用于对电子开关进行过电流保护的方法和装置与流程

本发明涉及用于例如在机动车辆中对电子开关进行过电流保护的方法和装置，以及涉及用于执行所述方法的计算机程序。

背景技术：

在机动车辆中，大多使用晶体管、例如双极型晶体管或mosfet晶体管（金属氧化物半导体场效应晶体管）作为开关，用于操控负载、例如阀门、喷射器或执行元件。对这样的开关的操控大多经由微控制器或控制设备进行。对于机动车辆的无错误运行非常重要的是，保护这样的开关免受过电流和从而免受所引起的缺陷。

例如由us2015/0123629a1已知用于场效应晶体管的过电流保护。为此目的，确定mosfet的电压、例如漏极源极电压降。如果所确定的电压达到参考值，那么输出过电流信号，并且接着切断mosfet。

技术实现要素：

按照本发明，建议具有独立专利权利要求的特征的用于（例如在机动车辆中）对电子开关、尤其半导体开关进行过电流保护的方法和装置以及用于执行所述方法的计算机程序。有利的扩展方案是从属权利要求以及随后的描述的主题。

用于过电流保护的装置尤其在硬件技术上和/或在程序技术上被设立用于，执行按照本发明的方法的优选的实施方式。从随后的描述中以类似的方式得出用于过电流保护的所述方法以及所述装置的扩展方案。

适宜地，晶体管、尤其双极型晶体管或mosfet晶体管被用作电子开关，并且在本发明的范围中被保护免受过电流。借助于开关，在运行中尤其操控负载，以机动车辆为例，例如阀门、喷射器或执行元件。电子开关尤其由微控制器操控、也即接通和关断。微控制器可以集成到（机动车辆的）控制设备中、例如集成在电动机控制设备中。

本发明的核心是，使用所谓的全局时间管理模块作为信号处理模块用于对尤其构造为晶体管的开关进行过电流保护。这样的全局时间管理模块以名称“全局定时器模块（globaltimermodule）”或“通用定时器模块（generictimermodule）”（gtm）由申请人销售。这样的全局时间管理模块（在下文中也称作gtm）尤其可以被理解为计时器模块或时间管理模块，借助于所述计时器模块或时间管理模块，不仅可以基于硬件地而且可以基于软件地执行信号处理。

为了处理输入信号，所述gtm具有特殊的硬件模块以及计算核心或处理器核心、例如所谓的risc核心（精简指令集计算（reducedinstructionsetcomputing））和/或可编程状态机（zustandsmaschinen）。在本发明的范围内所使用的gtm模块至少包括以下硬件模块：路由单元（高级路由单元（advancedroutingunit、aru））、输入模块（所谓的定时器输入模块（timerinputmodule、tim））、多通道定序器模块（所谓的多通道定序器（multichannelsequencer、mcs））和输出模块（所谓的高级定时器输出模块（advancedtimeroutputmodule、atom））。一方面，输入模块tim和多通道定序器模块mcs经由路由单元以数据传输方式彼此连接，并且另一方面，多通道定序器模块mcs和输出模块atom经由路由单元同样以数据传输方式连接。

输入模块tim尤其被设置为用于接收信号的模块。tim为此目的例如可以与信号处理模块的输入引脚或反馈引脚连接。

输出模块atom适宜地被设置为用于发出信号的模块。电子开关尤其可以通过所发出的信号相应地被操控。atom适宜地具有输出引脚，相应的信号可以经由所述输出引脚被发出给与gtm连接的组件。

多通道定序器模块mcs尤其被设置为数据处理模块，所述数据处理模块进一步处理输入模块tim的信息，并且将相应的结果转发给atom。为此目的，mcs尤其可以具有处理器核心、适宜地risc核心以及具有存储单元、例如ram存储器或闪存（flash）存储器。由于gtm的模块化结构，多通道定序器模块mcs尤其不具有至输入引脚或输出引脚的直接连接。输入模块或者输出模块分别用作在引脚和mcs之间的传送器（vermittler）。

路由单元aru被设置用于gtm的各个模块彼此间通信或者传输数据。为此目的，路由单元aru执行与该路由单元aru以数据传输方式连接的模块、也即输入模块tim、多通道定序器模块mcs和输出模块atom的仲裁。在所述仲裁过程中，路由单元aru管理：各个模块什么时候可以彼此通信以及交换数据。适宜地，路由单元允许与该路由单元连接的各个模块相继地以确定的顺序传输数据。通过路由单元aru使gtm的各个模块灵活地并且可配置地彼此连接，并且实现gtm的各个模块的并行工作方式，由此高数量的要求可以在短时间之内被满足（bedient）。尤其通过由aru执行的仲裁可以保证各个模块以用于传输消息的最大等待时间进行确定性通信。

对于全局时间管理模块gtm的更详细的阐述，应在这一点上参考申请人的公开文献de102010003530a1，所述公开文献一般而言描述称作“定时器模块”的gtm。

在本方法的范围中，由测量单元确定开关的电参量，并且与阈值比较。如果电参量达到或超过阈值，那么由测量单元产生信号，并且作为输入信号传送给构造为全局时间管理模块gtm的信号处理模块。测量单元可以优选地被构造为比较器或比较元件。

输入信号在信号处理模块中由输入模块接收，接着由输入模块产生接收信息，并且经由路由单元aru转发给多通道定序器模块。输入信号尤其被传送给信号处理模块的输入引脚或者反馈引脚，所述输入引脚或者反馈引脚由输入模块tim监控。例如如果上升沿施加在输入引脚上，那么在tim中生成相应的事件，并且产生相应的接收信息并且经由路由单元aru转发给多通道定序器模块mcs。

由多通道定序器模块mcs根据接收信息产生输出信息，并且经由路由单元aru转发给输出模块atom。为此目的，可以由mcs尤其基于硬件地和/或基于软件地实施过程，所述过程产生输出信息并且写入mcs的存储器中、尤其写入ram存储器中。

输出模块atom根据输出信息产生输出信号，由此开关被操控，并且用于对开关进行过电流保护的保护措施被执行。有利地，开关作为保护措施被切断，以便有效地保护所述开关免受过电流。输出信号适宜地被施加在与atom连接的输出引脚上。

对于过电流保护，在本发明的范围中尤其不需要使用中断。而对于传统的过电流保护措施，大多将中断发出给微控制器的处理器单元，所述微控制器被设置用于操控开关。然而由处理器单元执行这样的中断一般而言不是确定性的，因此在传统过电流保护措施的过程中不能或者几乎不能保证：可以实时地或者在预先给定的时间间隔之内执行相应的对策（gegenmaßnahme）。

与此相比，通过使用用于对开关进行过电流保护的gtm尤其可以保证：在预先给定的时间间隔之内对过电压或过电流作出反应，并且执行相应的保护措施。尤其可以在探测到过电流之后10μs执行对策。因为通过由路由单元aru所执行的仲裁可以保证gtm的各个模块以最大等待时间进行确定性通信，所以可以保证在探测tim处的输入信号与在atom上施加输出信号之间、尤其在在输入引脚处产生事件与在输出引脚上施加输出信号之间的最大反应时间。

此外，微控制器可以通过使用全局时间管理模块被减轻负荷（entlastet）。通过gtm的模块化结构可以实现高的灵活性。尤其可以gtm的硬件模块的特殊（spezielle）配置适配于相应的要求或者适配于要由gtm执行的操作。gtm因此可以执行对于过电流保护所需要的相应操作，而为此不向微控制器的处理器单元发出中断。

本发明尤其适用于机动车辆中的离散输出级（diskreteendstufen），并且在短路的情况下避免这样的输出级破坏。本发明尤其适用于用于操控负载的单开关，其不能经由集成式输出级被控制。简单的标准开关、适宜地标准晶体管尤其可以被用作输出级或者被用作输出级晶体管（endstufentransistor），而不必实现用于过电流保护的昂贵的保护电路。

电参量的阈值尤其表征用于通过开关的负载电流的（下）极限值，所述极限值对应于过电流，并且从所述极限值起开关可能受损坏。极限值例如可以为50ma。在电流在所述极限值之上时，尤其执行保护措施，并且优选地切断开关。在所述阈值之下，不必一定执行特别的措施。这里（例如作为变通方案（workaround）或者备用措施）可能足够的是，仅限制短路的影响（auswirkungen）。开关为此目的例如可以被使用用于限制短路电流，例如其方式是构造为晶体管的开关经由电阻作为模拟电流源或者恒流源限制短路电流。

适宜地，gtm可以被用作微控制器之内的模块，由此可以减轻微控制器的cpu的快速和复杂的实时控制功能（von…entlastet），所述实时控制功能可以通过gtm的并行工作的硬件单元来实施。gtm因此负责简单的和复杂的定时器输入和定时器输出。

gtm特点尤其在于，可以基于硬件地或者在硬件层面上通过硬件构件的使用和特殊布线、而不仅仅通过所实施的软件或者微代码来实施功能性、数据处理、过程或者运算操作（rechenoperationen）。为此目的，gtm尤其具有risc核心（精简指令集计算（reducedinstructionsetcomputing））和/或可编程状态机，以便基于硬件地实施确定的功能性。

可编程状态机可以并行地工作，而在此不影响微控制器的处理器核心的负荷（auslastung）（负载（load））。状态机是时序系统（sequentiellessystem），所述时序系统以预先确定的顺序经历确定的状态。为此目的，状态机尤其具有存储器和组合逻辑电路，尤其用于检测输入或者输入条件并且创建（erstellen）输出。借助于组合逻辑电路，尤其根据当前的状态和所检测的输入，来确定状态机的下一状态。例如基于eprom或eeprom存储器的使用，可编程（和可擦除）逻辑装置（pld）可以被用作组合逻辑电路。因此，可以在一个唯一的芯片上实现大数量的逻辑功能。

risc核心尤其被用于处理数据和产生复杂的输出序列。risc核心是所设计的特殊处理器核心，对于所述处理器核心使用经简化的指令集，并且所述处理器核心的硬件架构根据所述指令集被适配，使得指令集的各个指令可以以高的效率快速地被实施。对于一个指令的实施，大多仅需要一个时钟脉冲（takt）。因此能够实现高的时钟频率。

通过使用这样的risc核心和/或可编程状态机、尤其通过使用大量自给自足的risc核心，能够实现有效的并行数据处理，所述自给自足的risc核心可以经由aru直接地访问tim和atom。通过与aru连接的模块的仲裁并且通过aru的所定义的所确定的循环时间以及通过mcs中的所决定的（determinierte）程序执行，可以保证gtm的确定性架构。

有利地，路由单元aru允许与所述路由单元aru以数据传输方式连接的各个模块（tim、mcs、atom）相继地按照循环方法或者循环赛方法（round-robin-verfahren）传输数据。在其过程中相继地给各个模块分派时隙，在所述时隙的过程中模块可以彼此通信。以这种方式，可以保证模块彼此间的确定性通信，并且作为用于模块彼此间传递数据的最大等待时间，可以保证所谓的“往返时间（roundtriptime）”（rtt），其中所述最大等待时间尤其仅取决于与aru以数据传输方式连接的模块的数量。有利地，信号处理模块集成到机动车辆的控制设备中或微控制器中、优选地集成到微控制器中，所述微控制器被设置用于操控开关。因此，过电流保护可以从微控制器的处理器单元被转移到信号处理模块中，由此可以可靠地和确定性地执行过电流保护，并且由此可以提供处理器单元的计算容量用于其他运算操作。

可替代地或附加地，测量单元可以优选地集成到微控制器中或者控制设备中。为此目的，例如具有可编程阈的模拟数字转换器或可编程比较器可以集成在微控制器中。适宜地，不仅测量单元和信号处理模块而且开关均可以集成到控制设备中，尤其集成到电动机控制设备中。

优选地，作为开关的电参量，确定通过开关的负载电流。为此目的，可以检测在分流电阻处的电压降，并且由此确定负载电流。如果超过作为阈值的负载电流的允许最大值，那么可以推断出过电流，并且由测量单元产生输入信号。

优选地，作为开关的电参量，确定构造为mosfet晶体管的开关的漏极和源极之间的电压降和/或构造为双极型晶体管的开关的集电极和发射极之间的电压降。相应的阈值尤其表征表明过电流的电压降。电压降适宜地在接通开关之后并且尤其仅在激活的开关的情况下只有在预先确定的时间间隔之后才被确定。

尤其当进行实施的控制设备还被用于其他任务，并且因此反正是存在的时，以计算机程序的形式实现本方法也是有利的，因为这引起特别低的成本。用于提供计算机程序的适当的数据载体尤其是磁存储器、光学存储器和电存储器、诸如硬盘、闪存存储器、eeprom、dvd以及其他等等。经由计算机网络（因特网、内联网等）下载程序也是可能的。

从说明书和附图中得出本发明的其他优点和扩展方案。

本发明根据实施例在附图中示意性地示出，并且在下文中参照附图被描述。

附图说明

图1示意性地示出机动车辆的控制设备，所述控制设备分别具有按照本发明的装置的一种优选的扩展方案，所述装置被设立用于，执行按照本发明的方法的优选的实施方式。

图2示意性地示出按照本发明的装置的一种优选的扩展方案的信号处理模块，所述装置被设立用于，执行按照本发明的方法的优选的实施方式。

具体实施方式

图中相同的附图标记分别表示相同的或相同地起作用的元件。

在图1a和1b中分别示意性地示出了机动车辆的控制设备100或者100'。示例性地，控制设备100或者100'可以分别被构造为电动机控制设备。

控制设备100或者100'具有构造为mosfet晶体管的电子开关110，负载101、例如内燃机的喷射器可以经由所述电子开关110被操控。为此目的，晶体管110相应地由微控制器130操控、也即接通和关断。

为了保证晶体管110的过电流保护，微控制器130被设立用于执行按照本发明的方法的优选的实施方式。为此目的，微控制器130具有信号处理模块200，并且控制设备100具有构造为比较器的测量单元120。

在该方法的过程中，比较器120确定晶体管110的电参量，并且将所述电参量与阈值比较。阈值在此表征通过晶体管110的最大允许电流，从所述最大允许电流起应当执行用于对晶体管110进行过电流保护的保护措施。

如果电参量达到或超过阈值，那么比较器120产生输入信号，并且将所述输入信号传送给微控制器130的输入引脚或反馈引脚（feedback-pin）131。所述输入信号由信号处理模块200分析，由此产生输出信号，并且施加到微控制器130的输出引脚132上。

通过施加在输出引脚132上的输出信号来操控晶体管110，使得用于过电流保护的保护措施被执行，并且晶体管110被切断。

在按照图1a的控制设备中，晶体管110与分流电阻125串联。按照本发明的一种优选的实施方式，测量单元120在该情况下确定通过晶体管110的负载电流作为电参量。为此目的，在分流电阻125处的电压降在测量技术上被检测，并且从中确定负载电流。如果负载电流超过相应的阈值或者允许最大值，那么比较器120将输入信号发出给微控制器130。

在按照图1b的控制设备100'中，与图1a的示例相比，不设置分流电阻。测量单元120在该情况下布置在负载和晶体管之间，并且按照另一优选的实施方案确定在mosfet晶体管110的漏极和源极之间的电压降作为电参量。如果所述电压降超过阈值或者最大值，那么输入信号被发出。

在图2中在一种优选的扩展方案中示意性地示出了信号处理模块200。在下文中，关于图2阐述，输入信号在该方法的过程中如何由信号处理模块200处理。

信号处理模块200被构造为全局时间管理模块（全局定时器模块（globaltimermodule）、通用定时器模块（generictimermodule）gtm）。所述gtm200具有路由单元（高级路由单元（advancedroutingunit，aru））240，所述路由单元被设置用于gtm200的各个模块彼此间通信。

多通道定序器模块（multichannelsequencer（多通道定序器），mcs）220被设置用于执行运算操作或者应用软件，并且可以具有一个或多个处理器核心、例如risc核心以及具有存储单元、尤其ram存储器。

多通道定序器模块mcs220经由路由单元aru240与输入模块（定时器输入模块（timerinputmodule，tim））210和输出模块（高级定时器输出模块（advancedtimeroutputmodule，atom））230以数据传输方式连接。

为了在tim210、mcs220和atom230之间传输数据，路由单元aru240执行各个模块210、220和230的仲裁（arbitrierung）。为此目的，路由单元aru240在循环（rundlauf）方法的过程中将时隙分派给所述模块210、220和230中的每一个，在所述时隙期间各个模块可以彼此通信。以这种方式，保证各个模块210、220和230以用于传输消息的最大等待时间（latenzzeit）进行确定性（deterministische）通信。

输入模块tim210监控微控制器的输入引脚131。如果输入信号施加在输入引脚131上，例如如果上升沿施加在输入引脚131上，那么在输入模块tim210中生成相应的事件。尤其由输入模块tim210产生接收信息，并且经由路由单元aru240转发给多通道定序器模块mcs220，这通过附图标记211表明。

根据接收信息，由多通道定序器模块mcs220产生输出信息，并且经由路由单元aru240转发给输出模块atom230，这通过附图标记221表明。

输出模块atom230根据输出信息产生输出信号，并且将所述输出信号转发给输出引脚132，由此开关110相应地被操控和切断（abgeschaltet）。