DD227835B3

DD227835B3 - Integrierte uebertemperatur-schutzschaltungsanordnung

Info

Publication number: DD227835B3
Application number: DD26784884A
Authority: DD
Inventors: Juergen Dipl-Ing Albrecht
Original assignee: Albrecht Juergen Dipl Ing
Priority date: 1984-10-01
Filing date: 1984-10-01
Publication date: 1993-03-11
Also published as: DD227835A1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist für den Einsatz in integrierten Schaltungen, insbesondere für integrierte Leistungstreiber, vorgesehen. Sie schützt den Schaltkreis vor thermischer Überlastung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, die Ausgangsleistung von Leistungstreibern beim Erreichen einer bestimmten Chiptemperatur durch Übertemperatur-Schutzschaltungen zu begrenzen bzw. vollständig abzuschalten. Dabei sollte der Chiptemperaturbereich, in dem die Abschaltung erfolgt, möglichst klein und lastunabhängig sein.

Patentschrift DD 202788 zeigt eine Schaltung, die diese Aufgabe erfüllt.

Von Nachteil ist jedoch, daß sie keine Hysterese besitzt, so daß es im Umschaltpunkt zu Schwingungen kommen kann. Außerdem können Ab- und Zuschaltgeschwindigkeit durch eine Triggerschaltung wesentlich erhöht werden.

Es sind auch verschiedene integrierte Übertemperatur-Schutzschaltungen mit Triggerwirkung bekannt.

Für ihren Einsatz wären folgende Eigenschaften wünschenswert:

- Temperaturabhängige Trigger-Schaltschwellen in der Art, daß diese direkt als Temperatursensor verwendet werden können.

- Kleine, temperatur- und betriebsspannungsunabhängige Hysterese, damit der für integrierte Schaltungen zulässige Chiptemperaturbereich von 6j S 150⁰C voll ausgenutzt werden kann. Bei einer zu großen Hysterese besteht besonders bei hoher Umgebungstemperatur die Gefahr, daß der Schaltkreis trotz abgeschalteter Last infolge Übertemperatur nicht wieder auf die Einschalttemperatur abkühlt, so daß Einschränkungen im Umgebungsbereich notwendig wären.

Die Patentschrift DE 2710762 zeigt eine Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung mit herkömmlichem Schmitt-Trigger. Ein zweistufiger Transistorschalter erhält durch einen gemeinsamen Emitterwiderstand eine Hysterese.

Bei dieser Triggerschaltung sind Schaltschwellen und Hysterese stark betriebsspannungsabhängig, so daß eine Spannungsstabilisierung vorgesehen werden muß.

In integrierter Schaltungstechnik ist bei dieser Schaltung eine kleine Hysterese schlecht einstellbar, da die Kollektorwiderstände sehr groß gegenüber dem gemeinsamen Emitterwiderstand sein müssen. Die Hysterese ist temperaturabhängig.

Die Patentschrift DD 215428 zeigt eine recht aufwendige Schaltung. Ein Operationsverstärker muß mit Temperatursensor, temperaturkompensiertem, betriebsspannungsunabhängigem Spannungsteiler und einer Konstantstromquelle beschaltet werden.

Beim Erreichen einer ersten Schaltschwelle wird mittels Konstantstromquelle dem Spannungsteiler ein zusätzlicher Strom so aufgeprägt, daß eine Hysterese entsteht.

Diese Lösung hat den Nachteil eines hohen Schaltungsaufwands, die Hysterese ist widerstandsabhängig und aufgrund der temperaturabhängigen Stromquelle temperaturabhängig.

Weiterhin sind zahlreiche Triggerschaltungen bekannt, die zur Erhöhung der Störsicherheit von Logikschaltkreisen, insbesondere bei Leistungsempfängern, verwendet werden. Ziel derartiger Schaltungsentwicklungen ist eine große Hysterese.

Patentschrift DD 135021 zeigt eine derartige Schaltung in 12 L-Technologie.

Zum Erreichen einer oberen Schaltschwelle ist hier eine wesentlich höhere Eingangsspannung als die Basis-Emitterspannung eines Siliziumtransistors notwendig, während die untere Schaltschwelle nur von der Basis-Emitterspannung bestimmt wird.

Erreicht wird die Triggerwirkung durch Mitkopplung über eine Transistorschaltstufe.

Der Eingang kann nicht als Temperatursensor verwendet werden. Eine Hysterese im Bereich von einigen 10 mV ist nicht einstellbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Übertemperatur-Schutzschaltung, insbesondere für integrierte Leistungstreiber zu schaffen, die eine volle Ausnutzung des für integrierte Schaltkreise zulässigen Chiptemperaturbereichs von θ, S 150⁰C für den Einsatz des Schaltkreises gewährleistet und durch große Integrationsfreudigkeit eine hohe Ökonomie und Zuverlässigkeit bei Schartkreisherstellung und -einsatz sichert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Übertemperatur-Schutzschaltung mit Triggereigenschaften zu schaffen, deren Schaltschwellen gleich der Basis-Emitterspannung eines Bipolartransistors sind, so daß sie die Temperaturabhängigkeit einer Halbleiterdiode aufweisen, deren Hysterese aber weitestgehend temperatur- und betriebsspannungsunabhängig ist. Dabei sollen auch kleinste Hysteresen unabhängig von Technologieschwankungen einfach und reproduzierbar einstellbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Basis-Emitterspannung eines Transistors dadurch mit einer Hysterese beaufschlagt wird, daß im Ein-Zustand des Transistors sein Arbeitsstrom durch den Einsatz eines Stromspiegels so verändert wird, daß ein Strom abgeführt wird, der kleiner ist als der Arbeitsstrom und zu diesem immer in einem konstanten Verhältnis steht.

Dazu werden ein 1., 2. und З.прп-Transistor so zusammengeschaltet, daß der Kollektor des 1 .Transistors mit der Basis des 2.Transistors und einer 1. Stromquelle verbunden ist und der Kollektor des 2.Transistors auf die Basis des 3.Transistors und an eine 2. Stromquelle geführt ist. Beide Stromquellen sind an eine Versorgungsspannung angeschlossen.

Die Emitter des 1. und 2.Transistors sind direkt und der Emitter des 3.Transistors ist über einen 2. Widerstand auf den Referenzzweig eines Stromspiegels geführt. Der andere Zweig des Stromspiegels wird mit der Basis des 2.Transistors verbunden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen

Fig. 1: Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung, Grundvariante

Fig. 2: Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung mit Ersatz der Stromquellen durch Widerstände

Fig.3: Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung mit geklemmtem Basispotential durch einen zusätzlichen Transistor

Fig.4: Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung mit geklemmtem Basispotential durch eine Diodenkette.

Fig. 1 zeigt die Grundvariante der erfindungsgemäßen Lösung. Die Basis von T1 wird durch einen Spannungsteiler R3, R4auf ca.400 mV vorgespannt. Bei 25°C beträgt das Übe für den leitenden Transistor T1 ca. 650 mV, sodaßTI gesperrt ist. Er öffnet erst, wenn sein U_Be infolge steigender Temperatur auf 40OmV abgesunken ist. Bei einem Temperaturkoeffizienten von -2 mV/grd für das Übe eines Transistors ist das bei 150⁰C der Fall. Damit werden T2 gesperrt und T3 leitend. Dieser Vorgang wird durch die Rückführung eines Stromes von der Basis von T3 auf die Basis von T2 unterstützt.

Der rückgeführte Strom I3 bestimmt nun die Differenz zwischen Ein- und Abschalttemperatur.

Unter der Bedingung и_Тдь » U_TEi_n, d. h. für kleine Temperaturdifferenzen, gilt:

^Δθ(9Γα14^υ4^ν7^]^ΙηΤΓ^-

K-T

Temperaturspannung.

Diese Formel für die Hysterese erhält man bekanntlich folgendermaßen: Für die obere Schaltschwelle gilt:

Uo = Ubei = Ut · In —— (Is = Sättigungsstrom von T1).

's

Die untere Schaltschwelle ergibt sich zu:

11 — η

Uu = U_BE2 = U_x · In 's

Damit erhält man für die Spannungs-Hysterese:

AU = Uo - Uu = U_T · In — ,

M -~

und die Differenz zwischen Einschalt-und Abschalttemperatur ergibt sich zu AU [mV]

Δθ[grd] = 2mV/grd

Ist der rückgeführte Strom 13 größer als der Strom der Stromquelle 11, so schaltet der Verstärker erst nach Abschalten und erneutem Einschalten der Versorgungsspannung wieder in seinen Ausgangszustand zurück.

I3 ist also kleiner zu wählen als Bei der Schaltung nach Figur 1 fließt bis auf einen vernachlässigbaren Basisstrom von T3 der gesamte Strom 12 in den Referenzzweig des Stromspiegels S1.

Damit ergibt sich 13 zu

I3 ·» 12 · S (S = Spiegelverhältnis von S1),

so daß über die Wahl von 11 und 12 und/oder über das Spiegelverhältnis von S1 die Hysterese einstellbar ist.

Somit ist es möglich, eine kleine Differenz zwischen An- und Abschalttemperatur genau und reproduzierbar einzustellen.

Gemäß Figur 2 sind die Stromquellen auch durch Widerstände ersetzbar.

Bei Figur 3 und 4 wird das Basispotential des leitenden Transistors T3 auf einen festen Wert geklemmt.

Der Strom 13 ist jetzt über den Widerstand R 2 und das Spiegelverhältnis von S1 einstellbar.

Für die Schaltung nach Figur 3 gilt:

,3-y=~s.

R2 und bei Figur 4 ergibt sich I3 zu

,3s, R2

wobei η die Anzahl der Dioden in der Diodenkette ist.

Bei allen Varianten steigt beim Umschaltvorgang 13 proportional zum Kollektorstrom von T3, der ja als Signal zum An- und Abschalten der zu schützenden Schaltungsanordnung dient, an. Dadurch wird der Umschaltpunkt schnell überschritten, ein schleichender Übergang wird vermieden.

Claims

1. Stromquelle (11), die gegen eine Versorgungsspannung (Us) geschaltet ist, verbunden ist,

- der Kollektor des 2.Transistors (T2) an die Basis des 3.Transistors (T3) und an eine

1. Integrierte Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung, bestehend aus einem 3stufigen Transistorschalter, bei dem an die Basis eines Lnpn-Transistors, der mit der zu schützenden Schaltungsanordnung thermisch gekoppelt ist, eine derart bemessene Vorspannung gelegt ist, daß dieser leitend wird, wenn die Temperatur der zu schützenden Schaltungsanordnung einen bestimmten Wert überschreitet, wodurch ein 2. npn-Transistor stromlos und ein 3. npn-Transistor leitend werden, so daß der 3.Transistor Strom führt, der als Signal zur Abschaltung der zu schützenden Schaltungsanordnung dient, gekennzeichnet dadurch, daß

- der Kollektor des I.Transistors (Tl) mit der Basis des 2. Transistors (T2) und einer

2. Integrierte Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die 1. und 2. Stromquelle (11,12) durch Widerstände (R5, R6) ersetzt sind.

2. Stromquelle (12), die an die Versorgungsspannung (Us) führt, angeschlossen ist,

- die Emitter des 1. und 2.Transistors (T1,T2) direkt und der Emitter des 3.Transistors (T3) über einen Widerstand (R 1) auf Masse geführt sind,

- an die Basis des 3.Transistors (T3) ein Widerstand (R2) angeschlossen ist, der auf den Referenzzweig (T4)eines npn-Stromspiegels (SI)führt,

- der Kollektor des Transistors (T5) des Stromspiegels (S 1), der nicht Referenzzweig ist, auf die Basis des 2.Transistors (T2) geführt ist und

- der über den Stromspiegel (S 1) auf die Basis des 2.Transistors(T2) geführte Strom (13) kleiner ist als der Strom der 1. Stromquelle (11).

3. Integrierte Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Basispotential des 3.Transistors durch einen npn-Transistor (T 6) auf einen festen Wert geklemmt ist.

4. Integrierte Übertemperatur-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Basispotential des 3.Transistors durch eine Diodenkette (D 1 ...Dn) auf einen festen Wert geklemmt ist.