本发明涉及一种用于至少一个传感器的电流供给的高侧开关，所述高侧开关包括两个接头，所述两个接头通过电流路径相互连接，在所述电流路径内，测量晶体管和至少一个电阻相互串联连接，其中，功率晶体管与所述电流路径并联连接，设有用于调节流过测量晶体管和功率晶体管的电流的比较器。
背景技术：
使用高侧开关，以确保尤其传感器、如例如超声传感器的可开关的供电。对于这样的供电，必需的是，当开关闭合时，确保在能量源——如例如电池和分别待供以电流的传感器的供电接头之间的尽可能低欧姆的连接。反之，如果高侧开关断开，必须确保，在能量源和传感器之间的连接是尽可能高欧姆的。
如果应以受限的电流对在传感器的接头或者终端上的外部电容器再充电，则必须限制在高侧开关中的或者流过高侧开关的电流。为了能够操作尤其用于施加必要的发送功率仍然具有高的电流的传感器，或者必须使用多个高侧开关，或者必须容忍在电流边界内的大的公差。
在现有技术中，使用高侧开关，所述高侧开关具有电流路径或者参考路径，所述电流路径或者参考路径具有也称作感测晶体管的测量晶体管在其中。在大多数情况下，也称作感测电阻的(测量)电阻与该测量晶体管串联连接。为了获得测量晶体管的尽可能小的接通电阻RDSon并且为了防止在(测量)电阻上的过度的电压降，将也称作Power-Transistor(功率晶体管)的功率晶体管与具有小的面积的电流路径或者参考路径并联连接，所述功率晶体管应承载流过高侧开关的最大的电流。
然而，在电流路径中的或者在参考路径中的(测量)电阻引起所不期望的(源极)负反馈，所述(源极)负反馈改变在功率晶体管的控制输入端上的电压，这又导致流过功率晶体管的电流的所不期望的提高。在现有技术的仅仅设计用于引导较小的电流的高侧开关中，可以忽略该误差，因为在这里在(测量)电阻上的电压降比在功率晶体管的控制输入端上的有效的电压明显更小。但在较高的电流的情况下，该误差不再可忽略。
技术实现要素：
根据本发明，提供一种用于至少一个传感器的电流供给的高侧开关以供使用，所述高侧开关包括两个接头以及电流路径，所述接头通过电流路径能导电地相互连接，并且在所述电流路径内，测量晶体管和至少两个电阻相互串联连接。此外，高侧开关包括功率晶体管以及比较器，所述功率晶体管与所述电流路径并联连接，所述比较器具有两个输入端，所述两个输入端中的一个与电流路径固定地连接并且一个可以与电流路径如此可变地连接，使得位于输入端与电流路径的连接点之间的电阻的数目能够改变。此外，比较器包括输出端，所述输出端与测量晶体管的和功率晶体管的控制输入端能导电地连接。可校准的第一电流源与测量晶体管的控制输入端能导电地连接。
这类高侧开关的优点在于，由于电阻的负反馈而引起的、在功率晶体管的控制输入端上的误差电压(Fehlspannung)和伴随其的、流过功率晶体管的电流的所不期望的提高可以通过以补偿电流加载测量晶体管的控制输入端来对抗。如果出现在功率晶体管的控制输入端上的所不期望的电压改变或者出现流过功率晶体管的电流的所不期望的提高，则可以以来自可校准的第一电流源的补偿电流加载测量晶体管的控制输入端，以便实现流过电流路径的电流的匹配。如此避免电流误差。即，本发明的目标是，通过将补偿电流接入到感测晶体管(即测量晶体管)的控制输入端/栅极上来消除该误差。换言之，本发明提供一种低欧姆的开关的显示的一种成本便宜——因为没有额外耗费提供附加的开关引起——的变型，所述低欧姆的开关具有不同的电流边界地工作并且此外允许能以简单的附加布线来诊断。根据本发明的高侧开关允许多个测量电流或者感测电流的转换，而不提高功率晶体管中的电流误差。
优选地，可校准的第一电流源的电流输出端与测量晶体管的控制输入端能导电地连接。此外优选地，高侧开关的第一接头可以与储能器的、尤其电池(例如机动车的电池)的极中的一个能导电地连接。此外优选地，高侧开关的第二接头可以与至少一个传感器的、尤其超声传感器的终端能导电地连接。
优选地，比较器的输入端中的第一输入端可如此调整地构造，使得在其第一位置中一个电阻以及在第二位置中两个电阻在电流路径内位于输入端与电流路径的连接点之间，其中，高侧开关此外包括用于对第一输入端进行位置更换的调节单元。在高侧开关的这类实施方案中，与其连接的传感器可以被供以多个在高度上不同的电流，即能够实现传感器的精准的、可逐级调整的电流供给，所述电流供给能够针对可变的负载。在此，输入端中的第一输入端充当感测抽头。即，在这类实施方案中，高侧开关允许多个感测电流的转换，而不提高功率晶体管中的电流误差。
在一种优选的实施方式中，比较器具有发射极比较器、尤其18mV发射极比较器，所述发射极比较器包括跨导放大器。发射极比较器、尤其18mV发射极比较器在构造上简单并且可成本便宜地可获得。优选地，比较器实施为18mV比较器。
优选地，不仅测量晶体管而且功率晶体管涉及具有相同的沟道长度L的场效应晶体管，其中，功率晶体管的沟道宽度比测量晶体管的沟道宽度大多倍。优选地，由功率晶体管的沟道宽度与测量晶体管的沟道宽度组成的比例关系相当于(entsprechen)10比1的比例关系。
优选地，测量晶体管的控制输入端和功率晶体管的控制输入端分别通过一个能导电的连接在交叉点上相互连接，其中，可校准的第二电流源与交叉点能导电地连接。通过这类可校准的第二电流源防止，对比较器的输出级不必要地加负荷。
在一种优选的实施方式中，可校准的第一电流源的电流输出端与在测量晶体管的控制输入端和交叉点之间的能导电的连接能导电地连接，其中，在测量晶体管的控制输入端和交叉点之间的该能导电的连接中此外布置有前置电阻。在这类实施方式中，通过简单的手段限制以下补偿电流：为补偿目的，以所述补偿电流加载测量晶体管的控制输入端。
优选地，可校准的第一电流源构造用于通过将第一补偿电流接入到测量晶体管的控制输入端上来补偿由于所述电阻的负反馈而在功率晶体管的控制输入端上引起的误差电压。在高侧开关的这类实施方案中，以与为了补偿由在控制输入端上的误差电压引起的、在流过功率晶体管的电流中的电流误差而所需要的恰好同样多的电流加载测量晶体管的控制输入端。
此外优选地，所述可校准的第二电流源构造用于将第二补偿电流馈入到所述交叉点中，所述第二补偿电流相当于所述第一补偿电流。在一种这样的实施方案中，附加地保护比较器的输出端以防不必要的过载。
此外优选地，所述可校准的第二电流源构造用于将第二补偿电流馈入到所述交叉点中，所述第二补偿电流不同于可校准的第一电流源的第一补偿电流。
优选地，由所述前置电阻的电阻值和在所述高侧开关运行中的第一补偿电流组成的乘积相当于由通过所述比较器调节的、流过所述测量晶体管的最大电流和由所述至少两个电阻的电阻值组成的总和组成的乘积。在这类实施方案中，电流误差基本上完全地降低。最大电流理解为以下电流：所述电流允许最大限度地流动，而比较器不下调在测量晶体管的控制输入端上的电压。
优选地，可校准的第一电流源构造用于将流过电流路径的电流微调到预先确定的期望值上。由此可以非常准确地调节流过测量晶体管和功率晶体管的电流。
附图说明
根据附图和随后的说明书详细地阐述本发明的实施例。示出：
图1示出根据本发明的高侧开关的示意性的第一实施例，以及
图2示出根据本发明的高侧开关的第二实施例。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的高侧开关100的示意性的第一实施例。在图1中示出的实施例仅仅是示意性的并且可以包括多个另外的电子部件，在图1中，为更好的概览性起见已省去所述多个另外的电子部件。根据本发明的高侧开关100除了在图1中示出的之外尤其还可以包括尤其用于使高侧开关100稳定以及保护在图1中示出的各个部件以防过电流和过电压或者以防在另外的意义中的过载的多个另外的电子部件。
在该第一实施例中，高侧开关100纯示例性地涉及用于一个或多个超声传感器的电流供给的高侧开关100。但也可以实现用于一个或者多个其他的传感器或者其他的电子部件的电流供给的、根据本发明的高侧开关100。高侧开关100包括两个接头1、2、即第一和第二接头1、2。在该第一实施例中，第一接头1纯示例性地用于使高侧开关100与储能器能导电地连接，所述储能器可以涉及例如电池、尤其涉及机动车的电池。在该第一实施例中，高侧开关100的第二接头2纯示例性地用于使高侧开关100与超声传感器的接头终端能导电地连接。此外，高侧开关100包括电流路径10，通过所述电流路径，第一和第二接头1、2能导电地相互连接，其中，在电流路径10内部，测量晶体管4和在该第一实施例中纯示例性的两个电阻5相互串联连接。电流路径10是单独的供电线路，借助所述供电线路完成可与高侧开关100连接的超声传感器的供电。在该实施例中，也称作感测晶体管的测量晶体管4纯示例性地涉及N沟道MOSFET。但也可以使用任意的其他的晶体管，如例如双极晶体管或者诸如此类。在该实施例中，这两个电阻5纯示例性地涉及测量电阻，所述测量电阻也称作感测电阻。在其他实施例中，多于两个电阻5也可以在电流路径10中相互串联连接。
此外，高侧开关100包括功率晶体管6，所述功率晶体管与电流路径10并联连接。在该第一实施例中，也称作Power-Transistor的功率晶体管6纯示例性地也涉及具有N沟道的场效应晶体管，所述场效应晶体管设计用于引导高的电流。但也可以使用不同类型的晶体管作为在根据本发明的高侧开关100内部的功率晶体管6。此外，高侧开关100具有比较器30，所述比较器包括两个输入端31、32和输出端33。在该第一实施例中，比较器30纯示例性地涉及包括跨导放大器的18mV比较器。跨导放大器也称作可操作的跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier)或者简单地称作OTA。
在该第一实施例中，18mV比较器纯示例性地通过发射极比较器来实现，在所述发射极比较器中，分析处理两个发射极与一个发射极的比例关系。但也可以使用任意的其他类型的比较器30，其也不必必然包括跨导放大器。
在该第一实施例中，比较器30的两个输入端31、32纯示例性地涉及比较器30的跨导放大器的反相的和非反相的输入端。在该第一实施例中，比较器30的反相的第二输入端32在连接点32-1上固定地与电流路径10连接。在该第一实施例中，该固定的连接点32-1纯示例性地位于测量晶体管4和两个直接彼此相继的电阻5的组之间。比较器30的非反相的第一输入端31可以如此可变地与电流路径10连接，使得位于输入端31、32与电流路径10的连接点31-1、32-1之间的电阻5的数目可以改变。换言之，第一输入端31可调整地构造并且构成感测抽头(Sense-Abgriff)。在该第一实施例中，第一输入端可以在两个位置之间更换。在第一输入端31的第一位置中，第一输入端31与电流路径10的连接点31-1位于这两个电阻5之间，从而仅仅一个电阻5位于两个输入端31、32与电流路径10的连接点31-1、32-1之间。在第一输入端31的第二位置中，第一输入端31与电流路径10的连接点31-1位于高侧开关100的第二接头2和两个直接彼此相继的电阻5的组之间。在该第二位置中，两个电阻5位于两个输入端31、32与电流路径10的连接点31-1、32-1之间。
在该第一实施例中，高侧开关100此外包括用于对第一输入端31进行位置更换的调节单元12。在图1中，该调节单元12虽然作为机械式的单元示出，但该示图如已经提到的那样仅仅是示意性的并且有助于更好的理解。在该第一实施例中，调节单元12纯示例性地设计用于根据调节单元12的操纵来将输入端31从第一位置转变到第二位置中或者从第二位置转变到第一位置中。在此，在该第一实施例中，该转变纯示例性地非机械式地进行，而是电式地进行，也就是说，在转变时或者对于转变，无机械式的部件运动。然而，也可以实施根据本发明的高侧开关100，在所述根据本发明的高侧开关中，所述转变机械式地或者完全不同地进行。此外，也可以实现以下根据本发明的高侧开关100，在所述根据本发明的高侧开关中，总是当超声传感器被转变到发送运行中时，才通过调节单元12推动地自动地进行第一输入端31的位置更换。在这样的情况下，高侧开关100例如可以构造用于将第一输入端31从第二位置转变到第一位置中。
此外，比较器30包括输出端33，所述输出端与测量晶体管4的控制输入端和功率晶体管6的控制输入端能导电地连接。换言之，在该第一实施例中，比较器30的输出端33纯示例性地与测量晶体管4的栅极和功率晶体管6的栅极能导电地连接。此外，可校准的第一电流源40与测量晶体管4的控制输入端能导电地连接。该可校准的电流源40构造用于以电流(更准确地，补偿电流)加载控制输入端(即，在该第一实施例中，测量晶体管4的栅极)。在此，电流源40自身可以任意地选择，即自身生成补偿电流或者从另外的源中取得补偿电流。在该实施例中，可校准的电流源40纯示例性地可以与以下电位连接：所述电位超过储能器的电位，高侧开关100可以与所述储能器的电位连接。
在该第一实施例中，测量晶体管4和功率晶体管6具有相同的沟道长度L，其中，功率晶体管6的沟道宽度Wp比测量晶体管4的沟道宽度Ws大多倍。在该第一实施例中，功率晶体管6的沟道宽度Wp纯示例性地比测量晶体管4的沟道宽度Ws大十倍。如果忽略功率晶体管6的电流误差，则该沟道宽度比例关系Wp/Ws在高侧开关100的运行中导致流过功率晶体管6的以下电流：该电流为流过测量晶体管4的电流的大约十倍大。参照图2详细地阐述这一点。
在图2中示出根据本发明的高侧开关100的第二实施例。在图2中示出的第二实施例基本上与在图1中示出的等同。在图2中相同地标记的部件与图1的部件一致，从而在关于图1的描述中对这些部件所述的也适用于在图2中示出的、相同地标记的部件。即，图2基本上示出在图1中示出并且在上面描述的第一实施例，在第二实施例中，以一些部件扩展了所述第一实施例。
在根据本发明的高侧开关100的该第二实施例中，测量晶体管4的控制输入端和功率晶体管6的控制输入端通过分别能导电的连接4-1、6-1在交叉点8上相互连接。此外，在该第二实施例中，可校准的第二电流源50与交叉点8能导电地连接。而可校准的第一电流源40的电流输出端与在测量晶体管4的控制输入端和交叉点8之间的能导电的连接4-1能导电地连接，其中，不仅在测量晶体管4的控制输入端和交叉点8之间的该能导电的连接4-1中，而且在功率晶体管6的控制输入端和交叉点8之间的能导电的连接6-1中此外分别布置有可选的前置电阻9。此外，比较器30的输出端33通过可选的二极管36与交叉点8能导电地连接，所述交叉点在它那方面与晶体管38的控制输入端(在该第二实施例中，双极晶体管的基极)能导电地连接。恰好该晶体管38的发射极接头与比较器30的输出端33连接，而晶体管38的集电极接头与电流镜电路39能导电地连接。电流镜电路39的输出端与驱动级连接，所述驱动级包括也称作Puffer的缓冲器60和电流源70。然而替代地，驱动级也可以包括Schmitt触发器60或者其他的替代缓冲器60的部件。缓冲器60构造用于以高信号加载可以与高侧开关100连接的总线系统。为此目的，高侧开关100可以通过高侧开关的另外的接头65与总线系统连接。此外，高侧开关100包括供电接头80，所述供电接头与供电线路82能导电地连接，在该第二实施例中，纯示例性地，通过所述供电线路可以将以下电位提供给高侧开关100：所述电位比可以由能量源向高侧开关100的第一接头1提供的电位更大。由电流镜电路39包括的晶体管的源极接头连接到所述供电线路82上。此外，可校准的第一电流源40以及两个另外的电流源85、88纯示例性地连接到该供电线路82上。此外，另外的第一电流源85与交叉点8、二极管36的阳极和双极晶体管38的基极接头能导电地连接。所述另外的第一电流源尤其用于提供比较器下降电流(Komparatorabsenkstrom)。另外的第二电流源88用于馈入比较器30的跨导放大器的供电电压接头中的一个，在该第二实施例中，所述跨导放大器的余下的供给电压接头位于地电位上。此外，在该第二实施例中，高侧开关100纯示例性地包括用于过电压保护的可选的齐纳二极管3。该齐纳二极管3的阴极与栅极接头、即与功率晶体管6的控制输入端能导电地连接，而该齐纳二极管2的阳极与功率晶体管6的源极接头能导电地连接。在图2中的另外的二极管示意性地构成测量晶体管4的体二极管(Bulk-Diode)7。该体二极管7的阴极与测量晶体管4的体接头能导电地连接，而该体二极管7的阳极与高侧开关100的第二接头2能导电地连接。
借助高侧开关100，超声传感器的供电应通过单独的电流供给线路实现，所述电流供给线路目前存在于电流路径10中。在包括储能器、高侧开关100、与其连接的总线系统和与高侧开关100连接的超声传感器的总系统中，这是一个有利的解决方案，因为超声传感器现在在发送运行中要求在550mA以内的电流消耗。如果多个超声传感器与高侧开关100连接，则它们在运行中构成总线系统中的进行发送的参与者，由此，传感器的电流消耗相应地增加。在大多数其他的解决方案中，这使得用于补偿在功率晶体管6上的电压降的相应的电压稳定机制成为必需的。
如果与高侧开关100连接的传感器不处于发送运行中，则比较器30的第一输入端31位于第二位置中，在该第二位置中，第一输入端31与电流路径10的连接点31-1位于高侧开关100的第二接头2和两个直接彼此相继的电阻5的组之间。在该第二位置中，两个电阻5位于两个输入端31、32与电流路径10的连接点31-1、32-1之间。通过比较器30以如此程度下调在控制输入端上(即在测量晶体管4的栅极上)的电压和因此也在控制输入端上或者在功率晶体管6的栅极上的电压，直到由电阻5的电阻值的总和和流过测量晶体管的电流组成的乘积相当于补偿电压(即，在该第二实施例中，纯示例性地，18mV)。换言之，比较器30以如此程度下调以上提到的电压，直到满足条件18mV＝(R5-1+R5-2)*I感测为止，其中，R5-1为两个电阻5中的上方的电阻的值，所述上方的电阻直接接着测量晶体管4布置，并且R5-2为两个电阻5中的下方的电阻的值，所述下方的电阻直接接着第二接头2。I感测相当于流过测量晶体管4的电流的值。
如果反之比较器30的第一输入端31位于第一位置中，则比较器30以如此程度下调以上标出的、在控制输入端上的电压，直到由位于两个连接点32-1、31-1之间的电阻5和流过测量晶体管4的电流组成的乘积相当于补偿电压(即，在该第二实施例中，纯示例性地，18mV)。换言之，比较器30以如此程度下调以上所提到的电压，直到满足条件18mV＝R5-1*I感测。
即，对于小的电流，将比较器30的第一输入端31连接到第二位置中，也就是说，如此连接，使得两个电阻5在感测通路中、即在电流路径10中是激活的。例如，在该第二实施例中，选择两个电阻5的具有R5-1+R5-2＝900mOhm的值，从而在第一输入端31的第二位置中产生流过测量晶体管4的、20mA的高度的电流。通过功率晶体管和测量晶体管6、4的沟道宽度Wp、Ws的选择(见以上，Wp＝10，Ws＝1)，转化比例关系Wp/Ws在晶体管的沟道长度L相同的情况下导致流过功率晶体管6的200mA的电流。由于这两个电阻5的负反馈，在功率晶体管6中，在功率晶体管的控制输入端上的有效的栅极-源极电压UGS≈3V的情况下产生大约18mV的电压误差，然而所述电压误差可以忽略。
然而如果——如在用于超声传感器的高侧开关100中常见地并且在该第二实施例中是这种情况——上方的电阻5具有R5-1＝90mOhm的值地选择并且第一输入端31、即感测抽头被转变到第一位置中，也就是说连接到电源上，例如因为超声传感器中的一个或多个被转变到发送运行中，则18mV存在于上方的电阻5上并且最大200mA流经测量晶体管4，因为在上方的电阻5上达到18mV的电压降时通过比较器30下调在测量晶体管4的控制输入端/栅极上的电压。即，200mA的最大电流可以流动。基于以上所提到的转化比例关系Wp/Ws，可能会预期2A的高度的、流过功率晶体管6的电流。现在，由具有R5-1+R5-2的两个电阻5的负反馈决定地，在功率晶体管6的控制输入端/栅极上的误差电压不再是18mV，而是180mV(200mA*900mOhm＝180mV)。通常，该误差电压不再可以忽略，因为由该误差电压在电流路径10中产生严重的电流误差。由于此原因，设置可校准的第一电流源40，所述可校准的第一电流源构造用于通过将第一补偿电流Ik1接入到测量晶体管4的控制输入端上来补偿由误差电压产生的电流误差。在该第二实施例中，这纯示例性地进行，其方式是，不仅可校准的第一电流源而且可校准的第二电流源40、50提供等同的补偿电流Ik1＝Ik2，其中，由连接在测量晶体管4的控制输入端之前的前置电阻9的电阻值Rk1和可校准的第一电流源40的补偿电流Ik1组成的乘积恰好相当于在功率晶体管6的控制输入端上的误差电压地选择。换言之，即必须满足条件Ik1*Rk1＝180mV，这在该第二实施例中纯示例性地实现，其方式是，选择前置电阻9的具有Rk1＝20kOhm的电阻值Rk1，而选择可校准的第一电流源40的纯示例性地具有9μA的补偿电流。但根据本发明的高侧开关100可以具有可校准的第二电流源50地实施，所述可校准的第二电流源构造用于将补偿电流Ik2馈入到交叉点8中，所述补偿电流不同于可校准的第一电流源40的补偿电流Ik1。
在此，要注意，由另外的第一电流源85提供的比较器下降电流总是能够驱动可校准的第一和第二电流源40、50的补偿电流Ik1、Ik2。因此，不必匹配转化比例关系Wp/Ws地或者不必使用另外的功率晶体管6地，可以解决电流误差的以上所描述的问题。该补偿方法的另外的优点在于，借助少量的面积增长，可以通过提供电流Ik1/Ik2来将流过可校准的电流源40、50的待限制的电流微调到预先确定的期望值上。需要可校准的第二电流源50的补偿电流Ik2，以便不给比较器30的输出级不必要地加负荷。此外，通过简单地感测在比较器30中的电流，以少量的面积额外耗费获得数字信号，借助所述数字信号可以诊断高侧开关100的状态。在高信号存在的情况下，比理论上允许的更多的电流可能会在高侧开关100中流动，因此可以识别相对地、或者相对低欧姆的、低的电位的短路。这样的高信号可以例如通过缓冲器60和通过另外的接头65向总线系统输出。
对该第二实施例描述的值，如例如电阻5的值R5-1+R5-2、流过测量晶体管4或者流过功率晶体管6的电流、在晶体管4、6的控制输入端上的电压或者在功率晶体管6的控制输入端上的误差电压仅仅是纯示例性的。也可以实现其他的根据本发明的高侧开关100，其中，这些值和其他的值不同于以上所描述的。根据本发明的高侧开关100也可以具有比以上所描述的更多、更少或者不同的部件。此外，也可以实现在电流路径10中具有多于两个电阻5的、根据本发明的高侧开关100。在这样的实施方案中，可以提供高侧开关100的多于两个不同的电流级。在这样的实施例中，比较器30的第一输入端31可以在多于两个不同的位置之间切换。
因此，本发明导致测量晶体管4的一开始提到的接通电阻RDSon减小的结果并且同时能够实现具有微调可能性和不同的电流限制的简单的诊断，而没有在标准解决方案中可能会出现的主要的转化误差。