自恢复电路保护装置.pdf

电路保护装置，包括：固态自恢复开关；与开关的第一部分电通信的第一端子，第一端子连接到负载；与开关的第二部分电通信的第二端子，第二端子连接到电源；及在累积能量达到或超过预设I2t额定值时能使开关断开的控制器，累积能量基于从下述之一之间的电气点检测的电流：(i)负载和开关；或(ii)电源和开关。

1、  电路保护装置，包括：
固态自恢复开关；
与开关的第一部分电通信的第一端子，第一端子连接到负载；
与开关的第二部分电通信的第二端子，第二端子连接到电源；及
在累积能量达到或超过预设I²t额定值时能使开关断开的控制器，累积能量基于从下述之一之间的电气点检测的电流：(i)负载和开关；或(ii)电源和开关。

2、  根据权利要求1的电路保护装置，其中固态自恢复开关为选自下组的类型：金属氧化物半导体场效应晶体管、可控硅整流器、及机械继电器。

3、  根据权利要求1的电路保护装置，其包括外壳，及其中至少下述之一：(i)可在外壳外接近第一和第二端子；(ii)外壳还接受至少一可更换熔断器；(iii)外壳接受多个电路保护装置；(iv)外壳接受至少一过压装置；及(v)外壳是汽车接线盒的外壳。

4、  根据权利要求1的电路保护装置，其中电气点位于下述之一之间：(i)第一端子和开关；或(ii)第二端子和开关。

5、  根据权利要求1的电路保护装置，其中控制器包括至少下述之一：(i)微处理器；(ii)存储器；(iii)集成电路；(iv)模数转换器；(v)计时器；(vi)专用集成电路；(vii)调压器；(viii)位于与开关所在印刷电路板不同的印刷电路板上的软件。

6、  根据权利要求1的电路保护装置，其中控制器被配置成当累积能量达到或超过预设I²t额定值时，使施加在金属氧化物半导体场效应晶体管栅极上的电压变成至少实质上为零。

7、  根据权利要求1的电路保护装置，其中控制器被配置成：(i)保存标称电流值并读时间段的检测电流；(ii)如果所检测的电流大于标称电流，则添加该时间段所累积的能量；及(iii)如果所检测的电流小于标称电流，则减去该时间段所累积的能量。

8、  根据权利要求7的电路保护装置，其中标称电流是为选自下组的故障模式类型设置：低过载保护、短路保护及瞬时循环。

9、  根据权利要求7的电路保护装置，其中标称电流基于负载的至少一功率使用特性进行设置。

10、  根据权利要求1的电路保护装置，其中固态自恢复开关和控制器位于同一管芯上。

11、  根据权利要求1的电路保护装置，其中第一和第二端子之一被变薄以形成非自恢复熔丝元件。

12、  根据权利要求1的电路保护装置，其中自恢复开关是第一开关，其还包括至少一另外的自恢复开关，该开关被配置成调节流到可变电流负载的电流。

13、  电路保护装置，包括：
自恢复开关；及
与自恢复开关相连的逻辑实现者，逻辑实现者被配置成当一时间段内通过开关到与开关连接的负载的能量总量达到或超过该时间段的能量额定量时断开开关。

14、  根据权利要求13的电路保护装置，其中逻辑实现者还被配置成只要一时间段内通过开关的能量总量小于该时间段的能量额定量，则保持开关为闭合状态。

15、  根据权利要求13的电路保护装置，其中通过开关的能量总量等于I²t，其中I为通过开关的电流量，t为时间间隔。

16、  根据权利要求13的电路保护装置，其中逻辑实现者还被配置成当至少下述之一出现时断开开关：(i)通过开关的电流量达到或超过峰值电流额定值；(ii)通过开关的电流的变化率达到或超过最大变化率额定值；及(iii)在装置处测量的温度达到或超过最大温度额定值。

17、  根据权利要求13的电路保护装置，其中逻辑实现者包括至少下述之一：(i)微处理器；(ii)存储器；(iii)集成电路；(iv)模数转换器；(v)计时器；(vi)专用集成电路；(vii)调压器；(viii)位于与开关所在印刷电路板不同的印刷电路板上的软件。

18、  根据权利要求13的电路保护装置，其中自恢复开关为选自下组的类型：金属氧化物半导体场效应晶体管、可控硅整流器、及机械继电器。

19、  根据权利要求13的电路保护装置，其包括与自恢复开关和逻辑实现者中至少之一电通信的端子，该端子被变薄以形成非自恢复熔丝元件。

20、  电路保护装置，包括：
自恢复开关；和
与自恢复开关相连的逻辑实现者，逻辑实现者被配置成：(i)将因现有电流水平高于标称电流水平引起的能量值添加到一时间段通过开关的能量总值；(ii)从通过开关的能量总值减去因现有电流水平低于标称电流水平引起的能量值；及(iii)当通过开关的能量总值达到或超过该时间段的额定能量值时断开开关。

21、  根据权利要求20的电路保护装置，其中通过开关的能量总量等于I²t，其中I为通过开关的电流量，t为时间间隔。

22、  根据权利要求20的电路保护装置，其中逻辑实现者还被配置成当至少下述之一出现时断开开关：(i)通过开关的电流量达到或超过峰值电流额定值；(ii)通过开关的电流的变化率达到或超过最大变化率额定值；及(iii)在装置处测量的温度达到或超过最大温度额定值。

23、  根据权利要求20的电路保护装置，其中逻辑实现者包括至少下述之一：(i)微处理器；(ii)存储器；(iii)集成电路；(iv)模数转换器；(v)计时器；(vi)专用集成电路；(vii)调压器；(viii)位于与开关所在印刷电路板不同的印刷电路板上的软件。

24、  根据权利要求20的电路保护装置，其中自恢复开关为选自下组的类型：金属氧化物半导体场效应晶体管和可控硅整流器。

25、  根据权利要求20的电路保护装置，其包括与自恢复开关和逻辑实现者中至少之一电通信的端子，该端子被变薄以形成非自恢复熔丝元件。

26、  电路保护装置，包括：
多个自恢复开关；及
与自恢复开关相连的逻辑实现者，逻辑实现者被配置成当一时间间隔内通过相应开关的能量总量达到或超过该时间段的能量额定量时断开每一开关。

27、  根据权利要求26的电路保护装置，其中逻辑实现者还被配置成只要一时间段内通过开关的能量总量小于该时间段的能量额定量，则保持开关为闭合状态。

28、  根据权利要求26的电路保护装置，其中通过开关的能量总量等于I²t，其中I为通过开关的电流量，t为时间间隔。

29、  根据权利要求26的电路保护装置，其中逻辑实现者还被配置成当至少下述之一出现时断开每一开关：(i)通过开关的电流量达到或超过峰值电流额定值；(ii)通过开关的电流的变化率达到或超过最大变化率额定值；及(iii)在装置处测量的温度达到或超过最大温度额定值。

30、  根据权利要求26的电路保护装置，其中逻辑实现者包括至少下述之一：(i)微处理器；(ii)存储器；(iii)集成电路；(iv)模数转换器；(v)计时器；(vi)专用集成电路；(vii)调压器；(viii)位于与开关所在印刷电路板不同的印刷电路板上的软件。

31、  根据权利要求26的电路保护装置，其中每一自恢复开关为选自下组的类型：金属氧化物半导体场效应晶体管、可控硅整流器、及机械继电器。

自恢复电路保护装置
技术领域
本发明涉及电路保护，特别是自恢复电路保护。
背景技术
车用熔断器如片式熔断器在本领域中广为人知。本发明的受让人，力特保险丝有限公司，已制造出更现代的电片式熔断器。片式熔断器保护汽车电路免遭电流过载。保护源自断开位于熔断器内的熔丝元件，这使得电流停止流向受熔断器保护的电路。在电流过载一定数量并超出预定的时间时，熔丝元件或连接断开。
汽车制造商在汽车中不断地增加更多的电气设备。从而，可预计汽车电路将逐渐增高其工作电压，如60伏特到700伏特以上，并将得以实施。更高的额定值要求更结实的传导元件和更多的绝缘。因此，趋向更高容量的趋势与趋向低成本的趋势背道而驰。
已知的片式熔断器采用：(i)绝缘外壳；(ii)与从汽车的熔丝盒延伸的阴端适合的传导阳端；及(iii)连接阳端的熔丝元件。阳端具有通常向下延伸的绝缘壳体。当安装在熔丝盒中时，熔断器的外壳位于阴端的上方。这样构造和安排的外壳为抓住并拉或推熔断器以去除或更换熔断器提供了方便。
当熔丝元件断开时，出现了一个所有片式熔断器均将面对的问题。熔丝元件的断开与能量特别是热能的释放一致。熔断器是热启动器件，其依赖于在熔丝元件处产生的热量而断开电路。具体地，在低过载时(如熔断器的额定电流的110％-200％)，将产生大量的热量，其可干扰熔断器周边的环境。因此，当片式熔断器断开时，希望减轻或消除所引起的潜在有害的能量消散效应。
关于片式熔断器的另一问题在于片式熔断器不是自恢复熔断器。在片式熔断器已断开之后，其必须被更换。大多数片式熔断器均具有诊断或完整性触头，从而无须从熔丝盒拉出熔断器即可测试每一熔断器。然而，测试各个片式熔断器的完整性以确定哪一熔断器已断开非常耗时。当发现时，熔断器不能显示其为什么或在何时断开。此外，在其被更换之前，正被保护的负载可能被部分或完全毁损。因此，希望为汽车提供自恢复过流保护装置。
熔断器如片式熔断器按其电流额定值及其I²t值(或允许通过能量)进行选择。在许多应用中，在设备正常运行期间均会出现浪涌，熔断器必须虑及这样的运行。对于持续长于几分钟的过载，在许多情况下，主要基于熔断器的连续电流额定值进行选择，其中这样的电流额定值大于拖延的过载电流。
对于很少发生的正常过载，熔断器的选择可基于过载曲线(I²t曲线)进行，其中如根据已公布的时间-电流曲线的75％选择熔断器。对于反复性过载，如电动机驱动器或软启动器，熔断器的选择可基于过载曲线(I²t曲线)进行，其中如根据已公布的时间-电流曲线的60％选择熔断器。实际上，熔断器通常具有两个I²t额定值—准许额定值和熔化额定值。准许I²T额定值是当熔断器清除故障时通过熔断器的总I²t。熔化I²T额定值是熔化熔丝元件要求的最小I²t。因此，还希望提供用于汽车的、改进的过流保护装置，其具有已知的和可控的额定值。
发明内容
在此描述的均为采用一个或多个固态开关器件的装置的例子，所述开关器件与控制器如基于软件的控制器、专用集成电路(ASIC)、或其结合相连。在一实施例中，开关器件为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其从在MOSFET的栅极的控制器接收受控电压输出以使能或禁止电流从电源如车用蓄电池流到MOSFET的漏极，及从MOSFET的源极流到负载，如汽车内的负载。MOSFET可以是n型MOSFET，对此MOSFET施加在栅极的电压为正，或也可以是p型MOSFET，对此MOSFET施加在栅极的电压为负。
根据应用的目的，控制器将电压施加到栅极或从栅极去除电压。本发明装置的一个主要使用是电路保护，如过流或过压保护。在此，电流敏感元件与MOSFET串联放置。所检测的电流被数字化，使得对于特定时间点，可知道离散瞬时电流I_t。该离散且已知的电流I_t可以至少三种方式用于确定是否发生故障。在一种方式中，离散电流I_t与峰值电流I_max比较。如果I_t大于I_max，则控制器从MOSFET的栅极去除正电压，使电流停止流向负载。
在另一情况下，I_t用于与先前已知的电流I_t-1结合以计算瞬时变化率dI/dt，其等于(I_t-I_t-1)/t。如果该值大于设定的最大变化率dI/dt_max，则控制器从MOSFET的栅极去除正电压，停止电流流向负载。在另一情况下，I_t用在能量等式中以确定瞬时允许通过能量，其与所有过去的瞬时允许通过能量结合以确定当前已通过电路保护MOSFET的总能量E_total。如果E_total大于设定的总能量E_I²_t，则控制器从MOSFET的栅极去除电压，停止电流流向负载。
装置还提供过热保护。检测MOSFET的温度或结温。所检测的温度被数字化，使得可知道特定时间点的离散瞬时温度T_t。该离散且已知的温度T_t与设定的最大温度T_max进行比较。如果T_t上升高于T_max，则控制器从MOSFET的栅极去除电压，停止电流流向负载。类似地，装置还监视温度的瞬时变化率并将该变化率与最大温度变化率比较。如果已超出最大温度变化率，控制器从MOSFET的栅极去除电压，停止电流流向负载。
装置还另外或二中择一地提供过压保护。检测跨MOSFET的电压或施加到负载上的电压。数字化所检测到的电压，使得可知道特定时间点的离散瞬时电压V_t。该离散且已知的电压V_t与设定的最大电压V_max比较。如果V_t上升高于V_max，则控制器从MOSFET的栅极去除正电压，从而停止流向负载的电流。也可用与上述DI/dt和E_total类似的电压变化率dV/dt和使用V_t的综合能量监视电压故障，并导致MOSFET栅极的电压的去除。
在此提出了一例子的逻辑流程图，其示出怎样监视和计算至少部分上述参数及怎样执行。同样，示出了各种过流故障模式下的电流和能量图。具体地，比较了低过载故障模式、短路故障模式、和瞬时循环故障模式。在每种情况下，当特定时间段的瞬时电流低于标称或预期电流时，从E_total减去相应的瞬时能量E_t。当特定时间段的瞬时电流高于标称或预期电流时，将相应的瞬时能量E_t加到E_total。当在三种过流故障模式的任一模式下负载的E_total或累积E_I²_tt能量达到设定或额定总允许通过能量E_I²_t时，去除MOSFET栅极的电压，停止流向负载的电流并保护负载免受因特定故障模式造成的损害。
由于额定总允许通过能量E_I²_t(峰值或di/dt额定值)对负载是特定的并取决于负载的预期或标称电流使用，因而所得的过流保护装置可被调整以极佳地适应负载。也就是说，标准替换熔断器被提供以特定的额定值，如1amp、2amp、10amp等。选择最适于负载的熔断器，即使其对于熔断器而言不是完美适配。在此，固态保护器件的“额定值”改为适合负载需求。在汽车导线应用情况下，本固态保护器件的“额定值”可被变为需要保护的导线的准确特性。
类似地，选择某些替换熔断器以具有所需要的断开特性，如慢速断开熔断器、快速响应熔断器等。例如，当电动机启动时其产生初始浪涌能量。保护电动机的熔断器需要适应该浪涌。另一方面，半导体器件要求通常标准替换片式熔断器不能满足的响应时间。在此描述的过流保护装置，其基于半导体，具有足以实质上保护出现在汽车或使用这些装置的其它应用中的任何负载的响应时间。
除了电路保护以外，如过流和过压保护，装置还可二中择一地或另外被配置以可控制地改变提供给可变电流负载如电动机或调光灯的电流量。在此，代替等待特定的故障出现以从MOSFET的栅极去除电压，控制器有目的地和可控制地以对应于负载所需输出如电机速度或光亮度的开关比断续跳动开或关MOSFET栅极的电压。该技术即公知的脉宽调制(PWM)可与适当的反馈如来自电机轴的测速信号一起工作以准确控制可变负载。
装置的控制器可具有多种不同预期硬件配置中的任一种，其中不同的控制功能被放在一个或多个半导体管芯或芯片上。在一实施例中，微计算机芯片与集成电路(IC)芯片相连。微计算机芯片包括微处理器、只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。在另一实施例中，微处理器、ROM和RAM中的一个或多个或全部均在分开的芯片中提供，其经印刷电路板(PCB)的迹线与分开的(IC)芯片互相电通信。在另一实施例中，微处理器、ROM和RAM中的一个或多个或全部均被提供在具有IC芯片的单一芯片上。这些实施方式中的每一种均可与至少一MOSFET一起使用，其被或提供在单独的芯片上或与其它芯片之一如IC芯片或包含IC和微计算机的芯片结合。
对于本发明的目的，控制器可具有专用集成电路(ASIC)形式的软件和/或门控硬件的任何适当组合，其中在此描述的逻辑例程、数据存储及相关电路经ASIC的门提供。如在此所述的，ASIC在速度和坚韧性方面具有优势，而软件具有灵活性。因此，某些特征更适于ASIC，而另一些特征更适于软件实施。同样，可设想，控制器包括ASIC，其与MOSFET被提供在同一芯片或PCB上，而其它功能位于远处的PCB如汽车的母板或电脑板上。
根据上述概要描述，在一实施例中，提供了电路保护装置。该装置包括固态自恢复开关。第一端子按与开关的第一部分电通信进行置放。第一端子被构造成连到负载。第二端子按与开关的第二部分电通信进行置放。第二端子被构造成连到电源。该装置还包括控制器，其被配置成如果累积能量达到或超出预设I²t额定值则使开关能被断开。累积能量基于从下述之一之间的电气点检测的电流：(i)负载和开关，或(ii)电压电源和开关。电气点可位于第一端子和开关之间或第二端子和开关之间。
固态自恢复开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。或者，在交流电流系统中，可使用可控硅整流器(SCR)。此外，应用可以也可不是固态应用。例如，装置可用于控制机械继电器。
所述装置包括外壳，其中至少下述之一：(i)可在外壳外接近第一和第二端子；(ii)外壳还接受至少一可更换熔断器；(iii)外壳接受多个电路保护装置；(iv)外壳接受至少一过压装置；及(v)外壳是汽车接线盒的外壳。换言之，在汽车应用中，装置可与汽车的接线盒一起构造在汽车的接线盒内或被扩展为汽车的接线盒。
控制器包括至少下述之一：(i)微处理器；(ii)存储器；(iii)集成电路；(iv)模数转换器；(v)计时器；(vi)专用集成电路；(vii)调压器；(viii)位于与开关所在印刷电路板(PCB)不同的PCB上的软件；及(iv)具有微处理器、随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)中的任一或多个的可编程逻辑控制器(PLC)。在实施例中，这些构件可被集成在一个管壳内。
控制器可与一个或多个MOSFET相连，并能在累积能量达到或超过预设I²t额定值时使施加在MOSFET栅极上的电压变成至少实质上为零。另外，可配置控制器以：(i)保存标称电流值并读时间段的检测电流；(ii)如果所检测的电流大于标称电流，则添加该时间段所累积的能量；及(iii)如果所检测的电流小于标称电流，则减去该时间段所累积的能量。
标称电流是给定负载的预期电流。预设I²t额定值是负载的累积能量额定值(有时称为允许通过能量)。
在另一实施例中，电路保护装置包括自恢复开关和与自恢复开关相连的逻辑实现者。配置逻辑实现者以在一时间段内通过开关到与开关连接的负载的能量总量达到或超过该时间段的能量额定量时断开开关。逻辑实现者还被配置成只要一时间段内通过开关的能量总量小于该时间段的能量额定量，则保持开关为闭合状态。可配置逻辑实现者以经等式I²t确定通过的能量总量，其中I为通过开关的电流量，t为时间间隔。
逻辑实现者还被配置成当至少下述之一出现时断开开关：(i)通过开关的电流量达到或超过峰值电流额定值；(ii)通过开关的电流的变化率达到或超过最大变化率额定值；及(iii)在装置处测量的温度达到或超过最大温度额定值。
逻辑实现者可包括至少下述之一：(i)微处理器；(ii)存储器；(iii)集成电路；(iv)模数转换器；(v)计时器；(vi)专用集成电路；(vii)调压器；(viii)位于与开关所在印刷电路板(PCB)不同的PCB上的软件。
在另一实施例中，电路保护装置包括自恢复开关和与自恢复开关相连的逻辑实现者。在此，逻辑实现者被配置成：(i)将因现有电流水平高于标称电流水平引起的能量值添加到一时间段通过开关的能量的总值；(ii)从通过开关的能量总值减去因现有电流水平低于标称电流水平引起的能量值；及(iii)当通过开关的能量的总测量值达到或超过该装置的额定能量值时断开开关。可配置逻辑实现者以经等式I²t确定通过的能量总量，其中I为通过开关的电流量，t为时间间隔。
因此，本发明的优点在于提供自恢复过流装置。
本发明的另一优点在于提供具有更精确的电路断开特性的过流装置。
本发明的另一优点在于简化汽车接线盒内的电流选路。
本发明的另一优点在于减少对汽车接线盒可达性和对更换熔断器的需要。
本发明的另一优点在于提供一种装置，该装置对变速电动机控制和减光提供过流保护、切换、几脉宽调制(PWM)中的一种或多种功能。
本发明的另一优点在于提供具有汽车母板或电脑板标记能力的装置。
本发明的另一优点在于提供接受外部人工输入的过流装置。
本发明的另一优点在于提供对热降额较不敏感的过流装置。
本发明的其它特征和优点将在下面结合附图的详细描述中进行描述并可明显看出。
附图说明
图1为具有控制器和固态自恢复开关的装置的一个例子的原理方块图。
图2为具有控制器和固态自恢复开关的装置的另一例子的原理方块图。
图3为采用控制器和固态自恢复开关的装置的一实施例的透视图。
图4为采用多个控制器、固态自恢复开关及标准汽车熔断器的装置的一实施例的透视图。
图5为包括被配置以支持多个固态自恢复开关的控制器的装置的一实施例的示意图。
图6所示为与自恢复开关相连的控制器实施的至少部分逻辑的一实施例的示意流程图。
图7为受自恢复开关保护的低过载故障模式的能量曲线。
图8为受自恢复开关保护的短路故障模式的能量曲线。
图9为受自恢复开关保护的瞬时循环电路故障模式的能量曲线。
图10A-10C所示为控制器和固态自恢复开关对可变电流负载提供脉宽调制(PWM)的三个不同工作循环。
具体实施方式
现在参考附图特别是图1和图2，本发明装置的实施例分别如装置10和100所示。在一实施方式中，装置10、100可作为交通工具如汽车、卡车、有篷货车、摩托车、机动脚踏两用车等的接线盒的组成部分进行安装。(对于给定负载)装置10、100至少取代对熔断器、继电器及单独的诊断元件的需要。
在另一实施方式中，装置10、100可被扩展为这样的运输工具的接线盒，其中接线盒10、100包括可能与在此描述的固态硬件结合的其它组件如标准接线块熔断器(如片式熔断器或阴管式熔断器)。
装置10、100包括控制器20。在一实施例中，控制器20的组成部分位于单一印刷电路板(PCB)上。在另一实施例中，控制器20的组成部分被集成在集成电路(IC)芯片上。在图示的实施例中，控制器20包括微计算机30和集成电路40。微计算机30包括微处理器(CPU)32、随机存取存储器(RAM)34和只读存储器(ROM)36。微计算机30与计时器38相连。或者，计时器38被集成在CPU32内。
集成电路(IC)40与模数转换器(A/D转换器)42和44相连。在另一实施例中，A/D转换器42和44中的一个或两个被集成在IC40内。在另一实施例中，A/D转换器42和44中的一个或两个被集成在CPU32内。IC40与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)50相连。
在图示的实施例中，IC40在电器件如温度敏感元件46和MOSFET50与逻辑器件如微计算机30之间提供缓冲器。然而，应该意识到的是，在此描述的控制器30的逻辑电路中的任一或全部也可经专用集成电路(ASIC)内的门提供。ASIC是半导体芯片，其被使得执行一个或多个应用的一个或多个逻辑例程，所述逻辑例程取决于与MOSFET50连接的负载及MOSFET50的目的。例如，如下所述，使用MOSFET50的熔化例程可因负载不同(例如，不同的I²t额定值或不同的标称电流)而不同。对于给定负载，例程和MOSFET50可用于一个目的或另一目的(例如，对于灯，MOSFET50用作过流保护装置或通过改变灯的电流而用作调光器)。
ASIC可被成形为将许多芯片(如每一MOSFET均有一芯片)的工作合并到单一、更小、更快的组件内，从而降低制造和支持成本，同时提高控制器20和装置10、100的速度。在一实施方式中，ASIC采用0.25微米技术，其可在单片150MHz芯片上支撑500万以上个门。例如，适当的ASIC芯片由IBM提供。
经ASIC硬布线逻辑例程减少了与更基于软件版的控制器20相关的处理周期数，提高了性能和可靠性。ASIC可能排除ROM36。RAM34保存运行数据，如装置10、100的温度、电流、I²t、功率、电机速度等。二者择一地，表示这样的数据的数字化信息可被标记并发送给位于其它地方的RAM，如位于车辆母板上的RAM。在这种情况下，RAM34也可被去除。ASIC也可依赖于位于车辆结构中某一地方的中央处理器。在此，ASIC包括至少一输入或输出以与中央处理器通信，其可以是接线盒或车辆母板的一部分。
然而，应该意识到的是，全硬连线实施控制器20则太不灵活。某些应用或负载可能遭受变化的标准如安全标准或不同国家中的不同标准。某些逻辑例程也可能是正在进行的研究和改进的主题。在这些情况下，通过将那些例程保存在软件中而牺牲速度和简单性但具有灵活性是明智的。然而，装置10、100的控制器20的一般功能如缓冲器管理、队列管理、地址查询和流分类可由ASIC硅处理，而几乎没有风险。控制器20包括硬连线ASIC例程和软件例程的任何适当结合。
在上述的任何配置中，装置10、100的控制器20执行至少下述功能：(i)提供计数计时器以为下述积分目的每隔一定间隔或时间段从分流器22(如图所示位于熔丝元件28和MOSFET50的漏极54之间，或位于MOSFET50和负载80之间)采样电流；(ii)测量给定时间段经A/D转换器42流到负载的电流(如使用精密电阻器或电压测量装置)，这使离散电流值能被插入如下所示的电流能量算法中；(iii)在如下所示的导数算法中使用离散电流值以确定di/dt；及(iv)经A/D转换器44测量给定时间段装置10、100的温度，这使离散温度值能被插入如下所示的至少一温度算法中。
装置100具有另外的功能。在此，控制器20被另外配置以接受来自外部开关24的人工输入。开关24可在开始向装置100供电，复位下述的积分例程。例如，开关24可由车辆的点火开关驱动，其中当引擎开启时装置100被供电。或者，开关24可中断装置100的正在进行的运行。例如，当操作员选择车辆灯时开关24可被闭合，这使得控制器20运行另外的用于车辆灯的例程。装置100可被配置以接受来自多个开关24的输入并为每一开关24及其相关的负载提供单独的MOSFET50。在此，为每一MOSFET提供单独的电流监视器，控制器20知道哪一电路将要断开及在何时断开。
如图所示，装置100的控制器20被另外配置以基于事件发送标志26，事件如负载故障或装置100内的内部故障。在一实施例中，标志26被发送给车辆的母板或电脑板。标志26可包含信息包，如故障发生的时间、故障类型、故障幅度(如峰值电流、总能量、di/dt)、及其它有关信息，如装置10、100的温度、负载的电流工作循环(如果合适)、负载已连续运行的时间量等。
标志26可引发任何适当的响应，如关闭装置100的一部分或全部。或者或另外，标志26引发给车辆操作员的报警或纠正性行动，如点亮仪表盘上的指示灯、分配冷却液、开动冷却风扇、打开通风孔等。
装置10、100经一个或多个MOSFET50向一个或多个负载提供过流保护或其它电学功能。MOSFET50包括源极52、漏极54和栅极56。在图示的实施例中，源极52与负载80电通信，其继而电连接到大地12。大地12可提供在装置10、100的外壳的外面，如下结合图3所示的那样。大地12被构造成可接受从负载80延伸的导线、带状电缆、连接器或其它适当的电气连接装置。如图所示，漏极54与电源或电池接触件电通信，其也可被提供在装置10、100的外壳的外面，如下结合图3所示的那样。电源接触件14同样被构造成可接受从车辆的电压源、电池延伸的导线、电缆、连接器或其它适当的电气连接装置。
在实施例中，熔丝元件28与电池接触件14和MOSFET50串联以在MOSFET发生灾难性故障时保护系统。在一实施例中，熔丝元件28被单独放在装置10、100内。或者，熔丝元件28被制造成硅片的引线框的一部分。
在装置10、100中，控制器20的ASIC或IC40与MOSFET50的栅极56电通信。如本领域公知的，对于n型晶体管，源极52和漏极54均被负充电并位于正充电的p硅上。当控制器20向栅极56施加正电压时，p硅中的电子被吸引到栅极56下面的区域，从而在源极52和漏极54之间形成电子通道。当电压源或电池向漏极54施加正电压时，电子被从源极52引到漏极54。在该状态下，晶体管50为开。当控制器20去除栅极56的电压，电子不被吸引到源极52和漏极54之间的区域，断开电流通路从而关闭晶体管50。
或者，MOSFET50是p型，为此施加在栅极56的电压为负电压。为方便图示，在此描述的例子均使用n型MOSFET。
许多车辆的电气系统均由12V DC电池供电。可在IC40内提供调压器以向MOSFET50的栅极56提供降低的稳定电压(如4-10VDC)。在一实施例中，MOSFET50是IR IPS0551T MOSFET，被提供在SuperTO220管壳中，其具有8安培连续漏极电流、6.0mOhm Rd(开)、2瓦特最大功率耗散。在实施例中，MOSFET50被完全保护并配置成在其温度超过165℃时或在漏极电流达到100安培时断开或关闭。
现在参考图3，在一实施例中，装置10、100被提供为分立插件，其可被焊接或扣夹到印刷电路板或被连到车辆的接线盒。在此，装置10、100包括外壳16，在一实施例中其为塑料或电绝缘外壳，其可被模制在承载各个组件的引线框上。如图所示，控制器20的ASIC40与下述部位电通信：(i)经接合线18d与MOSFET50的栅极56；及(ii)经接合线18c与MOSFET50的源极52。MOSFET50的漏极54(看不见)位于源极52和栅极56的下面。漏极54位于芯片底部上。漏极54与漏极端子48b电通信。在实施例中，模制外壳16使得端部漏极端子48b延伸穿过外壳16并至少实质上与外壳齐平。
控制器20的ASIC40与下述部位电通信：(i)经接合线18e与输入端子48c；及(ii)经接合线18f与标志端子48d。模制外壳16使得输入端子48c和标志端子48d分别延伸穿过外壳16并至少实质上与外壳齐平。输入端子48c使ASIC40能与上面结合图2的装置100所述的手控开关24的输入电通信。标志端子48d使ASIC40能电子地发送标志26给车辆内的另一控制器或PCB。
在图示的实施例中，温度敏感元件46被集成在MOSFET50内或安装在MOSFET50之上，从而可读取MOSFET50处的准确温度。温度敏感元件46可以是任何适当的类型，如形成在MOSFET芯片上的热敏二极管。温度敏感元件46经接合线18c与ASIC40电通信。
电流敏感元件22经接合线18a与ASIC40电通信。同样，提供跨接线58以连接MOSFET50的源极52与电流敏感元件22和源极端子48a电通信。电流敏感元件22可以是任何适当的类型，如与精密电阻器相连的电压敏感器，其可被提供在单一管壳中。图1和图2示出分流器22与漏极54相连。图3示出敏感元件22与源极端子48a电连接。或者，敏感元件22与漏极端子48b电连接。源极端子48a使装置10、100能被电连接到负载，负载电连接到大地12。同样，MOSFET50的漏极54使装置10、100能被电连接到电源14。
在图3的装置10、100中，上面结合图1和图2所述的A/D转换器42被集成在ASIC40内，因而其在图3中不单独标注。同样，在图3的装置10、100中，计时器38被集成在ASIC40内，因而其在图3中也不单独标注。同样，熔丝元件28可通过使引线框的一部分变薄到所需厚度及横断面积而形成以提供所需额定值。源极52的引线或漏极54的引线可被变薄以形成熔丝元件28。在优选实施例中，根据图1、2和5的方案，熔丝元件28的位置尽可能地靠近电源14，使得漏极54的引线更可能趋向于被变薄。异金属如锡或镍可放在全部熔丝元件28的一部分上以形成“热点”，熔丝元件被配置成在此断开。
可以设想，可使用单一管芯或电路芯片用于ASIC40和MOSFET50。装置10、100的可放在同一管芯上的其它组成部分包括电路敏感元件22、A/D转换器42和计时器38。这种结构使得可有效地、方便地、紧凑地、及节省成本地制造装置10、100。或者，ASIC40、MOSFET50、及上面列出的其它组成部分中的任一或多个可放在一个或多个单独的管芯或电路芯片上。
现在参考图4，其示出了装置10、100的另一构造。在此，上面结合图1-3所述的组件与其它电路保护及接线盒有关的零件结合。同样，示出了控制器20的不同实施例。
在图4中，装置10、100包括外壳60。外壳60包括罩62和衬底64。在一实施例中，衬底64是印刷电路板(PCB)，其由如FR-4材料、陶瓷、玻璃、聚酰亚胺等的材料制成。在实施例中，罩62为模制的电绝缘材料，如塑料，包括聚酰胺、聚碳酸酯聚氯乙烯、聚乙烯。罩62可通过注模、吹模或任何适当的工艺形成。在另一实施例中，位于PCB64上方的罩62的至少一部分是环氧树脂或其它类型的电绝缘保护涂层。除了连接器66a-66c延伸穿过罩62中的开口以外，罩62可完全封装PCB64。另外，单侧PCB64可用作外壳60的壁的至少一部分。
在图示的实施例中，上面结合图1和图2所述的组成部分均被表面安装到PCB64。然而，应该意识到的是，一个或多个这样的组成部分还可以进行轴安装、经插座安装或适当地固紧在装置10、100内。
图4的PCB64示出了图1和图2的方块图中所示的装置10、100的三种不同硬件结构。在图4中，微计算机30a被示作与IC40a连接对应于图1和图2的方块图的结构。在此，微计算机30a采用如上结合图1和图2所述的微处理器32、RAM34和ROM36。微计算机30a被提供在与IC40a不同的芯片中。IC40a提供上面结合IC40所述的功能，其可与A/D转换器42和44、MOSFET的调压器、及检测温度、电流、电压等所需的电路结合，并电子地控制MOSFET50。
如图所示，IC40a和微计算机30a控制四个分开的MOSFET50a-50d。每一MOSFET的电气控制与上面结合图1和图2的MOSFET50描述的一样。具体地，IC40a能够在MOSFET50a-50d中的每一个的栅极56a提供已调节的且稳定的电压，其具有所需的直流电流值。当电压施加到那些栅极时，电流能够从电压源(未示出)流到MOSFET50a-50d中的每一个的漏极并从每一MOSFET的源极流到其相应的负载。因此，微计算机30a和IC40a能够单独控制每一负载。每一MOSFET可用于电路保护的目的，包括过流和过压保护。或者，MOSFET50a-50d中的一个或多个或全部可对可变电流负载的栅极电压提供脉宽调制(PWM)控制，以在负载实现所需的输出。尽管未示出，可为MOSFET50a-50d中的每一个提供单独的电流分流器42。
MOSFET50a-50d中的两个或多个可作用于同一负载。例如，MOSFET之一可对调光灯提供过流保护，而第二MOSFET使用PWM控制灯的亮度。控制器(微计算机30a和IC40a)可同时控制这两个功能。或者，MOSFET50a-50d中的同一MOSFET和控制器30a和IC40a可被配置成为同一负载执行双重功能。例如，同一MOSFET可用于对内部或外部车辆灯提供开关(开/关)、PWM(调光)及电路保护。另一应用包括风挡刮水器，其需要开/关及速度(PWM)控制和电路保护(例如，即使刮水器冻结在风挡上，驾驶员仍持续施加功率)。另一应用包括自动窗户，其需要方向开/关、可能的速度和电路保护(例如，窗户被阻延，或者，即使在窗户已完全升上或下降到底时玩耍按钮的儿童仍持续按住按钮)。
从微计算机30a和IC40a顺时针方向移动，控制器的计算机和电路功能被组合在标为30b、40b的单一芯片上。芯片30b、40b提供分开的芯片30a和40a的所有功能。如前所述，单一芯片30b、40b控制多个MOSFET50e-50g，每一MOSFET均可执行在此描述的任何功能。
继续从芯片30b、40b顺时针方向移动，装置10、100也可或另外提供具有计算机功能30c、集成电路功能40c和MOSFET开关能力50h-50k的单一芯片。如在此所述的，MOSFET50是基于半导体的器件。因此，可以设想，可将计算、电路控制和MOSFET功能中的每一个放在单芯片30c、40c、50h-50k的单管芯上。
应该意识到的是，(30a、40a)、(30b、40b)或(30c、40c、50h-50k)结构中的任何一个均可采用如上所述的基于软件的或基于ASIC门逻辑的任何组合。此外，每一芯片结构均与图示的温度敏感器46a-46c相连。温度敏感器46a-46c测量装置10、100的温度，其可被称为接线盒温度。在一实施例中，温度敏感器46a-46c为热敏电阻并可按如图所示进行表面安装或固定在罩62内。温度检测也可由集成在MOSFET内的温度敏感器完成。例如，热敏二极管可被嵌入MOSFET的硅中。
图4中所示的每一芯片结构输出至连接器66a-66c。连接器66a-66c使来往各自负载的导线或引线与MOSFET50a-50k相连以活动连接到装置10、100。在图示的实施例中，连接器66a-66c通孔连接到PCB64。每一均具有延伸穿过壳体62的孔的表面，其使导线或引线可活动连接到连接器66a-66c。连接器66a-66c也可被固紧到罩62上并与相关的MOSFET硬连线或用导线电连接。
为方便图示，图4省略了大地及PCB64上电源迹线的显示。装置10、100也提供本领域技术人员公知的电路。
装置10、100可作为组件提供在车辆如汽车、卡车、有篷货车、摩托车、机动脚踏两用车等的接线盒内。这样的接线盒，除了MOSFET50a-50k提供电路保护以外，还包括标准熔断器如片式熔断器72和阴管式熔断器74。或者，如图所示，装置10、100本身可以是车辆的接线盒并包括熔断器部分70，其接受替换熔断器72和74。也就是说，可提供标准替换熔断器与在此描述的MOSFET开关的结合。一种适当的片式熔断器72由本发明的受让人提供并以Mini^熔断器商标在市场销售。一种适当的管式熔断器也由本发明的受让人提供，其以Jcase^熔断器商标在市场销售。
同样，如PCB64上所示，在此描述的智能开关也与其它类型的分立电路保护装置如过压保护装置76连接。一种适当的过压保护装置由本发明的受让人提供，并以PulseGuard^商标在市场销售。该装置采用基于聚合物的压变材料。其它类型的过压装置如基于陶瓷的压敏变阻器也可被提供。
现在参考图5，其示出了装置10、100的一个实施例。在此，控制器20控制和支持多个固态自恢复开关50a-50c。在实施例中，装置10、100包括外壳(未示出)，其可以是任何适当的绝缘外壳。图5的装置10、100具有图4中所示的任一硬件结构，例如，控制器20的芯片可包括微计算机30、IC或ASIC40、及自恢复开关或MOSFET50的任何适当组合。
在图示的实施例中，控制器20控制或支持三个自恢复开关或MOSFET50a-50c。或者，自恢复开关50a-50c为可控硅整流器、机械继电器或其任意结合。也可控制更多或更少的MOSFET。MOSFET50a的栅极56a连到控制器20的栅极1节点或结点。MOSFET50a的源极52a电连接到负载80a，其继而电连接到大地12。漏极54a电连接到电流分流器或敏感元件22a。电流敏感元件或分流器22a的双引线电连接到控制器20的电流检测1+和电流检测1-节点或结点。熔断器28a与电流敏感元件或分流器22a电连接。位于电流敏感元件22a和电池14之间的熔断器28a保护MOSFET50a的电路免遭较大的过流条件影响。
MOSFET50b的栅极56b连到控制器20的栅极2节点或结点。MOSFET50b的源极52b电连接到负载80b，其继而电连接到大地12。漏极54b电连接到电流分流器或敏感元件22b。电流敏感元件或分流器22b的双引线电连接到控制器20的电流检测2+和电流检测2-节点或结点。熔断器28b与电流敏感元件或分流器22b电连接。位于电流敏感元件22b和电池14之间的熔断器28b保护MOSFET50b的电路免遭较大的过流条件影响。
MOSFET50c的栅极56c连到控制器20的栅极3节点或结点。MOSFET50c的源极52c电连接到负载80c，其继而电连接到大地12。漏极54c电连接到电流分流器或敏感元件22c。电流敏感元件或分流器22c的双引线电连接到控制器20的电流检测3+和电流检测3-节点或结点。熔断器28c与电流敏感元件或分流器22c电连接。位于电流敏感元件22c和电池14之间的熔断器28c保护MOSFET50c的电路免遭较大的过流条件影响。
如图5中所见，控制器20为装置10、100的所有电子部件提供必要的连接。相关的模数转换和计时功能也可被集成在控制器20的芯片的电路内。相关的温度敏感器46，每一MOSFET50a-50c均有一个，也可被集成在控制器20的芯片内。此外，如上所述，熔丝元件28可被形成为硅片的引线框的薄部。
现在参考图6，其通过系列110示出了控制器20(经软件或ASIC技术)用以控制固态自恢复开关50的逻辑的至少一部分的一实施例。序列110中所示的逻辑用于电路保护应用。应该意识到的是，对于自恢复开关的不同应用，如已在此讨论的开关或PWM，控制器20还可采用不同的逻辑。
在如椭圆112所指开始逻辑序列110的基础上，如框114所指，逻辑序列110设置或初始化某些参数。框114示出了9个这样的参数。如框114中所示，时间t-1时的电流I_t-1在开始被设为0。需要I_t-1的值以计算下面框124中所述的初始电流变化率或di/dt。同样，需要T_t-1的值以计算下面框124中所述的初始温度变化率或dT/dt。T_t-1被设定为初始检测到的温度T_t(框122)。在时间t-1时的总能量E_total-1也被设为0。需要E_total-1的值以计算框126所示的初始电流总能量E_total。
还需要周期时间或瞬时时间间隔t_step，其在该例子中被设为1微秒(μs)。t_step可被简单地当成控制器20的微计算机或ASIC的循环频率时间。之后，循环频率时间的值可被插入框126中所示的有关等式中变量的位置。然而，在图示的实施例中，分段时间或周期时间可由用户编程。
在框114处，计数(count)被初始化为0。在实施例中，图1和图2中所示的计时器38是计数计时器。计时器38不仅提供逻辑循环再循环的时间间隔，而且还计数循环被循环的次数。等于时间间隔乘以计数的总消逝时间可被保留。逻辑循环的初始计数被设为0。
如框114中所见，在序列110开始时即知道各个最大值或额定值。例如，最大或峰值电流I_max、最大电流变化率或dI/dt、最大温度T_max、最大温度变化率或dT/dt、及允许通过能量额定值E_I²_t也可被设定或初始化。这些额定值对特定负载或工作极限均是特定的。
在框114处，标称电流I_n也被设定。在一实施例中，标称电流I_n是给定负载预计吸引的电流值乘以因子。例如，标称电流I_n可被设定，使得预计吸引的电流通常小于标称电流I_n的75％。在实施例中，对于具体应用中的具体负载，标称电流I_n被假设为常数。即使在预计有启动电流或瞬变循环的情况下，标称电流I_n也被设定为常数(参见，图9的瞬变循环)。例如，照明灯可出现高启动或浪涌电流。冷灯具有高电流涌入，直到其灯丝加热及其电阻增加为止。在此，标称电流I_n被设定为常数值，例如，比照明灯达到稳态温度后预计吸引的电流高25％。
应该意识到的是，在框114处初始化或设置的参数可在序列110每次实施时预设或重设。
如上结合图2的装置100所述，在实施例中，控制器20接受来自手控开关24的输入。例如，手控开关24可以是点火或其它启动类型的开关，其开始逻辑序列110。或者，手动输入24是对逻辑序列110正为其运行的负载的中断。在此，进行初始询问以确定是否已进行手动输入，如菱形块116所示。如果已进行这样的输入，如框118所示，逻辑序列110基于该输入行动。
例如，过热条件可被内部标记，使得来自手控开关24的输入可被远程发送给装置10、100。输入可以是手动输入，如来自灯开关或吊窗提手开关的输入。输入也可由另一控制器独立产生，如启动冷却风扇的恒温器。
假设在框118采取的行动不会将栅极电压变为0或者没有手动或自动输入出现，如菱形块116处确定的，序列110通过一个或多个合作敏感器及A/D转换器实时获得某些参数。例如，如框120处所见，序列110从电流分流器22获得通过图1和图2中所示A/D转换器42的电流值I_t。电流I_t表示行进到负载的t_step的瞬时电流，例如，从电源(在图1和图2中连到接触件14)通过MOSFET50到负载80的电流，如图1和2中所示，负载电连接到大地12。
类似地，如框122中所见，序列110获得所检测的温度T_t，其由图1和2的敏感器46检测，通过A/D转换器44发送，其产生对于电流t_step的温度T_t的离散值。应该意识到的是，本领域的技术人员可以重新排序序列110的某些步骤，例如框120和122的检测步骤可被颠倒或同时执行。框124和126的计算步骤也可被颠倒或同时执行。
如框124所指，序列110通过从当前时间段t_step的瞬时电流I_t减去先前时间间隔的瞬时电流I_t-1而计算瞬时电流变化率dI/dt。I_t-1被初始化为0。之后，该电流变化(I_t-I_t-1)除以时钟周期或电流读取之间的时间t_step，或在该例子中为1μs。同样，如框124中所见，序列110通过从当前时间段t_step的瞬时温度T_t减去先前时间间隔的瞬时温度T_t-1而计算瞬时温度变化率dT/dt。T_t-1被初始化为第一次检测到的温度T_t，使得初始变化率为0。之后，该温度变化(T_t-T_t-1)除以时钟周期或电流读取之间的时间t_step，或在该例子中为1μs。
如框126所指，序列110执行多个计算以最终确定已从电压源通过MOSFET50而到达负载的总能量量。总能量的等式为E_total＝E_total-1+E_t。E_total-1是在先前周期中确定的E_total的值或初始化的0值。E_t经等式E_t＝(I_t-I_n)²t_step确定。实际上，E_t是特定周期或时间间隔t_step的瞬时允许通过电流。
E_t的等式确定瞬时电流I_t是否正向全部总能量E_total提供附加能量或应减去能量。标称电流I_n则如上所述。如果检测的电流I_t大于标称电流I_n，则对于I_t-I_n的相关允许通过能量I²t为附加能量。或者，如果检测的电流I_t小于平均或预期电流I_n，则相应的I²t能量为应减去能量。E_t或增加框126处计算的总能量E_total或从其减去能量。也就是说，如图所示，如果E_t大于或等于0，则E_total＝E_total-1+E_t。另一方面，如果E_t小于0，则E_total＝E_total-1-E_t。
序列110进行大量确定，其在从控制器20到MOSFET50的指示中以或接通MOSFET的栅极56(正电压)或切断栅极56(零电压)结束。如菱形块128所示，如果检测的温度T_t大于T_max，则施加到MOSFET50的栅极56的电压被设为0，如框138所示。如果否，即T_t小于或等于T_max，则序列110确定瞬时电流是否高于峰值。还应意识到的是，在一实施例中，菱形块130中的温度等式是结温或与图1、2和3中所示的敏感器46相关的温度。
如菱形块130所示，如果瞬时电流I_t大于峰值电流I_max，则施加到MOSFET50的栅极56的电压被设为0，如框138所示。如果瞬时电流I_t小于或等于最大电流I_max，则序列110确定电流的变化率是否大于电流的最大允许变化率。
如菱形块132所示，如果电流的瞬时变化率dI/dt大于电流的最大允许变化率dI/dt_max，则栅极电压V_gate被设为0，如框138所示。如果电流的瞬时变化率dI/dt小于或等于电流最大变化率dI/dt_max，则序列110确定温度的变化率是否大于温度的最大允许变化率。
如菱形块134所示，如果温度的瞬时变化率dT/dt大于温度的最大允许变化率dT/dt_max，则栅极电压V_gate被设为0，如框138所示。如果温度的瞬时变化率dT/dt小于或等于电流最大变化率dT/dt_max，则序列110确定总允许通过能量E_total是否大于额定允许的允许通过电流E_I²_t。
与I²t相关的允许通过能量通常为熔断器准许期间电路内发展的热能的度量。I²t是本领域技术人员公知的熔断器的额定值，其有助于熔断器的选择。I²t可表示为“熔化I²t”、“电弧I²t”、或二者之和，其也被称为“准许I²t”。“I”是有效允许通过电流(RMS)，其被平方，t表示断开的秒数。在序列110中，断开时间是时钟周期或t_step，在本例子中其为1微秒。
如菱形块136所示，如果总能量大于额定允许通过能量，则MOSFET50的栅极56的电压被设为0，如框138所示。如果小于或等于，则MOSFET50的栅极56的电压被设为正电压或在图示的例子中设为5VDC。在图示的例子中，控制器20开通四个故障检查以保持MOSFET50的栅极56处的正电压。或者，四个故障检查中的任一或多个可被检查。也可检查另外的故障模式，如瞬时检测的电压V_t对V_max或基于V_t的综合能量计算。应该意识到的是，菱形块128、130、132、134和136的任一比较可改为看所检测的参数是否大于或等于该参数的额定值(刚好大于即作为对立)，使得检测的参数必须小于额定值以清除故障模式。
尽管未示出，在框114，栅极电压可被初始化为正值，从而在框122，产生瞬时电流正值。然而，瞬时电流0值不应出现在菱形块130、132和136所示的任何故障模式，从而在序列110第一周期之后栅极56的电压被设为正值。
在框142所示的下一步骤中，下一周期的E_total-1被设为在刚结束的周期中在框126计算的E_total。这样，下一周期时框126处的E_total-1为已知参数。同样，下一周期的电流I_t-1被设为在刚完成的周期中在框120检测的瞬时电流I_t，从而在框124计算下一变化率时I_t-1为已知。同样，如框142所示，计数被更新，从而通过使总计数乘以时间间隔t_step可知道总工作时间。
序列110示出了MOSFET50可自动自恢复的实施例。也就是说，如菱形块144处所确定的，如果未从装置10、100去除电源，则允许序列110继续循环，从而在去除或解决导致V_gate被设为0的故障的基础上，控制器20可将栅极电压复位为正值。这样，负载被自动重新供电。例如，如果接线盒的温度超过最大温度(其可由不同于负载故障的条件引起)，只要检测的接线盒温度T_t等于或低于T_max，则负载的机能可恢复。类似地，如果瞬时电流I_t达到最高点而高于最大电流I_max，控制器20可切断负载的电源，直到电流等于或低于峰值电流为止。适当的时延可与自动恢复特征结合以确保故障已被足够地平息或已被足够地解决。
对于峰值电流，装置10、100的电流变化率或E_total故障将可自动恢复，但仍需要至少断续地检测电流，从而控制器20可确定故障是否已排除。在过热情况下，即使在V_gate被设为0之后，温度敏感器46可继续检测温度。还可以设想，使某些故障模式自动恢复，如过热，而其它故障模式如峰值电流、电流变化率或E_total故障必须手动恢复或由外部事件恢复，如基于来自开关24的输入。
如果对装置10、100断电，则序列110结束，如椭圆146所示。否则，序列110返回到结点148，这使逻辑循环结束并重新开始先前描述的逻辑循环。
在另一实施例中，当V_gate被设为0且负载被断电时，序列110结束。在这种情况下，在序列110被重复之前需要外部事件出现，外部事件可以是手动或自动输入。在此，5种故障模式中的任一故障均可结束序列110，5种故障模式为：(i)过热；(ii)峰值电流；(iii)电流变化率；(iv)温度变化率；或(v)E_total。
现在参考图7-9，其示出了三种故障模式即低过载、短路和瞬时循环模式下实际吸引的电流与标称电流的比较图(以条线图形式示出，并绘作光滑曲线)。这些图还示出与瞬时电流相关的增加的和应减去的能量。如图所示，图7-9中每一绘图是相应的累积E_total，其是任意时间点的总允许通过能量E_I²_t。
如图7中所见，前六个时间间隔的标称电流百分比低于标称电流。那些瞬时电流产生应减去能量，其被示为0能量。从第7时间间隔开始，出现低过载故障，如由于电阻接地引起，所吸引的电流I_t逐渐大于标称电流I_n。在第9时间间隔，过电流变成常数，其为标称电流的约135％。在第6时间间隔之后，相应的瞬时允许通过能量为附加能量。在第6时间间隔之后总能量E_total变为正并以相对固定的速率增长。当E_total达到或超出负载的额定允许通过能量时，V_gate被设为0从而负载被保护。
在图7中，由于电流增长率呈相对逐步增长及所吸引的峰值电流I_t并不充分高于标称电流，因此实际上导致控制器20从MOSFET50的栅极56去除正电压的故障模式可能是总允许通过能量E_total(假设所有故障模式均被监视)。另一可能是结点或装置10、100的温度达到或超过最大温度T_max。
现在参考图8的短路情况下的图，瞬时电流I_t在开始的时间段(在此为前10个时间段)再次低于标称电流，从而产生应减去能量。那些瞬时电流产生应减去能量，其被示为0能量。在11时间段，负载遭受短路，其迅速增加吸引的实际电流，达到标称电流的1000％。在10时间间隔之后，相应的瞬时允许通过能量E_total为附加能量。在10时间间隔之后，总能量变为正且以指数速率增长。
当E_total达到或超过负载的额定允许通过能量时，V_gate被设为0从而负载得以保护。然而，在此，在E_total达到额定允许通过电流之前，所吸引的电流I_t可超过额定峰值电流I_max或电流变化率dI/dt可超过最大电流变化率dI/dt_max，从而导致V_gate变为0。
现在参考图9，其示出了瞬时故障概况。如上所述，在某些应用中高浪涌电流是正常的。例如感应负载，如电动机和螺线管。灯丝灯泡也具有高浪涌电流。使用灯丝灯泡作为例子，灯丝的电阻是温度的函数。在开始，灯泡是冷的，因而电阻很低。当灯丝加热时灯泡温度立即上升。灯泡每次点亮时都会出现电流尖峰信号。瞬变通常不引起电路保护温度，然而，反复循环可加热相应的导线并可导致损害。
如图9中所见，在时间段1-5、9-12、16-18和22-25，瞬时电流小于标称电流，导致I²t能量为应减去能量。如时间段9-12、16-18、22-25处所见，E_total实际上稍微降低。然而，在其余稳定时间间隔期间，瞬时电流尖峰信号达到标称电流的300％(例如，由于导线振动而导致中间短路引起)，从而导致相对逐步地总体上增加E_total。
实际上，E_total达到额定允许通过能量E_I2t并导致栅极电压变为0。或者，电流变化率dI/dt可能超过最大电流变化率dI/dt_max，从而导致在E_total达到额定允许通过能量之前V_gate被设为0。在结点的最大温度也可以是关掉MOSFET的第一故障模式。在此，并未表明达到标称电流300％的瞬时峰值即足以超过最大电流I_max。
现在参考图10A-10C，其示出了三种不同的脉宽调制(PWM)工作循环。当MOSFET50的栅极56的电压为正时，沿图的Y轴示出的0-12伏特对应于经电压源如车辆蓄电池12VDC施加给负载的电压。如图10A-10C中不同时间所示，当负载电压为0伏特时，在MOSFET50的栅极56的相应电压为0。
通过控制V_gate为正的时间的百分比，可改变相应负载的工作循环。使用该PWM技术，MOSFET可被快速开、关。MOSFET实际上是控制门，其使准确数量的电流流到可变电流负载，如电动机。当控制器20和MOSFET50用于控制电动机的速度时，连接在大地12和MOSFET50的源极52之间的负载是电动机驱动器。电动机驱动器将晶体管-晶体管-逻辑(TTL)脉冲或开/关电压信号转换为相应的电动机电流。当门被快速开和关时，从驱动器流到电动机的电流量取决于开持续时间和关持续时间的比率。该比率越大，越多电流从驱动器流到电动机。通过测量电动机的实际速度的反馈系统，控制器20和MOSFET50可经PWM准确地控制速度。
可以设想使用MOSFET控制的PWM来控制日间运行的灯、剧场灯及车辆中的螺线管。例如，螺线管可与带弹簧的阀耦合。脉冲的宽度控制螺线管施加给弹簧的力。脉冲越宽，阀门开得越大。
应该意识到的是，除了提供准确的电路保护以外，控制器20和MOSFET50也可用于控制变化电流输入的装置，如车辆内使用的电动机和调光灯。在这种情况下，单个控制器可与一个或多个MOSFET相连，如图4和5所示的那样，以对不同负载提供相同电气功能、对相同负载提供不同电气功能、或对不同负载提供不同的电气功能。
应该理解的是，对本领域技术人员而言，对在此描述的优选实施例的各种变化和修改是显然的。这样的变化和修改均可在不背离本发明精神和范围且不减弱本发明优点的情况下进行。因此，这样的变化和修改可由所附权利要求覆盖。