CN108695819B - 电子保险丝电路和用于操作电子开关的方法 - Google Patents

电子保险丝电路和用于操作电子开关的方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了电子保险丝电路和用于操作电子开关的方法。根据一个示例，电子开关具有经由导线可操作地耦接至负载的负载电流路径，并且被配置成根据驱动信号经由导线将负载电流源节点与负载连接或断开。此外，电子保险丝电路包括：监视电路，其被配置成接收表示通过导线的负载电流的电流感测信号并基于电流感测信号和至少一个导线参数确定第一保护信号，第一保护信号指示是否将负载电流源节点与负载断开；以及，逻辑电路，其被配置成接收第一保护信号并当第一保护信号指示将负载电流源节点与负载断开时生成使得电子开关断开将负载电流源节点与负载断开的驱动信号。

Description

电子保险丝电路和用于操作电子开关的方法
技术领域
本公开内容总体上涉及电子开关和保护电路的方面，并且更具体地涉及用于电子开关的驱动电路。
背景技术
几乎所有电气装置(例如汽车中，房屋中，大型装置的电气子***)都包括一个或更多个保险丝以提供过电流保护。标准保险丝包括一段导线，当通过保险丝的电流低于标称电流时，该段导线提供低欧姆电流路径。然而，当通过保险丝的电流超过标称电流达特定时间时，该段导线被设计成变热并熔化或汽化。保险丝一旦被触发，必须用新的保险丝进行替换。
保险丝逐渐被断路器取代。断路器是一种自动操作的电气开关，其被设计成保护电路免受由过电流或过载或短路导致的损坏。断路器可以包括机电继电器，当检测到过电流(即超过标称电流的电流)时该机电继电器被触发以将受保护电路与电源断开。在很多应用中(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等)来实现断路器以在过电流的情况下将受保护电路与电源断开。这样的电子断路器也可以被称为电子保险丝(电子保险丝(e-fuse)或智能保险丝)。除了其作为断路器的功能之外，还可以使用电子保险丝有规律地接通和关断负载。通常，使用所谓的驱动器电路或仅仅驱动器(在MOS晶体管的情况下为栅极驱动器)来控制电子开关例如MOS晶体管的开关状态(接通/关断)。
然而，至少在一些电子断路器(电子保险丝(electronic fuse或e-fuse))中，常见的驱动器电路在容错性和功能安全性方面可能是不适当的，这尤其在必须遵守涉及功能安全性的标准(例如ISO 26262)的汽车应用中会是个问题。
发明内容
本文描述了一种电子保险丝电路。根据一个示例，电子开关具有经由导线可操作地耦接至负载的负载电流路径；电子开关被配置成根据驱动信号经由导线将负载电流源节点与负载连接或断。此外，电子保险丝电路包括监视电路，该监视电路被配置成接收表示通过导线的负载电流的电流感测信号并且基于该电流感测信号和至少一个导线参数来确定第一保护信号。第一保护信号指示是否将负载电流源节点与负载断开。此外，电子保险丝电路包括逻辑电路，该逻辑电路被配置成接收第一保护信号并且当第一保护信号指示将负载电流源节点与负载断开时生成使得电子开关将负载电流源节点与负载断开的驱动信号。由此，逻辑电路还被配置成接收至少一个选择信号并基于至少一个选择信号来设置至少一个导线参数。
根据另一示例，电子开关具有经由导线可操作地耦接至负载的负载电流路径；电子开关被配置成根据驱动信号经由导线将负载电流源节点与负载连接或断开。此外，电子保险丝电路包括监视电路，该监视电路被配置成接收表示通过导线的负载电流的电流感测信号并且基于该电流感测信号来确定第一保护信号。第一保护信号指示是否经由导线将负载电流源节点与负载断开。此外，电子保险丝电路包括逻辑电路，该逻辑电路被配置成接收第一保护信号并且当第一保护信号指示将负载电流源节点与负载断开时生成使得电子开关将负载电流源节点与负载断开的驱动信号。此外，监视电路还被配置成提供指示即将将负载电流源节点与负载断开的预警信号。
此外，描述了一种用于操作电子开关的方法。根据一个示例，该方法包括：使用电子开关经由导线从负载电流源节点向负载提供电流；接收至少一个选择信号并且基于至少一个选择信号来设置至少一个导线参数；以及感测通过导线的负载电流并提供相应的电流感测信号。该方法还包括基于电流感测信号和至少一个导线参数来确定第一保护信号。第一保护信号指示是否将负载电流源节点与负载断开。当第一保护信号指示将负载电流源节点与负载断开时，为电子开关生成驱动信号以使电子开关将负载电流源节点与负载断开。
根据另一个示例，该方法包括：使用电子开关经由导线从负载电流源节点向负载提供电流；感测通过导线的负载电流并提供相应的电流感测信号；以及基于电流感测信号确定第一保护信号。第一保护信号指示是否将负载电流源节点与负载断开。此外，提供指示即将将负载电流源节点与负载断开的预警信号。当第一保护信号指示将负载电流源节点与负载断开时，生成用于电子开关的驱动信号以使电子开关将负载电流源节点与负载断开。
附图说明
参照下面的描述和附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相似的附图标记表示对应的部分。在附图中：
图1示意性示出了包括电子开关和被配置成驱动电子开关的控制电路的电子保险丝电路的一个示例以及电子保险丝电路的示例性应用。
图2更详细地示出了图1的控制电路的一个示例。
图3示出了在图2的控制电路中使用的逻辑电路的一个示例。
图4包括示出了图2中所示的控制电路的功能的时序图。
图5A是示出了关于0.35mm2的电缆以及关于不同的最大电缆温度的特性曲线(电流随时间变化)族的图。
图5B是示出了关于高于环境温度的25开尔文的最大电缆温度以及关于不同的电缆截面的特性曲线(电流随时间变化)族的图。
图6示出了在图2的示例中使用的监视电路的一个示例
图7示出了电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第一示例，其允许选择导线截面和最大电缆温度。
图8示出了电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第二示例，其允许选择导线截面和最大电缆温度。
图9示出了多通道电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第一示例，其允许选择导线截面和最大电缆温度。
图10示出了多通道电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第二示例，其允许选择导线截面和最大电缆温度。
图11示出了电子保险丝(“智能保险丝”)电路的一个示例，其允许使用电阻器来选择导线截面和最大电缆温度。
图12示出了电子保险丝(“智能保险丝”)电路的另一示例，其允许使用可变电阻器来选择导线截面和最大电缆温度。
图13示出了被配置成提供预警信号的另一电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第一示例。
图14示出了被配置成提供预警信号的另一电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第二示例。
图15示出了被配置成提供预警信号的另一电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第三示例。
图16示出了被配置成提供预警信号的另一电子保险丝(“智能保险丝”)电路的第四示例。
图17是示出了操作电子开关的方法的一个示例的流程图。
具体实施方式
图1示出了可以操作为电子保险丝的电子电路的一个例子。因此，该电子电路还被称为电子保险丝电路F。根据本示例，电子保险丝电路包括电子开关2，该电子开关2具有控制节点21以及在第一负载节点22和第二负载节点23之间的负载电流路径。电子电路还包括控制电路1，该控制电路1耦接至电子开关2的控制节点21并且被配置成驱动电子开关2。具有电子开关2和控制电路1的电子保险丝电路F可以单片集成在一个半导体管芯(芯片)上或者可以集成在被布置在一个集成电路封装中的两个半导体管芯中。电子保险丝电路F被配置成驱动能够与电子开关2的负载电流路径串联连接的负载Z(连接负载的导线在图1中以虚线示出)。因此，电子开关2的负载电流路径和负载Z的串联电路可以连接在电源节点之间，在电源节点处可以提供正电源电位和负电源电位或地电位GND(零伏)。在下文中，将两个电源节点之间的电压称为电源电压VB。可以根据例如由微控制器8提供给控制电路1的输入信号SIN来接通和关断通过负载Z的负载电流IL。然而，取决于应用，输入信号SIN可以由任何其他电路而非微控制器来生成。
在一个示例性应用中，电子保险丝电路F可以用于驱动汽车中的负载Z。在这种情况下，提供电源电压VB的电源是汽车电池。通常，“驱动负载”可以包括通过接通或关断电子开关2来接通或关断通过负载的负载电流。负载可以是汽车中使用的任意负载。负载Z的示例尤其包括不同类型的灯、不同类型的马达、继电器、加热***等。在图1所示的示例中，电子开关2和负载Z以高侧配置连接。也就是说，负载Z连接在电子开关2和接地节点GND之间。然而，这仅仅是一个示例。电子开关2和负载Z也可以以低侧配置或以任何其他配置连接。例如，在低侧配置下，电子开关连接在负载Z和接地节点GND之间。
根据图1的示例，负载Z可以经由导电线(例如包括在电缆中)连接至电子开关2。取决于电子电路和相应的负载Z位于汽车的电气装置内的何处，导线可以具有几十厘米或甚至更长(例如高达10米)的相当大的长度。现代汽车包括多个电负载，从而需要多根导线以将各个负载连接至它们各自的电子开关。为了节省成本和资源，会期望确定各条导线的尺寸，以便从长期来看，它们能承受所连接的负载的标称电流。然而，如果电流升高超过标称电流，则导线可能会由于过热而损坏或甚至毁坏。根据一个示例性实施方式，控制电路1因此可以具有电流监视功能，以便监视通过电子开关2(和负载Z)的负载电流IL。当检测到过载情况时，电流监视允许关断电子开关2以保护导线(和负载Z)。“过载情况”是以下情况：如果电子开关2不被关断(在特定时间内)成将导线(和负载Z)从提供电源电压VB的电源(例如汽车电池)断开，则会导致导线或负载被损坏或毁坏。在下面将进一步详细说明该机制。由于电子保险丝电路F被配置成接通和关断负载Z并且保护导线，所以在下文中它也被称为开关和保护电路。
根据图1的示例，电子开关2被示意性绘制为包括开关的电路块。在下文中，术语“电子开关”包括任意类型的电子开关或电子电路***，其具有控制节点21和在第一负载节点22和第二负载节点23之间的负载电流路径并且被配置成根据在控制节点21处接收到的驱动信号而被接通和关断。“接通”表示电子开关2在接通状态下操作，在接通状态下电子开关2能够在第一负载节点22和第二负载节点23之间传导电流。“关断”表示电子开关2在关断状态下操作，在关断状态下电子开关2能够阻止电流在第一负载节点22和第二负载节点23之间的流动。根据一个示例，电子开关2包括至少一个晶体管。所述至少一个晶体管可以是例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、BJT(双极结型晶体管)、或HEMT(高电子迁移率晶体管)。
在下文中，参照附图来说明控制电路1的示例及其功能。具体地，参照附图中描绘的功能块来说明控制电路1的功能。应当注意的是，这些功能块表示控制电路1的功能而不是其具体实现。这些功能块可以是被配置成执行下面将说明的相应功能的专用电路块。然而，各个功能块的功能也可以由可编程电路(处理器)执行，该可编程电路被配置成执行存储在存储器中的软件。
图2示出了控制电路1的一个示例性实现。在该示例中，控制电路1包括监视电路4，该监视电路4被配置成基于负载电流IL的电流-时间特性来生成第一保护信号OC。表述“基于负载电流IL的电流-时间特性来生成第一保护信号OC”可以包括监视电路4对负载电流IL的瞬时电流电平以及先前的电流电平进行处理以生成第一保护信号OC。也就是说，监视电路4在特定时间段内评估负载电流IL以生成第一保护信号OC。为了能够评估负载电流IL，监视电路4接收电流感测信号CS并基于该电流感测信号CS来生成第一保护信号OC。电流感测信号CS表示负载电流IL，并且根据一个示例，其可以与负载电流IL成比例。在图2的示例中，电流感测信号CS(其也可以被称为电流感测信号)在电子开关2的感测输出端24处可得到。在这种情况下，被配置成测量负载电流IL并且提供电流感测信号CS的电流测量电路可以被集成在电子开关2中。然而，这仅仅是一个示例。也可以使用与电子开关2分离的电流测量电路。各种电流感测电路(例如分流电阻器、感测FET电路等)是已知的，因此在此不再更详细地进一步说明。
图2中所示的控制电路1被配置成基于第一保护信号OC和在电子保险丝电路F的第一输入节点(例如输入引脚)PIN处接收到的输入信号SIN来驱动电子开关2。第一保护信号OC以及输入信号SIN被提供给逻辑电路3，该逻辑电路3基于第一保护信号OC和输入信号SIN生成驱动信号SON。驱动信号SON被直接或间接地(例如通过驱动器电路5)提供给电子开关2的控制节点21以便接通或关断电子开关2。根据一个示例，驱动信号SON可以是逻辑信号，其具有指示希望接通电子开关2的接通电平或指示期望关断电子开关2的关断电平。驱动器电路5(或仅仅驱动器)被配置成基于驱动信号SON的相应信号电平来驱动电子开关2。电子开关2例如包括晶体管例如MOSFET(如图2中示意性所示)。MOSFET是电压控制的半导体器件，其根据施加在栅极节点和源极节点之间的驱动电压来接通或关断。在该示例中，驱动器5被配置成基于驱动信号SON生成驱动电压(栅极电压)，以便根据驱动信号接通或关断MOSFET。当使用MOSFET时，驱动器5也被称为栅极驱动器。
图3的电路示出了逻辑电路3的一个示例性实现。在本示例中，逻辑电路3包括SR锁存器31(触发器)以及与门32。SR锁存器31的复位输入端R以及与门32的第一输入端被配置成接收输入信号SIN。SR锁存器31的置位输入端S被配置成接收第一保护信号OC。SR锁存器31的反相输出端Q’与与门32的第二输入端连接。在与门32的输出端处提供驱动信号SON。
通过图4的时序图进一步示出逻辑电路3的功能。当输入信号SIN变成高电平(指示电子开关2的接通，参见图4，时刻t0和t1)时，SR锁存器31被复位，这在SR锁存器31的反相输出端Q’处产生高电平。因此，与门32的“两个输入端“看到”高电平，从而与门32的输出端提供具有高电平的驱动信号SON。当输入信号SIN变成低电平(指示电子开关2的关断，参见图4，时刻t1和t2)时，与门32在其第一输入端处“看到”低电平，从而与门32的输出端提供具有低电平的驱动信号SON。换言之，假设SR锁存器31处于其复位状态，则输入信号SIN通过逻辑电路3被馈送(即，驱动信号SON等于输入信号SIN)。一旦通过第一保护信号OC变成高电平来置位SR锁存器31，则SR锁存器31的反相输出端Q’被设置成低电平(参见图4，时刻t3)。因此，与门32在其第二输入端处看到低电平，从而驱动信号SON被设置为低电平。换言之，输入信号SIN被与门32消隐(blank)。驱动信号SON保持在低电平，直到输入信号SIN被设置成低电平(指示电子开关2的关断，参见图4，时刻t4)并再次变成高电平(指示电子开关2的接通，参见图4，时刻t5)为止，这导致SR锁存器31的复位。再次注意到，图3的示例性实现的功能可以以各种方式来实现。
如上提及的，连接负载Z和电子保险丝电路F的导线可以被设计为承受负载Z的标称电流。导线(或电缆)的寿命取决于导线温度。图5A和图5B是包括特性曲线族的图，其中，每个特性曲线与最大温度差dT(超过环境温度的最高温度)和电缆截面(以mm2计的截面面积)的特定组合相关联。每个特性曲线表示电流与最大允许时间段之间的关系，其中，导线可以承载电流而不超过最大温度差。图5A包括各种温度差dT和0.35mm2的固定截面面积的特性曲线，而图5B包括25K(开尔文)的固定温度差dT和各种截面面积的特性曲线。从图5A和图5B可以看出，截面面积为0.35mm2的导线可以在几乎无限长的时间内承载约9A(安培)的电流，而不会比环境温度超过25K的温度差dT。从图5B中可以看出，截面面积为0.75mm2的导线可以在比环境温度超过25K的温度差dT之前承载10A(安培)电流达约100秒。一般地，电流越高，在给定截面面积和给定温度差下的允许时间段越短。注意，图5A和图5B的图中所示的特性曲线在双对数表示中具有线性下降分支。
从图5A和图5B可以看出，温度差dTx(例如温度值dT1、dT2、dT3、dT4、dT5、dT6)与给定电流(参见图5A，电流ix)下的给定积分时间tx(例如，时间t1、t2、t3、t4、t5、t6)和特定截面面积(例如图5A的示例中的0.35mm2)相关联。因此，对于特定导线截面，可以通过对经过导线的电流ix在时间上进行积分来确定温度值dT，并且当温度值dT达到限定的第一参考温度差dTx时，第一保护信号OC可以指示电子开关2的断开。所提到的积分可以使用数字滤波器来有效地实现，该数字滤波器可以包括在监视电路4(参见图2)中。监视电路的一个示例性实现在图6中示出。
基本上，图6的监视电路被配置成基于电流感测信号CS来确定第一保护信号OC。如提及的，可以在具有积分特性的数字滤波器42中完成积分。根据所描绘的示例，电流感测信号CS(其可以是与负载电流IL成比例的电压)被提供给滤波器45的输入端，滤波器45可以是(可选的)模拟低通滤波器。滤波器45的输出端可以连接至模数转换器(ADC)41的输入端，模数转换器(ADC)41被配置成数字化经滤波的电流感测信号CS。考虑到图5A和图5B所示的对数特性曲线，ADC 41可以具有对数特性。然后，(对数化的)数字电流感测信号CSDIG通过数字滤波器42被转换为温度值dT。然后，将所得到的温度值dT(表示超过环境温度的温度差)提供给数字比较器43，数字比较器43可以被配置成当数字滤波器42的输出端处提供的温度值dT超过针对特定导线截面所指定的第一参考温度差dTx(例如，25K)时，将第一保护信号OC设定为高电平。
如提及的，数字滤波器42被配置成将负载电流(由数字化电流感测信号CSDIG表示)和相关联的积分时间(在其期间电流经过导线)转换成温度值。在本示例中，滤波器42的特性取决于承载电流的导线的截面面积，并且可以由图5A的图中所示的特性曲线族(对应于0.35mm2的示例性截面面积)来表示。在一个具体示例中，特性曲线可以即通过将特性曲线的多个采样点存储在存储器中来被存储为查找表。两个采样点之间的值可以使用例如插值来确定。
常规保险丝针对特定的触发电流并且以特定触发时间(慢熔断保险丝、中熔断保险丝、快熔断保险丝)来产生，其中，如上解释，触发时间对应于参考温度dTx和截面的特定组合(参见图5A和图5B)。然而，会希望具有可配置的保险丝，其可以用于各种导线参数，诸如例如导线截面和最大温度值dTx(超过环境温度的最高温度)。
图7示出了电子保险丝电路的一个示例，该电子保险丝电路还被称为智能保险丝电路10。图7的电路与图2的电路基本相同，并且参考相应的描述。然而，逻辑电路3比图2的示例复杂，并且监视电路4根据图6来实现，其中，模拟低通滤波器45已被省略(低通滤波器45是可选的)。然而，与图6中的示例不同，监视电路4在本示例中是可配置的，使得其特性可以基于至少一个导线参数进行调整，该至少一个导线参数允许例如针对特定导线截面和期望的参考温度差dTx来选择特征。在本文描述的示例中，至少一个线参数代表电缆截面面积或超过环境温度的最大温度值或者该两者。从图5的图中可以看出，这两个导线参数限定了特定的特性曲线，其代表用于特定导线/电缆的电子保险丝电路的期望表现。应当理解，例如导线直径或绝对温度(例如在环境温度被测量的情况下)的其他参数可以被用作导线参数。此外，导线参数不一定与任何物理量(例如截面面积或温度)成比例，而可以仅仅是数值参数，该数值参数允许确定(例如选择)由监视电路使用的期望特性。如图7所示，智能保险丝电路可以是布置在一个芯片封装中的集成电路，其中，电子开关2和其余电路部件(驱动器5、逻辑电路3和监视电路4)可以集成在相同的半导体管芯中或者集成在布置于芯片封装内的两个分离的半导体管芯中。然而，在其他实施方式中，智能保险丝电路10可以分布在两个或更多个分离的芯片封装中。
电子开关2的负载电流路径可以连接在智能保险丝电路10的电源引脚SUP与输出引脚OUT之间。一般地，逻辑电路3可以被配置成从微控制器或其他控制电路***接收至少一个导线参数，其在本示例中包括与导线截面面积A和参考温度差dTx有关的信息。如图6所示，逻辑电路3可以被配置成：经由输入引脚IN(输入信号SIN，也参见图2)和输入引脚SELWIRE和SELdT(表示导线截面面积和温度差的选择信号SS1和SS2)从控制器接收信号，并且为电子开关2提供驱动信号SON。驱动器5可以被配置成将作为二进制逻辑信号的信号SON转换为适合于接通或关断电子开关2的驱动电压或驱动电流。如在图2的示例中，监视电路4接收(模拟)电流感测信号CS并且基于该电流感测信号CS生成可以由逻辑电路3处理的第一保护信号OC，例如，如图3的示例所示。
基于包括在至少一个导线参数中并且例如从控制器接收的信息，控制逻辑电路3可以配置数字滤波器42和/或比较器43，使得监视电路4的特性对应于导线截面面积A和参考温度差dTx的特定组合。在本示例中，可以基于输入引脚SELWIRE和SELdT处接收的选择信号SS1和SS2来配置监视电路4。因此，选择信号SS1可以表示作为第一导线参数的参考温度差dTx(其在比较器43中用作温度阈值)并且选择信号SS2可以表示作为第二导线参数的、导线的截面面积A。图4中所示的接地引脚GND耦接至参考电位，例如，接地电位，并且连接至逻辑电路3和需要参考电位进行正常操作的其他电路部件。应该理解，在另一实施方式中，第一导线参数和第二导线参数也可以被编码成单个(例如数字)选择信号。
选择信号SS1和SS2可以是模拟信号(例如，电压或电流)，并且逻辑电路3可以被配置成数字化选择信号SS1和SS2。例如，选择信号SS1和SS2的实际电平可以通过在输入引脚SELWIRE与参考电位之间连接电阻器并且在输入引脚SELdT与参考电位之间连接另一电阻器来设定。电阻器的电阻值(和参考电位)确定选择信号SS1和SS2的电平(也参见图11和图12)。图8的示例示出了图7的先前示例的变型，其中，关于导线截面面积和第一参考温度dTx的信息经由数字通信接口6传送至逻辑电路3。通信接口6可以是例如串行总线接口，例如串行***接口(SPI)或内部集成电路(I2C)总线接口或类似结构。然而，也可以使用并行总线通信来代替串行总线。标有PIN的总线引脚代表用于经由总线连接控制器的一个或更多个引脚。基于逻辑电路3经由通信接口6接收的信息，数字滤波器42和比较器43的特性可以被配置成使得监视电路的总体特性对应于期望的导线截面和参考温度差dTx。如提及的，数字滤波器42的滤波器特性可以取决于导线截面面积A，并且比较器43的特性(比较器阈值)可以取决于期望的参考温度差dTx。
在图7和图8的示例中，仅单个负载连接至智能保险丝电路10。然而，智能保险丝电路可以具有两个或更多个输出通道以驱动两个或更多个负载，其中，负载可以是例如简单电子部件，如灯，或者较复杂的电子模块，如汽车应用中的车身控制模块(BCM)或任意其他电子控制模块(ECU)。也已构思出其他(非汽车)应用。图9的示例示出了具有多个输出通道的多通道智能保险丝电路10。相应地，智能保险丝电路10具有电源引脚SUP和多个输出引脚OUT1、OUT2、...、OUTn。电源引脚SUP连接至导线(电缆)61，其将电源引脚SUP与提供表示为VBAT的电源电压的电源端子(例如电池端子)相连接。负载可以连接在输出引脚OUT1、OUT2、...、OUTn中的每一个与参考电位(例如接地)之间。为了保持图形清晰和简单，图9中示出了仅一个负载Z，并且负载Z经由导线(电缆)62连接至相应的输出引脚OUT1。在智能保险丝电路10中，每个输出通道包括一个电子开关，其提供(当接通时)在电源引脚SUP与相应输出引脚OUT1、OUT2、...、OUTn之间的电流路径。因此，智能保险丝电路10被配置成连接和断开导线62和导线61。此外，监视电路4耦接至每个电子开关以为每个输出通道生成保护信号OC。逻辑电路3被配置成处理所有保护信号OC并且为每个输出通道提供驱动信号SON。输入信号SIN,1、...、SIN,n经由输入引脚IN1、...、INn被提供给逻辑电路3，其中，每个输入信号与输出通道中之一相关联。类似地，选择信号经由输入引脚SELWIRE,1、...、SELWIRE,n和SELdT,1、...、SELdT,n被提供给逻辑电路3。这些选择信号承载与用于不同输出通道的导线参数有关的信息。每个输出通道的监视电路可以基于选择信号的电平来配置，如以上参照图7或8所解释的。在本示例中，微控制器50被配置成生成输入信号SIN,1、...、SIN,n和相应的选择信号。
图10示出了多通道智能保险丝电路10的另一示例，其基本上是图8的基本示例的多通道增强型。对于每个通道，导线参数(例如，与导线截面面积和参考温度差dTx有关的信息)通过微控制器50经由数字总线70(例如SPI总线、I2C总线等)传送至智能保险丝电路10。除数字通信接口之外，图10的示例与图9的示例相同或非常相似，并且参考上面的相应描述。
图11示出了(单通道)智能保险丝电路的一个示例，其允许经由外部电阻器(可外部连接至智能保险丝电路10的电阻器)设置导线截面面积A和期望的参考温度差dTx。这允许通过无源电子部件来非常简单地配置智能保险丝电路，而不需要复杂的微控制器。在本示例中，引脚SELdT,1、...、SELdT,n与不同的输出通道不关联，而是与数字选择信号(例如，类似于图9中所示的选择信号SS2)的不同比特位置相关联。在n＝4的情况下，四个引脚SELdT,1、SELdT,2、SELdT,3、SELdT,4允许接收4比特选择信号SS2并且区分24＝16个不同的参考温度差dTx(超过环境温度的最高温度)。类似地，引脚SELWIRE,1、...、SELWIRE,n与数字选择信号SS1的不同比特位置相关联。在n＝3的情况下，三个引脚SELWIRE,1、SELWIRE,2、SELWIRE,3允许接收3比特选择信号SS1并且区分连接导线的23＝8个不同截面面积值。为了设置信号SS1和SS2的各个比特，引脚SELdT,1、...、SELdT,n和SELWIRE,1、...、SELWIRE,n中的每一个可以与提供限定电压VD的电路节点或者与参考电位(例如接地GND)耦接。在本示例中，引脚可以分别经由开关S1、...、Sn以及开关SW1、...、SWn连接至提供电压VD的电路节点或接地GND。电阻器R1、...、Rn可以分别连接在输入引脚SELdT,1、...、SELdT,n与开关S1、...、Sn之间以及电阻器RW1、...、RWn可以分别连接在输入引脚SELWIRE,1、...、SELWIRE,n与开关SW1、...、SWn之间以限制切换期间的电流，或者电阻器R1、...、Rn和RW1、...、RWn可以是ESD(静电放电)保护结构的一部分。取决于应用，电阻器也可以被省略或包括在智能保险丝电路10中。电压VD可以例如基于电池电压VBAT由电压调节器REG提供。包括在智能保险丝电路10中的逻辑电路3可以处理数字选择信号SS1和SS2，类似于图8的示例，其中，经由总线传送与导线截面面积A和参考温度差dTx有关的信息。
图12示出了图11的示例的变型，其中，经由分别耦接在提供(例如恒定)电压VX的电路节点与输入引脚SELdT和输入引脚SELWIRE之间的可调节电阻器R1和RW1(例如电位计)来设置导线参数(例如，关于导线截面面积A和参考温度差dTx的信息)。电压VX可以是经调节的参考电压(图11的示例中的电压VD)或者也可以是零(例如，提供电压VX的电路节点可以是接地节点)。电阻器R1和RW1的电阻值确定如下电流：其通过电阻器R1和RW1，并且必须由智能保险丝电路10经由输入引脚SELWIRE和SELdT来获得或引出。通过电阻器RW1和R1的电流可以分别被视为选择信号SS1和SS2，并且智能保险丝电路10可以被配置成评估这些选择信号SS1和SS2的电流电平并相应地配置监视电路4，如上面参照图7至图11已经进一步讨论的。例如，逻辑电路3(参见图7)可以包括模数转换器以将模拟选择信号SS1和SS2转换成数字信号，并且逻辑电路3可以以与在图11的先前示例中的方式类似的方式来处理所得到的数字选择信号。
在上面参照图7至图12描述的示例中，导线截面面积A以及参考温度差dTx可以由微控制器(或类似电路***)或由无源电路部件(如电阻器)来设定。在任意示例中，包括在智能保险丝电路10中的监视电路4被配置成基于电流感测信号CS生成第一保护信号OC，该电流感测信号CS表示通过电子开关的电流。具体地，监视电路4基于电流感测信号CS来估计导线温度dT(超过环境温度的温度)，并且将估计的导线温度dT与第一参考温度差dTx进行比较。如果估计的导线温度dT达到或超过第一参考温度差dTx，则第一保护信号OC被设置为指示电子开关的关断的逻辑电平。然而，关于(例如汽车)***或子***的功能安全性，仅仅一个***部件(即负载)的关断可能是有问题的。如果一个***部件突然失效并被切换，则整个***可能失败；保护一个***部件可能因此导致整个***的故障。取决于应用，这种情况可能是危险的，并且可能需要避免这样的情况。
图13至图16的下述示例提供了如下特征，其允许向控制器或其他控制电路***“预警”关于包括在智能保险丝电路10中的电子开关2的即将关断(并且因此预警关于电源节点SUP和负载的即将断开)。换句话说，智能保险丝能够在实际“熔断”保险丝(即，触发电子开关的关断)之前生成预警信号。以下示例中省略了导线截面和参考温度的选择。然而，应该理解，图13至图16中的任意示例可以与图7至图12中的任意示例组合；然而，它们不必须与图7至图12的示例组合。
图13示出了与图2的电路非常相似的智能保险丝电路10。因此，智能保险丝电路10包括逻辑电路3，该逻辑电路3被配置成例如经由输入引脚IN接收输入信号SIN。逻辑电路3被配置成：馈通输入信号SIN并将其提供为驱动信号SON，或者根据第一保护信号OC的电平消隐输入信号SIN。信号SIN和SON是二进制逻辑信号。驱动信号SON被直接或经由驱动电路5提供给电子开关2的控制电极，驱动电路5被配置成基于驱动信号SON生成适合于接通和关断电子开关的电压或电流信号。智能保险丝电路包括电流感测电路(未示出)，其可以被包括在电子开关2中或者被耦接至电子开关2。电流感测电路提供电流感测信号CS，该电流感测信号CS表示经过电子开关(并且因此通过负载和在智能保险丝电路10与负载之间的导线)的负载电流IL。在本示例中，监视电路4基本上与图7和图8的示例中的监视电路4相同，并且参考相应的描述。如提及的，电流感测信号CS由ADC 41数字化，ADC 41可以具有对数传递特性。数字化的电流感测信号CSDIG由数字滤波器42滤波，数字滤波器42的滤波特性可以取决于表示导线截面面积的参数。数字滤波器42的输出信号可以被认为是估计的温度差dT(相对于室温)。通过比较器43对该估计的温度差dT与第一参考温度差dTx进行比较，并且当估计的温度差dT达到或超过第一参考温度差dTx时，比较器输出信号被用作表示电子开关的关断的第一保护信号OC。
为了生成上述预警，由另外的比较器43’生成第二保护信号PRE。因此，另外的比较器43’接收由数字滤波器42提供的估计温度差dT，并且将第二保护信号PRE设置为当估计温度差dT达到或超过第二参考温度差dTy时指示预警的逻辑电平。第二参考温度差dTy可以低于第一参考温度差dTx。差dTx-dTy可以是恒定的或者以与dTx值类似的方式选择。第二保护信号PRE可以在智能保险丝电路10的输出引脚INT处提供。在一个实施方式中，输出引脚INT可以连接至微控制器的中断引脚，其由此能够对由第二保护信号PRE触发的硬件中断产生影响。关于其他输入，电源和输出引脚IN、OUT、SUP、GND，参照图7和图8的示例。
图14的示例是图13的先前示例的变型。与先前示例相比，第一保护信号OC仅仅是第二保护信号PRE的延迟版本，并且仅一个参考温度差dTx用于生成信号PRE和OC。除监视电路4之外，图13和图14基本相同。然而，与图13的先前示例相比，监视电路4包括另外的延迟元件44，该另外的延迟元件44耦接至比较器43的输出端，使得延迟元件提供比较器输出信号的延迟版本。在本示例中，比较器43的延迟输出信号被用作第一保护信号OC，并且比较器43的未延迟输出信号被用作第二保护信号PRE。当由滤波器42提供的估计温度差dT达到第一参考温度差dTx时，第二保护信号PRE在输出引脚INT(其可以触发例如连接至引脚INT的控制器中的中断)处发出预警信号。在限定的延迟时间之后，可以启动电子开关2的关断。延迟时间可以以与其他参数(如导线截面)类似的方式固定或配置。
在图15的示例中，表示由包括在监视电路4中的滤波器42提供的估计导线温度差dT的信号被用作第二保护信号(预警信号)。除另外的比较器43’已被数模转换器(DAC)46代替之外，图15的示例与图13的先前示例相同。因此，DAC 46接收在滤波器42的输出端处提供的所估计的温度差dT，并且生成相应的模拟温度信号，该模拟温度信号在输出引脚IWT处被提供为第二保护信号PRE’。连接至输出引脚IWT的微控制器(例如微控制器50，参见图9)或任意其他控制电路***可以评估模拟温度信号并且当由第二保护信号PRE’指示的温度差超过特定阈值时触发诸如警报或其他部件的紧急关闭等动作。例如，由图13的先前示例中的比较器43’完成的评估现在可以由外部控制器(其也可以被配置成选择值dTx)来完成。对于图14的进一步描述，参照图13的描述。
除了在滤波器42的输出处提供的估计温度差dT未被转换为模拟信号而是经由数字总线接口6数字地传送至控制器或任意其他控制电路***之外，图16的示例与图15的先前示例基本相同。总线可以是例如串行总线，例如SPI总线、I2C总线等。如上所述，连接数字总线接口6的微控制器(例如微控制器50，参见图9)或任意其他控制电路***可以评估数字温度信息并且触发诸如警报或其他部件的紧急关闭等动作。
图17是示出了将电子开关操作为电子保险丝的一个示例性方法的流程图。该方法可以通过本文描述的任意示例来执行(例如参见图7至图16)。在所描述的示例中，该方法包括使用电子开关(例如图7至图8，电子开关2)经由导线从负载电流源节点向负载提供电流(参见图17，步骤81)。该方法还包括接收至少一个选择信号(例如图7，信号SS1、SS2)并基于至少一个选择信号设定至少一个导线参数(参见图17，步骤82)，并且感测通过导线的负载电流并提供相应的电流感测信号(参见图17，步骤83；图7至图8和图13至图16，电流感测信号CS)。该方法还包括基于电流感测信号和至少一个导线参数来确定第一保护信号(参见图17，步骤84)，其中，第一保护信号指示是否阻断负载电流经由导线供给至负载(图7至图8和图13至图16，保护信号OC)。当第一保护信号指示阻断负载电流经由导线供给至负载(参见图17，步骤85)时，针对电子开关生成驱动信号(图7至图8和图13至图16，信号SON)以使电子开关将负载电流源节点与负载断开(参见图17，步骤86)。上面参照图5至图16已进一步描述了该方法的各种变型、增强和示例性实现，并且因此参考相应的解释。
尽管对于一个或更多个实现说明和描述了本发明，但是可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下对所示的示例进行改变和/或修改。特别地，关于由上述部件或结构(单元、组件、装置、电路、***等)执行的各种功能，用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在——除非另有说明——与执行所描述的部件的指定功能(例如，其是功能上等同)的任意部件或结构对应，即使在结构上不等同于执行本文所示的本发明示例性实施方式中的功能的公开结构。
另外，虽然本发明的特定特征可能针对若干实现中的仅一个进行公开，但是根据任意给定或特定的应用的需要和利益，这种特征可以与其他实现中的一个或更多个其他特征组合。此外，就在详细描述和权利要求书中使用的术语“包括(including)”、“包括(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“具有(with)”或其变体而言，这些术语意指以与术语“包括(comprising)”类似的方式而包括在内。

Claims (40)

1.一种电子保险丝电路，包括：
电子开关，其具有经由导线可操作地耦接至负载的负载电流路径并且被配置成根据驱动信号经由所述导线将负载电流源节点与所述负载连接或断开；
监视电路，其被配置成接收表示通过所述导线的负载电流的电流感测信号并且基于所述电流感测信号和至少一个导线参数来确定第一保护信号，所述第一保护信号指示是否经由所述导线将所述负载电流源节点与所述负载断开；以及
逻辑电路，其被配置成接收所述第一保护信号并且当所述第一保护信号指示将所述负载电流源节点与所述负载断开时生成使得所述电子开关将所述负载电流源节点与所述负载断开的驱动信号，
其中，所述逻辑电路还被配置成接收至少一个选择信号且基于所述至少一个选择信号来设置所述至少一个导线参数，
其中，所述至少一个选择信号表示所述导线的截面面积和参考温度中的一者或两者。
2.根据权利要求1所述的电子保险丝电路，
其中，所述至少一个导线参数包括所述导线的截面面积。
3.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，
其中，所述至少一个导线参数包括参考温度。
4.根据权利要求3所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路被配置成：基于所述电流感测信号来估计导线温度，并且当所估计的导线温度达到或超过所述参考温度时生成所述第一保护信号，使得所述第一保护信号指示将所述负载电流源节点与所述负载断开。
5.根据权利要求4所述的电子保险丝电路，
其中，所述参考温度和所估计的导线温度表示所述导线相对于环境温度的温度差。
6.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路包括模数转换器，所述模数转换器被配置成接收所述电流感测信号并且提供相应的数字电流感测信号。
7.根据权利要求6所述的电子保险丝电路，
其中，所述模数转换器具有对数特性。
8.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路包括滤波器，所述滤波器被配置成根据所述电流感测信号来生成表示估计的导线温度的信号。
9.根据权利要求8所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路包括模数转换器，所述模数转换器被配置成接收所述电流感测信号并且提供相应的数字电流感测信号；以及
其中，所述滤波器为数字滤波器并且被配置成接收所述数字电流感测信号并且根据所述数字电流感测信号来生成表示估计的导线温度的信号。
10.根据权利要求8所述的电子保险丝电路，
其中，所述滤波器的滤波器特性取决于所述至少一个导线参数。
11.根据权利要求8所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路包括比较器，所述比较器被配置成：当所估计的导线温度达到或超过参考温度时生成所述第一保护信号，使得所述第一保护信号指示将所述负载电流源节点与所述负载断开。
12.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，
其中，所述选择信号为以下中之一：电压、电流、数字信号。
13.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，还包括：
可操作地耦接至总线的数字通信接口；
其中，所述逻辑电路还被配置成经由所述数字通信接口接收所述至少一个选择信号。
14.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，还包括：
至少一个输入引脚，其被配置成接收所述至少一个选择信号，所述逻辑电路经由所述至少一个输入引脚来接收所述至少一个选择信号。
15.根据权利要求14所述的电子保险丝电路，还包括：
至少一个电阻器，其耦接在所述至少一个输入引脚与提供参考电压的电路节点之间，
其中，所述至少一个选择信号为通过所述电阻器的电流。
16.根据权利要求1或2所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路被配置成基于所述电流感测信号和所述至少一个导线参数来确定第二保护信号；以及
其中，所述监视电路包括延迟元件，所述延迟元件被配置成接收所述第二保护信号并且通过将所述第二保护信号延迟来生成所述第一保护信号。
17.根据权利要求16所述的电子保险丝电路，还包括：
提供所述第二保护信号的输出引脚。
18.根据权利要求4所述的电子保险丝电路，还包括：
数模转换器，其被配置成接收表示所估计的导线温度的信号并且生成相应的模拟温度信号；以及
提供所述模拟温度信号的输出引脚。
19.根据权利要求4所述的电子保险丝电路，还包括：
数字通信接口，其接收表示所估计的导线温度的信号并且被配置成经由总线传送关于所述导线温度的信息。
20.根据权利要求4所述的电子保险丝电路，还包括：
比较器，其接收表示所估计的导线温度的信号并且生成第二保护信号，所述第二保护信号指示所估计的导线温度是否达到或超过低于所述参考温度的另一参考温度；以及
提供所述第二保护信号的输出引脚。
21.根据权利要求1所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路还被配置成提供指示即将将所述负载电流源节点与所述负载断开的预警信号，以及
其中，所述预警信号的电平等于或低于所述第一保护信号的电平。
22.根据权利要求21所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路被配置成基于所述电流感测信号来确定所述预警信号；以及
其中，所述监视电路包括延迟元件，所述延迟元件被配置成接收所述预警信号并且通过将所述预警信号延迟来生成所述第一保护信号。
23.根据权利要求22所述的电子保险丝电路，还包括：
提供所述预警信号的输出引脚。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的电子保险丝电路，
其中，所述监视电路被配置成基于所述电流感测信号来估计导线温度并且当所估计的导线温度达到或超过参考温度时生成所述第一保护信号，使得所述第一保护信号指示将所述负载电流源节点与所述负载断开。
25.根据权利要求24所述的电子保险丝电路，还包括：
模数转换器，其被配置成接收表示所估计的导线温度的信号并且生成相应的模拟温度信号；以及
输出引脚，其提供所述模拟温度信号作为所述预警信号。
26.根据权利要求24所述的电子保险丝电路，还包括：
数字通信接口，其接收表示所估计的导线温度的信号并且被配置成经由总线传送关于所述导线温度的信息作为所述预警信号。
27.根据权利要求24所述的电子保险丝电路，还包括：
比较器，其接收表示所估计的导线温度的信号并且生成指示所估计的导线温度是否达到或超过低于所述参考温度的另一参考温度的信号，作为预警信号；以及
输出引脚，其提供所述预警信号。
28.一种用于操作电子开关的方法，所述方法包括：
使用电子开关经由导线从负载电流源节点向负载提供电流；
接收至少一个选择信号以便基于所述至少一个选择信号来设置至少一个导线参数；
感测通过所述导线的负载电流并且提供相应的电流感测信号；
基于所述电流感测信号和所述至少一个导线参数来确定第一保护信号，所述第一保护信号指示是否将所述负载电流源节点与所述负载断开；以及
当所述第一保护信号指示将所述负载电流源节点与所述负载断开时，生成用于所述电子开关的驱动信号以使所述电子开关将所述负载电流源节点与所述负载断开，
其中，所述至少一个选择信号表示所述导线的截面面积和参考温度中的一者或两者。
29.根据权利要求28所述的方法，
其中，所述至少一个导线参数包括所述导线的截面面积。
30.根据权利要求28或29所述的方法，
其中，所述至少一个导线参数包括参考温度。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，确定第一保护信号包括：
基于所述电流感测信号来估计导线温度；
当所估计的导线温度达到或超过所述参考温度时，生成所述第一保护信号，使得所述第一保护信号指示将所述负载电流源节点与所述负载断开。
32.根据权利要求31所述的方法，
其中，所述参考温度和所估计的导线温度表示所述导线相对于环境温度的温度差。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，确定第一保护信号还包括：
对电流感测信号进行模数转换以提供相应的数字电流感测信号，
其中，根据对数特性进行所述模数转换。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，确定第一保护信号还包括：
对所述数字电流感测信号进行数字滤波以生成表示所估计的导线温度的信号。
35.根据权利要求34所述的方法，
其中，使用数字滤波器对所述数字电流感测信号进行滤波，所述数字滤波器具有取决于所述至少一个导线参数的滤波器特性。
36.根据权利要求28或29所述的方法，还包括：
基于所述电流感测信号和所述至少一个导线参数来确定第二保护信号，其中，通过将所述第二保护信号延迟来生成所述第一保护信号；以及
在输出引脚处提供所述第二保护信号。
37.根据权利要求31所述的方法，还包括：
将所估计的导线温度转换成模拟温度信号；以及
在输出引脚处提供所述模拟温度信号。
38.根据权利要求31所述的方法，还包括：
经由数字总线传送关于所述导线温度的信息。
39.根据权利要求31所述的方法，还包括：
生成第二保护信号，所述第二保护信号指示所估计的导线温度是否达到或超过低于所述参考温度的另一参考温度；以及
在输出引脚处提供所述第二保护信号。
40.根据权利要求28所述的方法，还包括：
提供指示即将将所述负载电流源节点与所述负载断开的预警信号，
其中，所述预警信号的电平等于或低于所述第一保护信号的电平。
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