JP2016517677A

JP2016517677A - スイッチドキャパシタレベルシフタのためのバイアス回路

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Publication number: JP2016517677A
Application number: JP2016502855A
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Inventors: リチャードジェイビスカップ
Original assignee: アティエヴァ、インコーポレイテッド
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-06-16
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Abstract

耐ノイズスイッチ制御回路を提供する。回路は、スイッチの第１の端子に結合するように構成されたローパスフィルタとローパスフィルタに結合された第１の電圧クランプとを含む。第１の電圧クランプは、スイッチの制御端子に結合して第１の端子に対する制御端子の電圧を第１のクランプ範囲内に制限するように構成される。回路は、スイッチ制御回路の入力端子に結合された第２の電圧クランプを含む。第２の電圧クランプは、スイッチの制御端子に結合するように構成される。第２の電圧クランプは、第２の電圧クランプに結合された制御電圧のレベルを低減するように更に構成される。回路は、スイッチの制御端子に結合してバイアス電圧を制御端子に印加するように構成されたバイアスデバイスを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチドキャパシタレベルシフタのためのバイアス回路に関する。

電気的ノイズの多い環境は、電子回路に大混乱を引き起こす可能性がある。例えば、スイッチドキャパシタレベルシフタを用いると、スイッチ制御端子又は他のスイッチ端子上の電気的ノイズは、スイッチを起動すべきでない時に起動させ、又は起動すべき時に起動させず、それによって切り換え中のキャパシタの動作を乱す可能性がある。スイッチが、スイッチを起動すべきでない時に起動されるので、電荷は、電荷を移動すべきでない時に移動される可能性がある。スイッチが、スイッチを起動すべき時に切られるので、電荷は、電荷を移動すべき時に移動され損なう可能性がある。このような状況のために、誤った電圧がキャパシタに掛けられ、レベル変換電圧のあらゆる電圧測定の精度を低減又は損なう可能性がある。これらのような問題は、電気又はハイブリッド自動車、並びに陸上、水上、又は空上に関わらず他のタイプの電気車両内の電子回路に特に見られるものである。

これらの状況内で本発明の実施形態が生じる。

一実施形態において、耐ノイズスイッチ制御回路を提供する。回路は、スイッチの第１の端子に結合するように構成されたローパスフィルタを含む。回路は、ローパスフィルタに結合された第１の電圧クランプを含み、第１の電圧クランプは、スイッチの制御端子に結合するように、かつ第１の端子に対する制御端子の電圧を第１のクランプ範囲内(clamping range)に制限するように構成される。回路は、スイッチ制御回路の入力端子に結合された第２の電圧クランプを含む。第２の電圧クランプは、スイッチの制御端子に結合するように構成される。第２の電圧クランプは、第２の電圧クランプに結合された制御電圧のレベルを低減するように更に構成される。回路は、スイッチの制御端子に結合するように、かつバイアス電圧を制御端子に印加するように構成されたバイアスデバイス(bias device)を含む。

別の実施形態において、耐ノイズスイッチングデバイスを提供する。スイッチングデバイスは、第１の端子と、第２の端子と、制御端子とを有するスイッチを含み、第１の端子及び第２の端子は、制御端子が第１の端子に対する起動電圧範囲内にあることに応答して互いに結合される。スイッチングデバイスは、第１の端子を耐ノイズスイッチングデバイスの入力端子として有するＡＣ（交流）結合デバイスを含む。スイッチングデバイスは、第１の電圧クランプと第２の電圧クランプとを含む。第１の電圧クランプは、スイッチの制御端子と第１の端子とに結合される。第１の電圧クランプは、制御端子の電圧をスイッチの第１の端子に対する第１のクランプ電圧に固定するように動作可能である。第２の電圧クランプは、ＡＣ結合デバイスの第２の端子に結合される。第２の電圧クランプは、スイッチの制御端子に結合される。第２の電圧クランプは、ＡＣ結合デバイスの第２の端子上の電圧が、大きさにおいて第２のクランプ電圧より大きいことに応答して制御端子の電圧をＡＣ結合デバイスの第２の端子上の電圧に向けて強制するように構成される。スイッチングデバイスは、スイッチの第１の端子に結合された出力を有するローパスフィルタと、スイッチの制御端子及び第１の端子に結合されたバイアスデバイスとを含む。

更に別の実施形態において、耐ノイズスイッチドキャパシタレベルシフタを提供する。レベルシフタは、第１のキャパシタと、第２のキャパシタと、レベルシフタの第１の端子に結合され、かつ第１のキャパシタの第１の端子に結合された第１のスイッチと、第１のキャパシタの第１の端子に結合され、かつ第２のキャパシタの第１の端子に結合された第２のスイッチとを含む。レベルシフタは、レベルシフタの第３の端子に結合され、かつ第１のキャパシタの第２の端子に結合された第３のスイッチと、第１のキャパシタの第２の端子に結合され、かつ第２のキャパシタの第２の端子に結合された第４のスイッチとを含む。レベルシフタは、第１のスイッチの制御端子に結合された第１のＡＣ（交流）結合及びＤＣ（直流）バイアスデバイス(biasing device)と、第３のスイッチの制御端子に結合された第２のＡＣ結合及びＤＣバイアスデバイスとを含む。第１及び第２のデバイスは、それぞれの第１又は第３のスイッチの制御端子をＤＣバイアスし、かつ第１のクロック信号のＡＣ結合電圧固定バージョン(voltage clamped version)をそれぞれの第１又は第３のスイッチの制御端子に通すように構成される。第１及び第２のデバイスは、それぞれの第１又は第３のスイッチの制御端子での電圧をクランプ範囲内に固定するように動作可能である。第２のスイッチ及び第４のスイッチは、第２のクロック信号に結合するように構成される。

一実施形態において、スイッチを制御する方法を提供する。本方法は、スイッチの制御端子を起動電圧範囲又は停止電圧範囲のうちの一方の範囲内までバイアスをかける(biasing)段階と、入力信号をＡＣ（交流）結合して入力信号のＡＣ結合バージョン(AC coupled version)を生成する段階とを含む。本方法は、入力信号のＡＣ結合バージョンが第２のクランプ範囲を超えることに応答して、入力信号のＡＣ結合バージョンを電圧固定し、入力信号の低減ＡＣ結合バージョンを生成する段階を含む。本方法は、入力信号の低減ＡＣ結合バージョンを電圧固定し、入力信号の電圧固定ＡＣ結合バージョンを生成する段階と、入力信号の電圧固定ＡＣ結合バージョンをスイッチの制御端子に印加する段階とを含む。

実施形態の他の態様及び利点は、説明する実施形態の原理を一例として示す添付図面に関連して行う以下の詳細説明から明らかになるであろう。

説明する実施形態及びその利点は、添付図面に関連して行う以下の説明の参照によって最も良好に理解されるであろう。これらの図面は、説明する実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によって説明する実施形態に行うことができる形態及び細部のいかなる変更も制限するものではない。

スイッチドキャパシタレベルシフタの概略図である。本発明による耐ノイズ回路を有するスイッチドキャパシタレベルシフタの概略図である。電気的ノイズの多い環境でスイッチを動作させる方法のフロー図である。

耐ノイズ回路を有するスイッチドキャパシタレベルシフタを以下に説明する。実施形態は、スイッチドキャパシタレベルシフタにおいて１対のトランジスタ上のゲートバイアス電圧を動的に設定する装置及び技術を提供する。実施形態を通して、装置のスイッチング要素は、コモンモードノイズが存在していても十分な信頼性で制御することができる。

詳細な例示的な実施形態を本明細書に開示する。しかしながら、本明細書に開示する特定の機能的な詳細は、実施形態を説明する目的のために単に代表的なものである。しかし、実施形態は、多くの代替形態において実施することができ、本明細書に説明する実施形態だけに限定されると解釈されない。

第１、第２のような用語は、様々な段階又は計算を説明するために本明細書で使用される場合があるが、これらの段階又は計算は、これらの用語によって制限されないことを理解されたい。これらの用語は、１つの段階又は計算を別の段階又は計算と区別するのに使用されるに過ぎない。例えば、第１の計算は、本発明の開示の範囲から逸脱することなく、第２の計算と呼ぶことができ、同様に、第２の段階は、第１の段階と呼ぶことができる。本明細書で使用する時に、用語「及び／又は」及び「／」記号は、関連の列挙されたアイテムのうちの１つ又はそれよりも多くのいずれか又は全ての組合せを含む。

本明細書で使用する時に、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その語が明示的に他の場合を示さない限り、複数形も含むように意図する。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、及び／又は「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」という用語は、本明細書で使用する時に、記述する特徴、整数、段階、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれよりも多くの他の特徴、整数、段階、動作、要素、構成要素、及び／又はその群の存在又は追加を排除しないことが更に理解されるであろう。したがって、本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明することを目的としたものであり、制限的ではないように意図している。

また、一部の代替実施では、説明する機能／行為は、図に説明する順番とは異なって発生する場合があることに注意しなければならない。例えば、連続して示す２つの図は、関わっている機能／行為に基づいて、実際には実質的に同時に実行される場合があり、又は時には逆の順番で実行される場合がある。

図１に示すように、スイッチドキャパシタレベルシフタの１つの用途は、バッテリスタックにおけるセル電圧を測定することにある。勿論、レベルシフタは、同様に多くの他の目的及び機能に使用することができる。ここでは、スイッチＳ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂが、非オーバーラップクロック(nonoverlapping clocks)によって起動及び停止(deactivate)され、電荷が、レベルシフタの入力ポートから第１キャパシタＣ１に、かつ第１キャパシタＣ１から第２キャパシタＣ２に移動される。第２キャパシタＣ２は、接地を基準としており、セル５からの電圧が、レベルシフタの出力ポートで見られ、かつ電圧測定回路１０２によって測定される接地基準電圧になるために下方にレベルシフトされるようになっている。理想的、すなわち、ノイズがない動作を以下に説明し、次に電気的ノイズの多い環境における動作を説明する。

スイッチＳ１ａ及びスイッチＳ１ｂは、第１クロックＣＬＫ＿１上のアクティブレベルによって起動される。この例では、スイッチは、クロックが論理的な１つの値を有する時に閉じられる。スイッチＳ１ａ及びスイッチＳ１ｂが閉じられた時に、バッテリスタック内のセル５の電圧は、第１キャパシタＣ１上に表れる。次に、スイッチＳ１ａ及びスイッチＳ１ｂは、第１クロックＣＬＫ＿１上の非アクティブレベルによって停止される。この例では、スイッチは、対応するクロック信号が論理的ゼロ値を有する時に開かれる。次に、スイッチＳ２ａ及びスイッチＳ２ｂは、第２のクロックＣＬＫ＿２上のアクティブレベルによって起動される。この例では、スイッチは、クロックが論理的な１つの値である時に開かれる。したがって、これらの開閉スイッチにより、第１及び第２キャパシタＣ１、Ｃ２は、互いに結合され、それぞれの電圧が等しくされる。スイッチ起動及び停止の繰り返されるサイクルで、キャパシタＣ２にわたる電圧は、セル５の電圧に近づく。第２キャパシタＣ２にわたる電圧の正確な測定が、電圧測定回路１０２によって行われ、これは、セル５の電圧を表している。

バッテリスタックが、電気若しくはハイブリッド自動車、又は他の用途のような電気的ノイズの多い環境にある場合に、電圧スパイク及び／又はピーク間ノイズ電圧がバッテリスタック内のセル端子上に様々な周波数で存在することがある。これらのノイズの多い電圧は、スイッチの１つを実行するＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を容易にオン及びオフにする可能性があり、それは、これらの電圧は、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧よりも大きいことがあるからである。この条件は、スイッチＳ１ｂ及びＳ２ｂが同時に起動される時のような接地へのセル端子の短絡、又はスイッチＳ１ａ及びＳ２ａが同時に起動される時のような第２キャパシタＣ２の過充電をもたらす可能性がある。後者の状況は、電圧測定回路１０２を損傷する場合がある。図２では、耐ノイズ回路が、スイッチドキャパシタレベルシフタ２０４においてスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂの各々に適用され、それにより、電気的ノイズの多い環境に適する耐ノイズスイッチドキャパシタレベルシフタが得られる。耐ノイズ回路は、スイッチ制御回路として示されており、スイッチ制御回路をスイッチＳ１ａに適用すると、耐ノイズスイッチングデバイス２０２が製造され、スイッチングデバイスは、スイッチドキャパシタレベルシフタ２０４の各それぞれのスイッチと一体化することができる。本明細書に説明する耐ノイズ回路は、ノイズを排除し、かつ電気的ノイズの多い環境において動作するようにスイッチの制御電圧を条件付けるように電圧クランプ、フィルタ、ＡＣ結合及びバイアスを使用する。スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂに適用された耐ノイズ回路は、スイッチの制御端子に結合されたＡＣ結合、電圧固定、ローパスフィルタリング、及びＤＣバイアスデバイスと呼ぶことができる。

図２を依然として参照すると、スイッチングデバイス２０２の端子はまた、レベルシフタ２０４の端子であり、バッテリスタックにおいてセルの正端子Ｃｅｌｌ＿Ｖ＋に接続されるように示されている。セル電圧は、キャパシタＣ３と直列に抵抗器Ｒｌを含むローパスフィルタを通してフィルタリングされる。このローパスフィルタは、この例では、７．２ｋＨｚのコーナー周波数を有し、約１０ｋＨｚよりも高いコモンモードノイズを減衰する。ローパスフィルタは用途に応じて他の適切な周波数で動作させることができるので、周波数は、制限的であるように意図されていないことを理解されたい。ローパスフィルタの出力は、抵抗器Ｒ１及びキャパシタＣ３の共通のノードであるが、スイッチＳ１ａとして作用するＰ型ＭＯＳＦＥＴのソースに結合される。ローパスフィルタは、セル端子で電圧を平滑化し、ローパスフィルタロールオフ周波数よりも高い周波数のノイズを排除することを理解されたい。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子は、スイッチＳ１ａの制御端子として作用し、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びドレイン端子は、スイッチＳ１ａの第１及び第２の端子として作用する。

引き続き図２に関して、抵抗器Ｒ２として実施されるバイアスデバイスは、ローパスフィルタの出力をスイッチＳ１ａとして作用するＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に結合する。これに代えて、抵抗器Ｒ２は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲート端子にわたって結合すると説明することができる。したがって、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのゲートは、０Ｖのゲートとソース間の値が得られるように、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのソース端子と同じ電圧にバイアスされる。この例では、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴは、負閾値を有し、０Ｖのゲートとソース間の値は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴを停止状態にバイアスし、すなわち、第１のスイッチＳ１ａのデフォルト値は、オフであり、これはまた、開放又は停止と呼ぶことができる。抵抗器Ｒ２はまた、ブリーダーデバイスとして作用し、駆動された制御信号がない場合はＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート上の電荷を放出する。

図２では、背中合わせ(back-to-back)ツェナーダイオードＺ１として実施された電圧クランプは、スイッチＳ１ａとして作用するＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲート端子にわたって結合する。この電圧クランプは、ゲートとソース間の電圧がクランプ電圧よりも低い大きさを有する時に高いインピーダンスを有する。このクランプ電圧は、一実施形態において、ツェナー電圧及び１つのダイオード電圧降下の和、例えば、４．７Ｖプラス０．６Ｖすなわち５．３Ｖによって設定される。ゲートとソース間の電圧が、大きさにおいてクランプ電圧を超える時、すなわち、ゲートがクランプ電圧を上回ってソース電圧よりも下ろうとするか、又はクランプ電圧を上回ってソース電圧を超えようとする時に、ダイオードは、比較的大量の電流を伝導し、電圧を固定する。電圧クランプは、したがって、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子での電圧をＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース端子のクランプ範囲内に固定するように作用する。このクランプ作用は、ゲートとソース間の電圧がＰ型ＭＯＳＦＥＴを損傷するのに十分なほど増大するのを防止する。

図２に例示的なクロック波形によって示すように、スイッチを制御するクロックは、非オーバーラップクロックとして配置される。この例では、クロック信号ＣＬＫ＿１は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴをオンにするためにアクティブローである。ここではまた、比較的大きい振幅がＣＬＫ＿１に選択され、例えば、ＣＬＫ＿１は、ピーク間１８Ｖである。クロックの振幅は、大きい電圧ノイズを克服するように設定される。換言すると、クロックの振幅は、その逆よりも、大きいＳＮ比を有するように設定される。直接に使用された場合に、このピーク間電圧は、潜在的にＭＯＳＦＥＴを損傷するほど大きいので、以下に説明するように、スイッチングデバイス２０２は、ＭＯＳＦＥＴに損傷を防止するように構成されることを理解されたい。

クロック信号ＣＬＫ＿１は、クロック信号ＣＬＫ＿１の直流成分又はオフセットを阻止するキャパシタＣ４としてここで実施されるＡＣ結合デバイスによってスイッチ制御回路へＡＣ結合される。キャパシタＣ４の他端は、電圧クランプＺ２に直列に結合される。電圧クランプＺ２は、１組の背中合わせのツェナーダイオードで実施される。電圧クランプＺ２は、クランプ電圧をＡＣ結合クロック信号の振幅から差し引くように動作し、ＡＣ結合クロック信号の低減されたバージョンをスイッチＳ１ａとして作用するＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子上に通すことを理解されたい。電圧クランプＺ２は、ゲート端子とＡＣ結合クロック信号の間の差が、大きさにおいて背中合わせのツェナーダイオードによって設定されたクランプ電圧より増大した時に、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子の電圧を第１クロックＣＬＫ＿１の電圧に向けて強制する。これは、代替方法として、ＡＣ結合デバイスの第２の端子上の電圧が、大きさにおいてスイッチＳ１ａの制御端子に対する第２のクランプ電圧より大きいことに応答して、ＡＣ結合デバイス、すなわち、キャパシタＣ４の第２の端子上の電圧に向けて制御端子を強制するように働く第２の電圧クランプとして説明される。電圧クランプＺ２は、したがって、制御電圧がスイッチＳ１ａの制御端子に対するクランプ範囲の外側であることに応答して、制御電圧の低減されたレベルをスイッチの制御端子に通す。

バイアスデバイス、この場合に抵抗器Ｒ２は、ＡＣ結合デバイス、すなわち、キャパシタＣ４と共にローパスフィルタの一部を更に形成する。図示の例では、このフィルタは、７２Ｈｚ（ヘルツ、又はサイクル／秒）のコーナー周波数を有する。このローパスフィルタは、クロックのＤＣアウトセット(DC outset)をＭＯＳＦＥＴゲートバイアスの平均ＤＣ値から切り離す。ローパスフィルタはまた、クロック信号が停止された時にいつでもＭＯＳＦＥＴがオフにされることを確実にする。スイッチＳ１ｂは、類似の機能を実行するスイッチＳ１ａのそれと類似の回路によって取り囲まれる。第１及び第３のスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂとして作用する２つのＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース端子は、バッテリスタック内のそれぞれのセル端子との接続の結果、又はレベル変換を必要とする他の差動電圧の結果として異なる電圧にあることを理解されたい。したがって、スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂとして作用する２つのＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子は、異なる電圧にあるので互いに直結されない。したがって、各々のそのようなスイッチは、固有の耐ノイズ回路を有する。

第１のスイッチＳ１ａの代わりになる第１の耐ノイズスイッチングデバイス２０２及び図１の第３のスイッチＳ１ｂの代わりになる第２の耐ノイズスイッチングデバイスを用いて、図２に示すように、耐ノイズスイッチドキャパシタレベルシフタ２０４を形成することができる。バッテリスタック内のセルの正端子Ｃｅｌｌ＿Ｖ＋とのレベルシフタ２０４の第１端子の接続は、耐ノイズスイッチングデバイス２０２を参照して上述したとおりである。同様に、第２の耐ノイズスイッチングデバイスは、図１のスイッチＳ１ｂの代わりになり、図２に示すようにレベルシフタ２０４の端子をバッテリスタック内のセルの負端子Ｃｅｌｌ＿Ｖ−に接続する。図２に示すスイッチドキャパシタレベルシフタ２０４の実施形態において、スイッチＳ２ａは、キャパシタＣ５を通してクロック信号ＣＬＫ＿２にＡＣ結合され、スイッチＳ２ｂは、クロック信号ＣＬＫ＿２にＤＣ結合（この例では、直結）される。スイッチＳ２ａは、スイッチＳ２ａとして作用するＮ型ＭＯＳＦＥＴのゲート上に０Ｖのバイアスを設定するブリーダー抵抗器２０６を有する。ダイオード２０８は、このＮ型ＭＯＳＦＥＴ上のゲートとソース間の電圧が低すぎるようになることを防止し、このことは、この例では０Ｖを下回る１つのダイオード降下より大きいものであることになる。キャパシタＣ１及びＣ２は、図１のキャパシタＣ１及びＣ２並びにスイッチのそれと密接に関連する方法で図２のスイッチングデバイス又はスイッチに結合される。レベルシフタ２０４の追加の端子は、第２キャパシタＣ２の対向する端子によって形成され、キャパシタにわたってセル電圧を図２の測定されたＶｃｅｌｌとして測定することができる。

図３は、スイッチ、特に電気的ノイズの多い環境でスイッチを動作させる方法を示している。開始点の後に、アクション３０２においてスイッチの制御端子はバイアスをかけられる。例えば、図２を参照すると、抵抗器Ｒ２のようなバイアスデバイスは、スイッチＳ１ａとして作用するＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子を抵抗器Ｒ１及びキャパシタＲ３によって作られるようなローパスフィルタの出力に結合することができる。代替方法として、バイアスデバイスは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのゲート及びソース端子にわたって結合することができる。抵抗器Ｒ２がゲート及びソース端子にわたって結合された状態で、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴは、他の制御電圧がない場合にオフ又は停止状態にバイアスされる。他のバイアス電圧、バイアスのタイプ、及びバイアスの状態も容易に考案される。

図３のアクション３０４において、比較的大きい振幅入力信号を使用する。例えば、図２の回路では、ピーク間１８Ｖである信号を第１のクロックＣＬＫ＿１に利用することができる。ある実施形態において、ピーク間１８Ｖの例が制限的であると意図されないようにノイズ振幅を念頭に置きながら入力信号の振幅は選択される。例えば、用途及びノイズ環境に基づいて、予想ノイズよりも大きい振幅を有する入力信号が使用される場合がある。図３のアクション３０６において、入力信号のＤＣを阻止する。入力信号のＤＣの阻止は、キャパシタ、例えば、図２のキャパシタＣ４のようなＡＣ結合デバイスを使用することによって達成することができることを理解されたい。アクション３０８において、電圧を入力信号の振幅から差し引く。例えば、電圧クランプＺ２は、図２を参照して示すようにクランプ電圧をＡＣ結合された第１のクロック信号ＣＬＫ＿１から差し引く。その後に、アクション３１０において、修正された信号の振幅を制限する。ある実施形態において、図２の電圧クランプＺ１のような電圧クランプは、この機能をもたらす。アクション３１２において、この修正された信号をスイッチの制御端子に適用する。図２に示すように、ＡＣ結合された第１のクロック信号ＣＬＫ＿１は、電圧クランプＺ２を通過することによって修正され、振幅が低減されて現れる。その後に、この修正された信号は、電圧クランプＺ１によって固定され、スイッチＳ１ａとして作用するＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に印加される。これらのアクションは、耐ノイズであり、かつスイッチを損傷することを回避するスイッチ制御電圧をもたらす。

他のタイプの電圧クランプは、バイポーラトランジスタ、様々なタイプのＭＯＳＦＥＴトランジスタ、電圧基準、増幅器、及び他の回路を用いて考案することができることを理解されたい。ある実施形態において、標準ダイオードと直列にツェナーダイオードを電圧クランプに対して利用することができ、それは、方向に応じて異なる電圧を有する非対称クランプをもたらす。電圧クランプの他の実施形態は、特定用途向け集積回路（ＡＳ１Ｃ）を使用することができる。上述の電圧クランプは、本明細書に説明する機能性を達成する代替電圧クランプを実施形態に利用することができるように、制限的であるように意図されないことを理解されたい。他のタイプのフィルタは、様々な回路を用いて考案することができる。他のタイプの結合は、様々な回路を用いて考案することができる。これらの代替フィルタは、上述のフィルタの機能性を与えるために上述の回路の変形に適用することができる。

方法動作を特定の順番に説明したが、他の動作は、説明した動作と動作の間に行うことができ、説明した動作は、僅かに異なる時間に発生するように調節することができ、又は説明した動作は、処理に関連付けられた様々な間隔での処理動作の発生を可能にするシステムにおいて分散させることができることを理解されたい。

説明の目的で以上の説明は、特定の実施形態を参照して説明した。しかし、上述の例示的な内容は、網羅的であること又は本発明を開示した形態の通りに限定することを意図していない。多くの修正及び変形は、上述の教示に照らして可能である。実施形態は、実施形態の原理及びその実際的な用途を最も良く説明し、それによって当業者が実施形態及び様々な修正を考えている特定の使用に適するように最も良好に利用することを可能にするために選択かつ説明したものである。従って、本発明の実施形態は、例示的であり、制限的ではないと考えるべきであり、本発明は、本明細書に与えた細部に限定されないものとするが、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で修正することができる。

２０２耐ノイズスイッチングデバイス
２０４スイッチドキャパシタレベルシフタ
２０６ブリーダー抵抗器
２０８ダイオード
Ｚ１、Ｚ２背中合わせツェナーダイオード

Claims

耐ノイズスイッチ制御回路であって、
スイッチの第１の端子に結合するように構成されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタに結合された第１の電圧クランプであって、前記スイッチの制御端子に結合するように、かつ前記第１の端子に対する当該制御端子の電圧を第１のクランプ範囲内に制限するように構成された、第１の電圧クランプと、
スイッチ制御回路の入力端子に結合された第２の電圧クランプであって、前記スイッチの前記制御端子に結合するように構成され、当該第２の電圧クランプに結合された制御電圧のレベルを低減するように更に構成された、第２の電圧クランプと、
前記スイッチの前記制御端子に結合するように、かつ前記制御端子にバイアス電圧を印加するように構成されたバイアスデバイスと、
を含むスイッチ制御回路。
前記制御電圧を前記第２の電圧クランプに結合しながらＤＣ（直流）を阻止するように構成されたカプラを更に含む、請求項１に記載のスイッチ制御回路。
前記バイアスデバイスは、前記カプラと協働して更に別のローパスフィルタを形成する、請求項２に記載のスイッチ制御回路。
前記バイアスデバイスは、前記ローパスフィルタに結合される、請求項１に記載のスイッチ制御回路。
前記スイッチは、前記スイッチの前記制御端子として動作可能なゲートを有するＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を含む、請求項１に記載のスイッチ制御回路。
前記第１の電圧クランプは、第１の背中合わせツェナーダイオードを含み、前記第２の電圧クランプは、第２の背中合わせツェナーダイオードを含む、請求項１に記載のスイッチ制御回路。
前記ローパスフィルタは、抵抗器及びキャパシタを含み、前記バイアスデバイスは、前記ローパスフィルタの出力に結合された抵抗器を含む、請求項１に記載のスイッチ制御回路。
前記第１のクランプ範囲は、前記第１の電圧クランプに含まれた第１の背中合わせツェナーダイオードによって決定され、第２のクランプ範囲は、前記第２の電圧クランプに含まれた第２の背中合わせツェナーダイオードによって決定される、請求項１に記載のスイッチ制御回路。
耐ノイズスイッチングデバイスであって、
第１の端子と第２の端子と制御端子とを有するスイッチであって、当該第１の端子及び当該第２の端子は、当該制御端子が当該第１の端子に対する起動電圧範囲内にあることに応答して互いに結合されるスイッチと
耐ノイズスイッチングデバイスの入力端子として第１の端子を有するＡＣ（交流）結合デバイスと、
前記スイッチの前記制御端子及び前記第１の端子に結合され、前記制御端子の電圧を前記スイッチの前記第１の端子に対する第１のクランプ電圧に固定するように動作可能な第１の電圧クランプと、
前記ＡＣ結合デバイスの第２の端子に結合された第２の電圧クランプであって、前記スイッチの前記制御端子に結合され、前記ＡＣ結合デバイスの前記第２の端子上の電圧の大きさが第２のクランプ電圧より大きいことに応答して前記制御端子の電圧を前記ＡＣ結合デバイスの前記第２の端子上の電圧に向けて強制するように構成される、第２の電圧クランプと、
前記スイッチの前記第１の端子に結合された出力を有するローパスフィルタと、
前記スイッチの前記制御端子及び前記第１の端子に結合されたバイアスデバイスと、
を含む耐ノイズスイッチングデバイス。
前記ＡＣ結合デバイスは、キャパシタを含み、前記第２の電圧クランプは、当該キャパシタと直列である背中合わせツェナーダイオードを含む、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
前記スイッチは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を含み、当該ＭＯＳＦＥＴのゲートが、前記スイッチの前記制御端子として作用し、前記第１の電圧クランプは、前記ＭＯＳＦＥＴのソース及び前記ＭＯＳＦＥＴのゲートにわたって結合された背中合わせツェナーダイオードを含む、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
前記ローパスフィルタは、第１の抵抗器及びキャパシタを直列に含み、前記バイアスデバイスは、第２の抵抗器を含む、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
前記第１のクランプ電圧は、第１の背中合わせツェナーダイオードによって設定され、前記第２のクランプ電圧は、第２の背中合わせツェナーダイオードによって設定される、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
前記ＡＣ結合デバイス及び前記第２の電圧クランプは、耐ノイズスイッチングデバイスの前記入力端子で入力信号を受け取るように構成され、前記入力信号は、大きさが前記第２のクランプ電圧の２倍よりも大きいピーク間振幅を有する、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
前記スイッチの前記制御端子は、耐ノイズスイッチングデバイスの前記入力端子での入力信号の大きさが前記第２のクランプ電圧の２倍よりも低いピーク間振幅を有することに応答して前記バイアスデバイスによって付与されたバイアス電圧を有する、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
前記スイッチ及び前記バイアスデバイスは、クロック信号が不在であることに応答して前記スイッチを停止するように構成される、請求項９に記載の耐ノイズスイッチングデバイス。
耐ノイズスイッチドキャパシタレベルシフタであって、
第１のキャパシタと、
第２のキャパシタと、
レベルシフタの第１の端子に結合され、かつ前記第１のキャパシタの第１の端子に結合された第１のスイッチと、
前記第１のキャパシタの前記第１の端子に結合され、かつ前記第２のキャパシタの第１の端子に結合された第２のスイッチと、
レベルシフタの第３の端子に結合され、かつ前記第１のキャパシタの第２の端子に結合された第３のスイッチと、
前記第１のキャパシタの前記第２の端子に結合され、かつ前記第２のキャパシタの第２の端子に結合された第４のスイッチと、
前記第１のスイッチの制御端子に結合された第１のＡＣ（交流）結合及びＤＣ（直流）バイアスデバイスと、
前記第３のスイッチの制御端子に結合された第２のＡＣ結合及びＤＣバイアスデバイスと、を含み、
前記第１及び第２のデバイスは、それぞれの第１又は第３のスイッチの前記制御端子をＤＣバイアスし、かつ第１のクロック信号のＡＣ結合電圧固定バージョンを前記それぞれの第１又は第３のスイッチの前記制御端子に通すように構成され、前記第１及び第２のデバイスは、それぞれの第１又は第３のスイッチの前記制御端子での電圧をクランプ範囲内に固定するように動作可能であり、前記第２のスイッチ及び前記第４のスイッチは、第２のクロック信号に結合するように構成される、レベルシフタ。
前記第２のスイッチの制御端子に結合されたキャパシタであって、前記第２のクロック信号に結合するように構成されたキャパシタと、
前記第２のキャパシタの前記第１の端子に結合され、かつ前記第２のスイッチの前記制御端子に結合されたダイオードと、
前記第２のスイッチの前記制御端子に結合され、かつ前記第２のキャパシタの前記第２の端子に結合された抵抗器と、
を更に含む請求項１７に記載のレベルシフタ。
前記第１のスイッチは、第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を含み、ゲートが、前記第１のスイッチの前記制御端子として作用し、
前記第２のスイッチは、第１のＮ型ＭＯＳＦＥＴを含み、ゲートが、前記第２のスイッチの前記制御端子として作用し、
前記第３のスイッチは、第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴを含み、ゲートが、前記第３のスイッチの前記制御端子として作用し、
前記第４のスイッチは、第２のＮ型ＭＯＳＦＥＴを含み、ゲートが、前記第４のスイッチの前記制御端子として作用し、
前記第１のデバイスは、レベルシフタの前記第１の端子に結合されて前記第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソースに結合された第１の抵抗器と、前記第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソースに結合されて接地に結合された第３のキャパシタと、前記第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲートにわたって結合された第１の組の背中合わせツェナーダイオードと、前記第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲートにわたって結合された第２の抵抗器と、前記第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲートに結合された第２の組の背中合わせツェナーダイオードと、前記第２の組の背中合わせツェナーダイオードに結合された第４のキャパシタとを含み、
前記第２のデバイスは、レベルシフタの前記第３の端子に結合されて前記第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソースに結合された第３の抵抗器と、前記第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソースに結合されて接地に結合された第５のキャパシタと、前記第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲートにわたって結合された第３の組の背中合わせツェナーダイオードと、前記第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲートにわたって結合された第４の抵抗器と、前記第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲートに結合された第４の組の背中合わせツェナーダイオードと、前記第４の組の背中合わせツェナーダイオードに結合された第６のキャパシタとを含む、
ことを更に含む請求項１７に記載のレベルシフタ。
前記第２のスイッチは、前記第２のクロック信号にＡＣ結合するように構成され、前記第４のスイッチは、前記第２のクロック信号にＤＣ結合するように構成される、請求項１７に記載のレベルシフタ。
スイッチを制御する方法であって、
スイッチの制御端子を起動電圧範囲又は停止電圧範囲のうちの一方の範囲内までバイアスをかける段階と、
入力信号をＡＣ（交流）結合して当該入力信号のＡＣ結合バージョンを生成する段階と、
前記入力信号の前記ＡＣ結合バージョンが第２のクランプ範囲を超えることに応答して、前記入力信号の前記ＡＣ結合バージョンを電圧固定して前記入力信号の低減ＡＣ結合バージョンを生成する段階と、
前記入力信号の前記低減ＡＣ結合バージョンを電圧固定して前記入力信号の電圧固定ＡＣ結合バージョンを生成する段階と、
前記入力信号の前記電圧固定ＡＣ結合バージョンを前記スイッチの前記制御端子に印加する段階と、
を含む方法。
前記スイッチの前記制御端子が前記起動電圧範囲内であることに応答して前記スイッチを起動する段階と、
前記スイッチの前記制御端子が前記停止電圧範囲内であることに応答して前記スイッチを停止する段階と、
を更に含む請求項２１に記載の方法。
電圧をローパスフィルタリングしてローパスフィルタリングされた電圧を生成する段階と、
前記ローパスフィルタリングされた電圧を前記スイッチの第１の端子上に表す段階と、
を更に含む請求項２１に記載の方法。
前記ＡＣ結合バージョンを電圧固定する段階は、前記入力信号の前記低減ＡＣ結合バージョンを第１の振幅だけ低減された前記入力信号の前記ＡＣ結合バージョンとして生成する段階を含み、
前記低減ＡＣ結合バージョンを電圧固定する段階は、前記入力信号の前記電圧固定ＡＣ結合バージョンを第２の振幅に制限する段階を含む、
ことを更に含む請求項２１に記載の方法。