DE19950022A1

DE19950022A1 - Driver for switch for electronically switching load has half bridge circuit, charge pump using processor generated clock signal to generate rectangular wave gate voltage for switching FET

Info

Publication number: DE19950022A1
Application number: DE1999150022
Authority: DE
Inventors: Bernd Dittmer; Reinhard Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-09
Filing date: 1999-10-09
Publication date: 2001-04-12
Also published as: GB0024552D0; GB2356755A; FR2799590B1; GB2356755B; FR2799590A1; JP2001156606A

Abstract

The driver has a half bridge circuit (HB), a charge pump (L) and an input connected to a processor (P) output at which a clock signal (CK) is produced that s used in conjunction with the half bridge circuit and charge pump to generate a rectangular wave gate voltage with a frequency off the order of 100 KHz for switching the FET or FETs into the conducting state.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen Schalten eines Verbrauchers.The invention relates to a control device for a Switch for electronically switching a consumer.

Aus der DE-A-195 48 612 ist ein elektronischer Schalter zum zeitweiligen Verbinden zweier Anschlüsse bekannt. Dieser Schalter weist wenigstens zwei elektrisch steuer bare Schaltelemente auf, die in einer Leitung zwischen den beiden Anschlüssen angeordnet sind. Wenigstens eines der elektrisch steuerbaren Schaltelemente ist ein Feldef fekttransistor oder ein anderes bidirektionales Bauele ment mit externer oder integrierter Überlastabschaltung.From DE-A-195 48 612 is an electronic switch known for temporarily connecting two connections. This switch has at least two electrical control bare switching elements on a line between the two connections are arranged. At least one of the electrically controllable switching elements is a field fekttransistor or another bidirectional component ment with external or integrated overload cut-off.

Ferner ist es bereits bekannt, zum elektronischen Ein schalten von Verbrauchern in einem 12 V-Bordnetz Relais oder sogenannte Smart-Power-Bausteine (PROFET's) zu ver wenden. Diese Bausteine haben nur einen begrenzten Span nungs- und Stromeinsatzbereich. Für höhere Betriebsspan nungen ist das elektronische Schalten nur mit Leistungs halbleitern möglich. Diese Leistungshalbleiter werden mit einer Gate-Treiberstufe versehen, die das Gate schnell auf lädt.Furthermore, it is already known for electronic on switching of consumers in a 12 V electrical system relay or so-called smart power modules (PROFET's) turn. These blocks have a limited span area of application and electricity. For higher operating voltage Electronic switching is only possible with power semiconductors possible. These power semiconductors are used provided with a gate driver that drives the gate quickly on charging.

Bei der Gate-Treiberstufe kann es sich um einen sogenann ten High-Side-Schalter handeln. Derartige High-Side- Schalter sind zum Schalten von Lasten vorgesehen, die einseitig an Masse, beispielsweise an der Fahrzeugkaros serie, liegen. Dieser Schalter, bei dem es sich vorzugs weise um einen N-Kanal-Leistungs-MOSFET handelt, liegt zwischen der Betriebsspannung und der Last. Zum Einschal ten benötigt er eine Gate-Spannung, die über der Versor gungsspannung von beispielsweise + 12 V liegt. Diese Gate-Spannung kann unter Verwendung einer Ladungspumpe und eines Oszillators erzeugt werden.The gate driver stage can be a so-called act high-side switch. Such high-side Switches are intended for switching loads that one-sided to ground, for example on the vehicle body series, lie. This switch, which is preferred example is an N-channel power MOSFET between the operating voltage and the load. For the scarf he needs a gate voltage that is higher than the supply supply voltage of, for example, + 12 V. This Gate voltage can be measured using a charge pump and an oscillator are generated.

Weiterhin sind für den 12 V-Bereich Ladungspumpen nach dem Greinacher-Prinzip bekannt. Diese arbeiten mit einer Spannungsverdoppelung bzw. -verdreifachung.There are also charge pumps for the 12 V range known the Greinacher principle. These work with one Voltage doubling or tripling.

Advantages of the invention

Mittels der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfolgt eine Erzeugung der für ein Durchschalten bzw. ein Leiten des Schalters notwendi gen Gate-Spannung stets in Abhängigkeit vom Vorliegen ei nes Taktsignals, welches an einem Ausgang eines Prozes sors zur Verfügung gestellt wird. Liegt das Taktsignal vor, dann wird mittels einer Halbbrückenschaltung und ei ner Ladungspumpe die notwendige Gate-Spannung aufgebaut und aufrechterhalten. Bei einem Abschalten des Takt signals wird das Gate des Feldeffekttransistors schnell entladen, so daß der Schalter sperrt. Die Steuerung des Schalters erfolgt demnach allein in Abhängigkeit von ei nem vom Prozessor bereitgestellten Taktsignal. Es ist kein eigener Oszillator zur Erzeugung des Taktsignals notwendig. Weiterhin kann erfindungsgemäß auch auf eine Anschlußklemme verzichtet werden, über welche der Ansteu ervorrichtung ein Abschaltsignal zuführbar ist. Zur Erhö hung der Abschaltsicherheit kann allerdings auch eine derartige zusätzliche Anschlußklemme vorhanden sein. By means of the control device according to the invention with the Features of claim 1 is generated for switching or routing of the switch is necessary The gate voltage always depends on the presence nes clock signal, which at an output of a process sors is made available. Is the clock signal before, then by means of a half-bridge circuit and egg ner charge pump built the necessary gate voltage and maintain. When the clock is switched off signals becomes the gate of the field effect transistor quickly discharged so that the switch locks. The control of the Switch is therefore only dependent on egg clock signal provided by the processor. It is no separate oscillator for generating the clock signal necessary. Furthermore, according to the invention, a Terminal are dispensed, via which the control device a shutdown signal can be supplied. To increase However, safety against shutdown can also be a problem such additional connector may be present.

Der Spannungsbereich der beanspruchten Ansteuervorrichung ist losgelöst von der Eingangsspannung. Es wird lediglich die vorhandene erste Versorgungsspannung, die vorzugs weise 12 V beträgt, auf das Spannungsniveau der vorhan denen zweiten Versorgungsspannung, welche vorzugsweise 42 V beträgt, angehoben, um das für die Durchschaltung des Eingangsschalters notwendige positive Potential zur Verfügung zu stellen.The voltage range of the claimed control device is disconnected from the input voltage. It will only the existing first supply voltage, the preferred example is 12 V, to the voltage level of the existing the second supply voltage, which is preferably 42 V is raised to the for switching through the Input switch necessary positive potential for To make available.

Die beanspruchte Vorrichtung weist im Vergleich zu be kannten Vorrichtungen einen reduzierten Bauteileaufwand auf, wobei weiterhin durch den zulässigen Spannungsbe reich der verwendeten Transistoren der Spannungsbereich der Schaltung gegenüber bisherigen Ladungspumpen erhöht ist.The claimed device has in comparison to be knew devices a reduced component cost on, while still being allowed by the permissible voltage range of transistors used the voltage range the circuit increased compared to previous charge pumps is.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Größe der Versorgungsspannung, die vorzugsweise 12 V beträgt, der Wert der Steuerspannung für den Ein gangsschalter direkt eingestellt werden kann, wobei sich als Ausgangsspannung der Ladungspumpe der Wert 42 V + 12 V = 54 V einstellt.Another advantage of the invention is that by the size of the supply voltage, which is preferred Is 12 V, the value of the control voltage for the on gear switch can be set directly, whereby the value as the output voltage of the charge pump 42 V + 12 V = 54 V.

drawing

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figur beispiel haft erläutert. Diese zeigt ein Schaltbild einer Ansteu ervorrichtung gemäß der Erfindung.The invention is illustrated below with reference to the figure explained. This shows a circuit diagram of a control er device according to the invention.

description

Ein Verbraucher V soll über einen Eingangsschalter aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit einer Versorgungs spannung von 42 Volt beaufschlagt werden, wobei diese Versorgungsspannung an einer Anschlußklemme K2 bereitge stellt wird. A consumer V is supposed to be switched off via an input switch the electrical system of a motor vehicle with a supply voltage of 42 volts are applied, this Supply voltage at a terminal K2 ready is posed.

Der Eingangsschalter weist einen oder mehrere Feldeffekt transistoren T3 auf, deren Drain-Source-Strecken zwischen der Anschlußklemme K2 und dem Verbraucher V angeordnet sind. Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein derartiger Feldeffekttransistor vorgesehen. Der Drain-Anschluß dieses Feldeffekttransistors ist mit der Anschlußklemme K2 und der Source-Anschluß mit dem Ver braucher V verbunden.The input switch has one or more field effects transistors T3, whose drain-source paths between the terminal K2 and the consumer V arranged are. In the embodiment shown in the figure such a field effect transistor is provided. The Drain connection of this field effect transistor is with the Terminal K2 and the source connection with the Ver need V connected.

Zum Durchschalten bzw. Leitendschalten und der Aufrecht erhaltung des durchgeschalteten Betriebes des Feldeffekt transistors T3 ist eine hinreichend große Spannung am Gate-Anschluß G erforderlich. Diese wird unter Verwendung einer Ansteuervorrichtung erzeugt, welche eine Halb brückenschaltung HB und eine Ladungspumpe L aufweist.For switching through or switching on and upright maintenance of the connected operation of the field effect transistor T3 is a sufficiently large voltage on Gate connection G required. This is being used a control device which produces a half bridge circuit HB and a charge pump L.

Die Ansteuerung der Halbbrückenschaltung HB erfolgt durch ein Taktsignal CK, welches von einem Prozessor P an des sen Ausgang A1 zur Verfügung gestellt wird. Bei diesem Prozessor kann es sich beispielsweise um einen Mikrocon troller eines Gleichspannungswandlers handeln. Das am Ausgang A1 des Prozessors P bereitgestellte Taktsignal CK ist vorzugsweise ein Rechtecksignal mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 KHz.The half-bridge circuit HB is controlled by a clock signal CK, which is from a processor P to the output A1 is provided. With this The processor can be, for example, a microcon act troller of a DC converter. The most Output A1 of processor P provided clock signal CK is preferably a square wave signal with a frequency in of the order of 100 kHz.

Der Anschluß A2 des Prozessors P liegt auf Masse. Am Aus gang A3 des Prozessors P wird bei Bedarf ein Notabschalt signal NA zur Verfügung gestellt.The connection A2 of the processor P is grounded. At the end Gear A3 of processor P becomes an emergency shutdown if necessary signal NA provided.

Das Taktsignal CK wird vom Ausgang A1 des Prozessors ei nem Eingangsanschluß El der Halbbrückenschaltung HB zuge führt. Von dort aus gelangt es über einen Spannungsteiler an den Gate-Anschluß eines Schalttransistors T6, der im Rhythmus des Taktsignals leitet und sperrt. The clock signal CK is ei from the output A1 of the processor nem input terminal El of the half-bridge circuit HB leads. From there it reaches a voltage divider to the gate terminal of a switching transistor T6, which in Rhythm of the clock signal conducts and blocks.

Ein Versorgungsspannungsanschluß, an dem eine Versor gungsspannung von 5 Volt anliegt, ist über einen Wider stand an das Gate eines Feldeffekttransistors T2 ange schlossen. Weiterhin steht dessen Gate über eine Diode und zwei Widerstände mit dem Gate eines Feldeffekttransi stors T1 in Verbindung. Zwischen Masse und dem Gate des Feldeffekttransistors T2 ist eine Zenerdiode geschaltet. Das Gate des Feldeffekttransistors T1 ist über einen Wi derstand und eine dazu parallele Zenerdiode mit einer An schlußklemme K3 verbunden.A supply voltage connection to which a utility supply voltage of 5 volts is via a counter stood at the gate of a field effect transistor T2 closed. Furthermore, its gate is connected to a diode and two resistors with the gate of a field effect transistor stors T1 in connection. Between ground and the gate of the A Zener diode is connected to field effect transistor T2. The gate of the field effect transistor T1 is via a Wi derstand and a parallel Zener diode with an on terminal clamp K3 connected.

Der Drain-Anschluß der Feldeffekttransistoren T1 und T2 ist jeweils über einen Widerstand mit einem Schaltungs punkt P1 kontaktiert, welcher den Ausgang der Halb brückenschaltung HB bildet. Der Source-Anschluß des Feld effekttransistors T1, der der High-Side-Schalter der Halbbrücke ist, ist mit der Anschlußklemme K3 verbunden. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors T2, der den Low-Side-Schalter der Halbbrücke bildet, liegt auf Masse potential.The drain connection of the field effect transistors T1 and T2 is each through a resistor with a circuit Point P1 contacted, which is the exit of the half bridge circuit HB forms. The source port of the field effect transistor T1, which is the high-side switch of the Is half bridge, is connected to terminal K3. The source terminal of the field effect transistor T2, the The low-side switch that forms the half-bridge lies on ground potential.

Die Feldeffekttransistoren T1 und T2 werden beim Vorlie gen des Taktsignals CK im Sinne einer Gegentaktansteue rung angesteuert, so daß die beiden Transistoren abwech selnd leiten und sperren. Durch diesen Wechsel wird am Schaltungspunkt P1 ein springendes Potential erzeugt.The field effect transistors T1 and T2 are in the Vorlie conditions of the clock signal CK in the sense of a push-pull drive tion driven so that the two transistors alternate lead and block. Through this change on Switching point P1 generates a jumping potential.

Bei leitendem Transistor T2 wird der Schaltungspunkt P1 über den am Drain-Anschluß von T2 vorgesehenen Widerstand mit Masse verbunden. Dadurch kann der Ladekondensator C1 der Ladungspumpe L über die Diode D1 auf die an der An schlußklemme K1 bereitgestellte Versorgungsspannung von 12 V aufgeladen werden.When transistor T2 is conductive, node P1 via the resistor provided at the drain connection of T2 connected to ground. As a result, the charging capacitor C1 the charge pump L via the diode D1 to the on the An supply terminal K1 provided by 12 V can be charged.

Bei leitendem Transistor T1 wird der Schaltungspunkt P1 über den am Drain-Anschluß von T1 vorgesehenen Widerstand mit der an der Klemme K3 vorhandenen Spannung beauf schlagt. Dies führt dazu, daß die Diode D1 sperrt und der Ladekondensator C1 seine Ladung über die dann leitende Diode D2 an den Speicherkondensator C2 überträgt.When transistor T1 is conductive, node P1 via the resistor provided at the drain connection of T1 apply the voltage at terminal K3 strikes. This leads to the diode D1 blocking and the Charging capacitor C1 charges over the then conductive Diode D2 transfers to the storage capacitor C2.

Bei der nächsten Durchschaltung des Transistors T2 wird der Schaltungspunkt P1 erneut über den Drain-Widerstand von T2 auf Masse gelegt. Dadurch wird der Ladekondensator C1 wiederum über D1 auf die an der Klemme K1 vorliegende Versorgungsspannung von 12 V aufgeladen, wobei die Diode D2 sperrt.The next time the transistor T2 is switched on the node P1 again via the drain resistor from T2 to ground. This will make the charging capacitor C1 in turn via D1 to the one present at terminal K1 Supply voltage charged by 12 V, the diode D2 locks.

Wird danach T2 in den gesperrten und T1 in den leitenden Zustand gebracht, dann erfolgt erneut eine Übertragung der im Ladekondensator C1 gespeicherten Ladung auf den Speicherkondensator C2.Thereafter, T2 will be in the blocked and T1 in the senior Condition brought, then a transmission takes place again the charge stored in the charging capacitor C1 to the Storage capacitor C2.

Der Speicherkondensator C2 steht über einen Widerstand R2 mit dem Gate G des Feldeffekttransistors T3 in Verbin dung. Die Folge davon ist, daß durch den vorstehend be schriebenen Aufpumpvorgang die Spannung bzw. das Poten tial am Gate-Anschluß des Transistors T3 soweit angehoben wird, daß T3 in den leitenden Zustand kommt und dort ge halten wird.The storage capacitor C2 is connected through a resistor R2 connected to the gate G of the field effect transistor T3 dung. The consequence of this is that by the above be pumped up the voltage or the potential tial so far raised at the gate terminal of transistor T3 is that T3 comes into the conductive state and ge there will hold.

Im leitenden Zustand von T3 gelangt die an der Klemme K2 bereitgestellte Versorgungsspannung von vorzugsweise 42 V aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs an den Verbraucher V, der an den Source-Anschluß des Feldeffekttransistors T3 angeschlossen ist. Da der Source-Anschluß von T3 mit der Klemme K3 verbunden ist, baut sich in der gezeigten Schaltung am Gate-Anschluß von T3 insgesamt eine Spannung von 12 V + 42 V 54 V gegenüber Masse auf, während zwi schen dem Source-Anschluß von T3 und Masse die Versor gungsspannung von 42 V anliegt. Bei dieser Potentialdif ferenz zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors T3 ist sichergestellt, daß T3 im Betrieb ständig im leitenden Zustand ist, solange der Prozessor P an seinem Ausgangsanschluß das Taktsignal CK zur Verfügung stellt. When T3 is in the conductive state, it reaches terminal K2 provided supply voltage of preferably 42 V from the vehicle electrical system to the consumer V, the to the source terminal of the field effect transistor T3 connected. Since the source connection of T3 with the Terminal K3 is connected, builds up in the shown Circuit at the gate of T3 total voltage of 12 V + 42 V 54 V to ground, while two between the source connection of T3 and ground supply voltage of 42 V. With this potential dif Reference between gate and source of the field effect transistor T3 ensures that T3 is constantly in operation conductive state is as long as the processor P on its Output terminal provides the clock signal CK.

Beendet der Prozessor P die Zuführung des Taktsignals CK an die Halbbrückenschaltung HB, dann erfolgt in der La dungspumpe L aufgrund der Querwiderstände R1 und R3 ein schneller Abbau der Ladung des Speicherkondensators C2 bzw. des Gate-Anschlusses G des Transistors T3. Dies führt dazu, daß der Feldeffekttransistor T3 alleine auf grund des fehlenden Taktsignals CK in den gesperrten Zu stand gebracht wird und im gesperrten Zustand verbleibt.The processor P stops feeding the clock signal CK to the half-bridge circuit HB, then takes place in the La tion pump L due to the transverse resistors R1 and R3 rapid reduction of the charge of the storage capacitor C2 or the gate terminal G of the transistor T3. This leads to the fact that the field effect transistor T3 on alone due to the missing clock signal CK in the locked Zu is brought and remains in the locked state.

Die Sicherheit des Sperrens des Transistors T3 kann durch eine Notabschaltvorrichtung N, wie sie in der Figur ge zeigt ist, erhöht werden. Diese Notabschaltvorrichtung weist einen Eingangsanschluß auf, an welchem ihr ein vom Prozessor bereitgestelltes Notabschaltsignal NA zur Ver fügung gestellt wird. Das Notabschaltsignal gelangt über einen Spannungsteiler an das Gate eines Feldeffekttransi stors T4, dessen Source auf Masse liegt und dessen Drain über einen Widerstand mit dem Gate eines weiteren Feld effekttransistors T5 verbunden ist. Dieser weitere Feld effekttransistor T5 schaltet bei vorliegendem Notab schaltsignal in den leitenden Zustand, wodurch über den leitenden Transistor T5 und einen Widerstand ein Poten tialausgleich zwischen dem Gate und der Source des Feld effekttransistors T3 erfolgt. Dies führt dazu, daß das Gate von T3 nicht mehr das zum Durchschalten von T3 not wendige höhere Potential gegenüber dem Source-Anschluß von T3 aufweist.The security of blocking the transistor T3 can by an emergency shutdown device N, as ge in the figure shows is to be increased. This emergency shutdown device has an input connection to which you can connect one of the Processor provided emergency shutdown signal NA for ver is provided. The emergency shutdown signal arrives at a voltage divider to the gate of a field effect transi stors T4, whose source is grounded and whose drain through a resistor to the gate of another field effect transistor T5 is connected. This other field Effect transistor T5 switches off in the event of an emergency switching signal in the conductive state, whereby the conductive transistor T5 and a resistor a poten tial balance between the gate and the source of the field effect transistor T3 takes place. This leads to the fact that Gate of T3 no longer required to switch through T3 agile higher potential compared to the source connection of T3.

Zwischen dem Gate-Anschluß von T3 und dem Gate-Anschluß von T5 ist eine Parallelschaltung einer weiteren Zener diode und eines Widerstandes geschaltet.Between the gate of T3 and the gate of T5 is a parallel connection of another Zener diode and a resistor connected.

Claims

1. Control device for a switch for electronics switching a consumer, the switch ei one or more in series between an operating chip voltage source and field effect arranged to the consumer has transistors (T3), with the generation of the gate Voltage of the field effect transistors a half bridge circuit (HB) and a charge pump (L) are provided, and wherein an input terminal (E1) of the half-bridge scarf device (HB) with an output connection (A1) of a process sors (P) is connected to which a clock signal (CK) can be generated using the half bridge circuit (HB) and the charge pump (L) one or the field-effect transistors (T3) switching on Gate voltage is generated.

2. Control device according to claim 1, characterized ge indicates that the clock signal (CK) is a rectangle signal with a frequency on the order of Is 100 KHz.

3. Control device according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the clock signal (CK) to the counter clock control of two field effect transistors (T1, T2) the half-bridge circuit (HB), one of which Field effect transistors (T1) and a high-side switch the other field effect transistor (T2) is a low-side switch ter is.

4. Control device according to one of the preceding An sayings, characterized in that the La tion pump (L) a first supply voltage connection (K1), via which you a first provision voltage can be supplied.

5. Control device according to claim 4, characterized ge indicates that the first supply voltage 12 V is.

6. Control device according to claim 4 or 5, characterized characterized in that the first supply voltage Connection (K1) via a first diode (D1) with a first Connection (P2) of a charging capacitor (C1) is connected whose second connection with the output connection (P1) Half bridge circuit (HB) is connected.

7. Control device according to claim 6, characterized ge indicates that the first port (P2) of the drawer capacitor (C1) with a second diode (D2) ver first connection (P3) of a storage capacitor (C2) is bound, the second connection with the source to circuit (S) of the field effect transistor (T3) is connected.

8. Control device according to claim 7, characterized ge indicates that parallel to the storage capacitor (C2) a first Zener diode (Z1) and a first counter stand (R1) are switched.

9. Control device according to claim 8, characterized ge indicates that the first port (P3) of the memory capacitor (C2) via a second resistor (R2) with the gate terminal (G) of the field effect transistor (T3) connected is.

10. Control device according to one of the preceding An sayings, characterized in that the gate Connection (G) of the field effect transistor (T3) via a second Zener diode (Z2) and one connected in parallel th resistor (R3) to the source terminal (S) of the field effect transistor (T3) is connected.

11. Control device according to one of the preceding An sayings, characterized in that between the gate terminal (G) of the field effect transistor (T3) and whose source connection (S) is an emergency shutdown device (N) is provided.

12. Control device according to claim 11, characterized characterized in that the emergency shutdown device (N) an input terminal for an emergency shutdown signal (NA) and has a switching transistor (T5) which is present at brought the emergency shutdown signal into the conductive state is the potential difference between the gate and the source terminal of the field effect transistor (T3) to re reduce.

13. Control device according to claim 12, characterized characterized in that the emergency shutdown signal (NA) on an output (A3) of the processor (P) can be tapped.

14. Control device according to one of the preceding An sayings, characterized in that the drain Connection (D) of the field effect transistor (T3) with a second supply voltage connection (K2) is connected, via which the field effect transistor to a second Ver supply voltage is connected.

15. Control device according to claim 14, characterized characterized in that the second supply voltage Is 42 V.