DE102006060075A9

DE102006060075A9 - Eingangsspannungsmessschaltung

Info

Publication number: DE102006060075A9
Application number: DE102006060075A
Authority: DE
Inventors: Julian Mirea; Muthu Redondo Beach Subramanian
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-12-27
Also published as: US20070139083A1; JP2007173823A; DE102006060075A1; TW200732676A; US7561391B2; KR20070065847A

Abstract

Eingangsspannungsmessschaltung, umfassend einen Schaltungseingangsanschluss; einen Komparator mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen, wobei der erste dieser Eingangsanschlüsse mit einer Bezugsspannung gekoppelt ist; einen Schalterstromkreis, der zwischen dem Schaltungseingangsanschluss und dem zweiten der Eingangsanschlüsse des Komparators angeordnet ist, wobei der Schalter vorgesehen ist, um den Komparator vor Spannungen zu schützen, die eine vorbestimmte Spannung übersteigen, bei welcher der Schalter ausschaltet; und eine elektrostatische Entladeschaltung, die mit dem Schaltungseingangsanschluss gekoppelt ist, um elektrostatisch induzierte Spannungen zu entladen, die einen vorbestimmten Wert übersteigen.

Description

QUERVERWEISE ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der Vorläufigen US-Patentanmeldung 60/751.912 vom 25. Dezember 2005 mit dem Titel „INPUT VOLTAGE SENSING CIRCUIT", deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft Messschaltungen, und insbesondere Messschaltungen, um eine Spannung zu messen, die einen großen dynamischen Spannungsbereich von einer negativen Spannung bis zu einer positiven Hochspannung aufweist, und die in der Lage ist, eine Schwellenwertüberschreitung genau und schnell zu erkennen.
Anforderungen für diesen Typ von Schaltung sind, dass der Eingangssignalbereich groß ist und sie in der Lage sein muss, diesen großen Eingangssignalbereich ohne Beschädigung der Schaltung zu empfangen. Zum Beispiel liegt ein Signalbereich von minus 10 Volt bis 200 Volt innerhalb des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung. Ferner muss die Eingangsstufe eine sehr kleine Verzögerung aufweisen, die Schwellenwerterkennung sehr genau sein und der Eingang vor elektrostatischen Entladungen (ESD – electrostatic discharge) geschützt sein.
1 zeigt eine Schaltung des Standes der Technik zum Messen von Eingangsspannungen. Ein Spannungsteiler, der Widerstände R1 und R2 umfasst, ist durch eine Zenerdiode D1, die am Eingangsanschluss einer integrierten Schaltung vorgesehen ist, mit einem Schnellkomparator verbunden, der innerhalb einer integrierten Schaltung angeordnet ist. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass sie aufgrund der externen RC-Zeitkonstante, die durch den Widerstand R1 und die Fremdkapazität bedingt ist, langsam ist. Überdies tritt innerhalb des Spannungsteilers eine Verlustleistung auf, wenn der Eingang eine Hochspannung ist. Zudem ist die Schaltung teuer und nimmt für die externen Komponenten Raum außerhalb der integrierten Schaltung in Anspruch.
2 zeigt eine andere Schaltung des Standes der Technik, die einen Widerstand R1 und eine Zenerdiode D1 verwendet. Ein Vorteil dieser Schaltung ist, dass sie völlig in die integrierte Schaltung integriert werden kann. Zu den Nachteilen gehört, dass die RC-Verzögerung aufgrund des Ausgleichs (tradeoff)zwischen der Verlustleistung im Widerstand R1 und der RC-Zeitkonstante noch signifikant ist, da ein hoher Wert des R1 notwendig ist, um eine niedrige Verlustleistung zu erreichen. Ferner erfordert diese Schaltung einen Hochspannungswiderstand R1, der oftmals nicht leicht verfügbar ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Hochspannungseingangsstruktur bereit, die eine schnelle und genaue Messung erlaubt, während sie einen ESD-Schutz gewährleistet. Diese Struktur kann auch einem sehr großen Bereich an Eingangsspannungen widerstehen, zum Beispiel, aber ohne darauf beschränkt zu sein, von minus 10 Volt bis 200 Volt. Ein anderer Vorteil ist, dass sie völlig in eine integrierte Schaltung integriert werden kann, was eine günstige Lösung durch Direktmessung ermöglicht. Zudem kann die Struktur mit Standardkomponenten hergestellt werden, die in einem Hochspannungs-IC-Fertigungsprozess verfügbar sind.
Erfindungsgemäß wird eine Eingangsspannungsmessschaltung bereitgestellt, die eine Eingangsspannungsmessschaltung mit einem Schaltungseingangsanschluss; einen Komparator mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen, wobei der erste dieser Eingangsanschlüsse mit einer Bezugsspannung gekoppelt ist; einen Schalterstromkreis, der zwischen dem Schaltungseingangsanschluss und dem zweiten der Eingangsanschlüsse des Komparators angeordnet ist, wobei der Schalter vorgesehen ist, um den Komparator vor Spannungen zu schützen, die eine vorbestimmte Spannung übersteigen, bei welcher der Schalter abschaltet; und eine elektrostatische Entladeschaltung umfasst, die mit dem Schaltungseingangsanschluss gekoppelt ist, um elektrostatisch induzierte Spannungen, die einen vorbestimmten Wert übersteigen, zu entladen.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG(EN)
Die Erfindung wird in der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen in näheren Details beschrieben, wobei:
1 eine Schaltung des Standes der Technik zeigt;
2 eine andere Schaltung des Standes der Technik zeigt;
3 eine erfindungsgemäße Schaltung zeigt;
4 eine ESD-Schaltung zeigt;
5 die erfindungsgemäße Struktur zeigt, die eine ESD-Struktur einschließt; und
6 eine Anwendung der Schaltung von 3 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigt 3 die erfindungsgemäße Eingangsspannungsmessschaltung. Ein Transistor M1 ist ein Hochspannungs-MOSFET, zum Beispiel ein NMOS. Er schützt den Niederspannungseingang des Schnellkomparators COMP, indem er sich ausschaltet, wenn die Eingangsspannung höher als VCC bis zur Drain-Durchschlagspannung ist, zum Beispiel größer als 200 Volt.
In Sperrrichtung gekoppelte Dioden D2 und D1 formen eine Hochspannungs-ESD-Schutzschaltung. Die D2 kann eine Hochspannungsabschlussdiode umfassen. Sie erfüllt zwei Zwecke: eine Hochspannungs-ESD-Schutzvorrichtung (z. B. 200 V) zu formen und ein Hochspannungssubstrat für den Widerstand R1 bereitzustellen. Auf diese Weise kann der Widerstand R1 statt eines Hochspannungswiderstands nur ein normaler Niederspannungspolysiliziumwiderstand sein und wird die Genauigkeit der Messung nicht beeinflussen.
Die Diode D1 kann eine Niederspannungsdiode umfassen, die verwendet wird, um die Leitung durch die ESD-Schaltung zu sperren, wenn der Eingang auf eine negative Spannung bis zu minus 10 Volt gesetzt wird.
Der Widerstand R1 dient auch dazu, den Transistor M1 vor elektrostatischer Entladung zu schützen; den Strom zu begrenzen, wenn die Eingangsspannung negativ wird; und eine Möglichkeit zur Messung einer negativen Spannung bereitzustellen. Durch Einspeisen des Stroms I von einer Stromquelle in die M1-Sourceelektrode und Betrachten der VFORWARDMAX als die maximal zulässige Vorwärtsvorspannung durch die Körperdiode (nicht gezeigt) des M1, zum Beispiel 50 Millivolt, entspricht die minimale negative Spannung, die gemessen werden kann, VFORWARDMAX × R1/RDSONM1.
Die Hochspannungs-ESD-Schaltung sollte ausgelegt werden, um eine Sperrung zu vermeiden, wenn die Eingangsspannung negativ wird.
4 stellt eine normale Hochspannungsdiode D2 zwischen Zone 2 und Zone 3 in der Zeichnung dar. Die Zone 3 ist ein kreisförmiger P-Isolationsbereich, der die Zone 2 (Hochspannungs-N-Epitaxialbereich) umgibt. Die Zone 4 ist der Niederspannungs-(bis zu 20 Volt) N-Epitaxialbereich für die Niederspannungskomponenten.
Die in 4 gezeigte Struktur enthält einen parasitären NPN-Transistor in den Zonen 2, 3 und 4 und einen parasitären PNP-Transistor in den Zonen 1, 2 und 3. Diese zwei parasitären Bauelemente formen einen Thyristor, der einschaltet, wenn die Eingangsspannung negativ wird. Die erfindungsgemäße Hochspannungsschaltung verhindert die Einschaltung des Thyristors, indem sie die Betaverstärkung für die NPN-Struktur drastisch senkt, so dass beta NPN × beta PNP kleiner als 1 ist und der Thyristor stets aus ist.
Der Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochspannungs-ESD-Struktur ist in 5 gezeigt. Die Zonen 4 und 5 sind ebenfalls kreisförmig. Die Zone 4 wird schwebend gelassen, so dass kein Strom durchfließen kann. Der Kollektor des parasitären NPN-Transistors ist die Zone 6. Der Strom, der durch die Zone 2 eingespeist wird, wird nicht mehr durch die Verstärkerwirkung des Transistors zur Zone 4 übertragen, und der Strom, der zur Zone 6 übertragen wird, wird viel kleiner sein. Dadurch wird die Stromverstärkung des parasitären NPN-Transistors stark reduziert. Zur weiteren Reduktion der NPN-Transistorverstärkung können andere schwebende N-Epitaxie- und P-Isolationsringe hinzugefügt werden.
Der Widerstand zwischen VINPUT (Knoten VD in 3) und der Zone 2 wird verwendet, um die Durchbruchspannung VCE0 des PNP-Transistors zu regeln, der durch die Zonen 1, 2 und 3 geformt wird. Eine Durchbruchspannung, die zu niedrig ist (am niedrigsten, wenn kein Widerstand vorhanden ist), wird im Normalbetrieb die Maximalspannung am Eingang begrenzen und eine Durchbruchspannung, die zu hoch ist, wird die ESD-Fähigkeit schwächen.
6 zeigt eine Anwendung der Eingangsspannungsmessschaltung. Die Schaltung kann in ein Steuergerät 60 eingebaut werden (Eingang bei IN– und IN+), um die Spannung durch einen Synchrongleichrichter 70 zu messen, um zu bestimmen, wann der Strom in eine Richtung zu fließen beginnt, bei der der Synchrongleichrichter vom Steuergerät 60 eingeschaltet werden sollte.
Auch wenn die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezielle Ausführungsformen davon beschrieben wurde, werden dem Fachmann viele andere Varianten und Modifikation ersichtlich sein. Deshalb wird die vorliegende Erfindung nicht durch die spezifische Offenbarung hierin eingeschränkt, sondern nur durch die beiliegenden Ansprüche.

Claims

Eingangsspannungsmessschaltung, umfassend: einen Schaltungseingangsanschluss; einen Komparator mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen, wobei der erste dieser Eingangsanschlüsse mit einer Bezugsspannung gekoppelt ist; einen Schalterstromkreis, der zwischen dem Schaltungseingangsanschluss und dem zweiten der Eingangsanschlüsse des Komparators angeordnet ist, wobei der Schalter vorgesehen ist, um den Komparator vor Spannungen zu schützen, die eine vorbestimmte Spannung übersteigen, bei welcher der Schalter ausschaltet; und eine elektrostatische Entladeschaltung, die mit dem Schaltungseingangsanschluss gekoppelt ist, um elektrostatisch induzierte Spannungen zu entladen, die einen vorbestimmten Wert übersteigen.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 1, in welcher der Schaltstromkreis einen Transistor umfasst.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 2, in welcher der Transistor einen MOSFET mit Drain- und Source-Anschlüssen umfasst, die zwischen dem Schaltungseingangsanschluss und dem zweiten Komparatoreingangsanschluss in Reihe geschaltet sind und ein Gate aufweisen, das mit einem Spannungspegel verbunden ist, bei welchem etwa der Transistor ausschaltet.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 1, in welcher die elektrostatische Entladeschaltung erste und zweite in Sperrrichtung in Reihe geschaltete Dioden umfasst, wobei die erste Diode eine Niederspannungsdiode umfasst, um die Leitung zu sperren, wenn die Eingangsspannung eine vordefinierte negative Spannung übersteigt, und die zweite Diode eine Hochspannungsabschlussdiode umfasst.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 1, die außerdem einen Widerstand umfasst, der mit dem Schalter in Reihe geschaltet ist.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 4, die außerdem einen Widerstand umfasst, der mit dem Schalter in Reihe geschaltet ist.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 6, in welcher die zweite Diode ein Hochspannungssubstrat für den Widerstand bereitstellt.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 5, in welcher der Widerstand einen Niederspannungspolysiliziumwiderstand umfasst.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 3, die außerdem eine Stromquelle umfasst, die mit dem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist, um einen Strom zuzuführen, um eine Körperdiode des MOSFETs in der Vorwärtsrichtung vorzuspannen, um die Messung negativer Eingangsspannungen zu erlauben.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 4, bei welcher die elektrostatische Entladeschaltung eine Struktur umfasst, in welcher die zweite Diode einen PN-Übergang umfasst und in welcher ein P-Bereich, der die Diode formt, eine kreisförmige Isolation ist, die einen "Presum"-Hochspannungs-N-Epitaxialbereich umgibt, der den N-Bereich der Diode formt, wobei ein Niederspannungs-N-Epitaxialbereich auf einer dem Hochspannungs-N-Epitaxialbereich gegenüberliegenden Seite des P-Bereichs vorgesehen ist, wobei die Struktur einen parasitären NPN-Transistor enthält, der den Hochspannungs-N-Epitaxialbereich, den P-Bereich und den Niederspannungs-N-Epitaxialbereich umfasst, und ferner einen parasitären PNP-Transistor durch einen weiteren P-Bereich umfasst, der mit dem Schaltungseingangsanschluss, dem Hochspannungs-N-Epitaxialbereich und der "Isolation-Presum" verbunden ist, und in welcher diese parasitären NPN- und PNP-Transistoren einen Thyristor formen, und in welcher eine Verstärkung des parasitären NPN-Transistors reduziert wird, so dass die Verstärkung des NPN-Transistors multipliziert mit einer Verstärkung des PNP-Transistors kleiner als 1 ist, wodurch die Einschaltung des Thyristors verhindert wird, wenn die Eingangsspannung negativ wird.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 10, in welcher ein zweiter P-Isolationsbereich vorgesehen ist, der den Niederspannungs-N-Epitaxialbereich umgibt, und der Niederspannungs-N-Epitaxialbereich schwebend gelassen wird, wobei auf einer dem zweiten P-Bereich gegenüberliegenden Seite ein weiterer N-Epitaxialbereich vorgesehen ist.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 11, in welcher ein Widerstand vorgesehen ist, um eine Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung des parasitären PNP-Transistors zu regeln, der zwischen dem Schaltungseingangsanschluss und dem Hochspannungs-N-Epitaxialbereich angeordnet ist.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 11, in welcher die P-Bereiche mit Masse gekoppelt sind und der zweite N-Epitaxialbereich mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 11, die außerdem mindestens einen zusätzlichen schwebenden N-Epitaxialbereich und einen P-Isolationsbereich umfasst, die vorgesehen sind, um die Verstärkung des parasitären NPN-Transistors weiter zu reduzieren.
Eingangsspannungsmessschaltung nach Anspruch 1, in welcher die Schaltung vorgesehen ist, um eine Spannung durch Source-Drain-Anschlüsse eines MOSFETs zu messen, der als ein Synchrongleichrichter verwendet wird, um zu bestimmen, wann der MOSFET eingeschaltet werden soll.