DE102006027826B4 - circuitry - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung, die umfasst
– einen Leistungsinverter (INV), dem eingangsseitig ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal (PWM) zuführbar ist und der ausgangsseitig ein Sperrsignal (LSIG) niederohmig und invers zu dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal (PWM) bereitstellt,
– ein Potentialschieber (LSHIFT), dem eingangsseitig das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal (PWM) oder ein Differentialpulssignal (DSIG) zuführbar ist, das aus dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal (PWM) abgeleitet ist, und der abhängig von dem Sperrsignal (LSIG) aktivierbar und deaktivierbar ist und der ausgangsseitig ein Schaltsignal (SSIG) bereitstellt, das auf ein erhöhtes Hilfspotential (VEE) bezogen ist, abhängig von dem eingangsseitig zugeführten pulsweitenmodulierten Ansteuersignal (PWM) beziehungsweise Differentialpulssignal (DSIG), wenn der Potentialschieber (LSHIFT) durch das Sperrsignal (LSIG) aktiviert ist, wobei der Potentialschieber (LSHIFT) einen Potentialschieberwiderstand umfasst, der mit seinem ersten Ende mit dem erhöhten Hilfspotential (VEE) gekoppelt ist und mit seinem zweiten Ende mit einem Potentialschieberschalter (X8) gekoppelt ist, wobei der Potentialschieberschalter (X8) mit dem Ausgang des Leistungsinverters (INV) gekoppelt ist und der Potentialschieberschalter (X8)...Circuitry that includes
A power inverter (INV) to which a pulse-width-modulated drive signal (PWM) can be fed on the input side and which at the output provides a blocking signal (LSIG) with low resistance and inverse to the pulse-width-modulated drive signal (PWM),
- A potential shifter (LSHIFT), the input side of the pulse width modulated drive signal (PWM) or a differential pulse signal (DSIG) can be fed, which is derived from the pulse width modulated drive signal (PWM), and which can be activated and deactivated depending on the lock signal (LSIG) and the provides a switching signal (SSIG) on the output side, which is related to an increased auxiliary potential (VEE), depending on the pulse-width-modulated drive signal (PWM) or differential pulse signal (DSIG) supplied on the input side, if the potential shifter (LSHIFT) is activated by the blocking signal (LSIG), wherein the potential shifter (LSHIFT) comprises a potential shifter resistor coupled at its first end to the boosted auxiliary potential (VEE) and coupled at its second end to a potential shifter switch (X8), the potential shifter switch (X8) being connected to the output of the power inverter (X8). INV) and the potential slide switch (X8) ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die insbesondere einen Halbbrückentreiber bildet zum Ansteuern eines oberen Schalters und gegebenenfalls eines unteren Schalters einer Halbbrückenanordnung.The invention relates to a circuit arrangement, which in particular forms a half-bridge driver for driving an upper switch and possibly a lower switch of a half-bridge arrangement.
Solche Halbbrückenanordnungen werden beispielsweise in DC-DC-Schaltreglern in Tiefsetzsteller- oder Hochsetzstelleranordnungen oder in Motorsteuerungen genutzt, um elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad zu wandeln beziehungsweise Elektromotoren mit hohem Wirkungsgrad anzusteuern. Diese Halbbrückenanordnungen können für Leistungen von wenigen Watt bis zu mehreren tausend Watt ausgelegt sein. Für das Ansteuern des oberen Schalters und des gegebenenfalls vorgesehenen unteren Schalters der Halbbrückenanordnung sind jeweils Treiber erforderlich, die ein schnelles Ein- und Ausschalten der Schalter ermöglichen. Ferner muss sichergestellt werden, dass der obere Schalter und der untere Schalter der Halbbrückenanordnung nicht gleichzeitig eingeschaltet sind, um einen Kurzschluss und eine Beschädigung der Schalter zu vermeiden.Such half-bridge arrangements are used, for example, in DC-DC switching regulators in buck converter or boost converter arrangements or in motor controllers in order to convert electrical energy with high efficiency or to drive electric motors with high efficiency. These half-bridge arrangements can be designed for powers of a few watts up to several thousand watts. For driving the upper switch and the optionally provided lower switch of the half-bridge arrangement, drivers are required in each case, which enable a fast switching on and off of the switches. Furthermore, it must be ensured that the upper switch and the lower switch of the half-bridge arrangement are not switched on at the same time in order to avoid a short circuit and damage to the switches.
Die
Die Druckschrift ”An integrated level shifter for use in high frequency half-bridges” von D. R. H Carter und R. A. McMahon, New Developments in Power Semiconductor Devices, publiziert 1996 offenbart einen integrierten Leistungstreiber mit einer Vorrichtung zur Anpassung eines Spannungspegels zum Betreiben einer Halbbrückenschaltung im Megahertzbereich.The publication "An integrated level shifter for use in high frequency half-bridges" by DR H Carter and RA McMahon, New Developments in Power Semiconductor Devices, published in 1996 discloses an integrated power driver with a device for adjusting a voltage level for operating a half-bridge circuit in the megahertz range ,
Aus „Control Integrated Circuits Designers' Manual”, International Rectifier, 1996, Datenblatt IR2111 Halbbrückentreiber ist ein integrierter Treiber für eine Halbbrückenschaltung bekannt mit integrierter Vorrichtung zum Anpassen eines Spannungspegel zum Ansteuern eines oberen Schalters einer Halbbrückenschaltung.From "Control Integrated Circuit Designers' Manual", International Rectifier, 1996, data sheet IR2111 half-bridge driver is known an integrated driver for a half-bridge circuit having an integrated device for adjusting a voltage level for driving an upper switch of a half-bridge circuit.
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die einfach und zuverlässig ist.The object of the invention is to provide a circuit arrangement which is simple and reliable.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Schaltungsanordnung, die einen Leistungsinverter, einen Potentialschieber und einen Leistungstreiber umfasst. Dem Leistungsinverter ist eingangsseitig ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal zuführbar. Der Leistungsinverter stellt ausgangsseitig ein Sperrsignal niederohmig und invers zu dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal bereit. Dem Potentialschieber ist eingangsseitig das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal oder ein Differentialpulssignal zuführbar. Das Differentialpulssignal ist aus dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal abgeleitet. Der Potentialschieber ist abhängig von dem Sperrsignal aktivierbar und deaktivierbar. Der Potentialschieber stellt aus gangsseitig ein Schaltsignal bereit, das auf ein erhöhtes Hilfspotential bezogen ist. Der Potentialschieber stellt das Schaltsignal, bereit abhängig von dem eingangsseitig zugeführten pulsweitenmodulierten Ansteuersignal beziehungsweise Differentialpulssignal, wenn der Potentialschieber durch das Sperrsignal aktiviert ist. Der Potentialschieber umfasst einen Potentialschieberwiderstand, der mit seinem ersten Ende mit dem erhöhten Hilfspotential gekoppelt ist und mit seinem zweiten Ende mit einem Potentialschieberschalter gekoppelt ist. Der Potentialschieberschalter ist ferner mit dem Ausgang des Leistungsinverters gekoppelt. Der Potentialschieberschalter ist abhängig von dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal oder dem Differentialpulssignal einschaltbar und ausschaltbar. Das Schaltsignal ist an einem Abgriff zwischen dem Potentialschieberwiderstand und dem Potentialschieberschalter bereitstellbar abhängig von dem Sperrsignal, wenn der Potentialschieber aktiviert ist. Der Potentialschieber ist aktiviert, wenn der Potentialschieberschalter eingeschaltet ist. Der Leistungstreiber ist ausgangsseitig mit einem oberen Schalter koppelbar zum Ansteuern des oberen Schalters. Der Leistungstreiber schaltet den oberen Schalter ein abhängig von dem Schaltsignal. Der Leistungstreiber schaltet den oberen Schalter ferner aus, wenn der Potentialschieber durch das Sperrsignal deaktiviert wird.The invention is characterized by a circuit arrangement comprising a power inverter, a potential shifter and a power driver. The power inverter on the input side, a pulse width modulated drive signal can be fed. On the output side, the power inverter provides a blocking signal of low resistance and inverse to the pulse-width-modulated activation signal. The potential shifter on the input side, the pulse width modulated drive signal or a differential pulse signal can be fed. The differential pulse signal is derived from the pulse width modulated drive signal. The potential shifter can be activated and deactivated depending on the blocking signal. The potential shifter provides a switching signal from the output, which is related to an increased auxiliary potential. The potential shifter provides the switching signal, depending on the pulse width modulated drive signal or differential pulse signal supplied on the input side, when the potential shifter is activated by the blocking signal. The potential shifter includes a potential shifter resistor coupled at its first end to the boosted auxiliary potential and coupled at its second end to a potential shifter switch. The potential shifter switch is further coupled to the output of the power inverter. The potential slide switch can be switched on and off as a function of the pulse-width-modulated drive signal or the differential pulse signal. The switching signal is provided at a tap between the potential shifter resistor and the potential slide switch depending on the inhibit signal when the potential shifter is activated. The potential slide is activated when the potential slide switch is switched on. The output driver can be coupled with an upper switch on the output side to control the upper switch. The power driver turns on the upper switch depending on the switching signal. The power driver also turns off the upper switch when the potential shifter is disabled by the inhibit signal.
Der Vorteil ist, dass eine solche Schaltungsanordnung sehr einfach aufgebaut ist und nur eine geringe Anzahl an Bauelementen erfordert. Ferner ist ein niederohmiger Aufbau der Schaltungsanordnung möglich. Dadurch ist die Schaltungsanordnung sehr zuverlässig und unempfindlich insbesondere gegenüber Verschmutzung oder gegenüber Feuchtigkeit, die zu unerwünschten, parasitären Kapazitäten zwischen den Bauelementen der Schaltungsanordnung führen können. Dadurch kann die Schaltungsanordnung besonders sicher betrieben werden. Ferner ist das Schaltsignal nur erzeugbar, wenn der Potentialschieber durch das Sperrsignal aktiviert ist. Dadurch kann der obere Schalter nur dann eingeschaltet werden, wenn der untere Schalter ausgeschaltet ist. Die Ansteuerung des oberen und des unteren Schalters sind so zuverlässig gegeneinander verriegelt. Des Weiteren ist die Schaltungsanordnung auch für hohe Taktfrequenzen des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals geeignet, beispielsweise für Taktfrequenzen von mehr als einem Megahertz.The advantage is that such a circuit arrangement is very simple and requires only a small number of components. Furthermore, a low-resistance structure of the circuit arrangement is possible. As a result, the circuit arrangement is very reliable and insensitive, in particular to contamination or to moisture, which can lead to undesirable parasitic capacitances between the components of the circuit arrangement. As a result, the circuit arrangement can be operated particularly safely. Furthermore, the switching signal can only be generated if the potential shifter is activated by the blocking signal. This will allow the top switch only be turned on when the lower switch is turned off. The control of the upper and lower switch are so reliably locked against each other. Furthermore, the circuit arrangement is also suitable for high clock frequencies of the pulse width modulated drive signal, for example for clock frequencies of more than one megahertz.
Die Schaltungsanordnung kann durch die geringe erforderliche Anzahl an Bauelementen sehr einfach und preisgünstig diskret aufgebaut werden. Die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Schaltungsanordnung wird dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt. Dies hat den Vorteil, dass durch geeignete Wahl der Bauelemente, insbesondere der Halbleiterbauelemente, eine Spannungsfestigkeit der Schaltungsanordnung sehr einfach vorgebbar ist. Auch bei diskretem Aufbau der Schaltungsanordnung erfordert die Schaltungsanordnung nur eine geringe Fläche. Die Schaltungsanordnung kann jedoch ebenso als eine integrierte Schaltung ausgebildet werden.The circuit arrangement can be constructed by the low required number of components very simple and inexpensive discreet. The reliability and reliability of the circuit is not significantly affected. This has the advantage that by suitable choice of the components, in particular of the semiconductor components, a dielectric strength of the circuit arrangement can be specified very easily. Even with discrete structure of the circuit arrangement, the circuit arrangement requires only a small area. However, the circuit arrangement may also be formed as an integrated circuit.
Die Schaltungsanordnung ist geeignet für unterschiedliche Leistungstopologien, insbesondere für Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller oder Hoch-Tiefsetzsteller. Ferner ist die Schaltungsanordnung insbesondere auch für Class-D-Verstärker geeignet. Durch die hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit ist die Schaltungsanordnung ferner besonders gut geeignet für eine Nutzung in einem Kraftfahrzeug.The circuit arrangement is suitable for different power topologies, in particular for buck converter, boost converter or buck-boost converter. Furthermore, the circuit arrangement is particularly suitable for class D amplifier. Due to the high reliability and reliability, the circuit arrangement is also particularly well suited for use in a motor vehicle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Schaltungsanordnung ein Einweg-Totzeitglied, das eingangsseitig mit dem Leistungsinverter gekoppelt ist und dem dadurch eingangsseitig das Sperrsignal zuführbar ist. Das Einweg-Totzeitglied ist ausgangsseitig mit einem unteren Schalter koppelbar zum Ansteuern des unteren Schalters. Das Einweg-Totzeitglied schaltet den unteren Schalter verzögert ein abhängig von einem ersten Parameterwert des Sperrsignals und schaltet den unteren Schalter aus abhängig von einem zweiten Parameterwert des Sperrsignals.In an advantageous embodiment, the circuit arrangement comprises a one-way dead time element, which is coupled on the input side with the power inverter and the input side, the blocking signal is supplied. The one-way deadtime element is the output side coupled to a lower switch for driving the lower switch. The one-way deadtime timer turns on the lower switch in response to a first parameter value of the inhibit signal and turns off the lower switch in response to a second parameter value of the inhibit signal.
Der erste und/oder der zweite Parameterwert des Sperrsignals beziehen sich insbesondere auf eine steigende oder fallende Flanke des Sperrsignals oder beispielsweise auf ein Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts durch das Sperrsignal. Eine Totzeit des Einweg-Totzeitglieds ist gebildet durch eine Zeitdauer zwischen einem Zeitpunkt einer Änderung des Sperrsignals zum Einschalten des unteren Schalters und einem Zeitpunkt des tatsächlichen Einschaltens des unteren Schalters. Durch geeignete Dimensionierung der Totzeit kann sichergestellt werden, dass der obere Schalter bereits ausgeschaltet ist, bevor der untere Schalter eingeschaltet wird. Dadurch wird zuverlässig ein Kurzschluss verhindert, der ansonsten durch die gleichzeitig eingeschalteten oberen und unteren Schalter entstehen und zu einer Zerstörung des oberen und/oder unteren Schalters führen kann. Die Schaltungsanordnung bildet so einen sehr zuverlässigen und betriebssicheren Halbbrückentreiber, der unempfindlich gegenüber Verschmutzung und Feuchtigkeit ist. Ferner ist sichergestellt, dass die Totzeit mindestens eingehalten wird. Dies gilt insbesondere unabhängig von einer Richtung eines Stromflusses heraus aus einem Halbbrückenmittelpunktsknoten, der elektrisch zwischen dem oberen und unteren Schalter ausgebildet ist, oder in diesen hinein. Dadurch ist die Schaltungsanordnung besonders geeignet für die Nutzung in einem Class-D-Verstärker. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das Sperrsignal das Ansteuern des oberen und des unteren Schalters so gegeneinander verriegelt sind, dass diese nicht gleichzeitig eingeschaltet sein können. Diese Verriegelung erfolgt selbstregelnd, das heißt bei Vorliegen von unerwünschten, parasitären Kapazitäten zwischen den Bauelementen der Schaltungsanordnung, zum Beispiel durch Verschmutzung oder Feuchtigkeit, vergrößert sich gegebenenfalls die Totzeit, jedoch wird das überlappende Einschalten des oberen und des unteren Schalters dadurch besonders zuverlässig verhindert.The first and / or the second parameter value of the blocking signal relate in particular to a rising or falling edge of the blocking signal or for example to an exceeding or falling below a predetermined threshold by the blocking signal. A dead time of the one-way dead time member is constituted by a period between a time of a change of the inhibit signal for turning on the lower switch and a time of actually turning on the lower switch. By suitable dimensioning of the dead time can be ensured that the upper switch is already turned off before the lower switch is turned on. As a result, a short circuit is reliably prevented, which otherwise caused by the simultaneously switched upper and lower switches and can lead to destruction of the upper and / or lower switch. The circuit arrangement thus forms a very reliable and reliable half-bridge driver, which is insensitive to dirt and moisture. Furthermore, it is ensured that the dead time is at least maintained. In particular, this is true regardless of a direction of current flow out of or into a half-bridge center node electrically formed between the upper and lower switches. As a result, the circuit arrangement is particularly suitable for use in a class D amplifier. Another advantage is that the blocking signal activates the activation of the upper and lower switches in such a way that they can not be switched on simultaneously. This locking is done selbstregelnd, that is, in the presence of unwanted, parasitic capacitances between the components of the circuit, for example by pollution or moisture, possibly increases the dead time, but the overlapping switching on the upper and lower switch is thereby particularly reliably prevented.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Einweg-Totzeitglied einen Verzögerungstransistor und einen Einstellwiderstand umfasst. Der Einstellwiderstand ist mit einem Steueranschluss des Verzögerungstransistors verbunden. Ein Eingangsanschluss des Verzögerungstransistors bildet einen Eingang des Einweg-Totzeitglieds. Ein Ausgangsanschluss des Verzögerungstransistors bildet einen Ausgang des Einweg-Totzeitglieds. Die Totzeit des Einweg-Totzeitglieds ist abhängig von einer Millerkapazität des Verzögerungstransistors und einem Widerstandswert des Einstellwiderstands vorgegeben.In this connection, it is advantageous if the one-way dead-time element comprises a delay transistor and a tuning resistor. The adjustment resistor is connected to a control terminal of the delay transistor. An input terminal of the delay transistor forms an input of the one-way dead time element. An output terminal of the delay transistor forms an output of the one-way dead time element. The dead time of the one-way dead time element is predetermined depending on a Millerkapazität of the delay transistor and a resistance value of the adjustment resistor.
Der Steueranschluss des Verzögerungstransistors ist insbesondere durch einen Gate-Anschluss oder einen Basisanschluss gebildet. Der Eingangsanschluss ist insbesondere durch einen Drain-Anschluss oder einen Kollektoranschluss gebildet. Der Ausgangsanschluss ist insbesondere durch einen Source-Anschluss oder einen Emitteranschluss gebildet. Der Vorteil der Schaltungsanordnung ist, dass so eine zuverlässige Verzögerung einer Änderung des Sperrsignals zum Einschalten des unteren Schalters und dem tatsächlichen Einschalten des unteren Schalters möglich ist. Ferner ist die gewünschte Verzögerung oder Totzeit sehr einfach durch Wahl des Widerstandswerts des Einstellwiderstands vorgebbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das Einweg-Totzeitglied nur das Einschalten des unteren Schalters verzögert erfolgt, das Ausschalten jedoch im Wesentlichen unverzögert erfolgt. Dadurch ist sichergestellt, dass der untere Schalter ausgeschaltet ist, bevor der obere Schalter eingeschaltet wird. Ferner ist nur eine geringe Anzahl von Bauelementen für das Einweg-Totzeitglied erforderlich und die Schaltungsanordnung ist dadurch sehr einfach und preisgünstig.The control terminal of the delay transistor is in particular formed by a gate terminal or a base terminal. The input terminal is in particular formed by a drain terminal or a collector terminal. The output terminal is in particular formed by a source terminal or an emitter terminal. The advantage of the circuit arrangement is that such a reliable delay of a change of the blocking signal for switching on the lower switch and the actual switching on of the lower switch is possible. Furthermore, the desired delay or dead time can be specified very simply by selecting the resistance value of the adjustment resistor. Another advantage is that only the switching on of the lower switch is delayed by the one-way deadtime, but switching off is essentially instantaneous. This will ensure that the bottom switch is turned off before the top switch is turned on. Furthermore, only a small number of components for the one-way deadtime required and the circuit arrangement is characterized very simple and inexpensive.
In diesem Zusammenhang ist es weiter vorteilhaft, wenn dem Steueranschluss des Verzögerungstransistors ein Steuersignal über den Einstellwiderstand zuführbar ist zum Aktivieren oder Deaktivieren des Einweg-Totzeitglieds abhängig von dem Steuersignal. Dies hat den Vorteil, dass das Einweg-Totzeitglied durch das Steuersignal einfach umschaltbar ist. In einem deaktivierten Zustand bleibt der untere Schalter ausgeschaltet unabhängig von einem Verlauf des Sperrsignals. In einem aktivierten Zustand bildet der untere Schalter einen Synchrongleichrichter, der abhängig von dem Sperrsignal verzögert einschaltbar und im Wesentlichen unverzögert ausschaltbar ist. Durch das Steuersignal ist so für unterschiedliche Lasten eine unterschiedliche Betriebsart der Schaltungsanordnung vorgebbar, die jeweils einen günstigen Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung ermöglicht.In this context, it is also advantageous if the control terminal of the delay transistor, a control signal can be supplied via the adjustment resistor for activating or deactivating the one-way dead time element depending on the control signal. This has the advantage that the one-way deadtime can be easily switched by the control signal. In a deactivated state, the lower switch remains switched off independently of a course of the blocking signal. In an activated state, the lower switch forms a synchronous rectifier, which can be switched off in a delayed manner and can be switched off substantially instantaneously, depending on the blocking signal. As a result of the control signal, a different operating mode of the circuit arrangement can be predetermined for different loads, which in each case enables a favorable efficiency of the circuit arrangement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist ein Ausgang des Potentialschiebers mit einem oberen Vortreiberschalter gekoppelt. Dem oberen Vortreiberschalter ist dadurch das Schaltsignal zuführbar zum Einschalten oder Ausschalten des oberen Vortreiberschalters abhängig von dem Schaltsignal. Der obere Vortreiberschalter ist elektrisch zwischen dem erhöhten Hilfspotential und einem Eingang des Leistungstreibers angeordnet. Ein unterer Vortreiberschalter ist elektrisch zwischen dem Eingang des Leistungstreibers und einem Bezugspotential angeordnet. Der untere Vortreiberschalter ist mit dem Ausgang des Leistungsinverters gekoppelt. Dem unteren Vortreiberschalter ist dadurch das Sperrsignal zuführbar zum Einschalten oder Ausschalten des unteren Vortreiberschalters abhängig von dem Sperrsignal. Der Vorteil ist, dass die Schaltungsanordnung einen einfachen Aufbau hat und nur wenige Bauelemente erforderlich sind. Der obere Schalter ist schnell und zuverlässig durch den oberen Vortreiberschalter und den Leistungstreiber abhängig von dem Schaltsignal einschaltbar. Ferner ist der obere Schalter schnell und zuverlässig durch den unteren Vortreiberschalter ausschaltbar abhängig von dem Sperrsignal. Dadurch ist sichergestellt, dass der obere Schalter sicher ausgeschaltet ist, wenn der untere Schalter eingeschaltet wird.In a further advantageous embodiment of the circuit arrangement, an output of the potential shifter is coupled to an upper pre-driver switch. The upper pre-driver switch can thereby be supplied with the switching signal for switching on or off the upper pre-driver switch depending on the switching signal. The upper pre-drive switch is arranged electrically between the increased auxiliary potential and an input of the power driver. A lower pre-driver switch is electrically arranged between the input of the power driver and a reference potential. The lower pre-driver switch is coupled to the output of the power inverter. The lower pre-driver switch is thereby the blocking signal supplied to turn on or off the lower pre-driver switch depending on the inhibit signal. The advantage is that the circuit arrangement has a simple structure and only a few components are required. The upper switch can be quickly and reliably turned on by the upper pre-driver switch and the power driver depending on the switching signal. Furthermore, the upper switch can be switched off quickly and reliably by the lower pre-driver switch depending on the inhibit signal. This ensures that the top switch is safely turned off when the bottom switch is turned on.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist zwischen einem Steueranschluss und einem Steuerbezugsanschluss des oberen Schalters und/oder des unteren Schalters jeweils ein Kompensationskondensator vorgesehen. Hochfrequente Schwingungen, die insbesondere durch die Schaltvorgänge des oberen und/oder des unteren Schalters entstehen können, können gegebenenfalls über eine Millerkapazität des oberen und/oder des unteren Schalters auf den Steueranschluss des jeweils ausgeschalteten Schalters gelangen und zu einem unerwünschten, parasitären Einschalten dieses Schalters führen. Durch das Vorsehen des Kompensationskondensators können die hochfrequenten Schwingungen so weit kompensiert oder reduziert werden, dass das unerwünschte, parasitäre Einschalten zuverlässig verhindert wird. Dadurch ist die Schaltungsanordnung besonders zuverlässig und betriebssicher. Der Steueranschluss ist insbesondere ein Gate-Anschluss oder ein Basisanschluss des jeweiligen Schalters. Der Steuerbezugsanschluss ist insbesondere ein Source-Anschluss oder ein Emitteranschluss des jeweiligen Schalters.In a further advantageous embodiment of the circuit arrangement, a compensation capacitor is provided in each case between a control connection and a control reference connection of the upper switch and / or of the lower switch. High-frequency oscillations, which may occur in particular due to the switching operations of the upper and / or the lower switch, may possibly reach the control terminal of the respectively switched-off switch via a miller capacitance of the upper and / or the lower switch and lead to an undesired, parasitic switching on of this switch , By providing the compensation capacitor, the high-frequency oscillations can be compensated or reduced so far that the undesired, parasitic switching is reliably prevented. As a result, the circuit arrangement is particularly reliable and reliable. The control terminal is in particular a gate terminal or a base terminal of the respective switch. The control reference terminal is in particular a source terminal or an emitter terminal of the respective switch.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the schematic drawings. Show it:
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Elements of the same construction or function are provided across the figures with the same reference numerals.
Eine Schaltungsanordnung, die insbesondere als ein Halbbrückentreiber zum Ansteuern einer Halbbrücke mit einem oberen Schalter X2 und einem unteren Schalter X3 ausgebildet ist, weist einen Leistungsinverter INV auf (
Der obere Schalter X2 und der untere Schalter X3 sind vorzugsweise Feldeffekttransistoren, insbesondere MOS-Feldeffekttransistoren. Vorzugsweise weisen der obere und der untere Schalter X2, X3 bereits bei einer geringen Gate-Source-Spannung einen niedrigen Einschaltwiderstand auf, beispielsweise etwa 26 Milliohm bei einer Gate-Source-Spannung von etwa 4,5 Volt. Der obere Schalter X2 und der untere Schalter X3 können jedoch auch anders ausgebildet sein.The upper switch X2 and the lower switch X3 are preferably field-effect transistors, in particular MOS field-effect transistors. Preferably, the upper and lower switches X2, X3 have a low on-resistance even at a low gate-to-source voltage, for example about 26 milliohms at a gate-source voltage of about 4.5 volts. However, the upper switch X2 and the lower switch X3 can also be designed differently.
Dem Leistungsinverter INV ist eingangsseitig ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal PWM zuführbar. Das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal PWM ist beispielsweise mit einer Taktfrequenz von 300 Kilohertz getaktet, kann jedoch auch mit einer höheren oder niedrigeren Taktfrequenz getaktet sein. Insbesondere kann die Taktfrequenz auch mehr als ein Megahertz betragen. Der Leistungsinverter INV invertiert das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal PWM und stellt dieses ausgangsseitig niederöhmig an einem Knoten
Der Leistungsinverter INV ist elektrisch zwischen einem Hilfspotential VDD und dem Bezugspotential angeordnet und schaltet seinen Ausgang auf einen H-Pegel, wenn das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal PWM einen L-Pegel aufweist, und schaltet seinen Ausgang auf einen L-Pegel, wenn das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal PWM einen H-Pegel aufweist. Beispielsweise beträgt das Hilfspotential VDD etwa fünf Volt. Der H-Pegel beträgt dann beispielsweise etwa fünf Volt und der L-Pegel beträgt etwa Null Volt. Das Hilfspotential VDD und der High-Pegel können jedoch auch gröber oder kleiner als fünf Volt sein.The power inverter INV is electrically disposed between an auxiliary potential VDD and the reference potential and switches its output to an H level when the pulse width modulated drive signal PWM has an L level, and switches its output to an L level when the pulse width modulated drive signal PWM a H level has. For example, the auxiliary potential VDD is about five volts. The H level is then for example about five volts and the L level is about zero volts. However, the auxiliary potential VDD and the high level may also be coarser or smaller than five volts.
Der Ausgang des Leistungsinverters INV ist mit einem Steueranschluss des unteren Schalters K3 koppelbar. Ist der untere Schalter X3 als Feldeffekttransistor ausgebildet, dann ist eine Schwellenspannung des unteren Schalters X3 so zu wählen, dass diese kleiner ist als der H-Pegel des Sperrsignals LSIG, um ein sicheres Einschalten des unteren Schalters X3 bei Vorliegen des H-Pegels des Sperrsignals LSIG gewährleisten zu können. Elektrisch zwischen dem Ausgang des Leistungsinverters INV und dem Steueranschluss des unteren Schalters X3 ist vorzugsweise ein Einweg-Totzeitglied TDEAD1 vorgesehen, das ein Totzeitglied TDEAD2 aufweist, das in einer Richtung von dem Ausgang des Leistungsinverters INV zu dem Steueranschluss des unteren Schalters X3 wirkt. Ferner umfasst das Einweg-Totzeitglied TDEAD1 eine Überbrückungsdiode X13, die das Totzeitglied TDEAD2 in einer Richtung von dem Steueranschluss des unteren Schalters X3 zu dem Ausgang des Leistungsinverters INV überbrückt. Dadurch ist der untere Schalter X3 bei einer Änderung des Sperrsignals LSIG von dem L-Pegel auf den H-Pegel durch das Totzeitglied TDEAD2 verzögert einschaltbar und bei einer Änderung des Sperrsignals LSIG von dem H-Pegel auf den L-Pegel im Wesentlichen unverzögert ausschaltbar. Das Einweg-Totzeitglied TDEAD1 kann jedoch auch anders ausgebildet sein.The output of the power inverter INV can be coupled to a control terminal of the lower switch K3. If the lower switch X3 is formed as a field effect transistor, then a threshold voltage of the lower switch X3 is to be selected so that it is smaller than the H level of the lock signal LSIG, to safely turn on the lower switch X3 in the presence of the H level of the lock signal To be able to guarantee LSIG. Electrically between the output of the power inverter INV and the control terminal of the lower switch X3 is preferably provided a one-way dead time TDEAD1 having a dead time TDEAD2 acting in a direction from the output of the power inverter INV to the control terminal of the lower switch X3. Further, the one-way dead time TDEAD1 includes a bypass diode X13 which bypasses the dead time TDEAD2 in a direction from the control terminal of the lower switch X3 to the output of the power inverter INV. As a result, when the blocking signal LSIG changes from the L level to the H level, the lower switch X3 can be switched on delayed by the dead time element TDEAD2 and switched off substantially instantaneously when the blocking signal LSIG changes from the H level to the L level. However, the one-way deadtime TDEAD1 can also be designed differently.
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner einen Potentialschieber LSHIFT, der abhängig von dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal PWM ein auf ein erhöhtes Hilfspotential VEE bezogenes Schaltsignal SSIG erzeugt zum Einschalten des oberen Schalters X2. Dem Potentialschieber LSHIFT ist dazu das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal PWM oder ein Differentialpulssignal DSIG zuführbar. Das Differentialpulssignal DSIG ist auf einen Takt des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals PWM bezogen und ist beispielsweise abhängig von dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal PWM oder einem Taktsignal des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals PWM erzeugbar. Der Potentialschieber LSHIFT ist ferner mit dem Ausgang des Leistungsinverters INV derart gekoppelt, dass der Potentialschieber LSHIFT abhängig von dem Sperrsignal LSIG aktivierbar und deaktivierbar ist. Beispielsweise ist der Potentialschieber LSHIFT aktiviert, wenn das Sperrsignal LSIG den L-Pegel aufweist, und deaktiviert, wenn das Sperrsignal LSIG den H-Pegel aufweist. Das Schaltsignal SSIG wird erzeugt abhängig von dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal PWM oder dem Differentialpulssignal DSIG, wenn der Potentialschieber LSHIFT durch das Sperrsignal LSIG aktiviert ist. Das Schaltsignal SSIG wird nicht erzeugt, wenn der Potentialschieber LSHIFT deaktiviert ist.The circuit arrangement further comprises a potential shifter LSHIFT, the dependent on the pulse-width modulated drive signal PWM a related to an increased auxiliary potential VEE switching signal SSIG generated to turn on the upper switch X2. The potential shifter LSHIFT can be supplied with the pulse-width-modulated drive signal PWM or a differential pulse signal DSIG for this purpose. The differential pulse signal DSIG is related to one pulse of the pulse-width-modulated drive signal PWM and can be generated, for example, as a function of the pulse-width-modulated drive signal PWM or a clock signal of the pulse-width-modulated drive signal PWM. The potential shifter LSHIFT is further coupled to the output of the power inverter INV such that the potential shifter LSHIFT can be activated and deactivated depending on the blocking signal LSIG. For example, the potential shifter LSHIFT is activated when the inhibit signal LSIG has the L level, and deactivated when the inhibit signal LSIG has the H level. The switching signal SSIG is generated as a function of the pulse-width-modulated drive signal PWM or the differential pulse signal DSIG when the potential shifter LSHIFT is activated by the blocking signal LSIG. The switching signal SSIG is not generated when the potential shifter LSHIFT is deactivated.
Die Schaltungsanordnung weist ferner einen Leistungstreiber DRIV auf, der elektrisch zwischen dem erhöhten Hilfspotential VEE und dem Knoten
Abhängig von dem Schaltsignal SSIG schaltet der obere Vortreiberschalter X1 ein und hebt dadurch den Eingang des Leistungstreibers DRIV auf ein hohes Potential hin zu dem erhöhten Hilfspotential VEE. Der Leistungstreiber DRIV ist ausgebildet, den oberen Schalter X2 dadurch einzuschalten, dass ausgangsseitig des Leistungstreibers DRIV ein Potential über eine Einschaltschwelle des oberen Schalters X2 angehoben wird. Der obere Vortreiberschalter X1 wird ausgeschaltet durch Deaktivieren des Potentialschiebers LSHIFT. Der obere Vortreiberschalter X1 kann jedoch beispielsweise auch bei aktiviertem Potentialschieber LSHIFT ausgeschaltet sein, wenn dem Potentialschieber LSHIFT kein Differentialpuls zugeführt wird.Depending on the switching signal SSIG, the upper pre-driver switch X1 turns on, thereby raising the input of the power driver DRIV to a high potential towards the increased auxiliary potential VEE. The power driver DRIV is designed to switch on the upper switch X2 by raising a potential above the turn-on threshold of the upper switch X2 on the output side of the power driver DRIV. The upper pre-driver switch X1 is turned off by deactivating the potential shifter LSHIFT. However, the upper pre-driver switch X1 can be switched off, for example, even when the potential shifter LSHIFT is activated, if no differential pulse is supplied to the potential shifter LSHIFT.
Ein Steueranschluss des unteren Vortreiberschalters X9 ist mit dem Ausgang des Leistungsinverters INV gekoppelt. Dem Steueranschluss des unteren Vortreiberschalters X9 ist daher das Sperrsignal LSIG zuführbar. Weist das Sperrsignal LSIG den H-Pegel auf, dann schaltet der untere Vortreiberschalter X9 ein und führt dem Eingang des Leistungstreibers DRIV dadurch ein niedriges Potential zu, das etwa dem Bezugspotential GND entspricht. Der Leistungstreiber DRIV ist ausgebildet, den oberen Schalter X2 dadurch auszuschalten, dass ausgangsseitig des Leistungstreibers DRIV das Potential unter die Einschaltschwelle des oberen Schalters X2 abgesenkt wird. Der untere Vortreiberschalter X9 ist ausgeschaltet, wenn das Sperrsignal LSIG den L-Pegel aufweist.A control terminal of the lower pre-driver switch X9 is coupled to the output of the power inverter INV. The blocking connection signal LSIG can therefore be fed to the control connection of the lower predriver switch X9. If the blocking signal LSIG has the H level, the lower pre-driver switch X9 switches on and supplies the input of the power driver DRIV with a low potential which corresponds approximately to the reference potential GND. The power driver DRIV is designed to switch off the upper switch X2 in that, on the output side of the power driver DRIV, the potential is lowered below the switch-on threshold of the upper switch X2. The lower pre-driver switch X9 is turned off when the inhibit signal LSIG has the L level.
Durch eine Erhöhungsdiode X10 und einen Erhöhungskondensator C2 ist eine Erhöhungsschaltung gebildet, die auch als Boostschaltung bezeichnet werden kann. Der Erhöhungskondensator C2 ist zwischen einem Knoten
Die Hilfsspannung VDD wird durch eine Hilfsspannungsquelle V4 bereitgestellt, die einen zweiten Quelleninnenwiderstand R8 aufweist. Eine Zuleitung der Hilfsspannungsquelle V4 zu der Schaltungsanordnung weist ferner eine erste Leitungsinduktivität L2 auf. Zur Vermeidung von elektrischen Schwingungen ist ein erster Blockkondensator C5 vorgesehen, der einen parasitären Widerstand R10 aufweist. Der erste Blockkondensator C5 ist elektrisch zwischen dem Hilfspotential VDD und dem Bezugspotential GND angeordnet. Dem Leistungsinverter INV kann die Hilfsspannung VDD durch eine weitere Hilfsspannungsquelle V10 bereitgestellt werden, jedoch kann dem Leistungsinverter INV die Hilfsspannung VDD ebenso durch die Hilfsspannungsquelle V4 bereitgestellt werden.The auxiliary voltage VDD is provided by an auxiliary voltage source V4 having a second source internal resistance R8. A supply line of the auxiliary voltage source V4 to the circuit arrangement further has a first line inductance L2. To avoid electrical oscillations, a first blocking capacitor C5 is provided which has a parasitic resistance R10. The first blocking capacitor C5 is electrically arranged between the auxiliary potential VDD and the reference potential GND. The power inverter INV may be supplied with the auxiliary voltage VDD by another auxiliary power source V10, however, the power inverter INV may be supplied with the auxiliary voltage VDD by the auxiliary power source V4.
Das Versorgungspotential VCC wird von einer Versorgungsspannungsquelle V5 bereitgestellt. Eine Zuleitung der Versorgungsspannungsquelle V5 zu dem oberen Schalter X2 weist eine zweite Leitungsinduktivität L3 und einen Leitungswiderstand R9 auf. Zur Vermeidung von elektrischen Schwingungen ist ferner ein zweiter Blockkondensator C5 elektrisch zwischen dem Versorgungspotential VCC und dem Bezugspotential GND vorgesehen.The supply potential VCC is provided by a supply voltage source V5. A supply line of the supply voltage source V5 to the upper switch X2 has a second line inductance L3 and a line resistance R9. In order to avoid electrical oscillations, a second blocking capacitor C5 is furthermore provided electrically between the supply potential VCC and the reference potential GND.
Für den Betrieb als Tiefsetzsteller ist eine Induktivität L1 vorgesehen, die elektrisch zwischen dem Halbbrückenmittelpunktsknoten, also dem Knoten
Der Potentialschieber LSHIFT ist durch einen Spannungsteiler und durch einen Potentialschieberschalter X8 gebildet. Der Spannungsteiler ist elektrisch zwischen dem Knoten
Der Potentialschieberschalter X8 ist bevorzugt durch einen Feldeffekttransistor gebildet, dessen Source-Anschluss mit dem Ausgang des Leistungsinverters INV gekoppelt ist. Der Steueranschluss des Potentialschieberschalters X8 ist mit dem Eingang des Leistungsinverters INV gekoppelt. Der Steueranschluss des Potentialschieberschalters X8 ist durch einen Gate-Anschluss des Potentialschieberschalters X8 gebildet. Ein Mittelpunktsabgriff des Spannungsteilers ist mit dem Steueranschluss des oberen Vortreiberschalters X1 gekoppelt zum Zuführen des Schaltsignals SSIG. Das Schaltsignal SSIG fällt als eine Schaltspannung über dem zweiten Spannungsteilerwiderstand R2 ab, wenn der Potentialschieberschalter X8 eingeschaltet ist und das Sperrsignal den L-Pegel aufweist. Das Schaltsignal SSIG ist dadurch auf das erhöhte Hilfspotential VEE bezogen.The potential slide switch X8 is preferably formed by a field effect transistor whose source terminal is coupled to the output of the power inverter INV. The control terminal of the potential shifter switch X8 is coupled to the input of the power inverter INV. The control terminal of the potential shifter switch X8 is formed by a gate terminal of the potential shifter switch X8. A center tap of the voltage divider is coupled to the control terminal of the upper pre-driver switch X1 for supplying the switching signal SSIG. The switching signal SSIG drops as a switching voltage across the second voltage dividing resistor R2 when the potential shifter switch X8 is turned on and the inhibit signal is at the L level. The switching signal SSIG is thereby related to the increased auxiliary potential VEE.
Der Vortreiberschalter X1 ist bevorzugt durch einen p-Kanal-Feldeffekttransistor gebildet und der Steueranschluss des Vortreiberschalters X1 ist durch einen Gate-Anschluss des p-Kanal-Feldeffekttransistors gebildet. Der obere Vortreiberschalter X1 schaltet daher ein, wenn die Schaltspannung über dem zweiten Spannungsteilerwiderstand R2 abfällt, das heißt das Schaltsignal SSIG erzeugt wird. Entsprechend ist der obere Vortreiberschalter X1 ausgeschaltet, wenn das Schaltsignal SSIG nicht erzeugt wird.The predriver switch X1 is preferably formed by a p-channel field effect transistor and the control terminal of the predriver switch X1 is formed by a gate terminal of the p-channel field effect transistor. Therefore, the upper pre-driver switch X1 turns on when the switching voltage across the second voltage dividing resistor R2 drops, that is, the switching signal SSIG is generated. Accordingly, the upper pre-driver switch X1 is turned off when the switching signal SSIG is not generated.
Das Schaltsignal SSIG kann jedoch nur dann erzeugt werden, wenn der Potentialschieberschalter X8 eingeschaltet ist, das heißt der Potentialschieber LSHIFT durch das Sperrsignal LSIG auf dem L-Pegel aktiviert ist. Dadurch ist ein Stromfluss durch den Spannungsteiler möglich, der die Schaltspannung zur Folge hat, die zu dem Einschalten des oberen Vortreiberschalters X1 führt.However, the switching signal SSIG can be generated only when the potential slide switch X8 is turned on, that is, the potential shifter LSHIFT is activated by the lock signal LSIG at the L level. As a result, a current flow through the voltage divider is possible, which results in the switching voltage, which leads to the switching on of the upper pre-driver switch X1.
Zwischen dem oberen und dem unteren Vortreiberschalter X1, X9 ist ein Begrenzungswiderstand R3 vorgesehen, der beispielsweise einen Widerstandswert von etwa 22 Ohm aufweist. Für den Fall eines kurzzeitig überlappenden Einschaltens des oberen und des unteren Vortreiberschalter X1, X9 wird ein etwaiger Kurzschlussstrom durch diese durch den Begrenzungswiderstand R3 auf einen unschädlichen Wert begrenzt. Der Begrenzungswiderstand R3 ist nicht zwingend erforderlich, erhöht jedoch die Zuverlässigkeit und die Betriebssicherheit der Schaltungsanordnung.Between the upper and lower pre-driver switches X1, X9, there is provided a limiting resistor R3 having, for example, a resistance of about 22 ohms. In the event of a momentarily overlapping switching on of the upper and lower pre-driver switches X1, X9, any short-circuit current through them is limited by the limiting resistor R3 to a harmless value. Of the Limiting resistor R3 is not mandatory, but increases the reliability and reliability of the circuit.
Der Leistungstreiber DRIV ist gebildet durch einen ersten Treibertransistor Q1 und einen zweiten Treibertransistor Q2, die als Bipolartransistoren ausgebildet sind. Ein jeweiliger Basisanschluss des ersten und des zweiten Treibertransistors Q1, Q2 ist mit einem Knoten
Das Einweg-Totzeitglied TDEAD1 ist durch einen Verzögerungstransistor X7 und einen Einstellwiderstand R7 gebildet. Der Verzögerungstransistor X7 ist durch einen weiteren p-Kanal-Feldeffekttransistor gebildet, dessen Drain-Anschluss einen Eingangsanschluss des Einweg-Totzeitglieds TDEAD1 bildet und dessen Source-Anschluss einen Ausgangsanschluss des Einweg-Totzeitglieds TDEAD1 bildet. Eine nicht dargestellte Substratdiode des Verzögerungstransistors X7 bildet die Überbrückungsdiode X13. Der Einstellwiderstand R7 ist elektrisch zwischen einem Steueranschluss des Verzögerungstransistors X7 und dem Bezugspotential GND angeordnet. Der Steueranschluss des Verzögerungstransistors X7 ist durch einen Gate-Anschluss des weiteren p-Kanal-Feldeffekttransistors gebildet.The one-way dead-band TDEAD1 is constituted by a delay transistor X7 and a variable resistor R7. The delay transistor X7 is formed by another p-channel field effect transistor whose drain terminal forms an input terminal of the one-way dead time TDEAD1 and whose source terminal constitutes an output terminal of the one-way dead time TDEAD1. An unillustrated substrate diode of the delay transistor X7 forms the bypass diode X13. The adjustment resistor R7 is electrically arranged between a control terminal of the delay transistor X7 and the reference potential GND. The control terminal of the delay transistor X7 is formed by a gate terminal of the further p-channel field effect transistor.
Durch eine nicht dargestellte, so genannte Millerkapazität des weiteren p-Kanal-Feldeffekttransistors, die zwischen dem Drain-Anschluss und dem Gate-Anschluss des weiteren p-Kanal-Feldeffekttransistors ausgebildet ist, wird eine Gegenkopplung bewirkt, die ausgangsseitig zu einem Abkippen einer eingangsseitigen, steigenden Flanke des Sperrsignals LSIG führt.By a so-called Miller capacitance, not shown, of the further p-channel field effect transistor, which is formed between the drain terminal and the gate terminal of the further p-channel field effect transistor, a negative feedback is effected, the output side to a tilting of an input side, rising edge of the blocking signal LSIG leads.
Dadurch steigt eine Gate-Source-Spannung des unteren Schalters X3 verlangsamt an, so dass die Schwellenspannung des unteren Schalters X3 gegenüber der steigenden Flanke des Sperrsignals LSIG verzögert überschritten wird und der untere Schalter X3 somit verzögert einschaltet. In Bezug auf die steigende Flanke des Sperrsignals LSIG erfolgt das Einschalten des unteren Schalters X3 erst nach Ablauf einer Totzeit, die durch einen Wert der Millerkapazität und einen Widerstandswert des Einstellwiderstands R7 vorgegeben ist. Durch Wahl des Widerstandswerts des Einstellwiderstands R7 ist die Totzeit sehr einfach vorgebbar. Der Widerstandswert des Einstellwiderstands R7 beträgt beispielsweise etwa 1,24 Kiloohm und die Totzeit beträgt beispielsweise etwa 100 Nanosekunden. Eine Ladung auf dem Gate-Anschluss des unteren Schalters X3 kann jedoch über die Substratdiode des Verzögerungstransistors X7 schnell entladen werden, wenn das Sperrsignal LSIG den L-Pegel aufweist. Das Ausschalten des unteren Schalters X3 erfolgt somit im Wesentlichen unverzögert. Die Totzeit bis zu dem Einschalten des unteren Schalters X3 muss so bemessen sein, dass diese größer ist als eine Zeitdauer, die für das Ausschalten des oberen Schalters X2 erforderlich ist. Der untere Schalter X3 schaltet so erst dann ein, wenn der obere Schalter ausgeschaltet ist.As a result, a gate-source voltage of the lower switch X3 increases slowed down, so that the threshold voltage of the lower switch X3 with respect to the rising edge of the blocking signal LSIG is delayed exceeded and the lower switch X3 thus turned on delayed. With respect to the rising edge of the inhibit signal LSIG, the turn-on of the lower switch X3 occurs only after a dead time has elapsed which is predetermined by a value of the Miller capacitance and a resistance value of the variable resistor R7. By selecting the resistance value of the adjustment resistor R7, the dead time can be specified very easily. For example, the resistance value of the adjustment resistor R7 is about 1.24 kiloohms, and the dead time is about 100 nanoseconds, for example. However, a charge on the gate terminal of the lower switch X3 can be rapidly discharged through the substrate diode of the delay transistor X7 when the latch signal LSIG has the L level. The switching off of the lower switch X3 thus takes place substantially instantaneously. The dead time to turn on the lower switch X3 must be such that it is greater than a time required for turning off the upper switch X2. The lower switch X3 only turns on when the upper switch is turned off.
Steigt das Potential an dem Knoten
Entsprechend kann bei Vorliegen eines negativen Ausgangsstroms IOUT in den Knoten
Im Folgenden werden vier unterschiedliche Betriebssituationen erläutert. In einer ersten Betriebssituation wird der Ausschaltvorgang des unteren Schalters X3 und der Einschaltvorgang des oberen Schalters X2 bei einem positiven Ausgangsstrom IOUT betrachtet, das heißt bei einem Strom aus dem Knoten
Der untere Vortreiberschalter X9 hält den oberen Schalter X2 solange ausgeschaltet, bis die Gate-Source-Spannung des unteren Schalters X3 entsprechend dem Sperrsignal LSIG die Schwellenspannung des unteren Vortreiberschalters X9 unterschritten hat. Diese Schwellenspannung beträgt beispielsweise etwa ein Volt. Der untere Schalter X3 lässt dann bereits keinen hohen Stromfluss mehr zu. Durch den L-Pegel des Sperrsignals LSIG wird also einerseits die Gate-Source-Spannung des unteren Schalters X3 verringert, so dass der untere Schalter X3 ausschaltet, und andererseits die Ansteuerung des oberen Schalters X2 für das Einschalten des oberen Schalters X2 frei geschaltet. Das Sperrsignal LSIG verriegelt somit die Ansteuerung des oberen und des unteren Schalters X2, X3 gegeneinander.The lower pre-driver switch X9 keeps the upper switch X2 turned off until the gate-source voltage of the lower switch X3 has fallen below the threshold voltage of the lower pre-driver switch X9 in accordance with the inhibit signal LSIG. This threshold voltage is for example about one volt. The lower switch X3 then already no longer allows a high current flow. By the L level of the blocking signal LSIG so on the one hand, the gate-source voltage of the lower switch X3 is reduced, so that the lower switch X3 turns off, and on the other hand, the activation of the upper switch X2 for switching on the upper switch X2 enabled. The blocking signal LSIG thus locks the control of the upper and lower switches X2, X3 against each other.
Für den oberen Schalter K2 und den unteren Schalter X3 können unterschiedliche Transistortypen mit unterschiedlichen parasitären Kapazitäten eingesetzt werden. Ferner können zusätzlich auch Kompensationskondensatoren C4 als externe Gate-Source-Kondensatoren vorgesehen werden. Diese parasitären oder zusätzlichen Kapazitäten sowie weitere parasitäre Kapazitäten, die beispielsweise durch Verschmutzung der Schaltungsanordnung oder durch Feuchtigkeit auf der Schaltungsanordnung gebildet sind, haben nur einen geringen Einfluss auf die Funktion der Schaltungsanordnung. Dies wird im Wesentlichen durch den niederohmigen Aufbau der Schaltungsanordnung und insbesondere durch das niederohmige Bereitstellen des Sperrsignals LSIG an dem Ausgang des Leistungsinverters INV erreicht. Dadurch ist ein Abschaltzeitpunkt des unteren Schalters X3 weitgehend unabhängig von den Kapazitäten der Schaltungsanordnung an dem Sperrsignal LSIG erkennbar, insbesondere unabhängig von Kapazitäten in einem Bereich des unteren Vortreiberschalters X9 und des Potentialschieberschalters X8. Das Erkennen des Abschaltzeitpunktes des unteren Schalters X3 für das Freischalten des oberen Schalters X2 ist daher äußerst betriebssicher.For the upper switch K2 and the lower switch X3, different transistor types with different parasitic capacitances can be used. Furthermore, compensation capacitors C4 can additionally be provided as external gate-source capacitors. These parasitic or additional capacitances and other parasitic capacitances, which are formed for example by contamination of the circuit arrangement or by moisture on the circuit arrangement, have only a small influence on the function of the circuit arrangement. This is achieved essentially by the low-resistance structure of the circuit arrangement and in particular by the low-resistance provision of the blocking signal LSIG at the output of the power inverter INV. As a result, a switch-off time of the lower switch X3 is largely independent of the capacitances of the circuit arrangement on the blocking signal LSIG recognizable, in particular independent of capacitances in a range of the lower Vortreiberschalters X9 and the potential slide switch X8. The detection of the switch-off of the lower switch X3 for the release of the upper switch X2 is therefore extremely reliable.
Kurz bevor der untere Vortreiberschalter X9 ausschaltet, schaltet der Potentialschieberschalter X8 ein. Dadurch fließt ein durch den Spannungsteiler vorgegebener Strom durch den ersten und den zweiten Spannungsteilerwiderstand R1, R2. Dieser Strom Verursacht den Spannungsabfall an dem zweiten Spannungsteilerwiderstand R2. Das auf das Bezugspotential GND bezogene Signal in dem Knoten
Ein Spannungsanstieg über dem zweiten Spannungsteilerwiderstand R2 wird gegebenenfalls durch parallel liegende Kapazitäten verzögert, die beispielsweise durch parasitäre Kapazitäten des oberen Vortreiberschalters X1 gebildet sind. Durch diese Verzögerung ist der untere Vortreiberschalter X9 bereits ausgeschaltet, wenn der obere Vortreiberschalter X1 einschaltet, so dass durch den oberen und den unteren Vortreiberschalter X1, X9 kein Querstrom fließt. Jedoch kann durch den Einfluss von Bauteiletoleranzen gegebenenfalls ein solcher Querstrom kurzzeitig auftreten, der dann jedoch durch den Begrenzungswiderstand R3 begrenzt wird.A voltage increase across the second voltage divider resistor R2 is optionally delayed by parallel capacitances, which are formed for example by parasitic capacitances of the upper pre-driver switch X1. By this delay, the lower pre-driver switch X9 is already off when the upper pre-driver switch X1 turns on, so that no cross-current flows through the upper and lower pre-driver switches X1, X9. However, due to the influence of component tolerances, such a crossflow may possibly occur for a short time, which is then limited by the limiting resistor R3.
Die Quellimpedanz in dem Knoten
Fließt vor dem Einschalten des oberen Schalters X2 ein positiver Ausgangsstrom IOUT durch die Induktivität L1 in Richtung des Kondensators C3, so schaltet zuerst der untere Schalter X3 aus. Der Ausgangsstrom IOUT fließt im Wesentlichen weiter durch eine Substratdiode des unteren Schalters X3, die eine untere Freilaufdiode D3 bildet. Eine Ausgangsspannung UOUT zwischen dem Potential an dem Knoten
In einer zweiten Betriebssituation wird der Ausschaltvorgang des unteren Schalters X3 und der Einschaltvorgang des oberen Schalters X2 bei einem negativen Ausgangsstrom IOUT von der Induktivität L1 in den Knoten
Die Ausgangsspannung UOUT steigt jedoch nicht erst während des Einschaltens des oberen Schalters X2, sondern bereits während des Ausschaltens des unteren Schalters X3. Die Ursache dafür ist, dass der negative Ausgangsstrom IOUT ein Aufladen von parasitären und elementaren Kapazitäten bewirkt, die mit dem Knoten
Bevorzugt ist die Signalverzögerung des Potentialschiebers LSHIFT durch geeignete Wahl der Widerstandswerte des ersten und des zweiten Spannungsteilerwiderstands R1, R2 so bemessen, dass der obere Schalter X2 erst dann einschaltet, wenn der negative Ausgangsstrom IOUT für eine Zeitdauer durch die obere Freilaufdiode D2 geflossen ist, die ausreicht, die Kapazitäten an dem Knoten
Parasitäre Kapazitäten, zum Beispiel durch Verschmutzung oder Feuchtigkeit, bewirken eine zusätzliche Signalverzögerung in dem Potentialschieber LSHIFT und dadurch eine längere Leitphase der oberen Freilaufdiode D2. Dies hat zwar eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrad des Tiefsetzstellers zur Folge. Jedoch befindet sich die Schaltungsanordnung so in einem sicheren Arbeitspunkt. Das überlappende Einschalten des oberen und des unteren Schalters X2, X3 wird so besonders zuverlässig verhindert.Parasitic capacities, for example due to contamination or moisture, cause an additional signal delay in the potential shifter LSHIFT and thus a longer conduction phase of the upper freewheeling diode D2. Although this has a reduction in the overall efficiency of the buck converter result. However, the circuit arrangement is thus in a safe operating point. The overlapping switching on of the upper and lower switches X2, X3 is thus particularly reliably prevented.
Selbst wenn die Verzögerung des Potentialschiebers LSHIFT nur sehr gering wäre, würde das überlappende Einschalten des oberen und des unteren Schalters X2, X3 durch das Sperrsignal LSIG zuverlässig verhindert. Bei sehr geringer Verzögerung des Potentialschiebers LSHIFT entfällt gegebenenfalls das weiche Einschalten des oberen Schalters X2.Even if the delay of the potential shifter LSHIFT were very small, the overlapping switching on of the upper and lower switches X2, X3 by the blocking signal LSIG would be reliably prevented. With very little delay of the potential shifter LSHIFT, the soft switching on of the upper switch X2 may be omitted.
In einer dritten Betriebssituation wird der Ausschaltvorgang des oberen Schalters X2 und der Einschaltvorgang des unteren Schalters X3 bei dem positiven Ausgangsstrom IOUT bei dem nicht lückenden Tiefsetzstellerbetrieb betrachtet. Auch in dieser Betriebssituation ist durch das Sperrsignal LSIG gewährleistet, dass der obere und der untere Schalter X2, X3 nicht gleichzeitig eingeschaltet sind.In a third operating situation, the turn-off operation of the upper switch X2 and the turn-on operation of the lower switch X3 are considered at the positive output current IOUT in the non-latching buck converter operation. Even in this operating situation is ensured by the blocking signal LSIG that the upper and lower switches X2, X3 are not turned on simultaneously.
Die steigende Flanke des Sperrsignals LSIG bewirkt das schnelle Einschalten des unteren Vortreiberschalters X9, wenn dessen Schwellenspannung überschritten ist. Der Gate-Anschluss des unteren Schalters X2 wird über den Leistungstreiber DRIV sowie über die Blockdiode X5 sehr schnell entladen. Aufgrund des positiven Ausgangsstroms IOUT sinkt die Ausgangsspannung UOUT mit dem Ausschalten des oberen Schalters X2 schnell ab. Der Ausgangsstrom IOUT fließt dann im Wesentlichen über die untere Freilaufdiode D3 weiter. Der untere Schalter X3 ist noch ausgeschaltet, da der Anstieg der Gate-Source-Spannung des unteren Schalters X3 durch den Verzögerungstransistor X7 und den Einstellwiderstand R7 verlangsamt ist. Der Kompensationskondensator C4 und die Gate-Source-Kapazität des unteren Schalters X3 werden daher verlangsamt geladen und der untere Schalter X2 dadurch verzögert eingeschaltet. Durch den Spannungsabfall über der unteren Freilaufdiode D3 beträgt die Ausgangsspannung UOUT etwa –1 Volt. Aufgrund der geringen Ausgangsspannung UOUT schaltet der untere Schalter X3 weich ein, wodurch die Ausgangsspannung UOUT auf etwa Null Volt angehoben wird. Das Einschalten des unteren Schalters X3 erfolgt daher verlustarm.The rising edge of the inhibit signal LSIG causes the lower pre-driver switch X9 to rapidly turn on when its threshold voltage is exceeded. The gate terminal of the lower switch X2 is discharged very quickly via the power driver DRIV and via the block diode X5. Due to the positive output current IOUT, the output voltage UOUT decreases rapidly with the switching off of the upper switch X2. The output current IOUT then continues to flow essentially via the lower freewheeling diode D3. The lower switch X3 is still off, since the increase of the gate-source voltage of the lower switch X3 is slowed down by the delay transistor X7 and the adjustment resistor R7. The compensation capacitor C4 and the gate-source capacitance of the lower switch X3 are therefore charged slowed and the lower switch X2 is thereby delayed. Due to the voltage drop across the lower freewheeling diode D3, the output voltage UOUT is about -1 volts. Due to the low output voltage UOUT, the lower switch X3 turns on soft, raising the output voltage UOUT to about zero volts. Switching on the lower switch X3 is therefore lossy.
Für einen zuverlässigen Betrieb der Schaltungsanordnung muss die Schaltungsanordnung durch geeignete Wahl der jeweiligen Schwellenspannung so ausgebildet sein, dass der untere Vortreiberschalter X9 bereits eingeschaltet ist, bevor die Gate-Source-Spannung des unteren Schalters X3 dessen Schwellenspannung erreicht. Dazu ist die Schwellenspannung des Vortreiberschalters X9 geringer zu wählen als die Schwellenspannung des unteren Schalters X3.For reliable operation of the circuit arrangement, the circuit arrangement must be formed by suitably selecting the respective threshold voltage so that the lower predriver switch X9 is already switched on before the gate-source voltage of the lower switch X3 reaches its threshold voltage. For this purpose, the threshold voltage of Vortreiberschalters X9 is to be selected lower than the threshold voltage of the lower switch X3.
In einer vierten Betriebssituation wird der Ausschaltvorgang des oberen Schalters X2 und der Einschaltvorgang des unteren Schalters X3 bei dem negativen Ausgangsstrom IOUT betrachtet. Fließt während des Ausschaltvorgangs des oberen Schalters X2 der negative Ausgansstrom IOUT in den Knoten
Ein Vorteil der Schaltungsanordnung ist, dass in allen vier Betriebssituationen, das heißt unabhängig von der Richtung des Ausgangsstroms IOUT, die Verriegelung der Ansteuerung des oberen und des unteren Schalters X2, X3 durch das Sperrsignal LSIG wirksam ist.An advantage of the circuit arrangement is that in all four operating situations, that is to say independent of the direction of the output current IOUT, the locking of the activation of the upper and lower switches X2, X3 by the blocking signal LSIG is effective.
Die Nutzung der Synchrongleichrichterfunktion des unteren Schalters X3 ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Ausgangsstrom IOUT betragsmäßig groß ist, zum Beispiel größer als etwa ein Ampere. Bei betragsmäßig kleinem Ausgangsstrom IOUT, zum Beispiel kleiner als etwa ein Ampere, ist jedoch der Betrieb ohne die Synchrongleichrichterfunktion des unteren Schalters X3 vorteilhaft. Durch geeignetes Aktivieren oder Deaktivieren der Synchrongleichrichterfunktion des unteren Schalters X3 durch das Steuersignal CSIG kann die Schaltungsanordnung jeweils mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden.The use of the synchronous rectifier function of the lower switch X3 is particularly advantageous when the output current IOUT is large in magnitude, for example greater than about one ampere. However, with absolute low output current IOUT, for example less than about one ampere, operation without the synchronous rectifier function of the lower switch X3 is advantageous. By appropriately activating or deactivating the synchronous rectifier function of the lower switch X3 by the control signal CSIG, the circuit arrangement can each be operated with a favorable efficiency.
Die Unempfindlichkeit der Schaltungsanordnung gegenüber parasitären Einflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit und anderen Stromkriechstrecken wurde experimentell in einem Wasserbad mit destilliertem Wasser nachgewiesen. Die Schaltungsanordnung zeigte auch bei den dabei auftretenden hohen parasitären Kapazitäten keinen Funktionsverlust. Insbesondere trat ein überlappendes Einschalten des oberen und des unteren Schalters X2, X3 nicht auf. Es zeigte sich lediglich eine hohe Belastung des Leistungsinverters INV, der jedoch durch geeignete Dimensionierung des Leistungsinverters INV begegnet werden kann. Durch diese besondere Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit ist die Schaltungsanordnung insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen besonders geeignet. Die Schaltungsanordnung kann beispielsweise aus diskreten Bauelementen auf einer Fläche von nur etwa einem Quadratzentimeter aufgebaut werden. Die Schaltungsanordnung kann jedoch ebenso als integrierte Schaltung ausgebildet werden.The insensitivity of the circuit to parasitic influences such as moisture and other creepage distances has been demonstrated experimentally in a water bath with distilled water. The circuit arrangement showed no loss of function even with the high parasitic capacitances occurring during this process. In particular, overlapping switching on of the upper and lower switches X2, X3 did not occur. It was only a high load of the power inverter INV, but this can be countered by suitable dimensioning of the power inverter INV. Due to this particular reliability and reliability, the circuit arrangement is particularly suitable for use in motor vehicles. For example, the circuitry may be constructed of discrete components on an area of only about one square centimeter. However, the circuit arrangement can also be designed as an integrated circuit.
Die Schaltungsanordnung ist beispielhaft als ein Halbbrückentreiber in einer Tiefsetzstelleranordnung beschrieben. Jedoch ist die Schaltungsanordnung ebenso nutzbar in einer Hochsetzsteller- oder Hoch-Tiefsetzstelleranordnung oder in einem Class-D-Verstärker. Ferner ist die Schaltungsanordnung als Halbbrückentreiber auch für andere Anwendungen nutzbar.The circuit arrangement is described by way of example as a half-bridge driver in a buck converter arrangement. However, the circuitry is also useful in a boost converter or boost converter arrangement or in a class D amplifier. Furthermore, the circuit arrangement can be used as a half-bridge driver for other applications.
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