Halbleiterbauelemente
und insbesondere Leistungs-Halbleiterbauelemente zur Steuerung niederohmiger
Lasten, wie etwa Schalttransformatoren, in Schaltnetzteilen oder
Gleichstrommotoren, umfassen ein oder mehrere Lasttransistoren zur
Steuerung des durch die Last fließenden Laststroms. Die Laststrecke
zwischen einer Source- und einer Drain-Elektrode des Lasttransistors
des Halbleiterbauelements ist in Serie zum niederohmigen Verbraucher
geschaltet und der durch die Last fließende Laststrom durch eine
Spannung an einer Steuerelektrode des Lasttransistors steuerbar.
Verschiedene
Anwendungen erfordern die Überwachung
der Höhe
des Laststroms. So sind etwa kurzschlusssichere Halbleiterbauelemente
mit einer internen Überwachungsfunktion
vorgese hen, die die Höhe
des Laststroms überwacht
und bei Überschreiten
eines zulässigen
Grenzwerts den Laststrom abschaltet.
Dazu
wird etwa ein durch den Laststrom innerhalb des Halbleiterbauelements
hervorgerufener Spannungsabfall zur Auswertung herangezogen. Das
Einfügen
eines zusätzlichen
Messwiderstands in den Lastkreis vergrößert in nachteiliger Weise
die Verlustleistung des Halbleiterbauelements. Der Spannungsabfall
wird daher bevorzugt über
einen unvermeidlichen, parasitären
Widerstand zwischen einem der mit der Last verbundenen Anschlüsse des Halbleiterbauelements
und der mit dem jeweiligen Anschluss verbundenen Drain- bzw. Source-Elektrode
des Lasttransistors oder zwischen einem der mit einer Betriebsspannungsseite
verbundenen Anschlüsse
des Halbleiterbauelements und der mit dem jeweiligen Anschluss verbundenen
Drain- bzw. Source-Elektrode des Lasttransistors gemessen.
Halbleiterbauelemente
umfassen in der Regel ein Halbleitersubstrat (die), das in einem
Bauteilgehäuse
mit Bauteilanschlüssen
untergebracht ist. Die Bauteilanschlüsse sind in für übliche Leiterplattentechnologien
geeigneter Weise ausgebildet und meist über Bonddrähte mit auf dem Halbleitersubstrat
vorgesehenen Kontaktflächen
verbunden. Zur Messung des Laststroms ist es bekannt, etwa aus dem
Spannungsabfall an einem Bonddraht im Lastkreis des Lasttransistors
auf die Höhe
des Laststroms zurück
zu schließen.
Querschnitt
und Länge
des Bonddrahts unterliegen Fertigungsschwankungen, die in nachteiliger
Weise die Zuverlässigkeit
der auf der Auswertung des Spannungsabfalls am Bonddraht beruhenden Messung
des Laststroms beeinflussen.
Eine
typische Applikation von Leistungs-Halbleiterbauelementen ist die
bidirektionale Ansteuerung von niederohmigen Lasten, etwa von Gleichstrommotoren.
Um etwa die Richtung eines Stromflusses durch die vom Gleichstrommotor
gebildete Last und damit die Drehrichtung des Gleichstrommotors
umkehren zu können,
ist jeder der beiden Anschlüsse
des Gleichstrommotors sowohl an ein negatives als auch ein positives
Versorgungspotential schaltbar vorzusehen. Dazu werden Leistungs-Halbleiterbauelemente
im Lastkreis sowohl zwischen einer positiven Betriebsspannung und
der Last (betriebsspannungsseitig, high side switch) als auch zwischen
der Last und der negativen Betriebsspannung (masseseitig, low side
switch) vorgesehen.
Für betriebsspannungsseitig
vorgesehene Halbleiterbauelemente mit als n-Kanal-MOSFETs ausgebildeten
Lasttransistoren ist die in der 1 schematisch
dargestellte Schaltanordnung zur Messung des Laststroms bekannt.
Für masseseitig
vorgesehene Halbleiterbauelemente mit als p-Kanal-MOSFETs ausgebildeten
Lasttransistoren gilt 1 entsprechend
angepasst.
Ein
Lasttransistor M0 eines Halbleiterbauelements H ist zwischen einem
Lastanschluss LT des Halbleiterbauelements H und einem positiven
Betriebsspannungsanschluss +VDD des Halbleiterbauelements H vorgesehen.
Zwischen den Bauteilanschlüssen
+VDD, LT des Halbleiterbauelements H und der jeweils zugeordneten
Source/Drain-Elektrode des Lasttransistors M0 auf dem Halbleitersubstrat wirkt
jeweils ein im Wesentlichen durch den Widerstand der Bonddrähte bestimmter
interner Lastwiderstand RB.
Die
Ansteuerung des Lasttransistors M0 erfolgt durch ein über eine
Steuersignalleitung G auf eine Gateelektrode des Lasttransistors
M0 geführtes Steuersignal.
In Abhängigkeit
eines Potentials des Steuersignals wird durch den Lasttransistor
M0 ein Laststrom IL zwischen dem positiven Betriebsspannungsanschluss
+VDD und dem Lastanschluss LT gesteuert.
Parallel
zum Lasttransistor M0 ist ein Sensetransistor M1 vorgesehen, der
entsprechend dem Potential des Steuersignals gesteuert wird. Der
Lasttransistor M0 sowie der Sensetransistor M1 sind üblicherweise
als Abschnitte einer einheitlich ausgebildeten Transistorstruktur
mit gemeinsamer Drain-Elektrode
und voneinander separierten Source-Elektroden ausgeführt.
Der
Sensetransistor M1 steuert einen Sensestrom IS zwischen dem positiven
Betriebsspannungsanschluss +VDD und einem negativen Betriebsspannungsanschluss
GND. Unterscheidet sich der Sensetransistor M1 vom Lasttransistor
M0 lediglich in der Kanalweite, so entspricht das Verhältnis des
Laststroms IL zum Sensestrom IS dem Verhältnis der Kanalweite des Lasttransistors
M0 zur Kanalweite des Sensetransistors M1. An einem Sensewiderstand
RS, der zwischen dem negativen Betriebsspannungsanschluss GND und
dem Sensetransistor M1 vorgesehen ist, fällt eine Spannung ab, die proportional
dem Laststrom IL ist.
Voraussetzung
ist dabei, dass beide Transistoren M0, M1 abgesehen von der Kanalweite
identisch ausgebildet sind und im selben Arbeitspunkt betrieben
werden. Dazu wird aus der Differenz der Spannung am Lastanschluss
zur Spannung am negativen Betriebsspannungsanschluss GND ein Signal
zum Abgleich der Arbeitspunkte der beiden Transistoren M0, M1 gebildet,
welches z.B. von einem Längsregler
zum Abgleich der Arbeitspunkte benutzt werden kann.
Bei
einem masseseitig betriebenen Halbleiterbauelement mit als n-Kanal-MOSFET
ausgebildetem Lasttransistor sind sowohl die Source-Elektrode des
Sensetransistors als auch die Source-Elektrode des Lasttransistors
zum negativen Betriebsspannungsanschluss GND geführt, so dass die beschriebene
Art der Arbeitspunktregelung nicht möglich ist. Dies gilt analog
auch für
ein betriebsspannungsseitig betriebenes Halbleiterbauelement mit
als p-Kanal-MOSFET ausgebildetem Lasttransistor, da neben der Source-Elektrode
des Sensetransistors auch die Source-Elektrode des Lasttransistors
zum positiven Betriebsspannungsanschluss +VDD geführt ist.
Das
Vorsehen des Sensewiderstands auf der Drainseite ist fertigungstechnisch
aufwendig, da Sense- und Lasttransistor üblicherweise aus einer einzigen
Transistorstruktur mit gemeinsamer Drain-Elektrode hervorgehen.
In
der Schaltungsanordnung entsprechend der 2 ist der Sensewiderstand RS zwischen
der Source-Elektrode des Sensetransistors M1 und dem negativen Betriebsspannungsanschluss
GND vorgesehen. Die Drain-Elektroden des Lasttransistors M0 sowie
des Sensetransistors M1 werden kurzgeschlossen bzw. zusammenhängend ausgebildet
und zusammen z.B. über
eine gemeinsame Bondverbindung zum Lastanschluss LT geführt.
Der
interne Lastwiderstand RB im Sourcekreis des Lasttransistors M0
ist anderen Fertigungsschwankungen unterworfen als der Sensewiderstand RS.
Da beide Transistoren M0, M1 durch denselben Gatetreiber X1 angesteuert
werden und der Wert für den
internen Lastwiderstand RB Fertigungsschwankungen unterworfen ist,
werden die beiden Transistoren M0 und M1 mit unterschiedlichen Gate/Source-Spannungen
beaufschlagt und in der Folge in unterschiedlichen Arbeitspunkten
betrieben.
In
der Folge wird der Laststrom IL nicht mehr proportional auf den
Sensestrom IS bzw. auf eine am Sensewiderstand RS abfallende Spannung
abgebildet.
Die Überlegungen
gelten analog für
ein Halbleiterbauelement mit einem p-Kanal-MOSFET als Lasttransistor
M0, der auf der Betriebsspannungsseite betrieben wird.
Meist
wird im Bewusstsein dieses verfälschten/ungenauen
Verhältnisses
auch ein überhöhter Sensewiderstand
RS verwendet und die an ihm durch den Sensestrom IS hervorgerufene
Spannung direkt ausgewertet, obwohl dann der Sensestrom nicht mehr
dem Laststrom proportional ist und eine genaue Messung unmöglich ist.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, mit dem der Laststrom im Lastkreis eines Halbleiterbauelements mit
einem betriebsspannungsseitig betriebenen p-Kanal-Leistungshalbleiter
bzw. einem masseseitig betriebenen n-Kanal-Leistungshalbleiter unabhängig von
Schwankungen eines internen Lastwiderstandes erfasst wird. Die Erfindung
umfasst zudem eine Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens sowie
Halbleiterbauelemente mit der erfindungsgemäßen Schaltanordnung.
Die
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Eine
die Aufgabe lösende
Schaltanordnung ist im Patentanspruch 7 und die Aufgabe lösende Halbleiterbauelemente
sind in den Patentansprüchen 15
und 16 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus
den jeweiligen Unteransprüchen.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
bezieht sich auf die Messung eines Laststroms eines Lasttransistors
eines Halbleiterbauelements. Der Lasttransistor wird zwischen einem
Lastanschluss und einem Betriebsspannungsanschluss des Halbleiterbauelements
betrieben. Parallel zum Lasttransistor wird ein Sensetransistor
betrieben, wobei die beiden Transistoren auf Seite des Lastanschlusses
kurzgeschlossen sind bzw. mit gemeinsamer Drain-Elektrode ausgebildet
sind. Vom Sensetransistor wird ein Sensestrom durch einen Sensewiderstand
gesteuert, der zwischen dem jeweiligen Betriebsspannungsanschluss
und dem Sensetransistor vorgesehen ist.
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Arbeitspunkt des Sensetransistors
unabhängig von
der Größe eines
internen Lastwiderstands zwischen dem Lasttransistor und dem jeweiligen
Betriebsspannungsanschluss mit dem Arbeitspunkt des Lasttransistors
abzugleichen, so dass zur Messung des Laststroms der Sensetransistor
und der Lasttransistor im selben Arbeitspunkt betrieben werden.
Der Abgleich der Arbeitspunkte erfolgt über den Ausgleich einer Spannungsdifferenz
zwischen den betriebsspannungsseitigen Lastelektroden des Lasttransistors
und des Sensetransistors.
In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt das Abgleichen der Arbeitspunkte, indem zunächst der Widerstandswert
rs des Sensewiderstandes kleiner oder gleich einem Wert gewählt wird,
welcher durch den unter Berücksichtigung
von Fertigungstoleranzen bestenfalls technisch realisierbaren Widerstandswert
rbmin des internen Lastwiderstands zwischen dem Lasttransistor und
dem jeweiligen Betriebsspannungsanschluss sowie durch das Übersetzungsverhältnis w
des Laststroms zum Sensestrom durch die Beziehung rs ≤ rbmin·w vorgegeben
wird. Der Widerstandswert rbmin ergibt sich als der geringste ohmsche
Widerstand, der sich bei der Fertigung der Halbleiterbauelemente
zwischen der betriebsspannungsseitigen Elektrode des Lasttransistors
und dem jeweiligen Betriebsspannungsanschluss bestenfalls ergeben
kann. Das Übersetzungsverhältnis w
ist bevorzugt durch das Verhältnis der
Kanalweite des Lasttransistors zur Kanalweite des Sensetransistors
vorgegeben.
In
Abhängigkeit
der Spannungsdifferenz an den betriebsspannungsseitigen Lastelektroden
von Last- und Sensetransistor wird ein erster Hilfsstrom generiert,
der zusätzlich
zum Sensestrom durch den Sensewiderstand fließt. Im geregelten Zustand entspricht
dann der Spannungsabfall am Sensewiderstand dem Spannungsabfall
am internen Lastwiderstand, wobei der Sensewiderstand in vorteilhafter Weise
nicht denselben Widerstandswert aufweisen muss wie der interne Lastwiderstand.
Statt dessen ergibt sich sein Wert aus dem minimalen Wert des internen
Lastwiderstandes nach vorangegangener Berechnung.
Zur
Auswertung des Sensestroms muss der auf den Hilfsstrom zurückzuführende Anteil
des Spannungsabfalls am Sensewiderstand unberücksichtigt bleiben. Dazu wird
ein zum ersten Hilfsstrom in bekannter Weise proportionaler zweiter
Hilfsstrom generiert. Der zweite Hilfsstrom erzeugt an einem ` Hilfswiderstand eine Hilfsspannung, die
ebenfalls dem ersten Hilfsstrom durch den Sensewiderstand proportional
ist. Dabei hat der durch den ersten Hilfsstrom mit dem Wert iadd1
am Sensewiderstand mit dem Widerstandswert rs erzeugte Spannungsabfall den
gleichen Wert wie der durch den zweiten Hilfsstrom mit dem Wert
iadd2 erzeugte Spannungsabfall am Hilfswiderstand mit dem Widerstandswert
rs2, so dass iadd1·rs
= iadd2·rs2
gilt.
Durch
Abgleich einer weiteren Spannungsdifferenz zwischen den am Sensewiderstand
und am Hilfswiderstand abfallenden Spannungen durch Generieren eines
zusätzlichen
Ausgabestroms durch den Hilfswiderstand wird der Ausgabestrom in
bekannter Weise proportional dem Sensestrom und damit auch dem Laststrom.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
daher in vorteilhafter Weise die Erfassung eines zum Laststrom proportionalen
und von Toleranzen des internen Lastwiderstands entkoppelten Sensestroms
im Sourcekreis des Sense- bzw. Lasttransistors und damit an der
Masseseite eines n-Kanal-Halbleiterbauelements bzw. an der positiven
Betriebsspannungsseite eines p-Kanals-Halbleiterbauelements
und dessen proportionale Ausgabe.
In
bevorzugter Weise wird das Verhältnis
des ersten Hilfsstroms zum zweiten Hilfsstrom über das Verhältnis der
Kanalweiten eines ersten und eines zweiten Hilfstransistors eingestellt.
Dabei steuert der erste Hilfstransistor den ersten Hilfsstrom und
der zweite Hilfstransistor den zweiten Hilfsstrom jeweils in Abhängigkeit
der Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die jeweils am Sensewiderstand bzw.
am Lastwiderstand abfallen. Dabei wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt,
dass sich in üblichen Fertigungstechnologien
Transistoren mit abgesehen von den planaren Abmessungen weitgehend
identischen geometrischen Parametern vergleichsweise einfach herstellen
lassen. Ferner ist das Verhältnis der
Kanalweiten in üblichen
Fertigungsumgebungen deutlich geringeren Schwankungen unterworfen
als es deren absolute Abmessungen sind.
Das
Verhältnis
des Sensewiderstands zum Hilfswiderstand wird in bevorzugter Weise
gleich dem Verhältnis
des zweiten Hilfsstroms zum ersten Hilfsstrom gewählt. Widerstände werden
in der Halbleitertechnologie flächig
ausgebildet. Entsprechend den obigen Ausführungen zu den Kanalweiten
ist das Verhältnis
zweier flächig
ausgebildeter Widerstände in
größerem Maße unabhängig von
Fertigungsschwankungen als es deren absoluten Werte sind. Für den Fall
gleicher Größen beider
Hilfswiderstände sind
auch beide Hilfstransistoren gleich groß.
Der
Ausgabestrom ist in der Folge nur noch vom Laststrom und von Widerstands-
bzw. Kanalweitenverhältnissen
abhängig
und damit weitgehend unabhängig
von Fertigungsschwankungen.
Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst
der Widerstandswert rs des Sensewiderstandes größer oder gleich einem Widerstandswert gewählt, welcher
sich aus dem Widerstandswert rbmax des internen Lastwiderstands
bei maximal zulässiger
Bauteiltoleranz und aus dem Übersetzungsverhältnis w
des Laststroms zum Sensestrom nach der Beziehung rs ≥ rbmax·w ergibt.
In
Abhängigkeit
der Spannungsdifferenz an den betriebsspannungsseitigen Lastelektroden
von Last- und Sensetransistor wird ein Anteil des Sensestroms in
Höhe eines
ersten Hilfsstroms parallel zum Sensewiderstand abgeleitet und ein
auf die Ableitung zurückzuführender
Fehler analog der oben beschriebenen Weise kompensiert.
Nach
einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Spannungsdifferenz zwischen der am Sensewiderstand und
der am Lastwiderstand abfallenden Spannung durch Steuerung einer
an einer Steuer- bzw. Gateelektrode des Sense- oder des Lasttransistors
anliegende Sense-Gatespannung oder Last-Gatespannung abgeglichen.
Die
Schaltanordnung zur Messung eines Laststromes eines zwischen einem
Lastanschluss und einem Betriebsspannungsanschluss eines Halbleiterbauelements
betriebenen Lasttransistors umfasst einen parallel zum Lasttransistor
geschalteten Sensetransistor, der auf Seite des Lastanschlusses mit
dem Lasttransistor verbunden ist, sowie einen zwischen dem jeweiligen
Betriebsspannungsanschluss und dem Sensetransistor vorgesehenen Sensewiderstand.
Erfindungsgemäß wird die
Schaltanordnung durch eine erste Hilfsschaltung und einen Hilfswiderstand
sowie eine zweite Hilfsschaltung ergänzt. Mittels der ersten Hilfsschaltung
wird die am Sensewiderstand abfallende Spannung mit der am internen Lastwiderstand
abfallenden Spannung abgeglichen. Dazu wird in der ersten Hilfsschaltung
ein zusätzlich durch
den Sensewiderstand fließender
erster Hilfsstrom sowie ein zum ersten Hilfsstrom in bekannter Weise
proportionaler zweiter Hilfsstrom durch einen Hilfswiderstand erzeugt.
Durch
die zweite Hilfsschaltung wird eine Spannungsdifferenz zwischen
den jeweils am Sensewiderstand und am Hilfswiderstand abfallenden Spannungen
abgeglichen, indem ein zusätzlicher Ausgabestrom
durch den Hilfswiderstand gesteuert wird.
Der
Ausgabestrom ist proportional dem Sense- bzw. dem Laststrom.
Die
erste Hilfsschaltung umfasst in bevorzugter Weise einen ersten Operationsverstärker, an dessen
Eingänge
die jeweils nicht miteinander verbundenen betriebsspannungsseitigen
Lastelektroden des Lasttransistors und des Sensetransistors geführt sind,
sowie zwei vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers parallel
gesteuerte Hilfstransistoren. Die Hilfstransistoren sind einseitig
jeweils mit einem weiteren Be triebsspannungsanschluss des Halbleiterbauelements
verbunden, so dass durch die Hilfstransistoren ein Strom zwischen
den beiden Betriebsspannungsanschlüssen gesteuert werden kann.
Der erste Hilfstransistor ist am sensetransistorseitigen Anschluss
des Sensewiderstands angeschlossen. Der zweite Hilfstransistor ist
in Serie zum Hilfswiderstand geschaltet.
Die
Hilfstransistoren sind gleichartig ausgebildet und unterscheiden
sich bevorzugt lediglich in der Kanalweite. Bevorzugt sind die Hilfstransistoren als
Abschnitte einer einheitlich ausgebildeten Transistorstruktur mit
einer gemeinsamen Lastelektrode ausgebildet. Das Verhältnis der
beiden Hilfsströme zueinander
hängt in
vorteilhafter Weise lediglich vom Verhältnis der Kanalweiten der beiden
Hilfstransistoren ab.
In
weiter bevorzugter Weise umfasst die zweite Hilfsschaltung einen
zweiten Operationsverstärker,
an dessen Eingänge
die jeweils nicht miteinander verbundenen Lastelektroden der Hilfstransistoren
geführt
sind. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ist an die Gateelektrode
eines Ausgabetransistors geführt,
der den zusätzlichen
Ausgabestrom durch den Hilfswiderstand steuert.
Der
Ausgabestrom ist lediglich vom Laststrom und den Verhältnissen
der Flächen,
der geometrischen Abmessungen, bzw. der Kanalweiten von Last- und
Sensetransistor, sowie der Kanalweiten der Hilfstransistoren und
der geometrischen Abmessungen von Sense – und Hilfswiderstand abhängig.
In
bevorzugter Weise ist zwischen dem Ausgabetransistor und dem jeweiligen
Betriebsspannungsanschluss ein Ausgabewiderstand zum Abgriff einer
zum Laststrom proportionalen Ausgabespannung vorgesehen.
Ein
erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement
weist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform einen positiven
Betriebsspannungsanschluss zur Verbindung mit einer positiven Betriebsspannung sowie
einen Lastanschluss zur Verbindung mit einer Last auf. Ferner umfasst
das Halbleiterbauelement eine Steuersignalleitung. Die Steuersignalleitung kann
auf einen weiteren Bauteilanschluss des Halbleiterbauelements geführt sein
oder mit einem Ausgang einer internen Steuersignalquelle verbunden sein.
Auf der Steuersignalleitung wird ein Steuersignal übertragen.
Das Halbleiterbauelement weist ferner einen p-Kanal-Leistungstransistor
auf, dessen Source/Drain-Laststrecke
zwischen dem positiven Betriebsspannungsanschluss und dem Lastanschluss
vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß weist
das Halbleiterbauelement eine Schaltanordnung der oben beschriebenen
Art auf. Dabei ist der Lasttransistor jeweils durch den p-Kanal-Leistungstransistor
ausgeführt.
Die Steuersignalleitung ist auf den Eingang eines Gatetreibers geführt, der
die Gateelektroden des Last- und des Sensetransistors ansteuert
und dessen Ausgang mit der Gateelektrode des Sensetransistors sowie
der Gateelektrode des Lasttransistors verbunden ist.
In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
anstelle des positiven Betriebsspannungsanschluss einen negativen
Betriebsspannungsanschluss und anstelle des p-Kanal-Leistungstransistors
einen mit einer Source/Drain-Laststrecke zwischen dem negativen
Betriebsspannungsanschluss und dem Lastanschluss geschalteten n-Kanal-Leistungstransistor
als Lasttransistor auf.
Nachfolgend
werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Figuren näher erläutert. Einander
entsprechende Komponenten und Bauteile sind jeweils mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
1:
ein vereinfachtes Schaltbild für
eine bekannte Schaltanordnung zur Messung eines Laststroms im Lastkreis
eines Halbleiterbauelements;
2:
ein vereinfachtes Schaltbild mit einer zweiten bekannten Schaltanordnung
zur Messung eines Laststroms im Lastkreis eines Halbleiterbauelements;
3:
ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Schaltanordnung
zur Messung eines Laststroms im Lastkreis eines Halbleiterbauelements;
4:
ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltanordnung zur Messung eines
Laststroms im Lastkreis eines Halbleiterbauelements mit masseseitig
betriebenem Lasttransistor vom n-Kanal-Typ und seriellem Hilfstransistor
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5:
ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltanordnung zur Messung eines
Laststroms im Lastkreis eines Halbleiterbauelements mit betriebsspannungsseitig
betriebenem Lasttransistor vom p-Kanal-Typ und seriellem Hilfstransistor
nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
6:
ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltanordnung zur Messung eines
Laststroms im Lastkreis eines Halbleiterbauelements mit masseseitig
betriebenem Lasttransistor vom n-Kanal-Typ und parallelem Hilfstransistor
nach einem vierten Ausführungsbeispiel;
und
7:
ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltanordnung zur Messung eines
Laststroms im Lastkreis eines Halbleiterbauelements mit betriebsspannungsseitig
betriebenem Lasttransistor vom p-Kanal-Typ und parallelem Hilfstransistor
nach einem fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Die 1 und 2 wurden
bereits eingangs erläutert.
Wie
die in der 2 dargestellte Schaltanordnung
zeigt das in der 3 dargestellte Prinzipschaltbild
ein Halbleiterbauelement H mit einem Lasttransistor M0 zur temporären Verbindung
einer am Lastanschluss LT anzuschließenden Last an ein negatives
Betriebsspannungspotential GND. Zwischen der Source-Elektrode des
Lasttransistors M0 und dem negativen Betriebsspannungsanschluss
GND wirkt ein interner Lastwiderstand RB, der wesentlich z.B. durch
den Widerstand eines Bonddrahts bestimmt wird. Parallel zu der aus
dem Leistungstransistor M0 und dem internen Lastwiderstand RB gebildeten
Anordnung ist zwischen dem Lastanschluss LT des Halbleiterbauelements
H und dem negativen Versorgungsanschluss GND ein Sensekreis mit
einem Sensetransistor M1 und einem zwischen der Source-Elektrode
des Sensetransistors M1 und dem negativen Betriebsspannungsanschluss
GND vorgesehenen Sensewiderstand RS angeordnet. Durch den Lasttransistor
M0 fließt
der Laststrom IL. Durch den Sensetransistor M1 fließt der Sensestrom
IS.
Das
Verhältnis
des Sensestroms IS zum Laststrom IL wird durch das Kanalweitenverhältnis der
ansonsten gleichartig ausgebildeten Transistoren M1, M0 bestimmt.
Voraussetzung dafür
ist, dass der Sensetransistor M1 am selben Arbeitspunkt betrieben
wird wie der Lasttransistor M0 und dazu die jeweiligen Ga te/Source-Spannungen
UGS gleich sind. Der interne Lastwiderstand
RB unterliegt Fertigungsschwankungen, so dass der Sensewiderstand
RS in der Regel von dem Wert abweicht, welcher aufgrund des internen
Lastwiderstands RB und des vorgegebenen Übersetzungsverhältnisses
von Laststrom IL zu Sensestrom IS, gegeben durch das Verhältnis Kanalweite
des Lasttransistors (M0) zur Kanalweite des Sensetransistors (M1),
erforderlich wäre,
damit die am Lastwiderstand RB und am Sensewiderstand RS abfallenden
Spannungen gleich und die Arbeitspunkte von Last- und Sensetransistor
aneinander angeglichen sind. Ohne weitere Maßnahmen wird der Sensetransistor
M1 in einem anderen Arbeitspunkt betrieben als der Lasttransistor
M0.
In
der im Schaltbild der 3 dargestellten Schaltanordnung
weist der Sensewiderstand RS einen Wert auf, der kleiner ist als
der durch den minimalen internen Lastwiderstand RB vorgegebene erforderliche
Wert. Die Arbeitspunkte der beiden Transistoren M1, M0 werden einander
angeglichen, indem durch den Sensewiderstand RS ein zusätzlicher Hilfsstrom
IADD1 eingeprägt
wird. Der dem ersten Hilfsstrom IADD1 geschuldete Spannungsabfall
am Sensewiderstand RS addiert sich zum auf den Sensestrom IS zurückzuführenden
Spannungsabfall am Sensewiderstand RS in der Weise, dass die Spannungen
an den Source-Elektroden
der beiden Transistoren M0, M1 einander abgeglichen werden.
Der
Hilfsstrom IADD1 wird von einer Hilfsschaltung B1 in Abhängigkeit
von der an den Eingängen
eines ersten Operationsverstärkers
OP1 anliegenden Spannungsdifferenz gesteuert. Der erste Hilfsstrom
IADD1 wird so gesteuert, dass die Spannungsdifferenz an den Eingängen des
ersten Operationsverstärkers
OP1 abgeglichen wird.
Zusätzlich wird
in der Hilfsschaltung B1 ein zweiter Hilfsstrom IADD2 generiert,
dessen Größe im Verhältnis zum
ersten Hilfsstrom IADD1 genau und weit gehend unabhängig von
Fertigungstoleranzen definiert ist. Mit dem zweiten Hilfsstrom IADD2
mit dem Wert iadd2 wird eine an einem Hilfswiderstand RS2 mit dem
Wert rs2 abfallende Hilfsspannung generiert, mit der die Wirkung
der auf den ersten Hilfsstrom IADD1 mit dem Wert iadd1 zurückzuführenden Spannungserhöhung am
Sensewiderstand RS mit dem Wert rs bezüglich der Auswertung des Sensestroms
ausgeglichen wird. Dabei gilt vorzugsweise iadd1·rs = iadd2·rs2.
Entsprechend
einer vereinfachten, speziellen Ausführungsform sind die beiden
Hilfsströme IADD1,
IADD2 sowie der Sensetransistor RS und der Hilfstransistor RS2 jeweils
gleich groß.
Als Spannungsdifferenz der am Sensewiderstand RS und der am Hilfswiderstand
RS2 abfallenden Spannungen wird dann die ausschließlich auf
den Sensestrom IS zurückzuführende Spannung
am Sensewiderstand RS abgegriffen.
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird diese Spannungsdifferenz an den Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OP2
geführt,
der eine zweite Hilfsschaltung B2 steuert. Die zweite Hilfsschaltung
B2 liefert einen Ausgabestrom IIS, der proportional dem Sensestrom
IS und damit auch proportional dem Laststrom ist. Die Messung ist
von Schwankungen des internen Lastwiderstands RB entkoppelt und
lediglich von vergleichsweise gut zu kontrollierenden geometrischen
Abmessungen abhängig.
Gegenüber dem
in der 3 dargestellten Prinzipschaltbild sind im vereinfachten
Schaltbild der 4 die Hilfsschaltungen B1 und
B2 aufgelöst.
Die
Steuerelektroden des Lasttransistors M0 sowie des Sensetransistors
M1 sind an den Ausgang eines Gatetreibers X1 angeschlossen. Auf
den Eingang des Gatetreibers X1 ist die Steuersignalleitung G geführt, über die
ein Steuersignal zum Abschalten bzw. Einschalten des Lasttransistors
M0 übertragen wird.
Die
Hilfsschaltung B1 umfasst einen ersten Hilfstransistor M3 sowie
einen zweiten Hilfstransistor M4, die jeweils als p-Kanal-Transistoren
ausgeführt sind
und deren Source-Elektroden an einem weiteren, positiven Betriebsspannungsanschluss
des Halbleiterbauelements H angeschlossen sind. Die Gate-Elektroden
der beiden Hilfstransistoren M3, M4 sind gemeinsam auf den Ausgang
des ersten Operationsverstärkers
OP1 geführt.
Durch den ersten Hilfstransistor M3 wird der erste Hilfsstrom IADD1
durch den Sensewiderstand RS gesteuert. Durch den zweiten Hilfstransistor
M4 wird der zweite Hilfsstrom IADD2 durch den Hilfswiderstand RS2
eingeprägt. Die
Hilfstransistoren M3, M4 sind in gleichartiger Weise etwa als Abschnitte
einer einheitlich ausgebildeten Transistorstruktur ausgebildet und
unterscheiden sich meist lediglich in ihrer Kanalweite. Das Verhältnis des
ersten Hilfsstroms IADD1 mit dem Wert iadd1 zum zweiten Hilfsstrom
IADD2 mit dem Wert iadd2 lässt
sich einfach und weitgehend unabhängig von Fertigungsabweichungen
einstellen. Dabei gilt vorzugsweise iadd1·rs = iadd2·rs2.
Die
zweite Hilfsschaltung B2 umfasst einen durch den Ausgang des zweiten
Operationsverstärkers
OP2 gesteuerten Ausgabetransistor M2 und in diesem Ausführungsbeispiel
einen an die positive Betriebsspannung angeschlossenen Ausgabewiderstand
RIS. Der durch den Ausgabetransistor M2 eingeprägte Strom IIS gleicht den Spannungsabfall
am Hilfswiderstand RS2 an den Spannungsabfall am Sensewiderstand
RS an, wobei der sich ein stellende Ausgabestrom IIS lediglich vom
Laststrom IL, den Kanalweitenverhältnissen von Sensetransistor
M1 und Lasttransistor M0 sowie von ersten M3 zu zweiten Hilfstransistor
M4 und dem Verhältnis
des Sensewiderstands RS zum Hilfswiderstand RS2 abhängig ist.
In
der 5 ist die Schaltungsanordnung entsprechend der 4 für ein Halbleiterbauelement mit
einem Lasttransistor vom p-Kanal-Typ dargestellt, der zwischen einer
positiven Betriebsspannung +VDD und einer am Lastanschluss LT vorzusehenden
Last betrieben wird.
In
der 6 ist eine zur Schaltanordnung der 4 alternative
Realisierung des in der 3 skizzierten Prinzipschaltbilds
dargestellt.
Im
Unterschied zur Schaltanordnung der 4 wird der
Sensewiderstand RS größer als
derjenige Wert gewählt,
der für
RS erforderlich wäre,
um bei vorgegebenem Übersetzungsverhältnis IL/IS
und bei maximalem internen Lastwiderstand RB beide Transistoren
M0, M1 im selben Arbeitspunkt zu betreiben. Entsprechend ist der
Spannungsabfall am Sensewiderstand RS zu hoch und wird, wie nachfolgend
im Einzelnen beschrieben, dadurch reduziert, dass ein Teil des durch
den Sensetransistor M1 fließenden
Sensestroms IS über
den in diesem Fall parallel zum Sensewiderstand RS angeordneten
ersten Hilfstransistor M3 abgeleitet wird. Die aus der Ableitung
resultierende Abweichung des durch den Sensewiderstand RS fließenden Stroms
vom durch den Sensetransistor M1 fließenden Sensestrom IS wird in geeigneter
Weise kompensiert.
Die
Hilfsschaltung B1 umfasst dazu einen ersten Hilfstransistor M3 sowie
einen zweiten Hilfstransistor M4, die jeweils als n-Kanal-Transistoren ausgeführt sind
und deren Source- Elektroden
an den negativen Betriebsspannungsanschluss des Halbleiterbauelements
H angeschlossen sind. Die Gate-Elektroden
der beiden Hilfstransistoren M3, M4 sind gemeinsam auf den Ausgang
des ersten Operationsverstärkers
OP1 geführt.
Durch den ersten Hilfstransistor M3 wird der erste Hilfsstrom IADD1
parallel zum Sensewiderstand RS abgeleitet und der durch den Sensewiderstand
RS fließende
Strom gegenüber
den durch den Sensetransistor M0 fließenden Sensestrom IS um den
Betrag des ersten Hilfsstroms IADD1 reduziert. Durch den zweiten
Hilfstransistor M4 wird ein Anteil des Ausgabestroms IIS in Höhe des Betrags
des Hilfsstroms IADD2 durch den Hilfstransistor M4 abgeleitet. Die
Hilfstransistoren M3, M4 sind in gleichartiger Weise etwa als Abschnitte
einer einheitlich ausgebildeten Transistorstruktur ausgebildet und
unterscheiden sich meist lediglich in ihrer Kanalweite. Das Verhältnis des
ersten Hilfsstroms IADD1 zum zweiten Hilfsstrom IADD2 lässt sich
einfach und weitgehend unabhängig
von Fertigungsabweichungen einstellen. Dabei gilt vorzugsweise iadd1·rs=iadd2·rs2.
Durch
die Ableitung eines Anteils des Sensestroms IS in Höhe des ersten
Hilfsstroms IADD1 wird die Sourcespannung am Sensetransistor M1
reduziert und an die des Lasttransistors M0 angepasst. Die Arbeitspunkte
von Sense- und Lasttransistor M1, M0 sind aneinander angeglichen.
Bei der Auswertung der am Sensewiderstand RS anfallenden Spannung
ist berücksichtigt,
dass diese um den Betrag rs·iadd1
zu gering ist. Ausgangsseitig wird dies dadurch ausgeglichen, dass
zur Bildung einer am Hilfswiderstand RS2 abfallenden Referenzspannung
eine zu rs·iadd1
zumindest proportionale, bevorzugt identische Spannung rs2·iadd2
subtrahiert wird.
Gegenüber der
Schaltanordnung der 4 wird für die Schaltanordnung der 6 nur
ein Betriebsspannungspotential zum Anschluss der Hilfstransistoren
M3 und M4 benötigt.
In
der 7 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die
das anhand der 6 beschriebene Verfahren für ein Halbleiterbauelement
mit einem Lasttransistor vom p-Kanal-Typ realisiert, der zwischen
einer positiven Betriebsspannung +VDD und einer am Lastanschluss
LT vorzusehenden Last betrieben wird.