-
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.