DE2842319A1 - Monolithisch integrierte schaltung mit hoher spannungsfestigkeit zur koppelung galvanisch getrennter schaltkreise - Google Patents
Monolithisch integrierte schaltung mit hoher spannungsfestigkeit zur koppelung galvanisch getrennter schaltkreiseInfo
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Description
AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA
73 P 7 t 4 5 BRD
Monolithisch integrierte Schaltung mit hoher Spannungsfestigkeit zur Koppelung galvanisch getrennter
Schaltkreise
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltung mit hoher Spannungsfestigkeit zur Koppelung
galvanisch getrennter Schaltkreise.
Für direkt am Netz betriebene Schaltungen ist in den meisten Fällen eine galvanische Entkoppelung der betreffenden
Eingangsseite von der Ausgangsseite mit hoher Spannungsfestigkeit, z.B. 1,5kV, zwischen den beiden
Seiten vorgeschrieben. Solche Schaltungen sind bisher ausschließlich durch diskrete Bauelemente, wie beispielsweise
Übertrager, Kondensatoren oder Optokoppler realisiert
worden. Bekannte Halbleiterrelais sind beispielsweise mit hybrid-integrierten Bauelementen ausgeführt,
wobei ein dort verwendeter Optokoppler aus einer Photodiode, einer Lichtleitstrecke und einem Phototransistor
besteht. Die Verwendung eines Kondensators für den
Pap 1 Kg/28.9.1978
030016/01 12
-X- VPA 78 P 7 Η5 ORD
•j
angegebenen Zweck ist ζ.Β bekannt aus der Zeitschrift
"Elektor", Juli/August 1976, 7-48/49 "Kapazitiver Triac-Koppler".
Die bekannten Schaltungen haben u.a. den Nachteil, daß sie relativ umfangreich und darüber hinaus kostspielig
sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Schaltung anzugeben, die die Vorteile hoher Spannungsfestigkeit der Strecke zwischen Eingangsseite und
Ausgangsseite, geringen Raumbedarfs und geringer Herstellungskosten verbindet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine monolithisch integrierte Schaltung mit hoher Spannungsfestigkeit
zur Koppelung galvanisch getrennter Schaltkreise gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß ein Signalkoppler gemeinsam mit einer Primärschaltung und einer mit der Primärschaltung zu koppelnden
Sekundärschaltung auf einem Chip integriert ist und daß für den Signalkoppler ein integrierter Koppelkondensator
vorgesehen ist, der durch eine an sich bekannte, in eine Passivierungsschicht eingebettete koplanare Leiterbahnanordnung
realisiert ist, die auf ein isolierendes Substrat, vorzugsweise aus Saphir bestehend,aufgebracht
ist.
Eine koplanare Leiterbahnanordnung der genannten Art ist aus denlfSiemens Forschungs- und Entwicklungsberichten11
bekannt, vgl. dort Bd. 5 (1976) Nr. 2, S. 72-75 , H. Fritzsche: "Capacitances of Coplanar Microstrip
Lines in Integrated Circuits".
030016/0112
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß eine relativ hohe
Spannungsfestigkeit erreichbar ist, die ansonsten mit Massivsilizium-Techniken nur äußerst schwer reproduzierbar
zu erreichen ist. Außerdem ist es vorteilhaft, daß die erfindungsgemäße monolithisch integrierte Schaltung
nur einen geringen Rauminhalt hat und kostengünstig herstellbar ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeich net, daß mehrere durch koplanare Leiterbahnanordnungen
realisierte Koppelkondensatoren auf dem Chip vorgesehen sind, daß die Koppelkondensatoren gemeinsam durch eine
Reihenschaltung zu einem kapazitiven Spannungsteiler zusammengeschaltet sind und daß die Abstände der Leiterbahnen
voneinander im Vergleich zu dem Abstand der Leiterbahnen bei Anordnung eines durch eine einzige koplanare
Leiterbahnanordnung realisierten Koppelkondensators verringert sind.
Die Weiterbildung der Erfindung bietet den Vorteil, daß die Spannungsfestigkeit der Strecke zwischen dem Eingang
und dem Ausgang der Gesamtschaltung erhöht werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
für die Erfindung betreffender Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines gemäß der Erfindung ausgeführten integrierten Festkörperrelais,
dessen einzelne. Schaltungsbereiche auf einem einzigen Chip CH integriert angeordnet
sind,
030016/0112
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines gemäß der Erfindung ausgeführten integrierten kapazitiven
Kopplers für Signalübertragungen,
Fig. 3 zeigt auszugsweise den Querschnitt einer gemäß
der Erfindung aufgebauten Schaltung, bei dem die Anordnung koplanarer Leiterbahnen 1, 2 in einer
Passivierungsschicht PASS und auf einem Substrat ' SUB verdeutlicht ist,
10
10
Fig. 4 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung mehrerer koplanarer Leiterbahnen 1,2..n,
Fig. 5 zeigt den qualitativen Verlauf der Durchbruchsfeldstärke Em in Abhängigkeit von einem Abstand d
der Leiterbahnen 1,2 voneinander,
Fig. 6 zeigt ein Gatterschaltbild eines gemäß der Erfindung ausgeführten integrierten kapazitiven
Kopplers,
Fig. 7 zeigt das zu dem in Fig. 6 gezeigten Gatterschaltbild gehörende ausführliche Schaltbild
eines gemäß der Erfindung aufgebauten integrierten kapazitiven Kopplers,
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild für einen gemäß der Erfindung aufgebauten integrierten kapazitiven
Koppler für eine Energieübertragung, 30
Fig. 9 zeigt das detaillierte Schaltbild des in Fig. gezeigten Kopplers.
0300 16/0 112
X VPA 78 P 7 14 5BRD
Fig. 1 zeigt, wie bereits erwähnt, das vereinfachte Blockschaltbild eines auf einem Chip CH monolithisch
integrierten Schalters, der einen Verbraucher V sekundärseitig schalten soll und eine galvanische Trennung GT
beinhaltet (Festkörperrelais). Soll die Primärschaltung PS von der Sekundärseite aus versorgt werden, ist zusätzlich
zu einem Signalkoppler SK, der auf die Sekundärschaltung SS wirkt, eine Schaltung zur Energieübertragung,
nämlich ein Energiekoppler EK nötig. Mit SW ist der Signalweg, mit EW der Energieweg bezeichnet.
Fig. 2 zeigt, wie bereits erwähnt, das Blockschaltbild einer Schaltung für einen kapazitiven Signalkoppler. Auf
der Primärseite P wird ein durch einen vom Signaleingang E gesteuerten Oszillator OSZ hochfrequentes Signal erzeugt,
über den Koppelkondensator CK auf die Sekundärseite
S übertragen, dort verstärkt und vorzugsweise gleichgerichtet (Ausgangssignal A).
Fig. 3 zeigt die Anordnung eines integrierten Koppelkondensators, der,in eine Passivierungsschicht PASS eingebettet,
auf einem isolierenden Substrat SUB liegt (z.B. ESFI-SOS-Technik). Die Kapazität wird durch die koplanare
Leiterbahnanordnung 1-a-2 erzielt. Durch eine solehe
Anordnung werden sehr hohe Spannungsfestigkeiten erreicht, die sonst mit Massivsilizium-Techniken nur
äußerst schwer zu realisieren sind. Die Spannungsfestigkeit liegt bei passivierten Oberflächen im Bereich von
mehreren kV und die Kapazitätswerte im 100 fF-Bereich.
Die ESFI-SOS-Technik ist in der Broschüre "Siemens Halbleiterbauelemente
für die Elektronik83 s B 10/1431, S. 60 u. 61 beschrieben.
030016/01
Da die Durchbruchfeldstärke Em bei kleinen Abständen d
einen starken Anstieg verzeichnet, vgl. Fig. 5, kann es vorteilhaft sein, mehrere koplanare Kondensatoren (Leiterbahnen)
bei gleichzeitiger Verringerung des Abstandes in Serie zu schalten und dadurch hohe Spannungsfestigkeiten
und größere Kopplungskapazitäten zu erzielen, vgl. Fig. 4. In diesem Fall liegen die inneren Leiterbahnen
(2...n-1) auf keinem festen Potential. Die Voraussetzung für eine erhöhte Spannungsfestigkeit der Mehrleiteranordnung
ist eine genaue Symmetrierung der Leiterbahnen, die mit den heutigen Technologien verhältnismäßig leicht zu
realisieren ist.
Nach Fig. 3, 4 und 5 gilt für die Durchbruchspannung
(U1J3) für 2 bzw. η Leiter
UDB 12 * E12 · a (1)
ÜDB 1n ** n E12 * a (2)
Um mit η Leiterbahnen gleiche Spannungsfestigkeit zu erreichen,
muß gelten „ > - a (3)
12 12 η a Falls
CK1n> CK 12
und
und
a*< a
kann in bezug auf die Güte (UDB und Cg.) und Fläche des
Koppelkondensators ein echter Gewinn erzielt werden.
Zur weiteren Erhöhung der Koppelkapazität sollte die
Passivierungsschicht eine möglichst hohe relative Dielektrizitätskonstante haben.
Fig. 6 und Fig. 7 s@ig@E, ein Beismal einer s^s
in
-
VPA 78 P 7145 BRD
ΛΟ
ESFI-SOS-Technik. Die Schaltelemente sind konventionelle
Transistoren, Dioden, Widerstände und Kapazitäten (mit Ausnähme von C^), wie sie in der ESFI-Technik verwendet
werden. Da eine solche Übertragungsstrecke Bandpasscharakteristik
zeigt, ist es sinnvoll, die Oszillatorfrequenz auf die Mittenfrequenz abzustimmen. Dies kann
durch Wahl der Stufenanzahl des Ringoszillators oder durch Änderung der Inverterlaufzeit erfolgen. Mit STE bzw.
■ STA ist in dieser Anordnung die Eingangs- bzw. Ausgangs- ; stufe, mit VS der Verstärker und mit GL der Gleichrichter
bezeichnet.
Das Beispiel einer ausgeführten Schaltung zur Energieversorgung durch einen kapazitiven Koppler zeigen Fig.
und 9. Ein Oszillatorsignal mit hoher Frequenz (f_„)
OSC
wird in seiner Spannung verstärkt (UH) und über CK auf
die Primärseite übertragen. Dabei fließt ein Strom mit dem Wert Ug . 2 fQSC · Cg · Der Strom wird gleichgerichtet
und der Speicherkondensator Cg geladen. Die gespeicherte
Energie ist ausreichend, die Primärschaltung kurzzeitig mit Strom zu versorgen.
9 Patentansprüche
9 Figuren
9 Figuren
Claims (9)
- VPA 78 ρ 7 t 4 5 BRDPatentansprüche\1y Monolithisch integrierte Schaltung mit hoher Spanntangsfestigkeit zur Koppelung galvanisch getrennter Schaltkreise., dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalkoppler (SK) gemeinsam mit einer Primärschaltung (PS) und einer mit der Primärschaltung (PS) zu koppelnden Sekundärschaltung (SS) auf einem Chip (CH) integriert ist und daß für den Signalkoppler (SK) ein integrierter Koppelkondensator (CR) vorgesehen ist, der durch eine an sich bekannte, in eine Passivierungsschicht (PASS) eingebettete koplanare Leiterbahnanordnung (i-a-2) realisiert ist, die auf ein isolierendes Substrat (SUB), vorzugsweise aus Saphir bestehend, aufgebracht ist.
- 2. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere durch koplanare Leiterbahnanordnungen realisierte Koppelkondensatoren auf dem Chip(CH) vorgesehen sind, daß die Koppelkondensatoren gemeinsam durch eine Reihenschaltung zu einem kapazitiven Spannungsteiler zusammengeschaltet sind und daß die Abstände der Leiterbahnen voneinander im Vergleich zu dem Abstand der Leiterbahnen bei Anordnung eines durch eine einzige koplanare Leiterbahnanordnung (1-a-2) realisierten Koppelkondensators (C^) verringert sind.
- 3. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (PASS) eine hohe relative Dielektrizitätskonstante hat.030016/01 12- 2 - VPA 78 P 7 1 4 5 BRD
- 4. Monolithisch integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von außerhalb des Chip (CH) beeinflußbarer Signaleingang (E) und ein nach außerhalb des Chip (CH) wirkender Signalausgang (A) vorgesehen sind, daß die Primärschaltung (PS) durch einen Oszillator (OSZ) realisiert ist, der bei Empfang eines relevanten Signals über den Signaleingang (E) ein Wechselstromsignal abgibt, daß die Sekundärschaltung (SS) durch einen Verstärker (VS) und einen zwischen den Ausgang des Verstärkers (VS) und den Signalausgang (A) eingefügten Gleichrichter (GL) realisiert ist und daß ein jeweils von dem Oszillator (OSZ) abgegebenes Wechselstromsignal über den Koppelkondensator (Cg) in den Eingang des Ver-stärkers (VS) eingekoppelt wird, so daß an dem Signalausgang (A) ein dem dem Signaleingang (E) zugeführten Signal entsprechendes Signal entnehmbar ist.
- 5. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (OSZ) mit einer vorgegebenen Frequenz, vorzugsweise der Mittenfrequenz der in aller Regel mit einer Bandpaßcharakteristik behafteten Gesamtschaltung,schwingt.
- 6. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (OSZ) als aus einem Verknüpfungsglied und mindestens einem an den Ausgang dieses Verknüpfungsgliedes angeschlossenen Inverter bestehender, an sich bekannter Ringoszillator ausgeführt ist und daß die Schwingfrequenz des Oszillators (OSZ) durch Wahl der Anzahl der Inverter bestimmbar ist.030016/01 1278 P 7 H 5 BRD
- 7. Monolithisch integerierte Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (OSZ) als aus einem Verknüpfungsglied und min*- destens einem an den Ausgang dieses Verknüpfungsgliedes angeschlossenen Inverter bestehender, an sich bekannter Ringoszillator ausgeführt ist und daß die Schwingfrequenz des Oszillators (OSZ) durch Wahl der Inverterlaufzeit bzw. der Inverterlaufzeiten bestimmbar ist.
- 8. Monolithisch integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz e i c hn e t, daß zu einer Energieversorgung der Primärschaltung (PS) ein Energiekoppler (EK) auf dem Chip (CH) angeordnet ist, der wie der Signalkoppler (SK) ausgeführt ist und zusätzlich zum Zwecke der Energieübertragung von einer Sekundärspannungsquelle (US) zu der Primärschaltung (PS) eingangsseitig zumindest einen Oszillator (OSZ) und ausgangsseitig zumindest einen Gleichrichter (GL) hat.
- 9. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Oszillators (OSZ) durch einen dem Oszillator (OSZ) zugeordneten Verstärker (VS) verstärkt wird und daß dem Gleichrichter (GL) ein Energiespeicher (ESP), vorzugsweise ein Speicherkondensator (Cg), nachgeschaltet ist, dem jeweils kurzzeitige Impulse zur Energieversorgung der Primärschaltung (PS) entnehmbar sind.030016/0112
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