具体实施方式

图1示出了由功率晶体管T_L和控制电路10组成的电子开关1的第一示例，其中控制电路10被耦合到通信接口(I/F)13，通信接口13用于与上级控制器2通信。在描述的示例中，功率晶体管T_L、控制电路10以及通信接口13被集成在单个半导体管芯中，该单个半导体管芯通常被称为“智能开关”或“智能半导体开关”。然而，应当理解，在一些实施例中，功率晶体管T_L和控制电路10在被包括在单独的芯片封装中的单独的半导体管芯中被实现。

此外，在描述的示例中，功率晶体管T_L被操作为高侧开关。即，功率晶体管TL被耦合在提供正电源电压V_S的电源节点与要被供电的电负载之间。应当理解，在一些实施例中，功率晶体管T_L可以被操作为低侧开关。在这种情况下，功率晶体管T_L被耦合在提供参考电压V_GND(例如，接地电势处的接地节点)的电路节点与要被供电的电负载之间。本文描述的示例和概念不限于高侧配置的晶体管，并且也可以被容易地施加到低侧晶体管。此外，注意，功率晶体管T_L不必被用作通/断开关。在一些实施例中，功率晶体管也可以用于负载电流调节或输出电压调节。尽管在图1中未明确示出，但是相应的调节器电路可以被包括在控制电路10中。在本说明书中，晶体管通常被称为可控通道元件，而不管它们的应用是开关、电流调节器或电压调节器、电子熔断器等。

根据图1，控制电路10被配置为提供用于功率晶体管T_L的驱动信号V_G。在其中功率晶体管被实现为MOS晶体管的实施例中，驱动信号V_G是栅极电压。被施加到功率晶体管的栅极的栅极电压V_G控制功率晶体管的导通状态。在本示例中，由被包括在控制电路10的栅极驱动器12提供驱动信号V_G。注意，栅极驱动器的实现和功能是众所周知的，因此在此不再进一步讨论。

在本示例中，栅极驱动器12根据控制信号V_ON生成驱动信号V_G，控制信号V_ON可以是二进制信号并且由逻辑电路11提供，逻辑电路11也被包括在控制电路10中。注意，在功率晶体管T_L基本上被配置为用于通/断开关的应用中，控制信号V_ON可以是二进制信号。在晶体管可以被用于电流调节或电压调节的其它应用中，控制信号V_ON可以是在限定的电压(或电流)范围上的连续信号。在这种情况下，将需要更复杂的调节器电路来代替逻辑电路11。在一些应用中，控制信号V_ON可以是调制信号，诸如PWM(脉宽调制)信号。

在图1的本示例中，逻辑电路11被配置为经由通信接口13与上级控制器2通信，通信接口13还可以是控制电路的一部分。上级控制器2可以是微控制器，该微控制器被配置为执行软件指令并且其功能主要由软件(通常也称为固件)确定。通信接口13可以是数字通信接口(诸如串行外围接口(SPI))，其通常可以与微控制器结合使用。然而，任何其它通信接口(I²C接口、本地互连总线、并行接口等)也适用。控制电路10，特别是逻辑电路11，可以被配置为经由通信接口从微控制器2接收命令和另外的数据，并且基于和响应于经由通信接口接收的一个或多个特定命令和(可选地)另外的数据，生成用于栅极驱动器12的控制信号V_ON。在一个简单的实施例中，从微控制器接收的命令可以是接通命令和关断命令(ON/OFF)，其导致控制逻辑11生成适合于接通或关断晶体管T_L的控制信号V_ON。

当生成控制信号V_ON时，逻辑电路11可以考虑参数集合的一个或多个参数。例如，当逻辑电路11经由通信接口接收接通命令时，它可以生成相应的控制信号V_ON。然而，控制信号V_ON还可以进一步取决于所提及的参数集合中的一个或多个参数，其中该参数集合可以包括参数，诸如过电压阈值、欠电压阈值、过电流阈值、过温度阈值、表示期望的转换速率的参数等。例如，这些参数可以由微控制器2设置。也就是说，控制电路经由通信接口接收表示这些参数的数据，并且将接收的参数存储在(例如，非易失性)存储器中。所使用的参数集合(参见图1，参数集合PAR1、PAR2)可以取决于当前的操作模式，这将在下面进一步解释。

如上所述，控制电路10基于并且响应于从微控制器2接收的命令和数据生成用于功率晶体管T_L的驱动信号V_G，该微控制器2的功能取决于软件。显然，微控制器2与控制电路10之间的软件控制的通信是安全的关键。如上所述，整个系统应该被设计成即使在一个或多个部件发生故障的情况下也能保持功能。复杂的、软件控制的子系统(诸如，微控制器2)被认为可能容易出错，因此，如果微控制器2出现故障或表现出一些不期望的/错误的行为，则需要采取安全措施。

一种已知的安全措施是使用所谓的看门口电路，该看门狗电路被配置为连续地测试另一个监测的电路是否仍在工作。在图1的示例中，看门狗电路3被配置为通过测试微控制器2是否可操作来连续地监视微控制器，并且如果不是这种情况则发出信号。例如，看门狗3可以向微控制器2发送测试信号并且等待来自微控制器2的特定响应信号。在看门狗3没有从微控制器接收正确的响应信号的情况下，生成报警信号V_SAM，报警信号V_SAM发出微控制器2的故障信号。看门狗电路的实现、功能和使用是众所周知的，因此在此不再进一步描述。在图1的示例中，看门狗电路3可以是(在其自己的芯片封装中)与微控制器2以及电子开关1分离的专用集成电路。在另一个实施例中，看门狗电路3可以被集成在与控制电路10相同的半导体管芯中。在一些实施例中，可以使用两个看门狗电路提供一些冗余；外部看门狗电路3以及另外的看门狗电路集成在与控制电路10相同的半导体管芯中(参见图3，看门狗电路15)。

如上所述，控制电路10可以被配置为以两种或多种不同的操作模式操作，其中在第一模式(被称为正常模式)下，当生成控制信号V_ON和相应的驱动信号V_G时，使用第一参数集合PAR1。如上所述，第一参数集合PAR1可以包括当生成控制信号V_ON时考虑(即，处理)的一个或多个参数(诸如，过电流阈值、过温度阈值等)，从而潜在地(即，在特定情况下)影响控制信号V_ON。在正常模式下，电子开关(特别是控制电路10)响应于经由通信接口13接收的数据。也就是说，驱动信号V_G的生成可以取决于接收到的数据，该驱动信号可以包括用于控制电子开关的状态的控制命令(STATUS)。

在本文描述的实施例中，控制电路10还可以在第二操作模式下操作，第二操作模式在下文中被称为SAM(安全可用性模式)。在第二操作模式下(即，在SAM下)，控制电路使用第二参数集合PAR2，第二参数集合包括与在正常模式下使用的第一参数集合PAR1不同的参数值。应当注意，参数集合PAR1和PAR2在所有参数值中不一定是不同的。然而，参数集合PAR2的一个或多个参数具有与在第一参数集合PAR1中的对应的参数不同的值。两个参数集合可以被存储在被包括在控制电路10中的(例如，非易失性)存储器中。

当在第二操作模式下操作时，经由通信接口13接收的任何数据通过通信接口被丢弃(例如，被忽略或被阻挡)。如将在下面进一步解释的，第二操作模式(SAM)本质上仅在当上级控制器2发生故障或表现出一些异常/意外行为时才处于活动状态。为了至少在一段时间保持功能，对于一些应用来说很重要的是，在微控制器2表现出不可预测的行为的情况下，电子开关的正常操作不会受到经由通信接口13接收的错误数据的危害。当(基于修改的参数，由于使用第二参数集合PAR2)保持晶体管T_L的状态时，在第二操作模式下丢弃/忽略接收到的数据可以有助于提高整个系统的功能安全性(即，尽管一个或多个部件发生故障，但仍保持运行)。在一个实施例中，例如，可以通过设置锁定位来在通信接口中阻挡数据的接收，当设置该锁定位时，防止保存接收到的数据的寄存器被修改。

可以通过一个或多个条件的检测来触发向第二模式的转换。包括控制电路10的半导体芯片可以具有专用的芯片引脚，其在附图中也被标记为SAM，并且还被称为SAM引脚。转换可以在检测到在SAM引脚处接收到的模式切换信号的特定信号电平(例如，高电平)时(第一条件)被触发。在本文所述的示例中，由看门狗电路3响应于检测到微控制器无响应而生成的报警信号V_SAM被提供给SAM引脚，其中信号V_SAM的高电平可以指示无响应的微控制器。因此，到第二模式(SAM)的转换通过由看门狗电路3生成信号V_SAM而触发，信号V_SAM具有指示微控制器无响应的信号电平。

此外，通信接口13可以在检测到从微控制器2接收到的数据被损坏(第二条件)时触发向第二模式(SAM)的转换，并且向控制电路10发出检测到损坏的数据的信号。例如，由微控制器发送的数据字或数据帧可以包括冗余数据，该冗余数据允许检测错误数据。这种冗余数据可以是例如，奇偶校验位、由循环冗余校验(CRC)生成的位等。附加地或备选地，控制电路10可以基于接收到的数据的内容(尽管数据传输可能没有错误)来检测微控制器的异常或意外行为。在这种情况下，接收到的数据也可能被分类为损坏。例如，如果接收到的数据没有意义并且因此不能被控制电路10处理，则所接收的数据可以被分类为损坏的，其结果是到第二模式(SAM)的转换被触发。注意，损坏数据的单次出现通常不会导致转换为第二模式。但是，如果控制电路(经由通信接口13)重复地(例如，针对特定的时间间隔)接收到损坏的数据，则到第二模式的转换可以被触发。

可选地，包括控制电路10的半导体芯片也可以包括用于监测微控制器2的另外的(内部的)看门狗电路。当微控制器3无响应时(第三条件)，该内部看门狗可以向控制电路10发出信号，并且控制电路10可以响应于此而触发到第二模式的转换。内部看门狗的功能将在下面参考图3进一步说明。注意，仅满足上述条件中的一个条件就足以触发进入到第二模式(SAM)的转换。

在一些实施例中，控制电路10被配置为将其在第二模式下的操作通知微控制器。例如，控制电路10可以经由通信接口13重复地向微控制器发送指示第二模式(SAM)处于活动状态的状态消息(例如，特定的数据字或数据帧)。例如，如果微控制器2在故障后重新启动，则它可以接收状态消息并且对其做出响应。

根据一些实施例，当以第二模式(SAM)操作时，当以下两个条件被逐渐地满足时，控制电路10可以改变回到正常模式。首先，经由通信接口13从微控制器2接收包括模式切换命令的数据，并且其次，在SAM引脚处的模式切换信号V_SAM具有指示模式切换为正常模式的电平。为了使这种情况发生，看门狗电路3必须确定微控制器2(再次)是响应的并且生成具有相应的信号电平(例如，低电平)的信号V_SAM。此外，微控制器2必须是功能性的并且能够接收上述状态消息(通知微控制器控制电路10正在以SAM操作)并且向控制电路10发送模式切换命令，以便指示控制电路恢复在正常模式下的操作。

图2-图4示出了作为图1的实施例的修改和进一步发展的实施例。在大多数情况下，这些实施例是相同的，因此在下面的描述中重点放在图2-图4的实施例的、未在图1中示出的附加的特征上。应当理解，图2-图4中示出的附加的特征可以被组合以创建进一步的实施例。

在一些实施例中，控制电路可以被配置为在第三操作模式下操作，第三操作模式也被称为安全状态模式。在进入安全状态模式时，控制电路10生成具有一信号电平的控制信号V_ON，该信号电平导致栅极驱动器12输出适合于关闭功率晶体管T_L的驱动信号V_G(栅极电压)。即，功率晶体管T_L在转换到安全状态模式期间被关断，并且在安全状态模式期间保持关断。通常，晶体管被关断意味着晶体管处于非导通状态，而被接通意味着晶体管处于导通状态。取决于应用“安全状态”还可以指其中功率晶体管T_L被安全地接通的情况。在一些实施例中，安全状态模式的特征在于旁路逻辑电路并且直接地使能或禁用栅极驱动器电路12，而没有相邻的(复杂并且可能容易出错的)逻辑电路。如图4所示，(在引脚OFF处接收的)信号V_OFF(例如，通过使栅极驱动器12的输出级去激活)直接地影响晶体管T_L的栅极，并且逻辑电路11被旁路。

取决于满足不同的条件，可以触发向安全状态模式的转换。首先，包括控制电路10的半导体芯片可以具有专用引脚(如，焊接引脚、焊球等)，该专用引脚被配置为从外部设备接收模式切换信号。在图2中，该引脚被标记为OFF，并且提供给该OFF引脚的模式切换信号被表示为V_OFF。模式切换信号V_OFF可以是二进制信号，并且模式切换信号V_OFF的低电平可以导致控制电路10改变为安全状态模式。在图2的示例中，由系统基础芯片(SBC)4生成模式切换信号V_OFF。然而，可以由任何其它合适的外部设备生成模式切换信号V_OFF。注意，在一些实施例中，系统基础芯片4也可以包括看门狗电路3。

图3示出了另外的示例，其中包括控制电路的半导体芯片也包括另外的(内部的)看门狗电路15。内部看门狗15被配置为经由通信接口13定期地将具有消息的数据字或数据帧发送到微控制器2，并且从微控制器2接收相应的响应消息。如果看门狗电路15确定微控制器2无响应，则相应地通过适当的信号通知控制电路10，并控制电路可以改变为如上详细解释的第二模式(SAM)。

在图4所示的示例中，控制电路10包括计时器14。该计时器被用于触发从第二操作模式(SAM)到第三操作模式(安全状态)的改变。即，响应于计时器14指示自进入第二操作模式以来已经过去了预定义的时间跨度，到安全状态模式的转换被触发，该计时器14。换句话说，预定义的时间跨度确定了可用于解决导致转换到第二模式(SAM)的问题的时间。如果在预定义的时间跨度内未解决问题(例如，通过重新启动微控制器并且变回正常模式)，则控制模式在安全状态模式下继续操作并且关断晶体管T_L。

如所提到的，参数集合PAR1和PAR2可以被存储在存储器中，存储器被包括在控制电路10中。在一些实施例中，控制电路10可以包括非易失性存储器和附加的易失性存储器，其中当进入特定的操作模式时，在当前的操作模式下使用的参数集合从非易失性存储器被加载到易失性存储器中。控制电路10(特别是包括在其中的逻辑电路11)可以被配置为(例如，定期地或不时地)检查被存储在易失性存储器中的参数集合是否与被存储在非易失性存储器中的对应的参数集合一致，以及当检测到不一致时，校正被存储在易失性存储器中的参数集合。该特征可以进一步提高整个系统的鲁棒性。

图5是示出由上述电子开关实现的方法的示例的流程图。如所提到的，电子开关可以被构建为包括控制电路10、通信接口13栅极驱动器以及功率晶体管T_L的单个半导体芯片，或者备选地，形成半导体器件的电路被集成在不同的半导体芯片中。例如，功率晶体管T_L可以被集成在一个半导体芯片中，并且其余电路(控制电路10、通信接口13等)可以被集成在另一个半导体芯片中。根据图5，该方法包括使用半导体器件的通信接口(例如，还包括控制电路)从外部控制器接收数据，该外部控制器至少在操作期间被连接到半导体器件(参见图5，步骤S1)。进一步的步骤取决于操作模式，其中提供了至少两种操作模式。在第一操作模式(正常模式)下，半导体器件的控制电路取决于第一参数集合(参见图1-4，PAR1)并且基于经由通信接口接收的数据，生成用于功率晶体管的驱动信号。半导体器件的控制电路在第二操作模式(SAM)下取决于第二参数集合的参数(参见图1-4，PAR2)生成用于功率晶体管的驱动信号，同时丢弃/忽略经由通信接口接收的数据。晶体管T_L可以被包括在半导体器件(单个芯片解决方案，也称为智能开关)中或者被耦合到半导体器件(被集成在单独的芯片中的晶体管)。用于模式切换的条件已经在上面参考图1-图4详细地讨论，因此在此不再重复。

注意，由电子开关并且特别是由本文描述的控制电路提供的功能可以以各种方式被实现。例如，控制电路10(参见图1-图4)可以包括用于实现不同操作模式的有限状态机。如技术人员将知道的，存在用于实现控制电路10中使用的有限状态机和辅助电路装置的各种合适的方式，并且在此不进一步讨论实现细节。此外，应当理解，本领域技术人员将能够结合和/或修改结合特定实施例在此描述的技术特征以创建进一步的实施例。