DE102005046979A1

DE102005046979A1 - Sicherungsschaltung und Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung

Info

Publication number: DE102005046979A1
Application number: DE102005046979A
Authority: DE
Inventors: Christian Arndt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: US7746616B2; DE102005046979B4; US20070076342A1

Abstract

Eine Sicherungsschaltung (151) umfasst eine Unterbrechungseinrichtung (163), die ausgelegt ist, um einen Strompfad zwischen einem Sicherungsschaltungseingang und einem Sicherungsschaltungsausgang bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur an einer Temperaturmessstelle (167) zu unterbrechen, und eine Steuerungseinrichtung (153, 155), die ausgelegt ist, um abhängig von einem Strom in dem Strompfad ein Steuersignal zu erzeugen, wobei die Sicherungsschaltung (151) ausgebildet ist, um die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) zu erhöhen oder die vorbestimmte Temperatur abzusenken, wenn das Steuersignal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als ein Schwellwertstrom ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sicherungsschaltung und ein Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung.
Immer häufiger werden geschützte bzw. schützende Halbleiterschalter eingesetzt, um nachgeschaltete Komponenten wie Leitungsbahnen auf Leiterplatten bzw. PCB-Leitungsbahnen (PCB-Leitungsbahn = Printed-Circuit-Board-Leitungsbahn = Leiterplatte-Leitungsbahn) oder Kabel zu schützen und damit eine Sicherungsfunktion zu übernehmen. Problematisch ist dabei jedoch ein vollständiger Einsatz bzw. ein Ersatz aller Sicherungselemente in einer Sicherungsschaltung für nachgeschaltete Komponenten durch Halbleiterschalter insbesondere in einem Überlastfall aufgrund der erhöhten Ansprechzeiten, wie später noch erläutert wird.

Um die Ansprechzeit eines herkömmlichen Halbleiterschalters anzupassen, werden z. B. zur Sicherung sogenannte smarte Halbleiterschalter eingesetzt, die über eine Stromsensefunktion ein Einstellen einer zum augenblicklichen Abschalten führenden Laststromschwelle ermöglichen. Diese herkömmlichen Halbleiterschalter werden beispielsweise von der Firma International Rectifier hergestellt, die in ihrem Portfolio einen smarten Halbleiterschalter bzw. einen smarten Highside-Schalter (Highside-Schalter = Hochseite-Schalter) IR 3310 anbietet. Außerdem werden herkömmliche Halbleiterschalter, die eine softwareseitige Programmierung einer Laststromschwelle und einer Ausblendezeit unterstützen, wie z. B. die Produkte MC33982 bzw. MC33984, von der Firma Freescale im Rahmen ihrer Extreme Switch Familie angeboten.

Nachteilhaft ist an den herkömmlichen Halbleiterschaltern, in denen während einem Betrieb eine Überlaststromschwelle eingestellt wird, oder vor einer Inbetriebnahme eine Überlaststromschwelle festgelegt wird, dass die Halbleiterschalter, wenn der Laststrom die Laststromschwelle überschreitet, ihre Leitfähigkeit verlieren.

Des weiteren werden Halbleiterschalter angeboten, in denen ein Übertemperaturschutz implementiert ist, wobei diese Halbleiterschalter einen Strom durch eine nachgelagerte Komponente, wie z. B. ein Kabel unterbrechen, wenn ihre Temperatur eine bestimmte Temperaturschwelle überschreitet. Aufgrund der großen thermischen Kapazität eines Gehäuses eines schützenden Halbleiterschalters und den thermischen Kapazitäten, die aus der Anordnung des Gehäuses des Halbleiterschalters auf dem PCB resultieren, ist besonders bei einem Überlastfall ein Ansprechen des schützenden Halbleiteschalters wesentlich träger als das einer vergleichbaren Sicherung. Unter einem Überlastfall versteht man einen Zustand, bei dem an eine Schaltung eine Spannung angelegt ist, die größer als eine Nennspannung ist, für die die Komponenten der Schaltung ausgelegt sind, oder ein Strom in die Schaltung fließt, der größer als ein Nennstrom ist, für den die Komponenten der Schaltung ausgelegt sind.

Besonders in einem Überlastfall, wenn der Laststrom nur geringfügig größer als der nominale Strom bzw. der Nennstrom ist, kann es zu einem trägeren Ansprechen des schützenden Halbleiterschalters als des zu schützenden Kabels kommen.

In 8 sind Ansprechzeiten für zwei Sicherungselemente und ein Kabel gezeigt. Auf der x-Achse ist der Strom in Ampere angetragen, der durch ein schützendes Element oder ein Kabel fließt, während auf der y-Achse die Ansprechzeit in Sekunden angetragen ist. Nach der Ansprechzeit unterbindet das Sicherungselement einen Stromfluss durch das Sicherungselement, oder das Kabel wird zerstört.

Eine Kurve 11 zeigt einen Verlauf einer Ansprechzeit eines Kabels in Abhängigkeit von einem Strom durch das Kabel, bei einer Temperatur von 85°C. Eine Kurve 13 erläutert einen Verlauf einer Ansprechzeit eines Halbleiterschalters, hier des Typs BTS6143, bei einer Temperatur von 85°C, in Abhängigkeit von einem Strom durch den Halbleiterschalter, während eine Kurve 15 einen Verlauf einer Ansprechzeit einer Sicherung in Abhängigkeit von einem Strom durch die Sicherung darlegt. Bei der Sicherung handelt es sich hierbei um eine Mini-Fuse, die für 10 Ampere ausgelegt ist. Aus 8 ist zu erkennen, dass in einem kritischen Bereich 17, die Ansprechzeit des herkömmlichen Halbleiterschalters höher ist als die Ansprechzeit des Kabels. Dies führt dazu, dass das Kabel zerstört wird, bevor der herkömmliche Halbleiterschalter den Strom durch das ihm nachgeschaltete Kabel unterbindet. Somit wird das Kabel durch den Halbleiterschalter nicht über den gesamten Bereich der in 8 dargestellten Stromwerte zuverlässig geschützt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherungsschaltung zu schaffen, die einen zuverlässigeren Schutz einer zu schützenden Last aufweist, und ein Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung zu schaffen, das ein zuverlässigeres Schützen der Lastschaltung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Sicherungsschaltung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung gemäß Anspruch 12 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Sicherungsschaltung mit einer Unterbrechungseinrichtung, die ausgelegt ist, um einen Strompfad zwischen einem Sicherungsschaltungseingang und einem Sicherungsschaltungsausgang bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur an einer Temperaturmessstelle zu unterbrechen, und einer Steuerungseinrichtung, die ausgelegt ist, um abhängig von einem Strom in dem Strompfad ein Steuersignal zu erzeugen, wobei die Sicherungsschaltung ausgebildet ist, um die Temperatur an der Temperaturmessstelle zu erhöhen oder die vorbestimmte Temperatur abzusenken, wenn das Steuersignal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als ein Schwellwertstrom ist.

Außerdem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung mit einem Messen einer Temperatur der Lastschaltung an einer Temperaturmessstelle, einem Messen eines Stroms durch die Lastschaltung, einem Erhöhen der Temperatur an der Temperaturmessstelle oder einem Absenken einer vorbestimmten Temperatur, wenn der Strom durch die Lastschaltung einen Schwellenstromwert überschreitet und einem Unterbrechen eines Stroms durch die Lastschaltung, wenn die Temperatur an der Temperaturmessstelle die vorbestimmte Temperatur überschreitet.

Die vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in einer Sicherungsschaltung, wenn der Strom in einem Strompfad durch die Sicherungsschaltung einen vorbestimmten Schwellwertstrom übersteigt, eine Temperatur an einer Temperaturmessstelle erhöht werden kann oder ein vorbestimmter Temperaturwert, oberhalb dem eine Unterbrechungseinrichtung den Strompfad durch die Sicherungsschaltung unterbricht, abgesenkt werden kann. Somit kann eine Ansprechzeit einer Sicherungsschaltung reduziert werden, wenn der Strom in dem Strompfad einen vorbestimmten Schwellwertstrom übersteigt.

Aufgrund der kürzeren Ansprechzeiten oberhalb eines Schwellwertstroms lassen sich erfindungsgemäße Sicherungsschaltungen herstellen, die einen zuverlässigeren Schutz nachgelagerter Komponenten ermöglichen als die herkömmlichen Halbleiterschalter. Hierdurch können die Betriebskosten und Wartungskosten für Geräte, in denen die erfindungsgemäßen Sicherungsschaltungen eingesetzt werden, gesenkt werden. Denn eine Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls einer nachgelagerten, durch die Sicherungsschaltung geschützten, Komponente ist aufgrund einer kürzeren Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Sicherungsschaltung reduziert.

Des weiteren ist oberhalb eines Stromschwellenwerts eine Sicherungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung nach wie vor leitfähig, so dass, auch wenn der Strom in dem Strompfad einen Schwellwertstrom überschreitet, ein Betrieb nachgeschalteter Komponenten, wenn auch unter Umständen mit reduzierter Funktionalität, möglich ist. Dies ermöglicht einen flexibleren Einsatz der erfindungsgemäßen Sicherungsschaltung.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht dabei Halbleiterschalter mit einer fixen oder einstellbaren Überlaststromschwelle, die bei einem Überschreiten dieser Schwelle weiterhin ein leitendes, aber in den elektrischen Parametern bezüglich des Übertragungsverhaltens verändertes Verhalten zeigen, zu schaffen. Eine Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sorgt hierbei durch ein optional programmierbares, verändertes aber weiterhin leitendes Verhalten eines temperaturgeschützten Halbleiters für ein optional einstellbares, aber mit steigendem Strom durch den Strompfad schnelleres Ansprechen des schützenden Halbleiterschalters in einem Überlastfall.

Somit lassen sich Sicherungsschaltungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem smarten Halbleiterschalter schaffen, die eine Programmierung von Überlaststromschwellen ermöglichen. Bei einem Überschreiten der programmierten Überlaststromschwelle erfolgt daraufhin ein wesentlich schnelleres Ansprechen des schützenden Halbleiterschalters. Somit lassen sich Lücken in der Sicherungsfunktion, die bei herkömmlichen Halbleiterschaltern in einem Überlastfall auftreten, schließen und zu schützende Komponenten zuverlässiger vor einer Zerstörung schützen.

Durch den Einsatz einer Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Schaltfähigkeit, z. B. von Lasten mit einem Einschaltstrom, der höher als der Nennstrom bzw. die Überlaststromschwelle ist, somit möglich. Die Stromsensierung des nominalen Last stroms kann dabei auch weiterhin in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung über einen Sensepin erfolgen, ohne dass die Sensierung bzw. die Auflösung bei der Messung des Stroms reduziert ist.

Die erfindungsgemäße Sicherungsschaltung kann dabei in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Stromsenseprinzip einsetzen. Bei dem Stromsenseprinzip wird ein Strom in einem Sensepfad, der proportional zu einem Strom in einem Strompfad durch die Last ist, bestimmt. Der Strommesser, der den Strom in dem Sensepfad ermittelt, ist dabei nicht für den maximal auftretenden Strom durch die Last auszulegen, sondern nur für den maximal auftretenden Strom in dem Sensepfad. Der Strom in dem Sensepfad kann dabei erheblich niedriger sein als der Strom durch die Last.

Über den Wert eines Sensewiderstands in dem Sensepfad kann dann die Überlastromschwelle eingestellt werden. Der Sensewiderstand kann dabei über eine externe Programmierung oder das Einstellen eines internen fixen Werts, z. B. bei der Herstellung, festgelegt werden, und somit die Überlaststromschwelle festgelegt werden. In einer Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann dann, wenn der Laststrom die festgelegte Laststromschwelle bzw. die Überlaststromschwelle überschreitet, der Widerstand des schützenden Halbleiterschalters in einer beliebigen Art und Weise erhöht werden kann. Auch könnte der Spannungsabfall an dem Halbleiterschalter in einer Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhöht werden, wenn der Laststrom die Überlaststromschwelle überschreitet.

Dabei nehmen dann jeweils die Verluste bzw. die Leistung an dem Halbleiterschalter zu. In beiden Fällen führt dies zu einer Erwärmung des Halbleiterschalters in der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Somit wird ein schnelleres Ansprechen des Übertemperaturschutzes bzw. der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung generiert, was gleichbedeutend ist mit einem flinkeren Ansprechen der Sicherungskennlinie im Überlastfall. Denn bei einer weiteren Erwärmung infolge eines Stromanstiegs durch den Halbleiterschalter spricht die Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schneller an als der herkömmliche Halbleiterschalter.

Alternativ dazu kann auch die Temperaturschwelle des temperaturgeschützten Halbleiterschalters, oberhalb der der Halbleiterschalter in der erfindungsgemäßen Sicherungsschaltung den Strompfad unterbricht, in einem definierten Teilverhältnis zu der Umgebungstemperatur verringert werden, wenn der Laststrom in der Sicherungsschaltung die Laststromschwelle überschreitet. Hierfür ist eine Messung der Umgebungstemperatur erforderlich. Somit weist die erfindungsgemäße Sicherungsschaltung eine höhere Flexibilität als der herkömmliche Halbleiterschalter auf.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a einen Verlauf eines Laststroms in der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b einen optionalen Verlauf eines Widerstands eines DMOS-Transistors in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel;
2c–d optionale Verläufe der Spannung an dem DMOS-Transistor in der in 1 gezeigten Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a einen Verlauf eines Laststroms in der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3b einen optionalen Verlauf eines Widerstands eines DMOS-Transistors;
3c einen optionalen Verlauf der Spannung an dem DMOS-Transistor in der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Gegenüberstellung von Verläufen der Ansprechzeiten einer Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Halbleiterschalter mit einem einstellbaren Widerstand, eines Kabels und eines Sicherungselements;
5 eine Gegenüberstellung von Ansprechzeiten einer Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit dem Halbleiterschalter mit einstellbarer Spannung an dem Halbleiterschalter, eines Kabels und eines Sicherungselements;
6 einen Ablauf eines Verfahrens zum Sichern einer Lastschaltung;
7 eine Sicherungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8 eine Gegenüberstellung von Ansprechzeiten eines herkömmlichen Halbleiterschalters, eines Kabels und eines Sicherungselements.
In 1 ist eine Sicherungsschaltung 51 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Sicherungsschaltung 51 weist eine Einstellschaltung 53 für ein Gatepotential, einen DMOS-Schalt-Transistor 55, einen Sense-Transistor 57, eine Vergleichsschaltung 59, eine Last 61, eine Konstantstromquelle 63, einen Sense-Widerstand 64, eine Vergleichseinrichtung 65 und eine Referenzspannungsquelle 67 auf.
Die Einstellschaltung 53 empfängt ein Signal von einem hier nicht gezeigten Temperaturerfassungselement und ein Signal von der Vergleichseinrichtung 65. Ein Ausgang der Einstellschaltung 53 für das Gatepotential ist mit einem Gateanschluss des DMOS-Schalt-Transistors 55 und einem Gateanschluss des Sense-Transistors 57 verbunden. In den Transistoren 55, 57 sind ein Bulkanschluss und ein Drainanschluss jeweils kurzgeschlossen. Zwischen einen Drainanschluss und einen Sourceanschluss ist in den Transistoren 55, 57 jeweils eine Diode in Sperrrichtung geschaltet.
Der Drainanschluss des DMOS-Schalt-Transistors 55 ist über die Last 61 an einen Masseanschluss angeschlossen und zugleich mit einem ersten Eingang der Vergleichsschaltung 59 verbunden. Der Drainanschluss des Sense-Transistors 57 ist mit einem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 59 und einem ersten Anschluss der Konstantstromquelle 63 elektrisch leitend verbunden. Ein zweiter Anschluss der Konstantstromquelle 63 ist über den Sense-Widerstand 64 mit einem Masseanschluss gekoppelt. Ein Ausgang der Vergleichsschaltung 59 erzeugt ein Signal, in Abhängigkeit von dem ein Strom durch die Konstantstromquelle 63 eingestellt wird. Der zweite Anschluss der Konstantstromquelle 63 ist mit einem ersten Eingang der Vergleichseinrichtung 65 verbunden. Ein zweiter Eingang der Vergleichseinrichtung 65 ist mit einem Plus-Pol der Referenzspannungsquelle 67 verbunden, während ein Minus-Pol der Referenzspannungsquelle 67 an einen Masseanschluss angeschlossen ist. Der Sourceanschluss des DMOS-Schalt-Transistors 55 und des Sense- Transistors 57 sind an einen Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen.
Die Einstellschaltung 53 erfasst über das hier nicht gezeigte Temperaturerfassungselement eine Temperatur an dem DMOS-Schalt-Transistor 55. Wenn die Temperatur an dem DMOS-Schalt-Transistor 55 einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, reduziert die Einstellschaltung 53 das Potential an dem Gateanschluss des DMOS-Schalt-Transistors 55 und des Sense-Transistors 57. Somit sperren die beiden selbstsperrenden Transistoren bzw. Feldeffekttransistoren 55, 57 und der Schalttransistor 55 unterbricht die Verbindung zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und der Last 61 bzw. einen Strompfad zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss der Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Dioden an den Transistoren 55, 57 sind, wie bereits erläutert, in Sperrrichtung gepolt, und dienen dazu, beim Auftreten von Spannungsspitzen jeweils zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss der Transistoren 55, 57 eine Zerstörung der Transistoren durch diese Spannungsspitzen zu vermeiden.
Die Vergleichsschaltung 59 dient dazu, einen Strom durch den Sense-Widerstand 64 und durch die Last 61 miteinander zu vergleichen. Wenn der Strom durch den Sense-Widerstand 64 und durch die Last 61 nicht in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen, erzeugt die Vergleichsschaltung 59 ein Signal an ihrem Ausgang und regelt die Konstantstromquelle 63 so nach, so dass der Strom durch den Sense-Widerstand 64 und durch die Last 61 in dem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.
Die Vergleichseinrichtung 65 vergleicht einen Spannungsabfall V_sense an dem Sense-Widerstand 64 mit einer Spannung an der Referenzspannungsquelle 67 und erzeugt ein Signal an dem Ausgang der Vergleichseinrichtung 65, das von einer Differenz zwischen dem Spannungsabfall V_sense an dem Sense-Widerstand 64 und der Spannung V_REF der Referenzspannungs quelle 67 abhängt. In Abhängigkeit von dem Signal an dem Ausgang der Vergleichseinrichtung 65 regelt die Einstellschaltung das Potential an den Gateanschlüssen der Transistoren 55, 57 nach.
Wenn der Spannungsabfall V_sense an dem Sensewiderstand 64, der ja proportional zu dem Laststrom I_L ist, einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, erzeugt damit die Vergleichseinrichtung 65 ein Signal, das dazu führt, dass die Einstellschaltung 53 den Widerstand zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des DMOS-Schalt-Transistors 55 erhöht. Diese Erhöhung des Widerstands des DMOS-Schalt-Transistors 55 führt dazu, dass der durch den DMOS-Schalt-Transistor fließende Laststrom eine größere Erwärmung des DMOS-Schalt-Transistors 55 hervorruft. Diese höhere Erwärmung wird von dem hier nicht gezeigten Temperaturerfassungselement registriert. Dabei ist die sich dann einstellende Temperatur näher einer kritischen Temperaturschwelle, oberhalb der die Einstellschaltung 53 den Stromfluss durch den DMOS-Schalt-Transistor 55 unterbricht.
Somit weist die Sicherungsschaltung 51 wenn der Strom I_L durch die Last einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, aufgrund des sich einstellenden erhöhten Widerstands zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des DMOS-Schalt-Transistors 55 eine höhere Empfindlichkeit auf. Diese höhere Empfindlichkeit geht einher mit einer verkürzten Ansprechzeit des Sicherungsschalters 51. Aufgrund der künstlich erzeugten erhöhten Temperatur an dem Schalttransistor 51 und damit an dem Temperatursensor bzw. Temperaturerfassungselement spricht die Sicherungsschaltung 51 innerhalb einer kürzeren Zeit bzw. einer kürzeren Reaktionszeit z. B. bei einem Auftreten einer Stromspitze an. Etwaige Stromspitzen durch den DMOS-Schalt-Transistor 55 führen dabei ja zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur an dem DMOS-Schalt-Transistor 55, die zu einem Unterbrechen des Strompfads über den DMOS-Schalt-Transistor 55 führen kann.
Über den Strom an einem Stromsense-Pin bzw. den Spannungsabfall V_sense an dem Sense-Widerstand 64 und den Wert der Spannung der Referenzspannungsquelle 67, kann ein Überschreiten der Überlaststromschwelle durch den Laststrom I_L detektiert werden. Die Überlaststromschwelle kann dabei über den Wert des Sense-Widerstands 64 und den Wert der Spannung der Referenzspannungsquelle 67 eingestellt werden.
Der Spannungsabfall V_sense an dem Sense-Widerstand 64 wird dabei über den Strom I_sense und den Wert R_sense des Sense-Widerstands 64 nach der Formel V_sense = R_sense·I_sense ermittelt. Wenn der Spannungsabfall V_sense den Wert der internen Referenzspannung V_REF überschreitet, wobei dann der Zusammenhang gilt V_sense > V_REF, wird z. B. über einen internen Komparator oder einen internen Operationsverstärker in der Vergleichseinrichtung 65 und die Einstelleinrichtung 53 der Widerstand des Leistungstransistors bzw. des DMOS-Schalt-Transistors 55 erhöht. Diese Erhöhung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Schalttransistors 55 und wie bereits erläutert zu einer erhöhten Empfindlichkeit.
Die Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht dann ein schnelleres Ansprechen des schützenden Halbleiterschalters bzw. Schalttransistors 55 gegenüber den zu schützenden Lastelementen, wie beispielsweise Kabeln oder PCB Leitungsbahnen. Dabei wird z. B. durch ein Einstellen des Spannungswerts V_REF der Referenzspannungsquelle oder des Werts R_sense des Sense-Widerstands 64 ein Einstellen der Überlaststromschwelle durch einen Anwender ermöglicht. Somit ist der Halbleiterschalter 55, der in der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, in der Lage besser und flexibler als die herkömmlichen smarten Halbleiterschalter die Funktion eines Schalters und einer Sicherung zu übernehmen.
2a zeigt einen Zusammenhang zwischen der Spannung an dem Sense-Widerstand 64 und dem Laststrom I_L bzw. dem Strom durch die Last 61. An der x-Achse ist in 2a ein Wert der Spannung V_sense an dem Sensewiderstand 64 und an der y-Achse ein Wert des Laststroms I_L angetragen. Die Spannung V_sense an dem Sensewiderstand 64 steigt dabei linear mit dem Laststrom I_L an. Oberhalb eines Schwellwerts der Spannung an dem Sense-Widerstand 64 V_{sense_thres} wird die Sicherungsschaltung 51 in einem Over-Load-Modus (Over-Load-Modus = Über-Last-Modus) betrieben, und unterhalb der Schwelle in einem Normal-Operation-Modus (Normal-Operation-Modus = Normal-Betrieb-Modus) betrieben. Die Betriebsbedingungen für den Normal-Operation-Modus sind in den 2a–d jeweils durch ein grau schraffiertes Feld dargestellt und für den Over-Load-Modus durch ein weißes Feld dargestellt.
2b zeigt einen Verlauf eines Widerstands des DMOS-Schalt-Transistors 55 in Abhängigkeit von dem Laststrom I_L in der Sicherungsschaltung 51. An der x-Achse ist der Wert des Laststroms I_L angetragen, während an der y-Achse der Wert des Widerstands des Transistors R_MOS bzw. Schalttransistors 55 angetragen ist. Wenn die Vergleichseinrichtung 65 erkennt, dass der Laststrom I_L einen Schwellenwert überschreitet, erzeugt sie ein derartiges Signal an ihrem Ausgang, dass die Einstellschaltung 53 das Gatepotential so nachregelt, dass der Widerstand R_MOS des Schalttransistors 55 erhöht wird bzw. der Widerstand zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss erhöht wird. Die Erhöhung erfolgt dabei wie in 2b gezeigt ist, sprunghaft bzw. schlagartig.
Dabei erhöht sich der Widerstand R_MOS des Transistors 55 um einen definierten Wert. Die Vergleichseinrichtung 65 kann dabei z. B. einen Komparator aufweisen, der bei einem Überschreiten einer bestimmten Schwelle der Spannung V_sense an dem Sense-Widerstand 64 das Signal an dem Ausgang der Vergleichseinrichtung 65 entsprechend einstellt.
Alternativ kann hierzu, wie in 2c gezeigt ist, die Einstellschaltung 53 die Spannung V_{ON_DMOS}, die zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Transistors 55 anliegt, verändern. In 2c ist dieser Verlauf gezeigt. Dabei ist in 2c an der x-Achse ein Wert des Laststroms I_L angetragen, während an der y-Achse ein Wert der Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss angetragen ist.
Wenn der Laststrom I_L den Schwellwert I_{L_schwell} überschreitet, stellt die Einstellschaltung 53 die Spannung über dem Halbleiterschalter 55 bzw. zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Transistors 55 durch ein Verringern des Gatepotentials auf einen definierten höheren Wert ein. Dies führt dazu, dass die Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss auf einen höheren Wert festgelegt bzw. geklemmt wird.
In 2c steigt die eingestellte Spannung V_{ON_DMOS} an dem Transistor 55 zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss sprunghaft an, wenn der Laststrom I_L die Laststromschwelle I_{L_schwell} überschreitet. Alternativ hierzu könnte auch, wenn der Laststrom I_L den Schwellwert bzw. die Überlaststromschwelle überschreitet, der Transistor 55 in einen Source-Folge-Betrieb geschaltet werden, wobei der Gateanschluss des Halbleiterschalters bzw. des Transistors 55 dann mit dem Sourceanschluss des Transistors verbunden bzw. geklemmt wird.
2d zeigt eine weitere Alternative für ein Einstellen des Transistors 55 beim Überschreiten des Schwellwerts I_{L_schwell} durch den Laststrom I_L. An der x-Achse sind die Werte des Laststroms I_L angetragen, während an der y-Achse die Werte der Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Transistors 55 angetragen sind. Wenn der Laststrom I_L die Schwelle I_{L_schwell} überschreitet, regelt die Einstellschaltung 53 das Gatepotential so nach, dass der Spannungsabfall zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Transistors 55 sprunghaft ansteigt. Bei einem weiteren Ansteigen des Laststroms stellt die Einstellschaltung 53 das Gatepotential so ein, dass die Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Schalttransistors kontinuierlich mit dem Laststrom I_L weiter ansteigt.
Durch die in 2b–d gezeigten Erhöhungen der Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss bzw. die gezeigte Erhöhung des Widerstands des Transistors 55 erwärmt sich der Schalttransistor 55, so dass die Temperatur an dem Transistor 55 sprunghaft zunimmt, wenn der Laststrom I_L die Schwelle I_{L_schwell} überschreitet. Dies führt dazu, dass die Temperatur an dem hier nicht gezeigten Temperaturerfassungselement an dem Halbleiterschalter sprunghaft zunimmt, so dass dieser bei Spitzen des Laststroms schneller bzw. innerhalb kürzerer Ansprechzeiten abschaltet.
In den 3a–c sind weitere Optionen für ein Nachregeln bzw. ein Anpassen des elektrischen Verhaltens des Schalttransistors 55 gezeigt, wenn der Laststrom I_L den Schwellwert I_{L_schwell} überschreitet. 3a zeigt hierzu wie 2a eine Abhängigkeit der Sensespannung bzw. der Spannung V_sense an dem Sense-Widerstand 64 von dem Laststrom I_L. An der x-Achse sind die Werte der Spannung V_Sense bzw. der Spannung an dem Sense-Widerstand 64 angetragen, während an der y-Achse die Werte des Laststroms I_L angetragen sind. Wie bereits oben unter 2a erläutert, ist dabei die Spannung an dem Sense-Widerstand 64 direkt proportional zu dem Strom I_L durch den Lastwiderstand. In den 3a–c sind jeweils zwei Betriebsmodi der Sicherungsschaltung 51 gezeigt, ein normaler Betriebsmodus innerhalb der grauschraffierten Fläche und ein Überlast- bzw. Overload-Betriebsmodus, wenn der Laststrom I_L die Überlaststromschwelle I_{L_schwell} überschritten hat, in den weißen Flächen des Koordinatensystems.
3b zeigt eine weitere Option für ein Einstellen bzw. Nachregeln des Widerstands zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss, wenn der Laststrom I_L den Schwellwert I_{L_schwell} überschreitet. An der x-Achse sind in 3b die Werte des Laststroms I_L angetragen, während an der y-Achse die Werte des Widerstands R_MOS zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Halbleiterschalters 55 erläutert sind. In 3b ist dabei zu erkennen, dass der Widerstand R_MOS zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss auf einem festen Wert verharrt, solange der Laststrom I_L die Überlaststromschwelle I_{L_schwell} nicht überschritten hat. Außerdem zeigt 3b, dass die Einstellschaltung 53 das Gatepotential, wenn der Laststrom I_L den Schwellwert I_{L_schwell} überschreitet, kontinuierlich reduziert, so dass der Widerstand zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Transistors 55 kontinuierlich erhöht wird. Eine sprunghafte Erhöhung des Widerstands R_MOS, wie in 2b gezeigt ist, wird dabei jedoch nicht durchgeführt.
3c erläutert einen Verlauf der Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss des Halbleiterschalters 55 in Abhängigkeit dem Laststrom I_L. An der x-Achse sind in 3c die Werte des Laststroms I_L angetragen, während an der y-Achse die Werte der eingestellten Spannung V_{ON_DMOS} angetragen sind. Wenn der Laststrom I_L die Schwelle bzw. Überlaststromschwelle I_{L_schwell} überschreitet, regelt die Einstellschaltung 53 das Gatepotential an dem Schalttransistor 55 so nach, dass mit zunehmenden Laststrom I_L der Wert der Spannung V_{ON_DMOS} zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Schalttransistors 55 kontinuierlich steigt. Unterhalb der Schwelle I_{L_schwell} verharrt der eingestellte Wert der Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss jedoch auf einem festen Wert.
Das Erhöhen des Widerstands des Transistors 55 bzw. der Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss an dem Transistor 55 führt wiederum jeweils zu einer Erwärmung des Halbleiterschalters 55, wie bereits oben erläutert ist. Die Erhöhung der Temperatur erfolgt jedoch hierbei kontinuierlich mit zunehmenden Laststrom I_L, wenn der Laststrom I_L den Schwellenwert I_{L_schwell} überschritten hat.
In 4 ist die Wirkung einer sprunghaften Widerstandserhöhung auf ein Sicherungsverhalten im Überlastfall, das durch die sprunghafte Erhöhung des Widerstands flinker gemacht wird, bei dem Halbleiterschalter 55 erläutert. An der x-Achse ist in 4 der Strom durch die jeweiligen Komponenten in Ampere dargestellt, während an der y-Achse die Ansprechzeit der Komponenten in Sekunden angetragen ist. Eine Kurve 101 zeigt den Verlauf von Ansprechzeiten für ein Kabel bei einer Umgebungstemperatur von 85°C und eine Kurve 103 einen Verlauf der Ansprechzeiten in dem Halbleiterschalter 55 ohne eine Erhöhung des Widerstands. Eine Kurve 105 erläutert einen Verlauf der Ansprechzeiten einer Sicherung. Bei der hier betrachteten Sicherung handelt es sich um eine Mini-Fuse bzw. eine 10-Ampere-Minifuse. Zugleich zeigt eine Kurve 107 einen Verlauf der Ansprechzeiten des Halbleiterschalters 55 bei einem erhöhten Widerstand. Der Widerstand zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss ist in dem in der Kurve 107 erläuterten Halbleiterschalter um einen Faktor 10 erhöht. Aus einem Vergleich der Kurven 101 und 105 wird deutlich, dass das Sicherungselement über den gesamten Strombereich hinweg eine kürzere Ansprechzeit als das Kabel aufweist, so dass die Sicherung das Kabel stets schützen kann.
Der Halbleiterschalter 55 weist jedoch oberhalb eines kritischen Punkt 109 bei zunehmenden Strom I eine höhere Ansprechzeit auf als das Kabel, wenn der Widerstand zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss konstant gehalten wird. Um einen effizienten Schutz des Kabels zu ermöglichen, wird daher in der Sicherungsschaltung 51, wenn der Strom bzw. der Laststrom den kritischen Punkt 109 überschreitet, der Widerstand zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss um einen Faktor von ca. 10 erhöht. Somit folgen die Ansprechzeiten des Halbleiterschalters 55 dem Verlauf der Kurve 107, wenn der Strom einen vordefinierten Schwellenwert, hier den kritischen Punkt 109, überschreitet.
Bei einem erhöhten Widerstand ist dabei die Ansprechzeit des Halbleiterschalters geringer als die Ansprechzeit für das Kabel, so dass der Halbleiterschalter 55 in der Sicherungsschaltung 51 in Folge des erhöhten Widerstands das Kabel effizienter schützen kann. Die Erhöhung des Widerstands in dem Halbleiterschalter 55 erfolgt z. B. mittels der in 1 gezeigten Sicherungsschaltung 51 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 erläutert die Wirkung einer sprunghaften Klemmung der Spannung bzw. Veränderung des Werts der Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Halbleiterschalters 55 bzw. der Spannung V_{ON_DMOS} auf ein Sicherungsverhalten im Überlastfall, das durch die sprunghafte Klemmung der Spannung flinker gemacht wird. Im Unterschied zu 4 ist in 5 statt dem Verlauf 107 der Ansprechzeiten des Halbleiterschalters 55 in der Sicherungsschaltung 51 bei einem erhöhten Widerstand, ein Verlauf 111 der Ansprechzeiten des Halbleiterschalters 55 gezeigt, bei dem die Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss V_ON sprunghaft erhöht ist.
Die Sicherungsschaltung 51 ist dabei so ausgelegt, dass bei einem Strom unterhalb des kritischen Punkts 109 keine Klemmung der Spannung V_ON zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss durchgeführt wird, also der Verlauf der Ansprechzeiten in Bezug auf den Strom durch den Halbleiterschalter der Kurve 103 folgt. Die Einstellschaltung 53 stellt das Gatepotential oberhalb des kritischen Punkts 109 so ein, dass die Spannung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss auf einen konstanten Wert erhöht wird. Somit folgen die Ansprechzeiten des Halbleiterschalters 55 oberhalb dem kritischen Punkt 109 der Kurve 111. Dabei sind die Ansprechzeiten in dem Halbleiterschalter 55 oberhalb des kritischen Punkts 109 gemäß dem Verlauf 111, also nach der Erhöhung der Spannung an dem Halbleiterschalter 55, geringer als in dem Halbleiterschalter 55 mit dem Verlauf 103, so dass wiederum ein effizienter und zuverlässiger Schutz des Kabels ermöglicht wird.
In 6 ist ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Sichern einer Lastschaltung erläutert. In einem Schritt S1 wird an einer Temperaturmessstelle, die sich vorzugsweise in der Nähe der Lastschaltung befindet, eine Temperatur gemessen bzw. bestimmt. Zugleich misst ein Strommesser in einem Schritt S3 einen Strom durch die Lastschaltung. Wenn der Strom durch die Lastschaltung einen Schwellenstromswert bzw. eine Überlaststromschwelle überschreitet, wird in einem Schritt S5 die Temperatur an der Temperaturmessstelle erhöht oder eine vorbestimmter Temperaturwert abgesenkt. Wenn die Temperatur an der Temperaturmessstelle den vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, wird in einem Schritt S7 ein Strom durch die Lastschaltung unterbrochen, so dass diese z. B vor einer erhöhten Erwärmung und damit einer Zerstörung geschützt ist.
In 7 ist eine Sicherungsschaltung 151 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Sicherungsschaltung 151 weist einen Strommesser 153, eine Steuereinrichtung 155, eine Konstantspannungsquelle 157, einen Heizwiderstand 159, eine Auslöseeinrichtung 161, eine Unterbrechungseinrichtung 163 und ein Lastelement 165 auf. Der Heizwiderstand 159, die Auslöseeinrichtung 161 und das Lastelement 165 sind an einer Temperaturmessstelle 167 angeordnet. Die Temperaturmessstelle 167 ist dabei durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet.
Der Strommesser 153 ist an einem ersten Anschluss an einen Versorgungsspannungsanschluss der Sicherungsschaltung 151 angeschlossen und an einem zweiten Anschluss über das Lastelement 165 mit einem ersten Anschluss der Unterbrechungseinrichtung 163 elektrisch leitend verbunden. Die Unterbrechungseinrichtung 163 ist an einem zweiten Anschluss an einen Masseanschluss angeschlossen. Der Heizwiderstand 159 ist an die einstellbare Konstantspannungsquelle 157 angeschlossen. Die Auslöseeinrichtung 163 weist ein Temperaturerfassungselement bzw. einen Temperatursensor auf und erzeugt ein Signal, wenn die Temperatur an der Temperaturmessstelle einen vorbestimmten Wert überschreitet. Das von der Auslöseeinrichtung 167 erzeugte Signal wird von der Unterbrechungseinrichtung 163 empfangen, die daraufhin eine Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen der Unterbrechungseinrichtung und damit einen Strompfad durch das Lastelement 165 unterbricht.
Der Strommesser 153 bestimmt einen durch die Last und die Unterbrechungseinrichtung 163 fließenden Strom. Der Wert des Stroms wird von der Steuereinrichtung 155 ausgelesen. Die Steuereinrichtung 155 vergleicht dann den ausgelesenen Stromwert mit einem Schwellenwert. Wenn der ausgelesene Stromwert den Schwellenwert überschreitet, erzeugt die Steuereinrichtung 155 ein Strommess-Signal, dessen Wert von dem gemessenen Stromwert abhängt. Das Strommess-Signal wird von der einstellbaren Konstantspannungsquelle 157 empfangen, die in Abhängigkeit von dem Wert des Strommess-Signals eine Spannung an dem Heizwiderstand 159 einstellt. Somit wird die Temperatur an der Temperaturmessstelle 167 in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom durch den Strommesser 153 erhöht, wenn der Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Die Auslöseeinrichtung 161 mit einem Temperaturerfassungselement ermittelt, ob die Temperatur an der Temperaturmessstelle 167 einen vorbestimmten Wert überschreitet. Die Temperatur an der Temperaturmessstelle 167 hängt dabei von der Erwärmung der Temperaturmessstelle durch den Heizwiderstand 159 und von der Erwärmung des Lastelements 165 ab. Zugleich findet ein Wärmeabfluss von der Temperaturmessstelle zu der Umgebung der Temperaturmessstelle statt, so dass die Temperatur der Temperaturmessstelle auch von der Umgebungstemperatur abhängt.
Wenn die Temperatur an der Temperaturmessstelle den vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, löst die Auslöseeinrichtung 161 über das von ihr erzeugte Signal ein Unterbrechen des Stromflusses durch die Unterbrechungseinrichtung 163 aus.
In der Sicherungsschaltung 151 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird damit, wie erläutert, die Temperatur, wenn der Strom durch die Unterbrechungseinrichtung 163 bzw. in einem Strompfad zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss der Sicherungsschaltung 151 einen vorbestimmten Wert überschreitet, über den Heizwiderstand 159 erhöht. Diese Erhöhung der Temperatur an der Temperaturmessstelle 167 führt dazu, dass die Auslöseeinrichtung 161 bei einem Auftreten einer Spannungsspitze bzw. einer Stromspitze an dem Lastelement 165, die zu einer weiteren Erwärmung der Temperaturmessstelle 167 führt, innerhalb einer kürzeren Ansprechzeit auslöst. Somit weist die Sicherungsschaltung 151 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine kürzere Ansprechzeit auf, wenn der Strom durch die Unterbrechungseinrichtung 163 einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Dies führt zu einem zuverlässigeren Schutz des Lastelements 165, wenn der Strom durch die Unterbrechungseinrichtung 163 einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Der Schwellenwert kann dabei so gewählt werden, dass er die Grenze zwischen einem normalen Betriebs-Modus und einem Überlast-Modus bildet. Vorteilhafterweise ist die Sicherungsschaltung 151 damit auch in einem Überlastfall elektrisch leitfähig, wobei die Unterbrechungseinrichtung 163 den Strom durch das Lastelement 165 zwar noch nicht sofort unterbricht, zugleich jedoch innerhalb einer kürzeren Ansprechzeit auf eine Strom- bzw. Spannungsspitze an dem Lastelement 165 reagiert und den Strom durch das Lastelement 165 unterbricht. Anders ausgedrückt, kann das Lastelement 165 in einem Überlastfall weiterhin betrieben werden, wobei je doch die Ansprechzeit der Sicherungsschaltung 151 beim Auftreten von Spannungsspitzen an dem Lastelement 165 bzw. Stromspitzen durch das Lastelement 165 reduziert ist.
In einer Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Unterbrechungseinrichtung einen n-Kanal DMOS-Transistor auf, jedoch sind beliebige Unterbrechungseinrichtungen, wie n-Kanal und p-Kanal MOSFETs, strom- und temperatursensierende MOSFETs oder mögliche Kombinationen aus diesen oder beispielsweise mechanische Relays hierzu Alternativen. In der Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Strommessung über die Bestimmung eines Spannungsabfalls V_sense an dem Sensewiderstand R_sense, also mittels einer Senseschaltung, jedoch sind beliebige Schaltungen zum Messen des Stroms durch die Last bzw. des Stroms zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Masseanschluss hierzu Alternativen.
Des Weiteren wird die Temperatur in der Sicherungsschaltung 51 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an der Messstelle durch ein verändertes elektrisches Verhalten der in der Nähe der Temperaturmessstelle angeordneten Unterbrechungseinrichtung eingestellt. Jedoch sind beliebige Anordnungen der Unterbrechungseinrichtung bezüglich der Temperaturmessstelle hierzu Alternativen, und auch eine beliebige Erwärmung der Temperaturmessstelle, z. B. über einen Heizwiderstand. In der Sicherungsschaltung 51 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Steuereinrichtung die Vergleichseinrichtung 65 und die Einstellschaltung 53, um eine Temperatur an der Temperaturmessstelle zu erhöhen, wenn der Spannungsabfall an dem Sense-Widerstand einen Schwellenwert überschreitet. Jedoch sind beliebige Ausführungen einer Steuerungseinrichtung hierzu Alternativen, die in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an dem Sensewiderstand das elektrische Verhalten des Schalttransistors verändert, um die Temperatur an der Temperaturmessstelle zu erhöhen, wenn der Strom in dem Strompfad bzw. der Laststrom I_L höher als ein Schwellwertstrom ist.
In der Sicherungsschaltung 51 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhöht die Einstelleinrichtung 53 die Temperatur an der Temperaturerfassungsstelle, wenn der Strom durch den Halbleiterschalter 55 einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Alternativ hierzu könnte jedoch auch in der Einstellschaltung 53 die Temperaturschwelle bzw. der Wert der Temperatur, oberhalb dem die Einstellschaltung 53 das Gatepotential so einstellt, dass der Halbleiterschalter 55 die Verbindung zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss unterbricht, abgesenkt werden, wenn der Strom I_L durch die Last bzw. den Halbleiterschalter 55 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
In der Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Unterbrechungseinrichtung bzw. der Halbleiterschalter 55 als ein High-Side-Schalter angeordnet, denkbar ist jedoch auch eine Anordnung des Halbleiterschalters 55 als ein Low-Side-Schalter. In der Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Überlaststromschwelle des Halbleiterschalters 55 eingestellt und ein ausreichend schnelles Ansprechen des Halbleiterschalters im Fehlerfall, insbesondere im Überlastfall erzeugt. Die Funktionsweise orientiert sich dabei an einem temperaturgeschützten stromsensierenden Halbleiterschalter, der z. B. bei sich schützenden smarten Halbleiterschaltern implementiert werden kann. Die Funktionsweise wurde dabei exemplarisch an einem smarten High Side Schalter, der auf einem n-Kanal MOSFET basiert, aufgezeigt. Jedoch könnte sie genauso für smarte Low-Side-Schalter, MOSFETs mit Stromsensefunktionalität und einem Temperatursensor, externe Treiber oder Schutzbeschaltungen angewendet werden.
Alternativ wäre auch ein Einsatz der Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung in Brücken und anderen denkbaren Schaltungsanordnungen integrierter smarter oder diskret aufgebauter, geschützter Halbleiterschalter möglich. In den 4 und 5 sind optionale Funktionsweisen der Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, die wenn der Strom einen kritischen Wert bzw. kritischen Punkt 109 überschreitet, einen Widerstand des Schalttransistors verändert oder eine Wert der Spannung an dem Schalttransistor 55 so einstellt, dass die Sicherungsschaltung kürzere Reaktionszeiten bzw. ein schnelleres Ansprechverhalten aufweist. Der kritische Punkt 109 wird dabei vorzugsweise so festgelegt, dass die Reaktionszeit der Sicherungsschaltung 51 mit dem Halbleiterschalter 55 an dem kritischen Punkt 109 nahe der Reaktionszeit des Kabels ist, jedoch noch geringer als die Reaktionszeit des Kabels ist. Jedoch sind beliebige Festlegungen bzw. Einstellungen des kritischen Punkts 109 hierzu Alternativen.
In der in 2d erläuterten optionalen Ausführung der Sicherungsschaltung 51 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wird die Spannung an dem Halbleiterschalter 51, wenn der Laststrom die Überlaststromschwelle I_{L_schwell} überschreitet, zuerst sprunghaft erhöht und dann stetig mit weiter zunehmenden Laststrom I_L erhöht. Die Einstellschaltung 53 kann dazu z. B. als Operationsverstärker-Schaltung ausgeführt sein, die in der gezeigten Art und Weise das Gatepotential nachregelt. Alternativ hierzu könnte auch der Widerstand zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss des Transistors 55 bzw. der Widerstand des Halbleiterschalters 55, wenn der Laststrom die Überlaststromschwelle I_{L_schwell} überschreitet zuerst sprunghaft erhöht werden und anschließend mit zunehmendem Laststrom I_L weiter erhöht werden. Dabei kann die Einstellschaltung 53 ebenfalls als Operationsverstärkerschaltung ausgeführt sein, die den Widerstand des Halbleiterschalters 55 durch eine entsprechende Einstellung des Gatepotentials verändert.
Die Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise auf einem Chip implementiert, könnte je doch auch auf mehreren Chips implementiert werden, die dann z. B. in einem Multi-Chip-Modul in einem einzigen Gehäuse angeordnet werden können. Vorzugsweise befindet sich dann die Temperaturmessstelle in dem Gehäuse oder an der Gehäusewand. Jedoch sind auch Anordnungen, in denen die Elemente der Sicherungsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, hierzu Alternativen.

11: Verlauf der Ansprechzeiten eines herkömmlichen Halbleiterschalters
13: Verlauf der Ansprechzeiten eines Kabels
15: Verlauf der Ansprechzeiten einer Sicherung
17: Kritischer Bereich
51: Sicherungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
53: Einstellschaltung für die Gatespannung
55: DMOS-Schalt-Transistor
57: Sense-Transistor
59: Vergleichsschaltung
61: Last
63: Konstantstromquelle
64: Sense-Widerstand
65: Vergleichseinrichtung
67: Referenzspannungsquelle
101: Verlauf der Ansprechzeiten für ein Kabel
103: Verlauf der Ansprechzeiten in Halbleiterschalter
105: Verlauf der Ansprechzeiten der Sicherung
107: Verlauf der Ansprechzeiten des Halbleiterschalters bei erhöhtem Widerstand
109: Kritischer Punkt
111: Verlauf der Ansprechzeiten des Halbleiterschalters bei erhöhter V_ON
151: Sicherungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
153: Strommesser
155: Steuereinrichtung
157: Einstellbare Konstantspannungsquelle
159: Heizwiderstand
161: Auslöseeinrichtung
163: Unterbrechungseinrichtung
165: Lastelement
167: Temperaturmessstelle
S1: Messen einer Temperatur
S3: Messen eines Stroms
S5: Erhöhen der Temperatur
S7: Unterbrechen des Stroms

Claims

Eine Sicherungsschaltung (151) mit: einer Unterbrechungseinrichtung (163), die ausgelegt ist, um einen Strompfad zwischen einem Sicherungsschaltungseingang und einem Sicherungsschaltungsausgang bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur an einer Temperaturmessstelle (167) zu unterbrechen; und einer Steuerungseinrichtung (153, 155), die ausgelegt ist, um abhängig von einem Strom in dem Strompfad ein Steuersignal zu erzeugen, wobei die Sicherungsschaltung (151) ausgebildet ist, um die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) zu erhöhen oder die vorbestimmte Temperatur abzusenken, wenn das Steuersignal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als ein Schwellwertstrom ist.
Sicherungsschaltung (151) gemäß Anspruch 1, die ausgelegt ist, um dann, wenn das Steuersignal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als ein Schwellwertstrom ist, ein elektrisches Verhalten der Sicherungsschaltung (151) zu verändern, um eine Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) zu erhöhen.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Steuerungseinrichtung (153, 155) ausgelegt ist, um einen an einem elektrischen Bauelement (55) der Sicherungsschaltung (151) stattfindenden Spannungsabfall zu erhöhen, wenn der Strom in dem Strompfad höher ist als der Schwellwertstrom, wobei das elektrische Bauelement (55) so in der Nähe der Temperaturmessstelle (167) angeordnet ist, dass eine Leistung an dem elektrischen Bauelement (55) die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) erhöht.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem Ansprüche 1 bis 3, bei der die Unterbrechungseinrichtung (163) und die Steuerungseinrichtung (153, 155) in einem Gehäuse angeordnet sind, und die Temperaturmessstelle (167) an dem Gehäuse oder innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen Temperatursensor aufweist, der in der Nähe der Temperaturmessstelle (167) angeordnet ist, um die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) zu bestimmen und ausgelegt ist, um ein Temperatursensorsignal zu liefern, wobei die Unterbrechungseinrichtung (163) ausgelegt ist, um das Temperatursensorsignal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Temperatursensorsignal den Strompfad zu unterbrechen.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Unterbrechungseinrichtung (163) als ein Transistor ausgeführt ist, und bei der die Steuerungseinrichtung (153, 155) ausgelegt ist, um ein Signal an einem Steuereingang des Transistors einzustellen, um einen Widerstand des Transistors zu erhöhen, oder einen Spannungsabfall zwischen zwei Transistoranschlüssen zu erhöhen, um eine Empfindlichkeit der Unterbrechungseinrichtung (163) zu erhöhen.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Steuerungseinrichtung (153, 155) einen Sense-Widerstand (R_sense) umfasst, und ausgelegt ist, um über eine zu einem Messstrom proportionale Spannung (V_sense) in einem Sensepfad an dem Sense-Widerstand (R_sense) den Strom in dem Strompfad zu bestimmen.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ausgelegt ist, um dann, wenn das Steuersig nal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als der Schwellwertstrom ist, die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) sprunghaft zu erhöhen.
Sicherungsschaltung gemäß Anspruch 8, die ausgelegt ist, um dann, wenn das Steuersignal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als der Schwellwertstrom ist, die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) zuerst sprunghaft zu erhöhen und dann in Abhängigkeit von einer Differenz des Stroms in dem Strompfad und dem Schwellwertstrom die Temperatur der Temperaturmessstelle kontinuierlich weiter zu erhöhen.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ausgelegt ist, um dann, wenn das Steuersignal anzeigt, dass der Strom in dem Strompfad höher als der Schwellwertstrom ist, die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Strom in dem Strompfad und dem Schwellwertstrom kontinuierlich zu erhöhen, und wenn der Strom niedriger als der Schwellwertstrom ist, die Temperatur nicht zu erhöhen.
Sicherungsschaltung (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der ein Widerstand zwischen den Sicherungsschaltungseingang und den Sicherungsschaltungausgang geschaltet ist, wobei die Steuerungseinrichtung (153, 155) ausgelegt ist, um einen Wert des Widerstands zu erhöhen, wenn der Strom in dem Strompfad höher als der Schwellwertstrom ist, und wobei der Widerstand so in der in der Nähe der Temperaturmessstelle (167) angeordnet ist, so dass eine an ihm abfallende Leistung die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) erhöht.
Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung mit folgenden Schritten: Messen (S1) einer Temperatur der Lastschaltung an einer Temperaturmessstelle (167); Messen (S3) eines Stroms durch die Lastschaltung; Erhöhen (S5) der Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) oder Absenken eines vorbestimmten Temperaturwerts, wenn der Strom durch die Lastschaltung einen Schwellenstromwert überschreitet; und Unterbrechen (S7) eines Stroms durch die Lastschaltung, wenn die Temperatur an der Temperaturmessstelle (167) den vorbestimmten Temperaturwert überschreitet.