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Dokumentenidentifikation DE69223775T2 30.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0574646
Titel Schaltung zur Steuerung des maximalen Stroms in einen Leistungs-MOS-Transistor mit einer Last, die an Masse geschaltet ist
Anmelder SGS-Thomson Microelectronics S.r.l., Agrate Brianza, Mailand/Milano, IT;
Magneti Marelli S.p.A., Mailand/Milano, IT
Erfinder Poma, Alberto, I-27100 Pavia, IT;
Poletto, Vanni, I-15020 Camino (Alessandria), IT;
Morelli, Marco, I-57100 Livorno, IT
Vertreter Stoffregen, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 63450 Hanau
DE-Aktenzeichen 69223775
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 16.06.1992
EP-Aktenzeichen 928303080
EP-Offenlegungsdatum 22.12.1993
EP date of grant 29.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse H03K 17/06
IPC-Nebenklasse H03K 17/08   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft einen Schaltkreis zur Steuerung der Arbeitsweise eines MOS-Leistungstransistors, der zum Ansteuern einer Last verwendet wird, die mit Masse verbunden ist, wie dies im Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegt ist.

Ein solcher bekannter Schaltkreis, wie er In EP-A-0,397.015 geoffenbart ist, weist eine Einrichtung auf, um die Spannung am MOS-Transistor (MOST) sowie den Strom durch den MOS-Transistor abzutasten und entsprechende Spannungssignale für die jeweiligen Eingänge einer ersten Steilheitsverstärkerstufe zu liefern, die so aufgebaut ist, um einen Ausgangsstrom abzugeben, der mit dem Produkt der MOST-Spannung und des Stroms in Beziehung steht, d.h. mit der MOST-Verlustleistung. Die erste Verstärkerstufe wird direkt mit einer Gleichspannungsversorgung angesteuert, an der auch der MOS-Transistor liegt. Der Ausgang der ersten Verstärkerstufe ist mit einem Eingang einer zweiten Differentialverstärkerstufe verbunden, deren Ausgang an der Steuerelektrode des MOST liegt. Die zweite Verstärkerstufe besitzt einen zweiten Eingang, der mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist, wobei sie eine Stromspiegelschaltung aufweist, die an einer Ladungspumpstufe liegt. Weiters weist die zweite Verstärkerstufe eine Vorspannungsstufe auf, die mit der externen Quelle einer Vorspannung verbunden ist. Dieser Steuerschaltkreis gemäß dem Stand der Technik ist so aufgebaut, daß die in MOST vernichtete Leistung auf einen sicheren Wert begrenzt wird.

Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen zeigt einen anderen typischen Schaltkreis gemäß dem Stand der Technik, der zum Ansteuern einer Last L verwendet wird, die mit Masse GND verbunden ist. Dieser Schaltkreis weist einen MOS-Leistungstransistor M1, beispielsweise einen n-Kanal Transistor, auf, dessen Senke an einer Gleichspannungsquelle VS liegt und dessen Quelle mit der Last verbunden ist. Wenn die Last L eine induktive Last ist, ist parallel zu ihr eine Freilaufdiode D1 vorgesehen, um bei jedem Sperren des Transistors M1 jene Energie zu vernichten, die während des vorhergegangenen Schritts, bei dem M1 geöffnet war, in der Last selbst gespeichert wurde.

Der Transistor M1 wird als Schalter verwendet und arbeitet daher im Triodenbereich. In diesem Bereich arbeitet der Transistor M1 mit einer niedrigen Spannung VDS, wobei er sich im wesentlichen wie ein spannungsgeregelter Widerstand verhält, dessen Widerstandswert um so kleiner wird, je größer der Wert wird, um den die Steuerelektroden/Quellen-Spannung (VGS) die Größe VDS + VTH überschreitet, wobei VTH die Schleusenspannung des MOS-Transistors ist, d.h. eine Spannung, die so groß ist, daß der Transistor sperrt, wenn VGS kleiner als VTH ist.

Beim Schaltkreis von Fig. 1 ist besonders wichtig, daß VDS klein sein soll, da die der Last L gelieferte Leistung um so größer ist, je kleiner diese Spannung wird.

Die Steuerelektrode des Transistors Ml1wird mit einer bekannten Ladungspumpstufe CP angesteuert. Mit dieser Stufe kann die Kapazität der Steuerelektrode des Transistors M1 auf eine Spannung über der Versorgungsspannung VS geladen werden, obwohl dies mit Strömen von geringer Stärke erfolgt.

Wenn die Quelle von M1 zufällig gegen Masse GND kurzgeschlossen wird, oder wenn der Widerstandswert der Last L sehr klein ist, arbeitet der Transistor M1 nicht mehr im Triodenbereich sondern In einem Bereich, in dem sein Senkenstrom von VGS abhängt und von VDS beinahe unabhängig ist.

Um die vom Leistungstransistor M1 unter diesen Umständen vernichtete Leistung zu begrenzen, damit eine Beschädigung vermieden wird, ist es notwendig, den Senkenstrom dadurch zu begrenzen, daß die Steuerelektrodenspannung herabgesetzt wird.

Die Probleme, die mit der Steuerung des maximalen Stroms in einem Schaltungsaufbau verbunden sind, wie ihn Fig. 1 zeigt, betreffen im wesentlichen die Frequenzkonstanz des gesamten Systems sowie die Genauigkeit der Steuerung.

Fig. 2 und 3 der beiliegenden Zeichnungen zeigen zwei bekannte Lösungen für die Steuerung des maximalen Stroms, der durch den MOS-Leistungstransistor M1 fließen kann.

Die in Fig. 2 gezeigte Lösung verwendet einen Verstärker A, bei dem es sich um einen normalen Operationsverstärker oder einen Steilheits-Operationsverstärker handelt. Der nichtinvertierende Eingang (+) dieses Verstärkers ist mit der Senke von M1 verbunden, während sein invertierender Eingang (-) am negativen Pol eines Bezugsspannungsgenerators VR liegt, dessen positiver Pol mit dem positiven Anschluß der Quellenspannung VS verbunden ist. Weiters besitzt der Verstärker A einen Anspeiseanschluß s, der Mit VS verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers liegt an der Steuerelektrode von M1.

Zwischen der Senke von M1 und der Quellenspannung VS liegt ein Widerstand RS.

Jener Strom, der von der Ladungspumpstufe CP der Steuerelektrode von M1 zugeführt wird, und jener Strom, der durch die Last L fließt, sind mit ICP bzw. IL bezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine andre Lösung gemäß dem Stand der Technik. In Fig. 3 sind Teile und Bauelemente, die bereits oben beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen wie oben versehen.

Bei der Lösung von Fig. 3 liegt der Widerstand RS zwischen der Quelle von M1 und der Last L. Der Bezugsspannungsgenerator VR liegt zwischen der Last und dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Öperationsverstärkers A. Der invertierende Eingang des Verstärkers ist mit der Quelle von M1 verbunden.

Bel beiden im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschriebenen Lösungen ist der maximale Strom, den der MOS-Transistor M1 der Last L liefern kann, gleich:

ILmax = VR/RS

Die Stromsteuerstufen von Fig. 2 und 3 verwenden Operationsverstärker und müssen passend kompensiert werden, um in einem stabilen Betrieb zu arbeiten. Die Kapazität der Steuerelektrode von M1, die in beiden Fällen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A verbunden ist, ist mit der Einführung eines zusätzlichen Pols des Frequenzgangs verknüpft, der zusammen mit dem verwendeten Operationsverstärker, der selbst kompensiert werden muß, das System besonders dann instabil machen kann, wenn der verwendete MOS-Transistor große Abmessungen und damit eine große Kapazität der Steuerelektrode besitzt.

Wenn es sich beim Verstärker A im Schaltbild von Fig. 2 und 3 um einen Steilheitsverstärker handelt, muß er einen sehr hohen Verstärkungsfaktor gm besitzen, um eine genaue Regelung des maximalen Stroms im Transistor M1 zu bewirken, da in der Praxis der von der Ladungspumpe CP kommende Strom niemals ausreichend genau bekannt ist.

Wenn die Kapazität der Steuerelektrode des MOS-Transistors M1 zur Kompensation des Steilheits-Operationsverstärkers verwendet wird, kann es durch den hohen Verstärkungsfaktor gm zu Problemen bei der Frequenzkonstanz kommen, besonders dann, wenn der verwendete MOS-Transistor kleine Abmessungen und damit eine kleine Kapazität der Steuerelektrode besitzt.

Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen Schaltkreis zur Steuerung des maximalen Stroms in einem MOS-Leistungstransistor zu liefern, der zum Ansteuern einer Last verwendet wird, die mit Masse verbunden ist, wobei der Schaltkreis eine genauere Steuerung des Stroms mit einem Steilheitsverstärker mit niedrigem Verstärkungsfaktor ermöglicht, der über eine sehr gute Frequenzkonstanz und über einen einfachen Aufbau verfügt.

Erfindungsgemäß wird dieser Gegenstand mit einem Steuerschaltkreis erreicht, der jene Merkmale besitzt, die im Anspruch 1 festgelegt sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung eines nichteinschränkenden Beispiels und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:

Fig. 1, die bereits beschrieben wurde, einen typischen Schaltkreis gemäß dem Stand der Technik, der einen MOS- Leistungstransistor zur Ansteuerung einer Last aufweist, die mit Masse verbunden ist;

Fig. 2 und 3, die bereits beschrieben wurden, zwei Lösungen gemäß dem Stand der Technik zur Steuerung des maximalen Stroms, der durch einen MOS-Leistungstransistor fließen kann, um eine Last anzusteuern, die mit Masse verbunden ist;

Fig. 4 das Schaltbild einer Steuerstufe gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 und 6 ausführlicher zwei mögliche Ausführungsformen des Schaltkreises von Fig. 4.

Die Steuerstufe von Fig. 4 unterscheidet sich von der oben im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Steuerstufe dadurch, daß der Ausgang der Ladungspumpe CP mit dem Ansteueranschluß s des Operationsverstärkers A statt mit der Steuerelektrode des Leistungstransistors M1 verbunden ist. Im besonderen handelt es sich bei diesem Verstärker um einen Steilheitsverstärker mit einem ziemlich niedrigen Verstärkungsfaktor gm.

Trotz des niedrigen Werts von gm ist die Stromregelung, die mit dem Schaltkreis von Fig. 4 erreicht werden kann, ziemlich genau. Im Schaltkreis von Fig. 4 wird der Strom nicht in Übereinstimmung mit einer Summe von Strömen an der Steuerelektrode von M1 geregelt, wie dies bei den Schaltkreisen von Fig. 2 und 3 der Fall ist, sondern der Ausgang des Verstärkers A lädt oder entlädt selbst die Kapazität der Steuerelektrode von M1.

Bei diesem Aufbau wird die Kapazität der Steuerelektrode des MOS-Leistungstransistors M1 auch dazu verwendet, um den Schaltkreis zu stabilisieren, um den der Last L zugeführten Strom zu steuern. Der niedrige Verstärkungsfaktor gm des Steilheitsverstärkers A bedeutet, daß der Schaltkreis als Ganzes stabil ist, obwohl die Abmessungen des Transistors M1 klein sind.

Im Zusammenhang mit Fig. 5 ist in einer ersten Ausführungsform der Steilheitsverstärker A als Stromspiegelschaltung aufgebaut, wobei er zwei Schaltkreiszweige aufweist, von denen jeder ein entsprechendes Paar von komplementären Transistoren besitzt.

Im besonderen enthält die Stromspiegelschaltung zwei Transistoren Q1 und Q3, die bei der gezeigten Ausführungsform ein bipolarer pnp- bzw. npn-Transistor sind.

Der andere Zweig der Stromspiegelschaltung weist ebenfalls ein Paar von Transistoren Q2 und Q4 auf, die ein pnp- bzw. ein npn-Transistor sind.

Die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 liegen am Ausgang der Ladungspumpe CP, während ihre Basisanschlüsse miteinander verbunden sind und ihre Kollektoren am Kollektor von Q3 bzw Q4 liegen. Die Basisanschlüsse von Q3 und Q4 sind miteinander verbunden, während ihre Emitter an der Quelle von M1 bzw. am positiven Pol des Bezugsspannungsgenerators VR liegen.

Die Basis des Transistors Q2 und Q3 liegt an seinem Emitter, so daß der Transistor im wesentlichen als Diode arbeiten kann.

Die Transistoren Q1-Q4 sind so aufgebaut, daß Q1 und Q2 die gleiche Emitterzone und Q3 und Q4 die gleiche Emitterzone besitzen.

Der Kollektor von Q4 (Q2) bildet den Ausgang des gesamten Steilheitsverstärkers A, wobei er mit der Steuerelektrode von M1 verbunden ist.

Jener Strom, den der Verstärker A der Steuerelektrode von M1 zuführt, ist mit IG bezeichnet.

Im Betrieb kann der MOS-Leistungstransistor M1 die Last L mit einem maximalen Strom anspeisen, wenn IG gleich Null ist, wobei der maximale Strom vom Widerstandswert des Widerstands RS und von der Bezugsspannung VR abhängt:

ILmax = VR/RS

In der Praxis ist der Verstärkungsfaktor des Steilheitsverstärkers A von Fig. 5 der Verstärkungsfaktor gm der Transistoren Q3 und Q4, wobei er niedrig ist, da der Strom ICP sehr klein ist.

Die Kapazität der Steuerelektrode von M1 reicht zur Frequenzkompensation aus, auch wenn die Fläche des Transistors ziemlich klein ist.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des Schaltkreises gemäß der Erfindung, die ähnlich jenem Schaltkreis ist, der oben im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wurde, wobei er sich von diesem, wie man sieht, dadurch unterscheidet, daß der Bezugsspannungsgenerator VR fehlt.

Bei der Ausführungsforrn von Fig. 6 wird die Bezugsspannung nicht von einem außerhalb des Steilheitsverstärkers A liegenden Generator geliefert, sondern im Verstärker erzeugt, da sich die Emitterzone zumindest eines der Transistoren Q2 und 93 von der Emitterzone des jeweiligen Transistors Q1 oder Q4 unterscheidet. Wenn angenommen wird, daß die Emitterzonen von Q2 und Q3 gleich dem m-fachen und n-fachen von Q1 bzw. Q4 sind, wird dadurch eine Bezugsspannung erzeugt:

VR VT ln(mn)

wobei VT die Äquivalenztemperaturspannung und ln der natürliche Logarithmus ist.

Der maximale Strom, den der MOS-Leistungstransistor M1 für die Last L liefern kann, wird damit ausgedrückt durch:

ILmax = VR/RS = [ln(mn)].VT/RS

Die oben angeführte Gleichung gibt an, wie im Schaltkreis von Fig. 6 der Grenzwert des Stroms, der der Last zugeführt werden kann, durch die unterschiedlichen Emitterzonen von einem oder beiden Transistoren Q2 und Q3 festgelegt werden kann, die im wesentlichen als Dioden arbeiten.

Jene Lösungen, die oben im Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 beschrieben wurden, sehen für den Aufbau des Steilheitsverstärkers die Verwendung von bipolaren Transistoren vor. Für Fachleute ist jedoch ersichtlich, daß der Verstärker auch mit CMOS-Transistoren aufgebaut werden kann.

Die obige Beschreibung, die sich auf n-Kanal MOS-Leistungstransistoren bezieht, kann selbstverständlich auch auf einen p-Kanal MOS-Transistor angewandt werden, wenn man die Details entsprechend ändert.

Nunmehr sollen die Hauptvorteile der Steuerstufe gemäß der Erfindung beschrieben werden.

Die gewünschte Frequenzkonstanz kann erreicht werden, ohne daß Kompensationskondensatoren beigefügt werden müssen, da die Kapazität der Steuerelektrode des MOS-Leistungstransistors, der auch klein sein kann (ein MOS-Leistungstransistor mit kleinen Abmessungen), dazu verwendet werden kann, da die Stabilität in jedem Fall durch den niedrigen Wert des Verstärkungsfaktors gm des Steilheitsverstärkers A sichergestellt wird.

Bei einem Steilheitsverstärker mit niedrigem Verstärkungsfaktor kann man auch eine sehr genaue Steuerung jenes Stroms erreichen, der der Last zugeführt wird, da der Ausgang des Steilheitsverstärkers die Steuerelektrodenspannung des Transistors M1 direkt regelt, wie dies bei den Schaltkreisen gemäß dem Stand der Technik nicht der Fall ist, bei denen die Steuerelektrode mit einem Strom geladen wird, der durch die Summe des von der Ladungspumpe kommenden Stroms (dessen Wert in der Praxis nicht genau bestimmt werden kann) und des vom Steilheitsverstärker kommenden Stroms gekennzeichnet wird. Die Stromsteuerstufe gemäß der Erfindung ist daher sehr einfach aufgebaut, wobei man für den Aufbau des Steilheitsverstärkers nur wenige Bauelemente benötigt. Das bedeutet, daß der Schaltkreis leicht in monolithischen integrierten Schaltkreisen verwendet werden kann.

DIE Verwendung eines Steilheitsverstärkers beeinflußt RDSon des MOS-Leistungstransistors nicht nachteilig, wenn keine Strombegrenzung erfolgt. Im Betrieb nimmt der Steilheitsverstärker fast keinen Strom der Ladungspumpe CP auf, wodurch die Steuerelektrodenspannung von M1 jenen Wert erreichen kann, den sie erreichen würde, wenn der Schaltkreis für die Steuerung des maximalen Stroms fehlen würde, der der Last zugeführt wird, wobei RDSon gleich groß ist, wie es der Fall wäre, wenn die Steuerelektrode von M1 ohne den Verstärker A direkt an der Ladungspumpe CP liegen würde.

Selbstverständlich bleibt das Prinzip der Erfindung gleich, wobei Arten der Ausführungsform und Details im Aufbau gegen- über dem beschriebenen und gezeigten nichteinschränkenden Beispiel weit verändert werden können, ohne vom Bereich dieser Erfindung abzuweichen, die in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt ist.


Anspruch[de]

1. Schaltkreis zur Steuerung der Arbeitsweise eines MOS- Leistungstransistors (M1), der zum Ansteuern einer Last (L) verwendet wird, die mit Masse (GND) verbunden ist, wobei der Schaltkreis aufweist:

eine Gleichspannungsquelle (VS), mit der die Senke des MOS-Transistors (M1) verbunden ist,

einen Widerstand (RS), der mit der Senken/Quellen-Strecke des MOS-Transistors (M1) in Serie liegt,

eine Ladungspumpstufe (CP), um die Kapazität der Steuerelektrode des MOS-Transistors (M1) auf eine Spannung laden zu können, die über der Quellenspannung (VS) liegt, und

einen Steilheitsverstärker (A), dessen Ausgang mit der Steuerelektrode des MOS-Transistors (M1) verbunden ist, dessen Ansteueranschluß (Ansteueranschlüsse) am Ausgang der Ladungspumpstufe (CF) liegt (liegen) und dessen Eingänge (+, -) mit dem Widerstand (RS) verbunden sind;

dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (RS) zwischen der Quelle des MOS-Transistors (M1) ünd der Last (L) liegt; der Steilheitsverstärker einen einstufigen Steilheits-Operationsverstärker (A) mit einem ersten Eingang, der mit der Quelle des MOS-Transistors (M1) verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang enthält, der mit der Last (L) verbunden ist; der einstufige Steilheits-Operationsverstärker (A) so aufgebaut ist, daß er den maximalen Strom (ILMAX) im MOS-Transistor (M1) auf einen Wert begrenzt, der proportional einer vorgegebenen Bezugsspannung (VR) ist.

2. Steuerschaltkreis gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Bezugsspannungsgenerator (VR) aufweist, der außerhalb des Steilheits-Operationsverstärkers (A) angeordnet ist und zwischen einem Anschluß des Widerstands (RS) und einem Eingang (+) des Verstärkers (A) liegt.

3. Steuerschaltkreis gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steilheits-Operationsverstärker (A) eine Stromspiegelschaltung (Fig. 5) aufweist, die enthält:

einen ersten Schaltkreiszweig, der zwischen dem Ausgang der Ladungspumpstufe (CP) und einem Anschluß des Widerstands (RS) liegt und zwei komplementäre Transistoren (Q1, Q3) aufweist, und

einen zweiten Schaltkreiszweig, der zwischen dem Ausgang der Ladungspumpstufe (CP) und dem Bezugsspannungsgenerator (VR) liegt und gleichfalls zwei komplementäre Transistoren (Q2, Q4) aufweist.

4. Steuerschaltkreis gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steilheits-Operationsverstärker (A) eine Stromspiegelschaltung (Fig. 6) aufweist, die enthält:

einen ersten und zweiten Schaltkreiszweig (Q1, Q3; Q2, Q4), die zwischen dem Ausgang der Ladungspumpstufe (CP) und entsprechenden Anschlüssen des Widerstands (RS) liegen, wobei jeder Schaltkreiszweig zwei komplementäre Transistoren (Q1, Q3; Q2, Q4) aufweist, von denen einer (Q3; Q2) mit seiner Basis (Steuerelektrode) an seinem Kollektor (Senke) liegt, so daß er im wesentlichen als Diode arbeiten kann,

zumindest einer der Transistoren (Q3; Q2), der als Diode arbeiten kann, eine Emitter-(Quellen)-Zone besitzt, die größer als die der anderen Transistoren (Q1; Q4) der Stromspiegelschaltung ist.







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