JP7132063B2 - Driver circuits for output transistors, semiconductor devices, automobiles - Google Patents
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Description
本発明は、PチャンネルあるいはPNP型のトランジスタの駆動技術に関する。 The present invention relates to driving techniques for P-channel or PNP type transistors.
スイッチングレギュレータ、インバータ、コンバータ、リレーの駆動回路は、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ(Hブリッジ)回路などのスイッチング出力回路を備える。 Driving circuits for switching regulators, inverters, converters, and relays include switching output circuits such as half-bridge circuits and full-bridge (H-bridge) circuits.
図1は、本発明者が検討した出力回路1の構成を示す回路図である。出力回路1は、出力トランジスタMHおよび駆動回路2を備える。出力トランジスタMHは、PチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、ソースが入力端子INと接続され、ドレインが出力端子OUTと接続される。駆動回路2は、制御信号SCTRLに応じて、出力トランジスタMHのゲート電圧VGを制御する。
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of an
入力電圧VINが比較的低いアプリケーションでは、ゲート電圧VGを、入力電圧VINと接地電圧VGNDの間でスイッチングさせるのが一般的である。しかしながら、入力電圧VINが高いアプリケーションでは、出力トランジスタMHのゲート耐圧等を考慮して、ゲート電圧VGを、入力電圧VINと、所定電圧VREGB(=VIN-ΔV)の間でスイッチングさせるのが一般的である。ΔVは、出力トランジスタMHのゲートソース間電圧の振幅に相当し、出力トランジスタMHのゲートソース間しきい値VGS(th)より大きく定められる。たとえばΔV=5V程度である。 In applications where the input voltage V IN is relatively low, it is common to have the gate voltage V G switch between the input voltage V IN and ground voltage V GND . However, in applications where the input voltage V IN is high, the gate voltage V G is set between the input voltage V IN and a predetermined voltage V REGB (=V IN -ΔV) in consideration of the gate withstand voltage of the output transistor MH . Switching is common. ΔV corresponds to the amplitude of the gate-source voltage of the output transistor MH , and is determined to be larger than the gate-source threshold VGS(th) of the output transistor MH . For example, ΔV is about 5V.
駆動回路2は、ドライバ4、電圧源6、レベルシフタ8を含む。電圧源6は、入力電圧VINよりも所定電圧ΔVだけ低い電源電圧(内部電源電圧とも称する)VREGBを生成する。ドライバ4の上側電源端子には入力電圧VINが、下側電源端子には、内部電源電圧VREGBが供給される。レベルシフタ8は、電源電圧VREGをハイ、接地電圧VGNDをローとする制御信号SCTRLを、VINをハイ、VREGBをローとする制御信号SCTRL’にレベルシフトし、ドライバ4に供給する。ドライバ4は、制御信号SCTRL’に応じて、ハイ(VIN)、ロー(VREGB)の範囲で変化するゲート電圧VGを生成する。
電圧源6は、ソースフォロア型のクランプ回路で構成される。具体的には第1トランジスタM1のゲートには、入力電圧VINよりも所定電圧(VZ)低いバイアス電圧VBIASが供給される。第1トランジスタM1のゲートソース間電圧をVTHとするとき、以下の関係が成り立つ。
VREGB=VIN-VZ+VTH=VBIAS+VTH
すなわち出力トランジスタMHのゲートソース間電圧VGSの振幅ΔVは、ΔV=(VZ-VTH)となる。
The
V REGB =V IN -V Z +V TH =V BIAS +V TH
That is, the amplitude ΔV of the gate-source voltage V GS of the output transistor M H is ΔV=(V Z −V TH ).
(第1の課題)
以上が出力回路1の構成である。本発明者らは、図1の出力回路1について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
(First issue)
The configuration of the
図2は、図1の電圧源6の入出力特性を示す図である。横軸は入力電圧VINを示す。図2には、内部電源電圧VREGBに加えて、入力電圧VIN、およびバイアス電圧VBIASが示される。
FIG. 2 is a diagram showing input/output characteristics of the
電圧源6が正常に動作するためには、第1トランジスタM1のゲートの電位VBIASが、電流源7の飽和電圧VSATより高くなければならない。
VBIAS>VSAT
すなわち、VIN<VSAT+VZである低電圧領域では、VINとVREGBの差分ΔV、すなわち出力トランジスタMHのゲートソース間電圧VGSが小さくなる。出力トランジスタMHのゲートソース間電圧VGSが小さいと、そのオン抵抗RONが大きくなり、損失が大きくなる。
In order for the
V BIAS >V SAT
That is, in the low voltage region where V IN <V SAT +V Z , the difference ΔV between V IN and V REGB , that is, the gate-source voltage V GS of the output transistor M H becomes small. When the gate-source voltage VGS of the output transistor MH is small, its on -resistance RON becomes large and the loss becomes large.
本発明者は、この問題を解決するために、図3の駆動回路を検討した。図3は、比較技術に係る駆動回路2Rの回路図である。駆動回路2Rは、減電圧検出回路10およびスイッチSW1を備える。減電圧検出回路10は、入力電圧VINを所定のしきい値と比較し、減電圧状態を検出する。スイッチSW1は、内部電源電圧VREGBの発生するラインと接地の間に設けられる。減電圧状態においてスイッチSWがオンとなると、内部電源電圧VREGBは、接地電圧VGND(=0V)まで低下し、出力トランジスタMHのゲート電圧VGに接地電圧VGNDを与えることができる。
In order to solve this problem, the inventor studied the drive circuit of FIG. FIG. 3 is a circuit diagram of a
別のアプローチとして、スイッチSW1に代えて、出力トランジスタMHのゲートと接地の間にスイッチSW2が設け、減電圧状態においてスイッチSW2をオンする方法も考えられる。 As another approach, instead of the switch SW1, a switch SW2 may be provided between the gate of the output transistor MH and the ground, and the switch SW2 may be turned on in the reduced voltage state.
図3の駆動回路2Rでは、入力電圧VINが低い状態においても、出力トランジスタMHのオン抵抗を小さく維持できる。しかしながら減電圧検出回路10の誤動作によって、入力電圧VINが十分に高いにもかかわらず、スイッチSW1あるいはSW2がオンとなると、出力トランジスタMHのゲートソース間に過電圧が印加されることとなり、回路の信頼性が損なわれる。
In the
なおここでは入力電圧VINが低い状態にフォーカスして、課題の一側面を説明したが、本発明の適用は、入力電圧VINが低い状態に限定されるものではない。 Here, one aspect of the problem has been described by focusing on the state where the input voltage VIN is low, but the application of the present invention is not limited to the state where the input voltage VIN is low.
(第2の課題)
図4は、本発明者が検討した出力回路1の構成を示す回路図である。出力回路1は、出力トランジスタMHおよび駆動回路2を備える。出力トランジスタMHは、PチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、ソースが入力端子INと接続され、ドレインが出力端子OUTと接続される。駆動回路2は、制御信号SCTRLに応じて、出力トランジスタMHのゲート電圧VGを制御する。
(Second issue)
FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of the
入力電圧VINが比較的低いアプリケーションでは、ゲート電圧VGを、入力電圧VINと接地電圧VGNDの間でスイッチングさせるのが一般的である。しかしながら、入力電圧VINが高いアプリケーションでは、出力トランジスタMHのゲート耐圧等を考慮して、ゲート電圧VGを、入力電圧VINと、所定電圧VREGB(=VIN-ΔV)の間でスイッチングさせるのが一般的である。ただし、ΔVは4~5V程度であり、出力トランジスタMHのゲートソース間しきい値VGS(th)より大きく定められる。 In applications where the input voltage V IN is relatively low, it is common to have the gate voltage V G switch between the input voltage V IN and ground voltage V GND . However, in applications where the input voltage V IN is high, the gate voltage V G is set between the input voltage V IN and a predetermined voltage V REGB (=V IN -ΔV) in consideration of the gate withstand voltage of the output transistor MH . Switching is common. However, ΔV is approximately 4 to 5 V, and is determined to be larger than the gate-source threshold V GS (th) of the output transistor MH .
駆動回路2は、ドライバ4、電圧源6、レベルシフタ8を含む。電圧源6は、入力電圧VINよりも所定電圧ΔVだけ低い電源電圧VREGBを生成する。ドライバ4の上側電源端子には入力電圧VINが、下側電源端子には、電源電圧VREGBが供給される。レベルシフタ8は、電源電圧VDDをハイ、接地電圧VGNDをローとする制御信号SCTRLを、VINをハイ、VREGBをローとする制御信号SCTRL’にレベルシフトし、ドライバ4に供給する。ドライバ4は、制御信号SCTRL’に応じて、ハイ(VIN)、ロー(VREGB)の範囲で変化するゲート電圧VGを生成する。
以上が出力回路1の構成である。本発明者らは、図4の出力回路1について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。出力トランジスタMHをターンオフする際に、ドライバ4は、出力トランジスタMHのゲートに電流I1をソースする。これにより出力トランジスタMHのゲート容量が充電され、ゲート電圧VGがVIN付近まで上昇する。
The configuration of the
反対に出力トランジスタMHをターンオンする際に、ドライバ4は、出力トランジスタMHのゲートから、電流I2をシンクする。これにより出力トランジスタMHのゲート容量が放電され、ゲート電圧VGが電源電圧VREGB付近まで低下する。
Conversely, in turning on output transistor MH ,
ドライバ4がシンクする電流I2は、電源電圧VREGBの発生する内部電源ライン11に流れ込むため、電源電圧VREGBを変動させる要因となる。電源電圧VREGBの変動を抑制するために、内部電源ライン11と入力端子INの間に、比較的容量の大きいキャパシタC1を設ける必要がある。キャパシタC1をIC(Integrated Circuit)の内部に集積化すれば、チップ面積が増大し、コストが増加する。またキャパシタC1をIC(Integrated Circuit)に外付けする構成をとる場合、部品点数が増え、また内部電源ライン11に外付けのキャパシタC1を接続するために、ICに追加のピンが必要となる。
The current I2 that the
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、出力トランジスタMHのオン抵抗を小さくできる駆動回路の提供にある。また別の態様の例示的な目的のひとつは、キャパシタの容量を小さくし、あるいはキャパシタが不要な、出力回路の提供にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and one exemplary purpose of certain aspects thereof is to provide a drive circuit capable of reducing the on-resistance of an output transistor MH . An exemplary object of another aspect is to provide an output circuit that reduces the capacitance of a capacitor or eliminates the need for a capacitor.
1. 本発明のある態様は、入力電圧を受ける入力端子と出力端子の間に設けられる出力トランジスタを、制御信号に応じて駆動する駆動回路に関する。駆動回路は、内部ラインと、ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が内部ラインと接続される第1トランジスタと、内部ラインに作用し、内部ラインの電圧を時間的に緩やかに低下させる電圧補正回路と、を備える。出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極には、そのオン期間において内部ラインの電圧が印加される。 1. One aspect of the present invention relates to a drive circuit that drives an output transistor provided between an input terminal that receives an input voltage and an output terminal according to a control signal. The driving circuit includes an internal line, a first transistor biased at a control electrode, which is a gate or base, and a first electrode, which is a source or emitter, connected to the internal line, and acts on the internal line to generate a voltage on the internal line. and a voltage correction circuit that gradually lowers the voltage over time. The voltage of the internal line is applied to the control electrode, which is the gate or base of the output transistor, during its ON period.
本発明の別の態様もまた、駆動回路である。この駆動回路は、出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極と接続される内部ラインと、ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が内部ラインと接続される第1トランジスタと、第1トランジスタのドレインまたはコレクタである第2電極と接地の間に設けられ、制御信号に応じてオン、オフする第2トランジスタと、内部ラインから補助電流をシンクする電流源と、入力端子と内部ラインの間に設けられたインピーダンス素子と、を備える。 Another aspect of the invention is also a drive circuit. This drive circuit includes an internal line connected to the control electrode, which is the gate or base of the output transistor, and a second line, to which the control electrode, which is the gate or base, is biased and the first electrode, which is the source or emitter, is connected to the internal line. 1 transistor, a second transistor provided between a second electrode, which is the drain or collector of the first transistor, and ground, and turned on and off according to a control signal, a current source for sinking an auxiliary current from an internal line; and an impedance element provided between the input terminal and the internal line.
本発明のさらに別の態様もまた、駆動回路である。この駆動回路は、内部ラインと、ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が内部ラインと接続される第1トランジスタと、入力端子と接続される上側電源端子、内部ラインと接続される下側電源端子、出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極と接続される出力端子を有し、制御信号に応じて出力トランジスタを駆動するドライバと、内部ラインから補助電流をシンクする電流源と、入力端子と内部ラインの間に設けられたインピーダンス素子と、を備える。 Yet another aspect of the invention is also a drive circuit. The drive circuit includes an internal line, a first transistor biased at a control electrode that is a gate or base and a first electrode that is a source or emitter connected to the internal line, an upper power supply terminal connected to an input terminal, A driver that has a lower power supply terminal connected to the internal line, an output terminal connected to the control electrode that is the gate or base of the output transistor, drives the output transistor according to the control signal, and draws an auxiliary current from the internal line. A sinking current source and an impedance element provided between the input terminal and the internal line.
2. 本発明のある態様は、入力端子と出力端子の間に設けられる出力トランジスタを駆動する駆動回路に関する。駆動回路は、その第1電極が出力トランジスタの制御電極と接続され、その制御電極がバイアスされる第1トランジスタと、第1トランジスタの第2電極と接地の間に設けられ、出力トランジスタのオン期間においてオンとなる第2トランジスタと、入力端子と出力トランジスタの制御電極の間に設けられる第3トランジスタと、出力トランジスタのオフ期間において第3トランジスタをオンするサブドライバと、を備える。サブドライバは、入力端子と第3トランジスタの制御電極の間に設けられた第2抵抗と、その第1電極が第3トランジスタの制御電極に接続され、その制御電極がバイアスされる第4トランジスタと、第4トランジスタの第2電極と接地の間に設けられ、出力トランジスタのオフ期間においてオンとなる第5トランジスタと、を含む。第1トランジスタの制御電極と、第4トランジスタの制御電極は、別々の電圧源によってバイアスされている。 2. One aspect of the present invention relates to a drive circuit that drives an output transistor provided between an input terminal and an output terminal. A drive circuit is provided between a first transistor whose first electrode is connected to the control electrode of the output transistor and whose control electrode is biased, and between the second electrode of the first transistor and the ground, and the ON period of the output transistor is a third transistor provided between the input terminal and the control electrode of the output transistor; and a sub-driver that turns on the third transistor during the off period of the output transistor. The sub-driver includes a second resistor provided between the input terminal and the control electrode of the third transistor, and a fourth transistor whose first electrode is connected to the control electrode of the third transistor and whose control electrode is biased. , a fifth transistor provided between the second electrode of the fourth transistor and the ground and turned on during the off period of the output transistor. A control electrode of the first transistor and a control electrode of the fourth transistor are biased by separate voltage sources.
本発明の別の態様は、半導体装置に関する。半導体装置は、出力トランジスタと、出力トランジスタを駆動する上述のいずれかの駆動回路と、を備えてもよい。 Another aspect of the present invention relates to a semiconductor device. A semiconductor device may include an output transistor and any of the drive circuits described above for driving the output transistor.
本発明の別の態様は自動車に関する。自動車は、メカリレーと、メカリレーを駆動する半導体装置と、を備えてもよい。 Another aspect of the invention relates to automobiles. The automobile may include a mechanical relay and a semiconductor device that drives the mechanical relay.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that arbitrary combinations of the above-described constituent elements and mutually replacing the constituent elements and expressions of the present invention in methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.
本発明のある態様によれば、出力トランジスタのオン抵抗を小さくできる。またある態様によれば、キャパシタの容量を小さくでき、あるいはキャパシタを不要にできる。 According to one aspect of the present invention, the ON resistance of the output transistor can be reduced. Further, according to another aspect, the capacity of the capacitor can be reduced, or the capacitor can be eliminated.
(実施の形態の概要)
1. 本明細書に開示される一実施の形態は、入力電圧を受ける入力端子と出力端子の間に設けられる出力トランジスタを、制御信号に応じて駆動する駆動回路に関する。駆動回路は、内部ラインと、ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が内部ラインと接続される第1トランジスタと、内部ラインに作用し、内部ラインの電圧を時間的に緩やかに低下させる電圧補正回路と、を備える。出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極には、そのオン期間において内部ラインの電圧が印加される。
(Overview of Embodiment)
1. An embodiment disclosed in this specification relates to a drive circuit that drives an output transistor provided between an input terminal that receives an input voltage and an output terminal according to a control signal. The driving circuit includes an internal line, a first transistor biased at a control electrode, which is a gate or base, and a first electrode, which is a source or emitter, connected to the internal line, and acts on the internal line to generate a voltage on the internal line. and a voltage correction circuit that gradually lowers the voltage over time. The voltage of the internal line is applied to the control electrode, which is the gate or base of the output transistor, during its ON period.
電圧補正回路によって内部ラインの電圧を低下させることにより、出力トランジスタのゲート電圧のローレベルを低くでき、オン抵抗を小さくできる。 By lowering the voltage of the internal line with the voltage correction circuit, the low level of the gate voltage of the output transistor can be lowered, and the on-resistance can be reduced.
電圧補正回路は、内部ラインから補助電流をシンクする電流源を含んでもよい。補助電流によって内部ラインの電荷を引き抜くことにより、内部ラインの電圧を電流量に応じた傾きで緩やかに低下させることができる。 The voltage correction circuit may include a current source that sinks auxiliary current from internal lines. By extracting the charge of the internal line with the auxiliary current, the voltage of the internal line can be gently lowered with a slope corresponding to the amount of current.
一実施の形態において、駆動回路は、入力端子と接続される上側電源端子、内部ラインと接続される下側電源端子、出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極と接続される出力端子を有し、制御信号に応じて出力トランジスタを駆動するドライバをさらに備えてもよい。 In one embodiment, the drive circuit has an upper power supply terminal connected to the input terminal, a lower power supply terminal connected to the internal line, and an output terminal connected to the control electrode which is the gate or base of the output transistor. , a driver for driving the output transistor according to the control signal.
一実施の形態において、補助電流は、出力トランジスタのオン期間において、ドライバが出力トランジスタの制御電極からシンクする電流より小さくてもよい。これにより補助電流は、通常のスイッチング動作中のターンオフに悪影響を与えない。 In one embodiment, the auxiliary current may be less than the current that the driver sinks from the control electrode of the output transistor during the ON period of the output transistor. The auxiliary current thus does not adversely affect turn-off during normal switching operation.
一実施の形態において、駆動回路は、第1トランジスタのドレインまたはコレクタである第2電極と接地の間に設けられ、制御信号に応じてオン、オフする第2トランジスタをさらに備えてもよい。 In one embodiment, the drive circuit may further include a second transistor that is provided between the second electrode, which is the drain or collector of the first transistor, and the ground, and that is turned on and off according to the control signal.
一実施の形態において、補助電流は、出力トランジスタのオン期間において、第2トランジスタを介して出力トランジスタの制御電極からシンクされる電流より小さくてもよい。これにより補助電流は、通常のスイッチング動作中のターンオフに悪影響を与えない。 In one embodiment, the auxiliary current may be less than the current sunk from the control electrode of the output transistor via the second transistor during the ON period of the output transistor. The auxiliary current thus does not adversely affect turn-off during normal switching operation.
一実施の形態において、駆動回路は、入力端子と出力トランジスタの制御電極の間に設けられ、出力トランジスタをオフすべき期間にオンとなる第3トランジスタをさらに備えてもよい。補助電流は、出力トランジスタのオフ期間において第3トランジスタに流れる電流より小さくてもよい。これにより補助電流は通常のスイッチング動作のターンオフに悪影響を与えない。 In one embodiment, the drive circuit may further include a third transistor which is provided between the input terminal and the control electrode of the output transistor and which is turned on during the period when the output transistor should be turned off. The auxiliary current may be smaller than the current flowing through the third transistor during the OFF period of the output transistor. The auxiliary current thus does not adversely affect the turn-off of normal switching operation.
一実施の形態において、補助電流は、低電圧状態における出力トランジスタのオフ期間において、内部ラインに流れ込む電流より大きくてもよい。 In one embodiment, the auxiliary current may be greater than the current flowing into the internal line during the off period of the output transistor in a low voltage condition.
本開示の別の態様もまた、駆動回路である。この駆動回路は、出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極と接続される内部ラインと、ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が内部ラインと接続される第1トランジスタと、第1トランジスタのドレインまたはコレクタである第2電極と接地の間に設けられ、制御信号に応じてオン、オフする第2トランジスタと、内部ラインから補助電流をシンクする電流源と、入力端子と内部ラインの間に設けられたインピーダンス素子と、を備える。 Another aspect of the present disclosure is also a drive circuit. This drive circuit includes an internal line connected to the control electrode, which is the gate or base of the output transistor, and a second line, to which the control electrode, which is the gate or base, is biased and the first electrode, which is the source or emitter, is connected to the internal line. 1 transistor, a second transistor provided between a second electrode, which is the drain or collector of the first transistor, and ground, and turned on and off according to a control signal, a current source for sinking an auxiliary current from an internal line; and an impedance element provided between the input terminal and the internal line.
一実施の形態において、補助電流は、インピーダンス素子に流れる電流より大きく、第1トランジスタに流れる電流より小さくてもよい。 In one embodiment, the auxiliary current may be greater than the current flowing through the impedance element and less than the current flowing through the first transistor.
一実施の形態において、駆動回路は、入力端子と内部ラインの間に設けられ、制御信号に応じて第2トランジスタと相補的にオン、オフする第3トランジスタをさらに備えてもよい。 In one embodiment, the drive circuit may further include a third transistor that is provided between the input terminal and the internal line and turns on and off complementarily to the second transistor according to the control signal.
本開示のさらに別の態様もまた、駆動回路である。この駆動回路は、内部ラインと、ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が内部ラインと接続される第1トランジスタと、入力端子と接続される上側電源端子、内部ラインと接続される下側電源端子、出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極と接続される出力端子を有し、制御信号に応じて出力トランジスタを駆動するドライバと、内部ラインから補助電流をシンクする電流源と、入力端子と内部ラインの間に設けられたインピーダンス素子と、を備える。 Yet another aspect of the present disclosure is also a drive circuit. The drive circuit includes an internal line, a first transistor biased at a control electrode that is a gate or base and a first electrode that is a source or emitter connected to the internal line, an upper power supply terminal connected to an input terminal, A driver that has a lower power supply terminal connected to the internal line, an output terminal connected to the control electrode that is the gate or base of the output transistor, drives the output transistor according to the control signal, and draws an auxiliary current from the internal line. A sinking current source and an impedance element provided between the input terminal and the internal line.
一実施の形態において、補助電流は、インピーダンス素子に流れる電流より大きく、ドライバの下側電源端子から内部ラインに流れる電流より小さくてもよい。 In one embodiment, the auxiliary current may be greater than the current flowing through the impedance element and less than the current flowing from the lower power supply terminal of the driver to the internal line.
一実施の形態において、駆動回路は、内部ラインの電圧を、入力電圧との電位差が所定値を超えないようにクランプするクランプ回路をさらに備えてもよい。クランプ回路は、入力端子と内部ラインの間に設けられたツェナーダイオードを含んでもよい。 In one embodiment, the drive circuit may further include a clamp circuit that clamps the voltage of the internal line so that the potential difference from the input voltage does not exceed a predetermined value. The clamp circuit may include a Zener diode provided between the input terminal and the internal line.
一実施の形態において、制御信号は、入力電圧の通常状態においてパルス信号であり、入力電圧が低下する減電圧状態において、固定的にオンを指示するDC信号であってもよい。 In one embodiment, the control signal may be a pulse signal in the normal state of the input voltage, and may be a DC signal that instructs to turn on fixedly in the low voltage state in which the input voltage drops.
一実施の形態において、制御信号はパルス信号であり、制御信号のオンレベルの時間は、入力電圧が低下するほど長くなってもよい。 In one embodiment, the control signal is a pulse signal, and the on-level time of the control signal may increase as the input voltage decreases.
補助電流は、制御信号に応じてオン、オフしてもよい。補助電流は、制御信号のレベルにかかわらず固定的にオンであってもよい。 The auxiliary current may be turned on and off according to the control signal. The auxiliary current may be fixedly on regardless of the level of the control signal.
一実施の形態において、駆動回路は、第1トランジスタの制御電極に、入力電圧よりも所定電圧幅低いバイアス電圧を供給するバイアス回路をさらに備えてもよい。バイアス回路は、入力端子と第1トランジスタの制御電極の間に設けられた第1ツェナーダイオードと、第1トランジスタの制御電極と接地の間に設けられた電流源と、を含んでもよい。 In one embodiment, the drive circuit may further include a bias circuit that supplies a bias voltage lower than the input voltage by a predetermined voltage width to the control electrode of the first transistor. The bias circuit may include a first Zener diode provided between the input terminal and the control electrode of the first transistor, and a current source provided between the control electrode of the first transistor and ground.
駆動回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのICとして集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。 The drive circuit may be monolithically integrated on one semiconductor substrate. "Integrated integration" includes the case where all circuit components are formed on a semiconductor substrate, and the case where the main components of a circuit are integrated. A resistor, capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate. By integrating the circuits as one IC, the circuit area can be reduced and the characteristics of the circuit elements can be kept uniform.
2.本明細書に開示される一実施の形態は、入力端子と出力端子の間に設けられる出力トランジスタを駆動する駆動回路に関する。駆動回路は、出力トランジスタの制御電極に電流を供給するターンオフ回路と、その制御電極が出力トランジスタの制御電極と接続され、その制御電極がバイアスされる第1トランジスタと、第1トランジスタの第2電極と接地の間に設けられ、出力トランジスタのオン期間においてオンとなる第2トランジスタと、を備える。 2. An embodiment disclosed in this specification relates to a drive circuit that drives an output transistor provided between an input terminal and an output terminal. The drive circuit includes a turn-off circuit that supplies a current to the control electrode of the output transistor, a first transistor whose control electrode is connected to the control electrode of the output transistor and biased at the control electrode, and a second electrode of the first transistor. and a second transistor that is provided between the output transistor and the ground and that is turned on during the on period of the output transistor.
第1トランジスタは、ソースフォロアあるいはエミッタフォロア型の電圧クランプ回路として機能し、第2トランジスタがオンであるときの出力トランジスタの制御電極の電圧は、所定電圧に安定化される。第1トランジスタをターンオンする際に、第1トランジスタのゲート容量(ベース容量)から引き抜かれる放電電流は、第1トランジスタおよび第2トランジスタを流れて、接地に流れる。したがって、出力トランジスタの制御電極の電圧変動を抑制できる。 The first transistor functions as a source follower or emitter follower type voltage clamp circuit, and the voltage of the control electrode of the output transistor is stabilized at a predetermined voltage when the second transistor is on. When turning on the first transistor, the discharge current drawn from the gate capacitance (base capacitance) of the first transistor flows through the first and second transistors to ground. Therefore, voltage fluctuation of the control electrode of the output transistor can be suppressed.
一実施の形態において、ターンオフ回路は、入力端子と出力トランジスタの制御電極の間に設けられる第3トランジスタと、出力トランジスタのオフ期間において第3トランジスタをオンするサブドライバと、を含んでもよい。
出力トランジスタのターンオンに際して、第3トランジスタを介して出力トランジスタの制御電極の容量を充電することにより、ターンオフの速度を速めることができる。
In one embodiment, the turn-off circuit may include a third transistor provided between the input terminal and the control electrode of the output transistor, and a sub-driver that turns on the third transistor during the off period of the output transistor.
When the output transistor is turned on, the turn-off speed can be increased by charging the capacitance of the control electrode of the output transistor via the third transistor.
一実施の形態において、サブドライバは、入力端子と第3トランジスタの制御電極の間に設けられた第2抵抗と、その第1電極が第3トランジスタの制御電極と接続され、その制御電極がバイアスされる第4トランジスタと、第4トランジスタの第2電極と接地の間に設けられ、出力トランジスタのオフ期間においてオンとなる第5トランジスタと、を含んでもよい。
この態様によれば、第3トランジスタの駆動電圧のローレベルを、所定電圧に安定化できる。
In one embodiment, the sub-driver includes a second resistor provided between the input terminal and the control electrode of the third transistor, a first electrode of which is connected to the control electrode of the third transistor, and the control electrode of which is biased. and a fifth transistor provided between the second electrode of the fourth transistor and the ground and turned on during the off period of the output transistor.
According to this aspect, the low level of the driving voltage of the third transistor can be stabilized at the predetermined voltage.
一実施の形態において、第1トランジスタと第4トランジスタの制御電極を共通の電圧源によりバイアスしてもよい。第2トランジスタをターンオフすると、第1トランジスタのゲート容量の影響で、第1トランジスタの制御電極、ひいては第4トランジスタの制御電極の電位が変動する。このとき第5トランジスタをターンオンすると、第4トランジスタの制御電極の変動が第3トランジスタの制御電極の電圧変動となって現れる。第3トランジスタの制御電極の電圧が変動すると、出力トランジスタのターンオフ動作に悪影響を及ぼす。反対に、第5トランジスタをターンオフすると、第4トランジスタのゲート容量の影響で、第4トランジスタの制御電極、ひいては第1トランジスタの制御電極の電位が変動する。このとき第2トランジスタをターンオンすると、第1トランジスタの制御電極の変動が出力トランジスタの制御電極の電圧変動となって現れる。この電圧変動を抑制するためには、共通の電圧源に平滑用のキャパシタを接続すればよい。 In one embodiment, the control electrodes of the first transistor and the fourth transistor may be biased by a common voltage source. When the second transistor is turned off, the potential of the control electrode of the first transistor, and thus the control electrode of the fourth transistor, fluctuates under the influence of the gate capacitance of the first transistor. At this time, when the fifth transistor is turned on, the fluctuation of the control electrode of the fourth transistor appears as the voltage fluctuation of the control electrode of the third transistor. Fluctuations in the voltage of the control electrode of the third transistor adversely affect the turn-off behavior of the output transistor. Conversely, when the fifth transistor is turned off, the gate capacitance of the fourth transistor causes the potential of the control electrode of the fourth transistor, and thus the potential of the control electrode of the first transistor, to fluctuate. When the second transistor is turned on at this time, the fluctuation of the control electrode of the first transistor appears as the voltage fluctuation of the control electrode of the output transistor. In order to suppress this voltage fluctuation, a smoothing capacitor may be connected to the common voltage source.
一実施の形態において、第1トランジスタの制御電極と第4トランジスタの制御電極は、別々の電圧源によってバイアスされてもよい。この場合、第1トランジスタと第4トランジスタの制御電極の変動が、相互に影響を及ぼさなくなるため、平滑用のキャパシタが無くても、出力トランジスタの制御電極の変動を抑制できる。 In one embodiment, the control electrode of the first transistor and the control electrode of the fourth transistor may be biased by separate voltage sources. In this case, fluctuations in the control electrodes of the first transistor and the fourth transistor do not affect each other, so fluctuations in the control electrode of the output transistor can be suppressed without a smoothing capacitor.
一実施の形態において、駆動回路は、入力端子と出力トランジスタの制御電極の間に設けられる第1抵抗をさらに備えてもよい。 In one embodiment, the drive circuit may further include a first resistor provided between the input terminal and the control electrode of the output transistor.
一実施の形態において、駆動回路は、第1トランジスタの制御電極に、第1バイアス電圧を供給する第1電圧源と、第4トランジスタの制御電極に、第2バイアス電圧を供給する、第1電圧源とは独立した第2電圧源と、をさらに備えてもよい。第1電圧源と第2電圧源は同じ回路構成を有してもよい。 In one embodiment, the drive circuit includes a first voltage source that provides a first bias voltage to the control electrode of the first transistor and a first voltage source that provides a second bias voltage to the control electrode of the fourth transistor. and a second voltage source independent of the source. The first voltage source and the second voltage source may have the same circuit configuration.
第1電圧源は、入力端子と第1トランジスタの制御電極の間に設けられた定電圧素子を含み、第2電圧源は、入力端子と第4トランジスタの制御電極の間に設けられた定電圧素子を含んでもよい。 The first voltage source includes a constant voltage element provided between the input terminal and the control electrode of the first transistor, and the second voltage source includes a constant voltage element provided between the input terminal and the control electrode of the fourth transistor. element.
一実施の形態において、第3トランジスタおよびサブドライバは複数設けられてもよい。複数のサブドライバの第5トランジスタは、1段ごとに相補的にスイッチングしてもよい。最終段の第3トランジスタは、入力端子と出力トランジスタの制御電極の間に設けられ、それより前段の第3トランジスタは、入力端子と1つ後段の第3トランジスタの制御電極の間に設けられてもよい。第1トランジスタおよび第1トランジスタと1段飛ばしで隣接する第4トランジスタの制御電極は共通の第1電圧源によってバイアスされ、残りの第4トランジスタの制御電極は、共通の別の第2電圧源によってバイアスされてもよい。 In one embodiment, a plurality of third transistors and sub-drivers may be provided. The fifth transistors of the plurality of sub-drivers may be complementarily switched for each stage. The final-stage third transistor is provided between the input terminal and the control electrode of the output transistor, and the preceding-stage third transistor is provided between the input terminal and the control electrode of the subsequent-stage third transistor. good too. The control electrodes of the first transistor and the fourth transistor adjacent to the first transistor are biased by a common first voltage source, and the control electrodes of the remaining fourth transistors are biased by a common separate second voltage source. May be biased.
駆動回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのICとして集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。 The drive circuit may be monolithically integrated on one semiconductor substrate. "Integrated integration" includes the case where all circuit components are formed on a semiconductor substrate, and the case where the main components of a circuit are integrated. A resistor, capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate. By integrating the circuits as one IC, the circuit area can be reduced and the characteristics of the circuit elements can be kept uniform.
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, as well as a case in which member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which member C is provided between member A and member B" refers to the case where member A and member C or member B and member C are directly connected, as well as the case where they are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
(実施の形態1)
図5は、実施の形態1に係る出力回路100の回路図である。出力回路100は、出力トランジスタMHと、駆動回路200を備える。本実施の形態において、出力回路100は、ひとつの半導体基板に集積化された機能IC(半導体装置300)の一部である。
(Embodiment 1)
FIG. 5 is a circuit diagram of the
出力トランジスタMHは、ハーフブリッジ回路(単相インバータ)の上アームであってもよい。あるいは出力トランジスタMHは、フルブリッジ回路や3相インバータの1本のレグの上アームであってもよい。出力端子OUTには、インダクタやトランス、モータコイル、リレーのコイルをはじめとする誘導性素子が接続されてもよい。あるいは、出力トランジスタMHは、降圧コンバータ(Buck Converter)のスイッチングトランジスタであってもよい。 The output transistor MH may be the upper arm of a half-bridge circuit (single-phase inverter). Alternatively, the output transistor MH may be the upper arm of one leg of a full bridge circuit or a three-phase inverter. Inductive elements such as inductors, transformers, motor coils, and relay coils may be connected to the output terminal OUT. Alternatively, the output transistor MH may be the switching transistor of a Buck Converter.
出力トランジスタMHは、入力端子INと出力端子OUTの間に設けられる。出力トランジスタMHは、PチャンネルMOSFETであり、ソースが入力端子INと接続され、ドレインが出力端子OUTと接続される。出力トランジスタMHは、GaNFETであってもよいし、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよいし、PNP型のバイポーラトランジスタであってもよい。 The output transistor MH is provided between the input terminal IN and the output terminal OUT. The output transistor MH is a P-channel MOSFET, and has a source connected to the input terminal IN and a drain connected to the output terminal OUT. The output transistor MH may be a GaNFET, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or a PNP bipolar transistor.
駆動回路200は、制御信号SCTRLに応じて出力トランジスタMHを駆動する。具体的には、制御信号SCTRLがオンレベル(たとえばハイ)のとき出力トランジスタMHをオンし、制御信号SCTRLがオフレベル(たとえばロー)のとき出力トランジスタMHをオフする。制御信号SCTRLは、典型的にはパルス信号であるが、その限りでなく、DC信号であってもよい。出力端子OUTには、制御信号SCTRLに応じた出力電圧VOUTが発生し、出力電圧VOUTは、出力トランジスタMHがオンのとき入力電圧VINであり、出力トランジスタMHがオフのとき、接地電圧VGNDもしくはハイインピーダンス状態となる。
The
駆動回路200は、主として、内部ライン201、第1トランジスタM1、電圧補正回路270を備える。まずは電圧補正回路270を除く部分について説明する。
The driving
第1トランジスタM1は、PチャンネルMOSFETであり、ゲート(制御電極)が、所定のバイアス電圧(基準電圧)VBIASによってバイアスされ、ソース(第1電極)が内部ライン201と接続される。インピーダンス素子R1は、入力端子INと内部ライン201の間に設けられる。インピーダンス素子R1は、抵抗であってもよいし、電流源であってもよいし、適切にバイアスされたトランジスタであってもよい。
The first transistor M 1 is a P-channel MOSFET with a gate (control electrode) biased by a predetermined bias voltage (reference voltage) V BIAS and a source (first electrode) connected to the
バイアス回路240は、入力電圧VINよりも所定電圧だけ低いバイアス電圧VBIASを生成する。たとえばバイアス回路240は、定電圧素子242であるツェナーダイオードと、電流源244を含む。定電圧素子242と電流源244の接続ノードには、VBIAS=VIN-VZで表されるバイアス電圧VBIASが発生する。
A
第1トランジスタM1はソースフォロア回路として機能し、内部ライン201の内部電源電圧VREGBは、VREGB=VBIAS+VTH=VIN-VZ+VTHに安定化される。
The first transistor M1 functions as a source follower circuit, and the internal power supply voltage V REGB on the
駆動回路200は、オン期間(SCTRL=H)において、出力トランジスタMHのゲートに内部ライン201の内部電源電圧VREGBを印加するよう構成される。
The
実施の形態1では、ドライバ204が設けられる。ドライバ204の上側電源端子は入力端子INと接続され、下側電源端子は内部ライン201と接続され、その出力は、出力トランジスタMHのゲート(制御電極)と接続される。
In
これまでは、電圧補正回路270を無視した説明である。続いて電圧補正回路270について説明する。
The description so far has ignored the
電圧補正回路270は、内部ライン201に作用し、内部ライン201の電圧を時間的に緩やかに低下させる。電圧補正回路270は、少なくとも出力トランジスタMHのオン期間(SCTRLがハイ)においてアクティブである。オフ期間において電圧補正回路270は、ディセーブル(ハイインピーダンス状態)としてもよいし、アクティブ状態を維持してもよい。
The
電圧補正回路270は、内部ライン201から補助電流IAUXを引き抜く電流源272を含む。電流源272の構成は特に限定されないが、適切にバイアスされたトランジスタを含みうる。電圧補正回路270は、電流源に代えて、抵抗で構成することも可能である。
補助電流の電流量は、以下の条件を満たすように規定することが望ましい。 It is desirable to define the amount of auxiliary current so as to satisfy the following conditions.
(条件1)
補助電流IAUXの電流量は、入力電圧VINの非低電圧状態において、通常のスイッチング動作に影響を与えない程度に小さく定められる。したがって補助電流IAUXは、出力トランジスタMHのオン期間(SCTRL=H)において、ドライバ204が出力トランジスタMHのゲートからシンクする電流IBよりも十分に小さい。
IAUX≪IB
たとえばIAUXは、IBの1/1000~1/200程度とすることが好ましい。
(Condition 1)
The current amount of the auxiliary current I AUX is set to be small enough not to affect the normal switching operation when the input voltage V IN is in a non-low voltage state. Therefore, the auxiliary current I AUX is much smaller than the current I B that the
I AUX << I B
For example, I AUX is preferably about 1/1000 to 1/200 of I B.
(条件2)
また、補助電流IAUXの電流量は、入力電圧VINの低電圧状態において、内部ライン201の内部電源電圧VREGBを、時間的に緩やかに低下させることができる程度に大きく定められる。たとえば、通常動作時のスイッチング周期をTPとするとき、内部電源電圧VREGBが、TPまたはそれより長い時間で、VTH低下するように、補助電流IAUXの電流量を規定するとよい。
(Condition 2)
Further, the amount of the auxiliary current I AUX is set large enough to allow the internal power supply voltage V REGB of the
具体的には補助電流IAUXは、出力トランジスタMHのオフ期間において、内部ライン201に流れ込む電流IRより大きいことが望ましい。この電流IRは、主としてインピーダンス素子R1に流れる電流である。
IAUX>IR
たとえばIAUXは、IRの1.1倍以上とすることが好ましい。
Specifically, it is desirable that the auxiliary current I AUX be greater than the current I R flowing into the
I AUX >I R
For example, I AUX is preferably at least 1.1 times IR.
出力回路100はさらに、クランプ回路280を備えてもよい。クランプ回路280は、内部ライン201の内部電源電圧VREGBを、入力電圧VINとの電位差が所定値を超えないようにクランプするよう構成される。クランプ回路280の構成は特に限定されないが、たとえば入力端子INと内部ライン201の間に設けられたツェナーダイオードZD1のような定電圧素子で構成することができる。
以上が出力回路100の構成である。続いてその動作を説明する。
1. 高入力電圧状態
図6は、図5の出力回路100の入力電圧VINが高いとき(非低電圧状態)の動作を説明する図である。ここでは補助電流IAUXは、制御信号SCTRLに応じてスイッチングするものとする。入力電圧VINが高いとき、内部ライン201の内部電源電圧VREGBは、第1トランジスタM1によって、以下の電圧レベルに安定化される。ΔVは、出力トランジスタMHのゲートソース間しきい値VGS(th)よりも大きい。
VREGB=VIN-ΔV=VIN-(VZ-VTH)
The above is the configuration of the
1. High Input Voltage State FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the
V REGB =V IN -ΔV=V IN -(V Z -V TH )
制御信号SCTRLがハイに遷移すると、電流IBによって出力トランジスタMHのゲートが放電され、ゲート電圧VGは内部電源電圧VREGBまで低下し、フルオンする。 When the control signal S CTRL transitions high, the current I B discharges the gate of the output transistor MH , causing the gate voltage V G to drop to the internal power supply voltage V REGB and turn it full on.
そして制御信号SCTRLがハイの期間(オン時間TON)、補助電流IAUXによって内部ライン201の電荷が放電され、内部ライン201の電圧VREGBが時間とともに緩やかに放電される。ただしIAUX≪IBであるから、IAUXは出力トランジスタMHのターンオン動作には影響しない。
While the control signal S CTRL is high (ON time T ON ), the
また入力電圧VINが高い状態では、制御信号SCTRLはパルス信号であり、オン時間TONにおける内部電源電圧VREGBの低下幅はそれほど大きくないため、出力トランジスタMHのゲートソース間電圧VGSがその耐圧を超えることはない。 Further, when the input voltage V IN is high, the control signal S CTRL is a pulse signal, and the drop width of the internal power supply voltage V REGB during the ON time T ON is not so large. does not exceed its withstand voltage.
2. 低入力電圧状態(減電圧状態)
図7は、図5の出力回路100の入力電圧VINが低いとき(低電圧領域)の動作を説明する図である。この例では低電圧領域において制御信号SCTRLはオンレベル(ハイ)に固定されるものとする。
2. Low input voltage state (low voltage state)
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the
図2に示すように、入力電圧VINが低電圧領域に入ると、VINとVREGBの差分ΔVが小さくなる。 As shown in FIG. 2, when the input voltage V IN enters the low voltage region, the difference ΔV between V IN and V REGB becomes smaller.
制御信号SCTRLがハイに遷移すると、電流IBによって出力トランジスタMHのゲートが放電され、ゲート電圧VGは内部電源電圧VREGBまで低下する。ただし、ΔV、すなわちゲートソース間電圧が小さいため、ターンオンの直後、出力トランジスタMHはフルオンできず、出力電圧VOUTは、入力電圧VINよりも低くなる。 When the control signal S CTRL transitions high, the current I B discharges the gate of the output transistor M H and the gate voltage V G drops to the internal power supply voltage V REGB . However, since ΔV, that is, the gate-source voltage is small, the output transistor MH cannot be fully turned on immediately after turn-on, and the output voltage VOUT becomes lower than the input voltage VIN .
そして制御信号SCTRLがハイの期間(オン時間TON)、補助電流IAUXによって内部ライン201の電荷が放電され、内部電源電圧VREGBが時間とともに緩やかに低下する。低電圧状態では、オン時間TONが長いため、内部電源電圧VREGBは、0V付近(あるいはクランプ回路280によりクランプされるレベル)まで低下し、電位差ΔVが大きくなる。その結果、出力トランジスタMHのゲート電圧VGが低下していき、出力トランジスタMHのオン抵抗が小さくなり、出力電圧VOUTは入力電圧VINに近づいていく。
While the control signal S CTRL is high (ON time T ON ), the auxiliary current I AUX discharges the
図8は、図5の出力回路100の入力電圧VINが低いとき(低電圧領域)の動作を説明する図である。この例では、低電圧領域において制御信号SCTRLは、大きいデューティ比を有するパルス信号である。制御信号SCTRLのデューティ比が大きくなることで、補助電流IAUXによる放電時間が長くなるため、内部電源電圧VREGBを0V付近に維持することができる。図7の動作は、図6における制御信号SCTRLのデューティ比を100%に固定したものと把握することもできる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the
なお、制御信号SCTRLのデューティ比をdとするとき、VOUTの実効的な電圧レベルは、以下の式で与えられる。
VOUT=VIN×d
VOUTの実効的な電圧レベルが一定となるような制御がかかっているプラットフォームでは、入力電圧VINの低下により、デューティ比dが増大する。
When the duty ratio of the control signal S CTRL is d, the effective voltage level of V OUT is given by the following equation.
V OUT =V IN ×d
In platforms where the effective voltage level of VOUT is controlled to be constant, a decrease in the input voltage VIN will increase the duty ratio d.
以上が出力回路100の動作である。この出力回路100によれば、入力電圧VINが低い状況において出力トランジスタMHのオン抵抗を小さくでき、ひいては電力損失を低減できる。
The above is the operation of the
さらに、図3に示した低電圧状態と非低電圧状態を判定する減電圧検出回路10が不要である。したがって、低電圧状態の誤検出によって、出力トランジスタMHのゲートソース間に過電圧が印加されるという問題も生じない。
Furthermore, the reduced
なお、低電圧状態および非低電圧状態は、ひとつのプラットフォームにおいて動的に発生してもよい。つまり入力電圧VINの変動の結果、低電圧状態および非低電圧状態が切り替わってもよい。 Note that the low voltage state and non-low voltage state may occur dynamically in one platform. That is, variations in the input voltage V IN may result in switching between low and non-low voltage states.
あるいは半導体装置300は、入力電圧VINが異なるプラットフォームに使用される場合もある。この場合には、一のプラットフォームでは、常に低電圧状態で動作し、別のプラットフォームでは常に非低電圧状態で動作する場合もありえる。本発明は、このような態様も含む。
Alternatively,
(実施の形態2)
図9は、実施の形態2に係る出力回路100Bの回路図である。駆動回路200Bは、図5のドライバ204に代えて、第2トランジスタM2を備える。この実施の形態において、第1トランジスタM1のソース(第1電極)、すなわち内部ライン201は、出力トランジスタMHのゲートと接続される。
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a circuit diagram of an
第2トランジスタM2は、第1トランジスタM1のドレイン(第2電極)と接地の間に設けられ、制御信号SCTRLに応じてオン、オフする。より具体的には、第2トランジスタM2は、NチャンネルMOSFETであり、第1トランジスタM1のドレインと接地の間に設けられる。第2トランジスタM2は、制御信号SCTRLがオンレベル(ハイ)であるとき、オンとなるように制御される。 The second transistor M2 is provided between the drain ( second electrode) of the first transistor M1 and the ground, and is turned on and off according to the control signal SCTRL . More specifically, the second transistor M2 is an N-channel MOSFET and is provided between the drain of the first transistor M1 and ground. The second transistor M2 is controlled to be on when the control signal S CTRL is on level (high).
電流源272は、内部ライン201から補助電流IAUXをシンクする。インピーダンス素子R1は、入力端子INと内部ライン201の間に設けられる。
補助電流IAUXの電流量は、以下の条件を満たすように規定することが望ましい。
(条件1)
補助電流IAUXは、出力トランジスタMHのオン期間(SCTRL=H)において、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を介して出力トランジスタMHのゲートからシンクされる放電電流IBよりも十分に小さい。
IAUX≪IB
たとえばIAUXは、IBの1/1000~1/200程度とすることが好ましい。
It is desirable that the current amount of the auxiliary current I AUX is specified so as to satisfy the following conditions.
(Condition 1)
The auxiliary current IAUX is more than the discharge current IB that is sunk from the gate of the output transistor MH via the first transistor M1 and the second transistor M2 during the ON period of the output transistor MH (S CTRL = H ). is also small enough.
I AUX << I B
For example, I AUX is preferably about 1/1000 to 1/200 of I B.
(条件2)
補助電流IAUXは、非低電圧状態における出力トランジスタMHのオフ期間において、内部ライン201に流れ込む充電電流IR(HIGH)より小さく規定される。この電流IR(HIGH)は、主としてインピーダンス素子R1に流れる電流である。これにより補助電流IAUXはターンオフ動作に影響を与えない。
IAUX<IR(HIGH)
(Condition 2)
The auxiliary current I_AUX is defined to be less than the charging current I_R(HIGH) flowing into the
I AUX <IR (HIGH)
また補助電流IAUXは、低電圧状態における出力トランジスタMHのオン期間において、内部ライン201に流れ込む電流IR(LOW)より大きく定められる。この電流IR(LOW)は、主としてインピーダンス素子R1に流れる電流である。
IAUX>IR(LOW)
Also, the auxiliary current I AUX is determined to be larger than the current I R (LOW) flowing into the
I AUX >I R (LOW)
以上が出力回路100Bの構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the
図10は、図9の出力回路100Bの入力電圧VINが高いときの動作を説明する図である。制御信号SCTRLがハイになると、第2トランジスタM2がターンオンする。その結果、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を介して放電電流IBが流れ、内部ライン201(出力トランジスタMHのゲート容量)から電荷が放電され、ゲート電圧VGが低下する。第1トランジスタM1は、ソースフォロア型のクランプ回路として機能し、ゲート電圧VGのローレベルは、VREGB=VIN-(VZ-VTH)にクランプされる。
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the
そして制御信号SCTRLがハイの期間(オン時間TON)、補助電流IAUXによって内部ライン201の電荷が放電され、内部ライン201の電圧VGが時間とともに緩やかに放電される。ただしIAUX≪IBであるから、IAUXは出力トランジスタMHのターンオン動作には影響しない。
Then, while the control signal S CTRL is high (ON time T ON ), the
また入力電圧VINが高い状態では、制御信号SCTRLはパルス信号であり、オン時間TONにおける内部電源電圧VREGBの低下幅はそれほど大きくないため、出力トランジスタMHのゲートソース間電圧VGSがその耐圧を超えることはない。 Further, when the input voltage V IN is high, the control signal S CTRL is a pulse signal, and the drop width of the internal power supply voltage V REGB during the ON time T ON is not so large. does not exceed its withstand voltage.
制御信号SCTRLがローになると、第2トランジスタM2がターンオフする。出力トランジスタMHのゲート容量は抵抗R1に流れる充電電流IRによって充電され、ゲート電圧VGが上昇し、出力トランジスタMHがターンオフする。 When the control signal S CTRL goes low, the second transistor M2 is turned off. The gate capacitance of the output transistor MH is charged by the charging current IR flowing through the resistor R1 , the gate voltage VG rises, and the output transistor MH is turned off.
図11は、図9の入力電圧VINが低いときの動作を説明する図である。ここでは低電圧状態における制御信号SCTRLのデューティ比が100%とする。制御信号SCTRLがハイに遷移すると、電流IBによって出力トランジスタMHのゲートが放電され、ゲート電圧VGは内部電源電圧VREGBまで低下する。ただし、ΔV、すなわちゲートソース間電圧が小さいため、ターンオンの直後、出力トランジスタMHはフルオンできず、出力電圧VOUTは、入力電圧VINよりも低くなる。 FIG. 11 is a diagram for explaining the operation when the input voltage VIN of FIG. 9 is low. Here, it is assumed that the duty ratio of the control signal SCTRL in the low voltage state is 100%. When the control signal S CTRL transitions high, the current I B discharges the gate of the output transistor M H and the gate voltage V G drops to the internal power supply voltage V REGB . However, since ΔV, that is, the gate-source voltage is small, the output transistor MH cannot be fully turned on immediately after turn-on, and the output voltage VOUT becomes lower than the input voltage VIN .
そして制御信号SCTRLがハイの期間(オン時間TON)、補助電流IAUXによって内部ライン201の電荷が放電され、ゲート電圧VGが時間とともに緩やかに低下する。低電圧状態では、オン時間TONが長いため、ゲート電圧VGは、0V付近(あるいはクランプ回路280によりクランプされるレベル)まで低下し、電位差ΔVが大きくなる。その結果、出力トランジスタMHのゲート電圧VGが低下していき、出力トランジスタMHのオン抵抗が小さくなり、出力電圧VOUTは入力電圧VINに近づいていく。
During the period when the control signal S CTRL is high (ON time T ON ), the charge in the
実施の形態2によっても、実施の形態1と同様に、低電圧状態における出力トランジスタMHのオン抵抗を小さくでき、消費電力を低減できる。 According to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the on-resistance of the output transistor MH in the low voltage state can be reduced, and the power consumption can be reduced.
(実施の形態3)
図12は、実施の形態3に係る出力回路100Cの回路図である。駆動回路200Cは、図9の出力回路100Bに加えて、第3トランジスタM3およびサブドライバ220を備える。
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a circuit diagram of an
第3トランジスタM3は、入力端子INと内部ライン201の間に設けられ、制御信号SCTRLに応じて第2トランジスタM2と相補的にオン、オフする。より詳しくは第3トランジスタM3はPチャンネルMOSETであり、入力端子INとゲートライン202の間に設けられる。
A third transistor M3 is provided between the input terminal IN and the
サブドライバ220は、出力トランジスタMHのオフ期間(SCTRLがロー)において、第3トランジスタM3をオンする。たとえばサブドライバ220は、VDD-VGND間でスイッチングする制御信号SCTRLを、適切なハイ電圧とロー電圧の間(たとえばVIN-VREGB間)でスイッチングするゲート信号VG3にレベルシフトする。このロー電圧VREGBは、出力トランジスタMHのゲート電圧VGのロー電圧と同じであってもよい。 The sub-driver 220 turns on the third transistor M3 during the off period of the output transistor MH ( SCTRL is low). For example, sub-driver 220 level shifts a control signal S CTRL that switches between V DD -V GND to a gate signal V G3 that switches between appropriate high and low voltages (eg, between V IN -V REGB ). . This low voltage VREGB may be the same as the low voltage of the gate voltage VG of the output transistor MH .
以上が出力回路100Cの構成である。この出力回路100Cでは、制御信号SCTRLがローになると第3トランジスタM3がターンオンし、第3トランジスタM3に流れる電流IAによって出力トランジスタMHのゲート容量が充電される。これにより、図9の出力回路100Bに比べて、出力トランジスタMHのターンオフ時間を短くでき、高速なスイッチングが可能となる。
The above is the configuration of the
なお、実施の形態3では、以下の関係が成り立つことが好ましい。
(条件1)
補助電流IAUXは、出力トランジスタMHのオン期間(SCTRL=H)において、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を介して出力トランジスタMHのゲートからシンクされる放電電流IBよりも十分に小さい。
IAUX≪IB
たとえばIAUXは、IBの1/1000~1/200程度とすることが好ましい。
In addition, in Embodiment 3, it is preferable that the following relationship holds.
(Condition 1)
The auxiliary current IAUX is more than the discharge current IB that is sunk from the gate of the output transistor MH via the first transistor M1 and the second transistor M2 during the ON period of the output transistor MH (S CTRL = H ). is also small enough.
I AUX << I B
For example, I AUX is preferably about 1/1000 to 1/200 of I B.
(条件2)
補助電流IAUXは、非低電圧状態における出力トランジスタMHのオフ期間において、内部ライン201に流れ込む充電電流IAより小さく規定される。この電流IAは、主として第3トランジスタM3に流れる電流である。これにより補助電流IAUXはターンオフ動作に影響を与えない。
IAUX<IA
(Condition 2)
Auxiliary current I AUX is defined to be less than charging current I A flowing into
I AUX < I A
また補助電流IAUXは、低電圧状態における出力トランジスタMHのオン期間において、内部ライン201に流れ込む電流IR(LOW)より大きく定められる。この電流IR(LOW)は、主としてインピーダンス素子R1に流れる電流である。
IAUX>IR(LOW)
Also, the auxiliary current I AUX is determined to be larger than the current I R (LOW) flowing into the
I AUX >I R (LOW)
(用途)
続いて出力回路100の用途を説明する。上述の半導体装置(出力回路)は、メカリレーの駆動回路に用いることができる。図13は、リレー装置400のブロック図である。リレー装置400は、たとえば自動車、家電機器、産業機器、運輸機器、農業機器に用いられ、主に大電流のパワーラインの遮断、導通の制御に利用される。
(Application)
Next, the application of the
リレー装置400は、メカリレー410およびその駆動回路500を備える。リレー装置400はジュール化されてもよい。
The
メカリレー410は、コイル412およびスイッチ414を含む。駆動回路500は、上述の半導体装置300に相当し、ハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタML、ハイサイドドライバ502、ローサイドドライバ504、コントローラ506を備える。ハイサイドトランジスタMHおよびローサイドトランジスタMLは、ハーフブリッジ回路を形成している。コントローラ506は、外部からの制御信号ENにもとづいて、ハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタMLそれぞれの制御信号SCTRLH,SCTRLLを生成する。ハイサイドトランジスタMHおよびハイサイドドライバ502は、上述の出力回路100に対応する。ハイサイドドライバ502は、上述の駆動回路200に対応しており、制御信号SCTRLHにもとづいてハイサイドトランジスタMHを駆動する。ローサイドドライバ504は、制御信号SCTRLLにもとづいてローサイドトランジスタMLを駆動する。
図14は、リレー装置400を備える自動車600の斜視図である。自動車600は、複数のリレー602,604,606を備える。あるリレー602は、ワイパーやウォッシャーに用いられる。また別のリレー604は、パワーウィンドウ、ドアロック、パワーシート、パワースライドドアに用いられる。さらに別のリレー606は、ヘッドライト、スタータなどに用いられる。
FIG. 14 is a perspective view of
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications can be made to the combination of each component and each treatment process, and that such modifications are within the scope of the present invention. be. Such modifications will be described below.
(変形例1.1)
実施の形態1~3では、MOSFETで構成された半導体装置を説明したがその限りでなく、任意のMOSFETを、バイポーラトランジスタなどに置換することができる。この場合、上の説明において、ゲートをベース、ドレインをコレクタ、ソースをエミッタと読み替えればよい。
(Modification 1.1)
In the first to third embodiments, the semiconductor device composed of MOSFETs has been described, but the present invention is not limited to this, and arbitrary MOSFETs can be replaced with bipolar transistors or the like. In this case, in the above description, the gate should be read as the base, the drain as the collector, and the source as the emitter.
(変形例1.2)
実施の形態1~3では、出力トランジスタMHが半導体装置300に集積化される場合を説明したがその限りでなく、出力トランジスタMHとしてディスクリート素子を用いてもよい。
(Modification 1.2)
In the first to third embodiments, the case where the output transistor MH is integrated in the
(変形例1.3)
半導体装置300の用途は、リレーの駆動回路には限定されず、DC/DCコンバータなどのスイッチング電源、モータ駆動回路(インバータ)、AC/DCコンバータ、DC/ACコンバータ(インバータ)、2次電池の充放電システムやパワーコンディショナなどにも利用することができる。
(Modification 1.3)
Applications of the
(変形例1.4)
実施の形態1~3では、低電圧状態(減電圧状態)におけるオン抵抗の増大を抑制する技術として、本発明の一側面を説明したが、本発明の適用はその限りでなく、入力電圧VINが高い状態(非低電圧状態)で使用されるアプリケーションにおいても本発明は有用である。すなわち図1に示すようなソースフォロア型の電圧源6では、
VREGB=VBIAS+VTH
が成り立つ。したがって入力電圧VINの高低にかかわらず、バイアス電圧VBIASよりもトランジスタM1のゲートソース間電圧VTHだけ高い電圧が、オン期間における出力トランジスタMHのゲート電圧VGとなっている。言い換えれば、VTH分、出力トランジスタM1のゲートソース間電圧VGSが小さくなっていると把握することもできる。本発明は、入力電圧VINの高低にかかわらず、VTHの影響を低減したい場合に(たとえば出力トランジスタのしきい値VGS(th)よりも十分に大きな定電圧VZが生成できない状況など)、広く用いることができる。
(Modification 1.4)
In the first to third embodiments, one aspect of the present invention has been described as a technique for suppressing an increase in on-resistance in a low voltage state (reduced voltage state). The present invention is also useful in applications where IN is used in a high state (non-low voltage state). That is, in the source follower
V REGB =V BIAS +V TH
holds. Therefore, regardless of whether the input voltage VIN is high or low, a voltage higher than the bias voltage VBIAS by the gate - source voltage VTH of the transistor M1 is the gate voltage VG of the output transistor MH during the ON period. In other words, it can be understood that the gate-to - source voltage VGS of the output transistor M1 is reduced by VTH . The present invention is useful when it is desired to reduce the effect of VTH regardless of whether the input voltage VIN is high or low (for example, in situations where a constant voltage VZ sufficiently larger than the threshold VGS(th) of the output transistor cannot be generated). ), can be widely used.
(実施の形態4)
図15は、実施の形態4に係る出力回路100の回路図である。出力回路100は、出力トランジスタMHと、駆動回路200を備える。本実施の形態において、出力回路100は、ひとつの半導体基板に集積化された機能IC(半導体装置300)の一部である。
(Embodiment 4)
FIG. 15 is a circuit diagram of the
出力トランジスタMHは、ハーフブリッジ回路(単相インバータ)の上アームであってもよい。あるいは出力トランジスタMHは、フルブリッジ回路や3相インバータの1本のレグの上アームであってもよい。出力端子OUTには、インダクタやトランス、モータコイル、リレーのコイルをはじめとする誘導性素子が接続されてもよい。あるいは、出力トランジスタMHは、降圧コンバータ(Buck Converter)のスイッチングトランジスタであってもよい。 The output transistor MH may be the upper arm of a half-bridge circuit (single-phase inverter). Alternatively, the output transistor MH may be the upper arm of one leg of a full bridge circuit or a three-phase inverter. Inductive elements such as inductors, transformers, motor coils, and relay coils may be connected to the output terminal OUT. Alternatively, the output transistor MH may be the switching transistor of a Buck Converter.
出力トランジスタMHは、入力端子INと出力端子OUTの間に設けられる。出力トランジスタMHは、PチャンネルMOSFETであり、ソースが入力端子INと接続され、ドレインが出力端子OUTと接続される。出力トランジスタMHは、GaNFETであってもよいし、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよいし、PNP型のバイポーラトランジスタであってもよい。 The output transistor MH is provided between the input terminal IN and the output terminal OUT. The output transistor MH is a P-channel MOSFET, and has a source connected to the input terminal IN and a drain connected to the output terminal OUT. The output transistor MH may be a GaNFET, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or a PNP bipolar transistor.
駆動回路200は、制御信号SCTRLに応じて出力トランジスタMHを駆動する。具体的には、制御信号SCTRLがオンレベル(たとえばハイ)のとき出力トランジスタMHをオンし、制御信号SCTRLがオフレベル(たとえばロー)のとき出力トランジスタMHをオフする。制御信号SCTRLは、典型的にはパルス信号であるが、その限りでなく、DC信号であってもよい。出力端子OUTには、制御信号SCTRLに応じた出力電圧VOUTが発生し、出力電圧VOUTは、出力トランジスタMHがオンのとき入力電圧VINであり、出力トランジスタMHがオフのとき、接地電圧VGNDもしくはハイインピーダンス状態となる。
The
駆動回路200は、ターンオフ回路210およびターンオン回路230を備える。ターンオフ回路210は、出力トランジスタMHのオフ期間において、出力トランジスタMHの制御電極(ゲート)に充電電流を供給し、出力トランジスタMHのゲート電圧VGを入力電圧VINの近傍まで上昇させ、出力トランジスタMHをターンオフする。
ターンオン回路230は、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を含む。第1トランジスタM1はPチャンネルMOSFETであり、その第1電極(ソース)は出力トランジスタMHの制御電極(ゲート)に接続され、その制御電極(ゲート)にはバイアス電圧VBIAS1が供給される。バイアス電圧VBIAS1は、一定電圧であってもよい。この場合、第1トランジスタM1はソースフォロア型のクランプ回路として動作し、ゲートライン202の電位VGが、VL=VBIAS1+VTHを下限としてクランプされる。VLをクランプレベルと称する。ここで、VL<VIN-VGS(th)が成り立つ。
The turn-on
第2トランジスタM2は、NチャンネルMOSFETであり、第1トランジスタM1の第2電極(ドレイン)と接地の間に設けられる。第2トランジスタM2は、制御信号SCTRLがオンレベル(ハイ)であるとき、オンとなるように制御される。 The second transistor M2 is an N-channel MOSFET and is provided between the second electrode (drain) of the first transistor M1 and ground. The second transistor M2 is controlled to be on when the control signal S CTRL is on level (high).
以上が出力回路100の構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the
制御信号SCTRLがオフレベルであるとき、ターンオン回路230の第2トランジスタM2はオフであり、したがってゲートライン202から接地に流れる放電電流I2はゼロである。出力トランジスタMHのゲートには、ターンオフ回路210からの充電電流I1が供給され、ゲート電圧VGは入力電圧VIN付近まで上昇し、出力トランジスタMHはオフとなる。
When the control signal S CTRL is off level, the second transistor M2 of the turn-on
制御信号SCTRLがオンレベルであるとき、ターンオン回路230の第2トランジスタM2がオンとなる。このとき、ゲートライン202から第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を介して放電電流I2が流れる。放電電流I2によってゲート容量が放電されるとゲート電圧VGが低下していき、ゲートソース間電圧VGSがしきい値VGS(th)を超えると、出力トランジスタMHがターンオンする。ゲート電圧VGは、クランプレベルVLまで低下したところで、第1トランジスタM1によってクランプされる。
When the control signal S CTRL is on level, the second transistor M2 of the turn-on
以上が出力回路100の動作である。この出力回路100によれば、出力トランジスタMHをターンオンする際の放電電流I2は、接地に流れ、バイアス電圧VBIAS1の発生ノードに流れ込まないため、図1の電源電圧VREGBに相当するバイアス電圧VBIAS1、ひいてはクランプレベルVLを揺らさない。したがって、バイアス電圧VBIAS1(クランプレベルVL)を安定化させるためのキャパシタが不要となり、あるいはその容量値を小さくできる。
The above is the operation of the
(実施例4.1)
図16は、実施例4.1に係る出力回路100Aを備える半導体装置300Aの回路図である。ターンオフ回路210Aは、入力端子INと出力トランジスタMHのゲート(ゲートライン202)の間に設けられた第1抵抗R1を含む。
(Example 4.1)
FIG. 16 is a circuit diagram of a
駆動回路200Aは、第1電圧源250をさらに含む。第1電圧源250は、第1トランジスタM1のゲートに、バイアス電圧VBIAS1を供給する。バイアス電圧VBIAS1は、入力電圧VINよりも所定電圧幅ΔVだけ低い電圧であり、ΔV>VGS(th)+VTHが成り立っている。第1電圧源250は、たとえば第1定電圧素子252および第1電流源254を含む。第1定電圧素子252は、ツェナーダイオードやダイオードを含み、その両端間電圧ΔVは、一定値をとる。
Drive
以上が出力回路100Aの構成である。続いてその動作を説明する。図17は、図16の出力回路100Aの動作波形図である。
The above is the configuration of the
制御信号SCTRLがハイの区間、第2トランジスタM2はオンであり、第2トランジスタM2と第1トランジスタM1の接続ノードN1の電圧VAは、接地電圧VGNDとなる。第2トランジスタM2がオンのとき、出力トランジスタMHのゲートから、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を介して放電電流I2が引き抜かれる。その結果、出力トランジスタMHのゲート電圧VGは、VL=VIN-ΔV+VTHとなり、出力トランジスタMHはオンとなる。図17では、ΔV=5Vとして示される。 When the control signal S CTRL is high, the second transistor M2 is on, and the voltage V A of the connection node N1 between the second transistor M2 and the first transistor M1 becomes the ground voltage V GND . When the second transistor M2 is on, a discharge current I2 is drawn from the gate of the output transistor MH through the first transistor M1 and the second transistor M2. As a result, the gate voltage V G of the output transistor M H becomes V L =V IN -ΔV+V TH and the output transistor M H is turned on. In FIG. 17, it is shown as ΔV=5V.
制御信号SCTRLがローの区間、第2トランジスタM2はオフであり、放電電流I2がゼロとなる。出力トランジスタMHのゲート電圧VGは、第1抵抗R1によってプルアップされ、第1抵抗R1を介して流れる充電電流I1によって出力トランジスタMHのゲート容量が充電され、入力電圧VINまで上昇し、出力トランジスタMHはターンオフする。このときノードN1の電位VAは、入力電圧VINに近づいていく。第1トランジスタM1のドレイン電圧VAの変動は、第1トランジスタM1のゲート電圧、すなわちバイアス電圧VBIAS1の変動を引き起こす。ただし、バイアス電圧VBIAS1は、出力トランジスタMHのオン期間においてのみ利用されるため、バイアス電圧VBIAS1の変動は、回路動作に影響を与えないことに留意されたい。 When the control signal S CTRL is low, the second transistor M2 is off and the discharge current I2 is zero. The gate voltage VG of the output transistor MH is pulled up by the first resistor R1, the gate capacitance of the output transistor MH is charged by the charging current I1 flowing through the first resistor R1 , and the input voltage V IN to turn off the output transistor MH . At this time, the potential VA of the node N1 approaches the input voltage VIN . Variations in the drain voltage V A of the first transistor M1 cause variations in the gate voltage of the first transistor M1, ie, the bias voltage V BIAS1 . However, since the bias voltage V BIAS1 is used only during the ON period of the output transistor MH , it should be noted that variations in the bias voltage V BIAS1 do not affect circuit operation.
実施例4.1は、簡易な構成で、図15の出力回路100を具現化できるという利点がある。その反面、図16の出力回路100Aには、以下の問題がある。第1トランジスタM1をターンオフする際のゲート電圧VGのスルーレート(傾き)は、第1抵抗R1の抵抗値によって規定される。
Embodiment 4.1 has the advantage that the
高速なスイッチングが要求されるアプリケーションでは、第1抵抗R1の抵抗値を小さくする必要がある。ところが第1抵抗R1には、出力トランジスタMHのオン期間においても充電電流I1が流れ続ける。この充電電流I1は、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を経由して接地に捨てられており、無駄な電力を消費する。 Applications that require fast switching require a small resistance value for the first resistor R1. However, the charging current I1 continues to flow through the first resistor R1 even during the ON period of the output transistor MH . This charging current I1 is dumped to ground via the first transistor M1 and the second transistor M2 , wasting power.
すなわち実施例4.1は、第1トランジスタM1のターンオンのスルーレートと消費電力がトレードオフの関係にあり、高速性と低消費電力の両立が求められるアプリケーションに採用することは難しい場合もある。以下の実施例では、高速性と低消費電力の両立が可能な出力回路について説明する。 That is, in Example 4.1, there is a trade-off relationship between the turn-on slew rate of the first transistor M1 and power consumption, and it may be difficult to adopt it for applications that require both high speed and low power consumption. . In the following embodiments, an output circuit capable of achieving both high speed and low power consumption will be described.
(実施例4.2)
図18は、実施例4.2に係る出力回路100Bを備える半導体装置300Bの回路図である。ターンオフ回路210Bは、第1抵抗R1に加えて、第3トランジスタM3およびサブドライバ220を含む。第3トランジスタM3は、PチャンネルMOSETであり、入力端子INとゲートライン202の間に設けられる。
(Example 4.2)
FIG. 18 is a circuit diagram of a
サブドライバ220は、出力トランジスタMHのオフ期間(SCTRLがロー)において、第3トランジスタM3をオンする。たとえばサブドライバ220は、VDD-VGND間でスイッチングする制御信号SCTRLを、適切なハイ電圧とロー電圧の間(たとえばVIN-VREGB間)でスイッチングするゲート信号VG3にレベルシフトする。このロー電圧VREGBは、出力トランジスタMHのゲート電圧VGのロー電圧と同じであってもよい。 The sub-driver 220 turns on the third transistor M3 during the off period of the output transistor MH ( SCTRL is low). For example, sub-driver 220 level shifts a control signal S CTRL that switches between V DD -V GND to a gate signal V G3 that switches between appropriate high and low voltages (eg, between V IN -V REGB ). . This low voltage VREGB may be the same as the low voltage of the gate voltage VG of the output transistor MH .
これにより、出力トランジスタMHのゲート容量の充電電流I1を、第3トランジスタM3によって生成できるため、出力トランジスタMHを高速にターンオフできる。第1抵抗R1は十分に高くすることができるため、出力トランジスタMHのオン期間中に、第1抵抗R1に流れる電流を小さくでき、無駄な消費電力を低減できる。このように、図18の出力回路100Bによれば、高速性と低消費電力の両立が可能となる。
As a result, since the charging current I1 for the gate capacitance of the output transistor MH can be generated by the third transistor M3 , the output transistor MH can be turned off at high speed. Since the first resistor R1 can be made sufficiently high, the current flowing through the first resistor R1 can be reduced during the ON period of the output transistor MH , and wasteful power consumption can be reduced. Thus, according to the
図19は、図18の出力回路100Bの具体的な構成例の回路図である。サブドライバ220は、図15の駆動回路200と同様に構成され、具体的には、ターンオフ回路222およびターンオン回路224を含むことができる。
FIG. 19 is a circuit diagram of a specific configuration example of the
より詳しくは、サブドライバ220は、図16の駆動回路200Aと同様に構成できる。すなわち、サブドライバ220は、ターンオフ回路222に相当する第2抵抗R2と、ターンオン回路224を形成する第4トランジスタM4および第5トランジスタM5を含む。第4トランジスタM4のゲートには、バイアス電圧VBIAS1が供給される。バイアス電圧VBIAS1は、図16と同様に、第1定電圧素子252と第1電流源254によって生成される。
More specifically, the sub-driver 220 can be configured similarly to the
第5トランジスタM5のゲートには、制御信号SCTRLの反転信号#SCTRLが入力され、出力トランジスタMHのオフ期間(SCTRLがロー)においてオンとなる。図19のサブドライバ220の動作は、図16の駆動回路200Aの動作を同様であり、第3トランジスタM3のゲート電圧VG3は、VINをハイ、VL=VBIAS1+VTHをローとする2値でスイッチングする。 An inverted signal #S CTRL of the control signal S CTRL is input to the gate of the fifth transistor M5, and the fifth transistor M5 is turned on during the off period of the output transistor MH (S CTRL is low). The operation of the sub - driver 220 of FIG. 19 is similar to the operation of the drive circuit 200A of FIG. Switching between two values.
図17を参照して説明したように、制御信号SCTRLがローとなると、第2トランジスタM2がターンオフする。第2トランジスタM2のターンオフは、そのドレイン電圧VAを変動させ、さらには第1トランジスタM1のゲート容量の影響で、バイアス電圧VBIAS1の変動を引き起こす。このバイアス電圧VBIAS1は、第4トランジスタM4のゲートにも供給されている。このとき第5トランジスタM5をターンオンすると、第4トランジスタM4のゲート電圧VBIAS1の変動が第3トランジスタM3のゲート電圧VG3の変動となり、出力トランジスタMHのターンオフ動作(スルーレート等)に悪影響を及ぼす。 As described with reference to FIG. 17, when the control signal S CTRL goes low, the second transistor M2 is turned off. The turn-off of the second transistor M2 causes variations in its drain voltage V A and, under the influence of the gate capacitance of the first transistor M1, variations in the bias voltage V BIAS1 . This bias voltage V BIAS1 is also supplied to the gate of the fourth transistor M4. At this time, when the fifth transistor M5 is turned on, the fluctuation of the gate voltage VBIAS1 of the fourth transistor M4 becomes the fluctuation of the gate voltage VG3 of the third transistor M3, and the turn-off operation of the output transistor MH (slew rate, etc.) adversely affect
反対に、第5トランジスタM5をターンオフすると、第4トランジスタM4のゲート容量の影響で、第4トランジスタM4のゲート電圧(すなわちバイアス電圧VBIAS1)が変動する。このとき第2トランジスタM2をターンオンすると、第1トランジスタM1のゲート電圧VBIAS1の変動が出力トランジスタMHのゲート電圧VGの変動となり、出力トランジスタMHのターンオン動作に悪影響を及ぼす。 Conversely, when the fifth transistor M5 is turned off, the gate voltage of the fourth transistor M4 (ie, the bias voltage V BIAS1 ) fluctuates under the influence of the gate capacitance of the fourth transistor M4. At this time, when the second transistor M2 is turned on, the variation of the gate voltage VBIAS1 of the first transistor M1 results in the variation of the gate voltage VG of the output transistor MH , adversely affecting the turn-on operation of the output transistor MH .
したがって、バイアス電圧VBIAS1の変動が許容できないほど大きい場合には、平滑用のキャパシタC2を追加し、変動幅を小さくする必要がある。 Therefore, if the fluctuation of the bias voltage V BIAS1 is unacceptably large, it is necessary to add a smoothing capacitor C2 to reduce the fluctuation range.
(実施例4.3)
図20は、実施例4.3に係る出力回路100Cを備える半導体装置300Cの回路図である。実施例4.2(図19)では、第1トランジスタM1と第4トランジスタM4が、共通の電圧源によってバイアスされていた。これに対して実施例4.3では、第1トランジスタM1と第4トランジスタM4が、別々の電圧源によってバイアスされる。具体的には駆動回路200Cは、第1電圧源250および第2電圧源260を含む。第2電圧源260は第1電圧源250と同様に構成され、第2定電圧素子262および第2電流源264を含む。
(Example 4.3)
FIG. 20 is a circuit diagram of a
以上が出力回路100Cの構成である。続いてその動作を説明する。図21は、図20の出力回路100Cの動作波形図である。制御信号SCTRLに応じて、ターンオン回路230とサブドライバ220は相補的に動作する。したがって、2つの対応するノードN1,N2の電圧VA,VA’は相補的に変動し、バイアス電圧VBIAS1,VBIAS2も相補的に変動する。バイアス電圧VBIAS1が利用されるのは、第2トランジスタM2がオンする期間、つまり制御信号SCTRLがハイであるオン期間であるが、このオン期間においてバイアス電圧VBIAS1は安定である。同様にバイアス電圧VBIAS2が利用されるのは、第5トランジスタM5がオンする期間、つまり制御信号SCTRLがローであるオフ期間であるが、このオフ期間においてバイアス電圧VBIAS2は安定である。
The above is the configuration of the
この出力回路100Cによれば、バイアス電圧VBIAS1,VBIAS2の変動は、出力トランジスタMH、第3トランジスタM3それぞれのゲート電圧VG,VG3のローに影響を与えない。したがって図19のようなキャパシタC2が不要となるため、回路面積を小さくできる。
According to this
(実施例4.4)
図22は、実施例4.4に係る出力回路100Dを備える半導体装置300Dの回路図である。図19や図20の回路において、第3トランジスタM3のゲート容量は、第2抵抗R2によって充電される。したがって第3トランジスタM3のサイズ(W/L)が大きい場合には、図16の駆動回路200Aと同様の問題、すなわち、第3トランジスタM3の駆動に関して、高速性と低消費電力化が両立できないという問題が生じうる。
この実施例では、第3トランジスタM3およびサブドライバ220が2段、直列に接続されている。後段の第3トランジスタM3_2は、入力端子INと出力トランジスタMHのゲートの間に設けられる。前段の第3トランジスタM3_1は、入力端子INとひとつ後段の第3トランジスタM3_2のゲートの間に設けられる。
(Example 4.4)
FIG. 22 is a circuit diagram of a
In this embodiment, the third transistor M3 and the sub-driver 220 are connected in series in two stages. A third transistor M3_2 in the latter stage is provided between the input terminal IN and the gate of the output transistor MH . The front-stage third transistor M3_1 is provided between the input terminal IN and the gate of the rear-stage third transistor M3_2 .
サブドライバ220_1は、制御信号SCTRLがハイのとき、第3トランジスタM3_1をオン、ローのとき第3トランジスタM3_1をオフする。サブドライバ220_1,220_2は同様に構成される。サブドライバ220_1の第4トランジスタM4_1のゲートは、第1トランジスタM1のゲートと共通にバイアスされる。 The sub-driver 220_1 turns on the third transistor M3_1 when the control signal S_CTRL is high, and turns off the third transistor M3_1 when it is low. The sub-drivers 220_1 and 220_2 are similarly configured. The gate of the fourth transistor M4_1 of the sub-driver 220_1 is commonly biased with the gate of the first transistor M1.
(第5実施例)
図23は、第5実施例に係る出力回路100Eを備える半導体装置300Eの回路図である。第5実施例は、図22の出力回路100Dをさらに多段化したものである。出力回路100Eには、複数(N個)の第3トランジスタM3_1~M3_Nおよび複数段(N段)のサブドライバ220_1~220_Nが設けられ、それらがカスケードに接続される。複数の第3トランジスタM3やサブドライバ220の構成素子のサイズ(駆動能力)は、後段ほど大きい。
(Fifth embodiment)
FIG. 23 is a circuit diagram of a
複数のサブドライバ220_1~220_Nは同様に構成される。i段目のサブドライバ220_i(1≦i≦N)は、対応する第3トランジスタM3_iを駆動する。最終段の第3トランジスタM3_Nは、入力端子INと出力トランジスタMHのゲートの間に設けられる。それより前段(1≦j≦N-1)の第3トランジスタM3_jは、入力端子INとひとつ後段の第3トランジスタM3_(j+1)のゲートの間に設けられる。 A plurality of sub-drivers 220_1-220_N are similarly configured. The i-th sub-driver 220_i (1≤i≤N) drives the corresponding third transistor M3_i . The final-stage third transistor M3_N is provided between the input terminal IN and the gate of the output transistor MH . The third transistor M3_j in the previous stage (1≤j≤N-1) is provided between the input terminal IN and the gate of the third transistor M3_ (j+1) in the subsequent stage.
第1トランジスタM1および第1トランジスタM1と1段飛ばしで隣接する第4トランジスタM4_N,M4_(N-2),・・・のゲートは、共通の電圧源250によってバイアスされる。残りの第4トランジスタM4_(N-1),M4_(N-3)・・・のゲートは、共通の別の電圧源260によってバイアスされる。
The gates of the first transistor M 1 and the
(用途)
続いて出力回路100の用途を説明する。上述の半導体装置(出力回路)は、メカリレーの駆動回路に用いることができる。リレー装置およびそれを備える自動車については、図13,14を参照して説明した通りである。
(Application)
Next, the application of the
(変形例4.1)
実施の形態4では、MOSFETで構成された半導体装置を説明したがその限りでなく、任意のMOSFETを、バイポーラトランジスタなどに置換することができる。この場合、上の説明において、ゲートをベース、ドレインをコレクタ、ソースをエミッタと読み替えればよい。
(Modification 4.1)
In the fourth embodiment, a semiconductor device composed of MOSFETs has been described, but the present invention is not limited to this, and arbitrary MOSFETs can be replaced with bipolar transistors or the like. In this case, in the above description, the gate should be read as the base, the drain as the collector, and the source as the emitter.
(変形例4.2)
実施の形態4では、出力トランジスタMHが半導体装置300に集積化される場合を説明したがその限りでなく、出力トランジスタMHとしてディスクリート素子を用いてもよい。
(Modification 4.2)
In the fourth embodiment, the case where the output transistor MH is integrated in the
(変形例4.3)
半導体装置300の用途は、リレーの駆動回路には限定されず、DC/DCコンバータなどのスイッチング電源、モータ駆動回路(インバータ)、AC/DCコンバータ、DC/ACコンバータ(インバータ)、2次電池の充放電システムやパワーコンディショナなどにも利用することができる。
(Modification 4.3)
Applications of the
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the scope of claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100 出力回路
MH 出力トランジスタ
200 駆動回路
201 内部ライン
202 ゲートライン
210 ターンオフ回路
204 ドライバ
220 サブドライバ
222 ターンオフ回路
224 ターンオン回路
230 ターンオン回路
240 バイアス回路
242 定電圧素子
244 電流源
250 第1電圧源
252 第1定電圧素子
254 第1電流源
260 第2電圧源
262 第2定電圧素子
264 第2電流源
270 電圧補正回路
272 電流源
280 クランプ回路
300 半導体装置
R1 インピーダンス素子、第1抵抗
R2 第2抵抗
M1 第1トランジスタ
M2 第2トランジスタ
M3 第3トランジスタ
M4 第4トランジスタ
M5 第5トランジスタ
400 リレー装置
410 メカリレー
500 駆動回路
100 output circuit MH output transistor 200
Claims (17)
内部ラインと、
ゲートまたはベースである制御電極がバイアスされ、ソースまたはエミッタである第1電極が前記内部ラインと接続される第1トランジスタと、
前記内部ラインに作用し、前記内部ラインの電圧を時間的に緩やかに低下させる電圧補正回路と、
を備え、
前記出力トランジスタのゲートまたはベースである制御電極には、そのオン期間において前記内部ラインの電圧が印加されることを特徴とする駆動回路。 A drive circuit for driving a P-channel or PNP-type output transistor provided between an input terminal receiving an input voltage and an output terminal according to a control signal,
internal line and
a first transistor having a control electrode, gate or base, biased and a first electrode, source or emitter, connected to said internal line;
a voltage correction circuit that acts on the internal line to gradually reduce the voltage of the internal line over time;
with
A driving circuit, wherein the voltage of the internal line is applied to the control electrode, which is the gate or base of the output transistor, during its ON period.
前記補助電流は、前記出力トランジスタのオフ期間において前記第3トランジスタに流れる電流より小さいことを特徴とする請求項2に記載の駆動回路。 further comprising a third transistor provided between the input terminal and the control electrode of the output transistor and turned on during a period in which the output transistor should be turned off;
3. The drive circuit according to claim 2, wherein the auxiliary current is smaller than the current flowing through the third transistor during the OFF period of the output transistor.
前記入力端子と前記第1トランジスタの前記制御電極の間に設けられた第1ツェナーダイオードと、
前記第1トランジスタの前記制御電極と接地の間に設けられた電流源と、
を含むことを特徴とする請求項14に記載の駆動回路。 The bias circuit is
a first Zener diode provided between the input terminal and the control electrode of the first transistor;
a current source provided between the control electrode of the first transistor and ground;
15. The drive circuit of claim 14 , comprising:
前記出力トランジスタを駆動する請求項1から15のいずれかに記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 a P-channel or PNP output transistor;
a driving circuit according to any one of claims 1 to 15 , which drives the output transistor;
A semiconductor device comprising:
前記メカリレーを駆動する請求項16に記載の半導体装置と、
を備えることを特徴とする自動車。 a mechanical relay,
17. The semiconductor device according to claim 16 , which drives the mechanical relay;
An automobile characterized by comprising:
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