DE102022106935B3

DE102022106935B3 - Intelligenter halbleiterschalter

Info

Publication number: DE102022106935B3
Application number: DE102022106935.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Mayer; Robert Illing
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2042-03-25
Also published as: CN116805871A; US20230307902A1

Abstract

Im folgende wird eine Schaltung für einen intelligenten Halbleiterschalter beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltung folgendes auf: einen elektronischen Schalter, der zwischen einen Ausgangsknoten und einen Versorgungsknoten angeordnet ist; eine Überstromschutzschaltung, die dazu ausgebildet ist, mittels eines Überstromsignals anzuzeigen, dass ein durch den elektronischen Schalter fließender Laststrom einen ersten Überstromschwellenwert überschritten hat, und eine Abschaltung des elektronischen Schalter zu veranlassen; und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in einem ersten Modus den elektronischen Schalter nach Maßgabe eines Eingangssignals ein- und auszuschalten, und in einem zweiten Modus durch mehrfaches Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters eine mit dem Ausgangsknoten verbundene Last anzusteuern und währenddessen eine dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters durch die Überstromschutzschaltung zu verhindern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der intelligenten Halbleiterschalter (smart semiconductor switches), die neben dem Schaltelement (z.B. einem MOS-Transistor) weitere Schaltkreise zum „intelligenten“ Betrieb des Schalters aufweisen.
HINTERGRUND
Es sind verschiedenste Typen von intelligenten Halbleiterschaltern für unterschiedliche Anwendungen (z.B. in Automobil- oder industriellen Anwendungen) bekannt. Derartige Halbleiterschalter beinhalten neben dem eigentlichen Schalter (meist einen High-Side-Leistungs-MOSFET) weitere Schaltkreise, beispielsweise um den Schalter ein- und auszuschalten und um ggf. Diagnoseinformation (z.B. Laststrom, Temperatur, etc.) auszugeben oder den Schalter vor Überlastung (z.B. aufgrund zu hoher Temperatur oder zu hoher Lastströme) zu schützen. Ein intelligenter Halbleiterschalter kann auch mehrere Kanäle aufweisen, die jeweils einen Schalter zum Ansteuern einer Last enthalten. Ein Beispiel eines intelligenten Halbleiterschalters, der z.B. als elektronische Sicherung eingesetzt werden kann ist in der Publikation US 20170294772 A1 beschrieben.
Intelligente Halbleiterschalter können Temperatursensoren aufweisen, sowie eine Schutzschaltung, die den Schalter bei zu hoher Temperatur deaktiviert, um eine thermische Überlastung zu vermeiden. In manchen Anwendungen werden sowohl die Sperrschichttemperatur des Halbleiterschalters als auch eine Chip-Temperatur abseits des Halbleiterschalters gemessen. Die Schutzschaltung kann dann z.B. die Temperaturdifferenz zwischen der Sperrschichttemperatur und der Chip-Temperatur abseits des Halbleiterschalters auswerten. Auch eine Strommessschaltung kann implementiert sein, um den Laststrom zu messen, der durch den Halbleiterschalter fließt. Im einfachsten Fall kann für die Strommessung in Strommesswiderstand verwendet werden. Es sind jedoch auch andere Ansätze zur Strommessung bekannt wie z.B. die Verwendung einiger Transistorzellen als „Sense-Transistor“. Die Schwellenwerte für eine Überstromabschaltung oder eine Übertemperaturabschaltung können konfigurierbar sein, sodass der intelligente Halbleiterschalter an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden kann.
Für manche Anwendungen, wie beispielsweise für das Schalten kapazitiver Lasten, sind bestehende Konzepte unflexibel, und eine der hier beschriebenen Erfindung kann darin gesehen werden, die bestehenden Konzepte zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Schaltung gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Im Folgenden wird eine Schaltung für einen intelligenten Halbleiterschalter beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltung folgendes auf: einen elektronischen Schalter, der zwischen einen Ausgangsknoten und einen Versorgungsknoten angeordnet ist; eine Überstromschutzschaltung, die dazu ausgebildet ist, mittels eines Überstromsignals anzuzeigen, dass ein durch den elektronischen Schalter fließender Laststrom einen ersten Überstromschwellenwert überschritten hat, und eine Abschaltung des elektronischen Schalter zu veranlassen; und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in einem ersten Modus den elektronischen Schalter nach Maßgabe eines Eingangssignals ein- und auszuschalten, und in einem zweiten Modus durch mehrfaches Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters eine mit dem Ausgangsknoten verbundene Last anzusteuern und währenddessen eine dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters durch die Überstromschutzschaltung zu verhindern.
Des Weiteren wird ein Verfahren für einen intelligenten Halbleiterschalter beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren das Ein- und Auszuschalten eines elektronischen Schalters nach Maßgabe eines Eingangssignals in einem ersten Modus, wobei der elektronische Schalter zwischen einen Ausgangsknoten und einen Versorgungsknoten angeordnet ist. Das Verfahren umfasst weiter das Veranlassen einer Abschaltung des elektronischen Schalters, wenn detektiert wird, dass ein durch den elektronischen Schalter fließender Laststrom einen ersten Überstromschwellenwert überschritten hat. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein mehrfaches Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters in einem zweiten Modus, um eine mit dem Ausgangsknoten verbundene Last anzusteuern, wobei währenddessen eine dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters verhindert wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:

1 illustriert ein Beispiel einer Schaltung, die als intelligenter Halbleiterschalter verwendet werden kann.
2 illustriert anhand von exemplarischen Timing-Diagrammen den Betrieb der Schaltung aus 1 an einer kapazitiven Last.
3 illustriert eine Modifikation der Schaltung aus 1, bei der der Schwellenwert für eine Überstromabschaltung bei einer kapazitiven Last auf ein Maximum gesetzt wird.
4 illustriert anhand von exemplarischen Timing-Diagrammen die Funktion der Schaltung aus 3 bei angeschlossener kapazitiver Last.
5 illustriert ein weiteres Beispiel einer Schaltung, die als intelligenter Halbleiterschalter verwendet werden kann.
6 zeigt eine Modifikation des Beispiels aus 3.
7 illustriert in einem Timing Diagramm die Filterung sehr kurzer, transienter Überstromereignisse.
8 zeigt eine weitere Modifikation des Beispiels aus 3.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor auf verschiedene Ausführungsbeispiele detaillierter eingegangen wird, soll zunächst ein Beispiel eines intelligenten Halbleiterschalters erläutert werden. Das in 1 dargestellte Beispiel zeigt einen intelligenten Halbleiterschalter mit einem Kanal, d.h. einem Leistungstransistor Ts zum Ansteuern einer Last. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf mehrkanalige Systeme anwendbar sind. Das Schaltelement ist im dargestellten Beispiel ein MOS-Transistor, insbesondere ein als DMOS-Feldeffekttransistor (double-diffused metal-oxide semiconductor field effect transistor) ausgebildeter MOSFET (metal-oxide semiconductorfield effect transistor). Es versteht sich, dass auch andere Typen elektronsicher Schalter zum Einsatz kommen können, wie z.B. Bipolartransistoren, IGBTs (insulated gate bipolar transistors) oder dergleichen.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist das Schaltelement (Leistungstransistor Ts) zwischen einen Ausgangsknoten OUT und einen Versorgungsknoten VS geschaltet. Sowohl der Ausgangsknoten OUT als auch der Versorgungsknoten VS können direkt (z.B. über Bond-Drähte oder dergleichen) mit entsprechenden Chip-Kontakten (z.B. Pins) verbunden sein. Das heißt, bei aktiviertem (eingeschaltetem) Leistungstransistor Ts fließt der Laststrom vom Versorgungsknoten VS (der mit einer Spannungsversorgung verbunden ist) über den Laststrompfad des Leistungstransistor Ts hin zum Ausgangsknoten OUT, der im Betrieb mit einer Last verbunden ist, die in 1 durch den Widerstand R_L symbolisiert wird. Der Leistungstransistor Ts arbeitet im vorliegenden Fall als High-Side-Schalter. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf Systeme mit Low-Side-Schaltern anwendbar sind.
Dass der Leistungstransistor Ts zwischen die Knoten VS und OUT geschaltet ist, schließt nicht aus, dass ein weiteres Element wie z.B. der Strommesswiderstand Rs zwischen dem Leistungstransistor Ts und einen der Knoten VS oder OUT angeordnet sein kann. Im dargestellten Beispiel ist der Messwiderstand Rs (sense resistor) zwischen die Source-Elektrode des (n-Kanal-) Leistungstransistors Ts und den Knoten OUT geschaltet. Der Spannungsabfall i_L·Rs über dem Messwiderstand Rs repräsentiert den Laststrom i_L, der durch den Laststrompfad (im Fall eines MOS-Transistors den Drain-Source-Strompfad) des Transistors fließt.
Die Steuerelektrode des Leistungstransistors Ts (im Fall eines MOS-Transistors die Gate-Elektrode) wird von einer Gate-Treiberschaltung 11 angesteuert. Diese ist dazu ausgebildet, abhängig von einem Logiksignal ON (Eingangssignal des Gate-Treibers) den Leistungstransistor Ts ein- und auszuschalten. Der Gate-Treiber 11 kann auch dazu ausgebildet sein, die Steilheit der Schaltflanken (d.h. die Slew-Rate) zu steuern. Im dargestellten Beispiel hängt die Slew-Rate von dem Signal SR ab, welches dem Gate-Treiber 11 zugeführt ist. Geeignete Gate-Treiberschaltungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht detaillierter diskutiert.
Das Logiksignal ON ist das Ergebnis einer logischen Verknüpfung mehrerer anderer Logiksignale. Im dargestellten Beispiel wird das Logiksignal ON von dem UND-Gatter 13 ausgegeben, welches die Verknüpfung ON = OT · IN' · OC durchführt. Der Punkt („·“) bezeichnet dabei eine logische Und-Verknüpfung und der Überstrich (overline) über OT und OC bezeichnet eine Negation. OT ist ein Logiksignal, das einen Übertemperaturzustand anzeigt, und OC ist ein Logiksignal, das einen Überstromzustand anzeigt. Im dargestellten Beispiel führen sowohl ein Übertemperaturzustand (OT=1, OT=0) als auch ein Überstromzustand (OC=1, OC=0) dazu, dass der Leistungstransistor Ts abgeschaltet wird. Das Logiksignal IN' kann als Schaltkommando zum Ein- und Ausschalten des Transistors Ts gesehen werden. Es hängt von dem am Eingangsknoten IN empfangenen Eingangssignal ab. Das Logiksignal IN' signalisiert ein Einschalten des Transistors Ts wenn entweder das am Eingangsknoten IN empfangenen Eingangssignal eine logische „1“ anzeigt oder das Signal CLS eine logische „1“ anzeigt. CLS kann auch als Abkürzung für „capacitive load switching“ (Schalten einer kapazitiven Last) verstanden werden. Diese Oder-Verknüpfung wird in dem dargestellten Beispiel von dem Oder-Gatter 14 durchgeführt, dessen Ausgangssignal das Logiksignal IN' ist. Der CLS-Modus wird später noch genauer erläutert, jedoch werden zuvor Überstrom- und Übertemperaturschutz diskutiert.
Die in 1 dargestellte Überstromschutzschaltung 31 ist dazu ausgebildet, das Strommesssignal mit einem zugehörigen Schwellenwert zu vergleichen. Im vorliegenden Beispiel signalisiert die Überstromschutzschaltung 31 einen Überstromzustand (OC=1) wenn der Laststrom iL den zugehörigen Schwellenwert i_OCT übersteigt (z.B. i_L·Rs>i_OCT·Rs). Im Wesentlichen beinhaltet die Überstromschutzschaltung 31 eine Komparatorschaltung. Geeignete Komparatorschaltungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter diskutiert. Die konkrete Implementierung der Überstromschutzschaltung 31 hängt unter anderem auch von der verwendeten Strommessschaltung ab. Anstatt des dargestellten Strommesswiderstands Rs ist auch eine sogenannte Sense-FET-Anordnung einsetzbar, bei der einige Transistorzellen des Leistungstransistors für die Strommessung verwendet werden.
Der Schwellenwert i_OCT ist konfigurierbar und wird im dargestellten Beispiel von der Schaltung 32 (in 1 mit „Überstrom-Schwellenwertgenerierung“ bezeichnet) basierend auf dem Input von einer externen Schaltung generiert. Die Überstromschutzschaltung 31 empfängt den aktuellen Schwellenwert i_OCT von der Schaltung 32. Diese kann ein Signal, das Information über den gewünschten Schwellenwert i_OCT enthält) von einer externen Schaltung, z.B. einem externen Controller, empfangen. In einem Beispiel kann die Schaltung 32 mit einem externen Controller über eine digitale Kommunikationsschnittstelle kommunizieren, beispielsweise mittels einer SPI (SerialPeripheral Interface). Alternativ ist auch eine Konfiguration des Schwellenwerts mittels eines an einem Konfigurations-Pin angeschlossenen Bauelements (z.B. Widerstand) möglich (vgl. 5).
Im dargestellten Beispiel werden zwei Temperaturwerte gemessen. Ein erster Temperaturwert T_J repräsentiert die Temperatur des Transistorzellenfelds des Leistungstransistors Ts, idealerweise die Sperrschichttemperatur (junction temperature) des Leistungstransistors. Alternativ ist auch eine Temperaturmessung im heißen Bereich nahe des Transistors möglich. Ein zweiter Temperaturwert T_A repräsentiert die Chip-Temperatur abseits des Leistungstransistors, d.h. an einer vergleichsweise „kühlen“ Stelle des Halbleiterchips möglichst entfernt von dem „Hot-Spot“ im Transistorzellenfeld. Geeignete im Chip integrierte Temperatursensoren sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter beschrieben. Die Übertemperaturschutzschaltung 23 ist dazu ausgebildet, basierend auf den beiden Temperaturmesswerten T_J und T_A einen Übertemperaturzustand (OT=1) anzuzeigen.
Ein Übertemperaturzustand kann durch verschiedene Verhältnisse ausgelöst werden. Beispielsweise kann die Übertemperaturschutzschaltung 23 einen Übertemperaturzustand signalisieren, wenn die Sperrschichttemperatur T_J des Transistors Ts einen zulässigen Maximalwert T_J,max übersteigt (T_J>T_J,max). Weiter kann die Übertemperaturschutzschaltung 23 einen Übertemperaturzustand signalisieren, wenn die Temperaturdifferenz T_J-T_A einen zulässigen Maximalwert ΔT_max übersteigt (T_J-T_A>ΔT_max). Die Übertemperaturschutzschaltung 23 (d.h. der darin enthaltene Komparator) kann eine Hysterese aufweisen. So kann beispielsweise ein Übertemperaturzustand signalisiert werden, wenn die Bedingung T_J-T_A>ΔT_max erfüllt ist, der Übertemperaturzustand jedoch erst wieder zurückgenommen werden, wenn die Bedingung T_J-T_A<ΔT_max-T_H erfüllt ist. Der Wert T_H repräsentiert hier die Hysterese. Insbesondere sind die Werte ΔT_max und T_H konfigurierbar. Auch der Wert T_J,max kann konfigurierbar sein (beispielsweise mittels einer digitalen Kommunikationsschnittstelle). Die Schwellenwerte ΔT_max und ΔT_max-T_H können auch davon abhängen, ob der intelligente Halbleiterschalter in einem CLS-Modus arbeitet, der im Folgenden beschrieben wird.
CLS bezeichnet wie erwähnt das Einschalten einer kapazitiven Last (capacitive load switching). Je nach Implementierung kann der CLS-Modus auf unterschiedliche Weise aktiviert werden. Beispielsweise kann ein spezieller Chip-Pin vorgesehen sein, und der CLS-Modus aktiviert werden, wenn an diesem Chip-Pin z.B. ein High-Pegel anliegt. Im dargestellten Beispiel detektiert und aktiviert die Schaltung 21 (in 1 mit „CLS-Modus-Detektion“ bezeichnet) den CLS-Modus, wenn an dem Eingangsknoten IN ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal mit z.B. einem Duty-Cycle von 50 Prozent und einer definierten Frequenz anliegt. Diese Frequenz kann z.B. im Kilohertzbereich liegen (z.B. 30 kHz). Die Schaltung 21 kann diese Frequenz im Eingangssignal detektieren und durch einen High-Pegel des Logik-Signals CLS den CLS-Modus anzeigen (CLS=1). Ein Low-Pegel des Logik-Signals CLS signalisiert den Normal-Modus, in dem der Transistor Ts eingeschaltet wird, wenn das am Eingangsknoten anliegende Signal einen High-Pegel aufweist.
Auch im CLS-Modus wird der Transistor Ts aktiviert/eingeschaltet, jedoch werden beim Übergang in den CLS-Modus einige Betriebsparameter des intelligenten Halbleiterschalters verändert. In dem im 1 dargestellten Beispiel ist die Schaltung 22 (in 1 mit „CLS-Einstellungen“) bezeichnet, dazu ausgebildet, den Gate-Treiber 11 so zu rekonfigurieren, dass die Slew-Rate (SR) der Schaltflanken herabgesetzt ist (im Vergleich zum Normal-Modus). Des Weiteren kann die Schaltung 22 dazu ausgebildet sein, die Parameter (Temperaturschwellenwerte und Hysterese) der Übertemperaturschutzschaltung 23 zu rekonfigurieren und bei Verlassen des CLS-Modus wieder auf die vorherigen (Standard-) Werte zurück zu setzen.
Im CLS-Modus kann bei aktivem Überstromschutz ein Problem auftreten, das nachfolgendend anhand der in 2 gezeigten Timing-Diagramme erläutert wird. Das obere Diagramm in 2 zeigt eine Möglichkeit der Aktivierung des CLS-Modus, nämlich die Modulation des dem Eingangsknoten IN zugeführten Eingangssignals, das in 2 ebenfalls mit IN bezeichnet ist. Die Modulation des Eingangssignals wird von der Schaltung 21 detektiert und daraufhin wird das Signal CLS auf High gesetzt (CLS=1). Als Folge davon wechselt das Logiksignal IN' auf „high“ (IN'=1) und folglich auch das Logik-Signal ON (OA=1), was zu einem Einschalten des Transistors Ts führt. 2 betrifft den Fall einer kapazitiven Last, was einen sehr hohen Einschaltstrom (inrush current) zur Folge hat.
Der hohe Einschaltstrom kann zu einer sehr raschen Erhitzung des Transistors Ts und einer Überstromabschaltung aufgrund der Bedingung T_J-T_A> ΔT_max führen (OT=0), wobei der Wert T_J,max im CLS-Modus geringer sein kann als im Normalmodus. Als Folge der Überstromabschaltung kühlt der Transistor Ts etwas ab (T_J-T_A<ΔT_max-T_H), was zum Wiedereinschalten des Transistors Ts führt. Die Hysterese der Übertemperaturschutzschaltung 23 führt zu einem Toggling, d.h. einem regelmäßigen Aus- und Wiedereinschalten des Transistors Ts, wobei der Einschaltstrom iL die Kapazität der Last in jedem Zyklus weiter auflädt und die Ausgangsspannung V_OUT (d.h. die Spannung V_OUT steigt in jedem Zyklus etwas an). Dieser Vorgang ist im mittleren Diagramm der 2 dargestellt. Das regelmäßige Ein- und Ausschalten (Toggling) des Laststroms ist im dritten Diagramm der 3 dargestellt.
In einem Ausführungsbeispiel sind der zulässige Maximalwert T_J,max oder der zulässige Maximalwert ΔT_max (oder beide) im CLS-Modus auf höhere Werte eingestellt als im Normalmodus. Die Konfiguration der zulässigen Maximalwerte kann abhängig von dem Pegel des Logiksignals CLS erfolgen.
Unabhängig davon, ob im CLS-Modus in der Übertemperaturschutzschaltung 23 ggf. andere (höhere) zulässige Maximalwerte verwendet werden als im Normalmodus, kann es in der Praxis vorkommen, dass im CLS-Modus während des in 2 dargestellten „Toggling“ eine Stromspitze eine unerwünschte Überstromabschaltung auslöst, weil der Laststrom iL zumindest für eine kurze Zeit, den für die jeweilige Anwendung eingestellten Schwellenwert i_OCT übersteigt. In dem in 2 dargestellten Beispiel wird die Überstromabschaltung zum Zeitpunkt t_A ausgelöst. Für ein Wiedereinschalten nach einem Überstromereignis ist in der Regel ein Reset des intelligenten Halbleiterschalters nötig.
3 zeigt eine Modifikation des Beispiels aus 1, die eine Lösung des anhand von 2 erläuterten Problems ermöglicht. Das in 3 dargestellte Beispiel ist in weiten Teilen identisch mit dem Beispiel aus 1 und es wird ergänzend auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Im Folgenden werden in erster Linie die Unterschiede zwischen den Beispielen aus 3 und 1 diskutiert.
Anders als in dem Beispiel aus 1 ist nämlich in 3 die Schaltung 32 zur Generierung des Überstrom-Schwellenwerts i_OCT dazu ausgebildet, im CLS-Modus einen anderen Überstrom-Schwellenwert für die Überstromschutzschaltung 31 zu generieren als in dem Normalmodus. Solange der intelligente Halbleiterschalter nicht im CLS-Modus betrieben wird, entspricht der Überstrom-Schwellenwert i_OCT dem konfigurierten Wert i_OCT,set. Wie bereits erwähnt, ist die Schaltung 32 dazu ausgebildet, Information betreffend den gewünschten Schwellenwert zu empfangen und den Überstrom-Schwellenwert i_OCT entsprechend einzustellen. Diese Information kann beispielsweise über eine digitale Kommunikationsschnittstelle empfangen werden, oder auch basierend auf einem Bauteilparameter eines externen, an einem Chip-Pin angeschlossenen Bauelements ermittelt werden (z.B. basierend auf dem Widerstandswert eines angeschlossenen Widerstands, siehe 5). Bei aktiven CLS-Modus, wird diese Konfiguration überschrieben (override) und die Schaltung 32 setzt den Überstrom-Schwellenwert i_OCT auf einen vordefinierten Standardwert i_OCT,max, der beispielsweise einem zulässigen maximalen Überstrom-Schwellenwert entsprechen kann. Beim Verlassen des CLS-Modus wird der Überstrom-Schwellenwert i_OCT wieder von dem vordefinierten Standardwert i_OCT,max auf den zuvor konfigurierten Wert i_OCT,sec zurückgesetzt.
Die in 2 dargestellte (unerwünschte) dauerhafte Überstromabschaltung bei Einschalten einer kapazitiven Last wird durch die vorrübergehende Anhebung des Schwellenwerts i_OCT von i_OCTset auf i_OCT,max verhindert. „Dauerhaft“ bedeutet in diesem Zusammenhang „bis zum Empfang eines Reset-Kommandos“ da die Detektion einer Überstrombedingung i_L>i_OCT in einem Latch (Flip-Flop) gespeichert wird. Das heißt, nach der Detektion eines Überstromzustandes bleibt das Logiksignal OT solange auf einem High-Pegel (OT=1) bis das Latch zurückgesetzt wird. Ein selbsttätiges Wiedereinschalten des intelligenten Halbleiterschalters ist daher nicht möglich. Das Reset-Kommando muss in der Regel von einem externen Controller erzeugt werden. Die Steuerelektronik des intelligenten Halbleiterschalters (insbesondere die Schaltung 21 zur Detektion des CLS-Modus und die Schaltung 32 zur Überstrom-Schwellenwertgenerierung) ist also dazu ausgebildet, eine dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters durch die Überstromschutzschaltung 31 (mit Hilfe des Und-Gatters 13) im CLS-Modus zu verhindern.
Die Funktionsweise der Schaltung aus 3 wird im Folgenden anhand der Timing-Diagramme in 4 näher erläutert. Das obere Timing-Diagramm in 4 ist gleich wie in 2, auch in diesem Beispiel besteht das Steuerkommando zur Aktivierung des intelligenten Halbleiterschalters im CLS-Modus darin, dass ein PWM-Signal mit z.B. 50 Prozent Duty-Cycle und definierter Frequenz von z.B. 30 kHz dem Eingangsknoten IN zugeführt wird. Dieses Eingangssignal kann z.B. von einem externen Controller (beispielsweise ein Mirkocontroller) erzeugt und dem Eingangsknoten IN zugeführt werden.
Das untere Timing-Diagramm in 4 zeigt den Verlauf des Laststroms i_L als Folge des regelmäßigen Ein- und Ausschaltens des Leistungstransistors Ts (Toggling), welches wie oben erklärt von der Temperatur T_J des Leistungstransistors Ts, insbesondere von der Differenztemperatur T_J-T_A abhängt. Das mittlere Timing-Diagramm zeigt das resultierende stufenweise Ansteigen der Ausgangsspannung V_OUT bis (annähernd) der Pegel der Versorgungsspannung Vs erreicht wird (V_OUT = Vs).
Ebenfalls im unteren Timing-Diagramm dargestellt ist der Überstrom-Schwellenwert i_OCT sowie die „Umschaltung“ des Schwellenwerts i_OCT von dem für die jeweilige Anwendung konfigurierten Schwellenwerts i_OCT,set auf den Standard- (Maximal-) Wert i_OCT,max und wieder zurück auf den Wer i_OCT,set. Man sieht, dass die temporäre Erhöhung des Überstrom-Schwellenwerts i_OCT eine Detektion eines Überstromzustandes und die damit verbundene dauerhafte Abschaltung des Leistungstransistors (d.h. bis zum Empfang eines Reset-Kommandos) verhindert.
Die Schaltung in 5 ist eine Modifikation der Schaltung aus 3. Insbesondere ist in 5 eine mögliche Implementierung der Schaltung 32 dargestellt, welche den Überstrom-Schwellenwert i_OCT für die Überstromschutzschaltung 31 generiert. Gemäß 5 ist die Schaltung 32 mit einem Konfigurations-Pin OC verbunden, an den im Betrieb ein externer Widerstand angeschlossen werden kann, der in 5 mit Roc bezeichnet ist. Die Schaltung 32 ist dazu ausgebildet, den Überstrom-Schwellenwert i_OCT abhängig von dem Widerstandswert des externen Widerstands Roc einzustellen. Beispielsweise kann die Schaltung 32 an den Konfigurations-Pin OC eine definierte (z.B. konstante) Spannung U_ROC anlegen und den Überstrom-Schwellenwert i_OCT basierend auf dem resultierenden Strom U_ROC/R_OC einstellen. Wie schon in den vorherigen Beispielen, wird der Überstrom-Schwellenwert i_OCT auf einen Standardwert/Maximalwert gesetzt, wenn das Signal CLS die Aktivierung des CLS-Modus anzeigt. Wenn der CLS-Modus endet, wird der Überstrom-Schwellenwert i_OCT wieder auf den Wert zurückgesetzt, der von dem externen Widerstand Roc vorgegeben wird. Im Übrigen ist die Schaltung aus 5 gleich wie die in 3, und es wird auf die obige Beschreibung zu 3 verwiesen.
Wie erwähnt ist in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen die Schaltung 32 (ggf. in Kombination mit weiteren Schaltungskomponenten) dazu ausgebildet, eine dauerhafte Abschaltung (d.h. bis zu einem Reset) des Leistungstransistors Ts durch die Überstromschutzschaltung 31 zu verhindern. Gemäß den in 3 und 5 dargestellten Beispielen, wird diese dauerhafte Abschaltung dadurch verhindert, dass der Überstrom-Schwellenwert i_OCT temporär - während der CLS-Modus aktive ist - erhöht wird. In dem Beispiel aus 6 wird diese dauerhafte Abschaltung dadurch verhindert, dass die Überstromschaltung 31 temporär, insbesondere während der CLS-Modus aktiv ist, deaktiviert ist.
6 zeigt eine Modifikation der Schaltung aus 3. Gemäß 6 wird das Logiksignal CLS, welches einen aktiven CLS-Modus anzeigt, als Disable-Signal DIS für die Schaltung 31 verwendet wird. D.h. die Überstromschutzschaltung 31 ist inaktiv, solange der CLS-Modus aktiv ist. Die Schaltung 32 generiert den gewünschten/konfigurierten Schwellenwert i_OCT beispielsweise basierend auf dem Wert eines externen Widerstands. Die an dieser Stelle nicht erläuterten Komponenten der 6 sind gleich wie in 3 und es wird auf obige Beschreibung verwiesen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die erwähnte dauerhafte Abschaltung dadurch verhindert, dass die Überstromschutzschaltung 31 dazu ausgebildet ist, zumindest im CLS-Modus einen Überstromzustand (OC=1) erst dann zu signalisieren, wenn die Überstrom-Bedingung iL > i_OCT eine bestimmte, definierte Verzögerungszeit lang erfüllt ist. Das heißt, ein Überstromzustand (OC=1) wird erst nach der Verzögerungszeit signalisiert, und sehr kurze, transiente Überschreitungen des Überstromschwellenwerts i_OCT werden gefiltert/ignoriert. Geeignete Schaltungen, die kurze, transiente Pulse, die kürzer sind als die Verzögerungszeit, in dem Logiksignal OC austasten/unterdrücken, sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter diskutiert. Die Funktion einer solchen Schaltung, die in der Überstromschutzschaltung 31 enthalten sein kann, ist in 7 dargestellt. Kurze, transiente Überstromzustände i_L>i_OCT wie beispielsweise zum Zeitpunkt t₁ (siehe 7, Überstromzustand von ti bis t₁+T_P) führen nicht zur Abschaltung. Sobald der Zustand i_L>i_OCT für eine definierte Verzögerungszeit T_F andauert, wird eine Überstromzustand durch das Logiksignal OC=1 signalisiert und die Abschaltung ausgelöst (siehe 7, Überstromzustand ab Zeitpunkt t₂ führt zur Abschaltung zum Zeitpunkt t₂+T_F).
Das Beispiel aus 8 ist eine Modifikation des Beispiels aus 3, bei dem sowohl ein Einschaltkommando zum Aktivierten des Leistungstransistors im Normal-Modus, ein Kommando zum Aktivieren des (und ggf. Deaktivieren) des CLS-Modus, sowie der einzustellende Überstromschwellenwert über eine digitale Kommunikationsschnittstelle 35 empfangen werden. Das Einschaltsignal IN, welches zum Einschalten des Leistungstransistors Ts führt wird in diesem Beispiel von der Logikschaltung 34 generiert basierend auf den über die Schnittstelle 35 empfangenen Daten. Die Schaltung 21 erzeugt das Logiksignal CLS basierend auf den empfangenen Daten. Wie in den vorherigen Beispielen zeigt ein High-Pegel des Signals CLS den CLS-Modus an. Ebenfalls dargestellt in 8 ist ein expliziter Reset der Überstromschutzschaltung 31 durch ein über die Kommunikationsschnittstelle empfangenes Kommando. Die Kommunikationsschnittstelle generiert im dargestellten Beispiel ein Reset-Signal RES für die Überstromschutzschaltung 31, was dazu führt dass ein signalisierter Überstromzustand zurückgenommen wird und ein Einschalten des Leistungstransistors Ts wieder möglich ist. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsbeispielen das Reset-Signal RES auch auf andere Weise generiert werden kann und nicht notwendigerweise basierend auf Daten generiert werden muss, die über eine digitale Schnittstelle empfangen werden.
Es versteht sich, dass die in den Abbildungen dargestellten Schaltungen lediglich Beispiele sind. Ein Fachmann ist in der Lage, dieselbe oder eine gleichwertige Funktion auch mit (teilweise) anderen Komponenten zu realisieren. Es versteht sich, dass Logikpegel an einen oder mehreren Knoten der Schaltungen invertiert werden können, was bei entsprechend angepassten Logikkomponenten nicht zu einer Änderung der Funktion der Schaltung führt. Sämtliche logische Verknüpfungen können daher z.B. mit NAND- oder NOR-Gattern realisiert werden, ohne die Funktion der Schaltung insgesamt nennenswert zu ändern.

Claims

Eine Schaltung, die folgendes aufweist: ein elektronsicher Schalter (Ts), der zwischen einen Ausgangsknoten (OUT) und einen Versorgungsknoten (VS) angeordnet ist; eine Überstromschutzschaltung (31), die dazu ausgebildet ist, mittels eines Überstromsignals (OC) anzuzeigen, dass ein durch den elektronischen Schalter (Ts) fließender Laststrom (i_L) einen ersten Überstromschwellenwert (i_OCT) überschritten hat, und eine Abschaltung des elektronischen Schalter (Ts) zu veranlassen; eine Steuerschaltung (11, 13, 14, 21, 22), die dazu ausgebildet ist, in einem ersten Modus den elektronischen Schalter (Ts) nach Maßgabe eines Eingangssignals (IN) ein- und auszuschalten, und in einem zweiten Modus durch mehrfaches Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters (Ts) eine mit dem Ausgangsknoten (OUT) verbundene Last anzusteuern und währenddessen eine dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters durch die Überstromschutzschaltung (31) zu verhindern.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Last eine kapazitive Last ist, und wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, im zweiten Modus durch das mehrfache Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters (Ts) die kapazitive Last sukzessive anzusteuern.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, die dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters durch die Überstromschutzschaltung (31) zu verhindern, indem sie im zweiten Modus: den ersten Überstromschwellenwert (i_OCT) durch einen zweiten, höheren, Überstromschwellenwert ersetzt oder die Überstromschutzschaltung (31) temporär deaktiviert, oder eine Filterung transienter Überstromzustände, die kürzer sind als eine vorgegebene Verzögerungszeit, bewirkt.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerschaltung weiter aufweist: eine Konfigurationsschaltung (32) mit einem weiteren Knoten zum Anschluss eines Widerstandes (R_OCT), wobei die Konfigurationsschaltung dazu ausgebildet ist, den ersten Überstromschwellenwert (i_OCT) abhängig von dem Wert des Widerstands (R_OCT) einzustellen.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die weiter aufweist: eine Detektionsschaltung (21), die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Eingangssignal (IN) und/oder einem weiteren Eingangssignal die Steuerschaltung für den zweiten Modus zu konfigurieren.
Die Schaltung gemäß Anspruch 5, wobei das Konfigurieren für den zweiten Modus das Erhöhen des von der Überstromschutzschaltung (31) verwendeten Überstromschwellenwerts.
Die Schaltung gemäß Anspruch 5, wobei die Detektionsschaltung (21) dazu ausgebildet ist, die Steuerschaltung für den zweiten Modus zu konfigurieren, wenn das Eingangssignal (IN) moduliert ist.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuerschaltung eine Treiberschaltung (11) aufweist, der dazu ausgebildet ist den elektronischen Schalter (Ts) anzusteuern, wobei im zweiten Modus mit Hilfe der Treiberschaltung (11) die Schaltgeschwindigkeit gegenüber dem ersten Modus herabgesetzt ist.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im zweiten Modus das mehrfaches Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters (Ts) von der Temperatur des elektronischen Schalters abhängt.
Die Schaltung gemäß Anspruch 9, wobei der elektronische Schalter (Ts) abgeschaltet wird, wenn die Temperatur (T_J) des elektronischen Schalters (Ts) einen ersten Schwellenwert erreicht oder wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur (T_J) des elektronischen Schalters (Ts) und einer Chiptemperatur (T_A) abseits des elektronischen Schalters (Ts) einen zweiten Schwellenwert erreicht.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die weiter aufweist: eine Übertemperaturschutzschaltung (23), die dazu ausgebildet ist, eine Übertemperaturabschaltung des elektronischen Schalters (Ts) auszulösen, wenn eine Temperatur (T_J) des elektronischen Schalters (Ts) oder eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur (T_J) des elektronischen Schalters (Ts) und einer Chiptemperatur (T_A) abseits des elektronischen Schalters (Ts) einen zulässigen Maximalwert erreicht, wobei der zulässige Maximalwert im zweiten Modus höher ist als im ersten Modus.
Ein Verfahren das aufweist: Ein- und Auszuschalten eines elektronischen Schalters (Ts) nach Maßgabe eines Eingangssignals (IN) in einem ersten Modus, wobei der elektronische Schalter (Ts) zwischen einen Ausgangsknoten (OUT) und einen Versorgungsknoten (VS) angeordnet ist; Veranlassen einer Abschaltung des elektronischen Schalters (Ts), wenn detektiert wird, dass ein durch den elektronischen Schalter (Ts) fließender Laststrom (iL) einen ersten Überstromschwellenwert (i_OCT) überschritten hat; mehrfaches Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters (Ts) in einem zweiten Modus, um eine mit dem Ausgangsknoten (OUT) verbundene Last anzusteuern, wobei währenddessen eine dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters verhindert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die dauerhafte Abschaltung des elektronischen Schalters durch die Überstromschutzschaltung (31) zu verhindert wird, indem im zweiten Modus: der erste Überstromschwellenwert (i_OCT) durch einen zweiten, höheren, Überstromschwellenwert ersetzt wird, oder die Abschaltung des elektronischen Schalters (Ts) bei Überschreiten des Überstromschwellenwerts (i_OCT) temporär blockiert wird, oder die Abschaltung des elektronischen Schalters (Ts) nur ermöglicht wird, wenn der Überstromschwellenwerts (i_OCT) mindestens eine vorgegebene Verzögerungszeit lang überschritten wird.