DE102007059498A1

DE102007059498A1 - Linearer Spannungsregler mit präziser Detektion einer offenen Last

Info

Publication number: DE102007059498A1
Application number: DE102007059498A
Authority: DE
Inventors: Marcin Kamil Augustyniak
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20090322292A1; US7928711B2

Abstract

Es wird ein linearer Spannungsregler bereitgestellt, der ein Paar komplementärer Leistungstransistoren hat, die zwischen einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang "aufeinanderfolgend" in Reihe geschaltet sind. Ein Strommesskreis ist parallel über einen der Leistungstransistoren geschaltet, vorzugsweise über den, der mit dem Spannungseingang verbunden ist. Der Strommesskreis umfasst einen Strommesswiderstand. Ein Referenzstrompfad hat einen Referenzwiderstand, der zwischen den Spannungseingang und einen Referenzanschluss, normalerweise Masse, in Reihe mit einer Stromsenke geschaltet ist. Ein Komparator hat einen ersten Eingang, der mit einem Anschluss des Strommesswiderstands verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit einem Knoten zwischen dem Referenzwiderstand und der Stromsenke verbunden ist. Der Komparator vergleicht den Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand mit dem konstanten Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand und stellt ein Ausgangssignal bereit, das einen Zustand mit offener Last anzeigt, wenn der Spannungsabfall über dem Stromsensor unter denjenigen über dem Referenzwiderstand fällt. So lange der Spannungsabfall in dem Strommesskreis gering bleibt, d. h. unter ca. 0,7 V, bleibt der durch die Bulkdiode des Leistungstransistors fließende Strom vernachlässigbar, und der gesamte Ausgangsstrom fließt durch den Strommesskreis. Für höhere Ausgangsströme wird der Spannungsabfall über dem Strommesskreis durch die parallele Bulkdiode des ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen linearen Spannungsregler mit präziser Lastdetektion.
Eine Anforderung in einigen Anwendungen linearer Spannungsregler besteht in der Detektion eines Zustands mit offener Last an dem Spannungsausgang des Reglers. Der Zustand mit offener Last ist als Zustand definiert, in dem der Ausgangsstrom niedriger als ein vorbestimmter Mindeststrom ist. Der Ausgangsstrom kann gemessen werden, indem in den Ausgangspfad des Reglers ein Strommesswiderstand eingefügt wird. Da der Mindestausgangsstrom, der als einem Zustand mit offener Last entsprechend festgelegt ist, normalerweise jedoch viel niedriger als ein typischer oder maximaler Laststrom ist, muss der Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand äußerst gering sein, und die Detektion des Zustands mit offener Last ist entweder nicht präzise oder erfordert die Verwendung von hochpräzisen Komparatoren.
Ein möglicher Ansatz besteht darin, einen Strommesswiderstand in einen separaten, über den Leistungstransistor des Reglers geschalteten Strommesspfad einzufügen. Der Strommesspfad enthielte eine Nachbildung des Leistungstransistors. In einer derartigen Konfiguration kann der Strommesswiderstand unabhängig von dem maximalen Ausgangsstrom des Reglers dimensioniert werden, um bei dem als Strom bei offener Last definierten Mindestausgangsstrom einen wesentlich höheren Spannungsabfall bereitzustellen. Dieser Ansatz ist jedoch noch immer nicht zufriedenstellend, da die Gesamtpräzision durch eine mögliche Nichtübereinstimmung zwischen den Schwellwerten des Leistungstransistors und dessen Nachbildung beeinträchtigt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen linearen Spannungsregler bereit, der bei der Detektion einer offenen Last eine hohe Präzision erreicht, ohne einen hochpräzisen Komparator zu benötigen. Insbesondere stellt die Erfindung einen linearen Spannungsregler mit einem Paar komplementärer Leistungstransistoren bereit, die zwischen einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang "aufeinanderfolgend" in Reihe geschaltet sind. Ein Strommesskreis ist parallel über einen der Leistungstransistoren geschaltet, vorzugsweise über den, der mit dem Spannungseingang verbunden ist. Der Strommesskreis umfasst einen Strommesswiderstand. Ein Referenzstrompfad hat einen Referenzwiderstand, der zwischen den Spannungseingang und einen Referenzanschluss, normalerweise Masse, in Reihe mit einer Stromsenke geschaltet ist. Ein Komparator hat einen ersten Eingang, der mit einem Anschluss des Strommesswiderstands verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit einem Knoten zwischen dem Referenzwiderstand und der Stromsenke verbunden ist. Der Komparator vergleicht den Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand mit dem konstanten Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand und stellt ein Ausgangssignal bereit, das einen Zustand mit offener Last anzeigt, wenn der Spannungsabfall über dem Stromsensor unter denjenigen über dem Referenzwiderstand fällt. So lange der Spannungsabfall in dem Strommesskreis gering bleibt, d. h. unter ca. 0,7 V, bleibt der durch die Bulkdiode des Leistungstransistors fließende Strom vernachlässigbar, und der gesamte Ausgangsstrom fließt durch den Strommesskreis. Für höhere Ausgangsströme wird der Spannungsabfall über dem Strommesskreis durch die parallele Bulkdiode des Leistungstransistors begrenzt. Mit diesem Ansatz kann der Strommesswiderstand so dimensioniert sein, dass er einen relativ hohen Spannungsabfall von z. B. 100 mV erzeugt, und es wird eine hohe Präzision bei der Detektion einer offenen Last erreicht, ohne einen hochpräzisen Komparator zu benötigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Strommesskreis einen normalerweise EIN-geschalteten Transistor, der in Reihe mit dem Strommesswiderstand geschaltet ist und in einen AUS-Zustand gesteuert wird, wenn an dem Spannungsausgang eine übermäßige Spannung detektiert wird, wodurch ein Schutz vor Sperrstrom auf Grund eines Kurzschlusses mit der Batteriespannung bereitgestellt wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild eines herkömmlichen linearen Spannungsreglers mit Detektion einer offenen Last;
2 ein schematisches Schaltbild eines linearen Spannungsreglers mit einem verbesserten Schaltkreis zur Detektion einer offenen Last; und
3 ein schematisches Schaltbild eines linearen Spannungsreglers mit dem erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Detektion einer offenen Last.
In 1 ist ein Leistungstransistor T1 eines linearen Spannungsreglers zwischen einen Spannungseingang VIN und einen Spannungsausgang VOUT in Reihe mit einem Strommesswiderstand R geschaltet. Ein Referenzstromkreis mit einem in Reihe mit einer Stromsenke geschalteten Referenzwiderstand Rrep ist zwischen den Spannungseingang VIN und Masse geschaltet. Ein Komparator COMP hat einen invertierenden Eingang, der mit dem Knoten zwischen dem Referenzwiderstand Rrep und der Stromsenke I verbunden ist, und einen nicht invertierenden Eingang, der mit dem Knoten zwischen dem Strommesswiderstand R und dem Transistor T1 verbunden ist. Der Komparator COMP vergleicht den Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand R mit demjenigen über dem Referenzwiderstand Rrep und stellt ein Ausgangssignal OPL bereit, das jedes Mal einen Zustand mit offener Last anzeigt, wenn der Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand R unter denjenigen über dem Referenzwiderstand Rrep fällt. Da der gesamte Laststrom durch den Strommesswiderstand R fließt und der als Zustand mit offener Last festgelegte Mindestlaststrom im Vergleich zu dem maximalen Laststrom typischerweise äußerst niedrig ist, muss der Strommesswiderstand einen kleinen Wert haben, und der Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand in einem Zustand mit offener Last ist äußerst gering. Entsprechend wird für eine hohe Präzision bei der Detektion einer offenen Last ein hochpräziser Komparator COMP benötigt.
Mit dem Ansatz in 2 wird ein separater Strommesskreis bereitgestellt, der aus einem Strommesswiderstand R und einem nachgebildeten Transistor Trep besteht, die über den Leistungstransistor T1 parallel geschaltet sind. Da lediglich ein Bruchteil des Laststroms durch den Strommesskreis fließt, kann der Wert des Strommesswiderstands wesentlich höher sein, wodurch in einem Zustand mit offener Last ein entsprechend höherer Spannungsabfall bereitgestellt wird, der leicht durch einen gewöhnlichen Komparator verarbeitet werden kann. Auf Grund einer möglichen Nichtübereinstimmung der Schwellspannung zwischen dem Leistungstransistors T1 und dessen Nachbildung Trep ist die Präzision der Detektion einer offenen Last noch immer problematisch.
In dem erfindungsgemäßen linearen Spannungsregler ist ein Paar komplementärer Leistungstransistoren T1 und T2 "aufeinanderfolgend" zwischen den Spannungseingang VIN und den Spannungsausgang VOUT geschaltet. Jeder Transistor T1, T2 hat seine zugehörige Bulkdiode M1, M2 über Source und Drain in Sperrrichtung geschaltet. Ein Strommesskreis, der einen in Reihe mit einem Transistor T3 geschalteten Strommesswiderstand R umfasst, ist über den Drain und die Source des Transistors T2 geschaltet. In der gezeigten, nicht einschränkenden Ausführungsform sind die Transistoren T2 und T3 beide dieselbe P-Kanal-Ausführung, während der Transistor T1 eine N-Kanal-Ausführung ist. Der Teil des Schaltkreises zur Detektion einer offenen Last mit dem Referenzstrompfad (Rrep, I) und dem Komparator (COMP) gleicht demjenigen in 2.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen linearen Spannungsreglers ist der Transistor T3 auf Grund eines an seinem Gate angelegten Steuersignals SCB normalerweise EIN-geschaltet. Der gesamte Laststrom fließt so lange durch den Strommesswiderstand R und den Transistor T3, wie der Spannungsabfall über beiden unter ca. 0,7 V bleibt und der Stromfluss durch die Diode M2 vernachlässigbar bleibt. Für höhere Lastströme wird der Spannungsabfall über dem Strommesskreis durch die Diode M2 beschränkt.
Der Zweck des Transistors T3 besteht darin, jeglichen Sperrstrom zu blockieren, wenn an dem Anschluss VOUT z. B. auf Grund eines Kurzschlusses mit der Batteriespannung eine übermäßige Spannung detektiert wird. In diesem Fall steuert das Gatesteuersignal SCB den Transistor T3 in den AUS-Zustand.
Es ist leicht ersichtlich, dass der Stromsensor R so dimensioniert sein kann, dass er bei einer offenen Last einen relativ hohen Spannungsabfall von, sagen wir, ungefähr 100 mV bereitstellt, genau wie mit dem Ansatz gemäß 2, wobei aber das Problem mit der Nichtübereinstimmung der Transistoren vermieden wird. Entsprechend wird bei der Detektion einer offenen Last eine hohe Präzision mit einem normalen Komparator erreicht.

Claims

Linearer Spannungsregler, umfassend: ein Paar komplementärer Leistungstransistoren, die zwischen einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang in Reihe geschaltet sind; einen Strommesskreis, der parallel über einen der Leistungstransistoren geschaltet ist, wobei der Strommesskreis einen Strommesswiderstand umfasst; einen Referenzstrompfad mit einem Referenzwiderstand, der zwischen den Spannungseingang und einen Referenzanschluss in Reihe mit einer Stromsenke geschaltet ist; und einen Komparator mit einem ersten Eingang, der mit einem Anschluss des Strommesswiderstands verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der mit einem Knoten zwischen dem Referenzwiderstand und der Stromsenke verbunden ist; wobei der Komparator einen Ausgang hat, der ein Signal bereitstellt, das anzeigt, ob ein Zustand mit offener Last vorliegt oder nicht.
Linearer Spannungsregler gemäß Anspruch 1, bei dem der eine Leistungstransistor ein P-Kanal-MOS-Transistor mit einer über dessen Source- und Drain-Anschluss geschalteten Bulkdiode ist.
Linearer Spannungsregler gemäß Anspruch 2, bei dem der Strommesswiderstand so dimensioniert ist, dass er bei einem Stromfluss durch den Messschaltkreis, der als Strom bei offener Last festgelegt ist, einen vorbestimmten Spannungsabfall über dem Messschaltkreis erzeugt.
Linearer Spannungsregler gemäß Anspruch 3, bei dem der vorbestimmte Spannungsabfall in der Größenordnung von 100 mV liegt.
Linearer Spannungsregler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strommesskreis einen normalerweise EIN-geschalteten Transistor umfasst, der in Reihe mit dem Strommesswiderstand geschaltet ist und in einen AUS-Zustand gesteuert wird, wenn an dem Spannungsausgang eine übermäßige Spannung detektiert wird.