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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltereinrichtungen und entsprechende Verfahren zum Betreiben von Schaltereinrichtungen.
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Hintergrund
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Zum Schalten von Hochlastströmen werden Schaltereinrichtungen, beispielsweise auf der Basis von Metalloxidhalbleiter-Transistoren (MOS-Transistoren) in einigen Anwendungen verwendet. Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, dass ein Widerstand der Schaltereinrichtung in einem eingeschalteten Zustand (d.h. einem Zustand, wenn die Schaltereinrichtung leitet) so niedrig wie möglich ist, um die Verlustleistung in der Schaltereinrichtung zu reduzieren.
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Bei einigen Anwendungen muss es möglich sein, den über die Schaltereinrichtung fließenden Laststrom zu messen. Bei einigen Anwendungen kann ein hoher Dynamikbereich von niedrigen Lastströmen zu hohen Lastströmen erforderlich sein. Um den Laststrom zu bestimmen, wird bei einigen Anwendungen ein Spannungsabfall an der Schaltereinrichtung gemessen. Beispielsweise kann in einem Fall, dass ein MOS-Transistor als eine Schaltereinrichtung verwendet wird, eine Drain-Source-Spannung direkt oder indirekt gemessen werden, um ein Maß für den Laststrom zu erhalten. Im Fall einer niederohmigen Schaltereinrichtung jedoch, d.h. einer Schaltereinrichtung mit einem niedrigen Widerstandswert, wenn sie eingeschaltet ist, wird für niedrige Lastströme der Spannungsabfall an der Schaltereinrichtung sehr klein, was zu Ungenauigkeiten bei der Messung führen kann.
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Bei einigen herkömmlichen Ansätzen unter Verwendung eines Schalttransistors wie etwa eines MOS-Transistors oder einer Schaltereinrichtung zum Messen eines Laststroms über den Schalttransistor kann ein Messtransistor verwendet werden, der bezüglich des Schalttransistors skaliert ist. Bei einigen Ansätzen wird eine Drain-Source-Spannung dieses weiteren Transistors so geregelt, dass sie der Drain-Source-Spannung des Schalttransistors entspricht. In einem derartigen Fall wird ein Strom durch den Messtransistor bezüglich des Laststroms entsprechend dem Skalierfaktor zwischen den Transistoren skaliert. Sogar bei einer derartigen Schaltung weist jedoch das Regeln der Drain-Source-Spannung des Messtransistors auf die Drain-Source-Spannung des Schalttransistors Ungenauigkeiten auf, die für kleine Lastströme in dem Fall ausgeprägter werden können, dass der Schalttransistor einen niedrigen Widerstand besitzt. Andererseits sind Schaltereinrichtungen mit einem niedrigen Widerstand allgemein wünschenswert, um die Verlustleistung zu reduzieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Möglichkeiten bereitzustellen, eine Verlustleistung gering zu halten und trotzdem eine möglichst genaue Messung zu ermöglichen.
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Kurzzusammenfassung
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Es werden Schaltereinrichtungen nach Anspruch 1 oder 15 sowie ein Verfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltereinrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
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2 ist ein schematischer Schaltplan, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt.
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4 ist ein Schaltplan, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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5 ist ein Schaltplan, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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6 ist ein Schaltplan, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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7 ist ein Schaltplan, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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8 ist ein Schaltplan, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erörtert. Diese Ausführungsformen sind nicht als den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung beschränkend auszulegen, sondern sind lediglich als veranschaulichende Beispiele anzusehen. Beispielsweise kann zwar eine Ausführungsform so beschrieben sein, dass sie mehrere Merkmale oder Elemente umfasst, bei anderen Ausführungsformen können jedoch einige dieser Merkmale oder Elemente entfallen und/oder durch alternative Merkmale ersetzt werden. Bei noch weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale oder Elemente vorliegen.
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Zudem können Merkmale oder Elemente von verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen auszubilden, sofern nicht spezifisch das Gegenteil angegeben ist.
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Eine beliebige Verbindung oder Kopplung die hierin beschrieben ist, kann direkt sein, d.h. ohne zwischengeschaltete Elemente, oder indirekt, d.h. mit einem oder mehreren zwischengeschalteten Elementen, solange die allgemeine Funktion der Verbindung oder Kopplung, z.B. zum Übertragen einer bestimmten Art von Informationen, nicht signifikant abgeändert ist.
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In Ausführungsformen werden schaltende Einrichtungen erörtert. Eine Schaltereinrichtung ist allgemein eine Entität, die eine elektrische Verbindung schließen kann, so dass ein Strom fließen kann, oder eine elektrische Verbindung öffnen kann, so dass im Wesentlichen kein Strom fließt. Mit anderen Worten kann die Schaltereinrichtung zwischen einem niederohmigen Zustand, damit ein Strom fließen kann, und einem hochohmigen Zustand, wo im Wesentlichen kein Strom fließt, wechseln. Je nach der Implementierung der Schaltereinrichtung kann ein gewisser Strom aufgrund unerwünschter Effekte wie etwa Lecks usw. immer noch im hochohmigen Zustand fließen.
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Allgemein ist in der hierin verwendeten Terminologie ein Schalter (oder eine Schaltereinrichtung) „geschlossen“ oder „ein“, wenn ein Strom über den Schalter fließen kann, während er als „offen“ oder „aus“ beschrieben wird, wenn im Wesentlichen kein Strom fließen kann. Schalter können beispielsweise unter Verwendung von Transistoren wie MOS-Transistoren implementiert werden. Wenn im Fall eines MOS-Transistors der Schalter geschlossen ist, kann ein Strom mit einem vergleichsweise niedrigen Widerstand zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode fließen, wohingegen in dem offenen oder Aus-Zustand abgesehen von Leckströmen und ähnlichen Effekten im Wesentlichen kein Strom zwischen Sourceelektrode und Drainelektrode fließen kann.
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Bei einigen Ausführungsformen kann eine Schaltereinrichtung einen ersten Schaltpfad und einen zweiten Schaltpfad umfassen. Ein Widerstand des ersten Schaltpfads in einem geschlossenen Zustand kann höher sein als ein Widerstand des zweiten Schaltpfads in einem geschlossenen Zustand. Zum Erfassen von niedrigen Lastströmen wird bei einigen Ausführungsformen möglicherweise nur der erste Schaltpfad aktiviert, während bei einigen Ausführungsformen durch die Vorkehrung eines höheren Widerstands die Messung von niedrigen Strömen erleichtert wird. Im Fall von höheren Strömen kann der zweite Schaltpfad aktiviert werden, um einen kleineren Widerstand bereitzustellen und deshalb die Verlustleistung in einigen Ausführungsformen zu reduzieren. Außerdem kann auch der zweite Schaltpfad aktiviert werden, um eine Überlast auf dem ersten Schaltpfad zu verhindern.
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Ein Aktivierungsmechanismus für einen derartigen Überlastschutz des ersten Schaltpfads kann von einem regelmäßigen Aktivierungsmechanismus für den zweiten Schaltpfad verschieden sein.
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Wenn der zweite Schaltpfad geschlossen wird, kann der erste Schaltpfad geschlossen bleiben, um beispielsweise zwei parallele geschlossene Schaltpfade bereitzustellen. Bei anderen Ausführungsformen kann der erste Schaltpfad geöffnet werden, wenn der zweite Schaltpfad geschlossen wird.
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In 1 ist eine Schaltereinrichtung gemäß einer Ausführungsform schematisch dargestellt. Bei der Ausführungsform von 1 umfasst die Schaltereinrichtung einen ersten Schaltpfad 11 und einen zweiten Schaltpfad 12, parallel zueinander zwischen eine Versorgungsspannung 10 und eine Last 16 gekoppelt. Deshalb kann die Schaltereinrichtung von 1 verwendet werden, um die Last 16 selektiv an die Versorgungsspannung 10 anzuschließen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Versorgungsspannung 10 eine positive Versorgungsspannung sein. In diesem Fall kann die Schaltereinrichtung von 1 auch als ein High-Side-Schalter bezeichnet werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Versorgungsspannung 10 eine negative Versorgungsspannung sein. In diesem Fall kann die Schaltereinrichtung von 1 auch als ein Low-Side-Schalter bezeichnet werden.
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Die Last 16 kann eine beliebige Art von Einrichtung oder Schaltungsanordnung darstellen, die selektiv über den ersten und zweiten Schaltpfad 11, 12 durch die Versorgungsspannung 10 versorgt werden soll.
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Bei Ausführungsformen besitzt der erste Schaltpfad 11 in einem geschlossenen Zustand einen höheren Widerstand als der zweite Schaltpfad 12. Mit anderen Worten kann der erste Schaltpfad 11 ein relativ höherohmiger Schaltpfad sein, und der zweite Schaltpfad 12 kann ein relativ niedrigerohmiger Schaltpfad sein. Beispielsweise kann bei Ausführungsformen ein Widerstand des ersten Schaltpfads 11 in einem geschlossenen Zustand zwischen 10 Ω und 100 Ω liegen, beispielsweise etwa 50 Ω betragen, und ein Widerstand des zweiten Schaltpfads 12 kann, wenn er geschlossen ist, zwischen etwa 0,1 mΩ und 100 mΩ liegen, beispielsweise etwa 1 mΩ betragen. Beispielsweise kann ein Widerstand des ersten Schaltpfads in einem geschlossenen Zustand das 100- bis 10.000-Fache des Widerstands des zweiten Schaltpfads in einem geschlossenen Zustand betragen, z.B. das 5000-Fache. Diese Zahlenwerte werden jedoch lediglich zu Veranschaulichungszwecken angegeben und sind nicht als beschränkend auszulegen.
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Bei einer Ausführungsform kann eine Laststromerfassungsschaltung 17 an den ersten Schaltpfad gekoppelt sein. Da der erste Schaltpfad 11 einen vergleichsweise hohen Widerstand besitzt, kann sogar bei niedrigen Lastströmen ein Spannungsabfall am ersten Schaltpfad 11 aufgrund des vergleichsweise hohen Widerstands relativ hoch sein. Ein derartiger vergleichsweise hoher Spannungsabfall kann möglicherweise mit einer erforderlichen Genauigkeit leichter gemessen werden als ein kleinerer Spannungsabfall.
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Wenn bei Ausführungsformen niedrige Lastströme gemessen werden sollen, wird nur der erste Schaltpfad 11 aktiviert, d.h. geschlossen. Der zweite Schaltpfad 12 kann in verschiedenen Ausführungsformen unter verschiedenen Umständen aktiviert werden, wie durch die Kästen 13–15 angezeigt. Wenn beispielsweise der Laststrom steigt (was auf einen niedrigeren Lastwiderstand, Kurzschlüsse oder andere Ereignisse zurückzuführen sein kann), wird der zweite Schaltpfad 12 aktiviert. In diesem Fall kann die Verlustleistung insbesondere bei höheren Strömen reduziert werden, da der Widerstand des zweiten Schaltpfads 12 kleiner ist.
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Bei einigen Ausführungsformen kann, wie durch eine gestrichelte Linie angezeigt, eine Laststromerfassungsschaltung 17 auch an den zweiten Schaltpfad 12 gekoppelt werden, so dass beispielsweise höhere Lastströme gemessen werden können, indem ein Spannungsabfall am zweiten Schaltpfad 12 gemessen wird. Selbst falls der Widerstand des zweiten Schaltpfads niedriger ist, kann der Spannungsabfall, wenn der Laststrom hoch ist, ausreichend hoch sein, um eine Messung mit einer gewünschten Genauigkeit durchzuführen.
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Weiterhin ist es bei einigen Ausführungsformen möglicherweise notwendig, den Laststrom nur manchmal zu messen, beispielsweise in bestimmten Intervallen. Wie bei einem Kasten 15 angezeigt, kann außerhalb der Zeiten, wenn der Laststrom gemessen werden soll, der zweite Schaltpfad 12 geschlossen werden, um die Verlustleistung zu reduzieren. Mit anderen Worten wird bei einigen Ausführungsformen der erste Schaltpfad 11 möglicherweise nur alleine aktiviert, falls ein Laststrom gemessen werden soll, oder in einem Fall, wenn die Laststromerfassungsschaltung 17 ebenfalls an den zweiten Schaltpfad 12 gekoppelt ist, wenn nur ein niedriger Laststrom gemessen werden soll.
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Weiterhin kann in der Ausführungsform von 1 eine Überlastaktivierung 13 bereitgestellt werden, die den zweiten Schaltpfad 12 schließt, um ein Überlasten des ersten Schaltpfads 11 z.B. im Fall von hohen Lastströmen bereitzustellen. Solche hohen Lastströme aufgrund des vergleichsweise hohen Widerstands des ersten Schaltpfads 11 könnten unter einigen Umständen zu einer hohen Verlustleistung, dem Aufheizen von Elementen des ersten Schaltpfads 11 und möglicherweise der Beschädigung dieser Elemente führen. Beispielsweise kann eine Überlastaktivierung 13 ausgelöst werden, wenn ein Spannungsabfall am ersten Schaltpfad 11 einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Die Überlastaktivierung 13 kann einen Mechanismus verwenden, der von einem Aktivierungsmechanismus verschieden ist, der für die Hochstromaktivierung des Kastens 14 und die Aktivierung des Kastens 15 verwendet wird, für den Fall, dass keine Stromerfassung durchgeführt werden soll. Beispielsweise kann die Überlastaktivierung 13 eine schnellere Aktivierung des zweiten Schaltpfads im Fall einer Überlast bereitstellen. Es sei auch angemerkt, dass die Kästen 13–15 getrennt vom zweiten Schaltpfad 12 dargestellt sind, aber eine oder mehrere der durch die Kästen 13–15 dargestellten Funktionen können auch ganz oder teilweise in den zweiten Schaltpfad 12 eingebaut sein. Beispielsweise kann eine Überlastaktivierung implementiert werden, durch Konfigurieren und Koppeln eines als ein Schalter im zweiten Schaltpfad 12 verwendeten Transistors auf entsprechende Weise, wie unten ausführlicher erläutert wird.
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In 2 wird eine weitere Ausführungsform einer Schaltereinrichtung 22 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Schaltereinrichtung 22, wie veranschaulichend durch einen Schalter 24 dargestellt, kann verwendet werden, um selektiv eine Batterie 20 an eine Last 23 anzuschließen, die durch einen Widerstand mit einem Widerstandswert R_Load dargestellt ist. Die schaltende Einrichtung 22 kann eine erste Betriebsart besitzen, wobei ein Widerstandswert in einem geschlossenen Zustand, auch als Ron bezeichnet, niedrig ist, und eine zweite Betriebsart, wo Ron hoch ist.
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Um dies zu erzielen, können beispielsweise ein erster Schaltpfad und ein zweiter Schaltpfad bereitgestellt werden, wie bezüglich 1 dargestellt. Wie in 2 durch einen Pfeil dargestellt, kann die Schaltereinrichtung 22 ein- und ausgeschaltet werden, indem der Schalter 24 geschlossen oder der Schalter 24 geöffnet wird, um die Batterie 20 selektiv an die Last 23 anzuschließen.
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Zudem kann, wie durch einen weiteren Pfeil angegeben, der Widerstandswert Ron so gewählt werden, dass er niedrig oder hoch ist. Beispielsweise kann ein niedriger Ron-Wert in einem Fall gewählt werden, dass ein hoher Laststrom fließt oder keine Messung des Laststroms durchgeführt werden muss, um die Verlustleistung zu begrenzen. Zudem kann, wie durch einen weiteren Pfeil angezeigt, die Schaltereinrichtung 22 in die Betriebsart mit einem niedrigen Ron-Wert im Fall einer hohen Verlustleistung in dem Modus geschaltet werden, dass der hohe Ron-Wert kritisch zu werden droht, beispielsweise eine übermäßige Erhitzung bewirkt, oder die Schaltereinrichtung 22 oder einen Teil davon zu beschädigen oder zu zerstören droht.
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Dies kann einen Überlastschutzmechanismus bilden, der von dem Wechsel zwischen einem niedrigen und einem hohen Ron-Wert unter anderen Umständen unabhängig sein kann, beispielsweise dem oben erwähnten Wechsel zwischen einem niedrigen und hohen Ron-Wert zum Messen von niedrigen Lastströmen oder zum Erhalten einer niedrigen Verlustleistung.
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Weiterhin kann die Ausführungsform von 2 optional eine Auswertungs-/Diagnoseschaltung 21 umfassen. Die Auswertungs-/Diagnoseschaltung 21 kann beispielsweise einen Laststrom messen durch Messen eines Spannungsabfalls an der Schaltereinrichtung 22 und/oder kann das Schalten zwischen den Arbeitsmodi mit einem niedrigen Ron-Wert und der Betriebsart mit einem hohen Ron-Wert steuern. Beispielsweise kann die Auswertungs-/Diagnoseschaltung 21 die Schaltereinrichtung in die Betriebsart mit einem hohen Ron-Wert in einem Fall, dass ein niedriger Laststrom gemessen werden soll, umschalten oder allgemein in einem Fall niedriger Lastströme oder allgemein zum Messen von Lastströmen und kann den Schalter 22 in die Betriebsart mit einem niedrigen Ron-Wert im Fall höherer Lastströme und/oder wenn keine Lastströme gemessen werden sollen, umschalten.
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In 3 wird ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt. Das Verfahren von 3 kann beispielsweise unter Verwendung der Schaltereinrichtung der Ausführungsform von 1 oder 2 oder einer beliebigen der unten beschriebenen Ausführungsformen implementiert werden, kann aber auch unabhängig davon verwendet werden.
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Während das Verfahren in 3 in einer bestimmten Reihenfolge als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen dargestellt ist, ist anzumerken, dass die Reihenfolge, in der diese Handlungen oder Ereignisse dargestellt sind, nicht als beschränkend auszulegen ist. Insbesondere können in der Ausführungsform von 3 die bei 30, 31, 32 und 33 in 3 beschriebenen unterschiedlichen Handlungen oder Ereignisse in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden und beliebige dieser Handlungen oder Ereignisse können während des Betriebs einer Schaltereinrichtung mehrmals durchgeführt werden. Weiterhin können in einigen Ausführungsformen einige der Handlungen oder Ereignisse auch entfallen.
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Bei 30 ist nur ein höherohmiger Schaltpfad von zwei Schaltpfaden einer Schaltereinrichtung aktiviert, beispielsweise für die Stromerfassung bei niedrigen Strömen. Bei 31 ist zusätzlich oder alternativ zu dem höherohmigen Schaltpfad ein niedrigerohmiger Schaltpfad bei höheren Strömen aktiviert. Bei 32 kann außerhalb einer Zeit, die zum Stromerfassen des niedrigerohmigen Schaltpfads benötigt wird, optional ebenfalls für niedrige Ströme aktiviert sein. Weiterhin kann bei 33 der niedrigerohmige Schaltpfad aktiviert sein, um eine Überlast des höherohmigen Schaltpfads aufgrund eines hohen Stroms zu verhindern, um beispielsweise eine übermäßige Verlustleistung und Erwärmung, die mit der Verlustleistung assoziiert ist, zu verhindern. Es sei angemerkt, dass das Aktivieren bei 33 einen anderen Aktivierungsmechanismus als die Aktivierung bei 31 oder 32 verwenden kann. Beispielsweise kann die Aktivierung bei 33 eine geringere Reaktionszeit besitzen und kann automatisch ohne die Beteiligung eines Steuersignals durchgeführt werden, während das Aktivieren bei 31 und 32 durch ein Steuersignal gesteuert werden kann.
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Es sei angemerkt, dass das bezüglich 3 dargestellte und erläuterte Verfahren lediglich ein Beispiel für ein Verfahren ist, das zum Betreiben einer Schaltereinrichtung verwendet werden kann, und je nach der verwendeten Schaltereinrichtung können auch andere Verfahren gelten. Zum Betreiben der Ausführungsform von 2 beispielsweise kann der Ron-Wert auf einen hohen Wert für die Stromerfassung bei niedrigen Strömen eingestellt sein und beispielsweise auf einen niedrigen Wert bei höheren Strömen oder außerhalb der Stromerfassung eingestellt sein. Außerdem kann der Ron-Wert auf den niedrigen Wert durch einen anderen Mechanismus als einen Überlastschutz eingestellt sein. Bei anderen Ausführungsformen können noch andere Verfahren verwendet werden.
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In 4 ist ein Schaltplan gezeigt, der eine Schaltereinrichtung gemäß einer Ausführungsform zusammen mit weiteren Komponenten darstellt. Die Schaltereinrichtung von 4 umfasst einen ersten Schaltertransistor T1 und einen zweiten Schaltertransistor T4. In der Ausführungsform von 4 sind die Transistoren T1 und T2 NMOS-Transistoren. Es können jedoch auch andere Arten von Transistoren verwendet werden. Bei der Ausführungsform von 4 ist ein Gateanschluss des Transistors T1 mit einem Ausgang (in 4 mit „Gate“ bezeichnet) einer Ladungspumpe 41 gekoppelt. Zudem ist ein Gateanschluss des Transistors T4 über einen Schalter S1 an den Ausgang der Ladungspumpe 41 gekoppelt. In einem ersten Zustand verbindet der Schalter S1, wie erwähnt, den Gateanschluss des Transistors T4 mit dem Ausgang der Ladungspumpe 41. In einer zweiten Position (der in 4 gezeigten Position) verbindet der Schalter S1 den Gateanschluss des Transistors T4 mit einem Drainanschluss des Transistors T4.
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Die Ladungspumpe 41 besitzt einen in 4 mit In bezeichneten Eingang und wird versorgt, indem sie mit einer Spannungsschiene 40 verbunden ist, an die durch eine Batterie 42 eine Spannung Vbat angelegt ist. Während eine Batterie in 4 als Spannungsquelle gezeigt ist, können auch andere Spannungsquellen verwendet werden. Beispielsweise kann die Spannungsschiene 40 an einen externen Netzadapter gekoppelt sein, der an ein Stromnetz gekoppelt sein kann, um eine gewünschte Versorgungsspannung zu liefern.
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Wenn in der Ausführungsform von 4 der Transistor T1 geschlossen wird, d.h. durch die Ladungspumpe 41 so angesteuert wird, dass er zwischen seinem Source- und Drainanschluss leitet, besitzt er einen höheren Widerstand als der Transistor T4, wenn seine Gateelektrode durch die Ladungspumpe 41 so angesteuert wird, dass er zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode leitend wird. Beispielsweise kann ein Widerstandswert des Transistors T1 in einem geschlossenen Zustand zwischen 10 Ω und 100 Ω liegen, beispielsweise etwa 50 Ω betragen, und ein Widerstandswert des Transistors T4 kann zwischen 0,1 mΩ und 100 mΩ liegen, beispielsweise in der Größenordnung von 1 mΩ, wenngleich auch andere Werte verwendet werden können. Um diese verschiedenen Widerstandswerte zu erzielen, kann beispielsweise der Transistor T4 bezüglich des Transistors T1 skaliert werden, d.h., er kann auf dem Chip größere Abmessungen besitzen.
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Die Drainanschlüsse der Transistoren T1 und T4 sind mit der Versorgungsspannungsschiene 40 gekoppelt, und die Sourceanschlüsse der Transistoren T1 und T4 sind mit einer Last gekoppelt, die in 4 durch einen Widerstand R_Load dargestellt ist. Durch Schalten des Transistors T1 und/oder T4 über die Ladungspumpe 41 kann der Widerstand R_Load deshalb selektiv an die Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsschiene 40 gekoppelt werden.
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Die Ladungspumpe 41 kann über eine Spannung Vcontrol gesteuert werden, die von einem Steuersignalgenerator 43 generiert wird, um das selektive Koppeln zu steuern.
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Weiterhin umfasst die Ausführungsform von 4 eine Stromerfassungsschaltung. Die Stromerfassungsschaltung umfasst einen NMOS-Transistor T2, einen PMOS-Transistor T3, einen Opererationsverstärker OP1 und einen Erfassungswiderstand R_Sense, die so gekoppelt sind, wie in 4 gezeigt. Der Transistor T2 kann bezüglich des Transistors T1 und/oder T4 mit einem festen Faktor skalisiert sein, wobei dieser feste Faktor auch als ein KILIS-Faktor bezeichnet wird. Das Skalieren bedeutet im Kontext dieser Anmeldung das Reduzieren von Abmessungen der Transistoren wie etwa Gatelänge oder Gatebreite gemäß dem Skalierfaktor.
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In einem geschlossenen Zustand, d.h. einem leitenden Zustand, kann der Transistor T2 einen Widerstandswert zwischen 50 mΩ und 200 mΩ besitzen, beispielsweise etwa 100 mΩ. Diese Zahlenwerte dienen jedoch lediglich zu Veranschaulichungszwecken.
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Wenn sich der Schalter S1 im ersten Zustand befindet, ist R_Load sowohl über T1 als auch über T4 mit der Versorgungsspannungsschiene 40 gekoppelt. In diesem Fall wird, da T4 einen niedrigeren Widerstandswert besitzt, mindestens der meiste Strom über T4 fließen, was zu wenig Verlustleistung führt. Andererseits ist, wenn sich der Schalter S1 im zweiten Zustand befindet (dem in 4 gezeigten Zustand) mindestens für schwache Ströme nur der Transistor T1 geschlossen und der Strom fließt nur über den Transistor T1. Da T1 in seinem geschlossenen Zustand einen relativ hohen Widerstandswert besitzt, ist ein Spannungsabfall an T1 bei niedrigen Strömen vergleichsweise hoch, was es erleichtert, diesen Spannungsabfall als ein Maß für den zum Widerstand R_Load fließenden Strom mit einer gewünschten Genauigkeit zu verwenden.
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Die Arbeitsweise der Stromerfassungsschaltung in der Ausführungsform von 4 ist wie folgt:
Ein positiver Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist mit einem Sourceanschluss von T1 gekoppelt, und ein negativer Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist mit einem Sourceanschluss des Transistors T2 gekoppelt. Ein Ausgang des Operationsverstärkers OP1 ist mit einem Gateanschluss des PMOS-Transistors T3 gekoppelt. Diese Anordnung steuert eine Drain-Source-Spannung des Transistors T2 derart, dass sie einer Drain-Source-Spannung von T1 entspricht, Falls der Transistor T4 geschlossen ist, entspricht die Drain-Source-Spannung von T1 der Drain-Source-Spannung von T4 und wird im Wesentlichen durch den niedrigeren Widerstandswert von T4 bestimmt. Falls der Transistor T4 offen ist, wird die Drain-Source-Spannung von T1 durch einen durch R_Load fließenden Laststrom und den Widerstandswert von T1 bestimmt. Mit dieser Anordnung entspricht der Strom durch T2 dem mit dem oben erwähnten KILIS-Faktor skalierten Laststrom.
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Dieser Strom wird an einen Widerstand R_Sense geliefert, der einen vordefinierten Wert besitzt. Der Spannungsabfall an R_Sense ist proportional zu dem Strom durch T2 und über den KILIS-Faktor somit proportional zum Laststrom durch R_Load. Dieser Spannungsabfall kann dann beispielsweise durch einen Mikrocontroller (in 4 nicht gezeigt) ausgewertet werden. Beispielsweise können Anschlüsse von R_Sense mit Anschlüssen eines derartigen Mikrocontrollers gekoppelt sein.
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Um Fehler bei dieser Strommessung zu reduzieren, kann der Operationsverstärker OP1 beispielsweise mit einer konventionellen Offsetkompensation ausgestattet sein und die erörterte Messschaltung kann kalibriert sein.
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Bei der Ausführungsform von 4 können, indem T1 und T2 als zwei Schalter bereitgestellt werden, niedrige Lastströme bei einigen Ausführungsformen mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden, während für hohe Ströme T4 zusätzlich aktiviert (d.h. eingeschaltet) werden kann, um die Verlustleistung zu reduzieren.
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Die Steuerung von S1 kann beispielsweise auf der Basis des über R_Sense gemessenen Laststroms durchgeführt werden, oder ein Schalten kann periodisch durchgeführt werden, um den Laststrom zu messen.
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Weiterhin umfasst die Ausführungsform von 4 einen Sicherheitsmechanismus, um eine Überlast von T1 zu verhindern. Dies wird nachfolgend erläutert:
In der Betriebsart, wenn sich der Schalter S1 im zweiten Zustand befindet (wie in 4 gezeigt), wird nur der Transistor T1 über die Ladungspumpe 41 eingeschaltet, wohingegen Transistor T4 inaktiv ist. Solange der Laststrom niedrig ist, beispielsweise weil R_Load einen vergleichsweise hohen Wert besitzt, ist der Spannungsabfall über den Transistor T1 vergleichsweise niedrig. Deshalb ist eine Gate-Source-Spannung des Transistors T4 nahe 0, da die Gate-Source-Spannung von T4 der Drain-Source-Spannung von T1, d.h. dem Spannungsabfall über T1, entspricht, da die Gateelektrode des Transistors T4 mit der Drainelekrode des Transistors T1 gekoppelt ist und die Sourceanschlüsse der Transistoren T1 und T4 miteinander gekoppelt sind, wie in 4 gezeigt.
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Wenn der Laststrom durch R_Load, nun beispielsweise verursacht durch einen Kurzschluss oder eine plötzliche zusätzliche Anforderung nach Laststrom, schnell steigt, steigt die Drain-Source-Spannung des Transistors T1 entsprechend. Deshalb nimmt auch die entsprechende Gate-Source-Spannung des Transistors T4 zu. Wenn die Gate-Source-Spannung von T4 die Schwellenwertspannung von Transistor T4 übersteigt, wird der Transistor T4 eingeschaltet, wodurch ein niedrigerohmiger Weg für den erhöhten Laststrom bereitgestellt wird. Mit diesem Mechanismus wird die Source-Drain-Spannung von T1 im Wesentlichen auf die Schwellenwertspannung von T4 begrenzt.
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Wenn bei einigen Ausführungsformen ein Zustand detektiert wird, bei dem die Drain-Source-Spannung von T1 über der Schwellenwertspannung von T4 liegt, und T4 deshalb leitend wird, kann dieser Zustand beispielsweise durch Überwachen des Stroms über R_Sense oder anderem Mittel zum Messen der Drain-Source-Spannung von T1 detektiert werden und der Schalter S1 kann entsprechend auf den ersten Zustand eingestellt werden, um T4 ungeachtet der Spannung ganz einzuschalten. Es sei angemerkt, dass dieser Sicherheitsmechanismus in Ausführungsformen schneller ist als lediglich das Einschalten von T4 über den Schalter S1, da das Laden einer Gateelektrode von T4 über die Ladungspumpe 41 möglicherweise etwas Zeit benötigt. Indem T4 auf die in 4 gezeigte Weise konfiguriert wird, d.h. mit seinem Drain- und Gateanschluss, die miteinander und mit dem Drainanschluss von T1 gekoppelt sind, wenn sich der Schalter S1 im zweiten Zustand befindet, wird deshalb ein Sicherheitsmechanismus bereitgestellt, der vor einer Überlast von T1 (und T2) schützt. Dies kann als ein Beispiel für die Überlastaktivierung 13 von 1 angesehen werden, die einen anderen Mechanismus als das Einschalten des Transistors T4 über den Schalter S1 verwendet.
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Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die 5–8 zusätzliche Ausführungsformen beschrieben. Diese zusätzlichen Ausführungsformen basieren auf der Ausführungsform von 4 und entsprechende Teile tragen die gleiche Bezugszahl wie in 4 und werden nicht wieder beschrieben. Mit anderen Worten werden für die Ausführungsformen von 5–8 nur die Unterschiede im Vergleich zur Ausführungsform von 4 beschrieben. Die unter Bezugnahme auf die 5–8 erörterten verschiedenen Hinzufügungen und Abwandlungen können in separaten Ausführungsformen implementiert werden, wie gezeigt, können aber auch kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen auszubilden.
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Bei der Ausführungsform von 5 sind im zweiten Zustand von S1, wenn der Transistor T4 deaktiviert ist (entsprechend dem in 5 gezeigten Zustand), die Gateelektrode und Sourceelektrode von T4 verbunden (im Gegensatz zu der Verbindung zwischen Gateelektrode und Drainelektrode von T4 bei der Ausführungsform von 4). Deshalb liegt in 5 im Vergleich zu 4 die „automatische“ Aktivierung von T4, sobald die Source-Drain-Spannung von T1 eine Schwellenwertspannung von T4 erreicht, nicht vor. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Drain-Source-Spannung von T1 z.B. unter Verwendung einer nichtgezeigten separaten Schaltung überwacht werden und der Schalter S1 kann zum ersten Zustand geschaltet werden, der T4 einschaltet, wenn die Drain-Source-Spannung über T1 einen vorbestimmten Wert erreicht, beispielsweise einen kritischen Wert hinsichtlich Verlustleistung in T1 (und T2).
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Bei der Ausführungsform von 6 sind im zweiten Zustand des Schalters S1 ähnlich 4 die Gateelektrode und Drainelektrode von T4 verbunden (der in 6 gezeigte Zustand, wo T4 abgeschaltet ist). Bei der Ausführungsform von 6 jedoch kann die Gatespannung von T4 in diesem Fall zusätzlich variiert werden, wie veranschaulichend durch eine Spannungsquelle 60 angegeben, die zu der Gatespannung von T4 eine Spannung V1 addiert oder von ihr subtrahiert. V1 kann fest oder veränderlich sein.
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Durch Verändern von V1 kann das Begrenzen der Drain-Source-Spannung von T1 auf die Schwellenwertspannung von T4 modifiziert werden. Mit anderen Worten kann der Punkt, wo der Transistor T4 einschaltet, wenn die Drain-Source-Spannung von T1 zunimmt, verstellt werden.
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Die durch die Spannungsquelle 60 dargestellte Spannungsmodifikation kann von der Ladungspumpe 41 unabhängig sein. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsformen die Spannung V1 eine geregelte Spannung sein, beispielsweise über eine Steuerschleife geregelt. Beispielsweise kann V1 derart gesteuert werden, dass ein größter Erfassungsstrom durch T2 einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, während sich S1 in dem T4 deaktivierenden zweiten Zustand befindet. Es kann auch eine Regelung auf der Basis einer größten Verlustleistung verwendet werden, oder die Verlustleistung in T1 kann dynamisch gesteuert werden. Bei anderen Ausführungsformen kann zusätzlich oder alternativ V1 auf der Basis der Temperatur gesteuert werden. Wenn beispielsweise die Temperatur bereits hoch ist, kann V1 so verstellt werden, dass ein früheres Einschalten von T4 bewirkt wird, um ein weiteres Erwärmen durch Verlustleistung zu verhindern. Es können auch andere gewünschte Steuermechanismen verwendet werden.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 7 gezeigt. Bei den Ausführungsformen der 4–6 werden in dem ersten Zustand von S1, wenn T4 eingeschaltet ist, die Gateanschlüsse von T1 und T4 durch die Ladungspumpe 41 angesteuert und werden miteinander verbunden. Bei der Ausführungsform von 7 werden die Gateanschlüsse von T1 und T4 durch unterschiedliche Ladungspumpen angesteuert. Eine mit „schwache Ladungspumpe“ bezeichnete erste Ladungspumpe 71 steuert die Gateanschlüsse der Transistoren T1 und T2 an und wird durch eine Spannungsquelle 72 über eine erste Steuerspannung Vcontrol_1 gesteuert. Eine Gateelektrode von T4 wird von einer zweiten Ladungspumpe 73 angesteuert, wenn sich der Schalter S1 im ersten Zustand befindet. Die zweite Ladungspumpe 73 ist gleichfalls in 7 als „starke Ladungspumpe“ bezeichnet. Die zweite Ladungspumpe 73 wird durch eine Spannungsquelle 74 über eine zweite Steuerspannung Vcontrol_2 gesteuert.
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Bei Ausführungsformen können die Steuerspannungen Vcontrol_1 und Vcontrol_2 auf entsprechende Weise gesteuert werden, um alle Transistoren gleichzeitig ein- oder auszuschalten. Bei anderen Ausführungsformen können unabhängige Steuerungen verwendet werden.
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Mit einer Ausführungsform wie in 7 kann in einigen Fällen ein Problem vermieden werden, das bei einigen Implementierungen auftreten kann, wenn der Schalter S1 vom zweiten Zustand zum ersten Zustand umgeschaltet wird und die Gateelektroden von T1 und T4 verbunden sind. In diesem Fall kann es in einigen Implementierungen geschehen, dass Ladung von der Gateelektrode T1 zur Gateelektrode von T4 übertragen wird, was beide Transistoren vorübergehend ausschalten kann, bis genügend Ladestrom durch die Ladungspumpe geliefert worden ist. Indem separate Ladungspumpen verwendet werden, kann ein derartiges Problem bei einigen Ausführungsformen vermieden werden. Weiterhin kann die Ladungspumpe auf die jeweiligen Transistoren zugeschnitten werden. Da der Transistor T4 in der Ausführungsform von 7 größer ist, um eine niederohmige Verbindung bereitzustellen, kann die zweite Ladungspumpe 73 größer sein, damit sie einen höheren Ladestrom generieren kann als die erste Ladungspumpe 71, die kleiner ausgelegt sein kann, da sie nur Gateelektroden der kleineren Transistoren T1 und T2 laden muss (deshalb die Bezeichnung „starke Ladungspumpe“ und „schwache Ladungspumpe“). Deshalb können bei einer derartigen Ausführungsform die Ladungspumpen für die jeweiligen Transistoren, die sie ansteuern, optimiert sein. Sie können auch bezüglich Stromverbrauch/Versorgungsstrom optimiert sein.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 8 gezeigt. 8 basiert wieder auf der Ausführungsform von 4 und umfasst zusätzlich eine Überstromdetektierungsschaltung 80 zum Detektieren eines Überstroms, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses zur Last. Um dies zu erzielen, werden Gateelektrode, Sourceelektrode und Drainelektrode des Transistors T4 überwacht, und falls ein Überstrom detektiert wird (beispielsweise auf der Basis einer hohen Source-Drain-Spannung von T4), werden entsprechende Informationen beispielsweise als ein Überstrom-Flag ausgegeben.
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Es sei angemerkt, dass, solange sich der Schalter S1 im zweiten Zustand befindet, wie in 8 gezeigt, und der Laststrom niedrig ist, die Überstromdetektion 80 nicht funktioniert, da sie beispielsweise nicht mit der Gateelektrode von T1, der eingeschaltet ist, verbunden ist. Durch den unter Bezugnahme auf 4 erörterten Mechanismus jedoch ist, wenn die Drain-Source-Spannung des Transistors T1 die Schwellenwertspannung von T4 übersteigt, T4 eingeschaltet. In diesem Fall ist deshalb die Überstromdetektion 80 mit der Gateelektrode, Drainelektrode und Sourceelektrode der eingeschalteten Transistoren T1 und T4 verbunden und kann deshalb normal arbeiten. Da Überströme zu einer Zunahme der Drain-Source-Spannung von T1 führen, wie erläutert, arbeitet im Fall von höheren Strömen die Überstromdetektion 80. Die Überstromdetektion 80 kann auf beliebige herkömmliche Weise implementiert werden.
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Wie bereits erwähnt, können die unter Bezugnahme auf die 5–8 erörterten Modifikationen und Variationen kombiniert werden. Bei einer Ausführungsform beispielsweise können sowohl die durch die Spannungsquelle 60 von 6 dargestellte Spannungsmodifikation als auch die erste und zweite Ladungspumpe 71, 73 von 7 implementiert werden oder sowohl die erste als auch zweite Ladungspumpe von 7 als auch die Überstromdetektion 80 können implementiert werden oder beliebige andere Kombinationen aus zwei oder mehr erörterten Modifikationen können verwendet werden.
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Es ist wieder zu betonen, dass die erörterten Ausführungsformen lediglich veranschaulichend sind und nicht als den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung beschränkend auszulegen sind.
