包括短路保护的半导体器件的制作方法

包括短路保护的半导体器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包括短路保护的半导体器件。描述了一种半导体器件。根据本发明的第一示例，半导体器件包括：电子开关，配置为根据输入信号接通和关断具有电源电压的电源端和输出电路节点之间的负载电流路径。器件进一步包括：过电流检测器，配置为将代表穿过负载电流路径的负载电流的负载电流信号与过电流阈值比较并且当负载电流信号达到或超过过电流阈值时信号通知过电流。而且，器件包括：控制单元，可操作在操作的第一状态和第二状态中。控制单元配置为：当在操作的第一状态中时将过电流阈值设定到第一较高值并且当在操作的第二状态中时设定到第二较低值；并且当信号通知过电流时至少暂时关断电子开关。
【专利说明】包括短路保护的半导体器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件和用于操作这样的器件的方法的领域，具体地涉及包括故障检测能力以检测导致温度上升的故障操作状态(诸如例如短路)的功率半导体器件。
【背景技术】
[0002]半导体器件，尤其功率半导体器件诸如功率半导体开关经常包括电流和温度测量功能用于检测在其期间发生不期望的高电流或温度的故障或不期望的操作模式。这样的故障或不期望的操作模式尤其可能是过载(例如短路)或过温。
[0003]能够检测过温、过载(短路)等的功率半导体开关经常被称为“智能开关”。通常这样的智能开关包括至少一个功率晶体管(例如DMOS高侧开关)和用于每个功率晶体管的过电流检测电路，过电流检测电路将代表流过晶体管的负载电流的测量的负载电流信号与代表特定的最大电流的定义的阈值相比较。当负载电流达到或超过最大电流时，为保护器件，关断负载电流。
[0004]然而，在许多应用中，智能开关必须处理高涌入电流。例如当接通白炽灯、电动机或类似物时，情况可能是这样。涌入电流通常比最大电流高很多，但是该高涌入电流是瞬时的并且一般不引起危险的过温。然而，包括在智能开关中的过电流保护电路需要在高涌入电流和由短路引起的过电流之间区分。因为这个原因，在可能发生瞬时涌入电流的启动阶段期间，确定最大电流的阈值被设定到较高值(比在正常操作期间高)。这个启动阶段一般定义为从晶体管的接通开始的固定时间间隔(例如IOms )。当该时间间隔过去时,确定最大电流的阈值重设到较低标称值。
[0005]当检测到过电流时(即当过电流事件发生时)，可以去激活器件。也就是说，器件被锁存在负载电流被关断的非活动状态(失效状态)。然而，为了避免在启动阶段期间去激活，在过电流事件之后，器件被再激活达定义的次数(例如32次)。然而，当在启动阶段期间发生最大数量的过电流事件时，器件最终被去激活(并且不被再激活)。在启动阶段之后(即在正常操作期间)，单个过电流事件足够将器件锁存在非活动状态(失效状态)。
[0006]具有高最大电流阈值的启动阶段和具有低最大电流阈值的正常操作阶段之间的转变一般由数字实施的有限状态机(FSM)来触发。然而，当智能开关用于为负载(例如白炽灯)提供调制信号(例如脉宽调制负载电流)时产生了进一步的问题。为了使灯变暗，提供给灯的负载电流可以被例如脉宽调制以减小提供给灯的平均负载电流。结果，在已知的智能开关中，在脉宽调制(PWM)的每个循环中将开启新的启动阶段。这在定义启动阶段的时间间隔比调制信号的一个周期长时是尤其成问题的。当考虑示例时，将变得明显的是，事实上情况总是这样。使启动阶段成为在半导体开关被激活(即接通)时刻开始的例如IOms的时间间隔。此外，用200Hz的PWM载波频率使负载电流被脉宽调制，200Hz的PWM载波频率是用于使灯变暗(或控制电动机旋转速度)的通常频率。因为200Hz的PWM载波频率对应于5ms的PWM周期，所以半导体开关每5秒被激活，而启动阶段将持续10ms。在呈现的示例中，在其期间更高的负载电流阈值是有效的启动阶段将永不结束。[0007]本发明要解决的问题是提供包括半导体开关和过电流保护的半导体器件，所述过电流保护即使在半导体开关被开/关调制驱动信号驱动时也允许可靠的操作。

【发明内容】

[0008]由权利要求1的半导体器件来解决上面提到的问题。发明构思的各个实施例和进一步的发展被独立权利要求所覆盖。
[0009]根据本发明的第一示例描述了一种半导体器件，半导体器件包括电子开关，电子开关配置为根据输入信号接通和关断具有电源电压的电源端和输出电路节点之间的负载电流路径。器件进一步包括过电流检测器，过电流检测器配置为将代表穿过负载电流路径的负载电流的负载电流信号与过电流阈值比较并且当负载电流信号达到或超过过电流阈值时信号通知过电流。而且，器件包括控制单元，控制单元在操作的第一状态和第二状态中是可操作的。控制单元配置为当在操作的第一状态中时将过电流阈值设定到第一较高值并且当在操作的第二状态中时将过电流阈值设定到第二较低值，以及当信号通知过电流时至少暂时关断电子开关。当第一预定义时间间隔已经过去时，引起从操作的第一状态到操作的第二状态的改变；以及当电子开关关断达多于第二预定义时间间隔时，引起从操作的第二状态到操作的第一状态的改变。
[0010]本发明的进一步的方面涉及一种用于使用状态机控制电子开关以激活或去激活电源端和输出电路节点之间的负载电流路径的方法。状态机可以至少操作在操作的第一状态、第二状态、和第三状态中。监视穿过负载电流路径的负载电流，并且当负载电流达到或超过可调整的过电流阈值时信号通知过电流。当在第一状态中时过电流阈值被设定到较高的第一值以及当在第二状态中时被设定到较低的第二值。根据输入信号生成控制信号以激活和去激活电子开关。然而，当信号通知过电流时去激活电子开关并且在消隐时间之后再激活电子开关，除非计数器指示已经检测到过电流达预设的最大数量次。该预设的最大数量在第一状态中比在第二状态中高。而且，当已经检测到最大数量的过电流事件或另一个有关安全的准则被满足时去激活电子开关并且触发到第三状态的改变。维持第三状态直到接收到重设命令。当特定的时间间隔已经过去时，触发从第一状态到第二状态的改变。而且当电子开关已经关断达至少最小关断时间时或当在第二或第三状态中最小时间间隔已经过去时，触发从第二状态到第一状态的改变。当接收到重设命令时，触发从第三状态到第二状态的改变。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]参考后面的附图和描述能更好地理解各个实施例。图中的部件不一定按比例，相反重点放在图示本发明的原理。而且，在图中，同样的参考数字指定对应的部分。在附图中:
图1图示包括过电流保护的智能开关的基本结构；
图2图示控制图1的智能开关操作的有限状态机；
图3包括用于图示在图2的状态机中发生的有关信号的定时图；
图4图示根据本发明的一个示例的简化状态机；
图5包括用于图示在第一示范情况中在图4的状态机中发生的有关信号的定时图； 图6包括用于图示在第二示范情况中在图5的状态机中发生的有关信号的定时图；以
及
图7更详细地图示图4的状态机。
【具体实施方式】
[0012]如在介绍性部分中讨论的，在激活流过所考虑的半导体器件的负载电流之后高涌入电流可以发生。半导体器件可以包括例如控制负载(例如灯)的开关状态的功率晶体管(例如DMOS η沟道高侧晶体管)。当接通冷白炽灯时，涌入电流(通常称为负载电流可能是在跟随启动阶段的正常操作期间流过负载的标称负载电流的倍数。可能发生的是，在接通灯之后不久，流过晶体管的负载电流路径的负载电流上升到特定限制(即预定义的过电流阈值)以上，这对于较长的时间段将是不可接受的，因为这样的高电流可能导致不期望的器件退化或甚至导致器件的热损坏。
[0013]作为示例，图1图示所谓的智能开关10的基本结构。应当注意的是图示不是穷举的，因为仅示出了对进一步讨论有关的那些部件。智能开关一般包括布置在一个芯片封装内的一个或多个半导体芯片。半导体开关T1 (例如高侧η沟道DMOS晶体管)集成在硅芯片中，其中负载电流路径(即在MOS晶体管情况中的漏-源电流)连接在电源端SUP和输出端OUT1之间。电源端SUP—般与芯片封装的电源管脚连接，芯片封装的电源管脚经由电源线被供给电源电压\。输出端OUT1 —般与芯片封装的输出管脚连接，并且电负载Z1 (例如灯)可以连接在输出管脚和例如地电势GND之间。智能开关可以具有多个输出通道，其中为每个通道提供一个半导体开关和一个对应的输出管脚。为了清楚和简单的图示，在这里讨论的示例仅示出了具有单个通道的智能开关。
[0014]栅驱动器11耦合到功率晶体管T1的控制电极(例如在MOS晶体管情况中的栅电极)并且根据供给到栅驱动器11的相应的控制信号Sm生成驱动信号Ve (例如栅电流或栅电压)。在本示例中驱动信号适合于当控制信号Sm是“I”(即高逻辑电平)时接通功率晶体管T1并且当控制信号Sm是“O”(即低逻辑电平)时关断功率晶体管！\。然而，依赖于应用，逻辑电平可以相反。
[0015]智能开关10包括与功率晶体管T1相关联的过电流检测器，过电流检测器被配置为检测流过功率晶体管T1的负载电流k是否超过特定的最大电流。在本示例中，过电流检测器包括:配置为提供电流测量信号Sc (代表负载电流D的电流测量电路14 ;和比较器15，比较器15接收电流测量信号Sc和确定最大电流的过电流阈值Sth作为输入信号，并且配置为比较输入信号以及生成过电流信号Sre。过电流信号OC指示电流测量信号Sc是否比过电流阈值Sth高(如果S。〉Sth，则OC=I，否则OC=O)。过电流信号OC可以是二进制信号，其中例如高逻辑电平可以指示过电流。在简单的实施方式中，电流测量电路可以是串联耦合到相应晶体管T1的负载电流路径的单个电流测量电阻器。然而，可以使用更复杂的电流测量电路。例如，功率晶体管T1可以具有耦合到其的所谓的感测晶体管，感测晶体管允许在分离的测量电流路径中的电流测量。然而，这些和其它的电流测量电路本身在本领域中是已知的并且因此在这里不进一步讨论。
[0016]可以提供控制逻辑电路12用于控制晶体管T1的开关行为。控制逻辑电路12接收输入信号IN1并且尤其是依赖于输入信号IN1和过电流信号(Stx;)生成对应的控制信号SQN1。在正常操作期间，控制信号Sm等于1&(即Sm=IN1X在多通道智能开关的情况中，为每个通道提供输入信号和相应的控制信号以及过电流信号。可以使用分立的逻辑电路部件(诸如计时器、计数器、门、比较器等)来形成控制逻辑12。可替代地，微控制器可以用于执行适合于实行相同功能的软件。此外，可以部分地使用分立的电路部件并且部分地使用微控制器来实施控制逻辑12。控制逻辑12的功能可以被实施为下面参考图2描述的有限状态机(FSM)0
[0017]当半导体器件(在本示例中智能开关)被通电时，即当施加到电源端SUP的电源电压Vs上升到最小电平以上时，有限状态机以状态Xtl开始，在状态Xtl中负载电流k被关断并且所有计时器和计数器被重设到适合的初始值。状态Xtl可以视为“待机状态”，其中功率开关正在“等待”并且准备被接通。
[0018]当输入信号IN1指示负载电流k要被接通时，则有限状态机改变到可以视为代表启动阶段的“启动状态”的状态X1，在该状态期间可以发生高涌入电流。同时，对应的控制信号Swi被设定到适合于接通晶体管T1的逻辑电平(例如Sm=I)并且开始计时器(计时器值TQN)。最迟当计时器值Tqn指示预定义的时间间隔(例如IOms)已经过去时，启动阶段将结束。在状态X1中过电流阈值Sth被设定到第一可比较高阈值(STH=SHI)。当过电流信号Sre指示过电流时，则有限状态机改变到状态X3，在状态X3中过电流计数器counV递增。当(在递增过电流计数器countQC之后)由计数器count。。指示的过电流事件的数量比最大数量小(count0C<max0C)时，则在固定的延迟时间(消隐时间，例如100 μ s)之后有限状态机后退到状态Xi。否则(即当已经检测到过电流事件的最大数量时)，有限状态机改变到失效状态X4并且因此例如通过设定Sm=O最终关断负载电流。
[0019]如上面提到的， 在启动时段期间，涌入电流可以触发若干次过电流事件，并且因此有限状态机将在状态X1和状态X3之间切换除非达到过电流事件的最大数量Hiaxre (例如maX(K=32)。如果负载是白炽灯，有限状态机可以在状态X1和X3之间切换例如15次并且然后保持在状态X1中直到计时器值I?指示定义启动阶段的预设定的时间间隔结束。然后有限状态机改变到状态X2并且过电流阈值Sth被设定到第二较低阈值(Sth=Suj)15该状态X2代表智能开关的正常操作。有限状态机将保持在这个状态中直到输入信号IN1指示负载电流要被关断(例如IN1=O)或者(然而，使用较低阈值)检测到过电流。在第一种情况中，有限状态机后退到状态Xtl (导致所有计时器和计数器重设)并且在第二种情况中，有限状态改变到失效状态X4而不允许任何切换。一旦在失效状态X4中，就需要外部重设命令或新的通电以使状态机恢复到状态
[0020]再次参考图1，智能开关10进一步包括总线接口 13，总线接口 13经由通信线耦合到控制逻辑12 (状态机)用于在控制逻辑12和总线接口 13之间交换数据。通常，总线接口 13配置为从外部总线转发数据或转发数据到外部总线，所述外部总线例如串行总线，诸如标准化SPI总线(串行外围接口总线)。在本示例中总线接口 13是串行外围接口(SPI)，其连接到外部芯片封装管脚S1、SO、SCLK, CS用于连接到例如外部总线主控器件。可以经由SI (SI=串行输入)管脚接收串行数据，然而经由SO (SO=串行输出)管脚发送串行数据。经由通过SCLK管脚(SCLK=串行时钟)接收的时钟信号时控串行总线通信。最后，经由所谓的芯片选择信号可以激活和去激活总线接口 13，可以经由CS管脚(CS=芯片选择)接收所述芯片选择信号。因为串行外围接口本身是已知的，这里没有进一步讨论关于总线接口的细节。在控制逻辑12内发生的任何数据或信号可以被数字化并经由总线接口 13发送到外部总线主控器件。应当注意的是不同的总线系统可以具有不同的管脚数量并且可以使用不同的信号用于数据传输。
[0021]参考在图3中描绘的定时图进一步讨论参考图2描述的状态机的功能。上图图示当负载被短路时可以用于生成例如脉宽调制的负载电流的输入信号IN1的波形。在输入信号IN1中的从低电平到高电平的转变触发功率晶体管T1的接通。状态机从待机状态Xtl改变到启动状态由于短路，负载电流迅速上升并且引起过电流事件(0C=1)。状态机暂时改变到状态X3,去激活负载电流流动，递增过电流事件计数器county并且在延迟时间TWAn(Twait=IOO μ s)之后后退到状态X1，从而再激活负载电流流动。负载电流的再激活触发下一个过电流事件并且循环重新开始。当输入信号IN1的工作循环结束并且输入信号IN1重设到低电平(这引起状态机改变到待机状态Xtl)时，该切换停止。在待机状态中重设过电流事件计数器count.在本示例中，脉宽调制的输入信号IN1的工作循环如此短以致即使在短路情况中也将永不达到过电流事件的最大数量maX()。。结果，状态机将永不落入失效状态X4并且开关的过热可以成为可能。
[0022]通常，在每个PWM周期中开关的去激活必需重设对在启动阶段期间所观察的过电流事件计数的计数器。此外，开关的每个去激活必需重设测量是否定义启动阶段的时间间隔已经过去的计时器Tw。因此，状态机永不达到正常操作(状态x2)。为了缓解或解决这个问题，需要改进的状态机。
[0023]根据本发明的一个示例，如在图1中图示的智能开关包括控制逻辑电路12，其根据图4的图示实施状态机。与图2的示范状态机相比较，图4中的图示已经关于功率半导体开关的接通/关断切换被简化了。在图4中描绘的状态(标记A、B和C)改为指代通常状态，在通常状态中开关操作遵循特定的规则。由图4的有限状态机实施的功能在下面用通常的术语描述并且随后使用图5和6的定时图讨论一些特定的示例。
[0024]一旦智能开关与电源电压耦合，有限状态机就开始于启动状态A。最初重设所有计时器和计数器。在状态A中，当输入信号在低电平(IN1=O)时，去激活负载电流流动(即晶体管T1被关断，见图1的示例)。相反地，当输入信号改变到高电平(IN1=I)时，激活负载电流流动(即晶体管T1被接通，见图1的示例)。第一计时器测量功率晶体管T1活动所在期间的时间(接通时间Ton)。当晶体管T1被接通时，重设测量功率晶体管关断时间(关断时间Tqff)的第二计时器。在启动状态A中，输入信号IN1可以根据提供特定工作循环的调制方案被规则地接通和关断。例如，在输入信号IN1中可以用恒定PWM载波频率进行脉宽调制。在启动状态A中过电流事件不立即导致最终的器件去激活，而是允许定义数量的“重试”。当已经观察到最大数量的过电流事件时器件仅锁存在失效状态(状态C)。这个行为对应于参考图2描述的状态机的行为。此外，当在半导体器件中测量的温度(或温度梯度)超过特定的最大值时开启过温关闭。综上，当下面准则之一被满足时，启动状态A结束:
-接通时间Ton达到特定的限制Tmmax (即当接通时间Tw已经过去时)，
-已经观察到最大数量的过电流事件(countofmax。。)，
-过温关闭被触发。
[0025]在第一种情况中，有限状态机改变到状态B (正常操作)，然而在第二种和第三种情况中，有限状态机被锁存在失效状态。[0026]当进入状态B (正常操作)时重设测量接通时间Ton的第一计时器。此外，功率晶体管T1的PWM开关操作可以如在启动状态中一样继续。然而，单个过电流事件(OC=I)足够将状态机锁存在失效状态(状态C)。如在先前的示例中一样，在正常操作期间，过电流阈值比在启动状态A中低。过温也导致功率晶体管T1的去激活以及状态机到失效状态C中的转变。在状态B (正常操作)期间，每次负载电流被激活(即IN1切换到IN1=I)时重设测量关断时间Ttw的第二计时器。第二计时器(关断时间Ttw)仅在功率晶体管关断(IN1=O)时运行。当关断时间Ttw超过特定的最小关断时间Ttwmin时(即当T-〉!',.时)，则有限状态机再次改变到启动状态A并且功率晶体管T1的下一个激活将开启在其期间可以发生高涌入电流的新的启动阶段。代替测量在其期间功率晶体管T1被关断的时间Ttw，可以测量时间间隔Ttw,其代表从状态机已经离开第一状态A起的时间，即从启动阶段的结束(并进入第二或第三状态)起已经经过的时间间隔。当时间间隔超过预定义的最小时间Ttwmin’时将开启新的启动阶段。可以例如通过经由串行总线(SPI总线)发送适合的命令来配置使用哪一个替代方案(最小关断时间Ttwniin或最小时间间隔Ttwniin')。
[0027]在图4的示例中的第三状态C是已经提到的失效状态C。在该状态中不管输入信号IN1的电平如何，功率晶体管T1维持在非活动状态(SW1=0)。也就是说，输入信号IN1被消隐并且不转发到功率晶体管T1的栅驱动器11。然而，第二计时器Ttw测量在该状态期间的关断时间Τ_。智能开关被锁存在该失效状态C直到由状态机(即由控制逻辑电路12)接收到(外部)重设命令。该“重设命令”可以是单个比特二进制信号，其可以在通过外部串行总线接口 13 (见图1)接收对应的命令时被设定为适合的逻辑电平。重设信号有时也称为“清除信号”。当接收到重设命令时，状态机改变到状态B。同时，当测量的关断时间Ttw比最小关断时间Ttwmin大时，状态机改变到启动状态并且功率晶体管T1的下一个激活将开启在其期间可以发生高涌入电流的新的启动阶段。如果没有达到最小关断时间Ttwmin，状态机保持在状态B (正常操作)。通常，最小关断时间TQFFmin是可比较地长，例如TQFFmin=200ms，并且在输入信号IN1是开/关调制的信号例如PWM信号的情况下至少是输入信号IN1的开关周期的10倍。然而，最小关断 时间Ttwmin应该足够长以允许电子开关冷却到指定的温度或指定的温度以下。
[0028]现在将通过更具体的示例进一步图示上面描述的状态机的通常功能。图5的定时图图示当连接到智能开关的负载被短路时图4的状态机的行为。图5的顶部定时图图示开/关调制的输入信号巩。初始，开关操作在状态A (启动状态)开始。从IN1=O到IN1=I的第一转变(在时间h)开始测量接通时间Tw的第一计时器。在时刻h和h之间输入信号IN1处在高电平(IN1=I)并且因此状态机试图接通功率晶体管1\。响应于晶体管T1的接通，负载电流立即上升直到测量的负载电流信号Sc达到(高)过电流阈值STH=SHI。这在图5的中部定时图中图示。底部图图示计数器值county其对观察到的过电流事件计数。在输入信号IN1的第一工作循环(时间间隔期间，检测到三个过电流事件。就在引起第四过电流事件之前输入信号改变到IN1=CL在时刻h和t2之间功率晶体管关断并且上面提到的第二计时器测量关断时间Τ_。因为时间间隔Τ_?=?4-?3比最小关断时间Ttwniin小，计数器county不被重设并且在检测到在输入信号IN1的后面的工作循环期间发生的过电流事件时被进一步递增。在第三工作循环的结束，计数器county；指示9个过电流事件。输入信号的后面的关断期间Ttw=V-t5比最小关断时间Ttwmin长并且因此用输入信号从IN1=O到IN1=I的下一个转变来开启“新的”启动阶段。计数器county被重设并且在检测到下一个过电流事件时从O到Countre=I被递增。能够看到，与图3的示例相反,负载电流的去激活不自动地重设计数器county；。计数器county；仅当负载电流非活动达至少最小关断时间Toff时被重设，由此最小关断时间可以可比较地长，例如Τ_=200π?8。
[0029]图6的示例图示了图4的状态机由于过电流计数器达到检测到的过电流事件的最大数量maxo。而从启动状态A转变到失效状态C中以及由于重设命令而进一步转变到状态B(正常操作)。图6的第一(从顶部到底部计数)定时图图示开/关调制的输入信号IN115第二定时图图示针对短路负载的对应的测量的负载电流信号S。。第三图图示过电流事件计数器county的值。第四图图示重设信号，并且第五图(底部)图示其中状态机根据图4的状态图操作的状态(启动、正常操作、或失效)。初始，开关操作在状态A (启动状态)中开始。从IN1=O到IN1=I的第一转变(在时间O开始测量接通时间Tw的第一计时器。在时刻tQ和h之间输入信号IN1处在高电平(IN1=I)并且因此状态机试图接通功率晶体管1\。响应于晶体管T1的接通，负载电流立即上升直到测量的负载电流信号Sc达到(高)过电流阈值STH=SHI。在例如100 μ s的短延迟Twait之后，状态机试图再次接通晶体管T1，其引起另一个过电流事件。同样地，所观察的过电流事件的数量在输入信号IN1的后面的工作循环期间增加直到例如第32个过电流事件(在时间Tre发生)触发有限状态机转变到失效状态C并且最终关断功率晶体管1\。当在失效状态C中时输入信号IN1被忽略。然而，第二计时器测量功率晶体管被关断的关断时间Τ_。在时间tKES接收到重设信号。如在时间tKES那样，测量的关断时间没有达到值Ttwmin (即Ttw(Ttwmin),状态机改变到状态B (正常操作)而不进一步改变到启动状态A。在时间t5，测量的关断时间Ttw等于最小关断时间(即Ttw=Ttwmin)并且因此状态机再次改变到启动状态A并且在时间&’晶体管T1的下一个激活将允许负载电流上升达到高电流阈值，该高电流阈值在引起下一个过电流事件之前在启动状态中是适用的。
[0030]在一些应用中，重设命令以规则的间隔发送。因为在每个重设之后在启动阶段(见图2，状态X1)中状态 机被重启，如图2中图示的状态机可能导致智能开关过热。然而图4的示范状态机将防止转变到启动状态(见图4，状态A)除非最小关断时间Ttwmin已经过去。即使在状态机被以规则的时间间隔外部地重设的情况中，这也防止状态机永久操作在其中适用高电流阈值Sth=Shi的启动状态中。
[0031]图7图示在图4中示出的状态机的另一个更详细的示例。在本示例中，其中功率晶体管状态被关断的状态被图示为分离的状态，即关断状态X。。当通电之后进入状态Xtl达第一时间时，用比Ttwmin大的值初始化时间τ_。可替代地，能以别的方式(例如使用标记)确保的是当通电之后输入信号IN1改变到高电平达第一时间时智能开关首先开始于启动模式。而且，一旦通电之后，测量接通时间Tm的第一计时器就重设到O。通常，当输入信号改变到高电平(IN1=I)时以及当开关已经关断达比最小关断时间Ttwmin长(TtwXTtwmin)时，状态机改变到(活动的)启动状态Xp当输入信号IN1返回到低电平时，则状态机后退到关断状态状态机可以在状态Xtl和状态X1之间切换若干次直到第一计时器指示最大接通时间I?已经过去。应当注意的是在重设计时器之后当栅驱动器试图接通晶体管T1时(例如当控制信号Sm设定到高电平时)开始第一计时器(并且测量Tw)。当最大接通时间Tm已经过去时(即当TwXTwniax时)，状态机改变到状态X2 (正常操作)。如在先前的示例中那样，单个过电流事件足够使状态机进入失效状态X4，然而当状态机在状态X1中时，需要过电流事件的数量maX(K以完成相同的结果。而且，在状态X2中过电流阈值较低(Sth=SujX在任何状态中，单个过温事件足够使状态机进入失效状态X4。
[0032]状态机被锁存在失效状态X4直到接收到重设或清除信号。如上面在先前的示例中提到的，功率晶体管的关断时间由第二计时器Ttw测量并且因此如果IN1=I,当
时接收的重设信号将使状态机经由状态Xtl进入状态X2(正常操作)。通常，在最小关断时间T0FFfflin已经过去之前，不允许状态机再次改变到启动模式。
[0033]下面总结上面描述的示范示例的一些重要的通常方面。然而，下面内容不认为是完全的或穷举的。因此，在这里描述的半导体器件包括电子开关，电子开关配置为根据输入信号IN1接通和关断被供给电源电压Vs的电源端SUP和输出电路节点OUT1之间的负载电流路径。半导体器件进一步包括过电流检测器(电流测量电路14，比较器15)，过电流检测器配置为将代表穿过负载电流路径的负载电流L的负载电流信号S。与过电流阈值Sth比较并且当负载电流信号Sc达到或超过过电流阈值Sth时信号通知过电流Sre。控制单元在操作的第一状态A (启动阶段)和第二状态B (正常操作)中是可操作的并且配置为:根据输入信号IN1生成控制信号5?以接通和关断电子开关!\ ;当在操作的第一状态A中时将过电流阈值Sth设定到第一较高值(Sth=Shi)并且当在操作的第二状态B中时将过电流阈值Sth设定到第二较低值(Sth=Sm);当信号通 知过电流时至少暂时关断电子开关；当第一预定义时间间隔Twmax已经过去时，从操作的第一状态A改变到操作的第二状态B ;以及当电子开关关断达多于第二预定义时间间隔Ttwniin时从操作的第二状态B改变到操作的第一状态A。具体地说，最小关断时间的引入禁止器件“陷入”具有高电流阈值的操作的第一状态(启动阶段)。
[0034]在操作的第三状态C (失效模式)中控制单元可以进一步是可操作的。控制单元可以配置为当预定义的有关安全的准则被满足时改变到操作的第三状态C。在这个状态中生成控制信号Smi以关断电子开关!\。在接收到重设命令之前不触发从操作的第三状态C到第二状态B (失效模式到正常操作)的改变。
[0035]本发明的进一步的方面涉及用于控制电子开关T1以激活或去激活电源端SUP和输出电路节点OUT1之间的负载电流路径的方法。采用可以至少操作在操作的第一状态(启动阶段)、第二状态(正常操作)和第三状态(失效模式)的状态机。监视穿过负载电流路径的负载电流L并且当负载电流达到或超过过电流阈值Sth时信号通知过电流(例如通过设定标记Sre=l)。过电流阈值是可调的并且当在第一状态(启动阶段)中时能被设定到较高的第一值以及当在第二状态(正常操作)中时能被设定到较低的第二值。根据输入信号IN1生成控制信号Sm以(经由栅驱动器11)激活和去激活电子开关！\。然而，当信号通知过电流时电子开关被去激活并且在消隐时间Twait之后被再激活除非计数器county指示已经检测到过电流达预设的最大数量max。。次(例如count。。^ max。。)。该预设的最大数量max。。在第一状态A (例如maxQe=32)中比在第二状态(例如maxQe=l)中高。而且，当已经检测到最大数量的过电流事件或另一个有关安全的准则被满足时(例如超过最大芯片温度)电子开关被去激活并且触发到第三状态(失效模式)的改变。维持第三状态C直到(例如经由串行总线接口)接收到重设命令。当特定的时间间隔Twmax已经过去时，触发从第一状态A到第二状态B(启动阶段到正常操作)的改变。而且，当电子开关已经关断达至少最小关断时间Ttwmin时，触发从第二状态B到第一状态A (正常操作到启动阶段)的改变。当接收到重设命令时，触发从第三状态(失效模式)到第二状态的改变。[0036]尽管已经公开了各个示范示例，对于本领域的技术人员将显而易见的是，根据各个实施例的特定的实施方式并且在不脱离本发明精神和范围的情况下能够进行改变和修改。对于本领域的一般技术人员将明显的是，执行相同功能的其它部件可以适当地代替。具体地说，信号处理功能可以在时域或频域中执行同时完成实质上相等的结果。应当提到的是，即使没有明确提到，参考特定的图解释的特征也可以与其它图的特征组合。此外，本发明的方法可以用下面任一方式完成:使用适合的处理器指令的全软件实施、或利用硬件逻辑和软件逻辑的组合以完成相同结果的混合实施。对构思的这样的修改意图被所附的权利要求所覆盖。
【权利要求】
1.一种半导体器件，包括: 电子开关(T1),电子开关(T1)配置为根据输入信号(IN1)接通和关断具有电源电压(Vs)的电源端和输出电路节点(OUT1)之间的负载电流路径； 过电流检测器(14、15)，过电流检测器配置为将代表穿过负载电流路径的负载电流(iL)的负载电流信号(S。)与过电流阈值(Sth)比较并且当负载电流信号(S。)达到或超过过电流阈值(Sth)时信号通知过电流(Sqc)； 控制单元(12)，控制单元在操作的第一状态(A)和第二状态(B)中是能操作的并且配置为: 根据输入信号(IN1)生成控制信号(Sqni)以接通和关断电子开关(T1)； 当在操作的第一状态中时将过电流阈值(Sth)设定到第一较高值(Shi)并且当在操作的第二状态中时将过电流阈值(Sth)设定到第二较低值(Suj)； 当信号通知过电流时至少暂时关断电子开关； 当第一预定义时间间隔(Twmax)已经过去时，从操作的第一状态改变到操作的第二状态；以及 当电子开关关断达多于第二预定义时间间隔(Ttwmin)时或当从离开第一状态起预定义的最小时间间隔已经过去时从操作的第二状态改变到操作的第一状态。
2.根据权利要求 1的半导体器件，其中控制单元进一步在操作的第三状态(C)中是能操作的并且配置为: 当预定义的有关安全的准则被满足时改变到操作的第三状态(C); 生成控制信号(Sm)以关断电子开关(T1);以及 当接收到重设命令时从操作的第三状态(C )改变到操作的第二状态(B )。
3.根据权利要求2的半导体器件，其中预定义的有关安全的准则是后面中的一个或多个:信号通知过电流达预设的最大数量(Hiaxre)次；半导体器件的温度超过预定义的最大温度， 其中预设的最大数量(Hiaxre)在不同的操作状态(A、B)中是不同的。
4.根据权利要求1-3之一的半导体器件，包括配置为测量电子开关的关断时间(Ttw)的第一计时器，每次激活电子开关(T1)时所述计时器被重设并且仅在电子开关关断时主动测量时间。
5.根据权利要求1-4之一的半导体器件，包括配置为测量接通时间(Tm)的第二计时器，在控制单元(12)改变到操作的第一状态(A)之前或当控制单元(12)改变到操作的第一状态(A)时所述计时器被重设并且仅在控制单元(12)处在操作的第一状态(A)中时主动测量时间。
6.根据权利要求1-5之一的半导体器件，其中在操作的第一状态(A)中，控制单元(12)配置为: 计数由过电流检测器(14、15)信号通知过电流的次数(Countre)并且 当信号通知过电流时，去激活电子开关，以及 在消隐时间(Twait)之后再激活电子开关，除非所计数的过电流事件数量(Countre)已经达到最大数量(max。。)。
7.根据权利要求6的半导体器件，其中在操作的第一状态中和第二状态中最大数量(maxoc)是不同的。
8.根据权利要求1-7之一的半导体器件，进一步包括:串行总线接口，耦合到控制单元(12)并且配置为实现控制逻辑电路(12)和外部器件之间的数据交换。
9.根据权利要求1-7之一的半导体器件，其中控制单元(12)配置为根据输入信号(IN1)生成控制信号(Sm)以激活和去激活电子开关(T1),控制信号(Sm)经由生成对应于控制信号(Swi)的驱动信号(Se)的驱动器电路(11)被供给到电子开关(T1)的控制电极以驱动电子开关(T1)接通和关断。
10.一种用于使用状态机来控制电子开关(T1)以激活或去激活电源端(SUP)和输出电路节点(OUT1)之间的负载电流路径的方法，所述状态机至少具有操作的第一状态(A)、第二状态(B)和第二状态(C);所述方法包括: 监视穿过负载电流路径的负载电流(^，并且当负载电流达到或超过可调整的过电流阈值(Sth)时信号通知过电流，其中当在第一状态(A)中时过电流阈值被设定到较高的第一值(Shi)以及当在第二状态(B)中时被设定到较低的第二值(Sm)； 根据输入信号(IN1)生成控制信号(Sm)以激活和去激活电子开关； 当信号通知过电流时去激活电子开关(T1)并且在消隐时间(Twait)之后再激活电子开关(T1),除非计数器(count。。)指示已经检测到过电流达预设的最大数量(max。。)次，其中最大数量(Hiaxtje)在第一状态(A)中比在第二状态(B)中高； 当已经检测到最大数量的过电流事件或另一个有关安全的准则被满足时去激活电子开关(T1)并且改变到第三状态(C)，直到接收到重设命令； 当特定的时间间隔(Twmax)已经过去时，从第一状态(A)改变到第二状态(B)； 当电子开关(T1)已经关断达至少最小关断时间(Ttwmin)时或当从离开第一状态起预定义的最小时间间隔已经过去时，从第二状态(B)改变到第一状态(A)； 当接收到重设命令时，从第三状态(C)改变到第二状态(B)。
11.根据权利要求10的方法，其中预定义的有关安全的准则尤其是:半导体器件的温度超过预定义的最大温度。
12.根据权利要求10或11的方法，进一步包括为了确定何时特定的时间(Tm)间隔已经过去: 在进入第一状态(A)之前重设第二计时器(Tqn)； 当在第一状态(A)中的同时电子开关(T1)被激活时开始第二计时器因此测量接通时间(Ton)； 将测量时间与最大接通时间(Teilin)相比较并且当测量时间等于或超过最大接通时间(Twmin)时信号通知。
13.根据权利要求10-12之一的方法，其中输入信号(IN1)是具有开关周期和工作循环的开/关调制信号，并且其中最小关断时间(Ttwmin)或预定义的最小时间间隔分别地是输入信号的一个开关周期的至少10倍。
14.根据权利要求10-12之一的方法，其中最小关断时间(Ttwmin)足够长以允许电子开关冷却到指定的温度。
【文档编号】H02H3/08GK104009445SQ201310427097
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2012年9月20日
【发明者】F.科蒂贾尼, A.德西科 申请人:英飞凌科技股份有限公司