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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und Verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung
mit einem Halbleiterschalter, der entsprechend einem an einen Steuersignal-Eingangsanschluss
angelegten Steuersignal gesteuert wird, um die Zufuhr elektrischer
Leistung von einer Stromversorgung an eine Last unter der Schaltsteuerung
zu steuern, und ein Stromversorgungs-Steuerverfahren zur Verwendung
in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung.
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Die
Stromversorgungs-Steuereinrichtung mit einer Halbleitereinrichtung,
die wie in 8 gezeigt aufgebaut ist, ist
bekannt. Diese Stromversorgungs-Steuereinrichtung, die in einem
Fahrzeug verwendet wird, liefert elektrischen Strom von einer Batterie
selektiv an jeweilige Lasten und steuert die Stromzufuhr an die
Last.
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Wie
gezeigt, ist die erwähnte
Stromversorgungs-Steuereinrichtung so aufgebaut, dass ein Nebenwiderstand
RS und eine Drain (D) – Source
(S) – Strecke
eines Wärme-FET
QF in einem Stromversorgungspfad in Reihe geschaltet sind, um eine
Ausgangsspannung VB einer Stromversorgung 101 an eine Last 102 zu
liefern, die Scheinwerfer, elektrische betätigte Fenster usw. umfasst.
Die Stromversorgungs-Steuereinrichtung enthält einen Treiber 901, der
einen durch den Nebenwiderstand RS fließenden Strom erfasst und die
Ansteuerung des Wärme-FET QF
durch eine Hardwareschaltung steuert, einen A/D-Umsetzer 902,
der den Analogwert des von dem Treiber 901 überwachten
Stromes in einen Digitalwert umwandelt, und einen Mikrocomputer
(CPU) 903.
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Der
Wärme-FET
QF ist in einem Wärmefühler (nicht
gezeigt) enthalten. Der Wärme-FET
QF besitzt eine Übertemperatur-Abschaltfunktion,
um den Wärme-FET
QF durch einen darin enthaltenen Gate-Abschaltkreis erzwungen abzuschalten,
wenn die Temperatur des Wärme-FET QF über eine
vorbestimmte Temperatur ansteigt. In 8 ist RG
ein Widerstand, und ZD1 ist eine Zenerdiode, die die Spannung zwischen
dem Gate G und der Source S des Wärme-FET QF auf 12 V hält, und
die, wenn Überspannung
an das Gate G des FET angelegt wird, einen Nebenschluss für einen
von der Überspannung verursachten
Strom bildet.
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Diese
Stromversorgungs-Steuereinrichtung besitzt eine Schutzfunktion gegen
einen Überstrom, der
durch die Last 102 oder die Drain-Source-Strecke des Wärme-FET
QF fließt.
Der Treiber 901 enthält Differenzverstärker 911 und 913,
die als eine Stromüberwachungsschaltung
dienen, einen Differenzverstärker 912 als
eine Strombegrenzungsschaltung, eine Lade/Pump-Schaltung 915 und
eine Ansteuerschaltung 914, die das Gate G des Wärme-FET QF über den
Widerstand RG basierend auf einem Ein/Aus-Steuersignal von dem Mikrocomputer 903 und
dem von der Strombegrenzungsschaltung ausgegebenen Überstrom-Entscheidungsergebnis
ansteuert.
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Wenn
der Differenzverstärker
auf der Basis eines Spannungsabfalls über dem Nebenwiderstand RS
feststellt, dass der Strom einen Bezugswert (Obergrenze) übersteigt,
d. h. einen Überstrom
erfasst, schaltet die Ansteuerschaltung 914 den Wärme-FET
QF ab. Danach, wenn der Strom unter einen weiteren Bezugswert (Untergrenze)
absinkt, schaltet sie den FET wieder ein.
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Der
Mikrocomputer 903 überwacht
mit der Stromüberwachungsschaltung
(Differenzverstärker 911 und 913)
zu jeder Zeit den Strom. Wenn ein anomaler Strom oberhalb eines
Normalwertes fließt,
hält der
Mikrocomputer 903 den Ansteuerstrom für den Wärme-FET QF an, um den FET abzuschalten. Wenn
die Temperatur des Wärme-FET
QF einen vorgeschriebenen Wert übersteigt,
bevor ein Ansteuersignal für
die Aus-Steuerung von dem Mikrocomputer 903 ausgegeben
wird, schaltet die Übertemperatur-Abschaltfunktion
den Wärme-FET
QF ab.
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Die
vorerwähnte
Stromversorgungs-Steuereinrichtung benötigt den mit dem Stromversorgungspfad
in Reihe geschalteten Nebenwiderstand RS, um die Stromerfassung
durchzuführen.
Bei dem derzeitigen Trend zu großen Lastströmen, der eine Verringerung
des Widerstands des Wärme-FET
QF mit sich bringt, ist der Wärmeverlust
durch den Nebenwiderstand nicht vernachlässigbar.
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Die Übertemperatur-Abschaltfunktion
und die Überstrombegrenzungsschaltung
arbeiten, wenn ein fast vollkommener Kurzschluss in der Last 102 oder
der Verkabelung auftritt und großer Strom fließt. Sie
versagen jedoch, wenn ein Schicht-Kurzschluss, z. B. ein unvollkommener
Kurzschluss mit etwas Kurzschlusswiderstand, auftritt und ein kleiner
Kurzschlussstrom fließt.
Eine mögliche
für den Schicht-Kurzschluss
ergriffene Maßnahme
ist, dass der Mikrocomputer 903 einen anomalen Strom erfasst,
indem er nur die Überwachungsschaltung
verwendet und den Wärme-FET
QF abschaltet. Ein Ansprechen der Mikrocomputer-Grundsteuerung auf
so einen anomalen Strom ist dürftig.
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Da
der Nebenwiderstand RS, der Mikrocomputer 903 und dergleichen
in der erwähnten
Stromversorgungs-Steuereinrichtung unverzichtbar verwendet werden,
wird viel Packungsplatz benötigt. Des
Weiteren sind diese Teile und Komponenten relativ teuer, sodass
die sich ergebende Einrichtung teuer ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist folglich darauf gerichtet, die obigen
Probleme zu lösen
und die unbequemen Umstände
zu beseitigen, und hat eine Aufgabe, eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung und
ein Verfahren bereitzustellen, die den mit dem Stromversorgungspfad
in Reihe geschalteten Nebenwiderstand zum Erfassen des Stromes beseitigen,
um hierdurch den Wärmeverlust
zu unterdrücken,
schnell auf einen anomalen Strom reagieren, der fließt, wenn
Schicht-Kurzschluss, z. B. ein unvollkommener Kurzschluss mit etwas
Widerstand, auftritt, leicht zu integrieren und nicht teuer sind.
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EP-A-789458
offenbart eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung mit Bezugsstrom-
und Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtungen und zugehörigem Detektor
und Steuerung. EP A 1017173, das unter Artikel 54(3) und 54(4) EPC
den Stand der Technik bildet, offenbart ebenfalls eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung
mit Bezugsstrom- und Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtungen und
zugehörigem
Detektor und Steuerung.
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Erfindungsgemäß wird eine
Stromversorgungs-Steuereinrichtung bereitgestellt, die umfasst:
einen
ersten Halbleiterschalter, der eine Zufuhr von elektrischer Leistung
von einer Stromversorgung an eine Last entsprechend einem Steuersignal
steuert;
eine Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung, die einen konstanten
Bezugsstrom erzeugt;
eine Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung,
die eine Bezugsspannung basierend auf dem Bezugsstrom erzeugt und
mit dem ersten Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei
die Spannungscharakteristik der Bezugsspannung im Wesentlichen gleich einer
Spannung zwischen Anschlüssen
des ersten Halbleiterschalters ist, wann immer der Laststrom einen
vorbestimmten Überstromwert
erreicht;
einen Detektor, der eine Differenz zwischen der Spannung
zwischen den Anschlüssen
des ersten Halbleiterschalters und der Bezugsspannung erfasst, und
eine
Steuereinheit, die den Ein/Aus-Zustand des ersten Halbleiterschalters
entsprechend der erfassten Differenz steuert.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung kann die Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung einen
zweiten entsprechend dem Steuersignal gesteuerten Halbleiterschalter
enthalten, und der zweite Halbleiterschalter ist mit der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
in Reihe geschaltet, um einen Serienkreis zu bilden, der mit dem
ersten Halbleiterschalter und der Last parallel geschaltet ist,
wodurch die Anschluss-Anschluss-Spannung des zweiten Halbleiterschalters
in der Form der Bezugsspannung erzeugt wird.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung kann die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
den Bezugsstrom abhängig
von einer Ausgangsspannung der Stromversorgung erzeugen.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung kann eine Spannungscharakteristik
der Bezugsspannung der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung im
Wesentlichen gleich einer Spannungscharakteristik in einem Zustand
sein, dass ein Zielstrom fließt, der über einem
Maximalstrom in einem Bereich liegt, wo der erste Halbleiterschalter
und die Last normalerweise betrieben werden.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung sind der erste Halbleiterschalter
und der zweite Halbleiterschalter in einer Übergangsspannungs-Charakteristik
der Anschluss-Anschluss-Spannung
einander gleichwertig, wenn jeder Halbleiterschalter seinen Zustand
von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand ändert.
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Die
Stromversorgungs-Steuereinrchtung kann einen Überhitzungsschutz enthalten,
der so arbeitet, dass er, wenn der Halbleiterschalter überhitzt ist,
den Halbleiterschalter abschaltet, um dadurch den Halbleiterschalter
zu schützen.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung können der Halbleiterschalter,
die Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung, der Detektor und der Überhitzungsschutz
auf dem gleichen Chip gebildet werden, und
in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
kann die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung außerhalb des Chips gelegen sein.
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Die
Stromversorgungs-Steuereinrchtung kann weiter eine Verbotseinrichtung
umfassen, die verhindert, dass die Steuereinheit den Halbleiterschalter
für eine
vorbestimmte Dauer ein- und
ausschaltet, nachdem der Halbleiterschalter eingeschaltet wurde.
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Die
Stromversorgungs-Steuereinrichtung kann weiter eine Häufigkeits-Steuereinheit
enthalten, die so arbeitet, dass die Häufigkeits-Steuereinheit die Zahl
von Malen, die die Steuereinheit den Halbleiterschalter ein- und
ausschaltet, aufaddiert, und wenn die Zahl von Ein/Aus-Steuermalen eine
vorbestimmte Zahl von Malen erreicht, die Häufigkeits-Steuereinheit den Halbleiterschalter
ausschaltet.
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Erfindungsgemäß wird auch
ein Stromversorgungs-Steuerverfahren für eine Stromversorgungseinrichtung
bereitgestellt, die einen Halbleiterschalter enthält, der
entsprechend einem Steuersignal gesteuert wird, um eine Zufuhr von
elektrischer Leistung von einer Stromversorgung an eine Last zu steuern,
wobei das Stromversorgungs-Steuerverfahren die folgenden Schritte
umfasst:
Erzeugen eines konstanten Bezugsstromes;
Erzeugen
einer Bezugsspannung basierend auf dem Bezugsstrom, wobei die Spannungscharakteristik der
Bezugsspannung im Wesentlichen gleich einer Spannung zwischen Anschlüssen des
ersten Halbleiterschalters ist, wann immer der Laststrom einen vorbestimmten Überstromwert
erreicht;
Erfassen einer Differenz zwischen der Spannung zwischen
den Anschlüssen
des Halbleiterschalters und der Bezugsspannung, und
Steuern
des Ein/Aus-Zustands des Halbleiterschalters entsprechend der erfassten
Differenz.
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In
den Stromversorgungs-Steuereinrichtungen und in dem Stromversorungs-Steuerverfahren wird,
wenn die Zufuhr von elektrischer Leistung von der Stromversorgung
an die Last durch den Halbleiterschalter in einer schaltenden Weise
gesteuert wird, ein Bezugsstrom durch die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
(Bezugsstrom-Erzeugungsschritt) erzeugt. Eine Bezugsspannung wird
basierend auf dem Bezugsstrom durch die Bezugsspannungserzeugungseinrichtung
(Bezugsspannungs-Erzeugungsschritt) erzeugt. Eine Differenz zwischen
der Spannung zwischen Anschlüssen
des Halbleiterschalters und der Bezugsspannung wird durch den Detektor
(Erfassungsschritt) erfasst. Der Halbleiterschalter wird entsprechend
der erfassten Spannungsdifferenz zwischen der Anschluss-Anschluss-Spannung
und der Bezugsspannung durch die Steuereinheit (Steuerschritt) ein/aus-gesteuert.
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Der
Halbleiterschalter (später
zu beschreibende zweiter und dritter Halbleiterschalter) kann jedes
der folgenden Schaltelemente sein: Feldeffekttransistoren (FETs)
und statisch induzierte Transistoren (SITs), oder emittergeschaltete
Thyristoren (ESTs), komplexe MOS-Einrichtungen, z. B. gesteuerte
MOS-Thyristoren (MCTs) und Leistungseinrichtungen mit isoliertem
Gate, z. B. IGBTs (z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate).
Diese Schaltelemente können
vom N-Kanaltyp oder vom P-Kanaltyp sein.
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Insbesondere
ist es in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung vorzuziehen, dass
die Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung einen zweiten Halbleiterschalter
enthält,
der entsprechend dem Steuersignal gesteuert wird. Des Weiteren ist
der zweite Halbleiterschalter mit der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
in Reihe geschaltet, um eine Reihenschaltung zu bilden. Die Reihenschaltung
ist mit dem Halbleiterschalter und der Last parallel geschaltet.
Die Anschluss-Anschluss-Spannung des zweiten Halbleiterschalters
wird in der Form der Bezugsspannung erzeugt. Es ist erwünscht, dass
die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung, wie in der dritten Stromversorgungs-Steuereinrichtung,
einen von der Ausgangsspannung der Stromversorgung abhängigen Bezugsstrom
erzeugt, oder dass sie, wie in der vierten Stromversorgungs-Steuereinrichtung, eine
Konstantstromquelle ist.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung ist es erwünscht, dass
eine Spannungscharakteristik der Bezugsspannung der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung
im Wesentlichen gleich einer Spannungscharakeristik in einem Zustand
ist, dass ein Zielstrom fließt,
der über
einem Maximalstrom in einem Bereich liegt, wo der Halbleiterschalter
und die Last normalerweise betrieben werden. In der sechsten Stromversorgungs-Steuereinrichtung
ist es erwünscht,
dass der Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter in
einer Übergangsspannungs-Charakteristik
der Anschluss-Anschluss-Spannung einander gleichwertig sind, wenn jeder
Halbleiterschalter seinen Zustand von einem Aus-Zustand in einen
Ein-Zustand ändert.
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In
einem Fall, wo ein FET für
den Halbleiterschalter benutzt wird, variiert die Anschluss Anschluss-Spannung
(zwischen dem Drain und der Source) des FET, der einen Teil des
Stromversorgungspfades bildet, abhängig von Zuständen des Stromversorgungspfades
und der Last, d. h. einer durch Leitungsinduktivität und Widerstand
des Pfades und Kurzschlusswiderstand definierten Zeitkonstanten,
in der Spannungscharakeristik, wenn der FET seinen Zustand von einem
Ein-Zustand in einen Aus-Zustand ändert (die abfallende Spannungscharakteristik
im Fall des N-Kanal-FET). Im normalen Betrieb, wo kein Kurzschluss
auftritt, konvergiert die Anschlüss-Anschluss-Spannung
rasch auf einen Spannungswert unter einem Bezugsspannungswert. Wo
ein Kurzschluss auftritt, konvergiert sie nicht bis unter den Bezugsspannungswert.
Wo ein unvollkommener Kurzschluss mit etwas Widerstand auftritt, braucht
es lange Zeit, bis die Anschluss-Anschluss-Spannung bis unter den
Bezugspannungswert konvergiert.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt die Übergangsspannungs-Charakteristik
des Halbleiterschalters, wenn er seinen Zustand von einem Aus-Zustand in
einen Ein-Zustand ändert.
In der Erfindung wird eine Entscheidung getroffen, ob die Anschluss-Anschluss-Spannung
des Halbleiterschalters (oder der Strom im Stromversorgungspfad),
der einen Teil des Stromversorgungspfades bildet, außerhalb
eines normalen Zustands liegt oder nicht, indem eine Differenz zwischen
der Anschluss-Anschluss-Spannung des Halbleiterschalters und der
Spannung der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung (Bezugsspannungs-Erzeugungsschritt)
erfasst wird. Überstrom
kann durch den Detektor (Erfassungsschritt) erfasst werden, wenn
die Spannungscharakteristik der Bezugsspannung festgelegt wird,
eine nächste Ähnlichkeit
mit der Spannungscharakteristik in einem Zustand zu tragen, wo ein
Zielstrom, der über
dem Maximalstrom in einem normalen Betriebsbereich liegt, durch
die Last fließt.
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Die
Stromversorgungs-Steuereinrichtung und Verfahren der Erfindung benötigen daher
nicht den herkömmlich
verwendeten Nebenwiderstand, der für die Stromerfassung mit dem
Stromversorgungspfad in Reihe geschaltet ist. Mit diesem Merkmal
wird der Wärmeverlust
der Einrichtung unterdückt.
Ein anomaler Strom durch einen Schicht-Kurzschluss, z. B. ein unvollkommener
Kurzschluss mit etwas Kurzschlusswiderstand, sowie ein Überstrom durch
einen vollkommenen Kurzschluss kann unter Verwendung der Hardwareschaltung
oder der Programmverarbeitung durch den Mikrocomputer oder dergleichen
fortlaufend erfasst werden. Des Weiteren kann der Überstrom
ohne den Nebenwiderstand erfasst werden. Insbesondere besteht, wenn
der Ein/Aus-Steuerprozess für
den Halbleiterschalter durch eine Hardwareschaltung verwirklicht
wird, keine Notwendigkeit, den Mikrocomputer zu verwenden. Dieses
Merkmal bringt eine Verringerung des Packungsplatzes und eine erhebliche
Verringerung der Kosten der Einrichtung zustande.
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In
einem Fall, wo, wie in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung, die
Stromversorgungs-Steuereinrichtung
des Weiteren einen Überhitzungsschutz
umfasst, der so arbeitet, dass, wenn der Halbleiterschalter überhitzt
ist, der Überhitzungsschutz
den Halbleiterschalter ausschaltet, um dadurch den Halbleiterschalter
zu schützen,
und wenn ein unvollkommener Kurzschluss mit etwas Kurzschlusswiderstand
auftritt, wird der Halbleiterschalter durch die Steuereinheit wiederholend
ein- und ausgeschaltet, wodurch der Strom stark verändert wird. Das
heißt,
in diesem Fall beschleunigt das periodische Erhitzen des Halbleiterschalters
das Ausschalten des Halbleiterschalters durch den Überhitzungsschutz.
Insbesondere kann die Stromversorgungs-Steuereinrichtung der Erfindung
den durch den unvollkommenen Kurzschluss (Schicht-Kurzschluss) verursachten
anomalen Strom, der in der herkömmlichen
Einrichtung nur durch die Programmverarbeitung des Mikrocomputers
oder dergleichen verarbeitet werden kann, verarbeiten, indem nur
die in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung ohnehin enthaltene
Hardwareschaltung verwendet wird, oder die Steuerung von einer externen
Einrichtung wie Mikrocomputer nicht verwendet wird. Die Schaltung
der Einrichtung wird daher vereinfacht und ihre Kosten werden folglich
gesenkt.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung ist vorzuziehen, dass der
Halbleiterschalter, die Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung, der
Detektor, die Steuereinheit und die zweite Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung
oder der Überhitreschutz
auf ein und demselben Chip gebildet werden. In der neunten Stromversorgungs-Steuereinrichtung befindet
sich die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung vorzugsweise außerhalb
des Chips. Durch Herstellen dieser Einrichtungen und Schalter in
einem Chip in einer integrierenden Weise wird die Größe des Schaltungsaufbaus
der Einrichtung verringert, der Packungsraum wird reduziert, und
die Kosten der Einrichtung werden gesenkt. In der Erfindung basiert die
Stromerfassung auf der Erfassung einer Differenz zwischen der Anschluss-Anschluss-Spannung
des Halbleiterschalters und der Bezugsspannung. Mit dem Bilden des
Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters auf dem
gleichen Chip gelingt es der Erfindung, Gleichtaktfehlerfaktoren,
die in dem Haupt-Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter
(Bezugsspannungsgenerator) erscheinen, in fast dem gleichen Ausmaß bei der
Stromerfassungsoperation, d. h. nachteilige Einflüsse durch
Spannungs- und Temperaturdrift, und ungleichmäßige Qualität zwischen Losen zu beseitigen
(entfernen). Mit dem Merkmal, dass die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
außerhalb
des Chips gelegen ist, wird außerdem
die Bezugsspannung (Bezugsstrom) gegen Temperaturänderung
des Chips unempfindlich gemacht Folglich wird eine sehr genaue Stromerfassung
verwirklicht.
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Der
Stromquellenanschluss und der Steuersignal-Eingangsanschluss des
Halbleiterschalters sind mit dem Stromquellenanschluss und dem Steuersignal-Eingangsanschluss
des zweiten Halbleiterschalters der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung
verbunden. Des Weiteren ist der negative Anschluss des zweiten Halbleiterschalters
mit der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung verbunden. Mit einer solchen
Anordnung wird eine Entscheidung getroffen, ob der Strom, der durch
den Stromversorgungspfad fließt,
in einem normalen oder anomalen Bereich liegt oder nicht, indem
ein Potenzial am Lastanschluss des Halbleiterschalters mit dem am
negativen Anschluss des zweiten Halbleiterschalters verglichen wird.
Die Anschlüsse
des Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters sind
daher miteinander verbunden. Diese Schalter können folglich leicht auf einem
Chip integriert werden.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung verhindert eine Verbotseinrichtung,
dass die Steuereinheit den Halbleiterschalter für eine vorbestimmte Periode
nach dem Einschalten desselben ein- und ausschaltet. Wenn die Last
zu arbeiten beginnt, fließt gewöhnlich ein
Anlaufstromstoß in
dem Stromversorgungspfad. Der Anlaufstromstoß ist viel größer als der
Strom in einem stationären
Zustand. Wenn die Steuereinheit die Überstromsteuerung für den Anlaufstromstoß ausführt, braucht
es etwas Zeit, bis sich die Last eine stationären Zustand beruhigt hat. Als
Folge verzögert
sich manchmal die Reaktion der Last. Die Erfin dung löst dieses
Problem durch Unterbinden der Steuerung durch die Verbotseinrichtung.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung summiert die Häufigkeits-Steuereinheit
die Zahl von Malen, die die Steuereinrichtung den Halbleiterschalter
ein- und ausschaltet, und wenn die Zahl von Malen der Ein/Aus-Steuerung
einen vorbestimmten Wert erreicht, schaltet die Häufigkeits-Steuereinheit den
Halbleiterschalter aus. Wenn ein Überstrom durch einen Kurzschluss
erfasst wird, arbeitet der Überhitzeschutz
schnell, um eine Überhitze-Abschaltung
des Halbleiterschalters vorzunehmen. Im Fall des unvollkommenen
Kurzschlusses wird der Halbleiterschalter wiederholend ein- und
ausgeschaltet. Die entstehende periodische Erwärmung des Halbleiterschalters
bringt den Überhitzeschutz
zum Arbeiten. Folglich wird angenommen, dass die bis zum Überhitze-Abschalten
benötigte
Zeit relativ lang ist. In diesem Zusammenhang wird in der Erfindung, wenn
die Zahl von Ein/Aus-Steuerungen eine vorbestimmte Zahl von Malen
erreicht, der Halbleiterschalter ausgeschaltet. Daher kann, selbst
wenn ein unvollkommener Kurzschluss auftritt, das Abschalten des
Halbleiterschalters auf eine gewünschte
Abschaltzeit beschleunigt werden.
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Inhalt
der Zeichnungen:
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1 ist
ein Schaltbild, das eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung zeigt,
die eine erste Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
ein Schaltbild, das die Details eines in der Ausführung benutzten
Halbleiterschalters (Hauptsteuer-FET) zeigt.
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3 ist
eine Grafik, die Betriebskennlinien eines Hauptsteuer-FET und eines
Bezugs-FET in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung der Ausführung zeigt.
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4 ist ein Wellenformdiagramm, das Änderungen
von Strom und Spannung in dem Halbleiterschalter in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
zeigt, wenn die Einrichtung einen Kurzschluss erleidet und sie normal
arbeitet.
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5 ist
ein Schaltbild, das eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung zeigt,
die eine zweite Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist.
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6 ist
ein Schaltbild, das eine in einer Modifikation der Stromversorgungs-Steuereinrichtung zusätzlich verwendete
Schaltung zeigt.
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7 ist
ein Schaltbild, das eine zweite Modifikation der Stromversorgungs-Steuereinrichtung zeigt.
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8 ist
ein Schaltbild, das eine herkömmliche
Stromversorgungs-Steuereinrichtung mit einem Halbleiterschalter
zeigt.
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Die
bevorzugten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden in der Reihenfolge erste Ausführung, zweite
Ausführung
und Modifikation mit Bezug auf 1 bis 7 beschrieben.
In den folgenden Beschreibungen der Ausführungen werden eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und Verfahren auf eine Einrichtung angewandt, die Strom von einer
Batterie selektiv an Lasten, z. B. Lampen, in einem Fahrzeug liefert
und die Zufuhr von elektrischer Leistung an die Lasten steuert.
Man sollte einsehen, dass die Erfindung auf jede Form von Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und Verfahren angewandt werden kann, wenn sie die Zufuhr von elektrischer
Leistung von einer Stromversorgung an die Last oder Lasten in einer
schaltenden Weise steuert.
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1 ist
ein Schaltbild, das eine Stromversorgungs-Steuereinrichtung zeigt,
die eine erste Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist. 2 ist ein Schaltbild,
das die Details eines in der Ausführung benutzten Halbleiterschalters
(Hauptsteuer-FET) zeigt. 3 ist eine Grafik, die Betriebskennlinien
eines Hauptsteuer-FET und eines Bezugs-FET in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
der Ausführung
zeigt. 4 ist ein Wellenformdiagramm,
das Anderungen von Strom und Spannung in dem Halbleiterschalter
in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
zeigt, wenn die Einrichtung einen Kurzschluss erleidet und sie normal
arbeitet. 5 ist ein Schaltbild, das eine
Stromversorgungs-Steuereinrichtung zeigt, die eine zweite Ausführung der
Erfindung ist. 6 ist ein Schaltbild, das eine
in einer Modifikaltion der Stromversorgungs-Steuereinrichtung zusätzlich verwendete
Schaltung zeigt. 7 ist ein Schaltbild, das eine
zweite Modifikation der Stromversorgungs-Steuereinrichtung zeigt.
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Eine
Stromversorgungs-Steuereinrichtung, die eine erste Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt, wird 1 entsprechend
beschrieben. Die Stromversorgungs-Steuereinrichtung ist so aufgebaut,
dass eine Drain- (D) Source- (SA) Strecke eines Hauptsteuer-FET
QA als ein Halbleiterschalter in Reihenschaltung in einen Pfad eingefügt ist,
der eine Ausgangsspannung VB einer Stromquelle 101 an eine
Last liefert. In diesem Beispiel ist der Hauptsteuer-FET QA ein
NMOS-FET mit einer DMOS-Struktur. Wenn erforderlich, kann er ein PMOS-FET
sein.
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In 1 enthält ein Schaltungsabschnitt zum
Treiben und Steuern des Hauptsteuer-FET QA einen Bezugs-FET (zweiter
Halbleiterschalter) QB, Widerstände
R1 bis R12 und RG, eine Zenerdiode ZD1, Dioden D1 bis B3, Transistoren
Q1 bis Q4, einen Komparator CMP1, eine Ansteuerschaltung 111 und
einen Schalter SW1. In der folgenden Beschreibung und den an liegenden
Zeichnungen werden die Widerstände
als R gefolgt von Verweisnummern und Zeichen bezeichnet. Diese Bezeichnungen
stellen speziell die Widerstände
und Widerstandswerte dieser Widerstände dar. Ein mit einer gestrichelten
Linie umgebener Schaltungsabschnitt 110a bezeichnet einen
Schaltungsabschnitt, der analog auf einem Chip zu integrieren ist
(dieser Abschnitt wird im Folgenden als Chipschaltungsabschnitt
bezeichnet).
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Die
Last 102 umfasst z. B. Scheinwerfer, Antriebsmotoren für elektrisch
betätigte
Fenster usw. und beginnt zu arbeiten, wenn ein Benutzer einen betreffenden
Schalter SW1 einschaltet. Die Ansteuerschaltung 111 enthält in Reihe
geschaltete Transistoren, einen Quellentransistor, dessen Kollektor
mit einem Potenzial VP verbunden ist, und einen Sinktransistor,
dessen Emitter mit Massepotenzial verbunden ist. Der Quellen- und
der Sinktransistor in der Ansteuerschaltung werden entsprechend
Signalen, die durch Ein- und Ausschalten eines Schalters SW1 erzeugt
werden, ein- und ausgeschaltet, sodass ein Signal zum Treiben und
Steuern des Haupt-FET QA erzeugt wird. In 1 bezeichnet
VB eine Ausgangsspannung der Stromversorgung 101, z. B.
12 V, und VP steht für
eine Ausgangsspannung der Ladepumpschaltung, z. B. VP +10 V.
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Die
Details des Haupt-FET QA als der Halbleiterschalter sind wie in 2 gezeigt.
In 2 umfasst der Haupt-FET QA einen Innenwiderstand
RG, einen Temperaturfühler 121,
eine Latch-Schaltung 122 und einen Überhitze-Abschalt-FET QS. TD1 stellt
eine Zenerdiode dar. Die Zenerdiode hält die Spannung zwischen dem
Gate G und der Source SA auf 12 V. Wenn mehr als 12 V zwischen das
Gate G und die Source SA des FET angelegt werden, bildet die Zenerdiode
einen Nebenschluss für
einen durch die Überspannung
verursachten Strom.
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Der
Haupt-FET QA der Ausführung
hat die folgende Überhitze-Abschaltfunktion.
Wenn ein Temperaturfühler 121 erfasst,
dass die Temperatur des Haupt-FET QA auf über einen vorbestimmten Temperaturwert
ansteigt, wird die erfasste Information von einer Latch-Schaltung 122 gehalten,
und ein Überhitze-Abschalt-FET
QS wird eingeschaltet, um so eine Spannung zwischen dem Gate TG
und der Source SA auf null zu reduzieren. Im Gegenzug wird der Haupt-FET
QA erzwungen ausgeschaltet.
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Der
Temperaturfühler 121 umfasst
vier in Kaskade geschaltete Dioden und ist durch Packungserfordernisse
an einer Stelle nahe dem Haupt-FET QA gebildet. Mit ansteigender
Temperatur des Haupt-FET QA nehmen Durchlassspannungsabfälle dieser
Dioden des Temperaturfühlers 121 ab.
Wenn das Gate-Potenzial eines FET Q51 auf ein Potenzial eines L-Pegels
abnimmt, ändert
sich ein Zustand des FET Q51 von einem Ein-Zustand in ei nen Aus-Zustand.
Als Folge wird ein Gate-Potenzial eines FET Q54 auf ein Potenzial
an dem Gate-Steueranschluss G des Haupt-FET QA hochgezogen. Der
FET Q54 ändert
seinen Zustand von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand, sodass "1" in der Latch-Schaltung 122 gespeichert
wird. Zu dieser Zeit wird der Ausgang der Latch-Schaltung 122 auf
einen H-Pegel gesetzt, und der Überhitze-Abschalt-FET
QS ändert
seinen Zustand von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand. Im Gegenzug wird
ein Potenzial an dem wahren Gate TG des Haupt-FET QA das gleiche
Potenzial wie die Source SA, sodass der FET QA ausschaltet.
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Diese
Ausführung
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung stellt einen Schutz vor Überstrom
derart bereit, dass, wenn es einen vollständigen Kurzschluss oder einen
unvollständigen Kurzschluss
zwischen der Leitung von der Source SA des FET QA an die Last 102 und
dem Massepotenzialpegel gibt, er verhindert, dass ein Überstrom durch
den FET QA fließt.
Dieser Schutz wird mit Bezug auf 1 wie folgt
erklärt.
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Eine
Bezugsstrom-Erzeugzungseinrichtung, die in der Beschreibung der
Ansprüche
zu finden ist, wird mit einem Widerstand R11 und Transistoren Q2 und
Q3 gebildet. Wie gezeigt, sind die Basen der Transistoren Q2 und
Q3 miteinander verbunden, und die Emitter dieser Transistoren sind
mit Massepotenzial verbunden. Der Kollektor des Transistors Q3 ist mit
einem Ende des Widerstands R11 und den Basen der Transistoren Q2
und Q3 verbunden. Das andere Ende des Widerstands R11 ist mit dem
Kollektor eines Transistors Q1 verbunden, der zur Dunkelstrommessung,
die später
beschrieben wird, verwendet wird. Der Kollektor des anderen Transistors
Q2 ist mit der Source SB des Bezugs-FET QB verbunden.
-
In
der so angeordneten Schaltung wird der Kollektorstrom IC(Q3) des
Transistors Q3 wie folgt ausgedrückt: IC(Q3) = {VB – (Ein-Spannung von Q1) – (Ein-Spannung
von Q3)}/R11
-
Die
(Ein-Spannung von Q1) und (Ein-Spannung von Q3) sind kleiner als
die Stromspannung VB. Diese Spannungen können folglich vernachlässigt werden,
und dann IC(Q3) ≈ VB/R11.
Daraus ist zu sehen, dass der Kollektorstrom IC(Q3) proportional
zu der Stromspannung VB ist und von dieser abhängt.
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Die
Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung enthält eine Stromspiegelschaltung.
Der Kollektorstrom IC(Q2) des Transistors Q2 ist folglich gleich dem
Kollektorstrom IC(Q3) des Transistors Q3; IC(Q2) = IC(Q3). Der Bezugsstrom
Iref, der durch den Bezugs-FET QB fließt, ist gleich IC(Q2), und hängt daher
von der Stromspannung VB ab. Im Fall von 1 werden
die zwei Transistoren Q2 und Q3 außerhalb des Chipschaltungsabschnitt
oder Chips 110a bereitgestellt. Um IC(Q2) = IC(Q3) zu erfüllen, müssen diese
Transistoren Q2 und Q3 gleiche Abmessungen haben. Es ist vorzuziehen,
dass die Transistoren Q2 und Q3 innerhalbs des Chips 110a anstatt
außerhalb
des Chips 110a gebildet werden, sodass das Bilden der Transistoren
mit den gleichen Abmessungen leicht ist und die Integration bei
der Herstellung der Stromversorgungs-Steuereinrichtung weiter gesteigert
wird.
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Die
Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung enthält den Bezugs-FET QB. Die Spannung
zwischen dem Drain und der Source des Bezugs-FET QB ist die zu erzeugende
Bezugsspannung. Der Drain und das Gate des Bezugs-FET QB sind mit dem
Drain D und dem wahren Gate TG des Haupt-FET QA verbunden. Die Source
SB des Bezugs-FET QB ist mit dem Kollektor des Transistors Q2 verbunden.
In dieser Schaltung haben der Bezugs-FET QB und der Haupt-FET QA
den Drain D und das Gate TG gemeinsam und haben die gemeinsamen
Potenziale an ihren Drains bzw. Gates. Dieses Merkmal macht es leicht,
sie auf einem Chip (110a) zu integrieren.
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Der
Bezugs-FET QB und der Haupt-FET QA werden auf ein und demselben
Chip (110a) durch einen Herstellungsprozess gebildet. Das
Stromerfassungsverfahren in der Ausführung basiert auf der Differenz
zwischen der Spannung VDSA zwischen dem Drain und der Source des
Haupt-FET QA und der Bezugsspannung VDSB zwischen denen des Bezugs-FET
QB, die durch den Komparator CMP1 erfasst wird. Der Bezugs-FET QB
und der Haupt-FET QA werden somit auf einem Chip hergestellt. Folglich gelingt
es der Erfindung, Gleichtaktfehlerfaktoren, die noch in dem Haupt-Halbleiterschalter,
und dem zweiten Halbleiterschalter (Bezugsspannungsgenerator) erscheinen,
in fast dem gleichen Ausmaß bei
der Stromerfassungsoperation, d. h. nachteilige Einflüsse durch
Spannungs- und Temperaturdrift, und ungleichmäßige Qualität zwischen Losen zu beseitigen (entfernen).
Des Weiteren befindet sich der in der Stromspiegelschaltung als
die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung enthaltene Widerstand (Widerstand
R11) außerhalb
des Chips 110a. Mit diesem Merkmal wird die Bezugsspannung
unempfindlich gegen Temperaturschwankungen des Chips 110a gemacht.
Folglich wird eine sehr genaue Stromerfassung verwirklicht.
-
Damit
eine Stromkapazität
des Bezugs-FET QB kleiner als die des Haupt-FET QA ist, wird ein Verhältnis der
Zahl der parallel geschalteten Transistoren, die den Bezugs-FET
QB bilden, und der Zahl der parallel geschalteten Transistoren,
die den Haupt-FET QA bilden, typischerweise wie folgt gewählt: (Zahl der Transistoren von FET QB: 1) <
(Zahl der
Transistoren von FET QA: 1000)
-
Ein
Widerstandswert des Widerstands R11 wird so gewählt, dass IC(Q3)
= IC(Q2) = Iref = IDQLim × (Zahl
der Transistoren von FET QB: 1)/
(Zahl der Transistoren von
FET QA: 1000) = IDQALim/1000erfüllt wird. In den obigen Beziehungen
ist IDQALim der Bezugsstromwert, der benutzt wird, um zu entscheiden,
ob der Strom der Last 102 ein Überstrom ist oder nicht. Angenommen,
dass der Lastwiderstand, wenn ein Strom des Bezugsstromwertes IDQALim
als ein Laststrom durch den Haupt-FET QA fließt, Rlim ist, gilt die folgende
Beziehung: IDQALim = {(VB – (Ein-Spannung von QA)}/Rlim
≈ VB/Rlim
-
Da
IC(Q3) ≈ VB(R11,
dann VB/R11 = VB((Rlim × 1000)
und R11 = Rlim × 1000.
Rlim ist hier der Lastwiderstandswert, der benutzt wird, um zu entscheiden,
ob die Last eine Überlast
ist oder nicht. Der Widertstand R11 ist daher ein fester Widerstandswert,
der entsprechend dem Bezugswiderstandswert Rlim bestimmt wird.
-
Wie
oben beschrieben, hängt,
da der Strom des Bezugsstromwertes Iref, der durch den Bezugs-FET
QB fließt,
VB/R11 ist, der Bezugsstromwert Iref von der Stromspannung VB (proportional) ab.
Der Bezugsstromwert IDQALim ist folglich proportional zu der Stromspannung
VB. Der Bezugswiderstandswert Rlim ist jedoch fest, unabhängig von der
Stromspannung VB.
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Dies
wird mit nummerischen Werten beschrieben. In einem Beispiel, wo
R11 = 2.4 kOhm und der Lastwiderstand 2.4 Ohm (2.4 kOhm/1000 = 2.4 Ohm)
ist, ist die Drain-Source-Spannung
des Haupt-FET QA gleich der des Bezugs-FET QB; VDSA = VDSB. Wenn
der Lastwiderstand auf unter 2.4 Ohm abnimmt, VDSA > VDSB. Dieser Zustand wird
als ein Überlastzustand
beurteilt. Dies wird unter Verwendung des Laststromes beschrieben.
Wenn VB (Stromspannung) = 12 V, fließt ein Strom (Kollektorstrom
IC(Q3) von 2.4 mA durch den Widerstand R11. Wenn der Laststrom 5
A ist (5 mA × 1000
= 5 A), ist die Drain-Source-Spannung
des Haupt-FET QA gleich der des Bezugs-FET QA; VDSA = VDSB. Wenn
ein Laststrom von 5 A oder mehr fließt, wird entschieden, dass
es ein Überstrom
(Überlast)
ist. Wenn die Stromspannung VB 16 V ist, liegt der Bezugswiderstandswert
zur Überlastbeurteilung
unveränderbar
bei 2.4 Ohm, der Bezugsstromwert zur Überlastbeurteilung ist 6.67
A (16 V/2.4 Ohm = 6.67 A), und sein Wert wird geändert (erhöht), um höher als 5 A zu sein, wenn VB
= 12 V.
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So
lange die Last und die Verkabelung normal sind, bleibt der Gesamtwiderstand
der Last (= Lastwiderstand + Verkabelungswiderstand) unverändert. Aus
diesem Grund ist es, um zu beurteilen, ob ein Zustand der Last einschließlich der
Verkabelung normal ist oder nicht, erwünscht, dass der Bezugswiderstandswert
für die Überlastbeurteilung
auf einen festen Wert gesetzt wird. Diese Bedingung wird durch das
in der Ausführung
eingesetzte Verfahren erfüllt,
nämlich,
der Bezugsstromwert Iref hängt
von der Stromspannung VB ab, da in dem Verfahren der Bezugswiderstandswert
für die Überlastbeurteilung auf
einen festen Wert gesetzt wird. Ein später zu beschreibendes Konstantstromverfahren
(zweite Ausführung),
bei dem der Bezugsstromwert Iref unabhängig von der Stromspannung
fest ist, ist jedoch besser für
einen Fall, wo es erforderlich ist, zu beurteilen, ob der Wert des
durch die Last fließenden Stromes
einen Bezugsstromwert übersteigt
oder nicht, wobei er unabhängig
von der Stromspannung VB ist.
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Wo
die oben erwähnten
Schaltungsspezifikationen verwendet werden, können die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
und die Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung (Bezugs-FET QB) in der Schaltungsgröße minimiert
werden. Das Ergebnis ist eine Minimierung des Packungsraumes und eine
Verringerung der Kosten der Einrichtung.
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Der
Komparator CMP1 bildet einen Teil des in der Beschreibung der Ansprüche verwendeten "Detektors". Die Sourcespannung
VSA des Hauptsteuer-FET QA wird über
den Widerstand R5 an den "+"-Eingang des Komparators
CMP1 angelegt. Eine Sourcespannung VSB des Bezugs-FET QB wird über den
Widerstand R6 an den "–"-Eingang des Komparators
CMP1 angelegt. Wenn ein an den "+"-Eingang des Komparators
CMP1 angelegtes Potenzial höher
ist als das an den "–"-Eingang angelegte,
ist sein Ausgang gültig
("H"-Pegel). Wenn ein
an den "+"-Eingang des Komparators
CMP1 angelegtes Potenzial niedriger ist als das am "–"-Eingang, ist der Ausgang des Komparators
ungültig
("L").
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Die
Bezugsspannung der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung, nämlich ein
Schwellenwert, bei dem der Ausgang des Komparators CMP1 von einem "H"-Pegel auf einen "L"-Pegel wechselt,
kann durch Einstellen des Bezugsstromwertes Iref der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung in
einen anderen Wert geändert
werden. Einige Möglichkeiten
des Änderns
der Einstellung des Bezugsstromwertes Iref der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
(d. h. des Bezugs der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung) sind:
- a) Anordnen der zwei Transistoren Q2 und Q3
außerhalb
des Chips und Wählen
ihrer Konfigurationen und Abmessungen entsprechend den verlangten
Spezifikationen.
- b) Anordnen des Widerstands R11 außerhalb des Chips und Wählen seiner
Konfiguration und Abmessung entsprechend den verlangten Spezifikationen.
- c) Verwenden der Kombination von a) und b) oben.
- d) Ändern
des Widerstandswertes des Widerstands R11 innerhalb des Chips.
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Ein
Wert des Bezugsstromes (Bezugsspannung) kann als ein Zielwert in
einer Weise festgelegt werden, dass eine Vielzahl von Widerständen parallel
in dem Chip angeordnet wird und ein gewünschter Widerstand aus diesen
vielen Widerständen
mittels einer Schalteinrichtung ausgewählt wird, wenn der Chip verpackt
oder der nackte Chip montiert wird. Dadurch kann, auch wenn die
Stromversorgungs-Steuereinrichtung in einer integrierten Weise hergestellt
wird, eine Vielzahl von Spezifikationen mit einem Typ von Chip abgedeckt
werden. Mit dem variablen Einstellen des Bezugsstromes (Bezugsspannung)
ist es möglich,
den Unterschied zwischen dem vollkommenen Kurzschluss und dem unvollkommenen
Kurzschluss für
jede Art der Last (Scheinwerfer, Antriebsmotoren und dergleichen)
zuverlässig
zu erfassen. Der Schutz der Einrichtung gegen Kurzschlussprobleme
wird genau durchgeführt.
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Der
zwischen die Stromversorgung 101 und den Widerstand R1
eingefügte
Transistor Q1 wird bereitgestellt, um mit einem Dunkelstrom umzugehen. Wo
der Transistor Q1 nicht benutzt wird, besteht, auch wenn die Stromzufuhr
an die Last nicht befohlen ist, d. h., die Ansteuerung des Hauptsteuer-FET QA
nicht durchgeführt
wird, ein Pfad des Dunkelstromes, der von der Stromversorgung 101 bis
GND (Massepotenzial) reicht. Folglich wird elektrische Leistung
der Stromversorgung 101, obwohl ihre Menge klein ist, verbraucht,
selbst wenn der Schalter SW1 in einem Aus-Zustand ist. Um den Elektrizitätsverbrauch
der Stromversorgung 101 durch den Dunkelstrom zu reduzieren,
wird der Transistor Q1 eingeschaltet, wenn der Schalter SW1 eingeschaltet
wird (Befehl zum Liefern des Stromes an die Last 102), und
der Transistor Q1 wird ausgeschaltet, wenn der Schalter SW1 ausgeschaltet
wird. Der Pfad für
den Dunkelstrom wird daher abgeschnitten.
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Die
Widerstände
R1 bis R3 und die Dioden D2 und D3 bilden eine Doden-Klemmschaltung. Wenn
der Transistor Q1 in einem Ein-Zustand ist, gilt VC > VE, wo VC ein Potenzial
an einem Knoten zwischen den Widerständen R1 und R3 ist, und VE
ein Potenzial an einem Knoten zwischen den Widerständen R3
und R2 ist.
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Wenn
VSA (Sourcespannung von FET QA) > =
VC – 0.7
V (= Durchlassspanungsabfall der Diode) ist, wird die Sourcespannung
VSA an den "+"-Eingang des Komparators
CMP1 angelegt. Wenn VSA < VC – 0.7 V
ist, wird ein Potenzial von (VC – 0.7 V) an den "+"-Eingang des Komparators CMP1 unabhängig von
der Sourcespannung VSA angelegt. Daher wird, auch wenn die Sourcespannung
VSA abfällt, der "+"-Eingang des Komparators CMP1 auf VC – 0.7 V
gehalten und fällt
nicht unter dieses Potential ab. Der "–"-Eingang des Komparators
CMP1 wird auf einem Potenzial von VE – 0.7 V gehalten, auch wenn die
Source-Spannung VSB des Bezugs-FET QB auf einen Wert niedriger als
das Potenzial (VE – 0.
t V) abfällt.
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Mit
dem Bereitstellen der Dioden-Klemmschaltung werden, auch wenn der
Hauptsteuer-FET QA und der Bezugs-FET QB ihren Zustand in einen Aus-Zustand ändern und
die Sourcespannung VSA und die Sourcespannung VSB abfallen, der "+"-Eingang und der "–"-Eingang des Komparators
CMP1 auf (VC – 0.7
V) bzw. (VE – 0.7
V) geklemmt. Da VC > VE,
wird der Ausgang des Komparators CMP1 auf "H"-Pegel
gesetzt. Und der Hauptsteuer-FET QA wird ungeachtet der Amplituden
der Sourcespannung VSA und der Sourcespannung VSB zuverlässig gesteuert.
Es kommt niemals vor, dass das Potenzial am "+"-Eingang
und am "–"-Eingang des Komparators
CMP1 auf einen Bezugspotenzialwert abfällt. In dieser Hinsicht wird
die Spannungsfestigkeit des "+"-Eingangs und des "–"-Eingangs verbessert.
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Eine
Arbeitsweise der Stromversorgungs-Steuereinrichtung der Ausführung, nämlich ein
Stromversorgungs-Steuerverfahren wird mit Verweis auf 3 beschrieben.
Beim Gewinnen von in einer Grafik von 3 aufgetragenen
Daten ist der Hauptsteuer-FET QA ein Wärme-FET "HAF2001", hergestellt von Hitachi Corporation
in Japan. Betriebskennlinien des Hauptsteuer-FET QA und des Bezugs-FET
QB sind aufgetragen, wo die Stromspannung VB = 12 V ist. In 3 stellt
die Abszisse die Drain-Source-Spannung VDS (VDSA oder VDSB) dar,
und die Ordinate stellt den Drainstrom ID (IDQA oder 1000 × IDQB)
dar.
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In 3 gibt
eine strichpunktierte Linie einen Bezugswert für die Überlast (Überstrom) an, wenn Iref (Bezugsstrom)
= 5 mA ist. Da 1000 × Iref
= 5 A, wird er in (1) als eine horizontale Linie von 5
A dargestellt. Diese stellt eine Arbeitslinie des Bezugs-FET QB
dar, wenn sie in die des Hauptsteuer-FET QA umgewandelt wird. Wenn
die Last und die Verkabelung normal und der Hauptsteuer-FET QA und
der Bezugs-FET QB in einem Ein-Zustand sind, ist ein Arbeitspunkt
des Bezugs-FET QB ein Punkt A in 3. Der Arbeitspunkt
des Hauptsteuer-FET QA liegt zwischen dem Ursprung und dem Punkt
A. Es wird angenommen, dass die Last in einem Überlastzustand ist und ein Überstrom,
z. B. der Drainstrom IDQA = 8 A, fließt. Ein Arbeitspunkt des Hauptsteuer-FET
QA ist in diesem Moment ein Punkt B. Zu dieser Zeit ist IDQA (Drainstrom
von FET QA) > 1000 × Iref.
Der Ausgang des Komparators CMP1 ist folglich auf einem "L"-Pegel, und der Hauptsteuer-FET QA und
der Bezugs-FET QB ändern
ihren Zustand in einen Aus-Zustand.
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In 3 bezeichnet
eine gestrichelte Linie (2) eine Lastlinie, die dargestellt
wird, wenn die Last eine ohmsche Last und in einem Überlastzustand
ist, und weiter enthält
sie den Arbeits punkt B. Die ohmsche Last ist hier eine solche Last,
bei der die induktive Komponente der Last und der Verkabelung viel kleiner
als die ohmsche Komponente ist. Ein spezifisches Beispiel dafür ist eine
Lampenlast. Wenn die Last die ohmsche Last ist, verschiebt sich
der Arbeitspunkt des Haupsteuer-FET QA mit zunehmender Drain-Source-Spannung
VDSA vom Punkt B nach rechts entlang der geraden Lastlinie (2).
Wenn die Lastlinie (2) die Bezugswertlinie (1)
für die Überlastbeurteilung
an einem Punkt D schneidet, gilt eine Beziehung IDQA > 1000 × Iref,
wenn die Drain-Source-Spannung VDSA in einem Bereich auf der linken Seite
des Punkts D liegt. Wenn der Arbeitspunkt des Hauptsteuer-FET QA
in einem Bereich auf der rechten Seite des Punkts D liegt, gilt
eine Beziehung IDQA < 1000 × Iref.
Der Hauptsteuer-FET QA ändert seinen
Zustand in einen Ein-Zustand.
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Die
Ausführung
ergreift Maßnahmen
um zu verhindern, dass der Hauptsteuer-FET QA einschaltet, sobald
der Arbeitspunkt in den Bereich auf der rechten Seite des Punkts
D eintritt. Die Maßnahme benutzt
eine Erscheinung derart, dass, wenn die Gate-Ansteuerung des Hauptsteuer-FET
QA durch die Ansteuerschaltung 111 ausgeschaltet wird,
ein Potential am Ausgangsknoten der Ansteuerschaltung 111 durch
den Sinktransistor in der Ansteuerschaltung 111 Masse wird.
Das Ausnutzen der Erscheinen lässt
Strom durch einen Weg von der Basis des Transistors Q4 -> Widerstand R9 -> Diode D1 -> Knoten N8 -> GND (Massepotential)
fließen,
wodurch der Transistor Q4 eingeschaltet wird. Dadurch wird der "–"-Eingang des Komparators CMP1 auf hohem
Potenzial gehalten, und selbst wenn der Arbeitspunkt des Hauptsteuer-FET
QA auf der rechten Seite des Punkts D liegt, behält er seinen Aus-Zustand bei. In
einem Fall, wo das Potenzial am "–"-Eingang des Komparators
CPM1 übermäßig auf
das hohe Potenzial hochgezogen wird, wenn die Sourcespannung VSA
und die Sourcespannung VSB fallen, verzögert sich ein Zeitpunkt, wo
ein logischer Pegel am Ausgang des Komparators CMP1 durch die Diodenklemmschaltung
von einem "L"-Pegel in einen "H"-Pegel umgekehrt wird. Um dies zu verhindern,
ist es erwünscht,
einen Widerstandswert des Widerstands R10, der zwischen den Kollektor
des Transistors Q4 und den "–"-Eingang des Komparators
CMP1 geschaltet ist, so zu wählen,
dass R10: R6 = R1: R3 erfüllt
ist.
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In
der Diodenklemmschaltung ist die durch Teilen der Stromspannung
VB durch eine Reihenschaltung der Widerstände R1, R2 und R3 erhaltene Spannung
VC VC = VB (R2 + R3)/(R1 + R2 + R3)
-
Wenn
der Durchlassspannungsabfall der Diode D2 0.7 V ist, ist die Drain-Source-Spannung VDSA
des Hauptsteuer-FET QA, auf die das Potenzial am "+"-Eingang durch das Potenzial von VC – 0.7 V
geklemmt wird: VDSA = (VB – VC + 0.7)
-
In 3 wird
dies als eine schraffierte vertikale Linie in der Nähe von VDSA
= 7.3 V dargestellt.
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Ein
Schnittpunkt der Lastlinie (2) und der vertikalen Linie
ist als C1 bezeichnet. Wenn sich der Arbeitspunkt zu einem Bereich
auf der rechten Seiten des Punkts C1 bewegt und in diesen eintritt,
wird die Gate-Ansteuerung des Hauptsteuer-FET QA durch die Ansteuerschaltung 111 eingeschaltet.
Nachdem eine Verzögerungszeit
des Betriebs der Schaltung vergangen ist, ändert sich ein Potenzial am
Ausgangsknoten N8 der Ansteuerschaltung 111 von einem "L"-Pegel in einen "H"-Pegel,
und der Hauptsteuer-FET QA wird wieder eingeschaltet. Während der
Betriebsverzögerungszeit
der Ansteuerschaltung 111 bewegt sich der Arbeitspunkt
weiter nach rechts. Wenn der Hauptsteuer-FET QA eingeschaltet wird, wechselt
der Arbeitspunkt seine Bewegungsrichtung nach links, und beginnt
sich zu bewegen.
-
Wenn
das Potenzial am Knoten N8 der Ansteuerschaltung 111 auf
den hohen logischen Pegel geht, ändert
der Transistor Q4 seinen Zustand in einen Aus-Zustand. Als Folge
verschwindet die Hochziehaktion des Potenzials am "–"-Eingang des Komparators CMP1 durch
den Transistor Q4. Folglich wird, wenn der Arbeitspunkt des Hauptsteuer-FET QA
in einen Bereich auf der linken Seite des Punkts D eintritt, die
Ansteuerschaltung 111 in einen Steuern-Aus-Modus gebracht,
und nach der Verzögerungszeit
des Schaltungsbetriebs wird der Hauptsteuer-FET QA ausgeschaltet.
Während
der Betriebsverzögerungszeit
der Ansteuerschaltung 111 verschiebt sich der Punkt D weiter
nach links und ändert
dann seine Bewegungsrichtung und beginnt, sich nach rechts zu bewegen.
Durch Wiederholen des obigen Prozesses werden der Hauptsteuer-FET QA
und der Bezugs-FET QB wiederholend ein- und ausgeschaltet.
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In 3 stellt
eine Linie (3) eine Lastlinie dar, wenn die Last eine induktive Überlast
ist. Die induktive Last bedeutet hier eine solche Last, dass eine
induktive Komponente der Last und der Verkabelung viel größer ist
als eine ohmsche Komponente, und ein Beispiel dazu ist eine Motorlast.
Wenn die Last eine induktive Last ist, ist die Arbeitslinie des
Haupsteuer-FET QA einen horizontale gerade Linie, die den Punkt
B enthält,
wie in der Linie (3) gezeigt. Wenn der Hauptsteuer-FET
QA seinen Zustand in einen Aus-Zustand ändert, bewegt sich der Arbeitspunkt
des Hauptsteuer-FET QA von dem Punkt B nach rechts entlang der Lastlinie
(3).
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Im
Fall der induktiven Last bleiben, wenn der Hauptsteuer-FET QA und
der Bezugs-FET QB ausschalten, sowohl der Hauptstrom IDQA als auch
der Bezugsstrom Iref unverändert,
bis VDSA den in 3 gezeigten Punkt C2 erreicht.
Der Punkt C2 bezeichnet den Schnittpunkt der Arbeitslinie (3)
und der vertikalen Linie bei VB – VC + 0.7 V. Mit anderen Worten,
IDQA ist, anders als bei der ohmschen Last, immer größer als
1000 × Iref,
ungachtet des Hochziehens des "–"-Eingangs durch den
FET Q4. Wenn der Arbeitspunkt des FET QA in den Bereich auf der rechten
Seiten Seite des Punkts C2 eintritt, wechselt der Ausgang von CMP1
vom "L"-pegel zum "H"-Pegel.
Da es in der Ansteuerschaltung 111 eine Verzögerungszeit
gibt, geht der Arbeitspunkt des FET QA während der Verzögerungszeit
weiter nach rechts über
den Punkt C2 hinaus. Wenn der FET QA und der FET QB einzuschalten
beginnen, ändert
der Arbeitspunkt die Bewegungsrichtung und beginnt, sich nach links
zu bewegen.
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Wenn
die Drain-Source-Spannung VDS abnimmt und der Arbeitspunkt des Hauptsteuer-FET QA
den Punkt C2 erreicht, wird die Ansteuerschaltung 111 in
einen Steuern-Aus-Modus gebracht. Nach der Betriebsverzögerungszeit
der Schaltung ändert
der Hauptsteuer-FET QA seinen Zustand in einen Aus-Zustand. Während der
Betriebsverzögerungszeit
der Ansteuerschaltung 111 bewegt sich der Arbeitspunkt
nach links über
den Punkt C2 hinaus. Wenn das Potenzial am Ausgangsknoten N8 der
Ansteuerschaltung 111 von einem "L"-Pegel
auf einen "H"-Pegel wechselt, ändert jedoch
der Arbeitspunkt seine Bewegungsrichtung und beginnt, sich nach rechts
zu bewegen. Durch Wiederholen des obigen Prozesses werden der Hauptsteuer-FET
QA und der Bezugs-FET QB wiederholend ein- und ausgeschaltet.
-
IDQB
= IC(Q2), und wenn n × IDQB > IDQA, werden der Hauptsteuer-FET
QA und der Bezugs-FET QB in einem Ein-Zustand gehalten. Wenn n × IDQB < IDQA, werden der
Hauptsteuer-FET QA und der Bezugs-FET QB ein- und ausgeschaltet.
Hier ist "n" ein Verhältnis der
Zahl von Transistoren des Hauptsteuer-FET QA zu der des Bezugs-FTE
QB, und IDQA und IDQB sind die Drainströme des Hauptsteuer-FET QA und
des Bezugs-FET QB. Das heißt, wenn
der Laststrom IDQA des Hauptsteuer-FET QA zunimmt, um größer zu sein
als ein Strom, der n mal so groß ist
als der Bezugsstrom Iref (IC(Q2)), werden diese FETs wiederholend
ein- und ausgeschaltet. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit werden
der Hauptsteuer-FET QA und der Bezugs-FET QB ausgeschaltet.
-
4(a) und 4(b) sind
Wellenformdiagramme, die Änderungen
von Strom und Spannung des Hauptsteuer-FET QA in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
der Ausführung
zeigen. 4(a) zeigt eine Wellenform eines
Drainstromes ID des FET, und 4(b) ist
eine Wellenform der Drain-Source-VDS. Eine Wellenform (2)
stellt eine Änderung
des Drainstromes ID in einem normalen Zustand dar. Eine Wellenform
(3) stellt eine Änderung
des selben in einem Überlastzustand
(einschließlich
eines Kurzschlusses einer Verkabelung zwischen der Quelle und der
Last) dar. Im Überlastzustand
((3) in 4) wird der Hauptsteuer-FET
QA wiederholend ein- und ausgeschaltet, und eine periodische Erwärmung des
Hauptsteuer-FET QA bewirkt, dass die Überhitze-Abschalt-Schutzfunktion
arbeitet.
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Wie
oben beschrieben gelingt es der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und Verfahren der Erfindung, den herkömmlich verwendeten Nebenwiderstand,
der mit der Stromversorgung in Reihe geschaltet ist, um den Strom
zu erfassen, zu beseitigen, und sie können einen Überstrom mit hoher Genauigkeit
ohne den Nebenwiderstand erfassen und den Wärmeverlust der ganzen Einrichtung
unterdrücken. Des
Weiteren erfassen die Stromversorgungs-Steuereinrichtung und das
Verfahren mit der Hardwareschaltung fortlaufende einen anomalen
Strom, der fließt,
wenn ein Schicht-Kurzschluss, z. B. ein unvollkommener Kurzschluss
mit etwas Widerstand, auftritt, sowie einen Überstrom, der verursacht wird, wenn
vollkommener Kurzschluss auftritt.
-
Die
Ein/Aus-Steuerung des Halbleiterschalters kann nur durch die Hardwareschaltung,
die den Mikrocomputer nicht enthält,
durchgeführt
werden. Der Packungsraum und die Kosten der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
können
folglich verringert werden.
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Durch
das Einstellen des Bezugsstromwertes Iref der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
ist es möglich,
die Unterscheidung des vollkommenen Kurzschlusses von dem unvollkommenen
Kurzschluss für
jede Art der Last (Scheinwerfer, Antriebsmotoren und dergleichen)
zuverlässig
zu erfassen. Der Schutz der Einrichtung vor Kurzschlussproblemen
wird genau durchgeführt.
-
Eine
Stromversorgungs-Steuereinrichtung und ein Verfahren, die eine zweite
Ausführung
der vorliegenden Erfindung bilden, werden mit Verweis auf 5 beschrieben.
Die Stromversorgungs-Steuereinrichtung der Ausführung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung als eine Konstantstromquelle
konstruiert ist. Das heißt,
der Unterschied zu der Schaltungsanordnung (1) der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
der ersten Ausführung
ist, dass ein Widerstand R13 zwischen den Widerstand R11 und den
Kollektor des Transistors Q1 in der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
eingefügt
ist, und eine Zenerdiode ZD2 zwischen das andere Ende des Widerstands
R13 und Massepotenzial geschaltet ist. In 5 bezeichnet ein
mit einer gestrichelten Linie umgebener Schaltungsabschnitt 110b einen
Schaltungsabschnitt, der auf einem Chip analog zu integrieren ist
(auf diesen Abschnitt wird als ein Chipschaltungsabschnitt verwiesen).
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In
der Schaltungsanordnung ist der Kollektorstrom IC(Q3) gegeben durch IC(Q3) = {VZD2 – (Ein-Spannung von Q3)}/R11wo
VZD2 eine Zenerspannung der Zenerdiode ZD2 ist. Der Kollektorstrom
IC(Q3) oder der Bezugsstromwert Iref ist folglich ein Konstantstrom,
der nicht von der Stromspannung VB abhängig ist.
-
Die
Funktionen und Modifikationen der anderen Elemente und Operationen
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung und des Verfahrens sind im Wesentlichen
die gleichen wie die der ersten Ausführung und sind in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und dem Verfahren der Ausführung
gültig.
-
Modifikationen
der Stromversorgungs-Steuereinrichtungen der oben beschriebenen
ersten und zweiten Ausführung
werden mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen in der Reihenfolge
erste Modifikation und zweite Modifikation beschrieben.
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Die
erste Modifikation ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlaufstrom-Maskenschaltung 105,
wie in 6 gezeigt, zusätzlich
zu der Schaltungsanordnung (1 oder 5)
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung der ersten oder zweiten Ausführung verwendet
wird.
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Wenn
die Last 102 (z. B. Scheinwerfer) eingeschaltet wird, fließt ein Anlaufstrom,
dessen Amplitude bis zu 10-mal größer als die eines normalen Stromes
ist. Die Dauer, die der Anlaufstrom fließt, hängt von dem Typ und der Kapazität der Last 102 ab,
beträgt
aber etwa 3 ms bis 20 ms. Wenn die Überstromsteuerung, wie in der
ersten oder zweiten Ausführung
beschrieben, während
der Periode, in der der Stoßstrom
fließt,
durchgeführt
wird, wird etwas Zeit gebraucht, bis sich die Last in einem stationären Zustand
niederlässt.
Als Folge verzögert
sich manchmal die Reaktion der Last selbst. Das heißt, die Scheinwerfer
leuchten verzögert
auf. Die Ausführung löst dieses
Problem, indem die Anlaufstrom-Maskenschaltung 105 (die
der in den Ansprüchen
verwendeten Verbotseinrichtung entspricht) der Schaltungsanordnung
von 1 oder 5 hinzugefügt wird.
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In 6 besteht
die Anlaufstrom-Maskenschaltung 105 aus FETs Q11 und Q12,
einer Diode D11, Widerständen
R12 bis R18 und einem Kondensator C11. Anschlüsse N6 und N9 sind mit den
Knoten N6 und N9 in der Schaltung von 1 bzw. 5 verbunden.
Ein Anschluss GND ist Erde.
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Die
Arbeitsweise der Anlaufstrom-Maskenschaltung 105 wird beschrieben.
Wenn der Schal ter SW1 eingeschaltet wird, wird der Transistor Q1
eingeschaltet. Die Stromspannung VB wird über die Diode D11 und den Widerstand
R16 an das Gate des FET Q12 angelegt. Die Stromspannung VB wird über die
Diode D11 und den Widerstand R15 an das Gate des FET Q11 angelegt.
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Das
Gate des FET Q12 ist über
den Kondensator C11 mit Massepotenzial verbunden. Der Kondensator
C11 ist unmittelbar nach dem Einschalten des Schalters SW1 noch
nicht aufgeladen. In diesem Zustand ist das Gatepotenzial des FET
Q12 nicht hoch genug, und der FET Q12 kann seinen Zustand nicht
in einen Ein-Zustand ändern.
Der FET Q11 ist während
des Aus-Zustand des FET Q12 in einem Ein-Zustand und zieht das Potenzial
am "–"-Eingang des Komparators
CMP1 auf ein niedrigeres Potenzial. Aus diesem Grund geht, selbst
wenn ein großer Anlaufstrom
fließt,
das Ausgangspotenzial des Komparators CMP1 nicht auf einen tiefen
logischen Pegel, und der Hauptsteuer-FET QA ändert seinen Zustand nicht
in einen Aus-Zustand.
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Mit
der Zeit wird der Kondensator C11 über den Widerstand R16 allmählich geladen,
und der FET Q12 ändert
zur rechten Zeit seinen Zustand in einen Ein-Zustand. Dadurch ändert der
FET Q11 seinen Zustand in einen Aus-Zustand, der Maskierungszustand
endet, und schließlich
arbeitet die Überstromerfassungssteuerung.
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Der
Widerstand R17 ist ein Entladewiderstand zum Rücksetzen der Kondensators C11
nach dem Ausschalten des Schalters SW1. Sein Widerstandswert wird
bevorzugt so gewählt,
dass R16 << R17, um die Maskierungszeit
nicht nachteilig zu beeinflussen. Die Maskierungszeit wird durch
eine Zeitkonstante von R16 × C11
bestimmt. Wo die Schaltung bei der Herstellung in einen Chip integriert
wird, kann die Maskierungszeit eingestellt werden, indem die Kapazität des an
dem Chip angebrachten Kondensators C11 justiert wird.
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Eine
Stromversorgungs-Steuereinrichtung des zweiten Modifikation wird
mit Verweis auf 7 beschrieben. Die Stromversorgungs-Steuereinrichtung
dieser Modifikation ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ein/Aus-Zählerschaltung 107 zu
der Schaltungsanordnung (1 oder 5) der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
der ersten oder zweiten Ausführung
hinzugefügt
wird. In 7 bezeichnet ein mit einer gestrichelten
Linie umgebener Schaltungsabschnitt 110d einen Schaltungsabschnitt,
der auf einem Chip analog zu integrieren ist (dieser Abschnitt wird
als ein Chipschaltungsabschnitt bezeichnet).
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In
der ersten oder zweiten Ausführung
wird, wenn ein unvollkommener Kurzschluss auftritt, der Hauptsteuer-FET
QA wiederholend ein- und ausgeschaltet, und die resultierende perio dische
Erwärmung
des Hauptsteuer FET QA bewirkt, dass die Überhitze-Abschaltfunkfion arbeitet.
Die bis zum Überhitze-Abschalten
benötigte
Zeit ist folglich relativ lang. Dieses Problem wird durch die Modifikation
in der folgenden Weise gelöst.
Das heißt,
die Modifikation verwendet die Ein/Aus-Zählerschaltung (Häufigkeits-Steuereinheit) 107,
um das Ausschalten des Hauptsteuer-FET QA zu beschleunigen. Die Ein/Aus-Zählerschaltung 107 schaltet
den Hauptsteuer-FET QA aus, wenn die Zahl von Ein/Aus-Malen einen
vorbestimmten Wert erreicht.
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In 7 enthält die Ein/Aus-Zählerschaltung 107 Transistoren
Q32 bis Q34, FETs Q31 und Q35, Dioden D31 bis D33, eine Zenerdiode
TD31, Widerstände
R31 bis R38 und einen Kondensator C31. Der Leitfähigkeitstyp des FET Q31 ist
entgegengesetzt zu dem des FET Q35. In 7 ist der
FET Q31 ein NMOS-Typ, während
der FET Q35 ein PMOS-Typ ist, und diese FETs sind in einer Latch-Schaltung
angeordnet.
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Die
Arbeitsweise der Ein/Aus-Zählerschaltung 197 wird
beschrieben. Jedes Mal, wenn der Überstrom-Steuermodus etabliert
wird und der Haupsteuer-FET QA während
der Ein/Aus-Steuerung
des FET QA ausgeschaltet wird (das Gatepotenzial wird auf einen "L"-Pegel gesetzt), wird der Kondensator C31 über die
Transistoren Q32 und Q34 und den Widerstand R32 geladen. Der Kondensator
C32 wird nur geladen, wenn die Drain-Source-Spannung VDSA während der
Aus-Steuerung (das Gatepotenzial ist auf dem "L"-Pegel)
im logischen Pegel hoch geht, und wird nicht geladen, wenn der FET
QA fortlaufend im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand bleibt. Das Gatepotenzial
des FET Q31 ist im Anfangsstadium niedriger als ein Schwellenwert
und ist in einem Aus-Zustand. Mit fortschreitendem Laden nimmt das Gatepotenzial
zu, und der FET Q31 wird eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird
das wahre Gate des Hauptsteuer-FET QA über die Diode D32 mit Massepotenzial
verbunden, um den Hauptsteuer-FET QA auszuschalten (Aus-Steuerung).
Zu diesem Zeitpunkt wird auch der FET Q35 eingeschaltet. Die Latch-Schaltung,
die die FETs Q31 und Q35 enthält, hält folglich
Information in dem Sinne, dass die Ein/Aus-Zählerschaltung 107 den
Hauptsteuer-FET QA ausschaltete.
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In
der Stromversorgungs-Steuereinrichtung (7) der zweiten
Modifikation ist der Drain des FET Q31 über die Diode D32 mit dem wahren
Gate (TG) des Hauptsteuer-FET QA verbunden, wodurch der Hauptsteuer-FET
QA direkt ein/aus-gesteuert wird. Die Modifikation kann des Weiteren
in der folgenden Weise modifiziert werden. In einem ersten Fall
wird ein Verbots-Gatter (2-Eingang-UND-Gatter) am Ausgang des Komparators
CMP1 bereitgestellt. Ein Drainpotenzial des FET Q31 wird für sein Verbotssteuersignal
benutzt (das Drainpotenzial des FET Q31 wird in den anderen Eingang
des 2-Eingang-UND-Gatters eingegeben). In ei nem zweiten Fall ist
der Drain des FET Q31 über
einen Widerstand mit dem "+"-Eingang des Komparators
CMP1 verbunden. Auch in diesem ersten und zweiten Fall ist es erforderlich,
eine Latch-Schaltung zu bilden, die Information hält, dass
die Ein/Aus-Zählerschaltung 107 den
Hauptsteuer-FET QA ausgeschaltet hat.
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In
einem dritten Fall wird, nachdem die Ein/Aus-Steuerungen aufsummiert
sind, der Hauptsteuer-FET QA durch die Überhitze-Abschaltfunktion,
d. h. unter Verwendung eines Temperaturfühlers 121, einer Latch-Schaltung 122 und
eines Überhitze-Abschalt-FET
QS (s. 2), ausgeschaltet. Das heißt, der FET Q35 und der Widerstend
R38 sind entfernt, der Widerstand R31 ist mit dem Ausgangsknoten
N8 anstatt dem Kollektor des Transistors Q1 verbunden, und die Anode
der Diode D32 ist mit der Anode des Temperaturfühlers 121 (bestehend
aus vier Dioden) verbunden. In diesem Fall wird, wenn der FET Q31
eingeschaltet wird, ein Potenzial an der Anode des Temperaturfühlers (bestehend
aus vier Dioden) auf ein tiefes Potenzial nach unten gezogen. Folglich
werden die gleichen Bedingungen wie im Hochtemperaturzustand hergestellt,
und der FET QS wird eingeschaltet, um den Hauptsteuer-FET QA auszuschalten
(Aus-Steuerung).
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Des
Weiteren wird in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung dieser Modifikation
die Zahl von Malen der Ein/Aus-Steuerung basierend auf einer in
dem Kondensator C31 der Ein/Aus-Zählerschaltung 107 gespeicherten
Ladungsmenge bestimmt. Alternativ kann die Ein/Aus-Zählerschaltung 107 mit
einem Zähler
zum direkten Zählen
des Ausgangssignals der Ansteuerschaltung 111 gebildet werden.
In der Alternativen wird, wenn ein Zählwert des Zählers zum
Zählen
des Ausgangssignals der Ansteuerschaltung 111 einen vorbestimmten
Wert erreicht, der FET Q31 (oder Überhitze-Abschalt-FET QS) eingeschaltet,
um den FET QA auszuschalten (Aus-Steuerung).
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In
der Schaltungsanordnung der Stromversorgungs-Steuereinrichtung jeder
der Ausführungen und
ihrer Modifikationen sind der Hauptsteuer-FET QA, der Bezugs-FET
QB, der Überhitze-Abschalt-FET
QS und FETs Q11 bis Q31 und Q51 bis Q54 vom N-Kanal-Typ, und die
anderen FETs sind vom P-Kanal-Typ. Es ist offensichtlich, dass die
Leitfähigkeitstypen
dieser Transistoren natürlich
umgekehrt sein können.
In diesem Fall muss die Schaltung so modifiziert werden, dass die
Gatepotenziale zum Ein- und Ausschalten der jeweiligen Schaltelemente in
Form des logischen Pegels, "L"-Pegel und "H"-Pegel, umgekehrt sind. Das gleiche
gilt für
eine Modifikation, bei der der NPN-Typ der Bipolartransistoren in einen
PNP-Typ und umgekehrt geändert
wird. Wenn erforderlich, können
IGBTs (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) anstelle des Hauptsteuer-FET
QA und des Bezugs-FET QB verwendet werden.
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Wie
aus der vorangehenden Beschreibung zu ersehen ist, wird in der Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und Verfahren der Erfindung, wenn die Zufuhr von elektrischer Leistung
von der Stromversorgung an die Last durch den Halbleiterschalter
in einer schaltenden Weise gesteuert wird, ein Bezugsstrom durch
die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung (Bezugsstrom-Erzeugungsschritt)
erzeugt. Eine Bezugsspannung wird auf der Basis des Bezugsstromes
durch die Bezugsspannung-Erzeugungseinrichtung (Bezugsspannungs-Erzeugungsschritt)
erzeugt. Eine Differenz zwischen der Spannung zwischen Anschlüssen des
Halbleiterschalters und der Bezugsspannung wird durch den Detektor
erfasst (Erfassungsschritt). Der Halbleiterschalter wird entsprechend
der erfassten Spannungsdifferenz zwischen der Anschluss-Anschluss-Spannung
und der Bezugsspannung durch die Steuereinrichtung ein/aus-gesteuert
(Steuerschritt). Die Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung enthält einen
zweiten Halbleiterschalter, der entsprechend dem Steuersignal gesteuert
wird. Des Weiteren ist der zweite Halbleiterschalter mit der Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
in Reihe geschaltet, um eine Reihenschaltung zu bilden. Die Reihenschaltung
ist mit dem Halbleiterschalter und der Last parallel geschaltet.
Die Anschluss-Anschluss-Spannung des zweiten Halbleiterschalters
wird in der Form der Bezugsspannung erzeugt Die Bezugsstrom-Erzeugungseinrichtung
erzeugt einen Bezugsstrom, der von einer Ausgangsspannung der Stromversorgung
abhängt,
oder ist eine Konstantstromquelle, wie in der vierten Stromversorgungs-Steuereinrichtung.
Eine Entscheidung dahin gehend wird getroffen, ob die Anschluss-Anschluss-Spannung
des Halbleiterschalters (oder der Strom im Stromversorgungspfad),
der einen Teil des Stromversorgungspfades bildet, außerhalb
eines normalen Zustands liegt, indem eine Differenz zwischen der
Anschluss-Anschluss-Spannung des Halbleiterschalters und der von
der Bezugsspannungs-Erzeugungseinrichtung erzeugten Bezugsspannung
(Bezugsspannungs-Erzeugungsschritt) erfasst wird. Die Stromversorgungs-Steuereinrichtung
und Verfahren der Erfindung benötigt
nicht den herkömmlich
verwendeten Nebenwiderstand, der für die Stromerfassung mit dem
Stromversorgungspfad in Reihe geschaltet ist. Mit diesem Merkmal
wird der Wärmeverlust
der Einrichtung unterdrückt.
Ein anomaler Strom durch einen Schicht-Kurzschluss, z. B. ein unvollkommener
Kurzschluss mit etwas Widerstand, sowie ein Überstrom durch einen vollkommenen
Kurzschluss können
fortlaufend unter Verwendung der Hardwareschaltung oder der Programmverarbeitung
durch den Mikrocomputer oder dergleichen erfasst werden. Insbesondere
besteht, wenn der Ein/Aus-Steuerungsprozess für den Halbleiterschalter durch
eine Hardwareschaltung verwirklicht wird, keine Notwendigkeit, den
Mikrocomputer zu verwenden. Dieses Merkmal führt zu einer Verringerung des Packungsraumes
und zu einer erheblichen Verringerung der Kosten der Einrichtung.