用于补偿基极‑发射极路径的温度响应曲线的开关设备的制作方法

本发明涉及用于补偿基极-发射极路径的温度响应曲线的开关设备，以在宽的温度范围内尽可能将输入开关电平保持恒定。此开关设备能够特别地使用在车辆的车载电路中。

背景技术：

在车辆中越来越多地在车载电路中使用电子电路。因此，越来越多的使用电子电路的(联网的)控制设备安置在车辆内，所述控制设备相互交换开关信息或开关指令或接通负载。在此必须在例如3.2v至32v的宽的运行电压范围内和例如-40℃至100℃的宽的温度范围内保证功能。在许多应用情况中，必须在低运行电压下也能够可靠地区分低电平和高电平。已知的输入开关级的缺点是此输入开关级不保持温度范围、接收过大的静态电流或很昂贵。

即使在下文中本发明以用于车辆的输入开关级作为示例来描述，但专业人员已知的是其也能够将所建议的开关使用在其中要求相应的温度范围和输入电压范围的另外的技术领域中。

作为输入开关级，已知例如发射极级、带有比较器的开关级或带有可编程基准电压的开关级。带有基极分压器的发射极级的缺点是所要求的接通电平不能在整个温度范围内保持。带有比较器的开关级的缺点是消耗静态电流，需要附加的基准电压源和基于所需的宽的工作电压范围而很昂贵。高价格由于“railtorail”输入级和在低至2v的控制电压和高至32v的运行电压下的宽的使用范围导致。带有例如德州仪器texasinstruments(texasinstruments)的精密的可匹配的分路调节器tl431的可编程基准电压的开关级也不能廉价地实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题因此是通过使用构造上尽可能简单的方式提供输入开关级，所述输入开关级可特别廉价地制造且可工作在所要求的温度范围和输入电压范围内。

此技术问题通过独立权利要求的对象解决。本发明的有利的扩展在从属权利要求、说明书和附图中给出。

根据本发明的开关设备补偿了基极-发射极路径的开关特性的取决于温度的变化。开关设备设置为控制作为开关元件的晶体管，在所述晶体管的负载路径中在集电极和发射极之间布置了负载。负载在此也能够理解为控制设备的控制输入部或例如mosfet。通过控制电压控制晶体管。开关设备此外具有传输元件，所述传输元件利用了带隙基准电压源的原理，以改变施加在传输元件的输入部上的控制电压，使得用作开关元件的晶体管的取决于温度的基极-发射极电压得以补偿或平衡。因此，与晶体管的基极耦合的传输元件被构造用于改变控制电压且将其作为匹配的控制电压输出，被改变的控制电压与取决于温度的晶体管的基极-发射极电压成比例且替代了用于待接通的晶体管的控制电压。

开关设备能够例如使用在车辆的车载电路内。在此，在应用情况中第一控制设备的开关输出部通过开关设备引导到第二控制设备的控制输入部上。开关设备在此完成了施加在第二开关设备上的控制信号的温度补偿，以控制输入部使得尽管开关特性取决于温度地变化，即开关电平漂移，但在计划的时间点所述输入部接通。作为第二开关装置的替代，在替代的应用情况中控制例如负载的控制输入部，所述负载例如为可控的电流分配器或显示器。

带隙基准电压源(英语：bandgapvoltagereference)的原理在1970年首次在robertc.dobkin和robertj.widlar的美国专利文献us3617859中描述。自此以来，此原理作为带隙标准或关于温度影响方面稳定的基准电压使用在许多电路中。因此，带隙基准电压源目前仅用于电压调节器或线性调节器。因此所提供的基准电压与比较器关联或在差动放大器的情况中作为稳定的电压输入使用。因此，在已知的现有技术中提供了恒定的温度补偿的基准电压，所述基准电压不适合用于控制后续的晶体管级。现在已令人惊奇地显示，带隙基准电压源的原理不仅适合于所述调节器和(预)放大器，而且可应用于开关级或其开关输入部(基极)。在此，如所论述，通过电路自身匹配取决于温度地改变的控制电压，以平衡晶体管的(取决于温度)变化的开关特性。因此，控制电压在控制信号的电压范围上与温度和由于温度改变的晶体管的开关特性匹配。例如，开关设备能够用于接通mosfet或一般地控制设备或控制装置。

控制电压能够此外通过分压器引导到传输元件的输入部。因此，输入电压范围能够在另外的范围内被匹配。通过分压器能够将控制电压的仅一部分引导到输入元件处。

有利地，根据希望的控制，即高电平有效或低电平有效，来匹配开关设备的晶体管和传输元件。对于高电平有效控制，晶体管设置为npn晶体管，对于低电平有效控制，晶体管设置为pnp晶体管。

在此，高电平有效和低电平有效涉及逻辑电平，即在数字技术中用于代表逻辑值的电压。在此，区分高电平(即high)和低电平(low)。在信号电平理解为状态(且不是二进制数)时，称其为低电平有效(activelow)或高电平有效(activehigh)。

对于高电平有效控制，有利的是传输元件具有两个npn晶体管，所述npn晶体管的发射极与地连接，其基极以及第一npn晶体管的集电极与控制电压连接或与分压器的输出部连接，第二npn晶体管的集电极通过第二电阻与控制电压连接或与分压器的输出部连接，且第二npn晶体管的集电极与用作开关元件的晶体管的基极连接。

与之类似，对于低电平有效控制，有利的是传输元件具有两个pnp晶体管，所述pnp晶体管的发射极与用于开关设备的电源的正极耦合，其基极和第一pnp晶体管的集电极通过第一电阻与控制电压连接或与分压器连接，且通过第二电阻与用作开关元件的晶体管的基极连接，第二pnp晶体管的集电极与后者连接，即与该晶体管的基极连接，且第二pnp晶体管的集电极通过第二电阻与控制电压连接或与分压器连接。

以在此所述的电路能够很廉价且简单地使用带隙基准电压源的原理，以用于将控制电压与作为开关元件的晶体管的开关特性的取决于温度的改变进行匹配。此类电路能够以简单的方式作为电路构建在电路板上或构建为集成电路。

为改进所建议的电路的温度补偿，有利地将传输元件的晶体管和作为开关元件的晶体管热连接。

这能够通过附加的所谓的热管进行。热管在此能够理解为传热器或热管。热管具有高的热流密度，即在较小的横截面上能够传输更大量的热量。任选地，能够在其上构建有电路的电路板上提供用于换热的层，在所述层上热结合了晶体管。层能够例如是多层电路板的附加的铜层，这实现了在电路板上或在电路板的被用于换热的层覆盖的部分区域上的均匀热分布。作为铜的替代也能够使用另外的良好的导热材料。任选地，能够由接地层、即电路板的与地(gnd)连接的层承担热分配和热导出作为其附加任务。在一个特定的实施形式中，接地层为此在厚度上被超量地设定尺寸，以能够接收和存储更多的热，且因此有助于更低的热波动。用于换热的层也能够与冷却设备连接。

为此，能够具有优点的是在晶体管和热管之间提供所谓的填隙物，以改进热结合。此外，有利的是晶体管具有相同的结构。即，晶体管优选地以相同的或可比较的方式构建。因此，晶体管能够具有相同的类型。替代地，所使用的晶体管在预先给定的温度下具有在公差范围内相同的或可比较地变化的开关阈值。晶体管因此具有取决于结构的可比较的热开关特性。通过热耦合的此措施，晶体管在窄的公差范围内具有相同的温度，以此用作开关元件的晶体管的开关点的温度相关性通过所述晶体管的控制、即通过在该晶体管基极施加的匹配的控制电压得以补偿。

在宽的温度范围内的开关特性的另外的改进能够通过互补的放大器级实现。互补的放大器级除以上所述的传输元件外具有对立的但补充的特征。因此，互补的放大器级在实施形式中具有至少一个与传输元件互补的晶体管。这能够例如通过对于晶体管和传输元件的npn晶体管和对于互补的放大器级的pnp晶体管或相反的情况来实现。互补的放大器级能够通过(带负载的)分压器补充。互补的放大器级的分压器通过两个电阻即放大器电阻形成。互补的晶体管或互补的放大器级是用于高电平有效控制的pnp晶体管或用于低电平有效控制的npn晶体管。

在开关设备具有互补的放大器级时，串联连接的放大器电阻能够形成与晶体管的集电极连接的互补的分压器。互补的晶体管的基极与两个放大器电阻之间的耦合点连接，互补的晶体管的发射极与第二放大器电阻连接，且互补的晶体管的集电极与负载连接。

也有利的是，用作开关元件的晶体管和互补的放大器级的晶体管热连接且具有相同的结构类型。因此，开关设备的所有晶体管能够热耦合。

当然，在此所述的原理解决方案也能够特别有利地构造为集成电路，且在此情况中也能够应用带有多重发射极的晶体管。

附图说明

在下文中通过参考附图解释了本发明的有利的实施例。各图为：

图1示出了根据现有技术的集电极电路内的开关级，

图2示出了在图1中所示的开关级中分别在-40℃和+100℃情况下的关于开关电压的控制电压的电压变化曲线的示意图，

图3示出了根据本发明的第一实施例的开关设备的电路图，

图4示出了根据本发明的第二实施例的开关设备的电路图，

图5示出了第二实施例的电压变化曲线示意图，

图6示出了根据本发明的第三实施例的开关设备的电路图，

图7示出了第三实施例的电压变化曲线示意图，

图8示出了电阻布置的示意图，

图9和图10示出了根据本发明的实施例的互补放大器级的电路图，和

图11和图12示出了带有互补放大器级的实施例的电压变化曲线示意图。

图13和图14示出了现有技术下的和按照本申请实施例的开关特性曲线的对比。

具体实施方式

附图仅是示意性的图示且仅用于解释本发明。相同的或作用相同的元件在各处提供以相同的附图标号。

图1示出了根据已知的现有技术的集电极电路中的开关级。作为开关级或开关元件q3的npn晶体管q3待接通。待接通的负载通过电阻rl和电压源v2代表。控制电压ust由电压源v1提供。在此，电压源v1作为替代电路图例如代表了控制设备的控制输出部。替代地，电压源v1可接通(未图示)。控制电压ust通过分压器102提供在npn晶体管q3的基极b3上。

因此详细地得到了如下的电路图。电压源v1的正极端子与分压器102的第一电阻r1的输入部连接。电压源v1的负极端子与第二电阻r2的输入部连接且与地gnd连接。分压器102的第一电阻r1的输出部和分压器102的第二电阻r2的输出部与晶体管q3的基极b3连接。晶体管q3的集电极k3通过代表了负载的电阻rl与负载电压源v2的正极连接。晶体管q3的发射极e3和负载电压源v2的负极与地gnd连接。

施加在晶体管的基极b3(在分压器104之后)上的电压称为被匹配的控制电压ub3。提供在晶体管q3的集电极k3上的电压称为开关电压uc3。

图2示出了相对于图1中所示的集电极电路中的常规的开关级的分别在-40℃和+100℃情况下的关于开关电压uc3的控制电压ust的电压变化曲线112、114的示意图。

在此，绘出了所采用的开关阈值110。在笛卡尔坐标系中，在纵轴上图示了开关级q3的输入电压、即控制电压ust，且在横轴上图示了开关级q3的输出电压、即开关电压uc3。

信号变化曲线112、114是图1中图示的电路的仿真结果。对于输入电压/控制电压ust，显示出且经历了1.5v至3.9v的范围。纵轴表示了0v至3.3v的电压范围。第一信号变化曲线112在仿真的-40℃的温度下在1.5v的输入电压情况下已开始降低，且在大约2.3v的输入电压ust时达到0v的输出电压/开关电压uc3。第二信号变化曲线114在+100℃的温度下在大约3.0v的输入电压时开始降低，且在大约3.6v的输入电压ust时达到0v的输出电压/开关电压uc3。

在实施例中，采用在2.7v的输出电压下的开关阈值110，所述开关阈值110以虚线标记，所述虚线在2.7v下与纵坐标轴相交。很好地可见开关阈值的温度相关性：在+100℃的温度下在2v的输入电压下尚未可靠地关断。在-40℃的温度下在3.2v的输入电压的情况下尚未可靠地接通。

图3示出了根据本发明的实施例的开关设备100的电路图。在图1中所示的电路被扩展以传输元件102。传输元件将控制电压ust根据温度进行匹配，以产生与温度无关的晶体管q3的开关特性。

传输元件102根据带隙基准电压源的原理工作(英语：bandgapvoltagereference)。输出电压在温度补偿的状态中对应于相应的半导体的带隙电压。带隙基准电压源的原理在带有集电极级的开关级上的相应适用在图4中图示。

图4示出了根据本发明的实施例的开关设备100的电路图。电路对应于图3中所示的用于补偿基极-发射极路径的温度响应曲线的带有可控的开关元件q3(晶体管q3)和传输元件102的开关设备100。晶体管q3是被高电平有效控制的npn晶体管。

传输元件102在用于高电平有效控制的电路中包括两个npn晶体管q1、q2，以及三个电阻r3、r4、r5。分压器102的两个电阻r1、r2之间的耦合点与第一电阻r3和第二电阻r5连接。此外，第二电阻r5与第二npn晶体管q2的集电极k2连接。第一电阻r3与两个npn晶体管q1、q2的基极b1、b2连接且与第一npn晶体管q1的集电极k1连接。第一npn晶体管q1的发射极e1直接与地gnd连接，且第二npn晶体管q2的发射极e2通过电阻r4与地gnd连接。第二npn晶体管q2的集电极k2与晶体管q3的基极b3连接。在此处施加了被温度补偿地匹配的控制电压ub3。

npn晶体管q1、q2、q3是相同的或类型相同的，且相互良好地耦合。因此实现使其具有相同的温度，其中电路设计为至少用于-40℃至+100℃的使用范围。

在图4中所示的开关级100使用已知的带隙原理，但不是为了产生基准电压而是为了补偿晶体管q3的开关的的温度相关性。

在示例的构造中，分压器102的电阻r1和r2以及电阻r3和r4是带有1kω的电阻。第二电阻r5设定为9kω。因此，在包括r1和r5的加和与电阻r4之间存在10:1的比例。

在忽略高电流强度下第二npn晶体管q3的基极电流的情况下，则与流过第二npn晶体管q2的集电极k2的电流相比，大约高10倍的电流通过第一npn晶体管q1的集电极k1。温度变化现在导致第一npn晶体管q1的基极-发射极电压ube的改变。此改变导致在电阻r4上的电压的成比例的改变且因此也导致第二电阻r5上的电压的成比例的改变。在温度升高时电压ub3降低，且在温度降低时ub3上的电压升高。

在图4中图示的开估设备100确定为用于正电压。对于负电压，可使用互补的晶体管(pnp晶体管)建立相应的电路，如在图6中所示。

图5示出在-40℃的温度下以及在+100℃的温度下在2.5v至2.7v的范围内可靠地通断。所采用的开关阈值处在2.7v处。在图5中，如在图2中一样地示出了分别在-40℃和+100℃情况下的关于开关电压uc3的控制电压ust的每个电压变化曲线112、114的示意图，但为涉及图3和图4中所示的被温度补偿的开关设备100的情况。

图6示出了根据本发明的另外的实施例的开关级100的电路图。与图3和图4中所示的开关级100的差异是在图6中所示的开关级100是为低电平有效控制来设计。为此，作为在图3和图4中所示的实施例中所使用的npn晶体管的替代，现在使用pnp晶体管q1’、q2’和q3’，且相应地将电路进行变换。在图示的实施例中应用了用于控制电压的原理，其中在供电电压下2.6v被通断。

负载通过在此实施例中设定为10kω的电阻rl代表。

控制电压ust施加在供电电压v3的负极上，所述负极与分压器104的第一电阻r1连接。分压器104的两个电阻r1、r2之间的节点通过第一电阻r3与两个pnp晶体管q1’、q2’的基极b1、b2以及第一pnp晶体管q1’的集电极k1连接。此外，分压器104的两个电阻r1、r2之间的节点通过第二电阻r5与第二pnp晶体管q2’的集电极k2以及晶体管q3’或pnp晶体管q3’的基极b3连接。电压源v3的正极与第一pnp晶体管q1’的发射极e1连接以及通过电阻r4与第二pnp晶体管q2’的发射极e2连接。

晶体管q3’或pnp晶体管q3’的发射极e3与电压源v3的正极连接以及与电压源v1的正极连接。pnp晶体管q3’的集电极k1通过负载rl或代表负载的电阻rl与地gnd和电压源v1的负极连接。

因此，对于在图6中所示的带有低电平有效控制的开关设备100，得到与在图3和图4中图示的带有高电平有效控制的开关设备100相类似的取决于温度的或被温度补偿的良好的开关特性，即在-40℃或+100℃的情况下在供电电压下在2.5v至2.7v的范围内可靠地通断。所采用的开关阈值处在例如0.7v处。在图7中，如在图5中一样地示出了分别在-40℃和+100℃的情况下关于开关电压uc3的控制电压ust的电压变化曲线112、114的示意图，但在此为涉及图6中图示的带有低电平有效控制的被温度补偿的开关设备100的情况。

图8在示意图中示出了分压器104的电阻r1相对于输入电压ust的近似的比例。

电阻的设定能够通过近似值简单地进行。在此涉及一些假定。

带隙电压：ut：＝1.2

基极-发射极电压：ube：＝0.6

电阻比例：

r2＝1000ωr3＝1000ω

此计算提供了所述的近似值。但以此近似值能够经验地通过仿真程序进一步改进结果。

图9和图10示出了在图3和图4或图6中图示的带有互补的放大器级106、106’的开关设备100的任选扩展。基本上由晶体管q4、q4’组成的互补的放大器级106、106’进一步改进了开关特性。在此示出了互补的放大器级，所述放大器级带有包括两个电阻r7、r8的分压器，所述电阻在下文中为更容易地对应起见而被称为放大器电阻r7、r8。

在图9中部分地图示的用于补充在图3和图4中图示的带有高电平有效控制的开关设备100的互补的放大器级106除pnp晶体管q4外具有两个附加的设定为10kω的电阻r7和r8。晶体管q3(npn晶体管q3)的集电极k3通过两个放大器电阻r7和r8与电压源v2的正极连接。pnp晶体管q4的发射极e4也与电压源v2的正极连接。pnp晶体管q4的基极b4与两个电阻r7和r8之间的节点连接。且pnp晶体管q4的集电极k4通过负载rl与电压源v2的负极或与地gnd连接。在集电极k4上或在集电极k4和负载电阻r8之间施加了输出电压ua。通过输出电压ua能够例如控制mosfet或另外的控制设备。

也在图10中部分地图示的用于补充在图6中图示的带有低电平有效控制的开关设备100的互补的放大器级106’除npn晶体管q4’外具有两个附加的设定为10kω的电阻r7和r8。晶体管q3’(pnp晶体管q3’)的集电极k3通过两个电阻r7和r8与电压源v2的负极或地gnd连接。晶体管q3’(pnp晶体管q3’)的发射极e3通过负载电阻rl与npn晶体管q4’的集电极k4连接。npn晶体管q4’的基极b4与形成分压器的两个电阻r7和r8之间的节点连接。npn晶体管q4’的发射极e4此外与电压源v2的负极或与地gnd连接。

第四晶体管q4、q4’与另外地使用的晶体管q1、q2、q3或q1’、q2’、q3’互补且与之热耦合，以在公差范围内具有相同的温度。虽然实施本发明不要求带有晶体管q4、q4’的互补的放大器级106、106’，但在实践中这提供的优点是针对温度变化使得开关设备更稳定。

由图11和图12中示出的示意图显而易见改进的开关特性。图11和图12像图2、图5和图7一样地示出了有关在图9或图10中图示的互补的放大器级106、106’的分别在-40℃和+100℃情况下关于开关电压uc3的控制电压ust的各电压变化曲线112、114。在笛卡尔坐标系中，在横坐标上图示了控制电压ub3且在纵坐标上图示了开关电压uc3。

在图11中，信号变化曲线112、114是在图9中与在图3组合地图示的电路的仿真结果。图12中的信号变化曲线是在图10中与在图6组合地图示的电路的仿真结果。对于控制电压ust，显示且经历了从1.5v至3.9v的范围。纵坐标轴图示了从0v至3.3v的电压范围。

附图标记列表

100开关设备

102传输元件

104分压器

106互补的放大器级

106’互补的放大器级

110开关阈值

112、114信号变化曲线

gnd地

q1第一npn晶体管

q1’第一pnp晶体管

q2第二npn晶体管

q2’第二pnp晶体管

q3晶体管、开关元件

q4pnp晶体管

q4’npn晶体管

r1、r2分压器电阻

r3第一电阻

r4电阻

r5第二电阻

rl电负载，电阻

r7、r8电阻

ust控制电压

ub3匹配的控制电压

uc3开关电压

v1、v2、v3供电电压