DE4429715C1

DE4429715C1 - Circuit arrangement for voltage limitation

Info

Publication number: DE4429715C1
Application number: DE4429715A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Zitta
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: DE59504118D1; EP0698840A2; EP0698840B1; EP0698840A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Span nungsbegrenzung.The invention relates to a circuit arrangement for chip limitation.

Es ist oftmals erforderlich, daß die geregelte Ausgangsspan nung von integrierten Spannungsreglern durch eine Schutz schaltung vor Überspannungen geschützt werden soll. Diese Überspannungen können durch Einschwingvorgänge des Reglers oder durch externe Störungen verursacht werden.It is often necessary that the regulated output span protection of integrated voltage regulators circuit should be protected against overvoltages. These Overvoltages can occur due to the controller's transient response or caused by external interference.

Forderungen für derartige Schutzschaltungen sind, daß die Ansprechspannung bei Berücksichtigung von Fertigungstoleran zen und Temperaturverlauf immer sicher über der maximalen Ausgangsspannung des Spannungsreglers liegen muß, anderer seits soll aber der Spannungswert im Sinne einer optimalen Schutzfunktion möglichst niedrig sein, d. h. also nur knapp über der Nominalspannung des Reglers liegen.Requirements for such protective circuits are that the Response voltage when taking manufacturing tolerances into account zen and temperature curve always safely above the maximum Output voltage of the voltage regulator must be different on the other hand, the voltage value should be optimal Protective function should be as low as possible, d. H. so just barely are above the nominal voltage of the regulator.

Für z. B. einen 5V-Regler mit einer Toleranz von 5% ist z. B. eine Ansprechspannung von ca. 6V anzustreben.For e.g. B. is a 5V regulator with a tolerance of 5% z. B. to aim for a response voltage of approx. 6V.

Bisher wurde als Schutzschaltung für derartige Anordnung eine Zenerdiode mit der entsprechenden Durchbruchspannung gewählt, falls diese zur Verfügung stand. Die Forderungen gehen jedoch weiter, d. h. es wird gewünscht, daß eine derartige Zener diode im IC-Prozeß mit auf der integrierten Schaltung inte griert wird. Steht im Herstellprozeß eine Zenerdiode mit genau dieser Spannung nicht zur Verfügung, so muß jedoch weiterhin eine externe Zenerdiode vorgesehen werden.So far, a protective circuit for such an arrangement Zener diode with the corresponding breakdown voltage selected, if it was available. However, the demands go further, d. H. it is desired that such a zener diode in the IC process with inte on the integrated circuit is griert. A Zener diode is included in the manufacturing process exactly this voltage is not available, but must an external Zener diode can also be provided.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 31 895 A1 ist eine Klemmschaltung zum Begrenzen einer Spannung gezeigt. Diese enthält einen Stromspiegel, der an den Anschluß für die zu klemmende Spannung angeschlossen ist. Der Stromspiegel ist im Eingangszweig über eine Konstantstromquelle mit Bezugspoten tial verbunden, im Ausgangszweig über einen trimmbaren Wider stand. Der Ausgangszweig des Stromspiegels dient zur Ansteue rung eines MOS-Transistors, dessen Laststrecke zwischen den Anschluß der zu klemmenden Spannung und Bezugspotential ge schaltet ist.In German published patent application DE 43 31 895 A1 there is one Clamp circuit shown to limit a voltage. These contains a current mirror attached to the connector for the clamping voltage is connected. The current mirror is in the Input branch via a constant current source with reference potentials tial connected, in the output branch via a trimmable counter was standing. The output branch of the current mirror is used for control tion of a MOS transistor, the load path between the Connection of the voltage to be clamped and reference potential ge is switched.

In der Literaturstelle Patent Abstracts of Japan, Band 14, Nr. 238 (P-1050), 21. Mai 1990, JP-2-59807 A ist eine Span nungsversorgungsschaltung gezeigt, deren Ausgangsspannung bei überschreiten eines Schwellwerts auf einen niedrigeren Wert umgeschaltet wird. Zwischen den Versorgungsspannungsanschluß und den Bezugspotentialanschluß ist eine Bandgap-Referenz spannungsschaltung geschaltet. Die gekoppelten Basisanschlüs se der Transistoren der Bandgap-Schaltung werden von einem zwischen die Versorgungsspannung geschalteten ohmschen Span nungsteiler angesteuert. Die Kollektoranschlüsse der Transi storen sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers gekoppelt, an dem ausgangsseitig die Ausgangsspannung ab greifbar ist.Patent Abstracts of Japan, Volume 14, No. 238 (P-1050), May 21, 1990, JP-2-59807 A is a Span Power supply circuit shown, the output voltage at exceeding a threshold to a lower value is switched. Between the supply voltage connection and the reference potential terminal is a bandgap reference voltage circuit switched. The coupled basic connections The transistors of the bandgap circuit are made by one ohmic span connected between the supply voltage divider controlled. Transi collector connections interfere with the inputs of a differential amplifier coupled, on the output side of the output voltage is tangible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Schal tungsanordnung für einen integrierbaren Überspannungsschutz anzugeben. The object of the present invention is another scarf arrangement for integrable surge protection specify.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch enthaltenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features contained in the claim solved.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 3 Figuren naher erläutert.The invention will now be described with reference to 3 figures explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Schutz schaltungsanordnung, FIG. 1 circuitry is a circuit diagram of a protection according to the invention,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf zweier interner Spannungen der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung und Fig. 2 shows the time course of two internal voltages of the circuit arrangement according to the invention and

Fig. 3 die Kennlinie der erfindungsgemäßen Schutzschal tungsanordnung. Fig. 3, the characteristic curve of the protective circuit arrangement according to the invention.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist im praktischen Einsatz mit einer Zenerdiode gleichzusetzen, so daß sie bestehende Zener diodenschutzstrukturen direkt ersetzen kann. Mit 1 ist eine Eingangsklemme bezeichnet, die über einen Widerstandsteiler 2, 3 mit Masse 4 verbunden ist. Der Mittelabgriff des Wider standsteilers 2, 3 ist mit der Basis eines npn-Transistors 5 verschaltet. Dessen Emitter ist über einen weiteren Wider standsteiler 7, 8 ebenfalls mit Masse verschaltet. Der Kol lektor ist über einen als Diode geschalteten FET 6 mit der Eingangsklemme 1 verbunden, so daß der Kollektor mit Source- und Gate-Anschluß und der Drain-Anschluß des FET 6 mit der Eingangsklemme 1 verbunden ist. Ein zweiter MOS-Transistor 10 ist vorgesehen, dessen Gate mit dem Gate des MOS-Transistors 6 und dessen Drain-Anschluß ebenfalls mit der Eingangsklemme 1 verbunden ist. Der Source-Anschluß des MOS-Transistors 10 ist mit dem Kollektor eines weiteren npn-Transistors 9 ver schaltet, dessen Basis mit der Basis des Transistors 5 ver bunden ist und dessen Emitter mit dem Knotenpunkt des weite ren Spannungsteilers 7, 8 verschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 9 ist des weiteren mit der Basis eines MOS-Transistor 11 verschaltet, dessen Source-Anschluß zum einen mit dem Gate-Anschluß eines weiteren MOS-Transistors 12 und über einen Widerstand 13 mit dem Bezugspotential 4 verschaltet ist. Der Drain-Anschluß des MOS-Transistors 11 ist mit der Eingangsklemme 1 verbunden. Der Drain-Anschluß des MOS-Tran sistors 12 ist mit der Eingangsklemme 1 und der Source-An schluß des MOS-Transistors 12 mit dem Bezugspotential 4 verschaltet.The circuit according to the invention can be equated with a Zener diode in practical use, so that it can directly replace existing Zener diode protection structures. 1 designates an input terminal which is connected to ground 4 via a resistance divider 2 , 3 . The center tap of the opposing divider 2 , 3 is connected to the base of an NPN transistor 5 . Its emitter is also connected to ground via a further opposing divider 7 , 8 . The Kol lektor is connected via a diode-connected FET 6 to the input terminal 1 , so that the collector is connected to the source and gate connection and the drain connection of the FET 6 to the input terminal 1 . A second MOS transistor 10 is provided, the gate of which is connected to the gate of the MOS transistor 6 and the drain of which is also connected to the input terminal 1 . The source terminal of the MOS transistor 10 is connected to the collector of a further npn transistor 9 , the base of which is connected to the base of the transistor 5 and whose emitter is connected to the node of the wide voltage divider 7 , 8 . The collector of the transistor 9 is also connected to the base of a MOS transistor 11 , the source connection of which is connected on the one hand to the gate connection of a further MOS transistor 12 and via a resistor 13 to the reference potential 4 . The drain connection of the MOS transistor 11 is connected to the input terminal 1 . The drain of the MOS-Tran sistors 12 is connected to the input terminal 1 and the source-to-circuit of the MOS transistor 12 to the reference potential 4 interconnected.

Durch die Buchstaben A, B, C wird die Schaltung in einzelne Blöcke aufgeteilt. Hierbei bildet der Block A den Spannungs teiler, der Block B den Komparator und der Block C die Aus gangsstufe der Schutzschaltung. Der Spannungsteiler A, beste hend aus den Widerständen 2, 3, ist nun so dimensioniert, daß bei der gewünschten Ansprechspannung VZ, die zwischen der Eingangsklemme 1 und dem Bezugspotential 4 anliegt, die Spannung VR an der Basis des Transistors 5 z. B. den Wert 1,2 V annimmt.The letters A, B, C divide the circuit into individual blocks. Block A forms the voltage divider, block B the comparator and block C the output stage of the protective circuit. The voltage divider A, consisting of the resistors 2 , 3 , is now dimensioned so that at the desired response voltage VZ, which is present between the input terminal 1 and the reference potential 4 , the voltage VR at the base of the transistor 5 z. B. assumes the value 1.2 V.

Der Komparator B nutzt das aus Bandgap-Referenz-Schaltungen bekannte Referenzspannungsprinzip zur Definition der Schalt schwelle aus. Bekannt ist hierbei, daß man durch die Addition von zwei Spannungen mit gegenläufigen Temperatur-Koeffizien ten eine temperaturstabile Spannung erzeugen kann. Die U_BE- Spannung eines bipolaren Transistors hat einen negativen Temperatur-Koeffizienten. Eine Spannung mit gegenläufig positivem Temperatur-Koeffizienten kann man erzeugen, indem man die Differenz der Basis-Emitter-Spannung von zwei Tran sistoren bildet, die mit verschiedenen Strömen betrieben werden. Zur Erzeugung der verschiedenen Ströme ist ein Strom spiegel 6, 10 vorgesehen. Das Grundprinzip für eine derartige Bandgap-Referenz-Schaltung ist aus Tietze/Schenk, Halbleiter schaltungstechnik, 8. Auflage, Seite 534ff bekannt. Eine Anwendungsschaltung zur Erzeugung einer von Störeinflüssen möglichst unabhängigen Konstantspannung ist in Patent Abstracts of Japan, Sect. P, Band 17 (1993), Nr. 588 (P- 1634), JP 5-173657 gezeigt.The comparator B uses the reference voltage principle known from bandgap reference circuits to define the switching threshold. It is known here that one can generate a temperature-stable voltage by adding two voltages with opposite temperature coefficients. The U _BE voltage of a bipolar transistor has a negative temperature coefficient. A voltage with oppositely positive temperature coefficients can be generated by forming the difference between the base-emitter voltage of two transistors that are operated with different currents. To generate the various currents, a current mirror 6 , 10 is provided. The basic principle for such a bandgap reference circuit is known from Tietze / Schenk, semiconductor circuit technology, 8th edition, page 534ff. An application circuit for generating a constant voltage that is as independent of interference as possible is described in Patent Abstracts of Japan, Sect. P, Volume 17 (1993), No. 588 (P- 1634), JP 5-173657.

Im Unterschied zu den dort beschriebenen Verwendungen der Bandgap-Referenz wird hier jedoch nicht die Erzeugung einer Referenzspannung vorgesehen, sondern diese zur Definition des Schaltpunktes des Komparators B herangezogen. Liegt die Eingangsspannung VR unter VX, wobei VX die Spannung sein soll, bei der die Be grenzung einsetzen soll und z. B. 1,2V sein kann, so ist die Ausgangsspannung VK des Komparators B logisch High, steigt die Spannung VR über VX an, so kippt die Ausgangsspannung VK von High nach Low. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. VR ist hierbei die Spannung, die an der Basis des Transistors 5 und VK. Die Spannung, die am Kollektor des Transistors 9 auftritt.In contrast to the uses of the bandgap reference described there, however, the generation of a reference voltage is not provided here, but rather this is used to define the switching point of the comparator B. If the input voltage VR is below VX, where VX should be the voltage at which the limitation is to be used and z. B. can be 1.2V, the output voltage VK of the comparator B is logic high, the voltage VR rises above VX, the output voltage VK tilts from high to low. This is shown in Fig. 2. VR is the voltage at the base of transistor 5 and VK. The voltage that appears at the collector of transistor 9 .

Die Ausgangsstufe C verstärkt das Ausgangssignal des Kompara tors B und leitet es dem Schalttransistor 12 zu, welcher leitend wird und dadurch ein weiteres Ansteigen der Spannung VZ begrenzt. Die Funktion entspricht letztlich der einer Zenerdiode, wobei der Innenwiderstand durch den Einschaltwi derstand R_on des DMOS-Transistors 12 nach Bedarf zu dimen sionieren ist.The output stage C amplifies the output signal of the comparator B and passes it to the switching transistor 12 , which becomes conductive and thereby limits a further increase in the voltage VZ. The function ultimately corresponds to that of a Zener diode, the internal resistance being dimensioned as required by the switch- _on resistance R _{on of} the DMOS transistor 12 .

Fig. 3 zeigt hierzu die resultierende Kennlinie der Schal tung. Ist die angelegte Spannung kleiner als V_th, so fließt kein Querstrom I_Z, bei zunehmender Spannung VZ steigt der Strom jedoch schnell an, und dies bewirkt eine gute Schutz funktion in der gleichen Art, wie es sonst nur eine Zener diode ermöglicht. Durch die Kopplung der Schaltschwelle an die Bandgap-Spannung, was mittels der Skalierung durch den Spannungsteiler 2, 3 geschieht, ist diese sehr temperatursta bil und von Fertigungstoleranzen weitgehend unbeeinflußt. Fig. 3 shows the resulting characteristic of the scarf device. If the applied voltage is less than V _th , no cross current I _{Z flows} , but with increasing voltage VZ the current rises quickly, and this causes a good protection function in the same way as only a Zener diode allows otherwise. By coupling the switching threshold to the bandgap voltage, which is done by means of scaling by the voltage divider 2 , 3 , this is very temperature-stable and largely unaffected by manufacturing tolerances.

Der flachere Anstieg der Kennlinie im Bereich höherer Ströme ist durch den endlichen Einschaltwiderstand R_dson des DMOS- Transistors 12 verursacht. Die Transistorgröße ist entspre chend den zu erwartenden maximalen Strömen auszulegen.The flatter rise in the characteristic curve in the region of higher currents is caused by the finite on- _resistance R _{dson of} the DMOS transistor 12 . The transistor size must be designed accordingly to the expected maximum currents.

Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt somit den Einbau eines Überspannungsschutzes in eine integrierte Schaltung auch in jenen Fällen, wo keine geeignete Zenerdiode in der Technolo gie des integrierten Spannungsreglers zur Verfügung steht.The circuit according to the invention thus allows the installation of a Surge protection in an integrated circuit also in those cases where there is no suitable Zener diode in the technology the integrated voltage regulator is available.

Claims

A circuit arrangement for voltage limiting a between an input terminal (1) and a reference potential terminal (4) which can be applied voltage having a gear connection terminal between the A (1) and the reference potential terminal (4) ge switched resistive voltage divider (2, 3) whose output voltage a comparator ( B) is supplied, which contains a first bipolar transistor ( 5 ), the base connection of which is driven by the output voltage of the ohmic voltage divider ( 1 , 2 ) and whose emitter is connected to the reference potential terminal ( 4 ) via a further voltage divider ( 7 , 8 ) which contains a second bipolar transistor ( 9 ) whose emitter is connected to the center tap of the further voltage divider ( 7 , 8 ) and whose base is connected to the base of the first transistor ( 5 ), and which has a current mirror arrangement ( 6 , 10 ) contains the input circuit with the collector of the first transistor ( 5 ) and the output circuit is connected to the collector of the second transistor ( 9 ), and to a MOS transistor ( 12 ), the load path of which is connected between the input terminal ( 1 ) and the reference potential terminal ( 4 ) and which is controlled as a function of the output voltage (VK) of the comparator which can be tapped at the collector of the second transistor ( 9 ).