DE102020127040A1

DE102020127040A1 - Intelligenter elektronischer schalter

Info

Publication number: DE102020127040A1
Application number: DE102020127040.2A
Authority: DE
Inventors: Mirko Bernardoni; Robert Illing; Cosimo Lamacchia; Martin Ringswirth; Mario Tripolt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Hier wird eine Stromüberwachungsschaltung beschrieben, die in einem elektronischen Schalter, einer elektronischen Sicherung oder ähnlichen Einrichtungen verwendet werden kann. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Stromüberwachungsschaltung einen Analog-Digital-Wandler, der dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein entsprechendes digitales Stromsignal zu bereitzustellen; ein digitales Filter, das dazu ausgebildet ist, ein von dem digitalen Stromsignal abhängiges Signal zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal zu bereitzustellen; und einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal und einen digitalen Schwellenwert zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal den digitalen Schwellenwert überschreitet. Das digitale Filter enthält eine Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsblock und einer zeitabhängigen Rückkopplungsverstärkung, die von einem Schaltzustand eines Schaltelements abhängt. Eine weitere Ausführungsform betrifft einen intelligenten elektronischen Schalter, der die Stromüberwachungsschaltung enthält.

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 einem bestimmten Anstieg 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. Es gibt jedoch noch Raum für Verbesserungen bei elektronischen Einrichtungen.
ÜBERBLICK
Hier wird eine Stromüberwachungsschaltung beschrieben, die in einem elektronischen Schalter, einer elektronischen Sicherung oder ähnlichen Einrichtungen verwendet werden kann. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Stromüberwachungsschaltung einen Analog-Digital-Wandler, der dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein entsprechendes digitales Stromsignal zu bereitzustellen; ein digitales Filter, das dazu ausgebildet ist, ein von dem digitalen Stromsignal abhängiges Signal zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal zu bereitzustellen; und einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal und einen digitalen Schwellenwert zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal den digitalen Schwellenwert überschreitet. Das digitale Filter enthält eine Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsblock und einer zeitabhängigen Rückkopplungsverstärkung, die von einem Schaltzustand eines Schaltelements abhängt. Eine weitere Ausführungsform betrifft einen intelligenten elektronischen Schalter, der die Stromüberwachungsschaltung enthält.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Stromüberwachungsverfahren. Dementsprechend weist das Verfahren auf: Digitalisieren eines Stromerfassungssignals, um ein entsprechendes digitales Stromsignal bereitzustellen; Filtern - unter Verwendung eines digitalen Filters - eines von dem digitalen Stromsignal abhängigen Signals, um ein entsprechendes gefiltertes Signal bereitzustellen; und Vergleichen des gefilterten Signals und eines digitalen Schwellenwerts und Signalisieren, wenn das gefilterte Signal den digitalen Schwellenwert überschreitet. Das digitale Filter enthält eine Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsblock und einer zeitabhängigen Rückkopplungsverstärkung, die von einem Schaltzustand eines Schaltelements abhängt.
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.
10 zeigt eine Ausführungsform einer Filterschaltung, die in der Überwachungsschaltung von 6 verwendet werden kann.
11 zeigt eine Ausführungsform einer Stromüberwachungsschaltung mit einem Filter, das gemäß 10 implementiert ist.
12 zeigt in Diagrammen a-d verschiedene Konfigurationen der Ausführungsform von 12.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Filterschaltung, die eine Alternative zu dem Beispiel von 11 darstellt.

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 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) 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-Digital-Wandlers (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 i[n] 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 (Differenztemperaturwert). 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 SS₂, 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
{·} 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 A² (Ampere-Quadrat, entspricht Grad Celsius) führt. Ähnlich führt eine Filterverstärkung b=0,5 zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=40 A², eine Filterverstärkung b=0,2 führt zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=100 A², und eine Filterverstärkung b=0,1 führt zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=200 A².
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. Die hierin beschriebenen Beispiele zielen auf eine effiziente Implementierung einer Stromüberwachungsschaltung ähnlich zu dem Beispiel von 6 ab.
10 zeigt eine beispielhafte Implementierung eines digitalen Filters 42, das in den Stromüberwachungsschaltungen von 6 und 7 verwendet werden kann. Das digitale Filter 42 ist dazu ausgebildet, das Signal x[n], das von dem digitalen Stromsignal i[n] abhängt, zu empfangen und ein entsprechendes, mit y[n] bezeichnetes gefiltertes Signal bereitzustellen. Bei einem Beispiel ist das Einspeisungssignal x[n] des Filters 42 gleich oder proportional zu dem quadrierten Stromerfassungssignal i[n]2. Gemäß dem in 10 gezeigten Beispiel enthält das digitale Filter 42 eine Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsblock 420 und einer zeitabhängigen Rückkopplungsverstärkung g[n], die von einem Schaltzustand eines Schaltelements 424 abhängt.
Bei dem dargestellten Beispiel ist das Schaltelement als Schalter dargestellt, der während jedes K^ten Abtastintervalls geschlossen und während der anderen Abtastintervalle geöffnet ist. Es versteht sich jedoch, dass das Schaltelement in der Praxis nicht wirklich als physischer Schalter implementiert ist. Einem Fachmann sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, das Schaltelement 424 zu implementieren, zum Beispiel, indem er die durch den Summationsblock 422 durchgeführte mathematische Operation von der Bedingung abhängig macht, dass n mod K Null ist (wobei n der Zeitindex ist, der das Abtastzeitintervall bezeichnet, und mod die Modulo-Operation ist). Das heißt, bei dem Beispiel von 10 ist der Ausgangswert f[n] der Rückkopplungsschleife (d.h. der Ausgangswert des Summationsblock 422) $f [n] = - y [n - 1] + ((2^{- N}) \cdot y [n - 1]) = y [n - 1] \cdot (2^{- N} - 1), f \ddot{u} r n m o d K = 0, und$
$f [n] = y [n - 1] + 0 = y [n - 1] \cdot (- 1), f \ddot{u} r n m o d K \neq 0.$
Die obigen Gleichungen (4) und (5) können als eine Gleichung geschrieben werden, nämlich $f [n] = y [n-1] g [n],$
mit einer zeitabhängigen Verstärkung g[n], wobei g[n]=(2^-N-1) in jedem K^ten Zeitintervall (z. B. wenn n mod K = 0) und g[n]= (-1) sonst. In jedem Abtastintervall wird der Rückkopplungswert f[n] durch den Summationsblock 423 zu dem Eingangswert x[n] addiert.
Die Struktur von 10 kann als ein digitales dynamisches System betrachtet werden, für das eine Differenzgleichung wie folgt berechnet werden kann: $y [n] = f [n] + x [n] = y [n-1] \cdot g [n] + x [n]$
wobei g[n] wie oben erwähnt zeitabhängig ist. Das durch Gleichung (4) dargestellte System besitzt eine Tiefpasscharakteristik mit einer Zeitkonstante τ. Es kann gezeigt werden, dass - für eine gegebene Abtastperiode Ts - die Zeitkonstante τ = T_S·K·2^N ist. Zum Beispiel ergibt sich bei einer Abtastzeit Ts von 10 µs (entspricht einer Abtastrate von 100 kHz) und einem Exponenten N=17 eine Zeitkonstante τ = 1,31 s für K=1, τ = 2,62 s für K=2, τ = 3,93 s für K=3, τ = 5,24 s für K=4, usw.
Aus 10 und den obigen Erläuterungen geht hervor, dass die Zeitkonstante sehr einfach durch Festlegen des Wertes der Variablen K festgelegt werden kann. Aus 10 geht jedoch ebenfalls hervor, dass das Ändern des Wertes der Variablen K auch das Ändern der DC-Verstärkung (d. h. der Verstärkung für ein konstantes Eingangssignal im eingeschwungenen Zustand) des Filters impliziert. Um den Temperaturschwellenwert ΔT (Referenztemperatur), der von dem Komparator 43 verwendet wird, beim Ändern der Zeitkonstante (durch Ändern von K) auf einem bestimmten gewünschten Wert zu halten, muss auch der Wert des Temperaturschwellenwerts geändert werden. Es lässt sich zeigen, dass sich die DC-Verstärkung des Filters proportional zu K ändert. Das heißt, wenn K verdoppelt wird, muss der Schwellenwert dT_R ebenfalls verdoppelt werden, um die gewünschte Referenztemperatur ΔT beizubehalten.
11 zeigt eine Ausführungsform einer Stromüberwachungsschaltung 4 mit einem Filter 42, die gemäß dem Beispiel von 10 implementiert ist. Das Beispiel von 11 ist im Wesentlichen dasselbe wie das Beispiel von 6. Allerdings besitzt das digitale Filter 42 bei dem vorliegenden Beispiel eine Zeitkonstante τ, die, wie oben erörtert, von dem Wert von K abhängt. Weiterhin wird der durch den Komparator 43 verwendete Schwellenwert dT_R in einem digitalen Register 48 gespeichert. Um den Temperaturschwellenwert beim Ändern des Wertes von K (um die Zeitkonstante τ zu ändern) beizubehalten, muss der in dem Register 48 gespeicherte Wert dT_R entsprechend dem Wert von K geändert werden (d. h., wenn K verdoppelt/halbiert wird, muss dT_R verdoppelt/halbiert werden).
Das in 11 gezeigte Konzept kann auf sehr effiziente Weise implementiert werden, wenn der Wert von K auf eine Zweierpotenz eingestellt wird. Das heißt, K = 2^p mit p=0, 1, 2, 3, usw., was K=1, 2, 4, 8, usw. entspricht. In diesem Fall kann der in dem Register 48 gespeicherte Schwellenwert leicht durch Bitverschiebungsoperationen eingestellt werden. 12 veranschaulicht in Diagrammen (a) bis (d) verschiedene Konfigurationen des Beispiels von 11. Es wird angemerkt, dass die Referenztemperatur, bei der das Überstromsignal OC ausgelöst wird, bei allen Konfigurationen gleich bleibt. Es wird nur die Zeitkonstante τ geändert. Bei dem Beispiel von 12 wird die Abtastfrequenz wieder mit 100 kHz (Ts=10 µs) angenommen und der Wert von N (siehe 10) wird als 17 angenommen (der Wert von 2^-N ist daher 1/131072).
Diagramm (a) von 12 zeigt ein Beispiel, bei dem die Zeitkonstante τ durch Einstellen von K=8 auf 10,48 Sekunden eingestellt wird. Der in dem Register 48 gespeicherte Wert ist 248006362 (entspricht der Binärzahl
001110110010000100011011011010) und entspricht einer bestimmten Referenzdifferenz ΔT, z.B. ΔT=20 K (Kelvin). Bei dem Beispiel von 12, Diagramm (b), wird die Zeitkonstante τ durch Einstellen von K=8/2=4 auf 5,24 Sekunden eingestellt. Um die Referenztemperatur ΔT auf demselben Wert wie in Diagramm (a) zu belassen, muss der in dem Register 48 gespeicherte Wert halbiert (d. h. auf 124003181 = binär 00111011001000010001101101101 eingestellt) werden, was durch Verwerfen des niederwertigsten Bits des Registerwerts (entspricht einer Rechtsverschiebung um ein Bit) erreicht werden kann. Bei dem Beispiel von 12, Diagramm (c), wird die Zeitkonstante τ durch Einstellen von K=4/2=2 auf 2,62 Sekunden eingestellt. Wiederum muss der in dem Register 48 gespeicherte Wert, um die Referenztemperatur ΔT unverändert zu lassen, halbiert (d.h. auf 62001590 = binär 0011101100100001000110110110 eingestellt) werden, was durch Verwerfen der beiden niedrigstwertigen Bits des Registerwertes (entspricht einer Rechtsverschiebung um zwei Bits) erreicht werden kann. Bei dem Beispiel von 12, Diagramm (d), wird die Zeitkonstante τ durch Einstellen von K=2/2=1 auf 1,31 Sekunden eingestellt. Wiederum muss der in dem Register 48 gespeicherte Wert, um die Referenztemperatur ΔT unverändert zu lassen, halbiert (d.h. auf 31000795= binär 001110110010000100011011011 eingestellt) werden, was durch Verwerfen der drei niedrigstwertigen Bits des Registerwertes (entspricht einer Rechtsverschiebung um drei Bits) erreicht werden kann.
Es sei an dieser Stelle betont, dass der in dem Register 48 gespeicherte Istwert dT_R einer bestimmten, gewünschten Referenztemperatur ΔT entspricht. Wenn diese Referenztemperatur ΔT geändert werden soll, muss der Registerwert entsprechend geändert werden. Wenn die Zeitkonstante τ - für eine gegebene Referenztemperatur ΔT - durch Ändern des Wertes von K (K ist eine Potenz von 2) geändert wird, wird der tatsächlich von dem Komparator 43 verwendete Schwellenwert angepasst, indem eine entsprechende Anzahl von niederwertigen Bits verworfen wird (was durch eine Schiebeoperation oder andere geeignete Bitmanipulationsmechanismen erfolgen kann).
13 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Filters 42, die als eine alternative Darstellung des in 10 gezeigten Beispiels angesehen werden kann. Es sei angemerkt, dass die Schaltung von 13 keine echte Alternative zu der Schaltung von 10 darstellt. Die 10 und 13 sind vielmehr alternative Darstellungen derselben Schaltung. In 13 ist das Schaltelement 424 durch das Kronecker-Delta δ dargestellt. Das Kronecker-Delta δ ist eine allgemein bekannte mathematische Funktion, die entweder Null oder Eins ergibt, je nachdem, ob das Argument der Funktion gleich Null ist oder nicht. Zum Beispiel ergibt δ_a 1, wenn a=0 und 0, wenn a≠0. Bei dem Beispiel von 13 ergibt δ_{(n mod K)} 1, wenn n mod K gleich Null ist, und anderenfalls 0. Somit ist die Ausgabe des Kronecker-Funktionsblocks von 13 in jeder K^ten Abtastperiode 1 und andernfalls Null. Anstelle von δ(_n _mod _K) kann δ_{((n mοd K)} _{- c)} verwendet werden, wobei c eine ganze Zahl im Bereich von 0 bis K-1 ist.
Das Beispiel von 13 zeigt insbesondere, dass dem bei den hier beschriebenen Ausführungsformen verwendete Begriff „Schaltelement“ eine breite Bedeutung beizumessen ist. In 13 wird das Schaltelement 424 durch eine Multiplikation interpretiert, wobei der Multiplikator abhängig von der Ausgabe der Kronecker-Delta-Funktion entweder 0 oder 1 ist. Bei einer anderen Ausführungsform, die einen Prozessor einsetzen kann, der dazu ausgebildet ist, Software-/Firmware-Befehle auszuführen, kann das Schaltelement durch Verwenden einer bedingten Anweisung (if-then-else-Anweisung) wie beispielsweise „if n mod K, then f[n]= y[n-1] . (2^-N-1), else f[n] = y[n-1]“ oder dergleichen (vgl. Gleichungen (4) und (5)) realisiert werden. Es wird angemerkt, dass bedingte Anweisungen auch unter Verwendung einer fest verdrahteten Logikschaltung anstelle eines programmierbaren Prozessors implementiert werden können. Das heißt, der digitale Teil der Überwachungsschaltung 4 (mit Ausnahme des Analog-Digital-Wandlers) kann unter Verwendung eines Prozessors, der Software/Firmware-Befehle ausführt, oder mit einem fest verdrahteten Schaltkreis implementiert werden. Bei einer allgemeineren Ausführungsform ist die (zeitabhängige) Rückkopplungsverstärkung g[n] c+d·δ(_n _{mod K}), wobei c und d reellwertige Parameter (reelle Zahlen) sind, K ein positiver ganzzahliger Parameter ist (vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches einer Potenz von 2), n ein Zeitindex, der das Abtastintervall bezeichnet, ist und δ die Kronecker-Delta-Funktion ist.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe „besitzend“, „enthaltend“, „beinhaltend“, „aufweisend“, „mit“ und dergleichen offene Begriffe sind, die das Vorhandensein angegebener Elemente oder Merkmale anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein/einer//eine/eines“ und „der/die/das“ sollen sowohl den Plural als auch den Singular beinhalten, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben, miteinander kombiniert werden können.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehr konkrete Implementierungen dargestellt und beschrieben wurden, 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), selbst wenn sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ausführt, strukturell nicht äquivalent ist.
Fachleute werden erkennen, dass die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen durch eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Ausführungsformen ersetzt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher soll die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt sein.

Claims

Stromüberwachungsschaltung, die aufweist: einen Analog-Digital-Wandler (41), der dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal (CS(t)) zu empfangen und ein entsprechendes digitales Stromsignal (i[n]) bereitzustellen; ein digitales Filter (420), das dazu ausgebildet ist, ein von dem digitalen Stromsignal (i[n]) abhängiges Signal (x[n]) zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal (y[n]) bereitzustellen; einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal (y[n]) und einen digitalen Schwellenwert (dT_R) zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal (y[n]) den digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet; wobei das digitale Filter (42) eine Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsblock (420) und einer Rückkopplungsverstärkung (g[n]), die von einem Schaltzustand eines Schaltelements (424) abhängt, enthält.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsverstärkung zeitabhängig ist.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rückkopplungsverstärkung (g[n]) einen ersten Verstärkungswert (g₁=2^-N-1) für jedes K^te Abtastintervall und einen zweiten Verstärkungswert (g₂= -1) für alle anderen Abtastintervalle aufweist, wobei K eine positive ganze Zahl ist.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 3, wobei das digitale Filter eine Zeitkonstante (τ), die von dem Wert von K abhängt, aufweist.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der digitale Schwellenwert (dT_R) von dem Wert von K abhängt.
Stromüberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Rückkopplungsverstärkung (g[n]) c+d·δ(_n _{mod K}) ist, wobei c und d reelle Zahlen sind, K eine positive ganze Zahl ist, n eine ganze Zahl, die das Abtastintervall bezeichnet, ist, und δ die Kronecker-Delta-Funktion ist.
Stromüberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das digitale Filter (42) eine Zeitkonstante, die von einer Schaltrate des Schaltelements (424) abhängt, aufweist.
Stromüberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der digitale Schwellenwert (dT_R) von einer Schaltrate des Schaltelements (424) abhängt.
Stromüberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, wenn von Anspruch 2 abhängend, der Wert von K eine mit einer Potenz von 2 multiplizierte ganze Zahl ist.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 8, die weiterhin aufweist: ein Register, das dazu ausgebildet ist, einen digitalen Wert zu speichern, wobei der in dem Register gespeicherte digitale Wert den digitalen Schwellenwert (dT_R) bestimmt, wobei die p niederwertigsten Bits des in dem Register gespeicherten digitalen Wertes verworfen werden, wobei p eine positive ganze Zahl ist, die von dem Wert von K abhängt.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 10, wobei K gleich m·2^p ist, wobei m ein positiver ganzzahliger Multiplikator und p Null oder ein positiver ganzzahliger Exponent ist.
Intelligenter elektronischer Schalter mit: einer Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, einem Transistor mit einem Laststrompfad, der zwischen einen Versorgungsanschluss und einen Ausgangsanschluss gekoppelt ist; einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zum Ein- und Ausschalten des Transistors zu erzeugen; einer Stromerfassungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu erzeugen, das den Laststrom des Transistors repräsentiert; wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, als Reaktion darauf, dass der Komparator der Stromüberwachungsschaltung signalisiert, dass das gefilterte Signal (y[n]) den digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet, ein Ausschalten des Transistors auszulösen.
Verfahren, das aufweist: Digitalisieren eines Stromerfassungssignals (CS(z)), um ein entsprechendes digitales Stromsignal (i[n]) bereitzustellen; Filtern - unter Verwendung eines digitalen Filters (42) - eines Signals (x[n]), das von dem digitalen Stromsignal (i[n]) abhängt, um ein entsprechendes gefiltertes Signal (y[n]) bereitzustellen; Vergleichen des gefilterten Signals (y[n]) und eines digitalen Schwellenwerts (dT_R) und Signalisieren, wenn das gefilterte Signal (y[n]) den digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet; wobei das digitale Filter (42) eine Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsblock (42) und einer Rückkopplungsverstärkung (g[n]), die von einem Schaltzustand eines Schaltelements (424) abhängt, enthält.