CN1578142A - 场效应晶体管的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种驱动电路。该驱动电路包括：具有正电极和负电极的蓄电池组电池；第一和第二N型场效应晶体管，每个具有栅极、漏极和源极；第一和第二开关器件，连接在第一和第二N型场效应晶体管的栅极与蓄电池组电池的负电极侧之间，用于开启并关断第一和第二N型场效应晶体管；驱动装置，用于控制第一和第二开关器件；第一和第二输出端子；以及二极管，具有阳极和阴极。

Description

场效应晶体管的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种连接到电源电路的正电极侧的适合于N型场效应晶体管(FET)的驱动电路。
背景技术
近年来，蓄电池组电池已广泛用于电子设备如笔记本型个人计算机或蜂窝电话的电源。在蓄电池组电池中设置保护电路，以防止其因充电状态下的过量充电和过电流而造成退化和发热，并防止其因过电流造成的电流通路烧毁和因放电状态下的过电流而造成的退化。
对于保护电路，尽管P型FET在特性上劣于N型FET，但是仍采用P型FET，这是由于当前者设置在电源的正电极侧时比后者更容易进行控制。
如图1中所示，放电控制P型FET142和充电控制P型FET144设置在蓄电池组电池141的正电极侧。NPN型晶体管143连接到FET142的栅极和蓄电池组电池141的负电极侧。NPN型晶体管145连接到FET144的栅极和蓄电池组电池141的负电极侧。晶体管143和晶体管145的基极连接到驱动电路146。在此方式下，采用P型FET作为蓄电池组电池的保护电路。
通过将低于源电压的电压提供到栅极来控制P型FET。相反，通过将高于源电压的电压提供到栅极来控制N型FET。因此，当在特性上优于P型FET的N型FET设置到蓄电池组电池的正电极侧时，由电荷泵产生用于控制N型FET所需的栅极电压，以致升高电池电压(参照专利相关技术参考文献1)。
(专利相关技术参考文献1)日本专利特开公开No.2003-079058
如图2中所示，放电控制N型FET152和充电控制N型FET154设置在蓄电池组电池141的正电极侧。FET152的栅极通过电阻153连接到电压源156的正电极侧。FET154的栅极通过电阻155连接到电压源156的正电极侧。电压源156的负电极侧连接到FET152和154的连接点。通过由控制电路158控制的电荷泵控制电路157来控制电压源156。在此方式下，采用N型FET作为蓄电池组电池的保护电路。
然而，当FET152和FET154用电荷泵电路进行控制时，每个FET152和FET154的栅极和源极之间的电容就会增大。换句话说，形成所谓的虚拟电容器。因此，当采用FET152和FET154作为开关电路时，它们的开关速度就会变慢。
当FET152和FET154关断时，通过电阻153和155释放存储在它们的虚拟电容器中的电荷。因此，如图3中所示，FET152和154的栅极电压就具有它们的激活周期(active period)。换句话说，在FET152和154中临时地产生功率。
如图4中所示，电荷泵电路171由开关电路172、174、175、176和电容器173组成。通过控制电路168控制电荷泵电路171。
在这点上，当FET152和154关断时，在将存储在电容器173中的电荷释放到电阻177之后，如图3中所示，FET152和154的栅极电压具有它们的激活周期。如上所述，通过电阻177释放存储在电容器173中的电荷。因此，功率就临时施加到FET152和154的栅极。因此，FET152和154的开关操作就会变慢。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于利用在特性上优于P型FET的N型FET的场效应晶体管的驱动电路，用于保护在蓄电池组电池的正电极侧设置的电路，以便没有延迟而关断FET。
本发明是一种驱动电路，包括：具有正电极和负电极的蓄电池组电池；第一和第二N型场效应晶体管，每个具有栅极、漏极和源极；第一和第二开关器件，连接在该第一和第二N型场效应晶体管的栅极与蓄电池组电池的负电极侧之间，用于开启并关断该第一和第二N型场效应晶体管；驱动装置，用于控制该第一和第二开关器件；第一和第二输出端子；以及具有阳极和阴极的二极管，其中该第一N型场效应晶体管的漏极连接到蓄电池组电池的正电极侧，其中该第一N型场效应晶体管的源极和第二N型场效应晶体管的源极连接，其中第二N型场效应晶体管的漏极连接到该第一输出端子，其中该蓄电池组电池的负电极侧连接到该第二输出端子，其中用于提供比该第一和第二N型场效应晶体管的源极电压源更高的栅极电压的电压源连接在该第一和第二N型场效应晶体管的源极的连接点与该第一和第二N型场效应晶体管的栅极之间，其中该二极管的阴极连接到电压源的负电极侧，以及其中该二极管的阳极连接到蓄电池组电池的负电极侧。
当二极管设置在蓄电池组电池的正电极侧上设置的两个N型FET之间时，作为驱动电源的二极管就能够容易地驱动N型FET。
根据以下附图中说明的本发明的最佳模式实施例的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，将更加全面地理解本发明，其中相同的参考数字表示相同的元件，其中
图1是描述利用P型FET的传统保护电路的电路图；
图2是描述利用N型FET的传统保护电路的电路图；
图3是描述利用N型FET的传统保护电路的特性图；
图4是描述利用P型FET的传统保护电路的电路图；
图5是描述本发明的第一实施例的电路图；
图6是描述本发明的第二实施例的电路图；
图7是描述本发明的第二实施例的电路图；
图8是描述根据本发明的第二实施例的电荷控制的实例的电路图；
图9是描述根据本发明的第二实施例的电荷控制的实例的电路图；
图10是描述本发明的实施例的特性图；
图11A和图11B示出了本发明第三实施例的特性图；
图12是描述本发明的第三实施例的电路图；
图13是描述本发明的第三实施例的第一变形例的电路图；
图14是描述本发明的第三实施例的第二变形例的电路图；
图15是描述本发明的第三实施例的第三变形例的电路图；
图16是描述本发明的第四实施例的电路图；
图17是描述本发明的第五实施例的电路图；
图18是描述本发明的第六实施例的电路图；
图19是描述本发明的第六实施例的变形例的电路图；
图20是描述本发明的第七实施例的电路图；
图21是描述利用P型FET的传统保护电路的电路图；以及
图22是描述本发明的实施例的电路图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。
(第一实施例)
首先，将参照图5来描述本发明的第一实施例。N型FET2(第一场效应晶体管)的漏极连接到蓄电池组电池1的正电极侧。FET2的源极连接到N型FET4(第二场效应晶体管)的源极。FET2的漏极连接到一个输出端子。蓄电池组电池1的负电极侧连接到另一个输出端子。在此方式下，FET2和4设置在蓄电池组电池1的正电极侧。
FET2是放电控制FET。FET4是充电控制FET。在FET2和4中形成寄生二极管。NPN型晶体管3(第一开关器件)的集电极连接到FET2的栅极。晶体管3的发射极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。晶体管3的基极连接到驱动电路7
NPN型晶体管5(第二开关器件)的集电极连接到FET4的栅极。晶体管5的发射极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。晶体管5的基极连接到驱动电路7。此外，驱动电路7连接到蓄电池组电池1的负电极侧。二极管6的阴极连接到FET2的源极和FET4的源极的连接点。二极管6的阳极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。采用二极管6以便产生用于FET2和4的栅极电压(驱动电源)。电荷泵电路8连接到FET2和4的栅极。
在此方式下，FET2和4连接到电源电路的正电极侧。驱动电路7连接到电源电路的负电极侧。当二极管6设置在FET2和4之间时，即使电池电压施加到FET2和4，它们也会关断。此外，通过晶体管3和5来开启并关断FET2和4。通过驱动电路7来开启并关断晶体管3和5。
根据第一实施例，通过电荷泵电路8来提升用于控制N型FET2和4所需的栅极电压，以致栅极电压高于蓄电池组电池1的电压。
蓄电池组电池1是一种非水蓄电池组电池，如锂离子蓄电池组电池或镍氢蓄电池组电池。
(第二实施例)
接着，将参照图6来描述本发明的第二实施例。电阻12和13串联连接在FET2的栅极和FET4的栅极之间。电压源11的正电极侧连接到电阻12和13的连接点。电压源11的负电极侧连接到FET2的源极和FET4的源极的连接点。
当晶体管3开启时，由于FET2的栅极和源极短路，因此FET2关断。此时，由于存储在形成在FET2的栅极和源极之间的虚拟电容器中的电荷被释放，因此FET2立即关断。
同样地，当晶体管5开启时，由于FET4的栅极和源极通过二极管6短路，因此FET4关断。此时，由于存储在形成在FET4的栅极和源极之间的虚拟电容器中的电荷被释放，因此FET4立即关断。
例如，采用电荷泵电路用于电压源11。电荷泵电路由电容器组成。然而，电压源11不限于电荷泵电路。可以采用电荷泵电路的替代物来作为电压源11。
当采用二极管6时，可以类似于P型FET简单地构成驱动电路。
图7示出了不采用二极管6的驱动电路的一个实例。PNP型晶体管21的集电极通过电阻12连接到FET2的栅极。晶体管21的发射极连接到电压源11的正电极侧。晶体管21的基极连接到驱动电路23。PNP型晶体管22的集电极通过电阻13连接到FET4的栅极。晶体管22的发射极连接到电压源11的正电极侧。晶体管22的基极连接到驱动电路23。PNP型晶体管24的发射极连接到FET2的栅极。晶体管24的集电极连接到电压源11的负电极侧。PNP型晶体管25的发射极连接到FET4的栅极。晶体管25的集电极连接到电压源11的负电极侧。
由于图7中所示的电路未采用二极管6，因此就不能控制晶体管21、22、24和25。这是因为电压源11的电源被分离。因此，不存在通过其来控制这些晶体管的通路。在用于控制电荷泵的系统中，需要控制FET的电源的电路。根据第二实施例，利用一个二极管和一个电荷泵，就能够控制N型FET。
随后，参照图8，根据第二实施例，将描述控制放电控制FET2的一个实例。当晶体管3开启时，FET2的栅极和源极短路。结果，FET2可以关断。此时，即使蓄电池组电池的电压施加到FET2，由于设置了二极管6，FET2也可以被关断。
如上所述，由于在FET2中形成的虚拟电容器中存储的电荷可以不通过电阻12来释放，因此图10中所示的栅极电压就施加到FET2的栅极。当在时刻t1关断晶体管3时，FET2关断。当在时刻t2晶体管3开启时，FET2关断。
以下，参照图9，根据本发明第二实施例，将描述控制充电控制FET4的一个实例。当晶体管5开启时，FET4的栅极和源极短路。结果，FET4可以关断。此时，即使蓄电池组电池的电压施加到FET4，由于设置了二极管6，FET4也会关断。
如上所述，由于在FET4中形成的虚拟电容器中存储的电荷可以不通过电阻13来释放，因此图10中所示的栅极电压就施加到FET4的栅极。当在时刻t1关断晶体管5时，FET4开启。当在时刻t2晶体管5开启时，FET4关断。
(第三实施例)
以下，将描述本发明的第三实施例。图11A示出了施加到FET2和4的栅极电压特性。图11B示出了施加到晶体管3和5的基极电压特性。
根据第三实施例，当晶体管3和5在时刻t11开启时，FET2和4关断。此时，电荷泵的工作也停止了。在经过时间段ΔT之后，在时刻t12，晶体管3和5关断。在时刻t13，FET2和4开启。此时，电荷泵的工作开始。结果，当FET关断时，就能够防止超过栅极耐压的电压施加到其栅极。
以下，将参照图12来描述本发明的第三实施例。电阻31设置在FET2的栅极和晶体管3的集电极之间。恒压二极管32的阳极连接到FET2的栅极。恒压二极管32的阴极连接到恒压二极管33的阴极。恒压二极管33的阳极连接到二极管6的阴极。
电阻34设置在FET4的栅极和晶体管5的集电极之间。恒压二极管35的阳极连接到FET4的栅极。恒压二极管35的阴极连接到恒压二极管36的阴极。恒压二极管36的阳极连接到二极管6的阴极。
在此结构中，如上所述，当晶体管3开启时，FET2关断。当晶体管3关断时，FET2保持关断直至施加到恒压二极管32的电压超过它的齐纳电压。当施加到恒压二极管32的电压超过齐纳电压时，FET2开启。类似地，当晶体管5开启时，FET4关断。当晶体管5关断时，FET4保持关断直至施加到恒压二极管35的电压超过它的齐纳电压。当施加到恒压二极管35的电压超过齐纳电压时，FET4开启。
(第一实施例的第一变形例)
以下，将参照图13来描述本发明第三实施例的第一变形例。恒压二极管41的阳极连接到FET4的栅极。恒压二极管41的阴极连接到二极管42的阴极。二极管42的阳极连接到二极管6的阴极。
二极管43的阳极连接到FET4的棚极。二极管43的阴极连接到恒压二极管44的阴极。恒压二极管44的阳极连接到二极管6的阴极。FET4的栅极连接到晶体管5的集电极。
根据第三实施例的第一变形例，当晶体管5开启时，FET4关断。当晶体管5开启时，FET4保持关断直到施加到恒压二极管41的电压超过它的齐纳电压。当施加到恒压二极管41的电压超过齐纳电压时，FET2开启。
(第三实施例的第二变形例)
下面，将参照图14来描述第三实施例的第二变形例。恒压二极管51的阳极连接到FET 4的栅极。恒压二极管51的阴极连接到二极管52的阴极。二极管52的阳极连接到二极管6的阴极。FET4的栅极连接到晶体管的集电极。
在根据第三实施例、其第一变形例和其第二变形例的电路结构中，可以省略在每个FET2和4的栅极和源极之间设置的抗过电压电路。
根据第三实施例的第二变形例，当晶体管5开启时，FET4关断。当晶体管5关断时，施加到恒压二极管51的电压超过它的齐纳电压，FET4保持关断。当施加到恒压二极管51的电压超过齐纳电压时，FET4开启。
(第三实施例的第三变形例)
下面，将参照图15来描述本发明第三实施例的第三变形例。电阻56设置在FET4的栅极和二极管6的阴极之间。
根据第三实施例的第三变形例，当蓄电池组电池1的端电压变高时，通过选择电阻34和电阻56、并改变晶体管5的开启(ON)周期即脉冲宽度来控制端电压。
(第四实施例)
下面，将参照图16来描述本发明的第四实施例。电荷泵电路61由开关电路62、64、65、66和67以及电容器63组成。通过控制电路70来控制电荷泵电路61。
开关电路62和64以及电容器63串联连接，并且与蓄电池组电池1并联设置。开关电路65设置在开关电路62与电容器63的连接点和FET2的栅极之间。开关电路66设置在开关电路62与电容器63的连接点和FET4的栅极之间。开关电路67设置在电容器63与开关电路64的连接点和FET2的源极之间。
电阻68设置在FET2的源极和栅极之间。虚拟电容器71设置在FET2的栅极和源极之间。虚拟电容器71具有大电容。电阻69设置在FET4的源极和栅极之间。虚拟电容器72设置在FET4的栅极和源极之间。虚拟电容器72具有大电容。
当虚拟电容器71充电时，开关电路62和64开启。结果，电容器63充电。此后，开关电路62和64被关断。开关电路65和67开启。因此，虚拟电容器71就以存储在电容器63中的电荷进行充电。
类似地，当虚拟电容器72充电时，开关电路62和64开启。结果，电容器63充电。此后，开关电路62和64被关断。结果，开关电路66和67开启。因此，虚拟电容器72就以存储在电容器63中的电荷进行充电。
在此方式下，通过电荷泵电路61分开地对虚拟电容器71和72进行充电。此时，即使电阻68和69的阻抗很高，如图10中所示，FET2和4也可以关断。
(第五实施例)
下面，将参照图17来描述本发明的第五方面。PNP型晶体管81的发射极连接到FET2的栅极。晶体管81的集电极连接到FET2的源极。晶体管81的基极通过电阻82连接到晶体管3的集电极。PNP型晶体管83的发射极连接到FET4的栅极。晶体管83的集电极连接到FET4的源极。晶体管83的基极通过电阻84连接到晶体管5的集电极。通过控制电路85来控制晶体管3和5。
当通过控制电路85使晶体管3开启时，晶体管81的基极电流就依次流向虚拟电容器71、晶体管81、电阻82、晶体管3和二极管6。结果，基极电流就使晶体管81开启。当晶体管81开启时，存储在虚拟电容器71中的电荷被释放。结果，FET2关断。
类似地，当通过控制电路85使晶体管5开启时，晶体管83的基极电流就依次流向虚拟电容器72、晶体管83、电阻84、晶体管5和二极管6。结果，晶体管83开启。当晶体管83开启时，存储在虚拟电容器72中的电荷被释放。结果，FET4关断。
根据第五实施例，通过二极管6来驱动晶体管81和83。
(第六实施例)
将参照图18来描述根据本发明的第六实施例。N型FET91的漏极连接到蓄电池组电池1的正电极侧。FET91的源极连接到N型FET96的源极。N型FET101的漏极连接到FET96的漏极。FET101的源极连接到N型FET106的源极。在此方式下，FET91、96、101和106设置在蓄电池组电池1的正电极侧。
PNP型晶体管92的发射极连接到FET91的栅极。晶体管92的集电极连接到FET91的源极。晶体管92的基极通过电阻93连接到NPN晶体管111的集电极。在FET91的栅极和源极之间形成虚拟电容器94。二极管95的阴极连接到FET91的源极。二极管95的阳极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。
PNP型晶体管97的发射极连接到FET96的栅极。晶体管97的集电极连接到FET96的源极。晶体管97的基极通过电阻98连接到晶体管111的集电极。虚拟电容器99设置在FET96的栅极和源极之间。
PNP型晶体管102的发射极连接到FET101的栅极。晶体管102的集电极连接到FET101的源极。晶体管102的基极连接到晶体管111的集电极。在FET101的栅极和源极之间形成虚拟电容器104。二极管105的阴极连接到FET101的源极。二极管105的阳极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。
PNP型晶体管107的发射极连接到FET106的栅极。晶体管107的集电极连接到FET106的源极。晶体管107的基极通过电阻108连接到晶体管111的集电极。在FET106的栅极和源极之间形成虚拟电容器109。
晶体管111的发射极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。晶体管111的基极连接到控制电路112。控制电路112还连接到蓄电池组电池1的负电极侧。
根据本发明的第六实施例，当晶体管111通过控制电路112开启时，晶体管92的基极电流依次流向虚拟电容器94、晶体管92、电阻93、晶体管111和二极管95。结果，晶体管92开启。当晶体管92开启时，存储在电阻93中的电荷被释放。结果，FET91关断。
当晶体管111通过控制电路112开启时，晶体管97的基极电流依次流向虚拟电容器99、晶体管97、电阻98、晶体管111和二极管95。结果，晶体管97开启。当晶体管97开启时，存储在虚拟电容器99中的电荷被释放。结果，FET96关断。
类似地，当晶体管111通过控制电路112开启时，晶体管102的基极电流就依次流向虚拟电容器104、晶体管102、电阻103、晶体管111和二极管105。结果，晶体管102开启。当晶体管102开启时，存储在虚拟电容器104中的电荷被释放。结果，FET101关断。
当晶体管111通过控制电路112开启时，晶体管107的基极电流就依次流向虚拟电容器109、晶体管107、电阻108、晶体管111和二极管105。结果，晶体管107开启。当晶体管107开启时，存储在虚拟电容器109中的电荷被释放。结果，FET106关断。在此方式下，当晶体管111开启时，FET91、96、101和106关断。
(第六实施例的变形例)
以下，将参照图19来描述本发明第六实施例的变形例。根据第六实施例的变形例，从根据第六实施例的电路中去除晶体管92、97、102和107。代替地，在最终的电路中设置二极管116和117。二极管116的阳极通过电阻93连接到FET91的栅极并通过电阻98连接到FET96的栅极。二极管116的阴极连接到晶体管111的集电极。二极管117的阳极通过电阻103连接到FET101的栅极，并通过电阻108连接到FET106的栅极。二极管117的阴极连接到晶体管111的集电极。
采用二极管116和117以便分别使FET91和96以及FET101和106分开。第六实施例的变形例以与第六实施例相同的方式工作。换句话说，当晶体管111开启时，FET91、96、101和106关断。
(第七实施例)
下面，将参照图20来描述本发明的第七实施例。与上述实施例类似，根据第七实施例，二极管设置在充电控制P型FET和放电控制P型FET之间。P型FET121的漏极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。FET121的源极连接到P型FET126的源极。FET121的栅极连接到PNP型晶体管123的集电极。在FET121的栅极和源极之间形成虚拟电容器124。
FET126的栅极通过电阻127连接到PNP型晶体管128的集电极。在FET126的栅极和源极之间形成虚拟电容器129。在此方式下，FET121和126设置在蓄电池组电池1的负电极侧。
晶体管123的发射极连接到蓄电池组电池1的正电极侧。晶体管123的基极连接到控制电路130。晶体管128的发射极连接到蓄电池组电池1的正电极侧。晶体管128的基极连接到控制电路130。二极管125的阳极连接到FET121的源极。二极管125的阴极连接到蓄电池组电池1的正电极侧。
根据第七实施例，即使设置二极管，也可以按照与N型FET的相同方式来控制P型FET。
如图21中所示，放电控制P型FET131和充电控制P型FET132设置在蓄电池组电池1的正电极侧。然而，当如上述实施例所描述的设置二极管时，N型FET可以用在与P型FET相同的设置中。
如图22中所示，N型FET136的漏极连接到蓄电池组电池1的正电极侧。FET136的源极连接到N型FET137的源极。二极管138的阴极连接到FET136的源极。二极管138的阳极连接到蓄电池组电池1的负电极侧。因此，当采用二极管138时，N型FET136和N型FET137可以用于与放电控制P型FET131和充电控制P型FET132相同的设置中。
虽然已经根据本发明的最佳模式的实施例展示并描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围之内，可以在它的形式上和细节上进行上述和各种其它的变化、省略和添加。
根据本发明，采用二极管，保护电路可以用特性上优于P型FET的N型FET来构成。此外，采用二极管，在每个FET的栅极和源极之间形成的虚拟电容器中存储的电荷可以不通过电阻而被释放。

Claims (2)

1、一种驱动电路，包括：
蓄电池组电池，具有正电极和负电极；
第一和第二N型场效应晶体管，每个具有栅极、漏极和源极；
第一和第二开关器件，连接在该第一和第二N型场效应晶体管的栅极与蓄电池组电池的负电极侧之间，用于开启并关断该第一和第二N型场效应晶体管；
驱动装置，用于控制该第一和第二开关器件；
第一和第二输出端子；以及
二极管，具有阳极和阴极，
其中该第一N型场效应晶体管的漏极连接到蓄电池的正电极侧，
其中该第一N型场效应晶体管的源极和该第二N型场效应晶体管的源极相连，
其中该第二N型场效应晶体管的漏极连接到该第一输出端子，
其中该蓄电池组电池的负电极侧连接到该第二输出端子，
其中用于提供比该第一和第二N型场效应晶体管的源电压更高的栅电压的电压源连接在该第一和第二N型场效应晶体管的源极的连接点与该第一和第二N型场效应晶体管的栅极之间，
其中该二极管的阴极连接到该电压源的负电极侧，以及
其中该二极管的阳极连接到该蓄电池组电池的负电极侧。
2、根据权利要求1所述的驱动电路，
其中该电压源是电荷泵。
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