VERSORGUNGSSPANNUNGS-INDUZIERTEN SCHWINGUNGEN IM EINGANGSKREIS EINES GLEICHSPANNUNGSWANDLERS

GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und ein Verfahren zur Dämpfung/Vermeidung von Versorgungsspannungs-induzierten Schwingungen in einem Eingangskreis eines Gleichspannungswandlers während einer Stoßspannungs-Robustheitsprüfung

HINTERGRUND

[0002] Die DIN EN 61000-4-5 fordert eine Prüfung und den Beweis der Robustheit elektrischer Geräte gegen Stoßspannungen (Surge) aus dem versorgenden Netz. In Fig. 1 ist dazu das Schaltbild eines beispielhaften Prüfaufbaus (gemäß dem Stand der Technik) für Stoßspannungsprüfungen dargestellt. Die erzeugten Stoßspannungsamplituden liegen dabei typischerweise zwischen 0,5 kV und 6 kV.

[0003] Der für die Prüfung verwendete Surge-Generator weist interne Entkoppelungsinduktivitäten auf, die dem Schutz der Prüfeinrichtung dienen und dafür sorgen, dass die Stoßspannungsenergie in Richtung Prüfling (DUT, „device under test") konzentriert wird. In Verbindung mit dem negativen differenziellen Eingangswiderstand und der Eingangskapazität eines Gleichspannungswandlers können dadurch Schwingungen angeregt werden, die die Prüfung erschweren bzw. den Prüfling während der Prüfung beschädigen.

ZUSAMMENFASSUNG

[0004] Die Erfindung bereichert diesbezüglich den Stand der Technik, als erfindungsgemäße Schaltungen einen Eingangskreis umfassen, welcher bei der Prüfung entstehende Schwingungen hinreichend dämpft, indem der Widerstand eines im Eingangskreis angeordneten Halbleiterelements beim Auftreten von Spannungsschwankungen temporär erhöht wird. [0005] Bspw. kann die spannungsabhängige Abschnüreigenschaft eines Verpolungsschutz-Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistors

(Verpolungsschutz-MOSFETs) genutzt werden, indem der Durchgangswiderstand des MOSFETs während einer Aufschwingphase temporär so erhöht wird, dass der Schwingkreis (bestehend aus Entkoppelungsinduktivitäten des Surge-Generators, Eingangskapazität und negativem Eingangswiderstand des Gleichspannungswandlers) bedämpft wird. Das Maß der Dämpfung kann zudem durch das Hinzufügen von Widerständen und Kondensatoren an die zu erwartende Schwingungsamplitude und an die zu erwartende Frequenz angepasst werden.

[0006] Damit ist eine Prüfung nach DIN EN 61000-4-5 möglich, ohne den Testaufbau wesentlich zu ändern und ohne einen Eingriff bzw. eine Veränderung des Produkts vornehmen und insbesondere ohne Einschränkungen hinsichtlich der Betriebsbedingungen hinnehmen zu müssen.

[0007] Eine erfindungsgemäße Schaltung umfasst einen Gleichspannungswandler und einen dem Gleichspannungswandler vorgeschalteten Eingangskreis, welcher einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss zum Anschluss an eine Spannungsversorgung und einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss zum Anschluss an den Gleichspannungswandler aufweist.

[0008] Der Eingangskreis weist zwischen dem ersten und dritten Anschluss ein Halbleiterelement auf, wobei ein erster Bauelemente-Anschluss des Halbleiterelements zumindest über einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator an einen zweiten Bauelemente-Anschluss des Halbleiterelements angeschlossen ist und ein Widerstand des Halbleiterelements über eine Spannung zwischen dem ersten Bauelemente- Anschluss und dem zweiten Bauelemente-Anschluss steuerbar ist.

[0009] Dabei ist unter dem Begriff „Halbleiterelement", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein elektronisches Bauelement zu verstehen, welches zumindest teilweise aus Halbleitermaterial hergestellt ist. Ferner ist unter dem Begriff „Gleichspannungswandler", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Schaltung zu verstehen, die eine zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt.

[0010] Vorzugsweise ist das Halbleiterelement als Feldeffekttransistor, FET, und vorzugsweise als Verpolungsschutz-Halbleiterschalter ausgebildet.

[0011] Dabei ist unter dem Begriff „Verpolungsschutz-Halbleiterschalter", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Halbleiterelement zu verstehen, welches bei Anlegen einer elektrischen Spannung falscher Polarität an die Schaltung den Stromkreis unterbricht.

[0012] Vorzugsweise ist ein Gate-Anschluss des FETs an einen ersten Bauelemente-Anschluss des ersten Kondensators angeschlossen und über einen Widerstand einer zum ersten Kondensator parallel geschalteten Spannungsteilerschaltung mit dem Source-Anschluss des FETs verbunden, sind ein zweiter Bauelemente-Anschluss des ersten Kondensators und ein zweiter Bauelemente-Anschluss eines zweiten Kondensators an dem zweiten Anschluss angeschlossen und ist ein Source-Anschluss des FETs an einen ersten Bauelemente-Anschluss des zweiten Kondensators angeschlossen..

[0013] Vorzugsweise ist der FET als Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor, MOSFET, ausgebildet.

[0014] Vorzugsweise ist der erste Anschluss an einem ersten Pol des Stoßspannungs-Generators und der zweite Anschluss an einem zweiten Pol des Stoßspannungs-Generators, welcher Entkopplungs-Induktivitäten aufweist, angeschlossen.

[0015] Vorzugsweise sind der erste und zweite Kondensator ausgebildet, eine durch Anlegen einer Spannung an den Gleichspannungswandler erzeugte Schwingung in einem die Entkopplungs-Induktivitäten umfassenden Schwingkreis durch spannungsschwankungsabhängiges Erhöhen eines Widerstands des Halbleiterelements zu dämpfen, wobei die Dämpfung ausgelegt ist, eine Unterspannungsabschaltung des Gleichspannungswandlers und/oder eine Überlast an einer Eingangsschutzdiode zu vermeiden.

[0016] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Prüfung einer Schaltung auf Robustheit gegen Stoßspannungen umfasst ein Anlegen einer Spannung an einen Eingangskreis der Schaltung, wobei der Eingangskreis ein Halbleiterelement aufweist, und ein Dämpfen einer durch das Anlegen der Spannung im Eingangskreis erzeugten Schwingung, welche im Eingangskreis eine Spannungsschwankung verursacht, wobei das Dämpfen ein durch die Spannungsschwankung gesteuertes Erhöhen eines Widerstandes des Halbleiterelements umfasst.

[0017] Vorzugsweise ist das Halbleiterelement als Feldeffekttransistor, FET, und besonders vorzugsweise als Verpolungsschutz-Halbleiterschalter ausgebildet.

[0018] Vorzugsweise umfasst das durch die Spannungsschwankung gesteuerte Erhöhen des Widerstandes ein spannungsschwankungsabhängiges Reduzieren einer am FET anliegenden Gate-Source-Spannung, welches ein zeitliches Verzögern eines Abfallens eines Gate-Potenzials bewirkt.

[0019] Vorzugsweise ist ein Drain-Anschluss des FETs an einen ersten Pol einer Spannungsquelle angeschlossen und ein Gate-Anschluss des FETs über einen Kondensator mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle verbunden, wobei das zeitliche Verzögern des Abfallens des Gate-Potenzials durch ein Aufladen/ Entladen des Kondensators über einen Widerstand bewirkt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0020] Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines beispielhaften Prüfaufbaus (gemäß dem Stand der Technik) für eine Stoßspannungsprüfung; Fig. 2 ein Schaltbild eines einem Gleichspannungswandler vorschaltbaren Eingangskreises mit einem Verpolungsschutz und einem Filter für leitungsgebundene Störaussendung (gemäß dem Stand der Technik);

Fig. 3 während einer Stoßspannungsprüfung im Eingangskreis der Fig. 2 auftretende Schwingungen;

Fig. 4 einen einem Gleichspannungswandler vorschaltbaren Eingangskreis zur Dämpfung/Vermeidung der Schwingungen;

Fig. 5 während eines Robustheitstest im Eingangskreis der Fig. 4 und am Ausgang eines dem Eingangskreis nachgeschalteten Gleichspannungswandlers auftretende Spannungen;

Fig. 6 einen im Vergleich zu dem in Fig. 4 gezeigten Eingangskreis abgewandelten Eingangskreis;

Fig. 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Robustheitsprüfung einer Schaltung, die einen Gleichspannungswandler aufweist, zeigt.

[0021] Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0022] Fig. 2 illustriert schematisch eine mögliche Ausgestaltung eines Eingangskreises 12 eines Gleichspannungswandlers (nicht gezeigt). Der Eingangskreis 12 umfasst einen ersten Anschluss 14 und einen zweiten Anschluss 16 zum Anschluss an eine Spannungsversorgung (bspw. 24 V). Der Eingangskreis 12 umfasst ferner einen dritten Anschluss 18 und einen vierten Anschluss 20 zum Anschluss an den Gleichspannungswandler. Der erste Anschluss 14 ist über den Drain-Anschluss 22b und den Source-Anschluss 22a eines Halbleiterelements 22 (FET bzw. Verpolungsschutz-MOSFET) mit dem dritten Anschluss 18 verbunden. [0023] Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Gate-Anschluss 22c über die Spannungsteilerschaltung 24 an den ersten Anschluss 14 und an den zweiten Anschluss 16 angeschlossen, so dass das Gate-Potenzial (im quasistationären Betrieb) zwischen dem Potenzial am ersten Anschluss 14 und dem Potenzial am zweiten Anschluss 16 (und somit zwischen dem Source-Potenzial und dem Ground-Potenzial) liegt. Ist die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss 14 und dem zweiten Anschluss 16 ausreichend hoch, wird der Kanal zwischen dem Source-Anschluss 22a und dem Drain-Anschluss 22b leitend. Bei falscher Polung des ersten Anschluss 14 und des zweiten Anschluss 16, wird der Stromfluss durch den Kanal und die Diode 26 hingegen unterbunden. Zudem ist zwischen dem ersten Anschluss 14 und dem zweiten Anschluss 16 zur Begrenzung der Eingangsspannung eine Eingangsschutzdiodenschaltung angeordnet, welche bspw., wie in Fig. 2 gezeigt, zwei antiseriell verschaltete Zenerdioden umfassen kann.

[0024] Fig.3 zeigt ein zu dem in Fig. 2 gezeigten Eingangskreis 12 und einem an den Eingangskreis 12 angeschlossenen Gleichspannungswandler (nicht gezeigt) passendes Anlaufverhalten bei Durchführung einer Stoßspannungsprüfung. Nach dem Einschalten der versorgenden Prüfspannung (Eingangsspannung des Eingangskreises 10) 28 taktet der Gleichspannungswandler ab einer Eingangsspannung 30 von 18 V die Ausgangsspannung 32 von o V auf 5 V hoch.

[0025] Aufgrund der Entkoppelungsinduktivitäten im Stoßspannungsgenerator 10, der Kapazitäten im Eingangskreis 12 und des negativen Eingangswiderstands des Gleichspannungswandlers ist ein Aufschwingen der Eingangsspannung 30 zu beobachten. In der negativen Halbwelle der Schwingungsamplitude fällt die Eingangsspannung 30 unter 12V und damit unter die Unterspannungsabschaltungsschwelle des Gleichspannungswandlers. In Folge dessen bricht die Ausgangsspannung 32 des Gleichspannungswandlers ein und die Prüfung kann nicht fortgesetzt werden.

[0026] Ein modifizierter Eingangskreis 34 zur Dämpfung/Vermeidung solcher Schwingungen ist in Fig. 4 gezeigt. Der Eingangskreis 34 weist, wie der in Fig. 2 gezeigte Eingangskreis 12, einen ersten Anschluss 14 und einen zweiten Anschluss 16 zum Anschluss an eine Spannungsversorgung und einen dritten Anschluss 18 und einen vierten Anschluss 20 zum Anschluss an den Gleichspannungswandler (nicht gezeigt) auf.

[0027] Der erste Anschluss 14 ist, wie in Fig. 2, über den Drain-Anschluss 22b und den Source-Anschluss 22a eines Verpolungsschutz-MOSFETs 22 mit dem dritten Anschluss 18 verbunden. Ebenso ist der Gate-Anschluss 22c über die Spannungsteilerschaltung 24 an den ersten Anschluss 14 und an den zweiten Anschluss 16 angeschlossen, so dass das Gate-Potenzial 42 (im quasistationären Betrieb) zwischen dem Potenzial am ersten Anschluss 14 und dem Potenzial am zweiten Anschluss 16 (und somit zwischen dem Source- Potenzial 40 und dem Ground-Potenzial) liegt.

[0028] Jedoch ist der modifizierte Eingangskreis 34 im Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Eingangskreis 12 um zwei Kondensatoren erweitert, einen ersten Kondensator 36 zwischen dem Gate-Anschluss 22c und dem zweiten Abschluss 16 und einen zweiten Kondensator 38 zwischen dem Source- Anschluss 22a und dem zweiten Anschluss 16. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Gate- Anschluss 22c des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 somit über den ersten Kondensator 36 und den zweiten Kondensator 38 mit dem Source-Anschluss 22a des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 verbunden. Dadurch wird über die Kondensatoren 36, 38 zwischen dem Source-Anschluss 22a und dem Gate- Anschluss 22c ein zusätzlicher„Entladepfad" erzeugt.

[0029] Wie in Fig. 5 gezeigt, sinkt beim Übergang der Schwingungsamplitude von der positiven in die negative Halbwelle das Source-Potenzial 40. Jedoch wird das ebenfalls sinkende Gate- Potenzial 42 durch den zu entladenden ersten Kondensator 36 gestützt, wodurch das Gate- Potenzial 42 in Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Eingangskreis 12 langsamer abfällt.

[0030] Anders ausgedrückt, wird der Spannungsabfall an dem Widerstand R2 der Spannungsteilerschaltung 24 durch die Zeitkonstante Ri*Ci verzögert, wodurch der Spannungsabfall an Ri beschleunigt wird. Fällt z. B. die Eingangsspannung 30 innerhalb von einer Millisekunde um 5 V ab,„sieht" R2 in der gleichen Zeit einen Spannungsabfall von 1,8 V. Der Spannungsabfall an Ri beträgt dann: Ri=5V-i,8V=3,2V.

[0031] Wenn die Source-Gate-Spannung ursprünglich 5V betrug, so beträgt sie durch das Sinken der Eingangsspannung 30 nur noch 5 V-3,2 V = 1,8 V. Dadurch ist die Drain-Source Strecke deutlich hochohmiger geworden. Beim Übergang der Schwingungsamplitude von der positiven in die negative Halbwelle fällt die Source-Gate-Spannung 44 des Verpolungsschutz-MOSFETs 22, wie in Fig. 5 gezeigt, somit annähernd mit der gleichen Steilheit wie die Eingangsspannung 30.

[0032] Dadurch wird die Source-Gate-Spannung reduziert und der Durchgangswiderstand des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 zwischen dem Source-Anschluss 22a und dem Drain-Anschluss 22b erhöht. Durch das Erhöhen des Durchgangswiderstands des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 wird der Abfall des Source-Potenzials gebremst, in Folge dessen sich die Source- Gate-Spannung 44 wieder stabilisiert.

[0033] Dies bewirkt, dass sich der Durchgangswiderstand wieder reduziert und das Source-Potenzial erneut fällt. In Fig. 5 ist dieses Verhalten an den welligen Abschnitten der Eingangsspannung 30 und der Source-Gate-Spannung 44 zu erkennen, die anzeigen, ab wann das Abschnürverhalten des Verpolungsschutz- MOSFETs 22 einsetzt (bzw. endet).

[0034] Der Durchgangswiderstand des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 wirkt in diesem Bereich als ein Dämpfungswiderstand in dem LC-Schwingkreis. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel reicht die Dämpfung dabei aus, um die negative Halbwelle der Eingangsspannung 30 über 20 V zu halten. Damit bleibt die Eingangsspannung 30 des Gleichspannungswandlers über der Unterspannungsabschaltungsschwelle von 12 V, und die Ausgangsspannung 32 des Gleichspannungswandler beträgt durchgängig 5 V.

[0035] Somit kann eine Unterspannungsabschaltung des Gleichspannungswandlers vermieden und die Prüfung fortgesetzt werden. Sobald die Schwingung wieder in die positive Halbwelle übergeht, wird die Source-Gate-Spannung 44 wieder aufgeladen und der Durchgangswiderstand des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 fällt. Die Intensität der Dämpfung lässt sich somit über eine geeignete Dimensionierung der Widerstände der Spannungsteilerschaltung 24 und der Kondensatoren 36, 38 auf die zu erwartenden Schwingungsfrequenzen und Amplituden einstellen.

[0036] Im Normalbetrieb (ohne Prüfeinrichtung mit

Entkoppelungsinduktivitäten) wird die Eingangsbeschaltung wie gewünscht nicht beeinflusst.

[0037] Ferner versteht es sich, dass, wie in Fig. 6 gezeigt, der Verpolungsschutz-MOSFET 22 anstatt zwischen dem ersten Anschluss 14 und dem dritten Anschluss 18 auch zwischen dem zweiten Anschluss 16 und dem vierten Anschluss 20 angeordnet sein könnte. Zudem versteht es sich, dass anstatt des Verpolungsschutz-MOSFETs 22 auch andere Halbleiterelemente, deren Durchgangswiderstand über eine Spannung zwischen zwei Bauelemente- Anschlüssen steuerbar ist, verwendet werden können, wobei die Verwendung von FETs nur eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre ist.

[0038] Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Prüfung einer Schaltung auf Robustheit gegen Stoßspannungen. Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 46 des Anlegens einer Spannung an den Eingangskreis 34 der Schaltung. Das Anlegen der Spannung umfasst bspw., wie in Fig. 5 gezeigt, ein Erhöhen der Spannung zwischen dem ersten Anschluss 14 und dem zweiten Anschluss 16 von o V auf einen vorbestimmten Nominalwert (z. B. 24 V).

[0039] Das Verfahren wird mit einem Schritt 48 des Dämpfens einer durch das Anlegen der Spannung im Eingangskreis 34 erzeugten Schwingung, welche im Eingangskreis 34 eine Spannungsschwankung verursacht, fortgesetzt. Wie in Zusammenhang mit Fig. 3 und 5 ausgeführt, dient die Dämpfung der Vermeidung eines Abfalls der Eingangsspannung 30 unter eine Unterspannungsabschaltungsschwelle eines dem Eingangskreis 34 nachgeschalteten Geräts (bspw. eines Gleichspannungswandlers) sowie der Vermeidung des Erreichens der Eingangsschutzdiodenspannung. [0040] Die Dämpfung umfasst insbesondere das temporäre Erhöhen des Durchgangswiderstands eines im Eingangskreis 34 angeordneten Halbleiterelements, wenn die Eingangsspannung 30 abfällt, bspw. indem dafür gesorgt wird, dass der Abfall der Gate-Source-Spannung gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Schaltung 12 beschleunigt wird, so dass die Source-Drain-Strecke bei einem Abfallen des Source-Potenzials 40 hochohmig wird.

[0041] Das Verfahren schließt mit den Schritt 50 des Durchführens einer Stoßspannungs-Robustheitsprüfung durch Anlegen einer Stoßspannung an den Eingangskreis 34.

BEZUGSZEICHENLISTE Stoßspannungs-Generator

Eingangskreis

Anschluss

Anschluss

Anschluss

Anschluss

Halbleiterelement, FET, Verpolungsschutz-MOSFET Spannungsteilerschaltung

Diode

Eingangsspannung Eingangskreis

Ausgangsspannung Eingangskreis

Ausgangsspannung Gleichspannungswandler Modifizierter Eingangskreis

Kondensator

Kondensator

Source-Potenzial

Gate-Potenzials

Source-Gate-Spannung

Prozessschritt

Prozessschritt

Prozessschritt