JP2018191150A - Switching circuit - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a switch circuit that is used, for example, for turning on / off a power supply line from a power source to a load device, and in particular, turning on / off a high side with an N channel MOS field effect transistor (FET).
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。 For example, in a switch circuit for turning on / off a power supply line for supplying power from a power source constituted by an assembled battery or the like to a load device using a high-side switch, a MOSFET is often used as the high-side switch. In such a switch circuit, the characteristics of the high side switch are required to have a high breakdown voltage, a large current, and a low ON resistance. In addition, MOSFETs satisfying such requirements have an overwhelmingly large number of N-channel MOSFETs in general-purpose products such as driver ICs that are generally distributed. Therefore, in the switch circuit as described above, an N-channel MOSFET is often used as a high-side switch.
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)。 When an N-channel MOSFET is used as a high-side switch, in order to turn on the N-channel MOSFET, a voltage higher than the power supply voltage needs to be applied between the gate and the source due to its nature. For this reason, a gate drive circuit for a high-side switch including a charge pump circuit that generates a boosted voltage to be applied to the gate of the high-side switch is known as a conventional technique using an N-channel MOSFET as a high-side switch (for example, Patent Documents). 1 paragraphs 0006-0013, FIG. 3).
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。 However, since the above-described conventional technology uses a P-channel MOSFET for the charge pump circuit, there is a case where a switch circuit cannot be configured using a general-purpose driver IC or the like, which makes it difficult to reduce the cost. is there.
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a switch circuit that can be configured at low cost.
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。 The present invention includes a high-side switch, a low-side switch circuit including a first low-side switch and a second low-side switch connected in series, a first bootstrap capacitor that is a bootstrap capacitor of the high-side switch, 2 Charged while the low-side switch is ON, the second bootstrap capacitor that is the bootstrap capacitor of the first low-side switch, the first low-side switch is OFF, and the second low-side switch is ON A charging capacitor that is charged between the first bootstrap capacitor and the first bootstrap capacitor with the charge charged in the charging capacitor while the first low-side switch is on and the second low-side switch is off. A charging circuit for charging; Serial and high-side switch driver circuit the high-side switch to ON / OFF, and the low-side switch driving circuit for ON / OFF alternately the first said low side switch second low-side switch is a switch circuit comprising a.
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。 The first bootstrap capacitor, which is the bootstrap capacitor of the high side switch, is charged by alternately turning on / off the first low side switch and the second low side switch. Further, since the first low side switch and the second low side switch are alternately turned on / off and do not turn on at the same time, they can be turned on / off independently of the ON / OFF of the high side switch. Therefore, by repeating the operation of alternately turning on / off the first low-side switch and the second low-side switch with the high-side switch turned on, the high-side switch can be always turned on.
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。 The switch circuit according to the present invention further includes a second bootstrap capacitor that is a bootstrap capacitor of the first low-side switch. Therefore, the switch circuit according to the present invention can be configured using N-channel MOSFETs for the high-side switch, the first low-side switch, and the second low-side switch. Accordingly, the switch circuit according to the present invention can be easily configured at low cost using a general-purpose driver IC or the like.
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。 Furthermore, in the switch circuit according to the present invention, the charging capacitor and the second bootstrap capacitor are charged simultaneously by turning on the second low-side switch. That is, the second low-side switch doubles as a charging switch for the charging capacitor and a charging switch for the second bootstrap capacitor. Accordingly, the switch circuit according to the present invention can be efficiently configured with fewer circuit elements.
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。 As a result, according to the present invention, it is possible to provide an effect of providing a switch circuit that can be configured at low cost.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the switch circuit which can be comprised at low cost can be provided.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In addition, this invention is not specifically limited to the Example demonstrated below, It cannot be overemphasized that a various deformation | transformation is possible within the range of the invention described in the claim.
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。
The configuration of the switch circuit according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram of a switch circuit according to the present invention.
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。
The switch circuit according to the present invention includes a high-side switch Q1, a first bootstrap capacitor C1, a high-
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。 The high side switch Q1 is an N-channel MOSFET. The high side switch Q1 has a drain connected to the input power source Vin and a source connected to the output terminal Vout. That is, the high side switch Q1 is provided between the input power supply Vin and the output terminal Vout, and is a switch for turning on / off the power supply line from the input power supply Vin to the output terminal Vout.
「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。
The high-
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。
The low-
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。
The
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。
The
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。
The low side
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。
Next, the operation of the switch circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 and with reference to FIG.
FIG. 2 is a timing chart illustrating the operation of the switch circuit according to the present invention.
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)。
The low-side
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。 That is, the first bootstrap capacitor C1, which is the bootstrap capacitor of the high side switch Q1, is charged by alternately turning on / off the first low side switch Q21 and the second low side switch Q22. After the first bootstrap capacitor C1 is charged until the voltage becomes equal to or higher than the predetermined voltage (after timing T9 in FIG. 2), the high side switch Q1 is turned on at a desired timing (timing T10 in FIG. 2) at any time. Can do.
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。 The first low-side switch Q21 and the second low-side switch Q22 are alternately turned on / off and do not turn on at the same time. Therefore, the operation of alternately turning on / off the first low-side switch Q21 and the second low-side switch Q22 can be repeated while the high-side switch Q1 is ON. As a result, the first bootstrap capacitor C1 is repeatedly charged while the high side switch Q1 is ON. Therefore, the voltage of the first bootstrap capacitor C1 is maintained at a predetermined voltage or higher to maintain the high side switch Q1. Can always be turned on.
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。 The switch circuit according to the present invention further includes a second bootstrap capacitor C2 that is a bootstrap capacitor of the first low-side switch Q21. Therefore, the switch circuit according to the present invention can be configured using N-channel MOSFETs for the high-side switch Q1, the first low-side switch Q21, and the second low-side switch Q22. Accordingly, the switch circuit according to the present invention can be easily configured at low cost using a general-purpose driver IC or the like.
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。 Further, in the switch circuit according to the present invention, the charging capacitor C3 and the second bootstrap capacitor C2 are simultaneously charged by turning on the second low-side switch Q22. That is, the second low-side switch Q22 serves both as a charging switch for the charging capacitor C3 and a charging switch for the second bootstrap capacitor C2. Accordingly, the switch circuit according to the present invention can be efficiently configured with fewer circuit elements.
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
DESCRIPTION OF
Claims (1)
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。 A high-side switch,
A low-side switch circuit including a first low-side switch and a second low-side switch connected in series;
A first bootstrap capacitor that is a bootstrap capacitor of the high-side switch;
A second bootstrap capacitor that is charged while the second low-side switch is ON and is a bootstrap capacitor of the first low-side switch;
Including a charging capacitor that is charged while the first low-side switch is OFF and the second low-side switch is ON, while the first low-side switch is ON and the second low-side switch is OFF A charging circuit for charging the first bootstrap capacitor with an electric charge charged in the charging capacitor;
A high-side switch driving circuit for turning on and off the high-side switch;
A switch circuit comprising: a low-side switch drive circuit that alternately turns on and off the first low-side switch and the second low-side switch.
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