DE102005014167B4

DE102005014167B4 - Driver protection circuit

Info

Publication number: DE102005014167B4
Application number: DE200510014167
Authority: DE
Inventors: Ralf Abel
Original assignee: HKR Climatec GmbH
Current assignee: HKR Automotive GmbH
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: DE102005014167A1

Abstract

Schutzschaltung zur Vermeidung einer Überlastung in einer Schaltstufe, wobei die Schutzschaltung umfasst:
a) Steuermittel (20) zum Versetzen eines Schaltmittels (30) der Schaltstufe in einen vorbestimmten Schaltzustand durch Zuführen eines Steuersignals (IG, UG) zu dem Schaltmittel (30),
b) Erfassungsmittel (50,70) zur Erfassung eines Aus-Schaltzustands des Schaltmittels (30) im Ansprechen auf einen durch das Steuermittel (20) eingeleiteten Aus-Schaltvorgang und Bestimmen, dass ein fehlerhafter Zustand vorliegt, wenn das Steuersignal für das Schaltmittel (30) oder ein erfasster Strom durch das Schaltmittel (30) nicht in einem zulässigen Ausschaltbereich liegt, und
c) Unterdrückungsmittel (40) zum Abbrechen des Aus-Schaltvorgangs durch Verringern des dem Schaltmittel (30) zugeführten Steuersignals auf einen Wert, durch den das Schaltmittel (30) in seinem zulässigen Bereich gehalten wird, wenn der fehlerhafte Zustand erkannt wird.A protection circuit for avoiding overload in a switching stage, the protection circuit comprising:
a) control means (20) for setting a switching means (30) of the switching stage in a predetermined switching state by supplying a control signal (IG, UG) to the switching means (30),
b) detection means (50,70) for detecting an off-switching state of the switching means (30) in response to an off-switching operation initiated by the control means (20) and determining that a fault condition exists when the control signal for the switching means (30 ) or a detected current through the switching means (30) is not within an allowable turn-off range, and
c) suppressing means (40) for canceling the off-switching operation by reducing the control signal supplied to the switching means (30) to a value by which the switching means (30) is kept in its allowable range when the erroneous state is detected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zur Vermeidung einer Überlastung in einer Schaltstufe, und ein Verfahren zum Ansteuern eines Schaltmittels, wie bspw. ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).The The present invention relates to a protection circuit for avoidance an overload in a switching stage, and a method for driving a switching means, such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Leistungsschalter oder Leistungshalbleiter wie bspw. Transistoren, MOSFETs, IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors) usw., werden typischerweise in Endstufen für Netzteile, Lastschaltungen oder Motorsteuerungen eingesetzt. MOSFETs und IGBTs enthalten ein kapazitiv angesteuertes Gate, durch welches der Elektronenstrom in einem Kanal gesteuert wird. Hierbei treten lediglich geringe Speicherladungseffekte auf, so dass prinzipiell Schaltfrequenzen bis in den hohen MHz-Bereich möglich sind. Die kapazitive Ansteuerung erfordert dabei allerdings doch erhebliche Steuerströme.breakers or power semiconductors such as transistors, MOSFETs, IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors), etc., are typically in power amplifiers for Power supplies, load circuits or motor controls used. MOSFETs and IGBTs include a capacitively driven gate through which the electron current is controlled in a channel. Join this only small storage charge effects, so that in principle Switching frequencies up to the high MHz range are possible. The capacitive However, control requires considerable control currents.

2 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Schaltstufe mit einer MOSFET-Schalteinrichtung 30 als Schaltmittel, die einen MOSFET als Einzelschaltelement oder auch als Eingangselement einer Schaltung mit einer Vielzahl von weiteren MOSFETs oder anderen Transistorarten und sonstigen elektronischen Bauelementen enthalten kann. 2 shows an example of a conventional switching stage with a MOSFET switching device 30 as a switching means which may include a MOSFET as a single switching element or as an input element of a circuit with a plurality of other MOSFETs or other types of transistors and other electronic components.

Die in 2 gezeigte Schaltung kann durch auf einer Schaltplatine diskret angeordnete Bauelemente oder auch als monolithisch integrierte Schaltung, wie bspw. ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit), realisiert sein.In the 2 The circuit shown can be implemented by components arranged discretely on a circuit board or else as a monolithically integrated circuit, such as, for example, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Die MOSFET-Schalteinrichtung 30 schaltet einen einem Lastwiderstand R_L zugeführten Laststrom I_L, der wiederum aus einer Gleichspannungsquelle 70 mit einer Ausgangsspannung U_b zugeführt wird. An einem Steueranschluss der MOSFET-Einrichtung 30 ist eine Umschalteinrichtung 20 vorgesehen, die zum Umschalten dient zwischen einer Ausschaltspannung U_ref, die einer geringen Spannung wie bspw. 0 V entsprechen kann, und einer Einschaltspannung U_p, die größer ist als die Versorgungsspannung U_b. Die Umschalteinrichtung 20 ist ausgestaltet zum selektiven Anlegen entweder der Einschaltspannung U_p oder der Ausschaltspannung U_ref an den Steueranschluss, d. h. an das Gate im Falle der vorliegenden MOSFET-Einrichtung 30. Der Wert der überhöhten Einschaltspannung U_p kann bspw. um 10 V höher sein als der Wert der Versorgungsspannung U_b.The MOSFET switching device 30 switches a load resistor R _L supplied load current I _L, which in turn from a DC voltage source 70 is supplied with an output voltage U _b . At a control terminal of the MOSFET device 30 is a switching device 20 provided, which serves for switching between a turn-off voltage U _ref , which may correspond to a low voltage such as. 0 V, and a turn-on voltage U _p , which is greater than the supply voltage U _b . The switching device 20 is configured to selectively apply either the turn-on voltage U _p or the turn-off voltage U _ref to the control terminal, ie to the gate in the case of the present MOSFET device 30 , The value of the excessive turn-on voltage U _p can be, for example, 10 V higher than the value of the supply voltage U _b .

Zur Erzeugung der überhöhten Einschaltspannung ist eine Spannungserhöhungsschaltung 10 vorgesehen, die bspw. eine Spannungsvervielfachungsschaltung, wie bspw. eine Bootstrap-Schaltung oder eine Pumpschaltung mit Kondensatoren, aufweisen kann. Für die in der Spannungserhöhungseinrichtung 10 erzeugte Spannungsüberhöhung sind nur kleine Dauerströme notwendig, so dass die Spannungserhöhungseinrichtung 10 typischerweise nur begrenzt belastbar ist.To generate the excessive turn-on voltage is a voltage booster circuit 10 provided, for example, a voltage multiplier circuit, such as, for example, a bootstrap circuit or a pump circuit with capacitors, may have. For those in the voltage booster 10 generated voltage overshoot only small continuous currents are necessary, so that the voltage booster 10 typically only limited load capacity.

Tritt während des Betriebs der in 2 gezeigten Ansteuer- oder Treiberschaltung ein Fehlerzustand auf, so wird die MOSFET-Schalteinrichtung 30 über die Umschalteinrichtung 20 ausgeschaltet. Das Ausschalten geschieht üblicherweise mit einem hohen Gatestrom I_G, z. B. 1 A. Da dieser hohe Gatestrom I_G im Normal fall nur kurz fließt, ist der von der Spannungserhbhungseinrichtung 10 zu liefernde mittlere Dauerstrom lediglich gering, z. B. 20 mA.Occurs during operation of in 2 shown drive or driver circuit to a fault condition, so the MOSFET switching device 30 over the switching device 20 switched off. The switching off is usually done with a high gate current I _G , z. B. 1 A. Since this high gate current I _G in the normal case only briefly flows, that of the Spannungserhbhungseinrichtung 10 to be supplied average continuous current only low, z. B. 20 mA.

Tritt aber ein Kurzschluss, bspw. in der Umschalteinrichtung 20 zwischen dem Ausgangsanschluss der Spannungserhbhungseinnchtung 10 und dem Gateanschluss der MOSFET-Einrichtung 30 auf (wie durch die gestrichelte Linie im Block 20 dargestellt ist), so wird beim Ausschalten der MOSFET-Einrichtung 30 die Spannungserhbhungseinrichtung 10 überlastet, da ein Dauerstrom fließt.But if a short circuit occurs, for example in the switching device 20 between the output terminal of the voltage recovery device 10 and the gate of the MOSFET device 30 on (as indicated by the dashed line in the block 20 is shown), so when turning off the MOSFET device 30 the voltage recovery device 10 overloaded, as a continuous current flows.

Eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art ist aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 203 02 275 U1 bekannt. Die bekannte Schutzschaltung umfasst einen elektronischen Schalter, der zwischen einer Leistungsversorgung und einer Last angeordnet ist, um eine dieser Last zuzuführende Leistung (Strom und Spannung) zu steuern. In dem Zweig zwischen der Schalteinrichtung des elektronischen Schalters und der Last ist eine Messeinrichtung in Form eines Widerstands angeordnet. Die Messeinrichtung dient zur Erfassung des durch die Schalteinrichtung und die Last fließenden Stroms. Die erfassten Stromwerte werden einer Auswerteeinrichtung in Form einer Regeleinrichtung zugeführt und dort mit vorbestimmten Betriebswerten verglichen. Nehmen nach Vorliegen eines Einschaltsignals, mit dem durch die Schalteinrichtung des elektronischen Schalters der Last Leistung zugeführt wird, die erfassten Messwerte des Laststroms geringe Werte an, wird die Schalteinrichtung in Form eines Leistungstransistors geöffnet. Liegen hingegen übermäßige und damit unzulässige Werte in Vergleich zu Bezugswerten vor, dann erfolgt eine Verminderung des durch die Schalteinrichtung und damit auch durch die Last fließenden Stroms, wobei in diesem Fall der Strom auf einen Referenzwert begrenzt wird.A protective circuit of the type mentioned is of the generic type document DE 203 02 275 U1 known. The known protection circuit comprises an electronic switch arranged between a power supply and a load for controlling a power (current and voltage) to be supplied to this load. In the branch between the switching device of the electronic switch and the load, a measuring device in the form of a resistor is arranged. The measuring device serves to detect the current flowing through the switching device and the load. The detected current values are supplied to an evaluation device in the form of a control device and compared there with predetermined operating values. If, after the presence of a switch-on signal with which the load is supplied by the switching device of the electronic switch, the measured values of the load current are low, the switching device is opened in the form of a power transistor. If, on the other hand, there are excessive and thus impermissible values in comparison with reference values, then the current flowing through the switching device and thus also through the load is reduced, in which case the current is limited to a reference value.

Als Kriterium für die Funktion der Regelung der bekannten Schutzschaltung dient der erfasste Strom in dem Zweig zwischen der Schalteinrichtung und der Last, der nach einer Erfassung mittels eines Erfassungswiderstands der Regeleinrichtung zur Auswertung zugeführt wird. Entsprechend dieser Auswertung erfolgt eine Ansteuerung der Schalteinrichtung (Transistor) zur Erhöhung oder Verminderung des der Last zugeführten Stroms entsprechend dem erfassten Stromwert.As a criterion for the function of the control of the known protection circuit, the detected current is used in the branch between the switching device and the load, which is supplied to the control device after evaluation by means of a detection resistor for evaluation. According to this evaluation, a control of the switching device (transistor) takes place in order to increase or decrease the current supplied to the load accordingly the detected current value.

3 zeigt ein Schaltungsbeispiel für die Spannungserhbhungseiririchiung 10 als Pumpschaltung mit einer Kondensatoren-Dioden-Kombination und einem Rechteckgenerator. Wie aus der Schaltungskonfiguration gemäß 3 hervorgeht, klemmen die Dioden der Pumpschaltung die Ausgangsspannung U_p der Schalterhöhungseinrichtung 10 auf einen Wert U_b-2U_F, wobei U_F der Flussspannung oder Durchlassspannung einer Diode entspricht. Dies hat zur Folge, dass die an dem Gate der MOSFET-Einrichtung 30 anliegende Gate-Spannung im Fehlerzustand auf einen Wert von bspw. 11 V (bspw. bei einem Kraftfahrzeugversorgungssystem) geklemmt wird, was zur Folge hat, dass die MOSFET-Einrichtung 30 nicht vollständig durchgeschaltet ist, aber noch ein hoher Laststrom I_L fließt. Dies wiederum führt zu einer Verlustleistung, die wesentlich höher ist als im Normalbetrieb. Die MOSFET-Einrichtung 30 wird dadurch überhitzt, was zu einer Beschädigung der MOSFET-Einrichtung 30 oder ihrer Schaltungsumgebung führen kann. 3 shows a circuit example of the voltage recovery device 10 as a pump circuit with a capacitor-diode combination and a square-wave generator. As from the circuit configuration according to 3 shows, the diodes of the pump circuit clamp the output voltage U _{p of} the switch increasing means 10 to a value U _b -2U _F , where U _F corresponds to the forward voltage or forward voltage of a diode. As a result, that at the gate of the MOSFET device 30 applied gate voltage in the fault state to a value of, for example, 11 V (for example, in a motor vehicle supply system) is clamped, with the result that the MOSFET device 30 is not fully turned on, but still a high load current I _L flows. This in turn leads to a power loss that is much higher than in normal operation. The MOSFET device 30 This will overheat resulting in damage to the MOSFET device 30 or their circuit environment.

Mögliche Ursachen für den als punktierte Linie im Block 20 dargestellten Kurzschluss kann bspw. ein kleines Metallteil, wie bspw. ein Span odgl., in der Umschalteinrichtung 20 oder eine Schädigung des Schalters in der Umschalteinrichtung 20 sein.Possible causes for the dotted line in the block 20 shown short circuit can, for example, a small metal part, such as a chip or the like., In the switching device 20 or damage to the switch in the switching device 20 be.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschutzschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern eines Schaltmittels bereitzustellen, durch die eine Überlastung durch den vorgenannten oder einen ähnlichen Betriebsfehler vermieden werden kann.It Object of the present invention, a driver protection circuit and to provide a method for driving a switching means, through the one overload avoided by the aforementioned or a similar operating error can be.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzschaltung nach Anspruch 1 und durch ein Ansteuerverfahren nach Anspruch 16.These Task is solved by a protection circuit according to claim 1 and by a driving method according to claim 16.

Erfindungsgemäß wird der Schaltzustand des Schaltmittels, z. B. des MOSFETs, im Ansprechen auf einen Schaltvorgang erfasst, und der Schaltvorgang wird im Ansprechen auf das Feststellen eines fehlerhaften Schaltzustands abgebrochen. Ist die Steuerspannung des Schaltmittels nach einem Umschaltvorgang nicht in dem für den gewünschten Schaltzustand erforderlichen Strom- bzw. Spannungsbereich, so wird eine Fortführung des Schaltvorgangs abgebrochen oder unterdrückt. Dadurch wird eine Schädigung des Schaltmittels oder seiner Schaltungsumgebung vermieden.According to the invention Switching state of the switching means, z. B. the MOSFET, in response detected on a switching operation, and the switching operation is in response to the detection of a faulty switching state aborted. is the control voltage of the switching means after a switching operation not in the for the desired switching state required current or voltage range, so will a continuation of Switching aborted or suppressed. This will damage the Switching means or its circuit environment avoided.

Das Abbrechen des Schaltvorgangs kann bspw. durch Unterdrückungsmittel zum Unterdrücken des Schaltvorgangs im Ansprechen auf das Erfassen eines fehlerhaften Schaltzustands erfolgen. Diese Unterdrückungsmittel können bspw. ausgestaltet sein zum selektiven Verringern eines dem Schaltmittel zugeführten Steuersignals. Im Einzelnen kann dies durch einen steuerbaren Widerstand erreicht werden, der einen dem Schaltmittel zugeführten Steuerstrom selektiv verringert. Vorzugsweise ist der verringerte Steuerstrom kleiner als ein zulässiger Dauerstrom einer den Steuerstrom liefernden Spannungsquelle.The Canceling the switching process can, for example, by suppressing means to suppress the Switching in response to detecting a faulty Switching state take place. These suppressants may, for example. be configured to selectively reduce a switching means supplied Control signal. Specifically, this can be done by a controllable resistor can be achieved, the one supplied to the switching means control current selectively reduced. Preferably, the reduced control current less than a permissible continuous current a voltage source supplying the control current.

Diese Spannungsquelle kann bspw. durch ein Spannungserhöhungsmittel zum Erhöhen einer durch das Schaltmittel geschalteten Versorgungsspannung realisiert werden, wobei das Steuermittel ausgestaltet ist zum Abschalten des Schaltmittels durch selektives Zuführen der erhöhten Versorgungsspannung an einen Steuereingang des Schaltmittels. Das Spannungserhöhungsmittel kann eine Ladungspumpe oder eine Bootstrap-Schaltung aufweisen. Vorzugsweise ist das Steuermittel ausgestaltet zum Einschalten des Schaltmittels durch selektives Zuführen einer gegenüber der erhöhten Versorgungsspannung kleineren Einschaltspannung. Im einzelnen kann das Steuermittel bspw. ein Umschaltmittel umfassen zum selektiven Verbinden des Steuereingangs des Schaltmittels entweder mit einem Ausgang des Spannungserhöhungsmittels oder mit einem Masseanschluss.These Voltage source can, for example, by a voltage booster to increase a realized by the switching means supply voltage realized be configured, wherein the control means is designed to turn off the Switching means by selectively supplying the increased supply voltage to a control input of the switching means. The voltage booster may have a charge pump or a bootstrap circuit. Preferably, the control means is configured to turn on Switching means by selectively supplying a relative to the increased Supply voltage smaller turn-on voltage. In detail, can The control means, for example, a switching means comprise for selective Connecting the control input of the switching means either to an output of the booster or with a ground connection.

Ferner kann das Erfassungsmittel ausgestaltet sein zum Erfassen einer Spannung an einem Steueranschluss des Schaltmittels oder eines durch das Schaltmittel fließend Stroms. Dabei kann die Feststellung des fehlerhaften Schaltzustands durch das Erfassungsmittel dann erfolgen, wenn zumindest ein Wert des erfassten Stroms oder der erfassten Spannung von einem vorbestimmten Wert in einer vorbestimmten Richtung abweicht. Als Beispiel kann das Erfassungsmittel vorzugsweise ausgestaltet sein zum Durchführen eines Erfassungsvorgangs nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer nach Einleiten eines Schaltvorgangs durch das Steuermittel. Diese vorbestimmte Zeitdauer kann bspw. durch ein Zeitgebermittel festgelegt sein. Dieses Zeitgebermittel kann bspw. zumindest einen Kondensator aufweisen, der mit einem vorbestimmten Ladestrom geladen oder entladen wird.Further the detecting means may be configured to detect a voltage at a control terminal of the switching means or one through the Switching means fluent Current. In this case, the determination of the faulty switching state then done by the detection means, if at least one value the detected current or the detected voltage of a predetermined Value deviates in a predetermined direction. As an example, that can Detecting means preferably be configured to perform a Acquisition process after a predetermined period of time after Initiating a switching operation by the control means. This predetermined Time duration can be determined, for example, by a timer means. This timer means may, for example, comprise at least one capacitor, which is charged or discharged at a predetermined charging current.

Der fehlerhafte Strom kann insbesondere dann festgestellt werden, wenn die Spannung an einem Steueranschluss des Schaltmittels oder der Strom durch das Schaltmittel einen vorbestimmten Wert überschreiten.Of the faulty current can be detected especially if the voltage at a control terminal of the switching means or the current exceed a predetermined value by the switching means.

Der Schritt des Abbrechens des Schaltvorgangs kann somit einen Schritt des Unterbrechens oder ausreichenden Verringerns eines dem Schaltmittel zugeführten Steuerstroms umfassen.Of the Step of canceling the shift can thus be a step interrupting or sufficiently reducing a switching means supplied Control current include.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche aufgeführt.advantageous Further developments of the present invention are in the features the dependent claims listed.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to an embodiment with reference closer to the drawing figures explained. Show it:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schutzschaltung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel; 1 a schematic block diagram of a protection circuit according to the preferred embodiment;

2 ein schematisches Blockschaltbild einer herkömmlichen Ansteuerschaltung gemäß dem Stand der Technik; 2 a schematic block diagram of a conventional drive circuit according to the prior art;

3 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendeten Ladungspumpenschaltung; und 3 a schematic circuit diagram of a charge pump circuit used in the preferred embodiment; and

4 ein Zeitdiagramm charakteristischer Spannungs- und Stromsignale in der Schaltung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. 4 a timing diagram of characteristic voltage and current signals in the circuit according to the preferred embodiment.

Es erfolgt eine nähere Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand einer Schutzschaltung für eine Ansteuerung einer MOSFET-Einrichtung 30 als Beispiel für ein beliebiges Schaltmittel.A more detailed description will be given of the preferred embodiment with reference to a protection circuit for driving a MOSFET device 30 as an example of any switching means.

Die bereits in Verbindung mit der herkömmlichen in 2 gezeigten Schaltung beschriebenen Blöcke 10, 20, 30 und 70 und deren Funktion und Realisationsmöglichkeiten sind im Wesentlichen identisch und werden hier nicht nochmals näher beschrieben.The already in conjunction with the conventional in 2 shown circuit described blocks 10 . 20 . 30 and 70 and their function and possibilities of realization are essentially identical and will not be described again here.

Zur Bereitstellung einer Schutzfunktion für die in Verbindung mit der herkömmlichen Schaltung beschriebene Überlastungsproblematik wird eine Unterdrückungseinrichtung 40 bereitgestellt, die den aus der Spannungserhöhungseinrichtung 10 gelieferten Strom unterdrückt bzw. zumindest auf einen ausreichenden Wert verringert, so dass die MOSFET-Einrichtung 30 auch bei Auftreten eines Kurzschlusses in der Umschalteinrichtung 20 in einem zulässigen Betriebszustand verbleibt. Vorzugsweise ist die Unterdrückungseinrichtung 40 so ausgestaltet, dass sie den der Spannungserhöhungseinrichtung 10 entnommenen und der MOSFET-Schalteinrichtung 30 zugeführten Gatestrom I_G auf einen Wert verringert, der zumindest kleiner ist als ein zulässiger Dauerstrom der Spannungserhöhungseinrichtung 10.To provide a protection function for the overload problem described in connection with the conventional circuit, a suppression device 40 provided by the voltage booster 10 supplied current is suppressed, or at least reduced to a sufficient value, so that the MOSFET device 30 even when a short circuit occurs in the switching device 20 remains in a permissible operating state. Preferably, the suppression device 40 designed to be that of the voltage booster 10 taken and the MOSFET switching device 30 supplied gate current I _G reduced to a value which is at least smaller than a permissible continuous current of the voltage booster 10 ,

Die Ansteuerung der Unterdrückungseinrichtung 40 erfolgt durch eine Fehlererfassungseinrichtung 50, die den durch die MOSFET-Einrichtung 30 fließenden Laststrom I bspw. mittels einer Stromerfassungseinrichtung 70, wie bspw. ein Mess- oder Shuntwiderstand, und/oder die Gatespannung U_G am Gate des MOSFETs der MOSFET-Einrichtung 30 erfasst und auswertet. Die Auswertung kann bspw. durch Vergleich mit einem für den betreffenden Schaltzustand cha rakteristischen Grenzwert erfolgen. Wird dieser Grenzwert je nach Schaltzustand überschritten bzw. unterschritten, so erfolgt eine entsprechende Ansteuerung der Unterdrückungseinrichtung 40 zur entsprechenden Verringerung des Gatestroms I_G, so dass der Schaltvorgang abgebrochen wird.The control of the suppression device 40 done by an error detection device 50 passing through the MOSFET device 30 flowing load current I bspw. By means of a current detection device 70 , such as a measuring or shunt resistor, and / or the gate voltage U _G at the gate of the MOSFET of the MOSFET device 30 recorded and evaluated. The evaluation can be done, for example, by comparison with a cha for the relevant switching state characteristic limit. If this limit value is exceeded or undershot, depending on the switching state, a corresponding activation of the suppression device takes place 40 to the corresponding reduction of the gate current I _G , so that the switching operation is aborted.

Die Fehlererfassungseinrichtung 50 kann durch eine Komparatorschaltung mit entsprechenden Referenzwerten für die beiden Schaltzustände gebildet sein, wobei die Feststellung eines fehlerhaften Schaltzustands entweder auf der erfassten Größe des Laststroms I oder der erfassten Größe der Gatespannung U_G oder auf auch auf beiden Größen basieren kann. Die Unterdrückungseinrichtung 40 kann als steuerbarer Widerstand bspw. durch ein steuerbares Halbleiterelement wie bspw. ein Transistor oder eine komplexere Schaltung mit steuerbarem Widerstand oder steuerbarem Ausgangsstrom gebildet sein.The error detection device 50 can be formed by a comparator circuit with corresponding reference values for the two switching states, wherein the determination of a faulty switching state can be based either on the detected magnitude of the load current I or the detected magnitude of the gate voltage U _G or on both sizes. The suppression device 40 may be formed as a controllable resistor, for example, by a controllable semiconductor element such as, for example, a transistor or a more complex circuit with controllable resistance or controllable output current.

Der Zeitpunkt der Erfassung des Schaltzustands durch die Fehlererfassungseinrichtung 50 kann durch eine Zeitgeberschaltung 60 wie bspw. ein Timer festgelegt werden, der eine vorbestimmte Zeitdauer nach Initiierung des Umschaltvorgangs der Umschalteinrichtung 20 ein Steuersignal an die Fehlererfassungseinrichtung 50 abgibt. Hierzu kann ein der Umschalteinrichtung 20 zugeführtes Steuersignal auch der Zeitgeberschaltung 60 zugeführt sein und diese triggern.The time of detection of the switching state by the error detection device 50 can by a timer circuit 60 such as, for example, setting a timer, which is a predetermined period of time after initiation of the switching operation of the switching device 20 a control signal to the error detection device 50 emits. For this purpose, one of the switching device 20 supplied control signal and the timer circuit 60 be fed and triggers this.

Im Einzelnen kann die Zeitfunktion der Zeitgebereinrichtung 60 bspw. dadurch realisiert werden, dass ein Kondensator mit einem vorbestimmten Entladestrom von einem vorbestimmten ersten Spannungswert wie bspw. 2 V auf einen vorbestimmten zweiten Spannungswert wie bspw. 0,5 V entladen wird, oder umgekehrt. Als Beispiel kann der Wert des Kondensators bspw. 3,3 μF und der Wert des Entladestroms bspw. 30 μA betragen. Als Alternative kann die Zeitfunktion auch so gesteuert sein, dass die Zeitgebereinrichtung 60 erst bei Erfassen eines fehlerhaften Zustands durch die Fehlererfassungseinrichtung 50 aktiviert wird und dann die Zeitfunktion einleitet, so dass eine Ansteuerung der Unterdrückungseinrichtung 40 nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer erfolgt, sofern der fehlerhafte Zustand weiterhin vorliegt.In particular, the time function of the timer means 60 for example, realized by discharging a capacitor having a predetermined discharge current from a predetermined first voltage value such as 2V to a predetermined second voltage value such as 0.5V, or vice versa. By way of example, the value of the capacitor may, for example, be 3.3 μF and the value of the discharge current, for example, 30 μA. As an alternative, the time function may also be controlled such that the timer means 60 only upon detection of a faulty condition by the error detection device 50 is activated and then initiates the time function, so that a control of the suppression device 40 occurs after the predetermined period of time, if the faulty state still exists.

Der Abschaltstrom am Gate der MOSFET-Einrichtung 30 kann bspw. bis zu 500 mA betragen. Wird der Fehlerzustand erkannt, so kann die Unterdrückungseinrichtung 40 den Gatestrom I_G auf 3 mA verringern, so dass die MOSFET-Einrichtung 30 in einem zulässigen Zustand oder Arbeitspunkt gehalten und eine Überlastung vermieden wird. Da die bspw. als Ladungspumpenschaltung ausgestaltete Spannungserhöhungseinrichtung 10 typischerweise einen Dauerstrom von mehr als 10 mA liefern kann, bleibt die Gate-Spannung U_G damit erhalten.The turn-off current at the gate of the MOSFET device 30 can be up to 500 mA, for example. If the error condition is detected, then the suppression device 40 reduce the gate current I _G to 3 mA, leaving the MOSFET device 30 held in an allowable state or operating point and an overload is avoided. As, for example, designed as a charge pump circuit voltage booster 10 typically can deliver a continuous current of more than 10 mA, the gate voltage U _{G is} thus retained.

Die beim Einschaltzustand der MOSFET-Einrichtung 30 zugeführte Referenzspannung U_ref kann eine gegenüber der erhöhten Spannung U_p verringerte Spannung oder einen Wert von 0 V aufweisen, wobei der Referenzspannungsanschluss dann mit Massepotential verbunden sein kann.The ON state of the MOSFET device 30 supplied reference voltage U _ref may have a relation to the increased voltage U _p reduced voltage or a value of 0 V, wherein the reference voltage _terminal may then be connected to ground potential.

Im Ergebnis wird ein Ausschalten der MOSFET-Einrichtung 30 vermieden, wenn die Gate-Spannung bzw. Gate-Source-Spannung des MOSFETs der MOSFET-Einrichtung 30 nach der vorbestimmten Zeitdauer, die der Ausschaltvorgang benötigt, nicht im gewünschten Ausschaltbereich liegt. Dabei wird der Ausschaltstrom bspw. durch Erhöhung des durch die Unterdrückungsschaltung 40 gebildeten Widerstands reduziert, bspw. auf weniger als 5 mA oder auf 0 mA, so dass die MOSFET-Einrichtung 30 dann in einem zulässigen Arbeitspunkt arbeiten kann und nicht geschädigt wird. Nachdem der Kurzschluss beseitigt ist, kann der verringerte Strom die MOSFET-Einrichtung 30 dann ausschalten.As a result, turning off the MOSFET device 30 avoided when the gate voltage or gate-source voltage of the MOSFET of the MOSFET device 30 after the predetermined period of time, which requires the turn-off, is not in the desired switch-off. In this case, the breaking current is, for example, by increasing the by the suppression circuit 40 For example, to less than 5 mA or 0 mA, so that the MOSFET device 30 then work in an acceptable operating point and not be harmed. After the short circuit is eliminated, the reduced current may be the MOSFET device 30 then switch off.

Die Erfassung, ob die MOSFET-Einrichtung 30 den Abschaltzustand erreicht hat, kann bspw. bei Feststellung einer Gate-Source-Spannung von mehr als 1 V erfolgen, was einer absoluten Gatespannung von bspw. mehr als 3 V entspricht. Als Alternative kann auch eine Messung relativ zur Versorgungsspannung U_b erfolgen, wobei die Differenz zwischen der Versorgungsspannung U_b und der Gate-Source-Spannung U_GS dann als fehlerhaft erachtet wird, wenn sie mehr als –3 V beträgt. Bei Auswertung des durch die MOSFET-Einrichtung 30 fließenden Laststroms I_L kann ein Wert größer als bspw. 1 A als Hinweis auf einen fehlerhaften Ausschaltzustand gewertet werden. Die durch die Zeitgebereinrichtung 60 vorgegebene Zeitdauer kann bspw. 2 μs betragen.The detection of whether the MOSFET device 30 has reached the off state, for example. When detecting a gate-source voltage of more than 1 V, which corresponds to an absolute gate voltage of, for example, more than 3V. As an alternative, a measurement can be carried out relative to the supply voltage U _b , wherein the difference between the supply voltage U _b and the gate-source voltage U _{GS is} then considered erroneous if it is more than -3 V. When evaluated by the MOSFET device 30 flowing load current I _L can be considered a value greater than, for example, 1 A as an indication of a faulty OFF state. The by the timer means 60 given time duration can be, for example, 2 μs.

4 zeit ein schematisches Zeitdiagramm der an der Schutzschaltung gemäß 1 anliegenden Spannungs- bzw. Stromsignale. Die mit dem Index „f” gekennzeichneten Signalgrößen entsprechen dabei dem Signalverlauf bei Auftreten eines fehlerhaften Ausschaltzustands. 4 time a schematic timing diagram of the protection circuit according to 1 applied voltage or current signals. The signal quantities marked with the index "f" correspond to the signal curve when an erroneous switch-off state occurs.

Die in 4 durchgezogen dargestellte Linie entspricht der Gatespannung U_G im Falle eines normalen Ausschaltvorgangs ohne Abbruch. Zum Zeitpunkt t1 wird der Gatestrom IG durch Umschalten anhand der Umschalteinrichtung 20 in negativer Richtung erhöht und führt zum Einleiten eines Ausschaltvorgangs. Bei Vorliegen eines Kurzschlusses zwischen der Unterdrückungseinrichtung 40 und dem Gateanschluss der MOSFET-Einrichtung 30 ergibt sich ein fehlerhafter Spannungsverlauf der Gatespannung U_G bzw. der Gate-Source-Spannung U_GS dahingehend, dass die Spannungen aufgrund der Überlastung der Spannungserhöhungseinrichtung 10 auf einen Wert unterhalb der Versorgungsspannung U_b sinken, was durch die an der Spannungserhöhungseinrichtung 10 abfallende Durchlassspannung verursacht wird. Dieser fehlerhafte Ausschaltvorgang wird nach Ablauf der durch die Zeitgebereinrichtung 60 vorbestimmten Zeitdauer im Zeitpunkt t2 durch die Fehlererfassungseinrichtung 50 erkannt und dadurch abgebrochen, dass ein entsprechendes Steuersignal an die Unterdrückungseinrichtung 40 abgegeben wird, die den Gatestrom I_G auf einen ausreichend geringen Wert reduziert und die MOSFET-Einrichtung 30 damit in einem zulässigen Bereich hält.In the 4 solid line corresponds to the gate voltage U _G in the case of a normal shutdown without demolition. At time t1, the gate current IG is switched by switching using the switching device 20 increases in the negative direction and leads to the initiation of a switch-off. In the presence of a short circuit between the suppression device 40 and the gate of the MOSFET device 30 results in a faulty voltage waveform of the gate voltage U _G and the gate-source voltage U _{GS to the} effect that the voltages due to the overload of the voltage booster 10 to a value below the supply voltage U _b , which is due to the voltage increase device 10 falling forward voltage is caused. This erroneous switch-off is after the expiration of the timer 60 predetermined time duration at time t2 by the error detection device 50 detected and thereby canceled that a corresponding control signal to the suppression device 40 is discharged, which reduces the gate current I _G to a sufficiently low value and the MOSFET device 30 to keep it within a permissible range.

Eine Überlastung der MOSFET-Einrichtung 30 oder der übrigen Schaltelemente kann dadurch zuverlässig vermieden werden.An overload of the MOSFET device 30 or the other switching elements can be reliably avoided.

Es ist anzumerken, dass die vorgeschlagene Schutzwirkung auch im Falle einer Überlastung der MOSFET-Einrichtung 30 im Einschaltzustand greifen kann, da auch dann die Erfassungseinrichtung 50 bei entsprechendem Vergleich mit zulässigen Grenzwerten für die Gatespannung U_G und/oder den Laststrom I_L eine entsprechende Ansteuerung der Unterdrückungseinrichtung 40 vornehmen kann. Die Unterdrückungseinrichtung 40 kann auch parallel zum Gateanschluss der MOSFET-Einrichtung 30 angeordnet sein, wobei dann eine Verringerung der Gatespannung U_G bzw. des Gatestroms I_G durch entsprechenden erhöhten Stromabfluss am Gate erfolgen kann.It should be noted that the proposed protective effect even in case of overload of the MOSFET device 30 in the on state, since then the detection device 50 in a corresponding comparison with permissible limit values for the gate voltage U _G and / or the load current I _L a corresponding control of the suppression device 40 can make. The suppression device 40 can also be parallel to the gate of the MOSFET device 30 be arranged, in which case a reduction of the gate voltage U _G and the gate current I _G can be carried out by corresponding increased current drain at the gate.

Wie bereits erwähnt, kann die Schutzschaltung sowohl diskret als auch integriert bspw. als ASIC aufgebaut sein. Als zu schützendes Schaltmittel sind jegliche vor Überlastung zu schützende elektronische Schaltelemente oder Schaltungskomponenten denkbar. Die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.As already mentioned, the protection circuit can be both discrete and integrated eg. be built as an ASIC. As to be protected switching means are any in front of overload to be protected electronic switching elements or circuit components conceivable. The present invention is thus not on the embodiment limited.

Claims

Schutzschaltung zur Vermeidung einer Überlastung in einer Schaltstufe, wobei die Schutzschaltung umfasst: a) Steuermittel (20) zum Versetzen eines Schaltmittels (30) der Schaltstufe in einen vorbestimmten Schaltzustand durch Zuführen eines Steuersignals (IG, UG) zu dem Schaltmittel (30), b) Erfassungsmittel (50,70) zur Erfassung eines Aus-Schaltzustands des Schaltmittels (30) im Ansprechen auf einen durch das Steuermittel (20) eingeleiteten Aus-Schaltvorgang und Bestimmen, dass ein fehlerhafter Zustand vorliegt, wenn das Steuersignal für das Schaltmittel (30) oder ein erfasster Strom durch das Schaltmittel (30) nicht in einem zulässigen Ausschaltbereich liegt, und c) Unterdrückungsmittel (40) zum Abbrechen des Aus-Schaltvorgangs durch Verringern des dem Schaltmittel (30) zugeführten Steuersignals auf einen Wert, durch den das Schaltmittel (30) in seinem zulässigen Bereich gehalten wird, wenn der fehlerhafte Zustand erkannt wird.Protection circuit for avoiding overload in a switching stage, the protection circuit comprising: a) control means ( 20 ) for displacing a switching means ( 30 ) of the switching stage in a predetermined switching state by supplying a control signal (IG, UG) to the switching means ( 30 ), b) detection means ( 50 . 70 ) for detecting an off-switching state of the switching means ( 30 ) in response to a control by the control means ( 20 ) and determining that a faulty condition exists when the control signal for the switching means ( 30 ) or a detected current through the switching means ( 30 ) is not within a permissible switch-off range, and c) suppression means ( 40 ) for canceling the off-switching operation by reducing the Switching means ( 30 ) supplied to a value by which the switching means ( 30 ) is kept within its allowable range when the faulty condition is detected.

Schutzschaltung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend Spannungserhöhungsmittel (10) zum Erhöhen einer durch das Schaltmittel (30) geschalteten Versorgungsspannung.The protection circuit of claim 1, further comprising boosting means (16). 10 ) for increasing one by the switching means ( 30 ) switched supply voltage.

Schutzschaltung nach Anspruch 2, wobei das Spannungserhöhungsmittel (10) eine Ladungspumpenschaltung oder eine Bootstrap-Schaltung aufweist.A protection circuit according to claim 2, wherein the boosting means ( 10 ) has a charge pump circuit or a bootstrap circuit.

Schutzschaltung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Steuermittel (20) ausgestaltet ist zum Einschalten des Schaltmittels (30) durch selektives Zuführen einer gegenüber der erhöhten Versorgungsspannung kleineren Einschaltspannung.Protection circuit according to claim 2 or 3, wherein the control means ( 20 ) is configured to turn on the switching means ( 30 ) by selectively supplying a smaller turn-on voltage than the increased supply voltage.

Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Steuermittel ein Umschaltmittel (20) aufweist zum selektiven Verbinden des Steuereingangs des Schaltmittels (30) entweder mit einem Ausgang des Spannungserhöhungsmittels (10) oder mit einem Masseanschluss.Protection circuit according to one of claims 2 to 4, wherein the control means comprises a switching means ( 20 ) for selectively connecting the control input of the switching means ( 30 ) either with an output of the voltage booster ( 10 ) or with a ground connection.

Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassungsmittel (50) ausgestaltet ist zum Erfasen einer Spannung an einem Steueranschluss des Schaltmittels (30) oder des durch das Schaltmittel (30) fließenden Stroms.Protection circuit according to one of the preceding claims, wherein the detection means ( 50 ) is configured to detect a voltage at a control terminal of the switching means ( 30 ) or by the switching means ( 30 ) flowing current.

Schutzschaltung nach Anspruch 6, wobei das Erfassungsmittel (50) ausgestaltet ist zum Feststellen des fehlerhaften Zustand wenn zumindest ein Wert des erfassten Stroms oder der erfassten Spannung von einem vorbestimmten Wert in einer vorbestimmten Richtung abweicht.Protection circuit according to claim 6, wherein the detection means ( 50 ) is configured to detect the erroneous state when at least one of the detected current and the detected voltage deviates from a predetermined value in a predetermined direction.

Schutzschaltung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Erfassungsmittel (50) ausgestaltet ist zum Durchführen eines Erfassungsvorgangs nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer nach Einleiten des Aus-Schaltvorgangs durch das Steuermittel (20).Protection circuit according to claim 6 or 7, wherein the detection means ( 50 ) is configured to perform a detection operation after elapse of a predetermined period of time after initiation of the off-switching operation by the control means (FIG. 20 ).

Schutzschaltung nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend Zeitgebermittel (60) zum Festlegen der vorgegebenen Zeitdauer.A protection circuit according to claim 8, further comprising timer means ( 60 ) for setting the predetermined period of time.

Schutzschaltung nach Anspruch 9, wobei das Zeitgebermittel (60) zumindest einen Kondensator aufweist, der mit einem vorbestimmten Ladestrom geladen oder entladen wird.Protection circuit according to claim 9, wherein the timer means ( 60 ) has at least one capacitor which is charged or discharged with a predetermined charging current.

Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Erfassungsmittel (50) ausgestaltet ist zum Feststellen eines fehlerhaften Aus-Schaltzustands, wenn die Spannung an einem Steueranschluss des Schaltmittels (30) oder der Strom durch das Schaltmittel (30) einen vorbestimmten Wert überschreiten. Protection circuit according to one of claims 6 to 10, wherein the detection means ( 50 ) is configured to detect a faulty off-switching state when the voltage at a control terminal of the switching means ( 30 ) or the current through the switching means ( 30 ) exceed a predetermined value.

Schutzschaltung nach Anspruch 11, wobei das Unterdrückungsmittel (40) einen steuerbaren Widerstand aufweist zum selektiven Verringern eines dem Schaltmittel (30) zugeführten Steuerstroms.Protection circuit according to claim 11, wherein the suppressing means ( 40 ) has a controllable resistance for selectively reducing a switching means ( 30 ) supplied control current.

Schutzschaltung nach Anspruch 12, wobei der verringerte Steuerstrom kleiner ist als ein zulässiger Dauerstrom einer den Steuerstrom liefernden Spannungsquelle (10).A protection circuit according to claim 12, wherein the reduced control current is less than a permissible continuous current of a voltage source supplying the control current ( 10 ).

Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltmittel (30) ein MOSFET ist.Protection circuit according to one of the preceding claims, wherein the switching means ( 30 ) is a MOSFET.

Verfahren zum Ansteuern eines Schaltmittels (30) zur Vermeidung einer Überlastung in einer Schaltstufe, mit einem Steuermittel (20) zum Versetzen des Schaltmittels (30) in einen vorbestimmten Schaltzustand durch Zuführen eines Steuersignals (IG, UG) zu dem Schaltmittel (30), und einem Unterdrückungsmittel (40) zum Abbrechen eines Aus-Schaltvorgangs im Ansprechen auf einen fehlerhaften Zustand, mit den Schritten: – Erfassen eines Aus-Schaltzustands des Schaltmittels (30) im Ansprechen auf einen durch das Steuermittel eingeleiteten Aus-Schaltvorgang und Bestimmen, dass der fehlerhafte Zustand vorliegt, wenn das Steuersignal für das Schaltmittel (30) oder ein in dem Schaltmittel (30) fließender Strom nicht in einem zulässigen Ausschaltbereich liegt, und – Abbrechen des Aus-Schaltvorgangs durch Verringern des dem Schaltmittel (30) zugeführten Steuersignals auf einen Wert, durch den das Schaltmittel (30) in seinem zulässigen Bereich gehalten wird, wenn der fehlerhafte Zustand erkannt wird.Method for controlling a switching means ( 30 ) to avoid overload in a switching stage, with a control means ( 20 ) for displacing the switching means ( 30 ) in a predetermined switching state by supplying a control signal (IG, UG) to the switching means ( 30 ), and a suppressant ( 40 ) for canceling an off-switching operation in response to a faulty condition, comprising the steps of: - detecting an off-switching state of the switching means ( 30 ) in response to an off-shift initiated by the control means and determining that the fault condition exists when the control signal for the switching means ( 30 ) or in the switching means ( 30 ) flowing current is not within an allowable turn-off range, and - canceling the turn-off operation by reducing the switching means ( 30 ) supplied to a value by which the switching means ( 30 ) is kept within its allowable range when the faulty condition is detected.

Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Abbrechens einen Schritt des Unterbrechens oder Verringerns eines dem Schaltmittel (30) zugeführten Steuerstroms umfasst.The method of claim 15, wherein the step of canceling comprises a step of interrupting or decrementing the switching means ( 30 ) supplied control current.

Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Schritt des Erfassens des Aus-Schaltzustands basiert auf einer Erfassung der Steuerspannung des Schaltmittels (30) oder des durch das Schaltmittel (30) fließenden Stroms.The method of claim 15 or 16, wherein the step of detecting the off-switching state is based on detection of the control voltage of the switching means. 30 ) or by the switching means ( 30 ) flowing current.