DE60309155T2

DE60309155T2 - Stromfühlerschaltung

Info

Publication number: DE60309155T2
Application number: DE60309155T
Authority: DE
Inventors: Derek Bernardon; Stefan Berger; Francesco Labate; Sandro Grillo
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2023-08-02
Also published as: EP1503490B1; EP1503490A1; DE60309155D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromfühlerschaltung zur Abfühlung eines durch eine Leistungsdiode fließenden Stroms. Eine derartige Schaltung ist in dem japanischen Patent JP 8093619 offenbart.
Leistungsdioden werden in vielen unterschiedlichen Anwendungen benutzt. Zum Beispiel sind in den meisten Topologien von Schaltwandlern Leistungsdioden erforderlich. In besonderen Fällen wird es gefordert, dass der durch diese Dioden fließende Strom in einer präzisen Weise gemessen wird.
1 zeigt eine Fühlerschaltung zur Abfühlung eines Stroms, der durch eine Leistungsdiode fließt, gemäß dem Stand der Technik. Ein Fühlerwiderstand R_S ist mit der Leistungsdiode PD in Reihe verbunden. Der Fühlerwiderstand R_S ist ein interne integrierter Widerstand oder ein externer Widerstand. Der durch die Leistungsdiode PD fließende Strom I_PD fließt durch den Fühlerwiderstand und erzeugt einen Spannungsabfall V_S, welcher auf die Eingangsanschlüsse eines Operationsverstärkers aufgebracht wird, der den Spannungsabfall abfühlt bzw. sensiert.
Die Fühlerschaltung nach dem Stand der Technik wie in 1 gezeigt weist verschiedene Nachteile auf. Da ein zusätzlicher Fühlerwiderstand hinzugefügt werden muss, erhöht sich die Verlustleistung und somit verringert sich der Wirkungsgrad. Weiterhin ist der Bereich des gefühlten bzw. sensierten Stroms auf Grund der Grenzen des Spannungsfühler-Operationsverstärkers ebenfalls begrenzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Fühlerwiderstand R_S getrimmt werden muss.
Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromfühlerschaltung zur Abfühlung eines durch eine Leistungsdiode fließenden Stroms zu schaffen, welche eine minimale Verlustleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromfühlerschaltung zur Abfühlung eines durch eine Leistungsdiode fließenden Stroms mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schafft eine Stromfühlerschaltung zur Abfühlung eines durch eine Leistungsdiode PD fließenden Stroms mit:
einer Fühlerdiode SD, welche der Leistungsdiode PD angepasst ist, wobei die Fühlerdiode SD einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufweist und einen Fühlerdiodenstrom liefert, der proportional zu dem durch die Leistungsdiode PD fließenden Strom ist;
einem Operationsverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Kathodenbereich der Fühlerdiode SD verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Kathodenabschnitt der Leistungsdiode PD verbunden ist, und mit einem Ausgang;
einer Stromspiegelschaltung zur Spiegelung des Fühlerdiodenstroms, wobei die Stromspiegelschaltung einen ersten Spiegeltransistor und einen zweiten Spiegeltransistor aufweist, von denen jeder eine Basis besitzt, die mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist,
wobei der Kollektor des ersten Spiegeltransistors mit dem Kathodenabschnitt der Fühlerdiode SD verbunden ist, und wobei der Kollektor des zweiten Spiegeltransistors einen gespiegelten Fühlerdiodenstrom liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leistungsdiode eine Vielzahl von Leistungsdiodenzellen auf, welche parallel miteinander verbunden sind.
In einer ersten Ausführungsform wird die Fühlerdiode SD von mindestens einer Leistungsdiodenzelle gebildet.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Fühlerdiode SD dicht an der Leistungsdiode PD angeordnet.
Der Operationsverstärker ist vorzugsweise als ein Auto-Zero-Operationsverstärker ausgebildet.
Dieses hat den Vorteil, dass ein möglicher Fehler auf Grund eines Offsets aufgehoben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Emitter der Spiegeltransistoren über Widerstände mit einem Referenzpotenzial verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kollektoren der Spiegeltransistoren mit einem Kaskodentransistor verbunden.
Der Kaskodentransistor weist vorzugsweise jeweils einen Gateanschluss auf, der mit einer Spannungsquelle zur Vorspannung verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leistungsdiode eine Freilauf-Leistungsdiode, welche parallel zu einer induktiven Last L angeschlossen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die induktive Last L mit einem Leistungsschalttransistor verbunden.
In einer ersten Ausführungsform ist die induktive Last L eine lineare induktive Last.
In einer alternativen Ausführungsform ist die induktive Last L eine nichtlineare induktive Last.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der durch den Leistungsschalttransistor zu der induktiven Last L fließende Durchschnittsstrom I_avg von einer Steuerschaltung für Durchschnittsstrom gesteuert, welche die Einschaltdauer des Leistungsschalttransistors steuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erster Fühlertransistor in dem Leistungsschalttransistor zur Abfühlung des aktuellen Stroms integriert, welcher durch den Leistungsschalttransistor in einer Einschaltphase des Transistors fließt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Fühlertransistor in dem Leistungsschalttransistor integriert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuerschaltung für Durchschnittsstrom eine Schleifenstromregelschaltung auf, welche mit dem ersten Fühlertransistor und mit dem zweiten Fühlertransistor verbunden ist.
Die Stromregelschleife weist in einer bevorzugten Ausführungsform Folgendes auf:
eine Komparatorschaltung zum Vergleich des durch den ersten Fühlertransistor fließenden Stroms und des durch den zweiten Fühlertransistor fließenden Stroms;
einen ersten Zähler, welcher einen digital Wert I* so lange aufwärts zählt wie die Komparatorschaltung angibt, dass ein durch den ersten Fühlertransistor fließender Strom höher ist als der durch den zweiten Fühlertransistor fließende Strom;
einen Dekoder, zur Dekodierung des digitalen Zählerwerts und zur Erzeugung einer proportionalen DC-Spannung durch Einstellung eines Widerstands, durch welchen ein Referenzstrom fließt;
einen Operationsverstärker zur Erzeugung eines zu dem zweiten Fühlertransistor fließenden Ausgabestroms in Abhängigkeit von der DC-Spannung.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Zähler mit einem Taktsignal CLK getaktet, welches eine hohe Taktfrequenz für Oversampling aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der von dem ersten Zähler ausgegebene digitale Zählerwert I* von einer Sample-And-Hold-Schaltung abgefühlt, wobei der abgefühlte Wert den aktuellen Durchschnittsstrom I_avg darstellt, der durch den Leistungsschalttransistor fließt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sample-And-Hold-Schaltung mit einem Impuls mit moduliertem Signal (PWM) mit einer niedrigen Taktfrequenz getaktet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Interface zur Eingabe eines gewünschten bzw. Soll-Durchschnittsstroms I_DES vorgesehen.
In einer weiteren Ausführungsform werden der von der Sample-And-Hold-Schaltung abgefühlte aktuelle Durchschnittsstrom I_avg und der mittels des Interface eingegebene Soll-Durchschnittsstroms I_DES* zu einer Berechnungseinheit geliefert, welche eine Einschaltzeit T_ON* für den Leistungsschalttransistor in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchschnittsstrom I_avg* und dem Soll-Durchschnittsstrom I_DES* berechnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Treiberschaltung vorgesehen, welche mit dem Gate des Leistungsschalttransistors verbunden ist und den Leistungsschalttransistor ausschaltet, wenn ein zweiter Zähler die von der Berechnungseinheit berechnete Einschaltzeit T_ON* erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Zähler mit dem Taktsignal CLK getaktet.
In einer noch weiteren Ausführungsform wird der während der Einschaltphase des Leistungsschalttransistors durch den Leistungstransistor und die induktive Last L fließende aktuelle Strom durch den ersten Fühlertransistor abgefühlt und der während der Ausschaltphase des Leistungsschalttransistors durch die induktive Last L fließende aktuelle Strom durch eine Fühlerdiode SD abgefühlt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Stromfühlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
1 zeigt eine Stromfühlerschaltung nach dem Stand der Technik;
2 zeigt eine erste Ausführungsform der Stromfühlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Stromfühlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine Stromregelschleife zur Regelung eines Durchschnittsstroms, der durch eine induktive Last fließt, mit welcher eine Leistungsdiode parallel verbunden ist;
5 zeigt Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktionalität der in 4 gezeigten Stromregelschleife;
6 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionalität der in 4 gezeigten Stromregelschleife;
7 zeigt eine Stromfühlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die zur Regelung des Durchschnittsstroms verwendet wird, welcher durch eine nichtlineare induktive Last fließ, die parallel mit einer Leistungsdiode verbunden ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt das Signalzeitablaufdiagramm zur Erläuterung der in 7 gezeigten Schaltung.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Stromfühlerschaltung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Stromfühlerschaltung 1 zur Abfühlung eines durch eine Leistungsdiode 2 fließenden Stroms weist einen ersten Signaleingang 3 und einen zweiten Signaleingang 4 auf. Die Leistungsdiode 2 ist wie in 2 dargestellt eine Freilaufdiode, welche parallel mit einer induktiven Last 5 verbunden ist. Die induktive Last 5 ist an einen Leistungs-MOSFET 6 angeschlossen, welcher ein P-MOSFET oder ein N-MOSFET ist. Der Leistungs-MOSFET 6 ist zum Schalten der induktiven Last 5 vorgesehen. Das Gate des Leistungs-MOSFET ist über eine Leitung 7 mit einer Steuerschaltung 23 verbunden. Die Stromfühlerschaltung 1 besitzt einen Ausgang 8, welcher mit der Steuerschaltung 23 verbunden ist.
Die Stromfühlerschaltung 1 weist eine Fühlerdiode 9 auf, welche der Leistungsdiode 2 angepasst ist, bzw. auf die Leistungsdiode 2 abgestimmt ist. Die Leistungsdiode 2 besitzt in einer Ausführungsform eine Vielzahl von Leistungsdiodenzellen, die parallel miteinander verbunden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fühlerdiode 9 aus mindestens einer dieser Leistungsdiodenzellen gebildet. Der durch die Fühlerdiode 9 fließende Strom I_SD ist proportional zu dem Strom I_PD, welcher durch die Leistungsdiode 2 fließt. Der durch die Fühlerdiode 9 fließende Strom bildet einen Bruchteil des Stroms, der durch die Leistungsdiode 2 fließt.
Die Fühlerdiode 9 besitzt einen Anodenabschnitt 9a und einen Kathodenabschnitt 9b.
Die Stromfühlerschaltung 1 weist weiterhin einen Operationsverstärker 10 mit einem nichtinvertierenden Eingang 11, einem invertierenden Eingang 12 und einem Ausgang 13 auf. Der Operationsverstärker 10 wird mit einer Versorgungsspannung V_DD versorgt (nicht dargestellt). Der nichtinvertierende Eingang 11 des Operationsverstärkers 10 ist mit dem Kathodenabschnitt 9b der Fühlerdiode 9 über eine Leitung 15a verbunden. Der invertierende Eingang 12 des Operationsverstärkers 10 ist mit dem Eingang 3 der Stromfühlerschaltung 1 über eine Leitung 15b verbunden. Die Fühlerdiode 9 liefert den Fühlerdiodenstrom I_SD, welcher proportional zu dem durch die Leistungsdiode 2 fließenden Strom I_PD ist.
Die Stromfühlerschaltung 1 weist weiterhin eine Stromspiegelschaltung 14 zur Spiegelung des Fühlerdiodenstroms I_SD auf. Der Operationsverstärker 10 zwingt den Kathodenabschnitt 9b der Fühlerdiode auf die gleiche Spannung an der Kathode der Leistungsdiode 2, welche mit Eingang 3 der Stromfühlerschaltung in Verbindung steht. Sobald beide Spannungen gleich sind, ist der erzwungene Strom, welcher über Leitung 16 und über einen ersten Transistor 17 der Stromspiegelschaltung 14 nach Masse GND fließt, proportional zu dem durch die Leistungsdiode 2 fließenden Strom I_PD.
Das Verhältnis k zwischen dem erzwungenen Strom I_SD und dem Strom I_PD, der durch die Leistungsdiode 2 fließt, ist äquivalent zu dem Verhältnis der Anzahl von Zellen der Fühlerdiode 9 und der Anzahl aller Zellen der Leistungsdiode 2. Die Stromspiegelschaltung 14 weist den ersten Transistor 17 und einen zweiten Spiegeltransistor 18 auf, wobei die Basen beider Transistoren 17, 18 miteinander über eine Leitung 19 verbunden sind. Diese Leitung 19 ist an den Ausgangsanschluss 13 des Operationsverstärkers 1C über eine Leitung 20 angeschlossen. Der durch den ersten Transistor 17 der Stromspiegelschaltung 14 fließende Strom, welcher proportional zu dem durch die Leistungsdiode 2 fließenden Strom ist, wird von dem zweiten Transistor 18 der Stromspiegelschaltung 14 in einen gespiegelten Fühlerdiodenstrom I_SDM gespiegelt. Der gespiegelte Fühlerdiodenstrom ist ebenfalls proportional zu dem durch die Leistungsdiode 2 fließenden ursprünglichen Strom I_PD. Der gespiegelte Fühlerdiodenstrom I_SDM wird über einen Ausgang und eine Leitung 21 zu einem Eingang 22 der Steuerschaltung 23 geliefert. Die Steuerschaltung 23 erzeugt ein Steuersignal, welches über einen Ausgang 24 und Leitung 7 an den Leistungsschalttransistor 6 geliefert wird. Die Steuerschaltung 23 erzeugt in einer bevorzugten Ausführungsform ein Steuerimpulssignal CRT2 zur Steuerung des Leistungs-MOSFET 6. Die Einschaltdauer des Pfadsignals wird von der Steuerschaltung 23 auf eine solche Weise gesteuert, dass der Durchschnittsstrom I_avg, der durch die Last 5 fließt, zu einem Soll-Strom I_DES korrespondiert, welcher in einer bevorzugten Ausführungsform mittels eines mit der Steuerschaltung 23 verbundenen Interface eingegeben wird. Zur Regelung des Durchschnittsstrom I_avg durch die induktive Last 5 durch Schalten des Leistungs-MOSFET 6 wird die Steuerschaltung 23 von der Stromfühlerschaltung 1 mit dem gespiegelten Fühlerstrom I_SDM versorgt, welcher proportional zu dem durch die Leistungsdiode 2 fließenden Strom I_PD ist.
Die Fühlerdiode 9 ist dicht an der Leistungsdiode 2 angeordnet. Demgemäß wird die Fühlerdiode 9 mit der gleichen Wärmemenge wie die Leistungsdiode 2 belastet, damit die gleiche Temperatur T über beide Dioden 2, 9 erhalten wird. Die Fühlerdiode 9 ist in einer ersten Ausführungsform innerhalb der Leistungsdiode 2 zur Optimierung einer Anpassung zwischen der Fühlerdiode 9 und der Leistungsdiode 2 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Operationsverstärker 10 ein Auto-Zero-Operationsverstärker, welcher die Kathode der Fühlerdiode 9 auf die gleiche Spannung der Kathode der Leistungsdiode 2 zwingt. Da eine kleine Störung der Spannung über der Diode eine große Störung in dem Strom auf Grund der exponenziellen Beziehung hervorruft, ist ein Auto-Zero-Operationsverstärker notwendig, um mögliche Fehler auf Grund eines Offset zu beheben.
Die in 2 dargestellte Konfiguration kann auch für Dioden. Verwendung finden, welche mit Masse verbunden sind, das heißt ein Buck-Konverter, indem die gesamte Schaltung invertiert wird. Durch Hinzufügen der Fühlerdiode 9, welche die gleiche Temperatur T wie die Leistungsdiode 2 aufweist, da sie innerhalb und dicht an der Leistungsdiode 2 angeordnet ist, bewirkt die in 2 gezeigte Schaltung einen geregelten Strom durch die Fühlerdiode 9, um den gleichen Spannungsabfall zu erhalten, der auf der Leistungsdiode 2 vorhanden ist.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Stromfühlerschaltung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Kollektoranschlüsse von Spiegeltransistoren 17, 18 mit einer Kaskodenstufe 26 mit einem ersten MOSFET 27 und einem zweiten MOSFET 28 verbunden. Die Gateanschlüsse der beiden MOSFET 27, 28 sind miteinander über eine Leitung 29 verbunden. Weiterhin weist die Stromfühlerschaltung 1 gemäß der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform Widerstände 30, 31 auf, welche mit den Emittern der Spiegeltransistoren 17, 18 verbunden sind. Die Gateanschlüsse der N-MOS-Transistoren 27, 28 sind an eine Spannungsquelle 23 zur Vorspannung angeschlossen, welche eine Vorspannung erzeugt. Die Kaskoden-MOSFET 27, 28 und die Widerstände 30, 31 sind vorgesehen, um das Zusammenpassen der Spiegeltransistoren 17, 18 bzw. deren Abstimmung aufeinander zu verbessern. Die Stromfühlerschaltung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 2, 3 gezeigt ist, verwendet keinen Widerstand zur Messung des Stroms I_PD, der durch die Leistungsdiode 2 fließt. Folglich ist die Verlustleistung verringert. Der von der Stromfühlerschaltung 1 abgefühlte Strom wird in den Stromregelschleifen wie in 2, 3 gezeigt zur Steuerung von Leistungs-MOSFET 6 in einer solchen Weise benutzt, dass der Durchschnittsstrom I_avg durch die induktive Last 5 zu einem Soll-Durchschnittsstrom I_DES korrespondiert, der in die Steuerschaltung 23 über ein Interface eingegeben ist.
4 zeigt einen Stromregler zur Regelung des Stroms durch den Leistungs-MOSFET 6. Der Leistungs-MOSFET 6 ist mit der induktiven Last 5 verbunden, an welche eine Freilauf-Leistungsdiode 2 parallel angeschlossen ist. Die Freilauf-Leistungsdiode 2 und die induktive Last 5 sind mit einem Versorgungsspannungsanschluss verbunden, auf welchen eine Versorgungsspannung V_DD von 48 V aufgebracht ist. Die in 4 gezeigte induktive Last 5 ist eine lineare induktive Last L. Der Zweck der in 4 dargestellten Regelschaltung besteht darin, den durch die induktive Last 5 fließenden Durchschnittsstrom I_avg präzise zu regeln. Da die induktive Last 5 linear ist, kann der durch die induktive Last 5 fließende Strom während der Zeit T_ON, wenn der Leistungstransistor 6 eingeschaltet ist, und der Zeit T_OFF, wenn der Leistungstransistor 6 ausgeschaltet ist, durch eine geneigte gerade Linie angenähert werden, welche von dem Wert der Induktivität L und der Schaltfrequenz t_switch des Leistungs-MOSFET 6 abhängig ist. In der in 4 gezeigten Ausführungsform weist der Leistungs-MOSFET 6 einen Schalttransistor T₀ und zwei integrierte Fühlertransistoren T_S1 und T_S2 auf. Die beiden Fühlertransistoren T_S1 und T_S2 sind zur Regelung des durch den Schalttransistor T₀ des Leistungs-MOSFET 6 fließenden Stroms vorgesehen. Die in 4 gezeigte Durchschnittsstromsteuerschaltung steuert die Einschaltdauer des Leistungsschalt-MOSFET T₀.
Die Einschaltdauer des Schalttransistors T₀ ist definiert als das Verhältnis zwischen der Zeit TON, wenn der Leistungstransistor 6 eingeschaltet ist, und dem Zeitabschnitt T_ON + T_OFF eines Schaltzyklus. Einschaltdauer = TON/(TON + TOFF) (2)
Der erste Fühler-MOSFET T_S1 ist in dem Schalt-MOSFET 6 zur Abfühlung des aktuellen Stroms I integriert, welcher während der Einschaltphase durch den Leistungs-MOSFET 6 fließt.
Der durch die Last 5 fließende Durchschnittsstrom I_avg ist identisch mit dem Durchschnittsstrom, der durch den Schalttransistor T₀ des Leistungstransistors 6 fließt.
Die Ströme, welche durch die Fühler-MOSFET T_S1 und T_S2 fließen, sind proportional zu dem aktuellen Strom, der durch den Schalttransistor T₀ fließt. Die Durchschnittsstromsteuerschaltung wie in 4 gezeigt steuert den durch den zweiten Fühler-MOSFET T_S2 fließenden Strom I_TS2, um dem durch den ersten Fühler-MOSFET T_S1 fließenden Strom I_TS1 zu folgen. ITS1 = ITS2 (3)
Die Durchschnittsstromsteuerschaltung weist eine Stromregelschleife 33 auf, welche mit dem ersten Fühler-MOSFET T_S1 und dem zweiten Fühler-MOSFET T_S2 verbunden ist. Die Stromregelschleife 33 weist eine Komparatorschaltung 34 auf, welche mit den Fühler-MOSFET T_S1 und T_S2 über Schalter 35a, 35b verbunden ist, wobei die Schalter 35a, 35b wechselweise schalten, das heißt, wenn Schalter 35a eingeschaltet ist, ist Schalter 35b ausgeschaltet, und umgekehrt. Die Komparatorschaltung 34 ist zum Vergleich des Stroms I_TS1 der durch den ersten Fühler-MOSFET T_S1 fließt, und des Stroms I_TS2 vorgesehen, der durch den zweiten Fühler-MOSFET T_S2 fließt. Die Komparatorschaltung 34 ist ein Auto-Zero-Operationsverstärker. Der Ausgang der Komparatorschaltung 34 ist über eine Leitung 36 mit einer ersten Zählerschaltung 37 verbunden, die von einem Taktsignal CLK getaktet wird. Das Taktsignal CLK weist eine hohe Taktfrequenz von zum Beispiel 5 MHz zum Oversampling auf. Die Zählerschaltung 37 zählt einen digitalen Zählerwert I* solange aufwärts wie die Komparatorschaltung 34 angibt, dass der durch den ersten Fühler-MOSFET T_S1 fließende Strom I_TS1 höher ist als der durch den zweiten Fühler-MOSFET T_S2 fließende Strom I_TS2. Der digitale Zählerwert I* wird über digitale Signalleitungen 39 einem Dekoder 38 zugeführt. Der Dekoder 38 dekodiert den digitalen Zählerwert I* und erzeugt eine proportionale DC-Spannung, indem ein Widerstand 40 eingestellt wird, durch welchen der Referenzstrom I_REF fließt.
Der Widerstand 40 ist in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Kette von in Reihe verbundener Widerstände ausgebildet, wobei die Knoten zwischen den Widerständen mit Drainanschlüssen von MOSFET-Transistoren verbunden sind, von denen jeder einen Gateanschluss aufweist, der von einem digitalen Steuersignal gesteuert wird, welches von dem Dekoder geliefert wird. Die Sourceanschlüsse der MOSFET-Transistoren sind an die positive Leistungsversorgungsspannung V_DD angeschlossen. Durch Steuerung der Gateanschlüsse der MOSFET-Transistoren ist es möglich, die DC-Spannungsabfälle an der Widerstandskette einzustellen.
Der durch den eingestellten Widerstand 40 fließende Referenzstrom I_REF wird von einer Referenzstromquelle erzeugt, die einen Operationsverstärker 41 mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss 42 und einem invertierenden Eingangsanschluss 43 aufweist. Auf den nichtinvertierenden Eingangsanschluss 42 ist eine Bandgap-Spannung aufgebracht. Der Operationsverstärker 48 weist einen Ausgang 44 auf, der mit dem Gate eines MOSFET 45 über eine Leitung 46 verbunden ist. Der MOSFET 45 besitzt einen Drainanschluss, der mit Masse GND über einen Referenzwiderstand 47 verbunden ist. Der andere Anschluss des MOSFET 45 liefert den Referenzstrom I_REF an Widerstand 40 über eine Leitung 48. Die Stromregelschleife 33 weist weiterhin einen Operationsverstärker 49 zur Erzeugung eines durch den zweiten Fühler-MOSFET T_S2 fließenden Ausgangsstroms in Abhängigkeit von der auf den Widerstand 40 aufgebrachten DC-Spannung auf. Der Operationsverstärker 49 weist einen invertierenden Eingang 50, der mit der Referenzstromleitung 48 verbunden ist, und einen nichtinvertierenden Eingang 51 auf, der über eine Leitung 52 mit einem weiteren Widerstand 53 verbunden ist, auf dem die Versorgungsspannung V_DD aufgebracht ist. Der Operationsverstärker 49 weist einen Ausgangsanschluss 54 auf, welcher über eine Leitung 57 mit dem Gate 55 eines MOSFET 56 verbunden ist. Der Operationsverstärker 49 steuert den MOSFET 56 auf eine solche Weise, dass der Strom I_TS2 Proportional zu der DC-Spannung des Abgleichwiderstands 40 ist und über eine Stromleitung 58 zu dem zweiten Fühler-MOSFET T_S2 fließt. An einem Verzweigungsknoten 59 ist ein Widerstand 60 parallel zu dem Leistungs-MOSFET 6 angeschlossen, welcher die integrierten Transistoren T₀, T_S1, T_S2 beinhaltet. Der Widerstand 60 und der Leistungs-MOSFET sind an ein Referenzpotenzial, zum Beispiel Masse GND, angeschlossen. Die Stromregelschleife 33, welche den Operationsverstärker 34, den Zähler 37, den Dekoder 38, den Operationsverstärker 49 und den MOSFET 56 aufweist, regelt den durch den zweiten Fühler-MOSFET T_S2 fließenden Strom I_TS2 um dem durch den ersten Fühler-MOSFET T_S1 fließenden Strom I_TS1 zu folgen.
So lange wie der Operationsverstärker 34 angibt, dass der Strom I_TS2 kleiner ist als der Strom I_TS1 zählt der Zähler 37 mit einer sehr hohen Oversamplingfrequenz von zum Beispiel 5 MHz aufwärts. Wenn die Vergleicherschaltung 34 angibt, dass der Strom I_TS2 höher ist als der Strom I_TS1 beendet der Zähler 37 den Zählvorgang.
Der Ausgang des Zählers 37 ist über eine Leitung 61 mit einer Sample-And-Hold-Schaltung 62 verbunden. Der digitale Zählerwert I*, der von dem Zähler 37 ausgegeben wird, wird von der Sample-And-Hold-Schaltung 62 gesampelt. Der gesampelte Wert repräsentiert den aktuellen Durchschnittsstrom I_AVG*, welcher durch den Leistungsschalt-MOSFET 6 fließt. Die Sample-And-Hold-Schaltung 62 wird mit einem zweiten Taktsignal CLK2 getaktet, das eine vergleichsweise niedrige Frequenz von zum Beispiel 4 kHz aufweist. Der gesampelte aktuelle Durchschnittsstrom I_AVG* wird an eine Berechnungseinheit 63 zur Berechnung einer Einschaltzeit T_ON* des Leistungsschalt-MOSFET 6 ausgegeben. Die Sample-And-Hold-Schaltung 62 ist mit der Berechnungseinheit 63 über Leitungen 64 verbunden.
Die Berechnungseinheit 63 ist weiterhin mit einem Serial-Protocol-Interface 65 über Leitungen 66 verbunden. Über das Serial-Protocol-Interface 65 kann der Benutzer einen gewünschten Durchschnittsstrom bzw. Soll-Durchschnittsstrom I_DES* für den Leistungs-MOSFET 6 eingeben. Auf der Grundlage von aktuellem gesampelten Durchschnittsstrom I_avg* und von dem Soll-Strom I_DES* berechnet die Berechnungseinheit 63 die Einschaltzeit T_ON* für den Leistungsschalt-MOSFET 6. Die berechnete Einschaltzeit T_ON* wird über Leitungen 67 an einen zweiten Zähler 66 und über Leitungen 69 an eine Teilerschaltung 68 geliefert. Die Teilerschaltung 68 teilt die berechnete Einschaltzeit T_ON* durch Zwei und gibt diesen Wert über Leitung 70 an die Sample-And-Hold-Schaltung 62. Der zweite Zähler 66 wird mit dem ersten Taktsignal CLK1 mit einer hohen Frequenz von zum Beispiel 5 MHz getaktet. Wenn der zweite Zähler 66 die berechnete Einschaltzeit T_ON* erreicht, schaltet er den Leistungs-MOSFET 6 mittels einer Treiberschaltung 71 aus. Die Treiberschaltung 71 weist einen Eingang, der über eine Leitung 72 mit dem Zähler 66 verbunden ist, und einen Ausgang auf, der mit dem Leistungs-MOSFET 6 über eine Leitung 73 verbunden ist. Die von der Berechnungseinheit 63 berechnete Einschaltzeit T_ON* steuert den Zeitabschnitt, wenn der Leistungs-MOSFET ausgeschaltet ist, und wird zur Festlegung verwendet, wann der Durchschnittsstrom I_AVG* für den folgenden Zyklus in dem Sample-And-Hold-Block 62 gesampelt wird. Die Einschaltzeit T_ON* kann nach der folgenden Formel berechnet werden: TON (k + 1) = G·[Ieer(k) – Z·Ieer (k-1)] + TON(k) (4)wobei IERR = IDES – Iavg und G = offene Schleifenverstärkung der Stromregelschleife, Z = Nullanordnung (0 < z < 1) gilt, I_DES der über SPI programmierbare Durchschnittsstromwert ist, I_avg der gemessene Durchschnittsstrom ist.
Die Regelschaltung wie in 4 dargestellt erzeugt einen Strom I_TS2, um dem Strom I_TS1 kontinuierlich zu folgen, zu dem Zweck der Messung des Stroms I_T0, welcher durch die induktive Last 5 während der Einschaltzeit T_ON des Leistungs-MOSFET 6 fließt. Da die induktive Last 5 linear ist, steigt der Strom I_T0 durch den Leistungs-MOSFET 6 in der Einschaltphase mit der konstanten Steigung an.
5 zeigt Impulsdiagramme der fließenden Ströme, wenn eine lineare induktive Last 5 eingesetzt ist und der Durchschnittsstrom mit der wie in 4 dargestellten Regelschaltung geregelt wird. Der Strom I_LOAD, welcher durch die lineare induktive Last 5 fließt, steigt während der Einschaltphase des Leistungs-MOSFET 6 an und fällt während der Ausschaltphase des Leistungs-MOSFET 6 ab. Der Strom I_T0, der durch den Leistungs-MOSFET 6 fließt, steigt während der Einschaltphase T_ON in einer linearen Weise mit einer linearen Steigung an. Da der Strom, der durch den in dem Leistungs-MOSFET 6 integrierten Fühler-MOSFET T_S1 fließt, proportional zu dem Strom I_T0 ist, korrespondiert der Durchschnittsstrom I_Average zu dem Strom I_TS2, der I_TS1 folgt, wenn T_ON/2 erreicht ist. In diesem Augenblick wird der Samplevorgang durch die Sample-And-Hold-Schaltung 62 durchgeführt.
6 zeigt die Regelung des Durchschnittsstroms I_avg zu der induktiven Last 5, wenn der Soll-Durchschnittsstrom mittels des Interface 65 verändert wird. Wie aus 6 ersichtlich ist, beträgt der Durchschnittsstrom durch die induktive Last 5 zu Anfang in t₀ 400 mA und die Einschaltdauer (T_ON/T_ON+T_OFF) ist auf 20 % eingestellt. In t₁ wird über das Interface 65 ein neuer Soll-Durchschnittsstrom von 1,6 A eingestellt. Die Regelschaltung erhöht die Einschaltdauer auf 60 %, um den Soll-Durchschnittsstrom I_avg von 1,6 A zu erreichen. Wie aus 6 zu ersehen ist, erhöht der Regler den Durchschnittsstrom I_AVG auf den Soll-Durchschnittsstrom I_Desired innerhalb von ungefähr 0,01 s in t₂. In dem in 6 gezeigten Beispiel wird der Soll-Strom in t₃ auf 400 mA zurückgestellt. Der Regler stellt die Einschaltdauer auf 20 so zurück, dass der Durchschnittsstrom I_AVG den Sollwert von 400 mA in t₄ erreicht. Der Durchschnittsstrom I_avg, der von der in 4 gezeigten Schaltung eingestellt wird, oszilliert in einer Dreiecksart, wie in 5 gezeigt ist.
7 zeigt eine Regelschaltung zur Regelung des Durchschnittsstroms I_avg durch eine induktive Last, welche nichtlinear ist. Die wie in 7 dargestellte Regelschaltung verwendet die Stromfühlerschaltung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der digitale Durchschnittsstromwert I*_avg folgt dem Strom, der durch den Schalttransistor T₀ in der Einschaltphase dieses Transistors fließt, und folgt dem Strom, welcher durch die Leistungsdiode 2 während der Ausschaltphase des Leistungs-MOSFET 6 fließt. Eine Durchschnittsberechnungseinheit 74 berechnet den Durchschnitt I*_avg zwischen dem aktuellen digitalen Stromwert I*_n und dem vorhergehenden digitalen Stromwert I*_n–1. Auf diese Weise werden die während des Anstiegs des Stroms I_T0 in der Einschaltphase T_ON durch die nichtlineare induktive Last 5 hervorgerufenen Nichtlinearitäten kompensiert. Die Stromfühlerschaltung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Abfühlung des Stroms vorgesehen, der durch die Leistungsdiode 2 in der Ausschaltphase des Schalt-MOSFET 6 fließt. Dieser abgefühlte Strom wird von Transistoren 17, 18, 75, 76 gespiegelt und an einen dritten Fühlertransistor T_S3 geliefert, der in dem Leistungs-MOSFET 6 integriert ist. Das Gate von T_S3 ist über einen Inverter 77 mit dem Ausgang von Treiberschaltung 71 verbunden. Wenn Transistor T₀ eingeschaltet ist, sind T_S1 und T_S2 auch eingeschaltet, um den Strom zu messen, obwohl T₀ in der Einschaltphase ist. Wenn T₀ ausgeschaltet ist, ist T_S3 eingeschaltet, um den Strom zu messen, obwohl T₀ in der Ausschaltphase ist. Die Schaltung wie in 7 gezeigt ermöglicht es, einen Strom I_T0 unabhängig von der Einschalt- und Ausschaltphase des Leistungs-MOSFET 6 in einer sehr präzisen Weise zu messen. Auf der Grundlage des abgefühlten Stroms wird der Durchschnittsstrom I_avg gesampelt und zur Berechnung der T_ON-Zeit oder der Einschaltdauer für den nächsten Zyklus verwendet. Zwei Fühlerströme sind kombiniert, um die größtmögliche Präzision zu erreichen. Der Fühlerdiodenstrom I_SD wird nicht durch einen einfachen Widerstand in eine Spannung transformiert, sondern mittels eines abgestimmten Widerstands 60c, und mit einem weiteren abgestimmten Zweig mit einer Präzision verglichen. Ein Dummy-Schalter 35c ist zur Abstimmung vorgesehen.
8 zeigt das Zeitablaufdiagramm für die in 7 dargestellte Regelschaltung. Wenn der Soll-Durchschnittsstrom I_avg, der durch die nichtlineare induktive Last 5 fließt, von 400 mA auf 1,6 A in t₁ erhöht wird, liefert die Stromregelung einen Durchschnittsstrom I_AVG durch Erhöhung der Einschaltdauer auf 60 % in t₂. Wenn der Soll-Durchschnittsstrom I_avg in t₃ auf 400 mA zurückgesetzt wird, wird der aktuelle Durchschnittsstrom durch die Regelung in t₄ erreicht.

Claims

Stromfühlerschaltung zur Abfühlung eines durch eine Leistungsdiode (2) fließenden Stroms mit: (a) einer Fühlerdiode (9), welche der Leistungsdiode (2) angepasst ist, wobei die Fühlerdiode (9) einen Anodenabschnitt (9a) und einen Kathodenabschnitt (9b) aufweist und einen Fühlerdiodenstrom (I_SD) liefert, der proportional zu dem durch die Leistungsdiode (2) fließenden Strom (I_PD) ist; (b) einem Operationsverstärker (10) mit einem ersten Eingang (11), der mit dem Kathodenbereich (9b) der Fühlerdiode (9) verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang (12), der mit einem Kathodenabschnitt der Leistungsdiode (2) verbunden ist, und mit einem Ausgang (13); (c) einer Stromspiegelschaltung (14) zur Spiegelung des Fühlerdiodenstroms I_SD, wobei die Stromspiegelschaltung (14) einen ersten Spiegeltransistor (17) und einen zweiten Spiegeltransistor (18) aufweist, von denen jeder eine Basis aufweist, die mit dem Ausgang (13) des Operationsverstärkers (10) verbunden ist, wobei der Kollektor des ersten Spiegeltransistors (17) mit dem Kathodenabschnitt (9b) der Fühlerdiode (9) verbunden ist, und wobei der Kollektor des zweiten Spiegeltransistors (18) einen gespiegelten Fühlerdiodenstrom (I_SDM) liefert.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsdiode (2) eine Vielzahl von Leistungsdiodenzellen aufweist, welche parallel miteinander verbunden sind.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Fühlerdiode (9) von mindestens einer Leistungsdiodenzelle gebildet ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Fühlerdiode (9) dicht an der Leistungsdiode (2) angeordnet ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Operationsverstärker (10) als ein Auto-Zero-Operationsverstärker ausgebildet ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Emitter der Spiegeltransistoren (17, 18) über Widerstände (30, 31) mit einem Referenzpotenzial verbunden sind.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Kollektoren der Spiegeltransistoren (17, 18) mit Kaskodentransistoren (27, 28) verbunden sind.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 7, wobei von den Kaskodentransistoren jeder einen Gateanschluss aufweist, der mit einer Spannungsquelle (32) zur Vorspannung verbunden ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsdiode (2) eine Freilauf-Leistungsdiode ist, welche parallel zu einer induktiven Last (5) angeschlossen ist.
Stromfühlerschaltung nach Ansprach 9, wobei die induktive Last (5) mit einem Leistungsschalttransistor (6) verbunden ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 10, wobei die induktive Last (5) eine lineare induktive Last ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 11, wobei der durch den Leistungsschalttransistor (6) fließende Durchschnittsstrom (I_AVG) von einer Durchschnittsstromsteuerschaltung gesteuert, welche die Einschaltdauer des Leistungsschalttransistors (6) steuert.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 12, wobei ein erster Fühlertransistor (T_S1) in dem Leistungsschalttransistor (6) zur Abfühlung des aktuellen Stroms (I_T0) integriert, welcher durch den Leistungsschalttransistor (6) in der Einschaltphase fließt.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 13, wobei ein zweiter Fühlertransistor (T_S2) in dem Leistungsschalttransistor (6) integriert ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 12, wobei die Durchschnittsstromsteuerschaltung eine Schleifenstromregelschaltung (33) aufweist, welche mit dem ersten Fühlertransistor (T_S1) und mit dem zweiten Fühlertransistor (T_S2) verbunden ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 15, wobei die Stromregelschleife (33) Folgendes aufweist: eine Komparatorschaltung (34) zum Vergleich des durch den ersten Fühlertransistor (T_S1) fließenden Stroms (I_TS1) und des durch den zweiten Fühlertransistor (T_S2) fließenden Stroms (I_TS2); einen ersten Zähler (37), welcher einen digital Wert (I*) so lange aufwärts zählt wie die Komparatorschaltung (34) angibt, dass der durch den ersten Fühlertransistor (T_S1) fließende Strom (I_TS1) höher ist als der durch den zweiten Fühlertransistor (T_S2) fließende Strom (I_TS2); einen Dekoder (38) zur Dekodierung des digitalen Zählerwerts (I*) und zur Erzeugung einer proportionalen DC-Spannung durch Einstellung eines Widerstands (40), durch welchen ein Referenzstrom (I_REF) fließt; einen Operationsverstärker (49) zur Erzeugung eines zu dem zweiten Fühlertransistor (T_S2) fließenden Ausgabestroms (I_TS2) in Abhängigkeit von der DC-Spannung.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 16, wobei der erste Zähler (37) mit einem Taktsignal (CLK) getaktet ist, welches eine hohe Taktfrequenz für Oversampling aufweist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 16, wobei der von dem ersten Zähler (37) ausgegebene digitale Zählerwert (I*) von einer Sample-And-Hold-Schaltung (62) abgefühlt bzw. gesampelt wird, wobei der abgefühlte Wert den aktuellen Durchschnittsstrom (I_AVG*) darstellt, der durch den Leistungsschalttransistor (6) fließt.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 16, wobei die Sample-And-Hold-Schaltung (62) mit einem Impuls mit moduliertem (PWM) Signal mit einer niedrigen Taktfrequenz getaktet ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 1, wobei ein Interface (65) zur Eingabe eines gewünschten bzw. Soll-Durchschnittsstroms (I_Desired) vorgesehen ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 20, wobei der aktuelle Durchschnittsstrom (I_AVG*), der von der Sample-Rnd-Hold-Schaltung (62) abgefühlt bzw. gesampelt ist, und der Soll-Durchschnittsstrom (I_Desired*), der mittels des Interface (65) eingegeben ist, zu einer Berechnungseinheit (63) geliefert werden, welche die Einschaltzeit (T_ON*) für den Leistungsschalttransistor (6) in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchschnittsstrom (I_AVG*) und dem Soll-Durchschnittsstrom (I_Desired*) berechnet.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 21, wobei eine Treiberschaltung (71), welche mit einem Steueranschluss des Leistungsschalttransistors (6) verbunden ist, den Leistungsschalttransistor (6) ausschaltet, wenn ein zweiter Zähler (66) die von der Berechnungseinheit (63) berechnete Einschaltzeit (T_ON*) erreicht.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 22, wobei der zweite Zähler (66) mit dem Taktsignal (CLK) getaktet ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 9, wobei die induktive Last (5) eine nichtlineare induktive Last ist.
Stromfühlerschaltung nach Anspruch 24, wobei während der Einschaltphase des Leistungsschalttransistors (6) der durch den Leistungstransistor (6) und durch die induktive Last (5) fließende aktuelle Strom durch den ersten Fühlertransistor (T_S1) abgefühlt wird, und während der Ausschaltphase des Leistungsschalttransistors (6) der durch die induktive Last (5) fließende aktuelle Strom durch eine Fühlerdiode (9) abgefühlt wird.