TW200525869A - Switching power supply and semiconductor IC - Google Patents

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Ryotaro Kudo
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Description

(1) 200525869 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於開關電源及半導體積體電路，例如’關 於有效適用於將高電壓轉換爲低電壓之開關電源，及也爲 其所使用之半導體積體電路之技術。 【先前技術】 在開關電源中，對其要求低價格、小型、高效率、低 電壓、大電流。因此，開關元件多數係使用低導通電阻（ 低Ron)、低Qgd(低閘極充電電荷量）之N通道型的功率 MOSFET(以下，略爲 NMOS)。第12圖係顯示在本申請案 發明之前所被檢討之降壓型開關電源之構造圖。在高電位 側開關元件Μ1使用NMOS時，需要圖中稱爲「自舉電路 (bootstrap )」之昇壓電路，及位準移位電路。在第13圖 之昇壓電路中，由電源電壓VDD低二極體D4之順向電壓 Vf份之電壓（VDD_Vf )係被供應給高電位側開關元件 Μ 1之驅動用。即對於開關元件Μ 1之源極（中點LX )， 只有蓄積在自舉電容器CB之電壓（VDD-Vf)之高電壓被 供應給開關元件Ml之閘極。爲了使前述電壓（VDD-Vf) 變大，前述二極體D4係使用順向電壓Vf低之蕭特基阻障 二極體。 第1 4圖係顯示第〗3圖所示之降壓型開關電源之各部動 作波形圖。在降壓型開關電源中’高電位側開關元件Ml 與低電位側開關元件M2之中點LX在每次開關時’於輸 (2) 200525869 入電壓V i η與接地電位V S S變化。昇壓電路係中點LX之 電位爲接地電位VSS之期間，由電源電壓VDD藉由二極 體D4而充電自舉電容器CB。因此，自舉電容器CB之兩 端電壓變成由電源電壓VDD低二極體D4之順向電壓Vf 份之電壓（VDD-Vf)。中點LX之電位爲輸入電壓Vin時 ，二極體D4防止對於電源電壓VDD之逆流，由自舉電容 器CB對於高電位側開關元件Μ 1之驅動電路供電。高電 位側開關元件Ml之驅動電壓Vgs變成（VDD-Vf)。 另一方面，包含控制電路之周邊電路的電源電壓 VDD有低電壓化之傾向。因此，二極體D4之順向電壓Vf 之降低份變成無法忽視，產生無法獲得高電位側開關元件 Μ 1之充分的驅動電壓之可能性。驅動電壓如不足，開關 元件之本來的性能無法發揮，會有招致損失之增加等。因 此，作爲利用接合型FET(以下，略爲JFET)來構成自舉電 路以內藏於1C之開關電源之例子，有日本專利特表平1 1 -5 0 1 5 00號。在此開關電源中，係藉由JFET而對自舉用電 容器充電。 [專利文獻1]日本專利特表平1 1 - 5 0 1 5 00號 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 但是，在JFET中，於關閉狀態之洩漏電流無法忽視 ，爲了確保充分之昇壓電壓，乃串聯連接逆流防止用之二 極體而使用。即爲了構成實用之電路，在前述專利文獻1 -6 - (3) (3)200525869 之開關電源中，認爲需要逆流防止二極體之連接，結果爲 ，變成具有與前述第]3圖之電路相同之問題。 本發明之目的在於提供：於電源電壓VDD低之情形 ，實現可獲得高電位側開關元件Μ 1之充分的驅動電壓之 開關電源，及其所使用之半導體積體電路。由本說明書之 記載以及所附圖面，本發明之前述及其他目的與新的特徵 理應可以變得淸楚。 [解決課題用手段] 如簡單說明由本申請案所揭示發明中之代表性者之槪 要，則如下述：即在通過依據PWM(脈波寬度調變）訊號 ，而進行開關動作之開關元件，以控制流通於電感器之電 流，藉由以串聯形態設置於前述電感器之電容器，以形成 輸出電壓之開關電源中，在前述開關元件之輸出節點與特 定電壓端子間設置由自舉電容器與MOSFET所成之昇壓 電路，將該昇壓電壓當成前述開關元件之驅動電路的動作 電壓，前述MOSFET被設爲關閉狀態時，一方之源極、 汲極領域與基板閘極間之接合二極體對於藉由前述自舉電 容器所形成之昇壓電壓，係成爲相反方向，如此連接另〜 方之源極、汲極領域與前述基板閘極。 [發明效果] 在電源電壓VDD低之情形中，也可以獲得高電位側 開關元件之充分的驅動電壓。 -7- (4) (4)200525869 【實施方式】 第1圖係顯示關於本發明之開關電源之一實施例的槪 略電路圖。此實施例係適合於形成將輸入電壓Vin予以降 壓之輸出電壓Vout之所謂的降壓型開關電源。雖無特別 限制，但是，輸入電壓Vin係設爲約12V之比較高的電壓 ，輸出電壓Vout係設爲約3V程度之低電壓。 前述輸入電壓Vin係藉由高電位側開關元件Ml而由 電感器L0之一端進行電流之供給。在電感器LO之另一 端與電路的接地電位V S S之間設置有電容器C 0，藉由此 種電容器C0，形成經過平滑化之輸出電壓Vout。在前述 電感器L0之一端與電路的接地電位VSS之間係設置有’ 在前述開關元件Μ 1爲關閉狀態時，藉由使中點LX成爲 電路的接地電位，箝位產生於前述電感器L0之反電動勢 電壓之開關元件M2。前述開關元件Ml與M2係藉由Ν通 道型之功率M0SFET所構成。前述開關元件Ml與M2之 連接點係設爲所謂之反相推挽輸出電路的中點LX，與前 述電感器L0 —端連接。
前述輸出電壓Vout係控制爲設定如約3 V之電位故， 設置有如下之PWM控制電路。作爲其之一例，前述輸出 電壓Vout係藉由由電阻R1與R2所成之分壓電路所分壓 ，而供應給錯誤放大器EA之一方的輸入（-)。在此錯誤 放大器EA之另一方的輸入（+)供應基準電壓Vr。前述 分壓電壓與前述基準電壓V r之差電壓係供應給電壓比較 電路CMP之一方的輸入（-)。在前述電壓比較電路CMP (5) (5)200525869 之另一方的輸入（+ )係供應以三角波產生電路TW G所形 成之三角波。電壓比較電路CMP之輸出訊號係供應給控 制電路CONT，形成令前述分壓電壓與前述基準電壓Vr 成爲一致之PWM訊號。另外，並非PWM訊號，只要是 控制PFM(脈波振幅調變）訊號、PDM(脈波密度調變）訊號 等之功率MOSFET之開關，以控制輸出電壓Vout者，並 無特別限制。 控制電路C0NT係形成對應前述PWM訊號之高電壓 側控制訊號hg與低電位側控制訊號lg。在此實施例中， 將低導通電阻、低Qgd之N通道型功率MOSFET當成前 述開關元件Μ 1使用，令當成源極隨偶器電路動作。因此 ，爲了可獲得對應前述輸入電壓Vin之高電壓的前述中點 LX之電位，換言之，爲了防止中點 LX之電位只降低 MOSFETM1之臨界値電壓份而產生損失，所以設置有昇壓 電路。即昇壓電路係進行使前述M0SFETM1導通狀態時 之閘極電壓對於前述輸入電壓Vin，成爲其之臨界値電壓 份以上之高電壓的動作。 前述中點LX係連接於自舉電容器CB之一端。此自 舉電容器CB之另一端係藉由P通道型開關MOSFETM3之 源極、汲極路徑而連接於電源電壓V D D。前述電源電壓 VDD係約5V之低電壓，係包含前述控制電路C0NT而構 成PWM控制電路之錯誤放大器EA、電壓比較電路CMP 及三角波產生電路TWG之動作電壓，也當成後述之位準 移位電路L S ]、L S 2之低電壓側電路的動作電壓而使用。 (6) 200525869
對應前述P WM訊號之高電壓側控制訊號hg係藉由位 準移位電路LS 2而被位準移位，設爲前述高電壓側之開關 元件Ml的驅動訊號HG。位準移位電路LS 2係將前述電源 電壓VDD與以前述自舉電容器CB所形成之昇壓電壓Vbt 當成動作電壓，將前述電源電壓 VDD與接地電位（本例 約5 V )振幅之高電壓側控制訊號hg位準移位爲昇壓電壓 Vbt與前述中點1^乂振幅之訊號，將使開關元件河1成爲導 通狀態時之閘極電壓變高爲如昇壓電壓Vbt。
對應前述PWM訊號之低電位側控制訊號lg係當成緩 衝器等，基本上原樣供應給低電位側之開關元件M2的閘 極。位準移位電路LS 1係位準移位此種低電位側控制訊號 lg，形成供應給前述P通道型MOSFETM3之閘極之控制訊 號LG。即藉由位準移位電路而令開關元件M2之低電位側 控制訊號lg反轉，在使開關M2成爲關閉狀態時，形成對 應昇壓電壓 Vbt之控制訊號 LG，傳達給 P通道型 MOSFETM3之閘極，使此MOSFETM3成爲關閉狀態。 本發明之昇壓電路其特徵爲，代替前述第12圖之二極 體D4，而使用開關元件之P通道型功率MOSFET(以下， 略爲PMOS)M3。此時，PMOSM3係將汲極端子D連接於 電源 VDD，將源極端子S連接於自舉電容器 CB側。 Μ Ο S F E T之源極與汲極係藉由電壓的施加方向而逆轉故， 同圖所示之前述汲極端子D及源極端子S係爲了方便而 已，意指藉由自舉電容器CB而形成比電源電壓VDD還 高之昇壓電壓V bt之狀態的汲極及源極。Ρ Μ 0 S Μ 3之基板 -10- (7) 200525869 閘極（背閘極，通道領域或者N型井領域）係連接於前 述源極端子S側，換言之，自舉電容器CB側。 第2圖係顯示說明第1圖之開關電源之驅動電路的動作 之波形圖。基本上，藉由對應PWM訊號之控制訊號hg與 1 g，在開關元件M2導通之間（即開關元件Μ 1關閉之間） ，令開關元件M3導通，將自舉電容器CB充電爲電源電 壓VDD。在同圖中，將此充電電壓表示爲如VDD-V3(on) 般。V3(on)係MOSFETM3之源極一汲極路徑的充電動作時 之電壓損失，實質上可以視爲零。 此時之PMOSM3之動作，一般係稱爲反向特性者。即 由位準移位電路LSI對PMOSM3之閘極供應如接地電位之 低位準的控制訊號LG，電源電壓VDD側（汲極端子D ) 係當成源極領域而動作，成爲導通狀態，開始對於自舉電 容器CB之充電。當然藉由基板閘極與當成前述源極動作 之汲極端子D之PN接合而所構成之寄生二極體，也可形 成充電路徑故，此時，當成汲極領域動作之源極端子S測 知電位Vbt比VDD-Vf(Vf係寄生二極體之順向電壓）低時 ，通過此種寄生二極體也會有充電電流流通。 藉由對應PWM訊號之控制訊號hg與lg，在開關元 件Μ 1導通之間（即開關元件M2關閉之間），藉由開關元 件Μ 1之導通，終點LX之電位由上述低位準上升。對應 此，自舉電容器CB之昇壓電壓 Vbt上升前述充電電壓 VDD份而成爲高的電壓。即是在開關元件Μ ]之閘極與源 極間（HG-LX )係藉由前述位準移位電路LS2而被施加前 (8) 200525869 述自舉電容器CB之保持電壓VDD(VDD-V3(on))，由源極 側所獲得之終點LX之電位係變成上升至對應輸入電壓 Vin之高電壓。此處，VDD約爲5V，開關元件Ml之臨界 値電壓約爲1 V程度，具有VDD>Vth之關係。 藉由前述昇壓電壓 Vbt之上升，在MOSFETM3之一 對的源極、汲極施加有與前述充電動作時對於一對之源極 、汲極領域反向之電壓，如第1圖所示般，昇壓電壓Vbt 側係當成源極端子動作，電源電壓VDD係當成汲極端子 D動作。因此，供應給閘極G之控制訊號LG如係電源電 壓VDD般之高位準，源極端子S之電位如上升至其臨界 値電壓Vth以上時，再度成爲導通狀態，會將形成昇壓電 壓Vbt的自舉電容器CB之電荷抽往電源電壓VDD側。 位準移位電路L S 1將前述控制訊號L G之高位準當成對應 前述昇壓電壓Vbt之高電壓，令閘極G與源極端子S成 爲相同電位（Vth以下）令其維持關閉狀態。而且，在前 述寄生二極體施加反向電壓，不使流通放電前述自舉電容 器CB之電荷的電流。 使前述開關元件Μ 1成爲導通狀態之]次的充電動作所 消耗之自舉電容器CB的電荷，可以CgXVgs大槪加以計 算。此處，C g係開關元件Μ 1之閘極輸入電容，V g s係閛 極、源極間之驅動電壓。藉由在前述電荷乘上開關頻率， 可求得平均充電電流。作爲其之一例，以Cg = 30〇〇pF、
V g s = 5 V、開關頻率1 Μ Η z來計算時，充電電流成爲1 5 m A 。另外，一般Μ O S F Ε Τ Μ 3之導通電阻爲數十ηι Ω，充電時 -12 - (9) 200525869 之電壓降低V3 (on)小，可視爲零。因此，與基於習知之 二極體D4之順向電壓Vf的電壓降低相比，可以抑制爲非 常之小。
如前述般，在開關元件M2關閉之間（開關元件Μ 1導 通），需要使Ρ通道型MOSFETM3變成關閉。爲了使此Ρ 通道型MOSFETM3關閉，位準移位電路LSI係藉由將前述 昇壓電壓 Vbt當成動作電壓，將給予 P 通道型 MOSFETM3之閘極端子G之控制訊號LG的位準進行位準 移位爲與源極端子S之昇壓電壓Vbt相同電壓。而且’ MOSFETM3之汲極端子D與基板閘極間之寄生二極體（稱 爲本體二極體）存在著。藉由此寄生二極體，前述 MOSFETM3被設爲前述關閉狀態之同時，由昇壓電壓Vbt 朝向電源電壓 VDD之逆流也得以防止。因此，在前述專 利文獻1中，如使用JFET般，不需要新設置逆流防止用之 二極體。
開關元件Μ 1、M2、M3之導通、關閉狀態之轉換時間 存在有偏差等之故，爲了防止貫穿電流，在開關元件Μ 1 與M2之切換上，設置有空載時間。同樣地，在開關元件 Ml完全關閉前，如MOSFETM3導通時，則由昇壓電位側 對於電源VDD引起逆流故，設置有同樣之空載時間。此 空載時間並無特別限制，藉由形成對應前述PWM訊號之 訊號lg及hg之控制電路CONT而設定。藉由以上，本發 明可以提供：在電源電壓V D D之低電壓化時，也可獲得 充分之開關元件Μ ]的驅動電壓之昇壓電路。 -13- (10) 200525869 第3圖係顯示第1圖之P通道型MOSFETM3之一實施 例的槪略元件剖面圖。第3 ( A )圖係顯示一般的P通道 型MOSFET之例子，第3(B)圖係顯示高耐壓MOSFET 之例子。依據前述第2圖之各部訊號波形，知道昇壓電壓 Vbt可到達電源電壓 VDD +輸入電壓 Vin。因此，作爲P 通道型MOSFETM3，可以完全地使用如第3 ( B )圖所示 之高耐壓的 LDMOS(Laterally Diffused MOS:側向擴散
MOS)。
在第3 (A)圖之一般的p通道型MOSFET中，係在P 型基板PSUB上形成η型井領域NWEL，於其形成P +型之 一對的源極、汲極領域。在此一對之源極、汲極領域間之 并領域（通道或基板閘極）上形成有由薄的膜厚所成之閘 極絕緣膜。在前述閘極絕緣膜上形成有橫跨前述一對之源 極、汲極領域之閘極。而且，在當成構成前述昇壓電路之 開關元件M3使用時，前述井領域NWEL與設爲前述第1圖 之源極端子S側之Ρ +領域係相連接。在設爲前述第1圖之 汲極端子D之Ρ +領域與基板閘極（NWEL )之間，存在有 如圖示之寄生二極體。 在第3(B)圖之高耐壓MOSFET中，於 P型基板 PSUB(P-)上形成有設爲前述汲極端子D之P +領域。對應 前述源極端子S之半導體領域係在N型井領域NWEL形 成與設爲前述汲極端子D之P +領域對向之P +領域，形成 有獲得對於此種N型井領域NWEL之歐姆接觸用之N +領 域。而且，藉由在前述P +領域及N +領域設置電極，以進 -14 - (11) 200525869 行和N型井領域NWEL之連接。此高耐壓MOSFET係汲 極領域爲，前述P +領域及P-之基板當成實質之汲極領域 動作，形成在N型井領域NWEL之P +領域間之井領域（ 通道或基板閘極）當成實質之基板閘極（通道領域）。 在前述一對之P +領域間之N井領域NWEL及基板 P SUB上形成有由薄膜厚所成之閘極絕緣膜。在前述閘極 絕緣膜上形成有橫跨前述一對之P +領域之閘極。而且， 在當成構成前述昇壓電路之開關元件M3使用時，前述井 領域NWEL與設爲前述第1圖之源極端子S側之P +領域係 相連接。設爲前述第1圖之汲極領域的一部份之基板P S UB 與基板閘極（NWEL )之間，係存在有圖示之寄生二極體 。在此種DM0S中，源極領域與汲極領域的構造係非對稱 ，爲了表示此情形，如圖示般，表示爲如源極、汲極般。 如第3 ( A ) 、（B)之槪略元件剖面構造圖所示般，連 接源極與基板閘極（井領域）使用故，於第3 ( A )圖之 一般的p通道型MOSFET、第3(B)圖之LDM0S中，皆 於汲極、源極間產生寄生之二極體。因此，本發明之開關 元件M3使用p通道型MOSFET及LDM0S，都不會有問題 。另外，在將如第3 ( B )圖之LDM0S用於對自舉電容器 CB充電電荷時，雖變成由第3 ( B )圖之汲極隊員及流通 電流，但是，此動作係在線性領域（低電流）之動作，開 關元件Μ 3之性能不會大幅降低。 在此實施例之開關電源中，於電源電壓VDD之低電 壓化時，也可獲得高電位側開關元件之充分的驅動電壓。 -15- (12) 200525869 高電位側之開關元件可使用N通道型功率MOSFET，可構 成低價格、小型之開關電源。另外，如後述般’具有可容 易內藏於IC之優點。藉由內藏，可降低外加之零件數目 ，有助於電源之小型化、低成本化。
本發明之昇壓電路係令P通道型MOSFETM3導通， 對自舉電容器CB充電，來自昇壓電位側之逆流防止係藉 由對應昇壓電壓而位準移位MOSFET之閘極電壓，使其 成爲關閉狀態，而且，活用本體二極體。因此，可以省掉 如前述專利文獻1之開關電源般之逆流防止用之二極六一 另外，一般，MOS之導通阻抗小至數十γπΩ故，與二極 體之順向電壓Vf相比，可以抑制充電時之電壓降低。如 可設定充分之充電時間，可將自舉電容器CB變高至VDD 藉由以上，即使在電源電壓 VDD低之情形，也可獲 得高電位側開關元件Μ 1之充分的驅動電壓。藉此，高電 位側開關元件可以採用低價格、小型、低Ron、低Qgd之 N通道型功率MOSFET故，可以構成低價格、小型之開關 電源。另外，與簫特基阻障二極體相比，MOSFET其晶片 面積小故，容易內藏於IC。藉此，可省掉外加之二極體 ，適合於電源之小型化、成本降低。 第4圖係顯示關於本發明之開關電源之一實施例的構 造圖。此實施例之開關電源係以粗線框所包圍之部份由半 導體積體電路（I C )所構成。即高電位側開關元件Μ 1與 低電位側開關元件M2係以外加之單體元件構成。另外， -16- (13) 200525869
電感器LO'自舉電容器CB及電容器CO、與構成前述分 壓電路之電阻R 1與R2也以單體元件構成。在此實施例中 ，構成昇壓電路之開關元件M3係內藏在半導體積體電路 而形成。即半導體積體電路在前述MOSFETM3之外，也 形成有錯誤放大器EA、電壓比較電路CMP、三角波產生 電路TWG與控制電路CONT、位準移位電路LSI、LS2。 雖未圖示出，但是，也包含驅動M0SFETM1、M2之驅動 電路。在此實施例中，將控制部份予以半導體積體電路化 ，藉由內藏自舉用開關元件M3，可以實現電源之零件數 減少、小型化。 第5圖係顯示關於本發明之開關電源之其他的一實施 例之構造圖。同圖中，也與前述相同，以粗線框所包圍之 部份係以半導體積體電路（1C )構成。在此實施例中，開 關元件Ml、M2也藉由內藏於半導體積體電路，可進一步 減少外加之零件數目，適合於電源之小型化、低成本化。
第6圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之構造圖。同圖中，也與前述相同，以粗線框所包 圍之部份以半導體積體電路（1C )構成。在此實施例中， 使用控制用IC與驅動器用IC之2個半導體積體電路。控 制1C係搭載有PWM控制部之錯誤放大器EA、電壓比較 電路CMP、三角波產生電路TWG與控制電路CONT而輸 出PWM訊號。驅動器1C係設置有開關元件Ml、M2，及 構成位準移位電路LS1、LS2及昇壓電路之MOSFETM3， 及接受PWM訊號而形成低電位側之控制訊號LG’之反相 -17- (14) 200525869 器電路I N V 1。在此實施例中，位準移位電路L S 1係接受 P WM訊號而形成前述開關MOSFETM3之控制訊號LG。 第7圖係顯示關於本發明之開關電源之其他的一實施 例之槪略電路圖。此實施例係前述第1圖之實施例的變形 例，代替低電壓側之開關MOSFETM2，而使用二極體D1 。如此，在使用二極體D 1之情形，只在導通狀態之順向 電壓Vf，產生電壓損失之反面，由於其之陽極與陰極之 電位關係，導通/關閉自動進行故，不需要如前述之控制 訊號lg。在所謂之降壓型開關電源中，前述控制訊號U 、hg係如第2圖所示般，具有互補之關係。此實施例之昇 壓電路的MOSFETM3之控制訊號LG可以MOSFETM1之控 制訊號hg爲基礎而產生即可。在此實施例中，也可做成 如前述第4圖、第5圖及第6圖之構造。 第8圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之構造圖。同圖中，與前述第6圖之實施例相同’ 使用控制用1C與驅動器用1C之2個半導體積體電路。例 如對控制1C與驅動器1C給予共通之動作電壓VCC。此 電壓VCC可以如前述VDD之低電壓，也可以是對應輸入 電壓Vin之高電壓。因此，於驅動器1C設.置有降壓電源 電路Reg，形成對應前述VDD之內部電壓。相對於此’ 控制1C係形成對應前述電源電壓VCC之PWM訊號。因 此，於前述驅動器1C設置有接受前述PWM訊號之電壓箝 位電路V C L。其他之構造係與前述第6圖之實施例相同故 ，省略其之說明。 -18- (15) 200525869 在此實施例中，驅動器1C並不需要特別之電源VDD ，可以將輸入電壓Vin當成電源電壓VCC使用。將此種 高電壓在內部與以降壓而當成低電壓使用故，可使在內部 驅動器電路之消耗電力變小。在此情形，在P WM控制IC 與驅動器1C中，動作電壓變成不同。即控制1C係以12V 、驅動器1C係以內部5V動作故，在PWM訊號之輸入電 路（VCL)設置有某種之電壓箝位手段。 第9圖係顯示前述第8圖之電壓箝位電路 VCL之一實 施例的電路圖。同圖之電壓箝位電路VCL係將由驅動器 1C之外部端子所供給的高的訊號振幅VCC之輸入訊號（ PWM )的位準箝位在對應驅動器1C之反相器電路INV1或 位準移位電路LSI、LS2之低電壓側之電源電壓VDD位準 〇 輸入端子PWM係設置有當成靜電破壞防止電路之二 極體D2與D3。雖無特別限制，但是，此實施例之驅動器 1C係具有高的電壓VCC，及以電源電路Reg所形成之內 部電壓 VDD之2種動作電壓。前述二極體D2係設置在前 述輸入端子PWM與電源端子VCC之間’前述二極體D3 係設置在前述輸入端子PWM與電路的接地電位VSS之間 。雖無特別限制，但是，前述電源電壓VCC係約12V之 高的電壓，前述內部電壓VDD係約5V之低的電壓。 前述輸入端子PWM係連接在構成電壓箝位電路之N 通道型 Μ Ο S F E T Μ 4之一方的源極、汲極路徑。對此 MOSFETM4之閘極供應作爲應限制電壓之內部電壓VDD。 (16) 200525869 由前述Μ 0 S F Ε Τ Μ 4之源極、汲極路徑之另一方’可獲得 藉由前述內部電壓VDD所箝位之輸出電壓’傳達給輸入 電路IΒ之輸入端子。在此實施例中’爲了做成可穩定地 進行藉由前述 MOSFETM4之電壓箝位動作’在前述源極 、汲極路徑之另一方與電路的接地電位之間設置有電流源 I 〇。另外，對於前述電流源I 〇以並聯形態設置有電容器
Ci。
在此實施例中，如在同一圖以波形所示般，對輸入端 子PWM供應如 VCC-0V(12V-0V)之大的訊號振幅之輸入 訊號，由前述 MOSFETM4之源極、汲極路徑之另一方， 如（VDD-Vth ) -0V般，被轉換爲藉由電源VDD所限制之 小的訊號振幅。而且，通過輸入電路IB之輸出訊號Vo 係如同圖中以波形所示般，設爲如 VDD-0V(5V-0V)般之 CMOS振幅。此處，Vth係MOSFETM4之臨界値店阿。雖 無特別限制，但是，MOSFETM4係形成在電性上與基板分 離之P型井領域，此種P型井（通道領域）係連接於前述 MOSFETM4之輸出側的源極、汲極路徑之另一方。 在前述電壓箝位電路中，於MOSFETM4之輸出側的 節點V形成有基於電路之絕緣不良等之高阻抗之洩漏電 流路徑之情形，其之電位上升，MOSFETM4維持關閉狀態 ，如前述之電流源I 〇不存在，則電壓箝位動作變成不可 行。藉由設置前述電流源1〇 ’前述輸出節點側之電位上 升受到抑制，可進行穩定之電壓箝位動作。因此，電流源 】.〇如設定爲比不視爲不良之洩漏電流還大之微小電流， -20- (17) (17)200525869 則可以謀求低消耗電力化。 另外，在MOSFETM4之源極、汲極間存在寄生電容 Cds。藉由此寄生電容Cdx，在輸入訊號PWM變化爲如 V C C之高電壓時，藉由耦合，會產生使輸出側變化爲電 源電壓VDD以上之問題。爲了避免此問題，在電流源1〇 以並聯形態設置有電容器Ci。藉此，寄生電容Cds與電 容器Ci以串聯形態連接，對應其之電容比之反比，分顧 輸入電壓PWM，可使前述輸出側節點不成爲電源電_ VDD以上。 另外，在輸入電路 IB雖存在構成輸入電路；^ MOSFET之閘極電容，但是，只以此種閘極電容，如前述 般，藉由耦合，輸出側節點會變化爲電源電壓V D D以上 。因此，前述電容器Ci與輸入電路IB之輸入電容相比， 也設爲充分的大。在本實施例中，對於前述輸入訊號 PWM，雖適用前述電壓箝位電路，但是，對於比內部動作 電壓高之電壓位準的輸入訊號，本電路也可以適用。作爲 其之一例，可舉驅動器1C之動作導通/關閉控制訊號等 。藉由在輸入有第8圖之輸入訊號PWM之端子適用如第9 圖之箝位電路，變成也可對應PWM訊號之高速的變化， 可以正確地控制驅動器I C。 第1 0圖係顯示關於本發明之開關電源所使用之位準移 位電路L S 2之一實施例的電路圖。此實施例之位準移位電 路係設置有當成輸入電路之以電源電壓 VDD動作的 CMOS反相器電路IN V2。在此反相器電路1NV2之輸入供 (18) 200525869 應以前述控制訊號hg。此反相器電路IN V2之輸出訊號係 供應給N通道型MOSFETM5之閘極。在此MOSFETM5之 汲極與昇壓電壓 Vbt之間設置有負載電阻R3。雖無特別 限制，但是，在 Μ 0 S F E T Μ 5之源極與電路之接地電位之 間設置有電阻R4。前述MOSFETM5之汲極輸出係當成通 過以昇壓電壓Vbt與中點LX之電位動作之CMOS反相器 電路IN V3與IN V4而被轉換之驅動訊號HG而被輸出。
在控制訊號 h g爲低位準（V S S )時，反相器電路 INV2之輸出訊號成爲高位準，使MOSFETM5成爲導通狀 態。此時之電路的動作點可如下述般求得。第1 0圖中，設 MOSFETM5之閘極電壓Vi、源極電壓Vs、汲極電壓Vo、 閘極一源極電壓Vgs，流過電阻R4之電流爲Is，流過電 阻R3之電流爲Id，則以下關係成立：
Vs = Vi-Vgs = Is X R4 …Ο)式
Is _ Id …（2)式
Vo = Vbt-Id X R3- Vbt-Is X R3 …（3)式 (1)式中，Vgs係以前述MOSFETM5之特性所決定之 値。 由上述式子，可以導出：
Vo = Vb 卜（Vi-Vgs)X(R3/R4) …⑷ -22- (19) 200525869 此處，反相器電路IN V3之輸入電壓，即前述汲極電 壓Vo係成爲比其之邏輯臨界値還低之電位，如此設定前 述電阻R3、R4之値。藉此，反相器電路INV3係輸出對應 昇壓電壓Vbt之高位準，由反相器電路INV4形成對應中 點LX之電位的低位準之驅動訊號HG。 控制訊號hg爲高位準（VDD )時，反相器電路INV2 之輸出訊號變成低位準，使MOSFETM5成爲關閉狀態。 藉此，MOSFETM5之汲極輸出係藉由電阻R3而輸出如昇 壓電壓 Vbt般之高位準。藉此，反相器電路INV3之輸入 電壓變成比其之邏輯臨界値還高之電位，輸出對應中點 LX之電位的低位準，由反相器電路INV4形成對應昇壓電 壓Vbt之高位準的驅動訊號HG。前述位準移位電路在電 源投入時等，輸出也確定，具有不像習知方式之閂鎖形式 的位準移位電路般，變成不定狀態之特長。 形成供應給開關MOSFETM3之閘極的控制訊號LG之 位準移位電路L S 1，也如前述第]0圖以括號所示般，係藉 由同樣之電路所構成。但是，反相器電路INV3、INV4之 低電位側係設爲電路的接地電位（VSS )。在將控制訊號 (1 g )之反轉訊號當成控制訊號（LG )輸出時，可省略前 述反相器電路INV4。 第1 1圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之槪略電路圖。此實施例係前述第1圖之實施例的 變形例，作爲昇壓電路之開關元件，係使用 N通道型 MOSFETM3,。如此，在使用N通道型MOSFETM-V之情形 -23- (20) 200525869 ，在爲了對自舉電容器CB充電至電源電壓VDD，使之成 爲導通狀態時，需要將閘極電壓設在電源電壓VDD以上 。因此，位準移位電路L S 1係藉由昇壓電壓V C C而動作 。此V C C可由外部供給，也可以同樣之昇壓電路形成。 如此，在使用N通道型MOSFET之情形，電源電壓VDD 側之源極、汲極領域與基板閘極係連接，昇壓電壓側之源 極、汲極領域與基板閘極之間的寄生二極體被當成逆流防 止用而加以利用。需要產生此昇壓電壓VCC用之電路故 ，作爲昇壓電路之開關元件，以p通道型MOSFET比較 優異。 第1 2圖係顯示關於本發明之開關電源之其他的一實施 例之構造圖。此實施例係前述第6圖之實施例的變形例， 目ij述驅動器I C係如前述第6圖所不般，可以形成在1個半 導體基板上之半導體積體電路構成，在此實施例中，也能 以個別適合前述 MOSFETM1、M2、其他的電路之製程， 在以一點虛線所示之半導體晶片（半導體基板）Chip 1、 ChiP2、ChiP3上分別製作，做成將彼等以多晶片模組構造 而密封爲1個封裝所成之半導體積體電路裝置。另外，也 可以做成以將個別之半導體晶片Chipl、ChiP2、ChiP3密 封於個別之封裝之3個半導體積體電路裝置所構成，在構 裝基板上相互連接以構成電路者。 以上，雖依據前述實施形態而具體說明由本發明人所 完成之發明，但是，本發明並不限定於前述實施形態，在 不脫離其之要旨的範園內，可有種種變更之可能。例如， -24- 200525869 (21) 可以是設置以高電壓驅動低電位側之開關元件Μ 2的驅動 電路之實施例。此時，藉由開關元件M2之小的導通電阻 値，可將在電感器所產生之中點LX箝位爲接地電位故， 可以謀求開關元件之小型化或更有效率化。位準移位電路 LSI、LS2之具體的電路可以採用種種之實施形態。本發 明可以廣泛利用在開關電源裝置。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示關於本發明之開關電源之一實施例的槪 略電路圖。 第2圖係說明第1圖之開關電源之驅動電路的動作之波 形圖。 第3圖係顯示第1圖之p通道型MOSFETM3之一實施 例之槪略元件剖面圖。 第4圖係顯示關於本發明之開關電源之一實施例之構 造圖。 第5圖係顯示關於本發明之開關電源之其他的一實施 例之構造圖。 第6圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之構造圖。 第7圖係顯示關於本發明之開關電源之其他的一實施 例之槪略電路圖。 第8圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之構造圖。 -25- (22) 200525869 第9圖係顯示第8圖之電壓箝位電路VCL之一實施例 之電路圖。 第1 0圖係顯示關於本發明之開關電源所使用之位準移 位電路L S 2之一實施例的電路圖。 第1 1圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之槪略電路圖。 第1 2圖係顯示關於本發明之開關電源之進而其他的一 實施例之構造圖 第1 3圖係先於本申請案發明所被檢討之降壓型開關電 源之構造圖。 第1 4圖係第1 3圖所示之降壓型開關電源之各部動作波 形圖。 【主要元件符號說明】
D卜D4 :二極體 Ml 〜M3、M35 ： MOSFET I 〇 :電流源 Ci :電容器 ，CONT :控制電路 EA :錯誤放大器 CMP :電壓比較電路 ，TWG :三角波產生電路 ，：I B :輸入電路 ，CB :自舉電容器 -26- 200525869 (23) LO :電感器 C Ο :電容器 R 1〜R 4 :電阻 INV1〜INV4 : CMOS反相器電路
Reg :電源電路 LSI、2 :位準移位電路
-27-

Claims (1)

  1. 200525869 (1) 十、申請專利範圍 1 · 一種開關電源，其特徵爲：具備有’ 電感器，及 以串聯形態設置在前述電感器’形成輸出電壓之電容 器，及 控制由輸入電壓流入前述電感器之電流的開關元件， 及 在前述開關元件爲關閉狀態時’將與形成前述電感器 之前述輸出電壓的端子不同的另一端子箝位爲特定電位之 元件，及 驅動前述開關元件之驅動電路，及 由一端連接在前述開關元件之輸出節點之自舉電容器 ，及在此種自舉電容器之另一端與外部電源端子之間連接 有源極、汲極路徑之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）所成，將昇壓電壓當成前述驅動電路之動作電壓之昇 壓電路，及 形成在前述元件爲導通狀態時，令MOSFET(金屬氧 半導體場效應電晶體）成爲導通狀態，前述元件爲非導通 狀態時，令MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體）成爲 關閉狀態之開關控制訊號之位準移位電路，及 形成PWM (脈波寬度調變）訊號，通過前述驅動電 路以控制前述開關元件之動作的pwM (脈波寬度調變） 控制電路； 前述Μ 0 S F E T (金屬氧半導體場效應電晶體）在藉由 200525869 (2) 前述PWM訊號而設爲關閉狀態時，一方之源極、汲極領 域與基板閘極間之接合二極體，對於藉由前述自舉電容器 所形成之昇壓電壓係成爲反方向，如此連接另一方之源極 、汲極領域與前述基板閘極所形成。 2 .如申請專利範圍第1項所記載之開關電源，其中’ 具備接受對應前述輸入電壓之高電壓，形成將其降壓之內 部電壓之電源電路； 以此種電源電路所形成之內部電壓，係被設爲供應給 前述昇壓電路及PWM控制電路之動作電壓。 3 .如申請專利範圍第1項所記載之開關電源，其中， 前述開關元件與前述元件係N通道型MOSFET (金屬氧半 導體場效應電晶體）， 前述昇壓電路之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）係P通道型MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體） ，其之基板閘極係連接在前述自舉電容器側。 4.如申請專利範圍第1項所記載之開關電源，其中， 前述開關元件與前述元件以及前述昇壓電路之MOSFET ( 金屬氧半導體場效應電晶體），係N通道型MOSFET (金 屬氧半導體場效應電晶體）， 前述昇壓電路之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）的基板閘極，係連接在前述特定電位端子側。 5 .如申請專利範圍第1項所記載之開關電源，其中， 前述開關元件係N通道型MOSFET (金屬氧半導體場效應 電晶體）， -29- 200525869 (3) 前述元件係二極體， 前述昇壓電路之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）係P通道型MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體） ，其之基板閘極係連接在前述自舉電容器側。 6 ·如申請專利範圍第4項所記載之開關電源，其中， 進而具備昇壓由前述外部電源端子所供給之外部電源之其 他的昇壓電路； 前述位準移位電路係接受在前述其他的昇壓電路所形 成之前述外部電源的昇壓電壓，使前述MOSFET (金屬氧 半導體場效應電晶體）成爲導通狀態。 7 ·如申請專利範圍第3項所記載之開關電源，其中， 前述位準移位電路係接受以前述自舉電容器所形成之昇壓 電壓，以使前述MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體） 成爲關閉狀態。 8 .如申請專利範圍第7項所記載之開關電源，其中， 前述PWM (脈波寬度調變）控制電路係包含：接受對應前 述輸出電壓之電壓訊號與基準電壓之錯誤放大器，及三角 波產生電路，及接受前述錯誤放大器之輸出訊號與在前述 三角波產生電路所形成之三角波之比較器，及接受前述比 較器之輸出訊號，形成PWM(脈波寬度調變）訊號之控制 電路。 9.如申請專利範圍第8項所記載之開關電源，其中， 前述開關元件、前述元件、前述自舉電容器、前述電感器 、前述電容器，係藉由外部元件所分別構成， -30- 200525869 (4) 前述MOSFET (金屬氧半導體場效應霄 位準移位電路以及前述PWM(脈波寬度調 係藉由1個之半導體積體電路所構成，前翅 度調變）控制電路之錯誤放大器接受對應前 電壓訊號，形成使前述輸出電壓變成特定電 波寬度調變）訊號。 10.如申請專利範圍第8項所記載之開關 前述自舉電容器、前述電感器、前述電容器 元件所分別構成， 前述開關元件、前述元件、MOSFET ( 場效應電晶體）、前述位準移位電路及前述 度調變）控制電路，係藉由一個之半導體積 ，前述PWM(脈波寬度調變）控制電路之錯 對應前述輸出電壓之電壓訊號，形成使前述 特定電壓之PWM(脈波寬度調變）訊號。 1 1 .如申請專利範圍第8項所記載之開關 前述自舉電容器、前述電感器、前述電容器 元件所分別構成， 前述開關元件、前述元件、MOSFET ( 瑷效應電晶體）、前述位準移位電路，係乗 積體電路所構成， 前述控制電路係藉由第2半導體積體電 ，前述PWM(脈波寬度調變）控制電路之錯 對應前述輸出電壓之電壓訊號，形成使前述 I晶體）、前述 變）控制電路， PWM(脈波寬 述輸出電壓之 i壓之PWM(脈 丨電源，其中， ί，係藉由外部 金屬氧半導體 :PWM(脈波寬 體電路所構成 誤放大器接受 輸出電壓變成 電源，其中， ，係藉由外部 金屬氧半導體 I由第1半導體 路裝置所構成 誤放大器接受 輸出電壓變成 -31 - 200525869 (5) 特定電壓之PWM(脈波寬度調變）訊號，將此種PWM(脈波 寬度調變）訊號傳達給前述第1半導體積體電路。 1 2 ·如申請專利範圍第〗項所記載之開關電源，其中， 進而具備接受對應前述輸入電壓之高電壓，形成將其降壓 之內部電壓的電源電路； 前述自舉電容器、前述電感器、前述電容器，係藉由 外部元件所分別構成， 前述開關元件、前述元件、MOSFET (金屬氧半導體 場效應電晶體）、前述位準移位電路，係藉由第1半導體 積體電路所構成， 前述PWM(脈波寬度調變）控制電路係藉由第2半導體 積體電路裝置所構成，前述PWM(脈波寬度調變）控制電 路接受對應前述輸出電壓之電壓訊號，形成使前述輸出電 壓變成特定電壓之對應前述高電壓之PWM(脈波寬度調變 )訊號，將此種PWM(脈波寬度調變）訊號傳達給前述第1半 導體積體電路； 在前述第I半導體積體電路中，係具備將前述PWM( 脈波寬度調變）訊號位準移位爲前述內部電壓之電壓箝位 電路而成。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項所記載之開關電源，其中 ，前述電壓箝位電路係由：供應有前述PWM (脈波寬度調 變）訊號之輸入端子，及 源極、汲極路徑之一方連接於前述輸入端子，閘極被 供應以內部電壓之N通道型MOSFET (金屬氧半導體場效 200525869 (6) 應電晶體），及 設置在前述N通道型MOSFET(金屬氧半導體場效應 電晶體）之源極、汲極路徑之另一方與電路的接地電位之 間之電流源，及 以並聯形態設置在前述電流源之電容器所成。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項所記載之開關電源，其中 ，前述第1半導體積體電路係由：構成開關元件之第3半導 體積體電路、構成前述元件之第4半導體積體電路、構成 前述MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體）及前述位準 移位電路之第5半導體積體電路所形成。 15.—種半導體積體電路，其特徵爲：包含有， 控制降壓輸入電壓以形成輸出電壓用之電流的開關元 件之流通前述電流用之第1端子，及 連接有一端連接於前述第1端子之自舉電容器的另一 端之第2端子，及 在外部電源端子與前述第2端子之間連接有源極、汲 極路徑之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體），及 驅動前述開關元件之驅動電路； 前述自舉電容器與前述MOSFET (金屬氧半導體場效 應電晶體）係構成產生驅動前述開關元件用之昇壓電壓的 昇壓電路， 前述MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體）爲關閉 狀態時’一方之源極、汲極領域與基板閘極間之接合二極 體係對於藉由前述自舉電容器所形成之前述昇壓電壓，變 -33- 200525869 (7) 成反向，如此地連接另一方之源極、汲極領域與前述基板 閘極所成。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項所記載之半導體積體電路 ，其中’前述自舉電容器係位於前述半導體積體電路之外 部。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述電流係爲了藉由電感器與以串聯形態設置於 前述電感器之電容器以形成前述輸出電壓，而由前述輸入 電壓流經前述電感器之電流。 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述開關元件係N通道型MOSFET (金屬氧半導 體場效應電晶體）， 前述昇壓電路之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）係P通道型MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體） ，其之基板閘極係連接於前述自舉電容器側。 1 9·如申請專利範圍第17項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述開關元件與昇壓電路之MOSFET (金屬氧半 導體場效應電晶體）係N通道型MOSFET(金屬氧半導體 場效應電晶體）， 前述昇壓電路之MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）的基板閘極係連接於前述端子側。 20·如申請專利範圍第17項所記載之半導體積體電路 ，其中，進而具備有，在前述開關元件爲關閉狀態時，將 與前述電感器之形成前述輸出電壓之端子不同的另一端子 -34- 200525869 (8) 箝位爲特定電位之元件； 前述元件係形成在第1半導體基板上， 前述開關元件係形成在第2半導體基板上， 前述驅動電路係接受輸出電壓成爲特定電壓之控制訊 號，以進行前述開關元件與前述元件之導通、關閉之控制 ’爲形成在第3半導體基板上， 將前述第1半導體基板與前述第2半導體基板及前述第 3半導體基板密封在一個封裝中。 2 1 .如申請專利範圍第2 0項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述控制訊號係PWM(脈波寬度調變）訊號。 22 .如申請專利範圍第2 1項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述驅動電路係包含有，形成在前述元件爲導通 狀態時，令MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶體）成爲 _通狀態，在前述元件爲關閉狀態時，令MOSFET (金屬 氧半導體場效應電晶體）成爲關閉狀態之開關控制訊號之 位準移位電路。 2 3 .如申請專利範圍第2 2項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述PWM(脈波寬度調變）訊號係藉由：接受對 應前述輸出電壓之電壓訊號與基準電壓之錯誤放大器，及 乏角波產生電路，及接受前述錯誤放大器之輸出訊號及以 鲂述三角波產生電路所形成之三角波之比較器，及接受前 述比較器之輸出訊號之控制電路所產生。 2 4 .如申請專利範圍第2 3項所記載之半導體積體電路 ，其中，接受對應前述輸入電壓之高電壓’形成將其降壓 -35- 200525869 (9) 之內部電壓之電源電路，及 將前述PWM(脈波寬度調變）訊號位準移位爲前述內 部電壓之店阿箝位電路係形成在前述半導體積體電路。 2 5 .如申請專利範圍第24項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述電壓箝位電路係由：被供應以前述PWM (脈 波寬度調變）訊號之輸入端子，及 源極、汲極路徑之一方連接於前述輸入端子，閘極被 賦予內部電壓之N通道型MOSFET (金屬氧半導體場效應 電晶體），及 設置在前述N通道型MOSFET (金屬氧半導體場效應 電晶體）之源極、汲極路徑之另一方與電路的接地電位之 間的電流源，及 以並聯形態設置於前述電流源之電容器所成。 2 6 .如申請專利範圍第2 0項所記載之半導體積體電路 ，其中，前述驅動電路係具有，以第1振幅動作之第1電路 ，及 由閘極接受自第1電路所輸出之訊號之MOSFET (金 屬氧半導體場效應電晶體），在前述MOSFET (金屬氧半 導體場效應電晶體）與前述自舉電容器的另一端之間’以 串聯形態連接於前述MOSFET (金屬氧半導體場效應電晶 體）之電阻所成之第2電路，及 由前述第2電路之前述MOSFET (金屬氧半導體場效 應電晶體）與接受由連接有前述電阻之節點所輸出之訊號 ，將前述自舉電容器之另一端的電壓當成電源之第3電路 -36- 200525869 (10) 所成之位準移位電路； 依據前述第3電路之邏輯臨界値，辨別由伴隨前述第1 電路之輸出的高位準或低位準’藉由切換前述MOSFET ( 金屬氧半導體場效應電晶體）之導通、關閉，電壓位準改 變之前述節點所輸出之訊號，以產生控制前述第1開關元 件之導通、關閉用之經過位準移位之控制訊號。
    -37-
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