DE60107228T2

DE60107228T2 - Auf einem chip aufgebrachte stromquelle

Info

Publication number: DE60107228T2
Application number: DE60107228T
Authority: DE
Inventors: C. Johan HALBERSTADT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: ATE282903T1; DE60107228D1; WO2001078222A1; JP2003530645A; US20010048296A1; US6504352B2; KR100791654B1; KR20020023230A; EP1275195B1; EP1275195A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine chipintegrierte Stromquelle, um eine Hochspannungseingangsleistung in einen Ausgangsstrom zur Speisung einer Niederspannungsschaltung umzuwandeln, wobei die Stromquelle einen MOS-Transistor mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem Hochspannungseingang verbunden ist, einem zweiten Anschluss, welcher bei Betrieb einen Ausgangsstrom an einen Stromausgangsanschluss abgibt, und einem Gate aufweist, wobei die Stromquelle weiterhin Vorspannungsstrom erzeugende Mittel aufweist, welche mit dem Hochspannungseingang verbunden und vorgesehen sind, um bei Betrieb einen geringen Vorspannungsstrom für das Gate zu erzeugen, wobei das Gate weiterhin mit einem Ausgang von Spannungskomparatormitteln verbunden ist, wobei die Spannungskomparatormittel vorgesehen sind, um eine, durch den Ausgangsstrom über Spannungssensormittel vorgesehene, abgefragte Spannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen und an dem Komparatorausgang eine, auf der Differenz zwischen der abgefragten Spannung und der Referenzspannung basierende Regelspannung für das Gate abzugeben.
Eine Stromquelle der oben beschriebenen An wird normalerweise als eine chipintegrierte Stromquelle zur Speisung einer Niederspannungsschaltung aus einer Hochspannungsquelle verwendet. Ein Nachteil dieser bekannten Stromquellen ist deren relativ geringe Ausgangsimpedanz. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Ausgangsstrom bei einer maximalen Ausgangsspannung auf Null reduziert wird.
US-A-S 815 383 offenbart einen, ein Schaltnetzteil (SMPS) aufweisenden, integrierten Hochspannungs-Start-up-Schaltkreis (IC) mit Ausgangsspannungsabfragung und Ausgangsstrombegrenzung. Das Hochspannungs-Start-up-IC ermöglicht niederspannungsimpulsbreitenmodulierten-(PWM)-Steuer-ICs, dass diese direkt aus gleichgerichteten Wechselstromleitungen bis 450 VDC gespeist werden. Das Hochspannungs-Start-up-IC erlaubt PWM-Steuer-ICs eine Inbetriebsetzung mit einem anfänglichen Schwellwert, welcher höher als die Betriebsspannung ist. Die Ausgangsspannung wird intern überwacht, so dass sich der eingebaute Hochspannungsschalter abschaltet, sobald die Ausgangsspannung unter eine intern eingestellte Auslösepunktspannung (Voff) abfällt. Der eingebaute Hoch spannungsschalter bleibt ausgeschaltet, und es wird eine externe Hilfsspannung erzeugt und an die Ausgangsspannung angelegt. Falls die Ausgangsspannung unter eine niedrigere, eingestellte Auslösepunktspannung (Vreset) fallen sollte, wird der eingebaute Hochspannungsschalter wieder in den eingeschalteten Zustand zurückversetzt. Dadurch ist eine Rücksetzung des Start-up-Schaltkreises möglich, wenn durch die Hilfsspannung des PWM-Steuer-ICs kein ordnungsgemäßes Einschalten erfolgt.
Der Erfindung liegt unter anderem als Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Stromquelle zum chipinternen Einsatz mit einem höheren Ausgangsimpedanz- und/oder höheren Ausgangsspannungsbereich im Vergleich zu dem herkömmlichen Stromkreis vorzusehen. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine Stromquelle vor, wie in den Nebenansprüchen definiert. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – eine schematische Darstellung eines Beispiels einer chipintegrierten Stromquelle gemäß dem Stand der Technik, wie in Philips Semiconductors IC TEA 1402 verwendet; sowie
2 – eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer chipintegrierten Stromquelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen, chipintegrierten Stromkreises zur Speisung eines integrierten Niederspannungsschaltkreises aus einer Hochspannungsquelle. Mit dem Drain D eines MOS-Transistors T₁ ist ein Hochspannungseingangsanschluss HV verbunden. Die Source S von Transistor T₁ ist mit einem Stromausgangsanschluss verbunden, welcher ebenfalls eine Ausgangsspannung V_out abgibt. Ein Ausgangsstrom I_out wird von der Source von Transistor T₁ über einen Widerstand R_sense an den Ausgangsanschluss abgegeben. Der Hochspannungseingang HV ist weiterhin mit dem Drain eines Transistors T₂ verbunden. Ein Gate g von Transistor T₂ ist mit der Referenzspannung, in diesem Beispiel Erde, verbunden. Die Source von Transistor T₂ ist mit dem Gate von MOS-Transistor T₁ verbunden und gibt an das Gate einen geringen Vorspannungsstrom I_bias ab, so dass die Gate-Source-Spannung von Transistor T₁ erhöht werden kann.
Es ist eine Rückkopplungsschleife mit einem Spannungskomparator vorgesehen, welcher bei Betrieb die Spannung an Widerstand R_sense mit einer Referenzspannung vergleicht. In dem gezeigten Beispiel ist der Spannungskomparator durch einen Verstärker A₁ und die Referenzspannung durch die Basis-Emitter-Spannung eines npn-Transistors T₃ dargestellt. Der Ausgang von Verstärker A₁ regelt die Gate-Source-Spannung V_gsl von Transistor T₁, wodurch ebenfalls der Ausgangsstrom I_out geregelt wird.
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Stromkreises gemäß der vorliegenden Erfindung. Obgleich der Unterschied zwischen dem Stromkreis von 1 und dem Stromkreis von 2 anscheinend nur geringfügig ist, sind die Resultate in der Tat von großer Bedeutung. Der erfinderische Stromkreis weist im Vergleich zu dem bekannten Stromleis von 1 einen wesentlich höheren Ausgangsimpedanz- und Ausgangsspannungsbereich auf.
In 2 wurden für ähnliche Merkmale die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Der in 2 dargestellte, erfinderische Stromkreis weist erneut einen MOS-Transistor T₁ auf, welcher bei Betrieb einen Ausgangsstrom I_out über einen Abtastwiderstand R_sense abgibt. Ebenfalls sind eine Rückkopplungsschleife mit einem Verstärker A₁ und ein Transistor T₂, welcher bei Betrieb einen Vorspannungsstrom I_bias an das Gate von Transistor T₁ abgibt, vorgesehen. Der Stromkreis von 2 unterscheidet sich von dem Stromkreis von 1 in der Tat lediglich dadurch, dass in dem Stromkreis von 2 das Gate g von Transistor T₂ durch einen Leiter C mit Knotenpunkt a verbunden ist, der das von dem Ausgangsanschluss abgewandte Ende von Rsense darstellt. Jedoch kann als Alternative das Gate von Transistor T₂ mit dem anderen Ende von Rsense, d.h. in 2 mit dem Ausgangsanschluss Q, verbunden sein. Ein wesentlicher Vorteil, das Gate von Transistor T₂ mit Knotenpunkt a statt mit dem anderen Ende von Rsense zu verbinden, ist, dass bei dem vorhergehenden Stromkreis der Gatestrom Ig₂ ebenfalls von R_sense gemessen und somit von der Rückkopplungsschleife berücksichtigt wird.
Bei dem herkömmlichen Stromkreis von 1 weist Transistor T₂ eine Ausgangscharakteristik auf, welche einer Reihenschaltung von einem Widerstand und einer Spannungsquelle Vt₂ ziemlich gleicht, wobei Vt₂ die Schwellenspannung von Transistor T₂ darstellt. Abweichungen bei V_out resultieren auf Grund der Ausgangscharakteristik von Transistor T₂ in Abweichungen von I_bias· I_out weicht dann ebenfalls ab. Bei dem erfinderischen Stromkreis von 2 wird insofern ein bedeutender Vorteil erreicht, als I_bias nicht von V_out abhängig ist, solange Vt₂ konstant ist. Infolgedessen wird die Ausgangsimpedanz des Stromkreises auf ein wesentliches Maß erhöht. Es sei erwähnt, dass dieses Ergebnis ohne Verwendung zusätzlicher Komponenten erreicht wird. In Verbindung mit Vt₂ wird beobachtet, dass bei Transistoren eines integrierten Schaltkreises oftmals ein Gate eines parasitären MOS-Transistors in Transistor T₂ vorhanden ist. Ein solches Gate wird im Allgemeinen als hinteres Gate bezeichnet und ist mit Erde verbunden. Dieses hintere Gate moduliert bei Betrieb die Schwellenspannung Vt₂.
Sollte ein Parameter K als das Verhältnis einer Änderung der Schwellenspannung Vt₂ bei einer vorgegebenen Änderung der Gatespannung V₉₂, d.h. K=dVt₂/dV₉₂, definiert werden, kann dieser durch geeignete Berechnungen, dass sich die Ausgangsimpedanz des erfinderischen Stromkreises im Vergleich zu der Ausgangsimpedanz des herkömmlichen Stromkreises durch den Faktor K unterscheidet, bestimmt werden. Wenn nun K sehr klein ist, begrenzen andere Einflüsse, wie z.B. die Ausgangsimpedanz von Transistor T₁, die tatsächliche Ausgangsimpedanz.
Die Folge davon ist somit, dass die Ausgangsimpedanz des erfinderischen Stromkreises nur durch parasitäre (zweiter Ordnung) Einflüsse begrenzt wird und daher sehr groß sein kann.
Es sei erwähnt, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die Erfindung erläutern, nicht jedoch beschränken, und dass Fachkundige in der Lage sind, viele alternative Ausführungsbeispiele vorzusehen, ohne dabei von dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. In den Ansprüchen sind zwischen Klammern gesetzte Bezugszeichen nicht als Beschränkung des Anspruchs auszulegen. Das Wort „aufweisen" schließt nicht das Vorhandensein anderer Elemente als die in einem Anspruch aufgeführten aus. Das Wort „ein" vor einem Element schließt nicht das Vorhandensein mehrerer solcher Elemente aus.

Claims

Chipintegrierte Stromquelle, um eine Hochspannungseingangsleistung in einen Ausgangsstrom zur Speisung einer Niederspannungsschaltung umzuwandeln, wobei die Stromquelle aufweist: einen MOS-Transistor (T₁) mit einem ersten Anschluss (D), welcher mit einem Hochspannungseingang (HV) verbunden ist, einem zweiten Anschluss (S) zur Abgabe eines Ausgangsstroms (I_out) an einen Stromausgangsanschluss (Q und einem Gate, Vorspannungsstrom erzeugende Mittel (T₂) , welche mit dem Hochspannungseingang (HV) verbunden sind, um einen geringen Vorspannungsstrom (I_bias) für das Gate (G) zu erzeugen, Spannungskomparatormittel (A₁) um eine, durch den Ausgangsstrom (I_out) über einen Spannungssensor (R_sense) vorgesehene, abgefragte Spannung (V_sense) mit einer Referenzspannung zu vergleichen und an einem Komparatorausgang (Q1) eine, auf der Differenz zwischen der abgefragten Spannung (V_sense) und der Referenzspannung basierende Regelspannung für das Gate (G) abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsstrom erzeugenden Mittel einen Transistor (T₂) mit einer Gateelektrode (g) aufweisen, welche an einen der Knotenpunkte des Spannungssensors (R_sense) gekoppelt ist.
Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (g) der Vorspannungsstrom erzeugenden Mittel (T₂) an einem, von dem Stromausgang (Q) abgewandten Knotenpunkt (a) an den Spannungssensor (R_sense) gekoppelt ist.
Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (g) der Vorspannungsstrom erzeugenden Mittel (T₂) an den Stromausgang (Q) gekoppelt ist.
Integrierter Schaltkreis, gekennzeichnet durch eine Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3.