WO2000024107A1 - Verpolschutzschaltung für eine leistungsendstufe mit mindestens einem highside-halbleiterschalter - Google Patents
Verpolschutzschaltung für eine leistungsendstufe mit mindestens einem highside-halbleiterschalter Download PDFInfo
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- 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
- Reverse polarity protection circuit for a power amplifier with at least one high-side semiconductor switch
- the invention relates to a polarity reversal protection circuit for a power output stage with at least one high-side semiconductor switch, which requires a control voltage greater than the plus potential of the supply voltage and which is generated by an upstream electronics, in which an N-channel power supply in the supply of the Pius potential as polarity reversal protection FET is looped in when the
- the electronics are supplied via the reverse diode of the N-channel power FET into the supply line of the plus potential in such a way that they are switched on and off, ie. H. can be controlled.
- control voltage (s) fed from the electronics to the high-side semiconductor switch (s) for controlling the N-channel power FET of the polarity reversal protection is (are) fed back ).
- control voltage (s) of the electronics for the power output stage also for the control of the N-channel power FET of the polarity reversal protection, the charge pump and the oscillator, i.e. no additional components are required for switching through the N-channel power FET, which results in a significant simplification of the circuit board structure and a higher reliability of the circuit.
- the reverse polarity protection is provided during clock operation of the power output stage of the gate-source path of the N-channel power FET
- RC element is connected in parallel in parallel. This RC link becomes Smoothing of the control voltage is required for the N-channel power FET, which thus remains switched on continuously in clock mode.
- an extension of the polarity reversal protection circuit is characterized in that, in the case of a power output stage designed as a half or full-bridge circuit, only the control voltages supplied by the electronics to the high-side semiconductor switches connected to the plus potential of the supply voltage are supplied. The more positive control voltages of these high-side semiconductor switches are sufficient to control the N-channel power FET of the reverse polarity protection.
- Start signal can be switched on and off.
- the start and end of the reverse polarity protection control can thus be determined in the simplest way.
- Fig. 2 shows a polarity reversal protection circuit with a power amplifier constructed as a full bridge circuit consisting of four high-side semiconductor switches and a consumer.
- an N-channel power FET T with its source-drain path S-D is looped into the supply line of the plus potential + of the supply voltage U as reverse polarity protection.
- Power-FET's T with a polarized supply voltage U, which is connected to the negative pole (ground) of the supply voltage U, can be designed in a known manner and is therefore omitted in the context of the present invention. For this purpose, only the low-impedance connection of the polarity reversal protection when the power output stage is activated will be discussed in more detail.
- the plus potential + reaches through the reverse diode RD of the non-controlled N-channel power FET's T to the electronics E and the power output stage with the highside semiconductor switch T1 and the consumer V.
- Electronics E can be switched on and off via the starter signal st supplied to the input of electronics E. If the electronics E is switched on, it outputs a control signal for the highside semiconductor switch T1 at the output, which is more positive than the plus potential + of the supply voltage U.
- the high-side semiconductor switch T1 in the form of a high-side transistor requires this higher positive control voltage so that it comes into the low-resistance switching state and switches on the consumer V, ie connects it to the positive pole of the supply voltage U in a low-resistance manner.
- the N-channel power FET T of the polarity reversal protection is brought into the conductive, ie low-resistance state.
- the easiest way to achieve this is that the control voltage of the electronics E is also supplied to the gate connection G of the N-channel power FET's T. Since the N-channel power FET T is brought into the conductive state, the consumer V can be supplied with full current.
- the control signal at the output of the electronics E is a corresponding pulse train.
- the gate-source path GS of the N-channel power FET's T is then connected to an additional RC element, in parallel connection of a resistor R and a capacitor C f , in order to provide the N-channel power FET T also in the pulse pauses keep the pulse train conductive.
- the consumer V can also be switched on and off via a full bridge circuit comprising four highside semiconductor switches T1 to T4, which are switched in pairs, e.g. T1 and T4 or T2 and T3 can be controlled. If the consumer V is e.g. a motor, then by controlling the pairs T1 and
- the electronics E each give two of the outputs 1 and 4 or 2 and 3 control signals with different levels of positive potential, which is larger than that at the drain connections of the assigned highside semiconductor switches T1 and T4 or Is T2 and T3.
- the drive voltages for the highside semiconductor switches T1 and T2, which act between the gate and source connection, are tapped at the outputs 1 and 5 or 2 and 6.
- the control voltages of electronics E tapped from outputs 1 and 2 are decoupled via diodes D1 and D2 and the gate connection G of the N-
- the control voltage for connecting the N-channel power FET can be tapped from the control signal of the electronics E for the high-side semiconductor connected to the plus potential + of the supply voltage U, the RC element being made up of the resistor R and the capacitor C is only required in cyclical operation and no diode is required in the only control line which is fed back to protect against polarity reversal.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verpolschutzschaltung für eine Leistungsendstufe mit mindestens einem Highside-Halbleiterschalter, der eine Ansteuerspannung grösser als das Pluspotential der Versorgungsspannung benötigt und die von einer vorgeordneten Elektronik erzeugt wird, bei der in die Zuleitung des Pluspotentials als Verpolschutz ein N-Kanal-Power-FET eingeschleift ist, der bei angesteuerter Leistungsendstufe leitend gesteuert wird. Die Schaltung wird im Teileaufwand dadurch erheblich reduziert, dass die aus der Elektronik (E) dem(n) Highside-Halbleiterschalter(n) (T1, T2, T3, T4) zugeführte(n) Ansteuerspannung(en) zur Steuerung des N-Kanal-Power-FET's (T) des Verpolschutzes zurückgeführt ist (sind).
Description
Verpolschutzschaltunq für eine Leistungsendstufe mit mindestens einem Hiqhside-Halbleiterschalter
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verpolschutzschaltung für eine Leistungsendstufe mit mindestens einem Highside-Halbleiterschalter, der eine Ansteuerspannung größer als das Pluspotential der Versorgungsspannung benötigt und die von einer vorgeordneten Elektronik erzeugt wird, bei der in die Zuleitung des Piuspotentials als Verpolschutz ein N-Kanal-Power-FET eingeschleift ist, der bei angesteuerter
Leistungsendstufe leitend gesteuert wird.
Bei den bekannten Verpolschutzschaltungen dieser Art wird die Elektronik über die Reverse-Diode des N-Kanal-Power-FET in die Zuleitung des Pluspotentials so versorgt, dass sie ein- und ausgeschaltet, d. h. angesteuert werden kann. Die
Elektronik aktiviert eine Ladungspumpe zur Ansteuerung des Gate-Anschlusses des N-Kanal-Power-FET's, der dann leitend und damit niederohmig wird. Das Piuspotential wird daraufhin entsprechend niederohmig der Elektronik und der Leistungsendstufe zugeführt. Die Ladungspumpe wird dabei durch einen Oszil- lator oder einen Mikrocontroller getaktet. Diese Ansteuerung des N-Kanal-Power-
FET's unterbleibt bei falscher Polung der Versorgungsspannung. Die Sperrung des N-Kanal-Power-FET's bei falsch gepolter Versorgungsspannung übernimmt ein eigener Steuerkreis für den N-Kanal-Power-FET, der mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden ist.
Für die Steuerung des N-Kanal-Power-FET's bei richtiger Polung der Versor- gungsspannung wird bei der bekannten Verpolschutzschaltung mit der Ladungspumpe und dem Oszillator ein beachtlicher Teileaufwand benötigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Verpolschutzschaltung der eingangs erwähnten Art den Teileaufwand wesentlich zu reduzieren und damit die benötigte Leiterplattenfläche und die Ausfallrate der Schaltung klein zu halten.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die aus der Elektronik dem(n) Highside-Halbleiterschalter(n) zugeführte(n) Ansteuerspannun- g(en) zur Steuerung des N-Kanal-Power-FET's des Verpolschutzes zurückgeführt ist (sind) .
Mit der Verwendung der Ansteuerspanπung(en) der Elektronik für die Leistungsendstufe auch für die Steuerung des N-Kanal-Power-FET's des Verpolschutzes entfallen die Ladungspumpe und der Oszillator, d.h. es werden keine zusätz- liehen Bauteile für die Durchschaltung des N-Kanal-Power-FET's benötigt, was sich in einer wesentlichen Vereinfachung des Leiterplattenaufbaus und einer höheren Ausfallsicherheit der Schaltung auswirkt.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei Taktbetrieb der Leistungsend- stufe der Gate-Source-Strecke des N-Kanal-Power-FET des Verpolschutzes ein
RC-Glied in Parallelschaltung parallelgeschaltet ist. Dieses RC-Glied wird zur
Glättung der Steuerspannung für den N-Kanal-Power-FET benötigt, der damit im Taktbetrieb dauernd leitend geschaltet bleibt.
Eine Erweiterung der Verpolschutzschaltung ist nach einer Ausgestaltung dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Halb- oder Vollbrückenschaltung ausgelegten Leistungsendstufe nur die den am Pluspotential der Versorgungsspannung angeschalteten Highside-Halbleiterschaltern von der Elektronik zugeführten Ansteuerspannungen zugeführt werden. Die positiveren Ansteuerspannungen dieser Highside-Halbleiterschalter reichen zur Steuerung des N-Kanal-Power-FET's des Verpolschutzes aus.
Damit die auf den N-Kaπal-Power-FET zurückgeführten Ansteuerspannungen der
Elektronik unbeeinflußt bleiben, muß vorgesehen sein, dass die dem N-Kanal- Power-FET des Verpolschutzes zugeführten Steuerspannungen mittels Dioden gegeneinander entkoppelt sind.
Weiterhin ist in bekannter Weise vorgesehen, dass die Elektronik mittels eines
Startsignals ein- und ausschaltbar ist. Damit läßt sich Beginn und Ende der Steuerung des Verpolschutzes auf einfachste Weise festlegen.
Für die Sperrung des N-Kanal-Power-FET's bei verpolter Versorgungsspannung ist in bekannter Weise vorgesehen, dass der N-Kanal-Power-FET des Verpolschutzes über einen an dem Minuspotential der Versorgungsspannung angeschalteten Steuerkreis bei Verpolung der Versorgungsspannung gesperrt wird.
Die Erfindung wird anhand von zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausfüh- rungsbeispieien näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Verpolschutzschaltung in Verbindung mit einer Leistungsend- stufe aus einer Reihenschaltung aus Highside-Halbleiterschalter und
Verbraucher und
Fig. 2 eine Verpolschutzschaltung mit einer als Vollbrückenschaltung aufgebauten Leistungsendstufe aus vier Highside-Halbleiterschaltern und einem Verbraucher.
Wie die Fig. 1 zeigt, wird als Verpolschutz ein N-Kanal-Power-FET T mit seiner Source-Drain-Strecke S-D in die Zuleitung des Pluspotentials + der Versor- gungsspannung U eingeschleift. Der Steuerkreis zur Sperrung des N-Kanal-
Power-FET's T bei verpolter Versorgungsspannung U, der mit dem Minuspol (Masse) der Versorgungsspannung U verbunden ist, kann in bekannter Weise ausgelegt sein und wird daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung weggelassen. Es wird dafür nur auf die niederohmige Durchschaltung des Verpol- Schutzes bei Ansteuerung der Leistungsendstufe näher eingegangen.
Ist die Versorgungsspannung U richtig angeschaltet, dann greift das Pluspotential + über die Reverse-Diode RD des nicht angesteuerten N-Kanal-Power-FET's T zur Elektronik E und der Leistungsendstufe mit dem Highside-Halbleiterschalter T1 und dem Verbraucher V durch. Über das dem Eingang der Elektronik E zugeführte Startersignal st kann die Elektronik E ein- und ausgeschaltet werden. Wird die Elektronik E eingeschaltet, dann gibt sie am Ausgang ein Ansteuersignal für den Highside-Halbleiterschalter T1 ab, das positiver als das Pluspotential + der Versorgungsspannung U ist.
Der als Highside-Transistor ausgebildete Highside-Halbleiterschalter T1 benötigt diese höhere positive Ansteuerspannung, damit er in den niederohmigen Schaltzustand kommt und den Verbraucher V einschaltet, d.h. niederohmig mit dem Pluspol der Versorgungsspannung U verbindet. Dazu ist es jedoch auch erforderlich, dass der N-Kanal-Power-FET T des Verpolschutzes in den leitenden, d.h. niederohmigen Zustand gebracht wird. Dies wird am einfachsten dadurch er- reicht, dass die Ansteuerspannung der Elektronik E auch dem Gateanschluß G des N-Kanal-Power-FET's T zugeführt wird. Da der N-Kanal-Power-FET T darüber in den leitenden Zustand gebracht ist, kann der Verbraucher V mit vollem Strom beaufschlagt werden.
Wird für den Verbraucher V ein Taktbetrieb gewählt, dann ist das Ansteuersignal am Ausgang der Elektronik E eine entsprechende Impulsfolge. Der Gate-Source- Strecke G-S des N-Kanal-Power-FET's T wird dann ein zusätzliches RC-Glied, in Parallelschaltung eines Widerstandes R und eines Kondensators Cf parallelgeschaltet, um den N-Kanal-Power-FET T auch in den Impulspausen der Impulsfol- ge leitend zu halten.
Wie Fig. 2 zeigt, kann der Verbraucher V auch über eine Vollbrückenschaltung aus vier Highside-Halbleiterschaltern Tl bis T4 ein- und ausgeschaltet werden, die paarweise, z.B. T1 und T4 bzw. T2 und T3 ansteuerbar sind. Ist der Ver- braucher V z.B. ein Motor, dann kann durch die Ansteuerung der Paare T1 und
T4 sowie T2 und T3 die Drehrichtung des Motors verändert werden. Die Elektronik E gibt dabei jeweils an zwei der Ausgänge 1 und 4 bzw. 2 und 3 An- steuersignale mit unterschiedlich hohem positivem Potential ab, das jeweils größer ist als das an den Drain-Anschlüssen der zugeordneten Highside-Halb- leiterschalter Tl und T4 bzw. T2 und T3 ist. Für die Steuerung des Verpoi-
Schutzes mit dem N-Kanal-Power-FET T brauchen jedoch nur die Ansteuersignale mit dem höheren positiven Potential, d.h. der Ansteuersignale der Ausgänge 1 bzw. 2 der Elektronik E, zugeführt werden. Die Ansteuerspannungen für die Highside-Halbleiterschalter Tl und T2, die zwischen Gate- und Source-Anschluß wirken, werden an den Ausgängen 1 und 5 bzw. 2 und 6 abgegriffen. Die von den Ausgängen 1 und 2 abgegriffenen Ansteuerspannungen der Elektronik E werden über die Dioden D1 und D2 entkoppelt und dem Gate-Anschluß G des N-
Kanal-Power-FET's T des Verpolschutzes zugeführt, um die Ansteuerung der Leistungsendstufe mit der Vollbrückenschaltung der Highside-Halbleiterschalter Tl bis T4 nicht zu beeinflussen.
Auch bei einer als Halbbrückenschaltung ausgelegten Leistungsendstufe kann die Steuerspannung zur Durchschaltung des N-Kanal-Power-FET's von dem Ansteuersignal der Elektronik E für den mit dem Pluspotential + der Versorgungsspannung U verbundenen Highside-Halbleiter abgegriffen werden, wobei das RC- Glied aus dem Widerstand R und dem Kondensator C nur im Taktbetrieb erfor- derlich ist und in der einzigen rückgeführten Steuerleitung zum Verpolschutz keine Diode benötigt wird.
Claims
1 . Verpolschutzschaltung für eine Leistungsendstufe mit mindestens einem
Highside-Halbleiterschalter, der eine Ansteuerspannung größer als das Pluspotential der Versorgungsspannung benötigt und die von einer vorgeordneten Elektronik erzeugt wird, bei der in die Zuleitung des Pluspotentials als Verpolschutz ein N-Kanal-Power-FET eingeschleift ist, der bei an- gesteuerter Leistungsendstufe leitend gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Elektronik (E) dem(n) Highside-Halbleiterschalter(n) (Tl , T2, T3, T4) zugeführte(n) Ansteuerspannung(en) zur Steuerung des N- Kanal-Power-FET's (T) des Verpolschutzes zurückgeführt ist (sind).
2. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Taktbetrieb der Leistungsendstufe der Gate-Source-Strecke (G-S) des N-Kaπal-Power-FET (T) des Verpolschutzes ein RC-Glied (R, C) in Pa- rallelschaltung parallelgeschaltet ist.
Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Halb- oder Vollbrückenschaltung ausgelegten Leistungsendstufe nur die den am Pluspotential ( + ) der Versorgungsspannung (U) angeschalteten Highside-Halbleiterschaltern (T1 , T2) von der Elektronik (E) zugeführten Ansteuerspaπnungen (1 , 2) zugeführt werden.
4. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dem N-Kanal-Power-FET (T) des Verpolschutzes zugeführten Steuerspannungen mittels Dioden (D1 , D2) gegeneinander entkoppelt sind.
5. Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (E) mittels eines Startsignals (st) ein- und ausschaltbar ist.
6. Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der N-Kanal-Power-FET (T) des Verpolschutzes über einen an dem Minuspotential (Masse) der Versorgungsspannung (U) angeschalteten
Steuerkreis bei Verpolung der Versorgungsspannung (U) gesperrt wird.
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