DE102004026030B4

DE102004026030B4 - Augabeschaltung mit einer Überstromschutzfunktion

Info

Publication number: DE102004026030B4
Application number: DE102004026030A
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Mori; Ikuo Fukami
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: DE102004026030A1; JP2005012266A; US20040252434A1; US7239495B2; JP4198539B2

Abstract

Ausgabeschaltung mit einer Überstrom-Schutzfunktion mit: einem Ausgangstransistor (11), der in Reihe mit einer Last geschaltet ist, um einen Laststrom zuzuführen, und einer Schutzschaltung zum Schützen des Ausgangstransistors, wobei die Schutzschaltung aufweist: eine Überstromdetektorschaltung (16) zum Detektieren, wenn der Laststrom einen Schwellwert überschreitet, und eine Aus-Signalerzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Aus-Signals zum Abschalten des Ausgangstransistors, nachdem eine Zeit, die abhängig von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors ist, seit dem Detektieren der Überstromdetektorschaltung, dass der Laststrom den Schwellwert überschreitet, abgelaufen ist, wobei die Aus-Signalerzeugungsschaltung aufweist einen ersten Stromgenerator (17) zur Erzeugung eines Stroms, der von dem Spannungsabfall des Ausgangstransistors abhängt, einen zweiten Stromgenerator (18) zur Erzeugung eines Stroms, der von dem durch den ersten Stromgenerator (17) erzeugten Strom abhängt, einen Taktgenerator (19) mit einem Kondensator (CP1), der den Zyklus eines Taktes bestimmt, einen Schalter (SW2) zum Laden und Entladen des Kondensators (CP1), und...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgabeschaltung mit einer Überstromschutzfunktion.
Eine Ausgabeschaltung hat ein Schaltelement, um die Energieversorgung zu einer Last in Übereinstimmung mit Eingangssteuersignalen ein-/auszusteuern. Als das Schaltelement wird ein Transistor, wie beispielsweise ein Leistungs-MOS, verwendet. Wenn ein Überstrom in dem Schaltelement fließt, kann dieser infolge von Überhitzung usw. zum Ausfall des Schaltelementes führen. Somit hat die Ausgabeschaltung normalerweise eine Überstromschutzfunktion, um das Schaltelement vor Ausfall zu schützen.
Techniken für die Überstromschutzfunktion des Schaltelementes sind beispielsweise in der japanischen geprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 07-114351 B und ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-107605 A beschrieben. Gemäß der früheren Technik ist in der Emitterseite eines Ausgangstransistors, der ein Schaltelement bildet, ein Widerstand als Stromdetektor angeordnet, um einen Überstrom zu detektieren, der in den Ausgangstransistor fließt. Ein Kondensator verbindet die Basis des Ausgangstransistors mit der Basis eines weiteren Transistors zum Ausschalten des Ausgangstransistors. Der Kondensator wird bei Detektieren eines Überstroms durch den Stromdetektor geladen oder entladen, wodurch der Ausgangstransistor intermittierend ein- und ausschaltet, um das Schaltelement zu schützen.
Weitere Schutzschaltungen sind aus der US 464724 , EP 0 012 547 A1 und DE 197 42 930 C1 bekannt.
Im Allgemeinen ist bei den Techniken zum Schützen eines Schaltelementes gegenüber einem Überstrom, einschließlich jener, die in dem vorstehend genannten Stand der Technik beschrieben sind, die Zeitdauer vom Detektieren des Überstroms bis zum Abschalten des Schaltelementes, welche die Abschaltzeit genannt wird, gemäß einer Lade-/Entladezeit des Kondensators eingestellt, das heißt einem Kapazitätswert des Kondensators, oder einem Widerstandswert, der einen Lade-/Entladestromwert des Kondensators bestimmt. Die auf diese Weise gesetzte Abschaltzeit ist ungeachtet der in einer Last auftretenden Abnormität konstant. Die Überhitzung des Schaltelementes hängt von der Größe und der Zeitdauer des Stromes, welcher durch das Schaltelement fließt, ab. Somit ist es für den Fall, bei dem in der Last eine signifikante Abnormität auftritt und durch das Schaltelement ein großer Strom fließt, notwendig, die Abschaltzeit kurz zu setzen, um zu vermeiden, dass das Schaltelement ausfällt, bevor es zwangsweise ausgeschaltet wird. Wenn jedoch die Abschaltzeit kurz eingestellt ist und ein Schwellwertstrom für die Überstromdetektion (der Mindestwert eines abnormen Stroms) niedrig gesetzt ist, kann das Schaltelement unerwünschterweise infolge eines Stromstoßes unmittelbar nach dem Einschalten selbst dann ausgeschaltet werden, wenn in der Last keine Abnormität auftritt.
Es ist möglich, dieses Problem zu vermeiden, indem der Schwellwertstrom für die Überstromdetektion erhöht wird. Wenn jedoch der Schwellwertstrom für die Überstromdetektion hoch gesetzt ist, um das zwangsweise Abschalten des Schaltelements zu vermeiden, ist es unmöglich, das Schaltelement gegenüber Ausfall infolge von Überhitzung wirksam zu schützen, wenn der Grad der Abnormität, die in der Last auftritt, gering ist und ein Strom, der höher als ein ständiger Strom der Last, jedoch nicht so hoch wie der Schwellwertstrom der Überstromdetektion, länger durch die Last fließt, da die Überhitzung des Schaltelementes von der Größe und der Zeitdauer des Stromes, der durch das Schaltelement fließt, abhängt.
Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausgabeschaltung zu schaffen, bei der die Abschaltzeit in Übereinstimmung mit dem in der Last auftretenden Grad der Abnormität geändert werden kann, so dass das Schaltelement gegenüber Ausfall infolge von abnormem Stromfluss wirksam geschützt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2 gelöst.
In dieser Ausgabeschaltung wird ein Signal zum Abschalten des Ausgangstransistors durch die Aus-Signalerzeugungsschaltung erzeugt, nachdem in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors gegenüber einer Zeit, zu welcher die Stromdetektionsschaltung detektiert, dass ein Laststrom, der durch die Ausgangsschaltung fließt, einen Schwellwert übersteigt, abgelaufen ist, das heißt, wenn detektiert worden ist, dass in der Last eine Abnormität auftritt. Es ist dadurch möglich, die Zeitdauer, während welcher ein abnormer Strom durch den Ausgangstransistor fließt, in Übereinstimmung mit dem Grad (Höhe) der Abnormität, die in der Last auftritt, zu ändern. Wenn beispielsweise der Grad, der in der Last auftretenden Abnormität hoch ist, kann der Ausgabeschalter sofort ausgeschaltet werden. Wenn der Grad der Abnormität andererseits gering ist, kann der Ausgabeschalter nach einer relativ langen Zeitdauer ausgeschaltet werden. Dies ermöglicht einen wirksamen Schutz des Ausgabeschalters gegenüber Ausfall infolge von Hitze sowohl dann, wenn der Grad der Abnormität in einer Last hoch als auch gering ist.
In dieser Ausgabeschaltung detektiert die Stromdetektionsschaltung basierend darauf, ob ein Spannungsabfall des Ausgangstransistors einen Schwellwert überschreitet, ob der Laststrom einen Schwellwert überschreitet. In diesem Fall detektiert die Stromdetektionsschaltung theoretisch den Pegel des Laststroms basierend auf dem Pegel des Spannungsabfalls des Ausgangstransistors.
In dieser Ausgabeschaltung enthält die Aus-Signalerzeugungsschaltung einen Stromgenerator zum Erzeugen eines Stroms in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors und einen Kondensator, der mit dem Strom, welcher vom Stromgenerator erzeugt worden ist, geladen wird, und die Aus-Signalerzeugungsschaltung kann das Aus-Signal erzeugen, wenn eine Anschlussspannung des Kondensators einen gegebenen Wert überschreitet. In diesem Fall kann eine Ablaufzeit vor dem Erzeugen des Aus-Signals basierend auf der Ladezeit des Kondensators bestimmt werden.
In dieser Ausgabeschaltung kann die Aus-Signalerzeugungsschaltung das Aus-Signal nach dem Ablauf einer gewissen Zeit von der Erzeugung des Aus-Signals entfernen. Alternativ kann die Aus-Signalerzeugungsschaltung das Aus-Signal nach einer weiteren abgelaufenen Zeit in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors gegenüber der Erzeugung des Aus-Signals entfernen. Wenn die Ausgabeschaltung die Konfiguration hat, bei der die Aus-Signalerzeugungsschaltung das Aus-Signal entfernt, nachdem die Schutzschaltung den Ausgangstransistor ausschaltet, kann die Ausgabeschaltung zu dem Normalbetrieb zurückkehren, wenn die Abnormität in der Last vor dem Entfernen des Aus-Signals beseitigt worden ist.
In dieser Ausgabeschaltung kann der Stromgenerator einen Stromspiegel mit einem Referenztransistor aufweisen, durch welchen ein Strom in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors fließt, und einem Ausgangstransistor, der in Reihe mit dem Kondensator geschaltet ist. In diesem Fall wird der Kondensator durch den Ausgangstransistor geladen. Der Referenztransistor und der Ausgangstransistor des Stromspiegels können an unterschiedliche Energieversorgungssysteme angeschlossen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist in der Ausgabeschaltung die Aus-Signalerzeugungsschaltung eine Taktsignalerzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Taktsignals mit einem Zyklus in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors und einen Zähler zum Zählen des Taktsignals und Erzeugen des Aus-Signals nach Zählen einer vorgegebenen Anzahl von Takten vorgesehen. In diesem Fall kann die abgelaufene Zeitdauer vor dem Erzeugen des Aus-Signals basierend auf der Zeit, die für das Aufzählen einer vorgegebenen Anzahl von Taktimpulsen des Taktsignals, welches den Zyklus abhängig von dem Spannungsabfall des Ausgangstransistors in der Aus-Signalerzeugungsschaltung hat, erforderlich ist, bestimmt werden.
In dieser Ausgabeschaltung weist die Taktsignalerzeugungsschaltung einen Stromgenerator zum Erzeugen eines Stromes in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors und einen Kondensator, der mit dem Strom, welcher von dem Stromgenerator erzeugt worden ist, geladen wird, auf, so dass der Zyklus des Taktsignals abhängig von der Ladezeit des Kondensators ist. Das Ändern des Zyklus des Taktsignals in Abhängigkeit von dem Grad der in der Last auftretenden Abnormität erlaubt es, dass eine abgelaufene Zeitspanne vor der Erzeugen des Aus-Signals von dem Grad der in der Last auftretenden Abnormität abhängig ist.
In dieser Ausgabeschaltung kann der Stromgenerator einen Stromspiegel aufweisen mit einem Referenztransistor, durch welchen ein Strom in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an dem Ausgangstransistor fließt, und einem Ausgangstransistor, der mit dem Kondensator in Reihe geschaltet ist. In diesem Fall wird der Kondensator in Abhängigkeit von dem Strom, welcher durch den Ausgangstransistor fließt, mit einem Lade-/Entladestrom geladen. Der Referenztransistor und der Ausgangstransistor des Stromspiegels können an unterschiedliche Energieversorgungssysteme angeschlossen sein.
In dieser Ausgabeschaltung haben die Lastelemente einen MOS-Transistor, dessen Gate und dessen Source miteinander verbunden sind, und wenigstens eine Zenerdiode, die mit dem MOS-Transistor in Reihe geschaltet ist, kann mit dem Referenztransistor des Stromspiegels in Reihe geschaltet sein.
Die Ausgabeschaltung bestimmt eine Zeitperiode von dem Zeitpunkt, zu welchem ein Spannungsabfall des Ausgangstransistors einen Schwellwert überschreitet, bis zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Aus-Signalerzeugungsschaltung ein Aus-Signal erzeugt, basierend auf einer Spannungsstromcharakteristik des Referenztransistors des Stromspiegels. Durch in Reihe schalten der Zenerdiode mit dem MOS-Transistor, dessen Gate und dessen Source miteinander oder mit einem Widerstand verbunden sind, ist es möglich, die Spannungsstromcharakteristik des Referenztransistors der Stromspiegelschaltung zu ändern. Die Anzahl der geschalteten Zenerdioden kann geeignet eingestellt sein, um eine gewünschte Stromspannungscharakteristik des Referenztransistors zu erzielen.
In der Ausgabeschaltung können eine Anzahl von parallel geschalteten Lastelementen mit dem Referenztransistor verbunden sein. In diesem Fall kann es durch parallel schalten einer Anzahl von Lastelementen mit unterschiedlichen Stromspannungscharakteristika ermöglicht werden, eine gewünschte Stromspannungscharakteristik des Referenztransistors zu erhalten.
In der Ausgabeschaltung kann ein weiterer MOS-Transistor, dessen Gate und dessen Source miteinander verbunden sind, parallel zu den Lastelementen geschaltet sein.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden, detaillierten Beschreibung und den begleitenden Figuren im Einzelnen hervor, die lediglich zur Veranschaulichung dienen und somit nicht als die vorliegende Erfindung begrenzend angesehen werden.
1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration einer Ausgabeschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild, das die beispielhafte Konfiguration einer Gatesteuerschaltung zeigt.
3 ist ein Zeitablaufplan, der die Erzeugung eines Taktsignals ”C” zeigt.
4 ist eine grafische Darstellung der Beziehung der Spannungsdifferenz V_on und des Zyklus eines Taktsignals ”C”.
5 ist ein Zeitablaufplan, der die Änderung in der Abschaltzeit zeigt.
6 ist ein Blockschaltbild der Konfiguration einer Ausgabeschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7A ist ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel der Konfiguration einer Stromerzeugungsschaltung zeigt.
7B ist eine grafische Darstellung der Beziehung der Spannungsdifferenz V_on und des Zyklus des Taktsignals ”C”.
8A ist ein Schaltbild eines weiteren Beispiels der Konfiguration der Stromerzeugungsschaltung.
8B ist eine grafische Darstellung der Beziehung der Spannungsdifferenz V_on und des Zyklus des Taktsignals ”C”.
9A ist ein Schaltbild eines weiteren Beispiels der Konfiguration der Spannungserzeugungsschaltung.
9B ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz V_on und dem Zyklus des Taktsignals ”C”.
Im folgenden werden im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert. Zunächst bezugnehmend auf 1, ist die Konfiguration einer Ausgabeschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Ausgabeschaltung 10 hat einen Ausgangsschalter 11, eine Gatesteuerschaltung 12, eine Strombegrenzerschaltung 13 und eine UND-Schaltung 14, einen Zähler 15, eine Überstromdetektionsschaltung 16, Stromerzeugungsschaltungen 17 und 18 und einen Taktgenerator 19. Die Ausgabeschaltung 10 gemäß dieser Ausführungsform kann eine Taktimpulsweite (Taktsignalzyklus) eines Taktsignals ”C”, welches von dem Taktgenerator 19 erzeugt wird, in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz V_on zwischen einem Stromversorgungsanschluss Vbb und einem Ausgangsanschluss OUT ändern.
Der Ausgabeschalter 11 besteht aus einem Halbleiterschaltelement, wie beispielsweise einem Leistungs-MOS, der zwischen dem Stromanschluss Vbb, an welchem eine Stromversorgungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie, angeschlossen ist, und dem Ausgangsanschluss OUT, an welchen eine Last, beispielsweise eine Lampe oder eine Magnetspule, angeschlossen ist, platziert ist. Die Gatesteuerschaltung 12 steuert das Schalten des Ausgabeschalters 11. Die Strombegrenzungsschaltung 13 verhindert, dass ein großer Strom, wie beispielsweise ein Kurzschlussstrom, in den Ausgabeschalter 11 fließt. Die UND-Schaltung 14 gibt von einem Eingangsanschluss IN ein UND-Signal ”F” eines Steuersignals ”E” und ein Ausgangssignal ”D” vom Zähler 15 in die Gatesteuerschaltung 12.
Der Zähler 15, die Überstromdetektionsschaltung 16, die Stromerzeugungsschaltungen 17 und 18 und der Taktgenerator 19 bilden eine Schutzschaltung. Die Überstromdetektionsschaltung 16 detektiert, wenn durch den Ausgabeschalter 11 ein abnormer Strom, welcher einen Schwellwertpegel überschreitet, fließt. Die erste Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt einen Strom I₁, der von der Spannungsdifferenz zwischen dem Stromversorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT abhängt. Die zweite Stromerzeugungsschaltung 18 erzeugt einen Strom I₂, der auf dem Strom I₁ basiert. Der Taktgenerator 19 erzeugt ein Taktsignal ”C”, das auf dem zweiten Strom I₂ basiert. Der Zähler 15 zählt die Taktimpulse des Taktsignals ”C” und gibt ein Signal ”C” mit hohem Pegel oder niedrigem Pegel aus.
Als Nächstes zeigt 2 Beispiel der Konfiguration der Gatesteuerschaltung 12. Die Gatesteuerschaltung 12 hat einen Inverter 121, eine Ladungspumpschaltung 122, einen pMOS 21, nMOS 22 und 23 und Widerstände R21 und R22. Die Ladungspumpschaltung 122 hat Inverter 123 und 124, Dioden D21 bis D23, Kondensatoren T21 und T22, einen Ladungspump-Taktgenerator 125. Die Gatesteuerschaltung 12 gibt ein Gatesteuersignal ”G” aus, das auf dem eingegebenen UND-Signal ”F” basiert, um die Schaltung des Ausgabeschalters 11 zu steuern.
Wenn durch den Inverter 121 an der Gatesteuerschaltung 12 ein UND-Signal ”F” mit hohem Pegel eingegeben wird, wird der Ladungspump-Taktgenerator 125 aktiviert, und die Ladungspumpschaltung 122 erzeugt eine solche Spannung, dass die Energieversorgungsspannung Vbat auf beispielsweise Vbat + 10 V erhöht wird. In diesem Fall ist der pMOS 21 eingeschaltet, und der nMOS 22 und der nMOS 23 sind ausgeschaltet, und die Gatesteuerschaltung 12 gibt das Gatesteuersignal ”G” aus, bei dem die Spannung die durch die Ladungspumpschaltung 122 erhöht wurde, auf einen hohen Pegel ist, um den Ausgabeschalter 11 einzuschalten. Wenn andererseits über den Inverter 121 an der Gatesteuerschaltung 12 ein UND-Signal ”F” mit niedrigem Pegel eingegeben wird, sind die nMOS 22 und nMOS 23 eingeschaltet, und der pMOS 21 ist ausgeschaltet. In diesem Fall wird die Signalleitung, welche die Gatesteuerschaltung 12 und den Ausgabeschalter 11 verbindet, mit dem Ausgangsanschluss OUT kurzgeschlossen, um den Ausgabeschalter 11 abzuschalten.
Wiederum bezugnehmend auf 1, gibt die UND-Schaltung 14 das UND-Signal ”F” des Steuersignals ”E” vom Eingangsanschluss IN und das Ausgangssignal ”D” vom Zähler 15 in die Gatesteuerschaltung 12. Der Zähler 15 gibt das Signal ”D” zu normalen Zeitpunkten im hohen Pegel aus, wenn die Überstromdetektionsschaltung 16 keinen abnormen Strom detektiert, der in den Ausgabeschalter 11 fließt. Im Gegensatz hierzu gibt sie unter einer gegebenen Bedingung, die später beschrieben wird, ein Signal ”D” mit niedrigem Pegel aus, wenn die Überstromdetektionsschaltung 16 das Fließen des abnormen Stromes detektiert. Wenn der Zähler 15 den hohen Pegel des Signals ”D” ausgibt, gibt die UND-Schaltung 14 das UND-Signal ”F” basierend auf dem Steuersignal ”E” aus.
Die Strombegrenzungsschaltung 13 hat den nMOS 2 und die Dioden D1 bis D4. Der nMOS 2 und die Dioden D1 bis D4 sind zwischen die Signalleitung, welche die Gatesteuerschaltung 12 und den Ausgabeschalter 11 verbindet, und den Ausgangsanschluss OUT in Reihe geschaltet. Das Gate des nMOS 2 ist an den Energieversorgungsanschluss Vbb angeschlossen. Die Strombegrenzungsschaltung 13 arbeitet auf die folgende Art und Weise, um den Pegel (Spannung) des Gatesteuersignals ”G” bei Auftreten einer Abnormität in der Last zu reduzieren, um den Strom, welcher durch den Ausgabeschalter 11 fließt, auf einen vorgegebenen Pegel zu begrenzen, wodurch verhindert wird, dass ein großer Strom, wie ein Kurzschlussstrom von beispielsweise mehr als 600 A, in den Ausgabeschalter 11 fließt.
Wenn der Ausgabeschalter 11 eingeschaltet ist und falls in der Last keine Abnormität auftritt, ist die Spannung (Ausgangsspannung) Vout zwischen dem Ausgangsanschluss OUT und der Masse im Wesentlichen gleich der Energieversorgungsspannung Vbat. In diesem Fall ist der nMOS 2 ausgeschaltet, und durch die Dioden D1 bis D4 fließt kein Strom. Wenn andererseits in der Last eine Abnormität auftritt und der Ausgangsanschluss OUT äquivalent an Masse gelegt ist, wie dies in der 1 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, ist die Ausgangsspannung Vout im Wesentlichen gleich der Massespannung. In diesem Fall ist der nMOS 2 eingeschaltet, um zu ermöglichen, dass von der Signalleitung, welche die Gatesteuerschaltung 12 und den Ausgabeschalter 11 verbindet, zu dem Ausgangsanschluss OUT über die Dioden D1 bis D4 ein Strom fließt. Der Pegel des Gatesteuersignals ”G” sinkt dabei, um den Strom, welcher durch den Ausgabeschalter fließt, zu unterdrücken. Die Strombegrenzungsschaltung 13 begrenzt den Stromwert auf ungefähr das doppelte des Maximalwertes eines Stromstoßes direkt nach dem Einschalten des Ausgabeschalters 11; somit ist der Stromwert beispielsweise auf 200 A begrenzt, wenn der maximale Stromstoß 100 A beträgt.
Die erste Stromerzeugungsschaltung 17 hat einen pMOS 1 und einen Widerstand R0. Der pMOS 1 und der Widerstand R0 sind in Reihe zwischen den Energieversorgungsanschluss Vbat und den Ausgangsanschluss OUT geschaltet, und das Gate des pMOS 1 ist an das Drain desselben angeschlossen. Die erste Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt einen Strom I₁, der in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz V_on (= Vbat – Vout) zwischen dem Energieversorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT ist.
Die zweite Stromerzeugungsschaltung 18 hat einen pMOS 3 und einen nMOS 4. Der pMOS 3 und der nMOS 4 sind zwischen die beiden Leitungen einer Energieversorgungsquelle V1 eingesetzt. In der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 ist das Gate des nMOS 4 an das Drain des pMOS 3 angeschlossen, und das Gate des pMOS 3 ist an das Gate des pMOS 1 in der ersten Stromerzeugungsschaltung 17 angeschlossen. Somit bilden der pMOS 3 der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 und der pMOS 1 der ersten Stromerzeugungsschaltung 17 eine Stromspiegelschaltung, und die zweite Stromerzeugungsschaltung 18 erzeugt einen Strom I₂, der von dem Strom I₁ abhängt, welcher durch die erste Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt worden ist.
Die zweite Stromerzeugungsschaltung 18 bestimmt eine Ladestrom I₃ und einen Erstladestrom I₄ zum Bestimmen des Zyklus des Taktsignals ”C”, das vom Taktgenerator 19 erzeugt wird. Da der Strom I₂, der von der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 erzeugt wird, proportional zum Strom I₁ ist, der von der ersten Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt worden ist, hängt der Zyklus des Taktsignals ”C”, das vom Taktgenerator 19 erzeugt wird, von der Spannungsdifferenz zwischen dem Energieverteilungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT ab.
Die Überstromdetektionsschaltung 16 hat einen Operationsverstärker OP1 und einen Schalter SW1, um zu detektieren, wenn durch den Ausgabeschalter 11 ein abnormer Strom fließt. In dem Operationsverstärker OP1 ist ein invertierender Eingangsanschluss an den Schalter SW1 angeschlossen, und ein nicht invertierender Eingangsanschluss ist über eine Energieversorgungsquelle V_ref mit dem Energieverteilungsanschluss Vbb verbunden, um eine Schwellwertspannung zu bestimmen. Gemäß dem Steuersignal ”E”, das durch den Eingangsanschluss IN eingegeben wird, verbindet der Schalter SW1 den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP1 mit dem Energieverteilungsanschluss Vbb oder mit dem Ausgangsanschluss OUT. Die Überstromdetektionsschaltung 16 gibt einen hohen Pegel des Überstromdetektionssignals aus, wenn die an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP1 eingegebene Spannung unter die Spannung (Vbat – V_ref) fällt, die an dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des OP1 eingegeben wird.
Wenn das Steuersignal ”E” auf dem niedrigen Pegel ist, um den Ausgabeschalter 11 auszuschalten, verbindet der Schalter SW1 den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP1 mit dem Energieverteilungsanschluss Vbb. Die Spannung, welche an dem invertierenden Eingangsanschluss eingegeben wird, wird dadurch höher als die Spannung, welche an dem nicht invertierenden Eingangsanschluss eingegeben wird, und die Überstromdetektionsschaltung 16 gibt ein Überstromdetektionssignal mit niedrigem Pegel aus. Wenn das Steuersignal ”E” andererseits auf dem hohen Pegel ist, um den Ausgabeschalter 11 einzuschalten, verbindet der Schalter SW1 den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP1 mit dem Ausgangsanschluss OUT. Wenn die Spannung des Ausgangsanschlusses OUT, die am invertierenden Eingangsanschluss eingegeben wird, niedriger als die Spannung ist, die an dem nicht invertierenden Eingangsanschluss eingegeben wird, das heißt, wenn die Spannung des Ausgangsanschlusses OUT niedriger als (Vbat – V_ref) ist, gibt die Überstromdetektionsschaltung 16 ein Überstromdetektionssignal mit einem hohen Pegel aus.
Auf diese Art und Weise detektiert die Überstromdetektionsschaltung 16 einen abnormen Strom, der in den Ausgabeschalter 11 fließt, und gibt das Überstromdetektionssignal mit hohem Pegel für den Fall aus, dass die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Energieverteilungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT den Schwellwert V_ref überschreitet, wenn der Ausgabeschalter 11 einzuschalten ist. Um beispielsweise den Zustand zu detektieren, bei welchem ein Strom mit 20 A oder darüber als abnormer Strom durch den Ausgabeschalter 11 fließt, der einen 10 mΩ-Ein-Aus-Widerstand hat, ist der Schwellwert V_ref auf 0,2 V gesetzt.
Der Zähler 15 zählt die Taktimpulse des Taktsignals ”C”, das vom Taktgenerator 19 in Antwort auf den hohen Pegel des Überstromdetektionssignals erzeugt wurde. Wenn der Taktimpulszählwert einen vorgegebenen Wert erreicht, gibt der Zähler 15 ein Signal ”D” mit niedrigem Pegel aus, das Aus-Signal genannt wird. Der Zähler 15 zählt ferner die Taktimpulse des Taktsignals ”C” bis zu einer weiteren vorgegebenen Anzahl und entfernt dann das Aus-Signal, um das Signal ”D” auf den hohen Pegel zurückzusetzen. Beispielsweise kann der Zähler 15 bis zu dem Zählwert 50 der Taktimpulse des Taktsignals ”C” zählen, bevor er das Signal ”D” mit niedrigem Pegel ausgibt, und zählt weiter bis zu 100, bevor er das Signal ”D” mit dem hohen Pegel ausgibt.
Der Taktgenerator 19 hat einen pMOS 5 zum Laden, einen nMOS 6 zum Entladen, einen pMOS 7 für den Nebenschluss, einen Operationsverstärker OP2, einen Kondensator CP1, Widerstände R1 bis R3, einen Schalter SW2 und eine UND-Schaltung 20 und einen Inverter 21. Der Taktgenerator 19 erzeugt ein Taktsignal ”C” basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP2 vom hohen oder niedrigen Pegel und gibt das Taktsignal ”C” an dem Zähler 15 ein.
Die Widerstände R1 bis R3 sind zwischen die beiden Energieversorgungsleitungen der Energieversorgungsquelle V1 in Reihe geschaltet. Der Nebenschluss-pMOS 7 ist parallel zu dem Widerstand R1 geschaltet. Das Taktsignal ”C” wird über den Inverter 21 am Gate des Nebenschluss-pMOS 7 eingegeben. Der Nebenschluss-pMOS 7 ist dann eingeschaltet, wenn das Taktsignal ”C” auf dem hohen Pegel ist, und ist ausgeschaltet, wenn das Taktsignal ”C” auf dem niedrigen Pegel ist. Ein Knoten B, der die Widerstände R2 und R3 verbindet, ist an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP2 angeschlossen. Ein Anschluss des Kondensators CP1 ist an den invertierenden Anschluss (Knoten A) des Operationsverstärkers OP2 angeschlossen, und der andere Anschluss ist an die Versorgungsleitung mit der niedrigeren Spannung der Energieversorgungsquelle V1 angeschlossen.
Die UND-Schaltung 20 gibt die Summe eines Überstromdetektionssignals, das an der Überstromdetektionsschaltung 16 ausgegeben wird, und des Taktsignals ”C” aus. Der Schalter SW2 wird in Übereinstimmung mit dem Ausgang der UND-Schaltung 20 gesteuert, um das Laden/Entladen des Kondensators CP1 einzustellen. Wenn die UND-Schaltung 20 das Signal mit dem hohen Pegel ausgibt, verbindet der Schalter SW2 den Knoten A mit dem Drain des Lade-pMOS 5, um den Kondensator CP1 zu laden. Wenn andererseits die UND-Schaltung 20 das Signal mit dem niedrigen Pegel ausgibt, verbindet der Schalter SW2 den Knoten A mit dem Drain des Entlade-nMOS 6, um den Kondensator CP1 zu entladen. Wenn die Überstromdetektionsschaltung 16 ein Überstromdetektionssignal mit niedrigem Pegel ausgibt, verbindet der Schalter SW2 den Knoten A mit dem Drain des Entlade-nMOS 6, und die Spannung des Knotens A wird niedriger als die Spannung des Knotens B; somit wird das Taktsignal ”C”, das am Operationsverstärker OP1 ausgegeben wird, hoch gehalten.
Der Lade-pMOS 5 ist zwischen die Versorgungsleitung mit der höheren Spannung der Energieversorgungsquelle V1 und den Schalter SW2 eingesetzt. Das Gate des Lade-pMOS 5 ist an das Gate des pMOS 3 der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 angeschlossen und der Lade-pMOS 5 und der pMOS 3 der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 bilden eine Stromspiegelschaltung. Wenn der Schalter SW2 den Knoten A mit dem Drain des Lade-pMOS 5 verbindet, wird der Kondensator CP1 mit einem Strom I₃ basierend auf dem Strom I₂, der von der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 durch den Lade-pMOS 5 erzeugt worden ist, geladen.
Der Entlade-nMOS 6 ist zwischen die Versorgungsleitung mit der niedrigeren Spannung der Energieversorgungsquelle V1 und den Schalter SW2 eingesetzt. Das Gate des Entlade-nMOS 6 ist an das Gate des nMOS 4 der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 angeschlossen, und der Entlade-nMOS 6 und nMOS 4 der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 bilden eines Stromspiegelschaltung. Wenn der Schalter SW2 den Knoten A mit dem Drain des Entlade-nMOS 6 verbindet, wird der Kondensator CP1 mit einem Strom I₄ geladen, basierend auf dem Strom I₂, der von der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 durch den Entlade-nMOS 6 erzeugt wurde.
Nunmehr bezugnehmend auf 3, wird die Erzeugung des Taktsignals ”C” in dem Taktgenerator 19 als Signalform veranschaulicht. 3 zeigt den Fall, bei dem der Kurzschluss der Last fortschreitet und die Ausgangsspannung Vout mit der Zeit sinkt, nachdem der Ausgabeschalter 11 zum Zeitpunkt t₃₀ eingeschaltet worden ist. Wenn die Überstromdetektionsschaltung 16 detektiert, dass die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Energieverteilungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT den Schwellwert V_ref überschreitet, verbindet der Schalter SW2 des Taktgenerators 19 den Knoten A mit dem Drain des Lade-pMOS 5 gemäß der Summe aus dem hohen Pegel des Taktsignals ”C” und dem hohen Pegel des Überstromdetektionssignals, wodurch das Laden/Entladen des Kondensators CP1 beginnt.
Bei t₃₀ bis t₃₁ ist das Taktsignal ”C” auf einem hohen Pegel, und der Nebenschluss-pMOS 7 ist eingeschaltet. Wenn die Spannung des nicht invertierenden Eingangsanschlusses (Knoten B) des Operationsverstärkers OP2 gleich VB1 ist, dann gilt VB1 = V1 × (R3/(R2 + R3)). Der Schalter SW2 wählt den Lade-pMOS 5 gemäß dem Signal von der UND-Schaltung 20, die einen hohen Pegel ausgibt, um das Laden des Kondensators CP1 des Taktgenerators 19 mit einem Ladestrom I₃ zu starten, basierend auf dem Strom I₂, der von der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 erzeugt wird, die zusammen mit der ersten Stromerzeugungsschaltung 17 einen Stromspiegel bildet.
Das Laden des Kondensators CP1 erhöht die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses (Knoten A) des Operationsverstärkers OP2. Bei t₃₁ wird, wenn die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses (Knoten A) des Operationsverstärkers OP2 die Spannung VB1 des nicht invertierenden Eingangsanschlusses überschreitet, der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 invertiert, um das Taktsignal ”C” auf einen niedrigen Pegel zu invertieren. Wenn das Taktsignal ”C” auf den niedrigen Pegel schaltet, wird der Nebenschluss-pMOS 7 abgeschaltet. Die Spannung VB2 des nicht invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers OP2 ist zu diesem Zeitpunkt: VB2 = V1 × (R3/(R1 + R2 + R3))(< VB1). Die UND-Schaltung 20 gibt ein Signal mit niedrigem Pegel aus, basierend auf dem Taktsignal ”C”, das auf den niedrigen Pegel geschaltet hat, und der Schalter SW2 schaltet, um den Entladungs-nMOS 6 auszuwählen. In dem Taktgenerator 19 beginnt das Entladen des Kondensators CP1 mit einem Entladestrom I₄ basierend auf dem Strom I₂, der von der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 erzeugt worden ist, die zusammen mit der ersten Stromerzeugungsschaltung 17 eine Stromspiegelschaltung bildet.
Das Entladen des Kondensators CP1 senkt die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP2. Wenn bei t₃₂ die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses des OP2 unter die Spannung VB2 des nicht invertierenden Eingangsanschlusses fällt, wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 wiederum invertiert, um das Taktsignal ”C” auf den hohen Pegel umzuwandeln. Wenn das Taktsignal ”C” auf den hohen Pegel umschaltet, wird der Nebenschluss-pMOS 7 wieder eingeschaltet. Die Spannung des nicht invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers OP2 wird dadurch zu VB1. Der Schalter SW2 schaltet wiederum die Wahl des Lade-pMOS 5, wodurch das Laden des Kondensators CP1 in dem Taktgenerator 1 gestartet wird. In dem Taktgenerator 19 wird das Laden/Entladen des Kondensators CP1 auf diese Art und Weise wiederholt, wodurch das Taktsignal ”C” erzeugt wird.
Da der Ladestrom I₃ und der Entladestrom I₄ des Kondensators CP1 basierend auf dem Strom I₂, der von der zweiten Stromerzeugungsschaltung 18 erzeugt worden ist, was wiederum auf dem Strom I₁ basiert, der durch die erste Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt worden ist, und in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT variiert, bestimmt werden, hängen diese Stromwerte von der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT ab. Da ferner die Hochpegelperiode und die Niedrigpegelperiode jedes Taktimpulses des Taktsignals ”C” durch den Lade-/Entladestrom des Kondensators CP1 bestimmt ist, hängt der Zyklus des Taktsignals ”C” von der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT ab.
Bei dem in der 3 gezeigten Fall schreitet der Kurzschluss mit der Zeit fort, um die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT zu erhöhen, der Ladestrom I₃ und der Entladestrom I₄ steigen mit der Zeit an. Somit führt ein Vergleich der drei Niedrigpegelperioden T₁ von t₃₁ bis t₃₂, T₃ von t₃₃ bis t₃₄ und T₅ von t₃₅ bis t₃₆ zu dem Ergebnis T₁ > T₃ > T₅. Ferner führt der Vergleich der Hochpegelperiode T₂ von t₃₂ bis t₃₃ und T₄ von t₃₄ bis t₃₅ zu T₂ > T₄. Der Zyklus des Taktsignals ”C” wird mit der Zeit kleiner.
Dann, bezugnehmend auf 4, ist die Beziehung der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT und dem Zyklus des Taktsignals ”C” in einer grafischen Darstellung gezeigt. Wenn die erste Stromerzeugungsschaltung 17 aus der Reihenschaltung aus dem pMOS 1 und dem Widerstand R0 zusammengesetzt ist, wie dies in der 1 gezeigt ist, ändert sich der Zyklus des Taktsignals ”C”, wie in der 4 gezeigt, gemäß der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT. In diesem Fall hat der Zyklus des Taktsignals ”C” im Bereich, wo die Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT leicht die Schwellwertspannung V_ref in der Überstromdetektionsschaltung 16 übersteigt, einen scharfen Abfall; andererseits hat sie in dem Bereich, wo die Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT ausreichend hoch ist, einen graduellen Abfall.
Da der Zyklus des Taktsignals ”C” gemäß der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT, wie vorstehend beschrieben, umschaltet, ist die Zeit, die für den Zähler 15 erforderlich ist, um auf eine vorgegebene Anzahl von Taktimpulsen des Taktsignals ”C” hochzuzählen, durch die Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT bestimmt. Wenn der Zähler 15 die Taktimpulse des Taktsignals ”C” bis zu einer vorgegebenen Anzahl zum Zeitpunkt t₃₇ in der 3 gezählt hat, gibt der Zähler 15 ein Signal ”D” mit niedrigem Pegel aus. Somit wird der Ausgabeschalter 11 zwangsweise abgeschaltet und dadurch vor Ausfall geschützt.
Für den Fall eines Kurzschlusses in der Last, wird durch die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT normalerweise bestimmt, ob ein steigender Lastwiderstand 50% oder 0% wird. Anders ausgedrückt, der Grad der in der Last auftretenden Abnormität kann basierend auf der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT bestimmt werden. Da die Konfiguration dieser Ausführungsform eine Änderung des Zyklus des Taktsignals ”C” gemäß der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT zulässt, ist es möglich, die Abschaltzeit, die die Zeitspanne vom Auftreten der Abnormität in der Last bis zu dem zwangsweisen Abschalten des Ausgabeschalters 11 ist, gemäß dem Grad der in der Last auftreten Abnormität zu ändern.
Wenn die Abschaltzeit ungeachtet der Spannungsdifferenz zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT konstant ist, wie dies im Fall bei den herkömmlichen Ausgabeschaltungen ist, ist es unmöglich, den Ausgabeschalter wirksam gegenüber Ausfall zu schützen, und zwar weder wenn der Grad der Abnormität in der Last hoch noch niedrig ist. In der Ausgabeschaltung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, wenn der Grad der in der Last auftretenden Abnormität hoch ist und die Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT groß ist, der Ausgabeschalter 11 sofort ausgeschaltet werden. Wenn andererseits der Grad der Abnormität gering ist, kann der Ausgabeschalter 11 nach einer gewissen Zeitdauer ausgeschaltet werden. Es ist dadurch möglich, den Ausgabeschalter 11 gegenüber Ausfall wirksam gemäß dem Grad der Abnormität zu schützen.
In der Ausgabeschaltung 10 zählt der Zähler 15 eine gewisse Anzahl von Taktimpulsen des Taktsignals ”C”, um den Ausgabeschalter 11 zwangsweise abzuschalten. Selbst nachdem der Ausgabeschalter 11 zwangsweise abgeschaltet ist, ist, wenn das Steuersignal ”E”, das durch den Eingangsanschluss IN eingegeben wird, auf dem hohen Pegel ist, die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT Vbat, und die Überstromdetektionsschaltung 16 fährt mit dem Ausgeben des hohen Pegels des Überstromdetektionssignals fort, und der Taktgenerator 19 fährt mit dem Erzeugen des Taktsignals ”C” fort. Der Zyklus des Taktsignals ”C” wird zu diesem Zeitpunkt basierend auf dem Strom I₁, der von der ersten Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt wird, und in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung Vbat und der Massespannung bestimmt.
Der Zähler 15 beginnt mit dem Zählen der Taktimpulse des Taktsignals ”C”. Wenn der Zähler 15 bis zu einer vorgegebenen Anzahl zählt, das heißt, nachdem der Ausgabeschalter 11 zwangsweise ausgeschaltet worden ist, zählt der Zähler 15 weiter bis zu einer anderen vorgegebenen Anzahl von Taktimpulsen des Taktsignals ”C” und setzt dann das Ausgangssignal ”D” zurück auf den hohen Pegel. Wenn das Ausgangssignal ”D” vom Zähler 15 wiederum auf den hohen Pegel schaltet, wird der Ausgabeschalter 11 wieder basierend auf dem Steuersignal ”E”, das durch den Eingangsanschluss IN eingegeben worden ist, eingeschaltet. Wenn die Abnormität der Last eliminiert worden ist, wenn der Ausgabeschalter 11 wieder eingeschaltet worden ist, bleibt der Ausgabeschalter 11 in dem EIN-Zustand und leitet eine Spannung Vbat zur Last. Wenn andererseits die Abnormität der Last nach dem erneuten Einschalten des Ausgabeschalters 11 noch nicht eliminiert ist, zählt der Zähler 15 wiederum die Taktimpulse des Taktsignals ”C” bis zu einer vorgegebenen Anzahl, wie dies vorstehend beschrieben ist, schaltet wiederum zwangsweise den Ausgabeschalter 11 ab.
Nunmehr bezugnehmend auf 5, wird in einem Zeitablaufplan eine Änderung der Abschaltzeit veranschaulicht. Zum Zeitpunkt t₅₀, zu welchem das Steuersignal ”E” auf einen hohen Pegel ansteigt, wird an der Gatesteuerschaltung 12 ein hoher Pegel des UND-Signals ”F” eingegeben, um den Ausgabeschalter 11 einzuschalten. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Abnormität in der Last auftritt und der Wert der Ausgangsspannung Vout ungefähr den halben Wert der Spannung Vbat hat, die dem Versorgungsanschluss Vbb zugeführt wird, zählt der Zähler 15 in der Ausgabeschaltung 10 die Taktimpulse des Taktsignals ”C”, dessen Zyklus durch die Spannungsdifferenz V_on1 zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT bestimmt wird. Wenn zum Zeitpunkt t₅₁ der Zählwert einen gegebenen Wert erreicht, gibt der Zähler 15 ein Signal ”D” mit niedrigem Pegel an der UND-Schaltung 14 ein, und das UND-Signal ”F”, das an der Gatesteuerschaltung 12 eingegeben wird, fällt auf einen niedrigen Pegel, um den Ausgabeschalter 11 zwangsweise abzuschalten.
Nach dem Ausgeben des Signals ”D” mit niedrigem Pegel zum Zeitpunkt t₅₁ bewirkt der Zähler 15, dass das Signal ”D” zum Zeitpunkt t₅₂ auf einen hohen Pegel ansteigt, nachdem eine gewisse Zeitperiode (T_OFF) für das Zählen eines Zyklus des Taktsignals ”C” bis zu einer weiteren gegebenen Zahl erforderlich ist. Somit steigt das UND-Signal ”F”, das an der Gatesteuerschaltung 12 eingegeben worden ist, wiederum auf einen hohen Pegel, um den Ausgabeschalter 11 einzuschalten. Wenn die Abnormität der Last noch nicht eliminiert worden ist, nachdem der Ausgabeschalter 11 eingeschaltet worden ist, wird der Ausgabeschalter 11 zum Zeitpunkt t₅₃ in der 5 wiederum zwangsweise abgeschaltet. Wenn in der Zeit t₅₂ bis t₅₃ die Abnormität, die in der Last auftritt, verglichen mit derjenigen in der Zeit t₅₀ bis t₅₁ fortschreitet und die Ausgangsspannung Vout ungefähr ein Viertel der Spannung Vbat ist, die dem Versorgungsanschluss Vbb zugeführt wird, ist die Spannungsdifferenz V_on2 zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT größer als V_on1, und der Zyklus des Taktsignals ”C” wird kürzer als der zwischen t₅₀ bis t₅₁, wodurch die Abschaltzeit reduziert wird.
Wenn der Zähler 15 zum Zeitpunkt t₅₄ ein Signal ”D” auf dem hohen Pegel ausgibt, wird der Ausgabeschalter 11 eingeschaltet. Wenn die Abnormität der Last zu diesem Zeitpunkt weiter fort besteht, ist die Spannungsdifferenz V_on3 zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT größer als V_on2 und der Ausgabeschalter 11 wird zum Zeitpunkt t₅₅ zwangsweise abgeschaltet. Der Vergleich der drei Zeitspannen T_ON1 von t₅₀ bis t₅₁, von T_ON2 von t₅₂ bis t₅₃ und von T_ON3 von t₅₄ bis t₅₅, jeweils die Zeitspanne vom Einschalten bis zum zwangsweisen Abschalten des Ausgabeschalters 11, führt zu: T_ON1 > T_ON2 > _TON3 was umgekehrt proportional zum Grad der in der Last auftretenden Abnormität ist. Auf diese Art und Weise kann die Ausführungsform die Abschaltzeit verkürzen, wenn die in der Last auftretende Abnormität fortschreitet, wodurch der Ausgabeschalter 11 gegenüber Ausfall wirksam geschützt wird.
Nunmehr wird bezugnehmend auf 6 die Konfiguration der Ausgabeschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Ausgabeschaltung 10a dieser Ausführungsform ist verglichen mit der Ausgabeschaltung 10 gemäß der ersten Ausführungsform, wie sie in der 1 gezeigt ist, vereinfacht. Die Ausgabeschaltung 10a hat einen Ausgabeschalter 11, eine Gatesteuerschaltung 12a, eine Überstromdetektionsschaltung 16, die Stromerzeugungsschaltung 17 und eine Abschaltsignalerzeugungsschaltung 22. Die Gatesteuerschaltung 12a hat die Funktion zum zwangsweisen Abschalten des Ausgabeschalters 11 bei Empfang eines gegebenen Abschaltsignals und eine Funktion zum Steuern des Pegels eines Signaleingangs an dem Ausgabeschalter 11 der Gestalt, dass ein Strom, welcher durch den Ausgabeschalter 11 fließt, einen gegebenen Wert nicht überschreitet, zusätzlich zu den Funktionen, welche die Gatesteuerschaltung 12 der ersten Ausführungsform gemäß 1 hat.
Die Abschaltsignalerzeugungsschaltung 22 hat einen pMOS 8 zum Laden, einen Kondensator CP2, einen Schalter SW3 und einen Operationsverstärker OP3. Der Lade-pMOS 8 und der Kondensator CP2 sind zwischen die beiden Leitungen der Stromversorgungsquelle V1 in Reihe geschaltet und der Schalter SW3 ist zwischen den Lade-pMOS 8 und den Kondensator CP2 eingesetzt. Das Gate des Lade-pMOS 8 ist an das Gate des pMOS 1 der Stromerzeugungsschaltung 17 angeschlossen, und der Lade-pMOS 8 und der pMOS 1 bilden eine Stromspiegelschaltung. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP3 ist an die Versorgungsleitung mit der niedrigeren Spannung der Energieversorgungsquelle V1 über eine Energieversorgungsquelle V_ref2 verbunden, und der nicht invertierende Eingangsanschluss ist mit der Versorgungsleitung mit der niedrigeren Spannung der Energieversorgungsquelle V1 über den Kondensator CP2 verbunden. Der Schalter SW3 wird gemäß einem Signal von der Überstromdetektionsschaltung 16 geschaltet.
Wenn der Ausgabeschalter 11 eingeschaltet ist, wird der Schalter SW3 in der Abschaltsignalerzeugungsschaltung 22 geschlossen, wenn in der Last eine Abnormität auftritt und die Überstromdetektionsschaltung 16 detektiert, dass die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT einen Schwellwert V_ref überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Stromerzeugungsschaltung 17 einen Strom I₁, der von der Spannungsdifferenz zwischen Vbb und OUT abhängt. Der Kondensator CP2 wird mit einem Ladestrom I₅, der durch den Strom I₁ bestimmt ist, über den Lade-pMOS 8 geladen. Wenn der Kondensator CP2 geladen wird, erhöht sich die Spannung des nicht invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers OP3 graduell. Wenn die Spannung des nicht invertierenden Eingangsanschlusses des OP3 die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses überschreitet, überträgt die Abschaltsignalerzeugungsschaltung 22 ein gegebenes Abschaltsignal zum zwangsweisen Abschalten des Ausgabeschalters 11 an die Gatesteuerschaltung 12a.
Die Ausgabeschaltung gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht, gerade so wie die erste Ausführungsform, ein Einstellen der Abschaltzeit in Übereinstimmung mit dem Grad der in der Last auftretenden Abnormität, jedoch mit einer einfachen Schaltungskonfiguration als der Konfiguration der ersten Ausführungsform. Wenn somit der Grad der in der Last auftretenden Abnormität hoch ist und die Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT groß ist, kann der Ausgabeschalter 11 sofort abgeschaltet werden. Wenn der Grad der Abnormität gering ist, kann der Ausgabeschalter 11 andererseits nach einer gewissen Zeitspanne abgeschaltet werden. Dadurch wird ein wirksamer Schutz des Ausgabeschalters 11 gegenüber Ausfall ermöglicht.
Die Stromerzeugungsschaltung 17 muss nicht notwendigerweise die vorstehend beschriebene Konfiguration haben und kann eine andere Konfiguration haben. Es ist möglich, in der Ausgabeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung die Konfiguration der Stromerzeugungsschaltung 17 zu ändern und die Charakteristika der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT und dem Strom I₁, der von der Stromerzeugungsschaltung 17 erzeugt wird, gemäß der an den Ausgangsanschluss OUT angeschlossenen Last geeignet zu setzen, wodurch die Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT und der Abschaltzeit eingestellt wird. Die 7A, 8A, 9A zeigen jeweils ein weiteres Beispiel der Konfiguration der Stromerzeugungsschaltung 17. 7B, 8B und 9B zeigen jeweils die Beziehung der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT und den Zyklus des Taktsignals ”C”, wenn die Stromerzeugungsschaltung 17 der Ausgabeschaltung 10 wie in den 7A, 8A bzw. 9A konfiguriert ist.
Beispielsweise hat eine in der 7A gezeigte Stromerzeugungsschaltung 17a einen nMOS 9 vom Verarmungstyp, bei dem die Source an das Gate angeschlossen ist, anstatt des Widerstandes R0 in der Stromerzeugungsschaltung 17 gemäß 1, als Lastelement des pMOS 1. In der Stromerzeugungsschaltung 17a ändert sich der Zyklus des Taktsignals ”C”, wie in der 7B gezeigt, in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz V_on zwischen dem Versorgungsanschluss Vbb und dem Ausgangsanschluss OUT. Verglichen mit der Beziehung der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT und dem Zyklus des Taktsignals ”C” in der in der 4 gezeigten Stromerzeugungsschaltung 17 ist die Änderung des Zyklus des Taktsignals ”C” in 7B in dem Bereich kleiner, in welchem die Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT größer als ein gewisser Wert ist.
Eine in der 8A gezeigte Stromerzeugungsschaltung 17b hat eine Konfiguration, bei der zwischen dem pMOS 1 und dem nMOS 9 in der Stromerzeugungsschaltung 17a gemäß 7A eine Zenerdiode D5 eingesetzt ist. In der Stromerzeugungsschaltung 17b ändert sich der Zyklus des Taktsignals ”C”, wie in der 8B gezeigt, in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT. In der 8B ist die grafische Darstellung gemäß 7B zur Seite der höheren Spannung bezüglich der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT verschoben.
Die Stromerzeugungsschaltung kann eine Konfiguration haben, bei der eine Anzahl von Lastelementen mit unterschiedlichen Strom-Spannungs-Charakteristika parallel geschaltet sind. Beispielsweise sind in einer Stromerzeugungsschaltung 17c gemäß 9A ein nMOS 9a, der das Lastelement des pMOS 1 in der Stromerzeugungsschaltung 17a gemäß 7A ist, und ein nMOS 9b und eine Zenerdiode D5, die in Reihe geschaltet sind, welche die Lastelemente des pMOS 1 in der Stromerzeugungsschaltung 17b gemäß 8A sind, parallel geschaltet. Wie in der 9b gezeigt, ist die Beziehung der Spannungsdifferenz V_on zwischen Vbb und OUT und dem Zyklus des Taktsignals ”C” in der Stromerzeugungsschaltung 17c wie eine Kombination der in den 7B und 8B gezeigten, wobei der Zyklus des Taktsignals ”C” sich in zwei Phasen signifikant ändert.
5 zeigt den Fall, bei dem eine Aus-Zeit (T_OFF) von dem Zeitpunkt, zu welchem der Zähler 15 das Signal ”D” mit niedrigem Pegel ausgibt, bis zu dem Zeitpunkt, wo das Signal ”D” auf einen hohen Pegel steigt, ungeachtet der unmittelbar vorhergehenden Abschaltzeit konstant ist. Die Aus-Zeit T_OFF kann jedoch gemäß der unmittelbar vorhergehenden Abschaltzeit geändert werden. Beispielsweise kann die Ausgabeschaltung 10 ferner eine Zeitschaltung zum Erzeugen der Aus-Zeit bezugnehmend auf die unmittelbar vorhergehende Abschaltzeit aufweisen, um zu ermöglichen, dass das Ausgabesignal ”D” des Zählers 15 auf einen hohen Pegel steigt. In diesem Fall kann die Zeitschaltung die Aus-Zeit T_OFF länger setzen, wenn die unmittelbar vorhergehende Abschaltzeit kurz ist, und sie kürzer setzen, wenn die unmittelbar vorhergehende Abschaltzeit lang ist.
Aus der so beschriebenen Erfindung ist es klar zu ersehen, dass die Ausführungsformen der Erfindung in vielen Arten variiert werden können. Solche Variationen werden nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung betrachtet, und alle derartigen Modifikationen, wie sie für den Fachmann nahe liegend wären, werden als innerhalb des Schutzumfanges der folgenden Patentansprüche enthalten angesehen.

Claims

Ausgabeschaltung mit einer Überstrom-Schutzfunktion mit: einem Ausgangstransistor (11), der in Reihe mit einer Last geschaltet ist, um einen Laststrom zuzuführen, und einer Schutzschaltung zum Schützen des Ausgangstransistors, wobei die Schutzschaltung aufweist: eine Überstromdetektorschaltung (16) zum Detektieren, wenn der Laststrom einen Schwellwert überschreitet, und eine Aus-Signalerzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Aus-Signals zum Abschalten des Ausgangstransistors, nachdem eine Zeit, die abhängig von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors ist, seit dem Detektieren der Überstromdetektorschaltung, dass der Laststrom den Schwellwert überschreitet, abgelaufen ist, wobei die Aus-Signalerzeugungsschaltung aufweist einen ersten Stromgenerator (17) zur Erzeugung eines Stroms, der von dem Spannungsabfall des Ausgangstransistors abhängt, einen zweiten Stromgenerator (18) zur Erzeugung eines Stroms, der von dem durch den ersten Stromgenerator (17) erzeugten Strom abhängt, einen Taktgenerator (19) mit einem Kondensator (CP1), der den Zyklus eines Taktes bestimmt, einen Schalter (SW2) zum Laden und Entladen des Kondensators (CP1), und einen Zähler (15) zum Zählen der Takte, wobei der zweite Stromgenerator (18) die Lade- und Endladeströme des Kondensators (CP1) bestimmt, das Ausgangssignal der Überstromdetektorschaltung (16) und das Ausgangssignal des Taktgenerators (19) den Schalter (SW2) steuern und wobei die Aus-Signalerzeugungsschaltung das Aus-Signal nach dem Zählen einer gegebenen Anzahl von Takten erzeugt.
Ausgabeschaltung mit einer Überstrom-Schutzfunktion mit: einem Ausgangstransistor (11), der in Reihe mit einer Last geschaltet ist, um einen Laststrom zuzuführen, und einer Schutzschaltung zum Schützen des Ausgangstransistors (11), wobei die Schutzschaltung aufweist: eine Überstromdetektorschaltung (13) mit einem ersten Operationsverstärker (OP1) zum Detektieren, ob der Laststrom einen Schwellwert überschreitet, und eine Aus-Signalerzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Aus-Signals zum Abschalten des Ausgangstransistors (11), nachdem eine Zeit, die abhängig von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors ist, seit dem Detektieren der Überstromdetektorschaltung, dass der Laststrom den Schwellwert überschreitet, abgelaufen ist, wobei die Aus-Signalerzeugungsschaltung aufweist einen Stromgenerator (17) zur Erzeugung eines Stroms (I1), der von dem Spannungsabfall des Ausgangstransistors (11) abhängt, und einen MOS-Transistor (pMOS8), der mit dem Stromgenerator (17) verbunden ist, zur Bildung eines Stromspiegels, einen Kondensator (CP2), der mit dem MOS-Transistor (pMOS8) verbunden ist und von einem Strom (I5) von dem MOS-Transistor geladen wird, einen Schalter (SW3), der zwischen den Kondensator (CP2) und den MOS-Transistor (pMOS8) geschaltet ist, zum Steuern des Ladens des Kondensators (CP2), wobei die Überstromdetektorschaltung (13) den Schalter (SW3) steuert, und einen zweiten Operationsverstärker (OP3), der das Aus-Signal erzeugt, falls die Anschlussspannung des Kondensators (CP2) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 1, wobei die Aus-Signalerzeugungsschaltung das Aus-Signal entfernt, wenn nach dem Erzeugen des Aus-Signals eine gewisse Zeit abgelaufen ist.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 1, wobei die Aus-Signalerzeugungsschaltung in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors das Aus-Signal entfernt, wenn nach dem Erzeugen des Aus-Signals eine andere Zeit abgelaufen ist.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromdetektionsschaltung das Überschreiten des Schwellwertes des Laststroms basierend darauf detektiert, ob ein Spannungsabfall des Ausgangstransistors einen Schwellwert überschreitet.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromgenerator (17) eine Stromspiegelschaltung aufweist mit einem Referenztransistor (pMOS1), durch welchen ein Strom in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall des Ausgangstransistors (11) fließt.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 6, wobei Lastelemente einen MOS-Transistor (nMOS9b), dessen Gate und Source miteinander verbunden sind, und wenigstens eine Zenerdiode (D5), die mit dem MOS-Transistor (nMOS9b) in Reihe geschaltet ist, aufweisen, die mit dem Referenztransistor (pMOS1) der Stromspiegelschaltung in Reihe geschaltet sind.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 7, wobei eine Anzahl von Lastelementen parallel geschaltet sind und mit dem Referenztransistor (pMOS1) verbunden sind.
Ausgabeschaltung nach Anspruch 8, wobei ein weiterer MOS-Transistor (nMOS9a), dessen Gate und Source miteinander verbunden sind, parallel zu den Lastelementen geschaltet ist.