JP2005210119A - 両方向高電圧スイッチング素子及びこれを含むエネルギー回収回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】両方向高電圧スイッチング素子及びこれを含むエネルギー回収回路を提供する。
【解決手段】高電圧で両方向に電流が流れるnチャネル二重拡散MOSトランジスタとpチャネル二重拡散MOSトランジスタとを備える両方向高電圧スイッチング素子及びこれを効果的に駆動して容量性負荷の充放電とき消費されるエネルギーを減少させるエネルギー回収回路が提供される。本発明に従う両方向高電圧スイッチング素子は、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタが並列に連結されている。本発明に従うエネルギー回収回路は、プルアップ素子と、プルダウン素子と、エネルギー回収キャパシタ及び両方向高電圧スイッチング素子と、を含む。これにより、容量性負荷の充放電とき消費されるエネルギーを減少させ得る。
【選択図】図8

Description

本発明は、両方向高電圧スイッチング素子及びこれを含むエネルギー回収回路に関するものであり、より詳しくは、高電圧で両方向に電流が流れるnチャネル二重拡散MOSトランジスタとpチャネル二重拡散MOSトランジスタとを備える両方向高電圧スイッチング素子及びこれを効果的に駆動して容量性負荷(capacitive load)の充放電時に消費されるエネルギーを減少させるエネルギー回収回路に関するものである。
エネルギー回収回路(Energy Recovery Circuit;ERC)は、高電圧を電源電圧として使用する場合に消費されるエネルギーを効果的に用いるためにエネルギー回収キャパシタを別途に備えてキャパシタ負荷を電源電圧に充電するか、或いは放電する。この際、キャパシタ負荷を電源電圧まで一気に充電するか、或いは放電するよりも、エネルギー回収キャパシタを用いて多段階に充電するか、或いは放電する方が消費されるエネルギーが減少する。例えば、キャパシタ負荷に高電圧を2段階で充電するか、或いは放電する場合においては、先ずキャパシタ負荷を高電圧の1/2程充電した後に高電圧まで充電する。そして、充電された高電圧も1/2程放電した後に、残り分を放電する。
エネルギー回収回路を半導体素子として実現し、電源電圧として高電圧を使用するためには、エネルギー回収回路の両方向スイッチで二重拡散MOSトランジスタ(Double Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;DMOS FET)を用いなければならない。しかしながら、従来の二重拡散MOSトランジスタは、以下の理由により両方向スイッチとして使用されることができないという問題がある。
具体的には、図1Aは、特許文献1に開示されている二重拡散MOSトランジスタのうちnチャネル二重拡散MOSトランジスタ100のソースとそのソースが形成されている半導体基板を連結したものについての等価回路図であり、図1Bは、特許文献1に開示されている二重拡散MOSトランジスタのうちpチャネル二重拡散MOSトランジスタ150のソースとそのソースが形成されている半導体基板を連結したものについての等価回路図である。
従来のnチャネル二重拡散MOSトランジスタ100は、ソースとドレーンが対称的に形成されておらず、ソースとそのソースが形成されている半導体基板が連結されているため、図1Aに示されたように、従来のnチャネル二重拡散MOSトランジスタ100は、nチャネルMOSトランジスタ及びそのドレーンとソースとの間に寄生するボディー(body)ダイオード110と等価である。
従来のnチャネル二重拡散MOSトランジスタ100は、ドレーン電極DNからソース電極SNへ電流を流す場合には、寄生するボディーダイオード110に逆方向バイアス(bias)が印加されてターンオフされるため、ゲート電極GNに印加される電圧に応じて電流量を調節することができるが、ソース電極SNからドレーン電極DNへ電流を流す場合には、寄生するボディーダイオード110に順方向バイアスが印加されてターンオンされるため、ゲート電極GNに印加される電圧に応じて電流量を調節することができない。従って、従来のnチャネル二重拡散MOSトランジスタ100は、両方向スイッチング素子として用いられるのに適しない。
従来のpチャネル二重拡散MOSトランジスタ150もソースとドレーンが対称的に形成されておらず、ソースとそのソースが形成されている半導体基板が連結されているため、図1Bに示されたように、従来のpチャネル二重拡散MOSトランジスタ150は、pチャネルMOSトランジスタ及びそのドレーンとソースとの間に寄生するボディーダイオード160と等価である。
従来のpチャネル二重拡散MOSトランジスタ150は、ソース電極SPからドレーン電極DPへ電流を流す場合には、寄生するボディーダイオード160に逆方向バイアスが印加されてターンオフされるため、ゲート電極GPに印加される電圧に応じて電流量を調節することができるが、ドレーン電極DPからソース電極SPへ電流を流す場合には、寄生するボディーダイオード160に順方向バイアスが印加されてターンオンされるため、ゲート電極GPに印加される電圧に応じて電流量を調節することができない。従って、従来のpチャネル二重拡散MOSトランジスタ150も両方向スイッチング素子として用いられるのに適しない。
韓国公開特許第2003−0087739号公報 韓国公開特許第2002−089425号
本発明の技術的課題は、高電圧で両方向に電流が流れ、寄生するボディーダイオードによる誤動作が発生しない両方向高電圧スイッチング素子を提供するところにある。
本発明の他の技術的課題は、両方向高電圧スイッチング素子を効果的に駆動して容量性負荷の充放電時に消費されるエネルギーを減少させるエネルギー回収回路を提供するところにある。
前述した技術的課題を達成するための本発明の両方向高電圧スイッチング素子は、ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタ(n channel Double Diffused MOS FET)と、ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタと、を含み、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタが並列に連結されている。
前述した技術的課題を達成するための本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子は、第1sの電極と、第1gの電極と、第1dの電極と、を備え、第1gの電極に電圧が印加されて第1sの電極と第1dの電極が導通する場合に第1sの電極に印加される電圧と第1dの電極に印加される電圧に応じて第1sの電極から第1dの電極へ電流が流れるか、或いは第1dの電極から第1sの電極へ電流が流れるnチャネル二重拡散MOSトランジスタ(n channel Double Diffused MOS FET)と、第2sの電極と、第2gの電極と、第2dの電極と、を備え、第2gの電極に電圧が印加されて第2sの電極と第2dの電極が導通する場合に第2sの電極に印加される電圧と第2dの電極に印加される電圧に応じて第2sの電極から第2dの電極へ電流が流れるか、或いは第2dの電極から第2sの電極へ電流が流れるpチャネル二重拡散MOSトランジスタと、を含み、第1sの電極と第2sの電極が連結されており、第1dの電極と第2dの電極が連結されている。
前述した他の技術的課題を達成するための本発明のエネルギー回収回路は、電源電圧端と出力ノードとの間に連結されており、出力ノードに電源電圧を伝達するプルアップ素子と、接地電圧端と出力ノードとの間に連結されており、出力ノードに接地電圧を伝達するプルダウン素子と、出力ノードと接地電圧端との間に連結されているエネルギー回収キャパシタと、出力ノードとエネルギー回収キャパシタとの間に連結された両方向高電圧スイッチング素子と、を含む。本発明の一実施形態のエネルギー回収回路では、両方向高電圧スイッチング素子は、ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと、ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタと、を含み、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタが並列に連結されている。
前述した他の技術的課題を達成するための本発明の一実施形態によるエネルギー回収回路は、電源電圧端と出力ノードとの間に連結されており、出力ノードに電源電圧を伝達するプルアップ素子と、出力ノードとエネルギー回収キャパシタとの間に連結されており、第1sの電極と、第1gの電極と、第1dの電極と、を備え、第1gの電極に電圧が印加されて第1sの電極と第1dの電極が導通する場合に第1sの電極に印加される電圧と第1dの電極に印加される電圧に応じて第1sの電極から第1dの電極へ電流が流れるか、或いは第1dの電極から第1sの電極へ電流が流れるnチャネル二重拡散MOSトランジスタと、第2sの電極と、第2gの電極と、第2dの電極と、を備え、第2gの電極に電圧が印加されて第2sの電極と第2dの電極が導通する場合に第2sの電極に印加される電圧と第2dの電極に印加される電圧に応じて第2sの電極から第2dの電極へ電流が流れるか、或いは第2dの電極から第2sの電極へ電流が流れるpチャネル二重拡散MOSトランジスタと、を含み、第1sの電極と第2sの電極が連結されており、第1dの電極と第2dの電極が連結されている両方向高電圧スイッチング素子を含む。
その他、実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
前述したように成された本発明によれば、高電圧で両方向に電流が流れるnチャネル二重拡散MOSトランジスタとpチャネル二重拡散MOSトランジスタとを備える両方向高電圧スイッチング素子及びこれを効果的に駆動して容量性負荷の充放電とき消費されるエネルギーを減少させるエネルギー回収回路を提供することができる。
本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付図面と共に詳細に後述している実施形態を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現されるものであり、本実施形態は、本発明の開示が完全となり、当業者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲の記載に基づいて決められなければならない。なお、明細書及び図面の全体にわたって同一参照の符号は、同一の構成要素を示している。
本発明に係る両方向高電圧スイッチング素子は、ドレーンとソースとの間に両方向に電流を流すことができる対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと、ドレーンとソースとの間に両方向に電流を流すことができる対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタとを並列に連結して構成されうる。それにより、高電圧でドレーンとソースとの間に両方向に電流を流すことができ、またドレーンとソースとの間における両方向の電流駆動能力を向上させ得る。
そして、本発明に係るエネルギー回収回路は、本発明に係る両方向高電圧スイッチング素子を必要な場合にのみ最小限に活性化させることによって消費されるエネルギーを減少させ得る。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図2及び図3を参照して本発明の一実施形態のエネルギー回収回路を構成する負荷キャパシタの充放電回路の動作を説明する。図2は、本発明の一実施形態のエネルギー回収回路を構成する負荷キャパシタの充放電回路の等価回路図200であり、図3は、図2の回路の充電及び放電の電圧波形300である。
モード1では、Aスイッチング素子SAとBスイッチング素子SBは、ターンオフされ、Cスイッチング素子SCは、ターンオンされ、エネルギー回収キャパシタCERCは、電源電圧VPPの1/2電圧で充電されている。これにより、負荷キャパシタCloadとエネルギー回収キャパシタCERCが導通するため、エネルギー回収キャパシタCERCに充電された電圧がCスイッチング素子SCを通じて負荷キャパシタCloadに伝達され、負荷キャパシタCloadに充電される電圧が電源電圧VPPの1/2電圧になるときまでCスイッチング素子SCをターンオンさせて負荷キャパシタCloadを充電させる。
モード2では、Bスイッチング素子SBとCスイッチング素子SCは、ターンオフされ、Aスイッチング素子SAは、ターンオンされる。これにより、負荷キャパシタ(Cload)と電源電圧端とが導通するため、Aスイッチング素子SAを通じて電源電圧VPPが負荷キャパシタCloadに伝達され、負荷キャパシタCloadに充電される電圧が電源電圧VPPになるときまでAスイッチング素子SAをターンオンさせて負荷キャパシタCloadを充電させる。
モード3では、Aスイッチング素子SAとBスイッチング素子SBは、ターンオフされ、Cスイッチング素子SCは、ターンオンされる。これにより、負荷キャパシタ(Cload)とエネルギー回収キャパシタCERCが導通するため、負荷キャパシタCloadに充電された電源電圧VPPがCスイッチング素子SCを通じてエネルギー回収キャパシタCERCに伝達され、負荷キャパシタCloadに充電される電圧が電源電圧VPPの1/2電圧になるときまでCスイッチング素子SCをターンオンさせて負荷キャパシタCloadを放電させる。
モード4では、Aスイッチング素子SAとCスイッチング素子SCは、ターンオフされ、Bスイッチング素子SBは、ターンオンされる。これにより、負荷キャパシタ(Cload)と接地電圧端が導通するため、Bスイッチング素子SBを通じて電源電圧VPPが負荷キャパシタCloadに充電された電圧が接地電圧端に伝達され、負荷キャパシタCloadに充電された電圧が接地電圧GNDになるときまでBスイッチング素子SBをターンオンさせて負荷キャパシタCloadを放電させる。
Aスイッチング素子SAは、電源電圧VPP端から負荷キャパシタCloadへのみ電圧を伝達すればよいため、一つの方向にのみ電流を流してもよく、Bスイッチング素子SBも負荷キャパシタCloadから接地電圧端へのみ電圧を伝達すればよいため、一つの方向にのみ電流を流しても差し支えない。しかしながら、Cスイッチング素子SCは、エネルギー回収キャパシタCERCから負荷キャパシタCloadへも電圧を伝達し、負荷キャパシタCloadからエネルギー回収キャパシタCERCへも電圧を伝達するため、両方向に電流を流すことができなければならない。
このような両方向スイッチング素子SCは、図4A〜図6Bに示されている対称形二重拡散MOSトランジスタで構成されうる。図4Aは、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの横断面図であり、図4Bは、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの横断面図である。そして、図5Aは、図4Aの対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの等価回路図であり、図5Bは、図4Bの対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの等価回路図である。そして、図6Aは、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの充電時と放電時における電流経路を表示する回路図であり、図6Bは、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの充電時と放電時における電流経路を表示する回路図である。
nチャネル二重拡散MOSトランジスタは、対称的に形成されており、pチャネル二重拡散MOSトランジスタは、対称的に形成されている。前述した内容は、本出願の譲受人に譲渡された韓国特許出願第2003−0040182号に十分に開示されており、特許出願の内容は本明細書に十分に開示されたように援用されて統合される。
図4Aに示された対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタ400の半導体基板に接地電圧を印加するように構成すれば、それは、図5Aに示されたように、nチャネルMOSトランジスタと2個の寄生ボディーダイオード510,512とからなる構成と等価である。従って、ドレーン電極1Dからソース電極1Sへ電流を流す場合やソース電極1Sからドレーン電極1Dへ電流を流す場合において、2個の寄生するボディーダイオード510,512が共にターンオンされることがないため、ソース電極1Sとドレーン電極1Dの両方向に電流を流すことが可能である。
図4Bに示された対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタ450の半導体基板に電源電圧を印加するように構成すれば、それは、図5Bに示されたように、pチャネルMOSトランジスタと2個の寄生するボディーダイオード560,562とからなる構成と等価である。従って、ドレーン電極2Dからソース電極2Sへ電流を流す場合やソース電極2Sからドレーン電極2Dへ電流を流す場合において、2個の寄生するボディーダイオード560,562が共にターンオンされることがないため、ソース電極2Sとドレーン電極2Dの両方向に電流を流すことが可能である。
ところで、スイッチング素子を対称形nチャネル又はpチャネル二重拡散MOSトランジスタからのみ構成する場合には、電流駆動能力が低下されるため、トランジスタの大きさ(ゲート幅)を増大させなければならない。これを図6A及び図6Bを参照して説明する。図6A及び図6Bにおいて、エネルギー回収キャパシタCERCは、電源電圧VPPの1/2電圧の独立電圧源として等価化されて示されている。図6Aに示されたように、ゲート電極1Gに電源電圧VPPが印加され、半導体基板に接地電圧GNDが印加されて対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタがターンオン状態でエネルギー回収キャパシタCERCから負荷キャパシタCloadへ電圧を伝達する場合(充電)には、ソース電極1S電圧と半導体基板との電圧差異は、充電初期には発生しないが、充電が完了した場合には電源電圧VPPの1/2電圧程発生する。しかしながら、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタがターンオン状態で負荷キャパシタCloadからエネルギー回収キャパシタCERCへ電圧を伝達する場合(放電)には、ドレーン電極1D電圧と半導体基板との電圧差異が電源電圧VPPの1/2電圧を保ち続ける。従って、ボディーエフェクト(body−effect)により充電時より放電時にスレッショルド電圧(Threshold Voltage)が高まることによって、放電時の対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの電流駆動能力が低下する。こうした電流駆動能力の低下を防止するためには、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの大きさを増大させなければならない。
同様に、図6Bに示されたように、ゲート電極2Gに接地電圧GNDが印加され、半導体基板に電源電圧VPPが印加されて対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタがターンオン状態でエネルギー回収キャパシタCERCから負荷キャパシタCloadへ電圧を伝達する場合(充電)には、ドレーン電極2Dの電圧と半導体基板との電圧差異が電源電圧VPPの1/2電圧を保ち続ける。しかしながら、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタがターンオン状態で負荷キャパシタCloadからエネルギー回収キャパシタCERCへ電圧を伝達する場合(放電)には、ソース電極2S電圧と半導体基板との電圧差異は、放電初期には発生しないが、放電が完了した場合には電源電圧VPPの1/2電圧程発生される。従って、ボディーエフェクトにより放電時より充電時にスレッショルド電圧が高まれることによって、充電時の対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの電流駆動能力が低下する。こうした電流駆動能力の低下を防止するためには、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの大きさを増大させなければならない。
従って、本発明の一実施形態による両方向高電圧スイッチング素子は、充電時には、nチャネル二重拡散MOSトランジスタを使用し、放電時には、pチャネル二重拡散MOSトランジスタを使用することができるように構成される。
本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子は、図7A及び図7Bを参照して説明する。図7Aは、本発明の一実施形態による両方向高電圧スイッチング素子700の充電ときの電流経路を示す回路図であり、図7Bは、本発明の一実施形態による両方向高電圧スイッチング素子750の放電ときの電流経路を示す回路図である。
本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNと、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPとを含む。対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNは、第1sの電極1S、第1gの電極1Gと、第1dの電極1Dと、を備え、前述したように寄生する2個のダイオード710,712が同時にターンオンされないため、第1gの電極1Gに電圧が印加されて第1sの電極1Sと第1dの電極1Dが導通する場合において、第1sの電極1Sに印加される電圧と第1dの電極1Dに印加される電圧に応じて第1sの電極1Sから第1dの電極1Dへ電流を流すか、或いは第1dの電極1Dから第1sの電極1Sへ電流を流すことができる。
対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPは、第2sの電極2S、第2gの電極2Gと、第2dの電極2Dと、を備え、前述したように寄生する2個のダイオード760,762が同時にターンオンされないため、第2gの電極2Gに電圧が印加されて第2sの電極2Sと第2dの電極2Dが導通する場合において、第2sの電極2Sに印加される電圧と第2dの電極2Dに印加される電圧に応じて第2sの電極2Sから第2dの電極2Dへ電流を流すか、或いは第2dの電極2Dから第2sの電極2Sへ電流を流すことができる。
対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPは、並列に連結されている。すなわち、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNの第1sの電極1Sと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPの第2sの電極2Sが連結されており、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNの第1dの電極1Dと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPの第2dの電極2Dが連結されている。
図7Aを参照して本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sを通じて負荷キャパシタCloadを充電させる場合を説明する。図7Aには、エネルギー回収キャパシタCERCが電源電圧VPPの1/2電圧の独立電圧源として等価化されて示されている。第1gの電極1Gに電源電圧VPPが印加され、半導体基板に接地電圧GNDが印加されて対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNがターンオン状態でエネルギー回収キャパシタCERCから負荷キャパシタCloadへ電圧を伝達(充電)すれば、第1sの電極1Sの電圧と半導体基板との電圧差異は、充電初期には発生しないが、充電が完了した場合には電源電圧VPPの1/2電圧程発生する。従って、本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、負荷キャパシタCloadを充電させる場合には、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNを用いるため、前述した放電時の対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNの電流駆動能力が低下する問題は起こらない。
図7Bを参照して本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sを通じて負荷キャパシタCloadを放電させる場合を説明する。図7Bには、エネルギー回収キャパシタCERCが電源電圧VPPの1/2電圧の独立電圧源として等価化されて示されている。第2gの電極2Gに接地電圧GNDが印加され、半導体基板に電源電圧VPPが印加されて対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPがターンオン状態で負荷キャパシタCloadからエネルギー回収キャパシタCERCへ電圧を伝達(放電)すれば、第2sの電極2Sの電圧と半導体基板との電圧差異は、放電初期には発生しないが、放電が完了した場合には電源電圧VPPの1/2電圧程発生する。従って、本発明の一実施形態の両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、負荷キャパシタCloadを放電させる場合には、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPを用いるため、前述した充電ときの対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPの電流駆動能力が低下する問題は起こらない。
すなわち、本発明の好適な実施形態の両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、負荷キャパシタCloadを充電させる場合には、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNを用い、負荷キャパシタCloadを放電させる場合には、対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPを用いることによって、前述した電流駆動能力の低下を防止することができる。従って、対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPの大きさを増大させることなく放電時と充電時との双方において電流駆動能力の低下を最小化することができる。
対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNの第1gの電極1Gに印加される電圧と対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPの第2gの電極2Gに印加される電圧は相補的なことが望ましい。図7A及び図7Bに示されたように、第1gの電極1Gと第2gの電極2Gとの間にインバータINV1を連結する場合には、容易に第1gの電極1Gと第2gの電極2Gに互いに相補的な電圧を印加することができる。第1gの電極1Gと第2gの電極2Gに互いに相補的な電圧を印加すれば、負荷キャパシタCloadを充電する場合や負荷キャパシタCloadを放電する場合を区別せずに一つの制御信号によって対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタDMNと対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタDMPとを活性化させ得る。
図7A及び図7Bに示されている両方向高電圧スイッチング素子は、例えば、プラズマディスプレイ装置のドライバ集積回路のように高電圧動作を要する集積回路のエネルギー回収回路に効果的に適用されることができる。
図8及び図9を参照して本発明の一実施形態によるエネルギー回収回路の動作を説明する。図8は、本発明の一実施形態によるエネルギー回収回路の回路図800であり、図9は、本発明の一実施形態による図8のエネルギー回収回路のタイミング構成図900である。本発明の一実施形態のエネルギー回収回路は、プルアップ素子UPと、プルダウン素子DOWNと、エネルギー回収キャパシタCERC及び両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sと、を含む。
プルアップ素子UPは、電源電圧端と出力ノードOUT_Nとの間に連結されており、出力ノードOUT_Nに電源電圧VPPを伝達し、プルダウン素子DOWNは、接地電圧端と出力ノードOUT_Nとの間に連結されており、出力ノードOUT_Nに接地電圧GNDを伝達する。エネルギー回収キャパシタCERCは、出力ノードOUT_Nと接地電圧端との間に連結されており、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、出力ノードOUT_Nとエネルギー回収キャパシタCERCとの間に連結されており、エネルギー回収キャパシタCERCに充電された電圧を出力ノードOUT_Nに伝達するか、或いは出力ノードOUT_Nに充電された電圧をエネルギー回収キャパシタCERCに伝達する。
両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、出力ノードOUT_Nの電圧が接地電圧GNDから電源電圧VPPへ変動するか、或いは電源電圧VPPから接地電圧GNDへ変動する場合にのみ活性化されることが望ましい。出力ノードOUT_Nの電圧が変動しない場合には、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sを通じてエネルギー回収キャパシタCERCに充電された電圧を出力ノードOUT_Nに伝達するか、出力ノードOUT_Nに充電された電圧をエネルギー回収キャパシタCERCに伝達する必要がないためである。それにより、必要な場合にのみ両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sを活性化させて消費されるエネルギーを減少させ得る。
そして、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、ストローブ信号Strobeのハイ状態の時間又はロー状態の時間に応じて活性化される時間が調節されるように構成されうる。ストローブ信号Strobeは、DフリップフロップOBR,POSRを同期させる制御信号としてストローブ信号Strobeのハイ状態の時間又はロー状態の時間を調整して両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化時間を調節することによって容易に出力ノードOUT_Nとエネルギー回収キャパシタCERCが導通する時間を制御することができる。
本発明の一実施形態によるエネルギー回収回路は、ストローブ信号Strobeの反転信号に応じて活性化され、データ信号Dataが入力されて提供される第1Dのフリップフロップ信号Aとストローブ信号Strobeに応じて活性化され、第1Dのフリップフロップ信号Aが入力されて提供される第2Dのフリップフロップ信号Bの排他的論理和(exclusive or)演算信号XORをレベルシフター(図示せず)或いはトランスミッションゲートTRANSなどの半導体回路を通じて両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sに印加するか、或いは直接両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sに印加することによって、出力ノードOUT_Nの電圧が接地電圧GNDから電源電圧VPPへ変動するか、或いは電源電圧VPPから接地電圧GNDへ変動する場合にのみ活性化されることができるように構成されうる。また、ストローブ信号Strobeがロー状態である場合にのみ両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sが活性化されうる。
両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTが両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sに印加されれば、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTがロー状態である場合には、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは、非活性化され、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTがハイ状態である場合には、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sは活性化される。
第1Dのフリップフロップ信号Aは、DフリップフロップOBRに活性化信号としてストローブ信号Strobeの反転信号を印加し、入力信号としてデータ信号Dataを印加してDフリップフロップOBRから出力された信号を用いる。結局第1Dのフリップフロップ信号Aは、データ信号Dataの現在状態を示す信号である。
第2Dのフリップフロップ信号Bとしては、DフリップフロップPOSRに活性化信号としてストローブ信号Strobeを印加し、入力信号として第1Dのフリップフロップ信号Aを印加してDフリップフロップPOSRから出力された信号を用いることができる。つまり、第2Dのフリップフロップ信号Bは、データ信号Dataの以前状態を示す信号である。
両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTとして第1Dのフリップフロップ信号Aと第2Dのフリップフロップ信号Bの排他的論理和演算信号XORを用いれば、図9に示されたようにストローブ信号Strobeのロー状態A’,B’,C’,D’の時間を調整することによって、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTのハイ状態の時間を調節することができる。つまり、ストローブ信号Strobeのロー状態A’,B’,C’,D’の時間を調整することによって両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化時間を調節することができる。
そして、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTとして第1Dのフリップフロップ信号Aと第2Dのフリップフロップ信号Bの排他的論理和演算信号XORを用いることによって現在のデータ信号Dataと以前のデータ信号Dataが変更される場合にのみ両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sが活性化されて、不要な場合には、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sが活性化されないため消費されるエネルギーを減少させ得る。
プルアップ素子UPは、PMOSトランジスタMP1であることが望ましい。それにより、プルアップ素子UPは、出力ノードOUT_Nに電源電圧VPPを効果的に伝達することができる。プルアップ素子UPは、第1Dのフリップフロップ信号Aと両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号ERC_OUTの反転信号のNAND演算信号NANDにより活性化される。プルアップ素子UPの活性化信号P_Outがロー状態である場合には、プルアップ素子UPは活性化され、プルアップ素子UPの活性化信号P_Outがハイ状態である場合には、プルアップ素子UPは非活性化される。
プルダウン素子DOWNは、NMOSトランジスタMN1であることが望ましい。それにより、プルダウン素子DOWNは、出力ノードOUT_Nに接地電圧GNDを効果的に伝達することができる。プルダウン素子DOWNは、第1Dのフリップフロップ信号Aと両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号のNOR演算信号NORに応じて活性化される。プルダウン素子DOWNの活性化信号N_Outがハイ状態である場合には、プルダウン素子DOWNは活性化され、プルダウン素子DOWNの活性化信号N_Outがロー状態である場合には、プルダウン素子DOWNは非活性化される。
プルアップ素子UPの活性化信号P_Outの状態が転移する直後でプルダウン素子DOWNの活性化信号N_Outの状態が転移する直前区間Bとプルダウン素子DOWNの活性化信号N_Outの状態が転移する直後でプルアップ素子UPの活性化信号P_Outの状態が転移する直前区間Cで両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sの活性化信号が活性化されることが望ましい。それにより、プルアップ素子UPとエネルギー回収キャパシタCERCが導通することを防止し、プルダウン素子DOWNとエネルギー回収キャパシタCERCが導通することを防止して不要なエネルギー消費を抑制することができる。
本発明の一実施形態のエネルギー回収回路は、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sを現在のデータ信号Dataと以前のデータ信号Dataが変更される場合にのみ活性化させて、不要な場合には、両方向高電圧スイッチング素子Bi_High_Sを活性化させないため消費されるエネルギーを減少させ得る。
以上、添付した図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施されうることを理解することができる。したがって、上述した好適な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと理解されるべきである。
本発明は、両方向高電圧スイッチング素子及びこれを含むエネルギー回収回路に適用されうる。
従来の二重拡散MOSトランジスタの等価回路図である。 従来の二重拡散MOSトランジスタの等価回路図である。 本発明の一実施形態によるエネルギー回収回路を構成する負荷キャパシタの充放電回路の等価回路図である。 図2の回路の充電及び放電の電圧波形である。 対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの横断面図である。 対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの横断面図である。 図4Aの対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの等価回路図である。 図4Bの対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの等価回路図である。 対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタの充電ときと放電ときの電流経路を表示する回路図である。 対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタの充電ときと放電ときの電流経路を表示する回路図である。 本発明の一実施形態による両方向高電圧スイッチング素子の充電ときの電流経路を表示する回路図である。 本発明の一実施形態による両方向高電圧スイッチング素子の放電ときの電流経路を表示する回路図である。 本発明の一実施形態によるエネルギー回収回路の回路図である。 本発明の一実施形態による図8のエネルギー回収回路のタイミング構成図である。
符号の説明
400:nチャネル二重拡散MOSトランジスタ
450:pチャネル二重拡散MOSトランジスタ
510,512:ボディーダイオード
560,562:ボディーダイオード
700,750:両方向高電圧スイッチング素子
710,712:ダイオード
760,762:ダイオード

Claims (16)

  1. ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと、
    ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタと、
    を含み、
    前記対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと前記対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタが並列に連結されていること
    を特徴とする両方向高電圧スイッチング素子。
  2. 前記nチャネル二重拡散MOSトランジスタは、第1sの電極と、第1gの電極と、第1dの電極と、を備え、前記第1gの電極に電圧が印加されて前記第1sの電極と前記第1dの電極が導通する場合に前記第1sの電極に印加される電圧と前記第1dの電極に印加される電圧に応じて前記第1sの電極から前記第1dの電極へ電流が流れるか、或いは前記第1dの電極から前記第1sの電極へ電流が流れ、
    前記pチャネル二重拡散MOSトランジスタは、第2sの電極と、第2gの電極と、第2dの電極と、を備え、前記第2gの電極に電圧が印加されて前記第2sの電極と前記第2dの電極が導通する場合に前記第2sの電極に印加される電圧と前記第2dの電極に印加される電圧に応じて前記第2sの電極から前記第2dの電極へ電流が流れるか、或いは前記第2dの電極から前記第2sの電極へ電流が流れ、
    前記第1sの電極と前記第2sの電極が連結されており、前記第1dの電極と前記第2dの電極が連結されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の両方向高電圧スイッチング素子。
  3. 前記第1gの電極に印加される電圧と前記第2gの電極に印加される電圧は、相補的なことを特徴とする請求項2に記載の両方向高電圧スイッチング素子。
  4. 電源電圧端と出力ノードとの間に連結されており、前記出力ノードに電源電圧を伝達するプルアップ素子と、
    接地電圧端と前記出力ノードとの間に連結されており、前記出力ノードに接地電圧を伝達するプルダウン素子と、
    前記出力ノードと前記接地電圧端との間に連結されているエネルギー回収キャパシタと、
    前記出力ノードと前記エネルギー回収キャパシタとの間に連結された両方向高電圧スイッチング素子と、
    を含むことを特徴とするエネルギー回収回路。
  5. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと、ドレーンとソースが対称的に形成されている対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタと、を含み、
    前記対称形nチャネル二重拡散MOSトランジスタと前記対称形pチャネル二重拡散MOSトランジスタが並列に連結されていること
    を特徴とする請求項4に記載のエネルギー回収回路。
  6. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、ストローブ信号のハイ状態の時間又は前記ストローブ信号のロー状態の時間により活性化される時間が調節されることを特徴とする請求項4に記載のエネルギー回収回路。
  7. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、
    第1sの電極と、第1gの電極と、第1dの電極と、を備え、前記第1gの電極に電圧が印加されて前記第1sの電極と前記第1dの電極が導通する場合に前記第1sの電極に印加される電圧と前記第1dの電極に印加される電圧に応じて前記第1sの電極から前記第1dの電極へ電流が流れるか、或いは前記第1dの電極から前記第1sの電極へ電流が流れるnチャネル二重拡散MOSトランジスタと、
    第2sの電極と、第2gの電極と、第2dの電極と、を備え、前記第2gの電極に電圧が印加されて前記第2sの電極と前記第2dの電極が導通する場合に前記第2sの電極に印加される電圧と前記第2dの電極に印加される電圧に応じて前記第2sの電極から前記第2dの電極へ電流が流れるか、或いは前記第2dの電極から前記第2sの電極へ電流が流れるpチャネル二重拡散MOSトランジスタと、
    を含み、
    前記第1sの電極と前記第2sの電極が連結されており、前記第1dの電極と前記第2dの電極が連結されている両方向高電圧スイッチング素子を含むこと
    を特徴とする請求項4に記載のエネルギー回収回路。
  8. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、前記出力ノードの電圧が前記接地電圧から前記電源電圧へ変動されるか、或いは前記電源電圧から前記接地電圧へ変動される場合に活性化されることを特徴とする請求項4に記載のエネルギー回収回路。
  9. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、前記出力ノードの電圧が前記接地電圧から前記電源電圧へ変動されるか、或いは前記電源電圧から前記接地電圧へ変動される場合に活性化されることを特徴とする請求項7に記載のエネルギー回収回路。
  10. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、ストローブ信号のハイ状態の時間又は前記ストローブ信号のロー状態の時間により活性化される時間が調節されることを特徴とする請求項8に記載のエネルギー回収回路。
  11. 前記両方向高電圧スイッチング素子は、前記ストローブ信号の反転信号に応じて活性化され、データ信号が入力されて提供される第1Dのフリップフロップ信号と前記ストローブ信号に応じて活性化され、前記第1Dのフリップフロップが入力されて提供される第2Dのフリップフロップ信号の排他的論理和演算信号に応じて活性化されることを特徴とする請求項10に記載のエネルギー回収回路。
  12. 前記プルアップ素子は、pチャネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項11に記載のエネルギー回収回路。
  13. 前記プルアップ素子は、前記第1Dのフリップフロップ信号と前記排他的論理和演算信号の反転信号のNAND演算信号に応じて活性化されることを特徴とする請求項12に記載のエネルギー回収回路。
  14. 前記プルダウン素子は、nチャネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項11に記載のエネルギー回収回路。
  15. 前記プルダウン素子は、前記第1Dのフリップフロップ信号と前記排他的論理和演算信号のNOR演算信号に応じて制御されることを特徴とする請求項14に記載のエネルギー回収回路。
  16. 前記第1gの電極に印加される電圧と前記第2gの電極に印加される電圧は、相補的なことを特徴とする請求項7に記載のエネルギー回収回路。
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