CN117220652A - 开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明的开关电路包含：p通道传输晶体管，其源极连接于电源，漏极连接于负载；及栅极驱动电路，连接于所述传输晶体管的栅极；栅极驱动电路包含：第1晶体管，通过接通/断开信号的接通而流通第1电流；及放大器，负输入端被输入与所述第1电流相对应的基准电压，正输入端被输入所述栅极的栅极电压，以所述栅极电压与所述基准电压一致的方式，通过来自输出端的输出而控制来自所述栅极的栅极电流，且可设定所述输出的最大电流。通过根据所述传输晶体管的栅极电容设定所述最大电流，而设定从所述接通/断开信号的接通到所述传输晶体管的接通为止的软接通时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用配置在电源与负载之间的p通道传输晶体管的开关电路。
背景技术
以往，作为控制从电源到负载的电流的开关电路，已知有使用MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)的传输晶体管的开关电路。
此处，如果在负载的电源侧配置n通道传输晶体管，那么需要比电源电压更高的电压来确保传输晶体管的接通断开。因此，需要电荷泵等而导致构成变得复杂。
因此，在电源侧配置传输晶体管的情况下，优选使用p通道MOSFET(n通道)。
另外，如果传输晶体管突然接通，那么会产生朝向负载的冲击电流，因此，需要缓缓地接通(软接通)，且需要恰当的电路用来进行软接通。
发明内容
本发明的开关电路包含：
p通道传输晶体管，其源极连接于电源，漏极连接于负载；及
栅极驱动电路，连接于所述传输晶体管的栅极；
所述栅极驱动电路包含：
第1晶体管，通过接通/断开信号的接通而流通第1电流；及
放大器，负输入端被输入与所述第1电流相对应的基准电压，正输入端被输入所述栅极的栅极电压，以所述栅极电压与所述基准电压一致的方式，通过来自输出端的输出而控制来自所述栅极的栅极电流，且可设定所述输出的最大电流；
通过根据所述传输晶体管的栅极电容设定所述最大电流，而设定从所述接通/断开信号的接通到所述传输晶体管的接通为止的软接通时间。
根据本发明的开关电路，使用传输晶体管的栅极电容来防止冲击电流的产生，从而实现软起动。
附图说明
图1是表示本实施方式的开关电路的整体构成的电路图。
图2是表示Vin＞i1＊R1时的各部分的状态的时序图。
图3是表示Vin＜i1＊R1时的各部分的状态的时序图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边在下文中对本发明的实施方式进行说明。此外，以下的实施方式并不限定本发明，且将多个示例选择性组合而成的构成也包含在本发明中。
「整体构成」
图1係表示本实施方式的开关电路的整体构成的电路图。根据接通/断开信号ON/OFF，将传输晶体管M12接通断开，以此控制向负载RL的电力供给。
在电源Vin(电源电压＝Vin)连接p通道传输晶体管M12的源极，在传输晶体管M12的漏极连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接于接地gnd。因此，通过将传输晶体管M12接通，来自电源Vin的电流会流经负载RL。此外，传输晶体管M12是p通道MOSFET，漏极为输出端Vout。
本实施方式中，作为控制传输晶体管M12的电路，有栅极驱动电路10和监控电路20。
＜栅极驱动电路10＞
首先，对栅极驱动电路10进行说明。在电源Vin连接电阻R1的一端，在电阻R1的另一端，经由电流源CS1而连接着作为第1晶体管的n通道晶体管M1的漏极。另外，晶体管M1的源极连接于接地gnd。电流源CS1流通定电流i1。因此，当晶体管M1接通时，电阻R1、晶体管M1中流通电流i1。此外，将电流i1称作第1电流。
对晶体管M1的栅极供给接通/断开信号ON/OFF，根据接通/断开信号ON/OFF进行接通/断开。
在电源Vin连接p通道晶体管M3的源极，在晶体管M3的漏极，经由电流源CS2而连接着作为第2晶体管的n通道晶体管M2的漏极。另外，晶体管M2的源极连接于接地gnd。
电流源CS2流通作为第2电流的电流i2。因此，如果晶体管M2接通，那么晶体管M3、晶体管M2中也流通电流i2。对晶体管M2的栅极，经由反相器inv1而供给接通/断开信号ON/OFF，通过接通/断开信号ON/OFF的反相信号进行接通/断开。
因此，当接通/断开信号ON/OFF接通(H电平)时，晶体管M1接通，晶体管M2断开，当接通/断开信号ON/OFF断开(L电平)时，晶体管M1断开，晶体管M2接通。
晶体管M3的栅极漏极间短路，其栅极连接于p通道晶体管M4的栅极，所述p通道晶体管M4的源极连接于电源Vin。因此，晶体管M3与晶体管M4构成电流镜。此处，晶体管M3与晶体管M4的面积比为1：m，晶体管M4中流通晶体管M3的电流i2的m倍即电流m＊i2。
晶体管M4的漏极输入到gm放大器A1的正输入端ip，并且连接于传输晶体管M12的栅极。gm放大器A1的负输入端in被输入电阻R1与电流源CS1的连接点的电压vref。因此，gm放大器A1以正输入端ip的电压即传输晶体管M12的栅极电压Vg成为电压vref的方式动作。此外，将电压vref称作基准电压。
在gm放大器A1的输出端连接n通道晶体管M5的漏极，晶体管M5的源极连接于接地gnd。晶体管M5的栅极漏极间短路，其栅极连接于n通道晶体管M6的栅极，所述n通道晶体管M6的源极连接于接地gnd。因此，晶体管M5与晶体管M6构成电流镜。晶体管M6的漏极连接于gm放大器A1的正输入端及传输晶体管M12的栅极。进而，所述晶体管M6的漏极与gm放大器A1的正输入端及传输晶体管M12的栅极的连接点经由电阻R2而连接于电源Vin。因此，传输晶体管M12的栅极在未被控制栅极电流的情况下，上升为Vin。另外，晶体管M5与晶体管M6的面积比为1：n，晶体管M6中流通的电流是晶体管M5中所流通的电流的n倍。
此处，gm放大器A1的输出电流流经晶体管M5，其n倍的电流流经晶体管M6，由此，从传输晶体管M12的栅极抽出电荷，使得正输入端ip的电压下降。因此，当正输入端ip的电压高于vref时，输出电流变大，但gm放大器A1的输出电流的最大值(＝饱和电流)被定为电流imax。此外，将电流imax称作最大电流。另外，该例中，电压vref对应于传输晶体管M12全接通的栅极电压Vg而设定。
因此，当接通/断开信号ON/OFF接通，流通电流i1，传输晶体管M12的栅极电压Vg充分高于电压vref时，gm放大器A1输出电流imax。因此，从传输晶体管M12的栅极经由晶体管M6抽出栅极电流ig＝n＊imax。
另一方面，如果接通/断开信号ON/OFF断开，晶体管M3中流通电流i2，传输晶体管M12的栅极电压Vg低于电源电压Vin，那么电流i2流经晶体管M3。因此，经由晶体管M4向传输晶体管M12的栅极供给栅极电流ig＝m＊i2。
＜监控电路20＞
接下来，对监控电路20进行说明。对第1监控电路进行说明。在构成电流镜的晶体管M5、M6的栅极共通连接n通道晶体管M7的栅极，该晶体管M7的源极连接于接地gnd。晶体管M7的面积与晶体管M5相同，晶体管M7中流通电流imax。
晶体管M7的漏极经由电流源CS3连接于电源Vin。并且，电流源CS3与晶体管M7的漏极的连接点的电压经由反相器inv2而作为信号g_charge输出。电流i3设定为小于电流imax(imax＞i3)，在流通有电流imax的情况下，反相器inv2的输出即信号g_charge成为L电平，在未流通电流imax的情况下，信号g_charge成为H电平。
对第2监控电路进行说明。在传输晶体管M12的栅极连接n通道晶体管M8的漏极。在晶体管M8的栅极连接n通道晶体管M9的栅极，这两个栅极设定为电压vb。该电压vb是稍高于晶体管M8、M9的阈值电压的电压。另外，晶体管M8、M9的源极彼此连接。并且，晶体管M9的漏极经由电流源CS4连接于电源Vin，晶体管M9的漏极与电流源CS4的连接点的电压经由反相器inv3而作为信号vg0v输出。
如上所述，电压vb设定为稍高于晶体管M8、M9的阈值电压的电压。因此，通常来说，晶体管M8、M9中不流通电流，信号vg0v为L电平。
另一方面，当接通/断开信号ON/OFF接通，Vin＜i1＊R1时，想要晶体管M12成为全接通，栅极电压Vg需为大致gnd电平(该例中为0V)。此情况下，当经由晶体管M9、M8流通电流且电流量大于电流i4时，信号vg0v成为H电平。
对第3监控电路进行说明。源极连接于电源Vin的p通道晶体管M10的漏极经由电流源CS5而连接于接地gnd。晶体管M10的漏极与电流源CS5的连接点的电压经由反相器inv4而作为信号gate_off输出。传输晶体管M12的栅极电压Vg相比电源Vin低既定值，当传输晶体管M12接通时，晶体管M11、M10中流通电流，信号gate_off成为L电平。即，通过将电阻R3设为由晶体管M12的栅极的阈值电压与晶体管M11的阈值电压的电位差和电流i5的比所定义的值，晶体管M12在所期望的阈值电压以下断开，从而使信号gate_off成为L电平。
「驱动动作」
图2是表示Vin＞i1＊R1时的各部分的状态的时序图。首先，如果接通/断开信号ON/OFF断开(L电平)，那么晶体管M1断开，晶体管M2接通。此情况下，电压vref＝Vin、Vg＝Vin，栅极电流ig＝0。另外，晶体管M7的电流为0，信号g_charge为L电平，晶体管M9中无电流，信号vg0v为L电平，晶体管M10中无电流，信号gate_off为H电平。
该状态下，如果接通/断开信号ON/OFF接通(H电平)，那么晶体管M1接通，流通电流i1，电压vref＝Vin-i1＊R1。并且，该电压vref被输入到gm放大器A1的负输入端。gm放大器A1的正输入端的电压为Vin，gm放大器A1的输出中流通电流imax。因此，晶体管M6中流通imax＊n的电流，此电流从传输晶体管M12的栅极被抽出。
此处，在传输晶体管M12的栅极具有栅极电容。传输晶体管M12是向负载RL供给电流的晶体管，具有相对较大的栅极电容Cg。在接通/断开信号ON/OFF断开的阶段，栅极电压为Vin，被充入栅极的电荷为Cg＊Vin。并且，从gm放大器A1输出imax，晶体管M6中流通电流imax＊n，该电流从传输晶体管M12的栅极被抽出(ig＝imax＊n)。并且，栅极电压从Vin下降到vref。此处，Vin－vref＝i1＊R1，栅极电压从Vin变为vref所需的软接通时间ton如下所示。
ton＝Cg＊i1＊R1/(imax＊n)
此外，传输晶体管M12的栅极源极间电压Vgs的最大值为i1＊R1。另外，也可以在栅极源极间另外并列连接电容器，以调整栅极源极间的电容。
并且，在栅极电压Vg＝vref＝Vin－i1＊R1的状态下，传输晶体管M12全接通，对负载RL供给电流。
此处，如果Vgs＜i1＊R1，那么gm放大器A1的输出电流为imax，晶体管M7的电流大于电流i3。因此，通过在晶体管M6中流通栅极电流ig＝imax＊n，而信号g_charge成为H电平。进而，在已变为Vg＝vref的阶段，gm放大器A1的输出电流成为0，因此，信号g_charge成为L电平。即，从传输晶体管M12的栅极抽出栅极电流，传输晶体管M12从断开转变为接通的时间、即软接通时间内，成为H电平。
该例子的条件是，电阻R1中的电压下降i1＊R1小于电源Vin(Vin＞i1＊R1)。因此，晶体管M9、M8的电流不会大于电流i4，信号vg0v保持L电平。
另外，如果接通/断开信号ON/OFF接通，流通传输晶体管M12的栅极电流ig，栅极电压Vg开始下降，那么晶体管M11中开始流通电流。因存在电阻R3，因此该电流为相对较小的电流，相对于栅极电流ig来说可忽视。此外，晶体管M11中流通的电流未必设为非常小的电流，该情况下，只要考虑电流imax的电流量即可。并且，如果晶体管M11中流通电流，那么晶体管M10中流通电流，通过将电流量设定为大于电流i5，而信号gate_off成为L电平。
接下来，如果接通/断开信号ON/OFF断开，那么晶体管M1断开，晶体管M2、M3中流通电流i2，晶体管M4中流通电流m＊i2。并且，该电流m＊i2被供给到传输晶体管M12的栅极(ig＝m＊i2)，传输晶体管M12的栅极电压Vg开始上升。即，栅极电容Cg被放电，直到栅极电压成为Vin为止。因此，栅极电压从vref变为Vin所需的软断开时间toff如下所示。
toff＝Cg＊i1＊R1/(i2＊m)
另外，伴随着接通/断开信号ON/OFF断开，传输晶体管M12的栅极电压上升，由此，晶体管M11的电流减少，信号gate_off成为H电平。此外，该例中，将构成电流镜的晶体管M10、11的面积比率设为1：1，但并不限定于此。
图3是表示Vin＜i1＊R1时的各部分的状态的时序图。对应于接通/断开信号的接通，电压vref、传输晶体管M12的栅极电压Vg成为Vin－i1＊R1，但大致为0V。另外，对应于接通/断开信号的断开，电压vref、传输晶体管M12的栅极电压Vg恢复为Vin。栅极电流ig、信号g_charge、gate_off的行为也与图2的情况相同。
此处，通过将接通/断开信号ON/OFF接通，晶体管M7中流通电流imax，由此，信号g_charge成为H电平。并且，通过传输晶体管M12的全接通，电流imax成为0。但是，在Vin充分低于i1＊R1(Vin＜i1＊R1)的情况下，即便栅极电压Vg下降到0V附近，晶体管M12仍不会达到全接通状态。因此，表示充电过程中的g_charge保持H状态。其原因在于，放大器A1将目标vref与Vg进行比较，当Vin接近i1＊R1时，根据各元件(M1、CS1、A1、M6)的gnd电平(该例中为0V)附近的动作区域的界限，g_charge的判定变得不固定，图3中，用多条斜线表示该不固定状态。
例如，晶体管M12的栅极电压Vg固定为gnd电平，晶体管M12中不流通电流，但也可以取而代之，向晶体管M6流通电流。其原因在于，放大器A1的输出电流不充分，输出大致电流imax。并且，通过输出电流imax，晶体管M9、M8中流通电流，信号vg0v成为H电平。
如果接通/断开信号ON/OFF断开，那么晶体管M6断开，晶体管M8、M9的电流无处可去，使得晶体管M9的漏极电压上升，信号vg0v恢复为L电平。
本实施方式中，具有信号vg0v。因此，通过另一端被输入信号vg0v的与门(andgate)来限制信号g_charge，从而可防止信号g_charge中错误的H电平的输出。
Claims (5)
1.一种开关电路，包含：
p通道传输晶体管，其源极连接于电源，漏极连接于负载；及
栅极驱动电路，连接于所述传输晶体管的栅极；
所述栅极驱动电路包含：
第1晶体管，通过接通/断开信号的接通而流通第1电流；及
放大器，负输入端被输入与所述第1电流相对应的基准电压，正输入端被输入所述栅极的栅极电压，以所述栅极电压与所述基准电压一致的方式，通过来自输出端的输出而控制来自所述栅极的栅极电流，且可设定所述输出的最大电流；
通过根据所述传输晶体管的栅极电容设定所述最大电流，而设定从所述接通/断开信号的接通到至所述传输晶体管的接通为止的软接通时间。
2.根据权利要求1所述的开关电路，还包含：
第2晶体管，通过接通/断开信号的断开而流通第2电流；
通过将与所述第2电流相对应的电流设为向所述栅极的栅极电流而流通，而设定从所述接通/断开信号的断开时到所述传输晶体管的断开为止的软断开时间。
3.根据权利要求1所述的开关电路，还包含：
第1监控电路，包含流通与所述最大电流相对应的电流的电流镜，通过所述电流镜的电流而输出有关所述软接通时间的信号。
4.根据权利要求1所述的开关电路，还包含：
第2监控电路，在所述传输晶体管全接通时而所述栅极电压为大致0V的情况下，输出信号。
5.根据权利要求1所述的开关电路，还包含：
第3监控电路，当所述传输晶体管的栅极源极间电压小于既定值时，输出信号。
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| PB01 | Publication | ||
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