DE69412360T2

DE69412360T2 - Energieleitungsverbindungsschaltung und entsprechender Schalter mit integrierter Schaltung

Info

Publication number: DE69412360T2
Application number: DE69412360T
Authority: DE
Inventors: Katsuya C/O Fujitsu Limited Kawasaki-Shi Kanagawa 211 Ishikawa; Toru Iriki-Cho Satsuma-Gun Kagoshima 895-14 Nakamura
Original assignee: Kyushu Fujitsu Electronics Ltd; Fujitsu Ltd
Current assignee: Kyushu Fujitsu Electronics Ltd; Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2014-05-27
Also published as: US5650741A; EP0627807A2; EP0627807B1; KR0161308B1; KR940027249A; EP0627807A3; DE69412360D1

Description

Hintergrund der Erfindung

(1) Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieleitungsverbindungsschaltung zum Steuern des Anschlusses einer elektrischen Einrichtung an eine Energieversorgungsleitung und eine schaltende integrierte Schaltung für eine Energieversorgungsleitung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem geringen Einschaltwiderstand und einer Entladungsschaltung zum Stabilisieren einer Spannung auf der Energieversorgungsleitung.

(2) Beschreibung des Standes der Technik

Bei elektrischen Einrichtungen ist die Verringerung des Energieverbrauches von Bedeutung. Insbesondere bei der Verwendung einer Batterie als Energieversorgung ist der Energieverbrauch wichtig, da der Energieverbrauch die Lebensdauer der Batterie beeinflußt. Das heißt, der Energieverbrauch bestimmt die Zeit, während der die Batterie ohne Austauschen oder Aufladen verwendet werden kann. Es wurde ein Energiesparverfahren vorgeschlagen, bei dem eine Einrichtung in eine Vielzahl von Abschnitten aufgeteilt und die Energieversorgung für nichtbetriebene Abschnitte abgeschaltet ist. Viele Arten von elektrischen Einrichtungen besitzen Funktionsabschnitte, die selbst bei Nichtverwendung der Einrichtungen stets betrieben werden müssen. Besitzt beispielsweise eine elektrische Einrichtung eine Zeitgeberfunktion, muß diese Zeitgeberfunktion auch betrieben werden, wenn die Einrichtung nicht verwendet wird. Wird jedoch der gesamten Einrichtung Energie zugeführt, um auch bei Nichtbenutzung der Einrichtung die Zeitgeberfunktion zu betreiben, tritt das Problem eines hohen Energieverbrauches auf, da in den nichtbenutzten Abschnitten Bereitschaftsströme fließen. Wird das obengenannte Energiesparverfahren auf diese Einrichtung angewendet, wird demnach die Einrichtung in einen Hauptabschnitt und einen Nebenabschnitt mit der Zeitgeberfunktion aufgeteilt. Wird die Einrichtung nicht verwendet, wird dem Hauptabschnitt keine Energie zugeführt, während dem Nebenabschnitt selbst bei Nichtbenutzung der Einrichtung Energie zugeführt wird.
In einem Computersystem sind des weiteren eine Vielzahl von Peripheriegeräten, wie z. B. eine Anzeige, eine Platteneinheit, ein Drucker usw., an einen Computer angeschlossen. Diese Peripheriegeräte können selbst bei Betrieb des Computers nicht benutzt werden. Daher kann der Energieverbrauch des Computersystems dadurch reduziert werden, daß die Energiezufuhr zu den nicht benötigten Peripheriegeräten unterbrochen wird.
Um das oben angegebene Verfahren ausführen zu können, ist es erforderlich, die Energiezufuhr zu jedem einzelnen Abschnitt beliebig unterbrechen zu können. Zur Steuerung der Verbindung zwischen der Energieversorgungsleitung und jedem Abschnitt wird ein Energieleitungsschalter mit integrierter Schaltung verwendet. Der Schalter mit integrierter Schaltung wird durch ein Steuersignal angesteuert, welches von einem in dem ständig betriebenen Nebenabschnitt enthaltenen Steuerabschnitt ausgegeben wird.
Allgemein wird für den Energieleitungsschalter ein Leistungs-FET verwendet, und die Energieleitungsverbindungsschaltung ist als eine eigene Schaltung mit den Leistungs-FETs realisiert.
Bezüglich der Energieleitungsverbindungsschaltung ist von Bedeutung, daß der Widerstand des Schalters so klein ist, daß er im eingeschalteten Zustand vernachlässigt werden kann, und daß der Schalter im ausgeschalteten Zustand vollständig unterbricht. Besitzt der Schalter im eingeschalteten Zustand einen Widerstand, fällt daran eine entsprechende Spannung ab, und elektrische Energie wird vergeudet. Unterbricht der Schalter im ausgeschalteten Zustand nicht vollständig, fließen geringe Ströme in die Geräteeinheit, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, und es wird elektrische Energie verbraucht. Bei der herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem MOS-Transistor muß daher der MOS-Transistor derart betrieben werden, daß der Einschaltwiderstand sehr gering und der Ausschaltwiderstand sehr hoch ist.
Wird beispielsweise angenommen, daß die Spannung der Energieversorgungsleitung 5 V beträgt, weist ein n-Kanal-MOS-Transistor einen sehr hohen Widerstand auf, wenn eine Spannung von OV an seinem Gateanschluß anliegt, während er einen sehr geringen Einschaltwiderstand besitzt, wenn eine Spannung größer als SV an seinem Gateanschluß anliegt. (Nachfolgend wird der Einschaltwiderstand als EIN-Widerstand und der Ausschaltwiderstand als AUS-Widerstand bezeichnet). In der herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem n-Kanal-MOS-Transistor wird daher eine Spannung erzeugt, die größer als ein positiver logischer Wert der Steuereinheit ist, und diese Spannung wird an den Gateanschluß des n-Kanal-MOS-Transistors angelegt. Im Falle eines p-Kanal-MOS-Transistors wird eine Spannung, die größer als ein positiver logischer Wert ist, an den Gateanschluß des p-Kanal-MOS-Transistors angelegt, um einen sehr hohen AUS-Widerstand zu erzielen.
Bei der herkömmlichen Einrichtung mit der Energieleitungsverbindungsschaltung ist daher eine Spannungswandlerschaltung vorgesehen, um die Spannung zu erzeugen, welche größer als der positive logische Wert der Steuereinheit ist.
Bei einigen Arten von elektrischen Einrichtungen wird zudem betriebsmodusabhängig bezüglich der Versorgungsspannungen für die Abschnitte zwischen unterschiedlichen Spannungen gewechselt. Bei einem elektrisch löschbaren nichtflüchtigen Halbleiterspeicher, der als Flash-Speicher bezeichnet wird, wird beispielsweise eine Spannung von SV für den Lesebetrieb und eine Spannung von 12 V für den Schreib- und Löschbetrieb angelegt. Werden als Schalter für 5 V- und 12 V-Energieversorgungsleitungen n-Kanal-FETs mit denselben Eigenschaften verwendet, unterscheiden sich die EIN- Widerstandswerte dieser Schalter aufgrund des sich abhängig von der Spannung zwischen dem Gateanschluß und dem Drainanschluß des FETs veränderten EIN-Widerstandes des n- Kanal-FETs.
Allgemein existieren für elektrische Geräte Spezifikationen, in denen akzeptable Bereiche für die EIN-Widerstandswerte von Energieversorgungsleitungen festgelegt sind. Werden n- Kanal-FETs mit identischen Eigenschaften in Energieleitungsverbindungsschaltungen unterschiedlicher Spannungen verwendet, kann das Problem auftreten, daß einige Verbindungsschaltungen die oben angegebenen EIN-Widerstandswertspezifikationen nicht erfüllen können. In diesen Fällen werden die Spezifikationen durch die Verwendung von n-Kanal-FETs mit unterschiedlichen Eigenschaften oder durch die Veränderung der Ausgangsspannungen der Spannungswandlerschaltungen eingehalten. Die Ausgangsspannung kann beispielsweise mit Hilfe von Widerstandswerten von in den Spannungswandlerschaltungen verwendeten Widerständen eingestellt werden. Hinsichtlich der Herstellungsverfahren ist jedoch die Verwendung unterschiedlicher n-Kanal-MOS- Transistoren oder die Einstellung von Elementen nicht effektiv. Diese Probleme führen zu einer Erhöhung der Herstellungskosten.
Werden unterschiedlichen Abschnitten jeweils unterschiedliche Energieversorgungsspannungen zugeführt und Energieleitungsverbindungsschaltungen mit diesen Abschnitten mit Hilfe von ähnlichen FETs realisiert, treten dieselben Probleme erneut auf.
Wie oben beschrieben worden ist, wurde daher die Energieleitungsverbindungsschaltung mit Hilfe einer eigenen (diskreten) Schaltung mit einem Leistungs-FET realisiert, und es ist eine Spannungswandlerschaltung vorgesehen, die eine an den Gateanschluß des Leistungs-FET angelegte Spannung erzeugt. Daher tritt das Problem auf, daß die Herstellungskosten hoch sind. Es bestand daher das Bedürfnis, die Schaltungsgröße sowie die Herstellungskosten durch die Realisierung der Energieleitungsschalter in Form von integrierten Schaltungen zu verringern.
Da die an den Gateanschluß des Leistungs-FET angelegte Spannung eines Steuersignals konstant ist, tritt zudem das Problem auf, daß die EIN-Widerstandswerte die Spezifikationen nicht erfüllen können, falls Leistungs-FETs mit identischen Eigenschaften für unterschiedliche Energieversorgungsspannungen verwendet werden. Insbesondere bei der Integration einer Vielzahl von Leistungs-FETs in einer integrierten Schaltung ist es unmöglich, die einzelnen EIN-Widerstandswerte der Leistungs-FETs einzustellen. Daher ist durch die Verwendung einer integrierten Schaltung mit mehreren Leistungs-FETs die Herstellung von Energieleitungsverbindungsschaltungen unterschiedlicher Spannungen schwierig.
Zur Stabilisierung der Spannung der Energieversorgungsleitung ist gewöhnlich ein kapazitives Element angeschlossen. Durch die Verwendung eines derartigen kapazitiven Elementes wird die Energieversorgungsspannung unabhängig von Schwankungen der von der Geräteeinheit verwendeten elektrischen Energie stabil aufrechterhalten. Bei Anschluß eines kapazitiven Elementes fällt jedoch aufgrund der in dem kapazitiven Element gespeicherten elektrischen Ladung die Spannung der Energieversorgungsleitung allmählich ab, wenn der Schalter für die Energieversorgungsleitung ausgeschaltet ist, und es tritt das Problem auf, daß es häufiger zu einem Fehlbetrieb der Geräteeinheit kommt. In herkömmlichen Geräten ist eine Entladungsschaltung, bei der ein Widerstandselement parallel zu einem kapazitiven Element geschaltet ist, vorgesehen, um das Auftreten eines Fehlbetriebes zu vermeiden.
Bei dem Aufbau mit einem Entladewiderstand tritt des weiteren das Problem auf, daß stets ein Strom von der Energieversorgungsleitung über den Widerstand nach Masse fließt, falls der Energieleitungsschalter eingeschaltet ist. Der Widerstand besitzt im allgemeinen einen sehr hohen Widerstandswert, und der elektrische Energieverbrauch aufgrund des durch den Widerstand fließenden Stromes ist sehr gering. Ein derartiger elektrischer Energieverbrauch könnte jedoch bei Geräten, welche Batterien verwenden, zu einem ernsthaften Problem werden.
In der europäischen Patentanmeldung 0 294 881 wird eine Halbleitereinrichtung sowie eine zum Einsatz in einem integrierten Leistungsschalter geeignete Schaltung vorgeschlagen. Die EP-A-0 294 881 offenbart gemäß Fig. 1 eine Energieleitungsverbindungsschaltung zum Steuern eines Anschlusses einer Energieversorgungsleitung 1 an eine Lastschaltung L. Die Schaltung umfaßt einen in der Energieversorgungsleitung 1 angeordneten MOSFET T1, dessen Durchlässigkeit durch Anlegen eines von einer Steuereinheit ausgegebenen Steuersignals 5 an einen Gateanschluß g1 des MOSFET T1 verändert wird, einen IGFET T2 zum Umwandeln einer Spannung des Steuersignals 5 sowie eine Zenerdiode 3d zum Klemmen der von dem IGFET T2 umgewandelten Spannung, so daß diese bezüglich der Spannung der Energieversorgungsleitung 1 einen vorgegebenen Spannungsunterschied besitzt.
Die JP-A-61 59911 offenbart ebenfalls eine Energieleitungsverbindungsschaltung zum Steuern des Anschlusses einer Energieversorgungsleitung 3 an eine Lastschaltung 4. Die Schaltung gemäß dieser Druckschrift umfaßt einen in der Energieversorgungsleitung 3 angeordneten FET 6b sowie einen FET 8b, der einen Knotenpunkt zwischen dem FET 6b und der Lastschaltung 4 mit einer Masseleitung verbindet, wenn der FET 6b ausgeschaltet ist, bzw. den Knotenpunkt von der Masseleitung trennt, falls der FET 6b eingeschaltet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem gewünschten EIN-Widerstandswert und einem gewünschten AUS-Widerstandswert sowie mit einer Ladeschaltung zur Stabilisierung der Spannung der Energieversorgungsleitung zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine im Anspruch 1 definierte Energieleitungsverbindungsschaltung gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die Energieleitungsverbindungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert, daß das Klemmmittel von der Ladungspumpschaltung erzeugte überschüssige Energie nach Masse entlädt.
Ist mindestens ein Mittel der Spannungswandlermittel, der Klemmmittel oder der Entlademittel in einer integrierten Schaltung mit dem Energieleitungsschalter installiert, kann die Energieleitungsverbindungsschaltung des weiteren durch die Verwendung dieser integrierten Schaltung mit einem einfacheren Aufbau als bei der Verwendung einzelner Elemente realisiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung wird einfacher anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung verständlich.
Fig. 1A und 1B zeigen herkömmliche Energieleitungsschalter mit MOS- Transistoren, wobei Fig. 1A ein Beispiel der Verwendung eines n-Kanal-MOS-Transistors und Fig. 1B ein Beispiel der Verwendung eines p-Kanal-MOS-Transistors darstellt,
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des Aufbaus einer herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Aufbaus einer weiteren herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 4 zeigt eine herkömmliche Energieleitungsverbindungsschaltung für einen Flash-Speicher,
Fig. 5A und 5B zeigen Darstellungen der Kennlinie eines EIN-Widerstandes eines n-Kanal-MOS-Transistors, wobei Fig. 5A eine Schaltung zum Messen dieser Kennlinie und Fig. 5B die Kennlinie selbst darstellt,
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Aufbaus einer herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem kapazitiven Element zur Stabilisierung der Spannung der Energieversorgungsleitung sowie mit einem Entladewiderstand,
Fig. 7 zeigt eine Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 zeigt eine Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 9 zeigt eine Darstellung des Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer ersten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 11 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer zweiten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 12 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einere dritten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 13 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer vierten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 14 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer fünften weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung,
Fig. 15 zeigt eine Darstellung des Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bevor mit einer genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung fortgefahren wird, werden nachfolgend bekannte Energieleitungsverbindungsschaltungen beschrieben, um die Unterschiede zu der vorliegenden Erfindung besser verstehen zu können.
Im allgemeinen wurde die Energieleitungsverbindungsschaltung bisher durch eine eigene Schaltung mit einem Leistungs-FET realisiert. Fig. 1A und 1B zeigen Darstellungen einer herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem MOS-Transistor. Fig. 1A zeigt ein Beispiel der Verwendung eines n-Kanal-MOS-Transistors, und Fig. 1B zeigt ein Beispiel der Verwendung eines p-Kanal-MOS-Transistors. In der Zeichnung sind dieselben Funktionsteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 1A und 1B bezeichnet das Bezugszeichen 4 eine Energieversorgung, 5 einen Hauptabschnitt eines Gerätes, welches als eine Lastschaltung betrieben wird, 6 eine Steuereinheit und 200 eine Energieversorgungsleitung. 13 und 14 bezeichnen Energieversorgungsleitungsschalter, wobei der Schalter 13 ein n-Kanal-MOS-Transistor und der Schalter 14 ein p-Kanal-MOS-Transistor ist. 15 bezeichnet einen Inverter, der ein Steuersignal invertiert.
Bei der in Fig. 1A gezeigten Schaltung wird von der Steuereinheit 6 ein Signal mit einer positiven Spannung zugeführt, um den n-Kanal-MOS-Transistor 13 einzuschalten, während von der Steuereinheit 6 zum Ausschalten ein Signal mit der Massespannung zugeführt wird. Bei der in Fig. 1B gezeigten Schaltung wird ein p-Kanal-MOS-Transistor 14 verwendet, so daß demzufolge ein Inverter 15 zum Invertieren der Steuersignale vorgesehen werden muß, falls die Steuereinheit 6 dieselben Steuersignale wie in Fig. 1A ausgibt.
Wie zuvor beschrieben worden ist, ist es bei einem Aufhau mit einem in Fig. 1A und 1B gezeigten Energieversorgungsleitungsschalter wichtig, daß der Widerstandswert des Schalters im eingeschalteten Zustand ausreichend klein ist, so daß er vernachlässigt werden kann, und daß der Schalter im ausgeschalteten Zustand vollständig unterbricht.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung mit einem Energieversorgungsleitungsschalter.
In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 5 einen Hauptabschnitt eines als eine Lastschaltung betriebenen Gerätes, 16 einen als Energieleitungsschalter dienenden n-Kanal-MOS- Transistor, 41 eine 5 V-Energieversorgung, 42 eine 12 V-Energieversorgung, 61 eine Steuerschaltung, 201 eine 5 V-Energieversorgungsleitung und 202 eine 12 V- Energieversorgungsleitung. L1 bezeichnet eine Spannungswandlerschaltung, welche ein von der Steuerschaltung 6 ausgegebenes 5 V-Steuersignal in ein 12 V-Steuersignal umwandelt. Das von der Spannungswandlerschaltung L1 ausgegebene 12 V-Steuersignal ist an den Gateanschluß des n-Kanal-MOS-Transistors 16 angelegt. Ein Widerstand R1 ist ein Pull-Down-Widerstand, der die Betriebsgeschwindigkeit des von der Steuerschaltung 61 ausgegebenen Steuersignals erhöht. Zur Stabilisierung des Ausgangssignals der Spannungswandlerschaltung L1 ist ein kapazitives Element C1 vorgesehen. Das Vorsehen von kapazitiven Elementen, wie z. B. Kondensatoren, zur Stabilisierung der Spannung der an die Last 5 angeschlossenen Energieversorgungsleitung 200 ist eine bekannte Technik. Durch die Verwendung der kapazitiven Elemente kann selbst bei einem schwankenden Stromverbrauch in dem Hauptabschnitt eine stabile Spannung der Energieversorgung aufrechterhalten werden. Aus diesem Grund werden ein Widerstand R2 und ein kapazitives Element C2 verwendet.
Wie oben beschrieben worden ist, muß das an den Gateanschluß des n-Kanal-MOS- Transistors 16 angelegte Steuersignal die zuvor erwähnte Bedingung erfüllen. Daher muß, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Spannungswandlerschaltung L1 vorgesehen werden, die das Steuersignal in ein Signal mit einer geeigneten Spannung umwandelt. Des weiteren muß die 12 V-Energieversorgung 42 für die Spannungswandlerschaltung L1 vorgesehen werden.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Aufbaus einer herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung eines Gerätes, wobei hinsichtlich der einigen Abschnitten zugeführten Energieversorgungsspannungen betriebsmodusabhängig zwischen unterschiedlichen Spannungen gewechselt wird.
In Fig. 3 entsprechen eine SV-Energieversorgung 44, eine 12 V-Energieversorgung 45, ein n-Kanal-MOS-Transistor 18, eine Spannungswandlerschaltung L3, eine Last 51, Widerstände R4 und R5 sowie kapazitive Elemente C4 und C5 den entsprechend in Fig. 2 dargestellten Bauelementen. Zusätzlich zu diesen Elementen ist bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltung des weiteren eine 3 V-Energieversorgung 43 und ein Energieversorgungsleitungsschalter mit einem in die zu der Last 51 führenden Energieversorgungsleitung 204 geschalteten n-Kanal-MOS-Transistor 17 vorhanden. Des weiteren ist eine Spannungswandlerschaltung L2 vorgesehen, die die Spannung eines an den Gateanschluß des n-Kanal-MOS-Transistors 17 angelegten Steuersignals umwandelt. Die Steuerschaltung 62 gibt Steuersignale aus, die die n-Kanal-MOS-Transistoren 17 und 18 entweder ein- oder ausschalten.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer herkömmlichen Energieleitungsverbindungsschaltung eines als Flash-Speicher bezeichneten elektrisch löschbaren nichtflüchtigen Speichers. Die Flash-Speicher werden in zwei Typen aufgeteilt. Bei dem einen Typ wird zum Lesen von gespeicherten Daten eine Spannung von 5 V über die Energieversorgungsleitung angelegt. Bei dem anderen Typ wird zum Lesen von gespeicherten Daten eine Spannung von 3,3 V über die Energieversorgungsleitung angelegt. Bei beiden Typen wird zum Schreiben von Daten eine Spannung von 12 V über die Energieversorgungsleitung angelegt. Der 5 V-Typ ist der normale Typ, während der 3,3 V-Typ einem Energiespartyp entspricht. In einem Gerät, in dem Flash-Speicherbausteine verwendet werden, ist es wünschenswert, daß jeder Flash-Speichertyp verwendet werden kann. Daher ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, eine 12 V- Energieversorgung 46, eine 5 V-Energieversorgung 47 und eine 3,3 V-Energieversorgung 48 vorgesehen, und ein p-Kanal-MOS-Transistor 191 sowie n-Kanal-MOS-Transistoren 192, 193 sind in entsprechenden Energieversorgungsleitungen zu dem Flash-Speicher 52 vorhanden. Diese Transistoren werden durch von der Steuerschaltung 63 ausgegebene Steuersignale a, b und c gesteuert. Das Steuersignal a nimmt für Schreib- und Löschvorgänge einen niedrigen Pegel an, während es ansonsten einen hohen Pegel (12 V) annimmt. Wird der Flash-Speicherbaustein des normalen Typs verwendet, nimmt das Steuersignal b beim Zugriff auf den Flash-Speicher 52 den hohen Pegel (12 V) an, während es in einem Bereitschaftsmodus den niedrigen Pegel besitzt. Wird der Flash- Speicherbaustein des Energiespartyps verwendet, nimmt auf ähnliche Weise das Steuersignal c zum Zugreifen auf den Flash-Speicher 52 den hohen Pegel (12 V) an, während es in einem Bereitschaftsmodus den niedrigen Pegel besitzt.
Verschiedene Mikroprozessorarten schalten sich automatisch auf Energiesparmodi um, wenn die Mikroprozessoren für eine bestimmte Zeit nicht betrieben werden. In den Energiesparmodi werden die Energieversorgungen von SV auf 3,3 V umgeschaltet. Die zuvor beschriebenen Energieleitungsverbindungsschaltungen werden zur Realisierung dieser Schaltungen verwendet.
Fig. 5A und 5B zeigen Darstellungen zur Verdeutlichung der Kennlinie des EIN- Widerstandes eines n-Kanal-MOS-Transistors. Fig. 5A zeigt eine Schaltung zum Messen dieser Kennlinie, und Fig. 5B zeigt eine von der in Fig. 5A dargestellten Schaltung gemessene Kennlinie. Aus Fig. 5B ist ersichtlich, daß sich der EIN-Widerstandswert selbst bei Anliegen einer konstanten Spannung an dem Gateanschluß des Transistors in Übereinstimmung mit der Energieversorgungsspannung Vs verändert. Besitzen die in Fig. 3 gezeigten n-Kanal-MOS-Transistoren 17 und 18 identische Kennlinien, sind dementsprechend die EIN-Widerstände dieser Transistoren unterschiedlich. Wie bereits zuvor beschrieben worden ist, werden bei den herkömmlichen Schaltungen identische EIN- Widerstandswerte dadurch erzielt, daß Transistoren mit unterschiedlichen Kennlinien verwendet oder Ausgangsspannungen der Spannungswanderschaltungen eingestellt werden.
Zuvor wurden Beispiele beschrieben, bei denen die Energieleitungsschalter durch n-Kanal- MOS-Transistoren realisiert sind. Werden die Schalter durch p-Kanal-MOS-Transistoren realisiert, wird durch das Anlegen einer Spannung von OV an die Gateanschlüsse ein ausreichend niedriger EIN-Widerstandswert erzielt. Werden p-Kanal-MOS-Transistoren mit denselben Kennlinien an Energieversorgungsleitungen unterschiedlicher Spannungen angeschlossen, sind jedoch die AUS-Widerstandswerte der Transistoren unterschiedlich. Können bei den in Fig. 3 und 4 gezeigten Schaltungen, bei denen eine Lastschaltung an eine Vielzahl von Energieversorgungsleitungen angeschlossen ist, keine ausreichend hohen AUS-Widerstandswerte erzielt werden, fließen selbst im ausgeschalteten Zustand der Schalter zwischen den Energieversorgungsleitungen Ströme. Daher tritt das Problem eines erhöhten Energieverbrauches auf.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, wird gewöhnlich ein kapazitives Element zur Stabilisierung der Spannung der Energieversorgungsleitung 200 verwendet. Durch die Verwendung eines derartigen kapazitiven Elementes wird die Energieversorgungsspannung gegenüber Schwankungen der von der Geräteeinheit verbrauchten elektrischen Energie stabil gehalten. Bei Anschluß dess kapazitiven Elementes verringert sich jedoch allmählich die Spannung der Energieversorgungsleitung 200 aufgrund der in dem kapazitiven Element gespeicherten Ladung, wenn der Schalter 1 für die Energieversorgungsleitungen ausgeschaltet wird, so daß das Problem eines häufigeren Fehlbetriebs der Geräteeinheit auftritt. Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines herkömmlichen Aufbaus mit einer Entladeschaltung, bei der ein Widerstandselement parallel zu einem kapazitiven Element geschaltete ist, um das Auftreten eines Fehlbetriebs zu vermeiden.
Wie in dieser Figur gezeigt ist, besitzt die in Fig. 6 gezeigte Schaltung einen Aufbau, bei dem ein Kondensator 7 und ein Entladewiderstand 8 an die in den Fig. 1A und 1B gezeigte Schaltung angeschlossen sind, um die Spannung der Energieversorgungsleitung 200 zu stabilisieren. Die in dem Kondensator 7 gespeicherte elektrische Ladung fließt über den Widerstand 8 in eine Masseleitung, sobald der Energieleitungsschalter 1 ausgeschaltet wird, und die Spannung der Energieversorgungsleitung 200 fällt schnell ab.
Die in Fig. 6 gezeigte Ladeschaltung besitzt jedoch das Problem, daß im eingeschalteten Zustand ständig ein Strom von der Energieversorgungsleitung 200 über den Widerstand 8 zu der Masseleitung fließt. Dieser Widerstand besitzt im allgemeinen einen sehr großen Widerstandswert, und der elektrische Energieverbrauch aufgrund des durch den Widerstand fließenden Stroms ist sehr gering. Ein derartiger elektrischer Energieverbrauch könnte jedoch bei Geräten, die Batterien verwenden, zu einem ernsthaften Problem werden.
Die zuvor beschriebenen Energieversorgungsschaltungen wurden bisher durch getrennte Schaltungen mit Leistungs-FETs gebildet. Diese Schaltungen besitzen daher das Problem hoher Herstellungskosten. Es bestand daher das Bedürfnis, durch die Realisierung der Energieleitungsschalter in Form einer integrierten Schaltung die Schaltungsgröße sowie die Herstellungskosten zu verringern.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 4 eine Energieversorgung, 5 bezeichnet eine Lastschaltung, 6 bezeichnet eine Steuereinheit, 7 bezeichnet einen MOS-Transistor, 2 bezeichnet ein Spannungswandlermittel, 9 bezeichnet ein Klemmmittel und 200 bezeichnet eine Energieversorgungsleitung.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Schaltung klemmt das Klemmmittel 9 die von dem Spannungswandlermittel 2 ausgegebene umgewandelte Spannung derart, daß sie eine bestimmte Spannungsdifferenz zu einer Spannung der Energieversorgungsleitung 200 aufweist. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Gate- und dem Drainanschluß des MOS- Transistors 10 ist demnach selbst bei Veränderung der Spannung der Energieversorgungsleitung 200 konstant. Ist der MOS-Transistor 10 ein n-Kanal-MOS- Transistor, besitzt der MOS-Transistor daher im eingeschalteten Zustand einen konstanten EIN-Widerstand.
Sollen Bauelemente der Energieleitungsverbindungsschaltung in eine integrierte Schaltung integriert werden, ist es wünschenswert, daß die in dem durch das Bezugszeichen 100 bezeichneten Bereich vorhandenen Bauelemente integriert werden. Das heißt, vorzugsweise werden der MOS-Transistor 10, das Spannungswandlermittel 2 und das Klemmmittel 9 integriert.
In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Energieleitungsschalter, 4 bezeichnet eine Energieversorgung, 5 bezeichnet eine Lastschaltung, 6 bezeichnet eine Steuereinheit, 7 bezeichnet ein kapazitives Element, 200 bezeichnet eine Energieversorgungsleitung und 3 bezeichnet eine Entladeschaltung.
In der in Fig. 8 gezeigten Schaltung wird beim Ausschalten des Energieleitungsschalters 1 die in dem kapazitiven Element 7, welches die Spannung der Energieversorgungsleitung 200 stabilisiert, gespeicherte elektrische Ladung schnell über die Entladeschaltung 3 entladen. Ist der Energieversorgungsleitungsschalter 1 eingeschaltet, wird die Entladeschaltung 3 ausgeschaltet, so daß kein ungewünschter Strom durch die Entladeschaltung 3 fließt. Demzufolge kann der elektrische Energieverbrauch reduziert werden.
Fig. 9 zeigt eine Darstellung des Aufbaus des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen n-Kanal-MOS-Transistor, 4 bezeichnet eine Energieversorgung, 5 bezeichnet eine Lastschaltung, 6 bezeichnet eine Steuereinheit, 21 bezeichnet eine Ladungspumpschaltung, die ein Steuersignal verstärkt, 91 bezeichnet eine Klemmschaltung und 200 bezeichnet eine Energieversorgungsleitung. Die Ladungspumpschaltung 21 entspricht dem Spannungswandlermittel 2, und die Klemmschaltung 91 entspricht dem Klemmmittel 9.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, umfaßt die Ladungspumpschaltung 21 einen Ringoszillator 211, fünf Dioden D1, D2, D3, D4, D5, vier kapazitive Elemente C1, C2, C3, C4 und zwei Inverter INV1, INV2. Die Klemmschaltung 91 umfaßt eine Zenerdiode Z1, eine Diode Db und zwei PNP-Transistoren Q1, Q2.
Wird der n-Kanal-MOS-Transistor 11 eingeschaltet, gibt die Steuerschaltung 6 ein Steuersignal aus, welches eine zu der Ausgangsspannung (5 V) der Energieversorgung 4 ähnliche Spannung besitzt. Dieses Steuersignal wird der Anode der Diode D1 und dem Ringoszillator 211 zugeführt. Der Ringoszillator 211 beginnt anschließend zu schwingen und gibt Impulse aus. Die Impulse werden dem Inverter INV1 zugeführt, und das Ausgangssignal des Inverters INV1 wird des weiteren dem Inverter INV2 zugeführt. Auf diese Weise werden komplimentäre Impulse CK und /CK erzeugt. Nimmt CK einen niedrigen Pegel an, beträgt die Spannung an einem Knotenpunkt N1 ca. SV, und das kapazitive Element C1 wird auf diese Spannung aufgeladen. Steigt CK auf einen hohen Pegel an, erhöht sich anschließend ebenfalls die Spannung an dem Knotenpunkt N1, da die Spannung an einer Elektrode des kapazitiven Elementes C1 ansteigt. Da zwischen dem Knotenpunkt N1 und der Steuerschaltung 6 die Diode D1 vorhanden ist, wird das Potential des Knotenpunktes N1 höher als das des Steuersignals. Nimmt das Potential des Knotenpunktes N1 einen hohen Wert an, wird ein Knotenpunkt N2 durch das Potential des Knotenpunktes N1 über die Diode D2 aufgeladen und erreicht schließlich einen ähnlichen Pegel wie das Potential am Knotenpunkt N1. Zu diesem Zeitpunkt besitzt das an eine Elektrode von C2 angelegte Signal /CK einen niedrigen Pegel. Fällt CK auf einen niedrigen Pegel ab und steigt /CK auf einen hohen Pegel an, erhöht sich weiter das Potential des Knotenpunktes N2, und das Potential eines Knotenpunktes N3 erreicht ebenfalls einen Pegel, der ähnlich zu demjenigen des Knotenpunktes N2 ist. Werden diese Vorgänge wiederholt, nimmt das Potential eines Knotenpunktes N5 einen hohen Wert an, das heißt die Spannung des von der Kathode der Diode D5 ausgegebenen Signals wird verstärkt.
Der Knotenpunkt N5 ist über die Zenerdiode Z1, die Diode Db sowie die Transistoren Q1 oder Q2 mit der Energieversorgungsleitung 200 verbunden. Obwohl das Potential des Knotenpunktes N5 mit Hilfe der Ladungspumpschaltung 21 verstärkt wird, wird dieses Potential somit nicht höher als die Summe aus dem Potential der Energieversorgungsleitung 200, einem Schwellenwert VFZ1 der Zenerdiode Z1, einem Schwellenwert VFDb der Diode Db und einem Schwellenwert VBEPNP des Transistors Q1 oder Q2. Das heißt, die Spannung des Knotenpunktes NS ist um den Wert VFZI + VFDb + VBEPNP höher als die Spannung der Energieversorgungsleitung 200.
Diese Spannung wird an den Gateanschluß des N-Kanal-MOS-Transistors 11 angelegt. Da der EIN-Widerstand des MOS-Transistors konstant ist, falls die Spannungsdifferenz zwischen dem Gateanschluß und der Energieversorgungsleitung konstant ist, ist der EIN- Widerstand des in Fig. 9 gezeigten MOS-Transistors auch bei Veränderungen der Spannung der Energieversorgungsleitung konstant.
Der n-Kanal-MOS-Transistor 11 wird ausgeschaltet, wenn das von der Steuerschaltung 6 ausgegebene Steuersignal einen niedrigen Pegel annimmt. Im allgemeinen ist der AUS- Widerstand des n-Kanal-MOS-Transistors ausreichend hoch.
Soll die Energieleitungsverbindungsschaltung in eine integrierte Schaltung integriert werden, werden vorzugsweise der n-Kanal-MOS-Transistor 11, die Ladungspumpschaltung 21 und die Klemmschaltung 91 in dem IC-Chip integriert ausgebildet. Es kann jedoch auch entweder die Ladungspumpschaltung 21 oder die Klemmschaltung 91 zusammen mit dem n-Kanal-MOS-Transistor 11 in der integrierten Schaltung integriert ausgebildet werden.
Obwohl in dem ersten Ausführungsbeispiel ein n-Kanal-MOS-Transistor verwendet wird, kann auch als Schalter ein p-Kanal-MOS-Transistor verwendet werden. Wird ein p-Kanal- MOS-Transistor verwendet, wird, wie anhand Fig. 1B beschrieben worden ist, ein Steuersignal mit einem niedrigen Pegel, das heißt ein OV-Signal, an den Gateanschluß des Transistors angelegt, um die Lastschaltung mit der Energieversorgungsleitung zu verbinden, und es wird eine um einen bestimmten Wert höhere Spannung als eine Energieversorgungsspannung an den Gateanschluß angelegt, um die Lastschaltung von der Energieversorgungsleitung zu trennen. Durch das Anlegen der höheren Spannung wird ein ausreichend hoher AUS-Widerstand erzielt.
Wird ein p-Kanal-MOS-Transistor verwendet, nimmt der EIN-Widerstand einen hohen Wert an, der Schalttransistor besitzt jedoch große Abmessungen. Der Schaltungsaufbau kann aber vereinfacht werden.
Fig. 10 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer ersten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung.
In Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 121 einen n-Kanal-MOS-Transistor, der als Energieleitungsschalter dient, 321 bezeichnet einen Inverter, 322 bezeichnet einen n- Kanal-MOS-Transistor, der die Energieversorgungsleitung 200 mit einer Masseleitung verbindet, und das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen zwischen die Energieversorgungsleitung 200 und die Masseleitung geschalteten Kondensator zur Stabilisierung der Spannung der Energieversorgungsleitung 200.
Die beiden n-Kanal-MOS-Transistoren 121, 322 sowie der Inverter 321 sind innerhalb des 1C-Schalters für Energieversorgungsleitungen ausgebildet.
Das Steuersignal der Steuereinheit 6 ist an den Gateanschluß des n-Kanal-MOS-Transistors 121 sowie über den Inverter 321 an den Gateanschluß des n-Kanal-MOS-Transistors 322 angelegt. Demzufolge ist der n-Kanal-MOS-Transistor 322 im eingeschalteten Zustand des n-Kanal-MOS-Transistors 121 ausgeschaltet, und umgekehrt ist der n-Kanal-MOS- Transistor 322 eingeschaltet, wenn der n-Kanal-MOS-Transistor 121 ausgeschaltet ist. Der AUS-Widerstand des n-Kanal-MOS-Transistors 322 kann ausreichend erhöht werden, so daß selbst bei Anliegen der Energieversorgungsspannung an der Energieversorgungsleitung 200 ein sehr kleiner Strom von der Energieversorgungsleitung 200 nach Masse fließt. Wird die Zufuhr der Energieversorgungsspannung zu der Energieversorgungsleitung 200 unterbrochen, fließt die elektrische Ladung des Kondensators 7 über den n-Kanal-MOS- Transistor 322 schnell nach Masse, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlbetriebs der Geräteeinheit 5 verringert wird.
Fig. 11 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer zweiten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung, wobei statt des in Fig. 10 gezeigten n-Kanal-MOS- Transistors 322 ein p-Kanal-MOS-Transistor 332 vorgesehen ist, so daß kein Inverter verwendet werden muß.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer dritten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung, wobei der in Fig. 10 gezeigten Schaltung ein Widerstand 344 sowie ein npn-Transistor 343 hinzugefügt worden ist. Mit Hilfe dieses Aufbaus wird der npn-Transistor 343 mit dem Ein- bzw. Ausschalten des n-Kanal-MOS- Transistors 342 ein- ausgeschaltet. Durch das Einschalten des npn-Transistors 343 fließt des weiteren der Strom im Vergleich zu dem Fall, daß die in dem Kondensator gespeicherte elektrische Ladung lediglich über den in Fig. 4 gezeigten n-Kanal-MOS- Transistor 322 entladen wird, schneller nach Masse.
Fig. 13 zeigt eine Darstellung des Aufbaus gemäß einer vierten weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung, wobei als Entladetransistor ein pnp-Transistor 355 verwendet wird. Die Basis des pnp-Transistors 355 empfängt ein Ausgangssignal einer CMOS-Werterschaltung, die durch einen p-Kanal-MOS-Transistor 352 und einen n-Kanal- MOS-Transistor 353 gebildet ist. In diesem Fall kann jedoch die Schaltung nicht das Potential der Energieversorgungsleitung 200 auf das Massepotential (GND) absenken. Demzufolge sollte dieses Ausführungsbeispiel für solche Anwendungen verwendet werden, bei denen selbst bei derartigen Bedingungen keine Probleme auftreten.
Fig. 14 zeigt eine Darstellung des Aufbaus gemäß einer fünften weiteren Energieleitungsverbindungsschaltung, wobei der in Fig. 11 gezeigten Schaltung ein Widerstand 364 und ein npn-Transistor 364 hinzugefügt worden sind. Auf ähnliche Weise kann daher die elektrische Ladung schnell über den npn-Transistor 364 entladen werden.
Fig. 15 zeigt eine Darstellung des Aufbaus gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels, welches die in Fig. 9 gezeigte Ladungspumpschaltung und Klemmschaltung aufweist, der n-Kanal- MOS-Transistor der Entladeschaltung der in Fig. 10 gezeigten Schaltung hinzugefügt worden ist. Mit Hilfe dieses Aufbaus können beide zuvor erläuterten Wirkungen erzielt werden.
Wie zuvor beschrieben worden ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schalter mit einer integrierten Schaltung für Energieversorgungsleitungen zur Erzielung eines gewünschten EIN-Widerstandes und eines gewünschten AUS-Widerstandes ohne des Bedürfnisses einer komplexen externen Schaltung sowie ein Energieleitungsschalter mit integrierter Schaltung geschaffen, der die in dem zur Stabilisierung der Spannung der Energieversorgungsleitung vorgesehenen kapazitiven Element gespeicherte elektrische Ladung schnell entlädt, wenn er ausgeschaltet wird, und der im eingeschalteten Zustand keinen verschwenderischen Stromfluß zuläßt.

Claims

1. Energieleitungsverbindungsschaltung zum Steuern des Anschlusses einer Energieversorgungsleitung (200) an eine Lastschaltung (5), umfassend:

einen in der Energieversorgungsleitung (200) angeordneten MOS-Transistor (11), dessen Durchschaltverhalten durch Anlegen eines von einer Steuereinheit (6) ausgegebenen Steuersignals an den Gateanschluß des MOS-Transistors (11) verändert wird,

eine Ladungspumpschaltung (21) zum Umwandeln der Spannung des Steuersignals, und ein Klemmittel (9) zum Klemmen der von der Ladungspumpschaltung (21) ausgegebenen umgewandelten Spannung derart, daß sie zu der Spannung der Energieversorgungsleitung (200) eine bestimmte Spannungsdifferenz besitzt,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Klemmittel (9) von der Ladungspumpschaltung (21) erzeugte überschüssige Energie nach Masse entlädt.

2. Energieleitungsverbindungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Klemmittel (9) enthält:

eine Konstantspannungsabfallschaltung (Db, Z1), welche mit einem ersten Ende an die Ladungspumpschaltung (21) und den Gateanschluß des MOS-Transistors (11) angeschlossen ist, und

einen Bipolartransistor (Q2) mit einem an Masse angeschlossenen Kollektor, einem an ein zweites Ende der Konstantspannungsabfallschaltung (Db, Z1) angeschlossenen Emitter und einer an eine Energieversorgungsleitung zwischen der Lastschaltung (5) und dem MOS- Transistor (11) angeschlossenen Basis.

3. Energieleitungsverbindungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmittel (9) des weiteren einen zweiten Bipolartransistor (Q1) enthält, dessen Kollektor an Masse, dessen Emitter an das zweite Ende der Konstantspannungsabfallschaltung (Db, Z1) und dessen Basis an die Energieversorgungsleitung (200) angeschlossen ist.

4. Energieleitungsverbindungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Entladeschaltung (3), die einen Knotenpunkt zwischen dem MOS-Transistor (11, 171) und der Lastschaltung (5) mit einer Masseleitung verbindet, falls der MOS-Transistor (11, 171) ausgeschaltet ist, und den Knotenpunkt von der Masseleitung trennt, falls der MOS- Transistor (11, 171) eingeschaltet ist.

5. Energieleitungsverbindungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor (11) ein n-Kanal-MOS-Transistor ist.

6. Schalter mit integrierter Schaltung zum Steuern des Anschlusses einer Energieversorgungsleitung (200) an eine Lastschaltung (5), umfassend eine Energieleitungsverbindungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.