包括短路保护的半导体装置制造方法
包括短路保护的半导体装置制造方法
【专利摘要】本文描述了一种包括短路保护的半导体装置。根据本发明的第一方面，半导体装置包括具有负载电流路径的半导体芯片，该负载电流路径可操作用于根据输入信号将负载电流从具有供给电压的供给端子传送至输出电路节点。所述装置进一步包括电压比较器，该电压比较器被配置为将供给电压与电压阈值相比较，并当供给电压达到电压阈值或降到电压阈值以下时对低供给电压信号通知。过电流检测器被配置为：将表示负载电流的负载电流信号与过电流阈值相比较，并当负载电流信号达到或超过过电流阈值时对过电流信号通知。
【专利说明】包括短路保护的半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体装置和用于操作该装置的方法的领域，特别是涉及包含有故障检测能力的功率半导体装置，该故障检测能力用于检测导致升温的故障操作状态，例如短路。
【背景技术】
[0002]半导体装置，尤其是诸如功率半导体开关的功率半导体装置，经常包括用于在发生不期望的高电流或高温期间检查故障或不期望的操作模式的电流与温度测量功能。这样的故障的或不期望的操作模式可以是，其中包括，过载或短路。
[0003]能够检测超温、过载、短路等的功率半导体开关经常被称作“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高边开关)以及用于各个功率晶体管的过电流检测电路，该过电流检测电路将表示流经晶体管的负载电流的测量信号与表示最大电流的定义阈值相比较。当负载电流达到或超过最大电流，负载电流被切断以保护装置。
[0004]然而，在许多应用中，智能开关必须处理高涌入电流。这可以是例如当接入白炽灯、电动机等的情况。涌入电流通常比最大电流高很多，然而高涌入电流是瞬间的并且通常不会引起危险的超温。然而，包含在智能开关中的过电流保护电路需要区别高涌入电流和来自短路的过电流。为此，确定最大电流的阈值在瞬间涌入电流可能出现的起始相位期间被设定在较高值(比正常操作期间高)。起始相位通常被定义为固定的时间间隔，例如，IOms。当这个时间间隔过去后,确定最大电流的阈值被重新设定为较低额定值。
[0005]当检测到过电流时(S卩，当过电流事件出现时)，可以对装置去激励。即，装置被锁定在切断负载电流的未激励状态。然而，为避免在起始相位期间装置的去激励，会在过电流事件发生过定义次数以后(例如32次)对装置再激励。即，当在起始相位期间过电流事件的最大数出现时，最终装置被去激励(而不是再激励)。在起始相位之后，单个过电流事件足以将装置锁定在关闭状态。
[0006]在具有高最大电流阈值的起始相位和具有低最大电流阈值的正常操作之间的“切换”通常由有限状态机(FSM)来数字化实现。当智能开关经由长供应线被提供时出现另一个问题。例如，在自动应用中，供应线可长达5m或甚至更长，导致大约ΙΟΟπιΩ的线路电阻和大约μ H的线路电感。因此，由于起始相位期间的高涌入电流，穿过供应线的电压降可以相当高。事实上，穿过供应线的电压降可以足够高以启动欠压检测。当检测到欠压时(即，在欠压事件的情况下)，状态机以及因此用于计算起始相位期间的过电流事件的次数的计数器被重置。因此，由于每次开关闭合涌入电流开始上升，供给电压降低并由此计数器重置，过电流时间计数器永远不能达到最大数。
[0007]本发明以待解决的问题是提供一种包含能够处理穿过供应线的瞬间电压降的过电流保护的半导体装置。
【发明内容】
[0008]上述问题由权利要求1所述的半导体装置解决。本发明构思的各种实施方式和进一步发展由独立权利要求所覆盖。
[0009]本文中描述了一种半导体装置。根据本发明的第一方面，所述半导体装置包括具有负载电流路径的半导体芯片，该负载电流路径可操作地根据输入信号将负载电流从具有供给电压的供给端子传送至输出电路节点。所述装置进一步包括电压比较器，该电压比较器被配置为将所述供给电压与电压阈值相比较，并当所述供给电压达到或低于电压阈值时信号通知低供给电压。过电流检测器被配置为:将表示所述负载电流的负载电流信号与过电流阈值相比较，并当所述负载电流信号达到或超过过电流阈值时信号通知过电流。此外，所述半导体装置包括控制逻辑单元，该控制逻辑单元被配置为:当过电流被信号通知时去激励负载电流，并且只要所述电压比较器对低供给电压信号通知，就将所述过电流阈值从第一值减小到较低的第二值。
[0010]此外，描述了一种控制功率半导体晶体管以激励或去激励负载电流的方法，该负载电流从提供供给电压的供给端子经过所述晶体管到输出电路的节点。根据本发明的另一方面，所述方法包括监测所述供给电压并当所述供给电压达到或低于第一电压阈值时信号通知低供给电压。其进一步包括监测所述负载电流并当所述负载电流达到或超过可调整过电流阈值时信号通知过电流。当且只要低供电电压被信号通知，过电流阈值从初始较高的第一值减小到较低的第二值。当过电流被信号通知时，所述晶体管以及因此经过所述晶体管的所述负载电流至少临时被去激励。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]各种实施方式可以参考以下附图和描述来更好地理解。在附图中的组件不需要按照比例，而是着重于说明本发明的原理。此外，在附图中相同的参考数字表示相对应的部分。在附图中:
[0012]图1示出了包含过电流保护的智能开关的基本结构。
[0013]图2示出了控制图1的智能开关的操作的有限状态机。
[0014]图3是示出了包含有过电流检测器和欠压检测器的另一示例性智能开关。
[0015]图4是示出了控制图3的智能开关的操作的有限状态机；并且
[0016]图5是示出了用于描述存在于图3的智能开关的相关信号的时序图。
【具体实施方式】
[0017]如介绍性部分所讨论的那样，高涌入电流可发生在对所考虑的半导体装置的激励之后。半导体装置可以是，例如，控制电灯的开关状态的功率晶体管(例如DMOS η沟道高边晶体管)。当接入冷灯时，涌入电流(通常是负载电流^可以是额定负载电流的几倍。接入电灯之后非常短的时间，流经晶体管的负载电流路径的负载电流(即，通过半导体装置的活性区域)将上升超过特定限制(即，预定义过电流阈值)，这样的情况对于长时间段来说无法接受，因为这样的高电流可导致装置的不期望恶化或甚至导致对装置的热破坏。
[0018]图1示出了所谓的智能开关10的基本结构。应当注意，由于只示出了与进一步的讨论相关的那些部件，示图并不详尽。智能开关通常包括一个或多个配置在单片封装内的半导体芯片。半导体开关Tl (例如高边η沟道DMOS晶体管)集成到硅片中，其中，负载电流路径(即在MOS晶体管的漏极电流路径的情况下)连接在供给端子SUP和输出端子OUT1之间。供给端子SUP通常与芯片封装的电源引脚连接，该芯片封装经由供应线被提供给供给电压vs。输出端子OUT1通常与芯片封装的输出引脚相连接，并且电力载荷Z1 (例如电灯)可连接在输出引脚和例如接地电位GND之间。智能开关可具有多个输出通道，其中，为各个沟道设置一个半导体开关和一个相应的输出引脚。为了清晰而简单的说明，本文中所讨论的实例只示出了具有单个通道的智能开关。栅极驱动器11耦接至功率晶体管T1的控制电极(例如，在MOS晶体管的情况下为栅电极)并根据提供给栅极驱动器11的相应的控制信号Swi生成驱动信号Vei (例如栅极电流或栅极电压)。在当前实例中，驱动器信号适合于在当控制信号Sm是I时(即高逻辑电平)使功率晶体管T1导通，并且当控制信号Sm是O时(SP低逻辑电平)使功率晶体管T1截止。
[0019]智能开关10包括与功率晶体管T1相关的过电流检测器，该过电流检测器被配置为监测流经功率晶体管T1的负载电流k是否超过特定最大电流。在本实例中，过电流探测器包括被配置为提供表示负载电流k的电流测量信号Sc的电流测量电路14 ;以及比较器15，其接收电流测量信号S。以及确定最大电流的过电流阈值Sth作为输入信号，并且被配置为比较这两个输入信号并生成过电流信号Sre。过电流信号表示电流测量信号Sc是否高于过电流阈值STH。过电流信号可为二进制信号，其中，例如，高逻辑电平可表示过电流。
[0020]控制逻辑电路12可被设置为用于控制晶体管T1的切换行为。控制逻辑接收输入信号IN1并产生依赖于输入信号INl和过电流信号(Sre)的相应控制信号Sm。在多通道智能开关的情况下，为各个通道提供输入信号和相应控制信号以及过电流信号。控制逻辑12可通过使用分立逻辑电路部件诸如计时器、计数器、栅极等形成。可替换地，可使用执行适于运行相同功能的软件的微控制器。此外，控制逻辑12可通过使用分立电路部件且部分地使用微控制器来部分地实现。控制逻辑12的功能可被实施为有限状态机(FSM)，其功能参考图2如下所述。
[0021]当半导体装置(本实例中的智能开关)打开时，即当施加到供给端子SUP的供给电压Vs上升至超过最低水平时，有限状态机以状态Xtl开始，在该状态中，负载电流k被切断并且所有定时器和计数器被重置为合适的初始值。当输入信号IN1指示应该接入负载电流时，则相应的控制信号Sm被设置为适于导通晶体管T1 (比如，SW1=1)的逻辑电平，并且计时器启动(计时器值Ton)。同时有限状态机改变至表示起始相位的状态X1，在该状态期间高涌入电流可能出现。在状态X1中，过电流阈值Sth被设为第一相对较高的阈值(STH=SHI)。当过电流信号Stj。表示过电流时，然后有限状态机改变至状态X3，在该状态中过电流计数器county增加。当(在过电流计数器count。。增加之后)由计数器count。。表示的过电流事件的数目比最大数小时(c0untQC〈maxQC)，则在固定延迟时间之后(空白时间，例如Tblank=IOO μ s)-有限状态机回落到状态Xlt5否则(即当已检测到过电流事件的最大数)，有限状态机改变至失效状态X4,并且因此，负载电流最终被切断，例如，通过设置SQN1=0。
[0022]在启动期间，涌入电流可触发若干次过电流事件并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max。。(例如，maxoc=32)o如果负载是白炽灯，有限状态机可在状态X1和X3之间切换，例如15次，并随后保持在状态X1直到表示定义起始相位的固定时间间隔的计时值Tw结束。有限状态机随后改变至状态X2并且过电流阈值Sth被设为第二较低的阈值(STH=SW)。该状态X2表示智能开关的正常操作。有限状态机将保持在这个状态直到输入信号INJg示负载电流即将切断(例如，IN1=O),或者检测到过电流(但是使用较低阈值)。在第一种情况下，有限状态机回落到状态XJ导致所有定时器和计算器的重置)并且，在第二种情况下，有限状态机改变至失效状态X4而不允许任何切换。一旦处于失效状态X4中，需要外部重置命令或新电源接通以将状态机带回至状态X。。
[0023]再次参考图1，智能开关10进一步包括经由通信线路耦接至控制逻辑12(状态机)的总线接口 13，该总线接口用于在控制逻辑12和总线接口 13之间交换数据。通常地，总线接口 13被配置为从外部总线传入数据或传出数据至外部总线，例如诸如标准化的SPI总线的串行总线(串行外围接口总线)。在本实例中，总线接口 13是串行外围接口(SPI)，该串行外围接口连接至外部芯片封装引脚S1、S0、SCLK、CS以连接至例如外部总线主装置。串行数据可经由SI引脚(SI=串行输入)接收，而串行数据经由SO引脚(SO=串行输出)发送。串行总线通信经由SCLK引脚上的所接收的时钟信号被记录时间(SCLK=串行时钟)。最终，总线接口 13可经由所谓的芯片选择信号被激励或去激励，该芯片选择信号可经由CS引脚被接收(CS=芯片选择)。串行外围接口已被熟知，总线接口的有关细节不再进一步讨论。在控制逻辑12内发生的任何数据或信号可被数字化并经由总线接口 13发送至外部总线主装置。应当注意到，不同总线系统可具有不同数量的引脚并可使用不同信号用于数据传输。
[0024]图3是示出了根据本发明的智能开关10的另一实例。图3的智能开关10与图1的实例相同，同时还具有额外的低压检测电路16，该低压检测电路耦接至智能开关10的供给端子SUP并被配置为将在电源引脚上接收的供给电压Vs与一个或多个电压阈值相比较。例如，低压检测电路16可被配置为将供给电压Vs与欠压阈值Vuv以及与第二阈值Vw相比较，该第二阈值高于欠压阈值Vw但低于额定供电电压水平(例如，是8V)。低压检测电路16可进一步被配置为:以信号告知供给电压Vs是否低于欠压阈值Vuv (即，Vs〈Vuv，在这种情况下，欠压信号表示UV=I )，或是否电压Vs低于第二阈值Vw但仍然高于欠压阈值(即，Vuv<Vs<Vlv,在这种情况下，低压信号表示LV=1)。因此，当Vs〈Vuv时欠压事件发生，并且当VOT〈VS〈VW或简单地VS〈VW时低压事件出现。
[0025]如介绍部分提到的那样，欠压可导致有限状态机(FSM)的重置并因此导致参考图2所描述的状态机的上文中所提到计数器county和计时器Tm的重置。当欠压归因于穿过供应线的高电压降时，该高电压降是接入功率晶体管T1之后上升负载电流k的结果，则每当负载电流接通时触发由欠压(VS〈VOT)所引起的重置。因此，因为过电流计数器county由于经常重置的原因永远达不到最大数，功率晶体管T1可在开和关之间无限切换。以下实例将更贴切地说明问题。假设第一、更高的电流阈值SHI=27A，第二、更低的电流阈值Sm=19A，供应线的阻抗ΙΟΟπιΩ以及5 μ H的感抗或供应线，并且进一步假设增长时间50 μ s以及负载电流振幅25A，则由于线电阻，穿过供应线的电压降将会是2.5V (25A乘以ΙΟΟπιΩ )，以及由于线路电感的另外一个2.5V (25Α/50 μ s*5 μ H)。即，当接入功率晶体管T1时，由于负载电流振幅是25Α，穿过供应线的总电压降将会是5V，尽管在负载(例如，白炽灯)的起始相位期间有效的高电路阈值Sth=Shi=27A并未达到，并因此没有引起过电流事件。然而，当额定供给电压(例如VS=8V)低时，则应用于供给端子SUP的供给电压可临时地下降到3V(8V - 5V),并因此低于欠压阈值Vuv，在本实例中，该欠压阈值大约为3.5V。
[0026]可以看到的是，在本实例中，每次功率晶体管T1被激励(即，被导通)都会引起欠压事件。在负载短路的情况下，每次晶体管T1被激励，过电流检测都会信号通知过电流。然而，每次MOS晶体管T1被激励，低压检测器16也将信号通知欠压。由于每次检测到欠压时，过电流计数器Countre都会被重置，计数器Countre永远达不到最大数maX()C，并且因此，智能开关可能在开和关之间无限切换。从而，在硅片上可能出现局部超温，这可导致装置的恶化或甚至热破坏。尽管可提供超温保护电路，超温保护可能不能足够快以检测芯片上的局部过热(所谓“热点”)，并因此超温保护机制可能失效。[0027]为解决或至少减轻上述问题，与之前的实例相比较(B卩，与图2示出的有限状态机相关的图1的智能开关)，控制图3示出的智能开关10的功能的控制逻辑12已经被更改。
[0028]图4的状态机与图2的状态机基本相同。然而，仅有的差异在状态X1中，其中，参考图3所描述的执行一个额外的电压监测，低压检测电路16被配置为监测供给电压Vs，将其与第二电压阈值Vw相比，该第二电压阈值比欠压阈值Vuv高却比额定供电电压Vs低。特别是，第二电压阈值Vw近似于额定供电电压Vsm (例如，Vsmi=SV)和欠压阈值的平均值(例如\^=3.5V,因此Vw=5.75V)。当供给电压Vs降到第二电压阈值Vw以下但仍然保持在欠压阈值Vot以上时，低压检测电路16信号通知低供给电压\。当低压检测电路16信号通知低压，则只要低压信号LV是有效的(LV=1)，较高的过电流阈值Sth=Shi被减小成较低过电流阈值Sth=Sujij这将最大负载电流振幅减小至较低过电流阈值Suj (例如，SW=19A而Shi=27A)，并因此穿过供应线的电压降相应地被限制。
[0029]继续先前的实例，假设较低的、第二过电流阈值大约是19A (即大约是27A的上阈的70%)。因此，最大电流振幅(当负载短路时出现)从27A减小到19A，并因此由供应线的阻抗引起的穿过供应线的电压降减小至1.9V，并且由供应线的感抗引起的电压降减小至1.抑，8卩，3.8￥的总电压降(而不是之前情况中的5￥)。因此，假设最小额定供给电压Vsnqm=8V，供给电压将不会降到4.2V以下(8V - 3.8V)，并因此不会引起欠压事件(Vs<Vuv, UV=1)(如Vot=3.5V)。当低压检测电路16指示供给电压再次在第二电压阈值Vw以上，则过电流阈值Sth可再次被切换回较高电流阈值STH=SHI。
[0030]用于控制图3的智能开关10的图4的状态机的使用可导致在负载的起始相位期间检测到较高数量的过电流事件，但是将会防止不期望的欠压事件，这些欠压事件归因于深度电流梯度引起的在供应线上的瞬间电压幅动。通过避免不期望的欠压事件，也将避免对检测到的过电流事件进行计数的计数器county的非有意重置。
[0031]图5包括描述输入信号IN1的波形(上部时序图)、应用到电源引脚SUP的供给电压(中间时序图)，以及相应的测量负载电流信号Sc (下部示图)的三个时序图。这些示图示出了负载(诸如白炽灯)的起始相位的信号波形。
[0032]参考图5的上部图，输入信号IN1在表示时间为h的时刻从初始低逻辑电平(OV)切换到高逻辑电平(5V)。在这个时刻，图3的状态机将从初始状态Xtl改变至状态X1,将控制信号Sm设置在高电平(Sm=l)，这将导致栅极驱动器11生成驱动信号Vei，该驱动信号Vgi激励半导体开关!\。在状态X1中，“缺省”过电流阈值是Shi (Sth=Shi)。因此，负载电流iL (并因此测量负载电流信号S。)将急剧上升，同时供给电压Vs将相应地下降。在表示为tc/的时刻，供给电压Vs降到低压阈值Vw以下(看图5的中间示图)。因此，过电流阈值Sth如上讨论被设为较低值(Sth=SujX短时间后，在时刻V ’，负载电流信号S。超过过电流阈值Sth=Slo,该现象可引起过电流事件，该过电流事件由过电流检测器(由电流测量电路14和比较器15组成)检测到并通过将过电流信号OC设置至一个高逻辑电平(OC=I)而被信号通知至控制逻辑电路12 (即，至状态机)。这触发状态机从状态X1改变至状态X3的状态切换。在状态X3中，使控制信号Sm失效以(临时地)使晶体管T1截止，这导致负载电流立刻停止并且供给电压恢复至额定值。此外，过电流事件计数器Countre增加，并且，由于计数器没有达到maxm，状态机在短暂的延迟时间(空白时间Tblank)例如100 μ s之后回落至状态X115回到状态X1中，由于IN1仍然在高电平，晶体管被再激励。所提到的延迟时间(空白时间Τ_κ)大约是htt-t0’ ’。
[0033]在时间&，循环重新开始。状态机将在状态Xc^PX3之间切换直到以下两种情形之一发生:计数器county；达到Hiaxoc (例如maxa^〗),这将引起状态机改变至失效状态X4 ;或者负载电流逐渐减小从而不会引起另外的过电流事件。在这种情况下，状态机将改变至状态X2并保持该状态(除非另一过电流事件发生)直到低输入信号IN1 (IN1=O)启动对晶体管的断开。
[0034]以下总结了上述示例性实施方式的一些重要的一般方面。然而，不必认为下述是完整的或详尽的。因此，本文中所描述的半导体装置可包括具有集成功率晶体管T1的半导体芯片，该半导体芯片具有可操作地根据输入信号传送负载电流的负载电流路径。晶体管T1耦接在被提供有供给电压Vs的供给端子SUP与输出电路节点OUT1之间。因此，负载电流k可从供给端子SUP流至输出电路节点OUT1。装置进一步包括电压比较器16，该电压比较器被配置为:将供给电压Vs与电压阈值Vw相比较并当供给电压Vs达到或降到电压阈值Vlv以下时信号通知低供给电压(例如通过设定符号LV=I )。此外，过电流检测器耦接至晶体管T1并被配置为将表不负载电流的负载电流信号S。(电流测量电路14)与过电流阈值Sth相比较(比较器15)，并当负载电流信号SC达到或超过过电流阈值Sth时，例如当S。^ Sth,信号通知过电流(例如通过设定符号0C=1)。控制逻辑单元12被配置为:当过电流被信号通知时，去激励晶体管Tl (例如经由栅极驱动器11)以及负载电流。当且只要电压比较器16信号通知低供给电压(LV=1)，控制逻辑电路12能够进一步将过电流阈值从(第一)较高值Shi减小至(第二)较低值Sw。如上说明，当供给电压已经较低时(由于穿过供应线的电压降)，过电流阈值Sth的减小防止供给电压降到欠压限制以下，供给电压降到欠压限制以下会引起装置的逻辑电路的完全重置。
[0035]控制逻辑电路12在第一模式(起始相位)和第二模式(正常操作)中可操作。所提到的过电流阈值Sth从第一值Shi到第二值Sm的减小在第一模式中完成(即，在起始相位期间)，然而过电流阈值Sth通常在第二模式中(即，在正常操作期间)被设置在较低值Sw。此外，在第一模式中，当过电流被信号通知(OC=I)时，负载电流由控制逻辑电路12去激励，并且此外，在空白时间Tbunk之后再次激励，除非过电流事件的最大数maX(K已经被信号通知。
[0036]在启动时间Ton过去后，控制逻辑从第一模式(起始相位)变化至第二模式(正常操作)。在第二模式中，控制逻辑单元可被配置为将过电流阈值Sth设置在低于较高的第一值Shi或等于较低的第二值Sm的第三值。在第二模式中，当过电流被信号通知而没有进行任何“再试”，即没有优先再激励时，负载电流被去激励。因此，负载电流保持无效状态直到接收到重置信号。
[0037]电压比较器16可进一步被配置为将供给电压Vs与另外的电压阈值Vot相比较，该电压阈值与用于操作装置所需要的最低供给电压相对应。当供给电压(Vs)达到或降到最低供给电压Vuv以下，欠压被信号通知(例如通过设置符号UV=1)。通常地，电压阈值Vw可被选择高于最低供给电压Vuv，但低于装置的额定供给电压。
[0038]控制逻辑电路12可包括被配置为计算过电流被信号通知的次数的计数器COuntoco当输入信号IN1指示负载电流无效(IN1=O)或对应于指示激励负载电流的输入信号IN1的转换时，计数器county被重置。此外，控制逻辑电路12可包括被配置为测量启动时间Tw的计时器，当输入信号IN1指示负载电流无效时或对应于指示激励负载电流的输入信号IN1的转换时，计时器被重置。
[0039]通常地，串行总线接口 13可耦接至控制逻辑电路12并被配置为能够在控制逻辑电路12和外部设备(例如外部控制器)之间数据交换。特别是，所提到的重置命令可经由串行总线被接收。输入信号IN1也可经由串行总线被传输。
[0040]本发明的另一方面涉及用于控制功率半导体晶体管T1以激励或去激励负载电流iL的方法。该负载电流L从提供供给电压\的供给端子SUP经过晶体管T1至输出电路节点0UI\。该方法可包括:监测供给电压\，并当供给电压Vs达到或低于第一电压阈值时(即当Vs < Vlv时)，信号通知低供给电压(例如通过设置符号LV=1)。所述方法可进一步包括:监测负载电流L并当负载电流达到或超过可调整的过电流阈值时，对过电流信号通知(例如通过设置符号0C=1)。当且只要低供给电压被信号通知时(LV=1)，过电流阈值Sth从初始较高的第一值Shi减小到较低的第二值SM。当过电流被信号通知时，晶体管以及因此流经晶体管的负载电流至少临时被去激励。
[0041]尽管已经公开了本发明的各种示例性实施方式，但是对本领域中的技术人员显而易见的是，可根据各种实施方式的特定实施且在不偏离本发明的实质和范围的条件下进行各种改变和修改。对于本领域中的普通技术人员显而易见的是，可以适当地替换执行相同功能的其他组件。特别是，在实现基本上相同的结果时，信号处理功能可在时域或在频域中进行。应当提及的是，参考具体【专利附图】
【附图说明】的特征可以与其他附图的特征相结合，即使在没有明确提到之处。此外，本发明的方法可以使用合适的处理器指令以全部的软件实现来达到，或以采用硬件逻辑和软件逻辑相结合的混合实施来达到，从而达到相同的结果。对概念做出的这些改变意指由所附发明权利要求所覆盖。
【权利要求】
1.一种半导体装置，包括: 半导体芯片，包括可操作地根据输入信号(IN1)将负载电流(ij从具有供给电压(Vs)的供给端子传送至输出电路节点(OUT1)的负载电流路径； 电压比较器(16)，耦接至所述供给端子且被配置为将所述供给电压(Vs)与电压阈值(U相比较，并当所述供给电压(Vs)达到所述电压阈值(Vw)或降到所述电压阈值(Vw)以下时，信号通知低供给电压(LV)； 过电流检测器(14，15)，耦接至所述负载电流路径并被配置为将表示所述负载电流(iL)的负载电流信号(S。)与过电流阈值(Sth)相比较，并当所述负载电流信号(S。)达到或超过所述过电流阈值(Sth)时信号通知过电流(Sre)； 控制逻辑单元(12)，被配置为当信号通知所述过电流时去激励所述负载电流，并进一步被配置为只要所述电压比较器(16)信号通知低供给电压(LV)就将所述过电流阈值(Sth)从较高的第一值(Shi)减小到较低的第二值(Suj)。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元(12)在第一模式和第二模式中是可操 作的，并且 其中，在所述第一模式中，所述控制逻辑单元(12)被配置为只要所述电压比较器(16)对所述低供给电压(LV)信号通知就将所述过电流阈值(Sth)从所述较高的第一值(Shi)减小至所述较低的第二值(SM)，以当所述过电流被信号通知时去激励所述负载电流，并且进一步地在空白时间(Tblank)之后再激励所述负载电流，除非最大数目的过电流事件已经被信号通知。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元被配置为在启动时间(Tm)过去之后从所述第一模式改变至所述第二模式，并且其中 其中，在所述第二模式中，所述控制逻辑单元(12)被配置为将所述过电流阈值设置在低于所述较高的第一值(Shi)或等于所述较低的第二值(Sm)的第三值，并进一步被配置为当所述过电流被信号通知时去激励所述负载电流。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，在操作的所述第二模式中，所述控制逻辑单元(12)被配置为当所述过电流在没有预先再激励的情况下被信号通知时，最后去激励所述负载电流并保持所述负载电流无效直到接收了重置信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，所述电压比较器(16)进一步被配置为:将所述供给电压(Vs)与对应于操作所述装置所需要的最小供给电压的另一电压阈值(Vuv)相比较；并当所述供给电压(Vs)达到或低于所述最小供给电压(Vuv)时对欠压(Uv)信号通知，所述电压阈值(Vw)高于所述最小供给电压(Vuv)并低于所述装置的额定供给电压。
6.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元包括被配置为计算由所述过电流检测器(14，15)信号通知的所述过电流的次数的计数器，所述计数器响应于指示激励所述负载电流的所述输入信号(IN1)的转换而被重置。
7.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元包括被配置为测量所述启动时间(Tw)的计时器，所述计时器响应于指示激励所述负载电流的所述输入信号(IN1)的转换而被重置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体装置，进一步包括串行总线接口，所述串行总线接口耦接至所述控制逻辑电路(12)并被配置为能够在所述控制逻辑电路(12)和外部设备之间进行数据交换。
9.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，进一步包括被配置为根据所述输入信号(IN1)激励和去激励从所述供给端子(SUP)流至相应的输出端子(OUT1)的所述负载电流的功率半导体晶体管(!\)。
10.一种用于控制功率半导体晶体管(T1)以激励或去激励从提供供给电压(Vs)的供给端子(SUP)经过所述晶体管(T1)至输出端子(OUT1)的负载电流的方法；所述方法包括: 监测所述供给电压(Vs)并当所述供给电压(Vs)达到第一电压阈值(Vw)或降到所述第一电压阈值以下时对低供给电压(LV)信号通知； 监测所述负载电流(^，并当所述负载电流(D达到或超过可调整的过电流阈值(Sth)时对过电流(OC)信号通知； 当且只要所述低供电电压(LV)被信号通知时，所述过电流阈值(Sth)从初始较高的第一值(Shi)减小到较低的第二值(Suj)； 当所述过电流被信号通知时，至少临时去激励所述晶体管(T1)以及由此经过所述晶体管(T1)的所述负载电流。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括: 监测所述输入信号(IN1),并测量从所述输入信号的转换开始的时间(TM)，所述输入信号指示所述负载电流将被激励；以及 当测量的所述时间超过预定义启动时间时进行信号通知。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在去激励所述晶体管(T1)之后并且如果测量的所述时间没有超过所述启动时间: 计算过电流每隔多久被信号通知； 在所述去激励之后的空白时间(TBUM)，对去激励的所述晶体管(T1)再激励以及所述负载电流由此经过所述晶体管(T1),除非所述过电流事件的计数超过最大数； 当所述过电流事件的计数在允许对所述晶体管(T1)再激励之前已经达到所述最大数时，等待直到接收到重置信号。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在对所述晶体管(T1)的所述去激励之后并且如果测量的所述时间超过了所述启动时间: 当所述过电流事件的计数在允许对所述晶体管(T1)再激励之前已经达到所述最大数时，等待直到接收到重置信号。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法 监测二进制输入信号(IN1 )，并取决于所述输入信号(IN1)的逻辑电平激励和去激励所述负载电流。 其中，当所述输入信号(IN1)指示所述负载电流将无效时，计算过电流事件的次数的计数器和测量所述启动时间的计时器被重置。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述重置信号经由串行总线接口从外部设备接收。
【文档编号】H03K17/08GK103684370SQ201310428776
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2012年9月20日
【发明者】法布里齐奥·科尔蒂贾尼, 阿道弗·德奇科 申请人:英飞凌科技股份有限公司
【专利摘要】本文描述了一种包括短路保护的半导体装置。根据本发明的第一方面，半导体装置包括具有负载电流路径的半导体芯片，该负载电流路径可操作用于根据输入信号将负载电流从具有供给电压的供给端子传送至输出电路节点。所述装置进一步包括电压比较器，该电压比较器被配置为将供给电压与电压阈值相比较，并当供给电压达到电压阈值或降到电压阈值以下时对低供给电压信号通知。过电流检测器被配置为：将表示负载电流的负载电流信号与过电流阈值相比较，并当负载电流信号达到或超过过电流阈值时对过电流信号通知。
【专利说明】包括短路保护的半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体装置和用于操作该装置的方法的领域，特别是涉及包含有故障检测能力的功率半导体装置，该故障检测能力用于检测导致升温的故障操作状态，例如短路。
【背景技术】
[0002]半导体装置，尤其是诸如功率半导体开关的功率半导体装置，经常包括用于在发生不期望的高电流或高温期间检查故障或不期望的操作模式的电流与温度测量功能。这样的故障的或不期望的操作模式可以是，其中包括，过载或短路。
[0003]能够检测超温、过载、短路等的功率半导体开关经常被称作“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高边开关)以及用于各个功率晶体管的过电流检测电路，该过电流检测电路将表示流经晶体管的负载电流的测量信号与表示最大电流的定义阈值相比较。当负载电流达到或超过最大电流，负载电流被切断以保护装置。
[0004]然而，在许多应用中，智能开关必须处理高涌入电流。这可以是例如当接入白炽灯、电动机等的情况。涌入电流通常比最大电流高很多，然而高涌入电流是瞬间的并且通常不会引起危险的超温。然而，包含在智能开关中的过电流保护电路需要区别高涌入电流和来自短路的过电流。为此，确定最大电流的阈值在瞬间涌入电流可能出现的起始相位期间被设定在较高值(比正常操作期间高)。起始相位通常被定义为固定的时间间隔，例如，IOms。当这个时间间隔过去后,确定最大电流的阈值被重新设定为较低额定值。
[0005]当检测到过电流时(S卩，当过电流事件出现时)，可以对装置去激励。即，装置被锁定在切断负载电流的未激励状态。然而，为避免在起始相位期间装置的去激励，会在过电流事件发生过定义次数以后(例如32次)对装置再激励。即，当在起始相位期间过电流事件的最大数出现时，最终装置被去激励(而不是再激励)。在起始相位之后，单个过电流事件足以将装置锁定在关闭状态。
[0006]在具有高最大电流阈值的起始相位和具有低最大电流阈值的正常操作之间的“切换”通常由有限状态机(FSM)来数字化实现。当智能开关经由长供应线被提供时出现另一个问题。例如，在自动应用中，供应线可长达5m或甚至更长，导致大约ΙΟΟπιΩ的线路电阻和大约μ H的线路电感。因此，由于起始相位期间的高涌入电流，穿过供应线的电压降可以相当高。事实上，穿过供应线的电压降可以足够高以启动欠压检测。当检测到欠压时(即，在欠压事件的情况下)，状态机以及因此用于计算起始相位期间的过电流事件的次数的计数器被重置。因此，由于每次开关闭合涌入电流开始上升，供给电压降低并由此计数器重置，过电流时间计数器永远不能达到最大数。
[0007]本发明以待解决的问题是提供一种包含能够处理穿过供应线的瞬间电压降的过电流保护的半导体装置。
【发明内容】
[0008]上述问题由权利要求1所述的半导体装置解决。本发明构思的各种实施方式和进一步发展由独立权利要求所覆盖。
[0009]本文中描述了一种半导体装置。根据本发明的第一方面，所述半导体装置包括具有负载电流路径的半导体芯片，该负载电流路径可操作地根据输入信号将负载电流从具有供给电压的供给端子传送至输出电路节点。所述装置进一步包括电压比较器，该电压比较器被配置为将所述供给电压与电压阈值相比较，并当所述供给电压达到或低于电压阈值时信号通知低供给电压。过电流检测器被配置为:将表示所述负载电流的负载电流信号与过电流阈值相比较，并当所述负载电流信号达到或超过过电流阈值时信号通知过电流。此外，所述半导体装置包括控制逻辑单元，该控制逻辑单元被配置为:当过电流被信号通知时去激励负载电流，并且只要所述电压比较器对低供给电压信号通知，就将所述过电流阈值从第一值减小到较低的第二值。
[0010]此外，描述了一种控制功率半导体晶体管以激励或去激励负载电流的方法，该负载电流从提供供给电压的供给端子经过所述晶体管到输出电路的节点。根据本发明的另一方面，所述方法包括监测所述供给电压并当所述供给电压达到或低于第一电压阈值时信号通知低供给电压。其进一步包括监测所述负载电流并当所述负载电流达到或超过可调整过电流阈值时信号通知过电流。当且只要低供电电压被信号通知，过电流阈值从初始较高的第一值减小到较低的第二值。当过电流被信号通知时，所述晶体管以及因此经过所述晶体管的所述负载电流至少临时被去激励。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]各种实施方式可以参考以下附图和描述来更好地理解。在附图中的组件不需要按照比例，而是着重于说明本发明的原理。此外，在附图中相同的参考数字表示相对应的部分。在附图中:
[0012]图1示出了包含过电流保护的智能开关的基本结构。
[0013]图2示出了控制图1的智能开关的操作的有限状态机。
[0014]图3是示出了包含有过电流检测器和欠压检测器的另一示例性智能开关。
[0015]图4是示出了控制图3的智能开关的操作的有限状态机；并且
[0016]图5是示出了用于描述存在于图3的智能开关的相关信号的时序图。
【具体实施方式】
[0017]如介绍性部分所讨论的那样，高涌入电流可发生在对所考虑的半导体装置的激励之后。半导体装置可以是，例如，控制电灯的开关状态的功率晶体管(例如DMOS η沟道高边晶体管)。当接入冷灯时，涌入电流(通常是负载电流^可以是额定负载电流的几倍。接入电灯之后非常短的时间，流经晶体管的负载电流路径的负载电流(即，通过半导体装置的活性区域)将上升超过特定限制(即，预定义过电流阈值)，这样的情况对于长时间段来说无法接受，因为这样的高电流可导致装置的不期望恶化或甚至导致对装置的热破坏。
[0018]图1示出了所谓的智能开关10的基本结构。应当注意，由于只示出了与进一步的讨论相关的那些部件，示图并不详尽。智能开关通常包括一个或多个配置在单片封装内的半导体芯片。半导体开关Tl (例如高边η沟道DMOS晶体管)集成到硅片中，其中，负载电流路径(即在MOS晶体管的漏极电流路径的情况下)连接在供给端子SUP和输出端子OUT1之间。供给端子SUP通常与芯片封装的电源引脚连接，该芯片封装经由供应线被提供给供给电压vs。输出端子OUT1通常与芯片封装的输出引脚相连接，并且电力载荷Z1 (例如电灯)可连接在输出引脚和例如接地电位GND之间。智能开关可具有多个输出通道，其中，为各个沟道设置一个半导体开关和一个相应的输出引脚。为了清晰而简单的说明，本文中所讨论的实例只示出了具有单个通道的智能开关。栅极驱动器11耦接至功率晶体管T1的控制电极(例如，在MOS晶体管的情况下为栅电极)并根据提供给栅极驱动器11的相应的控制信号Swi生成驱动信号Vei (例如栅极电流或栅极电压)。在当前实例中，驱动器信号适合于在当控制信号Sm是I时(即高逻辑电平)使功率晶体管T1导通，并且当控制信号Sm是O时(SP低逻辑电平)使功率晶体管T1截止。
[0019]智能开关10包括与功率晶体管T1相关的过电流检测器，该过电流检测器被配置为监测流经功率晶体管T1的负载电流k是否超过特定最大电流。在本实例中，过电流探测器包括被配置为提供表示负载电流k的电流测量信号Sc的电流测量电路14 ;以及比较器15，其接收电流测量信号S。以及确定最大电流的过电流阈值Sth作为输入信号，并且被配置为比较这两个输入信号并生成过电流信号Sre。过电流信号表示电流测量信号Sc是否高于过电流阈值STH。过电流信号可为二进制信号，其中，例如，高逻辑电平可表示过电流。
[0020]控制逻辑电路12可被设置为用于控制晶体管T1的切换行为。控制逻辑接收输入信号IN1并产生依赖于输入信号INl和过电流信号(Sre)的相应控制信号Sm。在多通道智能开关的情况下，为各个通道提供输入信号和相应控制信号以及过电流信号。控制逻辑12可通过使用分立逻辑电路部件诸如计时器、计数器、栅极等形成。可替换地，可使用执行适于运行相同功能的软件的微控制器。此外，控制逻辑12可通过使用分立电路部件且部分地使用微控制器来部分地实现。控制逻辑12的功能可被实施为有限状态机(FSM)，其功能参考图2如下所述。
[0021]当半导体装置(本实例中的智能开关)打开时，即当施加到供给端子SUP的供给电压Vs上升至超过最低水平时，有限状态机以状态Xtl开始，在该状态中，负载电流k被切断并且所有定时器和计数器被重置为合适的初始值。当输入信号IN1指示应该接入负载电流时，则相应的控制信号Sm被设置为适于导通晶体管T1 (比如，SW1=1)的逻辑电平，并且计时器启动(计时器值Ton)。同时有限状态机改变至表示起始相位的状态X1，在该状态期间高涌入电流可能出现。在状态X1中，过电流阈值Sth被设为第一相对较高的阈值(STH=SHI)。当过电流信号Stj。表示过电流时，然后有限状态机改变至状态X3，在该状态中过电流计数器county增加。当(在过电流计数器count。。增加之后)由计数器count。。表示的过电流事件的数目比最大数小时(c0untQC〈maxQC)，则在固定延迟时间之后(空白时间，例如Tblank=IOO μ s)-有限状态机回落到状态Xlt5否则(即当已检测到过电流事件的最大数)，有限状态机改变至失效状态X4,并且因此，负载电流最终被切断，例如，通过设置SQN1=0。
[0022]在启动期间，涌入电流可触发若干次过电流事件并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max。。(例如，maxoc=32)o如果负载是白炽灯，有限状态机可在状态X1和X3之间切换，例如15次，并随后保持在状态X1直到表示定义起始相位的固定时间间隔的计时值Tw结束。有限状态机随后改变至状态X2并且过电流阈值Sth被设为第二较低的阈值(STH=SW)。该状态X2表示智能开关的正常操作。有限状态机将保持在这个状态直到输入信号INJg示负载电流即将切断(例如，IN1=O),或者检测到过电流(但是使用较低阈值)。在第一种情况下，有限状态机回落到状态XJ导致所有定时器和计算器的重置)并且，在第二种情况下，有限状态机改变至失效状态X4而不允许任何切换。一旦处于失效状态X4中，需要外部重置命令或新电源接通以将状态机带回至状态X。。
[0023]再次参考图1，智能开关10进一步包括经由通信线路耦接至控制逻辑12(状态机)的总线接口 13，该总线接口用于在控制逻辑12和总线接口 13之间交换数据。通常地，总线接口 13被配置为从外部总线传入数据或传出数据至外部总线，例如诸如标准化的SPI总线的串行总线(串行外围接口总线)。在本实例中，总线接口 13是串行外围接口(SPI)，该串行外围接口连接至外部芯片封装引脚S1、S0、SCLK、CS以连接至例如外部总线主装置。串行数据可经由SI引脚(SI=串行输入)接收，而串行数据经由SO引脚(SO=串行输出)发送。串行总线通信经由SCLK引脚上的所接收的时钟信号被记录时间(SCLK=串行时钟)。最终，总线接口 13可经由所谓的芯片选择信号被激励或去激励，该芯片选择信号可经由CS引脚被接收(CS=芯片选择)。串行外围接口已被熟知，总线接口的有关细节不再进一步讨论。在控制逻辑12内发生的任何数据或信号可被数字化并经由总线接口 13发送至外部总线主装置。应当注意到，不同总线系统可具有不同数量的引脚并可使用不同信号用于数据传输。
[0024]图3是示出了根据本发明的智能开关10的另一实例。图3的智能开关10与图1的实例相同，同时还具有额外的低压检测电路16，该低压检测电路耦接至智能开关10的供给端子SUP并被配置为将在电源引脚上接收的供给电压Vs与一个或多个电压阈值相比较。例如，低压检测电路16可被配置为将供给电压Vs与欠压阈值Vuv以及与第二阈值Vw相比较，该第二阈值高于欠压阈值Vw但低于额定供电电压水平(例如，是8V)。低压检测电路16可进一步被配置为:以信号告知供给电压Vs是否低于欠压阈值Vuv (即，Vs〈Vuv，在这种情况下，欠压信号表示UV=I )，或是否电压Vs低于第二阈值Vw但仍然高于欠压阈值(即，Vuv<Vs<Vlv,在这种情况下，低压信号表示LV=1)。因此，当Vs〈Vuv时欠压事件发生，并且当VOT〈VS〈VW或简单地VS〈VW时低压事件出现。
[0025]如介绍部分提到的那样，欠压可导致有限状态机(FSM)的重置并因此导致参考图2所描述的状态机的上文中所提到计数器county和计时器Tm的重置。当欠压归因于穿过供应线的高电压降时，该高电压降是接入功率晶体管T1之后上升负载电流k的结果，则每当负载电流接通时触发由欠压(VS〈VOT)所引起的重置。因此，因为过电流计数器county由于经常重置的原因永远达不到最大数，功率晶体管T1可在开和关之间无限切换。以下实例将更贴切地说明问题。假设第一、更高的电流阈值SHI=27A，第二、更低的电流阈值Sm=19A，供应线的阻抗ΙΟΟπιΩ以及5 μ H的感抗或供应线，并且进一步假设增长时间50 μ s以及负载电流振幅25A，则由于线电阻，穿过供应线的电压降将会是2.5V (25A乘以ΙΟΟπιΩ )，以及由于线路电感的另外一个2.5V (25Α/50 μ s*5 μ H)。即，当接入功率晶体管T1时，由于负载电流振幅是25Α，穿过供应线的总电压降将会是5V，尽管在负载(例如，白炽灯)的起始相位期间有效的高电路阈值Sth=Shi=27A并未达到，并因此没有引起过电流事件。然而，当额定供给电压(例如VS=8V)低时，则应用于供给端子SUP的供给电压可临时地下降到3V(8V - 5V),并因此低于欠压阈值Vuv，在本实例中，该欠压阈值大约为3.5V。
[0026]可以看到的是，在本实例中，每次功率晶体管T1被激励(即，被导通)都会引起欠压事件。在负载短路的情况下，每次晶体管T1被激励，过电流检测都会信号通知过电流。然而，每次MOS晶体管T1被激励，低压检测器16也将信号通知欠压。由于每次检测到欠压时，过电流计数器Countre都会被重置，计数器Countre永远达不到最大数maX()C，并且因此，智能开关可能在开和关之间无限切换。从而，在硅片上可能出现局部超温，这可导致装置的恶化或甚至热破坏。尽管可提供超温保护电路，超温保护可能不能足够快以检测芯片上的局部过热(所谓“热点”)，并因此超温保护机制可能失效。[0027]为解决或至少减轻上述问题，与之前的实例相比较(B卩，与图2示出的有限状态机相关的图1的智能开关)，控制图3示出的智能开关10的功能的控制逻辑12已经被更改。
[0028]图4的状态机与图2的状态机基本相同。然而，仅有的差异在状态X1中，其中，参考图3所描述的执行一个额外的电压监测，低压检测电路16被配置为监测供给电压Vs，将其与第二电压阈值Vw相比，该第二电压阈值比欠压阈值Vuv高却比额定供电电压Vs低。特别是，第二电压阈值Vw近似于额定供电电压Vsm (例如，Vsmi=SV)和欠压阈值的平均值(例如\^=3.5V,因此Vw=5.75V)。当供给电压Vs降到第二电压阈值Vw以下但仍然保持在欠压阈值Vot以上时，低压检测电路16信号通知低供给电压\。当低压检测电路16信号通知低压，则只要低压信号LV是有效的(LV=1)，较高的过电流阈值Sth=Shi被减小成较低过电流阈值Sth=Sujij这将最大负载电流振幅减小至较低过电流阈值Suj (例如，SW=19A而Shi=27A)，并因此穿过供应线的电压降相应地被限制。
[0029]继续先前的实例，假设较低的、第二过电流阈值大约是19A (即大约是27A的上阈的70%)。因此，最大电流振幅(当负载短路时出现)从27A减小到19A，并因此由供应线的阻抗引起的穿过供应线的电压降减小至1.9V，并且由供应线的感抗引起的电压降减小至1.抑，8卩，3.8￥的总电压降(而不是之前情况中的5￥)。因此，假设最小额定供给电压Vsnqm=8V，供给电压将不会降到4.2V以下(8V - 3.8V)，并因此不会引起欠压事件(Vs<Vuv, UV=1)(如Vot=3.5V)。当低压检测电路16指示供给电压再次在第二电压阈值Vw以上，则过电流阈值Sth可再次被切换回较高电流阈值STH=SHI。
[0030]用于控制图3的智能开关10的图4的状态机的使用可导致在负载的起始相位期间检测到较高数量的过电流事件，但是将会防止不期望的欠压事件，这些欠压事件归因于深度电流梯度引起的在供应线上的瞬间电压幅动。通过避免不期望的欠压事件，也将避免对检测到的过电流事件进行计数的计数器county的非有意重置。
[0031]图5包括描述输入信号IN1的波形(上部时序图)、应用到电源引脚SUP的供给电压(中间时序图)，以及相应的测量负载电流信号Sc (下部示图)的三个时序图。这些示图示出了负载(诸如白炽灯)的起始相位的信号波形。
[0032]参考图5的上部图，输入信号IN1在表示时间为h的时刻从初始低逻辑电平(OV)切换到高逻辑电平(5V)。在这个时刻，图3的状态机将从初始状态Xtl改变至状态X1,将控制信号Sm设置在高电平(Sm=l)，这将导致栅极驱动器11生成驱动信号Vei，该驱动信号Vgi激励半导体开关!\。在状态X1中，“缺省”过电流阈值是Shi (Sth=Shi)。因此，负载电流iL (并因此测量负载电流信号S。)将急剧上升，同时供给电压Vs将相应地下降。在表示为tc/的时刻，供给电压Vs降到低压阈值Vw以下(看图5的中间示图)。因此，过电流阈值Sth如上讨论被设为较低值(Sth=SujX短时间后，在时刻V ’，负载电流信号S。超过过电流阈值Sth=Slo,该现象可引起过电流事件，该过电流事件由过电流检测器(由电流测量电路14和比较器15组成)检测到并通过将过电流信号OC设置至一个高逻辑电平(OC=I)而被信号通知至控制逻辑电路12 (即，至状态机)。这触发状态机从状态X1改变至状态X3的状态切换。在状态X3中，使控制信号Sm失效以(临时地)使晶体管T1截止，这导致负载电流立刻停止并且供给电压恢复至额定值。此外，过电流事件计数器Countre增加，并且，由于计数器没有达到maxm，状态机在短暂的延迟时间(空白时间Tblank)例如100 μ s之后回落至状态X115回到状态X1中，由于IN1仍然在高电平，晶体管被再激励。所提到的延迟时间(空白时间Τ_κ)大约是htt-t0’ ’。
[0033]在时间&，循环重新开始。状态机将在状态Xc^PX3之间切换直到以下两种情形之一发生:计数器county；达到Hiaxoc (例如maxa^〗),这将引起状态机改变至失效状态X4 ;或者负载电流逐渐减小从而不会引起另外的过电流事件。在这种情况下，状态机将改变至状态X2并保持该状态(除非另一过电流事件发生)直到低输入信号IN1 (IN1=O)启动对晶体管的断开。
[0034]以下总结了上述示例性实施方式的一些重要的一般方面。然而，不必认为下述是完整的或详尽的。因此，本文中所描述的半导体装置可包括具有集成功率晶体管T1的半导体芯片，该半导体芯片具有可操作地根据输入信号传送负载电流的负载电流路径。晶体管T1耦接在被提供有供给电压Vs的供给端子SUP与输出电路节点OUT1之间。因此，负载电流k可从供给端子SUP流至输出电路节点OUT1。装置进一步包括电压比较器16，该电压比较器被配置为:将供给电压Vs与电压阈值Vw相比较并当供给电压Vs达到或降到电压阈值Vlv以下时信号通知低供给电压(例如通过设定符号LV=I )。此外，过电流检测器耦接至晶体管T1并被配置为将表不负载电流的负载电流信号S。(电流测量电路14)与过电流阈值Sth相比较(比较器15)，并当负载电流信号SC达到或超过过电流阈值Sth时，例如当S。^ Sth,信号通知过电流(例如通过设定符号0C=1)。控制逻辑单元12被配置为:当过电流被信号通知时，去激励晶体管Tl (例如经由栅极驱动器11)以及负载电流。当且只要电压比较器16信号通知低供给电压(LV=1)，控制逻辑电路12能够进一步将过电流阈值从(第一)较高值Shi减小至(第二)较低值Sw。如上说明，当供给电压已经较低时(由于穿过供应线的电压降)，过电流阈值Sth的减小防止供给电压降到欠压限制以下，供给电压降到欠压限制以下会引起装置的逻辑电路的完全重置。
[0035]控制逻辑电路12在第一模式(起始相位)和第二模式(正常操作)中可操作。所提到的过电流阈值Sth从第一值Shi到第二值Sm的减小在第一模式中完成(即，在起始相位期间)，然而过电流阈值Sth通常在第二模式中(即，在正常操作期间)被设置在较低值Sw。此外，在第一模式中，当过电流被信号通知(OC=I)时，负载电流由控制逻辑电路12去激励，并且此外，在空白时间Tbunk之后再次激励，除非过电流事件的最大数maX(K已经被信号通知。
[0036]在启动时间Ton过去后，控制逻辑从第一模式(起始相位)变化至第二模式(正常操作)。在第二模式中，控制逻辑单元可被配置为将过电流阈值Sth设置在低于较高的第一值Shi或等于较低的第二值Sm的第三值。在第二模式中，当过电流被信号通知而没有进行任何“再试”，即没有优先再激励时，负载电流被去激励。因此，负载电流保持无效状态直到接收到重置信号。
[0037]电压比较器16可进一步被配置为将供给电压Vs与另外的电压阈值Vot相比较，该电压阈值与用于操作装置所需要的最低供给电压相对应。当供给电压(Vs)达到或降到最低供给电压Vuv以下，欠压被信号通知(例如通过设置符号UV=1)。通常地，电压阈值Vw可被选择高于最低供给电压Vuv，但低于装置的额定供给电压。
[0038]控制逻辑电路12可包括被配置为计算过电流被信号通知的次数的计数器COuntoco当输入信号IN1指示负载电流无效(IN1=O)或对应于指示激励负载电流的输入信号IN1的转换时，计数器county被重置。此外，控制逻辑电路12可包括被配置为测量启动时间Tw的计时器，当输入信号IN1指示负载电流无效时或对应于指示激励负载电流的输入信号IN1的转换时，计时器被重置。
[0039]通常地，串行总线接口 13可耦接至控制逻辑电路12并被配置为能够在控制逻辑电路12和外部设备(例如外部控制器)之间数据交换。特别是，所提到的重置命令可经由串行总线被接收。输入信号IN1也可经由串行总线被传输。
[0040]本发明的另一方面涉及用于控制功率半导体晶体管T1以激励或去激励负载电流iL的方法。该负载电流L从提供供给电压\的供给端子SUP经过晶体管T1至输出电路节点0UI\。该方法可包括:监测供给电压\，并当供给电压Vs达到或低于第一电压阈值时(即当Vs < Vlv时)，信号通知低供给电压(例如通过设置符号LV=1)。所述方法可进一步包括:监测负载电流L并当负载电流达到或超过可调整的过电流阈值时，对过电流信号通知(例如通过设置符号0C=1)。当且只要低供给电压被信号通知时(LV=1)，过电流阈值Sth从初始较高的第一值Shi减小到较低的第二值SM。当过电流被信号通知时，晶体管以及因此流经晶体管的负载电流至少临时被去激励。
[0041]尽管已经公开了本发明的各种示例性实施方式，但是对本领域中的技术人员显而易见的是，可根据各种实施方式的特定实施且在不偏离本发明的实质和范围的条件下进行各种改变和修改。对于本领域中的普通技术人员显而易见的是，可以适当地替换执行相同功能的其他组件。特别是，在实现基本上相同的结果时，信号处理功能可在时域或在频域中进行。应当提及的是，参考具体【专利附图】
【附图说明】的特征可以与其他附图的特征相结合，即使在没有明确提到之处。此外，本发明的方法可以使用合适的处理器指令以全部的软件实现来达到，或以采用硬件逻辑和软件逻辑相结合的混合实施来达到，从而达到相同的结果。对概念做出的这些改变意指由所附发明权利要求所覆盖。
【权利要求】
1.一种半导体装置，包括: 半导体芯片，包括可操作地根据输入信号(IN1)将负载电流(ij从具有供给电压(Vs)的供给端子传送至输出电路节点(OUT1)的负载电流路径； 电压比较器(16)，耦接至所述供给端子且被配置为将所述供给电压(Vs)与电压阈值(U相比较，并当所述供给电压(Vs)达到所述电压阈值(Vw)或降到所述电压阈值(Vw)以下时，信号通知低供给电压(LV)； 过电流检测器(14，15)，耦接至所述负载电流路径并被配置为将表示所述负载电流(iL)的负载电流信号(S。)与过电流阈值(Sth)相比较，并当所述负载电流信号(S。)达到或超过所述过电流阈值(Sth)时信号通知过电流(Sre)； 控制逻辑单元(12)，被配置为当信号通知所述过电流时去激励所述负载电流，并进一步被配置为只要所述电压比较器(16)信号通知低供给电压(LV)就将所述过电流阈值(Sth)从较高的第一值(Shi)减小到较低的第二值(Suj)。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元(12)在第一模式和第二模式中是可操 作的，并且 其中，在所述第一模式中，所述控制逻辑单元(12)被配置为只要所述电压比较器(16)对所述低供给电压(LV)信号通知就将所述过电流阈值(Sth)从所述较高的第一值(Shi)减小至所述较低的第二值(SM)，以当所述过电流被信号通知时去激励所述负载电流，并且进一步地在空白时间(Tblank)之后再激励所述负载电流，除非最大数目的过电流事件已经被信号通知。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元被配置为在启动时间(Tm)过去之后从所述第一模式改变至所述第二模式，并且其中 其中，在所述第二模式中，所述控制逻辑单元(12)被配置为将所述过电流阈值设置在低于所述较高的第一值(Shi)或等于所述较低的第二值(Sm)的第三值，并进一步被配置为当所述过电流被信号通知时去激励所述负载电流。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，在操作的所述第二模式中，所述控制逻辑单元(12)被配置为当所述过电流在没有预先再激励的情况下被信号通知时，最后去激励所述负载电流并保持所述负载电流无效直到接收了重置信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，所述电压比较器(16)进一步被配置为:将所述供给电压(Vs)与对应于操作所述装置所需要的最小供给电压的另一电压阈值(Vuv)相比较；并当所述供给电压(Vs)达到或低于所述最小供给电压(Vuv)时对欠压(Uv)信号通知，所述电压阈值(Vw)高于所述最小供给电压(Vuv)并低于所述装置的额定供给电压。
6.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元包括被配置为计算由所述过电流检测器(14，15)信号通知的所述过电流的次数的计数器，所述计数器响应于指示激励所述负载电流的所述输入信号(IN1)的转换而被重置。
7.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，所述控制逻辑单元包括被配置为测量所述启动时间(Tw)的计时器，所述计时器响应于指示激励所述负载电流的所述输入信号(IN1)的转换而被重置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体装置，进一步包括串行总线接口，所述串行总线接口耦接至所述控制逻辑电路(12)并被配置为能够在所述控制逻辑电路(12)和外部设备之间进行数据交换。
9.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，进一步包括被配置为根据所述输入信号(IN1)激励和去激励从所述供给端子(SUP)流至相应的输出端子(OUT1)的所述负载电流的功率半导体晶体管(!\)。
10.一种用于控制功率半导体晶体管(T1)以激励或去激励从提供供给电压(Vs)的供给端子(SUP)经过所述晶体管(T1)至输出端子(OUT1)的负载电流的方法；所述方法包括: 监测所述供给电压(Vs)并当所述供给电压(Vs)达到第一电压阈值(Vw)或降到所述第一电压阈值以下时对低供给电压(LV)信号通知； 监测所述负载电流(^，并当所述负载电流(D达到或超过可调整的过电流阈值(Sth)时对过电流(OC)信号通知； 当且只要所述低供电电压(LV)被信号通知时，所述过电流阈值(Sth)从初始较高的第一值(Shi)减小到较低的第二值(Suj)； 当所述过电流被信号通知时，至少临时去激励所述晶体管(T1)以及由此经过所述晶体管(T1)的所述负载电流。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括: 监测所述输入信号(IN1),并测量从所述输入信号的转换开始的时间(TM)，所述输入信号指示所述负载电流将被激励；以及 当测量的所述时间超过预定义启动时间时进行信号通知。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在去激励所述晶体管(T1)之后并且如果测量的所述时间没有超过所述启动时间: 计算过电流每隔多久被信号通知； 在所述去激励之后的空白时间(TBUM)，对去激励的所述晶体管(T1)再激励以及所述负载电流由此经过所述晶体管(T1),除非所述过电流事件的计数超过最大数； 当所述过电流事件的计数在允许对所述晶体管(T1)再激励之前已经达到所述最大数时，等待直到接收到重置信号。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在对所述晶体管(T1)的所述去激励之后并且如果测量的所述时间超过了所述启动时间: 当所述过电流事件的计数在允许对所述晶体管(T1)再激励之前已经达到所述最大数时，等待直到接收到重置信号。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法 监测二进制输入信号(IN1 )，并取决于所述输入信号(IN1)的逻辑电平激励和去激励所述负载电流。 其中，当所述输入信号(IN1)指示所述负载电流将无效时，计算过电流事件的次数的计数器和测量所述启动时间的计时器被重置。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述重置信号经由串行总线接口从外部设备接收。
【文档编号】H03K17/08GK103684370SQ201310428776
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2012年9月20日
【发明者】法布里齐奥·科尔蒂贾尼, 阿道弗·德奇科 申请人:英飞凌科技股份有限公司
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