DE102004024112B4 - Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET - Google Patents
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Abstract
Schaltung
zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET (20) im Arbeitsbereich
sowohl oberhalb als auch unterhalb der Sättigungsspannung des Leistungs-MOSFET,
der eine Hauptzelle (20A) zum Leiten eines Laststromes und eine
Strommesszelle (20B) einschließt,
mit einer ersten mit dem Leistungs-MOSFET (20) gekoppelten Schaltung (10)
zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich unterhalb
der Sättigungsspannung,
und mit einer zweiten mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelten Schaltung
(100) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen
Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung,
wobei die erste Schaltung (10) erste und zweite mit den Ausgängen der
Hauptzelle (20A) bzw. der Strommesszelle (20B) verbundene Eingänge und
einen Ausgang aufweist und den Ausgang der Strommesszelle (20B)
so belastet, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle gleich
dem Spannungsabfall längs
der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET
(20) ist, solange die Drain-Source-Spannung unterhalb eines vorgegebenen
Spannungswertes liegt, wobei die zweite Schaltung (100) auf eine Drain-Source-Spannung
des Leistungs-MOSFET (20) mit dem vorgegebenen Spannungswert...
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
- Eine derartige Schaltung ist aus der
DE 19838657 A1 bekannt. Hierbei weist der Leistungs-MOSFET eine Hauptzelle zum Leiten des Laststromes und eine Strommesszelle auf, und es ist eine erste mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung und eine zweiten mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelten Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung vorgesehen. Die Sättigungsspannung markiert hierbei den Übergang zwischen einem Arbeitsbereich des Leistungs-MOSFET, in dem die Drain-Source-Spannung mit zunehmendem Laststrom ansteigt, und einem Arbeitsbereich in dem der Laststrom selbst bei zunehmender Drain-Source-Spannung im wesentlichen konstant bleibt. Die erste Schaltung kann den Strom durch den Leistungs-MOSFET nur solange messen, bis die Sättigungsspannung erreicht ist. Die zweite Schaltung ist daher so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von der Steuerspannung des Leistungs-MOSFET über einen weiteren Schalttransistor eingeschaltet wird und dann ein Ausgangssignal liefert, das den Strom durch den Leistungs-MOSFET oberhalb der Sättigungsspannung wiedergibt. Die zweite Schaltung ist nur dann wirksam, wenn ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungs-MOSFET vorliegt. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die den Strom in dem Leistungs-MOSFET in dem Arbeitsbereich sowohl unterhalb als auch oberhalb der Sättigungsspannung unabhängig von dem an dem Leistungs-MOSFET angelegten Steuersignal misst.
- Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET ergibt sich unabhängig von dem an den Leistungs-MOSFET angelegten Steuersignal eine Messung des Stromes in den Arbeitsbereichen des Leistungs-MOSFET sowohl unterhalb als auch oberhalb der Sättigungsspannung.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert, in denen:
-
1 einen Leistungs-MOSFET zeigt, der Schaltungen zur Messung des Drain-Source-Stromes des MOSFET sowohl in den linearen als auch gesättigten Arbeitsbereichen einschließt; -
2 zeigt einen Teil der Schaltung nach1 zur Messung des Drain-Source-Stromes in dem Leistungs-MOSFET in dem gesättigten Arbeitsbereich; und -
3 zeigt einen Teil der Schaltung nach1 zur Messung des Drain-Source-Stromes in dem Leistungs-MOSFET in dem linearen Arbeitsbereich. - Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt
1 einen Leistungs-MOSFET20 , der mit einer Haupt-MOSFET-Zelle oder Zellen20A zum Leiten des Laststromes sowie mit einer Strommesszelle oder Zellen20B zum Leiten eines wesentlich niedrigeren Strompegels versehen ist, beispielsweise 10000 mal weniger Strom als in dem Haupt-MOSFET, wobei dieser niedrigere Strom proportional zu dem Strom in dem Haupt-MOSFET ist, in diesem Fall um einen Faktor von 1/10.000 niedriger. Zwei Strommessschaltungen sind vorgesehen, wobei die erste Schaltung10 zur Messung des Stromes in dem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung dient, während die zweite Schaltung100 zur Messung des Stromes in dem Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung dient. Der gemessene Strom wird in jedem Fall als eine Spannung längs eines Widerstandes RDG erfasst. - In
2 ist die Schaltung nach1 zur Messung des Stromes in dem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung gezeigt. Im Einzelnen arbeitet die Schaltung, wenn die Drain-Source-Spannung kleiner als die Sättigungsspannung von ungefähr 3–4 Volt ist. Der Leistungs-MOSFET ist bei20 gezeigt und schließt eine Haupt-FET-Zelle oder Zellen20A und eine Strommesszelle oder Zellen20B ein. Ein Laststrom ILast fließt durch die Last in der gezeigten Weise. Ein Messstrom Isens wird dem invertierenden Eingang eines Verstärkers22 zugeführt. Die Source-Elektrode des Leistungs-MOSFETS ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers22 gekoppelt. Der Verstärker22 ist mit positiven und negativen Leistungsversorgungen Vdd und Vss2 versehen. Das Ausgangssignal des Verstärkers22 wird an einen FET24 geliefert, in diesem Fall ein P-Kanal-Bauteil24 . Der Drain-Anschluss des Bauteils24 ist mit einer Diagnose-Ausgangslast, beispielsweise einem Widerstand RDG verbunden. Der Strom durch den Widerstand RDG ist proportional zu dem Strom ILast durch die Last und die Spannung längs RDG ist proportional zu dem Laststrom ILast. - Die Schaltung arbeitet wie folgt: wenn die Spannung Vds der MOSFET-Zellen
20A kleiner als ungefähr 3–4 Volt ist und weil der Verstärker22 zwischen der Versorgung VSS2 und der Drain-Spannung Vdd vorgespannt ist, liefert der Verstärker nur dann ein Ausgangssignal, wenn die Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET angenähert kleiner als 3–4 Volt ist. Entsprechend ist der Strom durch RDG nur dann ein Maß des Stromes durch die Last, wenn der Leistungs-MOSFET eingeschaltet ist, nicht dann, wenn der MOSFET sich in seiner aktiven Klemmstufe befindet oder während seines Einschaltens oder Ausschaltens, das heißt wenn sich der MOSFET in seiner Betriebsart befindet, in der die Drain-Source-Spannung die Sättigungsspannung von 3–4 Volt übersteigt. - Der Verstärker
22 stellt eine Stromsenke für die Strommesszellen20B dar, so dass die Spannung an dem invertierenden Eingang, das heißt die Spannung VISENS gleich der Spannung VS an dem nicht-invertierenden Eingang V+ ist. Sobald die Spannungen an den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen gleich sind, haben die Strommesszellen20B eine Spannung entlang dieser Zellen, die gleich der Spannung Vds des Haupt-Leistungstransistors ist. Der Strom ISENS ist daher proportional zum Strom durch die Hauptzelle20A in dem Verhältnis der Zellen in den Messzellen20B zu den Haupt-Transistorzellen20A . Beispielsweise ist das Verhältnis 1/10.000. Entsprechend steuert der Verstärker22 das P-Kanal-MOS-Bauteil24 derart an, dass die Spannung an dem invertierenden Eingang des Verstärkers22 der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang folgt. Der Source-Anschluss des Bauteils24 , der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist, stellt eine Stromsenke für den Strom ISENS dar. Der Strom durch das Bauteil22 und damit durch den Widerstand RDG folgt entsprechend, und die Spannung längs RDG ist ein Maß des Stromes in dem MOS-Bauteil20A , wenn sich dieser in seinem gesättigten Betriebszustand befindet, das heißt wenn Vds kleiner oder gleich ungefähr 3–4 Volt ist. Weil der Verstärker zwischen VSS2 und der Drain-Spannung vorgespannt ist, liefert er nur dann den Diagnoseausgang, wenn die Spannung Vds kleiner als ungefähr 3–4 Volt ist, das heißt wenn sich der Leistungs-MOSFET in einem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungspannung befindet. Wenn Vds ungefähr 3–4 Volt übersteigt, so ist der Ausgang gleich Null. -
3 zeigt die Schaltung100 , die mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelt ist, um den Strom durch den Leistungs-MOSFET zu messen, wenn sich dieser in einem Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung befindet, beispielsweise wenn er ein- oder ausschaltet und Vds größer als ungefähr 3–4 Volt ist. Ein Widerstand101 ist in Serie mit der Strommesszelle oder den Strommesszellen des Leistungs-MOSFET gekoppelt. Ein weiterer Widerstand103 ist in einer Stromteiler-Anordnung mit dem Widerstand101 angeordnet. Erste und zweite MOSFETS105 und107 sind in einer Stromspiegel-Anordnung vorgesehen. Eine Stromquelle109 ist mit der Stromspiegel-Anordnung gekoppelt. Ein dritter Widerstand111 ist mit dem Source- Anschluss des Transistors107 gekoppelt und spiegelt den Strom durch den Widerstand103 in einem definierten Verhältnis. - Der invertierende Eingang eines Verstärkers
122 ist zum Empfang einer Bezugsspannung eingeschaltet, die von einer Stromquelle124 geliefert wird, die in Serie mit einem Widerstand R geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang ist mit dem Drain-Anschluss des Transistors107 und mit dem Drain-Potential Vdd des Haupt-Leistungs-MOSFET über einen zweiten Widerstand R gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers ist mit ersten und zweiten P-Kanal-Bauteilen126 und128 gekoppelt, deren Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind und deren Source-Anschlüsse mit dem Drain-Potential des Haupt-Leistungs-MOSFET verbunden sind. Der Drain-Anschluss des Bauteils126 ist mit dem Source-Anschluss des Transistors107 verbunden, und der Drain-Anschluss des zweiten Bauteils128 ist mit dem Diagnoseausgang verbunden, der über den Widerstand RDG mit Erde oder Masse verbunden ist. - Die Bauteile
126 und128 sind weiterhin so ausgebildet, dass das Verhältnis der Ströme durch die Bauteile ein definiertes Verhältnis aufweist, beispielsweise ein Verhältnis von 1:60, wie dies gezeigt ist. - Die Schaltung arbeitet wie folgt:
Der Strom i2 ist proportional zu dem Strom i1 in angenähertem Verhältnis des Widerstandes103 zum Widerstand111 . Aufgrund der Stromspiegel-Anordnung der Transistoren105 und107 ist der Strom durch den Widerstand111 , der angenähert gleich i2 ist, angenähert gleich dem Strom i1 multipliziert mit R103/R111. Bei der dargestellten Ausführungsform weist R103 einen Widerstandswert von 150 Ohm und R111 einen Widerstandswert von 4300 Ohm auf. Aufgrund des Stromverhältnisses zwischen den Bauteilen128 und126 ist IDG angenähert gleich dem 60fachen von i2 oder gleich dem 60fachen von R103/R111 multipliziert mit i1. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dies ungefähr das Zweifache von i1. Der Grund für den Faktor von 2 besteht darin, dass der Spannungsabfall längs des Widerstandes103 groß ist und das Verhältnis des Stromes i1 zum Strom ILAST beeinflusst. Dieser Faktor von 2 korrigiert angenähert den ISENS zu Source-Offset-Effekt. Die Erzielung des gleichen Verhältnisses während der Betriebsart unterhalb und oberhalb der Sättigungsspannung kann durch versuchsweises Ändern des Wertes des Widerstandes101 erzielt werden. Um die Stabilität zu vergrößern, wird IDG in offener Schleife angesteuert. Der Widerstand101 hat nur einen geringen Einfluss, weil er einen relativ hohen Widerstand verglichen mit dem Widerstand103 aufweist und nur einen Schutz gegen elektrostatische Entladungen bildet, wenn die Halbleiterplättchen nicht verbunden sind. - Wenn der Strom durch die Last ansteigt, steigt der Strom ISENS ebenfalls an, weil die Strommesszelle
20B in Serie mit den parallelen Widerständen101 und103 längs der Drain-Source-Verbindung angeschaltet ist. Die Spannung längs des Widerstandes101 und entsprechend längs des Widerstandes103 steigt in gleicher Weise an, wodurch der Strom durch das Bauteil105 vergrößert wird, der durch das Bauteil107 gespiegelt wird. Wenn der Strom durch den Transistor107 ansteigt, nimmt die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers122 ab, wodurch der Ausgang des Verstärkers122 stärker negativ wird und die Transistoren126 und128 stärker positiv vorspannt, wodurch der Strom I2 und IDG vergrößert wird. Wenn der Strom I2 ansteigt, nimmt der Strom in den Transistoren107 und105 ab, wodurch der Spannungspegel an dem nicht-invertierenden Eingang verringert wird, bis die Spannungen an den Eingängen an den Verstärker wiederum gleich sind. Die Spannung längs des Widerstandes RDG ist daher proportional zu dem Strom durch den Haupt-Leistungs-MOSFET20A . - Wenn Vds längs des Leistungs-MOSFET unter die Sättigungsspannung von ungefähr 3–4 Volt abfällt, misst die Messschaltung nach
2 den Strom von ISENS, so dass die ISENS-SK (Source-) Spannungsdifferenz auf 0 Volt geht. Die Spannung längs der Widerstände101 und103 geht somit nach 0, und die Transistoren105 und107 werden daher abgeschaltet. Der Strom I2 fällt auf 0 ab, so dass das Ausgangssignal der Schaltung nach3 abgeschaltet wird und die Schaltung nach2 dann ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu dem Strom in dem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung des MOSFET ist. - Wenn die Spannung Vds über ungefähr 3–4 Volt ansteigt, das heißt über die Sättigungsspannung des Leistungs-MOSFET, hört der Verstärker
22 nach2 aufgrund seiner Vorspannung zwischen Vdd und Vss2 auf, ein Ausgangssignal zu liefern, und die Schaltung nach3 liefert ein Ausgangssignal (linearer Bereich). - Entsprechend arbeiten die zwei Schaltungen nach den
2 und3 derart zusammen, dass die Schaltung nach2 ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung längs des Leistungs-MOSFET ungefähr 3–4 Volt oder weniger beträgt und der Leistungs-MOSFET in dem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung arbeitet, während die Schaltung nach3 arbeitet, wenn die Spannung oberhalb von 3–4 Volt liegt und der MOSFET sich in dem Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung befindet.
Claims (8)
- Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET (
20 ) im Arbeitsbereich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Sättigungsspannung des Leistungs-MOSFET, der eine Hauptzelle (20A ) zum Leiten eines Laststromes und eine Strommesszelle (20B ) einschließt, mit einer ersten mit dem Leistungs-MOSFET (20 ) gekoppelten Schaltung (10 ) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung, und mit einer zweiten mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelten Schaltung (100 ) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung, wobei die erste Schaltung (10 ) erste und zweite mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A ) bzw. der Strommesszelle (20B ) verbundene Eingänge und einen Ausgang aufweist und den Ausgang der Strommesszelle (20B ) so belastet, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle gleich dem Spannungsabfall längs der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET (20 ) ist, solange die Drain-Source-Spannung unterhalb eines vorgegebenen Spannungswertes liegt, wobei die zweite Schaltung (100 ) auf eine Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET (20 ) mit dem vorgegebenen Spannungswert oder mehr anspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (100 ) ebenfalls mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A ) bzw. der Strommesszelle (20B ) verbunden ist und bei Auftreten einer Spannungsdifferenz zwischen diesen Ausgängen ein Ausgangssignal liefert. - Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spannungswert im Bereich von 3–4 Volt liegt.
- Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltung (
10 ) einen Verstärker (22 ) mit nicht-invertierenden und invertierenden Eingängen aufweist, die mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A ) bzw. der Strommesszelle (20B ) gekoppelt sind, wobei der Verstärker (22 ) erste und zweite Leistungsversorgungen (Vss2, Vdd) aufweist, und dass die ersten und zweiten Leistungsversorgungen (Vss2, Vdd) auf derartige Spannungen eingestellt sind, dass der Verstärker (22 ) ein Ausgangssignal liefert, wenn die Drain-Source-Spannung (Vds) des Leistungs-MOSFET (20 ) unterhalb des vorgegebenen Spannungswertes liegt und aufhört, ein Ausgangssignal zu liefern, wenn die Drain-Source-Spannung oberhalb des vorgegebenen Spannungswertes liegt - Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Verstärkers (
22 ) mit der Steuerelektrode eines weiteren Transistors (24 ) verbunden ist, dessen Hauptelektroden in Serie mit der Strommesszelle (20B ) und einem Messwiderstand (RDG) geschaltet sind, wobei der Verstärker (22 ) den weiteren Transistor (24 ) so ansteuert, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle (20B ) gleich dem Spannungsabfall längs der Hauptzelle (20A ) des Leistungs-MOSFET (20 ) ist und die Spannung längs des Messwiderstandes (RDG) proportional zu dem Strom in der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET ist. - Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (
100 ) eine Stromspiegel-Schaltung (105 ,107 ,103 ,111 ) aufweist, deren Eingänge mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A ) bzw. der Strommesszelle (20B ) gekoppelt sind und die einen Stromspiegel-Ausgangsstrom liefert, der proportional zu dem Strom durch die Strommesszelle (20B ) ist und einem Verstärker (122 ) zugeführt ist, der weiterhin mit einer Bezugsspannung (124 ) gekoppelt ist, wobei der Verstärker (122 ) ein Ausgangssignal proportional zu dem Strom von der Stromspiegel-Schaltung (105 ,107 ,103 ,111 ) und damit proportional zu dem Strom in der Hauptzelle (20A ) des Leistungs-MOSFET (20 ) erzeugt. - Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (
122 ) der zweiten Schaltung (100 ) mit einem weiteren Transistor (128 ) gekoppelt ist, der in Serie mit einem Messwiderstand (RDG) gekoppelt ist, längs dessen eine Spannung proportional zu dem Strom durch die Hauptzelle (20A ) des Leistungs-MOSFET (20 ) erzeugt wird. - Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (
100 ) weiterhin erste und zweite Transistoren (126 ,128 ) umfasst, deren Steuerelektroden mit dem Ausgang des Verstärkers (122 ) gekoppelt sind, wobei der erste (126 ) der Transistoren mit der Stromspiegel-Schaltung (105 ,107 ,103 ,111 ) zur Lieferung eines Rückführungssignals (i2) an die Stromspiegel-Schaltung gekoppelt ist, und wobei der zweite Transistor (128 ) mit einem Messwiderstand (RDG) gekoppelt ist, längs dessen eine Spannung proportional zu dem Strom in der Hauptzelle (20A ) des Leistungs-MOSFET (20 ) erzeugt wird. - Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ströme in den ersten und zweiten Transistoren (
126 ,128 ) voreingestellt ist.
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