DE10158244B4

DE10158244B4 - Aktive Schutzvorrichtung für Niedrigspannungsschaltungen in Niedrigspannungseinrichtungen

Info

Publication number: DE10158244B4
Application number: DE10158244A
Authority: DE
Inventors: Martin Clara; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: DE10158244A1; US20030117757A1; US6999292B2

Abstract

Vorrichtung zum Überspannungsschutz einer mit einer Hochspannungsschaltung (100) zusammenwirkenden Niedrigspannungseinrichtung (116) vor einer Beschädigung durch eine an der Hochspannungsschaltung (100) anliegenden Spannung (101), und zur Spannungsversorgung der Niedrigspannungseinrichtung (116) mit einer Klemmspannung (117), mit:
a) einer Schutzeinrichtung (111), welche in Reihe zwischen der Hochspannungsschaltung (100) und der Niedrigspannungseinrichtung (116) geschaltet ist, und welche aufweist:
a1) eine Klemmstromquelle (124) zur Bereitstellung eines Klemmstroms (120);
a2) einen ersten Schutztransistor (118); und
a3) einen zweiten Schutztransistor (119), wobei die ersten und zweiten Schutztransistoren (118, 119) derart verschaltet sind, dass die Klemmspannung (117) stets kleiner als eine vorgebbare Schutzspannung (113) ist;
b) mindestens einer Schutzspannungsquelle (114) zur Bereitstellung der vorgebbaren Schutzspannung (113), die an die Schutzeinrichtung (111) anlegbar ist; und
c) einem Niedrigspannungsknoten (110), der zwischen der Schutzeinrichtung (111) und der Niedrigspannungseinrichtung (116) angeordnet ist, zum Anlegen der vorgebbaren Klemmspannung (117) an mindestens eine Niedrigspannungsschaltung (115) in der Niedrigspannungseinrichtung (116).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versorgen von externen Schaltungseinheiten mit Versorgungsspannungen, wie beispielsweise mit einer an einer Hochspannungsschaltung anliegenden Spannung, und betrifft insbesondere eine Schutzvorrichtung, durch welche angeschlossene Niedrigspannungseinrichtungen vor einer Beschädigung durch eine durch die Hochspannungsschaltung angelegte Überspannung geschützt werden.
Als „Überspannungen" werden im folgenden Spannungen bezeichnet, die in ihrem Spannungsbereich bzw. Spannungshub über den Spannungen liegen, mit welchen Niedrigspannungseinrichtungen zu versorgen sind. Der Begriff "Hochspannungsschaltung" umfasst sämtliche Schaltungen, die eine Spannung bereitstellen können, deren Spannungsbereich bzw. Spännungshub den für externe Schaltungseinheiten zulässigen Spannungsbereich bzw. Spannungshub überschreiten kann.

Schaltungselemente in MOS-(Metall-Oxid-Silizium) -Technik wie auch in CMOS-(Complementary Metall-Oxid-Silizium) -Technik weisen eine Reihe von Vorteilen hinsichtlich hoher Schaltgeschwindigkeiten bei niedrigen Spannungen und Strömen auf. Ein Nachteil dieser und anderer empfindlicher Schaltungselemente besteht darin, dass sie nur mit begrenzten Betriebsspannungen betreibbar sind, d.h. die Schaltelemente werden durch auftretende Überspannungen leicht beschädigt oder vollständig zerstört.

Vielfältige Prozesstechnologien haben dieses Problem teilweise gelöst, indem beispielsweise MOS-Transistoren mit einem dicken Gate-Oxid hergestellt werden. Je dicker ein Gate-Oxid eines MOS-Transistors ist, desto höher ist die Spannung, mit welcher derartige Schaltungselemente beaufschlagt werden können. Ein Nachteil von MOS-Transistoren mit dickem Gate-Oxid besteht in einer Reduktion einer Schaltgeschwindigkeit. Als ein Beispiel für Schaltungselemente mit einer normalen Gate-Oxid-Dicke im Vergleich zu Schaltungselementen mit einer vergrößerten Gate-Oxid-Dicke sei folgende Tabelle angegeben, die unterschiedliche Prozesstechnologien auflistet.

Tabelle 1: Typische Versorgungsspannungen für CMOS-Prozesse

Die maximal zugelassene Betriebsspannung beträgt üblicherweise 10 % mehr als der in der obenstehend aufgeführten Tabelle angegebene Nominalwert. Wenn übliche Schaltungselemente mit einer Spannung betrieben werden, die das Maximum (z.B. 2 V in einem 0,18 μm-CMOS-Prozess) überschreitet, werden sie beschädigt werden. Die nominale Betriebsspannung für die üblichen Schaltungselemente und die Schaltungselemente mit dickem Gate-Oxid werden im Folgenden als VopL bzw. VopH bezeichnet.

In nachteiliger Weise erfordern viele Aktoren höhere Spannungen als die maximal zulässigen Betriebsspannungen für CMOS-Schaltungselemente. Beispiele sind Laserdioden, Motoren, Lautsprecher und Chip-zu-Chip-Interfaces. Werden Aktoren und Ansteuereinheiten auf einem Chip (System-on-Chip, SoC) aufgebaut, vergrößern sich die Probleme. Aktoren arbeiten oft bei hohen Spannungen (Überspannungen), welche die in Tabelle 1 aufgeführten Spannungen überschreiten.

In 1 sind Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik veranschaulicht. 1(a) zeigt eine Anordnung, bei der ein bei niedriger Betriebsspannung betreibbares Schaltungsmodul 107, durch welches ein Modulstrom 109 fließt, mit einer Hochspannungsschaltung 100 verbunden ist. Der in 1(a) eingezeichnete Pfeil 102 bezeichnet eine Niedrigspannung, während der in 1(a) eingezeichnete Pfeil 101 eine Überspannung bezeichnet. Es ist somit klar erkennbar, dass die Überspannung 101 einen korrekten Betrieb des Schaltungsmoduls 107 gefährden kann, da unter bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere dann, wenn ein niedriger Strom durch das mindestens eine Schaltungsmodul 107 fließt, eine Schaltungsmodul-Anschlussspannung höher als eine Spannung VopL werden kann. Beispielsweise kann, wenn der Modulstrom ganz abgeschaltet wird, der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltungsmodul 107 und der Hochspannungsschaltung 100 das Potential der Überspannung 101 annehmen und die MOS-Schaltelemente in dem Schaltungsmodul 107 werden jedenfalls zerstört werden.

So ist in vielfältiger Weise versucht worden, die empfindlichen CMOS-Schaltelemente vor zu hohen Spannungen (Überspannungen) zu schützen. Ein herkömmliches Verfahren zum Schützen von Schaltungsmodulen 107 zeigt 1(b). In der Figur ist ein Niedrigspannungsknoten 110 gezeigt, an welchem die Hochspannungsschaltung 100, welche an der Überspannung 101 angeschlossen ist, angeschlossen ist. Weiterhin ist ein Anschluss des Schaltungsmoduls 107 mit dem Niedrigspannungsknoten 110 verbunden, während ein anderer Anschluss des Schaltungsmoduls 107 mit Masse 108 verbunden ist.

Durch das Schaltungsmodul fließt, wie unter Bezugnahme auf 1(a) erläutert, der Modulstrom 109. Weiterhin ist zwischen dem Niedrigspannungsknoten 110 und der Masse 108 eine Reihenschaltung aus einem Schutzelement 103 und einer Spannungsquelle 106 angeschlossen. Über dem Schutzelement 103 fällt eine Schutzelementspannung 104 ab, während die Spannungsquelle 106 eine Vorspannung 105 bereitstellt. Diese sogenannte parallele Schutzeinrichtung klemmt den Niedrigspannungsknoten 110 auf eine Spannung, die für das Schaltungsmodul 107 ungefährlich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorspannung 105 auf einen Wert eingestellt wird, der einer Differenz zwischen der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltungsmoduls 107, d.h. der maximalen Niedrigspannung 102, und der Schutzelementspannung 104 entspricht. Als ein Beispiel ist in 1(b) ein Schutzelement 103 gezeigt, das als eine Halbleiterdiode ausgebildet ist. Wenn die Spannung über dem Schutzelement 103 eine Triggerspannung, d.h. eine Schutzelementspannung 104 überschreitet, wird das Schutzelement 103 niederohmig und klemmt die Niedrigspannung 102 auf die Summe der Vorspannung 105 und der Schutzelementspannung 104.

Weitere Versuche wurden unternommen, um die an Hochspannungsschaltungen 100 anliegenden Überspannungen 101 zu bewältigen. Ein Einbau von Transistoren, die für derartig hohe Spannungen geeignet sind, in das Schaltungsmodul 107 ist versucht worden. In nachteiliger Weise sind die Transistoren schwer verfügbar und wesentlich teurer als herkömmliche Transistoren. In einem CMOS-Prozess weisen sie ein dickes Gate-Oxid auf, was eine niedrige Schaltgeschwindigkeit und große Bauform zur Folge hat.

eine Schaltung mit paralleler Schutzeinrichtung gemäß 1(b) weist den Nachteil auf, dass sich der Gesamtstrom zwischen der Hochspannungsschaltung 100 und dem Schaltungsmodul 107 aufteilt (Parallelschaltung), so dass ein Gesamtstromfluss gestört wird. Weiterhin tritt eine Modifikation des Signals, d.h. des Stroms, der zu der Hochspannungsschaltung bzw. den Hochspannungsschaltungen zu übertragen ist, in nachteiliger Weise auf.

In der DE 199 30 036 A1 ist eine Spannungsbegrenzerschaltung mit einem in dem Pfad zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung geschalteten Stellglied beschrieben, wobei das Stellglied unterhalb eines vorgebbaren Grenzwerts der Ausgangsspannung einen geschlossenen Schalter bildet. Ab dem vorgegebenen Grenzwert der Ausgangsspannung arbeitet dieses Stellglied als ein Linearregler. In nachteiliger Weise stellt die beschriebene Vorrichtung keine separate Schutzeinrichtung mit Klemmstromquelle und Schutztransistoren bereit, so dass eine Referenzspannung bzw. eine Schutzspannung nicht extern eingegeben bzw. vorgegeben werden kann.

Das in der DE 198 33 345 A1 beschriebene Verfahren Spannungsregelung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellspannungsquelle eine extern vorbestimmte, während des Betriebs eines Spannungsreglers variable Stellspannung abgibt. Die in der Publikation beschriebene Vorrichtung weist unzweckmäßigerweise keine Schutzeinrichtung mit separater Klemmstromquelle zur Bereitstellung eines Klemmstroms auf. Damit ist es in nachteiliger Weise nicht möglich, eine Schutzeinrichtung in Reihe zu einem Schaltungsmodul und einer Hochspannungsschaltung bereitzustellen.

Die EP 0 351 756 weist eine Klemmstromquelle und zwei Schutztransistoren auf. Das Regelverhalten dieser offenbarten Spannungsanordnung besteht darin, dass in etwa ein Nullpotential am Eingang einer nachfolgenden, integrierten Schaltung bereitgestellt wird. In nachteiliger Weise stellt die in dieser Druckschrift offenbarte Schaltungsanordnung keinen Ausgang bereit, mit welchem die nachfolgende Schaltungseinheit mit einer Versorgungsspannung versorgbar wäre. Weiterhin eröffnet die Druckschrift in nachteiliger Weise keine Möglichkeit derart, eine Spannungsversorgungsschaltung angepasst für eine nachfolgende integrierte Schaltung auszulegen, da sich mit der offenbarten Schaltungsanordnung nur feste Referenzspannungen einstellen lassen, die in keiner Beziehung zu einer für die nachfolgende Niedrigspannungseinrichtung zugelassenen Niedrigspannung stehen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzeinrichtung bereitzustellen, die in Reihe zwischen einem Schaltungsmodul und einer Hochspannungsschaltung angeordnet werden kann.

Wenn hierbei die Hochspannungsschaltung wie ein linearer Widerstand wirkt, muss die serielle Schutzeinrichtung eine niedrige Impedanz für hohe Treiberströme und eine große Impedanz für niedrige Treiberströme aufweisen.

Eine derartige Stromabhängigkeit eines Widerstandes muss sich mit einer Frequenz, die deutlich über 100 MHz für Lasertreiberanwendungen liegen kann, ändern, wobei eine derartige serielle Schutzeinrichtung mit passiven Elementen nicht bereitgestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine serielle Schutzeinrichtung bereitzustellen, die mit einem MOS-Schaltkreis verbunden werden kann, wobei die anzusteuernden (zu treibenden) Lasten des MOS-Schaltkreises wesentlich höhere Spannungen erfordern, als sie für die (C)MOS-Bauelemente eines treibenden Schaltungsmoduls zulässig sind. Es wird eine aktive serielle Schutzvorrichtung bereitgestellt, welche mit vorgebbaren Spannungswerten einer Schutzspannung beaufschlagt werden kann, um einen Schutz von in einer Niedrigspannungseinrichtung enthaltenen Niedrigspannungsschaltungen zu gewährleisten.

Es ist somit ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass durch eine serielle Schutzeinrichtung das Signal (der Strom), der zu einer Hochspannungsschaltung zu übertragen ist, in seinem Betrag nicht modifiziert wird, insbesondere werden keine zum Schutz von Niedrigspannungs-Schaltungsmodulen notwendigen Querströme von einem Verbindungsknoten zwischen der Hochspannungsschaltung und der Treiberschaltung (CMOS- bzw. Bipolar-Schaltung) abgezweigt.

Es ist weiter vorteilhaft, dass die serielle Schutzeinrichtung aus wenigen aktiven Schaltungselementen aufgebaut ist.

Weiterhin kann die serielle Schutzeinrichtung bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, da sie selbst aus MOS-Transistoren aufgebaut werden kann.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird in der Schutzeinrichtung eine an mindestens eine Niedrigspannungsschaltung, die in der Niedrigspannungseinrichtung bereitgestellt ist, angelegte Klemmspannung auf einen Spannungswert unterhalb des vorgebbaren Spannungswertes der Schutzspannung geklemmt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird mittels der Schutzeinrichtung ein Klemmstrom auf einem Stromwert geringer als ein Stromwert eines in die Niedrigspannungseinrichtung fließenden Hauptstroms gehalten.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Schutzeinrichtung integral mit der Hochspannungsschaltung bereitgestellt.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Klemmspannung auf einen Spannungswert geringer als der Spannungswert der an die Niedrigspannungseinrichtung maximal anlegbaren Niedrigspannung eingestellt.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verhindert ein von einer Schutzstromquelle bereitgestellter Schutzstrom, dass das an dem Niedrigspannungsknoten anliegende Potential variiert, wenn der Hauptstrom durch die Hochspannungsschaltung zu Null wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
In den Zeichnungen zeigen:
1(a) eine herkömmliche Ansteuerung einer Hochspannungsschaltung mit einem Schaltungsmodul ohne Schutzeinrichtung;
1(b) eine herkömmliche parallele Schutzeinrichtung zum, Schutz eines Schaltungsmoduls, das eine Hochspannungsschaltung ansteuert;
2 ein prinzipielles Blockbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schützen eines Schaltungsmoduls vor an einer Hochspannungsschaltung anliegenden Überspannungen, indem eine Schutzeinrichtung in Reihe zwischen die Hochspannungsschaltung und die Schutzeinrichtung angelegt wird;
3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz von mit einer Hochspannungsschaltung zusammenwirkenden Niedrigspannungseinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 einen Aufbau der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 einen modifizierten Aufbau einer Schutzeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
2 zeigt ein typisches Blockbild einer seriellen Schutzeinrichtung 111, die zwischen einer Hochspannungsschaltung 100, welche eine Überspannung 101 ausgibt, und einem Schaltungsmodul 107, welches vor hohen Spannungen, insbesondere vor der Überspannung 101 zu schützen ist, in Reihe verbunden ist. Diese sogenannte serielle Schutzeinrichtung 111 sorgt dafür, dass ein maximaler Spannungswert einer Niedrigspannung 102, der an dem Schaltungsmodul 107 anliegt, nicht überschritten wird. Insbesondere liegt die Niedrigspannung 102 zwischen einem Niedrigspannungsknoten 110 und einer Masse 108 an.
3 zeigt detaillierter, wie eine Schutzeinrichtung 111 in eine Hochspannungseinrichtung 112 integriert ist, wobei die Hochspannungseinrichtung 112 die zum Anlegen der Überspannung 101 erforderliche Hochspannungsschaltung 100 enthält.
Die Hochspannungseinrichtung 112 ist mit vier Anschlusseinheiten 125a, 125b, 125c und 125d verbunden. Die Anschlusseinheiten 125c und 125d dienen zu der Verbindung der Hochspannungseinrichtung 112 mit der Niedrigspannungseinrichtung 116, während über die Anschlusseinheit 125b die Überspannung 101 ausgegeben wird. Über die Anschlusseinheit 125c wird der Schutzeinrichtung 111 ein Bezugsspannungspotential in Form einer Schutzspannung 113 zugeführt, welche von einer Schutzspannungsquelle 114 bereitgestellt wird. Diese Schutzspannung liegt zwischen der Anschlusseinheit 125c und Masse 108 an. Weiterhin ist die Überspannung 101 über die Anschlusseinheit 125a an die Schutzeinrichtung 111 angelegt. Der Betrieb der mit der Schutzspannung 113 einerseits und der Überspannung 101 andererseits beaufschlagten Schutzeinrichtung wird untenstehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 detaillierter beschrieben werden.
Der Hauptstrom, der zwischen mindestens einer Niedrigspannungsschaltung 115, die in der Niedrigspannungseinrichtung 116 enthalten ist, und der Hochspannungseinrichtung 112 fließt, wird über die Anschlusseinheit 125d geführt. Weiterhin wird die Niedrigspannungseinrichtung 116 mit einer Niedrigspannung 102 an einer weiteren Anschlusseinheit 125e be- aufschlagt.
4 zeigt den Aufbau einer Schutzeinrichtung 111 in größerem Detail. Eine Klemmstromquelle 124 stellt einen Klemmstrom 120 bereit, welcher einem Drain-Anschluss eines zweiten Schutztransistors 119 zugeführt wird. Der Gate-Anschluss und der Drain-Anschluss des zweiten Schutztransistors sind miteinander und mit einem Gate-Anschluss eines ersten Schutztransistors 118 verbunden. Die ersten 118 und zweiten Schutztransistoren 119 bilden in der Schutzeinrichtung 111 eine sogenannte Cascodenschaltung. In der Cascodenschaltung wird ein Spannungshub an dem Drain-Anschluss des zweiten Schutztransistors 119 verringert, wobei die Cascodenschaltung bei sehr hohen Frequenzen (100 MHz) arbeiten kann, wenn sie mit MOS-Transistoren ausgelegt wird. Es ist weiterhin ein Vorteil, dass eine Strommodifikation eines Hauptstroms 121 von der Hochspannungsschaltung 100 über die Schutzeinrichtung 111 zu der Niedrigspannungseinrichtung 116 nicht auftritt. Um sicherzustellen, dass eine maximal zulässige Niedrigspannung 102 nicht überschritten wird, wird die Cascodenschaltung mit einer sogenannten translinearen Schleife gesteuert, welche sicherstellt, dass eine Klemmspannung 117, welche zwischen dem Niedrigspannungsknoten 110 und Masse 108 vorhanden ist, stets kleiner als eine maximal zulässige Niedrigspannung 102 ist.
Im Folgenden sei die Funktionsweise der translinearen Schleife detaillierter beschrieben. Aufgrund einer durch die Schutzspannungsquelle 114, die Gate-Source-Strecke des zweiten Schutztransistors 119, die Gate-Source-Strecke des ersten Schutztransistors 118 und die Klemmspannung gebildete Masche ist die Summe aus der Schutzspannung 113 und der Gate-Source-Spannung VGS2 des zweiten Schutztransistors 119 gleich der Summe der Klemmspannung 117 und der Gate-Source-Spannung VGS1 des ersten Schutztransistors 118. Wenn der Klemmstrom 120 kleiner als der Hauptstrom 121 ist, gilt die Beziehung: VGS2 ≤ VGS1
Dies bedeutet, dass die Klemmspannung 117 stets kleiner als die Schutzspannung 113 ist, wobei angenommen sei, dass die beiden Schutztransistoren 118, 119 ähnliche Charakteristika aufweisen. In einer einfachen Ausführungsform kann die Schutzspannung 113 direkt an die Niedrigspannung 102 angebunden werden, wie durch eine gestrichelte Linie in der Niedrigspannungseinrichtung 116 in 4 angezeigt.
5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches eine Erweiterung der in 4 gezeigten Schaltungsanordnung dahingehend darstellt, dass der Fall untersucht wird, wenn der Hauptstrom 121 zu Null wird. Die für die Cascodenschaltung der 4 notwendige Bedingung, d.h. die Bedingung, dass der Klemmstrom 120 kleiner oder gleich dem Hauptstrom 121 ist, gilt auch für einen Fall, dass der Hauptstrom 121 zu Null wird (Klemmstrom 120 beträgt ebenfalls Null). Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass in diesem Fall, d.h. Hauptstrom 121 gleich Null, der Niedrigspannungsknoten 110 "floated". Dies bedeutet, dass ein an dem Niedrigspannungsknoten 110 anliegendes Potential variieren kann, wenn der Hauptstrom 121 zu Null wird. Dieses ungewünschte Variieren oder "Floaten" des Potentials am Niedrigspannungsknoten 110 wird dadurch verhindert, dass eine zusätzliche Schutzstromquelle 123 eingebracht wird, welche einen Schutzstrom 122 bereitstellt, wobei die Schutzstromquelle 123 zwischen dem Niedrigspannungsknoten 110 und Masse 108 angeschlossen ist.
In dieser Konfiguration kann der Klemmstrom 120 gleich dem Schutzstrom 122 gewählt werden, wobei sichergestellt wird, dass die Bedingung "Klemmstrom 120 ≤ Hauptstrom 121" aufrecht erhalten wird. Der Schutzstrom, welcher parallel zu der Niedrigspannungsschaltung 115, die in der Niedrigspannungseinrichtung 116 enthalten ist, fließt, muss bereitgestellt werden, wenn die Niedrigspannungseinrichtung 116 ausgeschaltet wird, und muss weiterhin klein genug gewählt werden, um einen Betrieb der Hochspannungseinrichtung nicht zu stören.
In vorteilhafter Weise kann die Schutzeinrichtung 111, wie schematisch in dem Blockdiagramm der 3 gezeigt, in die Hochspannungseinrichtung 112 integriert werden, wobei diese Schaltungsanordnung die höchsten Schaltgeschwindigkeiten zulässt.
Weiterhin kann die Schutzeinrichtung 111 als separate, einzelne Schaltungseinrichtung bereitgestellt werden, wie unter Bezugnahme auf 2 erläutert. Eine Integration der Schutzeinrichtung 111 in die Niedrigspannungseinrichtung 116 stellt eine weitere Möglichkeit dar, wenn eine Prozesstechnologie zwei Typen von Transistoren (siehe Tabelle 1) bereitstellen kann, und der Hochspannungstransistor für eine Überspannung 101 ausgelegt ist. Weiterhin können die Stromquelle und angedeutete Schalter in einem fortgeschrittenen digitalen Prozess mit einer niedrigen Versorgungsspannung mit zahlreichen Vorteilen implementiert werden, wie etwa:

(i) einer hohen Integrationsdichte mit einem großen digitalen Chip;
(ii) einer höheren Geschwindigkeit für Schalteinrichtungen (schnellere Transistoren in fortgeschrittenen Prozessen); und
(iii) einer geringeren Fläche für Stromquelleneinrichtungen.

Die Schutzeinrichtung erhöht in vorteilhafter Weise eine Auslegungsflexibilität für Schaltungen mit unterschiedlichen Spannungs-Domänen. Stromquellen herkömmlicher Einrichtungen, die selbst nicht für höhere Versorgungsspannungen ausgelegt sind, können mit dem Hochspannungs-Bereich durch ein Einfügen der erfindungsgemäßen, seriellen Schutzeinrichtung verschaltet werden, wobei der zu übertragende Hauptstrom zu der Hochspannungsschaltung nicht verändert wird.
Anwendungsbeispiele für die Schutzeinrichtung zum Schutz von Niedrigspannungseinrichtungen, welche Hochspannungsschaltungen treiben, sind Treiberschaltungen für Laserdioden in der optischen Kommunikationstechnik; Chip-zu-Chip-Interfaces im Strommodus, wo Chips unterschiedliche Versorgungsspannungen aufweisen; Treiberschaltungen für Lautsprecher; und Treiberschaltungen für Motoren.
Bezüglich der in den 1(a) und 1(b) dargestellten, herkömmlichen Schaltungsanordnungen wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Claims

Vorrichtung zum Überspannungsschutz einer mit einer Hochspannungsschaltung (100) zusammenwirkenden Niedrigspannungseinrichtung (116) vor einer Beschädigung durch eine an der Hochspannungsschaltung (100) anliegenden Spannung (101), und zur Spannungsversorgung der Niedrigspannungseinrichtung (116) mit einer Klemmspannung (117), mit: a) einer Schutzeinrichtung (111), welche in Reihe zwischen der Hochspannungsschaltung (100) und der Niedrigspannungseinrichtung (116) geschaltet ist, und welche aufweist: a1) eine Klemmstromquelle (124) zur Bereitstellung eines Klemmstroms (120); a2) einen ersten Schutztransistor (118); und a3) einen zweiten Schutztransistor (119), wobei die ersten und zweiten Schutztransistoren (118, 119) derart verschaltet sind, dass die Klemmspannung (117) stets kleiner als eine vorgebbare Schutzspannung (113) ist; b) mindestens einer Schutzspannungsquelle (114) zur Bereitstellung der vorgebbaren Schutzspannung (113), die an die Schutzeinrichtung (111) anlegbar ist; und c) einem Niedrigspannungsknoten (110), der zwischen der Schutzeinrichtung (111) und der Niedrigspannungseinrichtung (116) angeordnet ist, zum Anlegen der vorgebbaren Klemmspannung (117) an mindestens eine Niedrigspannungsschaltung (115) in der Niedrigspannungseinrichtung (116).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schutzeinrichtung (111) die an mindestens eine Niedrigspannungsschaltung (115) der Niedrigspannungseinrichtung (116) angelegte Klemmspannung (117) auf einen Spannungswert unterhalb des vorgebbaren Spannungswerts der Schutzspannung (113) geklemmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schutzeinrichtung (111) ein Klemmstrom (120) auf einem Stromwert geringer als ein Stromwert eines in die Niedrigspannungseinrichtung (116) fließenden Hauptstroms (121) gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (111) integral mit der Hochspannungsschaltung (100) bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmspannung (117) auf einen Spannungswert geringer als der Spannungswert der an die Niedrigspannungseinrichtung (116) maximal anlegbaren Niedrigspannung (102) eingestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Schutzstromquelle (123) bereitgestellter Schutzstrom (122) verhindert, dass das an dem Niedrigspannungsknoten (110) anliegende Potential variiert, wenn der Hauptstrom (121) zu Null wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (111) integral mit der Hochspannungsschaltung (100) ausgebildet ist und vier Anschlüsse (125a, 125b, 125c, 125d) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (111) integral mit der Niedrigspannungseinrichtung (116) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (111) als einzelne Schaltungseinheit, die in Reihe zwischen der Hochspannungsschaltung (100) und der Niedrigspannungseinrichtung (116) angeschlossen ist, bereitgestellt ist.