CN113393814B - 提供高驱动电压的栅极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于提供高驱动电压的栅极驱动电路，包括第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管，串接于所述驱动电压输出节点与系统低电压源之间。系统高电压源与系统低电压源的电压差大于第一或第二N型高压晶体管的耐压值。当驱动电压输出节点要输出系统高电压时，第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管被截止，以及第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管的深N型井区被施加第一偏压，其中第一偏压与系统低电压源的电压差小于第二N型高压晶体管的深N型井区与P型井区之间的介面击穿电压。本发明的栅极驱动电路可以使用低于高驱动电压的工艺电压来制造，具有降低工艺负担以及生产成本的效果。

Description

提供高驱动电压的栅极驱动电路
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动电路，尤其涉及一种提供高驱动电压的栅极驱动电路。
背景技术
随着显示技术的进步，愈来愈多产品开始使用较高的电压来驱动显示面板。具体来说，传统的薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)可能只需要使用±15V(伏特)的驱动电压，但目前开始发展的柔性基板栅极驱动电路、有机TFT-LCD或者电子纸显示器等产品可能需要使用±20V，甚至是±32V的高驱动电压。当需要输出高驱动电压的时候，栅极驱动电路可能需要使用更高压的半导体工艺，因此造成制作上的困难以及生产成本昂贵，尤其是愈高驱动电压，上述的缺点就会更明显。
发明内容
本发明是针对一种用于提供高驱动电压的栅极驱动电路，可以利用高压晶体管输出比高压晶体管的耐压更高的驱动电压。
根据本发明的实施例，一种用于提供高驱动电压的栅极驱动电路包括第一电压开关电路以及第二电压开关电路。第一电压开关电路的一端耦接系统高电压源，其另一端耦接驱动电压输出节点。第二电压开关电路包括第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管。第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管串接于驱动电压输出节点与系统低电压源之间。系统高电压源与系统低电压源的电压差大于第一N型高压晶体管或第二N型高压晶体管的耐压值，其中，当驱动电压输出节点要输出系统高电压时，第一电压开关电路被导通，第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管被截止，以及第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管的深N型井区被施加第一偏压，其中第一偏压与系统低电压源的电压差小于第二N型高压晶体管的深N型井区与P型井区之间的介面击穿电压。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管的P型基板被施加第二偏压，其中第二偏压小于或等于第一偏压。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，第二电压开关电路还包括多个N型高压二极管。多个N型高压二极管串接于驱动电压输出节点与系统低电压源之间，其中这些N型高压二极管的深N型井区也被施加第一偏压。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，第一N型高压晶体管的第一端耦接驱动电压输出节点，其控制端接收第一控制信号。第二N型高压晶体管的第一端耦接第一N型高压晶体管的第二端，其第二端耦接系统低电压源，其控制端接收第二控制信号，其中当驱动电压输出节点要输出系统高电压时，第二控制信号为参考低电压，且第一控制信号的电压值不同于第二控制信号的电压值。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，第一电压开关电路包括第一P型高压晶体管与第二P型高压晶体管。第一P型高压晶体管的第一端耦接系统高电压源，其控制端接收第三控制信号。第二P型高压晶体管的第一端耦接第一P型高压晶体管的第二端，其控制端接收第四控制信号，其第二端耦接驱动电压输出节点，其中当驱动电压输出节点要输出系统高电压时，第三控制信号与第四控制信号的电压值为系统高电压源与系统低电压源之间的电压中间值。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，当驱动电压输出节点要输出系统低电压时，第三控制信号为参考高电压，且第四控制信号的电压值不同于第三控制信号的电压值。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，还包括用以提供第一偏压、第二偏压、第一控制信号以及第四控制信号的偏压产生电路。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，还包括第一电平移位电路以及第二电平移位电路。第一电平移位电路用以转换栅极控制信号以输出第二控制信号，以及第二电平移位电路用以转换栅极控制信号以输出第三控制信号。
在根据本发明的实施例的栅极驱动电路中，第一电压开关电路还包括串接于系统高电压源与驱动电压输出节点之间的多个P型高压二极管。
基于上述，本发明的实施例的栅极驱动电路可以提供高驱动电压，但却可以使用低于高驱动电压的工艺电压来制造栅极驱动电路，降低半导体工艺负担以及生产成本。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是依照本发明的一实施例的一种栅极驱动电路的电路图；
图2是依照本发明的一实施例的一种N型高压晶体管的结构示意图；
图3是依照本发明的一实施例的一种N型高压二极管的结构示意图。
附图标号说明
100:栅极驱动电路 DNW:深N型井区
102:第一电压开关电路 G:栅极
104:第二电压开关电路 HV-PW:P型井区
110:第一N型高压晶体管 N+:极性为N的掺杂区
112、122:N型高压二极管 P+:极性为P的掺杂区
120:第二N型高压晶体管 Psub:P型基板
130:第一P型高压晶体管 S:源极
132、142:P型高压二极管 VN1:第一控制信号
140:第二P型高压晶体管 VN2:第二控制信号
150:栅极控制电路 VP1:第三控制信号
160:第一电平移位电路 VP2:第四控制信号
162:第二电平移位电路 Vdnw:第一偏压
170:偏压产生电路 Vps:第二偏压
200:N型高压晶体管 Nout:电压输出节点
300:N型高压二极管 VGH:系统高电压源
B:基极 VGL:系统低电压源
D:漏极 Vout:高驱动电压。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是依照本发明的一实施例的一种栅极驱动电路的电路图。请参照图1，栅极驱动电路100用于输出高驱动电压Vout给显示面板。在此的高驱动电压Vout例如是在±20V～±32V的范围内。栅极驱动电路100包括第一电压开关电路102与第二电压开关电路104。第一电压开关电路102的一端耦接系统高电压源VGH，另一端耦接驱动电压输出节点Nout。第二电压开关电路104的一端耦接驱动电压输出节点Nout，另一端耦接系统低电压源VGL。电压输出节点Nout用于输出高驱动电压Vout。当第一电压开关电路102导通时，第二电压开关电路104被截止，电压输出节点Nout输出系统高电压源VGH的电压值作为高驱动电压Vout；当第一电压开关电路102被截止时，第二电压开关电路104被导通，电压输出节点Nout输出系统低电压源VGL的电压值作为高驱动电压Vout。
在本实施例中，系统高电压源VGH的电压值为26V，系统低电压源VGL的电压值为-26V，因此栅极驱动电路100可以提供±26V的高驱动电压Vout。
在本实施例中，第二电压开关电路104包括第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120。第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120串接于驱动电压输出节点Nout与系统低电压源VGL之间。在本实施例中，第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120具有相同的元件特性。
特别说明的是，高驱动电压Vout的电压范围很广，但第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120的耐压值却不需要这么高。具体而言，第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120的耐压值例如为32V。换句话说，本实施例的系统高电压源VGH与系统低电压源VGL的电压差大于第一N型高压晶体管110或/和第二N型高压晶体管120的耐压值。
由于本实施例的第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120需要操作在负压下，因此第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120的半导体结构还包括了一层深N型井区(Deep N-well)，用于隔离P型井区(P-well)与P型基板(P-substrate)。图2是依照本发明的一实施例的一种N型高压晶体管的结构示意图。请参照图2，N型高压晶体管200可以适用于第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120。N型高压晶体管200包括现有的栅极G、漏极D、源极S与基极B。N型高压晶体管200标示的“N+”的区域代表极性为N的掺杂区，标示的“P+”的区域代表极性为P的掺杂区，标示的“HV-PW”的区域表示用于高压的P型井区，标示的「“Psub”的区域代表P型基板，而标示“DNW”的区域表示上述用来隔离P型井区HV-PW与P型基板Psub的深N型井区。
回到图1的实施例，当驱动电压输出节点Nout要输出系统高电压(系统高电压源VGH的电压值26V)时，第一电压开关电路102被导通，第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120被截止。特别说明的是，此时第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120的深N型井区(请参考图2的深N型井区DNW)都会被施加第一偏压Vdnw，其中第一偏压Vdnw与系统低电压源VGL的电压差小于第二N型高压晶体管120的深N型井区与P型井区(请参考图2的P型井区HV-PW)之间的介面击穿电压。另外，第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120的P型基板(请参考图2的P型基板Psub)被施加第二偏压Vps，其中第二偏压Vps小于或等于第一偏压Vdnw。第二偏压Vps用于避免第一N型高压晶体管110以及第二N型高压晶体管120的深N型井区与P型基板之间的介面正向导通。
更具体来说，栅极驱动电路100还可以包括栅极控制电路150、第一电平移位电路160、第二电平移位电路162以及偏压产生电路170。栅极控制电路150用以输出栅极控制信号。第一电平移位电路160与第二电平移位电路162耦接栅极控制电路150以转换栅极控制信号。一般来说，栅极控制信号是低压信号，其电压范围低于高驱动电压Vout，因此需要第一电平移位电路160与第二电平移位电路162将栅极控制信号的电压电平移位至适当大小。第一电平移位电路160会转换栅极控制信号以输出第二控制信号VN2。第二电平移位电路162会转换栅极控制信号以输出第三控制信号VP1。偏压产生电路170用于提供栅极驱动电路100中所使用到的各种偏压，例如图1中的第一偏压Vdnw、第二偏压Vps、第一控制信号VN1以及第四控制信号VP2。偏压产生电路170所产生的偏压约在±5V的范围内。
第一N型高压晶体管110的第一端耦接驱动电压输出节点Nout，其控制端从偏压产生电路170接收第一控制信号VN1。第二N型高压晶体管120的第一端耦接第一N型高压晶体管110的第二端，其第二端耦接系统低电压源VGL，其控制端耦接第一电平移位电路160以接收第二控制信号VN2。
第一电压开关电路102包括第一P型高压晶体管130与第二P型高压晶体管140。在本实施例中，第一P型高压晶体管130与第二P型高压晶体管140具有相同的元件特性。第一P型高压晶体管130的第一端耦接系统高电压源VGH，其控制端耦接第二电平移位电路162以接收第三控制信号VP1。第二P型高压晶体管140的第一端耦接第一P型高压晶体管130的第二端，其控制端从偏压产生电路170接收第四控制信号VP2，其第二端耦接驱动电压输出节点Nout。
在本实施例中，无论是第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120或者第一P型高压晶体管130与第二P型高压晶体管140，上述的晶体管的基极都耦接各自的源极。
当驱动电压输出节点Nout要输出系统高电压时，第二控制信号VN2为一参考低电压，且第一控制信号VN1的电压值不同于第二控制信号VN2的电压值。在本实施例中，当驱动电压输出节点Nout要输出+26V时，第一电平移位电路160会转换栅极控制信号(例如是1V)以输出-26V(上述的参考低电压)的第二控制信号VN2。在本实施例中，参考低电压与所述系统低电压源VGL的电压相同。
偏压产生电路170产生-4V的第一控制信号VN1，使得第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120之间为-5V左右(假设第一N型高压晶体管110的阈值电压(thresholdvoltage)为1V)。如此一来，即使串接的第一N型高压晶体管110与第二N型高压晶体管120要承受的跨压高达56V(+26V至-26V)，但第一N型高压晶体管110的所承受的跨压只有31V，而第二N型高压晶体管120的所承受的跨压只有21V，都小于耐压32V。
另外，第一偏压Vdnw被设定在-2V，为一负压，第二偏压Vps与第一偏压Vdnw相同。第一N型高压晶体管110此时的P型井区的电压为-26V(受到系统低电压源VGL的影响)，而深N型井区被施加第一偏压Vdnw，因此深N型井区与P型井区之间的电压差只有24V，小于两者之间的介面击穿电压(假设为25V)。换句话说，第一偏压Vdnw的电压值小于介面击穿电压与系统低电压源VGL的电压的总和。
另一方面，第三控制信号VP1与第四控制信号VP2的电压值为系统高电压源VGH与系统低电压源VGL之间的一电压中间值。在此，电压中间值为0V，因此第一P型高压晶体管130与第二P型高压晶体管140都被导通。第二电平移位电路162会转换栅极控制信号(例如是1V)以输出0V的第三控制信号VP1。偏压产生电路170产生0V的第四控制信号VP2。
栅极驱动电路100还包括静电放电(electrostatic discharge,ESD)保护元件，在图1以多个二极管来实现。
在本实施例中，第一电压开关电路102还包括多个P型高压二极管，在本实施例中以二个P型高压二极管132、142为例。P型高压二极管132与P型高压二极管142串接于系统高电压源VGH与驱动电压输出节点Nout之间。第二电压开关电路104还包括多个N型高压二极管，在本实施例中以二个N型高压二极管112、122为例。N型高压二极管112与N型高压二极管122串接于驱动电压输出节点Nout与系统低电压源VGL之间。
因为N型高压二极管112与N型高压二极管122会被操作在负压，因此N型高压二极管112与N型高压二极管122的半导体结构也包括了一层深N型井区。图3是依照本发明的一实施例的一种N型高压二极管的结构示意图。请参照图3，N型高压二极管300可以适用于N型高压二极管112与N型高压二极管122。N型高压二极管300具有电极E。关于“N+”、“P+”、“HV-PW”、“DNW”、“Psub”的标示已于图2的实施例说明过，在此不再赘述。在图3中，深N型井区DNW也是用于隔离P型井区HV-PW与P型基板Psub。
因此，N型高压二极管112与N型高压二极管122的深N型井区也会被施加所述第一偏压Vdnw。同理，为了避免深N型井区与P型基板之间的介面正向导通，N型高压二极管112与N型高压二极管122的P型基板也会被施加第二偏压Vps。
当驱动电压输出节点Nout要输出系统低电压(系统低电压源VGL的电压值-26V)时，第一电压开关电路102被截止，第二电压开关电路104被导通。此时，第三控制信号VP1为一参考高电压，且第四控制信号VP2的电压值不同于第三控制信号VP1的电压值。
第一电平移位电路160会转换栅极控制信号以输出0V(上述的参考低电压)的第二控制信号VN2。第二电平移位电路162会转换栅极控制信号以输出26V的第三控制信号VP1。
偏压产生电路170产生0V的第四控制信号VP2，使得第一P型高压晶体管130与第二P型高压晶体管140之间为1V左右(假设第一P型高压晶体管130的阈值电压为1V)。如此一来，即使串接的第一P型高压晶体管130与第二P型高压晶体管140要承受的跨压高达56V(+26V至-26V)，但第一P型高压晶体管130的所承受的跨压只有25V，而第二P型高压晶体管140的所承受的跨压只有27V，都小于耐压32V。
第一控制信号VN1可以还是-4V，或是其他大小，只要让第一N型高压晶体管110正常导通即可。
综上所述，本发明的实施例提出一种提供高驱动电压的栅极驱动电路。通过提供适当大小的第一偏压给N型高压半导体元件的深N型井区，能够让多个高压晶体管串接以输出高驱动电压。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种用于提供高驱动电压的栅极驱动电路，其特征在于，包括：
第一电压开关电路，其一端耦接系统高电压源，其另一端耦接驱动电压输出节点；以及
第二电压开关电路，包括：
第一N型高压晶体管与第二N型高压晶体管，串接于所述驱动电压输出节点与系统低电压源之间，
其中，所述系统高电压源与所述系统低电压源的电压差大于所述第一N型高压晶体管或所述第二N型高压晶体管的耐压值，
其中，当所述驱动电压输出节点要输出系统高电压时，所述第一电压开关电路被导通，所述第一N型高压晶体管与所述第二N型高压晶体管被截止，以及所述第一N型高压晶体管与所述第二N型高压晶体管的深N型井区被施加第一偏压，其中所述第一偏压与所述系统低电压源的电压差小于所述第二N型高压晶体管的深N型井区与P型井区之间的介面击穿电压。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述第一N型高压晶体管与所述第二N型高压晶体管的P型基板被施加第二偏压，其中所述第二偏压小于或等于所述第一偏压。
3.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述第二电压开关电路还包括：
多个N型高压二极管，串接于所述驱动电压输出节点与所述系统低电压源之间，其中所述多个N型高压二极管的深N型井区也被施加所述第一偏压。
4.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，
所述第一N型高压晶体管的第一端耦接所述驱动电压输出节点，其控制端接收第一控制信号；以及
所述第二N型高压晶体管的第一端耦接所述第一N型高压晶体管的第二端，其第二端耦接所述系统低电压源，其控制端接收第二控制信号，
其中当所述驱动电压输出节点要输出所述系统高电压时，所述第二控制信号为参考低电压，且所述第一控制信号的电压值不同于所述第二控制信号的电压值。
5.根据权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述第一电压开关电路包括：
第一P型高压晶体管，其第一端耦接所述系统高电压源，其控制端接收第三控制信号；以及
第二P型高压晶体管，其第一端耦接所述第一P型高压晶体管的第二端，其控制端接收第四控制信号，其第二端耦接所述驱动电压输出节点，
其中当所述驱动电压输出节点要输出所述系统高电压时，所述第三控制信号与所述第四控制信号的电压值为所述系统高电压源与所述系统低电压源之间的电压中间值。
6.根据权利要求5所述的栅极驱动电路，其特征在于，当所述驱动电压输出节点要输出系统低电压时，所述第三控制信号为参考高电压，且所述第四控制信号的电压值不同于所述第三控制信号的电压值。
7.根据权利要求6所述的栅极驱动电路，其特征在于，还包括：
偏压产生电路，用以提供所述第一偏压、第二偏压、所述第一控制信号以及所述第四控制信号。
8.根据权利要求5所述的栅极驱动电路，其特征在于，还包括：
第一电平移位电路，用以转换栅极控制信号以输出所述第二控制信号；以及
第二电平移位电路，用以转换所述栅极控制信号以输出所述第三控制信号。
9.根据权利要求5所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述第一电压开关电路还包括：
多个P型高压二极管，串接于所述系统高电压源与所述驱动电压输出节点之间。
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