用於高功率負載的可診斷反向電壓保護的製作方法
2023-05-25 04:03:26
用於高功率負載的可診斷反向電壓保護的製作方法
【專利摘要】本發明涉及診斷電系統(200)中的反向電壓保護開關(209)的狀態的系統和方法。所述電系統包括以串聯類型配置的電源(207)、電負載(201)、以及反向電壓保護開關(209)。所述電系統還包括被配置為將反向電壓保護電路的源極端子有選擇地連接到地的接地開關(213)。將所述反向電壓保護電路的端子與電源斷開連接。閉合所述接地開關以將所述反向電壓保護開關的一個端子連接到地。向所述反向電壓保護開關的另一個端子施加偏置電壓，並且斷開所述反向電壓保護開關。當所述反向電壓保護開關斷開，所述反向電壓保護開關的偏置端子處的電壓小於閾值時，則檢測出跨反向電壓保護開關的不正確的短路狀態。
【專利說明】用於高功率負載的可診斷反向電壓保護
【背景技術】
[0001]本發明涉及用於在電池的反向應用期間保護電器件的系統和方法。當電池連接不正確時，反向電流可能損壞電器件。
【發明內容】
[0002]以下所描述的系統和方法提供用於通過如下方式保護電器件的系統:當電池或其它電源連接不正確時，阻止反向電流流過電路。具體而言，以下所描述的系統為利用高側開關和低側開關二者控制的高功率電負載提供保護。所述電路包括可控制的反向電壓保護(RVP)開關，其阻止反向電壓施加到負載，並且還可以對其進行控制來診斷保護電路中的硬體故障。
[0003]除了別的以外，本發明提供包括電源和由電源操作的電負載的電系統。反向電壓保護開關以串聯類型配置連接到負載與電源之間，並且阻止反向電壓施加到電負載。反向電壓保護開關包括控制端子、第一端子(例如，源極)、以及第二端子(例如，漏極)。電系統還包括反向電壓保護診斷電路，該反向電壓保護診斷電路包括連接在反向電壓保護開關的第一端子與負載之間的接地開關、連接到反向電壓保護開關的第二端子的可控制的偏置電壓源、以及控制系統。控制系統被配置為通過以下動作來檢測反向電壓保護開關中的錯誤狀態:將反向電壓保護開關的第二端子與電源斷開連接、斷開反向電壓保護開關、閉合接地開關、施加來自偏置電壓源的偏置電壓、以及如果反向電壓保護開關的第二端子處的電壓小於閾值則確定跨反向電壓保護開關存在不正確的短路。
[0004]在特定實施例中，控制系統還被配置為通過以下動作來檢測反向電壓保護開關中的錯誤狀態:將反向電壓保護開關的第二端子與電源斷開連接、閉合反向電壓保護開關、閉合接地開關、施加來自偏置電壓源的偏置電壓、以及當反向電壓保護開關的第二端子處的電壓大於閾值時則確定跨反向電壓保護開關存在不正確的開路狀態。
[0005]在一些實施例中，電系統包括以串聯類型配置連接在電負載與電源之間的高側控制開關和以串聯類型配置連接在反向電壓保護開關的第二端子與電源之間的低側控制開關。反向電壓保護開關以串聯類型配置連接在電負載與低側控制開關之間。
[0006]在另一個實施例中，本發明提供診斷電系統中的反向電壓保護開關的狀態的方法。電系統包括電源、電負載、以及採用串聯類型配置的反向電壓保護開關。電系統還包括被配置為將反向電壓保護電路的第一端子有選擇地連接到地的接地開關。所述方法包括以下動作:將反向電壓保護電路的第二端子與電源斷開連接、閉合接地開關以將反向電壓保護開關的第一端子連接到地、向反向電壓保護開關的第二端子施加偏置電壓、斷開反向電壓保護開關、以及當反向電壓保護開關的第二端子處的電壓小於閾值時則確定跨反向電壓保護開關存在不正確的短路狀態。
[0007]在一些實施例中，所述方法還包括以下動作:將反向電壓保護電路的第二端子與電源斷開連接、閉合接地開關以將反向電壓保護開關的第一端子連接到地、向反向電壓保護開關的第二端子施加偏置電壓、閉合反向電壓保護開關、以及當反向電壓保護開關的第二端子處的電壓小於閾值時則確定跨反向電壓保護開關存在不正確的開路狀態。
[0008]通過參考【具體實施方式】和附圖，本發明的其它方面將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是具有反向電壓保護系統的電系統的框圖。
[0010]圖2是具有不同的反向電壓保護系統的另一個電系統的框圖。
[0011]圖3是示出用於診斷圖2的電系統的反向電壓保護系統中的錯誤狀態的方法的流程圖。
[0012]圖4是示出圖2的電系統的附加的電路部件的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]在詳細闡述本發明的任何實施例之前，應該理解的是，本發明並不將其應用限制為下文的說明中所闡釋的或以下附圖中所示出的構造的細節和部件的設置。本發明能夠具有其它的實施例並且能夠以各種方式來實踐或完成。
[0014]通常對包括諸如電機的機電系統的直流(DC)電系統進行設計，從而將以特定的方向來施加來自電源的電流。當電源連接不正確致使電池的端子反向連接時，則反向電流/反向電壓被施加到電系統。該反向電壓能夠損壞電系統。
[0015]阻止反向電壓施加到電負載的一種方式是以串聯類型配置將二極體連接在電負載與電源之間。然而，對於高功率的負載(例如，大於10安培)而言，二極體上的功率損耗產生熱量並且帶來熱方面的問題。為了解決這種問題，可以使用MOSFET來阻止反向電壓施加到負載。
[0016]圖1示出包括反向電壓保護系統的高功率電系統的一個示例。電系統100包括電負載101。高側開關103和低側開關105通過將負載101有選擇地連接到電源107來控制負載101。反向電壓保護(RVP)開關109以串聯類型配置連接在低側開關105與電源107之間。
[0017]本文中所使用的術語「串聯類型配置」指的是一種電路設置，其中通常以順序的方式設置所描述的元件，從而將一個元件的輸出耦合到另一個元件的輸入，但是同一個電流可能不通過每個元件。例如，在「串聯類型配置」中，附加的電路元件可能與「串聯類型配置」中的元件中的一個或多個並聯連接。此外，可以將附加電路元件連接到串聯類型配置的節點處，從而使電路中出現支路。因此，串聯類型配置中的元件未必形成真正的「串聯電路」。作為進一步說明，圖4的元件401、403、405和409(以下詳細討論)以串聯類型配置連接。
[0018]在圖1的示例中，RVP開關包括場效應電晶體(FET)。RVP開關109是不可切換的或永遠保持在閉合位置。該設置使得電流能夠在預期的方向中流動，但是當電池或其它電源反向連接時阻止電流流動。圖1中所示出的電系統和其它更基本的反向電壓保護電路的缺點是，不能對可能禁用或阻礙電路的功能的電路問題進行可靠的診斷。圖2示出另一個電系統，該電系統包括使得能夠對反向電壓保護電路中的錯誤狀態進行可靠的檢測的電路上元件。
[0019]類似於圖1的系統，圖2的電系統200包括高功率電負載201。高側控制開關203和低側控制開關205通過將負載201有選擇地連接到電源207來控制負載201的操作。然而，在該示例中，反向電壓保護開關209以串聯類型配置連接在電負載201與低側開關205之間。RVP開關209是可控制的開關，其包括第一端子、第二端子、和控制端子。RVP開關209基於被提供給控制端子的輸入來斷開和閉合，從而允許或阻止電流在第一和第二端子之間流動。在以下所示出的示例中，RVP開關209被示出為場效應電晶體(FET)，並且因此第一和第二端子分別指的是源極和漏極端子。然而，在其它結構中可以利用其它可控制的開關來實現RVP開關209。
[0020]將附加的部件併入到電系統中，所述附加的部件包括用於控制RVP開關209的狀態的控制器或控制系統211、用於將RVP開關209的源極端子有選擇地連接到地的接地開關213、用於向RVP開關209的漏極端子有選擇地施加偏置電壓的偏置電壓源215、以及用於測量RVP開關209的漏極端子處的電壓的反饋系統217。在一些結構中，接地開關213、偏置電壓源215、以及反饋系統217均由控制系統211操作或監控。控制系統211包括處理器和用於存儲用於對系統的操作進行控制的可執行指令的存儲器(例如，根據圖3中所示出的過程)。在其它實施例中，可以採用其它方式來實現控制系統，所述其它方式例如ASIC或模擬控制電路。
[0021]在圖2的示例中，將所有示出的部件集成到電系統的印刷電路板(PCB)或集成電路(IC)中。然後將PCB或IC封裝在外殼內。因此，系統能夠執行自診斷並且將錯誤狀態通知給用戶。在其它結構中，這些部件可以提供可接入的接入埠，從而可以由外部系統或部件來操作電路以執行診斷功能。
[0022]圖3示出對圖2的電系統中的RVP開關209進行診斷的方法。由控制系統211對該方法定期進行自動初始化。然而，在其它結構中，通過用戶輸入或當電系統200連接到外部診斷系統時，對診斷方法進行初始化。
[0023]為了執行診斷方法，斷開高側開關和低側開關二者(步驟301和303)，將電負載201與電源207斷開連接。閉合接地開關213以將RVP開關209的源極端子連接到地(步驟305)。然後將來自偏置電壓源215的偏置電壓施加到RVP開關209的漏極端子(步驟307)。
[0024]然後診斷方法執行對錯誤狀態的兩個檢查。首先，閉合RVP開關209 (步驟309)並且反饋系統217測量RVP開關209的漏極端子處的電壓(步驟311)。在正常操作狀態下，閉合RVP開關209使偏置電壓通過接地開關213連接到地。因此，應該在漏極端子處檢測到低電壓(例如，零伏或低於閾值的電壓)。然而，如果RVP開關209未能正確閉合，則出現不正確的「開路」狀態，並且漏極端子處的電壓將保持為高(例如，等於偏置電壓或大於閾值)。如果漏極端子處的電壓為高，則系統表明錯誤狀態(步驟313)。如果電壓為低，則系統進入第二個測試。
[0025]第二個診斷測試檢查RVP開關209中的短路狀態。斷開RVP開關209 (步驟315)。接地開關213保持閉合而高側開關203和低側開關205保持斷開。反饋系統217再次測量RVP開關209的漏極端子處的電壓。在正常操作狀態下，斷開RVP開關209使偏置電壓與地斷開連接。因此，應該在漏極端子處檢測到高電壓(例如，等於偏置電壓或大於閾值的電壓)。然而，如果跨RVP開關209存在不正確的短路狀態，則偏置電壓將通過接地開關213保持連接到地並且漏極端子處的電壓將保持為低(例如，零伏或小於閾值的電壓)。如果反饋系統217測量到高電壓(步驟317)，則系統判定RVP開關209正常運行或呈現不能診斷出來的錯誤狀態(步驟319)。然而，如果反饋系統217測量到低電壓，則系統判定RVP開關209中存在短路並且表明錯誤狀態(步驟321)。
[0026]圖4是示出圖2的系統的一種實施方式的電路圖。受控制的M0SFET401提供高側開關以控制電負載403。也將RVP開關實現為受控制的M0SFET405。一系列電晶體為RVP M0SFET405提供控制接口 407。第三個受控制的M0SFET409提供低側開關。第四個受控制的開關411用作接地開關。在該示例中，反饋系統413包括用於提供偏置電壓並測量M0SFET405的漏極端子處的電壓的節點。
[0027]以上所提供的示例僅示出權利要求中所限定的本發明的一些可能的實施方式。其它電路設置和診斷方法是可能的。因此，本發明(除了其它的以外)提供了包括用於診斷反向電壓保護系統的錯誤狀態的反向電壓保護特徵和機制的電系統。在以下權利要求中將闡述本發明的各種特徵和優勢。
【權利要求】
1.一種監控電系統中的反向電壓保護電路的操作的方法，所述系統包括: 與電源構成串聯類型配置的電負載和所述反向電壓保護電路，所述反向電壓保護電路包括具有第一端子、第二端子、和控制端子的反向電壓保護開關，所述第一端子耦合到所述電負載，所述第二端子耦合到所述電源，所述反向電壓保護開關基於至所述控制端子的輸入來斷開和閉合所述第一端子與所述第二端子之間的連接，以及 連接在所述反向電壓保護開關的所述第一端子與地之間的接地開關，所述方法包括: 將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接； 閉合所述接地開關以將所述反向電壓保護開關的所述第一端子連接到地； 向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加偏置電壓； 斷開所述反向電壓保護開關；以及 在所述反向電壓保護開關的所述第二端子 與所述電源斷開連接、所述接地開關閉合、所述反向電壓保護開關斷開、並且向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加所述偏置電壓的同時，當所述反向電壓保護開關的所述第二端子處的電壓小於閾值時，確定跨所述反向電壓保護開關存在不正確的短路狀態。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括以下動作: 閉合所述反向電壓保護開關；以及 在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接、所述接地開關閉合、所述反向電壓保護開關閉合、並且向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加所述偏置電壓的同時，當所述反向電壓保護開關的所述第二端子處的電壓超過閾值時，確定跨所述反向電壓保護開關存在不正確的開路狀態。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述電系統還包括以串聯類型配置連接在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源之間的低側開關，並且其中將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接的動作包括斷開所述低側開關。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述電系統還包括: 以串聯類型配置連接在所述電源與所述電負載之間的高側開關，所述高側開關通過將所述電負載有選擇地連接到所述電源來控制所述電負載的操作；以及 以串聯類型配置連接在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源之間的低側開關。
5.根據權利要求4所述的方法，其中將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接的動作包括斷開所述低側開關，並且所述方法還包括斷開所述高側開關以將所述電負載與所述電源斷開連接。
6.—種電系統,包括: 電負載； 連接到所述負載的電源； 以串聯類型配置與所述電負載和所述電源連接的反向電壓保護開關，所述反向電壓保護開關包括第一端子、第二端子、和控制端子，所述第一端子耦合到所述電負載，所述第二端子耦合到所述電源，所述反向電壓保護開關基於至所述控制端子的輸入來斷開和閉合所述第一端子與所述第二端子之間的連接； 連接在所述反向電壓保護開關的所述第一端子與地之間的接地開關；連接到所述反向電壓保護電路的所述第二端子的偏置電壓源；以及 被配置為通過以下動作來監控所述反向電壓保護開關的操作的控制系統: 將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接； 閉合所述接地開關以將所述反向電壓保護開關的所述第一端子連接到地； 向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加偏置電壓； 斷開所述反向電壓保護開關；以及 在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接、所述接地開關閉合、所述反向電壓保護開關斷開、並且向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加所述偏置電壓的同時，當所述反向電壓保護開關的所述第二端子處的電壓小於閾值時，確定跨所述反向電壓保護開關存在不正確的短路狀態。
7.根據權利要求6所述的電系統，其中所述控制系統還被配置為: 閉合所述反向電壓保護開關；以及 在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接、所述接地開關閉合、所述反向電壓保護開關閉合、並且向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加所述偏置電壓的同時，當所述反向電壓保護開關的所述第二端子處的電壓超過閾值時，確定跨所述反向電壓保護開關存在不正確的開路狀態。
8.根據權利要求6所 述的電系統，還包括以串聯類型配置連接在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源之間的低側開關，並且其中所述控制系統被配置為通過斷開所述低側開關來將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接。
9.根據權利要求6所述的電系統，還包括: 以串聯類型配置連接在所述電源與所述電負載之間的高側開關，所述高側開關通過將所述電負載有選擇地連接到所述電源來控制所述電負載的操作；以及 以串聯類型配置連接在所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源之間的低側開關。
10.根據權利要求9所述的電系統，其中所述控制系統被配置為通過斷開所述低側開關來將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接，並且所述控制系統還被配置為通過斷開所述高側開關以將所述電負載與所述電源斷開連接來監控所述反向電壓保護開關的操作。
11.根據權利要求9所述的電系統，其中所述反向電壓保護開關包括場效應電晶體，所述反向電壓保護開關的所述第一端子包括所述場效應電晶體的源極端子，並且所述反向電壓保護開關的所述第二端子包括所述場效應電晶體的漏極端子。
12.—種電系統,包括: 電源； 電負載； 包括第一端子、第二端子、和控制端子的高側開關，所述高側開關基於至所述高側開關的所述控制端子的輸入來斷開和閉合所述高側開關的所述第一端子與所述高側開關的所述第二端子之間的連接，所述高側開關以串聯類型配置連接在所述電源與所述電負載之間，從而使得所述高側開關的所述第一端子連接到所述電源，並且所述高側開關的所述第二端子連接到所述電負載；包括第一端子、第二端子、和控制端子的反向電壓保護開關，所述反向電壓保護開關基於至所述反向電壓保護開關的所述控制端子的輸入來斷開和閉合所述反向電壓保護開關的所述第一端子與所述反向電壓保護開關的所述第二端子之間的連接，所述反向電壓保護開關連接在所述電負載與低側開關之間，從而使得所述反向電壓保護開關的所述第一端子連接到所述電負載，並且所述反向電壓保護開關的所述第二端子連接到所述低側開關；包括第一端子、第二端子、和控制端子的所述低側開關，所述低側開關基於至所述低側開關的所述控制端子的輸入來斷開和閉合所述低側開關的所述第一端子與所述低側開關的所述第二端子之間的連接，所述低側開關以串聯類型配置連接在所述反向電壓保護開關與所述電源之間，從而使得所述低側開關的所述第一端子連接到所述反向電壓保護開關，並且所述低側開關的所述第二端子連接到所述電源； 包括第一端子、第二端子、和控制端子的接地開關，所述接地開關基於至所述接地開關的所述控制端子的輸入來斷開和閉合所述接地開關的所述第一端子與所述接地開關的所述第二端子之間的連接，所述接地開關的所述第一端子連接到所述反向電壓保護開關的所述第一端子，並且所述接地開關的所述第二端子連接到地； 連接到所述反向電壓保護開關的所述第二端子的偏置電壓源； 連接到所述反向電壓保護開關的所述第二端子的電壓測量電路；以及連接到所述高側開關的所述控制端子、所述反向電壓保護開關的所述控制端子、所述低側開關的所述控制端子、以及所述接地開關的所述控制端子的控制系統，並且所述控制系統被配置為: 通過有選擇地斷開和 閉合所述高側開關和所述低側開關來控制所述電負載的操作； 通過以下動作來監控所述反向電壓保護開關的操作: 斷開所述低側開關以將所述反向電壓保護開關的所述第二端子與所述電源斷開連接; 斷開所述高側開關以將所述電負載與所述電源斷開連接； 閉合所述接地開關以將所述反向電壓保護開關的所述第一端子連接到地； 激活所述偏置電壓源以向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加偏置電壓； 斷開所述反向電壓保護開關；以及 在所述高側開關斷開、所述低側開關斷開、所述接地開關閉合、所述反向電壓保護開關斷開、並且向所述反向電壓保護開關的所述第二端子施加所述偏置電壓的同時，當所述反向電壓保護開關的所述第二端子處的電壓小於閾值時，確定跨所述反向電壓保護開關存在不正確的短路狀態。
【文檔編號】H03K17/082GK104040819SQ201380005244
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年1月4日 優先權日:2012年1月11日
【發明者】D·伯納姆, M·R·邁爾 申請人:羅伯特·博世有限公司