DE2236865A1

DE2236865A1 - Schaltungsanordnung zum schutz integrierter schaltungen gegen spannungsspitzen

Info

Publication number: DE2236865A1
Application number: DE19722236865
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Hoehn
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1972-07-27
Filing date: 1972-07-27
Publication date: 1974-02-14
Also published as: GB1371310A; FR2195100A1

Description

Deutsche ITT Industries GmbH W. Hoehn - 3

78 Freiburg_r Hans-Bunte-Str. 19 26. Juli 1972

Mo/r a

Fl 722

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Schaltungsanordnung zum Schutz integrierter Schaltungen gegen Spannungsspitzen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz bipolarer integrierter Schaltungen gegen Spannungsspitzen, die der Versorgungsspannung überlagert sind, wobei die inte7 grierte Schaltung äussere Anschlüsse für die Pole der Versorgungsspannungsquelle und äussere Anschlüsse für einen oder mehrere Verbraucher aufweist, die über diese Anschlüsse mit den Kollektoren von zugehörigen Transistoren der integrierten Schaltung verbunden sind.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem des Betriebs integrierter Schaltungen an Versorgungsspannungen, deren Nennspannung kurzzeitige und hohe Spannungsspitzen überlagert sind,- wie dies beispielsweise in Bordnetzen von Automobilen

409807/05 2 6 _ ₂ „

- 2 Fl 722 W. Hoehn - 3

oder Flugzeugen der Fall ist. Die kurzen und hohen Spannungsspitzen werden in solchen Bordnetzen durch das Schalten induktiver Verbraucher hervorgerufen, die an dasselbe Netz angeschlossen sind.

üblicherweise liegt die Kollektor-Emitter-Abbruchspannung von in integrierten Schaltungen verwendeten Transistoren in der Grössenordnung von 20 bis 30 V, falls nicht aufwendige, die Ausbeute der Schaltung vermindernde und die sonstigen Eigenschaften der Transistoren verschlechternde technologische Massnahmen ergriffen werden, um die Kollektor-Emitter-Abbruchspannung zu vergrössern. Da die an Bordnetzen von beispielsweise 12 V Nennspannung auftretenden Spannungsspitzen eine Dauer von etwa 1 ms und Amplituden von grosser als 100 V aufweisen können, muss eine an solche Bordnetze angeschlossene integrierte Schaltung ohne Schutzmassnahmen in kurzer Zeit durch die Spannungsspitzen zerstört werden.

Durch die erwähnten Spannungsspitzen, die der Gleichspannung des Bordnetzes überlagert sind, werden insbesondere solche in der integrierten Schaltung enthaltene Transistoren gefährdet, die über einen extern angeschlossenen, relativ niederohmigen Lastwiderstand mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden sind.

Ein Schutz gegen die erwähnten Spannungsspitzen mittels einer der integrierten Schaltung vorgeschalteten Z-Diodenstabilisierungsschaitung ist zwar möglich, jedoch kann der Laststrom der erwähnten besonders gefährdeten Transistoren mit niederohir.i· gern Verbraucherwiderstand nicht über den zu dieser Stabilisierungsschaltung gehörenden Vorwiderstand geführt werden, da dies zu einer unzweckmässigen Dimensionierungsvorschrift für

4098 07/0526 -3-

Fl 722 W. Hoehn - 3

diesen Widerstand führen würde. Da somit die'Transistoren mit niederohmigem Verbraucherwiderstand über diesen direkt an der mit Spannungsspitzen überlagerten Versorgungsspannung angeschlossen werden müssen, sind andere Schutzmassnahmen erforderlich.

Hier setzt die Erfindung ein, die sich zur Aufgabe gestellt hat, das geschilderte Problem zu lösen. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der nicht mit dem Schaltungsnullpunkt zu verbindende Anschluss für die Versorgungsspannungsquelle über einen Vorwiderstand mit deren spannungsführendem Pol verbunden ist, dass die beiden Anschlüsse für die Versorgungsspannungsquelle mit einem Kondensator überbrückt sind und dass jeder Anschluss für einen Verbraucher über eine Diode mit dem für Vorwiderstand und Kondensator gemeinsamen Anschluss verbunden ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 925 820 ist zwar eine Schutzschaltung für integrierte Schaltungen bekannt geworden, bei der in beliebigen äusseren Zuleitungen eine Diode oder ein Widerstand angeordnet werden können, jedoch befasst sich die bekannte Schaltungsanordnung nicht mit dem Schutz integrierter Schaltungen gegen der Versorgungsspannung überlagerte Spannungsspitzen, sondern mit dem Schutz gegen falschpoligen Anschluss der Versorgungsspannungsquelle. Mit anderen Worten betrifft die bekannte Schaltungsanordnung somit den statischen Schutz der integrierten Schaltung, während sich die Erfindung mit dem Sqhutz gegen dynamische Überlastungen beschäftigt.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Schutzschaltung gegen Spannungsspitzen wird erreicht, dass eine Reduzierung der an den Verbraucher gelangenden Versorgungsspannung durch die Schutzmassnahme nicht auftritt und dass bei gesperrtem Transi-

409807/0526

Fl 722 W. Hoehn - 3

stör eine gerade auftretende Spannungsspitze den Kollektor des Transistors nicht sofort auf die Amplitude der Spannungsspitze bringt, was zu dessen Zerstörung führen würde, sondern dass der Energieinhalt der Spannungsspitze dazu dient, den Kondensator über einen Widerstand aufzuladen, der sich aus der Parallelschaltung von Vorwiderstand, Verbraucherwiderstand und Flusswiderstand der Diode zusammensetzt. Somit kann bei entsprechender Dimensionierung des Vorwiderstandes unter Berücksichtigung der maximal auftretenden Impulsbreite der Spannungsspitzen mit Sicherheit vermieden werden, dass die Abbruchspannung des Transistors überschritten wird.

So kann beispielsweise der Spannungsabfall am Vorwiderstand z. B. auf 1 V eingestellt werden, so dass bei gesperrtem Endtransistor etwa 0,3 V am Verbraucherwiderstand abfallen, da die restlichen 0,7 V als Flussspannung an der Diode abfallen.

Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten einzigen Figur näher erläutert, die in schematischer Darstellung die Innenschaltunq einer integrierten Schaltung und die erfindungsgemässe Schutzschaltung zeigt.

Durch das stark umrandet gezeichnete Rechteck soll das Gehäuse der integrierten Schaltung angedeutet werden, innerhalb dessen sich der oder die Halbleiterplättchen befinden, auf denen wiederum die aktiven und gegebenenfalls auch passive Einzelelemente nach bekannten Techniken gebildet sind. Von diesen Einzelelementen sind in der Figur der Zeichnung drei Transistoren Tl, T2 und T3 gezeigt. Diese Transistoren sollen als Beispiel für solche Einzelelemente der integrierten Schaltung dienen, die über irgendwelche ohmschen Widerstände mit der

409807/0526 _ ₅ .

- 5 Fl 722 W. Hoehn - 3

von einem äusseren Anschluss in die integrierte Schaltung gelangenden Versorgungsspannung gespeist werden. Hierzu dienen die äusseren Anschlüsse 1 und 2, die als dick gezeichnete Anschlussstifte mit ihnen zugeordneten inneren Anschlussflächen l'_f 2' der integrierten Schaltung verbunden sind. Von diesen inneren Anschlussflächen wird dann nach Art von Sammelschienen die Versorgungsspannung den Einzelstrukturen der integrierten Schaltung zugeführt_r wie dies bei der mit der Anschlussfläche I¹ in'Verbindung stehenden Sammelschiene 3 für den Schaltungsnullpunkt und der mit der Anschlussfläche 2" in Verbindung stehenden Sammelschiene 4 für die- Versorgungsspannung angedeutet ist.

Die Transistoren Tl, T2 und T3 sind über Widerstände mit einer oder beiden Sammelschienen verbunden, so liegt der Transistor Tl über einen .Kollektorwiderstand an der Sammelschiene 4, während die Basis des Transistors T2 am Abgriff eines zwischen die beiden Sammelschienen geschalteten Spannungsteilers liegt, und schliesslich der Transistor T3 einen Emitterwiderstand aufweist und mit seinem Kollektor an der Sammelschiene 4 angeschlossen ist.

Diese schematisch geschaltet dargestellten Transistoren sollen all diejenigen aktiven und passiven Einzelelemente der integrierten Schaltung repräsentieren, die in ihrer Gesamtheit die von der integrierten Schaltung beabsichtigte Funktion bewirken und aus der Versorgungsspannungsquelle in ihrer Gesamtheit eine*n praktisch konstanten Strom entnehmen. Diese Einzelelemente sind also dadurch qualifiziert, dass sie innerhalb der integrierten Schaltung mit der Versorgungsspannungsquelle direkt in Verbindung stehen.

4 09807/0526

Fl 722 W. Hoehn - 3

Im Gegensatz hierzu sind mit den Transistoren T4 und T4 solche Einzelelemente der integrierten Schaltung angedeutet, deren Kollektor direkt, also ohne Zwischenschaltung eines Widerstandes, mit äusseren Anschlüssen der integrierten Schaltung in Verbindung steht. So führt der Kollektor des Transistors T4 über die innere Anschlussfläche 5' zum äusseren Anschluss 5 und der Kollektor des Transistors T5 über die innere Anschlussfläche 6¹ zum äusseren Anschluss 6. Im Betriebsfall wird an die äusseren Anschlüsse 5 und 6 der zum jeweiligen Transistor T4 und T5 gehörende Verbraucher angeschlossen, der seinerseits wieder an der Versorgungsspannungsquelle U_n liegt. Diese Verbraucher sind durch die Widerstände R₇.. und R_T _ repräsentiert.

Die erfindungsgemässe Schutzschaltung besteht nun aus dem Vorwiderstand R, über den der äussere Anschluss 2 und somit auch die Sammelschiene 4 mit dem positiven Pol + der Versorgungsspannungsquelle U₀ verbunden sind, während der als Schaltungsnullpunkt dienende andere Pol der Versorgungsspannungsque lie L* über den äusseren Anschluss 1 direkt zur Sammelschiene 3 führt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die beiden äusseren Anschlüsse 1, 2 für die Versorgungsspannungsquelle U_ mit dem Kondensator C überbrückt sind. Schliesslich wird die erfindungsgemässe Schutzschaltung dadurch vervollständigt, dass jeder äussere Anschluss 5, 6 für die Kollektoren von Lasttransistoren mit dem für Vorwiderstand und Kondensator gemeinsamen Anschluss 2 über eine Diode Dl, D2 verbunden ist.

Diese Dioden können von aussen der integrierten Schaltung zugeschaltet werden, jedoch ist es auch möglich und besonders zweckmässig, wenn schon der Hersteller der integrierten Schaltung die Dioden in diese miteinbezieht. Diese beiden Möglich-

409807/0526

Fl 722 W. Hoehn - -3

keiten sind in der Figur der Zeichnung dadurch angedeutet, dass die Diode Dl ausserhalb der integrierten Schaltung und die Diode D2 innerhalb der integrierten Schaltung gezeichnet

Der Vorwiderstand R wird zweckmässigerweise von aussen der integrierten Schaltung zugeschaltet, da die Bemessung seines Widerstandswerts von der Bemessung des Kondensators C und davon abhängig ist, welche Amplitude und welche Impulsbreite die der Versorgungsspannung überlagerten Spannungsspitzen im jeweiligen Anwendungsfall aufweisen. Ausserdem würde bei mitintegriertem Vorwiderstand durch das Auftreten einer hohen Spannungsspitze der ihn gegen das Substrat isolierende pn-übergang elektrisch durchschlagen und somit zerstört werden.

Ferner ist es besonders zweckmässig, wenn die Dioden derartzwischen den Anschluss des jeweiligen Verbrauchers und den für Vorwiderstand und Kondensator gemeinsamen Anschluss geschaltet werden, dass die Dioden in Flussrichtung betrieben sind, wenn der Betrag der Spannung der überlagerten Spannungsspitzen grosser als der Betrag der Spannung der Versorgungsspannungsquelle ist.Mit anderen Worten sind also die Dioden wie in der Figur angegeben zu schalten.

Durch die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung tritt bei induktiven Verbraucherwiderständen, wie sie beispielsweise bei Blinkrelais in Kraftfahrzeugen oder bei Wicklungen von Schrittmotoren für Tachometer auftreten, der zusätzliche Vorteil auf, dass die Dioden zugleich einen Stromweg für die beim Abschalten der Last durch Sperren des zugehörigen Transistors in der Induktivität der Wicklung noch gespeicherte Energie bieten, so dass der Abschaltspannungsimpuls abgeleitet wird.

409807/0526 ~⁸

Fl 722 W. Hoehn - 3

Ferner tritt bei Verwendung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung in Kraftfahrzeugen der weitere Vorteil auf, dass die verwendete integrierte Schaltung nicht zerstört wird, wenn die elektrische Anlage mittels des Zündschlüssels zu einem Zeitpunkt abgeschaltet wird, zu dem der Unterbrecherkontakt geschlossen ist und somit durch die Zündspule Strom fliesst. In diesem Falle liegt nämlich die integrierte Schaltung, da diese ebenfalls vom Zündschlüsselkontakt abgeschaltet wird, parallel zur Zündspule und wird von deren Abschaltspannungsimpuls in zur Betriebsstromrichtung umgekehrter Stromrichtung beaufschlagt. Auch für diesen ungünstigen Betriebszustand stellt das erfindungsgemäss vorgesehene RC-Glied einen Stromweg bereit, der an der integrierten Schaltung vorbeiführt.

4 Patentansprüche

1 Blatt Zeichnung mit 1 Figur

409807/0526

Claims

Fl 722 W. Hoehn - 3 PATENTANSPRÜCHE

1.) Schaltungsanordnung zum Schutz bipolarer integrierter Schaltungen gegen Spannungsspitzen,· die der Versorgungsspannung überlagert sind, wobei die integrierte Schaltung äussere Anschlüsse für die Pole der Versorgungsspannungsquelle und äussere Anschlüsse für einen oder mehrere Verbraucher aufweist, die über diese Anschlüsse mit den Kollektoren von zugehörigen Transistoren der integrierten Schaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht mit dem Schaltungsnullpunkt zu verbindende Anschluss (2) für die Versorgungsspannungsquelle (U_R) über einen Vorwiderstand (R) mit deren spannungsführendem Pol (+) verbunden ist, dass die beiden Anschlüsse (1, 2) für die Versorgungsspannungsquelle mit einem Kondensator (C) überbrückt sind und dass jeder Anschluss (5, 6) für einen Verbraucher (R_., R__) über eine Diode (Dl, D2) mit dem für Vorwiderstand und Kondensator gemeinsamen Anschluss (2) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode(n) in die integrierte Schaltung miteinbezogen ist (sind).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensator und Vorwiderstand von aussen der integrierten Schaltung zugeschaltet werden.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode(n) derart zwischen den Anschlüssen des jeweiligen Verbrauchers und den für Vorwiderstand und Kondensator gemeinsamen Anschluss ge-

409807/0526

- ίο -

-ίο- 223C~65

Fl 722 W. Hoehn - 3

schaltet ist (sind), dass die Diode (n) in Flussrichtur.g betrieben ist (sind), wenn der Betrag der Spannung der überlagerten Spannungsspitzen grosser als der Betrag der Spannung der Versörgungsspannungsquelle ist.

409807/0526