JP4146418B2 - スタティックウェル間のレベルシフトを伴う電源供給を必要としないゲートドライバ - Google Patents

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Description

本発明は、分割電源及び電源に接続されていない(floating)入力を備える、スイッチングアンプ及び他のスイッチングアプリケーションのための集積回路(IC)制御端子ドライバに関するものであり、より具体的には、スタティックウェルが、論理回路を備えないと共にその結果チップのその部分に電源入力を必要としない信号入力回路構成と接続された、ドライバに関するものである。
本出願は、2003年12月16日に“GATE DRIVER WITH LEVEL SHIFT BETWEEN STATIC WELLS WITH NO POWER SUPPLY”として出願され、それの全体の開示が参照されることによりここに組み込まれた米国の仮特許出願60/530,319号に対する利点と優先権を主張する。
本発明は、D級オーディオ増幅器との関係で説明されるが、しかし本発明は、同様に、トランジスタ間の共通のノードから負荷を駆動するために使用される直列に接続されたMOSFETまたはIGBTのようなパワートランジスタに、“+”及び“−”のバス電源供給が必要とされる他のスイッチングアプリケーションに対する実用性も備えている。
D級増幅器は、一組の高電位側スイッチ及び低電位側スイッチのためのゲートドライバが、グランド電圧の近傍にある入力信号を、高電位側バス電圧と低電位側バス電圧との間に適応させなければならない多数のスイッチングアプリケーション、増幅器の代表である。要求されるICゲートドライバの構成において、一方は高電位側スイッチを駆動するためであると共に他方は入力信号を受信するためである、2つの分離したウェルが存在しなければならない。
従来は、論理回路が両方のウェルにおいて必要とされると共に、その結果、両方のウェルのための電源も同様に必要とされる。空間的余裕及びパッケージ化コストが常にICの要因であるので、チップサイズの縮小を可能にする、あるいは更に小さい、または安上がりなパッケージの利用を可能にするあらゆるアーキテクチャは、重要な商業的利点を主張することができる。
本発明は、高電圧スイッチを通して入力信号を直接ICの低電位側部分に変換するレベルシフトによって上述の要求を満たす。論理回路構成が入力ウェルのために必要とされないので、これは、個別の電源の必要性を排除する。これは、言い換えると、ICへの1つの入力を削除すると共に、分割電源を備えるハーフブリッジゲートドライバ(half bridge gate driver)の場合は、更に小さくかつ安上がりな8ピンパッケージの使用を可能にする。それ故に、制御チップを利用する増幅器または他の製品が、それに対応してより小さな面積で構成され得る。
従って、分割電源及び電源に接続されていない入力を備えるスイッチングアプリケーションに、改良された制御端子ドライバICを供給することが、この発明の目的である。
スタティックウェルが、論理回路を備えないと共にその結果チップのその部分に電源入力を必要としない信号入力回路構成と接続された、ドライバICを供給することが、発明の更なる目的である。
入力信号が高電圧スイッチを通して直接低電位側と接続されると共にその結果入力ウェルのための個別の電源入力を必要としないD級オーディオ増幅器に、ゲートドライバICを供給することが、本発明の更に明確な目的である。
本発明の他の目的及び特徴は、以下の詳細な説明及び添付図面の考察から明白になる。初めから終わりまで、同様の構成要素には同じ参照符号が与えられる。
まず図1を参照すると、これは、回路図の形態において、LCフィルタ18を通してラウドスピーカー16を駆動すると共に、高電位側バスと低電位側バスとの間に直列に接続された2個のMOSFET出力トランジスタ12,14(時に、トーテムポール構成と言われる)によるハーフブリッジ接続形態を備える、従来のD級増幅器10の一部を示す。PWMオーディオ入力信号は、実質的に完全に導通した状態と実質的に完全に導通しない状態との間でMOSFET12,14を交互に作動させるために、レベルシフタ22に加えて必要なロジック等を備えるゲートドライバ20に供給される。
MOSFET12,14が、スイッチングの遷移期間を除いて、どちらも実質的に完全にオンである、または実質的に完全にオフであるので、D級増幅器は、適切に設計された他のタイプのオーディオ増幅器に匹敵する優れたオーディオ周波数応答及び歪み値に加えて、低い電力消費と高い効率とを示すということが知られている。
D級増幅器は、ほぼ50年前から知られていたが、しかし、例えばフラットパネルテレビのような、高い熱放散(高い電流消費による)が回避されなければならないアプリケーション、及び、例えば携帯電話と他のポータブル音響設備のように、節約と利用者の利便性とのために電池の寿命が最大限にされなければならないアプリケーションにおいて実用性が増加している。1つの電源入力を削除すると共に、削減されたパッケージサイズの利用を可能にすることによって、本発明は、これらのアプリケーションのために、D級増幅器の魅力を高める。
ところで、図2を参照すると、図1において示されるMOSFET12,14のためのゲート駆動回路の本質的特徴が参照符号30で示される。この実施例において、PWM入力信号電圧は、入力回路32を通して、電圧を電流に変換する抵抗器34に供給される。これは、同様に、高電圧レベルシフタトランジスタ36を通して、それが抵抗器40を横断して電圧として回復される低電位側に接続される。
高電圧レベルシフタトランジスタ36がICダイ(IC die)において形成される中央部のウェル38における唯一の要素であるので、個別の電源入力が必要とされない。nタブ(n-tub)は、図示されたように、入力信号そのものによってバイアスがかけられる。
更に図2を参照すると、抵抗器40を横断する電圧は、バッファ回路42を通して、従来の方法において、適当なバッファ(図示せず)を通してゲート駆動信号H,Lを高電位側MOSFET12及び低電位側MOSFET14に対してそれぞれ供給するように作動する休止期間回路(dead time circuit)46に接続される。
図3は、代わりの実施例として、変調されたアナログ信号形式の入力信号がアナログ入力回路50を通して接続されたゲート駆動回路30’を示す。この場合も、入力信号電圧は、電圧を電流に変換する抵抗器34及びレベルシフタトランジスタ36を通して、それが抵抗器40を横断して電圧として回復される低電位側に接続される。
この場合において、抵抗器40を横断する信号は、まだ変調されたアナログ形式である。従って、それはPWM信号を生成するために差動比較器52を通して接続される。図2に関連して上述されたように、これは、同様に、休止期間回路46に接続される。
更なる変形例が図4において図示される。この配置は、スイッチングノードと電源に接続されていない高電位側ウェルとの間の浮遊容量によって注入された雑音の影響を減少させるのに役立つ。この目的のために、入力信号を低電位側と接続する高電圧トランジスタスイッチ36及び抵抗器54に加えて、図示されたように接地されたエミッタを備える第2のパラレルトランジスタ36aが与えられる。トランジスタ36aは、低電位側の第2の抵抗器56と接続される。従って、2個の抵抗器54及び抵抗器56は、入力信号を差動モードに変換すると共に、差動比較器58への入力に接続される。これは、同様に、前述の休止期間回路46を駆動する。
本発明は、それについての特別な実施例に関して説明されたが、多くの他の変更と修正、及び他の使用法が当業者にとって明白になる。従って、本発明は、ここでの特定の開示によって限定されないことが意図されるが、しかし添付のクレームによって可能にされた十分な範囲を与えられるべきである。
従来のハーフブリッジ接続形態を備えるD級増幅器の出力段の回路図を示す図である。 オーディオ入力がパルス幅変調された(PWM)信号の形である、図1に図示されたD級増幅器における使用のための本発明の一実施例によるゲート駆動回路の機能回路ブロック図を示す図である。 オーディオ入力が変調されたアナログ信号の形式である本発明の別の実施例を示す図である。 2つの並列ステージが入力信号を差動モードで伝送するために使用される更なる実施例を示す図である。
符号の説明
12,14 MOSFET(出力トランジスタ)
16 ラウドスピーカー
10 D級増幅器
18 LCフィルタ
20 ゲートドライバ
22 レベルシフタ
30 ゲート駆動回路
30’ ゲート駆動回路
32 入力回路
34 抵抗器
36 高電圧トランジスタスイッチ(高電圧レベルシフタトランジスタ)
36a 第2のパラレルトランジスタ
38 中央部のウェル
40 抵抗器
46 休止期間回路(dead time circuit)
42 バッファ回路
50 アナログ入力回路
52 差動比較器
54 抵抗器
56 第2の抵抗器
58 差動比較器



Claims (10)

  1. 直列接続された高電位側出力トランジスタ及び低電位側出力トランジスタと、それらと接続された分割電源及び電源に接続されていない入力とを備えるスイッチング回路のための制御端子駆動ICであって、
    前記駆動ICは、低電位側の基準レベルを有していると共に、
    入力信号を受信する入力回路と、
    前記入力回路の出力に接続された入力を有している、前記入力信号の電圧を電流に変換するための電圧電流変換器と、
    ICの中央部のウェルに形成されると共に、前記電圧電流変換器の出力に接続された入力を有するレベルシフタと、
    前記低電位側の基準レベルと前記レベルシフタの出力との間に接続されている、前記レベルシフタの出力を電圧に変換するための電流電圧変換器と、
    前記電流電圧変換器の出力に接続されており、電圧を受けて、前記高電位側トランジスタ及び前記低電位側トランジスタに対する制御端子駆動信号を生成するように作動する出力回路とを備え、
    前記中央部のウェルには電源入力が提供されず、
    前記レベルシフタは、前記入力信号のレベルが低電位側の基準レベルにゆだねられるように前記入力信号を変換する働きをする
    ことを特徴とする制御端子駆動IC。
  2. 前記入力回路が、PWM(パルス幅変調)入力信号を受信するように構成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  3. 前記入力回路が、前記入力信号として変調されたアナログ入力信号を受信するように構成され、
    前記出力回路が、電圧として受け取られた変調されたアナログ入力信号をPWM信号に変換するように作動する
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  4. 前記出力回路が差動比較器である
    ことを特徴とする請求項3に記載の制御端子駆動IC。
  5. 前記電圧電流変換器が、前記レベルシフタ入力と直列に接続された第1の抵抗器であり、
    前記電流電圧変換器が、前記レベルシフタの出力と直列に接続された第2の抵抗器である
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  6. 前記レベルシフタが、高電圧トランジスタである
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  7. 前記レベルシフタが、バイポーラトランジスタである
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  8. 前記中央のウェルのnタブが、入力信号によってバイアスされる
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  9. 前記スイッチング回路が、D級オーディオ増幅器である
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
  10. 前記レベルシフタが、
    前記入力回路と前記出力回路の第1の入力との間に接続された電流経路を有する第1のトランジスタと、
    接地点と前記出力回路の第2の入力との間に接続された電流経路を有する第2のトランジスタとを備え、
    前記出力回路が差動比較器であり、
    前記第1及び第2のトランジスタと電源に接続されていない高電位側ウェルとの間でスイッチングノードが提供する浮遊容量によって発生する雑音が低減される
    ことを特徴とする請求項1に記載の制御端子駆動IC。
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