EP1046207A1 - Verpol-schutzschaltung für eine elektronische leistungsendstufe - Google Patents
Verpol-schutzschaltung für eine elektronische leistungsendstufeInfo
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- EP1046207A1 EP1046207A1 EP99968742A EP99968742A EP1046207A1 EP 1046207 A1 EP1046207 A1 EP 1046207A1 EP 99968742 A EP99968742 A EP 99968742A EP 99968742 A EP99968742 A EP 99968742A EP 1046207 A1 EP1046207 A1 EP 1046207A1
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- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
- H02H11/002—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection
- H02H11/003—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection using a field effect transistor as protecting element in one of the supply lines
Definitions
- the invention relates to a polarity reversal protection circuit for an electronic power output stage which can be controlled via a control circuit, in which, in the event of incorrect polarity of the supply voltage, medium power FETs in at least one supply connection interrupt a connection of the incorrectly applied supply voltage to the control circuit and to the power output stage.
- Such a polarity reversal protection circuit is necessary because the electronic components of the control IC with the charge pump and the power limit switch can be destroyed if the supply voltage is incorrectly polarized.
- An electronic polarity reversal protection circuit in which two N-channel power FETs are connected in series with their source-drain paths in the plus supply connection of the supply voltage, the source connections being connected to one another. One drain connection is at the positive supply connection and the other drain connection leads to the control IC and to the power output stage. The gate connections of the two N-channel power FETs are connected in parallel and are controlled by the output of a charge pump.
- This polarity reversal protection circuit requires two expensive N-channel power FETs and at least brings twice more power loss in the switching direction. If the supply voltage is poled incorrectly, however, one of the N-channel power FETs is always blocked in order to protect the control circuit and the power output stage.
- This object is achieved according to the invention in that a single N-channel power FET is looped into the plus supply connection of the supply voltage with its source-drain path, the source connection (S) being connected to the plus supply connection is that the gate connection of the N-channel power FET is connected to the collector of a PNP transistor, which is additionally connected via a current limiting resistor at the output of the drive circuit, and that the emitter of the PNP transistor is connected via an incorrect one applied supply voltage conductive diode on the plus supply connection and the base of the PNP transistor are connected via a base resistor to the minus (ground) supply connection of the supply voltage.
- This polarity reversal protection circuit requires only a single N-channel power FET, which is fully controlled when the supply voltage is correctly applied and has very low power loss.
- the PNP transistor, the diode and the base resistor, i.e. with three small signal components the second expensive N-channel power FET is replaced and if the polarity of the supply voltage is incorrect, the N-channel power FET looped into the plus supply connection is clearly blocked.
- This is not only an advantage in terms of cost and space requirements (in terms of area) compared to the known polarity reversal protection circuit with two N-channel power FETs but also in technical terms, e.g. smaller voltage drop.
- control circuit is designed as an IC with a charge pump.
- the supply voltage Vs is connected with the positive pole to the positive supply connection + and with the negative (ground) pole to the negative supply connection -.
- An N-channel power FET T2 with its source-drain path S-D is looped into the plus supply connection +, the source connection
- the minus supply connection - is smoothly connected and leads directly to the control circuit AST-IC and to the power output stage LEST, which can be used as a simple switching stage, as a half-bridge or full
- Bridge circuit can be designed.
- the N-channel power FET T2 must be adapted in the forward direction to the required power of the power output stage LEST.
- the control of the N-channel power FET T2 is sufficient so that it only generates a little power loss in the forward direction.
- the output A of the control circuit AST-IC is connected to the supply lines via parasitic diodes PD1 and PD2.
- the N-channel power FET T2 is blocked if the supply voltage Vs is incorrectly applied.
- Is to a PNP transistor T1 is provided which becomes conductive and connects the gate terminal G of the N-channel power FET T2 to the source via the diode D1, so that the N-
- the emitter E of the PNP transistor T1 is connected via the diode D1, which is conductive in this direction, to the negative potential at the plus supply connection +, so that the PNP transistor T1 becomes conductive and the gate connection G of the
- N-channel power FET T2 is connected to source via diode D 1. It is therefore no longer possible for current to flow in the opposite direction to the control circuit AST-IC and to the power output stage LEST via the N-channel power FET T2, so that there is clear polarity reversal protection.
- the diode D1 is also necessary because the permissible negative reverse voltage of the PNP transistor Tl from the base B to the emitter E is usually less than the required supply voltage Vs that is applied.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verpol-Schutzschaltung für eine elektronische, über eine Ansteuerschaltung ansteuerbare Leistungsendstufe, bei der bei falscher Polung der Versorgungsspannung mittels Power-FETs in mindestens einem Versorgungsanschluss eine Durchschaltung der falsch angelegten Versorgungsspannung zur Ansteuerschaltung und zur Leistungsendstufe unterbrochen wird. Einen eindeutigen Verpolschutz erhält man mit einer kosten- und flächenbedarfsmässig verbesserten Schaltung dadurch, dass in den Plus-Versorgungsanschluss (+) der Versorgungsspannung (VS) ein einziger N-Kanal-Power-FET (T2) mit seiner Source-Drain-Strecke (S-D) eingeschleift ist, wobei der Source-Anschluss (S) mit dem Plus-Versorgungsanschluss (+) verbunden ist, dass der Gate-Anschluss (G) des N-Kanal-Power-FET (T2) mit dem Kollektor (C) eines PNP-Transistors (T1) verbunden ist, der zusätzlich über einen Strombegrenzungswiderstand (R2) am Ausgang (A) der Ansteuerschaltung (AST-IC) angeschaltet ist und dass der Emitter (E) des PNP-Transistors (T1) über eine bei falsch angelegter Versorgungsspannung (Vs) leitende Diode (D1) an dem Plus-Versorgungsanschluss (+) und die Basis (B) des PNP-Transistors (T1) über einen Basiswiderstand (R1) an dem Minus (Masse)-Versorgungsanschluss (-) der Versorgungsspannung (Vs) angeschaltet sind.
Description
Verpol-Schutzschaltung für eine elektronische Leistungsendstufe
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verpol-Schutzschaltung für eine elektronische, über eine Ansteuerschaltung ansteuerbare Leistungsendstufe, bei der bei falscher Polung der Versorgungsspannung mitteis Power-FETs in mindestens einem Versorgungsanschluß eine Durchschaltung der falsch angelegten Versorgungsspannung zur Ansteuerschaltung und zur Leistungsendstufe unterbrochen wird.
Eine derartige Verpol-Schutzschaltung ist nötig, da die elektronischen Kompo- neten des Ansteuer-IC mit der Ladungspumpe und des Leistungsendschalters bei falscher Polung der Versorgungsspannung zerstört werden können.
Bekannt ist die Einschleifung einer Diode in einen Versorgungsanschiuδ der Versorgungsspannung. Diese Diode muß an die Leistung des Leistungsendschalters angepaßt sein und verursacht einen zusätzlichen Leistungsverlust. Wird die Versorgungsspannung mit falscher Polarität angelegt, dann wird die Diode in Sperr- richtung beaufschlagt und verhindert so einen Stromfluß über den Ansteuer-IC und die Leistungsendstufe.
Zwischen die Versorgungsanschlüsse ist auch schon die Reihenschaltung aus einer Diode und der Wicklung eines Abschaltrelais geschaltet worden. Dabei ist die Diode so eingeschleift, daß sie bei falscher Polung der Versorgungsspannung leitend wird, so daß der Ansprechstrom für das Relais fließen kann. Über Relaiskontakte wird die Verbindung zum Ansteuer-IC und zum Leistungsendschalter unterbrochen. Nachteilig bei dieser Verpol-Schutzschaltung ist der Platz- bedarf und die Erschütterungsempfindlichkeit des Relais. Dies ist insbesondere für einen raumsparenden Aufbau einer elektronischen Leistungsendstufe zur Versorgung von Verbrauchern in Kraftfahrzeugen unannehmbar.
Es ist eine elektronische Verpol-Schutzschaltung bekannt, bei der in den Plus- Versorgungsanschluß der Versorgungsspannung zwei N-Kanal-Power-FETs mit ihren Source-Drain-Strecken in Reihe geschaltet sind, wobei die Source- Anschlüsse miteinander verbunden sind. Der eine Drain-Anschluß ist am Plus- Versorgungsanschluß und der andere Drain-Anschluß führt zu Ansteuer-IC und zur Leistungsendstufe weiter. Die Gate-Anschlüsse der beiden N-Kanal-Power- FETs sind parallelgeschaltet und werden vom Ausgang einer Ladungspumpe angesteuert. Diese Verpol-Schutzschaltung benötigt zwei teuere N-Kanal-Power- FETs und bringt immerhin noch zweimal Verlustleistung in Durchschaltrichtung. Bei falsch gepolter Versorgungsspaπnung wird jedoch stets einer der N-Kanal- Power-FETs gesperrt, um die Ansteuerschaltung und die Leistungsendstufe zu schützen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verpol-Schutzschaltung der eingangs erwähnten Art mit wenigen platzsparenden Elementen so auszulegen, daß sie kostengünstig ist und mit geringerem Leistungsverlust einen eindeutigen Verpolschutz garantiert.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in den Plus-Ver- sorgungsanschlußder Versorgungsspannung ein einziger N-Kanal-Power-FETmit seiner Source-Drain-Strecke eingeschleift ist, wobei der Source-Anschluß (S) mit dem Plus-Versorgungsanschluß verbunden ist, daß der Gate-Anschluß des N- Kanal-Power-FET mit dem Kollektor eines PNP-Transistors verbunden ist, der zusätzlich über einen Strombegrenzungswiderstand am Ausgang der Ansteuer- Schaltung angeschaltet ist und daß der Emitter des PNP-Transistors über eine bei falsch angelegter Versorgungsspannung leitende Diode an dem Plus-Versorgungsanschluß und die Basis des PNP-Transistors über einen Basiswiderstand an dem Minus (Masse)-Versorgungsanschluß der Versorgungspannung angeschaltet sind .
Diese Verpol-Schutzschaltung erfordert nur einen einzigen N-Kanal-Power-FET, der bei richtig angelegter Versorgungsspannung voll durchsteuert und sehr kleine Verlustleistung aufweist. Mit dem PNP-Transistor, der Diode und dem Basiswiderstand, d .h. mit drei Kleinsignalbauelementen, wird der zweite teuere N-Ka- nal-Power-FET ersetzt und bei falscher Polung der Versorgungsspannung eine eindeutige Sperrung des in den Plus-Versorgungsanschluß eingeschleiften N- Kanal-Power-FET erreicht. Dies ist nicht nur kostenmäßig als auch platzbedarfs- mäßig (flächenmäßig) ein Vorteil gegenüber der bekannten Verpol-Schutzschaltung mit zwei N-Kanal-Power-FETs sondern auch in technischer Hinsicht, z.B. kleinerer Spannungsabfall.
Die Ansteuerschaltung ist nach einer weiteren Ausgestaltung mit Ladungspumpe als IC ausgebildet.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- Spiels näher erläutert.
Die Versorgungsspannung Vs wird mit dem Pluspol an den Plus-Versorgungsanschluß + und mit dem Minus(Masse)pol an den Minus-Versorgungsanschluß - angeschaltet. In den Plus-Versorgungsanschluß + ist ein N-Kanal-Power-FET T2 mit seiner Source-Drain-Strecke S-D eingeschleift, wobei der Source-Anschluß
S mit dem Plus-Versorgungsanschluß + verbunden ist und an dem Drain-Anschluß D die Ansteuerschaltung AST-IC und die Leistungsendstufe LEST ausgeschaltet sind. Der Minus-Versorgungsanschluß - ist glatt durchgeschaltet und führt direkt zur Ansteuerschaltung AST-IC und zur Leistungsendstufe LEST, die nach Leistungsbedarf als einfache Schaltstufe, als Halbbrücken- oder Voll-
Brückenschaltung ausgelegt sein kann.
Der N-Kanal-Power-FET T2 muß in Durchlaßrichtung an die erforderliche Leistung der Leistungsendstufe LEST angepaßt sein. Die Aussteuerung des N- Kanal-Power-FET T2 ist ausreichend, damit dieser in Durchlaßrichtung nur wenige Verlustleistung erzeugt.
Wird jedoch die Versorgungsspannung Vs mit falscher Polarität an die Versorgungsanschlüsse angelegt, dann unterbleibt die Ansteuerung des N-Kanal-Po- wer-FET T2. Ist die Ansteuerschaltung AST-IC mit einer Ladungsmpumpe LP als
IC ausgebildet, dann steht der Ausgang A der Ansteuerschaltung AST-IC über Parasitärdioden PD1 und PD2 mit den Versorgungsleitungen in Verbindung.
Um den Stromfluß in umgekehrter Richtung zu unterbinden, wird der N-Kanal- Power-FET T2 bei falsch angelegter Versorgungsspannung Vs gesperrt. Dazu ist
ein PNP-Transistor T1 vorgesehen, der leitend wird und den Gate-Anschluß G des N-Kanal-Power-FET T2 jüber die Diode D1 an Source legt, so dass der N-
Kanal-Power-FET T2 ausgeschaltet wird.
Der Emitter E des PNP-Transistors T1 steht über die in dieser Richtung leitende Diode D1 mit dem Minus-Potential am Plus-Versorgungsanschluß + in Verbin- düng, so daß der PNP-Transistor T1 leitend wird und den Gate-Anschluß G des
N-Kanal-Power-FET T2 über die Diode D 1 an Source legt. Es kann daher kein Strom in Gegenrichtung zur Ansteuerschaltung AST-IC und zur Leistungsendstufe LEST über den N-Kanal-Power-FET T2 mehr fließen, so daß ein eindeutiger Verpolschutz gegeben ist. Die Diode D1 ist auch erforderlich, weil die zulässige negative Sperrspannung des PNP-Transistors Tl von der Basis B zum Emitter E meist kleiner ist als die erforderliche Versorgungsspannung Vs, die angelegt wird.
Ohne die Diode D1 , den PNP-Transistor T1 und den Basiswiderstand Rl würde die Parasitärdiode PD2 nach Masse leitend werden und den Gate-Anschluß G des N-Kanal-Power-FET T2 leitend ansteuern, so daß die Verpolschutzfunktion nicht gegeben wäre. Durch die Einführung dieser drei Kleinsignalbauelemente wird dieser Mangel behoben. Der Wegfall des sonst erforderlichen zweiten N-Kanal-Power-FET wird zwar durch die Einführung dieser drei Elemente erkauft. Dies ist aber sowohl kostenmäßig als auch flächenbedarfsmäßig sowie auch technisch zu bevorzugen.
Claims
1 . Verpol-Schutzschaltung für eine elektronische, über eine Ansteuerschaltung ansteuerbare Leistungsendstufe, bei der bei falscher Polung der Versorgungsspannung mittels Power-FETs in mindestens einem Versor- gungsanschluß eine Durchschaltung der falsch angelegten Versorgungsspannung zur Ansteuerschaltung und zur Leistungsendstufe unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pius- Versorgungsanschluß ( + ) der Versorgungsspannung (Vs) ein einziger N-Kanal-Power-FET (T2) mit seiner Source-Drain-Strecke (S-D) eingeschleift ist, wobei der Source-Anschluß (S) mit dem Pius-Ver- sorgungsanschluß ( + ) verbunden ist, daß der Gate-Anschluß (G) des N-Kanal-Power-FET (T2) mit dem Kollektor (C) eines PNP-Transistors (T1 ) verbunden ist, der zusätzlich über einen Strombegrenzungswiderstand (R2) am Ausgang (A) der Ansteuerschaltung (AST-IC) angeschaltet ist und daß der Emitter (E) des PNP-Transistors (T1 ) über eine bei falsch angelegter Versorgungsspannung (Vs) leitende Diode (D1 ) an dem Plus- Versorgungsanschluß ( + ) und die Basis (B) des PNP-Transistors (T1 ) über einen Basiswiderstand (R1 ) an dem Minus (Masse)-Versorgungsanschluß
(-) der Versorgungspannung (Vs) angeschaltet sind .
Verpol-Schutzschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (AST-IC) als IC mit Ladungspumpe (LP) ausgebildet ist.
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