包括短路保護的半導體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及包括短路保護的半導體器件。描述了一種半導體器件。根據(jù)本發(fā)明的第一示例，半導體器件包括：電子開關，配置為根據(jù)輸入信號接通和關斷具有電源電壓的電源端和輸出電路節(jié)點之間的負載電流路徑。器件進一步包括：過電流檢測器，配置為將代表穿過負載電流路徑的負載電流的負載電流信號與過電流閾值比較并且當負載電流信號達到或超過過電流閾值時信號通知過電流。而且，器件包括：控制單元，可操作在操作的第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中?？刂茊卧渲脼椋寒斣诓僮鞯牡谝粻顟B(tài)中時將過電流閾值設定到第一較高值并且當在操作的第二狀態(tài)中時設定到第二較低值；并且當信號通知過電流時至少暫時關斷電子開關。
【專利說明】包括短路保護的半導體器件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件和用于操作這樣的器件的方法的領域，具體地涉及包括故障檢測能力以檢測導致溫度上升的故障操作狀態(tài)(諸如例如短路)的功率半導體器件。
【背景技術】
[0002]半導體器件，尤其功率半導體器件諸如功率半導體開關經(jīng)常包括電流和溫度測量功能用于檢測在其期間發(fā)生不期望的高電流或溫度的故障或不期望的操作模式。這樣的故障或不期望的操作模式尤其可能是過載(例如短路)或過溫。
[0003]能夠檢測過溫、過載(短路)等的功率半導體開關經(jīng)常被稱為“智能開關”。通常這樣的智能開關包括至少一個功率晶體管(例如DMOS高側(cè)開關)和用于每個功率晶體管的過電流檢測電路，過電流檢測電路將代表流過晶體管的負載電流的測量的負載電流信號與代表特定的最大電流的定義的閾值相比較。當負載電流達到或超過最大電流時，為保護器件，關斷負載電流。
[0004]然而，在許多應用中，智能開關必須處理高涌入電流。例如當接通白熾燈、電動機或類似物時，情況可能是這樣。涌入電流通常比最大電流高很多，但是該高涌入電流是瞬時的并且一般不引起危險的過溫。然而，包括在智能開關中的過電流保護電路需要在高涌入電流和由短路引起的過電流之間區(qū)分。因為這個原因，在可能發(fā)生瞬時涌入電流的啟動階段期間，確定最大電流的閾值被設定到較高值(比在正常操作期間高)。這個啟動階段一般定義為從晶體管的接通開始的固定時間間隔(例如IOms )。當該時間間隔過去時,確定最大電流的閾值重設到較低標稱值。
[0005]當檢測到過電流時(即當過電流事件發(fā)生時)，可以去激活器件。也就是說，器件被鎖存在負載電流被關斷的非活動狀態(tài)(失效狀態(tài))。然而，為了避免在啟動階段期間去激活，在過電流事件之后，器件被再激活達定義的次數(shù)(例如32次)。然而，當在啟動階段期間發(fā)生最大數(shù)量的過電流事件時，器件最終被去激活(并且不被再激活)。在啟動階段之后(即在正常操作期間)，單個過電流事件足夠?qū)⑵骷i存在非活動狀態(tài)(失效狀態(tài))。
[0006]具有高最大電流閾值的啟動階段和具有低最大電流閾值的正常操作階段之間的轉(zhuǎn)變一般由數(shù)字實施的有限狀態(tài)機(FSM)來觸發(fā)。然而，當智能開關用于為負載(例如白熾燈)提供調(diào)制信號(例如脈寬調(diào)制負載電流)時產(chǎn)生了進一步的問題。為了使燈變暗，提供給燈的負載電流可以被例如脈寬調(diào)制以減小提供給燈的平均負載電流。結(jié)果，在已知的智能開關中，在脈寬調(diào)制(PWM)的每個循環(huán)中將開啟新的啟動階段。這在定義啟動階段的時間間隔比調(diào)制信號的一個周期長時是尤其成問題的。當考慮示例時，將變得明顯的是，事實上情況總是這樣。使啟動階段成為在半導體開關被激活(即接通)時刻開始的例如IOms的時間間隔。此外，用200Hz的PWM載波頻率使負載電流被脈寬調(diào)制，200Hz的PWM載波頻率是用于使燈變暗(或控制電動機旋轉(zhuǎn)速度)的通常頻率。因為200Hz的PWM載波頻率對應于5ms的PWM周期，所以半導體開關每5秒被激活，而啟動階段將持續(xù)10ms。在呈現(xiàn)的示例中，在其期間更高的負載電流閾值是有效的啟動階段將永不結(jié)束。[0007]本發(fā)明要解決的問題是提供包括半導體開關和過電流保護的半導體器件，所述過電流保護即使在半導體開關被開/關調(diào)制驅(qū)動信號驅(qū)動時也允許可靠的操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]由權利要求1的半導體器件來解決上面提到的問題。發(fā)明構(gòu)思的各個實施例和進一步的發(fā)展被獨立權利要求所覆蓋。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一示例描述了一種半導體器件，半導體器件包括電子開關，電子開關配置為根據(jù)輸入信號接通和關斷具有電源電壓的電源端和輸出電路節(jié)點之間的負載電流路徑。器件進一步包括過電流檢測器，過電流檢測器配置為將代表穿過負載電流路徑的負載電流的負載電流信號與過電流閾值比較并且當負載電流信號達到或超過過電流閾值時信號通知過電流。而且，器件包括控制單元，控制單元在操作的第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中是可操作的。控制單元配置為當在操作的第一狀態(tài)中時將過電流閾值設定到第一較高值并且當在操作的第二狀態(tài)中時將過電流閾值設定到第二較低值，以及當信號通知過電流時至少暫時關斷電子開關。當?shù)谝活A定義時間間隔已經(jīng)過去時，引起從操作的第一狀態(tài)到操作的第二狀態(tài)的改變；以及當電子開關關斷達多于第二預定義時間間隔時，引起從操作的第二狀態(tài)到操作的第一狀態(tài)的改變。
[0010]本發(fā)明的進一步的方面涉及一種用于使用狀態(tài)機控制電子開關以激活或去激活電源端和輸出電路節(jié)點之間的負載電流路徑的方法。狀態(tài)機可以至少操作在操作的第一狀態(tài)、第二狀態(tài)、和第三狀態(tài)中。監(jiān)視穿過負載電流路徑的負載電流，并且當負載電流達到或超過可調(diào)整的過電流閾值時信號通知過電流。當在第一狀態(tài)中時過電流閾值被設定到較高的第一值以及當在第二狀態(tài)中時被設定到較低的第二值。根據(jù)輸入信號生成控制信號以激活和去激活電子開關。然而，當信號通知過電流時去激活電子開關并且在消隱時間之后再激活電子開關，除非計數(shù)器指示已經(jīng)檢測到過電流達預設的最大數(shù)量次。該預設的最大數(shù)量在第一狀態(tài)中比在第二狀態(tài)中高。而且，當已經(jīng)檢測到最大數(shù)量的過電流事件或另一個有關安全的準則被滿足時去激活電子開關并且觸發(fā)到第三狀態(tài)的改變。維持第三狀態(tài)直到接收到重設命令。當特定的時間間隔已經(jīng)過去時，觸發(fā)從第一狀態(tài)到第二狀態(tài)的改變。而且當電子開關已經(jīng)關斷達至少最小關斷時間時或當在第二或第三狀態(tài)中最小時間間隔已經(jīng)過去時，觸發(fā)從第二狀態(tài)到第一狀態(tài)的改變。當接收到重設命令時，觸發(fā)從第三狀態(tài)到第二狀態(tài)的改變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]參考后面的附圖和描述能更好地理解各個實施例。圖中的部件不一定按比例，相反重點放在圖示本發(fā)明的原理。而且，在圖中，同樣的參考數(shù)字指定對應的部分。在附圖中:
圖1圖示包括過電流保護的智能開關的基本結(jié)構(gòu)；
圖2圖示控制圖1的智能開關操作的有限狀態(tài)機；
圖3包括用于圖示在圖2的狀態(tài)機中發(fā)生的有關信號的定時圖；
圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的一個示例的簡化狀態(tài)機；
圖5包括用于圖示在第一示范情況中在圖4的狀態(tài)機中發(fā)生的有關信號的定時圖； 圖6包括用于圖示在第二示范情況中在圖5的狀態(tài)機中發(fā)生的有關信號的定時圖；以
及
圖7更詳細地圖示圖4的狀態(tài)機。
【具體實施方式】
[0012]如在介紹性部分中討論的，在激活流過所考慮的半導體器件的負載電流之后高涌入電流可以發(fā)生。半導體器件可以包括例如控制負載(例如燈)的開關狀態(tài)的功率晶體管(例如DMOS η溝道高側(cè)晶體管)。當接通冷白熾燈時，涌入電流(通常稱為負載電流可能是在跟隨啟動階段的正常操作期間流過負載的標稱負載電流的倍數(shù)。可能發(fā)生的是，在接通燈之后不久，流過晶體管的負載電流路徑的負載電流上升到特定限制(即預定義的過電流閾值)以上，這對于較長的時間段將是不可接受的，因為這樣的高電流可能導致不期望的器件退化或甚至導致器件的熱損壞。
[0013]作為示例，圖1圖示所謂的智能開關10的基本結(jié)構(gòu)。應當注意的是圖示不是窮舉的，因為僅示出了對進一步討論有關的那些部件。智能開關一般包括布置在一個芯片封裝內(nèi)的一個或多個半導體芯片。半導體開關T1 (例如高側(cè)η溝道DMOS晶體管)集成在硅芯片中，其中負載電流路徑(即在MOS晶體管情況中的漏-源電流)連接在電源端SUP和輸出端OUT1之間。電源端SUP—般與芯片封裝的電源管腳連接，芯片封裝的電源管腳經(jīng)由電源線被供給電源電壓\。輸出端OUT1 —般與芯片封裝的輸出管腳連接，并且電負載Z1 (例如燈)可以連接在輸出管腳和例如地電勢GND之間。智能開關可以具有多個輸出通道，其中為每個通道提供一個半導體開關和一個對應的輸出管腳。為了清楚和簡單的圖示，在這里討論的示例僅示出了具有單個通道的智能開關。
[0014]柵驅(qū)動器11耦合到功率晶體管T1的控制電極(例如在MOS晶體管情況中的柵電極)并且根據(jù)供給到柵驅(qū)動器11的相應的控制信號Sm生成驅(qū)動信號Ve (例如柵電流或柵電壓)。在本示例中驅(qū)動信號適合于當控制信號Sm是“I”(即高邏輯電平)時接通功率晶體管T1并且當控制信號Sm是“O”(即低邏輯電平)時關斷功率晶體管！\。然而，依賴于應用，邏輯電平可以相反。
[0015]智能開關10包括與功率晶體管T1相關聯(lián)的過電流檢測器，過電流檢測器被配置為檢測流過功率晶體管T1的負載電流k是否超過特定的最大電流。在本示例中，過電流檢測器包括:配置為提供電流測量信號Sc (代表負載電流D的電流測量電路14 ;和比較器15，比較器15接收電流測量信號Sc和確定最大電流的過電流閾值Sth作為輸入信號，并且配置為比較輸入信號以及生成過電流信號Sre。過電流信號OC指示電流測量信號Sc是否比過電流閾值Sth高(如果S?！礢th，則OC=I，否則OC=O)。過電流信號OC可以是二進制信號，其中例如高邏輯電平可以指示過電流。在簡單的實施方式中，電流測量電路可以是串聯(lián)耦合到相應晶體管T1的負載電流路徑的單個電流測量電阻器。然而，可以使用更復雜的電流測量電路。例如，功率晶體管T1可以具有耦合到其的所謂的感測晶體管，感測晶體管允許在分離的測量電流路徑中的電流測量。然而，這些和其它的電流測量電路本身在本領域中是已知的并且因此在這里不進一步討論。
[0016]可以提供控制邏輯電路12用于控制晶體管T1的開關行為?？刂七壿嬰娐?2接收輸入信號IN1并且尤其是依賴于輸入信號IN1和過電流信號(Stx;)生成對應的控制信號SQN1。在正常操作期間，控制信號Sm等于1&(即Sm=IN1X在多通道智能開關的情況中，為每個通道提供輸入信號和相應的控制信號以及過電流信號?？梢允褂梅至⒌倪壿嬰娐凡考?諸如計時器、計數(shù)器、門、比較器等)來形成控制邏輯12。可替代地，微控制器可以用于執(zhí)行適合于實行相同功能的軟件。此外，可以部分地使用分立的電路部件并且部分地使用微控制器來實施控制邏輯12?？刂七壿?2的功能可以被實施為下面參考圖2描述的有限狀態(tài)機(FSM)0
[0017]當半導體器件(在本示例中智能開關)被通電時，即當施加到電源端SUP的電源電壓Vs上升到最小電平以上時，有限狀態(tài)機以狀態(tài)Xtl開始，在狀態(tài)Xtl中負載電流k被關斷并且所有計時器和計數(shù)器被重設到適合的初始值。狀態(tài)Xtl可以視為“待機狀態(tài)”，其中功率開關正在“等待”并且準備被接通。
[0018]當輸入信號IN1指示負載電流k要被接通時，則有限狀態(tài)機改變到可以視為代表啟動階段的“啟動狀態(tài)”的狀態(tài)X1，在該狀態(tài)期間可以發(fā)生高涌入電流。同時，對應的控制信號Swi被設定到適合于接通晶體管T1的邏輯電平(例如Sm=I)并且開始計時器(計時器值TQN)。最遲當計時器值Tqn指示預定義的時間間隔(例如IOms)已經(jīng)過去時，啟動階段將結(jié)束。在狀態(tài)X1中過電流閾值Sth被設定到第一可比較高閾值(STH=SHI)。當過電流信號Sre指示過電流時，則有限狀態(tài)機改變到狀態(tài)X3，在狀態(tài)X3中過電流計數(shù)器counV遞增。當(在遞增過電流計數(shù)器countQC之后)由計數(shù)器count。。指示的過電流事件的數(shù)量比最大數(shù)量小(count0C<max0C)時，則在固定的延遲時間(消隱時間，例如100 μ s)之后有限狀態(tài)機后退到狀態(tài)Xi。否則(即當已經(jīng)檢測到過電流事件的最大數(shù)量時)，有限狀態(tài)機改變到失效狀態(tài)X4并且因此例如通過設定Sm=O最終關斷負載電流。
[0019]如上面提到的， 在啟動時段期間，涌入電流可以觸發(fā)若干次過電流事件，并且因此有限狀態(tài)機將在狀態(tài)X1和狀態(tài)X3之間切換除非達到過電流事件的最大數(shù)量Hiaxre (例如maX(K=32)。如果負載是白熾燈，有限狀態(tài)機可以在狀態(tài)X1和X3之間切換例如15次并且然后保持在狀態(tài)X1中直到計時器值I?指示定義啟動階段的預設定的時間間隔結(jié)束。然后有限狀態(tài)機改變到狀態(tài)X2并且過電流閾值Sth被設定到第二較低閾值(Sth=Suj)15該狀態(tài)X2代表智能開關的正常操作。有限狀態(tài)機將保持在這個狀態(tài)中直到輸入信號IN1指示負載電流要被關斷(例如IN1=O)或者(然而，使用較低閾值)檢測到過電流。在第一種情況中，有限狀態(tài)機后退到狀態(tài)Xtl (導致所有計時器和計數(shù)器重設)并且在第二種情況中，有限狀態(tài)改變到失效狀態(tài)X4而不允許任何切換。一旦在失效狀態(tài)X4中，就需要外部重設命令或新的通電以使狀態(tài)機恢復到狀態(tài)
[0020]再次參考圖1，智能開關10進一步包括總線接口 13，總線接口 13經(jīng)由通信線耦合到控制邏輯12 (狀態(tài)機)用于在控制邏輯12和總線接口 13之間交換數(shù)據(jù)。通常，總線接口 13配置為從外部總線轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到外部總線，所述外部總線例如串行總線，諸如標準化SPI總線(串行外圍接口總線)。在本示例中總線接口 13是串行外圍接口(SPI)，其連接到外部芯片封裝管腳S1、SO、SCLK, CS用于連接到例如外部總線主控器件?？梢越?jīng)由SI (SI=串行輸入)管腳接收串行數(shù)據(jù)，然而經(jīng)由SO (SO=串行輸出)管腳發(fā)送串行數(shù)據(jù)。經(jīng)由通過SCLK管腳(SCLK=串行時鐘)接收的時鐘信號時控串行總線通信。最后，經(jīng)由所謂的芯片選擇信號可以激活和去激活總線接口 13，可以經(jīng)由CS管腳(CS=芯片選擇)接收所述芯片選擇信號。因為串行外圍接口本身是已知的，這里沒有進一步討論關于總線接口的細節(jié)。在控制邏輯12內(nèi)發(fā)生的任何數(shù)據(jù)或信號可以被數(shù)字化并經(jīng)由總線接口 13發(fā)送到外部總線主控器件。應當注意的是不同的總線系統(tǒng)可以具有不同的管腳數(shù)量并且可以使用不同的信號用于數(shù)據(jù)傳輸。
[0021]參考在圖3中描繪的定時圖進一步討論參考圖2描述的狀態(tài)機的功能。上圖圖示當負載被短路時可以用于生成例如脈寬調(diào)制的負載電流的輸入信號IN1的波形。在輸入信號IN1中的從低電平到高電平的轉(zhuǎn)變觸發(fā)功率晶體管T1的接通。狀態(tài)機從待機狀態(tài)Xtl改變到啟動狀態(tài)由于短路，負載電流迅速上升并且引起過電流事件(0C=1)。狀態(tài)機暫時改變到狀態(tài)X3,去激活負載電流流動，遞增過電流事件計數(shù)器county并且在延遲時間TWAn(Twait=IOO μ s)之后后退到狀態(tài)X1，從而再激活負載電流流動。負載電流的再激活觸發(fā)下一個過電流事件并且循環(huán)重新開始。當輸入信號IN1的工作循環(huán)結(jié)束并且輸入信號IN1重設到低電平(這引起狀態(tài)機改變到待機狀態(tài)Xtl)時，該切換停止。在待機狀態(tài)中重設過電流事件計數(shù)器count.在本示例中，脈寬調(diào)制的輸入信號IN1的工作循環(huán)如此短以致即使在短路情況中也將永不達到過電流事件的最大數(shù)量maX()。。結(jié)果，狀態(tài)機將永不落入失效狀態(tài)X4并且開關的過熱可以成為可能。
[0022]通常，在每個PWM周期中開關的去激活必需重設對在啟動階段期間所觀察的過電流事件計數(shù)的計數(shù)器。此外，開關的每個去激活必需重設測量是否定義啟動階段的時間間隔已經(jīng)過去的計時器Tw。因此，狀態(tài)機永不達到正常操作(狀態(tài)x2)。為了緩解或解決這個問題，需要改進的狀態(tài)機。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個示例，如在圖1中圖示的智能開關包括控制邏輯電路12，其根據(jù)圖4的圖示實施狀態(tài)機。與圖2的示范狀態(tài)機相比較，圖4中的圖示已經(jīng)關于功率半導體開關的接通/關斷切換被簡化了。在圖4中描繪的狀態(tài)(標記A、B和C)改為指代通常狀態(tài)，在通常狀態(tài)中開關操作遵循特定的規(guī)則。由圖4的有限狀態(tài)機實施的功能在下面用通常的術語描述并且隨后使用圖5和6的定時圖討論一些特定的示例。
[0024]一旦智能開關與電源電壓耦合，有限狀態(tài)機就開始于啟動狀態(tài)A。最初重設所有計時器和計數(shù)器。在狀態(tài)A中，當輸入信號在低電平(IN1=O)時，去激活負載電流流動(即晶體管T1被關斷，見圖1的示例)。相反地，當輸入信號改變到高電平(IN1=I)時，激活負載電流流動(即晶體管T1被接通，見圖1的示例)。第一計時器測量功率晶體管T1活動所在期間的時間(接通時間Ton)。當晶體管T1被接通時，重設測量功率晶體管關斷時間(關斷時間Tqff)的第二計時器。在啟動狀態(tài)A中，輸入信號IN1可以根據(jù)提供特定工作循環(huán)的調(diào)制方案被規(guī)則地接通和關斷。例如，在輸入信號IN1中可以用恒定PWM載波頻率進行脈寬調(diào)制。在啟動狀態(tài)A中過電流事件不立即導致最終的器件去激活，而是允許定義數(shù)量的“重試”。當已經(jīng)觀察到最大數(shù)量的過電流事件時器件僅鎖存在失效狀態(tài)(狀態(tài)C)。這個行為對應于參考圖2描述的狀態(tài)機的行為。此外，當在半導體器件中測量的溫度(或溫度梯度)超過特定的最大值時開啟過溫關閉。綜上，當下面準則之一被滿足時，啟動狀態(tài)A結(jié)束:
-接通時間Ton達到特定的限制Tmmax (即當接通時間Tw已經(jīng)過去時)，
-已經(jīng)觀察到最大數(shù)量的過電流事件(countofmax。。)，
-過溫關閉被觸發(fā)。
[0025]在第一種情況中，有限狀態(tài)機改變到狀態(tài)B (正常操作)，然而在第二種和第三種情況中，有限狀態(tài)機被鎖存在失效狀態(tài)。[0026]當進入狀態(tài)B (正常操作)時重設測量接通時間Ton的第一計時器。此外，功率晶體管T1的PWM開關操作可以如在啟動狀態(tài)中一樣繼續(xù)。然而，單個過電流事件(OC=I)足夠?qū)顟B(tài)機鎖存在失效狀態(tài)(狀態(tài)C)。如在先前的示例中一樣，在正常操作期間，過電流閾值比在啟動狀態(tài)A中低。過溫也導致功率晶體管T1的去激活以及狀態(tài)機到失效狀態(tài)C中的轉(zhuǎn)變。在狀態(tài)B (正常操作)期間，每次負載電流被激活(即IN1切換到IN1=I)時重設測量關斷時間Ttw的第二計時器。第二計時器(關斷時間Ttw)僅在功率晶體管關斷(IN1=O)時運行。當關斷時間Ttw超過特定的最小關斷時間Ttwmin時(即當T-〉!',.時)，則有限狀態(tài)機再次改變到啟動狀態(tài)A并且功率晶體管T1的下一個激活將開啟在其期間可以發(fā)生高涌入電流的新的啟動階段。代替測量在其期間功率晶體管T1被關斷的時間Ttw，可以測量時間間隔Ttw,其代表從狀態(tài)機已經(jīng)離開第一狀態(tài)A起的時間，即從啟動階段的結(jié)束(并進入第二或第三狀態(tài))起已經(jīng)經(jīng)過的時間間隔。當時間間隔超過預定義的最小時間Ttwmin’時將開啟新的啟動階段?？梢岳缤ㄟ^經(jīng)由串行總線(SPI總線)發(fā)送適合的命令來配置使用哪一個替代方案(最小關斷時間Ttwniin或最小時間間隔Ttwniin')。
[0027]在圖4的示例中的第三狀態(tài)C是已經(jīng)提到的失效狀態(tài)C。在該狀態(tài)中不管輸入信號IN1的電平如何，功率晶體管T1維持在非活動狀態(tài)(SW1=0)。也就是說，輸入信號IN1被消隱并且不轉(zhuǎn)發(fā)到功率晶體管T1的柵驅(qū)動器11。然而，第二計時器Ttw測量在該狀態(tài)期間的關斷時間Τ_。智能開關被鎖存在該失效狀態(tài)C直到由狀態(tài)機(即由控制邏輯電路12)接收到(外部)重設命令。該“重設命令”可以是單個比特二進制信號，其可以在通過外部串行總線接口 13 (見圖1)接收對應的命令時被設定為適合的邏輯電平。重設信號有時也稱為“清除信號”。當接收到重設命令時，狀態(tài)機改變到狀態(tài)B。同時，當測量的關斷時間Ttw比最小關斷時間Ttwmin大時，狀態(tài)機改變到啟動狀態(tài)并且功率晶體管T1的下一個激活將開啟在其期間可以發(fā)生高涌入電流的新的啟動階段。如果沒有達到最小關斷時間Ttwmin，狀態(tài)機保持在狀態(tài)B (正常操作)。通常，最小關斷時間TQFFmin是可比較地長，例如TQFFmin=200ms，并且在輸入信號IN1是開/關調(diào)制的信號例如PWM信號的情況下至少是輸入信號IN1的開關周期的10倍。然而，最小關斷 時間Ttwmin應該足夠長以允許電子開關冷卻到指定的溫度或指定的溫度以下。
[0028]現(xiàn)在將通過更具體的示例進一步圖示上面描述的狀態(tài)機的通常功能。圖5的定時圖圖示當連接到智能開關的負載被短路時圖4的狀態(tài)機的行為。圖5的頂部定時圖圖示開/關調(diào)制的輸入信號鞏。初始，開關操作在狀態(tài)A (啟動狀態(tài))開始。從IN1=O到IN1=I的第一轉(zhuǎn)變(在時間h)開始測量接通時間Tw的第一計時器。在時刻h和h之間輸入信號IN1處在高電平(IN1=I)并且因此狀態(tài)機試圖接通功率晶體管1\。響應于晶體管T1的接通，負載電流立即上升直到測量的負載電流信號Sc達到(高)過電流閾值STH=SHI。這在圖5的中部定時圖中圖示。底部圖圖示計數(shù)器值county其對觀察到的過電流事件計數(shù)。在輸入信號IN1的第一工作循環(huán)(時間間隔期間，檢測到三個過電流事件。就在引起第四過電流事件之前輸入信號改變到IN1=CL在時刻h和t2之間功率晶體管關斷并且上面提到的第二計時器測量關斷時間Τ_。因為時間間隔Τ_?=?4-?3比最小關斷時間Ttwniin小，計數(shù)器county不被重設并且在檢測到在輸入信號IN1的后面的工作循環(huán)期間發(fā)生的過電流事件時被進一步遞增。在第三工作循環(huán)的結(jié)束，計數(shù)器county；指示9個過電流事件。輸入信號的后面的關斷期間Ttw=V-t5比最小關斷時間Ttwmin長并且因此用輸入信號從IN1=O到IN1=I的下一個轉(zhuǎn)變來開啟“新的”啟動階段。計數(shù)器county被重設并且在檢測到下一個過電流事件時從O到Countre=I被遞增。能夠看到，與圖3的示例相反,負載電流的去激活不自動地重設計數(shù)器county；。計數(shù)器county；僅當負載電流非活動達至少最小關斷時間Toff時被重設，由此最小關斷時間可以可比較地長，例如Τ_=200π?8。
[0029]圖6的示例圖示了圖4的狀態(tài)機由于過電流計數(shù)器達到檢測到的過電流事件的最大數(shù)量maxo。而從啟動狀態(tài)A轉(zhuǎn)變到失效狀態(tài)C中以及由于重設命令而進一步轉(zhuǎn)變到狀態(tài)B(正常操作)。圖6的第一(從頂部到底部計數(shù))定時圖圖示開/關調(diào)制的輸入信號IN115第二定時圖圖示針對短路負載的對應的測量的負載電流信號S。。第三圖圖示過電流事件計數(shù)器county的值。第四圖圖示重設信號，并且第五圖(底部)圖示其中狀態(tài)機根據(jù)圖4的狀態(tài)圖操作的狀態(tài)(啟動、正常操作、或失效)。初始，開關操作在狀態(tài)A (啟動狀態(tài))中開始。從IN1=O到IN1=I的第一轉(zhuǎn)變(在時間O開始測量接通時間Tw的第一計時器。在時刻tQ和h之間輸入信號IN1處在高電平(IN1=I)并且因此狀態(tài)機試圖接通功率晶體管1\。響應于晶體管T1的接通，負載電流立即上升直到測量的負載電流信號Sc達到(高)過電流閾值STH=SHI。在例如100 μ s的短延遲Twait之后，狀態(tài)機試圖再次接通晶體管T1，其引起另一個過電流事件。同樣地，所觀察的過電流事件的數(shù)量在輸入信號IN1的后面的工作循環(huán)期間增加直到例如第32個過電流事件(在時間Tre發(fā)生)觸發(fā)有限狀態(tài)機轉(zhuǎn)變到失效狀態(tài)C并且最終關斷功率晶體管1\。當在失效狀態(tài)C中時輸入信號IN1被忽略。然而，第二計時器測量功率晶體管被關斷的關斷時間Τ_。在時間tKES接收到重設信號。如在時間tKES那樣，測量的關斷時間沒有達到值Ttwmin (即Ttw(Ttwmin),狀態(tài)機改變到狀態(tài)B (正常操作)而不進一步改變到啟動狀態(tài)A。在時間t5，測量的關斷時間Ttw等于最小關斷時間(即Ttw=Ttwmin)并且因此狀態(tài)機再次改變到啟動狀態(tài)A并且在時間&’晶體管T1的下一個激活將允許負載電流上升達到高電流閾值，該高電流閾值在引起下一個過電流事件之前在啟動狀態(tài)中是適用的。
[0030]在一些應用中，重設命令以規(guī)則的間隔發(fā)送。因為在每個重設之后在啟動階段(見圖2，狀態(tài)X1)中狀態(tài) 機被重啟，如圖2中圖示的狀態(tài)機可能導致智能開關過熱。然而圖4的示范狀態(tài)機將防止轉(zhuǎn)變到啟動狀態(tài)(見圖4，狀態(tài)A)除非最小關斷時間Ttwmin已經(jīng)過去。即使在狀態(tài)機被以規(guī)則的時間間隔外部地重設的情況中，這也防止狀態(tài)機永久操作在其中適用高電流閾值Sth=Shi的啟動狀態(tài)中。
[0031]圖7圖示在圖4中示出的狀態(tài)機的另一個更詳細的示例。在本示例中，其中功率晶體管狀態(tài)被關斷的狀態(tài)被圖示為分離的狀態(tài)，即關斷狀態(tài)X。。當通電之后進入狀態(tài)Xtl達第一時間時，用比Ttwmin大的值初始化時間τ_?？商娲?，能以別的方式(例如使用標記)確保的是當通電之后輸入信號IN1改變到高電平達第一時間時智能開關首先開始于啟動模式。而且，一旦通電之后，測量接通時間Tm的第一計時器就重設到O。通常，當輸入信號改變到高電平(IN1=I)時以及當開關已經(jīng)關斷達比最小關斷時間Ttwmin長(TtwXTtwmin)時，狀態(tài)機改變到(活動的)啟動狀態(tài)Xp當輸入信號IN1返回到低電平時，則狀態(tài)機后退到關斷狀態(tài)狀態(tài)機可以在狀態(tài)Xtl和狀態(tài)X1之間切換若干次直到第一計時器指示最大接通時間I?已經(jīng)過去。應當注意的是在重設計時器之后當柵驅(qū)動器試圖接通晶體管T1時(例如當控制信號Sm設定到高電平時)開始第一計時器(并且測量Tw)。當最大接通時間Tm已經(jīng)過去時(即當TwXTwniax時)，狀態(tài)機改變到狀態(tài)X2 (正常操作)。如在先前的示例中那樣，單個過電流事件足夠使狀態(tài)機進入失效狀態(tài)X4，然而當狀態(tài)機在狀態(tài)X1中時，需要過電流事件的數(shù)量maX(K以完成相同的結(jié)果。而且，在狀態(tài)X2中過電流閾值較低(Sth=SujX在任何狀態(tài)中，單個過溫事件足夠使狀態(tài)機進入失效狀態(tài)X4。
[0032]狀態(tài)機被鎖存在失效狀態(tài)X4直到接收到重設或清除信號。如上面在先前的示例中提到的，功率晶體管的關斷時間由第二計時器Ttw測量并且因此如果IN1=I,當
時接收的重設信號將使狀態(tài)機經(jīng)由狀態(tài)Xtl進入狀態(tài)X2(正常操作)。通常，在最小關斷時間T0FFfflin已經(jīng)過去之前，不允許狀態(tài)機再次改變到啟動模式。
[0033]下面總結(jié)上面描述的示范示例的一些重要的通常方面。然而，下面內(nèi)容不認為是完全的或窮舉的。因此，在這里描述的半導體器件包括電子開關，電子開關配置為根據(jù)輸入信號IN1接通和關斷被供給電源電壓Vs的電源端SUP和輸出電路節(jié)點OUT1之間的負載電流路徑。半導體器件進一步包括過電流檢測器(電流測量電路14，比較器15)，過電流檢測器配置為將代表穿過負載電流路徑的負載電流L的負載電流信號S。與過電流閾值Sth比較并且當負載電流信號Sc達到或超過過電流閾值Sth時信號通知過電流Sre?？刂茊卧诓僮鞯牡谝粻顟B(tài)A (啟動階段)和第二狀態(tài)B (正常操作)中是可操作的并且配置為:根據(jù)輸入信號IN1生成控制信號5?以接通和關斷電子開關!\ ;當在操作的第一狀態(tài)A中時將過電流閾值Sth設定到第一較高值(Sth=Shi)并且當在操作的第二狀態(tài)B中時將過電流閾值Sth設定到第二較低值(Sth=Sm);當信號通 知過電流時至少暫時關斷電子開關；當?shù)谝活A定義時間間隔Twmax已經(jīng)過去時，從操作的第一狀態(tài)A改變到操作的第二狀態(tài)B ;以及當電子開關關斷達多于第二預定義時間間隔Ttwniin時從操作的第二狀態(tài)B改變到操作的第一狀態(tài)A。具體地說，最小關斷時間的引入禁止器件“陷入”具有高電流閾值的操作的第一狀態(tài)(啟動階段)。
[0034]在操作的第三狀態(tài)C (失效模式)中控制單元可以進一步是可操作的。控制單元可以配置為當預定義的有關安全的準則被滿足時改變到操作的第三狀態(tài)C。在這個狀態(tài)中生成控制信號Smi以關斷電子開關!\。在接收到重設命令之前不觸發(fā)從操作的第三狀態(tài)C到第二狀態(tài)B (失效模式到正常操作)的改變。
[0035]本發(fā)明的進一步的方面涉及用于控制電子開關T1以激活或去激活電源端SUP和輸出電路節(jié)點OUT1之間的負載電流路徑的方法。采用可以至少操作在操作的第一狀態(tài)(啟動階段)、第二狀態(tài)(正常操作)和第三狀態(tài)(失效模式)的狀態(tài)機。監(jiān)視穿過負載電流路徑的負載電流L并且當負載電流達到或超過過電流閾值Sth時信號通知過電流(例如通過設定標記Sre=l)。過電流閾值是可調(diào)的并且當在第一狀態(tài)(啟動階段)中時能被設定到較高的第一值以及當在第二狀態(tài)(正常操作)中時能被設定到較低的第二值。根據(jù)輸入信號IN1生成控制信號Sm以(經(jīng)由柵驅(qū)動器11)激活和去激活電子開關！\。然而，當信號通知過電流時電子開關被去激活并且在消隱時間Twait之后被再激活除非計數(shù)器county指示已經(jīng)檢測到過電流達預設的最大數(shù)量max。。次(例如count。。^ max。。)。該預設的最大數(shù)量max。。在第一狀態(tài)A (例如maxQe=32)中比在第二狀態(tài)(例如maxQe=l)中高。而且，當已經(jīng)檢測到最大數(shù)量的過電流事件或另一個有關安全的準則被滿足時(例如超過最大芯片溫度)電子開關被去激活并且觸發(fā)到第三狀態(tài)(失效模式)的改變。維持第三狀態(tài)C直到(例如經(jīng)由串行總線接口)接收到重設命令。當特定的時間間隔Twmax已經(jīng)過去時，觸發(fā)從第一狀態(tài)A到第二狀態(tài)B(啟動階段到正常操作)的改變。而且，當電子開關已經(jīng)關斷達至少最小關斷時間Ttwmin時，觸發(fā)從第二狀態(tài)B到第一狀態(tài)A (正常操作到啟動階段)的改變。當接收到重設命令時，觸發(fā)從第三狀態(tài)(失效模式)到第二狀態(tài)的改變。[0036]盡管已經(jīng)公開了各個示范示例，對于本領域的技術人員將顯而易見的是，根據(jù)各個實施例的特定的實施方式并且在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下能夠進行改變和修改。對于本領域的一般技術人員將明顯的是，執(zhí)行相同功能的其它部件可以適當?shù)卮?。具體地說，信號處理功能可以在時域或頻域中執(zhí)行同時完成實質(zhì)上相等的結(jié)果。應當提到的是，即使沒有明確提到，參考特定的圖解釋的特征也可以與其它圖的特征組合。此外，本發(fā)明的方法可以用下面任一方式完成:使用適合的處理器指令的全軟件實施、或利用硬件邏輯和軟件邏輯的組合以完成相同結(jié)果的混合實施。對構(gòu)思的這樣的修改意圖被所附的權利要求所覆蓋。
【權利要求】
1.一種半導體器件，包括: 電子開關(T1),電子開關(T1)配置為根據(jù)輸入信號(IN1)接通和關斷具有電源電壓(Vs)的電源端和輸出電路節(jié)點(OUT1)之間的負載電流路徑； 過電流檢測器(14、15)，過電流檢測器配置為將代表穿過負載電流路徑的負載電流(iL)的負載電流信號(S。)與過電流閾值(Sth)比較并且當負載電流信號(S。)達到或超過過電流閾值(Sth)時信號通知過電流(Sqc)； 控制單元(12)，控制單元在操作的第一狀態(tài)(A)和第二狀態(tài)(B)中是能操作的并且配置為: 根據(jù)輸入信號(IN1)生成控制信號(Sqni)以接通和關斷電子開關(T1)； 當在操作的第一狀態(tài)中時將過電流閾值(Sth)設定到第一較高值(Shi)并且當在操作的第二狀態(tài)中時將過電流閾值(Sth)設定到第二較低值(Suj)； 當信號通知過電流時至少暫時關斷電子開關； 當?shù)谝活A定義時間間隔(Twmax)已經(jīng)過去時，從操作的第一狀態(tài)改變到操作的第二狀態(tài)；以及 當電子開關關斷達多于第二預定義時間間隔(Ttwmin)時或當從離開第一狀態(tài)起預定義的最小時間間隔已經(jīng)過去時從操作的第二狀態(tài)改變到操作的第一狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求 1的半導體器件，其中控制單元進一步在操作的第三狀態(tài)(C)中是能操作的并且配置為: 當預定義的有關安全的準則被滿足時改變到操作的第三狀態(tài)(C); 生成控制信號(Sm)以關斷電子開關(T1);以及 當接收到重設命令時從操作的第三狀態(tài)(C )改變到操作的第二狀態(tài)(B )。
3.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中預定義的有關安全的準則是后面中的一個或多個:信號通知過電流達預設的最大數(shù)量(Hiaxre)次；半導體器件的溫度超過預定義的最大溫度， 其中預設的最大數(shù)量(Hiaxre)在不同的操作狀態(tài)(A、B)中是不同的。
4.根據(jù)權利要求1-3之一的半導體器件，包括配置為測量電子開關的關斷時間(Ttw)的第一計時器，每次激活電子開關(T1)時所述計時器被重設并且僅在電子開關關斷時主動測量時間。
5.根據(jù)權利要求1-4之一的半導體器件，包括配置為測量接通時間(Tm)的第二計時器，在控制單元(12)改變到操作的第一狀態(tài)(A)之前或當控制單元(12)改變到操作的第一狀態(tài)(A)時所述計時器被重設并且僅在控制單元(12)處在操作的第一狀態(tài)(A)中時主動測量時間。
6.根據(jù)權利要求1-5之一的半導體器件，其中在操作的第一狀態(tài)(A)中，控制單元(12)配置為: 計數(shù)由過電流檢測器(14、15)信號通知過電流的次數(shù)(Countre)并且 當信號通知過電流時，去激活電子開關，以及 在消隱時間(Twait)之后再激活電子開關，除非所計數(shù)的過電流事件數(shù)量(Countre)已經(jīng)達到最大數(shù)量(max。。)。
7.根據(jù)權利要求6的半導體器件，其中在操作的第一狀態(tài)中和第二狀態(tài)中最大數(shù)量(maxoc)是不同的。
8.根據(jù)權利要求1-7之一的半導體器件，進一步包括:串行總線接口，耦合到控制單元(12)并且配置為實現(xiàn)控制邏輯電路(12)和外部器件之間的數(shù)據(jù)交換。
9.根據(jù)權利要求1-7之一的半導體器件，其中控制單元(12)配置為根據(jù)輸入信號(IN1)生成控制信號(Sm)以激活和去激活電子開關(T1),控制信號(Sm)經(jīng)由生成對應于控制信號(Swi)的驅(qū)動信號(Se)的驅(qū)動器電路(11)被供給到電子開關(T1)的控制電極以驅(qū)動電子開關(T1)接通和關斷。
10.一種用于使用狀態(tài)機來控制電子開關(T1)以激活或去激活電源端(SUP)和輸出電路節(jié)點(OUT1)之間的負載電流路徑的方法，所述狀態(tài)機至少具有操作的第一狀態(tài)(A)、第二狀態(tài)(B)和第二狀態(tài)(C);所述方法包括: 監(jiān)視穿過負載電流路徑的負載電流(^，并且當負載電流達到或超過可調(diào)整的過電流閾值(Sth)時信號通知過電流，其中當在第一狀態(tài)(A)中時過電流閾值被設定到較高的第一值(Shi)以及當在第二狀態(tài)(B)中時被設定到較低的第二值(Sm)； 根據(jù)輸入信號(IN1)生成控制信號(Sm)以激活和去激活電子開關； 當信號通知過電流時去激活電子開關(T1)并且在消隱時間(Twait)之后再激活電子開關(T1),除非計數(shù)器(count。。)指示已經(jīng)檢測到過電流達預設的最大數(shù)量(max。。)次，其中最大數(shù)量(Hiaxtje)在第一狀態(tài)(A)中比在第二狀態(tài)(B)中高； 當已經(jīng)檢測到最大數(shù)量的過電流事件或另一個有關安全的準則被滿足時去激活電子開關(T1)并且改變到第三狀態(tài)(C)，直到接收到重設命令； 當特定的時間間隔(Twmax)已經(jīng)過去時，從第一狀態(tài)(A)改變到第二狀態(tài)(B)； 當電子開關(T1)已經(jīng)關斷達至少最小關斷時間(Ttwmin)時或當從離開第一狀態(tài)起預定義的最小時間間隔已經(jīng)過去時，從第二狀態(tài)(B)改變到第一狀態(tài)(A)； 當接收到重設命令時，從第三狀態(tài)(C)改變到第二狀態(tài)(B)。
11.根據(jù)權利要求10的方法，其中預定義的有關安全的準則尤其是:半導體器件的溫度超過預定義的最大溫度。
12.根據(jù)權利要求10或11的方法，進一步包括為了確定何時特定的時間(Tm)間隔已經(jīng)過去: 在進入第一狀態(tài)(A)之前重設第二計時器(Tqn)； 當在第一狀態(tài)(A)中的同時電子開關(T1)被激活時開始第二計時器因此測量接通時間(Ton)； 將測量時間與最大接通時間(Teilin)相比較并且當測量時間等于或超過最大接通時間(Twmin)時信號通知。
13.根據(jù)權利要求10-12之一的方法，其中輸入信號(IN1)是具有開關周期和工作循環(huán)的開/關調(diào)制信號，并且其中最小關斷時間(Ttwmin)或預定義的最小時間間隔分別地是輸入信號的一個開關周期的至少10倍。
14.根據(jù)權利要求10-12之一的方法，其中最小關斷時間(Ttwmin)足夠長以允許電子開關冷卻到指定的溫度。
【文檔編號】H02H3/08GK104009445SQ201310427097
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2012年9月20日
【發(fā)明者】F.科蒂賈尼, A.德西科 申請人:英飛凌科技股份有限公司