DE3927279A1 - Schaltkreis zum thermischen abschalten einer integrierten schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf monolithische integrierte Schaltungen (IC′s), die so konzipiert sind, daß sie abschalten, wenn ihre Temperatur einen vorbe­ stimmten Maximalwert übersteigt. Typischerweise wird bei bekannten Schaltungen ein Temperaturgrenzwert für das Chip von ca. 160°C benutzt, um einen Auslösekreis zu aktivieren, dessen Ausgang den Chipbetrieb abschal­ tet oder sperrt. Somit wird bei einer Überlast der Schaltkreis abgeschaltet, der dann abkühlen kann. Bei genügender Kühlung wird anschließend der Schaltkreis wieder aktiviert, und der normale Betrieb kann fortge­ setzt werden. Falls eine Überlast jedoch weiterhin vor­ liegt, wird der Chip sich von neuem aufheizen und ab­ schalten. Somit setzt sich ein thermisches Takten solange fort, bis die Spannungsversorgung für den Schaltkreis weggenommen wird oder bis die Überlast ent­ weder beseitigt wird oder von selbst verschwindet. In einigen Anwendungen kann ein derartiges Takten schäd­ lich sein. Zum Beispiel beendet bei einer Motorsteue­ rungsanwendung ein thermisches Abschalten den Motorbe­ trieb, und eine Bedienungsperson könnte in die Maschine hineingreifen. Ein unerwarteter Start kann in diesem Fall katastrophal sein. Entsprechend ist es unter gewissen Bedingungen wünschenswert, eine Einrastfunk­ tion zu integrieren, die das IC außer Betrieb hält, bis der Schaltkreis bewußt zurückgesetzt wird. In diesem Fall wird ein Anschluß des Gehäuses mit dem thermischen Abschaltkreis verbunden, um einen Merker zu erzeugen, der anzeigt, ob eine Abschaltung stattgefunden hat. Typischerweise wird ein anderer Anschluß benutzt, um einen elektrischen Reset für die Abschaltfunktion zu liefern. Es wäre jedoch wünschenswert, einen einzigen Anschluß sowohl für die Anzeige als auch für Steuerung der Abschaltung zu haben. Unter dieser Bedingung könnte der einzige Anschluß für die thermische Abschaltfunk­ tion verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen temperaturempfind­ lichen Sperrkreis zu schaffen, der eine Einrastfunktion aufweist und zurückgesetzt werden muß, um den Normalbe­ trieb aufzunehmen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen einzi­ gen Anschluß zu verwenden, um eine Anzeige einer zu hohen Temperatur, eine Sperrverhinderung oder Reset­ verbindung und eine Sperraktivierungsverbindung zu liefern.

Diese und andere Aufgaben werden wie folgt gelöst. Ein einziger Gehäuseanschluß ist mit einem IC-Bondpad ver­ bunden, das eine Verbindung zur IC-Chipschaltung lie­ fert. Das Bondpad ist mit einer Klemmschaltung verbun­ den, die das maximale positive Potential auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Das Bondpad ist weiterhin mit einem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden, dessen anderer Eingang mit einem stabilen Referenz­ potential verbunden ist. Das Bondpad ist auch mit einer Steuerschaltung verbunden, die im Normalbetrieb sein Potential nach "Low" zieht. Die Steuerschaltung wird von einem temperaturempfindlichen Schaltkreis betätigt, der einen Ausgangsstrom erzeugt, wenn die Chiptempera­ tur den vorgesehenen Wert übersteigt. Wenn die vorge­ sehene Temperatur überschritten wird, betätigt der vom temperaturempfindlichen Schaltkreis erzeugte Strom die Steuerschaltung, die das Bondpad nach "High" auf den Klemmwert zieht. Dadurch wird der Differenzverstärker geschaltet, der einen Ausgang erzeugt, der eine Sperr­ schaltung betätigt, welche den Betrieb der wärmeerzeu­ genden Chipfunktion beendet. Der Differenzverstärker hat einen zweiten Ausgang, der die Steuerschaltung ein­ rastet, wodurch das Bondpad auf "High" gehalten wird.

Wenn die Sperrfunktion beendet werden soll, kann das Bondpad von außen nach "Low" gezogen werden, wodurch die Einrastung aufgehoben und die Sperrwirkung beendet wird. Dadurch wird der Normalbetrieb wiederhergestellt. Falls gewünscht, kann das Bondpad mit einem Merkersetz­ kreis sowie externen Sperr- und Resetschaltungen ver­ bunden werden. Diese externen oder chipfremden Elemente können mit einem Rechner kommunizieren, der so program­ miert werden kann, daß er einen Merker erkennt, der eine hohe Chiptemperatur anzeigt. Der Rechner kann dann eine Sperrung bewirken, die die Ursache für die hohe Temperatur beseitigt. Er kann auch den normalen Schal­ tungsbetrieb bewirken. Aus Obigem kann man erkennen, daß eine einzige Bondpadverbindung als Sperrmerker wir­ ken kann, oder als Sperrfreigabe, Sperrbeendigung oder Reset.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm der Chipelemente der integrierten Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm, welches zeigt, wie der Schaltkreis auf dem Chip nach Fig. 1 mit externen, chipfremden Elementen kommuniziert, und

Fig. 3 ein schematisches Diagramm von externen Schalt­ kreisen, die mit einem Rechner für die Steuerung des Schaltkreises nach Fig. 1 kommunizieren.

Der Schaltkreis nach Fig. 1 wird von einer Stromversor­ gung V-S betrieben, wobei der Pluspol mit Anschluß 10 und der Minuspol mit dem Masseanschluß 11 verbunden ist. Das Bondpad 12 ist der einzige Anschluß, der zum Betreiben des Schaltkreises gemäß der Erfindung benutzt wird. Ein Spannungsregler 13, dessen Aufbau wohlbekannt ist, liefert eine V-REG-Versorgungsleitung 14, welche typischerweise durch nicht gezeigte Mittel auf 5,00 V abgeglichen wird. Der Regler 13 weist einen üblichen Referenzspannungsregler auf, der auf Leitung 15 eine Referenz von 1,25 V liefert. Sowohl V-REG als auch V-REF werden geregelt und sind temperaturunabhängig.

Das Herzstück des Schaltkreises ist ein Temperatursensor 16, der wie folgt arbeitet. Der Tran­ sistor 17 erzeugt einen Strom, der in den Widerständen 18 und 19 fließt. Der Vorspannungsgenerator 20 ist wün­ schenswerterweise von der im Patent 39 30 172 offenbar­ ten Art. Die Vorspannung an der Basis des Transistors 17 ist unabhängig vom Potential der Versorgung und er­ zeugt im Transistor 17 einen Strom, der einer bekann­ ten, wiederholbaren Temperaturbeziehung unterliegt. Dieser im Widerstand 19 fließende Strom erzeugt einen Spannungsabfall, der normalerweise nicht ausreicht, um den Transistor 21 einzuschalten. Die Leitungsschwelle des Transistors 21 fällt mit steigender Temperatur. Die Elemente 17-21 sind so ausgelegt, daß bei ca. 160°C (433 K) der Strom im Kollektor des Transistors 21 zu fließen beginnt, der über den Widerstand 22 nach Masse zurückgeführt ist. Dieser Strom steigt mit der Tempe­ ratur.

Der Kollektor des Transistors 24 ist mit dem Bondpad 12 verbunden und ist durch die Stromquelle 25 zum V-S-An­ schluß zurückgeführt. Der Transistor 26 ist über seine Diode mit der Basis des Transistors 24 verbunden und ist durch die Stromquelle 27 zum V-S-Anschluß 10 zu­ rückgeführt. Somit bilden die Transistoren 24 und 26 einen Stromspiegel, der eine Stromverstärkung von 1 hat, wenn die Transistoren abgestimmt sind. Unter Nor­ malbedingungen wird die Stromquelle 27 etwa neunmal so stark gemacht wie die Stromquelle 25. Daher versucht der Transistor 24, neunmal soviel Strom zu vernichten, wie ihm zugeführt wird. Das heißt, daß der Transistor 24 in Sättigung ist und das Bondpad 12 auf einen klei­ nen Bruchteil eines Volts herabzieht.

Die Transistoren 28 und 29 sind als Differenzpaar mit­ einander verbunden, das von Quelle 30 versorgt wird. Wenn das Bondpad 12 auf "Low" ist, wie oben beschrie­ ben, und die Basis von Transistor 29 auf +1,25 V ist, fließt praktisch sämtlicher Strom in der Quelle 30 in Transistor 28 nach Masse. Keine Strom fließt in Tran­ sistor 29. Bei gewöhnlicher Temperatur fließt somit kein Strom in Widerstand 22, und Transistor 31, der von der Basis von Transistor 24 nach Masse verbunden ist, ist nicht leitend. Gleichzeitig fließt kein Strom im Widerstand 32, und Transistor 33 ist nicht leitend. Somit liegt keine Sperrfunktion vor und der Normalbe­ trieb wird fortgesetzt.

Wenn die Chiptemperatur ca. 160°C überschreitet und Strom im Transistor 21 fließt, wird bei einem bestimm­ ten Temperaturwert einiges von dem Strom in die Basis von Transistor 31 fließen. Falls das Beta von Tran­ sistor 31 ungefähr 200 ist und ein Strom von 1 µA in seine Basis fließt, fließt praktisch sämtlicher Strom in Quelle 27 in den Kollektor von Transistor 31. An diesem Punkt schalten die Transistoren 26 und 24 ab. Dann zieht die Quelle 25 das Bondpad nach oben, bis der Strom in den Widerstand 34 und den Transistor 35 fließt. Falls der Widerstand 34 ca. 2 kOhm ist und die Quelle 25 20 µA erzeugt, wird das Bondpad 12 bei 300 K auf etwa 5,64 V geklemmt. Dieser Wert ist eine V-BE+ dem Abfall über Widerstand 34 oberhalb V-REG auf Lei­ tung 14.

Da die Basis von Transistor 29 bei 1,25 V liegt, schal­ tet der Differenzverstärker, und der Transistor 28 ist abgeschaltet. Somit wird der Strom zwischen den beiden Kollektoren aufgeteilt. Der Strom im unteren Kollektor fließt in die Basis von Transistor 31, wobei er einge­ rastet wird. Der im oberen Kollektor fließende Strom fließt in die Basis von Transistor 33, wobei er einge­ schaltet wird. Die Wirkung von Transistor 33 ist, die hauptsächlichen Wärme erzeugenden Elemente (nicht ge­ zeigt) auf dem Chip zu sperren. Die Sperrung kann auf mit dem Schaltkreis gemäß der Erfindung verbundene digitale Steuerkreise übertragen werden oder auf an­ dere, Wärme erzeugende lineare Schaltkreise. Somit wird der Chip außer Funktion gesetzt und bleibt wegen der Einrastfunktion auch so, selbst wenn das Chip sich ab­ kühlt und der Transistor 21 nicht mehr leitet.

Da das Bondpad 12 auf "High" ist (mehr als 5 V), kann es dazu verwendet werden, das Vorliegen der Sperrung zu erfassen. Dabei wirkt sein Potential als Merker. Falls gewünscht ist, den Schaltkreisbetrieb zurückzusetzen, kann V-S kurzzeitig entfernt und wieder aufgebracht werden. Falls es jedoch gewünscht ist, kann das Bondpad 12 auch auf Masse zurückgeführt oder durch externe Mit­ tel nach "Low" gezogen werden. Dies ist in Fig. 2 ge­ zeigt, welche die externen Verbindungen des Bondpads 12 zeigt. Wie gezeigt ist, kann das Bondpad mit einem An­ zeigeelement verbunden werden, welches den Abschaltmer­ ker offenbart. Der Druckknopf 37 stellt ein Mittel zum kurzzeitigen Ziehen des Bondpads 12 nach "Low" für den Reset dar. Der Druckknopf 38 stellt das Mittel zum Zie­ hen des Bondpads nach "High" zum Bewirken des Sperrbe­ fehls dar.

Fig. 3 ist eine Darstellung von externen Mitteln für die Steuerung des Bondpads 12. Das Herzstück der Steuerschaltung ist ein Rechner 39, der ein Mikroprozes­ sor oder ein Mikrocomputer sein kann und mit entspre­ chender Software arbeitet. Die Transistoren 37′ und 38′ ersetzen jeweils die Druckknöpfe 37 und 38. Der Wider­ satnd 40 koppelt das Bondpad 12 an die Basis des Tran­ sistors 41. Somit kann das Bondpad 12 nur leicht über eine V-BE über Masse steigen. Dadurch wird, während ein Hochtemperaturmerker gesetzt wird, das automatische Auslösen einer Sperrung verhindert. Der Transistor 41 enthält einen Widerstand 42 in seinem Kollektor, sodaß er als Inverter wirken kann. Wenn somit die Sperrung aktiviert wird, schaltet der Potentialanstieg am Bond­ pad 12 den Transistor 41 ein, wodurch ein Merker "Low" am Kollektor erzeugt wird. Der Inverterpuffer 43 kop­ pelt und invertiert den Merker bezüglich des Rechners 39. Wenn einmal eine Anzeige von hoher Temperatur vor­ liegt, kann der Rechner ein Abschalten veranlassen, indem er einen "High"-Befehl über die Leitung 43, die normalerweise "Low" ist, zum Transistor 38′ schickt. Der Transistor 38′ zieht dann das Bondpad 12 auf inner­ halb einer V-SAT von V-REF. Dann, wieder in Überein­ stimmung mit der Programmierung des Rechners 39, kann der Schaltkreis aktiviert oder zurückgesetzt werden, indem ein "High" auf die normalerweise "Low"-Leitung 44 geschickt wird. Dadurch wird der Transistor 37′ einge­ schaltet und zieht den Bondpad 12 nach "Low". Zusammen­ gefaßt zeigt die Fig. 2, wie eine manuelle Steuerung verwendet werden kann, um den Schaltkreisbetrieb zu verwirklichen, und in Fig. 3 ist eine Bedienungsperson durch einen Rechner ersetzt, der die vernünftigen Steu­ erentscheidungen liefert.

Der Schaltkreis nach Fig. 1 wurde mit monolithischen, sperrschicht-isolierten Silizium-Standardkomponenten verwirklicht. Die NPN-Transistoren waren von vertikaler Struktur mit hohem Beta, und die PNP-Transistoren waren von üblicher Lateralstruktur. Die folgenden Bauele­ mentewerte wurden verwendet:

Der Schaltkreis arbeitete über einen Versorgungsspan­ nungsbereich von 7 bis 40 V. V-REG auf Leitung 14 wurde auf 5,00 V abgeglichen, und V-REF auf Leitung 15 war 1,25 V. Der Schaltkreis arbeitete bei 300 K normal, und das Bondpad war nahe bei 0 V. Wenn die Chiptemperatur zunahm, wurde festgestellt, daß das Bondpad 12 bei ca. 435 K auf "High" schaltete und der Transistor 33 in Sättigung ging. Der Schaltkreis blieb eingerastet, bis entweder die Versorgung V-S kurzzeitig weggenommen wurde oder das Bondpad 12 nach "Low" gezogen wurde.

Die Erfindung wurde beschrieben, und ein Arbeitsbeispiel wurde erläutert. Wenn ein Fachmann die vorstehende Beschreibung liest, werden ihm Alternativen und Äquivalentlösungen innerhalb des Umfangs und des Bereichs der Erfindung offenbar. Entsprechend ist beab­ sichtigt, daß der Umfang der Erfindung nur von den vor­ stehenden Ansprüchen begrenzt wird.

Ein integrierter Schaltkreis mit thermischer Abschalt­ eigenschaft wird offenbart. Ein einziger Bondpad des Chips wird mit einem Schaltkreis verbunden, der unter normalen Bedingungen das Bondpad bei "Low"-Potential betreibt und es nach "High" zieht, wenn die Temperatur­ schwelle überschritten wird. Somit liefert das nor­ malerweise auf "Low" liegende Bondpad einen Temperatur­ merker. Das Bondpad ist auch mit einer Einrastvorrich­ tung verbunden, die es auf "High" hält, und mit einer Sperrschaltung, die den die Wärme erzeugenden Schal­ tungsteil abschaltet. Wenn daher das Bondpad einmal auf "High" ist, werden die Schaltkreise blockiert und blei­ ben so, bis ein Neustartbefehl vorliegt. Dies wird ent­ weder durch kurzzeitiges Abschalten der Stromversorgung oder durch Ziehen des Bondpads nach "Low" bewirkt. So­ wohl manuelle als auch Rechnersteuerung des Schaltkrei­ ses werden offenbart.

Fig. 1
Bias Generator = Vorspannungsgenerator
Voltage Regulator = Spannungsregler
To Lockout = Sperrung

Fig. 2
Disable = Sperren
To Indicator = zum Anzeiger
Reset = Zurücksetzen

Fig. 3
Normally Low = normalerweise "Low"
High to disable = "High" zum Sperren
High to reset = "High" zum Zurücksetzen

Claims (7)

1. Schaltkreis zum thermischen Abschalten einer integ­ rierten Schaltung bei überhöhter Chiptemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis aufweist:

• - ein Chip-Bondpad (12) für externen Zugang zum Chip;
• - mit dem Bondpad (12) verbundene Mittel (24, 25, 26, 27) zum Halten seines Potentials auf "Low" bei normalen Betriebsbedingungen, wenn die Chiptemperatur nicht überhöht ist;
• - mit dem Bondpad (12) verbundene Mittel (21, 24, 25, 26, 27, 31) zum Ziehen seines Potentials nach "High", wenn die überhöhte Chiptemperatur auftritt;
• - Mittel (31) zum Einrasten des Potentials des Bondpads (12), wenn die überhöhte Chiptemperatur auftritt; und
• - mit dem Bondpad (12) verbundene Mittel zum Sperren des Betriebs des Chips, wenn das Potential des Bondpads "High" ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mit dem Bondpad verbundene Mittel (34, 35) zum Klemmen seines maximalen positiven Poten­ tials auf einen vorbestimmten Wert.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bondpad (12) mit einem Eingang eines Differenzverstärkers (28, 29) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit einer Referenzpoten­ tialquelle (13) verbunden ist, sodaß der Differenzver­ stärker (28, 29) schaltet, wenn das Potential des Bond­ pads (12) vom niedrigen Zustand oberhalb des Referenz­ potentialwerts angehoben wird.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (28, 29) zwei Ausgänge aufweist, von denen einer die Mittel (31) zum Einrasten und der andere die Mittel (33) zum Einrasten betätigt.

5. Schaltkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch extern zum integrierten Schalt­ kreis angeordnete Mittel zum Anzeigen des Zustands des Potentials am Bondpad (12), durch Mittel (38) zum Ziehen des Potentials am Bondpad (12) nach "High", um den Chip zu sperren, und durch Mittel (37) zum Ziehen des Potentials am Bondpad (12) nach "Low" zum Zurück­ setzen des Betriebs des Chips.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Rechner (39) zum Steuern des Chips, wobei die Mittel zum Anzeigen einen ersten Tran­ sistor (41) mit zum Bondpad (12) über eine geeignete Impedanz (40) verbundener Basis aufweisen, wodurch das Potential des Bondpads (12) auf "Low" geklemmt wird und die Leitung in dem Transistor (41) als Merker benutzt wird, um den Rechner (39) über das Vorliegen einer überhöhten Chiptemperatur zu informieren.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen mit dem Bondpad (12) ver­ bundenen zweiten Transistor (38′), der vom Rechner (39) so gesteuert wird, daß das Potential am Bondpad (12) angehoben wird, wenn der Rechner (39) entscheidet, daß die Sperrbedingungen aufgerufen werden sollten, und durch einen mit dem Bondpad (12) verbundenen dritten Transistor (37′), der vom Rechner (39) so gesteuert wird, daß das Potential am Bondpad (12) abgesenkt wird, wenn der Rechner (39) entscheidet, daß der Chipbetrieb zurückgesetzt werden sollte.