Beschreibung

Titel

Elektrische Schaltung zur Versorgung eines Verbrauchers aus verschiedenen

Spannunqsquellen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Versorgung eines Verbrauchers aus verschiedenen Spannungsquellen mit einer ersten Teilschaltung für den Standby-Betrieb des Verbrauchers und einer zweiten Teilschaltung für den Normalbetrieb des Verbrauchers.

Stand der Technik

Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeuges muss mit Spannung versorgt werden. Dabei kann eine

Spannungsversorgung beispielsweise aus der Fahrzeugbatterie erfolgen, wobei insbesondere eine Spannungsaufnahme über Klemme 30, vor oder hinter dem Hauptrelais, erfolgt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die

Spannungsversorgung aus einer im Steuergerät vorhanden Spannungsquelle mit geringerer Spannung als der Batteriespannung zu entnehmen, um die

Verlustleistung der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu reduzieren. Dazu kommt beispielsweise die Vorregelspannung eines

Schaltreglers infrage, sobald diese nach dem Hochlauf des Steuergerätes zur Verfügung steht. Um den Hochlauf zum Beispiel über Klemme 15 o.ä. zu initiieren, muss das ASIC in der Lage sein, sich auch aus solchen Quellen versorgen zu können. Derartige Spannungsquellen können die ersten

beziehungsweise die einzigen zur Verfügung stehenden Spannungsquellen sein, sodass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung in der Lage sein muss, sich auch aus diesen Quellen versorgen zu können.

Da während des Startvorgangs eines Verbrennungsmotors in einem

Kraftfahrzeug die Spannung der Fahrzeugbatterie stark einbrechen kann, kann gefordert sein, dass sich die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zur Aufrechthaltung ihrer Verfügbarkeit auch zeitweise aus der Ausgangsspannung eines DC-DC-Aufwärtswandlers versorgen kann, sofern diese im Steuergerät zur Verfügung steht.

Bei einem abgestellten Fahrzeug befinden sich die Steuergeräte und die darin verbauten anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen in der Regel in einem Standby-Mode, in welchem oft nur sehr geringe Ströme im mA-Bereich zur Aufrechterhaltung einiger weniger Grundfunktionen zur Verfügung stehen, sodass in diesem Betriebszustand der Versorgungsstrom über einen

gesonderten Anschluss aus Klemme 30, vor dem Hauptrelais, bezogen werden kann.

Aufgrund der zu unterschiedlichen Zeitpunkten zur Verfügung stehenden Spannungsquellen und den verschiedenen Betriebszuständen der

anwendungsspezifischen integrierten Schaltung ist es erforderlich, dass die benötigten Betriebsspannungen auch aus verschiedenen Quellen über verschiedene Anschlüsse gewonnen werden können.

Der Stand der Technik schlägt dazu in einem ersten einfachen Ansatz vor, dass die verschiedenen zur Verfügung stehenden Spannungsquellen über Dioden auf einen gemeinsamen Sternpunkt geführt werden können. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Spannung dieses Sternpunktes immer um eine Dioden- Flussspannung unterhalb der höchsten zur Verfügung stehenden

Spannungsquelle liegt. Da Steuergeräte bei einem Einbruch der Spannung der Fahrzeugbatterie, beispielsweise bedingt durch den Startvorgang eines

Fahrzeuges, bis beispielsweise 4 V funktionieren müssen, ist dieser einfache Ansatz aufgrund der dann zu geringen im ASIC zur Verfügung stehenden Spannung eher ungeeignet. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der in den Dioden umgesetzten Verlustleistung.

Des Weiteren ist es im Stand der Technik eine gängige Praxis, anstelle der Dioden Schalter in Form von MOS-Transistoren zu verwenden, um die

Verfügbarkeit auch bei geringer Spannung der Fahrzeugbatterie zu

gewährleisten. Die Spannung vor und hinter dem Schalter wird erfasst und anschließend die sehr kleine Spannungsdifferenz dieser beiden Spannungen von einem Komparator ausgewertet, um daraus das Ansteuersignal für den Schalter abzuleiten. Hier ist jedoch die endliche Umschaltzeit der Schalter und die zeitliche Verzögerung des Komparators zu berücksichtigen, welche dazu führen kann, dass die Versorgung für die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kurzzeitig unterbrochen wird oder dass verschiedene Quellen über überlappend gleichzeitig eingeschaltete MOS-Transistoren miteinander kurzgeschlossen werden.

Es ist daher notwendig, dass das Umschalten zwischen den einzelnen

Versorgungsquellen schnell erfolgt, damit keine Unterspannung in der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung auftreten kann und damit keine Kurzschlüsse zwischen den versorgenden Quellen entstehen können.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine elektrische Schaltung zur Versorgung eines

Verbrauchers aus verschiedenen Spannungsquellen zur Verfügung gestellt, welche eine erste Teilschaltung für den Standby-Betrieb des Verbrauchers und eine zweite Teilschaltung für den Normalbetrieb des Verbrauchers umfasst.

Dabei versorgt sich die Gesamtschaltung aus verschiedenen Spannungsquellen (beispielsweise Klemme 30 vor dem Hauptrelais, Klemme 30 nach dem

Hauptrelais, Klemme 15 oder einer im Steuergerät erzeugten Vorregelspannung) in einem Normal- und in einem Standby-Betrieb und ermöglicht auf diese Weise eine beliebige Erweiterung der Anzahl der Spannungsquellen. Die erste

Teilschaltung ist für die Versorgung des Verbrauchers, insbesondere einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, im Standby-Betrieb vorgesehen, wobei die andere Teilschaltung hingegen im Normalbetrieb zusätzlich zur ersten Teil-Schaltung aktiviert wird.

Da es während des Runterlaufs der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung erforderlich sein kann, Kontrollfunktionen aufrecht zu erhalten, solange noch Spannung an bestimmten Anschlüssen anliegt (zum Beispiel Spannungen in Kondensatoren von Ladungspumpen oder in Bootstrap-Kondensatoren), um beispielsweise unbeabsichtigtes Einschalten von Leistungsendstufen zu verhindern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder Teile derselben im Runterlauf auch aus diesen

Quellen zu versorgen. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung hat den Vorteil, dass prinzipiell eine Anwendbarkeit für sämtliche Szenarien gegeben ist, in denen eine Versorgung aus verschiedenen Spannungsquellen möglich sein muss.

Zudem besteht im Vergleich zum Stand der Technik der Vorteil, dass kein hartes Umschalten zwischen den Spannungsquellen mehr stattfindet. Zudem wird auch kein Komparator mehr benötigt. Spannungseinbrüche und Kurzschlüsse zwischen den versorgenden Spannungsquellen, die beim Umschalten zwischen den Quellen in klassischen Ansätzen entstehen können, werden ebenfalls vermieden.

Das Problem einer relevanten Rückspeisung von einer Spannungsquelle auf eine andere Spannungsquelle kann erfindungsgemäß ebenfalls vermieden werden.

Des Weiteren sind die Übergänge der Versorgung aus den verschiedenen Spannungsquellen fließend, da Einbrüche einer Spannungsquelle von einer anderen Spannungsquelle abgefangen werden können.

Ferner ist es möglich, jede Spannungsquelle für die Versorgung je nach

Betriebszustand der anwendungsspezifischen intergierten Schaltung

separat freizugeben beziehungsweise zu sperren.

Der vorliegenden Erfindung liegt prinzipiell die Idee zugrunde, die verschiedenen verfügbaren Spannungsquellen über MOS-Transistoren auf einen gemeinsamen Sternpunkt zu führen, wobei die MOS-Transistoren nicht als Schalter arbeiten. Optional ist eine Stützung des Sternpunktes mit einem Ladungsspeicher (Kondensator) vorgesehen. Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass sich - ähnlich wie in klassischen Ansätzen mit MOS-Transistoren als Schalter - nur ein geringer Spannungsabfall über den MOS-Transistoren ergibt und daher die Spannung des Sternpunktes knapp unterhalb der

Spannung derjenigen Spannungsquelle liegen kann, welche den höchsten Spannungswert aufweist. Dabei kommen PMOS-Transistoren zum Einsatz, bei welchen die Source-Gate- Spannung nahe der Schwellspannung eingestellt wird. Die Transistoren arbeiten im Bereich der schwachen Inversion (weak-inversion, sub-threshold region). Wird die Drain-Spannung eines PMOS-Transistors über die Source-Spannung gehoben (U _D > Us), so tauschen Drain und Source die Funktion und ein

Rückwärtsbetrieb des MOS-Transistors erfolgt. Aufgrund der dann positiven Drain-Source-Spannung von einigen 10 mV bis einigen 100 mV ergibt sich eine Drain-Gate-Spannung, welche ausreicht, um einen Kanal zu bilden. Der

Transistor ist dabei im Gegensatz zu klassischen Ansätzen nur soweit aufgesteuert, wie es zur Bereitstellung des benötigten Stromes

erforderlich ist.

Erfindungsgemäß werden zwei Teilschaltungen vorgeschlagen, welche jeweils entweder den Strom durch den PMOS-Transistor oder die sich ergebende Drain- Source-Spannung erfassen und bei einem höheren Stromfluss beziehungsweise bei einem aufgrund des höheren Stromflusses bedingten höheren

Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke die Drain-Gate-Spannung des rückwärts betriebenen PMOS-Transistors erhöhen, sodass sich über einen gewissen Drain-Source-Strombereich nur ein geringer Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke des PMOS-Transistors ergibt. Sollte die versorgende Spannungsquelle unter den Wert einer anderen zur Verfügung stehenden Spannungsquelle sinken, so wird die Drain-Gate-Spannung des entsprechenden PMOS-Transistors sofort auf den Wert der Schwellspannung oder unterhalb dieser zurückgestellt. Der PMOS-Transistor arbeitet dann im normalen

Betriebsmodus mit einer über der Drain-Spannung liegenden Source-Spannung, Us > U _D , als Stromquelle mit einem sehr geringen Rückspeisestrom, welcher bei geeigneter Dimensionierung im nA-Bereich liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Teilschaltung für jede der verschiedenen Spannungsquellen eine untergeordnete Teilschaltung umfasst. Auf diese Weise ist es möglich, dass für den Standby-Betrieb des Verbrauchers mehrere verschiedene

Spannungsquellen zur Versorgung berücksichtigt werden können.

Vorteilhafterweise sind die jeweils vorgesehenen untergeordneten

Teilschaltungen zur Versorgung eines eine Ausgangsspannung bereitstellenden ersten Sternpunktes aus den verschiedenen Spannungsquellen in diesem miteinander verbunden. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich für den

Standby-Betrieb nur ein geringer Spannungsabfall über den vorgesehenen Transistoren ergibt, sodass die Spannung des Sternpunktes knapp unterhalb der Spannung der Quelle liegen kann, welche den höchsten Spannungswert aufweist.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Teilschaltung für jede der verschiedenen Spannungsquellen eine untergeordnete Teilschaltung. Dadurch können für den Normalbetrieb des Verbrauchers mehrere verschiedene Spannungsquellen zur Versorgung berücksichtigt werden.

Besonders bevorzugt sind die jeweils vorgesehenen

untergeordnetenTeilschaltungen zur Versorgung eines eine Ausgangsspannung bereitstellenden geregelten zweiten Sternpunktes aus den verschiedenen Spannungsquellen in diesem miteinander verbunden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung dient der erste Sternpunkt als Versorgungsspannung eines Operationsverstärkers. Der Ausgang des Operationsverstärkers stellt eine Steuerspannung zur Verfügung, die mit einem Eingang der zweiten übergeordneten Teilschaltung verbunden ist. Mit dieser Steuerspannung ist es möglich, den zweiten Sternpunkt auf einen bestimmten Spannungswert zu regeln beziehungsweise einzustellen. Durch die Versorgung des Operationsverstärkers aus dem ersten Sternpunkt kann erreicht werden, dass die für die zweite Teilschaltung für den Normalbetrieb verwendeten NMOS-Transistoren innerhalb auch bei niedriger Spannung der Fahrzeugbatterie aufgesteuert werden können. Somit kann auch im Normalfall ein geringer Spannungsabfall über den vorgesehenen Transistoren erzielt werden.

Vorteilhafterweise ist aus dem ersten Sternpunkt ein Linearregler versorgbar, der eine geregelte erste Betriebsspannung für den Verbraucher zur Verfügung stellt.

Bevorzugter Weise umfasst jede der für die erste übergeordnete Teilschaltung vorgesehenen untergeordneten Teilschaltungen Anschlüsse für eine

Spannungsquelle, eine Stromquelle einen Referenzstrom und einen die

Ausgangsspannung des ersten Sternpunktes bereitstellenden Anschluss. Weiter bevorzugt umfasst jede der für die zweite übergeordnete Teilschaltung vorgesehenen untergeordneten Teilschaltungen Anschlüsse für eine

Spannungsquelle, eine Stromquelle, Referenzströme und einen die

Ausgangsspannung des zweiten Sternpunktes bereitstellenden Anschluss.

Besonders bevorzugt verbinden in den untergeordneten Teilschaltungen PMOS- Transistoren die an die untergeordneten Teilschaltungen angeschlossenen Spannungsquellen mit den Sternpunkten, wobei die PMOS-Transistoren rückwärts betrieben sein können.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine

Erfassung des Stromes durch die die Spannungsquellen mit den Sternpunkten verbindenden PMOS-Transistoren.

Weiter besonders bevorzugt wird jeweils entweder der Strom durch den PMOS- Transistor oder die sich ergebende Drain-Source-Spannung erfasst. Bei einem höheren/niedrigeren Stromfluss beziehungsweise bei einem aufgrund des Stromflusses bedingten höheren/niedrigeren Spannungsabfall über der Drain- Sou rce-Strecke wird die Drain-Gate-Spannung des rückwärts betriebenen PMOS-Transistors erhöht/erniedrigt, sodass sich über einen gewissen Drain- Source-Strombereich nur ein geringer Spannungsabfall über der Drain-Source- Strecke des PMOS-Transistors ergibt.

Vorzugsweise erfolgt eine Erfassung des Spannungsabfalls über der Drain- Sou rce-Strecke der die Spannungsquellen mit den Sternpunkten verbindenden PMOS-T ransistoren.

Besonders bevorzugt wird bei einem entsprechenden Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke eines der PMOS-Transistoren die Drain-Gate-Spannung des rückwärts betriebenen PMOS-Transistors beziehungsweise die Source- Gate-Spannung des PMOS-Transistors so eingestellt, dass sich über einen gewissen Drain-Source-Strombereich des PMOS-Transistors nur ein geringer Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke des PMOS-Transistors ergibt.

Weiter bevorzugt können über Steuerströme einzelne Spannungsquellen für die Versorgung der Sternpunkte freigegeben beziehungsweise gesperrt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer untergeordneten Teilschaltung für eine erste für den Standby-Betrieb eines Verbrauchers vorgesehene Teilschaltung,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer ersten übergeordneten Teilschaltung für den Standby-Betrieb eines Verbrauchers,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer untergeordneten Teilschaltung für eine zweite für den Normalbetrieb eines Verbrauchers vorgesehene Teilschaltung,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer zweiten übergeordneten Teilschaltung für den Normalbetrieb eines Verbrauchers, und

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung zur Versorgung eines Verbrauchers aus verschiedenen Spannungsquellen mit einer ersten Teilschaltung für den Standby-Betrieb und einer zweiten Teilschaltung für den Normalbetrieb eines Verbrauchers.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer untergeordneten Teilschaltung Xi, X ₂ , X _n für eine erste für den Standby-Betrieb eines Verbrauchers vorgesehene übergeordnete Teilschaltung X gezeigt, welche einen PMOS-Transistor M ₆ und weitere Komponenten zur Ansteuerung des Transistors M ₆ aufweist. Dabei wird über den Anschluss I _REF ein Referenzstrom zugeführt, welcher im Bereich einiger 10 nA bis einiger 100 nA liegen kann. Der Transistor Mi ist vorzugsweise so zu dimensionieren, dass seine Source-Gate-Spannung nahe der Schwellspannung eingestellt wird, sodass der Transistor Mi in schwacher Inversion (weak- inversion, sub-threshold region) betrieben wird. Sofern kein Strom durch M _Q fließt, liegt auch seine Source-Gate-Spannung nahe der Schwellspannung. Der Transistor M _Q kann eine größere oder kleinere Weite als Mi haben, was vorliegend durch den Koeffizienten ß ausgedrückt ist. Fließt nun ein Strom von Anschluss V _SUP über die Transistoren M ₇ , M ₆ und den

Widerstand R ₃ zum Anschluss Vsn, so wird die Drain-Spannung von M _Q über die Spannung seines Source-Anschlusses gehoben, sodass Drain und Source ihre Funktion tauschen und der Transistor M _Q rückwärts betrieben wird. Durch die positive Drain-Source-Spannung von M _Q ergibt sich auch eine Drain-Gate- Spannung, welche ausreichen kann, sodass M _Q einen Kanal bildet und den benötigten Strom bereitstellen kann.

Damit ein Strom über die Transistoren M ₇ , M ₆ und den Widerstand R ₃ fließen kann, ist es erforderlich, dass der Transistor M ₇ aufgesteuert wird, indem ein Steuerstrom aus dem Anschluss Isw entnommen wird, sodass sich über dem Widerstand R ₄ ein Spannungsabfall ergibt, der größer als die Schwellspannung von M ₇ ist. Der Transistor M ₇ , der Widerstand R ₄ und der Isw-Anschluss sind daher nur erforderlich, wenn die Versorgung des Sternpunktes Vsn aus dem Anschluss V _SUP abschaltbar ausgeführt werden soll. Ist eine permanente

Versorgung des Sternpunktes Vsn aus V _SUP vorgesehen, so kann der Anschluss V _SUP direkt mit dem Drain von M _Q verbunden werden und die Komponenten M ₇ ,

R ₄ sowie der Anschluss Isw für den Steuerstrom können entfallen.

Würde ein zu großer Strom über die Drain-Source-Strecke von M _Q fließen, so könnte die Drain-Source-Spannung so groß werden, dass seine Drain-Bulk- Diode aufgesteuert würde. Um dem entgegenzuwirken, wird die Drain-Gate- Spannung von M _Q mit steigendem Drain-Source-Strom ebenfalls erhöht. Dazu wird der Strom, der durch M _Q fließt, mithilfe des Transistors M ₂ erfasst. Die Transistoren M _Q und M ₂ können unterschiedliche Weiten haben. Dies ist durch die Koeffizienten a und ß in Figur 1 gekennzeichnet. Fließt kein Strom durch den Widerstand R ₂ , so haben M ₂ und M _Q die gleiche Drain-Gate-Spannung. Bei geeigneter Dimensionierung von M _Q , M ₂ , R _I und M ₃ kann so ein Strom in den aus den Transistoren M ₄ und Ms gebildeten Stromspiegel fließen, welcher einem Bruchteil des Stromes entspricht, der durch M _Q läuft. Dieser Strom ruft an dem Widerstand R ₂ einen Spannungsabfall hervor, sodass die Drain-Gate-Spannung von M _Q bei größeren Drain-Source-Strömen von M _Q erhöht wird. Durch diese Erhöhung wird der Transistor M _Q weiter aufgesteuert und wirkt der Vergrößerung der Drain-Source-Spannung und damit dem Aufsteuern der Drain-Bulk-Diode von M _Q entgegen. Der Widerstand Ri kann das Abbild des Stromes von M _Q , der durch M ₂ fließt, in seiner Höhe begrenzen.

Der Widerstand R ₃ kann von Vorteil sein, indem er eine Filterwirkung zusammen mit dem Kondensator Ci ausübt und indem er als Gegenkopplung dient, insbesondere dynamisch, falls der Anschluss V _SUP schnell unter das Potential von Vsn gezogen wird. Der Widerstand R ₃ hebt die Drain-Bulk-Spannung von M _Q an und verkleinert dadurch seine Schwellspannung (Back-Gate-Effekt). Bei gleichbleibender Drain-Gate-Spannung reduziert sich so die Drain-Source- Spannung. Dieser Vorteil kann von dem Spannungsabfall über R ₃ kompensiert werden.

Die Transistoren Mi, M ₂ , M ₃ , M ₄ , Ms, M _Q und M ₇ können als Hochvolt- Transistoren ausgeführt werden, sodass V _SUP an Spannungen bis beispielsweise 40 V oder höher angeschlossen werden kann.

Bei der in Figur 1 gezeigten Schaltung hängt der Source-Drain-Strom eines PMOS-Transistors in schwacher Inversion (weak-inversion, sub-threshold region) exponentiell von der Source-Gate-Spannung ab, mit

ISD = ISDO ^x (W/L) ^c exp[(Vsc - Vth ) / (nkT/q)] (Source mit Bulk verbunden), wobei I _SDO der Source-Drain-Strom ist, wenn die Source-Gate-Spannung gleich der Schwellspannung ist (V _SG = V _th ). W ist die Weite und L ist die Länge des Transistors, n (~ 1.2 ... 1.5) ist eine Technologie-Konstante. Entsprechend kann der Source-Drain-Strom bei V _SG - V _th = 100 ... 200 mV um zwei

Größenordnungen höher als bei V _SG - V _th = 0 liegen.

Bei mehreren 100 mV arbeitet der MOS-Transistor nicht mehr in schwacher, sondern in starker Inversion (strong-inversion) und der Source-Drain-Strom steigt nicht mehr exponentiell sondern nur noch quadratisch mit

ISD = ¹ / ₂ m Cox x (W/L) (VSG - V _th ) ² an (m ist die Beweglichkeit und c _ox ist die Gate-Oxyd-Kapazität). Dennoch sind mit einem Referenzstrom im Bereich von einigen 10 nA bis einigen 100 nA und der hier vorgeschlagenen Schaltung je nach Dimensionierung Ströme von einigen 100 mA beziehungsweise einigen mA zur Versorgung des Sternpunktes möglich, wobei der Spannungsabfall zwischen der versorgenden

Spannungsquelle und dem Sternpunkt dabei im Bereich von 100 bis 200 mV liegen kann. Dieser Versorgungsstrom ist in der Regel ausreichend, um einen im Standby-Mode befindlichen Verbraucher, beispielsweise ein ASIC, zu versorgen.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer ersten übergeordneten Teilschaltung X für den Standby-Betrieb eines Verbrauchers gezeigt, bei welcher die verschiedenen Spannungsquellen V _SUPI , V _SUP2 , Vsup _n über PMOS-Transistoren auf einen

gemeinsamen Sternpunkt V _STI geführt werden. Die PMOS-Transistoren werden nur soweit aufgesteuert, wie es zur Bereitstellung des benötigten Stromes erforderlich ist. Jeder PMOS-Transistor benötigt eine geeignete

Ansteuerschaltung. Figur 2 zeigt demnach die Zusammenschaltung aus mehreren in Figur 1 gezeigten Schaltungen Xi, X ₂ , X _n zu einem Verbund, sodass eine Versorgung des Sternpunktes Vsn aus verschiedenen Spannungsquellen V _SUPI , V _SUP2 , Vsup _n ermöglicht wird. Die Anzahl der Spannungsquellen ist prinzipiell beliebig.

Jede Spannungsquelle V _SUPI , V _SUP2 , Vsup _n kann vorzugsweise mithilfe eines Steuerstromes Isw über den entsprechenden Anschluss freigegeben oder gesperrt werden. Beliebig viele dieser Module Xi, X ₂ , X _n können an den

Sternpunkt V _STI angeschlossen werden und diesen versorgen. Der Sternpunkt V _STI kann bei geeigneter Dimensionierung und je nach entnommenem Strom ca. 100 mV bis 200 mV unterhalb der höchsten Spannungsquelle liegen, welche freigegeben ist.

Aus dem Sternpunkt V _STI kann sich beispielsweise ein Linearregler LDO versorgen, der eine geregelte erste Betriebsspannung für das ASIC im Standby- Betrieb zur Verfügung stellt. Wird der Sternpunkt V _STI auch aus einer

Ladungspumpe oder einem DC-DC-Aufwärtswandler versorgt, so kann im ASIC eine Spannungsquelle zur Verfügung stehen, welche im Falle eines

Spannungseinbruchs - beispielsweise bedingt durch die Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeuges beim Startvorgang - hoch genug ist, um Gates von NMOS- Transistoren anzusteuern. In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer untergeordneten Teilschaltung Yi, Y ₂ , Y _n für eine zweite für den Normalbetrieb eines Verbrauchers vorgesehene übergeordnete Teilschaltung Y gezeigt. Im Normalbetrieb ist in der Regel ein größerer Versorgungsstrom als im Standby-Betrieb erforderlich, welcher im Bereich einiger 1 mA bis einiger 10 mA oder höher liegen kann. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Schaltungen können zwar prinzipiell verwendet werden, haben jedoch die Eigenschaft, dass die Spannung am Sternpunkt einige 100 mV unterhalb der höchsten zur Verfügung stehenden Spannungsquelle liegt. Es kann daher hier die Notwendigkeit bestehen, Hochvolt-Transistoren zu verwenden, die bei dem Strombedarf im Normalbetrieb entsprechend groß sein können und große Transistor-Kapazitäten aufweisen können. Die Ansteuerung des Gates von M _Q in Figur 1 ist hochohmig. Große Transistor-Kapazitäten und sich schnell ändernde Eingangsspannungen können hier zu nicht optimalem dynamischen Verhalten führen.

Da in einem als Verbraucher agierenden ASIC in der Regel interne

Betriebsspannungen von einigen wenigen Volt (beispielsweise 5 V, 3.3 V, 2.5 V oder 1.5 V) benötigt werden, müsste die Spannung V _ST2 des Sternpunktes mithilfe eines Spannungsreglers auf den Wert der erforderlichen internen

Betriebsspannung geregelt werden. Bei einem Linearregler würden dadurch Verluste im ASIC entstehen. In Figur 3 wird daher eine Schaltung mit

niederohmiger Gate-Ansteuerung und entsprechend gutem dynamischen Verhalten bei schnellen Spannungsänderungen der versorgenden

Spannungsquellen gezeigt, bei der die Sternpunktspannung V _ST2 tiefer als die Spannung der versorgenden Spannungsquelle liegen kann, wodurch es ermöglicht wird, dass eine im Steuergerät verfügbare und der Spannung im Sternpunkt entsprechende Versorgungsspannung V _GR von außen zugeführt wird, um die Verlustleistung im ASIC gering zu halten.

Dabei wird über den i _REFi -Anschluss ein Referenzstrom zugeführt, welcher im Bereich einiger 100 nA bis einiger 1 mA liegen kann. Der Transistor Ms ist vorzugsweise so zu dimensionieren, dass seine Source-Gate-Spannung nahe der Schwellspannung eingestellt wird, sodass Ms in schwacher Inversion (weak- inversion, sub-threshold region) betrieben wird.

Die Source-Gate-Spannung von Ms wird über den Widerstand R ₆ und eine aus den Transistoren M ₁₃ , M ₁₄ , M ₁₇ und Mis gebildete Push-Pull-Stufe an das Gate des Transistors M _IQ geführt. Sofern keine Spannung über dem Widerstand R ₆ abfällt und kein Strom durch M _IQ fließt, entspricht seine Source-Gate-Spannung der von Ms. Der Transistor M _IQ kann eine größere oder kleinere Weite als der Transistor Ms haben, was durch den Koeffizienten ß dargestellt ist. Fließt nun ein Strom vom Anschluss V _SUP über die Transistoren M ₂₁ und M ₁₆ zum Anschluss V _ST2 , so wird die Drain-Spannung von M ₁₆ über die Spannung seines Source- Anschlusses gehoben, sodass Drain und Source ihre Funktion tauschen und der Transistor M ₁₆ rückwärts betrieben wird. Durch die positive Drain-Source- Spannung von M ₁₆ ergibt sich auch eine Drain-Gate-Spannung, die ausreichen kann, sodass M ₁₆ einen Kanal bildet und den benötigten Strom bereitstellen kann.

Damit ein Strom über die Transistoren M ₂₁ und M ₁₆ fließen kann, ist es erforderlich, dass der Transistor M ₂₁ aufgesteuert wird, indem seine Gate- Spannung durch Anlegen eines positiven Spannungswertes an den Anschluss V _GR angehoben wird. Über den Anschluss V _GR ist es möglich, den Sternpunkt V _ST2 auf einen bestimmten Spannungswert einzustellen. Soll der Sternpunkt V _ST2 aus mehreren Spannungsquellen V _SUPI , V _SUP2 , Vsup _n versorgt werden können, so können einzelne Spannungsquellen für die Versorgung des Sternpunktes V _ST2 gesperrt werden, indem über den entsprechenden Anschluss Isw ein Steuerstrom entnommen wird, sodass sich über dem Wderstand Rs ein Spannungsabfall ergibt, der die Source-Gate-Spannung von M ₂₁ soweit herabsetzt, dass dieser sperrt. Der Transistor M ₂₁ ist demnach nur erforderlich, wenn der Sternpunkt auf einen bestimmten Spannungswert eingestellt werden soll.

Darüber hinaus sind der Widerstand Rs und der Isw-Anschluss nur erforderlich, wenn die Versorgung des Sternpunktes V _ST2 aus dem Anschluss V _SUP

abschaltbar ausgeführt werden soll. Falls der Sternpunkt V _ST2 permanent aus V _SUP versorgt werden darf, nicht auf einen bestimmten Spannungswert eingestellt werden muss, so kann der Anschluss V _SUP direkt mit dem Drain von M ₁₆ verbunden werden und die Komponenten M ₂₁ , Rs sowie der Anschluss Isw können entfallen.

Falls ein zu großer Strom über die Drain-Source-Strecke von M ₁₆ fließt, so könnte die Drain-Source-Spannung am Transistor M ₁₆ derart groß werden, dass seine Drain-Bulk-Diode aufgesteuert würde. Um dem entgegenzuwirken, wird die Drain-Gate-Spannung von M ₁₆ mit steigendem Drain-Source-Strom ebenfalls erhöht. Im Gegensatz zur Schaltung in Figur 1 wird vorliegend nicht direkt der Drain-Source-Strom erfasst, sondern mithilfe eines aus den Transistoren Mg, Mio, M ₁₂ und M ₁₅ gebildeten Differenzverstärkers das Potential am Drain-Anschluss von Mi ₆ mit dem Potential des Sternpunktes (Vs _T2 -Anschluss) verglichen. Diese beiden Potentiale werden mithilfe der stromdurchflossenen Widerstände Rs und R ₇ nach unten verschoben und dem Differenzpaar Mio und M ₁₅ zugeführt. Die Ströme für die Widerstände Rs und R ₇ fließen über die Anschlüsse I _REF2 und I _REF4 . Der Bias-Strom für den Differenzverstärker Mg, Mio, M ₁₂ , M ₁₅ fließt über den Anschluss IREF3.

Ist die Spannung am Drain-Anschluss von M ₁₆ größer als die des Sternpunktes am Vs _T2 -Anschluss, so verursacht M ₁₅ einen Spannungsabfall über dem

Widerstand R ₆ (gleichzeitig steigt auch die Source-Gate-Spannung von Ms etwas) und das Gate von M ₁₆ wird über die Push-Pull-Stufe nach unten gezogen (die Drain-Gate-Spannung von M ₁₆ steigt) und wirkt so der Erhöhung der Drain- Source-Spannung von M ₁₆ entgegen. Umgekehrt führt eine Spannung am Drain- Anschluss von M ₁₆ , die kleiner ist als die des Sternpunktes am Vs _T2 -Anschluss, dazu, dass das Gate von M ₁₆ von M ₁₂ nach oben gezogen wird (die Drain-Gate- Spannung von M ₁₆ sinkt) und verringert so den Strom, der vom Sternpunkt (V _ST2 - Anschluss) zurück zum Vsup-Anschluss fließen kann, erheblich. Der

Rückspeisestrom kann bei geeigneter Dimensionierung im Bereich einiger 10 nA bis einiger 100 nA liegen.

Aufgrund der Push-Pull-Stufe sind Umladungen des Gates von M ₁₆ und damit verbunden Änderungen der Drain-Gate-Spannung von M ₁₆ sehr schnell möglich, wodurch die vorgeschlagene Schaltung bei sehr schnellen

Spannungsänderungen der versorgenden Quelle bei geeigneter

Dimensionierung sehr gute dynamische Eigenschaften aufweisen kann.

Dennoch ist auch ein Betrieb ohne Push-Pull-Stufe möglich. Dann würden die Transistoren M ₁₃ , M ₁₄ , M _{I 7} und Mis entfallen und der Wderstand R ₆ und das Gate von M ₁₆ würden mit den Drain-Anschlüssen der Transistoren M ₁₂ und M ₁₅ verbunden werden.

Der Transistor M ₁₉ schützt den Transistor M ₁₅ vor negativer Gate-Source- Spannung, denn durch das von Mn vorgegebene Potential am Gate von M ₁₉ kann das Source-Potential von M ₁₉ nicht tiefer als das von Mn und M ₁₅ liegen.

Die Transistoren Mn, M ₂₀ und M ₁₉ können als Hochvolt-Transistoren ausgeführt werden. Dann können die Transistoren Ms, Mg, Mio, M ₁₂ , M ₁₃ , M ₁₄ , M ₁₅ , M ₁₇ und M ₁₈ als Standard-Transistoren ausgeführt werden, unabhängig von einer möglichen hohen Spannung des Sternpunktes VST2. Der Transistor M ₂₁ kann als Hochvolt-Transistor ausgeführt werden, sodass VSUP an Spannungen bis beispielsweise 40 V oder höher angeschlossen werden kann. Auch der

Transistor M ₁₆ kann je nach Vorhandensein von M ₂₁ und Wahl der Sternpunkt- Spannung VST2 als Hochvolt-Transistor ausgeführt werden. Es ist bei geeigneter Wahl der Sternpunkt-Spannung VST2 unter Berücksichtigung der verwendeten Halbleiter-Technologie und dessen höchster Gate-Oxyd-Spannung bei Standard- Transistoren jedoch möglich, alle Transistoren bis auf M ₂₁ als Standard- Transistoren auszuführen, um in erster Linie Chip-Fläche einzusparen. Der Transistor M ₂₀ kann in diesem Fall entfallen und der Drain-Anschluss von Mis wird direkt mit der Masse GND verbunden.

In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer zweiten übergeordneten

Teilschaltung Y für den Normalbetrieb eines Verbrauchers gezeigt, in welchem mehrere in Figur 3 gezeigte Schaltungen Y ₁ , Y ₂ , Y _n zu einem Verbund zusammengeschaltet sind, sodass eine Versorgung des Sternpunktes VST2 aus verschiedenen Spannungsquellen VSUPI , VSUP2, Vsup _n ermöglicht wird. Für jede Spannungsquelle VSUPI , VSUP2, Vsup _n ist eine eigene Schaltung Y ₁ , Y ₂ , Y _n nach Figur 3 erforderlich, wobei einzelne Spannungsquellen VSUPI , VSUP2, Vsup _n vorteilhafterweise mithilfe von Steuerströmen Isw über den entsprechenden Isw- Anschluss freigegeben oder gesperrt werden können. Beliebig viele dieser Module Y ₁ , Y ₂ , Y _n können an den Sternpunkt VST2 angeschlossen werden und diesen versorgen. Der Sternpunkt VST2 kann mithilfe eines Operationsverstärkers OP ₁ , des Spannungsteilers, bestehend aus Rg und R ₁₀ und einer über den VREF- Anschluss zur Verfügung gestellten Referenzspannung auf einen bestimmten Wert (beispielsweise 5 V, 3.3 V, 2.5V oder 1.5 V) geregelt werden.

Der Kondensator C ₂ dient vorliegend als Stützkondensator. Er kann entweder im pF-Bereich in einem als Verbraucher fungierenden ASIC oder im nF- beziehungsweise pF-Bereich außerhalb eines als Verbraucher fungierenden ASIC an den Sternpunkt VST2 angeschlossen werden, sofern der Sternpunkt VST2 über einen separaten Anschluss des als Verbraucher fungierenden ASIC zur Verfügung steht. Aus dem Sternpunkt V _ST2 können sich beispielsweise analoge Module des ASIC bedienen und es können mithilfe von Linearreglern LDO weitere

Versorgungsspannungen (zum Beispiel zur Versorgung eines Digitalteils) abgeleitet werden.

Es gilt zu beachten, dass die zugrundeliegenden Ideen beider Teilschaltungen Xi, X ₂ , X _n , Ui, Y ₂ , Y _n aus Figur 1 und Figur 3 miteinander kombinierbar und untereinander austauschbar sind. So könnte der PMOS-Transistor M ₆ in Figur 1 auch gegen einen NMOS-Transistor ausgetauscht werden. In diesem Fall könnte auch dort die Spannung des Sternpunktes V _STI eingestellt werden. Um jedoch möglichst nahe an die Spannung der höchsten zur Verfügung stehenden versorgenden Spannungsquelle zu gelangen, wird für die Teilschaltung Xi, X ₂ , X _n im Standby-Betrieb ein PMOS-Transistor vorgeschlagen. Entsprechend könnte der NMOS-Transistor M ₂₁ der Teilschaltung Y ₁ , Y ₂ , Y _n in Figur 3 durch einen PMOS-Transistor ersetzt werden.

Da im Normalbetrieb oft die Spannung aus einer Ladungspumpe oder einem DC- DC-Aufwärtswandler zur Verfügung steht, um das Gate des NMOS-Transistors auch bei geringer Spannung der Fahrzeugbatterie anzusteuern, können dort mithilfe des NMOS-Transistors die Vorteile der einstellbaren Spannung des Sternpunktes ausgenutzt werden.

Auch in der Teilschaltung aus Figur 1 zur Versorgung im Standby-Betrieb wäre der Einsatz einer Push-Pull-Stufe zur Ansteuerung des Gates von M ₆ mit den oben genannten Vorteilen möglich. Im Standby-Betrieb steht oft aber eine geringe Stromaufnahme im Fokus, sodass in der gemäß der Ausführungsform vorgeschlagenen Teilschaltung Y ₁ , Y ₂ , Y _n nach Figur 3 darauf verzichtet wurde.

Prinzipiell kann auch die Stromerfassung der Teilschaltung Xi, X ₂ , X _n in Figur 1 für die Gate-Ansteuerung im Normal-Betrieb verwendet werden und es kann umgekehrt die Spannungserfassung der Teilschaltung Y ₁ , Y ₂ , Y _n in Figur 3 für die Gate-Ansteuerung im Standby-Betrieb herangezogen werden.

In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung zur

Versorgung eines Verbrauchers aus verschiedenen Spannungsquellen mit einer ersten Teilschaltung X für den Standby-Betrieb und einer zweiten Teilschaltung Y für den Normalbetrieb eines Verbrauchers gezeigt, wobei die Teilschaltung X dem Schaltungsverbund aus Figur 2 und die Teilschaltung Y dem

Schaltungsverbund aus Figur 4 entspricht.

Das Modul X kann sich im Standby-Betrieb beispielsweise aus Klemme KL ₁₅ und Klemme KL _30V vor dem Hauptrelais eines Kraftfahrzeugs versorgen. Ist im Normalbetrieb ein Ladungspumpe aktiv, so kann sich das Modul X im Normal- Betrieb über den Anschluss V _CP auch aus dieser versorgen und so eine

Spannung an seinem Anschluss Vsn bereitstellen, die höher als beispielsweise die Spannung einer Fahrzeugbatterie sein kann. Der Operationsverstärker OP ₂ wird von dem Sternpunkt V _STI des Moduls X versorgt, sodass die NMOS- Transistoren innerhalb des Moduls Y auch bei niedriger Spannung der

Fahrzeugbatterie aufgesteuert werden können. Die einzelnen Spannungsquellen können über die Steuerströme Iswi, Isw ₂ und Isw ₃ freigegeben beziehungsweise gesperrt werden. Aus dem Sternpunkt Vsn vom Modul X kann sich

beispielsweise ein Linearregler LDO versorgen, der eine geregelte erste

Betriebsspannung V _DDI für das ASIC im Standby-Betrieb zur Verfügung stellt.

Das Modul Y ist nur im Normal-Betrieb aktiv. Es kann sich aus Klemme KL _30V , KL _30n - vor und nach dem Hauptrelais - und aus einer im Steuergerät eines Kraftfahrzeugs befindlichen 5 V-Spannungsquelle V _DDS versorgen, sobald diese nach dem Hochlauf des Steuergerätes zur Verfügung steht. Diese

Spannungsquelle wird im Modul Y nicht über einen NMOS-Transistor

(entsprechend M ₂₁ in Figur 3) geführt, sondern nur über einem PMOS-Transistor (entsprechend M ₁₆ in Figur 3) vom Eingang V _SUP3 direkt auf den Sternpunkt V _ST2 geführt (entsprechend ist für V _SUP3 kein Isw ₃ -Eingang am Modul Y vorgesehen).

Die 5 V-Spannungsquelle kann so die Spannung des Sternpunktes V _ST2 bestimmen. Dazu wird der Schalter S ₁ geschlossen, sodass der

Operationsverstärker OP ₂ den Sternpunkt V _ST2 auf eine Spannung zu regeln versucht, die kleiner als die der 5 V-Spannungsquelle ist. Das führt dazu, dass die Gates der NMOS-Transistoren des Moduls Y (entsprechend M ₂₁ in Figur 3) nach unten gezogen werden, sodass diese Transistoren sperren und eine Versorgung aus Klemme KL _30V , KL _30n (vor und nach dem Hauptrelais) über die Anschlüsse V _SUPI und V _SUP2 zur Reduktion der Verlustleistung in einem als Verbraucher fungierenden ASIC unterbunden werden kann. Steht die 5V-Spannungsquelle nicht zur Verfügung, kann sich das Modul Y aus Klemme Kl_ _30v , Kl_ _30n (vor und nach dem Hauptrelais) versorgen. Eine Auswahl kann dabei über die Anschlüsse Iswi und Isw ₂ von Y getroffen werden, indem über einen der beiden Anschlüsse ein Steuerstrom entnommen wird.