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Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter,
insbesondere Feldeffekttransistor mit einer integrierten Steuerschaltung.
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Derartige Halbleiterschalter – auch Smart-MOSFET-Schalter
genannt – sind
häufig
mit einem Temperatursensor ausgestattet, der bei einer Temperatur
von beispielsweise 150 °C
den Lastkreis abschaltet. Solche Schalter werden beispielsweise zum
Schalten von Lampen oder Gleichstrommotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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Der Temperatursensor in dem Halbleiterschalter – im folgenden
auch als Chip bezeichnet – ist relativ
träge.
Seine thermische Kopplung zu den einzelnen Teilen des Chips ist
unterschiedlich. Bei hohen Lastströmen und bei Kurzschluss können daher Teile
des Chips vorgeschädigt
werden, da dort die Temperatur die durch die Technologie bedingte
150 °C-Grenze überschreitet.
Dadurch können
Frühausfälle oder
Fahrzeugbrände
entstehen. Außerdem können knappe
Notlaufzeiten vorliegen, bis eine Werkstatt aufgesucht werden muss,
nachdem dem Fahrer ein Fehler angezeigt wurde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Halbleiterschalter flexibel zu überwachen.
Dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter
vorgesehen, dass auf dem den Halbleiterschalter bildenden Chip mindestens
zwei Temperatursensoren mit verschiedenen Schalttemperaturen angeordnet
sind.
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Ein Halbleiterschalter mit zwei Temperatursensoren
mit gleichen Schalttemperaturen ist aus der
DE 195 34 604 C1 bekannt.
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Der erfindungsgemäße Halbleiterschalter hat den
Vorteil, dass ein Abschalten des Lastkreises unter entsprechenden
Bedingun gen bereits bei einer niedrigeren Temperatur erfolgen kann,
ohne dass es für
Teile des Chips zu einer schädlichen
Temperatur kommen kann. Dieses Ziel lässt sich im Allgemeinen mit
zwei Temperatursensoren erreichen. Die Anwendung weiterer Temperatursensoren
ist jedoch bei der Erfindung nicht ausgeschlossen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung besteht darin, dass eine Umschalteinrichtung dafür vorgesehen
ist zu bestimmen, welcher Temperatursensor zum Abschalten des Halbleiterschalters in
Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal eines Stromsensors verwendet wird.
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Diese Ausgestaltung kann derart eingestellt sein,
dass bei Lastströmen,
die größer als
beispielsweise 40 % des Maximalen sind, die Übertemperaturabschaltung vom
Temperatursensor mit der niedrigeren Schalttemperatur, beispielsweise
130 °C,
vorgenommen wird. Die Realisierung dieser Ausgestaltung kann in
einfacher Weise durch eine Umschaltlogik auf dem Chip erfolgen,
die das Stromsensorsignal mit den Ausgangssignalen der Temperatursensoren verknüpft. Gegebenenfalls
ist es günstig,
eine geringe Hysterese von ca. 1 °C
bis 2 °C
vorzusehen. Fällt der
Laststrom wieder unter 40 %, wird das Ausgangssignal des Temperatursensors
mit der höheren Schalttemperatur
von beispielsweise 150 °C
zur Übertemperaturabschaltung
verwendet. Eine zu hohe Temperaturbelastung kann somit vermieden werden,
da bei den kleinen Lastströmen
die Erwärmung
so langsam erfolgt, dass die Reaktionszeit des Temperatursensors
mit der höheren
Schalttemperatur ausreicht.
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Es sind auf dem Markt auch Smart-MOSFET-Schalter
ohne Stromsensor erhältlich.
Für solche
Schalter ist eine andere Ausgestaltung der Erfindung dadurch vorteilhaft,
dass eine Um schalteinrichtung dafür vorgesehen ist zu bestimmen,
welcher Temperatursensor zum Abschalten des Halbleiterschalters
in Abhärtgigkeit
von einem zugeführten
Signal verwendet wird.
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Smart-MOSFET-Schalter ohne Stromsensor weisen
normalerweise mindestens einen Statusausgang auf, der als Open-Drain-Ausgang ausgeführt ist.
Hierfür
ist bei einer Weiterbildung der anderen Ausgestaltung vorgesehen,
dass einem Statusausgang des Halbleiterschalters das Signal zuführbar ist und
dass die mit dem zugeführten
Signal gegebene Information über
die Auswahl eines der Temperatursensoren gespeichert wird, so dass
der jeweilige Temperatursensor während
des folgenden Betriebes dauernd ausgewählt bleibt. Durch diese Maßnahme wird
möglich,
dass nach dem Einschalten der Statusausgang zur Anzeige des Status
des Halbleiterschalters benutzbar ist.
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Die zweite Ausgestaltung eignet sich
insbesondere dafür,
einen Halbleiterschalter bezüglich
der Übertemperaturabschaltung
an die jeweiligen Einsatzbedingungen anzupassen, ohne dass eine
schaltungstechnische Änderung
vorzunehmen ist. So kann beispielsweise durch das dem Statusausgang zugeführte Signal
ein in einem Fahrerhaus befindlicher Halbleiterschalter jeweils
beim Einschalten auf eine Schalttemperatur von 130 °C eingestellt
werden, während
ein Halbleiterschalter im Motorraum auf 150 °C eingestellt wird.
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Für
die meisten Anwendungen hat es sich als günstig herausgestellt, wenn
einer der Temperatursensoren eine Schalttemperatur von 130 °C und ein
anderer der Temperatursensoren eine Schalttemperatur von 150 °C aufweist.
Dem Fachmann bleibt jedoch die Wahl anderer Schalttemperaturen überlassen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer
Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,
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2 ein
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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3 und 4 Zeitdiagramme von bei dem Ausführungsbeispiel
nach 2 auftretenden
Signalen.
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In den 1 und 2 sind nur die zur Erläuterung
der Erfindung erforderlichen Komponenten dargestellt. In beiden
Ausführungsbeispielen
ist auf einem Chip 1, 1' ein Feldeffekttransistor 2 angeordnet, mit
dem eine Last 3 mit einer bei 4 zugeführten Betriebsspannung verbunden
bzw. von ihr getrennt werden kann. Die bei 4 zugeführte Betriebsspannung dient
auch der Versorgung der weiteren Komponenten auf dem Chip 1, 1', was durch
einen Pfeil angedeutet ist.
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In an sich bekannter Weise werden
dem Halbleiterschalter über
einen Eingang 6 Steuerimpulse zugeführt. Diese gelangen über eine
Schutzschaltung 7, eine Logikschaltung 8 und eine
Steuerschaltung 5 an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 2.
Die Steuerschaltung enthält
unter anderem eine Ladungspumpe, mit der eine außerhalb des Spannungsbereichs
zwischen der versorgten Spannung und Masse liegende Gate-Spannung
erzeugt wird.
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An die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 2 ist
der Eingang eines Spannungsdetektors angeschlossen, dessen Ausgang
mit einem Eingang der Logikschaltung 8 verbunden ist und
eine Rückmeldung
des Schaltzustandes bzw. des Vorhandenseins einer Last 3 ermöglicht.
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Ferner sind in beiden Ausführungsbeispielen zwei
Temperatursensoren 11, 12 vorgesehen, deren Ausgangssignal
bei Erreichen bzw. Überschreiten
einer vorgegebenen Temperatur den logischen Pegel wechselt. Diese
Schalttemperatur beträgt
bei dem Temperatursensor 11 T2 = 150 °C, während der Temperatursensor 12 bei
T1 = 130 °C
umschaltet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 wird zwischen den beiden
Temperatursensoren 11, 12 in Abhängigkeit
von der Strombelastung des Feldeffekttransistors 2 umgeschaltet.
Dazu ist ein bei einigen bekannten Halbleiterschaltern ohnehin vorhandener
Stromsensor 10 über
eine Schwellwertschaltung 14 mit einem Steuereingang eines
Umschalters 13 verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass die Schwellwertschaltung 14 etwa bei
40 % des maximal möglichen Stroms
umschaltet, wobei zur Vermeidung von häufigem Hin- und Herschalten
eine Hysterese von wenigen °C
vorgesehen ist.
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Ist der Strom I kleiner als 40 %
des maximalen Stroms, befindet sich der Umschalter 13 in
gezeichneter Stellung, so dass ein Abschalten über die Logikschaltung 8 und
die Ansteuerschaltung 5 erst eingeleitet wird, wenn der
Temperatursensor 11 150 °C
meldet. Bei diesen kleineren Strömen
ist davon auszugehen, dass die Erwärmung nicht so schnell vonstatten
geht, dass sich große
Temperaturunterschiede innerhalb des Chips ausbilden. Bei größeren Ausgangsströmen wird
jedoch der Um schalter 13 in die untere Stellung gebracht,
so dass ein Abschalten wegen unzulässig großer Temperaturerhöhung bereits
bei 130 °C
eingeleitet wird. Dadurch werden insbesondere diejenigen Komponenten
rechtzeitig abgeschaltet, die – bedingt
durch den höheren
Ausgangsstrom – eine
höhere
Temperatur aufweisen als der Temperatursensor 12.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 betrifft einen Halbleiterschalter,
der nicht mit einem Stromsensor versehen ist. Der Chip 1' weist jedoch
einen Statusausgang 15 auf, der ein Statussignal ST abgibt,
welches von angeschlossenen nicht dargestellten Einrichtungen, beispielsweise
von einem Mikrocomputer, ausgewertet werden kann. Der Statusausgang 15 ist
ein Open-Drain-Ausgang, der normalerweise von der externen Einrichtung über einen Pull-Up-Widerstand
auf +5 v angehoben ist. Dadurch kann man dem Ausgang 15 ein
Potential kleiner als 2 V (= Low, L) einprägen. Der Ausgang 15 wird
somit als Eingang benutzt, so dass zur Durchführung der Erfindung die Zahl
der Anschlüsse
des an sich bekannten Halbleiterschalters nicht erhöht werden muss.
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Wird der Statusausgang vor dem Einschalten
des Halbleiterschalters auf ein Potential von kleiner als 2 V (L)
gelegt, so wird diese Information in einem Register auf dem Chip
gespeichert und damit dauernd der 130 °C-Temperatursensor 12 ausgewählt. Dies
erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel
nach 2 durch eine entsprechende
Steuerung der Logikschaltung 8. Damit kann anwendungsspezifisch im
Bedarfsfall die Schalttemperatur von T1 = 130 °C gewählt werden. Nach dem Einschalten
des Halbleiterschalters steht der Statusausgang 15 wieder
für seine
normale Funktion zur Verfügung,
nämlich
den Zustand des Feldeffekttransistors anzuzeigen. Dies erfolgt durch
den während
dieser Zeit dort vorhandenen Pegel.
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Die 3 und 4 zeigen Diagramme der Signale
ST am Aus- bzw.
Eingang 15, IN am Eingang 6 und SEL, das in der
Logikschaltung 8 vorliegt. In dem dargestellten Fall wird
vor dem Einschalten der Pegel am Statusausgang 15 vorübergehend
auf L gesetzt. Durch den oben erwähnten Pull-Up-Widerstand wird ST
wieder in den Zustand H gebracht, was wegen des hohen Wertes des
Pull-Up-Widerstandes langsamer als die übrigen Flanken erfolgt. Wenn
eine fallende Flanke auf dem Signal ST auftritt, während das
Signal IN noch auf dem Pegel L ist, wird auf den 130 °C-Temperatursensor 12 solange
umgeschaltet bis mit der fallenden Flanke auf dem Signal IN die
Einschaltphase beendet wird. Etwaige Statusmeldungen während der
Einschaltphase wirken sich nicht auf das Signal SEL aus.
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3 zeigt
die Vorgänge
für den
Fall, dass auf den 130 °C-Temperatursensor
umgeschaltet werden soll. Dies erfolgt dadurch, dass dem Anschluss 15 mit
dem Impuls 16 kurzzeitig der Pegel L eingeprägt wird,
so dass SEL auf 130 °C
umgeschaltet wird. Ein in 3 gestrichelt
dargestellter Impuls 17 einer Statusmeldung kann vom Anschluss 15 abgegeben
werden, ohne die Temperaturumschaltung zu beeinflussen. Mit der
Rückflanke
des Signals IN, also nach der Einschaltphase des Halbleiterschalters, wird
SEL wieder auf 150 °C
gesetzt.
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Bei dem in 4 dargestellten Fall soll der erfindungsgemäße Halbleiterschalter
auch im eingeschalteten Zustand mit einem 150 °C-Temperatursensor betrieben
werden. Es wird daher am Anschluss 15 vor der positiven
Flanke des Signals IN kein Impuls eingeprägt, so dass SEL bei 150 °C bleibt.
Eine nachfolgende etwaige Statusmeldung 17 wirkt sich hier
ebenfalls nicht auf SEL aus.