DE102019125122A1

DE102019125122A1 - Intelligenter elektronischer schalter

Info

Publication number: DE102019125122A1
Application number: DE102019125122.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Mayer; Marco Faricelli; Robert Illing
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18
Also published as: US11569811B2; CN112531634A; US20210083659A1

Abstract

Hierin wird eine Schaltung zur Verwendung als elektronische Sicherung beschrieben. Gemäß einem Beispiel enthält die Schaltung einen elektronischen Schalter, der einen zwischen einen Ausgangsknoten und einen Versorgungsknoten gekoppelten Laststrompfad und einen Versorgungsknoten aufweist und der dazu ausgebildet ist, den Ausgangsknoten und den Versorgungsknoten entsprechend einem Ansteuersignal zu verbinden oder zu trennen. Die Schaltung enthält weiterhin eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Ansteuersignal basierend auf dem Eingangssignal zu erzeugen. Eine Überwachungsschaltung ist in der Steuerschaltung enthalten und dazu ausgebildet, ein Stromerfassungssignal, das den durch den Laststrompfad fließenden Laststrom repräsentiert, zu empfangen und ein erstes Schutzsignal basierend auf dem Stromerfassungssignal und zumindest einem Drahtparameter, der einen betriebsfähig an den Ausgangsknoten angeschlossenen Draht charakterisiert, zu bestimmen. Das erwähnte erste Schutzsignal lässt darauf schließen, ob der Ausgangsknoten von dem Versorgungsknoten zu trennen ist. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, in einem Normal-Modus und zumindest in einem Ruhe-Modus zu arbeiten und weiterhin vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus zu wechseln, wenn der Laststrom unter einem gegebenen Stromschwellenwert liegt und zumindest ein weiteres Kriterium erfüllt ist. Im Ruhe-Modus ist die Überwachungsschaltung inaktiv.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende 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 von mehreren 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 Schaltkreisunterbrecher („circuit breaker“) ersetzt. Ein Sicherungsautomat ist ein automatisch betriebener elektrischer Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Schaltung gegen Beschädigung, die durch Überstrom oder 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.
Allerdings können gewöhnliche Treiberschaltungen zumindest bei einigen elektronischen Schaltkreisunterbrechern („circuit breakers“) (elektronische Sicherungen oder E-Sicherungen) in Bezug auf Fehlertoleranz und Funktionssicherheit inadäquat sein, was insbesondere bei Automotive-Anwendungen, bei denen Standards betreffend Funktionssicherheit (z.B. ISO 26262) eingehalten werden müssen, ein Thema sein kann. Genau genommen benötigt eine elektronische Sicherung mehr als nur das Ersetzen einer klassischen Sicherung durch einen elektronischen Schalter. Eine robuste Implementierung einer elektronischen Sicherung bringt verschiedene Herausforderungen mit sich. Weiterhin kann der Stromverbrauch der E-Sicherung selbst ein Thema sein.
ÜBERBLICK
Hierin wird eine Schaltung zur Verwendung als elektronische Sicherung beschrieben. Gemäß einem Beispiel enthält die Schaltung einen elektronischen Schalter, der einen zwischen einen Ausgangsknoten und einen Versorgungsknoten gekoppelten Laststrompfad und einen Versorgungsknoten aufweist und der dazu ausgebildet ist, den Ausgangsknoten und den Versorgungsknoten entsprechend einem Ansteuersignal zu verbinden oder zu trennen. Die Schaltung enthält weiterhin eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Ansteuersignal basierend auf dem Eingangssignal zu erzeugen. Eine Überwachungsschaltung ist in der Steuerschaltung enthalten und dazu ausgebildet, ein Stromerfassungssignal, das den durch den Laststrompfad fließenden Laststrom repräsentiert, zu empfangen und ein erstes Schutzsignal basierend auf dem Stromerfassungssignal und zumindest einem Drahtparameter, der einen betriebsfähig an den Ausgangsknoten angeschlossenen Draht charakterisiert, zu bestimmen. Das erwähnte erste Schutzsignal lässt darauf schließen, ob der Ausgangsknoten von dem Versorgungsknoten zu trennen ist. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, in einem Normal-Modus und zumindest in einem Ruhe-Modus zu arbeiten und weiterhin vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus zu wechseln, wenn der Laststrom unter einem gegebenen Stromschwellenwert liegt und zumindest ein weiteres Kriterium erfüllt ist. Im Ruhe-Modus ist die Überwachungsschaltung inaktiv.
Weiterhin wird hierin ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Sicherungsschaltung beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren das Ausbilden eines Laststrompfads zwischen einem Ausgangsknoten und einem Versorgungsknoten durch Aktivieren eines elektronischen Schalters entsprechend einem Ansteuersignal, das durch eine Steuerschaltung erzeugt wird, auf. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, in einem Normal-Modus und zumindest einem Ruhe-Modus zu arbeiten. Das Verfahren enthält das Bestimmen - durch eine in der Steuerschaltung enthaltene Überwachungsschaltung und wenn die Steuerschaltung im Normal-Modus arbeitet - eines ersten Schutzsignals basierend auf einem Stromerfassungssignal, das einen durch den Laststrompfad fließenden Laststrom repräsentiert, und zumindest einem Drahtparameter, der einen betriebsfähig an den Ausgangsknoten angeschlossenen Draht charakterisiert. Dabei lässt das erste Schutzsignal darauf schließen, ob der Ausgangsknoten von der Last zu trennen ist. Weiterhin weist das Verfahren das Wechseln von dem Normal-Modus in den Ruhe-Modus auf, wenn zumindest die folgenden Ruhe-Modus-Bedingungen erfüllt sind: der Laststrom liegt unter einem gegebenen Stromschwellenwert und der elektronische Schalter ist eingeschaltet.
Figurenliste
Die Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wurde Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsziffern 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 enthält 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 zeigt ein weiteres Beispiel der bei der Ausführungsform von 2 verwendeten Überwachungsschaltung.
9 zeigt ein zweites Beispiel einer E-Sicherungsschaltung ähnlich zu dem Beispiel von 7, aber mit einer zusätzlichen Übertemperatur- und einer zusätzlichen Überstrom-Abschaltfunktion.
10 zeigt ein Beispiel für eine Stromerfassungsschaltung, die in Verbindung mit den Beispielen der 7 und 9 verwendet werden kann.
11 zeigt ein Zustandsdiagramm, das ein Beispiel für eine endliche Zustandsmaschine veranschaulicht, die in den logischen Schaltungen, die bei den Beispielen der 7 und 9 verwendet werden, implementiert werden kann, wobei es die Zustandsmaschine der elektronischen Sicherungsschaltung erlaubt, unter bestimmten Bedingungen in einem Ruhe-Modus zu arbeiten.
Die 12 - 14 zeigen Zeitverlaufsdiagramme, die Beispiele dafür veranschaulichen, wie sich die elektronische Sicherungsschaltung während des Pulsweitenbetriebs einer angeschlossenen Last verhält.

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 auf 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 eine 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 innerhalb 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 würde, 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.
Gemäß 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, 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 ausführlicher erläutert. Ein konkretes Beispiel für eine Stromerfassungsschaltung ist in 8 enthalten und wird weiter unten erörtert.
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 VG) 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 ein SR-Latch (31) (Flip-Flop) und ein UND-Gatter 32. Ein Rücksetz-Eingang R des SR-Latches 31 sowie ein erster Eingang des UND-Gatters 32 sind dazu ausgebildet, das Eingangssignal S_IN zu empfangen. Der Setz-Eingang S des SR-Latches 31 ist dazu ausgebildet, das erste 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. Wenn sich das Eingangssignal S_IN auf einen High-Pegel (der ein Einschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt to und t₁) ändert, wird das SR-Latch 31 zurückgesetzt, 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 ti 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. 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 durch das sich auf einen High-Pegel ändernde erste 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 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, was zu einem Rücksetzen des SR-Latches 31 führt. Es wird erneut angemerkt, dass die Funktionsweise der beispielhaften Implementierung von 3 auf verschiedene 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 enthalten, 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 repräsentiert das Verhältnis zwischen Strom und maximal zulässiger Zeitspanne, für die der Draht Strom tragen kann, ohne die spezifizierte Maximaltemperaturdifferenz zu überschreiten. 5a enthält 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 enthält. 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 praktisch unbegrenzte Zeit 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 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_R (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 des durch den Draht fließenden Stroms i_L=i_x über die Zeit bestimmt werden, und 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. Es wird angemerkt, dass das digitale Stromerfassungssignal CS_DIG, bevor es dem Filter 42 zugeführt wird, quadriert werden sollte, wenn der ADC 41 keine logarithmische Kennlinie aufweist. In dieser Hinsicht wird auf 8 sowie auf die Veröffentlichung US20170294772A1 , in der das Konzept der Temperaturberechnung beschrieben wird, hingewiesen.
Wie erwähnt, ist das digitale Filter 42 dazu ausgebildet, den (durch das digitalisierte Stromerfassungssignal CS_DIG repräsentierten) Laststrom und eine zugehörige Integrationszeit, während der der Strom durch den Draht fließt, in einen Temperaturwert 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 und der durch eine Familie von Kennlinienkurven, wie sie in dem Diagramm von 5a (für eine beispielhafte Querschnittsfläche von 0,35 mm²) gezeigt sind, dargestellt werden kann, ab. 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.
Herkömmliche Sicherungen werden für einen bestimmten Auslösestrom und mit einer bestimmten Auslösezeit hergestellt (träge Sicherungen, mittelträge Sicherungen, flinke Sicherungen), wobei die Auslösezeit wie oben erläutert (siehe die 5a und 5b) einer bestimmten Kombination von Referenztemperatur dT_R und Querschnitt entspricht. Es wäre jedoch wünschenswert, eine konfigurierbare Sicherung zu besitzen, die für verschiedene Drahtparameter wie beispielsweise Drahtquerschnitte und Maximaltemperaturwerte dT_R (Maximaltemperatur über Umgebungstemperatur) verwendet werden kann.
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 oder beides. 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 ist ein Drahtparameter nicht notwendigerweise proportional zu irgendeiner physikalischen 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 7 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. Es versteht sich, dass das Eingangssignal S_IN nicht notwendigerweise an dem Eingangspin empfangen wird. Bei einigen Ausführungsformen können die Eingangspins IN, SEL_WIRE und SEL_dT durch eine digitale Kommunikationsverbindung (z.B. eine serielle Peripherieschnittstelle, SPI), über die digitale Befehle und Daten empfangen werden können, ersetzt werden. Diese digitalen Signale und Befehle können unter anderem das Eingangssignal S_IN und die Drahtparameter A und dT_R repräsentieren, und das tatsächliche Eingangssignal S_IN kann innerhalb der elektronischen Sicherungsschaltung basierend auf den empfangenen Befehlen und Daten erzeugt werden.
Basierend auf den Informationen, die in dem zumindest einen Drahtparameter enthalten sind und z.B. von dem Controller 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. Dabei 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 betreffende Information der Logikschaltung zugeführt wird, nicht relevant ist. Im Wesentlichen ist die Überwachungsschaltung so ausgebildet, dass sie für einen bestimmten Draht geeignet ist.
Wie in 7 gezeigt, repräsentiert der an dem Masse-Pin GND abgeleitete Strom i_GND den Gesamtstromverbrauch der intelligenten Sicherungsschaltung selbst, d.h. den Teil des Stroms, der durch die intelligente Sicherungsschaltung selbst empfangen und nicht an die Last an dem Ausgangspin OUT ausgegeben wird. Der Pegel des Strom i_GND hängt von dem Betriebsmodus der intelligenten Sicherungsschaltung ab, was später ausführlicher erörtert wird.
8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Überwachungsschaltung 4 ausführlicher. 8 zeigt auch ein Beispiel dafür, wie die Stromerfassung implementiert werden kann, ausführlicher. Zum Zweck der Strommessung wird eine sogenannte Sense-FET-Schaltung verwendet. Das heißt, der elektronische Schalter enthält tatsächlich zwei MOSFET-Transistoren 21 und 22; Transistor 21 ist der tatsächliche Lasttransistor, der zwischen einen Versorgungsknoten (Versorgungs-PIN SUP) und den Ausgangsknoten (Ausgangs-Pin OUT) gekoppelt ist und er trägt den Laststrom i_L, und Transistor 22 ist als Erfassungstransistor ausgebildet, der einen Erfassungsstrom ics, der auf den Laststrom schließen lässt, liefert. Die Gate-Elektroden des Lasttransistors 21 und des Erfassungstransistors 22 sind verbunden und empfangen dieselbe Gate-Spannung. Ähnlich sind die Drain-Elektroden des Lasttransistors 21 und des Erfassungstransistors 22 verbunden und empfangen dieselbe Drain-Spannung (im Fall einer High-Side-Konfiguration die Versorgungsspannung V_B). Der Source-Strom des Erfassungstransistors wird als Erfassungsstrom ics bezeichnet, der im Wesentlichen proportional zu dem Laststrom i_L (Source-Strom des Lasttransistors 21) ist, wenn die Drain-Source-Spannungen beider Transistoren 21, 22 gleich sind. In diesem Fall werden die zwei Transistoren auf demselben Arbeitspunkt betrieben und das Verhältnis der Source-Ströme i_L/i_CS ist gleich dem Verhältnis A₂₁/A₂₂ der aktiven Flächen des Transistors 21 und des Transistors 22.
Die Überwachungsschaltung 4 von 8 empfängt das Stromerfassungssignal, das bei dem vorliegenden Beispiel der Erfassungsstrom ics ist, und erzeugt ein entsprechendes digitales Stromerfassungssignal CS_DIG. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) 41 kann ein ADC vom Zählertyp oder ein ADC vom Typ SAR (Sukzessives Approximationsregister) sein. Entsprechend enthält der ADC 41 eine Steuerschaltung 411, einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 412 mit Stromausgang und einen Komparator 413. Die Steuerschaltung 411 ist dazu ausgebildet, ein digitales Register CNT entsprechend einem gegebenen Schema und dem von dem Source-Anschluss des Erfassungstransistors 22 gesenkten resultierenden analogen Stroms zu modifizieren. Das heißt, der Ausgangsknoten des DACs mit Stromausgang ist an die Source-Elektrode des Erfassungstransistors 22 angeschlossen und deshalb wird der Source-Strom des Erfassungstransistors praktisch durch den DAC 412 eingestellt. Der Komparator 413 ist dazu ausgebildet, die Source-Potentiale des Lasttransistors 21 und des Erfassungstransistors 22 zu vergleichen und zeigt (durch eine Pegeländerung an seinem Ausgang) an, wenn die Source-Potentiale gleich sind. Wie erwähnt, ist in dieser Situation der Erfassungsstrom ics proportional zum Laststrom i_L und deshalb repräsentiert der Wert des Registers CNT den Laststrom und wird als digitales Stromerfassungssignal CS_DIG ausgegeben. Bei einer einfachen Implementierung kann die Steuerschaltung 411 im Wesentlichen einen Zähler enthalten, der regelmäßig zurückgesetzt wird und aufwärts zählt (dabei den DAC-Ausgangsstrom aufwärts rampt), bis der Komparator 413 anzeigt, dass die Source-Potentiale der Transistoren 21, 22 gleich sind. Wie erwähnt, können ausgeklügeltere Schemata (wie beispielsweise SAR) verwendet werden, um das Register CNT zu modifizieren.
Abhängig von der Implementierung kann die Überwachungsschaltung 4 einen Dezimator 44 (der daher optional ist) enthalten, um die Datenrate des von dem ADC 41 gelieferten digitalen Datenstroms zu verringern. Die Überwachungsschaltung 4 kann weiterhin eine Quadrier-Einheit 46 enthalten, die dazu ausgebildet ist, das Quadrat des digitalen Stromerfassungssignals CS_DIG zu berechnen. Die Quadrier-Einheit 45 ist optional und kann weggelassen werden, wenn der ADC 41, wie oben bereits erwähnt, eine logarithmische Kennlinie aufweist. Bei dem in 8 abgebildeten Beispiel besitzt der ADC 41 eine lineare Kennlinie und das quadrierte Stromerfassungssignal CS_DIG ² wird unter Verwendung eines digitalen Filters 42 gefiltert. Das Filter 42 kann, wie oben bereits erörtert, eine integrierende Eigenschaft aufweisen, und das Filterausgangssignal repräsentiert die Kabeltemperatur und zeigt eine Temperaturdifferenz dT des Kabels über der Umgebungstemperatur an. Der digitale Komparator 43 wird verwendet, um die Temperaturdifferenz dT mit einem Schwellenwert zu vergleichen und einen Überstrom (Signal OC) anzuzeigen, wenn eine Referenz-Temperaturdifferenz dT_R überschritten wird. Es wird angemerkt, dass die in der Überwachungsschaltung 4 enthaltene digitale Schaltungstechnik unter Verwendung eines Taktsignals CLK arbeitet und in einen bestimmten Anfangszustand initialisiert werden muss, was üblicherweise durch ein Rücksetzsignal RES vorgenommen wird.
Es versteht sich, dass die elektronische Sicherungsschaltung als solche und insbesondere die in der Überwachungsschaltung 4 enthaltene (getaktete) sequenzielle Logik, selbst wenn der an dem Ausgangsknoten OUT bereitgestellte Laststrom i_L niedrig ist, einen signifikanten Stromverbrauch aufweisen kann. Insbesondere kann der Stromverbrauch für die an dem Anschluss Nr. 30 (gemäß DIN 72552, direkte Verbindung mit dem positiven Pol der Batterie) einer bordeigenen Leistungsversorgung eines Autos betriebene elektronische Sicherungsschaltung zu hoch sein.
Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist die Steuerschaltung 1 (siehe 1) dazu ausgebildet, zwischen einem Normal-Modus und einem Ruhe-Modus umzuschalten, wobei der Stromverbrauch der Steuerschaltung 1 während des Ruhe-Modus-Betriebs, verglichen mit dem Normal-Modus-Betrieb, signifikant verringert ist. In diesem Kontext (und etwas unüblich für einen Ruhe-Modus) wird angemerkt, dass der elektronische Schalter 2 die ganze Zeit (d.h. sogar im Ruhe-Modus) im Ein-Zustand gehalten werden muss, weil sich der elektronische Schalter 2 im Wesentlichen wie eine Sicherung verhalten sollte, die die Last von dem Versorgungsknoten nur trennt, wenn der Laststrom für eine bestimmte Zeit hoch genug ist (siehe die Diagramme von 5).
Bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen arbeitet die Steuerschaltung 1 im Ruhe-Modus, wenn der an dem Ausgangsknoten OUT bereitgestellte Laststrom i_L niedrig ist, z.B. unter einem Schwellenwertstrom i_IDLE liegt (Bedingung Ruhe-Modus: i_L < i_IDLE). Weiterhin kann die Steuerschaltung 1 dazu ausgebildet sein, in den Ruhe-Modus zu gehen, wenn und nur wenn eine oder mehr der folgenden zusätzlichen Bedingungen erfüllt sind: Die Überwachungsschaltung 4 signalisiert keine Übertemperatur (d.h. die berechnete Temperatur dT ist geringer als eine Schwellenwerttemperatur dT_x), der elektronische Schalter 2 befindet sich in einem Ein-Zustand (d.h. das Signal S_ON ist high), und die Sperrschichttemperatur T_J des Transistors, der den elektronischen Schalter 2 bildet, liegt unter einem gegebenen Temperaturschwellenwert T_MAX (z.B. T_MAX = 140 °C).
Im Ruhe-Modus müssen zumindest die folgenden Funktionen verfügbar sein und durch die Steuerschaltung 1 bereitgestellt werden: der Stromkomparator zum Auswerten der Ruhe-Modus-Bedingung i_L < i_IDLE (d.h. zur Erkennung, wenn der Laststrom über den Schwellenwertstrom ansteigt); die Überstromabschaltung (optional); und die Übertemperaturabschaltung (optional). Insbesondere die Überwachungsschaltung 4, die die Berechnung der Temperaturdifferenz (gegenüber Umgebungstemperatur) des an die elektronische Sicherungseinrichtung angeschlossenen Drahts implementiert, kann im Ruhe-Modus inaktiv sein, um den Leistungsverbrauch zu verringern. Das Beispiel von 9 zeigt eine elektronische Sicherungsschaltung, die im Wesentlichen dieselbe ist wie die Schaltung von 2. Allerdings enthält die Schaltung von 9 zusätzlich einen Komparator 6, der dazu ausgebildet ist, die Ruhe-Modus-Bedingung i_L < i_IDLE auszuwerten (und daher eine Verletzung dieser Bedingung zu erkennen), sowie einen weiteren Komparator 7, der dazu ausgebildet ist, die ergänzende Bedingung T_J < T_MAX auszuwerten. Die oben erwähnte, zusätzliche Bedingung, dass sich der elektronische Schalter in einem Ein-Zustand befindet, kann durch Überwachen der Gatespannung VG des Transistors 2 durch einen weiteren Komparator (in 9 nicht gezeigt), ebenfalls geprüft werden. Bei einer konkreten Ausführungsform enthält die elektronische Sicherungsschaltung einen Digital-Ausgangsknoten (Chip-Pin INT), der mit der Logikschaltung 3 gekoppelt ist, die dazu ausgebildet ist, an dem Digital-Ausgangsknoten INT zu signalisieren, wenn sich die Zustandsmaschine vom Ruhe-Modus zurück zum Normal-Modus ändert. Eine externe Steuerschaltung, zum Beispiel ein Mikrocontroller, kann das an dem Digital-Ausgangsknoten INT bereitgestellte Signal empfangen und dieses Signal als Interrupt-Signal verwenden.
10 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Stromerfassungsfunktion. Im Wesentlichen stellt die in 10 gezeigte Stromerfassungsschaltung eine Verbesserung der in 8 enthaltenen Stromerfassungsschaltung, die bereits weiter oben erörtert wurde, dar. Bei dem Beispiel von 10 wird eine Sense-FET-Schaltung verwendet, wobei der elektronische Schalter 2 drei MOSFET-Transistoren 21, 22 und 23 enthält. Transistor 21 ist der tatsächliche Last-Transistor, der zwischen einen Versorgungsknoten (Versorgungs-Pin SUP) und den Ausgangsknoten (Ausgangs-Pin OUT) gekoppelt ist und er trägt den Laststrom i_L (wie bei dem Beispiel von 8); die Transistoren 22 und 23 sind beide als Erfassungstransistoren, die einen Erfassungsstrom ics bzw. i_CS2, die auf den Laststrom schließen lassen, bereitstellen. Die Gate-Elektroden des Lasttransistors 21 und der Erfassungstransistoren 22 und 23 sind verbunden und empfangen dieselbe Gate-Spannung VG. Ähnlich sind die Drain-Elektroden des Lasttransistors 21 und der Erfassungstransistoren 22 und 23 verbunden und empfangen dieselbe Drain-Spannung (im Fall einer High-Side-Konfiguration die Versorgungsspannung V_B). Der Source-Strom des Erfassungstransistors 22 wird als Erfassungsstrom ics bezeichnet und der Source-Strom des Erfassungstransistors 23 wird als Erfassungsstrom i_CS2 bezeichnet, wobei beide im Wesentlichen proportional zum Laststrom i_L (Source-Strom des Lasttransistors 21) sind, wenn die Drain-Source-Spannungen der Transistoren 21, 22 und 23 gleich sind.
Die Teile auf der rechten Seite von 10 (DAC 412 mit Stromausgang, Steuerschaltung 411 und Komparator 413 sind dieselben wie bei dem Beispiel von 8 und es wird Bezug genommen auf die entsprechende Beschreibung oben. Die Steuerschaltung 411 kann als Analog-Digital-Wandler arbeiten und erzeugt ein digitales Stromerfassungssignal CS_DIG, das zum Beispiel zum Berechnen der Temperaturdifferenz dT in der Überwachungsschaltung verwendet wird. Die Teile auf der linken Seite von 10 (weiterer Transistor 232, Widerstand Res und Verstärker 231) sind dazu ausgebildet, eine redundante Strommessung durchzuführen. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Transistor 232 ein p.Kanal-MOS-Transistor, dessen Source-Elektrode mit der Source-Elektrode des Erfassungstransistors 23 verbunden ist, so dass der Source-Strom i_CS2 des Erfassungstransistors 23 auch der Source-Strom des weiteren Transistors 232 ist. Der erste und zweite Eingang des Verstärkers 231 sind an die Source-Elektrode des Lasttransistors 21 und des Erfassungstransistors 23 angeschlossen und der Ausgang des Verstärkers 231 ist an die Gate-Elektrode des Transistors 232 angeschlossen. Der Verstärker 232 kann als Transkonduktanz-Operationsverstärker („operational transconductance amplifier“; OTH) implementiert sein, der den Transistor 232 so ansteuert, dass sich die Differenz zwischen den Source-Potentialen des Lasttransistors 21 und des Erfassungstransistors 23 null annähert. Wie erwähnt, ist in einer derartigen Situation der Erfassungsstrom i_CS2 proportional zum Laststrom i_L, da die zwei Transistoren 21, 23 auf demselben Arbeitspunkt arbeiten. Der Erfassungsstrom i_CS2 fließt durch den Widerstand Res, der mit dem Drain-Source-Pfad des Transistors 232 in Reihe geschaltet ist. Bei dem abgebildeten Beispiel ist der Widerstand Res zwischen der Drain-Elektrode des Transistors 232 und Massepotential angeschlossen. Der Spannungsabfall Vcs über dem Widerstand Res (Vcs = R_CS·i_CS2) kann als analoges Stromerfassungssignal verwendet und dem in 9 gezeigten Komparator 6 zugeführt werden. Der Komparator kann dazu ausgebildet sein, das analoge Stromerfassungssignal Vcs mit einer Referenzspannung V_REF = R_CS·i_IDLE/k_ILIS zu vergleichen. Bei diesem Beispiel ist k_ILIS der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Laststrom i_L und dem Erfassungsstrom i_CS2 (i_CS2 = i_L / k_ILIS) und die Bedingung V_CS < V_REF ist äquivalent mit der oben erörterten Ruhe-Modus-Bedingung i_L < i_IDLE.
Ein Temperatursensor zum Messen der Sperrschichttemperatur des elektronischen Schalters ist in 9 nicht explizit gezeigt. Es wird jedoch angemerkt, dass viele Wege zur Implementierung eines Temperatursensors nahe eines Transistors oder sogar innerhalb des Transistor-Zellenfelds, das einen Leistungs-MOS-Transistor bildet, eingebettet ist, auf dem Fachgebiet wohl bekannt ist und deshalb hier nicht weiter erörtert wird. In der Praxis kann ein pn-Übergang als Temperaturerfassungselement verwendet werden.
Der Schaltkreis, der einen Wechsel vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus (und umgekehrt) steuert, kann in der in 9 gezeigten Logikschaltung 3 enthalten sein. Zum Beispiel kann die Logikschaltung 3 eine endliche Zustandsmaschine („finite state machine“; FSM, auch als endlicher Automat bezeichnet) enthalten, die durch das in 11 dargestellte Zustandsdiagramm beschrieben werden kann. Dementsprechend befindet sich das Eingangssignal S_IN im Normal-Zustand (für den Betrieb der E-Sicherung) auf einem High-Pegel, der anzeigt, dass der elektronische Schalter 2 einzuschalten ist, und daher erzeugt die Logikschaltung ein entsprechendes Steuersignal S_ON für den Gate-Treiber 5 (sofern es nicht irgendein Schutzmechanismus verhindert), und der Gate-Treiber 5 erzeugt eine ausreichend hohe Gate-Spannung V_D, um den elektronischen Schalter 2 (vgl. 9) einzuschalten. Im Fall eines High-Side-Schalters befindet sich der Ausgangs-Pin OUT nahe an der Versorgungsspannung V_B. Die Überwachungsschaltung 4 ist aktiv und daher kann der Stromverbrauch i_GND der Steuerschaltung 1 vergleichsweise hoch, z.B. 20 mA, sein.
Bei dem in 11 abgebildeten Beispiel wechselt die Zustandsmaschine vom Normal-Modus (Zustand S0) in den Ruhe-Modus (Zustand S1), wenn die folgenden Bedingungen kumulativ erfüllt sind: (i) der an dem Ausgangs-Pin OUT bereitgestellte Laststrom i_L ist niedriger als ein Schwellenwertstrom i_IDLE (i_L < i_IDLE); (ii) der elektronische Schalter 2 ist ein; (iii) die Sperrschicht-Temperatur T_J des elektronischen Schalters 2 ist niedriger als ein Maximalwert T_JMAX (T_J < T_JMAX); und (iv) die geschätzte Kabel-Differenztemperatur dT (über der Umgebungstemperatur) ist geringer als ein Schwellenwert dTx. Die Zustandsmaschine schaltet vom Ruhe-Modus in den Normal-Modus zurück, wenn zumindest eine dieser Bedingungen (i) bis (iv) verletzt ist. Optional wird ein Umschalten vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus nur ausgelöst, wenn (Bedingung (v)) der Normal-Modus für eine gegebene Minimal-Zeit t_MIN aktiv gewesen ist. Diese weitere Bedingung kann helfen, unerwünschtes Hin- und Herschalten („toggling“) vermeiden. Die Bedingung (ii) kann z.B. durch Verwenden eines Komparators, der anzeigt, wenn die dem elektronischen Schalter 2 zugeführte Gate-Source-Spannung V_GS unter eine Schwellenwertspannung V_GSON (V_GS < V_GSON) abfällt, geprüft werden. Alternativ kann der Logik-Zustand des Signals S_ON geprüft werden, um festzustellen, ob der elektronische Schalter 2 ein ist. Im Ruhe-Modus (Zustand S1) können die Überwachungsschaltung 4 (siehe z.B. 9) und der weitere Schaltkreis inaktiv sein, so dass der Stromverbrauch i_GND der Steuerschaltung 1 vergleichsweise niedrig, z.B. 30 µA, ist. Die Verringerung des durch die intelligente Sicherungsschaltung selbst verbrauchten Stroms (d.h. verbraucht durch die Steuerschaltung 1 und nicht an die Last ausgegeben) wird hauptsächlich durch Deaktivieren des größten Teils des getakteten digitalen Schaltkreises, insbesondere der Überwachungsschaltung 4, erreicht.
Es versteht sich, dass die Zustandsmaschine mehr als die zwei Zustände „Normal-Modus“ (Zustand S0) und „Ruhe-Modus“ (Zustand S1) aufweisen kann. Zum Beispiel ist in 11 ein „Schlaf-Modus“ (Zustand S2) dargestellt. Bei diesem Beispiel wechselt die Zustandsmaschine in den Schlaf-Modus, wenn sich das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel, der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, ändert. Dementsprechend wird der Ausgangs-Pin OUT im Schlaf-Modus durch Ausschalten des elektronischen Schalters 2 von dem Versorgungs-Pin getrennt. Die Überwachungsschaltung 4 kann im Schlaf-Modus ebenfalls inaktiv sein, um Energie zu sparen. Allerdings ist der Schlaf-Modus (Zustand S2) nicht mit dem Ruhe-Modus zu verwechseln. Wie erwähnt, befindet sich der elektronische Schalter 2 während des Ruhe-Modus-Betriebs (Zustand S1) in einem Ein-Zustand und deshalb wird die über ein Kabel an den Ausgangs-Pin OUT angeschlossene Last mit der an dem Versorgungs-Pin SUP (siehe z.B. 7) vorhandenen Versorgungsspannung V_B versorgt. Im Gegensatz dazu befindet sich der elektronische Schalter 2 während des Schlaf-Modus-Betriebs in einem Aus-Zustand.
Es versteht sich, dass die Ausdrücke „Schlaf-Modus“, „Ruhe-Modus“ und „Normal-Modus“ lediglich Namen darstellen, die verwendet werden, um die konkreten Modi und Funktionen der zu den jeweiligen Modi gehörenden Sicherungsschaltung zu unterscheiden. Diese Namen implizieren nicht irgendwelche Merkmale und Funktionen über das, was hierin beschrieben ist, hinaus und könnten auch zum Beispiel durch „erster Modus“, „zweiter Modus“ und „dritter Modus“ ersetzt werden.
Die Zeitverlaufsdiagramme von 12 veranschaulichen ein Problem, das auftreten kann, wenn die an den Ausgangs-Pin OUT angeschlossene Last einen Laststrom i_L, der moduliert (z.B. pulsweitenmoduliert) ist, zieht. Das erste (obere) Zeitverlaufsdiagramm von 12 veranschaulicht eine beispielhafte Wellenform eines pulsweitenmodulierten Laststroms, der bei dem vorliegenden Beispiel einen Tastgrad von 50 Prozent aufweist. Dementsprechend fällt der Laststrom i_L zum Zeitpunkt to, steigt zum Zeitpunkt ti wieder auf seinen Nominalwert, fällt zum Zeitpunkt t₂ wieder auf null, etc. Sobald der Laststrom i_L auf null fällt (i_L < i_IDLE, Bedingung (i)), geht die intelligente Sicherungsschaltung zum Zeitpunkt to in den Ruhe-Modus, da die anderen Bedingungen (ii) bis (iv) (unter normalen Umständen) üblicherweise erfüllt sind, wenn die Last eingeschaltet ist. Wenn jedoch der Laststrom i_L zum Zeitpunkt ti wieder über den Schwellenwert i_IDLE auf seinen Nominalwert ansteigt (i_L > i_IDLE), ist der Ruhe-Modus in jedem Zyklus der Pulsweitenmodulation nur für eine kurze Zeitspanne ti - to aktiv (siehe drittes (unteres) Diagramm von 12).
Die kurze Zeitspanne ti - to kann für eine beispielhafte Modulationsfrequenz von 10 kHz signifikant kürzer als 100 µs sein, was signifikant kürzer als die typische thermische Zeitkonstante eines Kabels (die mehr als 60 Sekunden betragen) ist. Dies bedeutet, dass sich die tatsächliche Differenztemperatur dT_WIRE,real des Kabels während der kurzen Zeitspanne ti - to praktisch nicht ändert (siehe zweites Zeitverlaufsdiagramm von 12). Wenn jedoch die Überwachungsschaltung 4, die die geschätzte Temperatur dT_WIRE,calc des Kabels berechnet, im Ruhe-Modus deaktiviert ist, geht die gegenwärtige Temperaturschätzung dT_WIRE,calc zum Zeitpunkt to verloren, wenn die Schaltung in den Ruhe-Modus geht, weil der Zustand des Filters 42 (siehe 8) auf einen Anfangswert zurückgesetzt wird. Infolgedessen wird die Berechnung der geschätzten Temperatur zum Zeitpunkt ti mit dem falschen Anfangswert fortgesetzt und die geschätzte Temperatur dT_WIRE,calc folgt der realen Temperatur dT_WIRE,real des Kabels nicht. Wie in dem zweiten Zeitverlaufsdiagramm von 12 zu sehen ist, verhindert das regelmäßige Zurücksetzen des Filterzustands des Filters 42 der Überwachungsschaltung eine Schätzung der gegenwärtigen Temperatur, und eine Übertemperatur des Drahts kann nicht länger erkannt werden.
Das oben erörterte Problem kann durch Verzögern des Wechselns in den Ruhe-Modus für eine gegebene Verzögerungszeit t_IDLE,delay vermieden werden. Das heißt, der Ruhe-Modus wird nicht unmittelbar zum Zeitpunkt, zu dem die Ruhe-Modus-Bedingungen (i) bis (iv) detektiert werden, aufgenommen, sondern vielmehr nur, wenn die Ruhe-Modus-Bedingungen (i) bis (iv) über die ganze Verzögerungszeit t_IDLE,delay hinweg erfüllt sind. Wenn die Verzögerungszeit t_IDLE,delay so gewählt ist, dass sie länger als die maximale Aus-Zeit T_OFF des Laststroms i_L während der Pulsweitenmodulation (PWM) ist, dann geht die intelligente Sicherungsschaltung während des PWM-Betriebs der Last nicht in den Ruhe-Modus und ermöglicht es der Überwachungsschaltung 4 somit, die tatsächliche Kabeltemperatur dT_REAL nachzuverfolgen. Dieser Ansatz wird durch die Zeitverlaufsdiagramme von 13, die im Wesentlichen den Zeitverlaufsdiagrammen von 12 mit der einzigen Ausnahme, dass der Ruhe-Modus aufgrund der erwähnten Verzögerung nicht aktiv wird, entsprechen, veranschaulicht. Mit anderen Worten, die oben erwähnten vier Bedingungen (i) bis (iv), die erfüllt sein müssen, um den Ruhe-Modus aufzunehmen, werden durch die weitere Bedingung, dass die Bedingungen (i) bis (iv) über die Verzögerungszeit t_IDLE,delay hinweg beibehalten werden, bevor der Ruhe-Modus aufgenommen wird, ergänzt sind.
Das Zeitverlaufsdiagramm in 14 veranschaulicht einen weiteren Ansatz, der alternativ zu der Verzögerungszeit t_IDLE,delay verwendet werden kann. Das erste Zeitverlaufsdiagramm von 14 ist dasselbe wie in den 12 und 13. Allerdings wird, wie in dem zweiten Zeitverlaufsdiagramm von 14 zu sehen ist, dem anfänglichen Temperaturwert beim Verlassen des Ruhe-Modus' zum Zeitpunkt t₁, weil der Laststrom i_L den Schwellenwert i_IDLE übersteigt, ein Temperatur-Offset dT_IDLE,offset hinzuaddiert. Der Temperatur-Offset dT_IDLE,offset kann konstant und konfigurierbar (wie die Verzögerung t_IDLE,delay bei dem vorangehenden Beispiel) sein, wobei dT_IDLE,offset > dTx. Wie in 14 zu sehen ist, hat das Hinzuaddieren des Temperatur-Offsets dT_IDLE,offset die Auswirkung, dass die Temperaturschätzung beim Verlassen des Ruhe-Modus' zum Zeitpunkt ti mit einem Anfangswert höher als der Schwellenwert dTx beginnt. Infolgedessen kann die geschätzte Temperaturdifferenz dT_WIRE,calc höher als die tatsächliche Temperaturdifferenz dT_WIRE,real (über Umgebungstemperatur) sein. Der durch den Temperatur-Offset dT_IDLE,offset bedingte Unterschied zwischen dT_WIRE,calc und dT_WIRE,real wird beibehalten, bis der Schutz-Schwellenwert dT_R erreicht ist. Aufgrund des Temperatur-Offsets löst die Überwachungsschaltung 4 ein Ausschalten (Schutzsignal OC), verglichen mit dem vorangehenden Ansatz, der den Temperatur-Offset dT_IDLE,offset (vgl. auch 8) nicht verwendet, geringfügig früher aus, was sicherer ist, als die Temperatur, wie in 12 dargestellt, nicht zuverlässig nachzuverfolgen. Wie aus 14 zu sehen ist, hilft das Hinzuaddieren des Temperatur-Offsets dT_IDLE,offset, zu vermeiden, dass der Ruhe-Modus in jedem PWM-Zyklus aufgenommen wird, weil die oben erwähnte Bedingung (iv), nämlich dT < dTx - aufgrund des Temperatur-Offsets - nicht erfüllt wird, bis der Laststrom für eine signifikante Zeit (z.B. eine oder mehr Minuten) ausgeschaltet wird (oder sehr geringe Werte annimmt). Die zwei Ansätze (Verzögerungszeit t_IDLE,delay und Temperatur-Offset dT_IDLE,offset) können in einer Ausführungsform kombiniert werden.
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.. 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 (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), 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 20170294772 A1 [0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 72552 [0030]

Claims

Schaltung, die aufweist: einen elektronischen Schalter (2), der einen zwischen einen AusgangsKnoten (OUT) und einen Versorgungsknoten (SUP) gekoppelten Laststrompfad aufweist und dazu ausgebildet ist, den Ausgangsknoten (OUT) und den Versorgungsknoten (SUP) entsprechend einem Ansteuersignal (S_ON) zu verbinden oder zu trennen; eine Steuerschaltung (1), die dazu ausgebildet ist, das Ansteuersignal (S_ON) basierend auf einem Eingangssignal (S_IN) zu erzeugen; eine Überwachungsschaltung (4), die in der Steuerschaltung (1) enthalten und dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal (CS, ics), das den durch den Laststrompfad fließenden Laststrom (i_L) repräsentiert, zu empfangen und das erste Schutzsignal (OC) basierend auf dem Stromerfassungssignal (CS, ics) und zumindest einem Drahtparameter (dT_R,A), der einen betriebsfähig an den Ausgangsknoten (OUT) angeschlossenen Draht kennzeichnet, zu bestimmen, wobei das erste Schutzsignal (OC) darauf schließen lässt, ob der Ausgangsknoten (OUT) von dem Versorgungsknoten (SUP) zu trennen ist, und wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, in einem Normal-Modus (S0) und zumindest in einem Ruhe-Modus (S1) zu arbeiten; wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, von einem Normal-Modus in einen Ruhe-Modus zu wechseln, wenn zumindest die folgenden Ruhe-Modus-Bedingungen erfüllt sind: der Laststrom (i_L) liegt unter einem gegebenen Stromschwellenwert (i_IDLE) und der elektronische Schalter ist eingeschaltet; und wobei die Überwachungsschaltung (4) im Ruhe-Modus inaktiv ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei der elektronische Schalter (2) als Feldeffekt-Transistor (21) implementiert ist, und wobei die Schaltung weiterhin einen Temperatursensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Temperatursignal, das auf eine Sperrschicht-Temperatur des FeldeffektTransistors schließen lässt, bereitzustellen.
Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Ruhe-Modus-Bedingungen weiterhin zumindest eine der folgenden enthalten: eine Temperatur (T_J) des elektronischen Schalters liegt unter einem gegebenen Temperaturschwellenwert (T_JMAX); der elektronische Schalter befindet sich in einem Ein-Zustand; und die Steuerschaltung hat für eine gegebene Minimalzeit (t_MIN) im Normal-Modus gearbeitet.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Überwachungsschaltung (4) dazu ausgebildet ist, einen Temperaturwert (dT) zu bestimmen, der auf eine Drahttemperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur schließen lässt, und wobei die Ruhe-Modus-Bedingungen weiterhin enthalten: der bestimmte Temperaturwert (dT), der auf eine Drahttemperaturdifferenz schließen lässt, ist geringer als ein gegebener Schwellenwert (dTx).
Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus zu wechseln, wenn die Ruhe-Modus-Bedingungen über eine Verzögerungszeitspanne (t_IDLE,delay) hinweg erfüllt sind.
Schaltung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, den Ruhe-Modus zu verlassen und zurück zum Normal-Modus zu wechseln, wenn zumindest eine der Ruhe-Modus-Bedingungen verletzt ist, und wobei dem Temperaturwert (dT) beim Verlassen des Ruhe-Modus' ein Temperatur-Offset (dT_IDLE,offset) hinzuaddiert wird.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiterhin aufweist: eine Stromerfassungsschaltung, die in dem elektronischen Schalter (2) enthalten oder mit diesem gekoppelt ist, wobei die Stromerfassungsschaltung dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS, ics) und ein weiteres Stromerfassungssignal (Vcs) zu erzeugen.
Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei die Stromerfassungsschaltung einen digitalen Teil enthält, der dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS, ics) zu erzeugen, und einen analogen Teil, der dazu ausgebildet ist, das weitere Stromerfassungssignal (Vcs) zu erzeugen, wobei der digitale Teil im Ruhe-Modus inaktiv ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerschaltung (1) weiterhin dazu ausgebildet ist, in einen Schlaf-Modus zu wechseln, wenn das Eingangssignal (S_IN) anzeigt, den elektronischen Schalter auszuschalten.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die weiterhin aufweist: einen Digital-Ausgangsknoten (INT), der dazu ausgebildet ist, ein durch die Steuerschaltung (1) erzeugtes Signal auszugeben, wenn der Steuermodus vom Ruhe-Modus in den Normal-Modus wechselt.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Ruhe-Modus sämtliche in der Steuerschaltung (1) enthaltene, getaktete, digitale Schaltungstechnik deaktiviert ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, den Ruhe-Modus zu beenden, wenn zumindest eine der Ruhe-Modus-Bedingungen verletzt ist.
Verfahren, das aufweist: Ausbilden eines Laststrompfads zwischen einem Ausgangsknoten (OUT) und einem Versorgungsknoten (SUP) durch Aktivieren eines elektronischen Schalters entsprechend einem Ansteuersignal (S_ON), das durch eine Steuerschaltung (1), die dazu ausgebildet ist, in einem Normal-Modus (S0) und zumindest in einem Ruhe-Modus (S1) zu arbeiten, erzeugt wird; Bestimmen eines ersten Schutzsignals (OC) durch eine in der Steuerschaltung (1) enthaltene Überwachungsschaltung (4) und wenn die Steuerschaltung (1) im Normal-Modus (S0) arbeitet, basierend auf einem Stromerfassungssignal (CS, ics), das auf einem durch den Laststrompfad fließenden Laststrom (i_L) basiert, und zumindest einem Drahtparameter (dT_R, A), der einen betriebsfähig an den Ausgangsknoten (OUT) angeschlossenen Draht charakterisiert, wobei das erste Schutzsignal (OC) darauf schließen lässt, ob der Ausgangsknoten (OUT) von dem Versorgungsknoten (SUP) zu trennen ist; und Wechseln vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus, wenn zumindest die folgenden Ruhe-Modus-Bedingungen erfüllt sind: der Laststrom (i_L) liegt unter einem gegebenen Stromschwellenwert (i_IDLE) und der elektronische Schalter ist eingeschaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Steuerschaltung (1) das Ansteuersignal (S_ON) basierend auf einem Eingangssignal (S_IN) erzeugt und das Verfahren weiterhin das Wechseln in einen Schlaf-Modus enthält, wenn das Eingangssignal (S_IN) anzeigt, den elektronischen Schalter auszuschalten.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, das weiterhin aufweist: Bestimmen eines Temperaturwerts (dT), der auf eine Drahttemperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur schließen lässt, wobei die Ruhe-Modus-Bedingungen weiterhin enthalten: der bestimmte Temperaturwert (dT), der auf eine Drahttemperaturdifferenz schließen lässt, ist geringer als ein gegebener Schwellenwert (dT_x).
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Wechseln vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus beinhaltet: Wechseln vom Normal-Modus in den Ruhe-Modus, wenn die Ruhe-Modus-Bedingungen über eine Verzögerungszeitspanne hinweg (t_IDLE,delay) erfüllt sind.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 oder 16, das weiterhin aufweist: Verlassen des Ruhe-Modus' und Zurückkehren zum Normal-Modus, wenn zumindest eine der Ruhe-Modus-Bedingungen verletzt ist, und Hinzuaddieren eines Temperatur-Offsets (dT_IDLE,offset) zu dem Temperaturwert (dT) beim Verlassen des Ruhe-Modus'.