DE102017106497B4

DE102017106497B4 - System und verfahren für einen high-side-leistungsschalter

Info

Publication number: DE102017106497B4
Application number: DE102017106497.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Djelassi; Robert Illing; Alexander Mayer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: DE102017106497A1; US9966943B2; CN107276571B; US20170288662A1; CN107276571A

Abstract

Vorrichtung (300; 600), umfassend:einen Gate-Treiber (304; 520), der konfiguriert ist, um mit einem Leistungsschalter (306; 512) verbunden zu werden;einen Spannungsmessschaltkreis (312), der konfiguriert ist, um direkt mit dem Leistungsschalter (306; 512) verbunden zu werden;einen Schalterüberwachungsschaltkreis (310; 602), der konfiguriert ist, um mit dem Leistungsschalter (306) verbunden zu werden, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um einen Ausgangsstrom des Leistungsschalters zu messen;einen Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510), der mit dem Gate-Treiber (304; 520) und dem Schalterüberwachungsschaltkreis (310; 602) verbunden ist, wobei der Strombegrenzungsschaltkreis konfiguriert ist, um die Gate-Source-Spannung des Gate-Treibers zu regeln, wenn der Ausgangsstrom einen Schwellenwert (It) überschreitet; undeine Steuereinheit (314), die mit dem Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510) und dem Spannungsmessschaltkreis (312) verbunden ist, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus gemäß einer Startspannung zu ermitteln, die von dem Spannungsmessschaltkreis während einer Startsequenz gemessen wird, wobei die Steuereinheit außerdem konfiguriert ist, um den Strombegrenzungsschaltkreis gemäß dem Betriebsmodus und einer durch den Spannungsmessschaltkreis gemessenen Schalterspannung mit dem Schwellenwert zu versorgen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsschalter und in speziellen Ausführungsformen auf Techniken und Mechanismen für einen High-Side-Leistungsschalter.
Intelligente Leistungsschalter werden immer beliebter in Niedrigvoltanwendungen, die mittlere bis hohe Stromlasten aufweisen. Zu diesen Anwendungen gehören z.B. moderne Kraftfahrzeug- und Industriesysteme. Intelligente Leistungsschalter weisen Diagnosefähigkeiten und Schutzmerkmale insbesondere gegen Kurzschlüsse oder andere Arten von Stromüberlastungen auf. Sie können außerdem einen Temperatursensor und Überspannungsschutzmerkmale aufweisen.
Intelligente Leistungsschalter schalten sich ab, wenn ein Überlastungsereignis wie zum Beispiel ein Kurzschluss auftritt. Während der Abschaltung kann ein Kabelsatz für den intelligenten Leistungsschalter als eine ohmsche induktive Last (Resistive-Inductive Load, RL-Last) funktionieren, die Energie speichert, die ein Leistungstransistor z.B. ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) ableiten muss. Die Ableitung dieser gespeicherten Energie kann die Temperatur des Leistungsschalters erhöhen, was eine thermische Spannung verursacht, die den Leistungsschalter beschädigen kann. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Steuern und Betreiben von elektronischen Schaltern zu verbessern, die in intelligenten Leistungsschaltern enthalten sind. Der Gegenstand wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 19 sowie das Verfahren nach Anspruch 12 erreicht. Zahlreiche Ausführungsformen oder weitere Entwicklungen werden durch die Unteransprüche abgedeckt.
Die Druckschrift DE 10 2015 111 687 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Einschalten einer elektrischen Verbindung mit einer oder mehreren Lasten. Die Schaltervorrichtung umfasst eine Spannungsquelle, einen Leistungsschalter-Schaltungsblock, welcher mit der Spannungsquelle verbunden ist, und einen Strombegrenzungs-Schaltungsblock, welcher mit der Spannungsquelle und dem Leistungsschalter-Schaltungsblock verbunden ist. Die Schaltervorrichtung umfasst weiterhin einen Spannungsausgang, welcher mit dem Leistungsschalter-Schaltungsblock verbunden ist. Die Schaltervorrichtung umfasst weiterhin eine Strombegrenzungs-Rückkopplungsschaltung, welche mit dem Leistungsschalter-Schaltungsblock und dem Strombegrenzungs-Schaltungsblock verbunden ist. Die Strombegrenzungs-Rückkopplungsschaltung ist konfiguriert, der Schaltervorrichtung zu ermöglichen, eine geregelte Verbindung zwischen dem Leistungsschalter-Schaltungsblock und dem Spannungsausgang bereitzustellen, wobei die geregelte Verbindung einen Strombegrenzungsmodus definiert, so dass die geregelte Verbindung den Strom in dem Leistungsschalter-Schaltungsblock reduziert, wenn die Schaltervorrichtung in dem Strombegrenzungsmodus ist. Die Druckschrift US 2003 / 0 095 368 A1 offenbart ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zur Strombegrenzung.
Technische Vorteile werden allgemein durch Ausführungsformen dieser Offenbarung erreicht, die einen High-Side-Leistungsschalter beschreiben.
Eine Vorrichtung umfasst gemäß einer Ausführungsform einen Gate-Treiber, der konfiguriert ist, um mit einem Leistungsschalter verbunden zu werden, einen Spannungsmessschaltkreis, der konfiguriert ist, um direkt mit dem Leistungsschalter verbunden zu werden, einen Schalterüberwachungsschaltkreis, der konfiguriert ist, um mit dem Leistungsschalter verbunden zu werden, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um einen Ausgangsstrom des Leistungsschalters zu messen, einen Strombegrenzungsschaltkreis, der mit dem Gate-Treiber und dem Schalterüberwachungsschaltkreis verbunden ist, wobei der Strombegrenzungsschaltkreis konfiguriert ist, um die Gate-Source-Spannung des Gate-Treibers zu regeln, wenn der Ausgangsstrom einen Schwellenwert überschreitet, und eine Steuereinheit, die mit dem Strombegrenzungsschaltkreis und dem Spannungsmessschaltkreis verbunden ist, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus gemäß einer Startspannung zu ermitteln, die von dem Spannungsmessschaltkreis während einer Startsequenz gemessen wird, wobei die Steuereinheit außerdem konfiguriert ist, um den Strombegrenzungsschaltkreis gemäß dem Betriebsmodus und einer durch den Spannungsmessschaltkreis gemessenen Schalterspannung mit dem Schwellenwert zu versorgen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Strombegrenzungsschaltkreis außerdem konfiguriert, um den Gate-Treiber zu deaktivieren, wenn die Gate-Source-Spannung des Gate-Treibers geregelt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird der Schwellenwert durch die Steuereinheit gemäß einer Summe aus einem kontinuierlichen Schwellenwert und einem diskreten Schwellenwert berechnet, wobei der kontinuierliche Schwellenwert umgekehrt proportional zur Schalterspannung ist, wobei der diskrete Schwellenwert ein erster Wert ist, wenn die Schalterspannung die Startspannung überschreitet, und ein zweiter Wert ist, wenn die Startspannung die Schalterspannung überschreitet, wobei der zweite Wert größer als der erste Wert ist. Bei einigen Ausführungsformen weist der kontinuierliche Schwellenwert einen Maximalwert auf, und wobei der diskrete Schwellenwert eine Hysterese umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Steuerung eine Spannungsvergleichseinheit, die konfiguriert ist, um einen Steuerstrom gemäß der durch den Spannungsmessschaltkreis gemessenen Schalterspannung zu erzeugen, und ein Auffangregister, das konfiguriert ist, einen Startstrom gemäß der während der Startsequenz gemessenen Startspannung zu speichern, wobei das Auffangregister konfiguriert ist, um den Schwellenwert abhängig davon bereitzustellen, ob der Steuerstrom den Startstrom überschreitet. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Steuereinheit außerdem eine Stromquelle, die mit dem Auffangregister verbunden ist, wobei die Stromquelle konfiguriert ist, um den Schwellenwert aus dem Auffangregister bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung außerdem einen Logikschaltkreis, der mit dem Gate-Treiber und der Steuereinheit verbunden ist, wobei der Logikschaltkreis konfiguriert ist, um die Steuereinheit neu zu starten, wenn der Strombegrenzungsschaltkreis den Gate-Treiber regelt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Neustarten der Steuereinheit ein Ermitteln des Betriebsmodus gemäß einer zweiten Startspannung, die von dem Spannungsmessschaltkreis während des Neustarts gemessen wird. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung außerdem den Leistungsschalter. Bei einigen Ausführungsformen sind der Leistungsschalter, der Gate-Treiber, der Spannungsmessschaltkreis, der Schalterüberwachungsschaltkreis, der Strombegrenzungsschaltkreis und die Steuereinheit auf einem Halbleitersubstrat angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist der Strombegrenzungsschaltkreis eine Vergleichseinheit.
Ein Verfahren umfasst gemäß einer Ausführungsform: Speichern einer Start-Drain-Source-Spannung eines Leistungsschalters während einer Startsequenz, Messen einer Drain-Source-Spannung des Leistungsschalters direkt an einer Source-Klemme und einer Drain-Klemme des Leistungsschalters, Generieren eines ersten Schwellenwerts als eine kontinuierliche Funktion der gemessenen Drain-Source-Spannung, Generieren eines zweiten Schwellenwerts als eine diskrete Funktion der gemessenen Drain-Source-Spannung, Messen eines Ausgangswerts des Leistungsschalters, und Deaktivieren des Leistungsschalters, wenn der Ausgangswert des Leistungsschalters entweder den ersten Schwellenwert oder den zweiten Schwellenwert überschreitet.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem ein Bereitstellen eines kombinierten Schwellenwerts, wobei der kombinierte Schwellenwert der erste Schwellenwert ist, wenn die gemessene Drain-Source-Spannung geringer als die Start-Drain-Source-Spannung ist, wobei der kombinierte Schwellenwert eine Summe aus dem ersten Schwellenwert und dem zweiten Schwellenwert ist, wenn die gemessene Drain-Source-Spannung größer als die Start-Drain-Source-Spannung ist, wobei der Leistungsschalter deaktiviert wird, wenn der Ausgangswert des Leistungsschalters den kombinierten Schwellenwert überschreitet, und wobei der kombinierte Schwellenwert auf einen maximalen Schwellenwert begrenzt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der Ausgangswert des Leistungsschalters eine Ausgangsimpedanz. Bei einigen Ausführungsformen ist der Ausgangswert des Leistungsschalters ein Ausgangsstrom. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Speichern der Start-Drain-Source-Spannung des Leistungsschalters während der Startsequenz ein Messen einer Betriebstemperatur des Leistungsschalters und ein Filtern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung gemäß der Betriebstemperatur. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Filtern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung ein Verringern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung, wenn die Betriebstemperatur einen Schwellenwert überschreitet. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem ein Filtern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung gemäß einer gemessenen elektromagnetischen Störung.
Eine Vorrichtung umfasst gemäß einer Ausführungsform: einen Schalterüberwachungsschaltkreis, der konfiguriert ist, um mit einem Leistungsschalter verbunden zu werden, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um ein Signal zu generieren, das proportional zu einem gemessenen Wert des Leistungsschalters ist, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um einen Abschaltschwellenwert für den Leistungsschalter bereitzustellen, einen Filter, der mit dem Schalterüberwachungsschaltkreis verbunden und konfiguriert ist, um das Signal zu filtern und ein gefiltertes Signal zu generieren, ein Auffangregister, das mit dem Filter verbunden und konfiguriert ist, um mit einer Rücksetzleitung verbunden zu werden, wobei das Auffangregister konfiguriert ist, um das gefilterte Signal als Reaktion auf eine Bestätigung der Rücksetzleitung zu speichern, eine Stromquelle, die mit dem Auffangregister und dem Schalterüberwachungsschaltkreis verbunden ist, wobei die Stromquelle konfiguriert ist, um einen zweiten Abschaltschwellenwert für den Leistungsschalter bereitzustellen, wenn das Signal das in dem Auffangregister gespeicherte, gefilterte Signal überschreitet.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Filter einen Temperatursensor, und wobei das Generieren des gefilterten Signals ein Verringern des Signals umfasst, wenn eine von dem Temperatursensor gemessene Temperatur einen Schwellenwert überschreitet. Bei einigen Ausführungsformen ist der gemessene Wert des Leistungsschalters eine Source-Drain-Spannung des Leistungsschalters, und wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis direkt mit einer Source-Klemme und einer Drain-Klemme des Leistungsschalters verbunden ist. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung außerdem den Leistungsschalter. Bei einigen Ausführungsformen wird der Leistungsschalter deaktiviert, wenn der gemessene Wert des Leistungsschalters eine Summe des ersten Abschaltschwellenwerts und des zweiten Abschaltschwellenwerts überschreitet, wobei die Summe auf einen Maximalwert begrenzt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der gemessene Wert des Leistungsschalters ein von dem Leistungsschalter generierter Widerstand oder Strom.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird jetzt auf die nachfolgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:

1 ein Schaltbild eines intelligenten Leistungsschalters ist;
2 ein Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugsystems ist;
3 ein Blockschaltbild eines intelligenten Leistungsschalters ist;
die 4A bis 4C grafische Darstellungen eines Auslöseschwellenwerts eines Kurzschlussausgangsstroms in Abhängigkeit von einer Source-Drain-Spannung gemäß einigen Ausführungsformen sind;
5 ein Schaltbild eines intelligenten Leistungsschalters ist;
6 ein Schaltbild eines intelligenten Leistungsschalters ist; und
7 ein Ablaufplan eines Überstromschutzverfahrens ist.

Gleiche Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf gleiche Teile, ausgenommen wenn dies anderweitig angegeben wird. Die Figuren wurden gezeichnet, um die wichtigen Aspekte der Ausführungsformen darzustellen, aber sie sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet.
Das Umsetzen und Verwenden von Ausführungsformen dieser Offenbarung werden nachfolgend ausführlicher erörtert. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die hier offenbarten Konzepte in einer großen Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen verkörpert werden können und dass die spezifischen hier erörterten Ausführungsformen rein anschaulich sind und nicht dazu dienen, den Umfang der Ansprüche zu beschränken. Außerdem ist es selbstverständlich, dass zahlreiche Änderungen, Variationen und Ergänzungen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang dieser Offenbarung abzuweichen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert wird.
Ein Überlastungsereignis kann einen intelligenten Leistungsschalter veranlassen, eine Notabschaltung auszuführen. Eine Notabschaltung wird erreicht, indem das Gate eines Leistungstransistors schnell entladen wird. Zu den Beispielen von Überlastungsereignissen gehören ein Überschreiten einer absoluten Temperaturgrenze, ein Überschreiten einer Temperaturanstiegsgrenze, ein Überschreiten einer Überstromgrenze und ein Überschreiten einer Source-Drain-Spannung des Leistungstransistors (V_DS) in dem Leistungsschalter nach einer Einschaltzeitdauer.
Außerdem können Lasten wie zum Beispiel Glühlampen und DC/DC-Wandler ein Einschaltstromverhalten aufgrund einer anfänglichen Last aufweisen, das von der Stromversorgung beim anfänglichen Einschalten wahrgenommen wird. Die Impedanz einer Glühlampe ist zum Beispiel temperaturabhängig und kann mehrere Größenordnungen kleiner als unter normalen Betriebsbedingungen sein, wenn der Glühdraht der Glühlampe kalt ist. Diese anfänglichen Lasten können die intelligenten Leistungsschalter veranlassen, sich kurz nach dem anfänglichen Einschalten der Last abzuschalten, und werden den Leistungsschalter veranlassen, so lange abgeschaltet zu bleiben, bis die Last aufhört, ein Einschaltstromverhalten zu zeigen. Intelligente Leistungsschalter führen mehrere Wiederholungen aus, nachdem ein Abschalten auftritt, und können eine Wiederholungsstrategie verwenden, welche die anfängliche Einschaltzeit auf ein Mindestmaß herabsetzt und eine schnelle Wiederherstellung erlaubt, wenn ein Abschalten während eines Normalbetriebs auftritt. Mehrere Wiederholungen können zu einem wiederholten Speichern und und einem Ableiten von Energie in die Kabelsatzlast führen, was wiederholte Temperaturanstiege verursachen kann, die den Leistungsschalter im Laufe der Zeit verschleißen können. Die gespeicherte und abgeleitete Energie ist direkt proportional zur Versorgungsspannung (V_S).
Hier wird ein intelligenter High-Side-Leistungsschalter offenbart. Die Leistungsschalter einer Ausführungsform messen V_DS und verringern einen Auslöseschwellenwert eines Kurzschlussausgangsstroms (I_{out_trip}) wenn V_DS einen Schwellenwert überschreitet. Durch ein Verringern von I_{Out_trip} , wenn V_DS ansteigt, wird die Widerstandsfähigkeit des Schutzmechanismus in dem intelligenten Leistungsschalter vergrößert. Dementsprechend kann die Empfindlichkeit des intelligenten Leistungsschalters ermittelt werden durch $I_{o u t_t r i p} = ƒ (V_{D S})$
Bei einigen Ausführungsformen wird V_DS sowohl in einer diskreten als auch in einer kontinuierlichen Weise überwacht. Bei diesen Ausführungsformen wird V_DS während der anfänglichen Stadien des Einschaltens diskret gemessen und gespeichert und V_DS wird nach dem anfänglichen Einschalten kontinuierlich gemessen. Bei diesen Ausführungsformen wird I_{out_trip} um einen festen Betrag verringert, wenn V_DS den gespeicherten anfänglichen Messwert überschreitet, und I_{out_trip} wird auch graduell angepasst, wenn V_DS in kontinuierlicher Weise vergrößert wird.
Bei einigen Ausführungsformen ist ein Filter in dem intelligenten Leistungsschalter enthalten. Der Filter kann die elektromagnetischen Störungen (ElectroMagnetic Interference, EMI) verringern, die andernfalls den Leistungsschalter veranlassen, sich irrtümlich abzuschalten. Das Messen und Speichern des anfänglichen Werts von V_DS in einer diskreten Weise während des Einschaltens kann auch die Auswirkungen der EMI auf den Leistungsschalter verringern.
Zahlreiche Ausführungsformen können Vorteile erreichen. Das Messen von Spannungsänderungen an der Source-Drain-Spannung des Leistungstransistors (V_DS), anstatt anderer Spannungen wie zum Beispiel der Versorgungsspannung (V_S), kann eine Messung erlauben, die nicht von Erdungsverschiebungen in der Versorgungsspannung beeinflusst wird. Durch ein Herausfiltern der EMI kann der intelligente Leistungsschalter zuverlässiger gestartet werden. Das Messen von V_DS in einer diskreten Weise beim Einschalten kann eine genaue Messung von V_DS erlauben, was die Zuverlässigkeit beim Steuern von I_{out_trip} verbessert. Außerdem kann das verschiedenartige Messen von V_DS dem Leistungsschalter erlauben, nach dem Starten mehrere Arten von Kurzschlusslasten zu berücksichtigen.
1 ist ein Schaltbild eines intelligenten Leistungsschalters 100. Der intelligente Leistungsschalter 100 umfasst einen Eingangsanschluss 102, einen Gate-Treiber/Pegelwandler 104, einen Leistungs-MOSFET 106, eine Batterie 108, einen Strombegrenzer 110, eine Erfassungsimpedanz 112, eine Zener-Diodenklemme 114, einen Temperatursensor 116, eine Stromsenke 118 und eine Last 120. Die Vorrichtungen in dem intelligenten Leistungsschalter 100 können z.B. auf einem (nicht dargestellten) Halbleitersubstrat angeordnet sein. Der Eingangsanschluss 102 wird mit einer externen Vorrichtung wie zum Beispiel einer Mikrosteuereinheit verbunden und ist konfiguriert, um den intelligenten Leistungsschalter 100 zu aktivieren und zu deaktivieren. Der Eingangsanschluss 102 ist mit dem Gate-Treiber/Pegelwandler 104 verbunden, der den intelligenten Leistungsschalter 100 aktiviert und deaktiviert, indem das Gate des Leistungs-MOSFET 106 aktiviert und deaktiviert wird.
Der Leistungs-MOSFET 106 ist mit der Batterie 108 verbunden und steuert den Stromfluss zu Vorrichtungen, die von dem intelligenten Leistungsschalter 100 versorgt werden. Die Batterie 108 kann eine beliebige Stromquelle wie zum Beispiel eine Batterie eines Kraftfahrzeugs sein. Der Leistungs-MOSFET 106 kann z.B. ein doppelt implantierter Metalloxid-Halbleiter (Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor, DMOS) sein.
Der Strombegrenzer 110 überwacht den Strom, der von dem Leistungs-MOSFET 106 bereitgestellt wird. Der Strombegrenzer 110 kann z.B. ein Operationsverstärker (operational amplifier, op-amp) oder eine Vergleichseinheit sein. Der Strom kann überwacht werden, indem eine Erfassungsimpedanz 112 zwischen den Leistungs-MOSFET 106 und die Last 120 geschaltet wird. Der Strombegrenzer 110 misst den Spannungsabfall über die Erfassungsimpedanz 112 und ermittelt die Strommenge, die gemäß dem gemessenen Spannungsabfall bereitgestellt wird. Der von dem Leistungs-MOSFET 106 bereitgestellte Strom wird angepasst, indem die Gate-Spannung des Leistungs-MOSFET 106 verringert wird, wenn der bereitgestellte Strom ansteigt. Die Zener-Diodenklemme 114 versucht, die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Gate des Leistungs-MOSFET 106 auf einen bestimmten Wert festzulegen, um den Leistungs-MOSFET 106 vor Überspannungen zu schützen.
Der Temperatursensor 116 ist mit der Stromsenke 118 und dem Gate-Treiber/Pegelwandler 104 verbunden und ist konfiguriert, um den Gate-Treiber/Pegelwandler 104 (und somit den Leistungs-MOSFET 106) zu deaktivieren, wenn die erfasste Temperatur einen gegebenen Schwellenwert überschreitet. Folglich wird der intelligente Leistungsschalter 100 vor einem Überhitzen geschützt, das durch den Leistungs-MOSFET 106 verursacht wird, der einen sicheren Stromausgabepegel überschreitet.
Die Last 120 kann eine beliebige Last sein, die innerhalb der festgelegten Betriebsfähigkeiten des intelligenten Leistungsschalters 100 liegt. Die Last 120 kann ohmsche und induktive Komponenten umfassen. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen der intelligente Leistungsschalter 100 in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet wird, kann die Last 120 z.B. eine Glühlampe sein. Obwohl hier enthaltene spezielle Ausführungsformen in Bezug auf Kraftfahrzeuganwendungen beschrieben werden, ist es selbstverständlich, dass intelligente Leistungsschalter der Ausführungsformen in einer großen Vielfalt von Anwendungen verwendet werden können.
2 ist ein Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugsystems 200. Das Kraftfahrzeugsystem 200 umfasst eine Mikrosteuereinheit 202, einen intelligenten Leistungsschalter 204, eine Batterie 206, eine Versorgungsimpedanz 208, eine Vorrichtungslast 210 und eine Kurzschlusslast 212. Die Mikrosteuereinheit 202 ist mit dem intelligenten Leistungsschalter 204 verbunden und ist konfiguriert, um den intelligenten Leistungsschalter 204 zu aktivieren und zu deaktivieren. Der intelligente Leistungsschalter 204 wird durch eine externe Stromversorgung versorgt und kann somit mit Logikpegeleingängen von der Mikrosteuereinheit 202 ein- oder ausgeschaltet werden.
Der intelligente Leistungsschalter 204 wird durch die Batterie 206 versorgt. Wie oben erörtert wurde, kann die Batterie 206 z.B. eine Batterie in einer Kraftfahrzeuganwendung sein. Die Batterie 206 weist eine Versorgungsimpedanz 208 auf, die ohmsche (R_supply) und induktive (L_supply) Anteile umfassen kann. Die Anteile der Versorgungsimpedanz 208 können einem Kabelsatz zugeschrieben werden, der den intelligenten Leistungsschalter 204 mit der Batterie 206 verbindet. Wenn der intelligente Leistungsschalter 204 in einer Notabschaltung abgeschaltet wird, können die induktiven Anteile L_supply der Versorgungsimpedanz 208 eine gespeicherte magnetische Energie enthalten, die entladen wird und Wärme erzeugt, wenn sie abgeleitet wird. Eine von wiederholten Entladungen verursachte Materialermüdung kann den intelligenten Leistungsschalter 204 abnutzen und beschädigen.
Der intelligente Leistungsschalter 204 versorgt die Vorrichtungslast 210. Wie oben erörtert wurde, kann die Vorrichtungslast 210 z.B. eine Glühlampe in einer Kraftfahrzeuganwendung sein. Wenn ein Kurzschluss auftritt, kann der von dem intelligenten Leistungsschalter 204 gebildete Kurzschluss durch die Kurzschlusslast 212 dargestellt werden. Die Kurzschlusslast 212 kann ohmsche (R_short) und induktive Anteile (L_short) umfassen.
3 ist ein Blockschaltbild eines intelligenten Leistungsschalters 300. Der intelligente Leistungsschalter 300 umfasst einen Logikeinheit/Pegelwandler 302, einen Gate-Treiber 304, einen Leistungsschalter 306, eine Vergleichseinheit 308, einen Strommessschaltkreis 310, einen Spannungsmessschaltkreis 312 und eine Steuereinheit 314. Ein Eingang ist mit dem Logikeinheit/Pegelwandler 302 verbunden. Der Eingang ist ein Logikpegeleingang und kann z.B. mit einer Mikrosteuereinheit verbunden sein.
Der Logikeinheit/Pegelwandler 302 ist mit dem Gate-Treiber 304 verbunden und konfiguriert, um den intelligenten Leistungsschalter 300 ein- und auszuschalten, indem der Gate-Treiber 304 aktiviert und deaktiviert wird. Der Gate-Treiber 304 akzeptiert die Niedrigstromeingabe von dem Logikeinheit/Pegelwandler 302 und generiert eine Hochstromtreibereingabe für den Leistungsschalter 306. Der Gate-Treiber 304 kann z.B. einen Verstärker umfassen.
Der Leistungsschalter 306 ist mit dem Gate-Treiber 304 verbunden. Der Leistungsschalter 306 ist mit der Batterie und der Last (die beide in 3 nicht gezeigt werden) verbunden und versorgt die Last, wenn er durch den Gate-Treiber 304 aktiviert wird. Der Leistungsschalter 306 kann z.B. eine DMOS-Vorrichtung sein. Alternativ können andere Vorrichtungen verwendet werden.
Die Vergleichseinheit 308 steuert den Gate-Treiber 304. Die Vergleichseinheit 308 misst mit dem Strommessschaltkreis 310 den Ausgangsstrom des Leistungsschalters 306. Die Vergleichseinheit deaktiviert den Gate-Treiber 304, wenn der durch den Strommessschaltkreis 310 gemessene Strom einen Schwellenwert überschreitet, der an die Vergleichseinheit 308 abgegeben wird. Die Vergleichseinheit 308 kann z.B. ein gewöhnlicher Differenzverstärker oder ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung sein.
Der Spannungsmessschaltkreis 312 ist mit dem Leistungsschalter 306 verbunden. Der Spannungsmessschaltkreis 312 kann direkt mit dem Drain und der Source des Leistungsschalters 306 verbunden sein, sodass indirekte Messungen des Leistungsschalters 306 nicht erforderlich sind. Die Genauigkeit von Spannungsmessungen kann verbessert werden. Der Spannungsmessschaltkreis 312 erlaubt der Steuereinheit 314, die Source-Drain-Spannung (V_DS) des Leistungsschalters 306 zu messen.
Die Steuereinheit 314 versorgt die Vergleichseinheit 308 mit dem Schwellenwert. Die Steuereinheit 314 ist konfiguriert, um einen anfänglichen Wert (V_startup) für V_DS beim Starten abzulesen und zu speichern. V_startup wird in einer Komponente der Steuereinheit 314 wie zum Beispiel einem Auffangregister gespeichert. Dementsprechend ist die Steuereinheit 314 mit einem Ausgang des Logikeinheit/Pegelwandlers 302 zusammen mit dem Gate-Treiber 304 verbunden. Wenn der Logikeinheit/Pegelwandler 302 aktiviert ist, kann das Ausgangssignal von der Steuereinheit 314 als ein Rücksetzsignal verwendet werden, das die Steuereinheit 314 veranlasst, einen neuen Wert für V_startup im Auffangregister zu speichern.
Während des Betriebs versorgt die Steuereinheit 314 die Vergleichseinheit 308 mit dem Schwellenwert. Bei einigen Ausführungsformen stellt die Steuereinheit 314 den Schwellenwert gemäß der Source-Drain-Spannung V_DS bereit, die durch den Spannungsmessschaltkreis 312 abgelesen wird. Bei diesen Ausführungsformen ist der generierte Schwellenwert direkt proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS. Höhere oder niedrigere Schwellenwerte verursachen, dass der Auslöseschwellenwert eines Kurzschlussausgangsstroms (I_{out_trip}) des intelligenten Leistungsschalters 300 niedriger bzw. höher ist. Folglich geht der intelligente Leistungsschalter 300 bei höheren Source-Drain-Spannungen V_DS in einen Notneustart. Die Steuereinheit 314 kann z.B. eine Vergleichseinheit umfassen, um den Schwellenwert aus der Source-Drain-Spannung V_DS zu generieren.
Bei einigen Ausführungsformen stellt die Steuereinheit 314 den Schwellenwert gemäß der Source-Drain-Spannung V_DS und gemäß der Startspannung V_startup bereit. Bei diesen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 314 einen ersten Schwellenwert I_t1, generieren, der proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS ist (wie oben erörtert wurde), und einen zweiten Schwellenwert I_t2 gemäß der Tatsache generieren, ob die Source-Drain-Spannung V_DS die Startspannung V_startup überschreitet. Die Steuereinheit 314 kann dann den ersten Schwellenwert I_t1 und den zweiten Schwellenwert I_t2 summieren, um den Schwellenwert für die Vergleichseinheit 308 zu generieren.
Die Steuereinheit 314 generiert den zweiten Schwellenwert I_t2, indem sie einen niedrigeren zweiten Schwellenwert I_{t2_l} bereitstellt, wenn die Source-Drain-Spannung V_DS größer als die Startspannung V_startup ist, und einen höheren zweiten Schwellenwert I_{t2_h} bereitstellt, wenn die Source-Drain-Spannung V_DS geringer als die Startspannung V_startup ist. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Hysterese angewandt, wenn ermittelt wird, ob die Startspannung V_startup größer als die gemessene Source-Drain-Spannung V_DS ist. Der Pegel des zweiten Schwellenwerts I_t2 kann ermitteln, ob der erste Schwellenwert den Wert I_t1, I_{out_trip} beeinflusst. Wenn der zweite Schwellenwert I_t2 niedriger ist, kann der Schwellenwert, welcher der Vergleichseinheit 308 bereitgestellt wird, niedrig genug sein, sodass der erste Schwellenwert I_t1 den Betrieb des Leistungsschalters nicht beeinflusst. Wenn der zweite Schwellenwert höher ist, kann der Schwellenwert, mit dem die Vergleichseinheit 308 versorgt wird, von dem ersten Schwellenwert I_t1, ausreichend beeinflusst sein, sodass der Betrieb des Leistungsschalters durch den den ersten Schwellenwert I_t1 beeinträchtigt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann der zweite Schwellenwert I_t2 aus einem von zahlreichen Schwellenwerten generiert werden.
Für einige Ausführungsformen zeigen die 4A bis 4C grafische Darstellungen eines Auslöseschwellenwerts eines Kurzschlussausgangsstroms I_{out_trip} in Abhängigkeit von einer Source-Drain-Spannung V_DS. 4A stellt I_{Out_trip} als eine kontinuierliche Funktion der Source-Drain-Spannung V_DS dar. Wie zu erkennen ist, nimmt I_{Out_trip} graduell bis zu einem Schwellenwert ab, wenn V_DS ansteigt. 4A kann Ausführungsformen anzeigen, bei denen die Steuereinheit 314 den ersten Schwellenwert I_t1, gemäß der Source-Drain-Spannung V_DS bereitstellt, die durch den Spannungsmessschaltkreis 312 abgelesen wird. 4B stellt I_{out_trip} als eine diskrete Funktion der Source-Drain-Spannung V_DS dar. Wie zu erkennen ist, nimmt I_{out_trip} abrupt mit einer Hysterese ab, wenn V_DS ansteigt. 4B kann Ausführungsformen anzeigen, bei denen die Steuereinheit 314 den zweiten Schwellenwert I_t2 gemäß der Source-Drain-Spannung V_DS und gemäß der Startspannung V_startup bereitstellt. 4C stellt I_{out_trip} als eine diskrete Funktion der Source-Drain-Spannung V_DS bei Ausführungsformen dar, bei denen der zweite Schwellenwert I_t2 aus einem von mehreren Schwellenwerten generiert wird. Der zweite Schwellenwert I_t2 wird zum Beispiel schrittweise von dem Schwellenwert I_{t2_0} auf I_{t2_n} verringert, wenn die Source-Drain-Spannung V_DS von der Startspannung V_{startup_0} auf V_{startup_n} ansteigt.
5 ist ein Schaltbild eines intelligenten Leistungsschalters 500. Der intelligente Leistungsschalter 500 umfasst eine Logikeinheit 502, eine Ladungspumpe 504, einen Wechselrichter 506, einen Erfassungs-DMOS 508, eine Auslösestromvergleichseinheit 510, eine Leistungs-DMOS 512, eine Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514, einen Filter 516, ein Auffangregister 518 und einen Gate-Treiber 520. Die Logikeinheit 502 ist ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC), der mit einer externen Vorrichtung wie zum Beispiel einer Mikrosteuereinheit verbunden sein kann. Die externe Vorrichtung kann dann mit einem Logikpegelsignal den intelligenten Leistungsschalter 500 aktivieren oder deaktivieren, der seinerseits eine Last mit Strom versorgt, die mit dem intelligenten Leistungsschalter 500 verbunden ist. Der Gate-Treiber 520 ist mit der Ladungspumpe 504 verbunden, die mit einer Versorgungsspannung V_s versorgt wird und dem Gate-Treiber 520 einen Gleichstrom bereitstellt, sodass er den Erfassungs-DMOS 508 und den Leistungs-DMOS 512 antreibt.
Der Wechselrichter 506 ist mit einer Aktivierungsleitung der Logikeinheit 502 verbunden. Die Aktivierungsleitung ist mit dem Gate-Treiber 520 verbunden, der den intelligenten Leistungsschalter 500 ein- und ausschaltet. Wenn die Logikeinheit 502 den intelligenten Leistungsschalter 500 zurücksetzt, wird die Aktivierungsleitung ausgeschaltet. Der Wechselrichter 506 befindet sich zwischen der Aktivierungsleitung und einem Rücksetzschalter des Auffangregisters 518. Wenn die Logikeinheit 502 ein Zurücksetzen triggert, aktiviert der Wechselrichter 506 dementsprechend den Rücksetzschalter des Auffangregisters 518, was das Auffangregister 518 veranlasst, einen neuen Wert zu speichern.
Der Erfassungs-DMOS 508 ist mit dem Gate-Treiber 520 verbunden, der den Erfassungs-DMOS 508 und den Leistungs-DMOS 512 mit einem Gate-Strom I_gate versorgt. Der Erfassungs-DMOS 508 generiert einen Strom, der ein Verhältnis 1:X des Stroms ist, der von dem Leistungs-DMOS 512 bereitgestellt wird. Der durch den Erfassungs-DMOS 508 generierte Strom wird an eine Impedanz R_sense abgegeben, die eine Spannung über der Impedanz R_sense erzeugt. Die (weiter unten erörterte) Auslösestromvergleichseinheit 510 misst die Spannungsdifferenz und generiert auf diese Weise ein Signal, das eine Funktion des Stroms ist, der von dem Leistungs-DMOS 512 bereitgestellt wird.
Die Auslösestromvergleichseinheit 510 ermittelt den Strom, der gemäß der von dem Erfassungs-DMOS 508 ausgeführten Messung von dem Leistungs-DMOS 512 bereitgestellt wird, und versorgt den Gate-Treiber 520 mit einem Auslösestrom I_trip, während der von dem Leistungs-DMOS 512 bereitgestellte Strom geringer als ein Schwellenwertstrom I_t ist. Die Auslösestromvergleichseinheit 510 ist auf diese Weise konfiguriert, den intelligenten Leistungsschalter 500 abzuschalten oder zurückzusetzen, wenn der von dem Leistungs-DMOS 512 bereitgestellte Strom den Schwellenwertstrom I_t überschreitet.
Der Leistungs-DMOS 512 wird durch die Versorgungsspannung V_S versorgt und stellt den Strom für Vorrichtungen bereit, die mit dem Ausgang des intelligenten Leistungsschalters 500 verbunden sind. Der Leistungs-DMOS 512 wird durch den Gate-Treiber 520 angetrieben. Der Schwellenwertstrom I_t, mit dem die Auslösestromvergleichseinheit 510 versorgt wird, wird als eine Funktion der Source-Drain-Spannung V_DS des Leistungs-DMOS 512 erzeugt.
Die Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514, der Filter 516 und das Auffangregister 518 sind konfiguriert, um den Schwellenwertstrom I_t als eine Funktion der Source-Drain-Spannung V_DS bereitzustellen. Die Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514 ist direkt mit der Source-Klemme und der Drain-Klemme des Leistungs-DMOS 512 verbunden. Da die Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514 die Source-Drain-Spannung V_DS direkt messen kann, kann der Schwellenwertstrom I_t bei einigen Ausführungsformen ohne die Notwendigkeit von Messschaltkreisen generiert werden, die von fluktuierenden Erdungsspannungen beeinflusst sein können. Die Genauigkeit von Spannungsmessungen kann auf diese Weise verbessert werden. Bei einigen Ausführungsformen generiert die Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514 eine digitale Ausgabe.
Der Filter 516 filtert die gemessene digitale Ausgabe der Vergleichseinheit 514, um die elektromagnetische Verträglichkeit (ElectroMagnetic Compatibility, EMC) zu verbessern. Der Filter 516 kann z.B. ein RC-Tiefpassfilter, ein Integrierschaltkreis oder ein Verzögerungsschaltkreis sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zeitkonstante des Filters 516 kleiner als eine Zeitdauer, die der intelligente Leistungsschalter 500 benötigt, um die Gate-Source-Schwellenspannung V_th des Leistungs-DMOS 512 während einer Einschaltsequenz zu erreichen.
Das Auffangregister 518 kann ein Setz-Rücksetz-Flipflop (Set-Reset flip-flop, SR-Flipflop) sein, obwohl auch eine beliebige bistabile Kippschaltung verwendet werden könnte. Bei einigen Ausführungsformen ist das Auffangregister 518 bei High aktiv. Bei diesen Ausführungsformen speichert das Auffangregister 518 den Wert auf der Setzleitung, wenn die Rücksetzleitung logisch Low ist (z.B. nicht getriggert ist). Die Rücksetzleitung des Auffangregisters 518 wird durch den Wechselrichter 506 getriggert, während die Aktivierungsleitung des Gate-Treibers 520 auf einem logischen Low liegt (z.B. nicht getriggert ist). Die Aktivierungsleitung des Gate-Treibers 520 liegt auf einem logischen Low, wenn der intelligente Leistungsschalter 500 ausgeschaltet ist. Während einer Startsequenz (z.B. wenn die Aktivierungsleitung des Gate-Treibers 520 auf ein logisches High gesetzt wird) wird die anfängliche Source-Drain-Spannung V_DS des Leistungs-DMOS 512 durch die Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514 gemessen und der gemessene Wert wird durch den Filter 516 gefiltert und danach in dem Auffangregister 518 gespeichert. Die von dem Leistungs-DMOS 512 generierte Source-Drain-Spannung V_DS ist während der Startsequenz äußerst stabil und kann fluktuieren, wenn der von der Last verbrauchte Strom variiert. Das Speichern eines Werts für die anfängliche Source-Drain-Spannung V_DS in dem Auffangregister 518 und das Versorgen der Auslösestromvergleichseinheit 510 mit dem Schwellenwertstrom I_t gemäß der anfänglichen Source-Drain-Spannung V_DS erlaubt ein Erzeugen eines Schwellenwertstroms I_t, der sichere Ausgangsstromschwellenwerte genauer widerspiegelt, oberhalb von denen Schäden an dem intelligenten Leistungsschalter 500 verursacht werden können.
6 ist ein Schaltbild eines intelligenten Leistungsschalters 600. Der intelligente Leistungsschalter 600 ist ähnlich wie der intelligente Leistungsschalter 500 mit dem Zusatz eines Schalterüberwachungsschaltkreises 602, einer Stromsenke/Vergleichseinheit 604 und einer Stromquelle 606. Bei dem intelligenten Leistungsschalter 600 ist der von der Auslösestromvergleichseinheit 510 bereitgestellte Schwellenwertstrom I_t eine Summe aus einem kontinuierlichen Schwellenwertstrom I_t1 und einem diskreten Schwellenwertstrom I_t2. Der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 ist eine umgekehrt proportionale Funktion der Source-Drain-Spannung V_DS und der diskrete Schwellenwertstrom I_t2 wird bereitgestellt, wenn ein Betrieb in verschiedenen Modi erfolgt.
Der Schalterüberwachungsschaltkreis 602 misst die Source-Drain-Spannung V_DS des Leistungs-DMOS 512. Wie die Source-Drain-Spannungsvergleichseinheit 514 ist der Schalterüberwachungsschaltkreis 602 direkt mit dem Leistungs-DMOS 512 verbunden, sodass die Spannungsmessgenauigkeit verbessert werden kann. Der Schalterüberwachungsschaltkreis 602 kann z.B. einen Spannungs/Stromwandler umfassen, der einen Widerstand und einen oder mehrere Stromspiegel aufweisen kann, um mehrere Signale zu generieren, die Funktionen der gemessenen Source-Drain-Spannung V_DS des Leistungs-DMOS 512 sind. Bei einigen Ausführungsformen generiert der Schalterüberwachungsschaltkreis 602 einen kontinuierlichen Schwellenwertstrom I_t1 und einen gemessenen Strom I_VDS, die jeweils Funktionen der Source-Drain-Spannung V_DS sind, z.B. $I_{t 1} = I_{V D S} = ƒ (V_{D S}) .$
Bei einigen Ausführungsformen ist der Schwellenwertstrom I_t1 umgekehrt proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS und der gemessene Strom I_VDS ist direkt proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS.
Der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 wird von der Auslösestromvergleichseinheit 510 als Teil des Schwellenwertstroms I_t bereitgestellt. Der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 ist umgekehrt proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS. Wenn die Source-Drain-Spannung V_DS ansteigt, nimmt der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 ab, was seinerseits die Empfindlichkeit auf Überstromsituationen des intelligenten Leistungsschalters 600 erhöht. Der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 kann eine obere Grenze aufweisen, z.B. kann ein Kappen des Signals vorgenommen werden, sodass der intelligente Leistungsschalter 600 eine maximale Überstromempfindlichkeit für den kontinuierlichen Schwellenwertstrom I_t1 nicht überschreitet.
Der gemessene Strom I_VDS wird in die Stromsenke/Vergleichseinheit 604 eingegeben, die einen mit dem Filter 516 verbundenen Ausgang aufweist. Die Stromsenke/Vergleichseinheit 604 umfasst eine Stromsenke, die einen Strom I_startup speichert, der proportional zu V_startup ist, und eine Vergleichseinheit, die den gemessenen Strom I_VDS mit dem gespeicherten Strom I_startup vergleicht. Die Ausgabe der Vergleichseinheit ist ein digitales Signal. Wenn der gemessene Strom I_VDS größer als der gespeicherte Strom I_startup ist, wird der Ausgang der Vergleichseinheit auf ein logisches High gesetzt. Die Ausgabe der Vergleichseinheit wird in dem Auffangregister 518 gespeichert, das gesetzt wird, wenn die Setzleitung beim Starten auf einem logischen High liegt und die Rücksetzleitung auf einem logischen Low liegt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Stromsenke/Vergleichseinheit 604 außerdem eine Vergleichseinheit für eine Zeitdiskretisierung. Der gespeicherte Strom I_startup wird mit dem gemessenen Strom I_VDS während eines normalen Betriebs verglichen, was einen Vergleich der Source-Drain-Spannung V_DS mit der Startspannung V_startup erfüllt.
Die Stromquelle 606 ist konfiguriert, um die Auslösestromvergleichseinheit 510 mit einem diskreten Schwellenwertstrom I_t2 als Teil des Schwellenwertstroms I_t zu versorgen. Der diskrete Schwellenwertstrom I_t2 ist eine Funktion des in dem Auffangregister 518 gespeicherten Werts und wird von der Stromquelle 606 bereitgestellt. Der Wert des diskreten Schwellenwertstroms I_t2 wird durch den Ausgang des Auffangregisters 518 gesteuert. Die Stromquelle 606 wird auf einen hohen Stromschwellenwert I_{t2_h} gesetzt, wenn das Auffangregister 518 nicht gesetzt ist, oder sie wird auf einen niedrigen Stromschwellenwert I_{t2_l} gesetzt, wenn das Auffangregister 518 gesetzt ist. Der diskrete Schwellenwertstrom I_t2 wird an den gleichen Knoten abgegeben, an den der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 abgegeben wird, was auf diese Weise dazu führt, dass der Schwellenwertstrom I_t eine Summe des kontinuierlichen Schwellenwertstroms I_t1, und des diskreten Schwellenwertstroms I_t2 ist.
7 ist ein Ablaufplan eines Überstromschutzverfahrens 700. Das Überstromschutzverfahren 700 kann Vorgänge anzeigen, die in dem intelligenten Leistungsschalter 600 auftreten. Das Überstromschutzverfahren 700 beginnt mit dem Messen und Speichern eines Werts V_startup für die Source-Drain-Spannung V_DS des Leistungsschalters während einer Startsequenz (Schritt 702). Der gespeicherte Wert kann ein Strom sein, der proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS ist, und der Wert kann in einem Auffangregister gespeichert werden. Während der normalen Vorgänge wird die Source-Drain-Spannung V_DS gemessen (Schritt 704). Die Source-Drain-Spannung V_DS wird verwendet, um einen kontinuierlichen Schwellenwertstrom I_t1 zu generieren, der umgekehrt proportional zur Source-Drain-Spannung V_DS ist (Schritt 706). Der kontinuierliche Schwellenwertstrom I_t1 kann ein gekapptes Signal sein. Wenn die gemessene Source-Drain-Spannung V_DS die gespeicherte Spannung V_startup überschreitet (Schritt 708), ist der an die Auslösestromvergleichseinheit abgegebene Schwellenwertstrom I_t die Summe des kontinuierlichen Schwellenwertstroms I_t1, und eines diskreten Schwellenwertstroms I_t2 (Schritt 710). Der bereitgestellte diskrete Schwellenwertstrom I_t2 ist eine Funktion der gespeicherten Spannung V_startup. Wenn die gemessene Source-Drain-Spannung V_DS die gespeicherte Spannung V_startup nicht überschreitet (Schritt 708), wird der diskrete Schwellenwertstrom I_t2 nicht bereitgestellt und der an die Auslösestromvergleichseinheit abgegebene Schwellenwertstrom I_t ist gleich dem Schwellenwertstrom I_t1 (Schritt 712).
Obwohl die Beschreibung detailliert beschrieben wurde, ist sie so zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen, Variationen und Ergänzungen vorgenommen werden können, ohne von dem in den angefügten Ansprüchen definierten Erfindungsgedanken und dem Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus ist der Umfang der Offenbarung nicht so zu verstehen, dass er auf die speziellen, hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, da für den Fachmann aus dieser Offenbarung einfach verständlich ist, dass Prozesse, Maschinen, Herstellungsprodukte, Strukturen des Gegenstands, Elemente, Verfahren oder Schritte, die bereits vorhanden sind oder später entwickelt werden, im Wesentlichen die gleiche Funktion ausführen können oder im Wesentlichen das gleiche Ergebnis erreichen können wie die entsprechenden hier beschriebenen Ausführungsformen. Folglich sind die angefügten Ansprüche so zu verstehen, dass sie in ihrem Umfang solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsprodukte, Strukturen des Gegenstands, Elemente, Verfahren oder Schritte beinhalten.

Claims

Vorrichtung (300; 600), umfassend: einen Gate-Treiber (304; 520), der konfiguriert ist, um mit einem Leistungsschalter (306; 512) verbunden zu werden; einen Spannungsmessschaltkreis (312), der konfiguriert ist, um direkt mit dem Leistungsschalter (306; 512) verbunden zu werden; einen Schalterüberwachungsschaltkreis (310; 602), der konfiguriert ist, um mit dem Leistungsschalter (306) verbunden zu werden, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um einen Ausgangsstrom des Leistungsschalters zu messen; einen Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510), der mit dem Gate-Treiber (304; 520) und dem Schalterüberwachungsschaltkreis (310; 602) verbunden ist, wobei der Strombegrenzungsschaltkreis konfiguriert ist, um die Gate-Source-Spannung des Gate-Treibers zu regeln, wenn der Ausgangsstrom einen Schwellenwert (It) überschreitet; und eine Steuereinheit (314), die mit dem Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510) und dem Spannungsmessschaltkreis (312) verbunden ist, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus gemäß einer Startspannung zu ermitteln, die von dem Spannungsmessschaltkreis während einer Startsequenz gemessen wird, wobei die Steuereinheit außerdem konfiguriert ist, um den Strombegrenzungsschaltkreis gemäß dem Betriebsmodus und einer durch den Spannungsmessschaltkreis gemessenen Schalterspannung mit dem Schwellenwert zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510) außerdem konfiguriert ist, um den Gate-Treiber (304; 520) zu deaktivieren, wenn die Gate-Source-Spannung des Gate-Treibers geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schwellenwert (It) durch die Steuereinheit (314) gemäß einer Summe aus einem kontinuierlichen Schwellenwert (Iti) und einem diskreten Schwellenwert (I_t2) berechnet wird, wobei der kontinuierliche Schwellenwert umgekehrt proportional zur Schalterspannung ist, wobei der diskrete Schwellenwert ein erster Wert ist, wenn die Schalterspannung die Startspannung überschreitet, und ein zweiter Wert ist, wenn die Startspannung die Schalterspannung überschreitet, wobei der zweite Wert größer als der erste Wert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der kontinuierliche Schwellenwert (Ici) einen Maximalwert aufweist, und wobei der diskrete Schwellenwert (I_t2) eine Hysterese umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (314) umfasst: eine Spannungsvergleichseinheit (604), die konfiguriert ist, um einen Steuerstrom gemäß der durch den Spannungsmessschaltkreis (602) gemessenen Schalterspannung zu erzeugen; und ein Auffangregister (518), das konfiguriert ist, einen Startstrom gemäß der während der Startsequenz gemessenen Startspannung zu speichern, wobei das Auffangregister konfiguriert ist, um den Schwellenwert (It) abhängig davon bereitzustellen, ob der Steuerstrom den Startstrom überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (314) außerdem umfasst: eine Stromquelle (606), die mit dem Auffangregister (518) verbunden ist, wobei die Stromquelle konfiguriert ist, um den Schwellenwert (It) aus dem Auffangregister bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die außerdem umfasst: einen Logikschaltkreis (302), der mit dem Gate-Treiber (304; 520) und der Steuereinheit (314) verbunden ist, wobei der Logikschaltkreis konfiguriert ist, um die Steuereinheit neu zu starten, wenn der Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510) den Gate-Treiber regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Neustarten der Steuereinheit (314) ein Ermitteln des Betriebsmodus gemäß einer zweiten Startspannung umfasst, die von dem Spannungsmessschaltkreis (312) während des Neustarts gemessen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die außerdem den Leistungsschalter (306; 512) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Leistungsschalter (306; 512), der Gate-Treiber (304; 520), der Spannungsmessschaltkreis (312), der Schalterüberwachungsschaltkreis (310; 602), der Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510) und die Steuereinheit (314) auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Strombegrenzungsschaltkreis (308; 510) eine Vergleichseinheit ist.
Verfahren (700), umfassend: Speichern (702) einer Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) eines Leistungsschalters (306; 512) während einer Startsequenz; Messen (704) einer Drain-Source-Spannung (V_ds) des Leistungsschalters (306; 512) direkt an einer Source-Klemme und einer Drain-Klemme des Leistungsschalters; Generieren (706) eines ersten Schwellenwerts (I_t1) als eine kontinuierliche Funktion der gemessenen Drain-Source-Spannung; Generieren eines zweiten Schwellenwerts (I_t2) als eine diskrete Funktion der gemessenen Drain-Source-Spannung; Messen eines Ausgangswerts des Leistungsschalters (306; 512); und Deaktivieren des Leistungsschalters (306; 512), wenn der Ausgangswert des Leistungsschalters entweder den ersten Schwellenwert (I_t1) oder den zweiten Schwellenwert (I_t2) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 12, das außerdem umfasst: Bereitstellen eines kombinierten Schwellenwerts, wobei der kombinierte Schwellenwert der erste Schwellenwert (I_t1) ist, wenn die gemessene Drain-Source-Spannung (V_ds) geringer als die Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) ist, wobei der kombinierte Schwellenwert eine Summe aus dem ersten Schwellenwert (Ici) und dem zweiten Schwellenwert (I_t2) ist, wenn die gemessene Drain-Source-Spannung (V_ds) größer als die Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) ist, wobei der Leistungsschalter (306; 512) deaktiviert wird, wenn der Ausgangswert des Leistungsschalters den kombinierten Schwellenwert überschreitet, und wobei der kombinierte Schwellenwert auf einen maximalen Schwellenwert begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Ausgangswert des Leistungsschalters (306; 512) eine Ausgangsimpedanz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Ausgangswert des Leistungsschalters (306; 512) ein Ausgangsstrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Speichern der Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) des Leistungsschalters (306; 512) während der Startsequenz umfasst: Messen einer Betriebstemperatur des Leistungsschalters (306; 512); und Filtern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) gemäß der Betriebstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Filtern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) ein Verringern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) umfasst, wenn die Betriebstemperatur einen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das außerdem ein Filtern der gespeicherten Start-Drain-Source-Spannung (V_startup) gemäß einer gemessenen elektromagnetischen Störung umfasst.
Vorrichtung (600), umfassend: einen Schalterüberwachungsschaltkreis (602), der konfiguriert ist, um mit einem Leistungsschalter (512) verbunden zu werden, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um ein Signal zu generieren, das proportional zu einem gemessenen Wert des Leistungsschalters ist, wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis konfiguriert ist, um einen ersten Abschaltschwellenwert (I_t1) für den Leistungsschalter bereitzustellen; einen Filter (516), der mit dem Schalterüberwachungsschaltkreis (602) verbunden und konfiguriert ist, um das Signal zu filtern und ein gefiltertes Signal zu generieren; ein Auffangregister (518), das mit dem Filter (516) verbunden und konfiguriert ist, um mit einer Rücksetzleitung verbunden zu werden, wobei das Auffangregister konfiguriert ist, um das gefilterte Signal als Reaktion auf eine Bestätigung der Rücksetzleitung zu speichern; und eine Stromquelle (606), die mit dem Auffangregister (518) und dem Schalterüberwachungsschaltkreis (602) verbunden ist, wobei die Stromquelle konfiguriert ist, um einen zweiten Abschaltschwellenwert (I_t2) für den Leistungsschalter (512) bereitzustellen, wenn das Signal das in dem Auffangregister (518) gespeicherte, gefilterte Signal überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Filter (516) einen Temperatursensor umfasst, und wobei das Generieren des gefilterten Signals ein Verringern des Signals umfasst, wenn eine von dem Temperatursensor gemessene Temperatur einen Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei der gemessene Wert des Leistungsschalters (512) eine Source-Drain-Spannung (V_ds) des Leistungsschalters ist, und wobei der Schalterüberwachungsschaltkreis (602) direkt mit einer Source-Klemme und einer Drain-Klemme des Leistungsschalters verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, die außerdem den Leistungsschalter (512) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der Leistungsschalter (512) deaktiviert wird, wenn der gemessene Wert des Leistungsschalters eine Summe (It) des ersten Abschaltschwellenwerts (I_t1) und des zweiten Abschaltschwellenwerts (I_t2) überschreitet, wobei die Summe auf einen Maximalwert begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der gemessene Wert des Leistungsschalters (512) ein von dem Leistungsschalter generierter Widerstand oder Strom ist.