增强半导体开关的制作方法

本公开涉及增强半导体开关，具体地，涉及具有增加功能的半导体开关。

背景技术：

所谓的profet被已知为受保护晶体管(具体地，场效应晶体管fet)，即，包括添加功能的晶体管，例如其自身和/或嵌入或连接晶体管的电路装置的保护。profet可以是放置在电源和负载之间的高侧开关以控制应用。高侧开关包括宽范围的特征，例如保护和诊断功能。profet能够寻址所有种类的电阻、电容和电感负载。其可以在各种汽车、商业、农业和工业应用中使用。

技术实现要素：

第一实施例涉及一种器件，包括：

-第一半导体开关；

-集成传感器，用于确定通过第一半导体开关的电流；

-端子，在电流满足预定条件的情况下向该端子提供信号。

第二实施例涉及一种系统，包括本文所述的器件以及处理单元，其中器件的端子连接至处理单元，并且从处理单元传送信号以从空闲模式唤醒处理单元。

第三实施例涉及一种方法，包括：

-经由传感器确定通过第一半导体器件的电流，其中传感器和半导体器件是单个器件的部分，

-在电流满足预定条件的情况下，向处理单元提供信号，

-基于信号唤醒处理单元。

第四实施例的目的在于提供一种器件，包括：

-用于经由传感器确定通过第一半导体器件的电流的装置，其中传感器和半导体器件是单个器件的部分，

-用于在电流满足预定条件的情况下向处理单元提供信号的装置，

-用于基于信号唤醒处理单元的装置。

附图说明

参照附图示出和说明实施例。附图用于示出基本原理，从而仅示出用于理解基本原理所需的方面。附图不需要按比例绘制。在附图中，相同的参考标号表示类似的特征。

图1示出了电池连接在地与能量分配单元之间的示例性使用情况，能量分配单元包括多个熔丝，每个熔丝都连接至至少一个电子控制单元；

图2示出了包括交换信号的微控制器和增强开关的示例性电路装置；

图3示出了包括熔丝的特征曲线、标称dc电流的曲线、电流itripmin的曲线和电流itripmax的曲线的示例性示图；

图4示出了积极地测量其漏极-源极电流并在漏极-源极电流满足预定条件的情况下唤醒微控制器的开关的示例性电路图；

图5更详细示出了图4的比较器的示例性电路图；

图6示出了微控制器与开关之间的操作的流程图。

具体实施方式

图1示出了电池101连接在地与能量分配单元102之间的示例性使用情况。能量分配单元102提供多个端子kl30106-109(其也已知为连接至电池101的正极)。在图1的该示例中，分配单元102将电池101的正极：

-经由熔丝103连接至端子106，

-经由熔丝104连接至端子107，以及

-经由熔丝105连接至端子108和109。

端子106至109中的每一个都经由电子控制单元(ecu)110-113与负载串联连接至地。代替端子kl30，可以使用端子kl15，其对应于经由点火(ignition)钥匙开关连接至电池。

每个熔丝103-105都可以被增加功能的高侧开关代替。对于许多应用来说，低电流消耗模式(也称为空闲模式)也是有利的。

图2示出了示例性电路装置。基于输入电压vin，电压调节器203提供用于微控制器201的调节低电压vs。微控制器201驱动开关202(其可以是智能功率高侧开关)。微控制器201和开关202可以一起为负载212(例如，电缆)提供熔断的保护行为。开关202可以包括至少一个功率mosfet204，其能够经由其漏极-源极路径向负载212传送电流。开关202可以是具有附加功能的受保护fet(profet)。

可以具有三个主状态，它们可以被认为用于提供熔断功能：

(1)通过微控制器201对负载212的保护：

在通过开关202的漏极-源极电流ids低于标称dc电流idc(ids<idc)的情况下，系统的电流消耗是重要参数。

可能的情况可以如下：微控制器201和开关202处于低电流消耗模式(lccm)，导致100μa级别的低电源电流。每过几毫秒，微控制器201就可以退出lccm以检查电流。这可以通过微控制器201检查其端口206来进行，其中端口206经由电阻器207连接至开关202的端口205。此外，端口205可以经由电阻器208连接至地。端口206可以连接至模数转换器(adc)，其允许数字化由开关202的端口205提供的电流值。开关202可以永久地感测源极-漏极电流并在端口205处提供与该电流相关联的值。然而，问题是通过处理其端口206处的该值，微控制器201需要退出lccm，这会导致临时电流isupply～10ma，其显著大于当微控制器201处于lccm时由系统所需要的电流(isupply～100μa)。在测量之后，微控制器201可以重新进入lccm。

(2)通过微控制器201和开关202保护负载212：

在流向负载212的电流大于标称dc电流idc且低于开关的电流itripmin的情况下，负载的保护通过微控制器201经由开关202的端口205的电流测量来进行(在微控制器201可以检查i²t的情况下)或者通过开关202本身经由例如热关闭来进行。

(3)通过开关202保护负载212：

is是电流itripmin和电流itripmax之间的流向负载的电流，通过

开关202提供负载212的保护。

注意，端口还可以称为管脚。

图3示出了包括(20a)熔丝的特征曲线301、标称dc电流idc302、电流itripmin303和电流itripmax304的示例性示图。范围305对应于上述状态(1)，范围306对应于上述状态(2)，以及范围307对应于上述状态(3)。

如图所示，不利地，当微控制器临时地处于其空闲模式(用于确定是否需要动作(如使电源开关无效))时，系统由于状态(1)中的较大电流而消耗大量的功率。每过几毫秒会发生这种唤醒，因此其可有助于系统的总体功耗。

根据示例，提供了一种电流测量比较器，其测量idle模式期间的电流ids。如果该电流ids在标称电流等级idc之上，则微控制器可以提供有信号以唤醒微控制器。例如，微控制器可以经由中断被唤醒。因此，微控制器进入lccm(并且保持在lccm)直到其被开关唤醒。

这在图2中通过开关202的idle端口209来示出，端口209经由电阻器211与微控制器201的irq端口210连接。开关202确定idle模式是否结束(通过检测漏极-源极电流ids增加达到或超过标称电流idc的阈值)，并且经由从其端口209传送至微控制器201的irq端口210的信号唤醒微控制器201。

该方法具有可以进一步降低包括微控制器201和开关202的系统的电流消耗的优点，因为可以避免要求微控制器(不必要地)保持其lccm的微控制器201的频繁测量。此外，系统本身能够判定何时进入lccm。这尤其有利于如主体控制模块的应用。

图4示出了开关401的示例性电路图，其中开关401积极地测量其漏极-源极电流并在漏极-源极电流满足预定条件的情况下唤醒微控制器402。预定条件可以是以下至少之一：

-漏极-源极电流达到或超过第一阈值电流(例如，标称电流)，

-漏极-源极电流达到或低于第二阈值电流(例如，标称电流)。

漏极-源极电流具体可在电路装置的空闲模式中进行测量。开关401可以在满足预定条件的情况下触发微控制器402醒来，例如经由微控制器402的中断端口413。为此，开关可以包括端口403，该端口经由电阻器r2连接至微控制器402的中断端口413。

开关401还包括功率n沟道mosfet408，其漏极连接至开关401的端口410。mosfet408的源极连接至端口411。与mosfet408并联提供感测n沟道mosfet409：其漏极连接至端口410且其源极经由电阻器r3连接至端口411。mosfet409可以是低功率mosfet，其具有与功率mosfet408的有源面积相比更小的有源面积。因此，在功率mosfet408的漏极-源极路径两端流动的电流被镜像到mosfet409的漏极-源极路径中，并根据它们的有源面积的比率而减小。例如，如果mosfet409具有mosfet408的有源面积的1/200，则在mosfet408的漏极-源极路径两端流动的总计2a的电流使得总计2a/200＝10ma的电流流过mosfet409的漏极-源极路径。电阻器r3用作分流(或感测)电阻器，其将电流转换为该电阻器r3两端的压降。该电压被输入至比较器407。比较器的输出连接至逻辑电路405。

因此，根据电阻器r3两端的电压(即，经过该电阻器r3的电流)，比较器407向逻辑电路405提供输出信号，逻辑电路然后确定是否通过经由端口403向微控制器402的中断端口413发送唤醒信号来唤醒微控制器402。

逻辑电路405还连接至开关401的驱动器406。驱动器406的输出连接至mosfet408和409的栅极。因此，逻辑电路405能够使mosfet408和409的栅极有效或无效。此外，开关401的端口404经由电阻器r1连接至微控制器402的端口412。端口404也连接至驱动器406以使mosfet408和409的栅极有效或无效。这使得微控制器402能够使mosfet408和409有效或无效。

负载可以连接在端口411和地之间。端口410可以连接至或者可连接至电源电压(例如，电池)。

开关401的端口414可以经由电阻器r4连接至地。开关401可以有效地在不同的电源模式之间切换，其中在第一电源模式中，开关401消耗总计例如3ma的正常电流，而在第二电源模式(也称为空闲模式)中，开关401消耗例如50μa的空闲电流量。根据电阻器r3感测的电流，开关401可以进入第一电源模式或第二电源模式。

图5更详细地示出比较器407的示例性电路图。如参照图4所解释的，电阻器r3用作感测电阻器；其与mosfet409的源极的连接也称为节点502且其与端口411的连接也称为节点503。

节点502连接至p沟道mosfet504的源极，mosfet504的漏极经由电阻器rref连接至节点509。节点509连接至比较器508的第一输入，且节点509经由电流源507连接至地。

节点503连接至p沟道mosfet505的源极，mosfet505的漏极连接至节点510。节点510连接至比较器508的第二输入，并且节点510经过电流源506连接至地。

mosfet505的栅极和mosfet504的栅极连接至地。

比较器508的输出连接至端口501。

通过功率mosfet408的电流的一部分被感测mosfet409所复制。感测电流通过感测电阻器r3转换为电压。通过参考电阻器rref和电流源507生成参考电压。只要电阻器r3上的电压大于电阻器rref上的电压，比较器508就进行切换。电阻器r3和电阻器rref可以使相同的电阻器类型，以补偿或减小由于变化温度而引起的任何效应。

图6示出了微控制器和开关之间的操作的流程图。在步骤601中，微控制器开始操作。在步骤602中，微控制器接通开关。这在步骤603中反映，其示出了开关输入操作。

在步骤604中，微控制器开始通过在开关处触发感测步骤605来确定漏极-源极电流。微控制器基于步骤605中由开关提供的信息来在步骤606中确定漏极-源极电流。

在步骤607中，微控制器检查漏极-源极电流是否低于阈值(例如，20a)。如果不是，则在步骤608中通过微控制器计算熔断功能，并且其分至步骤606。如果漏极-源极电流低于阈值，则微控制器在步骤609中保持确定漏极-源极电流的模式，表示开关即将进入空闲模式并在步骤611中进入空闲模式。在步骤610中，开关获知微控制器即将进入空闲模式，并且随后在步骤612中检查漏极-源极电流是否低于阈值。在肯定的状态下，步骤612分至步骤610，并且开关保持在空闲模式。如果漏极-源极电流不低于阈值，则开关进入步骤614，在微控制器处启动中断。此外，在步骤614中，开关可以消耗减少量的功率(上述空闲电流)。因此，开关本身能够确定电源模式并消耗空闲电流(例如50μa的级别)或正常电流(例如3ma的级别)。

微控制器在步骤611中进入其空闲状态。在步骤613中，微控制器检查中断信号是否存在。如果不存在，则步骤613分至步骤611并且微控制器保持在空闲模式。如果检测到中断信号，则离开步骤613并进入步骤604。

本文建议的示例具体可基于以下至少一种解决方案。具体地，可以使用以下特征的组合以达到期望结果。方法的特征可以与器件、装置或系统的任何特征组合，反之亦然。

提供了一种器件，该器件包括：

-第一半导体开关；

-集成传感器，用于确定通过第一半导体开关的电流；

-端子，在电流满足预定条件的情况下向该端子提供信号。

注意，确定通过第一半导体开关的电流可以包括：确定与通过第一半导体开关的电流相对应的电流信号。具体地，该值可以确定为与通过第一半导体开关的电流(基本)成比例。例如，通过第一半导体开关的电流可以通过感测半导体开关来确定，感测半导体开关可以布置为基本与第一半导体开关并联。具体地，可以使用电流镜，组合第一半导体开关和感测半导体开关。

第一半导体开关可以包括至少一个晶体管。具体地，其可以包括场效应晶体管(fet)或电源fet。第一半导体开关可以朝向负载的电缆连接在电流路径中。

端子可以连接至处理设备(例如，处理器、微控制器等)，用于朝向处理设备传送信号。信号可用于从空闲状态唤醒处理。这可以通过将端子连接至处理设备的中断端口(irq端口)来实现。

在一个实施例中，在器件的空闲模式中，信号被提供给端子。

因此，器件(例如，开关)能够确定电源模式并相应地设置其电流消耗。在第一电源模式(空闲模式)中，电流可以为30μa至50μa的级别，在第二电源模式(正常模式)中，器件消耗的电流为毫安的级别。

在一个实施例中，预定条件为：电流达到或超过第一阈值电流。

在一个实施例中，预定条件为：电流达到或低于第一阈值电流。

第一阈值电流可以是标称电流。

在一个实施例中，集成传感器包括第二半导体开关。

第二半导体开关可以包括至少一个晶体管，具体为至少一个fet。第二半导体开关还可以称为感测半导体开关。

在一个实施例中，第二半导体开关被布置为提供通过第一半导体开关的电流的部分。

第一半导体开关和第二半导体开关可以布置为电流镜。在一个实施例中，第一半导体开关和第二半导体开关可以经由它们的栅极和漏极连接。第一半导体开关的源极连接至器件的一个端口，该端口连接至朝向负载的电流路径；第二半导体开关可以经过电阻器连接至该端口。此外，第一半导体开关和第二半导体开关可以布置在单个芯片上，具体地，它们可以共享相同的有源面积，而第一半导体开关比第二半导体开关具有充分大的有源面积。第一和第二半导体开关的有源面积的比率可以确定通过它们的电流。例如，在第一半导体开关和第二半导体开关是mosfet且第一半导体开关具有的有源面积大于第二半导体开关的有源面积的k倍的情况下，通过第二半导体开关的漏极-源极电流是通过第一半导体开关的漏极-源极电流的1/k。

电阻器可用作感测电阻器：这种电阻器两端的压降可用于确定信号是否被提供给端子，表示(是否)满足预定条件。

在一个实施例中，第二半导体开关和第一半导体开关被布置为电流镜，其中第一半导体开关具有的有源面积大于第二半导体开关的有源面积。

第一半导体开关的有源面积可以大于第二半导体开关的有源面积的至少5倍。

在一个实施例中，器件是集成开关元件。

该集成开关元件还可以称为受保护晶体管、受保护fet或profet。开关元件还称为开关或智能开关，这表示存在电源晶体管和一些附加的功能(具体为监控)。

在一个实施例中，该器件包括使能端子，经由该使能端子可以接通或断开第一半导体开关。

这种使能端子可用于使第一半导体开关有效或无效。驱动器可设置有该器件，其通过施加至使能端子的信号来触发。使能端子可连接至处理设备(例如，处理器、微控制器等)，用于驱动器件的第一半导体开关。

注意，(第一和/或第二)半导体开关可包括以下至少之一：

-晶体管；

-mofet；

-igbt；

-jfet；

-二极管；

-垂直元件；

-受保护fet；

-高侧开关元件；

-低侧开关元件；

-电中继。

(第一和/或第二)半导体开关可以是垂直元件，包括：

-控制端子；

-第一端子；

-第二端子；

-其中第一和第二端子经由施加至控制端子的信号而电耦合，以及

-其中控制端子和第一端子被布置在垂直元件的一侧上，并且第二端子布置在垂直元件的相反侧。

垂直元件的相反侧还可以连接至负载。第二端子可以是电子开关(具体为晶体管或igbt)的集电极。第一端子可以是发射极，并且控制端子可以对应于igbt的栅极或双极晶体管的基极。在mosfet的情况下，元件可以对应于第一端子且漏极可对应于第二端子。

在一个实施例中，该器件包括电路装置，该电路装置被布置为：

-确定电流是否满足预定条件；以及

-在电流满足预定条件的情况下，向端子提供信号。

在一个实施例中，电路装置被布置为在满足内部条件的情况下控制第一半导体开关。

器件本身经由所述电路装置例如可以在检测到高温或大电流的条件下断开第一半导体开关。此外，电路装置可以在温度达到或低于阈值的情况下(重新)激活第一半导体开关。

在一个实施例中，在汽车环境中使用该器件。

此外，提供了一种系统，其包括本文所述的器件和处理单元，其中器件的端子连接至处理单元并且从处理单元传送信号以从空闲模式唤醒处理单元。

处理单元可以是处理器或微控制器等。

在一个实施例中，处理单元能够通过基于器件提供的电流控制器件的第一半导体开关来使能熔断特性。

此外，提供了一种方法，包括：

-经由传感器确定通过第一半导体器件的电流，其中传感器和半导体器件是单个器件的部分，

-在电流满足预定条件的情况下，向处理单元提供信号，

-基于信号唤醒处理单元。

此外，提供了一种器件，包括：

-用于经由传感器确定通过第一半导体器件的电流的装置，其中传感器和半导体器件是单个器件的部分，

-用于在电流满足预定条件的情况下向处理单元提供信号的装置，

-用于基于信号唤醒处理单元的装置。

示例1.一种器件，包括：

-第一半导体开关；

-集成传感器，用于确定通过所述第一半导体开关的电流；以及

-端子，在所述电流满足预定条件的情况下向所述端子提供信号。

示例2.根据示例1所述的器件，其中在所述器件的空闲模式中，向所述端子提供所述信号。

示例3.根据示例1和2的任何组合所述的器件，其中所述预定条件为：所述电流达到或超过第一阈值电流。

示例4.根据示例1-3的任何组合所述的器件，其中所述预定条件为：所述电流达到或低于第一阈值电流。

示例5.根据示例1-4的任何组合所述的器件，其中所述集成传感器包括第二半导体开关。

示例6.根据示例5所述的器件，其中所述第二半导体开关被布置为提供通过所述第一半导体开关的电流的一部分。

示例7.根据示例5和6的任何组合所述的器件，其中所述第二半导体开关和所述第一半导体开关被布置为电流镜，其中所述第一半导体开关具有的有源面积大于所述第二半导体开关的有源面积。

示例8.根据示例1-7的任何组合所述的器件，其中所述器件是集成开关元件。

示例9.根据示例1-8的任何组合所述的器件，包括使能端子，经由所述使能端子来接通或断开所述第一半导体开关。

示例10.根据示例1-9的任何组合所述的器件，包括电路装置，所述电路装置被布置为：

-确定所述电流是否满足预定条件；以及

-在所述电流满足预定条件的情况下，向所述端子提供所述信号。

示例11.根据示例10所述的器件，其中，所述电路装置被布置为在满足内部条件的情况下控制所述第一半导体开关。

示例12.根据权利要求1-11的任何组合所述的器件，其中所述器件被用于汽车环境。

示例13.一种系统，包括：

器件，包括：

-第一半导体开关；

-集成传感器，用于确定通过所述第一半导体开关的电流；和

-端子，在所述电流满足预定条件的情况下向所述端子提供信号，以及

处理单元，其中所述器件的端子连接至所述处理单元并且从所述处理单元传送所述信号以从空闲模式唤醒所述处理单元。

示例14.根据示例13所述的系统，其中所述处理单元通过基于所述器件提供的所述电流控制所述器件的第一半导体开关来使能熔断特性。

示例15.一种方法，包括：

-经由传感器确定通过第一半导体器件的电流，其中所述传感器和所述半导体器件是单个器件的部分，

-在所述电流满足预定条件的情况下，向处理单元提供信号，以及

-基于所述信号唤醒所述处理单元。

示例16.一种方法，包括示例1-12和15的任何组合。

示例17.一种器件，包括：

-用于经由传感器确定通过第一半导体器件的电流的装置，其中所述传感器和所述半导体器件是单个器件的一部分，

-用于在所述电流满足预定条件的情况下向处理单元提供信号的装置，以及

-用于基于所述信号唤醒所述处理单元的装置。

示例18.根据示例17的器件，还包括用于执行示例1-12的任何组合的装置。

尽管公开了本发明的各个示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变和修改以实现本发明的某些优势。本领域技术人员可以明白可适当替换执行相同功能的其他部件。应该注意，参照具体附图解释的特征可以与其他附图的特征组合，即使在没有明确提到。此外，本发明的方法可以使用适当处理器指令的所有软件实施来实现，或者以利用硬件逻辑和软件逻辑的组合的混合实施来实现，从而实现相同的结果。这种对发明概念的修改被所附权利要求所覆盖。