DE69529331T2

DE69529331T2 - Treiberschaltung mit Ladungspumpe für einen Leistungstransistor

Info

Publication number: DE69529331T2
Application number: DE69529331T
Authority: DE
Inventors: Angelo Alzati; Aldo Novelli
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2015-02-01
Also published as: JPH08288809A; DE69529331D1; US5770967A; EP0725481B1; EP0725481A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Leistungstransistor-Steuerschaltung vom Ladungspumpen-Typ, die eine Einrichtung zum Prüfen des Ladungszustands des Pumpkondensators enthält.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Ladungspumpen-Steuerschaltung für einen Leistungstransistor, umfassend eine Treiberschaltung, die an eine erste Referenzspannungsquelle über eine Diode angeschlossen ist, und die über eine Last an eine zweite Referenzspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die Treiberschaltung an den Leistungstransistor angeschlossen ist und dieser Leistungstransistor wiederum, der mit einem Pumpkondensator verknüpft ist, zwischen eine weitere Referenzspannungsquelle und die Last geschaltet ist.

Technischer Hintergrund

Bekanntlich werden Steuerschaltungen vom Ladungstyp im allgemeinen für Hochspannungsanwendungen eingesetzt, die Leistungstransistoren vom MOS-Typ verwenden. Solche Schaltungen können über den Pumpkondensator eine Spannung bereitstellen, die höher ist als die Versorgungsspannung.
Dies ermöglicht, dass die den Leistungstransistor treibende Treiberschaltung mit Leistung versorgt wird.
Ein grundlegendes Erfordernis für den korrekten Betrieb der Schaltung besteht darin, dass der Pumpkondensator Cb ausreichend aufgeladen sein sollte, bevor die Treiberschaltung eingeschaltet wird.
Bekannte Lösungen lassen sich sämtlich auf das in Fig. 1 dargestellte Betriebsschema reduzieren.
In dieser Fig. 1 ist eine herkömmliche Steuerschaltung dargestellt, die eine Treiberschaltung PIL enthält, welche über eine Diode D' an eine erste Versorgungsspannung Vcc und über einen Lastwiderstand RL' an Referenz-Schaltungsmasse GND geschaltet ist.
In die Treiberschaltung PIL wird ein Steuersignal Si, ihr Ausgang ist mit einem Leistungstransistor MP' verbunden.
Der Leistungstransistor MP' wiederum liegt zwischen einer zweiten Versorgungsspannung VH und dem Lastwiderstand RL' parallel zu einem Pumpkondensator Cb'.
Durch die Anordnung des Lastwiderstands RL' kann eine geringe Impedanz gegen Masse erreicht werden. Dieser Widerstand RL' übt daher seine Auflagefunktion aufgrund eines Stroms aus, der in der Figur mit Ic' bezeichnet ist und durch den Widerstand fließt.
Obschon sie in zahlreicher Hinsicht von Vorteil ist, besitzt diese Lösung dennoch einige Nachteile, von denen der Schwerwiegendste der ist, dass mit diesem Schaltungstyp kontinuierlich Strom über den Lastwiderstand RL' gezogen wird.
Außerdem kann die Schaltung nach Fig. 1 nicht dafür sorgen, dass der Kondensator Cb' ausreichend aufgeladen wird, bevor irgendein Freigabesignal an den Eingang der Treiberschaltung PIL gelegt wird.
Eine weitere zum Stand der Technik gehörige Lösung ist in der EP-Anmeldung 0 351 898 der Anmelderin offenbart.
Diese Druckschrift betrifft eine Ladungspumpschaltung zum Treiben einer Leistungs-MOS-Transistor-Halbbrücke mit zwei Leistungstransistoren M1 und M2, wodurch eine Spannung Vp erhalten werden kann, die zwischen Werten variabel ist, die größer sind als die Versorgungsspannung Vs.
Eine Ladungspumpschaltung CPC mit einem Ladungspumpkondensator liefert die erforderliche Spannung an zwei Treiberstufen der Leistungstransistoren M1 und M2.
Allerdings bietet diese Lösung keine Steuerung der Ladung des Ladetransistors während der Umschaltphase, in der die Treiberstufen eingeschaltet werden.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht in der Schaffung einer Steuerschaltung für Leistungstransistoren, die geeignete bauliche und funktionelle Merkmal enthält, mit denen der Ladungszustand des Kondensators Cb' gemessen und die Treiberschaltung korrekt betrieben wird, um dadurch die Beschränkungen und Nachteile der herkömmlichen Schaltungen zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Die Lösungsidee gemäß der Erfindung besteht darin, dass das Ladesignal des Pumpkondensators gegenüber den übrigen Schaltungs-Freigabesignalen dominierend gemacht wird.
Basierend auf dieser Idee wird die technische Aufgabe gelöst durch eine Schaltung der oben erläuterten Art, wie sie im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 definiert ist.
Die Merkmal und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die als nicht beschränkend zu verstehendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vorgestellt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 in schematischer Form eine Ladungspumpschaltung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 in schematischer Form die Steuerschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Ersatzschaltung für die in Fig. 2 gezeigte Schaltung;
Fig. 4 schematische eine modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung.

Detaillierte Beschreibung

Bezugnehmend insbesondere auf das in Fig. 2 dargestellte Beispiel, ist eine erfindungsgemäße Steuerschaltung CC bezeichnet. Die Steuerschaltung CC enthält eine Treiberstufe 1 zwischen einer ersten Spannungsquelle Vcc und einer zweiten Referenzspannung, hier beispielsweise in Form einer Signalmasse GND. Die Treiberstufe 1 ist an die erste Referenzspannungsquelle Vcc über eine Diode D angeschlossen, und sie ist über eine durch einen Widerstand RL dargestellte Last an Masse GND angeschlossen.
Die Treiberstufe 1 ist außerdem an einen Leistungstransistor MP vom MOS- Typ angeschlossen, der - mit einem Pumpkondensator Cp gekoppelt, zwischen einer zweiten Versorgungsspannung VH und dem Lastwiderstand RL liegt.
In vorteilhafter Weise ist erfindungsgemäß ein mit einer Steuerlogik 2 gekoppelter Schalter 3 zwischen die Treiberschaltung 1 und den Lastwiderstand RL geschaltet.
Diese Steuerlogik 1 ist zwischen die erste Spannungsquelle Vcc und Masse GND geschaltet und ist mit der Treiberschaltung 1 und einer Schaltung 4 zum Prüfen des Ladungszustands des Pumpkondensators Cb verbunden, wie unten noch beschrieben ist.
Vorzugsweise besteht erfindungsgemäß der Schalter 3 aus einem Transistor M1 vom MOS-Typ, der mit seinem Sourceanschluss S1 an die Treiberschaltung 1 und einen gemeinsamen Knoten X zwischen dem Leistungstransistor MP und dem Pumpkondensator Cb angeschlossen ist. Der Drainanschluss D1 des Transistors M1 ist über den Lastwiderstand AL an Masse GND angeschlossen, während sein Gateanschluss G1 an einen Ausgang 9u der Schalterlogik 2 angeschlossen ist.
Die Steuerlogik 2 enthält ein ersten logisches Gatter 5 von UND-Typ, dessen Ausgang an die Treiberschaltung 1 angeschlossen ist. Das erste logische Gatter 5 empfängt an einem ersten Eingang ein Steuersignal Si für die Treiberschaltung 1.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist dieses Steuersignal Si im wesentlichen eine Rechteckwelle.
Die Steuerlogik 2 enthält weiterhin einen Flip-Flop 9, dass mit seinem Ausgangsanschluss Q an einen zweiten Eingangsanschluss 7 des ersten logischen Gatters 5 und an den Gateanschluss G1 angeschlossen ist.
Die Eingangsanschlüsse S und R des Flip-Flops 9 sind an zugehörige Ausgänge 14 und 14' eines ersten und eines zweiten Vergleichers A1 bzw. A2 angeschlossen.
Der ersten Vergleicher A1 und der zweite Vergleicher A2 sind mit jeweiligen ersten Eingangsanschlüssen 12 bzw. 12' an die ersten Spannungsquelle Vcc angeschlossen und sind jeweiligen zweiten Eingangsanschlüssen 13 und 13' an Referenzspannungsquellen VR1 und VR2 angeschlossen.
Der Vergleicher A2 ist über ein zweites logisches Gatter 8 von UND-Typ an den Eingangsanschluss R des Flip-Flops 9 angeschlossen. Speziell ist der Vergleich von A2 an einem ersten Eingangsanschluss 11 des zweiten logischen Gatters 8 angeschlossen, dass mit seinem Ausgang an den Eingangsanschluss R des Flip-Flops 9 angeschlossen ist.
Der zweite Eingangsanschluss 10 des logischen Gatters ist an einen zusätzlichen Vergleicher A3 angeschlossen, der in die Schaltung 4 eingebaut ist, um den Ladungszustand des Kondensators Cb zu prüfen.
Der Vergleicher A3 ist mit einem ersten Eingangsanschluss 14 an den Drainanschluss D1 des Transistors M1 und ist mit seinem zweiten Eingangsanschluss 15 an einen Referenzspannungsgeber VR3 angeschlossen.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Steuerschaltung beschrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Referenzspannung VR1 des ersten Vergleichers A1 kleiner als die Referenzspannung VR2 des zweiten Vergleichers A2.
Unter dieser Annahme geht während des Umschaltens der Versorgungsspanung Vcc, wenn die Spannung Vcc unter VR1 abfällt, der Ausgang des ersten Vergleichers A1 auf einen hohen logischen Wert LL1.
In dualer Weise geht der Ausgang des zweiten Vergleichers A2 auf einen logisch niedrigen Wert NLO. Dieser niedrige logische Wert wird an den Eingangsanschluss 11 des UND-Gatters 8 gelegt und hält eine logischen niedrigen Wert LL0 (Ausgangsanschluss) des Gatters 8. Dementsprechend wird der Vergleicher A2 als Unterspannungs-Abschaltergleicher bezeichnet.
Der hohe logische Wert LL1 wird an den Eingangsanschluss S (Setzeingang) des Flip-Flops 9 gelegt, während der logisch niedrige Wert LL0 an den Eingangsanschluss R (Rücksetzeingang) des Flip-Flops 9 gelegt wird.
Unter diesen ersten Bedingungen ist der Ausgangsanschluss Q des Flip-Flops 9 auf einen logisch hohen Zustand LL1 und der MOS-Transistor M1, der von diesem hohen logischen Wert LL1 getrieben wird, schließt den Ladeschaltungskreis für den Pumpkondensator Cb.
Während des gesamten Ladezyklus für den Kondensator Cb wird der Leistungstransistor MP im Auszustand gehalten. Tatsächlich besitzt der Ausgang des UND-Gatters 5, der die Treiberstufe 1 steuert, einen logisch niedrigen Wert LL0, weil der Ausgang Q des Flip-Flops 7 invertiert an den Eingang 7 des UND-Gatters 5 gelangt.
Der Schaltungsbetrieb kann unter diesen Umständen schematisch durch die in Fig. 3 gezeigte Ersatzschaltung betrieben werden.
In Fig. 3 ist der Stromflussweg des Strom Ic durch den Kondensator Cb durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Der Strom Ic fließt durch den Kondensator Cb und einer Reihenschaltung aus einem Ersatzwiderstand Re und dem Lastwiderstand RL.
Deshalb gehorcht der Wert des Ladestroms Ic folgender Beziehung:
dabei ist
VD der Spannungsfall an der Diode D, und R der Serienwiderstand der Widerstand Re und RL.
Damit gibt es an dem Kondensator Cb folgende Ladespannung Vc:
Vc = Vcc - VD * (1 - e-t/RCb).
Der Wert der Referenzspannung VR3 für den Vergleicher A3 ist die unterste Grenze, bei der der Kondensator Cb als aufgeladen betrachtet werden kann.
Tatsächlich schaltet, wenn die Spannung am Lastwiderstand AL unter den Wert der Spannung VR3 absinkt, der Ausgang des Vergleichers A3 auf einen logisch hohen Wert LL1 um und gibt damit das logische UND-Gatter 8 frei.
Wenn die Versorgungsspannung Vcc die Referenzspannung VR1 übersteigt, geht das logische Signal am Eingang S des Flip-Flops 9 auf einen niedrigen logischen Pegel LL0.
Im Ergebnis geht das Ausgangssignal 11 vom Vergleicher A2 auf einen hohen logischen Pegel LL1. Über das logische UND-Gatter 8 geht der Anschluss R des Flip-Flops 9 auf einen hohen logischen Wert LL1.
Unter diesen Bedingungen nimmt das Signal am Ausgang Q des Flip-Flops 9 einen niedrigen logischen Pegel LL0 an, der am Eingang 7 des logischen UND- Gatters 5 invertiert wird, sodass die Treiberschaltung 1 wieder freigegeben und der Transistor M1 gesperrt wird.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann auch für Versorgungsspannung Vcc von mehr als 500 V verwendet werden. Hohe Versorgungsspannungswerte eignen sich zum Treiben induktierter Lasten, was allerdings einen Mechanismus erfordert, welcher verhindert, dass parasitäre Bipolar-Transistoren eingeschaltet werden.
Um das Einschalten derartiger parasitärer Transistoren zu verhindern, lässt sich die erfindungsgemäße Schaltung so modifizieren, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.
Vorzugsweise ist bei dieser zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung eine zweite Diode D2 zwischen die Treiberschaltung 1 und den Sourceanschluss S1 des in dem Schalter 3 enthaltenen Transistors M1 gelegt.
Ausserdem ist in Figur durch gestrichelte Linien ein parasitärer Transistor Tp, der mit der Last RL zusammenhängt. Dieser parasitäre Transistor Tp ist vom NPM-Typ und ist mit seinem Emitteranschluss Ep an den Sourceanschluss S1 des Transistors M1 gekoppelt, sein Basisanschluss Bp ist auf Masse GND gelegt.
Die Diode D2 verhindert einen Stromrückfluss durch den parasitären Transistor Tp und verhindert damit dessen Einschalten.
Zusammengefaßt: Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ermöglich, das das Aufladen des Pumpkondensators Cb abgeschlossen ist, bevor die Treiberschaltung 1 freigegeben wird.
Der Ladezustand des Pumpkondensators Cp ist tatsächlich gegenüber anderen Freigabesignalen dominant.
Damit garantiert die Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung, dass der Leistungstransistor MP zu jeder Zeit passend mit Leistung gespeist wird, indem verhindert wird, dass er eingeschaltet wird, wenn die Betriebsbedingungen nicht korrekt sind (zum Beispiel in einem Zustand unterhalb des Schwellenwert).
Vorzugsweise verhindert die erfindungsgemäße Schaltung in ihrer alternativen Ausführungsform auch, dass irgendwelche parasitären Transistor, die parallel zu der Last liegen, eingeschaltet werden.

Claims

1. Ladungspumpensteuerschaltung für einen Leistungstransistor mit einer Treiberschaltung (1), die mit einer ersten Versorgungsspannungsreferenz (Vcc) über eine Diode (D) und mit einer zweiten Spannungsreferenz (GND) über eine Last (RL) verbunden ist, wobei die Treiberschaltung (1) mit dem Leistungstransistor (MP) verbunden ist und der Leistungstransistor, verbunden mit einem Pumpkondensator (Cb), zwischen eine weitere Versorgungsspannungsreferenz (VH) und die Last (RL) geschaltet ist, und mit einer Steuerlogik (2), die zwischen die erste Versorgungsspannungsreferenz (Vcc) und die zweite Spannungsreferenz (GND) geschaltet und mit der Treiberschaltung (1) verbunden ist, gekennzeichnet durch einen Schalter (3), der zwischen den Leistungstransistor (MP) und die Last (RL) geschaltet und außerdem mit der Treiberschaltung (1) verbunden ist, und einen Schaltungsteil (4) zum Überprüfen des Ladungszustandes des Pumpkondensators (CB) mit einem Eingangsanschluß (14), der mit der Last (RL) verbunden ist, und einem Ausgangsanschluß, der verbunden ist mit der Steuerlogik (2), die das vollständige Laden des Pumpkondensators (CB) vor der Freigabe der Treiberschaltung (1) erlaubt.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (2) wenigstens ein erstes Logikgate (15) des UND-Typs aufweist, das dazu in der Lage ist, an einem ersten Eingangsanschluß (6) ein Steuersignal (Si) für die Treiberschaltung (1) zu empfangen.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (Si) ein Rechteckwellensignal ist.

Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (2) aufweist: einen ersten Komparator (A1) und einen zweiten Komparator (A2) in Parallelschaltung, ein zweites Logikgate (8) des UND- Typs und ein Flipflop (9), wobei das Flipflop (9) einen Ausgangsanschluß (Q) aufweist, der mit einem zweiten Einganganschluß (7) des ersten Logikgates (5) verbunden ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flipflop (9) einen ersten Eingangsanschluß (S) und einen zweiten Eingangsanschluß (R) aufweist, wobei der erste Eingangsanschluß (S) mit dem Ausgang des ersten Komparators (A1) und der zweite Eingangsanschluß (R) mit dem Ausgang des zweiten Komparators (A2) über das zweite Logikgate (8) verbunden sind.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Logikgate (8) einen ersten Eingangsanschluß (10), der mit der den Ladungszustand überprüfenden Schaltung (4) verbunden ist, und einen zweiten Eingangsanschluß (11), der mit dem zweiten Komparator (A2) verbunden ist, aufweist.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Komparator (A1) und der zweite Komparator (A2) je einen ersten Eingangsanschluß (12, 12'), der mit der ersten Versorgungsspannung (Vcc) verbunden ist, und je einen zweiten Eingangsanschluß (13, 13'), der mit entsprechenden für eine Referenzspannungsgeneratoren (VR1, VR2) verbunden sind, aufweisen.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (3) einen Transistor (M1) des MOS-Typs umfaßt, aufweisend einen Sourceanschluß (1), der mit der Treiberschaltung (1) und mit einem gemeinsamen Knoten (X) zwischen dem Leistungstransistor (MP) und dem Pumpkondensator (Cb) verbunden ist, einen mit der Steuerlogik (1) verbundenen Gateanschluß (G1) und einen mit der Last (RL) verbundenen Drainanschluß (D1).

9. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (4) zum Überprüfen des Ladungszustandes einen Komparator (A3) mit einem mit der Last (RL) verbundenen ersten Eingangsanschluß (14) und einem mit einem einer Referenzspannungsgenerator(VR3) verbundenen zweiten Eingangsanschluß (15) aufweist.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (3) außerdem eine Diode (D2) aufweist, die zwischen den MOS- Transistor (M1) und die Treiberschaltung (1) geschaltet ist.