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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Dieses Dokument betrifft im Allgemeinen, jedoch nicht einschränkend, Stromüberwachungsschaltungen und verwandte Techniken und insbesondere eine Stromüberwachung, die eine Fehlererkennung aufweist.
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HINTERGRUND
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In verschiedenen Anwendungen wie z. B. zum Zweck des Überwachens, des Schutzes oder der Steuerung einer Lasteinrichtung kann ein elektrischer Strom erfasst werden. Eine derartige Stromerfassung kann in Bezug auf Einphasen- oder Mehrphasenlasten durchgeführt werden. Im Allgemeinen kann ein Stromerfassungselement wie z. B. ein Erfassungswiderstand in Reihe mit einer Energieversorgung und einer Last angeordnet sein. In einem Mehrphasensystem können Stromerfassungselement in Reihe mit der Energieversorgung und Lasten, die jeder Phase entsprechen, angeordnet sein. Ein Strom, der durch die Energieversorgung und eine entsprechende Last fließt, z. B. ein Momentanstrom, kann z. B. durch Verstärken und Messen eines Differenzsignals, das einen Spannungsabfall repräsentiert, der durch die Erfassungsvorrichtung erzeugt wird, bestimmt werden. Eine Ausgabe einer derartigen Verstärkung kann zum Zweck einer Überwachung oder einer Steuerung einer Lasteinrichtung verwendet werden.
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KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
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Wie oben erwähnt, kann ein Signal, das einen Stromfluss durch eine Last anzeigt, verstärkt werden. In einem Beispiel kann ein analoger Verstärker wie z. B. ein Differenzverstärker verwendet werden, um ein Differenzsignal, das einen derartigen Laststrom anzeigt, zu verstärken. In einem Ansatz kann eine Ausgabe eines derartigen Differenzverstärkers auch zu weiteren Vorrichtungen stromabwärts des Differenzverstärkers wie z. B. zur Verwendung beim Schutz der Last (z. B. eine Fehlererkennung) geleitet werden. Die Erfinder haben erkannt, dass ein derartiger Ansatz Herausforderungen darstellen kann. Zum Beispiel kann der Differenzverstärker ausgebildet sein, eine relativ große Gleichtakteingangsspannungstoleranz, in einem veranschaulichenden Beispiel etwa ein Tolerieren von etwa -20 V bis etwa +80 V, bereitzustellen. Der Differenzverstärker kann auch einen Gleichtakteingangsspannungsbereich aufweisen, der derart vorgegeben ist, dass er einen Bereich von Spannungen, der einem gewünschten Laststrommessbereich entspricht, aufweist. Im Allgemeinen isoliert der Differenzverstärker die nachgelagerten Vorrichtungen von der relativ höheren Gleichtaktspannung, während er eine relativ niedrigere Gegentaktmodusspannung, die den Laststrom anzeigt, verstärkt.
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Wenn der Differenzverstärker auch verwendet wird, um eine Signalkonditionierung für nachgelagerte Fehlererkennungsvorrichtungen wie z. B. einen fehlererkennenden Komparator bereitzustellen, muss der Gegentakteingangsspannungsbereich des Differenzverstärkers auch einen Spannungsbetrag, der einem Fehlerstromschwellenwert entspricht, aufweisen. Dieser Fehlerstromschwellenwert kann ein Vielfaches des Werts des Laststrombetrags, der während eines normalen Betriebs erwartet wird, sein. Entsprechend kann dann, wenn der Differenzverstärker einen größeren Gegentakteingangsspannungsbereich aufweist, um nachgelagerte Fehlererkennungsvorrichtungen anzusteuern, die Genauigkeit und/oder die Präzision aufgegeben werden, wenn der Differenzsignalbetrag nicht in der Nähe des Fehlerschwellenwerts liegt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass, um derartige Herausforderungen zu meistern, ein getrennter Signalweg verwendet werden kann, um eine schnelle Fehlererkennung bereitzustellen, anstatt auf denselben Differenzverstärker, der zur Präzisionslaststromüberwachung verwendet wird, zurückzugreifen. Zum Beispiel kann eine Spannungsskalierungsschaltung wie etwa eine passive Schaltung, die entsprechende Spannungsteilernetze aufweist, verwendet werden, um ein Gegentakteingangssignal, das den Laststrom anzeigt, zu skalieren. Die skalierte Darstellung kann dann mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der einem Fehlerstromwert entspricht, verglichen werden. Auf diese Weise kann ein Hochgeschwindigkeitsniederspannungskomparator verwendet werden, um eine Erkennung eines Fehlerstroms, der andernfalls einen Eingangsbereich des Differenzverstärkers, der getrennt zur Präzisionsstromüberwachung verwendet wird, überschreitet, bereitzustellen. Als ein veranschaulichendes Beispiel kann ein derartiges Schema eine Fehlererkennung bereitstellen, selbst wenn ein Eingang des Differenzverstärkers gesättigt ist.
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Ein Schwellenwert, der zur Fehlerstromerkennung verwendet wird, kann unter Verwendung eines Schwellenwertsignaleingangs bereitgestellt werden. Eine Komparatorschaltung kann das Schwellenwertsignal mit Komponenten positiver und negativer Polarität eines Differenzsignals, das den Laststrom anzeigt, zusammenfassen. Auf diese Weise kann ein anpassbarer Fehlerstromschwellenwert festgelegt werden.
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In einem Beispiel kann eine Stromüberwachungsschaltung bei Vorliegen einer Gleichtaktmodusspannung einen erweiterten Dynamikbereich und eine schnelle Fehlererkennung bereitstellen. Die Stromüberwachungsschaltung kann eine Differenzverstärkerschaltung, die einen zweipoligen Eingang, um ein Differenzsignal, das einen Strom anzeigt, der überwacht wird, zu empfangen, und einen Ausgang, um ein Signal bereitzustellen, das einen Betrag aufweist, der den Strom, der überwacht wird, anzeigt, aufweist, eine Spannungsskalierungsschaltung und eine Komparatorschaltung, die einen zweipoligen Eingang aufweist, um eine skalierte Darstellung des Differenzsignals des Stroms, der überwacht wird, von der Spannungsskalierungsschaltung zum Vergleich mit einem Schwellenwertsignal, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, zu empfangen, aufweisen. Die Komparatorschaltung kann eingerichtet sein, derart zu arbeiten, dass sie ein zeitkontinuierliches Eingangsschema oder ein zeitdiskretes Eingangsschema (z. B. ein zeitdiskret geschalteter Kondensator) aufweist. In einem Beispiel kann ein Verfahren zur Stromüberwachung ein Empfangen eines Differenzsignals, das einen Strom, der überwacht wird, anzeigt, und als Reaktion darauf ein Bereitstellen einer Ausgabe, die ein Signal aufweist, das einen Betrag aufweist, der den Strom, der überwacht wird, anzeigt, aufweisen. Das Verfahren kann ein Skalieren des Differenzsignals, das den Strom, der überwacht wird, anzeigt, um eine skalierte Darstellung bereitzustellen, und ein Vergleichen der skalierten Darstellung mit einem Schwellenwertsignal, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, unter Verwendung einer Komparatorschaltung aufweisen.
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Im Allgemeinen können die Beispiele, die in diesem Dokument beschrieben werden, als Ganzes oder teilweise in einer integrierten Schaltungsbaugruppe wie z. B. einteilig unter Verwendung eines gemeinsam verwendeten integrierten Schaltungschips integriert implementiert werden. Diese Zusammenfassung ist dazu vorgesehen, eine Übersicht des Gegenstands der vorliegenden Patentanmeldung bereitzustellen. Es ist nicht beabsichtigt, eine ausschließliche oder erschöpfende Erklärung der Erfindung bereitzustellen. Die ausführliche Beschreibung ist enthalten, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können ähnliche Bezugszeichen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Ähnliche Bezugszeichen, die verschiedene aus Buchstaben bestehende Suffixe aufweisen, können verschiedene Beispiele ähnlicher Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen veranschaulichen im Allgemeinen beispielhaft jedoch nicht einschränkend verschiedene Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument erörtert werden.
- 1 veranschaulicht im Allgemeinen ein Beispiel einer elektrischen Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals, das einen überwachten Strom anzeigt.
- 2A und 2B veranschaulichen im Allgemeinen jeweilige Beispiele einer elektrischen Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals, das einen überwachten Strom anzeigt, die zeitkontinuierliche Komparatorschaltungen aufweist.
- 3 veranschaulicht im Allgemeinen ein Beispiel einer Komparatorschaltung mit geschalteten Kondensatoren, die z. B. ein Schwellenwertsignal, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, zum Vergleich mit einem Differenzsignal, das einen überwachten Laststrom anzeigt, empfangen kann.
- 4 veranschaulicht im Allgemeinen eine Technik wie z. B. ein Verfahren, die ein Empfangen eines Differenzsignals, das einen überwachten Strom anzeigt, und ein Bereitstellen einer Ausgabe, die ein Signal, das den Strom, der überwacht wird, anzeigt, umfasst, zusammen mit einem Skalieren eines Differenzsignals, das den Strom, der überwacht wird, repräsentiert, und einem Vergleichen der skalierten Darstellung mit einem Schwellenwertsignal, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, aufweisen kann.
- 5A, 5B, 5C und 5D veranschaulichen gemeinsam Simulationsergebnisse, die einem veranschaulichenden Beispiel einer Stromüberwachungsschaltung entsprechen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine Differenzverstärkerschaltung kann verwendet werden, um ein Signal, das durch ein Stromerfassungselement bereitgestellt wird, zu verstärken, um eine „Präzisions“-Stromüberwachung bereitzustellen. Das Stromerfassungselement kann einen Widerstand aufweisen, der in Reihe mit einer Lasteinrichtung angeordnet ist. Die Stromüberwachung kann für verschiedene Anwendungen wie z. B. eine Motorsteuerung, eine Solenoidsteuerung oder ein Leistungsmanagement verwendet werden. In bestimmten Anwendungen muss ein Fehlerstrom (z. B. ein Strom, der einen Betrag aufweist, der einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet) möglicherweise schnell erkannt werden, um einen Schutz bereitzustellen (z. B. um ein Gerät vor Beschädigung zu schützen oder um eine Gefahr für Personal oder Anlagen zu verhindern). Wie im Allgemeinen oben erwähnt wurde, kann in einem Ansatz ein Differenzverstärker eine Ausgabe bereitstellen, die dann in einen Komparator gespeist werden kann. Auf diese Weise stellt der Differenzverstärker sowohl eine verstärkte Ausgabe, die den Strom, der überwacht wird, anzeigt, als auch eine Signalkonditionierung eines Eingangssignals bereit, damit ein Komparator einen Fehlerzustand erkennen kann (z. B. kann der Differenzverstärker eine Hochspannungs-Gleichtaktmoduseingabe entfernen und kann als eine Ausgabe ein empfangenes Gegentakteingangssignal zu einem verstärkten Eintaktsignal umsetzen). Der nachgelagerte Komparator kann eine Ausgabe des Differenzverstärkers mit einem Schwellenwert vergleichen. Im Falle eines Fehlerzustands wie z. B. ein Kurzschluss- oder Spulensättigungszustand wird erwartet, dass der Komparator eine derartige Bedingung schnell erkennt.
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Der Ansatz, der oben erwähnt wird, der einen Komparator verwendet, der stromabwärts eines Differenzverstärkers liegt, kann Herausforderungen darstellen. Eine Herausforderung ist eine Dynamikbereichsverringerung. Als ein veranschaulichendes Beispiel liegt unter der Annahme, dass eine Spannungsverstärkung, die durch einen Differenzverstärker bereitgestellt wird, 20 ist, und eines „normalen“ Betriebslaststroms, dessen Betrag auf 50 Ampere (A) begrenzt ist, eine Ausgangsschwankung des Differenzverstärkers im Bereich von 0 V bis 5 V im Verhältnis zu einem Laststrom, der im Bereich von 0 A bis 50 A liegt. In diesem veranschaulichenden Beispiel kann, um einen Systemdynamikbereich zu maximieren, der Nebenschlusswiderstand als 5 V geteilt durch 20 und dann geteilt durch 50 A, was einem Wert von 5 Milliohm (mΩ) entspricht, gewählt werden. Wenn ein nachgelagerter Komparator zur Fehlererkennung verwendet wird, sollte der Komparator im Allgemeinen nicht ausgelöst werden, bis ein Laststrom groß genug ist, z. B. eine mögliche Beschädigung des Systems zu bewirken. Entsprechend ist ein Fehlerstromschwellenwert im Allgemeinen derart vorgegeben, dass er ein Vielfaches des normalen Betriebsstrombetrags z. B. viermal so groß wie der höchste „normale“ Betriebsstrom ist.
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In diesem veranschaulichenden Beispiel würde dann, wenn der Nebenschlusswiderstand als 5 mΩ gewählt ist, der Verstärker gesättigt sein, wenn der Laststrom größer als 50 A ist, was eine Erkennung jedes Laststroms, dessen Betrag größer als 50 A ist, ausschließt. Ein Wert des Nebenschlusswiderstands kann z. B. zu einem Wert um 1 mΩ verringert werden, um einen größeren Erkennungsbereich bereitzustellen. Allerdings wird durch Verringern des Nebenschlusswiderstands um einen Faktor fünf ein Dynamikbereich des Systems auch um einen Faktor fünf verringert.
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Eine weitere Herausforderung, die durch den „seriellen“ Ansatz des Verwendens des Differenzverstärkers, um einen Fehlerstromkomparator zu speisen, dargestellt wird, ist ein Mangel von Redundanz. Wenn der Differenzverstärker ausfällt oder gesättigt ist, kann ausgeschlossen werden, dass ein nachgeschalteter Fehlerstromkomparator einen Fehlerstrom detektiert. Eigenschaften des Differenzverstärkers wie z. B. eine begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit, Bandbreite, Phasenmarge oder Einschwingzeit können eine Latenz oder eine Verzögerung in einer Antwort eines nachgeschalteten Fehlerstromkomparators auf einen Fehlerzustand erzeugen. Während Transienten kann ein Überschwingen in der Differenzverstärkerausgabe erscheinen, so dass eine weitere Signalkonditionierung wie z. B. eine Unterdrückung von Störimpulsen eine Latenz oder eine Verzögerung der Fehlererkennung vergrößern kann.
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Die Erfinder haben erkannt, dass jeweilige (z. B. getrennte) Signalwege zur Fehlerstromerkennung und zur Präzisionsstromüberwachung verwendet werden können. Zum Beispiel kann ein Signalweg einen großen Dynamikbereich jedoch nicht notwendigerweise eine schnelle Antwort auf dynamische Signale bereitstellen, um eine Präzisionsüberwachung von Strom zu unterstützen, und ein weiterer (z. B. Fehlerstromerkennungs-) Weg kann derart ausgebildet sein, dass er schnell, robust gegenüber Fehlersignalbeträgen und zuverlässig ist. Der Fehlerstromerkennungsweg kann eine niedrigere Präzision im Vergleich zum analogen Signalweg, der zur Präzisionsstromüberwachung verwendet wird, aufweisen. 1 veranschaulicht im Allgemeinen ein Beispiel einer elektrischen Vorrichtung 100 zum Erzeugen eines Signals, das einen überwachten Strom anzeigt, wobei eine Komparatorschaltung 106 von einem Stromerfassungselement wie z. B. einem Widerstand 110 vom Signalweg getrennt über einen Differenzverstärker 104 gespeist wird.
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Im Beispiel von 1 kann eine Last 108 mit einem Strom, IL , versorgt werden und ein derartiger Strom kann unter Verwendung eines Erfassungselements z. B. unter Verwendung eines Erfassungswiderstands 110 (RS ) erfasst werden. Wenn ein Erfassungswiderstand 110 als ein Stromerfassungselement verwendet wird, ist ein Differenzsignal, das über dem Nebenschlusswiderstand entsteht, normalerweise klein wie z. B. als ein veranschaulichendes Beispiel im Bereich von Mikrovolt (µV) bis einige hundert Millivolt (mV). Der Differenzverstärker 104 verwirft eine Gleichtaktmoduseingangsspannung und verstärkt eine Gegentakteingangsspannung, wobei die Gegentakteingangsspannung im Allgemeinen zum Laststrom, der überwacht wird, proportional ist. Eine Ausgabe des Differenzverstärkers kann dann z. B. unter Verwendung eines Analog/Digital-Umsetzers in ein digitales Signal umgesetzt werden. Für industrielle oder Kraftfahrzeuganwendungen kann sich eine Gleichtaktmodusspannung, die am Eingang des Differenzverstärkers vorliegt, über mehrere zehn Volt oder mehr erstrecken, z. B. gemäß einem veranschaulichenden Beispiel einen Bereich von etwa -20 V bis etwa +80 V aufweisen.
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Ein Differenzsignal, das über den Widerstand 110 hinweg entsteht, kann eine positive Komponente, IN+, und eine negative Komponente, IN-, aufweisen, wie sie z. B. dem Differenzverstärker 104 geliefert werden kann, um um einen Verstärkungsfaktor, „A“, verstärkt zu werden. Eine Ausgabe des Differenzverstärkers 104, VO1, kann einer weiteren Signalkonditionierung oder einer Verarbeitungsschaltungsanordnung wie z. B. einer weiteren Verstärkung, einer Filterung oder Digitalisierungsblöcken bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann das Signal V01, das den Laststrom, IL, anzeigt, für weitere Operationen wie z. B. eine Überwachung oder eine Steuerung verwendet werden (z. B. um als ein veranschaulichendes Bespiel eine Impulsbreite, die einem Motor geliefert wird, zu steuern oder zu modulieren).
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Im Gegensatz zu weiteren Ansätzen kann die Technik, die in 1 gezeigt ist, eine Verwendung einer Komparatorschaltung 106, die einen Gegentakteingang statt eines Eintakteingangs empfängt, aufweisen. Der Gegentakteingang, der die Komponenten VP und VN aufweist, kann vom Erfassungswiderstand 110 direkt bereitgestellt werden oder kann unter Verwendung einer Spannungsskalierungsschaltung, die z. B. entsprechende Teilerschaltungen aufweist, skaliert werden. Wie in 1 gezeigt ist, kann eine erste Widerstandsteilerschaltung, die die Widerstände R1 und R2 aufweist, eine Spannung am Knoten IN- skalieren, um dem Knoten VN eine skalierte Eingabe bereitzustellen. Entsprechend kann eine zweite Widerstandsteilerschaltung, die die Widerstände R3 und R4 aufweist, eine Spannung am Knoten IN+ skalieren, um dem Knoten VP eine skalierte Eingabe bereitzustellen. Auf diese Weise kann eine Gleichtaktmodusspannung, die an den Knoten IN- und IN+ anliegt, gedämpft (z. B. verringert) werden, was z. B. eine Verwendung einer Niederspannungshochgeschwindigkeits-Komparatortopologie für die Komparatorschaltung 106 ermöglicht. Eine Kombination eines Widerstands, der durch die Widerstandsteilerschaltungen bereitgestellt wird, und entweder fest zugeordneter Kondensatoren oder einer parasitären Kapazität kann auch ein Tiefpassfilter bereitstellen, um als veranschaulichende Beispiele schädliche Hochspannungstransienten oder elektromagnetische Störungen zu verwerfen. Weil die Spannungsskalierungsschaltung für den Eingang der Komparatorschaltung 106 jedoch nicht den Differenzverstärker 104 verwendet wird, beeinflusst die Spannungsskalierungsschaltung den Dynamikbereich oder das Rauschverhalten der Signalkette des Differenzverstärkers 104 nicht wesentlich. Die Komparatorschaltung 106 kann eine höhere Bandbreite oder eine kürzere Zeitdomänenlatenz als Entsprechungseigenschaften des Differenzverstärkers 104 aufweisen. Zum Beispiel kann eine Latenz der Komparatorschaltung 106 (z. B. eine Dauer zwischen einem Zeitpunkt, der dem Empfangen eines Signals, das einen Fehlerstrom höher als der Fehlerstromschwellenwert anzeigt, entspricht, und einem Zeitpunkt, zu dem die Ausgabe des Komparators einen vorgegebenen Logikpegel erreicht oder überschreitet) kleiner als eine entsprechende Gruppenlaufzeit des Differenzverstärkers 104 sein.
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Die elektrische Vorrichtung 100 von 1 kann in einer gemeinsam verwendeten integrierten Schaltungsbaugruppe, die z. B. den Differenzverstärker 104, die Komparatorschaltung 106 und die Spannungsskalierungsschaltung (z. B. Widerstandsteilerschaltungen) aufweist, integriert werden. Eine integrierte Schaltungsbaugruppe 102 kann „Anschlussstifte“ oder Anschlüsse, z. B. um eine positive Versorgungsspannung (z. B. VCC) und einen Bezugsknoten (z. B. GND) oder eine negative Versorgungsspannung zu empfangen, zusammen mit einem Gegentakteingang, der die Komponenten IN- und IN+ aufweist, aufweisen. Die integrierte Schaltungsbaugruppe 102 kann Ausgaben wie z. B. VO1, die einem Ausgangssignal entspricht, das den Strom, IL , der überwacht wird, anzeigt (z. B. zu ihm proportional ist), und VO2, die einer Ausgabe der Komparatorschaltung entspricht, die einen Fehlerzustand angibt, wenn IL einen vorgegebenen Fehlerstromschwellenwert überschreitet, bereitstellen. Die Komparatorschaltung 106 kann einen Eingang aufweisen, um ein Schwellenwertsignal, VTH, zu empfangen, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, z. B. um einen anpassbaren Fehlerstromschwellenwert bereitzustellen. VTH kann als ein weiterer Eingang, der durch die integrierte Schaltungsbaugruppe 102 bereitgestellt wird, freiliegen oder VTH kann intern festgelegt werden. Zum Beispiel kann VTH unter Verwendung eines Digital/Analog-Umsetzers festgelegt werden, was z. B. eine Anpassbarkeit unter Verwendung eines digitalen Steuersignals bereitstellt.
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Verschiedene Topologien einer Komparatorschaltung 106 können verwendet werden, z. B. um ein Gegentakteingangssignal und ein Schwellenwertsignal aufzunehmen und derartige Signale, die einem invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang eines zweipoligen Komparatorblocks bereitgestellt werden sollen, zusammenzufassen.
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2A und 2B veranschaulichen im Allgemeinen jeweilige Beispiele einer elektrischen Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals, das einen überwachten Strom anzeigt, die zeitkontinuierliche (z. B. analoge) Komparatorschaltungen aufweist. Im Beispiel von 2A kann eine elektrische Vorrichtung 200A eine Schaltungstopologie ähnlich zum Beispiel von 1 aufweisen. In 2A kann die elektrische Vorrichtung 200A einen analogen Komparatorblock 206 aufweisen, der Eingangsknoten VP und VN aufweist, die über entsprechende Reihenwiderstände R5 und R6 an den Komparatorblock 206 gekoppelt sind. Eine Schwellenwert kann unter Verwendung einer Stromquelle, ITH, festgelegt werden. Eine Schwellenwertspannung kann durch Anpassen eines oder mehrerer von ITH oder verschiedenen Widerstandswerten gesetzt werden. Zum Beispiel ist, wenn ITH, zwischen dem positiven Eingangsanschluss des Komparatorblocks 206 und einem Bezugsknoten (GND) verbunden ist, wie in 2A gezeigt ist, ein Schwellenwert VTH = ITH * (R5 + R3 // R4) (wobei R3 // R4 einen Wert der parallelen Kombination von R3 und R4, (R3 * R4 / (R3+R4)), repräsentiert). Ebenso kann in 2B die elektrische Vorrichtung 200B einen Komparatorblock 206 und Reihenwiderstände R5 und R6 mit einer Stromquelle, ITH, die zwischen dem negativen (z. B. invertierenden) Eingangsanschluss und einem Bezugsknoten (VCC) verbunden ist, aufweisen. Im Beispiel von 2B ist ein Schwellenwert VTH = ITH * (R6 + R1 // R2) (wobei R1 // R2 einen Wert der parallelen Kombination von R1 und R2 repräsentiert). Weitere Beispiele sind möglich, z. B. durch Anlegen von ITH-Stromwerten an den nichtinvertierenden und den invertierenden Eingang des Komparatorblocks 206 (z. B. Kombinieren der Aspekte von 2A und 2B). In einer derartigen Kombination ist ein Schwellenwert VTH = ITH * (R5 + R6 + R1 // R2 + R3 // R4).
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3 veranschaulicht im Allgemeinen ein Beispiel einer Komparatorschaltung 306, die eine Eingangstopologie mit geschalteten Kondensatoren aufweist, die z. B. ein Schwellenwertsignal, VTH, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, zum Vergleich mit einem Differenzsignal (das die Komponenten VP und VN aufweist), das einen überwachten Laststrom anzeigt, empfangen kann. In 3 kann die Komparatorschaltung einen zweipoligen Komparatorblock 310, der z. B. einen invertierenden Eingang („-“) und einen nicht invertierenden Eingang („+“) aufweist, aufweisen. Eine Eingangsschaltung 320 mit geschaltetem Kondensator kann verwendet werden, z. B. gesteuert unter Verwendung einer Steuerschaltung, die ausgebildet ist, verschiedene Schalter während einer ersten Phase (die Schaltern, die als „p1“ gekennzeichnet sind, entspricht) oder einer zweiten Phase (die Schaltern, die als „p2“ gekennzeichnet sind, entspricht) wahlweise zu schließen. Taktsignale, die den Phasen „p1“ und „p2“ entsprechen, können nichtüberlappend sein (z. B. wird, wenn „p1“ zugesichert wird, was Schalter, die als „p1“ gekennzeichnet sind, schließt, „p2“ freigegeben, und umgekehrt, derart, dass keine Dauer vorliegt, über die „p1“ und „p2“ beide zugesichert sind).
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Während Phase 1 sind Schalter, die als „p1“ gekennzeichnet sind, geschlossen, was in einer Spannungsabtastung der Eingangssignale VN, VTH und VP in entsprechende Kondensatoren (z. B. VN abgetastet durch einen Kondensator, der den Wert „2C“ aufweist; VTH abgetastet durch einen Kondensator, der den Wert „C“ aufweist, und VP abgetastet durch einen Kondensator, der einen Wert „2C“ aufweist) resultiert. Während Phase 2 werden die Eingangssignale VN und VP mit der Schwellenwertspannung verglichen, wobei Teile der Eintaktschwellenwertspannung in einer differentiellen Weise über die Eingänge des Komparatorblocks 310 verteilt sind. Ein Hystereseverhalten kann auch implementiert werden, z. B. durch Hinzufügen zusätzlicher Kondensatoren, um einen „Totzonen“-Versatzwert einzufügen. Weitere Komparatorschaltungstopologien können verwendet werden. Zum Beispiel kann die Topologie von 3 derart modifiziert werden, dass sie einen Vorverstärker und Rückkopplungspfade aufweist, z. B. um ein Versatzkompensations- oder ein „Auto-Null“-Verhalten zu unterstützen. Eine Ausgabe des Vorverstärkers kann ein Differenzsignal aufweisen, das einem Eingang eines zweipoligen Komparators bereitgestellt wird.
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4 veranschaulicht im Allgemeinen eine Technik 400 wie z. B. ein Verfahren, die ein Empfangen eines Differenzsignals, das einen überwachten Strom bei 402 anzeigen kann, und als Reaktion darauf bei 404 ein Bereitstellen einer Ausgabe, die ein Signal aufweist, das einen Betrag aufweist, der den Strom, der überwacht wird, anzeigt, aufweisen kann. Bei 406 kann ein Differenzsignal, das den Strom, der überwacht wird, anzeigt, z. B. unter Verwendung einer Teilerschaltung skaliert werden und bei 408 kann die skalierte Darstellung mit einem Schwellenwertsignal, das einen Fehlerstromschwellenwert anzeigt, unter Verwendung einer Komparatorschaltung verglichen werden. Die Technik, 400, von 4 kann unter Verwendung einer oder mehrerer elektronischer Schaltungen implementiert werden, wie hier in Bezug auf weitere Beispiele gezeigt und beschrieben wird, wie z. B. in Bezug auf 1, 2 oder 3 oben erörtert wird.
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5A, 5B, 5C und 5D veranschaulichen gemeinsam Simulationsergebnisse, die einem veranschaulichenden Beispiel einer Stromüberwachungsschaltung entsprechen. Eine derartige Stromüberwachungsschaltung kann eine Struktur ähnlich dem Beispiel von 1 aufweisen, wie z. B. eine Topologie einer Komparatorschaltung 306, wie sie in 3 gezeigt ist, die als die Komparatorschaltung 106 von 1 verwendet wird, aufweisen. In den veranschaulichenden Beispielen von 5A bis 5D gestalten sich die Simulationsbedingungen wie folgt. Die Gleichtaktmoduseingangsspannung (wie in 5A veranschaulichend gezeigt ist) ist ein pulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal), das eine Periode aufweist, die einer Frequenz von 200 Kilohertz (KHz) entspricht, und eine Amplitude aufweist, die sich von -20 V bis +80 V erstreckt. Das Tastverhältnis des PWM-Signals wird von 20 Prozent bis 80 Prozent variiert und eine Energieversorgungsspannung für den Differenzverstärker und Komparatorschaltungen (z. B. VCC) wird auf 5 V gesetzt. Ein Gegentaktmoduseingangssignal (das in 5B veranschaulichend gezeigt ist) läuft von 0,98 V zu 1,02 V hoch und läuft dann zu 0,92 V herunter. Die Komparatorschaltungsschwellenwertspannung wird auf 1 V mit einem Hysteresewert von 60 mV gesetzt.
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Eine Verstärkung des Differenzverstärkers wird auf 20 gesetzt. Weil die Energieversorgungsspannung für den Differenzverstärker 5 V ist und seine Verstärkung 20 ist, kann der maximal zulässige Gegentakteingang für den Differenzverstärker als 5 V / 20 oder 250 mV angenähert werden. Wie in 5C gezeigt ist, ist, weil das Gegentakteingangssignal zum Differenzverstärker in der Nähe von 1 V liegt, der Stromerfassungsverstärker gesättigt und seine Ausgabe ist ungefähr konstant bei etwa 5 V. 5D veranschaulicht, dass die Komparatorschaltungsausgangsstufe einmal die Polarität ändert, wenn die Gegentaktmoduseingangsspannung über 1 V liegt (z. B. geht die Komparatorausgabe von 5 V zu 0 V über), und erneut, nachdem das Gegentakteingangssignal unter 0,94 V liegt (z. B. geht die Komparatorausgabe von 0 V zu 5 V über). Im Allgemeinen zeigt 5D, dass die Komparatorschaltung bei Vorliegen einer Sättigung des Differenzverstärkers immer noch ordnungsgemäß funktioniert, weil sie nicht auf den Differenzverstärker zurückgreift.
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Verschiedene Anmerkungen
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Ein Differenzverstärker kann verwendet werden, um eine verstärkte Darstellung eines erfassten Stroms durch eine Lastvorrichtung bereitzustellen. Ein getrennter Signalweg kann verwendet werden, um eine schnelle Fehlererkennung bereitzustellen, ohne eine Verwendung des Differenzverstärkers zu erfordern. Zum Beispiel kann eine Spannungsskalierungsschaltung verwendet werden, um ein Gegentakteingangssignal, das den Laststrom anzeigt, zu skalieren. Die skalierte Darstellung kann dann mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der einem Fehlerstromwert entspricht, verglichen werden. Auf diese Weise kann ein Hochgeschwindigkeitsniederspannungskomparator verwendet werden, um eine Erkennung eines Fehlerstroms bereitzustellen, der andernfalls einen Eingangsbereich des Differenzverstärkers überschreitet, wobei der Differenzverstärker getrennt zur Präzisionsstromüberwachung verwendet wird. Als ein veranschaulichendes Beispiel kann ein derartiges Schema eine Fehlererkennung bereitstellen, selbst wenn ein Eingang des Differenzverstärkers gesättigt ist.
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Jeder der nicht einschränkenden Aspekte in diesem Dokument kann eigenständig sein oder kann in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der weiteren Aspekte oder weiteren Gegenständen, die in diesem Dokument beschrieben werden, kombiniert werden.
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Die vorstehende ausführliche Beschreibung weist Bezüge auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden, auf. Die Zeichnungen zeigen veranschaulichend bestimmte Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Auf diese Ausführungsformen wird im Allgemeinen auch als „Beispiele“ Bezug genommen. Derartige Beispiele können Elemente zusätzlich zu denen, die gezeigt oder beschrieben werden, aufweisen. Allerdings sehen die Erfinder auch Beispiele vor, in denen lediglich diejenigen Elemente, die gezeigt oder beschrieben werden, bereitgestellt sind. Außerdem sehen die Erfinder auch Beispiele unter Verwendung beliebiger Kombinationen oder Permutationen derjenigen Elemente, die gezeigt oder beschrieben werden (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), entweder in Bezug auf ein bestimmtes Beispiel (oder einen oder mehrere Aspekte davon) oder in Bezug auf weitere Beispiele (oder einen oder mehrere Aspekte davon), die hier gezeigt oder beschrieben werden, vor.
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Im Falle inkonsistenter Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen Dokumenten, die durch Bezugnahme mit aufgenommen sind, hat die Verwendung in diesem Dokument Vorrang.
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In diesem Dokument werden die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie es in Patentdokumenten üblich ist, derart verwendet, dass sie eines oder mehr als eines aufweisen, unabhängig von weiteren Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Begriff „oder“ verwendet, um auf ein nicht ausschließliches oder Bezug zu nehmen oder derart, dass „A oder B“ „A jedoch nicht B“, „B jedoch nicht A“ und „A und B“ enthält, sofern es nicht anders angegeben wird. In diesem Dokument werden die Begriffe „aufweisen“ oder „bei dem“ als die Klartextentsprechungen der entsprechenden Begriffe „umfassen“ und „wobei“ verwendet. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „aufweisen“ und „einschließen“ unbegrenzt, d. h. ein System, eine Vorrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, der Elemente zusätzlich zu denen, die nach einem derartigen Begriff in einem Anspruch gelistet sind, aufweist, wird immer noch als in den Umfang dieses Anspruchs fallend erachtet. Darüber hinaus werden im Folgenden die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sind nicht dazu vorgesehen, numerische Anforderungen an ihre Gegenstände zu stellen.
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Verfahrensbeispiele, die hier beschrieben werden, können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die betreibbar sind, eine elektronische Vorrichtung auszubilden, um Verfahren, wie sie in den Beispielen oberhalb beschrieben sind, auszuführen. Eine Implementierung derartiger Verfahren kann Code wie z. B. Mikrocode, Assemblersprachencode, Code einer höherrangigen Sprache oder dergleichen aufweisen. Derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann in einem Beispiel der Code materiell in einem oder mehreren flüchtigen, nichtflüchtigen oder dauerhaften materiellen computerlesbaren Medien gespeichert sein, wie z. B. während der Ausführung oder zu anderen Zeiten. Beispiele dieser materiellen computerlesbaren Medien können Festplatten, entnehmbare Magnetplatten, entnehmbare optische Platten (z. B. Compact-Disks oder Digital-Video-Disks), Magnetkassetten, Speicherkarten oder Speichersticks, Schreib-/Lesespeicher (RAMs), schreibgeschützte Speicher (ROMs) und dergleichen aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Die vorstehende Beschreibung ist vorgesehen, veranschaulichend zu sein und nicht einschränkend. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Weitere Ausführungsformen können z. B. von einem Durchschnittsfachmann nach Durchsicht der vorstehenden Beschreibung verwendet werden. Die Zusammenfassung ist vorgesehen, um dem Leser zu ermöglichen, die Natur der technischen Offenbarung schnell zu ermitteln. Sie wird mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Umfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Außerdem können in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammengruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen. Dies sollte nicht derart interpretiert werden, dass beabsichtigt ist, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für einen beliebigen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der Erfindungsgegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit werden die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen mit aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eine getrennte Ausführungsform eigenständig ist und derart vorgesehen ist, dass derartige Ausführungsformen miteinander in verschiedenen Kombinationen und Permutationen kombiniert werden können. Der Umfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gemeinsam mit dem gesamten Umfang von Entsprechungen, zu denen derartige Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden.
