DE3887737T2

DE3887737T2 - Mit niedriger Spannung gespeiste Treiberschaltung für elektronische Vorrichtungen.

Info

Publication number: DE3887737T2
Application number: DE3887737T
Authority: DE
Inventors: Davide Chieli
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1988-11-23
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-11-24
Also published as: DE3887737D1; EP0318812B1; JPH01190026A; EP0318812A3; JP2740955B2; US4904889A; IT8722878A0; EP0318812A2; IT1233416B

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer niedrigen Spannung gespeiste Treiberschaltung für elektronische Vorrichtungen. Die Erfindung betrifft insbesondere das Treiben von MOS-Transistoren bei Vorhandensein einer Versorgungsspannung die dazu nicht ausreicht.
Wie allgemein bekannt ist, hat der Einsatz von schaltenden MOS- Transistoren einige Vorteile gegenüber der Verwendung von bipolaren Transistoren. Der Einsatz van MOS-Transistoren erlaubt einen Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen, da keine Ladungsspeicherungen auftreten. Außerdem ist bei MOS-Transistoren die Treiberleistung geringer.
Insbesondere die zweite Tatsache kann beim Betrieb mit hohen Schaltströmen sehr bedeutend sein.
Trotz dieser Vorteile ist es jedoch nicht immer möglich, MOS- Transistoren zum Treiben elektrischer Lasten oder anderer Schaltungen zu verwenden, da die Ansteuerung des Gateanschlusses des MOS- Transistors höhere Spannungen erfordert als die Ansteuerung von bipolaren Transistoren. Wie allgemein bekannt ist, erfordern z. B. DMOS- Transistoren eine Treiberspannung von mehr als drei Volt, im Vergleich dazu ist bei bipolaren Transistoren eine Basisspannung von 0,7 Volt erforderlich.
Diese Tatsache stellt eine erhebliche Einschränkung der Anwendung von MOS-Transistoren in mit niedriger Spannung gespeisten Systemen dar.
Im folgenden soll nun auf Figur 1 bezug genommen werden, die beispielhaft eine einfache Schaltung mit einem MOS-Transistor zum Treiben einer induktiven Last zeigt. In dieser Schaltung ist der mit M 1 bezeichnete MOS-Transistor in Serie mit einer Spule L geschaltet, die zwischen M 1 und einer Versorgungsspannung VIN liegt. Die Schaltung umfaßt weiterhin eine Steuerstufe 1, die ebenfalls mit der Versorgungsspannung sowie mit dem Gate-Anschluß des Transistors M 1 verbunden ist, so daß der MOS-Transistor mit einer zugeführten Gate- Spannung entsprechend einer gewünschten Schaltsequenz angesteuert wird.
Diese Schaltung kann nur dann arbeiten, wenn die Versorgungsspannung VIN größer ist, als mindestens die Schwellwertspannung VT des MOS- Transistors, welche (siehe oben) bei einem DMOS-Transistor drei Volt beträgt. Wenn die Eingangs-Versorgungsspannung VIN geringer ist, so ist es notwendig, die in Figur 1 gezeigte Schaltung zu ändern und den MOS- Transistor durch einen bipolaren Transistor zu ersetzen, so daß man auf die oben genannten Vorteile in bezug auf die möglichen Schaltfrequenzen und den zum Treiben des Transistors erforderlichen Leistungsverbrauch verzichten muß.
Eine weitere bekannte Schaltung ist in der US-PS 4,360,855 offenbart. Diese bekannte Schaltung enthält einen Leistungstransistor und einen MOS-Schalttransistor die alternativ von einer Steuerschaltung angesteuert werden, In ähnlicher Weise wie bei der erstgenannten Schaltung kann auch diese Schaltung nur dann arbeiten, wenn die Versorgungsspannung größer ist, als mindestens die Schwellwertspannung des MOS-Transistors. Ähnliche Bedingungen gelten auch für eine Schaltung, die in dem Artikel "A switching circuit composed of BJT and MOS-FET" von OHASHI et. al., veröffentlicht in Transactions of the IECE of Japan", Band E69, Nummer 4, vom April 1986 auf den Seiten 509- 511 beschrieben ist.
Eine Treiberschaltung für einen einzelnen bipolaren Schalttransistor ist in der US-A-4,201,928 beschrieben. Der Signalausgang des bipolaren Transistors wird zu einem Pulsübertrager geführt, der widerrum das multiplizierte Signal zu dem Treiberteil zurückführt. Aufgrund der Ladungsspeicherungen des bipolaren Transistors kann die Treiberschaltung jedoch nicht bei hohen Frequenzen arbeiten. Sie hat außerdem einen höheren Leistungsverbrauch im Vergleich zur Treiberschaitung einer MOS-Einrichtung.
Ausgehend von dieser Situat2ion liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum Treiben von mit niedriger Spannung gespeisten elektronischen Einrichtungen anzugeben, mit der ein Treiben der elektronischen Einrichtung, im allgemeinen eines MOS-Transistors, auch dann sichergestellt ist, wenn die Versorgungsspannung kleiner ist, als die minimale Treiberspannung der elektronischen Einrichtung.
In diesem Zusammenhang liegt ein besonderes Ziel der Erfindung darin, eine Treiberschaltung für MOS-Transistoren anzugeben, die auch mit einer Versorgungsspannung arbeitet, die kleiner ist, als die Schwellwertspannung des MOS-Transistors so daß die Vorteile der MOS- Technologie in bezug auf die Möglichkeit der Verwendung höherer Schaltfrequenzen und der Reduktion des Verbrauches von Treiberleistung im Vergleich zu bipolaren Einrichtungen voll ausgenutzt werden können.
Weiterhin soll erfindungsgemäß eine Treiberschaltung geschaffen werden, die einfach aufgebaut und leicht herzustellen ist, ohne daß die Kosten dieser Schaltung wesentlich erhöht sind.
Schließlich soll eine Treiberschaltung geschaffen werden, die aufgrund ihrer strukturellen und funktionellen Eigenschaften im Betrieb größte Sicherheit und Zuverlässigkeit aufweist.
Die Aufgabe sowie die genannten Zielsetzungen, die im folgenden noch eingehend erläutert werden, werden durch eine Schaltung zum Treiben elektronischer Einrichtungen verwirklicht, die mit niedriger Spannung gespeist wird und in den Ansprüchen beschrieben ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 ein allgemeines Schaltbild einer bekannten Treiberschaltung;
Fig. 2 ein allgemeines Schaltbild einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung und
Fig. 3 ein allgemeines Schaltbild der in Fig. 2 angedeuteten Steuerstufe.
Figur 1 soll im folgenden nicht weiter beschrieben werden, da auf diese Figur bereits oben eingegangen wurde.
Gemäß Figur 2 enthält die erfindungsgemäße Treiberschaltung einen bipolaren Transistor T 1, dar parallel zu einem MOS-Transistor M 1 geschaltet ist. Im einzelnen ist ein Kollektoranschluß von T 1 mit einem Drainanschluß von M 1 verbunden, während ein im Emitteranschluß von T 1 an einem Sourceanschluß von M 1 und an Masse anliegt. Ein Basisanschluß 11 und ein Gateanschluß 12 der Transistoren T 1 und M 1 sind mit einer Steuerschaltung 10 verbunden, die zum geeigneten Freigeben und Sperren der Transistoren T 1 und M 1 gemäß nachfolgender Beschreibung dient. Der gemeinsame Punkt 13 zwischen dem Kollektor von T 1 und dem Drainanschluß von M 1 (siehe Figur 2) ist mit einem Anschluß einer induktiven Last L verbunden, die mit ihrem anderen Anschluß an einer Eingangs-Versorgungsspannung VIN anliegt. Die induktive Last L ist bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ein Teil eines Transformators 14 und stellt seine Primärwicklung dar, während seine Sekundärwickiung 15 ein Wicklungsverhältnis von n:1 aufweist, welches zur Erzeugung einer Treiberspannung für den MOS-Transistor M 1 geeignet ist. Im einzelnen liegt die Sekundärwicklung 15 zwischen Masse und der Anode einer Diode D 1, deren Kathode mit einem Punkt 16 verbunden ist, der auf einem Potential VAL liegt. Der gemeinsame Punkt 16 ist weiterhin über eine Entkopplungsdiode D 2 und einen Sperrkondensator C, die zwischen dem Punkt 16 und Masse liegen, mit der Eingangs-Versorgungsspannung VIN verbunden.
Die in Figur 2 gezeigte Schaltung arbeitet folgendermaßen: es sei angenommen, daß die Eingangsspannung VIN nicht ausreicht, um den MOS- Transistor M 1 zu treiben jedoch groß genug ist, um den bipolaren Transistor anzusteuern. Wenn in diesem Fall die Schaltung eingeschaltet wird, gibt die Steuerschaltung sofort den bipolaren Transistor T 1 frei, so daß ein Strom über die induktive Last L fließen und der Transformator einen Kondensator C über die Diode D 1 auf eine Spannung nVIN aufladen kann. Wenn das Wicklungsverhältnis n des Transformators groß genug ist, so ist auch die Spannung nVIN groß genug, um den MOS-Transistor zu treiben. Sobald die Spannung VAL-nVIN mindestens die Schwellwertspannung des MOS-Transistors M 1 erreicht, sperrt also die Steuerschaltung den bipolaren Transistor und gibt den Transistor M 1 frei . Wenn die Schaltung einmal in betrieb gesetzt wurde, so hält sie sich selbst im Dauerbetrieb und sendet bei der vorliegenden Anwendung die erforderlichen Schalt-Steuerimpulse zu dem Gatter 12 von M 1.
Es soll angemerkt werden, daß die Diode D 2 anfänglich zur Speisung der Steuerstufe 10 mit der Eingangs-Versorgungsspannung VIN verwendet wird und daß sie als Entkopplerelement arbeitet, wenn die Spannung an dem Kondensator einen die Eingangs-Versorgungsspannung übersteigenden Wert erreicht hat.
Ein Beispiel für die in Figur 2 gezeigte Steuerstufe ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Die Steuerstufe 10 weist ein Paar von Komperatoren 20 und 21 auf, an deren positiven Eingängen eine an dem Ausgang des Transformators erzeugte multiplizierte Spannung und an der2en negativen Eingängen eine entsprechende Bezugsspannung VREF1, VREF2 anliegt. Das Ausgangssignal des Komperators 20 wird an einen ersten Eingang eines UND-Gatters 22 geführt, an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal des Komperators 21 anliegt, welches durch einen Inverter 23 invertiert wurde. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 22 wird zu einem ersten Eingang eines weiteren UND-Gatters 24 geführt welches an seinem zweiten Eingang das durch einen Steuersignalgenerator 26 erzeugte Schaltsignal erhält. Das Ausgangssignal des Gatters 24 wird direkt zu der Basis des Transistors T 1 geführt. Das Ausgangssignal des Komperators 21 wird außerdem ohne Invertierung zu einem weiteren logischen UND-Gatter 25 geführt, welches an seinem anderen Eingang ebenfalls das Signal des Steuersignalgenerators 26 empfängt. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 25 wird dann zu dem Gate-Anschluß 12 des MOS-Transistors M 1 geführt.
Die Spannung VREF1 hat einen in der Weise angepaßten, geringen Wert, daß in jedem Fall ein Treiben der Basis des bipolaren Transistors T 1 sichergestellt wird, während die Spannung VREF2 einen größeren Wert hat, und zwar mindestens gleich der Schwellwertspannung des MOS-Transistors M 1, vorzugsweise gleich der Treiberspannung des Gates von M 1. Diese Spannung kann direkt von der Spannung VAL erhalten werden, da VAL in dieser Stufe zu einem Wert multipliziert wird, der ausreicht, um den MOS-Transistor zu treiben, oder auf einen voreingestellten Bruchteil der Treiberspannung des MOS-Transistors reduziert werden kann, wobei in diesem Fall die Spannung mit einem Bruchteil der Ausgangsspannung des Transformators verglichen wird. Die Spannung wird in üblicher Weise z. B. mit einem Dividierer reduziert.
Die Arbeitsweise der in Figur 3 gezeigten Schaltung ist sehr einfach und geht aus dem Schaltbild hervor. Sobald nach einem Inbetriebsetzen der Schaltung die Spannung VAL die Spannung VREF1 überschritten hat, führt der Komperator 20 ein logisches "1"-Signal zu dem UND-Gatter 22, welches in dieser Phase durch ein von dem Inverter 23 erzeugtes logisches "1"-Signal freigegeben ist. Die Treiberspannung an der Basis 11 des bipolaren Transistors T 1 wird folglich in Abhängigkeit von dem Steuersignal des Generators 26 durch das UND-Gatter 24 geführt. Wie bereits erwähnt wurde, ermöglicht die Freigabe von T 1 einen Stromfluß über L, so daß die Ausgangsspannung des Transformators 14 ansteigt. Wenn also die Spannung VAL mindestens die für den MOS-Transistors M 1 gesetzte Schwellwertspannung erreicht, schaltet der Komperator 21, so daß das Gatter 22 gesperrt und das Gatter 25 mit der für M 1 erforderlichen Gate-Treiberspannung gespeist wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Transistor M I entsprechend der durch den Generator 26 erzeugten Steuersequenz die Last selbst treiben.
Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, werden mit der Erfindung die gesteckten Ziele erreicht. Es wird eine Schaltung angegeben, mit der eine elektronische Einrichtung (im allgemeinen ein MOS-Transistor) betrieben werden kann, die eine hohe Treiberspannung erfordert, und zwar auch dann, wenn eine externe Versorgungsspannung vorhanden ist, die geringer ist, als der erforderliche Wert der Treiberspannung. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile des MOS- Transistors im Hinblick auf seine Geschwindigkeit und seinen geringen Leistungsverbrauch und somit die Vorteile einer mit einem solchen Transistor arbeitenden Schaltung auszunutzen. Die Schaltung ist einfach aufgebaut und leicht herzustellen, und es soll betont werden, daß der Einsatz des Transformators 14 nicht zu einer Erhöhung des Aufwandes oder der Kosten führt, wenn das schon in der Lastschaltung vorhandene induktive Element verwendet werden kann.
Die Schaltung ist ferner bei allen Betriebsbedingungen sehr zuverlässig.
Weiterhin soll angemerkt werden, daß die Abmessungen des bipolaren Transistors wesentlich kleiner sein können, als die Abmessungen des MOS-Transistors, da der bipolare Transistor nur die für die Steuerschaltung erforderliche Leistung zuführt, während der MOS- Transistor die Ladeleistung zuführt.
Die auf diese Weise realisierte Erfindung kann auf verschiedene Weise modifiziert und abgewandelt werden. Die Erfindung ist zwar in bezug auf den Betrieb eines MOS-Transistors zur Zuführung von Leistung zu einer induktiven Last beschrieben worden, es wurde jedoch bereits erwähnt, daß das gleiche erfindungsgemäße Prinzip auch bei Speisesystemen mit niedriger Spannung, bei denen anfänglich eine höhere Einschaltspannung erforderlich ist, die dann jedoch die üblichen Spannungen erzeugen können, verwendet werden kann. Die Spannungs-Multipliziererschaltung (Transformator 14) kann z. B. durch einen kapazitiven Spannungswandler ersetzt werden, der die erforderliche Startspannung erzeugt. Diese Maßnahme verkompiiziert jedoch die elektronische Schaltung. Die Diode D 2 kann ferner durch eine Widerstand ersetzt werden, wenn eine höherer Energieverbrauch aufgrund eines Rückstroms van dem Kondensator zu der Leistungsversorgung VIN möglich ist.

Claims

1. Mit niedriger Leistung gespeiste Treiberschaltung für elektronische Einrichtungen mit:

- einer Leistungsversorgung (VIN) mit niedriger Spannung,

- einem ersten Schalttransistor (M 1) zum Treiben einer induktiven Last (L), die mit der Leistungsversorgung (VIN) mit niedriger Spannung verbunden ist,

- einem zweiten Schalttransistor (T 1) zum Treiben der induktiven Last (L), der mit der Leistungsversorgung (VIN) mit niedriger Spannung verbunden ist, wobei der zweite Schalttransistor (T 1) eine Treiberspannung aufweist, die kleiner ist, als die Treiberspannung des ersten Schalttransistors (M 1), und der zweite Schalttransistor (T 1) parallel zu dem ersten Schalttransistor (M 1) geschaltet ist, und

- einer Steuerstufe (10), die mit der Leistungsversorgung (VIN) mit einem Treiberanschluß (12) des ersten Schalttransistors (M 1) zum Treiben desselben, und mit einem Treiberanschluß (11) des zweiten Schalttransistors (T 1) zum Treiben desselben verbunden ist, wobei die Steuerstufe (10) Einrichtungen (20, 21, 22, 23 24, 25, 26) aufweist, die beim Einschalten anfänglich den zweiten Schalttransistor (T 1) freigeben, nachfolgend den zweiten Schalttransistor (T 1) deaktivieren und den ersten Schalttransistor (M 1) freigeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung weiterhin eine Spannungs-Multipliziererschaltung (14) aufweist, die mit ihrem Eingang an einem gemeinsamen Anschluß (13) des ersten Schalttransistors (M 1), des zweiten Schalttransistors (T 1) und der induktiven Last (L) und mit ihrem Ausgang an der Steuerstufe (10) anliegt, wobei die Spannungs-Multipliziererschaltung (14) eine Startspannung (VAL) für den ersten Schalttransistor (M 1) erzeugt, die größer ist, als die Versorgungsspannung (VIN), wobei beim Einschalten

- die Steuerstufe (10) den zweiten Schalttransistor (T 1) freigibt und dadurch die Spannungs-Multiplizierschaltung (14) speist und

- die Steuerstufe (10) den zweiten Schalttransistor (T 1) deaktiviert und den ersten Schalttransistor (M 1) durch Zuführung der Startspannung (VAL) zu dem Treiberanschluß (12) des ersten Schalttransistors (M 1) freigibt, wenn der Ausgang der Startspannung (VAL) durch die Spannungs- Multipliziererschaltung (14) zumindest einen minimalen Spannungswert erreicht hat, der zum Treiben des ersten Schalttransistors (M 1) erforderlich ist.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalttransistor (M 1) ein MOS- Transistor mit Gate-, Drain- und Sourceanschlüssen und der zweite Schalttransistor ein bipolarer Transistor (T 1) mit Basis-, Kollektorund Emitteranschlüssen ist, wobei der Drainanschluß mit dem Kollektoranschluß und der Sourceanschluß mit dem Emitteranschluß verbunden ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Multipliziererschaltung (14) einen Transformator aufweist, dessen Primärwicklung durch die induktive Last (L) gebildet ist und dessen Sekundärwicklung (15) mit einem Sperrkondensator (C) und der Steuerstufe (10) verbunden ist, wobei ein Wicklungsverhältnis des Transformators so festgelegt ist, daß mindestens die Schwellwertspannung des MOS-Transistors (M 1) an der Sekundärwicklung (15) erzeugt wird.

4. Treiberschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Anschluß der induktiven Last (L) mit dem ersten gemeinsamen Anschluß (13) verbunden ist, der durch den Kollektoranschluß des bipolaren Transistors (T 1) und den Drainanschluß des MOS-Transistors (M 1) gebildet ist, und daß ein zweiter Anschluß der induktiven Last (L) mit der Leistungsversorgung (VIN) mit niedriger Spannung verbunden ist, wobei eine erste Diode (D 2) die Leistungsversorgung (VIN) mit einem zweiten gemeinsamen Punkt (16), mit dem Kondensator (C) und der Steuerstufe (10) verbindet und eine zweite Diode (D 1) die Sekundärwicklung (15) des Transformators mit dem zweiten gemeinsamen Punkt (16) verbindet.

5. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe (10) mindestens einen Komparator (21) aufweist, dessen Eingänge entsprechend mit dem zweiten gemeinsamen Punkt (16) bzw einer ersten Bezugsspannung (VREF2) verbunden sind und dessen Ausgang über einen Inverter (23) mit dem Basisanschluß des bipolaren Transistors (T 1) sowie über ein logisches UND-Gatter (25) mit dem Gateanschluß des MOS-Transistors (M 1) verbunden ist, wenn das UND-Gatter durch ein Schaltsignal durchgeschaltet wird.

6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe (10) einen zweiten Komparator (20) aufweist, dessen Eingänge mit dem zweiten gemeinsamen Punkt (16) bzw. einer zweiten Bezugsspannung (VREF1) verbunden sind und dessen Ausgang an einem Eingang eines zweiten logischen UND-Gatters (22) anliegt, wobei ein weiterer Eingang des zweiten UND-Gatters (22) das Ausgangssignal des Inverters (23) erhält, der Ausgang des zweiter Gatters (22) mit einem Eingang eines dritten logischen UND-Gatters (24) verbunden ist, welches ebenfalls an einem weiteren Eingang das Schaltsignal empfängt, und der Ausgang des dritten logischen UND- Gatters (24) mit dem Basisanschluß des bipolaren Transistors (T 1) verbunden ist.

7. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Multipliziererschaltung (14) einen kapazitiven Spannungswandler aufweist.