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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.
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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).
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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:
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und durch Vereinfachung und Auflösen nach T:
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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.
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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.
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Eine weitere bekannte Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt.
Die Auslösetemperatur T kann wie folgt abgeleitet werden:
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und durch Vereinfachung und Auflösen nach T:
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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.
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Auch in diesem Fall hängt die Genauigkeit der
Auslösetemperatur direkt vom Wert von R&sub1; und vom Pegel des Stroms
Is ab.
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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.
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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.
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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.
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Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 eine thermische Schutzschaltung des Bandlückentyps
zeigt, die gemäß einem obenbeschriebenen bekannten
Lösungsansatz hergestellt ist;
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Fig. 2 eine weitere bekannte thermische Schutzschaltung
des Bandlückentyps zeigt, wie sie oben beschrieben worden
ist;
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Fig. 3 eine thermische Schutzschaltung des Bandlückentyps
zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
ist.
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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.
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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.
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Dieser Strom, der durch die Bandlückenschaltung fließt,
wird unter Verwendung des Transistors Q&sub9; gespiegelt und
dem Transistor Q&sub1;&sub0; eingeprägt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Auslösetemperatur kann wie folgt bestimmt werden:
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und durch Vereinfachung und Auflösen nach T:
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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.
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Das Fehlen eines speziellen Spannungsteilers für die
Bandlückenspannung verringert den Einfluß einer
Abweichung von den Entwurfspartitionswerten bei der
Herstellung der integrierten Schaltungen.
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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.