DE9312003U1 - Integrierte Leistungsstufe - Google Patents

Description

93G1502DE

Siemens Aktiengesellschaft

Integrierte Leistungsstufe
5

Die Erfindung betrifft eine integrierte Leistungsstufe mit einem ersten Transistoren, dessen Emitter mit einer Bezugspotentialklemme und dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme verbunden ist, mit einem zweiten Transistor, dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors und dessen Basis über eine Stromquelle mit einer Versorgungsspannungsklemme verbunden ist.

Die Verlustleistung einer integrierten Leistungsstufe muß einerseits unterhalb einer bestimmten Sicherheitsgrenze bleiben, um die Leistungstransistoren nicht zu zerstören, andererseits benötigen gewisse Verbraucher beim Einschalten für eine bestimmte Zeit eine erhöhte Anlaufleistung.

0 Dies gilt z.B. für eine Lampenansteuerung. Der Lampenwiderstand im Kaltzustand ist sehr niedrig. Es muß beim Einschalten erst ein erhöhter Strom fließen, d.h. eine große Leistung aufgebracht werden, damit sich die Lampe aufheizt, der Lampenwiderstand dann größer wird und der Betriebsstrom wieder sinkt. Beim Anlaufen eines Motors gilt ähnliches. Es wird beim Einschalten zunächst hoher Strom bzw. hohe Leistung benötigt bis die Nenndrehzahl erreicht wird, dann sinkt der Strom auf den Dauerbetriebsstrom.

Ein weiteres vergleichbares Problem ist die Aufladung einer Kapazität, z.B. der Eingangskapazität eines Leistungs-MOS-Transistors. Die Ansteuerschaltung soll also für eine ge-

G 1 5 O 2 DE

wisse kurze Zeit einen Überstrom bzw. eine stark erhöhte Leistung zulassen, die dann auf die im Dauerbetrieb zugelassene Leistung abgeregelt wird.

Diese Abregelung soll in einer integrierten Schaltung möglichst ohne Chipflächenbedarf realisiert werden und dabei für die entsprechende Aufgabe trotz absoluter Störungssicherheit einfach und sicher dimensionierbar sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine integrierte Leistungsstufe vorzugeben, die die obengenannten Bedingungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Schutzanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine erfindungsgemäße Schalutngsanordnung,

Figur 2 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltung.

In Figur 1 ist mit 7 eine Versorgungsspannungsklemme und mit 10 eine Bezugspotentialklemme bezeichnet. Die Versorgungsspannungsklemme 7 ist über eine Stromquelle 6 mit der Basis eines Transistors 1 verbunden. Der Emitter des Transistors 1 ist mit der Basis eines Transistors 3 und der Basis eines Transistors 2 verschaltet. Der Emitter des Transistors 3 ist über einen Widerstand 9 mit der Bezugspotentialklemme 10 verbunden. Der Emitter des Transistors 2 ist mit der Bezugspotentialklemme 10 verschaltet. Der Kollektor des Tran-

15 02 DE

sistors 2 ist mit einer Ausgangsklemme 8 verbunden. Die Versorgungsspannungsklemme 7 ist jeweils mit den Emittern eines Transistors 4 und 5 verbunden. Der Kollektor des Transistors 5 ist mit dem Kollektor des Transistors 1 verschaltet. Die beiden Basisanschlüsse der Transistoren 4 und 5 sind miteinander und mit dem Kollektor des Transistors 4 verschaltet. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit dem Kollektor des Transistors 3 verbunden.

Anstelle eines sonst üblichen Kollektorvorwiderstandes des Transistors 1 wird erfindungsgemäß eine Konstantstromquelle eingeschaltet, die von der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 2 gesteuert wird. Der Abtasttransistor 3 liefert größeren Strom und die gesteuerte Konstantstromquelle ebenso, wenn der Transistor 2 wegen eines niedrigen Lastwiderstandes einen hohen Kollektorstrom liefern muß und die Basis-Emitterspannung dieses Transistors entsprechend gestiegen ist. Insbesondere erfolgt dies gegenüber dem Falle eines großen Lastwiderstandes, also eines geringen Kollektorstromes. Es wird der Bereitschaftsstrom des Transistors 1 jeweils dem Ausgangsstrom des Transistors 2 angepaßt. Da der Rückführung- und Bereitschaftsstrom dem jeweils fließenden Ausgangsstrom proportional ist, wird nur dann und nur so viel Strom der Versorgung entnommen, als gerade benötigt wird, es wird eine minimale Stromaufnahme erreicht. Der Nachsteuerstrom wird über die Nachsteuerschleife 3, 4, 5 jeweils proportional dem aktuell fließenden Laststrom geregelt, dabei ist die Höhe der Stromverstärung dann von nachgeordneter Bedeutung.

Bei niedrigen Strömen bis etwa 2 5 mA ist die Obersteuerung nahezu konstant etwa Faktor 2 bis 3. Die Sättigungsspannung

1 5 02 DE

ist in diesem Bereich praktisch durch den Spannngsabfall am Kollektorbahnwiderstand gegeben. Der Übersteuerungsfaktor ist in einen weiten Bereich stromunabhängig, was zwei Wirkungen zur Folge hat:

Der benötigte Ansteuerstrom kann sehr klein sein, weil keine Reserven für hohe Lastströme, die irgendwann einmal benötigt werden, erforderlich sind. Die Übersteuerung ist weitgehend unabhängig von der Stromverstärkung, also kein Vorhalt für Operationsverstärkerexemplare mit kleiner Stromverstärkung erforderlich.

Irgendwann mit steigendem Laststrom und der entsprechend gestiegenen Sättigungs-Restspannung ergibt sich über die dabei entwickelte Verlustleistung eine Chiperwärmung und zwar vor allem an der Stelle, wo diese Verlustleistung entsteht, also im Ausgangstransistor 2. Dieser wird wärmer als der Abtasttransistor 3. Aus diesem Effekt ergibt sich die sogenannte "Fold-back"-Funktion.

0 Figur 2 zeigt eine integrierte Schaltung mit der erfindungsgemäßen Leistungsstufe. Dabei sind lediglich schematisch die Transistoren 2 und 3 dargestellt. Die WiderstandsSymbole in dieser Figur stellen Wärmewiderstände dar. Der Temperaturteiler-Faktor zwischen Ausgangstransistor 2, Abtasttransistor 3 und Spinnenmaterial (Rth2' ^Rth3> ^Rth4^ i^{st au}ch bei Temperaturabhängigkeit der Wärmewiderstände R^_n im Silizium wegen des Auftretens der gleichen Abhängigkeit in Zähler und Nenner nahezu konstant. Da der Wärmewiderstand unter dem Endtransistor proportional zur absoluten Temperatur steigt, 0 ist folglich bei steigender Umgebungstemperatur eine immer kleinere Verlustleistung ausreichend um die gleiche Temperaturdifferenz zwischen Abtasttransistor 3 und Endtransistor 2

6 1 5 O 2 DE

zu erzeugen. Anders ausgedrückt es genügt bei steigender Umgebungstemperatur eine immer kleinere Verlustleistung im Ausgangstransistor, um eine Abschaltung bzw. eine Verringerung des Ausgangsstromes zu bewirken. Die Reduzierung der Abschaltleistung über der Temperatur ist also durch die starke positive Temperaturabhängigkeit des thermischen Widerstandes des Siliziummaterials ausreichend zu erklären. Dies bedeutet:

a) Steigt der thermische Widerstand unter dem Ausgangstransistor im Silizium an, so ist ein Rückgang der Abregelleistung, also der Rückfaltungskennlinie die Folge. Mit steigender Temperatur erfolgt die Abregelung bei immer kleinerer Leistung.

b) Der Anstieg des Wärmewiderstands mit dem Strom bewirkt

eine temperaturabhängige Strom-Begrenzung, d.h. der Obergang von der Fertigungskennlinie in die Fold-Back-Kennlinie erfolgt temperaturabhängig; je höher die Umgebungstemperatur umso früher erfolgt dieser Übergang.

Die Rückhalte-Abschalte-Funktion wird durch thermische Verkopplung (und Wärmekapazitäten) und zusätzliche Ausnutzung von Eigenschaften des Siliziums (Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitung) sowie des Phänomens der Stromverdrängung im Emitter erzielt.

Man erreicht dadurch eine Abschaltefunktion, die von der individuellen Situation bezüglich des thermischen Widerstands des jeweiligen Exemplares ausgeht. Auch eine schlechte Klebung oder Auflegierung auf die Trägerspinne wird keine Zer-0 störung bewirken, da es dann eben zu einer stärkeren Erwärmung des Ausgangstransistor und damit zur früheren Abregelung kommt.

6 1502 DE

Um eine gleichwertige Funktion mit herkömmlichen elektrischen Schaltungsmitteln zu bewirken ist ein erheblicher Aufwand erforderlich: Es muß die Leistung ermittelt werden, es muß die absolute Temperatur festgestellt werden und beide Größen müssen miteinander und mit dem Ausgangsstrom verknüpft werden und entsprechend in die Ansteuerung eingreifen. In Spannungsreglern werden für diese Funktion zwischen ca. 0,5 und 1,5 mm^ benötigt.

Claims (1)

G 1 5 O 2 DE Schutzansprüche

1. Schaltungsanordnung mit einem ersten Transistor (2), dessen Emitter mit einer Bezugspotentialklemme (10) und dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme (8) verbunden ist, mit einem zweiten Transistor (1) dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors (2) und dessen Basis über eine Stromquelle (6) mit einer Versorgungsspannungsklemme (7) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromspiegel (4, 5) vorgesehen ist, dessen Ausgangskreis zwischen Kollektor des zweiten Transistors (1) und der Versorgungsspannungsklemme (7) geschaltet ist und dessen Eingangskreis über die Laststrecke eines dritten Transistors

(3) und einen in Reihe geschalteten Widerstand (9) mit der Bezugspotentialklemme (10) verbunden ist und der Basisanschluß des dritten Transistors (3) mit dem Emitteranschluß des zweiten Transistors (1) verbunden ist, wobei der erste und dritte Transistor (2, 3) thermisch gekoppelt sind.