JPS5967724A - Semiconductor switch circuit - Google Patents

Semiconductor switch circuit

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JPS5967724A
JPS5967724A JP57178785A JP17878582A JPS5967724A JP S5967724 A JPS5967724 A JP S5967724A JP 57178785 A JP57178785 A JP 57178785A JP 17878582 A JP17878582 A JP 17878582A JP S5967724 A JPS5967724 A JP S5967724A
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circuit
transistor
load
potential
drain
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Koichi Murakami
浩一 村上
Takeshi Oguro
大黒 健
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches

Abstract

PURPOSE:To obtain a switch circuit protecting a power MOS transistor(TR), less in switching drive current and power loss and having a protecting circuit possible for circuit integration, by discriminating short-circuit of a load with the drain potential of the said TR switching the load. CONSTITUTION:When the load 7 is short-circuited, an output potential of an integrating circuit 12 is increased and exceeds a thershold voltage of a TR9 after a minute time, a gate potential of a TR6 is decreased and a drain current ID is interrupted. Since the short-circuit of the load 7 is detected on the basis of the drain potential of the TR6 in this protection circuit, useless power is not consumed much because of a minute resistance value. Since N-channel common-source power MOS TRs 6, 9 are used as switching elements, an MOS resistor 10 and an MOS capacitor 11 are used as an integrating circuit, and common-source MOSTRs are used as a discharge element 13 and an inverter element 16, the circuit is integrated without applying special isolation even if longitudinal elements having small ON resistance are used.

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、負荷に流れる電流をパワーMOSトランジ
スタでスイッチングするようにした半導体スイッチ回路
に係り、特に、負荷ショート時等において、前記パワー
MOSトランジスタを流れる電流を遮断し、これにより
当該トランジスタを保護する機能を備えた半導体スイッ
チ回路に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor switch circuit in which the current flowing through a load is switched by a power MOS transistor, and in particular, when the load is short-circuited, the current flowing through the power MOS transistor is cut off, This invention relates to a semiconductor switch circuit having a function of protecting the transistor.

近年、駆動回路を簡単かつ集積化し、その電源電圧を低
電圧化しようとする要望から、パワー間OSトランジス
タ、中でもオン抵抗が低くパワースイッチングに適する
縦型パワーMOSトランジスタをスイッチングに応用す
る動きがある。
In recent years, due to the desire to simplify and integrate drive circuits and lower their power supply voltages, there has been a movement to apply power-to-power OS transistors, especially vertical power MOS transistors, which have low on-resistance and are suitable for power switching, to switching applications. .

しかしながら、このようなパワーMOSトランジスタを
使用した半導体スイッチ回路にあっては、ドレイン側に
接続される負荷が短絡した状態においてゲート電位が“
H”になると、ドレイン電位の上昇に加えてドレイン電
流も増加するため、両者の積により定まるパワー損失は
急増し、遂にはパワーMOSトランジスタが破壊されて
しまうという問題があった。
However, in a semiconductor switch circuit using such a power MOS transistor, when the load connected to the drain side is short-circuited, the gate potential is “
When the voltage becomes H'', the drain current increases in addition to the drain potential, so the power loss determined by the product of both rapidly increases, and there is a problem in that the power MOS transistor is eventually destroyed.

このため、その対策として従来第1図に示す如く、パワ
ーMOSトランジスタ1のソースS側に直列接続された
微少抵抗3によりドレイン電流Ioの変化を電圧に変換
して検出し、この検出電圧をコンパレータ4において所
定の基準電圧Vrefと比較し、その比較出力によって
ゲートGと入力端子INとの間に介挿されたドライブ回
路5を駆動させ、負荷ショート時はゲートGの電位を強
制的に“1”に引き下げて、パワーMOSトランジスタ
1を保護する試みもなされている。
For this reason, as a countermeasure, conventionally, as shown in FIG. 1, the change in the drain current Io is converted into voltage and detected by a microresistance 3 connected in series to the source S side of the power MOS transistor 1, and this detected voltage is sent to the comparator. 4, it is compared with a predetermined reference voltage Vref, and the comparison output drives the drive circuit 5 inserted between the gate G and the input terminal IN, and when the load is short-circuited, the potential of the gate G is forcibly set to "1". Attempts have also been made to protect the power MOS transistor 1 by lowering the voltage to 1.

ところが、このような回路構成によると、微少抵抗3に
よって常時無駄な電力が消費されるためスイッチ回路全
体の低損失化の妨げとなり、また半導体基板上に集積化
するに際して、一般に微少抵抗は占融面積が大きいため
高集積化の妨げとなるという問題があった。
However, with such a circuit configuration, the microresistance 3 constantly consumes wasted power, which hinders the reduction in loss of the entire switch circuit.Furthermore, when integrating on a semiconductor substrate, the microresistance is generally unused. There was a problem in that the large area hindered high integration.

更に、パワーMOSトランジスタとしてオン抵抗の小さ
い縦形パワーMOSトランジスタを使用し、かつ回路全
体を同一半導体基板上に集積形成しようとすると、縦型
パワーMOSトランジスタの場合、基板自体がドレイン
として動作するため、基板電位が安定せず、このため基
板内に他の回路構成部分(例えば、コンパレータ4,ド
ライブ回路5等)を集積形成することが難しくコスト的
に不利な外付部品によって対処せねばならないという問
題があった。
Furthermore, if a vertical power MOS transistor with low on-resistance is used as a power MOS transistor, and the entire circuit is integrated on the same semiconductor substrate, the substrate itself acts as a drain in the case of a vertical power MOS transistor. The problem is that the substrate potential is not stable, and therefore it is difficult to integrate other circuit components (for example, comparator 4, drive circuit 5, etc.) into the substrate, and the problem must be solved by using external components that are disadvantageous in terms of cost. was there.

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、その目的とするところは、スイッチ駆動電流
およびパワー損失が小さく、かつ集積可能な保護回路を
備えた半導体スイッチ回路を提供することにある。
The present invention was made in view of these conventional problems, and its purpose is to provide a semiconductor switch circuit that has a small switch drive current and power loss, and is equipped with a protection circuit that can be integrated. It's about doing.

この発明は、上記の目的を達成するために、前記負荷を
スイッチングするパワーMOSトランジスタのドレイン
電位によって、負荷のショートを判断して当該トランジ
スタを保護する保護回路を、MOSトランジスタと、M
OS抵抗と、MOSキャパシタと、酸化珪素上に形成さ
れる抵抗とにより構成したことを特徴とするものである
In order to achieve the above object, the present invention includes a protection circuit that determines a short circuit in a load and protects the power MOS transistor that switches the load based on the drain potential of the power MOS transistor that switches the load.
It is characterized in that it is composed of an OS resistor, a MOS capacitor, and a resistor formed on silicon oxide.

以下、第2図〜第7図に示される実施例に基づき本発明
の詳細を説明する。
Hereinafter, details of the present invention will be explained based on the embodiments shown in FIGS. 2 to 7.

第2図は、この発明に係る半導体スイッチ回路の一実施
例を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the semiconductor switch circuit according to the present invention.

第2図において、6はnチャンネルの縦型パワMOSト
ランジスタであり、このトランジスタ6のソースS5は
設置され、かつドレインD6は負荷7を介して電源VO
Dに接続されており、またゲートG5は抵抗8を介して
制御入力端子INに接続されている。
In FIG. 2, 6 is an n-channel vertical power MOS transistor, the source S5 of this transistor 6 is installed, and the drain D6 is connected to the power source VO via a load 7.
The gate G5 is connected to the control input terminal IN via a resistor 8.

このため、制御入力端子INの電位VINが、“L”か
ら“H”あるいは“H”から“L”へと瞬時変化すると
、ゲートG5の電位は抵抗8とゲート容量CGとにより
定まる時定数カーブを描きつつ上昇または下降し、これ
によりトランジスタ6はオンまたはオフして負荷7に流
れる電流IDをスイッチングするように構成されている
Therefore, when the potential VIN of the control input terminal IN instantaneously changes from "L" to "H" or from "H" to "L", the potential of the gate G5 changes according to a time constant curve determined by the resistor 8 and the gate capacitance CG. The transistor 6 is turned on or off, thereby switching the current ID flowing to the load 7.

9はnチャンネルの横型MOSトランジスタであり、こ
のトランジスタ9のソースS9は接地され、かつドレイ
ンD9は前記トランジスタ6のゲートG5へと接続され
ている。
Reference numeral 9 denotes an n-channel lateral MOS transistor, whose source S9 is grounded and whose drain D9 is connected to the gate G5 of the transistor 6.

従って、トランジスタ9のゲート電位VG9がそのスレ
ショルド電圧VT9に達すると、トランジスタ9はオン
し、これによりトランジスタ6のゲート電位VG6をア
ース電位に引き下げるように構成されている。
Therefore, when the gate potential VG9 of the transistor 9 reaches its threshold voltage VT9, the transistor 9 is turned on, thereby lowering the gate potential VG6 of the transistor 6 to the ground potential.

トランジスタ6のドレインD6とアースとの間には、M
OS抵抗10とMOSキャパシタ11とを直列接続して
なる積分回路12が設けられており、特にこの例ではM
OS抵抗10としてゲート・ドレイン間を短絡してなる
nチャンネルの横型MOSトランジスタが使用されてい
るため、MOS抵抗10は定電流源としても機能するこ
ととなる。また、積分回路12の出力は、トランジスタ
9のゲートG9へと供給されており、このため積分回路
12の出力が上昇してトランジスタ9のスレショルド電
圧VT9を越えると同時に、トランジスタ9はオンする
こととなる。
Between the drain D6 of the transistor 6 and the ground, there is an M
An integrating circuit 12 is provided, which is formed by connecting an OS resistor 10 and a MOS capacitor 11 in series, and in particular, in this example, M
Since an n-channel lateral MOS transistor whose gate and drain are short-circuited is used as the OS resistor 10, the MOS resistor 10 also functions as a constant current source. Furthermore, the output of the integrating circuit 12 is supplied to the gate G9 of the transistor 9, and therefore, as soon as the output of the integrating circuit 12 rises and exceeds the threshold voltage VT9 of the transistor 9, the transistor 9 is turned on. Become.

13は、積分回路12のキャパシタ11の放電路を形成
するnチャンネル横型MOSトランジスタであり、その
ソースS13は接地され、またドレインD13は積分回
路12の出カ端子へと接続されている。このため、トラ
ンジスタ13のゲート電位VG13が上昇してスレショ
ルド電圧VT13を越えると、トランジスタ13はオン
して、キャパシタ11の電荷は急速に放電され、積分回
路12の出力は略零電位に立ち下がることとなる。
Reference numeral 13 denotes an n-channel lateral MOS transistor that forms a discharge path for the capacitor 11 of the integrating circuit 12. Its source S13 is grounded, and its drain D13 is connected to the output terminal of the integrating circuit 12. Therefore, when the gate potential VG13 of the transistor 13 rises and exceeds the threshold voltage VT13, the transistor 13 is turned on, the charge in the capacitor 11 is rapidly discharged, and the output of the integrating circuit 12 falls to approximately zero potential. becomes.

14は、抵抗15とnチャンネルの横形MOSトランジ
スタ16とを直列接続してなるインバータ回路であり、
このインバータ回路14にはトランジスタ6のドレイン
電位VD6が電源として供給されており、またトランジ
スタ16のゲートG15は制御入力端子INに接続され
ている。
14 is an inverter circuit formed by connecting a resistor 15 and an n-channel lateral MOS transistor 16 in series;
The inverter circuit 14 is supplied with the drain potential VD6 of the transistor 6 as a power source, and the gate G15 of the transistor 16 is connected to the control input terminal IN.

従って、インバータ回路14は、制御入力端子INに供
給されるスイッチング入カを反転して出力し、この反転
出力によりトランジスタ13がオン、オフ制御されるこ
とになる。
Therefore, the inverter circuit 14 inverts and outputs the switching input supplied to the control input terminal IN, and the transistor 13 is controlled to be turned on or off by this inverted output.

次に、以上説明した半導体スイッチ回路の動作を、第3
図のタイムチャートを参照しつつ、負荷正常時,ショー
ト時に分けて説明する。
Next, the operation of the semiconductor switch circuit explained above will be explained in the third section.
Referring to the time chart in the figure, the explanation will be made separately for normal load and short-circuit conditions.

負荷正常時の動作タイムチャートを第3図(a)に示す
。同図に示す如く、トランジスタ6をオンすべく、入力
電位VINが“L”から“H”に立ち上がると、トラン
ジスタ6のゲート電位VG6は抵抗8の抵抗値Rとトラ
ンジスタ6のゲート容量C6とで定まる時定数τ(=C
c・R)をもっで緩かに上昇し始める。
An operation time chart when the load is normal is shown in FIG. 3(a). As shown in the figure, when the input potential VIN rises from "L" to "H" to turn on the transistor 6, the gate potential VG6 of the transistor 6 is determined by the resistance value R of the resistor 8 and the gate capacitance C6 of the transistor 6. Determined time constant τ (=C
c・R) begins to rise slowly.

次いで、入力電位VINの立ち上がりからt1時間が経
過して、トランジスタ6のゲート電位VG6がそのスレ
ショルド電圧VT6を越えると、トランジスタ6はオン
状態に移行し、負荷7にはドレイン電流IDが流れ始め
、同時に負荷7による電圧降下によってトランジスタ6
のドレイン電位VD6は低下し始める。
Next, when time t1 has passed since the rise of the input potential VIN and the gate potential VG6 of the transistor 6 exceeds its threshold voltage VT6, the transistor 6 turns on, and the drain current ID begins to flow through the load 7. At the same time, due to the voltage drop due to load 7, transistor 6
The drain potential VD6 begins to decrease.

一方、入力電位VINが“L”から“H”へと立ち上が
ると同時に、インバータ回路14の出力は“H”から“
L”へと転じ、これによりトランジスタ13はオン状態
となり、積分回路12のキャパシタ11に対する充電が
開始されて、積分回路12の出力電位V1の値は、トラ
ンジスタ6のゲート電位VG6よりも更に緩かに上昇す
る。
On the other hand, at the same time that the input potential VIN rises from "L" to "H", the output of the inverter circuit 14 changes from "H" to "H".
As a result, the transistor 13 turns on, charging of the capacitor 11 of the integrating circuit 12 is started, and the value of the output potential V1 of the integrating circuit 12 becomes even more moderate than the gate potential VG6 of the transistor 6. rise to

このため、積分回路12の出力電位V1がトランジスタ
9のスレショルド電圧VT9に到達する以前に、すなわ
ち入力電位VINの立ち上がりからt2時間が経過した
時点において、トランジスタGのドレイン電位VD6は
トランジスタ9のスレショルド電圧VT9以下に低下し
てしまい、この結果積分回路12の出力電位V1は、V
1−VD6−VT10−VBC VD6:V1の上昇が止まったときの値VT10:MO
S抵抗10のスレショルド電圧V8G;バックゲート効
果 で与えられる値にクリップされる。
Therefore, before the output potential V1 of the integrating circuit 12 reaches the threshold voltage VT9 of the transistor 9, that is, at the time t2 has elapsed since the rise of the input potential VIN, the drain potential VD6 of the transistor G reaches the threshold voltage VT9 of the transistor 9. As a result, the output potential V1 of the integrating circuit 12 becomes lower than VT9.
1-VD6-VT10-VBC VD6: Value when V1 stops rising VT10: MO
Threshold voltage V8G of S resistor 10; clipped to a value given by back gate effect.

ここで、V1<VT9となるように設定しておけば、積
分出力V1の値はVT9まで上昇しないため、トランジ
スタ6のゲート電位VG6は“H”状態に維持され、ト
ランジスタ6には電流1Dが流れ続けることとなる。
Here, if it is set so that V1<VT9, the value of the integral output V1 will not rise to VT9, so the gate potential VG6 of the transistor 6 will be maintained in the "H" state, and the current 1D will flow through the transistor 6. It will continue to flow.

次に、トランジスタ6をオフすべく、入力電位VINを
“H”から“L”に瞬時立ち下げると、トランジスタ6
のゲート容量C6に充電された電荷は抵抗8を介して放
電され、次いでVG5<VT6となった時点において、
トランジスタGは完全にオフし、ドレイン電流IDも流
れなくなる。
Next, in order to turn off the transistor 6, when the input potential VIN is instantaneously lowered from "H" to "L", the transistor 6
The charge charged in the gate capacitance C6 is discharged through the resistor 8, and then at the time when VG5<VT6,
Transistor G is completely turned off, and drain current ID no longer flows.

また、キャパシタ11に充電された電荷もトランジスタ
13を介して急速に放電され、これにより積分回路12
の出力電位V1は略零ボルトに低下する。
Furthermore, the electric charge charged in the capacitor 11 is also rapidly discharged through the transistor 13, and as a result, the integrator circuit 12
The output potential V1 of V1 drops to approximately zero volts.

このように、負荷7が正常である限り、トランジスタ6
は入力電位VINの“H°,“L”に応じて正常にスイ
ッチングされることとなる。
In this way, as long as the load 7 is normal, the transistor 6
is normally switched in accordance with the input potential VIN of "H°" and "L".

次に、負荷ショート時における動作タイムチャートを第
3図(b)に示す。同図において、トランジスタ6をオ
ンさせるべく、入力電位VINを“L”から“H“に立
ち上げると、前述の負荷正常時と同様にしてトランジス
タ6のゲート電位VG6は所定の時定数カーブを描いて
上昇し始め、t1時間が経過してVG6=Vt6となっ
た時点において、トランジスタ6はオン状態へと移行し
、ドレイン電流10が流れ始める。
Next, FIG. 3(b) shows an operation time chart when the load is short-circuited. In the figure, when the input potential VIN is raised from "L" to "H" in order to turn on the transistor 6, the gate potential VG6 of the transistor 6 draws a predetermined time constant curve in the same way as when the load is normal as described above. When VG6=Vt6 after time t1 has elapsed, transistor 6 turns on and drain current 10 starts to flow.

また、負荷7はショートしているため、トランジスタ6
のドレインD6には電源電圧VD6がそのまま印加され
、このためドレイン電位VD6はVDDに維持される。
Also, since the load 7 is short-circuited, the transistor 6
The power supply voltage VD6 is applied as is to the drain D6 of the transistor, and therefore the drain potential VD6 is maintained at VDD.

一方、積分回路12の出カ電位Vtも、入カ電位VIN
の立ち上がりに応答して徐々に上昇を開始するが、トラ
ンジスタ6がオンしてもドレイン電位VD6は電源電位
VDDに維持されているため、前述した負荷が正常な場
合とは異なり、積分回路12の出力電位V1の上昇は更
に続き、やがてt3時間経過後第2トランジスタ9のス
レショルド電圧VT9を越えることとなる。
On the other hand, the output potential Vt of the integrating circuit 12 is also equal to the input potential VIN.
However, even when the transistor 6 is turned on, the drain potential VD6 is maintained at the power supply potential VDD. The output potential V1 continues to rise further, and eventually exceeds the threshold voltage VT9 of the second transistor 9 after time t3 has elapsed.

すると、トランジスタ9がオンしてトランジスタGのゲ
ート電位VG6は下がり始め、これによりドレイン電流
IDも徐々に減少し始める。そして、t4時間が経過し
てVG6=VT5となると、ドレイン電流IDは完全に
流れなくなる。
Then, the transistor 9 is turned on and the gate potential VG6 of the transistor G starts to decrease, and the drain current ID also starts to decrease gradually. Then, when time t4 has passed and VG6=VT5, the drain current ID completely stops flowing.

従って、ドレイン電流IDは入力電位VINが“L”か
ら“H”に立ち上がった時点より(t4−t1)の極め
て短時間しか流れないため、従来のスイッチング回路の
ようにパワー損失によってスイッチング素子が破壊され
ることを未然に防止することができる。
Therefore, since the drain current ID flows only for a very short time (t4-t1) from the time when the input potential VIN rises from "L" to "H", the switching element is destroyed due to power loss as in conventional switching circuits. It is possible to prevent this from happening.

ここで、前記時間t1,t2,t4の値はMOS抵抗1
0のゲート幅/ゲート長,MOSキャパシタ11の容量
,抵抗8の抵抗値を変えることによって適宜に設定が可
能である。
Here, the values of the times t1, t2, and t4 are the values of the MOS resistor 1
It can be set appropriately by changing the gate width/gate length of 0, the capacitance of the MOS capacitor 11, and the resistance value of the resistor 8.

次に、入力電位VINが“H”から“L”に立ち下がっ
た場合には、前述の負荷正常時と同様にしてキャパシタ
11の電荷はトランジスタ13を介して急速に放電され
、積分回路はリセット状態となる。
Next, when the input potential VIN falls from "H" to "L", the charge in the capacitor 11 is rapidly discharged through the transistor 13 in the same way as when the load is normal, and the integrating circuit is reset. state.

なお、負荷7が正常でかつトランジスタ6がオンしてい
る状態において、突然負荷7がショートしたような場合
には、第3図(a)において、積分回路12の出力電位
V1がそれまでのレベルより直ちに上昇を開始し、微少
時間の経過後、第3図(b)に示す如くトランジスタ9
のスレショルド電圧VT9を越えることとなり、移行ト
ランジスタ6のゲート電位は同図(b)の如く低下し、
ドレイン電流IDは遮断されることになる。
Note that if the load 7 is suddenly short-circuited while the load 7 is normal and the transistor 6 is on, the output potential V1 of the integrating circuit 12 will change to the previous level as shown in FIG. 3(a). After a short period of time, the transistor 9 begins to rise as shown in FIG. 3(b).
The threshold voltage VT9 is exceeded, and the gate potential of the transition transistor 6 decreases as shown in FIG.
The drain current ID will be cut off.

かくして、この実施例に示される保護回路にあっては、
負荷7がショートしたことを、トランジスタ6のドレイ
ン電位VD5の値に基づいて検出しているため、トラン
ジスタ6のソース側に微少抵抗を介挿して負荷電流の変
化に基づいて負荷7のショートを検出するようにした従
来例のように、トランジスタ7がオンしている間に、微
少抵抗によって無駄な電力が消費されることはない。
Thus, in the protection circuit shown in this example,
Since a short circuit in the load 7 is detected based on the value of the drain potential VD5 of the transistor 6, a minute resistance is inserted on the source side of the transistor 6 to detect a short circuit in the load 7 based on a change in the load current. Unlike the conventional example in which the transistor 7 is turned on, power is not wasted due to the minute resistance.

また、この実施例によれば、積分回路12を構成するM
OSキャパシタ11と並列に、放電用トランジスタ13
を接続するとともに、このトランジスタ13をインバー
タ回路14を介して、スイッチング入力の反転信号によ
ってオン、オフ制御しているため、入力電位VINが“
H”から“L”に立ち下がった場合に、積分回路12の
出力V1は直ちに“L”となり、入力端子INに微少間
隔で“H”を繰り返し供給した場合にも、積分回路12
の遅延時間にバラツキが生じることが少く、またMOS
抵抗10としてドレイン・ゲート間を短絡してなる定電
流源を使用しているため、積分回路12の出力電位Vt
は時間の関数として一時的に増加し、単なるリニア抵抗
を使用した場合に比べ、遅延時間の設定がその製作上容
易となり、高精度な積分回路を構成することができる。
Further, according to this embodiment, M constituting the integrating circuit 12
A discharge transistor 13 is connected in parallel with the OS capacitor 11.
is connected, and this transistor 13 is controlled on and off by the inverted signal of the switching input via the inverter circuit 14, so that the input potential VIN is "
When it falls from "H" to "L", the output V1 of the integrating circuit 12 immediately becomes "L", and even when "H" is repeatedly supplied to the input terminal IN at minute intervals, the output V1 of the integrating circuit 12
There is little variation in the delay time of MOS
Since a constant current source formed by shorting the drain and gate is used as the resistor 10, the output potential Vt of the integrating circuit 12
increases temporarily as a function of time, making it easier to set the delay time and construct a highly accurate integration circuit than when using a simple linear resistor.

また、この実施例では、パワースイッチング用そしとし
てnチャンネルのソース接地パワーMOSトランジスタ
6を使用するとともに、そのゲート短絡用素子としてn
チャンネルのソース接地MOSトランジスタ9,積分回
路として、MOS抵抗10とMOSキャパシタ11,放
電用素子13およびインバータ素子16として、それぞ
れnチャンネルのソース接地MOSトラシジスタを使用
しているため、パワーMOSトランジスタとして極めて
オン抵抗の小さい縦型素子を使用した場合にも、何等特
別なアイソレーションを施さずともこれを同一半導体基
板内に容易に集積化することができる。
Further, in this embodiment, an n-channel source-grounded power MOS transistor 6 is used as a power switching element, and an n-channel source-grounded power MOS transistor 6 is used as a gate shorting element.
Since the source-grounded MOS transistor 9 of the channel is used, the MOS resistor 10 and MOS capacitor 11 are used as the integration circuit, and the n-channel source-grounded MOS transistor is used as the discharge element 13 and the inverter element 16, it is extremely suitable as a power MOS transistor. Even when vertical elements with low on-resistance are used, they can be easily integrated within the same semiconductor substrate without any special isolation.

また、パワートランジスタのゲートに接続される入力抵
抗8およびインバータ回路の負荷抵抗15については、
何れも比較的抵抗値の大きなもので済むため、その占有
面積も小さくて済み、よって高密度集積化が可能となる
Furthermore, regarding the input resistor 8 connected to the gate of the power transistor and the load resistor 15 of the inverter circuit,
Since all of them require a relatively large resistance value, their occupied area is small, and high-density integration is therefore possible.

また、この実施例にあっては、トランジスタ9を駆動す
る積分回路12の電源およびMOS抵抗10のゲート電
圧として、パワーMOSトランジスタGのドレイン電位
VD6を使用しているため、トランジスタ6がオンした
後、ゆっくりとドレイン電位VD6が低下する大容量ラ
ンプ負荷等の場合でも、積分回路12の出力比(ショー
ト時/正常時)を大きく取ることができ、このためショ
ートか否かの判断時間を短縮することができるという効
果がある。
Furthermore, in this embodiment, since the drain potential VD6 of the power MOS transistor G is used as the power source of the integrating circuit 12 that drives the transistor 9 and the gate voltage of the MOS resistor 10, the Even in the case of a large-capacity lamp load where the drain potential VD6 slowly decreases, the output ratio of the integrating circuit 12 (short-circuited/normal) can be made large, thereby shortening the time required to determine whether there is a short-circuit or not. It has the effect of being able to

この効果をパワーMOSトラシジスタ6のドレイン電圧
VD5を直接に検出してショートか否かの判断を行なう
場合、すなわち入力電位が“L”から“H”に立ち上が
った後、一定時間が経過しても、ドレイン電位VD5が
“H”であることに基づいて、ショートを検出する場合
と比較して、第4図を参照しながら説明する。
This effect can be observed when determining whether a short circuit occurs by directly detecting the drain voltage VD5 of the power MOS transistor 6, that is, even if a certain period of time has passed after the input potential rises from "L" to "H". A comparison will be made with reference to FIG. 4 in comparison with a case where a short circuit is detected based on the fact that the drain potential VD5 is "H".

第4図(a)は負荷正常時におけるドレイン電位VD6
および積分出力Vtの変化を示し、また第4図(b)は
、負荷ショート時におけるドレイン電位VD6および積
分出力V1の変化を示す。
Figure 4(a) shows the drain potential VD6 when the load is normal.
FIG. 4(b) shows changes in the drain potential VD6 and the integral output V1 when the load is short-circuited.

第4図(a)に示す如く、電源電圧VDD=12ポルト
,入力電位VINの“H”を5ボルトとした状態におい
て、負荷7として大容量ランプを使用すると、負荷7が
正常な場合には、ドレイン電位VD6がMOSトランジ
スタのスレショルド電圧VT(≒1〜2ボルト)まで低
下するには少くともT1時間が必要である。
As shown in FIG. 4(a), when a large-capacity lamp is used as the load 7 with the power supply voltage VDD=12 ports and the input potential VIN "H" set to 5 volts, if the load 7 is normal, , at least T1 time is required for the drain potential VD6 to drop to the threshold voltage VT (≈1 to 2 volts) of the MOS transistor.

従って、仮にMOSトランジスタのスレショルド電圧V
Tを利用して、かつドレイン電位VD5がVT以下に低
下するか否かに基づいて、負荷7の短絡を判定しようと
すれば、少くともスイッチング入力VINが“H”とな
ってからT1時間を必要とする。ここで、T1時間の間
は、トランジスタ6に電流が流れ続けるため、負荷7が
大容量なものである場合には、時間T1の長大化(≧1
0ms)によりトランジスタ6を破損させる虞れがある
Therefore, if the threshold voltage V of the MOS transistor is
If we try to determine whether the load 7 is short-circuited using T and based on whether the drain potential VD5 decreases below VT, at least the time T1 after the switching input VIN becomes "H" can be determined. I need. Here, since current continues to flow through the transistor 6 during the time T1, if the load 7 has a large capacity, the time T1 becomes longer (≧1
0ms), there is a possibility that the transistor 6 may be damaged.

しかしながら、この実施例では積分回路12の入力とし
て、ドレイン電位VD6が使用されているため、負荷7
が正常でドレイン電位VD5が低下しつつある状態にお
ける積分出力V1の上昇カーブと、負荷がショートして
ドレイン電位VD5が一定に維持されている状態におけ
る積分出力V1の上昇カーブとでは著しい相違が生じる
。すなわち、負荷が正常な場合、積分出力V1はトラン
ジスタ9のスレショルド電圧Vt9を越えることはない
のに対して、負荷ショートしている場合、VINの立ち
上がり後、僅かT2時間でV1はVt3を越えるから、
T1よりも短時間であるt2時間以内に負荷の正常、シ
ョートを判定することができ、トランジスタ6の破損を
未然に防止することができる。
However, in this embodiment, since the drain potential VD6 is used as the input of the integrating circuit 12, the load 7
There is a significant difference between the rise curve of the integral output V1 in a state where the drain potential VD5 is normal and the drain potential VD5 is decreasing, and the rise curve of the integral output V1 in a state where the load is shorted and the drain potential VD5 is maintained constant. . That is, when the load is normal, the integrated output V1 does not exceed the threshold voltage Vt9 of the transistor 9, whereas when the load is short-circuited, V1 exceeds Vt3 in just T2 time after VIN rises. ,
It is possible to determine whether the load is normal or short-circuited within time t2, which is shorter than T1, and damage to the transistor 6 can be prevented.

次に、以上説明した半導体スイッチ回路を同一チップ上
に集積化したときの各部の構造を、第5図〜第7図を参
照して説明する。
Next, the structure of each part when the semiconductor switch circuit described above is integrated on the same chip will be explained with reference to FIGS. 5 to 7.

第5図はトランジスタ6の構造を、第6図はMOS抵抗
10とMOSキャパシタ11の構造を、第7図は抵抗8
と他のMOSトランジスタ9の構造をそれぞれ示す。
5 shows the structure of the transistor 6, FIG. 6 shows the structure of the MOS resistor 10 and MOS capacitor 11, and FIG. 7 shows the structure of the resistor 8.
and the structure of another MOS transistor 9 are respectively shown.

第5図は、公知の縦型MOSトランジスタの構造を示す
もので、61はソース電極,62はゲート電極,63は
ドレイン電極,64はソース領域,65はチャンネル形
成領域,66はドレイン領域,67は高濃度領域,68
は基板である。
FIG. 5 shows the structure of a known vertical MOS transistor, where 61 is a source electrode, 62 is a gate electrode, 63 is a drain electrode, 64 is a source region, 65 is a channel forming region, 66 is a drain region, and 67 is a drain electrode. is the high concentration area, 68
is the substrate.

そして、電波はn型のドレイン領域66からp型のチャ
ンネル形成領域65のゲート電極下に形成されるチャン
ネルを通ってn型のソース領域64へ流れる。この構造
によれば、電流を略縦方向に流すことかできるためオン
抵抗を小さくでき、パワースイッチングに適したものと
なる。
Then, the radio wave flows from the n-type drain region 66 to the n-type source region 64 through a channel formed under the gate electrode of the p-type channel formation region 65. According to this structure, the on-resistance can be reduced because current can flow in a substantially vertical direction, making it suitable for power switching.

第6図は、第5図に示した縦型MOSトランジスタのド
レイン領域66中に、チャンネル形成領域105を形成
し、その中に横型MOSトランジスタで形成したMOS
抵抗10とMOSキャパシタ11を示している。同図に
おいて、101はソース電極、102はゲート電極、1
03はドレイン電極、104はソース領域、105はチ
ャンネル形成領域、106はドレイン領域、107は高
濃度領域、11はMOSキャパシタである。
FIG. 6 shows a channel forming region 105 formed in the drain region 66 of the vertical MOS transistor shown in FIG.
A resistor 10 and a MOS capacitor 11 are shown. In the figure, 101 is a source electrode, 102 is a gate electrode, 1
03 is a drain electrode, 104 is a source region, 105 is a channel forming region, 106 is a drain region, 107 is a high concentration region, and 11 is a MOS capacitor.

同図に示す如く、キャパシタ11は接地されたn型不純
物の高濃度領域を下面電極、Alを上面電極として、ゲ
ートSiO2膜を挾んで形成されている、また、MOS
抵抗10およびMOSキャパシタ11は、接地されたチ
ャンネル形成領域105中に形成されているため、縦型
パワーMOSトランジスタ6がオンしてドレイン領域6
6の電位が変動してもその特性に変化は生じない。
As shown in the figure, the capacitor 11 is formed by sandwiching a gate SiO2 film between a grounded n-type impurity high concentration region as a lower surface electrode and Al as an upper surface electrode.
Since the resistor 10 and the MOS capacitor 11 are formed in the grounded channel forming region 105, the vertical power MOS transistor 6 is turned on and the drain region 6 is turned on.
Even if the potential of 6 changes, its characteristics do not change.

第7図も、第6図同様に縦型パワーMOSトランジスタ
6のドレイン領域66中にp型のチャンネル形成領域9
5を形成し、その中に横型MOSトランジスタ9を形成
したものを示す。また、同図には、poly−Siで形
成した入力抵抗8も同時に示す。
Similarly to FIG. 6, FIG. 7 also shows a p-type channel forming region 9 in the drain region 66 of the vertical power MOS transistor 6.
5 is formed, and a lateral MOS transistor 9 is formed therein. The figure also shows an input resistor 8 made of poly-Si.

図において、8はpoly−Si抵抗,91はソース電
極,92はゲート電極,93はドレイン電極,94はソ
ース領域,95はチャンネル形成領域,96はドレイン
領域、97は高濃度領域である。
In the figure, 8 is a poly-Si resistor, 91 is a source electrode, 92 is a gate electrode, 93 is a drain electrode, 94 is a source region, 95 is a channel forming region, 96 is a drain region, and 97 is a high concentration region.

ソース領域94とチャンネル形成領域95とは共にソー
ス電極91により接地されているため、縦型パワーMO
Sトランジスタ6のスイッチングによりそのドレイン領
域66の電極が変動しても、チャンネル形成領域95の
電位は影響されず、これにより横型MOSトランジスタ
9は正常に動作することになるのである。また、pol
y−Si抵抗8は、フィールドSiO2上にpoly−
Siで形成されているため、ドレイン領域66とは完全
に絶縁されており、ドレイン領域66の電位変動の影響
を受けない。
Since both the source region 94 and the channel forming region 95 are grounded by the source electrode 91, the vertical power MO
Even if the electrode of the drain region 66 changes due to the switching of the S transistor 6, the potential of the channel forming region 95 is not affected, so that the lateral MOS transistor 9 operates normally. Also, pol
The y-Si resistor 8 is made of poly-Si on the field SiO2.
Since it is made of Si, it is completely insulated from the drain region 66 and is not affected by potential fluctuations in the drain region 66.

かくして、第5図〜第7図の構造とすれば、第2図に示
す半導体スイッチ回路は縦型MOSトランジスタ6と同
一チップに集信することができる。
Thus, with the structure shown in FIGS. 5 to 7, the semiconductor switch circuit shown in FIG. 2 and the vertical MOS transistor 6 can be integrated on the same chip.

なお、前記実施例では各回路素子を同一チップに集積形
成したが、勿論各回路素子をディスクリート部品で構成
しても、所期の回路的効果を得ることができる。
In the above embodiment, each circuit element is integrated on the same chip, but it is of course possible to obtain the desired circuit effect even if each circuit element is composed of discrete components.

以上の実施例の説明でも明らかなように、この発明によ
ればスイッチ駆動電流およびパワー損失が小さく、かつ
集積可能なショート保護回路を備えた半導体スイッチ回
路を提供することができ、特にこのショート保護回路は
ショート検出応答性が高いという効果がある。
As is clear from the description of the embodiments above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor switch circuit with a short switch protection circuit that has a small switch drive current and power loss and can be integrated. The circuit has the advantage of having high short circuit detection responsiveness.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の半導体スイッチ回路を示す回路図、第2
図は本発明に係る半導体スイッチ回路を示す回路図、第
3図は負荷正常時と負荷ショート時に分けて、本発明回
路の動作を示す波形図、第4図は本発明回路の動作を他
の回路の動作と比較して示す図、第5図は縦型バワーM
OSトランジスタの構造を示す図、第6図はMOS抵抗
とMOSキャパシタの構造を示す図、第7図はpoly
−Si抵抗と横型MOSトランジスタの構造を示す図で
ある。 6・・・・・・第1のMOSトランジスタ7・・・・・
・負荷 8・・・・・・入力抵抗 9・・・・・・第2のMOSトランジスタ10・・・集
積回路 13・・・第3のMOSトランジスタ 14・・・インバータ回路 特許出願人 日産自動車株式会社 代理人 弁理士 和田成則 VO2 第2図 第3図 (a)        (b) 第4図 (0)        (b) 一2〆′ 第5図 第7図
Figure 1 is a circuit diagram showing a conventional semiconductor switch circuit, Figure 2 is a circuit diagram showing a conventional semiconductor switch circuit.
The figure is a circuit diagram showing a semiconductor switch circuit according to the present invention, Figure 3 is a waveform diagram showing the operation of the circuit of the present invention divided into normal load and load short-circuit, and Figure 4 is a waveform diagram showing the operation of the circuit of the present invention in other cases. A diagram showing a comparison of circuit operation, Figure 5 is a vertical power M
Figure 6 shows the structure of the OS transistor, Figure 6 shows the structure of the MOS resistor and MOS capacitor, Figure 7 shows the structure of the poly
- It is a diagram showing the structure of a Si resistor and a lateral MOS transistor. 6...First MOS transistor 7...
・Load 8...Input resistance 9...Second MOS transistor 10...Integrated circuit 13...Third MOS transistor 14...Inverter circuit Patent applicant Nissan Motor Co., Ltd. Company agent Patent attorney Shigenori Wada VO2 Figure 2 Figure 3 (a) (b) Figure 4 (0) (b) 12〆' Figure 5 Figure 7

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)負荷に流れる電流をスイッチングする第1のMO
Sトランジスタと、 前記第1のMOSトランジスタのゲートと入力端子間に
接続された入力抵抗と、 前記第1のMOSトランジスタのドレイン電位で充電さ
れる積分回路と、 ソース接地されるとともに、ドレインを前記第1のMO
Sトランジスタのゲートに接続され、かつ前記積分回路
の出力でスイッチング動作する第2のMOSトランジス
タと、 前記入力端子におけるスイッチング入力を反転するイン
バータ回路と、 ソース接地されるとともに、ドレインを前記積分回路の
出力端子に接続され、かつ前記インバータ回路の出カで
スイッチング動作する第3のMOSトランジスタとから
なることを特徴とする半導体スイッチ回路。
(1) First MO that switches the current flowing to the load
an input resistor connected between the gate of the first MOS transistor and an input terminal; an integrating circuit charged with the drain potential of the first MOS transistor; the source is grounded, and the drain is connected to the 1st MO
a second MOS transistor that is connected to the gate of the S transistor and performs a switching operation using the output of the integrating circuit; an inverter circuit that inverts the switching input at the input terminal; the source is grounded and the drain is connected to the integrating circuit; A semiconductor switch circuit comprising: a third MOS transistor connected to an output terminal and performing a switching operation using the output of the inverter circuit.
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