Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe, insbesondere für eine Zündschaltung eines Kraftfahrzeugs, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Als Ansteuerschaltungen für eine Zündschaltung sind sogenannte Low-Side-Zündschaltungen und High-Side-Zündschaltungen bekannt. Für die Zündschaltungen werden üblicherweise Mehrfach-Darlington-Transistorstufen (im weiteren Darlington) als Leistungsschaltelement eingesetzt, die eine Primärwicklung einer Zündspule ansteuern. Je nachdem ob die Primärwicklung über den Kollektor des Darlington (Low-Side) oder den Emitter des Darlington (High-Side) angesteuert werden, wird in eine Low-Side-Zündung oder eine High-Side-Zündung unterschieden.
Aus der DE 37 35 631.3 ist eine Zündschaltung bekannt, bei der ein pnp-Darlington verwendet wird, dessen Kollektor auf Masse geschaltet ist. Der Emitter ist über die Primärwicklung it dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden. Da bekanntermaßen die Basis des Darlington beim Abschalten auf eine negative Sperrspannung (Klammerspannung) geht, ist eine Entkopplung der Ansteuerschaltung von dieser Spannung notwendig. Aus der DE 37 35 631.3 ist bekannt, hierfür einen npn-Ansteuertransistor einzusetzen.
Aus der US 4 738 239 ist bekannt, ein induktives Zündungssystem für einen Verbrennungsmotor vorzusehen. Hierfür ist ein N-Kanal-Feldeffekttransistor in Serie mit einer Primärwicklung einer Zündspule verbunden. Ein npn-Transistor ist mit seiner Kollektoremitterschaltung zwischen dem Gate und der Source des Feldeffekttransistors verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermische Ankopplung der Zündendstufe an einen mit Masse verbundenen Kühlkörper zu vereinfachen.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass die Ansteuerschaltung von einer beim Abschalten des Darlington an dessen Basis anliegenden negativen Sperrspannung entkoppelt werden kann und gleichzeitig eine Integration des Entkoppelelementes mit dem Darlington realisierbar ist. Dadurch, dass ein npn-Darlington vorgesehen ist, dessen Kollektor mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und dessen Emitter mit dem ersten Anschluß der Primärwicklung der Zündspule verbunden ist, wobei der zweite Anschluß der Primärwicklung an Masse liegt und die Ansteuerung des Darlington über ein Entkopplungselement erfolgt, ist es vorteilhaft möglich, insbesondere durch die sich durch die Schaltungsanordnung ergebende Integrationsmöglichkeit des Darlington, des Entkopplungselementes sowie der gesamten Ansteuerschaltung, in einem monolithisch integrierten Bauelement eine fertigungstechnisch einfach zu realisierende und eine kostengünstige Montage der gesamten Zündendstufe zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung zeichnet sich darüber hinaus noch durch eine hohe Zuverlässigkeit der Zündendstufe bei im Extrembetrieb auftretenden thermischen Belastungen aus.
Insbesondere ist vorteilhaft, daß durch die gefundene Integrationsmöglichkeit des Entkopplungselementes in einen npn-Darlington die elektrische und thermische Ankopplung der Zündendstufe an einen mit Masse verbundenen Kühlkörper wesentlich vereinfacht wird. Da die beim Abschalten des Darlington auftretende negative Klammerspannung von ca. 300 bis 400 V nicht mehr gegen einen Masse-Kühlkörper isoliert zu werden braucht. So ist es vorteilhaft möglich, die Zündendstufen, die je nach Anzahl der Zylinder der anzusteuernden Brennkraftmaschine in entsprechender Anzahl vorliegen, in einer kompakten Zündanlage unterzubringen, da aufwendige Isolationsmaßnahmen zwischen den Kollektoren der einzelnen Darlingtons und gegen den Massekühlkörper nicht mehr notwendig sind. Da alle Kollektoren der Darlington gemeinsam an einer mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbundenen Potentialschiene angeschlossen werden können, ist nur eine Isolation dieser Potentialschiene gegen Masse notwendig. Aufgrund der hier relativ niedrigen anliegenden Spannung im Bereich von ca. 14 V ist dies mit einem geringen Aufwand realisierbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 zeigt die Schaltungsanordnung 10 einer Zündendstufe einer Brennkraftmaschine. In der Figur 1 ist lediglich eine Zündendstufe gezeigt, wobei je nach Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine eine entsprechende Anzahl von Zündendstufen vorgesehen sind.
An einem Eingangsanschluß 12 liegt das hier angedeutete Ausgangssignal einer Motorsteuerung an. Der Anschluß 12 ist über einen Widerstand R1 mit der Basis eines Zweifach-Darlington T1 verbunden. Ein zwischen dem Widerstand R1 und der Basis des Transistors T1 liegender Knotenpunkt K1 ist einerseits über einen Widerstand R2 und eine Zenerdiode D1 mit dem Pluspol 14 einer Spannungsquelle/ beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie, verbunden. Andererseits ist der Knoten K1 mit dem Kollektor eines Transistors T2 verbunden, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis über einen Widerstand R3 mit dem Knotenpunkt K1 und dem Kollektor eines weiteren Transistors T3 verbunden ist. Der Emitter des Transistors T3 liegt an Masse, und die Basis des Transistors T3 ist mit dem Eingangsanschluß 12 verbunden. Der Knotenpunkt K1 ist weiterhin über eine Reihenschaltung von Dioden D2 und D3 sowie einen Widerstand R4 mit Masse verbunden.
Der Kollektor des Transistors T1 ist mit der Basis eines lateralen pnp-Transistors T4 verbunden. Der Emitter des Transistors T1 ist mit Masse verbunden. Der Emitter des Transistors T4 ist mit dem Pluspol 14 verbunden, während der Kollektor des Transistors T4 mit der Basis eines Dreifach-Darlington T5 verbunden ist. Der Kollektor des Darlington T5 ist mit dem Pluspol 14 verbunden. In der Basis-Kollektorstrecke des Darlington T5 liegt eine Zenerdiode D4. Der Emitter des Darlington T5 ist mit dem einen Anschluß einer Primärwicklung 16 einer Zündspule 18 verbunden, deren anderer Anschluß an Masse liegt. Der Emitter des Darlington T5 ist mit dem Emitter eines weiteren Transistors T6 verbunden, dessen Kollektor mit der Basis des Darlingtons T5 verbunden ist. Die Basis des Transistors T6 ist über einen Widerstand R5 sowie eine Zenerdiode D5 mit dem Pluspol 14 verbunden.
Die in Figur 1 gezeigte Schaltungsanordnung übt folgende Funktion aus:
Von der Motorelektronik wird ein Ansteuersignal bereitgestellt, der das Zünden einer mit der Schaltungsanordnung 10 verbundenen Zündkerze eines Kraftfahrzeugs auslösen soll. Der Widerstand R1 ist ein hochohmiger Widerstand mit beispielsweise 500 bis 1000 Ohm und dient als Entstörwiderstand zur Vermeidung von Fehlansteuerungen des Transistors T1. Dessen Basis wird durch den Widerstand R1 unempfindlich gegen schnelle Spannungsspitzen. Mittels des Transistors T1 wird das positive Ansteuersignal am Eingangsanschluß 12 in ein invertiertes Signal umgewandelt, das zur Ansteuerung des Transistors T4 verwendet wird, das heißt, dieser wird eingeschaltet. Bei durchgesteuertem Transistor T4 wird der die Zündspule 18 ansteuernde Darlington T5 eingeschaltet. Über die Schaltkette der Transistoren T1, T4 und T5 erfolgt somit in Abhängigkeit des Anliegens eines positiven Eingangssignals die Ansteuerung der Zündspule 18.
Über den in die Basis-Emitterstrecke des Darlington T5 geschalteten Transistor T6 sowie die dessen Basis mit dem Pluspol 14 verbindende Reihenschaltung des Widerstandes R5 und der Zenerdiode D5 erfolgt eine Wiedereinschaltsperre. Bei während des Abschaltens des Darlington T5 auftretenden Sperrspannungen, die über der Sperrspannung der Zenerdiode D5, die typischerweise 35 V beträgt, liegen, erfolgt über den Transistor T6 ein Kurzschließen der Basis und des Emitter des Darlington T5.
Der laterale pnp-Transistor T4 bildet ein Koppelelement, das die in der Figur 1 links hiervon dargestellte Ansteuerschaltung von dem Darlington T5 bei dessen Abschalten entkoppelt.
Die Reihenschaltung der Dioden D2, D3 und des Widerstands R4 bildet einen Stromspiegel, mit dem der Kollektorstrom des Transistors T1 eingestellt und begrenzt wird. Die Dioden D2 und D3 sind hierbei in Durchlaßrichtung geschaltet, das heißt, ihre Anoden sind mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Der Kollektorstrom des Transistors T1 wird in einen von dem Widerstand R4 abhängigen Wert, von beispielsweise 100 mA, eingestellt.
Die Reihenschaltung der Zenerdiode D1 und des Widerstands R2 dient zum Schutz der Schaltungsanordnung 10 vor Überspannungen im Spannungsversorgungsnetz. Tritt eine Überspannung (Load Dump) im Spannungsversorgungsnetz auf, deren Wert größer ist als die Durchbruchspannung der Zenerdiode D1, wird diese abgeleitet. Die gleichzeitig mit dem Knotenpunkt K1 verbundene Schaltung der Transistoren T2 und T3 sowie des Widerstands R3 bilden eine Logikschaltung, die in Abhängigkeit des Anliegens eines positiven Steuersignals am Eingangsanschluß 12 den durch die Überspannung hervorgerufenen Strom (load-Dump-Strom) entweder in die Basis des Transistors T1 oder gegen Masse ableitet. Liegt kein Ansteuersignal an dem Eingangsanschluß 12 an, ist der Transistor T2 durchgeschaltet, so daß der Load-Dump-Strom über den Knotenpunkt K1 und den Transistor T2 gegen Masse abgeleitet werden kann. Für den Fall, daß zum Zeitpunkt des Auftretens eines Load-Dump-Stroms ein positives Ansteuersignal am Eingangsanschluß 12 anliegt, wird der Load-Dump-Strom über den Knotenpunkt K1 in die Basis des Transistors T1 abgeleitet.
In der Figur 2 ist das Layout der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung 10 teilweise dargestellt, anhand dem insbesondere die Integration des Darlington T5 und des Entkopplungstransistors T4 in ein monolithisch integriertes Bauelement verdeutlicht werden soll.
Figur 2 zeigt ausschnittsweise einen Wafer 20. Der Wafer 20 besteht aus einem n-Substrat 22 mit einer n- -Dotierung. In dem n-Substrat 22 ist ein Bereich 24 mit p-Dotierung strukturiert. Der Bereich 24 bildet die Basis des Darlington T5 und gleichzeitig den Kollektor des Entkopplungstransistors T4. Die Basis des Darlington T5 wird teilweise von einer Deckeiektrode 26 übergriffen, die über einen n+-Kontaktstreifen 28 mit dem in Figur 1 dargestellten Pluspol 14 verbunden ist. Die Deckelektrode 26 bildet somit den Kollektor des Darlington T5. In den Wafer 20 ist ein weiterer Bereich 30 mit p-Dotierung strukturiert. Der Bereich 30 ist außerhalb des Bereiches der Deckelektrode 26 an der dem p-dotierten Bereich 24 abgewandten Seite strukturiert. Der Bereich 30 bildet den Emitter des Entkopplungstransistors T4, während das n-Substrat 22 zwischen den Bereichen 24 und 30 die Basis des Transistors T4 bildet. Somit ist ein lateraler pnp-Transistor T4 geschaffen, der in den Randbereich des Darlington T5 integriert ist. Der Bereich 30 wird an drei Seiten von einem n+-Ring 32 umgriffen, der ebenfalls mit dem in Figur 1 gezeigten Pluspol 14 kontaktiert ist. Der Bereich 30 ist von einer Leiterbahn 34 umgriffen, die mit dem n+-Kontaktstreifen 28 kontaktiert ist. Die Kontaktierung kann beispielsweise über hier angedeutete Kontaktfenster 36 beidseitig des Bereiches 30 erfolgen. Die Leiterbahn 34 führt zu dem in dem Ausschnitt in Figur 2 nicht mehr dargestellten Kollektor des Transistors T1. Der Bereich 30 ist mit einer in Richtung des n+-Kontaktstreifens 28 gerichteten keilförmigen Struktur 38 versehen.
Mittels des in Figur 2 gezeigten Layouts wird die Schaltfunktion der Transistoren T4 und T5 wie folgt realisiert:
Zum Einschalten des lateralen Transistors T4 muß das Potential des n-Substrats 22 zwischen den Bereichen 24 und 30 auf eine niedrigere Spannung gebracht werden als die am n+-Kontaktstreifen 28 anliegende Versorgungsspannung (14 Volt). Hierzu wird der Basisstrom des lateralen Transistors T4 aus dem außerhalb des hochsperrenden Bereiches des Darlington T5 angeordneten Transistor T1 gespeist. Über die Verbindung des Kollektors des Transistors T1 mit dem n+-Kontaktstreifen 28 wird das n+-Gebiet zwischen den Bereichen 24 und 30 auf ein negativeres Potential gezogen als das gesamte Substrat 22. Der Transistor T4, dessen Emitter der Bereich 30, dessen Kollektor der Bereich 24 und dessen Basis das zwischen diesen Bereichen liegende Substrat 22 ist, wird somit durchgesteuert. Durch die keilförmige Struktur 38 des Bereiches 30 wird erreicht, daß in einer zwischen den zwei Kontaktfenstern 36 in der Mitte liegende Zone mit niedrigerer Potentialabsenkung gegenüber den in Richtung der Kontaktfenster 36 liegenden Zonen mit höherer Potentiaiabsenkung ein Ausgleich erfolgt. Somit wird erreicht, daß ein gleichmäßigerer Lateralstrom zwischen den Bereichen 30 und 24 fließen kann und somit eine Verbesserung der Verstärkung erzielt wird.
Der Abstand zwischen den Bereichen 30 und 24 muß wegen der Ausdehnung der Raumladungszone im Sperrbetrieb des Darlington T5 einen Mindestabstand aufweisen. Für den gezeigten Anwendungsfall beträgt dieser vorteilhaft mindestens 55 µm. Hierdurch ergibt sich eine Stromverstärkung des lateralen Transistors T4 von 0,1.
Durch die gefundene Anordnung läßt sich somit ein Ansteuerstrom für den Darlington T5 über die sperrende Randstruktur des Darlington T5 bringen, ohne das Sperrverhalten des Darlington T5 im Abschaltfall zu stören. Aufgrund der Stromverstärkung von ca. 0,1 läßt sich mit einem Kollektorstrom des invertierend geschalteten Transistors T1 von ca. 100 mA ein Ansteuerstrom für den Darlington T5 von ca. 10 mA generieren. Der Darlington T5 kann so mit ca. 10 A betrieben werden.
Die weiteren in Figur 1 erläuterten und in Figur 2 nicht dargestellten Schaltungselemente der Schaltungsanordnung 10 können auf dem Wafer 20 außerhalb des von der Deckelektrode 26 umgriffenen Bereiches angeordnet werden. Ein Teilerwiderstand der Deckelektrode 26 kann sehr vorteilhaft gleichzeitig als Strombegrenzungswiderstand R5 für den Kurzschlußtransistor T6 dienen.