DE2642146A1 - Schutzschaltung fuer ein leistungselement einer integrierten schaltung - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

Dr. phil. G. B. HAGEN
Dipl.-Phys. W. KALKOFF

MUNCKdA7i (SoUn) .

Franz-Hals-Straße 21
Tel. (089)796213/795431

ACE 3641 München, 18. September 1976

: K./st

SGS-ATES Componenti

Electronic! S.p.A.

Via C. Olivetti, 2

20041 Agrate Brianza (Milano)

Italien

Schutzschaltung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung

Priorität: 18. September 1975; Italien; Nr. 27341A/75

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzsohai tung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung, wobei die SchutZBchaltung in die integrierte Schaltung intern^rt ist und dazu ausgebildet ist, den Wert den dos Leistung;-element durchfließenden Stroms und den Wert der zwischen den Enden des Leistungselements vorhandenen Spannung festzustellen und daraus ein Meß signal abzuleiten zur Aktiv jeru einer SchwelTwert-Schaltstüfe dann, wenn Strom und Spannung des Leistungselements vorbestimmte Grenzwerte erreichen, und-wobei die Schutzschaltung aus einem Widerstandselement, das mit der einen Klemme des Leistungselements in der Weise verbunden ist, daß es von dem Strom des Leistungse]ementR durchflossen wird, aus einem G I .eichT.ichtor') I oin'int,, dana^n

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Strom-Spannungs-Charakteristik einen logarithmischen Verlauf hat und dessen eine Klemme mit dem "Verbindungspunkt zwischen dem Leistungselement und dem Widerstandselement verbunden ist, aus einer Verstärkerstufe, deren Ausgang mit der Schwellwert-Schaltstufe verbunden ist und deren Eingangsklenunen einerseits mit der zweiten Klemme des Gleichrichterelements und andererseits mit der zweiten Klemme des Widerstandselements verbunden sind, und aus einem Schaltungszweig besteht, der die zweite Klemme des Gleichrichterelements mit der zweiten Klemme des Leistungselements verbindet.

In der DT-OS 22 53 808.5, die der GB-PS 1 413 Ö24 und der US-PS 3 792 316 entspricht, wird eine Schutzschaltung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung beschrieben, dessen Strom zu einer zur Weiterverbindung nach außen dienenden Ansσhlußklemme über einen in der integrierten Schaltung selbst liegenden, genau bemessenen Leiter geführt wird. Die genannte DT-OS sieht Mittel zum Messen des von dem Leistungselement kommenden Stroms direkt an dem genau bemessenen Leiter vor.

Bei einigen praktischen Anwendungen der in der DT-OS 22 53 80c⁴-. beschriebenen Schutzschaltung wurde festgestellt, daß der Widerstand des genau bemessenen Leiters zu der äußeren Anschlußklemme zwar nur einige zehn MdIIiohm betragt, jeduoh zu groß ist, und dementsprechend der Leiter sich bei hohen Strömen übermäßig aufheizt und eine unerwünschte Temperaturerhöhung in der integrierten Schaltung und dementsprechend eine Verschlechterung der Leistungskenndaten der Schaltung hervorruft. Da der Mindestquerschnitt des den Leiter bildenden Verbindungsdrahtes durch Erfordernisse der mechanischen Pe'stigkeit und der Lötung bestimmt ist, ließe sich der Widerstand der Verbindung durch Verwendung zweier parallel gescha]teter Drähte'verringern. Dies würde jedoch -μπρ wesent-

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liehe Erhöhung der Kosten des fertigen Schaltungselements in dem sehr häufigen Fall bedeuten, daß der Verbdndungsdraht aus Gold ist, und außerdem würde dadurch die Lötung zwischen dem Siliziumplättchen der integrierten Schaltung und der äußeren Anschlußklemme komplizierter.

Gemäß der genannten DT-OS 22 53 808.5 ist ferner die dort beschriebene Ausführungsform so ausgebildet, daß die resultierende Beziehung zwischen dem den Leistungstransistor durchfließenden Strom und der zwischen den Enden desselben anliegenden Spannung exponentiell ist, und zwar aufgrund des Vorhandenseins einer Diode in der die genannten zu kontrollierenden Größen verarbeitenden Stufe. Durch zweckmäßige Dimensionierung der Komponenten der Schaltung wird diese Beziehung in dem Charakteristikdiagramm des Leistungstransistors durch eine Kurve dargestellt, die sich teilweise der Kurve maximaler Verlustleistung und teilweise der Kurve des zweiten Breakdown des Leistungstransistors annähert, wie in Figur 3 der DT-OS 22 53 808.5 dargestellt ist. In dieser Weise kann der Transistor mit Sicherheit unter sehr nahe an der Grenze der genannten Bedingungen arbeiten, was im Interesse einer optimalen Ausnutzung der integrierten Schaltung liegt.

Es wurde jedoch bei vielen Typen von Leistungstransistoren festgestellt, daß die gemäß der DT-OS 22 53 8OH.5 ermöglichten Variationen von Parametern nicht ausreichen, um eine befriedigende Annäherung an die Kurve des zweiten Breakdowns zu erhalten. In vielen Fällen begrenzt nämlich die Schutzschaltung den nutzbaren Arbeitsbereich des Leistungstransistors, d.h. die von diesem lieferbare Leistung, in übermäßiger Weise..

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die erörterte bekannte Schutzschaltung in der Weise zu verbessern, daß die oben erörterten Nachteile beseitigt werden und eine für jede Art von

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in der integrierten Schaltung verwendeten Leistungstransistoren optimale Schutzkurve erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schutzschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der genannte Schaltungszweig eine Widerstandseinheit in Serie ni.it einer Konstantspannungseinheit aufweist, zwischen deren beiden Klemmen eine vorbestimmte, vom durchfließenden Strom im wesentlichen unabhängige Spannung liegt, und daß die V/iderstandseinheit so ausgebildet ist, daß sie bei Variierung der an ihr anliegenden Spannung mindestens zwei verschiedene Widerstandswerte annimmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Schaltschema desjenigen Teils einer integrierten Schaltung, der einen Leistungsendtransistor und die Schutzschaltung gemäß der DT-OS 22 53 808.5 aufweist;

Pig. 2 das Schaltschema desjenigen Teils einer integrierten Schaltung, der einen Leistungsendtransistor und die erfindungsgemäße Schutzschaltung aufweist; und

Fig. 3 ein Diagramm, welches für einen bestimmten Temperaturwert die Kurve des zweiten Breakdown des Leistungsendtransistors der Schaltung von Fig. 2 und. die nach der erfindungsgemäßen Schutzschaltung erhaltene Schutzkurve zeigt.

Bezüglich der strukturellen Merkmale und der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird auf die schon mehrfach genannte DT-OS 22 53 808.5 verwiesen. Es sei darauf hingewiesen, daß in den Figuren 1 und 2 die einander entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

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Gemäß Figur 2 bildet der Leistungstransistor 11 den Endtransistor der integrierten Schaltung und wird an seinem Kollektor mit einer Spannung + V versorgt. Der Kmitter des Transistors 11 ist mit einem zweckmäßig dimensionierten Metallisierungsstreifen der integrierten Schaltung in der Weise vorbimden, daß der GresamtwiderBtand in der Größenordnung von einigen zehn Milliohm liegt. Dieser Widerstand ist wie ein einheitlicher Widerstand dargestellt und mit. Rp bezeichnet. Der Metallisierungsstreifen endet auf einem mit der Ausgangsklemme 14 verbundenen metallischen Anschlußbereich 24. \ ν '.'...;. -.'.-'■'

Das leistungsmäßig zu verstärkende, aus einem Eingang 16 stammende Signal gelangt zu der Basis des Transistors 11, nachdem es von einem Transistor 17 strommäßig verstärkt worden ist, der seinerseits am Kollektor von der Spannung + V gespeist wird und dessen Emitter mit der Basis des Leistungstransistors 11 verbunden ist.

Der Emitter des Leistungstransistors'11 ist außerdem über eine Diode 21 mit der Basis eines Transistors 22 und mit einer Zener-Diode 33 verbunden. Das andere Ende der Zener-Diode 33 ist mit der Versorgungsleitung+ V über zwei in Serie/geschaltete Widerstände R-, und R^ und.über einen Tranojßtor 32 verbunden, deasen Kollektor mit dnr Ver:\orgun/rM-leituhg + T und dessen Emitter mit der Zener-Diode 33 und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände

R, und Rr- verbunden ist.
3 .o ;

Der Transistor .22 ist mit seinem Emitter mit dem metallischen ;Anschlußbereich 24 und mit seinem Kollektor mit der Basis eines Transistors 31 verbunden. Der vorgenannte Kollektor ist ferner mit einer Konstantstromq.uelle 35 verbunden, deren anderes Ende mit der Versorgungsleitung +V verbunden ist.

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Der Emitter des Transistors 31 ist mit dem Eingang 16 verbunden, und sein Kollektor ist mit Masse verbunden.

Die in der dargestellten Ausführungsform verwendeten Transistoren sind abgesehen von dem Transistor 31 alle vom Typ npn, und die Dioden sind wie in Fig. 2 angedeutet gepolt.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist weitgehend analog zu der der Schaltung nach Fig. 1, die in der DT-OS 22 53 808.5 erläutert wird. Das heißt, die Diode 21, der Transistor 22 und die von der Diode 33, den Widerständen R,, und R(- und vom Transistor 32 gebildete Stufe haben die Funktion, den Strom, der den Widerstand Rp durchfIiei3t, sowie die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors 11 zu verarbeiten und ein entsprechendes Signal zu erzeugen, das der Schwellwert-Schaltstufe zugeführt wird, die aus dem Transistor 31 und der Konstantstromquelle 35 gebildet wird. Dabei gilt, daß, wenn das der Schwellwert-Schaltstufe über den Kollektor des Transistors 22 zugeführte Signal einen Wert erreicht, der dem vorbestimmton Wert ]„ des Bezugsstroms der Konstantstromq_uelle gleichkommt, die Schutzschaltung aktiviert wird und dementsprechend die Begrenzung des Ausgangsstroms auf einen Wert erfolgt, der von dem zu schützenden Transistor vertragen wird.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß aufgrund der Anwesenheit der Diode 21 in der Stufe zur Verarbeitung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms des Transistor;=! ii der Verlauf der Schutzkurve im wesentlichen exponentiell ist. Dies ergibt sich klar aus der in der DT-OS 22 53 808.5 für die Schaltung der Fig. 1 angegebenen Berechnung, die zu folgender Beziehung zwischen dem Strom I und der Spannung V^ des Transistors 11 führt.

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I = kT/qR_o · in I AoA₄ · I_mR, / ( V_QE - V₃₁₃,

Dabei ist: I der Kollektorstrom des Transistors 11,

V__E die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 11,

A₁ die Emitterfläche des Transistors 22,

A₂ die pn-Übergangsflache der Diode 21,

^VBE2 ^die pn-Übergangsspannung der Diode 21,

Ι™ der Bezugsstrom,

q. die Elektronenladung,

k die Boltzmann-Konstante,

T die absolute Temperatur der pn-Übergänge

R₁ der Wert des Widerstandes 23.

Es kann leicht gezeigt werden, daß bei der Schaltung nach Pig. 2 die Beziehung (1) gültig bleibt, wenn zu dem Ausdruck (Vp-p - "V-η,-,ρ) ein Wert V₇ mit negativem Vorzeichen hinzugefügt wird, nämlich die Durchbruohspannung der Zener-Diode 331 und wenn man für R₁ den Widerstand der Parallelschaltung der Widerstände R, und R^ und des Transistors 32 heranzieht.

Die Kurve des zweiten Breakdowns, die für einen Leiaburigstransistor typisch ist, wird in Pig. 3 mit 51 bezeichnet. In einem ersten, den großen Werten V_CE entsprechenden Gebiet ist sie unterhalb der Kurve maximaler Verlustleistung (nicht dargestellt), also maßgebend im Hinblick auf die Bestimmung der Schutzkurve. In einem zweiten, den kleineren Werten Vp,_r und den großen Strömen entsprechenden Gebiet kommt die Kurve der maximalen Verlustleistung als Grenze der sicheren Punktion des Leistungstransistors zum Tragen.·Dieses letztgenannte

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Gebiet wird bei der Bestimmung der Punktion der erfindungsgemäßen Schutzschaltung deshalb nicht herangezogen, weil davon ausgegangen wird, daß die integrierte Schaltung, deren Leistungstransistor geschützt werden soll, eine Schutzeinrichtung gegen übermäßige Temperatur enthält, die in der Praxis automatisch das Punktionsgebiet des Leistungstransistors unterhalb der Kurve der maximalen Verlustleistung begrenzt. Eine Maßnahme zur Erzielung dieser Schutzwirkung wird in der DT-OS 22 53 808.5 beschrieben. Sie besteht im wesentlichen darin, den Bezugsstrom I„, bei einer bestimmten Maximaltemperatur zu Null zu machen.

Bei Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltung nach Pig. 2 ergibt sich die Schutzkurve 52 in Fig. 3· Diese Kurve 52 kann im wesentlichen in drei Abschnitte unterteilt werden. Der erste reicht vom Koordinatenursprung 0 bis zum Punkt A einer exponentiell verlaufenden Kurve 53» der zweite liegt zwischen dem Punkt A und Punkt B der Kurve 53» und der dritte reicht von Punkt B bis zum Punkt C im wesentlichen längs einer zweiten Kurve 54 mit exponentiellem Verlauf. Der Abschnitt OA hat einen durch die Betriebsbedingungen des gesättigten Transistors 11 bestimmten Verlauf und befindet sich innerhalb des sicheren Arbeitsgebietes des Transistors. Bei den Spannungs- und Stromwerten gemäß Abschnitt OA liegt die Spannung an den Enden der Zener-Diode 33 unterhalb der Durchbruchspannung der Diode, und deshalb wird der Zweig, welcher außer dieser Diode 33 die Widerstände R, und Rp- und den Transistor 32 aufweist, nicht von einem Strom durchflossen und beeinflußt dementsprechend die Punktion des Leistungstransistors 11 nicht. Sobald die Durchbruchspannung erreicht ist, wird an den Enden der Serienschaltung der Widerstände R., und R₁- eine Spannung gleich der Differenz zwischen der an dem

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vorgenannten Zweig anliegenden Spannung und der Durchbruchspannung der Zener-Diode erhalten. Durch zweckmäßige Dimensionierung der beiden Widerstände kann erreicht werden, daß der äquivalente Wert von R₁, der aus der Summe dieser beiden Widerstände resultiert, dazu geeignet ist, die Beziehung (1) zu erhalten, die durch die Kurve 53 dargestellt ist. Solange der Transistor 32 gesperrt ist, bleibt der Wert R. konstant. Sobald der Sirrom in R,- so groß ist, daß er den Transistor 32 sättigt, verringert sich die Spannung an den Enden der Serienschaltung R^, R₆ auf den Wert V_CEeai. des Transistors 32.. Unter diesen Voraussetzungen wird der äquivalente Wert von R₁ extrem niedrig, und die Schutzkurve nimmt in der Nähe des Punktes B den Verlauf der Kurve 54 an. Dieser Verlauf ist sehr ähnlich zu dem des entsprechenden Kurvenabschnitts des zweiten Breakdown des Leistungstransistors bei den höheren Werten von

Es sei darauf hingewiesen, daß die Funktion der Zener-Diode 33 darin besteht, den Kurvenabschnitt AB parallel zu sich selbst zu verschieben. Die Größe der Verschiebung hängt natürlieh von dem Wert der Zündspannung der Zener-Diode ab. In der Praxis können mehrere Zener-Dioden in Serie verwendet werden, bis die gewünschte Verschiebung erhalten wird. Analoge Verschiebungen können gemäß der DT-OS 22 53-808-5 dadurch erhalten werden, daß der Wort dos Widerstands R₁ verändert wird; wenn jedoch für die erforderliche Verschiebung höhere Widerstandswer.te erforderlich sind, ist es zweckmäßiger, eine oder mehrere Zener-Dioden statt größerer R₁-Widerstände zu verwenden, da diese in einer integrierten Schaltung beträchtlichen Platz benötigen. Aus dem oben Dargelegten ist ersichtlich, daß durch zweckmäßige Dimensionierung der Komponenten der erfindungsgemäßenSchaltung eine Schutzkurve erhalten werden kann, die eine maximale Ausnutzung des Leistungstransistors 11 ermöglicht.

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Wie bereits gesagt, ist die Punktion der erfindungsgemäßen Schaltung weitgehend analog zu der der Schaltung nach der DT-OS 22 53 808.5. Sobald wegen einer übermäßigen Erhöhung der Spannung und/oder des Ausgangsstroms des Transistors 11 der Strom des Kollektors des Transistors 22 den Wert des Bezugsstroms I- erreicht, beginnt der Transistor 31 zu arbeiten, und dementsprechend wird ein Teil des am Eingang 16 vorhandenen Signals naoh Masse kurzgeschlossen, und zwar über den Transistor 31» und dementsprechend bleibt der Ausgangsstrom I auf einem erlaubten, einem Punkt der Schutzkurve entsprechenden Wert. Der wesentliche Unterschied der verbesserten erfindungsgemäßen Schaltung im Vergleich zu der der DT-OS 22 53 808.5 besteht in der größeren Flexibilität der damit erhaltenen Schutzkurve, d.h. also in der Möglichkeit, auf einen größeren Teil der Parameter einzuwirken, um für jeden beliebigen zu schützenden Leistungstransistor die am besten geeignete Schutzkurve zu erhalten, um das Arbeitsgebiet des Transistors maximal auszunutzen.

Die beschriebene Schaltung kann in mancher Hinsicht modifiziert werden. Beispielsweise kann der Widerstand R₂ ein metallisches Element oder ein anders ausgebildetes Widerstandselement sein und kann in die Schaltung integriert sein oder auch davon getrennt sein, wenn er nur die Größenordnung von einigen zehn Milliohm hat und mit sehr engen Toleranzen verwirklicht werden kann. Auch der zwischen die Basis des Transistors 22 und die Versorgungsleitung + V geschaltete Zweig kann anders als dargestellt ausgebildet sein, wenn er nur die Funktion hat, einen Widerstand darzustellen, der abrupt zurückgeht, wenn die an seinen Enden vorhandene Spannung einen vorbestimmten Wert überschreitet, so daß eine oder mehrere plötzliche Neigungsänderungen der Schutzkurve möglich sind, um so nah wie möglich dem Verlauf der Kurve des zweiten Breakdowns des zu schützenden Leietungstronsistora zu folgen.

Patentansprüche; 709813/0748

Claims (3)

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   Pa te η tans prüche

   f 1.j Schutzschaltung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung, wobei die Schutzschaltung in die integrierte Schaltung integriert ist und dazu ausgebildet ist, den Wert des das Leistungselement durchfließenden Stroms und den Wert der zwischen den Enden des Leistungselements vorhandenen Spannung festzustellen und daraus ein Meßsignal abzuleiten zur Aktivierung einer Schwellwert-Schaltstufe dann, wenn Strom und Spannung des Leistungselements vorbestimmte Grenzwerte erreichen, und wobei die Schutzschaltung aus einem

   WiderstandBelement, das mit der einen Klemme des Leistungselements in der Weise verbunden ist, daß es von dem Strom des Leistungselements durchflossen wird, aus einem Gleichrichterelement, dessen Strom-Spannungs-Charakteristik einen logarithmischen Verlauf hat und dessen eine Klemme mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Leistungselement und dem Widerstandselement verbunden ist, aus einer Verstärkerstufe, deren Ausgang mit der Schwellwert-Schaltstufe verbunden ist und deren Eingangsklemmen einerseits mit der zweiten Klemme des Gleichrichterelements und andererseits mit der zweiten Klemme des Widerstanclse laments verbunden sind,

   und aus einem Schaltungszweig besteht, der die zweite Klemme des Gleichrichterelements mit der zweiten Klemme des Leistungselements verbindet, dadurch gekennzeichnet,"

   daß der genannte Schaltungszweig eine Widerstandseinheit (R,., R(-, 32) in Serie mit einer Konstantspannungseinheit (33) aufweist,-zwisc-he-n deren beiden Klemmen eine vorbestimmte, vom durchfließenden Strom im wesentlichen unabhängige Spannung liegt,

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   und daß die Widerstandseinheit (R,, R₁-, 32) so ausgebildet ist, daß sie bei Variierung der an ihr anliegenden Spannung mindestens zwei verschiedene Widerstandswerte annimmt.
2. 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet , daß das Leistungeelement, ein Transistor (11) ist, und daß die erste und zweite Klemme der Emitter bzw. der Kollektor des Transistors (11) sind.
3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Konstantspannungseinheit aus mindestens einer Zener-Diode (33) besteht.

   4- Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daßdie Widerstandseinheit (R,, R₁-, 32) aus zwei in Serie geschalteten Widerständen (R,, Rj-) und aus einem Transistor (32) besteht, dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu den beiden Widerständen (R,, Rp-) liegt und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände (R,, Rj-) verbunden ist.

   5- Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Strom des Leistungselements (11) durchflossene Widerstandselement (R₂) ein Teil der Oberflächenstruktur der integrierten Schaltung ist und in einem metallischen Anschlußbereich (24) der integrierten Schaltung endet, an den auch die zweite Eingangsklemme der Verstärkerstufe (22) angeschlossen ist.

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