用於對電子開關進行過電流保護的方法和裝置與流程

2023-04-24 09:29:24

本發明涉及用於例如在機動車輛中對電子開關進行過電流保護的方法和裝置，以及涉及用於執行所述方法的電腦程式。

背景技術：

在機動車輛中，大多使用電晶體、例如雙極型電晶體或mosfet電晶體（金屬氧化物半導體場效應電晶體）作為開關，用於操控負載、例如閥門、噴射器或執行元件。對這樣的開關的操控大多經由微控制器或控制設備進行。對於機動車輛的無錯誤運行非常重要的是，保護這樣的開關免受過電流和從而免受所引起的缺陷。

例如由us2015/0123629a1已知用於場效應電晶體的過電流保護。為此目的，確定mosfet的電壓、例如漏極源極電壓降。如果所確定的電壓達到參考值，那麼輸出過電流信號，並且接著切斷mosfet。

技術實現要素：

按照本發明，建議具有獨立專利權利要求的特徵的用於（例如在機動車輛中）對電子開關、尤其半導體開關進行過電流保護的方法和裝置以及用於執行所述方法的電腦程式。有利的擴展方案是從屬權利要求以及隨後的描述的主題。

用於過電流保護的裝置尤其在硬體技術上和/或在程序技術上被設立用於，執行按照本發明的方法的優選的實施方式。從隨後的描述中以類似的方式得出用於過電流保護的所述方法以及所述裝置的擴展方案。

適宜地，電晶體、尤其雙極型電晶體或mosfet電晶體被用作電子開關，並且在本發明的範圍中被保護免受過電流。藉助於開關，在運行中尤其操控負載，以機動車輛為例，例如閥門、噴射器或執行元件。電子開關尤其由微控制器操控、也即接通和關斷。微控制器可以集成到（機動車輛的）控制設備中、例如集成在電動機控制設備中。

本發明的核心是，使用所謂的全局時間管理模塊作為信號處理模塊用於對尤其構造為電晶體的開關進行過電流保護。這樣的全局時間管理模塊以名稱「全局定時器模塊（globaltimermodule）」或「通用定時器模塊（generictimermodule）」（gtm）由申請人銷售。這樣的全局時間管理模塊（在下文中也稱作gtm）尤其可以被理解為計時器模塊或時間管理模塊，藉助於所述計時器模塊或時間管理模塊，不僅可以基於硬體地而且可以基於軟體地執行信號處理。

為了處理輸入信號，所述gtm具有特殊的硬體模塊以及計算核心或處理器核心、例如所謂的risc核心（精簡指令集計算（reducedinstructionsetcomputing））和/或可編程狀態機（zustandsmaschinen）。在本發明的範圍內所使用的gtm模塊至少包括以下硬體模塊：路由單元（高級路由單元（advancedroutingunit、aru））、輸入模塊（所謂的定時器輸入模塊（timerinputmodule、tim））、多通道定序器模塊（所謂的多通道定序器（multichannelsequencer、mcs））和輸出模塊（所謂的高級定時器輸出模塊（advancedtimeroutputmodule、atom））。一方面，輸入模塊tim和多通道定序器模塊mcs經由路由單元以數據傳輸方式彼此連接，並且另一方面，多通道定序器模塊mcs和輸出模塊atom經由路由單元同樣以數據傳輸方式連接。

輸入模塊tim尤其被設置為用於接收信號的模塊。tim為此目的例如可以與信號處理模塊的輸入引腳或反饋引腳連接。

輸出模塊atom適宜地被設置為用於發出信號的模塊。電子開關尤其可以通過所發出的信號相應地被操控。atom適宜地具有輸出引腳，相應的信號可以經由所述輸出引腳被發出給與gtm連接的組件。

多通道定序器模塊mcs尤其被設置為數據處理模塊，所述數據處理模塊進一步處理輸入模塊tim的信息，並且將相應的結果轉發給atom。為此目的，mcs尤其可以具有處理器核心、適宜地risc核心以及具有存儲單元、例如ram存儲器或快閃記憶體（flash）存儲器。由於gtm的模塊化結構，多通道定序器模塊mcs尤其不具有至輸入引腳或輸出引腳的直接連接。輸入模塊或者輸出模塊分別用作在引腳和mcs之間的傳送器（vermittler）。

路由單元aru被設置用於gtm的各個模塊彼此間通信或者傳輸數據。為此目的，路由單元aru執行與該路由單元aru以數據傳輸方式連接的模塊、也即輸入模塊tim、多通道定序器模塊mcs和輸出模塊atom的仲裁。在所述仲裁過程中，路由單元aru管理：各個模塊什麼時候可以彼此通信以及交換數據。適宜地，路由單元允許與該路由單元連接的各個模塊相繼地以確定的順序傳輸數據。通過路由單元aru使gtm的各個模塊靈活地並且可配置地彼此連接，並且實現gtm的各個模塊的並行工作方式，由此高數量的要求可以在短時間之內被滿足（bedient）。尤其通過由aru執行的仲裁可以保證各個模塊以用於傳輸消息的最大等待時間進行確定性通信。

對於全局時間管理模塊gtm的更詳細的闡述，應在這一點上參考申請人的公開文獻de102010003530a1，所述公開文獻一般而言描述稱作「定時器模塊」的gtm。

在本方法的範圍中，由測量單元確定開關的電參量，並且與閾值比較。如果電參量達到或超過閾值，那麼由測量單元產生信號，並且作為輸入信號傳送給構造為全局時間管理模塊gtm的信號處理模塊。測量單元可以優選地被構造為比較器或比較元件。

輸入信號在信號處理模塊中由輸入模塊接收，接著由輸入模塊產生接收信息，並且經由路由單元aru轉發給多通道定序器模塊。輸入信號尤其被傳送給信號處理模塊的輸入引腳或者反饋引腳，所述輸入引腳或者反饋引腳由輸入模塊tim監控。例如如果上升沿施加在輸入引腳上，那麼在tim中生成相應的事件，並且產生相應的接收信息並且經由路由單元aru轉發給多通道定序器模塊mcs。

由多通道定序器模塊mcs根據接收信息產生輸出信息，並且經由路由單元aru轉發給輸出模塊atom。為此目的，可以由mcs尤其基於硬體地和/或基於軟體地實施過程，所述過程產生輸出信息並且寫入mcs的存儲器中、尤其寫入ram存儲器中。

輸出模塊atom根據輸出信息產生輸出信號，由此開關被操控，並且用於對開關進行過電流保護的保護措施被執行。有利地，開關作為保護措施被切斷，以便有效地保護所述開關免受過電流。輸出信號適宜地被施加在與atom連接的輸出引腳上。

對於過電流保護，在本發明的範圍中尤其不需要使用中斷。而對於傳統的過電流保護措施，大多將中斷發出給微控制器的處理器單元，所述微控制器被設置用於操控開關。然而由處理器單元執行這樣的中斷一般而言不是確定性的，因此在傳統過電流保護措施的過程中不能或者幾乎不能保證：可以實時地或者在預先給定的時間間隔之內執行相應的對策（gegenmaßnahme）。

與此相比，通過使用用於對開關進行過電流保護的gtm尤其可以保證：在預先給定的時間間隔之內對過電壓或過電流作出反應，並且執行相應的保護措施。尤其可以在探測到過電流之後10μs執行對策。因為通過由路由單元aru所執行的仲裁可以保證gtm的各個模塊以最大等待時間進行確定性通信，所以可以保證在探測tim處的輸入信號與在atom上施加輸出信號之間、尤其在在輸入引腳處產生事件與在輸出引腳上施加輸出信號之間的最大反應時間。

此外，微控制器可以通過使用全局時間管理模塊被減輕負荷（entlastet）。通過gtm的模塊化結構可以實現高的靈活性。尤其可以gtm的硬體模塊的特殊（spezielle）配置適配於相應的要求或者適配於要由gtm執行的操作。gtm因此可以執行對於過電流保護所需要的相應操作，而為此不向微控制器的處理器單元發出中斷。

本發明尤其適用於機動車輛中的離散輸出級（diskreteendstufen），並且在短路的情況下避免這樣的輸出級破壞。本發明尤其適用於用於操控負載的單開關，其不能經由集成式輸出級被控制。簡單的標準開關、適宜地標準電晶體尤其可以被用作輸出級或者被用作輸出級電晶體（endstufentransistor），而不必實現用於過電流保護的昂貴的保護電路。

電參量的閾值尤其表徵用於通過開關的負載電流的（下）極限值，所述極限值對應於過電流，並且從所述極限值起開關可能受損壞。極限值例如可以為50ma。在電流在所述極限值之上時，尤其執行保護措施，並且優選地切斷開關。在所述閾值之下，不必一定執行特別的措施。這裡（例如作為變通方案（workaround）或者備用措施）可能足夠的是，僅限制短路的影響（auswirkungen）。開關為此目的例如可以被使用用於限制短路電流，例如其方式是構造為電晶體的開關經由電阻作為模擬電流源或者恆流源限制短路電流。

適宜地，gtm可以被用作微控制器之內的模塊，由此可以減輕微控制器的cpu的快速和複雜的實時控制功能（von…entlastet），所述實時控制功能可以通過gtm的並行工作的硬體單元來實施。gtm因此負責簡單的和複雜的定時器輸入和定時器輸出。

gtm特點尤其在於，可以基於硬體地或者在硬體層面上通過硬體構件的使用和特殊布線、而不僅僅通過所實施的軟體或者微代碼來實施功能性、數據處理、過程或者運算操作（rechenoperationen）。為此目的，gtm尤其具有risc核心（精簡指令集計算（reducedinstructionsetcomputing））和/或可編程狀態機，以便基於硬體地實施確定的功能性。

可編程狀態機可以並行地工作，而在此不影響微控制器的處理器核心的負荷（auslastung）（負載（load））。狀態機是時序系統（sequentiellessystem），所述時序系統以預先確定的順序經歷確定的狀態。為此目的，狀態機尤其具有存儲器和組合邏輯電路，尤其用於檢測輸入或者輸入條件並且創建（erstellen）輸出。藉助於組合邏輯電路，尤其根據當前的狀態和所檢測的輸入，來確定狀態機的下一狀態。例如基於eprom或eeprom存儲器的使用，可編程（和可擦除）邏輯裝置（pld）可以被用作組合邏輯電路。因此，可以在一個唯一的晶片上實現大數量的邏輯功能。

risc核心尤其被用於處理數據和產生複雜的輸出序列。risc核心是所設計的特殊處理器核心，對於所述處理器核心使用經簡化的指令集，並且所述處理器核心的硬體架構根據所述指令集被適配，使得指令集的各個指令可以以高的效率快速地被實施。對於一個指令的實施，大多僅需要一個時鐘脈衝（takt）。因此能夠實現高的時鐘頻率。

通過使用這樣的risc核心和/或可編程狀態機、尤其通過使用大量自給自足的risc核心，能夠實現有效的並行數據處理，所述自給自足的risc核心可以經由aru直接地訪問tim和atom。通過與aru連接的模塊的仲裁併且通過aru的所定義的所確定的循環時間以及通過mcs中的所決定的（determinierte）程序執行，可以保證gtm的確定性架構。

有利地，路由單元aru允許與所述路由單元aru以數據傳輸方式連接的各個模塊（tim、mcs、atom）相繼地按照循環方法或者循環賽方法（round-robin-verfahren）傳輸數據。在其過程中相繼地給各個模塊分派時隙，在所述時隙的過程中模塊可以彼此通信。以這種方式，可以保證模塊彼此間的確定性通信，並且作為用於模塊彼此間傳遞數據的最大等待時間，可以保證所謂的「往返時間（roundtriptime）」（rtt），其中所述最大等待時間尤其僅取決於與aru以數據傳輸方式連接的模塊的數量。有利地，信號處理模塊集成到機動車輛的控制設備中或微控制器中、優選地集成到微控制器中，所述微控制器被設置用於操控開關。因此，過電流保護可以從微控制器的處理器單元被轉移到信號處理模塊中，由此可以可靠地和確定性地執行過電流保護，並且由此可以提供處理器單元的計算容量用於其他運算操作。

可替代地或附加地，測量單元可以優選地集成到微控制器中或者控制設備中。為此目的，例如具有可編程閾的模擬數字轉換器或可編程比較器可以集成在微控制器中。適宜地，不僅測量單元和信號處理模塊而且開關均可以集成到控制設備中，尤其集成到電動機控制設備中。

優選地，作為開關的電參量，確定通過開關的負載電流。為此目的，可以檢測在分流電阻處的電壓降，並且由此確定負載電流。如果超過作為閾值的負載電流的允許最大值，那麼可以推斷出過電流，並且由測量單元產生輸入信號。

優選地，作為開關的電參量，確定構造為mosfet電晶體的開關的漏極和源極之間的電壓降和/或構造為雙極型電晶體的開關的集電極和發射極之間的電壓降。相應的閾值尤其表徵表明過電流的電壓降。電壓降適宜地在接通開關之後並且尤其僅在激活的開關的情況下只有在預先確定的時間間隔之後才被確定。

尤其當進行實施的控制設備還被用於其他任務，並且因此反正是存在的時，以電腦程式的形式實現本方法也是有利的，因為這引起特別低的成本。用於提供電腦程式的適當的數據載體尤其是磁存儲器、光學存儲器和電存儲器、諸如硬碟、快閃記憶體存儲器、eeprom、dvd以及其他等等。經由計算機網絡（網際網路、內聯網等）下載程序也是可能的。

從說明書和附圖中得出本發明的其他優點和擴展方案。

本發明根據實施例在附圖中示意性地示出，並且在下文中參照附圖被描述。

附圖說明

圖1示意性地示出機動車輛的控制設備，所述控制設備分別具有按照本發明的裝置的一種優選的擴展方案，所述裝置被設立用於，執行按照本發明的方法的優選的實施方式。

圖2示意性地示出按照本發明的裝置的一種優選的擴展方案的信號處理模塊，所述裝置被設立用於，執行按照本發明的方法的優選的實施方式。

具體實施方式

圖中相同的附圖標記分別表示相同的或相同地起作用的元件。

在圖1a和1b中分別示意性地示出了機動車輛的控制設備100或者100'。示例性地，控制設備100或者100'可以分別被構造為電動機控制設備。

控制設備100或者100'具有構造為mosfet電晶體的電子開關110，負載101、例如內燃機的噴射器可以經由所述電子開關110被操控。為此目的，電晶體110相應地由微控制器130操控、也即接通和關斷。

為了保證電晶體110的過電流保護，微控制器130被設立用於執行按照本發明的方法的優選的實施方式。為此目的，微控制器130具有信號處理模塊200，並且控制設備100具有構造為比較器的測量單元120。

在該方法的過程中，比較器120確定電晶體110的電參量，並且將所述電參量與閾值比較。閾值在此表徵通過電晶體110的最大允許電流，從所述最大允許電流起應當執行用於對電晶體110進行過電流保護的保護措施。

如果電參量達到或超過閾值，那麼比較器120產生輸入信號，並且將所述輸入信號傳送給微控制器130的輸入引腳或反饋引腳（feedback-pin）131。所述輸入信號由信號處理模塊200分析，由此產生輸出信號，並且施加到微控制器130的輸出引腳132上。

通過施加在輸出引腳132上的輸出信號來操控電晶體110，使得用於過電流保護的保護措施被執行，並且電晶體110被切斷。

在按照圖1a的控制設備中，電晶體110與分流電阻125串聯。按照本發明的一種優選的實施方式，測量單元120在該情況下確定通過電晶體110的負載電流作為電參量。為此目的，在分流電阻125處的電壓降在測量技術上被檢測，並且從中確定負載電流。如果負載電流超過相應的閾值或者允許最大值，那麼比較器120將輸入信號發出給微控制器130。

在按照圖1b的控制設備100'中，與圖1a的示例相比，不設置分流電阻。測量單元120在該情況下布置在負載和電晶體之間，並且按照另一優選的實施方案確定在mosfet電晶體110的漏極和源極之間的電壓降作為電參量。如果所述電壓降超過閾值或者最大值，那麼輸入信號被發出。

在圖2中在一種優選的擴展方案中示意性地示出了信號處理模塊200。在下文中，關於圖2闡述，輸入信號在該方法的過程中如何由信號處理模塊200處理。

信號處理模塊200被構造為全局時間管理模塊（全局定時器模塊（globaltimermodule）、通用定時器模塊（generictimermodule）gtm）。所述gtm200具有路由單元（高級路由單元（advancedroutingunit，aru））240，所述路由單元被設置用於gtm200的各個模塊彼此間通信。

多通道定序器模塊（multichannelsequencer（多通道定序器），mcs）220被設置用於執行運算操作或者應用軟體，並且可以具有一個或多個處理器核心、例如risc核心以及具有存儲單元、尤其ram存儲器。

多通道定序器模塊mcs220經由路由單元aru240與輸入模塊（定時器輸入模塊（timerinputmodule，tim））210和輸出模塊（高級定時器輸出模塊（advancedtimeroutputmodule，atom））230以數據傳輸方式連接。

為了在tim210、mcs220和atom230之間傳輸數據，路由單元aru240執行各個模塊210、220和230的仲裁（arbitrierung）。為此目的，路由單元aru240在循環（rundlauf）方法的過程中將時隙分派給所述模塊210、220和230中的每一個，在所述時隙期間各個模塊可以彼此通信。以這種方式，保證各個模塊210、220和230以用於傳輸消息的最大等待時間（latenzzeit）進行確定性（deterministische）通信。

輸入模塊tim210監控微控制器的輸入引腳131。如果輸入信號施加在輸入引腳131上，例如如果上升沿施加在輸入引腳131上，那麼在輸入模塊tim210中生成相應的事件。尤其由輸入模塊tim210產生接收信息，並且經由路由單元aru240轉發給多通道定序器模塊mcs220，這通過附圖標記211表明。

根據接收信息，由多通道定序器模塊mcs220產生輸出信息，並且經由路由單元aru240轉發給輸出模塊atom230，這通過附圖標記221表明。

輸出模塊atom230根據輸出信息產生輸出信號，並且將所述輸出信號轉發給輸出引腳132，由此開關110相應地被操控和切斷（abgeschaltet）。