DE69009262T2

DE69009262T2 - Elektronischer Schaltkreis zur Messung und Regelung eines durch eine induktive elektrische Last fliessenden Stromes.

Info

Publication number: DE69009262T2
Application number: DE69009262T
Authority: DE
Inventors: Antonella Baiocchi; Pietro Menniti
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: US5140515A; EP0389832B1; KR900015430A; KR100199231B1; DE69009262D1; IT1228755B; IT8919919A0; JPH0327407A; EP0389832A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung zum Messen und Steuern eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive elektrische Last fließt, die von der Art ist, die einen ersten Leistungstransistor, der mit der Last verbunden ist und durch eine Treiberstufe gespeist ist, und einen zweiten Fühlertransistor umfaßt, wobei beide Transistoren Feldeffekttransistoren oder Bipolar-Transistoren sind, die über ihre jeweiligen Source-Elektroden bzw. Emitter-Elektroden verbunden sind, und die ferner einen Spannungskomparator mit jeweiligen Eingängen umfaßt, die mit den entsprechenden Drain- bzw. Kollektor-Elektroden der Transistoren verbunden sind.
Es ist gut bekannt, daß Schaltungen der oben erwähnten Art ihr Anwendungsfeld in einer Vielzahl von Geräten zum Steuern des elektrischen Stromes, der durch eine Last fließt, haben, wie z.B. in Reglern und Begrenzern des Stroms, der einen elektrischen Schrittmotor oder einer auswählbaren induktiven Last zugeführt wird, die im folgenden mit "L" bezeichnet wird.
Bei dem Beispiel eines elektronisch gesteuerten Schrittmotors besteht ein Bedarf, die jeweiligen Phasen des Motors dadurch unabhängig zu speisen, daß jede dieser mit einer entsprechenden Steuerungsstufe verbunden ist, die eine MOS- Typ- oder Bipolar-Transistor-Brücke umfaßt.
Jede Motorphase kann im allgemeinen als induktives Bauelement betrachtet werden, bei dem der Strom dazu tendieren würde, unbegrenzt anzusteigen, wenn er nicht durch die Brückenschaltung geregelt ist.
Bisher wurde die Phasensteuerung in dem sogenannten Zerhackermodus auf der Grundlage des durch eine Fühlerschaltung erfaßten elektrischen Stromwertes an der induktiven Last ausgeführt, d.h. durch aktivieren und deaktivieren der Steuerungsstufe, die jeder Phase des Motors zugeordnet ist.
Folglich hat der Strom, der durch die induktive Last fließt, aufgrund der Deaktivierung der Treiberstufe, um die Stromversorgung auszuschalten, nachdem die Fühlerschaltung einen Stromwert, der gleich einem vorbestimmten Referenzwert ist, erfaßt, eine Sägezahnform. Der Strom fällt auf einen zweiten vorbestimmten Referenzwert ab, und beim Erreichen dieses wird die Treiberstufe erneut aktiviert.
Im Stand der Technik wurden mehrere Ansätze zur Lösung des Problems des Erfassens eines Stromes, der durch eine Last fließt, vorgesehen.
Die Strommessung wurde normalerweise indirekt durch Messung des Spannungsabfalls über einen Widerstands-behafteten Sensor erhalten, der aus einem Widerstand Rs mit einem sehr kleinen Wert besteht, der seriell mit einem Transistorpaar in der Brückenschaltung verschaltet ist, die die Funktionen von sogenannten "High-Side"-Treibern ausführen und deren jeweilige Drain-Elektroden mit der Last verbunden sind.
Dieser bekannte Ansatz hat jedoch einige Nachteile, die unten beschrieben werden:
Seine Genauigkeit ist schlecht, weil der Widerstand Rs und die internen Widerstände der integrierten Fühlerschaltung gegenüber termischen Driftvorgängen anfällig sind, die sich voneinander sehr unterscheiden, was sich nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirkt.
Durch den Widerstands-behafteten Sensor Rs erfolgt ferner ein Leistungsverlust, der betragsmäßig gleich dem Produkt des Spannungsabfalls darüber und des Stroms IL ist, der durch die Last fließt. Um diesen Verlust in Schranken zu halten, kann man darüber nachdenken, sehr geringe Widerstandswerte zu verwenden, aber dies würde zu der Notwendigkeit führen, genauso geringe Spannungswerte für den nachfolgenden Vergleich mit Referenzwerten, die innerhalb der Schaltung erzeugt werden, zu erfassen.
In letzter Zeit wurde vorgeschlagen, die Messung durch die Verwendung eines Transistorpaares zu erhalten, das über seine jeweiligen Drain- und Gate-Elektroden miteinander verbunden ist. Ein Transistor ist in der Brückentreiberschaltung für die induktive Last eingebaut, und die Source-Elektrode des anderen Transistors ist über den Widerstands-behafteten Sensor, der durch den Widerstand Rs gebildet wird, geerdet.
Wenn der Transistor, der als zweiter erwähnt wurde, mit einer Fläche versehen ist, die n-mal kleiner ist als die des erstgenannten Transistors, dann wird es möglich, einen Stromfluß durch diesen und daher durch den Widerstand Rs zu haben, der n-mal niedriger ist als der Strom, der durch die induktive Last fließt, wodurch ein fester, geringerer Betrag an Leistung durch den elektrischen Stromsensor verloren würde.
Sogar dieser bekannte Versuch war jedoch nicht vollständig erfolgreich, hauptsächlich weil das Vorhandensein des Widerstands Rs die Werte der Gate-Source- und Drain-Source-Spannungen an den vorher erwähnten Transistoren ungleich macht, die deshalb in unterschiedlichen Betriebszuständen sind. Dies führt zu einem elektrischen Stromverhältnis der zwei Transistoren, das von solchen unterschiedlichen Betriebszuständen und nicht von dem Verhältnis ihrer Flächen abhängig ist, was wiederum die Messung ungenau macht.
Bei dem Bestreben, ein solches Problem zu vermeiden, wurde eine Schaltungsstruktur vorgeschlagen, die z.B. in der europäischen Patentanmeldung EP-A0274995 beschrieben wird, die durch den gleichen Anmelder eingereicht wurde.
Diese Struktur umfaßt ein Paar Feldeffekt-Transistoren, die miteinander durch ihre jeweiligen Source-Elektroden verbunden sind. Ein erster Transistor ist ein Leistungstransistor und mit der Last verbunden, wohingegen die Drain-Elektrode des zweiten Transistors mit einem Widerstands-behafteten Stromsensor verbunden ist. Zusätzlich ist ein Spannungsregler mit den Drain-Elektroden des ersten bzw. zweiten Transistors verbunden, um die Werte der Drain-Source-Spannung an beiden Transistoren gleich zu halten.
Während letzterer Ansatz vorteilhaft ist und im wesentlichen sein Ziel erreicht, hat er einen Mangel darin, daß er eine speziell vorgesehene Schaltung erfordert, um das Transistorenpaar derart zu treiben, daß sie unter denselben Bedingungen arbeiten.
Das technische Problem, das dieser Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine neuartige Art einer elektrischen Schaltung zum Erfassen eines Stromes, der durch eine induktive Last fließt, zu schaffen, die eine besonders einfache Aufbauart und Funktionsart aufweist und wirksam ist, um die angeführten Nachteile zu überkommen, die beim Stand der Technik auftreten.
Die lösungsmäßige Idee, auf der diese Erfindung basiert, besteht darin, nur die Ungleichheit der Drain-Source- bzw. Kollector-Emitter-Spannungen des Transistorpaares, das die Stromspiegelschaltung bildet, zu verwenden, um die Leistungsversorgung der Last entsprechend zu regeln.
Auf der Grundlage der obigen lösungsgemäßen Idee wird dieses technische Problem durch eine Schaltung nach der Art gelöst, wie sie oben beschrieben wurde, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen elektronischen Schalter umfaßt, der zwischen der Gate- bzw. Basis-Elektrode und der Treiberstufe des Leistungstransistors geschaltet ist, wobei der elektronische Schalter mit dem Komparator-Ausgang verbunden ist.
Die Merkmale und Vorteile der Schaltung gemäß der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen als Darstellung und nicht als Beschränkung gegeben ist, besser verstanden.
In den Zeichnungen:
Figur 1 zeigt die Meßschaltung dieser Erfindung in einem Diagramm;
Figur 2 ist eine weitere Diagrammdarstellung der in Figur 1 gezeigten Schaltung in einer Funktionsblockform; und
Figur 3 und 4 zeigen modifizierte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung in Diagrammform.
In den Zeichnungen ist eine integrierte elektronische Schaltung zum Messen und Steuern eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive elektrische Last, die durch L bezeichnet ist, fließt, im allgemeinen und schematisch mit 1 bezeichnet.
Die Last L kann z.B. durch die Phasen eines elektrischen Schrittmotors vorgesehen sein und wird durch eine Brückenschaltung 2 gespeist, die Feldeffekt-Leistungstransistoren des MOS-Typs umfaßt.
Die Schaltung 1 ist der Brückenschaltung 2 zugeordnet und insbesondere einem Transistor T2, dessen Drain-Elektrode D2 mit einem Ende der Last verbunden ist.
Die Schaltung 1 umfaßt einen zweiten Feldeffekt-Fühlertransistor Ts, ebenfalls vom MOS-Typ, dessen Source-Elektrode Ss sowohl mit der Source S2 des Transistors T2 als auch mit Masse verbunden ist. Ferner sind die jeweiligen Gate-Elektroden G2 und Gs der Transistoren miteinander verbunden, wie in Figur 1 gezeigt ist.
Schaltung 1 beinhaltet überdies einen Komparator 3 mit jeweiligen Eingängen, die mit den entsprechenden Drain-Elektroden des ersten und zweiten Transistors verbunden sind.
Insbesondere der nicht-invertierende (+) Eingang des Komparators 3 ist direkt mit der Drain-Elektrode D2 des ersten Transistors T2 verbunden, wohingegen der invertierende (-) Eingang dieses Komparators 3 mit der Drain-Elektrode Ds des zweiten Transistors Ts verbunden ist. Vorteilhafterweise ist die Drain-Elektrode des zweiten Transistors T2 außerhalb der Schaltung 1 mit einem Referenzspannungspol Vr über einen externen Referenzwiderstand Rr verbunden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind solche externen Komponenten z.B. durch eine Referenzstromquelle Ir gebildet, wie in Figur 3 gezeigt ist.
Der Ausgang des Komparators 3 ist geschaltet, um einen elektronischen Schalter 4 zu treiben, der zwischen dem Ausgang einer Treiberstufe 5 und der Gate-Elektrode G2 des Transistors T2 geschaltet ist, um den Leistungstransistor T2 ein- und auszuschalten.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Figur 3 gezeigt ist, ist das Gate G2 des ersten Transistors T2 mit einem Spannungsversorgungspol Vg verbunden, der in der Stufe 5 enthalten ist, und ist mit diesem Pol in einer verbundenen Beziehung mit dem Schalter 4 verschaltet.
Die Gate-Elektrode Gs des Fühlertransistors Ts ist stattdessen direkt mit dem Versorgungspol Vg verbunden, so daß bei eingeschaltetem Leistungstransistor T2 über den Schalter 4 identische Gate-Source-Spannungswerte an beiden Transistoren erscheinen.
Es wird überdies darauf hingewiesen, daß die Fläche des zweiten Transistors Ts ausgewählt wurde, um zu der Fläche des Leistungstransistors T2 zu passen, und derart, daß der interne Widerstand Rts des Fühlertransistors Ts n-mal höher ist als der interne Widerstand des Transistors T2.
Im Betrieb würden die Spannungspegel, die an den jeweiligen Eingängen des Komparators 3 auftauchen gleich den Widerstands-behafteten Drain-Source-Spannungsabfällen der Transistoren T2 bzw. Ts sein.
Solche Spannungswerte können als das Produkt des Stroms, der durch jeden Transistor fließt, und dessen entsprechenden internen Widerstands ausgedrückt werden.
Nachdem es ebenfalls zulässig ist, den Wert der Spannung, die an dem invertierenden Eingang des Komparators 3 auftaucht als eine Funktion der Referenzspannung Vr und der Widerstandswerte Rr oder des Stroms Ir der Referenzquelle auszudrücken, kann gezeigt werden, daß der Wert des Stromes Is, der durch den zweiten Transistor Ts fließt, durch folgende Gleichung gegeben ist:
Is = Vr/(Rr + Rts) = Ir = Vr/Rr
wobei Rts der Wert des internen Widerstands durch den zweiten Transistor Ts ist, der betragsmäßig mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann, um ihn so, verglichen mit dem Widerstand Rr außerhalb der Schaltung 1, vernachlässigbar zu machen.
Im Gegensatz zu dem, was bei bekannten Schaltungen auftritt, wird der Wert des Stromes Is, der durch den Transistor Ts fließt, im wesentlichen von den Werten der Referenzspannung Vr und des Widerstands Rr abhängen, die dadurch, daß sie durch Komponenten außerhalb der integrierten Schaltung 1 vorgesehen sind, so genau wie erwünscht hergestellt werden können.
Die Schaltung dieser Erfindung hat eine große strukturelle Einfachheit und verwendet eine extrem geringe Anzahl von Komponenten, die eine höhere Genauigkeit schaffen. Zusätzlich verliert diese Schaltung einen reduzierten Betrag an elektrischer Leistung.
Bei einem modifizierten Ausführungsbeispiel, das in Figur 2 gezeigt ist, bei dem die gemeinsamen Gegenstände und Teile, die bezüglich der Struktur und Funktion dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ähnlich sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist der Ausgang des Komparators 3 direkt mit dem Eingang einer Zeitgeberschaltung 6 verbunden, die wirksam ist, an einem oder mehreren Ausgängen Signale auszugeben, die entsprechend einer vorbestimmten Zeitanordnung verzögert sind.
Diese Zeitanordnung 6 kann z.B. nur ein Zähler sein.
Die Schaltung 6 hat ein Paar Ausgänge 7 bzw. 8, die geschaltet sind, um ein Paar elektronischer Schalter zu steuern, von denen ein erster, der wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel mit 4 bezeichnet ist, vor das Gate G2 geschaltet ist, und der Zweite 9 vor das Gate Gs des zweiten Transistors geschaltet ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Figur 4 gezeigt ist, hat der Zeitgeber 6 nur den Ausgang 7, der mit dem Schalter 4 verbunden ist, wohingegen das Gate Gs des Fühlertransistors Ts fest mit dem Spannungsversorgungspol Vg verbunden ist.
Die Bereitstellung eines Zeitgebers 6 ermöglicht sogar beim Vorhandensein von sogenannten Störsignalen an dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators 3, z.B. in dem Moment, in dem der Leistungstransistor von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand übergeht, daß eine minimale Leitzeit für den Leistungstransistor T2 sichergestellt ist.
Dem invertierenden Eingang des Komparators 3 wird ein Referenzstrom Ir zugeführt, der entweder durch die Werte der Referenzspannung Vr und des Widerstandes oder durch die Stromquelle Ir geregelt ist.
Die Bereitstellung des Schalters 9 ermöglicht es, daß das Einschalten des Leistungstransistors T2 und des zweiten Transistors Ts auf der Grundlage der Zeitgabe der Schaltung 6 unterscheidbar ist, so daß der Fühlertransistor ebenfalls leitfähig sein kann, während der Leistungstransistor ausgeschaltet ist. Der Fühlertransistor kann jedoch zu allen Zeitpunkten leitfähig gehalten werden, wie in Figur 4 gezeigt ist.
Durch einfache Anpassungen, die in Fachkreisen gut bekannt sind, könnte eine einzelne Schaltung 1 gemäß der Erfindung verständlicherweise verwendet werden, um den Laststrom von mehreren Transistoren zu erfassen und zu steuern, vorausgesetzt, daß ein geeignetes Zeitgebergerät angeordnet ist, um die Schaltungs-Einschaltzeitpunkte zu steuern.
Zusätzlich hierzu kann die erfindungsgemäße Schaltung in jeglichem ihrer Ausführungsbeispiele durch Bipolar-Transistoren gebildet sein, die in der Sättigung betrieben werden. In diesem Fall würden sowohl die Brückenschaltung 2 als auch die Fühlerschaltung 1 Bipolar-Transistoren umfassen, die derart verbunden sind, daß ihre jeweiligen Basen den GateS der vorher beschriebenen Feldeffekttransistoren entsprechen, während die Kollektoren und Emitter angeordnet sein würden, um mit den Drain- bzw. Source-Elektroden übereinzustimmen.

Claims

1. Eine elektronische Schaltung (1) zum Messen und Steuern eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive elektrische Last (L) fließt, die von der Art ist, die einen ersten Leistungstransistor (T2), der mit der Last verbunden ist und durch eine Treiberstufe (5) gespeist ist, und einen zweiten Fühlertransistor (Ts) umfaßt, wobei beide Transistoren Feldeffekttransistoren sind und über ihre jeweiligen Source-Elektroden (S2, Ss) verbunden sind, wobei die Schaltung ferner einen Spannungskomparator (3) umfaßt, dessen jeweilige Eingänge mit den entsprechenden Drain-Elektroden (D2, Ds) der Transistoren (T2, Ts) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie einen elektronischen Schalter (4) aufweist, der zwischen die Gate-Elektrode (G2) und die Treiberstufe (5) des Leistungstransistors (T2) geschaltet ist, wobei der elektronische Schalter mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist.

2. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Drain-Elektrode (Ds) des zweiten Transistors (Ts) ebenfalls mit einem Referenzspannungs-Versorgungspol (Vr) über einen Widerstand (Rr) mit vorbestimmten Widerstandswert verbunden ist.

3. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektrode (Ds) des zweiten Transistors (Ts) mit einer externen Referenzstromquelle (Ir) verbunden ist.

4. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zeitgeber (6) umfaßt, der mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist und einen Ausgang (7) hat, der geschaltet ist, um den elektronischen Schalter (4) zu steuern.

5. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zeitgeber (6) umfaßt, der mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist, und mindestens ein Paar Ausgänge (7, 8) hat, die geschaltet sind, um die jeweiligen elektronischen Schalter (4, 9) zu steuern, von denen einer vor dem Gate (G2) des Leistungstransistors (T2) geschaltet ist und der zweite vor dem Gate (Gs) des zweiten Transistors (Ts) geschaltet ist.

6. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode des Fühlertransistors (Ts) permanent mit einem Spannungsversorgungspol (Vg) verbunden ist.

7. Eine Schaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode des Fühlertransistors (Ts) permanent mit einem Spannungsversorgungspol (Vg) verbunden ist.

8. Eine elektronische Schaltung (1) zum Messen und Steuern eines elektrischen Stromes, der durch eine induktive elektrische Last (L) fließt, die von der Art ist, die einen ersten bipolaren Leistungstransistor (T2), der mit der Last verbunden ist und durch eine Treiberstufe (5) gespeist ist, und einen zweiten Fühlertransistor (Ts) umfaßt, wobei die Transistoren durch ihre jeweiligen Emitter-Elektroden (S2, Ss) miteinander verbunden sind, wobei die Schaltung ferner einen Spannungskomparator (3) umfaßt, dessen jeweilige Eingänge mit den entsprechenden Kollektorelektroden (D2, Ds) der Transistoren (T2, Ts) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie einen elektronischen Schalter (4) aufweist, der zwischen die Basis (G2) und die Treiberstufe (5) des Leistungstransistors (T2) geschaltet ist, wobei der elektronische Schalter mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist.

9. Eine Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Elektrode (Ds) des zweiten Transistors (Ts) ebenfalls mit einem Referenzspannungs-Versorgungspol (Vr) über einen Widerstand (Rr) mit einem vorbestimmten Widerstandswert verbunden ist.

10. Eine Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Elektrode (Ds) des zweiten Transistors (Ts) mit einer externen Referenzstromquelle (Ir) verbunden ist.

11. Eine Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zeitgeber (6) umfaßt, der mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist und einen Ausgang (7) hat, der geschaltet ist, um den elektronischen Schalter (4) zu steuern.

12. Eine Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zeitgeber (6) umfaßt, der mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist und mindestens ein Paar von Ausgängen (7, 8) hat, die verbunden sind, um die jeweiligen elektronischen Schalter (4, 9) zu steuern, von denen einer vor die Basis (G2) des Leistungstransistor (T2) geschaltet ist, und der andere vor die Basis (Gs) des zweiten Transistors (Ts) geschaltet ist.

13. Eine Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Fühlertransistors (Ts) permanent mit einem Spannungsversorgungspol (Vg) verbunden ist.

14. Eine Schaltung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Fühlertransistors (Ts) permanent mit einem Spannungsversorgungspol (Vg) verbunden ist.