DE4439125C2 - Integrierbarer Spannungsbegrenzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Span­ nungsbegrenzung mit einem zwischen die Versorgungsspannung geschalteten Bipolartransistor und einem den Bipolartransi­ stor ansteuernden Referenznetzwerk, das eine Schaltschwelle aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung in einem mobilen Datenträ­ ger.

Spannungsbegrenzungsschaltungen werden verwendet, um eine Spannung, die starke Schwankungen aufweist, auf einen Maxi­ malwert zu begrenzen. Eine Spannungsbegrenzungsschaltung ist besonders bei mobilen Datenträger notwendig, deren Versor­ gungsspannung aus einer an einem Schwingkreis erzeugten Spannung gewonnen wird, wobei der Schwingkreis mittel induk­ tiver Kopplung erregt wird. Je nach momentaner Kopplung des mobilen Sekundärschwingkreises an den Erregerschwingkreis kann die im mobilen Datenträger induzierte Spannung stark schwanken. Um einen Überspannungsschutz für die im mobilen Datenträger zu versorgenden Funktionseinheiten zu gewährlei­ sten, wird zwischen die Versorgungsspannungsanschlüsse ein Spannungsbegrenzer geschaltet. Um den Aufwand an externen Bauelementen möglichst gering zu halten, ist der Spannungsbe­ grenzer auf der im mobilen Datenteil enthaltenen integrierten Auswertungsschaltung realisiert.

Bekannte Realisierungen umfassen einen Shunt-Transistor, der von einem Referenznetzwerk angesteuert wird. Durch das Refe­ renznetzwerk wird diejenige Einsatzspannung festgelegt, bei der der Shunt-Transistor leitet und die an seiner Kollektor- Emitter-Strecke abfallende Spannung nach oben begrenzt.

Bisherige Realisierungen für das Referenznetzwerk sehen einen aus ohmschen Elementen aufgebauten passiven Spannungsteiler vor. Bei anderen Realisierungen werden Operationsverstärker als aktive Elemente verwendet. Solche Referenznetzwerke belasten die im mobilen Datenträger vorliegende Versorgungs­ spannung auch dann, wenn diese relativ gering ist und der Shunt-Transistor noch nicht aktiv ist. In kritischen Fällen kann dies dazu führen, daß bereits im Referenznetzwerk des Spannungsbegrenzers eine derart hohe Leistung verbraucht wird, daß für die übrigen Funktionseinheiten des mobilen Datenträgers nicht mehr genügend Betriebsspannung oder -energie zur Verfügung steht.

In der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 607 875 A1 ist eine Schutzschaltungsanordnung für integrierte Schaltungen beschrieben, die eine Begrenzerschaltung enthält. Diese weist eine Darlington-Transistoranordnung auf, deren Emitter mit Massepotential verbunden sind und deren Kollektoren mit einem positiven Versorgungspotential gekoppelt sind. Parallel dazu liegt ein die Darlington-Anordnung ansteuerndes Referenz­ netzwerk. Das Referenznetzwerk enthält eine Reihenschaltung aus Widerständen und einer Diode.

In der deutschen Patentschrift DE 40 37 722 C1 ist eine Strom­ versorgungseinheit für ein elektronisches Gerät beschrieben, bei der am Ausgang eines Gleichrichters ein Schalttransistor angeordnet ist, der eingeschaltet wird, um die Ausgangsseite des Gleichrichters kurzzuschließen, wenn die Ausgangsspannung einen Schwellwert überschreitet. Zum Schwellwertvergleich ist ein Operationsverstärker vorgesehen, der die über einen ohmschen Spannungsteiler abgegriffene Ausgangsspannung mit einem Referenzwert vergleicht.

In der deutschen Patentschrift DE 28 13 073 C2 ist eine Schal­ tung beschrieben, bei der die Versorgungsgleichspannung auf einen bestimmten Spannungswert begrenzt werden kann. Die Schaltung enthält einen Ladekondensator, zu dem die Kollek­ tor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors parallel ge­ schaltet ist. Der Bipolartransistor wird von einem Referenz­ strompfad angesteuert, der einen Widerstand, eine Zenerdiode und den Eingangszweig eines Stromspiegels enthält und eben­ falls parallel zum Ladekondensator geschaltet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine inte­ grierbare Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung anzuge­ ben, die bei Unterspannung keine nennenswerte Verlustleistung verbraucht. Die Schaltungsanordnung soll möglichst wenige, einfach integrierbare Elemente aufweisen. Die Schaltungsan­ ordnung soll außerdem ein temperaturstabiles Verhalten auf­ weisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine Verwendung der Schaltungsanordnung in einem mobilen Datenträger ist in Patentanspruch 3 angegeben.

Durch eine entsprechende Kombination von bipolaren Transisto­ ren und MOS-Transistoren kann der Referenzzweig derart ausge­ bildet werden, daß er erst dann einen wesentlichen Strom führt, wenn die zu begrenzende Spannung denjenigen Wert erreicht, auf den sie zu begrenzen ist. Insbesondere bei niedrigerer Spannung, bei der die in der integrierten Schal­ tung verbrauchte Verlustleistung besonders kritisch ist, wird im Referenzzweig des Spannungsbegrenzers kein Strom ver­ braucht. Durch eine geeignete Auswahl von Elementen mit einer Knickkennlinie, z. B. pn-Dioden, Bipolartransistoren mit verbundenen Kollektor- und Basisanschlüssen oder MOS-Transi­ storen mit verbundenen Gate- und Drainanschlüssen, kann diejenige Schwellenspannung des Referenznetzwerks, bei der dieses eingeschaltet wird, möglichst exakt auf einen ge­ wünschten Wert eingestellt werden. Wenn pn-Dioden und MOS- Transistoren im zwischen die Versorgungsspannung geschalteten Strompfad des Referenznetzwerks gemeinsam verwendet werden, kompensieren sich die Temperatureinflüsse auf die Einsatz­ spannungen der pn-Dioden und der MOS-Transistoren gegenseitig mindestens teilweise. Die MOS-Transistoren und pn-Dioden bzw. Bipolartransistoren können ohne weiteres in heute üblichen Herstellungstechnologien für integrierte Schaltkreise, z. B. in CMOS-Technologie, realisiert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaltungstechnische Realisierung für einen erfindungsgemäß Spannungsbegrenzer und

Fig. 2 die Verwendung des Spannungsbegrenzers nach Fig. 1 in einem mobilen Datenträger.

Der Spannungsbegrenzer nach Fig. 1 enthält einen Shunt- Transistor 2, dessen Kollektor mit Bezugspotential (Masse) und dessen Emitter mit dem Anschluß für ein positives Versor­ gungspotential VDD verbunden ist. Die Basis des Transistors 2 wird von einem Referenznetzwerk 1 angesteuert, das zwischen die Anschlüsse für das Versorgungspotential VDD und Masse geschaltet ist. Um einen höheren Strom begrenzen zu können, ist vorgesehen einen oder weitere Transistoren einan­ der parallelzuschalten. Das Referenznetzwerk weist einen Strompfad auf, der erst dann einschaltet, wenn eine Schwel­ lenspannung erreicht ist. Das Referenznetzwerk enthält hierzu eine Anzahl von geeignet gewählten Elementen 10 ... 14, die jeweils eine Knickkennlinie aufweisen. Solange die Versor­ gungsspannung unterhalb des Schwellwerts liegt, fließt durch den Referenzzweig 1 kein Strom. Wenn die Versorgungsspannung oberhalb dieses Schwellwerts liegt, ist der Strompfad lei­ tend. Die Basis des Transistors 2 wird dann angesteuert, so daß das positive Versorgungspotential VDD auf die Emitter­ spannung des Transistors 2 geklemmt und somit begrenzt wird. Unterhalb der Schwellspannung wird also die Versorgungsspan­ nung durch den Spannungsbegrenzer nicht belastet.

Im einzelnen ist das Referenznetzwerk wie folgt aufgebaut. Bezugspotentialseitig sind zwei als Dioden geschaltete Bipo­ lartransistoren 10, 11 vorgesehen. Die Basis- und Kollektor­ anschlüsse der Bipolartransistoren 10, 11 sind miteinander verbunden. Ihre Basis-Emitter-Strecken sind in Reihe geschal­ tet. Die beiden Bipolartransistoren 10, 11 bilden demnach eine sogenannte Darlington-Schaltung. Eine Darlington-Schal­ tung weist für gewöhnlich eine steile Knickkennlinie ihres Stroms in Abhängigkeit von der Spannung auf. Der Emitter des Bipolartransistors 11 ist über die Reihenschaltung der Drain- Source-Strecken von drei MOS-Transistoren mit dem Anschluß für das positive Versorgungspotential VDD verbunden. Die MOS- Transistoren sind jeweils selbstsperrend. Ihre Gate- und Drainanschlüsse sind miteinander verbunden, so daß der Strom- Spannungsverlauf an ihren Drain-Source-Strecken jeweils eine Knick-Kennlinie ist. Die auf Seite des Versorgungspotentials VDD liegenden MOS-Transistoren 13, 14 sind p-Kanal-MOS-Tran­ sistoren. Der zwischen dem MOS-Transistor 13 und dem Bipolar­ transistor 11 liegende MOS-Transistor 12 ist ein n-Kanal-MOS- Transistor. Der Basisanschluß des Shunt-Transistors 2 ist an den miteinander verbundenen Anschlüssen der p-Kanal-MOS- Transistoren 13, 14 angeschlossen.

Die speziell gezeigte Realisierung des Referenznetzwerks 1 weist einen Einsatzbereich zwischen 3,5 Volt und 4,3 Volt auf. Je nach Einschaltschwelle des Referenznetzwerks 1 ist eine beliebige Kombination von als pn-Diode geschalteten Bipolartransistoren und/oder MOS-Transistoren in p-Kanal- und n-Kanal-Ausführung denkbar. Die Realisierung von MOS-Transi­ storen und Bipolartransistoren ist in integrierter Schal­ tungstechnik standardgemäß vorgesehen. Für die Realisierung des Referenznetzwerks nach Fig. 1 eignet sich beispielsweise ein speziell angepaßter CMOS-Herstellungsprozeß.

Bekanntlich sinkt die Einsatzspannung von Bipolartransistoren mit steigender Temperatur. Die Einsatzspannung von MOS-Tran­ sistoren steigt mit steigender Temperatur. Das gegenläufige Temperaturverhalten der Einsatzspannungen der Transistoren 10 ... 14 des Referenznetzwerks nach Fig. 1 sorgt demnach dafür, daß die Einschaltschwelle des Referenznetzwerks 1 relativ temperaturstabil bleibt.

Insbesondere bei mobilen Datenträgern, die ihre Versorgungs­ spannung aus einer induktiven Kopplung eines Schwingkreises mit einem Erregerschwingkreis beziehen, ist es notwendig, daß unterhalb der Begrenzerschwelle des Spannungsbegrenzers die Versorgungsspannung nicht nennenswert belastet wird. Ein derartiger mobiler Datenträger enthält gemäß Fig. 2 eine integrierte Schaltung 30, an deren Außenanschlüssen ein Parallelschwingkreis 20, 21 angeschlossen ist. Die Spule 20 ist mit einem Erregerschwingkreis induktiv gekoppelt. Die am Parallelschwingkreis abgreifbare Spannung wird in einem Brückengleichrichter 22 gleichgerichtet und in einem aus­ gangsseitig an dem Brückengleichrichter angeschlossenen Glättungskondensator 24 geglättet. Die am Kondensator 24 abgreifbare Spannung dient zur Versorgung weiterer in der integrierten Schaltung 30 enthaltener Funktionselemente, wie z. B. Dekoder, Ver- und Entschlüsselungseinrichtungen, Daten­ speichern usw. Zwischen die Anschlüsse für das positive Versorgungspotential VDD und Masse ist der Spannungsbegrenzer 23 geschaltet. Der Spannungsbegrenzer 23 kann beispielsweise gemäß der Fig. 1 realisiert werden. Die integrierte Gesamt­ schaltung 30 ist dann ohne weiteres in einem CMOS-Herstel­ lungsprozeß realisierbar. Der Spannungsbegrenzer 23 weist dabei für eine niedrige, unterhalb des Schwellwerts seines Referenzzweiges liegende Versorgungsspannung eine vernachläs­ sigbare Verlustleistung auf. Die integrierte Schaltung 30 kann deshalb auch mit relativ geringer Versorgungsspannung betrieben werden.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung mit den Merkmalen:

• 1. - die Anordnung weist einen Bipolartransistor (2) auf, dessen Kollektor ein Anschluß für ein Bezugspotential (Masse) ist und dessen Emitter ein Anschluß für ein weiteres Potential (VDD) der zu begrenzenden Spannung ist,
• 2. - und ein Referenznetzwerk (1), das zwischen den Anschluß für das weitere Potential (VDD) und den Anschluß für das Be­ zugspotential geschaltet ist und das einen Ausgang auf­ weist, der mit der Basis des Bipolartransistors (2) verbun­ den ist,
• 3. - der Bipolartransistor und das Referenznetzwerk sind auf ei­ ner integrierten Schaltung (30) gemeinsam realisiert,
• 4. - das Referenznetzwerk (1) enthält Schaltungsmittel (10 ... 14), durch die eine Schaltschwelle gebildet wird, so daß das Referenznetzwerk (1) leitend ist, wenn die zu be­ grenzende Spannung oberhalb der Schaltschwelle liegt, und das Referenznetzwerk gesperrt ist, wenn die zu begrenzende Spannung unterhalb der Schaltschwelle liegt, wobei die Schaltschwelle unterhalb desjenigen Spannungswerts liegt, auf den die zu begrenzende Spannung zu begrenzen ist,
• 5. - das Referenznetzwerk (1) weist einen zwischen die Anschlüs­ se der zu begrenzenden Spannung geschalteten Strompfad auf, der in Reihenschaltung mindestens eine bezugspotentialsei­ tig angeordnete bipolare Diode (10, 11) und mindestens ei­ nen auf Seite des Anschlusses für das weitere Potential (VDD) angeordneten MOS-Transistor (12 ... 14) enthält, dessen Gate- und Drainanschlüsse miteinander verbunden sind, wobei die Basis des Bipolartransistors (2) an einen den Ausgang des Referenznetzwerks (1) bildenden, zwischen den MOS- Transistor (12) und die Diode (11) geschalteten Verbin­ dungsknoten angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Referenznetzwerk umfaßt:

• 1. - einen ersten p-MOS-Transistor (14), dessen Gate- und Drainanschlüsse miteinander und mit der Basis des Bipolar­ transistors (2) verbunden sind und dessen Sourceanschluß mit dem Anschluß für das weitere Potential (VDD) verbunden ist,
• 2. - einen zweiten p-MOS-Transistor (13), dessen Gate- und Drainanschlüsse miteinander verbunden sind und dessen Sour­ ceanschluß mit dem Drainanschluß des ersten p-MOS-Transi­ stors (14) verbunden ist,
• 3. - einen n-MOS-Transistor (12), dessen Gate- und Drainan­ schlüsse miteinander verbunden sind und dessen Drainan­ schluß mit dem Drainanschluß des zweiten p-MOS-Transistors (13) verbunden ist,
• 4. - mindestens zwei als Darlington-Schaltung geschaltete weite­ re Bipolartransistoren (10, 11), bei denen der Steueran­ schluß der Darlington-Schaltung mit den Kollektoren der weiteren Bipolartransistoren und dem Anschluß für das Be­ zugspotential verbunden ist und der Emitteranschluß der Darlington-Schaltung mit dem Sourceanschluß des n-MOS-Tran­ sistors (12).

3. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der An­ sprüche 1 bis 2 zur Stabilisierung der Versorgungsspannung eines mobilen Datenträgers, bei dem die Versorgungsspannung aus einem Sekundärschwingkreis (20, 21), der durch induktive Kopplung aus einem Primärschwingkreis erregt wird, mittels Gleichrichtung (24) und Glättung (23) erzeugt wird.