DE102020107472B4

DE102020107472B4 - Verwendung des Low-Side-Ausgangstransistors eines Airbag-Systems zur Verhinderung der Nichtzündung unbeschädigter Airbag-Zündkreise bei einem Unfall

Info

Publication number: DE102020107472B4
Application number: DE102020107472.7A
Authority: DE
Inventors: Fikret Abaza; Mats SCHMALHORST
Original assignee: Elmos Semiconductor SE; Hyundai Mobis Co Ltd
Current assignee: Elmos Semiconductor SE; Hyundai Mobis Co Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: DE102020107472A1

Abstract

Schaltstufe für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) eines Airbag-Systems- mit einem Kontakt (PDL) und- mit einer Stromquelle (IQ3) und- mit einem Widerstand (R5) und- mit einem Transistor (T6) und- mit einem Knoten (K4) und- mit einem Ausgang (OPOL) und- mit einer Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) und- mit einer Bezugspotenzialleitung (GND),- wobei der Transistor (T6) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist und- wobei der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist und- wobei die Stromquelle (IQ3) einen Strom (13) in den Knoten (K4) einspeist und- wobei der erste Anschluss des Transistors (T6) mit dem Ausgang (OPOL) verbunden ist und- wobei der zweite Anschluss des sechsten Transistors (T6) mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden ist und- wobei der Steueranschluss des Transistors (T6) mit dem Knoten (K4) verbunden ist und- wobei der erste Anschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) mit der Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) verbunden ist und- wobei der zweite Anschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden ist und- wobei der Steueranschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) mit dem Ausgang (OPOL) verbunden ist.

Description

Oberbegriff
Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Verhinderung der Injektion eines Substratstroms in das Substrat (Sub) eines CMOS-Schaltkreises unter Verwendung des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) eines Airbag-Systems.
Allgemeine Einleitung und Stand der Technik
Im unmittelbaren zeitlichen Umfeld dieser Offenlegung wurden verschiedene Produktrückrufe von Automobilherstellern bekannt, bei denen durch Vorrichtungen gemäß des zum Zeitpunkt der Anmeldung bekannten Stands der Technik die Airbags nicht öffneten.
Hierdurch wurden neue unbekannte Anforderungen an solche Sicherheitseinrichtungen durch die betroffenen Automobilhersteller ermittelt und an die Lieferanten weitergegeben.
Das Problem wird anhand von Figur 1 erläutert:
Das Problem tritt an den Anschlüssen von CMOS-Schaltungen auf, wenn diese mit einem stark negativen Potenzial beispielsweise durch einen Kurzschluss belastet werden.
Der Stand der Technik und seine Probleme werden mit Hilfe der 1 und 2 erläutert.
1 zeigt die Situation für einen Low-Side-Ausgangstransistor (T1L). Die Aufgabe des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist es, den ihm zugeordneten Kontakt (PDL) mittels der Ausgangsleitung (PDCL) mit dem negativen Versorgungspotenzial der Bezugspotenzialleitung (GND) zu verbinden. In Airbag-Schaltkreisen handelt es sich dabei typischerweise um den negativen Pol der Energiereserve. Dieser Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) kann von einer ESD-Schutzschaltung (ESD) typischerweise über die Steuerelektrode (VG1L) des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) eingeschaltet werden. Des Weiteren kann eine Funktionsschaltung (GC) den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) einschalten und ausschalten, wobei die ESD-Schutzschaltung (ESD) typischerweise die Funktionsschaltung (GC) überschreiben kann. Das Problem tritt nun wieder auf, wenn ein größerer Strom am Kontakt (PDL) des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) entnommen wird.
Der Low-Side-Transistor (T1L) umfasst wieder bevorzugt eine n-dotierte Wanne. Die n-Wanne des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist über die Ausgangsleitung (PDCL) mit dem Kontakt (PDL) verbunden. Wird also aus dem Kontakt (PDL) durch ein Potential negativ bezüglich des Bezugspotenzials der Bezugspotenzialleitung (GND) ein Strom entnommen, so führt dies zu einem Stromfluss aus der n-Wanne des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) und damit zu einer Öffnung der PN-Diode zwischen n-Wanne des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) und dem Substrat (Sub), wenn der Potenzialunterschied zwischen dem Potenzial des Substrats (Sub) minus dem Potenzial der n-Wanne negativ wird und die negative Schleusenspannung dieser PN-Diode unterschreitet. Da die CMOS-Schaltung, wie zuvor schon beschrieben, eine Vielzahl von n-Wannen in dem Substrat als Vorrichtungsteile anderer Schaltungsteile (OC) der CMOS-Schaltung auf Potenzialen oberhalb des Substratpotenzials umfasst, wird nun über die Substratkontakte der CMOS-Schaltung der entnommene Strom nachgeliefert, sodass sich ein Gleichgewicht einstellt. Die anderen n-Wannen bilden mit dem Substrat des CMOS-Schaltkreises und der n-Wanne des High-Side-Ausgangstransistors eine NPN-Struktur, die dann hier als parasitärer NPN-Transistor (NPN_paraL) mit einer sehr geringen Verstärkung typischerweise kleiner 1 angesehen werden kann. Dieser parasitäre NPN-Transistor (NPN_paraL) kann bei einem ausreichend hohen Entnahmestrom trotz geringer Stromverstärkung öffnen und damit andere n-Wannen mit dem Kontakt (PDL) auf einem sehr niedrigen Potenzial kurzschließen, was dann zu Fehlern, wie dem Nichtauslösen von Air-Bags, die von anderen Treiberschaltungen der integrierten CMOS-Schaltung gezündet werden sollten, führen kann.
2 zeigt eine typische Airbag-Zündstufe, wie sie im Stand der Technik üblich ist. Der integrierte CMOS-Zündschaltkreis (IC) wird über eine positive Versorgungsspannungsleitung (VDD) und eine Bezugspotenzialleitung (GND) mit elektrischer Energie versorgt. Die Darstellung ist schematisch vereinfacht, um das Verständnis zu erleichtern. Innerhalb der integrierten CMOS-Schaltung (IC) befindet sich der eigentliche integrierte Schaltkreis (IS), der hier in diesem Beispiel die Ansteuerschaltung umfasst, die die Airbag-Zündfunktion steuert und überwacht. Seine Details sind für das Verständnis der Erfindung irrelevant. Er entspricht der Funktionsschaltung (GC) der 1. Dieser eigentliche Schaltkreis (IS) erzeugt hier das Steuersignal für die Steuerelektrode des High-Side-Ausgangstransistors (T1H) und überträgt es mittels der Steuersignalleitung (VG1H) an die Steuerelektrode des High-Side-Ausgangstransistors (T1H). Dieser eigentliche Schaltkreis (IS) erzeugt auch das Steuersignal für die Steuerelektrode des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) und überträgt es mittels der Steuersignalleitung (VG1L) an die Steuerelektrode des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L). Dieser eigentliche Schaltkreis (IS) erzeugt das Steuersignal für die Steuerelektrode des Sicherheitstransistors (ST) und überträgt es mittels der Steuersignalleitung (VST) über den Kontakt (PDG) für den Anschluss der Steuerelektrode des Sicherheitstransistors (ST) an die Steuerelektrode des Sicherheitstransistors (ST).
Der Drain-Kontakt des High-Side-Ausgangstransistors (T1H) ist über den Kontakt (PDS) mit dem Source-Kontakt des Sicherheitstransistors (ST) verbunden.
Der Source-Kontakt des High-Side-Ausgangstransistors (T1H) ist über den Kontakt für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H) mit einem ersten Anschluss des Squib eines Fahrzeuginsassenrückhaltesystems oder einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung verbunden. Bei einem Squib handelt es sich typischerweise um eine Sprengladung zur Entfaltung eines Aibags.
Der Drain-Kontakt des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist über den Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) mit einem zweiten Anschluss des Squib des Fahrzeuginsassenrückhaltesystems oder der Fahrzeugsicherheitseinrichtung verbunden.
Der Source-Kontakt des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist typischer Weise mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden.
Die Stromtragfähigkeit des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) und des High-Side-Ausgangstransistors (T1H) sind typischerweise so ausgelegt, dass sie für die sehr kurze Zeit der Zündung des Squibs (SQ) einen sehr hohen Strom in einem Bereich von mehreren Ampere für eine begrenzte Zahl an Zündzyklen zuverlässig tragen können.
Der Drain-Kontakt des Sicherheitstransistors (ST) ist typischerweise mit der Versorgungsspannungsleitung (VDD) verbunden.
Beispielsweise aus der DE 44 32 301 A1 und der DE 60 2004 006 973 T2 sind solche Steuergeräte für solche Rückhaltesysteme bekannt.
Aus der DE 10 2005 048 239 B3 ist eine Anordnung zum Testen einer Schaltungsvorrichtung bekannt.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik, insbesondere hinsichtlich der Ströme in parasitären Strukturen, nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung der Injektion eines Substratstroms in das Substrat (Sub) eines CMOS-Schaltkreises unter Verwendung des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) eines Airbag-Systems. Bei dieser Vorrichtung erfolgt das Erfassen des Potenzials eines Kontakts (PDL) des CMOS-Schaltkreises in Bezug zu einer Bezugspotenzialleitung (GND) und das Vergleichen des Werts des erfassten Potenzials des Kontakts (PDL) mit einem Referenzwert durch den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) eines Airbag-Systems selbst. Es erfolgt ein Verbinden des Kontakts (PDH, PDL) mit der Bezugspotenzialleitung (GND), wenn der Wert des Potenzials des Kontakts (PDL) unter einem Referenzwert liegt, wobei dieser Referenzwert für den Wert des Potenzials des Kontakts (PDL) unter dem Wert des Potenzials des Substrats (Sub) liegt und/oder unter dem Wert des Potenzials der Bezugspotenzialleitung (GND) liegt.
Die obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Verwendung in einem integrierten CMOS-Schaltkreis gelöst. Die Vorrichtung umfasst einen Kontakt (PDL) des CMOS-Schaltkreises, der ein p-dotiertes Substrat (Sub) mit einem n-dotierten N-Gebiet (NG) aufweist. Das N-Gebiet (NG) liegt innerhalb des p-dotierten Substrats (Sub). Des Weiteren umfasst sie eine Ausgangsleitung (PDCL), eine Bezugspotenzialleitung (GND), einen Ausgangstransistor (T1L), eine Funktionsschaltung (GC) und eine optionalen ESD-Schutzschaltung (ESD). Das N-Gebiet ist mit der Ausgangsleitung (PDCL) elektrisch verbunden, welche wiederum mit dem Kontakt (PDL) elektrisch verbunden ist. Die optionale ESD-Schutzschaltung kann den Ausgangstransistor (T1L) im Falle eines ESD-Ereignisses ggf. einschalten. Die Funktionsschaltung (GC), die die eigentliche Funktion des CMOS-Schaltkreises darstellt, kann den Ausgangstransistor (T1L) jeweils ein- und ausschalten. Der ESD-Schaltkreis kann dabei bevorzugt den Steuerungsbefehl der Funktionsschaltung (GC) für den Ausgangstransistor (T1L) überschreiben.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst bevorzugt nun einen Schalttransistor (T2), der im Falle eines Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) bevorzugt identisch mit diesem Ausgangstransistor (T1L) ist Die Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Überwachungsvorrichtung (UVL). Die Überwachungsvorrichtung (UVL) erfasst das Potenzial des Kontakts (PDL) und vergleicht den Wert des Potenzials des Kontakts (PDL) mit einem Referenzwert, bevorzugt mit einer Referenzspannung. Diese kann ggf. auch innerhalb der Überwachungsvorrichtung (UVL) aus den Betriebsspannungen erzeugt werden. Die Überwachungsvorrichtung (UVL) schaltet nun den Schalttransistor (T1L) ein, wenn der Wert des Potenzials des Kontakts (PDL) unter dem Referenzwert liegt. Hierbei ist für die Lösung des Problems wichtig, dass dieser Referenzwert für den Wert des Potenzials des Kontakts (PDL) bevorzugt unter dem Wert des Potenzials des Substrats (Sub) liegt und/oder unter dem Wert des Potenzials der Bezugspotenzialleitung (GND) liegt. Hierdurch übernimmt der Schalttransistor (T1L) einen Großteil des fehlerhaft am Kontakt (PDL) entnommenen Stromes, der daher nicht mehr durch die Basis-Emitter-Diode des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL) fließt. Damit dieser parasitäre Basis-Emitter-Strom nicht mehr in der Lage ist den parasitären NPN-Transistor (NPN_paraL) durchzuschalten und so ggf. verstärkte Substratströme hervorzurufen und/oder Wannenisolierungen aufzuheben und/oder Knoten- oder Wannenpotenziale innerhalb der CMOS-Schaltung zu verziehen.
Der Schalttransistor (T1L) verbindet somit den Kontakt (PDL) mit einer Bezugspotenzialleitung (GND), wenn er infolge eines fehlerhaften Potenzials des Kontakts (PDL) durch die Überwachungsvorrichtung (UVL) eingeschaltet wird.
Diese Schrift stellt als Ausführung des Prinzips eine Schaltstufe (7) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) eines Airbag-Systems vor, bei dem der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) selbst als Spannungsmessmittel verwendet wird, um sich selbst einzuschalten. Es ist somit ausdrücklich Teil dieser Offenlegung, dass ein Ausgangstransistor (T1L, T1H) als Teil der ihm zugeordneten Überwachungsvorrichtung (UVH, UVL) genutzt wird bzw. genutzt werden kann.
Eine solche Schaltstufe umfasst einen Kontakt (PDL), eine Stromquelle (IQ3), einen Widerstand (R5), einen Transistor (T6), einen Knoten (K4), einen Ausgang (OPOL), eine Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) und eine Bezugspotenzialleitung (GND). Der Transistor (T6) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Die Stromquelle (IQ3) speist einen Strom (13) in den Knoten (K4) ein. Der erste Anschluss des Transistors (T6) ist mit dem Ausgang (OPOL) elektrisch verbunden. Der zweite Anschluss des Transistors (T6) ist mit der Bezugspotenzialleitung (GND) elektrisch verbunden. Der Steueranschluss des Transistors (T6) ist mit dem Knoten (K4) elektrisch verbunden. Der erste Anschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist mit der Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) elektrisch verbunden. Der zweite Anschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist mit der Bezugspotenzialleitung (GND) elektrisch verbunden. Der Steueranschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist mit dem Ausgang (OPOL) elektrisch verbunden.
Vorteil
Solche Überwachungsvorrichtungen ermöglichen zumindest in einigen Realisierungen die zumindest teilweise Vermeidung der Injektion von Substratströmen in Fehlerfällen. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Figurenliste

1 zeigt eine Ausgangsstufe aus dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Airbag Zündstufe entsprechend dem Stand der Technik;
3 zeigt die Grundidee angewendet auf die Absicherung eines Low-Side-Ausgangstransistors (T1L).
4 entspricht der 3 mit dem Unterschied, dass eine Signalisierung des Fehlerzustands erfolgt.
5 entspricht der 4 mit dem Unterschied, dass eine Signalisierung des Fehlerzustands anders generiert wird.
6 zeigt das beispielhafte Airbag-System der 2, das nun erfindungsgemäß um eine erste Überwachungsvorrichtung (UVH) für den Kontakt (PDH) für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H) und eine zweite Überwachungsvorrichtung (UVL) Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) ergänzt ist.
7 zeigt eine weitere Ausführung der Überwachungsvorrichtung, bei der der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) Teil der zweiten Überwachungsvorrichtung (UVL) ist, weil seine Gate-Source-Strecke das Potenzial des Kontakts (PDL) erfasst.

Beschreibung der Figuren
Figur 3
3 zeigt die Grundidee angewendet auf die Absicherung eines Low-Side-Ausgangstransistors (T1L). In Abwandlung zu 1 wird nun eine Überwachungsvorrichtung (UVL) für die Überwachung des Potenzials des Kontakts (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) vorgesehen. Mittels der Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) erfasst die Überwachungsvorrichtung (UVL) für die Überwachung des Potenzials des Kontakts (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) das Potenzial des Kontakts (PDL) und vergleicht dieses Potenzial mit einem internen oder externen Referenzpotenzial. Hierbei können zwischen die Überwachungsvorrichtung (UVL) und die Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) Spannungsquellen oder funktionsähnliche Vorrichtungsteile, wie beispielsweise Dioden zwischen geschaltet sein, um ein Referenzpotenzial nutzen zu können, dessen Wert gleich oder größer als der Wert des Bezugsspannungspotenzials einer Bezugsspannungsleitung (GND) oder zumindest als der Wert des Potenzials des Substrats (Sub). Im Gegensatz zur 3 ist nun jedoch ein zusätzlicher Schalttransistor (T2) nicht unbedingt notwendig. Es wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) als ein solcher Schalttransistor verwendet werden kann. Die erste Diode (D1) ermöglicht eine Einspeisung eines Stromes in die Steuersignalleitung (VG1L) für die Steuerelektrode des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L). Dieser Strom ist so bemessen, dass die anderen Schaltungsteile (ESD, GC) überschrieben werden und der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) leitend wird und somit die Bezugspotenzialleitung (GND) mit dem Kontakt (PDL) verbindet. Somit wird der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) im Fehlerfall von der Überwachungsvorrichtung (UVL) mittels der Steuersignalleitung (VG1L) für die Steuerelektrode des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) gesteuert. Die Überwachungsvorrichtung (UVL) schaltet den Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) typischerweise dann ein, wenn das Potenzial des Kontakts (PDL) unter dem Bezugspotenzial der Bezugspotenzialleitung (GND) liegt. Zumindest aber sollte die Überwachungsvorrichtung (UVL) den Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) typischerweise dann einschalten, wenn das Potenzial des Kontakts (PDL) unter dem Potenzial des Substrats (Sub) liegt, was typischerweise aber nicht zu empfehlen ist. In diesen Fällen liefert dann der Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) den am Kontakt (PDL) entnommenen Strom wieder nach und zieht damit das Potenzials des Kontakts (PDL) wieder in Richtung des Bezugsspannungspotenzials der Bezugspotenzialleitung. Dies verhindert dann eine weitere Strominjektion in das Substrat und verhindert dann das Öffnen des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL). Selbst wenn der Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) nicht den gesamten entnommenen Strom kompensieren kann, so wird jedoch der Emitter-Basis-Strom des parasitären NPN-Transistor (NPN_paraL) betragsmäßig gesenkt, wodurch die Größenordnung seiner Öffnung gesenkt wird. Hierdurch gewinnt die Schaltung Zeit, die anderen Airbags zu zünden. Die Betriebslebensdauer des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) ist im Fehlerfall in ähnlicher Größe wie die des High-Side-Ausgangstransistors (T1H) im ungestörten Zündbetrieb. Diese Zeit reicht aber auch hier aus, um die Zündung der anderen Zündkreise des AirBag-Systems durch die integrierte Zündvorrichtung (IC) zu gewährleisten, die ansonsten durch die vagabundierenden Substratströme ggf. gestört würden.
Die Schaltungsteile der 1 sind zur Orientierung ebenfalls zusammen mit dem parasitären NPN-Transistor (NPN_paraL) eingezeichnet.
Figur 4
Die 4 entspricht der 3 mit dem Unterschied, dass nun die Überwachungsvorrichtung (UVL) für den Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) ein zweites Ausgangssignal (OPO2L) erzeugt, dass beispielsweise durch einen Schmidt-Trigger (VSTL) abgesichert werden kann, und dann mittels eines Signalisierungstransistors (T3H) im Fehlerfall eine Signalisierungsleitung (REV_DET), eine Substratpotenzial- oder Bezugspotenzialunterschreitung durch eine wired-or Verknüpfung an den Rest der Schaltung signalisieren zu können.
Dieses Signal kann ggf. noch an ein Steuergerät signalisiert werden oder in einen nicht flüchtigen Speicher geschrieben werden, um bei einer späteren Unfall-Analyse die Ursache eines nichtöffnenden Airbags (hier der besagte unfallverursachte Kurzschluss) nachvollziehen zu können, was in Schadensersatzfällen von Bedeutung sein kann.
Figur 5
Die 5 entspricht der 4 mit dem Unterschied, dass statt eines besonderen zweiten Ausgangssignals (OPO2L) nun das Steuersignal (OPOL) der Überwachungsvorrichtung (UVL) für die Ansteuerung des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) direkt für die Signalisierung des Fehlers verwendet wird.
Figur 6
Die 6 zeigt das beispielhafte Airbag-System der 2, das nun erfindungsgemäß um eine erste Überwachungsvorrichtung (UVH) für den Kontakt (PDH) für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H) und eine zweite Überwachungsvorrichtung (UVL) Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) ergänzt ist.
Die erste Überwachungsvorrichtung (UVH) überwacht das Potenzial des Kontakts (PDH) für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H).
Die zweite Überwachungsvorrichtung (UVL) überwacht das Potenzial des Kontakts (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L).
Des Weiteren ist für die Neutralisationen eines Fehlerstromes am Kontakt (PDH) für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H) der besagte Schalttransistor (T2) vorgesehen, der den Kontakt (PDH) für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H) im Fehlerfall in Richtung auf das Bezugspotenzial der Bezugspotenzialleitung (GND) zieht. Der Schalttransistor (T2) wird dabei durch die erste Überwachungsvorrichtung (UVH) gesteuert. Bezogen auf die erste Überwachungsvorrichtung (UVH), den High-Side-Ausgangstransistor (T1H) und den Schalttransistor (T2) entspricht die Situation also der 3.
Die Neutralisation eines Fehlerstromes am Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) erfolgt über diesen Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) selbst, sodass hier kein separater Schalttransistor erforderlich ist. Die zweite Überwachungsvorrichtung schaltet den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) im Fehlerfall ein. Dann zieht der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) im Fehlerfall das Potenzial des Kontakts (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) in Richtung auf das Bezugspotenzial der Bezugspotenzialleitung (GND). Bezogen auf die zweite Überwachungsvorrichtung (UVL) und den Low-Side-Ausgangstransistor (T1H) entspricht die Situation also der 3.
7
zeigt eine weitere Ausführung der Überwachungsvorrichtung, bei der der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) Teil der zweiten Überwachungsvorrichtung (UVL) ist, weil seine Gate-Source-Strecke das Potenzial des Kontakts (PDL) erfasst.
Figur 7
7 stellt eine alternative Realisierung der zweiten Überwachungsvorrichtung (UVL), eine Entladungsschaltung, dar. Zur Vereinfachung ist die Ansteuerschaltung für die Steuersignalleitung (VG1L) für die Steuerelektrode des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) zur Realisierung der Normalfunktion nicht eingezeichnet, damit die wesentlichen Teile der zweiten Übertragungsvorrichtung (UV2) und ihre Funktion kenntlich werden. Wesentlicher Unterschied ist, dass die der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) nun Teil der zweiten Überwachungsvorrichtung (UVL) ist. Der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) erfasst die Potenzialdifferenz zwischen seinem Gate-Potenzial in Form des Potenzials der Steuersignalleitung (VG1L) für seine Steuerelektrode einerseits und dem Potenzial des Kontakts (PDL) andererseits. Der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) öffnet, wenn das Potenzial des Kontakts (PDL) unter dem Potenzial der Steuersignalleitung (VG1L) und dem Potenzial der Bezugsspannungsleitung (GND) liegt und wenn diese Potenzialdifferenz ausreichend ist, um die Schaltschwelle des Low-Side-Ausgangstransistors zu überschreiten.
Wenn sich das Potenzial des Kontakts (PDL) unter das Bezugspotenzial der Bezugspotenzialleitung (GND) bewegt, wird der parasitäre NPN-Transistor (NPN_paraL) leitend. Dieses niedrige Potenzial des Kontakts (PDL) kann ohne Gegenmaßnahmen die naheliegenden und ggf. sensitiven anderen Schaltungsteile der integrierten CMOS-Schaltung stören.
Der parasitäre NPN-Transistor (NPN_paraL) wird hier beispielhaft konkretisiert dadurch gebildet, dass der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) über eine n-Wanne verfügt, die mit dem Kontakt (PDL) elektrisch verbunden ist und mit dem p-dotierten Substrat (Sub) des CMOS-Schaltkreises einen direkten Kontakt hat. Diese n-Wanne operiert im Fehlerfall als Emitter des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL). Das Substrat (Sub) ist typischerweise ein p-Gebiet und wird bevorzugt mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden oder besitzt bevorzugt ein Potenzial unterhalb des Potenzials der Bezugspotenzialleitung (GND).
Der Kollektor ist eine in der Nähe des Low-Side-Anschlusstransistors (T1L) liegende anliegende n-Wanne eines beliebigen anderen sensitiven Schaltungsteils der integrierten CMOS-Schaltung. Es kann sich um ein einen OTA eines Hoch-Volt-Reglers handeln der einen Hoch-Volt-NMOS-Transistor mit einer solchen n-Wanne an seinem Ausgang aufweist.
Im Falle einer ausreichend negativen Spannung am Kontakt (PDL), beispielsweise in Folge eines unfallverursachten Kurzschlusses, würde ohne die hier dargestellte Schaltung der Ausgangsstrom dieses OTA über einen Kurzschluss zwischen der n-Wanne des Ausgangstransistors des OTA und der n-Wanne des Low-Side Ausgangstransistors (T1L) beeinflusst, so dass der Regler ggf. gestört wird oder ganz ausfällt.
Im oben beschriebenen Fall hat die Entladung zwei Funktionen:

a. Das Entladen der parasitären Kapazität am Kontakt (PDL) und
b. den Schutz gegen den injizierten Strom, sodass dieser nicht als Substartstrom in das Substrat (Sub) injiziert wird und als Basis-Emitter-Strom den parasitären Transistor (NPN_paraL) durchschaltet.

Die ESD-Diode (ESDD) schützt den Kontakt (PDL) gegen ESD-Ereignisse.
Der vierte Knoten (K4) ist über den vierten Widerstand (R4) mit dem Ausgang (OPOL) verbunden, der den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) steuert. Das Transistorpaar aus sechstem Transistor (T6) und Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) arbeitet dann als Stromspiegel für den dritten Strom (13) der dritten Stromquelle (IQ3), der dann den Strom durch das Squib (SQ) bestimmen kann, wobei nun jedoch der vierte Knoten (K4) gegenüber dem Ausgang (OPOL) um eine Spannung angehoben wird, die dem Produkt aus dem Wert des dritten Stromes (13) mal dem Wert des fünften Widerstands (R5) entspricht.
Der Stromspiegel wird auch als eine Entladeschaltung genutzt, die die Last am Kontakt (PDL) entlädt, also den zusätzlich injizierten Strom schon am Kontakt (PDL) aufnimmt.
Im Normalbetrieb muss der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) stets gesperrt sein. Hierzu muss die Spannung zwischen dem Bezugspotenzial der Bezugspotenzialleitung (GND) und dem Ausgang (OPOL) kleiner als die Schwellspannung (VTH) sein. Dies wird erreicht indem die dritte Stromquelle (IQ3) den dritten Strom (13) in den vierten Knoten (K4) injiziert von wo aus er am fünften Widerstand (R5) einen Spannungsabfall erzeugt. Die Gate-Source-Spannung (V_{G_T1L}) des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) zwischen Ausgangssignal (OPOL) und dem Bezugspotenzial der Bezugspotenzialleitung ist dann: $V_{G_T 1 L} = V_{TH_T 6} - I 3 * R 5$
Da die Schwellspannung V_{TH_T6} ungefähr der Schwellspannung V_{TH_T1L} des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) entspricht, ist immer sichergestellt, dass der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) gesperrt ist, wenn er im Normalbetrieb gesperrt sein soll.
Im Fehlerfall, wenn sich das Potenzial des Kontakts (PDL) unterhalb des Bezugspotenzials der Bezugspotenzialleitung (GND) befindet, wird jedoch der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) leitend. In dem Fall wechseln Drain-Kontakt und Source-Kontakt des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) die Rollen. Somit wird dann die Leitfähigkeit des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) von der Spannung zwischen dem Ausgang (OPOL) und dem Kontakt (PDL) bestimmt. Bei richtiger Wahl des Betrags des dritten Stroms (13) wird der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) dann leitend und verbindet die Bezugspotenzialleitung (GND) mit dem Kontakt (PDL). Da er dann den am Kontakt (PDL) entnommenen Strom nachliefert, verhindert er die Aktivierung des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL).
Da der Ausgang (OPOL) vorgespannt ist, reicht eine kleine negative Spannung am Kontakt (PDL) gegen die Bezugspotenzialleitung (GND), um den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) im diesem sogenannten Reverse-Fall zu betreiben.
Dadurch wird die Aktivierung des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL) zuverlässig verhindert.
Für eine solche Aktivierung des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL) wird zwischen Substrat (Sub) und Kontakt (PDL) typischerweise eine Spannung von betragsmäßig 0,7V benötigt. Wenn die Schaltschwelle bei -300mV (für I3*R5) liegt, dann wird der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) bei -300mV gegenüber der Bezugspotenzialleitung (GND) am Kontakt (PDL) eingeschaltet. Die Spannung von -300mV am Kontakt (PDL) gegenüber der Bezugspotenzialleitung (GND) reichen nicht aus, um den parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL) zu zünden, da die Schleusenspannung der Basis-EmitterDiode des parasitären NPN-Transistors (NPN_paraL) eine betragsmäßig höhere Spannung erfordert.
Glossar
ESD
ESD steht für englisch „elektrostatic discharge“, was übersetzt elektrostatische Entladung bedeutet. Für weitere Informationen wird auf die Wikipedia-Seite „https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrostatische_Entladung“ verwiesen. Ein beispielhaftes Buch zu ESD-Schutzschaltungen ist Oleg Semenov, Hossein Sarbishaei, Manoj Sachdev, „ESD Protection Device and Circuit Design for Advanced CMOS Technologies“ Springer, 2008 DOI 10.1007/978-1-4020-8301-3.
Bezugszeichenliste

D1: erste Diode;
ESD: ESD-Schutzschaltung, die typischerweise an einem Außenkontakt, hier dem Kontakt (PD), eines CMOS-Schaltkreises vorhanden ist und den Ausgangstransistor (T1) für die Ableitung von ESD-Ereignissen nutzt.
ESDD: ESD-Schutzdiode;
GC: Funktionsschaltung, die die eigentliche Funktion des CMOS-Schaltkreises für diesen Kontakt (PD) realisiert;
GND: Bezugspotenzialleitung;
I3: dritter Strom;
IC: integrierter CMOS-Schaltkreis;
IQ3: dritte Stromquelle;
IS: interne Schaltung des integrierten Schaltkreises (IC);
K4: vierter Knoten;
NPNparaL: parasitärer NPN-Transistor am Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L);
OC: anderer Schaltungsteile (OC) der CMOS-Schaltung;
OPO: Ausgang des Operationsverstärkers (OP);
OPOH: Ausgang des Operationsverstärkers (OP) bzw. Steuersignal der ersten Überwachungsvorrichtung (UVH);
OPOL: Ausgang des Operationsverstärkers (OP) bzw. Steuersignal der zweiten Überwachungsvorrichtung (UVL);
OPO2L: zweites Ausgangssignal zur Signalisierung einer Potenzialunterschreitung am Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L)
PDCH: High-Side-Anschlussleitung;
PDCL: Low-Side-Anschlussleitung;
PDG: Kontakt für den Anschluss der Steuerelektrode des Sicherheitstransistors (ST);
PDH: Kontakt für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H);
PDL: Kontakt für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L);
PDS: Kontakt für den Anschluss des Source-Kontakts des Sicherheitstransistors (ST);
R2: zweiter Widerstand;
R5: fünfter Widerstand;
REV_DET: Signalisierungsleitung;
SdT: Stand der Technik;
SQ: Squib (Sprengladung) eines Fahrzeuginsassenrückhaltesystems oder einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung;
Sub: Substrat des CMOS-Schaltkreises;
ST: Sicherheitstransistor;
T1H: High-Side-Ausgangstransistor;
T1L: Low-Side-Ausgangstransistor;
T2: Schalttransistor, der ggf. mit dem Ausgangstransistor (T1) identisch sein kann;
T3: Signalisierungstransistor;
T3H: Signalisierungstransistor;
T3L: Signalisierungstransistor;
T6: sechster Transistor;
UVH: erste Überwachungsvorrichtung für den Kontakt (PDH) für den High-Side-Ausgangstransistor (T1H);
UVL: zweite Überwachungsvorrichtung für den Kontakt (PDL) für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L);
VDD: positive Versorgungsspannungsleitung (VDD);
VG1H: Steuersignalleitung für die Steuerelektrode des High-Side-Ausgangstransistors (T1H);
VG1L: Steuersignalleitung für die Steuerelektrode des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L);
VG2: Steuersignalleitung für die Steuerelektrode des Schalttransistors (T2);
VG3L: Steuersignalleitung für die Steuerelektrode des Signalisierungstransistors (T3L);
VST: Steuersignalleitung für die Steuerelektrode des Sicherheitstransistors (ST);
VSTL: Schmidt-Trigger;

Claims

Schaltstufe für den Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) eines Airbag-Systems - mit einem Kontakt (PDL) und - mit einer Stromquelle (IQ3) und - mit einem Widerstand (R5) und - mit einem Transistor (T6) und - mit einem Knoten (K4) und - mit einem Ausgang (OPOL) und - mit einer Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) und - mit einer Bezugspotenzialleitung (GND), - wobei der Transistor (T6) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist und - wobei der Low-Side-Ausgangstransistor (T1L) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist und - wobei die Stromquelle (IQ3) einen Strom (13) in den Knoten (K4) einspeist und - wobei der erste Anschluss des Transistors (T6) mit dem Ausgang (OPOL) verbunden ist und - wobei der zweite Anschluss des sechsten Transistors (T6) mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden ist und - wobei der Steueranschluss des Transistors (T6) mit dem Knoten (K4) verbunden ist und - wobei der erste Anschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) mit der Low-Side-Anschlussleitung (PDCL) verbunden ist und - wobei der zweite Anschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden ist und - wobei der Steueranschluss des Low-Side-Ausgangstransistors (T1L) mit dem Ausgang (OPOL) verbunden ist.