Prototyp der Erkennungsschaltung

Der Prototyp einer neuartigen Erkennungsschaltung für Unter- und Überspannung (UVOV) wurde mit einem 5 µm BCDMOS-Prozess implementiert und erfordert eine aktive Fläche von 0,0625 mm2. Die Messergebnisse zeigen, dass er Prototyp Unter- und Überspannungen bei 3,85 V mit einer Hysterese von 650 mV und von 48,45 V mit einer Hysterese von 700 mV erkennt, wobei in der Simulation nur ein Strom von 18,7 µA bei 12 V fließt.

Intelligente High-Side-Schalter kommen in vielen Anwendungen, etwa in der Industrieelektronik und im Automotive- und Haushaltsbereich, zum Einsatz. Normalerweise verfügen intelligente High-Side-Schalter über eine Steuerung mit Selbstdiagnosefunktionen, die eine Erkennung von Überstrom und offener Last ermöglicht und Schäden verhindert. Eine der wichtigsten Diagnosefunktionen ist die Erkennung von Unter- und Überspannung (UVOV). Diese schaltet den High-Side-Schalter ab, sobald die Versorgungsspannung außerhalb des Arbeitsbereichs liegt. Dadurch wird ein Durchbruch auf Grund eines kurzzeitigen Einbruchs der Versorgungsspannung oder bei Überschwingen verhindert. In den bisherigen UVOV-Erkennungsschaltungen werden normalerweise zwei Komparatoren mit zwei konstanten Referenzsignalen für die unteren und oberen Spannungsgrenzwerte der UVOV-Erkennung benötigt. Die zwei Komparatoren belegen allerdings eine große Halbleiterfläche und haben einen hohen Stromverbrauch und eine hohe Komplexität zur Folge. Die gezeigte UVOV-Erkennungsschaltung benötigt dagegen nur einen Spannungsdetektor anstatt zwei Komparatoren. Gegenüber den bisherigen Lösungen lässt sie sich dadurch einfacher auf unterschiedliche Prozesse portieren und ist zudem kostengünstiger.

Die neuartige UVOV-Erkennungsschaltung

Die hier vorgeschlagene UVOV-Erkennungsschaltung besteht aus einem Pegelumsetzer, einer Spannungsklemmung, einem Spannungsregler und einem Spannungsdetektor.

Bild 1: Vereinfachtes Modell der vorgeschlagenen UVOV-Erkennungsschaltung.

Bild 1: Vereinfachtes Modell der vorgeschlagenen UVOV-Erkennungsschaltung.Fairchild Semiconductor

Der Pegelumsetzer setzt die Versorgungsspannung VBB auf einen vorgegebenen Pegel Vshift um, wobei die Spannungsklemmung die maximale Spannung VA am Knotenpunkt A auf eine vordefinierte Klemmspannung Vclamp, begrenzt. Der integrierte Spannungsregler generiert aus VBB eine geregelte Spannung Vreg. Der Spannungsdetektor vergleicht VB und Vreg und generiert gegebenenfalls das UVOV-Signal zum Abschalten des High-Side-Schalters. Um einen robusten Betrieb sicherzustellen, verändert eine Hysterese-Schaltung zwischen den Schaltungsknoten A und B den UVOV-Erkennungspegel entsprechend dem bisherigen Status des UVOV-Signals.

Bild 2: Darstellung der Spannungen VA und Vreg in Abhängigkeit von VBB.

Bild 2: Darstellung der Spannungen VA und Vreg in Abhängigkeit von VBB.Fairchild Semiconductor

Bild 2 zeigt die Abhängigkeit der Spannungen VA und Vreg von VBB und verdeutlicht damit das einfache Funktionsprinzip der vorgeschlagenen UVOV-Erkennungsschaltung. Das Diagramm zeigt, dass die Spannung VA immer um einen gewissen Betrag kleiner ist als VBB, zudem wird sie bei Vclamp geklemmt. Zudem gewährleistet Vreg eine konstante Spannung bei kleinen Werten von VBB, während bei höheren Werten von VBB die Spannung immer um einen festen Wert kleiner ist als VBB. Solange VBB innerhalb des Arbeitsbereiches liegt, ist der konstante Spannungsabfall des Pegelumsetzers niedriger als der des Spannungsreglers und somit die Spannung VA immer höher als Vreg. Liegt VBB außerhalb des Arbeitsbereiches ist die Spannung VA in der vorgeschlagenen Schaltung dagegen niedriger als Vreg. Sinkt die Spannung VBB vom normalen Betriebsbereich auf GND ab, dann sinkt auch VA kontinuierlich auf GND. Dagegen sinkt die Spannung Vreg auf Vreg_ON ab, der anfänglichen Spannung des Spannungsreglers, und hält diesen Pegel auch wenn VBB weiter sinkt. Dadurch ist VA niedriger als Vreg und der Spannungsdetektor triggert das UVOV-Signal bei kleineren Werten von VBB. Falls VBB hohe Werte annimmt, wird VA durch die Spannungsklemmung auf Vclamp begrenzt während Vreg kontinuierlich entsprechend der Zunahme von VBB steigt. Da VA niedriger ist als Vreg wird das UVOV-Signal ebenfalls getriggert. Der UVOV-Erkennungspegel kann durch die Veränderung von Vshift und Vclamp eingestellt werden, ist aber von Vreg unabhängig. Dies ist entscheidend, da der Spannungsregler normalerweise auch zur Versorgung von anderen Schaltungen im High-Side-Schalter genutzt wird.
Ein detaillierter Schaltplan der vorgeschlagenen UVOV-Erkennungsschaltung ist in Bild 3 dargestellt.

Der Spannungsdetektor wird mit nur einem einzigen Transistor (M1) realisiert, dessen Gate und Source mit VA beziehungsweise Vreg verbunden ist. Damit triggert der Spannungsdetektor das UVOV-Signal, sobald bei einer Unter- oder Überspannung VA kleiner als Vreg ist. Außerdem ist M2 parallel zu M1 geschaltet. Dies ermöglicht eine Hysterese und daher eine Änderung des UVOV- Erken-nungsgrenzwerts entsprechend dem Status des UVOV-Signals. Der Pegelumsetzer besteht einfach aus einem Source-Folger mit einer Stromquelle aus einem Sperrschichttransistor (M4), wobei der Betriebsstrom durch den konstanten Spannungsabfall bestimmt wird. Die Spannungsklemmung besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Z-Dioden, D1-…-DN, die eine Stromquelle mit einem äußerst kleinen Strom bilden. Dadurch wird VA geklemmt bis VA ausreichend hoch ist, um alle Z-Dioden durchzuschalten. Der Spannungsregler funktioniert wie in Bild 2 beschrieben. Bevor DVR aufgrund einer zu geringen Spannung VBB schaltet, liefert der Ausgang des Spannungsreglers den konstanten Spannungspegel, |VTH| von M5. Die reduzierte Spannung von VBB steht dagegen erst zur Verfügung wenn DVR durchschaltet.

Bild 3: Schaltplan der vorgeschlagenen UVOV-Erkennungsschaltung.

Bild 3: Schaltplan der vorgeschlagenen UVOV-Erkennungsschaltung.Fairchild Semiconductor

Alle in Bild 3 beschriebenen Stromquellen werden mittels Sperrschicht-Transistoren implementiert, deren Gate und Source kurzgeschlossen ist.

Messergebnisse

Der Prototyp des intelligenten High-Side-Schalters wurde mit einem 5 µm BCDMOS-Prozess hergestellt. Sein Mikrodiagramm ist in Bild 4 zu sehen.

Bild 4: Foto des Muster-Chips.

Bild 4: Foto des Muster-Chips.Fairchild Semiconductor

Die vorgeschlagene UVOV-Erkennungsschaltung weist eine aktive Fläche von 0,0625 mm2 auf. Das Ausgangssignal schaltet den High-Side-Schalter ab, sobald VBB den vorgegebenen Arbeitsbereich verlässt.

Bild 5: Gemessene Spannung VON des High-Side-Schalters in Abhängigkeit von VBB.

Bild 5: Gemessene Spannung VON des High-Side-Schalters in Abhängigkeit von VBB.Fairchild Semiconductor

Bild 5 zeigt die gemessene Spannung VON, die Differenzspannung zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss des High-Side-Schalters, in Abhängigkeit von VBB. VON ist nahe null wenn der High-Side-Schalter eingeschaltet ist und nahe VBB wenn dieser auf Grund von Unter- oder Überspannung ausgeschaltet ist. Dabei kann VON wegen des endlichen Widerstands des High-Side-Schalters, normalerweise einige zig m?, nicht Null werden. Bei einer Unterspannung wird der High-Side-Schalter bei 3,85 V mit einer Hysterese von 650 mV abgeschaltet. Eine Überspannung wird bei 48,45 V mit einer Hysterese von 700 mV erkannt. Es wurden insgesamt 2000 unterschiedliche Muster getestet, um die Robustheit der Schaltung zu verifizieren. Die gemessenen UVOV-Erkennungspegel wurden in Bild 6 zusammengefasst.

Bild 6: Gemessener UVOV-Erkennungspegel.

Bild 6: Gemessener UVOV-Erkennungspegel.Fairchild Semiconductor

Dabei ist zu sehen, dass der UVOV-Erkennungspegel des Prototyps eine gute Verteilung aufweist und zwar mit einer Standardabweichung von rund 0,04 bei der Erkennung von Unterspannung und einer Standardabweichung von rund 0,42 bei der Erkennung von Überspannung. Die simulierte Stromaufnahme der Schaltung liegt bei 18,7 µA bei 12 V, bei 18,8 µA bei 24 V und bei 22,4 µA bei 60 V. Dies ist vernachlässigbar, da nur ein Transistor als Spannungsdetektor genutzt wird.

Fazit

Die in diesem Beitrag vorgestellte neuartige UVOV-Erkennungsschaltung benötigt nur einen einzigen Transistor als Spannungsdetektor. Der Prototyp erkennt eine Unterspannung bei einem Pegel von 3,85 V mit einer Hysterese von 650 mV und erkennt eine Überspannung bei 48,45 V mit einer Hysterese von 700 mV, wobei mit Hilfe der Simulation eine Stromaufnahme von 18,7 µA bei 12 V ermittelt wurde.