DE3629383A1 - Schaltungsanordnung mit einer ladungspumpe zum ansteuern von n-kanal-mos-transistoren - Google Patents

Schaltungsanordnung mit einer ladungspumpe zum ansteuern von n-kanal-mos-transistoren

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe zum Ansteuern eines N-Kanal-MOS- Transistors, dessen Drainelektrode mit der Betriebs­ spannung und dessen Sourceelektrode mit einer Last ver­ bunden ist und der eine Gateelektrode aufweist.
Zur Ansteuerung einer Last werden Treiberelemente in Form von Leistungselementen oder dergleichen benutzt, z.B. zur Ansteuerung einer Last in einem Automobil oder für allgemeine industrielle Zwecke, und diese Leistungs­ elemente sollen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Heutzutage werden als Treiberelemente N-Kanal-MOS-Transistoren bevor­ zugt, da diese eine kleinere Integrationsfläche als ent­ sprechende P-Kanal-Elemente erfordern. Es ist außerdem bekannt, daß diese N-Kanal-MOS-Transistoren derart ausge­ bildet sind, daß ihre Drainelektrode mit positiver Be­ triebsspannung und ihre Sourceelektrode mit der Last verbunden sind, während die Gateelektrode auf einer höheren Spannung gehalten werden muß als die Betriebsspannung, um einen effizienten Betrieb des MOS-Transistors mit niedriger Verlustleistung zu gewährleisten.
Im Gleichspannungsbetrieb ist eine schnelle Aufladung der Gateelektrode des MOS-Transistors erforderlich, um ein schnelles Schaltverhalten des Systems, d.h. ein schnelles Einschalten des MOS-Transistors zu erzielen. Für diesen Zweck sind Ladungspumpen bereits bekannt, deren Hauptzweck darin besteht, ein schnelles Aufladen der Kapazität der Gateelektrode des MOS-Transistors zu ermöglichen. Diese Ladungspumpen sind jedoch nicht geeignet, alle Anforderun­ gen zu erfüllen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladungspumpenschaltung vorzuschlagen, die die Nach­ teile der bisher bekannten Schaltungen vermeidet. Insbesondere soll eine Ladungspumpe vorgeschlagen werden, mit der eine Last im Gleichspannungsbetrieb versorgt werden kann und die während dieser Betriebsart eine geringe Verlustleistung ermöglicht. Mit dieser Schaltungsanordnung soll eine schnelle Aufladung der Kapazität der Gateelektrode des MOS-Transistors erzielt und damit ein schnelles Durchschalten der Schaltungs­ anordnung ermöglicht werden. Alle diese Ziele sollen mit einfachen Komponenten erreicht werden, die in einer einzigen Struktur durch bekannte Technologien integriert werden können, um zu niedrigen Herstellkosten zu gelangen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kondensator, dessen erster Anschluß über ein erstes Schalt­ element an einer Referenzspannung sowie an der Gateelektrode des N-Kanal-MOS-Transistors und dessen zweiter Anschluß an einer Schaltervorrichtung angeschlossen ist, die zwischen der Betriebsspannung und Masse angeordnet ist und derart angesteuert wird, daß sie alternativ wahlweise den zweiten Anschluß des Kondensators mit der Betriebsspannung oder mit Masse verbindet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe, und
Fig. 2 das Prinzipschaltbild einer Last-Ansteuer­ schaltung mit einer solchen Ladungspumpe.
In Fig. 1 entspricht der dargestellte Kondensator 27 der äquivalenten Kapazität der Gateelektrode eines MOS-Transistors, und diese Kapazität muß schnell aufgeladen werden. Die Aufladung muß dabei auf eine höhere Spannung als die Be­ triebsspannung erfolgen, um die Einschaltzeit des MOS- Transistors zu verkürzen und einen effizienten Schaltbetrieb zu gewährleisten.
Die Ladungspumpe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht aus zwei Schaltern, die zwischen der Betriebs­ spannung VCC und Masse 22 angeordnet sind und zum Öffnen und Schließen von einem oszillierenden Signal (mit einer Frequenz von z.B. 500 kHz) über einen Anschluß 23 ange­ steuert werden. Die den Schaltern 20 und 21 zugeführten Steuersignale weisen in geeigneter Weise eine gegenseitige Phasenverschiebung von 180° auf, d.h., wenn der eine Schalter geöffnet ist, so ist der andere geschlossen und umgekehrt.
Eine solche Phasenverschiebung bzw. Gegenphase wird im vorliegenden Beispiel durch eine logische Inverterstufe 28 vorgenommen; es ist jedoch auch möglich, die Schalter derart auszubilden, daß sie durch entgegengesetzte Phasen des oszillierenden Signals eingeschaltet werden. Die Schaltungsanordnung enthält darüber hinaus einen Konden­ sator 24, dessen einer Anschluß mit einem Verbindungs­ punkt zwischen den beiden Schaltern 20 und 21 und dessen anderer Anschluß über eine Diode 25 mit einer Gleich­ spannung (von z.B. 12 V) verbunden ist. Eine weitere Diode 26 ist vorgesehen, deren Anode mit dem Verbindungs­ punkt zwischen der Kathode der Diode 25 und dem Konden­ sator 24 und deren Kathode mit dem Kondensator 27 (der die Kapazität des MOS-Transistors darstellt) sowie der Kathode einer Diode 10 verbunden ist, deren Diode wiederum an die Betriebsspannung VCC angeschlossen ist.
Die Ladungspumpe der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt. Im Ruhezustand beträgt der Spannungsabfall am Kondensator 27 etwa 12 V (d. h. entsprechend der Spannung an der Leitung 29), und zwar erfolgt dies durch den Kondensator 24, der durch die beiden Schalter 20 und 21 und die Diode 25 mit einer Frequenz von 500 kHz auf 12 V aufgeladen wird.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zeigt die Anwendung der Ladungspumpe in Verbindung mit einem MOS-Transistor zur Ansteuerung einer Last. In dieser Figur sind die Kom­ ponenten der Ladungspumpe nach Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen; nur der Kondensator 27 wurde fortge­ lassen, da er durch die Kapazität der Gateelektrode des MOS-Transistors 2 dargestellt wird. Die Schaltungsan­ ordnung enthält also den Treibertransistor 2, dessen Drainelektrode mit der Betriebsspannung VCC, dessen Gateelektrode mit der Kathode der Diode 26 und dessen Sourceelektrode mit einer Schaltung verbunden ist, die die Funktion hat, die Verbindung mit der positiven Be­ triebsspannung herzustellen. Diese Schaltung besteht aus einer Diode 10, deren Anode mit der Betriebsspannung und deren Kathode über einen Transistor 6, eine Stromquelle 7 und eine Diode 8 mit der Gateelektrode des MOS-Transistors 2 verbunden ist. Die Schaltung enthält darüber hinaus einen MOS-Transistor 35, der zwischen der Anode der Diode 25 und der Referenzspannung 29 (12 V) geschaltet ist. In der Figur ist außerdem eine parasitische Diode 37 ge­ zeigt, die zwischen der Sourceelektrode und der Drain­ elektrode des MOS-Transistors 35 gebildet ist. Der Gate­ elektrode des Transistors 35 wird außerdem ein Steuersignal VIN zugeführt, um das Ein- und Ausschalten der Ladungs­ pumpe zu steuern.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt. Durch die mit der Betriebsspannung verbundene Diode 10 wird die Gateelektrode des MOS-Transistors 2 schnell auf die Betriebsspannung aufgeladen. Wird der Gateelektrode des Transistors 35 das Steuersignal VIN mit einem solchen Pegel zugeführt, daß der Transistor 35 eingeschaltet und somit eine Verbindung der Diode 25 zur Referenzspannung 29 hergestellt wird, dann wird die Ladungspumpe eingeschaltet und hebt die Spannung an der Gateelektrode des Transistors 2 an. Hierdurch wird die Einschaltzeit verkürzt und eine einwandfreie Arbeitsweise des Transistors 2 herge­ stellt.
Die Ladungspumpe der Schaltungsanordnung gemäß der vor­ liegenden Erfindung erlaubt also eine effiziente Arbeits­ weise und ein schnelles Einschalten des MOS-Transistors zur Ansteuerung einer Last, insbesondere einer induktiven Last. Dies wird durch einfache Bauelemente ermöglicht, die auf einfache Weise integriert werden können und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe zum Ansteuern eines N-Kanal-MOS-Transistors (2), dessen Drainelektrode mit der Betriebsspannung (VCC) und dessen Sourceelektrode mit einer Last (4) verbunden ist und der eine Gateelektrode aufweist, gekennzeichnet durch einen Kondensator (24), dessen erster Anschluß über ein erstes Schaltelement (25) an einer Referenzspannung sowie an der Gateelektrode des N-Kanal-MOS-Transistors (2) und dessen zweiter Anschluß an einer Schaltervorrichtung angeschlossen ist, die zwischen der Betriebsspannung und Masse (22) angeordnet ist und derart angesteuert wird, daß sie alternativ wahl­ weise den zweiten Anschluß des Kondensators (24) mit der Betriebsspannung oder mit Masse verbindet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement einen weiteren MOS-Transistor (35) aufweist, dessen Sourceelektrode mit der Referenzspannung und dessen Drainelektrode mit dem ersten Anschluß des Kondensators (24) verbunden ist, und daß der Gateelektrode des Transistors ein Eingangssignal (VIN) zuführbar ist, das die Ladungspumpe ein- und ausschaltet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß des Kondensators (24) mit der Gateelektrode des MOS-Transistors (2) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltelement (26) eine Diode ist, deren Anode mit dem Kondensator (24) und deren Kathode mit der Gateelektrode verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement außerdem eine Diode (25) enthält, deren Anode mit der Drainelektrode des weiteren MOS-Transistors (35) und deren Kathode mit dem ersten Anschluß des Kondensators (24) verbunden ist.
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