DE102004061326B4 - Integrierte Schaltung - Google Patents
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Abstract
einem Ausgangstransistor (M0), dessen Drain an eine Energieversorgung (Vbb) und dessen Source an eine induktive Last (3) angeschlossen ist;
einem ersten Transistor (P5) und einer dynamischen Klemmschaltung (31), die zwischen die Energieversorgung und das Gate des Ausgangstransistors in Reihe geschaltet sind; und
einem zweiten Transistor (N2), der zwischen die Energieversorgung und die induktive Last (3) geschaltet ist und den ersten Transistor in Abhängigkeit von der Gate-Spannung des Ausgangs-Transistors ein- oder ausschaltet,
wobei das Gate des zweiten Transistors (N2) mit dem Gate des Ausgangs-Transistors (M0) verbunden ist, das Drain über einen ersten Widerstand (R4) mit der Energieversorgung (Vbb) verbunden ist und die Source mit der induktiven Last (3) verbunden ist und das Gate des ersten Transistors (P5) mit dem Drain des zweiten Transistors (N2) verbunden ist, die Source mit der Energieversorgung (Vbb) verbunden ist und das Drain mit der dynamischen Klemmschaltung (31) verbunden...
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. Erfindungsgebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen und insbesondere eine integrierte Schaltung mit einer Überspannungsschutzschaltung für einen Ausgangs-MOS-Transistor.
- 2. Beschreibung des Standes der Technik
- Eine integrierte Leistungsschaltung (IC), die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet wird, wird in Fahrzeugen und Elektro-Heimgeräten verwendet, um eine Spannung und einen Strom zu steuern. Die Miniaturisierung der Leistungs-IC ist erforderlich.
- Beispielsweise hat ein Fahrzeug eine Betätigungseinrichtung, die ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung für die Benzinsteuerung oder die Übertragungssteuerung umwandelt. Für die Steuerung des Ein/Ausschaltens des Stromes, welcher in die Betätigungseinrichtung fließt, wird eine Leistungs-IC verwendet.
-
9 zeigt ein übliches Bordnetz. Ein Beispiel ist in ”CAR ELECTRONICS AND RELIABILITY ENHANCEMENT OF IN-VEHICLE ELECTRONIC PARTS AND DEVICES”, erste Edition, Technical Institution Institute Co., Ltd., 31. Juli 1989, Seite 31 (2 ) beschrieben. Das Bordnetz hat eine Leistungs-IC91 , ein Betätigungselement92 , einen Zündschalter93 , eine Batterie94 , eine Lichtmaschine96 , eine Feldspule97 und einen Regler98 . Die Lichtmaschine96 ist über einen Batterieanschluss95 an eine Batterie94 angeschlossen. Wenn ein Benutzer beispielsweise den Zündschalter93 dreht, werden die Batterie94 , die Feldspule97 und die Leistungs-IC91 so geschaltet, dass die Batterie94 die Leistungs-IC91 mit einer Energieversorgungsspannung speist und die Lichtmaschine96 damit beginnt, elektrische Energie zu erzeugen. - Die Leistungs-IC
91 wird durch einen Mikrocomputer (nicht dargestellt) ein- oder ausgeschaltet, wodurch der Strom, welcher in das Betätigungselement92 fließt, gesteuert wird. Das Betätigungselement92 verwendet eine Äquivalentschaltung der Induktanz- und Widerstandskomponenten und wird, weil es eine Induktanzkomponente hat, als L-Last bezeichnet. Die L-Last ist beispielsweise eine Motorventilmagnetspule. -
10 zeigt ein Beispiel eines Schaltbildes der Leistungs-IC91 . Die Leistungs-IC91 verwendet einen Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor (MOSFET, der im Folgenden auch als MOS oder MOS-Transistor bezeichnet wird) als Stromsteuerschalter in einem Sourcefolger. Die Leistungs-IC91 ist ein Hochseiten-Schalter, da der Ausgang des MOS-Transistors näher an die Batterie geschaltet ist, als dies eine Last ist. Die Last ist in diesem Fall das Betätigungselement92 . - In der Leistungs-IC
91 empfängt das Drain eines Ausgangs-MOS-Transistors M10 über einen Energieversorgungsanschluss (Vbb) Energie. Das Gate des M10 empfängt über einen Widerstand R10 eine Spannung, die durch eine Ladungspumpschaltung102 verstärkt ist. Die Source des M10 ist über einen Ausgangsanschluss (OUT) an das Betätigungselement92 angeschlossen. Das Drain eines Gate-Entlade-MOS-Transistors N10 ist zwischen die Ladungspumpschaltung102 und den Widerstand R10 geschaltet. Das Gate des N10 empfängt ein Steuersignal S12, und die Source des N10 ist an den OUT-Anschluss angeschlossen. - Ein durch den Mikrocomputer eingegebenes Steuersignal S11 schaltet den Ausgang der Ladungspumpschaltung
102 ein oder aus. Das Steuersignal S12 schaltet den Gate-Entlade-MOS-Transistor N10 ein oder aus. - Im Allgemeinen gibt es zwei strukturelle Bauarten der MOS-Transistoren: eine Horizontalvorrichtung, bei der ein Strom parallel zu einer Substratoberfläche fließt, und eine Vertikalvorrichtung, bei der ein Strom rechtwinkelig zu einer Substratoberfläche fließt. Die Vertikalvorrichtung hat eine höhere Strombelastbarkeit pro Flächeneinheit als die Horizontalvorrichtung, da eine der Hauptelektroden an der unteren Oberflächenseite der Halbleitervorrichtung liegt. Somit wird die Vertikalvorrichtung hauptsächlich als Hochleistungsvorrichtung verwendet. Bei diesem Beispiel ist der Ausgangs-MOS-Transistor M10 ein Vertikal-MOS-Transistor, und der Gate-Entlade-MOS-Transistor N10 ist ein Horizontal-MOS-Transistor.
-
11 ist ein Beispiel eines Zeitablaufplans der Leistungs-IC91 . Der Zeitablaufplan zeigt den Zustand jedes Signals, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor M10 vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand umschaltet und dann von dem Ein-Zustand in den Aus-Zustand umschaltet. Die Übergangsperiode bis zum vollständigen Ausschalten des MOS-Transistors wird als ”Ausschalten” bezeichnet. Die folgende Erläuterung verwendet der Einfachheit halber das Wort ”Aus”, ”Ein” und ”Ausschalten”, um auf den Aus-, Ein-Zustand bzw. das Ausschalten des Ausgangs-MOS-Transistors Bezug zu nehmen. - Zum Einschalten des Ausgangs-MOS-Transistors M10 wird das Steuersignal S11 auf den hohen Pegel gesetzt, und das Steuersignal S12 wird auf den niedrigen Pegel gesetzt. Die verstärkte Spannung von der Ladungspumpschaltung
102 wird dadurch über den Widerstand R10 zum Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M10 geleitet. Dies erhöht die Gate-Spannung VGS zwischen dem Gate und der Source des Ausgangs-MOS-Transistors M10, um den Ausgangs-MOS-Transistor M10 einzuschalten. Dadurch kann ein Ausgangsstrom IOUT in das Betätigungselement92 fließen, so dass eine Ausgangsspannung VOUT angelegt ist. - Andererseits sind zum Ausschalten des Ausgangs-MOS-Transistors M10 das Steuersignal S11 auf den niedrigen Pegel und das Steuersignal S12 auf den hohen Pegel gesetzt. Der Gate-Entlade-MOS-Transistor N10 wird dadurch eingeschaltet, und die Gate-Ladung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 fließt über den Widerstand R10 und den Gate-Entlade-MOS-Transistor N10 in den OUT-Anschluss. Dadurch wird die Gate-Spannung VGS gesenkt, um den Ausgangs-MOS-Transistor M10 auszuschalten. Dadurch wird die Ausgabe des Ausgangsstroms IOUT und der Ausgangsspannung VOUT gestoppt.
- Wie in der Signalform der Ausgangsspannung VOUT in der
11 gezeigt, tritt in der Ausschaltperiode eine elektromotorische Gegenkraft (im Nachfolgenden als Gegen-EMF bezeichnet) Vinv, die eine negative Spannung ist, auf. Dies ist deshalb der Fall, weil in der Induktanzkomponente der Last L eine Energie von 1/2·L·I2 akkumuliert wird, wenn in der Einschaltperiode ein Strom in das Betätigungselement92 fließt und die Energie in der Aus-Periode freigegeben wird. Die Gegen-EMF Vinv ist theoretisch eine unendliche Spannung, und die Spannung liegt so lange an, bis sie die Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 erreicht. Dies kann dann eine Verschlechterung der Charakteristika oder eine Zerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 verursachen. - Um zu verhindern, dass die Gegen-EMF Vinv die Ausgangsüberschlagspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 überschreitet, platziert die Leistungs-IC
91 eine dynamische Klemmschaltung101 zwischen dem Gate und dem Drain des Ausgangs-MOS-Transistors M10. Die dynamische Klemmschaltung101 hat eine Überschlagsspannungsdiode D101 und eine Rückstrom-Verhinderungsdiode D102. Die Überschlagsspannungsdiode D101 ist eine Zenerdiode. - In der Ausschaltperiode sinkt die Ausgangsspannung VOUT, wenn die Gate-Spannung VGS sinkt, und dadurch tritt die Gegen-EMF Vinv auf. Wenn die Ausgangsspannung VOUT auf eine Durchschlag-Überschlagsspannung der Überschlagspannungsdiode D101 sinkt, wird die Gegen-EMF Vinv durch die Durchschlag-Überschlagsspannung ge klemmt, wodurch verhindert wird, dass die Spannung die Ausgangs-Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 erreicht.
- In einigen Fällen tritt in der Leistungs-IC
91 eine Stoßspannung, ein sogenannter Entladestoß, auf. Der Entladestoß ist eine positive Spannung, die in dem Vdd-Anschluss der Leistungs-IC91 auftritt, wenn ein Batterieanschluss95 gelöst wird, während die Lichtmaschine96 elektrische Energie erzeugt. -
12 ist ein Zeitablaufplan, wenn der Entladestoß auftritt. Die Spannung des Vbb-Anschlusses ist üblicherweise 12 V, was gleich der Spannung der Batterie94 ist. Bei Auftreten eines Entladestoßes steigt sie für ungefähr 0,2 bis 0,4 Sekunden auf ungefähr 60 V. Da die Spannung des Vbb-Anschlusses über die Durchschlags-Überschlagspannung der Überschlagsspannungsdiode D101 hinausgeht, wenn der Entladestoß auftritt, wird die Klemmfunktion aktiviert. Dies führt zu einer temporären Erhöhung der Gate-Spannung VGS, um den Ausgangs-MOS-Transistor M10 einzuschalten, um so den Ausgangsstrom IOUT und die Ausgangsspannung VOUT auszugeben. - Unter Berücksichtigung des Entladestoßes ist es notwendig, dass die Durchschlags-Überschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D101 nicht kleiner als 60 V, dem Entladestoß, ist. Dies ist deshalb der Fall, weil, wenn der Entladestoß auftritt, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor M10 im Aus-Zustand ist, die Klemmfunktion der dynamischen Klemmschaltung
101 aktiviert ist, was bewirkt, dass der Ausgangs-MOS-Transistor M10 infolge von Wärme zusammenbricht. Es ist auch notwendig, dass die Ausgangs-Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 nicht kleiner als die Durchschlags-Überschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D101 ist. - Beispielsweise ist die Durchschlags-Überschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D101 auf 70 V eingestellt, was gleich dem Entladestoß von 60 V plus einer Toleranzspannung von 10 V ist. In diesem Fall ist die Ausgangs-Überschlagsspannung des Aus gangs-MOS-Transistors M10 vorzugsweise 90 V mit einer Toleranzspannung von 20 V für eine Vorrichtungsabweichung.
- Da die Ausgangs-Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 und die Chipfläche proportional sind, wird die Chip-Fläche dieser Leistungs-IC, verglichen mit der Leistungs-IC, die keine dynamische Klemmschaltung
101 hat, größer. Das Größerwerden der Chip-Fläche verursacht höhere Kosten und eine größere Montagefläche. - In der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 11-32429 US 6 087 877 A entspricht, ist ein Niedrigseitenschalter mit einer dynamischen Klemmschaltung beschrieben. Hierbei wird der Betrieb/Nichtbetrieb der Klemmschaltung durch ein Klemmsteuersignal eines Schalttransistors mittels Aktivierung eines Timers entsprechend der Detektionssignalkante für das abfallende Ende des Transistorsteuersignals zum Steuern eines Ausgangstransistors in den Aus-Zustand geschaltet. Dabei ist der Zeitraum, in welchem die Klemmschaltung in Betrieb ist, vorgegeben und kann nicht variiert werden. - In der
JP 11-163698 A - Wie vorstehend beschrieben, hat die vorliegende Erfindung erkannt, dass herkömmliche integrierte Schaltungen, wie beispielsweise eine Leistungs-IC das Prob lem haben, dass das Platzieren der dynamischen Klemmschaltung die Chip-Fläche vergrößert, wodurch höhere Kosten und eine größere Montagefläche verursacht werden.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Schaltungen sind durch eine erfindungsgemäße integrierte Schaltung gemäß dem Patentanspruch 1 beseitigt. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung sind den Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden Zeichnungen im Einzelnen hervor, in welchen zeigt:
-
1 ein Blockschaltbild eines Systems mit einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung; -
2 ein Blockschaltbild einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung; -
3 ein Schaltbild einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung; -
4 einen Zeitplan einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung; -
5 einen Zeitplan einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung; -
6 ein Schaltbild einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung; -
7 ein Schaltbild einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung -
8 ein Schaltbild einer Leistungs-IC gemäß der Erfindung -
9 ein Blockschaltbild eines Bordnetzes; -
10 ein Schaltbild einer Leistungs-IC gemäß dem Stand der Technik; -
11 einen Zeitplan einer Leistungs-IC gemäß dem Stand der Technik; und -
12 einen Zeitplan einer Leistungs-IC gemäß dem Stand der Technik. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben. Für den Fachmann ist klar zu ersehen, dass viele alternative Ausführungsformen unter Verwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung realisiert werden können und dass die Erfindung nicht auf die allein zu erläuternden Zwecken dargestellten Ausführungsformen begrenzt ist.
- Erste Ausführungsform.
- Zunächst Bezug nehmend auf
1 wird die Konfiguration eine Systems mit einer Leistungs-IC gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Das System steuert den Strom, welcher in eine L-Last fließt. Es umfasst eine Leistungs-IC1 , einen Mikrocomputer2 und eine L-Last3 . Obwohl die Leistungs-IC1 und der Mikrocomputer2 bei diesem Beispiel jeweils eine integrierte Schaltung auf einem Chip sind, können sie auf einer gegebenen Anzahl von Chips implementiert sein. - Der Mikrocomputer
2 ist mit der Leistungs-IC1 verbunden, um Signale auszutauschen. Der Mikrocomputer2 überträgt ein Steuersignal auf die Leistungs-IC1 , das den Strom der L-Last3 steuert und empfängt von der Leistungs-IC1 ein diagnostisches Signal, das den Zustand der Leistungs-IC1 anzeigt usw. Der Mikrocomputer2 wird beispielsweise durch eine Energiequelle mit 5 V betrieben, und die Signalübertragung auf die Leistungs-IC1 oder der Empfang von derselben hat eine Größe von 5 V. - Die Leistungs-IC
1 ist mit dem Mikrocomputer2 und der L-Last3 verbunden. Die Leistungs-IC1 steuert den Strom, welcher in die L-Last3 fließt in Übereinstimmung mit dem Steuersignal vom Mikrocomputer2 . Die Leistungs-IC1 diagnostiziert auch die Zustände der Leistungs-IC1 und der L-Last3 und überträgt die Diagnosesignale auf den Mikrocomputer2 . Die Leistungs-IC1 wird durch eine Energiequelle von beispielsweise 12 V betrieben. - Ein Ende der L-Last
3 ist an die Leistungs-IC1 und das andere Ende ist an Masse angelegt. Die L-Last3 ist ein Betätigungselement usw., das von der Leistungs-IC1 einen Strom empfängt und den Strom in eine mechanische Bewegung umwandelt. Die L-Last3 ist eine Äquivalentschaltung aus Induktanz- und Widerstandskomponenten. - Dieses System kann auch in Fahrzeugen, Elektroheimgeräten, Robotern usw. verwendet werden. Das System ist so konfiguriert, dass es in der Ausschaltperiode eine Gegen-EMF erzeugt und in den anderen Perioden als der Ausschaltperiode eine Überspannung, wie beispielsweise einen Entladestoß, erzeugt.
- Als Nächstes Bezug nehmend auf
2 , wird die Konfiguration der Leistungs-IC gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Die Leistungs-IC1 ist ein Hochseitenschalter und hat einen Ausgangs-MOS-Transistor M0, eine Gegen-EMF-Schutzschaltung11 , eine Ladungspumpschaltung12 , eine Strombegrenzungsschaltung13 , eine Stromdetektorschaltung14 , eine Überhitzungsdetektorschaltung15 , eine Halteschaltung16 und eine Selbstdiagnoseschaltung17 . In der Leistungs-IC1 werden andere Schaltungen als der Ausgangs-MOS-Transistor M0 Steuerschaltungen genannt. Die Leistungs-IC1 muss nicht notwendigerweise diese Konfiguration haben, sie kann eine andere Konfiguration haben. Insbesondere können andere Teile als die in der später beschriebenen und in der3 dargestellten Schaltung beliebig sein. - Die Leistungs-IC
1 empfängt von dem Mikrocomputer2 über einen Eingangs-(IN)-Anschluss ein Steuersignal und überträgt ein Diagnosesignal über einen Diagnose-(DIAG)-Anschluss auf den Mikrocomputer2 . Ferner empfängt die Leistungs-IC1 von einer Batterie eine Versorgungsspannung usw. über einen Energieversorgungs-(Vbb)-Anschluss und gibt über einen Ausgangs-(OUT)-Anschluss einen Strom an die L-Last3 . Obwohl die Leistungs-IC1 einen Masse-(GND)-Anschluss hat, kann der GND-Anschluss weggelassen werden, da diese Ausführungsform nicht nur durch die Überwachung der Spannung vom GND, sondern auch der Spannung zwischen dem Gate und der Source des Ausgangs-MOS-Transistors M0 arbeitet. - Der Ausgangs-MOS-Transistor M0 ist ein Schalter (Hochseitenschaltelement) zum Steuern des Stromes, der in die L-Last
3 fließt. Er ist ein Vertikal-MOS-Transistor, der für einen Hochleistungsbetrieb geeignet ist. Der Ausgangs-MOS-Transistor M0 kann entwe der ein n-Kanal- oder ein p-Kanal-Transistor sein. Im Fall des Hochseitenschalters erlaubt die Verwendung einer p-Kanal-Vorrichtung eine einfachere Schaltung als bei einer N-Kanal-Vorrichtung. Bei der gleichen Kapazität erlaubt die N-Kanal-Vorrichtung eine kleinere Chip-Größe (ungefähr die Hälfte) als bei der P-Kanal-Vorrichtung; somit wird die N-Kanal-Bauart bevorzugt. Die Verwendung des N-Kanal-MOS-Transistors für den Hochseitenschalter bildet eine Sourcefolger-Konfiguration, bei der die Source-Spannung der Gate-Spannung folgt. - Der Ausgangs-MOS-Transistor M0 muss eine geeignete Widerstandskomponente (Ein-Widerstand) haben, um den Energieverbrauch beim Übertragen eines Stroms auf die L-Last
3 zu verringern. Die Verwendung des Ein-Widerstandes des MOS-Transistors erfordert, dass die Spannung zwischen dem Gate und der Source des Ausgangs-MOS-Transistors M0 hoch genug ist (beispielsweise 10 V). Somit wird die Spannung, die durch die Ladungspumpschaltung12 verstärkt wird, dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 zugeführt. - Die Gegen-EMF-Schutzschaltung
11 schützt den Ausgangs-MOS-Transistor M0 gegenüber einer Gegen-EMF, die in der Ausschaltperiode auftritt. Die Gegen-EMF-Schutzschaltung11 hat eine dynamische Klemmschaltung31 und eine Klemmsteuerschaltung32 , die später beschrieben werden. Sie führt nur in der Ausschaltperiode, wenn die Gegen-EMF auftritt, eine Klemmoperation durch. - Die Ladungspumpschaltung
12 gibt eine Spannung aus, die größer als eine Energieversorgungsspannung ist, welche als ein Steuerspannungsgenerator zum Erzeugen der Gate-Spannung (Steuerspannung) des Ausgangs-MOS-Transistors M0 dient. Die Ladungspumpschaltung12 gibt eine Spannung aus, die gemäß einem Steuersignal vom Mikrocomputer2 verstärkt ist. Wie vorstehend beschrieben, leitet die Ladungspumpschaltung12 eine verstärkte Spannung von 22 V zum Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0, um den Ein-Widerstand des MOS-Transistors zu verwenden, wenn die Batteriespannung beispielsweise 12 V ist. Die Ladungspumpschaltung12 ist beispielsweise durch einen Kondensator, eine Diode und einen Oszillator gebildet. - Die Strombegrenzungsschaltung
13 steuert den Strom, welcher in die L-Last3 fließt, wenn die L-Last3 mit der GND kurzgeschlossen ist. Die Stromdetektorschaltung14 detektiert den Strom, welcher höher als ein vorbestimmter Pegel ist, der in die L-Last3 fließt und gibt ein Detektionsergebnis an die Selbstdiagnoseschaltung17 . Die Überhitzungsdetektorschaltung15 detektiert, wenn die Temperatur der Leistungs-IC1 höher als ein vorbestimmtes Maß ist und gibt ein Detektionsergebnis über die Halteschaltung16 an die Selbstdiagnoseschaltung17 . Die Halteschaltung16 hält das Signal von der Überhitzungsdetektorschaltung15 usw. und gibt das Signal an die Selbstdiagnoseschaltung17 usw. aus. Die Selbstdiagnoseschaltung17 diagnostiziert die Zustände der L-Last3 und der Leistungs-IC1 , basierend auf den Signalen von der Stromdetektorschaltung14 und der Überhitzungsdetektorschaltung15 und gibt an den Mikrocomputer2 ein Diagnosesignal. - Bezug nehmend auf
3 wird die Schaltungskonfiguration der Leistungs-IC gemäß dieser Ausführungsform erläutert.3 veranschaulicht einen Teil der Leistungs-IC1 mit dem Ausgangs-MOS-Transistor M0, der Gegen-EMF-Schutzschaltung11 und der Ladungspumpschaltung12 der2 . - Die Leistungs-IC
1 hat den Ausgangs-MOS-Transistor M0, die dynamische Klemmschaltung31 , die Klemmsteuerschaltung32 , die Ladungspumpschaltung12 , einen Widerstand R3 und einen Gate-Entlade-MOS-Transistor N1. Die dynamische Klemmschaltung31 und die Klemmsteuerschaltung32 sind in der Gegen-EMF-Schutzschaltung11 der2 enthalten. Der Widerstand R3 und der Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 sind in der2 nicht dargestellt. - Die Ladungspumpschaltung
12 ist mit dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 über den Widerstand R3 verbunden. Die Ladungspumpschaltung12 schaltet die Ausgabe einer verstärkten Spannung gemäß dem Steuersignal S1 vom Mikrocomputer2 ein oder aus. - Das Drain des Gate-Entlade-MOS-Transistors N1 ist an einen Knoten zwischen der Ladungspumpschaltung
12 und dem Widerstand R3 angeschlossen. Das Gate des N1 empfängt ein Steuersignal S2, und die Source des N1 ist an den OUT-Anschluss angeschlossen. Der Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 wird gemäß dem Steuersignal S2 vom Mikrocomputer2 ein- oder ausgeschaltet. Wenn der Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 eingeschaltet ist, ist der Knoten zwischen Ladepumpschaltung12 und Widerstand R3 an den OUT-Anschluss angeschlossen. Der Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 ist ein N-Kanal-Horizontal-MOS-Transistor. - Die Klemmsteuerschaltung
32 hat einen Gate-Detektions-MOS-Transistor N2, einen Klemmschalt-MOS-Transistor P5 und einen Widerstand R4. Die Klemmsteuerschaltung32 aktiviert oder deaktiviert den Betrieb der dynamischen Klemmschaltung31 in Übereinstimmung mit der Gate-Spannung VGS des Ausgangs-MOS-Transistors M0. Die Klemmsteuerschaltung32 aktiviert die dynamische Klemmschaltung31 in der Abschaltperiode, wenn die Gegen-EMF auftritt und deaktiviert die Schaltung31 zu normalen Zeiten wie beispielsweise in der Aus-Periode und in der Ein-Periode. Das Drain des Gate-Detektions-MOS-Transistors N2 ist über den Widerstand R4 an den Vbb-Anschluss angeschlossen. Das Gate des N2 ist an das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 angeschlossen, und die Source des N2 ist an den OUT-Anschluss angeschlossen. Der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 wird gemäß der Gate-Spannung VGS des Ausgangs-MOS-Transistors M0 ein- oder ausgeschaltet. Wenn der Detektions-MOS-Transistor N2 eingeschaltet ist, ist der Widerstand R4 an den OUT-Anschluss angeschlossen. Der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 ist ein N-Kanal-Horizontal-MOS-Transistor. - Die Source des Klemmschalt-MOS-Transistors P5 ist mit dem Vbb-Anschluss verbunden. Das Gate des P5 ist mit dem Knoten zwischen dem Widerstand R4 und dem Drain des Gate-Detektions-MOS-Transistors N2 verbunden. Das Drain des P5 ist mit der dy namischen Klemmschaltung
31 verbunden. Der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 wird gemäß einer Spannung VR am Widerstand R4 ein- oder ausgeschaltet. Wenn der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 eingeschaltet ist, sind der Vbb-Anschluss und die dynamische Klemmschaltung31 verbunden, um die dynamische Klemmschaltung31 zu aktivieren, so dass der Klemmvorgang durchgeführt werden kann. Wenn andererseits der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 ausgeschaltet ist, sind der Vbb-Anschluss und die dynamische Klemmschaltung31 getrennt, um die dynamische Klemmschaltung31 zu deaktivieren, so dass der Klemmvorgang nicht durchgeführt werden kann. Der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 ist ein P-Kanal-Horizontal-MOS-Transistor. - Die dynamische Klemmschaltung
31 hat eine Überschlagsspannungsdiode D6 und eine den Rückstrom verhindernde Diode D7. Die Überschlagsspannungsdiode D6 ist eine Zener-Diode, und sie klemmt die Gegen-EMF in der Ausschaltperiode mit einer Durchschlags-Überschlagsspannung. Die den Rückstrom verhindernde Diode D7 verhindert den Rückstrom eines Stromes vom Gate zum Drain des Ausgangs-MOS-Transistors M0 infolge dessen, dass die durch die Ladungspumpschaltung12 verstärkte Spannung höher als die Energieversorgungsspannung des Vbb-Anschlusses ist. - Die Überschlagsspannungsdiode D6 und die den Rückstrom verhindernde Diode D7 sind in Reihe geschaltet, wobei ihre Anoden miteinander verbunden sind. Die Kathode der Überschlagsspannungsdiode D6 ist mit dem Drain des Klemmschalt-MOS-Transistors P5 verbunden. Die Kathode der den Rückstrom verhindernden Diode D7 ist mit dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 verbunden. Die Konfiguration der dynamischen Klemmschaltung
31 ist nicht auf dieses Beispiel begrenzt, und sie kann eine gegebene Anzahl von in Reihe geschalteten Dioden aufweisen. - Das Drain des Ausgangs-MOS-Transistors M0 ist mit dem Vbb-Anschluss verbunden. Das Gate des M0 ist über den Widerstand R3 mit der Ladungspumpschaltung
12 verbunden. Die Source des M0 ist mit der dem OUT-Anschluss verbunden. - Nunmehr Bezug nehmend auf den Zeitablaufplan gemäß
4 wird die Funktionsweise der Leistungs-IC gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Der Zeitablaufplan zeigt den Zustand jedes Signals, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor M0 vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand geschaltet wird und dann wieder ausgeschaltet wird. - Wie in dem Plan zu ersehen ist, ist das Steuersignal S1 auf dem niedrigen Pegel, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor M0 ausgeschaltet ist, und ist auf dem hohen Pegel, wenn der Transistor M0 eingeschaltet ist. Im Gegensatz hierzu ist das Steuersignal S2 auf dem hohen Pegel, wenn der Transistor M0 ausgeschaltet ist, und ist auf dem niedrigen Pegel, wenn der Transistor M0 eingeschaltet ist.
- Um den Ausgangs-MOS-Transistor M0 einzuschalten, wird das Steuersignal S1 auf den hohen Pegel gesetzt, und die Ladungspumpschaltung
12 beginnt dadurch, eine verstärkte Spannung auszugeben. Ferner wird das Steuersignal S2 auf den niedrigen Pegel gesetzt, um den Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 abzuschalten. Die verstärkte Spannung der Ladungspumpschaltung12 wird dadurch über den Widerstand R3 an das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 geleitet. Die Gate-Spannung VGS des Ausgangs-MOS-Transistors M0 steigt somit, um den Ausgangs-MOS-Transistor M0 einzuschalten. Der Ausgangsstrom IOUT fließt dadurch in die L-Last3 , und die Ausgangsspannung VOUT ist an diese angelegt. - Um den Ausgangs-MOS-Transistor M0 auszuschalten, wird das Steuersignal S1 auf den niedrigen Pegel gesetzt, und die Ladungspumpschaltung
12 stoppt dadurch die Ausgabe der verstärkten Spannung. Ferner wird das Steuersignal S2 auf den hohen Pegel gesetzt, um den Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 einzuschalten. Die Ladung des Gates des Ausgangs-MOS-Transistors M0 fließt dadurch über den Widerstand R3 und den Gate-Entlade-MOS-Transistor N1 in den OUT-Anschluss. Die Gate-Spannung VGS sinkt somit, um den Ausgangs-MOS-Transistor M0 auszuschalten. Dies stoppt die Ausgabe des Ausgangsstroms IOUT und der Ausgangsspannung VOUT. - Wenn der Ausgangs-MOS-Transistor M0 aus- oder eingeschaltet ist, besteht in der Gate-Spannung VGS und auch in der Gate-Source-Spannung des Gate-Detektions-MOS-Transistors N2 keine Differenz und der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 ist somit ausgeschaltet. Ferner tritt die Spannung VR nicht im Widerstand R4 auf, und somit ist der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 ausgeschaltet. Daher ist die dynamische Klemmschaltung
31 deaktiviert und die Klemmfunktion arbeitet nicht. - Wenn in der Einschaltperiode der Ausgangs-MOS-Transistor M0 von Aus auf Ein schaltet, tritt in der Gate-Spannung VGS eine Differenz auf, und der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 wird dadurch eingeschaltet. Die Spannung VR des Widerstandes R4 wird somit erhöht, um den Klemmschalt-MOS-Transistor P5 einzuschalten. Daher ist die dynamische Klemmschaltung
31 temporär aktiviert; da jedoch durch die L-Last3 infolge der Einschaltperiode keine Gegen-EMF auftritt, arbeitet die Klemmfunktion trotzdem nicht. - In der Ausschaltperiode des Ausgangs-MOS-Transistors M0 tritt in der Gate-Spannung VGS und auch in der Gate-Source-Spannung des Gate-Detektions-MOS-Transistors N2 eine Differenz auf, und der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 wird dadurch eingeschaltet. Somit steigt die Spannung VR des Widerstandes R4, um den Klemmschalt-MOS-Transistor P5 einzuschalten. Dies aktiviert die dynamische Klemmschaltung
31 . Durch die L-Last3 tritt die Gegen-EMF Vinv auf, und wenn sie auf die Durchschlags-Überschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D6 sinkt, erleidet die Überschlagsspannungsdiode D6 einen Lawinen-Durchbruch, und in das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 fließt ein Lawinen-Strom. Somit ist die Gegen-EMF Vinv durch die Durchschlags-Überschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D6 geklemmt. Auf diese Art und Weise aktiviert diese Ausführungsform die dynamische Klemmschaltung31 nur in der Ausschaltperiode. - Bezug nehmend auf den Zeitablaufplan gemäß
5 wird die Funktionsweise der Leistungs-IC gemäß dieser Ausführungsform erläutert, wenn ein Entladestoß auftritt. Der Zeitablaufplan zeigt den Zustand jedes Signals bei Auftreten eines Entladestoßes in der Ausschaltperiode des Ausgangs-MOS-Transistors M0. Obwohl die Spannung des Vbb-Anschlusses normalerweise gleich der Energieversorgungsspannung 12 V ist, steigt sie für 0,2 bis 0,4 Sekunden infolge des Entladestoßes auf 60 V an. Wie vorstehend beschrieben, erhöht sich die Spannung VR des Widerstandes R4 angesichts des Auftretens des Entladestromes nicht, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor M0 ausgeschaltet ist; somit bleibt die dynamische Klemmschaltung31 deaktiviert, und die Gate-Spannung VGS steigt nicht. Daher bleibt der Ausgangs-MOS-Transistor M0 ausgeschaltet und gibt weder den Ausgangsstrom IOUT noch die Ausgangsspannung VOUT aus. - Wenn andererseits der Entladestoß in der Einschaltperiode des Ausgangs-MOS-Transistors M0 auftritt, ist die dynamische Klemmschaltung
31 nicht aktiviert und die Entladestoßenergie wird durch den Ausgangs-MOS-Transistor M0 und die L-Last3 verbraucht. - Wenn beispielsweise der Widerstand der L-Last
3 10 Ω ist, ist der Ein-Widerstand des Ausgangs-MOS-Transistors M0 100 mΩ, und es wird der Entladestoß von 60 V angelegt, die Drain-Source-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0 ist 0,59 V (= 60 VO·100 mΩ/10.1 Ω), und die verbleibenden 59,41 V werden an die L-Last3 angelegt. Da der Widerstand der L-Last3 signifikant größer als der Ein-Widerstand des Ausgangs-MOS-Transistors M0 ist (in diesem Fall 100-fach größer), wird die Energie weitgehend in der L-Last3 verbraucht, was eine Zerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors M0 verhindert. Tabelle 1Stand der Technik vorliegende Ausführungsform Differenz Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS 90 V (= 70 + 10 + 10) 70 V (= 60 + 10) –20 V Durchschlagsspannung der Diode 70 V (= 60 + 10) 50 V (= 70 – 10 – 10) –20 V Fläche des Ausgangs-MOS 9 mm2 7 mm2 –2 mm2 Fläche der Steuerschaltung 1 mm2 1,01 mm2 (1 + 0,003 + 0,003 + 0,005 +0,01 mm2 Chipfläche 10 mm2 8,01 mm2 1,99 mm2 (–20%) - Die Tabelle 1 zeigt ein Beispiel der Berechnung der Chip-Flächen der Leistungs-ICs des Standes der Technik und dieser Ausführungsform. Die in der
10 gezeigte Leistungs-IC91 und die in der3 gezeigt Leistungs-IC1 sind hier verglichen. Der Stand der Technik erfordert, dass die ausgegebene Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 höher als die Durchschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D101 ist. Die Durchschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D101 ist ungefähr 70 V, was den Entladestoß von 60 V plus einer Grenzspannung 10 V enthält. Die ausgegebene Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10 beträgt ungefähr 90 V unter Berücksichtigung der Variation (±10 V) der Überschlagsspannungsdiode und der Variation (±10 V) der ausgegebenen Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M10. Bei diesem Beispiel beträgt die Vorrichtungsfläche des Ausgangs-MOS-Transistors M10 9 mm2, die Vorrichtungsfläche der Steuerschaltung außer dem Ausgangs-MOS-Transistor M10 1 mm und die Chip-Fläche der Leistungs-IC91 beträgt somit 10 mm2. - Andererseits erfordert diese Ausführungsform nur die Berücksichtigung der ausgegebenen Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0 über den Entladestoß. Somit ist die ausgegebene Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0 ungefähr 70 V, schließt den Entladestoß 60 V plus einer Grenzspannung 10 V ein, was 20 V niedriger als beim Stand der Technik ist. Die Durchschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode beträgt 50 V unter Berücksichtigung der Variation (±10 V) der Überschlagsspannungsdiode D6 und der Variation (±10 V) der ausgegebenen Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0, die ebenfalls 20 V niedriger als beim Stand der Technik ist. Da die ausgegebene Überschlagsspannung 20 V niedriger ist, beträgt die Vorrichtungsfläche des Ausgangs-MOS-Transistors M0 7 mm2, was 2 mm2 kleiner als beim Stand der Technik ist. Die Vorrichtungsfläche der Steuerschaltung beträgt 1,01 mm2, was um 0,01 mm2 größer als beim Stand der Technik ist, da die Vorrichtungen der Klemmsteuerschaltung
32 , welche den Widerstand R4 mit 0,003 mm2, den Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 mit 0,003 mm2 und den Klemmschalt-MOS-Transistor P5 mit 0,005 mm2 enthalten, zusätzlich vorgesehen sind. Die gesamte Chip-Fläche beträgt 8,01 mm2, was um 1,99 mm2 kleiner als die Chip-Fläche beim Stand der Technik ist. Die Chip-Größe ist somit um 20% reduziert. - Diese Ausführungsform aktiviert die dynamische Klemmschaltung
31 nur dann, wenn die Gate-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0 sich ändert. Somit arbeitet die dynamische Klemmschaltung31 nur, wenn eine Gegen-EMF auftritt, wie beispielsweise in der Ausschaltperiode. Die dynamische Klemmschaltung31 klemmt die Gegen-EMF in der Ausschaltperiode, verhindert dadurch wirksam eine Zerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors M0. Da die dynamische Klemmschaltung31 nicht in den anderen Perioden als der Ausschaltperiode arbeitet, wird die Energie, wie beispielsweise der Entladestoß durch den Ausgangs-MOS-Transistor M0 und die L-Last3 verbraucht. Dies ermöglicht, dass die ausgegebene Überschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0 ohne Berücksichtigung der Überschlagsspannung der Überschlagsspannungsdiode D6 der dynamischen Klemmschaltung31 gesetzt wird und die Überschlagsspannung des Aus gangs-MOS-Transistors M0 kann somit niedrig gesetzt sein. Dies ermöglicht eine Verminderung der Schaltungsfläche des Ausgangs-MOS-Transistors M0 und verhindert eine Vergrößerung der Chip-Fläche der Leistungs-IC, um Kosten und Montagefläche zu reduzieren. - Zweite Ausführungsform.
- Nunmehr Bezug nehmend auf
6 wird die Schaltungskonfiguration einer Leistungs-IC gemäß einer zweiten Ausführungsform erläutert. Wie in der3 veranschaulicht die6 den Teil der Schaltung, welcher den Ausgangs-MOS-Transistor M0, die Gegen-EMF-Schutzschaltung11 und die Ladungspumpschaltung12 der Leistungs-IC1 gemäß2 enthält. - Die Leistungs-IC
1 dieser Ausführungsform hat zwischen dem Widerstand R3 und dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 zusätzlich zu den in der3 gezeigten Elementen einen Widerstand R3'. Das Gate des Gate-Detektions-MOS-Transistors N2 ist mit einem Knoten zwischen dem Widerstand R3 und dem Widerstand R3' verbunden. - Bei dieser Ausführungsform bezieht sich der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 auf die Gate-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0, die am Widerstand R3' abfällt. Diese Konfiguration ermöglicht die gleiche Funktionsweise wie die Konfiguration gemäß
3 . - Dritte Ausführungsform.
- Bezug nehmend auf
7 wird die Schaltungskonfiguration einer Leistungs-IC gemäß einer dritten Ausführungsform erläutert. Wie in der3 veranschaulicht die7 den Teil der Schaltung, welcher den Ausgangs-MOS-Transistor M0, die Gegen-IMF-Schutzschaltung11 und die Ladungspumpschaltung12 der Leistungs-IC1 gemäß2 enthält. - Die Leistungs-IC
1 gemäß dieser Ausführungsform hat eine Konstantstromquelle I1 und eine Diode D8 zwischen dem Vbb-Anschluss und dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors M0 zusätzlich zu den in der3 gezeigten Elementen. Das Gate des Gate-Detektions-MOS-Transistors N2 ist mit einem Knoten zwischen der Konstantstromquelle I1 und der Diode D8 verbunden. - Bei dieser Ausführungsform bezieht sich der Gate-Detektions-MOS-Transistor N2 auf die Gate-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors M0, die durch die Diode D8 verstärkt wird. Diese Konfiguration hat ebenfalls die gleiche Funktionsweise wie die in der
3 gezeigte Konfiguration. - Vierte Ausführungsform.
- Bezug nehmend auf
8 wird die Schaltungskonfiguration einer Leistungs-IC gemäß einer vierten Ausführungsform erläutert. Wie in der3 veranschaulicht die8 den Teil der Schaltung, welche den Ausgangs-MOS-Transistor M0, die Gegen-IMF-Schutzschaltung11 und die Ladungspumpschaltung12 der Leistungs-IC1 gemäß2 enthält. - Bei der Leistungs-IC
1 gemäß dieser Ausführungsform ist der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 zwischen der Überschlagsspannungsdiode D6 und der den Rückstrom verhindernden Diode D7 platziert. - Bei dieser Ausführungsform bezieht sich der Klemmschalt-MOS-Transistor P5 auf die Gate-Source-Spannung, die an der Überschlagsspannungsdiode D6 abfällt. Diese Konfiguration erlaubt ebenfalls die gleiche Funktionsweise wie die Konfiguration gemäß
3 . - Andere Ausführungsformen.
- Bei den vorstehend erläuterten Leistungs-ICs bezieht sich die Klemmsteuerschaltung auf die Gate-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors, um den Betrieb der dynamischen Klemmschaltung zu steuern. Sie ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Beispielsweise kann die Klemmsteuerschaltung bei Ausschalten oder bei Auftreten einer Gegen-EMF ein Steuersignal empfangen, um den Betrieb der dynamischen Klemmschaltung zu steuern.
- Es ist klar zu ersehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen begrenzt ist, die ohne Abweichen vom Umfang und Geist der Erfindung modifiziert und geändert werden können.
Claims (7)
- Integrierte Schaltung mit: einem Ausgangstransistor (M0), dessen Drain an eine Energieversorgung (Vbb) und dessen Source an eine induktive Last (
3 ) angeschlossen ist; einem ersten Transistor (P5) und einer dynamischen Klemmschaltung (31 ), die zwischen die Energieversorgung und das Gate des Ausgangstransistors in Reihe geschaltet sind; und einem zweiten Transistor (N2), der zwischen die Energieversorgung und die induktive Last (3 ) geschaltet ist und den ersten Transistor in Abhängigkeit von der Gate-Spannung des Ausgangs-Transistors ein- oder ausschaltet, wobei das Gate des zweiten Transistors (N2) mit dem Gate des Ausgangs-Transistors (M0) verbunden ist, das Drain über einen ersten Widerstand (R4) mit der Energieversorgung (Vbb) verbunden ist und die Source mit der induktiven Last (3 ) verbunden ist und das Gate des ersten Transistors (P5) mit dem Drain des zweiten Transistors (N2) verbunden ist, die Source mit der Energieversorgung (Vbb) verbunden ist und das Drain mit der dynamischen Klemmschaltung (31 ) verbunden ist. - Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Gate des zweiten Transistors (N2) mit dem Gate des Ausgangstransistors (M0) über einen Widerstand (R3') verbunden ist.
- Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Gate des zweiten Transistors (N2) mit dem Gate des Ausgangstransistors (M0) über eine Diode (D8) verbunden ist.
- Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die dynamische Klemmschaltung aufweist: eine Klemmdiode (D6), welche eine Überspannung klemmt; und eine einen Rückstrom verhindernde Diode (D7), die mit der Klemmdiode in Reihe geschaltet ist und das Zurückfließen von Strom verhindert.
- Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, wobei der erste Transistor (P5) zwischen die Klemmdiode (D6) und die den Rückstrom verhindernde Diode (D7) geschaltet ist.
- Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Ausgangstransistor (M0) ein N-Kanal-Metalloxidhalbleiter-MOS-Transistor ist.
- Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Ausgangstransistor (M0) ein vertikaler Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Transistor ist.
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