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Dokumentenidentifikation DE102006007479A1 30.08.2007
Titel Shunt-Regler
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Burger Riccio, Roberto, 82008 Unterhaching, DE;
Dias, Victor, 85579 Neubiberg, DE
Vertreter Kudera, M., Dipl.-Phys.(Univ.) Dr.rer.nat. MSc, Pat.-Anw., 81673 München
DE-Anmeldedatum 17.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006007479
Offenlegungstag 30.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.08.2007
IPC-Hauptklasse G05F 1/613(2006.01)A, F, I, 20060217, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Shunt-Regler (200) zum Herunterregeln eines Eingangspotentials (VIN) auf ein Ausgangspotential (VDDSHUNT), mit einem Eingang (IN) zum Anlegen des Eingangspotentials (VIN), einem Ausgang (OUT) zum Abgreifen des Ausgangspotentials (VDDSHUNT) und einem Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN), über welchem die Differenzspannung zwischen dem Eingangspotential (VIN) und dem Ausgangspotential (VDDSHUNT) abfällt, wobei der durch den Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN) fließende Strom (IL) oder dessen unterer und/oder oberer Grenzwert einstellbar sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Shunt-Regler. Insbesondere betrifft die Erfindung einen in Silizium integrierten Shunt-Regler.

Shunt-Regler sind aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 198 41 972 A1, DE 102 13 515 A1 und DE 42 31 571 A1 bekannt und werden beispielsweise dazu eingesetzt, um aus einer hohen ungeregelten externen Eingangsspannung eine niedrigere geregelte Ausgangsspannung zu erzeugen. Ferner dient ein Shunt-Regler dazu, einen überschüssigen Strom von einer Stromquelle gegen Masse abzuführen.

Bei einem Shunt-Regler wird die Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Wert geregelt, indem ein Verstärker die zu regelnde Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und dementsprechend einen Transistor ansteuert, dessen Laststrecke zwischen das zu regelnde Potential der Ausgangsspannung und Masse geschaltet ist. Die Referenzspannung wird üblicherweise von einer Bandabstandsreferenz-Schaltung bereitgestellt. Ferner ist bei einem herkömmlichen Shunt-Regler zwischen den Eingangsanschluss, an dem die ungeregelte Eingangsspannung anliegt, und den Ausgangsanschluss, an dem die geregelte Ausgangsspannung abgegriffen wird, ein ohmscher Widerstand geschaltet. Über dem Widerstand fällt die Differenzspannung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ab.

Ein Shunt-Regler muss für Eingangsspannungen ausgelegt sein, die wesentlich höher sind als die Maximalspannungen, für welche die Bauelemente des Shunt-Reglers und der von dem Shunt-Regler versorgten Last ausgelegt sind. Dies gilt insbesondere für integrierte Shunt-Regler. Beispielsweise können NMOS- und PMOS-Bauelemente, die mit einer standardmäßigen 0,25 &mgr;m-CMOS-Technologie hergestellt wurden, nur mit Spannungen von bis zu 5 V beaufschlagt werden. Die Eingangsspannungen, die an dem Shunt-Regler anliegen, können aber bis zu 15 V betragen und müssen von dem Shunt-Regler auf eine Ausgangsspannung von beispielsweise 2,2 V mit einer Genauigkeit von ±9% umgewandelt werden.

Daneben muss ein Shunt-Regler in der Lage sein, die unterschiedlichen Anforderungen zu erfüllen, welche verschiedene Last-Bauelemente hinsichtlich der Stromversorgung stellen. Ferner dürfen keine statischen oder dynamischen Überspannungen an den Anschlüssen sowohl der integrierten Last-Bauelemente als auch der integrierten Bauelemente des Shunt-Reglers selbst auftreten. Ansonsten könnten die Gate-Oxide von Feldeffekttransistoren aufgrund zu hoher Spannungen irreversibel durchbrechen oder in Sperrichtung vorgespannte p-n-Übergänge könnten zusammenbrechen. Ferner könnten Überspannungen an integrierten Bauelementen zu einem Drain-Source-Durchbruch oder zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Bauelemente aufgrund sogenannter Hot-Electron- oder Latch-Up-Effekte führen.

Des Weiteren muss ein Shunt-Regler ein sicheres Hochfahren des Systems, dessen Versorgungsspannung er bereitstellt, gewährleistet. Dies ist von höchster Wichtigkeit, da der Shunt-Regler selbst auf externe Baugruppen, deren Versorgungsspannung er erzeugt, angewiesen ist, wie etwa die oben erwähnte Bandabstandsreferenz-Schaltung.

Ein weiteres Problem bei der Konzeption eines Shunt-Reglers ist die richtige Wahl des Widerstands, der zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschluss geschaltet ist und über welchem die Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung abfällt. Bei einer niedrigen Eingangsspannung muss der Widerstandswert des Widerstands klein genug sein, damit genügend Strom für die Last und die Regelschleife des Shunt-Reglers zur Verfügung stehen. Demgegenüber muss bei einer hohen Eingangsspannung der Widerstandswert vergleichsweise groß sein, um den durch den Widerstand fließenden Strom zu limitieren. Andernfalls könnten die Last und die Regelschleife des Shunt-Reglers durch einen zu hohen Strom beeinträchtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Shunt-Regler zu schaffen, bei welchem der die Last speisende Strom den jeweiligen Anforderungen der Last angepasst werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Shunt-Regler nimmt an einem Eingangsanschluss ein elektrisches Eingangspotential entgegen, erzeugt aus diesem mittels einer Regelschleife ein elektrisches Ausgangspotential und stellt das geregelte Ausgangspotential an einem Ausgangsanschluss bereit. Dort kann es beispielsweise zur Spannungsversorgung einer an den Ausgangsanschluss angeschlossenen Last dienen. Zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss ist bei dem erfindungsgemäßen Shunt-Regler ein Spannungsabfall-Schaltkreis geschaltet, über welchem beim Betrieb des Shunt-Reglers die Differenzspannung zwischen dem Eingangspotential und dem Ausgangspotential abfällt. Der Spannungsabfall-Schaltkreis ist derart ausgestaltet, dass der durch ihn fließende Strom einstellbar ist oder dass alternativ ein Grenzwert dieses Stroms einstellbar ist. Der Grenzwert ist vorzugsweise ein unterer und/oder oberer Grenzwert.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass der durch den Spannungsabfall-Schaltkreis fließende Strom nach den Kirchhoffschen Regeln den Gesamtstrom darstellt, der in die Last und die Regelschleife des Shunt-Reglers fließt, wobei es sich bei der Last auch um eine Mehrzahl von an den Shunt-Regler angeschlossenen Baugruppen oder Geräten handeln kann. Folglich kann der die Last speisende Strom nach oben oder unten begrenzt werden, indem entweder der durch den Spannungsabfall-Schaltkreis fließende Strom eingestellt wird oder indem der Spannungsabfall-Schaltkreis so eingestellt wird, dass der durch ihn fließende Strom auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt wird.

Typischerweise beziehen sich das Eingangs- und das Ausgangspotential des Shunt-Reglers auf eine gemeinsame Masse. In diesem Fall kann auch von einer Eingangs- und einer Ausgangsspannung gesprochen werden.

Zur Einstellung des durch den Spannungsabfall-Schaltkreis fließenden Stroms bzw. zur Einstellung von dessen Grenzwerten ist vorzugsweise eine Steuereinheit vorgesehen. Die Einstellung des Stroms bzw. seiner Grenzwerte erfolgt in Abhängigkeit von dem an dem Shunt-Regler anliegenden Eingangspotential und/oder vorgegebener Werte für den unteren und/oder oberen Grenzwert. Ferner kann die Einstellung auch von dem Potentialwert, auf den das Ausgangspotential geregelt werden soll, abhängig sein. Die Grenzwerte für den zulässigen Strombereich richten sich beispielsweise nach Anforderungen der dem Shunt-Regler nachgeschalteten Last.

Eine einfach zu realisierende Ausgestaltung des Spannungsabfall-Schaltkreises stellt ein ohmscher Widerstand dar, der in den Strompfad zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss geschaltet ist und dessen Widerstandswert einstellbar ist. Diese Ausgestaltung erlaubt es, den in die Regelschleife und die Last fließenden Strom bei gegebenen Eingangs- und Ausgangspotentialen durch eine Erhöhung des Widerstandswerts zu verringern oder durch eine Verringerung des Widerstandswerts zu erhöhen.

Derselbe Effekt kann anstelle eines einstellbaren Widerstands auch mit einem überbrückbaren Widerstand erzielt werden. Bei einer gewünschten Verringerung des Stroms wird der Widerstand in den Strompfad geschaltet und bei einer gewünschten Erhöhung des Stroms wird der Widerstand überbrückt, sodass über ihm keine Spannung mehr abfällt und dementsprechend kein Strom durch ihn fließt.

Sowohl ein einstellbarer Widerstand als auch ein überbrückbarer Widerstand, welche auch mit weiteren ohmschen Widerständen kombiniert werden können, bewirken eine lineare Abhängigkeit des Stroms von der Differenzspannung zwischen Eingangs- und Ausgangspotential.

Sofern eine nicht-lineare Abhängigkeit zwischen Strom und Differenzspannung gewünscht ist, kann vorzugsweise ein Transistor mit seiner Laststrecke in den Strompfad des Spannungsabfall-Schaltkreises geschaltet werden. In diesem Fall wird der Transistor über seinen Steueranschluss von der Steuereinheit angesteuert.

Des Weiteren können eine Mehrzahl von Transistoren mit ihren Laststrecken in den Strompfad geschaltet werden. Daneben können zusätzliche ohmschen Widerstände, deren Widerstandswerte eventuell einstellbar sind oder die eventuell überbrückbar sind, mit den Laststrecken der Transistoren in Reihe geschaltet werden.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Shunt-Reglers sind die in den Strompfad geschalteten Transistoren durch Feldeffekttransistoren realisiert. Die Feldeffekttransistoren werden über ihre Gate-Anschlüsse von der Steuereinheit angesteuert und werden je nach Gate-Potential im ohmschen Bereich oder im Abschnürbereich betrieben.

Der ohmsche Bereich wird in der englischsprachigen Fachliteratur als „triode region" bezeichnet und stellt bei einer Auftragung des Drain-Stroms gegen die Drain-Source-Spannung den Teil der Transistorkennlinie dar, bei welchem die Kennlinie nahezu linear durch den Ursprung verläuft und somit ein Verhalten wie bei einem ohmschen Widerstand vorliegt. Demgegenüber verlaufen die Kennlinien im Abschnürbereich nahezu waagrecht. In der englischsprachigen Fachliteratur wird der Abschnürbereich als „saturation region" bezeichnet. Nähere Angaben zu dem ohmschen Bereich und dem Abschnürbereich finden sich in dem Abschnitt 3.1.1 des Buchs „Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Springer-Verlag, Berlin, 12. Auflage, 2002, Seiten 174 bis 177, welcher hiermit in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung aufgenommen wird.

Beim Betrieb eines Feldeffekttransistors im ohmschen Bereich fällt nur eine vergleichsweise geringe Spannung zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss ab. In diesem Betriebszustand fungiert der Feldeffekttransistor als reiner Schalter. Der Betrieb im ohmschen Bereich wird bei dem erfindungsgemäßen Shunt-Regler dann gewählt, wenn das Eingangspotential klein ist und der Last ein ausreichend großer Strom zur Verfügung gestellt werden soll.

Beim Betrieb im Abschnürbereich erzeugt der Feldeffekttransistor einen wesentlich größeren Spannungsabfall zwischen Drain- und Source-Anschluss. Ferner ist in diesem Fall mittels des Gate-Potentials der Stromfluss durch die Drain-Source-Strecke einstellbar. Der Betrieb im Abschnürbereich ist bei einem vergleichsweise großen Eingangspotential vorteilhaft.

Sofern mehrere Feldeffekttransistoren mit ihren Drain-Source-Strecken seriell zwischen Eingangs- und Ausgangsanschluss geschaltet sind, werden bei einem ansteigenden Eingangspotential zunehmend mehr Transistoren über ihre Gate-Potentiale in den Abschnürbereich geschaltet, sodass ein Teil der Differenzspannung zwischen Eingangs- und Ausgangspotential über diese Transistoren abfällt. Der durch den Strompfad fließende Strom kann mittels einer geeigneten Wahl der Gate-Potentiale der Feldeffekttransistoren mitbestimmt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Shunt-Reglers vergleicht die Steuereinheit das Eingangspotential oder ein von dem Eingangspotential abgeleitetes Potential mit einem Schwellwert und steuert in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Schwellwertvergleichs den oder die in den Strompfad geschalteten Transistoren.

Des Weiteren kann vorteilhafterweise ein Spannungsteiler vorgesehen sein, der mit dem Eingangspotential gespeist wird und der an seinen Abgriffen Teilwerte des Eingangspotentials bereitstellt. Der Steuereinheit werden diese Teilpotentiale als Eingangspotentiale übergeben und sie stellt anhand der Teilpotentiale den durch den Spannungsabfall-Schaltkreis fließenden Strom oder dessen unteren und/oder oberen Grenzwert ein.

Des Weiteren kann die Steuereinheit derart ausgeführt sein, dass sie die Teilpotentiale jeweils mit einem Schwellwert vergleicht und anhand der Ergebnisse dieser Vergleiche die Betriebsmodi der einzelnen Transistoren festlegt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit das Gate-Potential zumindest eines Feldeffekttransistors, sofern dieser Feldeffekttransistor im Abschnürbereich betrieben wird, mit steigendem Eingangspotential erhöht.

Sowohl das Eingangspotential als auch das Ausgangspotential werden vorteilhafterweise gegen ein gemeinsames festes Referenzpotential, insbesondere ein Massepotential, gemessen.

Vorzugsweise ist der Shunt-Regler monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat integriert und wird beispielsweise mittels CMOS(complementary metal oxide semiconductor)-Technologie hergestellt.

Die Regelschleife, die das Ausgangspotential auf einen vorgegebenen Wert regelt, ist bei dem erfindungsgemäßen Shunt-Regler vorzugsweise wie bei einem herkömmlichen Shunt-Regler aufgebaut. Dazu ist ein steuerbares Bauelement, beispielsweise ein weiterer Feldeffekttransistor, mit seiner Laststrecke zwischen den Ausgangsanschluss und Masse geschaltet. Ein Steuerelement; beispielsweise ein Operationsverstärker, steuert das Bauelement derart an, dass an dem Ausgangsanschluss das vorgegebene Ausgangspotential anliegt.

Vorzugsweise vergleicht das Steuerelement das Ausgangspotential oder ein davon abgeleitetes Potential mit einem Referenzpotential und generiert anhand dieses Vergleichs das Steuersignal für das Bauelement. Das Referenzpotential kann von einer Bandabstandsreferenz-Schaltung erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Shunt-Reglers 100 gemäß dem Stand der Technik;

2 ein Blockschaltbild eines Shunt-Reglers 200 als erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Shunt-Reglers;

3 ein Blockschaltbild eines Shunt-Reglers 300 als zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Shunt-Reglers; und

4 ein Blockschaltbild eines Shunt-Reglers 400 als drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Shunt-Reglers.

In 1 ist das Blockschaltbild eines herkömmlichen mittels CMOS-Technologie realisierbaren Shunt-Reglers 100 dargestellt, an den eine Last L angeschlossen ist. Der Shunt-Regler 100 wird mit einer externen Eingangsspannung VIN beaufschlagt und wandelt die Eingangsspannung VIN in eine geregelte Ausgangsspannung VDDSHUNT um. Dazu liegt an einem Eingang IN des Shunt-Reglers 100 das positive Potential der Eingangsspannung VIN an und an einem Ausgang OUT kann das positive Potential der Ausgangsspannung VDDSHUNT abgegriffen werden. Sowohl die Eingangsspannung VIN als auch die Ausgangsspannung VDDSHUNT beziehen sich auf eine gemeinsame Masse VSS. In dem vorliegenden Beispiel ist der Ausgang OUT des Shunt-Reglers 100 mit der Last L verbunden.

Zwischen den Eingang IN und den Ausgang OUT ist ein Widerstand RDUMP geschaltet. Über dem Widerstand RDUMP fällt die Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VDDSHUNT ab.

Zur Regelung der Ausgangsspannung VDDSHUNT weist der Shunt-Regler 100 einen Operationsverstärker OPA, einen n-Kanal-Feldeffekttransistor MSINK, Widerstände Rx und Ry sowie eine Bandabstandsreferenz-Schaltung BG auf. Der Operationsverstärker OPA ist als nicht-invertierender Verstärker beschaltet. Dazu sind die Widerstände Rx und Ry in Reihe angeordnet und diese Reihenschaltung ist wie in 1 dargestellt zwischen den Ausgang OUT und die Masse VSS geschaltet. Der zwischen den Widerständen Rx und Ry befindliche Knoten ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPA verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OPA wird von der Bandabstandsreferenz-Schaltung BG mit einer Referenzspannung VBG beaufschlagt, die stabil gegenüber Temperatur-, Prozess- sowie Versorgungsspannungsschwankungen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers OPA ist mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors MSINK verbunden. Die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors MSINK ist zwischen den Ausgang OUT und die Masse VSS geschaltet. Ferner sind die Versorgungsanschlüsse des Operationsverstärkers OPA und der Bandabstandsreferenz-Schaltung BG zur Spannungsversorgung mit der Ausgangsspannung VDDSHUNT beaufschlagt.

Der Operationsverstärker OPA, der üblicherweise als einstufiger Transkonduktanzverstärker realisiert ist, steuert aufgrund seiner äußeren Beschaltung den als Ausgangsstufe betriebenen Feldeffekttransistor MSINK so an, dass sich eine Ausgangsspannung VDDSHUNT gemäß folgender Gleichung einstellt:

Ferner wird über die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors MSINK ein überschüssiger Strom gegen Masse VSS abgeführt.

Wie oben bereits beschrieben wurde, fällt über dem Widerstand RDUMP die Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VDDSHUNT ab. Dies ist besonders dann von entscheidender Bedeutung, wenn der Wert der Eingangsspannung VIN größer ist als die zulässige Maximalspannung der Bauelemente der Last L oder des Shunt-Reglers 100. Durch den Widerstand RDUMP fließt ein Strom IL, der nach den Kirchhoffschen Regeln die Summe der in die Regelschleife, die Bandabstandsreferenz-Schaltung BG und die Last L fließenden Ströme darstellt. Der Strom IL lässt sich gemäß folgender Gleichung bestimmen:

Der Strom IL muss ausreichend groß sein, um die von der Regelschleife, der Bandabstandsreferenz-Schaltung BG sowie der Last L benötigten Ströme bereitzustellen und den Feldeffekttransistor MSINK vorzuspannen.

In 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung das Blockschaltbild eines mittels CMOS-Technologie realisierbaren Shunt-Reglers 200 dargestellt, an den eine Last L angeschlossen ist. Die um den Operationsverstärker OPA aufgebaute Regelschleife zum Regeln der Ausgangsspannung VDDSHUNT auf einen vorgegebenen Wert entspricht der in 1 gezeigten Regelschleife des Shunt-Reglers 100. Daher sind einander entsprechende Bauelemente in den 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Gleiche gilt auch für die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß den 3 und 4.

Im Unterschied zu dem herkömmlichen Shunt-Regler 100 gemäß 1 ist bei dem in 2 dargestellten Shunt-Regler 200 anstelle des ohmschen Widerstands RDUMP eine aus einem ohmschen Widerstand RL und p-Kanal-Feldeffekttransistoren Ta, Tb, ..., TN aufgebaute Reihenschaltung vorgesehen. Der Widerstand RL ist dabei hinter den Eingang IN geschaltet und hinter dem Widerstand RL sind die Feldeffekttransistoren TN bis Ta mit ihren Drain-Source-Strecken seriell angeordnet.

Die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren Ta bis TN werden von einer Steuereinheit 201 angesteuert. Die Steuerspannungen, die an den Gate-Anschlüssen der Feldeffekttransistoren Ta bis TN anliegen, sind mit den Bezugszeichen Va bis VN versehen. Eingangsseitig wird die Steuereinheit 201 mit der Eingangsspannung VIN und einem Steuersignal MODE gespeist.

Mittels des Steuersignals MODE wird der Steuereinheit 201 der Betriebsmodus der Last L mitgeteilt. Insbesondere wird der Steuereinheit 201 dabei der von der Last L benötigte minimale Laststrom mitgeteilt als auch der Laststrom, mit welchem die Last maximal gespeist werden darf. Anhand dieser Informationen und/oder der an dem Shunt-Regler 200 anliegenden Eingangsspannung VIN entscheidet die Steuereinheit 201 über die Ansteuerung der Feldeffekttransistoren Ta bis TN. Ziel dabei ist es, den Anforderungen bezüglich des minimalen und maximalen Laststroms zu genügen sowie ein sicheres Hochfahren der Last L und einen ausreichenden Überspannungsschutz zu gewährleisten.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Feldeffekttransistoren Ta bis TN zur Erfüllung der vorstehend genannten Aufgaben entweder im ohmschen Bereich oder in dem Abschnürbereich betrieben. Bei einer kleinen Eingangsspannung VIN wählt die Steuereinheit 201 die Steuerspannungen Va bis VN derart, dass sich die Feldeffekttransistoren Ta bis TN im ohmschen Bereich befinden. In diesem Betriebszustand fällt über den Drain-Source-Strecken der Feldeffekttransistoren Ta bis TN eine relativ geringe Spannung ab. Bei einer ansteigenden Eingangsspannung VIN werden die Feldeffekttransistoren Ta bis TN nach und nach in den Abschnürbereich geschaltet. Dieser Betriebszustand bewirkt einen relativ großen Spannungsabfall zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen der einzelnen Feldeffekttransistoren Ta bis TN. Dadurch wird gewährleistet, dass an jedem einzelnen Feldeffekttransistor Ta bis TN eine Spannung anliegt, die geringer als die Durchbruchsspannung ist. Ferner bewirkt dieser Betriebszustand der Feldeffekttransistoren Ta bis TN, dass der Strom IL begrenzt wird.

Neben dem Widerstand RL können weitere Widerstände vorgesehen sein, die mit dem Widerstand RL und den Feldeffekttransistoren Ta bis TN in Reihe geschaltet sind und insbesondere einen einstellbaren Widerstandswert aufweisen oder überbrückbar sind.

In 3 ist als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung das Blockschaltbild eines Shunt-Reglers 300 dargestellt, bei dem das in 2 gezeigte Prinzip weiter ausgestaltet ist. Dazu ist die Steuereinheit 201 in 3 detaillierter ausgeführt.

Bei dem Shunt-Regler 300 ist jedem der Feldeffekttransistoren Ta bis TN eine Steuereinheit 301a, 301b, ... bzw. 301N zugeordnet, welche die Steuerung des jeweiligen Feldeffekttransistors Ta bis TN übernimmt. Die Steuereinheiten 301a bis 301N werden eingangsseitig neben dem Steuersignal MODE mit einer Steuerspannung VCa, VCb, ... bzw. VCN gespeist. Die Steuerspannungen VCa bis VCN werden mittels einer Reihenschaltung von Widerständen Ra, Rb, ..., RN+1 erzeugt. Die Widerstände Ra bis RN+1 sind wie in 3 dargestellt in Reihe angeordnet und die sich daraus ergebende Reihenschaltung ist zwischen den Eingang IN des Shunt-Reglers 300 und die Masse VSS geschaltet. Die zwischen jeweils zwei benachbarten Widerständen Ra bis RN+1 liegenden Knoten bilden die Abgriffe für die Steuerspannungen VCa bis VCN.

Jede der Steuereinheiten 301a bis 301N vergleicht die an ihrem Eingang anliegende Steuerspannung VCa bis VCN mit einer vorgegebenen Schwellwertspannung Vthresh. Falls die jeweilige Steuerspannung VCa bis VCN kleiner als die Schwellwertspannung Vthresh ist und das Steuersignal MODE einen vorgegebenen Wert aufweist, steuert die betreffende Steuereinheit 301a bis 301N den ihr zugeordneten Feldeffekttransistor Ta bis TN derart an, dass er im ohmschen Bereich betrieben wird. Sofern die Steuerspannung VCa bis VCN die Schwellwertspannung Vthresh überschreitet und das Steuersignal MODE einen vorgegebenen Wert aufweist, schaltet die betreffende Steuereinheit 301a bis 301N den von ihr angesteuerten Feldeffekttransistor Ta bis TN in den Abschnürbereich.

Der Strom IL, der durch die aus dem Widerstand RL und den Feldeffekttransistoren Ta bis TN gebildete Reihenschaltung fließt, wird von der Spannungsdifferenz VIN – VDDSHUNT, von dem Widerstandswert des Widerstands RL und den Betriebszuständen der Feldeffekttransistoren Ta bis TN bestimmt. Bei der maximal zulässigen Eingangsspannung VIN werden alle Feldeffekttransistoren Ta bis TN im Abschnürbereich betrieben und der Strom IL wird durch die über dem Widerstand RL abfallende Spannung bestimmt.

Die maximale Eingangsspannung VIN, die an den Shunt-Regler 300 angelegt werden darf, ist die N-fache Durchbruchsspannung Vbreakdown der für die Herstellung der Last L und des Shunt-Reglers 300 verwendeten Technologie. Beispielsweise beträgt die Durchbruchspannung Vbreakdown für eine standardmäßige 0,25 &mgr;m-CMOS-Technologie 5 V.

Bei der Wahl der Steuerspannungen Va bis VN zur Steuerung der Feldeffekttransistoren Ta bis TN muss beachtet werden, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Gate-Spannungen zweier benachbarter Feldeffekttransistoren Ta bis TN typischerweise nicht größer als die Durchbruchsspannung Vbreakdown sein sollte. Beispielsweise beträgt die Steuerspannung Va entweder 0 V oder VDDSHUNT und die Steuerspannung Vb beträgt entweder 0 V oder VDDSHUNT + 0,8·Vbreakdown

In den 2 und 3 sind mittels gestrichelter Linien zwischen jeweils zwei benachbarte Feldeffekttransistoren Ta bis TN Widerstände Ra/b, ..., RN-1/N eingezeichnet. Die Widerstände Ra/b bis RN-1/N können optional vorgesehen sein und sollen zusätzlich dazu beitragen, Überspannungen zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen zu verhindern.

In 4 ist als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung das Blockschaltbild eines Shunt-Reglers 400 dargestellt. An Ausgängen OUT1 und OUT2 des Shunt-Reglers 400 sind Lasten L1 und L2 angeschlossen. Zwischen den Eingang IN und die Ausgänge OUT1 und OUT2 sind Widerstände RL1 und RL2 sowie p-Kanal-Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 in Reihe geschaltet. Mittels der genannten Bauelemente wird der Strom IL, der die Regelschleife, die Bandabstandsreferenz-Schaltung BG und die Lasten L1 sowie L2 speist, begrenzt und die Spannungsdifferenz VIN – VDDSHUNT erzeugt. Ein aus Widerständen R1, R2 und R3 aufgebauter Spannungsteiler, der zwischen den Eingang IN und die Masse VSS geschaltet ist, dient zusammen mit dem Steuersignal MODE dazu, die Gate-Spannungen V1, V2 und V3 der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 einzustellen.

Zwischen dem aus den Widerständen R1, R2 und R3 aufgebauten Spannungsteiler und der Reihenschaltung aus den Bauelementen RL1, RL2, T1, T2 und T3 ist eine Schaltung angeordnet, die aus der Eingangsspannung VIN, den Steuerspannungen VC1 und VC2 sowie dem Steuersignal MODE die Gate-Spannungen V1, V2 und V3 bestimmt. Diese Schaltung umfasst ein OR-Gatter G1, ein NOR-Gatter G2, einen p-Kanal-Feldeffekttransistor T4, einen n-Kanal-Feldeffekttransistor T5 sowie Widerstände R4 und R5.

Die Eingänge des OR-Gatters G1 sind an den Knoten zwischen den Widerständen R1 und R2 bzw. an den Ausgang des NOR-Gatters G2 angeschlossen. Zu beachten ist, dass das Ausgangssignal des NOR-Gatters G2 am Eingang des OR-Gatters G1 invertiert wird. Der Ausgang des OR-Gatters G1 ist mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors T1 verbunden. Der eine Eingang des NOR-Gatter G2 ist mit dem Knoten zwischen den Widerständen R2 und R3 verbunden, während der andere Eingang des NOR-Gatters G2 von dem Steuersignal MODE angesteuert wird.

Der Transistor T4 ist durch die Verbindung seines Gate-Anschlusses mit seinem Source-Anschluss als Diode beschaltet. Der Drain-Anschluss des Transistors T4 ist mit dem Eingang IN verbunden und an seinen Source-Anschluss ist sowohl der eine Anschluss des Widerstands R4 als auch der Gate-Anschluss des Transistors T3 gekoppelt. Der andere Anschluss des Widerstands R4 ist mit dem Drain-Anschluss des Transistors T5, dem einen Anschluss des Widerstands R5 und dem Gate-Anschluss des Transistors T2 verbunden. Der Source-Anschluss des Transistors T5 und der andere Anschluss des Widerstands R5 sind mit der Masse VSS beaufschlagt.

Die Funktionsweise des Shunt-Reglers 400 ist die Folgende. Der Shunt-Regler 400 ist für eine maximale Eingangsspannung VIN von 15 V ausgelegt. Die Regelschleife des Shunt-Reglers 400 ist so eingestellt, dass die Ausgangsspannung VDDSHUNT2,2 V beträgt. Bei einer Eingangsspannung VIN unterhalb von 4 V liegt an allen Gate-Anschlüssen der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 das Massepotential VSS an und die Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 befinden sich dementsprechend im ohmschen Bereich. In diesem Zustand wird der Strom IL, der die Regelschleife, die Bandabstandsreferenz-Schaltung sowie die Lasten L1 und L2 speist, durch die Widerstände RL1 und RL2 bestimmt und lässt sich mittels des Terms (VIN – VDDSHUNT)/(RL1 + RL2) berechnen.

Bei einer Eingangsspannung VIN von 4 V ändert das OR-Gatter G1 seine Ausgangsspannung V1 von 0 V auf 2,2 V. Dadurch geht der Feldeffekttransistor T1 in den Abschnürbereich über, während die Feldeffekttransistoren T2 und T3 im ohmschen Bereich verbleiben. In diesem Zustand fällt eine erhöhte Spannung über der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors T1 ab. Ferner wird der Strom IL nicht mehr allein von den Widerständen RL1 und RL2 bestimmt, sondern auch von der Gate-Spannung V1.

Bei einer Eingangsspannung VIN von 7 V ändert sich die Ausgangsspannung des NOR-Gatters G2 von 0 V auf 2,2 V. Dies bedingt, dass auch die Feldeffekttransistoren T2 und T3 in den Abschnürbereich wechseln. Bei einer Eingangsspannung VIN von 7 V betragen die Gate-Spannungen V1, V2 und V3 2,2 V, 4 V bzw. 5 V. Der Spannungsabfall zwischen der Eingangsspannung VIn und der Ausgangsspannung VDDSHUNT wird nunmehr über die widerstände RL1 und RL2 sowie alle Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 verteilt. Der Strom IL wird durch die Widerstände RL1 und RL2 sowie die Gate-Spannungen V1, V2 und V3 bestimmt.

Bei einer Eingangsspannung VIn zwischen 7 V und 15 V besteht der einzige Unterschied zum dem vorstehenden Fall darin, dass die Gate-Spannungen V2 und V3, die von dem Spannungsteiler aus den Widerständen R4 und R5 erzeugt werden, näherungsweise linear mit der Eingangsspannung VIN ansteigen.

Das Verhalten der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 wird des Weiteren durch das Steuersignal MODE bestimmt. Das Steuersignal MODE kann zwei Zustände annehmen und wird von einer externen Steuereinheit erzeugt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird mittels des Steuersignals MODE unterschieden, ob die Last L1 mit dem Shunt-Regler 400 verbunden ist oder nicht. Die Last L1 benötigt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen relativ hohen Strom von 250 &mgr;A, während die Last L2 einen Strom von 50 &mgr;A und die Regelschleife zusammen mit der Bandabstandsreferenz-Schaltung BG einen Strom von etwa 39,5 &mgr;A benötigen. Dementsprechend beträgt der minimal benötigte Strom IL im Fall einer nicht zugeschalteten Last L1 150 &mgr;A und der maximal zulässige Strom IL 400 &mgr;A. In diesem Fall liegt die Eingangsspannung VIN je nach Betriebsmodus in einem Bereich von 3,0 V bis 3,9 V oder in einem Bereich von 4,3 V bis 5,3 V. Für den Fall, dass die Last L1 von dem Shunt-Regler 400 versorgt werden soll, beträgt der Strom IL, der minimal zur Verfügung gestellt werden muss, 350 &mgr;A, während der maximale Strom IL 1 mA nicht überschreiten darf. In diesem Fall liegt die Eingangsspannung VIN je nach Betriebsmodus in einem Bereich von 4,3 V bis 5,3 V oder in einem Bereich von 5,6 V bis 15,0 V.


Anspruch[de]
Shunt-Regler (200; 300; 400) zum Herunterregeln eines Eingangspotentials (VIN) auf ein Ausgangspotential (VDDSHUNT), mit

– einem Eingangsanschluss (IN) zum Anlegen des Eingangspotentials (VIN),

– einem Ausgangsanschluss (OUT; OUT1, OUT2) zum Abgreifen des Ausgangspotentials (VDDSHUNT), und

– einem zwischen den Eingangsanschluss (IN) und den Ausgangsanschluss (OUT; OUT1, OUT2) geschalteten Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3), über welchem beim Betrieb des Shunt-Reglers (200; 300; 400) die Differenzspannung zwischen dem Eingangspotential (VIN) und dem Ausgangspotential (VDDSHUNT) abfällt, wobei der durch den Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) fließende Strom (IL) oder dessen Grenzwert einstellbar sind.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch

– eine Steuereinheit (201; 301a, ..., 301N) zum Einstellen des durch den Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) fließenden Stroms (IL) oder dessen Grenzwerts, wobei die Einstellung in Abhängigkeit von dem Eingangspotential (VIN) und/oder mindestens eines vorgegebenen Werts für den Grenzwert erfolgt.
Shunt-Regler (200) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Spannungsabfall-Schaltkreis mindestens einen in seinen Strompfad geschalteten ohmschen Widerstand mit einem einstellbaren Widerstandswert aufweist.
Shunt-Regler (200) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Spannungsabfall-Schaltkreis mindestens einen in seinen Strompfad geschalteten überbrückbaren Widerstand aufweist.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) mindestens einen Transistor (Ta, ..., TN; T1, T2, T3) aufweist, der mit seiner Laststrecke in den Strompfad (IL) des Spannungsabfall-Schaltkreises (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) geschaltet ist und der über seinen Steueranschluss von der Steuereinheit (201; 301a, ..., 301N) angesteuert wird.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) mindestens einen ohmschen Widerstand (RL; RL1, RL2) aufweist, der in den Strompfad (IL) des Spannungsabfall-Schaltkreises (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) geschaltet ist.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach Anspruch 5 und insbesondere Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der mindestens eine Transistor mindestens ein Feldeffekttransistor (Ta, ..., TN; T1, T2, T3) ist, der wahlweise im ohmschen Bereich oder im Abschnürbereich betrieben wird.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach Anspruch 5 und insbesondere Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

– dass die Steuereinheit (201; 301a, ..., 301N) derart ausgeführt ist, dass sie das Eingangspotential (VIN) oder ein von dem Eingangspotential (VIN) abgeleitetes Potential (VCa, ..., VCN; VC1, VC2) mit einem Schwellwert vergleicht und in Abhängigkeit von dem Schwellwertvergleich den mindestens einen Transistor (Ta, ..., TN; T1, T2, T3) ansteuert.
Shunt-Regler (300; 400) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

– dass ein Spannungsteiler (Ra, ..., RN+1; R1, R2, R3) vorgesehen ist, welcher das Eingangspotential (VIN) in mindestens ein Teilpotential (VCa, ..., VCN; VC1, VC2) unterteilt, und

– dass die Steuereinheit (301a, ..., 301N) den durch den Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) fließenden Strom (IL) oder dessen Grenzwert in Abhängigkeit von dem mindestens einen Teilpotential (VCa, ..., VCN; VC1, VC2) einstellt.
Shunt-Regler (300; 400) nach Ansprüchen 5 und 9,

dadurch gekennzeichnet,

– dass die Steuereinheit (301a, ..., 301N) derart ausgeführt ist, dass sie das mindestens eine Teilpotential (VCa, ..., VCN; VC1, VC2) mit einem Schwellwert vergleicht und in Abhängigkeit von dem Schwellwertvergleich den mindestens einen Transistor (Ta, ..., TN; T1, T2, T3) ansteuert.
Shunt-Regler (400) nach Anspruch 7 und insbesondere einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

– dass die Steuereinheit derart ausgeführt ist, dass sie das Gate-Potential (V2, V3) des mindestens einen Feldeffekttransistors (T2, T3) mit steigendem Eingangspotential (VIN) erhöht, sofern der mindestens eine Feldeffekttransistor (T2, T3) im Abschnürbereich betrieben wird.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

– dass sich das Eingangspotential (VIN) und das Ausgangspotential (VDDSHUNT) auf ein gemeinsames festes Referenzpotential, insbesondere ein Massepotential (VSS), beziehen.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Shunt-Regler (200; 300; 400) monolithisch auf einem Substrat integriert ist.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

– ein steuerbares Bauelement (MSINK), dessen Laststrecke zwischen den Ausgangsanschluss (OUT; OUT1, OUT2) und ein gemeinsames festes Potential (VSS) geschaltet ist, und

– ein Steuerelement (OPA), welches das steuerbare Bauelement (MSINK) derart ansteuert, dass an dem Ausgangsanschluss (OUT; OUT1, OUT2) ein vorgegebenes Ausgangspotential (VDDSHUNT) anliegt.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet,

– dass das Steuerelement (OPA) derart ausgeführt ist, dass es das Ausgangspotential (VDDSHUNT) oder ein davon abgeleitetes Potential mit einem Referenzpotential (VBG) vergleicht und in Abhängigkeit von dem Vergleich das steuerbare Bauelement (MSINK) ansteuert.
Shunt-Regler (200; 300; 400) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

– dass es sich bei dem einstellbaren Grenzwert des durch den Spannungsabfall-Schaltkreis (RL, Ta, ..., TN; RL1, RL2, T1, T2, T3) fließenden Stroms (IL) um den unteren und/oder oberen Grenzwert handelt.






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