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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Überstromerkennungsschaltkreis
zur Erkennung eines Überstromzustandes
in einem Ausgangstransistor, der in Serienschaltung mit einer elektrischen
Last ist.
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Die
beigefügte 22 zeigt
einen Überstromerkennungsschaltkreis 12,
der als firmeninternes know-how seitens der Anmelderin bezeichenbar
ist. Dieser 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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Ein
Kollektorpotential Vc(T7) des Transistors 7 ist gegeben
durch: Vc(T7) = R10 × I1 (2)
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In
der obigen Gleichung (2) stellt R10 den Widerstandswert des Widerstands 10 dar.
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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.
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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.
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Als
vorveröffentlichter
Stand der Technik, der sich mit der Messung von durch eine Last
fließenden Strömen befasst,
kann die
US-PS 6,011,413 entsprechend
der
JP-3680513 B2 genannt
werden.
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Die
DE 697 31 501 T2 beschreibt
eine Lastbetätigungsschaltung
mit einer Strombegrenzungsfunktion. Bekannt hieraus ist ein Schaltkreis
zur Erkennung eines Überstromzustands
in einem Ausgangstransistor, der in Serie zwischen einer Energieversorgung
und einer ersten Masse mit einer elektrischen Last verbunden ist,
wobei der Ausgangstransistor einen ersten Ausgangsanschluss in Verbindung
mit der Last, einen zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung mit
der ersten Masse und einen Eingangsanschluss aufweist. Weiterhin
vorgesehen sind ein Erkennungstransistor mit einem ersten Ausgangsanschluss,
einem zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung mit dem zweiten Ausgangsanschluss des
Ausgangstransistors und einem Eingangsanschluss in Verbindung mit
dem Eingangsanschluss des Ausgangstransistors, sodass der Ausgangstransistor
und der Erkennungstransistor gleichzeitig einschaltbar sind; ein
Operationsverstärker
mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss in Verbindung mit
dem ersten Ausgangsanschluss des Ausgangstransistors, einem invertierenden
Eingangsanschluss in Verbindung mit dem ersten Ausgangsanschluss
des Erkennungstransistors und einem Ausgangsanschluss; und ein Stromspiegelschaltkreis
mit einem Paar erster und zweiter Transistoren mit ersten Ausgangsanschlüssen, die
zusammen mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden
sind, zweiten Ausgangsanschlüssen
und Eingangsanschlüssen,
die miteinander verbunden sind, wobei der zweite Ausgangsanschluss
des ersten Transistors mit dem Eingangsanschluss des ersten Transistors
und dem ersten Ausgangsanschluss des Erkennungstransistors verbunden
ist. Weiterhin vorgesehen sind Stromerkennungsmittel, die mit dem
zweiten Ausgangsanschluss des zweiten Transistors verbunden sind,
um einen durch den zweiten Transistor fließenden Strom zu erkennen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, 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.
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Ausgehend
von der
DE 697 31
501 T2 weist ein erfindungsgemäßer Überstromerkennungsschaltkreis
zur Erkennung eines Überstromzustandes
in einem Ausgangstransistor, der in Serie mit einer elektrischen
Last geschaltet ist, einen Schaltkreis zur Aufhebung des Early-Effekts
mit einem Paar dritter und vierter Transistoren auf, wobei der dritte
Transistor einen ersten Ausgangsanschluss in Verbindung mit dem
Stromspiegelschaltkreis, einen zweiten Ausgangsanschluss in Verbindung
mit dem Erkennungstransistor und einen Eingangsanschluss hat und
wobei der vierte Transistor einen ersten Ausgangsanschluss in Verbindung
mit dem Stromspiegelschaltkreis, einen zweiten Ausgangsanschluss
in Verbindung mit den Stromerkennungsmitteln und einen Eingangsanschluss
in Verbindung mit dem Eingangsanschluss des dritten Transistors
hat, wobei weiterhin der erste Ausgangsanschluss eines jeden der
dritten und vierten Transistoren ein elektrisches Potential hat,
wel ches durch Anlegen einer bestimmten Spannung an den Eingangsanschluss
eines jeden der dritten und vierten Transistoren festlegbar ist.
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Das
Paar von Transistoren, deren Eingangsanschlüsse miteinander verbunden sind,
ist demnach zwischen den Stromspiegelschaltkreis und den Widerstand
und zwischen den Stromspiegelschaltkreis und den 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.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A–2C jeweils
schematisch Stromspiegelschaltkreise im Überstromerkennungsschaltkreis
von 1;
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3 schematisch
den Aufbau eines typischen Operationsverstärkers (OP);
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4 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis,
an welchem eine Verbesserung gemacht wurde, um ein Problem eines
herkömmlichen Überstromerkennungsschaltkreises
gemäß 22 zu
beseitigen;
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5 eine
schematische Darstellung eines OP, an welchem eine Verbesserung
gemacht wurde, um ein Problem bei der herkömmlichen Überstromerkennung zu beseitigen;
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6 eine
schematische Darstellung eines OP in einem Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
schematische Darstellung eines OP in einem Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
schematische Darstellung eines Überstromerkennungsschaltkreises
gemäß einer vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
schematische Darstellung eines OP in einem Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 eine
schematische Darstellung eines Überstromerkennungsschaltkreises
gemäß einer sechsten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11 schematisch
einen Stromfluss im Überstromerkennungsschaltkreis
von 1 im Leerlauf;
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12 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
siebten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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13 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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14 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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15 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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16A–16D schematische Darstellungen eines Schalters
im Überstromerkennungsschaltkreis
von 15;
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17A–17D schematische Darstellungen eines Schalters
im Überstromerkennungsschaltkreis
der 13 oder 14;
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18 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
elften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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19 schematisch
einen Überstromerkennungsschaltkreis
gemäß einer
zwölften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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20A eine Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat,
auf welchem ein Überstromerkennungsschaltkreis
durch Grabenisolation ausgebildet ist und 20B eine
Schnittansicht von 20A;
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21A eine Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat,
auf welchem ein Überstromerkennungsschaltkreis
durch eine pn-Übergangs-Isolation
ausgebildet ist und 21B eine Schnittdarstellung
von 21A; und
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22 schematisch
den Aufbau eines herkömmlichen Überstromerkennungsschaltkreises.
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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.
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Insbesondere
hat der Transistor 22 einen Emitter, der mit dem Stromspiegelschaltkreis 6 verbunden
ist, einen Kollektor, der mit dem MOS-Transistor 3 verbun den
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 Spannungspuffer 24 eine bestimmte Spannung
VR an die Basen der Transistoren 22 und 23 liefert.
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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.
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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 vernachläs sigbar
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.
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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.
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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.
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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. 2 Vbe) 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.
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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)
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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.
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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.
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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)
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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.
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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 1,5V 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)
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Da
der OP 5A die Schutzdioden 39 und 40 enthält, wird
die Vorwärtsspannung
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.
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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)
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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.
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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
ge schützt.
Somit kann der Überstromerkennungsschaltkreis 21 den Überstromzustand
genauer erkennen, indem anstelle des OP 5 der OP 51 verwendet
wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 einem
nichtinvertierenden Eingang, der zwischen den Widerstand 10 und
den Kollektor des Transistors 23 geschaltet ist. Ein Ausgang
des ersten Komparators wird hochgezogen.
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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.
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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.
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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-Transistors 3, fließt vom Kollektor
zur Basis des Transistors 22 und fließt in den Ausgang des Spannungspuffers 24.
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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.
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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.
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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.
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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 diesem 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.
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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.
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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 Überstro merkennungsschaltkreisen 100 und 101 darin,
dass ein Fehlererkennungsverhinderungsschaltkreis 86 und
ein Spannungssensor 80 den Fehlererkennungsverhinderungsschaltkreis 72 und
den Spannungssensor 11 ersetzen.
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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
Widerstand 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.
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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.
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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.
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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
Mas se 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 angehoben 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 wieder Überstromerkennungsschaltkreis 100 gemäß der sechsten
Ausführungsform
arbeiten.
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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.
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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 Stromspiegel schaltkreis 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Überstromerken nungsschaltkreis 104 anstelle
des Verhinderungsschaltkreises 90 einen Erkennungsfehlerverhinderungsschaltkreis 92 enthält.
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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.
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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.
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Bei
der zehnten Ausführungsform
ist der Schalter 91 normalerweise offen, so dass eine Verringerung
in der Erkennungsgenauigkeit verhindert werden kann.
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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.
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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 Überstromerkennungssignal IV
nicht ausgibt. Somit unterbindet der Verhinderungsschaltkreis 117 das Überstromerkennungssignal
IV.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
O xidfilm (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.
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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.