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Diese Anmeldung betrifft elektrische Schaltkreise und ein Schützen dieser elektrischen Schaltkreise.
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Hintergrund der Erfindung
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Highside(HSD)-Leistungsausgänge werden zur Bereitstellung von Energie für eine Last verwendet. Ein häufiges Problem bei Verwendung von HSD-Leistungsausgängen besteht in dem Erfordernis einer externen Schutzdiode (auch Freilaufdiode genannt) für einen Schutz gegen die Erzeugung von Hochenergie-Induktivlasten, wenn diese ausgeschaltet werden. In einigen Beispielen umfassen die Induktivlasten entweder reale Induktivlasten (zum Beispiel Wischermotoren, Waschpumpenmotoren, Spulen, Relais, um nur einige Beispiele zu nennen) oder lange Kabelbäume mit beträchtlicher Induktivität (zum Beispiel Anschlüsse für Anhänger bei kommerziellen Fahrzeugen mit einer Kabelbaumlänge von mehr als 40 m).
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Normalerweise können HSD-Ausgänge die hohe Energie nicht bewältigen, die durch induktive Lasten entweder mit hohen Strömen (zum Beispiel ein Kurzschluss an einem Anhänger-Ausgang) oder mit hoher Induktivität (zum Beispiel ein Relais mit hoher Induktivität) oder mit beidem (zum Beispiel Wischermotor in einem festgesetzten Zustand) erzeugt worden ist.
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Bei Verwendung von Schutzdioden in Kombination mit HSD-Ausgängen besteht ein Problem normalerweise in dem Schutz der Schutzdiode (Freilaufdiode) und des HSD gegenüber Verpolungszuständen (zum Beispiel können Spannungen bei kommerziellen Fahrzeugen bis zu etwa –36 Volt hinabreichen). Es gab mehrere frühere Versuche zum Schutz der Schutzdiode und des HSD, jedoch stellen keine dieser Versuche einen ausreichenden Schutz vor Situationen mit hohem Strom und hoher Induktivität bereit (beispielsweise bei einem Wischermotor in einem festgesetzten Zustand oder einem Kurzschluss an einem Anhängeranschluss mit einem 40 m langen Kabelbaum [Anhängeranschlüsse weisen normalerweise hohe Kurzschlussströme von über 200 Ampere auf]).
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Die Probleme der vorherigen Lösungsversuche führten dabei zu einer gewissen Kundenunzufriedenheit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein umfassenderes Verstehen der Offenbarung soll auf die folgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen werden, wobei:
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1 ein Schaltkreisdiagramm eines Systems umfasst, das in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen MOSFET zur Bereitstellung eines Schaltkreisschutzes verwendet;
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2 ein System mit mehrfachen Lasten umfasst, das in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen MOSFET zur Bereitstellung eines Schaltkreisschutzes verwendet.
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Der Fachmann wird bevorzugen, dass Elemente in den Figuren für Zwecke der Einfachheit und Übersichtlichkeit dargestellt sind. Es wird weiterhin bevorzugt, dass bestimmte Aktionen und/oder Schritte in einer bestimmten Reihenfolge des Auftretens beschrieben oder dargestellt sein können, wobei dem Fachmann bekannt sein wird, dass eine solche Spezifizierung hinsichtlich einer Abfolge nicht wirklich erforderlich ist. Es dürfte außerdem bekannt sein, dass die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke die gewöhnliche Bedeutung aufweisen, die solchen Begriffen und Ausdrücken hinsichtlich ihrer entsprechenden Verwendungsbereiche und Grundlagen zugeordnet ist, es sei denn, dass hierin spezifische Bedeutungen aufgeführt sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegenden Lösungsversuche stellen einen zuverlässigen Schutz für Systeme unter Verwendung von Schutzdioden bereit, während die Kosten für ein solches System so gering wie möglich gehalten werden. Die derart bereitgestellten Schaltkreise verwenden einen MOSFET, um Hochenergie-Induktivitätsübergänge zu klemmen, ohne in normalen Betriebsarten einen Energieverlust hinzuzufügen. Energie geht lediglich bei einer Klemmung der Schutzdiode verloren. Außerdem werden kostengünstige Teile in nur geringer Anzahl bereitgestellt. Somit kann ein einzelner MOSFET für mehrere Ausgänge gemeinsam genutzt werden. Die vorliegenden Lösungswege stellen einen Verpolungsschutz auch für hohe negative Spannungen bereit, wobei dies von der maximalen Drain-zu-Source-Spannung (VDS) des MOSFETs abhängig sein kann.
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Bei vielen dieser Ausführungsformen umfasst eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Schutzes für einen elektrischen Schaltkreis einen P-Kanal-MOSFET; eine mit einer Drain des P-Kanal-MOSFETs und mit einer Last gekoppelten Schutzdiode; und eine mit einem Gate des P-Kanal-MOSFETs gekoppelte Ladungspumpe. In einer normalen Betriebsart empfängt die Ladungspumpe eine Spannung von einem Spannungsregler, und ist derart ausgebildet, diese zu multiplizieren, und kehrt die Polarität der Spannung für eine Versorgung des Gates des MOSFETs um. In einer Verpolungs-Betriebsart empfängt die Ladungspumpe keine Spannung von dem Spannungsregler für eine Versorgung des Gates des MOSFETs, was eine Deaktivierung des MOSFETs verursacht, so dass, wenn der MOSFET deaktiviert ist, verhindert wird, dass Strom durch die Schutzdiode fließt, um die Schutzdiode zu schützen.
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Unter einigen Aspekten, wenn ein Treiberschalter zu einer Last öffnet, arbeiten der MOSFET und die Schutzdiode zusammen, um in der Last wieder Strom fließen zu lassen. In anderen Beispielen umfasst die Last einen Kabelbaum, einen Wischermotor, einen Waschpumpenmotor oder eine Spule.
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Unter anderen Aspekten umfasst der MOSFET einen niedrigen RDS-on-Widerstand. In einigen Beispielen liegt der niedrige RDS-on-Widerstand zwischen etwa 100 Ohm und 0,001 Ohm.
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In weiteren Beispielen umfasst die Vorrichtung weiterhin ein mit dem Gate des MOSFETs gekoppeltes Spannungsteilernetzwerk. In weiteren Beispielen umfasst die Vorrichtung weiterhin eine mit dem Gate des MOSFETs gekoppelte Spannungsschutzdiode.
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Nunmehr mit Bezug auf 1 umfasst ein System 100 eine Schutzvorrichtung 102 (einschließlich einer Schutzdiode 104, eines P-Kanal-MOSFETs 106, einer Diode 108, eines ersten Widerstands 110, eines zweiten Widerstands 112, einer Diode 113 und einer Ladungspumpe 114), eine Batterie 115, einen Systemspannungsregler 116, einen Highside-Treiber 118 und eine Last 121, die als eine Spule 120 und ein Widerstand 122 darstellbar ist.
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Die Schutzdiode 104 arbeitet, um erneut Energie fließen zu lassen (Spannung und Strom), wenn der Treiber 118 öffnet. Die erneut fließende Energie behebt das Problem von Überspannungs- oder Überstrom-Zuständen, und zwar aufgrund der Anwesenheit der Spule 120.
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Der P-Kanal-MOSFET 106 ist ein p-Kanal-Device, wie es dem Fachmann bekannt ist. In einem Beispiel umfasst der MOSFET 106 einen niedrigen RDS-on-Widerstand beim Einschalten. In einigen Beispielen liegt der niedrige RDS-on-Widerstand zwischen etwa 100 Ohm und 0,001 Ohm. Weitere Beispiele sind möglich.
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Die Diode 108 wirkt als eine Schutzvorrichtung für den MOSFET 106, um eine Beschädigung des MOSFETs 106 zu verhindern, wenn die Eingangsspannung am Gate des MOSFETs 106 Betriebsniveaus überschreitet, die den MOSFET 106 beschädigen könnten.
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Der erste Widerstand 110 und der zweite Widerstand 112 stellen einen Widerstandsteiler bereit, der die am Gate des MOSFETs 106 anliegende Spannung reduziert. Die Ladungspumpe 114 empfängt eine Spannung vom Spannungsregler 116, multipliziert diese Spannung mit einem Wert und invertiert die Spannung. Beispielsweise kann die Ladungspumpe +3 Volt empfangen, diese mit einem Faktor 3 multiplizieren (was 9 Volt ergibt), und das Vorzeichen umkehren (was –9 Volt ergibt), und diese dem MOSFET 106 „präsentieren” (nach einer Reduzierung durch den durch die Widerstände 110 und 112 gebildeten Teiler). Es wird bevorzugt, dass dies ein Beispiel ist und dass weitere Beispiele möglich sind. Die Diode 113 verhindert, dass Strom und Spannung am Regler 116 empfangen werden, wenn ein Verpolungszustand oder eine Betriebsart vorliegen. Mit „Verpolungszustand” bzw. „Betriebsart” ist gemeint, dass die Polarität der Batterie 115 von positiv (wie in den Figuren gezeigt, so dass eine positive Spannung angelegt wird) zu negativ (wo die Batterie 115 eine negative Spannung zuführt) geschaltet wird. „Normale Betriebsarten” bedeutet, dass die Batterie eine positive Spannung aufweist.
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Die Batterie 115 versorgt das System mit einer Spannung und einem Strom, wobei in einem Beispiel eine Fahrzeugbatterie in einem Fahrzeug angeordnet sein kann. In dieser Hinsicht kann das System 100 ein in einem Fahrzeug (zum Beispiel einem Auto oder Lastwagen) angeordnetes System sein. Ein Nutzer kann die Batterie irrtümlicherweise in einer Verpolungs-Betriebsart installieren (wobei eine negative Spannung zugeführt wird), wobei die vorliegenden Lösungswege bei Auftreten dieser Situation eine Beschädigung an den Schaltkreiskomponenten verhindern.
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Der System-Spannungsregler 116 stellt Rausch-reduzierte bzw. Rausch-freie Spannungen für die Ladungspumpe 114 bereit. Der Highside-Treiber 118 kann in einem Beispiel ein Schalter sein, kann jedoch unterschiedliche Elemente, wie zum Beispiel Dioden, beinhalten. Der Treiber 118 kann durch eine externe Mikrosteuerung gesteuert werden (geöffnet oder geschlossen werden), wie sie beispielsweise in einer Motorsteuerung verwendet wird. Die Last 121 kann als eine Spule 120 und ein Widerstand 122 dargestellt werden. In einem Beispiel ist die Last 121 ein Kabelbaum, ein Wischermotor, ein Waschpumpenmotor oder eine Spule. Weitere Beispiele sind möglich.
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In einem Beispiel ist der MOSFET 106 ein P-Kanal-MOSFET mit niedrigem RDS-on-Widerstand und wird verwendet, um für die Schutzdiode 104 einen Massepfad bereitzustellen. Der P-Kanal-MOSFET 106 wird durch eine an seinem Gate anliegende negative Spannung auf EIN geschaltet. Da der Widerstand des P-Kanal-MOSFETs 106 sehr gering ist (beispielsweise 100 bis 0,001 Ohm), ist die durch den MOSFET 106 während eines Schutz- bzw. Freilauf-Zustands aufgenommene Energie sehr gering. Wie weiter unten mit Bezug auf 2 gezeigt wird, kann der MOSFET 106 zusammen mit mehreren Schutz- bzw. Freilauf-Dioden im System gemeinsam genutzt werden. Im Falle eines Verpolungszustandes wird der P-Kanal-MOSFET ausgeschaltet, wodurch die freilaufenden Dioden vom Massepfad getrennt werden. Der Schaltkreis stellt einen sehr guten Schutz vor induktiven Situationen (Diode im Freilaufbetrieb bzw. Rückwärtsrichtung) als auch vor Verpolungszuständen bereit.
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In einigen Beispielen ist der MOSFET 106 normalerweise eingeschaltet (als ein Schalter ist er geschlossen und sein Kanal ist offen), wobei Energie zu der Last 121 fließt. Der Treiber 118 wird ausgeschaltet (er öffnet als ein Schalter) und die Spannung an der Last 121 kehrt sich um. Damit ist der MOSFET 106 gesättigt. Bei negativ werdender Spannung bekommt die Schutzdiode 104 einen Strom, den sie der Last 121 erneut zuführt. Ohne MOSFET 106 wäre die Diode 104 nicht parallel zu der Last geschaltet, weshalb die Spulenspannung über die Betriebsbelastbarkeiten des Treibers 118 ansteigen würde, was seine Zerstörung zur Folge hätte.
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Unter einem Aspekt und in einer normalen Betriebsart empfängt die Ladungspumpe 114 eine Spannung von dem Spannungsregler 116, wobei sie derart ausgebildet ist, um die Polarität der an das Gate des MOSFETs 106 angelegten Spannung zu multiplizieren und umzukehren. In einer Verpolungsbetriebsart empfängt die Ladungspumpe 114 keine Spannung von dem Spannungsregler 116 (da die Diode 113 verhindert, dass Spannung und Strom an dem Regler 113 empfangen werden), um das Gate des MOSFETs 106 mit Spannung zu versorgen, was eine Deaktivierung des MOSFETs 106 zur Folge hat. Bei Deaktivierung des MOSFETs 106 wird verhindert, dass Strom durch die Schutzdiode 104 fließt, um die Schutzdiode 104 vor Überspannungs- oder Überstrom-Zuständen zu schützen.
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Nunmehr mit Bezug auf 2 umfasst ein System 200 eine Schutzvorrichtung 202 (einschließlich Schutzdioden 204, 205 und 207, einen P-Kanal-MOSFET 206, eine Diode 208, einen ersten Widerstand 210, einen zweiten Widerstand 212, eine Diode 213 und eine Ladungspumpe 214), eine Batterie 215, einen System-Spannungsregler 216, einen ersten Highside-Treiber 222, einen zweiten Highside-Treiber 224, einen dritten Highside-Treiber 226, eine erste Last 232, eine zweite Last 234 und eine dritte Last 236.
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Die Schutzvorrichtung 202 (einschließlich Schutzdiode 204, P-Kanal-MOSFET 206, Diode 208, ersten Widerstand 210, zweiten Widerstand 212, Diode 213 und Ladungspumpe 214), die Batterie 215 und der System-Spannungsregler 216 funktionieren wie die mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Elemente aus 1, weshalb deren Beschreibung hier nicht wiederholt wird.
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In diesem Fall stellt die Schutzvorrichtung 202 einen Schutz für das gesamte System 200 bereit, wenn ein Verpolungszustand auftritt (das heißt, die Polarität der Batterie 215 ist vertauscht), und wenn einer der Treiber 222, 224 oder 226 geöffnet wird.
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Der MOSFET 206 wird zusammen mit mehreren Schutzdioden 204, 205 und 207 gemeinsam in dem System genutzt. Im Falle eines Verpolungszustandes wird der P-Kanal-MOSFET 206 ausgeschaltet, wodurch die Schutzdioden 204, 205 und 207 vom Massepfad getrennt werden. Der Schaltkreis stellt einen sehr guten Schutz bei induktiven Situationen (bei Betrieb der Diode im Freilauf) als auch bei Verpolungszuständen oder Betriebsarten bereit.
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Hierin sind bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben worden, einschließlich der besten den Erfindern bekannten Ausführungsform zur Umsetzung der Erfindung. Es soll davon ausgegangen werden, dass die dargestellten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind, und nicht als den Umfang der Erfindung beschränkend angesehen werden sollen.
