DE19613958C2

DE19613958C2 - Spannungsseitiger Schalterkreis

Info

Publication number: DE19613958C2
Application number: DE19613958A
Authority: DE
Inventors: Bruno C Nadd
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1995-04-11
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2016-04-10
Also published as: DE19613958A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf spannungsseitige Schalterkreise und insbesondere auf eine neuartige Schaltung für die Ladungs pumpe derartiger Schalter, die verringerte Störsignale und einen vergrößerten Wirkungsgrad aufweist und einfacher in einen gemeinsamen Halbleiterchip integrierbar ist, der das Leistungs halbleiterbauteil des spannungsseitigen Schalters einschließt.

Spannungsseitige Schalter sind für vielfältige Anwendungen gut bekannt, bei denen eine Last mit einem geerdeten Anschluß aus einer Leistungsversorgung gespeist werden muß, wobei ein der artiger Schalter ein MOS-Gate-gesteuertes ('MOS-gated') Leistungshalbleiterbauteil einschließt, das einen Gate-Anschluß aufweist, der ein Potential benötigt, das höher als das der Leistungsversorgung ist, um den Schalter einzuschalten. Eine Ladungspumpen-Schaltung ist üblicherweise vorgesehen, um die höhere Spannung zu erzeugen, die erforderlich ist, um das MOS- Gate-gesteuerte Leistungshalbleiterbauteil einzuschalten, wenn ein Einschaltbefehl von einem Eingangssignal geliefert wird. Derartige Bauteile sind allgemein integrierte Schaltungsplätt chen oder Chips, bei denen das MOS-Gate-Leistungsbauteil, die Ladungspumpe und andere Steuerschaltungen in einem gemeinsamen Halbleiterchip oder Halbleiterplättchen integriert sind.

Bei bekannten Schalterkreisen dieser Art (DE 36 29 383 A1 und US 5 258 662 A) sind die Leistungsanschlüsse der Ladungspumpen schaltung mit den Anschlüssen der Leistungsversorgung verbunden. Bei diesen bekannten Schalterkreisen ergeben sich mehrere Probleme:

Starke Störungen werden sowohl an den Versorgungsspannungs- als auch an den Erdanschluß-Stiften bei vielen Anwendungen erzeugt, und zwar aufgrund des mit hoher Frequenz (1 MHz) erfol genden Ladens und Entladens des Spannungsverdopplungskondensa tors in der Ladepumpe.

Der Ladungspumpenkondensator erfordert einen übermäßig dicken Oxyd- und Siliziumbereich, wenn er in ein Siliziumhalb leiterplättchen für Anwendungen mit hoher Versorgungsspannung integriert wird, beispielsweise bei Spannungen von mehr als 12 Volt.

Der Abschalt-Schalterkreis, der zum Trennen des Leistungs- MOS-Gate-Halbleiterbauteils von der Ladungspumpe im Abschaltzu stand des Bauteils erforderlich ist, ist in einer N-Kanal-Halb leiterplättchen-Ausführungsform, bei der Hochspannungs-P-Kanal- Steuer-MOSFETs nicht verfügbar sind, schwierig auszuführen.

Die monolithische Ausführung der Spannungsverdoppler-Diode in der Ladungspumpe ist schwierig, und sie kann nicht in Form einer einfachen P/N-Diode in dem N--Epitaxialsubstrat einer üblichen integrierten Schaltung integriert werden, die einen selbstisolierenden vertikalen Leitungsvorgang verwendet.

Die Ausgangsspannung der Ladungspumpenschaltung wird durch die Dioden-Durchlaßspannungsabfälle in der Ladungspumpen- Verdopplerschaltung verringert, was eine stärkere Auswirkung bei Niederspannungsanwendungen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Ladungspumpenschaltung für spannungsseitige Schalter zu schaf fen, die geringe Störsignale und einen hohen Wirkungsgrad auf weist, und die einfacher in das gleiche Halbleiterplättchen integrierbar ist, das das MOS-Gate-Leistungshalbleiterbauteil enthält.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schalterkreis für einen spannungs seitigen Schalter ist die Ladungspumpe von dem Erdanschluß der integrierten Schaltung getrennt ist und stattdessen mit einem schwimmenden Knoten verbunden. Der schwimmende Knoten ist dann mit dem Erdanschluß der integrierten Schaltung über eine Konstantstromquelle verbunden. Daher ist der Strom von dem Spannungsquellenanschlußstift konstant, wodurch Störsignale an den Erd- und Versorgungsspannungsanschlüssen verringert werden.

Weil die Ladungspumpe mit einem schwimmenden Knoten verbunden ist, ist es möglich, die Ladungspumpenspannung auf eine niedrige Spannung zu klemmen, selbst wenn die Ausgangsspannung des Bau teils höher ist. Daher ist die Spannung längs des Ladungspumpen kondensators niedrig, selbst für ein Hochspannungsbauteil, und seine Größe ist begrenzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Abschalt-Steuerschaltung zwischen dem Ladungspumpen-Eingangs anschluß und dem Versorgungsspannungsanschluß in Form eines N-Kanal-Steuer-MOSFET in einem integrierten Halbleiterschal tungsplättchen ausgeführt, das einen N-Kanal-MOS-Gate-Leistungs bauteil-Abschnitt enthält. Der N-Kanal-Steuer-MOSFET ist dann mit einer positiven Rückführungsschaltung an die Ladungspumpe verbunden. Eine neuartige Starterschaltung wird dazu verwendet, anfänglich den N-Kanal-Steuer-MOSFET einzuschalten.

Die Spannungsverdoppler-Dioden sind vorzugsweise als synchrone Gleichrichter ausgeführt, die aus einem MOSFET an der Stelle einer Diode und einem Widerstand und einem MOSFET für die andere Diode bestehen. Diese Bauteile können sehr einfach in das N-Epi taxialsubstrat einer integrierten Schaltung integriert werden, die ein N-Kanal-MOS-Gate-Haupt-Leistungshalbleiterbauteil ent hält.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten spannungsseitigen Schalters,

Fig. 2 eine bekannte Ladungspumpe, die als Spannungs verdoppler ausgebildet ist, die für die Schaltung nach Fig. 1 verwendet wird, um die Gate-Ansteuerung für das MOS-Gate-Leistungs bauteil zu liefern,

Fig. 3 die Gate-Spannung, die dem MOS-Gate-Leistungs bauteil nach Fig. 2 als Funktion der Zeit geliefert wird,

Fig. 4 eine Ausführungsform des spannungsseitigen Schalters gemäß der Erfindung, bei dem irgendeine gewünschte Ladungspumpenschaltung mit einem schwimmenden Knoten verbunden ist,

Fig. 4a die Schaltung nach Fig. 4 mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Konstantstromschaltung, die den schwimmenden Knoten irgendeiner gewünschten Ladungspumpenschaltung mit dem Erdanschluß der integrierten Schaltung verbindet,

Fig. 5 die Schaltung nach Fig. 4 mit der Ladungspumpe nach Fig. 2 und mit einer modifizierten Ausführungsform der Konstantstromquellenschal tung,

Fig. 5A eine bevorzugte Ausführung eines zusätzlichen Transistors in der Konstantstromquellenschaltung nach Fig. 5 in Silizium, um es dem Bauteil zu ermöglichen, hohen Spannungen zu widerstehen,

Fig. 6 den Strom der Konstantstromquellenschaltung, der dem Ladungspumpen-Ausgangsstrom für die Schaltung nach Fig. 5 überlagert ist, um den verringerten Störsignalpegel an den Leistungs- und Erd-Anschlußstiften der Schaltung zu zeigen,

Fig. 7 die Schaltung nach Fig. 4, die modifiziert wurde, um einen Hilfs-MOSFET zur Ausbildung des Abschaltschalters zu verwenden, wie er schematisch in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist,

Fig. 8 die Schaltung nach Fig. 5, die modifiziert wurde, um den Hilfs-Leistungs-MOSFET nach Fig. 7 und eine neuartige Startschaltung aufzunehmen,

Fig. 9 die Schaltung nach Fig. 8 mit einer modifizierten Startschaltung,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer spannungsseitigen Schaltung, die den neuartigen Hilfs-MOSFET nach den Fig. 7, 8 und 9 in Kombination mit einer neuartigen Startschaltung und einer bekannten Art einer geerdeten Ladungspumpe verwendet,

Fig. 11 ein Querschnitt eines Teils eines integrierten Halbleiterschaltungsplättchens, das eine Ladungspumpen-Diode enthält, die mit dem Gate des Hauptbauteils verbunden ist, um die Probleme ihrer Integration in das Halbleiterplättchen zu zeigen,

Fig. 12 die Ladungspumpenschaltung nach Fig. 2, bei der die mit dem Gate des Leistungs-MOSFET verbundene Diode durch einen Transistor und einen Widerstand ersetzt ist, die sehr einfach in ein gemeinsames Silizium-Halbleiterplättchen zusammen mit dem MOS-Gate-Leistungsbauteil integrierbar sind,

Fig. 13a, 13b und 13c die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 12 auf einer gemeinsamen Zeitbasis,

Fig. 14 die Schaltung nach Fig. 12, bei der der Widerstand der Widerstands-Transistor- Kombination durch einen Transistor im Verarmungsbetrieb ersetzt ist,

Fig. 15 eine Verbesserung der Schaltung nach Fig. 14, um das Anlegen der vollen Spannung von 2V_cc an das Gate des Leistungsbauteils zu ermöglichen,

Fig. 16a, 16b und 16c Schwingungsformen, die die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 15 beschreiben,

Fig. 17 die Schaltung nach Fig. 15 in einer Gegentaktausführung,

Fig. 18a-18d Schwingungsformen auf einer gemeinsamen Zeitbasis zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 17.

In Fig. 1 ist ein typischer spannungsseitiger Schalterkreis gezeigt. Derartige Schaltungen werden bei vielen Anwendungen verwendet, beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen, bei denen es erforderlich ist, eine Last anzusteuern, die einen geerdeten Anschluß aufweist. Gemäß Fig. 1 ist eine Batterie 30 mit einer Last 31 über einen N-Kanal-Leistungs-MOSFET 32 verbunden. Der negative Anschluß der Batterie 30 und eine Seite der Last 31 sind mit einem gemeinsamen Erdanschluß verbunden, beispielsweise mit dem Fahrgestell eines Fahrzeuges. Der positive Anschluß der Batterie 30 weist eine Spannung V_cc auf, die beispielsweise 12 Volt sein kann. Der Leistungs-MOSFET 32 kann irgendein anderes gewünschtes Halbleiterbauteil mit MOS- Gate-Steuerung sein, beispielsweise ein IGBT oder ein Thyristor mit MOS-Gate-Steuerung oder dergleichen.

Wenn sich der MOSFET 32 im Einschaltzustand befindet, so liegt seine Source-Elektrode nahezu auf dem Leistungsversorgungspoten tial V_cc. Um einen geringen Drain-Source-Spannungsabfall zu haben, ist es erforderlich, das Gate G des MOSFET 32 auf ein Potential von 5-10 Volt oberhalb des Potentials der Source- Elektrode S zu bringen, was 5-10 Volt oberhalb von V_cc ent spricht. In den meisten Fällen, insbesondere dann, wenn der spannungsseitige Schalter in Form einer unabhängigen in sich abgeschlossenen integrierten Schaltung ausgebildet ist, steht keine Versorgungsspannung, die größer als V_cc ist, in dem System zur Verfügung, und eine Spannung oberhalb von V_cc muß auf dem Halbleiterplättchen erzeugt werden. Dies erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines kapazitiven Spannungsverviel fachers, der oft auch als Ladungspumpe bezeichnet wird.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Spannungsverdopplerschaltung 40, wie sie üblicherweise bei spannungsseitigen Schaltern verwendet wird, und die mit dem spannungsseitigen Schalter nach Fig. 1 verbunden ist. Die Verdopplerschaltung 40 verwendet eine Rechteckschwingungs-Oszillatorschaltung 41, deren Ausgangssignal durch einen Puffer 42 gepuffert wird. Der Ausgangsknoten 43 des Puffers 42 ist mit einem Kondensator 44 verbunden, der mit einer Diode 45 verbunden ist und über diese aus der Quelle V_cc geladen wird. Der Knoten zwischen dem Kondensator 44 und der Diode 45 ist mit einer Diode 46 verbunden, die ihrerseits mit dem Gate des MOSFET 32 verbunden ist. Zwei Schalterbauteile, die als Schalter 47 und 48 dargestellt sind, sind vorgesehen, wobei der Schalter 47 zum Anschalten und Abschalten des Knotens 49 an und von der Leistungsversorgung 30 betreibbar ist, während der Schalter 48 im abgeschalteten Zustand des MOSFET 32 schließt, um die Gate-Elektrode des MOSFET 32 auf Erde (oder auf die Source-Elektrode des MOSFET 32) zu beziehen.

Die Ladungspumpe 40 arbeitet wie folgt:

Wenn der Knoten 43 am Ausgang der Pufferschaltung 42 einen niedrigen Pegel aufweist, so wird der Kondensator 44 aus der Quelle V_cc über die Diode 45 geladen. Wenn der Knoten 43 am Ausgang der Pufferschaltung 42 einen hohen Pegel aufweist, so wird die Ladung des Kondensators 44 an die Gate-Elektrode des MOSFET 32 über die Diode 46 übertragen. Die Spannung an dem Gate des MOSFET 32 steigt dann stufenweise an, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, und die Spannung an der Gate-Elektrode des MOSFET 32 nähert sich 2 V_cc zum Einschalten des MOSFET 32.

Um den MOSFET 32 abzuschalten, schließt der Schalter 48, um die Gate-Spannung auf Erde zu ziehen, und der Schalter 47 wird geöffnet, um den Knoten 49 von der Leistungsversorgung zu trennen.

Die Schaltung nach Fig. 2 weist die folgenden Nachteile auf:

1. Das Laden und Entladen des Kondensators 44 mit hoher Frequenz, typischerweise 1 MHz, erzeugt einen Hochfrequenzstrom in den V_cc- und Erdanschlußstift-Knoten und den hierauf bezogenen Gehäuseanschlüssen der integrierten Schaltung 40, was bei vielen Anwendungen schwerwiegende Störsignalprobleme ergibt.
2. Es ist bei den meisten verfügbaren Herstellungsverfahren schwierig, den Schalter 47 in einem einzigen Silizium- Halbleiterplättchen für die gesamte Schaltung auszubilden, insbesondere dann, wenn keine P-Kanal-MOSFETs zur Verfügung stehen.
3. Es ist schwierig, die Verwendung der Schaltung auf Anwendungen mit hohen V_cc-Spannungen zu erstrecken, weil die volle Spannung V_cc längs des Kondensators 44 angelegt wird. Daher sind zur Ausbildung des Kondensators 44 in einer integrierten Schaltung für hohe Spannungen untragbar dicke Oxyde und ein größerer Siliziumbereich erforderlich.

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der die Schaltung nach Fig. 2 dadurch modifiziert ist, daß die Erdleitung 50 der Ladungspumpe 40 (die in Fig. 4 als Block gezeigt ist) mit einem schwimmenden Knoten 51 verbunden ist. Der schwimmende Knoten 51 ist dann über eine Konstantstrom quellen-Schaltung 53 mit dem Erdanschluß 52 verbunden. Ein Spannungsregler, beispielsweise eine Zenerdiode 54, verbindet die Knoten 49 und 51.

Die Ladungspumpe 40 kann von irgendeiner gewünschten Art unter Einschluß der Ausführungsform nach Fig. 2, jedoch ohne Beschrän kung hierauf, sein. Ein wesentliches Merkmal der Schaltung nach Fig. 4 besteht darin, daß die Ladungspumpe 40 mit dem schwimmen den Knoten 51 und nicht mit dem Erdknoten 52 verbunden ist. Der Strom an den Erdanschlußstiften und den V_cc-Anschlußstiften der Schaltung ist daher im Hinblick auf die Konstantstromquelle 53 ein reiner Gleichstrom, so daß der Betrieb der Ladungspumpe 40 keine Störsignale an diesen Anschlußstiften erzeugt.

Fig. 4a zeigt die Schaltung nach Fig. 4, wobei die Konstant stromquelle 53 in Form eines N-Kanal-MOSFET 60 ausgebildet ist, dessen Gate durch kaskadierte Steuer-MOSFETs 61 und 62 angesteu ert wird, die Anreicherungs- bzw. Verarmungs-MOSFETs sind.

Fig. 5 zeigt die Schaltung nach Fig. 4 unter Verwendung der Ladungspumpe nach Fig. 2 und einer modifizierten Konstantstrom quelle. Im einzelnen schließt die Stromquelle nach Fig. 5 einen zusätzlichen N-Kanal-MOSFET 70 ein, der einfach integrierbar ist, wie dies weiter unten beschrieben wird.

In der Schaltung nach den Fig. 4, 4a und 5 ist die Versorgungs spannung V_cc größer als die Knickspannung der Zenerdiode 54. Wenn der Strom 153 in der Konstantstromschaltung 53 größer als der Strom 1 ₄₁ der Ladungspumpe 41 ist, so ist gemäß Fig. 6 der Strom an den Erd- und V_cc-Anschlußstiften der integrierten Schaltung ein reiner Gleichstrom. Daher erzeugt der Hochfre quenzstrom der Ladungspumpe keine oder sehr geringe Störsignale. Derzeit erhältliche spannungsseitige Schalter, wie z. B. der IR 6000, der von der Fa. International Rectifier Corporation hergestellt wird, und der BTS 410 E, der von der Fa. Siemens hergestellt wird, weisen Spitze-Spitze-V_cc/Erd-Ströme von mehr als 0,1 Milliampere auf. Schaltungen, die den schwimmenden Knoten 53 nach den Fig. 4, 4a und 5 verwenden, weisen ein Störsignal von 20 Mikroampere Spitze-Spitze auf, das kaum im Hintergrundrauschen erkennbar ist.

Ein weiterer Vorteil der Schaltungen nach den Fig. 4, 4a und 5 besteht darin, daß die Spannung längs des Kondensators 44 auf die Zenerspannung (V_{cc -}V₅₁) begrenzt ist, worin V₅₁ die Spannung am Knoten 51 ist. Daher kann eine Hochspannungs- Ladungspumpenschaltung mit Niederspannungskondensatoren mit dünnen Oxyden und einer kleineren Halbleiterplättchenfläche aufgebaut werden, ohne daß die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Als Beispiel kann die Schaltung nach Fig. 5 mit einer Versorgungsspannung V_cc von bis zu 60 Volt arbeiten, wobei die an den Ladungspumpen-Kondensator angelegte Spannung auf 7 Volt beschränkt ist.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, enthält die Konstantstrom quellen-Schaltung 53 nach Fig. 5 einen zusätzlichen MOSFET 70. Der MOSFET 70 ist ein MOSFET mit relativ hoher Spannung, der bei Anwendungen mit hohen Spannungen verwendbar ist, um die hohe Spannung von dem MOSFET 60 zu entfernen. Eine feste Gate- Spannung, beispielsweise 7 Volt, wird an das Gate des MOSFET 70 angelegt, und dieser MOSFET ist leicht in das gemeinsame Halb leiterplättchen integrierbar, das alle anderen Schaltungs elemente nach Fig. 5 enthält.

Die Ausbildung des MOSFET 70 in Form eines einen leicht dotierten Drain-Bereich aufweisenden MOSFET ist in Fig. 5a gezeigt, die einen Querschnitt durch einen Teil des Halbleiter plättchens zeigt. Das hier gezeigte Halbleiterplättchen 71 weist ein leicht dotiertes N-Substrat 72 auf, das alle Grenzschich ten aufnimmt, die die Schaltung bilden. Der Leistungsabschnitt des Halbleiterplättchens, der den Leistungs-MOSFET 32 bildet, besteht aus irgendeinem gewünschten Grenzschichtmuster, und der MOSFET kann ein Bauteil mit vertikaler Stromleitung sein, das eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten P-Basis-Diffusionen 73 aufweist, die jeweilige Source-Bereiche einschließen, wie z. B. den N⁺-Source-Bereich 74. Die Kanalbereiche jedes der Basisbereiche 73 sind durch ein MOS-Gate 75 bedeckt, das ein Polysilizium-Gate sein kann. Das Gate 75 ist in üblicher Weise von der Source-Elektrode 76 isoliert, die mit jedem der Basis bereiche 73 und deren jeweiligen Source-Bereichen 74 in Kontakt steht. Eine Drain-Elektrode 76a ist auf der Unterseite des Halbleiterplättchens 72 ausgebildet und mit V_cc verbunden.

P-Senken, wie z. B. die P-Senke 77, sind ebenfalls in das gleiche Halbleiterplättchen eindiffundiert, um Steuerschaltungen für das Haupt-Leistungsbauteil zu enthalten. Fig. 5a zeigt eine derar tige P-Senke 77, die den MOSFET 70 enthält. Entsprechend ist der MOSFET 70 ein N-Kanal-Bauteil mit einer N⁺-Source-Diffusion 78, einer N^--Drain-Diffusion 79 und einer N⁺-Drain-Kontakt diffusion 80. Sein Polysilizium-Gate 81 erstreckt sich über den P-Kanal-Bereich zwischen den Diffusionen 78 und 79. Entsprechend kann der MOSFET 70 leicht in dem Halbleiterplättchen 71 ausge bildet werden, wobei viele der gleichen Verfahrensschritte verwendet werden, die den Leistungsabschnitt 32 bilden.

Das Halbleiterplättchen 71 wird in üblicher Weise nach seiner Fertigstellung in einem Gehäuse angeordnet, und von der Außen seite aus zugängliche Anschlußstifte erstrecken sich durch das Gehäuse an die verschiedenen Elektroden des Bauteils. Entspre chend ist ein V_cc-Anschlußstift mit der Drain-Elektrode 76a verbunden, und ein Source-Anschlußstift ist mit der Source- Elektrode am Knoten 82 in den Fig. 4a und 5 verbunden. Ein Erd-Anschlußstift ist außerdem mit dem Erd-Knoten in dem Halbleiterplättchen 71 verbunden, die in der Schaltung nach den Fig. 4a und 5 gezeigt sind.

Fig. 7 zeigt die Schaltung nach Fig. 4, wobei der Schalter 47 als Hilfs-N-Kanal-Leistungs-MOSFET 90 ausgebildet ist, der sehr einfach in das integrierte Halbleiterschaltungsplättchen 71 nach Fig. 5a mit Hilfe irgendeines üblichen Leistungs-MOSFET- Verfahrens integriert werden kann, weil die MOSFETs 32 und 90 einen gemeinsamen Drain-Anschluß aufweisen.

Der Schalter 48 in Fig. 7 ist in Form eines lateralen NMOS- Transistors mit einem leicht dotierten Drainbereich ähnlich dem MOSFET 70 ausgebildet.

Im eingeschwungenen Betriebszustand der Schaltung nach Fig. 7 liefert die Ladungspumpe 40 eine Spannung am Knoten 91, der mit dem Gate des Leistungs-MOSFET 90 verbunden ist, wobei diese Spannung bei 5 bis 10 Volt oberhalb von V_cc liegt. Der MOSFET 90 wird daher vollständig eingeschaltet, und die Ladungspumpe 40 empfängt Leistung von V_cc.

Um die Schaltung nach Fig. 7 einzuschalten, ist eine Startschal tung erforderlich, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, um zu Anfang den Knoten 49 auf einen hohen Pegel zu ziehen, um den Ladungs pumpvorgang zu starten. Entsprechend ist in Fig. 8 eine Start schaltung vorgesehen, die aus einer Diode 91, einem Schalter 92 und einer Spannungsquelle 93 besteht. Die Spannungsquelle 93 weist eine niedrige Spannung auf, die von V_cc abgeleitet werden kann. Der Schalter 92 kann in Form eines Niederspannungs transistors ausgebildet sein.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 8 schließt der Schalter 92 beim Einschalten, um eine Anfangsspannung an die Ladungspumpe 40 zu liefern. Die Ladungspumpe 40 beginnt dann, sich selbst aus V_cc über den Transistor 90 zu speisen, der eingeschaltet wird, und die Schaltung arbeitet in der vorstehend beschriebenen Weise.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Startschaltung nach Fig. 8, die Transistoren 100 und 101 und einen Widerstand 102 verwendet. Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 9 wird beim Einschalten das Gate des Transistors 100 durch eine Start- Steuerschaltung 103 auf Erde gezogen. Die Basis des bipolaren Transistors 101 wird durch den Widerstand 102 nach oben gezogen, der in Form eines Transistors vom Verarmungstyp ausgebildet ist, der einen hohen Widerstandswert äquivalent zu ungefähr 1 Megaohm aufweist. Daher wird der Knoten nach oben auf (V_cc- 0,6) Volt gezogen, wodurch der Betrieb der Ladungspumpe 40 gesteuert wird.

Der neuartige Hilfs-MOSFET 90 und irgendeine gewünschte Startschaltung 110 kann sowohl bei der Schaltung nach Fig. 2, bei der die Ladungspumpe 40 auf Erde bezogen ist, als auch bei der neuartigen Ladungspumpenschaltung mit einem schwimmenden Knoten, wie in Fig. 4 verwendet werden. Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer derartigen Schaltung.

Die Ladungspumpenschaltung der vorhergehenden Figuren verwendet eine Diode 46 in der Ladeschaltung. Es ist schwierig und manch mal unmöglich, diese Diode in eine monolithische integrierte Schaltung zu integrieren. Fig. 11 zeigt einen Versuch, die Diode 46 in die P-Senke 120 in dem N^--Substrat 72 nach Fig. 5a zu integrieren. Die Diode 46 ist durch eine N⁺-Diffusion 121 in der Senke 120 gebildet. Elektroden 122 und 123 sind mit den Bereichen 120 bzw. 121 verbunden, um die Elektroden der Diode 46 zu bilden. Weil das Epitaxialsubtrat 72 den Drain-Bereich des Leistungs-MOSFET 32 bildet und mit V_cc verbunden ist, kann die Diode 46 nicht als einfache PN-Diode integriert werden, weil ihre Anode in der Lage sein muß, mehrere Volt oberhalb von V_cc zu schwimmen. Dies ist jedoch aufgrund der parasitären Diode 124 zwischen der Anode der Diode 46 und V_cc unmöglich. Eine einfache Integration der Diode 46 ist daher unmöglich.

Ein weiterer Nachteil der Dioden 45 und 46 in der Ladungspumpe nach Fig. 2 besteht darin, daß sie die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 40 durch ihre Durchlaßspannungsabfälle auf (2V_cc- 2V_f) verringern (worin 2V_f der Durchlaßspannungsabfall der Dioden 45 und 46 ist). Dies kann eine erhebliche Verringerung bei Anwendungen mit niedriger Spannung V_cc darstellen, wie beispielsweise bei tragbaren Computern oder bei Fahrzeuganwen dungen.

Fig. 12 zeigt eine modifizierte Ladungspumpenschaltung, bei der die Diode 46 durch leichter integrierbare Bauteile mit einem verringerten Durchlaßspannungsabfall am Ausgang der Ladungs pumpenschaltung ersetzt ist. Die Diode 46 ist durch einen Transistor 130 vom Anreicherungstyp, einen Transistor 131 vom Verarmungstyp, einen Widerstand 132 und eine Substrat-Diode 133 des Transistors 131 ersetzt. Diese Bauteile sind leicht in das Substrat 72 nach Fig. 11 integrierbar.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 12 wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 13a, 13b und 13c beschrieben, die die Spannungen an den Knoten 134-43, 135 bzw. 136 zeigen. Es ist zu erkennen, daß, wenn der Ausgang des Puffers 42 am Knoten 43 das erste Mal einen hohen Pegel annimmt, der Knoten 136 am Gate des MOSFET 32 über die Substrat-Diode 133 des Transistors 131 vom Verarmungstyp auf (V_cc - V_f) aufgeladen wird. Wenn der Ausgang am Knoten 43 einen niedrigen Pegel annimmt, so lädt sich der Kondensator 44 über die Diode 45 auf. Während dieser Periode befindet sich der Transistor 131 in seinem Abschaltzustand, wobei sich sein Source-Anschluß am Knoten 134 und sein Drain- Anschluß am Knoten 136 auf (V_cc - V_f) befinden, während seine Gate-Elektrode am Knoten 135 und sein Substrat auf 0 Volt liegen. Daher ist der Transistor 131 abgeschaltet und der Gate- Anschluß des Leistungs-MOSFET 32 ist von dem Rest der Schaltung isoliert.

Wenn der Knoten 43 einen hohen Pegel annimmt, steigt die Spannung am Knoten 134 auf (2V_cc - V_f) an. Der Transistor 130 schaltet dann ab, so daß das Gate des Transistors 131 das Potential an seinem Source-Anschluß über den Widerstand 132 erreichen kann. Weil der Transistor 131 ein Hauteil vom Verarmungstyp ist, schaltet er bei 0 Volt zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen ein. Daher wird die Ladung an dem Kondensator 44 auf den Gate-Anschluß des MOSFET 32 über den Transistor 131 übertragen.

Dieser Vorgang setzt sich bei jeder Periode fort, bis das in Fig. 13c gezeigte Potential des Knotens 136 den Grenzwert von (2V_cc - V_f) erreicht. Es sei darauf hingewiesen, daß dieser Grenzwert gegenüber dem der bekannten Schaltung nach Fig. 2 um einen Diodenspannungsabfall V_F höher ist, weil sich lediglich eine Diode im Stromkreis befindet. Weiterhin können die Transistoren 130, 131 und der Widerstand 132 leicht in die integrierte Schaltung integriert werden, weil das Substrat des Transistors 131 niemals V_cc übersteigt.

Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 12, bei der der Widerstand 132 nach Fig. 12 durch einen MOSFET 140 von Verarmungstyp ersetzt ist, der leicht in das Substrat der integrierten Schaltung integrierbar ist.

Fig. 15 zeigt eine Modifikation der Schaltung nach Fig. 12, die den Spannungsabfall des Ausgangssignals der Ladungspumpe am Gate des MOSFET 32 noch weiter verringert und sämtliche Dioden- Spannungsabfälle beseitigt. Entsprechend sind ein Transistor 150, ein Widerstand 151, ein Kondensator 152, eine Diode 153 und ein Transistor 154 der Schaltung nach Fig. 15 hinzugefügt, um den von der Diode 45 nach Fig. 12 hervorgerufenen Spannungsab fall zu vermeiden. Es sei darauf hingewiesen, daß der MOSFET 150 die Diode 45 der Schaltung nach Fig. 12 ersetzt.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 15 ist am besten anhand der Kurven nach den Fig. 16a, 16b und 16c verständlich. Die Potentiale an den Knoten 134-43, 160-161 bzw. 135-162 nach Fig. 15 sind in den Fig. 16a, 16b bzw. 16c gezeigt. Wenn das Ausgangssignal am Knoten 43 zum ersten Mal einen hohen Pegel annimmt, wird das Gate des Leistungs-MOSFET 32 am Knoten 136 über die Substrat-Diode 133 des Transistors 131 vom Verarmungs typ auf (V_cc - V_f) aufgeladen. Gleichzeitig weist der Knoten 161 einen niedrigen Pegel auf, und der Kondensator 152 wird über die Diode 153 auf (V_cc - V_F) aufgeladen.

Wenn der Knoten 161 einen hohen Pegel annimmt, nimmt der Knoten 143 einen niedrigen Pegel an. Weil der Kondensator 153 bereits auf (V_cc - V_f) aufgeladen ist, wird der Pegel des Knotens 160 auf (2V_cc - V_f) angehoben. Weil der Transistor 154 abgeschaltet ist, wird auch der Knoten 162 auf (2V_cc - V_f) angehoben, und der Transistor 150 wird vollständig eingeschal tet. Der Kondensator 44 wird dann über den Transistor 150 auf V_cc aufgeladen. Aus den gleichen Gründen, wie sie in Verbin dung mit der Schaltung nach Fig. 12 beschrieben wurden, ist der Transistor 131 während dieser Zeit abgeschaltet, und das Gate des MOSFET 32 ist von der Schaltung isoliert.

Wenn der Knoten 43 das nächste Mal einen hohen Pegel annimmt, schaltet der Transistor 154 ein, und der Knoten 162 fällt auf 0 Volt, wodurch der Transistor 150 abgeschaltet wird und der Knoten 134 auf 2V_cc ansteigen kann. Aus den gleichen Gründen wie in Fig. 12, schaltet der Transistor 131 ein, und die Ladung am Kondensator 44 wird über den Transistor 131 an das Gate des MOSFET 32 übertragen.

Der gleiche Vorgang wiederholt sich bei jeder Periode, bis die Spannung am Knoten 136 2V_cc erreicht. Daher ist die Spannung am Knoten 136 um 2V_f höher als die der Ladungspumpe nach Fig. 2, weil sich hier keine Diode in dem Strompfad befindet.

Fig. 17 zeigt die grundlegende Schaltung nach Fig. 8 in einer Ausführung als Gegentaktschaltung. Die beiden Hälften der Schaltung sind symmetrisch, wobei die linke Seite der Schaltung die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 8 verwendet, während die rechte Seite der Schaltung die gleichen Bezugsziffern mit der Endung 'a' verwendet. Lediglich ein Teil des spannungsseitigen Schalters ist gezeigt, insbesondere der Leistungs-MOSFET 32, dessen Gate in der durch die gestrichelte Linie gezeigten Weise mit dem Knoten 136 verbunden ist.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 17 wird am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 18a, 18b, 18c und 18d verständ lich, die die Spannungen an den Knoten 134-43, 134a-43a, 135- 135a bzw. 136 in Fig. 17 zeigen. Es ist aus den Fig. 18a, 18b und 18c zu erkennen, daß die Potentiale an den Knoten 134-43 und 135 gegenphasig zu den Potentialen an den Knoten 134a, 43a bzw. 13Ser sind.

Wenn der Knoten 43 einen niedrigen Pegel aufweist, befindet sich der Knoten 43a auf V_cc, und der Knoten 134a befindet sich auf 2V_cc. Daher ist der Transistor 150 vollständig eingeschaltet, und der Kondensator 44 wird über den Transistor 150 auf V_cc aufgeladen. Während dieser Periode ist der Transistor 130 eingeschaltet, so daß der Transistor 131 abgeschaltet ist. In ähnlicher Weise ist der Transistor 130a abgeschaltet, so daß der Transistor 131a eingeschaltet ist und die Ladung des Kondensa tors 44a auf den Knoten 136 und das Gate des Leistungs-MOSFET 32 übertragen wird.

Der Knoten 43 geht dann auf V_cc, und der Knoten 134 wird auf 2V_cc angehoben. Hierdurch wird der Transistor 150a vollständig eingeschaltet, wodurch der Transistor 150 abgeschaltet wird und die Entladung des Kondensators 44 über den Transistor 150 verhindert wird. Weil der Transistor 150a eingeschaltet ist und der Knoten 43a auf einem niedrigen Pegel liegt, wird der Kondensator 44a über den Transistor 150a auf V_cc aufgeladen. Während dieser Periode ist der Transistor 130a eingeschaltet, so daß der Transistor 131a abgeschaltet ist. In ähnlicher Weise ist der Transistor 130 abgeschaltet, so daß der Transistor 131 eingeschaltet ist und die Ladung am Kondensator 44 an das Gate des Leistungs-MOSFET 32 übertragen wird.

Der gleiche Vorgang erfolgt bei jeder Takthalbperiode, bis die Spannung am Gate des MOSFET 32 die Grenze von 2V_cc erreicht. Wie bei der Schaltung nach Fig. 12 wird die Ausgangsspannung der Ladungspumpe nicht durch irgendeinen Spannungsabfall beeinflußt, weil sich keine Diode in dem Strompfad befindet.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltung nach Fig. 17 die scheinbare Frequenz der Ladungspumpe verdoppelt und damit die Welligkeit am Knoten 131 um einen Faktor von 2 verringert.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen.

Claims

1. Spannungsseitiger Schalterkreis mit einem MOS-Gate gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteil (32) mit ersten und zweiten Leistungselektroden und einer Steuerelektrode, mit:
einem V_cc-Eingangsspannungsanschluß, der mit der ersten Leistungselektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halb leiterbauteils (32) verbunden und mit einer Leistungsquelle verbindbar ist,
einer Ladungspumpenschaltung (40), die erste und zweite Leistungsanschlüsse (49, 50) und einen Ausgangsanschluß aufweist und betreibbar ist, um an ihrem Ausgangsanschluß eine Ausgangs spannung zu erzeugen, die höher als die - Eingangsspannung ist, wobei der Ausgangsanschluß der Ladungspumpenschaltung (40) mit der Steuerelektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halb leiterbauteils (32) verbunden ist, um eine Spannung zu liefern, die ausreichend höher als die Spannung der zweiten Leistungs elektrode ist, um das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-Halbleiter bauteil einzuschalten
einer Konstantstromquellen-Schaltung (53) mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (51, 52),
einem Lastanschluß, der mit der zweiten Leistungselektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils verbunden und mit einer geerdeten Last (31) verbindbar ist, die aus der Leistungsquelle gespeist werden kann, wenn das MOS-Gate-gesteu erte Leistungs-Halbleiterbauteil eingeschaltet ist, wobei der Schalterkreis einen Erdanschluß (52) aufweist, der mit der geerdeten Last (31) verbindbar ist,
wobei der erste Leistungsanschluß (49) der Ladungspumpen schaltung (40) mit dem V_cc-Eingangsspannungsanschluß und der zweite Leistungsanschluß (50) der Ladungspumpenschaltung mit dem Eingangsanschluß (51) der Konstantstromquellen-Schaltung (53) verbunden ist, und wobei der Ausgangsanschluß der Konstantstrom quellen-Schaltung mit dem Erdanschluß (52) verbunden ist, so daß der zweite Leistungsanschluß (50) der Ladungspumpe (40) ein schwimmendes Potential aufweist.

2. Schalterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs- Halbleiterbauteil ein Leistungs-MOSFET (32) ist.

3. Schalterkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß erste Schaltereinrichtungen (47) zum Anschalten und Abschalten des ersten Leistungsanschlusses (49) der Ladungspumpenschaltung (40) an und von dem V_cc- Eingangsspannungsanschluß und zweite Schaltereinrichtungen (48) zum Anschalten und Trennen der Steuerelektrode des MOS-Gate gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) an bzw. von dem Erdanschluß (52) vorgesehen sind, wenn die erste Schalterein richtung (47) den ersten Leistungsanschluß (49) der Ladungs pumpenschaltung (40) von dem V_cc-Eingangsanschluß abschaltet bzw. diese miteinander verbindet.

4. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsklemmeinrichtung (54) zwischen den ersten und zweiten Leistungsanschlüssen (49, 50) der Ladungspumpenschaltung (40) angeschaltet ist, um die Spannung zwischen diesen Anschlüssen zu begrenzen.

5. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsklemmeinrichtung eine Zenerdiode (54) umfaßt.

6. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpenschaltung (40) einen Rechteckschwingungsoszillator (41), der mit den ersten und zweiten Leistungsanschlüssen (49, 50) der Ladungspumpenschaltung verbunden ist und aus diesen gespeist wird und einen Oszillator- Ausgangsanschluß aufweist, einen Inverter-Puffer (42), der mit dem Ausgangsanschluß des Oszillators (41) verbunden ist, einen Ladungsspeicherkondensator (44) und eine erste Diode (46) und eine zweite Diode (45) umfaßt, daß der Inverter-Puffer (42) einen Ausgangsanschluß (43) aufweist, der in Serie mit dem Kondensator (44) und der ersten Diode (46) mit der Steuerelek trode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden ist, und daß die zweite Diode (45) zwischen dem V_cc- Eingangsspannungsanschluß und dem Knoten zwischen dem Kondensa tor (44) und der ersten Diode (46) eingeschaltet ist, so daß, wenn der Ausgangsanschluß (43) des Inverter-Puffers (42) einen niedrigen Pegel aufweist, der Kondensator (44) aus der Spannung an dem V_cc-Anschluß über die zweite Diode (45) geladen wird, während, wenn der Ausgangsanschluß (43) des Inverter-Puffers (42) einen hohen Pegel aufweist, die Spannung des Kondensators (44) plus der Spannung des V_cc-Anschlusses über die erste Diode (46) an den Steueranschluß des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils angelegt wird.

7. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquellen-Schaltung (53) einen ersten Steuer-MOSFET (60) mit Drain- und Source- Elektroden, die mit dem zweiten Leistungsanschluß der Ladungs pumpenschaltung (40) bzw. dem Erdanschluß (52) verbunden sind, und eine Kaskadenschaltung aus einem MOSFET vom Anreicherungstyp und einem MOSFET vom Verarmungstyp umfaßt, die zwischen einer Hilfsspannungsquelle und dem Erdanschluß angeschaltet sind, wobei der Knoten zwischen den MOSFETs vom Anreicherungstyp und vom Verarmungstyp mit den jeweiligen Gate-Anschlüssen und mit dem Gate-Anschluß des ersten Steuer-MOSFET (60) verbunden ist.

8. Schalterkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Steuer-MOSFET (7) in Kombination mit dem ersten MOSFET (60) vorgesehen ist, um die Spannung zwischen dem zweiten Leistungsanschluß der Ladungs pumpenschaltung (40) und dem Erdanschluß (52) zu vergrößern, ohne daß ein Durchbruch des ersten Steuer-MOSFET (60) auftritt.

9. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit ersten und zweiten Leistungsanschlüssen und einem Gate-An schluß vorgesehen ist, und daß die ersten und zweiten Leistungs anschlüsse des Hilfs-Leistungs-MOSFET mit dem ersten Leistungs anschluß (49) der Ladungspumpenschaltung (40) bzw. dem V_cc- Eingangsspannungsanschluß verbunden sind.

10. Schalterkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Anschluß des Hilfs- Leistungs-MOSFET (90) mit der Steuerelektrode des MOS-Gate gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden ist.

11. Schalterkreis nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Startschaltungseinrichtungen (91, 92; 103, 110) zwischen einer Hilfs-Versorgungsspannungsquelle (93) und der Ladungspumpenschaltung (40) eingeschaltet sind, um die Ladungspumpenschaltung (40) zu starten, bevor der Hilfs- Leistungs-MOSFET (90) leitet.

12. Schalterkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs- Halbleiterbauteil (32), die Ladungspumpenschaltung (40) und die Konstantstromquellen-Schaltung (40) in einem monolithischen Halbleiterplättchen integriert sind.

13. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs- Halbleiterbauteil (32), die Ladungspumpenschaltung (40), der Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) und die Konstantstromquellen- Schaltung (53) in einem monolithischen Halbleiterplättchen integriert sind.

14. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs- Halbleiterbauteil (32), die Ladungspumpenschaltung (40), die Spannungsklemmeinrichtung (54) und die Konstantstromquellen schaltung (53) in einem monolithischen Halbleiterplättchen integriert sind.