智能半导体开关的制作方法

1.本公开涉及智能半导体开关的领域，该智能半导体开关除了包括开关元件(例如mos晶体管)外还具有用于“智能”运行开关的另外的电路。


背景技术：

2.已知各种类型的智能半导体开关用于不同的应用(例如在汽车应用或工业应用中)。这种半导体开关除了实际的开关(大多是高侧功率mosfet)外还包含另外的开关电路，例如以便接通和关断开关，并且以便必要时输出诊断信息(例如负载电流、温度等)或保护开关免受过载(例如由于过高的温度或过高的负载电流)。智能半导体开关也可以具有多个通道，每个通道包括用于操控负载的开关。
3.智能半导体开关可以具有温度传感器和保护电路，所述保护电路在过高的温度下解除激活开关，以避免热过载。在一些应用中，不仅测量半导体开关的阻挡层温度、而且也测量半导体开关远侧的芯片温度。例如保护电路然后可以评估阻挡层温度与在半导体开关远侧的芯片温度之间的温度差。电流测量电路也可以被实现成测量流过半导体开关的负载电流。在最简单的情况下，可以用于电流测量电阻中的电流测量。然而，用于电流测量的其他方案也是已知的，例如使用一些晶体管单元作为“感测晶体管”。用于过电流切断或过温切断的阈值可以是可配置的，使得所述智能半导体开关能够适配于不同的应用。
4.对于一些应用，例如电容性负载的切换，现有的概念是不灵活的，并且发明人已经认识到需要改进。


技术实现要素：

5.下面将描述用于智能半导体开关的电路。根据实施例，该电路具有以下项：电子开关，该电子开关布置在输出节点和供电节点之间；过电流保护电路，所述过电流保护电路被构造成：借助过电流信号指示流过所述电子开关的负载电流已经超过第一过电流阈值，并且引发所述电子开关的断开；以及控制电路，该控制电路被构造成：在第一模式中根据输入信号接通和关断电子开关，并且在第二模式中通过多次接通和关断所述电子开关，操控与所述输出节点连接的负载、并且在此期间防止所述电子开关被过电流保护电路持久断开。
6.此外，描述了一种用于智能半导体开关的方法。根据实施例，该方法包括在第一模式中根据输入信号接通和关断电子开关，其中该电子开关布置在输出节点和供电节点之间。该方法还包括：当检测到流经电子开关的负载电流已经超过第一过电流阈值时，引发电子开关断开。该方法还包括在第二模式中多次接通和关断电子开关以操控与输出节点连接的负载，其中同时防止了所述电子开关的持久断开。
附图说明
7.下面借助附图更详细阐述实施例。所述表示不一定比例正确并且实施例不仅限于所示出的方面。更确切地说，重点是示出实施例所基于的原理。在附图中：
8.图1说明可以用作智能半导体开关的电路的示例。
9.图2借助示例性的时序图说明图1中的电路在电容性负载上的运行。
10.图3说明图1中的电路的修改，其中用于过电流切断的阈值在电容性负载处被设置成最大。
11.图4借助示例性的时序图说明图3中的电路在连接有电容性负载时的功能。
12.图5说明可以用作智能半导体开关的电路的另外的示例。
13.图6示出图3中的示例的修改。
14.图7在时序图中说明非常短的瞬态过电流事件的滤波。
15.图8示出图3中的示例的另外的修改。
具体实施方式
16.在更详细地讨论各个实施例之前，首先将阐述智能半导体开关的示例。图1中所示的示例示出具有通道(即，用于操控负载的功率晶体管ts)的智能半导体开关。应理解的是，这里描述的概念也适用于多通道系统。开关元件在所示的示例中是mos晶体管，尤其是被构造为dmos场效应晶体管(双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)的mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)。应理解的是，也可以使用其他类型的电子开关，例如双极型晶体管、igbt(绝缘栅双极晶体管)等。
17.在图1中所示的示例中，开关元件(功率晶体管ts)被连接在输出节点out和供电节点vs之间。不仅输出节点out而且供电节点vs都可以直接(例如，经由键合线等)与对应的芯片触点(例如，管脚)连接。也就是说，在激活(接通)的功率晶体管ts的情况下，负载电流从供电节点vs(该供电节点与电压源连接)经由功率晶体管ts的负载电流路径流向输出节点out，该输出节点在运行中与在图1中通过电阻r
l
符号表示的负载连接。功率晶体管ts在当前情况下作为高侧开关工作。应理解的是，本文描述的概念也可应用于具有低侧开关的系统。
18.功率晶体管ts连接在节点vs和out之间，不排除另外的元件、例如电流测量电阻rs可以布置在功率晶体管ts和节点vs或out中任一个之间。在所示的示例中，测量电阻rs(感测电阻)连接在(n沟道)功率晶体管ts的源极电极和节点out之间。测量电阻rs上的电压降i
l
*rs表示流经晶体管的负载电流路径(在mos晶体管的情况下是漏极源极电流路径)的负载电流i
l
。
19.功率晶体管ts的控制电极(在mos晶体管的情况下为栅极电极)由栅极驱动电路11操控。栅极驱动电路被构造成根据逻辑信号on(栅极驱动器的输入信号)来接通和关断功率晶体管ts。栅极驱动器11也可以被构造成控制开关边沿的陡度(即，转换速率)。在所示的示例中，转换速率取决于被供应给栅极驱动器11的信号sr。合适的栅极驱动电路本身是已知的并且因此在本文中不更详细地讨论。
20.逻辑信号on是多个其他逻辑信号的逻辑关联的结果。在所示的示例中，逻辑信号on从与门13输出，该与门执行所述关联点(“·”)在此表示逻辑与关联，并且在ot和oc之上的上划线表示取反。ot是指示过温状态的逻辑信号，并且oc是指示过电流状态的逻辑信号。在所示示例中，不仅过温状态(ot＝1，电流状态的逻辑信号。在所示示例中，不仅过温状态(ot＝1，)而且过电流状态(oc＝1，)都导致功率晶体管ts被断开。逻辑信号in
′
可以被看作用于接通和关断晶体
管ts的开关指令。这取决于在输入节点in处接收的输入信号。如果在输入节点in处接收的输入信号指示逻辑“1”、或者信号cls指示逻辑“1”，则逻辑信号in
′
以信号表示晶体管ts的接通。cls也可以被理解为“电容性负载开关”的缩写。在所示的示例中，通过或门14来执行该或关联，该或门的输出信号是逻辑信号in
′
。稍后将更详细地阐述cls模式，但是在上面讨论过电流保护和过温保护。
21.在图1中示出的过电流保护电路31被构造用于将电流测量信号与所属的阈值进行比较。在本示例中，如果负载电流i
l
超过所属的阈值i
oct
(例如i
l
·rs
＞i
oct
·rs
)，则过电流保护电路31以信号表示过电流状态(oc＝1)。基本上，过电流保护电路31包括比较器电路。合适的比较器电路本身是已知的并且因此在此不进一步讨论。过电流保护电路31的具体实现方式尤其还取决于所使用的电流测量电路。代替所示的电流测量电阻rs，也可以使用所谓的感测fet装置，其中，功率晶体管的一些晶体管单元被用于电流测量。
22.阈值i
oct
是可配置的并且在所示示例中由电路32(在图1中用“生成过电流阈值”标示)基于来自外部电路的输入而生成。过电流保护电路31从电路32接收当前阈值i
oct
。过电流保护电路可以从外部电路(例如外部控制器)接收包括关于期望阈值i
oct
的信息的信号。在一个示例中，电路32可以经由数字通信接口，例如借助spi(串行外围接口)，与外部控制器通信。备选地，借助连接在配置管脚上的结构元件(例如电阻)来配置阈值也是可能的(参见图5)。
23.在所示的示例中，测量两个温度值。第一温度值tj代表功率晶体管ts的晶体管单元场的温度，理想地代表功率晶体管的阻挡层温度(结温)。备选地，也可以在晶体管附近的热区域中进行温度测量。第二温度值ta代表功率晶体管远侧的芯片温度，即，在尽可能远离晶体管单元场中“热点”的半导体芯片相对“冷却”的位置处的芯片温度。合适的集成在芯片中的温度传感器是本身公知的并且因此在此不进一步描述。过温保护电路23被构造成基于两个温度测量值tj和ta来显示过温状态(ot＝1)。
24.过温状态可以由各种情况触发。例如，当晶体管ts的阻挡层温度tj超过允许的最大值t
j,max
(tj》t
j,max
)时，过温保护电路23可以以信号表示过温状态。此外，当温度差t
j-ta超过允许的最大值δt
max
(t
j-ta》δt
max
)时，过温保护电路23可以以信号表示过温状态。过温保护电路23(即，其中所包含的比较器)可以具有滞后。例如，当满足条件t
j-ta》δt
max
时，可以以信号表示过温状态，但是仅当满足t
j-ta《δt
max-th时才取消过温状态。该值th表示滞后。尤其可以配置值δt
max
和th。值t
j,max
也可以是可配置的(例如借助数字通信接口)。阈值δt
max
和δt
max-th也可以取决于智能半导体开关是否在cls模式中工作，这将在下面被描述。
25.如前所述，cls标示电容性负载的接通。取决于实现方式，cls模式可以以不同的方式被激活。例如可以设置特定的芯片管脚，并且当在该芯片管脚上例如存在高电平时，激活cls模式。在所示的示例中，当在输入节点in处施加具有例如50％占空比和限定频率的脉宽调制(pwm)信号时，电路21(在图1中用“cls模式检测”标示)检测并激活cls模式。该频率可以例如在千赫范围(例如30khz)内。电路21可以检测输入信号中的该频率，并且通过逻辑信号cls的高电平来指示cls模式(cls＝1)。逻辑信号cls的低电平以信号表示正常模式，在正常模式中，当输入节点处的信号具有高电平时，晶体管ts接通。
26.在cls模式中，晶体管ts也被激活/接通，但是当过渡到cls模式中时，智能半导体开关的一些运行参数被改变。在图1中所示的示例中，电路22(在图1中用“cls设定标示)被
构造成重新配置栅极驱动器11，使得开关边沿的转换速率(sr)被降低(与正常模式相比)。此外，电路22可以被构造成重新配置过温保护电路23的参数(温度阈值和滞后)，并且在退出cls模式时将该参数重新设置为先前的(标准)值。
27.在cls模式中，在过电流保护被激活的情况下可能出现问题，下面借助于图2中所示的时序图来阐述所述问题。图2中的顶部图示出了激活cls模式的可能性，即调制供应给输入节点in的输入信号，该输入信号在图2中也由in标示。输入信号的调制由电路21检测并且随后信号cls被设置为高(cls＝1)。其结果是，逻辑信号in
′
变换到“高”(in
′
＝1)，并且因此逻辑信号on(on＝1)也变换到“高”，这导致晶体管ts接通。图2涉及电容性负载的情况，这导致非常高的接通电流(浪涌电流)。
28.高接通电流可能导致晶体管ts的非常快速的加热以及基于条件t
j-ta》δt
max
的过电流切断其中，在cls模式中的值t
j,max
可以小于在正常模式中的值。过电流切断使得晶体管ts略微冷却(t
j-ta《δt
max-th)，这导致晶体管ts的再次接通。过温保护电路23的滞后导致了切换，即，晶体管ts的定期关断和再次接通，其中接通电流i
l
将进一步在每个周期中对负载的电容充电并且输出电压v
out
(即电压v
out
)在每个周期中稍微增加。这个过程在图2的中间图表中示出。负载电流的有规律的接通和关断(切换)在图2的第三图表中示出。
29.在一个实施例中，在cls模式中的可允许的最大值t
j,max
或可允许的最大值δt
max
(或两者)被设定到比在正常模式中更高的值。允许的最大值的配置可以根据逻辑信号cls的电平来进行。
30.不管在cls模式中在过温保护电路23中是否可能使用与在正常模式中相比不同(更高)的可允许的最大值，实际上可能出现的是，在cls模式中在图2中所示的“切换”期间，电流尖峰触发不期望的过电流切断，因为负载电流i
l
至少在短时间内超过为相应应用所设定的阈值i
oct
。在图2中所示的示例中，过电流切断在时间点ta被触发。为了在过电流事件之后再次接通，通常需要智能半导体开关的复位。
31.图3示出图1中的示例的修改，该修改能够实现根据图2阐述的问题的解决方案。图3中所示的示例在很大程度上与图1中的示例相同并且补充地参考上述阐述。以下主要讨论图3和图1中的示例之间的区别。
32.与图1中的示例不同，在图3中，用于生成过电流阈值i
oct
的电路32被构造成在cls模式中为过电流保护电路31生成与在正常模式中不同的过电流阈值。只要智能半导体开关没有在cls模式中运行，过电流阈值i
oct
就对应于所配置的值i
oct,set
。如已经提到的，电路32被构造成接收关于期望阈值的信息并且相应地设定过电流阈值i
oct
。该信息例如可以经由数字通信接口接收，或者也可以基于连接在芯片管脚上的外部结构元件的构件参数来求取(例如基于所连接的电阻的电阻值，参见图5)。在活跃的cls模式中，该配置被重写(覆盖)，并且电路32将过电流阈值i
clk
设置到预定义的标准值i
oct,max
上，该标准值例如可以对应于允许的最大过电流阈值。在退出cls模式时，过电流阈值i
oct
再次从预定义的标准值i
oct,max
复位到先前配置的值i
oct,set
上。
33.通过暂时将阈值i
oct
从i
oct,set
升高到i
oct,max
，在来防止图2中示出的在接通电容性负载时(不期望的)持久的过电流切断。“持久”在本文中表示“直至接收复位命令”，这是因为过电流条件i
l
》i
oct
的检测被存储在锁存器(触发器)中。也就是说，在检测到过电流状态
之后，逻辑信号ot保持在高电平(ot＝1)，直到锁存器被复位。因此智能半导体开关的自动再次接通是不可能的。复位命令通常必须由外部控制器产生。智能半导体开关的控制电子装置(尤其是用于检测cls模式的电路21和用于生成过电流阈值的电路32)因此被构造用于防止在cls模式中通过过电流保护电路31(借助于与门13)持久地断开电子开关。
34.图3中的电路的工作方式在下面借助图4中的时序图来更详细阐述。图4中的上部时序图与图2中的相同，并且在该示例中，用于在cls模式中激活智能半导体开关的控制命令是向输入节点in供应具有例如50％占空比和例如30khz的限定频率的pwm信号。该输入信号例如可以由外部控制器(例如微控制器)产生并且被供应给输入节点in。
35.图4中的下部时序图示出作为定期接通和关断功率晶体管ts(切换)的结果的负载电流i
l
的变化曲线，如上所述，该变化曲线取决于功率晶体管ts的温度tj，尤其是取决于温度差t
j-ta。中间时序图示出输出电压v
out
的所得的阶段式上升，直到达到(近似)供电电压vs(v
out
≈vs)的电平。
36.在下部时序图中同样示出过电流阈值i
oct
以及阈值i
oct
从为相应的应用配置的阈值i
oct,set“切换”到标准(最大)值i
oct,max
上并且重新返回到值i
oct,set
上。可以看出，暂时提高过电流阈值i
oct
将防止过电流状态的检测以及与之相关的功率晶体管的持久断开(即直到接收到复位命令)。
37.图5中的电路是图3中的电路的修改。尤其在图5中示出电路32的可能的实现方式，该实现方式生成用于过电流保护电路31的过电流阈值i
oct
。根据图5，电路32与配置管脚oc连接，在运行中外部电阻可以连接到该配置管脚，该外部电阻在图5中用r
oc
标示。电路32被构造成根据外部电阻r
oc
的电阻值来设定过电流阈值i
oct
。例如，电路32可以向配置管脚oc施加定义的(例如恒定的)电压u
roc
，并且基于得到的电流u
roc
/r
oc
来设定过电流阈值i
oct
。如之前的示例中那样，当信号cls指示cls模式的激活时，过电流阈值i
oct
被设置到标准值/最大值。当cls模式结束时，过电流阈值i
oct
重新复位为由外部电阻r
oc
所预设的值。图5中的电路在其他方面与图3中的电路相同，并且可以参考关于图3的上述描述。
38.如所提及的那样，在这里所描述的实施例中，电路32(必要时与另外的电路部件组合地)被构造用于防止通过过电流保护电路31将功率晶体管ts持久地断开(也就是说直至复位)。根据图3和图5中所示的示例，通过在cls模式活跃时临时提高过电流阈值i
oct
来防止这种持久断开。在图6的示例中，通过将过电流电路31临时地尤其在cls模式活跃期间解除激活而防止这种持久断开。
39.图6示出图3中的电路的修改。根据图6，指示活跃cls模式的逻辑信号cls被用作用于电路31的禁用信号dis。也就是说，只要cls模式活跃，过电流保护电路31就是不活跃的。电路32例如基于外部电阻的值生成期望/配置的阈值i
oct
。图6的在此未阐述的部件与图3中的部件相同并且参考上述描述。
40.根据另外的实施例，通过以下方式防止所提到的持久断开，即，过电流保护电路31被构造成：至少在cls模式中，当过电流条件i
l
》i
oct
在确定的限定的延迟时间上被满足时，才以信号表示过电流状态(oc＝1)。也就是说，过电流状态(oc＝1)直到延迟时间之后才被以信号表示，并且过电流阈值i
oct
的非常短的瞬态超过部分被过滤/忽略。在逻辑信号oc中采样/抑制短于延迟时间的短暂瞬态脉冲的合适电路是本领域已知的并且因此本文将不进一步讨论。在图7中示出了可以被包括在过电流保护电路31中的这种电路的功能。例如在时
间点t1处的短暂瞬态过电流状态i
l
》i
oct
(参见图7，从t1至t1+t
p
的过电流状态)不导致断开。一旦状态i
l
》i
oct
持续定义的延迟时间tf，则过电流状态通过逻辑信号oc＝1来以信号表示，并且触发断开(参见图7，从时间点t2起的过电流状态导致在时间点t2+tf的断开)。
41.图8中的示例是图3中的示例的修改，其中，经由数字通信接口35接收用于在正常模式中激活功率晶体管的接通命令、用于激活(并且必要时解除激活)cls模式的命令、以及待设定的过电流阈值。在该示例中，用于接通功率晶体管ts的接通信号in由逻辑电路34基于通过接口35接收的数据来生成。电路21基于所接收的数据生成逻辑信号cls。如在先前示例中，信号cls的高电平指示cls模式。同样在图8中示出过电流保护电路31通过经由通信接口接收的命令的明确复位。在所示的示例中，通信接口生成用于过电流保护电路31的复位信号res，这导致取消被以信号表示的过电流状态，并且功率晶体管ts的接通又是可能的。应理解的是，在其他实施例中，复位信号res也可以以其他方式生成并且不一定基于通过数字接口接收的数据来生成。
42.应理解的是，附图中所示的电路仅是示例。本领域技术人员将能够利用(部分)其他部件来实现相同或等同的功能。应理解的是，在电路的一个或多个节点处的逻辑电平可以被反相，这在相应适配的逻辑部件的情况下不会导致电路的功能的改变。因此所有逻辑关联例如可以利用与非门或者或非门来实现，而不会总体上显著改变电路的功能。

技术特征：
1.一种电路，所述电路具有：电子开关(t
s
)，所述电子开关布置在输出节点(out)和供电节点(vs)之间；过电流保护电路(31)，所述过电流保护电路被构造成：借助过电流信号(oc)指示流过所述电子开关(t
s
)的负载电流(i
l
)已经超过第一过电流阈值(i
oct
)，并且引发所述电子开关(t
s
)的断开；控制电路(11、13、14、21、22)，所述控制电路被构造成：在第一模式中根据输入信号(in)接通和关断所述电子开关(t
s
)，并且在第二模式中通过多次接通和关断所述电子开关(t
s
)，操控与所述输出节点(out)连接的负载，并且同时防止所述电子开关被所述过电流保护电路(31)持久断开。2.根据权利要求1所述的电路，其中所述负载是电容性负载，并且其中所述控制电路被构造成在所述第二模式中通过多次接通和关断所述电子开关(t
s
)来连续地操控所述电容性负载。3.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述控制电路被构造成在所述第二模式中：通过较高的第二过电流阈值取代所述第一过电流阈值(i
oct
)，或者暂时解除激活所述过电流保护电路(31)，或者引起对短于预设延迟时间的瞬态过电流状态的过滤，由此防止所述电子开关被所述过电流保护电路(31)持久断开。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其中，所述控制电路还具有：配置电路(32)，具有用于连接电阻(r
oct
)的另外的节点，其中所述配置电路被构造成根据所述电阻器(r
oct
)的值来设定所述第一过电流阈值(i
oct
)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，所述电路还具有：检测电路(21)，所述检测电路被构造成基于所述输入信号(in)和/或另外的输入信号针对所述第二模式配置所述控制电路。6.根据权利要求5所述的电路，其中针对所述第二模式的所述配置包括提高由所述过电流保护电路(31)使用的过电流阈值。7.根据权利要求5所述的电路，其中所述检测电路(21)被构造成，当所述输入信号(in)被调制时针对所述第二模式配置所述控制电路。8.根据权利要求5至7中任一项所述的电路，其中所述控制电路具有驱动电路(11)，所述驱动电路被构造成操控所述电子开关(t
s
)，其中在所述第二模式中，开关速度借助所述驱动电路(11)相对于所述第一模式降低。9.根据权利要求1至8中任一项所述的电路，其中在所述第二模式中，所述电子开关(t
s
)的多次接通和关断取决于所述电子开关的温度。
10.根据权利要求9所述的电路，其中当所述电子开关(t
s
)的温度(t
j
)达到第一阈值、或者当所述电子开关(t
s
)的温度(t
j
)和所述电子开关(t
s
)远侧的芯片温度(t
a
)之间的温度差达到第二阈值时，所述电子开关(t
s
)被断开。11.根据权利要求1至9中任一项所述的电路，所述电路还具有：过温保护电路(23)，所述过温保护电路被构造成：当所述电子开关(t
s
)的温度(t
j
)或者所述电子开关(t
s
)的温度(t
j
)和所述电子开关(ts)远侧的芯片温度(t
a
)之间的温度差达到允许的最大值时，触发所述电子开关(t
s
)的过温切断，其中所述允许的最大值在所述第二模式中高于在所述第一模式中。12.一种方法，所述方法包括：在第一模式中根据输入信号(in)接通和关断电子开关(t
s
)，其中所述电子开关(t
s
)被布置在输出节点(out)和供电节点(vs)之间；当检测到流经所述电子开关(t
s
)的负载电流(i
l
)已经超过第一过电流阈值(i
oct
)时，引发所述电子开关(t
s
)断开；在第二模式中多次接通和关断所述电子开关(t
s
)，以便操控与所述输出节点(out)连接的负载，其中同时防止了所述电子开关的持久断开。13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述第二模式中：通过较高的第二过电流阈值取代所述第一过电流阈值(i
oct
)，或者在超过所述过电流阈值(i
oct
)时暂时阻止所述电子开关(t
s
)的断开，或者仅当所述过电流阈值(i
oct
)在至少一个预设的延迟时间上被超过，才能实现所述电子开关(t
s
)的断开，由此防止所述电子开关被所述过电流保护电路(31)持久断开。

技术总结
本公开的实施例涉及智能半导体开关。下面将描述用于智能半导体开关的电路。根据实施例，该电路具有以下项：电子开关，该电子开关布置在输出节点和供电节点之间；过电流保护电路，所述过电流保护电路被构造成：借助过电流信号指示流过所述电子开关的负载电流已经超过第一过电流阈值，并且引发所述电子开关的断开；以及控制电路，该控制电路被构造成：在第一模式中根据输入信号接通和关断电子开关，并且在第二模式中通过多次接通和关断所述电子开关，操控与所述输出节点连接的负载并且同时防止所述电子开关被过电流保护电路持久断开。止所述电子开关被过电流保护电路持久断开。止所述电子开关被过电流保护电路持久断开。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：英飞凌科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/9/26