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Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein eine Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung kann zur Strommessung verwendet werden.
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Eine Strommessung kann beispielsweise zur Ausgangsspannungsregelung oder zum Erreichen eines Überstromschutzes verwendet werden. Ein niederwertiger Messwiderstand kann in Reihe mit einem Stromweg angeordnet werden. Der Stromweg kann den Strom führen, der zu messen ist. Der durch den Messwiderstand fließende Strom kann einen kleinen Spannungsabfall erzeugen. Der Spannungsabfall kann verstärkt werden, um ein zum Strom proportionales Signal bereitzustellen. Der Spannungsabfall über den Messwiderstand kann beispielsweise in einen Strom umgewandelt werden. Der Messwiderstand kann sich infolge der Nichtverfügbarkeit integrierter Präzisionswiderstände, welche hohe Strompegel behandeln können, außerhalb einer integrierten Leistungsschaltung befinden.
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Die Strompegel können durch einen Stromspiegel verringert werden, der einen Strom bereitstellen kann, der kleiner als der zu messende Strom, jedoch proportional dazu ist. Der gespiegelte Strom trägt jedoch nicht zum durch die Last fließenden Strom bei, so dass die Gesamteffizienz der Schaltung verringert werden kann.
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Die Strompegel können auch durch Abzweigen einer kleinen Strommenge, die durch den Messwiderstand fließen soll, verringert werden. Der abgezweigte Strom kann zurückgeführt werden, so dass er durch die Last fließt, so dass durch die Messung kein Strom verloren geht. Der Spannungsabfall über den Messwiderstand kann beispielsweise in einen Strom umgewandelt werden, beispielsweise durch einen Operationstranskonduktanzverstärker (OTA). Der Widerstandswert des Messwiderstands und der Widerstandswert des Verstärkers, der für die Spannung-Strom-Wandlung verwendet wird (Transkonduktanzverstärker), können jedoch um mehrere Größenordnungen voneinander abweichen und vom Herstellungsprozess und von der Temperatur abhängen.
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Ferner kann der Durchlasswiderstand eines Schaltelements einer integrierten Leistungsschaltung stark von seiner Temperatur, seinem Herstellungsprozess und seiner Übersteuerungsspannung abhängen. Dies kann zu einer großen Spanne in dem gemessenen Strom führen. Es ist jedoch häufig erforderlich, dass die Strommessung über Variationen in der Temperatur und der Versorgungsspannung stabil und genau sein muss.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, welche einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor und einen dritten Transistor aufweist. Der erste Transistor, der zweite Transistor und der dritte Transistor können so ausgelegt sein, dass der durch den ersten Transistor fließende Strom proportional zum durch den zweiten Transistor und den dritten Transistor fließenden Strom ist. Der erste Transistor, der zweite Transistor und der dritte Transistor können dafür ausgelegt sein, in einem ohmschen Modus zu arbeiten. Der zweite Transistor und der dritte Transistor können in Reihe miteinander geschaltet sein. Der erste Transistor, der zweite Transistor und der dritte Transistor stimmen in wenigstens einem Merkmal überein. Die Schaltungsanordnung kann für die Strommessung in Wandlern, beispielsweise in einem synchronen Abwärtswandler, einem Verstärkungswandler, einem Abwärtswandler, einem Schaltnetzteil und in anderen Strommessanwendungen verwendet werden.
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In einer Ausgestaltung kann das Merkmal eines der Folgenden sein: ein Transistortyp, eine Temperatur, ein Ort und ein Herstellungsprozess.
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In noch einer Ausgestaltung können der erste Transistor, der zweite Transistor und der dritte Transistor monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein. In noch einer Ausgestaltung kann der erste Transistor ein Leistungstransistor sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung ferner aufweisen einen Verstärker, der dafür ausgelegt ist, eine Spannung an einem Eingang des Verstärkers in einen Strom an einem Ausgang des Verstärkers umzuwandeln, wobei der Eingang des Verstärkers mit dem dritten Transistor gekoppelt ist. In noch einer Ausgestaltung kann der Verstärker ein Operationstranskonduktanzverstärker sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung kann ferner aufweisen einen vierten Transistor, der zwischen einen ersten Anschluss des dritten Transistors und einen ersten Eingang des Verstärkers geschaltet ist, und einen fünften Transistor, der zwischen einen zweiten Anschluss des dritten Transistors und einen zweiten Eingang des Verstärkers geschaltet ist, wobei der vierte Transistor und der fünfte Transistor dafür ausgelegt sind, in einem ohmschen Modus zu arbeiten. In noch einer Ausgestaltung können der erste Transistor, der zweite Transistor, der dritte Transistor, der vierte Transistor und der fünfte Transistor in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen. In noch einer Ausgestaltung kann das Merkmal eines der folgenden sein: ein Transistortyp, eine Temperatur, ein Ort und ein Herstellungsprozess. In noch einer Ausgestaltung können der erste Transistor, der zweite Transistor, der dritte Transistor, der vierte Transistor und der fünfte Transistor monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung ferner aufweisen eine Rückkopplungsstruktur, die dafür ausgelegt ist, einen Ausgang des Verstärkers mit einem Eingang des Verstärkers zu koppeln. In noch einer Ausgestaltung kann die Rückkopplungsstruktur einen Transistor, der mit einem Steuereingang mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und einen gesteuerten Weg, der zwischen einen Eingang des Verstärkers und ein Referenzpotential geschaltet ist, aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung ferner aufweisen eine reproduzierende Struktur, die dafür ausgelegt ist, einen Strom durch die Rückkopplungsstruktur zu reproduzieren. In noch einer Ausgestaltung kann die reproduzierende Struktur einen ersten Zweig, einen zweiten Zweig und einen Steuereingang aufweisen, wobei der erste Zweig die Rückkopplungsstruktur aufweist, der zweite Zweig den proportionalen Strom bereitstellt und der Steuereingang mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung ferner aufweisen eine Vorspannungsschaltung, die dafür ausgelegt ist, den Verstärker vorzuspannen. In noch einer Ausgestaltung kann die Vorspannungsschaltung eine Stromquelle aufweisen, die mit einem anderen Eingang des Verstärkers gekoppelt ist. In noch einer Ausgestaltung können ein Steuereingang des dritten Transistors, ein Steuereingang des vierten Transistors und ein Steuereingang des fünften Transistors miteinander gekoppelt sind und ihnen eine gemeinsame Spannung zugeführt werden, wobei die Spannung dafür ausgelegt ist, den dritten Transistor, den vierten Transistor und den fünften Transistor in einem linearen oder ohmschen Gebiet zu betreiben. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung für eine hochseitige Strommessung oder für eine niederseitige Strommessung ausgelegt sein. In noch einer Ausgestaltung können der erste Transistor, der zweite Transistor, der dritte Transistor, der vierte Transistor und der fünfte Transistor alle PFETs oder alle NFETs sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung ferner eine Überstromdetektionsschaltung aufweisen.
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In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszahlen im Allgemeinen überall in den verschiedenen Ansichten auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, und der Nachdruck wird vielmehr im Allgemeinen auf die Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung gelegt. In den Zeichnungen kann die am weitesten links gelegene Stelle (können die am weitesten links gelegenen Stellen) einer Bezugszahl die Zeichnung identifizieren, in der die Bezugszahl zuerst auftritt. Die gleichen Zahlen können überall in den Zeichnungen verwendet werden, um auf gleiche Merkmale und Komponenten Bezug zu nehmen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
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2 eine Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
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3 eine Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
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4 Diagramme von Wellenformen einer Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
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5 eine Überstromdetektionsschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
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6 eine Überstromdetektionsschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt und
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7 eine Überstromdetektionsschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.
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Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die anliegenden Zeichnungen, worin zur Veranschaulichung spezifische Einzelheiten und Ausführungsformen dargestellt sind, in denen die Erfindung verwirklicht werden kann.
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Das Wort ”als Beispiel dienend” wird hier verwendet, um ”als ein Beispiel, ein Fall oder eine Veranschaulichung dienend” zu bedeuten. Jede Ausführungsform oder jeder Entwurf, die oder der hier als ”als Beispiel dienend” beschrieben wird, sollte nicht notwendigerweise als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Entwürfen bevorzugt oder vorteilhaft ausgelegt werden.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Schaltungsanordnung 100 kann für eine hochseitige Strommessung ausgelegt sein. Bei der hochseitigen Strommessung ist der Messwiderstand zwischen der Versorgung und der Last angeordnet. Die Schaltungsanordnung 100 kann einen ersten Transistor M1, einen zweiten Transistor M2 und einen dritten Transistor M3 aufweisen. Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können so ausgelegt sein, dass der durch den ersten Transistor M1 fließende Strom I1 proportional zum durch den zweiten Transistor M2 und den dritten Transistor M3 fließenden Strom I2 ist. Die Proportionalität zwischen dem ersten Transistor M1 und dem zweiten Transistor M2 kann durch einen Faktor N festgelegt sein. Der Faktor N kann eine ganze Zahl sein. Er kann im Bereich von 10 bis 10000 liegen. Er kann im Bereich von 100 bis 1000 liegen. Er kann in etwa 100 sein. Der Faktor N kann festgelegt werden, indem das Verhältnis W/L zwischen der Breite W und der Länge L des zweiten Transistors um einen Faktor N kleiner ausgelegt wird als das Verhältnis W/L zwischen der Breite W und der Länge L des ersten Transistors M1. Nur ein kleiner Teil des durch den Transistor M1 fließenden Stroms I1 fließt durch die Transistoren M2 und M3, und der Strom I2 trägt auch zum Laststrom ILast bei. Der erste Transistor M1 und der zweite Transistor M2 können sich an ihrem jeweiligen Steuereingang, beispielsweise an ihren jeweiligen Gates, einen gemeinsamen Eingang teilen. Ihre Steuereingänge können mit einem Signal Gate_Ansteuerung verbunden sein. Das Signal Gate_Ansteuerung kann durch eine Treiberstufe einer integrierten Leistungsschaltung bereitgestellt werden. Es kann ein Digitalsignal mit zwei Zuständen, beispielsweise einem niedrigen Logikzustand und einem hohen Logikzustand, sein. Der erste Transistor M1 und der zweite Transistor M2 können in einem Logikzustand leitend sein und im anderen Logikzustand nicht leitend sein. Der niedrige Logikzustand kann beispielsweise Gate_Ansteuerung = VEIN sein, und der hohe Logikzustand kann beispielsweise Gate_Ansteuerung = VSS_HS sein. Ein erster Anschluss des ersten Transistors M1 und ein erster Anschluss des zweiten Transistors M2 können mit dem Anschluss SWO gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des ersten Transistors M1 kann mit dem Potential VEIN gekoppelt sein.
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Der erste Transistor M1 kann ein Leistungstransistor, beispielsweise ein Leistungsfeldeffekttransistor (FET), beispielsweise ein Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein vertikal diffundierter MOSFET (VDMOS) oder ein doppelt diffundierter MOSFET (DMOS), sein. Er kann ein Schaltelement einer integrierten Leistungsschaltung sein. Er kann für das Steuern eines Flusses eines Stroms ILast durch eine Last verwendet werden. Die Last, die in 1 nicht dargestellt ist, kann mit dem Anschluss SWO gekoppelt sein.
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Der dritte Transistor M3 kann in Reihe mit dem zweiten Transistor M2 geschaltet sein. Er kann einen mit einem zweiten Anschluss des zweiten Transistors M2 gekoppelten ersten Anschluss und einen mit dem zweiten Anschluss des ersten Transistors M1 gekoppelten zweiten Anschluss aufweisen. Die Reihenanordnung des zweiten Transistors M2 und des dritten Transistors M3 kann parallel zum ersten Transistor M1 geschaltet sein.
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Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können dafür ausgelegt sein, in einem ohmschen Modus zu arbeiten, so dass die Spannung über den Transistor und der durch den Transistor fließende Strom proportional zueinander sein können. Der ohmsche Betriebsmodus kann auch als ein linearer Betriebsmodus bezeichnet werden.
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Der dritte Transistor M3 kann als ein Messwiderstand für einen durch ihn fließenden Strom I3 verwendet werden. Die Spannung Vd über den dritten Transistor M3 kann gemessen werden, und der durch den dritten Transistor M3 fließende Strom I3 kann anhand der Spannung Vd und des Widerstands Rd des dritten Transistors M3 berechnet werden, beispielsweise durch I3 = Vd/R. (1)
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Der Widerstand R kann ein Durchlasswiderstand Rein des Transistors sein. Für einen allgemeinen n-leitenden MOSFET, der im ohmschen oder linearen Gebiet arbeitet, kann er durch Rein = 1/(μn Cox(W/L)(Vgs – Vth)) (2) gegeben sein, wobei μn die Beweglichkeit der Elektronen ist, Cox die Oxidkapazität ist, W/L das Verhältnis zwischen der Breite W und der Länge L des aktiven Bereichs der Vorrichtung ist, Vgs die Gate-Source-Spannung ist und Vth die Schwellenspannung ist.
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Der Durchlasswiderstand für einen allgemeinen p-leitenden MOSFET, der im ohmschen oder linearen Gebiet arbeitet, kann durch Rein = 1/(μp Cox(W/L)(Vsg + Vth)) (3) gegeben sein, wobei μp die Beweglichkeit der Löcher ist, Cox die Oxidkapazität ist, W/L das Verhältnis zwischen der Breite W und der Länge L des aktiven Bereichs der Vorrichtung ist, Vsg die Source-Gate-Spannung ist, Vth die Schwellenspannung ist und Vth im Fall eines p-leitenden MOSFETs negativ ist.
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Der Widerstand R kann durch einen Faktor M und die an ein Steuergate 118 des dritten Transistors M3 angelegte Spannung VSS_HS festgelegt werden. Der Faktor M kann eine ganze Zahl sein. Er kann im Bereich von 10 bis 10000 liegen. Er kann im Bereich von 100 bis 1000 liegen. Er kann etwa 100 sein. Der Faktor M kann festgelegt werden, indem das Verhältnis W/L zwischen der Breite W und der Länge L des dritten Transistors M3 um einen Faktor M kleiner ausgelegt wird als das Verhältnis W/L zwischen der Breite W und der Länge L des ersten Transistors M1.
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Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen. Das Merkmal kann eines von einem Transistortyp, einer Temperatur, einem Ort und einem Herstellungsprozess sein. Beispielsweise können der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 alle p-leitende Transistoren sein, beispielsweise p-leitende Feldeffekttransistoren, beispielsweise PMOS-FETs. Sie können, beispielsweise in ein gemeinsames Substrat, monolithisch integriert sein.
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Auf diese Weise können sie sich am selben Ort befinden und während des Betriebs die gleiche Temperatur aufweisen, so dass Wirkungen infolge unterschiedlicher Temperaturempfindlichkeiten verringert werden können. Sie können mit dem gleichen Herstellungsprozess hergestellt werden, so dass sie die gleichen Herstellungsparameter teilen. Auf diese Weise kann der Einfluss von Herstellungsparametervariationen verringert werden. Weil der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen können, stimmen sie auch in wenigstens einer elektrischen Eigenschaft oder einem elektrischen Merkmal überein. Die Übereinstimmung der wenigstens einen elektrischen Eigenschaft oder des wenigstens einen elektrischen Merkmals kann verwendet werden, um die Wirkung von Variationen in der wenigstens einen elektrischen Eigenschaft oder dem wenigstens einen elektrischen Merkmal zu beseitigen, weil die Wirkung aufgehoben werden kann.
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Die Schaltungsanordnung 100 kann ferner einen Verstärker A aufweisen. Der Verstärker A kann einen Eingang oder genauer gesagt einen ersten Eingang 102 und einen zweiten Eingang 104 sowie einen Ausgang 106 aufweisen. Er kann dafür ausgelegt sein, eine Spannung, beispielsweise eine Spannung Vd an seinem Eingang 102, 104, in einen Strom an seinem Ausgang 106 umzuwandeln. Der Verstärker A kann ein Operationstranskonduktanzverstärker (OTA) sein, es können jedoch verschiedene verstärkende Strukturen verwendet werden. Der Eingang 102, 104 des Verstärkers A kann mit dem dritten Transistor M3 gekoppelt sein, und der Verstärker A kann den Spannungsabfall Vd über den dritten Transistor M3 verstärken.
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Die Schaltungsanordnung kann ferner einen vierten Transistor M4 aufweisen, der zwischen den ersten Anschluss des dritten Transistors M3 und den ersten Eingang 102 des Verstärkers A geschaltet ist. Die Schaltungsanordnung kann ferner einen fünften Transistor M5 aufweisen, der zwischen den zweiten Anschluss des dritten Transistors M3 und den zweiten Eingang 104 des Verstärkers A geschaltet ist. Ein Steuereingang 120 des vierten Transistors M4 und ein Steuereingang 122 des fünften Transistors M5 können miteinander gekoppelt sein. Ähnlich dem dritten Transistor M3 können der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 dafür ausgelegt sein, in einem ohmschen Modus zu arbeiten. Ihr Widerstand kann durch einen Faktor K und durch Anlegen einer Spannung VSS_HS an das Steuergate 120 des vierten Verstärkers M4 und an das Steuergate 122 des fünften Verstärkers M5 festgelegt werden. Der Faktor K kann eine ganze Zahl sein. Er kann im Bereich von 10 bis 10000 liegen. Er kann im Bereich von 100 bis 1000 liegen. Er kann etwa 100 sein. Der Faktor K kann viel größer als der Faktor M oder der Faktor N sein, und er kann beispielsweise 10 bis 100 Mal größer sein. Auf diese Weise kann der Messstrom Imess viel kleiner sein als der Strom I1 und der Strom I2. Ein kleinerer Strom kann leichter zu behandeln sein und den Stromverbrauch verringern. Der Faktor K kann festgelegt werden, indem das Verhältnis W/L zwischen der Breite W und der Länge L des vierten Transistors M4 und des fünften Transistors M5 um einen Faktor K kleiner ausgelegt wird als das Verhältnis W/L zwischen der Breite W und der Länge L des ersten Transistors M1. Der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können den gleichen Widerstand aufweisen.
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Ähnlich dem ersten Transistor M1, dem zweiten Transistor M2 und dem dritten Transistor M3, die in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, können auch der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, was zu den gleichen Vorteilen führt. Das Merkmal kann wiederum eines von einem Transistortyp, einer Temperatur, einem Ort und einem Herstellungsprozess sein. Ähnlich dem ersten Transistor M1, dem zweiten Transistor M2 und dem dritten Transistor M3, die monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sind, können auch der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein, was zu den gleichen Vorteilen führt.
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Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, und sie können monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt.
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Die Schaltungsanordnung 100 kann ferner eine Rückkopplungsstruktur 110 aufweisen, die dafür ausgelegt ist, den Ausgang 106 des Verstärkers A mit einem Eingang des Verstärkers A zu koppeln. Die Rückkopplungsstruktur 110 kann einen sechsten Transistor M6 aufweisen, wenngleich auch andere Rückkopplungsstrukturen möglich sind. Der sechste Transistor M6 kann ein n-leitender Transistor, beispielsweise ein n-leitender Feldeffekttransistor NFET, beispielsweise ein NMOSFET, sein. Er kann einen Steuereingang 112 aufweisen, der mit dem Ausgang 106 des Verstärkers A gekoppelt sein kann. Der sechste Transistor M6 kann einen gesteuerten Weg aufweisen. Der Strom im gesteuerten Weg kann durch ein Signal am Steuereingang 112 des sechsten Transistors M6 gesteuert werden. Der gesteuerte Weg des sechsten Transistors M6 kann zwischen einen Eingang, beispielsweise den zweiten Eingang 104, des Verstärkers A und ein Referenzpotential, beispielsweise eine Signalmasse SGND, geschaltet sein.
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Die Schaltungsanordnung 100 kann ferner eine reproduzierende Struktur 114, beispielsweise zum Kopieren oder Skalieren eines Stroms durch die Rückkopplungsstruktur 110, aufweisen. Die reproduzierende Struktur 114 kann einen ersten Zweig, einen zweiten Zweig und einen Steuereingang aufweisen. Der erste Zweig kann die Rückkopplung 110, beispielsweise den sechsten Transistor M6, aufweisen. Der zweite Zweig kann einen Strom bereitstellen, der zum Strom im ersten Zweig proportional ist, und einen siebten Transistor M7 aufweisen. Der siebte Transistor M7 kann der gleiche Transistortyp wie der sechste Transistor M6 sein. Er kann ein n-leitender Transistor, beispielsweise ein n-leitender MOSFET, sein. Der Steuereingang des sechsten Transistors M6 und der Steuereingang des siebten Transistors M7 können miteinander gekoppelt sein und den Steuereingang der reproduzierenden Struktur 114 bilden. Der Steuereingang der reproduzierenden Struktur 114 kann mit dem Ausgang 106 des Verstärkers A gekoppelt sein. Der gleiche Strom kann im ersten Zweig und im zweiten Zweig fließen. Beispielsweise kann ein Strom Imess durch den ersten Zweig fließen und kann ein Strom Imess durch den zweiten Zweig fließen. Der Strom im ersten Zweig und der Strom im zweiten Zweig brauchen jedoch nicht gleich zu sein, und sie können beispielsweise zueinander proportional sein.
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Die Schaltungsanordnung 100 kann ferner eine Vorspannungsstruktur 108 aufweisen, die dafür ausgelegt ist, den Verstärker A vorzuspannen. Die Vorspannungsstruktur kann eine Stromquelle 108 aufweisen. Die Stromquelle 108 kann zwischen ein Referenzpotential und einen Eingang des Verstärkers A geschaltet sein, mit dem die Rückkopplungsstruktur 110 nicht gekoppelt ist. Die Stromquelle 108 kann einen Strom Iped bereitstellen. Das Referenzpotential kann das Potential der Signalmasse, beispielsweise SGND, sein. Der Eingang des Verstärkers A, mit dem die Stromquelle 108 gekoppelt ist, kann der erste Eingang 102 des Verstärkers A sein. Die Vorspannungsstruktur kann verwendet werden, um einen Schwellenwert, eine Abschneidegrenze, eine Vorspannung, einen Sockel- oder einen Referenzwert bereitzustellen, der bei der Strommessung verwendet werden kann und in weiteren Einzelheiten in Zusammenhang mit den 4 bis 7 beschrieben wird.
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Ein Steuereingang 118 des dritten Transistors M3, ein Steuereingang 120 des vierten Transistors M4 und ein Steuereingang 112 des fünften Transistors M5 können miteinander gekoppelt sein, und ihnen kann eine gemeinsame Spannung zugeführt werden. Der Steuereingang kann das Gate des jeweiligen Transistors sein. Die Spannung kann VSS_HS sein und gewählt sein, um den dritten Transistor M3, den vierten Transistor M4 und den fünfen Transistor M5 in einem linearen oder ohmschen Gebiet zu betreiben. Wenn die Spannung VSS_HS als das Signal Gate_Ansteuerung an die Eingänge des ersten Transistors M1 und des zweiten Transistors M2 angelegt wird, können diese Transistoren auch in einem linearen Gebiet arbeiten. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Leistung eingeschaltet wird.
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Das Anwenden des Kirchhoffschen Stromgesetzes auf den Knoten 3 der Schaltungsanordnung 100 ergibt: ILast = I1 + I2, (4) wobei ILast der Strom ist, der durch eine mit einem Anschluss SWO verbundene Last fließt, I1 der Strom ist, der durch den ersten Transistor M1 fließt, und I2 der Strom ist, der durch den zweiten Transistor M2 fließt.
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Weil der Strom Iped gewöhnlich verglichen mit dem Strom I2 vernachlässigbar ist und kein Strom oder nur ein kleiner Strom in den Verstärker A fließt, kann angenommen werden, dass I2 = I3 (5) ist, wobei I3 der im dritten Transistor M3 fließende Strom ist.
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Unter der Annahme, dass der erste Transistor M1 einen Widerstand R aufweist, der beispielsweise sein Durchlasswiderstand Ron sein kann, d. h. ein Widerstand, den der erste Transistor M1 hat, wenn er leitend ist, kann der zweite Transistor M2 einen Widerstand N·R aufweisen und kann der dritte Transistor M3 einen Widerstand M·R aufweisen. Das Anwenden des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes auf Schleife 1 ergibt: R·I1 = N·R·I2 + M·R·I3, (6) was vereinfacht wird zu I1 = N·I2 + M·I3 (7)
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Einsetzen von Gleichung (7) in Gleichung (4) und Verwenden von Gleichung (5) ergibt: I2 = I3 = ILast/(1 + N + M) (8) und Vd = M·R·I3 = ILast·M·R/(1 + N + M) (9)
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Der Transkonduktanzverstärker A erzwingt Imess = Vd/(K·R) + Iped =
ILast·M/(K·(1 + M + N)) + Iped (10)
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Der Strom ILast kann anhand einer Messung des Stroms Imess und des Stroms Iped bestimmt werden. Die Beziehung zwischen dem Strom ILast und dem Strom Imess kann linear sein. Falls Iped = 0 ist, kann die Beziehung zwischen dem Strom ILast und dem Strom Imess proportional sein. Durch Anpassen des ersten Transistors M1, des zweiten Transistors M2, des dritten Transistors M3, des vierten Transistors M4 und des fünften Transistors M5 aneinander in wenigstens einem Merkmal, was beispielsweise der gleiche Transistortyp und ein gleicher Herstellungsprozess sein kann, ist jede Änderung im Widerstand R des ersten Transistors M1 auch im Widerstand N·R des zweiten Transistors M2, im Widerstand MR des dritten Transistors M3 und in den Widerständen K·R des vierten Transistors M4 und des fünften Transistors M5 vorhanden. Folglich heben die entsprechenden Variationen im Widerstand einander auf. Weil sich der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 die gleiche Gatespannung teilen, können auch die Wirkungen der Variationen in der Spannung VSS_HS verringert werden. Demgemäß kann die Abhängigkeit des Widerstands R von der Temperatur, vom für die Herstellung verwendeten Prozess und von der Übersteuerungsspannung verringert werden. Der Strom ILast kann daher über Variationen in der Temperatur und in der Versorgungsspannung stabil und genau gemessen werden.
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Die einzigen Parameter, die in Gleichung 8 vorhanden sind, sind die Faktoren N, M und K. Die Faktoren N, M und K können jedoch mit hoher Genauigkeit implementiert werden, beispielsweise wenn die ersten Transistoren M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 unter Verwendung des gleichen Herstellungsprozesses hergestellt werden.
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Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 100 verwendet eine hochseitige Strommessung. Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können PFETs, d. h. p-leitende Kanalfeldeffekttransistoren, beispielsweise p-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (PMOSFETs) oder p-Kanal-Sperrschicht-Gate-Transistoren (PJFETs) sein. Der sechste Transistor MG und der siebte Transistor M7 können NFETs, d. h. n-leitende Kanalfeldeffekttransistoren, beispielsweise n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (NMOSFETs) oder n-Kanal-Sperrschicht-Gate-Transistoren (NJFETs) sein. Die 2 und 3 zeigen alternative Ausführungsformen der Schaltungsanordnung.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Beschreibung und das Operationsprinzip können jenen der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung 100 gleichen. Ebenso wie die Schaltungsanordnung 100 kann die Schaltungsanordnung 200 für eine hochseitige Strommessung ausgelegt sein. Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung 100 sind der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 keine p-leitenden Transistoren mehr, sondern können n-leitende Transistoren sein. Der sechste Transistor MG und der siebte Transistor M7 können n-leitende Transistoren sein.
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Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen. Der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können auch in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt. Das Merkmal kann wiederum eines von einem Transistortyp, einer Temperatur, einem Ort und einem Herstellungsprozess sein. Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein. Der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können auch monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt. Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, und sie können monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt.
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Die Steuereingänge des dritten Transistors M3, des vierten Transistors M4 und des fünften Transistors M5 können mit einer Spannung V_BTS versorgt werden. Im Gleichgewichtszustand kann V_BTS durch V_BTS = V_SWO + VAnsteuerung gegeben sein, wobei V_SWO das Potential des Anschlusses SWO ist und VAnsteuerung beispielsweise 5,0 V sein kann. Wiederum teilen sich der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 ein gemeinsames Potential an ihren Gates, so dass Variationen in Übersteuerungsspannungen verringert werden können.
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3 zeigt eine Schaltungsanordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Beschreibung und der Betrieb können die gleichen sein wie für die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 100. Die Schaltungsanordnung 300 kann für eine niederseitige Strommessung ausgelegt sein. Bei der niederseitigen Strommessung ist der Messwiderstand zwischen der Last und der Schaltungsmasse angeordnet.
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Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung 100 sind der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 keine p-leitenden Transistoren mehr, sondern n-leitende Transistoren. Der sechste Transistor M6 und der siebte Transistor M7 sind keine n-leitenden Transistoren mehr, sondern sie können p-leitende Transistoren sein.
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Die Steuereingänge des dritten Transistors M3, des vierten Transistors M4 und des fünften Transistors M5 können mit einer Spannung VDD_LS versorgt werden. Wiederum teilen sich der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 an ihren Gates ein gemeinsames Potential, so dass Variationen in Übersteuerungsspannungen verringert werden können. Das Signal Gate_Ansteuerung kann gleich V_PGND sein, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, und es kann gleich VDD_LS sein, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist.
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Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen. Der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können auch in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt. Das Merkmal kann wiederum eines von einem Transistortyp, einer Temperatur, einem Ort und einem Herstellungsprozess sein. Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2 und der dritte Transistor M3 können monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein. Der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können auch in ein gemeinsames Substrat monolithisch integriert sein, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt. Der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3, der vierte Transistor M4 und der fünfte Transistor M5 können in wenigstens einem Merkmal übereinstimmen, und sie können monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein, was zu den vorstehend erwähnten Vorteilen führt.
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4 zeigt Diagramme 402, 404 und 406 von Signalwellenformen einer Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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Das Diagramm 402 zeigt die Spannung Vd über den Messwiderstand und den durch eine Last fließenden Strom ILast über die Zeit t. Der dritte Transistor M3 kann in einem ohmschen Modus betrieben werden und als ein Messwiderstand verwendet werden. Die Spannung Vd kann gemessen werden, und der Strom ILast kann daraus bestimmt werden, weil sie zueinander proportional sein können. Die Diagramme 402 zeigen drei Pulse eines Stroms ILast. Die ersten beiden Pulse liegen unterhalb einer Überstromschwelle, und der dritte Puls überschreitet die Überstromschwelle.
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Das Diagramm 404 zeigt den Strom Imess über die Zeit t. Wie vorstehend gezeigt wurde, kann der Strom Imess eine lineare Abhängigkeit vom Strom ILast haben. Er kann einen Versatz, einen Sockel oder eine Vorspannung eines Stroms Iped aufweisen, der durch die Vorspannungsstruktur, beispielsweise die Stromquelle 108, festgelegt sein kann. Der Strom Imess kann durch die Spannung Vd gemessen werden und zum Bestimmen des Stroms ILast verwendet werden. Die Diagramme 404 zeigen drei Pulse des Stroms Imess, die den drei im Diagramm 402 dargestellten Pulsen des Stroms ILast entsprechen. Die ersten beiden Pulse liegen unterhalb einer Messschwelle Iovc, und der dritte Puls überschreitet die Messschwelle.
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Das Diagramm 406 zeigt ein Überstromsignal über die Zeit. Das Überstromsignal kann immer dann ausgegeben werden, wenn der Strom Imess die Messschwelle Iovc überschreitet. Der Strom Imess überschreitet die Messschwelle Iovc in den ersten beiden im Diagramm 404 dargestellten Pulsen nicht. Der dritte Puls überschreitet jedoch die Messschwelle Iovc, und ein Überstromsignal wird ausgegeben. Wenngleich das Überstromsignal als ein Puls dargestellt ist, kann es auch bei einem hohen Pegel bleiben. Weil ILast eine lineare Beziehung mit Imess hat, kann das Überstromsignal verwendet werden, um anzugeben, dass ILast eine Überstromschwelle überschritten hat.
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5 zeigt eine Ausführungsform einer Überstromdetektionsschaltung 500. Die Überstromdetektionsschaltung 500 kann Teil der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen sein. Sie kann einen Stromspiegel 502, eine Stromquelle 504 und einen Stromvergleicher 506 aufweisen. Der Strom Imess und der Transistor M7 können dem Strom Imess und dem siebten Transistor M7 in der in 1, 2 bzw. 3 dargestellten Schaltungsanordnung 100, 200 und 300 entsprechen. Der Strom Imess kann durch den Stromspiegel 502 gespiegelt werden, der einen Strom Icm bereitstellen kann. Der Strom Icm kann proportional zum Strom Imess sein oder diesem gleichen, beispielsweise Icm = Imess. Durch Anwenden des Kirchhoffschen Stromgesetzes auf den Knoten 4 kann sich ergeben, dass der in den Stromvergleicher 506 fließende Strom Icc Icc Icm – Iovc sein kann. Der Strom Icc kann negativ sein, falls der Strom Icm kleiner als der durch die Stromquelle 504 bereitgestellte Strom Iovc ist. In diesem Fall braucht durch den Stromvergleicher 506 kein Überstromsignal ausgegeben zu werden. Der Strom Icc ist positiv, falls der Strom Icm größer als der Strom Iovc ist. In diesem Fall kann ein Überstromsignal durch den Stromvergleicher 506 ausgegeben werden, wodurch angegeben wird, dass Imess und ILast, die proportional zu Icm sein können, einen Schwellenstrom überschritten haben. Eine mögliche Wellenform des Überstromsignals ist im Diagramm 406 aus 4 dargestellt.
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6 zeigt eine andere Ausführungsform einer Überstromdetektionsschaltung 600. Die Überstromdetektionsschaltung 600 kann Teil der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen sein. Die Überstromdetektionsschaltung 600 kann Einzelheiten des in 5 dargestellten Stromvergleichers 506 zeigen. Der Stromspiegel 502 kann eine Kopie des Stroms Imess bereitstellen, beispielsweise Icm = Imess. Der Stromvergleicher 506 kann einen Verstärker 602 und einen Widerstand 604 aufweisen. Der Widerstand 604 ist über die Stromquelle 504 geschaltet. Er kann mit zumindest einigen anderen Teilen der Schaltungsanordnung monolithisch integriert sein und einen Widerstand R aufweisen. Die Stromquelle 504 kann einen Strom Iped bereitstellen. Der Strom Iped kann den gleichen Wert haben wie der von der in 1, 2 und 3 dargestellten Stromquelle 108 bereitgestellte Strom Iped. Der Verstärker 602 kann ein Operationsverstärker sein. Unter der Annahme, dass kein Strom in den Verstärker 602 fließt, fließt ein Strom Imess – Iped durch den Widerstand 604 und stellt eine Spannung Vs = R·(Imess Iped) dem Verstärker 602 bereit. Ein Eingang 608 des Verstärkers 602 kann mit einem Referenzpotential Vref verbunden werden. Der andere Eingang 606 des Verstärkers 602 kann mit einem Ende des Widerstands 604 verbunden werden. Falls die Spannung Vs kleiner als die Referenzspannung Vref ist, braucht der Verstärker 602 kein Überstromsignal auszugeben. Falls die Spannung Vs großer als die Referenzspannung Vref ist, kann der Verstärker 602 ein Überstromsignal ausgeben. Weil die Spannung Vs eine lineare Beziehung mit Imess haben kann und weil Imess eine lineare Beziehung mit ILast haben kann, kann das Überstromsignal angeben, dass ILast einen Schwellenstrom überschritten hat.
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7 zeigt eine andere Ausführungsform einer Überstromdetektionsschaltung 700. Die Überstromdetektionsschaltung 700 kann Teil der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen sein. Die Überstromdetektionsschaltung 700 kann eine Variation der in 6 dargestellten Überstromdetektionsschaltung 600 darstellen. Der Widerstand 604 kann auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) angeordnet sein. Er kann als eine diskrete Komponente implementiert sein. Er kann außerhalb der Schaltungsanordnung oder extern von dieser angeordnet sein. Mit anderen Worten braucht er nicht mit anderen Komponenten der Schaltungsanordnung monolithisch in ein gemeinsames Substrat integriert sein. Er kann ein Präzisionsmesswiderstand sein.
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Wenngleich sich die 5 bis 7 auf das Bereitstellen eines Überstromsignals konzentrieren, kann die Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen auch für die Messung eines Stroms, d. h. für das Bereitstellen eines Stromwerts, verwendet werden.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, der Schaltungsanordnung können in eine integrierte Leistungsschaltung integriert werden. Eine integrierte Leistungsschaltung kann eine Steuereinrichtung, eine Treiberstufe und ein Schaltelement aufweisen, die in einen Einzelchip integriert sein können.
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Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen eingehend dargestellt und beschrieben wurde, sollten Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen an der Form und den Einzelheiten darin vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzumfang der durch die anliegenden Ansprüche definierten Erfindung abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung wird demgemäß durch die anliegenden Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, sollen daher darin eingeschlossen sein.
