监测理想二极管的制作方法

监测理想二极管
1.本发明涉及一种用于监测理想二极管的方法，该理想二极管具有mosfet，该mosfet具有漏极电极、源极电极和栅极电极，其中，以使得理想二极管以源极-漏极电压的第一目标值在截止状态与导通状态之间切换的方式控制理想二极管的mosfet的源极-栅极电压。本发明还涉及一种对应的电路布置。
2.特别是在机动车辆中，强制性地确保关键系统(例如车辆制动器)的不间断的可用性。因此，此类系统通常连接到两个独立的电压供应器作为能量源，它们必须受到保护以免相互影响，使得一个电压供应器中的故障不会损坏另一个电压供应器。一个简单的解决方案是在电压供应器与负载之间连接一个半导体二极管。但是，这样做的缺点是二极管的电压降相对较高，并且因此会导致较大的功率损耗。此外，供应路径中的高的电压降会降低系统的可用性。
3.主动的或运算是更好的替代方案。在这种情况下，将二极管替换为低阻抗的功率晶体管——例如mosfet(功率fet)，控制其栅极电压以模拟二极管的功能。控制确保了，当晶体管电流沿负载方向流动(正向电流)时，源极电极与漏极电极之间的电压差几乎对应于0v——例如50mv的目标值，并且当晶体管电流沿电源的方向流动(反向电流)时，晶体管被关断。因此，功率fet的表现类似于理想二极管：该元件对于正向电流是准短路的(＝非常小的电压降)，并且对于反向电流是完全阻断的。在面向自动驾驶车辆的未来中，这种以两个电源和一个理想二极管作为中心元件的概念将变得越来越重要。
4.为此，已经存在用于理想二极管或者完整的或运算电路的集成控制器。这些集成控制器设计用于，在正向电流期间精确且持续地将受控的源极-漏极电压降保持在目标值，并且设计用于，在反向电流的情况下非常快速地关断或断开功率fet。
5.但是，这些电路不具有确保全面故障监测的机制，而这对于车辆中的系统关键应用中的应用是需要的。
6.因此，目的是说明一种使得能够对理想二极管电路进行故障监测的方法。
7.该目的通过根据权利要求1的方法实现，其中，测量：源极-漏极电压，即mosfet的源极电极与漏极电极之间的电压；以及源极-栅极电压，即mosfet的源极电极与栅极电极之间的电压。源极-漏极电压的测量范围应该至少为0mv至100mv。在这种情况下，执行检查以确定在理想二极管的导通状态中源极-漏极电压是否在预设的误差限制内达到第一目标值。例如，可以将目标值加减50％设置为误差限制。值的波动范围也可以在无错误的情况下被确定，并且可以以刚好包含无错误的波动范围的方式设置误差限制。
8.根据本发明，还执行测试模式，其中，将源极-漏极电压控制为小于第一目标值的第二目标值。在这种情况下，执行检查以确定在执行测试模式时源极-栅极电压是否达到上限阈值。如果未达到第一目标值和/或上限阈值，则输出对应的错误信号。
9.在形成理想二极管的集成电路的情况下，因此应该可从外部访问以下三个引脚。理想二极管的阳极。该节点通常是系统的电源的输出端，并且同时是mosfet的源极连接。理想二极管的阴极。该节点通常是系统负载的输入端，并且同时是mosfet的漏极连接。理想二极管的控制输入端。该节点通常是mosfet的栅极连接，mosfet的电压由集成电路控制以实
现理想二极管的功能性。在模数(ad)转换后，这些节点的电势可供集成逻辑单元或计算单元使用。
10.在本发明的一个优选的实施方式中，第一目标值为30mv至200mv、优选为50mv。为了避免损失，第一目标值因此被选择为尽可能低，但仅低到使得反向电流被可靠地避免。
11.在本发明的一个优选的实施方式中，第二目标值小于30mv、优选小于15mv、特别是0mv。因此，第二目标值被选择得很小，以至于它通常根本无法达到。因此，理想二极管的控制会将栅极电压增大得越来越大，直到达到最大值。这由控制(例如用于控制的运算放大器)的较高的电源电压引起。在无错误的运行中，栅极电压将因此超过上限阈值。
12.在本发明的另一优选的实施方式中，源极-漏极电压和/或源极-栅极电压的测量在源极-漏极电流大于1ma时执行，其中，测量特别是在运行期间执行。mosfet的电阻虽然比二极管的电阻低很多，但也不是无限小的。因此，电流会引起电压降，在测试模式中必须通过增大栅极电压来调整栅极电压以补偿该电压降。因此，在无错误的情况下，可靠地达到上限阈值。测量、特别是测试模式期间的测量，优选在电流小于40a时执行。然后，由于mosfet的内阻，源极-漏极电压不会处于饱和状态中，并且可以在测试模式与导通状态之间切换时发生变化。
13.在本发明的另一优选的实施方式中，源极-漏极电压和/或源极-栅极电压的测量通过模数转换器执行，并且执行测试模式的测试时间大于模数转换器的一个转换时间、特别是大于五个转换时间。因此确保了可以进行可靠的数据采集。通过将对应的测量的测试时间延长至五个转换时间，进一步提高了测量的稳健性。
14.在本发明的另一优选的实施方式中，使用具有σ-δ架构的模数转换器来测量源极-漏极电压和/或源极-栅极电压。所使用的模数转换器在其转换范围方面仅要求大约5％的精度。在这些要求下，σ-δ架构是非常好并且合适的候选，因为这种架构具有额外的优势，即电子部件的所需的面积小于其他的模数转换器架构的面积，并且因此这种架构可以更成本有效地集成在电子电路中。
15.在本发明的另一优选的实施方式中，上限阈值大于mosfet的阈值电压。例如，可以使用8v的值作为上限阈值。
16.在本发明的另一优选的实施方式中，理想二极管的连接引脚交换的错误通过在执行测试模式时源极-栅极电压未达到上限阈值的事实来识别。
17.在本发明的另一优选的实施方式中，用于测量源极-漏极电压和源极-栅极电压的测量点连接到电流吸收器，以便在所有状态下清晰定义地保持这些测量点的电压。这可以借助于接地的高阻抗的(例如1kohm至50kohm)电阻器以无源方式完成，或者可以采用有源电流吸收器的形式。
18.在本发明的另一优选的实施方式中，理想二极管的源极连接断开的错误通过在理想二极管的导通状态下源极-漏极电压变得小于第一目标值、优选小于第一目标值的一半、特别优选为零的事实来识别。
19.在本发明的另一优选的实施方式中，理想二极管的漏极连接断开的错误通过在理想二极管的导通状态下源极-漏极电压变得大于第一目标值、优选大于第一目标值的两倍、特别优选达到最大值的事实来识别。根据电路布置，最大值可以例如对应于源极电势。
20.在本发明的另一个优选的实施方式中，理想二极管的栅极连接断开的错误通过当
在测试模式与理想二极管的导通状态之间切换时检测到源极-漏极电压无变化的事实来识别。
21.该目的还通过一种用于监测理想二极管的电路布置来实现，该理想二极管具有mosfet和控制单元，该mosfet具有漏极电极、源极电极和栅极电极，该控制单元被配置为以使得理想二极管以源极-漏极电压的第一目标值可在截止状态与导通状态之间切换的方式控制mosfet的源极-栅极电压。还提供了监测单元，该监测单元被配置为测量源极-漏极电压和源极-栅极电压，并且在理想二极管的导通状态下检查源极-漏极电压是否在预设的误差限制内达到第一目标值，并且监测单元还被配置为通过以下方式执行测试模式：为源极-漏极电压设置小于第一目标值的第二目标值，并且检查在执行测试模式时源极-栅极电压是否达到上限阈值，并且如果未达到这些值中的至少一个，则输出错误信号。
22.本发明还涉及一种电路布置，该电路布置具有一个负载和两个电压供应器，这两个电压供应器分别经由理想二极管连接到负载，其中，这些理想二极管中的至少一个被设计为上述的电路布置。
23.本发明的其他特征、优点和可能的应用也由下面对实施例和附图的描述得出。在此，所描述的和/或在附图中示出的所有特征单独地并且以任何组合、还有独立于其在权利要求或其引用中的概括地属于本发明的主题。
24.图1示意性示出了具有理想二极管的电路布置，
25.图2示意性示出了根据本发明的第一实施方式中的电路布置，
26.图3示意性示出了根据本发明的第二实施方式中的电路布置，
27.图4a示意性示出了具有第一错误引脚接线的理想二极管，
28.图4b示意性示出了具有第二错误引脚接线的理想二极管，
29.图4c示意性示出了具有第三错误引脚接线的理想二极管，
30.图4d示意性示出了具有第四错误引脚接线的理想二极管，
31.图4e示意性示出了具有第五错误引脚接线的理想二极管，
32.图5a示意性示出了具有断开的引脚的理想二极管，
33.图5b示意性示出了具有另一断开的引脚的理想二极管，
34.图5c示意性示出了具有又一断开的引脚的理想二极管，
35.图6a示意性示出了具有短路的理想二极管，
36.图6b示意性示出了具有另一短路的理想二极管，
37.图6c示意性示出了具有又一短路的理想二极管，
38.图7示意性示出了具有短路的mosfet的理想二极管，
39.图8示意性示出了具有断开的mosfet的理想二极管，
40.图9示意性示出了具有固定的栅极的理想二极管，
41.图10示意性示出了具有固定的接地的栅极的理想二极管。
42.图1示出了例如用于负载2的冗余的能量供应的电路布置1。这种类型的电路布置1用于机动车辆的制动系统中，在其中，例如作为负载2的具有对应的电子器件的液压泵必须被冗余地供应电能。因此，负载2除了具有第一(接地)连接3之外还具有与第一电压供应器4和第二电压供应器5的连接，该连接分别经由理想二极管6形成。理想二极管6防止分流电流能够在第一电压供应器4与第二电压供应器5之间流动，以便因此确保电压供应器4、5中的
一个电压供应器中的故障不会扩散到相应另一个电压供应器5、4。
43.图2详细示出了理想二极管6的电路。理想二极管6具有mosfet7作为中心元件，该mosfet构造为功率mosfet。该mosfet在内部具有体效应二极管8，该体效应二极管的阳极连接到mosfet 7的源极连接9，并且其阴极连接到mosfet 7的漏极连接11。mosfet 7的源极9、栅极10和漏极11连接到集成电路的对应的连接d、g、s。源极9连接到源极接头s，栅极10连接到栅极接头g，并且漏极11连接到漏极接头d。
44.漏极接头d在控制电子器件内部连接到运算放大器12的反相输入端(-)，并且源极接头s在内部经由电压规格15连接到运算放大器12的同相输入端(+)。电压规格15对应于由控制设置的第一目标值。运算放大器12的输出端经由栅极接头g安置到mosfet 7的栅极10，并且因此输出用于控制mosfet 7的输出信号。因此，栅极10处的电压受到控制，使得漏极11与源极9之间的以及因此运算放大器12的反相输入端(-)与同相输入端(+)之间的电压准确对应于电压规格15。
45.在理想二极管的正常的正向偏置运行中，源极9处的电压高于漏极11处的电压。电流于是基本上流过mosfet 7，因为运算放大器12以使得源极-漏极电压对应于电压规格15的方式控制栅极10电压，该电压规格小于二极管两端的电压降。由于源极-漏极电压以及因此体效应二极管电压小于100mv，因此体效应二极管电流在一微安的数量级上可以忽略不计。
46.在电流非常大的情况下，即使在无错误的情况下，源极-漏极电压也不会完全达到第一目标值，而是会由于mosfet具有有限的内阻而稍高一些。例如，在最大电流为120a并且内阻为1mohm的情况下，电压降变为120mv。相应地，对应的预设的误差上限可以以对于这种无错误情况，在最大电流的情况下也会不输出错误的方式来设置。因此，在此示例中，可以将误差上限设置为140mv。
47.一旦源极9处的电势变得小于漏极11处的电势，即，源极-漏极电压变为负，那么栅极10处的输出信号就会变为最小。例如，根据运算放大器的接线，这可以是0v或甚至是负值。如果在mosfet 7的栅极10处出现最小值，那么该mosfet会完全关断。
48.为了监测理想二极管6的功能性，该电路具有模数转换器13，该模数转换器测量并且数字化漏极接头d与源极接头s之间以及因此mosfet 7的漏极11与源极9之间的电压差。数字化的测量结果被输送给用作监测单元的计算单元。此外，通过另一个模数转换器14测量栅极10与源极9之间的电压，并且使其以数字形式供监测单元使用。此外，设置有桥接开关16，该桥接开关可以在监测单元的命令下将电压规格15短路，并且因此将电路的目标值规格降低到0v。在这种情况下，通过运算放大器12以使得源极9与漏极11之间的电压对应于0v的方式控制栅极10处的电压。
49.在漏极接头d和源极接头s处分别设置有源电流吸收器17，并且电流吸收器在对应的接头断开时将电势降低到0v。如果接头没有断开，则电流吸收器只会使非常小的电流通过接头。
50.如果在正常的正向偏置运行中触发桥接开关16并且因此将控制的目标值设置为0v，则运算放大器12试图在栅极10处输出电压，结果是源极-漏极电压变为0v。由于在运行期间流过mosfet 7的电流不等于0a，并且mosfet具有小但仍然有限的电阻，因此不能实现0v的源极-漏极电压。因此，该控制将栅极10处的电压增大到最大值，该最大值在所示的情
况下对应于运算放大器12的电源电压。
51.根据本发明，监测单元一方面通过在正常运行期间在导通状态下源极-漏极电压是否在预设的误差限制内达到目标值来检查正确的功能性。此外，该监测单元向桥接开关16输出信号以桥接电压规格15，并且因此将源极-漏极电压的目标值设置为0v。在这种测试模式下，监测单元检查栅极电压是否实际增大并且因此超过上限阈值。如果在正常运行中在导通状态下目标值没有达到上限阈值，和/或在测试模式中栅极10处的电压没有上升到高于上限阈值，则输出错误信号。在图4到图10中逐个考虑各种错误。
52.图3示出了本发明的替代的实施方式，其对应于图2的实施方式但有几个细节不同。除了模数转换器13之外，代替图2的实施方式的模数转换器14，图3的实施方式具有两个另外的模数转换器19和20。模数转换器19测量并且数字化栅极g与地之间的电压，并且模数转换器20测量源极s与地之间的电压。相应地，可以通过将这两个电势相减来计算源极s与栅极g之间的电压。代替有源电流吸收器17，源极接头s和漏极接头d连接到无源电流吸收器，这些无源电流吸收器构造为高阻抗的例如具有50kohm的电阻器。
53.图4a示出了来自图2或图3的电路布置的片段，其表示了mosfet7以源极9、栅极10和漏极11经由源极接头s、栅极接头g和漏极接头d连接到控制电子器件。图4a示出了错误引脚接线，其中栅极g和漏极d被交换。如果激活测试模式，其中源极-漏极电压的目标值被控制为0v，那么这不会导致栅极电压上升到高于上限阈值。因此，可以检测到错误引脚接线。
54.图4b示出了与图4a相对应的片段，其中源极接头s和栅极接头g被交换。在这种情况下，当执行测试模式时，也不会测量到超过上限阈值的高的栅极电压。因此，在这种情况下也会检测到错误。
55.图4c相应示出了这样的情况：源极s和漏极d以交换方式连接，并且因此在测试模式下，控制总是看到负的输入值，即小于已设置的0v目标值的值。因此，在这种情况下，也不会调整出超过上限阈值的栅极电压。
56.图4d示出了这样的情况：源极接头s连接到mosfet 7的漏极电极11，栅极接头g连接到mosfet 7的源极9，并且漏极接头d连接到mosfet 7的栅极10。即使在这种状态下，当执行测试模式时，也没有检测到超过上限阈值的栅极电压，并且可以确定缺陷。
57.图4e示出了另外的交换的引脚接线，其中源极接头s连接到mosfet 7的栅极10，栅极接头g连接到mosfet 7的漏极11，并且漏极接头d连接到mosfet 7的源极9。因此，在正常运行中，在导通状态下，负的源极电压被测量为漏极-源极电压，并且因此未达到目标值。
58.在源极连接断开的情况下，图5a现在示出了对应于图4a到4e的片段。mosfet 7的源极9不连接到源极接头s。在正常运行中，当运算放大器12旨在将源极-漏极电压控制到电压规格15的目标值时，源极s和漏极d之间的电压测量结果为0v。因此，可以检测到错误。
59.图5b示出了漏极连接断开的情况，其中漏极11不连接到漏极接头d。源极与漏极之间的电压测量结果为最大值，并且因此与预期的目标值有很大偏差。因此，在这种情况下也会检测到错误。
60.图5c示出了栅极10不连接到栅极接头g的情况。因此，控制栅极接头g处的栅极电压对栅极10没有影响，并且因此对mosfet 7没有影响。因此，源极-漏极电压只可能巧合地对应于来自电压规格15的目标值。如果不对应，则直接检测到错误。但是，在源极-漏极电压巧合地对应于目标值的情况下，该源极-漏极电压在转换到测试模式时不会改变。这可以被
检测到并且因此可以确定错误。在这种情况下，可以在低电流(例如小于40a)下执行测试模式。
61.图6a示出了短路，其将源极接头s与漏极接头d短路或者将源极9与漏极11短路。在这种情况下，源极-漏极电压永远无法达到通过电压规格15预设的目标值，而是为0v。因此，可以检测到错误。
62.图6b示出了栅极g与源极s之间的短路。在这种情况下，测试模式不能导致高于上限阈值的更高的栅极电压，由此可以检测到错误。
63.图6c示出了栅极接头g与漏极接头d之间的短路。在这种情况下，同样，在测试模式下无法测量到高于上限阈值的栅极电压。
64.在图7中，mosfet内部短路。该情况是特别困难的，因为理论上短路可以具有任何内阻值。但是，在所有情况下，晶体管沟道电阻与设定的栅极电压无关，并且因此会中断控制。非闭环的控制回路意味着，控制直接进入饱和状态。因此，栅极-源极电压将达到最大值或最小值。
65.在这种情况下，漏极11与源极9之间的电压也与栅极电压无关，并且因此在切换到测试模式时不会改变。这可以被检测到并且因此可以确定错误。可以再次在低电流(例如小于40a)时执行测试模式。
66.图8示出了mosfet 7断开并且因此与电压供应器4的连接永久断开的情况。如果整个系统只具有一个电源(电压供应器)，则断开的mosfet导致整个系统没有电力供应，并且因此无法运行。
67.如果存在第二电压供应器5，则还有电力供应，并且第二电源5的电压存在于漏极接头d处。如果这巧合地意味着源极-漏极电压对应于目标值，则可以通过漏极-源极电压与控制无关并且因此在切换到测试模式时不会发生变化的事实再次检测到错误。
68.图9示出了控制的输出端、栅极接头g被固定在运行电压(vcd)上的情况。在这种情况下，mosfet 7永久完全导通，并且因此源极-漏极沟道具有其最小电阻。这意味着，如果电流足够低，则源极与漏极之间的电压差将变得小于通过电压规格15预设的目标值。由于在典型的制动系统中电流负载经常呈现较小的值，因此一旦出现较小的电流值，那么就会检测到错误。
69.图10示出了另一种情况，其中控制的输出端、即栅极接头g被固定接地或固定在源极电压上。在这种情况下，当激活测试模式时不会测量到增大的输出电压，并且因此可以检测到错误。
70.因此，根据本发明的方法使得可能能够检测到在系统中可能出现的所有错误。
71.附图标记清单
[0072]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电路布置
[0073]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负载
[0074]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
地
[0075]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电压供应器
[0076]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电压供应器
[0077]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
理想二极管
[0078]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
mosfet
[0079]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
体效应二极管
[0080]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
源极
[0081]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
栅极
[0082]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
漏极
[0083]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
运算放大器
[0084]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
源极-漏极adc
[0085]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
源极-栅极adc
[0086]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压规格
[0087]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
桥接开关
[0088]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有源电流吸收器
[0089]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无源电流吸收器
[0090]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
栅极adc
[0091]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
源极adc
[0092]sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
源极接头
[0093]gꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
栅极接头
[0094]dꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
漏极接头