DE19655181C2

DE19655181C2 - Switch circuit on the voltage side

Info

Publication number: DE19655181C2
Application number: DE19655181A
Authority: DE
Inventors: Bruno C Nadd
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1995-04-11
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2016-04-10
Also published as: DE19655180C2

Abstract

Eine Ladungspumpenschaltung für ein MOS-Geräte-gesteuertes Leistungs-Halbleiterbauteil (32) umfaßt einen von einem Rechteckschwingungsoszillator (41) angesteuerten Inverter-Puffer (42), dessen Ausgang mit einem Ladungsspeicherkondensator (44) verbunden ist, eine erste Kopplungsschaltungseinrichtung zum Verbinden des Kondensators mit der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils und eine zweite Kopplungsschaltungseinrichtung zum Koppeln eines V¶cc¶-Eingangsspannungsanschlusses mit dem Knoten zwischen dem Kondensator und der ersten Kopplungsschaltungseinrichtung. Bei niedrigem Inverter-Puffer-Ausgangspegel wird der Kondensator aus der Spannung an dem V¶cc¶-Eingangsanschluß über die zweite Kopplungsschalteinrichtung geladen, während bei hohem Inverter-Puffer-Ausgangspegel die Kondensatorspannung plus der Spannung des V¶cc¶-Eingangsanschlusses über die erste Kopplungsschaltungseinrichtung dem Steueranschluß des Halbleiterbauteils zugeführt wird. Die erste Kopplungsschaltungseinrichtung umfaßt einen MOSFET (131) vom Verarmungstyp mit mit dem Kondensator bzw. der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils verbundenen Source- bzw. Drain-Anschlüssen. Das Substrat des MOSFET (131) ist mit dem Inverter-Puffer-Ausgang verbunden. Ein zweiter Steuer-MOSFET (130) ist zwischen dem Gate-Anschluß des MOSFET (131) und dem Erdanschluß (52) eingeschaltet und weist einen mit dem Oszillator-Ausgangsanschluß verbundenen Gate-Anschluß auf.A charge pump circuit for a MOS device-controlled power semiconductor component (32) comprises an inverter buffer (42) controlled by a square wave oscillator (41), the output of which is connected to a charge storage capacitor (44), a first coupling circuit device for connecting the capacitor to the control electrode of the semiconductor device and a second coupling circuit device for coupling a V¶cc¶ input voltage connection to the node between the capacitor and the first coupling circuit device. If the inverter buffer output level is low, the capacitor is charged from the voltage at the V¶cc¶ input terminal via the second coupling switching device, while if the inverter buffer output level is high, the capacitor voltage plus the voltage of the V¶cc¶ input terminal is charged via the first Coupling circuit device is supplied to the control connection of the semiconductor component. The first coupling circuit device comprises a depletion-type MOSFET (131) with source or drain connections connected to the capacitor or the control electrode of the semiconductor component. The substrate of the MOSFET (131) is connected to the inverter buffer output. A second control MOSFET (130) is connected between the gate terminal of the MOSFET (131) and the ground terminal (52) and has a gate terminal connected to the oscillator output terminal.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ladungspumpen schaltung, insbesondere für spannungsseitige Schalterkreise der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und insbesondere auf eine neuartige Schaltung für die Ladungspumpe derartiger Schalter, die einen vergrößerten Wirkungsgrad aufweist und einfacher in einen gemeinsamen Halbleiterchip integrierbar ist, der das Leistungshalbleiterbauteil des spannungsseitigen Schalters einschließt.The present invention relates to a charge pump circuit, especially for voltage side switch circuits of the mentioned in the preamble of claim 1 and in particular to a new type of circuit for the charge pump Switch that has an increased efficiency and is easier to integrate into a common semiconductor chip, which is the power semiconductor component of the voltage side Switch.

Spannungsseitige Schalter sind für vielfältige Anwendungen gut bekannt, bei denen eine Last mit einem geerdeten Anschluß aus einer Leistungsversorgung gespeist werden muß, wobei ein der artiger Schalter ein MOS-Gate-gesteuertes ('MOS-gated') Leistungshalbleiterbauteil einschließt, das einen Gate-Anschluß aufweist, der ein Potential benötigt, das höher als das der Leistungsversorgung ist, um den Schalter einzuschalten. Eine Ladungspumpen-Schaltung ist üblicherweise vorgesehen, um die höhere Spannung zu erzeugen, die erforderlich ist, um das MOS- Gate-gesteuerte Leistungshalbleiterbauteil einzuschalten, wenn ein Einschaltbefehl von einem Eingangssignal geliefert wird. Derartige Bauteile sind allgemein integrierte Schaltungsplätt chen oder Chips, bei denen das MOS-Gate-Leistungsbauteil, die Ladungspumpe und andere Steuerschaltungen in einem gemeinsamen Halbleiterchip oder Halbleiterplättchen integriert sind.Voltage switches are good for a variety of applications known in which a load with a grounded connection a power supply must be fed, one of the like switch a MOS-gate-controlled ('MOS-gated') Power semiconductor device that includes a gate terminal has a potential that is higher than that of Power supply is to turn the switch on. A Charge pump circuitry is usually provided to the generate higher voltage required to power the MOS Turn on gate controlled power semiconductor device when a switch-on command is supplied by an input signal. Such components are generally integrated circuit boards chen or chips in which the MOS gate power device, the Charge pump and other control circuits in a common Semiconductor chip or semiconductor chips are integrated.

Bei bekannten Schalterkreisen dieser Art (DE 36 29 383 A1) weist die Ladungspumpenschaltung eine Oszillator und einen mit dessen Ausgang verbundenen Kondensator auf, dessen freier Anschluß über Dioden mit der Versorgungsspannungsquelle bzw. mit dem Gate des Leistungshalbleiterbauteils verbunden ist. Bei diesen bekannten Schalterkreisen ergeben sich mehrere Probleme: Known switch circuits of this type (DE 36 29 383 A1) the charge pump circuit has an oscillator and one with it Output connected capacitor, whose free connection via diodes to the supply voltage source or to the gate of the power semiconductor component is connected. With these known Switch circuits pose several problems:

Die monolithische Ausführung der Spannungsverdoppler-Diode in der Ladungspumpe ist schwierig, und sie kann nicht in Form einer einfachen P/N-Diode in dem N^--Epitaxialsubstrat einer üblichen integrierten Schaltung integriert werden, die einen selbstisolierenden vertikalen Leitungsvorgang verwendet.The voltage doubler diode in the charge pump is difficult to monolithically design and cannot be integrated in the form of a simple P / N diode in the N ^- epitaxial substrate of a common integrated circuit using a self-isolating vertical conduction process.

Die Ausgangsspannung der Ladungspumpenschaltung wird durch die Dioden-Durchlaßspannungsabfälle in der Ladungspumpen- Verdopplerschaltung verringert, was eine stärkere Auswirkung bei Niederspannungsanwendungen hat.The output voltage of the charge pump circuit is determined by the diode forward voltage drops in the charge pump Doubler circuit reduced, which has a stronger impact in low voltage applications.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Ladungspumpenschaltung für spannungsseitige Schalter zu schaf fen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, und die einfacher in das gleiche Halbleiterplättchen integrierbar ist, das das MOS- Gate-Leistungshalbleiterbauteil enthält.The invention has for its object a novel To create charge pump circuit for voltage side switches fen, which has a high efficiency, and which is easier in the same semiconductor chip can be integrated that the MOS Contains gate power semiconductor device.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the specified in claim 1 Features resolved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the invention result from the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Schalterkreis sind die Spannungsver doppler-Dioden als synchrone Gleichrichter ausgeführt, die aus einem MOSFET an der Stelle einer Diode und vorzugsweise einem Widerstand und einem MOSFET für die andere Diode bestehen. Diese Bauteile können sehr einfach in das N-Epitaxialsubstrat einer integrierten Schaltung integriert werden, die ein N-Kanal-MOS- Gate-Haupt-Leistungshalbleiterbauteil enthält.In the switching circuit according to the invention, the voltage ver doppler diodes designed as synchronous rectifiers that are made a MOSFET in place of a diode and preferably one Resistor and a MOSFET for the other diode exist. This Components can be easily inserted into the N-epitaxial substrate integrated circuit, which is an N-channel MOS Gate main power semiconductor device contains.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Abschalt-Steuerschaltung zwischen dem Ladungspumpen-Eingangs anschluß und dem Versorgungsspannungsanschluß in Form eines N-Kanal-Steuer-MOSFET in einem integrierten Halbleiterschal tungsplättchen ausgeführt, das einen N-Kanal-MOS-Gate-Leistungs bauteil-Abschnitt enthält. Der N-Kanal-Steuer-MOSFET ist dann mit einer positiven Rückführungsschaltung an die Ladungspumpe verbunden. Eine neuartige Starterschaltung wird dazu verwendet, anfänglich den N-Kanal-Steuer-MOSFET einzuschalten. Hierdurch wird der Wirkungsgrad weiter verbessert.According to a preferred embodiment of the invention Shutdown control circuit between the charge pump input connection and the supply voltage connection in the form of a N-channel control MOSFET in an integrated semiconductor scarf tion plate, which has an N-channel MOS gate power contains component section. The N-channel control MOSFET is then with a positive feedback circuit to the charge pump connected. A new type of starter circuit is used to initially turn on the N-channel control MOSFET. Hereby the efficiency will be further improved.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are described below of the drawings explained in more detail.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten spannungsseitigen Schalters, Fig. 1 is a circuit diagram of a known high side switch,

Fig. 2 eine bekannte Ladungspumpe, die als Spannungs verdoppler ausgebildet ist, die für die Schaltung nach Fig. 1 verwendet wird, um die Gate-Ansteuerung für das MOS-Gate-Leistungs bauteil zu liefern, Fig. 2 shows a known charge pump which is formed as a voltage doubler, which is used for the circuit of Fig. 1, to deliver component to the gate drive for the MOS-gated power,

Fig. 3 die Gate-Spannung, die dem MOS-Gate-Leistungs bauteil nach Fig. 2 als Funktion der Zeit geliefert wird, Fig. 3, the gate voltage of the MOS-gate power delivered component according to Fig. 2 as a function of time,

Fig. 4 eine Ausführungsform des spannungsseitigen Schalters gemäß der Erfindung, bei dem irgendeine gewünschte Ladungspumpenschaltung mit einem schwimmenden Knoten verbunden ist, Fig. 4 is connected to an embodiment of the high side switch according to the invention, in which any desired charge pump circuit with a floating node,

Fig. 4a die Schaltung nach Fig. 4 mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Konstantstromschaltung, die den schwimmenden Knoten irgendeiner gewünschten Ladungspumpenschaltung mit dem Erdanschluß der integrierten Schaltung verbindet, Fig. 4a, the circuit of FIG. 4 with a preferred embodiment of a constant current circuit which connects the floating node any desired charge pump circuit to the ground terminal of the integrated circuit,

Fig. 5 die Schaltung nach Fig. 4 mit der Ladungspumpe nach Fig. 2 und mit einer modifizierten Ausführungsform der Konstantstromquellenschal tung, Fig. 5 tung the circuit of Fig. 4 to the charge pump of FIG. 2 with a modified embodiment of the constant current source scarf,

Fig. 5A eine bevorzugte Ausführung eines zusätzlichen Transistors in der Konstantstromquellenschaltung nach Fig. 5 in Silizium, um es dem Bauteil zu ermöglichen, hohen Spannungen zu widerstehen, Fig. 5A, to resist a preferred embodiment of an additional transistor in the constant current source circuit of FIG. 5 in silicon, to enable the component high voltages,

Fig. 6 den Strom der Konstantstromquellenschaltung, der dem Ladungspumpen-Ausgangsstrom für die Schaltung nach Fig. 5 überlagert ist, um den verringerten Störsignalpegel an den Leistungs- und Erd-Anschlußstiften der Schaltung zu zeigen, 6 to show. The current of the constant current source circuit which is overlaid on the charge pump output current for the circuit of Fig. 5 to the reduced noise level to the power and ground connection pins of the circuit,

Fig. 7 die Schaltung nach Fig. 4, die modifiziert wurde, um einen Hilfs-MOSFET zur Ausbildung des Abschaltschalters zu verwenden, wie er schematisch in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, Fig. 7 shows the circuit of FIG. 4 which has been modified to an auxiliary MOSFET for forming the disable switch to use, as is schematically illustrated in FIGS. 4 and 5,

Fig. 8 die Schaltung nach Fig. 5, die modifiziert wurde, um den Hilfs-Leistungs-MOSFET nach Fig. 7 und eine neuartige Startschaltung aufzunehmen, FIG. 8 shows the circuit of FIG. 5 which has been modified to accommodate the auxiliary power MOSFET of FIG. 7 and a new type of start circuit;

Fig. 9 die Schaltung nach Fig. 8 mit einer modifizierten Startschaltung, Fig. 9, the circuit of FIG. 8 with a modified start-up circuit,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer spannungsseitigen Schaltung, die den neuartigen Hilfs-MOSFET nach den Fig. 7, 8 und 9 in Kombination mit einer neuartigen Startschaltung und einer bekannten Art einer geerdeten Ladungspumpe verwendet, Fig. 10 is a block diagram of a high side circuit comprising the novel auxiliary MOSFET according to FIGS. 7, 8 and 9, a grounded charge pump used in combination with a novel starting circuit and a known type,

Fig. 11 ein Querschnitt eines Teils eines integrierten Halbleiterschaltungsplättchens, das eine Ladungspumpen-Diode enthält, die mit dem Gate des Hauptbauteils verbunden ist, um die Probleme ihrer Integration in das Halbleiterplättchen zu zeigen, Figure 11 is a cross-section of a part, to the problems of their integration to show. Of a semiconductor integrated circuit wafer that includes a charge pump diode, which is connected to the gate of the main component in the semiconductor chip,

Fig. 12 die Ladungspumpenschaltung nach Fig. 2, bei der die mit dem Gate des Leistungs-MOSFET verbundene Diode durch einen Transistor und einen Widerstand ersetzt ist, die sehr einfach in ein gemeinsames Silizium-Halbleiterplättchen zusammen mit dem MOS-Gate-Leistungsbauteil integrierbar sind, FIG. 12 shows the charge pump circuit according to FIG. 2, in which the diode connected to the gate of the power MOSFET is replaced by a transistor and a resistor which can be very easily integrated into a common silicon semiconductor die together with the MOS gate power component ,

Fig. 13a, 13b und 13c die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 12 auf einer gemeinsamen Zeitbasis, Fig. 13a, 13b and 13c, the operation of the circuit of Fig. 12 on a common time base,

Fig. 14 die Schaltung nach Fig. 12, bei der der Widerstand der Widerstands-Transistor- Kombination durch einen Transistor im Verarmungsbetrieb ersetzt ist, Fig. 14, the circuit of FIG. 12, in which the resistance of the resistor-transistor combination is replaced by a transistor in the depletion mode,

Fig. 15 eine Verbesserung der Schaltung nach Fig. 14, um das Anlegen der vollen Spannung von 2V_CC an das Gate des Leistungsbauteils zu ermöglichen,To enable Fig. 15, an improvement of the circuit of Fig. 14 to the application of the full voltage of 2V _CC to the gate of the power device,

Fig. 16a, 16b und 16c Schwingungsformen, die die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 15 beschreiben, Fig. 16a, 16b and 16c waveforms that describe the operation of the circuit of Fig. 15,

Fig. 17 die Schaltung nach Fig. 15 in einer Gegentaktausführung, Fig. 17, the circuit of Fig. 15, in a push-pull embodiment

Fig. 18a-18d Schwingungsformen auf einer gemeinsamen Zeitbasis zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 17. FIG. 18a-18d waveforms on a common time base for explaining the operation of the circuit of Fig. 17.

In Fig. 1 ist ein typischer spannungsseitiger Schalterkreis gezeigt. Derartige Schaltungen werden bei vielen Anwendungen verwendet, beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen, bei denen es erforderlich ist, eine Last anzusteuern, die einen geerdeten Anschluß aufweist. Gemäß Fig. 1 ist eine Batterie 30 mit einer Last 31 über einen N-Kanal-Leistungs-MOSFET 32 verbunden. Der negative Anschluß der Batterie 30 und eine Seite der Last 31 sind mit einem gemeinsamen Erdanschluß verbunden, beispielsweise mit dem Fahrgestell eines Fahrzeuges. Der positive Anschluß der Batterie 30 weist eine Spannung V_CC auf, die beispielsweise 12 Volt sein kann. Der Leistungs-MOSFET 32 kann irgendein anderes gewünschtes Halbleiterbauteil mit MOS- Gate-Steuerung sein, beispielsweise ein IGBT oder ein Thyristor mit MOS-Gate-Steuerung oder dergleichen.In Fig. 1, a typical voltage side switching circuit is shown. Such circuits are used in many applications, such as automotive applications where it is necessary to drive a load that has a grounded terminal. Referring to FIG. 1, a battery 30 is connected to a load 31 via a N-channel power MOSFET 32. The negative connection of the battery 30 and one side of the load 31 are connected to a common earth connection, for example to the chassis of a vehicle. The positive connection of the battery 30 has a voltage V _CC , which can be, for example, 12 volts. The power MOSFET 32 can be any other desired semiconductor device with MOS gate control, for example an IGBT or a thyristor with MOS gate control or the like.

Wenn sich der MOSFET 32 im Einschaltzustand befindet, so liegt seine Source-Elektrode nahezu auf dem Leistungsversorgungspoten tial V_CC. Um einen geringen Drain-Source-Spannungsabfall zu haben, ist es erforderlich, das Gate G des MOSFET 32 auf ein Potential von 5-10 Volt oberhalb des Potentials der Source- Elektrode S zu bringen, was 5-10 Volt oberhalb von V_CC ent spricht. In den meisten Fällen, insbesondere dann, wenn der spannungsseitige Schalter in Form einer unabhängigen in sich abgeschlossenen integrierten Schaltung ausgebildet ist, steht keine Versorgungsspannung, die größer als V_CC ist, in dem System zur Verfügung, und eine Spannung oberhalb von V_CC muß auf dem Halbleiterplättchen erzeugt werden. Dies erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines kapazitiven Spannungsverviel fachers, der oft auch als Ladungspumpe bezeichnet wird.When the MOSFET 32 is in the on state, its source electrode is almost at the power supply potential t V _CC . In order to have a low drain-source voltage drop, it is necessary to bring the gate G of the MOSFET 32 to a potential of 5-10 volts above the potential of the source electrode S, which equates to 5-10 volts above V _CC speaks. In most cases, particularly when the voltage side switch is in the form of an independent self-contained integrated circuit, there is no supply voltage greater than V _CC available in the system and a voltage above V _{CC is} required the semiconductor die are generated. This is usually done with the help of a capacitive voltage multiplier, which is often referred to as a charge pump.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Spannungsverdopplerschaltung 40, wie sie üblicherweise bei spannungsseitigen Schaltern verwendet wird, und die mit dem spannungsseitigen Schalter nach Fig. 1 verbunden ist. Die Verdopplerschaltung 40 verwendet eine Rechteckschwingungs-Oszillatorschaltung 41, deren Ausgangssignal durch einen Puffer 42 gepuffert wird. Der Ausgangsknoten 43 des Puffers 42 ist mit einem Kondensator 44 verbunden, der mit einer Diode 45 verbunden ist und über diese aus der Quelle V_CC geladen wird. Der Knoten zwischen dem Kondensator 44 und der Diode 45 ist mit einer Diode 46 verbunden, die ihrerseits mit dem Gate des MOSFET 32 verbunden ist. Zwei Schalterbauteile, die als Schalter 47 und 48 dargestellt sind, sind vorgesehen, wobei der Schalter 47 zum Anschalten und Abschalten des Knotens 49 an und von der Leistungsversorgung 30 betreibbar ist, während der Schalter 48 im abgeschalteten Zustand des MOSFET 32 schließt, um die Gate-Elektrode des MOSFET 32 auf Erde (oder auf die Source-Elektrode des MOSFET 32) zu beziehen. FIG. 2 shows a known voltage doubler circuit 40 , as is usually used in voltage-side switches, and which is connected to the voltage-side switch according to FIG. 1. The doubler circuit 40 uses a square wave oscillator circuit 41 , the output signal of which is buffered by a buffer 42 . The output node 43 of the buffer 42 is connected to a capacitor 44 which is connected to a diode 45 and is charged via this from the source V _CC . The node between capacitor 44 and diode 45 is connected to a diode 46 , which in turn is connected to the gate of MOSFET 32 . Two switch components, shown as switches 47 and 48 , are provided, switch 47 being operable to turn node 49 on and off to and from power supply 30 , while switch 48 closes around gate when the MOSFET 32 is off -Electrode of MOSFET 32 to ground (or to the source electrode of MOSFET 32 ).

Die Ladungspumpe 40 arbeitet wie folgt:The charge pump 40 operates as follows:

Wenn der Knoten 43 am Ausgang der Pufferschaltung 42 einen niedrigen Pegel aufweist, so wird der Kondensator 44 aus der Quelle V_CC über die Diode 45 geladen. Wenn der Knoten 43 am Ausgang der Pufferschaltung 42 einen hohen Pegel aufweist, so wird die Ladung des Kondensators 44 an die Gate-Elektrode des MOSFET 32 über die Diode 46 übertragen. Die Spannung an dem Gate des MOSFET 32 steigt dann stufenweise an, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, und die Spannung an der Gate-Elektrode des MOSFET 32 nähert sich 2V_CC zum Einschalten des MOSFET 32.If the node 43 at the output of the buffer circuit 42 is at a low level, the capacitor 44 is charged from the source V _CC via the diode 45 . If the node 43 at the output of the buffer circuit 42 is at a high level, the charge on the capacitor 44 is transferred to the gate electrode of the MOSFET 32 via the diode 46 . The voltage at the gate of MOSFET 32 then gradually increases, as shown in FIG. 3, and the voltage at the gate electrode of MOSFET 32 approaches 2V _CC to turn on MOSFET 32 .

Um den MOSFET 32 abzuschalten, schließt der Schalter 48, um die Gate-Spannung auf Erde zu ziehen, und der Schalter 47 wird geöffnet, um den Knoten 49 von der Leistungsversorgung zu trennen.To turn off MOSFET 32 , switch 48 closes to pull the gate voltage to ground and switch 47 opens to disconnect node 49 from the power supply.

Die Schaltung nach Fig. 2 weist die folgenden Nachteile auf:
The circuit according to FIG. 2 has the following disadvantages:

1. Charging and discharging the capacitor 44 at high frequency, typically 1 MHz, creates high frequency current in the V CC and ground pin nodes and related package connections of the integrated circuit 40 , which results in serious noise problems in many applications.
2. It is difficult with most of the manufacturing methods available to form the switch 47 in a single silicon die for the entire circuit, especially when there are no P-channel MOSFETs available.
3. It is difficult to extend the use of the circuit to applications with high V CC voltages because the full voltage V CC is applied across capacitor 44 . Therefore, in order to form the capacitor 44 in an integrated circuit for high voltages, unacceptably thick oxides and a larger silicon area are required.

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der die Schaltung nach Fig. 2 dadurch modifiziert ist, daß die Erdleitung 50 der Ladungspumpe 40 (die in Fig. 4 als Block gezeigt ist) mit einem schwimmenden Knoten 51 verbunden ist. Der schwimmende Knoten 51 ist dann über eine Konstantstrom quellen-Schaltung 53 mit dem Erdanschluß 52 verbunden. Ein Spannungsregler, beispielsweise eine Zenerdiode 54, verbindet die Knoten 49 und 51. FIG. 4 shows a first embodiment of the invention, in which the circuit according to FIG. 2 is modified in that the earth line 50 of the charge pump 40 (which is shown as a block in FIG. 4) is connected to a floating node 51 . The floating node 51 is then connected via a constant current source circuit 53 to the ground terminal 52 . A voltage regulator, such as a zener diode 54 , connects nodes 49 and 51 .

Die Ladungspumpe 40 kann von irgendeiner gewünschten Art unter Einschluß der Ausführungsform nach Fig. 2, jedoch ohne Beschrän kung hierauf, sein. Ein wesentliches Merkmal der Schaltung nach Fig. 4 besteht darin, daß die Ladungspumpe 40 mit dem schwimmen den Knoten 51 und nicht mit dem Erdknoten 52 verbunden ist. Der Strom an den Erdanschlußstiften und den V_CC-Anschlußstiften der Schaltung ist daher im Hinblick auf die Konstantstromquelle 53 ein reiner Gleichstrom, so daß der Betrieb der Ladungspumpe 40 keine Störsignale an diesen Anschlußstiften erzeugt.The charge pump 40 may be of any desired type including, but not limited to, the embodiment of FIG. 2. An essential feature of the circuit according to FIG. 4 is that the charge pump 40 is connected to the floating node 51 and not to the earth node 52 . The current at the ground pins and the V _CC pins of the circuit is therefore a pure direct current with respect to the constant current source 53 so that the operation of the charge pump 40 does not produce interference signals on these pins.

Fig. 4a zeigt die Schaltung nach Fig. 4, wobei die Konstant stromquelle 53 in Form eines N-Kanal-MOSFET 60 ausgebildet ist, dessen Gate durch kaskadierte Steuer-MOSFETs 61 und 62 angesteu ert wird, die Anreicherungs- bzw. Verarmungs-MOSFETs sind. Fig. 4a shows the circuit of Fig. 4, wherein the constant current source 53 is in the form of an N-channel MOSFET 60 , the gate of which is driven by cascaded control MOSFETs 61 and 62 , the enrichment or depletion MOSFETs are.

Fig. 5 zeigt die Schaltung nach Fig. 4 unter Verwendung der Ladungspumpe nach Fig. 2 und einer modifizierten Konstantstrom quelle. Im einzelnen schließt die Stromquelle nach Fig. 5 einen zusätzlichen N-Kanal-MOSFET 70 ein, der einfach integrierbar ist, wie dies weiter unten beschrieben wird. Fig. 5 shows the circuit of FIG. 4 using the charge pump of FIG. 2 and a modified constant current source. In detail, the current source includes of FIG. 5 an extra N-channel MOSFET 70, which is an easily integrated, as will be described below.

In der Schaltung nach den Fig. 4, 4a und 5 ist die Versorgungs spannung V_CC größer als die Knickspannung der Zenerdiode 54. Wenn der Strom i₅₃ in der Konstantstromschaltung 53 größer als der Strom i₄₁ der Ladungspumpe 41 ist, so ist gemäß Fig. 6 der Strom an den Erd- und V_CC-Anschlußstiften der integrierten Schaltung ein reiner Gleichstrom. Daher erzeugt der Hochfre quenzstrom der Ladungspumpe keine oder sehr geringe Störsignale. Derzeit erhältliche spannungsseitige Schalter, wie z. B. der IR 6000, der von der Fa. International Rectifier Corporation hergestellt wird, und der BTS 410 E, der von der Fa. Siemens hergestellt wird, weisen Spitze-Spitze-V_CC/Erd-Ströme von mehr als 0,1 Milliampere auf. Schaltungen, die den schwimmenden Knoten 53 nach den Fig. 4, 4a und 5 verwenden, weisen ein Störsignal von 20 Mikroampere Spitze-Spitze auf, das kaum im Hintergrundrauschen erkennbar ist.In the circuit of Fig. 4, 4a and 5, the supply voltage V _CC is greater than the knee voltage of the zener diode 54th If the current i ₅₃ in the constant current circuit 53 is greater than the current i _{41 of} the charge pump 41 , then the current at the earth and V _CC pins of the integrated circuit is a pure direct current according to FIG. 6. Therefore, the high-frequency current of the charge pump generates no or very little interference signals. Currently available voltage side switches, such as. B. the IR 6000 , which is manufactured by International Rectifier Corporation, and the BTS 410 E, which is manufactured by Siemens, have peak-to-peak V _CC / earth currents of more than 0.1 milliamperes on. Circuits using the floating node 53 of Figures 4, 4a and 5 have a 20 microamp peak-to-peak noise that is barely noticeable in the background noise.

Ein weiterer Vorteil der Schaltungen nach den Fig. 4, 4a und 5 besteht darin, daß die Spannung längs des Kondensators 44 auf die Zenerspannung (V_CC - V₅₁) begrenzt ist, worin V₅₁ die Spannung am Knoten 51 ist. Daher kann eine Hochspannungs- Ladungspumpenschaltung mit Niederspannungskondensatoren mit dünnen Oxyden und einer kleineren Halbleiterplättchenfläche aufgebaut werden, ohne daß die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Als Beispiel kann die Schaltung nach Fig. 5 mit einer Versorgungsspannung V_CC von bis zu 60 Volt arbeiten, wobei die an den Ladungspumpen-Kondensator angelegte Spannung auf 7 Volt beschränkt ist.Another advantage of the circuits of FIGS. 4, 4a and 5 is that the voltage across capacitor 44 is limited to the zener voltage (V _CC - V ₅₁ ), where V _{51 is} the voltage at node 51 . Therefore, a high voltage charge pump circuit with low voltage capacitors with thin oxides and a smaller die area can be constructed without sacrificing reliability. As an example, the circuit of FIG. 5 can operate with a supply voltage V _CC of up to 60 volts, the voltage applied to the charge pump capacitor being limited to 7 volts.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, enthält die Konstantstrom quellen-Schaltung 53 nach Fig. 5 einen zusätzlichen MOSFET 70. Der MOSFET 70 ist ein MOSFET mit relativ hoher Spannung, der bei Anwendungen mit hohen Spannungen verwendbar ist, um die hohe Spannung von dem MOSFET 60 zu entfernen. Eine feste Gate- Spannung, beispielsweise 7 Volt, wird an das Gate des MOSFET 70 angelegt, und dieser MOSFET ist leicht in das gemeinsame Halb leiterplättchen integrierbar, das alle anderen Schaltungs elemente nach Fig. 5 enthält.As mentioned above, the constant current source circuit 53 of FIG. 5 includes an additional MOSFET 70 . MOSFET 70 is a relatively high voltage MOSFET that can be used in high voltage applications to remove the high voltage from MOSFET 60 . A fixed gate voltage, for example 7 volts, is applied to the gate of the MOSFET 70 , and this MOSFET can be easily integrated into the common semiconductor chip which contains all the other circuit elements according to FIG. 5.

Die Ausbildung des MOSFET 70 in Form eines einen leicht dotierten Drain-Bereich aufweisenden MOSFET ist in Fig. 5a gezeigt, die einen Querschnitt durch einen Teil des Halbleiter plättchens zeigt. Das hier gezeigte Halbleiterplättchen 71 weist ein leicht dotiertes N^--Substrat 72 auf, das alle Grenzschich ten aufnimmt, die die Schaltung bilden. Der Leistungsabschnitt des Halbleiterplättchens, der den Leistungs-MOSFET 32 bildet, besteht aus irgendeinem gewünschten Grenzschichtmuster, und der MOSFET kann ein Bauteil mit vertikaler Stromleitung sein, das eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten P-Basis-Diffusionen 73 aufweist, die jeweilige Source-Bereiche einschließen, wie z. B. den N⁺-Source-Bereich 74. Die Kanalbereiche jedes der Basisbereiche 73 sind durch ein MOS-Gate 75 bedeckt, das ein Polysilizium-Gate sein kann. Das Gate 75 ist in üblicher Weise von der Source-Elektrode 76 isoliert, die mit jedem der Basis bereiche 73 und deren jeweiligen Source-Bereichen 74 in Kontakt steht. Eine Drain-Elektrode 76a ist auf der Unterseite des Halbleiterplättchens 72 ausgebildet und mit V_CC verbunden.The formation of the MOSFET 70 in the form of a lightly doped drain region MOSFET is shown in Fig. 5a, which shows a cross section through part of the semiconductor die. The semiconductor die 71 shown here has a lightly doped N ^- substrate 72 , which accommodates all boundary layers that form the circuit. The power section of the die that forms the power MOSFET 32 is made of any desired junction pattern, and the MOSFET may be a vertical power line device that has a plurality of spaced P-base diffusions 73 , the respective source regions include such. B. N ⁺ source area 74 . The channel regions of each of the base regions 73 are covered by a MOS gate 75 , which may be a polysilicon gate. The gate 75 is insulated in a conventional manner from the source electrode 76 , which is in contact with each of the base regions 73 and their respective source regions 74 . A drain electrode 76 a is formed on the underside of the semiconductor die 72 and connected to V _CC .

P-Senken, wie z. B. die P-Senke 77, sind ebenfalls in das gleiche Halbleiterplättchen eindiffundiert, um Steuerschaltungen für das Haupt-Leistungsbauteil zu enthalten. Fig. 5a zeigt eine derar tige P-Senke 77, die den MOSFET 70 enthält. Entsprechend ist der MOSFET 70 ein N-Kanal-Bauteil mit einer N⁺-Source-Diffusion 78, einer N^--Drain-Diffusion 79 und einer N⁺-Drain-Kontakt diffusion 80. Sein Polysilizium-Gate 81 erstreckt sich über den P-Kanal-Bereich zwischen den Diffusionen 78 und 79. Entsprechend kann der MOSFET 70 leicht in dem Halbleiterplättchen 71 ausge bildet werden, wobei viele der gleichen Verfahrensschritte verwendet werden, die den Leistungsabschnitt 32 bilden.P sinks such as B. P-well 77 are also diffused into the same die to include control circuits for the main power device. Fig. 5a shows such a P-well 77 containing the MOSFET 70 . Accordingly, the MOSFET 70 is an N-channel component with an N ⁺ source diffusion 78 , an N ^- drain diffusion 79 and an N ⁺ drain contact diffusion 80 . Its polysilicon gate 81 extends over the P-channel region between the diffusions 78 and 79 . Accordingly, the MOSFET 70 can be easily formed in the die 71 using many of the same process steps that form the power section 32 .

Das Halbleiterplättchen 71 wird in üblicher Weise nach seiner Fertigstellung in einem Gehäuse angeordnet, und von der Außen seite aus zugängliche Anschlußstifte erstrecken sich durch das Gehäuse an die verschiedenen Elektroden des Bauteils. Entspre chend ist ein V_CC-Anschlußstift mit der Drain-Elektrode 76a verbunden, und ein Source-Anschlußstift ist mit der Source- Elektrode am Knoten 82 in den Fig. 4a und 5 verbunden. Ein Erd-Anschlußstift ist außerdem mit dem Erd-Knoten in dem Halbleiterplättchen 71 verbunden, die in der Schaltung nach den Fig. 4a und 5 gezeigt sind.The semiconductor chip 71 is arranged in the usual way after its completion in a housing, and from the outside accessible pins extend through the housing to the various electrodes of the component. Accordingly, a V _CC -Anschlußstift with the drain electrode 76 a is connected, and a source terminal pin is connected to the source electrode at the node 82 in FIGS. 4 and 5. A ground pin is also connected to the ground node in the die 71 shown in the circuit of FIGS. 4a and 5.

Fig. 7 zeigt die Schaltung nach Fig. 4, wobei der Schalter 47 als Hilfs-N-Kanal-Leistungs-MOSFET 90 ausgebildet ist, der sehr einfach in das integrierte Halbleiterschaltungsplättchcen 71 nach Fig. 5a mit Hilfe irgendeines üblichen Leistungs-MOSFET- Verfahrens integriert werden kann, weil die MOSFETs 32 und 90 einen gemeinsamen Drain-Anschluß aufweisen. FIG. 7 shows the circuit according to FIG. 4, the switch 47 being designed as an auxiliary N-channel power MOSFET 90 , which can be very easily integrated into the semiconductor integrated circuit chip 71 according to FIG. 5a with the aid of any conventional power MOSFET method can be integrated because the MOSFETs 32 and 90 have a common drain connection.

Der Schalter 48 in Fig. 7 ist in Form eines lateralen NMOS- Transistors mit einem leicht dotierten Drainbereich ähnlich dem MOSFET 70 ausgebildet.The switch 48 in FIG. 7 is designed in the form of a lateral NMOS transistor with a lightly doped drain region similar to the MOSFET 70 .

Im eingeschwungenen Betriebszustand der Schaltung nach Fig. 7 liefert die Ladungspumpe 40 eine Spannung am Knoten 91, der mit dem Gate des Leistungs-MOSFET 90 verbunden ist, wobei diese Spannung bei 5 bis 10 Volt oberhalb von V_CC liegt. Der MOSFET 90 wird daher vollständig eingeschaltet, und die Ladungspumpe 40 empfängt Leistung von V_CC.In the steady operating state of the circuit of FIG. 7, the charge pump 40 provides a voltage at node 91 which is connected to the gate of the power MOSFET 90, which voltage is from 5 to 10 volts above V _CC. The MOSFET 90 is therefore fully turned on and the charge pump 40 receives power from V _CC .

Um die Schaltung nach Fig. 7 einzuschalten, ist eine Startschal tung erforderlich, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, um zu Anfang den Knoten 49 auf einen hohen Pegel zu ziehen, um den Ladungs pumpvorgang zu starten. Entsprechend ist in Fig. 8 eine Start schaltung vorgesehen, die aus einer Diode 91, einem Schalter 92 und einer Spannungsquelle 93 besteht. Die Spannungsquelle 93 weist eine niedrige Spannung auf, die von V_CC abgeleitet werden kann. Der Schalter 92 kann in Form eines Niederspannungs transistors ausgebildet sein.In order to turn on the circuit of FIG. 7, a start circuit is required as shown in FIG. 8 to initially pull node 49 high to start the charge pumping process. Accordingly, a start circuit is provided in Fig. 8, which consists of a diode 91 , a switch 92 and a voltage source 93 . Voltage source 93 has a low voltage that can be derived from V _CC . The switch 92 may be in the form of a low voltage transistor.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 8 schließt der Schalter 92 beim Einschalten, um eine Anfangsspannung an die Ladungspumpe 40 zu liefern. Die Ladungspumpe 40 beginnt dann, sich selbst aus V_CC über den Transistor 90 zu speisen, der eingeschaltet wird, und die Schaltung arbeitet in der vorstehend beschriebenen Weise.In the operation of the circuit of FIG. 8, switch 92 closes when turned on to provide an initial voltage to charge pump 40 . The charge pump 40 then begins to supply itself from V _CC through the transistor 90 which is turned on and the circuit operates in the manner described above.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Startschaltung nach Fig. 8, die Transistoren 100 und 101 und einen Widerstand 102 verwendet. Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 9 wird beim Einschalten das Gate des Transistors 100 durch eine Start- Steuerschaltung 103 auf Erde gezogen. Die Basis des bipolaren Transistors 101 wird durch den Widerstand 102 nach oben gezogen, der in Form eines Transistors vom Verarmungstyp ausgebildet ist, der einen hohen Widerstandswert äquivalent zu ungefähr 1 Megaohm aufweist. Daher wird der Knoten nach oben auf (V_CC - 0,6) Volt gezogen, wodurch der Betrieb der Ladungspumpe 40 gesteuert wird. FIG. 9 shows a further embodiment of the starting circuit according to FIG. 8, which uses transistors 100 and 101 and a resistor 102 . In operation, the circuit of FIG. 9, the gate of transistor 100 is pulled by a start control circuit 103 to ground when switched on. The base of bipolar transistor 101 is pulled up by resistor 102 , which is in the form of a depletion type transistor that has a high resistance value equivalent to approximately 1 megohm. Therefore, the node is pulled up to (V _CC - 0.6) volts, thereby controlling the operation of the charge pump 40 .

Der neuartige Hilfs-MOSFET 90 und irgendeine gewünschte Startschaltung 110 kann sowohl bei der Schaltung nach Fig. 2, bei der die Ladungspumpe 40 auf Erde bezogen ist, als auch bei der neuartigen Ladungspumpenschaltung mit einem schwimmenden Knoten, wie in Fig. 4 verwendet werden. Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer derartigen Schaltung.The novel auxiliary MOSFET 90 and any desired starting circuit 110 can be used both in the circuit of FIG. 2, in which the charge pump 40 is grounded, and in the novel charge pump circuit with a floating node, as in FIG. 4. Fig. 10 shows a block diagram of such a circuit.

Die Ladungspumpenschaltung der vorhergehenden Figuren verwendet eine Diode 46 in der Ladeschaltung. Es ist schwierig und manch mal unmöglich, diese Diode in eine monolithische integrierte Schaltung zu integrieren. Fig. 11 zeigt einen Versuch, die Diode 46 in die P-Senke 120 in dem N^--Substrat 72 nach Fig. 5a zu integrieren. Die Diode 46 ist durch eine N⁺-Diffusion 121 in der Senke 120 gebildet. Elektroden 122 und 123 sind mit den Bereichen 120 bzw. 121 verbunden, um die Elektroden der Diode 46 zu bilden. Weil das Epitaxialsubtrat 72 den Drain-Bereich des Leistungs-MOSFET 32 bildet und mit V_CC verbunden ist, kann die Diode 46 nicht als einfache PN-Diode integriert werden, weil ihre Anode in der Lage sein muß, mehrere Volt oberhalb von V_CC zu schwimmen. Dies ist jedoch aufgrund der parasitären Diode 124 zwischen der Anode der Diode 46 und V_CC unmöglich. Eine einfache Integration der Diode 46 ist daher unmöglich.The charge pump circuit of the previous figures uses a diode 46 in the charge circuit. It is difficult and sometimes impossible to integrate this diode into a monolithic integrated circuit. FIG. 11 shows an attempt to integrate the diode 46 into the P well 120 in the N ^- substrate 72 according to FIG. 5a. The diode 46 is formed by an N ⁺ diffusion 121 in the depression 120 . Electrodes 122 and 123 are connected to regions 120 and 121 , respectively, to form the electrodes of diode 46 . Because epitaxial substrate 72 forms the drain region of power MOSFET 32 and is connected to V _CC , diode 46 cannot be integrated as a simple PN diode because its anode must be able to draw several volts above V _CC swim. However, this is impossible due to parasitic diode 124 between the anode of diode 46 and V _CC . A simple integration of the diode 46 is therefore impossible.

Ein weiterer Nachteil der Dioden 45 und 46 in der Ladungspumpe nach Fig. 2 besteht darin, daß sie die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 40 durch ihre Durchlaßspannungsabfälle auf (2V_CC - 2V_f) verringern (worin 2V_f der Durchlaßspannungsabfall der Dioden 45 und 46 ist). Dies kann eine erhebliche Verringerung bei Anwendungen mit niedriger Spannung V_CC darstellen, wie beispielsweise bei tragbaren Computern oder bei Fahrzeuganwen dungen.Another disadvantage of diodes 45 and 46 in the charge pump of FIG. 2 is that they reduce the output voltage of charge pump 40 to ( 2 V _CC - 2 V _f ) due to its forward voltage drops (where 2V _{f is} the forward voltage drop of diodes 45 and 46 is). This can represent a significant reduction in low voltage V _CC applications, such as portable computers or vehicle applications.

Fig. 12 zeigt eine modifizierte Ladungspumpenschaltung, bei der die Diode 46 durch leichter integrierbare Bauteile mit einem verringerten Durchlaßspannungsabfall am Ausgang der Ladungs pumpenschaltung ersetzt ist. Die Diode 46 ist durch einen Transistor 130 vom Anreicherungstyp, einen Transistor 131 vom Verarmungstyp, einen Widerstand 132 und eine Substrat-Diode 133 des Transistors 131 ersetzt. Diese Bauteile sind leicht in das Substrat 72 nach Fig. 11 integrierbar. Fig. 12 shows a modified charge pump circuit in which the diode 46 is replaced by more easily integrated components with a reduced forward voltage drop at the output of the charge pump circuit. The diode 46 is replaced by an enhancement type transistor 130 , a depletion type transistor 131 , a resistor 132 and a substrate diode 133 of the transistor 131 . These components can be easily integrated into the substrate 72 according to FIG. 11.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 12 wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 13a, 13b und 13c beschrieben, die die Spannungen an den Knoten 134-43, 135 bzw. 136 zeigen. Es ist zu erkennen, daß, wenn der Ausgang des Puffers 42 am Knoten 43 das erste Mal einen hohen Pegel annimmt, der Knoten 136 am Gate des MOSFET 32 über die Substrat-Diode 133 des Transistors 131 vom Verarmungstyp auf (V_CC - V_f) aufgeladen wird. Wenn der Ausgang am Knoten 43 einen niedrigen Pegel annimmmt, so lädt sich der Kondensator 44 über die Diode 45 auf. Während dieser Periode befindet sich der Transistor 131 in seinem Abschaltzustand, wobei sich sein Source-Anschluß am Knoten 134 und sein Drain- Anschluß am Knoten 136 auf (V_CC - V_f) befinden, während seine Gate-Elektrode am Knoten 135 und sein Substrat auf 0 Volt liegen. Daher ist der Transistor 131 abgeschaltet und der Gate- Anschluß des Leistungs-MOSFET 32 ist von dem Rest der Schaltung isoliert.The operation of the circuit of FIG. 12 is described below in connection with FIGS. 13a, 13b and 13c, which show the voltages at nodes 134-43 , 135 and 136 , respectively. It can be seen that when the output of buffer 42 at node 43 goes high for the first time, node 136 at the gate of MOSFET 32 via depletion-type transistor diode 133 of transistor 131 (V _CC - V _f ) is charged. When the output at node 43 goes low, capacitor 44 charges through diode 45 . During this period, transistor 131 is in its off state with its source at node 134 and drain at node 136 at (V _CC - V _f ), its gate at node 135 and its substrate are at 0 volts. Therefore, transistor 131 is turned off and the gate of power MOSFET 32 is isolated from the rest of the circuit.

Wenn der Knoten 43 einen hohen Pegel annimmt, steigt die Spannung am Knoten 134 auf (2V_CC - V_f) an. Der Transistor 130 schaltet dann ab, so daß das Gate des Transistors 131 das Potential an seinem Source-Anschluß über den Widerstand 132 erreichen kann. Weil der Transistor 131 ein Bauteil vom Verarmungstyp ist, schaltet er bei 0 Volt zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen ein. Daher wird die Ladung an dem Kondensator 44 auf den Gate-Anschluß des MOSFET 32 über den Transistor 131 übertragen.When node 43 goes high, the voltage at node 134 rises to (2V _CC - V _f ). The transistor 130 then turns off so that the gate of the transistor 131 can reach the potential at its source terminal via the resistor 132 . Because transistor 131 is a depletion type device, it turns on at 0 volts between the gate and source terminals. Therefore, the charge on capacitor 44 is transferred to the gate of MOSFET 32 via transistor 131 .

Dieser Vorgang setzt sich bei jeder Periode fort, bis das in Fig. 13c gezeigte Potential des Knotens 136 den Grenzwert von (2V_CC - V_f) erreicht. Es sei darauf hingewiesen, daß dieser Grenzwert gegenüber dem der bekannten Schaltung nach Fig. 2 um einen Diodenspannungsabfall V_F höher ist, weil sich lediglich eine Diode im Stromkreis befindet. Weiterhin können die Transistoren 130, 131 und der Widerstand 132 leicht in die integrierte Schaltung integriert werden, weil das Substrat des Transistors 131 niemals V_CC übersteigt.This process continues every period until the potential of node 136 shown in Fig. 13c reaches the limit of (2V _CC - V _f ). It should be pointed out that this limit is higher than that of the known circuit according to FIG. 2 by a diode voltage drop V _F , because there is only one diode in the circuit. Furthermore, transistors 130 , 131 and resistor 132 can be easily integrated into the integrated circuit because the substrate of transistor 131 never exceeds V _CC .

Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 12, bei der der Widerstand 132 nach Fig. 12 durch einen MOSFET 140 von Verarmungstyp ersetzt ist, der leicht in das Substrat der integrierten Schaltung integrierbar ist. Fig. 14 shows an embodiment of the circuit of Fig. 12, in which the resistor 132 of FIG. 12 is replaced by a MOSFET 140 of depletion type is easily integrated into the substrate of the integrated circuit.

Fig. 15 zeigt eine Modifikation der Schaltung nach Fig. 12, die den Spannungsabfall des Ausgangssignals der Ladungspumpe am Gate des MOSFET 32 noch weiter verringert und sämtliche Dioden- Spannungsabfälle beseitigt. Entsprechend sind ein Transistor 150, ein Widerstand 151, ein Kondensator 152, eine Diode 153 und ein Transistor 154 der Schaltung nach Fig. 15 hinzugefügt, um den von der Diode 45 nach Fig. 12 hervorgerufenen Spannungsab fall zu vermeiden. Es sei darauf hingewiesen, daß der MOSFET 150 die Diode 45 der Schaltung nach Fig. 12 ersetzt. FIG. 15 shows a modification of the circuit of FIG. 12 which further reduces the voltage drop of the charge pump output signal at the gate of MOSFET 32 and eliminates all diode voltage drops. Accordingly, a transistor 150 , a resistor 151 , a capacitor 152 , a diode 153 and a transistor 154 are added to the circuit according to FIG. 15 in order to avoid the voltage drop caused by the diode 45 according to FIG . It should be noted that MOSFET 150 replaces diode 45 of the circuit of FIG. 12.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 15 ist am besten anhand der Kurven nach den Fig. 16a, 16b und 16c verständlich. Die Potentiale an den Knoten 134-43, 160-161 bzw. 135-162 nach Fig. 15 sind in den Fig. 16a, 16b bzw. 16c gezeigt. Wenn das Ausgangssignal am Knoten 43 zum ersten Mal einen hohen Pegel annimmt, wird das Gate des Leistungs-MOSFET 32 am Knoten 136 über die Substrat-Diode 133 des Transistors 131 vom Verarmungs typ auf (V_CC - V_f) aufgeladen. Gleichzeitig weist der Knoten 161 einen niedrigen Pegel auf, und der Kondensator 152 wird über die Diode 153 auf (V_CC - V_F) aufgeladen.The mode of operation of the circuit according to FIG. 15 can best be understood from the curves according to FIGS. 16a, 16b and 16c. The potentials at nodes 134-43 , 160-161 and 135-162 of Fig. 15 are shown in Figs. 16a, 16b and 16c, respectively. When the output signal at node 43 goes high for the first time, the gate of the power MOSFET 32 at node 136 is charged to (V _CC - V _f ) via the substrate diode 133 of transistor 131 of depletion type. At the same time, node 161 is low and capacitor 152 is charged to (V _CC - V _F ) via diode 153 .

Wenn der Knoten 161 einen hohen Pegel annimmt, nimmt der Knoten 143 einen niedrigen Pegel an. Weil der Kondensator 153 bereits auf (V_CC - V_f) aufgeladen ist, wird der Pegel des Knotens 160 auf (2V_CC - V_f) angehoben. Weil der Transistor 154 abgeschaltet ist, wird auch der Knoten 162 auf (2V_CC - V_f) angehoben, und der Transistor 150 wird vollständig eingeschal tet. Der Kondensator 44 wird dann über den Transistor 150 auf V_CC aufgeladen. Aus den gleichen Gründen, wie sie in Verbin dung mit der Schaltung nach Fig. 12 beschrieben wurden, ist der Transistor 131 während dieser Zeit abgeschaltet, und das Gate des MOSFET 32 ist von der Schaltung isoliert.When node 161 goes high, node 143 goes low. Because capacitor 153 is already charged to (V _CC - V _f ), the level of node 160 is raised to (2V _CC - V _f ). Because transistor 154 is turned off, node 162 is also raised to (2V _CC - V _f ) and transistor 150 is fully turned on. The capacitor 44 is then charged to V _CC via transistor 150 . For the same reasons as described in connection with the circuit of FIG. 12, transistor 131 is turned off during this time and the gate of MOSFET 32 is isolated from the circuit.

Wenn der Knoten 43 das nächste Mal einen hohen Pegel annimmt, schaltet der Transistor 154 ein, und der Knoten 162 fällt auf 0 Volt, wodurch der Transistor 150 abgeschaltet wird und der Knoten 134 auf 2V_CC ansteigen kann. Aus den gleichen Gründen wie in Fig. 12, schaltet der Transistor 131 ein, und die Ladung am Kondensator 44 wird über den Transistor 131 an das Gate des MOSFET 32 übertragen.The next time node 43 goes high, transistor 154 turns on and node 162 drops to 0 volts, turning off transistor 150 and allowing node 134 to rise to 2V _CC . For the same reasons as in FIG. 12, transistor 131 turns on and the charge on capacitor 44 is transferred via transistor 131 to the gate of MOSFET 32 .

Der gleiche Vorgang wiederholt sich bei jeder Periode, bis die Spannung am Knoten 136 2V_CC erreicht. Daher ist die Spannung am Knoten 136 um 2V_f höher als die der Ladungspumpe nach Fig. 2, weil sich hier keine Diode in dem Strompfad befindet.The same process repeats itself every period until the voltage at node 136 reaches 2V _CC . Therefore, the voltage at node 136 is 2V _f higher than that of the charge pump of FIG. 2 because there is no diode in the current path here.

Fig. 17 zeigt die grundlegende Schaltung nach Fig. 8 in einer Ausführung als Gegentaktschaltung. Die beiden Hälften der Schaltung sind symmetrisch, wobei die linke Seite der Schaltung die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 8 verwendet, während die rechte Seite der Schaltung die gleichen Bezugsziffern mit der Endung 'a' verwendet. Lediglich ein Teil des spannungsseitigen Schalters ist gezeigt, insbesondere der Leistungs-MOSFET 32, dessen Gate in der durch die gestrichelte Linie gezeigten Weise mit dem Knoten 136 verbunden ist. FIG. 17 shows the basic circuit according to FIG. 8 in an embodiment as a push-pull circuit. The two halves of the circuit are symmetrical, the left side of the circuit using the same reference numerals as in Fig. 8, while the right side of the circuit using the same reference numerals ending in 'a'. Only part of the voltage-side switch is shown, in particular the power MOSFET 32 , the gate of which is connected to the node 136 in the manner shown by the broken line.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 17 wird am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 18a, 18b, 18c und 18d verständ lich, die die Spannungen an den Knoten 134-43, 134a-43a, 135- 135a bzw. 136 in Fig. 17 zeigen. Es ist aus den Fig. 18a, 18b und 18c zu erkennen, daß die Potentiale an den Knoten 134-43 und 135 gegenphasig zu den Potentialen an den Knoten 134a, 43a bzw. 135a sind. The operation of the circuit of FIG. 17 is best understood with reference to FIGS . 18a, 18b, 18c and 18d, which show the voltages at nodes 134-43, 134a-43a, 135- 135a and 136 in FIG. 17 show. It can be seen from FIGS. 18a, 18b and 18c, that the potentials at the nodes 134-43 and 135 in phase opposition to the potentials at the node 134 a, 43 a and 135 a are.

Wenn der Knoten 43 einen niedrigen Pegel aufweist, befindet sich der Knoten 43a auf V_CC, und der Knoten 134a befindet sich auf 2V_CC. Daher ist der Transistor 150 vollständig eingeschaltet, und der Kondensator 44 wird über den Transistor 150 auf V_CC aufgeladen. Während dieser Periode ist der Transistor 130 eingeschaltet, so daß der Transistor 131 abgeschaltet ist. In ähnlicher Weise ist der Transistor 130a abgeschaltet, so daß der Transistor 131a eingeschaltet ist und die Ladung des Kondensa tors 44a auf den Knoten 136 und das Gate des Leistungs-MOSFET 32 übertragen wird.If node 43 is at a low level, node 43 a is at V _CC and node 134 a is at 2V _CC . Therefore, transistor 150 is fully on and capacitor 44 is charged to V _CC via transistor 150 . During this period, transistor 130 is on, so transistor 131 is off. Similarly, the transistor 130 a is turned off, so that the transistor 131 a is turned on and the charge of the capacitor 44 a is transferred to the node 136 and the gate of the power MOSFET 32 .

Der Knoten 43 geht dann auf V_CC, und der Knoten 134 wird auf 2V_CC angehoben. Hierdurch wird der Transistor 150a vollständig eingeschaltet, wodurch der Transistor 150 abgeschaltet wird und die Entladung des Kondensators 44 über den Transistor 150 verhindert wird. Weil der Transistor 150a eingeschaltet ist und der Knoten 43a auf einem niedrigen Pegel liegt, wird der Kondensator 44a über den Transistor 150a auf V_CC aufgeladen. Während dieser Periode ist der Transistor 130a eingeschaltet, so daß der Transistor 131a abgeschaltet ist. In ähnlicher Weise ist der Transistor 130 abgeschaltet, so daß der Transistor 131 eingeschaltet ist und die Ladung am Kondensator 44 an das Gate des Leistungs-MOSFET 32 übertragen wird.Node 43 then goes to V _CC and node 134 is raised to 2V _CC . As a result, the transistor 150 a is switched on completely, as a result of which the transistor 150 is switched off and the discharge of the capacitor 44 via the transistor 150 is prevented. Because transistor 150 a is switched on and node 43 a is at a low level, capacitor 44 a is charged to V _CC via transistor 150 a. During this period, the transistor 130 a is turned on, so that the transistor 131 a is turned off. Similarly, transistor 130 is turned off so that transistor 131 is on and the charge on capacitor 44 is transferred to the gate of power MOSFET 32 .

Der gleiche Vorgang erfolgt bei jeder Takthalbperiode, bis die Spannung am Gate des MOSFET 32 die Grenze von 2V_CC erreicht. Wie bei der Schaltung nach Fig. 12 wird die Ausgangsspannung der Ladungspumpe nicht durch irgendeinen Spannungsabfall beeinflußt, weil sich keine Diode in dem Strompfad befindet.The same process occurs every half cycle until the voltage at the gate of MOSFET 32 reaches the 2V _CC limit. As with the circuit of FIG. 12, the output voltage of the charge pump is not affected by any voltage drop because there is no diode in the current path.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltung nach Fig. 17 die scheinbare Frequenz der Ladungspumpe verdoppelt und damit die Welligkeit am Knoten 131 um einen Faktor von 2 verringert.It should be noted that the circuit of FIG. 17 doubles the apparent frequency of the charge pump and thus reduces the ripple at node 131 by a factor of two.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen.Although the present invention is by reference to specific Embodiments of which have been described are many other changes and modifications and other uses for the skilled person to recognize easily.

Claims

1. Charge pump circuit for a MOS gate-controlled power semiconductor component, which has a V _CC input voltage connection, a ground connection and a control connection, the charge pump circuit ( 40 ) having a square wave oscillator ( 41 ) with an output connection, an inverter buffer ( 42) which is connected to the output terminal of the oscillator (41), a charge storage capacitor (44) of the inverter buffer (connected 42) with the output (43), a first feedback circuit means, the capacitor (44) with the Control electrode of the MOS gate-controlled power semiconductor component ( 32 ) connects, and a second coupling circuit means for coupling the V _CC input voltage connection to the node between the capacitor ( 44 ) and the first coupling circuit means, so that when the output terminal ( 43 ) of the inverter buffer has a low level, the capacitor from the spa voltage at the V _CC input terminal is charged via the second coupling circuit device ( 45 ), while when the output terminal ( 43 ) of the inverter buffer ( 42 ) is at a high level, the voltage of the capacitor ( 44 ) plus the voltage of the V _CC input terminal via the first coupling circuit device to the control terminal of the MOS gate-controlled power semiconductor component ( 32 ), characterized in that the first coupling circuit device has a depletion-type MOSFET ( 131 ) with source and drain connections which are connected to the capacitor ( 44 ) and the control electrode of the MOS gate-controlled power semiconductor component ( 32 ), the substrate of the depletion-type MOSFET ( 131 ) being connected to the output of the inverter buffer ( 42 ) , and that resistance switching means ( 132 ) between the capacitor ( 44 ) and the gate terminal of the MOSFET ( 131 ) of the depletion type and a second control MOSFET ( 130 ) is connected between the gate of the depletion type MOSFET ( 131 ) and the ground ( 52 ) and has a gate connected to the output terminal of the oscillator.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the second coupling circuit device is a diode ( 45 ).

3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the resistance circuit means ( 132 ) comprise a second depletion-type MOSFET ( 140 ) having a gate terminal connected to the gate terminal of the first depletion-type MOSFET ( 131 ) and has a substrate connected to the substrate of the first depletion type MOSFET ( 131 ).

4. Circuit according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the second coupling circuit device includes a control MOSFET ( 150 ).

5. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that a first power connection ( 49 ) of the charge pump circuit with the V _CC input voltage circuit and a second power connection ( 50 ) of the charge pump circuit ( 40 ) via a constant current source ( 53 ) with the ground connection ( 52 ) is connected.

6. A circuit according to claim 5, characterized in that a voltage clamping device ( 54 ) between the first and second power connections ( 49 , 50 ) of the charge pump circuit ( 40 ) is switched on in order to limit the voltage between these connections.