DE102019121795A1

DE102019121795A1 - Intelligenter elektronischer schalter

Info

Publication number: DE102019121795A1
Application number: DE102019121795.4A
Authority: DE
Inventors: Mirko Bernardoni; Robert Illing
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2039-08-14
Also published as: CN112421569A; US20210050848A1; US11405032B2; DE102019121795B4

Abstract

Hierin wird eine integrierte Schaltung beschrieben, die als intelligenter Schalter eingesetzt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform enthält die integrierte Schaltung einen Leistungstransistor, der zwischen einen Versorgungs-Pin und einen Ausgangs-Pin gekoppelt ist, und eine Stromerfassungsschaltung, die mit dem Leistungstransistor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal, das auf einen durch den Transistor fließenden Laststrom schließen lässt, zu erzeugen. Die integrierte Schaltung weist weiterhin eine Überwachungsschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu empfangen und ein Schutzsignal basierend auf dem Stromerfassungssignal und einem Schwellenwert bereitzustellen, wobei die Überwachungsschaltung ein Filter enthält, das dazu ausgebildet ist, ein Filtereingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal abhängt, zu empfangen. Das Filter besitzt eine Übertragungskennlinie mit zwei oder mehr Zeitkonstanten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft das Gebiet von intelligenten Halbleiterschaltern.
HINTERGRUND
Nahezu jede elektrische Installation (z.B. in einem Automobil, in einem Haus, elektrische Sub-Systeme von größeren Installationen) enthält eine oder mehr Sicherungen, um einen Überstromschutz zu bieten. Standard-Sicherungen enthalten ein Stück Draht, was einen niederohmigen Strompfad bietet, falls der durch die Sicherung fließende Strom unterhalb eines Nominalstroms liegt. Allerdings ist das Stück Draht so ausgelegt, dass es sich erhitzt und schmilzt oder verdampft, wenn der durch die Sicherung fließende Strom den Nominalstrom für eine bestimmte Zeit übersteigt. Wenn eine Sicherung einmal ausgelöst wurde, muss sie durch eine neue ersetzt werden.
Sicherungen werden zunehmend durch Sicherungsautomaten („circuit breaker“) ersetzt. Ein Sicherungsautomat ist ein automatisch betriebener elektrischer Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Schaltung gegen Beschädigung, die durch Überstrom, Überlast oder Kurzschluss verursacht wird, zu schützen. Sicherungsautomaten können elektromechanische Relais enthalten, die ausgelöst werden, um die geschützte Schaltung von der Versorgung zu trennen, wenn ein Überstrom (d.h. ein Strom, der den Nominalstrom übersteigt), detektiert wird. Bei vielen Anwendungen (z.B. bei der bordeigenen Leistungsversorgung eines Automobils) können Sicherungsautomaten unter Verwendung eines elektronischen Schalters (z.B. eines MOS-Transistors, eines IGBTs oder dergleichen) implementiert werden, um die geschützte Schaltung im Fall eines Überstroms von der Versorgung zu trennen. Derartige Sicherungsautomaten können auch als elektronische Sicherungen (E-Sicherungen („e-fuse“) oder intelligente Sicherungen) bezeichnet werden. Neben ihrer Funktion als Sicherungsautomat kann eine elektronische Sicherung auch verwendet werden, um eine Last regulär ein- und auszuschalten. Üblicherweise wird der Schaltzustand (ein/aus) von elektronischen Schaltern wie beispielsweise MOS-Transistoren unter Verwendung von sogenannten Treiberschaltungen oder einfach Treibern (Gate-Treibern im Fall von MOS-Transistoren) gesteuert.
Üblicherweise sind herkömmliche Sicherungen - und ebenso elektronische Sicherungen - für eine (hypothetisch) konstante elektrische Last ausgelegt, die zu einer bestimmten thermischen Last des Kabels führt. Das heißt, die konstante elektrische Last führt zu einer bestimmten Kabeltemperatur über der Umgebungstemperatur. Der Zweck der Sicherung besteht darin, sicherzustellen, dass die thermische Last des Kabels innerhalb einer definierten Grenze bleibt. Deshalb sind bekannte elektronische Sicherungsschaltungen dazu ausgelegt, die Zeit-Strom-Kennlinie (die definiert, für wie lange ein bestimmter Strompegel durch die elektronische Sicherung fließen darf, bevor die Sicherung die Trennung der Last auslöst) bei herkömmlichen Sicherungen zu emulieren. Allerdings ändert sich bei vielen Anwendungen die Last dynamisch. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die thermische Zeitkonstante üblicherweise genutzter Kabel im Bereich von einigen wenigen Minuten (z.B. 90 Sekunden bei einigen Anwendungen) liegt, kann die Aktivierung einer elektrischen Last für z.B. 30 Sekunden, verglichen mit der thermischen Zeitkonstante des Kabels, ein hoch-dynamischer Prozess sein.
ÜBERBLICK
Hierin wird eine integrierte Schaltung beschrieben, die als intelligenter Schalter eingesetzt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform enthält die integrierte Schaltung einen Leistungstransistor, der zwischen einen Versorgungs-Pin und einen Ausgangs-Pin gekoppelt ist, und eine Stromerfassungsschaltung, die mit dem Leistungstransistor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal, das auf einen durch den Transistor fließenden Laststrom schließen lässt, zu erzeugen. Die integrierte Schaltung weist weiterhin eine Überwachungsschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu empfangen und ein Schutzsignal basierend auf dem Stromerfassungssignal und einem Schwellenwert bereitzustellen, wobei die Überwachungsschaltung ein Filter enthält, das dazu ausgebildet ist, ein Filtereingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal abhängt, zu empfangen. Das Filter besitzt eine Übertragungskennlinie mit zwei oder mehr Zeitkonstanten.
Des Weiteren wird hierin ein Verfahren beschrieben, das verwendet werden kann, um einen intelligenten elektronischen Schalter als elektronische Sicherung zu betreiben. Gemäß einer Ausführungsform enthält das Verfahren das Aktivieren eines Laststrompfads von einem Versorgungs-Pin und einem Ausgangs-Pin durch Einschalten eines Leistungstransistors, das Bereitstellen eines Signals, das den durch den Leistungstransistor fließenden Strom repräsentiert, und das Erzeugen eines Schutzsignals basierend auf dem Stromerfassungssignal und einem Schwellenwert. Die Erzeugung des Schutzsignals beinhaltet das Filtern eines Filtereingangssignals, das von dem Laststromsignal abhängt, unter Verwendung eines Filters, das eine Übertragungskennlinie mit zwei oder mehr Zeitkonstanten aufweist.
Figurenliste
Die unten beschriebenen Ausführungsformen lassen sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wurde Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. Zu den Zeichnungen:

1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine elektronische Sicherungsschaltung mit einem elektronischen Schalter und einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter anzusteuern, sowie beispielhafte Anwendungen der elektronischen Sicherungsschaltung.
2 zeigt ein Beispiel für die Steuerschaltung von 1 ausführlicher.
3 zeigt ein Beispiel für eine in der Steuerschaltung von 2 verwendete Logikschaltung.
4 zeigt Zeitverlaufsdiagramme, die die Funktionsweise der in 2 gezeigten Steuerschaltung veranschaulichen.
5a ist ein Diagramm, das eine Familie von Kennlinienkurven (Zeit gegenüber Strom) für ein 0,35 mm²-Kabel für verschiedene maximale Kabeltemperaturen zeigt.
5b ist ein Diagramm, das eine Familie von Kennlinienkurven (Zeit gegenüber Strom) für eine maximale Kabeltemperatur von 25 Kelvin über der Umgebungstemperatur und für verschiedene Kabelquerschnitte zeigt.
6 zeigt ein Beispiel für die bei dem Beispiel von 2 verwendete Überwachungsschaltung.
7 zeigt ein erstes Beispiel für eine E-Sicherungs-(„intelligente Sicherung“)-Schaltung, die eine Auswahl eines Drahtquerschnitts und einer maximalen Kabeltemperatur ermöglicht.
8 ist ein Diagramm, das Zeit-Strom-Kennlinienkurven einer Last, eines Kabels und einer neuen, verbesserten elektronischen Sicherung darstellt.
9 ist eine beispielhafte Überwachungsschaltung, die in der elektronischen Sicherung von 6 verwendet werden kann, um eine elektronische Sicherung mit einer Zeit-Strom-Kennlinie zu implementieren, die an die Zeit-Strom-Kennlinie einer Last angepasst werden kann.
10 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen der Zeitkonstanten und Verstärkungen, die in dem in der Überwachungsschaltung von 9 enthaltenen Filter zu verwenden sind.
11 zeigt ein weiteres Beispiel einer verbesserten elektronischen Sicherungsschaltung, die eine digitale Kommunikationsschnittstelle aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zum Zweck der Darstellung Beispiele dafür, wie die Erfindung verwendet und implementiert werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, miteinander kombiniert werden können.
1 zeigt ein Beispiel für eine elektronische Schaltung, die als elektronische Sicherung betrieben werden kann. Deshalb wird die elektronische Schaltung weiterhin als elektronische Sicherungsschaltung F bezeichnet. In dem vorliegenden Beispiel enthält eine elektronische Sicherungsschaltung einen elektronischen Schalter 2 mit einem Steuerknoten 21 und einem Laststrompfad zwischen einem ersten Lastknoten 22 und einem zweiten Lastknoten 23. Die elektronische Schaltung enthält weiterhin eine Steuerschaltung 1, die mit dem Steuerknoten 21 der elektronischen Schaltung 2 gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter 2 anzusteuern. Die elektronische Sicherungsschaltung F mit dem elektronischen Schalter 2 und der Steuerschaltung 1 kann in einem Halbleiter-Die (Chip) monolithisch integriert sein, oder sie kann in zwei Halbleiter-Dies, die in einem Integrierte-Schaltung-Package angeordnet sind, integriert sein. Die elektronische Sicherungsschaltung F ist dazu ausgebildet, eine Last Z (die die Last anschließenden Drähte sind in 1 anhand gestrichelter Linien dargestellt), die mit dem Laststrompfad des elektronischen Schalters 2 in Reihe geschaltet sein kann, anzusteuern. Daher kann die Reihenschaltung des Laststrompfads des elektronischen Schalters 2 und der Last zwischen Versorgungsknoten, an denen ein positives Versorgungspotential und ein negatives Versorgungspotential oder Massepotential GND (null Volt) bereitgestellt werden können, angeschlossen werden. Im Folgenden wird eine Spannung zwischen den zwei Versorgungsknoten als Versorgungsspannung V_B bezeichnet. Der durch die Last Z fließende Laststrom i_L kann entsprechend einem Eingangssignal S_IN, das der Steuerschaltung 1 zum Beispiel durch einen Mikrocontroller 8 zugeführt wird, ein- und ausgeschaltet werden. Allerdings kann das Eingangssignal S_IN abhängig von der Anwendung durch eine beliebige andere Schaltung anstelle eines Mikrocontrollers erzeugt werden.
Bei einer beispielhaften Anwendung kann die elektronische Sicherungsschaltung F verwendet werden, um eine Last Z in einem Automobil anzusteuern. In diesem Fall ist die Leistungsquelle, die die Versorgungsspannung V_B liefert, eine Autobatterie. Allgemein kann „Ansteuern einer Last“ das Ein- oder Ausschalten des durch die Last fließenden Laststroms durch Ein- oder Ausschalten des elektronischen Schalters 2 beinhalten. Bei der Last kann es sich um eine beliebige in einem Automobil verwendete Last handeln. Beispiele für die Last Z enthalten unter anderem verschiedene Arten von Lampen, verschiedene Arten von Motoren, Relais, ein Heizungssystem oder dergleichen. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel sind der elektronische Schalter 2 und die Last Z in einer High-Side-Konfiguration geschaltet. Das heißt, die Last Z ist zwischen dem elektronischen Schalter 2 und dem Masseknoten GND angeschlossen. Dies stellt jedoch nur ein Beispiel dar. Der elektronische Schalter 2 und die Last Z können ebenso in einer Low-Side-Konfiguration oder ebenso gut in einer beliebigen anderen Konfiguration angeschlossen werden. Zum Beispiel ist der elektronische Schalter bei einer Low-Side-Konfiguration zwischen der Last Z und dem Masseknoten GND angeschlossen.
Gemäß dem Beispiel von 1 kann die Last Z über einen (z.B. in einem Kabel enthaltenen) elektrisch leitenden Draht an dem elektronischen Schalter 2 angeschlossen sein. Abhängig davon, wo sich der elektronische Schalter und die betreffende Last Z in der elektrischen Installation eines Autos befinden, kann der Draht eine beträchtliche Länge von einigen 10 cm oder sogar mehr (z.B. bis zu 10 m) aufweisen. Ein modernes Automobil enthält eine Vielzahl elektrischer Lasten, so dass eine Vielzahl von Drähten erforderlich ist, um die einzelnen Lasten an ihre entsprechenden elektronischen Schalter anzuschließen. Um Kosten und Ressourcen zu sparen, kann es wünschenswert sein, die einzelnen Drähte so zu dimensionieren, dass sie einem Nominalstrom der angeschlossenen Last über eine lange Zeit widerstehen können. Wenn jedoch der Strom über den Nominalstrom ansteigt, kann der Draht durch Überhitzen beschädigt oder sogar zerstört werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerschaltung 1 deshalb eine Stromüberwachungsfunktion aufweisen, um den durch den elektronischen Schalter 2 (und die Last Z) fließenden Laststrom i_L zu überwachen. Die Stromüberwachung ermöglicht es, den elektronischen Schalter 2 auszuschalten, um den Draht (und die Last Z) zu schützen, wenn ein Überlast-Szenario detektiert wird. Ein „Überlast-Szenario“ ist ein Szenario, das dazu führen kann, dass der Draht oder die Last beschädigt oder zerstört wird, wenn der elektronische Schalter 1 nicht (innerhalb einer bestimmten Zeit) ausgeschaltet wird, um den Draht (und die Last) von der Leistungsquelle, die die Versorgungsspannung V_B bereitstellt (z.B. die Autobatterie), zu trennen. Dieser Mechanismus wird unten ausführlicher beschrieben. Da die elektronische Sicherungsschaltung F dazu ausgebildet ist, die Last Z ein- und auszuschalten und den Draht zu schützen, wird sie im Folgenden auch als Schalt- und Schutzschaltung beschrieben.
Bei dem Beispiel von 1 ist der elektronische Schalter 2 schematisch als Schaltungsblock, der einen Schalter enthält, gezeichnet. Im Folgenden enthält der Ausdruck „elektronischer Schalter“ jede Art von elektronischem Schalter oder elektronischer Schaltung, der/die einen Steuerknoten 21 und einen Laststrompfad zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 aufweist und der/die dazu ausgebildet ist, abhängig von einem an dem Steuerknoten 21 empfangenen Ansteuersignal ein- und auszugeschaltet zu werden. „Eingeschaltet“ bedeutet, dass der elektronische Schalter 2 in einem Ein-Zustand arbeitet, in dem der elektronische Schalter 2 in der Lage ist, einen Strom zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 zu leiten. „Ausgeschaltet“ bedeutet, dass der elektronische Schalter 2 in einem Aus-Zustand betrieben wird, in dem der elektronische Schalter 2 in der Lage ist, einen Stromfluss zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 zu verhindern. Gemäß einem Beispiel enthält der elektronische Schalter zumindest einen Transistor. Bei dem zumindest einen Transistor kann es sich zum Beispiel um einen MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), einen JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor), einen BJT (Bipolartransistor) oder einen HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) handeln.
Im Folgenden werden Beispiele für die Steuerschaltung 1 und deren Funktion unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Insbesondere wird die Funktionsweise der Steuerschaltung 1 unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen abgebildeten Funktionsblöcke erläutert. Es sollte angemerkt werden, dass diese Funktionsblöcke die Funktionsweise der Steuerschaltung 1 und nicht deren konkrete Implementierung darstellen. Diese Funktionsblöcke können zugeordnete Schaltungsblöcke sein, die dazu ausgebildet sind, die entsprechende, unten erläuterte Funktion durchzuführen. Allerdings kann es ebenso möglich sein, dass die einzelnen Funktionsblöcke durch eine programmierbare Schaltung (Prozessor) ausgeführt werden, die dazu ausgebildet ist, in einem Speicher gespeicherte Software/Firmware auszuführen.
2 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Steuerschaltung 1. Bei diesem Beispiel enthält die Steuerschaltung 1 eine Überwachungsschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Schutzsignal OC basierend auf einer Strom-Zeit-Kennlinie des Laststroms i_L zu erzeugen. Der Ausdruck „das erste Schutzsignal OC basierend auf der Strom-Zeit-Kennlinie des Laststroms i_L zu erzeugen“ kann beinhalten, dass die Überwachungsschaltung 4 eine Ist-Stromamplitude des Laststroms i_L sowie vorangehende Stromamplituden verarbeitet, um das erste Schutzsignal OC zu erzeugen. Das heißt, die Überwachungsschaltung 4 wertet den Laststrom i_L über eine bestimmte Zeitspanne aus, um das erste Schutzsignal OC zu erzeugen. Um in der Lage zu sein, den Laststrom i_L auszuwerten, empfängt die Überwachungsschaltung 4 ein Stromerfassungssignal CS und erzeugt das erste Schutzsignal OC basierend auf dem Stromerfassungssignal CS. Das Stromerfassungssignal CS repräsentiert den Laststrom i_L und es kann gemäß einem Beispiel proportional zum Laststrom i_L sein. Bei dem Beispiel von 2 steht das Stromerfassungssignal CS an einem Erfassungsausgang 24 des elektronischen Schalters 2 zur Verfügung. In diesem Fall kann eine Strommessschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Laststrom i_L zu messen und das Stromerfassungssignal CS bereitzustellen, (zumindest teilweise) in dem elektronischen Schalter 2 integriert sein. Allerdings stellt dies nur ein Beispiel dar. Eine von dem elektronischen Schalter 2 getrennte Strommessschaltung kann ebenso gut verwendet werden. Es sind verschiedene Stromerfassungsschaltungen (z.B. Shunt-Widerstände, Sense-FET-Schaltungen, etc.) bekannt und sie werden deshalb hierin nicht weiter erläutert.
Die in 2 dargestellte Steuerschaltung 1 ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 2 basierend auf dem Schutzsignal OC und einem an einem ersten Eingangsknoten (z.B. Eingangs-Pin) P_IN der elektronischen Sicherungsschaltung F empfangenen Eingangssignal S_IN anzusteuern. Das Schutzsignal OC sowie das Eingangssignal S_IN werden einer Logikschaltung 3 zugeführt, die ein Ansteuersignal S_ON basierend auf dem Schutzsignal OC und dem Eingangssignal S_IN erzeugt. Das Ansteuersignal S_ON wird direkt oder (z.B. über eine Treiberschaltung 5) indirekt dem Steuerknoten 21 des elektronischen Schalters 2 zugeführt, um den elektronischen Schalter 2 ein- oder auszuschalten. Gemäß einem Beispiel kann es sich bei dem Ansteuersignal S_ON um ein Logiksignal handeln, das einen Ein-Pegel, der anzeigt, dass gewünscht ist, den elektronischer Schalter 2 einzuschalten, oder einen Aus-Pegel, der anzeigt, dass gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2 auszuschalten, aufweist. Die Treiberschaltung 5 (oder einfach der Treiber) ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 2 basierend auf dem entsprechenden Signalpegel des Ansteuersignals S_ON anzusteuern. Der elektronische Schalter 2 enthält zum Beispiel einen Transistor wie beispielsweise einen MOSFET (wie in 2 schematisch dargestellt). Ein MOSFET ist ein spannungsgesteuertes Halbleiterbauelement, das abhängig von einem Ansteuersignal, das zwischen einem Gate-Knoten und einem Source-Knoten angelegt wird, ein- oder ausschaltet. Bei diesem Beispiel ist der Treiber 5 dazu ausgebildet, die Ansteuerspannung (Gate-Spannung V_G) basierend auf dem Ansteuersignal S_ON zu erzeugen, um den MOSFET entsprechend dem Ansteuersignal ein- oder auszuschalten. Wenn MOSFETs verwendet werden, wird der Treiber 5 auch als Gatetreiber bezeichnet.
Die Schaltung von 3 zeigt eine beispielhafte Implementierung von (einem Teil von) der Logikschaltung 3. Bei dem vorliegenden Beispiel enthält die Logikschaltung 3 einen Inverter 33, ein SR-Latch (31) (Flip-Flop) und ein UND-Gatter 32. Ein erster Eingang des UND-Gatters 32 ist dazu ausgebildet, das Eingangssignal S_IN zu empfangen, während ein Rücksetz-Eingang R des SR-Latches 31 dazu ausgebildet ist, das durch den Inverter 33 gelieferte, invertierte Eingangssignal zu empfangen. Der Setz-Eingang S des SR-Latches 31 ist dazu ausgebildet, das Schutzsignal OC zu empfangen. Der invertierende Ausgang Q' des SR-Latches 31 ist mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 3 verbunden. Das Ansteuersignal S_ON wird an dem Ausgang des UND-Gatters 32 bereitgestellt.
Die Funktionsweise der Logikschaltung 3 wird durch die Zeitverlaufsdiagramme von 4 weiter veranschaulicht. Der anfängliche Low-Pegel des Eingangssignals S_IN bewirkt ein Zurücksetzen des SR-Latches 31, was zu einem High-Pegel an dem invertierenden Ausgang Q' des SR-Latches 31 führt. Dementsprechend „sehen“ beide Eingänge des UND-Gatters 32 einen High-Pegel, und deshalb liefert der Ausgang des UND-Gatters 32 das Ansteuersignal S_ON mit einem High-Pegel. Wenn sich das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₁ und t₂) ändert, „sieht“ das UND-Gatter 32 einen Low-Pegel an seinem ersten Eingang, und somit liefert der Ausgang des UND-Gatters 32 das Ansteuersignal S_ON mit einem Low-Pegel (was ein Ausschalten des Leistungstransistors 2 bewirkt). In anderen Worten, das Eingangssignal S_IN wird durch die Logikschaltung 3 hindurchgeführt (d.h. das Ansteuersignal S_ON ist gleich dem Eingangssignal S_IN), vorausgesetzt, dass sich das SR-Latch 31 in seinem Rücksetz-Zustand befindet. Sobald das SR-Latch 31 als Reaktion auf das sich auf einen High-Pegel ändernde Schutzsignal OC gesetzt wird, wird der invertierende Ausgang Q' des SR-Latches 31 auf einen Low-Pegel gesetzt (siehe 4, Zeitpunkt t₃). Entsprechend sieht das UND-Gatter 32 einen Low-Pegel an seinem zweiten Eingang, und deshalb wird das Ansteuersignal S_ON auf einen Low-Pegel eingestellt. In anderen Worten, das Eingangssignal S_IN wird durch das UND-Gatter 32 ausgetastet. Das Ansteuersignal S_ON bleibt auf einem Low-Pegel, bis das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 und ein Rücksetzen SR-Latches 31 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₄) und wieder auf einen High-Pegel (der ein Einschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₅) eingestellt wird. Es wird erneut angemerkt, dass die Funktionsweise der beispielhaften Implementierung von 3 ebenso gut auf verschiedene andere Arten implementiert werden kann.
Wie oben erwähnt, kann der die Last Z und die elektronische Sicherungsschaltung F verbindende Draht dazu ausgelegt sein, einem Nominalstrom der Last Z zu widerstehen. Die Lebensdauer eines Drahts (oder eines Kabels) hängt von der Drahttemperatur ab. Die 5A und 5B sind Diagramme, die eine Familie von Kennlinienkurven zeigen, wobei jede Kennlinienkurve zu einer bestimmten Kombination von maximaler Temperaturdifferenz dT (maximale Temperatur über der Umgebungstemperatur) und Kabelquerschnitt (z.B. Querschnittsfläche in mm²) gehört. Jede Kennlinienkurve kann als „Isotherme“ (Linie gleicher Temperatur) angesehen werden und repräsentiert das Verhältnis zwischen Strom und maximal zulässiger Zeitspanne, für die der Draht Strom tragen kann, ohne die spezifizierte Temperaturdifferenz dT zu überschreiten. 5A zeigt Kennlinienkurven für verschiedene Temperaturdifferenzen dT und eine konkrete Querschnittsfläche von 0,35 mm², während 5B Kennlinienkurven für eine konkrete Temperaturdifferenz dT von 25 K (Kelvin) und verschiedene Querschnittsflächen zeigt. Wie aus 5A und 5B zu sehen ist, kann ein Draht mit einer Querschnittsfläche von 0,35 mm² einen Strom von näherungsweise 9 A (Ampere) für eine praktisch unbegrenzte Dauer tragen, ohne eine Temperaturdifferenz dT von 25 K über der Umgebungstemperatur zu überschreiten. Wie aus 5B zu sehen ist, kann ein Draht mit einer Querschnittsfläche von 0,75 mm² einen Strom von 10 A (Ampere) für näherungsweise 100 Sekunden oder 35 A für näherungsweise 1 Sekunden tragen, bevor er eine Temperaturdifferenz dT von 25 K über der Umgebungstemperatur übersteigt. Allgemein ist die zulässige Zeitspanne für eine gegebene Querschnittsfläche und eine gegebene Temperaturdifferenz umso kürzer, je höher der Strom ist. Es wird angemerkt, dass die in den Diagrammen der 5A und 5B gezeigten Kennlinienkurven in einer doppelt-logarithmischen Darstellung einen linear fallenden Zweig aufweisen.
Wie aus den 5A und 5B zu sehen ist, gehören eine Temperaturdifferenz dT_x (z.B. Temperaturwerte dT₁, dT₂, dT₃, dT₄, dT₅, dT₆) für einen gegebenen Strom (siehe 5A, Strom i_x) und eine bestimmte Querschnittsfläche (bei dem Beispiel von 5A z. B. 0,35 mm²) zu einer gegebenen Integrationszeit t_x (z.B. Zeiten t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆). Daher kann ein Temperaturwert dT (der die Temperatur über der Umgebungstemperatur darstellt) für einen bestimmten Drahtquerschnitt durch Integrieren der Leistung, die aus einem durch den Draht fließenden Stroms i_L=i_x resultiert, über die Zeit bestimmt werden. Das erste Schutzsignal OC kann ein Ausschalten des elektronischen Schalters anzeigen, wenn der Temperaturwert dT eine definierte erste Referenztemperaturdifferenz dT_R erreicht. Die erwähnte Integration kann unter Verwendung eines digitalen Filters, das in der Überwachungsschaltung 4 (siehe 2) enthalten sein kann, wirkungsvoll implementiert werden. Eine beispielhafte Implementierung einer Überwachungsschaltung ist in 6 dargestellt.
Im Wesentlichen ist die Überwachungsschaltung von 6 dazu ausgebildet, das erste Schutzsignal OC basierend auf dem Stromerfassungssignal CS zu bestimmen. Wie erwähnt, kann die Integration in einem digitalen Filter 42 erreicht werden, das eine integrierende Eigenschaft besitzt. Gemäß dem abgebildeten Beispiel wird das Stromerfassungssignal CS, bei dem es sich um eine Spannung, die proportional zu dem Laststrom i_L ist, handeln kann, dem Eingang des Filters 45, bei dem es sich um ein (optionales) analoges Tiefpassfilter handeln kann, zugeführt, um Transienten oder dergleichen, die eine vergleichsweise hohe Frequenz aufweisen, zu entfernen. Der Ausgang des Filters 45 kann mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) 41 verbunden sein, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Stromerfassungssignal CS zu digitalisieren. Der ADC 41 kann eine logarithmische Kennlinienkurve aufweisen, um den in den 5A und 5B gezeigten logarithmischen Kennlinien Rechnung zu tragen. Das (z.B. logarithmisierte) digitale Stromerfassungssignal CS_DIG wird dann durch das digitale Filter 42 in einen Temperaturwert dT „umgewandelt“. Der resultierende Temperaturwert dT (der eine Temperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur repräsentiert) wird dann einem digitalen Komparator 43 zugeführt, der dazu ausgebildet sein kann, das erste Schutzsignal OC auf einen High-Pegel einzustellen, wenn der an dem Ausgang des digitalen Filters 42 bereitgestellte Temperaturwert dT die für einen bestimmten Drahtquerschnitt spezifizierte erste Referenztemperaturdifferenz dT_R (z.B. 25 K) übersteigt. Dementsprechend kann die in 6 abgebildete Quadrier-Einheit 46, abhängig von der Kennlinie des ADC 41, weggelassen werden. Es versteht sich, dass die Quadrier-Einheit 46 durch andere geeignete Funktionen ersetzt werden kann. Im Wesentlichen repräsentiert das dem Filter 42 zugeführte Eingangssignal die aus dem Laststrom i_L resultierende Leistung.
Wie erwähnt, ist das digitale Filter 42 dazu ausgebildet, den (je nach Sachlage quadrierten) Laststrom (durch das digitalisierte Stromerfassungssignal CS_DIG repräsentiert) und eine zugehörige Integrationszeit, während der der Strom durch den Draht fließt, in einen Temperaturwert dT zu wandeln. Bei dem vorliegenden Beispiel hängt die Filtercharakteristik 42 von einem den Draht kennzeichnenden Parameter, z.B. der Querschnittsfläche des Drahts, der den Strom trägt, ab und kann durch eine Familie von Kennlinienkurven, wie die in dem Diagramm von 5A (für eine beispielhafte Querschnittsfläche von 0,35 mm²) gezeigt, dargestellt werden. Bei einem konkreten Beispiel können die Kennlinienkurven (oder zugehörigen Kurven) in einer Nachschlagtabelle gespeichert werden, d.h. durch Speichern einer Vielzahl von Stützpunkten („sampling points“) der Kennlinienkurven in einem Speicher. Werte zwischen zwei Stützpunkten können unter Verwendung von z.B. Interpolation bestimmt werden.
7 zeigt ein Beispiel für eine elektronische Sicherungsschaltung, die weiterhin als intelligente Sicherungsschaltungsschaltung 10 bezeichnet wird. Die Schaltung von 7 ist im Wesentlichen dieselbe wie die Schaltung von 2, und es wird auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen. Allerdings ist die Logikschaltung 3 höher entwickelt als bei dem Beispiel von 2, und die Überwachungsschaltung 4 ist gemäß 6 implementiert, wobei das analoge Tiefpassfilter 45 weggelassen wurde (das Tiefpassfilter 45 ist optional). Allerdings ist die Überwachungsschaltung 4 bei dem vorliegenden Beispiel, abweichend von dem Beispiel von 6, konfigurierbar, so dass ihre Kennlinie basierend auf zumindest einem Drahtparameter ausgewählt werden kann, was es zum Beispiel ermöglicht, eine Kennlinie für einen bestimmten Drahtquerschnitt und/oder eine gewünschte Referenztemperaturdifferenz dT_R auszuwählen. Bei den hierin beschriebenen Beispielen ist oder repräsentiert der zumindest eine Drahtparameter die Kabelquerschnittsfläche und/oder den maximalen Temperaturwert über der Umgebungstemperatur. Wie in den Diagrammen von 5 zu sehen ist, definieren diese beiden Drahtparameter eine bestimmte Kennlinienkurve, die das gewünschte Verhalten der elektronischen Sicherungsschaltung für ein(en) bestimmte(n) Draht/Leitung repräsentiert. Es versteht sich, dass andere Parameter wie beispielsweise Drahtdurchmesser oder Absolut-Temperatur (z.B., falls die Umgebungstemperatur gemessen wird) als Drahtparameter verwendet werden können. Weiterhin repräsentiert ein Drahtparameter nicht notwendigerweise irgendeine physikalische Größe (wie beispielsweise Querschnittsfläche oder Temperatur), sondern er kann lediglich ein numerischer Parameter sein, der das Festlegen (z.B. Auswählen) der durch die Überwachungsschaltung verwendeten, gewünschten Kennlinie ermöglicht. Wie in 7 gezeigt, kann die elektronische Sicherungsschaltung eine integrierte Schaltung sein, die in einem Chip-Package angeordnet ist, wobei der elektronische Schalter 2 und die verbleibenden Schaltungskomponenten (Treiber 5, Logikschaltung 3 und Überwachungsschaltung 4) in demselben Halbleiter-Die oder in zwei getrennten Halbleiter-Dies, die in dem Chip-Package angeordnet sind, integriert sein können. Allerdings kann die intelligente Sicherungsschaltung 10 bei anderen Ausführungsformen auf zwei oder mehr getrennte Chip-Packages verteilt sein. Bei dem Beispiel von 7 sind alle abgebildeten Schaltungskomponenten in einem Halbleiterchip integriert.
Der Laststrompfad des elektronischen Schalters 2 kann zwischen einem Versorgungs-Pin SUP und einem Ausgangs-Pin OUT der intelligenten Sicherungsschaltung 10 angeschlossen sein. Im Allgemeinen kann die Logikschaltung 3 dazu ausgebildet sein, zumindest einen Drahtparameter zu empfangen, der, bei dem vorliegenden Beispiel, Informationen über eine Drahtquerschnittsfläche A und eine Referenztemperaturdifferenz dT_R von einem Mikrocontroller oder einer anderen Steuerschaltung empfängt. Wie in 6 dargestellt, kann die Logikschaltung 3 dazu ausgebildet sein, von einem Controller über einen Eingangs-Pin IN (Eingangssignal S_IN, siehe auch 2) und Eingangs-Pins SEL_WIRE und SEL_dT (Auswahlsignale Ssi und S_S2, die eine Drahtquerschnittsfläche und eine Temperaturdifferenz repräsentieren) Signale zu empfangen und ein Ansteuersignal S_ON für den elektronischen Schalter 2 bereitzustellen. Der Treiber 5 kann dazu ausgebildet sein, das Signal S_ON, bei dem es sich um ein binäres Logiksignal handelt, in eine Ansteuerspannung oder einen Ansteuerstrom, die/der dazu geeignet ist, den elektronischen Schalter 2 ein- und auszuschalten, zu wandeln. Wie bei dem Beispiel von 2 empfängt die Überwachungsschaltung 4 ein (analoges) Stromerfassungssignal CS und erzeugt basierend auf diesem Stromerfassungssignal CS das erste Schutzsignal OC, das durch die Logikschaltung 3, zum Beispiel wie bei dem Beispiel von 3 gezeigt, verarbeitet werden kann.
Basierend auf den Informationen, die in dem zumindest einen Drahtparameter enthalten sind und z.B. von dem Controller 8 (vgl. 8) empfangen werden, kann die Steuerlogik 3 das digitale Filter 42 und/oder den Komparator 43 so konfigurieren, dass die Kennlinie der Überwachungsschaltung 4 einer bestimmten Kombination von Drahtquerschnittsfläche und Referenztemperaturdifferenz dT_R entspricht. Bei dem vorliegenden Beispiel kann die Überwachungsschaltung 4 basierend auf den an den Eingangs-Pins SEL_WIRE und SEL_dT empfangenen Auswahlsignalen Ssi und S_S2 konfiguriert werden. Daher kann das Auswahlsignal Ssi als ersten Drahtparameter eine Referenztemperaturdifferenz dT_R (die als Temperaturschwellenwert bei dem Komparator 43 verwendet werden kann) repräsentieren und das Auswahlsignal S_S2 kann als zweiten Drahtparameter eine Querschnittsfläche A des Drahts repräsentieren. Der in 7 gezeigte Masse-Pin GND ist mit einem Referenzpotential, z.B. Erdpotential, gekoppelt und mit der Logikschaltung 3 und anderen Schaltungskomponenten, die für einen ordnungsgemäßen Betrieb ein Bezugspotential benötigen, verbunden. Es wird angemerkt, dass ein einziger (analoger) Eingangs-Pins ausreichen kann, um einen Draht mit einem/einer gewünschten Querschnitt und Temperaturdifferenz auszuwählen. Darüber hinaus versteht es sich, dass bei einer anderen Ausführungsform der erste und der zweite Drahtparameter auch in ein einziges (z.B. digitales) Auswahlsignal codiert sein können. Es versteht sich, dass der konkrete Mechanismus dafür, wie die Information betreffend die durch die Überwachungsschaltung verwendeten Eigenschaften der Logikschaltung 3 zugeführt wird, nicht relevant ist. Im Wesentlichen ist die Überwachungsschaltung 4 so ausgebildet, dass sie für einen bestimmten Draht geeignet ist.
Wie oben erwähnt, können die in den 5a und 5b dargestellten Kennlinienkurven als Isothermen angesehen werden. Dementsprechend repräsentiert jeder Punkt auf einer bestimmten Isotherme (die zu einer bestimmten Temperaturdifferenz über Umgebungstemperatur gehört) eine bestimmte Kombination von Strom und Zeit. In anderen Worten, die Isotherme definiert für jeden Strom eine Zeitspanne, während der der Strom durch das Kabel fließen muss, um die zu der Isotherme gehörende Temperatur (über Umgebungstemperatur) zu erreichen. Eine herkömmliche Sicherung wird so gewählt, dass sie durchbrennt, bevor das Kabel eine gegebene maximale Temperaturdifferenz, d.h. eine gegebene thermische Last, erreicht hat. Bekannt elektronische Sicherungseinrichtungen imitieren dieses Verhalten und trennen die Last von der Versorgung, wenn eine geschätzte Kabeltemperatur (über der Umgebungstemperatur) eine vorgegebene Referenztemperatur erreicht. Um ein derartiges Verhalten zu erreichen, muss das Filter 42 in der Überwachungsschaltung von 6 eine (Tiefpass)-Charakteristik und eine Filterverstärkung aufweisen. Eine derartige Filtercharakteristik kann durch eine Übertragungsfunktion H(s) =R₁/(1+sτ₁) ausgedrückt werden, wobei s die Laplace-Variable bezeichnet, Ri die Filterverstärkung bezeichnet und τ₁ die Zeitkontante des Filters erster Ordnung.
8 zeigt ein Diagramm, das eine Isotherme eines Kabels wie oben beschrieben zeigt (siehe 8, gestrichpunktete Linie, die ähnlich zu den in 5 gezeigten Kurven ist). Wie erwähnt, verwenden bekannte E-Sicherungseinrichtungen eine Kennlinie, um die Last von der Versorgung zu trennen, wenn der Laststrom so hoch ist, dass die resultierende (geschätzte) Temperatur des Kabels die zu der Isotherme gehörende Temperatur (Referenztemperatur dT_R) erreicht. Allerdings besitzt eine dynamische Last eine Zeit-Strom-Kennlinie, die sich von der Zeit-Strom-Kennlinie der Isotherme, die ein Kabel charakterisiert, signifikant unterscheidet. Ein Beispiel ist in 8 dargestellt (siehe 8, gestrichelte Linie). Wenn die elektronische Sicherung dazu ausgelegt ist, die Zeit-Strom-Kennlinie der Last (anstelle der Zeit-Strom-Kennlinie des Kabels) zu verwenden, ist es möglich, zu detektieren, wenn das Stromverhalten der Last von seiner bekannten Zeit-Strom-Kennlinie abweicht. Eine derartige Abweichung kann auf eine Fehlfunktion der Last schließen lassen. Die durchgezogene Linie in dem Diagramm von 8 zeigt die gewünschte Zeit-Strom-Kennlinie einer neuen elektronischen Sicherung gemäß den unten beschriebenen Ausführungsformen. Die durchgezogene Linie ist so ausgelegt, dass sie der gestrichelten Linie (Zeit-Strom-Kennlinie der Last) mit einem gegebenen Offset folgt. Die durchgezogene Linie definiert einen „sicheren Arbeitsbereich“ („safe operating area“; SOA), der durch die graue Schattierung in 8 angezeigt wird. Wie zu sehen ist, kann der SOA durch Verwenden einer Zeit-Strom-Kennlinie in der elektronischen Sicherung, die der durchgezogenen Linie (und nicht der gestrichpunkteten Linie, wie sie bei bekannten elektronischen Sicherungseinrichtungen implementiert ist) entspricht, an eine bestimmte Last angepasst werden.
Wie oben erwähnt, verwenden bekannte elektronische Sicherungen in der Überwachungsschaltung 4 ein Filter 42 erster Ordnung, das eine Strom-Zeit-Kennlinie, die den oben erörterten Isothermen entspricht (vgl. gestrichpunktete Linie in 8), mit sich bringt. Die Verwendung eines Filters höherer Ordnung als das Filter 42 in der Überwachungsschaltung 4 (vgl. 6) erlaubt es, die durch die elektronische Sicherungseinrichtung verwendete Strom-Zeit-Kennlinie (siehe 8 durchgezogene Linie) an die Strom-Zeit-Kennlinie der Last (siehe 8, gestrichelte Linie) anzupassen. Je höher die Ordnung des Filters, desto besser kann die durch die elektronische Sicherungseinrichtung verwendete Strom-Zeit-Kennlinie an die Strom-Zeit-Kennlinie einer bestimmten Last angepasst werden. Letztere kann basierend auf Messungen berechnet werden, was später erörtert wird. Simulationen haben gezeigt, dass die Zeit-Strom-Kennlinien eines weiten Bereichs von Lasten unter Verwendung eines Filters dritter Ordnung mit ausreichend Qualität modelliert werden können.
9 zeigt eine beispielhafte Implementierung einer Überwachungsschaltung 4 gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen. Ähnlich zu dem Beispiel von 6 empfängt die Überwachungsschaltung das Stromerfassungssignal CS, das digitalisiert (digitales Stromerfassungssignal CS_DIG) und quadriert (Quadrier-Einheit 46) wird. Es versteht sich, dass die Quadrier-Einheit 46 unter Verwendung eines digitalen Multiplizierers implementiert werden kann. Das quadrierte Stromerfassungssignal CS_DIG ² ist proportional zu der elektrischen Leistung P_EL, und jegliche Wärmeerzeugung in der Last ist ebenfalls proportional zu der elektrischen Leistung P_EL. Das quadrierte Stromerfassungssignal CS_DIG ² wird dem Filter 42 zugeführt und das Filterausgangssignal dT wird dem Komparator 43 zugeführt, der dazu ausgebildet ist, das Schutzsignal OC zu erzeugen, das darauf schließen lässt, ob das Filterausgangssignal dT den Referenzwert dT_R überschritten hat oder nicht.
Wenn das Filter 42 ein Filter erster Ordnung mit einer Übertragungsfunktion H(s) in der Form H(s) = R₁(1+sτ₁) ist, kann das Filterausgangssignal als geschätzte Temperatur interpretiert werden, und der Referenzwert dT_R kann als Temperatur, die zu einer Isotherme wie oben erörtert gehört (siehe 8, gestrichpunktete Linie), interpretiert werden. Allerdings ist das Filter 42 bei dem vorliegenden Beispiel ein Filter höherer Ordnung mit einer Filterordnung von zwei oder höher. Das heißt, die Filter-Übertragungsfunktion bei dem vorliegenden Beispiel kann geschrieben werden als: $H (s) {=R}_{1} / (1+s τ_{1}) + R_{2} / (1 + s τ_{2}) + R_{3} / (1 + s τ_{3}) .$
Bei diesem Beispiel repräsentiert die Filter-Übertragungsfunktion H(s) eine Parallelschaltung von drei Filtern erster Ordnung mit verschiedenen Verstärkungen R₁, R₂, R₃ und verschiedenen Zeitkonstanten τ₁, τ₂, τ₃. Es wird angemerkt, dass die Filterstruktur als solche nicht wichtig ist und die Gleichung oben geschrieben werden kann als: $H (s) = \frac{R_{1} (1 + s τ_{2}) (1 + s τ_{3}) + R_{2} (1 + s τ_{1}) (1 + s τ_{3}) R_{3} (1 + s τ_{1}) (1 + s τ_{2})}{(1 + s τ_{1}) (1 + s τ_{2}) (1 + s τ_{3})} .$
Mit einem Filter 42 höherer Ordnung ist es möglich, die Zeit-Strom-Kennlinie der elektronischen Sicherung an die Zeit-Strom-Kennlinie der Last anzupassen. Die Funktionalität der elektronischen Sicherung ist (verglichen mit bekannten elektronischen Sicherungsschaltungen) verbessert, und die Zeit-Strom-Kennlinie der elektronischen Sicherung imitiert nicht notwendigerweise eine herkömmliche Sicherung, sondern sie kann an die Eigenschaften der Last angepasst werden.
Die Diagramme (a)-(d) von 10 veranschaulichen ein Verfahren zum Auslegen/Berechnen der Filterkoeffizienten für ein Filter 42 höherer Ordnung. Das Verfahren beginnt mit einer gemessenen Wellenform des Stroms, der während eines normalen/typischen Betriebs durch eine Last fließt. Eine beispielhafte Wellenform (Verlauf des Laststroms über der Zeit) ist in Diagramm (a) von 10 dargestellt. Die Wellenform von 10, Diagramm (a) kann auch durch Mitteln mehrerer gemessener Wellenformen berechnet werden.
Basierend auf der gemessenen Wellenform von 10, Diagramm (a) kann eine Zeit-Strom-Kennlinie berechnet werden. Ein Beispiel ist in 10, Diagramm (b) abgebildet. Wie oben erörtert, zeigt die Zeit-Strom-Kennlinie an, wie lange ein bestimmter Strompegel durch die Last (und damit auch durch die elektronische Sicherung, die die Last mit der Versorgung verbindet) fließt. Eine Option zum Erhalten der Zeit-Strom-Kennlinie der Last (Diagramm (b)) für die gemessene Wellenform (Diagramm (a)) besteht darin, für verschiedene Zeitintervalle (z.B. 0,01) einen quadratischen Mittelwert („root mean square value“; RMS-Wert auch als Effektivwert bezeichnet) zu ermitteln und für jedes Zeitintervall das Maximum auszuwählen. Entsprechend kann unter der Annahme, dass die Wellenform von 10, Diagramm (a) für t≥0 mit i_L(t) bezeichnet ist, ein Punkt (i_x, t_x) der Zeit-Strom- Kennlinie berechnet werden gemäß $i_{x} = max {rms (u)} =max {\sqrt{\frac{1}{t_{x}} \int_{u}^{{u+t}_{x}} i_{L} {(t)}^{2} dt}}, {für eine gegebene Zeit t}_{x},$
wobei u ein Zeit-Offset ist und von 0 bis T-t_x variieren kann, wenn i_L(t) in dem Intervall [0, T] definiert ist (gemessen wurde). In anderen Worten, für die gemessene Stromkennlinie i_L(t) wird der RMS-Wert in einem gleitenden Zeitfenster mit der Fensterlänge t_x berechnet und der maximale RMS-Wert wird ermittelt (d.h. das Maximum der für verschiedene zeitliche Positionen des gleitenden Zeitfensters berechneten RMS-Werte). Gleichung 3 wird für mehrere Fensterlängen t_x, z.B. für 10^-2 s, 10^-1 s, 1 s, 10 s, 10² s, und 10³ s bei dem Beispiel von 10, ausgewertet. Die resultierenden Kombinationen (i_x, t_x) sind in 10, Diagramme (b), (c) und (d) dargestellt.
Wie aus 10, Diagramm (b) zu sehen ist, zeigt die berechnete Zeit-Strom-Kennlinie der Last eine maximale Zeit für einen bestimmten Strom an. Gemäß dem abgebildeten Beispiel tritt ein Strom von 15 A (RMS) für maximal 0,2 s auf. Im nächsten Schritt wird ein geeignetes Kabel ausgewählt. Wie oben erwähnt, kann ein Kabel durch eine Isotherme repräsentiert werden, was in 10, Diagramm (c) gezeigt ist. Die Position der Zeit-Strom-Kennlinie des Kabels hängt von dem Kabeldurchmesser und der zulässigen Temperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur (d.h. der zulässigen thermischen Last des Kabels) ab. Üblicherweise versucht man, den Drahtdurchmesser zu wählen, der so klein wie möglich ist (was ein Verschieben der Zeit-Strom-Kennlinie des Kabels so nahe wie möglich an die Zeit-Strom-Kennlinie der Last bedeutet), um eine Überdimensionierung des Kabels zu vermeiden. Eine vernünftige Wahl ist in 10, Diagramm (c) dargestellt.
Eine herkömmliche Sicherung besitzt eine ähnliche Zeit-Strom-Kennlinie wie das Kabel. Das heißt, die Sicherung brennt durch, sobald eine kritische Zeit-Strom-Kombination, z.B. ein Strom von 30A (RMS) für 1 s, erreicht ist. Wie oben erörtert, sind bekannte elektronische Sicherungen dazu ausgelegt, das Verhalten herkömmlicher Sicherungen zu emulieren und die Last von der Versorgung zu trennen, wenn die oben erwähnte, kritische Zeit-Strom-Kombination erreicht ist.
Wie oben unter Bezugnahme auf 9 erörtert, ermöglicht eine Überwachungsschaltung 4 mit einem Filter 42 höherer Ordnung die Implementierung einer verbesserten elektronischen Sicherung mit einer Zeit-Strom-Kennlinie, die eine komplexere Form besitzt und an die Zeit-Strom-Kennlinie der Last angepasst werden kann. 10 zeigt ein Beispiel für eine Zeit-Strom-Kennlinie einer verbesserten elektronischen Sicherung, bei der ein Filter dritter Ordnung eingesetzt wird. Wie in 10, Diagramm (d) zu sehen ist, trennt die elektronische Sicherung die Last für einen Strom von z.B. 30 A (RMS) nach 30 ms von der Versorgung, während eine elektronische Sicherung, die auf eine herkömmliche Weise implementiert ist, 1 s wartet, bevor sie die Last trennt. Da die Zeit-Strom-Kennlinie der verbesserten elektronischen Sicherung an die Zeit-Strom-Kennlinie einer bestimmten Last angepasst ist, kann eine Fehlfunktion der Last, die einen ungewöhnlich hohen Strom verursacht, der nichtsdestotrotz zu gering ist, um eine herkömmliche Sicherung auszulösen, früh detektiert werden.
Einige Aspekte der hierin beschriebenen Ausführungsformen werden unten unter Bezugnahme auf 11 zusammengefasst, die ein Beispiel für eine elektronische Sicherungseinrichtung ähnlich zu der Ausführungsform von 6 veranschaulicht, jedoch mit einer digitalen Kommunikationsschnittstelle 31 wie beispielswiese einer seriellen Peripherie-Schnittstelle („serial peripheral interface“; SPI) oder dergleichen. Allgemein stellt eine elektronische Sicherungsschaltung gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen eine integrierte Schaltung dar, die einen zwischen einen Versorgungs-Pin SUP und einen Ausgangs-Pin OUT der integrierten Schaltung gekoppelten Leistungstransistor 2 enthält. Der Ausgangs-Pin OUT kann durch Ein- und Ausschalten des Leistungstransistors 2 mit dem Versorgungs-Pin SUP verbunden und von diesem getrennt werden. Die integrierte Schaltung enthält weiterhin eine Stromerfassungsschaltung, die mit dem Leistungstransistor 2 gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal CS, das auf einen durch den Leistungstransistor fließendem Laststrom i_L schließen lässt, zu erzeugen. Die Stromerfassungsschaltung kann einen mit dem Leistungstransistor gekoppelten Erfassungstransistor enthalten, der als Stromerfassungssignal einen Erfassungsstrom, der im Wesentlichen proportional zum Laststrom ist i_L ist, bereitstellt. Stromerfassungsschaltungen, die einen mit dem Leistungstransistor gekoppelten Erfassungstransistor verwenden, sind auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie (z.B. aus US20020024376A1 ) wohlbekannt und werden deshalb hier nicht weiter erörtert. Die integrierte Schaltung enthält weiterhin eine Überwachungsschaltung 4 (siehe auch 9), die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal CS zu empfangen und ein Schutzsignal OC basierend auf dem Stromerfassungssignal CS und einem Schwellenwert dT_R bereitzustellen. Die Überwachungsschaltung 4 enthält ein Filter 42, das dazu ausgebildet ist, ein Filtereingangssignal zu empfangen, das von dem Stromerfassungssignal CS abhängt (z.B. ist das Filtereingangssignal proportional zu dem quadrierten Stromerfassungssignal) und das eine Übertragungskennlinie mit zwei oder mehr Zeitkonstanten τ₁, τ₂, τ₃ besitzt.
Gemäß einer Ausführungsform repräsentieren die zwei oder mehr Zeitkonstanten τ₁, τ₂, τ₃ ein Tiefpassfilter zweiter oder höherer Ordnung. Die Konstanten τ₁, τ₂, τ₃ definieren entsprechende Pole des Filters. Das Filter der Ordnung zwei oder höher kann implementiert werden, indem zwei oder mehr Filter erster Ordnung parallel gekoppelt werden, wobei jedes Filter erster Ordnung durch eine Zeitkonstante und eine Verstärkung (siehe 9, Verstärkungen R₁, R₂, R₃) gekennzeichnet ist. Die Verstärkungen können wie die Zeitkonstanten konfigurierbar sein. Zu diesem Zweck kann die integrierte Schaltung eine Kommunikationsschnittstelle 31 enthalten, die das Empfangen von Konfigurationsdaten (z.B. die Zeitkonstanten τ₁, τ₂, τ₃ und die Verstärkungen R₁, R₂, R₃) über z.B. einen seriellen Bus ermöglicht. Die Kommunikationsschnittstelle 31 ermöglicht es außerdem, von einem externen Controller (siehe 1, Mikrocontroller 8) Einschalt- und Ausschalt-Befehle zu empfangen, woraufhin die Steuer-Logik 3 ein Einschalten oder Ausschalten auslöst. Ein Ausschalten kann auch ausgelöst werden, wenn das Schutzsignal OC anzeigt, dass der Laststrom eine kritische Zeit-Strom-Kombination, die durch die in der integrierten Schaltung implementierte Zeit-Strom-Kennlinie definiert ist (und durch die Zeitkonstanten und Verstärkungen des Filters 42 definiert ist), erreicht hat. Alternativ zum Empfangen von Einschalt- und Ausschalt-Befehlen über eine digitale Kommunikationsverbindung kann ein Pegelübergang eines binären Eingangssignals (wie beispielsweise des Eingangssignals S_IN bei dem Beispiel von 7) als Einschaltbefehl (auf z.B. ein Übergang von einem Low-Pegel auf einen High-Pegel) oder als Ausschaltbefehl (z.B. ein Übergang von einem High-Pegel auf einen Low-Pegel) betrachtet werden.
Es versteht sich, dass, obwohl eine digitale Implementierung der Überwachungsschaltung 4 und insbesondere des Filters 42 einige Vorteile aufweisen kann, eine analoge Implementierung nichtsdestotrotz ebenso möglich ist und bei einigen Anwendungen bevorzugt sein kann.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehr Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Rahmen der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel können die zum Auslösen einer bestimmten Aktion verwendeten Logikpegel, verglichen mit den abgebildeten Beispielen, invertiert sein. Logikgatter können durch andere Logikschaltungen, die im Wesentlichen dieselbe Funktion ausführen, ersetzt werde, etc. In spezieller Hinsicht auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) beschrieben werden, sollen die Ausdrücke, die verwendet werden, um derartige Komponenten zu beschreiben, - sofern nicht anders angegeben - jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktionelle äquivalent ist), selbst wenn sie strukturell nicht mit der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hierin dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt, äquivalent ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20020024376 A1 [0037]

Claims

Integrierte Schaltung, die aufweist: einen Leistungstransistor (2), der zwischen einen Versorgungs-Pin (SUP) und einen Ausgangs-Pin (OUT) gekoppelt ist; eine Stromerfassungsschaltung, die mit dem Leistungstransistor (2) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal (CS), das auf einen durch den Leistungstransistor (2) fließenden Laststrom (i_L) schließen lässt, zu erzeugen; eine Überwachungsschaltung (4), die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS) zu empfangen und ein Schutzsignal (OC) basierend auf dem Stromerfassungssignal (CS) und einem Schwellenwert (dT_R) bereitzustellen; wobei die Überwachungsschaltung (4) ein Filter (42) enthält, das dazu ausgebildet ist, ein Filtereingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal (CS) abhängt, zu empfangen, wobei das Filter (42) eine Übertragungskennlinie mit zwei oder mehr Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) aufweist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) Tiefpassfilter der Ordnung zwei oder höher repräsentieren.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei oder mehr Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) zwei oder mehr entsprechende Pole eines Tiefpassfilters repräsentieren.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zwei oder mehr Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) zwei oder mehr entsprechende, parallel geschaltete Tiefpassfilter erster Ordnung repräsentieren.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Filter (42) eine konfigurierbare Verstärkung aufweist.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiterhin aufweist: eine Logikschaltung (3), die dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf das Schutzsignal (OC) ein Ausschalten des Leistungstransistors (2) auszulösen oder einen Fehler zu signalisieren.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 6, wobei die Logik-Schaltung (3) dazu ausgebildet ist, einen Einschaltbefehl zu empfangen und als Reaktion auf den Einschaltbefehl ein Einschalten des Leistungstransistors auszulösen.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei der Einschaltbefehl durch einen Pegelübergang eines binären Eingangssignals (S_IN) repräsentiert wird.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Filtereingangssignal eine nicht-lineare Funktion des Stromerfassungssignals (CS) repräsentiert.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Überwachungsschaltung (4) weiterhin aufweist: einen Komparator (43), der dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (dT) des Filters (42) und den Schwellenwert (dT_R) zu empfangen und das Schutzsignal (OC) basierend auf dem Ausgangssignal (dT) des Filters (42) und dem Schwellenwert (dT_R) bereitzustellen.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Überwachungsschaltung (4) weiterhin aufweist: einen Analog-Digital-Wandler (41), der dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS) zu digitalisieren.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 11, wobei der Analog-Digital-Wandler (41) eine abschnittweise lineare Kennlinie aufweist und das Filter (42) das digitale Stromerfassungssignal als Eingangssignal empfängt.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 11, wobei der Analog-Digital-Wandler (41) eine lineare Kennlinie aufweist und das Filter (42) ein Signal empfängt, das eine nicht-lineare Funktion des digitalen Stromerfassungssignals als Eingangssignal empfängt.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 9 oder 13, wobei die nicht-lineare Funktion eine quadratische Funktion ist.
Verfahren, das aufweist: Aktivieren eines Laststrompfads von einem Versorgungs-Pin (SUP) und einem Ausgangs-Pin (OUT) durch Einschalten eines Leistungstransistors (2); Bereitstellen eines Signals, das den durch den Leistungstransistor (2) fließenden Laststrom (i_L) repräsentiert; Erzeugen eines Schutzsignals (OC) basierend auf dem Stromerfassungssignal (CS) und einem Schwellenwert (dT_R); wobei das Erzeugen des Schutzsignals (OC) das Filtern eines Filtereingangssignals (CS_DIG ²), das von dem Laststromsignal (CS) abhängt, unter Verwendung eines Filters (42), das eine Übertragungskennlinie mit zwei oder mehr Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) besitzt, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiterhin aufweist: Auslösen eines Ausschaltens des Leistungstransistors (2) oder Signalisieren eines Fehlers als Reaktion auf das Schutzsignal (OC).
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das Filtereingangssignal auf eine nicht-lineare Funktion des Laststroms (i_L) schließen lässt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Erzeugen des Schutzsignals (OC) weiterhin beinhaltet: Vergleichen des Ausgangssignals (dT) des Filters (42) und des Schwellenwerts (dT_R), wobei das Schutzsignal (OC) darauf schließen lässt, ob das Ausgangssignal (dT) des Filters (42) den Schwellenwert (dT_R) überschritten hat.
Verfahren, das aufweist: Bereitstellen einer gemessenen Wellenform, die den durch eine Last flie0enden Laststrom über der Zeit repräsentiert; Berechnen einer Zeit-Strom-Kennlinie der Last basierend auf der gemessenen Wellenform; Berechnen von zwei oder mehr Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) abhängig von der Zeit-Strom-Kennlinie der Last; und Verwenden der berechneten Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) in einer integrierten Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Zeit-Strom-Kennlinie der Last den maximalen RMS-Wert des Laststroms über einen gegebenen Zeitraum hinweg repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃) unter Verwendung einer digitalen Kommunikationsschnittstelle der integrierten Schaltung in die integrierte Schaltung programmiert werden.