DE69534548T2 - Intergrierter widerstand zum abtasten elektrischer parameter - Google Patents

Intergrierter widerstand zum abtasten elektrischer parameter Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft elektrische Schaltungsanordnungen und insbesondere elektrische Schaltungsanordnungen, die einen Widerstand zum Messen von elektrischen Parametern vorsehen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Batteriegespeiste elektronische Vorrichtungen umfassen häufig eine Elektronik zum Überwachen des Stroms der Batteriezelle. Ein übermäßiger Strom entweder in der Auflade- oder Entladerichtung kann die Zellen beschädigen oder die Sicherheit der Vorrichtung gefährden. Ein Verfahren zum Überwachen des Zellenstroms hat das Schalten eines Abtastwiderstandes zwischen den positiven und den negativen Anschluss der Batteriezellen in Reihe mit einem Last- oder Aufladeelement zur Folge. Ein diskreter Abtastwiderstand mit einem niedrigen Widerstandswert, beispielsweise weniger als 1 Ohm, verursacht nur einen kleinen Spannungsabfall in der gesamten Zellenspannung, so dass der Zellenstrom ohne Beeinflussung der Vorrichtungsoperationen gemessen wird. Ein Abtastwiderstand mit geeigneter Genauigkeit ist leider voluminös und teuer. Ferner weist ein solcher Abtastwiderstand einen hohen Temperaturkoeffizienten auf, so dass typische Betriebstemperaturschwankungen zu unannehmbaren Schwankungen bei den Zellenstrommessungen führen.
  • Um die Nachteile von Messschaltungen zu vermeiden, die einen Abtastwiderstand beinhalten, haben einige Entwickler einen leitenden MOSFET in Reihe zwischen den Batteriezellen verwendet, um als Widerstand sowie als Trennschalter zu dienen. Nachteile entstehen jedoch in einer MOSFET-Implementierung aufgrund der großen Serien-Temperatur- und -Gateansteuervariabilität von MOSFET-Bauelementen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Abtastwiderstand in einen integrierten Schaltungsbaustein als Teil der Leiterrahmenanordnung integriert, wodurch die Größe und der Aufwand der Stromabtastschaltung vorteilhaft verringert werden. Ferner weist ein solcher integrierter Abtastwiderstand eine verbesserte Genauigkeit, eine Fähigkeit, relativ hohe Ströme der integrierten Schaltung (z.B. bis zu 40 A) sicher zu leiten, und eine verbesserte Temperaturstabilität im Vergleich zu Standardwiderständen auf.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst eine integrierte Schaltung, die Messschwankungen kompensiert, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden, die durch den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes entstehen. Die integrierte Schaltung umfasst eine Abtastelektronik mit einer Temperaturkompensationsfähigkeit.
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert, welcher mit Bezug auf FR-A-2210825 gekennzeichnet ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile kennzeichnen, gilt:
  • 1 stellt ein schematisches Diagramm einer Schaltung dar, die einen integrierten Widerstand zum Abtasten von elektrischen Parametern beinhaltet;
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verbindungsstruktur eines Stromabtastwiderstandes;
  • 3 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verbindungsstruktur eines Stromabtastwiderstandes dar;
  • 4 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Stromabtasttransistors dar, der als mehrere leitende Metalldrahtbondstellen ausgebildet ist, von denen jede eine Verbindung zwischen zwei ausgewählten leitenden Kontaktstellen bildet;
  • 5 zeigt eine Leseverstärker-Vergleicherschaltung, die eine Temperaturkompensationsschaltung umfasst; und
  • 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Leseverstärker-Vergleichers, der eine Temperaturkompensationsschaltung vorsieht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • 1 stellt ein schematisches Diagramm einer Schaltung dar, die einen integrierten Widerstand zum Abtasten von elektrischen Parametern beinhaltet. Die erläuternde Schaltung stellt einen Lithiumionen-Batteriepack 100 dar. Der Lithiumionen-Batteriepack 100 umfasst eine integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120, Batteriezellen 102 und 104, die beispielhaft in Reihe geschaltete Zellen sind. Alternativ werden parallele Kombinationen von Reihenzellen für Batteriezellen verwendet. Der Lithiumionen-Batteriepack 100 umfasst auch ein Paar von Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112 – einen Überspannungs-MOSFET 110 und einen Unterspannungs-MOSFET 112, die mit den Batteriezellen 102 und 104 in Reihe geschaltet sind. Die MOSFETs 110 und 112 sind so ausgewählt, dass vordefinierte Spezifikationen erzielt werden. Zwei NDS8410 N-Kanal-D-MOSFETs (9A, 15 MOhm RDS(ON) 20 V, SOIC mit 8 Anschlussstiften) werden beispielsweise in einer Anwendung verwendet, die bis zu 5,5 A eines Zellengleichstroms festlegt. Für bis zu 3,3 A eines Zellengleichstroms sind NDS8936 N-Kanal-D-MOSFETs (5A, 30 MOhm RDS(ON), 20 V, SOIC mit 8 Anschlussstiften) geeignet. Der Lithiumionen-Batteriepack 100 umfasst auch eine Leiterplatte (nicht dargestellt), die kleiner ist als zwei Quadratzentimeter, vier Schutzwiderstände 160, 162, 164 und 166 und einen Überbrückungskondensator 168 mit 0,1 μF.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutzschaltung 120 umfasst einen integrierten Stromabtastwiderstand 122. Ein geeigneter integrierter Stromabtastwiderstand 122 weist einen niedrigen Widerstandswert (1–25 mOhm) auf und ist an einen hohen Strom (1–40A) angepasst. Der Stromabtastwiderstand 122 ist zwischen zwei Anschlussleitungen einer in Kunststoff eingekapselten integrierten Schaltung als Teil eines Leiterrahmens ausgebildet. Bei einem erläuternden Ausführungsbeispiel weist der Stromabtastwiderstand 122 einen Widerstandswert von 5 Milliohm auf. Der Stromabtastwiderstand weist eine Breite von ungefähr 8 mil auf. Ein Kupfer-Stromabtastwiderstand 122 mit einem Widerstandswert von 5 Milliohm weist eine Länge von ungefähr 300 mil auf. Widerstände, die aus Legierungen hergestellt sind, weisen eine kürzere Länge auf. Genauigkeiten von gestanzten Widerständen können so gut wie 15% sein.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 umfasst eine OV-Erfassungsschaltung 130 zum Erfassen einer Überspannungs- und Überstromaufladung der Zellen 102 und 104 und eine UV-Erfassungsschaltung 132 zum Erfassen einer Unterspannungs- und Überstromentladung der Zellen 102 und 104. Eine Abtastschaltung 134 misst elektrische Parameter von den Knoten auf den zwei Seiten des Stromabtastwiderstandes 122.
  • Ein Freigabestift 140 ist ein Stift mit hoher Impedanz, der mit einer Freigabeschaltung 136 verbunden ist. Die Freigabeschaltung 136 steuert die Operation der OV-Erfassungsschaltung 130, der UV-Erfassungsschaltung 132, der Abtastschaltung 134 unter Verwendung von mehreren Freigabeleitungen. Die Freigabeschaltung 136 schaltet die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 aus, wenn der Lithiumionen-Batteriepack 100 nicht in Gebrauch ist, und deaktiviert die MOSFETs 110 und 112, sobald das Freigabesignal am Freigabestift 140 schwebt, wie z.B. wenn der Lithiumionen-Batteriepack 100 von einer geeigneten Quelle oder Aufladeeinrichtung getrennt ist. Das Schweben des Freigabestifts 140 bewirkt auch, dass die Freigabeschaltung 136 die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 in einen Abschaltmodus bringt. Das Kurzschließen des Freigabestifts 140 mit dem positiven Spannungsanschluss 142 gibt auch alle Funktionen der integrierten Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 frei. Ein positiver Spannungsanschluss 142 ist mit dem positiven Anschluss des Lithiumionen-Batteriepacks 100 verbunden. Ein negativer Spannungsanschluss 144 ist mit dem negativen Anschluss des Lithiumionen-Batteriepacks 100 verbunden.
  • Ein VDD-Anschluss 146 sieht einen positiven Anschluss zur integrierten Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 und zur Abtastschaltung 134 vor. Ein VSS-Anschluss 148 sieht einen negativen Anschluss zur integrierten Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 und zur Abtastschaltung 134 vor. Ein Überspannungsstift 150 bestimmt die Gateansteuerung für den Überspannungs-MOSFET 110. Die OV-Erfassungsschaltung 130 bewirkt eine Ansteuerung des Gates des Überspannungs-MOSFET 110, wenn keine Überspannungsbedingung vorliegt. Ein Unterspannungsstift 152 bestimmt die Gateansteuerung für den Unterspannungs-MOSFET 112. Der Unterspannungs-MOSFET 112 empfängt eine Ansteuerung unter der Steuerung der UV-Erfassungsschaltung 132 bei Abwesenheit einer Unterspannungsbedingung. Ein RSENSE-Stift 154 dient als Knoten zum Verbinden mit einem Eingangsanschluss der Abtastschaltung 134 und zum Verbinden mit dem Stromabtastwiderstand 122.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 trennt eine Batteriezelle, die überladen oder unterladen wird, automatisch und erfasst dann automatisch geeignete Batteriepackbedingungen zum erneuten Verbinden der Zellen.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 steuert die Aktivierung und Deaktivierung des Paars von Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112. Das Paar von Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112 schützt die Batteriezellen 102 und 104 vor einer elektrischen Überbeanspruchung. Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 vergleicht jede Zellenspannung mit minimalen und maximalen Grenzen und überwacht den bidirektionalen Stromfluss im Lithiumionen-Batteriepack 100 durch Messen der Spannung am Stromabtastwiderstand 122. Der Stromabtastwiderstand 122 weist einen Widerstandswert von beispielsweise 5 mOhm auf und liefert eine maximale Stromgenauigkeit von ± 10% (d.h. 0,5 A von 5 A). Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 deaktiviert einen des Paars von Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112, sobald die Zellenspannung unter die minimale Grenze fällt oder die maximale Grenze übersteigt. Die integrierte Lithiumionenbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 reagiert nicht auf Überspannungsstörungen mit kurzer Dauer.
  • Wenn einer des Paars von Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112 deaktiviert wird, überwacht die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 das Potential an den beiden Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112, um festzustellen, ob der deaktivierte MOSFET reaktiviert werden soll.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 verwendet auch die am Stromabtastwiderstand 122 abgetastete Spannung und kompensiert die Temperaturschwankung des Widerstandes 122.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 ermöglicht, dass das Aufladen sogar dann beginnt, wenn eine Zelle eine Spannung von nicht höher als 0 V aufweist.
  • Der Freigabestift 140 wird verwendet, um einen versehentlichen Kurzschluss zu verhindern und die Lagerlebensdauer des Lithiumionen-Batteriepacks 100 zu verlängern.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 überwacht kontinuierlich die Batteriespannung und den Batteriestrom in den Batteriezellen 102 und 104 durch Messen der Spannung am Stromabtastwiderstand 122. Bei einer Operation mit "langsamer Abtastung" tastet die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 die Spannung am Stromabtastwiderstand 122 zwischen tSCHLAF-Taktperioden ab. Während einer tSCHLAF-Taktperiode wird die Leistung von einer Präzisionsbezugsquelle (nicht dargestellt) entfernt. Die Operation mit langsamer Abtastung verringert den mittleren Versorgungsstrom der integrierten Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 erheblich. Eine typische mittlere Stromentnahme liegt beispielsweise ungefähr bei 1 μA.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 erfasst eine Überspannungsbedingung der Batteriezellen 102 und 104 durch Vergleichen der gemessenen Batteriespannung mit einer Spannung VMAX, beispielsweise 4,35 V ± 1% (0°C bis +80°C). Wenn die gemessene Batteriespannung von einer der Batteriezellen 102 und 104 VMAX für eine längere Zeitdauer als einen ausgewählten Zeitraum tÜBERSPANNUNG überschreitet, deaktiviert die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 dann den Überspannungs-MOSFET 110. Der Zeitraum tÜBERSPANNUNG wird durch Zählen einer ausgewählten Anzahl von Zyklen tSCHLAF beispielsweise fünf Zyklen tSCHLAF, zeitgesteuert. Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 erfasst verschiedene Bedingungen, um die Reaktivierung des Überspannungs-MOSFET 110 zu steuern. Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 misst weiterhin die Zellenspannung und reaktiviert den Überspannungs-MOSFET 110, wenn die Zellenspannung unter VMAX fällt. Das Anlegen einer Last an den Lithiumionen-Batteriepack 100 oder das Trennen und erneute Verbinden des Batteriepacks 100 reichen typischerweise aus, um die Zellenspannung unter VMAX zu verringern, was zur Reaktivierung des Überspannungs-MOSFET 110 führt.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 erfasst eine Unterspannungsbedingung der Batteriezellen 102 und 104 durch Vergleichen der gemessenen Batteriespannung mit einer Spannung VMIN. Wenn die gemessene Batteriespannung von einer der Batteriezellen 102 und 104 unter VMIN, beispielsweise 1,8 V ± 4% (0°C bis +80°C), für eine längere Zeitdauer als einen ausgewählten Zeitraum tUNTERSPANNUNG fällt, deaktiviert die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 dann den Unterspannungs-MOSFET 112 und tritt in einen Abschaltmodus ein. Der Zeitraum tUNTERSPANNUNG wird durch Zählen einer ausgewählten Anzahl von Zyklen tSCHLAF, beispielsweise fünf Zyklen tSCHLAF, zeitgesteuert. Das Anlegen einer Ladeeinrichtung an den Lithiumionen-Batteriepack 100 oder das Trennen und erneute Verbinden des Batteriepacks 100 fordert die Wiederherstellung aus dem Abschaltmodus an. Im Abschaltmodus beträgt eine typische mittlere Stromentnahme ungefähr 200 nA.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 erfasst eine Überstrombedingung, wenn eine Batterie auflädt, durch Vergleichen einer Stromgrenze IMAX-CHG mit dem aktuellen Strom des Stromabtastwiderstandes 122. Wenn der Strom IMAX_CHG für eine längere Zeitdauer als einen ausgewählten Zeitraum tÜBERSTROM übersteigt, dann deaktiviert die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 den Überspannungs-MOSFET 110 und tritt in den Abschaltmodus ein. Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 erfasst auch eine Überstrombedingung, wenn eine Batterie entlädt, durch Vergleichen einer Stromgrenze IMAX-DIS mit dem Strom des Stromabtastwiderstandes 122. Wenn der Strom IMAX- DIS für eine längere Zeitdauer als einen ausgewählten Zeitraum tÜBERSTROM übersteigt, deaktiviert die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 dann den Unterspannungs-MOSFET 112 und tritt in den Abschaltmodus ein. Das Trennen und erneute Verbinden des Batteriepacks 100 von bzw. mit einer angelegten Ladeeinrichtung oder Last bewirkt die Rückkehr vom Abschaltmodus in den Leitungsmodus.
  • Wenn der Überspannungs-MOSFET 110 deaktiviert wird, überwacht die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 das Potential an beiden Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112, um festzustellen, ob eine Last an den Lithiumionen-Batteriepack 100 angelegt wurde. Wenn ja, wird der Überspannungs-MOSFET 110 reaktiviert.
  • Wenn der Unterspannungs-MOSFET 112 deaktiviert wird, überwacht die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 das Potential an beiden Leistungs-N-Kanal-MOSFETs 110 und 112, um festzustellen, ob eine Ladeeinrichtung an den Lithiumionen-Batteriepack 100 angelegt wurde. wenn ja, wird der Unterspannungs-MOSFET 112 reaktiviert.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel, das in 2 dargestellt ist, wird der Stromabtastwiderstand 122 als Teil des Prozesses zum Ausbilden der Verbindungsstruktur eines Leiterrahmens 200 hergestellt. Folglich wird der Stromabtastwiderstand 122 als strukturierte leitende Kontaktstelle ausgebildet, die ausgewählte leitende Kontaktstellen 202 und 204 elektrisch verbindet, die wiederum mit Anschlussleitungen der integrierten Schaltung verbunden sind. Das Metallblech, das die Verbindungen bildet, wird durch Stanzen ausgebildet und strukturiert. Die strukturierten leitenden Kontaktstellen 202 und 204 werden an Anschlussleitungen der integrierten Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 (in 2 nicht dargestellt) befestigt. Der Stromabtastwiderstand 122 wird aus dem Metallblech strukturiert, um die leitenden Kontaktstellen 202 und 204 miteinander zu verbinden, die mit zwei der Anschlussleitungen der integrierten Schaltung verbunden sind. Um einen geeigneten Widerstandswert zu erzielen, weist ein aus dem Metallblech ausgebildeter Stromabtastwiderstand 122 im Allgemeinen eine große Länge und geringe Breite auf. Ein Verfahren zum Erzielen eines geeigneten Widerstandswerts beinhaltet das Ausbilden des Widerstandes 122 in einer langen und dünnen Serpentinenstruktur.
  • Bei alternativen Ausführungsbeispielen wird die Form und Größe des Stromabtastwiderstandes 122 verändert, um einen ausgewählten Widerstandswert und eine ausgewählte Stromführungskapazität zu erzielen. Ein solches alternatives Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt, in der ein Leiterrahmen 300 mehrere Verbindungssegmente aufweist, die leitende Kontaktstellen 302 und 304 bilden, die unter Verwendung eines Stromabtastwiderstandes 122 verbunden sind. Ebenso wird das Material, aus dem der Widerstand 122 hergestellt ist, verändert, um die Widerstandsbetriebseigenschaften festzulegen.
  • Bei einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel, das in 4 gezeigt ist, ist der Stromabtastwiderstand 122 in Form mehrerer leitender Metalldrahtbondstellen ausgebildet, von denen jede eine Verbindung zwischen zwei ausgewählten leitenden Kontaktstellen 402 und 404 bildet. Der Widerstand umfasst beispielsweise fünf im Wesentlichen parallele Golddrahtbondstellen 400, von denen jede eine Verbindung zwischen zwei ausgewählten leitenden Kontaktstellen 402 und 404 bildet. Um einen Widerstandswert von ungefähr 5 Milliohm zu erzielen, weisen fünf Golddrähte 400 einen Durchmesser von ungefähr 1,5 mil auf und eine Länge von ungefähr 50 mil wird verwendet. Die fünf Drähte 400 können ungefähr sechs Ampere Gleichstrom führen.
  • Die integrierte Lithiumbatterie-Schutz- und -ladungssteuerschaltung 120 schließt die Fähigkeit einer Temperaturkompensation ein, um auf Unterschiede der elektrischen Parameter, die am Stromabtastwiderstand 122 gemessen werden, aufgrund von Temperaturschwankungen, die auf den Widerstand einwirken, der einen speziellen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, einzustellen. Der Widerstandstemperaturkoeffizient ist die Schrittänderung des Widerstandswerts eines Materials, die sich aus einer Änderung der thermodynamischen Temperatur ergibt.
  • Mit Bezug auf 5 stellt eine Leseverstärker-Vergleicherschaltung 502 ein erstes erläuterndes Ausführungsbeispiel 500 einer Temperaturkompensationsschaltung dar, die einen parasitären PNP-auf-N-Potentialmulden-Prozess verwendet. Die Leseverstärker-Vergleicherschaltung 502 umfasst einen Vergleicher 504, zwei PNP-Transistoren 506 und 508 und zwei Stromquellen 510 und 512. Die PNP-Transistoren 506 und 508 sind Pegelumsetzer, die den Spannungspegel des Signals am Stromabtastwiderstand 122 zur Verwendung durch Abtast- und Analyseschaltungen (nicht dargestellt) umsetzen. Der PNP-Transistor 506 weist einen Emitter-Kollektor-Strompfad, der durch die Stromquelle 510 angesteuert wird, auf. Eine Basis des PNP-Transistors 506 ist mit einem Knoten 530 auf der Seite des positiven Pols des Stromabtastwiderstandes 122 verbunden. Der PNP-Transistor 508 weist einen Emitter-Kollektor-Strompfad auf, der durch die Stromquelle 512 angesteuert wird. Eine Basis des PNP-Transistors 508 ist mit einem Knoten 532 auf der Seite des negativen Pols des Stromabtastwiderstandes 122 verbunden. Bei diesem erläuternden Ausführungsbeispiel 500 entspricht der Emitterbereich des PNP-Transistors 506 ungefähr zweimal dem Emitterbereich des PNP-Transistors 508, der vorzugsweise den positiven Anschluss des Vergleichers 504 bezüglich des negativen Anschlusses ansteuert.
  • Die Leseverstärker-Vergleicherschaltung 502, die den Batterieladestrom misst, erreicht eine Temperaturkompensation durch Verbinden eines Plus-Anschlusses des Vergleichers 504 mit einem Emitteranschluss des PNP-Transistors 506 und Verbinden eines Minus-Anschlusses des Vergleichers 504 mit einem Emitteranschluss des PNP-Transistors 508. Auf diese weise werden hinsichtlich der Spannung verschobene Signale, die am Stromabtastwiderstand 122 erfasst werden, an die differentiellen Eingangsanschlüsse des Vergleichers 504 angelegt.
  • Eine Leseverstärker-Vergleicherschaltung zum Messen des Batterieentladestroms ist im Wesentlichen dieselbe wie die Leseverstärker-Vergleicherschaltung 502, außer dass der Minus-Anschluss des Vergleichers 504 mit dem Emitteranschluss des PNP-Transistors 506 verbunden ist und der Plus-Anschluss des Vergleichers 504 mit dem Emitteranschluss des PNP-Transistors 508 verbunden ist. Ferner entspricht in der Leseverstärker-Vergleicherschaltung zum Messen des Entladestroms der Emitterbereich des PNP-Transistors 508 ungefähr zweimal dem Emitterbereich des PNP-Transistors 506, der vorzugsweise den positiven Anschluss des Vergleichers 504 bezüglich des negativen Anschlusses ansteuert.
  • Eine andere Schaltung (nicht dargestellt) erfasst die Richtung des Stromflusses durch den Stromabtastwiderstand 122 und aktiviert die Leseverstärker-Vergleicherschaltung 502 zum Messen des Ladestroms, wenn sich die Batteriezellen 102 und 104 aufladen, und aktiviert ansonsten die Leseverstärker-Vergleicherschaltung (nicht dargestellt) zum Messen des Entladestroms.
  • Im Allgemeinen werden der Unterstrom und der Überstrom unter Verwendung eines Vergleichers und eines Bezugsspannungsgenerators erfasst, um jeweilige IMAX_DIS- und IMAX_CHG-Bezüge zu erzeugen. Das erläuternde Ausführungsbeispiel 500 einer Temperaturkompensationsschaltung kombiniert die Vergleicher- und Bezugsgeneratorelemente unter Verwendung eines Vergleichers mit einem Versatz, der gleich einer Temperaturkompensations-Bezugsspannung ist.
  • Mit Bezug auf 6 ist ein IMAX-Ladestromvergleicher 602 dargestellt, der ein zweites Ausführungsbeispiel einer Temperaturkompensationsschaltung, einen Steilheitsoperationsverstärker (OTA) 600, der einen parasitären NPN-auf-P-Potentialmulden-Prozess verwendet, darstellt. Der Temperaturkoeffizient des Stromabtastwiderstandes 122 wird durch den Temperaturkoeffizienten VOSTC der Verstärkervergleicherschaltung 602 genau kompensiert. Die Einstellung des Betrages von VOS des Vergleichers 602 wird durch Auswahl von Emitterkennlinien von Transistoren im Steilheitsoperationsverstärker 600 erzielt. Der IMAX-Ladestromvergleicher 602 umfasst eine zur absoluten Temperatur proportionale Schaltung (PTAT) mit einem ersten Transistor 604 mit mehreren Emittern und einem zweiten Transistor 612 mit mehreren Emittern. Der erste Transistor 604 mit mehreren Emittern weist einen Kollektoranschluss 608, der mit einer Bezugsspannungsquelle 620 verbunden ist, einen Anschluss 606 mit mehreren Emittern mit n Emitterbereichen, der mit einer zur absoluten Temperatur proportionalen (PTAT) Stromquelle 622 verbunden ist, und eine Basis 610, die mit einem Knoten 630 auf der Seite des positiven Pols des Stromabtastwiderstandes 122 verbunden ist, auf. Beim erläuternden Ausführungsbeispiel ist die Bezugsspannungsquelle 620 eine Spannungsquelle an der Oberseite eines Batteriepacks (z.B. des in 1 gezeigten positiven Spannungsanschlusses 142). Der zweite Transistor 612 mit mehreren Emittern weist einen Kollektoranschluss 616, der mit der Bezugsspannungsquelle 620 verbunden ist, einen Anschluss 614 mit mehreren Emittern mit m Emitterbereichen, der mit der PTAT-Stromquelle 622 verbunden ist, und eine Basis 618, die mit einem Knoten 634 auf der Seite des negativen Pols des Stromabtastwiderstandes 122 verbunden ist, auf. Der erste Pegelumsetzer 624 umfasst P-Kanal-MOS-Transistoren 640 und 642 mit jeweils einem Sourcepol, der mit der Bezugsspannungsquelle 620 verbunden ist, und miteinander verbundenen Gates. Der P-Kanal-MOS-Transistor 642 ist als Diode geschaltet, wobei sein Gate und Drainpol miteinander verbunden und am Knoten 632 mit dem Kollektor des ersten Transistors 604 mit mehreren Emittern verbunden sind. Der Drainpol des P-Kanal-MOS-Transistors 640 ist mit einer Bezugsspannungsquelle 650 über einen als Diode geschalteten n-Kanal-Transistor 644 verbunden. Der zweite Pegelumsetzer 626 umfasst P-Kanal-MOS-Transistoren 646 und 648 mit jeweils einem Sourcepol, der mit der Bezugsspannungsquelle 620 verbunden ist, und miteinander verbundenen Gates. Der P-Kanal-MOS-Transistor 646 ist als Diode geschaltet, wobei sein Gate und Drainpol miteinander verbunden und am Knoten 636 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 612 mit mehreren Emittern verbunden sind. Der Drainpol des P-Kanal-MOS-Transistors 648 ist mit einer Bezugsspannungsquelle 650 über einen N-Kanal-MOS-Transistor 652 verbunden. Der Strom wird an einem Knoten 654 zwischen dem Drainpol des P-Kanal-MOS-Transistors 648 und dem Drainpol des N-Kanal-MOS-Transistors 652 gemessen. Die PTAT-Stromquelle 622 liefert einen sehr niedrigen Strom und die P-Kanal-MOS-Transistoren 640, 642, 646 und 648 sind Transistoren mit breitem Kanal, der erste und der zweite Transistor 604 und 614 mit mehreren Emittern werden außerhalb der Sättigung gehalten. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird der Pegel der an die Basen des ersten und des zweiten Transistors 604 und 614 mit mehreren Emittern angelegten Spannung unter Verwendung von jeweiligen Emitterfolgern (nicht dargestellt) nach unten verschoben.
  • Der IMAX-Ladestromvergleicher 602 wird so gesteuert, dass der Temperaturkoeffizient des Stromabtastwiderstandes 122, TCRES, kompensiert wird. Ein Stromabtastwiderstand 122, der aus Kupfer hergestellt ist, weist beispielsweise typischerweise einen Temperaturkoeffizienten TCRES-CU von ungefähr 3800 ppm/°C auf. Ebenso weist ein Stromabtastwiderstand 122, der aus einer geeigneten Nickellegierung hergestellt ist, einen Temperaturkoeffizienten TCRES-Ni von ungefähr 3300 ppm/°C auf. Der Temperaturkoeffizient der Eingangsversatzspannung VOS der Verstärkervergleicherschaltung 502 ist ungefähr 3333 ppm/°C PTAT. Das Verhältnis n/m wird so ausgewählt, dass ein geeigneter Vergleicherauslösepunkt für den durch den Stromabtastwiderstand 122 fließenden Strom festgelegt wird.
  • Um den Batterieentladestrom zu messen, wird ein IMAX-Entladestromvergleicher (nicht dargestellt) vorgesehen, der zum IMAX-Ladestromvergleicher 602 im Wesentlichen identisch ist, außer dass die Basis 610 des ersten Transistors 604 mit mehreren Emittern mit dem Knoten 634 auf der Seite des negativen Pols des Stromabtastwiderstandes 122 verbunden ist und die Basis 618 des zweiten Transistors 606 mit mehreren Emittern mit dem Knoten 630 auf der Seite des positiven Pols des Stromabtastwiderstandes 122 verbunden ist.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass diese Ausführungsbeispiele erläuternd sind und dass der Schutzbereich der Erfindung nicht auf diese begrenzt ist. Variationen, Modifikationen, Zusätze und Verbesserungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind möglich. Andere Anwendungen des Leiterrahmen-Stromabtastwiderstandes verwenden beispielsweise eine lineare Transformation von Stromsignalen in entweder Spannungspegelsignale oder ADC-Ausgangssignale. Eine Breitband-Strom-Spannungs-Umwandlung ist bei einer Elektromotorsteuerung und -überwachung nÜtzlich. Diese und andere Variationen, Modifikationen, Zusätze und Verbesserungen können in den Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, fallen.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Abtasten von elektrischen Parametern in einem integrierten Schaltungsbaustein mit einem Leiterrahmen (200); einer Verbindungsstruktur, die mit dem Leiterrahmen einteilig ist und eine Vielzahl von strukturierten leitenden Kontaktstellen, die mit einer Vielzahl von Anschlussleitungen zum Koppeln mit einer integrierten Schaltung verbunden sind, aufweist; einem Widerstand (122), der mit ausgewählten leitenden Kontaktstellen (202, 204) gekoppelt ist und eine Widerstandskopplung zwischen zwei der Anschlussleitungen ausbildet; und einer Messschaltung (134), die mit den Verbindungsstruktur-Anschlussleitungen gekoppelt ist, um elektrische Parameter parallel zum Widerstand zu messen; gekennzeichnet durch: eine Temperaturkompensationsschaltung, um Temperaturschwankungen in den abgetasteten elektrischen Parametern zu kompensieren, die parallel zum Widerstand gemessenen werden, wobei die Temperaturkompensationsschaltung einen ersten Transistor (506 oder 604) mit einer Basis, die mit einem Ende des Widerstandes verbunden ist, einen zweiten Transistor (508 oder 612) mit einer Basis, die mit dem anderen Ende des Widerstandes verbunden ist, wobei der erste und der zweite Transistor entweder unterschiedliche Emitterbereiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Emitterbereichen aufweisen, so dass sie mit unterschiedlichen Emitterstromdichten arbeiten, und einen Vergleicher (504 oder 624, 644, 652, 626), der mit den Emittern der Transistoren mit unterschiedlichen Emitterbereichen oder mit den Kollektoren der Transistoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Emitterbereichen verbunden ist, aufweist, um ein Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Verhältnis der Ströme durch die Transistoren zu liefern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Transistoren PNP-Transistoren (506, 508) mit unterschiedlichen Emitterbereichen sind und der Vergleicher (504) einen positiven und einen negativen Eingangsanschluss aufweist, die jeweils mit den Emittern der Transistoren verbunden sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Transistoren NPN-Transistoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Emitterbereichen sind und der Vergleicher einen ersten Pegelumsetzer (624), der mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist, einen zweiten Pegelumsetzer (626), der zwischen den Kollektor des zweiten Transistors und einen Ausgangsknoten (654) geschaltet ist, und einen dritten Pegelumsetzer (644, 652), der zwischen den ersten Pegelumsetzer und den Ausgangsknoten geschaltet ist, aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder Pegelumsetzer zwei MOS-Transistoren, P-Kanal im Fall des ersten und des zweiten Pegelumsetzers und N-Kanal im Fall des dritten Pegelumsetzers, aufweist, wobei jeder der zwei MOS-Transistoren miteinander verbundene Gates aufweist, wobei einer dieser zwei Transistoren als Diode angeschlossen ist, wobei sein Gate und sein Sourcepol miteinander verbunden sind.
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