DE4301551A1 - Schutzschaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige bekannte Schutzschaltungsanordnung mit ei­ nem Längswiderstand und je einer Diode in zwei Querzweigen am Ausgang ist zum Schutz von nachgeschalteten Einrichtun­ gen gegen elektrostatische Entladungen gebräuchlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutz­ schaltungsanordnung anzugeben, welche sowohl gegen elek­ trostatische Entladungen als auch gegen energiereiche Störimpulse aus niederohmigen Störquellen wirkungsvoll schützt.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltungsanordnung ist insbe­ sondere zum Schutz analoger und digitaler integrierter Schaltungen gegen hochenergetische Störimpulse und gegen elektrostatische Entladungen, wie sie typischerweise beim Einsatz in Kraftfahrzeugen auftreten, geeignet. Sie können z. B. als Interfaces zwischen einem elektrischen System und daran angeschlossenen Sensoren oder zwischen räumlich ge­ trennten Systemen, die über störanfällige Leitungen mit­ einander verbunden sind, verwendet werden.

Die Schutzschaltungsanordnung kann günstigerweise einzeln, als Baugruppe aus mehreren gleichartigen Anordnungen oder zusammen mit den zu schützenden nachgeschalteten Einrich­ tungen monolithisch integriert werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht. Dabei zeigt.

Fig. 1 eine bekannte Schutzschaltungsanordnung.

Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 eine Erweiterung der Anordnung nach Fig. 2.

Fig. 4 eine Baugruppe mit mehreren Schutzschaltungsanord­ nungen.

Die bekannte Anordnung nach Fig. 1 weist einen zwischen Eingangsanschluß E und Ausgangsanschluß A der Anordnung liegenden Längswiderstand R0 auf. Der Ausgangsanschluß A ist zur Verbindung mit dem Eingang einer nachgeschalteten Einrichtung, die gegen Störimpulse geschützt werden soll, vorgesehen. Der Ausgang A ist über je eine von zwei Dioden D1 und D2 mit den beiden Ableitpunkten P1 und P2 verbun­ den, die beispielsweise auf den Versorgungspotentialen GND und VDD der nachgeschalteten Einrichtung liegen. Die Di­ oden sind bezüglich einer im störungsfreien Zustand zwi­ schen P2 und P1 liegenden Spannung in Sperrichtung gepolt.

Am Eingang E auftretende Störimpulse, die größer als die Versorgungsspannung zwischen P2 und P1 sind, werden durch die Diode D1 auf die positive Versorgungsleitung an P2 ab­ geleitet. Der Widerstand R1 dient als Strombegrenzung und bestimmt den Innenwiderstand der Schutzschaltung im Stör­ fall. Negative Störimpulse werden durch die Diode D2 auf die Versorgungsleitung an P1, die als Masseleitung ange­ nommen sei und auch als Bezugspotential für die Störim­ pulse im vorstehenden Sinne gelte, abgeleitet. Zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen, die als Hochspannungs­ pulse aus einer hochohmigen Störquelle behandelt werden können, wird R0 niederohmig, beispielsweise < 100 Ohm di­ mensioniert, so daß nur eine geringe Verlustleistung an R0 anfällt.

Die in Fig. 2 skizzierte erfindungsgemäße Schutz-Schal­ tungsanordnung zeigt demgegenüber zwei in Serie zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A liegende Längswiderstände R1 und R2, deren Verbindungspunkt über je eine Zweiglei­ tung mit einer Reihenschaltung eines Widerstands R3 bzw. R4 und einer Diode D3 bzw. D4 mit den Ableitpunkten P1, P2 verbunden ist.

Die Dioden D3, D4 in den Zweigleitungen werden vorzugs­ weise oberhalb einer Durchbruchsspannung, die höher ist als die Versorgungsspannung, auch in Sperrichtung leitend, so daß die Störimpulsableitung dann über drei Dioden er­ folgt. Der Innenwiderstand der skizzierten Anordnung er­ gibt sich im wesentlichen aus einer Parallelschaltung der Widerstände R2, R3, R4 in Serie mit dem eingangsseitigen Längswiderstand R1. Der Innenwiderstand kann so dimensio­ niert werden, daß die Verlustleistung in der Schutzschal­ tungsanordnung für eine bestimmte Verteilung der Störim­ pulse minimal wird, insbesondere kann die Dimensionierung so erfolgen, daß die Verlustleistungsaufnahme für elektro­ statische Störungen und Impulse aus niederohmigen Stör­ quellen ungefähr gleich groß ist. Vorzugsweise sind die Widerstände R2, R3, R4 bei Realisierung als monolithisch integrierte Widerstände aus Gründen der Flächeneffizienz gleich groß und so dimensioniert, daß sie eine gleich große Verlustleistung aus den Störimpulsen aufnehmen wie R1. Die Dioden D1 bis D4 sind ausreichend groß zu wählen, um eine thermische Überlastung zu vermeiden.

Für den Fall, daß die Versorgungsspannung zwischen VDD und GND nicht direkt aus einer sehr niederohmigen Spannungs­ quelle stammen, sondern z. B. durch eine Spannungsregel­ schaltung aus einer höheren Spannung abgeleitet sind, kann die Ableitung leistungsstarker Störungen, insbesondere bei mehreren Schutzschaltungsanordnungen, bei direkter Verbin­ dung beider Ableitpunkte P1, P2 mit den beiden Versor­ gungspotentialen zu einer Überlastung und evtl. auch zu einer Zerstörung einer solchen Regelschaltung führen. Der­ artige Regelschaltungen sind gebräuchlich in Kraftfahrzeu­ gen, um aus der Bordnetzspannung eine stabilisierte Span­ nung von z. B. 5V für den Betrieb integrierter Schaltungen zu gewinnen.

Eine bevorzugte Ausführungsform, sieht daher vor, die Spannung zwischen den Ableitpunkten durch eine Begren­ zungsschaltung zu begrenzen und vorteilhafterweise das Versorgungspotential am Ausgang einer solchen Reglerschal­ tung (oder einer anderen durch die Ableitung der Störim­ pulse gefährdeten Schaltung) von den abgeleiteten Störim­ pulsen weitgehend freizuhalten und die Störimpulse jeweils gegen die Masseleitung abzuleiten.

Ein vorteilhaftes Beispiel ist in Fig. 3 skizziert. Der eine Ableitpunkt P1 ist direkt mit dem Massepotential GND der nachgeschalteten Einrichtungen verbunden. Deren an­ deres Versorgungspotential VDD sei beispielsweise durch einen überlastempfindlichen Regler bereitgestellt. Der an­ dere Ableitpunkt P2 ist nicht direkt mit dem anderen Ver­ sorgungspotential VDD verbunden, sondern über eine Rei­ henschaltung einer Diode DVDD und eines Widerstands RE. Eine Begrenzerschaltung mit einer Zenerdiode DS, Wider­ ständen R6, R7, R8, R9 und Transistoren QS, QL begrenzt die positive Spannung zwischen P2 und P1 auf einen Wert der vorteilhafterweise gleich oder geringfügig größer als die Versorgungsspannung ist. Im störungsfreien Zustand liegt der Ableitpunkt P2 dann auf Versorgungspotential VDD und die Schutzschaltungsanordnung ist stromlos. Bei posi­ tiven Störimpulsen verhindert die Diode DVDD einen Strom­ fluß vom Ableitpunkt P2 zum Versorgungspotential VDD und damit z. B. in einen Regler. Die auf P2 geleiteten Anteile der Störimpulse führen zum Ansprechen der Begrenzungs­ schaltung und werden zum Massepotential GND abgeleitet, wobei der Ableitstrom nahezu ausschließlich durch den Lei­ stungstransistor QL der durch QS und QL gebildeten Dar­ lingtonschaltung fließt. Der Leistungstransistor QL ist vorzugsweise in der Form mehrerer verteilter Einzeltransi­ storen realisiert, wobei dann der ebenfalls verteilte Wi­ derstand R9 als Kompensationswiderstand zu in den Emitter­ leitungen des Leistungstransistors QL auftretenden unter­ schiedlichen Leitungswiderständen dient, um die Strombe­ lastung der Teiltransistoren annähernd gleichzuhalten. Eine weitere Abschirmung einer nachgeschalteten Einrich­ tung gegen positive Störimpulse kann mittels eines zusätz­ lichen Längswiderstand R5 vom Verbindungspunkt der Dioden D1, D2 zum Ausgang A und einer Diode D5 zum Versorgungs­ potential VDD erreicht werden. Wenn die positive Spannung zwischen P2 und P1 nicht wesentlich über die Versorgungs­ spannung steigt, bleibt der Spannungsabfall an R5 gering, so daß dieser niederohmig ausgeführt werden kann und die Übertragungsbandbreite der Schutzschaltungsanordnung nur wenig beeinflußt wird.

Negative Störimpulse werden über die Dioden D2, D4 zum Massepotential GND und bei Durchbruch der Diode D3 über die parallel zur Begrenzungsschaltung liegende Diode DC auch über den Ableitpunkt P2 zum Massepotential abgelei­ tet. Die Diode DC stellt sicher, daß das Potential an P2 nicht wesentlich unter Massepotential absinkt. Der Wider­ stand RE begrenzt den Strom aus dem Versorgungspotential und damit die Belastung des Reglers.

Schutzschaltungsanordnungen der beschriebenen Art können vorteilhafterweise zu mehreren als Baugruppe monolithisch integriert werden, welche dann wie in Fig. 4 für eine Bau­ gruppe mit acht einzelnen Schutzschaltungsanordnungen skizziert, deren Ableitpunkte untereinander verbunden sind, getrennte Ein-und Ausgänge E1 bis E8 bzw. A1 bis A8 aufweist und die die Begrenzungsschaltung, die Leistungs­ diode DC und die Reihenschaltung zwischen Versorgungspo­ tential und Begrenzungsschaltung nur einfach enthält.

Claims (8)

1. Schutzschaltungsanordnung zum Schutz einer nachge­ schalteten Einrichtung mit einem ersten Längswiderstand zwischen Eingang und Ausgang der Schutzschaltung und zwei den Ausgang der Schutzschaltung über Ableitpunkte mit je einem der Betriebspotentiale der Einrichtung verbindenden und bezüglich diesen in Sperrichtung gepolten ersten Di­ oden, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Längswider­ stand mit dem ersten in Serie geschaltet ist und daß der Verbindungspunkt der beiden Längswiderstände (R1, R2) über Zweigleitungen mit je einer Reihenschaltung eines Querwi­ derstandes (R3 bzw. R4) und einer weiteren Diode (D3 bzw. D4) mit den beiden Versorgungspotentialen verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Ableitpunkt (P1) unmittelbar auf einem der Betriebspotentiale (GND) liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Ableitpunkt (P2) über eine weitere Reihenschal­ tung einer Diode (DVDD) und eines Widerstands (RE) mit dem anderen Betriebspotential (VDD) verbunden ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen dritten niederohmigen Längswiderstand (R5) zwischen dem Verbindungspunkt der ersten Dioden (D1, D2) und dem Ausgangsanschluß (A) und eine zusätzliche Di­ ode (D5), die den Ausgang direkt mit dem anderen Versorgungspotential (VDD) verbindet.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Begrenzungsschaltung die Spannung zwischen den Ableitpunkten begrenzt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsschaltung eine entgegen der Betriebsspan­ nung gepolte Leistungsdiode (DC) parallel geschaltet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Dioden (D3, D4) eine Durchbruchsspannung aufweisen, die über der Betriebsspan­ nung und der Ansprechspannung der Begrenzerschaltung liegt.

8. Baugruppe mit mehreren Schaltungsanordnungen nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 7, deren Ein- und Ausgänge getrennt und deren Ableitpunkte untereinander verbunden sind und welche die ggf. vorhandene Begrenzerschaltung, Leistungs­ diode (DC) und weitere Reihenschaltung (RE, DVDD) nur ein­ mal aufweisen.