DE10146168C2 - Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter - Google Patents
Ansteuerschaltung für einen High-Side-SchalterInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für
einen High-Side-Schalter.
Der Begriff High-Side-Schalter bezeichnet ein Schaltelement,
das zwischen ein positives Versorgungspotential und eine Last
geschaltet ist, um die Last durch leitendes oder sperrendes
Ansteuern des High-Side-Schalters an das Versorgungspotential
anzulegen. High-Side-Schalter finden beispielsweise in Brü
ckenschaltungen Anwendung, bei denen zwei Schalter (High-
Side-Schalter und Low-Side-Schalter) in Reihe zwischen Klem
men für Versorgungspotential und Bezugspotential geschaltet
und die Last an einen den beiden Schaltern gemeinsamen Knoten
angeschlossen ist.
High-Side-Schalter, sind üblicherweise als n-Kanal-MOSFET
ausgebildet, die gegenüber p-Kanal-MOSFET günstigere elektri
sche Eigenschaften aufweisen. Die Drain-Source-Strecke des
MOSFET ist zwischen das positive Versorgungspotential und die
Last geschaltet und der MOSFET leitet, wenn eine positive
Spannung zwischen dessen Gate- und Source-Anschluss anliegt.
Um einen derartigen High-Side-Schalter leitend anzusteuern
und um sicherzustellen, dass der Transistor auch dann voll
ständig leitet, wenn annäherungsweise die gesamte Versor
gungsspannung über der Last anliegt und der Source-Anschluss
annäherungsweise auf dem positiven Versorgungspotential
liegt, ist es erforderlich, an dessen Gate-Anschluss ein An
steuerpotential anzulegen, das größer als das positive An
steuerpotential ist. Bei Versorgungsspannungen/Versorgungs
potentialen von einigen hundert Volt, die zur Ansteuerung von
Lampen, Motoren oder dergleichen üblich sind, sind besondere
Anforderungen an eine Ansteuerschaltung, die Ansteuerpotenti
ale in diesen Größenordnungen liefert, zu stellen.
Ansteuersignale, nach deren Maßgabe der High-Side-Schalter
leitet oder sperrt werden üblicherweise durch eine Logik
schaltung bereitgestellt, die Ausgangsspannungen zwischen 1 V
und 5 V bezogen auf ein Bezugspotential der Schaltung, norma
lerweise Massepotential, bereitstellt. Ansteuersignale mit
diesen Pegeln können direkt oder über einfache Pegelwandler
zur Ansteuerung von als Low-Side-Schaltern eingesetzten Tran
sistoren in der Schaltung dienen, sind für die Ansteuerung
des High-Side-Schalters aber nicht geeignet. Um Ansteuersig
nale mit diesen auf Bezugspotential bezogenen Logikpegeln in
ausreichend hohe Ansteuerpotentiale für den High-Side-
Schalter umzusetzen, ist es bekannt, diese Ansteuersignale
galvanisch entkoppelt, beispielsweise über einen Optokoppler
oder über einen Übertrager, einer Schaltung, zum Beispiel ei
ner Ladungspumpe, zuzuführen, die erhöhte Ansteuerpotentiale
bereitgestellt. Allerdings sind derartige Übertrager und Op
tokoppler nicht monolithisch integrierbar, wodurch eine der
artige Ansteuerschaltung platzaufwendig und vergleichsweise
teuer in der Realisierung ist.
Bei bislang bekannten monolithisch integrierten Ansteuer
schaltungen sind ein hochspannungsfester MOS-Transistor, der
dazu ausgelegt ist, das erhöhte Ansteuerpotential an das Gate
des High-Side-Schalters zu schalten, eine Treiberschaltung
und eine Auswerteschaltung in einem Chip integriert, wobei
diese einzelnen Komponenten dielektrisch voneinander isoliert
sind. Diese dielektrischen Isolationen, die eine Spannungs
festigkeit bis zu einigen hundert Volt aufweisen müssen, sind
mittels Standardprozessen zur Realisierung hochspannungsfes
ter Transistoren mit einer Ansteuerschaltung On-Chip nicht
realisierbar, so dass auf aufwendigere und daher kosteninten
sivere Prozesse zurückgegriffen werden muss.
Die DE 197 28 283 A1 beschreibt eine Ansteuerschaltung für
einen High-Side-Schalter, die einen Anschluss zum Anlegen ei
nes Eingangssignals und einen Ausgangsanschluss zum Bereit
stellen eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssig
nals für die Ansteuerung des High-Side-Schalters aufweist.
Das Ansteuersignal ist dem Ausgangsanschluss zum Einen über
eine Ladungspumpenschaltung zugeführt. Zum Anderen steuert
das Ansteuersignal einen MOSFET an, dessen Laststrecke über
einen Widerstand an ein Substrat der Schaltung angeschlossen
ist, wobei das Substrat den Kollektoranschluss eines Bipo
lartransistors bildet, dessen Emitteranschluss an den Ansteu
eranschluss des High-Side-Schalters angeschlossen ist. Der
Basisanschluss des Bipolartransistors ist dabei über einen
Widerstand an den Source-Anschluss des High-Side-Schalters
angeschlossen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter zur Verfügung
zu stellen, die mit herkömmlichen Halbleiterprozessen einfach
und günstig monolithisch integriert herstellbar ist
und bei der insbesondere keine dielektrischen Isolationen auf
dem Chip vorzusehen sind.
Dieses Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung gemäß den Merk
malen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße monolithisch in einem Halbleiterkörper
integrierte Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter,
weist einen Eingangsanschluss zum Anlegen eines Eingangssig
nals, nach dessen Maßgabe der High-Side-Schalter leiten oder
sperren soll, und einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen
eines von dem Eingangssignal abhängigen Ansteuersignals für
den High-Side-Schalter auf. In der Ansteuerschaltung sind ein
Ansteuertransistor und eine Treiberschaltung vorgesehen.
Der Ansteuertransistor weist einen Steueranschluss, der an
die Eingangsklemme gekoppelt ist, einen ersten Laststrecken
anschluss, der durch das Substrat des Halbleiterkörpers ge
bildet ist, und einen zweiten Laststreckenanschluss auf. Der
Ansteuertransistor ist dabei insbesondere als vertikaler
hochspannungsfester MOSFET ausgebildet, dessen Drain-
Anschluss, der den ersten Laststreckenanschluss bildet, durch
die Rückseite bzw. das Substrat des Halbleiterkörpers gebil
det ist. Die Treiberschaltung besitzt Versorgungsanschlüsse
zum Anlegen einer Versorgungsspannung, einen Ausgang, an dem
das Ansteuersignal anliegt, und einen Eingang, der an den
ersten Laststreckenanschluss des Ansteuertransistors ange
schlossen ist und der somit durch das Substrat des Halblei
terkörpers gebildet ist. Dieser Eingang ist über einen Span
nungsbegrenzer an den ersten Versorgungsanschluss angeschlos
sen. Die Treiberschaltung wertet das durch den Schaltzustand
des Ansteuertransistors am Eingang anliegende Potential aus
und steuert abhängig von diesem Potential den High-Side-
Schalter leitend oder sperrend an. Der zweite Versorgungsan
schluss der Treiberschaltung ist an eine Klemme für ein al
ternierendes Potential angeschlossen. Diese Klemme ist bei
einer Brückenschaltung mit einem High-Side-Schalter und einem
Low-Side-Schalter insbesondere ein den beiden Schaltern ge
meinsamer Knoten, das heißt der Source-Anschluss des High-
Side-Schalters. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das
Potential an dem ersten Versorgungsanschluss der Treiber
schaltung unabhängig von dem tatsächlichen Potentialwert an
dem Source-Anschluss des High-Side-Schalters stets um den
Wert der Versorgungsspannung über dem Sourcepotential des
High-Side-Schalters liegt, um den High-Side-Schalter bei Be
darf leitend ansteuern zu können.
Die maximale Spannung, die zwischen dem ersten Versorgungsan
schluss und Bezugspotential anliegen kann, entspricht bei
leitendem High-Side-Schalter und sperrendem Low-Side-Schalter
etwa der Summe aus dem Versorgungspotential am Laststrecken
anschluss des High-Side-Schalters und der Versorgungsspannung
über der Treiberschaltung. Diese Spannung liegt in der An
steuerschaltung über der Reihenschaltung aus dem Spannungs
begrenzer in der Treiberschaltung und dem Ansteuertransistor
an. Der Spannungsbegrenzer ist derart ausgebildet, dass die
Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Versorgungsanschluss
und dem Eingang der Treiberschaltung nicht größer als ein
vorgegebener Wert werden kann, so dass bei maximaler Spannung
zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und Bezugspotential
der Großteil der Spannung von dem für hohe Spannungen ausge
legten Ansteuertransistor übernommen wird. Die übrigen in der
Treiberschaltung vorhandenen Schaltungskomponenten werden
durch die Versorgungsspannung versorgt, die zwischen den Ver
sorgungsanschlüssen anliegt und die üblicherweise Werte zwi
schen 5 V und 15 V beträgt.
Durch die beschriebenen Schaltungsmaßnahmen ist die maximale
Spannung, die an den in der Treiberschaltung vorhandenen Kom
ponenten - insbesondere Dioden und Transistoren - anliegt,
auf Niederspannungswerte begrenzt, so dass diese nicht hoch
spannungsfest sein müssen und als laterale Bauelemente in
demselben Halbleiterkörper, in dem der Ansteuertransistor
ausgebildet ist, realisiert sein können. Eine hochspannungs
feste dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor
und den Komponenten der Treiberschaltung ist bei der erfin
dungsgemäßen Ansteuerschaltung nicht erforderlich.
Der Spannungsbegrenzer ist insbesondere als selbstsperrender
MOS-Transistor ausgebildet, dessen Drain-Source-Strecke zwi
schen den ersten Versorgungsanschluss und den Eingang der
Treiberschaltung geschaltet und dessen Gate-Anschluss an den
ersten Versorgungsanschluss angeschlossen ist. Sinkt das Po
tential an dem Eingang der Treiberschaltung bei leitendem An
steuertransistor ab, so wird dieser Transistor leitend. Der
Sättigungsstrom dieses Transistors ist dabei so gewählt, dass
er größer als der Sättigungsstrom des Ansteuertransistors
ist, so dass die Spannung über der Drain-Source-Strecke die
ses Transistors einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten
kann.
Darüber hinaus ist der Eingang der Treiberschaltung vorzugs
weise zusätzlich über einen Widerstand oder eine Stromquelle,
insbesondere einen selbstleitenden Transistor an den ersten
Versorgungsanschluss angeschlossen. Dieser Widerstand oder
diese Stromquelle sorgt dafür, dass das Potential an der Ein
gangsklemme bei sperrendem Ansteuertransistor dem Potential
an dem ersten Versorgungsanschluss folgt.
Das Potential an der Eingangsklemme der Treiberschaltung
nimmt abhängig von dem Schaltzustand des Ansteuertransistors
damit Werte an, die in etwa zwischen dem Potential an dem er
sten Versorgungsanschluss und dem Potential an dem ersten
Versorgungsanschluss abzüglich der Begrenzungsspannung des
Spannungsbegrenzers liegen. Vorzugsweise wertet eine an die
Eingangsklemmen angeschlossene Vergleicherschaltung dieses
Potential aus, indem sie die zwischen der Eingangsklemme und
dem ersten Versorgungsanschluss anliegende Spannung mit einer
auf den ersten Versorgungsanschluss bezogenen Spannung ver
gleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis den High-
Side-Schalter ansteuert.
Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters sind bei einer Aus
führungsform ein erster und ein zweiter Schalter vorgesehen,
die komplementär angesteuert sind. Der erste Schalter ist
zwischen den Ausgang des Treibers und den ersten Versorgungs
anschluss geschaltet, um den Steueranschluss des High-Side-
Schalters bei Bedarf an das erhöhte Ansteuerpotential an die
sem ersten Versorgungsanschluss anzulegen und den High-Side-
Schalter dadurch leitend anzusteuern. Der zweite Schalter ist
zwischen den Ausgang des Treibers und den zweiten Versor
gungsanschluss, der gegenüber dem ersten Versorgungsanschluss
auf einem niedrigeren Potential liegt, um den High-Side-
Schalter bei Bedarf zu sperren, geschaltet. Die maximal zwi
schen den beiden Schaltern anliegende Spannung entspricht da
bei der im Vergleich zu der Versorgungsspannungen für die
Last niedrigen Versorgungsspannung der Treiberschaltung.
Die Ansteuerschaltung, die monolithisch integriert realisiert
ist, ist vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem
High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter untergebracht,
die jeweils in einem eigenen Chip integriert sind.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei
spielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren
zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuer
schaltung mit einem Ansteuertransistor und einer
Treiberschaltung zur Ansteuerung eines High-Side-
Schalters,
Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuer
schaltung, bei dem ein Ausführungsbeispiel der
Treiberschaltung als Blockschaltbild im Detail dar
gestellt ist,
Fig. 3 eine Ansteuerschaltung mit einem Ansteuertransistor
und einer Treiberschaltung, wobei ein Ausführungs
beispiel der Treiberschaltung auf Transistorebene
im Detail dargestellt ist,
Fig. 4 Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß ei
ner Ausführungsform, in dem der Ansteuertransistor
und die Treiberschaltung integriert sind.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben
gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeu
tung.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungs
gemäßen monolithisch integrierten Ansteuerschaltung AS zur
Ansteuerung eines High-Side-Schalters. Die Ansteuerschaltung
AS weist einen Eingangsanschluss IN zum Anlegen eines Ein
gangssignals IS und einen Ausgangsanschluss OUT, an dem ein
von dem Eingangssignal IS abhängiges Ausgangssignal OS an
liegt, auf.
In der Ansteuerschaltung AS ist ein Ansteuertransistor TA
vorhanden, der in dem Beispiel als selbstsperrender n-Kanal-
MOSFET ausgebildet ist und der einen Gate-Anschluss G als
Steueranschluss, einen Drain-Anschluss D als ersten Laststre
ckenanschluss und einen Source-Anschluss S als zweiten Last
streckenanschluss aufweist.
Neben dem Ansteuertransistor TA weist die Ansteuerschaltung
AS eine Treiberschaltung 10 mit einem ersten und zweiten Ver
sorgungsanschluss 12, 14 zum Anlegen einer Versorgungsspan
nung VD, einem Eingang 16 und einem Ausgang 18 auf, wobei der
Ausgang 18 an den Ausgangsanschluss OUT der Ansteuerschaltung
AS angeschlossen ist. Der Drain-Anschluss D des Ansteuertran
sistors TA ist durch das Substrat des Halbleiterkörpers IC1,
in dem die Treiberschaltung 10 und der Ansteuertransistor TA
integriert sind, gebildet. Dieses Substrat bildet auch den
Eingang 16 der Treiberschaltung 10, wobei das Substrat zur
Veranschaulichung in Fig. 1 fett dargestellt ist. Der Gate-
Anschluss G des Ansteuertransistors TA ist an den Eingangsan
schluss IN der Ansteuerschaltung AS angeschlossen und der
Source-Anschluss S des Ansteuertransistors TA ist an eine
Klemme für Bezugspotential GND angeschlossen.
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Ansteuer
schaltung AS ist diese in Fig. 1 zusammen mit einem High-
Side-Schalter TH dargestellt, der in dem Ausführungsbeispiel
Teil einer Halbbrückenschaltung ist, die durch die Reihen
schaltung des High-Side-Schalters TH und eines Low-Side-
Schalters TL gebildet und die zwischen eine Klemme für Ver
sorgungspotential V+ und eine Klemme für Bezugspotential GND
geschaltet ist. Die beiden Schalter TH, TL sind jeweils als
n-Kanal-MOSFET ausgebildet und dienen zum Ansteuern einer
nicht näher dargestellten Last, die an einen den beiden Tran
sistoren TH, TL gemeinsamen Knoten anschließbar ist. Der
High-Side-Schalter TH ist dabei zwischen das positive Versor
gungspotential V+ und den Lastausgang und der Low-Side-
Schalter ist zwischen den Lastausgang und das Bezugspotential
GND geschaltet. Die beiden Transistoren TH, TL sind vorzugs
weise Leistungstransistoren, die in der Lage sind, Versor
gungsspannungen von mehreren hundert Volt zu schalten.
Die leitende Ansteuerung des Low-Side-Schalters erfolgt durch
Anlegen einer Spannung zwischen dessen Gate- und Source-
Anschluss, die ausreichend hoch ist, um den Transistor lei
tend zu machen. Übliche Werte für diese Spannung liegen bei
Leistungstransistoren zwischen 5 V und 15 V, wobei diese auf
Bezugspotential GND bezogene Ansteuerspannung dem Low-Side-
Schalter durch eine herkömmliche Logikschaltung mit einer auf
Bezugspotential GND bezogenen Versorgungsspannung bereitge
stellt werden kann.
Im Gegensatz dazu sind zur leitenden Ansteuerung des High-
Side-Schalters am Ausgang OUT der Ansteuerschaltung Potentia
le erforderlich, die um den Wert der Einsatzspannung des
High-Side-Schalters TH über dem Wert der Versorgungsspannung
V+ liegen. Sperrt nämlich der Low-Side-Schalter TL, so liegt
der Source-Anschluss S des High-Side-Schalters TH annähe
rungsweise auf Versorgungspotential V+, das Gate G des High-
Side-Schalters TH muss dann um den Wert der Einsatzspannung
über diesem Ansteuerpotential V+ liegen, um den High-Side-
Schalter leitend anzusteuern. Aufgabe der Ansteuerschaltung
AS ist es, dieses zur leitenden Ansteuerung des High-Side-
Schalters erforderliche Potential zur Verfügung zu stellen.
Der zweite Versorgungsanschluss 14 der Treiberschaltung 10
ist an den Source-Anschluss S des High-Side-Schalters TH an
geschlossen. Durch die zwischen den Versorgungsanschlüssen
12, 14 anliegende Versorgungsspannung VD ist dadurch sicher
gestellt, dass das Potential an dem ersten Versorgungsan
schluss 12 der Treiberschaltung 10 stets um den Wert der Ver
sorgungsspannung VD über dem Potential an dem Source-
Anschluss S des High-Side-Schalters TH liegt. Die Versor
gungsspannung VD ist dabei größer als die Ansteuerspannung,
bei der der High-Side-Schalters vollständig leitet, gewählt,
wobei der Ausgangsanschluss OUT in der Treiberschaltung 10
wenigstens annäherungsweise auf das Potential an den ersten
Versorgungsanschluss 12 gelegt wird, um den High-Side-
Schalter TH leitend anzusteuern.
Die insbesondere als Leistungstransistoren ausgebildeten
Schalter TH, TL sind vorzugsweise jeweils in einem Halblei
terkörper IC2, IC3 integriert, wobei ein Halbleiterkörper
IC1, in dem die Ansteuerschaltung AS integriert ist und die
Halbleiterkörper IC2, IC3 der Schalter TH, TL in einem ge
meinsamen Gehäuse untergebracht werden können, um eine beson
ders platzsparend realisierte Halbbrückenschaltung mit An
steuerschaltung zur Verfügung stellen zu können.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanord
nung, wobei ein Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung 10
als Blockschaltbild im Detail dargestellt ist. Die Eingangs
klemme 16 der Treiberschaltung 10, d. h. der Drain-Anschluss D
des Ansteuertransistors TA ist in dem Ausführungsbeispiel ü
ber einen als Spannungsbegrenzer dienenden n-leitenden MOS-
Transistor T2 an den ersten Versorgungsanschluss 12 ange
schlossen. Dabei sind der Gate- und der Drain-Anschluss G, D
dieses Transistors T2 an den zweiten Versorgungsanschluss 12
angeschlossen und dessen Source-Anschluss S ist an den Ein
gang 16 angeschlossen bzw. ist mit dem Substrat des Halblei
terkörpers kurzgeschlossen, in dem der Ansteuertransistor TA
und die Treiberschaltung 10 realisiert sind. Des weiteren ist
der Eingang 16 über einen selbstleitenden Transistor T1 an
den ersten Versorgungsanschluss 12 angeschlossen, wobei der
Gate- und der Source-Anschluss des Transistors T1 an den Ein
gang 16, bzw. an das Substrat des Halbleiterkörpers ange
schlossen sind und wobei der Drain-Anschluss D dieses Tran
sistors T1 an den Versorgungsanschluss 12 angeschlossen ist.
Die beiden Transistoren T1, T2 dienen zur Einstellung des Po
tentials an dem Eingangsanschluss 16, bzw. dem Substrat des
Halbleiterkörpers abhängig von der Schaltstellung des Ansteu
ertransistors TA. Sperrt der Transistor TA, so sorgt der dann
leitende Transistor T1 dafür, dass das Potential an dem Ein
gang 16 in etwa dem Potential an dem ersten Versorgungsan
schluss 12 entspricht. Das Potential an dem Versorgungsan
schluss 12 ist abhängig von der Schaltstellung des Low-Side-
Transistors TL und der Versorgungsspannung VD der Treiber
schaltung 10. Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung VD
ist in dem Ausführungsbeispiel eine Bootstrap-Schaltung mit
einer Diode D1 und einem Kondensator C1 vorgesehen, wobei der
Kondensator C1 zwischen die Versorgungsanschlüsse 12, 16 der
Treiberschaltung 10 geschaltet und über die Diode D1 an ein
Versorgungspotential V angeschlossen ist. Das Versorgungspo
tential V kann in etwa um den Wert der geforderten Versor
gungsspannung VD über dem Bezugspotential GND liegen. Der
Kondensator C1 wird dabei aufgeladen, wenn der Low-Side-
Schalter TL leitet und der an den zweiten Versorgungsan
schluss 16 angeschlossene Anschluss des Kondensators C1 damit
annäherungsweise auf Bezugspotential GND liegt. Sperrt der
Low-Side-Schalter TL anschließend und steigt damit das Poten
tial an dessen Drain-Anschluss D bzw. das Potential an dem
zweiten Versorgungsanschluss 14 an, so verhindert die Diode
Dl ein Entladen des Kondensators C1, wodurch das Potential an
dem ersten Versorgungsanschluss 12 stets um den Wert der zu
vor an dem Kondensator C1 angelegten Spannung VD über den
Wert des Potentials an dem zweiten Versorgungsanschluss 14
liegt. Die Kapazität des Kondensators C1 ist dabei derart be
messen, dass sie zur Versorgung der Komponenten der Treiber
schaltung 10 während eines Ansteuerzyklus des High-Side-
Schalters TH ausreichend ist.
Wie bereits erwähnt kann das Potential an dem zweiten Versor
gungsanschluss 14 bei sperrendem Low-Side-Schalter TL in etwa
auf den Wert des Versorgungspotentials V+ ansteigen und dabei
mehrere hundert Volt betragen. Das Potential an dem ersten
Versorgungsanschluss 12 liegt dann um den Wert der Versor
gungsspannung VD über dem Wert des Versorgungspotentials V+
und somit ebenfalls auf einem Wert von mehreren hundert Volt.
Aufgrund des selbstleitenden Transistors T1, der auch durch
einen Widerstand oder eine Diode ersetzt werden kann, liegt
das Potential am Eingang 16 der Treiberschaltung 10 bei sper
rendem Ansteuertransistor TA annäherungsweise auf dem Wert
des Potentials an dem ersten Versorgungsanschluss 12. Die
daraus resultierende Spannung von mehreren hundert Volt zwi
schen dem Eingangsanschluss 12 und Bezugspotential GND wird
von dem Ansteuertransistor TA übernommen, der vorzugsweise
als vertikaler Leistungstransistor mit einer Spannungsfestig
keit von mehreren hundert Volt ausgebildet ist. Bei sperren
den Ansteuertransistor TA sperrt der als Spannungsbegrenzer
dienende zweite Transistor T2, dessen Gate-Potential dann an
näherungsweise dem Source-Potential entspricht.
Wird der Ansteuertransistor TA leitend, so beginnt das Poten
tial an dessen Drain-Anschluss D abzusinken, wodurch auch das
Source-Potential des Transistors T2 absinkt und dieser Tran
sistor leitend wird. Der Spannungsabfall über der Drain-
Source-Strecke D-S des Transistors T2 steigt dann an. Der An
steuertransistor TA und der Transistor T2 sind dabei so auf
einander abgestimmt, dass der Sättigungsstrom des Transistors
T2 größer ist als der Sättigungsstrom des Ansteuertransistors
TA, wodurch die über der Drain-Source-Strecke D-S des Tran
sistors T2 abfallende maximale Spannung begrenzt ist, so dass
auch bei leitendem Ansteuertransistor TA und einem Ansteuer
potential von mehreren hundert Volt an dem ersten Versor
gungsanschluss 12 der Großteil der zwischen dem Versorgungs
anschluss 12 und Bezugspotential GND anliegenden Spannung ü
ber den Ansteuertransistor TA abfällt.
Die beiden Transistoren T1, T2 müssen daher nicht als hoch
spannungsfeste Transistoren ausgebildet sein und können ins
besondere als laterale Transistoren in demselben Halbleiter
körper, in dem auch der Ansteuertransistor TA realisiert ist,
realisiert sein. Es ist insbesondere keine hochspannungsfeste
dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor TA
und den Transistoren T1, T2 erforderlich. Gleiches gilt auch
für die übrigen Komponenten der Treiberschaltung 10, die aus
der zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 12 und dem zwei
ten Versorgungsanschluss 14 anliegenden Versorgungsspannung
VD versorgt werden, wobei diese Versorgungsspannung VD die
maximale an diesen Komponenten anliegende Spannung darstellt,
so dass diese ebenfalls nicht hochspannungsfest sein müssen.
Der spannungsbegrenzende Transistor T2 kann bei einer nicht
näher dargestellten Ausführungsform auch durch eine Diode er
setzt sein, die an den ersten oder den zweiten Versorgungsan
schluss 12, 14 angeschlossen ist. Weiterhin kann der Transis
tor T1 durch einen Widerstand ersetzt sein.
Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters TH weist die Treiber
schaltung 10 eine Reihenschaltung eines ersten und zweiten
Schalters S1, S2 zwischen dem ersten und zweiten Versorgungs
anschluss 12, 14 auf, wobei der Ausgangsanschluss 18 der
Treiberschaltung 10 an einen den beiden Schaltern S1, S2 ge
meinsamen Knoten angeschlossen ist. Die beiden Schalter S1,
S2 sind komplementär angesteuert, d. h. nur jeweils einer der
beiden Schalter S1, S2 kann leiten. Zur leitenden Ansteuerung
des High-Side-Schalters wird der Schalter S1 geschlossen, um
das Gate G des High-Side-Schalters TH an das an dem ersten
Versorgungsanschluss 12 anliegende erhöhte Ansteuerpotential
anzulegen. Dieses erhöhte Ansteuerpotential liegt nur dann am
Ausgang 18, wenn der Low-Side-Schalter TL sperrt, wodurch si
chergestellt ist, dass der High-Side-Schalter TH und der Low-
Side-Schalter TL nicht gleichzeitig leiten können. Um den
High-Side-Schalter zu sperren wird dessen Gate-Anschluss G
über den Schalter S2 mit dessen Source-Anschluss S kurzge
schlossen.
Die Schalter S1, S2 werden abhängig von einem von einer
Vergleicheranordnung K1 bereitgestellten Vergleichssignal VS
angesteuert. Die Vergleicheranordnung ist in dem Ausführungs
beispiel als Komparator K1 ausgebildet, dessen Plus-Eingang
an den Eingang 16 der Treiberschaltung bzw. den Drain-
Anschluss D des Ansteuertransistors TA angeschlossen ist.
Zwischen den Minus-Eingang des Komparators K1 und den ersten
Versorgungsanschluss 12 ist eine Referenzspannungsquelle Vref
geschaltet. Der Komparator K1 vergleicht das Potential an dem
Eingangsanschluss 16 bzw. die Spannung zwischen diesem Ein
gangsanschluss 16 und dem ersten Versorgungsanschluss 12 mit
der durch die Referenzspannungsquelle Vref bereitgestellten
Referenzspannung. Sperrt der Ansteuertransistor TA, weil sich
das Eingangssignal IS auf einem Low-Pegel befindet, so liegt
das Potential an dem Plus-Eingang des Komparators K1 annähe
rungsweise auf dem Wert des Potentials an dem ersten Versor
gungsanschluss 12, während das Potential an dem Minus-Eingang
um den Wert der Referenzspannung Vref unterhalb dieses Poten
tials liegt. Am Ausgang des Komparators K1 liegt damit ein
Signal mit einem High-Pegel an, das den zweiten Schalter S2
leitend ansteuert, um den High-Side-Schalter TH zu sperren.
Das Vergleichssignal VS wird über einen Inverter INV dem ers
ten Schalter S1 zugeführt. Vorzugsweise ist eine nicht näher
dargestellte Verzögerungsschaltung vorhanden, die bei einem
Wechsel des Pegels des Vergleichssignals VS dafür sorgt, dass
der zuvor sperrende Schalter nicht sofort mit dem Pegelwech
sel sondern erst verzögert leitend wird, während der zuvor
leitende Schalter sofort gesperrt wird. Auf diese Weise wird
sichergestellt, dass die beiden Schalter S1, S2 niemals
gleichzeitig leitend sind und den Kondensator C1 kurzschlie
ßen.
Leitet der Ansteuertransistor TA bei einem hohen Pegel des
Ansteuersignals IS, so sinkt das Potential an dem Eingangsan
schluss 16 ab, wobei das Absinken dieses Potentials gegenüber
dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 durch den
Transistor T2 begrenzt ist. Der spannungsbegrenzende Transis
tor T2 ist dabei so eingestellt, dass bei leitendem Ansteuer
transistor TA das Potential an dem Eingangsanschluss 16 um
einen Spannungswert, der größer ist als die Referenzspannung
Vref, unter den Wert an dem ersten Versorgungsanschluss 12
absinkt. Dadurch nimmt das Vergleichssignal VS am Ausgang des
Komparators K1 einen Low-Pegel an, wodurch der zweite Schal
ter S2 gesperrt und der erste Schalter S1 über den Inverter
INV leitend angesteuert wird.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung 10
auf Transistorebene. Die beiden Schalter S1, S2 sind dabei
als n-leitende selbstsperrende MOS-Transistoren ausgebildet,
deren Drain-Source-Strecken in Reihe zwischen den ersten und
zweiten Versorgungsanschluss 12, 14 geschaltet sind, wobei
der Ausgang 18 der Treiberschaltung 10 durch den Source-
Anschluss des Transistors S1 bzw. den Drain-Anschluss des
Transistors S2 gebildet ist. Als Referenzspannungsquelle
dient bei der Treiberschaltung gemäß Fig. 3 eine Reihen
schaltung eines selbstsperrenden n-leitenden MOS-Transistors
N4 und eines selbstleitenden n-leitenden MOS-Transistors N5,
zwischen dem ersten und zweiten Versorgungsanschluss 12, 14,
wobei an einem den beiden Transistoren N4, N5 gemeinsamen
Knoten eine auf das Potential an dem ersten Versorgungsan
schluss 12 bezogene Referenzspannung VR abgreifbar ist.
Die Ansteuerschaltung gemäß Fig. 3 weist zwei Vergleicher
schaltungen auf, von denen eine zur Ansteuerung des ersten
Schalters S1 und die andere zur Ansteuerung des zweiten
Schalters S2 dient. Beide Vergleicherschaltungen weisen je
weils eine Reihenschaltung eines selbstsperrenden p-leitenden
Transistors P1, P2 und eines als Last dienenden selbstleiten
den n-leitenden MOS-Transistors N1, N2 zwischen der Eingangs
klemme 16 und dem zweiten Versorgungsanschluss 14 auf. Die
Gate-Anschlüsse G der p-leitenden Transistoren P1, P2 sind
dabei an den den beiden Transistoren N4, N5 gemeinsamen Kno
ten der Referenzspannungsquelle Vref angeschlossen. Der Gate-
Anschluss des zweiten Schalters S2 ist an den Drain-Anschluss
D des ersten p-leitenden Transistors P1 angeschlossen und der
Gate-Anschluss des ersten Schalters S1 ist über einen Inver
ter INV an den Drain-Anschluss des zweiten p-leitenden Tran
sistors P2 angeschlossen. Der Inverter ist in dem Ausfüh
rungsbeispiel als Reihenschaltung eines p-leitenden selbst
sperrenden MOS-Transistors P3 und eines n-leitenden selbst
leitenden Transistors N3 zwischen dem ersten Versorgungsan
schluss 12 und dem zweiten Versorgungsanschluss 14 reali
siert, wobei der Drain-Anschluss des zweiten p-leitenden
Transistors P2 an den Gate-Anschluss des p-leitenden Transis
tors P3 angeschlossen ist und der Gate-Anschluss des ersten
Schalters S1 an den Drain-Anschluss des p-leitenden Transis
tors P3 des Inverters INV angeschlossen ist.
Sperrt der Ansteuertransistor TA so liegt das Potential an
dessen Drain-Anschluss D bzw. an dem Substrat des Halbleiter
körpers über den selbstleitenden Transistor T1 annäherungs
Weise auf dem Potential des ersten Versorgungsanschlusses 12
und wegen des Spannungsabfalls über dem Transistor N4 über
dem Wert des Referenzpotentials VR am Ausgang der Referenz
spannungsquelle Vref. Die p-leitenden Transistoren P1, P2
leiten dadurch. Der über dem in Reihe zu dem ersten p
leitenden Transistor P1 geschalteten Transistor N1 anliegende
Spannungsabfall sorgt dafür, dass der zweite Schalter S2 lei
tet, um den High-Side-Schalter TH zu sperren. Der p-leitende
Transistor P3 sperrt, so dass auch der erste Schalter S1
sperrt.
Sinkt bei leitend angesteuertem Ansteuertransistor TA das Po
tential an dem Eingangsanschluss 16 unter einen Wert ab, bei
dem die Einsatzspannung der Transistoren P1, P2 nicht mehr
erreicht wird, so sperren diese beiden Transistoren P1, P2.
Das Gate des zweiten Schalters S2 liegt über den selbstlei
tenden Transistor N1 dann annäherungsweise auf dem Potential
von dessen Source-Anschluss, so dass der zweite Schalter S2
sperrt. Der p-leitende Transistor P3 des Inverters INV lei
tet, wodurch über den n-leitenden Transistor N3 des Inverters
INV ein ausreichender Spannungsabfall erzeugt wird, um den
ersten Schalter S1 leitend anzusteuern.
Die Gate-Anschlüsse der n-leitenden Transistoren N1, N2, die
als Last für die p-leitenden Transistoren P1, P2 der Verglei
cheranordnung dienen, sind entweder an deren Source-
Anschlüsse angeschlossen, oder wie im Fall des Transistors N1
dargestellt ist, an den Ausgang des Inverters INV angeschlos
sen.
Im vorliegenden Fall ist jeweils eine Vergleicheranordnung
zur Ansteuerung eines der Schalter S1, S2 vorgesehen, wobei
die Lastströme der p-leitenden Transistoren P1, P2 so einge
stellt sind, dass die an den Drain-Anschlüssen D der p-
leitenden Transistoren P1, P2 anliegenden Ansteuerpegel bei
einem Wechsel des Ansteuertransistors TA vom eingeschalteten
in den ausgeschalteten Zustand, und umgekehrt, nacheinander
ihren Ansteuerpegel ändern, um dadurch sicherzustellen, dass
der erste und zweite Schalter S1, S2 nicht gleichzeitig lei
tend werden können.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung sind der hoch
spannungsfeste Ansteuertransistor TA und die Treiberschaltung
10 in einem Halbleiterkörper integrierbar, ohne dass eine
dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor TA
und der Treiberschaltung 10 vorgesehen werden muss. Die Kom
ponenten der Treiberschaltung können als Niederspannungsbau
elemente, insbesondere als laterale Bauelemente an der Ober
seite des Halbleiterkörpers realisiert werden, da sie keinen
hohen Spannungen unterliegen.
Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch einen
Halbleiterkörper in dem der Ansteuertransistor TA und die
Treiberschaltung 10 realisiert sind. Der Ansteuertransistor
TA ist als vertikaler Leistungstransistor ausgebildet, dessen
Drain-Anschluss D durch das Substrat 20 des Halbleiterkörpers
100 bzw. durch das Substrat 20 und eine auf das Substrat auf
gebrachte Epitaxieschicht 22 gebildet ist. In dieser Epita
xieschicht 22 sind p-dotierte Wannen 30 ausgebildet, in denen
wiederum stark n-dotierte Source-Zonen 40 ausgebildet sind,
die durch eine Source-Elektrode 42 kontaktiert sind. Isoliert
gegenüber dem Halbleiterkörper ist eine Gate-Elektrode 50 an
geordnet, die bei Anlegen eines Ansteuerpotentials die Aus
bildung eines leitenden Kanals in den p-dotierten Wannen 32
zwischen den Source-Zonen 40 und der Drain-Zone 20, 22 ermög
licht.
Die Komponenten der Treiberschaltung sind als laterale Bau
elemente an der Oberseite des Halbleiterkörpers 100 ausgebil
det, wobei beispielhaft in Fig. 4 lediglich ein n-leitender
Transistor N in einer p-dotierten Wanne und ein p-leitender
Transistor P dargestellt sind. Die Anschlüsse der Transisto
ren der Treiberschaltung 10 sind in nicht näher dargestellter
Weise in einer Verdrahtungsebene oberhalb des Halbleiterkör
pers 100 miteinander verbunden.
Sofern in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen
erläutert ist, dass der Drain-Anschluss des Ansteuerungstran
sistors TA durch das Substrat des Halbleiterkörpers, in dem
er integriert ist, gebildet ist, so sei darauf hingewiesen,
dass "Substrat" in diesem Sinn das eigentliche Substrat als
Grundlage für die Herstellung von Halbleiterbauelementen aber
auch eine Expitaxie-Schicht, wie in Fig. 4 umfasst.
Claims (15)
1. Monolithisch in einem Halbleiterkörper integrierte Ansteu
erschaltung für einen High-Side-Schalter (TH), die folgende
Merkmale aufweist:
- - einen Eingangsanschluss (IN) zum Anlegen eines Eingangssig nals (IS), einen Ausgangsanschluss (OUT) zum Bereitstellen eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignal (OS) für die Ansteuerung des High-Side-Schalters (TH),
- - einen Ansteuertransistor (TA) mit einem Steueranschluss (G), der an den Eingangsanschluss (IN) gekoppelt ist, einem ersten Laststreckenanschluss (D), der durch das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet ist, und einem zweiten Laststre ckenanschluss (S), der an eine Klemme für ein Bezugspotential (GND) angeschlossen ist,
- - eine Treiberschaltung (10) mit einem ersten und zweiten Versorgungsanschluss (12, 14) zum Anlegen einer Versorgungs spannung (VD), einem Ausgang (18), an dem das Ausgangssignal (OS) anliegt, und einem Eingang (16), an den der erste Last streckenanschluss (D) des Ansteuertransistors (TA) ange schlossen ist.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiber
schaltung (10) eine Vergleicherschaltung aufweist, die einen
Laststrom durch den Ansteuertransistor (TA) mit einem Schwel
lenwert vergleicht, wobei das Ausgangssignal (OS) abhängig
von dem Vergleichsergebnis ist.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der der Eingang der
Treiberschaltung (10) über einen Spannungsbegrenzer (T2) an
den ersten oder zweiten Versorgungsanschluss (12, 14) ange
schlossen ist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, bei der der Spannungs
begrenzer als Transistor (T2), insbesondere als selbstsper
render Transistor, ausgebildet ist.
5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, bei der der Spannnungs
begrenzer als Diode ausgebildet ist.
6. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der der Eingang der Treiberschaltung (10) über einen
selbstleitenden Transistor (T1) an den ersten Versorgungsan
schluss (12) angeschlossen ist.
7. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei
der der Eingang der Treiberschaltung (10) über einen Wider
stand an den ersten Versorgungsanschluss (12) angeschlossen
ist.
8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Ver
gleicherschaltung (K1) das Potential an der Eingangsklemme
(16) auswertet.
9. Ansteuerschaltung nach eine der vorangehenden Ansprüche,
die einen ersten Schalter (S1), der zwischen den Ausgang (18)
der Treiberschaltung (10) und den ersten Versorgungsanschluss
(12) geschaltet ist, und einen zweiten Schalter (S2), der
zwischen den Ausgang (18) der Treiberschaltung (10) und den
zweiten Versorgungsanschluss (14) geschaltet ist, aufweist,
wobei der erste und zweite Schalter (S1, S2) abhängig von dem
Vergleichsergebnis komplementä angesteuert sind.
10. Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, bei der einer der
Schalter verzögert gegenüber dem anderen Schalter angesteuert
ist.
11. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der der zweite Versorgungsanschluss (14) der Treiber
schaltung an einen der Laststreckenanschlüsse (S) des High-
Side-Schalters (TH) angeschlossen ist.
12. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der eine Bootstrap-Schaltung (C1, D1) zwischen die Ver
sorgungsanschlüsse (12, 14) der Treiberschaltung (10) ge
schaltet ist.
13. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die Vergleicheranordnung wenigstens eine Reihenschal
tung mit einem Transistor (P1, P2) und einer Last (N1, N2)
zwischen dem Eingang (16) und dem zweiten Versorgungsan
schluss (14) aufweist, wobei der Steueranschluss des Transis
tors (P1, P2) an eine Referenzspannung angeschlossen ist.
14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 13, die eine erste Rei
henschaltung mit einem Transistor (P1) und einer Last (N1)
und eine zweite Reihenschaltung mit einem Transistor (P2) und
einer Last (N2) aufweist, wobei ein dem Eingang (16) abge
wandter Anschluss des Transistors (P1) der ersten Reihen
schaltung an den Ansteueranschluss des zweiten Schalters (S1)
gekoppelt ist und wobei ein dem Eingang (16) abgewandter An
schluss des Transistors (P2) der zweiten Reihenschaltung über
einen Inverter (P3, N3) an den Ansteueranschluss des ersten
Schalters (S1) gekoppelt ist.
15. Schaltungsanordnung zum Schalten einer Last, die eine An
steuerschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche sowie
eine Reihenschaltung eines High-Side-Schalters (TH) und eines
Low-Side-Schalters (TL) aufweist, die in einem gemeinsamen
Gehäuse untergebracht sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Families Citing this family (2)
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19728283A1 (de) * | 1997-07-02 | 1999-01-07 | Siemens Ag | Ansteuerschaltung für ein steuerbares Halbleiterbauelement |
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2001
- 2001-09-19 DE DE2001146168 patent/DE10146168C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10146168A1 (de) | 2003-04-24 |
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