JP6846280B2 - スイッチ回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電源から負荷装置への電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする用途に用いられ、特にＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）でハイサイドをＯＮ／ＯＦＦするスイッチ回路に関する。

例えば組電池等で構成される電源から負荷装置へ電力を供給する電力供給ラインをハイサイドスイッチでＯＮ／ＯＦＦするスイッチ回路においては、ハイサイドスイッチとしてＭＯＳＦＥＴが採用される場合が多い。またこのようなスイッチ回路においては、ハイサイドスイッチの特性としては、高耐圧、大電流、低ＯＮ抵抗であることが要求される。そしてそのような要求を満たすＭＯＳＦＥＴは、一般に流通しているドライバＩＣ等の汎用製品ではＮチャネルＭＯＳＦＥＴが圧倒的に多いという実情がある。そのため上記のようなスイッチ回路においては、ハイサイドスイッチとしてＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合が多い。

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドスイッチとして用いる場合、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴをＯＮするためには、その性質上、電源電圧より高い電圧をゲート−ソース間に印加する必要がある。このようなことからＮチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドスイッチとして用いる従来技術として、ハイサイドスイッチのゲートに与える昇圧電圧を生成するチャージポンプ回路を備えるハイサイドスイッチのゲート駆動回路が公知である（例えば特許文献１の段落０００６〜００１３、図３を参照）。

特開２００７−３０６７０８号公報

しかしながら上記の従来技術は、チャージポンプ回路にＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いる構成であるため、汎用のドライバＩＣ等を用いてスイッチ回路を構成することができない場合があり、そのため低コスト化が難しいという課題がある。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、低コストで構成できるスイッチ回路を提供することにある。

本発明は、ハイサイドスイッチと、直列に接続されている第１ローサイドスイッチ及び第２ローサイドスイッチを含むローサイドスイッチ回路と、前記ハイサイドスイッチのブートストラップコンデンサである第１ブートストラップコンデンサと、前記第２ローサイドスイッチがＯＮしている間に充電され、前記第１ローサイドスイッチのブートストラップコンデンサである第２ブートストラップコンデンサと、前記第１ローサイドスイッチがＯＦＦし、前記第２ローサイドスイッチがＯＮしている間に充電される充電用コンデンサを含み、前記第１ローサイドスイッチがＯＮし、前記第２ローサイドスイッチがＯＦＦしている間、前記充電用コンデンサに充電されている電荷で前記第１ブートストラップコンデンサを充電する充電回路と、前記ハイサイドスイッチをＯＮ／ＯＦＦするハイサイドスイッチ駆動回路と、前記第１ローサイドスイッチと前記第２ローサイドスイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦするローサイドスイッチ駆動回路と、を備えるスイッチ回路である。

ハイサイドスイッチのブートストラップコンデンサである第１ブートストラップコンデンサは、第１ローサイドスイッチと第２ローサイドスイッチが交互にＯＮ／ＯＦＦされることによって充電される。また第１ローサイドスイッチ及び第２ローサイドスイッチは、交互にＯＮ／ＯＦＦされて同時にＯＮしないため、ハイサイドスイッチのＯＮ／ＯＦＦとは無関係にＯＮ／ＯＦＦすることができる。したがってハイサイドスイッチをＯＮさせた状態で、第１ローサイドスイッチと第２ローサイドスイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦさせる動作を繰り返すことによって、ハイサイドスイッチを常時ＯＮさせることができる。

そして本発明に係るスイッチ回路は、さらに第１ローサイドスイッチのブートストラップコンデンサである第２ブートストラップコンデンサを備えている。そのため本発明に係るスイッチ回路は、ハイサイドスイッチ、第１ローサイドスイッチ及び第２ローサイドスイッチに全てＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いて構成することができる。それによって本発明に係るスイッチ回路は、汎用のドライバＩＣ等を用いて低コストで構成することが容易になる。

さらに本発明に係るスイッチ回路は、第２ローサイドスイッチがＯＮすることによって、充電用コンデンサと第２ブートストラップコンデンサが同時に充電される。つまり第２ローサイドスイッチは、充電用コンデンサの充電スイッチと第２ブートストラップコンデンサの充電スイッチを兼ねている。それによって本発明に係るスイッチ回路は、より少ない回路素子で効率的に構成することができる。

これにより本発明によれば、低コストで構成できるスイッチ回路を提供できるという作用効果が得られる。

本発明によれば、低コストで構成できるスイッチ回路を提供することができる。

本発明に係るスイッチ回路の回路図。 本発明に係るスイッチ回路の動作を図示したタイミングチャート。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明に係るスイッチ回路の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るスイッチ回路の回路図である。

本発明に係るスイッチ回路は、ハイサイドスイッチＱ１、第１ブートストラップコンデンサＣ１、ハイサイドドライバ１１、ローサイドスイッチ回路１２、充電回路１３、ブートストラップ回路１４、ローサイドスイッチ駆動回路１５を備える。

ハイサイドスイッチＱ１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。ハイサイドスイッチＱ１は、ドレインが入力電源Ｖｉｎに接続され、ソースが出力端子Ｖｏｕｔに接続されている。つまりハイサイドスイッチＱ１は、入力電源Ｖｉｎと出力端子Ｖｏｕｔとの間に設けられており、入力電源Ｖｉｎから出力端子Ｖｏｕｔへの電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。

「ハイサイドスイッチ駆動回路」としてのハイサイドドライバ１１は、ハイサイドスイッチＱ１をＯＮ／ＯＦＦするドライバである。第１ブートストラップコンデンサＣ１は、ハイサイドスイッチのブートストラップコンデンサである。ハイサイドドライバ１１は、入力端子が信号入力端子Ｐ１に接続され、出力端子がハイサイドスイッチＱ１のゲートに接続されている。またハイサイドドライバ１１は、正側の電源端子が第１ブートストラップコンデンサＣ１の一端に接続され、負側の電源端子がハイサイドスイッチＱ１のソース、及び第１ブートストラップコンデンサＣ１の他端に接続されている。

ローサイドスイッチ回路１２は、ローサイドに設けられているスイッチ回路、つまり出力端子Ｖｏｕｔとグランド端子ＧＮＤとの間に設けられているスイッチ回路である。ローサイドスイッチ回路１２は、直列に接続されている第１ローサイドスイッチＱ２１及び第２ローサイドスイッチＱ２２を含む。第１ローサイドスイッチＱ２１及び第２ローサイドスイッチＱ２２は、いずれもＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。第１ローサイドスイッチＱ２１のドレインは、出力端子Ｖｏｕｔに接続されている。第１ローサイドスイッチＱ２１のソースは、第２ローサイドスイッチＱ２２のドレインに接続されている。第２ローサイドスイッチＱ２２のソースは、グランド端子ＧＮＤに接続されている。

充電回路１３は、２つのダイオードＤ１、Ｄ３、充電用コンデンサＣ３を含む。ダイオードＤ１は、アノードが論理電源５Ｖに接続され、カソードが充電用コンデンサＣ３の一端に接続されている。ダイオードＤ３は、アノードが充電用コンデンサＣ３の一端に接続され、カソードが第１ブートストラップコンデンサＣ１の一端に接続されている。充電用コンデンサＣ３の他端は、第１ローサイドスイッチＱ２１のソースと第２ローサイドスイッチＱ２２のドレインとの接続点に接続されている。充電用コンデンサＣ３は、より安定的にハイサイドスイッチＱ１のＯＮ状態を維持する上で、第１ブートストラップコンデンサＣ１の容量よりも大きい容量のコンデンサを用いるのが好ましい。

ブートストラップ回路１４は、ダイオードＤ２、第２ブートストラップコンデンサＣ２を含む。第２ブートストラップコンデンサＣ２は、第１ローサイドスイッチＱ２１のブートストラップコンデンサである。ダイオードＤ２は、アノードが論理電源５Ｖに接続され、カソードが第２ブートストラップコンデンサＣ２の一端に接続されている。第２ブートストラップコンデンサＣ２の他端は、第１ローサイドスイッチＱ２１のソースと第２ローサイドスイッチＱ２２のドレインとの接続点に接続されている。

ローサイドスイッチ駆動回路１５は、第１ローサイドドライバ１５１、第２ローサイドドライバ１５２、インバータ１５３を含む。第１ローサイドドライバ１５１は、第１ローサイドスイッチＱ２１をＯＮ／ＯＦＦするドライバであり、出力端子が第１ローサイドスイッチＱ２１のゲートに接続されている。また第１ローサイドドライバ１５１は、正側の電源端子が第２ブートストラップコンデンサＣ２の一端に接続され、負側の電源端子が第２ブートストラップコンデンサＣ２の他端に接続されている。第２ローサイドドライバ１５２は、第２ローサイドスイッチＱ２２をＯＮ／ＯＦＦするドライバであり、入力端子が信号入力端子Ｐ２に接続され、出力端子が第２ローサイドスイッチＱ２２のゲートに接続されている。また第２ローサイドドライバ１５２は、負側の電源端子がグランド端子ＧＮＤに接続されている。インバータ１５３は、信号入力端子Ｐ２の信号の論理を反転して第１ローサイドドライバ１５１へ出力するＮＯＴゲート回路であり、入力端子が信号入力端子Ｐ２に接続され、出力端子が第１ローサイドドライバ１５１の入力端子に接続されている。

つづいて本発明に係るスイッチ回路の動作について、引き続き図１を参照しつつ、さらに図２も参照しながら説明する。
図２は、本発明に係るスイッチ回路の動作を図示したタイミングチャートである。

ローサイドスイッチ駆動回路１５は、信号入力端子Ｐ２に入力される信号に従って、第１ローサイドスイッチＱ２１と第２ローサイドスイッチＱ２２を交互にＯＮ／ＯＦＦする。第１ローサイドスイッチＱ２１がＯＦＦし、第２ローサイドスイッチＱ２２がＯＮしている間は、図１の符号Ａで図示した経路で充電用コンデンサＣ３が充電されるともに、図１の符号Ｂで図示した経路で第２ブートストラップコンデンサＣ２が充電される（図２のタイミングＴ１〜Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ４、Ｔ５〜Ｔ６、Ｔ７〜Ｔ８）。他方、第１ローサイドスイッチＱ２１がＯＮし、第２ローサイドスイッチＱ２２がＯＦＦしている間は、図１の符号Ｃで図示した経路で、充電用コンデンサＣ３に充電されている電荷が第１ブートストラップコンデンサＣ１へ放電されて第１ブートストラップコンデンサＣ１が充電される（図２のタイミングＴ２〜Ｔ３、Ｔ４〜Ｔ５、Ｔ６〜Ｔ７、Ｔ８〜Ｔ９）。

つまりハイサイドスイッチＱ１のブートストラップコンデンサである第１ブートストラップコンデンサＣ１は、第１ローサイドスイッチＱ２１と第２ローサイドスイッチＱ２２が交互にＯＮ／ＯＦＦされることによって充電される。そして電圧が所定電圧以上になるまで第１ブートストラップコンデンサＣ１が充電された後は（図２のタイミングＴ９以降）、いつでも所望のタイミング（図２のタイミングＴ１０）でハイサイドスイッチＱ１をＯＮすることができる。

また第１ローサイドスイッチＱ２１及び第２ローサイドスイッチＱ２２は、交互にＯＮ／ＯＦＦされて同時にＯＮしないため、ハイサイドスイッチＱ１のＯＮ／ＯＦＦとは無関係にＯＮ／ＯＦＦすることができる。したがってハイサイドスイッチＱ１がＯＮしている間も、第１ローサイドスイッチＱ２１と第２ローサイドスイッチＱ２２を交互にＯＮ／ＯＦＦする動作を繰り返すことができる。それによってハイサイドスイッチＱ１がＯＮしている間、第１ブートストラップコンデンサＣ１の充電が繰り返し行われることになるので、第１ブートストラップコンデンサＣ１の電圧を所定電圧以上に維持してハイサイドスイッチＱ１を常時ＯＮさせることができる。

そして本発明に係るスイッチ回路は、さらに第１ローサイドスイッチＱ２１のブートストラップコンデンサである第２ブートストラップコンデンサＣ２を備えている。そのため本発明に係るスイッチ回路は、ハイサイドスイッチＱ１、第１ローサイドスイッチＱ２１及び第２ローサイドスイッチＱ２２に全てＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いて構成することができる。それによって本発明に係るスイッチ回路は、汎用のドライバＩＣ等を用いて低コストで構成することが容易になる。

さらに本発明に係るスイッチ回路は、第２ローサイドスイッチＱ２２がＯＮすることによって、充電用コンデンサＣ３と第２ブートストラップコンデンサＣ２が同時に充電される。つまり第２ローサイドスイッチＱ２２は、充電用コンデンサＣ３の充電スイッチと第２ブートストラップコンデンサＣ２の充電スイッチを兼ねている。それによって本発明に係るスイッチ回路は、より少ない回路素子で効率的に構成することができる。

１１ ハイサイドドライバ
１２ ローサイドスイッチ回路
１３ 充電回路
１４ ブートストラップ回路
１５ ローサイドスイッチ駆動回路
Ｃ１ 第１ブートストラップコンデンサ
Ｃ２ 第２ブートストラップコンデンサ
Ｃ３ 充電用コンデンサ
Ｑ１ ハイサイドスイッチ
Ｑ２１ 第１ローサイドスイッチ
Ｑ２２ 第２ローサイドスイッチ

Claims (1)

1. ハイサイドスイッチと、
   直列に接続されている第１ローサイドスイッチ及び第２ローサイドスイッチを含むローサイドスイッチ回路と、
   前記ハイサイドスイッチのブートストラップコンデンサである第１ブートストラップコンデンサと、
   前記第２ローサイドスイッチがＯＮしている間に充電され、前記第１ローサイドスイッチのブートストラップコンデンサである第２ブートストラップコンデンサと、
   前記第１ローサイドスイッチがＯＦＦし、前記第２ローサイドスイッチがＯＮしている間に充電される充電用コンデンサを含み、前記第１ローサイドスイッチがＯＮし、前記第２ローサイドスイッチがＯＦＦしている間、前記充電用コンデンサに充電されている電荷で前記第１ブートストラップコンデンサを充電する充電回路と、
   前記ハイサイドスイッチをＯＮ／ＯＦＦするハイサイドスイッチ駆動回路と、
   前記第１ローサイドスイッチと前記第２ローサイドスイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦするローサイドスイッチ駆動回路と、を備えるスイッチ回路。

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