DE19808987C1

DE19808987C1 - Verlustsymmetrierte Treiberschaltung aus MOS-Highside-/Lowside-Schaltern

Info

Publication number: DE19808987C1
Application number: DE19808987A
Authority: DE
Inventors: Franz Wachter; Hubert Rothleitner; Johann Massoner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: US6191625B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung mit in Reihe geschalteten MOS-Highside- und MOS-Lowside-Schaltern (M¶1¶, M¶2¶) mit MOS-Transistoren (1, 4) zum Treiben einer Last (3), einem Temperaturbegrenzungsschaltkreis und einem Strombegrenzungsschaltkreis, der einem (1) der beiden MOS-Transistoren (1, 4) zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist zur Symmetrierung der Verlustleistungen zwischen den MOS-Highside- und MOS-Lowside-Schaltern vorgesehen, daß das Gate des MOS-Transistors (1) ohne Strombegrenzungsschaltkreis über eine Zenerdiode (7) auf Masse gelegt ist, deren Zenerspannung (U¶Z¶) der maximalen Ansteuerspannung für diesen MOS-Transistor (1) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung mit in Reihe ge schalteten MOS-Highside-und MOS-Lowside-Schaltern (M₁, M₂) mit MOS-Transistoren zum Treiben einer Last, einem Tempera turbegrenzungsschaltkreis und einem Strombegrenzungsschalt kreis, der einem der beiden MOS-Transistoren zugeordnet ist.

Die in Rede stehende Treiberschaltung wird beispielsweise in der BICDMOS(Bipolar C- und D-MOS)-Technologie realisiert und ist insbesondere in der Automobilelektronik, beispielsweise im Zusammenhang mit Airbag-Anwendungen, zur Anwendung vorge sehen. Bei der in Rede stehenden Treiberschaltung mit in Rei he geschalteten MOS-Highside- und MOS-Lowside-Schaltern zum Treiben einer Last sind üblicherweise zur Ansteuerung des je weiligen MOS-Transistors, der beispielsweise in DMOS-Technik realisiert ist, Schaltkreise vorgesehen, die mit speziellen Sicherheitsmaßnahmen ausgestattet sind, insbesondere mit ei ner Temperaturbegrenzung und mit einer Strombegrenzung. Wäh rend jeder Ansteuerschaltkreis für den jeweiligen Lei stungstransistor mit einer eigenen Temperaturbegrenzung aus gestattet ist, ist üblicherweise nur einer dieser Ansteuer schaltkreise mit einer Strombegrenzung ausgestattet.

Von den MOS-Transistoren wird häufig gefordert, daß sie einen Einschaltwiderstand R_ON in der Größenordnung von etwa 1,5 Ohm aufweisen. Außerdem ist, insbesondere im Zusammenhang mit Airbaganwendungen in der Automobilelektronik erforderlich, daß eine Einschaltzeit der MOS-Transistoren im Strombegren zungsbetrieb - die Strombegrenzung wird typischerweise bei der Strombelastung von ungefähr 2 A aktiviert - von größer als 2 Millisekunden sichergestellt ist, ohne daß die Tempera turbegrenzung aktiviert wird, da innerhalb dieses Zeitraums ein thermisch bedingtes Strom-"Toggeln" der Treiberstufe ein gezieltes Beschalten der Last verhindern würde. Im Fall der Airbaganwendung in der Automobilelektronik würde die Nichter füllung dieser Forderung bedeuten, daß die Explosion der Zündpille für den Airbag und damit dessen gezieltes Auslösen verhindert werden würde. Bei der Anwendung in der Automobile lektronik besteht außerdem die Gefahr, daß bei einem Zusam menstoß die Autobatterie vom Bordnetz abgetrennt wird (Load Dump), wodurch ein Spannungsimpuls von 40 V im Bordnetz ver ursacht wird, der zur Überlastung von zumindest einem MOS- Schalter der in Rede stehenden Treiberschaltung führen kann.

Ein wesentlicher Aspekt bei der SPT-Technik ist, den Chip entsprechend klein zu halten, wobei der flächenbestimmende Faktor in erster Linie die zu bewältigende Verlustleistung der MOS-Transistoren ist. Dies ist besonders kritisch bei der Verwendung von DMOS-Transistoren, die an sich schon eine re lativ große Chipfläche einnehmen.

Aus der EP 0 717 497 A2 ist eine Schaltungsanordnung mit zwei in Reihe verschaltenen MOSFETs bekannt, wobei einem der bei den MOSFETs eine Überstrombegrenzung zugeordnet ist. Die bei den MOSFETs sind drainseitig miteinander verbunden. Die Schaltungsanordnung beinhaltet weiterhin eine Übertemperatur überwachung, eine Überspannungsüberwachung sowie eine An steuerung für beide MOSFETs. Ferner ist eine Diode zwischen einem Batterieanschluß und dem Verbindungspunkt zwischen der Ansteuerung und dem Gateanschluß eines MOSFETs vorgesehen, die bei einer Verpolung der Batterieanschlüsse die Ansteue rung vor Zerstörung schützt.

In der EP 0 475 704 A1 ist eine H-Brückenschaltung mit je weils zwei seriell miteinander verschalteten High-Side- und Low-Side-Halbleiterschaltern beschrieben, wobei jeweils dem Low-Side-Halbleiterschalter eine Strombegrenzungsschaltung zugeordnet ist. Die Schaltungsanordnung weist ein Kommutie rungsnetzwerk auf, das den Laststrom im Low-Side- Halbleiterschalter detektiert und abhängig von der Stroman stiegsgeschwindigkeit die Strombegrenzung aktiviert.

Aus der DE 196 00 807 A1 ist ferner ein Leistungs-Modul mit zwei seriell miteinander verschalteten Halbleiterschaltern bekannt, das einen Überspannungs-, Überstrom- und thermischen Schutz beinhaltet.

Angesichts dieses Standes der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Treiberschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der die Verlustleistung der MOS-Transistoren reduziert ist, ohne die Funktionsfähigkeit der Treiberschaltung zu beein trächtigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Treiberschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Mit anderen Worten schafft die Erfindung demnach eine Trei berschaltung mit symmetrierter Verteilung der Verlustleistung auf sowohl den Transistor des MOS-Highside-Schalters wie den Transistor des MOS-Lowside-Schalters. Die erfindungsgemäße Verlustleistungssymmetrierung wird durch eine überraschend einfache Maßnahme erzielt, nämlich durch Bereit stellen einer Zenerdiode für das Gate desjenigen MOS-Transi stors der Treiberschaltung, der nicht mit dem Strombegren zungsschaltkreis versehen ist. Grundsätzlich kann es sich bei diesem mit Zenerdiode erfindungsgemäß ausgerüsteten MOS-Tran sistor sowohl um den Lowside-Transistor als auch den Highsi de-Transistor handeln.

Die optimale Zenerspannung für die in Rede stehende Zener diode kann rechnerisch aus Parametern der Treiberschaltung ermittelt werden, wie im Anspruch 3 angegeben und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung im einzelnen abgeleitet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel haft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer firmenintern bekannten Treiber schaltung, und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der erfin dungsgemäß ausgebildeten Treiberschaltung.

Zunächst wird anhand von Fig. 1 eine firmenintern bekannte Treiber schaltung anhand einer Ausführungsform näher erläutert.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfaßt die Treiberschaltung einen allgemein mit M₁ bezeichneten DMOS-Highside-Schalter und ei nen in Reihe zu diesem geschalteten und allgemein mit M₂ be zeichneten DMOS-Lowside-Schalter. Der DMOS-Highside-Schalter M₁ besteht aus einem DMOS-Transistor bzw. -Leistungstran sistor 1, dessen Source an eine Versorgungsspannung U_DD2 ange schlossen ist, dessen Gate mit einem Ansteuerschaltkreis 2 verbunden ist, und dessen Drain mit einem Anschluß eines Lastwiderstands 3 verbunden ist, der im dargestellten Bei spiel die Zündpille eines Airbags darstellt.

In ähnlicher Weise besteht der DMOS-Lowside-Schalter M₂ aus einem DMOS-Transistor bzw. -Leistungstransistor 4, dessen Source mit dem anderen Anschluß des Widerstands 3 verbunden ist, dessen Gate mit einem Ansteuerschaltkreis 5 verbunden ist, und dessen Drain mit einem Meßwiderstand 6 verbunden ist, dessen anderer Anschluß auf Masse liegt.

Die Ansteuerschaltkreise 2 und 5 sind an eine Versorgungs spannung U_DD1 größer U_DD2 + 6 V angeschlossen. Außerdem ist je der der Ansteuerschaltkreise 2 und 5 mit einem Übertempera turschaltkreisteil bzw. einem Temperaturbegrenzungsschalt kreis versehen, während lediglich der Ansteuerschaltkreis 5 des DMOS-Lowside-Schalters M₂ auch ein Strombegrenzungsmerk mal bzw. einen Strombegrenzungsschaltkreis umfaßt, dessen Stellsignal vom Strom durch Meßwiderstand 6 abgeleitet ist. Im einzelnen wird hierfür eine Zuleitung vom Verbindungspunkt zwischen Leistungstransistor 4 und Meßwiderstand 6 zum An steuerschaltkreis 5 geführt.

Der DMOS-Highside-Schalter M₁ wird im Widerstandsbereich be trieben, weshalb die am DMOS-Transistor 1 auftretende Ver lustleistung P_V sich wie folgt zu 6 W berechnet, wenn ein Drain-Strom von I_D von einem Ampere und ein Einschaltwider stand R_ON von 1,5 Ohm zugrundegelegt wird:

P_V(M₁) = I_D ². R_ON(M₁) = 2² 1.5 = 6 W. (1)

Wie vorstehend erläutert, begrenzt der DMOS-Lowside-Schalter den durch die Treiberschaltung fließenden Strom, weshalb sei ne Drain-Source-Spannung sich wie folgt berechnet, wenn eine Spannung U_DD2 von 40 V, ein Drain-Strom I_D von 2 A, ein Last widerstand 3 R_L von von 2 Ohm, ein Einschaltwiderstand R_ON von 1,5 Ohm vorausgesetzt werden:

U_DS(M₂) = U_DD2- I_D. (R_L + R_ON(M₁)) = 40 - 2 . (2 + 1.5) = 33 V (2)

Die Verlustleistung des DMOS-Transistors 4 beträgt demnach:

P_V(M₂) = I_D . U_DS(M₂) = 2 . 33 = 66 W. (3)

Die Verlustleistung am Lastwiderstand 3 beträgt typischer weise 4 W, während diejenige des Meßwiderstands 6 vernachläs sigbar ist. Im übrigen sind in Fig. 1 die Spannungspotentiale zwischen mit X bezeichneten Meßpunkten der Schaltung einge tragen.

Die Verlustleistung von 66 W muß vom DMOS-Transistor 4 für zumindest 2 ms verkraftet werden können, ohne daß die Tempe raturbegrenzung in der Ansteuerschaltung 5 dieses Transistors anspricht, wie einleitend im einzelnen für den Fall der An steuerung eines Airbags erläutert. Diese Anforderung ist an gesichts der weiteren Forderung eines niederohmigen R_ON (= 2 OHM) nicht bzw. nur schwierig realisierbar. Um im Chip die auftretende Verlustleistung des DMOS-Transistors 4 des Lowside-Schalters pro Flächeneinheit zu begrenzen, ist es deshalb erforderlich, die Zellenanzahl des Chips für diesen DMOS-Transistor zu vergrößern, wodurch ein Flächennachteil für den Chip in Kauf genommen wird.

Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Ausgestal tung der in Fig. 2 beispielhaft gezeigten Treiberschaltung überwunden. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung entspricht im wesentlichen derjenigen von Fig. 1, weshalb für dieselben Be standteile der Schaltung dieselben Bezugsziffern und zur Be zeichnung gleicher Strom- und Spannungspotentiale dieselben Symbole verwendet sind.

Insbesondere unterscheidet sich die Schaltung von Fig. 2 von derjenigen von Fig. 1 durch eine Zenerdiode 7, die mit dem Gate des DMOS-Transistors 1 verbunden und mit ihrer Anode auf Masse gelegt ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Treiberschaltung entspricht funktions mäßig der Treiberschaltung von Fig. 1 für den Fall, daß die Spannung U_DD1 für den Ansteuerschaltkreis zwei des DMOS-High side-Transistors 1 unter der Durchbruchspannung bzw. Zener spannung der Zenerdiode 7 liegt. Wird diese Spannung U_DD1 hö her gewählt oder steigt sie im Fall eines "Load Dump" deut lich über die Zenerspannung hinaus an, wird das Gate des DMOS-Transistors 1 auf die Zenerspannung geklemmt. Der DMOS- Transistor 1 geht damit in seinen Sättigungsbereich über und arbeitet als Source-Folger. Die Source des DMOS-Transistors 1 erfährt damit eine Klemmung auf U_s wie folgt.

wobei U_Z die Zenerspannung ist, U_GSdie Gate-Source-Spannung des DMOS-Transistors 1 ist, U_Tn die Schwellenspannung des DMOS-Transistors 1 ist, I_D der Drain-Strom dieses Transistors ist und β_n der Verstärkungsfaktor dieses Transistors ist.

Je nach Wahl der Zenerspannung der Zenerdiode 7 kann damit abhängig vom Strombegrenzungswert I_D, von der Schwellenspan nung U_Tn des DMOS-Transistors 1 und von dessen Verstärkungs faktor β_n eine gleichmäßige Verlustleistungsaufteilung auf beide DMOS-Transistoren 1 und 4 erzielt werden.

Die Verlustleistung der beiden DMOS-Transistoren 1 und 4 be trägt demnach P_V(M₁) = P_V(M₂); d. h.

U_DS (M₁) = U_DS(M₂) (U_DD2 - I_D. R_L)/2 (5)

woraus zusammen mit der Gleichung (4) die optimale Zenerspan nung der Zenerdiode 7 für den Fall einer symmetrischen Ver lustleistung wie folgt berechnet werden kann:

Aufgrund der erfindungsgemäß mittels der Zenerdiode 7 erziel baren symmetrischen Verlustaufteilung auf beide DMOS-Transi storen der Treiberschaltung (jeweils 36 W) wird gewährlei stet, daß der DMOS-Transistor 4 des Lowside-Schalters im Ver gleich zu der Schaltung von Fig. 1 deutlich entlastet wird, und zwar zugunsten einer zusätzlichen Belastung des DMOS- Transistors 1 des Highside-Schalters, jedoch mit einem Aus maß, das für diesen Transistor verträglich ist.

Auch in Fig. 2 sind die Spannungspotentiale zwischen mit X bezeichneten Meßpunkten der Schaltung eingetragen.

Die Erfindung ist nicht auf die in Fig. 2 gezeigte Schaltung beschränkt. Vielmehr kann die Zenerdiode 7 auch an das Gate des Lowside-Schalter-Transistors geschaltet sein. In diesem Fall erfolgt zweckmäßigerweise die Strombegrenzung durch den Ansteuerschaltkreis 2 für den Highside-Transistor 1.

Bezugszeichenliste

1

DMOS-Transistor

2

Ansteuerschaltkreis

3

Lastwiderstand

4

DMOS-Transistor

5

Ansteuerschaltkreis

6

Meßwiderstand

7

Zenerdiode

Claims

1. Treiberschaltung mit in Reihe geschalteten MOS-Highside- und MOS-Lowside-Schaltern (M₁, M₁) mit MOS-Transistoren (1, 4) zum Treiben einer Last (3), einem Temperaturbegrenzungs schaltkreis und einem Strombegrenzungsschaltkreis, der einem (1) der beiden MOS-Transistoren (1, 4) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des MOS-Transistors (1)) ohne Strombegrenzungsschaltkreis über eine Zenerdiode (7) auf Masse gelegt ist, deren Zenerspannung (U_Z) der maximalen Ansteuerspannung für diesen MOS-Transistor (1) entspricht.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombe grenzungschaltkreis dem MOS-Lowside-Transistor (4) und die Zenerdiode (7) dem MOS-Highside-Transistor (1) zugeordnet ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener spannung (U_Z) der Zenerdiode (7) mindestens annähernd wie folgt festgelegt ist:
wobei U_DD2 die Ansteuerspannung der MOS-Transistors (1) ist, welchem die Zenerdiode (7) zugeordnet ist, wobei I_D der Drain-Strom dieses MOS-Transistors (1) ist, wobei R_L der Wi derstand der zu treibenden Last (3) ist, wobei U_Tn die Schwellenspannung dieses MOS-Transistors (1) ist, und wobei β_n der Verstärkungsfaktor dieses MOS-Transistors (1) ist.

4. Treiberschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS- Transistoren (1, 4) DMOS-Transistoren sind.