DE102004037783B3

DE102004037783B3 - Schutzschaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrocontrollern

Info

Publication number: DE102004037783B3
Application number: DE200410037783
Authority: DE
Inventors: Michael Schulze
Original assignee: DS AUTOMATION GmbH
Current assignee: DS AUTOMATION GmbH
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-08-04

Abstract

Die Schutzschaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrocontrollern dient zum Schutz von Ausgängen von digitalen integrierten Schaltkreisen, speziell von Mikrocontrollern, gegen Überstrom und Überspannung. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrocontrollern zu entwickeln, die mit einem geringen Bauelementeaufwand sehr robust gegenüber Überspannungen beliebiger Polarität und Dauer reagiert und die Ausgänge gegen Überstrom und Überspannung schützt. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrocontrollern fließt der Strom I¶OUT¶ des Mikrocontroller-Ausgangs je nach Stromrichtung über in Basisschaltung arbeitende Transistoren Q1 oder Q2, wobei die Basen von Q1 und Q2 über deren Basis-Spannungsteiler R1, R2 oder R3, R4 so vorgespannt sind, dass Q1 bei V¶OUT¶ = V¶CC¶ und Q2 V¶OUT¶ = 0V sicher durchgesteuert werden und die Dioden D1 und D2 am Kollektor verhindern, dass Q1 und Q2 bei Spannungen V¶X¶ > V¶CC¶ und V¶X¶ < 0V in die inverse Betriebsart übergehen.

Description

Die Schutzschaltung dient dem Schutz von Ausgängen von digitalen integrierten Schaltkreisen, speziell von Mikrocontrollern, gegen Überstrom und Überspannung. Sie kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen diese Ausgänge als Interface-Signale mit relativ kleinen Maximalströmen (< 20 mA) aus der Schaltung/dem Gerät herausgeführt werden und die Gefahr besteht, dass diese Leitungen gegen Bezugspotential oder externe Spannungsquellen beliebiger Polarität kurzgeschlossen werden können. Dies tritt z.B. bei Fehlern in der Kabelisolation, fehlerhafter Anschlusssteckerbelegung oder elektrischen Fehlern im angeschlossenen Gerät auf.

Schutzschaltungen für Digitalausgänge von Logikbausteinen und Mikrokontrollern gegen Überspannung/Überstrom werden z.Z. hauptsächlich in zwei Formen realisiert:

1. Serienwiderstand-Klemmdioden-Netzwerke (alternativ Z- oder Suppressor-Dioden)

Dabei wird der aus bzw. in den Ausgang fließende Strom durch einen Serienwiderstand begrenzt und auftretende Überspannungen werden über Dioden gegen Vcc bzw. 0V abgeleitet. Diese Variante ist einfach und preiswert, lässt sich jedoch nur bei sehr geringen maximalen Ausgangsströmen einsetzen, erzeugt bei hohen statischen Überspannungen hohe Verlustleistungen und liefert stark vom Ausgangsstrom abhängige Signalpegel.

2. Einsatz spezieller Interface-/Treiber-IC's

Dabei wird, je nach Typ des IC's, ein Schutz des Ausgangs gegen Überstrom/Überlast, jedoch nur in wenigen Fällen gegen von außen angelegte Überspannungen beliebiger Polarität realisiert. Diese Variante ermöglicht hohe Ausgangsströme und eine gute Signalpegel-Stabilität, ist jedoch vergleichsweise teuer, benötigt zusätzlichen Versorgungsstrom und, insbesondere bei einer kleinen Anzahl von zu schützenden Ausgängen, mehr Boardfläche als die vorgeschlagene Schaltungsversion.

In der Patentschrift US 3 980 931 wird eine Überspannungsschutzschaltung offenbart, die in 50Hz-Wechselstromanvrendungen und für den Schutz von Überspannungen am Eingang eingesetzt wird.

In DE 197 28 783 A1 und US 5 319 259 werden Überspannungsschutzschaltungen mit MOSFETs für Digital-Eingänge und/oder -Ausgänge offenbart, wobei die Lösung aus DE 197 28 783 A1 nicht für den Überspannungsschutz an Ausgängen geeignet ist und auch keinen Überstromschutz ermöglicht. Die Lösung aus US 5 319 259 ist vorzugsweise in integrierten Schaltungen einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrokontrollern zu entwickeln, die mit einem geringen Bauelementeaufwand sehr robust gegenüber Überspannungen beliebiger Polarität und Dauer reagiert und die Ausgänge gegen Überstrom und Überspannung schützt.

Efindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Schutzschaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrocontrollern realisiert, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Strom (I_OUT) des jeweiligen Ausgangs je nach Stromrichtung

– über einen ersten in Basisschaltung arbeitende Transistoren (Q1, Q4, Q6) und über eine erste Diode (D1, D3, D5), oder
– über einen zweiten in Basisschaltung arbeitenden Transistor (Q2, Q3, Q5) und über eine zweite Diode (D2, D4, D6 fließt,

wobei die Basen der Transistoren jeweils mit Basisspannungen (V_BHIGH, V_BLOW) so vorgespannt sind, dass

– der erste Transistor (Q1, Q4, Q6) bei einem der Versorgungsspannung entsprechenden High-Pegel der Ausgangsspannung (V_OUT = V_CC) sicher durchgesteuert wird, und
– der zweite Transistor (Q2, Q3, Q5) bei einem der Masse-Spannung entsprechenden Low-Pegel der Ausgangsspannung (V_OUT = 0V) sicher durchgesteuert wird,

wobei die Dioden in Reihe mit den Transistoren geschaltet sind, so dass

– die erste Diode (D1, D3, D5) verhindert, dass der erste Transistor (Q1, Q4, Q6) bei Spannungen am Ausgang der Schutzschaltung größer als die Versorgungsspannung (V_X > V_CC) in die inverse Betriebsart übergeht, und
– die zweite Diode (D2, D4, D6) verhindert, dass der zweite Transistor (Q2, Q3, Q5) bei Spannungen am Ausgang der Schutzschaltung kleiner als die Masse-Spannung (V_X < 0V) in die inverse Betriebsart übergeht.

Die Basisspannungen werden (V_BHIGH, V_BLOW) über Widerstands-Spannungsteiler (R1-R2, R3-R4) oder durch Konstantspannungsquellen (bei mehreren Digital-Ausgängen auch gemeinsame Basisspannungen (V_BHIGH, V_BLOW)) erzeugt.

Die Basisspannung V_BHIGH zum Vorspannen des ersten Transistors Q1 wird nach der Gleichung VBHIGH = VCC – RHIGH·IOUTHIGHmax – VBE(Q1) und die Basisspannung V_BLOW zum Vorspannen des zweiten Transistors Q2 nach der Gleichung VBLOW = RLOW·–IOUTLOWmax + VBE(Q2) gewählt, wobei V_CC die Versorgungsspannung ist, R_HIGH und R_LOW die äquivalenten Innenwiderstände des Digital-Ausgangs bei High- oder Low-Pegel sind, I_OUTHIGHmax und I_OUTLOWmax die vorgegebenen maximalen Ausgangströme und V_BE(Q1) und V_BE(Q2) die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren bezeichnen. Durch Auswertung der Ausgangsspannung (V_OUT) wird der momentane Spannungsabfall über den äquivalenten Innenwiderstand (R_HIGH, R_LOW) des Digital-Ausgangs ermittelt und zur Überlast-Erkennung verwendet.

Vorteil der Erfindung ist es, dass am Ausgang der Schaltung Spannungen größer V_CC und kleiner 0V angelegt werden können, ohne den Controller-Ausgang zu zerstören. Nur die Spannungsfestigkeit der Dioden und Transistoren sowie evtl. die maximale Verlustleistung der Transistoren bestimmen die maximal möglichen Spannungen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

1 Schutzschaltung
2 Schutzschaltung in Mehrfachnutzung
3 Schutzschaltung mit Überlasterkennung
Dabei zeigt 1 die Schutzschaltung mit folgender Arbeitsweise:
Der Strom I_OUT des Mikrocontroller-Ausgangs fließt über die in Basisschaltung arbeitenden Transistoren Q1 oder Q2 (je nach Stromrichtung) in den Ausgang.
Die Basen von Q1 und Q2 sind über deren Basis-Spannungsteiler R1, R2 bzw. R3, R4 so vorgespannt, dass Q1 bei V_OUT = V_CC und Q2 bei V_OUT = 0V sicher durchgesteuert werden. Die Basisspannungen werden dabei nach folgenden Gleichungen gewählt: VBHIGH = VCC – RHIGH·IOUTHIGHmax – VBE(Q1) VBLOW = RLOW·–IOUTLOWmax + VBE(Q2)
Wobei R_HIGH und R_LOW die äquivalenten Innenwiderstände des Mikrocontroller-Ausgangs bei High- bzw. Low-Pegel sind. I_OUTHIGHmax und I_OUTLOWmax bezeichnen die gewünschten maximalen Ausgangströme (source bzw. sink) des Ausgangs.
Mit steigendem Ausgangsstrom nimmt nun der Spannungsabfall über R_HIGH bzw. R_LOW zu bis zu dem Punkt, an dem die verbleibenden Spannungen V_BE(Q1) bzw. V_BW(Q2) kleiner als ca. 0,6 V werden. Q1 bzw. Q2 begrenzen nun den fließenden Kollektorstrom auf ca. I_OUTHIGHmax bzw. I_OUTLOWmax.
Da sich mit zunehmenden Kollektorstrom auch der Basisstrom von Q1 bzw. Q2 erhöht, verschiebt sich das Basispotential V_BHIGH bzw. V_BLOW (abhängig von der Stromverstärkung der Transistoren und dem eingestellten Querstrom des Basis-Spannungsteilers). Die Verschiebung erfolg dabei in einer zur V_OUT-Änderung gegenläufigen Richtung, so dass der Einsatz der Strombegrenzung dadurch noch schärfer ausfällt.
Die Dioden D1 und D2 verhindern, dass Q1 und Q2 bei Spannungen V_X > V_CC und V_X < 0V in die inverse Betriebsart übergehen. Auf diese Weise ist es möglich, am Ausgang der Schaltung Spannungen größer V_CC und kleiner 0V anzulegen, ohne den Controller-Ausgang zu zerstören. Die maximal möglichen Spannungen werden nur durch die Spannungsfestigkeit der Dioden und Transistoren sowie evtl. durch die maximale Verlustleistung der Transistoren vorgegeben.
Wird die Schaltung mehrfach innerhalb eines Gerätes verwendet (2), so lassen sich V_BHIGH und V_BLOW vorteilhaft gemeinsam für alle Ausgänge durch Konstantspannungsquellen erzeugen.
Lässt sich der Mikrocontroller-Ausgang gleichzeitig auch als Analog-Eingang konfigurieren (3), so kann durch Auswertung der Ausgangsspannung V_OUT der momentane Spannungsabfall über R_HIGH bzw. R_LOW ermittelt und dadurch ohne zusätzliche Schaltungstechnik eine Überlast-Erkennung durch den Controller realisiert werden.

Claims

Schutzschaltung für Digital-Ausgänge von Logik-Bausteinen und Mikrocontrollern dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I_OUT) des jeweiligen Ausgangs je nach Stromrichtung – über einen ersten in Basisschaltung arbeitenden Transistor (Q1, Q4, Q6 ) und über eine erste Diode (D1, D3, D5), oder – über einen zweiten in Basisschaltung arbeitenden Transistor (Q2, Q3, Q5) und über eine zweite Diode (D2, D4, D6 fließt, wobei die Basen der Transistoren jeweils mit Basisspannungen (V_BHIGH, V_BLOW) so vorgespannt sind, dass – der erste Transistor (Q1, Q4, Q6) bei einem der Versorgungsspannung entsprechenden High-Pegel der Ausgangsspannung (V_OUT = V_CC) sicher durchgesteuert wird, und – der zweite Transistor (Q2, Q3, Q5) bei einem der Masse-Spannung entsprechenden Low-Pegel der Ausgangsspannung (V_OUT = 0V) sicher durchgesteuert wird, wobei die Dioden in Reihe mit den Transistoren geschaltet sind, so dass – die erste Diode (D1, D3, D5) verhindert, dass der erste Transistor (Q1, Q4, Q6) bei Spannungen am Ausgang der Schutzschaltung größer als die Versorgungsspannung (V_X > V_CC) in die inverse Betriebsart übergeht, und – die zweite Diode (D2, D4, D6) verhindert, dass der zweite Transistor (Q2, Q3, Q5) bei Spannungen am Ausgang der Schutzschaltung kleiner als die Masse-Spannung (V_X < 0V) in die inverse Betriebsart übergeht.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisspannungen (V_BHIGH, V_BLOW) über Widerstands-Spannungsteiler (R1-R2, R3-R4) erzeugt werden.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisspannungen (V_BHIGH, V_BLOW) durch Konstantspannungsquellen erzeugt werden.
Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Digital-Ausgängen gemeinsame Basisspannungen (V_BHIGH, V_BLOW) erzeugt werden.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Basisspannung V_BHIGH zum Vorspannen des ersten Transistors Q1 nach der Gleichung, VBHIGH = VCC – RHIGH·IOUTHIGHmax – VBE(Q1) – die Basisspannung V_BLOW zum Vorspannen des zweiten Transistors Q2 nach der Gleichung VBLOW = RLOW·–IOUTLOWmax + VBE(Q2) gewählt werden, wobei V_CC die Versorgungsspannung ist, R_HIGH und R_LOW die äquivalenten Innenwiderstände des Digital-Ausgangs bei High- oder Low-Pegel sind, I_OUTHIGHmax und I_OUTLOWmax die vorgegebenen maximalen Ausgangströme und V_BE(Q1) und V_BE(Q2) die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren bezeichnen.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der Ausgangsspannung (V_OUT) der momentane Spannungsabfall über den äquivalenten Innenwiderstand (R_HIGH, R_LOW) des Digital-Ausgangs ermittelt und zur Überlast-Erkennung verwendet wird.