DE3840535A1 - Monolithischer batterieladungsregler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen monolithischen Laderegler für eine Batterie, die durch einen Wechselstromgenerator geladen wird, und der gegen Störspannungen geschützt ist.

Monolithische Ladespannungsregler für Batterien, die von einem Wechselstormgenerator geladen werden, finden in Kraftfahrzeugen Einsatz und erlauben die Ladespannungsregelung an der Batterie in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des jeweiligen Fahrzeugs. Sie enthalten gewöhnlich, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Leistungsstufe 2 mit einem MOS-Schalttransistor 20, wobei eine Rückführdiode (DR) in Sperrichtung dem MOS-Transistor 20 in Serie geschaltet ist. Dieser ist seinerseits normalerweise in Serie mit der Induktionswicklung 21 des Wechselstromgenerators geschaltet, und die Rückführdiode (DR) ist parallel zur Induktionswicklung 21 geschaltet. Diese Regler enthalten darüber hinaus eine Schwachlaststufe 3, die wenigstens eine Detektorschaltung für das Signal der Anwesenheit der Generatorphase enthält, enthaltend eine Eingangsschaltung 30 für das Generatorphasensignal. Die Schwachlaststufe entspricht klassischen Funktionen, wie die Ermittlung der Anwesenheit der Generatorphase, die Beleuchtung oder Versorgung einer Anzeigelampe oder dgl., und braucht daher im Detail nicht erläutert zu werden.

Der Wechselstromgenerator 1 ist normalerweise mit einer Gleichrichterbrücke 10 verbunden, wobei dieselbe sowie die Leistungsstufe 2 und die Schwachlaststufe 3 parallel miteinander zwischen die positive Anschlußleitung der Batterie und die Bezugs- oder Massseleitung geschaltet sind.

Diese Art monolithischer Regler ist indessen sehr empfindlich auf Störrestspannungen, die sich auf den vorgenannten Anschlußleitungen fortpflanzen können, sowie auf ungewollte Umpolungen der Batteriespannungsanschlüsse, sei es bei mechanischen Reparaturen oder Wartungsarbeiten am Fahrzeug, wie nachfolgend beschrieben.

Was die der Funktion des Fahrzeugs innewohnenden Störungen betrifft, kann man hier das Auftreten von Übergangsspannungen an der Gleichrichterbrücke, die Verwendung von Transduktoren oder anderen Hilfsaggregaten, wie beispielsweise das Signalhorn oder den Anlasser aufzählen.

Eine Lösung zum Dämpfen dieser Übergangsrestspannungen kann darin bestehen, daß man in der Gleichrichterbrücke 10 Zenerdioden verwendet, die die vorgenannten Übergangsspannungen bei der Zenerspannung von etwa jeweils 26 V bis 35 V abschneiden.

Im Falle, daß die Batterie von der Wechselstromlichtmaschine, während des Ladebetriebs gelöst wird, tritt ein Spannungssprung im Augenblick des Abschaltens der Batterie an der Lichtmaschine auf, der eine Größe von 80 bis 100 V haben kann.

Der entsprechende Schutz, der der Gleichrichtung durch die Gleichrichterbrücke oder durch die Zenerdioden dieser Brücke innewohnt, wirkt sich daher aus.

Im Falle, daß die Lichtmaschine nicht dreht, wenn der Fahrzeugmotor angehalten ist, sind Überspannungen, die auf den Leitungen oder dem elektrischen Verteilernetz des Fahrzeuges auftreten, durch die Zenerdioden der Gleichrichterbrücke auf eine Maximalspannung von etwa 70 V begrenzt, weil bei dieser Spannung während einer sehr kurzen Zeit ein Abschneiden sehr viel höherer Spitzen erfolgt.

Die vorgenannten monolithischen Regler sind auch auf ungewollte Umpolungen speziell empfindlich, die bei der Reparatur oder bei der Wartung eines Fahrzeugs auftreten können. In diesem Falle bieten die Zenerdioden der Gleichrichterbrücke eine relativ wichtige thermische Trägheit in der Größenordnung von etwa zwei Sekunden.

Die gegenwärtigen Regler haben eine sehr viel schwächere thermische Trägheit, die in der Größenordnung von 1/10 s liegt, und die Zenerdioden der Gleichrichterbrücke können daher einen Schutz des Reglers nicht garantieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile mit Hilfe eines monolithischen Ladereglers für eine Batterie zu überwinden, die durch einen Wechselstromgenerator geladen wird und der gegen alle Arten von parasitären Überspannungen geschützt ist.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines monolithischen Ladereglers für eine Batterie, die durch einen Wechselstromgenerator geladen wird, und der gegen ungewollte Umpolungen der Batterieanschlüsse geschützt ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines monolithischen Ladereglers für eine Batterie, die von einem Wechselstromgenerator geladen wird, und der gegen positive oder negative Übergangsrestspannungen geschützt ist, die auf den Batterieanschlußleitungen auftreten können.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines monolithischen Ladereglers für eine Batterie, die von einem Wechselstromgenerator geladen wird, und der ein Schutzsystem aufweist, das speziell gegen positive oder negative Übergangsrestspannungen gerichtet ist, die besonder an den Eingangsanschlüssen einer Schwachlaststufe auftreten können.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines monolithischen Ladereglers für eine Batterie, die von einem Wechselstromgenerator geladen wird, enthaltend ein Schutzsystem, das speziell zum Schutz der Leistungsstufe gegen ungewollte Polaritätsumkehrungen der Batterieanschlüsse gerichtet ist.

Der monolithische Ladespannungsregler für eine Batterie, die durch einen Wechselstromgenerator geladen wird, bei dem gemäß der Erfindung die Leistungsstufen und die Schwachlaststufe auf dem Halbleitersubstrat integriert sind in vertikaler Integrationstechnik mittels Isolationswannen, die Dioden bilden, die bei Parasitärspannungen in der Lage sind, eine Parasitärdiode oder einen Parasitärtransistor zu bilden, zeichnet sich dadurch aus, daß das Halbleitersubstrat in Höhe der Isolationswannen einen Begrenzungswiderstand enthält, der dazu bestimmt ist, den Strom zu begrenzen, der durch die genannten Parasitärspannungen erzeugt wird, die die genannten Dioden leitfähig machen können.

Die Erfindung findet Anwendung bei monolithischen Batterieladereglern in Kraftfahrzeugen, die mit einer Wechselstromlichtmaschine ausgerüstet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Reglers nach der Erfindung,

Fig. 2a und 2b im Schnitt eine spezielle Ausführungsart der Implantierung eines monolithischen Reglers nach der Erfindung, und speziell im Falle, daß eine Schwachlaststufe gegen versehentliche Polaritätsumkehrung der Batterieanschlüsse geschützt werden soll,

Fig. 3a und 3b jeweils eine Darstellung von oben bzw. im Schnitt längs einer Schnittlinie A-A von Fig. 3a einer ersten oder einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der in den Fig. 2a und 2b gezeigten Implantierung,

Fig. 4a und 4b ein elektrisches Ersatzschaltbild bzw. einen Schnitt eines Implationsschemas eines monolithischen Reglers nach der Erfindung, der insbesondere am Eintritt der Schwachlaststufe sowie am Phasensignaleingang gegen positive und negative Restspannungen geschützt ist,

Fig. 5a und 5b ein elektrisches Ersatzschaltbild bzw. ein Implantationsschema gemäß einer speziellen Ausführungsart eines monolithischen Reglers nach den Fig. 4a und 4b.

Der monolithische Batterieladespannungsregler nach der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert.

Der monolithische Ladespannungsregler nach der Erfindung enthält sowohl bekannte Reglerelemente, wie sie bislang verwendet wurden, und insbesondere, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Leistungsstufe 2 mit einem MOS-Schalttransistor 20, eine Rückführdiode DR, die in Sperrichtung in Serie mit dem MOS-Transistor 20 geschaltet ist, wobei dieser Transistor normalerweise in Serie mit der Induktionsspule 21 des Wechselstromgenerators 1 geschaltet ist. Die Schwachlaststufe 3 ist ebenfalls von klassischem Typ und enthält wenigstens eine Detektorschaltung für die Anwesenheit eines Signals einer Generatorphase mit einer Eingangsschaltung 30 für dieses Signal.

In Fig. 1 erkennt man weiterhin, daß der monolithische Ladespannungsregler, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zum Schutz der Leistungsstufe gegen ungewollte Polaritätsumkehrungen der Batterieanschlüsse einen Begrenzungswiderstand RL aufweist, der in Serie mit der Rückführdiode DR geschaltet ist.

Der MOS-Schalttransistor 20 enthält eine Parasitärdiode DP zwischen Source und Drain. Normalerweise in Sperrichtung geschaltet, wird diese Diode leitfähig, wenn die Batterieanschlüsse versehentlich umgepolt werden, und diese Diode schaltet sich im Kurzschluß über die Rückführdiode DR. Der Begrenzungswiderstand RL erlaubt es, diesen Kurzschluß zu begrenzen.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der Begrenzungswiderstand RL auf der Kathodenseite oder der Anodenseite der Rückführdiode DR angeordnet.

Dieser Widerstand RL kann vorteilhafterweise in der Epitaxie oder der Epitaxialzone des Halbleiters ausgebildet werden, die die Rückführdiode DR ausbildet.

Vorzugsweise ist der Begrenzungswiderstand RL ein Widerstand geringen Wertes von weniger als 1 Ohm. Dieser Begrenzungswiderstand RL wird so berechnet, daß der Kurzschlußstrom den Halbleiter und dessen Anschlüsse nicht zerstört. Der maximale Kurzschlußstrom liegt in der Größenordnung von 13 A, und für eine Maximalspannung von 3,2 V an den Anschlüssen des Reglers kann der Minimalwert des Begrenzungswiderstandes RL etwa 0,15 Ohm betragen.

Die normale Funktion des Reglers, d. h. bei richtigem Anschluß der Batteriepolarität, nimmt der Begrenzungswiderstand RL eine Maximalleistung für einen geschätzten Strom von 3 A bei 50% Tastverhältnis von etwa 0,67 W auf. Dieser Wert ist vollständig akzeptabel, wenn man in Betracht zieht, daß der MOS-Schalttransistor 20 eine Leistung von 3 W bei voller Erregung des Wechselstromgenerators bis 0,37 W bei einem Regeltastverhältnis von 50% aufnimmt. Die vorgenannten Werte entsprechen einem Regler, der einen Strom von 6 A liefert, wenn er bei voller Erregung mit einem Spannungsabfall von 0,5 V zwischen Source und Drain des MOS-Transistors 20 arbeitet.

Bei einem Kurzschluß durch unbeabsichtigte Umpolung der Batterieanschlüsse wird im Regler eine Leistung von etwa 42 W aufgenommen. Gleichzeitig nimmt die Gleichrichterbrücke 10 eine Leistung in der Größenordnung von 2000 W auf. Unter diesen Bedingungen wird die Gleichrichterbrücke an erster Stelle zerstört.

Wie bereits vorangehend beschrieben worden ist, ist der Begrenzungswiderstand RL in Serie mit der Rückführdiode DR geschaltet, entweder auf der Anodenseite oder auf der Kathodenseite derselben. Der Begrenzungswiderstand RL wird daher nicht wirksam, wenn der MOS-Schalttransistor 20 leitfähig ist, was zur Folge hat, daß der Spannungsabfall am Schalttransistor nicht erhöht wird und das Erregerfeld, das an der Induktionsspule 21 des Wechselstromgenerators 1 liegt, nicht vermindert wird.

Vorzugsweise ist die Größe des Begrenzungswiderstandes RL so bestimmt, daß die von dem Regler nach der Erfindung aufgenommene Gesamtleistung stets kleiner oder gleich als die vom Regler aufgenommene Leistung ist, wenn er bei voll erregtem Feld der Induktionsspule 21 arbeitet, d. h. wenn die Rückführdiode DR sowie der Widerstand RL nicht belastet sind und keine Leistung aufnehmen.

Der Strom, der durch den erfindungsgemäßen Regler fließt, wenn der Anschluß der Batterie versehentlich umgepolt wird, ist eine Funktion der Spannung an den Anschlüssen der Gleichrichterbrücke 10. Bei einem Strom von 600 A von der Batterie nimmt jeder Zweig der Gleichrichterbrücke einen Strom von 200 A auf, was einem Maximalwert von 1,6 V an jeder Diode entspricht. Diese Werte sind für eine Ausführungsform entsprechend den Dioden MOTOROLA 25A angegeben, die unter der Typbezeichnung MR2500 vertrieben werden. Zwei in Serie geschaltete Dioden sind daher einer Spannung von 3,2 V unterworfen, welcher Wert für die Berechnung des Widerstandes RL verwendet wird.

Die Leistung von 42 W, die durch den Regler aufgenommen wird, ist für den Regler nur für eine Zeit in der Größenordnung von einer Sekunde zulässig. Der erfindungsgemäße Regler ist daher während der Zeit eines Kurzschlusses oder eines Überschlags zwischen der Gleichrichterbrücke und der Batterie geschützt. Wenn die Verpolung an der Batterie länger andauert, dann läuft der erfindungsgemäße Regler Gefahr, vor der Gleichrichterbrücke 10 zerstört zu werden.

Es versteht sich, daß, damit die Gleichrichterbrücke 10 vor dem Regler zerstört wird, es möglich ist, den Begrenzungswiderstand RL durch verschiedene Einrichtungen zu vergrößern, beispielsweise durch die Verkleinerung der Fläche der Rückführdiode DR, durch Vergrößerung des Epitaxialwiderstandes dieser Diode beispielsweise.

In letzterem Falle wird das Magnetisierungsfeld in der Induktionsspule 21 nicht vermindert, weil diese Änderungen keinen Einfluß auf den dynamischen Widerstand des MOS-Leistungstransistors 20 haben. Dagegen steigt die vom Regler bei normaler Funktion aufgenommene Gesamtleistung leicht.

Wenn beispielsweise der Maximalwert des Begrenzungswiderstandes RL bei 25°C gleich 0,3 Ohm ist, dann wird der Sperrstrom I _INV gleich 7,5 A, und die durch den Regler in diesem Falle der Verpolung der Batterie aufgenommene Leistung ist 24 W. In diesem Falle wird die Gleichrichterbrücke als erstes zerstört, und die daraus resultierende Leistungssteigerung beträgt nur 0,5 W. Die von dem Regler aufgenommene Leistung zeigt eine Spitze bei 3,5 W für einen Erregerstrom von 5 A. Wenn der Wechselstromgenerator und die Induktionsspule 21 voll erregt sind, dann fällt die verbrauchte Leistung auf 3 W zurück.

Eine andere Ausführungsart, die speziell für einen monolithischen Ladespannungsregler für eine Batterie, die von einem Wechselstromgenerator geladen wird, von Vorteil ist, geht aus der Zusammenschau der Fig. 2a und 2b hervor im Falle, daß der Regler nach der Erfindung in Höhe seiner Schwachlaststufe gegen versehentliche Verpolungen der Batterie geschützt ist.

Wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, ist der Begrenzungswiderstand RL derart angeschlossen, daß er die Isolationswanne SO mit dem Bezugspotential des Reglers verbindet.

Wie die Fig. 2a und 2b ferner zeigen, besteht das Substrat SU aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise vom N-dotierten Typ. Der Begrenzungswiderstand RL ist in den Halbleiter und in das Substrat SU integriert und ist durch Diffusion vom P-Typ in einer Epitaxialschicht EP vom N-Typ ausgebildet, wie die Fig.2a und 2b zeigen. Die vorgenannte(n) Epitaxialschicht(en) bildet bzw. bilden die Schwachlastkreise des erfindungsgemäßen Reglers und ist bzw. sind in den Isolationswannen vom P-Typ angeordnet, die die Dioden SO bilden, wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt. Die Isolationswannen vom P-Typ sind durch Diffusion im Substrat SU ausgebildet und sind normalerweise mit dem Masseanschluß der Vorrichtung verbunden, während der positive Anschluß der Batterie mit dem Halbleitermaterial vom N-Typ, beispielsweise Silicium, verbunden ist, das von dem Substrat SU gebildet wird, wenn es sich um einen monolithischen Regler handelt, der in vertikaler Integrationstechnik ausgebildet ist.

Wie in Fig. 2a dargestellt, ist der PN-Übergang, der von der Halbleiterzone vom P-Typ der Wanne und von der Halbleiterzone vom N-Typ des Substrats SU gebildet wird, bei normaler Batteriepolung in Sperrichtung polarisiert und die so gebildete Diode SO ist gesperrt, so daß der von dem positiven Batteriepol kommende Strom die Isolierwannen nicht durchqueren kann.

Ist hingegen die Batterie verpolt, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, dann ist der vorgenannte PN-Übergang, der die Diode SO bildet, in Flußrichtung gepolt, was in bekannten Reglern eine Zerstörung aufgrund Kurzschluß des Halbleiters bei Fehlen von Schutzeinrichtungen zur Folge hat.

Der in den Fig. 2a und 2b dargestellte Begrenzungswiderstand RL erlaubt es, der verpolten Batteriespannung zu widerstehen und er vermeidet auf diese Weise die Zerstörung des Halbleiters. Außerdem ist, wie man in Fig. 2b sieht, in Höhe der Zone zwischen der Verbindung von diffundiertem P-Material und N-Substratmaterial und der Verbindung zwischen diffundiertem P-Material und N-Material der Epitaxialzone EP ein mit tp bezeichneter Parasitärtransistor ausgebildet, der vom NPN-Typ ist. Dieser Parasitärtransistor tp injiziert einen Strom in die Epitaxialzone EP, der sich zu dem Strom hinzufügt, der durch den Begrenzungswiderstand RL fließt.

Zwei spezielle, vorteilhafte Ausführungsformen des Begrenzungswiderstandes RL, die es erlauben, die Wirkungen des vorgenannten Parasitärtransistors tp zu vermindern oder zu unterdrücken, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3a und 3b erläutert.

In Fig. 3a ist von oben die Diffusionszone in der Oberfläche des Substrates SU des Begrenzungswiderstandes RL dargestellt.

Gemäß der vorgenannten Figur kann die Wirkung des Parasitärtransistors tp, der von dem Halbleitermaterial N des Substrats SU, dem Halbleitermaterial P der Isolationswanne SO und dem Halbleitermaterial N der Epitaxialschicht EP gebildet wird, bei Verpolung der Batterie wesentlich verringert werden, wenn man eine Isolationswanne SO so ausbildet, wie sie sich in länglicher Form zeigt, bei der der Begrenzungswiderstand RL geradlinig ist und sich im wesentlichen über die Länge L der genannten Isolationswanne SO erstreckt. Diese Gestalt erlaubt es, den Widerstand der Epitaxialschicht EP und den Basiswiderstand des Parasitärtransistors tp zu vergrößern. Man erkennt, daß unter diesen Bedingungen die Wirkung des Parasitärtransistors tp beachtlich vermindert wird.

Um den aktivsten Teil des Parasitärtransistors tp zu unterdrücken und um diesen in eine Diode umzuwandeln, was in Fig. 3b dargestellt ist, die eine Darstellung einer Modifikation der Fig. 3a gemäß einer Schnittebene A-A darstellt, enthält die Epitaxialzone EP eine tiefe Diffusionszone ZDP, die stark dotiert ist und deren Halbleitermaterial von der gleichen Natur ist, wie das in der Epitaxialzone EP. Da die Epitaxialzone EP aus einem N-leitenden Halbleitermaterial ist, besteht die tiefe Diffusionszone ZDP, die im angelsächsischen Vokabular mit "SINKER" bezeichnet wird, aus einem Halbleitermaterial vom Typ N⁺. Die tiefe Diffusionszone ZDP liegt zwischen dem Begrenzungswiderstand RL und der Isolationswanne SO. Die Diffusionszone Pbase, die den Begrenzungswiderstand RL bildet, und dieser selbt sind oberflächlich mit der halbleitenden Zone vom P-Typ, die die Isolationswanne SO bildet, über eine Metallisierung ME verbunden. Diese Ausführungsart ist speziell vorteilhaft, weil sie es erlaubt, die Verbindung Basis-Kollektor des Parasitärtransistors tp kurzzuschließen.

Eine speziell vorteilhafte Ausführungsart eines monolithischen Reglers für die Aufladung einer Batterie über einen Wechselstromgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung im Falle, daß der Regler in Höhe der Schwachlaststufe 3 und insbesondere an einem Eingang derselben, wie beispielsweise dem Eingang 30 des Detektors für die Anwesenheit der Phase, gegen Restüberspannungen geschützt ist, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4a und 4b erläutert.

In Fig. 4a und Fig. 4b erkennt man, daß jede Schwachlaststufe in Höhe eines jeden Signaleingangs, beispielsweise für die Ermittlung der Anwesenheit der Phase, eine Schaltung zur Begrenzung von Restspannungen enthält, die von einer Zenerdiode Z 1, Z 2 gebildet wird, die mit einer Diode D 1 bzw. D 2 in Reihe geschaltet sind. Man versteht aus Fig. 1, daß die aus der Zenerdiode Z 1 und der Diode D 1 gebildete Anordnung einer Begrenzung positiver Restspannungen ermöglicht, während die von der Zenerdiode Z 2 und der Diode D 2 gebildete Anordnung eine Begrenzung negativer Restspannungen ermöglicht.

Die Anordnung aus den Zenerdioden Z 1, Z 2 und den Dioden D 1, D 2 erlaubt es, das Signal auf einen Wert von etwa 8 V über der positiven Spannung der Batterie und 8 V unter dem Massepotential zu begrenzen.

In den Fig. 4a und 4b ist auch dargestellt, daß jede von einer Zenerdiode Z 1, Z 2 und einer Diode D 1, D 2, gebildete Gruppe in einer einzelnen Isolationswanne C 1, C 2 angeordnet ist. Die einzelnen Isolationswannen C 1, C 2 sind gegenüber der Isolationswannen getrennt, die die Schwachlastkreise des Reglers enthalten, wobei die aus den Schwachlastkreisen des Reglers, Schaltungen klassischer Art und den von den Zenerdioden Z 1, Z 2 und den Dioden D 1, D 2 gebildeten Begrenzungsschaltungen in einer Isolationswanne SO angeordnet sind, die eine Insel-Isolationswanne bildet. Wie in Fig. 4b nur beispielhaft dargestellt ist, enthält in vertikaler Integrationstechnik das N-Halbleitersubstrat SU ein Insel-Isolationselement, das von einem P-Halbleitermaterial, das Diodenverbindungen SO bildet, gebildet ist, wobei Zonen aus N-Halbleitermaterial durch Epitaxie diffundiert oder ausgebildet sind, um die einzelnen Isolationswannen C 1, C 2 auszubilden. In den N-Halbleiterzonen, die die Isolationswannen C 1 und C 2 ausbilden, sind daher jeweils die Dioden D 1 und D 2 und die Zenerdiode Z 1 und Z 2 durch Diffusion ausgebildet. Die Dioden D 1 und D 2 sind durch Diffusion des P-Materials gebildet, während die Zenerdiode Z 1 und Z 2 in klassischer Art durch Diffusion von drei Halbleitermaterialzonen vom Typ N, P, N gebildet sind, die eine Verbindung aus einer Zenerdiode und einem einer Zenerdiode äquivalenten Transistor bilden. Die Ausführungsart dieser Zenerdioden Z 1 und Z 2 braucht nicht im Detail beschrieben zu werden, da sie ganz in klassischer Art der Herstellung integrierter Schaltungselemente vonstatten geht. Diese Ausführungsart bietet den Vorteil, daß aufgrund des Transistors, der einer jeden Zenerdiode zugeordnet ist, der Einfluß des Serienwiderstandes der vorgenannten Zenerdiode vermindert ist. Die aus der Zenerdiode und dem zugeordneten Transistor gebildete Gruppe bleibt einer Zenerdiode äquivalent.

Das Detektorsignal, das die Anwesenheit der Phase des Wechselstromgenerators angibt und das einem der Eingänge 30 eines monolithischen Reglers nach der Erfindung zugeführt wird, hat eine Amplitude, die die Spannung der Batterie übersteigt, die an die Anschlüsse des Unterreglers angelegt ist. Die Überschreitung hat die Schwellenspannungen der Gleichrichterdioden der Gleichrichterbrücke 10 zum Ursprung. In erster Annäherung überschreitet das genannte Phasendetektorsignal die positive Batteriespannung um einen Wert von etwa 1 V und das Massepotential um einen Wert von etwa -1 V. Tatsächlich können Spannungsspitzen geringer Energie am Signaleingang 30 vorhanden sein, da die Dioden der Gleichrichterbrücke 10 eine nicht vernachlässigbare Ansprechzeit aufweisen und weil sie nicht direkt auf dem Halbleitermaterialplättchen des Reglers angeordnet sind. Diese Spannungspitzen können den Regler ermüden oder zerstören, wenn sie durch die Halbleitertechnologie vorgegebene zulässige Spannungswerte überschreiten.

Die Begrenzungsschaltung, wie sie in Fig. 4a und in Fig. 4b dargestellt ist, erlaubt es, das Phasendetektorsignal auf eine Spannung in der Nähe von 8 V über der positiven Batteriespannung und von 8 V unter dem Massepotential zu begrenzen. Diese Begrenzung wird in Höhe des Siliciumplättchens des monolithischen Reglers ausgeführt, der Gegenstand der Erfindung ist.

Die Zenerdiode Z 1 und die Diode D 1 bewirken so eine Begrenzung auf +8 V gegenüber dem positiven Potential der Batterie, das an einen der Anschlüsse des Reglers angelegt ist. Die Zenerdiode Z 2 und die Diode D 2 bewirken eine Begrenzung auf -8 V gegenüber dem an den anderen Anschluß des Reglers angelegten Massepotential. Die Begrenzungsschaltung nach Fig. 4b wird in einem bipolaren Abschnitt der integrierten Schaltung realisiert, wobei die Dioden C 1 und C 2 die einzelnen Isolationswannen dieser Schutzschaltung darstellen. Die Isolationswannen stören nicht die Kreise der Schwachlaststufe der integrierten Schaltung, weil, wie oben beschrieben, sie von den Isolationswannen getrennt sind, die die vorerwähnten Kreise enthalten.

Wie weiterhin in Fig. 4b dargestellt ist, enthalten die Isolationswannen C 1 und C 2 einen Begrenzungswiderstand RL, um einen Schutz gegen das Risiko einer Polaristätsvertauschung der Batterie zu bieten. Es versteht sich, daß in Fig. 4b der Begrenzungswiderstand RL in Form eines diskreten Schaltelements dargestellt ist, daß jedoch dieses in der vorangehend beschriebenen Ausführungsart durch Diffusion einer Pbase-Zone in dem N-Halbleitermaterial gemäß den Fig. 3a und 3b ausgebildet ist. Die Begrenzungsschaltung nach den Fig. 4a und 4b kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, einen Schutz eines Eingangs der Schwachlaststufe eines Reglers nach der Erfindung zu bieten, der nicht der Eingang 30 für die Ermittlung der Phase des Wechselstromgenerators ist, und er kann beispielsweise an einem Eingang, wie beispielsweise dem einer Anzeigelampe, angeordnet sein.

Eine andere Ausführungsart eines monolithischen Spannungsreglers für eine von einem Wechselstromgenerator zu ladende Batterie gemäß der Erfindung, der in Höhe der Schwachlaststufe gegen Restüberspannungen und gegen Energie geschützt ist, die die Spannung an den Batterieklemmen überschreitet, wie am Anschluß 30 für das Detektorsignal der Wechselstromgeneratorphase, wird als vorteilhafte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 5a und 5b erläutert.

Diese Ausführungsform erlaubt es, die durch vertikale Integrationstechnik hergestellten Übergänge, die durch den Boden der Isolationswannen und das mit dem positiven Batteriepol verbundene Substrat SU gebildet sind, zu schützen. Diese Übergänge S 1 und S 2 in Fig. 5b und auch in Fig. 5a bilden die Insel-Isolationswannen der einzelnen Isolationswannen. Wie man aus Fig. 5a insbesondere entnehmen kann, sind im Falle, daß der Eingangsanschluß beispielsweise durch den Eingangsanschluß 30 für das Phasendetetkorsignal gebildet ist, die Zenerdiode Z 2 und die Diode D 2 vergleichbar der Ausführungsart nach Fig. 4a dargestellt, während die Zenerdiode Z 1 und die Diode D 1 derselben Fig. 4a modifiziert worden sind, um eine verbesserte Funktion zu erzielen.

Man kann aus Fig. 5a entnehmen, daß die Zenerdiode Z 1 aus mehreren äquivalenten Zenerdioden Z 11, Z 12, Z 13, Z 14, Z 15 gebildet ist, die in Serie geschaltet sind und die dazu bestimmt sind, eine Begrenzungsschaltung Z 1, D 1 für positive parasitäre Restspannungen zu bilden, analog der Ausführungsart nach Fig. 4a. Jede Zenerdiode Z 11 bis Z 15 ist in einer einzelnen Isolierwanne C 11, C 12, C 13, C 14 bzw. C 15 ausgebildet.

Jeder Übergang, der eine Insel-Isolationswanne S 1, S 2 bildet, ist somit mit einem entsprechenden Begrenzungswiderstand RL 1, RL 2 versehen.

In Fig. 5b ist ein Implantationsschema für die verschiedenen Zenerdioden Z 11, Z 12, Z 15 in ihren entsprechenden Isolationswannen C 11, C 12, C 15 dargestellt, die von einer N-Halbleitermaterialzone gebildet ist, die in das P-Halbleitermaterial diffundiert oder epitxiert ist, womit in dem N-leitenden Substrat SU der Übergang ausgebildet wird, der die Isolierwanne S 1 bzw. S 2 ausbildet.

Aus Fig. 5b ist zu entnehmen, daß der Begrenzungswiderstand RL 1, RL 2 durch Oberflächendiffusion vom Pbase-Typ gebildet ist, verbunden mit der Bezugsspannung und ausgebildet in einer epitxialen N-Zone, die eine einzelne Isolationswanne für den entsprechenden Begrenzungwiderstand bildet, wobei die einzelnen Wannen mit C 16 und C 17 bezeichnet sind.

Die Begrenzungsschaltung, die in Fig. 5a und 5b dargestellt ist, soll auf dem Halbleitermaterialsubstrat des erfindungsgemäßen monolithischen Reglers ausgebildet werden. Sie kann jedoch nicht die starken Überspannungen absorbieren, die durch das Phänomen beim Abklemmen der Batterie und durch kapazitive Entladungen hervorgerufen werden, wenn die Elemente, aus denen sie zusammengesetzt ist, nicht stark dimensioniert sind, wie im Falle einer integrierten Schaltung. Die Funktion der in den Fig. 4a und 4b dargestellten Begrenzungsschaltung ist daher mit der Verwendung einer Gleichrichterbrücke 10 verbunden, die mit Spitzenbegrenzungsdioden, wie beispielsweise Zenerdioden, versehen ist.

Spannungspitzen schwacher Energie können an den erfindungsgemäßen Regler angelegt werden, selbst wenn die Gleichrichterbrücke mit begrenzenden Dioden versehen ist, die den Lawinenbereich für eine schwache umgekehrte Spannung von 20 bis 30 V überschreiten. Diese Spitzen resultieren aus der Tatsache, daß die Begrenzerdioden eine nicht vernachlässigbare Ansprechzeit haben und daß sie nicht direkt auf dem Halbleitermaterialplättchen des Reglers angeordnet sind. Diese Spannungsspitzen können den Regler ermüden oder zerstören, wenn sie durch die Halbleitertechnologie vorgegebene zulässige Spannungswerte überschreiten.

Die genannte vertikale Integrationstechnik erlaubt es, getrennte Isolationswannen C 11, C 12, C 15 und C 16 zu erzeugen, die die bipolaren Elemente enthalten können, die notwenig sind, um die Begrenzungsschaltung zu realisieren, wie sie in den Fig. 5a und 5b dargestellt ist.

Die negativen Restspannungsspitzen zwischen dem positiven Anschluß der Batterie und Masse können durch Dioden beseitigt werden, die bereits in der Leistungsstufe enthalten sind, wie beispielsweise die Rückführdiode RD in Serie mit der Parasitärdiode DP des Umschalt-MOS-Transistors, der die Induktionsspule 21 versorgt.

Die negativen Restspannungsspitzen können mehrere Volt erreichen, und es ist notwenig, die zwischen den positiven Batterieanschluß und Masse geschalteten Übergänge zu schützen, wobei diese Übergänge normalerweise gesperrt sind, wenn die Batterispannung umgekehrt ist. Dieser Schutz wird selbstverständlich mittels der Begrenzungswiderstände RL 1 und RL 2, wie oben bereits beschrieben, bewirkt.

Die Diodenübergänge, die durch die einzelnen Isolationswannen C 11, C 12, C 13, C 14 und C 15 gebildet werden, stellen die inneren Teile einer Wannengruppe dar, die gemeinsam Isolationswände haben. Diese Wannengruppen bilden eine Insel, die durch die Insel-Isolationswanne S 1 oder S 2 geschützt ist, wobei der Diodenübergang c 2 den inneren Teil einer einzelnen Isolationswanne darstellt, die von der vorangehenden Gruppe vollständig getrennt ist und die eine andere Insel darstellt und durch eine andere Insel-Isolationswanne S 2 geschützt ist.

Im Falle, daß der Diodenübergang C 2 leitfähig wird, injiziert der Parasitärtransistor, der durch den Diodenübergang S 2 und den Diodenübergang C 2 gebildet wird, nämlich der Parasitärtransistor Tp nach Fig. 5b, einen Strom in das Substrat SU und nicht in die Wannen C 11 bis C 15 oder C 16. Wenn umgekehrt einer der Übergänge C 11 bis C 15 leitfähig wird, dann injiziert der betreffende Parasitärtransistor, den er mit dem Übergang der Insel-Isolationswanne S 1 bildet, Ströme in das Substrat SU und nicht in die Wanne C 2.

Diese Möglichkeit, Wannengruppen zu erzeugen, die getrennte Inseln bilden, erlaubt die Anlegung eines negativen Potentials an eine Isolationswannengruppe, ohne die Schaltungen zu stören, die in einer anderen Wannengruppe oder Insel derselben monolithischen Schaltung gelegen sind. In dieser Hinsicht kann eine Gruppe aus Isolationswannen, die eine Insel bilden, durch die inneren Teile der Wannen definiert werden, wobei der Boden der Wannengruppe den Diodenübergang der Insel-Isolationswanne S 1 oder S 2 bildet und eine Verbindung mit Masse der Vorrichtung mittels eines Begrenzungswiderstandes RL 1 oder RL 2 bildet.

Diese Eigenschaft wird dazu verwendet, die negativen Spitzen abzuschneiden, die an dem Signaleingang 30 auftreten. Die Begrenzungsvorrichtung Z 2, D 2 schneidet die negativen Spitzen bei einer Größe von -8 V ab, die an dem Signaleingang 30 auftreten. Das Potential der Kathode der Diode D 2 liegt bei -8 V. Die Diode der einzelnen Isolationswanne C 2 ist in Durchlaßrichtung gepolt, und der Parasitärtransistor, der durch die Verbindungsdiode der einzelnen Isolationswanne C 2 und durch den Diodenübergang der Insel-Isolationswanne S 2 gebildet wird, injiziert einen Strom in das Substrat SU und nicht in die benachbarten Wannen, weil die Dioden C 2 und S 2 eine von den anderen getrennte Wanne ausbilden.

Die positiven Spitzen oder Restspannungen werden durch die Serienbegrenzungsschaltung Z 11, Z 12, Z 13 bis Z 15 abgeschnitten, und die Begrenzungsspannung liegt bei etwa 37 V.

Schließlich sieht man in Fig. 5a, daß der entsprechende Eingangsanschluß, der Anschluß 30 für das Phasendetektorsignal beispielsweise oder der positive Batterieanschluß, mit der Begrenzerschaltung Z 11 bis Z 15 für positive parsitäre Restspannungen mittels Verteilerdioden D 11 und D 12 verbunden ist. Diese Dioden sind in dem Implantationsschema nach Fig. 5b nicht dargestellt.

Claims (15)

1. Monolithischer Ladespannungsregler für eine Batterie, die von einem Wechselstromgenerator (1) geladen wird, enthaltend eine Leistungsstufe (2), die einen MOS-Schalttransistor (20) enthält, wobei eine Rückführdiode (DR) in Sperrichtung dem MOS-Schalttransistor in Serie geschaltet ist, welcher MOS-Transistor normalerweise in Serie mit der Inkuktionsspule (21) des Wechselstromgenerators geschaltet ist, während die Rückführdiode (DR) normalerweise parallel zu der genannten Induktionsspule (21) geschaltet ist, weiterhin enthaltend eine Schwachlaststufe (3), die wenigstens eine Eingangsschaltung (30) für ein Generatorphasensignal enthält, wobei die Stufen (30) des Generatorphasensignals, die Leistungsstufen (2) und die Schwachlaststufe (3) auf dem Halbleitersubstrat (SU) in vertikaler Integrationstechnik mittels Isolationswannen integriert sind, die Dioden (SO) bilden, die bei Anwesenheit einer Parasitärspannung in der Lage sind, eine Parasitärdiode oder einen Parasitärtransistor (tp) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (SU) in Höhe der genannten Isolationswannen einen Begrenzungswiderstand (RL) enthält, der dazu bestimmt ist, den Strom zu begrenzen, der durch die genannten Parasitärspannungen hervorgerufen wird, die die genannten Dioden (SO) leitfähig machen können.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Leistungsstufe (2) gegen versehentliche Verpolung der Batterie der MOS-Schalttransistor (20) eine Parasitärdiode (DP) zwischen Source und Drain aufweist, die normalerweise in Sperrichtung gepolt ist, wobei der Begrenzungswiderstand (RL) in Serie mit der Rückführdiode (DR) geschaltet ist.

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (RL) auf der Kathodenseite oder der Anodenseite der Rückführdiode (DR) angeordnet ist.

4. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (RL) einen geringen Widerstandswert weniger als 1 Ohm aufweist.

5. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (RL) durch Diffusion in der Epitaxie (EP) des Halbleiters ausgeführt ist, der die Rückführdiode (DR) bildet.

6. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Schwachlaststufe gegen versehentliche Verpolung der Batterie Begrenzungswiderstand (RL) so angeschlossen ist, das er die Isolationswanne (SO) mit dem Bezugspotential des Reglers verbindet.

7. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (RL) in den Halbleiter integriert ist und durch eine P-Base-Diffusion in einer Epitaxialschicht (EP) gebildet ist.

8. Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Wirkung des Parasitärtransistors (tp), der durch das N-Halbleitermaterial des Substrates (SU), das P-Halbleitermaterial der Isolationswanne (SO) und das N-Halbleitermaterial der Epitaxialschicht (EP) gebildet ist, bei Verpolung der Batteriespannung die genannte Wanne (SO) eine langgestreckte Form aufweist und der Begrenzungswiderstand (RL) geradlinig ist und sich im wesentlichen in der Lage (L) der Isolationswanne erstreckt, um den Widerstand der Epitaxialschicht (EP) und den Basiswiderstand des Parasitärtransistors (tp) zu vergrößern.

9. Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung des aktivsten Teils des Parasitärtransistors (tp) und zum Umwandeln desselben in eine Diode die Epitaxialschicht (EP) eine tiefe Diffusionszone (ZDP) aufweist, die stark N⁺-dotiert ist und die gleiche Natur wie die Epitaxialzone (N) aufweist, wobei die tiefe Diffusion zwischen dem genannten Begrenzungswiderstand (RL) und der Isolationswanne (SO) liegt, die genannte P-Base-Diffusionszone, die den Begrenzungswiderstand (RL) bildet, oberflächlich mit der Halbleiterzone vom P-Typ, die die Isolationswanne (SO) bildet, mittels einer Metallisation (ME) verbunden ist, wobei der Basis-Kollektor-Übergang des Parasitärtransistors (tp) auf diese Weise kurzgeschlossen ist.

10. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Eingangs der Schwachlaststufe (3), insbesondere des Signaleingangs (30) für das Phasendetektorsignal, gegen Restüberspannungen jede Schwachlaststufe in Höhe eines jeden Detektorsignaleingangs eine Begrenzungsschaltung enthält, die aus einer Zenerdiode (Z 1, Z 2), die mit einer Diode (D 1, D 2) in Serie geschaltet ist, besteht, wobei jede durch eine Zenerdiode (Z 1, Z 2) und eine Diode (D 1, D 2) gebildete Gruppe in einer Isolationswanne (C 1, C 2) angeordnet ist, wobei die Isolationswannen (C 1, C 2) gegenüber Isolationswannen getrennt sind, die die Schwachlastschaltungen des Reglers enthalten.

11. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Isolationswannen (C 1, C 2) einen Begrenzungswiderstand (RL) enthalten, um einen Schutz gegen jedes Risiko einer versehentlichen Verpolung der Batterie sicherzustellen.

12. Regler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Übergänge, die in vertikaler Integrationstechnik durch den Boden der Isolationswannen und das mit dem positiven Batteriepol gebildete Substrat ausgebildet sind und die Dioden (S 1, S 2) bilden, wobei diese Übergänge Insel-Isolationswannen für einzelne Isolationswannen (C 11, C 12, C 13, C 14, C 15) für Zenerdioden (Z 11, Z 12, Z 13, Z 14, Z 15) bilden, die in Serie geschaltet sind und dazu bestimmt sind, eine Begrenzungsschaltung (Z 1, D 2) für positive Parasitärrestspannungen zu bilden, jeder Übergang (S 1, S 2), der eine Insel-Isolationswanne bildet, mit einem Begrenzungswiderstand (RL 1, RL 2) versehen ist.

13. Regler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Begrenzungswiderstand (RL 1, RL 2) durch eine oberflächliche P-Base-Diffusion gebildet ist, die mit der Bezugsspannung in einer N-Epitaxialzone verbunden ist, die eine einzelne Isolationswanne (C 16, C 17) bildet.

14. Regler nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschaltung für negative Parasitärrestspannungen durch eine Zenerdiode (Z 2) gebildet ist, die in Serie mit einer Diode (D 2) geschaltet ist, wobei die genannten Dioden in ihrer Insel-Isolationswanne (S 2) ausgespart sind.

15. Regler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß für das Phasendetektorsignal oder der positiven Batterieanschluß mit der Begrenzungsschaltung (Z 11 bis Z 15) für positive Parasitärrestspannungen mittels Verzweigungsdioden (D 11 und D 12) verbunden sind.