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Dokumentenidentifikation DE69723415T2 06.05.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000854555
Titel Schutz einer integrierten Stromversorgung
Anmelder STMicroelectronics, Inc., Carrollton, Tex., US
Erfinder Notaro, Joseph, Northville, Michigan 48167, US;
Swanson, David Frank, Howell, Michigan 48843, US
Vertreter Samson & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69723415
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 12.12.1997
EP-Aktenzeichen 973100498
EP-Offenlegungsdatum 22.07.1998
EP date of grant 09.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.05.2004
IPC-Hauptklasse H02H 11/00
IPC-Nebenklasse H02H 9/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen elektrische Versorgungsschutzschaltungen bzw. geschützte Stromversorgungsschaltungen, und insbesondere elektrische Versorgungsschutzschaltungen, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden.

Das Bedürfnis nach einem Schutz von elektrischen Schaltungen und Systemen gegenüber Schwankungen der Energieversorgung ist wohl bekannt. Alle elektrischen Vorrichtungen haben Beschränkungen in Bezug auf die Art und den Bereich einer elektrischen Hauptenergieversorgung, von welcher sie betrieben werden, und falls die elektrische Hauptenergie diese Grenzen überschreitet, müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um eine ordnungsgemäße Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen sicherzustellen.

Unter den geläufigen Arten von Hauptenergieschwankungen sind Überspannungsbedingungen, Unterspannungsbedingungen, Umkehrpolungs- bzw. Umkehrspanunngsbedingungen (reverse battery), Energieausfälle und Rauschen zu nennen. Überspannungs- und Umkehrpolungsbedingungen sind insbesondere ungünstig insoweit, als sie einen Schaden an einer Einrichtung verursachen können, wenn sie auftreten.

Das U.S.-Patent US 5410441 offenbart eine Schutzschaltung, welche einen Schutz gegen Überspannung und Umkehrpolarität einer Eingangsspannung bereitstellt.

In vielen Anwendungen, insbesondere bei Anwendungen in Kraftfahrzeug, müssen elektrische Vorrichtungen und Schaltungen starke DC-Hauptstromüberspannungsbedingungen aushalten, ohne einen Schaden zu erleiden, und in einigen Fällen einen unterbrechungsfreien Betrieb bereitzustellen. Das Auftreten einer Verpolung kommt ebenfalls ziemlich häufig bei Kraftfahrzeuganwendungen vor. Es ist daher eine übliche Vorsorgemaßnahme, irgendeine Art von Energieausgleich bzw. Energiekonditionierung zwischen der Hauptenergiequelle und der elektrischen Vorrichtung bereitzustellen, um entweder diese ungewünschten Energiezustände zu eliminieren oder in adäquater Weise zu kontrollieren.

Ein Energieausgleich wurde im Stand der Technik unter Verwendung von diskreten elektrischen Komponenten, integrierten Schaltungen und Hybridimplementationen durchgeführt. Einige integrierte Leistungsschaltungen weisen einen chipinternen integrierten Überspannungsschutz auf; jedoch hat dieser im Stand der Technik den Nachteil eines hohen Siliziumverbrauchs, wodurch zusätzliche Kosten hinzukommen. Die Signalgangsstufe der integrierten Schaltung muß ebenfalls so gestaltet sein, um diese höheren Spannungen auszuhalten, mit dem Ergebnis, daß bestimmte Bauelementeigenschaften verschlechtert werden, wie etwa Vce (sat) und Rds (on). Oftmals müssen zusätzliche externe diskrete Komponenten, wie etwa Hochleistungszenerdioden, mit umfaßt werden, um Spannungsspitzen zu absorbieren, welche sonst andere Digital/Analog-Niedrigspannungsschaltungen, die in der elektrischen Schaltung vorhanden sind, beschädigen würden. Diese externen Komponenten erhöhen die Größe und Kosten und können zu einer vermehrten Ineffizienz der Energie bzw. Energieversorgung führen.

In Bezug auf Umkehrpolungsbedingungen können in den verschiedenen bekannten Schaltungstechnologien (Niedrig/Hoch-Seite, Halb/Voll-Brücke) sehr hohe Ströme in die parasitäre Substratdiode oder Freilaufdiode des Leistungsbauelements fließen, wenn hochinduktive oder niedrigresistive Lasten betrieben werden. Die in den elektrischen Schaltungen verwendeten Komponenten müssen ausgebildet sein, um den erwarteten Umkehrpolungsbedingungen ohne Beschädigung standzuhalten, und im Stand der Technik hat dies in der Regel bedeutet, daß Silizium verbrauchende integrierte Schaltungsstrukturen verwendet werden.

Wie im Stand der Technik bekannt ist, beschädigen die oben genannten starken Ströme, welche fließen können, die Last, das Leistungsbauelement und/oder andere elektrische Komponenten in der Schaltung. In der Regel wird eine Sicherung eingefügt, wenngleich einige einzelne bekannte Lösungen einen Leistungs-MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) (Metalloxid Silizium Feldeffekt Transistor) an entweder der Versorgungsleitungsseite oder der Erdleitungsseite verwenden. Der Leistungs-MOSFET ist während des Normalbetriebes eingeschaltet und während der Umkehrpolungsbedingungen ausgeschaltet, wodurch der Stromfluß unterbrochen wird. Wenn ein Leistungs-MOSFET an der Versorgungsseite angeordnet ist, wird in der Regel eine Ladungspump- und Logikschaltung benötigt. Wenn der Leistungs-MOSFET an der Erdungsseite angeordnet ist, kann eine Ladungspumpe in Abhängigkeit der minimalen Versorgungsspannung notwendig sein oder nicht, jedoch benötigt man irgendeine Art von Steuerungsschaltung. Ein Nachteil des bekannten MOS-Ansatzes an der Erdungsseite sind unerwünschte Erdungs-Bounceeffekte.

Es besteht daher ein unerfülltes Bedürfnis im Stand der Technik in der Lage zu sein, die benötigte Versorgungsschutzschaltung integriert auf einem einzigen Chip bereitzustellen, welcher keine externen Komponenten oder Schaltungen benötigt. Daher wäre es im Stand der Technik vorteilhaft in der Lage zu sein, eine Einchip-Lösung bereitzustellen, welche den erforderlichen Schutz bei Kraftfahrzeuganwendungen bereitzustellt, welche bekanntlich besonders strenge Anforderungen an den Überspannungs- und Umkehrpolungsspannungsschutz haben.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine notwendige elektrische Leistungs- bzw. Versorgungsschutzschaltung auf einem einzelnen Chip als ein integriertes Schaltungsbauelement bereitzustellen, so daß externe Komponenten oder Schaltungen nicht notwendig sind, um die elektrische Versorgungsschutzschaltung zu realisieren.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Versorgungsschutzschaltung bereitzustellen, welche in der Lage ist, einen Schutz gegenüber Überspannungs- und Umkehrpolungsspannungsbedinungen bereitzustellen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Versorgungsschutzschaltung bereitzustellen, welche in der Lage ist, einen Schutz gegen Überspannungs- und Umkehrpolungsspannungsbedingungen bei Kraftfahrzeuganwendungen bereitzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt daher eine integrierte elektrische Leistungs- bzw. Versorgungsschutzschaltung einen Schutz gegen Umkehrpolungs- und Überspannungsbedingungen bereit, was insbesondere von Wert bei Kraftfahrzeuganwendungen ist, bei welchen Umkehrpolungs- und Überspannungsbedingungen häufig vorkommen. Eine integrierte elektrische Versorgungsschutzschaltung umfaßt ein Umkehrpolungsbedingungsschutzelement, welches von einer Batterieenergiequelle direkt oder indirekt versorgt wird, welches gegen eine Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle schützt, und ein Überspannungsschutzelement, welches mit dem Umkehrpolungsbedingungsschutzelement verbunden ist, welches gegen eine Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle schützt und einen geschützten Versorgungsausgang erzeugt, welcher sowohl gegenüber Batterieüberspannungsbedingungen als auch Umkehrpolungsspannungsbedingungen isoliert ist. Zusätzlich kann das integrierte Schaltungsbauelement ferner einen geschützten Hilfs-Versorgungsausgang bereitstellen, welcher gegenüber Umkehrpolungsspannungsbedingungen isoliert ist.

Das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement wird entweder direkt oder indirekt von einer Batterieenergiequelle versorgt und hat einen ersten Transistor, wie etwa einen MOSFET, einen ersten Treiber, welcher mit dem ersten Transistor verbunden ist, welcher eine konstante Spannung an den ersten Transistor während einer normalen Betriebsbedingung der elektrischen Versorgungsschutzschaltung liefert, und einen Schalter, welcher mit dem ersten Transistor und dem ersten Treiber verbunden ist. Während einer Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle ist das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement außer Betrieb, so daß kein Strom von der Batterieenergiequelle zu dem Überspannungsschutzelement fließt, wodurch der geschützte Versorgungsausgang von der Batterieenergiequelle isoliert ist. Der erste Transistor wird durch den Schalter ausgeschaltet, was eine Kurzschlußbedingung zwischen der Batterieenergiequelle und der konstanten Spannung, welche durch den ersten Treiber erzeugt wird, herstellt. Die Kurzschlußbedingung zwischen der Batterieenergiequelle und der konstanten Spannung zwingt die Gate-zu-Source-Spannung des Ersttransistors auf Null.

Das Überspannungsschutzelement ist mit dem Umkehrpolungsbedingungsschutzelement gekoppelt und erzeugt einen geschützten Versorgungsausgang, und es hat einen zweiten Transistor, welcher mit dem ersten Transistor verbunden ist, und um den geschützten Versorgungsausgang bereitzustellen, einen zweiten Treiber, welcher mit dem zweiten Transistor verbunden ist, welcher eine Spannung erzeugt, die dem Transistor zugeführt wird, und einen Regler, welcher mit dem zweiten Treiber gekoppelt ist. Während einer Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle ist das Überspannungsschutzelement in Betrieb, um den geschützten Versorgungsausgang auf einem konstanten Wert zu halten, welcher von der Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle isoliert ist. Der zweite Transistor wird durch die Spannung geregelt, welche durch den zweiten Treiber erzeugt wird, die durch den Regler konstant gehalten wird. Eine Regelung des zweiten Transistors bewirkt, daß der zweite Transistor in eine Sättigungsbetriebsregion übergeht, so daß der zweite Transistor arbeitet, um den geschützten Versorgungsausgang auf einem konstanten Wert zu halten.

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Versorgungsschutzschaltung bereitgestellt, welche einen Schutz gegen Überspannung- und Umkehrpolungsspannungsbedingungen liefert, aufweisend: ein Umkehrpolungsbedingungsschutzelement, welches von einer Batterieenergiequelle versorgt wird, welches gegen eine Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle schützt; und ein Überspannungsschutzelement, welches mit dem Umkehrpolungsbedingungsschutzelement verbunden ist, welches gegen eine Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle schützt und einen geschützten Versorgungsausgang bereitstellt, wobei während einer Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement außer Betrieb ist, so daß kein Strom von der Batterieenergiequelle zu dem Überspannungsschutzelement fließt, wodurch der geschützte Versorgungsausgang von der Energiebatteriequelle isoliert ist, wobei während einer Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle das Überspannungsschutzelement im Betrieb ist, um den geschützten Versorgungsausgang auf einer konstanten Spannung zu halten, welcher von der Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle isoliert ist.

Das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement kann einen ersten Transistor bzw. ein erstes Transistorelement, einen ersten Treiber bzw. ein erstes Treiberelement, welcher mit dem ersten Transistor verbunden ist und eine konstante Spannung dem ersten Transistor während einer normalen Betriebsbedingung der elektrischen Versorgungsschutzschaltung zuführt, und einen Schalter aufweist, welcher mit dem ersten Transistor und dem ersten Treiber gekoppelt ist.

Während der Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle kann der erste Transistor durch den Schalter ausgeschaltet sein, was eine Kurzschlußbedingung zwischen der Batterieenergiequelle und der konstanten Spannung, welche durch den ersten Treiber erzeugt wird, herstellt.

Der erste Transistor kann ein MOSFET Transistor sein, und die Kurzschlußbedingung zwischen der Batterieenergiequelle und der konstanten Spannung zwingt die Gate-zu-Source-Spannung des ersten Transistors auf Null.

Der erste Transistor kann eine Substratdiode aufweisen.

Der Schalter kann eine FET (Field Effect Transistor (Feld Effekt Transistor)) sein.

Der erste Treiber kann eine geregelte Versorgungsschaltung oder eine Ladungspumpe sein. Das Überspannungsschutzelement kann einen zweiten Transistor bzw. ein zweites Transistorelement, einen zweiten Treiber bzw. ein zweites Treiberelement, welches mit dem ersten Transistor verbunden ist und eine Spannung erzeugt, die dem zweiten Transistor zugeführt wird, und einen Regler bzw. ein Reglerbauelement aufweisen, welches mit dem zweiten Treiber verbunden ist, wobei während der Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle der zweite Transistor durch die durch den zweiten Treiber erzeugte Spannung geregelt wird, welche durch den Regler konstant gehalten wird, und wobei eine Regelung des zweiten Transistors bewirkt, daß der zweite Transistor in einen Sättigungsbetrieb übergeht, so daß der zweite Transistor betrieben wird, um den geschützten Versorgungsausgang auf der konstanten Spannung zu halten.

Der zweite Transistor kann eine Substratdiode aufweisen.

Der zweite Treiber kann eine geregelte Versorgungsschaltung oder eine Ladungspumpe sein.

Der Regler kann ein Begrenzungselement bzw. Klemmbauelement sein.

Die elektrische Versorgungsschutzschaltung kann ferner einen zusätzlichen geschützten Versorgungsausgang aufweisen, welcher durch das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement erzeugt wird, der gegen eine Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle geschützt ist.

Der erste Transistor kann ein erster MOSFET Transistor sein, und der zweite Transistor kann ein zweiter MOSFET Transistor sein.

Die elektrische Versorgungsschutzschaltung kann eine integrierte Schaltung sein.

Die neuartigen Merkmale, die charakteristisch für die Erfindung sind, sind in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die Erfindung selbst sowie eine bevorzugte Anwendung und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, in Verbindung mit der/den beigefügten Zeichnung(en), wobei:

1 ein Blockdiagramm einer integrierten Versorgungsschutzschaltung nach der vorliegenden Erfindung ist; und

2 ein Diagramm von allgemeinen Wellenformen, welche während einer Übergangsbedingung auftreten, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine integrierte Schaltung, welche neuartige und neue Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung verwendet, welche vollständig gegen Überspannungs- und Umkehrpolungsbedingungen geschützt ist.

In 1 ist ein Gesamtblockdiagramm 100 der elektrischen Versorgungsschutzschaltung 105 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Komponenten der elektrischen Versorgungsschutzschaltung 105 können auf einem integrierten Schaltungsbauelement bereitgestellt sein, und eine integrierte Schaltungsrealisierung gemäß der vorliegenden Erfindung begegnet den Problemen des Standes der Technik. Die Energiequelle, Vbatt, wird an einen Versorgungseingang 115 angelegt. Der geschützte Spannungsausgang, Vprot, wird von einem geschützten Versorgungsausgang 120 abgenommen. Der normale Strompfad läuft vom Versorgungseingang 115 zu einem ersten MOSFET Transistor 140 zu einem zweiten MOSFET Transistor 145 und zum geschützten Versorgungsausgang 120. Eine erste Substratdiode 130 und eine zweite Substratdiode 135 sind Substratdioden und sind ein Teil des ersten MOSFET Transistor 140 bzw. des zweiten MOSFET Transistors 145, wie es dargestellt ist. Der erste MOSFET Transistor 140 und zugehörige Komponenten eines ersten Treibers 155 und eines Schalters 150 sind vorgesehen, um einen Schutz gegen Umkehrpolungsbedingungen (Vbatt < 0) bereitzustellen. Der zweite MOSFET Transistor 145 und zugehörige Komponenten eines zweiten Treibers 160 und eines Reglers/Begrenzers 165 schützen gegen Überspannungsbedingungen, welche an dem Versorgungseingang 115 vorkommen können. Ein zusätzlicher Ausgang 110 ist vorgesehen, um einen Versorgungsausgang bereitzustellen, welcher nur gegen Umkehrpolungsbedingungen geschützt ist. Erde 125 ist die Leistungserdung für die elektrische Versorgungsschutzschaltung 105.

Im Falle einer Umkehrpolungsspannung wird der erste MOSFET Transistor 140 ausgeschaltet, so daß kein Strom zwischen dem Versorgungseingang 115 und dem Hilfsausgang 110 fließen kann. Dies wird durch den Schalter 150 ausgeführt, welcher einen Kurzschluß zwischen einer ersten Gatespannung 170 und dem Versorgungseingang 115 während der Umkehrpolungsbedingungen bereitstellt, welcher Vgs (Gate-zu-Source-Spannung) des ersten MOSFET Transistors 140 auf Null sinkt. Wenn Vgs = 0, wird der erste MOSFET Transistor 140 ausgeschaltet, und kein Strom kann von dem Versorgungseingang 115 zu dem geschützten Versorgungsausgang 120 fließen. Dies bedeutet, daß der geschützte Versorgungsausgang 120 von der Umkehrpolungsbedingung, welche am Versorgungseingang 115 anliegt, isoliert ist.

Es wird angemerkt, daß der Schalter 150 die Schaltungsfunktion bereitstellt, wodurch der Versorgungseingang 115 und die erste Gate-Spanne 170 kurzgeschlossen werden, wenn Vgnd > Vbatt sind, wobei diese sonst nicht kurz geschaltet sind. Diese Schaltungsfunktion ist grundlegend und kann mittels anderer Mittel als den FET ausgeführt werden, wie er für den Schalter 150 dargestellt ist, wie es im Stand der Technik wohl bekannt ist.

Der Zweck eines ersten Treibers 155 besteht darin, eine konstante Spannung an der ersten Gatespannung 170 zu erhalten, so daß der erste MOSFET Transistor 140 während des Normalbetriebes ständig eingeschaltet ist. Der erste Treiber 155 ist in der Regel eine geregelte Versorgungsschaltung oder eine Ladungspumpschaltung, und verschiedene Methoden sind im Stand der Technik bekannt, um eine konstante Spannung als die erste Gatespannung 170 bereitzustellen. Die Spannung an der ersten Gatespannung 170 hängt von dem Bauelementtyp ab und hat einen Wert, welcher ausreichend ist, um sicherzustellen, daß der erste MOSFET Transistor 140 eingeschaltet bleibt.

Überspannungsübergänge am Versorgungseingang 115, welche den Nominalwert Vbatt übersteigen, werden durch die erste Substratdiode 130 oder den ersten MOSFET Transistor 140 durchgelassen, je nachdem welches Bauelement den geringeren Spannungsabfall aufweist und am zusätzlichen Ausgang 110 auftritt. Das Gate des zweiten MOSFET Transistors 144 wird durch die Kombination des Reglers/Begrenzers 165, Reglers/Begrenzers-Spannung 180 und zweiten Treibers 160 auf einen konstanten Wert der zweiten Gatespannung 185 begrenzt oder geregelt. Das Ergebnis einer Überspannungsbedingung am zusätzlichen Ausgang 110 und einer konstanten zweiten Gatespannung 185 besteht darin, daß der zweite MOSFET Transistor 145 in einem Sättigungsbetrieb übergeht, wobei der geschützte Leistungsaufbau 120 auf einer konstanten, aber erhöhten Spannung erhalten wird. Mit anderen Worten wird die erhöhte Spannung am zusätzlichen Ausgang 110 durch den zweiten MOSFET Transistor 145 absorbiert, was als eine Zunahme der Spannungsdifferenz über dem zweiten MOSFET Transistor 145 erscheint, was den geschützten Leistungsaufbau 120 im wesentlichen konstant und isoliert von der Überspannungsbedingung am Versorgungsausgang 15 hält.

Der Zweck der Kombination von zweitem Treiber 160 und Regler/Begrenzer 165 besteht darin, eine konstante Spannung an der zweiten Gatespannung 185 aufrechtzuerhalten, so daß der zweite MOSFET Transistor 140 während eines Normalbetriebes ständig eingeschaltet bleibt, jedoch auf Überspannungsbedingungen am zusätzlichen Ausgang 110 reagiert, wie es vorstehend erläutert wurde. Der zweite Treiber 160 ist in der Regel eine geregelte Versorgungsschaltung oder eine Ladungspumpschaltung, und der Regler/Begrenzer 165 ist ein Regler oder eine Spannungsbegrenzungsschaltung. Viele Methoden sind im Stand der Technik bekannt, um eine konstante zweite Gatespannung 185 zu liefern. Die zweite Gatespannung 185 hängt in der Regel von der Bauelementart und hat einen Wert, der ausreichend ist, um sicherzustellen, daß der zweite MOSFET Transistor 145 eingeschaltet bleibt, wie es vorstehend erläutert wurde.

Es wird nun eine detailliertere Erläuterung des Überspannungsschutzmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben. Man beachte, daß eine Überspannungsbedingung am Versorgungseingang 115 am zusätzlichen Ausgang 110 auftreten wird, weil der erste MOSFET Transistor 140 eingeschaltet ist oder die erste Substratdiode 130 in Durchgangsrichtung betrieben wird. Wenn nichts unternommen wird, folgt der geschützte Versorgungsausgang 120 dem Hilfsausgang 110. Wenn die zweite Gatespannung 185 auf einer konstanten Spannung (durch den zweiten Treiber 160 und Regler/Begrenzer 165) gehalten wird und sobald der Wert am zusätzlichen Ausgang 110 zunimmt, versucht der geschützte Versorgungsausgang 120 zu folgen, was eine Abnahme der Vgs des zweiten MOSFET Transistors 145 zur Folge hat. Diese Abnahme im Vgs bewirkt, daß Rds (on) des zweiten MOSFET Transistors 145 zunimmt, was bewirkt, daß die Spannung am geschützten Versorgungsausgang 120 abnimmt. Dies ist der Mechanismus, bei welchem Vprot auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten werden kann.

Unter Bezugnahme auf 2 stellt eine Wellenform A die Spannung Vbatt dar, welche am Versorgungseingang 115 während einer Überspannungsübergangsbedingung vorherrscht. Diese Spannung beginnt bei einer nominellen Betriebsspannung Vbatt-nom, welche kurzzeitig auf eine Überspannung Vbatt-ov ansteigt, bevor sie wieder auf Vbatt-nom zurückkehrt. Eine Wellenform B repräsentiert die resultierende Spannung am zusätzlichen Ausgang 110 und zeigt, wie die Überspannungsbedingung sich vom Versorgungseingang 115 zum zusätzlichen Ausgang 110 fortpflanzt. Die Spannung am zusätzlichen Ausgang 110 ist etwas geringer als Vbatt-ov aufgrund des Vorwärtsspannungsabfalles der ersten Substratdiode 130 oder des ersten MOSFET Transistors 140, je nachdem welches Bauelement den geringeren Spannungsabfall aufweist. Eine Wellenform C zeigt Vgs des zweiten MOSFET Transistors 145 während eines Überspannungsüberganges, und eine Wellenform D zeigt, wie die Spannung am geschützten Versorgungsausgang 120 während des Überganges fest gehalten wird. Die am geschützten Versorgungsausgang 120 anliegende Spannung ist [Vbatt-nom – Iload(Rds (on total))] während eines Normalbetriebes, wobei Iload der Strom ist, welcher durch die Last (nicht gezeigt) gezogen wird, welche an dem geschützten Versorgungsausgang 120 anliegt, und Rds (on) (Drain-zu-Source-Widerstand) in einem EIN-Zustand) total der Rds (on) am zweiten MOSFET Transistor 145 ist, summiert mit dem Rds (on) des ersten MOSFET Transistors 140. Während des Überspannungsüberganges ist die maximale Spannung am geschützten Versorgungsausgang 120 durch den Wert der Klemmspannung der zweiten Gatespannung 145 begrenzt.

Wie aus den vorhergehenden Erläuterungen zu sehen ist, stellt die vorliegende Erfindung einen Schutz für elektrische Bauelemente, welche mit einem geschützten Versorgungsausgang 120 verbunden sind, gegen Überspannungs- und Umkehrpolungsspannungsbedingungen bereit, welche an dem Versorgungseingang 115 vorliegen können. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Schaltung der elektrischen Bauelemente, weil diese keine Überspannung- oder Umkehrpolungsspannungsbedingungen mehr sehen werden. Die vorliegende Erfindung stellt diesen Schutz durch eine neuartige Technik des Blockierens, Nichtbegrenzens, der Überspannungs- und Umkehrpolungsspannungsbedingungen bereit, um den geschützten Ausgang zu isolieren. Die vorliegende Erfindung realisiert diesen Schutz auf einem einzelnen Chip, ohne irgendwelche externen Komponenten zu benötigen, indem eine neuartige Dual-Leistungs-MOSFET-Struktur mit antiparallelen Drains zusammen mit zugehörigen Steuerstrukturen verwendet wird.

Während die vorliegende Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben wurde, versteht sie für den Fachmann, daß verschiedene Veränderungen in der Form und im Detail dabei gemacht werden können, ohne den Geist und Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]
  1. Elektrische Versorgungsschutzschaltung (100), welche Schutz gegen Überspannungs- und Umkehrspannungsbedingungen bietet, aufweisend:

    ein Umkehrpolungsbedingungsschutzelement, welches von einer Batterieenergiequelle versorgt wird und Schutz gegen eine Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle bietet; und

    ein Überspannungsschutzelement, welches mit der Umkehrpolungsbedingungsschutzeinrichtung gekoppelt ist, vor einer Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle schützt und einen geschützten Versorgungsausgang bereitstellt,

    wobei während einer Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement nicht in Betrieb ist, so daß kein Strom von der Batterieenergiequelle zu dem Überspannungsschutzelement fließt, wodurch der geschützte Versorgungsausgang von der Batterieenergiequelle isoliert ist,

    wobei während einer Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle das Überspannungsschutzelement in Betrieb ist, um den geschützten Versorgungsausgang auf einer konstanten Spannung zu halten, welcher gegenüber der Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle isoliert ist.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die elektrische Versorgungsschutzschaltung (100) ferner aufweist: einen zusätzlichen geschützten Versorgungsausgang (110), welcher durch das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement bereitgestellt wird, der gegen eine Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle geschützt ist.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher das Umkehrpolungsbedingungsschutzelement aufweist:

    einen ersten Transistor (140);

    ein erstes Treiberelement (155), welches mit dem ersten Transistor (140) gekoppelt ist und welches eine konstante Spannung an den ersten Transistor (140) während einer normalen Betriebsbedingung der elektrischen Versorgungsschutzschaltung liefert; und

    einen Schalter (150), der mit dem ersten Transistor (140) und dem ersten Treiberelement (155) verbunden ist.
  4. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher das Überspannungsschutzelement aufweist:

    einen zweiten Transistor (145);

    ein zweites Treiberelement (160), welches mit dem zweiten Transistor (145) gekoppelt ist und eine Spannung erzeugt, die dem zweiten Transistor (145) bereitgestellt wird; und

    ein Reglerelement (160), welches mit dem zweiten Treiberelement (160) gekoppelt ist.
  5. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die elektrische Versorgungsschutzschaltung eine integrierte Schaltung ist.
  6. Integrierte elektrische Versorgungsschutzschaltung, welche Schutz bei Überspannungs- und Umkehrspannungsbedingungen bereitstellt, nach Anspruch 4, bei welcher:

    der zweite Transistor (145) mit dem ersten Transistor (140) gekoppelt ist, der einen geschützten Versorgungsausgang bereitstellt.
  7. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher der erste Transistor (140) ein MOSFET Transistor ist, und die Kurzschlußbedingung zwischen der Batterieenergiequelle und der konstanten Spannung die Gate-zu-Source Spannung des ersten Transistors (140) auf Null zieht.
  8. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher der erste Transistor (140) eine Substratdiode (130) aufweist.
  9. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher das erste Treiberelement (155) eine Konstantstromversorgung ist.
  10. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher das erste Treiberelement (145) eine Ladungspumpe ist.
  11. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher während der Umkehrpolungsbedingung der Batterieenergiequelle der erste Transistor (140) durch den Schalter (150) ausgeschaltet wird, was eine Kurzschlußbedingung zwischen der Batterieenergiequelle und der durch das erste Treiberelement (155) erzeugten konstanten Spannung bereitstellt.
  12. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher der Schalter (150) ein FET (Field Effect Transistor (Feldeffekttransistor)) ist.
  13. Schaltung nach Anspruch 4, bei welcher während der Überspannungsbedingung der Batterieenergiequelle der zweite Transistor (145) durch die durch das zweite Treiberelement (160) erzeugte konstante Spannung geregelt wird, welche durch das Reglerelement (165) konstant gehalten wird, und

    bei welcher die Regelung des zweiten Transistors (145) bewirkt, daß der zweite Transistor (145) in einen Sättigungsbetriebsbereich übergeht, so daß der zweite Transistor (145) so arbeitet, daß der geschützte Versorgungsausgang (120) auf einer konstanten Spannung gehalten wird.
  14. Schaltung nach Anspruch 4, bei welcher der zweite Transistor (145) eine Substratdiode (135) aufweist.
  15. Schaltung nach Anspruch 4, bei welcher das zweite Treiberelement (160) eine Konstantstromversorgung ist.
  16. Schaltung nach Anspruch 4, bei welcher das zweite Treiberelement (160) eine Ladungspumpe ist.
  17. Schaltung nach Anspruch 4, bei welcher das Reglerelement (145) eine Begrenzereinrichtung ist.
  18. Schaltung nach Anspruch 4, bei welcher der erste Transistor (140) ein erster MOSFET Transistor und der zweite Transistor (145) ein zweiter MOSFET Transistor ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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