DE69613956T2 - Programmierbare Schaltung mit Strombegrenzung für Leistungsstellantriebe - Google Patents

Description

Gebiet der Anmeldung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltkreis zum Schutz der Ausgangsstufe beziehungsweise der Auskoppelstufe eines intelligenten beziehungsweise programmierbaren Leistungsstellantriebes vor Überladungen beziehungsweise Überlastungen und Kurzschlüssen. Der Bedarf an einem Schutz dieser Vorrichtungen, die Schalter, Verstärker und Spannungs- oder Stromregler sein können, erscheint offensichtlich, wenn die eingesetzte Leistung hoch wird, weil eine Überladung oder ein versehentlicher Kurzschluß beides, nämlich die Last und die Vorrichtung, irreparabel schädigen könnte.
• Bei vielen Anwendungen und im Besonderen bei Stromreglern ist es oft notwendig, daß die Strombegrenzung von außerhalb des integrierten Schaltkreises programmierbar ist.
Stand der Technik
• Die Ausgangsstufe der Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist mit einem Leistungstransistor versehen und die verwendete Technik zur Begrenzung des Stromes ist diejenige, daß der vorstehend genannte Transistor mit einem negativen Rückkopplungsnetzwerk betrieben wird, das dazu neigt, den Transistor zu sperren, wenn der darin fließende Strom eine bestimmte vordefinierte Schwelle überschreitet. Die einfachste Art den Strom zu erfassen, ist diejenige des Messens des Spannungsabfalls an einem Widerstand - bezeichnet mit "Prüf-" bzw. Meßwiderstand - der in Reihe mit dem Leistungstransistor geschaltet ist.
• Im Falle von Anwendungen mit "geringem Abfall" jedoch, d. h. bei denen der Spannungsabfall an dem Leistungstransistor sehr gering sein muß, hat diese Technik den offensichtlichen Nachteil, daß diese den Spannungsabfall erhöht und als Prüfwiderstand einen Widerstand mit Leistungsaufbau benötigt.
• Bei diesen Fällen ist es möglich, eine Schaltkreislösung, wie die in Fig. 1 gezeigte, zu verwenden, in der ein Strombegrenzungsschaltkreis in einer Endstufe eines Leistungsstellantriebes gezeigt ist. Bei diesem Schaltkreis ist der Begrenzungsschaltkreis proportional zu einem Referenzstrom, der durch einen variablen Widerstand Rext erhalten wird, der normalerweise außerhalb des integrierten Schaltkreises angeordnet ist. Der Aufgangsstrom Iout wird geteilt und nur ein Teil von diesem durch einen Prüfwiderstand RS gemessen, der in Reihe mit einem Prüftransistor PS verbunden ist, mit dem offensichtlichen Vorteil, daß der Ausgangswiderstand nicht geändert wird.
• Der Transistor PS, bezeichnet als "Leistungsprüfung" ("power sense", PS), muß gut mit dem Leistungstransistor PW verbunden sein und ist mit einer Fläche dimensioniert, die n-mal kleiner ist als die gesamte Fläche, die durch die beiden Transistoren belegt ist. Auf diese Weise ist der Strom, der in den Transistor PS fließt, wenn beide Transistoren PW und PS im Sättigungsbereich arbeiten, Is = Iout/n.
• Der Spannungsabfall an den Enden des Widerstandes RS wird mittels eines Komparators 3 mit einer Referenzspannung, die durch den Verlauf eines Stromes IR einer bekannten Größe durch einen Widerstand RR erhalten wird, verglichen. Insbesondere der Komparator 3 ist ein Operationsverstärker, dessen Ausgang mit den Steueranschlüssen der Transistoren PS und PW verbunden ist.
• Der Referenzstrom IR wird innerhalb der Vorrichtung durch den Schaltkreisblock 4 erzeugt, der einen Strom proportional zu dem externen Widerstand Rext erzeugt.
• Bei dieser Schaltkreislösung ist der Ausgangsstrom Iout begrenzt, wenn dieser den Wert IL = K*IR erreicht, wobei der Multipliaktionsfaktor K von der Beziehung der Widerstände RR und RS und von der Flächenbeziehung n der Transistoren PS und PW gemäß der folgenden Formel abhängig ist:
• K = n PR/RS,
• während der Referenzstrom IR, der durch den Schaltkreisblock 4 erzeugt wird, umgekehrt proportional zu dem variablen Widerstand Rext ist, und zwar folgendermaßen:
• IR = VR/Rext.
• Folglich wird im Falle eines Kurzschlusses oder einer Überladung der Begrenzungsstrom IL sein:
• IL = K · VR/Rext.
• Wie leicht an dieser letzten Gleichung gesehen werden kann, ist der Schaltkreisblock so zu implementieren, daß er verhindert, daß der Begrenzungsstrom zu hoch wird, falls, absichtlich oder durch ein Fehler, der Wert des Widerstandes Rext zu sehr abfällt oder null wird.
• Zwei Schaltkreislösungen zum Erzeugen eines Referenzstromes IR, der umgekehrt proportional zu dem Wert eines Widerstandes ist, werden von B. Gilbert in dem Artikel "A Versatile Monolithic Voltage-to-Frequency Converter" (Ein vielseitiger monolithischer Spannungs-Frequenz-Konverter), veröffentlicht in dem IEEE Journal of Solid-State Circuits im Dezember 1976 und von J. F. Kukielka und R. G. Meyer in dem Artikel "A High Frequency Temperature-Stable Monolithic VCO" (Ein temperaturstabiler spannungsgesteuerter Hochfrequenz-Oszillator), veröffentlicht in dem IEEE Journal of Solid-State Circuits im Dezember 1981 vorgestellt.
• Bei den vorstehend genannten Schaltkreisen, die von den Autoren "Spannungs-Strom-Konverter" genannt werden, ist der Referenzstrom nicht begrenzt und wird hoch, wenn der Wert des Widerstandes Rext sinkt.
• Um dieses Problem im Stand der Technik zu vermeiden, ist der Schaltkreisblock 4 gesamt implementiert, beginnend von dem Funktionsprinzip der Schaltkreise, die von Gilbert, Kukielka und Meyer vorgeschlagen wurden, mit dem Zusatz einer anderen Schaltung mit der Funktion der Begrenzung des Referenzstromes.
• Eine praktische Ausführungsform des Schaltkreisblocks 4 gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 2 gezeigt. In der Abbildung der Fig. 2 kann zwischen den folgenden Schaltkreisteile unterschieden werden:
• - einem MOS-Transistor N1,
• - einem Stromgenerator IQ,
• - einem Regelschaltkreis 10, der aus einem Operationsverstärker 8 und einem MOS-Transistor N2 besteht, und
• - einem Strombegrenzungsschaltkreis 11, der aus einem Operationsverstärker 9, einem MOS-Transistor N3, einer Referenzspannung V1 und einem Widerstand R1 besteht.
• Darin können zwei negative Rückkopplungsschleifen unterschieden werden, die eine, die durch den Regelschaltkreis 10 eingeführt ist, und die andere, die durch den Begrenzungsstrom 11 eingeführt ist. Die erste Rückkopplungsschleife hat die Funktion des Regelns der Spannung an dem Schaltkreisknoten A, und zwar auf eine solche Weise, daß der Strom IR proportional zu den Widerstand Rext ist.
• Die zweite Rückkopplungsschleife hat die Funktion des Begrenzens des Stromes IR, wenn der Wert des Widerstandes Rext unter einen bestimmten Wert fällt. Insbesondere der Strom IR überschreitet nie den maximalen Wert, der durch folgende Formal gegeben ist.
• IRMAX = V&sub1;/R&sub1;
• Das vorliegende Ergebnis angewendet auf die Gleichung des Begrenzungsstromes IL gibt den maximalen Wert, den der Begrenzungsstrom annehmen kann:
• ILMAX = k · IRMAX.
• Die vorstehend genannte Lösung präsentiert jedoch im Prinzip die Eigenschaft, daß diese zwei negative Rückkopplungsschleifen hat, und diese Eigenschaft bringt eine beträchtliche Schaltkreiskomplexität mit sich und fast immer die Notwendigkeit, Kompensationskapazitäten in die Rückkopplungsschleifen einsetzen zu müssen, mit dem offensichtlichen Nachteil der Verschwendung von Oberfläche auf dem integrierten Schaltkreis.
• Die Schaltkreise, die unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurden, sind vereinfachte Schemata entsprechend den Strombegrenzungsschaltkreisen, die beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben sind:
• - Gary Fay, mit dem Titel "Current-mirror FETs cut coasts and sensing losses" (Stromspiegel-FETs senken Kosten und Empfindlichkeitsverluste) EDN Sept. 4, 1986.
• - DE-A-38 21 065 mit dem Titel "MOS Feldeffekttransistor- Einrichtung", Mihara et al. 5-1-89
• - US-A-5,184, 272 mit dem Titel "High-Side Switch With Overcurrent Protecting Circuit" (Hochspannungsschalter mit Überstromschutz-Schaltkreis), Koichi Suda et al. Feb. 2, 1993.
• - EP-A-0556663 mit dem Titel "Below ground current sensing with current input to control threshold" (Messung unterhalb des Grundstroms mit Stromeingang zum Regeln des Schwellenwertes), Balakrishnan Balu et al. 25-08-93.
• - EP-A-0647026 mit dem Tital "Over current protection device for transistor" (Überstromschutzvorrichtung für Transistoren) Fujihara et al. 05-04-95.
• Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende technische Problem ist, einen Referenzstrom für einen Schaltkreis zu erzeugen, der den maximalen von einem Leistungstransistor gelieferten Strom begrenzt und umgekehrt proportional zu dem Wert eines Widerstandes ist und zu der gleichen Zeit selbstbegrenzt ist, während dieser eine einzelne Rückkopplungsschleife verwendet.
• Dieses technische Problem wird durch einen Schaltkreis zur Begrenzung eines maximalen Stromes, der von einem Leistungstransistor geliefert wird, gelöst, eines Typs, der in dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 6 gezeigt und definiert ist.
• Das technische Problem wird ebenfalls durch einen Leistungsstellantrieb gelöst, der an seinem Ausgang vor Überladungen und Kurzschlüssen geschützt ist, wobei dieser Leistungsstellantrieb in dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 7 bis 9 gezeigt und definiert ist.
• Die Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der ausführlichen Beschreibung einer Ausführungsform davon fortgesetzt, die nachfolgend anhand nicht begrenzender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben ist.
Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt ein Schaltkreisdiagramm einer Endstufe eines Leistungsstellantriebes, der einen Strombegrenzungsschaltkreis enthält.
• Fig. 2 zeigt ein Schaltkreisdiagramm eines Generatorschaltkreises für einen Referenzstrom, der gemäß dem Stand der Technik zur Verfügung gestellt ist.
• Fig. 3 zeigt ein Schaltkreisdiagramm eines Generatorschaltkreises, der einen Referenzstrom erzeugt und erfindungsgemäß vorgesehen ist.
Ausführliche Beschreibung
• Fig. 3 zeigt einen Generatorschaltkreis zur Erzeugung eines Referenzstromes, der gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist.
• Dieser Schaltkreis wird in einer Endstufe eines "Hochspannungs"-Leistungsstellantriebes, wie beispielsweise der in Fig. 1 gezeigte und vorstehend beschriebene, verwendet. In diesem wird ein Leistungstransistor PW zur Leistungsversorgung einer Last mit einer positiven Spannung verwendet. Vergleichbar könnte dieser in anderen Typen von Leistungsstellantrieben verwendet werden, bei denen es notwendig ist, einen programmierbaren und selbstbegrenzten Referenzstrom zu erzeugen.
• Der Schaltkreis aus Fig. 3, insgesamt mit dem Referenzzeichen 4 bezeichnet, implementiert erfindungsgemäß den Generatorschaltkreis zur Erzeugung des Referenzstromes 4, der in der Endstufe aus Fig. 1 verwendet wird.
• In dem Schaltkreis kann zwischen den folgenden Schaltkreisteilen unterschieden werden:
• - einem Stromgeneratorschaltkreis 5, der aus einem Operationsverstärker 7 und einem n-Kanal MOS-Transistor besteht,
• - einem Begrenzungsschaltkreis 6 mit Stromspiegel, der mittels zweier n-Kanal MOS-Transistoren N2 und N3 bereitgestellt ist, und
• - einem Generator 12 des Stromes Ip.
• Der Stromgenerator 12 darf nicht als ideal angesehen werden, sondern als ein realer Stromgenertor und daher sättigend und daß dessen Strom gegen Null geht, wenn der Generator sich der Sättigung nähert.
• Der Operationsverstärker 7 hat einen Eingangsanschluß des nicht-invertierenden Typs, an den eine Referenzspannung VR angelegt ist, und einen invertierenden Eingangsanschluß, der mit einem Schaltkreisknoten C verbunden ist. Mit den Knoten C ist auch ein Ende eines Widerstandes Rext außerhalb des Schaltkreises verbunden und wird verwendet, um den Wert des Stromes IR vorzugeben.
• Die Spannung VR ist eine Referenzspannung, die innerhalb der Vorrichtung mittels eines Konstantspannungsgenerators eines bekannten Typs erzeugt wird.
• Mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 7 ist der Steueranschluß des Transistors N1 verbunden. Dieser Transistor N1 hat einen Leitungspfad, der zwischen dem Knoten C und einem zweiten Schaltkreisknoten B verbunden ist, gemeinsam mit dem Begrenzungsstrom 6.
• Der Begrenzungstrom 6 mit Stromspiegel umfaßt einen Hauptzweig und einen Nebenzweig. Der Hauptzweig besteht aus den Transistor N2, in dem ein Strom Ip fließt, der durch den Stromgenerator 12 erzeugt wird, während der Nebenzweig aus dem Transistor N3 besteht, dessen Leitungspfad zwischen dem gemeinsamen Knoten B und einem dritten Schaltkreisknoten D verbunden ist, Zwischen den Knoten C und D fließt der Strom IR, der durch den Schaltkreis erzeugt wird.
• Der Referenzstrom IR kann durch Anwenden der Kirchhoff'schen Regel auf den Knoten B mittels der folgenden Gleichung berechnet werden.
• IR + 1/m · IR - VR/Rext = 0,
• von dieser:
• wobei m der Multiplikationsfaktor des Stromspiegels 6 ist.
• Diese Formel für den Strom IR ist für Werte von Rext anwendbar, die größer als ein bestimmter Schwellenwert sind, der gleich ist mit:
• unterhalb dessen der Stromgenerator IP aus der Sättigung kommt und IR dem maximalen Wert annimmt, der gegeben ist durch die folgende Gleichung:
• IRMAX = m · IP
• Daher ist der Referenzstrom IR, der erfindungsgemäß durch den Schaltkreis erzeugt wird, proportional zu dem Wert des Widerstandes Rext aber selbstbegrenzt auf den Wert IRMAX.
• Der Stromgenerator aus Fig. 3 wurde in einem Leistungsstellantrieb, wie derjenige aus Fig. 1, verwendet, um einen Referenzstrom zu erzeugen, der verwendet wird, um einen Begrenzungsstrom zu programmieren.
• Insbesondere wurden die folgenden Werte für die Referenztransistoren, Widerstände und Generatoren verwendet.
• Leistungstransistor PW: 4500 Zellen
• Prüftransistor PS: 45 Zellen
• Transistor N2: W = 100 um,
• Transistor N3: W = 400 um,
• Widerstand RR: 500 Ohm,
• Widerstand RS: 10 Ohm,
• Referenzspannung VR: 1,25 Volt,
• Stromgenerator IP: 40 Mikroampere.
• Mit diesen Daten wurden die folgenden Werte für die Parameter n, k und m erreicht:
• n = 100,
• k = 5000,
• m = 4,
• und die folgenden Werte für den Begrenzungsstrom IL:
• IL = 5000/Rext für Rext > 5 KΩ
• und für den maximalen Begrenzungsstrom:
• ILMAX = 1A für REXT < 5 K&Omega;.
• Ein erster Vorteil des Generatorschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Vorliegen einer einzelnen Rückkopplungsschleife, die es erlaubt, daß das Vorliegen zumindest eines Kompensationskontensators eingespart wird.
• Zusätzlich ist die Schaltkreisstruktur einfacher, was dazu führt, daß Fläche und Stromabsorption eingespart werden.

Claims (9)

1. Schaltung zum Begrenzen des maximalen Stroms, der von einem Leistungstransistor (PW) mit zumindest einem Steueranschluß (G) und zwei einen Hauptleitungspfad (D-S) bestimmenden Hauptleitungsanschlüssen (D, S) geliefert wird, mit:

- einem Netzwerk zum Erfassen des vom Leistungstransistor gelieferten Stroms, das mit dem Hauptleitungspfad (D- S) des Leistungstransistors (PW) verbunden ist, um ein erstes zu diesem Strom proportionales elektrisches Signal zu erzeugen,

- einem Referenznetzwerk zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Referenzsignals, das zwischen einem ersten Energieversorgungspol (Vcc) und einem zweiten Energieversorgungspol (GND) eingesetzt ist und die Reihe von zumindest einem Widerstand (RR) und einen Referenzstromgenerator (4) umfaßt, der einen selbstbegrenzten und zu einem dritten elektrischen Referenzsignal (Vr) proportionalen Referenzstrom erzeugt, und

- einem Vergleichsnetzwerk (3) zum Vergleichen des ersten und zweiten Signals und zum Ansteuern des Steueranschlusses (G) des Leistungstransistors (PW) mittels eines von dem ersten und zweiten Signal abhängigen Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet,

daß der Generator eines Referenzstromes (IR) die Reihe von einer Stromgeneratorschaltung (5) aufweist, die einen zu dem dritten elektrischen Referenzsignal (Vr) proportionalen Strom erzeugt, und eine Stromspiegelschaltung (6) aufweist, die zum Begrenzen des von der Stromgeneratorschaltung (5) gelieferten maximalen Stroms vorgesehen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratorschaltung (5) einen ersten und einen zweiten Leitungsanschluß sowie einen Referenzeingangsanschluß zum Empfangen des dritten Referenzsignals (Vr) hat, und aufweist:

- einen Operationsverstärker (7) mit einem ersten Eingangsanschluß, der mit dem Referenzeingang verbunden ist, mit einem zweiten Eingangsanschluß, der mit dem zweiten Leitungsanschluß verbunden ist, und mit einem Ausgangsanschluß, und

- einen ersten Transistor (N1) mit einem Steueranschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (7) verbunden ist, und zwei Hauptleitungsanschlüssen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Leitungsanschluß verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangsanschluß des Operationsverstärkers (7) ein nicht-invertierender Eingangstyp ist und der zweite Eingangsanschluß des Operationsverstärkers (7) ein invertierender Eingangstyp ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (N1) ein n-Kanal MOS-Transistor ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung (6) einen Hauptzweig aufweist, der aus einem zweiten Transistor (N2) besteht, in dem ein von einem Stromgenerator (12) erzeugter Strom (Ip) fließt, und einen Nebenzweig aufweist, der aus einem dritten Transistor (N3) besteht, in dem der Referenzstrom (IR) fließt.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (N2) und der dritte Transistor (N3) n-Kanal MOS-Transistoren sind.

7. Programmierbarer Leistungsstellantrieb mit:

- zumindest einem Leistungstransistor (PW), der mindestens einen Steueranschluß (G) und zwei Hauptleitungsanschlüsse (D,S) hat, die einen Hauptleitungspfad (D-S) bestimmen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er weiterhin aufweist:

- eine Schaltung zum Begrenzen des maximalen Stroms gemäß Anspruch 1.

8. Leistungsstellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratorschaltung (5) einen ersten und einen zweiten Leitungsanschluß und einen Referenzeingangsanschluß zum Empfangen des dritten elektrischen Referenzsignals (Vr) hat, und aufweist:

- einen Operationsverstärker (7) mit einem ersten Eingangsanschluß, der mit dem ersten Referenzeingang verbunden ist, und mit einem zweiten Eingangsanschluß, der mit dem zweiten Leitungsanschluß verbunden ist, und mit einem Ausgangsanschluß, und

- einen ersten Transistor (N1) mit einem Steueranschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (7) verbunden ist, und zwei Hauptleitungsanschlüssen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Leitungsanschluß verbunden sind.

9. Leistungsstellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung (6) einen Hauptpfad aufweist, der aus einem zweiten Transistor (N2) besteht, in dem ein von einem Stromgenerator (12) erzeugter Strom (Ip) fließt, und einen Nebenzweig aufweist, der aus einem dritten Transistor (N3) besteht, in dem der Referenzstrom (IR) fließt.