專利名稱：具有i的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路保護裝置，特別是涉及以常見的雙元件熔絲或者熱磁斷路器的形式起作用，以保護半導(dǎo)體電源開關(guān)和汽車或其它應(yīng)用的電力線路系統(tǒng)的電子電路。上述裝置響應(yīng)高故障電流，可以快速斷開電源開關(guān)的驅(qū)動電路，還提供一種響應(yīng)低負荷，根據(jù)I2T函數(shù)或者其它希望得到的函數(shù)，提供延時斷開。本發(fā)明是在汽車電路系統(tǒng)范圍內(nèi)描述的，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會了解，其它半導(dǎo)體領(lǐng)域也可以應(yīng)用本發(fā)明。
背景技術(shù)：
保險絲是公知的線路保護裝置，其根據(jù)比如超過1000％額定的高故障電流，能提供基本上是瞬間的跳閘，或者根據(jù)大約500％至1000％額定的過電流，其能提供延時跳閘。所謂的雙元件熔絲和機械斷路器也是公知的裝置，其能在一個單獨的裝置中提供上述所有的功能。其具有的優(yōu)點是同時具有在短路狀況下快速切斷電路，以及延時斷開以調(diào)節(jié)瞬時的起峰電流的功能。保險絲和電路斷路器可以在很多場合提供上述功能，但是在有些情況下，上述常見裝置不能很好地適用。
比如，在汽車領(lǐng)域，汽車的保護電路系統(tǒng)中，雖然使用雙元件保險絲，但是通常使用分開的快速動作保險絲和延時保險絲。
前燈電路和發(fā)動機是需要應(yīng)用延時斷開性能的例子。汽車的前燈暴露于一個很寬的溫度范圍，當在非常低的溫度打開燈時，燈會經(jīng)歷很快的瞬間高起峰電流，比如，是常規(guī)40攝氏度下進行操作時電流的10倍。發(fā)動機也會產(chǎn)生高起峰(啟動)電流。
即使不考慮在未來產(chǎn)生的短路或過電流情況下，必需手頭留有不同類型的保險絲，在汽車中更換斷開的保險絲也很不方便，因為保險絲通常設(shè)置在遠離乘客和車廂的位置。
常見的斷路器確實能提供雙重保護功能，并能容易地更換，但是即使最小的熱磁斷路器，其設(shè)計安裝的面板也不能在實際中小到使用在汽車中，會不方便設(shè)置。更重要的是斷路器的費用高。
還有類似目的的元件，在比起峰電流低的電流情況下提供保護。其原理是在電源開關(guān)打開后，在一段時間內(nèi)在高水平上設(shè)置保護電流，過了這一段時間后，在低水平上設(shè)置保護電流。這種方法的主要缺點是，運行狀況只與時間有關(guān)，而不是與損耗的能量有關(guān)。比如，如果是打開的燈泡，電流保護將處于低水平，而燈泡將由于裝置設(shè)置了燈泡起峰電流保護模式而永遠不會被打開。
而且，為了更好的過電流保護，應(yīng)當根據(jù)能量損耗而進行控制。
因此需要一種適合于保護汽車中半導(dǎo)體電源的開關(guān)裝置的電流保護裝置，以及類似的能提供瞬間短路保護和延時斷開以調(diào)整瞬時起峰電流的裝置，并克服現(xiàn)有裝置的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述的需求，本發(fā)明提供一種電路保護裝置和一種電路保護方法，用于開關(guān)半導(dǎo)體電源裝置，特別是用于汽車電子系統(tǒng)或者類似領(lǐng)域，當負載超過代表過電流狀態(tài)的第一預(yù)先設(shè)定限制時，其提供了延時的切斷，當負載電路達到代表短路狀況的第二原先設(shè)定限制時，其瞬間切斷。對于過電流的延時決定是根據(jù)負載電路超過第一限制的量，產(chǎn)生代表量I2t的信號，其中I是負載電流，t是占用時間?；蛘?，可以使用其他函數(shù)關(guān)系。在更廣的意義上，任何形式為(a+bi+ci2+di3)的多項式都可以使用。作為非限制性目的的下面的實施例，I2關(guān)系將作為使用的例子。
根據(jù)本分明的一個方面，電路保護裝置，包括一個電流感測電路，連接到輸出電源開關(guān)上以提供代表輸出電流I的反饋信號；一個過電流感測器，當反饋信號超過預(yù)先設(shè)置的參考電平時，提供一個過電流警告信號；一個函數(shù)產(chǎn)生電路，響應(yīng)反饋警告信號，根據(jù)函數(shù)關(guān)系I2，(或者其他希望的關(guān)系)產(chǎn)生第一信號，一個積分電路，連接到函數(shù)產(chǎn)生器電路的輸出上，以提供代表第一信號產(chǎn)物的第二信號和t，其中t是緊跟過電流警告信號產(chǎn)生的占用時間；一個控制電路，響應(yīng)預(yù)先設(shè)置的用以停止電路開關(guān)的門電路第二信號值，切斷信號的提供取決于過電源信號的大小。
而且，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，第一信號函數(shù)由分段線性近似電路產(chǎn)生，其包括一個校準電流源和一個積分電路。而且根據(jù)本發(fā)明的第一方面，控制電路是設(shè)計成使電源開關(guān)的驅(qū)動電路停止工作的門閂電路。根據(jù)本發(fā)明第一方面的附加特征是，控制電路設(shè)計成，當輸出電流超過預(yù)先設(shè)置的短路電流參考電平時，沒有延時地操作控制電路以使驅(qū)動電路停止。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的變形，可以通過其他方式實現(xiàn)在電路反饋信號和控制信號之間實現(xiàn)所需的函數(shù)關(guān)系。比如，將電流圖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而實現(xiàn)部分或者全部數(shù)字化，需要的函數(shù)由合適的計算機實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種具有一個半導(dǎo)體輸出電源開關(guān)的汽車電子或類似系統(tǒng)的保護方法，包括如下步驟將電流感測電路連接到電源開關(guān)上以得到代表電源開關(guān)的輸出電流I的反饋信號；比較反饋信號與預(yù)先設(shè)置的代表過電流狀況的參考電平；當過電流狀況存則時，根據(jù)函數(shù)關(guān)系f(I2)，產(chǎn)生第一信號；對第一信號積分以提供代表第一信號乘以t的第二信號，其中t是自過電流狀況產(chǎn)生開始的占用時間；當?shù)诙盘柍^第二預(yù)先設(shè)定參考電平時，產(chǎn)生用于使電源開關(guān)停止的控制信號，控制信號提供的時間取決于過電流信號的大小。
而且，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，第二信號由分段線性近似或者數(shù)字計算機產(chǎn)生。而且，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，控制信號操作設(shè)計成使輸出電源開關(guān)的驅(qū)動電路停止工作的門閂電路。根據(jù)本發(fā)明第二方面的附加特征是，當輸出電流超過預(yù)先設(shè)定電路電流參考電壓時，沒有延時地產(chǎn)生控制信號。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，用于產(chǎn)生第一信號的一種分段線性近似電路，構(gòu)造為一系列電流反射鏡電路被反饋信號平行驅(qū)動，并連接到前述串聯(lián)的電流反射鏡的輸出上；各電流反射鏡的電流參考源；加法器電路，連接到電流反射鏡電路和電流參考源，以根據(jù)分段規(guī)則提供輸出。
而且，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，反射率決定分段近似的各段斜率。作為非限定目的的實施例，第n個電流反射鏡的反射率Rn與第(n-1)個電流反射鏡的關(guān)系是根據(jù)公式Rn＝2R(n-1)。
附加地根據(jù)本發(fā)明第三方面，電流參考電壓選擇成決定斜率改變發(fā)生的各電流。
根據(jù)本發(fā)明第四方面，分段線性近似電路適于產(chǎn)生除了從通式(a+bi+ci2+di3……)產(chǎn)生的矩形波。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點從下面參照附圖的描述中會更明顯。


圖1是本發(fā)明采用MOSFET電源開關(guān)的電路的保護裝置的總體方塊圖；圖2顯示了圖1中I2t函數(shù)的詳細的實施方式；圖3顯示顯示了提供I2信號的分段線性近似電路的實施；圖4是顯示圖3中電路的表現(xiàn)的波形圖；圖5是顯示整個裝置操作的函數(shù)的表格。
整個附圖中同樣的部分采用了同樣的附圖標記。
具體實施例方式
參考圖1，電流保護裝置10驅(qū)動輸出開關(guān)晶體管12，圖中出于顯示的目的，晶體管為MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，但也可以是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，或者其它的電源開關(guān)。圖1中還顯示了系統(tǒng)作為完整的電路，包括MOSFET 12，但是保護電路和電源開關(guān)可以是組合起來的。而且，可以使用分散的元件。
值得進一步關(guān)注的是，高壓端和低壓端開關(guān)晶體管共同連接到一個輸出節(jié)點54，電源電路可以形成全橋式或半橋式。在這種情況下，保護電路10與每個輸出開關(guān)連接。
保護裝置10確定為具有通過任何常規(guī)或希望的結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路14，控制MOSFET 12的運轉(zhuǎn)。還可以設(shè)置常見的電荷泵18、相配的反向電池保護電路20。驅(qū)動器14連接導(dǎo)保護邏輯線路上，其決定驅(qū)動器14在什么時候應(yīng)當停止。
保護裝置電路包括連接到邏輯信號輸入引腳24的輸入電路22，施密特觸發(fā)器電路26，門閂電路28和與門16。
施密特觸發(fā)器電路26為門閂電路28提供置位值輸入，并且也為與門16提供輸入。對門閂觸發(fā)器28的復(fù)位輸入由或門30提供。從下面將詳細描述的I2T函數(shù)產(chǎn)生器32接收第一輸入，提供延時過電流切斷信號。第二輸入是從一個任何型號的電流感應(yīng)輸出閾值電路34得到，其提供瞬間的電路切斷信號。第三輸入由溫度傳感器36提供，其提供超過裝置溫度升高范圍的保護。
超載切斷功能由一個比較器38，以及I2t函數(shù)產(chǎn)生器32實現(xiàn)。這在附圖2、3中詳細描述。比較器38由參考電壓源40和引腳41的電流反饋信號提供信號(參見圖1)。參考電壓源40預(yù)置希望的代表過電流狀況的閾值電平，引腳42提供代表負載電流被電源輸出MOSFET12傳送的負載電流。電流反饋信號由包括二極管44、46晶體管48和50以及驅(qū)動晶體管50的柵極引出線運算放大器52的電路產(chǎn)生。運算放大器52的正極輸入由輸出引腳54提供，負極從晶體管48和50之間的節(jié)點獲得。
圖2顯示了作為例子的非限制性的I2t函數(shù)產(chǎn)生器32的總體構(gòu)造，以及提供過電流警告信號的比較器38。作為例子的I2分段線性近似電路本身在圖3中顯示。參照圖2，I2信號源顯示為電源56，其通過適配的晶體管開關(guān)58連接到電容60上，供給施密特觸發(fā)器雙閾值電平電路62信號。電壓源40為比較器38設(shè)定代表受到保護的線路和系統(tǒng)組建的額定值的閾值電平，當電流反饋引腳42的反饋信號代表的電流超過過電流限制，就向開關(guān)58提供控制信號。當關(guān)閉開關(guān)58時，電容60被來自電源56的I2電流信號充電，當其達到電路62的閾值電平上限，在導(dǎo)線64上提供輸出信號，作為或門30的一個輸入，傳送到門閂電路28。當條件滿足時，門閂電路28的Q輸出下降，與門16的輸出也下降，在導(dǎo)線66上的信號使驅(qū)動器14不工作。
電容60兩端的電壓由重新啟動放電電流源68控制。在電路62降低到閾值電平的下限以前時，電容60保持充足地充電以防止門閂電路28設(shè)置值。
為了重新啟動驅(qū)動器14，輸入引腳24的信號必須重復(fù)循環(huán)以通過施密特觸發(fā)器26為門閂的電路28置值。這樣使用允許與門16的輸出來重新激活驅(qū)動器14。然而，直到電容60充分地放電到低于觸發(fā)電路62閾值電平以下，或門30防止門閂電路28被設(shè)置值。這樣，一旦反饋信號下降到比較器38的過電流閾值以下，開關(guān)58打開，電流源68對電容60放電。上述電路的函數(shù)顯示在圖5的真值表中，表格的欄目中列出了操作條件，輸入引腳24的信號，輸出引腳54的信號，以及反饋引腳42的電壓。
顯示出的結(jié)構(gòu)確保，如果更換燈泡，電路不會保持鎖定關(guān)閉。這樣，如果一個燈泡在開關(guān)打開的情況下更換，則電流保護水平低，但是由于燈泡的輸入起峰電流，裝置不會保持在保護模式。
現(xiàn)在看圖3，分段線性近似電路56包括四個電流反射鏡電路M56，M57，M58和M59，分別連接到電流參照電路M51，M52，M53和M54，連接如圖所示。電流反饋引腳42的信號以任意合適的方式連接，以通過電阻R53提供電流，上述電阻饋送具有統(tǒng)一的反射系數(shù)的電流反射鏡電路M55，以向前面提到的電流反射鏡電路M56至M59提供輸入。M59設(shè)計成提供最適合于矩形脈沖函數(shù)積分的反射系數(shù)。電流反射鏡電路M56至M59的反射系數(shù)最好分別是1X，2X，4X，以及8X。這些系數(shù)限定了分段近似元件的斜率。
電流參照電路M51至M54根據(jù)電流比1∶3∶16∶64，分別為電流反射鏡電路M56至M59提供電流信號。這決定了反射鏡電路的電流電平在近似元件改變的哪個斜率上。
由全部反射鏡電路M56至M59產(chǎn)生的電流集中在電阻R55上。在每個反射鏡電路的引腳設(shè)置二極管電路D17至D20，用于在反射鏡電路和連接的電流參考電路之間衡量電流差。
特別是，例如考慮到引腳M56-M51，如果M56想要引入的電流小于M51想要引入的電流，二極管D71陰極的電壓接近于VDD提供的電壓，因此由于二極管的組確特征，沒有電流從這個引腳通過電阻R55流過。當M56所想要引入的電流比M51想要引入的電流高時，二極管D71陰極上的電壓接近于GND(接地)，因此電路從M56流過電阻R55。
在實施中，受到反射率和參考電流率的指示，集中在電阻R55上的輸出信號如下式(1)至(4)所示(1)如果IR＜IM51:IM16＝0(2)如果IM51＜IR53＜IM52:IR55＝(IR53-IM51)(3)如果IM52＜2xIR53＜IM53:IR55＝(IR53-IM51)+(2xIR53-IM52)(4)如果IM53＜4xIR53＜IM54:IR55＝(IR53-IM51)+(2xIR53-IM52)+(4xIR53-IM53)。
圖4顯示了電路56提供的分段線性近似的效果。這里，比較了I2的模擬與由波線A顯示的I代表的輸入信號以及由波線B代表的實際I2函數(shù)。波線C至F分別代表模擬的各階段中，各二極管D17至D20帶來的影響?？梢杂^察到，如上面描述的對放射率和電流參考優(yōu)化，在很寬的輸入范圍內(nèi)，非常好的近似于真正的平方函數(shù)，提供綜合的輸出。
由于I2t函數(shù)直接與輸入到系統(tǒng)的能量有直接的關(guān)系，反過來，可以與由于熱量產(chǎn)生的潛在損害相關(guān)，因此具有很多的優(yōu)點。
分段線性近似電路也可以是最佳的其他近似函數(shù)，比如I3，In(I)，cos(I)……，僅有的限制是近似元件的斜率不改變方向。這是通過直接的計算或者試驗以及對錯誤模擬的方式得到的。
雖然根據(jù)特定實施方式描述了本發(fā)明，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可以有很多其他的變形和更改以及其他的使用。因此，應(yīng)當注意的是，本分明不限于這里公開的特定方式，而應(yīng)當由權(quán)利要求的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種具有半導(dǎo)體輸出電源開關(guān)的電氣系統(tǒng)的電路保護裝置，包括一個電流感測電路，連接到電源上以提供代表電源的電流輸出I的反饋信號；一個閾值裝置，當反饋信號超過第一預(yù)先設(shè)置的參考電平時，提供一個過電流警告信號；一個函數(shù)產(chǎn)生電路，響應(yīng)反饋警告信號，以產(chǎn)生一個代表函數(shù)關(guān)系f(I)的信號；一個積分電路，連接到函數(shù)產(chǎn)生電路的輸出上，以提供代表量f(I)*t的信號，其中t是緊跟過電流警告信號產(chǎn)生的占用時間；以及一個控制電路，響應(yīng)積分電路的輸出的第一閾值，提供使電源停止工作的關(guān)閉信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路保護裝置，其中控制電路包括門閂電路，其可操作地設(shè)定為第一狀態(tài)，以停止電源開關(guān)的驅(qū)動電路，并且設(shè)定為第二狀態(tài)，以啟動電源開關(guān)的驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路保護裝置，其中函數(shù)產(chǎn)生電路是一個矩形波形成電路，其根據(jù)函數(shù)關(guān)系f(I)＝I2產(chǎn)生信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路保護裝置，其中函數(shù)產(chǎn)生電路可操作地提供一個I2的分段線性近似，作為代表輸出電流I的輸入的函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路保護裝置，其中，當輸出電流超過預(yù)先設(shè)置的第二短路電流參考值時，控制電路可操作地在基本上沒有時間延時的情況下，停止電源開關(guān)的控制電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路保護裝置，還包括一個積分電路的清除電路，其中僅當積分電路的輸出低于第二閾值電平時，控制電路可操作地使電源供應(yīng)驅(qū)動電路工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路保護裝置，其中函數(shù)關(guān)系的形式是f(I)＝a+bi2+ci3+……。
8.一種分段線性近似電路，響應(yīng)代表可變的I的輸入信號，產(chǎn)生輸出信號，其代表根據(jù)所要求的函數(shù)關(guān)系f(I)的變量，上述電路包括多個電流反射鏡電路以串聯(lián)連接，每個都具有不同的反射率；電流反射鏡電路被I的輸入可變信號以及前述串聯(lián)的電流反射鏡的輸出平行驅(qū)動；相對各電流反射鏡的多個電流參考源，每個電流參考源具有不同的值；以及加法器電路，連接到電流反射鏡電路和電流參考源，以提供輸出信號，其代表根據(jù)從多個電流反射鏡電路的組合電流的輸出變量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分段線性近似電路，其中反射率選擇成，決定曲線元件的斜率，其代表輸出變量相對輸入變量；電流參考值選擇成，決定發(fā)生斜率改變時各輸入值的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分段線性近似電路，其中反射率和電流參考選擇成，輸出變量I與輸出變量的關(guān)系是根據(jù)函數(shù)關(guān)系f(I)＝I2。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分段線性近似電路，其中函數(shù)關(guān)系的形式是f(I)＝a+bi2+ci2+……。
12.一種具有一個半導(dǎo)體輸出電源開關(guān)的電子或類似系統(tǒng)的保護方法，包括如下步驟將電流感測電路連接到電源開關(guān)上以得到代表電源開關(guān)的輸出電流I的反饋信號；比較反饋信號與代表過電流狀況的預(yù)先設(shè)置的參考電平；根據(jù)預(yù)先設(shè)置的函數(shù)關(guān)系，與電流I相關(guān)產(chǎn)生第一信號；對第一信號分以提供第二信號，其代表第一信號和t的積，其中t是自過電流狀況產(chǎn)生開始的占用時間；當?shù)诙盘柍^第二預(yù)先設(shè)定參考電平時，提供用于使電源開關(guān)的驅(qū)動電路停止的控制信號，控制信號提供的時間取決于過電流信號的大小。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括當I超過代表短路狀況的第二預(yù)先設(shè)定電平時，基本上沒有時間延時地停止驅(qū)動電路的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中函數(shù)關(guān)系的形式是f(I)＝I2。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中函數(shù)關(guān)系的形式是f(I)＝a+bI2+cI3+……。
全文摘要
一種電路保護裝置，包括一個電流感測電路，連接到輸出電源開關(guān)上以提供代表輸出電流的反饋信號；一個過電流感測器，當反饋信號超過預(yù)先設(shè)置的參考電平時，提供一個過電流警告信號；一個函數(shù)產(chǎn)生電流，響應(yīng)反饋信號，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的函數(shù)關(guān)系，反饋信號產(chǎn)生與輸出電流相關(guān)的第一信號，一個積分電路，連接到函數(shù)產(chǎn)生電路的輸出上，以提供代表第一信號和t的積的第二信號，其中t是緊跟過電流警告信號產(chǎn)生的占用時間；一個控制電路，響應(yīng)預(yù)先設(shè)置的第二信號值，以停止電路開關(guān)。如果輸出電路超過代表短路狀況的第二預(yù)先設(shè)定限制，基本上沒有延時地切斷控制電路。本發(fā)明還披露了一種相關(guān)的方法，分段線性近似電路形式的函數(shù)產(chǎn)生器。
文檔編號H02H3/08GK1734875SQ20051008844
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月2日
發(fā)明者樊尚·蒂埃里 申請人:國際整流器公司