DE19655180C2 - Spannungsseitiger Schalterkreis - Google Patents
Spannungsseitiger SchalterkreisInfo
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Abstract
Ein spannungsseitiger Schalterkreis mit einem MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteil umfaßt: DOLLAR A einen mit einer ersten Leistungselektrode des Halbleiterbauteils (32) verbundenen V¶cc¶-Leistungs-Eingangsanschluss, DOLLAR A einen mit einer zweiten Leistungselektrode des Halbleiterbauteils (32) verbundenen und mit einer mit gegen einen Erdanschluß (52) geschalteten Last (31) verbindbaren Lastanschluß, DOLLAR A eine Ladungspumpenschaltung (40) mit ersten und zweiten Leistungsanschlüssen (49, 50) und einem Ausgangsanschluß zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, die höher als die V¶cc¶-Eingangsspannung ist, wobei der zweite Leistungsanschluß (50) mit dem Erdanschluß (52) und der Ausgangsanschluß mit der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils (32) verbunden ist und eine Spannung liefert, die ausreichend höher als die Spannung der zweiten Leistungselektrode ist, um das Halbleiterbauteil einzuschalten, DOLLAR A einen mit der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils (32) verbundenen Erdungsschalter (48) zum Erden der Steuerelektrode, wenn der Erdungsschalter geschlossen ist, und DOLLAR A einen Hilfs-Leistungs-MOSFET (90), dessen Leistungsanschlüsse mit dem ersten Leistungsanschluß (49) der Ladungspumpenschaltung (40) bzw. dem V¶cc¶-Eingangsspannungsanschluß verbunden ist und dessen Gate-Anschluß mit der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils (32) verbunden ist.
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 der erfindungsgemäßen 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. Ein Erdungsschalter kann dann sowohl das MOS-Gate-
Leistungsbauteil als auch den N-Kanal-Steuer-MOSFET abschalten.
Vorzugsweise wird eine Starterschaltung dazu verwendet,
anfänglich den N-Kanal-Steuer-MOSFET einzuschalten.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Schalterkreis die
Ladungspumpe von dem Erdanschluß der integrierten Schaltung
getrennt und stattdessen mit einem schwimmenden Knoten verbun
den. 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 Versorgungsspan
nungsanschlüssen 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.
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 2VCC 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 VCC 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 VCC. 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 VCC 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 VCC ist, in dem
System zur Verfügung, und eine Spannung oberhalb von VCC 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 VCC
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 VCC 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 2VCC 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 VCC- 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 VCC-Spannungen zu erstrecken, weil die volle Spannung VCC 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 VCC-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 VCC größer als die Knickspannung der Zenerdiode 54.
Wenn der Strom i53 in der Konstantstromschaltung 53 größer als
der Strom i41 der Ladungspumpe 41 ist, so ist gemäß Fig. 6 der
Strom an den Erd- und VCC-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-VCC/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 (VCC - 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 VCC 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 VCC 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 VCC-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 Halbleiterschaltungsplättchcen 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 VCC liegt. Der MOSFET
90 wird daher vollständig eingeschaltet, und die Ladungspumpe
40 empfängt Leistung von VCC.
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 VCC 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
VCC 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 (VCC - 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 VCC 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 VCC
zu schwimmen. Dies ist jedoch aufgrund der parasitären Diode 124
zwischen der Anode der Diode 46 und VCC 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 (2VCC -
2Vf) verringern (worin 2Vf der Durchlaßspannungsabfall der
Dioden 45 und 46 ist). Dies kann eine erhebliche Verringerung
bei Anwendungen mit niedriger Spannung VCC 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 (VCC - Vf) aufgeladen wird. Wenn der Ausgang
am Knoten 43 einen niedrigen Pegel annimmmt, 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 (VCC - Vf) 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 (2VCC - Vf) 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 Bauteil 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
(2VCC - Vf) erreicht. Es sei darauf hingewiesen, daß dieser
Grenzwert gegenüber dem der bekannten Schaltung nach Fig. 2 um
einen Diodenspannungsabfall VF 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 VCC 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 (VCC - Vf) aufgeladen. Gleichzeitig weist der Knoten
161 einen niedrigen Pegel auf, und der Kondensator 152 wird über
die Diode 153 auf (VCC - VF) aufgeladen.
Wenn der Knoten 161 einen hohen Pegel annimmt, nimmt der Knoten
143 einen niedrigen Pegel an. Weil der Kondensator 153 bereits
auf (VCC - Vf) aufgeladen ist, wird der Pegel des Knotens
160 auf (2VCC - Vf) angehoben. Weil der Transistor 154
abgeschaltet ist, wird auch der Knoten 162 auf (2VCC - Vf)
angehoben, und der Transistor 150 wird vollständig eingeschal
tet. Der Kondensator 44 wird dann über den Transistor 150 auf
VCC 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 2VCC 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 2VCC erreicht. Daher ist die Spannung
am Knoten 136 um 2Vf 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.
135a sind.
Wenn der Knoten 43 einen niedrigen Pegel aufweist, befindet sich
der Knoten 43a auf VCC, und der Knoten 134a befindet sich auf
2VCC. Daher ist der Transistor 150 vollständig eingeschaltet,
und der Kondensator 44 wird über den Transistor 150 auf VCC
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 VCC, und der Knoten 134 wird auf
2VCC 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 VCC 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 2VCC 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. 117 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 (7)
1. Spannungsseitiger Schalterkreis mit einem MOS-Gate-
gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteil mit ersten und zweiten
Leistungselektroden und einer Steuerelektrode, mit:
einem VCC-Eingangsspannungsanschluß, der mit der ersten Leistungselektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halb leiterbauteils (32) verbunden und mit einer Leistungsquelle verbindbar ist,
einem Lastanschluß, der mit der zweiten Leistungselektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden und mit einer geerdeten Last (31) verbindbar ist, die aus der Leistungsquelle gespeist wird, wenn das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-Halbleiterbauteil (32) eingeschaltet ist,
einem Erdanschluß (52), der mit der geerdeten Last (31) verbindbar ist,
einer Ladungspumpenschaltung (40), die erste und zweite Leistungsanschlüsse (49, 50) und einen Ausgangsanschluß aufweist und betreibbar ist, um eine Ausgangsspannung an ihrem Ausgangs anschluß zu erzeugen, die höher als die VCC-Eingangsspannung ist,
wobei der zweite Leistungsanschluß (50) der Ladungspumpen schaltung (40) mit dem Erdanschluß (52) gekoppelt ist, und der Ausgangsanschluß der Ladungspumpenschaltung mit der Steuerelek trode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden ist, um eine Spannung zu liefern, die ausreichend höher als die Spannung der zweiten Leistungselektrode ist, um das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-Halbleiterbauteil (32) einzuschalten,
einem Erdungsschalter (48), der mit der Steuerelektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden ist, um die Steuerelektrode zu erden, wenn der Erdungsschalter (48) geschlossen ist, und
einem Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit ersten und zweiten Leistungsanschlüssen und einem Gate-Anschluß, wobei die ersten und zweiten Leistungsanschlüsse des Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit dem ersten Leistungsanschluß (49) der Ladungspumpenschaltung (40) bzw. dem VCC-Eingangsspannungsanschluß verbunden sind, und
wobei der Gate-Anschluß des Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit der Steuerelektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiter bauteils (32) verbunden ist, so daß, wenn der Erdungsschalter (48) geschlossen wird, der Gate-Anschluß des Hilfs-Leistungs- MOSFET (90) geerdet wird, wodurch der Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) abgeschaltet wird, um die Ladungspumpenschaltung (40) elektrisch von der Versorgungsspannung zu isolieren.
einem VCC-Eingangsspannungsanschluß, der mit der ersten Leistungselektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halb leiterbauteils (32) verbunden und mit einer Leistungsquelle verbindbar ist,
einem Lastanschluß, der mit der zweiten Leistungselektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden und mit einer geerdeten Last (31) verbindbar ist, die aus der Leistungsquelle gespeist wird, wenn das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-Halbleiterbauteil (32) eingeschaltet ist,
einem Erdanschluß (52), der mit der geerdeten Last (31) verbindbar ist,
einer Ladungspumpenschaltung (40), die erste und zweite Leistungsanschlüsse (49, 50) und einen Ausgangsanschluß aufweist und betreibbar ist, um eine Ausgangsspannung an ihrem Ausgangs anschluß zu erzeugen, die höher als die VCC-Eingangsspannung ist,
wobei der zweite Leistungsanschluß (50) der Ladungspumpen schaltung (40) mit dem Erdanschluß (52) gekoppelt ist, und der Ausgangsanschluß der Ladungspumpenschaltung mit der Steuerelek trode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden ist, um eine Spannung zu liefern, die ausreichend höher als die Spannung der zweiten Leistungselektrode ist, um das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-Halbleiterbauteil (32) einzuschalten,
einem Erdungsschalter (48), der mit der Steuerelektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteils (32) verbunden ist, um die Steuerelektrode zu erden, wenn der Erdungsschalter (48) geschlossen ist, und
einem Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit ersten und zweiten Leistungsanschlüssen und einem Gate-Anschluß, wobei die ersten und zweiten Leistungsanschlüsse des Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit dem ersten Leistungsanschluß (49) der Ladungspumpenschaltung (40) bzw. dem VCC-Eingangsspannungsanschluß verbunden sind, und
wobei der Gate-Anschluß des Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) mit der Steuerelektrode des MOS-Gate-gesteuerten Leistungs-Halbleiter bauteils (32) verbunden ist, so daß, wenn der Erdungsschalter (48) geschlossen wird, der Gate-Anschluß des Hilfs-Leistungs- MOSFET (90) geerdet wird, wodurch der Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) abgeschaltet wird, um die Ladungspumpenschaltung (40) elektrisch von der Versorgungsspannung zu isolieren.
2. Schalterkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Startschaltungseinrichtung
(91, 92) vorgesehen ist, die zwischen einer Hilfs-Versorgungs
spannungsquelle (93) und der Ladungspumpenschaltung (40) einge
schaltet ist, um die Ladungspumpenschaltung zu starten, bevor
der Hilfs-Leistungs-MOSFET (90) leitet.
3. Schalterkreis nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leistungsanschluß (50)
der Ladungspumpenschaltung (40) über eine Konstantstromquelle
(53) mit dem Erdanschluß (52) verbunden ist.
4. Schalterkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-
Halbleiterbauteil (32) und die Ladungspumpenschaltung (40)
in einem monolithischen Halbleiterplättchen integriert sind.
5. Schalterkreis nach Anspruch 3,
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 Halbleiter
plättchen integriert sind.
6. Schalterkreis nach einem der Ansprüche 1-5,
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.
7. Schalterkreis nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das MOS-Gate-gesteuerte Leistungs-
Halbleiterbauteil (32), die Ladungspumpenschaltung (40), der
Hilfs-Leistungs-MOSFET (90), die Spannungsklemmeinrichtung (54)
und die Konstantstromquellen-Schaltung (53) in einem monolithi
schen Halbleiterplättchen integriert sind.
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DE19613958A DE19613958C2 (de) | 1995-04-11 | 1996-04-09 | Spannungsseitiger Schalterkreis |
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