DE102007002334A1

DE102007002334A1 - Überstromerkennungsschaltkreis

Info

Publication number: DE102007002334A1
Application number: DE102007002334A
Authority: DE
Inventors: Junichi Kariya Nagata; Masayuki Kariya Kominami
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: US20070171590A1; US7548403B2; DE102007002334B4

Abstract

Ein Überstromerkennungsschaltkreis zur Erkennung eines Überstromzustandes in einem Ausgangstransistor (2), der in Serie mit einer elektrischen Last (1) geschaltet ist, enthält ein Paar von Transistoren (22, 23), welche miteinander verbundene Einganganschlüsse haben. Das Transistorpaar liegt zwischen einem Stromspiegelschaltkreis (6) und einem Widerstand (10) und zwischen dem Stromspiegelschaltkreis (6) und einem Erkennungstransistor (3), der in der Lage ist, zur gleichen Zeit wie der Ausgangstransistor (2) eingeschaltet zu werden. Wenn eine Spannung (VR) an die Eingangsanschlüsse des Paares von Transistoren (22, 23) angelegt wird, werden Ausgangsanschlüsse des Stromspiegelschaltkreises (6) auf einem gleichen Potential festgelegt. Selbst wenn daher ein Early-Effekt im Stromspiegelschaltkreis (6) auftritt, wird ein durch den Widerstand (10) fließender elektrischer Strom gleich demjenigen, der durch den Erkennungstransistor (3) fließt. Der Überstromerkennungsschaltkreis kann somit, basierend auf einem Spannungsabfall über dem Widerstand (10), einen Überstromzustand genau und korrekt erkennen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überstromerkennungsschaltkreis zur Erkennung eines Überstromzustandes in einem Ausgangstransistor, der in Serienschaltung mit einer elektrischen Last ist.

Die beigefügte 22 zeigt einen bekannten Überstromerkennungsschaltkreis 12, wie er beispielsweise in der US-PS 6,011,413 entsprechend der JP-3680513 beschrieben ist. Der Überstromerkennungsschaltkreis 12 erkennt einen Überstrom (d.h. einen zu hohen Strom) in einem N-Kanal-Metalloxidhalbleiter(MOS)-Transistor 2, der in Serienschaltung mit einer elektrischen Last 1 ist, um diese Last 1 mit einem Laststrom IL zu betreiben. Die Last 1 ist beispielsweise ein Elektromagnet, eine Lampe oder ein Gleichstrommotor eines Fahrzeugs. Der Serienschaltkreis aus Last 1 und MOS-Transistor 2 ist zwischen eine Energieversorgungsspannung VB und eine erste Masse PGND geschaltet. Sowohl der MOS-Transistor 2 als auch ein weiterer N-Kanal MOS-Transistor 3 haben eine Source in Verbindung mit der ersten Masse PGND und ein Gate in Verbindung mit einem Ausgang eines Treiberschaltkreises 4. Somit werden die MOS-Transistoren 2 und 3 durch ein Gatesignal IN gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, das an einem Eingang des Treiberschaltkreises 4 angelegt wird.

Der MOS-Transistor 2 hat eine Drain in Verbindung mit einem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (OP) 5 und der MOS-Transistor 3 hat eine Drain in Verbindung mit einem invertierenden Eingang des OP 5. Ein Ausgang des OP 5 ist mit einem Anschluss eines Stromspiegelschaltkreises 6 verbunden. Der Stromspiegelschaltkreis 6 enthält drei PNP-Transistoren 7 bis 9. Jeder der Transistoren 7 und 8 hat einen Emitter in Verbindung mit dem Ausgang des OP 5 und eine Basis in Verbindung mit einem Emitter des Transistors 9. Der Transistor 9 hat eine Basis in Verbindung mit einem Kollektor des Transistors 8 und einen Kollektor in Verbindung mit einer zweiten Masse GND.

Der Transistor 7 hat einen Kollektor (d.h. einen Anschluss c des Stromspiegelschaltkreises 6) in Verbindung mit der zweiten Masse GND über einen Widerstand 10 zur Erkennung eines Kollektorstroms I1 des Transistors 7. Der Kollektor (d.h. ein An schluss b des Stromspiegelschaltkreises 6) des Transistors 8 ist mit der Drain des MOS-Transistors 3 verbunden. Der Kollektor des Transistors 7 ist mit einem Eingang eines Spannungssensors verbunden. Ein Größenverhältnis des MOS-Transistors 2 zum MOS-Transistor 3 wird auf N bis 1 gesetzt, wobei N eine positive Zahl ist.

Der Überstromerkennungsschaltkreis 12 arbeitet wie folgt:
Wenn die MOS-Transistoren 2 und 3 durch das Gatesignal IN am Eingang des Treiberschaltkreises 4 gleichzeitig eingeschaltet werden, fließt der Laststrom IL durch die Last 1 und den MOS-Transistor 2. Eine Ausgangsspannung des OP 5 wird so gesteuert, dass eine Drainspannung des MOS-Transistors 2 gleich derjenigen des MOS-Transistors 3 wird. Im Ergebnis beträgt ein Stromverhältnis des Laststroms IL zu einem Strom IM, der durch den MOS-Transistor 3 fließt, N bis 1. Wenn beispielsweise das Größenverhältnis des MOS-Transistors 2 zum MOS-Transistor 3 auf 10 bis 1 gesetzt ist, ist der Strom IM zehnmal kleiner als der Laststrom IL.

Der Stromspiegelschaltkreis 6 kopiert den Eingangsstrom zum Ausgang, so dass der Kollektorstrom I1 gleich dem Strom IM sein kann. Der Kollektorstrom I1 fließt durch den Widerstand 10 und über den Widerstand 10 wird eine Spannung erzeugt. Der Spannungssensor 11 bestimmt, basierend auf der Spannung, ob im MOS-Transistor 2 ein Überstromzustand vorliegt. Wenn beispielsweise die Spannung eine bestimmte Schwellenspannung übersteigt, gibt der Spannungssensor 11 ein Überstromerkennungssignal IV aus. Alternativ wandelt der Spannungssensor 11 die Spannung in ein digitales Signal und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) eines externen Schaltkreises bestimmt, basierend auf dem digitalen Signal, ob im MOS-Transistor 2 ein Überstromzustand vorliegt.

Wie jedoch nachfolgend erläutert wird, hat der Überstromerkennungsschaltkreis 12 ein zu beseitigendes Problem. Eine Kollektorspannung Vc(T8) des Transistors 8 ist gegeben durch: Vc(T8) = Ve(T8) – Vbe(T8) – Vbe(T9) (1)

In der obigen Gleichung (1) stellt Ve(T8) ein Emitterpotential des Transistors 8 dar, Vbe(T8) stellt eine Basis-Emitter-Spannung des Transistors 8 dar und Vbe(T9) stellt ein Basis-Emitter-Spannung des Transistors 9 dar.

Ein Kollektorpotential Vc(T7) des Transistors 7 ist gegeben durch: Vc(T7) = R10 × I1 (2)

In der obigen Gleichung (2) stellt R10 den Widerstandswert des Widerstands 10 dar.

Wie aus einem Vergleich der Gleichungen (1) und (2) zu sehen ist, unterscheidet sich das Kollektorpotential Vc(T8) vom Kollektorpotential Vc(T7). Somit ist eine Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 8 unterschiedlich zur derjenigen des Transistors 7 und eine Differenz zwischen dem Kollektorstrom I1 wird durch diesen Effekt bewirkt, der als „Early-Effekt" bekannt ist.

Wie oben beschrieben, da der Stromspiegelschaltkreis 6 aufgrund dieses Early-Effekts ungenau arbeitet, verringert sich die Genauigkeit des Überstromerkennungsschaltkreises 12 bei der Erkennung eines Überstromzustands.

Angesichts dieses Problems ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Überstromerkennungsschaltkreis zu schaffen, bei dem die Erkennungsgenauigkeit eines Überstromzustandes verbessert wird, indem der Einfluss eines Early-Effekts beseitigt wird, der in Transistoren eines Stromspiegelschaltkreises bewirkt wird.

Ein erfindungsgemäßer Überstromerkennungsschaltkreis zur Erkennung eines Überstromzustandes in einem Ausgangstransistor, der in Serie mit einer elektrischen Last geschaltet ist, enthält ein Paar von Transistoren, deren Eingangsanschlüsse miteinander verbunden sind. Das Transistorpaar ist zwischen einen Stromspiegelschaltkreis und einen Widerstand und zwischen den Stromspiegelschaltkreis und einen Erkennungstransistor geschaltet, der in der Lage ist, gleichzeitig wie der Ausgangstransistor eingeschaltet zu werden. Wenn eine Spannung an die Eingangsanschlüsse des Transistorpaares angelegt wird, werden die Ausgangsanschlüsse des Stromspiegelschaltkreises auf gleichem Potential festgelegt. Selbst wenn daher ein Early-Effekt am Stromspiegelschaltkreis auftritt, wird ein durch den Widerstand fließender elektrischer Strom gleich einem durch den Erkennungstransistor fließenden Strom. Der Überstromerkennungsschaltkreis kann den Überstromzustand basierend auf einem Spannungsabfall über dem Widerstand genau erkennen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A–2C jeweils schematisch Stromspiegelschaltkreise im Überstromerkennungsschaltkreis von 1;
3 schematisch den Aufbau eines typischen Operationsverstärkers (OP);
4 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis, an welchem eine Verbesserung gemacht wurde, um ein Problem eines herkömmlichen Überstromerkennungsschaltkreises gemäß 22 zu beseitigen;
5 eine schematische Darstellung eines OP, an welchem eine Verbesserung gemacht wurde, um ein Problem bei der herkömmlichen Überstromerkennung zu beseitigen;
6 eine schematische Darstellung eines OP in einem Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines OP in einem Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines Überstromerkennungsschaltkreises gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines OP in einem Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Darstellung eines Überstromerkennungsschaltkreises gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 schematisch einen Stromfluss im Überstromerkennungsschaltkreis von 1 im Leerlauf;
12 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16A–16D schematische Darstellungen eines Schalters im Überstromerkennungsschaltkreis von 15;
17A–17D schematische Darstellungen eines Schalters im Überstromerkennungsschaltkreis der 13 oder 14;
18 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 schematisch einen Überstromerkennungsschaltkreis gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
20A eine Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat, auf welchem ein Überstromerkennungsschaltkreis durch Grabenisolation ausgebildet ist und 20B eine Schnittansicht von 20A;
21A eine Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat, auf welchem ein Überstromerkennungsschaltkreis durch eine pn-Übergangs-Isolation ausgebildet ist und
21B eine Schnittdarstellung von 21A; und
22 schematisch den Aufbau eines herkömmlichen Überstromerkennungsschaltkreises.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 21 gemäß einer ersten Ausführungsform ist in 1 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 21 erkennt einen Überstromzustand oder eine Überstrombedingung in einem MOS-Transistor 2, der in Serienschaltung mit einer elektrischen Last 1 ist. Der Überstromerkennungsschaltkreis 21 enthält einen Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts zusätzlich zu dem Aufbau des Überstromerkennungsschaltkreises 12 von 22. Der Schaltkreis 29 zur Aufhebung oder Beseitigung des Early-Effekts hat ein Paar von PNP-Transistoren 22 und 23, einen Spannungspuffer 24 und Widerstände 25 und 26. Der Transistor 22 ist zwischen einen Anschluss b eines Stromspiegelschaltkreises 6 und eine Drain eines MOS-Transistors 3 geschaltet. Der Transistor 23 ist zwischen einen Anschluss c des Stromspiegelschaltkreises 6 und einen Widerstand 10 geschaltet.
Insbesondere hat der Transistor 22 einen Emitter, der mit dem Stromspiegelschaltkreis 6 verbunden ist, einen Kollektor, der mit dem MOS-Transistor 3 verbunden ist und eine Basis, die mit einem Ausgang des Spannungspuffers 24 verbunden ist. Der Transistor 23 hat einen Emitter in Verbindung mit dem Stromspiegelschaltkreis 6, einen Kollektor in Verbindung mit dem Widerstand 10 und eine Basis in Verbindung mit dem Ausgang des Spannungspuffers 24. Die Widerstände 25 und 26 sind in Serienschaltung zwischen eine Energieversorgungsspannung Vb und eine zweite Masse GND geschaltet und die Energieversorgungsspannung Vb wird zwischen den Widerständen 25 und 26 aufgeteilt. Die geteilte Spannung wird an den nichtinvertierenden Eingang des Spannungspuffers 24 angelegt, so dass der Span nungspuffer 24 eine bestimmte Spannung VR an die Basen der Transistoren 22 und 23 liefert.
Der Stromspiegelschaltkreis 6 ist beispielsweise wie in den 2A bis 2C gezeigt aufgebaut. Wie bei dem Überstromerkennungsschaltkreis 12 kann der Stromspiegelschaltkreis 6 mit drei Transistoren 7 bis 9 gebildet werden, wie in 2A gezeigt. Die Basen der Transistoren 7 und 8 sind miteinander verbunden und die Emitter der Transistoren 7 und 8 sind ebenfalls miteinander verbunden. Der Transistor 9 hat einen Emitter, der mit den Basen der Transistoren 7 und 8 verbunden ist und eine Basis in Verbindung mit dem Kollektor des Transistors 8. Alternativ kann der Stromspiegelschaltkreis 6 mit zwei Transistoren 7 und 8 aufgebaut sein, wie in 2B gezeigt. Alternativ kann der Stromspiegelschaltkreis 6 mit zwei MOS-Transistoren 27 und 28 aufgebaut sein, wie in 2C gezeigt. Die Gates der MOS-Transistoren 27 und 28 sind miteinander verbunden und die Source-Anschlüsse der MOS-Transistoren 27 und 28 sind ebenfalls miteinander verbunden.
Der Überstromerkennungsschaltkreis 21 arbeitet wie folgt:
Jedes Kollektorpotential der Transistoren 7 und 8 ergibt sich durch Subtraktion einer Basis-Emitter-Spannung Vbe der Transistoren 22 und 23 von der Spannung VR, welche vom Spannungspuffer 24 an die Basen der Transistoren 22 und 23 angelegt wird. Somit werden die Kollektorpotentiale der Transistoren 7 und 8 durch die Funktion des Schaltkreises 29 zur Aufhebung des Early-Effekts gleich gehalten. Selbst wenn daher in den Transistoren 7 und 8 der Early-Effekt auftritt, werden die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren 7 und 8 zueinander gleich gehalten, so dass ein Einfluss des Early-Effekts auf den Stromspiegelschaltkreis 6 vernachlässigbar ist. Der Stromspiegelschaltkreis 6 arbeitet korrekt, so dass die Kollektorströme der Transistoren 7 und 8 zueinander gleich werden. Somit kann eine Genauigkeit des Überstromerkennungsschaltkreises 21 bei der Erkennung des Überstromzustandes durch die Funktionen des Schaltkreises 29 zur Aufhebung des Early-Effekts beibehalten werden, so dass der Überstromerkennungsschaltkreis 21 korrekt und stabil arbeiten kann.
Zusätzlich zu dem geschilderten Vorteil liefert der Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts noch weitere Vorteile:
Der Überstromerkennungsschaltkreis 12 von 22 hat zwei Probleme und das erste Problem stellt sich wie folgt dar: Wenn der Überstromerkennungsschaltkreis 12 für ein System verwendet wird, bei dem der Laststrom IL groß wird, kann die erste Masse PGND von der zweiten Masse GND getrennt (d.h. unterschiedlich) sein, um Einflüsse von Störrauschen zu verhindern. Obgleich die ersten und zweiten Massen PGND und GND im Wesentlichen auf gleichem Potential liegen, kann die Last IL eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Massen PGND und GND verursachen. Im Ergebnis kann der Überstromerkennungsschaltkreis 21 ungenau und unstabil arbeiten.
Beispielsweise sei angenommen, dass das Potential der zweiten Masse GND 0 Volt (V) beträgt und das der ersten Masse PGND –1,5 V beträgt. Eine Drain-Source-Spannung des MOS-Transistors 2 ist merklich klein, wenn der Laststrom IL relativ klein ist. Im Ergebnis wird ein Drainpotential des MOS-Transistors 2 annähernd –1,5 V. Der OP 5 wirkt dahingehend, die Spannung VR zu verringern, die an den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts angelegt wird, wenn die Drainspannung des MOS-Transistors 3 größer als diejenige des MOS-Transistors 2 ist. Jedoch kann die Spannung VR nicht unter 0 V abgesenkt werden, da der OP 5 an der zweiten Masse GND auf Masse gelegt ist.
Da zwei Transistoren 7 (oder 8) und 9 zwischen den Ausgang des OP 5 und die Drain des MOS-Transistors 3 geschaltet sind, tritt ein Spannungsabfall von zwei Basis-Emitter-Spannungen (d.h. 2Vbe) zwischen dem Ausgang des OP 5 und der Drain des MOS-Transistors 3 auf. Beispielsweise kann die Basis-Emitter-Spannung Vbe annähernd 0,5 V unter einer Hochtemperaturbedingung in einem Fahrzeug (z.B. bei 150°C) betragen. In diesem Fall tritt eine Potentialdifferenz von 0,5 V zwischen den Drainpotentialen der MOS-Transistoren 2 und 3 auf, da das Drainpotential des MOS-Transistors 3 nicht unter –1,0 V verringert werden kann. Im Ergebnis ist ein Stromverhältnis des Laststroms IL, der durch den MOS-Transistor 2 fließt, zum Strom IM, der durch den MOS-Transistor 3 fließt, nicht N bis 1. Somit wird die Genauigkeit des Überstromerkennungsschaltkreises 21 verringert, so dass der Überstromerkennungsschaltkreis 21 ungenau arbeitet.
Das zweite Problem des Überstromerkennungsschaltkreises 12 ist wie folgt:
Der OP 5 hat üblicherweise den Aufbau gemäß 3. Transistoren 30 bis 33 liefern ein Eingangsdifferentialpaar und Transistoren 34 und 35 liefern einen Stromspiegelschaltkreis zum Vergleichen zweier Ströme, die durch das Eingangsdifferentialpaar fließen. Eine Eingangsminimalspannung, die zum Einschalten des Transistors 34 notwendig ist, ist gegeben durch: Vbe(T34) + Vsat(T32) – Vbe(T32) – Vbe(T30) (3)
Im obigen Ausdruck (3) ist Vsat(T32) eine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors 32. Wenn beispielsweise die Basis-Emitter-Spannung Vbe 0,5 V beträgt und die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vsat(T32) 0,1 V beträgt, ist eine Gleichtakt-Eingangsspannung des OP 5 –0,4 V. Wenn daher das Potential der ersten Masse PGND –1,5 V beträgt, arbeitet der OP 5 nicht.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 12A gemäß 4 beseitigt das erste Problem. Der Überstromerkennungsschaltkreis 12A enthält zwei Pegelverschiebungsdioden 36a und 36b, die in Serie zwischen den Kollektor des Transistors 8 und die Drain des MOS-Transistors 3 geschaltet sind. Hierdurch kann das Drainpotential des MOS-Transistors 3 bis auf –2,0 V verringert werden. Selbst wenn daher das Potential der ersten Masse PGND –1,5 V beträgt und die Ausgangsspannung des OP 5 0 V beträgt, kann das Drainpotential des MOS-Transistors 3 –1,5 V werden. Somit kann der Stromspiegelschaltkreis 6 genau arbeiten, so dass der Überstromerkennungsschaltkreis 12A ebenfalls genau arbeiten kann.
Ein OP 5A gemäß 5 beseitigt das zweite Problem. Der OP 5A hat Pegelverschiebungsdioden 37a bis 37c, Pegelverschiebungsdioden 38a bis 38c, Gegenstromschutzdioden 39 und 40, einen NPN-Transistor 41 als Ausgangstransistor und PNP-Transistoren 42, die als Stromspiegelschaltkreis arbeiten. Die Pegelverschiebungsdioden 37a bis 37c sind in Serie zwischen die Basis des Transistors 32 und den Emitter des Transistors 30 geschaltet. Die Pegelverschiebungsdioden 38a bis 38c sind in Serie zwischen die Basis des Transistors 33 und den Emitter des Transistors 31 geschaltet. Die Schutzdioden 39 und 40 sind zwischen die Kollektoren der Transistoren 30 und 31 und die zweite Masse GND geschaltet. In dem OP 5A beträgt die minimale Eingangsspannung, die zum Einschalten des Transistors 34 benötigt ist: Vbe(T34) + Vsat(T32) – Vbe(T32) – VA – Vbe(T39) (4)
In dem obigen Ausdruck (4) bedeutet VA eine Pegelverschiebungsspannung aufgrund der Pegelverschiebungsdioden 37a bis 37c. Wenn beispielsweise die Pegelverschiebungsspannung VA 1,5 V (d.h. 0,5 V × 3) beträgt, ist die minimale Eingangsspannung –1,9 V. Selbst wenn daher das Potential der ersten Masse PGND –1,5 V ist., kann der OP 5A arbeiten. Die Schutzdioden 39 und 40 verhindern einen entgegengerichteten Strom von der zweiten Masse GND zu den Eingängen des OP 5A, wenn die Eingangsspannung des OP 5A unter 0 V verringert wird.
Wie oben beschrieben, beseitigt der Überstromerkennungsschaltkreis 12A von 4 das erste Problem des Überstromerkennungsschaltkreises 12 und der OP 5A gemäß 5 beseitigt das zweite Problem des Überstromerkennungsschaltkreises 12. Es scheint daher, dass die ersten und zweiten Probleme beseitigt werden können, indem der Überstromerkennungsschaltkreis 12A und der OP 5A kombiniert werden. Durch diese Kombination ergibt sich jedoch ein anderes Problem: Wenn beispielsweise das Potential der ersten Masse PGND 1,5 V beträgt, ergibt sich eine minimale Energieversorgungsspannung Vbmin, die zum Betrieb des OP 5 notwendig ist, wie folgt: VBmin = 1,5 + Ron × IM + Vf × 2 + Vbe(T9) + Vbe(T8) + Vbe(T41) + Vsat(T42) (5)
In der obigen Gleichung (5) ist Ron ein Einschaltwiderstand des MOS-Transistors 3, IM der durch den MOS-Transistor 3 fließende Strom, Vf eine Vorwärtsspannung der Dioden 36a und 36b, Vbe(T41) eine Basis-Emitter-Spannung des Ausgangstransistors 41 und Vsat(T42) eine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung eines jeden der Transistoren 42.
Beispielsweise kann jede Basis-Emitter-Spannung Vbe und Vorwärtsspannung Vf unter einer Niedertemperaturbedingung im Fahrzeug (z.B. bei –40°C) annähernd 0,5 V betragen. Wenn Ron × IM = 0,1 V und die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vsat(T42) 0,1 V ist, ist die minimale Energieversorgungsspannung VBmin 6,2 V. Somit kann eine Kombination des Überstromerkennungsschaltkreises 12A und des OP 5A nicht bei einem System angewendet werden, welches eine Energieversorgungsspannung VB von ungefähr 6 V verwendet.
Im Gegensatz hierzu ist bei dem Überstromerkennungsschaltkreis 21 von 1 die minimale Energieversorgungsspannung VBmin, die zum Betrieb des OP 5 benötigt ist, gegeben durch: VBmin = VR + Vbe(T22) + Vbe(T8) + Vbe(T41) + Vsat(T42) (6)
Wenn daher die vom Spannungspuffer 24 an den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts angelegte Spannung VR 1,5 V beträgt, ist die Basis-Emitter-Spannung Vbe 0,9 V und die Emitter-Kollektor-Sättigungsspannung Vsat ist 0,1 V und die minimale Energieversorgungsspannung VBmin ist 5,2 V. Die minimale Energieversorgungsspannung VBmin des Überstromerkennungsschaltkreises 21 ist um 1 V niedriger als bei der Kombination aus Überstromerkennungsschaltkreis 12A und OP 5A. Der Überstromerkennungsschaltkreis 21 kann korrekt mit einer Energieversorgungsspannung VB von 6 V arbeiten.
Im Überstromerkennungsschaltkreis 21 ist die minimale Energieversorgungsspannung VBmin unabhängig vom Potential der ersten Masse PGND und dem Einschaltwiderstand des MOS-Transistors 3. Die minimale Energieversorgungsspannung VBmin wird basierend auf der Spannung VR bestimmt, die vom Spannungspuffer 24 an den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts angelegt wird. Folglich kann die minimale Energieversorgungsspannung VBmin durch Einstellung der Spannung VR eingestellt werden.
Beim Überstromerkennungsschaltkreis 21 gemäß der ersten Ausführungsform liegt der Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts zwischen dem Stromspiegelschaltkreis 6 und dem MOS-Transistor 3 und dem Widerstand 10 zur Erkennung des Ausgangsstroms des Stromspiegelschaltkreises 6. Der Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts verhindert, dass der Early-Effekt in den Transistoren 7 und 8 den Stromspiegelschaltkreis 6 beeinflusst. Somit kann der Stromspiegelschaltkreis 6 korrekt arbeiten, so dass der Überstromerkennungsschaltkreis 21 den Überstromzustand im MOS-Transistor 2, d.h. der Last 1 genau erkennen kann.
Weiterhin verringert der Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts die minimale Energieversorgungsspannung VBmin, die zum Betrieb des OP 5 notwendig ist, wenn das Potential der ersten Masse PGND höher als dasjenige der zweiten Masse GND ist.
Ein OP 51 gemäß der zweiten Ausführungsform ist in 6 gezeigt. Der OP 51 hat ähnlichen Aufbau zum OP 5A von 5. Wie aus einem Vergleich der 5 und 6 zu erkennen ist, liegen die Unterschiede zwischen dem OP 51 und dem OP 5A darin, dass der OP 51 die Gegenstromschutzdioden 39 und 40 nicht enthält und dass die Kollektoren der Transistoren 30 und 31 direkt mit der ersten Masse PGND verbunden sind.
Da der OP 5A die Schutzdioden 39 und 40 enthält, wird die Vonwärtsspannung Vf der Schutzdioden 39 und 40 an die Kollektoren der Transistoren 30 und 31 angelegt. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung am OP 5A 0 V beträgt, hängen die Emitterpotentiale der Transistoren 30 und 31 von den jeweiligen Basis-Emitter-Spannungen Vbe ab. In diesem Fall werden die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren 30 und 31 gleich 0 V, da die Basis-Emitter-Spannung Vbe im Wesentlichen gleich der Vorwärtsspannung Vf wird. Im Ergebnis arbeitet jeder der Transistoren 30 und 31 im Sättigungsbereich. Eine Verringerung der Gleichstromverstärkung hFE der Transistoren 30 und 31 tritt auf und ein großer Anteil des Emitterstroms wird vom Basisstrom geliefert. Daher nimmt der Eingangsstrom an dem OP 5A bei einer Abnahme der Eingangsspannung am OP 5A zu und ein Erkennungsfehler kann durch eine Impedanzdifferenz auf der Eingangsseite des OP 5A verursacht werden.
Im Gegensatz hierzu sind beim OP 51 die Schutzdioden 39 und 40 weggelassen, um die Transistoren 30 und 31 vor einem Betrieb im Sättigungsbereich zu schützen. Eine Emitterspannung Ve(T30) und eine Kollektorspannung Vc(T30) des Transistors 30 sind durch die folgenden Gleichungen gegeben: Ve(T30) = VPG + Ron × IM + Vbe(T30) (7) Vc(T30) = VPG (8)
In den Gleichungen (7) und (8) bedeutet VPG das Potential der ersten Masse PGND. Aus den Gleichungen (7) und (8) ergibt sich eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce(T30) wie folgt: Vce(T30) = Vc(T30) – Ve(T30) = Ron × IM – Vbe(T30) (9)
Wenn der Strom IM sehr klein ist, ist -Ron × IM annähernd 0 V. Selbst wenn somit -Ron × IM annähernd 0 V ist, schützt die Basis-Emitter-Spannung Vbe(T30) den Transistor 30 vor einem Betrieb im Sättigungsbereich. Daher kann eine Verringerung des Gleichstrom-Verstärkungsfaktors hFE der Transistoren 30 und 31 verhindert werden, so dass ein Anstieg des Eingangsstroms an den OP 51 verhindert werden kann. Diese Vorgehensweise verhindert, dass ein Erkennungsfehler durch eine Impedanzdifferenz an der Eingangsseite des OP 5A verursacht wird. Somit kann der Überstromerkennungsschaltkreis 21 den Überstromzustand genauer erkennen, indem anstelle des OP 5 der OP 51 verwendet wird.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die Kollektoren der Transistoren 30 und 31 direkt mit der ersten Masse PGND verbunden. Bei dieser Vorgehensweise kann der OP 51 ohne oder mit weniger Pegelverschiebungselementen arbeiten, selbst wenn das Potential der ersten Masse PGND relativ gegenüber demjenigen der zweiten Masse GND verringert ist. Da der OP 51 die Schutzdioden 39 und 40 nicht enthält, werden die Transistoren 30 und 31 vor einem Betrieb im Sättigungsbereich geschützt. Somit kann der Überstromerkennungsschaltkreis 21 den Überstromzustand genauer erkennen, indem anstelle des OP 5 der OP 51 verwendet wird.
Ein OP 52 gemäß der dritten Ausführungsform ist in 7 gezeigt. Der OP 52 ist im Aufbau ähnlich zum OP 51 von 6. Wie aus einem Vergleich der 6 und 7 zu sehen ist, liegen die Unterschiede zwischen dem OP 52 und dem OP 51 darin, dass der OP 52 PNP-Transistoren 53 und 54 enthält und die Pegelverschiebungsdioden 37c und 38c nicht enthält. Die Transistoren 53 und 54 sind zwischen die Anoden der Dioden 37a bzw. 38a und die Basen der Transistoren 32 bzw. 33 geschaltet. Somit wird die Anzahl von Eingangsdifferenzialpaaren erhöht.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 55 gemäß der vierten Ausführungsform ist in 8 gezeigt. Ein Unterschied zwischen dem Überstromerkennungsschaltkreis 55 und dem Überstromerkennungsschaltkreis 21 von 1 ist, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 55 anstelle des Schaltkreises 29 zur Aufhebung des Early-Effekts einen Schaltkreis 56 zur Aufhebung des Early-Effekts enthält. Ein Unterschied zwischen dem Schaltkreis 56 zur Aufhebung des Early-Effekts und dem Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts ist, dass der Schaltkreis 56 zur Aufhebung des Early-Effekts P-Kanal MOS-Transistoren 57 und 58 anstelle der Transistoren 22 und 23 enthält. Bei dieser Vorgehensweise wird das Kollektorpotential der Transistoren 8 und 9 des Stromspiegelschaltkreises 6 um eine Schwellenspannung des MOS-Transistoren 57 und 58 größer als die Spannung VR gemacht, welche an die Gates der MOS-Transistoren 57 und 58 angelegt wird.
Ein OP 59 gemäß der fünften Ausführungsform ist in 9 gezeigt. Der OP 59 ist im Aufbau ähnlich zum OP 51 von 6. Wie aus einem Vergleich der 6 und 9 hervorgeht, liegt der Unterschied zwischen dem OP 59 und dem OP 51 darin, dass alle bipolaren Transistoren durch MOS-Transistoren ersetzt sind.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 100 gemäß der sechsten Ausführungsform ist in 10 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 100 hat ähnlichen Aufbau wie der Überstromerkennungsschaltkreis 21 von 1. Wie aus einem Vergleich der 1 und 10 hervorgeht, ist ein Unterschied zwischen dem Überstromerkennungsschaltkreis 100 und dem Überstromerkennungsschaltkreis 21, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 100 einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 72 enthält.
In dem Überstromerkennungsschaltkreis 100 ist der Spannungssensor 11 im Detail gezeigt und er ist aufgebaut durch einen ersten Komparator mit einem invertierenden Eingang, der mit einer ersten Referenzspannung REF1 versorgt wird und ei nem nichtinvertierenden Eingang, der zwischen den Widerstand 10 und den Kollektor des Transistors 23 geschaltet ist. Ein Ausgang des ersten Komparators wird hochgezogen.
Der Fehlerverhinderungsschaltkreis 72 enthält einen Spannungssensor 73, ein NOT-Gatter 74 und ein AND-Gatter 75. Der Spannungssensor 73 ist aufgebaut aus einem zweiten Komparator, dessen invertierender Eingang mit einer zweiten Referenzspannung REF2 versorgt wird und einem nichtinvertierenden Eingang, der mit der ersten Masse PGND verbunden ist. Ein Ausgang des zweiten Komparators ist hochgezogen. Das AND-Gatter 75 hat einen ersten Eingang in Verbindung mit dem Ausgang des Spannungssensors 11 und einen zweiten Eingang in Verbindung mit dem Ausgang des Spannungssensors 73 über das NOT-Gatter 74.
Somit erkennt der Spannungssensor 11 den Überstrom durch Vergleich der Spannung über dem Widerstand 10 mit der ersten Referenzspannung REF1. Der Spannungssensor 73 erkennt einen überhohen Anstieg im Potential auf der lastseitigen Masse PGND durch Vergleich des Potentials der lastseitigen Masse PGND mit der zweiten Referenzspannung REF2.
Die Unterschiede im Verhalten zwischen den Überstromerkennungsschaltkreisen 21 und 100 werden nachfolgend erläutert.
Wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben, kann die erste Masse PGND von der zweiten Masse GND getrennt werden, um Einflüsse von Störrauschen zu verhindern. Ein Massedraht in Verbindung mit der ersten Masse PGND kann beispielsweise durch Vibrationen oder dergleichen unterbrochen werden, die auftreten, wenn beispielsweise ein Fahrzeug fährt. Somit tritt eine Unterbrechung im Massedraht auf.
Wenn im Überstromerkennungsschaltkreis 21 die MOS-Transistoren 2 und 3 unter der Bedingung eingeschaltet werden, dass die Schaltkreisunterbrechung vorliegt, erhöht der durch die Last 1 fließende Laststrom das Sourcepotential des MOS-Transistors 2. Dann fließt der Laststrom von der Source zur Drain des MOS-Tran sistors 3, fließt vom Kollektor zur Basis des Transistors 22 und fließt in den Ausgang des Spannungspuffers 24.
Im Ergebnis wird die Drainspannung des MOS-Transistors 3 niedriger als diejenige des MOS-Transistors 2. Somit erhöht der OP 5 seine Ausgangsspannung, so dass die an den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts angelegte Spannung VR erhöht wird. Folglich wird ein vom Stromspiegelschaltkreis 6 in den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts fließender Strom erhöht und ein Teil des Stroms fließt vom Emitter zur Basis des Transistors 22.
Kurz gesagt und wie in 11 gezeigt, ein Strom fließt nicht nur von dem Kollektor zur Basis, sondern auch vom Emitter zur Basis des Transistors 22. Im Ergebnis werden die Emitter- und Kollektorpotentiale des Transistors 22 annähernd gleich zueinander und der Transistor 22 arbeitet im Sättigungsbereich. Selbst wenn daher der OP 5 einen Strom an den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts durch den Stromspiegelschaltkreis 6 liefert, bildet ein großer Teil des Stroms den Basisstrom und fließt zum Spannungspuffer 24 und nicht zum MOS-Transistor 3. Somit wird die Drain-Spannung des MOS-Transistors 3 nicht erhöht.
Da in diesem Fall der OP 5 den Strom an den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts mit Spitzenleistung ungeachtet des Laststroms liefert, fließt ein hoher Strom durch den Transistor 23. Der Spannungssensor 11 erkennt die über den Widerstand 10 von dem hohen Strom erzeugte Spannung und gibt das Überstromerkennungssignal IV aus. Im Ergebnis arbeitet der Überstromerkennungsschaltkreis 21 insofern fehlerhaft, als er fälschlicherweise Überstrom erkennt. Mit anderen Worten, der Überstromerkennungsschaltkreis 21 erkennt einen Überstrom ungeachtet der Tatsache, dass tatsächlich kein Überstrom vorhanden ist.
Beim Überstromerkennungsschaltkreis 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beseitigt der Fehlerverhinderungsschaltkreis 72 das obige Problem wie folgt:
Wenn das Potential an der ersten Masse PGND niedriger als die zweite Referenzspannung REF2 ist, ist der Ausgang vom Spannungssensor 73 niedrig. In die sem Fall kann der Spannungssensor 11 das Überstromerkennungssignal IV durch das AND-Gatter 75 ausgeben. Wenn im Gegensatz hierzu das Potential der ersten Masse PGND über der zweiten Referenzspannung REF2 aufgrund einer Unterbrechung des Massedrahtes ansteigt, ändert sich der Ausgang des Spannungssensors 73 von niedrig nach hoch. In diesem Fall blockiert das AND-Gatter 75 die Ausgabe des Überstromerkennungssignals IV vom Spannungssensor 73. Somit verhindert der Fehlerverhinderungsschaltkreis 72, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 100 fehlerhafterweise einen Überstromzustand erkennt.
Bei dieser Ausführungsform macht der Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts den Einfluss des Early-Effekts auf die Transistoren 7 und 8 vernachlässigbar, so dass die Überstrombedingung genau erkannt werden kann. Weiterhin unterbindet der Fehlerverhinderungsschaltkreis 72 die Ausgabe des Überstromerkennungssignals IV vom Spannungssensor 11, wenn das Potential der ersten Masse PGND über der zweiten Referenzspannung REF2 aufgrund einer Unterbrechung im Massedraht liegt. Kurz gesagt, der Fehlerverhinderungsschaltkreis 72 unterbindet das Überstromerkennungssignal IV in Antwort auf eine elektrische Änderung im Überstromerkennungsschaltkreis 100. Somit verhindert der Fehlerverhinderungsschaltkreis 72, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 100 fehlerhafterweise einen Überstromzustand erkennt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 100 kann wirksam bei einem System angewendet werden, welches unter Vibrationsbedingungen arbeitet (z.B. in einem Fahrzeug), wo eine Unterbrechung von Leitungen aufgrund von vibrationsbedingten Kabelbrüchen wahrscheinlich ist.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 101 gemäß der siebten Ausführungsform ist in 12 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 101 hat ähnlichen Aufbau wie der Überstromerkennungsschaltkreis 100 von 10. Wie aus einem Vergleich der 10 und 12 hervorgeht, liegen die Unterschiede zwischen den Überstromerkennungsschaltkreisen 100 und 101 darin, dass ein Fehlererkennungsverhinderungsschaltkreis 86 und ein Spannungssensor 80 den Fehlererkennungsverhinderungsschaltkreis 72 und den Spannungssensor 11 ersetzen.
Der Spannungssensor 80 enthält einen NPN-Transistor 76 und Widerstände 77 bis 79. Der Widerstand 10 ist mit einer Basis des Transistors 76 über den Wider stand 77 verbunden und über den Widerstand 78 mit der zweiten Masse GND verbunden. Der Transistor 30 hat einen Emitter in Verbindung mit der zweiten Masse GND und einen Kollektor, der durch den Widerstand 79 auf die Energieversorgungsspannung VB hochgezogen ist.
Der Verhinderungsschaltkreis 86 enthält anstelle des Spannungssensors 73 einen Spannungssensor 81, das NOT-Gatter 74 und das AND-Gatter 75. Der Spannungssensor 81 hat ähnlichen Aufbau wie der Spannungssensor 80. Genauer gesagt, der Spannungssensor 80 enthält einen NPN-Transistor 82 und Widerstände 83 bis 85. Die erste Masse PGND ist über den Widerstand 83 mit der Basis des Transistors 82 verbunden und durch den Widerstand 84 mit der zweiten Masse GND. Der Transistor 82 hat einen Emitter in Verbindung mit der zweiten Masse GND und einen Kollektor, der durch den Widerstand 85 auf die Energieversorgungsspannung VB hochgezogen ist.
Der Kollektor (d.h. der Ausgang des Spannungssensors 80) des Transistors 76 ist mit dem ersten Eingang des AND-Gatters 75 über das NOT-Gatter 74 verbunden. Der Kollektor (d.h. der Ausgang des Spannungssensors 81) des Transistors 82 ist mit dem zweiten Eingang des AND-Gatters 75 verbunden.
Die Spannung über dem Widerstand 10 wird zwischen den Widerständen 77 und 78 aufgeteilt. Wenn die geteilte Spannung ansteigt und der Transistor 76 eingeschaltet wird, wird der Kollektor des Transistors 76 auf die zweite Masse GND gelegt. Im Ergebnis ändert sich der Ausgang des Spannungssensors 80 von hoch nach niedrig. Auf ähnliche Weise wird das Potential der ersten Masse PGND zwischen den Widerständen 83 und 84 geteilt. Wenn die geteilte Spannung ansteigt und der Transistor 82 eingeschaltet wird, wird der Kollektor des Transistors 82 auf die zweite Masse GND gelegt. Im Ergebnis ändert sich der Ausgang des Spannungssensors 89 von hoch nach niedrig.
Wenn bei dieser Vorgehensweise das Potential der lastseitigen Masse GND relativ niedrig ist, kann der Spannungssensor 80 das Überstromerkennungssignal IV durch das NOT-Gatter 74 und das AND-Gatter 75 ausgeben. Wenn das Potential der lastseitigen Masse GND aufgrund einer Unterbrechung des Massedrahtes angeho ben wird, blockiert das AND-Gatter 75 die Ausgabe des Überstromerkennungssignals IV vom Spannungssensor 80. Somit kann der Überstromerkennungsschaltkreis 101 gemäß dieser Ausführungsform auf die gleiche Weise wie der Überstromerkennungsschaltkreis 100 gemäß der sechsten Ausführungsform arbeiten.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 102 gemäß der achten Ausführungsform ist in 13 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 102 hat ähnlichen Aufbau wie der Überstromerkennungsschaltkreis 100 von 10. Wie sich aus einem Vergleich der 10 und 13 ergibt, ist ein Unterschied zwischen den Überstromerkennungsschaltkreisen 100 und 102, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 102 anstelle des Verhinderungsschaltkreises 72 einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 88 enthält.
Der Verhinderungsschaltkreis 88 enthält den Spannungssensor 73 und einen Schalter 87. Der Schalter 87 liegt zwischen dem OP 5 und dem Stromspiegelschaltkreis 6 und ist für gewöhnlich geschlossen. Wenn der Spannungssensor 73 den Potentialanstieg der ersten Masse PGND erkennt, wird der Schalter 87 geöffnet, um den Stromfluß vom Stromspiegelschaltkreis 6 zum Widerstand 10 zu unterbrechen. Im Ergebnis wird die Eingangsspannung am Spannungssensor 11 0 V, so dass der Spannungssensor 11 das Überstromerkennungssignal IV nicht ausgibt. Somit verhindert der Verhinderungsschaltkreis 88 das Überstromerkennungssignal IV durch Änderung des Eingangszustandes und nicht des Ausgangszustands des Spannungssensors 11, wenn das Potential der ersten Masse PGND aufgrund einer Unterbrechung im Massedraht angehoben wird.
Bei der achten Ausführungsform trennt der Verhinderungsschaltkreis 88 eine elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang des OP 5 und dem Stromspiegelschaltkreis 6, wenn das Potential der ersten Masse PGND aufgrund des offenen Schaltkreises ansteigt. Mit dieser Vorgehensweise kann der Verhinderungsschaltkreis 88 eine fehlerhafte Erkennung eines Überstromzustandes nicht nur dann verhindern, wenn der Überstromzustand analog basierend auf der Spannung über den Widerstand 10 erkannt wird, sondern auch dann, wenn der Überstromzustand digital erkannt wird, indem ein A/D-Wandler und eine CPU verwendet werden.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 103 gemäß einer neunten Ausführungsform ist in 14 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 103 hat ähnlichen Aufbau wie der Überstromerkennungsschaltkreis 102 von 13. Wie ein Vergleich der 13 und 14 ergibt, liegt ein Unterschied zwischen den Überstromerkennungsschaltkreisen 102 und 103 darin, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 103 anstelle des Verhinderungsschaltkreises 88 einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 90 enthält.
Der Verhinderungsschaltkreis 90 enthält den Spannungssensor 73 und einen Schalter 89. Der Schalter 89 liegt zwischen dem Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts und dem Widerstand 10 und ist normalerweise geschlossen. Wenn der Spannungssensor 73 den Anstieg des Potentials der ersten Masse PGND erkennt, wird der Schalter 89 geöffnet, um den Stromfluss vom Stromspiegelschaltkreis 6 zum Widerstand 10 zu unterbrechen. Im Ergebnis wird die Eingangsspannung am Spannungssensor 11 0 V, so dass der Spannungssensor 11 das Überstromerkennungssignal IV nicht ausgibt. Somit unterbindet der Verhinderungsschaltkreis 90 das Überstromerkennungssignal IV durch Änderung des Eingangszustandes und nicht des Ausgangszustandes des Spannungssensors 11, wenn das Potential der ersten Masse PGND aufgrund einer Unterbrechung des Massedrahtes anwächst.
Bei der zehnten Ausführungsform trennt der Verhinderungsschaltkreis 90 die elektrische Verbindung zwischen dem Widerstand 10 und dem Stromspiegelschaltkreis, wenn das Potential der ersten Masse PGND aufgrund der Unterbrechung ansteigt. Mit dieser Vorgehensweise kann ein durch den Schalter 89 fließender Strom im Vergleich zu dem Strom verringert werden, der durch den Schalter 87 fließt. Somit kann der Schalter 89 durch verschiedene Bauelemente realisiert werden.
Beispielsweise können die Schalter 87 oder 89 der Überstromerkennungsschaltkreise 102 oder 103 gemäß den 17A bis 17D aufgebaut sein. In 17A bildet ein PNP-Transistor 110 die Schalter 87 und 89. In 17B bilden ein PNP-Transistor 110 und ein Widerstand 111 zwischen einer Basis und einem Emitter des Transistors 110 die Schalter 87 und 89. Der Widerstand 111 verhindert, dass die Schalter 87 oder 89 durch Störrauschen geschlossen oder geöffnet werden. In 17C bilden ein P-Kanal-MOS-Transistor 112 und der Widerstand 111 zwischen Gate und Drain des MOS-Transistors 112 die Schalter 87 und 89. In 17D bilden ein CMOS-Schaltkreis (Complementary MOS) 114 mit dem MOS-Transistor 112 und ein N-Kanal-MOS-Transistor 113 die Schalter 87 und 89.
Wenn jedoch der Schalter 89 des Überstromerkennungsschaltkreises 103 wie in den 17A bis 17D aufgebaut ist, können die folgenden Probleme auftreten:
Im Fall von 17A wird ein Teil des dem Widerstand 10 vom Stromspiegelschaltkreis 6 zugeführten Stroms als Basisstrom zum Einschalten des Transistors 110 verwendet, d.h. zum Schließen des Schalters 89. Der Basisstrom, der zum Einschalten des Transistors 110 verwendet wird, verringert die Erkennungsgenauigkeit bei der Erkennung eines Überstromzustands. Da im Fall von 17B der Widerstand 111 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 110 geschaltet ist, wird die Erkennungsgenauigkeit noch weiter wie im Fall von 17A verringert. Im Fall von 17C benötigt der MOS-Transistor 112 keinen Basisstrom. Da jedoch der Widerstand 111 zwischen Source und Gate des MOS-Transistors 112 geschaltet ist, wird die Erkennungsgenauigkeit verringert. Im Fall von 17D ist der Schalter 89 in seiner Größe erhöht, da der CMOS-Schaltkreis 114 üblicherweise eine niedrige Durchbruchsspannung hat. Da weiterhin der CMOS-Schaltkreis 114 viele Elemente, einschließlich eines NOT-Gates benötigt, sind die Herstellungskosten für den Schalter 89 erhöht.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 104 gemäß einer zehnten Ausführungsform ist in 15 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 104 hat ähnlichen Aufbau wie der Überstromerkennungsschaltkreis 103 von 14. Wie aus einem Vergleich der 14 und 15 hervorgeht, liegt ein Unterschied zwischen den Überstromerkennungsschaltkreisen 103 und 104 darin, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 104 anstelle des Verhinderungsschaltkreises 90 einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 92 enthält.
Der Verhinderungsschaltkreis 92 enthält den Spannungssensor 73 und einen Schalter 91. Der Schalter 91 ist parallel zum Widerstand 10 geschaltet und wahlweise geöffnet. Wenn der Spannungssensor 73 einen Potentialanstieg der ersten Masse PGND erkennt, wird der Schalter 91 geschlossen, um den Widerstand 10 zu überbrücken. Im Ergebnis wird die Eingangsspannung an dem Spannungssensor 0 V, so dass der Spannungssensor 11 das Überstromerkennungssignal IV nicht ausgibt. Somit sperrt der Verhinderungsschaltkreis 92 das Überstromerkennungssignal IV durch Änderung des Eingangszustandes und nicht des Ausgangszustandes des Spannungssensors 11, wenn das Potential der ersten Masse PGND aufgrund einer Unterbrechung im Massedraht ansteigt.
Der Schalter 91 kann aufgebaut werden, wie beispielsweise in den 16A bis 16D gezeigt. In 16A bildet ein NPN-Transistor 93 den Schalter 91. In 16B bilden der Transistor 93 und ein Widerstand 94 zwischen Basis und Emitter des Transistors 93 den Schalter 91. In 16C bildet ein N-Kanal-MOS-Transistor 95 den Schalter 91. In 16D bilden der MOS-Transistor 95 und der Widerstand 94 zwischen Gate und Source des MOS-Transistors 95 den Schalter 91.
Bei der zehnten Ausführungsform ist der Schalter 91 normalerweise offen, so dass eine Verringerung in der Erkennungsgenauigkeit verhindert werden kann.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 105 gemäß der elften Ausführungsform ist in 18 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 105 hat ähnlichen Aufbau wie der Überstromerkennungsschaltkreis 104 von 15. Wie aus einem Vergleich der 15 und 18 hervorgeht, liegt ein Unterschied zwischen den Überstromerkennungsschaltkreisen 104 und 105 darin, dass der Überstromerkennungsschaltkreis 105 anstelle des Verhinderungsschaltkreises 92 einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 117 enthält.
Der Verhinderungsschaltkreis 117 enthält einen Widerstand 115, einen Spannungssensor 116 und den parallel zum Widerstand 10 geschalteten Schalter 91. Der Widerstand 115 liegt zwischen dem Ausgang des Spannungspuffers 24 und dem Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts. Der Spannungssensor 116 ist parallel zum Widerstand 115 geschaltet, um eine Spannung über dem Widerstand 115 zu erkennen. Wenn die Spannung über dem Widerstand 115 einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, schließt der Spannungssensor 116 den Schalter 91, um den Widerstand 10 zu überbrücken. Im Ergebnis wird die Eingangsspannung am Spannungssensor 11 0 V, so dass der Spannungssensor 11 das Überstromerken nungssignal IV nicht ausgibt. Somit unterbindet der Verhinderungsschaltkreis 117 das Überstromerkennungssignal IV.
Bei den Überstromerkennungsschaltkreisen 100 bis 104 gemäß obiger Beschreibung wird eine Unterbrechung des Massedrahtes erkannt, wenn das Potential der ersten Masse PGND einen bestimmten Schwellenwertpotentialwert übersteigt. Der Wert dieses Schwellenwertpotentials wird nachfolgend näher erläutert. Ein Potential VPG der ersten Masse PGND, das auftritt, wenn ein offener Schaltkreis vorliegt, ist gegeben als: VPG = VR + Vcb(T22) + Ron × IM (10)
In Gleichung (10) ist VR die Ausgangsspannung des Spannungspuffers 24, Ron ist der Einschaltwiderstand des MOS-Transistors 3, IM ist der durch den MOS-Transistor 3 fließende Strom und Vcb(T22) ist die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors 22.
Wenn beispielsweise die Spannung VR 1,5 V beträgt, ist die Kollektor-Basis-Spannung Vcb(/22) 0,7 V und RON × IM = 0,1 V; das Potential VPG steigt auf 2,3 V an. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn der Wert des Schwellenwertpotentials auf 2,3 V gesetzt wird.
In der Praxis ist jedoch der Strom IM variabel und die Kollektor-Basis-Spannung Vcb(T22) ändert sich mit der Betriebstemperatur. Daher wird der Wert des Schwellenwertpotentials auf annähernd 1,5 V gesetzt, um eine gewisse Fehlerbandbreite zu haben. Im Ergebnis kann das Überstromerkennungssignal IV unterbunden werden, obgleich der Zustand eines offenen Schaltkreises nicht auftritt. Kurz gesagt, die Überstromerkennungsschaltkreise 100 bis 104 haben einen eingeschränkten Erkennungsbereich zu Erkennung des Überstromzustands.
Zur Beseitigung dieses Problems erkennt der Überstromerkennungsschaltkreis 105 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den offenen Schaltkreis auf der Grundlage des Anstiegs des Ausgangsstroms des Spannungspuffers 24 und nicht aufgrund eines Anstiegs im Potential der ersten Masse PGND. Genauer gesagt, und wie in 11 gezeigt, wenn ein offener Schaltkreis (Leitungsunterbrechung) auftritt, steigt der in den Ausgang des Spannungspuffers 24 fließende Strom plötzlich an. Die Spannung über dem Widerstand 115 steigt entsprechend an. Der Spannungssensor 116 erkennt den Spannungsanstieg am Widerstand 115 und schließt den Schalter 91. Somit kann der Überstromerkennungsschaltkreis 105 einen breiten Erkennungsbereich im Vergleich zu den Überstromerkennungsschaltkreisen 100 bis 104 haben.
Ein Überstromerkennungsschaltkreis 106 gemäß der zwölften Ausführungsform ist in 19 gezeigt. Der Überstromerkennungsschaltkreis 106 ist im Wesentlichen eine Kombination der Überstromerkennungsschaltkreise 100 und 105. Der Überstromerkennungsschaltkreis 106 enthält einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 118.
Der Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 118 enthält das NOT-Gatter 74 und das AND-Gatter 75 vom Überstromerkennungsschaltkreis 100 und den Widerstand 115 und den Spannungssensor 116 vom Überstromerkennungsschaltkreis 105. Der Ausgang vom Spannungssensor 116 ist mit dem Eingang des NOT-Gatters 74 verbunden. Somit kann der Überstromerkennungsschaltkreis 106 auf gleiche Weise wie der Überstromerkennungsschaltkreis 105 der elften Ausführungsform arbeiten.
Beispielsweise ist der Überstromerkennungsschaltkreis 21 gemäß der ersten Ausführungsform in Chipform auf einem Halbleitersubstrat gebildet. Gemäß den 20A und 20B sind Schaltkreiselemente des Überstromerkennungsschaltkreises 21 auf einem SOI-Substrat (Silicon-on-insulator) 120 mit einem Oxidfilm 119 ausgebildet. Jedes der Schaltkreiselemente (z.B. PNP-Transistoren) ist innerhalb eines Bereichs ausgebildet, der von einem Graben 121 umschlossen wird, der mit einem Oxidfilm (d.h. Isolationsfilm) 122 gefüllt ist. Somit sind die PNP-Transistoren voneinander durch die Gräben 121 getrennt.
Gemäß den 21A und 21B wird, wenn die PNP-Transistoren voneinander durch eine P-N-Übergangsisolation getrennt sind, ein P+ Bereich außerhalb des Bereichs, wo der PNP-Transistor gebildet ist, mit der zweiten Massen GND (d.h. dem niedrigsten Potential) verbunden. Wie in 21A gezeigt, ist es, da parasitäre Dioden zwischen dem P+ Bereich und einem N+ Bereich gebildet werden, unmöglich, die PNP-Transistoren durch ein negatives Potential zu betreiben. Im Fall von NPN-Transistoren oder Dioden werden parasitäre Dioden ebenfalls erzeugt. Daher ist es unmöglich, die Schaltkreiselemente durch ein Potential zu betreiben, das niedriger als die Minus-Vorwärtsspannung (d.h. –Vf) der Diode ist. Wenn das Potential der ersten Masse PGND eine Schwankung größer als ungefähr + oder –1,5 V hat, kann der Überstromerkennungsschaltkreis fehlerhaft arbeiten.
Durch Verwendung der Grabenisolation gemäß den 20A und 20B lassen sich elektrische Potentiale, die zum Betreiben der Schaltkreiselemente notwendig sind, hinreichend bereitstellen, so dass der Überstromerkennungsschaltkreis 21 effektiv arbeiten kann.
Die bisher oben beschriebenen Ausführungsformen können auf verschiedene Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann der MOS-Transistor 2 mit der Last 1 in einer hochseitigen Treiberkonfiguration („high-side drive configuration") verbunden sein. Der Stromspiegelschaltkreis 6 kann auf der Masseseite und nicht auf der Energieversorgungsseite angeordnet sein. In diesem Fall bilden NPN-Transistoren oder N-Kanal-MOS-Transistoren den Schaltkreis 29 zur Aufhebung des Early-Effekts. Bei dem OP 51 gemäß 6 können die Kollektoren der Transistoren 30 und 31 mit der ersten Masse PGND nicht direkt sondern über einen Widerstand verbunden sein. Der Überstromerkennungsschaltkreis 105 kann mit dem Überstromerkennungsschaltkreis 102 oder 103 kombiniert werden. Verschiedene Lasttypen können in Serie mit dem MOS-Transistor 2 verbunden werden.
Derartige Änderungen und Abwandlungen, sowie darüber hinausgehende Änderungen und Abwandlungen, welche sich dem Fachmann ohne Weiteres erschließen, seien alle durch die nachgefügten Ansprüche und deren Äquivalente umfasst.

Claims

Ein Überstromerkennungsschaltkreis zur Erkennung eines Überstromzustands in einem Ausgangstransistor (2), der in Serie zwischen einer Energieversorgung (VB) und einer ersten Masse (PGND) mit einer elektrischen Last (1) verbunden ist, wobei der Ausgangstransistor (2) einen ersten Ausgangsanschluss in Verbindung mit der Last (1), einen zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung mit der ersten Masse (PGND) und einen Eingangsanschluss aufweist und wobei der Überstromerkennungsschaltkreis weiterhin aufweist: einen Erkennungstransistor (3) mit einem ersten Ausgangsanschluss, einem zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung mit dem zweiten Ausgangsanschluss des Ausgangstransistors (2) und einem Eingangsanschluss in Verbindung mit dem Eingangsanschluss des Ausgangstransistors (2), sodass der Ausgangstransistor (2) und der Erkennungstransistor (3) gleichzeitig einschaltbar sind; einen Operationsverstärker (5, 51, 52, 59) mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss in Verbindung mit dem ersten Ausgangsanschluss des Ausgangstransistors (2), einem invertierenden Eingangsanschluss in Verbindung mit dem ersten Ausgangsanschluss des Erkennungstransistors (3) und einem Ausgangsanschluss; einen Stromspiegelschaltkreis (6) mit einem Paar erster und zweiter Transistoren (7, 8, 27, 28) mit ersten Ausgangsanschlüssen, die zusammen mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (5, 51, 52, 59) verbunden sind, zweiten Ausgangsanschlüssen und Eingangsanschlüssen, die miteinander verbunden sind, wobei der zweite Ausgangsanschluss des ersten Transistors (8, 28) mit dem Eingangsanschluss des ersten Transistors (8, 28) und dem ersten Ausgangsanschluss des Erkennungstransistors (3) verbunden ist; Stromerkennungsmittel (10, 11, 80), die mit dem zweiten Ausgangsanschluss des zweiten Transistors (7, 27) verbunden sind, um einen durch den zweiten Transistor (7, 27) fließenden Strom zu erkennen; und einen Schaltkreis (29) zur Aufhebung des Early-Effekts mit einem Paar dritter und vierter Transistoren (22, 23), wobei der dritte Transistor (22) einen ersten Ausgangsanschluss in Verbindung mit dem Stromspiegelschaltkreis (6), einen zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung mit dem Erkennungstransistor (3) und einen Eingangsanschluss hat und wobei der vierte Transistor (23) einen ersten Ausgangsan schluss in Verbindung mit dem Stromspiegelschaltkreis (6), einen zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung mit den Stromerkennungsmitteln (10, 11, 80) und einen Eingangsanschluss in Verbindung mit dem Eingangsanschluss des dritten Transistors (22) hat, wobei weiterhin der erste Ausgangsanschluss eines jeden der dritten und vierten Transistoren (22, 23) ein elektrisches Potential hat, welches durch Anlegen einer bestimmten Spannung (VR) an den Eingangsanschluss eines jeden der dritten und vierten Transistoren (22, 23) festlegbar ist.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Überstromerkennungsschaltkreis zwischen die Energieversorgung (VB) und eine zweite Masse (GND) geschaltet ist, die unterschiedlich zur ersten Masse (PGND) ist.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach Anspruch 2, wobei der Operationsverstärker (5, 51, 52, 59) ein Paar fünfter und sechster Transistoren (30, 31) zur Bereitstellung einer Eingangsstufe des Operationsverstärkers (5, 51, 52, 59) enthält, wobei jeder der fünften und sechsten Transistoren (30, 31) einen Ausgangsanschluss hat, der mit der ersten Masse (PGND) direkt oder über einen Widerstand verbunden ist.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach Anspruch 2 oder 3, weiterhin mit einem Fehlerverhinderungsschaltkreis (72, 86, 88, 90, 92, 117, 118) zur Erkennung einer elektrischen Änderung aufgrund einer Unterbrechung eines Drahtes, der mit der ersten Masse (PGND) verbunden ist, um einen Ausgang der Stromerkennungsmittel (10, 11, 80) in Antwort auf diese elektrische Änderung zu unterbinden.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach Anspruch 4, wobei der Fehlerverhinderungsschaltkreis (72, 86, 88, 90, 92, 117, 118) den Ausgang der Stromerkennungsmittel (10, 11, 80) unterbindet, wenn ein elektrisches Potential der ersten Masse (PGND) einen bestimmten Potentialwert übersteigt.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach Anspruch 4 oder 5, weiterhin mit einem Spannungspufferschaltkreis (24) zum Anlegen der Spannung (VR) an den Schaltkreis (29) zur Aufhebung, wobei der Fehlerverhinderungsschaltkreis (72, 86, 88, 90, 92, 117, 118) den Ausgang der Stromerkennungsmittel (10, 11, 80) unterbindet, wenn ein Ausgangsstrom des Pufferschaltkreises (24) einen bestimmten Stromwert übersteigt.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Fehlerverhinderungsschaltkreis (88) eine elektrische Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (5, 51, 52, 59) und des Stromspiegelschaltkreises (6) in Antwort auf die elektrische Änderung trennt.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Fehlerverhinderungsschaltkreis (90) eine elektrische Verbindung zwischen den Stromerkennungsmitteln (10, 11, 80) und dem Stromspiegelschaltkreis (6) in Antwort auf die elektrische Änderung trennt.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Stromerkennungsmittel (10, 11, 80) einen Widerstand (10) und einen Spannungssensor (11, 80) zur Erkennung einer über dem Widerstand (10) durch den zweiten Transistor (7, 27) fließenden Strom erzeugte Spannung zu erkennen, wobei der Fehlerverhinderungsschaltkreis (92, 117) den Widerstand (10) in Antwort auf die elektrische Änderung überbrückt.
Der Überstromerkennungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Überstromerkennungsschaltkreis auf einem SOI-Substrat (120) angeordnet ist, welches wenigstens einen Grabenabschnitt (121) aufweist, der mit elektrisch isolierendem Material (122) gefüllt ist, wobei den Überstromerkennungsschaltkreis bildende Schaltkreiselemente voneinander durch den Grabenabschnitt (121) isoliert sind.