DE102004046630A1

DE102004046630A1 - Integrierte Schaltung für gepulste Leistungsströme

Info

Publication number: DE102004046630A1
Application number: DE200410046630
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schmauder; Uwe Lueders; Michael Ulmer; Thoralf Rosahl; Andreas Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-25
Filing date: 2004-09-25
Publication date: 2006-03-30
Also published as: WO2006032578A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung für gepulste Leistungsströme, mit DOLLAR A einem Substrat (2) aus einem Halbleitermaterial, DOLLAR A einer auf dem Substrat (2) ausgebildeten Endstufe (3) mit Leistungsbauelementen (5) für niederohmige Ausgangsströme in Pulsen mit Breiten von 0,5 bis 20 msec, DOLLAR A wobei die Leistungsbauelemente (5) sowohl in einem inneren Endstufenbereich (17.1) als auch in einem außerhalb des inneren Endstufenbereichs (17.1) ausgebildeten äußeren Endstufenbereich (17.2) ausgebildet sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung und eine hohe Flächenausnutzung der Endstufe erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung für gepulste Leistungsströme, die insbesondere in einer Airbagsteuerung eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist.
Bei integrierten Schaltungen treten in den Leistungsbauelementen der Endstufen, die zur Ausgabe der Leistungsströme dienen, hohe Verlustleistungen auf, die zu einer deutlichen Erwärmung der Endstufe führen können. Die Ausgangsleistung kann durch diese thermische Verlustleistung begrenzt sein.
In den Endstufen sind die Leistungsbauelemente, z.B. Feldeffekttransistoren, im Allgemeinen flächig ausgeführt, z. B. 1 mm² groß, und besitzen aus physikalischen Gründen in ihrer Mitte einen kleinen heißen Bereich, der als „hot spot" wirkt. Dieser hot spot wird im Allgemeinen in die Mitte der Endstufe gesetzt, so dass die von ihm abgegebene Wärme sich lateral in sämtliche Richtungen verteilen kann. Die Endstufen sind im Allgemeinen quadratisch oder rechteckig mit einem Kantenverhältnis von etwa 1:2 ausgebildet.
Integrierte Schaltungen mit derartigen Endstufen sind jedoch insbesondere bei Airbagsteuerungen, in denen kurze Pulse von etwa 0,5 bis 3 msec mit hohen Stromstärken ausgegeben werden, problematisch. Hierbei liegt eine Temperaturerhöhung zwischen der Endstufenmitte und einem Endstufenrandbereich oft um mehr als den Faktor 2 auseinander. Hierdurch kann im Mittelpunkt der Endstufe bereits eine thermische Maximalbelastung erreicht werden, während die Randbereiche demgegenüber relativ kalt bleiben.
Die erfindungsgemäße integrierte Schaltung weist demgegenüber eini ge Vorteile auf. Erfindungsgemäß sind die Leistungsbauelemente in der Endstufe voneinander beabstandet in Endstufenbereichen angeordnet, die sowohl in einem inneren als auch in einem äußeren Endstufenbereich liegen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine derartige Ausbildung insbesondere bei kurzen Pulsen mit hoher Energiedichte zu deutlichen Vorteilen führt, da die bei herkömmlichen Schaltungen auftretenden Belastungen besser verteilt werden können. Erfindungsgemäß können durch schaltungstechnische Maßnahmen Flächenersparnisse von z.B. über 35 % erreicht werden. Freie Bereiche können schaltungstechnisch anderweitig benutzt werden, d.h. insbesondere zur Ausbildung von Elementen anderer Stufen verwendet werden.
Hierbei können die Leistungsbauelemente über die gesamte Endstufe verteilt sein, wobei in dem inneren Endstufenbereich Leistungsbauelemente mit einer geringeren thermischen Leistungsabgabe und in dem äußeren Endstufenbereich oder in mehreren geschachtelten äußeren Endstufenbereichen Leistungsbauelemente mit größerer thermischer Leistungsabgabe angeordnet sind. Hierdurch werden die ansonsten thermisch stärker belasteten inneren Bereiche thermisch entlastet und es wird eine bessere Wärmeabgabe nach außen erreicht.
Alternativ hierzu können die Leistungsbauelemente auch in Endstufenbereichen über die Endstufe verteilt angeordnet sein, die sich z.B. hufeisenförmig erstrecken können oder mit freien Bereichen alternierend streifenartige Anordnungen bilden können.
Die Ansteuerung der in inneren und äußeren Bereichen vorgesehenen Leistungsbauelemente kann grundsätzlich über dieselbe Ansteuerschaltung erfolgen, wobei die Leistungsbauelemente mit unterschiedlichen Ansteuerspannungen beaufschlagt werden.
Bei der streifenartigen Ausbildung der Endstufenbereiche ergibt sich gegenüber herkömmlichen Systemen eine deutliche Flächenersparnis, da letztlich bei einer vollen Beschaltung der Endstufe, d.h. auch der erfindungsgemäß freigelassenen Bereiche, keine wesentlich höheren Leistungen erreicht werden können, da die thermische Belastung aufgrund der Verlustleistung in der Endstufe zu hoch wird. Somit können die freien Bereiche effektiv als zusätzliche Fläche genutzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf den Bereich einer Endstufe einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltung;
2 eine Aufsicht auf den Bereich der Endstufe einer integrierten Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 eine Aufsicht auf den Bereich der Endstufe einer integrierten Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 ein Schaltbild der Endstufe einer integrierten Schaltung gemäß einer Ausführungsform.
Eine integrierte Schaltung 1 auf einem Siliziumsubstrat 2 weist eine Endstufe 3 mit hier nicht detaillierter beschriebenen Ausgangsanschlüssen 4 auf. Die integrierte Schaltung 1 kann insbesondere Teil einer Airbagsteuerung eines Kraftfahrzeuges sein.
In der Endstufe 3 sind in 1 nicht detaillierter eingezeichnete Leistungs-Bauelemente 5, insbesondere Feldeffekt- oder bipolare Transistoren, zur Gewährleistung niederohmiger hoher Ausgangsströme vorgesehen. Hierbei bilden ein innerer Endstufenbereich 17.1 und zwei äußere Endstu fenbereiche 17.3 eine zu einer Seite hin offene Form, d.h eine halboffene Form bzw. U- oder C- oder Hufeisen-Form. Die Leistungsbauelemente 5 sind in den Endstufenbereichen 17.1, 17.3 in einer entsprechenden halboffenen Form angeordnet. Somit sind weitere Bereiche 7 ausgebildet, die innerhalb der halboffenen Form der Endstufenbereiche 17.1, 17.3 angeordnet sind und in denen keine Leistungselemente mit höherer thermischer Leistungsabgabe vorgesehen sind.
Bei der Ausführungsform der 2 sind in der Endstufe 3 der integrierten Schaltung 1 die Leistungsbauelemente 5 in sich zwischen Source- und Drainzuleitungen 12, 13 erstreckenden Endstufenstreifen 15 angeordnet, die sowohl in einem mittleren Endstufenbereich als in äußeren Endstufenbereichen vorgesehen sind. Hierbei erstrecken sich die Endstufenstreifen 15 vorteilhafterweise parallel zwischen den Source- und Drainzuleitungen 12, 13. Zwischen ihnen sind in der Endstufe 3 freie Bereiche 16 ausgebildet, in denen keine Leistungsbauelemente 5 angeordnet sind und somit keine wesentliche thermische Leistungsabgabe vorliegt. Die freien Bereiche 16 können hierbei eine laterale Breite jeweils etwa entsprechend derjenigen der einzelnen Endstufenstreifen 15 aufweisen. In den freien Bereichen 16 sind andere Strukturen, z.B. Elemente einer anderen Stufe der integrierten Schaltung 1, ausgebildet, um die Fläche effektiv zu nutzen. Erfindungsgemäß konnte festgestellt werden, dass überraschenderweise mit der entstandenen reduzierten Endstufenfläche der Endstufenstreifen 15 vergleichbare maximale Verlustleistungen erzielt werden können wie bei der gesamten quadratischen bzw. rechtwinkligen umhüllenden Endstufe 3, die zusätzlich zu dem Endstufenbereich 15 auch die dazwischen liegenden freien Bereiche 16 belegt. Durch die zusätzlich erhöhte Stromdichte in den Endstufenstreifen 15 können bessere elektrothermische Gegenkopplungen erzielt werden, was zu einer weiteren Verringerung der Endstufenfläche führt. So sind insgesamt Flächenersparnisse von 35 % möglich.
Bei der Ausführungsform der 3 ist die Endstufe 3 in Abhängigkeit von der thermischen Belastung in n unterschiedliche Endstufenbereiche, hier n=3, unterteilt. Hierbei sind in der gezeigten Ausführungsform die Endstufenbereiche 17 im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet bzw. ineinander geschachtelt, so dass von einem inneren, thermisch am stärksten belasteten Endstufenbereich 17.1 sich nach außen hin zunächst ein mittlerer Endstufenbereich 17.2 und dann ein äußerer Endstufenbereich 17.3 anschließen.
Erfindungsgemäß werden die Endstufenbereiche 17 unterschiedlich ausgesteuert, um die thermische Belastung zumindest teilweise zu kompensieren. 4 zeigt hierbei ein Beispiel der unterschiedlichen Gate-Ansteuerung von zwei Leistungsbauelementen, nämlich Feldeffekttransistoren (FETs) 5.1 und 5.2 in einem n-Kanal Lowside Schalter 20, der zwischen Masse GND und einer Versorgungsspannung U_V geschaltet ist. Hierbei ist ein n-Kanal-FET 5.1 in einem inneren Endstufenbereich 17.1 und ein zu diesem parallel geschalteter weiterer n-Kanal-Fett 5.2 in einem äußeren Endstufenbereich 17.2 angeordnet. Die beiden FETs 5.1 und 5.2 sind hierbei parallel und in Reihe mit einem Widerstand R2 zwischen einem Anschluss 22 z.B. für die Versorgungsspannung U_V und einem Ausgangsanschluss 4 geschaltet. Zur Ansteuerung der FETs 5.1 und 5.2 ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, in der eine Stromquelle 24, ein Widerstand R1 und eine Steuereinrichtung 26 zur Stromregulierung vorgesehen sind, die zwischen Masse GND und einem Versorgungsspannungsanschluss für die Versorgungsspannung U_V geschaltet ist. Aufgrund des Spannungsabfalls ∆U an dem Widerstand R1 ist die Ansteuerspannung U_G1 des FETs 5.1 des inneren Endstufenbereichs 17.1 um ∆U geringer als die Ansteuerspannung U_G2 des FETs 5.2 des äußeren Endstufenbereichs 17.2. Somit fließt durch den FET 5.1 ein geringerer Strom als durch den FET 5.2. Der Gesamtwiderstand R_DS(ON) der Endstufe, d.h. der Parallelschaltung der FETs 5.1 und 5.2, kann dennoch entsprechend einer konventionellen Endstufenauslegung ausgelegt werden.
Alternativ zur unterschiedlichen Gateansteuerung können auch unter schiedliche Source- oder Drainansteuerungen erfolgen.
Hierdurch kann eine ausgewogene thermische Belastung und somit eine niedrigere Temperaturüberhöhung bei gleicher Gesamtleistung erreicht werden. Hierbei hat vorteilhafterweise der in 4 gezeigte schaltungstechnische Eingriff keine Auswirkungen auf den erreichbaren Drain-Source-Widerstand R_DS(on) der betrachteten Endstufe 3 im eingeschalteten Zustand.
Entsprechend 4 lassen sich auch die Leistungsbauelemente mehrer, z.B. von drei Endstufenbereichen auslegen.

Claims

Integrierte Schaltung für gepulste Leistungsströme, mit einem Substrat (2) aus einem Halbleitermaterial, einer auf dem Substrat (2) ausgebildeten Endstufe (3) mit Leistungsbauelementen (5) für niederohmige Ausgangsströme in Pulsen mit Breiten von 0,5 bis 20 msec, wobei die Leistungsbauelemente (5) sowohl in einem inneren Endstufenbereich (17.1) als auch in einem außerhalb des inneren Endstufenbereichs (17.1) ausgebildeten äußeren Endstufenbereich (17.2) ausgebildet sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Endstufe (3) Endstufenstreifen (15) und zwischen den Endstufenstreifen freie Bereiche (16) ausgebildet sind, die frei von Leistungsbauelementen (5) sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Endstufenstreifen (15) und der freien Bereiche (16) als alternierende, im Wesentlichen parallel verlaufende Streifen ausgebildet sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen Endstufenstreifen (15) sich zwischen gemeinsamen Source- und Drain-Zuleitungen (12, 13) erstrecken.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Endstufenbereiche (17.1, 17.3) eine halboffenen Form bilden.
Integrierte Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem äußeren Endstufenbereich (17.2, 17.3) Leistungsbauelemente (5) mit einer höheren thermischen Leistungsabgabe und in einem inneren Endstufenbereich (17.1) Leistungsbauelemente (5) mit einer geringeren thermischen Leistungsabgabe angeordnet sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ineinander geschachtelte Endstufenbereiche (17.1, 17.2, 17.3) vorgesehen sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Transistor (5.1) als Leistungsbauelement in einem inneren Endstufenbereich (17.1) vorgesehen ist und ein weiterer Transistor (5.2) als Leistungsbauelement in einem äußeren Endstufenbereich (17.2) vorgesehen ist und die beiden Transistoren (5.1, 5.2) mit ihren Leistungsanschlüssen parallel geschaltet sind und mittels Ansteuerspannungen (U_G1, U_G2) angesteuert werden, die sich um den Spannungsabfall (∆U) eines Konstantstroms einer Konstanzstromquelle (24) an einer Widerstandseinrichtung (R1) unterscheiden, wobei in dem Transistor (5.2) des äußeren Endstufenbereichs (17.2) ein höherer Strom und in dem inneren Transistor (5.1) des innere Endstufenbereichs (17.1) ein geringerer Strom fließt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren Feldeffekttransistoren (5.1, 5.2) sind, deren Drain- und Sourceanschlüsse verbunden sind und deren Gateanschlüsse mit um die Spannungsdifferenz (∆U) unterschiedliche Gatespannungen (U_G1, U_G2) angesteuert werden.