DE69307686T2 - Thermischer Schutzschaltung - Google Patents

Thermischer Schutzschaltung

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/04Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to abnormal temperature
    • H02H5/044Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to abnormal temperature using a semiconductor device to sense the temperature

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  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

  • In integrierten Schaltungen (ICs), insbesondere in Leistungs-ICs, kann die Verlustleistung bewirken, daß der Baustein relativ hohe Temperaturen erreicht. Um Qualkitätsverlusterscheinungen oder noch ungünstigere zerstörende Ausfälle der ICs aufgrund der überhöhten Temperatur zu vermeiden, ist es häufig erforderlich, eine spezielle Schutzschaltung zu integrieren, die zumindest einen Leistungsausgangsabschnitt der integrierten Schaltung, in der die Verlustleistung hauptsächlich auftritt, immer dann "abschalten" kann, wenn ein gefährlicher Zustand erreicht wird. Eine solche thermische Schutzschaltung muß grundsätzlich eine genaue Auslöseschwelle in bezug auf die erreichte Temperatur der integrierten Schaltung besitzen und aus offensichtlichen, wirtschaftlichen Gründen eine relativ kleine Fläche erfordern.
  • Im Stand der Technik sind sehr viele Formen von thermischen Schutzschaltungen bekannt. Die gewünschte Funktion der Schaltung wird grundsätzlich erreicht, indem eine Komponente (typischerweise eine Diode) integriert wird, die eine bekannte Temperaturkennlinie besitzt und als Temperatursensor verwendet wird. Durch Vergleichen der temperaturabhängigen Spannung über dem "Sensor" mit einer Referenzspannung, die temperaturstabil ist, kann eine gewünschte Temperaturauslöseschwelle implementiert werden. Eine temperaturstabile Referenzspannung wird fast ausschließlich von einer Schaltung abgeleitet, die allgemein als "Bandlücken"-Schaltung bekannt ist. In der Praxis wird ein Bruchteil der sogenannten Bandlückenspannung des Halbleiters als eine bezüglich der Temperatur stabile Referenz verwendet (siehe z. B. EP-A-0 511 561).
  • In Fig. 1 ist eine thermische Schutzschaltung gezeigt, die gemäß einem bekannten Lösungsansatz hergestellt ist. Wenn die Spannung (V&supmin;) , die an einem ersten Eingang des Komparators C1 anliegt, gleich der Spannung (V&spplus;) ist, die am anderen Eingang des Komparators C1 anliegt, tritt ein gewünschter Übergang des am Ausgangsknoten (OUT) vorhandenen Signals auf. Die Auslösetemperatur T kann wie folgt bestimmt werden:
  • und durch Vereinfachung und Auflösen nach T:
  • Die Schaltung links von der gestrichelten Linie in Fig. 1 ist eine sogenannte Bandlückenschaltung. Die temperatur abhängige Spannung, die am sogenannten "Bandlücken- Knoten erzeugt wird, wird von einem Präzisionsspannungsteiler R&sub7;/R&sub8; geteilt und mit der an der Diode Q&sub3;&sub4;&sub4; anhegenden Spannung verglichen. Ein Strom, der im wesentlichen identisch ist zu dem durch die Bandlückenschaltung fließenden Strom, wird vom Transistor Q&sub9; der Diode Q&sub3;&sub4;&sub4; eingeprägt. Bei Raumtemperatur ist die Spannung am invertierenden Eingang (-) des Komparators C1 niedriger als die Spannung am nicht invertierenden Eingang (+). Mit steigender Temperatur nimmt die Spannung über der Diode Q&sub3;&sub4;&sub4; nach einem bekannten Gesetz ab. Daher wird die Spannung über der Diode Q&sub3;&sub4;&sub4; bei einer bestimmten Temperatur niedriger als die Spannung, die am invertierenden Eingang (-) anliegt, wodurch der Komparator C1 seinen Zustand ändert.
  • Wie aus der oben gezeigten Schaltungsanalyse deutlich wird, hängt die Genauigkeit der Auslösetemperatur direkt vom Wert des Widerstands R&sub1;, der den Strom durch die Diode Q&sub3;&sub4;&sub4; bestimmt, sowie vom Strom Is ab, der die Spannung VBE der Diode bestimmt.
  • Eine weitere bekannte Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Auslösetemperatur T kann wie folgt abgeleitet werden:
  • und durch Vereinfachung und Auflösen nach T:
  • Im Gegensatz zur Schaltung der Fig. 1 wird bei dieser anderen Schaltung ein Bruchteil der Bandlückenspannung mit einer Spannung verglichen, die proportional zur Differenz zwischen der Spannung VBE eines ersten Transistors Q&sub3; und einem zweiten Transistor Q&sub4; der Bandlückenschaltung ist. Diese Spannungsdifferenz nimmt mit der Temperatur zu, während die Bandlückenspannung stabil bleibt. Daher ändert der Komparator C1 seinen Zustand bei der Temperatur, die durch die zweite Gleichung der oben gezeigten Analyse angegeben wird.
  • Auch in diesem Fall hängt die Genauigkeit der Auslösetemperatur direkt vom Wert von R&sub1; und vom Pegel des Stroms Is ab.
  • Es wird deutlich, daß die bekannten Schaltungen einen präzisen Spannungsteiler (R&sub7;/R&sub8;) zum Teilen der von der homonymen Schaltung erzeugten Bandlückenschaltung enthalten, mit dem eine temperaturstabile Referenzspannung abgeleitet wird. Außerdem verwenden die bekannten Schaltungen einen Komparator (C1), an dessen Eingänge die von der Bandlückenschaltung abgeleitete temperaturunabhängige Referenzspannung und eine temperaturabhängige Spannung angelegt werden.
  • Die Erfindung schafft eine thermische Schutzschaltung, die, obwohl sie selbst auf einer Bandlückenschaltung basiert, weder die Verwendung eines Komparators noch eines Spannungsteilers für die von der homonymen Schaltung erzeugte Bandlückenspannung erfordert. Die Schaltung der vorliegenden Erfindung erlaubt eine beträchtliche Vereinfachung und eine erhebliche Einsparung hinsichtlich der belegten Fläche. Außerdem stellt die Schaltung der Erfindung eine gleichwertige oder bessere Leistung sicher als die sehr viel komplexeren Schaltungen des Standes der Technik.
  • In einer thermischen Schutzschaltung der Erfindung wird im wesentlichen eine Stromreplika des durch eine Bandlükkenschaltung fließenden Stroms auf einen Transistor gespiegelt, der funktional zwischen dem Ausgangsknoten der Schaltung und einem Masseknoten angeschlossen ist und einen Steueranschluß besitzt, der mit einer temperaturabhängigen Spannung beaufschlagt wird, die bei Raumtemperatur nicht ausreicht, um eine Schwellenspannung des Transistors zu erreichen. Wenn sich die Kennlinie der am Steueranschluß des Transistors anliegenden temperaturabhängigen Spannung und die Kennlinie der invers temperaturabhängigen Schwellenspannung des Transistors kreuzen, tritt eine Bedingung ein, in der der Transistor in einen leitenden Zustand übergeht. Wenn der Transistor leitend wird, fällt die Spannung am Ausgangsknoten der Schaltung auf Massepotential ab.
  • Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • Fig. 1 eine thermische Schutzschaltung des Bandlückentyps zeigt, die gemäß einem obenbeschriebenen bekannten Lösungsansatz hergestellt ist;
  • Fig. 2 eine weitere bekannte thermische Schutzschaltung des Bandlückentyps zeigt, wie sie oben beschrieben worden ist;
  • Fig. 3 eine thermische Schutzschaltung des Bandlückentyps zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
  • Wie aus dem Schaltbild der Fig. 3 deutlich wird, verwendet die thermische Schutzschaltung der Erfindung keinen Komparator, wie er allgemein in den Schaltungen des Standes der Technik (C1 in den Fig. 1 und 2) verwendet wird. Außerdem verwendet die Schaltung keinen Widerstands-Spannungsteiler, wie er allgemein in den Schaltungen des Standes der Technik verwendet wird, um die Bandlückenspannung zu teilen, die von der homonymen Schaltung erzeugt wird, welche auch in der Schaltung der vorliegenden Erfindung auf der linken Seite der vertikalen gestrichelten Linie der Fig. 3 gezeigt ist.
  • Die Schaltung der Erfindung funktioniert qualitativ in folgender Weise. Die Bandlückenschaltung erzeugt per definitionem einen Kollektorstrom in den Transistoren Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3; und Q&sub4;, der durch die bekannte Beziehung (VBE2 - VBE1) / R&sub1; gegeben ist, und gleich VT ln(10) / R&sub1; ist.
  • Dieser Strom, der durch die Bandlückenschaltung fließt, wird unter Verwendung des Transistors Q&sub9; gespiegelt und dem Transistor Q&sub1;&sub0; eingeprägt.
  • Dieser Transistor Q&sub1;&sub0; ist funktional zwischen dem Ausgangsknoten (OUT) der Schaltung und einem gemeinsamen (Masse-)Knoten der Schaltung angeschlossen und besitzt einen Steueranschluß (im gezeigten Beispiel die Basis des Transistors), der mit einem Zwischenknoten eines "Spannungsteilers" verbunden ist, der von den Widerständen R&sub1; und R&sub2; und R&sub3; der Bandlückenschaltung selbst gebildet wird.
  • Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q&sub1;&sub0; ist bei Raumtemperatur nicht hoch genug, um einen leitenden Zustand des Transistors zu erlauben, der in einem AUS- Zustand verharrt und somit keinen Durchfluß des Kollektorstroms des Transistors Q&sub9; erlaubt.
  • Mit zunehmender Temperatur steigt die Basis-Emitter- Spannung des Transistors Q&sub1;&sub0; an (proportional zu VT ln(10)), während die Schwellenspannung des Transistors Q&sub1;&sub0; absinkt.
  • Wenn sich diese zwei Kennlinien kreuzen, die jeweils in entgegengesetzter Richtung von der Temperatur abhängen, geht der Transistor Q&sub1;&sub0; vom AUS-Zustand in den EIN- Zustand über, wodurch die am Ausgangsknoten OUT der Schaltung vorhandene Spannung von einem Hochpegel (VCC) auf einen Nullwert (GND) übergeht.
  • Die Auslösetemperatur kann wie folgt bestimmt werden:
  • und durch Vereinfachung und Auflösen nach T:
  • Die Leistung der Schaltung hinsichtlich der Genauigkeit der Auslösespannung wurde untersucht, indem zweckmäßigerweise die Werte der Widerstände in einem Bereich zwischen +30 % und -30 % um einen entsprechenden Sollwert verändert wurden und die Flächen der Transistoren bezüglich eines Sollwerts verdoppelt und halbiert wurden, um eine Streuung des Werts der Spannung VBE des Transistors zu simulieren. Alle neun geprüften Schaltungen, die jeweils einer speziellen Kombination der obengenannten Abwandlungen der Widerstands- und Flächenwerte entsprechen, haben eine weitgehende Stabilität der Auslösetemperatur bestätigt, trotz einer großen Schwankung der Herstellungsparameter. Die Auslösetemperatur blieb innerhalb eines Schwankungsbereichs von ±15 ºC um den Sollwert.
  • Das Fehlen eines speziellen Spannungsteilers für die Bandlückenspannung verringert den Einfluß einer Abweichung von den Entwurfspartitionswerten bei der Herstellung der integrierten Schaltungen.
  • Die erhebliche Vereinfachung der Schaltung der Erfindung im Vergleich zu bekannten Schaltungen wird beim Vergleichen der Figuren deutlich. Die Einsparung an Siliciumfläche, die durch Verwenden der zwei Transistoren (Q&sub9; und Q&sub1;&sub0;) anstelle eines Komparators (C1) und eines Präzisionsspannungsteilers (R&sub7;/R&sub8;), die herkömmlicherweise in den Schaltungen des Standes der Technik verwendet werden, erreicht werden kann, ist offensichtlich.

Claims (2)

1. Thermische Schutzschaltung für integrierte Schaltungen, mit einer Bandlückenschaltung, die eine temperaturstabile Spannung erzeugen kann, einer Einrichtung, die einen Übergang eines an einem Ausgangsknoten (OUT) der Schutzschaltung erzeugten Signals aufgrund des Anstiegs der Temperatur über eine bestimmte Auslösetemperatur ermitteln kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:
eine Einrichtung (Q&sub9;) zum Spiegeln einer Stromreplika des durch die Bandlückenschaltung fließenden Stroms auf einen ersten Transistor (Q&sub1;&sub0;), der funktional zwischen dem Ausgangsknoten (OUT) der Schaltung und Masse angeschlossen ist und einen Steueranschluß besitzt, der mit einer temperaturabhängigen Spannung beaufschlagt wird, deren Wert bei Raumtemperatur nicht ausreicht, um eine Schwellenspannung des ersten Transistors zu erreichen; wobei
der Kreuzungspunkt zwischen der Kennlinie der am Steueranschluß des ersten Transistors anliegenden temperaturabhängigen Spannung und der Kennlinie einer invers temperaturabhängigen Schwellenspannung des ersten Transistors eine Bedingung bestimmt, bei der der erste Transistor in einen leitenden Zustand übergeht, wodurch ein Übergang der am Ausgangsknoten (OUT) vorhandenen Spannung auf Massepotential veranlaßt wird.
2. Thermische Schutzschaltung nach Anspruch 1, in der die Einrichtung (Q&sub9;) einen zweiten Transistor umfaßt, der mit derselben Spannung angesteuert wird, die die Transistoren ansteuert, die einen Stromspiegel der Bandlückenschaltung bilden, wobei der zweite Transistor funktional zwischen einem Stromversorgungsknoten (VCC) der Schaltung und dem ersten Transistor (Q&sub1;&sub0;) angeschlossen ist.
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