專利名稱：用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置和方法
用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置和方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明從根據(jù)獨立權(quán)利要求的種類部分所述的用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置以及方法出發(fā)。電氣開關(guān)元件、比如驅(qū)動組件大多具有固定的、不可變的邊緣陡度，該邊緣陡度對于所期望的應(yīng)用情況可能不是最佳地與之相匹配。比如在采用標(biāo)準(zhǔn)組件或部件或元件時并不總是能夠影響相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)元件的內(nèi)部控制電流。只要所采用的開關(guān)元件具有短路電流限制，那么所給定的短路電流限制也并不總是能夠最佳地與特殊的、所期望的應(yīng)用情況相匹配。開關(guān)過程或按時鐘的信號的太高的陡度尤其可能超過EMV輻射限制(電磁兼容性)，其從而造成傷害。另外，設(shè)定太高或甚至錯誤的電流限制在錯誤情況下、比如在短路狀態(tài)下可能導(dǎo)致元件或組件的過載，并由此可能潛在地對其造成損害或甚至破壞。本發(fā)明的公開
因此推薦了用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的一種電路裝置，其具有電壓源和開關(guān)元件，該開關(guān)元件與該電壓源相連，并設(shè)置用于開關(guān)該電壓源，其特征在于，該電路裝置另外還具有限制單元，其中該限制單元在功能上設(shè)置在該開關(guān)元件與該電壓源之間，并且其中該限制單元設(shè)置用于采用該開關(guān)元件在該電壓源的開關(guān)過程中限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度。具有獨立權(quán)利要求所述特征的該電路裝置一方面可以提供電流限制，另一方面可以提供邊緣限制。該電路裝置尤其可以利用少量的標(biāo)準(zhǔn)元件來實現(xiàn)，從而可以造價合理地并以微小的空間需求、比如在一個印刷電路板上來實現(xiàn)。已公開的驅(qū)動電路尤其可以不用較大的系統(tǒng)干預(yù)而擴展根據(jù)本發(fā)明的用于限制電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置。這尤其可以通過如下來實現(xiàn)，即不必影響驅(qū)動電路的內(nèi)部控制信號。對于所期望的應(yīng)用情況進行短路電流和邊緣陡度的限制可以通過選擇該電路裝置的合適的元件值而容易參數(shù)化地與所期望的應(yīng)用情況相適應(yīng)。電子電路的開發(fā)完成的標(biāo)準(zhǔn)布局可以按照某一應(yīng)用情況通過簡單地設(shè)置相應(yīng)的元件值而與所期望的要求相匹配。從而可以簡單而靈活地通過選擇元件值來調(diào)節(jié)所期望的短路電流以及所需的邊緣陡度并從而調(diào)節(jié)EMV限制值。比如在要實施EMV優(yōu)化時通過這種靈活性可以非?？焖俨⒁院唵蔚姆绞桨殉霈F(xiàn)的邊緣陡度與所需的邊緣陡度相匹配。從而尤其能夠不需要大范圍地改造已有的或已開發(fā)的開關(guān)組件，以符合新應(yīng)用的變化的EMV輻射限制。從而可以省略漫長的以及涉及成本和風(fēng)險的開關(guān)組件的修正。但是該電路裝置同樣也可以自身作為驅(qū)動級來應(yīng)用，從而其比如節(jié)省空間以及節(jié)省造價地直接可以通過一個邏輯信號來控制。該電路裝置尤其可以在低側(cè)輸出上對陡峭下降的信號邊緣有目的地施加影響，而不磨平上升的信號邊緣。另外根據(jù)本發(fā)明的該電路裝置還可以在該開關(guān)元件的閉合狀態(tài)中在其上提供微小的電壓降。本發(fā)明的該電路裝置通?？梢耘c開關(guān)元件一起、比如作為集電極開路輸出、漏極開路輸出或繼電器實現(xiàn)地而被采用。其尤其可以不僅為緩慢變化的信號、而且為按時鐘的信號提供電流強度限制和/或邊緣陡度限制。通過在從屬權(quán)利要求中所述的措施，實現(xiàn)了在獨立權(quán)利要求中所述裝置的有利改進和改善?？赡苡绕溆欣氖菍υ撾妷涸吹妮敵鲭妷旱碾娏鲝姸群?或邊緣陡度進行限制。由于在此進入的、可能大的幅度，作用于該電壓源的限制單元能夠尤其適于滿足所要求的EMV限制值。在該限制元件與該電壓源之間另外還可以設(shè)置電容性元件和/或二極管元件，其與該開關(guān)元件、限制元件和電壓源相并聯(lián)設(shè)置。通過這種元件可以進一步改善地調(diào)節(jié)邊緣陡度，同時還可以用作該限制元件的保護電路或保護元件。本發(fā)明的實施例在附圖中示出，并在下文說明中來更詳細解釋。其中


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置的一個第一不例實施方式；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置的另一不例實施方式；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的邊緣陡度的電路裝置的一個示例擴展方
案；
圖4示出了圖1的電路裝置的一個示例信號曲線；以及
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的方法的示例實施方式。本發(fā)明的實施方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置的第一不例實施方式。該電路裝置100在此示例地由npn晶體管118組成，其基極連接到固定電位108。該連接比如可以通過該電阻106或者也通過分壓器來進行。該元件118的發(fā)射極通過電阻部件104與該開關(guān)元件102相連。該開關(guān)元件102是與電阻元件114和電壓源116相結(jié)合的元件，其應(yīng)該采用該限制單元120而被擴展該電流限制和/或邊緣陡度限制。可選地在該電路裝置100的限制單元120的限制元件118的基極上可設(shè)置電容性元件110a、b。該電容性元件IlOa在此可以連接在該晶體管元件118的基極和集電極之間，該電容性元件IlOb可以連接在基極和發(fā)射極之間。該晶體管元件118的集電極端子可以是該電路裝置的輸出，在圖1中示例地通過一個電阻元件114與電壓源116相連。另外電容性元件112a、b可以位于或設(shè)置在該電路輸出上。電容性元件112b比如可以作為電容器來構(gòu)造，電容性元件112a比如作為ESD 二極管來構(gòu)造。如果設(shè)置ESD 二極管，那么根據(jù)該電路裝置100的該擴展方案，比如在npn晶體管118的情況下，其可以同時設(shè)置用于保護該晶體管元件118的基極發(fā)射極二極管，以在極性反轉(zhuǎn)的情況下防止擊穿。該元件114的電阻有利地可以明顯大于該元件104的電阻。由此在開關(guān)元件102閉合時在電路輸出上僅獲得微小的電壓。優(yōu)選為10 1或大于10 1的比例。從而在開關(guān)元件閉合時在輸出上得到下降的小于電壓源116值的10%的電壓，而不用考慮在元件118和102上的微小電壓降。作為開關(guān)元件102比如可以采用晶體管元件、繼電器元件、開關(guān)觸點。根據(jù)圖1的電路裝置的邊緣陡度限制作用原理按照如下來實現(xiàn)在沒有限制單元120的情況下，其最終包含除開關(guān)元件102、電阻元件114以及電壓源116之外的每個元件，根據(jù)其相應(yīng)的構(gòu)造以及從而所給定的可能可選的元件，在該開關(guān)元件102閉合時在該電路裝置100的輸出上得到陡峭下降的電壓邊緣，因為其相對低歐姆地、直接通過開關(guān)元件102 而被拉到低電位上。在該開關(guān)元件102斷開時所產(chǎn)生的那個邊緣通過與輸出上所具有的電容相連的該電阻元件114的電阻而明顯更平滑地走向。該輸出電容在此或者可以作為電容部件或者僅作為寄生電容而存在。限制邊緣陡度的目的從而尤其是把輸出信號的尤其下降邊緣進行平滑，但在此不用明顯磨平上升邊緣，從而尤其能夠保障信號完整性。該開關(guān)元件102的閉合導(dǎo)致該限制元件118的發(fā)射極電位下降，從而該限制元件118同樣也閉合。寄生電容以及必要時存在的電容性元件112a、b現(xiàn)在通過該限制元件118、電阻元件104和開關(guān)元件102放電。由此在電阻元件104以及開關(guān)元件102上產(chǎn)生了電壓降。該電壓降再次導(dǎo)致該限制元件118所要提供的基極發(fā)射極電壓降低，從而導(dǎo)致電流負反饋。由此導(dǎo)致該限制元件118的關(guān)斷，從而導(dǎo)致對放電電流的限制。在輸出上的該下降邊緣通過這種限制而更平滑地走向。在該開關(guān)元件102斷開時，寄生電容以及可能存在的電容性元件112a、b通過該電阻元件114被相對緩慢地充電。但該限制單元120并不限制這種充電電流，從而在輸出上本來已經(jīng)平滑上升的邊緣不再被磨平。在采用一個可選的電容性部件110a、b時，下降邊緣在需要時可以被額外磨平。元件IlOa尤其可以是該限制單元118的米勒電容的人為放大，由此致使其更緩慢地開關(guān)。在該開關(guān)元件102閉合時，限制元件118也開始導(dǎo)通，由此在其集電極上的電位開始下降。通過該集電極至基極的容性耦合，通過電容性元件110a，其再次阻止元件118的控制，從而該限制元件118的閉合變慢。在該電容性元件IlOa完全再充電之后，該閉合過程才結(jié)束。該附加電容當(dāng)然也可以在該開關(guān)元件102斷開時被再充電。盡管如此，在輸出上的上升邊緣由此僅僅能夠輕微地被影響，因為在實際中該電容性元件IlOa的相對微小的電容值就已經(jīng)足夠了。這幾個元件的優(yōu)選但不局限的值或值范圍可以按照如下所示來設(shè)定
電壓源116 :1V至50V ；
元件 112b 10pF 至 IOOnF ；
元件112a :齊納電壓<60V ；
元件118、102 :選擇相應(yīng)所需的限制電流，在功率輸出也>1A時，典型為0.1mA至IOOmA ； 元件104 :優(yōu)選地如此選擇，使得在限制電流時存在足夠用于負反饋的電壓降(約在0. 5V至3V的范圍內(nèi))。元件114 :10倍〉元件104，從而在元件102開關(guān)時在輸出上出現(xiàn)一個有意義的電
壓差；
元件108 :最小值約為2x元件118的基極-發(fā)射極電壓，在雙極晶體管時從而最小約1.2V。最大值遠小于元件116，從而在短路情況下提供了對下降邊緣或電流的限制。比如元件108的電壓比元件116的電壓小，約在1:5至I 20的范圍內(nèi)；
元件106用于限制元件118的基極電流。典型地把基極電流選擇為約IOx至200x <的電路限制電流。該系數(shù)(10至200)取決于所選擇晶體管的電流放大；
元件110a、I IOb :10pF至22nF。如果應(yīng)該避免磨平上升邊緣，那么對于元件IlOa在趨勢上采用在低范圍內(nèi)的值，也即通常比元件112b更小的值。該可選電容性元件IlOb同樣也可以用于變慢該限制元件118的閉合過程。一旦該開關(guān)元件102閉合，從而處于導(dǎo)通狀態(tài)，那么該元件118的基極就被容性接地，從而該元件118首先截止。通過電阻元件106對元件IlOb的再充電,該限制元件118才開始導(dǎo)通。根據(jù)圖1的該電路裝置的電流限制的作用原理如下。在該元件102閉合時，在該輸出線路中的電流導(dǎo)致在電阻元件104上產(chǎn)生電壓降。但在周期運行時該電壓降如此小，使得在限制元件118上的基極-發(fā)射極電壓足夠比如在采用晶體管的情況下來控制該元件118本身，但有利地并不強制處于飽和狀態(tài)。如果該輸出線路現(xiàn)在低歐姆地與正電位相連，比如在短路情況下，那么在該輸出線路中的電流才一直上升，直到在電阻元件104和開關(guān)元件102上的電壓降如此大，使得該限制元件118的基極-發(fā)射極電壓不再足以完全控制該晶體管。在該限制元件118的集電極-發(fā)射極段上的電壓降從而上升，在輸出線路中的電流被限制。在這種運行情況下可能必要的是足夠的功率輸出，從而必要的是對該限制元件118進行冷卻。該電壓源116的輸出電壓尤其可以認為是該電壓源116以及該電阻元件114的串聯(lián)電路的電壓。繼續(xù)參見圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置的另一示例擴展方案。代替如圖1所示的限制單元和開關(guān)元件102的串聯(lián)電路，也可以實現(xiàn)該限制元件118和該開關(guān)元件102的并聯(lián)電路。該開關(guān)元件102在此在其基極上來控制該限制元件118，該輸出信號從而被反轉(zhuǎn)?？蛇x地可以采用該限制元件118的電流放大，從而對于該開關(guān)元件102可以采用具有微小功率的開關(guān)元件102。在此比如能夠?qū)崿F(xiàn)由微控制器的漏極開路輸出而對該限制元件118的直接控制。由此可以節(jié)省自己的放大級。按照圖2的該電路裝置的作用原理與按照圖1的電路裝置相類似。如果作為開關(guān)元件102采用了一個M0SFET，那么它的寄生的體二極管能夠在該電路極性反轉(zhuǎn)時保護該限制元件118的基極-發(fā)射極二極管以防止擊穿。但在這種情況下該體二極管必須具有足夠高的載流能力。繼續(xù)參照圖3，其示出了根據(jù)本發(fā)明的用于限制電信號的邊緣陡度的電路裝置的示例擴展方案。
按照圖3的該電路裝置尤其可以理解為單純的邊緣限制。在該開關(guān)元件102斷開時，該電容性元件302通過電阻元件106、限制元件118和電阻元件114而被充電到該電壓源116的電位。如果現(xiàn)在該開關(guān)元件102閉合，那么該限制元件118就首先截止?，F(xiàn)在該電容性元件302通過電阻元件300和開關(guān)元件102來放電，從而該限制元件118的基極電位緩慢下降。其開始導(dǎo)通，并且該輸出電壓電平跟隨該限制元件118的基極電壓的走向。一旦該開關(guān)元件102再次斷開，那么該電容性元件302通過電阻元件106、限制元件118和電阻元件114就被充電，由此該輸出電位再次上升為該電壓源116的值。如果存在一個元件112a、b，那么該電容性元件302的電容就可以相對于元件112a、b的電容而選擇為小的，由此對該電路裝置的上升邊緣僅具有微小的影響。在元件102閉合瞬間，在電路輸出上尤其可以實 現(xiàn)受控邊緣的這種特性。對于圖1和2的電路裝置，另外還可以實施一種變化的電流限制。為此該限制元件118在基極側(cè)被連接到一個可變的電位。該電位的高度可以調(diào)節(jié)電流限制。示例示出的限制元件118的雙極晶體管在圖1至3的所有電路裝置中代替地也可以通過其他的晶體管類型、比如MOSFET或JFET、作為運放或管元件來實施。這種連接那么就對應(yīng)于所采用的元件來選擇。如果在圖1至2的電路裝置中為該限制元件118選擇了一個自導(dǎo)通的n溝道FET，那么比如也在地電位上來進行其柵極連接，從而可以不需要輔助電壓。如果在圖2的電路裝置中缺少該開關(guān)元件102，或者在變化方案I的電路裝置中被替換為短路，那么在相應(yīng)的電路裝置中就得到了一個單純的電流限制電路裝置。所有的電路裝置可以與附圖中所示的、也可理解為示意的實施不同，而完全或部分地也以集成的方式來應(yīng)用。圖4示出了圖1的電路裝置的一個示例信號曲線。在時間點&處，在圖1的電路裝置中進行該開關(guān)元件102的斷開。由此該輸出電壓V (集電極)上升到比如16V的值。在時間點〖2處，進行該開關(guān)元件102的閉合過程。如果僅設(shè)置一個開關(guān)元件102以及元件114和116，那么就基本上、示例地、直接地以邊緣400的陡度來進行開關(guān)。如果設(shè)置有限制單元120，那么該下降邊緣402在其陡度上被限制，由此其更緩慢地下降，并在時間點t3處才下降到其低值，其中該值基本上通過該電阻元件114和104的電阻比值來確定。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的方法的示例實施方式。用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的該方法500具有的步驟為采用開關(guān)元件對電壓源實施502開關(guān)過程、以及采用限制單元來限制504電信號、尤其輸出電壓的電流強度和/或邊緣陡度。
權(quán)利要求
1.用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置(100)，具有開關(guān)元件 (102)，該開關(guān)元件可以與電壓源(116)相連接，并設(shè)置用于對該電壓源(116)進行開關(guān)；其特征在于，該電路裝置(100)另外還具有限制單元(120);其中該限制單元(120)在功能上設(shè)置在該開關(guān)元件(102)與該電壓源(116)之間；并且其中該限制單元(120)設(shè)置用于在該電壓源(116)的開關(guān)過程中采用該開關(guān)元件(102)來限制電信號的電流強度和/或邊緣陸度。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的電路裝置，另外還具有電壓源(116);其中該電信號作為該電壓源(116)的輸出電壓來構(gòu)造；并且其中該電壓源(116)的開關(guān)包括該電壓源的閉合以及斷開。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的電路裝置，其中該限制單元(120)具有限制元件 (118)，該限制元件串聯(lián)設(shè)置在該電壓源(116)與該開關(guān)元件(102)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路裝置，其中該限制單元(120)具有限制元件(118)， 該限制元件與該電壓源(116)和該開關(guān)元件(102)相并聯(lián)設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4之一所述的電路裝置，其中該限制單元(120)另外還具有至少一個第一電容性元件(112a、b)，其來自由電容器、二極管和ESD 二極管構(gòu)成的組；并且其中該第一電容性兀件(112a、b)與該電壓源(116)相并聯(lián)設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5之一所述的電路裝置，其中該限制單元(118)是來自由晶體管元件、晶體管、雙極晶體管、場效應(yīng)晶體管、MOSFET、JFET、運放和管元件所構(gòu)成的組中的元件；和/或其中該開關(guān)元件(102)是來自由晶體管元件、晶體管、雙極晶體管、場效應(yīng)晶體管、M0SFET、JFET、運放、管元件、繼電器元件和開關(guān)觸點所構(gòu)成的組中的元件。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的電路裝置，其中該邊緣陡度限制作為在該限制單元 (120)中的電流負反饋或者作為受控邊緣來構(gòu)造；和/或其中該電流限制作為在該限制單元(120)中的電流負反饋來構(gòu)造。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7之一所述的電路裝置，其中該限制單元(120)另外還具有至少一個第二電容性元件(110a、b);并且其中所述至少一個第二電容性元件(110a、b)設(shè)置在該限制元件(118)的基極和集電極之間，和/或設(shè)置在其基極和發(fā)射極或與之相對應(yīng)的端子之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至8之一所述的電路裝置，其中在該限制元件(118)的基極或與之相對應(yīng)的端子上另外還設(shè)置了第一電阻元件(106);其中在該電阻元件(106)上另外還設(shè)置了電壓源(108);并且其中在該限制元件(118)的集電極或與之相對應(yīng)的端子上另外還設(shè)置了第二電阻元件(104)。
10.用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的方法，其中一個限制單元在功能上設(shè)置在開關(guān)元件和電壓源之間，該限制單元設(shè)置用于在該電壓源的開關(guān)過程中采用該開關(guān)元件來限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度，該方法具有采用該開關(guān)元件來實施該電壓源的開關(guān)過程；以及采用限制單元來限制電信號、尤其該電壓源輸出信號的電流強度和 /或邊緣陡度；其中該邊緣陡度限制采用電流負反饋或受控邊緣來構(gòu)造，和/或其中該電流限制作為電流負反饋來構(gòu)造。
全文摘要
用于限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度的電路裝置(100)，其具有一個電壓源(116)和一個開關(guān)元件(102)，該開關(guān)元件與該電壓源(116)相連接，并設(shè)置用于對該電壓源(116)進行開關(guān)，其中該電路裝置(100)另外還具有一個限制單元(120)；其中該限制單元(120)在功能上設(shè)置在該開關(guān)元件(102)與該電壓源(116)之間；并且其中該限制單元(120)設(shè)置用于在該電壓源(116)的開關(guān)過程中采用該開關(guān)元件(102)來限制電信號的電流強度和/或邊緣陡度。
文檔編號H03K17/16GK103004091SQ201180036775
公開日2013年3月27日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者I.克勒 申請人:羅伯特·博世有限公司