DE69101386T2

DE69101386T2 - Strommess-Schaltung in einem MOS-Leistungstransistor.

Info

Publication number: DE69101386T2
Application number: DE69101386T
Authority: DE
Inventors: Carlo Cini; Domenico Rossi; Marc Simon
Original assignee: Siemens Automotive SA; SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: Continental Automotive France SAS; STMicroelectronics SRL
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1991-01-07
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2011-01-08
Also published as: EP0438363A1; ES2051575T3; DE69101386D1; FR2656932B1; JP2961900B2; EP0438363B1; KR100193212B1; JPH05223887A; FR2656932A1; US5287055A; KR910014712A

Description

Diese Erfindung betrifft die Messung des Stroms in einem Leistungstransistor und insbesondere in einem MOS-Leistungstransistor, der aus mehreren parallel zueinander angeordneten Elementarzellen besteht.
Fig. 1 zeigt eine der klassischen Anordnungen zum Messen des Stroms in einem Leistungstransistor MO. Bei dieser Anordnung ist ein Meßwiderstand Rs zwischen der Klemme des Leistungstransistors, die mit der Referenzspannung (der Quelle) verbunden ist, und dieser Referenzspannung angeordnet. Die andere Klemme des Leistungstransistors ist über eine Last RL , in der ein Strom IL fließt, der in diesem Fall identisch mit dem Strom im Leistungstransistor ist, an eine Hochspannung angeschlossen. Die Messung der Spannung Vs an den Klemmen des Widerstandes Rs ergibt eine Anzeige des Stromwerts.
Diese Anordnung hat mehrere Nachteile.
Der erste Nachteil besteht darin, daß der Widerstand Rs mit dem MOS-Leistungstransistor ständig in Serie geschaltet ist und eine Erhöhung der in Wärme umgesetzten Leistung mit sich bringt, die nicht einfach zu vernachlässigen ist, da der Widerstand Rs einen ausreichenden Wert haben muß, damit die Spannung an seinen Klemmen meßbar ist.
Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Widerstand Rs mit der Temperatur oder von einer Fertigungsreihe zur anderen in einer Weise variieren kann, die sich von den möglichen Varianten der Merkmale des MOS- Leistungstransistors unterscheidet. Daraus ergibt sich eine ungenaue Bestimmung seines Werts und damit des zu messenden Stroms.
Um den ersten obengenannten Nachteil zu beseitigen, hat man nach dem bisherigen Stand der Technik auf Anordnungen wie die von Fig. 2 zurückgegriffen. In dieser Figur ist wieder der MOS-Leistungstransistor MO zu sehen. Die obere Klemme (Drain) des Transistors MO ist über die Last RL, deren Stromversorgung gesteuert werden soll, mit einer positiven Zufuhrklemme verbunden. Die Serienschaltung eines Transistors M1 mit einem Widerstand Rs ist parallel zu dem Leistungstransistor MO geschaltet, wobei die Steuerelektroden der Transistoren MO und M1 mit dem Potential VGS verbunden sind. Damit ist der erste Nachteil eindeutig beseitigt, der zweite Nachteil jedoch, nämlich die möglicherweise auftretenden Schwankungen des Widerstandes Rs unabhängig von den Schwankungen der anderen Elemente der Schaltung, verbleibt.
Daher sieht diese Erfindung ein Verfahren zum Messen des Stroms in einem Leistungstransistor vor, bei dem von den möglicherweise auftretenden Abweichungen zwischen den Widerstands- und den MOS-Transistor-Merkmalen, die sich durch die Temperatur oder im Herstellungsprozeß ergeben, abgesehen werden kann.
Um diesen sowie weitere Zwecke zu erreichen, sieht diese Erfindung eine Schaltung zum Messen des in einem MOS-Leistungstransistor fließenden Stroms, die einen zweiten und einen dritten MOS-Transistor gleichen Typs und gleicher Technologie, jedoch mit einer gegenüber dem Leistungstransistor kleineren Oberfläche, umfaßt, wobei der genannte zweite und dritte MOS-Transistor mit ihren Kanälen in Serie geschaltet sind und die genannte Serienschaltung parallel zum Kanal des Leistungstransistors angeordnet ist, wobei die Steuerelektroden dieser beiden in Serie geschalteten Transistoren mit der Steuerelektrode des Leistungstransistors verbunden sind, sowie eine Einrichtung zum Messen des Stroms, der in dem dritten Transistor fließt, welcher mit der Elektrode des Leistungstransistors verbunden ist, die mit der Referenzspannung verbunden ist, vor.
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt die Strommeßeinrichtung einen vierten MOS-Transistor, der als Stromspiegel zum dritten geschaltet ist.
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung ist die Drainelektrode des dritten MOS-Transistors mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, dessen invertierender Eingang an die Drainelektrode des vierten MOS-Transistors angeschlossen ist, dessen Steuerelektrode mit der Steuerelektrode des dritten MOS-Transistors verbunden ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Steuerelektrode eines fünften Transistors verbunden ist, dessen Kanal in Serie mit dem Kanal des vierten MOS-Transistors an die Anschlüsse einer Versorgungsquelle angeschlossen ist, wobei die Source des vierten MOS- Transistors mit dem Referenzpotential verbunden ist.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher dargelegt wobei
- die Figuren 1 und 2, die oben beschrieben wurden, den Stand der Technik darstellen sollen, und
- Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung schematisch darstellt.
In diesen verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder analoge Elemente.
In der Anordnung von Fig. 3 sind zwei Transistoren M1 und M2 in Serie miteinander und parallel zu dein Transistor MO angeordnet. Die Steuerelektroden der Transistoren MO, M1 und M2 sind untereinander verbunden. Die Drainelektroden der Transistoren MO und M1 sind miteinander verbunden, ebenso wie die Source-Elektroden der Transistoren MO und M2, die sich auf dem Referenzpotential befinden, der Masse beispielsweise.
Die Transistoren M1 und M2 sind vom gleichen Typ wie der Leistungstransistor MO. Wenn der Transistor MO ein DMOS- Leistungstransistor mit mehreren Zellen ist, dann bestehen die Transistoren M1 und M2 aus einer kleinen Anzahl von Zellen, die identisch mit den Zellen des Transistors MO sind. In einem praktischen Beispiel kann der Transistor MO aus 3600 Zellen bestehen, der Transistor M1 aus 7 Zellen und der Transistor M2 aus 14 Zellen.
Vorausgesetzt, daß die Spannung VGS ausreichend hoch ist, damit jeder der Transistoren in seinem linearen Bereich funktioniert, hätten alle diese Transistoren im Durchlaßzustand Widerstände, die streng proportional zur Anzahl der sie bildenden Zellen wären, wenn ihre Steuerelektrode/Sourceelektrode-Spannungen identisch wären. In Wirklichkeit ist zu bemerken, daß die Steuerelektrode/Sourceelektrode- Spannung des Transistors M1 etwas niedriger ist als die Steuerelektrode/Sourceelektrode-Spannung der anderen Transistoren, da die Sourceelektrode des Transistors M1 sich auf einem höheren Potential befindet als die der anderen Transistoren. Anstatt direkt mit dem Referenzpotential (der Masse) verbunden zu sein, ist nämlich die Sourceelektrode des Transistors M1 über den Transistor M2 mit diesem Potential verbunden. Daher ist die Steuerelektrode/Sourceelektrode- Spannung des Transistors M1 tatsächlich VGS (MO) abzüglich des Spannungsabfalls Drain/Source an den Klemmen des Transistors M2. Dieser Spannungsabfall hat in der Praxis jedoch nur eine Größenordnung von einigen hundert Millivolt, während die Spannung VGS in einer Größenordnung von 10 Volt gewählt wird. Die Proportionalität zwischen den Größen der inneren Widerstände bei Durchlaßzustand der MOS-Transistoren und der Anzahl der Zellen, aus denen diese bestehen, kann daher in erster Näherung als gegeben betrachtet werden. Simulationsversuche, die von den Anmeldern durchgeführt wurden, haben jedenfalls gezeigt, daß dieses Ergebnis mit weniger Abweichung als 5 % erzielt wurde und unbeschadet aller Temperaturschwankungen und technologischen Modifikationen in diesem Bereich blieb, da die drei Transistoren MO, M1 und M2 auf gleiche Weise mit den Temperaturschwankungen und mit den technologischen Abänderungen variieren.
Die bisher beschriebene Anordnung kann verwendet werden, um zu erkennen, ob die Spannung Vs einen bestiinmten Schwellenwert überschreitet, der beispielsweise einem Kurzschluß in der Last entspricht. Es wird dann mit Hilfe eines Komparators einfach diese Spannung Vs mit einer Referenzspannung verglichen.
Diese Anordnung kann auch verwendet werden, um eine Strommessung durchzuführen. Dazu wird vorzugsweise eine zusätzliche Schaltung verwendet, wie sie im rechten Teil von Fig. 3 zu sehen ist, bestehend aus einem Operationsverstärker OA und den zusätzlichen MOS-Transistoren M3 und M4.
Der Verstärker OA empfängt an seinem nicht invertierenden Eingang die zu messende Spannung, d. h die Drainspannung des Transistors M2. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OA ist über einen zusätzlichen MOS-Transistor M3 des gleichen Typs wie die Transistoren MO, M1 und M2 mit der Referenzspannung verbunden. Der Ausgang des Verstärkers OA ist mit der Steuerelektrode eines MOS-Transistors M4 verbunden, dessen Drainelektrode an eine Versorgungsspannung VOC angeschlossen ist und dessen Sourceelektrode mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers OA verbunden ist.
Bei dieser Anordnung hat die Spannung an dem invertierenden Eingang die Tendenz, sich an die Spannung an dem nicht invertierenden Eingang anzugleichen, und damit ist der Strom im Transistor M3 (der auch der Strom in dem Transistor M4 ist) gleich dem Strom, der durch den Transistor M2 fließt wenn diese beiden Transistoren identisch sind. Diese Ströme verhalten sich proportional zu der Anzahl der Zellenr aus denen diese Transistoren bestehen, wenn diese sich voneinander unterscheiden. Der Meßstrom IM, der durch die Transistoren M4 und M3 fließt, ist:
IM/IO = (RO/R3) (R2/Rl+R2)
wobei RO bis R3 die Widerstände bei Durchlaßzustand der Transistoren MO bis M3 bezeichnen.
Auf diese Weise hängt das Verhältnis zwischen dem Meßstrom und dem Strom im Leistungstransistor, das bestimmt werden soll, nur von dem Verhältnis der Widerstände bei Durchlaßzustand der aus identischen Zellen bestehenden Transistoren ab. Dieses Verhältnis ist also konstant und im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Anzahl der Zellen, aus denen jeder Transistor besteht.
Selbstverständlich kann diese Erfindung verschiedene Varianten und Modifikationen erfahren, die sich dem Fachmann anbieten. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Schaltung mit weiteren, klassischen Schaltungen kombiniert werden, beispielsweise mit Schaltungen, um die Spannungsverschiebung (Offset-Spannung) des Operationsverstärkers OA auf Null zu bringen.

Claims

1. Schaltung zum Messen des in einem MOS-Leistungstransistor (MO) fließenden Stromes, gekennzeichnet durch:

einen zweiten und einen dritten MOS-Transistor (M1, M2) gleichen Types und gleicher Technologie, jedoch mit einer gegenüber dem Leistungstransistor (MO) kleineren Oberflache, wobei der zweite und dritte MOS-Transistor (M1, M2) mit ihren Kanälen in Serie geschaltet sind und diese Serienschaltung parallel zum Kanal des Leistungstransistors (MO) gelegen ist, und die Steuerelektroden dieser beiden in Serien geschalteten Transistoren mit der Steuerelektrode des Leistungstransistors verbunden sind, und

eine Einrichtung zum Messen des in dem dritten Transistor (M2) fließenden Stromes, die mit der Elektrode des Leistungstransistors (MO) verbunden ist, der mit der Referenzspannung verbunden ist.

2. Stroinmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des Stromes einen vierten MOS-Transistor (M3) aufweist, der als Stromspiegel in bezug zu dem dritten MOS-Transistor (M2) ausgebildet ist.

3. Stroimneßschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainelektrode des dritten MOS-Transistors (M2) mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (OA) verbunden ist, dessen invertierender Eingang an die Drainelektrode des vierten MOS-Transistors (M3) angeschlossen ist, dessen Steuerelektrode mit der Steuerelektrode des dritten MOS- Transistors (M2) verbunden ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Steuerelektrode eines fünften Transistors (M4) verbunden ist, dessen Kanal in Serie mit dem Kanal des vierten MOS-Transistors (M3) verbunden und an die Anschlüsse einer Versorgungsquelle angeschlossen ist und die Sourceelektrode des vierten MOS- Transistors (M3) an das Referenzpotential angeschlossen ist.