DE69838973T2

DE69838973T2 - Schwachstromüberwachung durch "low-side" getriebenen DMOS mittels Modulierung seines inneren Widerstands

Info

Publication number: DE69838973T2
Application number: DE69838973T
Authority: DE
Inventors: Luigi Gervasi; Sergio Lecce; Franco Cocetta; Mauro Merlo
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: EP0961126B1; EP0961126A1; DE69838973D1; US6215338B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungsstufen, die integrierte DMOS-Transistoren einsetzen, und insbesondere eine „Low-Side"-Treiberstufe einer äußeren Last.
Hintergrund der Erfindung
Integrierte Leistungsstufen und insbesondere „Low-Side"- und „High-Side"-Treiberstufen, die durch einen integrierten Leistungstransistor gebildet werden, der einen Strom an eine äußere Last liefert, werden in unzähligen Anwendungen als eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu klassischen elektromechanischen Relais verwendet.
Während ein integrierter DMOS-Transistor eine äußerst leistungsfähige Vorrichtung ist, verhältnismäßig hohe Leistungen zu schalten, muß seine Unversehrtheit sorgfältig abgesichert werden, indem gefährliche Betriebsbedingungen verhindert werden, die seinen Ausfall verursachen können.
Daher ist es eine übliche Praxis, spezielle Schaltungen zu verwirklichen, die die Betriebsbedingungen überwachen, um jedes zufällige Auftreten von verbotenen Bedingungen zu verhindern.
Insbesondere ist eine sehr wichtige Information, um das Umschalten des integrierten DMOS-Transistors eines Low-Side-Treibers von einem Leitungszustand in einen Aus-Zustand oder umgekehrt zu ermöglichen, diejenige, die das Vorhandensein eines Zustands „ohne angeschlossene Last" ausschließt. Um dies zu tun, enthalten Betätigungselemente in der Form integrierter Schaltungen, die Low-Side-Treiber verwenden, Schutzsysteme oder Abtastschaltungen, die imstande sind, rechtzeitig einen etwaigen Zustand ohne angeschlossene Last zu signalisieren.
Üblicherweise ist es erforderlich, daß diese Schaltungen erfassen, ob ein etwaiger Zustand ohne angeschlossene Last während einer Phase auftritt, in der der DMOS-Leistungstransistor ausgeschaltet ist. Diese Grundvoraussetzung, das Einschalten des Transistors im Fall ohne angeschlossene Last zu sperren, wird durch bekannte Schaltungen zufriedenstellend erfüllt.
Obwohl es im allgemeinen nicht erforderlich ist, kann es manchmal wichtig sein, einen etwaigen Zustand ohne angeschlossene Last auch während eines Einschaltzustandes des DMOS-Leistungstransistors zu erkennen.
Im Fall eines Low-Side-Treibers ist es schwierig, diese Art von Voraussetzung zu erfüllen, wenn der Strompegel einer Unterscheidung zwischen noch einem Leitungszustand, der als ein Zustand ohne angeschlossene Last definiert und erkannt werden muß, bei einem verhältnismäßig niedrigen Wert festgelegt wird, zum Beispiel in der Nähe von 10–50 mA. Wenn der Innenwiderstand Rdson eines leitenden DMOS-Transistors etwa 0,5 Ohm und häufig sogar noch weniger beträgt, wird eine direkte Messung der Stromabgabe durch den Transistor durch Überwachung seiner Drain-Spannung ziemlich kritisch. In der Tat wäre, wenn man eine Unterscheidungsschwelle von 30 mA und einen Widerstand Rdson = 0,5 Ohm voraussetzt, eine Drain-Source-Spannung (d. h. über die Stromanschlüsse des Transistors) von V_DS = 15 mV erhältlich.
US-A-5,164,659 offenbart Nichtlastzustandsdiskriminierungs- und Signalisierungsschaltungen für eine Low-Side-Treiberstufe, die auf der Verwendung eines Komparators der Ausgangsspannung mit einem bestimmten Regelspannungswert beruhen, die folglich geringfügig höher als der minimale zulässige Spannungspegel eingestellt werden muß. In bestimmten Anwendungen kann es nachteilig sein, die Ausgangsspannung nicht auf den minimal zulässigen Pegel der Lastzustände regeln zu können.
US-A-5,079,456 beschreibt eine Stromabtastschaltung für einen Low-Side-Treiber, die auf der Verwendung eines Transistors mit einer Teilgröße beruht, durch den ein Bezugsstrom fließt, der durch einen Stromgenerator erzeugt wird.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltung bereitzustellen, die es im allgemeinen ermöglichen werden, verhältnismäßig niedrige Ströme durch einen integrierten DMOS-Leistungstransistor in einer Low-Side-Treiberanordnung in einer einfachen und zuverlässigen Weise zu überwachen.
Im wesentlichen beruht das Verfahren der Erfindung auf der Verwendung einer Rückkopplungsschaltung, die, indem sie auf die Spannung wirkt, die an den Gate-Anschluß des DMOS-Transistors angelegt wird, den Minimalwert begrenzt, auf den die Drain-Source-Spannung (V_DS) fallen kann, um sie ausreichend hoch zu halten und selbst bei verhältnismäßig niedrigen Pegeln eine zuverlässige Überwachung des Stroms durch den Transistor zu ermöglichen. Dies wird erreicht, indem absichtlich der Leitungswiderstand des Transistors Rdson bei niedrigen Strompegeln moduliert (erhöht) wird.
Das Verfahren und die Schaltung der Erfindung werden in den Ansprüchen 1 und 2 definiert, und besonders bevorzugte Ausführungsformen werden in den restlichen Ansprüchen angegeben, die hierzu beigefügt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Funktion der Absenkung der V_DS-Spannung eines integrierten DMOS-Transistors bei niedrigen Strompegeln zeigt.
2 ist ein Grunddiagramm der erfindungsgemäßen Schaltung zur Überwachung eines Zustands ohne angeschlossene Last.
3 zeigt eine Schaltung zur Begrenzung des Minimalwerts der V_DS-Spannung bei niedrigen Strompegeln.
Beschreibung von Ausführungsformen
Das Diagramm der 1 bietet eine unmittelbare Darstellung der Notwendigkeit oder auf jeden Fall der Gelegenheit, den Ab fall der V_DS-Spannung, die an den Stromanschlüssen eines integrierten DMOS-Leistungstransistor abgetastet wird, der einen Low-Side-Treiber bildet, auf einen bestimmten Minimalwert zu begrenzen, um die Überwachung des Stroms durch den Transistor selbst bei besonders niedrigen Pegeln in einer zuverlässigen Weise zu ermöglichen, selbst falls die auferlegte Unterscheidungsschwelle besonders niedrig ist.
Erfindungsgemäß wird ein Grundschema der ausführenden Schaltung in 2 gezeigt.
In der Figur werden neben dem DMOS-Ausgangsleistungstransistor selbst nur die Schaltungselemente dargestellt, die das Abtastsystem der Erfindung für einen etwaigen Zustand ohne angeschlossene Last bilden.
Die Rückkopplungsschleife wird im wesentlichen durch einen Operationsverstärker REGULATION LOOP OP AMP gebildet, durch den gemäß des Verfahrens der Erfindung eine Modulation des Leitungswiderstands Rdson des Transistors bewirkt wird, um den Spannungsabfall am DMOS-Transistor, das heißt die V_DS-Spannung des Transistors auf einen minimalen vorher festgelegten Wert Voutlim zu begrenzen.
Die Überwachung des Stroms Iout, der durch den DMOS-Transistor abgegeben wird, geschieht durch den Komparator OPEN LOAD COMPARATOR, der den Strom Iout mit einem Bezugsstrom Iref vergleicht, der durch den zugehörigen Generator durch einen Hilfs-DMOS-Transistor erzwungen wird, der typischerweise kleiner als der Leistungstransistor ist.
Sowohl der Leistungstransistor als auch der Hilfstransistor werden gleichermaßen durch die Rückkopplungsschleife konditioniert, die die minimale V_DS-Spannung des Leistungstransistors begrenzt.
Die praktische Verwirklichung der Rückkopplungsschleife, die funktional im Diagramm der 2 durch den Operationsverstärker repräsentiert wird, bietet im Fall eines Low-Side-Treibers besondere Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten sind hauptsäch lich auf die hohe Verstärkung des DMOS-Leistungsverstärkers in einer Anordnung mit einem gemeinsamen Source-Anschluß während Bedingungen mit schwacher Inversion zurückzuführen.
Die Situation wird weiter verkompliziert, da für wiederkehrende Anwendungsanforderungen der Ausgang des Leistungstransistors mit einer äußeren Kapazität verbunden sein kann, der zwischen 0 und 150 nF variieren kann.
Bezugnehmend auf das Grundschema der 2, beruht das Verfahren der Erfindung qualitativ auf der Tatsache, daß wenn die Drain-Spannung V_DS tendiert, unter den festen Minimalwert Voutlim zu fallen, zum Beispiel infolge eines Abfalls des Ausgangsstroms Iout, der Operationsverstärker die Gate-Spannung des DMOS-Leistungstransistors senkt, so daß seine Drain-Spannung dazu neigen wird, zuzunehmen.
Wenn die Drain-Spannung höher als der feste Minimalwert Voutlim bleibt, hat die Rückkopplungsschleife keine Wirkung, da der Operationsverstärker auf der Versorgungsspannung Vcc in die Sättigung kommt, die auch die maximale Gate-Spannung ist.
An diesem Punkt kann die Abtastung eines Zustands ohne angeschlossene Last durch den zweckbestimmten Komparator OPEN LOOP COMPARATOR durchgeführt werden, indem einfach die Drain-Spannung des Leistungs-DMOS-Transistors OUTPUT POWER DMOS mit der Drain-Spannung des Bezugs-(Hilfs-)DMOS-Transistors SENSING DMOS verglichen wird, durch den ein bestimmter Bezugsstrom Iref durch den zweckbestimmten Stromgenerator erzwungen wird.
3 zeigt eine besonders effektive und zuverlässige Schaltung der Rückkopplungsschleife.
Unter der Voraussetzung, daß das Paar Transistoren Q₄ und Q₅, die einen Stromspiegel bilden, identische Flächen aufweisen, wird die Drain-Regelspannung Voutlim (die gemäß der Anforderungen festgelegt werden kann) gegeben sein durch die Gleichung:
wobei A₃ und A₂ die Flächen der Transistoren Q₃ bzw. Q₂ sind, während die Spannung V_T die thermische Spannung repräsentiert.
Gleichung (1) wird erhalten, indem alle Grundströme der bipolaren Transistoren vernachlässigt werden, die die Schaltung der Rückkopplungsschleife bilden.
Der Wert des Ausgangsstroms, der durch den OUTPUT POWER DMOS-Transistor geliefert wird, bei dem die Regelschleife, wenn er erreicht wird, beginnen wird zu regeln, das heißt, den Innenwiderstand des Transistors zu modulieren, ist gegeben durch
Soweit die Frequenzantwort betroffen ist, präsentiert die Verstärkung des Systems zwei Pole.
Die Schleifenverstärkung bei einer Frequenz von null kann ausgedrückt werden als |A0| = GmR (3)wobei G_m die Transkonduktanz des Leistungs-DMOS-Transistors ist.
Der dominante Pol wird durch die Gate-Source-Kapazität des DMOS-Leistungstransistors bestimmt und ist gegeben durch
es ist offenkundig die stabilisierende Wirkung von Rfb, und daher der Grund, warum dieser Rückkopplungswiderstand eingeführt wird.
Da der zweite Pol mit der Kapazität verbunden ist, die mit dem Drain-Anschluß des DMOS verbunden ist, hängt seine Position auch von der Kapazität der äußerlich angeschlossenen Last ab.
Der niedrige Impedanzpegel des Drain-Knotens stellt die Stabilität des Systems selbst beim Vorhandeinsein einer weiten Streuung der äußeren Kapazitätswerte sicher.
Die Schaltung enthält infolge der Kreuzkopplung der Transistoren Q₂ und Q₃ eine innere Mitkopplungsschleife, die geeignet kompensiert werden muß. Die Funktion des Rb-Widerstands ist es, eine solche innere Schleife, die durch Q₂ und Q₃ gebildet wird, durch eine Emittergegenkopplung von Q₂ zu kompensieren, wodurch folglich die Verstärkung einer solchen inneren Mitkopplungsschleife reduziert wird.

Claims

Schaltung zur Abtastung eines Zustands ohne angeschlossene Last eines Low-Side-Treibers, der durch einen integrierten DMOS-Transistor (Output Power DMOS) gebildet wird, der funktionsfähig zwischen eine äußere Last und einen Masseknoten geschaltet ist, während eines Einschaltzustands des Transistors, der eine Rückkopplungsschleife aufweist, die einen Operationsverstärker (REGULATION LOOP OP-AMP) mit einem nicht-invertierenden Eingang (+) umfasst, der mit dem Drain-Knoten des ersten DMOS-Transistors (Output Power DMOS) verbunden ist, einen invertierenden Eingang (–), der mit einer vorher festgelegten Begrenzungsspannung (Voutlim) verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einem Gate-Knoten des ersten DMOS-Transistors (Output Power DMOS) und eines Hilfs-DMOS-Transistors (SENSING DMOS) verbunden ist, und einen Komparator (OPEN LOAD COMPARATOR) aufweist, der Eingänge (+, –) aufweist, die mit dem Drain-Knoten des ersten DMOS-Transistors (Output Power DMOS) bzw. mit einem Bezugssignal verbunden sind, wobei der Hilfs-DMOS-Transistor (SENSING DMOS) im Vergleich zur Größe des ersten DMOS-Transistors einen Bruchteil der Größe aufweist, die mit ihren jeweiligen Gates miteinander integriert sind, die gemeinsam verbunden sind, durch den Hilfs-DMOS-Transistor (SENSING DMOS) ein Bezugsstrom (Iref) fließt, der durch einen Stromgenerator erzeugt wird, der zwischen einem Versorgungsknoten der Schaltung und dem Drain-Anschluß des Hilfs-DMOS-Transistors (SENSING DMOS) geschaltet ist, zur Lieferung des Bezugssignals an einen Eingang (+) des Komparators (OPEN LOAD COMPARATOR).
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker aufweist: ein erstes Paar Transistoren (Q2, Q3), die miteinander über Kreuz verbunden sind, wobei der Emitter eines ersten (Q3) Transistors des ersten Paars mit dem Drain-Anschluß des ersten DMOS (Output Power DMOS) verbunden ist und der Emitter des anderen Transistors (Q2) des ersten Paars durch einen Gegenkopplungswiderstand (Rb) mit dem Masseknoten der Schaltung verbunden ist, und ein zweites Paar Transistoren (Q4, Q5), die einen Stromspiegel bilden, wobei der Kollektor des Eingangszweigtransistors (Q5) des Spiegels mit einem Vorstromgenerator (Ibias) verbunden ist, der mit dem Stromversorgungsknoten (Vcc) verbunden ist, während der Kollektor (Q4) des Ausgangszweigtransistors durch einen zweiten Widerstand (R) mit dem Stromversorgungsknoten (Vcc) und durch einen dritten Widerstand (Rfb) mit dem gemeinsamen Gate-Knoten des ersten DMOS-Transistors (Output Power DMOS) und des Hilfs-DMOS-Transistors (SENSING DMOS) verbunden ist; wobei die Differenz zwischen den Basis-Emitter-Spannungen (ΔV_BE) des ersten Paars Transistoren (Q2, Q3) die untere Begrenzungsspannung (Voutlim) der Drain-source-Spannung (V_DS) des ersten DMOS-Transistors (Output Power DMOS) bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Transistoren (Q2, Q3, Q4, Q5) der beiden Paare bipolare NPN-Sperrschichttransistoren sind.
Low-Side-Treiberstufe, die einen integrierten DMOS-Leistungstransistor einsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abtastschaltung für einen Zustand ohne angeschlossene Last der Stufe aufweist, wie im Anspruch 1 definiert.
Verfahren zum Überwachen der Stromabgabe durch einen Low- Side-Treiber, der aus einem integrierten DMOS-Transistor (Output Power DMOS) besteht, dessen Gate-Spannung durch eine Rückkopplungsschaltung gesteuert wird, die die Drain-Source-Spannung (V_DS) des Transistors auf einen festen Minimalpegel (Voutlim) begrenzt, indem sein Innenwiderstand (Rdson) erhöht wird, wenn ein solcher Minimalpegel (Voutlim) übertroffen wird, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Vergleichens des Stroms (Iout), der durch den Transistor abgegeben wird, mit einem festen Bezugsstrom (Iref) aufweist, zum Erzeugen eines Digitalsignals, das für einen Zustand ohne angeschlossene Last oder mit angeschlossener Last repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsstrom (Iref) durch einen Hilfstransistor (SENSING DMOS) erzwungen wird, der durch dieselbe Gate-Spannung des DMOS-Transistors (Output Power DMOS) gesteuert wird; und die Drain-Source-Spannung (V_DS) des DMOS-Transistors mit der Drain-Source-Spannung des Hilfstransistors (SENSING DMOS) verglichen wird, um das Digitalsignal als Funktion des Vergleichs zu erzeugen.