DE102006025028B4 - Output power stage current monitoring circuitry and method of operating output power stage current monitoring circuitry - Google Patents
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Abstract
Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung mit
– einem Ausgangstransistor (T),
– einem Schaltanschluss (1, d) zum Anlegen einer Schaltspannung (Vs) an den Ausgangstransistor (T),
– einer Monitorkette (M) mit zumindest zwei Monitortransistoren parallel zum Ausgangstransistor (T) zum Ausgeben einer Kontrollgröße,
– einer Referenzkette (R) mit zumindest zwei Referenztransistoren (R1, ... R(n–1)), wobei die Schaltspannung (Vs) zusätzlich an die Gateanschlüsse der Referenztransistoren (R1, ... R(n–1)) angelegt ist zum Leiten eines Referenzstroms (Ir) durch die Referenztransistoren (R1, ..., R(n–1)) und
– einem Komparator (K) an den ein zweiter Knoten (b) am Eingang der Referenzkette (R) und ein erster Knoten (a) zum Abgreifen der Kontrollgrößen angeschlossen sind, wobei der Komparator (K) abhängig von einem Verhältnis vom Referenzstrom (Ir) zum Monitorstrom (Im) in der Monitorkette (M) als der Kontrollgröße ein Kontrollsignal (s) ausgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– eine Diodenschaltung mit einer Diode (D1) oder eine Transistorschaltung mit Diodenkonfiguration zwischen die Referenzkette...Output power stage current monitoring circuitry with
An output transistor (T),
A switching terminal for applying a switching voltage to the output transistor;
A monitor chain (M) having at least two monitor transistors in parallel with the output transistor (T) for outputting a control variable,
- A reference chain (R) with at least two reference transistors (R1, ... R (n-1)), wherein the switching voltage (Vs) in addition to the gate terminals of the reference transistors (R1, ... R (n-1)) applied is for passing a reference current (Ir) through the reference transistors (R1, ..., R (n-1)) and
- a comparator (K) to which a second node (b) at the input of the reference chain (R) and a first node (a) for tapping the control variables are connected, wherein the comparator (K) depending on a ratio of the reference current (Ir) to the monitor current (Im) in the monitor chain (M) as the control quantity outputs a control signal (s),
characterized in that
A diode circuit with a diode (D1) or a transistor circuit with diode configuration between the reference chain ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung.The This invention relates to output power stage current monitoring circuitry with the above-conceptual features according to claim 1 or on a method of operating such output power stage current monitoring circuitry.
Zum Messen von Strömen in Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnungen auf Basis von MOS (Metal Oxide Semiconductor/Metalloxid-Halbleiter) wird ein Spannungsabfall zwischen Drain und Source eines Ausgangstransistors gemessen und mit einer Referenzgröße verglichen. Zum Vergleichen wird ein Komparator verwendet, dessen Eingang gegenüber einem möglichen Spannungsabfall zwischen Drain und Source in vollem Umfang geschützt werden muss, da in einem solchen Fall die Gate-Durchbruchspannung überschritten werden würde.To the Measuring currents in output power stage current monitoring circuitry based on MOS (Metal Oxide Semiconductor / Metal Oxide Semiconductor) becomes a voltage drop between drain and source of an output transistor measured and compared with a reference size. To compare a comparator is used whose input is opposite one potential Voltage drop between drain and source are fully protected must, because in such a case, the gate breakdown voltage exceeded would become.
Eine Abschirmung wird durch eine Kombination aus hochohmigem Widerstand und Zehnerdiode umgesetzt, wie dies aus P. Morrow, E. Gaalaas, O. McCarthy, „A 20-W Stereo Class-D Audio Output Power Stage in 0.6-μm BCDMOS Technologies”, IEEE JSSC, Vol. 39, No. 11., Nov. 2004, pp. 1948–1958, bekannt ist.A Shielding is achieved by a combination of high resistance and Zener diode, as disclosed in P. Morrow, E. Gaalaas, O. McCarthy, "A 20-W Stereo Class-D Audio Output Power Stage in 0.6-μm BCDMOS Technologies ", IEEE JSSC, Vol. 39, no. Nov. 11, 2004, pp. 1948-1958, is known.
Außerdem ist
die Umsetzung einer Abschirmung unter Verwendung von reinen MOS-Verschaltungen
bekannt aus M. Berkout, „Integrated
Overcurrent Protection System for Class-D Audio Power Amplifiers”, IEEE
JSSC, Vol. 40, No. 11, Nov. 2005, pp. 2237–2245. Eine solche beispielhafte
Schaltungsanordnung ist anhand
Eine
auf dem oben dargelegten Prinzip basierende Schaltungsanordnung
ist bspw. aus der
Die oben beschriebene Schaltungsanordnung weist jedoch Nachteile auf, da während der Zeitdauer, während welcher der Ausgangstransistor T ausgeschaltet ist, die Spannung am zweiten Knoten b zum Abgreifen der Monitorspannung Vs1 zunimmt, bis der Referenzstrom Ir abgeschaltet wird. Dadurch bedingt muss die gesamte Schaltung beim Einschalten komplett neu geladen werden, so dass ein Neustarten der Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung nur langsam stattfindet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass während der Zeitdauer, während welcher der Ausgangstransistor T ausgeschaltet ist, der Knoten a zum Bereitstellen der Monitorspannung Vs1 in den schwebenden Zustand übergeht, was Probleme in der erforderlichen Bestimmungsschaltung zum Bestimmen der Spannungen an den beiden Monitorspannungsknoten a, b bereiten kann. Ein weiterer Nachteil besteht bei einer solchen Schaltungsanordnung darin, dass während des Einschaltvorgangs eine Überprüfung des zu prüfenden Stroms nicht möglich ist und ein Kurzschluss in der Schaltung mit der niederohmigen Last erst verspätet nach dem vollständigen Einschalten der Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung erfassbar ist.The However, the circuit arrangement described above has disadvantages. there while the length of time while which the output transistor T is turned off, the voltage at the second node b for picking up the monitor voltage Vs1 increases, until the reference current Ir is turned off. As a result, must the whole circuit will be completely reloaded when switching on, allowing a restart of the power monitoring circuitry only takes place slowly. Another disadvantage is that while the length of time while which the output transistor T is turned off, the node a for providing the monitor voltage Vs1 to the floating state, which causes problems in the required determination circuit for determining the voltages at the two monitor voltage nodes a, b prepare can. Another disadvantage is in such a circuit arrangement in that while the power-on a review of the to be tested Electricity not possible is and a short circuit in the circuit with the low-impedance load delayed after the complete Turning on the power monitoring circuitry is detectable.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung derart zu verbessern, dass ein stabilerer Betrieb ermöglicht wird und vorzugsweise ein schnelleres vollständiges Einschalten dieser Schaltungsanordnung ermöglicht wird. Insbesondere soll eine Stromüberwachung bereits während des Einschaltens der Schaltungsanordnung so früh wie möglich ermöglicht werden.The object of the invention is to improve such an output power stage current monitoring circuitry such that a more stable operation is enabled and preferably a faster complete turn-on of this circuitry is enabled. In particular, a current monitoring should already be enabled as early as possible during the switching on of the circuit arrangement.
Diese Aufgabe wird durch eine Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Betreiben einer Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by an output power stage current monitoring circuit with the features according to claim 1 or by a method of operating output power stage current monitoring circuitry with the features according to claim 7 solved. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.
Bevorzugt wird demgemäss eine Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung mit einem Ausgangstransistor, mit einem Schaltanschluss zum Anlegen einer Schaltspannung an den Ausgangstransistor, mit einer Monitorkette mit zumindest zwei Monitortransistoren parallel zum Ausgangstransistor zum Ausgeben einer Kontrollgröße und mit einer Referenzkette mit zumindest zwei Referenztransistoren, wobei die Schaltspannung zusätzlich an einen der Referenztransistoren angelegt ist zum Leiten eines Referenzstroms durch die Referenztransistoren. Vorteilhaft wird diese Schaltungsanordnung dadurch, dass eine Diodenschaltung mit einer Diode oder eine Transistorschaltung mit Diodenkonfiguration zwischen die Referenzkette und den Schaltanschluss derart geschaltet ist, dass der Referenzstrom nicht ausgeschaltet wird. Die Referenztransistoren sind zwischen eine Betriebsspannung und eine Basisspannung geschaltet und die Gateanschlüsse aller der Referenztransistoren sind bevorzugt zum Schalten mittels der Schaltspannung geschaltet. Ein überwachter Monitorstrom in der Monitorkette dient als die Kontrollgröße.Prefers is accordingly an output power stage current monitoring circuit with an output transistor, with a switching connection for application a switching voltage to the output transistor, with a monitor chain with at least two monitor transistors in parallel with the output transistor to output a control size and with a reference chain having at least two reference transistors, wherein the switching voltage in addition is applied to one of the reference transistors for conducting a Reference current through the reference transistors. Becomes advantageous This circuit arrangement characterized in that a diode circuit with a Diode or a transistor circuit with diode configuration between the reference chain and the switching connection are connected in such a way, that the reference current is not switched off. The reference transistors are connected between an operating voltage and a base voltage and the gate connections all of the reference transistors are preferred for switching means the switching voltage switched. A monitored monitor stream in the monitor chain serves as the control size.
Ein zweiter Knoten ist am Eingang der Referenzkette und ein erster Knoten zum Abgreifen der Kontrollgrößen sind an einen Komparator angelegt, um ein Kontrollsignal abhängig von einem Verhältnis vom Referenzstrom zum Monitorstrom als der Kontrollgröße auszugeben.One second node is at the entrance of the reference chain and a first node for tapping the control variables applied to a comparator to a control signal depending on a relationship of To output reference current to monitor current as the control quantity.
Verfahrensgemäß bevorzugt wird demgemäss außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung, bei welchem ein erster Knoten zum Abgreifen einer Kontrollgröße während eines ausgeschalteten Zustands der Monitorkette auf eine Basisspannung gelegt wird und/oder ein zweiter Knoten zum Abgreifen eines Referenzstroms hinsichtlich einer dortigen Spannung begrenzt wird durch einen Bypass-Referenzstrom zum Schaltanschluss.Preferred according to the method is accordingly Furthermore a method of operating such output power stage current monitoring circuitry, in which a first node for tapping a control variable during a turned off state of the monitor chain to a base voltage is placed and / or a second node for tapping a reference current is limited with respect to a voltage there by a bypass reference current to the switching connection.
Die Diode verhindert in Verbindung mit der Eingangs- bzw. Referenzkette, dass der Referenzstrom ausgeschaltet, insbesondere vollständig ausgeschaltet wird. Dadurch muss die Schaltungsanordnung beim Einschalten nicht komplett neu geladen werden, so dass das Einschalten schneller erfolgen kann. Ein weiterer besonderer Vorteil besteht darin, dass auch während des Einschaltvorgangs eine Prüfung des zu überwachenden Stroms möglich ist, wobei sogar ein Kurzschluss während des Einschaltvorgangs erfassbar wäre. Eine dynamische Abschirmung der Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung ermöglicht eine Überwachung des Ausgangsstromzustandes sehr schnell und vorzugsweise unter allen möglichen Ausgangszustandsbedingungen.The Diode prevents in connection with the input or reference chain, that the reference current is switched off, in particular completely switched off becomes. As a result, the circuit arrangement does not have to be switched on be completely reloaded, so that switching on can be faster. Another particular advantage is that even during the Power on a test to be monitored Electricity possible is, with even a short circuit during power-up could be detected. A dynamic shielding of the current monitoring circuitry allows a surveillance the output current state very fast and preferably under all potential Initial state conditions.
Die Diode ist bevorzugt zwischen einen Sourceanschluss eines der mittels der Schaltspannung geschalteten Referenztransistoren und zumindest einen Gateanschluss eines dieser Referenztransistoren geschaltet.The Diode is preferably between a source terminal of one of the switching voltage switched reference transistors and at least a gate of one of these reference transistors connected.
Die Gateanschlüsse zumindest zweier, insbesondere aller der Monitortransistoren sind vorzugsweise zum Schalten mittels der Schaltspannung geschaltet. In der Monitorkette ist bevorzugt ein erster der Monitortransistoren zwischen einen Ausgangsstromanschluss und einen ersten Knoten zum Abgreifen der Kontrollgröße geschaltet ist und der Schalttransistor ist bevorzugt zwischen den Ausgangsstromanschluss und eine Basisspannung geschaltet.The gates at least two, in particular all of the monitor transistors are preferably switched for switching by means of the switching voltage. In the monitor chain, a first of the monitor transistors is preferred between an output power terminal and a first node for tapping the control size switched is and the switching transistor is preferably between the output power terminal and a base voltage switched.
Ein weiterer Transistor ist bevorzugt zwischen einen ersten Knoten zum Abgreifen der Kontrollgröße und eine Basisspannung geschaltet und eine Inverterschaltung ist bevorzugt zwischen die Schaltspannung und einen Gateanschluss des weiteren Transistors geschaltet, um ein Schweben des ersten Knoten zu unterdrücken.One Another transistor is preferably between a first node to Tapping the control size and a Base voltage switched and an inverter circuit is preferred between the switching voltage and a gate terminal of the other Transistor switched to suppress floating of the first node.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:One embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Der Monitorstrom Im und der Referenzstrom Ir werden vorzugsweise Eingängen eines Komparators K angelegt. Ein Zustandssignal bzw. Kontrollsignal s wird vom Komparator K in Abhängigkeit vom Verhältnis des Monitorstroms Im und des Referenzstroms Ir zueinander ausgegeben. Vorzugsweise ist das Kontrollsignal s dann in den hohen Zustand geschaltet, wenn der überwachte Monitorstrom Im kleiner als der Referenzstrom Ir ist.Of the Monitor current Im and the reference current Ir are preferably inputs of a Comparator K created. A status signal or control signal s is the comparator K depending from the relationship of the monitor current Im and the reference current Ir output to each other. Preferably, the control signal s is then in the high state switched when the monitored Monitor current Im is smaller than the reference current Ir.
Ob
der Ausgangsstrom Io durch die Schaltungsanordnung fließt, hängt vom
Schaltzustand eines Ausgangstransistors T ab. Der Ausgangstransistor
T ist zwischen den dritten Knoten c und eine Basisspannung VSS geschaltet.
Dabei liegt der Drainanschluss des Ausgangstransistors T an dem
dritten Knoten c an. Ein Gateanschluss des Ausgangstransistors T
ist an einem Schaltanschluss
An dem vierten Knoten d sind außerdem Gateanschlüsse einer Vielzahl von Monitortransistoren M1, ..., M(n–1), Mn angelegt. dadurch werden diese Monitortransistoren M1–Mn, welche eine Monitorkette M ausbilden, gleichzeitig mit dem Ausgangstransistor T ein- und ausgeschaltet. Ein erster der Monitortransistoren Mn ist dabei zwischen den dritten Knoten c und den ersten Knoten a geschaltet, wobei der Sourceanschluss an dem ersten Knoten a anliegt. Die weiteren Monitortransistoren M(n–1), ... M1 sind in Reihe zwischen den ersten Knoten a und die Basisspannung VSS geschaltet. Durch die Monitorkette M fließt im geschalteten Zustand der überwachte Monitorstrom Im. Die Monitorkette M ist somit parallel zu dem Ausgangstransistor T geschaltet.At the fourth node d are also gate terminals one Variety of monitor transistors M1, ..., M (n-1), Mn applied. this will make them Monitor transistors M1-Mn, which form a monitor chain M, simultaneously with the output transistor T on and off. A first of the monitor transistors Mn is between the third node c and the first node a switched, wherein the source terminal is applied to the first node a. The other monitor transistors M (n-1), ... M1 are connected in series between the first node a and the base voltage VSS switched. By the monitor chain M flows in the switched state the supervised Monitor current Im. The monitor chain M is thus parallel to the output transistor T switched.
An
dem vierten Knoten d liegen außerdem Gateanschlüsse einer
Vielzahl von Eingangs- bzw. Referenztransistoren R1, ..., R(n–1) an,
welche eine Referenzkette R ausbilden. Die Referenzkette R ist dabei
zwischen den zweiten Knoten b und die Basisspannung VSS geschaltet.
Der von einer Spannungsquelle oder Stromquelle
Optional
ist zwischen die Stromquelle
Bezüglich der Begriffe Betriebsspannung und Basisspannung ist anzumerken, dass die skizzierte Schaltungsanordnung prinzipiell als Komponente einer übergeordneten Schaltungsanordnung einsetzbar ist und die Betriebsspannung VDD und die Basisspannung VSS somit nicht zwingend absolute Spannungswerte darstellen sondern gegebenenfalls auch relative Spannungswerte aus Sicht der übergeordneten Schaltungsanordnung ausbilden.Regarding the Terms of operating voltage and base voltage should be noted that the sketched circuit arrangement in principle as a component of a parent Circuit arrangement can be used and the operating voltage VDD and the base voltage VSS thus not necessarily absolute voltage values but may also represent relative voltage values View of the parent Form circuit arrangement.
Neben der besonders bevorzugten Ansteuerung sowohl des Ausgangstransistors T als auch der Transistoren der Referenzkette R und der Monitorkette M über die Schaltspannung Vs durch ein gemeinsames Schalten der Gateanschlüsse an den vierten Knoten d als ein besonders vorteilhaftes Merkmal der Schaltungsanordnung weist diese Schaltungsanordnung als weiteres Merkmal von eigenständig vorteilhafter Bedeutung eine Diodenschaltung mit einer Diode D1 auf.Next the most preferred drive both the output transistor T and the transistors of the reference chain R and the monitor chain M over the switching voltage Vs by a common switching of the gate terminals to the fourth Node d as a particularly advantageous feature of the circuit arrangement has this circuit as a further feature of independently advantageous Meaning a diode circuit with a diode D1.
Die Diode D1 ist zwischen den zweiten Knoten b und den vierten Knoten d geschaltet, wodurch verhindert wird, dass der Referenzstrom Ir vollständig ausgeschaltet werden kann. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, dass beim Einschalten der Schaltungsanordnung durch Anlegen der Schaltspannung Vs die Schaltungsanordnung nicht komplett neu geladen werden muss.The Diode D1 is between the second node b and the fourth node d, thereby preventing the reference current Ir Completely can be turned off. This causes in an advantageous manner, when switching on the circuit arrangement by applying the Switching voltage Vs the circuitry is not completely reloaded must become.
Ein weiterer eingeständig vorteilhafter Aspekt der Schaltungsanordnung ist eine Inverterschaltung, welche aus beispielsweise einem Inverter INV und einem noch weiteren Transistor Ts ausgebildet ist. Der noch weitere Transistor Ts ist zwischen den ersten Knoten a und die Basisspannung VSS geschaltet. Der Inverter INV ist zwischen den vierten Knoten d und einen Gateanschluss des noch weiteren Transistors Ts geschaltet. Dies bietet den funktionellen Vorteil, dass der erste Knoten a nicht unkontrolliert in einen schwebenden Zustand treten kann.One further admitted Advantageous aspect of the circuit arrangement is an inverter circuit, which, for example, an inverter INV and yet another Transistor Ts is formed. The still further transistor Ts is connected between the first node a and the base voltage VSS. The inverter INV is between the fourth node d and a gate terminal the still further transistor Ts connected. This provides the functional Advantage that the first node a not uncontrolled in a floating Condition can occur.
Bei
einer solchen Ausgangsleistungsstufen-Stromüberwachungs-Schaltungsanordnung wird die Referenzschaltung
mit der Refe renzkette R somit in der gleichen Art und Weise wie
der Monitorpfad mit der Monitorkette M geschaltet. Unter der Annahme einer
induktiven Last, welche am dritten Knoten c anliegt, kann ein dort
anliegender Ausgangsstrom Io während
eines Einschaltprozesses des Ausgangstransistors T und der Monitortransistoren
M1–Mn
als konstant angesehen werden. Da die Ladungszustände an dem
dritten Knoten c und an dem Ausgang der Stromquelle
Um
diese Probleme zu vermeiden, wird der erste Knoten a geerdet bzw.
mit der Basisspannung VSS verbunden, während die Transistoren der
Monitorkette M ausgeschaltet sind. Außerdem wird die Spannung beim
zweiten Knoten b dadurch begrenzt, dass ein Bypass-Referenzstrom
in die bzw. durch die Diode D1 fließt. Dies verhindert, dass die
Stromquelle
Durch das Hinzufügen dieser Komponenten muss der Ausgang der Schaltungsanordnung während eines Einschaltzyklus nicht ausgeblendet werden, wie dies bei sonstigen Anwendungen erforderlich ist. Entsprechend kann bereits während des Einschaltens erfasst werden, falls der Ausgangsstrom Io viel zu hoch ist, was beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses der Fall ist, so dass der Einschaltprozess unmittelbar unterbrochen werden kann. Dies verringert die Gefahr einer Beschädigung der Schaltungsanordnung und einer übergeordneten Schaltung auf Grund eines Fehlerzustands.By The addition These components must be the output of the circuit during a Switching cycle can not be hidden, as with other Applications is required. Accordingly, already during the Be turned on, if the output current Io much too is high, which is the case for example in the case of a short circuit is, so that the switch-on process are interrupted immediately can. This reduces the risk of damage to the circuit arrangement and a parent Circuit due to an error condition.
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