DE3629383C2 - Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe zum Ansteuern von N-Kanal-MOS-Transistoren - Google Patents
Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe zum Ansteuern von N-Kanal-MOS-TransistorenInfo
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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.
Aus der US-PS 4,330,719 ist eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art bekannt, die einen Kondensator aufweist, dessen erster Anschluß über ein
erstes Schaltelement an einer Referenzspannung sowie an der Gateelektrode eines
N-Kanal-MOS-Transistors und dessen zweiter Anschluß an einer Schaltervorrich
tung angeschlossen ist, die zwischen der Betriebsspannung und Masse angeordnet
ist. Die Schaltervorrichtung wird derart angesteuert, daß sie alternativ wahlweise
den zweiten Anschluß des Kondensators mit der Betriebsspannung oder mit Masse
verbindet. Das erste Schaltelement weist dann noch einen weiteren MOS-Transi
stor auf, dessen Sourceelektrode mit der Referenzspannung und dessen Drainelek
trode mit dem ersten Anschluß des Kondensators verbunden ist. Der Gateelektrode
des weiteren MOS-Transistors wird ein Eingangssignal zugeführt, das die Ladungs
pumpe ein- und ausschaltet. Diese Schaltungsanordnung erfüllt jedoch nicht die
Forderung nach kürzeren Einschaltzeiten und weniger Strom bedarf während der
Schaltphasen, so daß bei der Verwendung in integrierten Schaltungen Nachteile
entstehen.
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 durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
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 Anode 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
mit einer Schaltung verbünden 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 (3)
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, wobei die Schaltungsanordnung einen Kondensator (24)
umfaßt, dessen erster Anschluß über ein erstes Schaltelement (25, 35) an einer
Referenzspannung (29) sowie an der Gateelektrode des N-Kanal-MOS-Transistors
(2), und dessen zweiter Anschluß an einer Schaltervorrichtung (20, 21) ange
schlossen ist, die zwischen der Betriebsspannung (VCC) und Masse (22) angeord
net ist und derart angesteuert wird, daß sie alternativ wahlweise den zweiten
Anschluß des Kondensators (24) mit der Betriebsspannung (VCC) oder mit Masse
(22) verbindet,
wobei das erste Schaltelement (25, 35) eine Diode (25) und einen weiteren MOS-
Transistor (35) aufweist, dessen Sourceelektrode mit der Referenzspannung (29)
und dessen Drainelektrode mit der Anode der Diode (25) verbunden ist, deren
Kathode mit dem ersten Anschluß des Kondensators (24) verbunden ist, und
wobei der Gateelektrode des weiteren MOS-Transistors (35) ein Eingangssignal
(VIN) zuführbar ist, das die Ladungspumpe ein- und ausschaltet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß des Kondensators (24) über eine
Diode (26) mit der Gateelektrode des MOS-Transistors (2) verbunden ist, deren
Anode mit dem Kondensator (24) und deren Kathode mit der Gateelektrode ver
bunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Diode (10) aufweist, deren Anode
mit der Betriebsspannung (VCC) und deren Kathode operativ mit der Gateelektrode
des N-Kanal-MOS-Transistors (2) verbunden ist.
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