitalen Wert für ein analoges Eingabesignal für jedes Abtastintervall bereit. Ein Schritt 702 führt die Bildung eines Mittelwertes von Eingabeproben aus und ein Schritt 703 skaliert und wendet einen Versatz an, um eine Transformation in einen gegenwärtigen Wert bereitzustellen. Eine Softwaresicherungsfunktion 704 bestimmt, ob der bereitgestellte Strom eine Abschaltbedingung erfüllt oder nicht.
Der vorgestellte Ansatz hat verschiedene Vorteile. Die Hardware kann derart konzipiert werden, dass sie in eine integrierte Schaltung passt. Sicherungsrelevante Anwendungen, insbesondere im Hinblick auf Niederspannungsszenarien, können vereinfacht werden, da kein zentralisierter Sicherungskasten mehr erforderlich ist. Aufgrunddessen und aufgrund der verbesserten und genaueren Sicherungseigenschaften können Kabel kürzer sein und einen kleineren Durchmesser aufweisen. Auf diese Weise kann an Gewicht eingespart werden, was zu einem niedrigeren Preis und einem effizienteren System, z.B. Fahrzeug führt. Dies ist für die Energieeffizienz insgesamt von Vorteil. Die Lösung kann in zukünftige oder vorhandene Halbleiterschalter integriert werden. Sie verbessert auch die Systemsicherheit, indem eine vollständige Systemintegration bereitgestellt wird.
8 zeigt eine beispielhafte Sicherungseigenschaft der zwei Instanzen Software und Hardware, die hier in Übereinstimmung mit einer Kurve 801 beispielhaft (nahezu) identisch sind. Außerdem ist eine thermische Übertemperatur-Abschalteigenschaft des Halbleiterschalters selbst in Übereinstimmung mit einer Kurve 802 dargestellt.
Die Sicherungseigenschaft gemäß Kurve 802 schützt das Kabel über der Kurve 802, wohingegen der normale Betriebsmodus unter der Kurve 801 liegt. Dies ermöglicht einen vielfältigen Schutz der Last und/oder des Kabels.
Die Last wird auf diese Weise auf redundante Weise über Software und über Hardware geschützt, die beide Teil der elektronischen Sicherung sind. Es kann mehr als eine Instanz, d. h. mehr als eine Software und/oder Hardware vorhanden sein, die eine Sicherungseigenschaft modellieren. Zum Beispiel können mehrere Hardwareinstanzen und/oder mehrere Softwareinstanzen für verschiedene Sicherungseigenschaften verwendet werden. Die jeweiligen Instanzen überwachen einander (mindestens teilweise). Insbesondere kommunizieren eine Software- und eine Hardwareinstanz wahlweise miteinander, um ein redundantes und sicheres Sicherungskonzept bereitzustellen.
Die Hardwareinstanz und/oder die Softwareinstanz können eine Selbstdiagnosefunktion bereitstellen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die elektronische Sicherung mindestens entweder eine Hardware- oder eine Softwareinstanz umfassen kann. Sie kann insbesondere mehrere Hardware- und/oder Softwareinstanzen umfassen.
Ferner kann ein beispielhafter Halbleiterschalter wahlweise Diagnosefunktionen für Übertemperatur und Überstrom umfassen. Software kann verwendet werden, um die Sicherungseigenschaft wie beschrieben zu modellieren. Außerdem kann die Software auch für Selbstdiagnoseaufgaben verwendet werden. Zum Beispiel kann eine solche Software in regelmäßigen Abständen (oder zu vordefinierten Zeiten oder basierend auf einem Auslöser) eine Selbstdiagnose des Halbleiterschalters initiieren, z.B. den Überstrom und die Übertemperatur basierend auf z.B. extern bereitgestellten Signalen überprüfen.
In einem oder mehreren Beispielen können die hierin beschriebenen Funktionen mindestens teilweise in Hardware wie spezifischen Hardwarekomponenten oder einem Prozessor implementiert werden. Allgemeiner können die Techniken in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Falls sie in Software implementiert werden, können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder übertragen und von einer hardwarebasierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien schließen computerlesbare Speichermedien ein, die einem tangiblen Medium wie Datenspeichermedien entsprechen, oder Kommunikationsmedien, einschließlich eines Mediums, das die Übertragung eines Computerprogramms von einem Ort zu einem anderen, z.B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll ermöglicht. Somit können computerlesbare Medien im Allgemeinen (1) tangiblen computerlesbaren Speichermedien, die nicht flüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium wie einem Signal oder einer Trägerwelle entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf welche von einem oder mehreren Computern oder einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium aufweisen.
Als nicht einschränkendes Beispiel können solche computerlesbaren Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder einen anderen optischen Plattenspeicher, Magnetplattenspeicher oder andere Magnetspeichervorrichtungen, Flashspeicher oder ein beliebiges anderes Medium umfassen, das zum Speichern von gewünschtem Programmcode in Form von Anweisungen oder Datenstrukturen benutzt werden kann und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann. Ferner wird jede beliebige Verbindung ordnungsgemäß als ein computerlesbares Medium, d. h. ein computerlesbares Übertragungsmedium bezeichnet. Falls beispielsweise Anweisungen von einer Website, einem Server oder einer anderen externen Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, Glasfaserkabels, Kabeln mit verdrillten Aderpaaren (Twisted-Pair-Kabeln) DSL (Digital Subscriber Line) oder drahtlosen Technologien wie Infrarot, Funk und Mikrowelle übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, Glasfaserkabel, Kabel mit verdrillten Aderpaaren (Twisted-Pair-Kabeln) DSL (Digital Subscriber Line) oder die drahtlosen Technologien wie Infrarot, Funk und Mikrowelle in der Definition von Medium eingeschlossen. Man muss jedoch verstehen, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder anderen flüchtigen Medien einschließen, sondern stattdessen an nicht flüchtige, tangible Speichermedien gerichtet sind. Wie hier verwendet, schließen die Begriffe Disk und Disc Compact Disc (CD), Laser-Disc, optische Disc, Digital Versatile Disc (DVD), Floppy-Disk und Blue-ray-Disc ein, wobei „Disks“ Daten üblicherweise magnetisch reproduzieren, während „Discs“ Daten optisch mit Lasern reproduzieren. Kombinationen der obigen Beispiele sollen im Schutzumfang der computerlesbaren Medien ebenfalls eingeschlossen.
Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren wie einer oder mehreren zentralen Verarbeitungseinheiten (CPU), digitalen Signalprozessoren (DSP), Universalmikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbaren Logikarrays (FPGA) oder einer anderen gleichwertigen integrierten oder diskreten Logikschaltung ausgeführt werden. Dementsprechend kann sich der Ausdruck „Prozessor“, wie hier verwendet, auf eine beliebige der vorstehenden Strukturen oder eine beliebige andere Struktur beziehen, die für die Implementierung der hierin beschriebenen Techniken geeignet ist. Außerdem kann die hierin beschriebene Funktion in manchen Aspekten innerhalb von zugehörigen Hardware- und/oder Softwaremodulen bereitgestellt sein, die zum Codieren und Decodieren konfiguriert sind, oder in einem kombinierten Codec integriert sein. Ferner könnten die Techniken in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen voll implementiert sein.
Die Techniken dieser Offenbarung können in vielen verschiedenen Vorrichtungen oder Geräten implementiert sein, einschließlich eines drahtlosen Handapparats, einer integrierten Schaltung (IC) oder einem Satz von IS (z.B. einem Chipsatz). Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten sind in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionelle Aspekte von Vorrichtungen hervorzuheben, die zur Ausführung der offenbarten Techniken konfiguriert sind, jedoch nicht unbedingt eine Realisierung durch unterschiedliche Hardwareeinheiten erforderlich machen. Vielmehr können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzigen Hardwareeinheit kombiniert werden oder von einer Sammlung interoperativer Hardwareeinheiten, einschließlich eines oder mehrerer Prozessoren wie oben beschrieben, in Verbindung mit einer geeigneten Software und/oder Firmware bereitgestellt werden.
Wenngleich verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, wird der Fachmann zu schätzen wissen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen, ohne von dem Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, in geeigneter Weise ersetzt werden können. Es sei erwähnt, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezifische Figur erläutert sind, mit Merkmalen anderer Figuren selbst in den Fällen kombiniert werden können, in denen dies nicht explizit erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in allen Softwareimplementierungen unter Verwendung der entsprechenden Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen erzielt werden, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik benutzen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Solche Modifikationen des erfinderischen Konzepts sollen von den beiliegenden Ansprüchen abgedeckt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0254059 A1 [0092]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO 26262 [0049]

Claims

Vorrichtung, umfassend: – ein Schaltelement, – einen integrierten Sensor, der ein Signal bereitstellt, und – eine elektronische Sicherung, die eingerichtet ist – zum Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf dem Signal und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und – zum Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Schaltelement ein elektronisches Schaltelement oder ein mechanisches Schaltelement umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektronische Sicherung ausgelegt ist, das Sicherungsereignis nicht auszulösen, falls die Sicherungsbedingung nicht erfüllt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der integrierte Sensor Teil des Schaltelements ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement und der integrierte Sensor auf einem einzigen Chip angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement ein vertikales Element ist, das Folgendes umfasst: – eine Steuerklemme, – eine erste Klemme, und – eine zweite Klemme, – wobei die erste und die zweite Klemme über ein Signal, das an die Steuerklemme angelegt wird, elektrisch gekoppelt sind, und – wobei die Steuerklemme und die erste Klemme auf einer Seite des vertikalen Elements angeordnet sind und die zweite Klemme auf der gegenüberliegenden Seite des vertikalen Elements angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: – einen Transistor; – einen MOSFET; – einen IGBT; – einen JFET; – eine Diode; – ein vertikales Element; – einen geschützten FET; – ein High-Side-Schaltelement; – ein Low-Side-Schaltelement; oder – ein elektrisches Relais.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Signal, das von dem integrierten Sensor bereitgestellt wird, ein Leistungssignal oder ein leistungsbasiertes Signal ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektronische Sicherung mindestens eine Instanz umfasst, wobei jede Instanz: – eine Sicherungsbedingung basierend auf dem Signal und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft bestimmt; – das Sicherungsereignis auslöst, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Instanz eine Hardwareinstanz oder eine Softwareinstanz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Softwareinstanz ein thermisches Modell benutzt und eine thermische Belastung iterativ bestimmt und mit einem vordefinierten Schwellenwert vergleicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Instanz zur Bestimmung der Sicherungsbedingung basierend auf einer Sicherungseigenschaft ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Sicherungseigenschaft mindestens teilweise simuliert oder von oder innerhalb der mindestens einen Instanz modelliert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der mindestens zwei Instanzen einander überwachen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der das Schaltelement abgeschaltet wird, falls mindestens eine Instanz das Sicherungsereignis ausgelöst hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Sicherungsbedingung bestimmt wird, falls das Signal einen Schwellenwert erreicht oder überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sicherungsereignis an das Schaltelement übermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sicherungsereignis an eine Verarbeitungslogik übermittelt wird, die das Schaltelement steuert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Signal von einem Sensor bereitgestellt wird, der sich außerhalb des Schaltelements befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement eine thermische Übertemperatur-Abschaltfunktion umfasst.
Verfahren zum Steuern eines Schaltelements, umfassend: – Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf einem Signal, das von einem integrierten Schalter des Schaltelements bereitgestellt wird, und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und – Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.
Computerlesbares Medium, umfassend Anweisungen, die, wenn sie von einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, die digitale Verarbeitungsvorrichtung zu Folgendem veranlassen: – Bestimmen einer Sicherungsbedingung basierend auf einem Signal, das von einem integrierten Sensor des Schaltelements bereitgestellt wird, und basierend auf mindestens einer Sicherungseigenschaft, und – Auslösen eines Sicherungsereignisses, falls die Sicherungsbedingung erfüllt ist.