CN104426347A - 开关电路 - Google Patents

Abstract

根据一个实施方式，开关电路具有输出晶体管、电荷泵电路、以及高通滤波器。输出晶体管的一端被输入输入电压，从该输出晶体管的另一端输出输出电压，并且该输出晶体管具有控制端子。对电荷泵电路输入通过第1信号和基准时钟信号而生成的第1时钟信号，将电荷泵电压输出到输出晶体管的所述控制端子，第1信号基于所述电荷泵电压。高通滤波器的一端被输入电荷泵电压，该高通滤波器的另一端被施加接地电压，该高通滤波器生成第2信号。

Description

开关电路

相关文献的引用

本申请以基于在2013年8月22日申请的在先的日本专利申请2013-171807号的优先权的利益为基础，并且要求该利益，通过引用其全部内容而在此包含。

技术领域

此处说明的实施方式涉及开关电路。

背景技术

一般，这种开关电路被用于电源线，并且控制从电源管理集成电路向后级的电源供给。在开关电路的输出负载电容大的情况下，在接通时作为充电电流流过大的冲击电流。冲击电流使电源管理集成电路的误动作发生、或者超过布线等的电流容许值，而成为电源管理集成电路、布线的损坏的原因。

开关电路通常搭载用于抑制冲击电流的软起动（soft start）电路。但是，存在如果搭载了软起动电路，则电路规模增大，专有面积以及消耗电流增加这样的问题。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种能够抑制消耗电流的增加而软起动的开关电路。

解决问题的技术手段

根据一个实施方式，开关电路具有输出晶体管、电荷泵电路、以及高通滤波器。关于输出晶体管，一端被输入输入电压，从另一端输出输出电压，具有控制端子。关于电荷泵电路，输入第1信号和通过基准时钟信号生成的第1时钟信号，将电荷泵电压输出到输出晶体管的所述控制端子，第1信号基于所述电荷泵电压。关于高通滤波器，一端被输入电荷泵电压，另一端被施加接地电压，生成第2信号。

发明效果

本发明能够提供一种能够抑制消耗电流的增加而软起动的开关电路。

附图说明

图1是第1实施方式的IGBT的俯视图。

图2是沿着图1的单点划线A-A′的部分剖面图。

图3是示出IGBT元件的终端部的仿真构造的部分剖面图。

图4是示出图3所示的IGBT元件的电流ICE（A）的电压-电流特性图。

图5是图3所示的IGBT元件内部中的等电位图。

图6是图3所示的IGBT元件内部中的电流分布图。

图7是示出使沟槽底面与保护环底面的间隔L变化了时的IGBT元件的耐压的变化的图形。

图8是示出第2实施方式的IGBT元件的概略结构的部分剖面图。

图9是示出第3实施方式的IGBT元件的概略结构的部分剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明更多个的实施例。在附图中，相同符号表示相同或者类似部分。

参照图1至3，说明第一实施方式的开关电路。图1是示出开关电路的电路图。图2是示出比较例的开关电路的电路图。图3是示出构成电荷泵电路的基本电荷泵单元的电路图。在本实施方式中，使用高通滤波器和反相器来实现开关电路的软起动。

如图1所示，开关电路90设置有振荡电路1、电荷泵电路2、高通滤波器3、二输入NAND电路NAND1、反相器INV1、输出晶体管NMT1、输入电压端子Pvin、以及输出电压端子Pvout。开关电路90是栅极升压型开关电路。开关电路90使用高通滤波器3和反相器INV1来实现软起动。

开关电路90应用于移动体终端、数字照相机、游戏设备、笔记本PC、便携AV设备等。开关电路相比于LDO（Low Drop Out：低压降输出）等，能够对应从轻负载至重负载，能够实现低电压驱动。

振荡电路1生成作为矩形波的时钟信号CLK0（基准时钟信号）。对二输入NAND电路NAND1的第1输入侧输入时钟信号CLK0，对二输入NAND电路NAND1的第2输入侧输入第1信号SB。二输入NAND电路NAND1从输出侧输出被逻辑运算处理而得到的时钟信号CLK1（第1时钟信号）。时钟信号CLK1通过时钟信号CLK0和第1信号SB，进行间歇动作。

电荷泵电路2设置于二输入NAND电路NAND1与节点N1之间。电荷泵电路2根据时钟信号CLK1来使第1电压V1（in）升压，从输出侧（节点N1）输出电荷泵电压VCP。关于电荷泵电路2的内部结构以及第1电压V1（in），详细情况将在后面叙述。

输出晶体管NMT1是Nch MOS晶体管（N沟道MOS晶体管）。经由输入电压端子Pvin对输出晶体管NMT1的一端（漏极）输入输入电压Vin，对输出晶体管NMT1的控制端子（栅极）输入电荷泵电压VCP，输出晶体管NMT1的另一端（源极）与输出电压端子Pvout连接。输出晶体管NMT1根据电荷泵电压VCP而动作，从另一端（源极）侧输出输出电压Vout。

高通滤波器3的一端被输入电荷泵电压VCP，高通滤波器3的另一端被施加接地电压Vss，高通滤波器3使电荷泵电压VCP的比规定的频率低的频率分量衰减，从节点N2输出第2信号SA。高通滤波器3由电容器C1和电流源11构成。

电容器C1的一端与节点N1连接，另一端与节点N2连接。电流源11的一端与节点N2连接，另一端被施加接地电压Vss，从节点N2侧向接地电压Vss流过电流I1。

反相器INV1设置于节点N2与二输入NAND电路NAND1之间。对反相器INV1输入第2信号SA，将使第2信号SA反转而得到的第1信号SB输出到二输入NAND电路NAND1的第2输入侧。

如图2所示，比较例的开关电路100设置有电荷泵电路2、负载12、开关13、比较器14、基准电压发生电路15、输出晶体管NMT1、输入电压端子Pvin、以及输出电压端子Pvout。

电荷泵电路2根据时钟信号CLK2来使第1电压V1（in）升压，从输出侧（节点N11）输出电荷泵电压VCP。

经由输入电压端子Pvin对输出晶体管NMT1的一端（漏极）输入输入电压Vin，对输出晶体管NMT1的控制端子（栅极）输入电荷泵电压VCP，输出晶体管NMT1的另一端（源极）与输出电压端子Pvout连接。输出晶体管NMT1根据电荷泵电压VCP而动作，从另一端（源极）侧（节点N12侧）输出输出电压Vout。

基准电压发生电路15设置于节点N13与接地电压Vss之间，生成基准电压Vref。对比较器14的第1输入侧（节点N12一侧）输入输出电压Vout，对比较器14的第2输入侧（节点N13一侧）输入基准电压Vref，比较器14生成进行比较放大了的信号Sfb。

负载12的一端与节点N11连接。开关13的一端与负载12的另一端连接，另一端被施加接地电压Vss，根据信号Sfb进行接通/断开动作。

比较例的开关电路100监视输出电压Vout而切换电荷泵电路2的负载。关于比较例的开关电路100，在起动时输出电压Vout低于基准电压Vref的情况下，开关13接通而将负载12连接到接地电压Vss。其结果，电荷泵电路2的启动变慢，实现软起动。

但是，在比较例的开关电路100中，需要生成基准电压Vref的基准电压发生电路15、比较器14等，相比于本实施方式，电路结构变得复杂。另外，在输入电压端子Pvin与接地电压Vss之间，串联连接了输出晶体管NMT1、比较器14、以及基准电压发生电路15，所以在例如1V以下的低输入电压下动作变得困难。

相对于此，在开关电路90中，在输出电压端子Pout与接地电压Vss之间，未设置串联连接的比较器14以及基准电压发生电路15等，所以能够针对低输入电压而动作。

如图3所示，在电荷泵电路2中，构成多级例如基本电荷泵单元21，根据时钟信号CLK1而使第1电压V1（in）升压，生成电荷泵电压VCP。基本电荷泵单元21是交叉耦合连接型电荷泵电路。通过电荷泵电压VCP的大小，适当设定基本电荷泵单元21的级数。

具体而言，基本电荷泵单元21设置有开关22、开关23、电容器C21至23、反相器INV21、Nch MOS晶体管NMT21、以及Nch MOS晶体管NMT22。关于基本电荷泵单元21，对节点N21输入第1电压V1（in），从节点N26输出电压V2（out）。

Nch MOS晶体管NMT21和Nch MOS晶体管NMT22被交叉耦合连接。对Nch MOS晶体管NMT21的漏极输入第1电压V1（in），Nch MOS晶体管NMT21的栅极与节点N23连接，Nch MOS晶体管NMT21的源极与节点N22连接。对Nch MOS晶体管NMT22的漏极输入第1电压V1（in），Nch MOS晶体管NMT22的栅极与节点N22连接，Nch MOS晶体管NMT22的源极与节点N23连接。电容器C22的一端与节点N22连接，另一端被输入时钟信号φ（相当于图1的时钟信号CLK1、图2的时钟信号CLK2）。电容器C23的一端与节点N23连接，另一端被输入通过反相器INV21使时钟信号φ反转而得到的时钟信号φb。

电容器C21的一端与节点N26连接，另一端被施加接地电压Vss。开关22的一端与节点N22连接，另一端与节点N26连接，根据时钟信号φ而连接节点N22与节点N26之间。开关23的一端与节点N23连接，另一端与节点N26连接，根据时钟信号φb而连接节点N23与节点N26之间。

此处，在电荷泵电路2中使用了交叉耦合连接型电荷泵电路，但不限于此。例如，也可以如图4所示，使用Dickson型电荷泵电路（迪克森型电荷泵电路）31。

具体而言，电荷泵电路31设置有电容器C31至34、电容器Cout、反相器INV31、Nch MOS晶体管NMT31至35。电荷泵电路31是4级结构的Dickson型电荷泵电路。

在节点N31（第1电压V1（in）侧）与节点N36（电压V2（out）侧）之间设置有被二极管连接且串联连接的Nch MOS晶体管NMT31至35。经由电容器C31以及节点N32将时钟信号φ输入到Nch MOS晶体管NMT32的栅极，经由电容器C33以及节点N34将时钟信号φ输入到Nch MOS晶体管NMT34的栅极。经由电容器C32以及节点N33将时钟信号φb输入到Nch MOS晶体管NMT33的栅极，经由电容器C34以及节点N35将时钟信号φb输入到Nch MOS晶体管NMT35的栅极。电容器Cout的一端与节点N36连接，并且另一端被施加接地电压Vss。

接下来，参照图5，说明本实施方式的开关电路的动作。图5是示出开关电路的动作的时序图。

如图5所示，在本实施方式中的开关电路90中，如果供给电源以及输入电压Vin，而振荡电路1开始动作，则对二输入NAND电路NAND1，输入时钟信号CLK0（基准时钟信号）和从反相器INV1反馈输入的第1信号SB，生成时钟信号CLK1（第1时钟信号）。根据时钟信号CLK1（第1时钟信号），电荷泵电路2开始动作。

在动作开始之后，在期间T1中，第2信号SA（节点N2）为反相器INV1的电路阈值以下，时钟信号CLK1为与时钟信号CLK0大致相同的信号（此处，未包含二输入NAND电路NAND1的电路延迟相当量）。

如果电荷泵电压VCP继续升压而到期间T1之后，则第2信号SA（节点N2）达到反相器INV1的电路阈值以上，第1信号SB成为“低”电平。其结果，时钟信号CLK1在期间T11中被固定为“高”电平，电荷泵电路2停止动作，电荷泵电压VCP降压。降压时间由高通滤波器3的电容器C1的电容和电流源11的电流I1的值决定。

如果电荷泵电压VCP降压，则第2信号SA成为反相器INV1的电路阈值以下，第1信号SB成为“高”电平。其结果，时钟信号CLK1在期间T12中从“高电平”变化为“低”电平，所以电荷泵电路2动作，电荷泵电压VCP升压。

反复期间T11和期间T12的动作，电荷泵电压VCP被逐渐升压，在期间T2之后，达到规定的电荷泵电压VCP。其结果，实现软起动。在期间T2以后，第2信号SA成为反相器INV1的电路阈值以下，在期间T3之后成为“低”电平，第1信号SB维持“高”电平。

通过软起动能够大幅抑制冲击电流。因此，能够抑制电源管理集成电路的误动作，不再会超过布线等的电流容许值，所以能够防止电源管理集成电路、布线的损坏。

此处，例如，如果将不设置高通滤波器等、未进行软起动动作的开关电路中的电荷泵电压VCP的上升沿设为SR11（V/Sec.），将时钟信号CLK0的频率设为f，则能够将1个脉冲中的电荷泵电压VCP的上升表示为SR11/f（V）。

在基于本实施方式的进行软起动动作的开关电路90中，如果将电荷泵电压VCP的上升沿设为SR1（V/Sec.）、将电容器C1的电容设为c1、将电流源11中流过的电流设为I1，则表示为下式。

SR1=（SR0/f）/[（1/f）+{c1×（SR0/f）}/I1]·······式（1）

SR1=1/{（1/SR0）+（c1/I1）}·············式（2）

即，通过将电容c1和电流I1设定为适合的值，能够调整电荷泵电压VCP的上升沿。另外，如果将电荷泵电压VCP的上升沿SR11设定为相对（I1/c1）而充分大，则能够使电荷泵电压VCP的上升沿SR1近似为（I1/c1）。

接下来，参照图6以及图7，说明在开关电路中发生的冲击电流。图6是说明在本实施方式中的开关电路中发生的冲击电流的图。图7是说明在不进行软起动动作的开关电路中发生的冲击电流的图。图6以及图7是仿真波形，是在输入电压Vin为3.6V，时钟信号CLK0的频率为5MHz、负载电容为47μF的情况下的波形。

如图6所示，在本实施方式中的开关电路90中，在从动作开始起经过350μs之后，达到规定的电荷泵电压VCP。电荷泵电压VCP的上升沿SR1为20kV/sec.。在从动作开始起20μs至210μs的期间，发生冲击电流Irush1，但由于进行软起动动作，所以电流电平被大幅抑制。

如图7所示，在不进行软起动动作的开关电路中，在从动作开始起经过5μs之后电荷泵电压VCP开始升压，直至14μs，电荷泵电压VCP的上升沿为大致恒定。该期间的电荷泵电压VCP的上升沿SR11为730kV/sec.，相比于本实施方式，快了36倍。其结果，冲击电流Irush11相比于本实施方式，为10倍以上，在短期间内流过大的电流（以13μs成为最大的冲击电流Irush11）。

如上所述，在本实施方式的开关电路中，设置有振荡电路1、电荷泵电路2、高通滤波器3、二输入NAND电路NAND1、反相器INV1、输出晶体管NMT1、输入电压端子Pvin、以及输出电压端子Pvout。高通滤波器3由电容器C1和电流源11构成，一端被输入电荷泵电压VCP，另一端被施加接地电压Vss，使电荷泵电压VCP的比规定的频率低的频率分量衰减，从节点N2输出第2信号SA。关于反相器INV1，输入第2信号SA，将使第2信号SA反转而得到的第1信号SB输出到二输入NAND电路NAND1的第2输入侧。经由输入电压端子Pvin对输出晶体管NMT1的漏极输入输入电压Vin，对输出晶体管NMT1的栅极输入电荷泵电压VCP，输出晶体管NMT1的源极与输出电压端子Pvout连接，从输出晶体管NMT1的源极侧输出输出电压Vout。

因此，在开关电路90中，能够使用高通滤波器3和反相器INV1来实现抑制了冲击电流的软起动。由于无需设置比较器14、基准电压发生电路15，所以能够简化电路规模，并能够进行低消耗电流化。另外，由于未设置串联连接的比较器14以及基准电压发生电路15等，所以能够针对低输入电压而进行动作。

另外，在本实施方式中，用电容器C1和电流源11构成了高通滤波器3，但不限于此。例如，也可以是图9所示的开关电路92的高通滤波器3a那样的结构。具体而言，高通滤波器3a由电容器C1和电阻R1构成。电容器C1的一端与节点N1连接，另一端与节点N2连接。电阻R1的一端与节点N2连接，另一端被施加接地电压Vss。

参照附图，说明本发明的第二实施方式的开关电路。图8是示出开关电路的电路图。

在本实施方式中，不使用第一实施方式的二输入NAND电路NAND1而使用高通滤波器和反相器来实现了开关电路的软起动。

以下，对与第1实施方式相同的结构部分，附加相同符号而省略其部分的说明，仅说明不同的部分。

如图8所示，开关电路91设置有振荡电路1a、电荷泵电路2、高通滤波器3、反相器INV1、输出晶体管NMT1、输入电压端子Pvin、以及输出电压端子Pvout。开关电路91是栅极升压型开关电路。开关电路91应用于移动体终端、数字照相机、游戏设备、笔记本PC、便携AV设备等。

振荡电路1a设置有二输入NAND电路NAND2和反相器INV2至4。二输入NAND电路NAND2和反相器INV2至4被串联连接。振荡电路1a与第一实施方式的振荡电路1不同，能够自己使自己停止而间歇动作。

对二输入NAND电路NAND2的第1输入侧输入第1信号SB，二输入NAND电路NAND2的第2输入侧与节点N3（反相器INV4的输入侧）连接。二输入NAND电路NAND2输出被逻辑运算处理而得到的信号。反相器INV2使二输入NAND电路NAND2的输出反转。反相器INV3从节点N3输出使反相器INV2的输出反转而得到的信号。反相器INV4将使节点N3的信号反转而得到的信号从节点N4作为时钟信号CLK1a输出。

此处，在振荡电路1a中使用了二输入NAND电路NAND2，但也可以适当地使用其他逻辑电路等。

如上所述，在本实施方式的开关电路中，设置有振荡电路1a、电荷泵电路2、高通滤波器3、反相器INV1、输出晶体管NMT1、输入电压端子Pvin、以及输出电压端子Pvout。振荡电路1a设置有串联连接的二输入NAND电路NAND2和反相器INV2至4。

因此，除了与第一实施方式同样的效果以外，还能够使振荡电路1a自身停止。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式仅和为例子而提出，并未意在限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他各种方式实施，能够在不脱离发明的要旨的范围内，进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含于发明的范围、要旨内，并且包含于权利要求书记载的发明和其均等的范围内。

Claims (20)

1.一种开关电路，其特征在于，包括：

输出晶体管，一端被输入输入电压，从另一端输出输出电压，具有控制端子；

电荷泵电路，输入通过第1信号和基准时钟信号而生成的第1时钟信号，将电荷泵电压输出到所述输出晶体管的所述控制端子，所述第1信号基于所述电荷泵电压；以及

高通滤波器，一端被输入所述电荷泵电压，另一端被施加接地电压，生成第2信号。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述高通滤波器使所述电荷泵电压的比规定的频率低的频率分量衰减，生成所述第2信号。

3.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

还包括第1反相器、振荡电路、以及二输入NAND电路，

第1反相器使所述第2信号反转为所述第1信号，

所述振荡电路生成所述基准时钟信号，

所述二输入NAND电路的第1输入侧被输入所述基准时钟信号，所述二输入NAND电路的第2输入侧被输入所述第1信号，所述二输入NAND电路输出进行逻辑运算处理而得到的所述第1时钟信号。

4.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

如果所述第2信号的电压电平超过所述第1反相器的电路阈值电压，则所述第1信号成为“低”电平，所述电荷泵电路的升压动作停止，

如果所述第2信号的电压电平低于所述第1反相器的电路阈值电压，则所述第1信号成为“高”电平，进行所述电荷泵电路的升压动作。

5.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述高通滤波器具有第1电容器和第1电流源，

所述第1电容器的一端被输入被所述电荷泵电压，从所述第1电容器的另一端输出所述第2信号，

所述第1电流源的一端与所述第1电容器的另一端连接，所述第1电流源的另一端被施加接地电压。

6.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述高通滤波器具有第1电容器和第1电阻，

所述第1电容器的一端被输入所述电荷泵电压，从所述第1电容器的另一端输出所述第2信号，

所述第1电阻的一端与所述第1电容器的另一端连接，所述第1电阻的另一端被施加接地电压。

7.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述输出晶体管是N沟道MOS晶体管。

8.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

电荷泵电路是交叉耦合连接型电荷泵电路或者迪克森型电荷泵电路。

9.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述开关电路是栅极升压型开关电路。

10.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述开关电路应用于移动体终端、数字照相机、游戏设备、笔记本PC、以及便携AV设备。

11.一种开关电路，其特征在于，包括：

输出晶体管，一端被输入输入电压，从另一端输出输出电压，具有控制端子；

振荡电路，输入第1信号，生成第1时钟信号；

电荷泵电路，输入所述第1时钟信号，将电荷泵电压输出到所述输出晶体管的控制端子；

高通滤波器，一端被输入所述电荷泵电压，另一端被施加接地电压，生成第2信号；以及

第1反相器，使所述第2信号反转为所述第1信号，将所述第1信号输出到所述振荡电路的输入侧。

12.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述高通滤波器使所述电荷泵电压的比规定的频率低的频率分量衰减，生成所述第2信号。

13.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述振荡电路串联连接了二输入NAND电路和n个反相器，其中，n是3以上的奇数，

所述二输入NAND电路的第1输入侧被输入所述第1信号，所述二输入NAND电路的第2输入侧与第n级的反相器的输入侧连接，

从第n级的反相器输出所述第1时钟信号。

14.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

如果所述第2信号的电压电平超过所述第1反相器的电路阈值电压，则所述第1信号成为“低”电平而所述电荷泵电路的升压动作停止，

如果所述第2信号的电压电平低于所述第1反相器的电路阈值电压，则所述第1信号成为“高”电平而进行所述电荷泵电路的升压动作。

15.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述高通滤波器具有第1电容器和第1电流源，

所述第1电容器的一端被输入所述电荷泵电压，从所述第1电容器的另一端输出所述第2信号，

所述第1电流源的一端与所述第1电容器的另一端连接，所述第1电流源的另一端被施加接地电压。

16.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述高通滤波器具有第1电容器和第1电阻，

所述第1电容器的一端被输入所述电荷泵电压，从所述第1电容器的另一端输出所述第2信号，

所述第1电阻的一端与所述第1电容器的另一端连接，所述第1电阻的另一端被施加接地电压。

17.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述输出晶体管是N沟道MOS晶体管。

18.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

电荷泵电路是交叉耦合连接型电荷泵电路或者迪克森型电荷泵电路。

19.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述开关电路是栅极升压型开关电路。

20.根据权利要求11所述的开关电路，其特征在于，

所述开关电路应用于移动体终端、数字照相机、游戏设备、笔记本PC、以及便携AV设备。