DE19624530A1 - Schaltungsanordnung einer Zündendstufe, insbesondere für eine Zündschaltung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe, insbesondere für eine Zündschaltung eines Kraftfahrzeugs, mit den im Oberbegriff des An­ spruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Als Ansteuerschaltungen für eine Zündschaltung sind sogenannte Low-Side-Zündschaltungen und High-Side-Zünd­ schaltungen bekannt. Für die Zündschaltungen wer­ den üblicherweise Mehrfach-Darlington-Transistorstu­ fen (im weiteren Darlington) als Leistungsschaltele­ ment eingesetzt, die eine Primärwicklung einer Zünd­ spule ansteuern. Je nachdem ob die Primärwicklung über den Kollektor des Darlington (Low-Side) oder den Emitter des Darlington (High-Side) angesteuert wer­ den, wird in eine Low-Side-Zündung oder eine High-Side-Zündung unterschieden.

Aus der DE 37 35 631.3 ist eine Zündschaltung be­ kannt, bei der ein pnp-Darlington verwendet wird, dessen Kollektor auf Masse geschaltet ist. Der Emit­ ter ist über die Primärwicklung mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden. Da bekanntermaßen die Ba­ sis des Darlington beim Abschalten auf eine negative Sperrspannung (Klammerspannung) geht, ist eine Ent­ kopplung der Ansteuerschaltung von dieser Spannung notwendig. Aus der DE 37 35 631.3 ist bekannt, hier­ für einen npn-Ansteuertransistor einzusetzen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mit den im An­ spruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß die Ansteuerschaltung von einer beim Abschalten des Darlington an dessen Basis anliegenden negativen Sperrspannung entkoppelt werden kann und gleichzeitig eine Integration des Entkoppelelementes mit dem Dar­ lington realisierbar ist. Dadurch, daß ein npn-Dar­ lington vorgesehen ist, dessen Kollektor mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und dessen Emitter mit einem ersten Anschluß der Primärwicklung der Zünd­ spule verbunden ist, wobei der zweite Anschluß der Primärwicklung an Masse liegt und die Ansteuerung des Darlington über ein Entkopplungselement erfolgt, ist es vorteilhaft möglich, insbesondere durch die sich durch die Schaltungsanordnung ergebende Integrations­ möglichkeit des Darlington, des Entkopplungselementes sowie der gesamten Ansteuerschaltung, in einem mono­ lithisch integrierten Bauelement eine fertigungstech­ nisch einfach zu realisierende und eine kosten­ günstige Montage der gesamten Zündendstufe zu ermög­ lichen. Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung zeich­ net sich darüber hinaus noch durch eine hohe Zuver­ lässigkeit der Zündendstufe bei im Extrembetrieb auf­ tretenden thermischen Belastungen aus.

Insbesondere ist vorteilhaft, daß durch die gefundene Integrationsmöglichkeit des Entkopplungselementes in einen npn-Darlington die elektrische und thermische Ankopplung der Zündendstufe an einen mit Masse ver­ bundenen Kühlkörper wesentlich vereinfacht wird. Da die beim Abschalten des Darlington auftretende nega­ tive Klammerspannung von ca. 300 bis 400 V nicht mehr gegen einen Masse-Kühlkörper isoliert zu werden braucht. So ist es vorteilhaft möglich, die Zündend­ stufen, die je nach Anzahl der Zylinder der anzusteu­ ernden Brennkraftmaschine in entsprechender Anzahl vorliegen, in einer kompakten Zündanlage unterzu­ bringen, da aufwendige Isolationsmaßnahmen zwischen den Kollektoren der einzelnen Darlingtons und gegen den Massekühlkörper nicht mehr notwendig sind. Da alle Kollektoren der Darlington gemeinsam an einer mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbundenen Po­ tentialschiene angeschlossen werden können, ist nur eine Isolation dieser Potentialschiene gegen Masse notwendig. Aufgrund der hier relativ niedrigen anlie­ genden Spannung im Bereich von ca. 14 V ist dies mit einem geringen Aufwand realisierbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Zündendstufe und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Zündendstufe in einem monolithisch integrierten Bauelement.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung 10 einer Zünd­ endstufe einer Brennkraftmaschine. In der Fig. 1 ist lediglich eine Zündendstufe gezeigt, wobei je nach Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine eine ent­ sprechende Anzahl von Zündendstufen vorgesehen sind.

An einem Eingangsanschluß 12 liegt das hier angedeu­ tete Ausgangssignal einer Motorsteuerung an. Der An­ schluß 12 ist über einen Widerstand R₁ mit der Basis eines Zweifach-Darlington T₁ verbunden. Ein zwischen dem Widerstand R₁ und der Basis des Transistors T₁ liegender Knotenpunkt K₁ ist einerseits über einen Widerstand R₂ und eine Zenerdiode D₁ mit dem Pluspol 14 einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Kraft­ fahrzeugbatterie, verbunden. Andererseits ist der Knoten K₁ mit dem Kollektor eines Transistors T₂ ver­ bunden, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis über einen Widerstand R₃ mit dem Knotenpunkt K₁ und dem Kollektor eines weiteren Transistors T₃ ver­ bunden ist. Der Emitter des Transistors T₃ liegt an Masse, und die Basis des Transistors T₃ ist mit dem Eingangsanschluß 12 verbunden. Der Knotenpunkt K₁ ist weiterhin über eine Reihenschaltung von Dioden D₂ und D₃ sowie einen Widerstand R₄ mit Masse verbunden.

Der Kollektor des Transistors T₁ ist mit der Basis eines lateralen pnp-Transistors T₄ verbunden. Der Emitter des Transistors T₁ ist mit Masse verbunden. Der Emitter des Transistors T₄ ist mit dem Pluspol 14 verbunden, während der Kollektor des Transistors T₄ mit der Basis eines Dreifach-Darlington T₅ verbunden ist. Der Kollektor des Darlington T₅ ist mit dem Pluspol 14 verbunden. In der Basis-Kollektorstrecke des Darlington T₅ liegt eine Zenerdiode D₄. Der Emitter des Darlington T₅ ist mit dem einen Anschluß einer Primärwicklung 16 einer Zündspule 18 verbunden, deren anderer Anschluß an Masse liegt. Der Emitter des Darlington T₅ ist mit dem Emitter eines weiteren Transistors T₆ verbunden, dessen Kollektor mit der Basis des Darlingtons T₅ verbunden ist. Die Basis des Transistors T₆ ist über einen Widerstand R₅ sowie eine Zenerdiode D₅ mit dem Pluspol 14 verbunden.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung übt fol­ gende Funktion aus:
Von der Motorelektronik wird ein Ansteuersignal be­ reitgestellt, der das Zünden einer mit der Schal­ tungsanordnung 10 verbundenen Zündkerze eines Kraft­ fahrzeugs auslösen soll. Der Widerstand R₁ ist ein hochohmiger Widerstand mit beispielsweise 500 bis 1000 Ohm und dient als Entstörwiderstand zur Ver­ meidung von Fehlansteuerungen des Transistors T₁. Dessen Basis wird durch den Widerstand R₁ unempfind­ lich gegen schnelle Spannungsspitzen. Mittels des Transistors T₁ wird das positive Ansteuersignal am Eingangsanschluß 12 in ein invertiertes Signal umge­ wandelt, das zur Ansteuerung des Transistors T₄ ver­ wendet wird, das heißt, dieser wird eingeschaltet. Bei durchgesteuertem Transistor T₄ wird der die Zünd­ spule 18 ansteuernde Darlington T₅ eingeschaltet. Über die Schaltkette der Transistoren T₁, T₄ und T₅ erfolgt somit in Abhängigkeit des Anliegens eines po­ sitiven Eingangssignals die Ansteuerung der Zündspule 18.

Über den in die Basis-Emitterstrecke des Darlington T₅ geschalteten Transistor T₆ sowie die dessen Basis mit dem Pluspol 14 verbindende Reihenschaltung des Widerstandes R₅ und der Zenerdiode D₅ erfolgt eine Wiedereinschaltsperre. Bei während des Abschaltens des Darlington T₅ auftretenden Sperrspannungen, die über der Sperrspannung der Zenerdiode D₅, die typischerweise 35 V beträgt, liegen, erfolgt über den Transistor T₆ ein Kurzschließen der Basis und des Emitter des Darlington T₅.

Der laterale pnp-Transistor T₄ bildet ein Koppel­ element, das die in der Fig. 1 links hiervon dar­ gestellte Ansteuerschaltung von dem Darlington T₅ bei dessen Abschalten entkoppelt.

Die Reihenschaltung der Dioden D₂, D₃ und des Wider­ stands R₄ bildet einen Stromspiegel, mit dem der Kollektorstrom des Transistors T₁ eingestellt und be­ grenzt wird. Die Dioden D₂ und D₃ sind hierbei in Durchlaßrichtung geschaltet, das heißt, ihre Anoden sind mit der Basis des Transistors T₁ verbunden. Der Kollektorstrom des Transistors T₁ wird in einen von dem Widerstand R₄ abhängigen Wert, von beispielsweise 100 mA, eingestellt.

Die Reihenschaltung der Zenerdiode D₁ und des Wider­ stands R₂ dient zum Schutz der Schaltungsanordnung 10 vor Überspannungen im Spannungsversorgungsnetz. Tritt eine Überspannung (Load Dump) im Spannungsversor­ gungsnetz auf, deren Wert größer ist als die Durch­ bruchspannung der Zenerdiode D₁, wird diese abge­ leitet. Die gleichzeitig mit dem Knotenpunkt K₁ ver­ bundene Schaltung der Transistoren T₂ und T₃ sowie des Widerstands R₃ bilden eine Logikschaltung, die in Abhängigkeit des Anliegens eines positiven Steuer­ signals am Eingangsanschluß 12 den durch die Über­ spannung hervorgerufenen Strom (Load-Dump-Strom) ent­ weder in die Basis des Transistors T₁ oder gegen Masse ableitet. Liegt kein Ansteuersignal an dem Ein­ gangsanschluß 12 an, ist der Transistor T₂ durch­ geschaltet, so daß der Load-Dump-Strom über den Knotenpunkt K₁ und den Transistor T₂ gegen Masse abgeleitet werden kann. Für den Fall, daß zum Zeit­ punkt des Auftretens eines Load-Dump-Stroms ein posi­ tives Ansteuersignal am Eingangsanschluß 12 anliegt, wird der Load-Dump-Strom über den Knotenpunkt K₁ in die Basis des Transistors T₁ abgeleitet.

In der Fig. 2 ist das Layout der in Fig. 1 gezeig­ ten Schaltungsanordnung 10 teilweise dargestellt, an­ hand dem insbesondere die Integration des Darlington T₅ und des Entkopplungstransistors T₄ in ein monoli­ thisch integriertes Bauelement verdeutlicht werden soll.

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise einen Wafer 20. Der Wafer 20 besteht aus einem n-Substrat 22 mit einer n⁻-Dotierung. In dem n-Substrat 22 ist ein Bereich 24 mit p-Dotierung strukturiert. Der Bereich 24 bildet die Basis des Darlington T₅ und gleichzeitig den Kollektor des Entkopplungstransistors T₄. Die Basis des Darlington T₅ wird teilweise von einer Deckelek­ trode 26 übergriffen, die über einen n⁺-Kontakt­ streifen 28 mit dem in Fig. 1 dargestellten Pluspol 14 verbunden ist. Die Deckelektrode 26 bildet somit den Kollektor des Darlington T₅. In den Wafer 20 ist ein weiterer Bereich 30 mit p-Dotierung strukturiert. Der Bereich 30 ist außerhalb des Bereiches der Deckelektrode 26 an der dem p-dotierten Bereich 24 abgewandten Seite strukturiert. Der Bereich 30 bildet den Emitter des Entkopplungstransistors T₄, während das n-Substrat 22 zwischen den Bereichen 24 und 30 die Basis des Transistors T₄ bildet. Somit ist ein lateraler pnp-Transistor T₄ geschaffen, der in den Randbereich des Darlington T₅ integriert ist. Der Bereich 30 wird an drei Seiten von einem n⁺-Ring 32 umgriffen, der ebenfalls mit dem in Fig. 1 gezeigten Pluspol 14 kontaktiert ist. Der Bereich 30 ist von einer Leiterbahn 34 umgriffen, die mit dem n⁺-Kon­ taktstreifen 28 kontaktiert ist. Die Kontaktierung kann beispielsweise über hier angedeutete Kontakt­ fenster 36 beidseitig des Bereiches 30 erfolgen. Die Leiterbahn 34 führt zu dem in dem Ausschnitt in Fig. 2 nicht mehr dargestellten Kollektor des Transistors T₁. Der Bereich 30 ist mit einer in Richtung des n⁺- Kontaktstreifens 28 gerichteten keilförmigen Struktur 38 versehen.

Mittels des in Fig. 2 gezeigten Layouts wird die Schaltfunktion der Transistoren T₄ und T₅ wie folgt realisiert:
Zum Einschalten des lateralen Transistors T₄ muß das Potential des n-Substrats 22 zwischen den Bereichen 24 und 30 auf eine niedrigere Spannung gebracht wer­ den als die am n⁺-Kontaktstreifen 28 anliegende Ver­ sorgungsspannung (14 Volt). Hierzu wird der Basis­ strom des lateralen Transistors T₄ aus dem außerhalb des hochsperrenden Bereiches des Darlington T₅ ange­ ordneten Transistor T₁ gespeist. Über die Verbindung des Kollektors des Transistors T₁ mit dem n⁺-Kontakt­ streifen 28 wird das n⁺-Gebiet zwischen den Bereichen 24 und 30 auf ein negativeres Potential gezogen als das gesamte Substrat 22. Der Transistor T₄, dessen Emitter der Bereich 30, dessen Kollektor der Bereich 24 und dessen Basis das zwischen diesen Bereichen liegende Substrat 22 ist, wird somit durchgesteuert. Durch die keilförmige Struktur 38 des Bereiches 30 wird erreicht, daß in einer zwischen den zwei Kon­ taktfenstern 36 in der Mitte liegende Zone mit nie­ drigerer Potentialabsenkung gegenüber den in Richtung der Kontaktfenster 36 liegenden Zonen mit höherer Potentialabsenkung ein Ausgleich erfolgt. Somit wird erreicht, daß ein gleichmäßigerer Lateralstrom zwi­ schen den Bereichen 30 und 24 fließen kann und somit eine Verbesserung der Verstärkung erzielt wird.

Der Abstand zwischen den Bereichen 30 und 24 muß we­ gen der Ausdehnung der Raumladungszone im Sperrbe­ trieb des Darlington T₅ einen Mindestabstand auf­ weisen. Für den gezeigten Anwendungsfall beträgt die­ ser vorteilhaft mindestens 55 µm. Hierdurch ergibt sich eine Stromverstärkung des lateralen Transistors T₄ von 0,1.

Durch die gefundene Anordnung läßt sich somit ein Ansteuerstrom für den Darlington T₅ über die sper­ rende Randstruktur des Darlington T₅ bringen, ohne das Sperrverhalten des Darlington T₅ im Abschaltfall zu stören. Aufgrund der Stromverstärkung von ca. 0,1 läßt sich mit einem Kollektorstrom des invertierend geschalteten Transistors T₁ von ca. 100 mA ein An­ steuerstrom für den Darlington T₅ von ca. 10 mA ge­ nerieren. Der Darlington T₅ kann so mit ca. 10 A be­ trieben werden.

Die weiteren in Fig. 1 erläuterten und in Fig. 2 nicht dargestellten Schaltungselemente der Schal­ tungsanordnung 10 können auf dem Wafer 20 außerhalb des von der Deckelektrode 26 umgriffenen Bereiches angeordnet werden. Ein Teilerwiderstand der Deckelek­ trode 26 kann sehr vorteilhaft gleichzeitig als Strombegrenzungswiderstand R₅ für den Kurzschluß­ transistor T₆ dienen.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung einer Zündendstufe, insbeson­ dere für eine Zündschaltung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Mehrfach-Darlington-Transistor (Darlington), der eine Primärwicklung einer Zündspule ansteuert und einer Ansteuerschaltung für den Darlington, dadurch gekennzeichnet, daß ein npn-Darlington (T₅) vorgese­ hen ist, dessen Kollektor mit dem Pluspol (14) einer Spannungsquelle und dessen Emitter mit einem ersten Anschluß der Primärwicklung (16) der Zündspule (18) verbunden ist, wobei der zweite Anschluß der Primär­ wicklung (16) an Masse liegt und die Ansteuerung des Darlington (T₅) über ein Entkopplungselement erfolgt, das die Ansteuerschaltung von einer beim Abschalten des Darlington (T₅) an dessen Basis anliegenden nega­ tiven Sperrspannung entkoppelt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Entkopplungselement ein latera­ ler pnp-Transistor (T₄) ist, dessen Kollektor mit der Basis des Darlington (T₅) und dessen Emitter mit dem Pluspol (14) der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Basis über die Ansteuerschaltung angesteuert wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer­ schaltung einen Transistor (T₁) aufweist, dessen Kollektor mit der Basis des pnp-Transistors (T₄), dessen Emitter mit Masse verbunden ist und dessen Ba­ sis über ein die Zündung auslösendes Steuersignal an­ steuerbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der npn-Darlington (T₅) und der laterale pnp-Transistor (T₄) in einem Wafer (20) monolithisch integriert sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein p-dotier­ ter Bereich (24) in einem n-Substrat (22) gleich­ zeitig die Basis des Darlington (T₅) und der Kol­ lektor des Transistors (T₄) ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet₁ daß ein weiterer p-dotierter Bereich (30) im Abstand zu dem Bereich (24) angeordnet ist, der den Emitter des Transistors (T₄) bildet und ein zwischen den Bereichen (24, 30) liegender n-Substratabschnitt (22), der durch einen n⁺-Kontaktstreifen (28) abgegrenzt ist, die Basis des Transistors (T₄) bildet.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der n⁺-Kon­ taktstreifen (28) eine Deckelektrode (26) kontak­ tiert, die über dem n-Substrat (22) angeordnet ist, das zwischen den p-dotierten Bereichen (24, 30) liegt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der p-dotierte Bereich (30) außer an einer dem n⁺-Kontaktstreifen (28) zugewandten Seite von einem n⁺-Ring (32) umgrif­ fen ist, der mit dem Pluspol (14) verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (30) von einer weiteren Leiterbahn (34) umgriffen ist, die mit dem n⁺-Kontaktstreifen (28) an beiden Seiten des Bereiches (30) kontaktiert ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (30) eine in Richtung des n⁺-Kontaktstreifens (28) gerichtete keilförmige Struktur (38) aufweist.