DE19812920A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes durch eine Last - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes durch eine LastInfo
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Abstract
Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stromflusses (I¶L¶) durch eine Last (R¶L¶) bei Erfassung des Stromflusses (I¶L¶) nach dem Strom-Sense-Prinzip. Die Schaltungsanordnung besitzt ein erstes Transistorpaar (P1) aus einem ersten Last- und Hilfstransistor (T11, T21), die einen gemeinsamen Steueranschluß (G1) und jeweils einen ersten Laststreckenanschluß (S) aufweisen, wobei die Last (R¶L¶) an den ersten Laststreckenanschluß (S) des ersten Lasttransistors (T11) angeschlossen ist. Eine Meßanordnung (MA) ist über eine erste Eingangsklemme (EK1) an den ersten Laststreckenanschluß (S) des ersten Lasttransistors (T11) und über eine zweite Eingangsklemme (EK2) an den ersten Laststreckenanschluß (S) des ersten Hilfstransistors (T21) angeschlossen und weist eine Ausgangsklemme (AK) auf, an der ein Stromflußsignal (U¶A¶) abgreifbar ist. Dem ersten Lasttransistor (T11) ist wenigstens ein weiterer Lasttransistor (T12, T1n) parallel geschaltet, der über einen weiteren Steueranschluß (G2, Gn) abhängig von dem durch die Last fließenden Strom (I¶L¶) ansteuerbar ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung und Erfassung des Laststromes durch eine Last
mit
- - einem ersten Transistorpaar aus einem ersten Lasttransistor und einem ersten Hilfstransistor, die einen gemeinsamen ersten Steueranschluß und jeweils eine Laststrecke und ei nen ersten Laststreckenanschluß aufweisen, wobei die Last in Reihe zur Laststrecke des ersten Lasttransistors ange schlossen ist und diese Reihenschaltung zwischen Klemmen für Versorgungspotential und Bezugspotential geschaltet ist;
- - einer Strommeßanordnung mit einer an den ersten Laststrec kenanschluß des ersten Lasttransistors angeschlossenen er sten Eingangsklemme, einer an den ersten Laststreckenan schluß des ersten Hilfstransistors angeschlossenen zweiten Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme, an der ein von dem Laststrom abhängiges Signal abgreifbar ist;
- - einer an den ersten Steueranschluß angeschlossenen Ansteu ereinheit.
Die Messung des Laststromes durch die Last erfolgt bei derar
tigen Schaltungsanordnungen nach dem sogenannten "Strom-
Sense-Prinzip". Hierbei wird der über den ersten Lasttransi
stor in die Last fließende, unter Umständen sehr große Last
strom indirekt über einen durch den ersten Hilfstransistor
fließenden Meßstrom bestimmt, wobei das Verhältnis von Last
strom zu Meßstrom dem Transistorflächenverhältnis von erstem
Lasttransistor zu erstem Hilfstransistor entspricht, wenn der
erste Lasttransistor und der erste Hilfstransistor im selben
Arbeitspunkt betrieben werden. Zur Einstellung des gemeinsa
men Arbeitspunktes besitzen der erste Lasttransistor und der
erste Hilfstransistor einen gemeinsamen ersten Steueranschluß
und sie sind an ein identisches Versorgungspotential ange
schlossen. Eine Regelanordnung, die Teil der Meßanordnung
ist, bewirkt ferner, daß sich das Potential an dem ersten
Laststreckenanschluß des ersten Hilfstransistors auf den Wert
des Potentials des ersten Laststreckenanschlusses des ersten
Lasttransistors einstellt. Zwischen dem gemeinsamen Steueran
schluß und den ersten Laststreckenanschlüssen der beiden
Transistoren liegt damit jeweils die gleiche Spannung an.
Ebenso entspricht die Spannung über der Laststrecke des er
sten Lasttransistors der Spannung über der Laststrecke des
ersten Hilfstransistors; die beiden Transistoren werden im
selben Arbeitspunkt betrieben.
Die Regelanordnung zur Einstellung desselben Potentials an
den ersten Laststreckenanschlüssen besteht üblicherweise aus
einem Komparator, der eingangsseitig über die Eingangsklemmen
der Meßanordnung an die Laststreckenanschlüsse der beiden
Transistoren angeschlossen ist. Ausgangsseitig steuert der
Komparator einen Regeltransistor an, dessen Laststrecke in
Reihe zur Laststrecke des ersten Hilfstransistors geschaltet
ist. Weichen die Potentiale der ersten Laststreckenanschlüsse
des ersten Lasttransistors und des ersten Hilfstransistors
voneinander ab, wird der Widerstand der Laststrecke des Re
geltransistors, bzw. der über die Laststrecke des Regeltran
sistors fließende Strom, über den am Steuereingang des Regel
transistors angeschlossenen Komparator so lange nachgeregelt,
bis idealerweise keine Spannungsdifferenz zwischen den Poten
tialen der ersten Laststreckenanschlüsse besteht und sich der
erste Lasttransistor und der erste Hilfstransistor im selben
Arbeitspunkt befinden.
Nachteiligerweise besitzen Komparatoren, insbesondere Kompa
ratoren, die in integrierter CMOS-Technologie hergestellt
sind, einen unvermeidlichen Spannungs-Offset, der im vorlie
genden Fall bewirkt, daß eine Nachregelung des Regeltransi
stors schon dann nicht mehr stattfindet, wenn eine dem Span
nungs-Offset entsprechende Spannungsdifferenz zwischen den
Potentialen der ersten Laststreckenanschlüsse des ersten
Lasttransistors und des ersten Hilfstransistors besteht. Die
Spannung über der Laststrecke des ersten Hilfstransistors
weicht damit immer um den Betrag des Spannungs-Offset von der
Spannung über der Laststrecke des ersten Lasttransistors ab,
d. h. erster Lasttransistor und erster Hilfstransistor sind
nicht exakt im selben Arbeitspunkt.
Bei großen Lastströmen und einem dadurch entsprechend großen
Spannungsabfall über der Laststrecke des ersten Lasttransi
stors fällt diese Abweichung der Laststreckenspannung des er
sten Hilfstransistors um den Wert des Spannungs-Offset, der
üblicherweise im Bereich von einigen Millivolt liegt, kaum
ins Gewicht. Fließen allerdings sehr kleine Lastströme, die
über der Laststrecke des ersten Lasttransistors einen sehr
kleinen Spannungsabfall hervorrufen, der im Extremfall im Be
reich des Spannungs-Offset liegt, so wirkt sich dieser Span
nungs-Offset erheblich auf die Arbeitspunkteinstellung des
ersten Hilfstransistors aus. Die Arbeitspunkte der beiden
Transistoren weichen erheblich voneinander ab, der Meßstrom
ist nicht mehr proportional zum Laststrom; das Meßergebnis
ist verfälscht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schal
tungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes
einer Last zur Verfügung zu stellen, die auch bei kleinen
Lastströmen bzw. bei kleinen Spannungsabfällen über der Last
strecke des ersten Lasttransistors ein exaktes, zu dem Last
strom proportionales Meßsignal liefert.
Dieses Ziel wird bei der eingangs genannten Schaltungsanord
nung dadurch erreicht, daß wenigstens ein parallel zu dem er
sten Lasttransistor geschalteter zweiter Lasttransistor vor
gesehen ist, der über einen zweiten Steueranschluß durch die
Ansteuereinheit abhängig von dem Laststrom oder abhängig von
einer über der Laststrecke der Lasttransistoren anfallenden
Laststreckenspannung ansteuerbar ist.
Der zweite Lasttransistor, der mit einem ersten Laststrecken
anschluß ebenfalls an die Last und über einen zweiten Last
streckenanschluß an Versorgungspotential angeschlossen ist,
ist über den Steueranschluß unabhängig von dem ersten Last
transistor ansteuerbar. Bei großen Lastströmen werden sowohl
der erste Lasttransistor als auch der wenigstens eine zweite
Lasttransistor angesteuert; der Laststrom ergibt sich aus der
Summe der über die Laststrecken des ersten und des wenigstens
einen zweiten Lasttransistors fließenden Stromes, wobei die
Lasttransistoren vorzugsweise identisch sind, so daß sich der
Laststrom gleichmäßig auf die Lasttransistoren verteilt. So
wohl der erste als auch der wenigstens eine zweite Lasttran
sistor und der erste Hilfstransistor werden im selben Ar
beitspunkt betrieben; der durch den ersten Hilfstransistor
fließende Meßstrom ist entsprechend dem Flächenverhältnis von
erstem Hilfstransistor zu den Lasttransistoren proportional
zu dem über die Laststrecke eines der Lasttransistoren flie
ßenden Stromes. Bei der Auswertung des Meßstromes ist neben
diesem Flächenverhältnis die Anzahl der angesteuerten Last
transistoren zu berücksichtigen, um den Laststrom zu ermit
teln, der sich aus der Summe der über die Laststrecken der
Lasttransistoren fließenden Ströme ergibt.
Eine Reduzierung des Laststromes bewirkt eine Reduktion der
über die Laststrecken der Lasttransistoren fließenden Ströme
und damit eine Reduktion des Spannungsabfalles über den Last
strecken dieser Transistoren. Die vorliegende Erfindung er
möglicht, den wenigstens einen zweiten Lasttransistor bei
kleiner werdendem Laststrom bzw. bei kleiner werdender Last
streckenspannung der Lasttransistoren abzuschalten, wodurch
der verbleibende Lasttransistor - oder gegebenenfalls die
verbleibenden Lasttransistoren - den Strom des abgeschalteten
Lasttransistors übernehmen. Hierdurch erhöht sich die Last
streckenspannung der verbleibenden Lasttransistoren. Auf die
se Weise wird bewirkt, daß die Spannung über der Laststrecke
des ersten Lasttransistors nicht auf einen Spannungswert ab
sinkt, der im Bereich des Spannungs-Offset liegt. Die oben
beschriebenen Nachteile, wonach bei kleinen Laststreckenspan
nungen das Meßergebnis verfälschende Arbeitspunktabweichungen
des ersten Lasttransistors und des ersten Hilfstransistors
auftreten, bestehen bei der erfindungsgemäßen Schaltungsan
ordnung nicht.
Die durch Abschalten eines oder mehrerer Lasttransistoren be
wirkte Spannungserhöhung über der Laststrecke des oder der
verbleibenden Lasttransistoren bewirkt zwar eine Reduktion
des Spannungsabfalls über der Last und damit eine Reduktion
des Laststromes, diese Änderung ist allerdings angesichts üb
licher Versorgungspotentiale von 15 V und einer über der
Laststrecke der Lasttransistoren abfallenden Spannung, die im
Bereich von einigen Millivolt bis ca. ein Volt liegt, ver
nachlässigbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor zu dem ersten
Hilfstransistor wenigstens einen zweiten Hilfstransistor par
allel zu schalten, der über den zweiten Steueranschluß an
steuerbar ist. Der wenigstens eine zweite Lasttransistor und
der wenigstens eine zweite Hilfstransistor bilden entspre
chend dem ersten Transistorpaar ein zweites Transistorpaar.
Bei Vorsehen weiterer Lufttransistoren werden durch Vorsehen
weiterer Hilfstransistoren weitere Transistorpaare gebildet,
wobei vorzugsweise jeder Lasttransistor durch einen
Hilfstransistor zu einem Transistorpaar ergänzt ist. Der
zweite Hilfstransistor, der mit einem ersten Laststreckenan
schluß ebenfalls an die zweite Eingangsklemme der Meßanord
nung angeschlossen ist, bildet den durch den zweiten Last
transistor fließenden Laststreckenstrom auf den Meßstrom ab.
Vorzugsweise sind die Lasttransistoren untereinander iden
tisch und die Hilfstransistor untereinander identisch, so daß
sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Meßstrom
stets als gleicher Bruchteil des Laststromes gibt, wobei das
Verhältnis von Laststrom zu Meßstrom dem Flächenverhältnis
zwischen Last- und Hilfstransistoren entspricht. Bei der Aus
wertung des Meßstromes ist bei dieser Ausführungsform somit
die Anzahl der zum Anschalten der Last angesteuerten Last
transistoren nicht gesondert zu berücksichtigen.
Zur Ansteuerung der Last- und Hilfstransistoren ist eine An
steuereinheit vorgesehen, die über Ausgangsklemmen an die
Steueranschlüsse der Last- bzw. der Last- und Hilfstransisto
ren angeschlossen ist, wobei eine Ansteuerung der einzelnen
Steueranschlüsse abhängig von dem durch die Last fließenden
Strom oder abhängig von der über der Laststrecke der Last
transistoren anfallenden Spannung erfolgt. Zur Ermittlung des
durch die Last fließenden Stromes ist die Ansteuereinheit
hierzu vorzugsweise mit einer Eingangsklemme an die Ausgangs
klemme der Meßanordnung oder zur Ermittlung der Laststrecken
spannung an den der Last und den ersten Laststreckenanschlüs
sen der Lasttransistoren gemeinsamen Knoten angeschlossen.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Ansteu
ereinheit eine Anordnung aus Schaltern aufweist, wobei je
weils ein Schalter über eine Ausgangsklemme an einen Steuer
anschluß angeschlossen ist, um den Steueranschluß mit einem
oberen oder einem unteren Ansteuerpotential zu verbinden. Das
obere Ansteuerpotential ist hierbei so gewählt, daß die Last
transistoren stets leiten, wenn der Steueranschluß mit dem
oberen Ansteuerpotential verbunden ist. Das obere Ansteuerpo
tential ist daher vorzugsweise größer als das Versorgungspo
tential gewählt. Liegen die Steueranschlüsse auf dem unteren
Ansteuerpotential, so leiten die Lasttransistoren nicht. Das
untere Ansteuerpotential entspricht vorzugsweise Bezugspoten
tial oder dem Potential der ersten Laststreckenanschlüsse der
Lasttransistoren. Zur Ansteuerung der Schalter ist eine An
steuerschaltung vorgesehen, die abhängig von dem durch die
Last fließenden Strom oder abhängig von der Laststreckenspan
nung der Lasttransistoren die Ansteuerung der Schalter be
wirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen an
hand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung;
Fig. 3 abgewandelte Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben,
gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Die Erfindung wird im nachfolgenden unter Verwendung von n-
Kanal-FET für die Last- und Hilfstransistoren beschrieben,
wobei der erste Laststreckenanschluß dem Source-Anschluß, der
zweiten Laststreckenanschluß dem Drain-Anschluß und der Steu
eranschluß dem Gate-Anschluß der Transistoren entspricht.
Fig. 1 zeigt eine Schaltskizze der erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Schal
tungsanordnung besitzt ein erstes Transistorpaar P1 bestehend
aus einem ersten Lasttransistor T11 und einem ersten
Hilfstransistor T21, die drainseitig an ein Versorgungspoten
tial V+ angeschlossen sind und deren Gate-Anschlüsse G zur
Bildung eines gemeinsamen ersten Steueranschlusses G1 mitein
ander verbunden sind. Zwischen dem Source-Anschluß S des
Lasttransistors T11 und einem Bezugspotential M ist eine va
riable Last RL anschließbar, die in dem dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel als ohmscher Widerstand dargestellt ist.
Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Meßanordnung MA auf
mit einer ersten Eingangsklemme EK1, die an den Source-
Anschluß S des ersten Lasttransistor T11 angeschlossen ist,
mit einer zweiten Eingangsklemme EK2, die an den Source-
Anschluß S des ersten Hilfstransistors T21 angeschlossen ist,
und mit einer Ausgangsklemme AK, an der ein Signal UA ab
greifbar ist, welches proportional zu einem durch die Last RL
fließenden Laststrom IL ist.
Parallel zu dem ersten Lasttransistor T11 sind zwei weitere
Lasttransistoren T12, T1n geschaltet, die drainseitig eben
falls an Versorgungspotential V+ und sourceseitig an die Last
RL und die erste Eingangsklemme EK1 der Meßanordnung MA ge
schaltet sind. Die weiteren Lasttransistoren T12, T1n sind
über weitere Steueranschlüsse G2, Gn ansteuerbar, die jeweils
mit den Gate-Anschlüssen G der weiteren Lasttransistoren T12,
T1n verbunden sind.
Aufgabe der dargestellten Schaltungsanordnung ist es zum ei
nen, die Last RL über die als Schalter wirkenden Lasttransi
storen T11, T12, T1n an Versorgungspotential V+ zu schalten
und zum anderen den durch die Last RL fließenden Laststrom IL
zu messen. Zur Ansteuerung der vorzugsweise als Leistungs-FET
ausgebildeten Lasttransistoren T11, T12, T1n ist eine Ansteu
ereinheit AE vorgesehen, die über Ausgangsklemmen A1, A2, An
an die Steueranschlüsse G1, G2, Gn der Lasttransistoren T11,
T12, T1n angeschlossen ist. Je nach Bedarf besteht die Mög
lichkeit, wie in Fig. 1 durch Punkte dargestellt ist, weitere
Lasttransistoren parallel zu dem ersten Lasttransistor T11 zu
schalten und über weitere Ausgänge der Ansteuereinheit AE an
zusteuern. Zur Ansteuerung der Lasttransistoren T11, T12,
T1n, werden die Steueranschlüsse G1, G2, Gn getrennt vonein
ander auf ein oberes oder ein unteres Ansteuerpotential ge
legt, wobei das obere Ansteuerpotential so gewählt ist, daß
die Lasttransistoren T11, T12, T1n leiten, wenn das obere An
steuerpotential an den jeweiligen Steueranschlüssen G1, G2,
Gn anliegt, und auch leitend gehalten werden, so lange ein
Laststrom IL durch die Last RL fließt. Das obere Ansteuerpo
tential ist daher vorzugsweise größer als das Versorgungspo
tential V+ gewählt. Das untere Ansteuerpotential ist so ge
wählt, daß die Lasttransistoren T11, T12, T1n nicht leiten,
wenn das untere Ansteuerpotential an den Steueranschlüssen
G1, G2, Gn anliegt.
Zum Anschalten der Last RL an Versorgungspotential V+ wird
ist wenigstens einer der Lasttransistoren T11, T12, T1n durch
die Ansteuereinheit AE angesteuert. Diese erhält hierzu bei
spielsweise ein Startsignal über einen Steuereingang EN. Um
eine Messung des Laststromes IL zu ermöglichen, ist für das
vorliegende Ausführungsbeispiel zum Anschalten der Last RL an
Versorgungspotential V+ wenigstens der Lasttransistor T11 an
zusteuern. Wie viele der weiteren Lasttransistoren T12, T1n
zum Anschalten erforderlich sind, ist von dem durch die Last
RL fließenden Laststrom IL und der Dimensionierung der ersten
Transistoren T11, T12, T1n abhängig, die zerstörungsfrei nur
bis zu einem maximalen Laststreckenstrom betrieben werden
können. Die ersten Transistoren T11, T12, T1n sind vorzugs
weise identisch dimensioniert, so daß sich der Laststrom IL
gleichmäßig auf die angesteuerten ersten Transistoren T11,
T12, T1n verteilt. Zur Ermittlung des fließenden Laststromes
IL und damit zur Bestimmung der Anzahl der anzusteuernden er
sten Transistoren T11, T12, T1n ist die Ansteuereinheit AE
mit einer Eingangsklemme EK an die Ausgangsklemme AK der Meß
anordnung MA angeschlossen, an der ein zu dem fließenden
Laststrom IL proportionales Meßsignal UA anliegt.
Die Messung des Laststromes IL erfolgt über den ersten
Hilfstransistor T21 und die Meßanordnung MA. Die Meßanordnung
MA besitzt einen Komparator K, der eingangsseitig über die
erste Eingangsklemme EK1 an die Last RL bzw. den Source-
Anschluß S des ersten Lasttransistors T11 und über die zweite
Eingangsklemme EK2 an den Source-Anschluß des ersten
Hilfstransistors T21 angeschlossen ist. Dem Komparator K ist
ausgangsseitig ein Regeltransistor T3 nachgeschaltet, dessen
Laststrecke D-S in Reihe zur Laststrecke D-S des zweiten
Transistors T21 geschaltet ist. Der Laststrecke D-S des Re
geltransistors T3 ist ein Stromfühlwiderstand RS nachgeschal
tet, der mit einer Klemme an Bezugspotential M liegt.
Das Prinzip der Strommessung mit dem dargestellten zweiten
Transistor T21 und der Meßanordnung MA erfolgt nach dem soge
nannten "Strom-Sense-Prinzip" und beruht darauf, den ersten
Lasttransistor T11 und den ersten Hilfstransistor T21 im sel
ben Arbeitspunkt zu betreiben, so daß der Sourcestrom IS21 des
ersten Hilfstransistors T21 proportional zu dem Sourcestrom
IS11 des ersten Lasttransistor T11 ist, wobei der Sourcestrom
IS21 des zweiten Hilfstransistors T21 als Meßstrom in dem
Stromfühlwiderstand RS eine als Meßsignal UA abgreifbare
Spannung hervorruft. Das Verhältnis der Sourceströme IS21 zu
IS11 entspricht dem Verhältnis der Transistorfläche des
Hilfstransistors T21 zur Transistorfläche des Lasttransistors
T11, wenn die beiden Transistoren T11, T21, im selben Ar
beitspunkt betrieben werden. Die Transistorfläche des als
Leistungs-FET ausgebildeten Lasttransistors T11 beträgt ein
Vielfaches, unter Umständen ein Vielfaches um einige Zehner
potenzen, der Transistorfläche des Hilfstransistors T21. Um
den Hilfstransistor T21 auf den selben Arbeitspunkt wie den
ersten Transistor T11 einzustellen, vergleicht der Komparator
K die Sourcepotentiale der Last- und Hilfstransistoren T11,
T21 und regelt über den Regeltransistor T3 den Sourcestrom
IS21 des Hilfstransistors T21 so lange nach, bis die Span
nungsdifferenz zwischen dem Sourcepotential des ersten Last
transistors T11 und dem Sourcepotential des ersten Hilfstran
sistors T21 nahezu 0 beträgt.
Die Regelung erfolgt derart, daß die, in den Figur gestrichelt
eingezeichnete Gate-Source-Kapazität des Regeltransistors T3
über den Ausgang des Komparators K je nach Vorzeichen der
zwischen den Komparatoreingangsklemmen anfallenden Spannung
geladen oder entladen wird, um die Leitfähigkeit des Last
strecke des Regeltransistors T3 bzw. dessen Laststreckenwi
derstand zu erhöhen oder zu erniedrigen. Der Komparator K be
sitzt einen unvermeidlichen Spannungs-Offset VOFF, der be
wirkt, daß schon dann kein Lade- oder Entladestrom mehr auf
die Gate-Source-Kapazität CGS fließt, wenn eine dem Spannungs-
Offset VOFF entsprechende Spannung zwischen dessen Eingangs
klemme anliegt. Hierdurch ist eine Abweichung der beiden
Sourcepotentiale um den Wert des Spannungs-Offsets VOFF des
Komparators K unvermeidlich. Dieser Spannungs-Offset VOFF
wirkt sich auf das Meßergebnis unbedeutend aus, so lange die
über der Laststrecke D-S des ersten Lasttransistors T11 an
fallende Spannung UDS11 wesentlich größer ist, als der Span
nungs-Offset VOFF, um den die Spannung über der Laststrecke D-
S des Hilfstransistors T21 von der Laststreckenspannung UDS11
des ersten Lasttransistors T11 abweicht. Der Last- und
Hilfstransistor T11, T21 können dann als im selben Ar
beitspunkt betrieben betrachtet werden.
Der Vorteil der dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsan
ordnung besteht darin, daß die Spannung über der Laststrecke
D-S des Lasttransistors T11 immer ausreichend über dem Wert
des Spannungs-Offset VOFF gehalten werden kann, so daß sich
dieser Spannungs-Offset VOFF nur unwesentlich auf das Meßer
gebnis auswirkt. Bei Fließen eines großen Laststromes IL wer
den neben dem ersten Lasttransistor T11 durch die Ansteuer
einheit AE weitere Lasttransistoren T12, T1n, angesteuert,
die den Laststrom IL gleichmäßig übernehmen. Sinkt nun der
Laststrom IL, so sinken damit die Source-Ströme IS11, IS12, IS1n
der Lasttransistoren T11, T12, T1n und damit sinkt die Span
nung über der Laststrecke D-S der angesteuerten Lasttransi
storen T11, T12, T1n, die im selben Arbeitspunkt betrieben
sind. Wird für das vorliegende Ausführungsbeispiel angenom
men, daß zunächst alle drei Lasttransistoren T11, T12, T1n
angesteuert sind und sinkt der Laststrom IL, so sinken auch
deren Source-Ströme IS11, IS12, IS1n und die Spannungen über de
ren Laststrecken D-S. Wird nun beispielsweise der Lasttransi
stor T1n abgeschaltet, so verteilt sich der Laststrom IL auf
die beiden verbleibenden Lasttransistoren T11, T12, wodurch
deren Source-Ströme IS11, IS12 und die Spannungen über deren
Laststrecken D-S ansteigen. Auf diese Weise kann gewährlei
stet werden, daß die Spannung über den Laststrecken D-S der
angesteuerten Lasttransistoren T11, T12 auch bei kleinen
Lastströmen ausreichend über dem Wert des Spannungs-Offset
VOFF liegt. Aus Sicherheitsgründen, um die Zerstörung einzel
ner Lasttransistoren T11, T12, T1n zu verhindern, werden 'zum
Anschalten der Laststrecke an Versorgungspotential V+ zu
nächst alle Lasttransistoren T11, T12, T1n angesteuert und
dann bei sehr kleinen Lastströmen IL oder kleinen Laststrec
kenspannungen UDS11 der Lasttransistoren T11, T12, T1n nach
einander einzelne Lasttransistoren T11, T12, T1n abgeschal
tet, bis gewährleistet ist, daß die Laststreckenspannung UDS11
der angesteuerten Lasttransistoren T11, T12, T1n ausreichend,
vorzugsweise um einige Faktoren, über dem Wert des Spannungs-
Offset VOFF liegt, so daß ein exaktes Meßergebnis gewährlei
stet ist.
Im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 mißt die Meßanordnung MA
indirekt über den Source-Strom IS21 des Hilfstransistors T21
nur den Source-Strom IS11 des ersten Lasttransistors T11, der
neben den anderen angesteuerten, identischen Lasttransistoren
T12, T1n einen gleichmäßigen Anteil am Laststrom IL liefert.
Zur Bestimmung des tatsächlich fließenden Laststromes IL aus
dem Meßsignal UA das proportional zum Source-Strom IS21 des
ersten Hilfstransistors T21 ist, ist daher neben dem Flächen
verhältnis des ersten Lasttransistors T11 zu dem ersten
Hilfstransistor T21 auch die Anzahl der weiteren angesteuer
ten Lasttransistoren T12, T1n zu berücksichtigen. Dies kann
beispielsweise in einer zusätzlichen, nicht näher dargestell
ten Schaltungsanordnung erfolgen, der zum einen das Meßsignal
UA und zum anderen ein Ausgangssignal der Ansteuereinheit AE
zugeführt ist, welches Aufschluß über die Anzahl der ange
steuerten Lasttransistoren T11, T12, T1n gibt.
Diesen Nachteil, des Erfordernisses der zusätzlichen Schal
tungsanordnung, weist die in Fig. 2 dargestellt Ausführungs
form der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht auf. Dem
zusätzlichen Lasttransistor T1n, wobei aus Gründen der Über
sichtlichkeit lediglich ein weiterer Lasttransistor darge
stellt ist, ist ein zweiter Hilfstransistor T2n zur Bildung
eines zweiten Transistorpaares Pn zugeordnet, wobei der zwei
te Hilfstransistor T2n drainseitig an Versorgungspotential
V+, sourceseitig an die zweiten Eingangsklemme EK2 der Meß
anordnung MA und mit seinem Gate-Anschluß G an den Gate-
Anschluß G des weiteren Lasttransistors T1n zur Bildung eines
gemeinsamen Steueranschlusses Gn angeschlossen ist. Wird der
weitere Lasttransistor T1n angesteuert, so liefert der zweite
Hilfstransistor T2n einen Source-Strom IS2n an die Meßanord
nung MA, der proportional zum Source-Strom IS1n des weiteren
Lasttransistor T1n ist. Das Verhältnis von IS1n zu IS2n ent
spricht dem Flächenverhältnis der beiden Transistoren T1n und
T2n, wobei dieses Flächenverhältnis vorzugsweise identisch zu
dem Flächenverhältnis der Transistoren der anderen Transi
storpaare P1 ist. Der Meßstrom IM ist dann direkt proportio
nal zu dem Laststrom IL, wobei der Proportionalitätsfaktor
dem Flächenverhältnis von Lasttransistoren T11, T1n zu
Hilfstransistoren T21, T2n entspricht. Idealerweise sind zu
sätzlich alle Lasttransistoren T11, T12 jeweils identisch und
alle Hilfstransistoren T21, T2n jeweils identisch ausgebil
det.
Fig. 2 zeigt weiterhin beispielhaft eine mögliche Ausfüh
rungsform der Ansteuereinheit AE, die eine Anzahl von Schal
tern S1, Sn aufweist, die an die Ausgänge A1, An der Ansteu
ereinheit AE angeschlossen sind. Die Steueranschlüsse G1, Gn
sind über diese Schalter an ein oberes Ansteuerpotential V++
oder an ein unteres Ansteuerpotential VS anlegbar. Die An
steuerung der Schalter S1, Sn erfolgt durch eine Ansteuer
schaltung ASS. Ob die Last RL über die Lasttransistoren T11,
T1n angeschaltet werden soll, erfolgt nach Maßgabe eines an
einem Steuereingang EN der Ansteuerschaltung ASS anliegenden
Signals. Soll keine Anschaltung der Last RL erfolgen, werden
die Steueranschlüsse G1, Gn über die Schalter S1, Sn auf das
untere Ansteuerpotential M gelegt. Soll eine Anschaltung der
Last RL erfolgen, wird wenigstens einer der Steueranschlüsse
G1, Gn auf oberes Ansteuerpotential V++ gelegt. Die Anzahl
der anzusteuernden Lasttransistoren T11, T1n erfolgt abhängig
von dem durch die Last fließenden Strom IL, wobei die Ansteu
erschaltung ASS zur Bewertung dieses durch die Last fließen
den Stromes IL an die Ausgangsklemme AK der Meßanordnung MA
angeschlossen ist. Das obere Ansteuerpotential V++ ist vor
zugsweise größer als das Versorgungspotential V+ und kann
beispielsweise durch eine feste Spannungsversorgung bereitge
stellt oder mittels einer Ladungspumpenschaltung aus dem Ver
sorgungspotential V+ generiert werden.
Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform in ab
gewandelter Form, wobei die Steueranschlüsse G1, Gn über die
Schalter S1, Sn an die Source-Anschlüsse S der ersten Transi
storen T11, T1n anschließbar sind, wodurch das untere Versor
gungspotential VS dem Source-Potential VS der ersten Transi
storen T11, T1n entspricht. Zudem erfolgt bei dem in Fig. 3
dargestellten Ausführungsbeispiel die Ansteuerung der Schal
ter S1, S2, Sn durch die Ansteuerschaltung ASS abhängig von
der über der Laststrecke der angesteuerten Lasttransistoren
T11, T1n anfallenden Spannung UDS11, wozu die Ansteuerschal
tung ASS an die ersten Laststreckenanschlüsse S der Lasttran
sistoren T11, T1n angeschlossen ist, und das Potential an den
ersten Laststreckenanschlüssen in der Ansteuerschaltung ASS
mit dem Versorgungspotential V+ verglichen wird.
Eine Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist in MOS-Technologie mit einfachen Mitteln möglich. Lei
stungs-FET, wie sie zur Anschaltung von Lasten verwendet wer
den, werden üblicherweise als Vertikaltransistoren reali
siert, wobei der Leistungstransistor aus einer Vielzahl ein
zelner Transistorzellen besteht, deren Gate-, Source- und
Drain-Anschlüsse zu dem Gate-, Source- und Drain-Anschluß des
Leistungstransistors zusammengeschaltet sind. Werden nun die
Gate-Anschlüsse jeweils einer Anzahl dieser Transistorzellen
zu unterschiedlichen Gate-Anschlüssen zusammengefaßt, so er
gibt sich die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Par
allelschaltung von Lasttransistoren mit gemeinsamem Drain- und
Source-Anschluß aber getrennten Gate-Anschlüssen.
A1, A2, An Ausgangsklemmen der Ansteuereinheit
AE Ansteuereinheit
AK Ausgangsklemme der Meßanordnung
AS1, ASn Ausgänge der Ansteuerschaltung
ASS Ansteuerschaltung
D Drain-Anschluß
EK Eingangsklemme der Ansteuereinheit
EK1, EK2 Eingangsklemmen der Meßanordnung
EN Steueranschluß der Ansteuereinheit
G Gate-Anschluß
G1, G2, Gn Steueranschlüsse
IL
AE Ansteuereinheit
AK Ausgangsklemme der Meßanordnung
AS1, ASn Ausgänge der Ansteuerschaltung
ASS Ansteuerschaltung
D Drain-Anschluß
EK Eingangsklemme der Ansteuereinheit
EK1, EK2 Eingangsklemmen der Meßanordnung
EN Steueranschluß der Ansteuereinheit
G Gate-Anschluß
G1, G2, Gn Steueranschlüsse
IL
Laststrom
IS11
IS11
, IS12
, IS1n
, IS21
, IS2n
Source-Ströme
K Komparator
M Bezugspotential
MA Meßanordnung
P1, Pn Transistorpaare
RL
K Komparator
M Bezugspotential
MA Meßanordnung
P1, Pn Transistorpaare
RL
Last
RS
RS
Stromfühlwiderstand
S Source-Anschluß
S1, Sn Schalter
T11, T12, T1n Lasttransistoren
T21, T2n Hilfstransistoren
T3 Regeltransistor
UA
S Source-Anschluß
S1, Sn Schalter
T11, T12, T1n Lasttransistoren
T21, T2n Hilfstransistoren
T3 Regeltransistor
UA
Stromflußsignal
UDS11
UDS11
Laststreckenspannung
V+ Versorgungspotential
V++ oberes Ansteuerpotential
VOFF
V+ Versorgungspotential
V++ oberes Ansteuerpotential
VOFF
Spannungs-Offset
VS
VS
Source-Potential der ersten Transistoren
Claims (10)
1. Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Last
stromes (IL) durch eine Last (RL) mit
- - einem ersten Transistorpaar (P1) aus einem ersten Lasttran sistor (T11) und einem ersten Hilfstransistor (T21), die einen gemeinsamen ersten Steueranschluß (G1) und jeweils eine Laststrecke (D-S) und einen ersten Laststreckenan schluß (S) aufweisen, wobei die Last (RL) in Reihe zur Laststrecke (D-S) des ersten Lasttransistors (T11) ange schlossen ist und diese Reihenschaltung zwischen Klemmen für Versorgungspotential (V+) und Bezugspotential (M) ge schaltet ist;
- - einer Strommeßanordnung (MA) mit einer an den ersten Last streckenanschluß (S) des ersten Lasttransistors (T11) ange schlossenen ersten Eingangsklemme (EK1), einer an den er sten Laststreckenanschluß (S) des ersten Hilfstransistors (T21) angeschlossenen zweiten Eingangsklemme (EK2) und ei ner Ausgangsklemme (AK), an der ein von dem Laststrom (IL) abhängiges Signal (UA) abgreifbar ist;
- - einer an den Steueranschluß (G1) angeschlossenen Ansteuer einheit (AE);
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein
parallel zu dem ersten Hilfstransistor (T21) geschalteter
zweiter Hilfstransistor (T2n) zur Bildung eines zweiten Tran
sistorpaares (Pn) vorgesehen ist, der über den zweiten Steu
eranschluß (Gn) ansteuerbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenver
hältnis der Lasttransistoren (T11, T1n) und Hilfstransistoren
(T1n, T2n) aller Transistorpaare (P2, Pn) gleich ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangs
klemme (EK) der Ansteuereinheit (AE) an die Ausgangsklemme
(AK) der Meßanordnung (MA) angeschlossen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklem
me (EK) der Ansteuereinheit (AE) an die ersten Laststrecken
anschlüsse (S) der Lasttransistoren (T11, T12, T1n) ange
schlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerein
heit (AE) zum Anschluß an die Steueranschlüsse (G1, G2, Gn)
Ausgangsklemmen (A1, A2, An) und mit den Ausgangsklemmen ver
bundene Schalter (S1, S2, Sn) aufweist, die angesteuert durch
eine Ansteuerschaltung (ASS) die Ausgangsklemmen (A1, A2, An)
abhängig von dem Laststrom (IL) oder der Laststreckenspannung
(UDS11) der ersten Lasttransistoren (T11, T12, T1n) an Klemmen
für ein oberes oder unteres Ansteuerpotential (V++, M; VS)
anschließen.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das untere An
steuerpotential (M; VS) Bezugspotential (M) ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das untere An
steuerpotential (M; VS) ein Laststreckenanschlußpotential
(VS) der Lasttransistoren (T11, T12, T1n) ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung
(MA) einen eingangsseitig an die Eingangsklemmen (EK1, EK2)
angeschlossenen Komparator (K) aufweist, der ausgangsseitig
an einen Steueranschluß (G) eines Regeltransistors (T3) ange
schlossen ist, wobei dem Regeltransistor (T3) an einem Last
streckenanschluß (D) ein Stromfühlwiderstand (RS) nachge
schaltet ist und wobei ein zweiter Laststreckenanschluß (S)
des Regeltransistors (T3) an die zweite Eingangsklemme (EK2)
angeschlossen ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laststrecken
transistoren (T11, T12, T1n) und die Hilfstransistoren (T21,
T2n) als n-Kanal-FET und der Regeltransistor (T3) als p-
Kanal-FET ausgebildet sind.
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