DE19527487C1

DE19527487C1 - Schaltungsanordnung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Stromüberwachungsschaltung für einen Leistungstransistor

Info

Publication number: DE19527487C1
Application number: DE19527487A
Authority: DE
Inventors: Kevin Scoones; Erich Bayer
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: US5892450A; JPH09222458A; JP4117917B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Stromüberwachungs schaltung für einen Leistungstransistor, der aus mehreren, parallelgeschalteten Einzeltransistoren besteht, durch die jeweils ein Bruchteil des gesamten, dem Leistungstransistor zugeführten Stromes fließt, wobei ein dem Strom durch einen der einzelnen Transistoren proportionales Überwachungssignal der Stromüberwachungsschaltun zugeführt wird, die ein Alarmsignal erzeugt, wenn dieses Überwachungssignal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Von der Firma Texas Instruments Incorporated wurde bereits eine integrierte Schaltung der obigen Art unter der Typenbe zeichnung TPIC0106 hergestellt und vertrieben, in der ein Leistungstransistor vorhanden ist, der einen durch einen Notor fließenden Strom steuert. Zur Überwachung des durch den Notor fließenden Stroms wird eine Stromüberwachungs schaltung verwendet, die einen Komparator enthält, der immer dann ein Überwachungssignal abgibt, wenn durch den Lei stungstransistor und damit durch den Motor fließende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Die Überprüfung die ser integrierten Schaltung, insbesondere der Stromüberwa chungsfunktion in dieser Schaltung, war erst nach Fertig stellung und im praktischen Einsatz im Betrieb mit den ho hen, tatsächlich durch den Motor fließenden Strömen möglich. Bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen ist es aber wünschenswert, in einem möglichst frühzeitigen Fer tigungsstadium, am besten noch vor dem Bonden und Kontaktie ren bereits die Funktionsfähigkeit zumindest von Teilen der Schaltung zu überprüfen. Bei diesen Überprüfungsvorgängen werden Prüfspitzen verwendet, die auf die später zu kontak tierenden Bondkontaktflächen der integrierten Halbleiter schaltung aufgesetzt werden und über die die Ströme und Steuersignale im Testbetrieb zugeführt werden. Die Überprü fung der Stromüberwachungsschaltung des Leistungstransistors bei der geschilderten bekannten Schaltung ist jedoch mit Hilfe der Prüfspitzen nicht möglich, da mit Prüfspitzen Ströme über 1A wegen der kleinen Kontaktflächen nicht zuge führt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die es erlaubt, die Funktionsfähigkeit einer Stromüberwachungs schaltung für einen Leistungstransistor bereits in der noch nicht gebondeten und kontaktierten integrierten Halbleiter schaltung zu überprüfen.

Die Schaltungsanordnung der eingangs geschilderten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeltransistoren in eine Gruppe mit einer geringen Anzahl von parallelgeschalteten Einzeltransistoren und eine Gruppe mit einer größeren Anzahl von parallelgeschalteten Einzel transistoren eingeteilt sind, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei der das Überwachungssignal liefernde Einzeltransistor der kleineren Gruppe angehört, und daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die in einer Überprüfungsbe triebsart, in der dem Leistungstransistor nur ein im Ver hältnis der Anzahl von Einzeltransistoren der beiden Gruppen herabgesetzter Strom zugeführt wird, die größere Gruppe der Einzeltransistoren in den gesperrten Zustand versetzt.

Bei Anwendung der Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltungs anordnung fließt in einer Überprüfungsbetriebsart durch die Stromüberwachungsschaltung genau der gleiche Strom wie im Normalbetrieb der fertigen Schaltung, so daß hinsichtlich der Überprüfungsbetriebsart und des Normalbetriebs kein Un terschied im Verhalten der Überwachungsschaltung vorliegt. Dies wird erreicht, obwohl in der Überprüfungsbetriebsart ein wesentlich kleinerer Strom durch den Leistungstransistor geschickt wird, so daß die üblichen Prüfspitzen und die vor handenen Testeinrichtungen für die Überprüfung angewendet werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungsanord nung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung von Fig. 1 mit einer detaillierten Darstellung des Leistungstransistors.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen Leistungstransistor, der, wie anschließend noch näher erläu tert, in der Praxis aus vielen einzelnen, parallelgeschalte ten Einzeltransistoren aufgebaut ist, zum Zweck der Erläute rung hier jedoch nur aus drei Einzeltransistoren T₁, T₂ und T_S besteht. Die aktive Fläche des Transistors T₂ ist dabei um ein Vielfaches größer als die des Transistors T₁, dessen aktive Fläche wiederum um ein Vielfaches größer als die ak tive Fläche des Transistors T_S ist.

Wie zu erkennen ist, enthält die Schaltungsanordnung von Fig. 1 auch eine Steuerschaltung S_T, die einen Eingang N und einen Eingang T aufweist. Mit Hilfe eines in der Steuer schaltung S_T vorhandenen Schalters, der mittels eines Si gnals am Eingang T zwischen einem geschlossenen und einem offenen Zustand umgeschaltet werden kann, ist es möglich, das dem Eingang N der Steuerschaltung zugeführte Steuersi gnal über die Leitung GL1 nur den Gate-Anschlüssen der Tran sistoren T_S und T₁ (offener Zustand des Schalters SW) oder den zusätzlich noch über die Leitung GL2 Gate-Anschlüssen aller drei Transistoren T_S, T₁ und T₂ gemeinsam zuzuführen (geschlossener Zustand des Schalters SW).

Mit Hilfe der Schaltungsanordnungen kann beispielsweise der durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten, mit dem Anschluß A verbundenen Verbraucher fließende Strom I unter Verwendung des dem Eingang N der Steuerschaltung ST zuge führten Signals eingeschaltet oder abgeschaltet werden. Der Schalter SW dient lediglich der Durchführung einer Überprü fungsbetriebsart, die anschließend noch näher erläutert wird.

Wie zu erkennen ist, ist in die Source-Leitung des Transi stors T_S ein Widerstand R_S eingefügt, und mit dem Verbin dungspunkt zwischen dem Source-Anschluß des Transistors T_S und dem Widerstand R_S ist ein Eingang eines Komparators K verbunden, der an seinem anderen Eingang eine Referenzspan nung V_ref empfängt. In dieser Schaltungsanordnung gibt der Komparator an seinem Ausgang B immer dann ein Alarmsignal ab, wenn der Spannungsabfall am Widerstand R_S die Referenz spannung V_ref überschreitet, was gleichzeitig bedeutet, daß der Strom, der durch den Transistor T_S und den Widerstand R_S fließt, über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.

Wie bereits erwähnt wurde, ist im Normalbetrieb der Schalter SW in der Steuerschaltung ST durch ein entsprechendes Signal am Eingang T geschlossen, so daß die drei Transistoren T_S, T₁ und T₂ parallelgeschaltet sind. Wenn nun an den Eingang N der Steuerschaltung ST ein Signal angelegt wird, das die drei Transistoren durchschaltet, dann kann durch den am An schluß A angeschlossenen, nicht dargestellten Verbraucher der Strom I_N über die Transistoren nach Masse fließen. Der Hauptteil des Verbraucherstroms, nämlich die Ströme I_1N und I_2N, fließt dabei durch die beiden Transistoren T₁ und T₂, während durch den Transistor T_S nur ein Bruchteil I_SN dieses Stroms fließt, weil seine aktive Fläche wesentlich kleiner als die aktiven Flächen der beiden anderen Transistoren T₁ und T₂ ist. Der Transistor T_S hat nur die Funktion eines Stromfühlers, der den Komparator K zur Abgabe des Alarmsi gnals veranlaßt, wenn der durch ihn fließende Strom I_SN ei nen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Da der Strom durch den Transistor T_S aufgrund der Parallelschaltung der Transistoren immer dem Strom durch die beiden anderen Tran sistoren proportional ist, läßt sich aus dem durch ihn flie ßenden Strom eine Aussage über den Gesamtstrom durch den Leistungstransistor ableiten.

Bei Herstellung der beschriebenen Schaltungsanordnung als Bestandteil einer integrierten Halbleiterschaltung ist es erwünscht, wenn bereits in einem möglichst frühen Ferti gungsstadium überprüft werden kann, ob die Stromüberwa chungsschaltung, die aus dem Transistor T_S, dem Widerstand R_S und dem Komparator K besteht, auch tatsächlich bei dem gewünschten Schwellenwert des Stroms, der durch den Transi stor T_S und den Widerstand R_S fließt, das Alarmsignal ab gibt. Solange die integrierte Schaltung nicht gebondet und kontaktiert ist, kann das Überprüfen nur mit Hilfe von Prüf spitzen durchgeführt werden, die zur Zuleitung der entspre chenden Ströme und Spannungen auf die Bondflächen der inte grierten Schaltung aufgesetzt werden. Dabei müssen die zuge führten Ströme auf Werte unter 1A begrenzt werden, da grö ßere Ströme zu Störungen an den Prüfspitzen und/oder den Bondkontaktflächen führen würden. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht es, die Funktionsfähigkeit der Stromüberwachungsschaltung zu prüfen, auch wenn der dem Anschluß A zugeführte Strom wesentlich kleiner als der Strom ist, der im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung durch den Leistungstransistor fließt.

Zur Durchführung des Überprüfungsvorgangs wird mit Hilfe eines Steuersignals am Eingang T der Steuerschaltung ST der Schalter SW in den offenen Zustand versetzt. Dies führt da zu, daß der Transistor T₂ gesperrt wird, so daß kein Strom mehr durch ihn hindurchfließen kann. Es sei nun angenommen, daß die aktiven Flächen der Transistoren T₂, T₁ und T_S sich wie 90 : 9 : 1 verhalten. Wenn nun der über Prüfspitzen dem Anschluß A zugeführte Strom im Verhältnis der Summen aller aktiven Flächen zur Summe der aktiven Flächen der Transisto ren T_S und T₁ herabgesetzt wird, also allgemein gilt:

mit:

F_S: aktive Fläche des Transistors T_S
F₁: aktive Fläche des Transistors T₁
F₂: aktive Fläche des Transistors T₂
I_N: im Normalbetrieb fließender Strom
I_T: im Überprüfungsbetrieb fließender Strom

dann ist der durch den als Stromfühler dienenden Transistor T_S fließende Strom I_ST ebenso groß wie der im Normalbetrieb fließende Strom I_SN. Auch der durch den Transistor T₁ flie ßende Strom I_1N bzw. I_1S ist in beiden Betriebsarten gleich.

Durch eine geringfügige Änderung des dem Anschluß A zuge führten Stroms kann nun geprüft werden, ob am Ausgang B des Komparators K das Alarmsignal abgegeben wird, wenn der Strom durch den Transistor T_S den vorgegebenen Schwellenwert über schreitet, oder aber nicht abgegeben wird, wenn der Schwel lenwert unterschritten wird.

Im Überprüfungsbetrieb ist auch ein Teil des Leistungstran sistors aktiv, der in Fig. 1 durch den Transistor T₁ reprä sentiert ist, was die Genauigkeit der Überprüfung des Kompa rators erhöht, da auf den Leistungstransistor zurückzufüh rende Einflüsse mit in den Überprüfungsvorgang einbezogen werden. Eine genaue Erläuterung dieser Einflüsse erfolgt im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 2.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Leistungstransistor aus einer große Anzahl von gleich großen Einzeltransistoren T_S, T_1.1 bis T_1.9 und T_2.1,1 bis T_2.9,9 besteht, deren Source- und Drain-Anschlüsse an eine gemeinsame Source-Leitung S bzw. eine gemeinsame Drain-Leitung D angeschlossen sind. Die Gate-Anschlüsse einer ersten Gruppe von Einzeltransistoren T_1.1 bis T_1.9, die in Fig. 2 mit dicker Linie dargestellt sind, sind mit einer gemeinsamen Gate-Leitung GL1 verbunden, und die Gate-Anschlüsse einer zweiten Gruppe von Einzeltran sistoren T_2.1,1 bis T_2.9,9 sind mit einer gemeinsamen Gate- Leitung GL2 verbunden. Die entsprechenden Leitungen sind auch in Fig. 1 zu erkennen.

Der in der Praxis beispielsweise aus 100 Einzeltransistoren mit gleichen aktiven Flächen aufgebaute Leistungstransistor kann so eingeteilt sein, daß 90 Einzeltransistoren parallel geschaltet sind und somit den in Fig. 1 mit T₂ bezeichneten Transistor bilden, während 10 Einzeltransistoren zu einer Gruppe parallelgeschaltet sind, von denen neun den Transi stor T₁ von Fig. 1 bilden, während der 10. Einzeltransistor den Stromfühlertransistor T_S bildet.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, daß die die kleinere Gruppe bildenden Einzeltransistoren T_1.1 bis T_1.9 möglichst aus Transistoren bestehen, die gleichmäßig über die gesamte Fläche des Halbleitersubstrats verteilt sind, auf dem der Leistungstransistor gebildet ist. Auf diese Weise werden Streuungen, die sowohl hinsichtlich der Dotierung der akti ven Zonen der Einzeltransistoren als auch hinsichtlich der geometrischen Größe dieser Einzeltransistoren vorhanden sein können, bestmöglich kompensiert.

Wenn im konkreten Fall angenommen wird, daß im Normalbetrieb ein Strom I_N von 10A durch den Leistungstransistor fließen soll, dann fließt durch jeden der Einzeltransistoren der gleiche Bruchteil dieses Stroms, nämlich ein Strom I_T von 100 mA. Der Komparator K erhält dann eine solche Referenz spannung V_ref, daß er immer dann das Alarmsignal abgibt, wenn durch den Transistor T_S ein Strom I_ST fließt, der den Wert 100 mA überschreitet. Wenn der Komparator K überprüft werden soll, wird, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 be schrieben wurde, mit Hilfe der Steuerschaltung ST die größe re Gruppe G2 der Einzeltransistoren gesperrt, und es wird nur noch ein Strom von 1A über Prüfspitzen zugeführt, der sich dann so aufteilt, daß durch die in dieser Überprüfungs betriebsart noch leitenden Transistoren jeweils ein Strom von 100 mA fließt. Auf diese Weise kann das Ansprechen des Komparators K beim gleichen Stromwert I_ST wie im Normalbe trieb geprüft werden, obwohl über die Prüfspitzen der zu testenden Schaltung nur noch der auf 1A reduzierte Strom zugeführt werden muß, was mit den Prüfspitzen ohne Probleme möglich ist.

Die beschriebene Schaltungsanordnung enthält zwar einen aus vielen einzelnen DMOS-Feldeffekttransistoren aufgebauten Leistungstransistor, doch kann sie ohne weiteres auch mit anderen Typen von Transistoren verwirklicht werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit einer Stromüberwachungsschaltung für einen Leistungstransi stor, der aus mehreren, parallelgeschalteten Einzeltransi storen besteht, durch die jeweils ein Bruchteil des gesam ten, dem Leistungstransistor zugeführten Stroms fließt, wo bei ein dem Strom durch einen der einzelnen Transistoren proportionales Überwachungssignal der Stromüberwachungs schaltung zugeführt wird, die ein Alarmsignal erzeugt, wenn dieses Überwachungssignal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeltran sistoren in eine Gruppe mit einer geringen Anzahl von parallelgeschalteten Einzeltransistoren (T_1.1-T_1.9) und eine Gruppe mit einer größeren Anzahl von parallelgeschalte ten Einzeltransistoren (T_2.1,1-T_2.9,9) eingeteilt sind, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei der das Überwachungssignal liefernde Einzeltransistor (T_S) der kleineren Gruppe angehört, und daß eine Steuerschaltung (ST) vorgesehen ist, die in einer Überprüfungsbetriebsart, in der dem Leistungstransistor (T_S, T₁, T₂) nur ein im Verhältnis der Anzahl von Einzeltransistoren der beiden Gruppen herab gesetzter Strom (I_T) zugeführt wird, die größere Gruppe der Einzeltransistoren in den gesperrten Zustand versetzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß Einzeltransistoren des Leistungstransistors auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats gebildet sind und daß die Einzeltransistoren beider Gruppen regelmäßig über die Fläche verteilt sind, auf der der Leistungstransistor gebil det ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stromüberwachungsschaltung einen Kom parator (K) enthält, der an einem Eingang das dem Strom durch einen der Einzeltransistoren proportionale Überwa chungssignal und an einem zweiten Eingang ein Referenzsignal (V_ref) empfängt, wobei das Alarmsignal durch Vergleich des Überwachungssignals mit dem Referenzsignal erzeugt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß in eine stromführende Zu leitung des zur Erzeugung des Überwachungssignals verwende ten Einzeltransistors ein Widerstand (R_S) eingefügt ist, und daß das Überwachungssignal der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist.