DE102010030064A1

DE102010030064A1 - Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102010030064A1
Application number: DE102010030064A
Authority: DE
Inventors: Dr. Glaser Ulrich; Yiqun Cao; Herbert Gietler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: DE102010030064B4; US20110304940A1; US8643990B2

Abstract

Beschrieben ist eine Schutzschaltung, die aufweist: ein steuerbares Entladeelement (2) mit einer Laststrecke, die zwischen einen ersten und einen zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, einen Ein-Zustand oder einen Aus-Zustand anzunehmen, wobei das Entladeelement (2) im Ein-Zustand einen Entladepfad zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) bereit stellt; eine Auslöseschaltung mit ersten und zweiten Anschlüssen, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet sind, und die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zu erzeugen, das das Entladeelement in dessen Ein-Zustand überführt, wenn die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) einen Auslösewert erreicht; eine Einstellschaltung (4), die an die Auslöseschaltung (3) gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, den Auslösewert (VTRIG) abhängig von einer Spannung (VESD) zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten und/oder abhängig von dem Ansteuersignal (S2) von einem ersten Auslösewert (V1) auf einen zweiten Auslösewert (V2) zu ändern wobei der zweite Auslösewert (V2) kleiner ist als der erste Auslösewert (V1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, insbesondere eine Überspannungsschutzschaltung, wie zum Beispiel eine ESD-Schutzschaltung.
Spannungsspitzen oder Spannungsimpulse, wie zum Beispiel Spannungsimpulse, die aus einer elektrostatischen Entladung (electrostatical discharge, ESD) oder einer elektrischen Überlastung (electrical overstress, EOS) resultieren, können bei Halbleiterbauelementen oder in integrierten Schaltungen (ICs), die mehrere Halbleiterbauelemente umfassen, zu Beschädigungen oder zu Zuverlässigkeitsproblemen führen. Spannungsspitzen können durch elektrische Ladung hervorgerufen werden, wie beispielsweise eine elektrische Ladung, die aus einem ESD-Ereignis resultiert. Bei einem solchen ESD-Ereignis wird elektrische Ladung in kurzer Zeit von einem Objekt, wie beispielsweise einer Person oder einer Übertragungsleitung, an einen Schaltungsknoten übertragen, an den das Halbleiterbauelement oder der IC angeschlossen ist. Die Spannungsspitze kann das Halbleiterbauelement oder den IC beschädigen oder zerstören. Schäden, die durch solche Spannungsspitzen auftreten, umfassen beispielsweise: die Unterbrechung einer Leitungsverbindung durch Aufschmelzen der Leitungsverbindung, oder die Zerstörung oder Degradierung eines Gateoxids eines als MOSFET oder IGBT realisierten Halbleiterbauelements.
Verschiedene Konzepte zum Überspannungsschutz, insbesondere zum ESD-Schutz, sind beispielsweise beschrieben in Mergens et al.: "ESD-Protection Considerations in Advanced High-Voltage Technologies for Automotive", Tagungsband EOS/ESD Symposium 2006, Seiten 2A.1-1 bis 2A.1-10.
Ein erstes bekanntes Konzept sieht vor, eine Diode, die in Rückwärtsrichtung gepolt ist, parallel zu dem zu schützenden Halbleiterbauelement zu schalten. Wenn ein Spannungsimpuls auftritt, dessen Amplitude höher ist als die Durchbruchspannung der Diode, bricht die Diode durch und leitet die den Spannungsimpuls verursachende elektrische Ladung ab, wodurch das Halbleiterbauelement geschützt wird. Dioden benötigen allerdings eine vergleichsweise große Halbleiterfläche.
Gemäß einem weiteren bekannten Konzept umfasst eine Schutzschaltung ein Entladeelement, wie beispielsweise einen Transistor, der parallel zu dem zu schützenden Halbleiterbauelement geschaltet ist. Die Schutzschaltung umfasst außerdem eine Auslöseschaltung, die das Entladeelement auslöst, wenn eine Spannungsspitze detektiert wird, deren Amplitude größer ist als eine vorgegebene Schwellenspannung. Eine solche Schutzschaltung ist beispielsweise in der US 7,079,369 B2 beschrieben.
Weiterhin sind sogenannte GGMOS-Schutzschaltungen (GGMOS = Grounded Gate MOS) bekannt. Solche Schaltungen umfassen einen MOSFET, dessen Drain-Source-Strecke parallel zu einem zu schützenden Halbleiterbauelement geschaltet ist und dessen Gate an Masse oder ein Referenzpotential angeschlossen ist. Dieser MOSFET geht in den Avalanche-Betrieb über, wenn die Spannung über dessen Drain-Source Strecke dessen Avalanche-Durchbruchspannung übersteigt. Der MOSFET verhindert dadurch einen weiteren Anstieg der Spannung über dem zu schützenden Halbleiterbauelement. Wenn der MOSFET in den Avalanche-Betrieb übergeht, schaltet ein parasitärer Bipolartransistor ein, der durch Drain-, Source- und Bodygebiete des MOSFET gebildet ist. Mit Einschalten dieses parasitären Bipolartransistors geht der MOSFET in einen niederimpedanten Zustand, den sogenannten Snapback-Zustand über. Im Snapback-Zustand ist die Spannung über der Drain-Source Strecke auf den Wert einer Haltespannung reduziert, die unterhalb der Durchbruchspannung liegt. Im Snapback-Zustand leitet der MOSFET elektrische Ladung in sehr effizienter Weise ab. Die Haltespannung ist allerdings abhängig von dem jeweiligen Design des MOSFET und der Dotierungskonzentration der Drain-, Source- und Bodygebiete des MOSFET.
Weitere ESD-Schutzschaltungen sind beispielsweise beschrieben in US 5,500,546 , US 6,958,896 B2 , US 7,079,369 B2 und DE 10 297 094 T5 . Überspannungsschutzschaltungen sind beispielsweise beschrieben in EP 1 783 909 B1 und EP 1 873 917 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effiziente Schutzschaltung, insbesondere eine ESD-Schutzschaltung, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch Schutzschaltungen gemäß der Ansprüche 1 und 17 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Schutzschaltung mit einem steuerbaren Entladeelement, das eine Laststrecke aufweist, die zwischen einen ersten und zweiten Schaltungsknoten geschaltet ist, und das dazu ausgebildet ist, einen Ein-Zustand oder einen Aus-Zustand anzunehmen. Im Ein-Zustand stellt das Entladeelement einen Entladepfad zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten bereit. Die Schutzschaltung umfasst außerdem eine Auslöseschaltung mit ersten und zweiten Anschlüssen, die zwischen den ersten und den zweiten Schaltungsknoten geschaltet sind, und die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zu erzeugen, das das Entladeelement in dessen Ein-Zustand überführt, wenn die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten einen Auslösewert erreicht. An die Auslöseschaltung ist eine Einstellschaltung gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, den Auslösewert abhängig von einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten oder abhängig von dem Ansteuersignal von einem ersten Auslösewert auf einen zweiten Auslösewert zu ändern. Der zweite Auslösewert ist dabei kleiner als der erste Auslösewert.
Bei dieser Schutzschaltung kann ein Snapback-Verhalten der Schutzschaltung über den ersten und zweiten Auslösewert der Auslöseschaltung eingestellt werden. Durch Absenken des Auslösewertes von dem ersten Auslösewert auf den zweiten Auslösewert kann ein schnellerer und sicherer Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten erreicht werden. Das Absenken des Auslösewertes kann dabei abhängig von der zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten anliegenden Spannung oder abhängig von dem Ansteuersignal erfolgen. Das Absenken des Auslösewertes kann derart erfolgen, dass der Auslösewert erst dann abgesenkt wird, wenn das Entladeelement bereits im Ein-Zustand ist. Durch das Absenken des Auslöswertes wird sichergestellt, dass das Entladeelement auch dann leitend bleibt, wenn dis Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten absinkt.
Die Schutzschaltung eignet sich zum Schutz von beliebigen elektronischer Bauelemente, insbesondere von Halbleiterbauelemente, oder von beliebiger Schaltungen, insbesondere von integrierten Schaltungen mit mehreren Bauelementen, wobei das zu schützende Bauelement bzw. die zu schützende Schaltung zwischen die ersten und zweiten Schaltungsknoten der Schutzschaltung zu schalten ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schutzschaltung mit einem steuerbaren Entladeelement, das eine Laststrecke aufweist, die zwischen einen ersten und zweiten Schaltungsknoten geschaltet ist, und das dazu ausgebildet ist, einen Ein-Zustand oder einen Aus-Zustand anzunehmen. Im Ein-Zustand stellt das Entladeelement hierbei zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten einen Entladepfad bereit. Die Schutzschaltung umfasst außerdem eine Auslöseschaltung mit ersten und zweiten Anschlüssen, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten geschaltet sind, und die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zu erzeugen, das das Entladeelement in den Ein-Zustand überführt, wenn eine Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten einen Auslösewert erreicht. Die Auslöseschaltung umfasst eine Detektorschaltung, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten geschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, ein Auslösesignal abhängig von einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten zu erzeugen. Die Detektorschaltung umfasst eine Zenerschaltung mit wenigstens einer Zenerdiode. Die Auslöseschaltung umfasst außerdem einen Verstärker, der zwischen die Detektorschaltung und das Entladeelement geschaltet ist, wobei dem Verstärker das Auslösesignal zugeführt ist und der Verstärker das Ansteuersignal abhängig von dem Auslösesignal erzeugt.
Bei dieser Schutzschaltung sorgt der Verstärker dafür, dass bereits bei Spannungen zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten, die nur wenig oberhalb des Auslösewertes liegen, das Entladeelement soweit aufgesteuert wird, dass ein effizienter und sicherer Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten erreicht wird.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung, sodass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Signale mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt schematisch eine Schutzschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, die ein Entladeelement, eine Auslöseschaltung und eine an die Auslöseschaltung gekoppelte Einstellschaltung aufweist.
2 veranschaulicht die Funktionsweise der Schutzschaltung gemäß 1 anhand eines Spannungsdiagramms.
3 zeigt schematisch eine Schutzschaltung gemäß 1, bei der die Auslöseschaltung eine Zenerschaltung aufweist.
4 veranschaulicht ein erstes Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 3.
5 veranschaulicht ein zweites Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 3.
6 veranschaulicht ein drittes Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 3.
7 veranschaulicht ein Beispiel der Schutzschaltung gemäß 1, bei der die Auslöseschaltung einen Verstärker aufweist.
8 veranschaulicht ein erstes Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 7.
9 veranschaulicht ein zweites Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 7.
10 veranschaulicht ein drittes Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 7.
11 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung, die ein Entladeelement und eine Auslöseschaltung mit einer Zenerschaltung und einem Verstärker aufweist.
12 veranschaulicht ein erstes Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 11.
13 veranschaulicht ein zweites Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 11.
14 veranschaulicht ein Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 11.
15 veranschaulicht ein viertes Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung, die ein Entladeelement und eine Auslöseschaltung mit einer Zenerschaltung und einem Verstärker aufweist.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung zum Schutz eines Halbleiterbauelements oder einer integrierten Schaltung vor Überspannungen, insbesondere vor solchen Überspannungen, die aus elektrostatischen Entladungen (Electrostatical Discharge, ESD) resultieren.
Die Schutzschaltung weist einen ersten und einen zweiten Schaltungsknoten 11, 12 auf, zwischen den ein zu schützendes Bauelement bzw. eine zu schützende Schaltung geschaltet werden kann. Der Begriff ”zu schützende Schaltung” wird nachfolgend gleichermaßen für eine Schaltung mit mehreren Schaltungskomponenten oder mit nur einer Schaltungskomponente verwendet. Eine solche Schaltung ist in 1 gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen Z bezeichnet. Eine zu schützende Schaltung kann eine Vielzahl von Anschlüssen aufweisen. Zwischen die ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 der Schutzschaltung sind hierbei die Anschlüsse der zu schützenden Schaltung zu schalten, zwischen denen eine gegenüber Überspannungen empfindliche Schaltungsstrecke der Schaltung liegt. Bei einem MOSFET oder IGBT als Bauelement einer zu schützenden Schaltung ist beispielsweise dessen Gate-Source-Strecke eine solche gegenüber Überspannungen empfindliche Strecke. Um beispielsweise ein solches Bauelement mittels der erfindungsgemäßen Schutzschaltung gegenüber Überspannungen zu schützen, ist dessen Gate-Source-Strecke zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 zu schalten.
Bezugnehmend auf 1 umfasst die Schutzschaltung ein Entladeelement 2 mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss 21, 22 verlaufenden Laststrecke und mit einem Steueranschluss 23. Die Laststrecke des Entladeelements ist über die Laststreckenanschlüsse 21, 22 zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet. Das Entladeelement 2 kann einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand annehmen, wobei das Entladeelement 2 im Ein-Zustand einen Entladepfad zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 bereitstellt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass das Entladeelement 2 im Ein-Zustand einen Stromfluss zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 ermöglicht. Im Aus-Zustand verhindert das Entladeelement 2 einen Stromfluss zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12.
Das Entladeelement 2 ist durch ein Ansteuersignal S2 angesteuert, das dessen Ansteueranschluss 23 zugeführt ist. Das Entladeelement 2 nimmt abhängig von diesem Ansteuersignal S2 seinen Ein-Zustand oder seinen Aus-Zustand an.
Das Entladeelement 2 ist insbesondere derart ausgebildet, dass dessen Einschaltwiderstand im Ein-Zustand von dem Ansteuersignal S2 abhängig ist. Der Einschaltwiderstand des Entladeelements 2 ist dessen elektrischer Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss 21, 22. Je geringer dieser Einschaltwiderstand ist, um so schneller und effizienter kann ein gegebenenfalls erforderlicher Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 stattfinden. Das Entladeelement 2 ist in 1 schematisch als Schalter dargestellt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Entladeelement 2 auf verschiedene, nachfolgend noch erläuterte Weise realisiert werden kann.
Zur Erzeugung des Ansteuersignals S2 weist die Schutzschaltung eine Auslöseschaltung 3 auf, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet ist. Die Auslöseschaltung 3 erzeugt das Ansteuersignal S2 abhängig von einer zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 anliegenden Spannung V_ESD und steuert das Entladeelement 2 über dieses Ansteuersignal S2 derart an, dass das Entladeelement 2 seinen Ein-Zustand annimmt, wenn diese Spannung V_ESD einen Auslösewert annimmt bzw. diesen übersteigt. Dieser Auslösewert ist bei der in 1 dargestellten Auslöseschaltung 3 variabel und wird durch eine Einstellschaltung 4 abhängig von der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten 11, 12 und/oder abhängig von dem Ansteuersignal S2 eingestellt und zwar derart, dass der Auslösewert abhängig von der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten 11, 12 und/oder abhängig von dem Ansteuersignal S2 von einem ersten Auslösewert auf einen im Vergleich zum ersten Auslösewert kleineren zweiten Auslösewert reduziert wird.
Bei einem Beispiel ist vorgesehen, dass die Einstellschaltung 4 den Auslösewert von dem ersten Auslösewert auf den im Vergleich zum ersten Auslösewert kleineren zweiten Auslösewert reduziert, wenn die Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 einen Spannungsschwellenwert übersteigt. 2 zeigt schematisch die ”Auslösekennlinie” der in 1 dargestellten Schutzschaltung für diesen Fall.
Dargestellt ist in 2 der Auslösewert V_TRIG abhängig von der Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12. Bezugnehmend auf 2 entspricht der Auslösewert V_TRIG einem ersten Auslösewert V1, wenn die Spannung V_ESD Null ist. Steigt diese Spannung V_ESD an, so bleibt der Auslösewert zunächst auf dem ersten Wert V1 und zwar bis die Spannung V_ESD den Schwellenwert Vth1 erreicht. Mit Erreichen des Schwellenwertes Vth1 sinkt der Auslösewert V_TRIG von dem ersten Auslösewert V1 auf den kleineren zweiten Auslösewert V2 ab, wo er verbleibt, bis die Spannung V_ESD unter einen unteren Schwellenwert Vth2 abgesunken ist. Bedingt durch die Änderung des Auslösewerts von dem ersten Auslösewert V1 auf den zweiten Auslösewert V2 bei Erreichen des oberen Schwellenwertes Vth1 besitzt die Auslösekennlinie eine Hysterese. Diese Hysterese bzw. die Änderung des Auslösewerts von dem ersten Wert V1 auf den zweiten Wert V2 bei Überschreiten des ersten Schwellenwertes Vth1 hat zwei Effekte:

1) Ein Ladungsausgleich über das Entladelement 2 findet so lange statt, bis die Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 auf den kleineren zweiten Auslösewert V2 abgesunken ist;
2) bei Erzeugung des Ansteuersignals S2 derart, dass dessen Amplitude von der Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 abhängig ist, und bei Verwendung eines Entladeelements 2, dessen Einschaltwiderstand im Ein-Zustand von dem Ansteuersignal S2 abhängig ist, wird das Entladeelement 2 nach dem Umschalten von dem ersten oberen Auslösewert V1 auf den zweiten unteren Auslösewert V2 niederohmig angesteuert, wodurch auf effizientere Weise ein Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 stattfindet.

3 zeigt ein Beispiel einer Schutzschaltung, bei der das Entladeelement 2 als MOS-Transistor, speziell als MOSFET ausgebildet ist. Der MOSFET weist einen Drainanschluss D und einen Sourceanschluss S auf, die den ersten bzw. den zweiten Laststreckenanschluss 21, 22 bilden. Ein Gateanschluss G des MOSFET bildet den Ansteueranschluss 23. Der in 3 dargestellte MOSFET ist ein n-Kanal-MOSFET. Selbstverständlich kann anstelle eines n-Kanal-MOSFET auch ein p-Kanal-MOSFET, ein IGBT oder ein Bipolartransistor als Entladeelement 2 verwendet werden. Ein MOSFET ist ein spannungsgesteuertes Bauelement, das abhängig von seiner Gate-Source-Spannung V_GS, also der Spannung zwischen dem Gateanschluss G und dem Sourceanschluss S, leitet, das heißt einen Ein-Zustand annimmt, oder sperrt, das heißt einen Aus-Zustand annimmt. Der MOSFET sperrt, wenn die Gate-Source-Spannung V_GS unterhalb eines Schwellenwertes, der sogenannten Threshold-Spannung, liegt, und leitet, wenn die Gate-Source-Spannung oberhalb des Schwellenwertes liegt, wobei der Einschaltwiderstand des MOSFET für einen bestimmten Wertebereich der Gate-Source-Spannung, dem sogenannten linearen Bereich, mit zunehmender Gate-Source-Spannung abnimmt. Das durch die Auslöseschaltung 3 erzeugte Ansteuersignal S2 entspricht bei der in 3 dargestellten Schaltung der Gate-Source-Spannung.
Die Auslöseschaltung 3 weist bei der in 3 dargestellten Schutzschaltung eine Zenerschaltung 30 auf, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet ist und die wenigstens eine Zenerdiode aufweist. Optional weist die Auslöseschaltung 3 ein an den Ansteueranschluss 23 des Entladeelements 2 angeschlossenes Schutzelement 34 auf. Dieses Schutzelement 34 ist in dem dargestellten Beispiel als Zenerdiode realisiert, das zwischen den Gate- und den Source-Anschluss G, S des Entlade-MOSFET 2 geschaltet ist und das verhindert, dass die Ansteuerspannung bzw. Gate-Source-Spannung des MOSFET über einen Schwellenwert ansteigt, der durch die Durchbruchspannung der Zenerdiode 34 gegeben ist. Selbstverständlich kann als Schutzelement 34 auch eine Reihenschaltung mit mehreren Zenerdioden vorgesehen werden, wobei der Schwellenwert, auf den die Ansteuerspannung begrenzt wird, mit zunehmender Anzahl der in Reihe geschalteten Zenerdioden größer wird. Falls kein Gate-Source-Schutz des Entlade-MOSFET 2 erforderlich ist, kann die Schaltung ohne Zenerdiode 34 implementiert werden.
Bezugnehmend auf 3 kann die Einstellschaltung 4 so realisiert sein, dass sie den Auslösewert der Detektorschaltung abhängig von dem Ansteuersignal S2 erzeugt. Dies ist in 3 schematisch dadurch dargestellt, dass der Einstellschaltung 4 das Ansteuersignal S2 zugeführt ist.
4 zeigt ein erstes Realisierungsbeispiel für die in 3 dargestellte Schutzschaltung. Die Detektorschaltung umfasst bei diesem Beispiel eine Reihenschaltung mit einer Zenerschaltung 31 und einem Detektorelement 32 die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet ist. Das Detektorelement 32 ist in dem dargestellten Beispiel als Widerstandselement, speziell als ohmscher Widerstand ausgebildet. Die Zenerschaltung 31 umfasst eine Reihenschaltung mit mehreren Zenerdioden 311–31n, die jeweils in Sperrrichtung gepolt zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet sind. Die Zenerschaltung 31 umfasst in dem dargestellten Beispiel vier in Reihe geschaltete Zenerdioden 311–31n. Dies ist jedoch lediglich als Beispiel zu verstehen. Abhängig von einer maximalen Spannungsdifferenz, die zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 erlaubt sein soll, kann die Anzahl der in der Zenerschaltung 31 vorhandenen Zenerdioden beliebig gewählt werden. Die Zenerschaltung 31 kann außerdem mindestens eine Diode 310 umfassen, die antiseriell zu den Zenerdioden 311–31n geschaltet ist, wobei auch eine Reihenschaltung mit mehrere solchen Dioden vorgesehen sein kann. Diese Diode 310 kann zwei Funktionen haben: Sie kann erstens für eine feinere Einstellung der Auslösespannung verwendet werden, indem zusätzlich zu den Sperrspannungen der Zenerdioden die Flussspannung der wenigstens einen Diode 310 überwunden werden muss; zweitens verhindert die Diode 310 bei leitend angesteuertem Entlade-MOSFET 2 eine Entladung des Gates dieses Entlade-MOSFET 2 über die Zenerdiodenkette 311–31n während der transienten Spannungsflanke.
Das in Reihe zu der Zenerschaltung 31 geschaltete Detektorelement 32 liefert ein Signal, das als Ansteuersignal S2 zur Ansteuerung des Entlade-MOSFET 2 verwendet wird oder aus dem das Ansteuersignal S2 abgeleitet wird. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel, bei dem das Detektorelement 32 ein Widerstandselement ist, entspricht das Ansteuersignal S2 einer Spannung V32 über dem in Reihe zu der Zenerschaltung 31 geschalteten Widerstandselement 32.
Zur Einstellung des Auslösewertes weist die Einstellschaltung 4 eine Überbrückungsschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, wenigstens eine der Zenerdioden – in dem dargestellten Beispiel zwei Zenerdioden, nämlich die Zenerdioden 313 und 31n – zu überbrücken. Die Überbrückung der Zenerdioden 313, 31n erfolgt bei der in 4 dargestellten Einstellschaltung 4 abhängig von dem Ansteuersignal S2, das bei diesem Beispiel unmittelbar und primär von der Spannung V_ESD zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten abhängig ist. Die Überbrückungsschaltung ist in dem dargestellten Beispiel als Transistor 42 realisiert, dessen Laststrecke (Drain-Source-Strecke) parallel zu den zu überbrückenden Zenerdioden 313, 31n geschaltet ist und der abhängig von dem Ansteuersignal S2 leitend oder sperrend angesteuert ist. Der Transistor 42 der Überbrückungsschaltung ist in dem dargestellten Beispiel als p-MOSFET realisiert. Zu dessen Ansteuerung weist die Einstellschaltung 4 einen weiteren MOSFET 41 – in dem dargestellten Beispiel einen n-MOSFET – auf, der durch das Ansteuersignal S2 angesteuert ist und dessen Laststrecke (Drain-Source-Strecke) in Reihe zu einem Widerstand 43 geschaltet ist, der zwischen Gate und Source des Überbrückungstransistors 42 liegt.
Die Funktionsweise der in 4 dargestellten Schutzschaltung wird nachfolgend erläutert: Steigt bei der dargestellten Schutzschaltung die Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 auf einen Wert an, der größer ist als die Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311–31n und der Flussspannung der Diode 310, so fließt ein Strom über die Detektorschaltung 3 von dem ersten Schaltungsknoten 11 an den zweiten Schaltungsknoten 12. Steigt die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 weiter an, so dass der Spannungsabfall über dem Widerstandselement 32 den Wert der Schwellenspannung des Entlade-MOSFET 2 erreicht, so geht der Entlade-MOSFET 2 in seinen Ein-Zustand über, wodurch über die Laststrecke des Entlade-MOSFET ein Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 erfolgen kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 auch dann noch weiter ansteigen kann, wenn das Entladeelement 2 bereits leitend angesteuert ist. Dies ist dann der Fall, wenn beispielsweise mehr elektrische Ladung auf den ersten Schaltungsknoten 11 fließt, beispielsweise durch einen elektrostatischen Entladevorgang, als gleichzeitig über das Entladeelement 2 an den zweiten Schaltungsknoten 12 abgeführt werden kann.
Der erste Auslösewert V1 entspricht bei der in 4 dargestellten Schaltung der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311–31n, der Flussspannung der Diode 310 und der Einsatzspannung des Entlade-MOSFET 2. Das Ansteuersignal S2 des Entlade-MOSFET 2 steuert auch den Transistor 41 der Einstellschaltung 4 an. Erreicht das Ansteuersignal S2 die Einsatzspannung dieses Transistors 41, dessen Einsatzspannung mit der Einsatzspannung des Entlade-MOSFET 2 übereinstimmen kann, so steuert der Transistor 41 den Überbrückungstransistor 42 leitend an, wodurch zwei der Zenerdioden 313, 31n überbrückt werden. Hierdurch verringert sich der Auslösewert um die Summe der Durchbruchspannungen der zwei Zenerdioden 313, 31n (bei Vernachlässigung des Spannungsabfalls über dem leitend angesteuerten Transistor 42) auf den zweiten Auslösewert. Der zweite Auslösewert entspricht in dem dargestellten Beispiel der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311, 312, der Flussspannung der Diode 310 und der Schwellenspannung des Entlade-MOSFET 2. Das Absenken der Auslösespannung auf den zweiten Auslösewert hat zwei Effekte:

1) Mit Überbrücken eines Teils der Zenerdioden steigt der Spannungsabfall über dem Widerstandselement 32 und damit das Ansteuersignal S2 sprungartig an, wodurch der Entlade-MOSFET weiter aufgesteuert, und damit niederohmiger wird. Der Entlade-MOSFET 2 stellt dadurch einen niederohmigeren Entladepfad zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 zur Verfügung.
2) Des Weiteren findet durch Absenken des Auslösewertes ein Entladevorgang zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 solange statt, bis die Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 unter den zweiten Auslösewert V2 abgesunken ist. Dieser Auslöswert V2 ist so gewählt, dass eine zu schützende Schaltung diese Spannung aushält.

Der Schwellenwert Vth1 der Spannung V_ESD, bei der die Auslösespannung V_TRIG zwischen dem ersten und zweiten Auslösewert V1, V2 umgeschaltet wird, entspricht bei der in 4 dargestellten Schaltung der Spannung, bei der der Transistor 41 der Einstellschaltung 4 leitend angesteuert wird. Bei gleichen Einsatzspannungen des Entlade-MOSFET 2 und des Ansteuertransistors 41 der Einstellschaltung 4 entspricht der Schwellenwert Vth1 dem ersten Auslösewert V1.
Durch Umschalten der Auslösespannung von dem ersten auf den zweiten Auslösewert besitzt die erfindungsgemäße Schutzschaltung ein definiertes Snapback-Verhalten, das durch Auswahl der Anzahl der in Reihe geschalteten Zenerdioden und durch die Anzahl der durch die Einstellschaltung 4 zu überbrückenden Zenerdioden eingestellt werden kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl n der in Reihe geschalteten Zenerdioden 311–31n beliebig gewählt werden kann, und zwar abhängig von der zulässigen maximalen Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten, und dass eine Anzahl k, mit k ≤ n, der zu überbrückenden Zenerdioden ebenfalls beliebig gewählt werden kann, und zwar abhängig von dem gewünschten Snapback-Verhalten.
5 zeigt ein weiteres Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 3. Die in 5 dargestellte Schutzschaltung unterscheidet sich von der in 4 dargestellten dadurch, dass der Schwellenwert Vth1 der Spannung V_ESD, bei der von dem ersten Auslösewert V1 auf den zweiten Auslösewert V2 umgeschaltet wird, oberhalb des Schwellenwertes Vth1 der Schaltung in 4 liegt. Dies wird bei der in 5 dargestellten Schaltung dadurch erreicht, dass das Detektorelement 32 als Spannungsteiler mit einem ersten und einem zweiten Spannungsteilerwiderstand 321, 322 und einem Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand 321, 322 ausgebildet ist. Das Ansteuersignal S2 entspricht hierbei dem Spannungsabfall V32 über dem Spannungsteiler. Der Steueranschluss des Ansteuertransistors 41 ist an den Mittenabgriff des Spannungsteilers 32 angeschlossen. Der Ansteuertransistor 41 wird bei dieser Schaltung erst dann leitend angesteuert, wenn der Spannungsabfall über dem Spannungsteiler 32, soweit angestiegen ist, dass die Spannung am Mittenabgriff des Spannungsteilers 32 der Einsatzspannung des Ansteuertransistors 41 entspricht. Ein Ansteigen der Spannung V_ESD auf diesen Schwellenwert ist, wenn der Entlade-MOSFET 2 bereits vorher leitend angesteuert wurde, dann möglich, wenn dem ersten Schaltungsknoten 11 schneller elektrische Ladung zugeführt wird als über den Entlade-MOSFET 2 zunächst abgeführt wird. Auf diese Weise kann der erste Schwellenwert Vth1, bei dem von der ersten Auslösespannung V1 auf die zweite Auslösespannung V2 umgeschaltet wird, sogar oberhalb der ersten Auslösespannung V1 liegen.
6 zeigt ein weiteres Realisierungsbeispiel für eine Schutzschaltung gemäß 3. Diese Schutzschaltung unterscheidet sich von der in 4 dargestellten dadurch, dass der Schwellenwert der Spannung V_ESD, bei dem von dem ersten Auslösewert V1 auf den zweiten Auslösewert V2 umgeschaltet wird, unterhalb des Schwellenwertes der Schaltung von 4 liegt. Dies wird bei der dargestellten Schutzschaltung dadurch erreicht, dass der Entlade-MOSFET 2 über den Spannungsteiler 32 mit dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand 321, 322 angesteuert wird. Der Ansteueranschluss 23 des Entlade-MOSFET 2 ist dabei an den Mittenabgriff des Spannungsteilers 32 angeschlossen. Der Entlade-MOSFET 2 wird hierbei erst dann leitend angesteuert, wenn die Spannung am Mittenabgriff des Spannungsteilers 32 dessen Einsatzspannung entspricht, also dann wenn für die Spannung V32 über dem Spannungsteiler 32 gilt:
R32₁ und R32₂ bezeichnen hierbei die Widerstandswerte der Spannungsteilerwiderstände 321, 322 und V_th bezeichnet die Einsatzspannung des Entlade-MOSFET 2.
Der erste Auslösewert V1 entspricht bei dieser Schutzschaltung also der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311–31n, der Flussspannung der Diode 310 und der Spannung V32_th gemäß Gleichung (1).
Bei der Schaltung gemäß 6 wird bereits auf den kleineren zweiten Auslösewert umgeschaltet, wenn die Spannung V32 über dem Spannungsteiler 32, der Einsatzspannung des Ansteuertransistors 41 der Einstellschaltung 4 entspricht, da bei dieser Schaltung der Ansteuertransistor 41 unmittelbar durch die Spannung V32 über dem Spannungsteiler 32 angesteuert ist. Der Schwellenwert Vth1 der Spannung V_ESD, bei der auf den zweiten Auslösewert V2 umgeschaltet wird, entspricht also der Summe der Durchbruchspannung der Zenerdioden 311–31n, der Flussspannung der Diode 310 und der Einsatzspannung des Ansteuertransistors 41. Der zweite Auslösewert V2 entspricht der Summe der Zenerspannungen der Zenerdioden 311, 312, der Flussspannung der Diode 310 und der Spannung V32_th gemäß Gleichung (1).
Die Spannung V32 über dem Widerstandselement 32 (vgl. 4) oder dem Spannungsteiler 32 (vgl. 5 und 6) stellt ein Auslösesignal dar, abhängig von dem der Entlade-MOSFET 2 leitend oder sperrend angesteuert wird. Bei den Schaltungen gemäß der 4 und 5 steuert das Auslösesignal den Entlade-MOSFET 2 direkt und bei der Schaltung gemäß 6 über den Mittenabgriff des Spannungsteilers 32 an.
Sind bei den Schaltungen gemäß der 4, 5 und 6 der Entlade-MOSFET 2 und der Auswahltransistor 41 so dimensioniert, dass sie gleiche Einsatzspannungen besitzen, so werden bei einer ansteigenden Spannung V_ESD bei der Schaltung gemäß 4 die beiden Transistoren 2, 41 gleichzeitig angesteuert, d. h. der erste Schwellenwert Vth1 entspricht der ersten Auslösespannung V1. Bei der Schaltung gemäß 5 wird der Entlade-MOSFET 2 vor dem Auswahltransistor 41 angesteuert, d. h. der erste Schwellenwert Vth1 liegt oberhalb der ersten Auslösespannung V1; und bei der Schaltung gemäß 6 wird der Entlade-MOSFET 2 nach dem Auswahltransistor 41 angesteuert, d. h. der erste Schwellenwert liegt unterhalb der ersten Auslösespannung V1.
Ein Einschalten der beiden Transistoren 2, 41 zu unterschiedlichen Zeitpunkten bei einer ansteigenden Spannung V_ESD kann allerdings auch bei der Schaltung gemäß 4 erreicht werden, und zwar dann, wenn die beiden Transistoren 2, 41 unterschiedliche Einsatzspannungen besitzen. Derjenige der beiden Transistoren mit der niedrigeren Einsatzspannung schaltet hierbei als Erster ein. Andererseits kann auch bei Verwendung von unterschiedlichen Einsatzspannungen für die Transistoren 2, 41 ein gleichzeitiges Einschalten erreicht werden, und zwar dann, wenn zusätzlich ein Spannungsteiler gemäß einer der 5 und 6 verwendet wird. Mit anderen Worten: Durch geeignete Wahl der Einsatzspannungen der Transistoren und/oder durch Verwendung des Spannungsteilers 32 zur Ansteuerung des Entlade-MOSFET 2 und des Auswahltransistors 41 können der erste Schwellenwert Vth1 und die erste Auslösespannung V1 beliebig aufeinander abgestimmt werden.
Die zuvor gemachten Ausführungen bezüglich der Ansteuerung des Entlade-MOSFET betreffen einen statischen Betrieb, also einen Betrieb, bei dem eine Ansteuerung des Entlade-MOSFET 2 ausschließlich abhängig von einer Amplitude der Spannung V_ESD zwischen den Schaltungsknoten erfolgt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der Entlade-MOSFET bei einer sich sehr schnell ändernden Spannung V_ESD unter Umständen bereits aufgesteuert werden kann, noch bevor der Auslöswert erreicht wird. Ursächlich hierfür ist eine in dem Entlade-MOSFET unvermeidlich vorhandene Gate-Drain-Kapazität C_GD (in den 3 bis 6 gestrichelt dargestellt), die bei einer sich schnell ändernden Spannung V_ESD über der Laststrecke des MOSFET 2 diesen aufsteuert, und der effektive Widerstand zwischen Gate und Source des Entlade-MOSFETs 2. Die Auslösewerte, abhängig von denen der Entlade-MOSFET 2 über die Auslöseschaltung 3 angesteuert wird, werden hierdurch allerdings nicht beeinflusst.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schutzschaltung gemäß 1. Bei dieser Schutzschaltung weist die Auslöseschaltung 3 eine Detektorschaltung 30 und einen Verstärker 33 auf, wobei der Verstärker 33 zwischen die Detektorschaltung 30 und den Ansteueranschluss 23 des Entladeelements 2 geschaltet ist. Das Entladeelement ist in dem dargestellten Beispiel – wie auch bei den Beispielen gemäß der 4 bis 6 – als n-MOSFET realisiert.
8 zeigt ein erstes Realisierungsbeispiel der in 7 dargestellten Schutzschaltung. Die Schutzschaltung gemäß 8 weist eine Detektorschaltung 30 mit einer Reihenschaltung einer Zenerschaltung 31 und einem Widerstandselement 32 auf. Das Widerstandselement 32 ist beispielsweise ein ohmscher Widerstand. Die Zenerschaltung 31 weist beispielsweise mehrere Zenerdioden 311–31n auf, die in Sperrrichtung zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet sind. Entsprechend der zuvor gemachten Ausführungen kann die Anzahl n der Zenerdioden der Zenerschaltung 31 beliebig gewählt werden. Die Zenerschaltung 31 weist außerdem optional eine antiseriell zu den Zenerdioden geschaltete Diode 310 auf, wobei auch eine Reihenschaltung mit solchen Dioden vorgesehen sein könnte. Eine Spannung V32 über dem Widerstandselement 32 steuert beider in 8 dargestellten Schutzschaltung den Entlade-MOSFET 2 – anders als bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen – nicht unmittelbar an. Diese Spannung V32 stellt ein Auslösesignal dar, aus dem die Verstärkerstufe 33 das Ansteuersignal S2 für den Entlade-MOSFET 2 erzeugt.
Die Verstärkerstufe 33 kann grundsätzlich beliebig realisiert sein. In dem dargestellten Beispiel weist die Verstärkerstufe 33 einen Transistor 331 auf, der durch das Auslösesignal, das heißt die Spannung über dem Widerstandselement 32, angesteuert ist. Dieser Transistor 331 ist in dem dargestellten Beispiel ein p-MOSFET, dessen Gate-Source-Strecke parallel zu dem Widerstandselement 32 liegt. Dieser Transistor 331 wird leitend angesteuert, wenn der Spannungsabfall über dem Widerstandselement 32 den Wert seiner Einsatzspannung erreicht. In Reihe zu der Laststrecke (Drain-Source-Strecke) dieses Transistors 331 ist ein Widerstandselement 332 geschaltet. Ein Spannungsabfall V332 über diesem Widerstandselement bildet das Ansteuersignal S2 des Entlade-MOSFET 2.
Anders als bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 4 bis 6 wird der Entlade-MOSFET 2 bei der in 8 dargestellten Schutzschaltung nicht unmittelbar über die Detektorschaltung 30 aufgesteuert, sondern über den Verstärker 33, wodurch der Entlade-MOSFET 2 dann, wenn die Spannung V_ESD die Auslösespannung erreicht, schneller leitend angesteuert wird. Die Beschleunigung des Ansteuervorgangs ist insbesondere dadurch begründet, dass zur leitenden Ansteuerung des Entlade-MOSFET 2 dessen Gate-Source-Kapazität (nicht dargestellt) geladen werden muss. Das Laden dieser Kapazität kann über den Verstärker 33 schneller erfolgen als bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel über die Detektorschaltung 30. Zudem ist eine höhere Gate-Source-Spannung am Entlade MOSFET 2 erreichbar.
Die Einstellung der Auslösespannung erfolgt bei der in 8 dargestellten Schutzschaltung abhängig von dem Ansteuersignal S2 grundsätzlich in gleicher Weise wie bei der Schutzschaltung gemäß 4. Bei der Schutzschaltung gemäß 8 ist das Ansteuersignal S2 allerdings nicht mehr nur von der Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 abhängig, sondern auch von dem Einschaltwiderstand des Transistors 331 des Verstärkers 33. Bei der in 8 dargestellten Schutzschaltung ändert sich die Auslösespannung von dem ersten Auslösewert auf den zweiten Auslösewert, wenn das Ansteuersignal S2 den Wert der Einsatzspannung des Auswahltransistors 41 der Einstellschaltung 4 erreicht. Bei der Schaltung gemäß 8 dient der Ansteuertransistor 41 unmittelbar zum Überbrücken einiger der Zenerdioden – nämlich der Zenerdioden 313, 31n in dem Beispiel. Die Laststrecke dieses Transistors ist hierzu parallel zu den zu überbrückenden Zenerdioden 313, 31n zwischen einen zwei Zenerdioden 312, 313 gemeinsamen Schaltungsknoten und den zweiten Schaltungsknoten 12 geschaltet. Der zweite Auslösewert entspricht der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311, 312, der Flussspannung der Diode 310 und der Einsatzspannung des Transistors 331 der Verstärkerschaltung 33. Der Schwellenwert, bei dem ein Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Auslösewert erfolgt, ist bei der Schaltung gemäß 8 im Wesentlichen von dem Ansteuersignal S2 abhängig, das wiederum von der Spannung V_ESD und der Zenerschaltung 31 abhängig ist. Das Umschalten zwischen den Auslösewerten bewirkt bei der Schaltung gemäß 8 im Wesentlichen, dass ein Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 solange erfolgt, bis die Spannung V_ESD unter den zweiten Auslösewert abgesunken ist. Außerdem wird auch der Entlade-MOSFET 2 noch niederohmiger angesteuert.
Bei der Schutzschaltung gemäß 8 erfolgt ein Umschalten zwischen den zwei Auslösewerten (von V1 auf V2) dann, wenn das Ansteuersignal S2 den Wert der Einsatzspannung des Ansteuertransistors 41 erreicht. 9 zeigt eine Schutzschaltung, die gegenüber der in 8 dargestellten dahingehend abgewandelt ist, dass ein Umschalten von dem ersten Auslösewert V1 auf den zweiten Auslösewert V2 erst dann erfolgt, wenn das Ansteuersignal S2 auf einen Wert angestiegen ist, der oberhalb der Einsatzspannung des Ansteuertransistors 41 liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Ansteuertransistor 41 der Einstellschaltung 4 durch einen Spannungsteiler 332 mit Spannungsteilerwiderständen 3321, 3322 angesteuert ist, wobei der Spannungsteiler in Reihe zu dem Transistor 331 der Verstärkerstufe 33 geschaltet ist. Der Ansteuertransistor 41 ist an den Mittenabgriff des Spannungsteilers 332 angeschlossen. Eine Umschaltung erfolgt dann, wenn das Ansteuersignal S2, das der Spannung V332 entspricht, auf einen Wert V332_th angestiegen ist, für den gilt:
Hierbei bezeichnen R332₁, R332₂ die Widerstandswerte der Spannungsteilerwiderstände 3321, 3322 und V_th die Einsatzspannung des Ansteuertransistors 41.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung gemäß 7. Diese Schutzschaltung unterscheidet sich von der in 8 dargestellten dadurch, dass der Entlade-MOSFET 2 über den Spannungsteiler mit den Spannungsteilerwiderständen 3321, 3322 angesteuert ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass ein Umschalten von dem ersten Auslösewert auf den zweiten Auslösewert bereits erfolgt, noch bevor das Ansteuersignal S2 den Wert der Einsatzspannung des Entlade-MOSFET 2 erreicht. Der Ansteueranschluss 23 des Entlade-MOSFET 2 ist an den Mittenabgriff des Spannungsteilers angeschlossen.
Anstatt einen Spannungsteiler vorzusehen, wie beispielsweise dem Spannungsteiler 32 in den 5 und 6 oder dem Spannungsteiler 332 in den 9 und 10, können der Entlade-MOSFET 2 und der Transistor 41 der Überbrückungsschaltung 4 auch so realisiert werden, dass diese unterschiedliche Einsatzspannungen besitzen, um zu erreichen, dass diese Transistoren bei unterschiedlichen Werten des Ansteuersignals S2 einschalten. Die Transistoren 2 und 41 werden in diesem Fall durch das Ansteuersignal S2 des Entlade-MOSFET 2 angesteuert, schalten jedoch bei unterschiedlichen Werten des Ansteuersignals S2 ein.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung. Diese Schutzschaltung entspricht der in 7 dargestellten Schutzschaltung mit dem Unterschied, dass keine Einstellschaltung vorgesehen ist. Die im Zusammenhang mit 7 gemachten Ausführungen bezüglich aller Komponenten der Schutzschaltung, mit Ausnahme der Einstellschaltung 4, gelten für die Schutzschaltung gemäß 11 somit entsprechend.
12 zeigt ein erstes Realisierungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß 11. Bei dieser Schutzschaltung weist die Detektorschaltung 30 eine Reihenschaltung einer Zenerschaltung 31 und eines Widerstandselements 32 auf, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet ist. Diese Detektorschaltung 30 ist entsprechend der Detektorschaltung gemäß 10 realisiert, so dass die im Zusammenhang mit 10 gemachten Ausführungen entsprechend gelten. Der Verstärker 33 der Schaltung gemäß 12 ist entsprechend des Verstärkers 33 der Schutzschaltung von 10 realisiert, so dass die im Zusammenhang mit 10 gemachten Ausführungen ebenfalls entsprechend gelten. Das Bezugszeichen 333 bezeichnet ein optionales Schutzelement, in dem dargestellten Fall eine Zenerdiode, für den Verstärkertransistor 331. Diese Zenerdiode ist derart zwischen den Gateanschluss und den Sourceanschluss des Verstärkertransistors 331 geschaltet, dass die Ansteuerspannung bzw. Gate-Source-Spannung des Transistors auf den Wert der Durchbruchspannung dieser Zenerdiode 333 begrenzt ist. Selbstverständlich kann anstelle einer einzelnen Zenerdiode auch eine Reihenschaltung mit mehreren Zenerdioden vorgesehen werden.
Bei der in 12 dargestellten Schutzschaltung wird der Entlade-MOSFET 2 über die Auslöseschaltung 3 dann leitend angesteuert, wenn die Spannung V_ESD zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 auf einen Wert ansteigt, der der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311–31n der Zenerschaltung 30 und der Einsatzspannung des Verstärkertransistors 331 entspricht. Über den Verstärker 3 wird der Entlade-MOSFET 2 rasch und sicher aufgesteuert, wodurch ein effizienter Ladungsausgleich zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 gewährleistet ist.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung gemäß 11. Die Schutzschaltung gemäß 13 unterscheidet sich von der in 12 dargestellten dadurch, dass die Detektorschaltung 30 anstelle eines Widerstandselements 32 einen als Diode verschalteten Transistor 334 als Detektorelement aufweist. Der als Diode verschaltete Transistor 334 ist in Reihe zu der Zenerschaltung 30 zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet.
Der als Diode verschaltete Transistor 334 bildet zusammen mit dem Verstärkertransistor 331 einen Stromspiegel. Steigt bei dieser Schaltung die Spannung V_ESD zwischen den beiden Schaltungsknoten 11, 12 über einen Wert an, der der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 311–31n der Zenerschaltung 31, also der Durchbruchspannung der Zenerschaltung 31, und der Einsatzspannung des als Diode verschalteten Transistors 334 entspricht, so wird der als Diode verschaltete Transistor 334 von einem Strom durchflossen. Ein den Verstärkertransistor 331 durchfließender Strom ist proportional zu dem Strom durch den als Diode verschalteten Transistor 334, wobei der Proportionalitätsfaktor durch das Flächenverhältnis zwischen dem Verstärkertransistor 331 und dem als Diode verschalteten Transistor 334 gegeben ist. Das Übertragungsverhältnis des Stromspiegels beträgt beispielsweise 1:k, wobei für k > 1 ein den Verstärkertransistor 331 durchfließender Strom größer ist als ein Strom durch den als Diode verschalteten Transistor 334. In diesem Fall kann der Entlade-MOSFET 2 bedingt durch das Vorhandensein des Verstärkers 33 schneller leitend angesteuert werden als dies nur bei Vorhandensein der Detektorschaltung 30 der Fall wäre.
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung gemäß 11. Diese Schutzschaltung unterscheidet sich von der in 12 dargestellten dadurch, dass das Widerstandselement 32 zwischen die Zenerschaltung 31 und den zweiten Schaltungsknoten 12 geschaltet ist. Der Verstärker 33 umfasst in diesem Fall zwei Verstärkertransistoren: den bereits anhand von 12 erläuterten Verstärkertransistor 331, der in Reihe zu einem Widerstandselement 332 zwischen die zwei Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet ist, und einen weiteren Verstärkertransistor 334, der den ersten Verstärkertransistor 331 ansteuert. Dieser weitere Verstärkertransistor 334 ist durch die Spannung V32 über dem Widerstandselement 32 der Detektorschaltung 30 angesteuert. Die Laststrecke dieses weiteren Verstärkertransistors 334 ist in Reihe zu einem weiteren Widerstandselement 335 zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten 11, 12 geschaltet. Eine Spannung über diesem weiteren Widerstandselement 335 steuert den ersten Verstärkertransistor 331 an.
Der Verstärker 33 gemäß 14 könnte auf einfache Weise mit der in 6 dargestellten umschaltbaren Schutzschaltung kombiniert werden, um eine Schutzschaltung – entsprechend der Schutzschaltungen der 8 bis 10 – zu erreichen, bei der sowohl eine Umschaltung zwischen zwei Auslösewerten möglich ist und bei der außerdem der Entlade-MOSFET über einen Verstärker angesteuert ist.
15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung. Diese Schutzschaltung umfasst zwei kaskadierte Schutzschaltungseinheiten, von denen eine zwischen den ersten Schaltungsknoten 11 und einen Zwischenknoten 13 und eine andere zwischen den Zwischenknoten 13 und den zweiten Schaltungsknoten 12 geschaltet ist. Jede dieser Schutzschaltungseinheiten ist in dem dargestellten Beispiel entsprechend der Schutzschaltung gemäß 12 realisiert, umfasst also ein Entladeelement 21, 22, in dem dargestellten Beispiel einen Entlade-MOSFET, eine Auslöseschaltung 31, 32 zur Ansteuerung des Entlade-MOSFET. In den 12 und 15 sind gleiche Schaltungskomponenten jeweils mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei die Komponenten der ersten Schutzeinheit durch einen tiefgestellten Index ”1” und die Komponenten der zweiten Schutzschaltungseinheit durch einen tiefgestellten Index ”2” gekennzeichnet sind. Die Realisierung der beiden Schutzschaltungseinheiten in gleicher Weise wie die Schutzschaltung gemäß 12 ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Grundsätzlich können die beiden Schutzschaltungseinheiten in entsprechender Weise wie eine beliebige der zuvor erläuterten Schutzschaltungen realisiert werden. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, die beiden Schutzschaltungseinheiten auf unterschiedliche Weise zu realisieren, das heißt die erste Schutzschaltungseinheit entsprechend einer ersten der zuvor erläuterten Schutzschaltungen, und die zweite Schutzschaltungseinheit entsprechend einer zweiten der zuvor erläuterten Schutzschaltungen. Die beiden Schutzschaltungseinheiten funktionieren entsprechend der zu ihrer Realisierung verwendeten Schutzschaltungen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass auch mehr als zwei Schutzschaltungseinheiten, die jeweils entsprechend einer der anhand von den 1 bis 14 erläuterten Schutzschaltungen realisiert sein können, kaskadiert werden.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erläutert wurde, außer dann, wenn sich eine solche Kombination ausschließt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7079369 B2 [0005, 0007]
US 5500546 [0007]
US 6958896 B2 [0007]
DE 10297094 T5 [0007]
EP 1783909 B1 [0007]
EP 1873917 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Mergens et al.: ”ESD-Protection Considerations in Advanced High-Voltage Technologies for Automotive”, Tagungsband EOS/ESD Symposium 2006, Seiten 2A.1-1 bis 2A.1-10 [0003]

Claims

Schutzschaltung, die aufweist: ein steuerbares Entladeelement (2) mit einer Laststrecke, die zwischen einen ersten und einen zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, einen Ein-Zustand oder einen Aus-Zustand anzunehmen, wobei das Entladeelement (2) im Ein-Zustand einen Entladepfad zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) bereit stellt; eine Auslöseschaltung mit ersten und zweiten Anschlüssen, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet sind, und die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zu erzeugen, das das Entladeelement in dessen Ein-Zustand überführt, wenn die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) einen Auslösewert erreicht; eine Einstellschaltung (4), die an die Auslöseschaltung (3) gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, den Auslösewert (V_TRIG) abhängig von einer Spannung (V_ESD) zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten und/oder abhängig von dem Ansteuersignal (S2) von einem ersten Auslösewert (V1) auf einen zweiten Auslösewert (V2) zu ändern wobei der zweite Auslösewert (V2) kleiner ist als der erste Auslösewert (V1).
Schutzschaltung nach Anspruch 1, bei dem die Einstellschaltung dazu ausgebildet ist, den Auslöswert von dem ersten Auslösewert (V1) auf den zweiten Auslösewert (V2) zu reduzieren, wenn die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten einen Schwellenwert (Vth1) übersteigt.
Schutzschaltung nach Anspruch 2, bei der der Schwellenwert (Vth1) dem ersten Auslösewert (V1) entspricht, höher ist als der erste Auslösewert (V1), oder geringer ist als der erste Auslösewert (V1).
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Einstellschaltung (4) dazu ausgebildet ist, den Wert der Auslösespannung abhängig von dem Ansteuersignal (S2) zu erzeugen.
Schutzschaltung nach Anspruch 4, bei der die Einstellschaltung dazu ausgebildet ist, den Auslösewert von dem ersten Auslöswert (V1) auf den zweiten Auslösewert (V2) zu reduzieren, wenn das Ansteuersignal (S2) einen Schwellenwert übersteigt.
Schutzschaltung nach Anspruch 5, bei der das Entladeelement (2) als Transistor realisiert ist und bei dem der Schwellenwert einer Einsatzspannung des Transistors entspricht, höher ist als die Einsatzspannung des Transistors, oder geringer ist als die Einsatzspannung des Transistors.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Auslöseschaltung (3) aufweist: eine Detektorschaltung (30), die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, ein Auslösesignal (V32) abhängig von einer Spannung (V_ESD) zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) zu erzeugen, wobei das Ansteuersignal (S2) abhängig von dem Auslösesignal (V32) ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 7, bei der die Detektorschaltung aufweist: eine Zenerschaltung (31), mit wenigstens einer Zenerdiode (311–31n), und ein in Reihe zu der Zenerschaltung geschaltetes Detektorelement (32, 334).
Schutzschaltung nach Anspruch 8, bei der das Detektorelement als Widerstandselement (32), als Spannungsteiler, oder als Diode (334) ausgebildet ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Auslösesignal (V32) eine Spannung über dem Detektorelement (32) ist.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Zenerschaltung mehrere Zenerdioden (311–31n) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Reihenschaltung mit den Zenerdioden zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 11, bei der die Einstellschaltung (4) eine Überbrückungsschaltung aufweist, die dazu ausgebildet ist, wenigstens eine (313, 31n) der Zenerdioden zu überbrücken, um den zweiten Auslösewert (V2) einzustellen.
Schutzschaltung nach Anspruch 10, bei der die Überbrückungsschaltung ein Schaltelement aufweist, das parallel zu der wenigstens einen zu überbrückenden Zenerdiode (313, 31n) geschaltet ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 10, bei der die Brückenschaltung dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Zenerdiode abhängig von dem Ansteuersignal (S2) zu überbrücken.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Auslöseschaltung (3) weiterhin aufweist: einen Verstärker (33), der zwischen die Detektorschaltung (30) und das Entladeelement (2) geschaltet ist, wobei dem Verstärker (33) das Auslösesignal (V32) zugeführt ist und der Verstärker (33) das Ansteuersignal abhängig von dem Auslösesignal (V32) erzeugt.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Entladeelement (2) einen Transistor umfasst.
Schutzschaltung, die aufweist: ein steuerbares Entladeelement (2) mit einer Laststrecke, die zwischen einen ersten und einen zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist und das dazu ausgebildet ist, einen Ein-Zustand oder einen Aus-Zustand anzunehmen, wobei das Entladeelement im Ein-Zustand einen Entladepfad zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) bereitstellt; eine Auslöseschaltung mit ersten und zweiten Anschlüssen, die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist, und die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal (S2) zu erzeugen, dass das Entladeelement (2) in den Ein-Zustand überführt, wenn eine Spannung (V_ESD) zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) eine Auslösespannung erreicht, wobei die Auslöseschaltung aufweist: eine Detektorschaltung (30), die zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) geschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, ein Auslösesignal (V32) abhängig von einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (11, 12) zu erzeugen, und die eine Zenerschaltung (31) mit wenigstens einer Zenerdiode (311–31n) aufweist, einen Verstärker (33), der zwischen die Detektorschaltung (30) und das Entladeelement (2) geschaltet ist, wobei dem Verstärker das Auslösesignal (V32) zugeführt ist und der Verstärker das Ansteuersignal (S2) abhängig von dem Auslösesignal (V32) erzeugt.
Schutzschaltung nach Anspruch 17, bei der die Detektorschaltung (30) weiterhin aufweist: ein Detektorelement (32, 334), das in Reihe zu der Zenerschaltung (31) geschaltet ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 18, bei der das Auslösesignal (V32) eine Spannung über dem Detektorelement ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 19, bei der der Verstärker (33) wenigstens einen Transistor (331) aufweist, der an das Detektorelement (32) angeschlossen ist.