DE4446327A1 - Power MOSFET trigger circuit esp for cordless telephone or laptop computer - Google Patents

Power MOSFET trigger circuit esp for cordless telephone or laptop computer

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DE4446327A1
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power mosfet
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voltage multiplier
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DE4446327A
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Matthias Jung
Erich Kaifler
Jenoe Dr Tihanyi
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • H03BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/06Modifications for ensuring a fully conducting state
    • H03K17/063Modifications for ensuring a fully conducting state in field-effect transistor switches
    • HELECTRICITY
    • H03BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • HELECTRICITY
    • H03BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081Power supply means, e.g. to the switch driver

Abstract

In the circuit for driving a power MOSFET, an output connection of a voltage multiplier is connected to the gate connection of the power MOSFET. The voltage multiplier can be connected to a supply voltage source. The outputs (7,8) of the voltage multiplier (2) is connected between the gate connection (G) and the source connection (S) of the power MOSFET. The voltage-multiplier supplies an output voltage (VGS) which is greater than the available supply voltage (VBB).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Leistungs-MOSFET mit den Merkmalen:The invention relates to a circuit arrangement for Driving a power MOSFET with the features:
  • a) mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET ist ein Aus­ gangsanschluß eines Spannungsvervielfachers verbunden,a) with the gate connection of the power MOSFET is an off connected to a voltage multiplier,
  • b) der Spannungsvervielfacher ist mit einer Versorgungs­ spannungsquelle verbindbar.b) the voltage multiplier is with a supply voltage source connectable.
Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise im Europäischen Patent EP 0 236 967 beschrieben. Sie dient dazu, einen MOSFET mit einer sourceseitigen Last voll leitendzu­ steuern, obwohl die vom Lastwiderstand verursachte Änderung des Sourcepotentials dem Leitendsteuern entgegenwirkt. Zum vollen Leitendsteuern wird daher das Gate-Potential gegenüber Masse durch den Spannungsvervielfacher auf einen Wert angeho­ ben, der über der Versorgungsspannung liegt.Such a circuit arrangement is for example in European patent EP 0 236 967. It serves a fully conductive MOSFET with a source side load control, although the change caused by the load resistance of the source potential counteracts the leading taxes. To the full gate taxes are therefore compared to the gate potential Mass increased to a value by the voltage multiplier ben that is above the supply voltage.
Heute geht die Entwicklung bei elektronischen Geraten hin zu immer niedrigeren Versorgungsspannungen. Beispiele hierfür sind das schnurlose Telefon mit einer Batteriespannung von 2.7-3V und der Laptop-Computer mit einer Batteriespannung von 3,3 V. Derart niedrige Versorgungsspannungen reichen jedoch zum vollen Leitendsteuern eines Leistungs-MOSFET nicht aus. Ein teilweise leitendgesteuerter Leistungs-MOSFET weist jedoch gegenüber einem voll leitendgesteuerten Leistungs- MOSFET einen erhöhten elektrischen Durchlaßwiderstand RDSon auf, was zu hohen Verlusten führt.Today, the trend in electronic devices is towards ever lower supply voltages. Examples of this are the cordless telephone with a battery voltage of 2.7-3V and the laptop computer with a battery voltage of 3.3 V. However, such low supply voltages are not sufficient to fully control a power MOSFET. A partially conduction-controlled power MOSFET, however, has an increased electrical forward resistance R DSon compared to a fully conduction-controlled power MOSFET, which leads to high losses.
Dieses Problem könnte durch Parallelschaltung mehrerer Leistungs-MOSFET oder eine größere Chipfläche gelöst werden. Diese Lösung ist jedoch nur mit hohem Aufwand möglich.This problem could be caused by connecting several in parallel Power MOSFET or a larger chip area can be solved. However, this solution is only possible with great effort.
Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, die ein volles Leitendsteuern eines Leistungs-MOSFET auch dann gewähr­ leistet, wenn die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung kleiner als die zum vollen Leitendsteuern des Leistungs- MOSFET erforderliche Gate-Source-Spannung ist.This invention is therefore based on the object Circuitry to provide a full Guiding control of a power MOSFET then also guaranteed performs when the available supply voltage smaller than that for full final control of the power MOSFET required gate-source voltage is.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß:This problem is solved by a circuit arrangement, which is characterized in that:
  • c) der Ausgang des Spannungsvervielfachers zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET angeschlossen ist,c) the output of the voltage multiplier between the Gate connection and the source connection of the power MOSFET connected,
  • d) der Spannungsvervielfacher eine Ausgangsspannung liefert, die größer als die zur Verfügung stehende Versorgungsspan­ nung ist.d) the voltage multiplier supplies an output voltage, which is larger than the available supply span is.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 naher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with FIGS. 1 and 2. Show it:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows a circuit arrangement according to the invention,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannung am Eingang des Spannungsvervielfachers (VIN) und den zeitlichen Verlauf der Spannung am Ausgang des Spannungsver­ vielfachers (VGS). Fig. 2 shows the time course of the voltage at the input of the voltage multiplier (V IN ) and the time course of the voltage at the output of the voltage multiplier (V GS ).
Der Leistungs-MOSFET in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist mit 1 bezeichnet. Der Drainanschluß D des Leistungs- MOSFET 1 ist mit einem Anschluß 3 verbunden und der Source­ anschluß S des Leistungs-MOSFET 1 liegt auf einem festen Potential, z. B. an Masse. Der Gateanschluß G des Leistungs- MOSFET 1 ist mit einem ersten Ausgangsanschluß 7 eines Span­ nungsvervielfachers 2 verbunden. Ein zweiter Ausgangsanschluß 8 des Spannungsvervielfachers 2 ist mit dem Sourceanschluß S des Leistungs-MOSFET 1 verbunden. Der zweite Ausgangsanschluß 8 des Spannungsvervielfachers 2 liegt ebenfalls auf dem festen Potential, z. B. an Masse. Der zweite Ausgangsanschluß 8 ist darüber hinaus mit einem Eingangsanschluß 6 verbunden. Der Spannungsvervielfacher 2 ist über einen Anschluß 4 und den Anschluß 8 an einer Versorgungsspannung VBB, beispiels­ weise eine Batteriespannung von 3 V, angeschlossen. Der Span­ nungsvervielfacher hat einen weiteren Eingangsanschluß 5. Die Anschlüsse 5 und 6 bilden den Eingang des Spannungsverviel­ fachers 2.The power MOSFET in the circuit arrangement according to FIG. 1 is denoted by 1 . The drain terminal D of the power MOSFET 1 is connected to a terminal 3 and the source terminal S of the power MOSFET 1 is at a fixed potential, for. B. to ground. The gate terminal G of the power MOSFET 1 is connected to a first output terminal 7 of a voltage multiplier 2 . A second output terminal 8 of the voltage multiplier 2 is connected to the source terminal S of the power MOSFET 1 . The second output terminal 8 of the voltage multiplier 2 is also at the fixed potential, for. B. to ground. The second output terminal 8 is also connected to an input terminal 6 . The voltage multiplier 2 is connected via a connection 4 and the connection 8 to a supply voltage V BB , for example a battery voltage of 3 V. The voltage multiplier has a further input terminal 5 . The connections 5 and 6 form the input of the voltage multiplier 2 .
Zum Leitendsteuern des Leistungs-MOSFET 1 erhält der Span­ nungsvervielfacher 2 über den Eingang 5, 6 eine in Fig. 2 mit VIN bezeichnete Eingangsspannung, deren Höhe höchstens so groß wie die Versorgungsspannung VBB von beispielsweise 3 V ist.To control the power MOSFET 1 , the voltage multiplier 2 receives via the input 5 , 6 an input voltage designated in FIG. 2 with V IN , the level of which is at most as large as the supply voltage V BB of, for example, 3 V.
Solange die Eingangsspannung VIN am Eingang des Spannungsver­ vielfachers 2 anliegt, liefert der Spannungsvervielfacher 2 ausgangsseitig an den Gateanschluß G des Leistungs-MOSFET 1 die in Fig. 2 mit VGS bezeichnete erhöhte Ausgangsspannung mit einer Höhe von beispielsweise 6 V. Diese reicht zum vollen Leitendsteuern des Leistungs-MOSFET 1 aus.As long as the input voltage V IN at the input of Spannungsver multiplier 2 is applied, the voltage multiplier 2 supplies the output side to the gate terminal G of the power MOSFET 1 in Fig. 2 indicated by V GS increased output voltage with a height of, for example 6 V. This is sufficient for full Control of the power MOSFET 1 from.
Der Spannungsvervielfacher 2 dieses Ausführungsbeispiels kann auf dem bekannten Prinzip der Spannungsverdoppelung aufbauen, das z. B. im Europäischen Patent EP 0 236 967 erläutert ist. Hierbei wird zum Ansteuern eines als Sourcefolger betriebenen MOSFET ein Spannungsverdoppler verwendet. Der Spannungsver­ doppler enthält zwei in der Gatezuleitung des MOSFET liegen­ de, in Reihe geschaltete Dioden und einen Kondensator. Ein erster Anschluß des Kondensators ist an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Dioden angeschlossen und einem zweiten Anschluß des Kondensators wird von einem Impulsgenerator eine getaktete Gleichspannung zugeführt. Dadurch wird die Spannung an demjenigen Anschluß des Kondensators der mit dem Gatean­ schluß des MOSFET verbunden ist, auf eine Spannung aufgela­ den, die höher als die Betriebsspannung ist und den MOSFET voll leitendschaltet.The voltage multiplier 2 of this embodiment can build on the known principle of voltage doubling, which, for. B. is explained in European Patent EP 0 236 967. Here, a voltage doubler is used to drive a MOSFET operated as a source follower. The voltage doppler contains two lying in the gate lead of the MOSFET de, connected in series diodes and a capacitor. A first connection of the capacitor is connected to a center tap between the two diodes and a second connection of the capacitor is supplied with a clocked DC voltage by a pulse generator. As a result, the voltage at that terminal of the capacitor which is connected to the gate of the MOSFET is charged to a voltage which is higher than the operating voltage and turns the MOSFET fully conductive.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Impulsgenerator ein Bestandteil des Spannungsvervielfachers 2. Der Impulsgene­ rator erzeugt, gesteuert von der Eingangsspannung VIN, eine getaktete Gleichspannung, solange die Eingangsspannung VIN am Eingang des Spannungsvervielfachers 2 anliegt. Der Impulsge­ nerator kann aber jedoch auch am Eingang 5, 6 angeschlossen sein und die getaktete Gleichspannung somit extern liefern.In this exemplary embodiment, the pulse generator is a component of the voltage multiplier 2 . The pulse generator generates, controlled by the input voltage V IN , a clocked DC voltage as long as the input voltage V IN is present at the input of the voltage multiplier 2 . However, the pulse generator can also be connected to input 5 , 6 and thus supply the clocked DC voltage externally.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Leistungs-MOSFET mit den Merkmalen:
  • a) mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET ist ein Aus­ gangsanschluß eines Spannungsvervielfachers verbunden,
  • b) der Spannungsvervielfacher ist mit einer Versorgungsspan­ nungsquelle verbindbar,
1. Circuit arrangement for driving a power MOSFET with the features:
  • a) an output connection of a voltage multiplier is connected to the gate connection of the power MOSFET,
  • b) the voltage multiplier can be connected to a supply voltage source,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • c) der Ausgang (7, 8) des Spannungsvervielfachers (2) zwischen dem Gateanschluß (G) und dem Sourceanschluß (S) des Leistungs-MOSFET (1) angeschlossen ist,
  • d) der Spannungsvervielfacher (2) eine Ausgangsspannung (VGS) liefert, die größer als die zur Verfügung stehende Versor­ gungsspannung (VBB) ist.
characterized in that
  • c) the output ( 7 , 8 ) of the voltage multiplier ( 2 ) is connected between the gate connection (G) and the source connection (S) of the power MOSFET ( 1 ),
  • d) the voltage multiplier ( 2 ) provides an output voltage (V GS ) which is greater than the supply voltage available (V BB ).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvervielfacher (2) im gleichen Gehäuse wie der Leistungs-MOSFET (1) eingebaut ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the voltage multiplier ( 2 ) is installed in the same housing as the power MOSFET ( 1 ).
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvervielfacher (2) als integrierte Schaltung aus­ gebildet ist.3. Circuit arrangement according to one of claims 1 and 2, characterized in that the voltage multiplier ( 2 ) is formed as an integrated circuit.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvervielfacher (2) und der Leistungs-MOSFET (1) auf dem gleichen Chip integriert sind.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the voltage multiplier ( 2 ) and the power MOSFET ( 1 ) are integrated on the same chip.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvervielfacher (2) einen Impulsgenerator enthält.5. Circuit arrangement according to one of claims 3 and 4, characterized in that the voltage multiplier ( 2 ) contains a pulse generator.
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