DE19737586C2

DE19737586C2 - Smart Power Switch

Info

Publication number: DE19737586C2
Application number: DE1997137586
Authority: DE
Inventors: Martin Meschik
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: DE19737586A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Smart-Power-Schalter, insbeson dere einen SIPMOS-Leistungshalbleiter, mit einem Steuerein gang, einem FET-Leistungstransistor am Ausgang, der über den Steuereingang durch ein externes Steuersignal angesteuert ist, einer an das Gate des FET-Leistungstransistors ange schlossenen Ladungspumpe zur Spannungserhöhung für den High side-Betrieb des Smart-Power-Schalters, und einer Schalt logik.The invention relates to a smart power switch, in particular a SIPMOS power semiconductor, with a control unit gang, a FET power transistor at the output, which over the Control input controlled by an external control signal is one to the gate of the FET power transistor closed charge pump to increase voltage for the high side operation of the smart power switch, and a switch logic.

Ein derartiger Smart-Power-Schalter wird auch einfach als Smart-Schalter bezeichnet, und bei diesem Schalter handelt es sich allgemein um einen sogenannten intelligenten Leistungs halbleiter, der zur gesteuerten Leistungsversorgung externer Lasten, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, zum Einsatz ge langt.Such a smart power switch is also simply called Designated smart switch, and this switch is is generally a so-called intelligent performance semiconductors for the controlled power supply of external Loads, for example in motor vehicles, are used reached.

Wenn der Smart-Power-Schalter der eingangs genannten Art durch ein externes Steuersignal eingeschaltet wird, wird die Ladungspumpe aktiviert, die eine für den Smart-Power-Schalter notwendige Ansteuerspannung erzeugt, nämlich insbesondere ei ne Spannungserhöhung für den Highside-Betrieb des Smart- Power-Schalters, der ausgangsseitig einen FET-, insbesondere ein MOSFET-Leistungstransistor, aufweist. Dieser Vorgang der Aktivierung des FET-Leistungstransistors über die Ladungs pumpe ist verhältnismäßig langsam. Charakteristische Ein- und Ausschaltzeiten betragen etwa 500 µs.If the smart power switch of the type mentioned is switched on by an external control signal, the Charge pump activated, one for the smart power switch generates the necessary control voltage, namely in particular egg ne voltage increase for the highside operation of the smart Power switch, the output side of a FET, in particular a MOSFET power transistor. This process of Activation of the FET power transistor via the charge pump is relatively slow. Characteristic inputs and Switch-off times are around 500 µs.

Solche Schaltgeschwindigkeiten sind zum Schalten von Lasten von beispielsweise Lampen und induktiven Lasten geringer Dy namik ausreichend, nicht jedoch zum Schalten von Lasten grö ßerer Dynamik, da sonst die im Smart-Power-Schalter auftre tenden Umschaltverluste zu groß werden. Beispiele für derar tige Schaltlasten sind Schrittmotore, gepulste Gleich- und Wechselspannungsmotore im Niederspannungsbereich, Schaltnetz teile und dergleichen. Mit anderen Worten sind die bisher be kannten Smart-Power-Schalter mit Ladungspumpe nicht geeignet, diese Art von Lasten anzusteuern.Such switching speeds are for switching loads for example lamps and inductive loads of low Dy namik sufficient, but not large for switching loads more dynamic, otherwise it would appear in the smart power switch switching losses tend to be too large. Examples of derar Switching loads are stepper motors, pulsed DC and AC motors in the low voltage range, switching network parts and the like. In other words, they are so far knew smart power switches with charge pump not suitable, to drive these kinds of loads.

Problematisch an den bisher bekannten Smart-Power-Schaltern der eingangs genannten Art ist außerdem der relativ hohe Stromverbrauch, was angesichts des jüngsten Trends zum Ener giesparen und zur der Verlängerung von Betriebszeiten bei batteriebetriebenen Geräten usw. nicht akzeptabel ist.Problematic with the previously known smart power switches the type mentioned above is also the relatively high Electricity consumption, which is given the recent trend towards energy save and extend operating times battery powered devices etc. is not acceptable.

Aus der DE 43 25 899 C2 ist eine Schaltungsanordnung mit ei nem Leistungstransistor, der in Reihe zu einer Last zwischen Klemmen für eine Versorgungsspannung geschaltet ist, und ei ner Ladungspumpenschaltung zur Ansteuerung des Leistungstran sistors bekannt. Die Ladungspumpenschaltung stellt ein erhöh tes Ansteuerpotential zur Ansteuerung des Leistungstransis tors zur Verfügung, wobei ein Versorgungsanschluss der La dungspumpenschaltung an den Drain-Anschluss des als Low-Side- Schalters wirkenden Leistungstransistors angeschlossen ist, so dass der Versorgungsanschluss bei leitendem Leistungstran sistor annäherungsweise auf Bezugspotential gezogen wird. Ein Potential zur Ansteuerung des Leistungstransistors kann bei dieser Schaltungsanordnung nur während der Zeitdauern aufge baut werden, zu denen der Leistungstransistor sperrt.From DE 43 25 899 C2 is a circuit arrangement with egg nem power transistor connected in series to a load between Terminals for a supply voltage is switched, and ei ner charge pump circuit for controlling the power train sistors known. The charge pump circuit provides an increased Control potential for controlling the power transis tors are available, whereby a supply connection of La pump circuit to the drain connection of the low-side Switch acting power transistor is connected so that the supply connection with conductive power oil sistor is drawn approximately to reference potential. On Potential for driving the power transistor can this circuit arrangement only during the time periods are built, to which the power transistor blocks.

Aus der EP 0 236 967 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit ei nem in Reihe zu einer Last zwischen Klemmen für eine Versor gungsspannung geschalteten Leistungstransistor bekannt, wobei der Leistungstransistor als High-Side-Schalter dient. Zur An steuerung des Leistungstransistors ist eine Ladungspumpen schaltung vorgesehen, die eine zum Einschalten des Leistungs transistors erforderliche Ansteuerspannung erst im Laufe der Zeit durch mehrmaliges Anlegen von Ansteuerimpulsen an die Ladungspumpe erreicht. EP 0 236 967 A1 describes a circuit arrangement with an egg nem in series to a load between terminals for a utility supply voltage switched power transistor known, wherein the power transistor serves as a high-side switch. To the Control of the power transistor is a charge pump circuit provided, one for switching on the power transistor required drive voltage only in the course of Time by applying control pulses to the Charge pump reached.

Aus der EP 0 415 081 A2 ist eine Schaltungsanordnung mit ei nem in Reihe zu einer Last zwischen Anschlussklemmen einer Versorgungsspannung geschalteten Leistungstransistor bekannt, wobei der Leistungstransistor als High-Side-Schalter einge setzt ist. Zwischen den Gate-Anschluss und den Source- Anschluss des Leistungstransistors ist ein Kondensator ge schaltet, der vor dem Durchschalten des Leistungstransistors auf eine Batteriespannung aufgeladen wird, so dass nach dem Durchschalten des Leistungstransistors am Gate-Anschluss des Leistungstransistors ein Potential anliegt, welches im we sentlichen dem Source-Potential zuzüglich der Batteriespan nung entspricht. Ein erhöhtes Ansteuerpotential zur Ansteue rung des Leistungstransistors baut sich damit erst nach dem Durchschalten des Leistungstransistors auf.EP 0 415 081 A2 describes a circuit arrangement with an egg nem in series to a load between terminals one Supply voltage switched power transistor known the power transistor turned on as a high-side switch sets is. Between the gate connection and the source The connection of the power transistor is a capacitor turns on before the power transistor turns on is charged to a battery voltage so that after the Switching through the power transistor at the gate connection of the Power transistor has a potential, which in the we considerable the source potential plus the battery chip corresponds. An increased control potential for control tion of the power transistor builds only after the Turning the power transistor on.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Smart-Power-Schalter zu schaffen, der sich durch eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit auszeichnet und mit geringem Stromverbrauch betrieben werden kann.In view of this prior art, the invention lies Task to create a smart power switch that is characterized by an increased switching speed and can be operated with low power consumption.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Smart-Power-Schalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This task is solved by a smart power switch with the features of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in the sub claims specified.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit dadurch erzielt werden kann, daß die Ladungspumpe während des Schaltbetriebs des Smart-Power- Schalters stets aktiv gehalten ist, um die zur Ansteuerung des FET-Leistungstransistors erforderliche Spannung ununter brochen zur Verfügung zu stellen. Dies bedingt, daß der Steu ereingang im Gegensatz zum Stand der Technik die Ladungspumpe nicht ein- und ausschaltet, sondern den FET-Leistungstransi stor ohne Umweg über die Ladungspumpe "direkt" ansteuert. The invention is based on the knowledge that an increased Switching speed can be achieved in that the Charge pump during the switching operation of the smart power Switch is always kept active to control of the FET power transistor required voltage below to provide brooches. This means that the tax In contrast to the prior art, the charge pump does not switch on and off, but the FET power transfer stor "directly" controlled without detour via the charge pump.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich die Schalt geschwindigkeit des in Rede stehenden Smart-Power-Schalters ohne weiteres um einen Faktor 1000 erhöhen. Besonders vor teilhaft ist die Anwendung des neuen erfindungsgemäßen Prin zips auch bei mehrfach integrierten Smart-Power-Schaltern, da eine Brückenschaltung die derzeit noch diskret aufzubauende Schaltung ersetzen kann. Der daraus gezogene Vorteil betrifft die Kostenverringerung bei der Fertigung durch weniger zu be stückende Bauteile.Through these measures according to the invention, the switching speed of the smart power switch in question easily increase by a factor of 1000. Especially before the use of the new Prin according to the invention is particularly advantageous zips even with multi-integrated smart power switches, because a bridge circuit that is still to be set up discretely Circuit can replace. The benefit derived from this concerns to reduce the cost of manufacturing with less fragmenting components.

Vorteilhafterweise ist ferner vorgesehen, daß die Ladungs pumpe bei Bedarf über die Statusleitung inaktiv geschaltet wird. Dadurch wird eine Zerstörung des FET-Leistungs transistors bei Vorliegen eines fehlerhaften Betriebs, wie beispielsweise Übertemperatur oder Überstrom, vermieden, in dem die Ladungspumpe deaktiviert wird. Außerdem kann dann, wenn vorgesehen ist, das Statussignal auf der Statusleitung durch eine externe Maßnahme auf den dem inaktiven Zustand der Ladungspumpe entsprechenden Pegel, beispielsweise dem logi schen Niedrigpegel zu ziehen, die Leistungsaufnahme des Smart-Power-Schalters im Ruhezustand drastisch verringert werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Einsatz des Smart-Power-Schalters in Automobilen.It is also advantageously provided that the charge if necessary, the pump is switched inactive via the status line becomes. This will destroy the FET performance transistor in the presence of faulty operation, such as for example overtemperature or overcurrent, avoided which the charge pump is deactivated. In addition, if provided, the status signal on the status line by an external measure on the inactive state of the Charge pump corresponding level, for example the logi low level, the power consumption of the Smart power switch drastically reduced when idle become. This is particularly advantageous when using the Smart power switch in automobiles.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel haft näher erläutert; die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Smart- Power-Schalters.The invention is illustrated below with reference to the drawing explained in detail; the only figure of the drawing shows schematically an embodiment of the smart Power switch.

Der in der Figur gezeigte Smart-Highside-Schalter entspricht bis auf die geänderte Ansteuerung des FET-Leistungstransi stors am Ausgang und der Ansteuerung der Ladungspumpe dem eingangs abgehandelten herkömmlichen Smart-Power-Schalter. Demnach weist der erfindungsgemäße Smart-Power-Schalter 10 einen Steuereingang 1 und einen MOSFET-Leistungstransistor 2 am Ausgang auf, dessen Gate über eine Zwischenstufe 3 mit dem Steuereingang 1 verbunden ist. Diese Zwischenstufe 3 besteht aus einem Pegelkonverter und einem diesem nachgeschalteten Gate-Treiber zur Ansteuerung des MOSFET-Leistungstransistors 2. Außerdem ist eine Ladungspumpe 4 vorgesehen, die in her kömmlicher Weise aufgebaut sein kann und ausgangsseitig in bekannter Weise an das Gate des MOSFET-Leistungstransistors 2 angeschlossen ist, um für den Highside-Betrieb des Smart- Power-Schalters eine Spannungserhöhung zu bewirken.The smart high-side switch shown in the figure corresponds to the changed control of the FET power transistor at the output and the control of the charge pump of the conventional smart power switch dealt with at the beginning. Accordingly, the smart power switch 10 according to the invention has a control input 1 and a MOSFET power transistor 2 at the output, the gate of which is connected to the control input 1 via an intermediate stage 3 . This intermediate stage 3 consists of a level converter and a gate driver connected downstream of it for driving the MOSFET power transistor 2 . In addition, a charge pump 4 is provided which can be constructed in a conventional manner and is connected on the output side in a known manner to the gate of the MOSFET power transistor 2 in order to bring about a voltage increase for the highside operation of the smart power switch.

Gesteuert wird die Ladungspumpe 4 nicht wie beim Stand der Technik über den Steuereingang 1, sondern unabhängig von die sem über eine Statusleitung 5, die ein Statussignal führt, das in an sich bekannter Weise über einen Statuswiderstand 6 gewonnen wird, der an eine Gleichspannung, beispielsweise ei ner Höhe von 5 Volt, angeschlossen ist und außerdem an einem Mikro-Controller der Schaltlogik 7 für den Smart-Power- Schalter und zwar zum einen direkt an den Statuseingang des Mikro-Controllers 7 und zum andern indirekt über einen Tran sistor 8 mit OPEN-DRAIN-Struktur. Am Statuseingang der La dungspumpe 4 liegt außerdem ein weiterer Transistor 9 mit OPEN-DRAIN-Struktur an, über welchen interne Information für das Statussignal geliefert wird.The charge pump 4 is not controlled as in the prior art via the control input 1 , but independently of the sem via a status line 5 , which carries a status signal, which is obtained in a manner known per se via a status resistor 6 , which is connected to a DC voltage, for example egg ner level of 5 volts, is connected and also to a micro-controller of the switching logic 7 for the smart power switch, on the one hand directly to the status input of the micro-controller 7 and on the other hand indirectly via a transistor 8 with OPEN drain structure. At the status input of the charge pump 4 there is also a further transistor 9 with an OPEN-DRAIN structure, via which internal information for the status signal is supplied.

Der vorstehend in seinem Aufbau erläuterte Smart-Power-Schal ter arbeitet wie folgt.The Smart Power scarf explained above in its construction ter works as follows.

Da die Ladungspumpe 4 unabhängig vom Steuereingang aus schließlich durch ein Statussignal betrieben wird, bei dem es sich auch um ein extern zugeführtes Statussignal handeln kann, ist die Ladungspumpe 4 stets in Betrieb, wenn der Smart-Power-Schalter eingeschaltet ist. Das heißt, die La dungspumpe 4 liefert für den MOSFET-Leistungstransistor 2 stets die für diesen erforderliche Spannung.Since the charge pump 4 is finally operated independently of the control input by a status signal, which can also be an externally supplied status signal, the charge pump 4 is always in operation when the smart power switch is switched on. That is, the charge pump 4 always delivers the required voltage for the MOSFET power transistor 2 .

Für den Fall, daß der Smart-Power-Schalter ausgeschaltet ist, wird extern ein entsprechendes Statussignal an die Statusleitung 5 und damit an die Ladungspumpe 4 angelegt, und diese wird ausgeschaltet. Das heißt, bei ausgeschaltetem Smart- Power-Schalter verbraucht diese keinen Strom.In the event that the smart power switch is switched off, a corresponding status signal is externally applied to the status line 5 and thus to the charge pump 4 , and this is switched off. This means that when the Smart Power switch is switched off, it does not consume any electricity.

Andererseits erfolgt die Abschaltung der Ladungspumpe 4 und damit des MOSFET-Leistungstransistors 2 bei Vorliegen eines entsprechenden Statussignals, das Übertemperatur, Überstrom oder eine dergleichen Störung anzeigt, einschließlich eines OPEN-LOAD-ZUSTANDS am Ausgang des Smart-Power-Schalters.On the other hand, the charge pump 4 and thus the MOSFET power transistor 2 are switched off in the presence of a corresponding status signal which indicates overtemperature, overcurrent or the like, including an OPEN-LOAD STATE at the output of the smart power switch.

Da erfindungsgemäß im Gegensatz zum Stand der Technik die La dungspumpe 4 nur im Fall einer Störung oder einer vollstän digen Abschaltung des Smart-Power-Schalters außer Funktion gesetzt wird und im übrigen stets eingeschaltet bzw. akti viert ist, entfallen die beim Smart-Power-Schalter gemäß dem Stand der Technik, wie eingangs angeführt, auftretenden Ein/Ausschaltzeiten in der Größenordnung von 500 µs, so daß der erfindungsgemäße Smart-Power-Schalter mit wesentlich hö herer Schaltgeschwindigkeit, beispielsweise mit dem Faktor 1000 schneller als bislang betrieben werden kann. Since according to the invention, in contrast to the prior art, the charge pump 4 is deactivated only in the event of a malfunction or a complete shutdown of the smart power switch and is otherwise always switched on or activated, the smart power Switches according to the prior art, as mentioned at the beginning, occurring on / off times in the order of 500 microseconds, so that the smart power switch according to the invention can be operated at a significantly higher switching speed, for example with the factor 1000, faster than previously.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Steuereingang
control input

22

Leistungstransistor
power transistor

33

Zwischenstufe
intermediate stage

44

Ladungspumpe
charge pump

55

Statusleitung
status line

66

Widerstand
resistance

77

Schaltlogik
switching logic

88th

Transistor
transistor

99

Transistor
transistor

1010

Smart-Power-Schalter
Smart Power Switch

Claims

1. Smart power switch, in particular SIPMOS power semiconductors, with a control input ( 1 ), a FET power transistor ( 2 ) at the output, which can be controlled by an external control signal via the control input ( 1 ), one to the gate of the FET power transistor ( 2 ) connected charge pump ( 4 ) to increase the voltage for the highside operation of the smart power switch, and a switching logic ( 7 ), the charge pump ( 4 ) during the switching operation of the SMART power switch always is kept active in order to provide the voltage required to drive the FET power transistor ( 2 ) uninterrupted, and is kept inactive when the SMART power switch is completely switched off, and the control input ( 1 ) is not detoured the charge pump ( 4 ) is connected to the gate of the FET power transistor ( 2 ).

2. Smart power switch according to claim 1, characterized in that the control input ( 1 ) via an intermediate stage ( 3 ) with a level converter and a gate driver is connected to the gate of the FET power transistor ( 2 ).

3. Smart power switch according to claim 1 or 2, characterized in that an abnormal operating condition of the smart power switch, in particular. Overtemperature or a load interruption or OPEN-LOAD at the output of the smart power switch, by a Status signal to the switching logic ( 7 ) is reported, and that the status signal serves to inactivate the charge pump ( 4 ).

4. Smart power switch according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the status signal is applied directly to the charge pump ( 4 ).

5. Smart power switch according to claim 3 or 4, characterized in that the status signal signals the switched-off state of the smart power switch to the charge pump ( 4 ) in order to deactivate them.

6. Smart power switch according to claim 3, 4 or 5, characterized in that a status output connected to the charge pump ( 4 ) has an OPEN-DRAIN structure.