WO2009043657A1 - Verfahren und vorrichtung zur diagnose in integrierten leistungsbrückenschaltungen - Google Patents

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WO2009043657A1
WO2009043657A1 PCT/EP2008/061463 EP2008061463W WO2009043657A1 WO 2009043657 A1 WO2009043657 A1 WO 2009043657A1 EP 2008061463 W EP2008061463 W EP 2008061463W WO 2009043657 A1 WO2009043657 A1 WO 2009043657A1
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low
load
currents
current
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PCT/EP2008/061463
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Eckart Garneyer
Dieter Sass
Peter Völkl
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Continental Automotive Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
    • H02H7/0838—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements with H-bridge circuit
    • H—ELECTRICITY
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
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    • H03K5/24—Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H02H7/1227—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters responsive to abnormalities in the output circuit, e.g. short circuit

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for fault detection in integrated power bridge circuits having a high-side branch and a low-side branch and a load L, a high-side power switch B between the load L and supply voltage V Su ppiy and a low -Side circuit breaker G between load L and ground M, as well as over-current measuring devices for measuring overcurrent through circuit breakers B and G.
  • a number of control circuits usually with comparators, are known, which according to the state of the art are able to differentiate between the various error cases.
  • the error cases are diagnosed in the prior art by diagnosing the failure SCBi in the off state, shaping a voltage on the high-side output and measuring the current.
  • the low-side power switch can be turned on separately and the current in the diagnostic mode can be determined.
  • the fault SCB 2 which consists of a short circuit across the series circuit of high-side circuit breaker and load, is determined by overcurrent measurement in the low-side circuit breaker. Accordingly, the fault SCG 2 leads to an overcurrent in the high-side circuit breaker.
  • the fault SCGi ie the short circuit through the low-side circuit-breaker, is, similar to the error SCBi, determined by impressing a voltage in the switched-off state on the low-side output and measuring the current (or vice versa). It is also possible to individually switch on the low-side circuit breaker and to carry out the current measurement in the diagnostic mode.
  • the error SCL ie the short circuit across the load, is monitored by the current increase in one of the two circuit breakers.
  • a major disadvantage of the prior art is the complex interconnection and the necessary design of the measuring circuits for high loads.
  • Another disadvantage is that the diagnosis of a short circuit via a switch alone can only be done in the off state.
  • This object is achieved by a method which detects the currents I B and I G in the high-side and low-side branches, subtracts the detected values of the currents from one another and the difference thus formed with an upper limit R 0 and a lower one limit R11 compares.
  • the currents can be detected directly, for example, with the aid of current mirror circuits and processed further as currents.
  • Exceeding the upper limit value R 0 can be interpreted as a short circuit SCGi via the low-side power switch G, if at the same time no overcurrent in the circuit is measured. If an overcurrent is measured at the same time, the exceeding of the upper limit value R 0 can be interpreted as short circuit SCG2 via the series connection of low-side circuit breaker G and load L.
  • falling below the lower limit R 11 can be interpreted as a short circuit SCBi on the high-side power switch B, if at the same time no overcurrent in the circuit is measured. If, on the other hand, an overcurrent is measured at the same time, the fall below the lower limit can be Ru can be interpreted as a short circuit SCB 2 via the series circuit of high-side circuit breaker G and the load L.
  • Circuit breaker G between load L and ground M as well as over-current measuring devices for measuring the overcurrent through the circuit breakers B and G, wherein the device at least two ammeters, the currents I H s and I L s in the high-side and low-side Detect branch, and having at least one differential circuit to which the measured currents I B and I G are guided, so that the differential current I D of the currents I B and I G is formed.
  • the device has a comparison circuit K, which compares the differential current I D with an upper limit R 0 and a lower limit R 0 .
  • an apparatus for detecting faults in integrated power bridge circuits having a load L, a high-side power switch B between load L and supply voltage V SUpp i y and a low-side power switch G between load L and ground M, and with over-current measuring devices for Measurement of the overcurrent via the circuit breakers B and G, in which the device has at least two current measuring devices with paired shunt resistors, which supply the currents I B and I G in the high-side branch and in the low-side branch via the shunt terminals.
  • Resistors dropping voltages U B and U G wherein the device further comprises at least one level converter (level shifter), which shifts the voltage U B to the low side, and at least one differential circuit, to which the measured voltages U B and U G are guided, so that the differential voltage U 0 the voltages U B and U G is formed.
  • the device has a comparison circuit K, which compares the differential voltage U 0 with an upper limit R 0 and a lower limit R 11 .
  • the level shifter may also be implemented to directly shift a current that is proportional to the current flowing in the high-side power switch.
  • the current measurement can be done both with shunt resistors and with current mirror circuits (sense FET).
  • the further processing of the current signal from the high-side switch can be realized on the low-side by means of voltages or currents.
  • the current measuring devices have current mirrors integrated into the switches.
  • the device has an additional circuit which ensures that the gate-source voltages of the switch transistor and its mirror transistor are kept equal.
  • FIG. 3 shows a circuit for carrying out the method with integrated current measuring devices
  • Fig. 4 shows a circuit with a determination of the currents by measuring voltage across a shunt resistor, as well
  • Fig. 5 shows a use of current mirrors for current measurement in the switches.
  • Fig. 1 initially shows basically the structure of the circuit whose possible errors are to be recognized and which is known as such in the prior art.
  • a load L is up to on the one hand to a supply voltage V Su ppiy over a high-side power switch B.
  • the load L is connected to the ground M via a low-side power switch G.
  • Circuit breaker alone (SCBi), via the load alone (SCL) and via a series connection of high-side circuit breaker B and load L (SCB 2 ).
  • Fig. 2 shows the corresponding error on the low-side power switch G.
  • SCGi low-side power switch G alone
  • SCL load L alone
  • SCG 2 series circuit of Low -Side circuit breaker G and load L
  • the measured currents I B and I G are directed to the two inputs of a differential circuit 27, which forms the difference of these currents, which is output as the differential current I D.
  • the differential current I D is then compared with an upper and a lower limit, such an operational amplifier is used for which purpose rator each a compati-, on which on the one hand, the differential current I D, or a signal is proportional to the differential current I D.
  • an operational amplifier is used for which purpose rator each a compati-, on which on the one hand, the differential current I D, or a signal is proportional to the differential current I D.
  • the difference between I B and I G becomes negative. If it falls below the lower limit R 11 , the comparator 23 outputs a signal indicating an error SCB x , in which the low-side power switch B was involved.
  • the errors on the low-side circuit breaker G may be either an error SCBi, ie a short circuit alone on the high-side power switch B, or an error of the type SCB 2 , ie via a short over the series circuit of high-side circuit breaker B and load L act.
  • shorts across a switch alone (SCBi, SCGi) of shorts across the series combination of switch and load (SCB 2 , SCG 2 ) may also be detected be distinguished from the overcurrent.
  • This detection of the overcurrent is in practical and technical Twists usually required anyway, so that this does not cause additional circuit complexity.
  • a special case is a short circuit over the load alone (SCL), because here the current difference between I B and I G will remain below the limit value. However, an overcurrent will flow, which is detected, so that the measurement of an overcurrent while the current difference remains within the two limit values R 0 and R 0 is reliably interpreted as a short-circuit across the load.
  • a further circuit simplification can be achieved if the current is determined as a voltage drop across a shunt resistor 40, as shown in Fig. 4.
  • shunt resistors it is possible to use, for example, already existing interconnects from the connection pads (bond pads) to the integrated switches, which practically does not make it possible to use the area on the integrated circuit. increases, so that this measurement can be done practically neutral.
  • the voltages and not the corresponding currents are also to be compared with one another, which is not shown in FIG.
  • the voltage U B is shifted over the high-side shunt 40 with the aid of a level shifter to the low-side, where it is subtracted from the voltage U G via the low-side shunt 50.
  • the differential voltage U 0 is then, as the differential current of FIG. 3, compared with limit values.
  • FIG. 5 Another embodiment is shown in FIG. 5.
  • current mirrors are used in the switches, e.g. Sense field effect transistors (sense FET).
  • the gate-source voltages of the switch transistor and the mirror transistor as shown in FIG. 5 by way of example for the high side, can be kept the same with the aid of circuits known from the prior art. This is necessary for sufficient mirror accuracy.
  • the mirrored high-side current is then mirrored again on the low-side and the mirrored high-side and low-side currents are subtracted from each other.
  • the current difference and the occurrence of an overcurrent are used as information to determine which short-circuit case is present according to the same algorithm.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit mit einem High- Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung Vsupply und einem Low-Side-Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G, zum Gegenstand, bei dem die Ströme IB im High-Side-Zweig und IG im Low-Side-Zweig erfasst werden, bei dem die erfassten Werte für die Ströme von einander angezogen werden und bei dem die so gebildete Differenz mit einem oberen Grenzwert R0 und einem unteren Grenzwert RU verglichen wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose in integrierten Leistungsbrückenschaltungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung VSuppiy und einem Low-Side- Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G.
Derartige Schaltanordnungen sind bekannt. Insbesondere in der Automobiltechnik ist die Erkennung und Unterscheidung verschiedener Fehlerfälle, nämlich Kurzschlüsse über einzelne Elemente, sowie der Schutz der Schaltung vor destruktiver Ü- berlast besonders wichtig, wobei gerade hier aus Kostengründen die Diagnose mit möglichst kleinem Schaltungsaufwand gelöst werden muss. Hierbei spielt eine Rolle, dass die Anforderungen an die Umweltbedingung für Schaltungen in der Automobilindustrie ausgesprochen hoch sind, so dass Bauelemente aufwendiger und teuerer herzustellen sind, was wiederum den Druck auf die Verminderung des Schaltungsaufwands erhöht.
Bei einer beschriebenen Schaltungsanordnung können Kurzschlüsse über den High-Side-Leistungsschalter (SCBi) , über die Reihenschaltung aus dem High-Side-Leistungsschalter und der Last L (SCB2) , über den Low-Side-Leistungsschalter (SCGi) t eine Reihenschaltung aus Low-Side-Leistungsschalter und Last L (SCG2) und ein Kurzschluss über die Last (SCL) auftreten. In der Folge eines Kurzschlusses kann es zu übermäßig hohen Strömen kommen. Zu niedrige Ströme können die Folge von Unterbrechungen sein.
Diese Fehler können jeweils vor dem Einschalten der Last, a- ber auch während des Betriebs der Last auftreten. Im Stand der Technik wir bei derartigen integrierten Leistungsschaltern die Diagnose durch Strommessungen in beiden Leistungsschaltern mit Hilfe von Shunt-Widerständen oder Strom-Sense-Transistoren durchgeführt. Eine hochtolerante Diagnose kann dabei auch durch Überwachung der Spannung über einem aktivierten Leistungsschalter realisiert werden.
Es ist eine Reihe von Kontrollschaltungen, meist mit Kompara- toren, bekannt, die nach dem Stand der Technik in der Lage sind die verschiedenen Fehlerfälle zu unterscheiden. Insbesondere auf der High-Side entsteht dabei jedoch ein erheblich größerer Schaltungsaufwand, da sämtliche Schaltungsteile für höhere Spannungen ausgelegt werden müssen. Die Fehlerfälle werden im Stand der Technik dabei diagnostiziert, indem der Fehler SCBi im abgeschalteten Zustand diagnostiziert, eine Spannung auf den High-Side-Ausgang geprägt und der Strom nachgemessen wird. Alternativ ist es im Stand der Technik auch bekannt, im abgeschalteten Zustand auf den High-Side- Ausgang einen Strom zu legen und die Spannung nachzumessen. Ferner kann der Low-Side-Leistungsschalter separat eingeschaltet und der Strom im Diagnosemodus bestimmt werden.
Der Fehler SCB2, der aus einem Kurzschluss über die Reihen- Schaltung aus High-Side-Leistungsschalter und Last besteht, wird durch Überstrommessung im Low-Side-Leistungsschalter bestimmt. Entsprechend führt der Fehler SCG2 zu einem Überstrom im High-Side-Leistungsschalter. Der Fehler SCGi, also der Kurzschluss über den Low-Side-Leistungsschalter, wird, ähn- lieh wie der Fehler SCBi, durch Einprägen einer Spannung im abgeschalteten Zustand auf den Low-Side-Ausgang und Nachmessen des Stroms (oder umgekehrt) bestimmt. Möglich ist auch, den Low-Side-Leistungsschalter einzeln einzugeschalten und die Strommessung im Diagnosemodus durchzuführen.
Der Fehler SCL, also der Kurzschluss über die Last, wird über den Stromanstieg in einem der beiden Leistungsschalter überwacht . Ein wesentlicher Nachteil des Stands der Technik ist die aufwändige Verschaltung sowie die notwendige Auslegung der Messschaltungen für hohe Belastungen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Diagnose eines Kurzschlusses über einen Schalter allein nur im abgeschalteten Zustand erfolgen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und ein Verfah- ren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche bei einfachem schaltungstechnischem Aufbau und geringer Belastung die verschiedenen Fehlerfälle zuverlässig unterscheiden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die Ströme IB und IG im High-Side- und Low-Side-Zweig erfasst, die erfassten Werte der Ströme voneinander abzieht und die so gebildete Differenz mit einem oberen Grenzwert R0 und einem unteren Grenzwert R11 vergleicht.
Dabei können die Ströme zum Beispiel mit Hilfe von Stromspiegelschaltungen direkt erfasst und als Ströme weiter verarbeitet werden. Es ist aber auch möglich, die Ströme als über Shunt-Widerständen abfallende Spannungen zu messen und als Spannungen weiter zu verarbeiten.
Ein Überschreiten des oberen Grenzwertes R0 kann dabei als Kurzschluss SCGi über den Low-Side-Leistungsschalter G interpretiert werden, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird. Wird gleichzeitig ein Überstrom ge- messen, kann das Überschreiten des oberen Grenzwertes R0 als Kurzschluss SCG2 über die Reihenschaltung aus Low-Side- Leistungsschalter G und Last L interpretiert werden.
Umgekehrt kann ein Unterschreiten des unteren Grenzwertes R11 als Kurzschluss SCBi über den High-Side-Leistungsschalter B interpretiert werden, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird. Wird dagegen gleichzeitig ein Überstrom gemessen, kann das Unterschreiten des unteren Grenzwer- tes Ru als Kurzschluss SCB2 über die Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter G und die Last L interpretiert werden .
Schließlich ist es möglich, die Messung eines Überstroms in der Schaltung bei gleichzeitiger Messung einer Stromdifferenz I0, die größer als der untere Grenzwert R11 und kleiner als der obere Grenzwert R0 ist, die sich also innerhalb des durch die Grenzwerte festgelegten Normalbereiches bewegt, als Kurz- Schluss SCL über der Last L interpretiert werden.
Offenbart ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung Vsuppiy und einem Low-Side-
Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Strommessgeräte, die die Ströme IHs und ILs im High- Side und im Low-Side-Zweig erfassen, und mindestens eine Differenzschaltung aufweist, zu der die gemessenen Ströme IB und IG geführt werden, so dass der Differenzstrom ID der Ströme IB und IG gebildet wird. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Vergleichsschaltung K auf, die den Differenzstrom ID mit ei- nem oberen Grenzwert R0 und einem unteren Grenzwert R0 vergleicht .
Ebenfalls offenbart ist eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einer Last L, einem High-Side-Leistungsschalter B zwischen Last L und Versorgungsspannung VSUppiy und einem Low-Side-Leistungsschalter G zwischen Last L und Masse M, sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter B und G, bei der die Vorrichtung mindestens zwei Strommessgeräte mit gepaarten Shunt-Widerständen aufweist, die die Ströme IB und IG im High-Side- und im Low-Side-Zweig über die über den Shunt-Widerständen abfallenden Spannungen UB und UG erfassen, wobei die Vorrichtung weiterhin wenigstens einen Pegelwandler (Level-Shifter) aufweist, der die Spannung UB auf die Low- Side verschiebt, sowie mindestens eine Differenzschaltung, zu der die gemessenen Spannungen UB und UG geführt werden, so dass die Differenzspannung U0 der Spannungen UB und UG gebildet wird. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Vergleichsschaltung K auf, die die Differenzspannung U0 mit einem oberen Grenzwert R0 und einem unteren Grenzwert R11 vergleicht.
Alternativ kann der Pegelwandler (Level-Shifter) auch so realisiert sein, dass er direkt einen Strom verschiebt, der proportional zum im High-Side-Leistungsschalter fließenden Strom ist. Dabei kann die Strommessung sowohl mit Shunt- Widerständen als auch mit Stromspiegelschaltungen (Sense-FET) erfolgen. Die weitere Verarbeitung des Stromsignals vom High- Side-Schalter kann auf der Low-Side mittels Spannungen oder Strömen realisiert werden.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strom- messgeräte in die Schalter integrierte Stromspiegel aufweisen. In diesem Fall ist es darüber hinaus günstig, wenn die Vorrichtung eine zusätzliche Schaltung aufweist, die dafür sorgt, dass die Gate-Source Spannungen des Schalter Transistors und dessen Spiegeltransistors gleich gehalten werden.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die möglichen Fehler unter Beteiligung des High-Side- Leistungsschalters B,
Fig. 2 die möglichen Fehler unter Beteiligung des Low-Side- Leistungsschalters G,
Fig. 3 eine Schaltung zur Ausführung des Verfahrens mit integrierten Strommessgeräten, Fig. 4 eine Schaltung mit einer Bestimmung der Ströme durch Spannungsmessung über einen Shunt-Widerstand, sowie
Fig. 5 eine Verwendung von Stromspiegeln zur Strommessung in den Schaltern.
Fig. 1 zeigt zunächst grundsätzlich den Aufbau der Schaltung, deren mögliche Fehler erkannt werden sollen und die als solche im Stand der Technik bekannt ist. Hierbei liegt eine Last L auf der einen Seite an einer Versorgungsspannung VSuppiy über einem High-Side-Leistungs-schalter B an. Auf der anderen Seite ist die Last L mit der Masse M über einen Low-Side- Leistungsschalter G verbunden.
Mögliche Fehler sind Kurzschlüsse über den High-Side-
Leistungsschalter alleine (SCBi) , über die Last alleine (SCL) und über eine Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter B und Last L (SCB2) .
Fig. 2 zeigt die korrespondierenden Fehler über den Low-Side- Leistungsschalter G. Zu erkennen und eingezeichnet sind Kurzschlüsse über den Low-Side-Leistungsschalter G alleine (SCGi) t erneut über die Last L alleine (SCL) sowie über die Reihenschaltung aus Low-Side-Leistungsschalter G und Last L (SCG2) .
Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 3 gezeigt, mit einer gepaarten Struktur der Strom im High-Side- und Low-Side-Zweig mit Strommessgeräten 20, 30 erfasst. Die gemessenen Ströme IB und IG werden dabei auf die beiden Eingänge einer Differenzschaltung 27 geleitet, die die Differenz aus diesen Strömen bildet, welche als Differenzstrom ID ausgegeben wird.
Der Differenzstrom ID wird dann mit einem oberen und einem unteren Grenzwert verglichen, wobei hierzu jeweils ein Kompa- rator, etwa ein Operationsverstärker, verwendet wird, an dem auf der einen Seite der Differenzstrom ID oder ein Signal proportional zum Differenzstrom ID liegt. Zum Vergleich mit dem unteren Grenzwert R0 wird an den einen Komparator 25 ein Strom (oder eine Spannung) angelegt, der den unteren Grenzwert Ru repräsentiert, während an den anderen Komparator 23 ein Strom (oder eine Spannung) angelegt wird, der den oberen Grenzwert R0 repräsentiert.
Gleichzeitig wird, in Fig. 3 nicht gezeigt, wie bei derartigen Schaltungen üblich, der Überstrom über die Schalter er- fasst .
Gibt nunmehr der Komparator 25 ein Signal aus, welches ein Überschreiten des oberen Grenzwerts R0 des Differenzstroms I0 anzeigt, muss ein Kurzschluss aufgetreten sein, an dem der Low-Side-Leistungsschalter beteiligt war, d.h. entweder ein Kurzschluss über den Low-Side-Leistungsschalter allein (SCGi) oder ein Kurzschluss über die Reihenschaltung aus Low-Side- Leistungsschalter und Last (SCG2) , der in der Fig. 3 zusammenfassend als SCGx bezeichnet wird.
Fließt andererseits ein höherer Strom über den Low-Side-
Zweig, wird die Differenz aus IB und IG negativ. Wird dabei der untere Grenzwert R11 unterschritten, gibt der Komparator 23 ein Signal aus, welches einen Fehler SCBx anzeigt, an dem der Low-Side-Leistungsschalter B beteiligt war. Wie bei den Fehlern über dem Low-Side-Leistungsschalter G kann es sich dabei entweder um einen Fehler SCBi, d.h. über einen Kurzschluss alleine über dem High-Side-Leistungsschalter B, oder über einen Fehler des Typs SCB2, d.h. über einen Kurzschluss über die Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter B und Last L, handeln.
Bei dem Verfahren, welches an Hand der Schaltung nach Fig. 3 erläutert wurde, können darüber hinaus auch Kurzschlüsse über einen Schalter allein (SCBi, SCGi) von Kurzschlüssen über die Reihenschaltung von Schalter und Last (SCB2, SCG2) mit Hilfe der Erfassung des Überstroms unterschieden werden. Diese Erfassung des Überstroms ist in praktischen und technischen An- Wendungen meist ohnehin erforderlich, so dass dieses keinen zusätzlichen Schaltungsaufwand verursacht.
Ein Sonderfall ist ein Kurzschluss über die Last alleine (SCL) , da hier die Stromdifferenz aus IB und IG unterhalb des Grenzwerts bleiben wird. Es wird allerdings ein Überstrom fließen, der erkannt wird, so dass die Messung eines Überstroms bei gleichzeitigem Verbleib der Stromdifferenz innerhalb der beiden Grenzwerte R0 und R0 zuverlässig als Kurz- Schluss über die Last interpretiert wird.
Aus der Beschreibung dieser Vorrichtung sowie des ausgeführten Verfahrens wird klar, dass durch diese Verwendung von gepaarten Strukturen ein niedertoleranter Vergleich der Ströme in High-Side- und Low-Side-Leistungsschaltern ausgenutzt wird, welcher während des laufenden Betriebs möglich ist. Damit wird die Diagnose gegenüber dem Stand der Technik erheblich vereinfacht, da die Notwendigkeit eines separaten Diagnosemodus außerhalb des regulären Betriebs der Schaltung ver- zichtbar ist.
Durch die höhere Genauigkeit, die diese erfindungsgemäße Schaltung und das mit dieser Schaltung ausgeführte Verfahren ermöglicht, kann die Überdimensionierung für einen Kurz- schlussfall geringer ausfallen, was den Aufwand für die Herstellung der Schaltung und die damit verbundenen Kosten weiter senkt. Ein stromloser Zustand zur Diagnose ist nicht erforderlich, vor allem wird aber auch der Schaltungsaufwand gegenüber den Lösungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, geringer.
Eine weitere schaltungstechnische Vereinfachung kann erreicht werden, wenn der Strom als Spannungsabfall über einen Shunt- Widerstand 40 bestimmt wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Als Shunt-Widerstände können dabei beispielsweise ohnehin vorhandene Leiterbahnen von den Anschluss-Pads (Bond-Pads) zu den integrierten Schaltern verwendet werden, was den Flächenverbrauch auf der integrierten Schaltung praktisch nicht er- höht, so dass diese Messung praktisch flächenneutral erfolgen kann .
Da bei einem Verfahren mit einer Schaltung nach Fig. 4 den Strömen entsprechende Spannungen gemessen werden, sind auch die Spannungen und nicht die korrespondierenden Ströme miteinander zu vergleichen, was in Fig.4 nicht gezeigt ist. Dabei wird die Spannung UB über dem High-Side-Shunt 40 mit Hilfe eines Levelshifters auf die Low-Side verschoben und dort von der Spannung UG über dem Low-Side-Shunt 50 subtrahiert. Die Differenzspannung U0 wird dann, wie der Differenzstrom nach Fig. 3, mit Grenzwerten verglichen.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 5.
Nach dieser Ausführungsform werden zur Strommessung Stromspiegel (60, 70) in den Schaltern verwendet, wie z.B. bei Sense-Feld-Effekt-Transistoren (Sense-FET) . Die Gate-Source- Spannungen des Schaltertransistors und des Spiegeltransistors können, wie Fig. 5 exemplarisch für die High-Side zeigt, mit Hilfe von aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen gleich gehalten werden. Dies ist für eine ausreichende Spiegelgenauigkeit erforderlich.
Der gespiegelte High-Side-Strom wird dann auf der Low-Side erneut gespiegelt und die gespiegelten High-Side- und Low- Side-Ströme werden voneinander subtrahiert.
Wie bereits bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird die Stromdifferenz sowie das Auftreten eines Überstroms als Information verwendet, um nach dem gleichen Algorithmus festzustellen, welcher Kurzschlussfall wo vorliegt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer dazwischen angeordneten Last
(L) , einem High-Side-Leistungsschalter (B) zwischen Last (L) und Versorgungsspannung (Vsuppiy) und einem Low-Side- Leistungsschalter (G) zwischen Last (L) und Masse (M) , sowie mit Überstrommessvorrichtungen zur Messung des Ü- berstroms über die Leistungsschalter (B, G) , dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme (IB) im High-Side-Zweig und (IG) im Low-Side- Zweig während des Betriebes erfasst werden, dass die er- fassten Werte für die Ströme von einander abgezogen wer- den und dass die so gebildete Differenz mit einem oberen Grenzwert (R0) und einem unteren Grenzwert (Ru) verglichen wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Ströme (IB, IG) direkt erfasst und als Ströme weiter verarbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme (IB, IG) als über Shunt-Widerständen (40, 50) abfallende Spannungen (UB, UG) gemessen und als Spannungen weiter verarbeitet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschreiten des oberen Grenzwertes (R0) als Kurzschluss (SCGi) über den Low- Side-Leistungsschalter (G) interpretiert wird, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschreiten des oberen Grenzwertes (R0) als Kurzschluss (SCG2) über die Reihenschaltung aus Low-Side-Leistungsschalter (G) und Last (L) interpre- tiert wird, wenn gleichzeitig ein Überstrom in der Schaltung gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass ein Unterschreiten des unteren Grenzwertes (Ru) als Kurzschluss (SCBi) über den High- Side-Leistungsschalter (B) interpretiert wird, wenn gleichzeitig kein Überstrom in der Schaltung gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschreiten des unteren Grenzwertes (Ru) als Kurzschluss (SCB2) über die Reihenschaltung aus High-Side-Leistungsschalter (B) und die Last (L) interpretiert wird, wenn gleichzeitig ein Überstrom in der Schaltung gemessen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung eines Überstroms in der Schaltung bei gleichzeitiger Messung einer Stromdifferenz (ID), die größer als der untere Grenzwert (Ru) und kleiner als der obere Grenzwert (R0) ist, als Kurzschluss (SCL) über der Last (L) interpretiert wird.
9. Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen (1) mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer Last (L) , einem High-Side- Leistungsschalter (B) zwischen Last (L) und Versorgungsspannung (VSUppiy) und einem Low-Side-Leistungsschalter (G) zwischen Last (L) und Masse (M) , sowie mit Überstrommess- vorrichtungen zur Messung des
Überstroms über die Leistungsschalter (B, G) , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Strommessgeräte (20, 30), die die Ströme (IB, IG) im High-Side und im Low-Side- Zweig erfassen, und mindestens eine Differenzschaltung (27) aufweist, zu der die gemessenen Ströme (IB, IG) geführt werden, so dass der Differenzstrom (ID) der Ströme (IB, IG) gebildet wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Vergleichsschaltung K (23, 25) aufweist, die den Differenzstrom (ID) mit einem oberen Grenzwert (R0) und einem unteren Grenzwert (Ru) vergleicht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessgeräte (20, 30) in die Schalter integrierte Stromspiegel aufweisen.
11. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zusätzliche Schaltung aufweist, die dafür sorgt, dass die Gate - Source Spannungen des Schalter Transistors und dessen Spiegeltransistors gleich gehalten werden.
12. Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen (1) mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer Last (L) , einem High-Side- Leistungsschalter (B) zwischen Last (L) und Versorgungs- Spannung (Vsuppiy) und einem Low-Side-Leistungsschalter (G) zwischen Last (L) und Masse (M) , sowie mit Überstrommess- vorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter (B, G) , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens zwei Strommessgeräte (20, 30) mit gepaarten Shunt-Widerständen aufweist, die die Ströme (IB, IG) im High-Side- und im Low-Side-Zweig über die über den Shunt-Widerständen abfallenden Spannungen (UB, UG) erfassen, wobei die Vorrichtung weiterhin we- nigstens einen Pegelwandler (Level-Shifter) (60, 70) aufweist, der die Spannung (UB) auf die Low-Side verschiebt, sowie mindestens eine Differenzschaltung, zu der die gemessenen Spannungen (UB, UG) geführt werden, so dass die Differenzspannung (U0) der Spannungen (UB, UG) gebildet wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Vergleichsschaltung (K) aufweist, die die Differenzspannung (U0) mit einem oberen Grenzwert (R0) und einem unteren Grenzwert (Ru) vergleicht.
13. Vorrichtung zur Fehlererkennung in integrierten Leistungsbrückenschaltungen (1) mit einem High-Side-Zweig und einem Low-Side-Zweig und einer Last (L) , einem High-Side- Leistungsschalter (B) zwischen Last (L) und Versorgungsspannung (VSUppiy) und einem Low-Side-Leistungsschalter (G) zwischen Last (L) und Masse (M) , sowie mit Überstrommess- vorrichtungen zur Messung des Überstroms über die Leistungsschalter (B, G) , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens zwei Strommessgeräte (20, 30) aufweist, die die Ströme (IB, IG) im High-Side- und im Low-Side-Zweig erfassen, wobei die Vorrichtung weiterhin wenigstens einen Pegelwandler (Level-Shifter) (60, 70) aufweist, der den Strom (IB) auf die Low-Side verschiebt, sowie mindestens eine Differenzschaltung, zu der die gemessenen Ströme (IB, IG) geführt werden, so dass der Differenzstrom (ID) der Ströme (IB, IG) gebildet wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Vergleichsschaltung (K) aufweist, die den Differenzstrom (ID) mit einem oberen Grenzwert (R0) und einem unteren Grenzwert (Ru) vergleicht .
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