DE2538453A1

DE2538453A1 - Ueberstromschutzschaltung fuer treiberschaltungen

Info

Publication number: DE2538453A1
Application number: DE19752538453
Authority: DE
Inventors: Ronald W Knepper; Ralph D Lane; Peter J Ludlow; Barry L Moore
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-09-18
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1976-04-01
Also published as: US3938008A; JPS6014577B2; FR2285737A1; GB1513920A; FR2285737B1; JPS5151728A; DE2538453C2

Description

Böblingen, den 27. August 197ä ne/bs

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, Ii.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen; Neuanmeldung

(Aktenzeichen der Anmelderin; FI 973 054

iüberstromschutzschaltung für Treiberschaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine überstromschutzschaltung für mindestens eine von mehreren Treiberstromschaltungen, deren Ausgänge mit einer Sammelleitung verbunden sind.

In bestimmten Schaltungsentwürfen ist eine Reihe von Ausgängen von Treiberschaltungen direkt mit einer gemeinsamen Sammelleitung gekoppelt, die eine Datensammelleitung, eine Adreßleitung oder dergleichen sein kann. Die Ausgangsstufe jeder Treiberschaltung kann ein Paar komplementärer Feldeffekttransistoren enthalten und die vielen Treiberschaltungen werden synchron so gesteuert, daß nur eine Treiberschaltung zu einer bestimmten Zeit wirksam ist. Die verschiedenen Treiberschaltungen können sich auf einer Reihe von verschiedenen Halbleiterplättchen befinden. Die generelle Anordnung kann leicht aus dem vereinfachten, in Fig. 1 dargestellten Schaltbild verstanden werden.

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Im Falle eines Ausfalls in der Steuerschaltung, wodurch zwei oder mehr der Leitungen zum Wirksammachen der Treiberschaltungen gleichzeitig hohes Potential erhalten, kann leicht eine Situation entstehen, in der die eine Treiberschaltung das Leitungspotential erhöht, während die andere Treiberschaltung es erniedrigt. Mit anderen Worten kann der obere oder positive FET in der Treiberschaltung 1 gleichzeitig mit dem unteren oder negativen FET in der Treiberschaltung 2 leitend sein. Dies würde nicht nur das Ausgangssignal unbestimmt machen, da die Kapazität der Sammelleitung weder geladen noch entladen würde, sondern es würde ein direkter Gleichstromkurzschluß der Source-Spannungsquelle über die beiden leitenden FET's und die gemeinsame Sammelleitung nach Masse erfolgen. Der begleitende hohe Strom könnte leicht die Halbleiterplättchen mit den Treiberschaltungen zerstören und würde sicherlich die Zuverlässigkeit der metallischen Speiseleitungen

auf diesen Halbleiterplättchen beeinträchtigen. j

Diesem möglichen Problem auf der Systemebene zu begegnen durch Vorsehen von Schaltungen, die sicherstellen, daß nur eine Treiberschaltung zu einem bestimmten Zeitpunkt wirksam ist, ist so- ; wohl schwierig als auch unpraktisch, insbesondere im Hinblick auf die Forderungen, die diesen Schaltungen während des Anlaufs und beim Testen auferlegt würden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine uberstromschutzschaltung für Treiberschaltungen anzugeben, der keine , schwierig zu erfüllende Forderungen beim Anlauf und beim Testen auferlegt werden müssen.

Diese Aufgabe wird mit einer Uberstromschutzschaltung der eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch

a) eine Vorrichtung zum Abfühlen eines einen vorgegebenen Pegel überschreitenden Aus gangs stromes einer Treiberschaltung, und zum Erzeugen eines Ausgangssignals während des Zeltintervalls, in der Ausgangsstrom den vorgegebenen Pegel überschreitet;

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' b) einen mit der Abfüllvorrichtung verbundene Kondensator zum j j Ansammeln und Speichern einer dem Zeitintegral des Ausgangs- j ! signals proportionalen Ladung; j

c) eine mit dem Kondensator verbundene bistabile Verriegelungs- ■ schaltung/ die durch ihn ausgelöst wird, wenn seine Ladung

einen vorgegebenen Pegel erreicht und

d) eine zwischen der Verriegelungsschaltung und der Treiberschal- j tung angeordnete Torschaltung zur Sperrung der Treiberschaltung!

beim Auslösen der Verriegelungsschaltung. ;

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\Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen

[näher erläutert, von denen zeigt;

Fig. 1, auf die bereits bezug genommen wurde, ein vern einfachtes Schaltbild einer auf eine gemeinsame ^:

Sammelleitung arbeitenden Treiberschaltungsanordnung ohne irgendeine Schutzschaltung;

Fig. 2 ein Schaltbild einer Schutzschaltung gemäß der

Erfindung_f die mit einer Ausgangstreiberschaltung mit komplementären FET gekoppelt ist;

Fig. 3 eine Wahrheitstabelle für die Schaltung nach

Fig. 2 und

Fig. 4 eine Teilschaltbild, das eine andere Anordnung

zur Stromabfühlung darstellt.

Die in Fig. 2 dargestellte Treiberschaltung enthält Feldeffekttransistoren Q1-Q8, die die angegebenen Polaritäten aufweisen und

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wie dargestellt miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal der Treiberschaltung, das am Verbindungspunkt der Drain-Elektroden von Q7 und Q8 abgenommen wird, wird auf die gemeinsame Ausgangsleitung in der gleichen Weise gekoppelt wie das in Fig, I dargestellt ist.

Ein hoher Ausgangsstrom durch Q7 wird durch UND-Verknüpfung seiner Gate-Source-Spannung und der Drain-Source-Spannung mittels der Transistoren T1-T3 abgefühlt. Das Ausgangssignal wird einem Kondensator Cl zugeführt. Letzterer ist auch mit der Gate-Elektrode des Transistors T12 verbunden, der dazu dient, eine Verriegelungsschaltung, die aus den Transistoren T7-T10 besteht, immer dann auszulösen, wenn die Kondensatorladung einen vorgegebenen Schwellwertpegel überschreitet, Das Ausgangssignal der Verriegelungsschaltung, das an dem Knoten E erscheint, wird einem NAND-Glied mit zwei Eingängen zugeführt, das aus den Transistoren X3-X6 besteht, und das direkte Ausgangssignal des letzteren wird zusammen mit einem durch die Transistoren X1 und X2 erzeugten invertierten Ausgangssignal den Treibertransistoren Q5, Q6 ;bzw, Q2, Q4 zugeführt. In ähnlicher Weise wird ein hoher Ausgangsstrom durch Q8 durch ein UND-Glied abgefühlt, das aus den Transistoren T4-T6 besteht, dessen Ausgangssignal den Kondensator C2 lädt. Wenn ein solch hoher Strom für eine genügend lange Zeit, üblicherweise über eine Mikrosekunde lang, besteht, wird die durch C2 integrierte Ladung groß genug, um den Transistor T11 leitend zu machen, der wiederum die Verriegelungsschaltung auslöst.

Der Transistor T3 dient dazu, den Kondensator C1 auf Null Volt zu entladen, wenn das Potential des Knotens A positiv wird, was immer dann der Fall ist, wenn die Treiberschaltung gesperrt wird, oder wenn das Eingangssignal der Treiberschaltung den niedrigen Pegel aufweist. Eine ähnliche Rücksetzfunktion wird von dem Transistor T4 durchgeführt in bezug auf den Kondensator C2. Die Widerstände R1 und R2 sind in der Schaltung vorgesehen, um

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fälschliches Auslösen der Verriegelungsschaltung aufgrund von ίparasitären Leckströmen zu verhindern, die von der Klemme V„ der

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!Spannungsversorgung zu dem Knotenpunkt C fließen oder von dem !Knotenpunkt D nach Masse. Anders ausgedrückt verhindern diese ^Widerstände einfach, daß das Potential der zugeordneten Knotenjpunkte gleitet.

•Im Normalbetrieb kommt die Schutzschaltung natürlich niemals ins Spiel. Wenn das Potential der Durchschaltleitung hoch ist, ist das Potential des Knotens G niedrig, das Potential des Knotens H ist hoch und die Transistoren Q2 und Q5 leiten beide, (Q4 und Q6 ;sperren) wodurch die Treiberschaltung betriebsbereit gemacht wird, jwenn das Eingangssignal der Treiberschaltung einen hohen Pegel !aufweist, wird Q1 gesperrt und Q3 leitend. Dadurch erhalten die Knotenpunkte A und B Massepotential, wodurch Q7 leitend wird und Q8 sperrt. Während der Anfangszeit, in der Q7 leitet, um die kapazitive Last zu laden, die die gemeinsame Sammelleitung darstellt, ist das Potential seiner Drain-Elektrode verhältnismäßig niedrig und T1 und T2 können beide leitend werden. Bevor die Ladung auf dem Kondensator C1 ihren Schwellwert oder Auslösepegel erreicht, wird jedoch die Lastkapazität geladen und das Potential der Drain-Elektrode von Q7 steigt an, um T1 zu sperren, wodurch das Laden des Kondensators C1 beendet wird. Während der nächsten Änderung des Eingangssignals steigt das Potential des Knotens A an, wodurch T3 leitend wird, um C1 von jeder angesammelten Ladung zu entladen.

Wenn jedoch ein Ausfall oder ein Kurzschluß auftritt, wenn beispielsweise Q7 gleichzeitig mit Q8 einer anderen Treiberschaltung leitet, leitet T1 kaum genügend lange, daß die Ladung C1 die Schwelle für das Leitendwerden von T12 erreicht. Wenn letzterer leitet, nimmt der Knoten E Massepotential an und wird auf diesem festgehalten durch die ausgelöste Verriegelungsschaltung, X6 ist gesperrt und X4 wird leitend. Dadurch steigt das Potential des Knotens G an, wodurch X1 sperrt und X2 leitend wird, so daß der

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Knoten B Massepotential annimmt/ wodurch wiederum Q2 und Q5 gesperrt werden und Q4 und Q6 leitend werden, um die Treiberschaltung unwirksam zu machen und den Kurzschluß zu unterbrechen.

Wenn das Potential der Durchschalteleitung auf den Sperrpegel abfällt, wird die Verriegelungsschaltung rückgesetzt, so daß der Knoten E hohes und der Knoten F niedriges Potential aufweist. Wenn die Verriegelungsschaltung ausgelöst wird, nimmt auch die mit MARKIERER bezeichnete Klemme über den Transistor T15 Erdpotential an. Die Drain-Elektrode des letzteren kann mit allen ande-i ren mit MARKIERER bezeichneten Klemmen auf einem bestimmten HaIbleiterplättchen verbunden sein, um als Anzeiger für das Auftreten eines mehrfachen Wirksammachens oder eines Kurzschlusses zu dienen und es kann ebenso für diagnostische Zwecke nützlich sein.

Eine vollständige Wahrheitstabelle für die Schaltung nach Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt, aus der die Wirkungsweise der Schutzschaltung leicht für verschiedene Kombinationen der Eingangs-, Ausgangs- und Durchschaltesignale bestimmt werden kann. Grundsätzlich ist die gesamte Schaltung unwirksam, wenn das Potential der Durchschalteleitung niedrig ist, unabhängig davon, ob am Ausgang ein Kurzschluß besteht oder nicht. Wenn das Potential der Durchschalteleitung hoch ist, ist die Schutzschaltung wirksam und schützt Q7 gegen einen Kurzschluß nach Masse, wenn das Eingangssignal einen hohen Pegel aufweist und schützt Q8 gegen einen Kurzschluß nach V„_f wenn das Eingangssignal einen niedrigen Eegel aufweist. Sowohl Q7 als auch Q8 müssen geschützt werden, da, wie aus Fig, 1 ersichtlich, eine Situation eintreten kann, in der eine Reihe von Treiberschaltungen gleichzeitig wirksam gemacht wird. Wenn nur eine Treiberschaltung das Potential der Ausgangsleitung erhöht (Q7 leitend) , während der Rest das Potential erniedrigt (Q8), kann die Gleichspannung auf der Sammelleitung bis sehr nahe auf das Massepotential abfallen. Unter diesen Umständen würde in jeder der das Potential erniedrigenden Treiberschaltungen ein ungenügender Strom fließen, um die zuge-

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hörige Schutzschaltung auszulösen. Die einzige das Potential erhöhende Treiberschaltung würde jedoch einen sehr großen Ausgangsstrom führen und würde rasch durch ihre Schutzschaltung unwirksam gemacht, um dadurch den Kurzschlußpfad zu unterbrechen.

Bei dem anderen Ausführungsbeispiel nach dem Teilschaltbild der j Fig. 4 sind die Widerstände R3 und R4 in Serie geschaltet in dem ! Pfad, der die Betriebsspannungsquelle mit der Source-Elektrode von Q7 und die Source-Elektrode von Q8 mit Masse verbindet. Anstelle der Verwendung von UND-Gliedern zur Abfühlung von überströmen am Ausgang wird die gleiche Funktion jetzt durchgeführt j durch das Abfühlen des Spannungsabfalls an den Widerständen, der natürlich eine Funktion des die Ausgangstransistoren durchfließen-^ den Stromes ist. Insbesondere wenn der Ausgangsstrom durch Q7 '■ einen vorgegebenen Pegel erreicht, fällt das Potential an dem mit j der Source-Elektrode verbundenen Ende von R3 genügend weit ab, : um den Transistor T1' leitend zu machen und das Laden des Kondensators C1 einzuleiten. Das gleiche gilt im Hinblickjauf Q8, R4, T6¹ und C2, mit Ausnahme, daß in diesem Fall aufgrund der umgekehrten Polaritäten T6¹ leitend wird, wenn das Potential an dem mit der Source-Elektrode verbundenen Ende von R4 genügend hoch angestiegen ist. Die Struktur und die Arbeitsweise der Schaltungen nach Fig, 2 und Fig, 4 sind in jeder anderen Beziehung identisch.

Dieses zweite Ausführungsbeispiel kann für Situationen attraktiv sein, wo die Widerstände R3 und R4 parasitär in der Schaltung vorhanden sind oder wo ihr Einschluß leicht zu implementieren ist. Diese andere Lösung kann weniger wünschenswert sein für sehr schnelle Treiberschaltungen, wo R3 und R4 die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung merklich verschlechtern. In diesem Fall wird das vorher beschriebene Ausführungsbeispiel bevorzugt.

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Claims

- 8 PATENTANSPRÜCHE

Überstromschutzschaltung für mindestens eine von mehreren Treiberschaltungen, deren Ausgänge mit einer Sammelleitung verbunden sind, gekennzeichnet durch

a) eine Vorrichtung (T1 bis T3, Fig. 2 bzw. R3, T1', T3, | Fig.4) zum Abfühlen eines einen vorgegebenen Pegel j überschreitenden Ausgangsstromes einer Treiberschaltung^ und zum Erzeugen eines Ausgangssignals während des Zeitintervalls, in der Ausgangsstrom den vorgegebenen j Pegel überschreitet;

b) einen mit der Abfühlvorrichtung verbundene Kondensator (C1, C2) , zum Ansammeln und Speichern einer dem Zeitintegral des Ausgangssignals proportionalen Ladung,

c) eine mit dem Kondensator verbundene bistabile Verriegelungsschaltung (T7 bis T14), die durch ihn ausgelöst wird, wenn seine Ladung einen vorgegebenen Pegel erreicht und

d) eine zwischen der Verriegelungsschaltung und der Treiberschaltung angeordnete Torschaltung (X1 bis X6) zur Sperrung der Treiberschaltung beim Auslösen der Verriegelungsschaltung .

überstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung eine Ausgangsstufe mit mindestens einen Feldeffekttransistor (Q7, Q8) enthält und die Abfühlvorrichtung ein UND-Glied (T1 bis T3 bzw. T4 bis T6), das das Gate-Source-Potential und das Drain-Source-Potential des Transistors abfragt.

überstromschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Treiberschaltung eine Ausgangsstufe mit mindestens einem Feldeffekttransistor (Q7, Q8; Fig. 4) und einen

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Widerstand (R3, R4) enthält, die im Source-Drain-Pfad des Transistors in Reihe geschaltet sind, und b) die Abfüllvorrichtung einen Schalter (T1' bzw, T6¹) aufweist zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die Spannung am Transistor und folglich der ihn durchfließende Strom eine vorgegebene Größe überschreitet.

4. überstromschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Treiberschaltung eine Ausgangsstufe mit einem Paar komplementärer Feldeffekttransistoren (Q7, Q8) enthält und

b) die Abführvorrichtung ein Paar von UND-Gliedern (T1 bis T3_f T4 bis T6) _r von denen jedes das Gate-Source-Potential und das Drain-Source-Potential eines Feldeffekttransistors abfühlt.

5. überstromschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Treiberschaltung eine Ausgangsstufe enthält mit einem Paar komplementärer Feldeffekttransistoren (Q7, 08; Fig. 4) und einem Paar von Widerständen (R3, R4), die in den Source-Drain-Pfaden der Transistoren angeordnet sind und

b) die Abfüllvorrichtung ein Paar von Schaltern (T 1', T6¹) enthält, die einzeln mit den Widerständen verbunden sind zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn der Spannungsabfall an einem zugeordneten Widerstand und folglich der Strom durch den Transistor eine vorgegebene Größe überschreitet.

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6. Oberstromschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mit der Torschaltung und der Verriegelungsschaltung gekoppelte Eingangssignalquelle zum wahlweisen Durchschalten oder Sperren der Treiberschaltung über die Torschaltung und zum Rückstellen der Verriegelungs schaltung.

7) überstroraschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet/ daß die Torschaltung aus einem NAND-Glied (X3 bis X6) mit 2 Eingängen besteht.

8) überstromschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Schalter (T3, bzw. T4) zum Entladen des Kondensators, wenn der Transistor sperrt.

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