DE102005037409A1 - Start-Up Schalter um einer Anwendungsschaltung eine Start-Up Spannung zur Verfügung zu stellen - Google Patents

Start-Up Schalter um einer Anwendungsschaltung eine Start-Up Spannung zur Verfügung zu stellen Download PDF

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Abstract

Eine Start-up-Schaltung zur Bereitstellung einer Start-up-Spannung von einer Hochspannungs-DC-Busspannung an eine Anwendungs-Schaltung enthält eine integrierte Schaltungseinheit für mindestens eine Steuerschaltung zum Ansteuern mindestens eines Leistungsschalters der Anwendungs-Schaltung; einen Vorschaltwiderstand in der integrierten Schaltungseinheit mit einem ersten Anschluss zum Koppeln an den Hochspannungs-DC-Bus und zum Reduzieren der Hochspannungs-DC-Busspannung auf einen reduzierten Spannungspegel an einem zweiten Anschluss; ferner enthaltend einen Niederspannungsregulator in der Einheit, der an den zweiten Anschluss gekoppelt ist zum Liefern einer Start-up regulierten Niederspannungs-DC-Ausgabe mit einem voreingestellten Pegel, um mindestens einen Teil der Anwendungs-Schaltung während der Inbetriebnahme der Anwendungs-Schaltung zu liefern. Die Anwendungs-Schaltung kann beispielsweise ein getaktetes Netzteil sein.

Description

  • QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Gewinn und die Priorität der US Provisional Application 60/600,046, eingereicht am 9. August 2004 mit dem Titel „Start-up Resistor for High Voltage Switching Regulator", deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hiermit aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Start-up Schaltung zum Liefern einer Start-up Spannung von einem Hochspannungs-DC-Bus an eine Hochspannungs-Anwendungs-Schaltung, wobei die Anwendungs-Schaltung beispielsweise eine Schaltregulatorschaltung enthält, die an einen Hochspannungs-DC-Bus gekoppelt ist.
  • In der Vergangenheit sind Start-up Schaltungen, die externe Widerstände enthalten, für Anwendungs-Schaltungen verwendet worden, wobei die Anwendungs-Schaltung eine integrierte Schaltung enthält. Es ist wünschenswert in der Lage zu sein, den externen Widerstand wegzulassen. In der Vergangenheit war dies jedoch aufgrund der hohen Spannung schwierig. Ferner ist es wünschenswert, eine Start-up Schaltung zu schaffen, die eine automatische Abschaltungsfähigkeit aufweist, welche die Start-up Schaltung abschaltet, wenn das Spannungsregulatorausgangssignal erfasst wird, also wenn das Spannungsregulatorausgangssignal durch die Spannungsregulatorschaltung erzeugt wird. In dieser Weise wird die maximale Leistungsableitung auf ein kleines Zeitintervall während der Inbetriebnahme begrenzt.
  • Ferner ist es wünschenswert in der Lage zu sein, einen Überstromschutz zu schaffen, der die Leistungsableitung in der Start-up Schaltung im Falle einer Ausgangskurzschluß- oder Überlastbedingung begrenzt.
  • Wie oben beschrieben wurden in der Vergangenheit derartige Start-up Mittel geschaffen durch einen externen Widerstand, der die Kosten erhöht, und der ferner keine automatische Abschaltfähigkeit oder einen Überstromschutz aufweist.
  • Der Hauptzweck dieser Schaltung ist die Versorgung eines Schaltspannungsregulators mit Energie bei der Inbetriebnahme von einem Hochspannungs-DC-Bus, bevor der Regulator selbst versorgen kann. Eine typische DC-Busspannung kann beispielsweise ungefähr 600 Volt betragen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung liefert eine Anzahl von Vorteilen. Ein Vorschaltwiderstand ist in die integrierte Schaltungseinheit integriert für die Steuerung der Anwendungs-Schaltung, beispielsweise ein Schaltregulator oder die Steuerungs- und Treiberschaltung einer Schaltregulatorausgangsschaltung.
  • Darüber hinaus ist eine automatische Abschaltfähigkeit geschaffen, welche die Schaltung abschaltet, wenn das Spannungsregulatorausgangssignal geliefert wird. In dieser Weise wird die maximale Leistungsableitung auf ein kleines Zeitintervall während der Inbetriebnahme beschränkt.
  • Darüber hinaus wird eine Überstromschutzschaltung geschaffen, die die Leistungsableitung in der Schaltung bei einer Ausgangskurzschluss- oder Überlastbedingung beschränkt.
  • Gemäß der Erfindung werden die oben genannten Aufgaben durch eine Start-up Schaltung gelöst zum Bereitstellen einer Start-up Spannung von einer Hochspannungs-DC-Busspannung an eine Anwendungs-Schaltung, enthaltend eine integrierte Schaltungseinheit für mindestens eine Steuerschaltung zum Ansteuern mindestens eines Leistungsschalters der Anwendungsschaltung; einen Vorschaltwiderstand in der integrierten Schaltungseinheit mit einem ersten Anschluss zum Koppeln an den Hochspannungs-DC-Bus und zum Senken der Hochspannungs-DC-Busspannung auf einen reduzierten Spannungspegel an einem zweiten Anschluss; ferner enthaltend einen Niederspannungsregulator in der Einheit, der an den zweiten Anschluss gekoppelt ist zum Liefern einer regulierten Start-up Niederspannungs-DC-Ausgabe mit einem voreingestellten Pegel, um mindestens einen Teil der Anwendungs-Schaltung während der Inbetriebnahme der Anwendungs-Schaltung mit Energie zu versorgen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG(EN)
  • Die Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Folgenden detaillierter beschrieben, wobei 1 die Start-up Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung offensichtlich.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunsgbeispiele der Erfindung
  • 1 zeigt die Start-up Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Start-up Schaltung enthält beispielsweise eine NMOS Start-up Schaltung, die die Hoch- und Niederspannungsteile der Schaltung zeigt. Der Hochspannungsabschnitt ist in einer Hochspannungswanne HW enthalten. Die Grenze der Hochspannungswanne HW hat einen Polysiliziumwiderstand (Spiral R), der ein spiralförmig geformter Polyresistor sein kann, der verwendet wird, um das elektrische Feld zu formen. Ein Anschluss des Polyresistors liegt in der Hochspannungswanne und ist mit der Hochspannungs-DC-Bus VB verbunden. Der andere Anschluss liegt auf der Niederspannungsseite und mit dem Gate des Hochspannungs-NMOS Q1 verbunden. Der Wert der Widerstandsspirale R liegt bei einigen 10 Megaohm. Er dient zum Einschalten des Hochspannungstransistors Q1.
  • Wie in 1 gezeigt, wird die Anwendungs-Schaltung 10 mit einer Spannung von dem Hochspannungs-Bus versorgt. Die Anwendungs-Schaltung kann ein getaktetes Netzteil oder der Steuerungs- und Antriebsbereich für die Ausgangsstufe 12 einer SMPS (Switching Mode Power Supply) sein, wie beispielhaft als eine synchrone Abwärtswandler-Ausgangsstufe gezeigt, obwohl die SMPS irgendein anderer Typ von SMPS sein kann, beispielsweise ein Aufwärtswandler, ein Back-Boost, Flyback-Forward-Converter, etc. Gemäß der Erfindung ist die Anwendungs-Schaltung 10 typischerweise in einer quadratischen Einheit (IC-Baugruppe) als die Start-up Schaltung enthalten. Bevor die Anwendungs-Schaltung, die einen Schaltregulator enthalten kann, selbst die Verwendung der Ausgangsspannung VO regulieren kann, wird sie durch die Start-up Schaltung mit der Start-up Spannung VCC versorgt. Sobald die Anwendungs-Schaltung damit beginnt die regulierte Ausgangsspannung zu liefern, die Start-up Hochspannungsschaltung abgeschalten.
  • Die gezeigte Start-up Schaltung kann auch verwendet werden als eine Niederstromenergieversorgung X für Schaltkreise, beispielsweise Komparatoren, die beispielsweise einen geringen Strom ziehen, beispielsweise 10 bis 99 Mikroampere bei ungefähr 12 Volt. Der VCC Punkt wird durch den Strom, der in dem Zweig minder Zehnerdiode fließt, beispielhaft als zwei Zehnerdioden Z1 und Z2 gezeigt, bei ungefähr 12 Volt gemäß dem Ausführungsbeispiel gehalten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat jede Zehnerdiode eine Lawinendurchbruchsspannung von 5 Volt für insgesamt 10 Volt Lawinendurchbruchsspannung. Der Spannungsabfall über diesen Zehnerdioden plus der Spannungsabfall über dem Widerstand R3 ergibt VCC. Dies ergibt ungefähr 10 Volt plus die Schwellenwertspannung von Q2 (ungefähr 1,5 Volt) für VCC.
  • Diese Start-up Schaltung reguliert VCC über einen Rückführungsmechanismus folgendermaßen. Wenn die Spannung bei VCC aus irgendeinem Grund über ihren stabilen Zustandswert ansteigt, steigt die Spannung über R3, wodurch Q2 schwer eingeschaltet wird, was dann die Gateknotenspannung von Q1 dazu veranlasst, abzunehmen. Diese Abnahme der Gatespannung reduziert den Drainstrom von Q1, der dann die Rückführungsschleife schließt, indem eine Reduzierung der Spannung von VCC veranlasst wird, die anfänglich zugenommen hat. Die umgekehrte Situation ergibt sich, wenn die Änderung von VCC entgegengesetzt ist, also wenn VCC abnimmt.
  • Bei dem gewünschten Betrieb wird die Ausgangsspannung an dem Punkt, der mit VCC gekennzeichnet ist, genommen. Wie oben erwähnt, liegt die Ausgangsspannung bei ungefähr 12 Volt gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel. Diese Spannung wird nur vorübergehend benötigt, während die Anwendungs-Schaltung in Betrieb genommen wird. Sobald die Anwendungs-Schaltung in Betrieb genommen ist, ist es wünschenswert, die Start-up Schaltung abzuschalten, um Energie zu sparen. Nach dem Versorgen und Hochfahren der Anwendungs-Schaltung, beispielsweise ein getaktetes Netzteil, erfasst Q2 die Energieversorgungsausgabe bei VCC und liefert die Abschaltfunktion der Schaltung, indem die Spannung über R3 erfasst wird. Die größere Spannung bei VCC und folglich über R3 schaltet Q2 mehr ein (VT ungefähr 1,5 Volt) und reduziert die Gateansteuerung des liefernden Transistors Q1. Nach dem Abschalten hat die symmetrische Vorrichtung Q3 ihren Drainanschluss mit Masse verbunden und ihren Gate/Source-Anschluss an VCC. Dies verursacht Q3 zum Einschalten mit vertauschtem Source und Drain. R1 in der vertauschten Sourceschaltung von Q3 begrenzt dann die Leistungsableitung während des Abschaltvorgangs.
  • Die Schaltung liefert auch einen Kurzschlussschutz. Wenn VCC kurzgeschlossen oder überlastet wird, werden all diejenigen Teile der Schaltung unterhalb des VCC Punktes eliminiert, und der Source-Anschluss von Q1 würde mit Masse über den Widerstand R2 verbunden werden, der beispielsweise 20 Kiloohm sein kann. Dies erzeugt zu viel Leistungsableitung von VB ohne Strombegrenzung. In diesem Fall erfasst Q3 einen größeren Spannungsabfall über R2 in dem Kurzschlussbetrieb und schaltet sich ein, wodurch die Gatespannung von Q1 reduziert wird, was den Maximumstrom begrenzt.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, können viele andere Variationen und Modifikationen vorgenommen werden und andere Verwendungen sind für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich. Folglich soll die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle hier gegebene Offenbarung beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.

Claims (20)

  1. Start-up Schaltung zum Bereitstellen einer Start-up Spannung von einer Hochspannungs-DC-Busspannung an eine Anwendungs-Schaltung, enthaltend: eine integrierte Schaltungseinheit für mindestens eine Steuerschaltung zum Ansteuern mindestens eines Leistungsschalters der Anwendungs-Schaltung; einen Vorschaltwiderstand in der integrierten Schaltungseinheit mit einem ersten Anschluss zum Koppeln an den Hochspannungs-DC-Bus und zum Reduzieren der Hochspannungs-DC-Busspannung auf einen reduzierten Spannungswert an einem zweiten Anschluss; ferner enthaltend einen Niederspannungsregulator in der Einheit, der an den zweiten Anschluss gekoppelt ist zum Bereitstellen einer Start-up regulierten Niederspannungs-DC-Ausgabe mit einem vorbestimmten Pegel, um mindestens einen Teil der Anwendungs-Schaltung während der Inbetriebnahme der Anwendungs-Schaltung mit Energie zu versorgen.
  2. Start-up Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Niederspannungsregulator einen ersten hochspannungsgesteuerten Schalter in Reihe mit einem ersten Widerstand enthält, wobei die Reihenschaltung zwischen den ersten Anschluss und die Niederspannungs-DC-Ausgabe geschaltet ist; einen zweiten Schalter, der zwischen den zweiten Anschluss und ein Referenzpotenzial geschaltet ist, und eine Steuerelektrode aufweist, die an einen Spannungssensor gekoppelt ist, der die Niederspannungs-DC-Ausgabe erfasst; eine Spannungsreferenzquelle zum Einstellen der Niederspannungs-DC-Ausgabe; wobei die Spannungsreferenz und der Spannungssensor in Reihe geschaltet sind zwischen die Niederspannungs-DC-Ausgabe und das Referenzpotenzial; wobei, wenn die Niederspannungs-DC-Ausgabe sich ändert, die Leitung durch den zweiten Schalter sich ändert, wodurch die Spannung an der Steuerelektrode des ersten hochspannungsgesteuerten Schalters sich ändert, um die Niederspannungs-DC-Ausgabe zurück auf den voreingestellten Pegel zu steuern.
  3. Start-up Schaltung nach Anspruch 2, wobei, wenn die Niederspannungs-DC-Ausgabe zunimmt, eine Spannung über dem Spannungssensor zunimmt, wodurch der zweite Schalter veranlasst wird, seine Leitung zu erhöhen, wodurch die Spannung an der Steuerelektrode des ersten Hochspannungsschalters reduziert wird, wodurch der Strom in dem Hochspannungsschalter abnimmt, wodurch die Niederspannungs-DC-Ausgabe auf den voreingestellten Pegel reduziert wird.
  4. Start-up Schaltung nach Anspruch 3, wobei, wenn die Niederspannungs-DC-Ausgabe abnimmt, eine Spannung über dem Spannungssensor abnimmt, wodurch der zweite Schalter veranlasst wird, seine Leitung zu reduzieren, wodurch die Spannung an der Steuerelektrode des ersten Hochspannungsschalters erhöht wird, wodurch der Strom in dem Hochspannungsschalter zunimmt und die Niederspannungs-DC-Ausgabe auf den voreingestellten Pegel erhöht wird.
  5. Start-up Schaltung nach Anspruch 2, wobei der zweite Schalter die Niederspannungs-DC-Ausgabe über dem Spannungssensor erfasst, so dass, wenn eine höhere Spannung bei der Niederspannungs-DC-Ausgabe, die von der Schaltregulatorschaltung geliefert wird, nach der Inbetriebnahme vorliegt, der zweite Schalter in der Leitung zunimmt, um die Spannung an der Steuerelektrode des ersten Hochspannungsschalters derart zu reduzieren, dass sich der erste Hochspannungsschalter ausschaltet.
  6. Start-up Schaltung nach Anspruch 5, ferner enthaltend einen dritten gesteuerten Schalter in Reihe mit einem zweiten Serienwiderstand, der zwischen den zweiten Anschluss und die Niederspannungs-DC-Ausgabe geschaltet ist, um die Leistungsableitung in dem zweiten Schalter zu begrenzen, wenn der erste Hochspannungsschalter ausschaltet wird.
  7. Start-up Schaltung nach Anspruch 6, wobei der dritte Schalter eine Steuerelektrode hat, die mit der Niederspannungs-DC-Ausgabe über den ersten Widerstand gekoppelt ist, wodurch, wenn sich der zweite Schalter einschaltet, wenn die Ausgabe der Schaltregulatorschaltung nach der Inbetriebnahme vorliegt auf der Niederspannungs-DC-Ausgabe, der dritte Schalter eingeschaltet wird, so dass Strom durch den zweiten Serienwiderstand fließt.
  8. Start-up Schaltung nach Anspruch 7, wobei der dritte Schalter einen symmetrischen MOSFET enthält, wodurch der Sourceanschluss und der Drainanschluss des dritten Schalters vertauscht werden, wenn sich der dritte Schalter einschaltet.
  9. Start-up Schaltung nach Anspruch 6, wobei der dritte Schalter eine Spannung über dem ersten Widerstand erfasst, wodurch, wenn die Spannung über dem ersten Widerstand eine Kurzschlussbedingung bei der Niederspannungs-DC-Ausgabe anzeigt, der dritte Schalter in Betrieb ist, um den Strom in dem ersten Schalter auf einen voreingestellten sicheren Pegel zu begrenzen.
  10. Start-up Schaltung nach Anspruch 9, wobei, wenn die Spannung über dem ersten Widerstand eine Kurzschlussbedingung bei der Niederspannungs-DC-Ausgabe anzeigt, der dritte Schalter sich einschaltet, wodurch die Spannung an der Steuerelektrode des ersten Schalters reduziert wird, wodurch der Strom in dem ersten Schalter auf einen voreingestellten sicheren Pegel begrenzt wird.
  11. Start-up Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Vorschaltwiderstand einen Polysiliziumwiderstand enthält, der in einer Hochspannungswanne enthalten ist.
  12. Start-up Schaltung nach Anspruch 11, wobei der Polysiliziumwiderstand einen spiralförmigen Polysiliziumwiderstand enthält, der an einer Grenze der Hochspannungswanne angeordnet ist, um das elektrische Feld zu formen.
  13. Start-up Schaltung nach Anspruch 12, wobei der erste Hochspannungsschalter in der Hochspannungswanne enthalten ist.
  14. Start-up Schaltung nach Anspruch 13, wobei der zweite und der dritte Schalter in einer Niederspannungswanne enthalten sind.
  15. Start-up Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Spannungsreferenzquelle mindestens eine Zehnerdiode enthält.
  16. Start-up Schaltung nach Anspruch 6, wobei der erste, zweite und dritte Schalter MOSFETs enthalten.
  17. Start-up Schaltung nach Anspruch 2, ferner mit einer Ausgleichsschutzschaltung, die an die Steuerelektrode des ersten Schalters gekoppelt ist.
  18. Start-up Schaltung nach Anspruch 11, wobei der Polysiliziumwiderstand einen Widerstandswert im Bereich von 10 bis 99 Megaohm aufweist.
  19. Start-up Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Anwendungs-Schaltung eine Hochspannungs-Anwendungs-Schaltung enthält.
  20. Start-up Schaltung nach Anspruch 19, wobei die Hochspannungs-Anwendungs-Schaltung einen Schaltregulator enthält.
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