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Oberbegriff
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Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Schutz einer integrierten Schaltung mit einer Mehrzahl gleichartiger Ein-Ausgangsschaltungen vor Überspannungen auf ihrer Versorgungsspannung
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Allgemeine Einleitung
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In modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt LED-Leuchtmittel eingesetzt. Hierbei kann es zu Kurzschlüssen (KS) zwischen den Versorgungsleitungen (VLV, GND) dieser LED-Leuchtmittel (LED1 bis LEDn) und Hochspannungsversorgungsleitungen (VHV) kommen. Solche Hochspannungsversorgungsleitungen (VHV) werden typischerweise für den Energietransport eingesetzt. Sie werden voraussichtlich im Rahmen der Elektromobilität vermehrt in Kraftfahrzeugen anzutreffen sein. Kurzschlüsse mit anderen Niederspannungsbauteilen dürfen nicht zu ESD-Schäden, Ausfällen oder Bränden führen.
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Stand der Technik
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Der Vorschlag befasst sich mit ESD-Schutzstrukturen und Schutzschaltungen für LED-Treiberschaltungen in üblichen Hoch-Volt-CMOS- (HVCMOS) und BCD-Wafer-Herstellungsprozessen.
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Solche LED-Treiberschaltungen umfassen in der Regel hochspannungstolerante Eingangs- und Ausgangsschaltungen mit Hochspannungs-Kaskode-Transistoren.
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Der Vorschlag wird anhand der beispielhaften Figuren erläutert. Hier kurz eine Übersicht der im Folgenden genauer beschriebenen 1 bis 7:
- 1 zeigt beispielhafte vereinfachte und schematische Transistorquerschnitte aus dem Stand der Technik und deren Schaltsymbole zur besseren Klarheit.
- 2 zeigt eine beispielhafte LED-Treiberschaltung entsprechend dem Stand der Technik.
- 3 zeigt eine erste Implementierung des weiter unten beschriebenen Lösungsvorschlags mit Niederspannungstransistoren als Ersatz für die Kaskode-Schaltungen der 2.
- 4 zeigt den ersten Schalter (S1) und den Steuertransistor (M4) des ersten Schalters (S1) als Transistoren mit einer Doppelwanne. (Siehe 1.)
- 5 zeigt zusätzliche externe Stützkapazitäten für die internen Knoten zur Verbesserung der ESD und EMV Eigenschaften, was den Vorteil hat, dass gemeinsame Knoten eine externe Stützung durch relativ große Kapazitäten außerhalb der integrierten Schaltung ermöglichen.
- 6 zeigt die Stromquellentransistoren (T1c bis Tnc) mit einer Doppelwanne. (Siehe auch 1.) Der erste Schalter (S1) und der Steuertransistor (M4) des ersten Schalters (S1) sind als normale Niederspannungstransistoren ohne Doppelwanne ausgeführt.
- 7 Die beispielhafte erste Dateneingangsstufe (IS1) der integrierten Schaltung (IC) ist nun mit der Masseleitung (GND) und nicht mit der internen Masseleitung (GNDi) verbunden. Dies wird durch den zusätzlichen sechsten Transistor (M6) ermöglicht.
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Die 3 bis 7 beschreiben die Lösung und werden weiter unten diskutiert.
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Eine beispielhafte Schaltung aus dem Stand der Technik ist in 2 dargestellt. Zur besseren Klarheit und zur Sicherstellung der Nacharbeitbarkeit der Ausführungen in dieser Beschreibung stellt 1 die relevanten Transistoren aus dem Stand der Technik (SdT) mit ihren Symbolen für einen HVCMOS Prozess auf einem p-dotiertem Substrat (PSub) beispielhaft als vereinfachtes schematisches Schnittbild dar. Die so genauer inhaltlich gefassten Symbole werden in den folgenden Figuren genutzt.
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Die Bezugszeichen sind mit Erklärungen in der Bezugszeichenliste zu finden. Die Beanspruchung ergibt sich aus den Ansprüchen. Die Transistoren der 1 sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Die 1 dient ausschließlich der besseren Klarheit der verwendeten Transistorsymbole.
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2 zeigt eine Eingangs- und Ausgangsschaltungen mit Hochspannungs-Kaskode-Transistoren entsprechend dem Stand der Technik. Die Schaltung ist zwar hochspannungsfest, durch die vielen Kaskodetransistoren (T1a bis Tna) und dem ersten Transistor (M1), der auch als hochspannungsfester Transistor ausgelegt werden muss, ist der Chip-Flächenverbrauch einer solchen Schaltung wie der der 2 sehr groß
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Die Schaltung zeigt eine Niederspannungsleitung (VLV). Diese Niederspannungsleitung (VLV) versorgt zusammen mit einer Masseleitung (GND) die integrierte Schaltung (IC) und die n LEDs (LED1 bis LEDn) mit elektrischer Energie. Die integrierte Schaltung (IC) regelt dabei den jeweiligen elektrischen Strom durch die jeweiligen LEDs (LED1 bis LEDn). Außerdem wird der Strom durch dies LEDs (LED1 bis LEDn) PWM-moduliert. In diesem beispielhaften Stand der Technik ist für jeden LED-Zweig (LED1 bis LEDn) ein Hochvolt-Kaskode-Transistor (T1a bis Tna) vorgesehen. Jeder dieser Hochvolt-Kaskoden-Transistoren (T1a bis Tna) wird bevorzugt durch jeweils einen Treiber (DRa) angesteuert. Zur Vereinfachung ist in der 2 nur der Treiber (DRa) für den Kaskode-Transistor (T1a) der ersten LED-Kette (LED1) eingezeichnet. Die anderen Treiber der anderen Kaskode-Transistoren (T2a bis Tna) sind bevorzugt analog angeordnet, jedoch zur Vereinfachung nicht eingezeichnet. Des Weiteren ist je LED-Kette (LED1 bis LEDn) jeweils ein Schalttransistor oder als Stromquelle arbeitenden Transistor (T1b bis Tnb) vorgesehen, der über einen jeweiligen weiteren Treiber (DRb) angesteuert wird. Auch hier ist zur Vereinfachung nur der Treiber (DRb) der ersten LED-Kette (LED1) in 2 eingezeichnet. Die anderen Treiber der anderen Schalttransistoren (T2b bis Tnb) sind bevorzugt analog angeordnet, jedoch zur Vereinfachung in der 2 ebenfalls nicht eingezeichnet. Somit ergibt sich eine erste Kette aus erster LED-Kette (LED1), erstem Kaskode-Transistor (T1a) und erstem Schalttransistor (T1b). Die anderen n-1 Ketten sind analog aufgebaut. Die Ketten sind in dem Beispiel der 2 aus dem Stand der Technik immer zwischen Niederspannungsleitung (VLV) und Masseleitung (GND) geschaltet.
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Alle Treiber (DRa, DRb) werden beispielhaft über einen ersten Transistor (M1) aus der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) mit elektrischer Energie versorgt. Die Gate-Source-Spannung des ersten Transistors (M1) wird dabei durch einen ersten Widerstand (R1) eingestellt. Das Gate-Potenzial des ersten Transistors (M1) gegenüber Masse wird dabei durch die Zenerdiode (ZD1) festgelegt. Das Drain des ersten Transistors (M1) bildet dann die interne Niederspannungsleitung (VLVi) aus der sich die besagten Treiber (DRa, DRb) mit elektrischer Energie versorgen. Die Versorgungsleitungen der Treiber (DRa, DRb) sind zur Vereinfachung nicht vollständig eingezeichnet, da dies für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig ist. Der erste Transistor (M1), die erste Zenerdiode (ZD1) und der erste Widerstand (R1) bilden in dem Beispiel der 2 einen ganz einfachen Spannungsfolger zur Regelung der festen Spannung zur Versorgung der Treiber (DRa, DRb) und der Ausgangsstufe (M2, CL1) zum Treiben des Busses (bus) auf einen High-Pegel. An dieser Stelle in der 2 kann man theoretisch auch ganz andere Spannungsregler zur Erzeugung dieser Versorgungsspannung verwenden, was aber zur Darstellung der Erfindung hier nicht relevant ist.
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Eine beispielhafte Datenbusleitung (bus) ist dazu vorgesehen, um einen Datentransfer von einer Steuereinheit (CTR) zur integrierten Schaltung (IC) zu ermöglichen. Die Datenbusleitung (bus) stellt den Eingang einer beispielhaften ersten Dateneingangsstufe (IS1) dar. Die integrierte Schaltung (IC) kann natürlich weitere Dateneingangsstufen oder aber auch keine Dateneingangsstufen aufweisen. Die weitere Datenverarbeitung innerhalb der integrierten Schaltung (IC) ist zur Vereinfachung weggelassen, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig ist. In dem Beispiel der 2 ist die Datenbusleitung (bus) mittels einer ersten Serienschaltung aus einer ersten Klemme (CL1) und einem zweiten Transistor (M2) gegen die interne Niederspannungsleitung (VLVi und mittels einer zweiten Serienschaltung aus einer zweiten Klemme (CL1) und einem dritten Transistor (M3) gegen die Masseleitung (GND) abgesichert. Der zweite Transistor (M2) und der dritte Transistor (M3) sind Beispiele für Sendetransistoren um von der integrierten Schaltung (IC) zur Steuereinheit (CTR) senden zu können. Andere Vorrichtungen sind an dieser Stelle denkbar und aus dem Stand der Technik bekannt. Die Klemmen (CL1, CL2) sind Freilaufdioden, die dafür sorgen, dass der Datenbus (bus) abschaltet, wenn Spannungen außerhalb eines vorgesehenen Spanungsbereiches auftreten. Sie verhindern eine Rückspeisung in den Datenbus (bus) infolge von Störsignalen.
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Kommt es nun durch einen Kurzschluss (KS) zu einer elektrischen Verbindung zwischen der Niederspannungsleitung (VLV) und einer Hochspannungsleitung (VHV), so wird das Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) zu höheren Potenzialwerten hin nach oben gerissen. Da der Spannungsabfall über die LED-Ketten (LED1 bis LEDn) mehr oder weniger konstant ist und die Schalttransistoren (T1b bis Tna) im Idealfall im eingeschalteten Zustand nahezu keinen Spannungsabfall aufweisen sollten, muss die Spannung über die Kaskode-Transistoren (T1a bis Tna) abgebaut werden. Daher müssen diese Kaskode-Transistoren (T1a bis Tna) als Hochvolttransistoren ausgeführt werden. Dies schlägt sich in einer erheblich vergrößerten Chip-Fläche für diese Kaskodetransistoren (T1a bis Tna) nieder.
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Die 2 ist somit ein Beispiel für hochspannungstolerante Ein-/Ausgabeschaltungen in Halbleitern mittels Hochspannungskaskoden.
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Die Kommunikation über einen Datenbus (bus) mit „Loss-of-GND“-Festigkeit ist Stand der Technik.
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Diese Schaltung kann eine unzureichende Toleranz gegenüber Spannungstransienten zeigen.
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Aus der
EP 1 155 919 B1 ist ein elektrisches Versorgungsnetz, insbesondere ein Board‐Netz für ein Kraftfahrzeug, mit einem für eine höhere Spannung ausgelegten ersten Leitungssystem und einem für eine niedrigere Spannung ausgelegten zweiten Leitungssystem bekannt. Gemäß der technischen Lehre der
EP 1 155 919 B1 umfassen die Leitungssysteme jeweils ein erstes bzw. zweites Schutzelement sowie jeweils einen elektrischen Verbraucher und weisen einen gemeinsamen Spannungsbezugspunkt auf. Zur Detektion eines Kurzschlusses zwischen den Leitungssystemen schlägt die technische Lehre der
EP 1 155 919 B1 das Vorsehen eines die Spannung am Ein- und Ausgang des zweiten Schutzelements abgreifenden Spannungskomparators vor. Die technische Lehre der
EP 1 155 919 B1 sieht vor, dass eine Elektronik (Bezugszeichen 18 der
EP 1 155 919 B1 ) eine Sicherung (Bezugszeichen 9 der
EP 1 155 919 B1 ) im ersten Leitungssystem öffnet, wenn ein Kurzschluss zwischen dem ersten Leitungssystem und dem zweiten Leitungssystem auftritt. In vielen Fällen ist aber die Aufrechterhaltung der Arbeitsfähigkeit des ersten Leitungssystems sicherheitsrelevant und die des zweiten Leitungssystems nicht sicherheitsrelevant, sodass ein solches Verhalten in diesen Fällen falsch wäre.
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Aufgabe
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Es ist die Aufgabe dieses Vorschlags, eine hochspannungstolerante Schaltung für viele Niederspannungstreiberschaltungen, insbesondere für die Treiberschaltungen von LED-Ketten, anzugeben. Solche LED-Treiberschaltungen verfügen typischerweise über viele LED Ausgänge, beispielsweise in einer 5V Versorgungsumgebung, die beispielsweise einen Kurzschluss zur Batteriespannung VBAT mit bis zu typischerweise 24V haben könnte. Boardnetzspannungen in Kraftfahrzeugen können aber auch höher sein. Aus dem Stand der Technik ist z.B. auch ein 48V-Boardnetz bekannt. Darüber hinaus werden bei der Qualifikation von mikroelektronischen und elektronischen Schaltkreisen Prüfpulse verwendet, die auf die Elektronik eingekoppelt werden. Ähnliche Pulse entstehen, wenn beispielsweise induktive Lasten geschaltet werden oder die Batterie abgerissen wird und die Lichtmaschine „überregelt“. Diese Pulse werden z.B. mit der Norm ISO 7637 abgeprüft. Es ist daher die Aufgabe des hier offengelegten Lösungsvorschlags das Verhalten der Schaltung auch beim Auftreten solcher Pulse der ISO 7637 ausreichend zu kontrollieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik, insbesondere den notwendigen erhöhten Flächenbedarf zur Erreichung der Spannungsfestigkeit, nicht aufweist und ggf. weitere Vorteile aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 3 gelöst.
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Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
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Häufig sollen integrierte Schaltungen (IC) innerhalb von Kraftfahrzeugen funktional ausschließlich mit einer niedrigen Spannung (z.B. 5V) statt mit der Board-Netzspannung (VBAT) (z.B. 24V) betrieben werden. Die Ausgänge der integrierten Schaltung (IC) sollen aber auch einen Kurzschluss (KS) zum spannungspotenzialmäßig höher gelegenen Board-Netz (VBAT), dem Potenzial einer Hochspannungsleitung (VHV), unbeschadet überstehen. Die fehlerfreie Funktion der integrierten Schaltung (IC) ist in einem solchen Fehlerfall üblicherweise nicht mehr zwingend notwendig, sondern nur das schadlose Überstehen eines solchen Kurzschlussfalles und die Rückkehr zum fehlerfreien Betrieb nach dem Verschwinden des Kurzschlusses (KS).
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3 zeigt eine beispielhafte Ausführung des Vorschlags. Wichtigste Änderung ist, dass die Masseleitung (GND) der 2 nun in die Masseleitung (GND) und eine interne Masseleitung (GNDi) aufgespalten wird. Die interne Niederspannungsleitung (VLVi) wird mit der Niederspannungsleitung (VLV) verbunden, wodurch die Regelung mittels des ersten Transistors (M1) und des ersten Widerstands (R1) der 2 entfällt. Das Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) wird über die erste Zenerdiode (ZD1) eingestellt. Die Datenbuseingangsstufe (M2, CL1, CL2, M3, IS1) ist gegenüber der der 2 unverändert. Sie ist nun allerdings mit der Niederspannungsleitung (VLV) verbunden. Treiber (DRc) steuern Stromquellentransistoren (T1c bis T1n). Im Gegensatz zur 2 werden diese Stromquellentransistoren (T1c bis T1n) jedoch als Niederspannungstransistoren ausgeführt. Zur beispielhaften Ausführung sei hier auf 1 verwiesen. Sie dienen sowohl der Einstellung des Stromes durch die LED-Ketten (LED1 bis LEDn) als auch der PWM-Modulation dieses Stromes. Zur Vereinfachung ist wieder nur der erste Treiber (DRc) des ersten Stromquellentransistors (T1c) eingezeichnet. Die Treiber der anderen Stromquellentransistoren sind analog anzunehmen und wurden zur Vereinfachung weggelassen. Im Gegensatz zur 2 aus dem Stand der Technik, erfasst nun aber ein Messtreiber (DRd) die Spannung zwischen der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND). Ist die Spannung zwischen der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) kleiner als ein erster Schwellwert, so wird mittels eines ersten Schalters (S1), der von dem Ausgang (as1) des Messtreibers (DRd) gesteuert wird, die interne Masseleitung (GNDi) mit der Masseleitung (GND) verbunden. Dies ist die Stellung des Schalters im Normalbetrieb. Der erste Schwellwert sollte daher so gewählt werden, dass innerhalb des zulässigen Spezifikationsbereiches der erste Schalter (S1) stets geschlossen ist. In dem vorliegenden Beispiel erzeugt eine zweite Zenerdiode (ZD2) einen festen Spannungsoffset zum Spannungspotenzial der Niederspannungsleitung (VLV). Die Restspannungsdifferenz muss dann über den zweiten Widerstand (R2) abfallen. In dem Beispiel der 3 ist der Messtreiber (DRd) beispielhaft als Inverter ausgeführt. Der Umschaltpunkt des als Inverter betriebenen Messtreibers (DRd) wird durch den Messtreiber (DRd) mit dem Potenzial am zweiten Widerstand (R2) verglichen. Liegt dieses Potenzial über seinem Umschaltpunkt, so wird der erste Schalter (S1) geöffnet. Statt eines invertierenden Verhaltens ist bei entsprechendem Verhalten des ersten Schalters (S1) natürlich auch ein nicht invertierendes Verhalten verwendbar. Auch können Komparatoren etc. verwendet werden.
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Durch diese Schaltung muss nur noch der erste Schalter (S1) hochspannungsfest ausgeführt werden. Außerdem kann hier ausgenutzt werden, dass in der Figur alle Kaskode-Transistoren (T1a bis Tna) auf den maximal möglichen elektrischen Strom durch eine einzelne LED-Kette der LED-Ketten (LED1 bis LEDn) ausgelegt werden müssen. In der 3 muss der erste Schalter (S1) auf den maximal möglichen elektrischen Strom durch alle LED-Ketten in Summe ausgelegt werden. Dieser maximal mögliche elektrische Strom durch alle LED-Ketten in Summe ist aber kleiner als die Summe der maximale je LED-Kette erlaubten LED-Kettenströme, da praktisch nie alle LED-Ketten zur gleichen Zeit voll eingeschaltet sind. Hier muss bei der Dimensionierung der jeweilige Anwendungsfall betrachtet werden.
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Der erste Schalter (S1) ist somit hochvoltfähig auszuführen. Die LED-Ketten (LED1 bis LEDn) benötigen zum Schalten nur einen kleinen Spannungshub. Für den Schaltvorgang durch die Stromquellentransistoren (T1c bis T1n) selbst sind also Niedervolttransistoren vollkommen ausreichend, was erhebliche Chipfläche spart. Der erste Schalter (S1) deckt also die für den Kurzschlussfehlerfall notwendige Hoch-Voltfähigkeit ab. Im Stand der Technik (SdT) sind dagegen für jeden der n LED-Zweige (LED1 bis LEDn) jeweils ein Hochvolt-Kaskode-Transistor (T1a bis T) und ein Stromquellentransistor (oder Schalter) (T1b bis Tnb) vorgesehen. Damit muss in der 3 an dem ersten Schalter (S1) die Spannung abfallen. Im Gegensatz zum Stand der Technik entsprechend 2 wird hier aber nur ein hochvoltfähiges Element, der erste Schalter (S1) statt wie im Stand der Technik n hochvoltfähigen Elementen, den Kaskode-Transistoren (T1a bis Tna), benötigt.
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Im Normalbetrieb ist der erste Schalter (S1) geschlossen und sorgt dafür, dass die interne Masseleitung (GNDi) und die Masseleitung (GND) auf gleichem Potenzial liegen. Im Falle einer Störung z.B. durch den Kurzschluss (KS), kann das Potenzial am Eingang des Messtreibers (DRd) sich nach oben bewegen. Hierdurch wird der erste Schalter (S1) durch den Messtreiber (DRd) geöffnet und die überschüssige Spannung fällt über den ersten Schalter (S1) ab. Die LED-Ketten (LED1 bis LEDn) sind dann ausgeschaltet.
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In 4 sind der Messtreiber (DRd) und der erste Schalter (S1) gegenüber der 3 konkret und beispielhaft ausgeführt. Der Messtreiber (DRd) wird durch den dritten Widerstand (R3) und den vierten Transistor (M4) gebildet. Der vierte Transistor (M4) verfügt entsprechend dem unteren Querschnitt in 1 über eine Doppelwanne bestehend aus einer P-Wanne (PW) und einer N-Wanne (NW). Solche Transistoren haben den Vorteil, dass sie unter dem Potenzial des Substrats (PSub) der integrierten Schaltung (IC) betrieben werden können. Diese Transistoren sitzen in einer eigenen n-Wanne (NW) und gleichzeitig in einer eigenen p-Wanne (PW). Man beachte, dass in dem Beispiel der 4 die N-Wanne (NW) des vierten Transistors (M4) über deren Anschluss (W) mit der internen Masseleitung (GNDi) verbunden ist, während die P-Wanne (PW) über den Bulk-Anschluss (B) des vierten Transistors (M4) mit der Masseleitung (GND) verbunden ist. Somit wird zuverlässig ein Kurzschluss zwischen Substrat (PSub) und den Masseleitungen verhindert. Ähnliches gilt für den fünften Transistor (M5) der den ersten Schalter (S1) realisiert. Dieser entspricht in seiner Konstruktion dem mittleren Transistor der 1. Die P-Wanne (PW) des fünften Transistors (M5) ist über seinen S/B-Anschluss mit der Masseleitung (GND) verbunden.
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5 entspricht der 4 mit dem Unterschied, dass nun die interne Masseleitung (GNDi) über eine erste Stützkapazität (C1), die zwischen interne Masseleitung (GNDi) und Niederspannungsleitung (VLV) geschaltet ist, und die Masseleitung (GND) über eine zweite Stützkapazität (C2), die zwischen Masseleitung (GND) und Niederspannungsleitung (VLV) geschaltet ist, gegenüber Störsignalen gepuffert werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht somit die sichere Pufferung von Störereignissen durch Zurverfügungstellung weniger extern der integrierten Schalung absicherbarer Schaltungsknoten, hier der internen Masseleitung (GNDi) und der Masseleitung (GND), was ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist.
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Der in der Erfindung beschriebene zentrale erste Schalter (S1) kann in einem oben beschriebenen Fall eines Kurzschlusses (KS) zwischen der Niederspannungsleitung (VLV) und der Hochspannungsleitung (VHV) den Teil der integrierten Schaltung (IC), der mit niedrigen Spannungen arbeitet, mitführen und/oder ganz abschalten, so dass dieser Niederspannungsteil der integrierten Schaltung (IC) nicht geschädigt wird und die integrierte Schaltung (IC) in einem sicheren Zustand verweilt. Dazu setzt man einen Niederspannungsteil, der bevorzugt die Stromquellentransistoren (T1c bis Tnc) umfasst in eine spezielle Hochspannungswanne (HV-Wanne), die über den ersten Schalter (S1) gegen das Grund-Substrat (PSub) zu höheren Spannungen mitläuft oder man nutzt einen ersten Schalter (S1), dessen „unterer Anschluss“ auch potenzialmäßig unterhalb des Potenzials des Grund-Substrats (PSub) funktioniert.
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In 6 liegen die Stromquellentransistoren (T1c bis Tnc) in einer gemeinsamen Wanne. Dadurch werden diese auch im Fehlerfall betriebsfähig gehalten. Die Hochspannungsabsicherung erfolgt wieder über den fünften Transistor (M5), der nun aber ein Diodenverhalten zum Substrat hin zeigen darf und daher hier nur als normaler Transistor eingezeichnet ist. Er muss also nicht über eine Doppelwanne verfügen. Es muss sich aber um eine Konstruktion handeln, die hochspannungsfest ist. Hierdurch ist der fünfte Transistor (M5) sehr klein. Diese Konstruktion ist in jedem Fall bezogen auf die Chipflächen kleiner als der Fall der 2 aus dem Stand der Technik. Der vierte Transistor (M4) zieht im Überspannungsfall das Gate des fünften Transistors (M5) gegen das Bezugspotenzial (GND) und sperrt damit den fünften Transistor (M5). Damit kann das gemeinsame innere Bezugspotenzial (GNDi) durch die erste Zenerdiode (ZD1) auf einen definierten Abstand zum Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) gehalten werden. Das innere Bezugspotenzial (GNDi) kann sich ungehindert mit dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) bewegen und zu höheren Potenzialen gegenüber dem Bezugspotenzial (GND) bewegen.
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Grundsätzlich könnte man somit den ersten Schalter (S1) auch so aufbauen, dass das Potential des Niederspannungsbereiches in Form der Stromquellentransistoren (T1c bis Tnc) geregelt mitgeführt wird und die Ausgänge zu den LED-Ketten (LED1 bis LEDn) weiter betrieben werden könnten. Für diesen komplexeren Aufbau müsste der Datenbus (bus) mit einer eigenen Spannungsversorgung gegen die Masseleitung (GND) arbeiten und der erste Schalter (S1), aufgrund höherer Verlustleistungen, größer ausgelegt werden.
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7 stellt diesen Fall dar. Die Stromquellentransistoren (T1c bis Tnc) sind entsprechend dem unteren Transistor der 1 ausgeführt. Ihre P-Wannen (PW) sind über ihre Bulk-Anschlüsse (B) mit der internen Masseleitung (GNDi) verbunden. Ihre N-Wannen (NW) sind über ihre jeweiligen Wannenanschlüsse (W) mit der Niederspannungsleitung (VLV) verbunden. Der erste Schalter (S1) wird durch den fünften Transistor (M5) realisiert, der als Niederspannungstransistor ausgeführt ist.
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Die 7 entspricht hinsichtlich der Ansteuerung der LED-Ketten (LED1 bis LEDn) im Wesentlichen der 6. Ist der fünfte Transistor (M5) durchgeschaltet, so begrenzt nun die dritte Zenerdiode (ZD3) die Spannung zwischen der internen Masseleitung (GNDi) und der Niederspannungsleitung (VLV). Im Gegensatz zu der zuvor besprochenen 6 ist nun jedoch die Eingangsschaltung für den Datenbus (bus) direkt mit der Masseleitung (GND) verbunden. Für den Fall einer Überspannung auf der Niederspannungsleitung (VLV) wird daher in dieser 7 durch einen sechsten Transistor (M6) und den vierten Widerstand (R4) die Spannung am beispielhaften zweiten Transistor (M2) begrenzt. Der Strom durch den vierten Widerstand (R4) wird durch eine vierte Zenerdiode (ZD4) eingestellt. Hierdurch wird der Strom durch den sechsten Transistor (M6) begrenzt. Die Transistoren (M5, M6) mit den Widerständen (R2, R4) und den Z-Dioden (ZD2, ZD3, ZD4) stellen symbolisch und beispielhaft eine einfache Art dar diese Spannungen einzustellen. Je nach Prozessoptionen des gewählten CMOS-Wafer-Prozesses und den Regelmöglichkeiten können diese Schaltungen sicher auch anders und eventuell komplexer gestaltet werden. Mit dieser Lösung aus 7 könnte man mit entsprechender Regelung und eventuell einer externen Stabilisierung durch externe Kondensatoren wie in 5 generell auch den Betrieb bei höheren Spannungen weiter aufrecht halten. Die benötigte Chipfläche wird dann aber aufgrund der Verlustleistung für den fünften Transistor (M5) größer.
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Es ist somit das Wesentliche des Vorschlags, dass die typischen Kaskode-Transistoren (T1a bis T1n) auf der High-Side-Seite von hochspannungstoleranten Treibern (siehe 2) durch einen ersten Schalter (S1) zwischen einer virtuellen Masseleitung (GNDi) und der Masseleitung (GND) ersetzt werden. Dieser erste Schalter (S1) öffnet im Falle einer Spannungsüberhöhung an der Niederspannungsleitung (VLV), die die Versorgung der integrierten Schaltung (IC) darstellt. Dieser erste Schalter (S1) schützt somit die Niederspannungsteile der integrierten Schaltung (IC) und hält somit die integrierte Schaltung (IC) in einem sicheren Zustand.
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Die Lösung ist somit besonders durch diesen ersten Schalter (S1) zwischen der Masseleitung (GND) und einer virtuellen Masseleitung, der internen Masseleitung (GNDi) gekennzeichnet, die gegebenenfalls über einen zusätzlichen Anschluss aus dem Gehäuse der integrierten Schaltung (IC) herausführt. Dies ermöglicht dann zusätzlich einen sehr effektiven System-Level-ESD-Schutz bei Verwendung einer ersten Stützkapazität (C1), wie in 5 beispielhaft dargestellt.
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Grundsätzlich funktioniert das hier offengelegte Grundprinzip auch mit Niederspannungs-Open-Drain-PMOS-Treibern oder CMOS-Push/Pull-Ein-/Ausgabe-Stufen.
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Der Vorschlag kann somit sowohl als Vorrichtung als auch als Verfahren wie folgt zusammengefasst werden:
- Es wird als Basis ein Verfahren zur Absicherung einer integrierten Schaltung (IC) vorgeschlagen, bei dem die integrierte Schaltung (IC) aus einer Niederspannungsleitung (VLV) und einer Masseleitung (GND) mit elektrischer Energie versorgt wird und bei dem die integrierte Schaltung (IC) mindestens zwei gleiche Eingangs- und/oder Ausgangsstufen (T1c bis T1n) aufweist die alle mit einer internen Masseleitung (GNDi) der integrierten Schaltung (IC) verbunden sind.
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Das vorgeschlagene Verfahren umfasst dann in seiner Basisversion die Schritte des Erfassens des Werts der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) und des Vergleichens des so erfassten Werts der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) mit einem Schwellwert und das Verbinden der Masseleitung (GND) mit der internen Masseleitung (GNDi), wenn dieser Vergleich ergibt, dass der Wert der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) betragsmäßig unter dem Betrag des Schwellwerts liegt und das Trennen der Masseleitung (GND) von der internen Masseleitung (GNDi), wenn dieser Vergleich ergibt, dass der Wert der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) betragsmäßig über dem Betrag des Schwellwerts liegt.
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Korrespondierend dazu wird eine integrierte Schaltung (IC) als Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die integrierte Schaltung (IC) aus einer Niederspannungsleitung (VLV) und einer Masseleitung (GND) mit elektrischer Energie versorgt wird und die mindestens zwei gleichen Eingangs- und/oder Ausgangsstufen (T1c bis T1n) aufweist. Die integrierte Schaltung (IC) weist dabei eine interne Masseleitung (GNDi), einen Messtreiber (DRd) und einen ersten Schalter (S1) auf. Jede der Ausgangsstufen (T1c bis T1n) mit der internen Masseleitung (GNDi) verbunden. Der Messtreiber (DRd) innerhalb der Integrierten Schaltung (IC) erfasst den Wert der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) als erfasster Messwert und vergleicht den erfassten Messwert mit einem Schwellwert. Der Messtreiber (DRd) schließt den ersten Schalter (S1), wenn dieser Vergleich ergibt, dass der Wert der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) betragsmäßig unter dem Betrag des Schwellwerts liegt und öffnet den ersten Schalter (S1), wenn dieser Vergleich ergibt, dass der Wert der elektrischen Spannung zwischen dem Potenzial der Niederspannungsleitung (VLV) und der Masseleitung (GND) betragsmäßig über dem Betrag des Schwellwerts liegt. Hierbei verbindet der erste Schalter (S1) die interne Masseleitung (GNDi) mit der Masseleitung (GND), wenn er geschlossen ist, und trennt die interne Masseleitung (GNDi) von der Masseleitung (GND), wenn er geöffnet ist.
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Zur Verbesserung der ESD Festigkeit ist die interne Masseleitung (GNDi) bevorzugt mit einem ersten Anschluss einer Stützkapazität (C1) verbunden und die Niederspannungsleitung (VLV) mit einem zweiten Anschluss dieser Stützkapazität (C1) verbunden. Bevorzugt weist die integrierte Schaltung dabei ein Gehäuse auf, wobei zumindest ein Teil der Stützkapazität (C1) sich außerhalb des Gehäuses befindet. (Innerhalb der integrierten Schaltung und des Gehäuses finden sich immer auch parasitäre Stützkapazitäten.)
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Ganz besonders vorteilhaft ist dies, wenn mehrere Schaltungen kombiniert werden können. Es wird dann eine gemeinsame Stützkapazität für den System-Level-ESD-Schutz genutzt. In dem Fall weist dann die Vorrichtung mehrere integrierte Schaltungen der zuvor beschriebenen Art mit dem ersten Schalter (S1) zwischen interner Masseleitung (GNDi) und Masseleitung (GND) auf, wobei jede dieser integrierten Schaltungen jeweils ein eigenes Gehäuse aufweist und wobei die interne Masseleitung (GNDi) jeder dieser integrierten Schaltungen mit einem ersten Anschluss einer gemeinsamen Stützkapazität (C1) verbunden ist und wobei die Niederspannungsleitung (VLV) mit einem zweiten Anschluss dieser gemeinsamen Stützkapazität (C1) verbunden ist.
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Vorteil der Erfindung
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Durch einen zentralen ersten Schalter auf der Masseseite der Schaltung kann bei vielen gleichartigen hochspannungsfesten Ein-Ausgabeanschlüssen integrierter Schaltungen Chip-Fläche eingespart werden. Hier wurde das Beispiel vieler LED-Ketten-Anschlüsse diskutiert. Stattdessen sind eine Vielzahl anderer Anschlüsse denkbar. Der zentrale erste Schalter muss für den maximalen Gesamtstrom aller gleichzeitig schaltbaren Treiber und andere Verbraucher ausgelegt werden, der in der Regel (z.B. in Folge abwechselnder PWM) deutlich geringer ist als die Summe der maximalen Ströme aller Teilnehmer. Im Gegensatz zu den Hochspannungs-Kaskode-Transistoren auf der High-Side-Seite kann der zentrale erste Schalter gegebenenfalls mit voller Versorgungsspannung und somit sehr niederohmig geschaltet werden.
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Mit einem zusätzlichen Gehäuseanschluss für die durch den ersten Schalter geschaltete interne Masseleitung (GNDi) kann ein sehr effektiver ESD-Schutz für das Gesamtsystem mit Hilfe einer externen ersten Stützkapazität (C1) aufgebaut werden.
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Das Prinzip ist für integrierte Schaltungen (IC) mit mehreren (ähnlichen) hochspannungstoleranten Ein-/Ausgabeanschlüssen geeignet, die über eine typische Kommunikationsschnittstelle angesteuert werden, die wiederum über einen „loss-of-GND“-Schutz verfügt. Im einfachsten Fall benötigt die integrierte Schaltung (IC) keinerlei Funktion, sobald die normale Versorgungsspannung überschritten wird.
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Die Vorteile des Vorschlags sind auf die oben geschilderten Vorteile aber nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- as1
- Ausgang des Messtreibers (DRd);
- B
- Bulk-Anschluss (Wannenanschluss der P-Wanne (PW));
- bus
- Datenbusleitung;
- CL1
- erste Klemme;
- CL2
- zweite Klemme;
- CTR
- Steuereinheit;
- D
- Drain-Anschluss;
- DRa
- Treiber für den ersten Kaskode-Transistor (T1a);
- DRb
- Treiber für den ersten Schalttransistor (T1b);
- DRc
- Treiber für den ersten Stromquellentransistor (T1c);
- DRd
- Messtreiber für den ersten Schalter (S1);
- FOX
- Feldoxid;
- G
- Gate-Anschluss;
- GND
- Masseleitung;
- GNDi
- interne Masseleitung;
- GOX
- Gate-Oxid;
- HVCMOS
- CMOS-Wafer-Herstellungsprozess für Hochvolt-Schaltungen;
- IC
- integrierte Schaltung;
- IS1
- beispielhafte erste Dateneingangsstufe der integrierten Schaltung (IC);
- KS
- Kurzschluss (Fehler);
- LED
- lichtemittierende Diode. Es kann sich im Sinne dieser Offenlegung bei einer LED auch um eine Kette oder andere Zusammenschaltung mehrere lichtemittierender Dioden handeln. Bevorzugt ist eine serielle Kettenschaltung mehrerer gleichartiger LEDs;
- LED1
- erste LED oder LED-Kette;
- LED2
- zweite LED oder LED-Kette;
- LED3
- dritte LED oder LED-Kette;
- LEDn
- n-te LED oder LED-Kette;
- M1
- erster Transistor;
- M2
- zweiter Transistor;
- M3
- dritter Transistor;
- M4
- vierter Transistor;
- n+
- stark n-dotierter Bereich (z.B. Kontaktimplantation);
- NW
- n-dotierte N-Wanne;
- p+
- stark p-dotierter Bereich (z.B. Kontaktimplantation);
- Ply
- poly-kristallines Silizium;
- PW
- p-dotierte P-Wanne;
- R1
- erster Widerstand;
- R2
- zweiter Widerstand;
- R3
- dritter Widerstand;
- R4
- vierter Widerstand;
- S
- Source-Anschluss;
- S1
- erster Schalter;
- SdT
- Stand der Technik;
- T1a
- Kaskode-Transistor für die erste LED-Kette (LED1). Der Kaskode-Transistor dient in der Regel der Regelung des elektrischen Stromes durch die erste LED-Kette (LED1);
- T1b
- Schalttransistor für die erste LED-Kette (LED1). Der Schalttransistor dient in der Regel zur PWM-Modulation des elektrischen Stromes durch die erste LED-Kette (LED1);
- T1c
- Stromquellentransistor für die erste LED-Kette (LED1). Der Stromquellentransistor dient in der Regel gleichzeitig zur PWM-Modulation und zur Einstellung des elektrischen Stromes durch die erste LED-Kette (LED1);
- T2a
- Kaskode-Transistor für die zweite LED-Kette (LED2). Der Kaskode-Transistor dient in der Regel der Regelung des elektrischen Stromes durch die zweite LED-Kette (LED2);
- T2b
- Schalttransistor für die zweite LED-Kette (LED2). Der Schalttransistor dient in der Regel zur PWM-Modulation des elektrischen Stromes durch die zweite LED-Kette (LED2);
- T2c
- Stromquellentransistor für die zweite LED-Kette (LED2). Der Stromquellentransistor dient in der Regel gleichzeitig zur PWM-Modulation und zur Einstellung des elektrischen Stromes durch die zweite LED-Kette (LED2);
- T3a
- Kaskode-Transistor für die dritte LED-Kette (LED3). Der Kaskode-Transistor dient in der Regel der Regelung des elektrischen Stromes durch die dritte LED-Kette (LED3);
- T3b
- Schalttransistor für die dritte LED-Kette (LED3). Der Schalttransistor dient in der Regel zur PWM-Modulation des elektrischen Stromes durch die dritte LED-Kette (LED3);
- T3c
- Stromquellentransistor für die dritte LED-Kette (LED3). Der Stromquellentransistor dient in der Regel gleichzeitig zur PWM-Modulation und zur Einstellung des elektrischen Stromes durch die dritte LED-Kette (LED3);
- Tna
- Kaskode-Transistor für die n-te LED-Kette (LEDn). Der Kaskode-Transistor dient in der Regel der Regelung des elektrischen Stromes durch die n-te LED-Kette (LEDn);
- Tnb
- Schalttransistor für die n-te LED-Kette (LEDn). Der Schalttransistor dient in der Regel zur PWM-Modulation des elektrischen Stromes durch die n-te LED-Kette (LEDn);
- Tnc
- Stromquellentransistor für die n-te LED-Kette (LEDn). Der Stromquellentransistor dient in der Regel gleichzeitig zur PWM-Modulation und zur Einstellung des elektrischen Stromes durch die n-te LED-Kette (LEDn);
- VBAT
- Batteriespannung;
- VHV
- Hochspannungsleitung;
- VLV
- Niederspannungsleitung;
- VLVi
- interne Niederspannungsleitung;
- W
- Wannenanschluss der N-Wanne (NW);
- ZD1
- erste Zenerdiode;
- ZD2
- zweite Zenerdiode;
- ZD3
- dritte Zenerdiode;
- ZD4
- vierte Zenerdiode;
