DE102006018149B4

DE102006018149B4 - Brückenschaltung mit integrierter Ladungspumpe

Info

Publication number: DE102006018149B4
Application number: DE102006018149.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Nübling Marcus; Dipl.-Ing. Winkler Markus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: US7872433B2; DE102006018149A1; US20070279107A1

Abstract

Brückenschaltung (400, 500) mit integrierter Ladungspumpe, wobei zur Ansteuerung jedes High-Side Leistungs-Schaltbauelements (HS1, HS2, HS3) eines Brückenzweigs (400a, 400b, 500a, 500b, 500c) jeweils eine Ladungspumpe verwendet wird, welche jeweils einen Ladungspumpen-Kondensator (Cc1, Cc2, Cc3), sowie eine erste und zweite Diode (Dc1 bis Dc6) umfasst, wobei der jeweilige Brückenzweig (400a, 400b, 500a, 500b, 500c) als Ansteuerkomponente des jeweiligen Ladungspumpen-Kondensator (Cc1, Cc2, Cc3) arbeitet und wobei die jeweils erste Diode einen Anschluss des jeweiligen Ladungspumpen-Kondensators (Cc1, Cc2, Cc3) mit einer Versorgungsspannung (VDD) verbindet und die jeweils zweite Diode diesen Anschluss des jeweiligen Ladungspumpen-Kondensators (Cc1, Cc2, Cc3) mit einem jeweiligen Stromversorgungsanschluss einer jeweiligen Ansteuerbaugruppe (407a, 407b, 507a, 507b, 507c) des jeweiligen High-Side Leistungs-Schaltbauelements (HS1, HS2, HS3) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brücken-Treiberschaltung mit integrierter Ladungspumpe.
Derartige Treiberschaltungen vom Brücken-Typ werden etwa in Steuerungen von Elektromotoren oder Generatoren eingesetzt und können auch für die Ansteuerung von Magnetventilen oder in ähnlichen elektromotorischen oder elektromagnetischen Antrieben Verwendung finden.
Brückenschaltungen mit mehreren Leistungsbauelementen werden typischerweise für Steuerungsaufgaben eingesetzt, bei denen die Richtung des Laststromes umsteuerbar sein soll, etwa zum Ansteuern eines Gleichstrommotors, der wahlweise links- oder rechtsherum laufen soll. Da Halbleiter-Leistungsbauelemente reine Ein-Aus-Schalter sind, also keine Wechselschalter-Charakteristik haben können, bietet ihre Anordnung in einer Brückenschaltung die Möglichkeit der Realisierung einer Schaltanordnung mit Wechselschalter-Charakteristik.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Brückenschaltung 100 als Treiberschaltung eines Gleichstrommotors 101, die vier gleichartige Leistungstransistoren 103 mit jeweils einer parallel geschalteten Z-Diode 105 umfasst, die in zwei Brückenzweigen 100a bzw. 100b angeordnet sind, denen jeweils eine Ansteuerung 107a bzw. 107b zugeordnet ist.
Brückenschaltungen als Treiberschaltungen mit den erwähnten Einsatzgebieten sind als in sich abgeschlossene integrierte Schaltkreise marktüblich, es gibt aber auch integrierte Leistungsschaltungen, die Brückenzweige (Halbbrücken) oder zum Aufbau von Brücken geeignete Zusammenstellungen von Halbleiter-Leistungsbauelementen enthalten.
Ein wesentlicher Betriebsparameter von Treiberschaltungen vom Brücken-Typ (nachfolgend auch verkürzt bezeichnet als „Brückentreiber“) ist das Tastverhältnis bzw. der sogenannte Duty Cycle. Wünschenswert ist die Einstellbarkeit des Duty Cycle in einem Bereich von 0 bis nahe 100% in einer beliebigen Halbbrücke.
2 zeigt einen Brückentreiber 200 vom sogenannten Bootstrap-Typ, mit dem ein Duty Cycle im Bereich zwischen 0 und 95% erreichbar ist. Wie der Figur zu entnehmen ist, hat auch diese Brücke zur Ansteuerung eines Motors 201 vier Leistungsbauelemente HS1, LS1 in einem ersten Brückenzweig 200a bzw. HS2, LS2 in einem zweiten Brückenzweig 200b und für jedes der Leistungsbauelemente eine Ansteuerbaugruppe 207 (wovon hier und auch in den weiteren Figuren jeweils nur eine einzelne oder ein Teil gezeigt ist). Charakteristisch ist die Zuordnung jeweils eines Kondensators Cb1 bzw. Cb2 in Reihenschaltung mit einer sogenannten Bootstrap-Diode Db1 bzw. Db2, in Parallel-Anordnung zu den High-Side-Leistungsschaltelementen HS1 bzw. HS2 der Brückenzweige.
Die Tatsache, dass hier der Duty Cycle nicht auf 100% zu erhöhen ist, hängt mit dem unvermeidlichen Ruhestrom dieser Brückenanordnung zusammen, der im übrigen eine Selbstentladung der Kondensatoren Cb1 und Cb2 zur Folge hat.
Der ideale Einstellbereich des Duty Cycle bis zu 100% lässt sich mit Brückentreibern realisieren, die eine integrierte Ladungspumpe (Charge Pump) aufweisen. Eine derartige Brückenschaltung ist in 3 skizziert. In dieser Figur sind gleiche oder funktional entsprechende Bauelemente wie in 1 und 2 mit korrespondierenden Bezugsziffern bezeichnet und werden hier nicht nochmals erwähnt.
Anstelle der im Bootstrap-Brückentreiber nach 2 vorgesehenen Serienanordnung aus Bootstrap-Diode und Kondensator mit Entladecharakteristik, jeweils in Zuordnung zu einem Brückenzweig, ist hier ein Ladungspumpenabschnitt 310 vorgesehen, dessen Funktion und Aufbau dem Fachmann an sich bekannt ist und der daher hier keiner genaueren Erläuterung bedarf. Der Ladungspumpenabschnitt stellt für den eigentlichen Brücken-Abschnitt konstant eine hohe Spannung bereit, wodurch sich ein Duty Cycle von 100% erreichen lässt.
Der Ladungspumpenabschnitt 310 umfasst im wesentlichen einen Oszillator 311, der zwei Ladungspumpen-Schaltelemente 313a, 313b ansteuert, die in Reihe zwischen Versorgungsspannung und Masse geschaltet sind, und eine zwischen die Brücken-Ansteuerung 307 und einen Knotenpunkt K1 zwischen beiden Brückenzweigen und der Versorgungsspannung geschaltete Serienanordnung aus zwei Dioden Dc1, Dc2. Schließlich gehört zur Ladungspumpe 310 natürlich ein zwischen einem Knotenpunkt K2 zwischen diesen Dioden einerseits und einem Knotenpunkt K3 zwischen den beiden Ladungspumpen-Schaltelementen andererseits liegenden Ladungspumpen-Kondensator Cc.
Diese bekannte und auch in der Praxis eingesetzte Brückentreiberschaltung funktioniert einwandfrei, die Ladungspumpenanordnung erfordert aber in IC-Ausführung erheblichen Platzbedarf auf dem Chip, und daher ist dieser Brückentreiber-Typ relativ kostspielig. Das gilt auch für Brückentreiber-Schaltungen mit Ladungspumpenabschnitten, wie sie aus der DE 199 27 903 A1 oder der DE 102 19 819 A1 bekannt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere unter Kosten-Gesichtspunkten verbesserten Brückentreiber bereitzustellen, mit dem sich ein Duty Cycle im Bereich zwischen Null und 100% einstellen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Brückenschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken einer Mehrfach-Nutzung von Bauelementstrukturen mit erheblichem Flächenbedarf einerseits als Brücken-Bauelemente (im engeren Sinne) und andererseits als Ansteuerkomponenten des Ladungspumpen-Kondensators ein. Sie schließt weiterhin den Gedanken ein, in diesem Sinne Leistungs-Schaltbauelemente des Brücken-Schaltungsabschnittes zugleich als Komponenten eines Ansteuerschaltungsabschnittes des Ladungspumpen-Kondensators zu benutzen. In einer geeigneten Verschaltung dieser Komponenten wird also das parallele Vorsehen prinzipiell gleichartiger und gleichwirkender aktiver Bauelemente auf dem Chip zur Erfüllung der unterschiedlichen Aufgaben der Ausbildung der Brückenschaltung und der Ansteuerung des Ladungspumpen-Kondensators vermieden.
Speziell in einer Ausführung der Brücken-Treiberschaltung als integrierte Schaltung wird in erheblichem Masse Chipfläche für die besagten Bauelemente eingespart und hierdurch eine Kostensenkung erreicht. Hierbei ist grundsätzlich auch bei einer nicht-integrierten oder jedenfalls nicht in einem einzelnen Chip integrierten Ausführung der Brücken-Treiberschaltung eine Verringerung des Gesamt-Bauelementaufwandes und in der Konsequenz eine Kostensenkung zu erreichen.
In einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladungspumpen-Kondensator verteilt in Brückenzweigen des Brücken-Schaltungsabschnitts gebildet ist. Durch diese verteilte Anordnung lässt sich zusätzlich die Flächenökonomie der Treiberschaltung in integrierter Ausführung verbessern und eine weitere Kostenreduzierung erreichen.
In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführung zeichnet sich eine erste praktisch bedeutsame Motor-Treiberschaltung aus durch die Ausführung als H-Brücken-Treiberschaltung mit zwei Ladungspumpen-Kondensatoren und je zwei diesen in Ansteuer-Endstufen zugeordneten Leistungstransistoren und Dioden des Brücken-Schaltungsabschnitts. Eine weitere wichtige Ansteuerschaltung - speziell für einen Drehstrommotor - ist ausgeführt als 3-Phasen-Brücken-Treiberschaltung mit drei Ladungspumpen-Kondensatoren und je zwei diesen als Ansteuer-Endstufen zugeordneten Leistungstransistoren und Dioden des Brücken-Schaltungsabschnitts.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden, kurz gefassten Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild einer Brücken-Treiberschaltung mit Halbleiter-Leistungsschaltelementen nach dem Stand der Technik,
2 ein Prinzipschaltbild einer Brücken-Treiberschaltung vom Bootstrap-Typ nach dem Stand der Technik,
3 das Prinzipschaltbild einer Brücken-Treiberschaltung mit integrierter Ladungspumpe nach dem Stand der Technik,
4 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Brücken-Treiberschaltung vom H-Brücken-Typ und
5 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen 3-Phasen-Brücken-Treiberschaltung.

4 zeigt, in Anlehnung an die Darstellungsweise in 2 und 3, eine Ausführung der erfindungsgemässen Brücken-Treiberschaltung als H-Brücken-Treiberschaltung 400. Deren Komponenten sind in Korrespondenz zu der Bezeichnungsweise in 2 und 3 bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert. Ein wesentlicher Unterschied zur konventionellen Brückenschaltung mit separater Ladungspumpe (gemäß 3) besteht darin, dass anstelle eines einzelnen Ladungspumpen-Kondensators hier zwei Ladungspumpen-Kondensatoren Cc1 und Cc2, jeweils in Zuordnung zu einem der Brückenzweige 400a bzw. 400b, vorgesehen sind. Ein vier Dioden Dc1 bis Dc4 umfassendes Dioden-Netzwerk ist bei dieser Ausführung funktional dem Endstufenabschnitt der Ladungspumpen-Ansteuerung zugeordnet. Die High-Side-Schaltelemente HS1 und HS2 der beiden Brückenzweige 400a, 400b sind als Endstufen-Leistungsbauelemente den beiden Ladungspumpen-Kondensatoren Cc1 und Cc2 zugeordnet.
In dieser Ausführungsform entfällt vollständig eine separate Endstufe einer Ansteuerschaltung der Ladungspumpe, so dass dieser Brückentreiber erheblich kostengünstiger herstellbar ist als ein konventioneller.
5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine 3-Phasen-Brücke 500 zur Ansteuerung eines Drehstrommotors 501. Auch hier ist die Bezeichnung der einzelnen Komponenten in Anlehnung an die vorhergehenden Figuren gewählt; in einem hinzukommenden dritten Brückenzweig 500c sind ein Low-Side-Transistor LS3 und ein High-Side-Transistors HS3 sowie eine zugehörige Ansteuerung 505c zusätzlich zur Konfiguration nach 3 oder 4 vorgesehen. Entsprechend ist die Gesamt-Ladungspumpenkapazität hier in drei Ladungspumpen-Kondensatoren Cc1, Cc2 und Cc3, jeweils in Zuordnung zu einem der drei Brückenzweige 500a, 500b und 500c, aufgeteilt.
Insgesamt sechs Dioden Dc1 bis Dc6 in Parallel- bzw. Serien-Zuordnung zu den jeweiligen Ladungspumpen-Kondensatoren Cc1 bis Cc3 bilden Komponenten der Ladungspumpen-Ansteuerung, wie bereits bei der vorbeschriebenen Ausführung nach 4. Analog zu dieser sind auch jeweils die High-Side-Schaltelemente HS1 bis HS3 der Brückenzweige 500a bis 500c zugleich Elemente der Endstufenabschnitte der Ladungspumpen-Ansteuerung.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern ebenso in beliebigen Kombinationen der Merkmale der abhängigen Ansprüche miteinander sowie in weiteren Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Claims

Brückenschaltung (400, 500) mit integrierter Ladungspumpe, wobei zur Ansteuerung jedes High-Side Leistungs-Schaltbauelements (HS1, HS2, HS3) eines Brückenzweigs (400a, 400b, 500a, 500b, 500c) jeweils eine Ladungspumpe verwendet wird, welche jeweils einen Ladungspumpen-Kondensator (Cc1, Cc2, Cc3), sowie eine erste und zweite Diode (Dc1 bis Dc6) umfasst, wobei der jeweilige Brückenzweig (400a, 400b, 500a, 500b, 500c) als Ansteuerkomponente des jeweiligen Ladungspumpen-Kondensator (Cc1, Cc2, Cc3) arbeitet und wobei die jeweils erste Diode einen Anschluss des jeweiligen Ladungspumpen-Kondensators (Cc1, Cc2, Cc3) mit einer Versorgungsspannung (VDD) verbindet und die jeweils zweite Diode diesen Anschluss des jeweiligen Ladungspumpen-Kondensators (Cc1, Cc2, Cc3) mit einem jeweiligen Stromversorgungsanschluss einer jeweiligen Ansteuerbaugruppe (407a, 407b, 507a, 507b, 507c) des jeweiligen High-Side Leistungs-Schaltbauelements (HS1, HS2, HS3) verbindet.
Brückenschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung als H-Brückenschaltung (400), insbesondere für einen Gleichstrommotor (401), mit zwei Ladungspumpen-Kondensatoren (Cc1, Cc2).
Brückenschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung als 3-Phasen-Brückenschaltung (500), insbesondere für einen Drehstrommotor, mit drei Ladungspumpen-Kondensatoren (Cc1 bis Cc3).
Brückenschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausführung als integrierte Schaltung (400, 500).