[0002] 本公开涉及于2017年6月6日发布的且特此通过引用以其全部内容结合在此的美国
专利号9,673,007。
技术领域
[0003] 本公开涉及用于从电感器中释放
能量的放电电路。
背景技术
[0004] 此处提供的背景描述是出于总体上呈现本公开的背景的目的。当前
指定发明人的工作——在此背景技术章节中对其进行描述的程度上——以及在提交时可能不会以其他方式有资格作为
现有技术的本
说明书方面既不明确地也不隐含地被承认为本公开的现有技术。
[0005] 工业高侧
开关的一种应用是驱动电磁继电器的线圈(或电感器)。在“接通(ON)”阶段期间，高侧开关向线圈递送
电流。线圈生成磁
力以使电磁继电器的触点保持闭合。当电磁继电器断开时，期望的是尽可能快速地将线圈电流转变为零以便保护电磁继电器(本文中被称为“快速去磁(fast demagnetization)”)。
[0006] 可以通过使开关表现为高压齐纳
二极管来实现快速去磁，所述高压
齐纳二极管将线圈的
电压钳位在VDD以下约V齐纳＝50V。例如，在
电源电压VDD＝30V的情况下，线圈的电感将遇到反向电压VDD-V齐纳＝-20V，所述反向电压将驱动电感去磁。
[0007] 在快速去磁期间，放电电路生成热功率(P＝V齐纳*I电感器)，当使用大继电器时，所述热功率可能变得非常高(例如，P＝50W)。因此，IC将快速升温。不幸的是，线圈电流无法在流动的同时停止。因此，高侧开关需要仅仅依赖于IC封装体的功率耗散能力以维持IC的温度直到线圈完全放电。在超过某个能量
水平(取决于电磁继电器的大小和初始电流)的情况下，高侧开关最终发生故障并且永久损坏。
发明内容
[0008] 一种用于对感性负载进行去磁的放电电路包括第一开关，所述第一开关包括控制
端子以及第一端子和第二端子。所述第一端子连接到电压源。第二开关包括控制端子以及第一端子和第二端子。所述第一开关的所述第二端子和所述第二开关的所述第二端子连接到所述感性负载。第三开关包括控制端子以及第一端子和第二端子。所述第三开关的所述第一端子连接到所述第二开关的所述第一端子。第一齐纳二极管包括
阳极和
阴极，所述阳极连接到所述第二开关的所述控制端子并且所述阴极连接到所述电压源。第一温度感测电路基于所述电路的至少一个部件的温度生成第一感测温度
信号。第一比较电路接收第一参考温度信号和所述第一感测温度信号并且生成第一输出。
[0009] 在其他特征中，所述第一开关包括双扩散金属
氧化物
半导体(DMOS)场效应开关(FET)。所述第二开关和所述第三开关包括DMOS FET。所述电路被实施为单个集成电路，并且所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一个都包括晶体管。当所述第一感测温度信号大于所述第一参考温度信号时，所述第二开关和所述第三开关基于所述第一比较电路的所述第一输出而接通。当所述第一感测温度信号小于所述第一参考温度信号时，所述第二开关和所述第三开关基于所述第一比较电路的所述第一输出而断开。
[0010] 在其他特征中，当所述第一感测温度信号比所述第一参考温度信号大第一预定量时，所述第二开关和所述第三开关基于所述第一比较电路的所述第一输出而接通。当所述第一感测温度信号比所述第一参考温度信号小第二预定量时，所述第二开关和所述第三开关断开。
[0011] 在其他特征中，当所述第一开关断开时，来自所述感性负载的功率由所述放电电路以第一速率耗散直到所述第一感测温度信号小于所述第一参考温度信号。当所述第一感测温度信号大于所述第一参考温度信号时，所述放电电路以慢于所述第一速率的第二速率耗散功率。
[0012] 在其他特征中，所述放电电路以所述第二速率耗散功率直到所述感测温度信号下降到比所述参考温度信号低第一预定量。在所述感测温度信号下降到比所述参考温度信号低第二预定量之后，所述放电电路以所述第一速率耗散功率。
[0013] 在其他特征中，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一个都包括具有体到
外延二极管(body to epitaxial diode)的晶体管。所述感性负载包括电感器。所述第一温度感测电路感测所述第二开关的温度。
[0014] 第二齐纳二极管包括阳极和阴极，所述阳极连接到所述第一开关的所述控制端子并且所述阴极连接到所述电压源。第二温度感测电路基于所述第一开关的温度生成第二感测温度信号。第二比较电路接收第二参考温度信号和所述第二感测温度信号并且生成第二输出。
[0015] 在其他特征中，
驱动器电路接收所述第一输出和所述第二输出并且基于所述第一输出和所述第二输出控制所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关的状态。所述驱动器电路包括
逻辑电路和查找表中的至少一个。
[0016] 在其他特征中，当所述第一感测温度信号和所述第二感测温度信号分别比所述第一参考温度信号和所述第二参考温度信号低第一预定量时，所述驱动器电路使所述放电电路以第一速率耗散功率。当所述第一感测温度信号和所述第二感测温度信号分别比所述第一参考温度信号和所述第二参考温度信号高第二预定量时，所述驱动器电路使所述放电电路以小于所述第一速率的第二速率耗散功率。
[0017] 在其他特征中，当所述第一感测温度信号和所述第二感测温度信号分别低于所述第一参考温度信号和所述第二参考温度信号时，所述驱动器电路使所述放电电路以第一速率耗散功率。当所述第一感测温度信号和所述第二感测温度信号分别高于所述第一参考温度信号和所述第二参考温度信号时，所述驱动器电路使所述放电电路以小于所述第一速率的第二速率耗散功率。
[0018] 在其他特征中，当所述第二温度信号小于所述第二参考温度信号时，所述驱动器电路使所述第一开关作为钳位器的一部分而操作。当所述第二温度信号大于所述第二参考温度信号并且所述第一温度信号小于所述第一参考温度信号时，所述驱动器电路使所述第二开关作为钳位器的一部分而操作。
[0019] 一种用于对感性负载进行去磁的放电电路包括第一开关，所述第一开关包括控制端子以及第一端子和第二端子。所述第一开关的所述第一端子连接到电压源。第二开关包括控制端子、第一端子和第二端子，其中，所述第二开关的所述第一端子连接到所述第一开关的所述第二端子。第三开关包括控制端子以及第一端子和第二端子。所述第三开关的所述第一端子连接到所述第一开关的所述第二端子和所述第二开关的所述第一端子。所述第三开关的所述第二端子连接到输出
节点。齐纳二极管包括阳极和阴极，所述阳极连接到所述第三开关的所述控制端子并且所述阴极连接到所述第三开关的所述第一端子和所述第二开关的所述第一端子。温度感测电路基于所述电路的至少一个部件的温度生成感测温度信号。比较电路接收参考温度信号和所述感测温度信号以及输出。所述第二开关和所述第三开关的所述控制端子基于所述比较电路的所述输出得以控制。
[0020] 在其他特征中，所述第一开关包括双扩散金属氧化物半导体(DMOS)场效应开关(FET)。所述第二开关和所述第三开关包括DMOS FET。所述电路被实施为单个集成电路，并且所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一个都包括晶体管。
[0021] 在其他特征中，当所述感测温度信号大于所述参考温度信号时，所述第二开关和所述第三开关基于所述比较电路的所述输出而接通。当所述感测温度信号小于所述参考温度信号时，所述第二开关和所述第三开关基于所述比较电路的所述输出而断开。
[0022] 在其他特征中，当所述感测温度信号比所述参考温度信号大第一预定量时，所述第二开关和所述第三开关基于所述比较电路的所述输出而接通。当所述感测温度信号比所述参考温度信号小第二预定量时，所述第二开关和所述第三开关基于所述比较电路的所述输出而断开。
[0023] 在其他特征中，当所述第一开关断开时，来自所述感性负载的功率由所述电路以第一速率耗散直到所述感测温度信号等于所述参考温度信号。当所述感测温度信号大于所述参考温度信号时，所述电路以慢于所述第一速率的第二速率耗散功率。
[0024] 在其他特征中，所述电路以所述第二速率耗散功率直到所述感测温度信号下降到比所述参考温度信号低第一预定量。在所述感测温度信号下降到比所述参考温度信号低第二预定量之后，所述电路以所述第一速率耗散功率。
[0025] 在其他特征中，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一个都包括具有体到外延二极管的晶体管。所述感性负载包括电感器。所述温度感测电路感测所述第三开关的温度。
[0026] 本公开的进一步适用领域将根据详细说明、
权利要求书以及
附图而变得明显。详细说明和具体示例旨在仅用于说明的目的并且并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0027] 根据详细说明和所附附图将更加全面地理解本公开，在附图中：
[0028] 图1A是根据本公开的用于电感器的放电电路的示例的电气示意图和功能
框图；
[0029] 图1B展示了作为│VDD–VOUT│的函数的钳位电路电流；
[0030] 图2A是根据本公开的在快速去磁模式期间的图1A放电电路的示例的电气示意图和功能框图；
[0031] 图2B是根据本公开的在慢去磁模式期间的图1A放电电路的示例的电气示意图和功能框图；
[0032] 图3是根据本公开的用于电感器的放电电路的另一示例的电气示意图和功能框图；
[0033] 图4A是根据本公开的在快速去磁模式期间的图3放电电路的示例的电气示意图和功能框图；
[0034] 图4B是根据本公开的在慢去磁模式期间的图3放电电路的示例的电气示意图和功能框图；
[0035] 图5A是根据本公开的用于电感器的放电电路的另一示例的电气示意图和功能框图；并且
[0036] 图5B是
真值表，展示了图5A的放电电路的操作。
[0037] 在附图中，可以重复使用附图标记以标识类似和/或完全相同的元件。
具体实施方式
[0038] 本公开涉及用于安全地对电感器或线圈进行去磁的放电电路。放电电路是使用集成电路(IC)、离散部件或其组合来实施的。放电电路保护IC和/或离散部件免于在对电感器进行去磁期间
过热。可以独立于需要耗散的能量的量而无损坏地执行去磁。根据本公开的系统和方法允许使用任何大小的继电器并且允许将IC安装在较小IC封装体中。
[0039] 如以下将进一步描述的，放电电路监测温度并且以典型的方式表现直到超过预定温度。当超过预定温度时，电路以暂时降低放电速率为代价而提供保护。对于大部分应用而言，性能降低将具有可忽略的负面影响。
[0040] 受控去磁是通过自动地选择快速去磁模式或慢去磁模式来实现的。在快速去磁模式期间，放电电路以典型的方式表现。例如，放电电路可以将线圈或电感器电压钳位到VDD以下约50V上。在快速去磁模式期间，放电电路中的部件的温度将快节奏上升。一旦达到预定温度，放电电路就切换为慢去磁模式并且将功率耗散降低为可以无限维持的水平。在慢去磁模式期间，线圈或电感器以较慢速率放电，并且IC温度将下降。一旦温度已经回落到可接受的温度值，快速去磁模式就再次启动。放电电路在快速去磁模式与慢去磁模式之间切换直到线圈或电感器完全放电。
[0041] 现在参照图1A，电路10(如集成电路(IC)、离散部件或其组合)包括放电电路20。放电电路20包括晶体管28，所述晶体管充当高侧开关MHS。晶体管28具有连接到VDD的第一端子、连接到
输出节点30的第二端子、以及控制端子。在一些示例中，晶体管28包括体到外延(EPI)二极管(body to epitaxial diode)32。
[0042] 安全去磁开关包括分别充当低侧开关MLS2和MLS1的第一晶体管34和第二晶体管38。晶体管34包括连接到输出节点30的第二端子。在一些示例中，晶体管34包括体到外延(EPI)二极管36。晶体管34的第一端子连接到晶体管38的第一端子。晶体管38的第二端子连接到如地等参考电位。在一些示例中，晶体管38包括体到外延(EPI)二极管40。
[0043] 第一晶体管34和第二晶体管38的控制端子连接到驱动器电路45。驱动器电路45连接到比较电路44的输出端。驱动器电路45基于比较电路44的状态控制第一晶体管34和第二晶体管38的控制端子。齐纳二极管24的阳极连接到晶体管34的控制端子。齐纳二极管24的阴极连接到VDD。在一些示例中，比较电路44采用滞后。比较电路44的
反相输入端连接到第一温度参考信号T保护。比较电路44的
非反相输入端连接到温度
传感器48，所述温度传感器基于MLS2的温度生成感测温度信号。负载50连接到放电电路20的输出端。负载50可以包括
串联连接的电感器L和
电阻器R，但是可以使用其他类型的负载或连接。
[0044] 在此示例中，晶体管28充当用于对负载50进行充电的负载驱动器。钳位电路包括晶体管34和38、齐纳二极管24、以及温度传感器48。安全去磁开关包括晶体管34和38。
[0045] 在图1B中，示出了作为│VDD–VOUT│的函数的钳位电流/电压特性。钳位电路在差│VDD–VOUT│增大超过钳位电压时开始提供电流│IOUT│。在一些示例中，钳位电压等于50V，但是可以使用其他值。
[0046] 钳位器和开关由相同的晶体管形成。将这两个功能区分的是第二低侧开关MLS2两端的电压降。在钳位阶段期间，主要是第二低侧开关MLS2两端的电压下降，由此功率主要由第二低侧开关MLS2耗散。在相同的VDD＝30V、V钳位＝50V并且VOUT＝-20V的情况下，放电电路耗散20V乘以电流(即，在1A电流的情况下为20W)。因此，此配置比美国专利号9,673,007中所示的电路更节能。然而，需要第二低侧开关MLS2为更大以耗散相对大的功率。高侧开关MHS仍然是负载驱动器(即，初始电流I负载是通过接通高侧开关MHS来提供的)。
[0047] 现在参照图2A和图2B，示出了展示图1A的放电电路20的操作的示例。前述讨论假设之前使用1A的负载电流I负载对负载进行了充电。在快速去磁(图2A)期间，电感器电流将输出(OUT)拉为负。高侧开关MHS保持处于断开状态。第二低侧开关MLS2的控制端子遵循OUT，并且因此齐纳二极管两端的电压增大。当V齐纳＝50V时，第二低侧开关MLS2的控制端子停止减小并且因此第二低侧开关MLS2的栅极-源极电压增大且第二低侧开关MLS2接通。负载电流流过第二低侧开关MLS2以及第一低侧开关MLS1的二极管。第二低侧开关MLS2耗散功率＝V钳位*I负载，这使第二低侧开关MLS2的温度增大。一旦第二低侧开关MLS2的温度达到T保护，安全去磁就被执行。
[0048] 在安全去磁(图2B)期间，第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2完全接通。负载电流仍流过第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2，所述第一低侧开关和第二低侧开关被大小设定为使得其总电压降为约1V(即，VOUT＝-1V)。第二低侧开关MLS2现在耗散少得多的功率并且冷却下来。当第二低侧开关MLS2的温度下降到比T保护低滞后量时，放电电路返回到快速去磁。
[0049] 如相比于如共同转让的美国专利号9,673,007中的放电电路的现有放电电路，图1中的放电电路20在快速去磁模式期间耗散较少功率。因此，放电电路20还经常由于钳位电路吸收较少功率而趋于较少过热。
[0050] 在一些示例中，晶体管28包括低接通电阻高电压晶体管，如RON＝0.05Ω、65V双扩散金属氧化物半导体(DMOS)
场效应晶体管(FET)。在一些示例中，必须被灌入的最大电流I负载为1A。在一些示例中，可以使用具有比晶体管28更小的面积(并且因此更高的接通电阻)的DMOS FET来实施晶体管34和38。在一些示例中，晶体管34和38的RON为0.5Ω。在一些示例中，晶体管34和38通常保持处于断开状态(VGS＝0V)并且对于正或负VOUT值，由于相反的体到EPI二极管36和40而不会传导电流。晶体管34、38可以是p
沟道晶体管或n沟道晶体管。在一些示例中，晶体管34、38是具有直接连接的漏极的n沟道晶体管。在一些示例中，晶体管包括双扩散金属氧化物半导体(DMOS)场效应晶体管(FET)。在一些示例中，控制端子对应于晶体管的栅极，第一端子对应于晶体管的源极，并且第二端子对应于晶体管的漏极。
[0051] 现在参照图3，示出了用于电感器的放电电路150。放电电路150包括高侧开关MHS，所述高侧开关包括第一端子、第二端子和控制端子。例如，高侧开关MHS包括晶体管152，所述晶体管包括体到外延(EPI)二极管154。放电电路150包括第一低侧开关MLS1，所述第一低侧开关包括第一端子、第二端子和控制端子。例如，第一低侧开关MLS1包括晶体管156，所述晶体管包括体到外延(EPI)二极管158。放电电路150包括第二低侧开关MLS2，所述第二低侧开关包括第一端子、第二端子和控制端子。例如，第二低侧开关MLS2包括晶体管164，所述晶体管包括体到外延(EPI)二极管166。
[0052] 高侧开关MHS的第一端子连接到电压源VDD。高侧开关MHS的第二端子连接到第一低侧开关MLS1的第一端子和第二低侧开关MLS2的第一端子。第二低侧开关MLS2的第二端子连接到负载165。齐纳二极管170包括阳极和阴极，所述阳极连接到第二低侧开关MLS1的控制端子并且所述阴极连接到第一低侧开关MLS1的第一端子和第二低侧开关MLS2的第一端子。
[0053] 温度传感器172感测第二低侧开关MLS2的温度。比较电路174从温度传感器172接收参考温度信号T保护和感测温度信号。在一些示例中，比较电路174使用滞后。比较电路174的输出被输入到驱动器电路175。驱动器电路175控制第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2的控制端子。
[0054] 在快速去磁期间，由第一低侧开关MLS1、第二低侧开关MLS2、齐纳二极管170以及温度传感器172形成钳位器。在安全去磁期间，安全去磁开关由第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2实施。
[0055] 现在参照图4A，在快速去磁期间，负载165的电感器电流将OUT拉为负，并且高侧开关MHS保持处于断开状态。齐纳二极管170的阴极变为约-0.6V(由于第一低侧开关MLS1的二极管)。第二低侧开关MLS2的控制端子遵循OUT，并且因此齐纳二极管170两端的电压增大。当V齐纳＝50V时，第二低侧开关MLS2的控制端子停止减小并且因此第二低侧开关MLS2的栅极-源极电压增大且第二低侧开关MLS2接通。负载电流流过第二低侧开关MLS2以及第一低侧开关MLS1的二极管。第二低侧开关MLS2耗散功率＝V齐纳*I负载，这使第二低侧开关MLS2的温度增大。一旦第二低侧开关MLS2达到T保护，操作就转变为安全去磁模式。
[0056] 现在参照图4B，在安全去磁模式期间，第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2完全接通。负载电流仍流过第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2，所述第一低侧开关和第二低侧开关被大小设定为使得其总电压降为约1V(即，VOUT＝-1V)。第二低侧开关MLS2现在耗散较少功率并且冷却下来。当MLS2的温度变为比T保护低滞后量时，放电电路返回到快速去磁模式。
[0057] 在图3到图4B中，钳位器和开关由相同的晶体管形成，并且功率仍然主要由第二低侧开关MLS2耗散。相比于之前的方式，此解决方案在相同的VDD＝30V、V钳位＝50V、VOUT＝-49V的情况下(假定第一低侧开关MLS1上的电压降为1V)达到较高的放电电压。
[0058] 此设计的一个优点在于：高功率以较快放电速率耗散(因为VOUT变为更大的负值)。第二优点在于：高侧开关MHS需要承受较
低电压并且因此可以将其制造为更小。此处，负载驱动器由串联工作的高侧开关MHS和第二低侧开关MLS2形成。
[0059] 现在参照图5A和图5B，示出了用于电感器的放电电路200。放电电路200包括高侧开关MHS，所述高侧开关包括第一端子、第二端子和控制端子。例如，高侧开关MHS包括晶体管202，所述晶体管包括体到外延(EPI)二极管204。放电电路200包括第一低侧开关MLS1，所述第一低侧开关包括第一端子、第二端子和控制端子。例如，第一低侧开关MLS1包括晶体管
210，所述晶体管包括体到外延(EPI)二极管212。放电电路200包括第二低侧开关MLS2，所述第二低侧开关包括第一端子、第二端子和控制端子。例如，第二低侧开关MLS2包括晶体管
218，所述晶体管包括体到外延(EPI)二极管220。
[0060] 高侧开关MHS的第一端子连接到电压源VDD。高侧开关MHS的第二端子连接到第二低侧开关MLS2的第二端并且连接到负载221。第一低侧开关MLS1的第一端子连接到第二低侧开关MLS2的第一端子。齐纳二极管230包括阳极和阴极，所述阳极连接到高侧开关MHS的控制端子并且所述阴极连接到电压源VDD。齐纳二极管234包括阳极和阴极，所述阳极连接到第二低侧开关MLS2的控制端子并且所述阴极连接到电压源VDD。
[0061] 温度传感器236基于高侧开关MHS的温度生成感测温度信号。温度传感器240基于第二低侧开关MLS2的温度生成感测温度信号。比较电路238从温度传感器236接收参考温度信号T保护和感测温度信号。比较电路242从温度传感器240接收参考温度信号T保护和感测温度信号。在一些示例中，比较电路238、242使用滞后。比较电路238、242的输出被输入到驱动器电路250，所述驱动器电路具有连接到高侧开关MHS、第一低侧开关MLS1以及第二低侧开关MLS2的控制端子的输出端。图5B示出了真值表的示例，所述真值表指定了查找表250的逻辑电路的操作。在一些示例中，驱动器电路250包括逻辑电路或查找表(LUT)。
[0062] 在此示例中，使用两个钳位器。第一钳位器是高侧开关MHS。第二钳位器是如图1A和图1B中的第二低侧开关MLS2。此安排允许另外使用如以下将描述的快速去磁功能(即，钳位功能)。
[0063] 在快速去磁期间，高侧开关MHS或第二低侧开关MLS2用作钳位器，这取决于其相应温度(见图5B)。如果高侧开关MHS的温度小于T保护，则高侧开关MHS作为钳位器而工作(高侧开关MHS趋于升温)。
[0064] 如果高侧开关MHS的温度大于T保护并且第二低侧开关MLS2的温度小于T保护，则第二低侧开关MLS2作为钳位器而工作(高侧开关MHS趋于冷却下来，而第二低侧开关MLS2趋于升温)。如果高侧开关MHS和第二低侧开关MLS2的温度大于T保护，则放电电路执行安全去磁。
[0065] 在安全去磁期间，第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2完全接通，由此使VOUT约为-1V。第一低侧开关MLS1和第二低侧开关MLS2耗散很少功率，高侧开关MHS不耗散功率，并且整个系统趋于冷却下来。在某个点处，高侧开关MHS或第二低侧开关MLS2将下降为低于T保护并且将再次开始作为钳位器而工作(快速去磁)。
[0066] 上述描述在性质上仅仅是说明性的并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实施。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应如此受限，因为在研究附图、说明书和以下权利要求之后，其他
修改将变得明显。如本文中所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当使用非排他性的逻辑OR解释为意指逻辑(A或B或C)。应当理解的是，在不变更本公开的原理的情况下，方法内的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。
