DE19737586C2

DE19737586C2 - Smart-Power-Schalter

Info

Publication number: DE19737586C2
Application number: DE1997137586
Authority: DE
Inventors: Martin Meschik
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: DE19737586A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Smart-Power-Schalter, insbeson dere einen SIPMOS-Leistungshalbleiter, mit einem Steuerein gang, einem FET-Leistungstransistor am Ausgang, der über den Steuereingang durch ein externes Steuersignal angesteuert ist, einer an das Gate des FET-Leistungstransistors ange schlossenen Ladungspumpe zur Spannungserhöhung für den High side-Betrieb des Smart-Power-Schalters, und einer Schalt logik.

Ein derartiger Smart-Power-Schalter wird auch einfach als Smart-Schalter bezeichnet, und bei diesem Schalter handelt es sich allgemein um einen sogenannten intelligenten Leistungs halbleiter, der zur gesteuerten Leistungsversorgung externer Lasten, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, zum Einsatz ge langt.

Wenn der Smart-Power-Schalter der eingangs genannten Art durch ein externes Steuersignal eingeschaltet wird, wird die Ladungspumpe aktiviert, die eine für den Smart-Power-Schalter notwendige Ansteuerspannung erzeugt, nämlich insbesondere ei ne Spannungserhöhung für den Highside-Betrieb des Smart- Power-Schalters, der ausgangsseitig einen FET-, insbesondere ein MOSFET-Leistungstransistor, aufweist. Dieser Vorgang der Aktivierung des FET-Leistungstransistors über die Ladungs pumpe ist verhältnismäßig langsam. Charakteristische Ein- und Ausschaltzeiten betragen etwa 500 µs.

Solche Schaltgeschwindigkeiten sind zum Schalten von Lasten von beispielsweise Lampen und induktiven Lasten geringer Dy namik ausreichend, nicht jedoch zum Schalten von Lasten grö ßerer Dynamik, da sonst die im Smart-Power-Schalter auftre tenden Umschaltverluste zu groß werden. Beispiele für derar tige Schaltlasten sind Schrittmotore, gepulste Gleich- und Wechselspannungsmotore im Niederspannungsbereich, Schaltnetz teile und dergleichen. Mit anderen Worten sind die bisher be kannten Smart-Power-Schalter mit Ladungspumpe nicht geeignet, diese Art von Lasten anzusteuern.

Problematisch an den bisher bekannten Smart-Power-Schaltern der eingangs genannten Art ist außerdem der relativ hohe Stromverbrauch, was angesichts des jüngsten Trends zum Ener giesparen und zur der Verlängerung von Betriebszeiten bei batteriebetriebenen Geräten usw. nicht akzeptabel ist.

Aus der DE 43 25 899 C2 ist eine Schaltungsanordnung mit ei nem Leistungstransistor, der in Reihe zu einer Last zwischen Klemmen für eine Versorgungsspannung geschaltet ist, und ei ner Ladungspumpenschaltung zur Ansteuerung des Leistungstran sistors bekannt. Die Ladungspumpenschaltung stellt ein erhöh tes Ansteuerpotential zur Ansteuerung des Leistungstransis tors zur Verfügung, wobei ein Versorgungsanschluss der La dungspumpenschaltung an den Drain-Anschluss des als Low-Side- Schalters wirkenden Leistungstransistors angeschlossen ist, so dass der Versorgungsanschluss bei leitendem Leistungstran sistor annäherungsweise auf Bezugspotential gezogen wird. Ein Potential zur Ansteuerung des Leistungstransistors kann bei dieser Schaltungsanordnung nur während der Zeitdauern aufge baut werden, zu denen der Leistungstransistor sperrt.

Aus der EP 0 236 967 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit ei nem in Reihe zu einer Last zwischen Klemmen für eine Versor gungsspannung geschalteten Leistungstransistor bekannt, wobei der Leistungstransistor als High-Side-Schalter dient. Zur An steuerung des Leistungstransistors ist eine Ladungspumpen schaltung vorgesehen, die eine zum Einschalten des Leistungs transistors erforderliche Ansteuerspannung erst im Laufe der Zeit durch mehrmaliges Anlegen von Ansteuerimpulsen an die Ladungspumpe erreicht.

Aus der EP 0 415 081 A2 ist eine Schaltungsanordnung mit ei nem in Reihe zu einer Last zwischen Anschlussklemmen einer Versorgungsspannung geschalteten Leistungstransistor bekannt, wobei der Leistungstransistor als High-Side-Schalter einge setzt ist. Zwischen den Gate-Anschluss und den Source- Anschluss des Leistungstransistors ist ein Kondensator ge schaltet, der vor dem Durchschalten des Leistungstransistors auf eine Batteriespannung aufgeladen wird, so dass nach dem Durchschalten des Leistungstransistors am Gate-Anschluss des Leistungstransistors ein Potential anliegt, welches im we sentlichen dem Source-Potential zuzüglich der Batteriespan nung entspricht. Ein erhöhtes Ansteuerpotential zur Ansteue rung des Leistungstransistors baut sich damit erst nach dem Durchschalten des Leistungstransistors auf.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Smart-Power-Schalter zu schaffen, der sich durch eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit auszeichnet und mit geringem Stromverbrauch betrieben werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Smart-Power-Schalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit dadurch erzielt werden kann, daß die Ladungspumpe während des Schaltbetriebs des Smart-Power- Schalters stets aktiv gehalten ist, um die zur Ansteuerung des FET-Leistungstransistors erforderliche Spannung ununter brochen zur Verfügung zu stellen. Dies bedingt, daß der Steu ereingang im Gegensatz zum Stand der Technik die Ladungspumpe nicht ein- und ausschaltet, sondern den FET-Leistungstransi stor ohne Umweg über die Ladungspumpe "direkt" ansteuert.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich die Schalt geschwindigkeit des in Rede stehenden Smart-Power-Schalters ohne weiteres um einen Faktor 1000 erhöhen. Besonders vor teilhaft ist die Anwendung des neuen erfindungsgemäßen Prin zips auch bei mehrfach integrierten Smart-Power-Schaltern, da eine Brückenschaltung die derzeit noch diskret aufzubauende Schaltung ersetzen kann. Der daraus gezogene Vorteil betrifft die Kostenverringerung bei der Fertigung durch weniger zu be stückende Bauteile.

Vorteilhafterweise ist ferner vorgesehen, daß die Ladungs pumpe bei Bedarf über die Statusleitung inaktiv geschaltet wird. Dadurch wird eine Zerstörung des FET-Leistungs transistors bei Vorliegen eines fehlerhaften Betriebs, wie beispielsweise Übertemperatur oder Überstrom, vermieden, in dem die Ladungspumpe deaktiviert wird. Außerdem kann dann, wenn vorgesehen ist, das Statussignal auf der Statusleitung durch eine externe Maßnahme auf den dem inaktiven Zustand der Ladungspumpe entsprechenden Pegel, beispielsweise dem logi schen Niedrigpegel zu ziehen, die Leistungsaufnahme des Smart-Power-Schalters im Ruhezustand drastisch verringert werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Einsatz des Smart-Power-Schalters in Automobilen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel haft näher erläutert; die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Smart- Power-Schalters.

Der in der Figur gezeigte Smart-Highside-Schalter entspricht bis auf die geänderte Ansteuerung des FET-Leistungstransi stors am Ausgang und der Ansteuerung der Ladungspumpe dem eingangs abgehandelten herkömmlichen Smart-Power-Schalter. Demnach weist der erfindungsgemäße Smart-Power-Schalter 10 einen Steuereingang 1 und einen MOSFET-Leistungstransistor 2 am Ausgang auf, dessen Gate über eine Zwischenstufe 3 mit dem Steuereingang 1 verbunden ist. Diese Zwischenstufe 3 besteht aus einem Pegelkonverter und einem diesem nachgeschalteten Gate-Treiber zur Ansteuerung des MOSFET-Leistungstransistors 2. Außerdem ist eine Ladungspumpe 4 vorgesehen, die in her kömmlicher Weise aufgebaut sein kann und ausgangsseitig in bekannter Weise an das Gate des MOSFET-Leistungstransistors 2 angeschlossen ist, um für den Highside-Betrieb des Smart- Power-Schalters eine Spannungserhöhung zu bewirken.

Gesteuert wird die Ladungspumpe 4 nicht wie beim Stand der Technik über den Steuereingang 1, sondern unabhängig von die sem über eine Statusleitung 5, die ein Statussignal führt, das in an sich bekannter Weise über einen Statuswiderstand 6 gewonnen wird, der an eine Gleichspannung, beispielsweise ei ner Höhe von 5 Volt, angeschlossen ist und außerdem an einem Mikro-Controller der Schaltlogik 7 für den Smart-Power- Schalter und zwar zum einen direkt an den Statuseingang des Mikro-Controllers 7 und zum andern indirekt über einen Tran sistor 8 mit OPEN-DRAIN-Struktur. Am Statuseingang der La dungspumpe 4 liegt außerdem ein weiterer Transistor 9 mit OPEN-DRAIN-Struktur an, über welchen interne Information für das Statussignal geliefert wird.

Der vorstehend in seinem Aufbau erläuterte Smart-Power-Schal ter arbeitet wie folgt.

Da die Ladungspumpe 4 unabhängig vom Steuereingang aus schließlich durch ein Statussignal betrieben wird, bei dem es sich auch um ein extern zugeführtes Statussignal handeln kann, ist die Ladungspumpe 4 stets in Betrieb, wenn der Smart-Power-Schalter eingeschaltet ist. Das heißt, die La dungspumpe 4 liefert für den MOSFET-Leistungstransistor 2 stets die für diesen erforderliche Spannung.

Für den Fall, daß der Smart-Power-Schalter ausgeschaltet ist, wird extern ein entsprechendes Statussignal an die Statusleitung 5 und damit an die Ladungspumpe 4 angelegt, und diese wird ausgeschaltet. Das heißt, bei ausgeschaltetem Smart- Power-Schalter verbraucht diese keinen Strom.

Andererseits erfolgt die Abschaltung der Ladungspumpe 4 und damit des MOSFET-Leistungstransistors 2 bei Vorliegen eines entsprechenden Statussignals, das Übertemperatur, Überstrom oder eine dergleichen Störung anzeigt, einschließlich eines OPEN-LOAD-ZUSTANDS am Ausgang des Smart-Power-Schalters.

Da erfindungsgemäß im Gegensatz zum Stand der Technik die La dungspumpe 4 nur im Fall einer Störung oder einer vollstän digen Abschaltung des Smart-Power-Schalters außer Funktion gesetzt wird und im übrigen stets eingeschaltet bzw. akti viert ist, entfallen die beim Smart-Power-Schalter gemäß dem Stand der Technik, wie eingangs angeführt, auftretenden Ein/Ausschaltzeiten in der Größenordnung von 500 µs, so daß der erfindungsgemäße Smart-Power-Schalter mit wesentlich hö herer Schaltgeschwindigkeit, beispielsweise mit dem Faktor 1000 schneller als bislang betrieben werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Steuereingang

2

Leistungstransistor

3

Zwischenstufe

4

Ladungspumpe

5

Statusleitung

6

Widerstand

7

Schaltlogik

8

Transistor

9

Transistor

10

Smart-Power-Schalter

Claims

1. Smart-Power-Schalter, insbesondere SIPMOS-Leistungshalb leiter, mit einem Steuereingang (1), einem FET-Leistungstran sistor (2) am Ausgang, der über den Steuereingang (1) durch ein externes Steuersignal ansteuerbar ist, einer an das Gate des FET-Leistungstransistors (2) angeschlossenen Ladungspumpe (4) zur Spannungserhöhung für den Highside-Betrieb des Smart- Power-Schalters, und einer Schaltlogik (7), wobei die La dungspumpe (4) während des Schaltbetriebes des SMART-Power- Schalters stets aktiv gehalten ist, um die zur Ansteuerung des FET-Leistungstransistors (2) erforderliche Spannung unun terbrochen zur Verfügung zu stellen, und bei einer vollständi gen Abschaltung des SMART-Power-Schalters inaktiv gehalten ist, und wobei der Steuereingang (1) ohne Umweg über die La dungspumpe (4) an das Gate des FET-Leistungstransistors (2) angeschlossen ist.

2. Smart-Power-Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer eingang (1) über eine Zwischenstufe (3) mit einem Pegelkon verter und einen Gate-Treiber an das Gate des FET- Leistungstransistors (2) angeschlossen ist.

3. Smart-Power-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein unnorma ler Betriebszustand des Smart-Power-Schalters, insb. Übertemperatur oder eine Lastunterbrechung bzw. OPEN-LOAD am Ausgang des Smart-Power-Schalters, durch ein Statussignal an die Schaltlogik (7) gemeldet wird, und daß das Statussignal zur Inaktivierung der Ladungspumpe (4) dient.

4. Smart-Power-Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Status signal direkt an die Ladungspumpe (4) angelegt ist.

5. Smart-Power-Schalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Status signal den ausgeschalteten Zustand des Smart-Power- Schalters an die Ladungspumpe (4) meldet, um diese zu deakti vieren.

6. Smart-Power-Schalter nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die Ladungspumpe (4) angeschlossener Statusausgang OPEN-DRAIN- Struktur aufweist.