-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Detektorschaltung zur
Detektion von kurzzeitigen Spannungsimpulsen (Spikes) in einer Versorgungsspannung
sowie eine Datenverarbeitungseinheit wie insbesondere eine Smartcard.
-
Stand der Technik
-
Beim
Betrieb von elektronischen Geräten
ist es wichtig, diese vor Schwankungen in der Versorgungsspannung
des Gerätes
zu schützen.
Derartige Schwankungen können
schaltungsbedingt auftreten, sie können jedoch auch einen Versuch
zur Manipulation der Schaltung darstellen. Letzteres wird nachfolgend
am Beispiel einer Smartcard näher
erläutert.
-
Smartcard-Controllerchips
ist gemeinsam, dass in ihnen sicherheitsrelevante Daten gespeichert sind,
die vor missbräuchlicher
Benutzung durch Dritte unbedingt geschützt werden müssen. Eines
der vielen möglichen
Angriffsszenarien ist der Betrieb der Schaltungen mit Versorgungsspannungen
außerhalb des
spezifizierten bzw. erlaubten Bereichs. Dabei wird ein Angriff mit
statischen Spannungen in der Regel ohne Erfolg bleiben, da Schaltungen
dieser Art üblicherweise
durch Spannungssensoren hinreichend geschützt sind. Denkbar ist jedoch
auch ein Angriff mit kurzen Impulsen auf der Versorgungsspannung,
wobei diese sowohl negativ als auch positiv sein können. Liegt
die Weite dieser Impulse unterhalb der Reaktionszeit der Spannungssensoren, aber
oberhalb der Ansprechdauer der Schaltung auf diese Ereignisse, so
könnte
ein solcher Angriff erfolgreich sein.
-
Aus
der
DE 39 20 713 A1 ist
eine Insassen-Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge bekannt, die eine
elektrischen Komponente wie beispielsweise Airbag und/oder Gurtstraffer
und eine Energiereserve-Schaltung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung
der Spannungsversorgung für
eine Auslösung
der Sicherheitseinrichtung aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass
die Sicherheitseinrichtung beim Überschreiten
eines vorgebbaren Maximalwertes der Bordnetzspannung von dieser
getrennt und mit der Energiereserve-Schaltung verbunden wird.
-
Darstellung der Erfindung
-
Vor
diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren und eine Schaltung zur Detektion von kurzzeitigen Spannungsimpulsen
(Spikes) in einer Versorgungsspannung bereitzustellen, mit deren
Hilfe eine mikroelektronische Schaltung wie insbesondere ein Smartcard-Controllerchip
vor solchen Spikes geschützt werden
kann. Die Funktion dieser Detektorschaltung und des Schutzes soll
dabei insbesondere auch unabhängig
vom Wert der Versorgungsspannung während eines Spikes sichergestellt
sein.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Detektorschaltung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1, eine Datenverarbeitungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs
9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
-
Die
erfindungsgemäße Detektorschaltung zur
Detektion von kurzzeitigen Spannungsimpulsen in einer Versorgungsspannung
enthält
die folgenden Elemente:
- a) einen ersten Speicher
zur Speicherung einer von der Versorgungsspannung bereitgestellten, typischerweise
elektrischen Energie;
- b) einen zweiten Speicher für
Energie, wobei der zweite Speicher mit dem ersten Speicher über einen
Schalter verbunden ist;
- c) einen Komparator, welcher eingangsseitig an die Versorgungsspannung
und an mindestens eine Referenzspannung angeschlossen ist, und dessen
Ausgang so mit dem genannten Schalter gekoppelt ist, dass er diesen
schließt,
wenn die Versorgungsspannung außerhalb
eines vorgegebenen Spannungsintervalls liegt;
- d) eine Ausgangsschaltung, welche eingangsseitig mit dem zweiten
Speicher verbunden ist und welche so eingerichtet ist, dass sie
ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Energie im zweiten Speicher
einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
-
Die
beschriebene Detektorschaltung gewährleistet eine sichere Funktion
während
des Auftretens eines Spikes in der Versorgungsspannung, wobei die
Anzeige eines solchen Spikes insbesondere auch über dessen Dauer hinaus anhalten
kann. Diese sichere Funktion wird dadurch erreicht, dass während des
Normalbetriebs im ersten Speicher Energie gespeichert wird, welche
im Falle eines durch den Komparator festgestellten Spikes zur Verfügung steht,
um von der Ausgangsschaltung ausgewertet zu werden. Zu diesem Zweck
wird die genannte Energie vom ersten Speicher in einen zweiten Speicher übergeleitet,
wo sie von der Ausgangsschaltung erfasst und bei Überschreiten
eines Schwellwertes zur Erzeugung eines einen Spike anzeigenden
Ausgangssignals verwendet werden kann. Dieses Ausgangssignal kann
dabei solange zur Verfügung
stehen, wie die Energie im zweiten Speichers oberhalb des Schwellwertes
liegt. Die Ausgangsschaltung kann demnach die Detektion eines Spikes
auch dann noch anzeigen, wenn dieser bereits vorüber ist und der Schalter zwischen
dem ersten und zweiten Speicher durch den Komparator bereits wieder
geöffnet wurde.
Eine solche andauernde Anzeige ist vorteilhaft, da sie einer an
die Detektorschaltung angeschlossenen Hauptschaltung wie etwa einem
Smartcard-Controllerchip
erlaubt, erst nach Abklingen des Spikes angemessen auf dessen Auftreten
zu reagieren. Während
des Spikes selbst ist eine solche Reaktion der Hauptschaltung nicht
mit ausreichender Sicherheit gewährleistet,
da der Spike ja gerade zu einer Störung der Versorgungsspannung
und damit der Hauptschaltung führen
kann.
-
Für die Definition
des Intervalls, in welchem die Versorgungsspannung liegen muss,
damit der Komparator nicht aktiviert wird, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
So kann dieses Intervall insbesondere durch eine vorgegebene untere
und eine vorgegebene obere Referenzspannung definiert werden. Ebenso
kann jedoch auch die obere Grenze des Intervalls mathematisch bei
Unendlich liegen, so dass der Komparator nur bei Unterschreiten
eines vorgegebenen unteren Referenzwertes aktiv wird. Dieser Referenzwert
kann insbesondere durch den Mittelwert der Versorgungsspannung oder
durch das Massepotential gebildet werden. Ebenso ist es natürlich möglich, durch
Vorgeben einer negativ unendlichen unteren Intervallgrenze den Komparator
nur bei Überschreiten
eines vorgegebenen oberen Referenzwertes aktiv werden zu lassen.
-
Die
Detektorschaltung enthält
vorzugsweise noch einen an die Versorgungsspannung angeschlossenen
Integrator, dessen Ausgang mit dem ersten Speicher verbunden ist.
Durch einen derartigen Integrator kann ein gleitender Mittelwert
der Versorgungsspannung gebildet und zum Laden des ersten Speichers
sowie gegebenenfalls zum Betreiben weiterer Teile der Detektorschaltung
verwendet werden.
-
Gemäß einer
Weiterbildung der Detektorschaltung ist der zweite Speicher so ausgebildet, dass
er mit einer vorgegebenen Zeitkonstante selbstentladend ist. Eine
einmal in diesem zweiten Speicher abgelegte Energie wird somit von
selbst wieder abgebaut, so dass ein überschwellig geladener zweiter
Speicher nach einer gewissen Zeit die Schwelle zur Aktivierung der
Ausgangsschaltung wieder unterschreitet. Hierdurch wird sichergestellt,
dass die Anzeige eines detektierten Spikes durch das Ausgangssignal
der Ausgangsschaltung nach einer vorgegebenen maximalen, vom Ladezustand
des zweiten Speichers abhängigen
Zeit wieder aufgehoben wird.
-
Gemäß einer
anderen Weiterbildung der Detektorschaltung ist in der Verbindungsleitung
zwischen dem ersten Speicher und dem zweiten Speicher eine Verzögerungsschaltung
zur Verzögerung des
Energieflusses angeordnet. Diese Verzögerungsschaltung sorgt dafür, dass
bei Auftreten eines Spikes die im ersten Speicher enthaltene Energie nicht
zu schnell beziehungsweise nicht instantan in den zweiten Speicher
abfließt,
sondern dass sie hierfür
eine gewisse Zeit benötigt.
Wenn ein Spike daher sehr kurz ist, wird entsprechend wenig Energie
in den zweiten Speicher transportiert, so dass diese gegebenenfalls
nicht ausreicht, um den Schwellwert zur Aktivierung der Ausgangsschaltung
zu überschreiten.
Durch die Verzögerungsschaltung
wird somit eine Detektion zu kurzer Spikes verhindert, falls diese
unerwünscht
ist.
-
Der
erste Speicher der Detektorschaltung kann insbesondere durch einen
zwischen Masse und der Versorgungsspannung angeschlossenen ersten Kondensator
gebildet werden, welcher Energie aus der Versorgungsspannung in
Form von Ladung speichert. Der Anschluss des Kondensators an die
Versorgungsspannung findet vorzugsweise über einen ersten Widerstand
statt, wodurch ein RC-Glied entsteht, welches gleichzeitig eine
Mittelwertbildung (Integration) und Speicherung der Versorgungsspannung
vornimmt. Des weiteren kann parallel zum genannten ersten Widerstand
eine Diode vorgesehen sein, welche bei Überschreiten ihrer Schwellspannung
leitend wird und dadurch für
eine schnellere Wiederaufladung des Kondensators sorgt.
-
Für die Realisierung
des Komparators kann ein erster Transistor verwendet werden, dessen
Gate (Basis) mit der Versorgungsspannung, dessen Source (Emitter)
mit dem ersten Speicher und dessen Drain (Kollektor) mit dem zweiten
Speicher verbunden ist. Die Verbindung des Drains mit dem zweiten Speicher
erfolgt dabei vorzugsweise über
einen zwischengeschalteten zweiten Widerstand. Ein wie beschrieben
eingesetzter Transistor vergleicht die Spannung am ersten Speicher
mit der Versorgungsspannung am Gate und wird durchlässig, wenn
die Differenz zwischen diesen Spannungen die Schwellspannung des
Transistors überschreitet.
In diesem Falle verbindet der Transistor den ersten Speicher mit
dem zweiten Speicher, so dass es zu einer (Teil-)Übertragung
der gespeicherten Energien kommen kann. Der optionale zweite Widerstand
in der Verbindungsleitung zwischen erstem und zweiten Speicher sorgt
dabei für
eine gegebenenfalls wünschenswerte
Verzögerung
des Umladevorgangs zwischen den Speichern.
-
Der
zweite Speicher kann insbesondere durch einen zweiten Kondensator
gebildet werden, welcher mit seinem ersten Anschluss mittelbar oder unmittelbar
am Komparatorausgang und mit seinem zweiten Anschluss mittelbar
oder unmittelbar an Masse liegt. Ein solcher Kondensator kann Energie
in Form von Ladung speichern. Vorzugsweise ist der mit dem Komparatorausgang
verbundene erste Anschluss des zweiten Kondensators zusätzlich über einen
dritten Widerstand mit der Masse verbunden. Über diesen dritten Widerstand
kann dann eine Zeitkonstante vorgegeben werden, mit welcher sich
der zweite Kondensator von selbst entlädt. Einmal im zweiten Kondensator
deponierte Energie baut sich somit von selbst wieder ab, so dass
eine Aktivierung der Ausgangsschaltung nach Ablauf einer maximalen
Zeitdauer beendet wird.
-
Gemäß einer
Weiterbildung der zuletzt genannten Realisierung der Detektorschaltung
wird die Ausgangsschaltung durch einen zweiten Transistor gebildet,
dessen Gate (Basis) am ersten Anschluss des zweiten Kondensators
und dessen Source (Emitter) an Masse liegt, und an dessen Drain
(Kollektor) das Ausgangssignal abgegriffen werden kann. Das einen
Spike anzeigende Ausgangssignal dieses Transistors besteht somit
darin, dass seine Drain zum Massepotential hingeleitet wird (Zustand
LOW). Ferner wird der Transistor durch die im zweiten Speicher enthaltene
Energie durchlässig
geschaltet. Beide Merkmale stellen sicher, dass die Funktion und das
Ausgangssignal des Transistors unabhängig vom aktuellen Wert der
(gestörten)
Versorgungsspannung sind.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Datenverarbeitungseinheit, wobei
es sich insbesondere um eine Smartcard handeln kann. Die Datenverarbeitungseinheit
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Detektorschaltung der
oben erläuterten
Art zur Detektion von kurzzeitigen Spannungsimpulsen (Spikes) in der
Versorgungsspannung enthält,
wobei die Ausgangsschaltung dieser Detektorschaltung mit einer Fehlerbehandlungsschaltung
der Datenverarbeitungseinheit gekoppelt ist. Die Fehlerbehandlungsschaltung
reagiert dabei in angemessener Weise auf das Auftreten eines Spikes
in der Versorgungsspannung, welches durch das Ausgangssignal der
Detektorschaltung angezeigt wird. Bei einer Smartcard erlaubt dies
insbesondere einen wirkungsvollen Schutz vor Angriffsversuchen auf
die Schaltung durch der Versorgungsspannung aufgeprägte Spikes.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Spannungsspitzen
in einer Versorgungsspannung, wobei
- a) von
der Versorgungsspannung bereitgestellte Energie in einem ersten
Speicher gespeichert wird;
- b) die genannte Energie in einen zweiten Speicher weitergeleitet
wird, wenn die Versorgungsspannung außerhalb eines vorgegebenen
Intervalls liegt;
- c) mit Hilfe der im zweiten Speicher enthaltenen Energie ein
Ausgangssignal erzeugt wird, wenn die Energie im zweiten Speicher
einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
-
Mit
dem genannten Verfahren ist eine sichere Detektion von Spikes in
der Versorgungsspannung möglich,
da für
die Erzeugung des Ausgangssignals lediglich Energie verwendet wird,
welche zuvor im ersten Speicher gespeichert wurde. Das Verfahren hängt somit
nicht davon ab, dass während
der Dauer eines Spikes noch eine Versorgungsspannung zur Verfügung steht,
welche die Erzeugung des Ausgangssignals erlauben würde. Das
Verfahren kann insbesondere mit einer Detektorschaltung der oben erläuterten
Art durchgeführt
werden, wobei die beschriebenen Varianten der Detektorschaltung
zu entsprechenden Weiterbildungen des Verfahrens führen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft
erläutert.
Es zeigt:
-
1 ein
Blockschaltbild für
eine erfindungsgemäße Detektorschaltung;
-
2 einen
Schaltplan für
die Realisierung einer derartigen Detektorschaltung.
-
Bester Weg zur Ausführung der
Erfindung
-
Die
in 1 dargestellte Detektorschaltung 100 dient
dazu, sehr kurze Impulse (Dauer im Bereich von 0,01 bis 2 μs), sogenannte ”Spikes”, in einer
Versorgungsspannung VDD zu detektieren und bei Erkennen eines solchen
Spikes ein entsprechendes Ausgangssignal SPIKE_DET zu erzeugen.
Dieses Ausgangssignal kann dann von einer Hauptschaltung (nicht
dargestellt) verwendet werden, um passend auf den Spike in der Versorgungsspannung VDD
zu reagieren. Die Hauptschaltung kann insbesondere ein Smartcard-Controllerchip
sein, welches auf diese Weise vor missbräuchlichen Angriffen mit der
Versorgungsspannung VDD aufgeprägten Spikes
geschützt
werden kann.
-
Dabei
ist von entscheidender Bedeutung, dass während der Dauer dieser Spikes
normalerweise eine ausreichende Qualität der Spannungsversorgung und
somit eine sichere Funktion der zu schützenden Schaltung nicht gewährleistet
ist. Das Auftreten eines solchen Spikes muss deshalb in der Sensorschaltung
gespeichert werden, bis die zu schützende Schaltung nach Wiederkehr
der Versorgung hinreichend betriebsbereit ist und auf das Ereignis angemessen
reagieren kann. Die Reaktion der zu schützenden Schaltung auf das Ausgangssignal
des Sensors erfolgt also möglicherweise
nicht bereits während
des Spikes, sondern erst mit der Wiederkehr der Versorgung auf den
ungestörten
Wert. Die in 1 dargestellte Schaltung 100 gewährleistet
dies durch den nachfolgend beschriebenen Aufbau.
-
Die
Versorgungsspannung VDD wird in der Detektorschaltung 100 zunächst einem
an Masse angeschlossenen Integrator INT mit einem Speicher MEM1
zugeführt.
Der Integrator bildet den Mittelwert VDD_AV der zu überwachenden
Versorgungsspannung VDD und speichert diesen im Speicher MEM1. Diese
gespeicherte Energie dient später
als Hilfsenergie für
die Detektorschaltung 100, da während eines Spikes die Hauptversorgung über die
Versorgungsspannung VDD nicht gewährleistet ist.
-
Der
Integrator INT beziehungsweise der Speicher MEM1 gibt die gemittelte
Versorgungsspannung VDD_AV über
seinen Ausgang an einen Schalter S, an den Versorgungseingang eines
Komparators COMP und an eine Spannungsreferenz REF weiter.
-
Der
Komparator COMP ist eingangsseitig an die Versorgungsspannung VDD
sowie an eine oder gegebenenfalls zwei Referenzspannungen Vref1
beziehungsweise Vref2 gekoppelt, welche von der Spannungsreferenz
REF bereitgestellt werden. Wenn wie in 1 dargestellt
zwei Referenzspannungen Vref1 und Vref2 an den Komparator COMP angeschlossen
sind, handelt es sich um einen Fensterkomparator, dessen Ausgang
aktiviert wird, wenn die Versorgungsspannung VDD außerhalb
des Intervalls I = [Vref1; Vref2] liegt. Alternativ kann auch nur ein
einfacher Komparator eingesetzt werden, welchem von der Spannungsreferenz
REF nur eine Referenzspannung Vref zur Verfügung gestellt wird. Der Ausgang
eines solchen Komparators würde
z. B. dann aktiv, wenn die Versorgungsspannung VDD unterhalb (oder
alternativ oberhalb) dieser Referenzspannung Vref liegt. Bei der
einzigen Vergleichsspannung Vref könnte es sich insbesondere um
die gemittelte Versorgungsspannung VDD_AV handeln, so dass der Komparator
einen negativen Spike in der Versorgungsspannung VDD detektiert,
welcher zum Unterschreiten des Mittelwertes VDD_AV führt. Ebenso
könnte
es sich bei der einzigen Referenzspannung Vref um das Massepotential
handeln, so dass der Komparator Spikes relativ zum Massepotential
detektiert.
-
Wenn
der Komparator COMP die durch seine Verschaltung und die Referenzspannung(en)
vorgegebenen Bedingungen für
das Vorliegen eines Spikes in der Versorgungsspannung VDD detektiert, aktiviert
er seinen Ausgang und schließt
dadurch den Schalter S. Dadurch wird der Speicher MEM1 über eine
Verzögerungsschaltung
DELAY mit einem zweiten Speicher MEM2 verbunden. Daraufhin wird
zumindest ein Teil der Energie aus Speicher MEM1 verzögert in
den zweiten Speicher MEM2 übertragen.
-
Der
zweite Speicher MEM2 ist weiterhin mit einer Ausgangsstufe OUT gekoppelt.
Wenn die Energie im zweiten Speicher MEM2 einen vorgegebenen Wert überschreitet,
wird die Ausgangsstufe OUT aktiviert, und an ihrem Ausgang wird
das Ausgangssignal SPIKE_DET ausgegeben. Die Erzeugung dieses Signals
SPIKE_DET erfolgt mittels der im zweiten Speicher MEM2 gespeicherten
Energie und damit unabhängig
vom aktuellen Wert der Versorgungsspannung VDD.
-
Die
Detektorschaltung 100 ist vorzugsweise für die Bearbeitung
von Spikes einer definierten Länge
vorgesehen. Der zweite Speicher MEM2 ist wird deshalb so ausgelegt,
dass die dort gespeicherte Energie nach einer bestimmten Zeit verbraucht
ist. Auf diese Weise wird die maximale Weite eines Spikes definiert,
der noch zur Auslösung
führt.
Längere Spikes
werden zwar noch detektiert, aber nicht mehr lange genug ausgegeben.
Die Übertragung
der Energie vom ersten Speicher MEM1 zum zweiten Speicher MEM2 über den
vom Komparator bedienten Schalter S geschieht nahezu trägheitslos,
so dass auch sehr kurze Spikes detektiert werden können. Ist dies
nicht wünschenswert,
weil vielleicht sehr kurze Störungen,
die die Schaltung nicht stören
würden, trotzdem
den Detektor auslösen,
so kann die Übertragung
der Energie durch den Verzögerungsblock DELAY
soweit verzögert
werden, dass bei zu kurzen Impulsen im zweiten Speicher MEM2 nicht
genügend Energie
für eine
Detektorauslösung
aufgebaut wird. Auf diese Weise wird die minimale Weite eines Spikes
definiert, die noch zur Auslösung
führt.
Kürzere
Spikes werden nicht mehr detektiert.
-
2 zeigt
einen konkreten Schaltungsaufbau für eine Detektorschaltung 100 zur
Detektion von negativen Spikes relativ zur mittleren Versorgungsspannung
VDD_AV. Die von extern bereitgestellte Versorgungsspannung VDD liegt
dabei an einem Anschluss PAD vor. Von diesem Anschluss aus wird
sie auch an einen Anschluss I zur internen Versorgung einer Hauptschaltung
(nicht dargestellt) wie zum Beispiel einem Smartcard-Controllerchip
bereitgestellt.
-
An
die Versorgungsspannung VDD ist als erster Speicher ein Kondensator
C1 über
einen ersten Widerstand R1 und parallel hierzu über eine Diode D1 angeschlossen.
Der Kondensator C1 ist mit seinem anderen Anschluss an Masse angeschlossen.
Die Diode D1, der Widerstand R1 und der Kondensator C1 bilden den
Mittelwert VDD_AV der Versorgungsspannung VDD und speichern ihn
im Kondensator C1.
-
Weiterhin
ist ein erster Transistor M1 vorgesehen, welcher mit seiner Source
am ersten Kondensator C1 liegt und dort die mittlere Versorgungsspannung
VDD_AV abgreift, und dessen Drain über einen zweiten Widerstand
R2 am ersten Anschluss eines zweiten Kondensators C2 anliegt, dessen
zweiter Anschluss am Massepotential liegt. Das Gate dieses ersten
Transistors M1 liegt an der Versorgungsspannung VDD.
-
Der
Spannungsabfall am ersten Widerstand R1 im Ruhezustand entspricht
den Störsignalen
in der Versorgungsspannung VDD und ist im eingeschwungenen Zustand
wesentlich geringer als die Schwellspannung des P-Kanal-MOS-Transistors
M1. Der Transistor M1 ist folglich in diesem Zustand gesperrt.
-
Der
zweite Kondensator C2 ist mit seinem ersten Anschluss über einen
dritten Widerstand R3 an Masse angeschlossen, so dass er sich hierüber bei
gesperrtem Transistor M1 entlädt.
-
Der
erste Anschluss des zweiten Kondensators C2 ist ferner an das Gate
eines zweiten N-Kanal-MOS-Transistors M2 angeschlossen, dessen Source
an Massepotential angeschlossen ist. Im entladenen Zustand des zweiten
Kondensators C2 ist der zweite Transistor M2 somit ebenfalls gesperrt.
-
Der
Drain-Ausgang des zweiten Transistors M2, welcher das Ausgangssignal
SPIKE_DET bereitstellt, ist an den ersten Anschluss eines dritten
Kondensators C3 angeschlossen, dessen zweiter Anschluss auf Massepotential
liegt. Der erste Anschluss dieses dritten Kondensators C3 ist ferner über einen vierten
Widerstand R4 an die Versorgungsspannung VDD gekoppelt. Ferner ist
der erste Anschluss des dritten Kondensators C3 mit dem Eingang
eines Inverters INV verbunden, welcher an seinen Versorgungsanschlüssen zwischen
der Versorgungsspannung VDD und Masse liegt. Bei gesperrtem zweiten Transistor
M2 ist der dritte Kondensator C3 über den vierten Widerstand
R4 auf den Wert der Versorgungsspannung VDD aufgeladen, und am Ausgang des
Inverters INV ergibt sich demnach der Zustand LOW.
-
Ergibt
sich in der Versorgungsspannung VDD ein negativer Spannungssprung,
der größer ist als
die Schwellspannung des ersten Transistor M1, dann wird dieser Transistor
leitend und transportiert einen Teil der Ladung des ersten Kondensators
C1 über
den zweiten Widerstand R2 in den zweiten Kondensator C2. Wenn die übertragene
Ladung am zweiten Kondensator C2 zu einer Spannung führt, die größer ist
als die Schwellspannung des zweiten Transistors M2, so entspricht
dies dem Zustand, welcher die Detektion eines Spikes anzeigt. Der
zweite Transistor M2 wird in diesem Zustand leitend und entlädt den dritten
Kondensator C3. Spätestens
dann, wenn die Versorgungsspannung VDD auf den ungestörten Wert
zurückkehrt,
erscheint am Ausgang des Inverters INV der Zustand HIGH. Dieser
Zustand bleibt so lange erhalten, bis der zweite Kondensator C2 über den
dritten Widerstand R3 entladen ist. Dann wird durch Schließen des
zweiten Transistors M2 der dritte Kondensator C3 freigegeben und
das HIGH-Signal am Ausgang des Inverters INV verschwindet nach einer
durch den dritten Kondensator C3 und den vierten Widerstand R4 definierten
Zeit.
-
Der
dritte Kondensator C3, der vierte Widerstand R4 und der Inverter
INV sind nicht notwendigerweise Bestandteil der Detektorschaltung,
sondern repräsentieren
eine mögliche
Verarbeitung des Ausgangssignals SPIKE_DET in der zu schützenden Schaltung.
-
Dadurch,
dass der zweite Kondensator C2 durch den dritten Widerstand R3 in
einer bestimmten Zeit entladen wird, verschwindet das Ausgangssignal SPIKE_DET
nach einer vorgegebenen Zeit. Die Wirkung der Detektorschaltung
wird auf diese Weise auf Spikes unterhalb einer bestimmten Weite
beschränkt.
Diese Weite ist mit dem dritten Widerstand R3 einstellbar.
-
Falls
kein zweiter Widerstand R2 vorgesehen beziehungsweise R2 = 0 ist,
erfolgt der Ladungstransfer vom ersten Kondensator C1 zum zweiten Kondensator
C2 nahezu trägheitslos,
was den Detektor auch für
sehr kurze negative Spikes sensibel macht. Für den Fall, dass die Auslösung unterhalb
einer bestimmten Mindestweite der Spikes nicht wünschenswert ist, kann der Ladungstransfer
vom ersten Kondensator C1 zum zweiten Kondensator C2 durch entsprechend
hohe Werte des zweiten Widerstandes R2 verlangsamt werden. Die Mindestpulsweite
für das
Ansprechen der Detektorschaltung kann somit durch den zweiten Widerstand
R2 eingestellt werden.
-
Damit
die Spannung am ersten Kondensator C1 nach einer tiefen Störung möglichst
schnell auf den Mittelwert der ungestörten Versorgung zurückgeht,
ist die Diode D1 vorgesehen. Sie beschleunigt die Aufladung des
ersten Kondensators C1 in der Anfangsphase und wird später unwirksam.
-
Die
Ansprechschwelle der Detektorschaltung ist gegeben durch die Schwellspannung
des ersten MOS-Transistors M1. Sie bezieht sich auf den Mittelwert
VDD_AV der Versorgungsspannung und passt sich auf diese Weise automatisch
wechselnden Versorgungsspannungen VDD an.
-
Die
erfindungsgemäße Detektorschaltung
ist in der Lage, auch sehr kurze Störsignale zu detektieren. Sie
speichert dabei das Auftreten von Störsignalen, so dass eine Auslösung auch
noch im Nachhinein erfolgen kann, wenn die zu schützende Schaltung für die Dauer
der Störung
vorübergehend
funktionsunfähig
wurde. Das Ansprechverhalten der Detektorschaltung kann auf einfache
Art und Weise an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst
werden. Wenn die Ansprechschwelle sich relativ zum Mittelwert der
Versorgungsspannung definiert, kann sie wechselnden Versorgungsniveaus problemlos
folgen. Ferner verbraucht die Schaltung im inaktiven Zustand keinen
Strom und erfordert keine zusätzlichen
Maßnahmen
für ein
Power-Down.
-
- 100
- Detektorschaltung
- C1,
C2, C3
- Kondensatoren
- COMP
- Komparator
- D1
- Diode
- DELAY
- Verzögerungsschaltung
- I
- interner
Anschluss
- INT
- Integrator
- INV
- Inverser
- M1,
M2
- Transistoren
- MEM1,
MEM2
- Speicher
- OUT
- Ausgangsstufe
- PAD
- Spannungsanschluss
- R1,
R2, R3, R4
- Widerstände
- S
- Schalter
- SPIKE_DET
- Ausgangssignal
- VDD
- Versorgungsspannung
- VDD_AV
- mittlere
Versorgungsspannung
- Verf1,
Vref2
- Referenzspannung