DE102016120944A1

DE102016120944A1 - Verbesserter Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE102016120944A1
Application number: DE102016120944.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Illing; Veli Kartal; Fang LU-RUHBACH
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2017-05-04
Also published as: US10256814B2; US20170126227A1; CN107037854A; CN107037854B

Abstract

Eine erste Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung, welche Folgendes umfasst: einen ersten Halbleiterschalter, einen integrierten Sensor zum Bestimmen eines Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt, und einen Anschluss, dem ein Signal bereitgestellt wird, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt. Auch werden ein System, das eine solche Vorrichtung umfasst, und ein Betriebsverfahren vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen verbesserten Halbleiterschalter und insbesondere einen Halbleiterschalter mit einer erweiterten Funktionalität.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, einen Halbleiterschalter zu verbessern sowie entsprechende Schaltungen vorzuschlagen.
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.
Es wird ein Vorrichtung vorgeschlagen umfassend:

– einen ersten Halbleiterschalter,
– einen integrierten Sensor zum Bestimmen eines Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt und
– einen Anschluss, dem ein Signal bereitgestellt wird, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt.

Es sei angemerkt, dass bei der Bestimmung eines Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt, ein Stromsignal bestimmt werden kann, das dem Strom entspricht, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt. Insbesondere kann ein Wert bestimmt werden, der (im Wesentlichen) proportional zum Strom ist, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt. Beispielsweise kann der durch den ersten Halbleiterschalter fließende Strom durch einen Messhalbleiterschalter bestimmt werden, der im Wesentlichen parallel zum ersten Halbleiterschalter angeordnet sein kann. Insbesondere kann ein Stromspiegel verwendet werden, der den ersten Halbleiterschalter und den Messhalbleiterschalter kombiniert.
Der erste Halbleiterschalter kann wenigstens einen Transistor umfassen. Er kann insbesondere einen Feldeffekttransistor (FET) oder einen Leistungs-FET umfassen. Der erste Halbleiterschalter kann in einen Strompfad zu einem Last, z.B. einem Lastkabel, geschaltet sein.
Der Anschluss kann mit einer Verarbeitungsvorrichtung verbunden sein, beispielsweise einem Prozessor, einer Mikrosteuereinrichtung usw., um der Verarbeitungsvorrichtung das Signal zuzuführen. Das Signal kann verwendet werden, um die Verarbeitung aus einem Leerlaufzustand aufzuwecken. Dies kann durch Verbinden des Anschlusses mit einem Unterbrechungsanschluss (IRQ-Anschluss) der Verarbeitungsvorrichtung erreicht werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Signal an dem Anschluss in einem Leerlaufmodus der Vorrichtung bereitgestellt wird.
Daher kann die Vorrichtung, beispielsweise ein Schalter, in der Lage sein, einen Leistungsmodus zu bestimmen und ihren Stromverbrauch entsprechend festzulegen. In einem ersten Leistungsmodus (Leerlaufmodus) kann der Strom in der Größenordnung von 30 µA bis 50 µA liegen, wobei der in einem zweiten Leistungsmodus (Normalmodus) von der Vorrichtung verbrauchte Strom in der Größenordnung von Milliampere liegt.
Es ist eine Weiterbildung, dass die vorgegebene Bedingung darin besteht, dass der Strom einen ersten Schwellenstrom erreicht oder überschreitet.
Es ist eine Weiterbildung, dass die vorgegebene Bedingung darin besteht, dass der Strom einen ersten Schwellenstrom erreicht oder unterhalb dieses Schwellenstroms bleibt.
Der erste Schwellenstrom kann ein Nennstrom sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass der integrierte Sensor einen zweiten Halbleiterschalter umfasst.
Der zweite Halbleiterschalter kann wenigstens einen Transistor, insbesondere wenigstens einen FET, umfassen. Der zweite Halbleiterschalter kann auch als Messhalbleiterschalter bezeichnet werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass der zweite Halbleiterschalter eingerichtet ist, einen Teil des Stroms bereitzustellen, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt.
Der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter können als ein Stromspiegel eingerichtet sein. Gemäß einer Ausführungsform können der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter über ihre Gate-Elektroden und die Drain-Elektroden miteinander verbunden sein. Die Source-Elektrode des ersten Halbleiterschalters ist mit einem Anschluss der Vorrichtung verbunden, der mit dem Strompfad zur Last verbunden ist, und der zweite Halbleiterschalter kann quer zu einem Widerstand mit diesem Anschluss verbunden sein. Auch können der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter auf einem Einzelchip angeordnet sein, und sie können sich insbesondere dieselbe aktive Fläche teilen, wobei der erste Halbleiterschalter eine erheblich größere aktive Fläche hat als der zweite Halbleiterschalter. Das Verhältnis zwischen den aktiven Flächen des ersten und des zweiten Halbleiterschalters kann die durch sie fließenden Ströme bestimmen. Beispielsweise ist in einem Fall, in dem der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter MOSFET sind und der erste Halbleiterschalter eine aktive Fläche hat, die um einen Faktor k größer ist als die aktive Fläche des zweiten Halbleiterschalters, der durch den zweiten Halbleiterschalter fließende Drain-Source-Strom 1/k des durch den ersten Halbleiterschalter fließenden Drain-Source-Stroms.
Der Widerstand kann als Messwiderstand verwendet werden: Ein Spannungsabfall über diesen Widerstand kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Signal dem Anschluss bereitgestellt wird, wodurch angegeben wird, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist (oder nicht).
Es ist eine Weiterbildung, dass der zweite Halbleiterschalter und der erste Halbleiterschalter als ein Stromspiegel ausgestaltet sind, wobei der erste Halbleiterschalter eine größere aktive Fläche hat als der zweite Halbleiterschalter.
Die aktive Fläche des ersten Halbleiterschalters kann wenigstens 5 Mal größer sein als die aktive Fläche des zweiten Halbleiterschalters.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorrichtung ein integriertes Schaltelement ist. Dieses integrierte Schaltelement kann auch als ein geschützter Transistor, ein geschützter FET oder PROFET bezeichnet werden. Das Schaltelement wird auch als Schalter oder intelligenter Schalter bezeichnet, wodurch angegeben wird, dass ein Leistungstransistor und eine zusätzliche Funktionalität, insbesondere Überwachungsfunktionalität, vorhanden sind.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorrichtung einen Aktivierungsanschluss umfasst, anhand dessen der erste Halbleiterschalter ein- oder ausgeschaltet werden kann.
Ein solcher Aktivierungsanschluss kann verwendet werden, um den ersten Halbleiterschalter zu aktivieren oder zu deaktivieren. Ein Treiber kann mit der Vorrichtung bereitgestellt werden, welcher durch das an den Aktivierungsanschluss angelegte Signal ausgelöst wird. Der Aktivierungsanschluss kann mit einer Verarbeitungsvorrichtung, beispielsweise einem Prozessor, einer Mikrosteuereinrichtung usw., verbunden werden, um den ersten Halbleiterschalter der Vorrichtung anzusteuern.
Es sei bemerkt, dass der (erste und/oder zweite) Halbleiterschalter wenigstens eines der folgenden umfassen kann:

– einen Transistor,
– einen MOSFET,
– einen IGBT,
– einen JFET,
– eine Diode,
– ein vertikales Element,
– einen geschützten FET,
– ein hochseitiges Schaltelement,
– ein niederseitiges Schaltelement,
– ein elektrisches Relais.

Der (erste und/oder zweite) Halbleiterschalter kann ein vertikales Element sein, welches Folgendes umfasst:

– einen Steueranschluss,
– einen ersten Anschluss,
– einen zweiten Anschluss,
– wobei der erste und der zweite Anschluss über ein an den Steueranschluss angelegtes Signal elektrisch gekoppelt werden und
– wobei der Steueranschluss und der erste Anschluss auf einer Seite des vertikalen Elements angeordnet sind und der zweite Anschluss auf der entgegengesetzten Seite des vertikalen Elements angeordnet ist.

Die entgegengesetzte Seite des vertikalen Elements kann auch mit einer Last verbunden werden. Der zweite Anschluss kann ein Kollektor eines elektronischen Schalters sein, insbesondere ein Transistor oder ein IGBT. Der erste Anschluss kann ein Emitter sein, und der Steueranschluss kann einer Gate-Elektrode eines IGBTs oder einer Basis eines Bipolartransistors entsprechen. Im Fall eines MOSFETs kann die Source-Elektrode dem ersten Anschluss entsprechen und kann die Drain-Elektrode dem zweiten Anschluss entsprechen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorrichtung eine Schaltungsanordnung umfasst, die eingerichtet ist, Folgendes auszuführen:

– Bestimmen, ob der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt und
– Bereitstellen des Signals an dem Anschluss, falls der Strom die vorgegebene Bedingung erfüllt.

Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltungsanordnung eingerichtet ist, den ersten Halbleiterschalter zu steuern, falls eine innere Bedingung erfüllt ist.
Die Vorrichtung selbst kann über die Schaltungsanordnung beispielsweise den ersten Halbleiterschalter in einem Fall ausschalten, in dem eine Bedingung einer hohen Temperatur oder eines hohen Stroms erkannt wird. Auch kann die Schaltungsanordnung den ersten Halbleiterschalter in einem Fall (re)aktivieren, in dem die Temperatur einen vorgegebenen Wert erreicht oder unter diesen abfällt.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorrichtung in einer Automobilumgebung verwendet wird.
Auch ist ein System vorgesehen, welches die hier beschriebene Vorrichtung und eine Verarbeitungseinheit umfasst, wobei der Anschluss der Vorrichtung mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist und das Signal von der Verarbeitungseinheit zugeführt wird, um die Verarbeitungseinheit aus einem Leerlaufmodus aufzuwecken.
Die Verarbeitungseinheit kann ein Prozessor oder eine Mikrosteuereinrichtung oder dergleichen sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Verarbeitungseinheit eine Sicherungskennlinie durch Steuern des ersten Halbleiterschalters der Vorrichtung auf der Grundlage des durch die Vorrichtung bereitgestellten Stroms ermöglicht.
Ferner ist ein Verfahren vorgesehen, das Folgendes umfasst:

– Bestimmen eines Stroms, der durch eine erste Halbleitervorrichtung fließt, mittels eines Sensor, wobei der Sensor und die Halbleitervorrichtung Teil einer gemeinsamen Vorrichtung sind,
– Bereitstellen eines Signals für eine Verarbeitungseinheit, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt und
– Aufwecken der Verarbeitungseinheit basierend auf dem Signal.

Auch wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die Folgendes umfasst:

– Mittel zum Bestimmen eines Stroms, der durch eine erste Halbleitervorrichtung fließt, durch einen Sensor, wobei der Sensor und die Halbleitervorrichtung Teil einer einzigen Vorrichtung sind,
– Mittel zum Bereitstellen eines Signals für eine Verarbeitungseinheit, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt,
– Mittel zum Aufwecken der Verarbeitungseinheit auf der Grundlage des Signals.

Ausführungsformen werden mit Bezug auf die Zeichnung dargestellt und erläutert. Die Zeichnung dient dazu, das Grundprinzip zu erläutern, so dass nur für das Verständnis des Grundprinzips erforderliche Aspekte dargestellt sind. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgerecht. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale. Es zeigen:
1 ein als Beispiel dienendes Verwendungsfallszenario mit einer zwischen Masse und Energieverteilungseinheit geschalteten Batterie, welche mehrere Sicherungen umfasst, wobei jede der Sicherungen mit wenigstens einer elektronischen Steuereinheit verbunden ist;
2 eine als Beispiel dienende Schaltungsanordnung, die eine Mikrosteuereinrichtung und einen verbesserten Schalter umfasst, welche Signale austauschen;
3 ein als Beispiel dienendes Diagramm, das eine Kennlinie einer Sicherung, eine Kurve eines Nenngleichstroms, eine Kurve eines Stroms IAuslösemin und eine Kurve eines Stroms I Auslösemax umfasst;
4 ein als Beispiel dienendes Schaltungsdiagramm eines Schalters, der aktiv seinen Drain-Source-Strom misst und eine Mikrosteuereinrichtung aufweckt, falls der Drain-Source-Strom eine vordefinierte Bedingung erfüllt;
5 ein als Beispiel dienendes Schaltungsdiagramm des Vergleichers aus 4 in weiteren Einzelheiten;
6 ein Flussdiagramm einer Operation zwischen der Mikrosteuereinrichtung und dem Schalter.
Ein so genannter PROFET ist als ein geschützter Transistor (insbesondere Feldeffekttransistor, FET) bekannt, d.h. ein Transistor mit einer zusätzlichen Funktionalität, beispielsweise einem Schutz seiner selbst und/oder einer Schaltungsanordnung, worin der Transistor eingebettet ist oder mit der er verbunden ist. Der PROFET kann ein hochseitiger Schalter sein, der zwischen der Versorgung und der Last angeordnet ist, um eine Anwendung zu steuern. Der hochseitige Schalter umfasst einen breiten Bereich von Merkmalen, beispielsweise Schutz- und Diagnosefunktionen. Der PROFET kann alle Arten resistiver, kapazitiver und induktiver Lasten adressieren. Er kann in einer großen Vielzahl von Automobil-, kommerzieller, landwirtschaftlicher und industrieller Anwendungen eingesetzt werden.
1 zeigt ein als Beispiel dienendes Verwendungsfallszenario mit einer Batterie 101, die zwischen Masse und eine Energieverteilungseinheit 102 geschaltet ist. Die Energieverteilungseinheit 102 stellt mehrere Anschlüsse KL30 106 bis 109 bereit (auch als Verbindung zum positiven Pol der Batterie 101 bekannt). Bei diesem Beispiel aus 1 verbindet die Verteilungseinheit 102 den positiven Pol der Batterie 101

– über eine Sicherung 103 mit dem Anschluss 106,
– über eine Sicherung 104 mit dem Anschluss 107 und
– über eine Sicherung 105 mit den Anschlüssen 108 und 109.

Jeder der Anschlüsse 106 bis 109 ist über eine elektronische Steuereinheit (ECU) 110 bis 113 in Reihe mit einer Last an Masse gelegt. An Stelle des Anschlusses KL30 kann ein Anschluss KL15 verwendet werden, der einer Verbindung in der Batterie über einen Zündschlüsselschalter entspricht.
Jede der Sicherungen 103 bis 105 kann durch einen hochseitigen Schalter mit einer zusätzlichen Funktionalität ersetzt werden. Für viele Anwendungen kann ein Modus mit geringem Stromverbrauch (auch als Leerlaufmodus bezeichnet) vorteilhaft sein.
2 zeigt eine als Beispiel dienende Schaltungsanordnung. Auf der Grundlage einer Eingangsspannung Vein stellt ein Spannungsregler 203 eine geregelte Niederspannung Vs für eine Mikrosteuereinrichtung 201 bereit. Die Mikrosteuereinrichtung 201 steuert einen Schalter 202, der ein intelligenter hochseitiger Leistungsschalter sein kann. Die Mikrosteuereinrichtung 201 und der Schalter 202 können gemeinsam ein Schutzverhalten einer Sicherung für eine Last 212 (beispielsweise ein Kabel) bereitstellen. Der Schalter 202 kann wenigstens einen Leistungs-MOSFET 204 umfassen, der in der Lage ist, der Last 212 über seinen Drain-Source-Weg einen Strom zuzuführen. Der Schalter 202 kann ein geschützter FET (PROFET) mit zusätzlichen Funktionalitäten sein.
Es kann drei Hauptzustände geben, die für das Bereitstellen einer Sicherungsfunktionalität erwogen werden können:

(1) Schutz der Last 212 durch die Mikrosteuereinrichtung 201: Falls der Drain-Source-Strom Ids durch den Schalter 202 niedriger als ein Nenn-Gleichstrom Idc ist (Ids < Idc), ist der Stromverbrauch des Systems ein wichtiger Parameter. Ein mögliches Szenario kann das folgende sein: Die Mikrosteuereinrichtung 201 und der Schalter 202 befinden sich in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch (LCCM), was zu einem niedrigen Versorgungsstrom in der Größenordnung von 100 µA führt. Alle paar Millisekunden kann die Mikrosteuereinrichtung 201 den LCCM verlassen, um den Strom zu prüfen. Dies kann von der Mikrosteuereinrichtung 201 durch Prüfen ihres Anschlusses 206 geschehen, der über einen Widerstand 207 mit einem Anschluss 205 des Schalters 202 verbunden ist. Auch kann der Anschluss 205 über einen Widerstand 208 an Masse gelegt sein. Der Anschluss 206 kann mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) verbunden sein, der das Digitalisieren des vom Anschluss 205 des Schalters 202 bereitgestellten Stromwerts ermöglicht. Der Schalter 202 kann permanent den Source-Drain-Strom messen und einen diesem Strom zugeordneten Wert am Anschluss 205 zuführen. Das Problem besteht jedoch darin, dass die Mikrosteuereinrichtung 201 beim Verarbeiten dieses Werts an ihrem Anschluss 206 den LCCM verlassen muss, was zu einem vorübergehenden Strom I Versorgung ~10 mA führt, der erheblich höher ist als der Strom, den das System benötigt, wenn sich die Mikrosteuereinrichtung 201 im LCCM befindet (I Versorgung ~100 mA). Nach der Messung kann die Mikrosteuereinrichtung 201 wieder in den LCCM eintreten.
(2) Schutz der Last 212 durch die Mikrosteuereinrichtung 201 und den Schalter 202: Falls der zur Last 212 fließende Strom oberhalb des Nenn-Gleichstroms Idc und unterhalb eines Stroms I Auslösemin des Schalters liegt, erfolgt der Schutz der Last entweder durch die Strommessung der Mikrosteuereinrichtung 201 über den Anschluss 205 des Schalters 202 (in diesem Fall kann die Mikrosteuereinrichtung 201 I²t schätzen), oder dies geschieht durch den Schalter 202 selbst, beispielsweise durch thermisches Abschalten.
(3) Schutz der Last 212 durch den Schalter 202: Sollte der zur Last fließende Strom zwischen dem Strom I Auslösemin und einem Strom I Auslösemax liegen, wird ein Schutz der Last 212 durch den Schalter 202 bereitgestellt.

Es sei bemerkt, dass der Anschluss auch als Anschlussstift bezeichnet werden kann.
3 zeigt ein als Beispiel dienendes Diagramm, das eine Kennlinie 301 einer (20A)-Sicherung, den Nenn-Gleichstrom Idc 302, den Strom I Auslösemin 303 und den Strom I Auslösemax 304 umfasst. Ein Bereich 305 entspricht dem vorstehend beschriebenen Zustand (1), ein Bereich 306 entspricht dem vorstehend beschriebenen Zustand (2), und ein Bereich 307 entspricht dem vorstehend beschriebenen Zustand (3).
Wie angegeben, kann es nachteilig sein, dass das System infolge des hohen Stroms im Zustand (1), wenn die Mikrosteuereinrichtung vorübergehend ihren Leerlaufmodus verlassen hat, um festzustellen, ob eine Aktion (in der Art des Deaktivierens des Leistungsschalters) erforderlich sein kann, eine erhebliche Leistungsmenge verbraucht. Ein solches Aufwecken kann alle paar Millisekunden geschehen und daher zum Gesamtleistungsverbrauch des Systems beitragen.
Gemäß einem Beispiel ist ein Strommessvergleicher bereitgestellt, der den Strom Ids während des LEERLAUF-Modus misst. Falls dieser Strom Ids oberhalb des Nennstrompegels Idc liegt, kann der Mikrosteuereinrichtung ein Signal zum Aufwecken der Mikrosteuereinrichtung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Mikrosteuereinrichtung durch ein Unterbrechungssignal aufgeweckt werden. Daher tritt die Mikrosteuereinrichtung in den LCCM ein (und bleibt im LCCM), bis sie durch den Schalter aufgeweckt wird.
Dies ist in 2 durch einen LEERLAUF-Anschluss 209 des Schalters 202 dargestellt, der über einen Widerstand 211 mit einem IRQ-Anschluss 210 der Mikrosteuereinrichtung 201 verbunden ist. Der Schalter 202 bestimmt, ob der LEERLAUF-Modus vorüber ist (durch Erkennen, wenn eine Erhöhung des Drain-Source-Stroms Ids den Schwellenwert des Nennstroms Idc erreicht oder überschreitet), und weckt die Mikrosteuereinrichtung 201 durch ein Signal auf, das von ihrem Anschluss 209 dem IRQ-Anschluss 210 der Mikrosteuereinrichtung 201 zugeführt wird.
Dieser Ansatz weist den Vorteil auf, dass der Stromverbrauch des Systems, das die Mikrosteuereinrichtung 201 und den Schalter 202 aufweist, weiter verringert werden kann, weil häufige Messungen der Mikrosteuereinrichtung 201, die erfordern, dass die Mikrosteuereinrichtung (unnötig) ihren LCCM verlässt, vermieden werden können. Zusätzlich ist das System von sich aus in der Lage, zu entscheiden, wann in den LCCM einzutreten ist. Dies kann ein besonderer Vorteil für Anwendungen in der Art von Karosseriesteuermodulen sein.
4 zeigt ein als Beispiel dienendes Schaltungsdiagramm eines Schalters 401, der aktiv seinen Drain-Source-Strom misst und eine Mikrosteuereinrichtung 402 aufweckt, wenn der Drain-Source-Strom eine vordefinierte Bedingung erfüllt. Die vordefinierte Bedingung kann wenigstens eine der folgenden sein:

– der Drain-Source-Strom erreicht oder überschreitet einen ersten Schwellenstrom (beispielsweise einen Nennstrom),
– der Drain-Source-Strom erreicht oder fällt unter einen zweiten Schwellenstrom (beispielsweise einen Nennstrom).

Der Drain-Source-Strom kann insbesondere in einem Leerlaufmodus der Schaltungsanordnung gemessen werden. Der Schalter 401 kann die Mikrosteuereinrichtung 402 beispielsweise über einen Unterbrechungssignalanschluss 413 der Mikrosteuereinrichtung 402 auslösen, damit sie aufwacht, falls die vordefinierte Bedingung erfüllt ist. Für diesen Zweck kann der Schalter einen Anschluss 403 umfassen, der über einen Widerstand R2 mit dem Unterbrechungssignalanschluss 413 der Mikrosteuereinrichtung 402 verbunden ist.
Der Schalter 401 umfasst ferner einen Leistungs-n-Kanal-MOSFET 408, dessen Drain-Elektrode mit einem Anschluss 410 des Schalters 401 verbunden ist. Die Source-Elektrode des MOSFETs 408 ist mit einem Anschluss 411 verbunden. Parallel zum MOSFET 408 ist ein Mess-n-Kanal-MOSFET 409 bereitgestellt: Seine Drain-Elektrode ist mit dem Anschluss 410 verbunden, und seine Source-Elektrode ist über einen Widerstand R3 mit dem Anschluss 411 verbunden. Der MOSFET 409 kann ein Niederleistungs-MOSFET sein, dessen aktive Fläche kleiner ist als die aktive Fläche des Leistungs-MOSFETs 408. Daher wird der über den Drain-Source-Pfad des Leistungs-MOSFETs 408 fließende Strom in den Drain-Source-Pfad des MOSFETs 409 um das Verhältnis ihrer aktiven Flächen reduziert gespiegelt. Falls die aktive Fläche des MOSFETs 409 beispielsweise 1/200 der aktiven Fläche des MOSFETs 408 ist, führt ein über den Drain-Source-Pfad des MOSFETs 408 fließender Strom von 2 A zu einem Strom von 2 A/200 = 10 mA, der durch den Drain-Source-Pfad des MOSFETs 409 fließt. Der Widerstand R3 wirkt als Nebenschluss-(oder Mess-)-Widerstand, der den Strom in eine Spannung umwandelt, die über diesen Widerstand R3 abfällt. Diese Spannung wird in einen Vergleicher 407 eingegeben. Der Ausgang des Vergleichers ist mit einer Logikschaltung 405 verbunden.
Daher stellt der Vergleicher 407 der Logikschaltung 405 ein Ausgangssignal bereit, das von der Spannung am Widerstand R3 abhängt (d.h. vom durch diesen Widerstand R3 fließenden Strom), wobei die Logikschaltung 405 dann feststellt, ob die Mikrosteuereinrichtung 402 durch Senden eines Aufwecksignals über den Anschluss 403 zum Unterbrechungsanschluss 413 der Mikrosteuereinrichtung 402 aufzuwecken ist.
Die Logikschaltung 405 ist ferner mit einem Treiber 406 des Schalters 401 verbunden. Der Ausgang des Treibers 406 ist mit den Gate-Elektroden der MOSFET 408 und 409 verbunden. Daher kann die Logikschaltung 405 die Gate-Elektroden der MOSFET 408 und 409 aktivieren oder deaktivieren. Auch ist ein Anschluss 404 des Schalters 401 über einen Widerstand R1 mit einem Anschluss 412 der Mikrosteuereinrichtung 402 verbunden. Der Anschluss 404 ist auch mit dem Treiber 406 verbunden, um die Gate-Elektroden der MOSFET 408 und 409 entweder zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dies ermöglicht es, dass die Mikrosteuereinrichtung 402 die MOSFET 408 und 409 aktiviert oder deaktiviert.
Eine Last kann zwischen den Anschluss 411 und die Masse geschaltet werden. Der Anschluss 410 kann mit einer Versorgungsspannung, beispielsweise einer Batterie, verbunden werden oder verbindbar sein.
Ein Anschluss 414 des Schalters 401 kann über einen Widerstand R4 an Masse gelegt werden. Der Schalter 401 kann aktiv zwischen verschiedenen Leistungsmodi geschaltet werden, wobei der Schalter 401 in einem ersten Leistungsmodus einen normalen Strom verbraucht, der beispielsweise 3 mA beträgt, und in einem zweiten Leistungsmodus (auch als Leerlaufmodus bezeichnet) einen Leerlaufstrombetrag von beispielsweise 50 µA verbraucht. Abhängig vom durch den Widerstand R3 gemessenen Strom kann der Schalter 401 in den ersten Leistungsmodus oder in den zweiten Leistungsmodus eintreten.
5 zeigt ein als Beispiel dienendes Schaltungsdiagramm des Vergleichers 407 in weiteren Einzelheiten. Wie mit Bezug auf 4 erklärt, wirkt der Widerstand R3 als Messwiderstand, seine Verbindung mit der Source-Elektrode des MOSFETs 409 wird als Knoten 502 bezeichnet, und seine Verbindung mit dem Anschluss 411 wird als Knoten 503 bezeichnet.
Der Knoten 502 ist mit der Source-Elektrode eines p-Kanal-MOSFETs 504 verbunden, und die Drain-Elektrode des MOSFETs 504 ist über einen Widerstand Rref mit einem Knoten 509 verbunden. Der Knoten 509 ist mit dem ersten Eingang eines Vergleichers 508 verbunden, und der Knoten 509 ist über eine Stromquelle 507 an Masse gelegt.
Der Knoten 503 ist mit der Source-Elektrode eines p-Kanal-MOSFETs 505 verbunden, und die Drain-Elektrode des MOSFETs 505 ist mit einem Knoten 510 verbunden. Der Knoten 510 ist mit dem zweiten Eingang des Vergleichers 508 verbunden, und der Knoten 510 ist über eine Stromquelle 506 an Masse gelegt.
Die Gate-Elektrode des MOSFETs 505 und die Gate-Elektrode des MOSFETs 504 sind an Masse gelegt.
Der Ausgang des Vergleichers 508 ist mit dem Anschluss 501 verbunden.
Ein Teil des durch den Leistungs-MOSFET 408 fließenden Stroms wird durch den Mess-MOSFET 409 repliziert. Der gemessene Strom wird durch den Messwiderstand R3 in eine Spannung überführt. Eine Referenzspannung wird durch den Referenzwiderstand Rref und die Stromquelle 507 erzeugt. Der Vergleicher 508 schaltet, sobald die Spannung am Widerstand R3 größer ist als die Spannung am Widerstand Rref. Der Widerstand R3 und der Widerstand Rref können vom gleichen Widerstandstyp sein, um jegliche Wirkungen infolge einer veränderlichen Temperatur zu kompensieren oder zu verringern.
6 zeigt ein Flussdiagramm einer Operation zwischen der Mikrosteuereinrichtung und dem Schalter. In Schritt 601 startet die Mikrosteuereinrichtung die Operation. In Schritt 602 schaltet die Mikrosteuereinrichtung den Schalter ein. Dies spiegelt sich in Schritt 603 wider, worin die Schaltereingabeoperation dargestellt ist.
In Schritt 604 leitet die Mikrosteuereinrichtung die Bestimmung des Drain-Source-Stroms durch Auslösen eines Messschritts 605 am Schalter ein. Die Mikrosteuereinrichtung bestimmt den Drain-Source-Strom in Schritt 606 auf der Grundlage der in Schritt 605 vom Schalter bereitgestellten Informationen.
In Schritt 607 prüft die Mikrosteuereinrichtung, ob der Drain-Source-Strom unterhalb einer Schwelle (beispielsweise 20 A) liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird eine Sicherungsfunktionalität in Schritt 608 durch die Mikrosteuereinrichtung berechnet, und es wird zu Schritt 606 verzweigt. Falls der Drain-Source-Strom unter der Schwelle liegt, verlässt die Mikrosteuereinrichtung in Schritt 609 den Modus, wo sie den Drain-Source-Strom bestimmt, sie gibt dem Schalter an, dass sie kurz davor steht, in den Leerlaufmodus einzutreten, und sie tritt in Schritt 611 in den Leerlaufmodus ein. In Schritt 610 wird sich der Schalter der Tatsache bewusst, dass die Mikrosteuereinrichtung kurz davor steht, in den Leerlaufmodus einzutreten, und prüft anschließend in Schritt 612, ob der Drain-Source-Strom unter der Schwelle liegt. Bei einer Bestätigung verzweigt Schritt 612 zu Schritt 610, und der Schalter bleibt im Leerlaufmodus. Falls der Drain-Source-Strom nicht unter der Schwelle liegt, wird durch den Schalter in Schritt 614 eingetreten, wodurch eine Unterbrechung an der Mikrosteuereinrichtung eingeleitet wird. Auch kann der Schalter in Schritt 614 eine verringerte Leistungsmenge verbrauchen (den vorstehend beschriebenen Leerlaufstrom). Daher ist der Schalter an sich in der Lage, den Leistungsmodus zu bestimmen und einen Leerlaufstrom (in der Größenordnung von beispielsweise 50 µA) oder einen normalen Strom (in der Größenordnung von beispielsweise 3 mA) zu verbrauchen.
Die Mikrosteuereinrichtung ist in Schritt 611 in den Leerlaufzustand eingetreten. In Schritt 613 prüft die Mikrosteuereinrichtung, ob ein Unterbrechungssignal vorhanden ist. Falls dies nicht der Fall ist, verzweigt Schritt 613 zu Schritt 611, und die Mikrosteuereinrichtung bleibt im Leerlaufmodus. Falls das Unterbrechungssignal erkannt wird, wird Schritt 613 verlassen und wird in Schritt 604 eingetreten.
Wenngleich verschiedene als Beispiel dienende Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, wird es Durchschnittsfachleuten verständlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erreichen, ohne vom Gedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird Durchschnittsfachleuten offensichtlich sein, dass andere Komponenten, welche die gleichen Funktionen ausführen, geeignet austauschend verwendet werden können. Es sei erwähnt, dass mit Bezug auf eine spezifische Figur erklärte Merkmale mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst bei jenen, wo dies nicht explizit erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in ganz durch Software verwirklichten Implementationen unter Verwendung der geeigneten Prozessorbefehle erreicht werden oder in Hybridimplementierungen erreicht werden, bei denen eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik verwendet wird, um die gleichen Ergebnisse zu erreichen. Diese Modifikationen des Erfindungskonzepts sollen durch die anliegenden Ansprüche abgedeckt werden.

Claims

Vorrichtung, umfassend: – einen ersten Halbleiterschalter, – einen integrierten Sensor zum Bestimmen eines Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt und – einen Anschluss, dem ein Signal bereitgestellt wird, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Signal an dem Anschluss in einem Leerlaufmodus der Vorrichtung bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die vorgegebene Bedingung darin besteht, dass der Strom einen ersten Schwellenstrom erreicht oder überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die vorgegebene Bedingung darin besteht, dass der Strom einen ersten Schwellenstrom erreicht oder unter diesem bleibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der integrierte Sensor einen zweiten Halbleiterschalter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der zweite Halbleiterschalter eingerichtet ist, einen Teil des Stroms bereitzustellen, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der der zweite Halbleiterschalter und der erste Halbleiterschalter als ein Stromspiegel ausgestaltet sind, wobei der erste Halbleiterschalter eine größere aktive Fläche hat als der zweite Halbleiterschalter.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung ein integriertes Schaltelement ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Aktivierungsanschluss, anhand dessen der erste Halbleiterschalter ein- oder ausgeschaltet werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Schaltungsanordnung, die eingerichtet ist, Folgendes auszuführen: – Bestimmen, ob der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt und – Bereitstellen des Signals an dem Anschluss, falls der Strom die vorgegebene Bedingung erfüllt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Schaltungsanordnung eingerichtet ist, den ersten Halbleiterschalter zu steuern, falls eine innere Bedingung erfüllt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung in einer Automobilumgebung verwendet wird.
System umfassend eine Vorrichtung, die Folgendes aufweist: – einen ersten Halbleiterschalter; – einen integrierten Sensor zum Bestimmen eines Stroms, der durch den ersten Halbleiterschalter fließt, und – einen Anschluss, dem ein Signal bereitgestellt wird, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt und – eine Verarbeitungseinheit, wobei der Anschluss der Vorrichtung mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist und das Signal von der Verarbeitungseinheit zugeführt wird, um die Verarbeitungseinheit aus einem Leerlaufmodus aufzuwecken.
System nach Anspruch 13, bei dem die Verarbeitungseinheit eine Sicherungskennlinie durch Steuern des ersten Halbleiterschalters der Vorrichtung auf der Grundlage des durch die Vorrichtung bereitgestellten Stroms ermöglicht.
Verfahren umfassend die Schritte: – Bestimmen eines Stroms, der durch eine erste Halbleitervorrichtung fließt, mittels eines Sensor, wobei der Sensor und die Halbleitervorrichtung Teil einer gemeinsamen Vorrichtung sind, – Bereitstellen eines Signals für eine Verarbeitungseinheit, falls der Strom eine vorgegebene Bedingung erfüllt und – Aufwecken der Verarbeitungseinheit basierend auf dem Signal.