用于反向電池保護的裝置和方法
【專利摘要】一種用于向電路提供保護的裝置包括：P溝道MOSFET；耦合到P溝道MOSFET的漏極并且耦合到負載的續(xù)流二極管；以及耦合到P溝道MOSFET的柵極的電荷泵。在正常操作模式中，電荷泵從電壓調(diào)節(jié)器接收電壓，并且被配置為倍增電壓和使電壓的極性反向，以供應到MOSFET的柵極。在反向電池操作模式中，電荷泵不從電壓調(diào)節(jié)器接收用于對MOSFET的柵極供應的電壓，從而引起MOSFET去激活，使得當MOSFET去激活時，防止電流流過續(xù)流二極管，以保護續(xù)流二極管。
【專利說明】
用于反向電池保護的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請涉及電氣電路和保護這些電氣電路。
【背景技術(shù)】
[0002]高側(cè)(HSD)功率輸出用于向負載提供功率。在使用HSD功率輸出時的常見問題是需要外部續(xù)流二極管來保護免受高能電感負載在它們被關(guān)閉時生成的影響。在一些示例中，電感負載包括真實電感負載(例如，列出幾例，雨刷電機、洗滌電機、螺線管、繼電器)或具有明顯電感的長的線束(例如，具有大于約40m的線束長度的商用車輛上的尾部輸出)。
[0003]通常，HSD輸出無法處理由具有高電流(例如，尾部輸出的短路)或高電感(例如，高電感繼電器)或二者(例如，失速狀況下的雨刷電機)的電感負載產(chǎn)生的高能量。
[0004]當結(jié)合HSD輸出使用續(xù)流二極管時，一個問題通常是保護續(xù)流二極管和HSD不受反向電池狀況的影響(例如，商用車輛可以下降到大約-36V)。存在若干先前的方法用于保護續(xù)流二極管和HSD，但是這些方法都不提供對于高電流和高電感事件(例如，在失速狀況下的雨刷電機或者在40m長度線束情況下尾部輸出被短路(尾部輸出通常具有>200A的高短路電流))的充分保護。
[0005]前述方法的問題導致一些用戶對這些前述方法的不滿。
【附圖說明】
[0006]為了更完整地理解本公開，應當參考以下詳細描述和附圖，在附圖中:
圖1包括根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的利用MOSFET來提供電路保護的系統(tǒng)的電路圖；
圖2包括根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的利用MOSFET來提供電路保護的具有多個負載的系統(tǒng)。
[0007]技術(shù)人員將理解，為了簡單和清楚的目的圖示附圖中的元件。將進一步理解的是，雖然可以以具體的發(fā)生次序來描述或描繪特定動作和/或步驟，但在本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解并不實際需要關(guān)于順序的這樣的特定性。還將理解，除了在本文中另外闡述了特定含義的情況之外，本文使用的術(shù)語和表達具有符合關(guān)于調(diào)查和研究的其對應的相應領(lǐng)域的這種術(shù)語和表達的通常含義。
【具體實施方式】
[0008]本方法在盡可能低地保持系統(tǒng)成本的同時使用續(xù)流二極管來提供對系統(tǒng)的可靠保護。這樣提供的電路使用MOSFET來箝位高能量電感瞬態(tài)而在正常操作模式下不增加功率耗散。當續(xù)流二極管進行箝位時，僅耗散功率。還提供了低成本和低部件數(shù)。在這些方面，單個MOSFET可以在多個輸出之間被共享。本方法提供了高達高負電壓的反向電池保護，并且這可以取決于MOSFET的最大漏源電壓(VDS)。
[0009]在許多這些實施例中，一種用于向電路提供保護的裝置包括:P溝道M0SFET;耦合至IjP溝道MOSFET的漏極并且耦合到負載的續(xù)流二極管；以及耦合到P溝道MOSFET的柵極的電荷栗。在正常操作模式中，電荷栗從電壓調(diào)節(jié)器接收電壓，并且被配置為倍增電壓和使電壓的極性反向，以供應到MOSFET的柵極。在反向電池操作模式中，電荷栗沒有從電壓調(diào)節(jié)器接收對MOSFET的柵極供應的電壓，引起MOSFET去激活，使得當MOSFET去激活時，防止電流流過續(xù)流二極管，以保護續(xù)流二極管。
[0010]在一些方面中，當對負載的驅(qū)動器開關(guān)開路時，MOSFET和續(xù)流二極管進行協(xié)作以使負載中的電流再循環(huán)。在其他示例中，負載包括線束、風擋雨刷電機、洗滌電機或螺線管。
[0011]在其他方面中，MOSFET包括低RDS-on電阻。在一些示例中，低RDS-on電阻在約100歐姆和0.001歐姆之間。
[0012]在其他示例中，該裝置進一步包括耦合到MOSFET的柵極的分壓器網(wǎng)絡。在其他示例中，裝置進一步包括耦合到MOSFET的柵極的電壓保護二極管。
[0013]現(xiàn)在參考圖1，系統(tǒng)100包括保護裝置102(包括續(xù)流二極管104、P溝道MOSFET 106、二極管108、第一電阻器110、第二電阻器112、二極管113和電荷栗114)、電池115、系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器116、高側(cè)驅(qū)動器118和負載121，負載121可以被表示為電感器120和電阻器122。
[0014]續(xù)流二極管104進行操作以在驅(qū)動器118開路時使能量(電壓和電流)再循環(huán)。再循環(huán)的能量緩解由于電感器120的存在而導致的過電壓或過電流狀況的問題。
[0015]P溝道MOSFET 106是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的p溝道器件。在一個示例中，MOSFET106包括接通時的低RDS-on電阻。在一些示例中，低RDS-on電阻在約100歐姆和0.001歐姆之間。其他示例是可能的。
[0016]二極管108充當MOSFET 106的保護器件，以防止在MOSFET 106的柵極處的輸入電壓超過操作電平(這可能損壞MOSFET 106)時，防止對MOSFET 106的損壞。
[0017]第一電阻器110和第二電阻器112提供電阻分壓器，電阻分壓器減小MOSFET 106的柵極處存在的電壓。電荷栗114從電壓調(diào)節(jié)器116接收電壓，使該電壓乘以一值，并且反轉(zhuǎn)該電壓。例如，電荷栗可以接收+3伏特，將其與因子3相乘(得出9伏特)，并且使符號反向(得出-9伏特)，以呈現(xiàn)給MOSFET 106 (在通過由電阻器110和112形成的分壓器減小之后)。應當理解，這是一個示例，并且其他示例是可能的。二極管113防止電流和電壓在反向電池狀況或操作模式發(fā)生時在調(diào)節(jié)器116處被接收。通過反向電池狀況或操作模式，意味著該電池115的極性從正(如圖中所示，使得其供應正電壓)切換為負(其中電池115供應負電壓)。正常操作模式是指該電池具有正電壓。
[0018]電池115向系統(tǒng)供應電壓和電流，并且在一個示例中，電池115可以是在車輛中布置的汽車電池。在這方面，系統(tǒng)100可以是布置在車輛(例如，汽車、卡車)中的系統(tǒng)。用戶可能在反向電池操作模式(供應負電壓)中錯誤地安裝電池，并且在該情況發(fā)生時，該方法防止電路組件的損壞。
[0019]系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器116向電荷栗114提供噪聲減少或無噪聲電壓。在一個示例中，高側(cè)驅(qū)動器118可以是開關(guān)，但是可以包括各種元件，諸如二極管。驅(qū)動器118可以由外部微控制器(例如，如在發(fā)動機控制器中使用的)來控制(開路或閉合)。負載121可以被表示為電感器120和電阻器122。在一個示例中，負載121是線束、風擋雨刷電機、洗滌電機或螺線管。其他示例是可能的。
[0020]在一個示例中，MOSFET 106是低RDS-on P溝道M0SFET，并且這用于向續(xù)流二極管104提供接地路徑。P溝道MOSFET 106通過在其柵極供應的負電壓被接通。因為P溝道MOSFET106的電阻非常低(例如，100至0.0Ol歐姆)，所以在續(xù)流事件期間由MOSFET 106所吸收的能量是相當?shù)偷摹Ｈ缫韵玛P(guān)于圖2所示，MOSFET 106可以在系統(tǒng)上的多個續(xù)流二極管之間被共享。在反向電池事件的情況下，P溝道MOSFET被關(guān)斷，從而將續(xù)流二極管與接地路徑斷開。該電路提供了對電感事件(續(xù)流二極管操作)以及反向電池事件的很好的保護。
[0021]在一些實施例中，MOSFET106是常開的(作為開關(guān)，它被閉合，并且其溝道開路)，功率流到負載121。驅(qū)動器118被關(guān)閉(作為開關(guān)開路)，并且負載121上的電壓反向。MOSFET106飽和。當電壓變?yōu)樨摃r，續(xù)流二極管104得到其再循環(huán)到負載121的電流。在沒有MOSFET106的情況下，二極管104將不與負載并聯(lián)連接，由此電感器電壓將增加為高于驅(qū)動器118的操作額定，從而引起其被損壞。
[0022]在一個方面中并且在正常操作模式中，電荷栗114從電壓調(diào)節(jié)器116接收電壓，并且被配置為倍增該電壓并使該電壓的極性反向以供應給MOSFET 106的柵極。在反向電池操作模式中，電荷栗114不從電壓調(diào)節(jié)器116接收電壓(因為二極管113防止電壓和電流在調(diào)節(jié)器113處被接收)以供應到MOSFET 106的柵極，使得MOSFET 106去激活。當MOSFET 106去激活時，防止電流流過續(xù)流二極管104，以保護續(xù)流二極管104不受過電壓或過電流狀況的影響。
[0023]現(xiàn)在參考圖2，系統(tǒng)200包括保護裝置202(包括續(xù)流二極管204、205和207、P溝道MOSFET 206、二極管208、第一電阻器210、第二電阻器212、二極管213和電荷栗214)、電池215、系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器216、第一高側(cè)驅(qū)動器222、第二高側(cè)驅(qū)動器224、第三高側(cè)驅(qū)動器226、第一負載232、第二負載234和第三負載236。
[0024]保護裝置202(包括續(xù)流二極管204、P溝道MOSFET 206、二極管208、第一電阻器210、第二電阻器212、二極管213和電荷栗214)、電池215以及系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器216如與圖1相關(guān)聯(lián)的類似編號的元件那樣進行操作，并且這里將不重復該描述。
[0025]在該情況下，當反向電池狀況發(fā)生(S卩，電池215的極性被反向)時并且當驅(qū)動器222、224或226中的任何一個開路時，保護裝置202提供對整個系統(tǒng)200的保護。
[0026]MOSFET 206在系統(tǒng)上的多個續(xù)流二極管204、205和207之間共享。在反向電池事件的情況下，P溝道MOSFET 206斷開，從而使續(xù)流二極管204、205和207與接地路徑斷開。該電路提供了對電感事件(續(xù)流二極管進行操作)以及反向電池事件或操作模式的非常好的保護。
[0027]在本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人已知的用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式。應當理解，圖示的實施例僅僅是示例性的，并且不應被視為限制本發(fā)明的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種用于向電路提供保護的裝置，包括:P 溝道 MOSi7ET; 耦合到P溝道MOSFET的漏極并且耦合到負載的續(xù)流二極管； 耦合到P溝道MOSFET的柵極的電荷栗； 使得在正常操作模式中，電荷栗從電壓調(diào)節(jié)器接收電壓，并且被配置為倍增所述電壓和使所述電壓的極性反向，以供應到MOSFET的柵極； 使得在反向電池操作模式中，電荷栗不從電壓調(diào)節(jié)器接收用于對MOSFET的柵極供應的電壓，從而引起MOSFET去激活； 使得當MOSFET去激活時，防止電流流過續(xù)流二極管，以保護續(xù)流二極管。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，當對負載的驅(qū)動器開關(guān)開路時，MOSFET和續(xù)流二極管進行協(xié)作以使負載中的電流再循環(huán)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述負載包括線束、風擋雨刷電機、洗滌電機或螺線管。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述MOSFET包括低RDS-on電阻。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述低RDS-on電阻在大約100歐姆和0.001歐姆之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括耦合到MOSFET的柵極的分壓器網(wǎng)絡。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括耦合到MOSFET的柵極的電壓保護二極管。8.一種操作保護電路的方法，所述保護電路包括P溝道MOSFET、耦合到P溝道MOSFET的漏極并且耦合到負載的續(xù)流二極管、以及耦合到P溝道MOSFET的柵極的電荷栗，所述方法包括: 在正常操作模式中，在電荷栗處從電壓調(diào)節(jié)器接收電壓，并且在電荷栗處，倍增所述電壓并且使所述電壓的極性反向，并且將反向極性和倍增的電壓供應到MOSFET的柵極； 在反向電池操作模式中，不在電荷栗處從電壓調(diào)節(jié)器接收電壓，并且不將電壓供應到MOSFET的柵極，引起MOSFET去激活； 當MOSFET去激活時，防止電流流過續(xù)流二極管，以保護續(xù)流二極管。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，當對負載的驅(qū)動器開關(guān)開路時，MOSFET和續(xù)流二極管進行協(xié)作以使負載中的電流再循環(huán)。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述負載包括線束、風擋雨刷電機、洗滌電機或螺線管。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述MOSFET包括低RDS-on電阻。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述低RDS-on電阻在大約100歐姆和0.001歐姆之間。13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述保護電路進一步包括耦合到MOSFET的柵極的分壓器網(wǎng)絡。14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述保護電路進一步包括耦合到MOSFET的柵極的電壓保護二極管。
【文檔編號】H02H11/00GK105896515SQ201610090402
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月18日
【發(fā)明人】L.R.托戈佩拉扎, L.埃爾勒
【申請人】大陸汽車系統(tǒng)公司