DE69029424T2

DE69029424T2 - Unmittelbar wirkende Leistungsbegrenzungsschaltung

Info

Publication number: DE69029424T2
Application number: DE69029424T
Authority: DE
Inventors: Stephen Hobrecht
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1989-05-11
Filing date: 1990-05-01
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2010-05-02
Also published as: KR900019390A; EP0397015A3; DE69029424D1; US5021682A; EP0397015B1; JPH033509A; KR0164657B1; EP0397015A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf sogenannte diffundierte Metalloxidhalbleilertransistortreiber (abgekürzt DMOST). Solche Treiber sind in einer gleichzeitig anhängigen Anmeldung unter der Seriennummer 189,442 offenbart, die von Timothy J. Skovmand am 2. März 1988 hinterlegt wurde. Sie trägt den Titel "Voltage Multiplier Compatible with a Self-Isolated C/DMOS Process". Ein DMOSt kann eine Last ansteuern, so daß die 1 Lastspannung sich dicht der Versorgung annähert. Um dies zu tun, muß das Gate erheblichem Ausmaß übersteuert werden, und dies erfordert eine Potentialquelle, die höher ist als die Betriebsversorgung. In dieser Anwendung wird das hochgetriebene Potential mittels eines spannungsmultiplierenden Gleichrichters erzielt, angesteuert von dem Schaltungstaktgeber. Eine Anzahl anderer Versionen solcher "Hochtreibschaltungen" sind im Stand der iechnik bekannt. Die obige Patentanmeldung ist zum Zessionar der vorliegenden Erfindung zediert, und ihre Lehre wird hier durch Bezugnahme mit eingefügt.
Solche DMOST-Komponenten können so aufgebaut werden, daß sie sperrschichtisoliert sind, wobei man einen komplementären Halbleltermetalloxidhalbleiterprozeß (CMOS) verwendet, der auch mehr konventionelle bipolare Elemente enthalten kann, wie man sie normalerweise in den wohlbekannten Monolithischen Siliciumplanarepitaxial-PN-sperrschichtisolierten integrierten Schaltkreiskomponenten findet. Ein Leistungs-DMOST kann aus einer großen Anzahl von parallelgeschalteten Elementen erzeugt werden. Die Betriebsspannung kann vernünftig hoch gehalten werden, und die Stromführfähigkeit kann substantiell gemacht werden. Beispielsweise kann der Durchschaltwiderstand eines Leistungs-DMOST bis herunter zu einem Bruchteil eines Ohm gemacht werden.
Typischerweise waren DMOST-integrierte Schaltkreiskomponenten nach dem Stand der Technik stillgelegt, wenn die Chiptemperatur irgendeine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Es wäre wünschenswert, elektronisch den Leistungsumsatz zu begrenzen, ohne warten zu müssen, daß der Chip sich aufheizt.
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, einen Leistungs-DMOST mit Schaltungen zu schaffen, die den augenblicklichen Leistungsumsatz auf einem sicheren Niveau begrenzen.
Es ermöglicht, das Erfassen der Leistung in einem DMOST und seine Leitung auf einen sicheren Leistungspegel zu begrenzen.
Es gibt bereits eine bekannte Schaltungskonfiguration, die dem Schutz eines DMOST dient. Das Dokument US-A-4,355,341 lehrt, die Spannung über dem geschützten DMOST-Transistor zu erfassen, jedoch nicht den ihn durchfließenden Strom. Stattdessen wird die Basis-Emitter-Spannung als repräsentativ für den Logarithmus des Stromes gewählt. Der Strom, der repräsentativ für die umgesetzte Leistung ist, wird durch Addieren des Logarithmus sowohl des Stromes durch als auch des Spannungsabfalls über dem geschützten Transistor erzeugt. Für diesen Zweck wird eine Diode verwendet, um den Logarithmus des Spannungsabfalls zu erzeugen. - Das Dokument US-A-4,509,101 offenbart das direkte Erfassen des Stromes durch und die Spannung über einem Leistungstransistor für das Schützen des letzteren gegen Zerstörung. Die Schaltung umfaßt einen ersten Detektorschaltkreis zum Erfassen des durch eine Ausgangsstufe fließenden Stromes und eine zweite Detektorschaltung, die eine Ausgangsspannung erfaßt. Darüberhinaus ist ein Amplitudenbegrenzungsschaltkreis vorgesehen, der die Amplitude eines Eingangssignals zu dem schaltenden Schaltkreis der Ausgangsstufe gemäß erfaßter Spannung und erfaßtem Strom begrenzt.
Anspruch 1 definiert die Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform hat die folgenden Merkmale.
Ein Serienwiderstand sehr niedrigen Wertes ist in Reihe mit dem DMOST geschaltet, und die Spannung, die er erzeugt, wird an die Eingangsschaltung eines Transkonduktanzverstärkers (gm) angelegt. Eine Diodenwiderstandsreihenkombination ist über den DMOST geschaltet, so daß eine Spannung über der Diode als eine Funktion des Stromes in dem Widerstand und damit der DMOST-Spannung erscheint. Der Diodenspannungsabfall wird auch dem gm-Verstärkereingang zugeführt. Demgemäß wird der gm-Verstärker einer einendigen Ausgangsstrom erzeugen, der in Beziehung mit dem Produkt von DMOST-Spannung und -Strom steht. Der gm-Verstärker steuert den invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers an, dessen Ausgang direkt mit dem DMOST-Gate gekoppelt ist. Der andere Differentialverstärkereingang ist mit einer Referenzpotentialquelle verbunden. Ein Spannungsteiler, gekoppelt über die Spannungsreferenz, hat einen Widerstand, der zwischen dessen Anzapfung und den gm-Verstärkerausgang gekoppelt ist. In dieser Schaltungskonfiguration wird der Differentialverstärker des Gate das DMOST ansteuern, bis die Eingangsdifferenz des Differentialverstärkers null ist. Für diese Bedingung werden die Widerstandswerte mit dem gm-Verstärkerausgang zusammenwirken, um eine Multiplikationskonstante bereitzustellen, welche den Umsatz in dem DMOST auf einem konstanten Wert hält. Diese Multiplikationskonstante wird so gewählt, daß der DMOST-Umsatz eng gesteuert wird, um unter einem kritischen Niveau zu liegen. Der Aufbau des gm-Verstärkers ist sorgfältig so abgeglichen, daß sein Betrieb nur von seinen Eingängen in Kombination mit der thermischen Spannung gesteuert wird. Da sich die thermische Spannung das gm invers mit der Temperatur ändert, und da der Stromerfassungswiderstand aus Metall besteht, um einen positiven Temperaturkoeffizienten zu erhalten, ist der gm-Verstärker in erster Ordnung temperaturkompensiert.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der Schaltung gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung von Details des gm-Verstärkers.
Gemäß dem schematischen Diagramm der Fig. 1 ist eine Betriebsleistungsversorgung VS mit + an Klemme 10 und mit - an Masseanschluß 11 gelegt. Der Anschluß 12 bildet den Schaltungsausgang und soll eine Last (nicht dargestellt) ansteuern, die zwischen Anschluß 12 und Masse geschaltet ist. Ein sperrschichtisolierter Leistungs-DMOST 13 ist mit seiner Source an Anschluß 12 gelegt. Ein DMOST wird in dieser Konfiguration verwendet, weil solche Komponenten in einem integrierten Schaltungssubstrat in einer Weise hergestellt werden können, die kompatibel ist mit anderen Komponenten. Wenn ein Leistungs-DMOST gewünscht wird, besteht er üblicherweise aus einer großen Anzahl von kleinen parallelgeschalteten Elementen. Auf diese Weise kann beinahe jeder vernünftige Leistungspegel erhalten werden, und die Kombination wird einen sehr niedrigen Durchschaltwiderstand aufweisen.
Das DMOST-Gate wird von dem Differentialverstärker 14 angesteuert, der aus einer Versorgungshochtreibklemme 15 betrieben wird, und zwar mittels einer Stromspiegelbelastung 16. Dieses hochgetriebene Versorgungskonzept ist bei DMOST-Treibern bekannt und steht in Beziehung zu der Tatsache, daß für das Durchsteuern des DMOST 13 auf seine maximale Leitfähigkeit das Gate erheblich über sein Drain gezogen werden muß. Das Potential an der VBOOST-Klemme 15 ist ein gesteuertes Inkrement. oberhalb von +VS an Klemme 10. Dies wird durch im Stand der Technik bekannte Schaltungen realisiert.
Ein Stromerfassungswiderstand 17 ist in Serie mit dem DMOST- Drain geschaltet und führt ihn zu der +VS-Klemme 10 zurück. Demgemäß fließt IOUT in Widerstand 17, um das zu entwickeln, was als VIN bezeichnet wird, nämlich die Eingangsspannung des gm-Verstärkers 18. Dieser Verstärker besteht aus Transistoren 19-22. Die Basen der Eingangstransistoren 19 und 20 sind zusammengekoppelt und an den als Diode geschalteten Transistor 23. Der im Transistor 23 fließende Strom ist gleich dem im Widerstand 24 fließenden Strom, der direkt proportional zu der Spannung über dem DMOST 13 ist. Dies ist mit VOUT bezeichnet.
Widerstand 17 ist klein relativ zu dem Durchschaltwiderstand des DMOST 13. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Widerstand 17 einen Wert von etwa 2 Milli-Ohm. Da der Durchschaltwiderstand eines Leistungs-DMOST typischerweise in der Größenordnung von 0,8 Ohm liegt, wird der Widerstand 17 geringen Einfluß auf die Fähigkeit der Schaltung nehmen, Strom zu speisen. Beispielsweise beträgt bei einem 5-Ampere-Ausgang der Spannungsabfall über Widerstand 17 nur 10 Milli-Volt.
Der Widerstand 24 ist groß ausgebildet, typischerweise in der Größenordnung von 50 Kilo-0hm. Seine Leitung bei moderaten VOUT-Werten wird Bruchteile von Milli-Ampere betragen. Dies ist unbedeutend im Hinblick auf due Schaltungsstromführfähigkeit. Der im Widerstand 24 fließende Strom spannt den Transistor 23 in Durchlaßrichtung vor und zieht die Basen der Transistoren 19 und 20 nach unten. Demgemäß wirkt VOUT, um gemeinsam den Eingang von gm-Verstärker 18 vorzuspannen, und IOUT erzeugt VIN, das die Emitter der Transistoren 19 und 20 unterschiedlich vorspannt.
Es ist festzuhalten, daß der Transistor 23 eine Fläche von 4y hat und die Transistoren 19 und 20 jeweils 2y Fläche haben. Demgemäß passen die Eingangsflächen der Transistoren 19 und 20 des gm-Verstärkers 18 zu der Fläche des Transistors 23. Im Ergebnis beträgt die Transkonduktanz des Verstärkers 18:
gm = VOUT/2 R24 VT (1)
worin R24 der Wert des Widerstand 24 in Ohm ist und
VT die thermische Spannung (etwa 26 Milli-Volt bei 300ºK). Der Faktor 2 ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Hälfte des im Widerstand 24 fließenden Stromes in jedem der Transistoren 19 und 20 fließt. Die Kombination der Transistoren 19 und 20 bildet einen Stromspiegel der Verstärkung 1 mit dem Transistor 23.
Man kann erkennen, daß der gm-Verstärker 18 Transistoren 21 und 22 als Stromspiegellast verwendet, die einen einendigen Ausgang liefert. Die Transistoren 21 und 22 sind sorgfältig aneinander angepaßt, um eine genaue Differenz bei der einzelendenden Signalumsetzung bereitzustellen. Fig 2 ist ein schematisches Diagramm, das die Verbindungen der Transistoren 19-22 detailliert. Die Eingangsstufe, umfassend Transistor 19 und 20, verwendet kreuzgekoppelte Paare von Emittern. Die Lasttransistoren 21 und 22 verwenden ebenfalls kreuzgekoppelte Paare von Emittern. Demgemäß ist besonders Sorgfalt bei dem gm-Verstärker 18 aufgewandt worden, um ihn abzugleichen und seine Transkonduktanz zu steuern.
Aus Gleichung (1) kann man erkennen, daß gm umgekehrt proportional zu VT und damit zu T ist. Wenn der Widerstand 17 aus integrierter Schaltungsmetallisierung (Aluminium) hergestellt ist, wird sein Wert proportional der Temperatur sein. Da gm und der Widerstand invers proportional zu der Temperatur sind, werden sie dahin tendieren, in erster Ordnung einander auszulöschen. Demgemäß wird der Ausgang des gm-Verstärkers 18 ein im wesentlichen temperaturunabhängiger Strom proportional dem Produkt aus VOUT und IOUT sein.
Der Ausgang des gm-Verstärkers 18 ist direkt mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 14 gekoppelt. Der nicht invertierende Eingang ist mit einer temperaturinvariablen Referenzspannungsquelle VREF an Anschluß 25 verbunden. Diese Quelle ist von bekanntem Aufbau. Der Ausgang des Differentialverstärkers 14 ist direkt mit dem Gate des DMOST 13 verbunden. Dies vervollständigt eine Gegenkopplungschleife, die das Gate des DMOST 13 auf jenen Pegel zwingt, der VREF am invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 14 erzeugt.
Widerstände 26 und 27 bilden einen Spannungsteiler von VREF nach Masse. Der Widerstand 28 ist zwischen die Spannungsteileranzapfung und den Ausgang des gm-Verstärkers 18 geschaltet. Das bedeutet, daß irgendein Ausgangsstrom vom gm-Verstärker 18 in den Widerstand 28 fließen wird. Der äquivalente Widerstand REQ, gesehen in dem Widerstand 28, wird betragen:
REQ = R26 x R27/R26 + R27 + R28 (2)
worin: die Werte für die bezeichneten Widerstände in Ohm sind.
Die Spannung an der Anzapfung zwischen Widerständen 26 und 27 wird als Schwellenspannung VTH bezeichnet. Diese beträgt:
VTH = R27 VREF/R26 + R27 (3)
Wenn der Spannungsabfall über dem Äquivalentwiderstand REQ gleich VTH ist, wird der Eingang zum Differentialverstärker null sein. Deshalb gilt:
VTH = REQ R17 VOUT IOUT/2VT R24 (4)
Da REQ/2 . R17/R24 eine Konstante K für irgendeine bestimmte Schaltungsausführungsform ist, gilt:
VTH = K VOUT IOUT/VT (5)
Aus Gleichung (5) ist klar, daß die in dem DMOST 13 umgesetzte Leistung durch VTH vorgegeben ist und in Termen einer Konstante K, dividiert durch die thermische Spannung, ausgedrückt, wenn mit der Leistung in Watt multipliziert.
Die Schaltung der Fig. 1 arbeitet so, daß sie die Ergebnisse der Gleichung (5) erzeugt. Das bedeutet, daß der aus dem Anschluß 12 in eine Last fließende Strom durch die last selbst und durch die von der Schaltung erzwungenen Grenzen begrenzt wird. Das heißt, der Strom, der geliefert wird, wird nicht jenen Wert übersteigen, bei dem die vorgegebene Leistungsumsatzgrenze erreicht wird.

Beispiel

Die Schaltung der Fig. 1 wurde aufgebaut unter Anwendung kompatibler CMOS/Lineartechnik. Die linearen teile wurden unter Anwendung des konventionellen planaren, monolithischen, epitaxialen, pn-Sperrschichtisolationssilicumaufbaus hergestellt. Die folgenden Komponentenwerte wurden verwendet:
Der VREF-Generator erzeugte 1,5 Volt, so daß VTH 0,3 Volt betrug. Die DMOST-Leistungsgrenze bei 300º K war 14 Watt. Deshalb würde bei Awendung einer 12-Volt-Versorgung der Schaltung die Lieferung von 1,17 Ampere ermöglicht.
Die Erfindung ist beschrieben worden, ihre Betriebsweise detailliert und arbeitendes Beispiel wurde gegeben. Wenn ein Fachmann die vorstehende Beschreibung liest, sind Alternativen und Äquivalente innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung offensichtlich. Es ist demgemäß beabsichtigt, daß der Schutzumfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt wird.

Claims

1. Eine Schaltung für die Begrenzung des Leistungsumsatzes eines diffundierten Metall-Oxid-Halbleitertransistors (13) auf einen sicheren Wert, umfassend:

Mittel (24) für das Erfassen der Spannung (Vout) über den Source- und Drainanschlüssen des DMOST und für das Bereitstellen einer ersten Spannung, die im wesentlictien proportional der erfaßten Spannung ist,

Mittel (17) mit einem Positiven Temperaturkoeffizienten für das Erfassen des durch den DMOST fließenden Stromes und das Bereitstellen einer zweiten Spannung (Vin) im wesentlichen proportional dem erfaßten Strom,

einen Transkonduktanzverstärker (18) mit einem Differentialeingang, der die zweite Spannung empfängt, und einem gemeinsamen Eingang, der die erste Spannung empfängt, um einen Leistungsumsatzstrom im wesentlichen proportional dem Produkt der ersten und zweiten Spannung bereitzustellen, und

Mittel (14), die auf diesen Leistungsumsatzstrom reagieren, um die Gatespannung des DMOST zu steuern.

2. Die Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Mittel für das Erfassen des Stromes einen Widerstand (17) mit einem Wert umfassen, der klein ist im Vergleich mit dem DMOST-Einschaltwiderstand, der mit dem DMOST in Serie gekoppelt ist.

3. Die Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Mittel für das Erfassen der Spannung einen Widerstand (24) umfassen, der dem DMOST parallel gekoppelt ist.

4. Die Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Widerstand (17) aus einer Metallisierung besteht.

5. Die Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Transkonduktanzverstärker aus Transistoren (19-22) besteht, von denen jeder mehrere Emitter aufweist, die kreuzgekoppelt sind, um einen hohen Abgleichgrad zu erzielen.

6. Die Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Transkonduktanzverstärker (18) einen inversen Temperaturkoeffizienten der Transkonduktanz hat und einen positiven Temperaturkoeffizienten des Spannungserfassungsmittel (17) ausgleicht.