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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zum Zuführen eines
Laststromes an eine Last. Einige Leistungsschalter weisen separate Ausgänge auf,
durch die ein dem Laststrom proportionaler Messstrom hinausgeführt wird,
mit denen es einem Anwender möglich
ist, den Laststrom durch den Leistungstransistor einfach zu bestimmen.
Der Anwender hat damit die Möglichkeit,
diese Informationen über
die Größe des Stromes
dazu zu verwenden, den Leistungsschalter zu regeln. Der Anwender hat
ebenso die Möglichkeit,
mit Hilfe dieser Information Diagnosen über die Last durchzuführen. Beispielsweise
kann mit dieser Information festgestellt werden, wie der Zustand
einer Glühbirne
ist, um beispielsweise einem Autofahrer mitzuteilen, dass eine Glühlampe in
näherer
Zukunft ausgetauscht werden muss. Der Leistungsschalter an sich
sollte aber auch zuverlässig
vor Zerstörung
geschützt
werden. Beispielsweise kann ein integrierter Temperatursensor den
Leistungsschalter so regeln, dass die maximal zulässige Temperatur
des Leistungsschalters an sich nicht überschritten wird.
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Eine
bekannte Lösung
zur Hinausführung
eines Messstromes einer Leistungshalbleiteranordnung wird in der
US4885477 (
2)
gezeigt. Die Anordnung zeigt einen großen und einen kleinen Transistor,
wobei der Strom des kleinen Transistors mit Hilfe eines PMOS-Transistors
und eines Differenzverstärkers
einer Strommessanordnung zugeführt wird.
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Eine
weitere bekannte Möglichkeit
zur Hinausführung
eines Messstromes einer Leistungshalbleiteranordnung wird in der
EP1191693 gezeigt. Diese
Schaltungsanordnung weist einen Schalter auf, der einen Stromfühltransistor
abhängig
von einem Steuersignal an eine erste oder zweite Auswerteschaltung
anschließt.
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Eine
weitere bekannte Möglichkeit
zur Hinausführung
eines Messstromes einer Leistungshalbleiteranordnung wird in der
DE10258766 gezeigt. Gezeigt
wird eine Schaltungsanordnung mit einer Bereichsumschaltung zum
Erhöhen
der absoluten Größe des Signals
an einem Messwiderstand, um die Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers
zu erhöhen.
Die Schaltungsanordnung weist mindestens zwei Hilfstransistoren
auf, deren Signal abhängig vom
Laststrom ist, und ein Schaltmittel, das die Laststrecken der Hilfstransistoren
einzeln oder zu mehreren parallel verschaltet.
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Eine
weitere bekannte Möglichkeit
zur Hinausführung
eines Messstromes einer Leistungshalbleiteranordnung wird in der
EP1482641 gezeigt. Der Messstrom
wird mit einem ersten Stromspiegel einer externen Strommesschaltung
zugeführt
und mit einem zweiten unabhängigen
Stromspiegel einer internen Auswerteschaltung zugeführt.
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Eine
weitere bekannte Möglichkeit
zur Hinausführung
eines Messstromes einer Leistungshalbleiteranordnung wird in der
DE10240914 gezeigt. Der Messstrom
wird mit zwei Stromspiegelen einer externen Strommesschaltung zur
Erhöhung
der Messgenauigkeit zugeführt
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Messtransistoren
haben die Aufgabe, den durch den Haupttransistor fließenden Strom
mit einem bestimmten Teilerverhältnis
möglichst
genau abzubilden. Ein Differenzverstärker in Kombination mit einem
PMOS-Transistor gleicht bei einer Anordnung mit NMOS-Transistoren
als Haupt- und Messtransistor die Gate-Source-Spannung der beiden Transistoren,
die vom gleichen Transistortyp sein sollten, einander an, so dass
beide mit derselben Stromdichte betrieben werden. Lokale Temperatur, Matching
und andere Einflüsse
werden mit solchen Vorrichtungen nicht berücksichtigt und verschlechtern
die Genauigkeit der Messung. Messtransistoren, die deshalb innerhalb
des Haupttransistors platziert werden, erhöhen den Flächenbedarf erheblich.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter
bereitzustellen, der dazu ausgebildet ist, einen internen Messstrom
und einen externen Messstrom bereitzustellen und dabei den Flächenbedarf
des Messtransistors zu minimieren, ohne das dabei die Genauigkeit
der Ströme
verschlechtert wird. Diese Aufgabe wird durch eine Leistungsschaltung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren
jeweils bevorzugte Ausführungsformen.
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Die
Leistungsschaltung umfasst einen Leistungstransistor zum Zuführen eines
Laststromes an eine Last, einen Messtransistor zum Auskoppeln eines
Messstromes, der von dem Laststrom abhängt, mindestens zwei Koppeltransistoren
zum Aufteilen des Messstromes in einen internen Messstrom und in einen
externen Messstrom, wobei der externe Messstrom einer externen Auswerteschaltung
zuführbar ist
und der interne Messstrom einer internen Auswerteschaltung zum Auswerten
zugeführt
wird.
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Bei
der Verwendung von Sensezellen als Messtransistoren, Repliken des
Leistungstransistors, kann mit ausreichender Genauigkeit eine Stromschwelle,
z. B. zum Schutz der Leistungsschaltung, realisiert werden. Für eine einfache
Lösung
wird aber mindestens eine weitere Sensezelle als Messtransistor
benötigt.
Dies läuft
der geforderten Minimierung der Gesamtfläche zuwider.
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Der
Leistungsschalter kann als High-Side- oder als Low-Side-Schalter ausgeführt sein.
Der Lasttransistor kann als NMOS- oder
PMOS-Transistor ausgebildet sein. Der Lasttransistor kann als vertikaler
Transistor ausgebildet sein, dessen Drain auf der Rückseite
des Halbleiters anschließbar
ist. Eine Schaltungstopologie eines NMOS-High-Side-Schalters kann
durch Spiegelung und durch das Ersetzen der NMOS-Transistoren durch
PMOS-Transistoren und umgekehrt in einen PMOS-Low-Side-Schalter umgesetzt
werden. Eine Schaltungstopologie eines PMOS-High-Side-Schalters
kann durch Spiegelung und durch das Ersetzen der NMOS-Transistoren durch
PMOS-Transistoren und umgekehrt in einen NMOS-Low-Side-Schalter
umgesetzt werden. In einer Ausführungsform
eines PMOS-High-Side-Schalters kann eine Regelschaltung eine Schaltung
zum Spiegeln des Messstroms aufweisen.
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Ist
im Leistungstransistor schon ein Sensezellenelement, also ein Messtransistor,
vorhanden, beispielsweise für
eine Ausgabe eines Äquivalents zum
Laststrom, so kann dieses Sensezellenelement auch zur Bestimmung
eines zu hohen Laststromes verwendet werden.
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Die
Leistungsschaltung kann eine Regelschaltung zum Regeln des Messtransistors
aufweisen, so dass der Messtransistor mit derselben Stromdichte
wie der Leistungstransistor betrieben wird.
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In
der Leistungsschaltung, die als High-Side-Anordnung mit Leistungs-NMOS-Transistoren ausgebildet
ist, können
die Koppeltransistoren als PMOS-Transistoren ausgebildet sein, deren
Sourceanschlüsse
miteinander verbunden sind und deren Gateanschlüsse miteinander verbunden sind.
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In
der Leistungsschaltung kann ein erster Lastanschluss des Leistungstransistors
mit einem ersten Lastanschluss des Messtransistors verbunden sein,
wobei ein Gateanschluss des Leistungstransistors mit einem Gateanschluss
des Messtransistors verbunden ist.
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In
der Leistungsschaltung kann ein Ausgang der Regelschaltung mit den
Gateanschlüssen
der Koppeltransistoren verbunden sein, ein erster Eingang der Regelschaltung
kann mit einem zweiten Lastanschluss des Leistungstransistors verbunden sein
und ein zweiter Eingang der Regelschaltung kann mit einem zweiten
Lastanschluss des Messtransistors verbunden sein.
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In
der Leistungsschaltung kann das Verhältnis des externen Messstromes
zum internen Messstrom durch das Verhältnis der Kanalweiten der Koppeltransistoren
bestimmt sein.
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Der
Leistungstransistor und der Messtransistor werden durch die Regelschaltung
im Zusammenspiel mit den Koppeltransistoren im gleichen Arbeitspunkt
betrieben, weshalb die Stromdichten im Leistungstransistor und im
Messtransistor gleich sind. Ist eine externe Auswerteschaltung mit
der Leistungsschaltung verbunden, kann der externe Messstrom fließen. Haben
die Koppeltransistoren die gleiche Kanallänge, was vorteilhaft für das Matching
ist, wird das Verhältnis
des externen Messstromes zum internen Messstrom durch das Ver hältnis der
Kanalweiten der Koppeltransistoren bestimmt.
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Das
Verhältnis
von Messstrom zu Laststrom kann mit dem Faktor n/m angegeben werden,
wobei m die Zellenanzahl oder die Kanalweite des Leistungstransistors
beschreibt und wobei n die Zellenanzahl oder die Kanalweite des
Messtransistors beschreibt. k beschreibt die Gesamtkanalweite der
aktiven Koppeltransistoren und l beschreibt die Kanalweite des Koppeltransistors,
der den externen Messstrom einer externen Auswerteschaltung zuführt. Der externe
Messstrom Ime hat damit zum Laststrom Il die Beziehung: Ime = nmlk Il
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Der
interne Messstrom Imi hat damit zum Laststrom die Bezie hung: Imi = nm (1 – lk )Il
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Die
Leistungsschaltung kann einen ersten Koppeltransistor zum Leiten
des externen Messstromes, einen zweitem Koppeltransistor zum Leiten
des internen Messstromes, einen dritten Koppeltransistor und eine
Messvorrichtung zur Bestimmung des Gekoppeltseins der externen Auswertevorrichtung
aufweisen. Der dritte Koppeltransistor wird an den Messtransistor
gekoppelt, wenn die Messvorrichtung einen Nicht-Gekoppelt-Zustand
bestimmt und der dritte Koppeltransistor wird von dem Messtransistor
entkoppelt, wenn die Messvorrichtung einen Gekoppelt-Zustand bestimmt.
Die Messvorrichtung bestimmt den Gekoppelt-Zustand, wenn die externe Auswertevorrichtung
an die Leistungsschaltung gekoppelt ist und die Messvorrichtung
bestimmt einen Nicht-Gekoppelt-Zustand, wenn die externe Auswertevorrichtung
nicht an die Leistungsschaltung gekoppelt ist.
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Ist
keine externe Auswerteschaltung an die Leistungsschaltung gekoppelt,
kann kein externer Messstrom fließen. Der gesamte Strom des
Messtransistors muss somit über
den zweiten Koppeltransistor fließen. Der interne Messstrom
ist somit um den Faktor k/l größer als
vorgesehen. Eine Auswertung des internen Messstromes führt daher
zu falschen Ergebnissen. Dies kann vermieden werden, indem der Strom
mit anderem Transistor abgeführt wird.
Eine Messvorrichtung prüft,
ob eine externe Auswertevorrichtung vorhanden ist. Ist diese externe Auswertevorrichtung
nicht vorhanden oder ergibt die Prüfung, dass sich eine eventuell
gekoppelte externe Messvorrichtung zumindest so verhält als wäre sie nicht
angeschlossen, wird der dritte Koppeltransistor an den Messtransistor
gekoppelt, damit der Strom, der für die externe Auswertevorrichtung
vorgesehen ist, durch diesen Transistor fließt.
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Die
Messvorrichtung der Leistungsschaltung kann den Gekoppelt-Zustand
dadurch bestimmen, dass die Messvorrichtung die Spannung an einem Drainanschluss
des ersten Koppeltransistors misst. Die Messvorrichtung bestimmt
den Gekoppelt-Zustand, wenn die Spannung eine Schwelle unterschreitet
und bestimmt den Nicht-Gekoppelt-Zustand, wenn die Spannung eine
Schwelle überschreitet.
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Ist
beispielweise die externe Auswerteschaltung ein Widerstand, dessen
Spannung beispielsweise durch einen Analog-Digital-Wandler ausgewertet werden kann,
so ergibt sich ein hoher Spannungsabfall an dem externen Anschluss
des ersten Koppeltransistors, bzw. die Drain-Source-Spannung des ersten
Koppeltransistors wird minimal. Dies ein Zeichen dafür, das die
externe Auswertevorrichtung nicht korrekt angeschlossen ist oder
ein nicht korrektes Verhalten zeigt.
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Die
Messvorrichtung der Leistungsschaltung kann den Gekoppelt-Zustand
dadurch bestimmen, dass die Messvorrichtung den Strom durch den
ersten Koppeltransistors misst. Die Messvorrichtung bestimmt den
Gekoppelt-Zustand, wenn der Strom eine Schwelle überschreitet und bestimmt den
Nicht-Gekoppelt-Zustand,
wenn der Strom eine Schwelle unterschreitet.
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Diese
Art der Auswertung hat den Vorteil, dass direkt überprüft wird, ob der erste Koppeltransistor
den Strom leitet oder nicht. Kann der erste Koppeltransistor den
vorgesehenen Stromanteil k/l des Messstromes nicht mehr leiten,
wird der dritte Koppeltransistor zum Leiten des Stromanteils k/l
des Messstroms an den Messtransistor gekoppelt.
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An
einen Sourceanschluss des ersten Koppeltransistors der Leistungsschaltung
kann ein Serienwiderstand gekoppelt sein, durch den der Strom des
ersten Koppeltransistors fließen
kann, so dass die Messvorrichtung die durch den Strom des ersten Koppeltransistors
verursachte Spannung messen kann. Die Messvorrichtung bestimmt den
Gekoppelt-Zustand, wenn die Spannung eine Schwelle überschreitet
und bestimmt den Nicht-Gekoppelt-Zustand,
wenn die Spannung eine Schwelle unterschreitet.
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Ein
Serienwiderstand im Stromleitungspfad eines Transistors ist eine
einfache und zuverlässige Möglichkeit,
den Strom eines Transistors zu messen.
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Die
Koppeltransistoren der Leistungsschaltung weisen Sourceanschlüsse auf,
an mindestens zwei Sourceanschlüssen
der Koppeltransistoren können
Serienwiderstände
gekoppelt sein, durch die die Ströme der Koppeltransistoren fließen können.
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Vorteilhafterweise
können
die Serienwiderstände
so ausgebildet sein, dass bei gleicher Stromdichte in den Koppeltransistoren
gleiche Spannungen an den Serienwiderständen abfallen.
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Sind
alle Koppeltransistoren mit Serienwiderständen versehen, können die
Koppeltransistoren wieder so gestaltet werden, dass die durch sie
fließenden
Ströme
weiterhin durch die Kanalweiten der Koppeltransistoren bestimmt
werden.
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Die
Messvorrichtung der Leistungsschaltung kann die Spannungen an den
Serienwiderständen des
ersten und des zweiten Koppeltransistors vergleichen. Ist die Spannung
am Serienwiderstand des ersten Koppeltransistors größer oder
gleich als die Spannung am Serienwiderstand des zweiten Koppeltransistors
wird der Gekoppelt-Zustand bestimmt. Ist die Spannung am Serienwiderstand
des ersten Koppeltransistors kleiner ist als die Spannung am Serienwiderstand
des zweiten Koppeltransistors wird der Nicht-Gekoppelt-Zustand bestimmt.
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Vorteilhaft
ist hier, dass der Strom des Koppeltransistors mit einer relativen
Schwelle verglichen wird. Es ist nicht notwendig, eine absolute
Schwelle bereitzustellen. Die Messvorrichtung kann einfacher gestaltet
sein, da sie nun nur zwei vorhandene Spannungen miteinander vergleicht.
Die Messvorrichtung kann beispielweise als Differenzverstärker ausgebildet
sein, der die vorhandenen Spannungen miteinander vergleicht.
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Die
Messvorrichtung der Leistungsschaltung kann eine Offsetspannung
enthalten oder der Messvorrichtung kann eine Offsetspannung zugeführt werden.
Die Messvorrichtung bestimmt den Gekoppelt-Zustand, wenn die Spannung
am Serienwiderstand des ersten Koppeltransistors und die Offsetspannung
größer oder
gleich ist, als die Spannung am Serienwiderstand des zweiten Koppeltransistors. Die
Messvorrichtung bestimmt den Nicht-Gekoppelt-Zustand, wenn die Spannung
am Serienwiderstand des ersten Koppeltransistors und die Offsetspannung
kleiner ist, als die Spannung am Serienwiderstand des zweiten Koppeltransistors.
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Ausführungsformen
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
näher erläutert, in
denen
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1 eine
High-Side-Schalteranordnung mit einem Lasttransistor zeigt,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer Leistungsschaltung als High-Side-Anordnung mit einem NMOS-Lasttransistor
zeigt,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
mit einem koppelbarem Koppeltransistor zeigt, 4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
mit einem koppelbarem Koppeltransistor zeigt,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
mit einem koppelbarem Koppeltransistor zeigt,
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6 ein
Ausführungsbeispiel
einer Leistungsschaltung als Low-Side-Anordnung mit einem NMOS-Lasttransistor
zeigt,
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Leistungsschaltung als Low-Side-Anordnung mit einem NMOS-Lasttransistor
zeigt.
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1 zeigt
eine High-Side-Schalteranordnung mit einem Lasttransistor ML. Der
Lasttransistor ML ist als NMOS Transistor ausgeführt, dessen Drain mit einem
Anschluss PV verbunden ist. An den Anschluss PV wird eine positive
Spannung angelegt werden. An dem Sourceanschluss des Lasttransistors
ML ist über
einen Anschluss PL eine Last RL angeschlossen. Wird der Transistor
ML angesteuert, so führt
er der Last RL einen Strom zu. Um den Strom des Lasttransistors
ML zu messen, ist dem Lasttransistor ML ein Sensetransistor MS parallel
geschaltet. Der Sensetransistor MS ist ein Transistor vom selbem
Typ wie der Lasttransistor ML und sollte in der Nachbarschaft des
Lasttransistors ML angeordnet sein. Der Sensetransistor MS ist kleiner
als der Lasttransistor ML, so dass der Strom des Sensetransistors
MS kleiner ist als der Strom des Lasttransistors ML. Damit der Sensetransistor
MS mit derselben Stromdichte betrieben wird wie der Lasttransistor
ML, sollten beide Transistoren dieselbe Gate-Source-Spannung aufweisen.
Die Sourcespannung des Sensetransistors MS wird durch einen Differenzverstärker AD
und durch einen Regeltransistor MR so geregelt, dass die Gate-Source-Spannungen
von ML und MS gleich sind. Dazu ist der negative Eingang des Diffe renzverstärkers AD
mit der Source des Sensetransistors MS verbunden, der positive Eingang des
Differenzverstärkers
AD ist mit dem Sourceanschluss des Lasttransistors ML verbunden.
Der Ausgang des Differenzverstärkers
AD ist mit dem Gateanschluss des Regeltransistors MR verbunden. Ist
die Spannungsdifferenz an den Eingängen des Differenzverstärkers AD
Null, ist der Regeltransistor MR so angesteuert, dass die Sourcespannung
des Lasttransistors ML und des Sensetransistors MS gleich sind,
so dass beide Transistoren mit der selben Stromdichte betrieben
werden. Durch den Drainanschluss des Regeltransistors MR kann nun
der Strom des Sensetransistors MS auf einen externen Widerstand
RM geleitet werden. Da die Stromdichte des Lasttransistors ML und
des Sensetransistors gleich sind, ist der Strom der durch das Drain
des Regeltransistors MR auf den Widerstand RM geleitet wird direkt
proportional zu dem Strom der durch den Lasttransistor ML fließt. Diese
Schaltungstopologie des NMOS-High-Side-Schalters kann durch Spiegelung und
durch das Ersetzen der NMOS-Transistoren durch PMOS-Transistoren
und umgekehrt in einen PMOS-Low-Side-Schalter umgesetzt werden.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Leistungsschaltung,
die einen Leistungstransistor M0, einen Messtransistor M1, zwei
Koppeltransistoren M2 und M3, eine Regelschaltung AD und eine interne Auswerteschaltung
A2 umfasst. Der Leistungstransistor M0 und der Messtransistor M1
sind in diesem Ausführungsbeispiel
als NMOS Transistoren ausgeführt,
wobei die Gateanschlüsse
der beiden Transistoren und die Drainanschlüsse der beiden Transistoren
miteinander verbunden sind. Die Gate-Sourcespannungen des Leistungstransistors
M0 und des Messtransistors M1 werden durch die Regelschaltung AD
und die Koppeltransistoren M2 und M3 so geregelt, dass sie gleich
sind. Dadurch weist der Leistungstransistor M0 und der Messtransistor
M1 im Betrieb die gleiche Stromdichte auf. Der Messstrom Im, der
aus dem Sourceanschluss des Messtransistors M1 in die Sourceanschlüsse der
Koppeltransistoren M2 und M3 fließt, wird durch die Koppeltransistoren
M2 und M3 in einen externen Messstrom Imi und in einen internen
Messstrom Imi aufgeteilt. Der externe Messstrom Ime fließt aus dem
Drainanschluss des Koppeltransistors M2 durch einen Anschluss PM
in eine externe Auswerteschaltung A1. Eine externe Auswerteschaltung
A1 kann beispielsweise einen Widerstand umfassen, an dem der externe
Messstrom Ime in eine Spannung umgewandelt wird, die beispielsweise
von einem Analog zu Digitalwandler erfasst werden kann. Der interne
Messstrom Imi, der aus dem Drainanschluss des Koppeltransistors
M3 fließt,
wird einer internen Auswerteschaltung A2 zugeführt. Die interne Auswerteschaltung
kann beispielsweise als Widerstand ausgeführt sein, dessen Spannung mit
einem Komparator überwacht wird. Überschreitet
die Spannung des Widerstands der internen Auswerteschaltung A2 eine
Schwelle, kann beispielsweise der Komparator der internen Auswerteschaltung
A2 ein Signal ausgeben. Da dieses Signal abhängig ist von dem absoluten
Strom der in dem Leistungstransistor M0 fließt, kann dieses Signal dazu
verwendet werden, einer Schaltung anzuzeigen, dass ein maximal zulässiger Strom
des Leistungstransistors M0 überschritten
ist. Dieses Signal kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Leistungsschaltung
abzuschalten, um sie vor Zerstörung
zu schützen.
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3 zeigt
eine Leistungsschaltung mit einem Leistungstransistor M0, einem
Messtransistor M1, einer Regelschaltung AD, drei Koppeltransistoren
M2, M3, M4 und einer Messvorrichtung A3. Der Koppeltransistor M4
ist über
eine Koppelvorrichtung K1 mit den Koppeltransistoren M2 und M3 verbunden.
Die Koppelvorrichtung K1 ist so gestaltet, dass sie den Koppeltransistor
M4 an die Koppeltransistoren M2 und M3 ankoppeln kann oder den Koppeltransistor
M4 von den Koppeltransistoren M2 und M3 abkoppeln kann. Im Nicht-Gekoppelt-Zustand
wird der Koppeltransistors M4 durch die Koppelvorrichtung K1 an
die Koppeltransistoren M2 und M3 angekoppelt. Im Gekoppelt-Zustand wird der
Koppeltransistor M4 durch die Koppelvorrichtung K1 von den Koppeltransistoren
M2 und M3 abgekoppelt. Eine Messvorrichtung A3 prüft den Zustand
des ersten Koppel transistors M2 oder den Zustand der externen Messvorrichtung
A1. Ist eine externe Messvorrichtung A1 über den Anschluss PM an den
ersten Koppeltransistor M2 angeschlossen, oder fließt ein Strom
durch den ersten Koppeltransistor M2, bestimmt die Messvorrichtung
den Gekoppelt-Zustand. Ist die externe Auswertevorrichtung A1 nicht über den
Anschluss PM an den ersten Koppeltransistor M2 angeschlossen oder
fließt
kein Strom durch den ersten Koppeltransistor M2, bestimmt die Messvorrichtung
A3 den Nicht-Gekoppelt-Zustand.
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Ist
eine externe Auswertevorrichtung A1 mit dem ersten Koppeltransistor
M2 verbunden, fließt durch
den ersten Koppeltransistor M2 ein externer Messstrom Ime. Der Messstrom
des Messtransistors M1 wird durch die beiden Koppeltransistoren
M2 und M3 in einen externen und in einen internen Messstrom aufgeteilt.
Ist die externe Auswerteschaltung A1 nicht mit dem ersten Koppeltransistor
M2 verbunden, kann kein Strom durch den ersten Koppeltransistor
M2 fließen.
Der gesamte Messstrom des Messtransistors M1 fließt in diesem
Fall durch den zweiten Koppeltransistor M3. Der nun zu große interne Messstrom
würde das
Ergebnis einer internen Auswerteschaltung verfälschen. Die Messschaltung A3 erfasst
in diesem Fall den Fehler und bestimmt für den dritten Koppeltransistor
M4 den Gekoppelt-Zustand. Ist der dritte Koppeltransistor M4 genauso
gestaltet wie der erste Koppeltransistor M2, fließt der Strom,
der für
den ersten Koppeltransistor bestimmt war, nun über den dritten Koppeltransistor
M4. Da der für
externe Auswerteschaltung A1 bestimmte externe Messstrom Ime nun über den
dritten Koppeltransistor M4 fließt, fließt über den zweiten Koppeltransistor
M3 wieder der korrekte interne Messstrom Imi. Die interne Auswerteschaltung
A2 wird somit durch die Abwesenheit der externen Auswerteschaltung
A1 nicht mehr gestört.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Leistungsschaltung in einer High-Side-Konfiguration mit drei
Koppeltransistoren M2, M3, M4 wobei die Messvorrichtung A3 die Spannung
am Drainanschluss des ersten Koppeltransistors M2 überprüft und den
dritten Koppeltransistor M4 nach Maßgabe der Drainspannung des
ersten Koppeltransistors M2 von den Koppeltransistoren koppelt oder
entkoppelt.
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Die
interne Auswerteschaltung ist in diesem Ausführungsbeispiel als Widerstand
mit einem Komparator ausgeführt,
die bei Überschreiten
einer Schwelle ein Signal ausgeben kann.
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Die
Messvorrichtung A3, die die Drainspannung des ersten Koppeltransistors
M2 überprüft, kann
beispielsweise als Schmitt-Trigger ausgeführt sein. Ist eine höhere Genauigkeit
gefordert, kann die Messvorrichtung beispielsweise als Komparator
ausgeführt
sein, der die Drainspannung des ersten Koppeltransistors M2 mit
einer Referenzspannung vergleicht.
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5 zeigt
eine Leistungsschaltung mit einem Leistungstransistor M0, einem
Messtransistor M1, drei Koppeltransistoren M2, M3, M4 und einer Auswertevorrichtung
A3. Die Sourceanschlüsse
der Koppeltransistoren M2, M3 und M4 sind mit Serienwiderständen R2,
R3, R4 mit dem Sourceanschluss des Messtransistors M1 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird der Strom des ersten Koppeltransistors direkt überwacht.
Die Messvorrichtung A3 überprüft die Spannungen
an den Serienwiderständen
R2 und R3. Die Messvorrichtung A3 bestimmt den Gekoppelt-Zustand,
wenn die Spannung über den
Serienwiderstand R2 größer oder
gleich ist der Spannung über
den Serienwiderstand R3. Die Messvorrichtung A3 bestimmt den Nicht-Gekoppelt-Zustand
wenn die Spannung am Serienwiderstand R2 kleiner ist als die Spannung
am Serienwiderstand R3.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Leistungsschaltung
in einer NMOS-Low-Side-Anordnung, die einen Leistungstransistor
M0, einen Messtransistor M1, zwei Koppeltransistoren M2 und M3, eine
Regelschaltung AD und eine interne Auswerteschaltung A2 umfasst.
Der Sourceanschluss des Leistungstransistor M0 ist über einen
Sourceanschlusswiderstand RB mit einem Versor gungspotential verbunden.
Dieser Widerstand RB umfasst in diesem Ausführungsbeispiel den Widerstand
des Bonddrahts, den Widerstand der Zuführung zum Bonddraht und den
Widerstand des Gehäuses.
Die Gateanschlüsse
der beiden Transistoren und die Drainanschlüsse der beiden Transistoren
sind miteinander verbunden. Die Gate-Sourcespannungen des Leistungstransistors
M0 und des Messtransistors M1 werden durch die Regelschaltung AD
so geregelt, dass sie gleich sind. Dadurch weist der Leistungstransistor
M0 und der Messtransistor M1 im Betrieb die gleiche Stromdichte
auf. Der Messstrom Im, der aus dem Sourceanschluss des Messtransistors
M1 in die Regelschaltung AD fließt, wird, nachdem der Messstrom
Im durch die Regelschaltung gespiegelt wurde, durch die Koppeltransistoren
M2 und M3 in einen externen Messstrom Ime und in einen internen Messstrom
Imi aufgeteilt. Der externe Messstrom Ime fließt aus dem Drainanschluss des
Koppeltransistors M2 durch einen Anschluss PM in eine externe Auswerteschaltung
A1. Der interne Messstrom Imi, der aus dem Drainanschluss des Koppeltransistors M3
fließt,
wird einer internen Auswerteschaltung A2 zugeführt. Diese Schaltungstopologie
des NMOS-Low-Side-Schalters
kann durch Spiegelung und durch das Ersetzen der NMOS-Transistoren durch
PMOS-Transistoren und umgekehrt in einen PMOS-High-Side-Schalter
umgesetzt werden.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Leistungsschaltung
in einer NMOS-Low-Side-Anordnung, in der eine mögliche Ausführung einer Regelschaltung
AD näher
erläutert
wird. Die Ausführungsformen
der Koppeltransistoren M2, M3, M4 und ihre Verschaltungen, die beispielhaft
in 3, 4, 5 erläutert wurden,
können
hier sinngemäß angewandt
werden.
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Die
Regelschaltung AD umfasst einen ersten Widerstand RS1 zum Anschließen des
Sourceanschlusses des Messtransistors M1 an ein Versorgungspotential,
einen zweiten Widerstand RS2, der dem ersten Widerstand ähnlich ist,
einen ersten Transistor MS1, der so an mit ersten Widerstand RS1 verbunden
ist, dass der erste Transistor MS1 einen Strom an den ersten Transis tor
vorbei leiten kann, einen Differenzverstärker OP1, der so mit dem Leistungstransistor
M0, dem Messtransistor M1 und dem ersten Transistor MS1 verbunden
ist, dass der Differenzverstärker
OP1 den Messtransistor M1 so regeln kann, dass der Messtransistor
im Betrieb dieselbe Stromdichte wie der Leistungstransistor aufweist.
Die Regelschaltung AD umfasst ferner einen zweiten Widerstand RS2
und einen zweiten Transistor MS2, die so mit dem ersten Widerstand
RS1 und dem ersten Transistor MS1 verbunden sind, dass in einem
Ausgang des zweiten Transistors ein ähnlicher Strom fließt, wie
in einen Ausgang des ersten Transistors MS1, der mit dem Sourceanschluss
des Messtransistors verbunden sein kann. Zur Verbesserung der Genauigkeit
kann die Regelschaltung AD einen zweiten Differenzverstärker OP2
aufweisen, der die Koppeltransistoren M2, M3 so regelt, dass Potential
am Ausgang des ersten Transistors MS1 gleich dem Potential am Ausgang
des zweiten Transistors MS2 ist.
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Der
erste und zweite Transistor MS1, MS2, der erste und zweite Widerstand
RS1, RS2 und der Differenzverstärker
OP1 bilden eine Stromspiegel, der besonders dazu geeignet ist einen
Strom bei kleinen Drain-Source-Spannungen der Transistoren zu spiegeln.
Der erste Widerstand RS1 kann vorteilhaft so gewählt werden, dass die Spannung über diesen Widerstand
RS1 größer ist
als die Spannung über den
Anschlusswiderstand RB, wenn der erste Transistor MS1 nicht mit
dem ersten Widerstand RS1 und somit die Wirkung des ersten Transistors
fehlt. Die Widerstände
RS1, RS2 können
vorteilhaft so gewählt werden,
dass sie einander möglichst ähnlich sind, dass
heißt,
dass sie gut matchen. Die Genauigkeit wird verbessert, indem der
Einfluss des Ausgangswiderstandes des ersten und des zweiten Transistors MS1,
MS2 reduziert wird. Dies kann erreicht werden, indem die Spannungen
an den Ausgängen
des ersten und des zweiten Transistors möglichst gleich sind. Dies kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, indem der zweite Differenzverstärker OP2
die Koppeltransistoren M2, M3 entsprechend regelt.