DE69012507T2 - Freigabeschaltung mit integrierter thermischer Abschaltung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf elektronische Schaltungen und insbesondere auf einen Entsperrschaltkreis, der thermische Abschaltfähigkeit integriert.
• Entsperrschaltungen für das Bereitstellen von Vorspannstrom zu einem zugeordneten integrierten Schaltkreis (IC) sind bekannt. Typischerweise sind, zusätzlich zum Erfüllen ihrer primären Funktion der Bereitstellung von Steuerstrom zu einem zugeordneten IC in Reaktion auf die Erfassung eines Ein/Aus-Eingangssignals Entsperrschaltkreise auch konstruiert zum Minimieren von Leerlaufstrom, wenn das Eingangssignal aus ist.
• Konventionelle integrierte Schaltkreise minimieren die Stromentnahme von der Versorgung durch Abtrennen von der Versorgung, wenn der integrierte Schaltkreis ausgeschaltet ist. Es können aber Anwendungen vorliegen, die erfordern, daß die Versorgung angeschlossen bleibt, selbst dann, wenn der bestimmte integrierte Schaltkreis nicht in Betrieb ist. Beispielsweise ist es in Kraftfahrzeugen wünschenswert, zahlreiche Schaltkreise direkt an die Batterie anzuklemmen, so daß jeder dieser Schaltkreise verwendet werden kann, wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist. Diese Schaltkreise müssen so ausgelegt werden, daß sie niedrigen Leerlaufstrom ziehen, um die Batterieentladung zu vermeiden, wenn das Fahrzeug während längerer Zeitperioden nicht gefahren wird.
• Zusätzlich zur Bereitstellung eines minimalen Leerlaufstromes ist es außerdem wünschenswert, thermische Abschaltfähigkeit für den integrierten Schaltkreis vorzusehen, wenn seine Temperatur eine vorbestimmte Schwelle übersteigt. Thermische Abschaltung ist erforderlich wegen Verhaltensabweichungen in der Schaltung, wenn die Temperaturschwelle überstiegen wird.
• Um das thermische Abschalten eines bestimmten integrierten Schaltkreises zu erreichen, ist typischerweise die Verwendung eines zugeordneten thermischen Abschaltkreises, getrennt von dem integrierten Schaltkreis, der zu schützen ist, erforderlich. Der getrennte thermische Abschaltschaltkreis überwacht die Temperatur und schaltet den integrierten Schaltkreis aus, wenn seine Temperatur die vorbestimmte Schwelle übersteigt. Während der thermische Abschaltschaltkreis sich üblicherweise auf demselben Chip befindet wie der zu schützende integrierte Schaltkreis, ist er oft ebenso komplex wie der eigentliche Entsperrschaltkreis. Typischerweise ist der thermische Abschaltschaltkreis mit dem Ausgang des Entsperrschaltkreises verbunden, um diesen Ausgang zu unterdrücken, wenn die Schwellentemperatur überschritten wird. Diese getrennten thermischen Abschaltschaltkreise erfordern zusätzliche Chipfläche, was die Ausbeute verringert und die Produktkosten erhöht.
• Die vorliegende Erfindung ist durch den Anspruch 1 definiert. Das Konzept, definiert durch seine Präambel, ist außerdem offenbart in EP-A-268 530 und US-A-4,779,161.
• Die vorliegende Erfindung überwindet die Beschränkungen des Standes der Technik durch Schaffung eines Entsperrschaltkreises, der eine minimale Anzahl von integrierten Komponenten verwendet und der zusätzliche eingebaute thermische Abschaltung oberhalb einer wohldefinierten Temperatur gewährleistet. Die Schaltung zieht keinen Versorgungsstrom, wenn der Eingang aus ist, und hat eine wohldefinierte und relativ temperaturstabile Einschaltschwelle mit Hysterese.
• Ein Entsperrschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung, wie definiert in Anspruch 1, umfaßt vorzugsweise ein temperaturunempfindliches Schwellendetektornetzwerk, das einen gewünschten Vorspannstrom bereitstellt, wenn ein an seinen Eingang angelegtes Ein/Aus-Signal eine vorgewählte Spannung übersteigt. Thermisch empfindliche Schaltungsteile, angeschlossen zwischen dem Eingang des Schwellendetektornetzwerks und Masse bleiben ausgeschaltet, wenn die Temperatur des Entsperrschaltkreises unter einer vorgewählten Maximaltemperatur liegt, und haben demgemäß keinen Einfluß auf den normalen Betrieb des Entsperrschaltkreises. Wenn jedoch die Temperatur des Entsperrschaltkreises die vorgewählte Maximaltemperatur erreicht, schaltet sich die thermisch empfindliche Schaltungspartie ein und klemmt den Eingang des Schwellendetektornetzwerks auf einen Wert unter der vorgewählten Spannung.
• In der offenbarten Ausführungsform der Erfindung ist der Kern des Schwellendetektornetzwerks eine Brokaw-Zelle, die in einer Konfiguration mit offener Schleife verwendet wird. Ein inhärentes Merkmal einer Brokaw-Zelle besteht darin, daß sie keinen Strom zieht, wenn ihr Eingang auf "aus" liegt. Die thermisch empfindliche Schaltungpartie wird offenbart als entweder ein Diodenstrang oder als ein VBE-Multiplizierer. Ein Stromregulator, angeschlossen zwischen dem Eingang der Brokaw-Zelle und Masse, leitet Überschuß-Eingangsstrom nach Masse ab. Ein schaltendes Netzwerk, verbunden mit der Brokaw-Zelle, liefert sowohl die Ein/Aus- Spannungshysterese als auch die thermische Abschalthysterese.
• Die vorstehenden und zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verdeutlicht und gewürdigt unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
• Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Ausführungsform eines Entsperrschaltkreises mit eingebauter thermischer Abschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm zur Illustration eines VBE-Multiplizieres, der anstelle des in Fig. 1 gezeigten Diodenstranges substituiert werden kann.
• Fig. 3 ist eine Graphik zur Illustration der thermischen Abschaltcharakteristiken der Schaltung nach Fig. 1.
• Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Entsperrschaltkreises 10 mit eingebauter thermischer Abschaltung entsprechend der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis nach Fig. 1 kann als integrierter Schaltkreis ausgeführt werden unter Verwendung wohlbekannter Herstellungsprozesse.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein EIN/AUS-Eingangssignal an die Eingangsklemme des Entsperrschaltkreises 10 angelegt. Eingeschaltet, liefert das EIN/AUS-Signal Basistreiberstrom an die NPN-Transistoren Q5 und Q6 über 50 KOhm Eingangswiderstand R1 und 68 KOhm Widerstand R2. Die Transistoren Q5 und Q6 sind die Eingangskomponenten eines temperaturunempfindlichen Schwellendetektornetzwerks, konfiguriert als eine Brokaw- Zelle mit offener Schleife, welche die Transistoren Q5-Q8 umfaßt. Das heißt, zusätzlich zu den Eingangstransistoren Q5 und Q6 umfaßt die Brokaw-Zelle außerdem einen Stromspiegel, umfassend die PNP-Transistoren Q7 und Q8. Der Emitter des Transistors Q6 hat die vierfache Größe des 3X-Emitters von Transistor Q5.
• Eine positive Stromversorgung 14 ist mit dem Emitter von PNP- Transistor Q9 verbunden, während die zusammengeschaltete Kollektor/Basis-Region des Transistors Q9 mit dem Kollektor von Transistor Q5 verbunden ist. Der 4X-Emitter von PNP-Transistor Q10 ist verbunden mit der positiven Versorgung 14 über einen 100 Ohm Widerstand R6. Der Emitter des Transistors Q5 ist mit Masse verbunden über die seriengeschalteten Widerstände R4 (3,9 KOhm) und R5 (1,5 KOhm). Der Emitter des Transistors Q6 ist mit Masse über 720 Ohm Widerstand R3 in Serie mit Widerständen R4 und R5 verbunden.
• Der Kollektor des NPN-Transistors Q12 ist zwischen die Widerstände R4 und R5 geschaltet, während der 6X-Emitter des Transistors Q12 an Masse liegt. Der Kollektor von PNP-Transistor Q10 ist sowohl verbunden mit der Basis des NPN-Ausgangstransistors Q14 als auch mit den zusammengeschalteten Kollektor/Basis-Regionen von NPN-Transistor Q11. Der 3X-Emitter von Transistor Q11 ist über ein Widerstandsnetzwerk an Masse gelegt, daß den 1 Kohm Widerstand R7, 2 KOhm R8 und 20 KOhm R9 umfaßt. Der Kollektor des NPN-Transistors R13 ist mit dem gesteuerten Stromausgang IOUT, der Entsperrschaltung über 7,5 KOhm, Widerstand R10 und Ausgangstransistor Q14 verbunden.
• Die EIN/AUS-Klemme des Entsperrschaltkreises 10 ist ferner über Widerstand R1 über den Stromregulier-PNP-Transistor Q1 mit Masseklemme 12 verbunden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in größeren Einzelheiten weiter unten erörtert, verbindet eine thermisch empfindliche Schaltungspartie, in Fig. 1 dargestellt als drei in Serie geschaltete Klemmdioden, gebildet aus NPN-Transistoren Q2-Q4, das Basistreibersignal der Transistoren Q5 und Q6, d.h. den Eingang zu dem Schwellendetektornetzwerk mit Masse. Jede der Komponenten Q2-Q4 ist so hergestellt, daß sie 1,7X-Emitter aufweist.
• Der Kern der Entsperrschaltung ist eine Brokaw-Zelle mit Transistoren Q5-Q8, die verwendet wird als ein Schwellenschaltkreisnetzwerk, wie von Stanojevic in US-Patent 4,701,639 gelehrt (das derselben Patentinhaberin gehört). Im Gegensatz jedoch zu dem von Stanojevic beschriebenen Schwellenschaltkreis wird die in Fig. 1 dargestellte Brokaw-Zelle in einer Konfiguration mit offener Schleife verwendet, wie dies in der Vergangenheit angeregt wurde. Eines der inhärenten Merkmale einer Brokaw- Zelle besteht darin, daß sie keinen Strom zieht, wenn der EIN/AUS-Eingang unter 1VBE liegt (worin VBE = 0,7V). Wenn jedoch die EIN/AUS-Spannung über 1 VBE ansteigt, beginnt Strom in Transistoren Q5 und Q6 zu fließen. Anfänglich übersteigt der Strom im Transistor Q6 den Strom in Transistor Q5 infolge des 4:1 Emitterflächenverhältnisses der beiden Transistoren. Demgemäß wird der Transistor Q9 offengehalten. Bei der Einschaltschwelle der Brokaw-Zelle ist der Strom im Transistor Q5 gleich dem Δ VBE, herrührend von dem 4:1 Flächenverhältnis der Transistoren Q5 und Q6, dividiert durch den Wert von Widerstand R3 (720 Ohm). Dies tritt ein bei einer Schwellenspannung an der Basis von Transistor Q5 von 1VBE plus dem Spannungsabfall über den Widerständen R4 und R5, herrührend von der Summe der in den Transistoren Q5 und Q6 fließenden Ströme. In der Ausführungsform nach Fig. 1 liegt diese Schwellenspannung bei etwa 1,2 V.
• Wenn die Einschaltschwelle der Brokaw-Zelle überschritten wird, schalten die PNP-Transistoren Q9 und Q10 beide ein und bewirken, daß die Schalterkomponenten Q12 und Q13 ebenfalls einschalten. Der Schaltertransistor Q12 schließt den Widerstand R5 kurz, um Hysterese zu bewirken für den EIN/AUS-Eingang zu dem Schwellendetektornetzwerk, während der Schaltertransistor Q13 einen Ausgangsstrom IOUT von etwa dem Wert VBE/R10 einschaltet.
• Da es keine Rückkopplung vom Ausgang des Brokaw-Zellen-Schwellendetektornetzwerks zu seinem EIN/AUS-Eingang gibt, würde eine weitere Erhöhung der EIN/AUS-Spannung über die Einschaltschwelle hinaus unnötig hohe Ströme in dem Transistor Q10 fließen lassen. Deshalb wurde der 100 Ohm Degenenerationswiderstand R6 dem Emitter des Transistors Q10 hinzugefügt.
• In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Q2-Q4 Klemme dem Eingang des Schwellendetektornetzwerks hinzugefügt. Diese Klemme verhindert die Sättigung der Transistoren Q5 und Q6, wenn eine hohe Spannung an den EIN/AUS-Eingang angelegt wird, und schafft darüberhinaus die thermische Ausschaltcharakteristik der Entsperrschaltung. Wenn die Temperatur des Entsperrschaltkreises 10 ansteigt, fällt die Klemmenspannung am Eingang des Schwellendetektornetzwerks infolge des negativen Temperaturkoeffizienten der Klemme Q2-Q4. Da die Schwellenspannung, eingestellt durch die Brokaw- Zelle, relativ temperaturunempfindlich ist, fällt bei irgendeiner Temperatur die Klemmenspannung unter die Ausschaltspannung für die Brokaw- Zelle, und der gesteuerte Ausgangsstrom IOUT wird ausgeschaltet.
• Da, wenn der Transistor Q10 ausschaltet, auch der Transistor Q12 ausschaltet, wird der Widerstand R5 in der Schaltung wieder wirksam und erhöht die Schwelle für das Wiedereinschalten des Transistors Q10. Demgemäß dienen der Widerstand R5 und der Transistor R12 dazu, sowohl die EIN/AUS-Spannungshysterese als auch die thermische Abschalthysterese zu bewirken.
• Durch Verwendung der 3 VBE-Klemme Q2-Q4 führen die Werte der Widerstände R4 und R5, erforderlich zum Bereitstellen der gewünschten Abschalttemperatur und Hysterese, auch zu einer EIN/AUS-Schwelle, die vollkommen kompatibel ist mit TTL- oder CMOS-Eingangssignalen. Der Transistor Q1 arbeitet als ein Stromregler, indem er Überschußeingangsstrom vom Widerstand R1 nach Masse ableitet. Dies begrenzt den Q2-Q4 Klemmenstrom auf VBE/R2, womit genau die Abschalttemperatur definiert wird.
• Fig. 2 zeigt eine alternative thermisch empfindliche Schaltungspartie, nämlich einen VBE-Multiplikator, der für den Diodenstrang Q2-Q4 (innerhalb gestrichelter Linien in Fig. 1 gezeichnet) substituiert werden kann. Die Klemmenspannung des VBE-Multiplikators ist (RA und RB)- RB mal 1VBE, was es ermöglicht, eine VBE-Bruchteilsklemme zu erhalten durch Einjustieren der Werte von RA und RB. Der VBE-Multiplikator würde eine genauere Einstellbarkeit der thermischen Abschaltung bereitstellen, doch würden die Widerstände RA und RB von dem EIN/AUS-Eingang Strom ziehen mit der Wirkung, daß die Schwellenspannung angehoben wird.
• Fig. 3 ist eine Graphik, in der die Eingangsschwellenspannung des Entsperrschaltkreises 10 über der Temperatur aufgezeichnet ist für eine ausgeführte integrierte Schaltung des Schemas nach Fig. 1. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist bei etwa 125ºC die Einschaltschwelle des Entsperrschaltkreises bei unendlich, was der thermischen Abschaltung entspricht.
• Es versteht sich, daß verschiedene Alternativen für die Ausführungsform der Erfindung, die hier beschrieben wurde, beim Praktizieren der Erfindung eingesetzt werden können. Es ist beabsichtigt, daß die nachstehenden Ansprüche den Schutzumfang der Erfindung definieren und daß Schaltkreise innerhalb der Reichweite dieser Ansprüche durch sie abgedeckt werden.

Claims (8)

1. Ein integrierter Entsperrschaltkreis (10) für das Bereitstellen eines gesteuerten Ausgangsstromes, welcher Entsperrschaltkreis umfaßt:

(a) einen Schwellenschaltkreis (Q5-Q8), welcher den gesteuerten Ausgangsstrom bereitstellt, wenn ein EIN/AUS-Eingang zu dem Schwellenschaltkreis eine vorbestimmte Schwellenspannung übersteigt; und

(b) ein Klemmnetzwerk (Q2-Q4; Fig. 2), angeschlossen zwischen dem EIN/AUS-Eingang zu dem Schwellenschaltkreis und Masse für das Ausschalten des gesteuerten Ausgangsstromes, wenn die Temperatur des Schwellenschaltkreises eine vorgewählte Temperatur übersteigt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmnetzwerk einen thermisch empfindlichen Schaltkreis (Q2-Q4; Fig. 2) umfaßt zwischen dem Schwellenschaltkreiseingang und Masse, wobei die Klemmspannung oberhalb der Schwellenspannung liegt, solange die Temperatur unter der vorgewählten Temperatur ist, und daß der thermisch empfindliche Schaltkreis eine negative Temperaturcharakteristik aufweist.

2. Ein Entsperrschaltkreis nach Anspruch 1, bei dem der Schwellenschaltkreis umfaßt:

(a) einen ersten und einen zweiten bipolaren Eingangstransistor (Q5, Q6), die bei unterschiedlichen Stromdichten arbeiten und die durchschalten in Reaktion auf das Anlegen der vorbestimmten Schwellenspannung;

(b) einen Stromspiegel (Q7, Q8), zwischen den ersten und den zweiten Eingangstransistor und eine positive Versorgung gekoppelt; und

(c) Umschaltmittel (Q9, Q10), angeschlossen an den Stromspiegelausgang für das Bereitstellen des Ausgangsvorspannstromes, wenn der Stromfluß in den ersten Eingangstransistor den Stromfluß in den zweiten Eingangstransistor übersteigt.

3. Ein Entsperrschaltkreis nach Anspruch 2, bei dem die Umschaltmittel einen dritten und einen vierten bipolaren Transistor (Q9, Q10) umfassen mit zusammengeschalteten Basisanschlüssen, die außerdem verbunden sind mit dem Kollektor des ersten Eingangstransistors (Q5) derart, daß der erste Eingangstransistor den Stromfluß durch den dritten und den vierten Transistor steuert.

4. Ein Entsperrschaltkreis nach Anspruch 3, bei dem die Umschaltmittel ferner umfassen:

(a) einen bipolaren Ausgangstransistor (Q14), der mit seiner Basis an den Kollektor des vierten Transistor (Q10) angeschlossen ist; und

(b) einen bipolaren Schalttransistor (Q13), angeschlossen zwischen dem Emitter des Ausgangstransistors und Masse, und mit seiner Basis an den Kollektor des vierten Transistors (Q10) über eine Impedanz (Q11, R8) angeschlossen;

(c) wodurch der Ausgangstransistor (Q14) den Ausgangsvorspannstrom bereitstellt, wenn der vierte Transistor (Q10) durchschaltet.

5. Ein Entsperrschaltkreis nach Anspruch 1, bei dem das Klemmnetzwerk eine Mehrzahl von als Dioden geschaltete Transistoren (Q2, Q3, Q4) umfaßt.

6. Ein Entsperrschaltkreis nach Anspruch 1, bei dem das Klemmnetzwerk einen VBE-Multiplizierer (Fig. 2) umfaßt, welcher aufweist:

(a) einen bipolaren Klemmtransistor, der mit seinem Kollektor an das EIN/AUS-Eingangssignal angeschlossen ist und mit seinem Emitter an Masse liegt;

(b) ein erstes resistives Element (RA), angeschlossen zwischen dem Kollektor und der Basis des Klemmtransistors; und

(c) ein zweites resistives Element (RB), angeschlossen zwischen dem Emitter und der Basis des Klemmtransistors.

7. Ein Entsperrschaltkreis nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Stromregler (Q1), angeschlossen parallel zu dem Klemmnetzwerk zwischen dem EIN/AUS-Eingangssignal und Masse.

8. Ein integrierter Entsperrschaltkreis nach Anspruch 1, 5 oder 6, bei dem der Schwellenschaltkreis (Q5-Q8) ein temperaturunempfindliches Schwellendetektornetzwerk ist, das reagiert auf eine vorgewählte Spannung, die an seinen Eingang angelegt wird, durch das Bereitstellen eines Ausgangsvorspannstromes, wenn die Temperatur des Entsperrschaltkreises unterhalb einer vorgewählten Maximaltemperatur ist, und bei dem das Klemmnetzwerk (Q2-Q4; Fig. 2) thermisch empfindliche Schaltung umfaßt, angeschlossen zwischen dem Eingang des Schwellendetektornetzwerks und Masse und eine Einschaltspannung besitzt, die größer ist als die vorgewählte Spannung, wenn die Temperatur des Entsperrschaltkreises niedriger ist als die vorgewählte Maximaltemperatur, und die niedriger ist als die vorgewählte Spannung, wenn die Temperatur des Entsperrschaltkreises gleich oder größer ist als die vorgewählte Maximaltemperatur, wodurch die thermisch empfindliche Schaltung das Signal, das an den Eingang des Schwellendetektornetzwerks angelegt wird, unter die vorgewählte Spannung klemmt, wenn die Temperatur des Entsperrschaltkreises gleich oder größer ist als die vorgewählte Maximaltemperatur.