EP1160642A1 - Strombegrenzungsschaltung - Google Patents

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EP1160642A1 EP01109666A EP01109666A EP1160642A1 EP 1160642 A1 EP1160642 A1 EP 1160642A1 EP 01109666 A EP01109666 A EP 01109666A EP 01109666 A EP01109666 A EP 01109666A EP 1160642 A1 EP1160642 A1 EP 1160642A1
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/262—Current mirrors using field-effect transistors only

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for current limitation variable load currents in circuits with a Power supply for a series connection, consisting of one Load current control FET and a consumer, the series connection is switched between power supply and ground, with a differential amplifier that with a first and a second input and an output is provided, on which second input a reference voltage source is connected and the output is connected to the gate of the load current control FET is and an operating voltage source.
  • the load current path as a series connection of a current source resistor, a load current control FET and the consumer is running.
  • a differential amplifier switched so that an input of the differential amplifier a reference voltage, the other input that Voltage potential, which is above the current source resistance has set, evaluates and at the output the amplified Differential signal through the gate of the load current control FET Regulates load current.
  • the current source resistance is dimensioned that when there is a maximum load current in the load current path the load current control FET with the load current limit is used.
  • Such current limiter circuits prove to be disadvantageous in that for feeding electricity into the consumer, e.g. by a current source resistance, a voltage swing between Operating voltage source and consumer must be provided so that for the consumer only a significantly reduced Usable range of the operating voltage can be made available can.
  • the invention is based on the object of a load current limitation so that the consumer the operating voltage range as complete as possible poses.
  • the object underlying the invention is achieved by Circuit arrangement solved in such a way that the current feed via a newly introduced current mirror, one of which Current path, the load current path via the load current control FET carries the load current of the consumer, whose other Stro mpfad is executed as a current mirror control path and the over the current mirror control FET a mirrored load current wearing.
  • Current mirrors are the transistors of the current mirror, load current control FET and current mirror control FET, e.g. on the same substrate of a circuit, have a common gate connection and are dimensioned in their geometry so that when driving both transistors in the same Working point the ratio load current: mirrored Load current behaves as n: 1.
  • load current control FETs form and current mirror control FET a current mirror and are connected to the Operating voltage connected.
  • the Load current control FET By connecting the Load current control FET with the consumer flows in it Current path of the current mirror a load current. That about the consumer the voltage potential that arises is transmitted via a connected input of the operational amplifier sampled. Since the operational amplifier has the gate of the output side Current mirror coupling FET controls and by connecting the other input of the operational amplifier with the source connection of the current mirror coupling FET switched as a voltage follower the potential at the drain connection of the Current mirror control FET by the load current at the consumer generated voltage potential. This ensures that the current mirror ratio is exactly 1: n. The factor n mirrored load current generated across the current limiting resistor a voltage drop.
  • This potential is due to Input of the differential amplifier. There it will be with the Reference voltage at the other input of the differential amplifier switched reference voltage source compared. If this potential exceeds the reference voltage of the reference voltage source this is how it controls the output of the differential amplifier amplified difference signal by controlling the common gate connections of current mirror control FET and Load current control FET due to potential increase in its source drain The path closes and the current limitation begins. The point of use this current limitation can be adjusted by adjusting the current limiting resistor or the reference voltage source.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung veränderlicher Lastströme in Schaltungen mit einer Stromeinspeisung für eine Reihenschaltung bestehend aus einem Laststrom-Steuer-FET und einem Verbraucher, wobei die Reihenschaltung zwischen Stromeinspeisung und Masse geschaltet wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Laststrombegrenzung so auszuführen, daß diese dem Verbraucher den möglichst vollständigen Betriebsspannungsbereich zur Verfügung stellt. Dies wird dadurch gelöst, daß die Stromspeisung des Laststromes über einen Strompfad, dem Laststrompfad, eines Stromspiegels erfolgt, wobei in einem anderen Strompfad des Stromspiegels, dem Stromspiegel-Steuerpfad, durch die sinnvolle Einkopplung des vom Verbraucher verursachten Laststrompotentiales über einem Strombegrenzungswiderstand ein repräsentativer gespiegelter Laststrom geprägt wird und dessen Potentialwirkung über einen Differenzverstärker mit einer Referenzspannung verglichen und nachfolgend mit dem verstärkten Differenzsignal das gemeinsame Gate der Stromspiegel-FETs angesteuert wird. Hierbei kann für die Stromspiegel-Transistoren ein solcher Arbeitspunkt realisiert werden, der auch bei Vorliegen des maximalen Laststromes eine niedrige Source-Drainspannung und damit ein maximaler Betriebsspannungsbereich ermöglicht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung veränderlicher Lastströme in Schaltungen mit einer Stromeinspeisung für eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Laststrom-Steuer-FET und einem Verbraucher, wobei die Reihenschaltung zwischen Stromeinspeisung und Masse geschaltet wird, mit einem Differenzverstärker, der mit einem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang versehen ist, wobei an dem zweiten Eingang eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist und der Ausgang mit dem Gate des Laststrom-Steuer-FET verbunden ist und einer Betriebsspannungsquelle.
Treten in Schaltungen Verbraucher mit hohen Lastströmen auf, variieren diese insbesondere in ihrer Größe sehr stark, ergeben sich wegen des nur endlich kleinen Innenwiderstandes der Betriebsspannungsquelle Schwankungen der Betriebsspannung, die sich auf alle angeschlossenen Schaltungsteile störend auswirken. Daher kommen zur Betriebsspannungsstabilisierung verschiedene technische Lösungen, insbesondere Strombegrenzungs-schaltungen für die Begrenzung des Laststromes, zum Einsatz. Diese Strombegrenzungsschaltungen werden so dimensioniert, daß sie im Laststrompfad nur solch einen maximalen Laststrom für den Verbraucher zur Verfügung stellen, bei dem einerseits die Funktion des Verbrauchers nicht beeinträchtigt wird, anderseits die bei dieser Belastung der Betriebsspannungsquelle resultierende Betriebsspannungsänderung sich für alle Schaltungsteile nicht störend auswirkt.
Es ist nunmehr bekannt, daß in derartigen Strombegrenzungs-schaltungen der Laststrompfad als eine Reihenschaltung von einem Stromquellenwiderstand, einem Laststrom-Steuer-FET und des Verbrauchers ausgeführt wird. Zusätzlich wird ein Differenzverstärker so geschaltet, daß ein Eingang des Differenzverstärkers eine Referenzspannung, der andere Eingang das Spannungspotential, welches sich über dem Stromquellenwiderstand eingestellt hat, auswertet und am Ausgang das verstärkte Differenzsignal über das Gate des Laststrom-Steuer-FET den Laststrom regelt. Der Stromqellenwiderstand ist so dimensioniert, daß bei anliegendem maximalen Lastrom im Laststrompfad der Laststrom-Steuer-FET mit der Laststrombegrenzung einsetzt.
Als nachteilig erweisen sich solche Strombegrenzerschaltungen dahingehend, daß zur Stromeinspeisung in den Verbraucher, z.B. durch einen Stromquellenwiderstand, ein Spannungshub zwischen Betriebsspannungsquelle und Verbraucher vorgesehen werden muß, so daß für den Verbraucher nur ein erheblich verringerter Nutzbereich der Betriebsspannung zur Verfügung gestellt werden kann.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Laststrombegrenzung so auszuführen, daß diese dem Verbraucher den möglichst vollständigen Betriebsspannungsbereich zu Verfügung stellt.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung derartig gelöst, daß die Stromeinspeisung über einen neu eingeführten Stromspiegel erfolgt, dessen einer Strompfad, der Laststrompfad, der über den Laststrom-Steuer-FET den Laststrom des Verbrauchers trägt, dessen anderer Stro mpfad als Stromspiegel-Steuerpfad ausgeführt wird und der über den Stromspiegel-Steuer-FET einen gespiegelter Laststrom trägt. Gemäß dem üblichen konstruktivem Aufbau von Stromspiegeln sind die Transistoren des Stromspiegels, Laststrom-Steuer-FET und Stromspiegel-Steuer-FET, z.B. auf dem gleichen Substrat eines Schaltkreises angeordnet, haben einen gemeinsamen Gateanschluß und sind in ihrer Geometrie so dimensioniert, daß bei Ansteuerung beider Transistoren im gleichem Arbeitspunkt sich das Verhältnis Laststrom : gespiegelter Laststrom wie n:1 verhält.
Erfindungsgemäß wird das über dem Verbraucher sich einstellende Spannungspotential nicht unmittelbar vom Differenzverstärker ausgewertet, sondern dieses wird mittels zusätzlich ausgeführtem Spannungsfolger-Operationsverstärker abgetastet und ausgangsseitig über das Gate eines Stromspiegel-Koppel-FET so eingekoppelt, daß die Laststromgröße des Laststrompfades im Stromspiegel-Steuerpfad über einen Strombegrenzungswiderstand potentialmäßig repräsentiert wird. Hierbei wird dieses repräsentative Spannungspotential an einem Eingang des Differenzverstärkers ausgewertet und es wird gemeinsam mit der am anderen Eingang anliegenden Referenzspannung am Ausgang des Differenzverstärkers ein verstärktes Differenzsignal gebildet und zur Ansteuerung des gemeinsamen Gates der Stromspiegel-FET verwendet. Diese Ansteuerung der Stromspiegel-FET erfolgt in einem solchen Arbeitspunkt, der bei Erreichen des vorgesehenen maximalen Laststromes die Source-Drainspannung der Stromspiegel-FET noch als Restspannung hinreichend klein realisiert damit diese für die Verbraucherfunktion vernachlässigbar ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
Wie in der Zeichnung ersichtlich, bilden Laststrom-Steuer-FET und Stromspiegel-Steuer-FET einen Stromspiegel und sind an die Betriebsspannung angeschlossen. Durch die Reihenschaltung des Laststrom-Steuer-FET mit dem Verbraucher fließt in diesem Strompfad des Stromspiegels ein Laststrom. Das über dem Verbraucher sich einstellende Spannungspotential wird über einen angeschlossenen Eingang des Operationsverstärkers abgetastet. Da der Operationsverstärker ausgangsseitig das Gate des Stromspiegel-Koppel-FET ansteuert und durch die Verbindung des anderen Eingangs des Operationsverstärkers mit dem Source-Anschluß des Stromspiegel-Koppel-FET als Spannungsfolger geschaltet ist, folgt auch das Potential am Drain-Anschluß des Stromspiegel-Steuer-FET dem durch den Laststrom am Verbraucher erzeugten Spannungspotential. Dadurch ist gewährleistet, daß das Stromspiegelverhältnis exakt 1:n beträgt. Der um den Faktor n gespiegelte Laststrom erzeugt über dem Strombegrenzungswiderstand einen Spannungsabfall. Dieses Potential liegt am Eingang des Differenzverstärkers an. Dort wird es mit der Referenzspannung der an dem anderen Eingang des Differenzverstärkers geschalteten Referenzspannungsquelle verglichen. Übersteigt dieses Potential die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle so steuert das am Ausgang des Differenzverstärkers verstärkte Differenzsignal durch die Ansteuerung der gemeinsamen Gate-Anschlüsse von Stromspiegel-Steuer-FET und Laststrom-Steuer-FET durch Potentialanstieg deren Source-Drain Strecke zu und die Strombegrenzung setzt ein. Der Einsatzpunkt dieser Strombegrenzung kann durch Abgleich des Strombegrenzungswiderstandes oder der Referenzspannungsquelle erfolgen.
Bezugszeichenliste
1
Laststrom-Steuer-FET
2
Verbraucher
3
Differenzverstärker
4
Stromspiegel-Steuer-FET
5
Stromspiegel-Koppel-FET
6
Strombegrenzungswiderstand
7
zweiter Differenzverstärker
8
Referenzspannungsquelle
9
Betriebsspannungsquelle
IL
Laststrom
Ig
gespiegelter Laststrom

Claims (1)

  1. Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung veränderlicher Lastströme in Schaltungen mit einer Stromeinspeisung für eine Reihenschaltung bestehend aus einem Laststrom-Steuer-FET und einem Verbraucher, wobei die Reihenschaltung zwischen Stromeinspeisung und Masse geschaltet wird, mit einem Differenzverstärker, der mit einem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang versehen ist, wobei an dem zweiten Eingang eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist und der Ausgang mit dem Gate des Laststrom-Steuer-FET verbunden ist, und einer Betriebsspannungsquelle dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromspiegel angeordnet ist, der aus einem Stromspiegel-Steuer-FET (4) und dem Laststrom-Steuer-FET (1) besteht, daß der Sourceanschluss des Laststrom-Steuer-FET (1) und der Sourceanschluss des Stromspiegel-Steuer-FET (4) mit der Betriebsspannungsquelle (9) verbunden ist und daß dem Stromspiegel ein Stromspiegel-Steuerpfad zugeordnet ist, bestehend aus einem Stromspiegel-Koppel-FET (5), dessen Sourceanschluss mit dem Drainanschluss des Stromspiegel-Steuer-FET (4) verbunden ist und dessen Drainanschluss mit dem ersten Eingang des Differenzverstärkers (3) verbunden ist, und einem Strombegrenzungswiderstand (6), wobei der Drainanschluss des Stromspiegel-Koppel-FET (5) zusätzlich mit dem Strombegrenzungswiderstand (6) in Reihe nach Masse geschaltet ist, daß der Ausgang des Differenzverstärker (3) mit dem Gate des Stromspiegel-Steuer-FET (4) verbunden ist, daß ein zweiter Differenzverstärker(7) mit einem ersten und zweiten Eingang und einem Ausgang angeordnet ist, wobei der erste Eingang des zweiten Differenzverstärkers (7) mit dem Sourceanschluss des Stromspiegel-Koppel-FET (5), der zweite Eingang des zweiten Differenzverstärkers (7) mit dem Verbraucher (2) und dem Drainanschluss des Laststrom-Steuer-FET (1) verbunden ist und der Ausgang an das Gate des Stromspiegel-Koppel-FET (5) angeschlossen ist.
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