DE102020122571A1

DE102020122571A1 - Intelligenter elektronischer schalter

Info

Publication number: DE102020122571A1
Application number: DE102020122571.7A
Authority: DE
Inventors: Mirko Bernardoni; Christian Djelassi-Tscheck; Robert Illing; Martin Ringswirth; Mario Tripolt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2040-08-29
Also published as: US20220069560A1; CN114123096A; DE102020122571B4; US11527881B2

Abstract

Hierin wird eine Schaltung, die in einem intelligenten Schalter eingesetzt werden kann, beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Schaltung eine Überwachungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein Schutzsignal bereitzustellen. Die Überwachungsschaltung enthält eine nicht-lineare funktionale Einheit, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu empfangen und ein Leistungssignal, das die Leistung des Stromerfassungssignals repräsentiert, zu erzeugen. Die Schaltung enthält weiterhin ein erstes Filter, das dazu ausgebildet ist, das Leistungssignal zu empfangen und ein erstes gefiltertes Signal zu erzeugen, und ein zweites Filter, das dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal abhängt, zu empfangen und ein zweites gefiltertes Signal zu erzeugen. Eine Komparatorschaltung ist dazu ausgebildet, das erste gefilterte Signal und das zweite gefilterte Signal zu empfangen und das erste gefilterte Signal mit einem ersten Schwellenwert und das zweite gefilterte Signal mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen. Das Schutzsignal lässt darauf schließen, ob das erste gefilterte Signal den ersten Schwellenwert übersteigt oder ob das zweite gefilterte Signal den zweiten Schwellenwert übersteigt.

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 Untersysteme von größeren Installationen) enthält eine oder mehr Sicherungen, um einen Überstromschutz bereitzustellen. Standardsicherungen enthalten ein Stück Draht, das einen niederohmigen Strompfad bereitstellt, falls der durch die Sicherung fließende Strom unterhalb eines Nominalstroms liegt. Allerdings ist das Drahtstück so ausgelegt, dass es sich aufheizt und schmilzt oder verdampft, wenn der durch die Sicherung fließende Strom für eine bestimmte Zeit den Nominalstrom übersteigt. Einmal ausgelöst, muss die Sicherung durch eine neue ersetzt werden.
Sicherungen werden zunehmend durch Trennschalter („circuit breaker“) ersetzt. Ein Trennschalter ist ein automatisch betriebener, elektrischer Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Schaltung vor einer durch Überstrom, Überlast oder Kurzschluss verursachten Beschädigung zu schützen. Trennschalter 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. der bordeigenen Leistungsversorgung eines Automobils) können Trennschalter 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 elektronische Trennschalter können auch als elektronische Sicherungen (E-Sicherungen oder intelligente Sicherungen) bezeichnet werden. Neben ihrer Funktion als Trennschalter kann eine elektronische Sicherung auch dazu verwendet werden, eine Last regelmäßig ein- und auszuschalten. Üblicherweise wird der Schaltzustand (ein/aus) von elektronischen Schaltern wie beispielsweise MOS-Transistoren unter Verwendung sogenannter Treiberschaltungen oder einfach Treibern (Gatetreibern im Fall von MOS-Transistoren) gesteuert.
Üblicherweise sind herkömmliche Sicherungen - und elektronische Sicherungen - für eine (hypothetische) konstante elektrische Last, die eine bestimmte thermische Last auf dem Kabel erzeugt, ausgelegt. Das heißt, die konstante elektrische Last führt zu einer bestimmten Kabeltemperatur über der Umgebungstemperatur. Der Zweck der Sicherung besteht darin, sicherzustellen, dass die thermische Belastung an dem Kabel innerhalb einer definierten Grenze bleibt. Daher sind bekannte elektronische Sicherungsschaltungen dazu ausgelegt, die Zeit-Strom-Kennlinie eines Kabels, das die Last versorgt (die definiert, für wie lang ein bestimmter Strompegel durch die elektronische Sicherung fließen darf, bevor die Sicherung die Trennung der Last auslöst), zu emulieren. Allerdings ändert sich bei vielen Anwendungen die Last dynamisch. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die thermische Zeitkonstante von üblicherweise verwendeten Kabeln im Bereich von wenigen Minuten (z.B. 90 Sekunden bei einigen Anwendungen) liegt, kann die Aktivierung einer elektrischen Last für z.B. 30 Sekunden, verglichen mit der thermischen Zeitkonstanten des Kabels, ein hoch-dynamischer Prozess sein.
ÜBERBLICK
Hierin wird eine Schaltung, die in einem intelligenten Schalter eingesetzt werden kann, beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Schaltung eine Überwachungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein Schutzsignal bereitzustellen. Die Überwachungsschaltung enthält eine nicht-lineare funktionale Einheit, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu empfangen und ein Leistungssignal, das die Leistung des Stromerfassungssignals repräsentiert, zu erzeugen. Die Schaltung enthält weiterhin ein erstes Filter, das dazu ausgebildet ist, das Leistungssignal zu empfangen und ein erstes gefiltertes Signal zu erzeugen, und ein zweites Filter, das dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal abhängt, zu empfangen und ein zweites gefiltertes Signal zu erzeugen. Eine Komparatorschaltung ist dazu ausgebildet, das erste gefilterte Signal und das zweite gefilterte Signal zu empfangen und das erste gefilterte Signal mit einem ersten Schwellenwert zu vergleichen und das zweite gefilterte Signal mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen. Das Schutzsignal lässt erkennen, ob das erste gefilterte Signal den ersten Schwellenwert übersteigt oder ob das zweite gefilterte Signal den zweiten Schwellenwert übersteigt.
Weiterhin wird ein Verfahren, das in einem intelligenten Schalter verwendet werden kann, beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen eines Signals, das einen durch einen Leistungstransistor fließenden Laststrom repräsentiert, und das Erzeugen eines Schutzsignals basierend auf dem Stromerfassungssignal. Dabei beinhaltet das Erzeugen des Schutzsignals das Erzeugen eines Leistungssignals, das die Leistung des Stromerfassungssignals repräsentiert, durch Anwenden einer nicht-linearen Funktion auf das Stromerfassungssignal; das Filtern des Leistungssignals, um ein erstes gefiltertes Signal zu erzeugen, und das Erzeugen eines zweiten gefilterten Signals basierend auf dem Stromerfassungssignal; und das Vergleichen des ersten gefilterten Signals mit einem ersten Schwellenwert und des zweiten gefilterten Signals mit einem zweiten Schwellenwert. Das Schutzsignal lässt erkennen, ob das erste gefilterte Signal den ersten Schwellenwert übersteigt oder das zweite gefilterte Signal den zweiten Schwellenwert übersteigt.
Figurenliste
Die unten beschriebenen Ausführungsformen lassen sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsziffern korrespondierende 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, und eine beispielhafte Anwendung der elektronischen Sicherungsschaltung.
2 zeigt ein Beispiel für die Steuerschaltung von 1 ausführlicher.
3 zeigt ein Beispiel für eine in der Steuerschaltung von 2 verwendete Logikschaltung.
4 zeigt Zeitverlaufsdiagramme, die die Funktionsweise der in 2 gezeigten Steuerschaltung veranschaulichen.
5a ist eine Darstellung, die eine Familie von Kennlinienkurven (Zeit gegenüber Strom) für ein 0,35 mm²-Kabel und für verschiedene maximale Kabeltemperaturen veranschaulicht.
5b ist eine Darstellung, die eine Familie von Kennlinienkurven (Zeit gegenüber Strom) für eine maximale Kabeltemperatur von 25 Kelvin über der Umgebungstemperatur und für verschiedene Kabelquerschnitte veranschaulicht.
6 zeigt ein Beispiel für die bei dem Beispiel von 2 verwendete Überwachungsschaltung; die Überwachungsschaltung enthält ein Filter und einen Komparator, wobei die Filterzeitkonstante und der Komparatorschwellenwert die Zeit-Strom-Kennlinie der Überwachungsschaltung bestimmen.
7 zeigt ein erstes Beispiel für eine E-Sicherungs-(„intelligente Sicherungs“)-Schaltung, die die Auswahl von Kabelquerschnitt und maximaler Kabeltemperatur ermöglicht.
8 ist eine Darstellung, die den Effekt der Filterzeitkonstanten auf die Zeit-Strom-Kennlinie veranschaulicht, falls ein Tiefpassfilter erster Ordnung bei der Überwachungsschaltung von 6 verwendet wird.
9 ist eine Darstellung, die die Auswirkung des Komparatorschwellenwerts auf die Zeit-Strom-Kennlinie in einem Fall veranschaulicht, in dem bei der Überwachungsschaltung von 6 ein Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet wird.
Die 10 und 11 veranschaulichen zwei alternative Ausführungsformen einer Überwachungsschaltung, von denen beide mehrere Filter und Komparatoren mit unterschiedlichen Filterzeitkonstanten bzw. unterschiedlichen Komparatorschwellenwerten verwenden.
12 zeigt ein Beispiel für eine komplexe Zeit-Strom-Kennlinie, die mit den Ausführungsformen der 10 und 11 erreicht werden kann.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Überwachungsschaltung.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Teil der Überwachungsschaltung in einem externen Schaltkreis wie beispielsweise einem Mikrocontroller implementiert ist.

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. Weiterhin sind die Ausführungsformen, auch wenn die hierin beschriebenen Beispiele auf eine elektronische Sicherungsschaltung gerichtet sind, nicht auf Anwendungen, die sich auf elektronische Sicherungen beziehen, beschränkt.
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. Gemäß den vorliegenden Beispielen 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 des elektronischen Schalters 2 gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter 2 anzusteuern. Die elektronische Sicherungsschaltung F mit dem elektronischen Schalter 2 und der Steuerschaltung 1 kann in einem Halbleiter-Die (Chip) monolithisch integriert sein oder kann in zwei Halbleiter-Dies, die in einem Integrierte-Schaltung-Package angeordnet sind, integriert sein. Alternativ können der Gate-Treiber und der MOSFET in getrennten Chips integriert sein. Die elektronische Sicherungsschaltung F ist dazu ausgebildet, eine Last Z (die Leitungen, die die Last anschließen, 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 Z zwischen Versorgungsknoten, an denen ein erstes Versorgungspotential und ein zweites Versorgungspotential bereitgestellt werden kann, angeschlossen werden. Das zweite Versorgungspotential wird üblicherweise als Massepotential GND (z.B. null Volt) bezeichnet. Im Folgenden wird eine Spannung zwischen den beiden 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, anstelle eines Mikrocontrollers auch durch einen beliebigen anderen Schaltkreis erzeugt werden.
Bei einer beispielhaften Anwendung kann die elektronische Sicherungsschaltung F verwendet werden, um eine Last Z in einem Automobil anzusteuern. In diesem Fall ist die Leistungsquelle, die die Versorgungsspannung V_B liefert, eine Automobilbatterie. Allgemein kann „eine Last anzusteuern“ 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 beinhalten unter anderem verschiedene Arten von Lampen, verschiedene Arten von Motoren, Relais, ein Heizsystem oder dergleichen. Die Last Z kann auch ein elektronisches Sub-System (einschließlich mehrerer individueller elektrischer Lasten) der elektrischen Installation eines Automobils beinhalten. Bei dem Beispiel von 1 sind der elektronische Schalter 2 und die Last Z in einer High-Side-Konfiguration verbunden. Das heißt, die Last Z ist zwischen dem elektronischen Schalter 2 und dem Masseknoten GND angeschlossen. Allerdings stellt dies nur ein Beispiel dar. Der elektronische Schalter 2 und die Last Z können auch genauso gut in einer Low-Side-Konfiguration oder in einer beliebigen anderen Konfiguration verbunden sein. 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) leitenden Draht mit dem elektronischen Schalter 2 verbunden sein. Abhängig davon, wo sich die elektronische Schaltung und die entsprechende Last Z in der elektrischen Installation eines Automobils befinden, kann der Draht eine beträchtliche Länge von mehreren 10 cm oder sogar signifikant 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 mit ihren jeweiligen elektronischen Schaltern zu verbinden. Um Kosten und Ressourcen einzusparen, kann es wünschenswert sein, die einzelnen Drähte so zu dimensionieren, dass sie einem Nominalstrom der angeschlossenen Last lange Zeit widerstehen. Wenn jedoch der Strom über den Nominalstrom ansteigt, kann der Draht aufgrund von Überhitzung beschädigt oder sogar zerstört werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerschaltung 1 deshalb eine Stromüberwachungsfunktion besitzen, um den durch den elektronischen Schalter 2 (und die Last Z) fließenden Laststrom i_L zu überwachen. Die Stromüberwachung ermöglicht es, den elektronischen Schalter auszuschalten, um den Draht (und die Last Z) zu schützen, wenn eine „Überlastsituation“ detektiert wird. Bei einer Überlastsituation handelt es sich um eine Situation, die dazu führen kann, dass der Draht oder die Last beschädigt oder zerstört werden, wenn der elektronische Schalter 2 nicht (innerhalb einer bestimmten Zeit) ausgeschaltet wird, um den Draht (und die Last) von der Leistungsquelle, die die Versorgungsspannung V_B (z.B. die Automobilbatterie) liefert, zu trennen. Dieser Mechanismus wird unten ausführlicher erläutert. 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 bezeichnet.
Bei dem Beispiel von 1 ist der elektronische Schalter 2 schematisch als Schaltungsblock, der einen Schalter enthält, gezeichnet. Im Folgenden beinhaltet der Ausdruck „elektronischer Schalter“ einen beliebigen Typ von elektronischem Schalter oder elektronischem Schaltkreis, der einen Steuerknoten 21 und einen Laststrompfad zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 besitzt und der dazu ausgebildet ist, abhängig von einem an dem Steuerknoten 21 empfangenen Ansteuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden. „Eingeschaltet“ bedeutet, dass der elektronische Schalter 2 in einem Ein-Zustand arbeitet, in dem der elektronische Schalter 2 in der Lage ist, zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 einen Strom 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 2 zumindest einen Transistor. Bei dem zumindest einen Transistor kann es sich zum Beispiel um einen MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt Transistor), einen IGBT (Bipolar Transistor mit isoliertem Gate), einen JFET (Sperrschicht-Feldeffekt Transistor), einen BJT (Bipolar Transistor) oder einen HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) handeln.
Im Folgenden werden Beispiele für die Steuerschaltung 1 und deren Funktion unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert. Insbesondere wird die Funktionsweise der Steuerschaltung 1 unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen abgebildeten Funktionsblöcke erläutert. Es ist anzumerken, dass diese Funktionsblöcke die Funktion der Steuerschaltung 1 und nicht ihre konkrete Implementierung darstellen. Diese Funktionsblöcke können zugeordnete Schaltungsblöcke sein, die dazu ausgebildet sind, die entsprechende, unten erläuterte Funktion auszuführen. Allerdings ist es ebenso möglich, dass die Funktionen der einzelnen Funktionsblöcke (zumindest teilweise) durch eine programmierbare Schaltung (z.B. einen Prozessor), die dazu ausgebildet ist, in einem Speicher gespeicherte Software/Firmware auszuführen, ausgeführt werden.
2 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Steuerschaltung 1. Bei diesem Beispiel beinhaltet die Steuerschaltung 1 eine Überwachungsschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Schutzsignal OC basierend auf einer Zeit-Strom-Kennlinie des Laststroms i_L zu erzeugen. Der Ausdruck „das erste Schutzsignal OC basierend auf der Zeit-Strom-Kennlinie des Laststroms zu erzeugen“ kann beinhalten, dass die Überwachungsschaltung 4 ein Signal verarbeitet, das die Ist-Stromamplitude des Laststroms i_L sowie vorangehende Stromamplituden repräsentiert, um das erste Schutzsignal OC zu erzeugen. Das heißt, die Überwachungsschaltung 4 wertet den Laststrom i_L über einen bestimmten Zeitraum 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 kann gemäß einem Beispiel proportional zu dem Laststrom i_L sein. Bei dem Beispiel von 2 ist das Stromerfassungssignal CS an einem Erfassungsausgang 24 des elektronischen Schalters 2 verfügbar. In diesem Fall kann eine Strommessschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Laststrom i_L zu messen und das Stromerfassungssignal CS bereitzustellen, (zumindest teilweise) in dem elektronischen Schalter 2 integriert sein. Allerdings stellt dies nur ein Beispiel dar. Eine von dem elektronischen Schalter 2 getrennte Strommessschaltung kann ebenso gut verwendet werden. Verschiedene Stromerfassungsschaltungen (z.B. Shunt-Widerstände, Sense-FET-Schaltungen, etc.) sind bekannt und werden daher hierin nicht ausführlich weiter erläutert.
Die in 2 dargestellte Steuerschaltung 1 ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 2 basierend auf dem Schutzsignal OC und einem an einem ersten Eingangsknoten (z.B. Eingangs-Pin) P_IN der elektronischen Sicherungsschaltung F empfangenen Eingangssignal S_IN anzusteuern. Das Schutzsignal OC sowie das Eingangssignal S_IN werden einer Logikschaltung 3 zugeführt, die ein Ansteuersignal S_ON basierend auf dem Schutzsignal OC und dem Eingangssignal S_IN erzeugt. Das Ansteuersignal S_ON wird dem Steuerknoten 21 des elektronischen Schalters 2 direkt oder (z.B. über die Treiberschaltung 5) indirekt 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 aufweist, der anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2 einzuschalten, oder einen Aus-Pegel, der anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2 auszuschalten. 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). Bei einem MOSFET handelt es sich um ein spannungsgesteuertes Halbleiterbauelement, das abhängig von einer zwischen einem Gate-Knoten und einem Source-Knoten angelegten Ansteuerspannung ein- oder ausschaltet. Bei diesem Beispiel ist der Treiber dazu ausgebildet, die Ansteuerspannung (Gate-Spannung V_G) basierend auf dem Ansteuersignal S_ON zu erzeugen, um den MOSFET entsprechend dem Ansteuersignal ein- oder auszuschalten. Wenn MOSFETs verwendet werden, wird der Treiber 5 auch als Gatetreiber bezeichnet.
Die Schaltung von 3 zeigt eine beispielhafte Implementierung von (einem Teil) der Logikschaltung 3. Bei dem vorliegenden Beispiel enthält die Logikschaltung 3 einen Inverter 33, ein SR-Latch 31 (Flip-Flop) und ein UND-Gatter 32. Ein erster Eingang des UND-Gatters 32 ist dazu ausgebildet, das Eingangssignal S_IN zu empfangen, während der Rücksetz-Eingang R des SR-Latches 31 dazu ausgebildet ist, das durch den Inverter 33 bereitgestellte, invertierte Eingangssignal zu empfangen. Der Setz-Eingang S des SR-Latches 31 ist dazu ausgebildet, das Schutzsignal OC zu empfangen. Der invertierende Ausgang Q' des SR-Latches 31 ist mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 32 verbunden. Das Ansteuersignal S_ON wird an dem Ausgang des UND-Gatters 32 bereitgestellt.
Die Funktionsweise der Logikschaltung 3 wird in den Zeitverlaufsdiagrammen von 4 weiter veranschaulicht. Der anfängliche Low-Pegel des Eingangssignals S_IN bewirkt ein Zurücksetzen des SR-Latches 31, was zu einem High-Pegel an dem invertierenden Ausgang Q' des SR-Latches 31 führt. Entsprechend „sehen“ beide Eingänge des UND-Gatters 32 einen High-Pegel und der Ausgang des UND-Gatters 32 liefert das Ansteuersignal S_ON mit einem High-Pegel. Wenn das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₁ und t₂) wechselt, „sieht“ das UND-Gatter 32 einen Low-Pegel an seinem ersten Eingang und der Ausgang des UND-Gatters 32 liefert das Ansteuersignal S_ON mit einem Low-Pegel (der ein Ausschalten des Leistungstransistors 2 bewirkt). Mit anderen Worten, das Eingangssignal S_IN wird durch die Logikschaltung 3 geführt (d.h., das Ansteuersignal S_ON ist gleich dem Eingangssignal S_IN), vorausgesetzt, dass sich das SR-Latch 31 in seinem Rücksetz-Zustand befindet. Sobald das SR-Latch 31 als Reaktion auf das auf einen High-Pegel wechselnde 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 an seinem zweiten Eingang einen Low-Pegel, und das Ansteuersignal S_ON wird auf einen Low-Pegel gesetzt. Mit anderen Worten, das Eingangssignal S_IN wird durch das UND-Gatter 32 ausgetastet. Das Ansteuersignal S_ON bleibt auf einem Low-Pegel, bis das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 und ein Zurücksetzen des SR-Latches 31 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₄) und wieder auf einen High-Pegel (der ein Einschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₅) gesetzt wird. Es wird erneut angemerkt, dass die Funktionsweise der beispielhaften Implementierung von 3 ebenso gut auf verschiedene andere Arten implementiert werden kann. Weiterhin wird angemerkt, dass das Zurücksetzen des SR-Latches 31 bei anderen Ausführungsformen auf eine andere Weise ausgelöst werden kann. Zum Beispiel kann der Mikrocontroller 8 (siehe 1) ein zugeordnetes Rücksetz-Signal liefern.
Wie oben erwähnt, kann der Draht, der die Last Z und die elektronische Sicherungsschaltung F verbindet, 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 Kennlinien (von denen jede eine bestimmte Zeit-Strom-Kennlinie repräsentiert) zeigen, wobei jede Kennlinie einer bestimmten Kombination von maximaler Temperaturdifferenz dT (maximale Temperatur über Umgebungstemperatur) und Kabelquerschnitt (z.B. Querschnittsfläche in mm²) zugeordnet ist. Jede Kennlinie kann als „Isotherme“ (Linie gleicher Temperatur dT) betrachtet werden und repräsentiert die Beziehung zwischen dem Strom und dem maximal zulässigen Zeitraum, für den der Draht den Strom tragen kann, ohne die spezifizierte Temperaturdifferenz dT zu übersteigen.
5A zeigt Kennlinien für verschiedene Temperaturdifferenzen dT und eine spezifische Querschnittsfläche von 0,35 mm², während 5B Kennlinien für eine spezifische Temperaturdifferenz dT von 25 K (Kelvin) und verschiedene Querschnittsflächen zeigt. Wie aus 5A und 5B zu sehen ist, kann ein Draht mit einer Querschnittsfläche von 0,35 mm² eine Strom von näherungsweise 9 A (Ampere) für eine praktisch unbegrenzte Dauer tragen, ohne die Temperaturdifferenz dT von 25 K über Umgebungstemperatur zu übersteigen. Wie aus 5B zu sehen ist, kann ein Draht mit einer Querschnittsfläche von 0,75 mm² einen Strom von 10 A (Ampere) für näherungsweise 100 Sekunden oder 35 A für näherungsweise 1 Sekunde tragen, bevor er eine Temperaturdifferenz dT von 25 K über Umgebungstemperatur übersteigt. Allgemein gilt, dass der zulässige Zeitraum für eine gegebene Querschnittsfläche und eine gegebene Temperaturdifferenz umso kürzer ist, je höher der Strom ist. Es wird angemerkt, dass die in den Diagrammen der 5A und 5B gezeigten Kennlinien in einer doppelt logarithmischen Darstellung einen linear abfallenden Zweig besitzen.
Wie den 5A und 5B zu entnehmen ist, ist eine Temperaturdifferenz dT_x (z.B. Temperaturwerte dT₁, dT₂, dT₃, dT₄, dT₅, dT₆) für einen gegebenen Strom (siehe 5A, Strom i_x) und einer bestimmten Querschnittsfläche (bei dem Beispiel von 5A z.B. 0,35 mm²) einer gegebenen Integrationszeit t_x (z.B. Zeiten t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆) zugeordnet. Daher kann ein Temperaturwert dT (der die Temperatur über der Umgebungstemperatur repräsentiert) für einen bestimmten Drahtquerschnitt durch Integrieren der aus einem durch den Draht fließenden Laststrom i_L=i_x resultierenden Leistung über die Zeit bestimmt werden. Das erste Schutzsignal OC kann ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 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, effizient implementiert werden. Eine beispielhafte Implementierung einer Überwachungsschaltung ist in 6 dargestellt. Bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist das digitale Filter ein Tiefpassfilter. Bei einer Ausführungsform ist das Tiefpassfilter ein Filter erster Ordnung, was ausreicht, wenn ein einfaches thermisches Modell eines Kabels (basierend auf dem Fourier'schen Gesetz) verwendet wird.
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, das eine (durch ein Tiefpassfilter implementierte) integrierende Eigenschaft aufweist, ausgeführt werden. 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 besitzen, zu entfernen. Der Ausgang des Filters 45 kann mit dem Eingang eines Analog-DigitalWandlers (ADC) 41, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Stromerfassungssignal CS zu digitalisieren, verbunden sein. Der ADC 41 kann eine logarithmische Kennlinie besitzen, um den in den 5A und 5B gezeigten, logarithmischen Kennlinien Rechnung zu tragen. Das (z.B. logarithmierte) digitale Stromerfassungssignal CS_DIG wird dann durch das digitale Filter 42 in einen Temperaturwert dT „transformiert“. 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 zu setzen, wenn der an dem Ausgang des digitalen Filters 42 bereitgestellte Temperaturwert dT eine erste Referenztemperaturdifferenz dT_R (z.B. 25 K), die für einen bestimmten Drahtquerschnitt spezifiziert ist, übersteigt.
Die in 6 abgebildete Quadrier-Einheit 46 kann, abhängig von der Kennlinie des ADCs 41, weggelassen werden. Wenn jedoch der ADC 41 eine „normale“ (d.h. lineare) Kennlinie besitzt, ist die Quadrierung erforderlich, um einen Wert, der auf die Leistung schließen lässt, zu erhalten. Bei anderen Ausführungsformen sollte die Quadrier-Einheit 46, wenn sie weggelassen wird, durch andere geeignete, nicht-lineare Funktionen ersetzt werden. Im Wesentlichen repräsentiert das dem Filter 42 zugeführte Eingangssignal die aus dem Laststrom i_L resultierende Leistung.
Wie erwähnt, ist das digitale Filter 42 dazu ausgebildet, den (z.B. quadrierten) Laststrom und eine zugehörige Integrationszeit, während der der Strom durch den Draht fließt, in einen Temperaturwert dT zu wandeln. Bei dem vorliegenden Beispiel hängt die Filtercharakteristik 42 von einem Parameter, der den Draht charakterisiert, z.B. der Querschnittsfläche des Drahts, der den Strom trägt, ab und kann durch eine Familie von Kennlinien wie beispielsweise die in dem Diagramm von 5A (für eine beispielhafte Querschnittsfläche von 0,35 mm²) gezeigten repräsentiert werden.
7 zeigt ein Beispiel für eine elektronische Sicherungsschaltung, die weiterhin als intelligente Sicherungsschaltung 10 bezeichnet wird. Die Schaltung von 7 ist im Wesentlichen dieselbe wie die Schaltung von 2, und es wird Bezug genommen auf die entsprechende Beschreibung. Allerdings ist die Logikschaltung 3 anspruchsvoller als bei dem Beispiel von 2, und die Überwachungsschaltung 4 ist entsprechend 6 implementiert, wobei das analoge Tiefpassfilter 45 weggelassen wurde (das Tiefpassfilter 45 ist optional). Allerdings ist die Überwachungsschaltung 4, abweichend von dem Beispiel in 6, bei dem vorliegenden Beispiel 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 (Temperaturschwellenwert) auszuwählen. Bei den hierin beschriebenen Beispielen repräsentiert der zumindest eine Drahtparameter die Kabelquerschnittsfläche und/oder den maximalen Temperaturwert über der Umgebungstemperatur. Wie den Diagrammen von 5 zu entnehmen ist, definieren diese beiden Drahtparameter eine bestimmte Kennlinie, die das gewünschte Verhalten der elektronischen Sicherungsschaltung für ein(en) bestimmten Draht/bestimmtes Kabel repräsentiert. Es versteht sich, dass andere Parameter wie beispielswiese Drahtdurchmesser oder Absoluttemperatur (z.B. falls die Umgebungstemperatur gemessen wird) als Drahtparameter verwendet werden können. Darüber hinaus repräsentiert ein Drahtparameter nicht notwendigerweise irgendeine physikalische Größe (wie beispielsweise Querschnittsfläche oder Temperatur), sondern er kann ein lediglich numerischer Parameter sein, der das Bestimmen (z.B. Auswählen) der durch die Überwachungsschaltung verwendeten, gewünschten Kennlinie ermöglicht. Bei einem Beispiel ist der Drahtparameter lediglich eine die anzuwendende Kennlinie anzeigende Zahl. 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 separaten, in dem Chip-Package angeordneten Halbleiter-Dies integriert sein können. Allerdings kann die intelligente Sicherungsschaltung 10 bei anderen Ausführungsformen in zwei oder mehr getrennte Chip-Packages verteilt sein. Bei dem Beispiel von 7 sind sämtliche abgebildeten Schaltungskomponenten in einem Halbleiterchip integriert.
The Laststrompfad des elektronischen Schalters 2 kann zwischen einem Versorgungspin SUP und einem Ausgangspin OUT der intelligenten Sicherungsschaltung 10 angeschlossen sein. Im Allgemeinen kann die Logikschaltung 3 dazu ausgebildet sein, von einem Mikrocontroller oder einem anderen Steuerschaltkreis zumindest einen Drahtparameter zu empfangen, der bei dem vorliegenden Beispiel Informationen über eine Drahtquerschnittsfläche A und eine Referenztemperaturdifferenz dT_R enthält. Wie in 6 dargestellt, kann die Logikschaltung 3 dazu ausgebildet sein, Signale von einem Controller über einen Eingangs-Pin IN (Eingangssignal S_IN, siehe auch 2) und Eingangspins SEL_WIRE und SEL_dT (Auswahlsignale Ssi und S_S2, die eine Drahtquerschnittsfläche und eine Temperaturdifferenz repräsentieren) 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 zu wandeln, die/der geeignet ist, den elektronischen Schalter 2 ein- und auszuschalten. 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.
Wie erwähnt, kann das Filter 42 als Tiefpassfilter erster Ordnung implementiert werden. Das heißt, die (zeitkontinuierliche) Filterübertragungsfunktion H(s) kann wie folgt geschrieben werden: $H (s) = \frac{b}{1 + s τ}$
wobei τ die Filterzeitkonstante repräsentiert und b die Filterverstärkung repräsentiert. Der Komparator 43 löst ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 (durch Erzeugen eines Überstromsignals OCs) aus, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: $L^{- 1} {P (s) \frac{b}{1 + s τ}} \geq Δ T .$
Das heißt, ein Ausschalten wird ausgelöst, wenn die geschätzte Kabeltemperatur, die durch das Filterausgangssignal des Filters 42 repräsentiert wird, einen Temperaturschwellenwert ΔT erreicht oder übersteigt (in Gleichung 2 bezeichnet $L^{- 1} {\cdot}$
die inverse Laplace-Transformation). Die obige Gleichung (2) kann umformuliert werden zu $L^{- 1} {P (s) \frac{1}{1 + s τ}} \geq d T_{R} .$
wobei dT_R = ΔT/b ist und P(s) die Laplace-Transformation des Filtereingangssignals bezeichnet. Aus den Bedingungen (2) und (3) ist evident, dass die Filterverstärkung b und der Schwellenwert ΔT keine unabhängigen Parameter sind. Eine bestimmte Referenztemperatur dT_R kann durch verschiedene Filterkombinationen der Filterverstärkung b und des Schwellenwerts ΔT erreicht werden. Das Variieren der Filterverstärkung b hat einen ähnlichen Effekt wie das Variieren des Temperaturschwellenwerts ΔT Es versteht sich, dass, obwohl dT_R eine Temperatur repräsentiert, sie nicht in Kelvin gemessen wird (wie in 10 zu sehen ist, besitzt dT_R die physikalische Dimension Amperequadrat).
Die 8 und 9 veranschaulichen die Auswirkung des Variierens der Filterzeitkonstanten τ und der Filterverstärkung b auf die Kennlinie (vgl. 5). Wie in 8 gezeigt, führt das Variieren der Filterzeitkonstanten τ aufgrund der Skalierung der Zeitachse zu einer Vertikalverschiebung der Kennlinie. Im Gegensatz dazu führt das Variieren der Filterverstärkung b, wie in 9 gezeigt, aufgrund der Skalierung der Stromachse zu einer Horizontalverschiebung der Kennlinie. Es wird angemerkt, dass bei dem Beispiel von 9 eine Filterverstärkung b=1 zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b =20 Grad Celsius führt. Ähnlich führt eine Filterverstärkung b=0,5 zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=40 Grad Celsius, eine Filterverstärkung b=0,2 führt zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=100 Grad Celsius, und eine Filterverstärkung b=0,1 führt zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=200 Grad Celsius.
Es wird nochmals betont, dass, anstelle die Filterverstärkung b zu ändern, die Referenztemperatur dT_R geändert werden kann, um denselben Effekt zu erzielen. In der weiteren Beschreibung wird (ohne Beschränkung der Allgemeinheit) angenommen, dass die Filterverstärkung b konstant und auf b=1 gesetzt ist und die Referenztemperatur dT_R einstellbar ist, um der Spezifikation für ein bestimmtes Kabel zu genügen.
Wie erwähnt, kann das durch das Filter 42 bereitgestellte und dem Komparatoreingang des Komparators 43 zugeführte Filterausgangssignal als Temperatur interpretiert werden. Wie aus den 8 und 9 ersichtlich ist, sind die Optionen zum Auswählen einer bestimmten Zeit-Strom-Kennlinie sehr beschränkt. Im Wesentlichen bestimmen die Filterzeitkonstante τ und der Komparatorschwellenwert dT_R die Kennlinie, die durch Variieren der Parameter τ und dT_R vertikal und horizontal verschoben werden kann. Allerdings ist es durch Ändern dieser beiden Parameter nicht möglich, die Form der Zeit-Strom-Kennlinie als solche zu ändern.
10 veranschaulicht eine modifizierte Überwachungsschaltung 4, die es ermöglicht, die Form der Zeit-Strom-Kennlinie flexibel anzupassen und sie für eine bestimmte Anwendung kundengerecht anzufertigen. Wie das Beispiel von 6 enthält das Beispiel von 8 einen Analog-Digital-Wandler 41 und eine Quadrier-Einheit 46. Der Analog-Digital-Wandler 41 empfängt das Stromerfassungssignal CS(t) und liefert das entsprechende digitalisierte Signal CS[k] (wobei k der Zeitindex ist); die Quadrier-Einheit 46 liefert ein Signal, das das quadrierte Signal CS[k]² repräsentiert. Das quadrierte Signal CS[k]² wird auf mehrere Signalpfade verteilt, wobei jeder Signalpfad ein Filter 42.n und einen Komparator 43.n (n=1, 2, ... N) enthält.
Die Ausgangssignale der Filter 42.1, 42.2, ..., 42.N sind mit y₁[k], y₂[k], ..., y_N[k] bezeichnet; und die Ausgangssignale der Komparatoren 43.1, 43.2, ..., 43.N sind mit OC₁, OC₂, ..., OC_N bezeichnet. Diese Überstromsignale OC₁, OC₂, ..., OC_N werden einer Logikschaltung 47, bei der es sich um ein ODER-Gatter mit mehreren Eingängen handeln kann, zugeführt. Die Komparatorschwellenwerte sind mit dT_R,1, dT_R,2, ... , dT_R,N bezeichnet. Das Ausgangssignal der Logikschaltung 47 ist mit OC[k] bezeichnet und signalisiert einen Fehler (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 auslösen kann), wenn eines der Überstromsignale OC₁, OC₂, ..., OC_N eine Verletzung des entsprechenden Komparatorschwellenwerts anzeigt. Bei dem Beispiel von 10 empfangen sämtliche Filter 42.1, 42.2, ..., 42.N das quadrierte Stromerfassungssignal CS[k]², wobei nur das Ausgangssignal y₁[k] auf die physikalische Größe „Kabeltemperatur“ schließen lässt.
Das Beispiel von 11 ist nahezu identisch zu dem vorangehenden Beispiel von 10 mit der Ausnahme, dass nur das erste Filter 42.1 das quadrierte Stromerfassungssignal CS[k]² empfängt, während die anderen Filter 42.2, ..., 42.N das (nicht-quadrierte) Stromerfassungssignal CS[k] empfangen. Wie erwähnt, lässt nur das Ausgangssignal y₁[k] des ersten Filters 42.1 auf die Kabeltemperatur schließen, während die verbleibenden Filter 42.2, ..., 42.N und die entsprechenden Komparatorschwellenwerte dT_R,2, ..., dT_R,N lediglich benötigt werden, um die Zeit-Strom-Kennlinie auf eine gewünschte Weise anzupassen, so dass sie den Anforderungen einer bestimmten Anwendung genügt. Ein Beispiel ist in 12 dargestellt. Demgemäß ist die resultierende Zeit-Strom-Kennlinie eine Verknüpfung von Segmenten der Kennlinien, die aus den N Signalpfaden (bei dem abgebildeten Beispiel für N=3) resultieren. Aufgrund der durch die Logikschaltung 47 bereitgestellten ODER-Verknüpfung ist die resultierende Zeit-Strom-Kennlinie durch das Minimum der Kennlinien der N Signalpfade bestimmt. Das heißt, wenn einer der N Signalpfade eine Überstromabschaltung signalisiert (Überstromsignale OC₁, OC₂, ..., OC_N), dann löst das Signal OC ein Ausschalten aus.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform, die als Verbesserung des Beispiels von 10 angesehen werden kann. Die Schaltung von 13 ist im Wesentlichen dieselbe wie die Schaltung in 10, jedoch mit zusätzlicher Schaltungstechnik zum Bestimmen der verbleibenden minimalen Aussteuerungsreserve, bevor ein Überstromsignal OC[k] (das üblicherweise ein Ausschalten auslöst) erzeugt wird. Entsprechend enthält die Schaltung von 13 Berechnungsschaltungen (z.B. Subtrahierer) 43.1, 43.2, ..., 43.N, die dazu ausgebildet sind, Ausgangssignale h₁[k], h₂[k], .. h_N[k], die die durch die Komparatoren 43.1, 43.2,...,43.N „gesehenen“ Differenzen y₁[k]-dT_R,1, y₂[k]-dT_R,2, ..., y_N[k]-dT_R,N repräsentieren, zu erzeugen. Die Auswahlschaltung 49 ist dazu ausgebildet, als Ausgangssignal h_min[k] das momentane Minimum der Signale h₁[k], h₂[k], ... h_N[k], d.h. h_min[k] = min{h₁[k], h₂[k], ... h_N[k]}, auszugeben. Das Signal h_min[k] repräsentiert die verfügbare Aussteuerungsreserve, bevor (durch Einstellen des Pegels des Signals OC[k] auf einen geeigneten Wert) ein Fehler signalisiert wird. Wie aus 13 zu sehen ist, ist die Schaltung in der Lage, drei Typen von zu verarbeitenden Informationen bereitzustellen. Eine derartige Information ist das Signal OC[k], das einen Überstrom anzeigt und üblicherweise ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 (vgl. 2) auslöst. Das Auslösen eines Ausschaltens als Reaktion auf das Signal OC[k] ist analog zu einer herkömmlichen Sicherung, die als Reaktion auf einen Überstrom ausgelöst wird. Eine weitere Information kann das Aussteuerreservesignal h_min[k] darstellen, was darauf schließen lässt, wie nahe die Überwachungsschaltung daran ist, ein Signal OC[k], das einen Überstrom anzeigt, zu erzeugen. Drittens können der Kabeltemperaturanstieg (Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebungstemperatur) oder der durch das Filter 43.1 berechnete, äquivalente thermische Zustand ebenso bereitgestellt werden.
Die Überwachungsschaltungen von 10, 11 und 13 können, wie unter Bezugnahme auf 7 erörtert, in einem Halbleiterchip-Package integriert sein. Eine beispielhafte Anwendung ist in 14 gezeigt, bei der die integrierte Schaltung einschließlich des elektronischen Schalters 2, der Überwachungsschaltung 4 und der Logikschaltung 3 (siehe auch die 2 und 7) als integrierte intelligente Sicherungsschaltung 10 bezeichnet wird. Das Eingangssignal S_IN wird bei dem vorliegenden Beispiel durch einen Mikrocontroller 8 bereitgestellt. Weiterhin ist die intelligente Sicherungsschaltung 10 dazu ausgebildet, das Stromerfassungssignal CS(t) oder irgendein anderes Signal, das den durch den elektronischen Schalter 2 fließenden Laststrom repräsentiert, bereitzustellen. Dieses Stromerfassungssignal CS(t) wird durch den Mikrocontroller 8 empfangen und digitalisiert.
Mit einer Schaltungsstruktur, wie sie in 14 gezeigt ist, ist es möglich, ein zusätzliches Filter (als Filter 42.N+1 bezeichnet) in dem Mikrocontroller 8 zu implementieren. Entsprechend digitalisiert der Mikrocontroller das Stromerfassungssignal CS(t) und speist das digitalisierte Signal CS[k] in ein digitales Filter (z.B. ein Tiefpassfilter wie oben unter Bezugnahme auf 10 erörtert). Das gefilterte Signal y_N+1[k] wird mit einem Referenzwert dT_R,N+1 verglichen und das Eingangssignal S_IN' wird ausgetastet, wenn das gefilterte Signal y_N+1[k] den Referenzwert dT_R,N+1 erreicht oder übersteigt. Das modifizierte (d.h. gegebenenfalls ausgetastete) Eingangssignal ist in 14 mit S_IN' bezeichnet. Das heißt, aufgrund des Austastens des Eingangssignals S_IN wird der elektronische Schalter 2 analog dazu ausgeschaltet, wie er es als Reaktion auf das Signal OC[k], das einen Überstrom signalisiert, würde. Entsprechend ist bei diesem Beispiel die Logikschaltung 3 (siehe die 2 und 7) teilweise in den Mikrocontroller 8 verlagert.
Es versteht sich, dass die bei dem Beispiel von 14 in dem Mikrocontroller 8 implementierte, zusätzliche Rückkopplungsschleife auch durch andere externe Schaltungstechnik (d.h. außerhalb der intelligenten Sicherungsschaltung 10) außerhalb des Mikrocontrollers implementiert werden kann.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehr Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben - sofern nicht anders angegeben - jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ausführt, strukturell nicht äquivalent ist.

Claims

Schaltung, die aufweist: eine Überwachungsschaltung (4), die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal (CS[k]) zu empfangen und ein Schutzsignal (OC) bereitzustellen, wobei die Überwachungsschaltung (4) aufweist: eine nicht-lineare funktionale Einheit, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS[k]) zu empfangen und ein Leistungssignal (CS[k]²), das die Leistung des Stromerfassungssignals repräsentiert, zu erzeugen; ein erstes Filter, das dazu ausgebildet ist, das Leistungssignal (CS[k]²) zu empfangen und ein erstes gefiltertes Signal (y₁[k]) zu erzeugen, und ein zweites Filter, das dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal (CS[k]) abhängt, zu empfangen und ein zweites gefiltertes Signal (y₂[k]) zu erzeugen; eine Komparatorschaltung, die dazu ausgebildet ist, das erste gefilterte Signal (y₁[k]) und das zweite gefilterte Signal (y₂[k]) zu empfangen und das erste gefilterte Signal (y₁[k]) mit einem ersten Schwellenwert (ΔT₁) und das zweite gefilterte Signal (y₂[k]) mit einem zweiten Schwellenwert (ΔT₂) zu vergleichen; wobei das Schutzsignal darauf schließen lässt, ob das erste gefilterte Signal (y₁[k]) den ersten Schwellenwert (ΔT₁) übersteigt oder das zweite gefilterte Signal (y₂[k]) den zweiten Schwellenwert (ΔT₂) übersteigt.
Schaltung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist: einen elektronischen Schalter (2), der zwischen einen Versorgungspin (SUP) und einen Ausgangspin (OUT) gekoppelt ist; eine Stromerfassungsschaltung, die mit dem elektronischen Schalter (2) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS[k]), das auf einen durch den elektronischen Schalter (2) fließenden Laststrom (i_L) schließen lässt, zu erzeugen.
Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Filter ein Tiefpassfilter ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Filter ein Tiefpassfilter erster Ordnung ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Eingangssignal des zweiten Filters ein Leistungssignal (CS[k]²) ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Eingangssignal des zweiten Filters das Stromerfassungssignal (CS[k]) ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stromerfassungsschaltung einen Analog-Digital-Wandler, der dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (CS[k]) in digitaler Form bereitzustellen, enthält; und wobei die nicht-lineare funktionale Einheit durch Verwenden einer nicht-linearen Analog-Digital-Wandlungskennlinie in dem Analog-Digital-Wandler implementiert ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die nicht-lineare funktionale Einheit dazu ausgebildet ist, ein digitales Quadrieren des Stromerfassungssignals (CS[k]) auszuführen.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die nicht-lineare funktionale Einheit dazu ausgebildet ist, das Leistungssignal (CS[k]²) als zu dem Quadrat des Laststroms (i_L) proportionales Signal zu erzeugen.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wenn Bezug nehmend auf Anspruch 2, wobei das erste gefilterte Signal (y₁[k]) eine Temperaturdifferenz eines mit dem elektronischen Schalter verbundenen Kabels relativ zur Umgebungstemperatur repräsentiert.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Überwachungsschaltung (4) weiterhin dazu ausgebildet ist, ein Aussteuerungsreservesignal (h[k]) basierend auf den Differenzen zwischen den der Komparatorschaltung zugeführten, gefilterten Signalen (y₁[k], y₂[k], ..., y_N[k]) und den betreffenden Schwellenwerten (dT_R1, dT_R2, ..., dT_RN) zu erzeugen.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, sofern Bezug nehmend auf Anspruch 2, die weiterhin aufweist: eine Logikschaltung (3), die dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf das Schutzsignal (OC) ein Ausschalten des elektronischen Schalters (2) auszulösen oder einen Fehler zu signalisieren.
Schaltung gemäß Anspruch 12, wobei die Logikschaltung (3) dazu ausgebildet ist, einen Einschaltbefehl zu empfangen und ein Einschalten des elektronischen Schalters (2) als Reaktion auf den Einschaltbefehl auszulösen.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, sofern Bezug nehmend auf Anspruch 2, wobei die Stromerfassungsschaltung, die nicht-lineare funktionale Einheit und das erste Filter in einem einzigen Halbleiterchip integriert sind, wobei der Halbleiterchip einen Ausgangskontakt aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Signal, das das Stromerfassungssignal (CS(t)) repräsentiert, bereitzustellen, und wobei das zweite Filter unter Verwendung eines mit dem Halbleiterchip verbundenen, externen Schaltkreises implementiert ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die weiterhin aufweist: zumindest ein drittes Filter, das dazu ausgebildet ist, das Eingangssignal, das von dem Stromerfassungssignal (CS[k]) abhängt, zu empfangen und ein drittes gefiltertes Signal (y₃[k]) zu erzeugen, wobei die Komparatorschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, das dritte gefilterte Signal (y₃[k]) zu empfangen und es mit einem dritten Schwellenwert (ΔT₃) zu vergleichen; wobei das Schutzsignal darauf schließen lässt, ob eines der gefilterten Signale (y₁[k], y₂[k], ... y_N[k]) den entsprechenden Schwellenwert (ΔT₁, ΔT₂, ... ΔT_N) übersteigt.
Verfahren, das aufweist: Bereitstellen eines Signals, das einen durch einen Leistungstransistor (2) fließenden Laststrom (i_L) repräsentiert; Erzeugen eines Schutzsignals (OC) basierend auf dem Stromerfassungssignal (CS); wobei das Erzeugen des Schutzsignals (OC) beinhaltet: Erzeugen eines Leistungssignals (CS[k]²), das die Leistung des Stromerfassungssignals repräsentiert, durch Anwenden einer nicht-linearen Funktion auf das Stromerfassungssignal (CS); Filtern des Leistungssignals (CS[k]²), um ein erstes gefiltertes Signal (y₁[k]) zu erzeugen, und Erzeugen eines zweiten gefilterten Signals (y₂[k]) basierend auf dem Stromerfassungssignal (CS); Vergleichen des ersten gefilterten Signals (y₁[k]) mit einem ersten Schwellenwert (dT_R1) und des zweiten gefilterten Signals (y₂[k]) mit einem zweiten Schwellenwert (dT_R2); wobei das Schutzsignal (OC[k]) darauf schließen lässt, ob das erste gefilterte Signal (y₁[k]) den ersten Schwellenwert (ΔT₁) übersteigt oder das zweite gefilterte Signal (y₂[k]) den zweiten Schwellenwert (ΔT₂) übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiterhin aufweist: Trennen eines Ausgangspins (OUT) von einem Versorgungspin (SUP) unter Verwendung des Leistungstransistors basierend auf dem Schutzsignal (OC[k]).