DE102020128636A1

DE102020128636A1 - Intelligenter elektronischer schalter

Info

Publication number: DE102020128636A1
Application number: DE102020128636.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Asam; Mirko Bernardoni; David Jacquinod; Louis Janinet; Andre Mourrier
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220140594A1; US11843238B2; CN114441840A

Abstract

Hierin wird eine Stromüberwachungsschaltung beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Stromüberwachungsschaltung eine Signalformungseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein modifiziertes Stromsignal bereitzustellen; ein Filter, das dazu ausgebildet ist, das modifizierte Stromsignal zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal bereitzustellen; einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal und einen Schwellenwert zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal den Schwellenwert überschreitet. Die Signalformungseinheit ist dazu ausgebildet, einen Pegel des modifizierten Stromsignals aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals auf der Grundlage einer nicht-linearen Funktion zu berechnen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet von intelligenten Halbleiterschaltern.
HINTERGRUND
Nahezu jede elektrische Installation (z.B. in einem Automobil, in einem Haus, elektrische Untersysteme von größeren Installationen) enthält eine oder mehr Sicherungen, um einen Überstromschutz bereitzustellen. Standardsicherungen enthalten ein Stück Draht, das einen niederohmigen Strompfad bereitstellt, falls der durch die Sicherung fließende Strom unterhalb eines Nominalstroms liegt. Allerdings ist das Drahtstück so ausgelegt, dass es sich aufheizt und schmilzt oder verdampft, wenn der durch die Sicherung fließende Strom für eine bestimmte Zeit den Nominalstrom übersteigt. Einmal ausgelöst, muss die Sicherung durch eine neue ersetzt werden.
Sicherungen werden zunehmend durch Trennschalter („circuit breaker“) ersetzt. Ein Trennschalter ist ein automatisch betriebener, elektrischer Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Schaltung vor einer durch Überstrom, Überlast oder Kurzschluss verursachten Beschädigung zu schützen. Trennschalter können elektromechanische Relais enthalten, die ausgelöst werden, um die geschützte Schaltung von der Versorgung zu trennen, wenn ein Überstrom (d.h. ein Strom, der den Nominalstrom übersteigt) detektiert wird. Bei vielen Anwendungen (z.B. der bordeigenen Leistungsversorgung eines Automobils) können Trennschalter unter Verwendung eines elektronischen Schalters (z.B. eines MOS-Transistors, eines IGBTs oder dergleichen) implementiert werden, um die geschützte Schaltung im Fall eines Überstroms von der Versorgung zu trennen. Derartige elektronische Trennschalter können auch als elektronische Sicherungen (E-Sicherungen oder intelligente Sicherungen) bezeichnet werden. Neben ihrer Funktion als Trennschalter kann eine elektronische Sicherung auch dazu verwendet werden, eine Last regelmäßig ein- und auszuschalten. Üblicherweise wird der Schaltzustand (ein/aus) von elektronischen Schaltern wie beispielsweise MOS-Transistoren unter Verwendung sogenannter Treiberschaltungen oder einfach Treibern (Gatetreibern im Fall von MOS-Transistoren) gesteuert.
Üblicherweise sind herkömmliche Sicherungen - und elektronische Sicherungen - für eine (hypothetische) konstante elektrische Last, die eine bestimmte thermische Last auf dem Kabel erzeugt, ausgelegt. Das heißt, die konstante elektrische Last führt zu einem bestimmten Anstieg Kabeltemperatur über der Umgebungstemperatur. Der Zweck der Sicherung besteht darin, sicherzustellen, dass die thermische Belastung an dem Kabel innerhalb einer definierten Grenze bleibt. Daher sind bekannte elektronische Sicherungsschaltungen dazu ausgelegt, die Zeit-Strom-Kennlinie eines Kabels, das die Last versorgt (die definiert, für wie lang ein bestimmter Strompegel durch die elektronische Sicherung fließen darf, bevor die Sicherung die Trennung der Last auslöst), zu emulieren. Allerdings ändert sich bei vielen Anwendungen die Last dynamisch. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die thermische Zeitkonstante von üblicherweise verwendeten Kabeln im Bereich von wenigen Minuten (z.B. 90 Sekunden bei einigen Anwendungen) liegt, kann die Aktivierung einer elektrischen Last für z.B. 30 Sekunden, verglichen mit der thermischen Zeitkonstante des Kabels, ein hochdynamischer Prozess sein.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen zielen auf ein flexibleres „Design“ der Zeit-Strom-Kennlinie ab, so dass eine elektronische Sicherung nicht nur in der Lage ist, das Kabel zu schützen, sondern auch individuell an eine bestimmte Last (oder Art von Last), die über die elektronische Sicherung versorgt wird, angepasst werden kann.
ÜBERBLICK
Hier wird eine Stromüberwachungsschaltung beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Stromüberwachungsschaltung zwei oder mehr Signalzweige, von denen jeder enthält: eine Signalformungseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein modifiziertes Stromsignal bereitzustellen; einen Filter, der dazu ausgebildet ist, das modifizierte Stromsignal zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal bereitzustellen; einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal und einen entsprechenden Schwellenwert zu empfangen und ein entsprechendes Logiksignal, das signalisiert, wenn das gefilterte Signal den Schwellenwert überschreitet, bereitzustellen; und eine Logikschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Logiksignale der zwei oder mehr Signalzweige zu verknüpfen. Die Signalformungseinheit eines jeden Signalzweigs ist dazu ausgebildet, einen Pegel des jeweiligen modifizierten Stromsignals aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals auf der Grundlage einer nichtlinearen Funktion zu berechnen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Stromüberwachungsschaltung eine Signalformungseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal zu empfangen und ein modifiziertes Stromsignal bereitzustellen; ein Filter, das dazu ausgebildet ist, das modifizierte Stromsignal zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal bereitzustellen; einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal und einen Schwellenwert zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal den Schwellenwert überschreitet. Die Signalformungseinheit ist dazu ausgebildet, einen Pegel des modifizierten Stromsignals aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle oder auf der Grundlage einer Funktion, die eine Polynomfunktion mit einer Ordnung höher als zwei oder eine abschnittweise lineare Funktion ist, zu berechnen.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Stromüberwachungsverfahren. Dementsprechend beinhaltet das Verfahren das Umformen eines Stromerfassungssignals - unter Verwendung einer Signalformungseinheit -, um ein modifiziertes Stromsignal bereitzustellen; das Filtern - unter Verwendung eines digitalen Filters - des modifizierten Stromsignals, um ein entsprechendes gefiltertes Signal bereitzustellen; das Vergleichen des gefilterten Signals mit einem digitalen Schwellenwert und das Signalisieren, wenn das gefilterte Signal den digitalen Schwellenwert überschreitet. Die Signalformungseinheit berechnet einen Pegel des modifizierten Stromsignals aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle oder auf der Grundlage einer Funktion, die eine Polynomfunktion mit einer Ordnung höher als zwei oder eine abschnittweise lineare Funktion ist.
Figurenliste
Die unten beschriebenen Ausführungsformen lassen sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsziffern korrespondierende Teile. Zu den Zeichnungen:

1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine elektronische Sicherungsschaltung mit einem elektronischen Schalter und einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter anzusteuern, und eine beispielhafte Anwendung der elektronischen Sicherungsschaltung.
2 zeigt ein Beispiel für die Steuerschaltung von 1 ausführlicher.
3 zeigt ein Beispiel für eine in der Steuerschaltung von 2 verwendete Logikschaltung.
4 zeigt Zeitverlaufsdiagramme, die die Funktionsweise der in 2 gezeigten Steuerschaltung veranschaulichen.
5a ist eine Darstellung, die eine Familie von Kennlinienkurven (Zeit gegenüber Strom) für ein 0,35 mm²-Kabel und für verschiedene maximale Kabeltemperaturen veranschaulicht.
5b ist eine Darstellung, die eine Familie von Kennlinienkurven (Zeit gegenüber Strom) für eine maximale Kabeltemperatur von 25 Kelvin über der Umgebungstemperatur und für verschiedene Kabelquerschnitte veranschaulicht.
6 zeigt ein Beispiel für die bei dem Beispiel von 2 verwendete Überwachungsschaltung; die Überwachungsschaltung enthält ein Filter und einen Komparator, wobei die Filterzeitkonstante, die Formungsfunktion und der Komparatorschwellenwert die Zeit-Strom-Kennlinie der Überwachungsschaltung bestimmen.
7 zeigt ein erstes Beispiel für eine E-Sicherungs-(„intelligente Sicherungs“)-Schaltung, die die Auswahl von Kabelquerschnitt und maximaler Kabeltemperatur ermöglicht.
8 ist eine Darstellung, die den Effekt der Filterzeitkonstanten auf die Zeit-Strom-Kennlinie veranschaulicht, falls ein Tiefpassfilter erster Ordnung bei der Überwachungsschaltung von 6 verwendet wird.
9 ist eine Darstellung, die die Auswirkung des Komparatorschwellenwerts auf die Zeit-Strom-Kennlinie in einem Fall veranschaulicht, in dem bei der Überwachungsschaltung von 6 ein Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet wird.
Die 10 und 11 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Überwachungsschaltung, die in der Schaltung von 2 verwendet werden kann.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Stromüberwachungsschaltung, die in der Schaltung von 2 verwendet werden kann, wobei die Ausführungsform eine Nachschlagtabelle enthält.
13 zeigt eine beispielhafte Implementierung der in der Schaltung von 12 verwendeten Nachschlagetabelle.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Stromüberwachungsschaltung, die ein flexibleres Abstimmen der gewünschten Zeit-Strom-Kennlinie ermöglicht.
15 zeigt eine beispielhafte Zeit-Strom-Kennlinie für die Schaltung von 14.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zum Zweck der Darstellung Beispiele dafür, wie die Erfindung verwendet und implementiert werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, miteinander kombiniert werden können. Weiterhin sind die Ausführungsformen, auch wenn die hierin beschriebenen Beispiele auf eine elektronische Sicherungsschaltung gerichtet sind, nicht auf Anwendungen, die sich auf elektronische Sicherungen beziehen, beschränkt.
1 zeigt ein Beispiel für eine elektronische Schaltung, die als elektronische Sicherung betrieben werden kann. Deshalb wird die elektronische Schaltung weiterhin als elektronische Sicherungsschaltung F bezeichnet. Gemäß den vorliegenden Beispielen enthält eine elektronische Sicherungsschaltung einen elektronischen Schalter 2 mit einem Steuerknoten 21 und einem Laststrompfad zwischen einem ersten Lastknoten 22 und einem zweiten Lastknoten 23. Die elektronische Schaltung enthält weiterhin eine Steuerschaltung 1, die mit dem Steuerknoten 21 des elektronischen Schalters 2 gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter 2 anzusteuern. Die elektronische Sicherungsschaltung F mit dem elektronischen Schalter 2 und der Steuerschaltung 1 kann in einem Halbleiter-Die (Chip) monolithisch integriert sein oder kann in getrennte Halbleiter-Dies, die in einem Integrierte-Schaltung-Package angeordnet sind, integriert sein. Alternativ können der Gate-Treiber und der MOSFET in getrennten Chips integriert sein. Die elektronische Sicherungsschaltung F ist dazu ausgebildet, eine Last Z (die Leitungen, die die Last anschließen, sind in 1 anhand gestrichelter Linien dargestellt), die mit dem Laststrompfad des elektronischen Schalters 2 in Reihe geschaltet sein kann, anzusteuern. Daher kann die Reihenschaltung des Laststrompfads des elektronischen Schalters 2 und der Last Z zwischen Versorgungsknoten, an denen ein erstes Versorgungspotential und ein zweites Versorgungspotential bereitgestellt werden kann, angeschlossen werden. Das zweite Versorgungspotential wird üblicherweise als Massepotential GND (z.B. null Volt) bezeichnet. Im Folgenden wird eine Spannung zwischen den beiden Versorgungsknoten als Versorgungsspannung V_B bezeichnet. Der durch die Last Z fließende Laststrom i_L kann entsprechend einem Eingangssignal S_IN, das der Steuerschaltung 1 zum Beispiel durch einen Mikrocontroller 8 zugeführt wird, ein- und ausgeschaltet werden. Allerdings kann das Eingangssignal S_IN, abhängig von der Anwendung, anstelle eines Mikrocontrollers auch durch einen beliebigen anderen Schaltkreis erzeugt werden.
Bei einer beispielhaften Anwendung kann die elektronische Sicherungsschaltung F verwendet werden, um eine Last Z in einem Automobil anzusteuern. In diesem Fall ist die Leistungsquelle, die die Versorgungsspannung V_B liefert, eine Automobilbatterie. Allgemein kann „eine Last anzusteuern“ das Ein- oder Ausschalten des durch die Last fließenden Laststroms durch Ein- oder Ausschalten des elektronischen Schalters 2 beinhalten. Bei der Last kann es sich um eine beliebige in einem Automobil verwendete Last handeln. Beispiele für die Last Z beinhalten unter anderem verschiedene Arten von Lampen, verschiedene Arten von Motoren, Relais, ein Heizsystem oder dergleichen. Die Last Z kann auch ein elektronisches Sub-System (einschließlich mehrerer individueller elektrischer Lasten) der elektrischen Installation eines Automobils beinhalten. Bei dem Beispiel von 1 sind der elektronische Schalter 2 und die Last Z in einer High-Side-Konfiguration verbunden. Das heißt, die Last Z ist zwischen dem elektronischen Schalter 2 und dem Masseknoten GND angeschlossen. Allerdings stellt dies nur ein Beispiel dar. Der elektronische Schalter 2 und die Last Z können auch genauso gut in einer Low-Side-Konfiguration oder in einer beliebigen anderen Konfiguration verbunden sein. Zum Beispiel ist der elektronische Schalter bei einer Low-Side-Konfiguration zwischen der Last Z und dem Masseknoten GND angeschlossen.
Gemäß dem Beispiel von 1 kann die Last Z über einen (z.B. in einem Kabel enthaltenen) leitenden Draht mit dem elektronischen Schalter 2 verbunden sein. Abhängig davon, wo sich die elektronische Schaltung und die entsprechende Last Z in der elektrischen Installation eines Automobils befinden, kann der Draht eine beträchtliche Länge von mehreren 10 cm oder sogar signifikant mehr (z.B. bis zu 10 m) aufweisen. Ein modernes Automobil enthält eine Vielzahl elektrischer Lasten, so dass eine Vielzahl von Drähten erforderlich ist, um die einzelnen Lasten mit ihren jeweiligen elektronischen Schaltern zu verbinden. Um Kosten und Ressourcen einzusparen, kann es wünschenswert sein, die einzelnen Drähte so zu dimensionieren, dass sie einem Nominalstrom der angeschlossenen Last lange Zeit widerstehen. Wenn jedoch der Strom über den Nominalstrom ansteigt, kann der Draht aufgrund von Überhitzung beschädigt oder sogar zerstört werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerschaltung 1 deshalb eine Stromüberwachungsfunktion besitzen, um den durch den elektronischen Schalter 2 (und die Last Z) fließenden Laststrom i_L zu überwachen. Die Stromüberwachung ermöglicht es, den elektronischen Schalter auszuschalten, um den Draht (und die Last Z) zu schützen, wenn eine „Überlastsituation“ detektiert wird. Bei einer Überlastsituation handelt es sich um eine Situation, die dazu führen kann, dass der Draht oder die Last beschädigt oder zerstört werden, wenn der elektronische Schalter 2 nicht (innerhalb einer bestimmten Zeit) ausgeschaltet wird, um den Draht (und die Last) von der Leistungsquelle, die die Versorgungsspannung V_B (z.B. die Automobilbatterie) liefert, zu trennen. Dieser Mechanismus wird unten ausführlicher erläutert. Da die elektronische Sicherungsschaltung F dazu ausgebildet ist, die Last Z ein- und auszuschalten und den Draht zu schützen, wird sie im Folgenden auch als Schalt- und Schutzschaltung bezeichnet.
Bei dem Beispiel von 1 ist der elektronische Schalter 2 schematisch als Schaltungsblock, der einen Schalter enthält, gezeichnet. Im Folgenden beinhaltet der Ausdruck „elektronischer Schalter“ einen beliebigen Typ von elektronischem Schalter oder elektronischem Schaltkreis, der einen Steuerknoten 21 und einen Laststrompfad zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 besitzt und der dazu ausgebildet ist, abhängig von einem an dem Steuerknoten 21 empfangenen Ansteuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden. „Eingeschaltet“ bedeutet, dass der elektronische Schalter 2 in einem Ein-Zustand arbeitet, in dem der elektronische Schalter 2 in der Lage ist, zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 einen Strom zu leiten. „Ausgeschaltet“ bedeutet, dass der elektronische Schalter 2 in einem Aus-Zustand betrieben wird, in dem der elektronische Schalter 2 in der Lage ist, einen Stromfluss zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 zu verhindern. Gemäß einem Beispiel enthält der elektronische Schalter 2 zumindest einen Transistor. Bei dem zumindest einen Transistor kann es sich zum Beispiel um einen MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt Transistor), einen IGBT (Bipolar Transistor mit isoliertem Gate), einen JFET (Sperrschicht-Feldeffekt Transistor), einen BJT (Bipolar Transistor) oder einen HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) handeln.
Im Folgenden werden Beispiele für die Steuerschaltung 1 und deren Funktion unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert. Insbesondere wird die Funktionsweise der Steuerschaltung 1 unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen abgebildeten Funktionsblöcke erläutert. Es ist anzumerken, dass diese Funktionsblöcke die Funktion der Steuerschaltung 1 und nicht ihre konkrete Implementierung darstellen. Diese Funktionsblöcke können zugeordnete Schaltungsblöcke sein, die dazu ausgebildet sind, die entsprechende, unten erläuterte Funktion auszuführen. Allerdings ist es ebenso möglich, dass die Funktionen der einzelnen Funktionsblöcke (zumindest teilweise) durch eine programmierbare Schaltung (z.B. einen Prozessor), die dazu ausgebildet ist, in einem Speicher gespeicherte Software/Firmware auszuführen, ausgeführt werden.
2 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Steuerschaltung 1. Bei diesem Beispiel beinhaltet die Steuerschaltung 1 eine Überwachungsschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Schutzsignal OC basierend auf einer Zeit-Strom-Kennlinie des Laststroms i_L zu erzeugen. Der Ausdruck „das erste Schutzsignal OC basierend auf der Zeit-Strom-Kennlinie des Laststroms zu erzeugen“ kann beinhalten, dass die Überwachungsschaltung 4 ein Signal verarbeitet, das die Ist-Stromamplitude des Laststroms i_L sowie vorangehende Stromamplituden repräsentiert, um das erste Schutzsignal OC zu erzeugen. Das heißt, die Überwachungsschaltung 4 wertet den Laststrom i_L über einen bestimmten Zeitraum aus, um das erste Schutzsignal OC zu erzeugen. Um in der Lage zu sein, den Laststrom i_L auszuwerten, empfängt die Überwachungsschaltung 4 ein Stromerfassungssignal CS und erzeugt das erste Schutzsignal OC basierend auf dem Stromerfassungssignal CS. Das Stromerfassungssignal CS repräsentiert den Laststrom i_L und kann gemäß einem Beispiel proportional zu dem Laststrom i_L sein. Bei dem Beispiel von 2 ist das Stromerfassungssignal CS an einem Erfassungsausgang 24 des elektronischen Schalters 2 verfügbar. In diesem Fall kann eine Strommessschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Laststrom i_L zu messen und das Stromerfassungssignal CS bereitzustellen, (zumindest teilweise) in dem elektronischen Schalter 2 integriert sein. Allerdings stellt dies nur ein Beispiel dar. Eine von dem elektronischen Schalter 2 getrennte Strommessschaltung kann ebenso gut verwendet werden. Verschiedene Stromerfassungsschaltungen (z.B. Shunt-Widerstände, Sense-FET-Schaltungen, etc.) sind bekannt und werden daher hierin nicht ausführlich weiter erläutert.
Die in 2 dargestellte Steuerschaltung 1 ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 2 basierend auf dem Schutzsignal OC und einem an einem ersten Eingangsknoten (z.B. Eingangs-Pin) P_IN der elektronischen Sicherungsschaltung F empfangenen Eingangssignal S_IN anzusteuern. Das Schutzsignal OC sowie das Eingangssignal S_IN werden einer Logikschaltung 3 zugeführt, die ein Ansteuersignal S_ON basierend auf dem Schutzsignal OC und dem Eingangssignal S_IN erzeugt. Das Ansteuersignal S_ON wird dem Steuerknoten 21 des elektronischen Schalters 2 direkt oder (z.B. über die Treiberschaltung 5) indirekt zugeführt, um den elektronischen Schalter 2 ein- oder auszuschalten. Gemäß einem Beispiel kann es sich bei dem Ansteuersignal S_ON um ein Logiksignal handeln, das einen Ein-Pegel aufweist, der anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2 einzuschalten, oder einen Aus-Pegel, der anzeigt, dass es gewünscht ist, den elektronischen Schalter 2 auszuschalten. Die Treiberschaltung 5 (oder einfach der Treiber) ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 2 basierend auf dem entsprechenden Signalpegel des Ansteuersignals S_ON anzusteuern. Der elektronische Schalter 2 enthält zum Beispiel einen Transistor wie beispielsweise einen MOSFET (wie in 2 schematisch dargestellt). Bei einem MOSFET handelt es sich um ein spannungsgesteuertes Halbleiterbauelement, das abhängig von einer zwischen einem Gate-Knoten und einem Source-Knoten angelegten Ansteuerspannung ein- oder ausschaltet. Bei diesem Beispiel ist der Treiber dazu ausgebildet, die Ansteuerspannung (Gate-Spannung VG) basierend auf dem Ansteuersignal S_ON zu erzeugen, um den MOSFET entsprechend dem Ansteuersignal ein- oder auszuschalten. Wenn MOSFETs verwendet werden, wird der Treiber 5 auch als Gatetreiber bezeichnet.
Die Schaltung von 3 zeigt eine beispielhafte Implementierung von (einem Teil) der Logikschaltung 3. Bei dem vorliegenden Beispiel enthält die Logikschaltung 3 einen Inverter 33, ein SR-Latch 31 (Flip-Flop) und ein UND-Gatter 32. Ein erster Eingang des UND-Gatters 32 ist dazu ausgebildet, das Eingangssignal S_IN zu empfangen, während der Rücksetz-Eingang R des SR-Latches 31 dazu ausgebildet ist, das durch den Inverter 33 bereitgestellte, invertierte Eingangssignal zu empfangen. Der Setz-Eingang S des SR-Latches 31 ist dazu ausgebildet, das Schutzsignal OC zu empfangen. Der invertierende Ausgang Q' des SR-Latches 31 ist mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 32 verbunden. Das Ansteuersignal S_ON wird an dem Ausgang des UND-Gatters 32 bereitgestellt.
Die Funktionsweise der Logikschaltung 3 wird in den Zeitverlaufsdiagrammen von 4 weiter veranschaulicht. Der anfängliche Low-Pegel des Eingangssignals S_IN bewirkt ein Zurücksetzen des SR-Latches 31, was zu einem High-Pegel an dem invertierenden Ausgang Q' des SR-Latches 31 führt. Entsprechend „sehen“ beide Eingänge des UND-Gatters 32 einen High-Pegel und der Ausgang des UND-Gatters 32 liefert das Ansteuersignal S_ON mit einem High-Pegel. Wenn das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₁ und t₂) wechselt, „sieht“ das UND-Gatter 32 einen Low-Pegel an seinem ersten Eingang und der Ausgang des UND-Gatters 32 liefert das Ansteuersignal S_ON mit einem Low-Pegel (der ein Ausschalten des Leistungstransistors 2 bewirkt). Mit anderen Worten, das Eingangssignal S_IN wird durch die Logikschaltung 3 geführt (d.h., das Ansteuersignal S_ON ist gleich dem Eingangssignal S_IN), vorausgesetzt, dass sich das SR-Latch 31 in seinem Rücksetz-Zustand befindet. Sobald das SR-Latch 31 als Reaktion auf das auf einen High-Pegel wechselnde Schutzsignal OC gesetzt wird, wird der invertierende Ausgang Q' des SR-Latches 31 auf einen Low-Pegel gesetzt (siehe 4 Zeitpunkt t₃). Entsprechend sieht das UND-Gatter 32 an seinem zweiten Eingang einen Low-Pegel, und das Ansteuersignal S_ON wird auf einen Low-Pegel gesetzt. Mit anderen Worten, das Eingangssignal S_IN wird durch das UND-Gatter 32 ausgetastet. Das Ansteuersignal S_ON bleibt auf einem Low-Pegel, bis das Eingangssignal S_IN auf einen Low-Pegel (der ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 und ein Zurücksetzen des SR-Latches 31 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt t₄) und wieder auf einen High-Pegel (der ein Einschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigt, siehe 4, Zeitpunkt ts) gesetzt wird. Es wird erneut angemerkt, dass die Funktionsweise der beispielhaften Implementierung von 3 ebenso gut auf verschiedene andere Arten implementiert werden kann. Weiterhin wird angemerkt, dass das Zurücksetzen des SR-Latches 31 bei anderen Ausführungsformen auf eine andere Weise ausgelöst werden kann. Zum Beispiel kann der Mikrocontroller 8 (siehe 1) ein zugeordnetes Rücksetz-Signal liefern.
Wie oben erwähnt, kann der Draht, der die Last Z und die elektronische Sicherungsschaltung F verbindet, dazu ausgelegt sein, einem Nominalstrom der Last Z zu widerstehen. Die Lebensdauer eines Drahts (oder eines Kabels) hängt von der Drahttemperatur ab. Die 5A und 5B sind Diagramme, die eine Familie von Kennlinien (von denen jede eine bestimmte Zeit-Strom-Kennlinie repräsentiert) zeigen, wobei jede Kennlinie einer bestimmten Kombination von maximaler Temperaturdifferenz dT (maximale Temperatur über Umgebungstemperatur) und Kabelquerschnitt (z.B. Querschnittsfläche in mm²) zugeordnet ist. Jede Kennlinie kann als „Isotherme“ (Linie gleicher Temperatur dT) betrachtet werden und repräsentiert die Beziehung zwischen dem Strom und dem maximal zulässigen Zeitraum, für den der Draht den Strom tragen kann, ohne die spezifizierte Temperaturdifferenz dT zu übersteigen.
5A zeigt Kennlinien für verschiedene Temperaturdifferenzen dT und eine spezifische Querschnittsfläche von 0,35 mm², während 5B Kennlinien für eine spezifische Temperaturdifferenz dT von 25 K (Kelvin) und verschiedene Querschnittsflächen zeigt. Wie aus 5A und 5B zu sehen ist, kann ein Draht mit einer Querschnittsfläche von 0,35 mm² eine Strom von näherungsweise 9 A (Ampere) für eine praktisch unbegrenzte Dauer tragen, ohne die Temperaturdifferenz dT von 25 K über Umgebungstemperatur zu übersteigen. Wie aus 5B zu sehen ist, kann ein Draht mit einer Querschnittsfläche von 0,75 mm² einen Strom von 10 A (Ampere) für näherungsweise 100 Sekunden oder 35 A für näherungsweise 1 Sekunde tragen, bevor er eine Temperaturdifferenz dT von 25 K über Umgebungstemperatur übersteigt. Allgemein gilt, dass der zulässige Zeitraum für eine gegebene Querschnittsfläche und eine gegebene Temperaturdifferenz umso kürzer ist, je höher der Strom ist. Es wird angemerkt, dass die in den Diagrammen der 5A und 5B gezeigten Kennlinien in einer doppelt logarithmischen Darstellung einen linear abfallenden Zweig besitzen.
Wie den 5A und 5B zu entnehmen ist, ist eine Temperaturdifferenz dT_x (z.B. Temperaturwerte dT₁, dT₂, dT₃, dT₄, dT₅, dT₆) für einen gegebenen Strom (siehe 5A, Strom i_x) und einer bestimmten Querschnittsfläche (bei dem Beispiel von 5A z.B. 0,35 mm²) einer gegebenen Integrationszeit t_x (z.B. Zeiten t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆) zugeordnet. Daher kann ein Temperaturwert dT (der die Temperatur über der Umgebungstemperatur repräsentiert) für einen bestimmten Drahtquerschnitt durch Integrieren der aus einem durch den Draht fließenden Laststrom i_L=i_x resultierenden Leistung über die Zeit bestimmt werden. Das erste Schutzsignal OC kann ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 anzeigen, wenn der Temperaturwert dT eine definierte erste Referenztemperaturdifferenz dT_R erreicht. Die erwähnte Integration kann unter Verwendung eines digitalen Filters, das in der Überwachungsschaltung 4 (siehe 2) enthalten sein kann, effizient implementiert werden. Eine beispielhafte Implementierung einer Überwachungsschaltung ist in 6 dargestellt. Bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist das digitale Filter ein Tiefpassfilter. Bei einer Ausführungsform ist das Tiefpassfilter ein Filter erster Ordnung, was ausreicht, wenn ein einfaches thermisches Modell eines Kabels (basierend auf dem Fourier'schen Gesetz) verwendet wird.
Im Wesentlichen ist die Überwachungsschaltung von 6 dazu ausgebildet, das erste Schutzsignal OC basierend auf dem Stromerfassungssignal CS zu bestimmen. Wie erwähnt, kann die Integration in einem digitalen Filter 42, das eine (durch ein Tiefpassfilter implementierte) integrierende Eigenschaft aufweist, ausgeführt werden. Gemäß dem abgebildeten Beispiel wird das Stromerfassungssignal CS, bei dem es sich um eine Spannung, die proportional zu dem Laststrom i_L ist, handeln kann, dem Eingang des Filters 45, bei dem es sich um ein (optionales) analoges Tiefpassfilter handeln kann, zugeführt, um Transienten oder dergleichen, die eine vergleichsweise hohe Frequenz besitzen, zu entfernen. Der Ausgang des Filters 45 kann mit dem Eingang eines Analog-DigitalWandlers (ADC) 41, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Stromerfassungssignal CS zu digitalisieren, verbunden sein. Das digitale Stromerfassungssignal i[n] wird dann durch die Signalformungseinheit 46 umgeformt. Üblicherweise ist die Formungsschaltung 46 dazu ausgebildet, das digitale Stromsignal i[n] zu quadrieren (siehe Block 46" in 6). Das resultierende umgeformte Signal ist mit x[n] bezeichnet. Zusätzlich oder alternativ zum Quadrieren kann die Signalformungseinheit 46 jede andere nichtlineare Transformation des digitalen Stromsignals i[n] durchführen (siehe Block 46' in 6). Das umgeformte Stromsignal x[n] wird dem Filter 42, das ein Tiefpassfilter sein kann, zugeführt. Falls die Signalformungseinheit 46 im Wesentlichen eine Quadrierung durchführt, lässt das umgeformte Stromsignal x[n] auf die elektrische Leistung schließen, und das Ausgangssignal y[n] des Filters 42 kann als Temperatur interpretiert werden.
Der resultierende Temperaturwert dT (der eine Temperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur repräsentiert) wird dann einem digitalen Komparator 43 zugeführt, der dazu ausgebildet sein kann, das erste Schutzsignal OC auf einen High-Pegel zu setzen, wenn der an dem Ausgang des digitalen Filters 42 bereitgestellte Temperaturwert dT eine erste Referenztemperaturdifferenz dT_R (z.B. 25 K), die für einen bestimmten Drahtquerschnitt spezifiziert ist, übersteigt. Die Filterkennlinie des Filters 42 kann auf einem thermischen Modell des Kabels oder der zu überwachenden elektrischen Last basieren. Wie erwähnt, kann die Filterkennlinie ein Tiefpassfilter erster Ordnung sein, wenn ein einfaches thermisches Modell emuliert wird.
Wie erwähnt, ist das digitale Filter 42 dazu ausgebildet, den (z.B. quadrierten) Laststrom und eine zugehörige Integrationszeit, während der der Strom durch den Draht fließt, in einen Temperaturwert dT zu wandeln. Bei dem vorliegenden Beispiel hängt die Filterkennlinie 42 von einem Parameter, der den Draht charakterisiert, z.B. der Querschnittsfläche des Drahts, der den Strom trägt, ab und kann durch eine Familie von Kennlinien wie beispielsweise die in dem Diagramm von 5A (für eine beispielhafte Querschnittsfläche von 0,35 mm²) gezeigten repräsentiert werden.
7 zeigt ein Beispiel für eine elektronische Sicherungsschaltung, die weiterhin als intelligente Sicherungsschaltung 10 bezeichnet wird. Die Schaltung von 7 ist im Wesentlichen dieselbe wie die Schaltung von 2, und es wird Bezug genommen auf die entsprechende Beschreibung. Allerdings ist die Logikschaltung 3 anspruchsvoller als bei dem Beispiel von 2, und die Überwachungsschaltung 4 ist entsprechend 6 implementiert, wobei das analoge Tiefpassfilter 45 weggelassen wurde (das Tiefpassfilter 45 ist optional). Allerdings ist die Überwachungsschaltung 4, abweichend von dem Beispiel in 6, bei dem vorliegenden Beispiel konfigurierbar, so dass ihre Kennlinie basierend auf zumindest einem Drahtparameter ausgewählt werden kann, was es zum Beispiel ermöglicht, eine Kennlinie für einen bestimmten Drahtquerschnitt und/oder eine gewünschte Referenztemperaturdifferenz dT_R (Temperaturschwellenwert) auszuwählen. Bei den hierin beschriebenen Beispielen repräsentiert der zumindest eine Drahtparameter die Kabelquerschnittsfläche und/oder den maximalen Temperaturwert über der Umgebungstemperatur. Wie den Diagrammen von 5 zu entnehmen ist, definieren diese beiden Drahtparameter eine bestimmte Kennlinie, die das gewünschte Verhalten der elektronischen Sicherungsschaltung für ein(en) bestimmten Draht/bestimmtes Kabel repräsentiert. Es versteht sich, dass andere Parameter wie beispielswiese Drahtdurchmesser oder Absoluttemperatur (z.B. falls die Umgebungstemperatur gemessen wird) als Drahtparameter verwendet werden können. Darüber hinaus repräsentiert ein Drahtparameter nicht notwendigerweise irgendeine physikalische Größe (wie beispielsweise Querschnittsfläche oder Temperatur), sondern er kann ein lediglich numerischer Parameter sein, der das Bestimmen (z.B. Auswählen) der durch die Überwachungsschaltung verwendeten, gewünschten Kennlinie ermöglicht. Bei einem Beispiel ist der Drahtparameter lediglich eine die anzuwendende Kennlinie anzeigende Zahl. Wie in 7 gezeigt, kann die elektronische Sicherungsschaltung eine integrierte Schaltung sein, die in einem Chip-Package angeordnet ist, wobei der elektronische Schalter 2 und die verbleibenden Schaltungskomponenten (Treiber 5, Logikschaltung 3 und Überwachungsschaltung 4) in demselben Halbleiter-Die oder in zwei separaten, in dem Chip-Package angeordneten Halbleiter-Dies integriert sein können. Allerdings kann die intelligente Sicherungsschaltung 10 bei anderen Ausführungsformen in zwei oder mehr getrennte Chip-Packages verteilt sein. Bei dem Beispiel von 7 sind sämtliche abgebildeten Schaltungskomponenten in einem Halbleiterchip integriert.
The Laststrompfad des elektronischen Schalters 2 kann zwischen einem Versorgungspin SUP und einem Ausgangspin OUT der intelligenten Sicherungsschaltung 10 angeschlossen sein. Im Allgemeinen kann die Logikschaltung 3 dazu ausgebildet sein, von einem Mikrocontroller oder einem anderen Steuerschaltkreis zumindest einen Drahtparameter zu empfangen, der bei dem vorliegenden Beispiel Informationen über eine Drahtquerschnittsfläche A und eine Referenztemperaturdifferenz dT_R enthält. Wie in 6 dargestellt, kann die Logikschaltung 3 dazu ausgebildet sein, Signale von einem Controller über einen Eingangs-Pin IN (Eingangssignal S_IN, siehe auch 2) und Eingangspins SEL_WIRE und SEL_dT (Auswahlsignale S_S1 und S_S2, die eine Drahtquerschnittsfläche und eine Temperaturdifferenz repräsentieren) zu empfangen und ein Ansteuersignal S_ON für den elektronischen Schalter 2 bereitzustellen. Der Treiber 5 kann dazu ausgebildet sein, das Signal S_ON, bei dem es sich um ein binäres Logiksignal handelt, in eine Ansteuerspannung oder einen Ansteuerstrom zu wandeln, die/der geeignet ist, den elektronischen Schalter 2 ein- und auszuschalten. Wie bei dem Beispiel von 2 empfängt die Überwachungsschaltung 4 ein (analoges) Stromerfassungssignal CS und erzeugt basierend auf diesem Stromerfassungssignal CS das erste Schutzsignal OC, das durch die Logikschaltung 3, zum Beispiel wie bei dem Beispiel von 3 gezeigt, verarbeitet werden kann.
Wie erwähnt, kann das Filter 42 als Tiefpassfilter erster Ordnung implementiert werden. Das heißt, die (zeitkontinuierliche) Filterübertragungsfunktion H(s) kann wie folgt geschrieben werden: $H (s) = \frac{b}{1 + s τ}$
wobei τ die Filterzeitkonstante repräsentiert und b die Filterverstärkung repräsentiert. Der Komparator 43 löst ein Ausschalten des elektronischen Schalters 2 (durch Erzeugen eines Überstromsignals OCs) aus, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: $L^{- 1} {P (s) \frac{b}{1 + s τ}} \geq Δ T .$
Das heißt, ein Ausschalten wird ausgelöst, wenn die geschätzte Kabeltemperatur, die durch das Filterausgangssignal des Filters 42 repräsentiert wird, einen Temperaturschwellenwert ΔT erreicht oder übersteigt (in Gleichung 2 bezeichnet $L^{- 1} {\cdot}$
die inverse Laplace-Transformation). Die obige Gleichung (2) kann umformuliert werden zu $L^{- 1} {P (s) \frac{1}{1 + s τ}} \geq d T_{R} .$
wobei dT_R = ΔT/b ist und P(s) die Laplace-Transformation des Filtereingangssignals bezeichnet. Aus den Bedingungen (2) und (3) ist evident, dass die Filterverstärkung b und der Schwellenwert ΔT keine unabhängigen Parameter sind. Eine bestimmte Referenztemperatur dT_R kann durch verschiedene Filterkombinationen der Filterverstärkung b und des Schwellenwerts ΔT erreicht werden. Das Variieren der Filterverstärkung b hat einen ähnlichen Effekt wie das Variieren des Temperaturschwellenwerts ΔT. Es versteht sich, dass, obwohl dT_R eine Temperatur repräsentiert, sie nicht in Kelvin gemessen wird (wie in 10 zu sehen ist, besitzt dT_R die physikalische Dimension Amperequadrat).
Die 8 und 9 veranschaulichen die Auswirkung des Variierens der Filterzeitkonstanten τ und der Filterverstärkung b auf die Kennlinie (vgl. 5). Wie in 8 gezeigt, führt das Variieren der Filterzeitkonstanten τ aufgrund der Skalierung der Zeitachse zu einer Vertikalverschiebung der Kennlinie. Im Gegensatz dazu führt das Variieren der Filterverstärkung b, wie in 9 gezeigt, aufgrund der Skalierung der Stromachse zu einer Horizontalverschiebung der Kennlinie. Es wird angemerkt, dass bei dem Beispiel von 9 eine Filterverstärkung b=1 zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b =20 A² (Ampere-Quadrat, repräsentiert Temperatur) führt. Ähnlich führt eine Filterverstärkung b=0,5 zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=40 A², eine Filterverstärkung b=0,2 führt zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=100 A², und eine Filterverstärkung b=0,1 führt zu einer Referenztemperatur dT_R von ΔT/b=200 A².
Es wird nochmals betont, dass, anstelle die Filterverstärkung b zu ändern, die Referenztemperatur dT_R geändert werden kann, um denselben Effekt zu erzielen. In der weiteren Beschreibung wird (ohne Beschränkung der Allgemeinheit) angenommen, dass die Filterverstärkung b konstant und auf b=1 gesetzt ist und die Referenztemperatur dT_R einstellbar ist, um der Spezifikation für ein bestimmtes Kabel zu genügen.
Wie erwähnt, kann das durch das Filter 42 bereitgestellte und dem Komparatoreingang des Komparators 43 zugeführte Filterausgangssignal als Temperatur interpretiert werden. Wie aus den 8 und 9 ersichtlich ist, sind die Optionen zum Auswählen einer bestimmten Zeit-Strom-Kennlinie sehr beschränkt. Im Wesentlichen bestimmen die Filterzeitkonstante τ und der Komparatorschwellenwert dT_R die Kennlinie, die durch Variieren der Parameter τ und dT_R vertikal und horizontal verschoben werden kann. Allerdings ist es durch Ändern dieser beiden Parameter nicht möglich, die Form der Zeit-Strom-Kennlinie als solcher zu ändern.
10 zeigt eine Ausführungsform, die als eine Weiterentwicklung der Schaltung von 6 angesehen werden kann. Analoge Filter, die gegebenenfalls vorhanden sind, und der Analog-Digital-Wandler 41 sind in 10 weggelassen, um die Darstellung einfach zu halten. Gemäß 10 hat die Signalformungseinheit 46 eine polynomiale Kennlinie. Das heißt, die Signalformungseinheit 46 ist dazu ausgebildet, einen Pegel des modifizierten Stromsignals x[n] aus einem entsprechenden Pegel des (digitalen) Stromerfassungssignals i[n]) auf der Grundlage einer Polynomfunktion f(i) mit einer Ordnung höher als zwei zu berechnen. Dementsprechend kann die Funktion f(i) die Form f(i) = a_0+a1 · i[n]+a₂·i[n]²+ ... + a_N-1·i[n]^N-1 + a_N·i[n]^N besitzen, wobei ao, ai, a2, ..., aN die Koeffizienten eines Polynoms N^ter Ordnung sind. Abgesehen von der Signalformungseinheit ist die Schaltung von 10 dieselbe wie die Schaltung in 6, und es wird auf die entsprechende Beschreibung oben verwiesen.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform, die sich von dem Beispiel von 10 durch die Implementierung der Signalformungseinheit 46, die das Stromerfassungssignal i[n] gemäß einer abschnittweisen linearen Funktion transformiert/umformt, um das modifizierte Stromsignal x[n] zu erhalten, unterscheidet. Das Filter 42 und der Komparator 43 können wie oben unter Bezugnahme auf das Beispiel von 6 erläutert implementiert werden. Ein einfaches Beispiel für eine abschnittweise lineare Funktion ist x[n] = a₁·i[n] für i[n]<i_x, und x[n] = b₀+b₁·i[n] für i[n]≥i_x, wobei ix ein Stromschwellenwert ist, ai ein konstanter Koeffizient ist, bi ein weiterer konstanter Koeffizient ist und b₀=(a₁-b₁)·i_x ist, um eine kontinuierliche, abschnittweise lineare Funktion zu erhalten. Dieses Beispiel ist eine abschnittweise Funktion, die aus zwei linearen Zweigen besteht. Es versteht sich, dass dieses Konzept leicht auf eine beliebige Anzahl von linearen Zweigen erweitert werden kann.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform, die sich von den Beispielen der 10 und 11 nur durch die Implementierung der Signalformungseinheit 46 unterscheidet. Dementsprechend ist die Signalformungseinheit 46 unter Verwendung einer Nachschlagtabelle, die eine vergleichsweise einfache Implementierung einer beliebigen nichtlinearen Funktion zum Transformieren (Umformen) des Stromerfassungssignals i[n] in das modifizierte/umgeformte Stromsignal x[n] ermöglicht, implementiert. Das Filter 42 und der Komparator 43 können wie oben unter Bezugnahme auf das Beispiel von 6 erläutert implementiert werden.
13 zeigt ein Beispiel, das eine effiziente Implementierung der Nachschlagetabelle von 12 darstellt. Demnach wird das Stromerfassungssignal i[n] mehreren Komparatoren, von denen jeder einen anderen Stromschwellenwert empfängt, zugeführt. In 12 sind diese Schwellenwerte mit i_x1, i_x2, ... i_xN bezeichnet. Wenn der aktuelle Wert des Stromerfassungssignals i[n] gleich oder größer als einer oder mehr der Schwellenwerte i_x1, i_x2, ... i_xN ist, erzeugt der/erzeugen die j eweilige(n) Komparator(en) einen Ausgangswert von z.B. „1“ und andernfalls Null. Die Ausgangswerte („0“ oder „1“) der Komparatoren werden mit den Skalierungsfaktoren c₁, c₂, ...,c_N skaliert, und die skalierten Komparatorausgänge (die entweder Null oder gleich c₁, c₂, ..., bzw. c_N sind) werden aufsummiert, um das modifizierte Stromsignal x[n] zu erhalten. Die KomparatorSchwellenwerte i_x1, i_x2, ... i_xN und die Skalierungsfaktoren c₁, c₂, ..., c_N werden einer Nachschlagtabelle entnommen, d.h. sie werden in einem Register oder einem Speicher gespeichert. Die Kennlinie der Signalformungseinheit von 12 kann auch als x[n] = c₁·σ(i[n]-i_x1) + c₂·σ(i[n]-i_x2) + ... + c_N·σ(i[n]-i_xN) geschrieben werden, wobei σ(ί[n]-u) die Schrittfunktion ist, die für i[n] ≥ u 1 und sonst 0 ergibt.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform, die flexibleste Einstellung einer gewünschten Zeit-Strom-Kennlinie einer elektronischen Sicherungsschaltung ermöglicht. Das in 14 dargestellte Konzept kombiniert zwei oder mehr (im dargestellten Beispiel drei) Überwachungsschaltungen, wie sie z.B. in den 10-13 dargestellt sind, zu einer Schaltung. Dementsprechend enthält die Stromüberwachungsschaltung von 14 einen ersten Zweig mit einer ersten Stromformungsschaltung 46a, einem ersten Filter 42a und einem entsprechenden ersten Komparator 43a, einen zweiten Zweig mit einer zweiten Stromformungsschaltung 46b, einem zweiten Filter 42b und einem entsprechenden zweiten Komparator 43b, sowie einen dritten Zweig mit einer dritten Stromformungsschaltung 46c, einem dritten Filter 42c und einem entsprechenden dritten Komparator 43c. Jeder Zweig kann analog zu den Schaltungen der 10-13 aufgebaut sein. Die Stromformungsschaltungen 46a-c empfangen dasselbe Stromerfassungssignal i[n] (z. B. von dem ADC 41) und stellen die modifizierten Stromsignale xi[n], x₂[n] bzw. x₃[n] bereit. Diese modifizierten Stromsignale xi[n], x₂[n] und x₃[n] werden den Filtern 42a-c zugeführt, und die resultierenden gefilterten Signale y₁[n], y₂[n] und y₃[n] werden unter Verwendung der Komparatoren 43a-c mit den jeweiligen Schwellenwerten dT_R1, dT_R2 und dT_R3 verglichen. Die Filter 42a-c können Tiefpassfilter sein, die unterschiedliche Zeitkonstanten aufweisen können. Die Ausgänge der Komparatoren 43a-c werden unter Verwendung z. B. eines ODER-Gatters verknüpft. Es kann eine andere logische Verknüpfung verwendet werden, z. B. wenn invertierte Logikpegel verwendet werden. Bei dem vorliegenden Beispiel zeigt das Signal OC einen Überstromzustand an, wenn der Komparator eines der drei Zweige einen Überstrom signalisiert, was als der Fall angenommen wird, wenn y₁[n]≥dT_R1 or y₂[n]>dT_R2 or y₃[n]>dT_R3 (d.h. wenn eine der drei Bedingungen erfüllt ist).
Es versteht sich, dass das Konzept für die Stromüberwachung durch Hinzufügen weiterer Zweige erweitert werden kann. Die Darstellung von 15 veranschaulicht den Effekt des flexiblen Kombinierens verschiedener Zeit-Strom-Kennlinien. Entsprechend dem Beispiel von 14 enthält die Darstellung von 15 drei Zeit-Strom-Kennlinien A-C, die den drei Schaltungszweigen der Schaltung von 15 zugeordnet sind, insbesondere mit den Filterkennlinien der Filter 42a-c und den durch die Komparatoren 43a-c verwendeten Schwellenwerten. Diese Zeit-Strom-Kennlinien A, B und C werden so verknüpft, dass für jeden Stromwert das Minimum der Zeitwerte, die sich aus den drei Kurven ergeben, genommen wird.
Begriffe wie beispielsweise „erster/erste/erstes“, „zweiter/zweite/zweites“ und dergleichen werden verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, und sind auch nicht als einschränkend zu verstehen. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe „besitzend“, „enthaltend“, „beinhaltend“, „aufweisend“ und dergleichen offene Begriffe sind, die das Vorhandensein angegebener Elemente oder Merkmale anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein/einer//eine/eines“ und „der/die/das“ sollen sowohl den Plural als auch den Singular beinhalten, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben, miteinander kombiniert werden können.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehr konkrete Implementierungen dargestellt und beschrieben wurden, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben - sofern nicht anders angegeben - jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktionell äquivalent ist), selbst wenn sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ausführt, strukturell nicht äquivalent ist.
Fachleute werden erkennen, dass die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen durch eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Ausführungsformen ersetzt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher soll die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt sein.

Claims

Stromüberwachungsschaltung, die aufweist: zwei oder mehr Signalzweige, von denen jeder aufweist: eine Signalformungseinheit (46a, 46b, 46c), die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal (i[n]) zu empfangen und ein modifiziertes Stromsignal (x₁[n], x₂[n], x₃[n]) bereitzustellen; ein Filter (42a, 42b, 42c), das dazu ausgebildet ist, das modifizierte Stromsignal (x₁[n], x₂[n], x₃[n]) zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal (y₁[n], y₂[n], y₃[n]) bereitzustellen; einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal (y₁[n], y₂[n], y₃[n]) und einen jeweiligen Schwellenwert (DT_R1, dT_R2, dT_R3) zu empfangen und ein jeweiliges Logiksignal (OC₁, OC₂, OC₃), das signalisiert, wenn das gefilterte Signal (y₁[n] , y₂[n], y₃[n]) den Schwellenwert (dT_R1, dT_R2, dT_R3) überschreitet, bereitzustellen; und eine Logikschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Logiksignale (OC₁, OC₂, OC₃) der zwei oder mehr Signalzweige zu verknüpfen; wobei die Signalformungseinheit (46a, 46b, 46c) eines jeden Signalzweigs dazu ausgebildet ist, einen Pegel des jeweiligen modifizierten Stromsignals (x[n]) aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals (i[n]) auf der Grundlage einer nichtlinearen Funktion zu berechnen.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist einen Analog-Digital-Wandler (41), der dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal zu digitalisieren, wobei die Signalformungseinheiten (46a, 46b, 46c) das digitalisierte Stromerfassungssignal empfangen.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die nichtlineare Funktion eine Polynomfunktion mit einer Ordnung höher als zwei oder eine abschnittweise lineare Funktion ist, oder unter Verwendung einer Nachschlagetabelle implementiert ist.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 3, wobei die Signalformungseinheit (46a, 46b, 46c) eines jeden Signalzweigs eine Nachschlagetabelle ist, die aufweist: mehrere Komparatoren, die dazu ausgebildet sind, einen bestimmten ersten Ausgangspegel bereitzustellen, wenn das Stromerfassungssignal unter einem jeweiligen Komparatorschwellenwert liegt, und andernfalls einen bestimmten zweiten Pegel; mehrere Verstärkungsstufen, von denen jede stromabwärts eines jeweiligen Komparators der mehreren Komparatoren gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Ausgangspegel des j eweiligen Komparators um einen jeweiligen Skalierungsfaktor zu verstärken, wobei die Komparatorschwellenwerte und die Skalierungsfaktoren in der Nachschlagetabelle gespeichert sind; und eine Summationsschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Summe der skalierten Ausgangspegel bereitzustellen.
Stromüberwachungsschaltung, die aufweist eine Signalformungseinheit (46, 46a), die dazu ausgebildet ist, ein Stromerfassungssignal (i[n]) zu empfangen und ein modifiziertes Stromsignal (x[n], x₁[n]) bereitzustellen; ein Filter (42, 42a), das dazu ausgebildet ist, das modifizierte Stromsignal (x[n]) zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal (y[n]) bereitzustellen; einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal (y[n]) und einen Schwellenwert (dT_R) zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal (y[n]) den Schwellenwert (dT_R) überschreitet; wobei die Signalformungseinheit (46) dazu ausgebildet ist, einen Pegel des modifizierten Stromsignals (x[n]) aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals (i[n]) auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle oder auf der Grundlage einer Funktion, die eine Polynomfunktion mit einer Ordnung höher als zwei oder eine abschnittweise lineare Funktion ist, zu berechnen.
Stromüberwachungsschaltung nach Anspruch 5, die weiterhin aufweist: zumindest eine weitere Signalformungseinheit (46b, 46c), die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal (i[n]) zu empfangen und ein entsprechendes modifiziertes Stromsignal (x₂[n], x₃[n]) bereitzustellen; zumindest ein weiteres Filter (42b, 42c), das stromabwärts mit der zumindest einen weiteren Signalformungseinheit (46) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, das modifizierte Stromsignal (x[n]) der zumindest einen weiteren Signalformungseinheit (46) zu empfangen und ein entsprechendes gefiltertes Signal (y[n]) bereitzustellen; zumindest einen weiteren Komparator, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Signal (y[n]) des zumindest einen weiteren Filters (42b, 42c) und einen entsprechenden digitalen Schwellenwert (dT_R) zu empfangen und zu signalisieren, wenn das gefilterte Signal (y[n]) des zumindest einen weiteren Filters (42b, 42c) den entsprechenden digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet; und eine Logikschaltung, die mit den Ausgängen des Komparators und des zumindest einen weiteren Komparators gekoppelt ist, um zu signalisieren, wenn einer der Komparatoren signalisiert, dass der jeweilige Schwellenwert überschritten wird.
Die Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die signalformende Einheit eine Nachschlagetabelle ist, die aufweist: mehrere Komparatoren, die dazu ausgebildet sind, einen bestimmten ersten Ausgangspegel bereitzustellenn, wenn das Stromerfassungssignal unter einem jeweiligen Komparatorschwellenwert liegt, und andernfalls einen bestimmten zweiten Pegel; mehrere Verstärkungsstufen, von denen jede stromabwärts mit einem jeweiligen der mehreren Komparatoren gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Ausgangspegel des jeweiligen Komparators um einen jeweiligen Skalierungsfaktor zu verstärken, wobei die Komparatorschwellenwerte und die Skalierungsfaktoren in der Nachschlagetabelle gespeichert sind; und eine Summsationsschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Summe der skalierten Ausgangspegel bereitzustellen.
Intelligenter elektronischer Schalter, der enthält: eine Stromüberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, einen Transistor mit einem Laststrompfad, der zwischen einen Versorgungsanschluss und einen Ausgangsanschluss gekoppelt ist; eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zum Ein- und Ausschalten des Transistors zu erzeugen; eine Stromerfassungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Stromerfassungssignal, das den Laststrom des Transistors darstellt, zu erzeugen; wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, als Reaktion darauf, dass der Komparator der Stromüberwachungsschaltung signalisiert, dass das gefilterte Signal (y[n]) den digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet, ein Ausschalten des Transistors auszulösen.
Verfahren, das aufweist: Umformen eines Stromerfassungssignals - unter Verwendung einer Signalformungseinheit (46, 46a, 46b, 46c) - um ein modifiziertes Stromsignal (x[n], x₁[n]) bereitzustellen; Filtern - unter Verwendung eines digitalen Filters (42) - des modifizierten Stromsignals (x[n]), um ein entsprechendes gefiltertes Signal (y[n]) bereitzustellen; Vergleichen des gefilterten Signals (y[n]) und eines digitalen Schwellenwerts (dT_R) und Signalisieren, wenn das gefilterte Signal (y[n]) den digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet, durch ein Überstromsignal; wobei die Signalformungseinheit (46) einen Pegel des modifizierten Stromsignals (x[n]) aus einem entsprechenden Pegel des Stromerfassungssignals (i[n]) auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle oder auf der Grundlage einer Funktion, die eine Polynomfunktion mit einer Ordnung höher als zwei oder eine abschnittweise lineare Funktion ist, berechnet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Umformen des Stromerfassungssignals, das Filtern und das Vergleichen in einem ersten Signalzweig durchgeführt werden, und wobei das Verfahren weiterhin in einem zweiten Signalzweig aufweist: Umformen des Stromerfassungssignals - unter Verwendung einer weiteren Signalformungseinheit (46, 46a, 46b, 46c) -, um ein modifizierten Stromsignal (x[n], xi[n]) bereitzustellen; Filtern - unter Verwendung eines digitalen Filters (42) - des modifizierten Stromsignals (x[n]), um ein entsprechendes gefiltertes Signal (y[n]) bereitzustellen; und Vergleichen des gefilterten Signals (y[n]) und eines weiteren digitalen Schwellenwerts (dT_R) und Signalisieren, wenn das gefilterte Signal (y[n]) den digitalen Schwellenwert (dT_R) überschreitet, durch ein weiteres Überstromsignal; und wobei das Verfahren weiterhin das Signalisieren, wenn das Überstromsignal und das weitere Überstromsignal anzeigen, dass der jeweilige Schwellenwert überschritten ist, aufweist.