DE102009007790B3 - Treiberchip zum Treiben einer induktiven Last - Google Patents

Treiberchip zum Treiben einer induktiven Last Download PDF

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DE102009007790B3
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Franz Laberer
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
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    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18Modifications for indicating state of switch

Abstract

Es wird ein Treiberchip (1) zum Treiben einer induktiven Last bereitgestellt. Der Treiberchip (1) enthält einen ersten Transistor (16) zum Koppeln eines ersten Potentials mit einem ersten Ausgang (OUT) des Treiberchips (1) und einen zweiten Transistor (21) zum Koppeln eines zweiten Potentials mit dem ersten Ausgang des Treiberchips (1). Der Treiberchip (1) enthält zusätzlich eine erste Schutzschaltung (60) zum Abbau einer erhöhten Spannung zwischen einem Ansteueranschluss (G) des ersten Transistors und einem Anschluss der Laststrecke (K) des ersten Transistors (16). Der Treiberchip (1) ist in einen ersten Zustand versetzbar, in dem der zweite Transistor (21) ausgeschaltet ist und der erste Transistor (16) zum Schalten einer am Ausgang angeschlossenen passiven induktiven Last (4) eingerichtet ist. In einem zweiten Zustand des Treiberchips (1) sind der erste Transistor (16) und der zweite Transistor (21) zum Schalten eines am ersten Ausgang angeschlossenen externen Leistungstransistors (2) eingerichtet. Der Treiberchip (1) enthält weiterhin einen zweiten Ausgang zum Anschluss an einen Anschluss der Laststrecke des angeschlossenen externen Leitungstransistors (2). Zudem enthält der Treiberchip (1) eine zweite Schutzschaltung (61) zum Abbau einer erhöhten Spannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Treiberchip zum Treiben einer induktiven Last. Es sind Treiberchips bekannt, in denen ein integrierter Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor mit einem relativ geringen Drain-Source-Widerstand von kleiner 1,5 Ohm vorgesehen ist. Der integrierte Feldeffekttransistor kann in einem ersten Betriebsmodus dazu genutzt werden, eine passive Last, die im wesentlichen aus einem ohmschen und einen induktiven Anteil besteht, zu treiben.
  • In einem anderen Betriebsmodus treibt der Treiberchip die Last nicht direkt, sondern den Ansteuereingang eines externen Leistungs-Feldeffekttransistors. Dieser externe Feldeffekttransistor hat üblicherweise im eingeschalteten Zustand einen sehr geringen Drain-Source-Widerstand, abgekürzt RDSON, von kleiner 0,1 Ohm. Der externe Feldeffekttransistor wird von dem internen Leistungsfeldeffekttransistor sowie einem zweiten internen Transistor angesteuert. Die Last ist dabei in Reihe mit der Laststrecke des Feldeffekttransistors geschaltet. Dabei stellt sich die Schwierigkeit, dass im Freilauf, d. h. beim Ausschalten des externen Transistors, sich an dem Anschluss zwischen der Last und dem externen Transistor eine erhöhte Spannung ergibt, die den externen Transistor beschädigt kann.
  • Die US 5,828,141 zeigt Schaltungen zum Schützen eines Transistors im Freilauffall.
  • Aus der US 5,828,247 A ist ein konfigurierbarer Treiberchip zum Treiben einer induktiven Last bekannt, der in einen ers ten bzw. zweiten Zustand versetzbar ist. Im ersten Zustand treibt ein interner Transistor des Treiberchips die induktive Last direkt. Im zweiten Zustand wird ein externer Leistungstransistor zum Treiben der induktiven Last angesteuert. Der Treiberchip weist hierzu eine erste (CR1, CR2) bzw. zweite (CR3) Schutzschaltung auf, die zwischen Laststrecke und Steueranschluss des internen Transistors bzw. zwischen einen ersten und zweiten Ausgang des Treiberchip geschaltet sind.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Treiberchip bereitzustellen, mit dem verhindert wird, dass im Fall des Treibens eines externen Transistors im Freilauffall der externe Transistor beschädigt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Es wird ein Treiberchip zum Treiben einer induktiven Last bereitgestellt. Der Treiberchip enthält einen ersten Transistor zum Koppeln eines ersten Potentials mit einem ersten Ausgang des Treiberchips und einen zweiten Transistor zum Koppeln eines zweiten Potentials mit dem ersten Ausgang des Treiberchips. Der Treiberchip enthält zusätzlich eine erste Schutzschaltung zum Abbau einer erhöhten Spannung zwischen einem Ansteueranschluss des ersten Transistors und einem Anschluss der Laststrecke des ersten Transistors. Der Treiberchip ist in einen ersten Zustand versetzbar, in dem der zweite Transistor ausgeschaltet ist und der erste Transistor zum Schalten einer am Ausgang angeschlossenen passiven induktiven Last eingerichtet ist. In einem zweiten Zustand des Treiberchips sind der erste Transistor und der zweite Transistor zum Schalten eines am ersten Ausgang angeschlossenen Leistungstransistors eingerichtet. Der Treiberchips enthält weiterhin einen zweiten Ausgang zum Anschluss an einen Anschluss der Laststrecke des angeschlossenen externen Leitungstransistors. Zudem enthält der Treiberchip eine zweite Schutzschaltung zum Abbau einer erhöhten Spannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang.
  • Bei dem Treiberchip handelt es sich um einen konfigurierbaren Treiberchip, der je nach angetriebener Last in den ersten oder zweiten Zustand versetzbar ist. Mit der zweiten Schutzschaltung ist es möglich, auch den externen Leistungstransistor zu schützen. Es ist nicht mehr nötig, eine externe Schutzschaltung zum Schutz des ersten Leistungstransistors vorzusehen. Eine solche externe Schutzschaltung würde einen erhöhten Bauteil- und Kostenaufwand verursachen. Außerdem besteht die Gefahr, dass eine solche externe Schutzschaltung z. B. bei offenen Lötverbindungen ausfällt. Mit Hilfe der zweiten Schutzschaltung auf dem Treiberchip wird somit die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht.
  • In einer Ausführungsform enthält die zweite Schutzschaltung zwei in Serie geschaltete und gegenläufig gepolte Dioden. Durch geeignete Auswahl der Schwellspannungen der Dioden kann mit wenig Aufwand die Spannung, die zum Durchschalten der Schutzschaltung führt, die so genannte Klemmspannung, eingestellt werden.
  • Falls der erste Transistor im zweiten Zustand von mindestens einem Stromspiegelzweig angesteuert wird, wird der Strom durch diesen ersten Transistor begrenzt. Damit wird verhindert, die Ströme durch die zweite Schutzschaltung nicht so groß werden, dass sie die einen für den Treiberchip gefährlichen Temperaturanstieg bewirken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Transistor auch im ersten Zustand mit Hilfe eines Stromspiegels angesteuert. Integrierte Schaltungen weisen grundsätzlich einen Maximalwert für die abzuführende Wärme auf. Im ersten Zustand fließt Strom bei eingeschaltetem erstem Transistor durch den Treiberchip. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, auch diesen Strom zu begrenzen.
  • In einer Ausführungsform weist die erste Schutzschaltung einen Transistor auf, dessen Ansteuereingang mit dem zweiten Ausgang gekoppelt ist. Die erste Schutzschaltung wird damit aktivierbar, da in Abhängigkeit der Spannung am zweiten Aus gang der Transistor durchschaltet oder nicht. Somit wird die erste Schutzschaltung nur aktiviert, wenn sie benötigt wird.
  • Auch für die erste Schutzschaltung ist es sinnvoll, sie so vorzusehen, dass sie zwei in Serie und gegenläufig gepolte Dioden aufweist. Damit kann die Klemmspannung der ersten Schutzschaltung geeignet eingestellt werden. Vorzugsweise ist dabei mindestens eine Diode eine Zenerdiode. Die andere Diode hat zum Beispiel die Funktion, eine ungewollte Rückspeisung des Stroms zu verhindern.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Schutzschaltung schaltbar zwischen dem Ansteuereingang des ersten Transistors und dem zweiten Ausgang vorgesehen. Falls im ersten Zustand der erste und der zweite Ausgang extern kurzgeschlossen werden, bedarf es der ersten Schutzschaltung nicht bzw. sie ist deaktiviert, weil die Spannung über der ersten Schutzschaltung den vorbestimmten Schwellwert nicht überschreiten wird. Falls die erste Schutzschaltung von dem Pfad des Ansteuereingangs und dem zweiten Eingang entkoppelt wird, kann die Kapazität an dem Knoten, an dem die Schutzschaltung angeschlossen ist, verringert werden.
  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe aus einem erfindungsgemäßen Treiberchip und einem externen Leistungstransistor. Ein Ansteuereingang des externen Leistungstransistors ist an einen ersten Ausgang und ein Anschluss der Laststrecke ist an den zweiten Ausgang des Treiberchips angeschlossen. Dabei ist der Treiberchip in den zweiten Zustand versetzt und der zweite Transistor wird von einem Treiber, der ein binäres Signal treibt, angesteuert und der erste Transistor wird durch eine Stromquelle angesteuert. Zum Ein- und Ausschalten des externen Leistungstransistors werden der erste und der zweite Transistor benötigt, da der Ansteuereingang des externen Transistors mit mindestens zwei unterschiedlichen Potentialen koppelbar sein muss.
  • Allerdings ist besonders der Strom durch den ersten Transistor kritisch, wenn durch den ersten Transistor auch Strom zum Abbauen erhöhter Spannungen fließt. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, den ersten Transistor durch eine Stromquelle ansteuern zu lassen, um den Strom entsprechend begrenzen zu können.
  • In einer Ausführungsform ist die erste Schutzschaltung zwischen dem Ansteuereingang des ersten Transistors und dem ersten Ausgang schaltbar vorgesehen und im zweiten Zustand ist die erste Schutzschaltung von dem Ansteuereingang des ersten Transistors entkoppelt. Damit wird die Kapazität an dem Ansteuereingang des ersten Transistors, am zweiten Ausgang oder an beiden Knoten verringert.
  • Besonders geeignet ist eine vorliegende Schaltung, bei der der erste Transistor einen RDSON zwischen 0,2 und 1,5 Ohm bei 150 Grad Celsius hat. Leistungstransistoren mit noch kleinerem RDSON lassen sich üblicherweise nicht gut in einem Chip gleichzeitig mit anderen Bauteilen integrieren.
  • Vorzugsweise ist die Baugruppe zur Verwendung in einem Automobil vorgesehen. In Automobilen gibt es eine Vielzahl von zu schaltenden Lasten, die einen hohen induktiven Anteil aufweisen, weshalb die Transistoren, die die Lasten schalten, im Freilauf gefährdet sind.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Sicherheit des Gesamtsystems verbessert wird, weil der Treiberchip durch die erste Schutzschaltung intern selbst geschützt ist. Falls ein externer Feldeffekttransistor angeschlossen wird und eine externe Schutzschaltung nicht vorgesehen ist oder die externe Schutzschaltung nicht funktioniert, sorgt die zweite Schutzschaltung dafür, dass das System nicht zerstört wird. Außerdem bedeutet die Integration der externen Klemmstruktur, auch Sicherheitsschaltung genannt, in dem Treiberchip eine Kostenreduktion.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, die in den beigefügten Figuren gezeigt sind, näher erläutert. Dabei zeigen
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung mit daran angeschlossener Last in einem ersten Zustand,
  • 2 den Treiberchip aus 1 in einem zweiten Zustand,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Treiberchips,
  • 4 Signalverläufe an ausgewählten Knoten der Schaltung nach 3,
  • 5 den Treiberchip aus 3 in einem weiteren Zustand
  • 6 Signalverläufe an ausgewählten Knoten der Schaltung nach 5.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Treiberchips 1 mit einem daran angeschlossenen externen Transistor 2, der als selbstsperrender n-MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, und einer Last 4. Es ist auch möglich, als Transistor 2 beispielsweise einen IGBT einzusetzen. Der Treiber chip 1, der als ASIC (application-specific integrated circuit) ausgebildet ist, weist eine Vielzahl von Eingängen und Ausgängen auf. Von diesen sind in dieser Figur der erste Ausgang OUT, der zweite Ausgang DIAG, ein erster Eingang SENS und ein zweiter Eingang SGND gezeigt. Der erste Ausgang OUT ist mit dem Gate des Transitors 2 verbunden. Die Source des Transistors 2 ist mit einem ersten Anschluss des Shunt-Widerstands 3 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit der Masse 33 verbunden ist. Der Shunt-Transistor 3 hat einen Widerstand von 15 Milliohm. Der erste Anschluss des Shunt-Transistors 3 ist mit dem ersten Eingang SENS und die Masse 33 ist mit dem zweiten Eingang SGND verbunden.
  • Die Drain des Transistors 2 ist mit einem ersten Anschluss der Last 4 verbunden, deren zweiter Anschluss mit dem Potential Vbat verbunden ist, das von der Batterie bereitgestellt wird. Die Last 4 hat einen hohen induktiven Anteil, wie z. B. ein elektronisches Einspritzventil oder ein Magnetventil. Es kann aber auch eine Last mit relativ hohem ohmschen Anteil, wie eine Lambdasonde oder ein O2 Sensorheizer als Last 4 angeschlossen werden. Der erste Anschluss der Last 4 ist mit dem zweiten Ausgang DIAG verbunden. Der Transistor 2 kann einen Strom von beispielsweise 14 A bereitstellen. Je nach Typ des Transistors 2 kann der bereitgestellte Strom variieren.
  • Der Treiberchip 1 weist einen ersten Transistor 16 und einen zweiten Transistor 21 auf. Der erste Transistor 16 ist ein selbstsperrender n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor, während der zweite Transistor 21 ebenfalls ein selbstsperrender p-Kanal MOS-Feldeffekttransistor ist. Der erste Transistor 16 ist über einen Shunt-Widerstand 17 mit der internen Masse 35 verbunden. Die Drain des ersten Transistors 16 ist mit der Kathode einer Diode 22 verbunden, deren Anode mit der Source des zweiten Transistors 21 verbunden ist. Die Source des zweiten Transistors 21 ist mit dem Spannungsversorgungsknoten VDD5 verbunden. Die Verbindungsknoten zwischen der Kathode der Diode 22 und der Drain des ersten Transistors 16 ist mit dem ersten Ausgang OUT verbunden.
  • In der gezeigten Konfiguration, in der der Treiberchip 1 über den externen Transistor 2 eine Last 4 antreibt, steuern die Transistoren 16 und 21 den Ansteuereingang des externen Transistors 2 an. Der zweite Transistor 21 wird dazu von einem digitalen Signal AS1 angesteuert, das entweder das Potential der internen Masse 35 oder das Potential der Spannung VDD5 hat. Der Treiberchip 1 weist weiterhin einen ersten Stromspiegelzweig 10, einen ersten Schalter 13, eine Stromquelle 11, einen Schalter 14, eine Stromquelle 12 und einen Schalter 15 auf. Die Schalter 13, 14 und 15 sind jeweils mit einem ersten Anschluss mit dem Gate des ersten Transistors 16 verbunden.
  • Der Schalter 14 ist in Reihe mit der Stromquelle 11 geschaltet, wobei ein Anschluss des Schalters 14 mit dem Gate des Transistors 16 und ein Anschluss der Stromquelle 11 mit dem Spannungversorgungsknoten VDD5 verbunden ist. Dagegen sind der Schalter 15 und die Stromquelle 12 in Reihe geschaltet zwischen dem Gate des Transistors 16 und die Masse 35 vorgesehen. Die Schalter 14 und 15 sind in dieser Konfiguration beide geöffnet. Somit sind die Stromquellen 11 und 12 in dieser Konfiguration inaktiv.
  • Der Stromspiegelzweig 10 weist eine Stromquelle 101 und einen n-Kanal-MOSFET 102 auf, die zwischen den Versorgungsspannungsknoten VDD5 und der internen Masse 35 in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der erste Anschluss der Stromquelle 101 mit dem Knoten VDD5 verbunden ist, während der zweite Anschluss mit dem Gate und dem Drain des MOSFET 102 verbunden ist, dessen Source mit der internen Masse 35 verbunden ist. Das Gate des MOSFET 102 ist zusätzlich an den zweiten Anschluss des Schalters 13 angeschlossen, der in der gezeigten Konfiguration geschlossen ist. Die Konfiguration wird auch als Zustand des Treiberchips bezeichnet.
  • Der Strom, der von der Stromquelle 101 in den MOSFET 102 eingeprägt wird, wird durch die gezeigte Schaltung in den ersten Transistor 16 gespiegelt. Das Verhältnis der Größen der Transistoren 16 und 102 bestimmt das Verhältnis der Ströme durch die Laststrecken dieser beiden Transistoren.
  • Zum Ausschalten des externen MOSFETs 2 wird durch das Signal AS1 ein hohes Potential am Gate des zweiten Transistors 21 bereitgestellt, so dass der zweite Transistor 21 sperrt. Das hohe Potential ist gleich VDD5. Mittels der Stromquelle 101 wird ein Strom in den ersten Transistor 16 eingeprägt, so dass am ersten Ausgang OUT ein niedriges Potential anliegt. Der Strom wird durch den Stromspiegel 10 festgelegt. Dieser Strom liegt beispielsweise im Bereich von 2 bis 20 mA. Betrachtet man, dass der Transistor 16 einen RDSON von 1,5 Ohm bei 150 Grad Celsius hat, kann er einen kontinuierlichen Strom von 700 mA tragen. Der Strom ist abhängifg von dem verwendeten Gehäuse und der thermischen Anbindung des Gehäuses. Die 2 bis 20 mA sind somit als unkritisch einzuschätzen. Aufgrund des Stroms durch den Transistor 16 sperrt der externe Transistor 2.
  • Zum Einschalten des externen Transistors 2 wird mittels der Stromquelle 101 ein Strom von 0 A in den ersten Transistor 16 eingeprägt, so dass dieser sperrt. Das Signal AS1 stellt ein Signal mit einem Potential gleich dem Potential der Masse bereit, so dass der Transistor 21 öffnet. Am Ausgang OUT wird somit eine Spannung nahe VDD5 minus der Schwellspannung der Diode 22 bereitgestellt, so dass der externe MOSFET 2 leitet. Folglich fällt die Batteriespannung im wesentlichen über der Last 4 ab.
  • Der Treiberchip 1 weist eine erste Schutzschaltung 60 und eine zweite Schutzschaltung 61 auf. Die erste Schutzschaltung 60 enthält eine Zenerdiode 19 und eine Diode 20, die gegenläufig gepolt und in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem Gate des ersten Transistors 16 und der ersten Schutzschaltung ist ein Schalter 18 vorgesehen, der in der gezeigten Konfiguration offen ist. Die erste Schutzschaltung 60 ist somit inaktiv.
  • Die zweite Schutzschaltung 61 mit den Dioden 23 und 24 ist zwischen den Ausgängen DIAG und OUT vorgesehen. Dabei ist die Anode der Diode 23 mit dem zweiten Ausgang DIAG verbunden, während die Anode der Diode 24 mit dem ersten Ausgang OUT verbunden ist. Die Kathoden der beiden Dioden 23 und 24 sind miteinander verbunden. Die Dioden 23 und 24 sind somit gegenläufig gepolt. Die Diode 23 ist in Durchlassrichtung geschaltet. Ihre Vorwärtspannung liegt bei etwa bei 0,6 bis 0,7 V. Die Diode 23 dient dazu, Rückwärtseinspeisung zu verhindern. Die Diode 24 ist als Zenerdiode ausgebildet. Hat die Zenerdiode beispielsweise eine Zenerspannung von 48,5 V und ist die Vorwärtsspannung der Diode 23 bei 0,6 V, so stellt die zweite Schutzspannung einen Strompfad zwischen dem zweiten Ausgang DIAG und dem ersten Ausgang OUT bereit, sobald ein Potential von 53,1 V an der Drain des Transistors 2 anliegt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Einschaltspannung für den externen Transistor 2 4 V beträgt. Die Spannung am Drain des Transitors 2 verbleibt bei 53,1 V, bis die gespeicherte Energie in der Induktivität abgebaut ist.
  • Wenn der externe MOSFET 2 ausgeschaltet wird, d. h. er sperrt, bildet sich aufgrund der in der Last 4 gespeicherten Energie ein hohes Potential am zweiten Ausgang DIAG. Die zweite Schutzschaltung schaltet durch, weil die Spannung zwischen zweitem Ausgang DIAG und dem ersten Ausgang OUT den vorgegebenen Schwellwert erreicht. Die Energie wird im wesentlichen in dem Transistor 2 abgebaut. Es wird lediglich zusätzlich ein Strom von circa 2 mA bis 20 mA benötigt, um den Transistor 2 über sein Gate in diesem ”flyback”-Fall aufzusteuern. Die gespeicherte Energie wird in dem Fall des externen Transistors 2 im wesentlichen in diesem externen Transistor 2 abgebaut. Die Schutzstrukturen verbrauchen nur eine vernachlässigbar geringe Energie. Der dazu notwendige Strom fließt vom zweiten Ausgang DIAG durch die Diode 23, die Zenerdiode 24, die Laststrecke des ersten Transistors 16 und den Shunt-Widerstand 17 zu der internen Masse 35.
  • Es versteht sich, dass die interne Masse 35 über einen Anschluss des Treiberchips 1 mit einer externen Masse 33 verbunden ist. Die Energie, die sich nach dem Abschalten noch in der Last befindet wird, somit im Wesentlichen im Transistor 2 abgebaut. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, dass eine externe Schutzschaltung zwischen dem Gate und der Drain des MOSFET 2 vorgesehen werden muss.
  • Die Spannung an der Drain des Transitors 2 bleibt auf 53,1 V, bis die Energie vollständig abgebaut ist. Dann wird auch der Transistor 2 endgültig abgeschaltet.
  • 2 zeigt den Treiberchip 1 mit einer an seinen Ausgängen angeschlossenen Last 4. Die Last 4 ist mit seinem ersten Anschluss direkt mit dem ersten Ausgang OUT und dem zweiten Ausgang DIAG verbunden, während der zweite Anschluss wie in 1 mit dem positiven Potential der Batterie Vbat verbunden ist. Der Treiberchip 1 ist der gleiche wie in 1, allerdings ist er anders konfiguriert. Die Konfiguration lässt sich anhand der Stellung der Schalter ablesen. Der Schalter 13 ist geöffnet, während die Schalter 14, 15 und 18 geschlossen sind. Das Signal AS1 treibt in dieser Konfiguration stets ein hohes Potential, so dass der zweite Transistor 21 geschlossen bleibt. Die Diode 22 sorgt dafür, dass es zu keinem Rückstrom vom ersten Ausgang zum Knoten VDD5 kommt.
  • Die zweite Schutzschaltung, bestehend aus der Diode 23 und der Zenerdiode 24, ist inaktiv, da der erste und der zweite Ausgang über eine externe Leitung kurzgeschlossen sind.
  • Am zweiten Ausgang DIAG ist ein Block 26 angeschlossen, der Diagnosefunktionen beinhaltet, mit denen die Spannung an dem Anschluss für die Last gemessen und bewertet wird.
  • Die Last wird mit Hilfe des ersten Transistors 16 geschaltet. Der Strom durch den ersten Transistor 16 wird über die Stromquellen 11 und 12 eingestellt, die dafür bestimmen, ob der erste Transistor 16 leitet oder nicht leitet. Die Stromquelle 11 schaltet den Transistor 16 ein und die Stromsenke 12 den Transistor 16 aus. Da der Schalter 18 geschlossen ist, ist die erste Schutzschaltung 60, bestehend aus der Zenerdiode 19 und der Diode 20, aktiv. Die Anode der Diode 20 ist mit dem ersten Ausgang OUT verbunden, während die Anode der Zenerdiode 19 mit einem ersten Anschluss des Schalters 18 verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Gate des ersten Transistors 16 verbunden ist. Die Kathoden der Dioden 19 und 20 sind miteinander verbunden. Wenn beim Abschalten der Last 4 sich ein erhöhtes Potential am ersten Ausgang OUT bildet, schaltet die erste Schutzschaltung 60 durch, so dass Strom von dem ersten Ausgang OUT durch die Diode 20, die Zenerdiode 19, den Schalter 18, den Schalter 15 und die Stromquelle 12 zur internen Masse 35 fließt, der dafür sorgt, dass sich das Potential am Gate des ersten Transistors 16 erhöht. Dieser schaltet durch und baut damit den Großteil der in der Last gespeicherten Energie ab.
  • Die Spannung am Ausgang OUT ergibt sich aus den Schwellspannungen der Zenerdiode 19 und der Dioden 20 und der Einschaltspannung, engl. Turn-on voltage, des ersten Transistors 16. Die Spannung am Ausgang OUT beträgt beispielsweise auch 53,1 V.
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Treiberchips. Der Treiberchip 1 ist wie in 2 in der zweiten Konfiguration gezeigt. Die Stromquelle 101 und der Transistor 102 sind inaktiv geschaltet. Der Transistor 21 ist als p-Kanal MOS Feldeffekttransistor ausgebildet. Das Gate des zweiten Transistors 21 ist auf hohem Potential, der zweite Transistor 21 sperrt somit.
  • Der erste Transistor 16 ist ein n-Kanal MOS Feldeffekttransistor, der einen RDSON Widerstand, d. h. den Widerstand zwischen Drain und Source, im eingeschalteten Zustand von weniger als 1,5 Ohm hat. Der Widerstand ist gering dimensioniert, damit im eingeschalteten Zustand im ersten Transistor 1 nicht zuviel Leistung in Wärme umgewandelt wird. Auch der Transistor 102 ist entsprechend dem ersten Transistor 16 ebenfalls als MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet.
  • Der Treiberchip 1 ist mit seinem ersten Ausgang OUT und seinem zweiten Ausgang DIAG mit der Last 4 verbunden, die als Reihenschaltung einer Induktivität 40 und einem Widerstand 41 dargestellt ist. Die Induktivität 40 hat einen Wert von 20 mH, während der Widerstand 41 einen Wert von 5 Ω (Ohm) hat.
  • Die Stromquelle 12 ist durch eine Zusammenschaltung der Dioden 124, 122, 123, des Widerstands 121 und der geschalteten Stromquelle 120 ausgebildet. Die Anode der Diode 122 ist mit dem Gate des ersten Transistors 16 verbunden, wogegen die Anode der Diode 123 mit der internen Masse 35 verbunden ist. Die Kathoden der Dioden 122 und 123 sind miteinander verbunden. Die Diode 123 ist als Zenerdiode ausgebildet.
  • Bei Überschreiten einer vorbestimmten Gatespannung wird die Schutzschaltung aus den Dioden 122 und 123 leitend, so dass das Gate vor zu großen Spannungen geschützt wird. Die Diode 124 ist mit ihrer Anode mit der Masse 35 und mit ihrer Kathode mit dem Gate des ersten Transistors 16 verbunden. Diese Diode verhindert, dass die Spannung am Gate zu negativ wird.
  • Die Stromquelle 120 ist zwischen dem Gate des ersten Transistors 16 und der Masse 35 vorgesehen. Gate und Source des ersten Transistors 16 sind zudem über den Widerstand 121 von 100 kΩ miteinander gekoppelt.
  • Die zweite Schutzschaltung 61 weist im Vergleich zu der Ausführungsform nach 1 zusätzlich eine zweite Zenerdiode 25 auf, die zwischen die erste Zenerdiode 24 und den ersten Ausgang OUT geschaltet ist. Die Anode dieser Zenerdiode 25 ist mit dem zweiten Ausgang OUT verbunden. Durch das Vorsehen der zweiten Zenerdiode erhöht sich der Schwellwert, ab dem die zweite Schutzschaltung 61 leitend wird. Weil der erste Ausgang OUT und der zweite Ausgang DIAG kurzgeschlossen sind, ist aber in dieser Konfiguration die zweite Schutzschaltung 61 inaktiv.
  • Die erste Schutzschaltung 60 ist über die Laststrecke eines Transistors 62 und die Diode 63 mit dem Gate verbunden. Dabei ist die Anode der Diode 63 mit dem Emitter des als p-Kanal- Feldefffekttansistors ausgebildeten Transistors 62 verbunden. Die Source des Transistors 62 ist mit der Anode der Zenerdiode 19 verbunden. Das Gate des Transistors 62 ist über den Widerstand 65 mit dem zweiten Ausgang DIAG verbunden. Dieser Widerstand 65 hat einen Wert von 10 kΩ. Das Gate ist zudem über einen in der Figur nicht gezeigten niederohmigen Schalter mit der Masse 35 verbunden, so dass sich ein Potential nahe 0 V gegenüber der internen Masse am Gate des Transistors 62 bildet. Der Transistor 62 ist somit immer durchgeschaltet.
  • Die erste Schutzschaltung 60 ist folglich aktiv. Sie sorgt dafür, dass zu hohe Spannungen zwischen der Drain und dem Gate des ersten Transistors 16 abgebaut werden. Die Energie wird dabei, wie oben beschrieben, im wesentlichen durch den ersten Transistor 16 abgebaut.
  • Der Knoten VDD5 wird von einer Spannung von 5 V Gleichspannung betrieben, während die Batteriespannung Vbat 12 V Gleichspannung beträgt.
  • 4 zeigt Spannungsverläufe an ausgewählten Knoten sowie Stromverläufe durch ausgewählte Komponenten der 3.
  • Das erste Diagramm zeigt die Spannung am Gate des ersten Transistors 16 über der Zeit. Das zweite Diagramm zeigt den Strom, der von der Stromquelle 120 bereitgestellt wird. Das dritte Diagramm stellt die Spannung am zweiten Ausgang DIAG dar, während im vierten Diagramm der Strom durch den Widerstand 41 der Last 4 dargestellt wird.
  • Im Zeitraum zwischen 0 ms bis 0,2 ms wird von der Stromquelle 120 ein Strom von +10 mA erzeugt. Die Spannung am Gate ist somit negativ bei –0,8 V. Die –0,8 V entsprechen der Schwellwertspannung der Diode 124. Der erste Transistor 16 sperrt.
  • Die Spannung am zweiten Ausgang DIAG ist folglich gleich der Batteriespannung von 12 V. Im Zeitraum zwischen 0,2 ms und 0,4 ms wird die Spannung linear auf –10 mA gesenkt. Die Gatespannung steigt in diesem Zeitraum auf 5 V an. Sobald die Einsatzspannung des ersten Transistors 16 erreicht ist, schaltet dieser durch und sorgt für ein Potential von 0 V am ersten bzw. zweiten Ausgang des Treiberchips 1. Der Strom durch die Last 4 steigt linear an.
  • In dem Zeitraum zwischen 1,4 ms und 1,6 ms wird der eingeprägte Strom wieder erhöht, bis er einen Wert von 10 mA erreicht hat. Sobald die Gatespannung in der Nähe der Einsatzspannung ist, beginnt der erste Transistor 16 seinen Source-Drain-Widerstand zu erhöhen. Daraufhin erhöht sich die Spannung am ersten Ausgang OUT sprungartig auf etwa 60 V. Da damit die Klemmspannung der ersten Schutzschaltung 60 erreicht ist, wird das Gate des Transistors 16 durch die erste Schutzschaltung 61 aufgesteuert. Die Energie wird dann im ersten Transistor 16 abgebaut. Der Strom durch den Widerstand 41 nimmt gemäß einer e-Funktion ab, bis er den Wert von 0 A erreicht hat. Damit ist die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut. Da kein Strom mehr durch die erste Schutzschaltung 60 fließt, sinkt die Gatespannung wieder auf das minimale Niveau und die Spannung am ersten Ausgang OUT beträgt wieder 12 V. Anschließend beginnen die beschriebenen Vorgänge erneut. Bei der vorliegenden Konfiguration wird durch die interne erste Schutzschaltung 60 und den internen ersten Transistor 16 die erhöhte Spannung am Ausgang des Treiberchips 1 verringert. Dabei bleibt die Spannung annährend konstant, solange die Energie abgebaut wird. Dadurch wird die Drain geschützt, indem sichergestellt ist, dass die Spannung nicht über die z. B. 60 V hinaus schießt und die Break-Down-Schwelle der Technologie, z. B. 80 V, nicht über schreitet. Letzteres würde eine Zerstörung des Treiberchips nach sich ziehen.
  • 5 zeigt den Treiberchip aus 3 in einer anderen Konfiguration, da die Last nicht direkt, sondern über einen externen Transistor 2 getrieben wird. Der externe Transistor 2 ist als n-Kanal-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet. Seine Source ist mit einem ersten Anschluss des Shunt-Transistors 3 verbunden und seine Drain ist mit einem ersten Anschluss der Last 4, die ebenfalls als Reihenschaltung einer Induktivität 40 und einem Widerstand 41 dargestellt ist, verbunden. Die Drain ist zudem mit dem zweiten Ausgang DIAG des Treiberchips 1 verbunden. Mit dem ersten Ausgang OUT des Treiberchips 1 ist das Gate des Transistors 2 verbunden. Der erste Ausgang OUT wird, wie für 1 beschrieben, durch den ersten Transistor 16 und den zweiten Transistor 21 angesteuert.
  • Der Treiberchip 1 ist zwar der gleiche Treiberchip wie aus 3, wobei hier aber der Übersichtlichkeit halber die Stromquelle 12 nicht mit eingezeichnet ist. Der Stromspiegelzweig 10 ist mit dem Gate des ersten Transistors 16 verbunden. Dabei sind das Gate und die Drain des Transistors 102 miteinander kurzgeschlossen und mit dem Gate des ersten Transistors 16 verbunden. Somit bestimmt die Stromquelle 101 den Strom durch die Laststrecke des Transistors 102. Dieser Strom wird mit Hilfe die gemeinsame Gateverbindung in die Laststrecke des Transistors 16 eingeprägt.
  • Der Transistor 62 ist nicht mehr mit der internen Masse 35 verbunden, so dass das Potential am Gate des Transistors 62 auf dem Potential des zweiten Ausgangs DIAG liegt. Der Transistor 62 sperrt somit, wodurch die erste Schutzschaltung 60 deaktiviert wird. Allerdings ist die zweite Schutzschaltung 61 aktiv. Die Funktion der zweiten Schutzschaltung entspricht der Funktion, wie sie bezüglich 2 beschrieben wurde.
  • 6 zeigt Spannungen an ausgewählten Knoten und Ströme durch ausgewählte Komponenten des Treiberchips 1 aus 5. Im ersten Diagramm sind die Ströme durch den Transistor 102, durch den Transistor 16 und die Diode 23 der zweiten Schutzschaltung 61 gezeigt. Dabei zeigt die mit einem Rechteck gekennzeichnete Kurve den Strom aus der Source des Transitors 102, die mit dem nach unten zeigenden Dreieck den Strom in die Drain des Transistors 102 und die mit dem nach oben zeigenden Dreieck gezeigte Kurve den Strom durch die Diode 23.
  • Im Zeitraum zwischen 0 und 0,2 ms beträgt der Strom durch die Transistoren 102 und 16 jeweils 10 mA bzw. –10 mA. Danach wird durch die Stromquelle 101 kein Strom mehr eingeprägt, so dass der Strom durch diese beiden Transistoren 102 und 16 jeweils 0 ist. Das zweite Diagramm zeigt den Strom durch die Laststrecke des externen Transistors 2. Das dritte Diagramm zeigt in der mit dem Dreieck gekennzeichneten Kurve die Spannung an der Drain des Transistors 2 und mit der mit dem Rechteck gekennzeichneten Kurve das Signal AS1 zum Ansteuern des zweiten Transistors 21.
  • Das vierte Diagramm zeigt die Spannung am Gate des externen Transistors 2 und am Gate des internen Transistors 16. Dabei zeigt das nach unten zeigende Dreieck die Spannung am Gate des externen Transistors 2 und das nach oben zeigende Dreieck zeigt die Spannung am Gate des ersten Transistors 16.
  • Im Zeitraum zwischen 0 bis 0,2 ms treibt das Signal ASL einen hohen Pegel, so dass der zweite Transistor 21 nicht-leitend ist. Der erste Transistor 16 ist dagegen leitend, so dass sich am ersten Ausgang OUT des Treiberchips 1 und somit am Gate des externen Transistors 2 eine Spannung von 0 V ergibt. Die Spannung am Gate des ersten Transistors 16 liegt bei 0 V.
  • Ab dem Zeitpunkt 0,2 ms wird kein Strom mehr eingeprägt. Die Spannung am Gate des internen Transistors 16 sinkt, da die Gatekapazität des Transitors 16 durch den 100 k Widerstand entladen wird. Die Spannung am Gate sinkt auf 0 V. Somit wird der Strom durch die Laststrecke des ersten Transistors 16 gleich 0. Gleichzeitig wird auch das Signal AS1 auf 0 V geschaltet, so dass der zweite Transistor 21 leitet. Das Potential am Gate des externen Transistors 2 steigt auf einen Wert etwas unter 5 V an. Der externe Transistor 2 leitet, so dass der Strom durch die Laststrecke des externen Transistors 2 von 0 A auf 500 mA zum Zeitpunkt 1,2 ms ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird gleichzeitig das Signal AS1 auf 5 V und der Strom durch die Stromquelle 10 auf 10 mA gebracht. Die Spannung am Gate des internen ersten Transistors 16 steigt auf 3 V an. Der Strom durch die Laststrecke dieses Transistors 16 erhöht sich auf –10 mA. Das Gate des externen Transistors wird entladen und der zweite Transistor 21 beginnt sich, auszuschalten.
  • In der Induktivität 40 ist noch Energie vorhanden, die weiterhin für einen Stromfluss durch den Widerstand 41 sorgt. Dadurch steigt am Drain des externen Transistors 2 die Spannung auf 60 V an. Zum Zeitpunkt 1,2 ms setzt somit die zweite Schutzschaltung 61 ein. Es fließt Strom durch diese Schutzschaltung zum Einschalten des externen Transistors 2. Dies ist erkennbar am Strom durch die Diode 23, der auf –10 mA ansteigt. Die Höhe des Stroms ist durch die Höhe des Laststroms durch den ersten Transistor 16 begrenzt. Die Höhe dieses Laststroms wird seinerseits durch die Höhe des Stroms des Transistors 102 eingestellt. Die 10 mA sind notwendig zum Entladen des Gates des externen Transistors 2 und zum Sicher stellen, dass der Strom durch die zweite Schutzschaltung 61 nicht deutlich größer als 10 mA wird. Durch die zweite Schutzschaltung fließen dann 10 mA plus der Strom, der nötig ist, um das Potential am Gate des externen Transistors 2 so zu erhöhen, dass sich eine Spannung ergibt, die den externen Transistor 2 einschaltet.
  • Zum Zeitpunkt 1,45 ms sinkt die Spannung an der Drain des externen Transistors 2 auf 12 V. Es fließt kein Strom mehr durch die Diode 23 und die Spannung am ersten Ausgang und somit am Gate des Transistors 2 sinkt auf 0 V. Ab dem Zeitpunkt 2 ms beginnt der beschriebenen Zyklus erneut.
  • Generell lässt sich sagen, dass die Energie in der Spule umso schneller abgebaut wird, je höher die Schutzschwelle gewählt wird. Die Schutzschwelle ergibt sich in den Beispielen aus der Summe der Einsatzspannung des jeweiligen Transistors und der Schwellspannungen der Dioden der Schutzschaltung. Weiterhin ist festzustellen, dass das Laden und Entladen der Spule der Last gemäß der natürlichen Exponentialfunktion erfolgt.

Claims (13)

  1. Treiberchip (1) zum Treiben einer induktiven Last (4), folgendes aufweisend: – einen ersten Transistor (16) zum Koppeln eines ersten Potentials (35) mit einem ersten Ausgang (OUT) des Treiberchips (1), – einen zweiten Transistor (21) zum Koppeln eines zweiten Potentials (VDD) mit dem ersten Ausgang (OUT) des Treiberchips (1), – eine erste Schutzschaltung (60) zum Abbau einer erhöhten Spannung zwischen einem Anschluss der Laststrecke des ersten Transistors (16) und einem Ansteueranschluss des ersten Transistors (16), wobei der Treiberchip (1) – in einen ersten Zustand versetzbar ist, in dem der zweite Transistor (21) ausgeschaltet ist und der erste Transistor (16) zum Schalten einer am ersten Ausgang (OUT) angeschlossenen induktiven Last (4) eingerichtet ist, – und in einen zweiten Zustand versetzbar ist, in dem der erste Transistor (16) und der zweite Transistor (21) zum Schalten eines am ersten Ausgang (OUT) angeschlossenen externen Leistungstransistors (2) eingerichtet sind, – und weiterhin einen zweiten Ausgang (DIAG) zum Anschluss an einen Anschluss der Laststrecke des angeschlossenen externen Leitungstransistors (2) aufweist, wobei eine zweite Schutzschaltung (61) zum Abbau einer erhöhten Spannung zwischen dem ersten Ausgang (OUT) und dem zweiten Ausgang (DIAG) vorgesehen ist.
  2. Treiberchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schutzschaltung (61) zwei in Serie ge schaltete und gegenläufig gepolte Dioden (23, 24) aufweist.
  3. Treiberchip nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (16) im zweiten Zustand von mindestens einem Stromspiegelzweig (10) angesteuert wird.
  4. Treiberchip nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (16) im ersten Zustand von mindestens einer Stromquelle (11, 12) angesteuert wird.
  5. Treiberchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzschaltung (60) einen Transistor (62) enthält, dessen Ansteuereingang mit dem zweiten Ausgang (DIAG) schaltbar gekoppelt ist.
  6. Treiberchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzschaltung (60) zwei in Serie und gegenläufig gepolte Dioden (19, 20) aufweist.
  7. Treiberchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Diode (19, 20) der ersten Schutzschaltung (60) eine Zenerdiode ist.
  8. Treiberchip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzschaltung (60) schaltbar zwischen dem Ansteuereingang des ersten Tran sistors (16) und dem ersten Ausgang (OUT) vorgesehen ist.
  9. Treiberchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor und der zweite Transistor jeweils Feldeffekttransistoren sind.
  10. Baugruppe aus einem Treiberchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einem externen Leistungstransistor (2), wobei der Ansteuereingang des Leistungstransistors (2) an den ersten Ausgang (OUT) des Treiberchips (1) und ein Anschluss der Laststrecke des Leistungstransistors (1) an den zweiten Ausgang (DIAG) des Treiberchips (1) angebracht werden, und der Treiberchip (1) in den zweiten Zustand versetzt wird und der zweite Transistor (21) durch ein binäres Signal angesteuert wird und der erste Transistor (16) durch einen Stromspiegelzweig (10) angesteuert wird.
  11. Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzschaltung (60) zwischen dem Ansteuereingang des ersten Transistors (16) und dem zweiten Ausgang (DIAG) schaltbar vorgesehen ist, wobei beim Versetzen in den zweiten Zustand die erste Schutzschaltung (60) von dem Ansteuereingang des ersten Transistors (16) entkoppelt wird.
  12. Baugruppe aus einem Treiberchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer induktiven Last (4), wobei die induktive Last mit einem Anschluss sowohl an den ersten Ausgang (OUT) des Treiberchips (1) als auch an den zweiten Ausgang des Treiberchips (1) angeschlossen ist und der Treiberchip (1) in den ersten Zustand versetzt ist.
  13. Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zur Verwendung in einem Automobil.
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