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Die
vorliegende Erfindung betrifft Leistungs-Halbleitervorrichtungen
und insbesondere eine Vorrichtung mit einem Strombegrenzer eines
Ausgangstransistors.
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Eine
Leistungs-Halbleitervorrichtung hat eine Eingangsschaltung, einen
Ausgangs-Metalloxid-Halbleiter-(MOS)-Transistor,
eine Ausgangs-MOS-Transistorsteuerschaltung usw. Der Leistungs-Ausgangs-MOS-Transistor
erwärmt
sich, wenn ein hoher Strom fließt
und die Energie steigt. Somit verursacht ein Überstrom eine thermische Zerstörung des
Ausgangs-MOS-Transistors.
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Um
den Thermodurchbruch zu vermeiden, haben einige Ausgangs-MOS-Transistorsteuerschaltungen
einen Strombegrenzer. Der Strombegrenzer überwacht den Strom des Ausgangs-MOS-Transistors
und steuert die Gatespannung, um den Ausgangsstrom zu begrenzen.
Der Strombegrenzer verhindert dadurch die Selbstzerstörung des
Ausgangs-MOS-Transistors
infolge von hoher Energie.
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Da
eine höhere
Drain-Source-Spannung in dem Ausgangs-MOS-Transistor eine höhere Energie verursacht,
ist es notwendig, einen Stromgrenzwert zu reduzieren, wenn die Drain-Source-Spannung steigt.
Somit ist eine Entwicklung eines Strombegrenzers erforderlich gewesen,
der eine Stromsteuerung proportional zur Drain-Source-Spannung ermöglicht.
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Die 6 und 7 veranschaulichen Beispiele von Strombegrenzern.
In der 7 bezeichnen
die gleichen Bezugssymbole wie in der 6 die
gleichen Elemente und eine überflüssige Erläuterung wird
weggelassen. Der Strombegrenzer hat einen Nch-Sourcefolger, in welchem
ein Ausgangs-MOS-Transistor 64 und eine Last 68 zwischen eine
erste Energieversorgung 61 und eine zweite Energieversorgung 62 in
Reihe geschaltet sind. Ein Ausgangsanschluss 69 ist mit
einem Verbindungsknoten von Ausgangs-MOS-Transistor 64 und
der Last 68 verbunden. Der Ausgangs-MOS-Transistor 64 wird
gemäß einem
Steuersignal 63, das an seinem Gateanschluss eingegeben
wird, ein- oder ausgeschaltet.
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Der
Strombegrenzer hat auch einen Stromdetektions-MOS-Transistor 65.
Zwischen dem Stromdetektions-MOS-Transistor 65 und dem
Ausgangs-MOS-Transistor 64 besteht ein gegebenes Verhältnis. Mit
diesem Stromverhältnis überwacht der
Stromdetektions-MOS-Transistor 65 den
Strom des Ausgangs-MOS-Transistors 64. Ein Steuerwiderstand 67 oder
ein Steuer-MOS-Transistor 611, dessen Drain und Gate kurzgeschlossen
sind, ist zwischen die Source des Stromdetektions-MOS-Transistors 65 und
den Ausgangsanschluss 69 geschaltet.
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Zwischen
den Knoten A und den Ausgangsanschluss 69 ist ein Schutz-MOS-Transistor 66 geschaltet.
Das Gate des Schutz-MOS-Transistors 66 ist mit der Source
des Stromdetektions-MOS-Transistors 65 verbunden.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Schaltung erläutert. Wenn
der Ausgangs-MOS-Transistor 64 eingeschaltet
ist, ist die Funktionsweise wie folgt. Das Steuersignal 63 ist
durch einen Spannungsverstärker
höher als
die erste Energieversorgungsspannung gesetzt, um den einen Widerstand des
Ausgangs-MOS-Transistors 64 zu verringern. Wenn die Spannung
am Knoten A höher
als die Spannung der ersten Energieversorgung 61 ist und die
Drain-Source-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors 64 hoch
ist, dann steigt der Drainstrom des Ausgangs-MOS-Transistors 64.
Zu diesem Zeitpunkt fließt
ein Strom proportional zum Drainstrom in den Stromdetektions-MOS-Transistor 65.
Somit ist die Spannung des Steuerwiderstandes 67 oder die
Drain-Source-Spannung des Steuer-MOS-Transistors 611 die Gatespannung
des Schutz-MOS-Transistors 66. Der Strom fließt dabei durch
den Schutz-MOS-Transistor 66, um die Spannung am Gate des
Ausgangs-MOS-Transistors 64 oder
am Knoten A zu verringern. Da die Spannung am Knoten A sinkt, sinkt
der Strom des Ausgangs-MOS-Transistors 64 dementsprechend.
Auf diese Art und Weise arbeiten die Schaltungen gemäß den 6 und 7 als ein Strombegrenzer. Diese Art der
Technik ist in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 02-226808 offenbart.
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Wenn
die Drain-Source-Spannung des Leistungs-Ausgangs-MOS-Transistors
steigt, steigt die Energie des Ausgangs-MOS-Transistors entsprechend,
was daraus folgend die Selbstzerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors
verursachen kann. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, die Gatespannung
des Ausgangs-MOS-Transistors zu verringern, um den Ausgangsstrom
zu begrenzen. Das ledigliche Verringern des Ausgangsstroms führt jedoch
zu einer Verringerung des erzielten Ausgangsstroms, behindert das
zufrieden stellende Funktionieren des Leistungs-Ausgangs-MOS-Transistors.
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Um
einen maximalen Ausgangsstrom ohne Zerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors
zu erzielen, ist es vorzuziehen, den Stromgrenzwert zu erhöhen, wenn
die Drain-Source-Spannung
des Ausgangs-MOS-Transistors niedrig ist und den Stromgrenzwert
zu senken, wenn die Spannung hoch ist. Somit ist ein Strombegrenzer
erforderlich, der den Strom in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung
steuert.
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Das
Verhältnis
des Stromes, der durch den Ausgangs-MOS-Transistor 64 und
den Stromdetektions-MOS-Transistor 65 fließt, ist
konstant. Da jedoch die Sourcespannung des Stromdetektions-MOS-Transistors 65,
um genau zu sein, steigt, wenn der Strom des Ausgangs-MOS-Transistors 64 steigt,
wird die Drain-Source-Spannung des Stromdetektions-MOS-Transistors 65 mit
Bezug auf die Drain-Source-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors 64 kleiner.
Wenn somit die Drain-Source-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors 64 steigt,
sinkt der Strom, welcher durch den Stromdetektions-MOS-Transistor 65 fließt entsprechend,
wodurch der Strom reduziert wird, der in den Schutz-MOS-Transistor 66 fließt.
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Dies
führt zu
einem Ansteigen der Spannung in dem Eingangsanschluss 63,
was den Stromgrenzwert reduziert. Die Stromcharakteristik des Ausgangs-MOS-Transistors 64 mit
Bezug auf die Spannung zwischen der ersten Energieversorgung 61 und dem
Ausgangsanschluss 69 ist in 8 gezeigt. Wenn
die Spannung zwischen Drain und Source des Ausgangs-MOS-Transistors 64 steigt,
steigt die Energie in dem Ausgangs-MOS-Transistor 64. Somit verusacht
ein hoher Begrenzungsstrom die Zerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors 64.
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Daher
ist es vorzuziehen, den Stromgrenzwert zu verringern, wenn die Drain-Source-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors 64 steigt. 9 zeigt
eine begrenzende Stromsignalform für den Fall, dass eine graduelle
Steuerung und dergleichen verwendet wird. Diese Technik erfordert
jedoch eine Schaltung großer
Größe und erzielt
keine glatte Signalform des Begrenzungsstroms.
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Ein
Strombegrenzer eines Ausgangstransistors gemäß einem Aspekt der Erfindung
ist wie folgt. Ein Strombegrenzer eines Ausgangstransistors hat einen
Ausgangstransistor, einen Stromdetektionstransistor, der einen Strom,
welcher durch den Ausgangstransistor fließt, überwacht, eine Stromspiegelschaltung,
einen Schutztransistor, der einen Strom ausgibt, welcher die Stromspiegelschaltung
passiert hat, wobei der Strom proportional zu dem überwachten
Strom und abhängig
von einer Spannung zwischen einem Drain und einer Source oder zwischen einem
Kollektor und einem Emitter des Ausgangstransistors ist, und einen
Eingangsanschluss, der an einen Ausgang des Schutztransistors angeschlossen ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann der vorstehende Strombegrenzer eines Ausgangstransistors
wie folgt sein. Der Ausgangstransistor ist mit einer Last in Reihe
geschaltet. Das Gate oder die Basis des Ausgangstransistors ist
an den Eingangsanschluss angeschlossen. Ein Verbindungsknoten zwischen
dem Ausgangstransistor und der Last ist an einen Ausgangsanschluss
angeschlossen. Das Gate oder die Basis und der Drain oder der Kollektor
des Stromdetektionstransistors sind jeweils mit dem Ausgangstransistor
verbunden. Ein Steuerelement ist zwischen die Source oder den Emitter
des Stromdetektionstransistors und den Ausgangsanschluss geschaltet.
Die in dem Steuerelement erzeugte Spannung oder der Strom fließt durch
die Stromspiegelschaltung in den Schutztransistor, der zwischen
den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Ausgangstransistors
geschaltet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann in dem vorstehenden Strombegrenzer die Stromspiegelschaltung
zwischen eine erste Energieversorgung und einen Ausgangsanschluss
geschaltet sein. Der Drain oder Kollektor des Ausgangstransistors
kann mit der ersten Energieversorgung verbunden sein und die Source
oder der Emitter des Ausgangstransistors kann mit dem Ausgangsanschluss
verbunden sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann in dem vorstehenden Strombegrenzer das Steuerelement ein
Widerstand sein. Alternativ kann das Steuerelement ein Metalloxid-Halbleiter-Transistor sein,
dessen Drain und Gate kurzgeschlossen sind, oder ein Bipolartransistor
sein, dessen Kollektor und Basis kurzgeschlossen sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann der vorstehende Strombegrenzer eines Ausgangstransistors
wie folgt sein. Ein erster Transistor und ein zweiter Transistor
bilden eine Stromspiegelstruktur. Ein vierter Transistor ist zwischen
den Drain oder den Kollektor des zweiten Transistors und dem Ausgangsanschluss
geschaltet. Der vierte Transistor und der Schutztransistor bilden
eine Stromspiegelstruktur. Ein dritter Transistor ist zwischen den
Drain oder den Kollektor des ersten Transistors und den Ausgangsanschluss
geschaltet. Eine Spannung des Steuerelementes wird dem Gate oder
der Basis des dritten Transistors zugeführt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann der vorstehende Strombegrenzer eines Ausgangstransistors
wie folgt sein. Ein erster Transistor und ein zweiter Transistor
bilden eine Stromspiegelstruktur. Ein vierter Transistor ist zwischen
den Drain oder Kollektor des zweiten Transistors und den Ausgangsanschluss
geschaltet. Der vierte Transistor und der Schutztransistor bilden
eine Stromspiegelstruktur. Ein dritter Transistor ist zwischen den
Drain oder den Kollektor des ersten Transistors und den Ausgangsanschluss
geschaltet. Eine Spannung zwischen dem Drain und der Source oder
zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Steuerelementes wird
dem Gate oder der Basis des dritten Transistors zugeführt. Der
dritte Transistor und das Steuerelement bilden eine Stromspiegelstruktur.
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Die
vorliegende Erfindung platziert eine Stromspiegelschaltung zwischen
einer Stromdetektorschaltung und einem Schutztransistor, wodurch ein
maximaler Ausgangsstrom erzielt wird, während gleichzeitig die thermische
Zerstörung
eines Ausgangs-MOS-Transistors verhindert wird.
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Diese
und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden Zeichnungen
im Einzelnen hervor, in welchen zeigt:
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1 ein
Schaltbild eines Strombegrenzers gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein
Schaltbild eines Strombegrenzers gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ein
Schaltbild eines Strombegrenzers gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
grafische Darstellung der Stromcharakteristik eines Ausgangs-MOS-Transistors mit Bezug
auf die Spannung zwischen einer ersten Energieversorgung und einem
Ausgangsanschluss;
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5 eine
grafische Darstellung der VDS-ID-Charakteristik eines MOS-Transistors;
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6 ein
Schaltbild eines Strombegrenzers gemäß einem Stand der Technik;
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7 ein
Schaltbild eines Strombegrenzers gemäß einem weiteren Stand der
Technik;
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8 eine
grafische Darstellung der Stromcharakteristik eines Ausgangs-MOS-Transistors, bezogen
auf die Spannung zwischen einer ersten Energieversorgung und einem
Ausgangsanschluss in den Strombegrenzern gemäß den 6 und 7;
und
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9 eine
grafische Darstellung der Signalform eines begrenzenden Stroms mit
gradueller Steuerung in einem Strombegrenzer gemäß einem Stand der Technik.
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Die
Erfindung wird nun anhand von veranschaulichenden Ausführungsformen
beschrieben. Für
den Fachmann ist klar zu ersehen, dass viele alternative Ausführungsformen
realisiert werden können,
die die Lehre der vorliegenden Erfindung verwenden und dass die
Erfindung nicht auf die Ausführungsformen
begrenzt ist, welche nur zu erläuternden
Zwecken dargestellt sind.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden im Einzelnen unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen erläutert.
Zunächst,
bezugnehmend auf die 1 und 2, haben
die Strombegrenzer einen Nch-Sourcefolger, in welchem ein Ausgangs-MOS-Transistor 4 und
eine Last 8 zwischen einer ersten Energieversorgung 1 und
einer zweiten Energieversorgung 2 in Reihe geschaltet sind.
Ein Ausgangsanschluss 9 ist mit dem Verbindungsknoten zwischen
dem Ausgangs-MOS-Transistor 4 und der Last 8 verbunden.
Der Ausgangs-MOS-Transistor 4 wird
gemäß einem
ersten Steuersignal 3, das am Gateanschluss eingegeben
wird, ein- oder ausgeschaltet. Die Strombegrenzer haben auch einen Stromdetektions-MOS-Transistor 5.
Zwischen dem Stromdetektions-MOS-Transistor 5 und dem Ausgangs-MOS-Transistor 4 besteht
ein vorgegebenes Verhältnis.
Mittels dieses Stromverhältnisses überwacht
der Stromdetektions-MOS-Transistor 5 den Strom des Ausgangs-MOS-Transistors 4.
Der Strombegrenzer gemäß 1 hat
einen Steuerwiderstand 7 zwischen der Source des Stromdetektions-MOS-Transistors 5 und
dem Ausgangsanschluss 9. Der Strombegrenzer gemäß 2 ersetzt den
Steuerwiderstand 7 durch einen Steuer-MOS-Transistor 11, dessen Drain
und Source kurzgeschlossen sind. Die Strombegrenzer haben ferner
einen Schutz-MOS-Transistor 6, der zwischen den Knoten
A und den Ausgangsanschluss 9 geschaltet ist.
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Die
Strombegrenzer haben eine mehrstufige Stromspiegelschaltung 10.
Die MOS-Transistoren
P2 und P1 bilden eine Stromspiegelstruktur. Ein MOS-Transistor N2
ist zwischen den Drain des MOS-Transistors P2 und den Ausgangsanschluss 9 geschaltet.
Der MOS-Transistor N2 und der Schutz-MOS-Transistor 6 bilden
eine Stromspiegelstruktur. Ein MOS-Transistor N1 ist zwischen den Drain
des MOS-Transistors P1 und den Ausgangsanschluss 9 geschaltet.
In dem Strombegrenzer gemäß 1 erhält das Gate
des MOS-Transistors N1 die Spannung des Steuerwiderstandes 7.
In dem Strombegrenzer gemäß 2 erhält das Gate
des MOS-Transistors N1 die Drain-Source-Spannung des Steuer-MOS-Transistors 11.
In diesem Fall bilden der MOS-Transistor N1 und der Steuer-MOS-Transistor 11 eine
Stromspiegelstruktur.
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Im
Folgenden wird die Schaltungsstruktur dieser Ausführungsform
erläutert.
Die Schaltung dieser Ausführungsform
unterscheidet sich von den herkömmlichen
Schaltungen da durch, dass sie die mehrstufige Stromspiegelschaltung 10 enthält. Die anderen
Elemente sind die gleichen wie bei den herkömmlichen Techniken.
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Die
mehrstufige Stromspiegelschaltung 10 ist wie folgt. Das
Gate des MOS-Transistors N1 erhält ein
Ausgangssignal vom Steuerwiderstand 7 oder dem Steuer-MOS-Transistor 11.
Die MOS-Transistoren P1 und P2 bilden eine Stromspiegelstruktur.
Der Strom durch den MOS-Transistor P2 wird dem MOS-Transistor N2
und dem Schutz-MOS-Transistor 6 zugeführt, die ebenfalls eine Stromspiegelschaltung
bilden. Der Strom durch die MOS-Transistoren P1,
P2, N1 und N2 steigt, wenn die Spannung zwischen der ersten Energieversorgung
und dem Ausgangsanschluss 9, welche die Drain-Source-Spannung
des Ausgangs-MOS-Transistors 4 ist, durch den Effekt der
Kanallängenmodulation
steigt. Der Strom des Schutz-MOS-Transistors 6 steigt dabei dementsprechend,
wodurch die Gatespannung des Ausgangs-MOS-Transistors 4 verringert
wird. Es ist somit möglich,
den Strom durch den Ausgangs-MOS-Transistor 4 so zu begrenzen,
dass er die in der Signalform "a" in 4 gezeigten
Charakteristika hat.
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Dies
zeigt, dass der Drainstrom durch den Schutz-MOS-Transistor 6 mit
Bezug auf den Drainstrom durch den Stromdetektions-MOS-Transistor 5 in Übereinstimmung
mit der Drain-Source-Spannung des Ausgangs-MOS-Transistors 4 steigt,
indem er die Stromspiegelschaltung passiert. Der gleiche Effekt
kann erzielt werden, wenn die Stromspiegelschaltung keine mehrstufige
Struktur hat.
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Die
Signalform "d" in 5 ist
die Signalform bei der Kanallängenmodulation.
Die Signalform "c" in 5 zeigt
die ideale VD-ID-Charakteristik des MOS-Transistors. In der Praxis
steigt jedoch durch die Kanallängenmodulation,
ID, wenn VD steigt, wie bei der Signalform "d" gezeigt.
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Die
Erhöhung
der Anzahl der Stromspiegel erlaubt, wie in der 3 gezeigt,
ein weiteres Ansteigen der Abhängigkeit
von der Spannung zwischen der ersten Energieversorgung 1 und
dem Ausgangsanschluss 9. Dies senkt weiter den Grenzwert,
so dass dieser die in der 4 gezeigte
Charakteristik der Signalform "b" hat.
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Obwohl
die vorstehende Ausführungsform den
Fall erläutert,
bei dem MOS-Transistoren verwendet werden, ist es möglich, stattdessen
Bipolartransistoren zu verwenden, um eine ähnliche Schaltung zu bilden.
Es ist auch möglich,
sowohl MOS-Transistoren als auch Bipolartransistor zu verwenden.
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Es
ist klar zu ersehen, dass die vorliegende Erfindung nicht durch
die vorstehende Ausführungsform
begrenzt ist, die ohne Abweichen vom Umfang und Geist der Erfindung
modifiziert und geändert werden
kann.