DE4114363C2

DE4114363C2 - Circuit arrangement for power control of a MOSFET with source-side load

Info

Publication number: DE4114363C2
Application number: DE19914114363
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Rabl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-06-08
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-05-03
Also published as: DE4114363A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last mit Mitteln zur Impulsbreitensteuerung der Gatespannung des MOSFET, die eine Bootstrap-Schaltung enthalten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for Power control of a MOSFET with source-side load with Means for pulse width control of the gate voltage of the MOSFET, which contain a bootstrap circuit according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus Elrad (1989) Heft 11, S. 48 bekannt. Um die Leistung einer Last, z. B. einer Glühbirne zu regeln, eignet sich in vielen Fällen die Me thode der Impulsbreitenmodulation. Als Leistungsschalter im Nie derspannungsbereich werden meistens MOS-Feldeffekt-Transistoren wegen ihrem niedrigen Durchlaßwiderstandes bevorzugt. Werden derartige Schaltungen in der Kfz-Technik angewendet, so tritt die Schwierigkeit auf, daß die Last einseitig an Masse ange schlossen werden muß. Der Schalter liegt dann auf Plus-Poten tial. Da aus Kostengründen nur n-Kanal-MOSFET-Feldeffekt-Tran sistoren eingesetzt werden, muß zur Ansteuerung am Gate eine Spannung angelegt werden, die um die Einsatzspannung des MOSFET größer als die Betriebsspannung ist.Such a circuit arrangement is, for example, from Elrad (1989) Issue 11, p. 48. To the performance of a load, e.g. B. to regulate a light bulb, the Me is suitable in many cases method of pulse width modulation. As a circuit breaker in the never The voltage range is mostly MOS field-effect transistors preferred because of its low forward resistance. Become such circuits applied in automotive engineering, so occurs the difficulty that the load is unilaterally grounded must be closed. The switch is then on plus pots tial. Since only n-channel MOSFET field effect tran for cost reasons sistors are used, one must be used to control the gate Voltage is applied around the threshold voltage of the MOSFET is greater than the operating voltage.

Um dieses Problem zu lösen, haben sich zwei Verfahren bewährt. Das erste Verfahren ist die Ladungspumpe. Bei diesem Verfahren wird ein Kondensator über eine Diode auf die Betriebsspannung aufgeladen und z. B. durch ein Rechtecksignal hoher Frequenz wird dann die Spannung am Kondensator um den Amplitudenwert des Rechtecksignals erhöht. Die so entstandene Spannung am Konden sator kann dich nun in die Gate-Kapazität des MOSFET entladen und diesen leitend steuern. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch dann, wenn eine periodische Abschaltung erforderlich ist, weil dabei das Gate immer voll entladen und nachher wieder schnell aufgeladen werden muß. Des weiteren kann die verhältnismäßig hohe Pumpfrequenz Anlaß für Funkstörprobleme sein.Two methods have proven to solve this problem. The first method is the charge pump. With this procedure a capacitor is connected to the operating voltage via a diode charged and z. B. by a square wave signal of high frequency the voltage across the capacitor is then increased by the amplitude value of the Square wave signal increased. The resulting tension on the condenser sator can now discharge you into the gate capacitance of the MOSFET and control it. However, difficulties arise when periodic shutdown is required because always fully discharged the gate and then quickly again afterwards must be charged. Furthermore, it can be proportionate high pump frequency may be a cause of radio interference problems.

Das zweite Verfahren ist das Bootstrap-Verfahren, bei dem ein sogenannter Bootstrap-Kondensator Verwendung findet. Ist die Last abgeschaltet, so wird der Bootstrap-Kondensator über eine Diode auf die Betriebsspannung aufgeladen. Beim Einschalten des MOSFET-Feldeffekt-Transistors verschiebt die nun an der Last an liegende Betriebsspannung die am Bootstrap-Kondensator anliegen de Spannung um eben diesen Wert. Für eine periodische Abschal tung der Last, wie es ja bei der Impulsbreitenmodulation der Fall ist, bietet die Bootstrap-Anordnung daher eine gute Lösung. Selbst wenn die Last nur kurz abgeschaltet wird, kann sich der Bootstrap-Kondensator wieder aufladen. Die Schaltfrequenz muß jedoch so hoch gewählt werden, daß an der Last durch das Takten der Betriebsspannung keine störenden Effekte auftreten, sondern nur der Effektivwert des Stromes variierbar ist. Bei Glühlampen sind z. B. etwa 100 Hz nötig, damit kein Flackern bemerkbar ist.The second procedure is the bootstrap procedure, in which a so-called bootstrap capacitor is used. Is the Load is switched off, the bootstrap capacitor is connected via a Diode charged to the operating voltage. When turning on the MOSFET field effect transistor now shifts the load operating voltage applied to the bootstrap capacitor de voltage around this value. For a periodic shutdown the load, as is the case with pulse width modulation of the If so, the bootstrap arrangement offers a good solution. Even if the load is only switched off briefly, the Recharge the bootstrap capacitor. The switching frequency must however, be chosen so high that the load by the clocking the operating voltage no disturbing effects occur, but only the effective value of the current can be varied. With incandescent lamps are z. B. about 100 Hz necessary so that no flickering is noticeable.

Wenn nun eine Durchsteuerung des MOSFET mit 100% gefordert ist, das heißt, der MOSFET immer leitend geschaltet sein soll, so ist dies mit dem Bootstrap-Verfahren nicht möglich. Hier müßte vom Bootstrap-Verfahren auf das Verfahren der Ladungspumpe um geschaltet werden. Dies bedeutet einen entsprechend hohen Schaltungsaufwand.If 100% control of the MOSFET is required, that is, the MOSFET should always be turned on, so this is not possible with the bootstrap procedure. Should be here from bootstrap to charge pump be switched. This means a correspondingly high one Circuitry.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Lei stungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last anzugeben, die es ermöglicht, einen MOSFET mittels Bootstrap-Schaltung bis nahezu 100% Einschaltdauer anzusteuern.The object of the invention is to provide a circuit arrangement for Lei power control of a MOSFET with source-side load, which enables a MOSFET to be bootstraped up to control almost 100% duty cycle.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. The task is solved by the characteristic features of the Claim 1. Further developments are in the further claims specified.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglichst es, nach dem Errei chen der höchstmöglichen Einschaltdauer, die sich bei der vor erst eingestellten Impulsfrequenz ergibt, die Impulsfrequenz kontinuierlich immer mehr zu erniedrigen, so daß die sehr kurz zeitige Lastabschaltung nun sehr selten vorkommt und ein fast dauernder, also beinahe 100%iger Einschaltzustand erreicht wird. Für die Ansteuerung einer Glühlampe wird hier die Tatsa che ausgenutzt, daß bei so schmalen Impulsen das Abschalten der Glühlampe optisch für das menschliche Auge nicht mehr wahrnehm bar ist, d. h. auch eine tiefere Wiederholfrequenz als 100 Hz nun möglich ist. Weiterhin bietet die Verwendung eines MOSFET als Leistungsschalter den Vorteil, daß die Gate-Kapazität auch bei längeren Auffrischungspausen genügend hoch geladen bleibt.The circuit according to the invention makes it possible after Errei chen the highest possible duty cycle, which is in the before only set pulse frequency results in the pulse frequency continuously lower and lower so that the very short Early load shutdown now occurs very rarely and almost permanent, i.e. almost 100% switch-on state reached becomes. For the control of an incandescent lamp, the Tatsa che exploited that with such narrow pulses switching off the Incandescent lamp no longer perceptible to the human eye is cash, d. H. also a lower repetition frequency than 100 Hz now is possible. Furthermore, the use of a MOSFET provides Circuit breakers have the advantage that the gate capacitance even at longer refreshment breaks remains sufficiently loaded.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to two figures.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemaße Schaltungsanordnung zur Lei stungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last. Fig. 1 shows an inventive circuit arrangement for Lei power control of a MOSFET with source-side load.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Gatespannung des MOSFET für drei Leistungswerte. Fig. 2 shows the time course of the gate voltage of the MOSFET for three power values.

In Fig. 1 ist der Drainanschluß des MOSFET 1 über eine Eingangs klemme 2 mit der Betriebsspannung UB verbunden. Der Source-An schluß des MOSFET 1 ist über eine Last 3 mit einem festen Be zugspotential, z. B. Masse, verbunden. Weiterhin ist eine Schal tungsanordnung 4 vorgesehen, die ein erstes Ausgangssignal er zeugt, welches dem Gate-Anschluß des MOSFET 1 zugeführt wird. Schließlich ist ein steuerbarer Oszillator 5 vorgesehen, dessen Ausgangsfrequenz der Schaltungsanordnung 4 zugeführt wird und der durch ein zweites von der Schaltungsanordnung 4 erzeugtes Ausgangssignal gesteuert wird. Die Schaltungsanordnung 4 ent hält sowohl eine Bootstrap-Anordnung als auch eine Schaltungs anordnung zur Impulsbreitenmodulation. Der Schaltungsanordnung 4 wird außerdem ein Signal 6 zugeführt, das das Tastverhältnis des ersten Ausgangssignals steuert. In Fig. 1, the drain of the MOSFET 1 is connected via an input terminal 2 to the operating voltage UB. The source connection to the MOSFET 1 is a load 3 with a fixed loading potential, z. B. ground connected. Furthermore, a circuit arrangement 4 is provided which generates a first output signal which is fed to the gate terminal of the MOSFET 1 . Finally, a controllable oscillator 5 is provided, the output frequency of which is fed to the circuit arrangement 4 and which is controlled by a second output signal generated by the circuit arrangement 4 . The circuit arrangement 4 includes both a bootstrap arrangement and a circuit arrangement for pulse width modulation. The circuit arrangement 4 is also supplied with a signal 6 which controls the pulse duty factor of the first output signal.

Weiterhin enthält sie Mittel, die ein Signal zum Steuern des Oszillators erzeugen.Furthermore, it contains means that a signal for controlling the Generate oscillator.

Soll die Last abgeschaltet werden, so liegt das erste Ausgangs signal der Schaltungsanordnung 4 unterhalb der Einsatzspannung des MOSFET 1. Soll nun die Leistung der Last kontinuierlich er höht werden, so erzeugt der steuerbare Oszillator 5 eine Impuls folge fester Frequenz, welche durch das zweite Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 4 bestimmt wird. Die Impulsbreite der Impulse wird nun durch die Schaltungsanordnung 4 entsprechend dem durch das Signal 6 eingestellten Leistungswert gesteuert und über die Bootstrap-Anordnung dem Gate-Anschluß des MOSFET 1 zugeführt. Die Breite der Ein-Impulse wird je nach gewünschter Leistung bis zu einem für die Bootstrap-Anordnung maximalen Wert durch die Schaltungsanordnung 4 eingestellt. Für eine mitt lere Leistung ist der zeitliche Verlauf der Gatespannung in Fig. 2 mit A und bei gleicher Impulsfrequenz der maximale für die Bootstrap-Anordnung mögliche Gatespannungsverlauf mit B bezeich net. Soll weiterhin der Leistungsverbrauch der Last 3 erhöht werden, so erzeugt die Schaltungsanordnung 4 nun ein Steuersi gnal, das die Frequenz des steuerbaren Oszillators 5 erniedrigt. Auf diese Weise kann eine nahezu 100% Impulsbreitenmodulation erzeugt werden. Der für diesen Fall entsprechende Gatespannungs verlauf ist in Fig. 2 mit C bezeichnet. Je nach Anwendungsfall könnte die Impulsfrequenz des Oszillators aber auch mit Zunahme der Impulsbreite erniedrigt werden. Dies hängt vor allem von der Art des Verbrauchers und der Anwendung ab. Hat die Last 3 eine nichtlineare Leistungskennlinie, so kann z. B. durch ent sprechende Steuerung der Impulsfrequenz des Oszillators 5 eine Linearisierung der Leistungskennlinie erfolgen.If the load is to be switched off, the first output signal of the circuit arrangement 4 is below the threshold voltage of the MOSFET 1 . If the power of the load is now to be increased continuously, the controllable oscillator 5 generates a pulse sequence of fixed frequency, which is determined by the second output signal of the circuit arrangement 4 . The pulse width of the pulses is now controlled by the circuit arrangement 4 in accordance with the power value set by the signal 6 and supplied to the gate terminal of the MOSFET 1 via the bootstrap arrangement. Depending on the desired power, the width of the on-pulses is set up to a maximum value for the bootstrap arrangement by the circuit arrangement 4 . For a medium power, the time profile of the gate voltage in Fig. 2 with A and at the same pulse frequency the maximum possible for the bootstrap arrangement with B is designated net voltage. If the power consumption of the load 3 is to be increased further, the circuit arrangement 4 now generates a control signal which lowers the frequency of the controllable oscillator 5 . In this way, almost 100% pulse width modulation can be generated. The gate voltage curve corresponding to this case is designated C in FIG. 2. Depending on the application, the pulse frequency of the oscillator could also be reduced as the pulse width increases. This mainly depends on the type of consumer and the application. If the load 3 has a non-linear performance characteristic, z. B. by ent speaking control of the pulse frequency of the oscillator 5, a linearization of the power curve.

Claims

1. Circuit arrangement for power control of a MOSFET ( 1 ) with source-side load ( 3 )

a) means ( 4 ) for pulse width control of the gate voltage of the MOSFET ( 1 ), which contain a bootstrap circuit,

characterized in that

b) a frequency-adjustable oscillator ( 5 ) for generating a pulse sequence is provided, which generates an output signal,
c) the output signal of the controllable oscillator ( 5 ) is fed to the means ( 4 ) for pulse width control,
d) means are provided which control the pulse frequency of the controllable ren oscillator ( 5 ) depending on the pulse width.

2. Circuit arrangement for power control of a MOSFET ( 1 ) with source-side load ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the pulse frequency is reduced as the pulse width increases.

3. Circuit arrangement for power control of a MOSFET with source-side load ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the pulse frequency remains constant as the pulse width increases up to a predetermined pulse width and is reduced after reaching the predetermined pulse width at a constant pulse width.