DE102017131359A1

DE102017131359A1 - Elektronische schalt- und schutzschaltung

Info

Publication number: DE102017131359A1
Application number: DE102017131359.1A
Authority: DE
Inventors: Alfons Graf
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-07-05
Also published as: CN108270197B; US20180191147A1; CN108270197A; US10498131B2

Abstract

Beschrieben werden eine elektronische Schaltung und ein Verfahren. Die elektronische Schaltung umfasst mehrere elektronische Schalter, die jeweils eine Laststrecke und einen Steuerknoten umfassen, wobei die Laststrecken zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten der elektronischen Schaltung parallel geschaltet sind; eine Stromerfassungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Laststrom zwischen dem ersten Lastknoten und dem zweiten Lastknoten zu erfassen und ein Stromerfassungssignal, das den Laststrom repräsentiert, zu erzeugen; eine Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, die mehreren elektronischen Schalter basierend auf wenigstens einem Eingangssignal anzusteuern; und einen Überlastdetektor. Der Überlastdetektor ist dazu ausgebildet, das Stromerfassungssignal und eine Auswahlinformation zu erhalten und ein Überlastsignal abhängig von dem Stromerfassungssignal und der Auswahlinformation zu erzeugen.

Description

Diese Beschreibung betrifft allgemein eine elektronische Schalt- und Schutzschaltung, und insbesondere eine elektronische Schaltung, die als ein elektronischer Schalter und eine elektronische Sicherung betrieben werden kann.
Eine Sicherung ist ein Schutzelement, das abhängig von einem Strompegel eines Stroms und abhängig von einer Zeitdauer, während der der Strompegel anhält, auslöst. Eine Sicherung löst beispielsweise nahezu sofort aus, wenn der Strom höher ist als ein Maximalstrom, löst nicht aus, wenn der Strom ein Nennstrom oder darunter ist, und löst nach einer Verzögerungszeit aus, die abhängig von dem Strompegel ist, wenn der Strom zwischen dem Nennstrom und dem Maximalstrom liegt. Eine Sicherung kann dazu verwendet werden, um eine Last und ein Kabel zwischen einer Leistungsquelle und der Last zu schützen. Die Funktion einer Sicherung kann unter Verwendung eines elektronischen Schalters und einer Ansteuerschaltung realisiert werden.
In einem komplexen System können mehrere elektrische Lasten, und damit mehrere Sicherungen benötigt werden. In einem Fahrzeug können Nennströme von in dem Fahrzeug realisierten Lasten beispielsweise von einigen Milliampere bis zu einigen 10 Ampere betragen. Üblicherweise sind Kabel zwischen einer Leistungsquelle, wie beispielsweise der Fahrzeugbatterie, und diesen Lasten basierend auf dem Nennstrom der einzelnen Lasten gewählt. Entsprechend werden unterschiedliche Arten von Sicherungen benötigt, um die unterschiedlichen Arten von Kabeln zu schützen. Dies macht den Herstellungs- und Nachschubprozess allerdings komplizierter.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer elektronischen Schaltung, die als eine Sicherung funktioniert und die für verschiedene Arten von Lasten und Kabeln verwendet werden kann.
Ein Beispiel betrifft eine elektronische Schaltung. Die elektronische Schaltung umfasst mehrere elektronische Schalter, eine Stromerfassungsschaltung, eine Ansteuerschaltung und einen Überlastdetektor. Jeder der mehreren elektronischen Schalter umfasst eine Laststrecke und einen Steuerknoten, wobei die Laststrecken zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten der elektronischen Schaltung parallel geschaltet sind. Die Stromerfassungsschaltung ist dazu ausgebildet, einen Laststrom zwischen dem ersten Lastknoten und dem zweiten Lastknoten zu erfassen und ein Stromerfassungssignal, das den Laststrom repräsentiert, zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung ist dazu ausgebildet, die mehreren elektronischen Schalter basierend auf wenigstens einem Eingangssignal anzusteuern. Der Überlastdetektor ist dazu ausgebildet, das Stromerfassungssignal und ein Auswahlsignal zu erhalten und ein Überlastsignal abhängig von dem Stromerfassungssignal und der Auswahlinformation zu erzeugen.
Ein weiteres Beispiel betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Ansteuern mehrerer elektronischer Schalter basierend auf wenigstens einem Eingangssignal, wobei jeder der mehreren elektronischen Schalter eine Laststrecke und einen Steuerknoten aufweist und wobei die Laststrecken zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten der elektronischen Schaltung parallel geschaltet sind. Das Verfahren umfasst außerdem das Erzeugen eines Stromerfassungssignals basierend auf einem Erfassen eines Laststroms zwischen dem ersten Lastknoten und dem zweiten Lastknoten und das Erzeugen eines Überlastsignals abhängig von dem Stromerfassungssignal und einer Auswahlinformation.
Beispiele sind nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die mehrere elektronischen Schalter, eine Stromerfassungsschaltung und eine Steuerschaltung mit einer Ansteuerschaltung und einem Überlastdetektor umfasst;
2 veranschaulicht schematisch Zeitdiagramme von bestimmten Signalen in der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung;
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer elektronischen Schaltung, die mehrere elektronische Schalter, eine Stromerfassungsschaltung und eine Steuerschaltung mit einer Ansteuerschaltung und einem Überlastdetektor umfasst;
4 veranschaulicht schematisch zwei unterschiedliche „Sicherungskennlinien“ einer elektronischen Schaltung gemäß einer der 1 und 3;
5 zeigt ein Beispiel der Ansteuerschaltung weiter im Detail;
6 zeigt ein weiteres Beispiel der Steuerschaltung;
7 veranschaulicht eine Modifikation der in 6 gezeigten Steuerschaltung;
8 veranschaulicht mehrere Schalt-Schaltungen, die jeweils einen elektronischen Schalter und einen Stromsensor der Stromerfassungsschaltung umfassen;
9 zeigt ein Beispiel einer Schalt-Schaltung weiter im Detail;
10 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schalt-Schaltung weiter im Detail;
11 zeigt eine Messschaltung der in 10 gezeigten Schalt-Schaltung weiter im Detail;
12 zeigt ein Beispiel eines Treibers, der dazu ausgebildet ist, eine Schalt-Schaltung anzusteuern;
13 zeigt ein Beispiel eines Überlastdetektors, der ein Filter und eine Komparatorschaltung umfasst;
14 zeigt ein Beispiel eines Filters;
15 zeigt ein Beispiel der Komparatorschaltung;
16 zeigt Zeitdiagramme, die die Funktion des Überlastdetektors veranschaulichen;
17 bis 19 zeigen weitere Beispiele der Komparatorschaltung.

In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
1 zeigt ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die als elektronischer Schalter und als Schutzschaltung funktioniert. Diese Art von elektronischer Schaltung kann nachfolgend als Schalt- und Schutzschaltung bezeichnet werden. Bezug nehmend auf 1 umfasst die elektronische Schalt- und Schutzschaltung mehrere elektronische Schalter 2₁-2_n. Jeder dieser elektronischen Schalter 2₁-2_n umfasst einen Steuerknoten G₁-G_n und eine Laststrecke zwischen einem ersten Lastknoten D₁-D_n und einem zweiten Lastknoten Sl₁-Sl_n. Die Laststrecken der elektronischen Schalter 2₁-2_n sind zwischen einem ersten Lastknoten 11 und einem zweiten Lastknoten 12 der Schalt- und Schutzschaltung parallel geschaltet. Eine Stromerfassungsschaltung 7 ist dazu ausgebildet, einen Laststrom Iz zwischen dem ersten Lastknoten 11 und dem zweiten Lastknoten 12 zu erfassen und ein Stromerfassungssignal CS_TOT zu erzeugen, das den Laststrom in Iz repräsentiert. Die Stromerfassungsschaltung 7 ist in 1 nur schematisch dargestellt. Beispiele, wie die Stromerfassungsschaltung 7 realisiert werden kann, sind unten weiter im Detail erläutert. Gemäß einem Beispiel haben die elektronischen Schalter 2₁-2_n im Wesentlichen denselben Einschaltwiderstand, welches der Ohmsche Widerstand in einem Ein-Zustand (eingeschalteter Zustand) ist. Dies kann erreicht werden durch Realisieren der elektronischen Schalter 2₁-2_n mit derselben Größe. Die elektronischen Schalter 2₁-2_n können jeweils als Transistor mit mehreren Transistorzellen, die intern parallel geschaltet sind, realisiert werden. „Realisieren der elektronischen Schalter 2₁-2_n mit der selben Größe“ kann umfassen, die elektronischen Schalter 2₁-2_n mit im Wesentlichen derselben Anzahl von Transistorzellen zu realisieren. Gemäß einem weiteren Beispiel, haben wenigstens zwei der elektronischen Schalter 2₁-2_n unterschiedliche Einschaltwiderstände. Dies kann erreicht werden durch Realisieren von wenigstens zwei der elektronischen Schalter mit unterschiedlichen Größen. Gemäß noch einem weiteren Beispiel hat jeder der elektronischen Schalter 2₁-2_n einen Einschaltwiderstand, der sich von den Einschaltwiderständen der übrigen elektronischen Schalter unterscheidet.
Bezug nehmend auf 1 umfasst die elektronische Schaltung außerdem eine Steuerschaltung 3 mit einer Ansteuerschaltung 4 und einem Überlastdetektor 5. Die Ansteuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, wenigstens einen der mehreren elektronischen Schalter 2₁-2_n basierend auf wenigstens einem durch die Ansteuerschaltung 4 erhaltenen Eingangssignal auszuwählen und einzuschalten. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel erhält die Ansteuerschaltung 4 mehrere Eingangssignale S_IN1-S_INn, wobei jedes dieser Eingangssignale S_IN1-S_INn einem der mehreren elektronischen Schalter 2₁-S_n zugeordnet ist. Jedes dieser Eingangssignale S_IN1-S_Inn gibt an, ob der zugehörige elektronische Schalter 2₁-2_n eingeschaltet oder ausgeschaltet werden soll, wobei die Ansteuerschaltung 4 dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal S_DRV1-S_DRVn basierend auf jedem der Eingangssignale S_IN1-S_INn zu erzeugen. Jeder der elektronischen Schalter 2₁-2_n erhält ein zugehöriges der Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn an seinem Gateknoten G₁-G_n und schaltet abhängig von einem Signalpegel des zugehörigen Ansteuersignals S_DRV1-S_DRVn ein oder aus. Ein erster elektronischer Schalter 2₁ erhält beispielsweise ein erstes Ansteuersignal S_DRV1, wobei dieses erste Ansteuersignal S_DRV1 durch die Ansteuerschaltung 4 abhängig von einem ersten Eingangssignal S_IN1 erzeugt wird, ein zweiter elektronischer Schalter 22 erhält ein zweites Ansteuersignal S_DRV2, das durch die Ansteuerschaltung 4 basierend auf einem zweiten Eingangssignal S_IN2 erzeugt wird, und so weiter.
Der Überlastdetektor 5 erhält das Stromerfassungssignal CS_TOT und ist dazu ausgebildet, ein Überlastszenario zu detektieren und ein Überlastsignal S_OL basierend auf dieser Detektion und basierend auf einem Auswahlsignal S_SEL zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung 4 erzeugt das Überlastsignal S_OL. Gemäß einem Beispiel ist die Ansteuerschaltung 4 dazu ausgebildet, jeden der elektronischen Schalter 2₁-2_n unabhängig von dem jeweiligen Eingangssignal S_IN1-S_INn auszuschalten, wenn das Überlastsignal S_OL anzeigt, dass ein Überlastszenario detektiert würde. Diese Funktion der Ansteuerschaltung 4 wird anhand der in 2 gezeigten Zeitdiagramme erläutert.
2 zeigt Zeitdiagramme eines Eingangssignals S_INi, eines durch die Ansteuerschaltung 4 basierend auf dem Eingangssignal S_INi erzeugten Ansteuersignals S_DRVi und des Überlastsignals S_OL. Das in 2 dargestellte Signal S_INi repräsentiert ein beliebiges der mehreren in 1 gezeigten Eingangssignale S_IN1-S_INn. Gemäß einem Beispiel hat das Eingangssignal S_INi einen Ein-Pegel oder einen Aus-Pegel. Ein Ein-Pegel des Eingangssignals S_INi zeigt an, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2i, der dem Eingangssignal S_INi zugeordnet ist, einzuschalten, und ein Aus-Pegel zeigt an, dass es gewünscht ist, den jeweiligen Schalter 2i auszuschalten. Lediglich zur Erläuterung wird angenommen, dass ein hoher Signalpegel des in 2 gezeigten Eingangssignals S_INi den Ein-Pegel repräsentiert und ein niedriger Signalpegel den Aus-Pegel repräsentiert.
Gemäß einem Beispiel hat das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel, der anzeigt, dass ein Überlastszenario detektiert wurde, oder einen Nicht-Überlastpegel, der anzeigt, dass die elektronische Schaltung sich in einem Normalbetrieb befindet. Der „Normalbetrieb“ ist eine Betriebsart, in der kein Überlastszenario detektiert wurde. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei dem in 2 gezeigten Beispiel der Überlastpegel als niedriger Signalpegel gezeichnet und der Nicht-Überlastpegel als hoher Signalpegel gezeichnet.
Das in 2 gezeigte Ansteuersignal S_DRVi ist ein durch die Ansteuerschaltung 4 basierend auf dem entsprechenden Eingangssignal S_INi erzeugtes Ansteuersignal. Wie oben erläutert, erzeugt die Ansteuerschaltung 4 das Ansteuersignal S_DRVi basierend auf dem entsprechenden Eingangssignal S_INi und dem Überlastsignal S_OL. Das Ansteuersignal S_DRVi kann einen Ein-Pegel, der den zugehörigen elektronischen Schalter 2i einschaltet, oder einen Aus-Pegel, der den zugehörigen elektronischen Schalter 2i ausschaltet, haben. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei dem in 2 gezeigten Beispiel ein Ein-Pegel des Ansteuersignals S_DRVi als hoher Signalpegel gezeichnet und der Aus-Pegel als niedriger Signalpegel gezeichnet.
Bezug nehmend auf 2 erzeugt die Ansteuerschaltung 4 einen Ein-Pegel des Ansteuersignals S_DRVi, wenn das Eingangssignal S_INi einen Ein-Pegel hat und das Überlastsignal S_OL einen Nicht-Überlastpegel hat. Wenn das Überlastsignal S_OL den Nicht-Überlastpegel hat, werden die elektronischen Schalter 2₁-2_n freigegeben, um abhängig von dem zugehörigen Eingangssignal S_IN1-S_INn ein- oder ausgeschaltet zu werden. In 2 ist dies zwischen einem ersten Zeitpunkt t1, zu dem das Eingangssignal S_INi von dem Aus-Pegel auf den Ein-Pegel wechselt, und einem zweiten Zeitpunkt t2 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird durch den Überlastdetektor 2 eine Überlast im zweiten Zeitpunkt t2 detektiert, so dass zu diesem Zeitpunkt t2 das Überlastsignal S_OL von dem Nicht-Überlastpegel zu dem Überlastpegel (von dem hohen Pegel zu dem niedrigen Pegel in diesem Beispiel) wechselt. Der Überlastpegel deaktiviert die elektronischen Schalter 2₁-2_n, so dass unabhängig von dem Signalpegel des zugehörigen Eingangssignals S_INi ein Aus-Pegel des Ansteuersignals S_DRVi durch die Ansteuerschaltung 4 erzeugt wird, um den elektronischen Schalter 2i (und jeden der anderen elektronischen Schalter) auszuschalten.
Die Ansteuerschaltung 4 kann dazu ausgebildet sein, die elektronischen Schalter 2₁-2_n nur abhängig von dem Überlastsignal freizugeben oder zu deaktivieren. In diesem Fall deaktiviert die Ansteuerschaltung 4 die elektronischen Schalter 2₁-2_n, das heißt, sie hält die elektronischen Schalter 2₁-2_n im ausgeschalteten Zustand (der nachfolgend als Aus-Zustand bezeichnet wird) solange wie das Überlastsignal S_OL den Überlastpegel hat und gibt die elektronischen Schalter 2₁-2_n wieder frei, wenn der Signalpegel des Überlastsignals S_OL von dem Überlastpegel zu dem Nicht-Überlastpegel wechselt. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Ansteuerschaltung 4 dazu ausgebildet, die elektronische Schaltung 2₁-2_n zu deaktivieren, wenn das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat, und hält die elektronischen Schalter 2₁-2_n in dem deaktivierten Zustand unabhängig von dem Signalpegel des Überlastsignals S_OL bis die Eingangssignale S_IN1-S_INn auf den Aus-Pegel gewechselt haben. Erst nachdem jedes der Eingangssignale S_IN1-S_INn auf einen Aus-Pegel gewechselt hat, werden die elektronischen Schalter 2₁-2_n wieder frei gegeben und können basierend auf den Eingangssignalen S_IN1-S_INn eingeschaltet werden.
Die in 1 gezeigten Eingangssignale S_IN1-S_INn können durch eine externe Steuerschaltung (die in den Figuren nicht gezeigt ist) erzeugt werden, die den Betrieb der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung steuert. Diese Steuerschaltung kann als Mikrocontroller realisiert sein. Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 3 gezeigt ist, erhält die elektronische Schaltung ein Eingangssignal S_IN, das sowohl die Auswahlinformation, die anzeigt, welcher der elektronischen Schalter S1₁-S1_n eingeschaltet werden soll (ausgewählt werden soll), als auch die Zeitinformation, die anzeigt, wann der/die ausgewählte(n) Schalter eingeschaltet werden soll(en), enthält. Eine Schnittstellenschaltung 8 erzeugt die anhand von 1 erläuterten Eingangssignale S_IN1-S_INn basierend auf dem einen Eingangssignal S_IN und liefert diese Eingangssignale S_IN1-S_INn an die Ansteuerschaltung 4. Wie anhand von 1 erläutert, erzeugt die Ansteuerschaltung 4 die Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn basierend auf den Eingangssignalen S_IN1- S_INn. Die Schnittstellenschaltung 8 kann als SPI-(Serial Parallel Interface)-Schaltung realisiert sein. Optional erhält die Schnittstellenschaltung 8 außerdem zusätzlich zu dem Eingangssignal S_IN ein Freigabesignal S_EN und ein Taktsignal S_CLK.
Die Schnittstellenschaltung kann einen internen Speicher (nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Register, mit mehreren Speicherzellen umfassen. Jede dieser Speicherzellen ist einem der Eingangssignale S_IN1-S_INn zugeordnet und speichert einen Wert, der den gewünschten Signalpegel (Ein-Pegel oder Aus-Pegel) des zugehörigen Eingangssignals repräsentiert. Die Ansteuerschaltung 4 erhält diese Werte, die die Signalpegel der Eingangssignale S_IN1-S_INn repräsentieren, von der Schnittstellenschaltung 8. Die in dem internen Speicher gespeicherten Werte sind in dem durch die Schnittstellenschaltung 8 erhaltenen Eingangssignal S_IN enthalten. Gemäß einem Beispiel umfasst das Eingangssignal S_IN eine Sequenz von Datenpaketen, wobei jedes dieser Datenpakete die in dem internen Speicher zu speichernden Werte enthält. Bei diesem Beispiel kann die Schnittstellenschaltung 8 dazu ausgebildet sein, die in den Datenpaketen enthaltenen Werte basierend auf dem Taktsignal S_CLK in die Speicherzellen zu schreiben, so dass neue Werte in jedem Taktzyklus in die Speicherzellen geschrieben werden. Gemäß einem Beispiel ist die Schnittstellenschaltung dazu ausgebildet, auf dem Eingangssignal S_IN basierende Werte nur dann in die Speicherzellen zu schreiben, wenn das Freigabesignal S_EN einen vordefinierten Signalpegel hat, der als Freigabepegel bezeichnet werden kann. Das durch den Überlastdetektor erhaltene Auswahlsignal S_SEL wählt eine von mehreren unterschiedlichen Überlastkennlinien (Schutzkennlinien), die in dem Überlastdetektor implementiert sind, aus. Diese Überlastkennlinien (und wie sie realisiert werden können) sind unten weiter im Detail erläutert. Das Auswahlsignal S_SEL kann durch dieselbe elektronische Steuerschaltung bereitgestellt werden, die das wenigstens eine Eingangssignal S_IN1-S_INn erzeugt. Gemäß einem ein 3 gezeigten Beispiel ist das Auswahlsignal (das auch als Auswahlinformation bezeichnet werden kann) in dem seriellen Eingangssignal enthalten und wird durch die Schnittstellenschaltung 8 von dem Eingangssignal S_IN erhalten. Gemäß einem Beispiel, das in den 1 und 3 in gestrichelten Linien dargestellt ist, ist das Auswahlsignal S_SEL durch ein binäres Wort mit m Bit repräsentiert. Dieses binäre Wort kann 2^m-1 unterschiedliche Werte haben, so dass unter Verwendung dieser Art von Auswahlsignal S_SEL 2^m-1 unterschiedliche Überlastkennlinien ausgewählt werden können.
Die durch die Ansteuerschaltung 4 erhaltenen Eingangssignale S_IN1-S_INn können so sein, dass nur eines dieser Eingangssignale S_IN1-S_INn zu einem Zeitpunkt einen Ein-Pegel hat, so dass nur einer der elektronischen Schalter 2₁-2_n zu einer Zeit eingeschaltet ist. Gemäß einem weiteren Beispiel können mehr als eines der Eingangssignale S_IN1-S_INn zu einer Zeit einen Ein-Pegel haben, um zwei oder mehr der elektronischen Schalter 2₁-2_n zur selben Zeit einzuschalten und mehrere parallele Strompfade zwischen den Lastknoten 11, 12 der Schalt- und Schutzschaltung bereitzustellen.
Nachfolgend wird ein elektronischer Schalter als aktiver elektronischer Schalter bezeichnet, wenn das zugehörige Eingangssignal einen Ein-Pegel hat, und ein oder mehr elektronische Schalter, die zur selben Zeit aktiv sind, werden als Gruppe von aktiven elektronischen Schaltern bezeichnet. Wenn beispielsweise n elektronische Schalter 2₁-2_n vorhanden sind und mehr als ein elektronischer Schalter zur selben Zeit aktiv sein kann, gibt es 2ⁿ-1 unterschiedliche Gruppen von aktiven elektronischen Schaltern, das heißt 2ⁿ-1 unterschiedliche Kombinationen von elektronischen Schaltern 2₁-2_n, die zum selben Zeitpunkt eingeschaltet sind.
Wie oben erläutert, hat die elektronische Schaltung eine Schaltfunktion und eine Schutzfunktion. Die „Schaltfunktion“ umfasst, dass die elektronische Schaltung dazu ausgebildet ist, eine Last an eine Leistungsquelle anzuschließen, oder die Last von der Leistungsquelle zu trennen. Die „Schutzfunktion“ umfasst, dass die elektronische Schaltung durch Ausschalten der elektronischen Schalter 2₁-2_n die Last von der Leistungsquelle trennt, wenn ein Überlastszenario detektiert wurde. Eine Art, wie die elektronische Schaltung und die Last miteinander verschaltet sein können, ist in den 1 und 3 in gestrichelten Linien dargestellt. Bei diesem Beispiel ist eine Laststrecke der elektronischen Schaltung in Reihe zu der Last Z geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit der Last Z und der Laststrecke der elektronischen Schaltung an eine Leistungsquelle angeschlossen ist. Die Leistungsquelle ist in den 1 und 3 durch ein erstes Versorgungspotential V_BAT und ein zweites Versorgungspotential GND repräsentiert. Lediglich zur Erläuterung sei angenommen, dass das erste Versorgungspotential ein positives Versorgungspotential ist und das zweite Versorgungspotential Masse ist. Gemäß einem Beispiel ist die Leistungsquelle eine Fahrzeugbatterie und die Last Z ist eine elektrische Last in einem Fahrzeug, wie beispielsweise ein Motor (ein anderer als der Motor, der das Fahrzeug antreibt), ein Licht, eine beliebige Art von elektronischer Schaltung, oder ähnliches.
In einem Fahrzeug kann ein erster Versorgungsknoten, an dem das erste Versorgungspotential V_BAT zur Verfügung steht, ein Anschluss der Fahrzeugbatterie sein, während ein zweiter Versorgungsknoten, an dem das zweite Versorgungspotential (Masse) zur Verfügung steht, eine Karosserie des Automobils sein kann. Gemäß einem Beispiel ist die Last Z nahe der Position, an der die Last in dem Fahrzeug angeordnet ist, an den zweiten Versorgungsknoten (die Karosserie) angeschlossen und die Last Z ist an den ersten Versorgungsknoten über ein Kabel angeschlossen. Die Laststrecke 11-12 der elektronischen Schaltung kann an einer beliebigen Position in dem Kabel zwischen dem ersten Versorgungsknoten und der Last Z angeordnet sein. Gemäß einem Beispiel ist die elektronische Schaltung entweder nahe der Fahrzeugbatterie (repräsentiert durch den ersten Versorgungsknoten in 3) oder nahe der Last Z angeordnet.
Die unterschiedlichen elektrischen Lasten, die in einem modernen Fahrzeug installiert sind, haben üblicherweise unterschiedliche Stromverbräuche. Die Stromverbräuche dieser Lasten können von einigen Milliampere bis hin zu einigen 10 Ampere reichen. Um Ressourcen und Kosten zu sparen, kann eine Querschnittsfläche der Kabel, die dazu verwendet werden, die einzelnen Lasten an die Fahrzeugbatterie anzuschließen, an den Stromverbrauch der jeweiligen Last angepasst sein. Da die einzelnen Kabel bis hin zu einigen Metern lang sein können, können durch diesen Ansatz erheblich Ressourcen, Gewicht und Kosten gespart werden. Eine Last mit einem Stromverbrauch von 0,1 A kann beispielsweise über ein Kabel mit einer Querschnittsfläche von 0,13 Quadratmillimetern (mm²) versorgt werden, eine Last mit einem Stromverbrauch von 3 A kann über ein Kabel mit einer Querschnittsfläche 0,35 mm² versorgt werden, eine Last mit einem Stromverbrauch von 6 A kann über ein Kabel mit einer Querschnittsfläche von 0,75 mm² versorgt werden und eine Last mit einem Stromverbrauch von 30 A kann über ein Kabel mit einer Querschnittsfläche von 4 mm² versorgt werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Die in den 1 und 3 gezeigte elektronische Schaltung ist nicht nur dazu ausgebildet, den Strom zwischen der Leistungsquelle und der Last ein- und auszuschalten, sondern ist auch dazu ausgebildet, das Kabel davor zu schützen, zu überhitzen oder sogar zerstört zu werden. Dies ist unten im Detail anhand von 4 erläutert. Die Fähigkeit eines Kabels, bestimmten Strompegeln zu widerstehen, ist allerdings nicht nur abhängig von der Querschnittsfläche. Das Kabel umfasst üblicherweise einen Kern und eine Isolation um den Kern. Oben und nachfolgend bedeutet „Querschnittsfläche“ die Querschnittsfläche des Kerns. Parameter, die zusätzlich zu der Querschnittsfläche des Kerns die Fähigkeit des Kabels beeinflussen, bestimmten Strompegeln zu widerstehen, sind die Art des Materials des Kerns, die Struktur des Kerns (beispielsweise ein solider Kern oder Litze) und die Art des Materials der Isolierung. Die Art des Isolationsmaterials definiert die maximale Temperatur, der das Kabel widerstehen kann. Da die Kabeltemperatur üblicherweise zunimmt, wenn der Strom zunimmt, kann das Isolationsmaterial eine der limitierenden Faktoren sein. Daher können zwei Kabel mit identischen Kernen aber unterschiedlichen Isolationen unterschiedliche Stromtragfähigkeiten haben, wobei die „Stromtragfähigkeit“ den maximalen Strompegel definiert, dem das Kabel für eine bestimmte Zeitdauer standhalten kann, ohne beschädigt oder zerstört zu werden.
Zur Veranschaulichung zeigt 4 in einer logarithmischen Skala die Kennlinien von zwei Kabeln (Drähten) mit unterschiedlichen Stromtragfähigkeiten, wobei diese unterschiedlichen Stromtragfähigkeiten, wie oben erläutert, aus unterschiedlichen internen Parametern des Kabels, wie beispielsweise Querschnittsfläche, Kernstruktur und Isolation, usw. und auch externen Parametern, wie der Umgebungstemperatur, resultieren können. 4 zeigt insbesondere I²t-Kurven der einzelnen Kabel. Jede dieser Kurven repräsentiert mehrere Ströme Iz und Zeiten t, die den einzelnen Strömen zugeordnet sind. Die einem Strom zugeordnete Zeit ist die Zeit, für die das Kabel dem jeweiligen Strom standhalten kann, ohne beschädigt oder zerstört zu werden. Gemäß einem Beispiel ist diese Zeit die Zeit, die es dauert, damit das Kabel die maximal erlaubte Temperatur (die auch als Nenntemperatur bezeichnet werden kann) erreicht. Die einzelnen Kurven basieren auf der Formel Iz² · t = c, wobei c eine Konstante ist, die abhängig ist von der Querschnittsfläche des jeweiligen Kabels und einer Temperaturänderung, der das Kabel standhalten kann. Grundsätzlich gilt, je höher die Nenntemperatur, umso länger ist die Zeit, für die ein Kabel einem bestimmten Strom standhalten kann. Eine Geschwindigkeit, mit der die Kabeltemperatur ansteigt, wenn ein bestimmter Strom hindurch fließt, ist abhängig von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise der Kernstruktur, der Querschnittsfläche des Kerns und des Kernmaterials. Die Zeit, für welche ein Kabel einem bestimmten Strom standhalten kann, nimmt beispielsweise zu, wenn die Querschnittsfläche des Kerns zunimmt. In 4 repräsentiert die mit 111 bezeichnete Kurve die Kennlinie eines Kabels mit einer ersten Stromtragfähigkeit und die mit 121 bezeichnete Kurve repräsentiert die Kennlinie eines zweites Kabels mit einer zweiten Stromtragfähigkeit, die höher ist als die erste Stromtragfähigkeit. Das durch die Kurve 111 repräsentierte Kabel ist in der Lage, einem ersten Nennstrom I_RATED1 langfristig standzuhalten, und das durch die Kurve 121 repräsentierte Kabel ist in der Lage, einem zweiten Nennstrom I_RATED2, der höher ist als der erste Nennstrom, langfristig standzuhalten. Wenn der Laststrom über den jeweiligen Nennstrom ansteigt, nimmt die Zeit, für welche das jeweilige Kabel dem Laststrom standhalten kann, mit zunehmendem Laststrom ab.
Jede der in den 1 und 3 gezeigten elektronischen Schaltungen ist dazu ausgebildet, unterschiedliche Arten von Kabeln, das heißt Kabel mit unterschiedlichen Stromtragfähigkeiten zu schützen. „Ein Kabel zu schützen“ bedeutet, eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Lastknoten 11 und dem zweiten Lastknoten 12 durch Ausschalten jedes der elektronischen Schalter 2₁-2_n zu unterbrechen, bevor eine kritische Situation, wie sie durch die Kennlinie des Kabels definiert ist, auftritt. Bezug nehmend auf 4 kann das durch die Kurve 111 repräsentierte Kabel geschützt werden, wenn die elektronische Schaltung gemäß einer in 4 in gestrichelten Linien gezeigten Kurve 110 ausschaltet, und ein durch die Kurve 121 repräsentiertes Kabel kann geschützt werden, wenn die elektronische Schaltung gemäß einer in 4 in gestrichelten Linien gezeigten Kurve 120 ausschaltet. Diese Kurven 110 und 120 sind nachfolgend als „Auslösekurven“ oder „Schutzkennlinien“ bezeichnet. Gemäß einem Beispiel ist die elektronische Schaltung dazu ausgebildet, das Überlastsignal basierend auf einer von mehreren Schutzkennlinien, die in dem Überlastdetektor 5 implementiert sind, zu erzeugen, wobei die durch den Überlastdetektor 5 verwendete Schutzkennlinie durch das Auswahlsignal S_SEL definiert ist. Damit kann die elektronische Schaltung beispielsweise eingestellt werden, gemäß Kurve 110 auszuschalten, um ein Kabel mit der Kennlinie 111 zu schützen, oder gemäß Kurve 120 auszuschalten, um ein Kabel mit der Kennlinie 121 zu schützen. Es sei erwähnt, dass 4 nur zwei unterschiedliche Auslösekurven der elektronischen Schaltung veranschaulicht. Gemäß einem in 4 in strichpunktierten Linien gezeigtem Beispiel, hat jede der Auslösekurven einen Maximalstrom I_MAX1, I_MAX2, wobei die elektronische Schaltung sofort ausschaltet, wenn der Laststrom den zugehörigen Maximalstrom erreicht.
Gemäß einem Beispiel hat die elektronische Schaltung zwei unterschiedliche Auslösekurven oder Überlastkennlinien für jede Gruppe von aktiven elektronischen Schaltern 2₁-2_n (für jede Gruppe von elektronischen Schaltern, die zum selben Zeitpunkt eingeschaltet sein können). Gemäß einem weiteren Beispiel hat die elektronische Schaltung zwei oder mehr Schutzkennlinien für jede dieser Gruppen.
Die einzelnen Auslösekurven (Schutzkennlinien) sind in dem Überlastdetektor 5 implementiert. Der Überlastdetektor 5 wählt eine Auslösekurve basierend auf dem Auswahlsignal (der Auswahlinformation) S_SEL. „Eine Auslösekurve auszuwählen“ bedeutet, die elektronische Schaltung basierend auf einer von mehreren Auslösekurven (beispielsweise des in 4 gezeigten Typs) auszuschalten. „Die elektronische Schaltung auszuschalten“ bedeutet, jeden der elektronischen Schalter 2₁-2_n auszuschalten, so dass eine Stromverbindung zwischen den ersten und zweiten Lastknoten 11, 12 unterbrochen ist. Basierend auf dem Stromerfassungssignal CS_TOT und der ausgewählten Auslösekurve schaltet der Überlastdetektor die aktiven elektronischen Schalter aus, falls es notwendig ist, um das Kabel zu schützen.
5 zeigt ein Beispiel der in den 1 und 2 gezeigten Ansteuerschaltung 4. Bezug nehmend auf 5 umfasst die Ansteuerschaltung 4 mehrere Logikgatter 41₁-41_n, wobei jedes dieser Logikgatter 41₁-41_n das Überlastsignal S_OL und ein zugehöriges der Eingangssignale S_IN1-S_INn erhält. Jedes dieser Logikgatter 41 ₁-41_n erzeugt eines der Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn. Ein Treiber 6₁-6_n ist optional jedem dieser mehreren Logikgatter 41₁-41_n nachgeschaltet, erhält ein Ausgangssignal S41₁-S41_n von dem jeweiligen Logikgatter 41 ₁-41_n und erzeugt das Ansteuersignal S_DRV1-S_DRVn basierend auf dem Logikgatterausgangssignal, das er erhält. Grundsätzlich sind die Treiber 6₁-6_n dazu ausgebildet, die Ansteuersignale S_DRV1-S_DRRVn durch Verstärken der Logikgatterausgangssignale S41₁-S41_n zu erzeugen, so dass Signalpegel der Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn geeignet sind, die in den 1 und 3 gezeigten elektronischen Schalter 2₁-2_n anzusteuern.
Jedes der Logikgatter 41₁-41_n ist dazu ausgebildet, das jeweilige Ansteuersignal S_DRV1-S_DRVn so zu erzeugen, dass das Ansteuersignal S_DRV1-S_DRVn nur dann einen Ein-Pegel hat, wenn das Überlastsignal S_OL einen Nicht-Überlastpegel hat und das zugehörige Eingangssignal S_IN1-S_INn einen Ein-Pegel hat. Wenn, wie in 2 dargestellt, ein Ein-Pegel des Eingangssignals S_IN1-S_INn ein hoher Signalpegel ist und der Nicht-Überlastpegel des Überlastsignals S_OL ein hoher Signalpegel ist, können die Logikgatter als UND-Gatter realisiert sein (wie in 5 gezeigt ist). Dies ist jedoch nur ein Beispiel, abhängig von der Art der Eingangssignale S_IN1-S_INn und dem Überlastsignal S_OL können andere Arten von Logikgattern verwendet werden, um die Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn zu erzeugen.
In dem zuvor erläuterten Beispiel werden die elektronischen Schalter 2₁-2_n deaktiviert, solange das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat. Optional, und wie in 5 in gestrichelten Linien dargestellt, erhalten die Logikgatter 41₁-41_n nicht das Überlastsignal S_OL, sondern erhalten ein Ausgangssignal von einem Latch 42, wobei dieses Ausgangssignal abhängig ist von dem Überlastsignal S_OL und den Eingangssignalen S_IN1-S_INn. Gemäß einem Beispiel hat das Ausgangssignal des Latchs 42 entweder einen Überlastpegel oder einen Nicht-Überlastpegel. Der Überlastpegel des Latchs 42 deaktiviert die elektronischen Schalter 2₁-2_n, das heißt, bewirkt, dass die Logikgatter 41₁-41_n Aus-Pegel der Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn unabhängig von Signalpegeln der Eingangssignale S_IN1-S_INn erzeugen. Der Nicht-Überlastpegel des Ausgangssignals des Latchs 42 gibt die elektronischen Schalter 2₁-2_n frei, das heißt, bewirkt, dass die Logikgatter 41₁-41_n die Ansteuersignale S_DRV1-S_DRVn abhängig von den Eingangssignalen S_IN1-S_INn erzeugen. Gemäß einem Beispiel ist das Latch 42 dazu ausgebildet, einen Überlastpegel des Ausgangssignals des Latchs jedes Mal dann zu erzeugen, wenn das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat. Außerdem ist das Latch 42 dazu ausgebildet, den Überlastpegel des Ausgangssignals des Latchs 42 beizubehalten, bis die elektronische Schaltung ausgeschaltet wurde, das heißt, bis jedes der Eingangssignale S_IN1-S_INn einen Aus-Pegel hat. Dies kann erreicht werden durch Realisieren des Latchs als RS-Flip-Flop, das das Überlastsignal an einem invertierenden Rücksetzeingang R erhält, und Erzeugen eines Setz-Signals des Latchs 42 durch ODER-Verknüpfen der Eingangssignale S_IN1-S_INn unter Verwendung eines ODER-Gatters 43. Dieses Setz-Signal wird gemäß einem Beispiel durch einen invertierenden Setzeingang des Latchs 42 erhalten. Das optionale Latch 42 bewirkt zusammen mit dem Logikgatter 43 dass die Ansteuerschaltung 4 die elektronischen Schalter 2₁-2_n deaktiviert hält sobald das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat, bis jedes der Eingangssignale S_IN1-S_INn einen Aus-Pegel hat. 6 zeigt eine Steuerschaltung 3 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel umfasst die Steuerschaltung 3 einen Auswahlsignalgenerator 31. Der Auswahlsignalgenerator 31 erhält die Eingangssignale S_IN1-S_INn und erzeugt das Ausgangssignal S_SEL basierend auf den Eingangssignalen S_IN1-S_INn derart, dass das Auswahlsignal S_SEL anzeigt, welches der Eingangssignale S_IN1-S_INn einen Ein-Pegel hat, das heißt, welche der elektronischen Schalter 2₁-2_n eingeschaltet werden sollen. Bei diesem Beispiel ist das Auswahlsignal S_SEL, und damit die Schutzkennlinie, abhängig davon, welcher der elektronischen Schalter 2₁-2_n aktiv ist. Wie bei den zuvor erläuterten Beispielen kann das Auswahlsignal S_SEL ein digitales Wort mit m Bit sein.
7 zeigt eine Modifikation der in 6 gezeigten Steuerschaltung 3. Bei der in 7 gezeigten Steuerschaltung 3 erzeugt der Auswahlsignalgenerator 31 ein erstes Auswahlsignal S_SEL1 basierend auf den Eingangssignalen S_IN1-S_INn und die Steuerschaltung 3 erhält außerdem ein zweites Ausgangssignal S_SEL2. Dieses zweite Auswahlsignal S_SEL2 kann von der externen Steuerschaltung entweder direkt oder über die Schnittstellenschaltung 8 erhalten werden. Das erste Auswahlsignal S_SEL1 und das zweite Auswahlsignal S_SEL2 bilden zusammen das Auswahlsignal S_SEL, das durch den Überlastdetektor 5 erhalten wird. Bei diesem Beispiel kann der Überlastdetektor 5 so realisiert sein, dass er mehrere Gruppen von Schutzkennlinien enthält, wobei jede dieser Gruppen mit einer Kombination von aktiven elektronischen Schaltern verknüpft ist und zwei oder mehr Schutzkennlinien umfasst. Bei diesem Beispiel wählt das erste Auswahlsignal S_SEL1 basierend auf den Eingangssignalen S_IN1-S_INn eine dieser Gruppen von Schutzkennlinien aus und das zweite Auswahlsignal S_SEL1 wählt eine der Schutzkennlinien aus dieser Gruppe aus.
Die Strommessschaltung 7, die dazu ausgebildet ist, den Laststrom Iz zwischen dem ersten Lastknoten 11 und dem zweiten Lastknoten 12 zu messen, ist in 1 nur schematisch dargestellt. Gemäß einem in 8 gezeigten Beispiel umfasst die Strommessschaltung 7 mehrere Stromsensoren 70₁-70_n, wobei jeder dieser Stromsensoren 70₁-70_n dazu ausgebildet ist, den Strom durch einen jeweiligen elektronischen Schalter 2₁-2_n zu messen und ein Strommesssignal CS₁-CS_n zu erzeugen, das den Strom durch den jeweiligen elektronischen Schalter 2₁-2_n repräsentiert. Ein Signaladdierer 71 erhält die Strommesssignale (die auch als Stromerfassungssignale bezeichnet werden können) CS₁-CS_n von den einzelnen Stromsensoren 70₁-70_n und erzeugt basierend auf diesen Stromerfassungssignalen CS₁-CS_n das Gesamtstrommesssignal CS_TOT, das den Laststrom Iz repräsentiert. Gemäß einem Beispiel erzeugt der Signaladdierer das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT derart, dass ein Signalpegel dieses Gesamtstromerfassungssignals CS_TOT gleich einer Summe der Signalpegel der einzelnen Strommesssignale CS₁-CS_n ist.
9 zeigt ein Beispiel eines elektronischen Schalters und eines zugehörigen Stromsensors. Der „zugehörige Stromsensor“ ist dazu ausgebildet, den Strom durch den elektronischen Schalter zu messen. Das Bezugszeichen 2i in 9 bezeichnet einen beliebigen der zuvor erläuterten elektronischen Schalter 2₁-2_n und das Bezugszeichen 70i bezeichnet den zugehörigen Stromsensor. Di bezeichnet den ersten Lastknoten, Si bezeichnet den zweiten Lastknoten und Gi bezeichnet den Steuerknoten des elektronischen Schalters 2i. S2i bezeichnet einen Ausgangsknoten des Stromsensors 70i. An dem Ausgangsknoten des Stromsensors 70i ist ein Stromerfassungssignal CSi verfügbar, das den Strom durch den elektronischen Schalter 2i repräsentiert. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel ist der elektronische Schalter 2i ein MOSFET. Ein Drainknoten dieses MOSFET bildet den ersten Lastknoten Di, ein Sourceknoten bildet den zweiten Lastknoten Si und ein Gateknoten bildet den Steuerknoten Gi. Der MOSFET 2i ist bei dem in 9 gezeigten Beispiel als n-leitender Anreicherungs-MOSFET gezeichnet. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Eine beliebige andere Art von MOSFET, wie beispielsweise ein n-leitender Verarmungs-MOSFET oder ein p-leitender Anreicherungs- oder Verarmungs-MOSFET kann ebenso verwendet werden. Außerdem ist der elektronische Schalter 2 nicht darauf beschränkt, als MOSFET realisiert zu sein. Eine beliebige andere Art von Transistor, wie beispielsweise ein Bipolarsperrschichttransistor (Bipolar Junction Transistor, BJT), ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ein JFET (Junction Field-Effect Transistor) oder ein HEMT (High Electron-Mobility Transistor) kann ebenso verwendet werden.
Bezug nehmend auf 9 umfasst der Stromsensor 70i einen Transistor 72 desselben Typs wie der Transistor des elektronischen Schalters 2i. Dieser weitere Transistor 72 wird nachfolgend als Erfassungstransistor bezeichnet. Ein Steuerknoten (Gateknoten) des Erfassungstransistors 72 ist an den Steuerknoten Gi des Transistors, der den elektronischen Schalter 2i bildet, angeschlossen und ein erster Lastknoten (Drainknoten) des Erfassungstransistors 72 ist an den ersten Lastknoten Di des Transistors, der den elektronischen Schalter 2i bildet, angeschlossen. Ein Regler 73, 74 ist zwischen den zweiten Lastknoten S1_i des elektronischen Schalters 2i und einen zweiten Lastknoten des Erfassungstransistors 72 geschaltet und ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Potential an dem zweiten Knoten des Erfassungstransistors 72 so einzustellen, dass es gleich dem elektrischen Potential an dem zweiten Lastknoten S11_i des Transistors ist, der den elektronischen Schalter 2_i bildet ist. In diesem Fall werden der Transistor, der den elektronischen Schalter 2_i bildet, und der Erfassungstransistor 72 im selben Arbeitspunkt betrieben, so dass ein Strom Iz_i durch den elektronischen Schalter 2_i proportional ist zu einem Strom I72 durch den Erfassungstransistor 72. Dieser Strom I72 durch den Erfassungstransistor 72 ist bei diesem Beispiel das Stromerfassungssignal CS_i (das auch als Erfassungsstrom bezeichnet werden kann). Ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Laststrom Izi und dem Erfassungsstrom CSi ist gegeben durch ein Verhältnis zwischen einer Größe des Transistors, der den elektronischen Schalter 2i bildet und der Größe des Erfassungstransistors 72.
Bezug nehmend auf 9 kann der Regler einen Operationsverstärker 73 mit einem ersten Eingang, der an den zweiten Lastknoten S1_i des elektronischen Schalters 2i gekoppelt ist, und einem zweiten Eingang, der an den zweiten Lastknoten des Erfassungstransistors 72 gekoppelt ist, umfassen. Ein Ausgang dieses Operationsverstärkers 73 steuert einen variablen Widerstand 74, der in Reihe zu dem Erfassungstransistor 72 geschaltet ist. Gemäß einem Beispiel ist dieser variable Widerstand 74 ein Transistor, wie beispielsweise ein p-leitender MOSFET 74, der in 9 gezeigt ist.
10 zeigt ein weiteres Beispiel eines elektronischen Schalters 2i und eines zugehörigen Stromsensors 70i. Bei diesem Beispiel umfasst der Stromsensor einen Shunt-Widerstand 74, der in Reihe zu der Laststrecke (der Drain-Source-Strecke, wenn der elektronische Schalter ein MOSFET ist) des elektronischen Schalters 2i geschaltet ist, und eine Messschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine Spannung V75 über dem Shunt-Widerstand 75 zu messen und das Erfassungssignal CSi basierend auf dieser Messung zu erzeugen. Die Messschaltung 76 ist dazu ausgebildet, das Erfassungssignal CSi so zu erzeugen, dass es proportional ist zu der Spannung V75 über dem Shunt-Widerstand 75. Außerdem ist diese Spannung V75 gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional zu einem Laststrom Izi durch den elektronischen Schalter 2i im Ein-Zustand, so dass das Erfassungssignal CSi proportional ist zu dem Laststrom Izi. Ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Laststrom Izi und der Spannung V75 über dem Shunt-Widerstand 75 ist abhängig von einem Widerstandswert des Shunt-Widerstands V75.
Der Shunt-Widerstand kann eine beliebige Art von Widerstand sein. Gemäß einem Beispiel ist der Shunt-Widerstand Teil einer Verbindung, die den zweiten Lastknoten S1_i des elektronischen Schalters 2i mit dem zweiten Lastknoten 12 der elektronischen Schaltung verbindet. Der elektronische Schalter 2i und der Stromsensor können in einem Halbleiterchip (der in den Zeichnungen nicht gezeigt ist) integriert sein. Bei diesem Beispiel kann der Shunt-Widerstand 75 Teil einer Verbindung sein, die den Chip mit dem zweiten Lastknoten 12 der elektronischen Schaltung verbindet, insbesondere kann der Shunt-Widerstand ein Bonddraht oder Flachleiter sein.
Gemäß einem Beispiel ist die Messschaltung 76 dazu ausgebildet, das Erfassungssignal CSi so zu erzeugen, dass es ein Strom ist. Bei diesem Beispiel kann die Messschaltung 76 einen Spannung-zu-Strom-Wandler umfassen. Gemäß einem weiteren Beispiel ist der in 8 gezeigte Addierer 71 dazu ausgebildet, Spannungen anstatt von Strömen zu addieren. Bei diesem Beispiel kann die Spannung über dem Shunt-Widerstand direkt als Stromerfassungssignal CSi verwendet werden, so dass die Messschaltung 76 weggelassen werden kann.
11 zeigt ein Beispiel einer Messschaltung 76, die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal CSi basierend auf der Spannung V75 über dem Shunt-Widerstand 75 zu erzeugen. Diese Messschaltung 76 ist ähnlich zu der in 9 gezeigten Messschaltung und umfasst einen weiteren Shunt-Widerstand 761 und einen Regler 762, 763. Der weitere Shunt-Widerstand 761 ist zwischen den zweiten Lastknoten S1_i des elektronischen Schalters 2i und den Ausgangsknoten S2i des Stromsensors geschaltet. Der Regler 762, 763 ist an einen Schaltungsknoten des Shunt-Widerstands 75, der von den zweiten Lastknoten Si weg zeigt, und einen Schaltungsknoten des weiteren Shunt-Widerstands 761, der von dem zweiten Lastknoten S1_i weg zeigt, angeschlossen. Der Regler umfasst einen Operationsverstärker 762, der an die Shunt-Widerstände 75, 761 angeschlossen ist, und einen variablen Widerstand 763, der durch den Operationsverstärker 762 gesteuert ist. Der variable Widerstand 763 ist in Reihe zu dem weiteren Shunt-Widerstand 761 geschaltet und wird durch den Operationsverstärker 762 derart betrieben, dass eine Spannung über dem weiteren Shunt-Widerstand 761 gleich der Spannung V75 über dem Shunt-Widerstand 75 ist. Gemäß einem Beispiel ist der variable Widerstand 763 ein MOSFET, wie beispielsweise ein p-leitender MOSFET. Wenn die Spannung über dem weiteren Shunt-Widerstand 761 gleich der Spannung V75 über dem Shunt-Widerstand 75 ist, ist ein Strom durch den weiteren Shunt-Widerstand 761 proportional zu dem Laststrom Izi. Dieser Strom durch den weiteren Shunt-Widerstand 761 bildet bei diesem Beispiel das Stromerfassungssignal CSi. Ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Stromerfassungssignal CSi und dem Laststrom Izi ist abhängig von Widerstandswerten der Shunt-Widerstände 75, 761. Gemäß einem Beispiel umfassen der Shunt-Widerstand 75 und der weitere Shunt-Widerstand 761 dieselbe Art von Widerstandsmaterial, so dass diese Widerstände dieselbe Art von Temperaturdrift ihrer jeweiligen elektrischen Widerstandswerte haben.
Gemäß einem Beispiel sind die Stromsensoren (vergleiche 70₁- 70_n in 8) so realisiert, dass sie denselben Proportionalitätsfaktor (der häufig als k_ILIS-Faktor bezeichnet wird) zwischen dem Laststrom (Izi in den 9 bis 11) des zugehörigen elektronischen Schalters (2i in den 9 bis 11) und dem Erfassungssignal (CSi in den 9 bis 11) haben, so dass das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT proportional ist zu dem Gesamtlaststrom Iz, wobei der Gesamtlaststrom gegeben ist durch eine Summe der Lastströme Izi durch die einzelnen elektronischen Schalter 2i. Gemäß einem weiteren Beispiel sind die Stromsensoren so realisiert, dass sie unterschiedliche Proportionalitätsfaktoren haben. Bei diesem Beispiel ist der in 8 gezeigte Addierer dazu ausgebildet, eine gewichtete Summe der Erfassungssignale CS₁-CS_n so zu erzeugen, dass das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT wieder proportional ist zu dem Gesamtlaststrom Iz.
12 zeigt ein Beispiel eines Treibers 6_i, der dazu ausgebildet ist, einen elektronischen Schalter 2_i anzusteuern. Wenn ein Stromsensor 70_i des in 9 gezeigten Typs vorhanden ist, steuert der Treiber auch den Erfassungstransistor (72 in 9) dieses Stromsensors an. Ein solcher Stromsensor ist in 12 allerdings nicht gezeigt. In 12 repräsentiert das Bezugszeichen 2_i einen beliebigen der oben erläuterten elektronischen Schalter 2₁-2_n. Das Bezugszeichen 6_i repräsentiert den zugehörigen Treiber, das heißt, den Treiber, der dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter 2i basierend auf dem Ausgangssignal S41i des zugehörigen Logikgatters (41₁-41_n in den 5 und 6) anzusteuern.
Bezug nehmend auf 12 umfasst der Treiber 6_i eine Halbbrücke mit einem Low-Side-Schalter 62, der zwischen den Steuerknoten Gi und den zweiten Lastknoten S1_i des elektronischen Schalters 2i gekoppelt ist, und einem High-Side-Schalter 61, der zwischen den Steuerknoten Gi und einen Versorgungsknoten V+ gekoppelt ist. Optional ist eine Ladungspumpenschaltung 65 zwischen den Versorgungsknoten V+, den ersten Lastknoten Di des elektronischen Schalters 2i und den High-Side-Schalter geschaltet. Die Ladungspumpenschaltung 65, die eine Bootstrap-Schaltung umfassen kann, kann in solchen Fällen verwendet werden, in denen die elektronische Schaltung, wie in den 1 und 3 gezeigt, in einer High-Side-Konfiguration verschaltet ist. In einer High-Side-Konfiguration ist die Laststrecke 11-12 der elektronischen Schaltung zwischen das erste Versorgungspotential V_BAT und die Last Z geschaltet.
Bezug nehmend auf 12 erhält eine Logikschaltung 66 das Ausgangssignal S41i von dem jeweiligen Logikgatter (41_i-41_n in den 4 und 5) und erzeugt ein Ansteuersignal S_ONi für den High-Side-Schalter und S_OFFi für den Low-Side-Schalter basierend auf dem Logikgatter-Ausgangssignal S41_i. Die Logikschaltung 66 ist dazu ausgebildet, das Ansteuersignal S_ONi des High-Side-Schalters 61 so zu erzeugen, dass der High-Side-Schalter 61 einschaltet, wenn das Logikgatter-Ausgangssignal S41i anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2i einzuschalten. Das Ansteuersignal S_OFFi des Low-Side-Schalters 62 wird so erzeugt, dass der Low-Side-Schalter 62 ausschaltet, wenn der High-Side-Schalter 61 einschaltet. Entsprechend erzeugt die Logikschaltung 66 das Ansteuersignal S_OFFi des Low-Side-Schalters 62 so, dass der Low-Side-Schalter 62 einschaltet, wenn das Logikgatter-Ausgangssignal S41i anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2i auszuschalten. Das Ansteuersignal S_ONi des High-Side-Schalters 61 wird so erzeugt, dass der High-Side-Schalter 61 ausschaltet, wenn der Low-Side-Schalter 62 einschaltet. Das Einschalten des Low-Side-Schalters 62 ist gleichbedeutend damit, eine Gate-Source-Spannung VGS des MOSFET, der den elektronischen Schalter 2i bildet, auf Null zu setzen, so dass der MOSFET ausschaltet. Das Einschalten des High-Side-Schalters 61 ist gleichbedeutend damit, die Gate-Source-Spannung VGS so einzustellen, dass sie sich von Null unterscheidet und höher ist als eine Schwellenspannung des MOSFET, so dass der MOSFET 2i einschaltet.
Optional ist eine erste Stromquelle 64 in Reihe zu dem Low-Side-Schalter 62 geschaltet und eine zweite Stromquelle 63 ist in Reihe zu dem High-Side-Schalter 61 geschaltet. Ein MOSFET, wie beispielsweise der MOSFET, der den elektronischen Schalter 2i bildet, umfasst eine interne Gate-Source-Kapazität (die in den Zeichnungen nicht gezeigt ist). Diese Gate-Source-Kapazität wird geladen, wenn der High-Side-Schalter 61 einschaltet, und wird entladen, wenn der Low-Side-Schalter 62 einschaltet. Wie schnell diese interne Gate-Source-Kapazität geladen und entladen wird, kann durch die optionalen Stromquellen 63, 64 eingestellt werden, wobei das Einstellen einer Geschwindigkeit, mit der die interne Gate-Source-Kapazität geladen und entladen wird, gleichbedeutend ist mit einem Einstellen einer Schaltgeschwindigkeit des elektronischen Schalters 2i.
13 zeigt ein Blockdiagramm eines Überlastdetektors 5 gemäß einem Beispiel. Bei diesem Beispiel umfasst der Überlastdetektor 5 ein Filter 53, das das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT oder ein Signal abhängig von dem Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT erhält. Wenn das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT beispielsweise ein Strom ist, wie er beispielsweise durch die oben erläuterten Stromsensoren 70₁-70_n erzeugt wird, kann das Filter 53 nicht das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT, sondern eine Spannung Vcs, die von diesem Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT abhängig ist, erhalten. Diese Spannung Vcs kann durch einen Widerstand 52 erzeugt werden, der das Stromerfassungssignal CS_TOT erhält. In 13 bezeichnet das Bezugszeichen S52 ein Filtereingangssignal. Dieses Filtereingangssignal ist entweder das Gesamtstromerfassungssignal CS_TOT oder die basierend auf dem Stromerfassungssignal CS_TOT erzeugte Spannung Vcs.
Wie oben erläutert ist der Überlastdetektor 5 dazu ausgebildet, zum Erzeugen des Überlastsignals S_OL basierend auf dem Stromerfassungssignal CS_TOT eine von mehreren Schutzkennlinien zu verwenden, wobei die Schutzkennlinie, die verwendet wird, abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL ausgewählt wird. Bei dem in 13 gezeigten Überlastdetektor 5 erhält eine Auswahlsteuerschaltung 55 das Auswahlsignal S_SEL und wählt die Schutzkennlinie abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL aus. „Die Schutzkennlinie auszuwählen“ bedeutet bei diesem Beispiel, ein Schwellensignal S_TH zu erzeugen.
Das Filter 53 ist dazu ausgebildet, das Eingangssignal S52 zu filtern und basierend auf dem Filtereingangssignal ein Filterausgangssignal S53 zu erzeugen. Ein Komparator 54 erhält das Filterausgangssignal S53 und erzeugt das Überlastsignal S_OL abhängig von dem Filterausgangssignal S53 und dem Auswahlsignal S_SEL. Beispiele des Filters 53 und des Komparators 54 sind unten weiter im Detail erläutert. Wie oben erläutert, ist der Überlastdetektor 5 dazu ausgebildet, eine von mehreren Schutzkennlinien zum Erzeugen des Überlastsignals S_OL basierend auf dem Stromerfassungssignal CS_TOT zu verwenden, wobei die Schutzkennlinie, die verwendet wird, abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL ausgewählt wird. Bei dem in 13 gezeigten Überlastdetektor 5 erhält eine Auswahlsteuerschaltung 55 das Auswahlsignal S_SEL und wählt die Schutzkennlinie abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL aus. „Die Schutzkennlinie auszuwählen“ bedeutet bei diesem Beispiel, ein Schwellensignal S_TH, das durch den Komparator 54 erhalten wird, abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL zu erzeugen. Gemäß einem Beispiel umfasst die Auswahlsteuerschaltung 55 eine Nachschlagetabelle, die einen Signalpegel des Schwellensignals S_TH für jeden unterschiedlichen Wert, den das Auswahlsignal S_SEL haben kann, speichert, und die Auswahlsteuerschaltung 55 gibt basierend auf einem Wert des Auswahlsignals das Schwellensignal S_TH mit einem entsprechenden Signalpegel aus.
Es sei erwähnt, dass das in 13 gezeigte Blockdiagramm eher die Funktionsblöcke des Überlastdetektors als eine spezifische Realisierung veranschaulicht. Diese Funktionsblöcke können in verschiedener Weise realisiert werden. Gemäß einem Beispiel werden diese Funktionsblöcke unter Verwendung dedizierter Schaltungen realisiert. Gemäß einem weiteren Beispiel werden wenigstens einige dieser Schaltungsblöcke, wie beispielsweise das Filter 53 und der Komparator, unter Verwendung von Hardware und Software realisiert. Das Filter 53 und der Komparator 54 können als analoge oder digitale Schaltungen realisiert werden. Im zuletzt genannten Fall können die durch diese Schaltungen erhaltenen Eingangssignale und durch diese Schaltungen bereitgestellte Ausgangssignale binäre Worte sein, wobei Signalpegel dieser Signale durch Werte der binären Worte repräsentiert sind.
14 zeigt ein Beispiel des Filters 13. Bei diesem Beispiel umfasst das Filter 53 eine Berechnungseinheit 531, die das Quadrat des Signalpegels des Filtereingangssignals S52 berechnet. Ein Integrierer 532 erhält das Ausgangssignal der Berechnungseinheit 531 und erzeugt das Filterausgangssignal S53. Es sei erwähnt, dass die Berechnungseinheit 531 und der Integrierer 532 analoge oder digitale Schaltungen sein können. Wenn die Berechnungseinheit 531 und der Integrierer 532 digitale Schaltungen sind umfasst das Filter 53 außerdem einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC, Analog to Digital Converter) 533 (der in 14 in gestrichelten Linien dargestellt ist) der das Filtereingangssignal S52 erhält, das Filtereingangssignal S52 abtastet und eine Sequenz S52[k] von diskreten Werten ausgibt, die jeweils einen Abtastwert repräsentieren.
Gemäß einem Beispiel ist der Integrierer 532 ein Fensterintegrierer, der dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal S53 der Berechnungseinheit in einem gleitenden Zeitfenster einer vordefinierten Dauer zu integrieren (in einem digitalen Filter 53 kann der Integrierer 532 als Addierer realisiert sein, der eine vordefinierte Anzahl von diskreten Ausgangswerten der Berechnungseinheit 531 addiert). Das Filterausgangssignal S53 repräsentiert in diesem Beispiel das Integral des Quadrats des Filtereingangssignals S52 über das vordefinierte Zeitfenster. Da das Filtereingangssignal S52 den Laststrom Iz repräsentiert, repräsentiert das Filterausgangssignal S53 das Quadrat des Laststroms Iz, das über ein vordefiniertes Zeitfenster integriert ist. Mit anderen Worten, das Filterausgangssignal S53 repräsentiert das Quadrat des Laststroms Iz multipliziert mit der Zeit. Es ist allgemein bekannt, dass die in einer resistiven Last, wie beispielsweise einem Kabel, innerhalb eines vordefinierten Zeitfensters dissipierte elektrische Energie proportional ist zu dem Quadrat des Stroms multipliziert mit der Dauer des Zeitfensters. Damit ist das Filterausgangssignal S53 repräsentativ für die in dem Kabel innerhalb eines vordefinierten Zeitfensters dissipierte elektrische Energie. Die in dem Kabel dissipierte Energie bewirkt einen Anstieg einer Temperatur des Kabels relativ zu einer Umgebungstemperatur des Kabels. Ein Teil der in dem Kabel dissipierten Energie wird durch Strahlung an die Umgebung abgegeben, so dass, nachdem der Strom durch das Kabel zu Null geworden ist, die Temperatur des Kabels zu der Umgebungstemperatur zurückkehrt. In dem Filter 53 wird dies durch die Verwendung eines Fensterintegrierers 532 berücksichtigt.
Die Absoluttemperatur des Kabels ist gegeben durch die Umgebungstemperatur des Kabels plus einer Temperaturdifferenz, die durch in dem Kabel dissipierte Energie aufgrund des Laststroms Iz bewirkt wird. Diese Absoluttemperatur sollte eine Maximaltemperatur nicht überschreiten, um das Kabel davor zu schützen, beschädigt oder gar zerstört zu werden. Die Maximaltemperatur, der ein Kabel, insbesondere die Isolation, standhalten kann, und die Energiemenge, die in dem Kabel in einer bestimmten Zeitdauer (wie beispielsweise der durch den Fensterintegrierer verwendeten Zeitdauer) dissipiert werden muss, um die Kabeltemperatur um einen bestimmten Wert zu erhöhen, ist abhängig von der Art des Kabels. In einem Kabel mit einem ersten Durchmesser kann beispielsweise ein Laststrom mit einem ersten Strompegel bewirken, dass die Kabeltemperatur innerhalb einer ersten Dauer um einen ersten Wert zunimmt, während ein Laststrom mit demselben Pegel und der für dieselbe Dauer fließt, einen geringeren Anstieg der Temperatur in einem Kabel mit einem zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, verursachen kann. Außerdem kann ein Kabel mit einer höheren Maximaltemperatur einem bestimmten Strom für eine längere Zeit standhalten als ein Kabel mit einer niedrigeren Maximaltemperatur. Letzteres ist gleichbedeutend damit, dass das Kabel mit der höheren Maximaltemperatur einem höheren Strom für eine bestimmte Zeit als das Kabel mit der niedrigeren Maximaltemperatur standhalten kann.
Grundsätzlich kann das Schützen eines Kabels das Ermitteln einer Absoluttemperatur des Kabels, welche eine Umgebungstemperatur plus einer Temperaturdifferenz ist, die aus einer in dem Kabel aufgrund eines Laststroms dissipierten Energie resultiert, und das Ausschalten des Laststroms, wenn die Absoluttemperatur die für das Kabel spezifizierte Maximaltemperatur erreicht, umfassen. Die Umgebungstemperatur kann gemessen werden. Ein vereinfachter Ansatz, das Kabel zu schützen, basiert auf der Annahme, dass die Umgebungstemperatur üblicherweise nicht über eine maximale Umgebungstemperatur ansteigt, und schaltet den Laststrom aus, wenn die durch den Laststrom bewirkte Temperaturdifferenz gleich der für das Kabel spezifizierten Maximaltemperatur abzüglich der maximalen Umgebungstemperatur ist. Dieser Ansatz wird durch die in den 13 und 14 gezeigte Schutzschaltung verwendet, bei der das Filterausgangssignal S53 nur die Energiemenge repräsentiert, die in dem Kabel innerhalb einer bestimmten Zeitdauer, die durch den Fensterintegrierer spezifiziert ist, dissipiert wurde. Diese Energie bewirkt, dass die Kabeltemperatur ansteigt. Welchem Temperaturanstieg ein bestimmtes Kabel standhalten kann und welche Energiemenge benötigt wird, um einen solchen Anstieg zu bewirken, ist abhängig von der speziellen Art des Kabels und den speziellen Umgebungsbedingungen. Die elektronische Schaltung ist dazu ausgebildet, unterschiedliche Arten von Kabeln zu schützen, wobei die Schutzkennlinie (die auch als Auslösekennlinie oder Auslösekurve bezeichnet werden kann) abhängig ist von dem Auswahlsignal. Die Schutzkennlinie der elektronischen Schaltung ist definiert durch die Komparatorschaltung 54, die unten erläutert ist.
15 zeigt ein Beispiel einer Komparatorschaltung 54. Bei diesem Beispiel umfasst die Komparatorschaltung 54 einen Komparator 541, der das Filterausgangssignal S53 und das Schwellensignal S_TH erhält. Das Überlastsignal S_OL ist an einem Ausgang des Komparators 541 verfügbar. Gemäß einem Beispiel erzeugt der Komparator 541 das Überlastsignal S_OL so, dass das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat, wenn das Filterausgangssignal S53 höher ist als das Schwellensignal S_TH. Wie oben erläutert ist das Schwellensignal S_TH abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL und kann durch eine Nachschlagetabelle, die in der Auswahlsteuerschaltung 55 enthalten ist, abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL bereitgestellt werden. Wie oben erläutert, können die in 4 gezeigten Kennlinien 111, 121 erhalten werden durch Berechnen von Iz² · t = c, wobei c eine Konstante ist, die abhängig ist von der speziellen Art des Kabels. Entsprechend können die in 4 gezeigten Auslösekurven 110, 120 erhalten werden durch Berechnen von Iz² · t = c', wobei c' eine Konstante ist, die abhängig ist von der speziellen Art von Kabel, das geschützt werden soll. Wie oben erläutert, repräsentiert das Filterausgangssignal S53 Iz² · t. Das Schwellensignal S_TH, das abhängig ist von dem Auswahlsignal S_SEL repräsentiert c', so dass das durch die Komparatorschaltung 54 erzeugte Überlastsignal S_OL entsprechend einer Auslösekurve des in 4 gezeigten Typs erzeugt wird. Mehrere unterschiedliche Auslösekurven können realisiert werden durch Vorsehen verschiedener Schwellensignale S_TH.
Die Funktion des in den 13 bis 15 gezeigten Überlastdetektors 5 ist in 16 veranschaulicht, die Zeitdiagramme des Filtereingangssignals S52, des Filterausgangssignals S53 und des Überlastsignals S_OL in drei unterschiedlichen Betriebsszenarien veranschaulicht. In jedem dieser Szenarien ist eine Gruppe von elektronischen Schaltern 2₁-2_n zu einem Zeitpunkt t0 aktiviert (eingeschaltet), so dass ein Laststrom Iz fließt, wobei dieser Laststrom repräsentiert ist durch das Filtereingangssignal S52. Die drei Betriebsszenarien unterscheiden sich im Strompegel des Laststroms, und damit in dem Signalpegel des Filtereingangssignals S52. In 16 gezeigte erste Kurven 101, 201 veranschaulichen das Filtereingangssignal S52 und das zugehörige Filterausgangssignal S53 gemäß einem ersten Szenario, in 16 gezeigte zweite Kurven 102, 202 veranschaulichen das Filtereingangssignal S52 und das zugehörige Filterausgangssignal S53 gemäß einem zweiten Szenario, und in 16 gezeigte dritte Kurven 103, 203 veranschaulichen das Filtereingangssignal S52 und das zugehörige Filterausgangssignal S53 gemäß einem dritten Szenario. Bei jedem dieser Szenarien wird dieselbe Schutzkennlinie, das heißt, derselbe Signalpegel des Schwellensignals S_TH durch den Überlastdetektor 53 verwendet. Das Schwellensignal S_TH ist in dem Signaldiagramm des in 16 gezeigten Filterausgangssignals S53 durch eine gepunktete Linie veranschaulicht. Gemäß dem in 16 gezeigten ersten Szenario hat das Filtereingangssignal S52 ab dem Zeitpunkt t0 einen ersten Signalpegel. Aufgrund des integrierenden Verhaltens des Filters beginnt das Filterausgangssignal ab dem Zeitpunkt t0 anzusteigen. Eine Geschwindigkeit, mit der das Filterausgangssignal S53 ansteigt, ist abhängig von einem Signalpegel des Filtereingangssignals S52. Gemäß einem Beispiel ist die Geschwindigkeit proportional zu einem Quadrat des Signalpegels des Filtereingangssignals S52. Lediglich zur Veranschaulichung ist das Filtereingangssignal S52 nach dem Zeitpunkt t0 so gezeichnet, dass es einen konstanten Signalpegel hat. Außerdem wird angenommen, dass der Integrierer (532 in 14) ein Fensterintegrierer ist. In diesem Fall erreicht das Filterausgangssignal S53 ein Maximum nach einer Zeitdauer T_INT nach dem Zeitpunkt t0. Diese Zeitdauer ist im Wesentlichen gleich einer Dauer eines (gleitenden) Zeitfensters, in dem der Integrierer 532 sein Eingangssignal S531[k] integriert. In dem ersten Szenario ist der Strompegel des Laststroms Iz so, dass das Filterausgangssignal S53 das Schwellensignal S_TH nicht erreicht, so dass dieser Laststrom Iz fließen kann, solange die Gruppe der elektronischen Schalter, die diesen Laststrom tragen, aktiv ist.
Gemäß dem zweiten Szenario ist der Laststrom Iz und damit das Filtereingangssignal 102 höher, so dass das Filterausgangssignal S53 das Schwellensignal S_TH innerhalb der Zeitperiode T_INT nach dem Zeitpunkt t0 erreicht. Dies bewirkt, dass der Überlastdetektor einen Überlastpegel des Überlastsignals S_OL erzeugt, wie in 16 durch die Kurve 302 gezeigt ist. Dies bewirkt wiederum, dass die Ansteuerschaltung die elektronischen Schalter deaktiviert, der Laststrom Iz und die Filtereingangssignale S52 auf Null absinken. Aufgrund von Verzögerungszeiten in der elektronischen Schaltung kann das Filterausgangssignal das Schwellensignal S_TH übersteigen, bevor die elektronischen Schalter 2₁-2_n deaktiviert werden.
Gemäß dem dritten Szenario ist der Laststrom Iz, und damit das Filtereingangssignal S52 sogar höher als in dem zweiten Szenario. In dem dritten Szenario fließt der Laststrom allerdings für eine Zeitdauer, die für das Filterausgangssignal S53 zu kurz ist, um das Schwellensignal S53 zu erreichen, weil beispielsweise die elektronischen Schalter S₁-S_n ausgeschaltet werden, oder der Stromverbrauch der Last abnimmt. Damit behält im dritten Szenario das Überlastsignal S_OL den Nicht-Überlastpegel bei und die elektronischen Schalter werden nicht deaktiviert.
Wie oben erläutert repräsentiert eine Änderung des Filterausgangssignals S53 nach dem Zeitpunkt t0 (wenn der Laststrom anzusteigen beginnt) eine Änderung der Kabeltemperatur relativ zu einer Umgebungstemperatur. Diese Änderung der Kabeltemperatur wird durch den Laststrom induziert.
Optional, und wie in 13 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, erzeugt die Auswahlsteuerschaltung 55 nicht nur das Schwellensignal S_TH abhängig von dem Ausgangssignal S_SEL, sondern stellt auch die Dauer T_INT der Fensterperiode des Fensterintegrierers 532 basierend auf dem Auswahlsignal S_SEL ein. Bei diesem Beispiel wird eine Schutzkennlinie definiert durch das Schwellensignal S_TH und ein Fensterperiodensignal S_T-INT, wobei das Fensterperiodensignal S_T-INT durch das Filter 53 erhalten wird und die Dauer T_INT der Fensterperiode einstellt. Gemäß einem Beispiel umfasst die Steuerschaltung 55 eine Nachschlagetabelle, die unterschiedliche Pegel des Fensterperiodensignals S_T-INT speichert, wobei diese unterschiedlichen Pegel unterschiedlichen Pegeln des Ausgangssignals S_SEL zugeordnet sind, und gibt eines dieser Signalpegel basierend auf dem Auswahlsignal S_SEL aus.
Das in 13 gezeigte Filter 53 kann dazu ausgebildet sein, ein Eingangssignal S52 mit einem bestimmten Signalbereich zu verarbeiten, wobei der Signalbereich definiert ist durch einen minimalen Signalpegel, wie beispielsweise Null, und einem maximalen Signalpegel, den das Filter verarbeiten kann. Der Signalpegel des Filtereingangssignals S52 ist gegeben durch den Signalbereich des Stromerfassungssignals CS_TOT, wobei dieser Signalbereich beispielsweise davon abhängig ist, welcher/welche der elektronischen Schalter 2₁-2_n aktiviert ist/sind. Es kann Gruppen von elektronischen Schaltern geben, die aktiviert sind, wenn die Last einen niedrigen Leistungsverbrauch hat (und das Kabel eine geringe Stromtragfähigkeit hat) und andere Gruppen von elektronischen Schaltern, die aktiviert sind, wenn die Last Z einen hohen Leistungsverbrauch (und das Kabel eine hohe Stromtragfähigkeit) hat. Optional, und um den Signalbereich des Stromerfassungssignals CS_TOT an den Signalbereich, den das Filter verarbeiten kann, anzupassen, umfasst der Überlastdetektor einen Verstärker 55, der dem Filter 53 vorgeschaltet ist und der dazu ausgebildet ist, das Filtereingangssignal S52 durch Verstärken des Stromerfassungssignals CS_TOT oder des Signals Vcs zu erzeugen. Der optionale Verstärker 55 ist ein Verstärker mit variabler Verstärkung, wobei die Verstärkung abhängig ist von einem Verstärkungssignal S_GAIN, das von der Auswahlsteuerschaltung 55 erhalten wird. Die Auswahlsteuerschaltung 55 kann dazu ausgebildet sein, das Verstärkungssignal S_GAIN abhängig von dem Auswahlsignal S_SEL so zu erzeugen, dass jede Schutzkennlinie, die in dem Überlastdetektor implementiert ist, außerdem durch eine Verstärkung des Verstärkers 55 definiert ist.
17 zeigt eine Modifikation der in 15 gezeigten Komparatorschaltung 54. Bei diesem Beispiel erhält die Komparatorschaltung 54 nicht nur das Filterausgangssignal S53, sondern auch das Filtereingangssignal S52, welches den Laststrom Iz repräsentiert. Dieses Filtereingangssignal S52 wird durch einen weiteren Komparator 543 erhalten. Dieser andere Komparator 543 erhält außerdem ein weiteres Schwellensignal S_TH2, das den maximalen Laststrom (vergleiche I_MAX1, I_MAX2 in 4) repräsentiert, der durch ein jeweiliges Kabel fließen darf. Dieses weitere Schwellensignal S_TH2 kann durch die Auswahlsteuerschaltung 55 basierend auf dem Auswahlsignal S_SEL bereitgestellt werden, wie in 13 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Ein Logikgatter 545 erhält ein Ausgangssignal S541 von dem ersten Komparator 541 und ein Ausgangssignal S543 von dem zweiten Komparator 543 und erzeugt das Überlastsignal S_OL so, dass das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat, wenn das Ausgangssignal S541 des ersten Komparators 541 anzeigt, dass das Filterausgangssignal S53 höher ist als das weitere Schwellensignal S_TH2 und/oder der zweite Komparator 543 anzeigt, dass das Stromerfassungssignal S52 höher ist als das Maximumsignal S544.
Bezug nehmend auf 18 kann die Komparatorschaltung 54 zusätzlich oder optional zu dem zweiten Komparator 543 einen dritten Komparator 546 umfassen, der ein Temperatursignal S_TEMP erhält. Dieses Temperatursignal kann durch einen Temperatursensor (der in den Zeichnungen nicht gezeigt ist) erzeugt werden und repräsentiert eine Temperatur wenigstens eines der elektronischen Schalter 2₁-2_n. Gemäß einem Beispiel repräsentiert das Temperatursignal S_TEMP ein Maximum der Temperaturen der einzelnen elektronischen Schalter 2₁-2_n. Gemäß einem Beispiel sind diese elektronischen Schalter in einem Halbleiterkörper integriert. Bei diesem Beispiel repräsentiert das Temperatursignal S_TEMP die Temperatur des Halbleiterkörpers oder die Temperatur an der Position jedes Schalters. Der dritte Komparator 546 vergleicht das Temperatursignal S_TEMP mit einem Temperaturschwellensignal S_TEMP _TH. Dieses Temperaturschwellensignal S_TEMP _TH repräsentiert eine maximal tolerierbare Temperatur der elektronischen Schalter. Das Logikgatter 545 erhält ein Ausgangssignal S546 von dem dritten Komparator 546 und erzeugt das Überlastsignal S_OL abhängig von dem Signal S546, so dass das Überlastsignal S_OL einen Überlastpegel hat, wenn das Komparatorausgangssignal S546 anzeigt, dass die durch das Temperatursignal S_TEMP repräsentierte Temperatur höher ist als eine Temperaturschwelle, die durch das Signal S_TEMP _TH repräsentiert ist.
Optional oder zusätzlich zu den Komparatoren 543, 546 kann die Komparatorschaltung 54 Bezug nehmend auf 19 einen weiteren Komparator 547 enthalten, der ein Signal S_VDS erhält, das eine Spannung über der Laststrecke 11-12 der elektronischen Schaltung repräsentiert. Der vierte Komparator 547 vergleicht diese Spannung mit einem Schwellensignal S_{VDS_TH}. Das Logikgatter 545 erhält das Ausgangssignal von dem vierten Komparator 547 und erzeugt einen Überlastpegel des Überlastsignals S_OL, wenn das Ausgangssignal S547 des vierten Komparators 547 anzeigt, dass die Laststreckenspannung V_DS höher ist als eine Schwelle, die durch das Signal S_{VDS_TH} repräsentiert ist. Die Laststreckenspannung der elektronischen Schaltung kann durch eine herkömmliche Spannungsmessschaltung (die in den Zeichnungen nicht gezeigt ist) gemessen werden.
Es sei erwähnt, dass Merkmale, die anhand einer speziellen Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in solchen Fällen in denen dies nicht explizit erwähnt wurde. Außerdem können die Verfahren der Erfindung entweder als reine Softwareimplementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessorbefehle, oder als Hybrid-Realisierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik, um dieselben Ergebnisse zu erreichen, implementiert werden.

Claims

Elektronische Schaltung, die aufweist: Mehrere elektronische Schalter, die jeweils eine Laststrecke und einen Steuerknoten aufweisen, wobei die Laststrecken parallel zwischen einen ersten Lastknoten und einen zweiten Lastknoten der elektronischen Schaltung geschaltet sind; eine Stromerfassungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Laststrom zwischen dem ersten Lastknoten und dem zweiten Lastknoten zu erfassen und ein den Laststrom repräsentierendes Stromerfassungssignal zu erzeugen; eine Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, die mehreren elektronischen Schalter basierend auf wenigstens einem Eingangssignal zu erzeugen; und einen Überlastdetektor, wobei der Überlastdetektor dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal und eine Auswahlinformation zu erhalten und ein Überlastsignal abhängig von dem Stromerfassungssignal und der Auswahlinformation zu erzeugen.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, das Überlastsignal zu erhalten und die mehreren elektronischen Schalter zu deaktivieren, wenn das Überlastsignal anzeigt, dass ein Überlastszenario detektiert wurde.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Überlastdetektor aufweist: Ein Filter, das dazu ausgebildet ist, ein Filterausgangssignal basierend auf Filtern eines Filtereingangssignals zu erzeugen; und eine Komparatorschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Filterausgangssignal mit einem Schwellensignal zu vergleichen und das Überlastsignal basierend auf dem Vergleich zu erzeugen, wobei das Filtereingangssignal abhängig ist von dem Laststromsignal und wobei das Schwellensignal abhängig ist von der Auswahlinformation.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, bei der das Filter einen Integrierer aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Integrierereingangssignal zu integrieren, das abhängig ist von dem Filtereingangssignal.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, bei der das Integrierereingangssignal abhängig ist von einem Quadrat des Filtereingangssignals.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Integrierer ein Fensterintegrierer ist, der dazu ausgebildet ist, das Integrierereingangssignal über ein Zeitfenster aufzuintegrieren.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, bei der eine Dauer des Zeitfensters abhängig ist von der Auswahlinformation.
Elektronische Schaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der Überlastdetektor weiterhin aufweist: einen Verstärker mit variabler Verstärkung, der dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu erhalten und das Filtereingangssignal durch Verstärken des Stromerfassungssignals zu erzeugen, wobei eine Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung abhängig ist von der Auswahlinformation.
Elektronische Schaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die mehreren elektronischen Schalter im Wesentlichen denselben Einschaltwiderstand haben.
Elektronische Schaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei der wenigstens zwei der elektronischen Schalter unterschiedliche Einschaltwiderstände haben.
Elektronische Schaltung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, mehrere Eingangssignale zu erhalten, bei der jedes dieser Eingangssignale einem zugehörigen der elektronischen Schalter zugeordnet ist und bei dem die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, jeden der mehreren Schalter basierend auf dem zugehörigen Eingangssignal anzusteuern.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 11, die weiterhin aufweist: einen Auswahlsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, die mehreren Eingangssignale zu erhalten und wenigstens einen Teil der Auswahlinformation basierend auf den mehreren Eingangssignalen zu erzeugen.
Elektronische Schaltung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei der die Stromerfassungsschaltung aufweist: mehrere Stromsensoren, wobei jeder der mehreren Stromsensoren dazu ausgebildet ist, einen Strom durch einen zugehörigen der mehreren elektronischen Schalter zu erfassen und ein Schalterstromerfassungssignal zu erzeugen, und einen Addierer, der dazu ausgebildet ist, das Schalterstromerfassungssignal von jedem der mehreren Stromsensoren zu erhalten und das Stromerfassungssignal basierend auf den erhaltenen Schalterstromerfassungssignalen zu erzeugen.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 13, bei der jeder der mehreren elektronischen Schalter wenigstens einen Lasttransistor aufweist und bei der jeder der Stromsensoren einen Erfassungstransistor, der mit dem Lasttransistor des zugehörigen elektronischen Schalters gekoppelt ist, aufweist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 13, bei der jeder der Stromsensoren einen Shunt-Widerstand aufweist.
Verfahren, das aufweist: Ansteuern mehrerer elektronischer Schalter basierend auf wenigstens einem Eingangssignal, wobei jeder der mehreren elektronischen Schalter eine Laststrecke und einen Steuerknoten aufweist und wobei die Laststrecken zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten der elektronischen Schaltung parallel geschaltet sind; Erzeugen eines Stromerfassungssignals basierend auf einem Erfassen eines Laststroms zwischen einem ersten Lastknoten und dem zweiten Lastknoten; und Erzeugen eines Überlastsignals abhängig von dem Stromerfassungssignal und einer Auswahlinformation.
Verfahren nach Anspruch 16, das weiterhin aufweist: Deaktivieren der mehreren elektronischen Schalter, wenn das Überlastsignal anzeigt, dass ein Überlastszenario detektiert wurde.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das Erzeugen des Überlastsignals aufweist: Erzeugen eines Filterausgangssignals basierend auf einem Filtern eines Filtereingangssignals, wobei das Filtereingangssignal abhängig ist von dem Laststromsignal; und Vergleichen des Filterausgangssignals mit einem Schwellensignal und Erzeugen des Überlastsignals basierend auf dem Vergleich, wobei das Schwellensignal abhängig ist von der Auswahlinformation.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Erzeugen des Filterausgangssignals ein Integrieren eines Integrierereingangssignals, das abhängig ist von dem Filtereingangssignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Integrierereingangssignal abhängig ist von einem Quadrat des Filtereingangssignals.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Integrieren das Integrieren des Integrierereingangssignals über ein Zeitfenster aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem eine Dauer des Zeitfensters abhängig ist von der Auswahlinformation.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 22, bei dem das Erzeugen des Überlastsignals weiterhin aufweist: Erzeugen des Filtereingangssignals durch Verstärken des Stromerfassungssignals unter Verwendung eines Verstärkers mit variabler Verstärkung, wobei eine Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung abhängig ist von der Auswahlinformation.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 23, bei dem das wenigstens eine Eingangssignal mehrere Eingangssignale aufweist, bei dem jedes dieser Eingangssignale einem zugehörigen der elektronischen Schalter zugeordnet ist, und bei dem das Ansteuern der mehreren Schalter das Ansteuern jedes der mehreren elektronischen Schalter basierend auf dem zugehörigen Eingangssignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, das weiterhin aufweist: Erzeugen wenigstens eines Teils der Auswahlinformation basierend auf den mehreren Eingangssignalen.