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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor
und einem Messtransistor.
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In
Schaltungsanordnungen, die einen Lasttransistor zum Schalten oder
zum Regeln eines eine Last durchfließenden Stromes aufweisen,
kann es erforderlich sein, einen den Lasttransistor durchfließen
Laststrom zu messen. Die hierdurch erhaltene Strominformation kann
beispielsweise dazu verwendet werden, den Strom durch die Last zu
regeln oder den Lasttransistor abzuschalten, um diesen vor einer Überlastung
zu schützen, wenn der Laststrom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
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Zur
Messung des Laststromes durch einen Lasttransistor kann das sogenannte
Strom-Sense-Prinzip angewendet werden. Hierbei ist ein Messtransistor
vorgesehen, der so verschaltet ist, dass er wenigstens annähernd
im gleichen Arbeitspunkt, d. h. bei einer gleichen Ansteuerspannung,
wie der Lasttransistor betrieben wird. Ein den Messtransistor durchfließender
Strom steht dann unmittelbar zu dem Laststrom in Beziehung und wird
zur Ermittlung des Laststromes ausgewertet. Das Verhältnis
zwischen dem Messstrom und dem Laststrom entspricht hierbei dem
Verhältnis zwischen dem Gesamt-Kanalquerschnitt des Messtransistor
und dem Gesamt-Kanalquerschnitt des Lasttransistors bzw. dem Verhältnis
zwischen der aktiven Transistorfläche des Messtransistors
und der aktiven Transistorfläche des Lasttransistors. Eine
solche nach dem Strom-Sense-Prinzip funktionierende Schaltungsanordnung
mit einem Lasttransistor und einem Messtransistor ist beispielsweise
in der
DE 10 2005
009 544 A1 beschrieben.
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Werden
der Lasttransistor und der Messtransistor nicht exakt im selben
Arbeitspunkt betrieben, weil beispielsweise ein Offset zwischen
der Ansteuerspannung des Lasttransistors und der Ansteuerspannung
des Messtransistors vorhanden ist, so ist der Messstrom nicht exakt
proportional zu dem Laststrom. Ein hieraus resultierender Messfehler
ist allerdings vernachlässigbar, wenn der fließende
Laststrom so groß ist, dass die Ansteuerspannung des Lasttransistor
sehr viel größer ist als der Offset. Bei kleinen
Lastströmen besteht hingegen die Gefahr, dass der Offset
im Bereich der Ansteuerspannung liegt, so dass ein Messfehler nicht
mehr vernachlässigbar ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit
einem Lasttransistor und einem Messtransistor zur Verfügung
zu stellen, die in der Lage ist, auch bei kleinen Lastströmen
ein exaktes Messergebnis zu liefern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch
1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Schaltungsanordnung
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst: einen Eingang zur Zuführung
eines Ansteuersignals und einen Ausgang zum Anschließen
einer Last; einen ersten Lasttransistor mit einem Ansteueranschluss
und einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss und einen
zweiten Lasttransistor mit einem Ansteueranschluss und einem ersten
und einem zweiten Laststreckenanschluss, die parallel zueinander
geschaltet sind, deren Ansteueranschlüsse an den Eingang
gekoppelt sind und deren zweite Laststreckenanschlüsse
an den Ausgang gekoppelt sind; einen ersten Messtransistor mit einem
Ansteueranschluss und einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss,
dessen Ansteueranschluss an den Eingang gekoppelt ist und dessen
erster Laststreckenanschluss an die ersten Laststreckenanschlüsse
des ersten und des zweiten Lasttransistors gekoppelt ist; eine an
den zwei ten Laststreckenanschluss des Messtransistors angeschlossene
Auswerteschaltung mit einem Messausgang zur Bereitstellung eines
Strommesssignals; eine erste Rückregelschaltung, die an
den Ansteueranschluss des zweiten Lasttransistors angeschlossen
ist und die dazu ausgebildet ist, den zweiten Lasttransistor abzuregeln,
wenn eine zwischen dem ersten und dem zweiten Laststreckenanschluss
des ersten Lasttransistors anliegende Spannung einen vorgegebenen Grenzwert
unterschreitet.
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Beispiele
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Erläuterung des Grundprinzips.
In den Figuren sind somit lediglich die zum Verständnis
dieses Grundprinzips notwendigen Schaltungskomponenten bzw. Signale
dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben,
gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung, die zwei parallel
geschaltete Lasttransistoren, einen Messtransistor sowie eine Auswerteschaltung
aufweist.
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2 veranschaulicht
ein Beispiel einer Treiberschaltung zur Ansteuerung der Transistoren.
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3 veranschaulicht
ein Beispiel der Rückregelschaltung.
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4 veranschaulicht die Funktionsweise der
in 1 dargestellten Schaltungsanordnung anhand von
Signalverläufen.
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5 veranschaulicht anhand eines vertikalen
und eines horizontalen Querschnitts durch einen Halbleiter körper
eine Integration der Lasttransistoren und des Messtransistor in
einem gemeinsamen Halbleiterkörper.
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6 veranschaulicht
ein Beispiel der Auswerteschaltung.
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7 zeigt
ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, die zwei Lasttransistoren,
zwei Messtransistoren und eine Rückregelschaltung für
einen der Messtransistoren aufweist.
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8 veranschaulicht
die Funktionsweise der in 7 dargestellten
Schaltungsanordnung anhand eines Signalsverlaufs.
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9 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung mit zwei Lasttransistoren
und einem Messtransistor.
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10 zeigt
ein Beispiel einer Auswerteschaltung für die in 9 dargestellte
Schaltungsanordnung.
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1 veranschaulicht
anhand eines elektrischen Ersatzschaltbilds ein erstes Beispiel
einer Schaltungsanordnung zum Schalten eines eine Last Z durchfließenden
Laststromes IL und zum Messen dieses Laststromes
IL. Diese Schaltungsanordnung weist zwei
Lasttransistoren 1, 2 mit je einem Ansteueranschluss 11, 21,
einem ersten Laststreckenanschluss 12, 22, einem
zweiten Laststreckenanschluss 13, 23 und einer
zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss verlaufenden
Laststrecke 12–13, 22–23 auf.
Diese Lasttransistoren 1, 2 sind parallel geschaltet,
indem deren Laststrecken 12–13, 22–23 parallel
zueinander zwischen eine erste und zweite Anschlussklemme K2, K3
geschaltet sind. Die erste Anschlussklemme K2 dient in dem dargestellten
Beispiel zum Anlegen eines ersten Versorgungspotenzials V+ und die
zweite Anschlussklemme K3 dient in dem Beispiel zum Anschließen der
Last Z. Zum besse ren Verständnis ist eine solche Last Z
in 1 ebenfalls dargestellt. Diese Last Z ist bei
Betrieb der Schaltungsanordnung mit ihrem der zweiten Anschlussklemme
K3 abgewandten Abschluss an eine Klemme für ein zweites
Versorgungspotenzial GND angeschlossen.
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Die
Lasttransistoren 1, 2 sind in dem dargestellten
Beispiel als High-Side-Schalter verschaltet. In diesem Fall liegen
die Laststrecken 12–13, 22–23 der
Lasttransistoren 1, 2 zwischen einem positiven Versorgungspotenzial
V+ und der Last Z, die mit ihrem den Laststrecken 11–12, 22–23 abgewandten Abschluss
an ein negatives Versorgungspotenzial bzw. Bezugspotenzial GND angeschlossen
ist. Die Last Z kann eine beliebige elektrische Last, insbesondere
eine ohmsche Last, eine induktive Last oder eine kapazitive Last
sein, die einen Laststrom IL über die
Laststrecken der Lasttransistoren 1, 2 aufnimmt.
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Die
Lasttransistoren 11, 12 leiten und sperren nach
Maßgabe eines Ansteuersignals Sin, das einer Eingangsklemme
K1 der Schaltungsanordnung zugeführt ist. Dieses Ansteuersignal
Sin kann in nicht näher dargestellter Weise durch eine
Steuerschaltung, wie z. B. einen Mikrocontroller, zur Verfügung gestellt
werden. Dieses Ansteuersignal Sin kann den Ansteueranschlüssen 11, 21 der
Lasttransistoren 1, 2 unmittelbar zugeführt
sein. Optional ist eine Treiberschaltung 7 vorhanden, die
das Ansteuersignal Sin auf zur Ansteuerung der Lasttransistoren 11, 12 geeignete
Signalpegel umsetzt. Diese Treiberschaltung 7 kann eine
separate Treiberstufe 71 , 72 für je einen der Lasttransistoren 1, 2 aufweisen.
Jeder dieser Treiberstufen 71 , 72 , die gleich aufgebaut sein können,
ist das Ansteuersignal Sin zugeführt, und jede dieser Treiberstufen 71 , 72 stellt
an ihrem Ausgang ein verstärktes Ansteuersignal zur Ansteuerung
des jeweiligen Lasttransistors 1, 2 zur Verfügung.
Das Vorsehen zweier separater Treiberstufen 71 , 72 bewirkt eine Entkopplung der Ansteueranschlüsse 11, 21 der beiden
Lasttransistoren, die dennoch in gleicher Weise abhängig
von dem Ansteuersignal Sin angesteuert werden.
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2 zeigt
ein Beispiel einer Treiberstufe 71 bzw. 72 zur Ansteuerung eines Lasttransistors.
Diese Treiberschaltung 7 umfasst eine Halbbrücke
mit zwei zueinander komplementären Transistoren 72, 73,
deren Laststrecken in Reihe zueinander zwischen Klemmen für
ein positives und ein negatives Ansteuerpotenzial geschaltet sind.
Ein den Laststrecken der beiden Transistoren 72, 73 gemeinsamer
Schaltungsknoten bildet einen Ausgang der Treiberschaltung, der
an den Ansteueranschluss des oder der anzusteuernden Lasttransistoren
angeschlossen ist. Die beiden Transistoren 72, 73 werden
nach Maßgabe des Ansteuersignals Sin komplementär
zueinander leitend angesteuert. Bei leitendem oberen Transistor 72 liegt
der Ansteueranschluss des jeweiligen Lasttransistors auf dem positiven
Ansteuerpotenzial, und bei leitendem unteren Transistor 73 liegt
der Ansteueranschluss des jeweiligen Lasttransistors auf dem negativen
Ansteuerpotenzial. Die Ansteuerung der beiden Transistoren 72, 73 erfolgt
in dem dargestellten Beispiel über einen Inverter. In diesem
Beispiel leitet der obere 72 der beiden Transistoren bei einem
High-Pegel des Ansteuersignals Sin, und der unter 73 der
beiden Transistoren leitet bei einem Low-Pegel des Ansteuersignals
Sin. Das untere Versorgungspotenzial entspricht beispielsweise dem elektrischen
Potenzial an den zweiten Laststreckenanschlüssen 13, 23,
während das obere Ansteuerpotenzial oberhalb des Potenzials
an den zweiten Laststreckenanschlüssen 13, 23 liegt.
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Die
Lasttransistoren 1, 2 werden durch das Ansteuersignal
Sin gemeinsam leitend oder sperrend angesteuert. Ein Laststrom IL, der die Parallelschaltung der beiden Lasttransistoren 1, 2 durchfließt
entspricht dabei dem Strom durch die Last Z. Zur Messung dieses
Laststromes IL weist die Schaltungsanordnung
einen Messtransistor 3 auf, der einen Ansteueranschluss 31,
sowie einen ersten und einen zweiten Laststreckenanschluss 32, 33 aufweist.
Der Ansteueranschluss 31 des Messtransistors 3 ist
an den Eingang K1 gekoppelt und ist in dem dargestellten Beispiel
hierzu an den Ansteueranschluss eines der beiden Lasttransistoren,
in dem Beispiel an den Ansteueranschluss 21 des Lasttransistors
zweiten 2 angeschlossen. Einer der Laststreckenanschlüsse des
Messtransistors, in dem dargestellten Beispiel der erste Laststreckenanschluss 32,
ist an die ersten Laststreckenanschlüsse 12, 22 der
beiden Lasttransistoren 1, 2 angeschlossen. In
Reihe zu der Laststrecke 32, 33 des Messtransistors 3 ist
eine Auswerteschaltung 6 geschaltet, die ein Strommesssignal S6
zur Verfügung stellt, das von einem die Laststrecke 32–33 des
Messtransistors 3 durchfließenden Messstrom IS abhängig ist. Die Auswerteschaltung 6 ist
dazu ausgebildet, das elektrische Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 33 wenigstens annähernd
auf den Wert des elektrischen Potenzials an den zweiten Laststreckenanschlüssen 13, 23 der Lasttransistoren 1, 2 einzustellen.
Der Messtransistor 3 wird auf diese Weise im selben Arbeitspunkt
wie der zweite Lasttransistor 2 betrieben, an dessen Ansteueranschluss 21 der
Ansteueranschluss 31 des Messtransistors 3 und
an dessen ersten Laststreckenanschluss 22 der erste Laststreckenanschluss 33 des
Messtransistors 3 angeschlossen ist.
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Zur
Erläuterung der Funktionsweise der dargestellten Schaltungsanordnung
sei zunächst der Idealfall angenommen, dass die beiden
Lasttransistoren 1, 2 und der Messtransistor 3 im
selben Arbeitspunkt betrieben werden. In diesem Fall sind die elektrischen
Potenziale an den Ansteueranschlüssen 11, 21, 31 jeweils
identisch sind, die elektrischen Potenziale an den ersten Laststreckenanschlüssen 12, 22, 32 sind
jeweils identisch und die elektrischen Potenziale an den zweiten
Laststreckenanschlüssen 13, 23, 33 sind
jeweils identisch. In diesem idealen Fall ist der Messstrom IS unmittelbar proportional zu dem Laststrom
IL. Ein Proportionalitätsfaktor
kILIS zwischen dem Laststrom IL und
dem Messstrom IS (kILIS =
IL/IS) entspricht
dabei dem Verhältnis zwischen der Summe der aktiven Transistorflächen
a1, a2 der Lasttransistoren 1, 2 und der aktiven
Transistorfläche a3 des Messtransistors 3. Es
gilt also: kILIS = a1 + a2a3 (1)
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Der
Proportionalitätsfaktor kILIS wird
auch als KILIS-Faktor (von kILIS wobei k
für den Faktor IL für den
Laststrom und IS für den Messstrom
steht) bezeichnet. Das Verhältnis zwischen der Summe der aktiven
Transistorflächen des ersten und zweiten Lasttransistors 1, 2 und
der aktiven Transistorfläche des Messtransistors 3 liegt
beispielsweise zwischen 102:1 und 105:1.
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Die
Lasttransistoren 1, 2 und der Messtransistor 3 sind
jeweils Transistoren des gleichen Typs. In dem dargestellten Beispiel
sind diese Transistoren 1, 2, 3 jeweils
selbstsperrende n-Kanal-MOSFET, die jeweils einen Gateanschluss
als Ansteueranschluss 11, 21, 31, einen
Drainanschluss als ersten Laststreckenanschluss 12, 22, 32 und
einen Sourceanschluss als zweiten Laststreckanschluss 13, 23, 33 aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von n-Kanal-MOSFET
als Transistoren lediglich als Beispiel zu verstehen ist. Selbstverständlich
können anstelle von n-Kanal-MOSFET beliebige weitere Transistoren,
wie z. B. p-Kanal-MOSFET, IGBT oder auch Bipolartransistoren verwendet
werden. MOSFET, wie die dargestellten n-Kanal-MOSFET leiten und
sperren abhängig von den elektrischen Potenzialen an deren
Gateanschlüssen 11, 21, 31 bzw.
den elektrischen Spannungen zwischen deren Gateanschlüssen 11, 21, 31 und
deren Sourceanschlüssen 13, 23, 33.
Die MOSFET 1, 2, 3 werden dann im selben
Arbeitspunkt betrieben, wenn deren Drainpotenziale, d. h. die elektrischen
Potenziale an deren Drainanschlüssen 12, 22, 32 identisch
sind und wenn deren Gate-Source-Spannungen ebenfalls identisch sind.
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Bei
einer nicht idealen Schaltung kann ein Spannungs-Offset zwischen
den elektrischen Potenzialen an den Sourceanschlüssen 13, 23 der
Lasttransistoren 1, 2 einerseits und dem Sour ceanschluss 33 des
Messtransistors 3 andererseits vorhanden sein. Dieser Spannungs-Offset
wird beispielsweise durch die Auswerteschaltung 6 hervorgerufen
und liegt beispielsweise im Bereich von einigen mV. Ein solcher
Offset bewirkt, dass die Lasttransistoren 1, 2 einerseits
und der Messtransistor 3 andererseits nicht exakt im selben
Arbeitspunkt betrieben werden.
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Die
Ansteuerspannung eines MOSFET steht bekanntlich unmittelbar in Beziehung
zu dem den MOSFET durchfließenden Laststrom. Bei großen Lastströmen
IL sind die Ansteuerspannungen entsprechend
groß und können im Bereich von einigen Volt liegen.
Für Ansteuerspannungen die wesentlich größer
sind als ein vorhandener Spannungs-Offset kann davon ausgegangen
werden, dass die Lasttransistoren 1, 2 einerseits
und der Messtransistor 3 andererseits im selben Arbeitspunkt
betrieben werden. In diesem Fall ist der Messstrom IS in
erläuterter Weise unmittelbar proportional zu dem Laststrom
IL.
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Bei
kleinen Lastströmen IL kann ein
vorhandener Spannungs-Offset das Messergebnis allerdings negativ
beeinflussen. Kritisch sind insbesondere solche Fälle,
in denen die Ansteuerspannung des Messtransistors 3 kleiner
ist als die Ansteuerspannung der Lasttransistoren 1, 2.
In diesem Fall repräsentiert der Messstrom IS einen
Laststrom, der kleiner ist als der tatsächlich fließende
Laststrom IL.
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Um
auch bei kleinen Lastströmen eine zuverlässige
Strommessung zu ermöglichen, weist die Schaltungsanordnung
eine Rückregelschaltung 5 auf, die an den Ansteueranschluss 11 des
ersten Lasttransistors 1 angeschlossen ist und die dazu ausgebildet
ist, diesen Lasttransistor 1 zurückzuregeln, wenn
eine über der Laststrecke 12, 13 dieses Lasttransistors 1 anliegende
Laststreckenspannung V1 unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt.
Ein Beispiel einer solchen Rückregelschaltung 5 ist
in 3 dargestellt. Die dargestellte Rückregelschaltung
weist einen zwischen den Ansteueranschluss 11 und den zweiten
Laststreckenanschluss 13 des ersten Lasttransistors 1 geschalteten
Transistor 53 auf, der durch einen Operationsverstärker 51 abhängig
von einer Spannungsdifferenz zwischen der Laststreckenspannung V1
und einer durch eine Referenzspannungsquelle 52 bereitgestellten
Referenzspannung Vref angesteuert ist. Der Operationsverstärker 51 ist
in dem dargestellten Beispiel hierzu mit seinem invertierenden Eingang
unmittelbar an den ersten Laststreckenanschluss 12 und
mit seinem nicht-invertierenden Eingang über die Referenzspannungsquelle 52 an
den zweiten Laststreckenanschluss 13 des ersten Lasttransistors
angeschlossen. Ist die Laststreckenspannung V1 bei dieser Rückregelschaltung 5 größer
als die Referenzspannung Vref, so sperrt der Transistor 53.
Die Ansteuerspannung 11 des ersten Lasttransistors 1 ist
in diesem Fall ausschließlich durch das Ansteuersignal (Sin
in 1) bzw. durch das an der optionalen Treiberschaltung
(7 in 1) zur Verfügung stehenden Ansteuersignal
bestimmt. Solange die Laststreckenspannung V1 größer
als die Referenzspannung Vref ist, werden der erste Lasttransistor 1 und
die zweite Lasttransistor (2 in 1) im selben
Arbeitspunkt betrieben. Sinkt der Laststrom IL so
weit ab, dass die Laststreckenspannung V1 den Wert der Referenzspannung
Vref erreicht bzw. unter diesen Wert absinkt, so wird der Transistor 53 über
den Operationsverstärker 51 aufgesteuert. Hierdurch
wird der Lasttransistor 1 abgeregelt, so dass dessen Einschaltwiderstand
ansteigt, was einem Absinken der Laststreckenspannung V1 unter den
Referenzwert Vref entgegenwirkt. Die Laststreckenspannung wird auf
diese Weise auf den Referenzwert Vref geregelt.
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4A zeigt
den Verlauf der Laststreckenspannung V1 abhängig von dem
Laststrom IL. Zur Erläuterung sei
zunächst ein Schaltzustand des ersten Lasttransistors betrachtet,
bei dem die Laststreckenspannung V1 größer ist
als die Referenzspannung Vref und bei dem der erste Lasttransistor 1 vollständig
leitend angesteuert ist. Ein Einschaltwiderstand R1, dessen Verlauf
abhängig von der Laststreckenspannung IL in 4B dargestellt
ist, nimmt bei diesem Schaltzustand einen Minimalwert an und ist
annähernd unabhängig von dem fließenden
Laststrom IL konstant. Die Laststreckenspannung
V1 ist in diesem Fall proportional zu dem fließenden Laststrom
IL.
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Sinkt
die Laststreckenspannung V1 auf den Referenzwert Vref ab, was gleich
bedeutend damit ist, dass der Laststrom IL auf
einen Laststromreferenzwert IL_REF abgesunken
ist, so wird der erste Lasttransistor 1 abgeregelt, wodurch
sich dessen Einschaltwiderstand R1 erhöht und die Laststreckenspannung
V1 auch für weiter absinkende Laststromwerte IL auf
dem Referenzwert Vref gehalten wird. Wenn der erste Lasttransistor 1 so
weit abgeregelt ist, dass dessen Ansteuerspannung unter den Wert seiner
Einsatzspannung absinkt, so werden der Laststrom IL und
die Laststreckenspannung V1 Null.
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Durch
Abregeln des ersten Lasttransistors 1 bei kleinen Lastströmen
IL bzw. durch Erhöhen des Einschaltwiderstandes
R1 dieses ersten Lasttransistors 1 erhöht sich
der den zweiten Lasttransistor 2 durchfließende
Anteil an dem Laststrom IL so lange, bis
für sehr kleine Lastströme IL bei
denen der erste Lasttransistor 1 vollständig abgeregelt
ist, der gesamte Laststrom IL den zweiten
Lasttransistor 2 durchfließt. Die Laststreckenspannung
V1, die auch über dem zweiten Lasttransistor 2 anliegt,
und die Ansteuerspannung des zweiten Lasttransistors 2 steigen
an, wenn der erste Lasttransistor 1 abgeregelt wird. Ein
eventuell vorhandener Offset zwischen der Ansteuerspannung des zweiten
Lasttransistors 2 und des Messtransistors 3 wirkt
sich dadurch in geringerem Umfang auf das Messergebnis aus. Dieser Referenzwert
ist insbesondere so gewählt, dass er groß ist
im Vergleich zu möglichen Offset-Spannungen zwischen den
zweiten Laststreckenpotenzialen der Messtransistoren 3, 4 einerseits
und der Lasttransistoren 1, 2 andererseits.
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Mit
Abregeln des ersten Lasttransistors 1 ändert sich
allerdings der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Laststrom
IL und dem Messstrom IS. Sind beide Lasttransistoren 1, 2 vollständig
leitend angesteuert, so entspricht dieser Proportionalitätsfaktor
in erläuterter Weise dem Verhältnis zwischen der
Summe der aktiven Transistorflächen des ersten und zweiten
Lasttransistors 1, 2 und der aktiven Transistorfläche
des Messtransistors 3. Bei vollständig abgeregeltem
ersten Lasttransistor 1 entspricht dieser Proportionalitätsfaktor
dem Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche
des zweiten Lasttransistors 2 und der aktiven Transistorfläche
des Messtransistors 3. Es gilt in diesem Fall also: kILIS = a2a3 (2)
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Der
zweite Lasttransistor 2 und der Messtransistor 3 sind
hierbei beispielsweise so aufeinander abgestimmt, dass dieses Flächenverhältnis
zwischen 10:1 und 1:1 liegt. Der Messstrom IS beträgt
in diesem Fall zwischen 10% und 100% des Laststromes IL.
Für Lastströme IL, die
kleiner sind als der Laststrom-Referenzwert IL_REF ist
der Messstrom IS konstant, da für
diese kleinen Lastströme die Ansteuerspannung des Messtransistors 3 entsprechend
der Laststreckenspannung V1 des ersten und zweiten Transistors auf
einem konstanten Wert gehalten wird.
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Bei
einem Beispiel ist vorgesehen, die beiden Lasttransistoren 1, 2 und
den Messtransistor 3 in einem gemeinsamen Halbleiterkörper
integrieren. 5A zeigt einen vertikalen Querschnitt
durch einen solchen Halbleiterkörper 100 in dem
diese Transistoren gemeinsam integriert sind. Diese Transistoren
sind in dem dargestellten Beispiel als vertikale MOSFET realisiert.
Der Halbleiterkörper 100 weist hierzu eine erste
Halbleiterschicht 102 auf, die eine gemeinsame Drainzone
der Lasttransistoren und des Messtransistors bildet und die durch
eine Anschlusselektrode kontaktiert ist, die die Drainanschlüsse 12, 22, 32 dieser
Transistoren bildet. An diese erste Halbleiterschicht 102 schließt
sich in vertikaler Richtung eine schwächer dotierte zweite
Halbleiterschicht 102 an, die eine gemeinsame Driftzone
der Lasttransistoren 1, 2 und des Messtransistors
bildet. In dieser Driftzone ist ein Zellenfeld mit mehreren gleichartig aufgebauten
Transistorzellen realisiert, die jeweils eine Bodyzone 103 sowie
eine komplementär zu der Bodyzone 103 dotierte
Sourcezone 104 aufweisen. Die Bodyzone 103 einer
Transistorzelle ist hierbei zwischen der Sourcezone 104 dieser
Transistorzelle und der Driftzone 101 angeordnet. Zur Steuerung
eines leitenden Kanals zwischen den Sourcezonen 104 und
der Driftzone 101 ist eine Gateelektrode 105 vorhanden,
die durch ein Gatedielektrikum 106 gegenüber dem
Halbleiterkörper isoliert ist und die benachbart zu der
Bodyzone 103 angeordnet ist. Die Gateelektrode 105 ist
in dem dargestellten Beispiel eine planare Elektrode die oberhalb
einer Seite des Halbleiterkörpers 100 angeordnet
ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die in 5A dargestellte
Transistorzellengeometrie lediglich als Beispiel zu verstehen ist
und dass selbstverständlich auch Transistorzellen mit einer
beliebigen anderen Transistorzellgeometrien verwendet werden können,
wie z. B. Trenchtransistorzellen.
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Das
Transistorzellenfeld ist in drei Teilzellenfelder unterteilt: Ein
erstes Teilzellenfeld, das den ersten Lasttransistor bildet; ein
zweites Teilzellenfeld, das den zweiten Lasttransistor bildet; und
ein drittes Teilzellenfeld, das den Messtransistor bildet. Die Sourcezonen
der Transistorzellen des ersten und zweiten Zellenfeldes sind dabei
durch eine erste Sourceelektrode 107 kontaktiert, die den
gemeinsamen Sourceanschluss 13, 23 der beiden
Lasttransistoren 1, 2 bildet. Die Transistorzellen
des dritten Zellenfeldes sind durch eine zweite Sourceelektrode 108 kontaktiert,
die den Sourceanschluss 33 des Messtransistors bildet.
Mit 1i ist in 5A eine
Transistorzelle eines der ersten oder zweiten Teilzellenfelder,
und mit 3j ist eine Transistorzelle
des dritten Teilzellenfeldes bezeichnet.
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Um
zu verhindern, dass bei Abregeln des ersten Lasttransistors 1 durch
die Rückregelschaltung 5 auch der zweite Lasttransistor 2 abgeregelt wird,
weisen der erste und zweite Lasttransistor 1, 2 getrennte
Gateelektroden auf. 5B zeigt einen horizontalen
Querschnitt in einer in 5A dargestellten
Schnittebene A-A im Bereich des ersten und zweiten Teilzellenfeldes.
Wie in 5B dargestellt ist, weist die
Gateelektrode 105 zwei Gateelektrodenabschnitte auf: einen
ersten Gateelektrodenabschnitt 1051 ,
für die Transistorzellen des ersten Zellenfeldes, also
die Transistorzellen des Lasttransistors 1; und einen zweiten
Gateelektrodenabschnitt 1052 , der
von dem ersten Gateelektrodenabschnitt 1051 getrennt
ist, für die Transistorzellen des zweiten und dritten Zellenfeldes,
das heißt für die Transistorzellen des zweiten
Lasttransistors 2 und des Messtransistors 3. Die
Transistorzellen sind in dem in 5B dargestelltem
Bespiel hexagonale Zellen, können selbstverständlich
jedoch auch beliebige andere Zellengeometrien, besitzen, wie z.
B. eine Streifengeometrie.
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Bei
einem Beispiel ist vorgesehen, die Transistorzellen der einzelnen
Teilzellenfelder so zu realisieren, dass sie jeweils einen gleichen
Kanalquerschnitt aufweisen. Der Kanalquerschnitt eines der Lasttransistoren
und des Messtransistors ist dann unmittelbar proportional zu der
Anzahl der Transistorzellen des jeweiligen Transistors. In diesem
Fall gilt für den Verstärkungsfaktor kILIS bei vollständig leitend angesteuertem
ersten Lasttransistor: kILIS = (n1 + n2)n3 (3a)wobei n1
die Anzahl der Transistorzellen des ersten Lasttransistors 1,
n2 die Anzahl der Transistorzellen des zweiten Lasttransistors 2 und
n3 die Anzahl der Transistorzellen des Messtransistors bezeichnet.
Bei vollständig abgeregeltem ersten Lasttransistor 1 gilt für
den Verstärkungsfaktor kILIS entsprechend: kILIS = n2n3 (3b).
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6 veranschaulicht
anhand eines elektrischen Ersatzschaltbilds ein Ausführungsbeispiel
der in Reihe zu der Laststrecke des Messtransistors 3 geschalteten
Auswerteschaltung 6. Diese Auswerteschaltung 6 weist
eine Regelschaltung 61, 62 auf, die dazu dient,
das elektrische Potenzial am zweiten Lastreckenanschluss 33 des
Messtransistors 3 auf den Wert des elektrischen Potenzials
an dem zweiten Laststreckenanschlüssen 13, 23 der
Lasttransistoren 1, 2 einzustellen. Diese Regelschaltung 61, 62 umfasst
in dem dargestellten Beispiel einen Regelverstärker 61,
wie z. B. einen Operationsverstärker, mit einem ersten
Eingang – in dem Beispiel dem nichtinvertierenden Eingang –,
der an den zweiten Laststreckenanschluss 33 des Messtransistors 3 angeschlossen
ist, und mit einem zweiten Eingang – in dem Beispiel dem
invertierenden Eingang –, der an die zweiten Laststreckenanschlüsse 13, 23 angeschlossen
ist. Ein Ausgang des Regelverstärkers 61 steuert
eine in Reihe zu der Laststrecke 32–33 des Messtransistors 3 geschaltete
Last 62 an. Diese Last 62 ist in dem dargestellten
Beispiel eine Stromquelle, die beispielweise als Transistor realisiert
sein kann. Bei dieser Regelschaltung 61, 62 wird
die Stromaufnahme der Last 62 so gesteuert, dass eine Spannungsdifferenz
an den Eingängen des Regelverstärkers 61 und
damit eine Spannungsdifferenz zwischen den zweiten Laststreckenanschlüssen
des Messtransistors 3 einerseits und den Lasttransistoren 1, 2 andererseits
Null ist. Ein zuvor erläuterter dennoch vorhandener Offset
zwischen diesen Laststreckenspannungen kann dann vorhanden sein,
wenn der Regelverstärker 61 einen Spannungs-Offset
zwischen seinen Eingangsklemmen besitzt.
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In
Reihe zu der Last 62 weist die Auswerteschaltung 6 einen
Strommesswiderstand 63 auf, über dem eine von
dem Messstrom IS abhängige Spannung
anliegt, die das Strommesssignal S5 bildet. Dieses Strommesssignal
S5 ist dabei unmittelbar pro portional zu dem Messstrom IS, wobei der Proportionalitätsfaktor
der Widerstand des ohmschen Widerstandes 63 ist.
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7 veranschaulicht
anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes ein weiteres Beispiel
einer Schaltungsanordnung. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet
sich von der anhand von 1 erläuterten Schaltungsanordnung
dadurch, dass zwei Messtransistoren vorhanden sind: ein erster Messtransistor 3 mit
einem Ansteueranschluss 31 und einem ersten und einem zweiten
Laststreckenanschluss 32, 33; sowie ein zweiter
Messtransistor 4 mit einem Ansteueranschluss 41 und
einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss 42, 43.
Diese beiden Messtransistoren 3, 4 sind parallel
geschaltet, indem deren Laststrecken parallel zueinander geschaltet
sind. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bei
dem lediglich ein Messtransistor vorhanden ist, sind die beiden
Messtransistoren 3, 4 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 abhängig von dem
Ansteuersignal Sin angesteuert. Diese Schaltungsanordnung weist
eine zweite Rückregelschaltung 8 auf, die an den
Ansteueranschluss 31 des ersten Messtransistors 3 angeschlossen
ist und die dazu ausgebildet ist, diesen Messtransistor 3 abhängig
von der Laststreckenspannung V1 des ersten Messtransistors 3 abzuregeln.
Diese Rückregelschaltung 8 kann entsprechend der
Rückregelschaltung gemäß 3 realisiert
sein. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die
Möglichkeit, der Rückregelschaltung anstelle der
Laststreckenspannung V2 des ersten Messtransistors 3 die
Laststreckenspannung V1 des ersten und zweiten Lasttransistors 1, 2 zuzuführen.
In diesem Fall erfolgt eine Rückregelung des ersten Messtransistors 3 abhängig
von der Laststreckenspannung V1 des ersten und zweiten Lasttransistors 1, 2.
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Um
den Ansteueranschluss 31 des ersten Messtransistors 3 von
dem Ansteueranschluss 41 des zweiten Messtransistors 4 zu
entkoppeln, kann die optional vorhandene Treiberschaltung 7 dazu ausgebildet
sein, drei Ansteuersignale abhängig von dem Eingangssignal
Sin zu erzeugen: ein erstes Ansteuersignal für den ersten
Lasttransistor 1; ein zweites Ansteuersignal für
den zweiten Lasttransistor 2 und den zweiten Messtransistor 4;
und dein drittes Ansteuersignal für den ersten Messtransistor 3.
Die Treiberschaltung weist hierzu beispielsweise drei Treiberstufen
auf, wie sie anhand von 2 erläutert wurden.
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Diese
durch die Treiberschaltung 7 abhängig von dem
Eingangssignal Sin erzeugen Ansteuersignale sind gleich. Eine unterschiedliche
Ansteuerung der Transistoren tritt erst dann ein, wenn der Laststrom
IL soweit abgesunken ist, dass der erste
Lasttransistor 1 und der erste Messtransistor 3 durch
die Rückregelschaltungen 5, 8 zurückgeregelt
werden. Die Schwellenwerte bzw. Referenzwerte, bei denen die Rückregelschaltungen 5, 8 den
ersten Lasttransistor 1 und den ersten Messtransistor 3 zurückregeln,
sind wenigstens annähernd gleich. Sinkt der Laststrom IL in erläuterter Weise so weit ab,
dass der erste Lasttransistor 1 und der erste Messtransistor 3 zurückgeregelt
werden, so steigt der Anteil des Laststroms IL durch
den zweiten Lasttransistor 2 und der Anteil des Messstrom
IS durch den zweiten Messtransistor 4.
Die Laststreckenspannungen V1, V2 über dem zweiten Lasttransistor 2 und
dem zweiten Messtransistor 4 werden dadurch konstant auf
dem Referenzwert gehalten. Dieser Referenzwert ist so gewählt,
dass er groß ist im Vergleich zu möglichen Offset-Spannungen
zwischen den zweiten Laststreckenpotenzialen der Messtransistoren 3, 4 einerseits und
der Lasttransistoren 1, 2 andererseits. Die gleichzeitige
Rückregelung des ersten Lasttransistors 1 und
des ersten Messtransistors 3 ermöglicht es, den
Stromverstärkungsfaktor kILIS im
Unterschied zu dem anhand von 4 erläuterten
Ausführungsführungsbeispiel bei kleiner werdenden
Lastströmen IL konstant zu halten.
Die Lasttransistoren 1, 2 und die Messtransistoren 3, 4 sind
in diesem Fall so gewählt, dass ein Verhältnis
zwischen den aktiven Transistorflächen des ersten und zweiten
Lasttransistors 1, 2 einem Verhältnis
zwischen den aktiven Transistorflächen des ersten und zweiten
Messtransistors 3, 4 entspricht. a1a2 = a3a4 (4),wobei
a1 und a2 die aktiven Transistorflächen des ersten und
zweiten Lasttransistors 1, 2 und a3 und a4 die
aktiven Transistorflächen des ersten und zweiten Messtransistors 3, 4 bezeichnen.
Sind diese Transistoren zellenartig mit jeweils einer Anzahl von
Transistorzellen aufgebaut, so gilt: n1n2 = n3n4 (5). wobei n1
und n2 die Anzahl der Transistorzellen des ersten und zweiten Lasttransistors 1, 2 und
n3 und n4 die Anzahl der Transistorzellen des ersten und zweiten
Messtransistors 3, 4 bezeichnen. Das Verhältnis zwischen
der Summe der aktiven Transistorflächen des ersten und
zweiten Lasttransistors und der Summe der aktiven Transistorflächen
des ersten und zweiten Messtransistors liegt beispielsweise zwischen
102:1 und 105:1.
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8 veranschaulicht
den Stromverstärkungsfaktor k abhängig von dem
Laststrom IL für die Schaltungsanordnung
gemäß 7. Bei diesem Beispiel bleibt
der Laststrom IL auch für kleine
Lastströme IL konstant. Nicht mehr
definiert ist der Stromverstärkungsfaktor k, erst für
Laststromwerte IL die so klein sind dass
die zugehörige Ansteuerspannung im Bereich der Einsatzspannung
des jeweiligen Transistors liegt.
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Bei
dem bisher erläuterten Schaltungsanordnungen sind die Lasttransistoren 1, 2 – und
entsprechend der Messtransistor 3 bzw. die Messtransistoren 3, 4 – als
High-Side-Schalter verschaltet. Das Grundprinzip der zuvor erläuterten
Schaltungsanordnung, nämlich das Zurückregeln
wenigstens eines der Lasttransistoren für kleine Lastströme
IL gilt selbstverständlich in entsprechender
Weise auch für Schaltungsanord nungen, bei denen die Lasttransistoren
als Low-Side-Schalter verschaltet sind. 9 zeigt
eine solche Schaltungsanordnung. Die Last Z ist bei dieser Schaltungsanordnung
zwischen die Klemme für das positive Versorgungspotenzial
V+ und die erste Anschlussklemme K2 der Schaltungsanordnung geschaltet.
Die zweiten Laststreckenanschlüsse 13, 23, 33 der
Lasttransistoren 1, 2 und des Messtransistors 3 sind
bei dieser Schaltungsanordnung kurzgeschlossen. Weiterhin sind die
ersten Laststreckenanschlüsse 12, 22 der
Lasttransistoren 1, 2 kurzgeschlossen und an die
erste Anschlussklemme K2 angeschlossen. Eine Regelung des Arbeitspunktes
des Messtransistors 3 auf dieselben Arbeitspunkte wie der
erste und zweite Lasttransistor 1, 2 erfolgt bei
dieser Schaltungsanordnung durch Regelung des elektrischen Potenzials
an dem ersten Laststreckenanschluss 32 des Messtransistors 3.
Die Auswerteschaltung 6 ist hierzu zwischen die Klemme für
das positive Versorgungspotenzial V+ und diesen zweiten Laststreckenanschluss 32 geschaltet.
Im Übrigen funktioniert die in 9 dargestellte
Schaltungsanordnung entsprechend der anhand von 1 dargestellten
Schaltungsanordnung. Selbstverständlich lässt
sich die Schaltungsanordnung gemäß 9 auch
entsprechend der Schaltungsanordnung gemäß 7 dahingehend
modifizieren, dass anstelle nur eines Messtransistors 3 zwei
Messtransistoren vorhanden sind, von denen einer mittels einer Rückregelschaltung
zurückregelbar ist.
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Ein
Beispiel einer Auswerteschaltung 6 für die in 9 dargestellte
Schaltungsanordnung ist in 10 dargestellt.
Diese Auswerteschaltung 6 weist entsprechend der anhand
von 6 erläuterten Auswerteschaltung einen
Regelverstärker 61 auf, dem das erste Laststreckenpotenzial
des ersten und zweiten Lasttransistors und das erste Laststreckenpotenzial
des Messtransistors 3 zugeführt sind und der eine
in Reihe zu der Laststrecke 31, 32 des Messtransistors 3 geschaltete
Last 62 ansteuert. Die Auswerteschaltung 6 weist
außerdem einen Messtransistor 63 auf, an dem das
Strommesssignal S5 als Spannung abgreifbar ist. Dieser Messtransistor
ist – anders als bei dem Beispiel gemäß 6 – jedoch nicht
in Reihe zu der Laststrecke 32, 33 des Messtransistors 3 geschaltet
sondern ist an einen Stromspiegel 64, 65 angeschlossen,
der den in den Messtransistor 3 durchfließenden
Messstrom IS auf einen den Messtransistor 3 enthaltenen
Stromzweig spiegelt. Der den Messtransistor 63 durchfließende Strom
steht hierbei über das Stromspiegelverhältnis des
Stromspiegels 64, 65 im Verhältnis zu
dem Messstrom IS. Dieses Stromspiegelverhältnis
beträgt beispielsweise 1:1. In diesem Fall entspricht der
den Messtransistor 63 durchfließende Strom dem
Messstrom IS. Das Vorsehen des Stromspiegels 64, 65 zum
Abbilden des Messstromes IS auf den Messtransistor 63 ermöglicht
es, das Strommesssignal S5 als Spannung auszugeben, die auf Bezugspotenzial GND
bezogen ist.
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Abschließend
sei darauf hingewiesen, dass Verfahrens- oder Schaltungsmerkmale,
die nur im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurden, auch
dann mit Verfahrens- oder Schaltungsmerkmalen aus anderen Beispielen
kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit
erläutert wurde. So können insbesondere Merkmale,
die in einem der nachfolgenden Ansprüche wiedergegeben
sind, mit Merkmalen beliebiger anderer Ansprüche kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005009544
A1 [0003]