WO1999017447A1 - Method for protecting integrated circuit components from over high operating temperatures and protection circuit so designed - Google Patents

Method for protecting integrated circuit components from over high operating temperatures and protection circuit so designed Download PDF

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WO1999017447A1
WO1999017447A1 PCT/DE1998/002852 DE9802852W WO9917447A1 WO 1999017447 A1 WO1999017447 A1 WO 1999017447A1 DE 9802852 W DE9802852 W DE 9802852W WO 9917447 A1 WO9917447 A1 WO 9917447A1
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WO
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temperature
switching element
circuit
power switching
power
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Application number
PCT/DE1998/002852
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Inventor
Horst Belau
Marten Swart
Ekkehart-Peter Wagner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches

Definitions

  • the present invention relates to a method for protecting circuit components of an integrated circuit containing at least one power component and further circuit elements against excessive operating temperatures. Furthermore, the invention is directed to a protective circuit for protecting circuit components of the integrated circuit, which contains at least one power switching element and further circuit elements, against excessively high operating temperatures.
  • the ignition circuits can be used, for example, to ignite multi-stage airbags, which should fire their individual stages depending on the time-dependent advance of the occupant, or to ignite additional occupant protection means, such as a head airbag, and each contain at least one power switching element, for example in the form one tax erbaren power transistor with the ignition element
  • the ignition element can be arranged between controllable power transistors.
  • the power transistors are connected to the power supply terminals of the
  • the invention has for its object to provide a method for protecting circuit components of an integrated circuit containing at least one power switching element and further circuit elements against excessive operating temperatures, in which the risk of temperature-related damage to the power switching element and / or other circuit components is reduced. This object is achieved with the measures mentioned in claim 1.
  • the invention provides a protective circuit for an integrated circuit which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the temperature of the integrated circuit is thus determined at two different positions and the operation of the power switching element is controlled as a function of the measured temperature values.
  • One of the temperature measuring points lies in the center, that is to say in the core of the power switching element, while the other measuring point lies at a position distant therefrom in the range of other, for example temperature-sensitive circuit elements of the integrated circuit.
  • the permissible critical temperature value of, for example, 280 ° C. specified for the power switching element core
  • the power switching element for example the transistor
  • This critical temperature is set high to achieve the best possible performance.
  • the predetermined, permissible temperature limit for the adjacent circuit elements can be the same as or even higher than the critical temperature of the power switching element, but is generally lower.
  • a lower permissible temperature threshold is therefore generally provided for this area.
  • the Power switching element is therefore controlled according to the invention in such a way that it switches off when its maximum permissible core temperature is reached and is only switched on again when both the temperature of the power switching element has dropped below the critical temperature and the temperature measured at the second temperature measuring point is below the temperature specified for this point permissible temperature limit.
  • the temperature limit for the second temperature measuring point that is to say for the circuit elements adjacent to the power switching element, may possibly be significantly lower than the permissible power switching element core temperature and may be, for example, 150.degree.
  • the disadvantages indicated above are eliminated, since the power switching element is switched off when its core temperature or the temperature of the ambient circuit reaches its respective critical value.
  • the current through the power switching element is only switched on again when both the transistor temperature and the ambient switching temperature have dropped below the respective critical value. If the ambient temperature is still below the permissible value when the maximum permissible core temperature of the power switching element is exceeded, the power switching element is repeatedly switched off and on depending on its core temperature, so that thermal toggle operation occurs until the temperature in the transistor environment also reaches the critical level Has reached the temperature threshold.
  • the invention is particularly suitable for ignition circuit ICs for occupant protection systems for motor vehicles, but can also be used in general with all other types of integrated circuits with a power switching element and other integrated circuit components.
  • the switching element for controlling the power transistor is provided with a flip-flop, to which the two temperature sensor output signals are fed as binary signals.
  • the mutual logical connection of the two temperature sensor signals can thus be achieved by a single switching element, one of the temperature sensor signals at the setting or data input of the Flip-flops and the other can be applied to its reset connection.
  • the protective circuit is integrated directly into the integrated circuit, so that no external wiring is necessary.
  • the protective circuit can therefore be designed in a simple manner during the manufacture of the IC, so that the additional space requirement and wiring outlay are minimal.
  • the temperature sensors preferably each contain a diode and a constant current source connected in series therewith. This enables an integrated structure of these components, the forward voltage drop across the diode being a direct measure of the diode temperature and thus of the
  • the forward voltage decreases linearly with a constant current, for example with -2 mV per degree Kelvin.
  • the temperature-dependent diode voltage is preferably applied to a comparator, which compares it with a fixed one, the diode voltage at the switch-off temperature
  • Temporal threshold value compares the corresponding reference voltage and generates a binary signal at its output, the two signal levels of which signal the states "temperature acceptable” or “temperature too high”.
  • a logic element in particular an AND element, is preferably provided, to which the output signal of one of the two temperature sensors and the gate driver signal generated by a control device for controlling the power switching element are fed on the one hand and the output side with a data or .set input of the switching element designed in particular as a flip-flop is connected, the output of which is in turn coupled to the gate of the power switching element is.
  • a forced deactivation of the power switching element can be achieved in a simple manner in terms of circuitry even when the control device actually commands the power switching element to be switched on.
  • the protective circuit shown in Fig. 1 contains a series circuit of a constant current source 2 and a diode 4 connected in the forward direction, which are connected between the supply voltage 1 (potential V DD ) and ground potential 5.
  • the diode 4 is formed in the IC (integrated circuit), not shown, at a position remote from a power transistor 19 and is used to detect the substrate temperature in this area.
  • the diode 4 thus determines the average temperature of the IC chip, which is designed in particular as an ASIC.
  • the voltage occurring at the connection point 3 between the constant current source 2 and the diode 4 changes depending on the temperature and becomes smaller with increasing temperature.
  • This voltage is applied to the inverting input of a comparator 7, the non-inverting input of which is connected to a line 6 which is impressed with a fixed reference voltage t 2 .
  • the reference voltage t 2 corresponds to the voltage value that occurs at connection point 3 at the maximum permissible temperature for this IC area.
  • the protective circuit according to the invention contains a further temperature sensor which is constructed in the same way as the temperature sensor described above and contains a diode 17 which is connected in series with a constant current source 15 between the DC supply voltage V DD and ground potential.
  • the diode 17 is formed in the center, that is to say in the core, of the power transistor 19 serving as the power switching element and thus detects the temperature of the transistor core.
  • the connection point 16 between the constant current source 15 and the diode 17 is connected to the non-inverting input of a comparator 13, to the other inverting input of which a line 14 is connected, which is impressed with a fixed reference voltage ti.
  • the reference voltage ti corresponds to the forward voltage of the diode 17 at the critical power transistor temperature of, for example, 280 ° C. If the temperature in the transistor core thus reaches or exceeds the critical temperature, the output signal of the comparator 13 occurring on a line 12 changes from previously high to low Level.
  • the line 12 is connected to an input of a logic gate, preferably in the form of an AND gate 10.
  • the second input of the AND gate 10 is connected to a line 8, via which a control unit, not shown, in particular an occupant protection system control unit
  • Control signal for the power transistor 19 is supplied.
  • the output of the AND gate is connected to the D input of the flip-flop 11 designed in this exemplary embodiment as a D flip-flop.
  • a clock signal is fed to the clock input C1 of the D flip-flop 11 via a line 9, the flip-flop 11 taking over the value at the output Q of the respective clock signal at its output Q in a known manner.
  • Output Q is connected to the gate of the power connected transistor 19, the in this embodiment as
  • Enrichment MOSFET is formed with an n-channel.
  • the power transistor 19 is connected to a load 18, which can be, for example, a squib of an airbag system.
  • the power transistor 19 can also serve as a common power switching element for controlling a plurality of loads 18, for example a plurality of ignition circuits.
  • the power transistor 19 is formed in the same IC as the protective circuit components 2 to 4 and 6 to 17, the IC also being able to contain further components, for example further ignition circuits, power transistors, temperature sensors, etc.
  • the protective circuit according to the invention operates as follows: as long as the temperatures of the diodes 4 and 17 are below the respectively permissible temperature threshold values, the power transistor 19 is controlled in accordance with the control signal on the line 8, the flip-flop 11 effecting intermediate storage.
  • the flip-flop can also be inserted into line 12 in such a way that its input D is connected to the output of comparator 13 and its output Q is connected to an input of AND gate 10. The assignment of the "Cl” and “R” connections remains unchanged. The output of the AND gate 10 is then connected directly to the gate of the power transistor 19.
  • the circuit can also be designed such that when the temperature of the transistor core of the circuit breaker 19 is exceeded, a D flip-flop or RS flip-flop is set and its output then switches off the current through the power transistor 19.
  • the reset connection of the flip-flop can be connected to the comparator 7 in such a way that the flip-flop is reset when the temperature in the area of the temperature sensor 4 falls below again, and the current through the power transistor is thus switched on again (provided that that the control signal present on line 8 commands a transistor switch-on).
  • thermal toggle operation results due to the permanent setting and resetting of the flip-flop until the temperature in the transistor area in the area of the diode 4 is also exceeded and the flip-flop is therefore no longer reset until the temperature falls below the maximum permissible temperature limit there.
  • the output signal of the comparator 7 can also be fed to a third input of the AND gate 10, the output of the AND gate then being able to be connected directly to the gate of the power transistor 19.
  • the flip-flop 11 can be omitted in this case.

Abstract

The invention relates to a method and a circuit for avoiding thermal overload of an integrated circuit, comprising at least one circuit-breaker and other circuitry components. The temperature in the area of the circuit-breaker and the temperature in the nearby circuit are measured. The circuit-breaker disconnects when the temperature of the circuit-breaker and/or the nearby circuit exceeds given instantaneous values. The circuit-breaker is re-connected only if the temperature of the circuit-breaker and the temperature of the nearby circuit is below the admissible temperature limits. Thermal overload of the circuit-breaker and the components of the nearby circuit is thus prevented in a reliable manner.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Schutz von Schaltungskomponenten einer integrierten Schaltung gegen zu hohe Betriebstemperaturen sowie entsprechend ausgelegte SchutzschaltungProcess for protecting circuit components of an integrated circuit against operating temperatures that are too high and a correspondingly designed protective circuit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Schaltungskomponenten einer integrierten, mindestens ein Leistungsbauelement und weitere Schaltungselemente enthalten- den Schaltung gegen zu hohe Betriebstemperaturen. Ferner ist die Erfindung auf eine Schutzschaltung zum Schutz von Schaltungskomponenten der integrierten Schaltung, die mindestens ein Leistungsschaltelement und weitere Schaltungselemente enthält, gegen zu hohe Betriebstemperaturen gerichtet.The present invention relates to a method for protecting circuit components of an integrated circuit containing at least one power component and further circuit elements against excessive operating temperatures. Furthermore, the invention is directed to a protective circuit for protecting circuit components of the integrated circuit, which contains at least one power switching element and further circuit elements, against excessively high operating temperatures.
In integrierten Schaltungen (IC), die Leistungsschaltelemente wie etwa Leistungstransistoren und dergleichen, enthalten, können bei Betrieb des Leistungsschaltelements relativ hohe Temperaturen entstehen, die bei einer lang dauernden Ansteue- rung des Leistungsschaltelements in ungünstigen Fällen sogar die thermische Belastungsgrenze des Leistungsschaltelements und/oder benachbarter Schaltungselemente erreichen oder überschreiten können. Diese Probleme können sich noch verschärft stellen, wenn mehrere Leistungsschaltelemente in einer inte- grierten Schaltung ausgebildet sind. Beispielsweise ist in Zündkreis-ICs für Insassenschutzsysteme für Kraftfahrzeuge eine zunehmend größere Anzahl von Zündkreisen auf einem IC, zum Beispiel einem ASIC, unterzubringen. Die Zündkreise können zum Beispiel zur Zündung von mehrstufigen Airbags, die zeitabhängig in Anpassung an die zeitabhängige Vorverlagerung des Insassen ihre einzelnen Stufen zünden sollen, oder zum Zünden zusätzlicher Insassenschutzmittel wie beispielsweise eines Kopf-Airbags dienen und enthalten jeweils mindestens ein Leistungsschaltelement, zum Beispiel in Form eines steu- erbaren Leistungstransistors, der mit dem ZundelementIn integrated circuits (IC) which contain power switching elements such as power transistors and the like, relatively high temperatures can arise during operation of the power switching element, which in unfavorable cases can even lead to the thermal load limit of the power switching element and / or neighboring ones when the power switching element is actuated for a long time Can reach or exceed circuit elements. These problems can be exacerbated when several power switching elements are formed in an integrated circuit. For example, an increasing number of ignition circuits on an IC, for example an ASIC, are to be accommodated in ignition circuit ICs for occupant protection systems for motor vehicles. The ignition circuits can be used, for example, to ignite multi-stage airbags, which should fire their individual stages depending on the time-dependent advance of the occupant, or to ignite additional occupant protection means, such as a head airbag, and each contain at least one power switching element, for example in the form one tax erbaren power transistor with the ignition element
(Zundpille) des Insassenschutzmittels in Reihe geschaltet ist. Alternativ kann das Zundelement zwischen steuerbaren Leistungstransistoren angeordnet sein. Die Leistungstransi- stören sind hierbei an Klemmen der Energieversorgung des(Squib) of the occupant protection means is connected in series. Alternatively, the ignition element can be arranged between controllable power transistors. The power transistors are connected to the power supply terminals of the
Kraftfahrzeugs angeschlossen. Dabei sollen einzelne Zundkrei- se auch zeitversetzt gezündet werden können, was beispielsweise für Zundkreise mehrstufiger Airbags erforderlich ist.Motor vehicle connected. Individual ignition circles should also be able to be triggered at different times, which is necessary, for example, for ignition circles in multi-stage airbags.
In ungunstigen Fallen besteht aber die Gefahr, daß die auftretende Temperaturerhöhung Werte erreicht, durch die das Leistungsschaltelement und/oder benachbarte Schaltungselement oder im schlechtesten Fall der gesamte integrierte Schaltkreis zerstört wird, so daß ein nachfolgendes Zünden anderer Zundkreise dieses Zundkreis-ICs nicht mehr möglich ist. Wenn beispielsweise im erstgezundeten Zundkreis nach dessen Zündung ein Kurzschluß auftreten sollte, kann der hierbei auftretende Kurzschlußstrom zu einer solchen übermäßigen Temperaturerhöhung fuhren.In unfavorable cases, however, there is a risk that the temperature increase occurring will reach values by which the power switching element and / or adjacent circuit element or, in the worst case, the entire integrated circuit is destroyed, so that subsequent ignition of other ignition circuits of this ignition circuit IC is no longer possible . If, for example, a short circuit should occur in the first ignited circuit after its ignition, the short circuit current that occurs can lead to such an excessive temperature increase.
Aber auch allgemein kann beim Betrieb von Leistungsschaltelementen m integrierten Schaltungen bei ungunstigen, aber noch als normal einzustufenden Betriebsbedingungen eine gefahrliche Temperaturerhöhung aufgrund der im Leistungsschaltelement erzeugten Warme auftreten.However, in general, when operating power switching elements in integrated circuits under unfavorable operating conditions which are still to be classified as normal, a dangerous temperature increase can occur due to the heat generated in the power switching element.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz von Schaltungskomponenten einer integrierten, mindestens ein Leistungsschaltelement und weitere Schaltungsele- mente enthaltenden Schaltung gegen zu hohe Betriebstemperaturen zu schaffen, bei dem die Gefahr von temperaturbedingten Beschädigungen des Leistungsschaltelementes und/oder anderer Schaltungskomponenten verringert ist. Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen gelost.The invention has for its object to provide a method for protecting circuit components of an integrated circuit containing at least one power switching element and further circuit elements against excessive operating temperatures, in which the risk of temperature-related damage to the power switching element and / or other circuit components is reduced. This object is achieved with the measures mentioned in claim 1.
Weiterhin wird mit der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 eine Schutzschaltung für eine integrierte Schaltung geschaffen, die zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahren geeignet ist .Furthermore, the invention provides a protective circuit for an integrated circuit which is suitable for carrying out the method according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind m den Un- teranspruchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Bei der Erfindung wird somit die Temperatur der integrierten Schaltung an zwei unterschiedlichen Positionen ermittelt und der Betrieb des Leistungsschaltelements in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturwerten gesteuert. Eine der Temperaturmeßstellen liegt im Zentrum, das heißt im Kern des Leistungsschaltelements, wahrend die andere Meßstelle an einer hiervon entfernten Position im Bereich von anderen, zum Beispiel temperaturempfmdlicheren Schaltungselementen der mte- grierten Schaltung liegt. Bei Erreichen des für den Lei- stungsschaltelement-Kern vorgegebenen, zulassigen kritischen Temperaturwerts von zum Beispiel 280° C wird das Leistungsschaltelement, z.B. der Transistor, zwangsweise abgeschaltet, so daß m ihm keine weitere Warmeerzeugung mehr erfolgt und eine temperaturbedingte Zerstörung des Leistungsschaltelements verhindert wird. Diese kritische Temperatur ist zur Er- zielung möglichst guter Leistungsausnutzung hoch angesetzt. Der vorgegebene, zulassige Temperaturgrenzwert für die benachbarten Schaltungselemente, insbesondere die Schaltungse- lemente im Bereich der zweiten Temperaturmeßstelle, kann gleich hoch oder sogar noch hoher liegen als die kritische Temperatur des Leistungsschaltelements, ist m der Regel aber niedriger. Für diesen Bereich ist daher m der Regel ein niedrigerer zulassiger Temperaturschwellwert vorgesehen. Das Leistungsschaltelement wird daher erfmdungsgemaß so gesteuert, daß es bei Erreichen seiner maximal zulassigen Kerntemperatur abgeschaltet und erst dann wieder zugeschaltet wird, wenn sowohl die Temperatur des Leistungsschaltelements unter die kritische Temperatur abgesunken ist als auch die an der zweiten Temperaturmeßstelle gemessene Temperatur unterhalb des f r diese Stelle vorgegebenen zulassigen Temperaturgrenzwerts liegt. Der Temperaturgrenzwert für die zweite Temperaturmeßstelle, das heißt für die zum Leistungsschaltelement benachbarten Schaltungselemente, kann gegebenenfalls deutlich geringer als die zulassige Leistungsschaltelement- Kerntemperatur sein und zum Beispiel bei 150° C liegen.In the invention, the temperature of the integrated circuit is thus determined at two different positions and the operation of the power switching element is controlled as a function of the measured temperature values. One of the temperature measuring points lies in the center, that is to say in the core of the power switching element, while the other measuring point lies at a position distant therefrom in the range of other, for example temperature-sensitive circuit elements of the integrated circuit. When the permissible critical temperature value of, for example, 280 ° C. specified for the power switching element core is reached, the power switching element, for example the transistor, is forcibly switched off, so that no further heat is generated and temperature-related destruction of the power switching element is prevented. This critical temperature is set high to achieve the best possible performance. The predetermined, permissible temperature limit for the adjacent circuit elements, in particular the circuit elements in the region of the second temperature measuring point, can be the same as or even higher than the critical temperature of the power switching element, but is generally lower. A lower permissible temperature threshold is therefore generally provided for this area. The Power switching element is therefore controlled according to the invention in such a way that it switches off when its maximum permissible core temperature is reached and is only switched on again when both the temperature of the power switching element has dropped below the critical temperature and the temperature measured at the second temperature measuring point is below the temperature specified for this point permissible temperature limit. The temperature limit for the second temperature measuring point, that is to say for the circuit elements adjacent to the power switching element, may possibly be significantly lower than the permissible power switching element core temperature and may be, for example, 150.degree.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, Leistungsschaltele- mente, zum Beispiel Leistungstransistoren auf komplexen ICs, effizient zu betreiben, ohne daß d e maximal zulassige Temperatur des Leistungsschaltelements und der Schaltungen m der Transistorumgebung überschritten wird.With the invention it is thus possible to operate power switching elements, for example power transistors on complex ICs, efficiently without exceeding the maximum permissible temperature of the power switching element and the circuits in the transistor environment.
Wenn im Gegensatz hierzu nur ein einziger Temperatursensor im Transistorkern des Leistungstransistors, zum Beispiel eines Zundkreises, vorgesehen wäre, konnte zwar durch gezielte Abschaltung des Leistungstransistor-Betriebs bei Erreichen seiner kritischen Temperatur eine Transistorzerstorung verhm- dert werden. Jedoch ist hiermit nicht gewährleistet, daß die umgebenden, gegebenenfalls temperaturempfindlicheren Schaltungselemente nicht doch übermäßig temperaturbelastet werden. Wenn andererseits nur ein Temperatursensor im Randbereich des Leistungsschaltelements mit niedrigerer kritischer Temperatur von zum Beispiel 150° C vorgesehen wird und das Leistungsschaltelement dann abgeschaltet wird, wenn dieser Temperatursensor das Erreichen der niedrigeren kritischen Temperatur signalisiert, kann wegen der zur Temperaturausbreitung von dem Transistorkern zu dem Randbereich benotigten Zeit das Problem auftreten, daß das Leistungsschaltelement schon aufgrund Überhitzung seines Kerns zerstört ist, bevor der Umgebungsbereich den kritischen Temperaturwert erreicht.In contrast, if only a single temperature sensor were provided in the transistor core of the power transistor, for example an ignition circuit, it was possible to prevent transistor destruction by specifically switching off the power transistor operation when its critical temperature was reached. However, this does not guarantee that the surrounding, possibly more temperature-sensitive circuit elements are not excessively stressed by temperature. On the other hand, if only one temperature sensor is provided in the edge region of the power switching element with a lower critical temperature of, for example, 150 ° C. and the power switching element is switched off when this temperature sensor signals that the lower critical temperature has been reached, this can cause the temperature spread from the transistor core to the edge region time needed that Problem arise that the power switching element is destroyed due to overheating of its core before the surrounding area reaches the critical temperature value.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend angegebenen Nachteile beseitigt, da das Leistungsschaltelement dann abgeschaltet wird, wenn seine Kerntemperatur oder die Temperatur der Umgebungsschaltung ihren jeweiligen kritischen Wert erreicht. Der Strom durch das Leistungsschaltelement wird nur dann wieder eingeschaltet, wenn sowohl die Transistortempera- tur als auch die Umgebungsschaltungstemperatur unter den jeweiligen kritischen Wert abgesunken ist. Liegt die Umgebungstemperatur bei Überschreiten der maximal zulässigen Kerntemperatur des Leistungsschaltelements noch unterhalb des zulässigen Werts, wird das Leistungsschaltelement in Abhängigkeit von seiner Kerntemperatur wiederholt aus- und eingeschaltet, so daß sich ein thermischer Toggle-Betrieb ergibt, bis auch die Temperatur in der Transistorumgebung den kritischen Temperaturschwellwert erreicht hat.With the present invention, the disadvantages indicated above are eliminated, since the power switching element is switched off when its core temperature or the temperature of the ambient circuit reaches its respective critical value. The current through the power switching element is only switched on again when both the transistor temperature and the ambient switching temperature have dropped below the respective critical value. If the ambient temperature is still below the permissible value when the maximum permissible core temperature of the power switching element is exceeded, the power switching element is repeatedly switched off and on depending on its core temperature, so that thermal toggle operation occurs until the temperature in the transistor environment also reaches the critical level Has reached the temperature threshold.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Zündkreis-ICs für Insassenschutzsysteme für Kraftfahrzeuge, ist aber auch allgemein bei allen anderen Arten von integrierten Schaltungen mit Leistungsschaltelement und weiteren integrierten Schal- tungskomponenten einsetzbar.The invention is particularly suitable for ignition circuit ICs for occupant protection systems for motor vehicles, but can also be used in general with all other types of integrated circuits with a power switching element and other integrated circuit components.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Schaltelement zur Steuerung des Leistungstransistors mit einem Flip-Flop versehen, dem die beiden Temperatursensor-Ausgangssignale als bi- näre Signale zugeführt werden. Durch ein einziges Schaltelement läßt sich somit die gegenseitige logische Verknüpfung der beiden Temperatursensorsignale erreichen, wobei eines der Temperatursensorsignale an den Setz- oder Dateneingang des Flip-Flops und das andere an dessen Rücksetzanschluß anlegbar ist .In a preferred embodiment, the switching element for controlling the power transistor is provided with a flip-flop, to which the two temperature sensor output signals are fed as binary signals. The mutual logical connection of the two temperature sensor signals can thus be achieved by a single switching element, one of the temperature sensor signals at the setting or data input of the Flip-flops and the other can be applied to its reset connection.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Schutzschaltung direkt in die integrierte Schaltung integriert, so daß keine externe Beschaltung notwendig ist. Die Schutzschaltung kann daher bei der Herstellung des ICs in einfacher Weise ausgebildet werden, so daß der zusätzliche Raumbedarf und Verdrahtungsauf- wand minimal ist.In an advantageous embodiment, the protective circuit is integrated directly into the integrated circuit, so that no external wiring is necessary. The protective circuit can therefore be designed in a simple manner during the manufacture of the IC, so that the additional space requirement and wiring outlay are minimal.
Die Temperatursensoren enthalten vorzugsweise jeweils eine Diode und eine hiermit in Reihe geschaltete Konstantstromquelle. Dies ermöglicht einen integrierten Aufbau dieser Komponenten, wobei die an der Diode abfallende Durchlaßspannung ein direktes Maß für die Diodentemperatur und damit für dieThe temperature sensors preferably each contain a diode and a constant current source connected in series therewith. This enables an integrated structure of these components, the forward voltage drop across the diode being a direct measure of the diode temperature and thus of the
Temperatur der integrierten Schaltung am Diodenort darstellt. Die Durchlaßspannung nimmt bei konstant gehaltenem Strom linear zum Beispiel mit -2 mV je Grad Kelvin ab. Die temperaturabhängige Diodenspannung wird vorzugsweise an einen Ver- gleicher angelegt, der sie mit einer einer festen, der Diodenspannung bei der AbschalttemperaturRepresents temperature of the integrated circuit at the diode location. The forward voltage decreases linearly with a constant current, for example with -2 mV per degree Kelvin. The temperature-dependent diode voltage is preferably applied to a comparator, which compares it with a fixed one, the diode voltage at the switch-off temperature
(Temperaturschwellwert) entsprechenden Referenzspannung vergleicht und an seinem Ausgang ein binäres Signal erzeugt, dessen beide Signalpegel die Zustände "Temperatur akzeptabel" bzw. "Temperatur zu hoch" signalisieren.(Temperature threshold value) compares the corresponding reference voltage and generates a binary signal at its output, the two signal levels of which signal the states "temperature acceptable" or "temperature too high".
Vorzugsweise ist ein logisches Glied, insbesondere ein UND- Glied, vorgesehen, dem einerseits das Ausgangssignal eines der beiden Temperatursensoren und andererseits das von einem Steuergerät zur Steuerung des Leistungsschaltelements erzeugte Gate-Treibersignal zugeführt werden und das ausgangsseitig mit einem Daten- oder .Setz-Eingang des insbesondere als Flip- Flop ausgebildeten Schaltglieds verbunden ist, dessen Ausgang wiederum mit dem Gate des Leistungsschaltelements gekoppelt ist. Hierdurch laßt sich eine Zwangs-Deaktivierung des Leistungsschaltelements selbst dann, wenn das Steuergerat eigentlich die Einschaltung des Leistungsschaltelements befiehlt, in schaltungstechnisch einfacher Weise erreichen.A logic element, in particular an AND element, is preferably provided, to which the output signal of one of the two temperature sensors and the gate driver signal generated by a control device for controlling the power switching element are fed on the one hand and the output side with a data or .set input of the switching element designed in particular as a flip-flop is connected, the output of which is in turn coupled to the gate of the power switching element is. In this way, a forced deactivation of the power switching element can be achieved in a simple manner in terms of circuitry even when the control device actually commands the power switching element to be switched on.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels der Schutzschaltung unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung naher erläutert.The invention is explained below using an exemplary embodiment of the protective circuit with reference to the single drawing.
Die in Fig. 1 gezeigte Schutzschaltung enthalt eine Reihenschaltung aus einer Konstantstromquelle 2 und einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode 4, die zwischen die Versorgungsspannung 1 (Potential VDD) und Massepotential 5 geschaltet sind. Die Diode 4 ist in dem nicht dargestellten IC (integrierte Schaltung) an einer von einem Leistungstransistor 19 entfernten Position ausgebildet und dient zur Erfassung der Substrattemperatur in diesem Bereich. Die Diode 4 ermittelt somit die mittlere Temperatur des IC-Bausteins, der insbesondere als ASIC ausgebildet ist. Die am Verbindungs- punkt 3 zwischen der Konstantstromquelle 2 und der Diode 4 auftretende Spannung verändert sich temperaturabhangig und wird bei zunehmender Temperatur kleiner. Diese Spannung wird an den invertierenden Eingang eines Vergleichers 7 angelegt, dessen nicht invertierender Eingang mit einer Leitung 6 ver- bunden ist, der eine feste Referenzspannung t2 eingeprägt ist. Die Referenzspannung t2 entspricht dem Spannungswert, der am Verbindungspunkt 3 bei der für diesen IC-Bereich maximal zulassigen Temperatur auftritt. Wenn die Temperatur im Bereich der Diode 4 somit den kritischen Temperaturgrenzwert erreicht oder überschreitet, wechselt das Ausgangssignal des Vergleichers 7 von bislang niedrigem auf hohen Pegel. Der Ausgang des Vergleichers 7 ist mit dem Rucksetzeingang eines Schaltglieds m Form eines Flip-Flops 11 verbunden. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung enthält einen weiteren Temperatursensor, der gleichartig aufgebaut ist wie der vorstehend beschriebene Temperatursensor und eine Diode 17 enthält, die mit einer Konstantstromquelle 15 in Reihe zwischen die Versorgungsgleichspannung VDD und Massepotential geschaltet ist. Die Diode 17 ist im Zentrum, das heißt im Kern, des als Leistungsschaltelement dienenden Leistungstransistors 19 ausgebildet und erfaßt somit die Temperatur des Transistor- kerns. Der Verbindungspunkt 16 zwischen der Konstantstrom- quelle 15 und der Diode 17 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Vergleichers 13 verbunden, an dessen anderen, invertierenden Eingang eine Leitung 14 angeschlossen ist, der eine feste Referenzspannung ti eingeprägt ist. Die Referenzspannung ti entspricht der Durchlaßspannung der Diode 17 bei der kritischen Leistungstransistor-Temperatur von beispielsweise 280° C. Wenn die Temperatur im Transistorkern somit die kritische Temperatur erreicht oder überschreitet, wechselt das auf einer Leitung 12 auftretende Ausgangssignal des Vergleichers 13 von bislang hohem auf niedrigen Pegel.The protective circuit shown in Fig. 1 contains a series circuit of a constant current source 2 and a diode 4 connected in the forward direction, which are connected between the supply voltage 1 (potential V DD ) and ground potential 5. The diode 4 is formed in the IC (integrated circuit), not shown, at a position remote from a power transistor 19 and is used to detect the substrate temperature in this area. The diode 4 thus determines the average temperature of the IC chip, which is designed in particular as an ASIC. The voltage occurring at the connection point 3 between the constant current source 2 and the diode 4 changes depending on the temperature and becomes smaller with increasing temperature. This voltage is applied to the inverting input of a comparator 7, the non-inverting input of which is connected to a line 6 which is impressed with a fixed reference voltage t 2 . The reference voltage t 2 corresponds to the voltage value that occurs at connection point 3 at the maximum permissible temperature for this IC area. When the temperature in the region of the diode 4 thus reaches or exceeds the critical temperature limit value, the output signal of the comparator 7 changes from the previously low to the high level. The output of the comparator 7 is connected to the reset input of a switching element in the form of a flip-flop 11. The protective circuit according to the invention contains a further temperature sensor which is constructed in the same way as the temperature sensor described above and contains a diode 17 which is connected in series with a constant current source 15 between the DC supply voltage V DD and ground potential. The diode 17 is formed in the center, that is to say in the core, of the power transistor 19 serving as the power switching element and thus detects the temperature of the transistor core. The connection point 16 between the constant current source 15 and the diode 17 is connected to the non-inverting input of a comparator 13, to the other inverting input of which a line 14 is connected, which is impressed with a fixed reference voltage ti. The reference voltage ti corresponds to the forward voltage of the diode 17 at the critical power transistor temperature of, for example, 280 ° C. If the temperature in the transistor core thus reaches or exceeds the critical temperature, the output signal of the comparator 13 occurring on a line 12 changes from previously high to low Level.
Die Leitung 12 ist mit einem Eingang eines logischen Glieds, vorzugsweise in Form eines UND-Glieds 10, verbunden. Der zweite Eingang des UND-Glieds 10 ist mit einer Leitung 8 verbunden, über die von einem nicht dargestellten Steuergerät, insbesondere einem Insassenschutzsystem-Steuergerät, dasThe line 12 is connected to an input of a logic gate, preferably in the form of an AND gate 10. The second input of the AND gate 10 is connected to a line 8, via which a control unit, not shown, in particular an occupant protection system control unit
Steuersignal für den Leistungstransistor 19 zugeführt wird.Control signal for the power transistor 19 is supplied.
Der Ausgang des UND-Glieds ist mit dem D-Eingang des bei diesem Ausführungsbeispiel als D-Flip-Flop ausgebildeten Flip- Flops 11 verbunden. An den Takteingang Cl des D-Flip-Flops 11 wird über eine Leitung 9 ein Taktsignal zugeführt, wobei das Flip-Flop 11 in bekannter Weise an seinem Ausgang Q den am D- Eingang anliegenden Wert bei einem jeweiligen Taktsignal übernimmt. Der Ausgang Q ist mit dem Gate des Leistungstran- sistors 19 verbunden, der bei diesem Ausführungsbeispiel alsThe output of the AND gate is connected to the D input of the flip-flop 11 designed in this exemplary embodiment as a D flip-flop. A clock signal is fed to the clock input C1 of the D flip-flop 11 via a line 9, the flip-flop 11 taking over the value at the output Q of the respective clock signal at its output Q in a known manner. Output Q is connected to the gate of the power connected transistor 19, the in this embodiment as
Anreicherungs-MOSFET mit n-Kanal ausgebildet ist. Der Leistungstransistor 19 ist mit einer Last 18 verbunden, die zum Beispiel eine Zündpille eines Airbagsystems sein kann. Der Leistungstransistor 19 kann auch als gemeinsames Leistungsschaltelement zur Steuerung mehrerer Lasten 18, zum Beispiel mehrerer Zündkreise dienen. Der Leistungstransistor 19 ist in dem gleichen IC wie die Schutzschaltungskomponenten 2 bis 4 und 6 bis 17 ausgebildet, wobei der IC auch noch weitere Kom- ponenten, zum Beispiel weitere Zündkreise, Leistungstransistoren, Temperatursensoren usw., enthalten kann. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung arbeitet wie folgt: Solange die Temperaturen der Dioden 4 und 17 unterhalb der jeweils zulässigen Temperaturschwellwerte liegen, wird der Lei- stungstransistor 19 entsprechend dem Steuersignal auf der Leitung 8 gesteuert, wobei das Flip-Flop 11 eine Zwischen- speicherung bewirkt. Wenn die Temperatur des Leistungstransistors 19 den kritischen Wert erreicht oder überschreitet, wechselt das Ausgangssignal des Vergleichers 13 auf negativen Pegel, so daß das UND-Glied 10 durch diesen negativen Pegel gesperrt wird, unabhängig von dem jeweiligen Pegel des Steuersignals auf der Leitung 8. Das Flip-Flop 11 schaltet damit über seinen Ausgang Q den Leistungstransistor 19 ab. Liegt die Temperatur bei der Diode 4, das heißt die Temperatur der Umgebungsschaltung des Leistungstransistors 19, noch unter der hier zulässigen Temperaturschwelle, wird das Flip-Flop 11 nach Absinken der Leistungstransistor-Temperatur und noch anliegendem Steuersignal auf der Leitung 8 wieder gesetzt, so daß der Leistungstransistor 19 wieder eingeschaltet wird und sich wieder aufheizt. Hierdurch ergibt sich eine zyklischeEnrichment MOSFET is formed with an n-channel. The power transistor 19 is connected to a load 18, which can be, for example, a squib of an airbag system. The power transistor 19 can also serve as a common power switching element for controlling a plurality of loads 18, for example a plurality of ignition circuits. The power transistor 19 is formed in the same IC as the protective circuit components 2 to 4 and 6 to 17, the IC also being able to contain further components, for example further ignition circuits, power transistors, temperature sensors, etc. The protective circuit according to the invention operates as follows: as long as the temperatures of the diodes 4 and 17 are below the respectively permissible temperature threshold values, the power transistor 19 is controlled in accordance with the control signal on the line 8, the flip-flop 11 effecting intermediate storage. When the temperature of the power transistor 19 reaches or exceeds the critical value, the output signal of the comparator 13 changes to negative level, so that the AND gate 10 is blocked by this negative level, regardless of the respective level of the control signal on line 8. Das Flip-flop 11 thus switches off the power transistor 19 via its output Q. If the temperature of the diode 4, that is to say the temperature of the ambient circuit of the power transistor 19, is still below the temperature threshold permissible here, the flip-flop 11 is set again after the power transistor temperature has dropped and the control signal still present on the line 8, so that the power transistor 19 is switched on again and heats up again. This results in a cyclical
Aus- und Einschaltung. Wenn sich hierdurch die Temperatur der Umgebungsschaltung, das heißt die Temperatur im Bereich der Diode 4, erhöht und den dort zulässigen Temperaturschwellwert (zum Beispiel 150° C) überschreitet, wechselt das Ausgangs- signal des Vergleichers 7 seinen Pegel, so daß der Rücksetzanschluß des Flip-Flops 11 aktiviert wird. Der Leistungstransistor 19 bleibt dann solange ausgeschaltet, bis sowohl seine Kerntemperatur als auch die Temperatur der Umgebungsschaltung unter den jeweils vorgegebenen Temperaturgrenzwert abgesunken sind.Switching on and off. If this increases the temperature of the ambient circuit, i.e. the temperature in the area of the diode 4, and exceeds the temperature threshold value permitted there (for example 150 ° C.), the output changes signal of the comparator 7 its level, so that the reset terminal of the flip-flop 11 is activated. The power transistor 19 then remains switched off until both its core temperature and the temperature of the ambient circuit have dropped below the respectively predetermined temperature limit.
Das Flip-Flop kann alternativ auch in die Leitung 12 so eingefügt werden, daß sein Eingang D mit dem Ausgang des Ver- gleichers 13 und sein Ausgang Q mit einem Eingang des UND- Glieds 10 verbunden ist. Die Belegung -der Anschlüsse "Cl" und "R" bleibt unverändert. Der Ausgang des UND-Glieds 10 ist dann direkt mit dem Gate des Leistungstransistors 19 verbunden.Alternatively, the flip-flop can also be inserted into line 12 in such a way that its input D is connected to the output of comparator 13 and its output Q is connected to an input of AND gate 10. The assignment of the "Cl" and "R" connections remains unchanged. The output of the AND gate 10 is then connected directly to the gate of the power transistor 19.
Die Schaltung kann auch so ausgebildet sein, daß bei Überschreiten der Temperatur des Transistorkerns des Leistungsschalters 19 ein D-Flip-Flop oder RS-Flip-Flop gesetzt wird und dessen Ausgang dann den Strom durch den Leistungstransi- stör 19 abschaltet. Der Rücksetzanschluß des Flip-Flops kann so mit dem Vergleicher 7 verschaltet sein, daß das Flip-Flop wieder rückgesetzt wird, wenn der Temperaturgrenzwert im Bereich des Temperatursensors 4 wieder unterschritten wird, und der Strom durch den Leistungstransistor somit wieder einge- schaltet wird (vorausgesetzt, daß das auf der Leitung 8 anliegende Steuersignal eine Transistoreinschaltung befiehlt). Wenn die Umgebungstemperatur im Bereich des Temperatursensors 4 aber noch unterhalb der dort zulässigen Temperatur liegen sollte, ergibt sich ein thermischer Toggle-Betrieb aufgrund des dauernden Setzens und Rücksetzens des Flip-Flops, bis die Temperatur auch in der Transistorumgebung im Bereich der Diode 4 überschritten ist und das Flip-Flop somit bis zum Unterschreiten des dort maximal zulässigen Temperaturgrenzwerts nicht mehr rückgesetzt wird. Das Ausgangssignal des Vergleichers 7 kann nach Invertierung (oder durch Vertauschung der Eingangsbelegung des Vergleichers 7) auch einem dritten Eingang des UND-Glieds 10 zugeführt werden, wobei der Ausgang des UND-Glieds dann direkt mit dem Gate des Leistungstransistors 19 verbunden werden kann. Das Flip-Flop 11 kann in diesem Fall entfallen. The circuit can also be designed such that when the temperature of the transistor core of the circuit breaker 19 is exceeded, a D flip-flop or RS flip-flop is set and its output then switches off the current through the power transistor 19. The reset connection of the flip-flop can be connected to the comparator 7 in such a way that the flip-flop is reset when the temperature in the area of the temperature sensor 4 falls below again, and the current through the power transistor is thus switched on again (provided that that the control signal present on line 8 commands a transistor switch-on). If the ambient temperature in the area of the temperature sensor 4 is still below the permissible temperature there, thermal toggle operation results due to the permanent setting and resetting of the flip-flop until the temperature in the transistor area in the area of the diode 4 is also exceeded and the flip-flop is therefore no longer reset until the temperature falls below the maximum permissible temperature limit there. After inverting (or by swapping the input assignment of the comparator 7), the output signal of the comparator 7 can also be fed to a third input of the AND gate 10, the output of the AND gate then being able to be connected directly to the gate of the power transistor 19. The flip-flop 11 can be omitted in this case.

Claims

Patentansprüche claims
1. Zundkreis-IC für eine oder mehrere Zundpillen eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem Leistungsschaltelement (19) und weiteren Schaltungselementen, mit einem ersten, die Temperatur im Zentrum des Leistungsschaltelements (19) erfassenden Temperatursensor (13 bis 17), einem zweiten Temperatursensor (2 bis 4, 6, 7), der die Temperatur der integrierten Schaltung an einer von dem Leistungs- schaltelement (19) entfernten, im Bereich der weiteren Schaltungselemente liegenden Position erfaßt, und einem Schaltglied (10, 11) zur Aus- und Einschaltung des Leistungsschaltelements (19) in Abhängigkeit von den von den beiden Temperatursensoren abgegebenen Ausgangssignalen, derart, daß das Leistungsschal- telement (19) bei Erreichen eines ersten, eine thermische1. Ignition circuit IC for one or more ignition pills of an occupant protection system of a motor vehicle, with at least one power switching element (19) and further circuit elements, with a first temperature sensor (13 to 17) that detects the temperature in the center of the power switching element (19), a second temperature sensor (2 to 4, 6, 7), which detects the temperature of the integrated circuit at a position remote from the power switching element (19) and in the region of the further circuit elements, and a switching element (10, 11) for switching on and off of the power switching element (19) as a function of the output signals emitted by the two temperature sensors, such that the power switching element (19), when a first one is reached, is a thermal one
Überlastung des Leistungsschaltelements verhindernden Temperaturschwellwerts abgeschaltet und erst dann wieder eingeschaltet wird, wenn sowohl seine Temperatur wieder unter den ersten Temperaturschwellwert abgesunken ist als auch die Temperatur an der entfernten Position unterhalb eines zweiten, eine thermische Überlastung der m diesem Bereich befindlichen Schaltungselemente verhindernden Temperaturschwellwerts liegt.Overloading of the power switching element preventing temperature threshold value is switched off and only switched on again when both its temperature has dropped below the first temperature threshold value and the temperature at the remote position is below a second temperature threshold value preventing thermal overloading of the circuit elements located in this area.
2. Zundkreis-IC nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Leistungsschaltelement (19) als Leistungstransistor ausgebildet ist.2. Ignition circuit IC according to claim 1, characterized in that the power switching element (19) is designed as a power transistor.
3. Zundkreis-IC nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schaltglied (10, 11) ein Flip-Flop (11) enthalt, dem die von den Temperatursensoren (2 bis 4, 6, 7, 13 bis 17) abgegebenen Ausgangssignale als binare Signale zugeführt werden. 3. Ignition circuit IC according to claim 1 or 2, characterized in that the switching element (10, 11) contains a flip-flop (11), which the temperature sensors (2 to 4, 6, 7, 13 to 17) emitted Output signals are supplied as binary signals.
4. Zündkreis-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens einer der Temperatursensoren eine Diode (4, 17) und eine hiermit in Reihe geschaltete Konstantstromquelle (2, 15) enthält.4. Ignition circuit IC according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the temperature sensors contains a diode (4, 17) and a constant current source (2, 15) connected in series therewith.
5. Zündkreis-IC nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mit dem Verbindungspunkt (3, 16) zwischen der Diode (4, 17) und der Konstantstromquelle (2, 15) ein Eingang eines Vergleichers (7, 13) verbunden ist, an dessen anderen Eingang eine Referenzspannung (ti, t2) angelegt ist.5. Ignition circuit IC according to claim 4, characterized in that an input of a comparator (7, 13) is connected to the connection point (3, 16) between the diode (4, 17) and the constant current source (2, 15) whose other input a reference voltage (ti, t 2 ) is applied.
6. Zündkreis-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ausgangssignal des ersten Temperatursensors an einen Eingang des Schaltglieds (10, 11) angelegt ist, daß das Ausgangssignal des zweiten Temperatursensors (2 bis 4, 6, 7) an einen Rücksetzeingang (R) des Schaltglieds angelegt ist und daß das Schaltglied ausgangssei- tig mit dem Gate des Leistungsschaltelements (19) verbunden ist .6. Ignition circuit IC according to one of claims 1 to 5, characterized in that the output signal of the first temperature sensor is applied to an input of the switching element (10, 11), that the output signal of the second temperature sensor (2 to 4, 6, 7) is applied to a reset input (R) of the switching element and that the switching element is connected on the output side to the gate of the power switching element (19).
7. Zündkreis-IC nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schaltglied (10, 11) ein logisches Glied (10) enthält, an dessen Eingänge das Ausgangssignal des ersten Temperatursensors (13 bis 17) und ein Steuersignal zur Steuerung des Gates des Leistungsschaltelements7. Ignition circuit IC according to one of claims 1 to 6, characterized in that the switching element (10, 11) contains a logic element (10), at the inputs of which the output signal of the first temperature sensor (13 to 17) and a control signal for control the gate of the power switching element
(19) angelegt sind. (19) are created.
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