WO1999049377A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung und erfassung des laststromes durch eine last - Google Patents

Schaltungsanordnung zur steuerung und erfassung des laststromes durch eine last Download PDF

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Rainald Sander
Peter Sommer
Jenö Tihanyi
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Infineon Technologies Ag
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Definitions

  • One embodiment of the invention provides for at least one second auxiliary transistor to be connected in parallel with the first auxiliary transistor and to be controllable via the second control connection.
  • the at least one second load transistor and the at least one second auxiliary transistor form a second transistor pair in accordance with the first transistor pair. If further air transistors are provided, further transistor pairs are formed by providing further auxiliary transistors, with each load transistor preferably being supplemented by an auxiliary transistor to form a transistor pair.
  • the second auxiliary transistor which is also connected to the second input terminal of the measuring arrangement with a first load path connection, maps the load path current flowing through the second load transistor to the measuring current.
  • the load R is to be connected, at least one of the control connections Gl, Gn is connected to the upper control potential V ++.
  • the number of load transistors TU, Tln to be controlled depends on the current flowing through the load! ⁇ __, the control circuit ASS being connected to the output terminal AK of the measuring arrangement MA for evaluating this current I L flowing through the load.
  • the upper control potential V ++ is preferably greater than the supply potential V + and can be provided, for example, by a fixed voltage supply or generated from the supply potential V + by means of a charge pump circuit.

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Abstract

Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stromflusses (IL) durch eine Last (RL) bei Erfassung des Stromflusses (IL) nach dem Strom-Sense-Prinzip. Die Schaltungsanordnung besitzt ein erstes Transistorpaar (P1) aus einem ersten Last- und Hilfstransistor (T11, T21), die einen gemeinsamen Steueranschluss (G1) und jeweils einen ersten Laststreckenanschluss (S) aufweisen, wobei die Last (RL) an den ersten Laststreckenanschluss (S) des ersten Lasttransistors (T11) angeschlossen ist. Eine Messanordnung (MA) ist über eine erste Eingangsklemme (EK1) an den ersten Laststreckenanschluss (S) des ersten Lasttransistors (T11) und über eine zweite Eingangsklemme (EK2) an den ersten Laststreckenanschluss (S) des ersten Hilfstransistors (T21) angeschlossen und weist eine Ausgangsklemme (AK) auf, an der ein Stromflusssignal (UA) abgreifbar ist. Dem ersten Lasttransistor (T11) ist wenigstens ein weiterer Lasttransistor (T12, T1n) parallel geschaltet, der über einen weiteren Steueranschluss (G2, Gn) abhängig von dem durch die Last fliessenden Strom (IL) ansteuerbar ist.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes durch eine Last
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes durch eine Last mit
- einem ersten Transistorpaar aus einem ersten Lasttransistor und einem ersten Hilfstransistror, die einen gemeinsamen ersten Steueranschluß und jeweils eine Laststrecke und einen ersten Laststreckenanschluß aufweisen, wobei die Last in Reihe zur Laststrecke des ersten Lasttransistors ange- schlössen ist und diese Reihenschaltung zwischen Klemmen für Versorgungspotential und Bezugspotential geschaltet ist;
- einer Strommeßanordnung mit einer an den ersten Laststrek- kenanschluß des ersten Lasttransistors angeschlossenen ersten Eingangsklemme, einer an den ersten Laststreckenan- schluß des ersten Hilfstransistors angeschlossenen zweiten Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme, an der ein von dem Laststrom abhängiges Signal abgreifbar ist;
- einer an den ersten Steueranschluß angeschlossenen Ansteu- ereinheit .
Die Messung des Laststromes durch die Last erfolgt bei derar- tigen Schaltungsanordnungen nach dem sogenannten „Strom- Sense-Prinzip". Hierbei wird der über den ersten Lasttransistor in die Last fließende, unter Umständen sehr große Laststrom indirekt über einen durch den ersten Hilfstransistor fließenden Meßstrom bestimmt, wobei das Verhältnis von Last- ström zu Meßstrom dem Transistorflächenverhältnis von erstem Lasttransistor zu erstem Hilfstransistor entspricht, wenn der erste Lasttransistor und der erste Hilfstransistor im selben Arbeitspunkt betrieben werden. Zur Einstellung des gemeinsamen Arbeitspunktes besitzen der erste Lasttransistor und der erste Hilfstransistor einen gemeinsamen ersten Steueranschluß und sie sind an ein identisches Versorgungspotential ange- schlössen. Eine Regelanordnung, die Teil der Meßanordnung ist, bewirkt ferner, daß sich das Potential an dem ersten Laststreckenanschluß des ersten Hilfstransistors auf den Wert des Potentials des ersten Laststreckenanschlusses des ersten Lasttransistors einstellt. Zwischen dem gemeinsamen Steueran- schluß und den ersten Laststreckenanschlüssen der beiden Transistoren liegt damit jeweils die gleiche Spannung an. Ebenso entspricht die Spannung über der Laststrecke des ersten Lasttransistors der Spannung über der Laststrecke des ersten Hilfstransistors; die beiden Transistoren werden im selben Arbeitspunkt betrieben.
Die Regelanordnung zur Einstellung desselben Potentials an den ersten Laststreckenanschlüssen besteht üblicherweise aus einem Komparator, der eingangsseitig über die Eingangsklemmen der Meßanordnung an die Laststreckenanschlüsse der beiden Transistoren angeschlossen ist. Ausgangsseitig steuert der Komparator einen Regeltransistor an, dessen Laststrecke in Reihe zur Laststrecke des ersten Hilfstransistors geschaltet ist. Weichen die Potentiale der ersten Laststreckenanschlüsse des ersten Lasttransistors und des ersten Hilfstransistors voneinander ab, wird der Widerstand der Laststrecke des Regeltransistors, bzw. der über die Laststrecke des Regeltransistors fließende Strom, über den am Steuereingang des Regeltransistors angeschlossenen Komparator so lange nachgeregelt, bis idealerweise keine Spannungsdifferenz zwischen den Potentialen der ersten Laststreckenanschlüsse besteht und sich der erste Lasttransistor und der erste Hilfstransistor im selben Arbeitspunkt befinden.
Nachteiligerweise besitzen Komparatoren, insbesondere Kompa- ratoren, die in integrierter CMOS-Technologie hergestellt sind, einen unvermeidlichen Spannungs-Offset, der im vorlie- genden Fall bewirkt, daß eine Nachregelung des Regeltransistors schon dann nicht mehr stattfindet, wenn eine dem Span- nungs-Offset entsprechende Spannungsdifferenz zwischen den Potentialen der ersten Laststreckenanschlüsse des ersten Lasttransistors und des ersten Hilfstransistors besteht. Die Spannung über der Laststrecke des ersten Hilfstransistors weicht damit immer um den Betrag des Spannungs-Offset von der Spannung über der Laststrecke des ersten Lasttransistors ab, d. h. erster Lasttransistor und erster Hilfstransistor sind nicht exakt im selben Arbeitspunkt.
Bei großen Lastströmen und einem dadurch entsprechend großen Spannungsabfall über der Laststrecke des ersten Lasttransistors fällt diese Abweichung der Laststreckenspannung des er- sten Hilfstransistors um den Wert des Spannungs-Offset, der üblicherweise im Bereich von einigen Millivolt liegt, kaum ins Gewicht. Fließen allerdings sehr kleine Lastströme, die über der Laststrecke des ersten Lasttransistors einen sehr kleinen Spannungsabfall hervorrufen, der im Extremfall im Be- reich des Spannungs-Offset liegt, so wirkt sich dieser Span- nungs-Offset erheblich auf die Arbeitspunkteinstellung des ersten Hilfstransistors aus. Die Arbeitspunkte der beiden Transistoren weichen erheblich voneinander ab, der Meßstrom ist nicht mehr proportional zum Laststrom; das Meßergebnis ist verfälscht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes einer Last zur Verfügung zu stellen, die auch bei kleinen Lastströmen bzw. bei kleinen Spannungsabfällen über der Laststrecke des ersten Lasttransistors ein exaktes, zu dem Laststrom proportionales Meßsignal liefert.
Dieses Ziel wird bei der eingangs genannten Schaltungsanord- nung dadurch erreicht, daß wenigstens ein parallel zu dem ersten Lasttransistor geschalteter zweiter Lasttransistor vorgesehen ist, der über einen zweiten Steueranschluß durch die Ansteuereinheit abhängig von dem Laststrom oder abhängig von einer über der Laststrecke der Lasttransistoren anfallenden Laststreckenspannung ansteuerbar ist.
Der zweite Lasttransistor, der mit einem ersten Laststreckenanschluß ebenfalls an die Last und über einen zweiten Laststreckenanschluß an Versorgungspotential angeschlossen ist, ist über den Steueranschluß unabhängig von dem ersten Lasttransistor ansteuerbar. Bei großen Lastströmen werden sowohl der erste Lasttransistor als auch der wenigstens eine zweite Lasttransistor angesteuert; der Laststrom ergibt sich aus der Summe der über die Laststrecken des ersten und des wenigstens einen zweiten Lasttransistors fließenden Stromes, wobei die Lasttransistoren vorzugsweise identisch sind, so daß sich der Laststrom gleichmäßig auf die Lasttransistoren verteilt. Sowohl der erste als auch der wenigstens eine zweite Lasttransistor und der erste Hilfstransistor werden im selben Arbeitspunkt betrieben; der durch den ersten Hilfstransistor fließende Meßstrom ist entsprechend dem Flächenverhältnis von erstem Hilfstransistor zu den Lasttransistoren proportional zu dem über die Laststrecke eines der Lasttransistoren fließenden Stromes. Bei der Auswertung des Meßstromes ist neben diesem Flächenverhältnis die Anzahl der angesteuerten Lasttransistoren zu berücksichtigen, um den Laststrom zu ermit- teln, der sich aus der Summe der über die Laststrecken der Lasttransistoren fließenden Ströme ergibt.
Eine Reduzierung des Laststromes bewirkt eine Reduktion der über die Laststrecken der Lasttransistoren fließenden Ströme und damit eine Reduktion des Spannungsabfalles über den Last- Strecken dieser Transistoren. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, den wenigstens einen zweiten Lasttransistor bei kleiner werdendem Laststrom bzw. bei kleiner werdender Laststreckenspannung der Lasttransistoren abzuschalten, wodurch der verbleibende Lasttransistor - oder gegebenenfalls die verbleibenden Lasttransistoren - den Strom des abgeschalteten Lasttransistors übernehmen. Hierdurch erhöht sich die Last- Streckenspannung der verbleibenden Lasttransistoren. Auf diese Weise wird bewirkt, daß die Spannung über der Laststrecke des ersten Lasttransistors nicht auf einen Spannungswert absinkt, der im Bereich des Spannungs-Offset liegt. Die oben beschriebenen Nachteile, wonach bei kleinen Laststreckenspannungen das Meßergebnis verfälschende Arbeitspunktabweichungen des ersten Lasttransistors und des ersten Hilfstransistors auftreten, bestehen bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht.
Die durch Abschalten eines oder mehrerer Lasttransistoren bewirkte Spannungserhöhung über der Laststrecke des oder der verbleibenden Lasttransistoren bewirkt zwar eine Reduktion des Spannungsabfalls über der Last und damit eine Reduktion des Laststromes, diese Änderung ist allerdings angesichts üblicher Versorgungspotentiale von 15 V und einer über der Laststrecke der Lasttransistoren abfallenden Spannung, die im Bereich von einigen Millivolt bis ca. ein Volt liegt, vernachlässigbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor zu dem ersten Hilfstransistor wenigstens einen zweiten Hilfstransistor parallel zu schalten, der über den zweiten Steueranschluß ansteuerbar ist. Der wenigstens eine zweite Lasttransistor und der wenigstens eine zweite Hilfstransistor bilden entsprechend dem ersten Transistorpaar ein zweites Transistorpaar. Bei Vorsehen weiterer Lufttransistoren werden durch Vorsehen weiterer Hilfstransistoren weitere Transistorpaare gebildet, wobei vorzugsweise jeder Lasttransistor durch einen Hilfstransistor zu einem Transistorpaar ergänzt ist. Der zweite Hilfstransistor, der mit einem ersten Laststreckenan- schluß ebenfalls an die zweite Eingangsklemme der Meßanordnung angeschlossen ist, bildet den durch den zweiten Lasttransistor fließenden Laststreckenstrom auf den Meßstrom ab. Vorzugsweise sind die Lasttransistoren untereinander identisch und die Hilfstransistor untereinander identisch, so daß sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Meßstrom stets als gleicher Bruchteil des Laststromes gibt, wobei das Verhältnis von Laststrom zu Meßstrom dem Flächenverhältnis zwischen Last- und Hilfstransistoren entspricht. Bei der Auswertung des Meßstromes ist bei dieser Ausführungsform somit die Anzahl der zum Anschalten der Last angesteuerten Lasttransistoren nicht gesondert zu berücksichtigen.
Zur Ansteuerung der Last- und Hilfstransistoren ist eine An- steuereinheit vorgesehen, die über Ausgangsklemmen an die Steueranschlüsse der Last- bzw. der Last- und Hilfstransistoren angeschlossen ist, wobei eine Ansteuerung der einzelnen Steueranschlüsse abhängig von dem durch die Last fließenden Strom oder abhängig von der über der Laststrecke der Lasttransistoren anfallenden Spannung erfolgt. Zur Ermittlung des durch die Last fließenden Stromes ist die Ansteuereinheit hierzu vorzugsweise mit einer Eingangsklemme an die Ausgangs- klemme der Meßanordnung oder zur Ermittlung der Laststrecken- spannung an den der Last und den ersten Laststreckenanschlüssen der Lasttransistoren gemeinsamen Knoten angeschlossen.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Ansteu- ereinheit eine Anordnung aus Schaltern aufweist, wobei jeweils ein Schalter über eine Ausgangsklemme an einen Steueranschluß angeschlossen ist, um den Steueranschluß mit einem oberen oder einem unteren Ansteuerpotential zu verbinden. Das obere Ansteuerpotential ist hierbei so gewählt, daß die Last- transistoren stets leiten, wenn der Steueranschluß mit dem oberen Ansteuerpotential verbunden ist. Das obere Ansteuerpotential ist daher vorzugsweise größer als das Versorgungspo- tential gewählt. Liegen die Steueranschlüsse auf dem unteren Ansteuerpotential, so leiten die Lasttransistoren nicht. Das untere Ansteuerpotential entspricht vorzugsweise Bezugspotential oder dem Potential der ersten Laststreckenanschlüsse der Lasttransistoren. Zur Ansteuerung der Schalter ist eine An- 7
Steuerschaltung vorgesehen, die abhangig von dem durch die Last fließenden Strom oder abhangig von der Laststreckenspannung der Lasttransistoren die Ansteuerung der Schalter bewirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend m Ausfuhrungsbeispielen anhand von Figuren naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung;
Fig. 2: eine zweite Ausf hrungsform der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung;
Fig. 3: abgewandelte Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Die Erfindung wird im nachfolgenden unter Verwendung von n- Kanal-FET für die Last- und Hilfstransistoren beschrieben, wobei der erste Laststreckenanschluß dem Source-Anschluß, der zweiten Laststreckenanschluß dem Dram-Anschluß und der Steueranschluß dem Gate-Anschluß der Transistoren entspricht.
Fig. 1 zeigt eine Schaltskizze der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausfuhrungform. Die Schaltungsanordnung besitzt ein erstes Transistorpaar Pl bestehend aus einem ersten Lasttransistor TU und einem ersten Hilfstransistor T21, die dramseitig an ein Versorgungspoten- tial V+ angeschlossen sind und deren Gate-Anschlüsse G zur Bildung eines gemeinsamen ersten Steueranschlusses Gl miteinander verbunden sind. Zwischen dem Source-Anschluß S des Lasttransistors TU und einem Bezugspotential M ist eine va- nable Last RL anschließbar, die m dem dargestellten Ausfuh- rungsbeispiel als ohmscher Widerstand dargestellt ist. 8
Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Meßanordnung MA auf mit einer ersten Eingangsklemme EKl, die an den Source- Anschluß S des ersten Lasttransistor TU angeschlossen ist, mit einer zweiten Eingangsklemme EK2, die an den Source- Anschluß S des ersten Hilfstransistors T21 angeschlossen ist, und mit einer Ausgangsklemme AK, an der ein Signal UA ab- greifbar ist, welches proportional zu einem durch die Last R^ fließenden Laststrom IL ist.
Parallel zu dem ersten Lasttransistor TU sind zwei weitere Lasttransistoren T12, Tln geschaltet, die dramseitig ebenfalls an Versorgungspotential V+ und sourceseitig an die Last RL und die erste Eingangsklemme EKl der Meßanordnung MA geschaltet sind. Die weiteren Lasttransistoren T12, Tln sind über weitere Steueranschlusse G2, Gn ansteuerbar, die jeweils mit den Gate-Anschlüssen G der weiteren Lasttransistoren T12, Tln verbunden sind.
Aufgabe der dargestellten Schaltungsanordnung ist es zum ei- nen, die Last R über die als Schalter wirkenden Lasttransistoren TU, T12, Tln an Versorgungspotential V+ zu schalten und zum anderen den durch die Last RL fließenden Laststrom IL zu messen. Zur Ansteuerung der vorzugsweise als Leistungs-FET ausgebildeten Lasttransistoren TU, T12, Tln ist eine Ansteu- eremheit AE vorgesehen, die über Ausgangsklemmen AI, A2, An an die Steueranschlusse Gl, G2, Gn der Lasttransistoren TU, T12, Tln angeschlossen ist. Je nach Bedarf besteht die Möglichkeit, wie in Fig. 1 durch Punkte dargestellt ist, weitere Lasttransistoren parallel zu dem ersten Lasttransistor TU zu schalten und über weitere Ausgange der Ansteuere heit AE anzusteuern. Zur Ansteuerung der Lasttransistoren TU, T12, Tln, werden die Steueranschlusse Gl, G2, Gn getrennt voneinander auf ein oberes oder ein unteres Ansteuerpotential gelegt, wobei das obere Ansteuerpotential so gewählt ist, daß die Lasttransistoren TU, T12, Tln leiten, wenn das obere An- steuerpotential an den jeweiligen Steueranschlussen Gl, G2, Gn anliegt, und auch leitend gehalten werden, so lange ein Laststrom IL durch die Last RL fließt. Das obere Ansteuerpotential ist daher vorzugsweise größer als das Versorgungspotential V+ gewählt. Das untere Ansteuerpotential ist so gewählt, daß die Lasttransistoren TU, T12, Tln nicht leiten, wenn das untere Ansteuerpotential an den Steueranschlüssen Gl, G2, Gn anliegt.
Zum Anschalten der Last R an Versorgungspotential V+ wird ist wenigstens einer der Lasttransistoren TU, T12, Tln durch die Ansteuereinheit AE angesteuert. Diese erhält hierzu beispielsweise ein Startsignal über einen Steuereingang EN. Um eine Messung des Laststromes IL zu ermöglichen, ist für das vorliegende Ausführungsbeispiel zum Anschalten der Last RL an Versorgungspotential V+ wenigstens der Lasttransistor TU an- zusteuern. Wie viele der weiteren Lasttransistoren T12, Tln zum Anschalten erforderlich sind, ist von dem durch die Last RL fließenden Laststrom IL und der Dimensionierung der ersten Transistoren TU, T12, Tln abhängig, die zerstörungsfrei nur bis zu einem maximalen Laststreckenstrom betrieben werden können. Die ersten Transistoren TU, T12, Tln sind vorzugsweise identisch dimensioniert, so daß sich der Laststrom IL gleichmäßig auf die angesteuerten ersten Transistoren TU, T12, Tln verteilt. Zur Ermittlung des fließenden Laststromes IL und damit zur Bestimmung der Anzahl der anzusteuernden er- sten Transistoren TU, T12, Tln ist die Ansteuereinheit AE mit einer Eingangsklemme EK an die Ausgangsklemme AK der Meßanordnung MA angeschlossen, an der ein zu dem fließenden Laststrom IL proportionales Meßsignal UA anliegt.
Die Messung des Laststromes IL erfolgt über den ersten
Hilfstransistor T21 und die Meßanordnung MA. Die Meßanordnung MA besitzt einen Komparator K, der eingangsseitig über die erste Eingangsklemme EKl an die Last R bzw. den Source- Anschluß S des ersten Lasttransistors TU und über die zweite Eingangsklemme EK2 an den Source-Anschluß des ersten
Hilfstransistors T21 angeschlossen ist. Dem Komparator K ist ausgangsseitig ein Regeltransistor T3 nachgeschaltet, dessen 1 0
Laststrecke D-S in Reihe zur Laststrecke D-S des zweiten Transistors T21 geschaltet ist. Der Laststrecke D-S des Regeltransistors T3 ist ein Stromfühlwiderstand Rs nachgeschaltet, der mit einer Klemme an Bezugspotential M liegt.
Das Prinzip der Strommessung mit dem dargestellten zweiten Transistor T21 und der Meßanordnung MA erfolgt nach dem sogenannten „Strom-Sense-Prinzip" und beruht darauf, den ersten Lasttransistor TU und den ersten Hilfstransistor T21 im sel- ben Arbeitspunkt zu betreiben, so daß der Sourcestrom Isι des ersten Hilfstransistors T21 proportional zu dem Sourcestrom Isn des ersten Lasttransistor TU ist, wobei der Sourcestrom Is2ι des zweiten Hilfstransistors T21 als Meßstrom in dem Stromfühlwiderstand Rs eine als Meßsignal UA abgreifbare Spannung hervorruft. Das Verhältnis der Sourceströme Is21 zu Isn entspricht dem Verhältnis der Transistorfläche des Hilfstransistors T21 zur Transistorflache des Lasttransistors TU, wenn die beiden Transistoren TU, T21, im selben Arbeitspunkt betrieben werden. Die Transistorfläche des als Leistungs-FET ausgebildeten Lasttransistors TU beträgt ein Vielfaches, unter Umständen ein Vielfaches um einige Zehnerpotenzen, der Transistorflache des Hilfstransistors T21. Um den Hilfstransistor T21 auf den selben Arbeitspunkt wie den ersten Transistor TU einzustellen, vergleicht der Komparator K die Sourcepotentiale der Last- und Hilfstransistoren TU, T21 und regelt über den Regeltransistor T3 den Sourcestrom IS2i des Hilfstransistors T21 so lange nach, bis die Spannungsdifferenz zwischen dem Sourcepotential des ersten Lasttransistors TU und dem Sourcepotential des ersten Hilfstran- sistors T21 nahezu 0 beträgt.
Die Regelung erfolgt derart, daß die, in den Fig. gestrichelt eingezeichnete Gate-Source-Kapazität des Regeltransistors T3 über den Ausgang des Komparators K je nach Vorzeichen der zwischen den Komparatoreingangsklemmen anfallenden Spannung geladen oder entladen wird, um die Leitfähigkeit des Laststrecke des Regeltransistors T3 bzw. dessen Laststreckenwi- 11 derstand zu erhöhen oder zu erniedrigen. Der Komparator K be¬ sitzt einen unvermeidlichen Spannungs-Offset V0FF, der bewirkt, daß schon dann kein Lade- oder Entladestrom mehr auf die Gate-Source-Kapazität CGS fließt, wenn eine dem Spannungs- Offset VOFF entsprechende Spannung zwischen dessen Eingangsklemme anliegt. Hierdurch ist eine Abweichung der beiden Sourcepotentiale um den Wert des Spannungs-Offsets V0FF des Komparators K unvermeidlich. Dieser Spannungs-Offset V0FF wirkt sich auf das Meßergebnis unbedeutend aus, so lange die über der Laststrecke D-S des ersten Lasttransistors TU anfallende Spannung UDsn wesentlich größer ist, als der Span- nungs-Offset V0FF, um den die Spannung über der Laststrecke D- S des Hilfstransistors T21 von der Laststreckenspannung UDsn des ersten Lasttransistors TU abweicht. Der Last- und Hilfstransistor TU, T21 können dann als im selben Arbeitspunkt betrieben betrachtet werden.
Der Vorteil der dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Spannung über der Laststrecke D-S des Lasttransistors TU immer ausreichend über dem Wert des Spannungs-Offset V0FF gehalten werden kann, so daß sich dieser Spannungs-Offset V0FF nur unwesentlich auf das Meßergebnis auswirkt. Bei Fließen eines großen Laststromes IL werden neben dem ersten Lasttransistor TU durch die Ansteuer- einheit AE weitere Lasttransistoren T12, Tln, angesteuert, die den Laststrom IL gleichmäßig übernehmen. Sinkt nun der Laststrom IL, so sinken damit die Source-Ströme Isu, ISi2, Isin der Lasttransistoren TU, T12, Tln und damit sinkt die Spannung über der Laststrecke D-S der angesteuerten Lasttransi- stören TU, T12, Tln, die im selben Arbeitspunkt betrieben sind. Wird für das vorliegende Ausführungsbeispiel angenommen, daß zunächst alle drei Lasttransistoren TU, T12, Tln angesteuert sind und sinkt der Laststrom !__, so sinken auch deren Source-Ströme ISn, Isι2, Isin und die Spannungen über de- ren Laststrecken D-S. Wird nun beispielsweise der Lasttransistor Tln abgeschaltet, so verteilt sich der Laststrom IL auf die beiden verbleibenden Lasttransistoren TU, T12, wodurch 12 deren Source-Ströme Is_ι, Isι2 und die Spannungen über deren Laststrecken D-S ansteigen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß die Spannung über den Laststrecken D-S der angesteuerten Lasttransistoren TU, T12 auch bei kleinen Laststromen ausreichend über dem Wert des Spannungs-Offset VOFF liegt. Aus Sicherheitsgründen, um die Zerstörung einzelner Lasttransistoren TU, T12, Tln zu verhindern, werden zum Anschalten der Laststrecke an Versorgungspotential V+ zunächst alle Lasttransistoren TU, T12, Tln angesteuert und dann bei sehr kleinen Laststromen IL oder kleinen Laststrek- kenspannungen UDSn der Lasttransistoren TU, T12, Tln nacheinander einzelne Lasttransistoren TU, T12, Tln abgeschaltet, bis gewahrlej-stet ist, daß die Laststreckenspannung UDsι- der angesteuerten Lasttransistoren TU, T12, Tln ausreichend, vorzugsweise um einige Faktoren, über dem Wert des Spannungs- Offset VOFF liegt, so daß ein exaktes Meßergebnis gewährleistet ist.
Im Ausfuhrungsbeispiel gem. Fig. 1 mißt die Meßanordnung MA indirekt über den Source-Strom Is21 des Hilfstransistors T21 nur den Source-Strom ISn des ersten Lasttransistors TU, der neben den anderen angesteuerten, identischen Lasttransistoren T12, Tln einen gleichmaßigen Anteil am Laststrom !__ liefert. Zur Bestimmung des tatsachlich fließenden Laststromes IL aus dem Meßsignal UA das proportional zum Source-Strom IS2ι des ersten Hilfstransistors T21 ist, ist daher neben dem Flachen- verhaltnis des ersten Lasttransistors TU zu dem ersten Hilfstransistor T21 auch die Anzahl der weiteren angesteuerten Lasttransistoren T12, Tln zu berücksichtigen. Dies kann beispielsweise einer zusätzlichen, nicht naher dargestellten Schaltungsanordnung erfolgen, der zum einen das Meßsignal UA und zum anderen ein Ausgangssignal der Ansteuereinheit AE zugeführt ist, welches Aufschluß über die Anzahl der angesteuerten Lasttransistoren TU, T12, Tln gibt.
Diesen Nachteil, des Erfordernisses der zusatzlichen Schaltungsanordnung, weist die Fig. 2 dargestellt Ausfuhrungs- 13 form der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht auf. Dem zusätzlichen Lasttransistor Tln, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein weiterer Lasttransistor dargestellt ist, ist ein zweiter Hilfstransistor T2n zur Bildung eines zweiten Transistorpaares Pn zugeordnet, wobei der zweite Hilfstransistor T2n drainseitig an Versorgungspotential V+, sourceseitig an die zweiten Eingangsklemme EK2 der Meßanordnung MA und mit seinem Gate-Anschluß G an den Gate- Anschluß G des weiteren Lasttransistors Tln zur Bildung eines gemeinsamen Steueranschlusses Gn angeschlossen ist. Wird der weitere Lasttransistor Tln angesteuert, so liefert der zweite Hilfstransistor T2n einen Source-Strom Is2n an die Meßanordnung MA, der proportional zum Source-Strom Isln des weiteren Lasttransistor Tln ist. Das Verhältnis von Isln zu Is2n ent- spricht dem Flächenverhältnis der beiden Transistoren Tln und T2n, wobei dieses Flächenverhältnis vorzugsweise identisch zu dem Flächenverhältnis der Transistoren der anderen Transistorpaare Pl ist. Der Meßstrom IM ist dann direkt proportional zu dem Laststrom IL, wobei der Proportionalitätsfaktor dem Flächenverhältnis von Lasttransistoren TU, Tln zu
Hilfstransistoren T21, T2n entspricht. Idealerweise sind zusätzlich alle Lasttransistoren TU, T12 jeweils identisch und alle Hilfstransistoren T21, T2n jeweils identisch ausgebildet.
Fig. 2 zeigt weiterhin beispielhaft eine mögliche Ausführungsform der Ansteuereinheit AE, die eine Anzahl von Schaltern Sl, Sn aufweist, die an die Ausgänge AI, An der Ansteuereinheit AE angeschlossen sind. Die Steueranschlüsse Gl, Gn sind über diese Schalter an ein oberes Ansteuerpotential V++ oder an ein unteres Ansteuerpotential Vs anlegbar. Die Ansteuerung der Schalter Sl, Sn erfolgt durch eine Ansteuer- schaltung ASS. Ob die Last RL über die Lasttransistoren TU, Tln angeschaltet werden soll, erfolgt nach Maßgabe eines an einem Steuereingang EN der Ansteuerschaltung ASS anliegenden Signals. Soll keine Anschaltung der Last RL erfolgen, werden die Steueranschlüsse Gl, Gn über die Schalter Sl, Sn auf das 14 untere Ansteuerpotential M gelegt. Soll eine Anschaltung der Last R erfolgen, wird wenigstens einer der Steueranschlüsse Gl, Gn auf oberes Ansteuerpotential V++ gelegt. Die Anzahl der anzusteuernden Lasttransistoren TU, Tln erfolgt abhängig von dem durch die Last fließenden Strom !■__, wobei die Ansteuerschaltung ASS zur Bewertung dieses durch die Last fließenden Stromes IL an die Ausgangsklemme AK der Meßanordnung MA angeschlossen ist. Das obere Ansteuerpotential V++ ist vorzugsweise größer als das Versorgungspotential V+ und kann beispielsweise durch eine feste Spannungsversorgung bereitgestellt oder mittels einer Ladungspumpenschaltung aus dem Versorgungspotential V+ generiert werden.
Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 dargestellte Ausführungform in ab- gewandelter Form, wobei die Steueranschlusse Gl, Gn über die Schalter Sl, Sn an die Source-Anschlüsse S der ersten Transistoren TU, Tln anschließbar sind, wodurch das untere Versorgungspotential Vs dem Source-Potential Vs der ersten Transistoren TU, Tln entspricht. Zudem erfolgt bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Ansteuerung der Schalter Sl, S2, Sn durch die Ansteuerschaltung ASS abhängig von der über der Laststrecke der angesteuerten Lasttransistoren TU, Tln anfallenden Spannung üDSπ, wozu die Ansteuerschaltung ASS an die ersten Laststreckenanschlüsse S der Lasttran- sistoren TU, Tln angeschlossen ist, und das Potential an den ersten Laststreckenanschlüssen in der Ansteuerschaltung ASS mit dem Versorgungspotential V+ verglichen wird.
Eine Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in MOS-Technologie mit einfachen Mitteln möglich. Lei- stungs-FET, wie sie zur Anschaltung von Lasten verwendet werden, werden üblicherweise als Vertikaltransistoren realisiert, wobei der Leistungstransistor aus einer Vielzahl einzelner Transistorzellen besteht, deren Gate-, Source- und Drain-Anschlüsse zu dem Gate-, Source- und Drain-Anschluß des Leistungstransistors zusammengeschaltet sind. Werden nun die Gate-Anschlüsse jeweils einer Anzahl dieser Transistorzellen 15 zu unterschiedlichen Gate-Anschlüssen zusammengefaßt, so ergibt sich die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Parallelschaltung von Lasttransistoren mit gemeinsamem Drain- und Source-Anschluß aber getrennten Gate-Anschlüssen.

Claims

16 Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Steuerung und Erfassung des Laststromes ( IτJ durch eine Last (R) mit
- einem ersten Transistorpaar (Pl) aus einem ersten Lasttransistor (TU) und einem ersten Hilfstransistror (T21), die einen gemeinsamen ersten Steueranschluß (Gl) und jeweils eine Laststrecke (D-S) und einen ersten Laststreckenan- schluß (S) aufweisen, wobei die Last (RL) in Reihe zur
Laststrecke (D-S) des ersten Lasttransistors (TU) angeschlossen ist und diese Reihenschaltung zwischen Klemmen für Versorgungspotential (V+) und Bezugspotential (M) geschaltet ist;
- einer Strommeßanordnung (MA) mit einer an den ersten Laststreckenanschluß (S) des ersten Lasttransistors (TU) angeschlossenen ersten Eingangsklemme (EKl), einer an den ersten Laststreckenanschluß (S) des ersten Hilfstransistors (T21) angeschlossenen zweiten Eingangsklemme (EK2) und einer Ausgangsklemme (AK), an der ein von dem Laststrom (IL) abhängiges Signal (UA) abgreifbar ist;
- einer an den Steueranschluß (Gl) angeschlossenen Ansteuer- einheit (AE) ;
dadurch ge kennz e i chnet , daß wenigstens ein parallel zu dem ersten Lasttransistor (TU) geschalteter zweiter Lasttransistor (T12, Tln) vorgesehen ist, der über einen zweiten Steueranschluß (G2, Gn) durch die Ansteuereinheit (AE) abhängig von dem Laststrom (IL) oder abhängig von einer über der Laststrecke (D-S) der Lasttransistoren (TU, T12, Tln) anfallenden Laststreckenspannung (Usn) ansteuerbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens ein 17 parallel zu dem ersten Hilfstransistor (T21) geschalteter zweiter Hilfstransistor (T2n) zur Bildung eines zweiten Transistorpaares (Pn) vorgesehen ist, der über den zweiten Steueranschluß (Gn) ansteuerbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennz e i chnet , daß das Flachenver- haltnis der Lasttransistoren (TU, Tln) und Hilfstransistoren (Tln, T2n) aller Transistorpaare (P2, Pn) gleich ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadur ch ge kenn z e i chn e t , daß eine Eingangsklemme (EK) der Ansteuereinheit (AE) an die Ausgangsklemme (AK) der Meßanordnung (MA) angeschlossen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadur ch ge k enn z e i chne t , daß die Eingangsklemme (EK) der Ansteuereinheit (AE) an die ersten Laststrecken- anschlusse (S) der Lasttransistoren (TU, T12, Tln) angeschlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennz e i chnet , daß die Ansteuereinheit (AE) zum Anschluß an die Steueranschlusse (Gl, G2, Gn) Ausgangsklemmen (AI, A2, An) und mit den Ausgangsklemmen verbundene Schalter (Sl, S2, Sn) aufweist, die angesteuert durch eine Ansteuerschaltung (ASS) die Ausgangsklemmen (AI, A2, An) abhangig von dem Laststrom (I ) oder der Laststreckenspannung (UDSH) der ersten Lasttransistoren (TU, T12, Tln) an Klemmen für ein oberes oder unteres Ansteuerpotential (V++, M; Vs) anschließen.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadur ch ge kenn z e i chne t , daß das untere Ansteuerpotential (M; Vs) Bezugspotential (M) ist. 18
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kenn z e i chne t , daß das untere Ansteuerpotential (M; VΞ) ein Laststreckenanschlußpotential (Vs) der Lasttransistoren (TU, T12, Tln) ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadu rch ge kenn z e i chne t , daß die Meßanordnung (MA) einen eingangsseitig an die Eingangsklemmen (EKl, EK2) angeschlossenen Komparator (K) aufweist, der ausgangsseitig an einen Steueranschluß (G) eines Regeltransistors (T3) angeschlossen ist, wobei dem Regeltransistor (T3) an einem Laststreckenanschluß (D) ein Stromfühlwiderstand (Rs) nachge- schaltet ist und wobei ein zweiter Laststreckenanschluß (S) des Regeltransistors (T3) an die zweite Eingangsklemme (EK2) angeschlossen ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- ehe, dadur ch ge kenn z e i chnet , daß die Laststreckentransistoren (TU, T12, Tln) und die Hilfstransistoren (T21, T2n) als n-Kanal-FET und der Regeltransistor (T3) als p- Kanal-FET ausgebildet sind.
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