FR2733094A1 - Circuit a pompe de charge ameliore pour commutation de cote haut - Google Patents

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Bruno C Nadd
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International Rectifier Corp USA
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Abstract

La présente invention concerne un circuit de commutation monolithe de côté haut intégré dans une puce de silicium dans lequel la pompe de charge (40) est connectée à la borne de masse par un circuit à courant constant (53) et est flottante par rapport à la borne de masse pour réduire la génération de bruit. La pompe de charge (40) est connectée à une borne Vcc par un MOSFET auxiliaire (90) de puissance ayant sa grille connectée au circuit de sortie de la pompe de charge (40). Les diodes classiques de pompe de charge sont appliquées comme des MOSFET qui peuvent être intégrés facilement dans la puce monolithe commune. Un circuit de verrouillage d'amplitude à travers la pompe de charge (40) permet l'utilisation dune basse tension, de condensateur de petite surface pour un dispositif de tension élevée.

Description

f
CIRCUIT A POMPE DE CHARGE AMELIORE POUR COMMUTATION DE COTE
HAUT La présente invention concerne des commutateurs de côté haut (commutateur à point chaud) et concerne, plus particulièrement, un nouveau circuit, pour la pompe de charge de ces circuits, qui a un bruit réduit, un rendement accru et qui est plus facilement intégré dans une puce commune de semi-conducteur qui comprend le dispositif de puissance du commutateur de côté haut. Les commutateurs de côté haut sont bien connus pour de nombreuses applications dans lesquelles une charge avec une borne à la masse doit être commandée à partir d'une alimentation et qui comprend un dispositif de puissance commandé par porte MOS ("MOSgated") ayant une borne de grille qui requiert un potentiel plus élevé que celui de l'alimentation pour rendre le commutateur passant. Un circuit de "pompe de charge" est communément prévu pour produire la tension plus élevée requise pour rendre le dispositif de puissance à porte MOS passant, quand il est commandé de faire ainsi par un signal d'entrée. Ces dispositifs sont communément des puces de circuit intégré dans lesquels le dispositif de puissance à porte MOS, la pompe de charge et d'autres circuits
de commande sont intégrés dans une puce commune de semi-conducteur.
Les conducteurs de côté haut actuellement disponibles présentent plusieurs problèmes comprenant les suivants: * Un bruit intense est généré à la fois dans les bornes de tension d'alimentation et de masse dans de nombreuses applications, du fait de la charge et de la décharge à
2 0 fréquence élevée (1 MHz) du condensateur doubleur de tension dans la pompe de charge.
* Le condensateur de la pompe de charge requiert une surface d'oxvde et de silicium excessivement épaisse quand il est intégré dans une puce de silicium pour des applications de tension d'alimentation élevée, par exemple, celles plus grandes que 12 volts. * Le commutateur d'état bloqué requis pour déconnecter le dispositif de puissance à porte MOS de la pompe de charge dans l'état "bloqué" du dispositif est difficile à appliquer dans un mode de réalisation de puce canal N o des transistors MOS à effet de
champ (MOSFET) de commande canal P à tension élevée ne sont pas disponibles.
* La réalisation monolithe de la diode du doubleur de tension dans la pompe de charge est difficile et elle ne peut pas être intégrée comme une simple diode P/N dans le substrat épitaxial N d'un circuit intégré classique employant un procédé de conduction
verticale auto-isolé.
* La tension de sortie du circuit de la pompe de charge est réduite par les chutes de tension directe de la diode dans le circuit doubleur de la pompe de charge, ce qui a un
effet majeur dans les applications de basse tension.
La présente invention prévoit un nouveau circuit de pompe de charge pour des commutateurs de côté haut qui a un faible bruit et un rendement élevé et qui est plus facilement intégrable dans la même puce contenant le dispositif de puissance à porte MOS. Selon la présente invention, un nouveau circuit de pompe de charge est prévu pour un commutateur de côté haut dans lequel la pompe de charge est déconnectée de la borne de masse du circuit intégré et est plutôt connectée à un noeud flottant. Le noeud flottant
est ensuite connecté à la masse du circuit intégré par une source de courant constant.
Donc, le courant provenant de la borne de source est constant, diminuant ainsi le bruit
aux bornes de masse et de tension de source.
Etant donné que la pompe de charge est connectée à un noeud flottant, il est possible de verrouiller la tension de la pompe de charge à une tension basse, bien que la tension de sortie du dispositif soit plus élevée. Donc, la tension à travers le condensateur de la pompe de charge est basse, même pour un dispositif de tension élevée et sa taille
est limitée.
Comme caractéristique supplémentaire de l'invention, un commutateur de commande d'état bloqué connecté entre la borne d'entrée de la pompe de charge et la borne de source d'alimentation est réalisé sous forme d'un MOSFET de commande canal N dans une puce de circuit intégré contenant une section de dispositif de puissance à porte MOS canal N. Le dispositif MOSFET de commande canal N est ensuite connecté à un circuit de réaction à la pompe de charge. Un nouveau circuit de démarrage est
employé pour initialement rendre passant le MOSFET canal N de commande.
Comme encore une autre caractéristique de l'invention, les diodes du doubleur de tension sont appliquées comme redresseurs synchrones consistant en un MOSFET à la place d'une diode et en une résistance et un MOSFET pour l'autre diode. Ces composants sont facilement intégrés dans le substrat épitaxial N d'un circuit intégré comprenant un dispositif de puissance principal à porte MOS canal N. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention deviendront évidents
à partir de la description suivante de l'invention qui fait référence aux dessins joints.
La figure 1 est un schéma de réalisation d'un commutateur de côté haut connu.
La figure 2 montre un circuit de pompe de charge de l'art antérieur, formé comme un doubleur de tension, qui est utilisé pour le circuit de la figure 1 pour fournir une
commande de grille pour le dispositif de puissance à porte MOS.
La figure 3 montre la tension de grille fournie au dispositif de puissance à porte
MOS de la figure 2 comme une fonction du temps.
La figure 4 montre le nouveau circuit de côté haut de l'invention dans lequel
n'importe quel circuit de pompe de charge souhaité est connecté à un noeud flottant.
La figure 4a montre le circuit de la figure 4 avec un mode de réalisation préféré pour un circuit à courant constant connectant le noeud flottant de n'importe quel circuit
de pompe de charge souhaité à la masse du circuit intégré.
La figure 5 montre le circuit de la figure 4 avec la pompe de charge de la figure 2
2 o et avec un mode de réalisation modifié de circuit à courant constant.
La figure 5a montre une application préférée en silicium d'un transistor ajouté dans le circuit à courant constant de la figure 5 pour permettre au dispositif de résister à une
tension élevée.
La figure 6 montre le courant du circuit à courant constant, superposé au courant de sortie de pompe de charge pour le circuit de la figure 5 pour démontrer le niveau de
bruit réduit aux bornes de puissance et de masse du circuit.
La figure 7 montre le circuit de la figure 4, modifié pour employer un MOSFET auxiliaire pour appliquer le commutateur d'état bloqué, montré schématiquement sur les
figures 4 et 5.
La figure 8 montre le circuit de la figure 5 qui est modifié pour comprendre le
MOSFET de puissance auxiliaire de la figure 7 et un nouveau circuit de démarrage.
La figure 9 montre le circuit de la figure 8 avec un circuit de démarrage modifié.
La figure 10 est un schéma fonctionnel d'un circuit de côté haut, qui emploie le nouveau dispositif MOSFET auxiliaire des figures 7, 8 et 9 combiné à un nouveau
circuit de démarrage et à un type connu de pompe de charge mise à la masse.
La figure 11 est une coupe d'une partie d'une puce de circuit intégré qui comprend une diode de pompe de charge connectée à la grille du dispositif principal pour montrer
les problèmes de son intégration dans la puce.
La figure 12 montre le circuit de pompe de charge de la figure 2 dans lequel la diode connectée à la grille du dispositif MOSFET de puissance est remplacée par un transistor et une résistance qui sont facilement intégrables dans une puce de silicium
commune avec le dispositif de puissance à porte MOS.
Les figures 13a, 13b et 13c montrent le fonctionnement du circuit de la figure 12
sur une base de temps commune.
La figure 14 montre le circuit de la figure 12 dans lequel la résistance de la
combinaison résistance-transistor est remplacée par un transistor à déplétion.
La figure 15 montre une amélioration du circuit de la figure 14 pour permettre
l'application de la tension totale de 2Vcc à la grille du dispositif de puissance.
Les figures 16a, 16b et 16c montrent des formes d'onde qui décrivent le
fonctionnement du circuit de la figure 15.
La figure 17 montre le circuit de la figure 15 avec une application pushpull.
Les figures 18a à 18d sont des formes d'onde sur une base de temps commune
pour expliquer le fonctionnement du circuit de la figure 17.
DESCRIPTION DETAILLEE DES DESSINS
Se référant d'abord à la figure 1, un circuit typique de commutation de côté haut de l'art antérieur est montré. Ces circuits sont utilisés dans de nombreuses applications, par exemple, automobiles, dans lesquelles il est nécessaire de commander une charge ayant une borne à la masse. Ainsi, sur la figure 1, une batterie 30 est connectée à la charge 31 à travers un MOSFET 32 de puissance canal N. La borne négative de la batterie 30 et un côté de la charge 31 sont connectés à une masse commune, par exemple, un châssis de voiture. La borne positive de la batterie 30 est à une tension Vcc, qui peut être de 12 volts. Le MOSFET 32 de puissance peut être n'importe quel autre dispositif à porte MOS souhaité, tel qu'un IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) ou un thyristor à porte
MOS ou similaire.
Quand le MOSFET 32 est à l'état passant, sa source est proche du potentiel d'alimentation Vcc. Afin d'avoir une faible chute de tension drain à source, il est nécessaire de polariser la grille G du MOSFET 32 à un potentiel de 5 à 10 volts au- dessus du potentiel de la source S, qui est de 5 à 10 volts au-dessus de Vcc. Dans la plupart des cas, particulièrement quand le commutateur de côté haut est appliqué comme un circuit intégré autonome, aucune tension d'alimentation au-dessus de Vcc n'est
disponible dans le système et une tension au-dessus de Vcc doit être générée sur la puce.
Cela est communément réalisé par un multiplieur de tension capacitif, souvent appelé
pompe de charge.
La figure 2 montre un circuit doubleur de tension 40 connu, utilisé communément dans les commutateurs de côté haut, connecté au commutateur de côté haut de la figure 1. Le circuit doubleur 40 emploie un circuit 41 oscillateur d'onde rectangulaire, dont la sortie est mise en mémoire par la mémoire tampon 42. Le noeud 43 de sortie de la mémoire tampon 42 est connecté au condensateur 44 qui est connecté à la diode 45 et chargé à travers celle-ci à partir de la source Vcc. Le noeud entre le condensateur 44 et la diode 45 est connecté à la diode 46 qui est, à son tour, connectée à la grille du MOSFET 32. Deux dispositifs de commutation, montrés comme les commutateurs 47 et 48, sont prévus dans lesquels le commutateur 47 est susceptible d'être actionné pour connecter et déconnecter le noeud 49 de l'alimentation 30 et le commutateur 48 se ferme dans l'état bloqué du dispositif MOS à effet de champ 32 pour amener la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 à la masse (ou à la source du dispositif MOS à effet
de champ 32).
La pompe de charge 40 fonctionne comme suit: Quand le noeud 43 à la sortie de la mémoire tampon 42 est bas, le condensateur 44 est chargé à partir de Vcc à travers la diode 45. Quand le noeud 43 à la sortie de la mémoire tampon 42 est haut, la charge du condensateur 44 est transférée à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32, à travers la diode 46. La tension sur la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 augmente ensuite par pas, comme montré sur la figure 3, et la tension à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 approche 2Vcc
pour rendre le dispositif MOS à effet de champ 32 passant.
Pour rendre le dispositif MOS à effet de champ 32 bloqué, le commutateur 48 se ferme pour amener la tension de grille à la masse et le commutateur 47 est ouvert pour
isoler le noeud 49 de l'alimentation.
Le circuit de la figure 2 présente les désavantages suivants 1. La charge et la décharge du condensateur 44 à fréquence élevée, typiquement 1 MHz, génèrent un courant de fréquence élevée dans le Vcc et les noeuds de borne de masse et les bornes de boite associées du circuit intégré 40, entraînant des problèmes de
bruit intense dans de nombreuses applications.
2. Il est difficile d'appliquer le commutateur 47 dans une puce unique de silicium pour tout le circuit avec la plupart des procédés disponibles, surtout quand aucun
dispositif MOS à effet de champ canal P n'est disponible.
3. Il est difficile d'étendre l'utilisation du circuit à des applications avec des tensions Vcc élevées parce que la totalité de Vcc est appliquée à travers le condensateur 44. Donc, pour appliquer un condensateur 44 dans un circuit intégré pour une tension élevée, des oxydes d'épaisseur prohibitive et une surface de silicium plus grande sont nécessaires. La figure 4 montre un premier mode de réalisation de la présente invention, dans lequel le circuit de la figure 2 est modifié en connectant le conducteur 50 de masse de la pompe de charge 40 (montrée comme un bloc sur la figure 4) à un noeud flottant 51. Le noeud flottant 51 est ensuite connecté à la masse 52 par un circuit 53 de source de courant constant. Un régulateur de tension, par exemple, une diode de Zener 54
connecte les noeuds 49 et 51.
La pompe de charge 40 peut être de n'importe quel type souhaité, comprenant mais non limité à celui de la figure 2. Une caractéristique significative du circuit de la figure 4 est que la pompe de charge 40 est connectée au noeud flottant 51 au lieu du noeud de masse 52. Le courant dans les bornes de masse et les bornes Vcc du circuit seront donc de pur courant direct, compte tenu de la source 53 de courant constant, afin que le
fonctionnement de la pompe de charge 40 ne génère aucun bruit à ces bornes.
La figure 4a montre le circuit de la figure 4 avec la source 53 de courant constant appliquée comme un MOSFET 60 canal N, dont la grille est commandée par des dispositifs MOS à effet de champ de commande 61 et 62 en cascade qui sont
respectivement des MOSFET à enrichissement et à déplétion.
La figure 5 montre le circuit de la figure 4, utilisant la pompe de charge de la figure 2 et une source de courant constant modifiée. Plus explicitement, la source de courant sur la figure 5 comprend un MOSFET 70 canal N ajouté qui est facilement
intégré, comme cela sera décrit ultérieurement.
Dans le circuit des figures 4, 4a et 5, la tension d'alimentation Vcc est plus grande que la tension de coude de la diode de Zener 54. Si le courant i53, dans le circuit 53 à courant constant est plus grand que le courant i41 de la pompe de charge 41 alors, comme montré sur la figure 6, le courant dans les bornes de masse et de Vcc du circuit intégré sera un courant direct pur. Donc, le courant de fréquence élevée de la pompe de charge ne génère aucun bruit ou un bruit très faible. Les commutateurs de côté haut actuellement disponibles, tels que l'IR6000, réalisé par l'International Rectifier Corporation et le BTS410E réalisé par Siemens ont des courants Vcc/masse crête-à-crête qui dépassent 0,1 milliampère. Les circuits employant le noeud flottant 53 des figures 4, 4a et 5 ont un bruit de 20 microampères crête-à-crête ce qui est difficile à discerner du
bruit de fond.
Un autre avantage des circuits des figures 4, 4a et 5 est que la tension à travers le condensateur 44 est limitée à la tension de zener (Vcc - V51) o V51 est la tension au noeud 51. Donc, un circuit de pompe de charge de tension élevée peut être élaboré avec des condensateurs basse tension avec des oxydes minces et une surface de matrice plus petite sans sacrifier à la fiabilité. A titre d'exemple, le circuit de la figure 5 peut fonctionner avec un Vcc allant jusqu'à 60 volts tandis que la tension appliquée au
condensateur de pompe de charge est limitée à 7 volts.
Comme mentionné auparavant, le circuit 53 à courant constant sur la figure 5 comprend un dispositif MOS à effet de champ 70 ajouté. Le dispositif MOS à effet de champ 70 est un dispositif MOS à effet de champ de tension relativement élevée à utiliser dans des applications de tension élevée pour enlever la tension élevée du dispositif MOS à effet de champ 60. Une tension de grille fixée, par exemple, 7 volts, est appliquée à la grille du dispositif MOS à effet de champ 70 et il est facilement intégré
dans la puce commune qui comprend tous les autres éléments de circuit de la figure 5.
3 0 L'application du dispositif MOS à effet de champ 70 comme un dispositif MOS à effet de champ à drain légèrement dopé est montrée sur la figure Sa qui est une coupe d'une partie de la puce. Ainsi, la puce 71 a un substrat N 72 légèrement dopé qui reçoit toutes les jonctions qui réalisent le circuit. La section de puissance de la puce qui définit le dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance, consiste en n'importe quel modèle de jonction souhaité et peut être un dispositif de conduction verticale ayant une pluralité de diffusions de base P 73 espacées qui comprennent des sources respectives, telles que la source N+ 74. Les régions de canal de chacune des bases 73 sont recouvertes par une grille 75 de MOS qui peut être une grille de polysilicium. La grille 75 est isolée de manière classique de l'électrode 76 de source qui est en contact avec chacune des bases 73 et leurs sources 74 respectives. Une électrode 76a de drain est formée sur le fond de
la puce 72 et est connectée à Vcc.
Des puits P, tels que le puits P 77, sont également diffusés dans la même puce pour comprendre les circuits de commande pour le dispositif de puissance principal. La figure Sa montre un tel puits P 77 qui comprend le dispositif MOS à effet de champ 70. Ainsi, le dispositif MOS à effet de champ 70 est un dispositif canal N comprenant une diffusion 78 de source N+, une diffusion 79 de drain N et une diffusion 80 de contact de drain N+. Sa grille 81 de polysilicium s'étend à travers la région de canal P entre les diffusions 78 et 79. Ainsi, le dispositif MOS à effet de champ 70 est facilement formé dans la puce 71, en utilisant beaucoup des mêmes étapes de traitement qui forment la
section de puissance 32.
La puce 71 est logée de manière classique après son achèvement et des bornes disponibles extérieurement s'étendent à travers le boîtier vers les diverses électrodes du dispositif. Ainsi, une borne de Vcc sera connectée à l'électrode 76a de drain et une borne de source sera connectée à l'électrode de source au noeud 82 sur les figures 4a et 5. Une borne de masse sera également connectée aux noeuds de masse dans la puce 71,
qui sont montrés dans le circuit des figures 4a et 5.
La figure 7 montre le circuit de la figure 4 avec le commutateur 47 appliqué comme un dispositif MOS à effet de champ 90 canal N de puissance auxiliaire qui peut facilement être intégré dans la puce 71 du circuit intégré de la figure Sa avec n'importe quel procédé de dispositif MOS à effet de champ de puissance classique étant donné que
les dispositifs MOS à effet de champ 32 et 90 ont un drain commun.
3 o Le commutateur 48 sur la figure 7 est appliqué comme un transistor NMOS latéral
avec un drain légèrement dopé, similaire au dispositif MOS à effet de champ 70.
Pendant le fonctionnement à l'état stable du circuit de la figure 7, la pompe de charge 40 fournit une tension au noeud 91 qui est connecté à la grille du dispositif MOS à effet de champ 90 de puissance qui est 5 à 10 volts au-dessus de Vcc. Le dispositif MOS à effet de champ 90 est ainsi totalement rendu passant et la pompe de charge 40 reçoit la puissance en provenance de Vcc. Afin de rendre le circuit de la figure 7 passant, un circuit de démarrage est nécessaire, comme montré sur la figure 8, pour élever initialement le noeud 49 pour démarrer l'action de pompage de charge. Ainsi, sur la figure 8, un circuit de démarrage comprenant la diode 91, le commutateur 92 et la source 93 de tension, est prévu. La source 93 de tension a une tension basse qui peut être dérivée de Vcc. Le commutateur
92 peut être appliqué comme un transistor basse tension.
Dans le fonctionnement du circuit de la figure 8, à la commutation à l'état passant,
le commutateur 92 se ferme pour fournir une tension initiale à la pompe de charge 40.
La pompe de charge 40 commencera ensuite à s'alimenter à partir de Vcc à travers le
transistor 90 qui est rendu passant et le circuit fonctionnera comme décrit auparavant.
La figure 9 montre un autre mode de réalisation du circuit de démarrage de la figure 8 et emploie les transistors 100 et 101 et la résistance 102. Dans le fonctionnement du circuit de la figure 9, à la commutation à l'état passant, la grille du transistor 100 est mise à la masse par le circuit 103 de commande de démarrage. La base du transistor bipolaire 101 est élevée par la résistance 102 qui est appliquée comme un transistor à déplétion qui a une valeur de résistance élevée équivalente à environ 1 mégohm. Ainsi, le noeud 49 est élevé à (Vcc - 0,6) volts, démarrant le fonctionnement
de la pompe de charge 40.
Le nouveau dispositif MOS à effet de champ 90 auxiliaire et n'importe quel circuit de démarrage 110 souhaité peuvent être utilisés avec le circuit de la figure 2 dans lequel la pompe de charge 40 est référencée à la masse, ainsi qu'avec le nouveau circuit de pompe de charge avec un noeud flottant comme sur la figure 4. La figure 10 est un
schéma fonctionnel d'un tel circuit.
Le circuit de pompe de charge des figures précédentes emploie la diode 46 dans le circuit de chargement. Il est difficile et parfois impossible d'intégrer cette diode dans un circuit intégré monolithe. La figure 11 montre une tentative pour intégrer une diode 46 dans le puits P 120 dans le substrat N- 72 de la figure Sa. La diode 46 est formée par la diffusion N+ 121 dans le puits 120. Les électrodes 122 et 123 sont respectivement connectées aux régions 120 et 121 pour former les électrodes de la diode 46. Etant donné que le substrat épitaxial 72 est le drain du dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance et qu'il est connecté à Vcc, la diode 46 ne peut pas être intégrée comme une simple diode PN parce que son anode doit être capable de flotter plusieurs volts au- dessus de Vcc. Cependant, cela est impossible à cause de la diode 124 parasite entre
l'anode de la diode 46 et Vcc. Une intégration simple de la diode 46 est donc impossible.
Un autre désavantage des diodes 45 et 46 dans la pompe de charge de la figure 2 est qu'elles réduisent la tension de sortie de la pompe de charge 40 par leurs chutes de tension directe à (2Vcc - 2Vf) (o 2Vf est la chute de tension directe des diodes 45 et 46). Cela peut être une réduction importante pour les applications à Vcc faible telles que
des micro-ordinateurs portatifs ou des applications automobiles.
La figure 12 montre un circuit de pompe de charge modifié dans lequel la diode 46 est remplacée par des composants plus facilement intégrables et avec une chute de tension directe réduite dans la sortie du circuit de pompe de charge. Ainsi, la diode 46 est remplacée par le transistor à enrichissement 130, le transistor à déplétion 131, la résistance 132 et une diode 133 de substrat du transistor 131. Ces composants sont
facilement intégrés dans le substrat 72 de la figure 11.
Le fonctionnement du circuit de la figure 12 est décrit comme suit, en relation avec les figures 13a, 13b et 13c qui montrent les tensions aux noeuds 134-43 135 et 136, respectivement. Ainsi, la première fois que la sortie de la mémoire tampon 42 au noeud 43 devient haute, le noeud 136 à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 se charge jusqu'à (Vcc Vf), à travers la diode 133 du substrat du transistor à déplétion 131. Quand la sortie au noeud 43 devient basse, le condensateur 44 se charge à travers la diode 45. Pendant cette période, le transistor 131 est dans son état bloqué; sa source au noeud 134 et son drain au noeud 136 étant à (Vcc - Vf) tandis que sa grille au noeud 135 et son substrat sont à 0 volt. Ainsi, le transistor 131 est à l'état bloqué et la grille du
dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance est isolée du reste du circuit.
Quand le noeud 43 devient haut, le noeud 134 s'élève à (2Vcc - Vf). Le transistor 130 commute alors à l'état bloqué, permettant à la grille du transistor 131 d'atteindre le potentiel de sa source à travers la résistance 132. Etant donné que le transistor 131 est un
dispositif à déplétion, il commute à l'état passant avec 0 volt entre la grille et la source.
Donc, la charge sur le condensateur 44 sera transférée à la grille du dispositif MOS à
effet de champ 32 à travers le transistor 131.
Ce processus continue à chaque cycle jusqu'à ce que le potentiel du noeud 136 montré sur la figure 13c atteigne la limite de (2Vcc - Vf). Notez que cette limite est plus élevée que celle du circuit de l'art antérieur de la figure 2 d'une chute de tension de diode Vf parce qu'il y a seulement une diode dans le chemin de courant. De plus, les transistors 130, 131 et la résistance 132 peuvent être facilement intégrés dans le circuit
intégré parce que le substrat du transistor 131 ne dépasse jamais Vcc.
La figure 14 montre un mode de réalisation du circuit de la figure 12 dans lequel la résistance 132 de la figure 12 est remplacée par un dispositif MOS à effet de champ 140 à déplétion qui est facilement intégré dans le substrat du circuit intégré. La figure 15 montre une modification du circuit de la figure 12 qui réduit même davantage la chute de tension de la sortie de la pompe de charge à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 et élimine toutes chutes de tension de diode. Ainsi, le transistor 150, la résistance 151, le condensateur 152, la diode 153 et le transistor 154 sont ajoutés au circuit de la figure 15 pour éviter la chute de tension produite par la diode 45 sur la figure 12. Notez que le dispositif MOS à effet de champ 150 remplace la diode 45 du circuit de la figure 12. Le fonctionnement du circuit de la figure 15 est mieux compris à partir des courbes des figures 16a, 16b et 16c. Les potentiels aux noeuds 134-43, 160-161 et 135-162, respectivement, sur la figure 15 sont montrés sur les figures 16a, 16b et 16c. La première fois que la sortie au noeud 43 devient haute, la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance au noeud 136 se charge à (Vcc - Vf) à travers la diode 133 du substrat du transistor à déplétion 131. En même temps, le noeud 161 est bas et le
condensateur 152 est chargé jusqu'à (Vcc-Vf) à travers la diode 153.
Quand le noeud 161 devient haut, le noeud 43 devient bas. Etant donné que le
condensateur 152 est déjà chargé à (Vcc - Vf), le noeud 160 sera poussé à (2Vcc - Vf).
Etant donné que le transistor 154 est bloqué, le noeud 162 sera aussi poussé à (2Vcc -
Vf) et le transistor 150 sera totalement "passant". Le condensateur 44 se chargera ensuite jusqu'à Vcc à travers le transistor 150. Pour les mêmes raisons que celles décrites à propos du circuit de la figure 12, le transistor 131 sera bloqué pendant ce temps et la
grille du dispositif MOS à effet de champ 32 est isolée du circuit.
Quand le noeud 43 devient ensuite haut, le transistor 154 commute à l'état passant et le noeud 162 chute à 0 volts, rendant le transistor 150 bloqué,permettant au noeud 134 de s'élever à 2Vcc. Pour les mêmes raisons que sur la figure 12, le transistor 131 commute à l'état passant et la charge sur le condensateur 44 se transfèerera à travers le transistor 131 à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32. Le même processus se répète à chaque cycle jusqu'à ce que la tension au noeud 136 atteigne 2Vcc. Ainsi, la tension au noeud 136 est plus élevée de 2Vf que celle de la pompe de charge de la figure 2 parce qu'il n'y a aucune diode dans le chemin de courant. La figure 17 montre le circuit de base de la figure 8 appliqué comme un circuit push-pull. Les deux moitiés du circuit sont symétriques, la moitié gauche du circuit utilisant les mêmes numéros que sur la figure 8 et le côté droit du circuit utilisant les mêmes numéros avec le suffixe "a". Seule une partie du commutateur de côté haut est montrée, particulièrement le dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance ayant sa
grille connectée au noeud 136, comme montré par la liaison en trait pointillé.
Le fonctionnement du circuit de la figure 17 est mieux compris avec référence aux
figures 18a, 18b, 18c et 18d qui montrent respectivement les tensions aux noeuds 134-
43, 134a-43a, 135-135a et 136 sur la figure 17. Il sera vu sur les figures 18a, 18b et 18c que les potentiels aux noeuds 134, 43 et 135 sont en opposition de phase par rapport aux
2 0 potentiels aux noeuds 134a, 43a et 135a, respectivement.
Quand le noeud 43 est bas, le noeud 43a est à Vcc et le noeud 134a est à 2Vcc.
Donc, le transistor 150 est totalement "passant" et le condensateur 44 est chargé jusqu'à Vcc par le transistor 150. Pendant cette période, le transistor 130 est "passant" afin que le transistor 131 soit "bloqué". De même, le transistor 130a est "bloqué" afin que le transistor 131a soit "passant" et que la charge du condensateur 44a soit transférée au
noeud 136 et à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance.
Le noeud 43 monte ensuite à Vcc et le noeud 134 est poussé à 2Vcc. Cela commute le transistor 150a totalement "à l'état passant", ce qui commute le transistor "à l'état bloqué" et empêche la décharge du condensateur 44 à travers le transistor 150. Etant donné que le transistor 150a est "passant" et que le noeud 43a est bas, le condensateur 44a sera chargé jusqu'à Vcc à travers le transistor 150a. Pendant cette période, le transistor 130a est "passant", ainsi le transistor 131a est "bloqué". De même, le transistor 130 est "bloqué", ainsi le transistor 131 est "passant" et la charge du condensateur 44 est transférée à la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 de puissance. Le même processus a lieu à chaque demi-cycle d'horloge jusqu'à ce que la tension sur la grille du dispositif MOS à effet de champ 32 atteigne la limite de 2Vcc. Comme dans le circuit de la figure 12, la tension de sortie de la pompe de charge n'est pas affectée par la moindre chute de tension de diode parce qu'il n'y a aucune diode dans le
chemin de courant.
Notez que le circuit de la figure 17 double la fréquence apparente de la pompe de
charge et réduit donc l'ondulation au noeud 136 d'un facteur 2.
Bien que la présente invention ait été décrite par rapport à ses modes de réalisation particuliers, de nombreuses autres variations et modifications et d'autres utilisations
deviendront évidentes pour ceux maîtres dans l'art.

Claims (21)

REVENDICATIONS
1. Circuit de commutateur de côté haut caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance ayant des première et seconde électrodes de puissance et une électrode de commande; un circuit de pompe de charge ayant des première et seconde bornes de puissance et une borne de sortie; un circuit de source de courant constant (53) ayant des bornes d'entrée et de sortie; une borne de tension d'entrée Vcc connectée à ladite première électrode de puissance dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance et susceptible d'être connectée à une source de puissance; une borne de charge connectée à ladite seconde électrode de puissance dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance et susceptible d'être connectée à une charge mise à la masse qui est capable
d'être excitée à partir de ladite source de puissance quand ledit dispositif à semi-
conducteur à porte MOS de puissance est fermé; et une borne de masse susceptible d'être connectée à ladite charge mise à la masse; ledit circuit de pompe de charge étant susceptible d'être actionné pour produire une tension de sortie à sa dite borne de sortie qui est plus élevée que ladite tension d'entrée Vcc; ladite première borne de puissance dudit circuit de pompe de charge étant connectée à ladite borne de tension d'entrée Vcc; ladite seconde borne de puissance dudit circuit de pompe de charge connectée à ladite borne d'entrée dudit circuit à courant constant; ladite borne de sortie dudit circuit à courant constant connectée à ladite borne de masse, de telle manière que ladite seconde borne de puissance ait un potentiel flottant; ladite borne de sortie dudit circuit de pompe
de charge étant connectée à ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-
conducteur à porte MOS de puissance pour fournir une tension suffisamment plus élevée
que la tension de ladite seconde borne pour rendre passant ledit dispositif à semi-
conducteur à porte MOS de puissance.
2. Circuit selon la revendication 1, qui est de plus caractérisé en ce que ledit
dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance est un MOSFET de puissance.
3. Circuit selon les revendications 1 ou 2, qui est de plus caractérisé en ce qu'il
comprend des premiers moyens de commutation susceptibles d'être actionnés pour connecter et déconnecter ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance à ladite borne de masse quand lesdits premiers moyens de commutation déconnectent et connectent ladite première borne de puissance de la pompe
à ladite borne d'entrée Vcc, respectivement.
4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, qui est de plus
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de verrouillage de tension connectés entre lesdites première et seconde bornes de puissance dudit circuit de pompe de charge pour
limiter la tension entre celles-ci.
5. Circuit selon la revendication 4, qui est de plus caractérisé en ce que lesdits
1 0 moyens de verrouillage de tension comprennent une diode de Zener (54).
6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui est de plus
caractérisé en ce que ledit circuit de pompe de charge comprend, en combinaison: un oscillateur (41) d'onde rectangulaire connecté auxdites première et seconde bornes de puissance dudit circuit de pompe de charge et actionné à partir de celles-ci, et ayant une borne de sortie d'oscillateur, une mémoire tampon (42) d'inverseur connectée à ladite borne de sortie d'oscillateur, un condensateur de stockage de charge, une première diode et une seconde diode; ladite mémoire tampon (42) d'inverseur ayant une sortie connectée en série avec ledit condensateur et ladite première diode à ladite électrode de commande dudit dispositif à porte MOS de puissance; ladite seconde diode connectée à partir de ladite borne de tension d'entrée Vcc au noeud entre ledit condensateur et ladite première diode de telle manière que, quand la sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur est basse, ledit condensateur est chargé à partir de la tension à ladite borne Vcc et à travers ladite seconde diode et, quand ladite sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur est haute, la tension dudit condensateur plus la tension de ladite borne 2 5 Vcc sont appliquées en série à travers ladite première diode à ladite borne de commande
dudit dispositif à porte MOS de puissance.
7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, qui est de plus caractérisé en
ce que ledit circuit à courant constant (53) comprend un premier MOSFET de commande ayant des électrodes de drain et de source connectées respectivement à
1 6 2733094
ladite seconde borne de puissance dudit circuit de pompe de charge et à ladite borne de masse et un MOSFET à enrichissement (61) et un MOSFET à déplétion (62) en cascade, connectés entre une source de tension auxiliaire et ladite borne de masse; le noeud entre lesdits MOSFET à enrichissement et à déplétion (61, 62) connecté à leurs grilles respectives et à la grille dudit premier MOSFET de commande.
8. Circuit selon la revendication 7, qui est de plus caractérisé en ce que le commutateur (49) est constitué par un second MOSFET de commande combiné audit premier MOSFET pour augmenter la tension entre ladite seconde borne de puissance dudit circuit de pompe de charge et ladite borne de masse sans rupture dudit premier
MOSFET de commande.
9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé de plus en
ce que le commutateur (47) est constitué par un MOSFET de puissance auxiliaire (90) ayant des première et seconde bornes de puissance et une borne de grille; lesdites première et seconde bornes de puissance dudit MOSFET de puissance auxiliaire connectées respectivement à ladite première borne de puissance dudit circuit de pompe de charge et ladite borne de tension d'entrée Vcc; ladite borne de grille dudit MOSFET
de puissance auxiliaire connectée à ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-
conducteur à porte MOS de puissance.
10. Circuit selon la revendication 9, qui est de plus caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de circuit de démarrage (110) couplés entre une source de tension d'alimentation auxiliaire et ledit circuit de pompe de charge pour démarrer ledit circuit
de pompe de charge avant que ledit MOSFET de puissance auxiliaire (90) soit passant.
11. Circuit de commutateur de côté haut caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance ayant des première et seconde électrodes de puissance et une électrode de commande; un circuit de pompe de charge ayant des première et seconde bornes de puissance et une borne de sortie; une borne de tension d'entrée Vcc connectée à ladite première électrode de puissance dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance et susceptible d'être connectée à une source de puissance; une borne de charge connectée à ladite 3 0 seconde électrode de puissance dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance et susceptible d'être connectée à une charge mise à la masse qui est excitée à partir de ladite source de puissance quand ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance est fermé; et une borne de masse susceptible d'être connectée à ladite charge mise à la masse; ledit circuit de pompe de charge étant susceptible d'être actionné pour produire une tension de sortie à sa dite borne de sortie qui est plus élevée que ladite tension d'entrée Vcc; ladite seconde borne de puissance dudit circuit de pompe de charge connectée à ladite borne de masse, de telle manière que ladite borne de sortie dudit circuit de pompe de charge soit connectée à ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance pour fournir une tension suffisamment plus élevée que la tension de ladite seconde borne pour rendre passant ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance; un commutateur de mise à la terre connecté à ladite électrode de commande dudit dispositif à porte MOS de puissance pour mettre à la terre ladite électrode de commande quand ledit commutateur de mise à la terre est fermé; et un MOSFET de puissance auxiliaire (90) ayant des première et seconde bornes de puissance et une borne de grille; lesdites première et seconde bornes de puissance dudit MOSFET de puissance auxiliaire connectées respectivement à ladite première borne de puissance dudit circuit de pompe de charge et ladite borne de tension d'entrée Vcc; ladite borne de grille dudit MOSFET de puissance auxiliaire connectée à ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance afin que, quand ledit commutateur de mise à la terre est fermé, ladite borne de grille dudit MOSFET de puissance auxiliaire soit mise à la masse, de ce fait rendant bloqué ledit MOSFET de puissance auxiliaire (90) pour isoler électriquement ledit circuit
2 0 de pompe de charge de ladite tension d'alimentation.
12. Circuit selon la revendication 11, qui est de plus caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de circuit de démarrage (110) couplés entre une source de tension d'alimentation auxiliaire et ledit circuit de pompe de charge pour démarrer ledit circuit
de pompe de charge avant que ledit MOSFET de puissance auxiliaire (90) soit passant.
13. Circuit selon la revendication 1, qui est de plus caractérisé en ce que ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance, ledit circuit de pompe de charge,
et ladite source de courant sont intégrés dans une puce monolithe de semi-conducteur.
14. Circuit selon la revendication 3, qui est de plus caractérisé en ce que ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance, ledit circuit de pompe de charge, lesdits premiers moyens de commutation et ladite source de courant sont intégrés dans
une puce monolithe de semi-conducteur.
15. Circuit selon la revendication 4, qui est de plus caractérisé en ce que ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance, ledit circuit de pompe de charge, lesdits moyens de verrouillage de tension et ladite source de courant sont intégrés dans
une puce monolithe de semi-conducteur.
16. Circuit selon la revendication 9, qui est de plus caractérisé en ce que ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance, ledit circuit de pompe de charge, ledit MOSFET de puissance auxiliaire (90) et ladite source de courant sont intégrés dans
une puce monolithe de semi-conducteur.
17. Circuit de pompe de charge pour un dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance; ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance ayant une borne de tension d'entrée Vcc, une borne de masse et une borne de commande; ledit circuit de pompe de charge caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un oscillateur (41) d'onde rectangulaire ayant une borne de sortie; une mémoire tampon (42) d'inverseur connectée à ladite borne de sortie d'oscillateur; un condensateur de stockage de charge couplé à la sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur; des premiers moyens de circuit de couplage couplant ledit condensateur à ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-conducteur MOS de puissance; des seconds moyens de circuit de couplage pour coupler ladite borne de tension d'entrée Vcc au noeud entre ledit condensateur et lesdits premiers moyens de circuit de couplage de telle manière que, quand la sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur est basse, ledit condensateur est chargé à partir de la tension à ladite borne Vcc et à travers lesdits seconds moyens de couplage et, quand ladite sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur est élevée, la tension dudit condensateur plus la tension de ladite borne Vcc sont appliquées en série à travers lesdits premiers moyens de couplage à ladite borne de commande dudit dispositif à semi- conducteur à porte MOS de puissance; et dans lequel lesdits premiers moyens de couplage comprennent un MOSFET à déplétion ayant des bornes de source et de drain connectées respectivement audit condensateur et à ladite électrode de commande dudit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance et ayant son substrat connecté à la sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur; des 3 0 moyens de circuit résistif connectés à partir dudit condensateur à la grille dudit MOSFET à déplétion, et un second MOSFET de commande connecté à partir de ladite grille dudit MOSFET à déplétion et ladite borne de masse et ayant une grille connectée à
ladite borne de sortie d'oscillateur.
18. Circuit selon la revendication 17, qui est de plus caractérisé en ce que lesdits
seconds moyens de couplage sont une diode.
19. Circuit selon la revendication 17 ou 18, qui est de plus caractérisé en ce que lesdits moyens de circuit résistif comprennent un second MOSFET à déplétion ayant une grille connectée à la grille dudit MOSFET à déplétion mentionné en premier et un
substrat connecté au substrat dudit MOSFET à déplétion mentionné en premier.
20. Circuit selon l'une quelconque des revendications 17, 18 ou 19, qui est de plus
caractérisé en ce que, dans celui-ci, lesdits seconds moyens de circuit de couplage
comprennent un MOSFET de commande.
21. Circuit de charge de pompe pour un dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance; ledit dispositif à semi-conducteur à porte MOS de puissance ayant une borne de tension d'entrée Vcc, une borne de masse et une borne de commande; ledit circuit de pompe de charge comprenant, en combinaison: un oscillateur (41) d'onde rectangulaire ayant une borne de sortie; une mémoire tampon (42) d'inverseur connectée à ladite borne de sortie d'oscillateur; un condensateur de stockage de charge couplé à la sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur; des premiers moyens de circuit de couplage couplant ledit condensateur à ladite électrode de commande dudit dispositif à 2 o semi-conducteur à porte MOS de puissance; des seconds moyens de circuit de couplage pour coupler ladite borne de tension d'entrée Vcc au noeud entre ledit condensateur et lesdits premiers moyens de circuit de couplage de telle manière que, quand la sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur est basse, ledit condensateur est chargé à partir de la tension à ladite borne Vcc et à travers lesdits seconds moyens de couplage et, quand ladite sortie de ladite mémoire tampon (42) d'inverseur est élevée, la tension dudit condensateur plus la tension de ladite borne Vcc sont appliqués en série à travers lesdits
premiers moyens de couplage à ladite borne de commande dudit dispositif à semi-
conducteur à porte MOS de puissance; et dans lequel lesdits moyens de circuit de
couplage secondaires comprennent un MOSFET de commande.
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