DE3821396C2 - Spannungsregler mit gegen Überspannungen und -ströme geschütztem Leistungstransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Spannungsregler soll minimalen Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang besitzen und als integrierte Schaltung ausgebildet sein.

Zwischen einen Generator und eine Last schaltet man einen Spannungs­ regler, um an den Polen der Last eine Gleichspannung mit einem vor­ bestimmten Wert zu erhalten, der - zwischen vorgegebenen Grenzen - im wesentlichen unabhängig von dem durch die Last fließenden Strom ist.

In derartigen Reglern kann es notwendig sein, den Leistungstransistor ("pass transistor" oder Regeltransistor), durch den der von der Last aufgenommene Strom fließt, so zu schützen, daß der Transistor selbst innerhalb eines sicheren Betriebsbereichs ("safe operating area" - SOA) arbeitet.

Es sind verschiedene Schutzvorrichtungen (speziell) für NPN-Leistungs­ transistoren bekannt, die gewährleisten, daß der Transistor unter ver­ schiedenen Überlastbedingungen im sicheren Arbeitsbereich arbeitet. Hierzu sei z. B. auf Vorschläge verwiesen, die im Abschnitt IV "Hort curicuit and overvoltage protection" in dem Artikel "Power Integrated Circuit: Problems, Tradeoffs and Solutions", veröffentlicht in "IEEE Journal of Solid State Circuit", Vol. SC-13, No. 3, Juni 1978, S. 307-311 erläutert sind. Dabei ist von besonderem Interesse die in Fig. 8 des Artikels dargestellte Schutzeinrichtung, auf die auch in Fig. 1 der Anmeldungs­ unterlagen Bezug genommen ist. Dabei werden Spannung und Strom des Leistungstransistors kontinuierlich und gleichzeitig erfaßt. Bei der be­ kannten Lösung wird, um einen Spannungsabfall zu erhalten, der propor­ tional zu dem durch die Last fließenden Strom ist, ein Widerstandsele­ ment (ein Golddraht mit dem Widerstandswert RW) in Reihenschaltung zu dem Leistungstransistor verwendet.

Obschon diese Lösung grundsätzlich auch anwendbar ist bei PNP-Tran­ sistoren, so hat sie doch den Nachteil, daß der Reihenwiderstand einen Spannungsabfall hervorruft, der in solchen Anwendungsfällen nicht akzeptierbar ist, bei denen es darum geht, einen möglichst geringen Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang des Reglers zu erhal­ ten. Die herkömmliche Lösung ist dann unzureichend, wenn es notwen­ dig ist, einen Schutz im sicheren Betriebsbereich für einen PNP-Lei­ stungstransistor zu erhalten und gleichzeitig eine minimale Spannungs­ differenz zwischen Eingang und Ausgang des Reglers zu gewährleisten.

Ein Spannungsregler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist be­ kannt aus der DE 33 41 345 C2. Bei diesem bekannten Spannungsregler, der speziell für PNP-Leistungstransistoren ausgelegt ist, wird der im Kollektorkreis des Hilfstransistors fließende Strom zum Variieren einer Hilfsspannung verwendet, die mit der Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors verglichen wird. Das Ergebnis dieses Vergleichs geht auf die Steuereinrichtung, die den Basisstrom des Leistungstran­ sistors und des Hilfstransistors einstellt. Die Hilfsspannung wird so eingestellt, daß sie immer größer ist als die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors, wenn dieser in Sättigung geht. Zweck dieser Maßnahme ist es, eine zu hohe Stromaufnahme im Anlaufbetrieb des Reglers zu vermeiden, also dann, wenn im Unterspannungsbereich ge­ arbeitet wird, der Leistungstransistor also maximal leitet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Spannungsreglers, bei dem der Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang lediglich auf den Leistungstransistor zurückzuführen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird ein Spannungsregler: geschaffen, bei dem der Leistungstransistor mit einer Schutzeinrichtung für den sicheren Betriebsbereich versehen ist. Die Schutz­ einrichtung gestattet die maximal mögliche Ausdehnung der sicheren Betriebszone (SOA).

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsskizze einer herkömmlichen Ausführungsform einer Schutzschaltung,

Fig. 2a eine vereinfachte Schaltungsskizze einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2b eine graphische Darstellung des Arbeitsbe­ reichs eines Leistungstransistors in einem Spannungsregler nach der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2a,

Fig. 3a eine vereinfachte Schaltungsskizze einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer bevorzugten Realisierung der Schutz­ einrichtung des Leistungstransistors, und

Fig. 3b eine graphische Darstellung des Arbeitsbe­ reichs des Leistungstransistors in einem Spannungsregler gemäß der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3a.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schutzschaltung für einen NPN-Tran­ sistor. Nach Fig. 1 wird der Kollektorstrom des Tran­ sistors Q3 bestimmt durch den Strom I, der proportional ist zur Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors Q2, und die Spannung V2, die proportional ist zu dem durch den Transistor Q2 fließenden Strom. Jedesmal, wenn die Erhöhung des Stroms I so groß ist, daß der Transistor Q4 geöffnet wird, ergibt sich eine Verringerung des Basisstroms des Leistungstransistors derart, daß der diesen Transistor durchfließende Strom begrenzt wird.

In Fig. 2a ist das elektrische Schaltbild eines elektroni­ schen Spannungsreglers mit minimalem Spannungsabfall (drop) dargestellt, der ausgerüstet ist mit einer einfachen Schutzschaltung für die sichere Betriebszone (SOA).

Der Spannungsregler enthält einen PNP-Leistungstransistor 26, dessen Emitter und Kollektor an einen Eingang 21 bzw. an einen Ausgang 29 angeschlossen sind. Ein aus Widerstän­ den gebildeter Spannungsteiler R1, R2 liegt zwischen dem Ausgangsanschluß 29 und einem für Eingang und Ausgang ge­ meinsamen Anschluß 39, der mit dem Masse-Symbol bezeichnet ist. Eine Vergleicher- und Steuerschaltung ist zwischen den Spannungsteiler R1, R2 und die Basis des PNP-Leistungstran­ sistors eingefügt. Diese Schaltung enthält insbesondere einen Operationsverstärker 33, dessen nicht-invertierender Eingang an eine Bezugsspannungsquelle VR2, und dessen in­ vertierender Eingang an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1, R2 des Spannungsteilers angeschlossen ist, ein Transistorpaar 37 vom NPN-Typ als Darlington-Schaltung, wobei die Basis des steuernden Transistors an den Ausgang des Verstärkers 33, die Kollektoren gemeinsam an die Basis des Transistors 26 und der Emitter des Ausgangstransistors an Masse gelegt ist. Zwischen dem Ausgangsanschluß 29 und Masse liegt eine Last RL.

Im Betrieb wird die Spannung Vr, die zwischen dem Mittel­ knoten der Widerstände R1 und R2 und Masse liegt und pro­ portional zur Ausgangsspannung VOUT ist, mit der Bezugs­ spannung VR2 verglichen. Wenn die Spannung Vr von der Bezugsspannung VR2 abweicht, wirkt der Verstärker 33 auf das Darlington-Paar 37 und damit auf den Basisstrom des Transistors 26 derart ein, daß - bei Veränderungen des durch die Last RL fließenden Stroms I - die Spannung zwi­ schen dem Ausgangsanschluß 29 und dem Eingang und Ausgang gemeinsamen Anschlüssen 39 im wesentlichen konstant gehal­ ten wird. Ein PNP-Hilfstransistor 28 ist mit der Basis und dem Emitter an die Basis bzw. den Emitter des Leistungs­ transistors angeschlossen und derart ausgebildet, daß in ihm ein Kollektorstrom fließt, der proportional zu dem durch den Leistungstransistor 26 fließenden Strom I ist, abhängig von einer durch folgende Gleichung definierten Konstanten k:

i = I/k

wobei k im wesentlichen festgelegt wird durch die Beziehung der Emitterflächen des Transistors 26 und des Hilfstran­ sistors 28.

Zwischen den Eingangsanschluß 21 und den für Eingang und Ausgang gemeinsamen Anschluß 39 wird eine Spannung VIN ge­ legt, die, abgesehen von dem Spannungsabfall zwischen Emit­ ter und Kollektor des Transistors 26, die Spannung fest­ legt, die am Ausgangsanschluß 29 zur Verfügung steht, an den die Last RL angeschlossen ist. Um die Spannung VCE zwischen Kollektor und Emitter des PNP-Leistungstransistors zu erfassen, ist eine Schaltung vorgesehen, die eine Se­ rienschaltung aus einer Diode 25, dem Basis-Emitter-Über­ gang eines PNP-Transistors 24, einer Zenerdiode 23 und einem Widerstand 22 besteht. Der Kollektor des Transistors 24 ist in dem Schaltungsknoten 30 verbunden mit dem Kollek­ tor und der Basis des NPN-Transistors 38, der in Strom­ spiegelschaltung an den NPN-Transistor 36 angeschlossen ist. Dessen Kollektor ist über eine Stromquelle 34 an eine Bezugsspannungsquelle VR1 angeschlossen, und ferner an die Basis eines PNP-Transistors 35, dessen Kollektor und Emit­ ter an Masse bzw. an die Basis des steuernden Transistors des Darlingtonpaares 37 angeschlossen sind.

Bei der Schaltung nach Fig. 2a ergibt sich, daß bei Gültig­ keit der Beziehung

VIN - VOUT < VZ + 2VBE

wobei VZ = Zenerspannung der Zenerdiode 23 ist und VBE = Basis-Emitter-Spannung des Transistors 34, daß am Knoten 30 nur der Strom i fließt, wenn der Transistor 24 nicht lei­ tet. Da der Zweig, der sich aus dem Widerstand 22, der Zenerdiode 23, dem Transistor 24 und der Diode 25 zusammen­ setzt, an den Enden die Spannungsdifferenz VIN-VOUT auf­ weist, die gleich der Spannung VCE zwischen Kollektor und Emitter des Leistungstransistors 26 ist, läßt sich die obige Ungleichung folgendermaßen umschreiben:

VCE < VZ + 2VBE

Gilt die Bedingung:

i ≧ Is,

wobei Is einen vorbestimmten Strom-Schwellenwert darstellt, bestimmt durch die Stromquelle 34 und die Bezugsspannung VR1, so wird der Transistor 35 leitend, und demzufolge verringert sich der Kollektorstrom des als Darlington­ schaltung geschalteten Transistorpaares 37. Auf diese Weise erreicht man die Begrenzung des durch den PNP-Leistungs­ transistor 26 fließenden Stroms auf einen Wert ICC gemäß folgender Beziehung:

ICC = Is · k

Unter der Bedingung

VCE ≧ VZ + 2VBE

wird der Transistor 24 leitend, und ein entsprechender Kollektorstrom fließt zu dem Knoten 30, so daß sich folgen­ de Beziehung ergibt:

IC/k + (VCE - VZ - 2VBE)/R3 = Is

wobei R3 der Widerstandswert des Widerstands 22 ist.

Die vorstehende Beziehung läßt sich folgendermaßen umschreiben:

IC = -k/R3 · VCE + k · Is + k(VZ + 2VCE)/R3

die eine lineare Gleichung darstellt für den Strom IC, der durch den Kollektor des PNP-Leistungstransistors 26 fließt, und die entsprechende Spannung VCE.

Bezüglich dieser Voraussetzung läßt sich die Wirkung der Schutzeinrichtung besser verstehen, wenn man die verein­ fachte graphische Darstellung in Fig. 2b betrachtet, in der die sichere Betriebszone (SOA) des Transistors 24 darge­ stellt ist. Die Abschnitte 60, 61 und 67 der in Fig. 2b dargestellten Kurve bezeichnen den Maximalstrom Imx, der durch die physikalischen Eigenschaften des Leistungstran­ sistors 26 vorgegeben ist, z. B. durch die Metallisierung und die Eigenschaften der Ohm′schen Verbindungskontakte mit dem Halbleiterplättchen, bzw. die Kurve des "Sekundär­ durchbruchs in Durchlaßrichtung" bzw. die Linie bezüglich der Spannung VCEO.

In Fig. 2b bezeichnen die Linien 66 und 62 den Maximalstrom ICC bzw. den linearen Verlauf IC = f (VCE), wie er oben erläutert wurde. Diese Kurven begrenzen den Arbeitsbereich für den PNP-Leistungstransistor 26, so daß dieser in der sicheren Betriebszone arbeitet. In der graphischen Darstel­ lung ist außerdem ein Punkt 65 mit den Koordinaten

(VZ + 2VBE, k · Is)

dargestellt.

Fig. 3a zeigt eine vereinfachte Schaltungsskizze einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer bevorzugten Realisierung einer Schutzeinrichtung für den Leistungstran­ sistor 26. Die Schaltung unterscheidet sich von der Schal­ tung nach Fig. 2a lediglich durch einen zusätzlichen Schal­ tungsteil, der durch gestrichelte Linien umrissen ist. Dieser Schaltungsteil bildet einen zweiten Zweig zum Erfas­ sen der Spannung VCE des PNP-Leistungstransistors. In ihm sind in Reihe geschaltet: der Basis-Emitter-Übergang eines PNP-Transistors 51, zwei Zenerdioden 50 und ein Widerstand 54. Der PNP-Transistor 51 ist mit seiner Basis an die Basis des PNP-Transistors 24 und mit seinem Kollektor an den Kollektor sowie die Basis eines NPN-Transistors 52 ange­ schlossen, der mit einem weiteren NPN-Transistor 53, dessen Kollektor an den Schaltungsknoten 30 angeschlossen ist, zu einem Stromspiegel verschaltet ist.

Der zusätzliche Schaltungsteil gestattet eine verbesserte Annäherung an die Begrenzungskurve für den sicheren Be­ triebsbereich des PNP-Leistungstransistors. Wie aus Fig. 3a und den obigen Betrachtungen zu Fig. 2a ersichtlich, erhält man durch
VCE ≧ 2VZ + 2VBE

den Punkt 63 und die Linie 64, welche eine bessere Annähe­ rung an die Kurve darstellt, die den sicheren Arbeitsbereich des Leistungstransistors definiert. Die Koordinaten des Punkts 63 und der Verlauf der Geraden 64 ergeben sich aus folgenden Beziehungen:

(2VZ + 2VBE, k·Is·k·VZ/R3),
- k· (R4-R3)/R4 R3.

Man sieht, daß es durch geeignete Wahl des dynamischen Werts des Widerstands R4 möglich ist, eine bessere Annähe­ rung an die Kurve 61 des sicheren Betriebsbereichs zu erreichen, so daß dieser Bereich weitestgehend ausgenutzt werden kann.

Es ist selbstverständlich, daß Modifizierungen und Abwand­ lungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung möglich sind. Beispielsweise kann man einen oder mehrere Schaltungszweige mit jeweils einem Widerstand, mehreren Zenerdioden und einem PNP-Transistor hinzufügen, um mittels dieser zusätzlichen Schaltungszweige noch besser den Ver­ lauf der Grenzlinie des sicheren Arbeitsbereichs des Lei­ stungstransistors zu approximieren.

Claims (5)

1. Spannungsregler mit gegen Überspannungen und -ströme geschütz­ tem Leistungstransistor, umfassend:

• - einen Eingangsanschluß (21) und einen Ausgangsanschluß (29), die an den Emitter bzw. den Kollektor des Leistungstransistors (26) angeschlossen sind;
• - einen für Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß gemeinsa­ men Anschluß (39);
• - eine Einrichtung (R1, R2) zum Erfassen der Ausgangsspan­ nung; und
• - eine Vergleichereinrichtung (33), die mit einem ersten Eingang an die Einrichtung (R1, R2) zum Erfassen der Ausgangsspan­ nung und mit einem zweiten Eingang an eine Bezugsspannungs­ quelle (VR2) angeschlossen ist, und deren Ausgang über eine Steuereinrichtung (37) mit der Basis des Leistungstransistors (26) verbunden ist;
• - eine Erfassungsschaltung zum Erfassen des Kollektorstroms des Leistungstransistors (26), aufweisend: einen Hilfstransistor (28) vom gleichen Leistungstyp wie der Leistungstransistor, dessen Basis und Emitter mit der Basis bzw. dem Emitter des Lei­ stungstransistors (26) verbunden sind und dessen Kollektor einen ersten Meßstrom führt, der im wesentlichen proportional ist zu dem Kollektorstrom des Leistungstransistors (26);
• - eine Schaltungseinrichtung (2-25, 50, 51, 54) zum Erfassen der Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors (26), geeignet zum Erzeugen eines zweiten Meßstroms an seinem Ausgangsanschluß, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung einen Vorgabewert übersteigt;

gekennzeichnet durch:

• - eine Verarbeitungsschaltung (34, 35, 36, 38) mit einem Ein­ gangs-Summierknoten (30), an den der Kollektor des Hilfs­ transistors (28) und der Ausgangsanschluß der Schaltungsein­ richtung (22-25, 50, 51, 54) zum Erfassen der Kollektor-Emit­ ter-Spannung angeschlossen sind, und mit einem Ausgangs­ anschluß, der an den Ausgang der Vergleichereinrichtung (33, 37) angeschlossen ist, wobei die Verarbeitungsschaltung die Steuereinrichtung (37) derart ansteuert, daß der Steuerstrom m Abhängigkeit von der algebraischen Summe des ersten und des zweiten Meßstroms reduziert wird, wenn die Summe einen Grenzwert des Stroms (Is) übersteigt, welcher derart festgelegt ist, daß zu jeder Zeit der Kollektorstrom und die Kollektor- Emitter-Spannung des Leistungstransistors (26) einen Punkt definieren, der innerhalb des sicheren Arbeitsbereichs des Leistungstransistors (26) liegt.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung zum Erfassen der Kollektor-Emitter-Span­ nung (22-25, 50, 51, 54) mindestens einen Schaltungszweig auf­ weist, der zwischen dem Emitter und dem Kollektor des PNP-Lei­ stungstransistors (26) liegt und - in Serie geschaltet - ein Wider­ standselement (22, 54), mindestens eine Zenerdiode (23, 50) und den Basis-Emitter-Übergang eines PNP-Detektortransistors (24, 51 enthält, dessen Kollektor an den Ausgangsanschluß der Schaltungs­ einrichtung (22-25, 50, 51, 54) angeschlossen ist.

3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des PNP-Detektortransistors (51) über eine Stromspie­ gelschaltung (52, 53) an den Ausgangsanschluß der Schalteinrich­ tung angeschlossen ist.

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung (34, 35, 36, 38) einen Stromspiegel (36, 38) mit einem ersten Zweig, der an den Eingangs-Summierknoten angeschlossen ist, sowie einem zweiten Zweig, der an die Basis eines Koppeltransistors (35) angeschlossen ist, dessen Emitter an den Ausgangsanschluß der Verarbeitungs­ schaltung (34, 35, 36, 38) angeschlossen ist, aufweist.