DE4429715C1 - Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Span­ nungsbegrenzung.

Es ist oftmals erforderlich, daß die geregelte Ausgangsspan­ nung von integrierten Spannungsreglern durch eine Schutz­ schaltung vor Überspannungen geschützt werden soll. Diese Überspannungen können durch Einschwingvorgänge des Reglers oder durch externe Störungen verursacht werden.

Forderungen für derartige Schutzschaltungen sind, daß die Ansprechspannung bei Berücksichtigung von Fertigungstoleran­ zen und Temperaturverlauf immer sicher über der maximalen Ausgangsspannung des Spannungsreglers liegen muß, anderer­ seits soll aber der Spannungswert im Sinne einer optimalen Schutzfunktion möglichst niedrig sein, d. h. also nur knapp über der Nominalspannung des Reglers liegen.

Für z. B. einen 5V-Regler mit einer Toleranz von 5% ist z. B. eine Ansprechspannung von ca. 6V anzustreben.

Bisher wurde als Schutzschaltung für derartige Anordnung eine Zenerdiode mit der entsprechenden Durchbruchspannung gewählt, falls diese zur Verfügung stand. Die Forderungen gehen jedoch weiter, d. h. es wird gewünscht, daß eine derartige Zener­ diode im IC-Prozeß mit auf der integrierten Schaltung inte­ griert wird. Steht im Herstellprozeß eine Zenerdiode mit genau dieser Spannung nicht zur Verfügung, so muß jedoch weiterhin eine externe Zenerdiode vorgesehen werden.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 31 895 A1 ist eine Klemmschaltung zum Begrenzen einer Spannung gezeigt. Diese enthält einen Stromspiegel, der an den Anschluß für die zu klemmende Spannung angeschlossen ist. Der Stromspiegel ist im Eingangszweig über eine Konstantstromquelle mit Bezugspoten­ tial verbunden, im Ausgangszweig über einen trimmbaren Wider­ stand. Der Ausgangszweig des Stromspiegels dient zur Ansteue­ rung eines MOS-Transistors, dessen Laststrecke zwischen den Anschluß der zu klemmenden Spannung und Bezugspotential ge­ schaltet ist.

In der Literaturstelle Patent Abstracts of Japan, Band 14, Nr. 238 (P-1050), 21. Mai 1990, JP-2-59807 A ist eine Span­ nungsversorgungsschaltung gezeigt, deren Ausgangsspannung bei überschreiten eines Schwellwerts auf einen niedrigeren Wert umgeschaltet wird. Zwischen den Versorgungsspannungsanschluß und den Bezugspotentialanschluß ist eine Bandgap-Referenz­ spannungsschaltung geschaltet. Die gekoppelten Basisanschlüs­ se der Transistoren der Bandgap-Schaltung werden von einem zwischen die Versorgungsspannung geschalteten ohmschen Span­ nungsteiler angesteuert. Die Kollektoranschlüsse der Transi­ storen sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers gekoppelt, an dem ausgangsseitig die Ausgangsspannung ab­ greifbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Schal­ tungsanordnung für einen integrierbaren Überspannungsschutz anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch enthaltenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 3 Figuren naher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Schutz­ schaltungsanordnung,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf zweier interner Spannungen der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung und

Fig. 3 die Kennlinie der erfindungsgemäßen Schutzschal­ tungsanordnung.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist im praktischen Einsatz mit einer Zenerdiode gleichzusetzen, so daß sie bestehende Zener­ diodenschutzstrukturen direkt ersetzen kann. Mit 1 ist eine Eingangsklemme bezeichnet, die über einen Widerstandsteiler 2, 3 mit Masse 4 verbunden ist. Der Mittelabgriff des Wider­ standsteilers 2, 3 ist mit der Basis eines npn-Transistors 5 verschaltet. Dessen Emitter ist über einen weiteren Wider­ standsteiler 7, 8 ebenfalls mit Masse verschaltet. Der Kol­ lektor ist über einen als Diode geschalteten FET 6 mit der Eingangsklemme 1 verbunden, so daß der Kollektor mit Source- und Gate-Anschluß und der Drain-Anschluß des FET 6 mit der Eingangsklemme 1 verbunden ist. Ein zweiter MOS-Transistor 10 ist vorgesehen, dessen Gate mit dem Gate des MOS-Transistors 6 und dessen Drain-Anschluß ebenfalls mit der Eingangsklemme 1 verbunden ist. Der Source-Anschluß des MOS-Transistors 10 ist mit dem Kollektor eines weiteren npn-Transistors 9 ver­ schaltet, dessen Basis mit der Basis des Transistors 5 ver­ bunden ist und dessen Emitter mit dem Knotenpunkt des weite­ ren Spannungsteilers 7, 8 verschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 9 ist des weiteren mit der Basis eines MOS-Transistor 11 verschaltet, dessen Source-Anschluß zum einen mit dem Gate-Anschluß eines weiteren MOS-Transistors 12 und über einen Widerstand 13 mit dem Bezugspotential 4 verschaltet ist. Der Drain-Anschluß des MOS-Transistors 11 ist mit der Eingangsklemme 1 verbunden. Der Drain-Anschluß des MOS-Tran­ sistors 12 ist mit der Eingangsklemme 1 und der Source-An­ schluß des MOS-Transistors 12 mit dem Bezugspotential 4 verschaltet.

Durch die Buchstaben A, B, C wird die Schaltung in einzelne Blöcke aufgeteilt. Hierbei bildet der Block A den Spannungs­ teiler, der Block B den Komparator und der Block C die Aus­ gangsstufe der Schutzschaltung. Der Spannungsteiler A, beste­ hend aus den Widerständen 2, 3, ist nun so dimensioniert, daß bei der gewünschten Ansprechspannung VZ, die zwischen der Eingangsklemme 1 und dem Bezugspotential 4 anliegt, die Spannung VR an der Basis des Transistors 5 z. B. den Wert 1,2 V annimmt.

Der Komparator B nutzt das aus Bandgap-Referenz-Schaltungen bekannte Referenzspannungsprinzip zur Definition der Schalt­ schwelle aus. Bekannt ist hierbei, daß man durch die Addition von zwei Spannungen mit gegenläufigen Temperatur-Koeffizien­ ten eine temperaturstabile Spannung erzeugen kann. Die U_BE- Spannung eines bipolaren Transistors hat einen negativen Temperatur-Koeffizienten. Eine Spannung mit gegenläufig positivem Temperatur-Koeffizienten kann man erzeugen, indem man die Differenz der Basis-Emitter-Spannung von zwei Tran­ sistoren bildet, die mit verschiedenen Strömen betrieben werden. Zur Erzeugung der verschiedenen Ströme ist ein Strom­ spiegel 6, 10 vorgesehen. Das Grundprinzip für eine derartige Bandgap-Referenz-Schaltung ist aus Tietze/Schenk, Halbleiter­ schaltungstechnik, 8. Auflage, Seite 534ff bekannt. Eine Anwendungsschaltung zur Erzeugung einer von Störeinflüssen möglichst unabhängigen Konstantspannung ist in Patent Abstracts of Japan, Sect. P, Band 17 (1993), Nr. 588 (P- 1634), JP 5-173657 gezeigt.

Im Unterschied zu den dort beschriebenen Verwendungen der Bandgap-Referenz wird hier jedoch nicht die Erzeugung einer Referenzspannung vorgesehen, sondern diese zur Definition des Schaltpunktes des Komparators B herangezogen. Liegt die Eingangsspannung VR unter VX, wobei VX die Spannung sein soll, bei der die Be­ grenzung einsetzen soll und z. B. 1,2V sein kann, so ist die Ausgangsspannung VK des Komparators B logisch High, steigt die Spannung VR über VX an, so kippt die Ausgangsspannung VK von High nach Low. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. VR ist hierbei die Spannung, die an der Basis des Transistors 5 und VK. Die Spannung, die am Kollektor des Transistors 9 auftritt.

Die Ausgangsstufe C verstärkt das Ausgangssignal des Kompara­ tors B und leitet es dem Schalttransistor 12 zu, welcher leitend wird und dadurch ein weiteres Ansteigen der Spannung VZ begrenzt. Die Funktion entspricht letztlich der einer Zenerdiode, wobei der Innenwiderstand durch den Einschaltwi­ derstand R_on des DMOS-Transistors 12 nach Bedarf zu dimen­ sionieren ist.

Fig. 3 zeigt hierzu die resultierende Kennlinie der Schal­ tung. Ist die angelegte Spannung kleiner als V_th, so fließt kein Querstrom I_Z, bei zunehmender Spannung VZ steigt der Strom jedoch schnell an, und dies bewirkt eine gute Schutz­ funktion in der gleichen Art, wie es sonst nur eine Zener­ diode ermöglicht. Durch die Kopplung der Schaltschwelle an die Bandgap-Spannung, was mittels der Skalierung durch den Spannungsteiler 2, 3 geschieht, ist diese sehr temperatursta­ bil und von Fertigungstoleranzen weitgehend unbeeinflußt.

Der flachere Anstieg der Kennlinie im Bereich höherer Ströme ist durch den endlichen Einschaltwiderstand R_dson des DMOS- Transistors 12 verursacht. Die Transistorgröße ist entspre­ chend den zu erwartenden maximalen Strömen auszulegen.

Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt somit den Einbau eines Überspannungsschutzes in eine integrierte Schaltung auch in jenen Fällen, wo keine geeignete Zenerdiode in der Technolo­ gie des integrierten Spannungsreglers zur Verfügung steht.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung einer zwischen einer Eingangsanschlußklemme (1) und einer Bezugspotential­ klemme (4) anlegbaren Spannung mit einem zwischen die Ein­ gangsanschlußklemme (1) und die Bezugspotentialklemme (4) ge­ schalteten ohmschen Spannungsteiler (2, 3), dessen Ausgangs­ spannung einem Komparator (B) zugeführt wird, der einen ersten bipolaren Transistor (5) enthält, dessen Basisanschluß von der Ausgangsspannung des ohmschen Spannungsteilers (1, 2) angesteuert wird und dessen Emitter über einen weiteren Spannungsteiler (7, 8) mit der Bezugspotentialklemme (4) verbunden ist, der einen zweiten bipolaren Transistor (9) enthält, dessen Emitter mit dem Mittelabgriff des weiteren Spannungsteilers (7, 8) verbunden ist und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors (5) verbunden ist, und der eine Stromspiegelanordnung (6, 10) enthält, deren Eingangs­ kreis mit dem Kollektor des ersten Transistors (5) und deren Ausgangskreis mit dem Kollektor des zweiten Transistors (9) verbunden ist, und mit einem MOS-Transistor (12), dessen Laststrecke zwischen die Eingangsanschlußklemme (1) und die Bezugspotentialklemme (4) geschaltet ist und der abhängig von der Ausgangsspannung (VK) des Komparators gesteuert wird, die am Kollektor des zweiten Transistors (9) abgreifbar ist.