智能半导体开关

技术领域

本说明书涉及智能半导体开关领域。

背景技术

几乎(例如汽车、房屋、大型装置的电气子系统中的)每个电气装置都包含多个保险器件之一，以防止过高的电流。标准保险器件包含一段金属丝，如果流过保险器件的电流低于额定电流，它会提供低阻抗电流路径。但是，如果流过保险器件的电流超过额定电流一段时间，则这段金属丝会发热并熔化或蒸发。一旦这样的保险器件烧断，就必须更换新的。

保险器件越来越多地被安全自动开关(断路器)取代。安全自动开关是一种自动操作的电气开关，旨在保护电路免受过电流或过载或短路造成的损坏。安全自动开关可能包含机电继电器，当检测到过电流(即电流超过额定电流)时，这些继电器被触发以将受保护电路与电源分开。在许多应用中(例如在汽车的车载电源中)可以使用电子开关(例如MOS晶体管、IGBT或类似物)来实施安全自动开关，以便其在发生过电流时将要保护的电路与电源分开。这种安全自动开关也称为电子保险器件(E保险器件、电容丝或智能保险器件)。除了其作为安全自动开关的功能外，电子保险器件还可以用于定期接通和关断负载。通常，使用所谓的驱动器电路、简称为驱动器(MOS晶体管的栅极驱动器)来控制电子开关(如MOS晶体管)的开关状态(开/关)。

然而至少针对某些电子保险器件，普通驱动器电路在容错性和功能安全方面可能存在不足，这在必须遵守功能安全标准(例如ISO 26262)的汽车应用中尤其可能成问题。严格来说，电子保险器件需要的不仅仅是用电子开关替换传统保险器件。电子安全的稳健实施带来了一些挑战。此外，电子保险器件的内部功耗在汽车应用中、例如驻车时可能是一个问题。

发明内容

这里描述的实施例尤其涉及包括电子开关的电路，该电子开关具有连接在输出节点与电源节点之间的负载电流路径、并被设计为：该电子开关子开关根据控制信号将输出节点和电源节点彼此连接或分开。该电路还包括：控制电路，被设计为基于输入信号生成控制信号；以及电流监测电路，被设计为接收表示流过负载电流路径的负载电流的电流测量信号，并且基于电流测量信号生成指示输出节点是否应与电源节点分开的保护信号。该电路还包括反向电流检测器电路，其被设计为检测负载电流反向流动，即从输出节点流向电源节点。控制电路被设计为至少在正常模式和空闲模式下操作，其中当至少满足以下空闲模式条件时，控制电路从正常模式切换到空闲模式：负载电流低于电流阈值；电子开关接通；并且反向电流检测器电路没有检测到反向负载电流。

另外的实施例涉及一种方法，包括以下步骤：根据由控制电路基于输入信号所生成的控制信号，借助于电子开关将输出节点与电源节点之间的负载电流路径激活和停用，其中控制电路至少能在正常模式和空闲模式下工作。该方法还包括，在正常模式下，基于电流测量信号生成保护信号，其中该保护信号指示输出节点是否应与电源节点分开以停用负载电流路径，并且当负载电流反向、即从输出节点流向电源节点时检测反向电流。最后，该方法包括当至少满足以下空闲模式条件时从正常模式切换到空闲模式：负载电流低于电流阈值；电子开关接通；并且没有检测到反向电流。

附图说明

参考以下附图和描述可以更好地理解本文描述的实施例。图中所示的组件不一定按比例绘制；相反，重点在于说明实施例所基于的原理。此外在附图中，相同的附图标记表示对应的部分。

图1示出了智能半导体开关的示例。

图2示出了图1示例的改进方案。

图3是示出了图2的示例中的控制逻辑状态的图表。

图4示出了用于以低内部功耗检测反向电流的电路的第一示例。

图5示出了用于以低内部功耗检测反向电流的电路的另一示例。

图6示出了图2示例的改型方案。

图7是示出这里描述的方法的示例的流程图。

具体实施方式

图1示出了智能半导体开关1的示例。在所示示例中，开关元件本身是MOS场效应晶体管M

在所示示例中，电子开关(MOSFET M

根据图1，智能半导体开关1还包括电流监测电路12(电流监测器)。其被设计为接收表示流过负载电流路径的负载电流i

图1的智能半导体开关1还具有过热保护电路15。其被设计为：接收至少一个代表电子开关M

控制逻辑11被设计为：当过热保护电路15或电流监测电路12以信号表示半导体开关M

图2示出了图1中示例的改进方案。图2中的示例与图1中的示例在很大程度上相同，但是图2中的半导体开关1具有在智能半导体开关内部功耗降低的空闲模式下工作的能力。例如，切换到空闲模式使得可以将智能半导体开关1的控制电路10的内部功耗从大约2mA降低到大约30μA。在空闲模式下，晶体管M

在所示的示例中(图2)，智能半导体开关1还具有反向电流检测器电路14，其设计用于检测负载电流i

图2所示的块15(空闲模式逻辑)可以被视为控制逻辑11的一部分。块15仅在图2中单独示出以便强调其对于空闲模式的重要性。上述条件中的第二个(电子开关M

电流检测器电路13被设计为例如通过将电源节点VS与输出节点OUT之间的电压V

类似地，反向电流检测器电路14可以检测反向电流，即通过将电源节点VS与输出节点OUT之间的电压V

检测器电路13和14在空闲模式下也起作用，但内部功耗非常低。内部功耗表现为电流i

图3借助状态图示出了控制电路10的状态，特别是控制逻辑11的状态。除了空闲模式S1和正常模式S0之外，图3还示出了(可选的)睡眠模式S2，稍后将对其进行解释。对于下面的解释，假设输入信号S

如果满足其他两个空闲模式条件(i

一旦检测到空闲模式条件之一不再被满足，控制电路12就切换回正常模式。可以将条件S

在所示示例中，在空闲模式期间主动关断晶体管M

图4示出了用于以低内部功耗检测反向电流的电路的第一示例。根据图3，电源节点VS通过第一和第二双极晶体管T

图5示出了用于以低内部功耗检测反向电流的电路的另一示例。在这个示例中，晶体管T

在上述示例中，基于功率晶体管M

下面总结了此处描述的实施例的各个方面。它不是完整的，而只是示例性的功能列表。实施例涉及一种智能半导体开关的控制方法。该方法包括根据控制信号借助电子开关(参见图2和6，节点VS与OUT之间的电子开关M

输入信号S

在一个实施例中，借助比较器电路检测反向电流，比较器电路检测电源节点与输出节点之间的负电压。可替代地，检测在测量电阻两端的负电压(参见图6，测量电阻R

该方法还包括将电源节点与输出节点之间的电压和参考值进行比较，以便检测负载电流是否低于由参考值决定的电流阈值(参见第一空闲模式条件)。

在实施例中，该方法进一步包括：测量电子开关的至少一个温度，并且基于所测量的温度生成另一保护信号(参见图2和6，信号OT)。该另一保护信号指示输出节点是否应与电源节点分开。这个生成保护信号的过热保护电路在空闲模式下可以不起作用。

图7是图示本文描述的用于操作集成电子保险器件的方法的实施例的流程图。因此，该方法包括根据控制信号借助于电子开关将输出节点与电源节点之间的电流路径激活和停用(参见图7，块M1)。控制信号由控制电路基于输入信号(见图2，信号S

在正常模式下，该方法还包括：基于电流测量信号生成保护信号(电熔丝功能，参见图7，块M2)，其中该保护信号指示输出节点是否应与电源节点分开以停用负载电流路径。该方法还包括：当负载电流反向流动、即从输出节点流向电源节点时检测反向电流，并且当至少满足以下空闲模式条件时从正常模式切换到空闲模式(参见图7，块M3)：(1.)负载电流低于电流阈值；(2.)电子开关被接通；并且(3.)没有检测到反向电流。可以在空闲模式下停用控制电路的各种组件，例如电熔丝功能(参见图7，块M4)。当所提及的空闲模式条件之一不再被满足时，切换回正常模式(参见图7，块M4)。