High side switch as well as method of operation of a high side switch

Abstract

The present disclosure relates to the field of high side switches as well as a method of operation of a high side switch state machine for providing the low power consumption in automotive applications. The high side switch comprises at least one IN pin, a DIAG pin, an IDLE pin, at least one OUT pin, an VS pin, a state machine comprising a low power mode, a wakeup mode, a standby mode, a standby mode with DIAG, a normal mode and a normal mode without DIAG, a transistor, a gate driver, an internal reference, VDS clamp, a diagnostics and protection unit, the DSEL pin and the DIAG pin, at least one temperature sensor, wake up detection, and a current sense and current limit unit.

Description

High side switch as well as method of operation of a high side switchTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates to the field of high side switches as well as a method of operation of a high side switch state machine for providing the low power consumption in automotive applications.

[0002] BACKGROUND OF THE DISCLOSURE

[0003] The disclosure is related to a method of generating high side switch with improved state machine that would provide lower power consumption than high side switches known in the prior art. The current fuses and high side switches cannot fully meet the requirements of the new architecture of the power distribution system in automotive electronics. At present, the existing high side switches consume too much power, as a consequence of which it can cause the battery to have not enough energy to start the engine after a long period of parking.

[0004] Accordingly, it is a goal of the present disclosure to provide a novel a new type of high side switch with a lowered energy consumption.

[0005] SUMMARY OF THE DISCLOSURE

[0006] A first aspect of the disclosure is a high side switch. The high side switch comprises at least one IN pin, a DIAG pin configured to enable device diagnosis, an IDLE pin configured to wake up the sleeping control unit in the system, at least one OUT pin, and an VS pin configured to provide power to the high side switch. The high side switch also comprises a state machine comprising a low power mode, a wakeup mode, a standby mode, a standby mode with DIAG, a normal mode, and a normal mode without DIAG. The low power mode proceeds to the wakeup mode when a dynamic temperature exceeds the set threshold or when the output current exceeds the threshold of output current set for the low power mode or proceeds to a normal mode when the DIAG pin changes from low to high. The low power mode meets the requirement of low power consumption. The wakeup mode proceeds to the standby mode when the IN pin changes from high state to low state or proceeds  to the normal mode when the DIAG pin changes from low state to high state. The standby mode proceeds to the standby mode with DIAG when the DIAG pin changes from low state to high state. The standby mode with DIAG proceeds to the standby mode when the DIAG pin changes from high to low or proceeds to the normal mode when the IN pin changes from high to low. The normal mode proceeds to the standby mode when the IN pin changes from low to high or proceeds to the normal mode without DIAG when the DIAG pin changes from high to low.

[0007] The normal mode without DIAG proceeds to the low power mode when the DSEL pin changes from high to low, dynamic temperature is lower than the set threshold and the output current is lower than the threshold of output current set for the low power mode. The high side switch also comprises a transistor, a gate driver located between the at least one IN pin and a gate of the transistor, an internal reference connected to the VS pin and a source of the transistor, VDS clamp located between the gate and a drain of the transistor, a diagnostics and protection unit connected to the IDLE pin, the DSEL pin and the DIAG pin, that monitors the current and temperature, at least one temperature sensor connected to the diagnostics and protection unit, wake up detection connected to the diagnostics and protection unit, a current sense and current limit unit connected to the diagnostics and protection unit and IS pin.

[0008] Preferably, there is more than one channel, and the high side switch comprises a DSEL pin configured to select one channel to perform ON and OFF state diagnosis and an IS pin configured to show the specific channel when the abnormality occurred.

[0009] Preferably the state machine is configured such that in the low power mode diagnostic function for the current and temperature are available

[0010] In preferred examples according to the disclosure, in the wakeup mode all the protection works, the IDLE pin will pull down first to wake up the sleeping control unit, the DSEL pin is controlled by the control unit and the feedback from the IS pin shows on which channel an abnormality occurred.

[0011] Preferably, the high side switch further comprises an undervoltage connected to the internal reference, a charge pump connected to the gate driver and the internal reference, an open load detection unit connected to the diagnostics and protection unit and a short circuit protection unit located between the diagnostics and protection unit and the at least one OUT pin.

[0012] Preferably, there is an additional P-channel Metal Oxide Semiconductor, PMOS, between the VS pin and the at least one OUT pin.

[0013] In a preferred example, the transistor is in a form of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET, or Field Effect Transistor, FET.

[0014] In a second aspect of the disclosure, a method of operation of a high side switch state machine is disclosed. The state machine may comprise the states of operating in a low power mode, operating in the wakeup mode, operating in the standby mode, operating in the standby mode with DIAG, operating in the normal mode and operating in the normal mode without DIAG. In a low power mode, an IN pin is in high state, a DIAG pin is in low state and DSEL pin is in low state. The low power mode proceeds to a wakeup mode when a dynamic temperature exceeds a set threshold or when an output current exceeds the threshold of the output current set for the low power mode or proceeds to a normal mode when the DIAG pin changes from low to high. The low power mode an internal reference, wake up detection and transistor operate. In the wakeup mode, the IN pin is in high state and the DIAG pin is in low state. The wakeup mode proceeds to a standby mode when the IN pin changes from high state to low state or proceeds to the normal mode when the DIAG pin changes from low state to high state.

[0015] In the standby mode, the IN pin is in low state and the DIAG pin is in low state. The standby mode proceeds to a standby mode with DIAG when the DIAG pin changes from low state to high state. In the standby mode with DIAG, the IN pin is in low state and the DIAG pin is in high state. The standby mode with DIAG proceeds to the standby mode when the DIAG pin changes from high to low or proceeds to a normal mode when the IN pin changes from high to low. In the normal mode, the IN pin is in high state and the DIAG pin is in high state. The normal mode proceeds to the standby mode when the IN pin changes from low to high or proceeds to a normal mode without DIAG when the DIAG pin changes from high to low. In the normal mode without DIAG, the IN pin is in high state and the DIAG pin is in low state. The normal mode without DIAG proceeds to the low power mode when the DSEL pin changes from high to low, dynamic temperature is lower than the set threshold and the output current is lower than the threshold of output current set for the low power mode.

[0016] In a preferred example, in the low power mode at least one temperature sensor, wake up detection, undervoltage, internal reference and an additional PMOS transistor operate.

[0017] Preferably in the low power mode a charge pump and a gate driver operate.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0018] The disclosure will now be discussed with reference to the drawings, which show in:

[0019] Figs. 1-3 in a schematic way the examples of the high side switch;

[0020] Fig. 4 in a schematic way a method of operation of a high side switch state machine;

[0021] Fig. 5 in a schematic way the method of connecting the high side switch to the control unit and the load.

[0022] DETAILED DESCRIPTION OF THE DISCLOSURE

[0023] For a proper understanding of the disclosure, in the detailed description below corresponding elements or parts of the disclosure will be denoted with identical reference numerals in the drawings.

[0024] A high side switch comprises at least one IN pin 1, a DIAG pin 2, an IDLE pin 3, at least one OUT pin 4 and an VS pin 5. The pins are shown in the schematics in Figs. 1-3 and 5.

[0025] The DIAG pin 2 is configured to enable device diagnosis, such as a measuring current and / or temperature. The IDLE pin 3 is configured to wake up the sleeping control unit 33. The VS pin 5 is configured to provide power to the high side switch.

[0026] It should be understood that through a whole application different pin functions will be discussed. The person skilled in the art will know that a signal needs to be provided to such a pin to make a change. Usually the signal is in a form of a voltage level (high and low voltage) , but it may be transmitted as a slope direction, time of a pulse or any other method suitable for such applications which are known in the prior art. The present disclosure should not be limited to anyone understanding of providing a signal to the pin.

[0027] It should be noted that only the most important connections are shown and discussed. Connections that are not mentioned in this application should be understood as a typical implementation and the person skilled in the art will know how to implement those features.

[0028] The high side switch also comprises a state machine comprising a low power mode 21, a wakeup mode 22, a standby mode 23, a standby mode 24 with DIAG, a normal mode 25 and a normal mode 26 without DIAG. The schematic of the high side switch state machine is shown in Fig. 4.

[0029] The low power mode 21 proceeds to the wakeup mode 22 when a dynamic temperature exceeds the set threshold or when the output current exceeds the threshold of output current 31 set for the low power mode 21 or proceeds to a normal mode 25 when the DIAG pin 2 changes 27 from low to high.

[0030] The wakeup mode 22 proceeds to the standby mode 23 when the IN pin 1 changes 30 from high state to low state or proceeds to the normal mode 25 when the DIAG pin 2 changes from low state to high state 27.

[0031] The standby mode 23 proceeds to the standby mode 24 with DIAG when the DIAG pin 2 changes from low state to high state 27.

[0032] The standby mode 24 with DIAG proceeds to the standby mode 23 when the DIAG pin 2 changes 28 from low to high or proceeds to the normal mode 25 when the IN pin 1 changes 30 from low to high,

[0033] The normal mode 25 proceeds to the standby mode 23 when the IN pin 1 changes from low to high 29 or proceeds to the normal mode 26 without DIAG when the DIAG pin 2 changes 28 from low to high.

[0034] The normal mode 26 without DIAG proceeds to the low power mode 21 when the DSEL pin 6 changes from high to low, dynamic temperature is lower than the set threshold and the output current is lower than the threshold of output current 32 set for the low power mode 21.

[0035] The high side also comprises a transistor 8, a gate driver 9, an internal reference 10, VDS clamp 11, a diagnostics and protection unit 12, the DSEL pin 6 and the DIAG pin 2, at least one temperature sensor 13, wake up detection 14, and a current sense and current limit unit 15.

[0036] In this solution, the transistor 8 is in a form of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET, or Field Effect Transistor, FET.

[0037] In this example, which is shown in the Fig. 1, the gate driver 9 is located between the at least one IN pin 1 and a gate of the transistor 8. The internal reference 10 is connected to the VS pin 5 and a source of the transistor 8. The VDS clamp 11 is located between the gate and a drain of the transistor 8. The diagnostics and protection unit 12 is connected to a IDLE pin 3, and a DIAG pin 2, that monitors the current and temperature. The at least one temperature sensor 13 is connected to  the diagnostics and protection unit 12. The wake up detection 14 is connected to the diagnostics and protection unit 12 and a current sense and current limit unit 15 is connected to the diagnostics and protection unit 12. A current sense 58 and current limit are coupled with a power ground 42 through a respective resistor. A GND pin 60 is also coupled with the power ground 42.

[0038] In another example, shown in the Fig. 3, the high side switch further comprises an undervoltage 16 connected to the internal reference 10, a charge pump 17 connected to the gate driver 9 and the internal reference 10, an open load detection unit 18 connected to the diagnostics and protection unit 12, and a short circuit protection unit 19 located between the diagnostics and protection unit 12 and the at least one OUT pin 4.

[0039] In yet another example, shown in the Fig. 2, there is an additional P-channel Metal Oxide Semiconductor, PMOS 20, between the VS pin 5 and the at least one OUT pin 4. In the low power mode the charge pump 17 and the MOS 8 is turned off, PMOS 20 is turned ON by the logic or the DRIVER 9. The PMOS 20 is used to replace the MOS 8 in the low power mode, because the PMOS 20 could be turned ON without the charge pump 17, it will take the advantage in the low power mode. The completed control path in this block diagram is not shown.

[0040] In some examples, there is more than one channel, and the high side switch comprises a DSEL pin 6 configured to select one channel to perform ON and OFF state diagnosis and an IS pin 7 configured to show the specific channel when the abnormality occurred.

[0041] In this example, the low power mode 21 guarantees diagnostic function for the current and temperature.

[0042] In this example, in the wakeup mode 22 all the protection works, the IDLE pin 3 will pull down first to wake up the sleeping control unit 33, the DSEL pin 6 is controlled by the control unit 33 and the feedback from the IS pin 7 shows on which channel an abnormality occurred.

[0043] A method of operation of a high side switch state machine according to the disclosure is disclosed. The state machine comprises a low power mode 21, a wakeup mode 22, a standby mode 23, a standby mode 24 with DIAG, a normal mode 25 and a normal mode 26 without DIAG. The schematic of the high side switch state machine is shown in Fig. 4.

[0044] In the low power mode 21, the IN pin 1 is in high state, a DIAG pin 2 in low state and a DSEL pin 6 is in low state. The low power mode 21 proceeds to a  wakeup mode 22 when a dynamic temperature exceeds a set threshold or when an output current exceeds the threshold of the output current 31 set for the low power mode 21 or proceeds to a normal mode 25 when the DIAG pin 2 changes 27 from low to high.

[0045] In the first example, shown in the Fig. 1, in the low power mode an internal reference 10, wake up detection 14 and transistor 8 operate. It should be noted that the transistor 8 in the first example may be a PMOS transistor which does not need the charge pomp. In another example, shown in Fig. 2, in the low power mode 21 at least one temperature sensor 13, wake up detection 14, undervoltage 16, internal reference 10 and an additional PMOS 20 transistor operate. In yet another example, shown in Fig. 3, in the low power mode 21 a charge pump 17 and a gate driver 9 operate.

[0046] In the wakeup mode 22 the IN pin 1 is in high state and the DIAG pin 2 is in low state. The wakeup mode 22 proceeds to a standby mode 23 when the IN pin 1 changes from high state to low state 30 or proceeds to the normal mode 25 when the DIAG pin 2 changes from low state to high state 27.

[0047] In the standby mode 23, the IN pin 1 is in low state and the DIAG pin 2 is in low state. The standby mode 23 proceeds to a standby mode 24 with DIAG when the DIAG pin 2 changes from low state to high state 27,

[0048] In the standby mode 24 with DIAG the IN pin 1 is in low state and the DIAG pin 2 is in high state. The standby mode 24 with DIAG proceeds to the standby mode 23 when the DIAG pin 2 changes 28 from low to high or proceeds to a normal mode 25 when the IN pin 1 changes 30 from low to high.

[0049] In the normal mode 25, the IN pin 1 is in high state and the DIAG pin 2 is in high state. The normal mode 25 proceeds to the standby mode 23 when the IN pin 1 changes from low to high 29 or proceeds to a normal mode 26 without DIAG when the DIAG pin 2 changes 28 from low to high,

[0050] In the normal mode 26 without DIAG, the IN pin 1 is in high state and the DIAG pin 2 is in low state. The normal mode 26 without DIAG proceeds to the low power mode 21 when the DSEL pin 6 changes from high to low, dynamic temperature is lower than the set threshold and the output current is lower than the threshold of output current 32 set for the low power mode 21.

[0051] A system where the high side switch is coupled with to a control unit and a load is depicted in Fig. 5 in a schematic way. In this example, the at least one OUT pin 4 of the high side switch 63 is connected to a load, that is represented by a load  impedance 52. The VS pin 5 is coupled with a battery voltage 39. The VS pin 5 is coupled with the GND pin 61 with a voltage supply capacitor 47 between them and is also coupled with the power ground 42 with the first voltage supply capacitor 45 between them. The GND pin 60 is coupled with the power ground 42 with the ground resistor 54 between them. Between a battery voltage 39 and a chassis ground 40, a logic ground 41 and a power ground 42 there is a TVS diode 44 and voltage supply ground capacitor 46.

[0052] The wire impedance 53 is also shown in the Fig. 5. At least one IN pin 1 is coupled with a general purpose input output, GPIO 34 of the control unit 33 with a IN resistor 55 between them. An DIAG pin 2 is coupled with the GPIO 34 with an DIAG resistor 56 between them. An DSEL pin 2 is coupled with the GPIO 34 with an DSEL resistor 57 between them. The IDLE pin 3 is coupled with a GPIO pin 34 with an IDLE resistor 61 between them, and is also connected with a logic supply 38 with the pull-up resistor 62 between them. The logic supply 38 is also connected to the control unit power supply pin 35 pin of the control unit 33 in a pull-up configuration.

[0053] A control unit ground pin 36 is connected to the logic ground 41. An IS pin 7 is coupled with the analog-to-digital converter 37 with an ADC resistor 49 and IS resistor between them. Between the analog-to-digital converter 37 and the ADC resistor 49 there is an sense capacitor 48 coupled to the logic ground 41. Between the IS pin 7 and the IS resistor 50 there is a sense resistor 51 coupled to the logic ground 41. Between the sense resistor 51 and the ADC resistor 49 there is an Zener diode coupled to the logic ground 41 in a reverse bias.

[0054] It should be noted that the chassis ground 40, the logic ground 41 and the power ground 42 are connected to each other in at least one point. It is important from the practical point of view but for an overall analysis each one may be treated as a single ground with a 0V potential.

[0055] It should be however noted that this is not the only method of connecting the high side switch 63 to the control unit and the load, and other solutions are also possible, and the person skill in the art will know how to connect such device.

[0056] LIST OF REFERENCE NUMERALS USED

[0057] 1. IN pin

[0058] 2. DIAG pin

[0059] 3. IDLE pin

[0060] 4. OUT pin

[0061] 5. VS pin

[0062] 6. DSEL pin

[0063] 7. IS pin

[0064] 8. transistor

[0065] 9. gate driver

[0066] 10. internal reference

[0067] 11. VDS clamp

[0068] 12. diagnostics and protection unit

[0069] 13. temperature sensor

[0070] 14. wake up detection

[0071] 15. current sense and current limit unit

[0072] 16. undervoltage

[0073] 17. charge pump

[0074] 18. open load detection unit

[0075] 19. short circuit protection unit

[0076] 20. PMOS

[0077] 21. low power mode

[0078] 22. wakeup mode

[0079] 23. standby mode

[0080] 24. standby mode with DIAG

[0081] 25. normal mode

[0082] 26. normal mode without DIAG

[0083] 27. DIAG pin change low to high

[0084] 28. DIAG pin change high to low

[0085] 29. IN pin change low to high

[0086] 30. IN pin change high to low

[0087] 31. dynamic temperature or an output current exceeds a set threshold

[0088] 32. DSEL pin changes from high to low, dynamic temperature and output current are lower than the set threshold

[0089] 33. control unit

[0090] 34. general purpose input output, GPIO

[0091] 35. control unit power supply pin

[0092] 36. control unit ground pin

[0093] 37. analog-to-digital converter, ADC

[0094] 38. logic supply

[0095] 39. battery voltage

[0096] 40. chassis ground

[0097] 41. logic ground

[0098] 42. power ground

[0099] 43. Zener diode

[0100] 44. TVS diode

[0101] 45. first voltage supply capacitor

[0102] 46. voltage supply ground capacitor

[0103] 47. second voltage supply capacitor

[0104] 48. sense capacitor

[0105] 49. ADC resistor

[0106] 50. IS resistor

[0107] 51. sense resistor

[0108] 52. load impedance

[0109] 53. wire impedance

[0110] 54. ground resistor

[0111] 55. IN resistor

[0112] 56. DIAG resistor

[0113] 57. DSEL resistor

[0114] 58. current sense

[0115] 59. current limit

[0116] 60. GND pin

[0117] 61. IDLE resistor

[0118] 62. pull-up resistor

[0119] 63. high side switch

Claims

1.A high side switch that comprises:at least one IN pin;a DIAG pin configured to enable device diagnosis;an IDLE pin configured to wake up the sleeping control unit;at least one OUT pin;an VS pin configured to provide power to the high side switch;a state machine comprising:a low power mode that proceeds to the wakeup mode when a dynamic temperature exceeds the set threshold or when the output current exceeds the threshold of output current set for the low power mode or proceeds to a normal mode when the DIAG pin changes from low to high;a wakeup mode that proceeds to the standby mode when the IN pin changes from high state to low state or proceeds to the normal mode when the DIAG pin changes from low state to high state;a standby mode that proceeds to the standby mode with DIAG when the DIAG pin changes from low state to high state;a standby mode with DIAG that proceeds to the standby mode when the DIAG pin changes from high to low or proceeds to the normal mode when the IN pin changes from high to low;a normal mode that proceeds to the standby mode when the IN pin changes from low to high or proceeds to the normal mode without DIAG when the DIAG pin changes from high to low;a normal mode without DIAG that proceeds to the low power mode when the DSEL pin changes from high to low, dynamic temperature is lower than the set threshold and the output current is lower than the threshold of output current set for the low power mode;a transistor;a gate driver located between the at least one IN pin and a gate of the transistor;an internal reference connected to the VS pin and a source of the transistor;VDS clamp located between the gate and a drain of the transistor;a diagnostics and protection unit connected to the IDLE pin, the DSEL pin and the DIAG pin, that monitors the current and temperature;at least one temperature sensor connected to the diagnostics and protection unit;wake up detection connected to the diagnostics and protection unit;a current sense and current limit unit connected to the diagnostics and protection unit and IS pin.2.The high side switch according to claim 1, wherein there is more than one channel, and the high side switch comprises a DSEL pin configured to select one channel to perform ON and OFF state diagnosis and an IS pin configured to show the specific channel when the abnormality occurred.3.The high side switch according to any one of claims 1 to 2, wherein the state machine is configured such that in the low power mode diagnostic function for the current and temperature are available.4.The high side switch according to any one of claims 1 to 3, wherein in the wakeup mode all the protection works, the IDLE pin will pull down first to wake up the sleeping control unit, the DSEL pin is controlled by the control unit and the feedback from the IS pin shows on which channel an abnormality occurred.5.The high side switch according to any one of claims 1 to 4, herein it further comprising:an undervoltage connected to the internal reference,a charge pump connected to the gate driver and the internal reference,an open load detection unit connected to the diagnostics and protection unit, anda short circuit protection unit located between the diagnostics and protection unit and the at least one OUT pin.6.The high side switch according to claim 5, wherein there is an additional P-channel Metal Oxide Semiconductor, PMOS, between the VS pin and the at least one OUT pin.7.The high side switch according to any one of previous claims, wherein the transistor is in a form of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET, or Field Effect Transistor, FET.8.A method of operation of a high side switch state machine according to any one of claims 1 to 7, comprising steps of:a) operating in a low power mode, with a IN pin in high state, a DIAG pin in low state, a DSEL pin in low state, that proceeds to a wakeup mode when a dynamic temperature exceeds a set threshold or when an output current exceeds the threshold of the output current set for the low power mode or proceeds to a normal mode when the DIAG pin changes from low to high and in which an internal reference, wake up detection and transistor operate,b) operating in the wakeup mode, with the IN pin in high state, the DIAG pin in low state, that proceeds to a standby mode when the IN pin changes from high state to low state or proceeds to the normal mode when the DIAG pin changes from low state to high state,c) operating in the standby mode, with the IN pin in low state, the DIAG pin in low state, that proceeds to a standby mode with DIAG when the DIAG pin changes from low state to high state,d) operating in the standby mode with DIAG, with the IN pin in low state, the DIAG pin in high state, that proceeds to the standby mode when the DIAG pin changes from high to low or proceeds to a normal mode when the IN pin changes from high to low,e) operating in the normal mode, with the IN pin in high state, the DIAG pin in high state, that proceeds to the standby mode when the IN pin changes from low to high or proceeds to a normal mode without DIAG when the DIAG pin changes from high to low,f) operating in the normal mode without DIAG, with the IN pin in high state, the DIAG pin in low state, that proceeds to the low power mode when the DSEL pin changes from high to low, the dynamic temperature is lower than the set threshold and the output current is lower than the threshold of output current set for the low power mode.9.The method of operation of the high side switch state machine according to claim 8, wherein in the low power mode at least one temperature sensor, wake up  detection, undervoltage, internal reference and an additional PMOS transistor operate.10.The method of operation of the high side switch state machine according to claim 9, wherein in the low power mode a charge pump and a gate driver operate.

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