KR100214407B1 - 고측부 스위치용 전하 펌프 회로 - Google Patents

고측부 스위치용 전하 펌프 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전하 펌프가 정전류 회로에 의해 접지 단자에 연결되고 접지 단자에 대해 부유하여 잡음의 발생을 감소시키는, 실리콘 칩내에 집적되는 고측부 모놀리식 스위칭 회로에 관한 것이다. 전하 펌프는 전하 펌프 출력 회로에 연결되는 게이트를 갖춘 보조 파워 MOSFET에 의해 Vcc 단자에 연결된다. 종래의 전하 펌프 다이오드는 공통 모놀리식 칩 안에 쉽게 집적될 수 있는 MOSFET 장치로서 실현되다. 전하 펌프에 걸쳐 설치된 클램핑 회로에 의해, 고전압 장치용으로 저전압, 소영역의 커패시터를 사용할 수 있다.

Description

고측부 스위치용 전하 펌프 회로
제1도는 종래의 고측부 스위치의 회로도.
제2도는 제1도의 회로가 모스게이트된 파워 장치용 게이트 드라이브를 제공하는 사용되는 전압 배가기로서 형성된 종래의 전하 펌프 회로의 도시도.
제3도는 시간 함수로서 제2도의 모스게이트된 파워 장치에 제공되는 게이트 전압의 도시도.
제4도는 소정의 전하 펌프 회로가 부유 노드에 제공된 본 발명의 새로운 고측부 회로의 도시도.
제4a도는 소정의 전하 펌프 회로의 부유 노드를 집적회로 접지에 연결하는 정전류 회로의 바람직한 실시예를 갖춘 제4의 회로의 도시도.
제5도는 제2도의 전하 펌프를 구비하며, 변형된 정전류 회로 실시예를 갖춘 제4도의 회로의 도시도.
제5a도는 장치가 높은 전압에 견딜 수 있도록 제5도의 정전류 회로내에 부가된 트랜지스터의 실리콘의 바람직한 실시를 보인 도시도.
제6도는 회로의 파워 및 접지 핀에서 감소된 잡음 레벨을 설명하기 위해 제5도의 회로의 전하 펌프 출력 전류 상에 놓인, 정전류 회로의 도시도.
제7도는 보조 MOSFET을 채용하여 제4도 및 제5도에 개략적으로 도시된 오프 스위치를 실시하는 제4도의 회로의 변형예의 도시도.
제8도는 제7도의 보조 파워 MOSFET 및 새로운 개시 회로를 포함하는 제5도의 회로의 변형예의 도시도.
제9도는 변형된 개시 회로를 갖춘 제8도의 회로의 도시도.
제10도는 새로운 개시 회로 및 공시된 유형의 접지 전하 펌프가 조합된, 제7도, 제8도 및 제9도의 새로운 MOSFET을 채용하는 고측부 회로의 블록도.
제11도는 칩에 집적되었을 때의 문제점을 보여주기 위해 주 장치 게이트에 연결된 전하 펌프 다이오드를 포함하는 집적회로칩의 일부 도시도.
제12도는 파워 MOSFET 게이트가 모스게이트된 파워 장치를 갖춘 공통 실리콘 칩 안에 쉽게 집적될 수 있는 트랜지스터 및 저항기로 교체된 제2도의 전하 펌프 회로의 도시도.
제13a도, 제13b도 및 제13c도는 공통 시간 베이스에서의 제12도의 회로의 동작을 보인 예시도.
제14도는 저항기-트랜지스터 조합체의 저항기가 공핍 모드 트랜지스터에 의해 교체된 제12도의 회로의 도시도.
제15도는 파워 장치의 게이트에 2Vcc의 전전압을 인가할 수 있도록 제14도의 회로를 변형한 변형예의 도시도.
제16a도, 제16b도 및 제16c도는 제5도의 회로의 동작을 설명하는 파형의 도시도.
제17도는 푸시-풀 실시를 갖는 제15도의 회로의 도시도.
제18a는 내지 제18d도는 제17도의 회로의 동작을 설명하는 공통시간 베이스에서의 파형의 도시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
40 : 전하 펌프 44 : 커패시터
51 : 부유 노드 52 : 접지
53 : 정전류 소오스 회로 54 : 제너 다이오드
60 : N 채널 MOSFET 61 : 62 : 제어 MOSFET
70 : MOSFET 71 : 칩
72 : N-기판 73 : 확산부
74 : N+소오스 75 : 게이트
76 : 소오스 전극 92 : 스위치
본 발명은 고측부 스위치에 관한 것으로, 특히 잡음은 감소되고 효율은 증가되며 고측부 스위치의 파워 장치를 포함하는 공통 반도체칩 안에 더욱 쉽게 집적될 수 있는 회로의 전하 펌프용 회로에 관한 것이다.
접지된 단자를 갖춘 부하가 전원으로부터 구동되어야 하며, 스위치를 켜기 위해 전원의 전위보다 높은 전위를 필요로 하는 게이트 단자를 갖춘 MOS 게이트 제어된 (모스게이트된) 파워 장치를 포함하는 고측부 스위치가 수많은 응용분야에서 공지되어 있다. 전하 펌프 회로는 일반적으로 입력 신호에 의해 그렇게 하라는 명령을 받았을 때 모스게이트된 파워 장치를 켜는데 필요한 높은 전압을 생성하기 위해 제공된다. 그러한 장치는 일반적으로 모스게이트된 파워 장치, 전하 펌프 및 다른 제어 회로가 공통 반도체 칩 안에 집적된 집적회로 칩이다.
현재 이용가능한 고측부 드라이버는 다음과 같은 여러 가지 문제점을 가지고 있다:
-전하 펌프내의 전압 배가기 커패시터를 고주파수(1 MHz)로 충전 방전함으로써, 여러 응용분야에서 공급 전압 및 접지 핀에서 심한 잡음이 발생한다.
-전하 펌프 커패시터는, 예를 들어 12볼트 이상의 높은 공급 전압 응용분야에서의 실리콘 칩내에 집적될 때, 지나치게 두꺼운 산화물 및 실리콘 영역을 필요로 한다.
-장치가 오프된 상태에서 전하 펌프로부터 모스게이트된 파워 장치를 분리시키는데 필요한 오프 스위치는, 고전압 P 채널 제어 MOSFET를 이용할 수 없는 N 채널 칩 실시예에서 실현하기 어렵다.
-전하 펌프내에 전압 배가기 다이오드를 모놀리식으로 실현하기가 어렵고, 스스로 절연되는 수직 전도 처리공정을 채용하는 종래의 집적회로의 N 에피택셜 기판내에 단순한 P/N 다이오드로서 집적될 수 없다.
-전하 펌프 회로의 출력 전압은, 저전압 응용분야에서 주요한 효과를 갖는, 전하 펌프 배가기 회로에서의 다이오드 순방향 전압 강하에 의해 감소된다.
본 설명은 잡음이 적고 효율이 높으며, 모스게이트된 파워 장치를 포함하는 동일한 칩내에 더욱 쉽게 집적될 수 있는 고측부 스위치용의 새로운 전하 펌프 회로를 제공한다.
본 발명에 따라, 전하 펌프가 집적회로의 접지 단자에서 분리되고 대신에 부유 노드에 연결되는 고측부 스위치용 전하 펌프 회로가 제공된다. 부유 노드는 정전류 소오스에 의해 집적회로 접지에 연결된다. 따라서, 소오스 단자 핀에서 나온 전류는 일정하게 되어, 접지 및 소오스 전압 핀에서의 잡음이 감소된다.
전하 펌프는 부유 노드에 연결되기 때문에, 장치의 출력 전압이 높더라도, 전하 펌프 전압을 저전압으로 클램프할 수 있다. 따라서, 고전압 장치에 있어서도, 전하 펌프 커패시터에 걸친 전압을 낮으며, 이 크기는 제한된다.
본 설명의 또다른 특징으로, 전하 펌프 입력 단자 및 공급 소오스 단자 사이에 연결된 오프 제어 스위치는 모스게이트된 파워 장치부를 포함하는 집적회로 칩 내에 N 채널 제어 MOSFET으로서 실현된다. 제어 N 채널 MOSFET은 전하 펌프로서 정의 피드백 회로에 연결된다. 제어 N 채널 MOSFET을 초기에 켜기 위해 새로운 시동 회로가 채용된다.
본 발명의 다른 특징으로, 전압 배가기 다이오드는 하나의 다이오드 대신에 MOSFET과 다른 다이오드 대신에 저항기와 MOSFET으로 구성되는 동기 정류기로서 실현된다. 이들 구성요소는 모스게이트된 N 채널 주 파워 장치를 포함하는 집적 회로의 N 에피택셜 기판내에 쉽게 집적된다.
이하, 첨부도면을 통해 본 발명의 그밖의 다른 특징 및 장점을 상세히 설명하기로 한다.
제1도에는, 전형적인 종래의 고측부 스위칭 회로가 도시되어 있다. 이러한 장치는 여러 분야, 예컨대 접지된 단자를 갖춘 부하를 구동하는 것이 필요한 자동차 분야에서 사용된다. 따라서, 제1도에 있어서, 배터리(30)는 N 채널 파워 MOSFET(32)을 통해 부하(31)에 연결되어 있다. 배터리(30)의 부의 단자와 부하(31)의 한쪽은 공통 접지, 예컨대 자동차 섀시에 연결되어 있다. 배터리(30)의 정의 단자는 12볼트의 전압 Vcc에 놓여 있다. 파워 MOSFET(32)은 소정의 다른 모스게이트된 장치, 예컨대 IGBT 또는 모스게이트된 사이리스터일 수도 있다.
MOSFET(32)이 온 상태에 놓인 경우, 소오스는 전원 전위 Vcc에 가깝다. 낮은 드레인 대 소오스 전압을 떨어뜨리기 위해, Vcc 이상인 5 내지 10 볼트인 소오스(S)의 전위 이상인 5 내지 10 볼트의 전위에서 MOSFET(32)의 게이트(G)를 바이어스 시킨다. 대부분의 경우, 특히 고측부 스위가 독립형 IC 로서 실현되는 경우, 시스템내에서는 Vcc 이상의 공급 전압은 이용될 수 없으며, Vcc 이상의 전압은 칩상에서 발생되어야 한다. 이는 일반적으로 전하 펌프로 종종 불리우는 용량성 전압 배가기에 의해 이루어진다.
제2도는 제1도의 고측부 스위치에 연결된, 고측부 스위치에서 통상 사용되는 공지된 전압 배가기 회로(40)를 보인 것이다. 배가기 회로(40)는 사각형 오실레이터 회로(41)를 채용하며, 그 출력은 버퍼(42)에 의해 일지저장된다. 버퍼(42)의 출력 노드(43)는 다이오드(45)에 연결되고 소오스 Vcc로부터 다이오드를 통해 충전되는 커패시터(44)에 연결되어 있다. 커패시터(44) 및 다이오드(45) 사이에 노드는 다이오드(46)에 연결되고, 이 다이오드는 MOSFET(32)의 게이트에 연결된다. 스위치(47, 48)로서 도시된 두 개의 스위칭 장치가 제공되는 바, 스위치(47)는 전원(30)으로부터 노드(49)를 연결하고 분리하며, 스위치(48)는 MOSFET(32)내에서 오프 상태로 폐쇄하여 MOSFET(32)의 게이트를 접지로 (또는 MOSFET(32)의 소오스로) 끌어당긴다.
전하 펌프(40)는 다음과 같이 동작한다:
버퍼(42)의 출력에서의 노드(43)가 낮을 때, 커패시터(44)는 다이오드(45)를 통해 Vcc로부터 충전된다. 버퍼(42)의 출력에서의 노드(43)가 높을 때, 커패시터(44)의 전하는 다이오드(46)를 통해 MOSFET(32)의 게이트로 전송된다. 그러면, MOSFET(32)의 게이트에서의 전압은 제3도에 도시한 바와 같이 단계적으로 증가하며, MOSFET(32)의 게이트에서의 전압은 2Vcc 에 근접함으로써 MOSFET(32)을 온 시킨다.
MOSFET(32)을 오프 시키기 위해, 스위치(48)는 폐쇄되어 게일 전압을 접지로 끌어당기고, 스위치(47)는 개방되어 전원으로부터 노드(49)를 차단한다.
제2도의 회로는 다음과 같은 결점을 갖는다:
1. 고주파수, 전형적으로 1 MHz에서 커패시터를 충전 및 방전하면, Vcc ALC 접지 핀 노드와 집적회로(40)의 관련 패키지 핀에 고주파수 전류가 발생함으로써, 여러 분야에서 심한 잡음 문제를 야기한다.
2. 특히 P 채널 MOSFET을 사용할 수 없을 때, 대부분의 이용 가능한 처리공정으로 전체 회로에 대해서 단일 실리콘 칩 안에 스위치(47)를 실현하는 것은 어렵다.
3. 전체 Vcc가 커패시터(44)에 걸쳐 인가되기 때문에, 높은 Vcc 전압을 갖는 응용분야로 회로의 사용범위를 확대하는 것은 어렵다. 따라서, 고전압용 집적회로내에서 커패시터(44)를 실현하기 위해서는, 엄청나게 두꺼운 산호 및 더욱 큰 실리콘 영역을 필요로 한다.
제4도는 본 발명의 일실시예를 보인 것으로, (제4도에서 블록으로 도시된) 전하 펌프(40)의 접지 리드(50)를 부유 노드(51)에 연결함으로서 제2도의 회로를 변형시킨 것이다. 부유 노드(51)는 정전류 소오스 회로(53)에 의해 접지(52)에 연결된다. 전압 조정기, 예컨대 제너 다이오드(54)는 노드(49)와 노드(51)를 연결한다.
전하 펌프(40)는 제2도의 형태에 제한되지 않고, 어떠한 소정의 형태라도 취할 수 있다. 제4도의 회로의 중요한 특징은 전하 펌프(40)가 접지 노드(52) 대신에 부유 노드(51)에 연결된다는 것이다. 정전류 소오스(53)로 인해, 회로의 접지 핀 및 Vcc 핀 내의 전류는 순수한 직류 전류가 되기 때문에, 전하 펌프(40)가 동작하더라도 이들 핀에서는 잡음이 발생하지 않는다.
제4a도는 제4도의 회로가 N 채널 MOSFET(60)으로서 실현되는 정전류 소오스(53)를 갖춘 것을 보인 것으로, 그 게이트는 각각 향상 및 공핍 모드 MOSFET인 직렬 제어 MOSFET(61, 62)에 의해 구동된다.
제5도는 제2도의 전하 펌프와 변형된 정전류 소오스를 구비한 제4도의 회로를 보인 것이다. 특히, 제5도에서의 전류 소오스는 쉽게 집적되는 N 채널 MOSFET(70)을 포함하고 있다. 이에 대해서는 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
제4도, 제4a도 및 제5도의 회로에서, 공급 전압 Vcc 는 제너 다이오드(54)의 무릎 전압보다 크다. 정전류 회로(53)내의 전류 I53는 전하 펌프(41)의 전류 I41보다 크며, 제6도에 도시한 바와 같이, IC 회로의 접지 및 Vcc 핀(또는 단자) 내의 전류는 순수한 직류 전류가 된다. 따라서, 전하 펌프의 고주파수 전류는 잡음을 발생시키지 않거나 매우 적은 잡음만을 발생시킨다. 현재 이용할 수 있는 고측부 스위치, 예컨대 인터내쇼널 랙티파이어 코푸레이션에서 제조된 IR6000 및 지멘스에서 제조된 BTS410E는 0.1 밀리암페어를 초과하는 피크 대 피크 Vcc/접지 전류를 갖는다. 제4도, 제4a도 및 제5도의 부유 노드(53)를 채용하는 회로는 배경 잡음으로부터 거의 식별될 수 없는 20 마이크로암페어의 피크 대 피크 잡음을 갖는다.
제4도, 제4a도 및 제5도의 회로의 또다른 장점은 커패시터(44)에 걸쳐 있는 전압이 제너 전압(Vcc-V51)으로 제한된다는 것이다. 여기서, V51은 노드(51)에서의 전압이다. 따라서, 고전압 전하 펌프 회로는 신뢰성을 희생시키지 않으면서 얇은 산화물 및 더 작은 다이 영역을 갖춘 저전압 커패시터와 함께 구성될 수 있다. 예를 들어, 제5도의 회로는 최대 60볼트의 Vcc로 동작할 수 있지만, 전하 펌프 커패시터에 인가되는 전압은 7 볼트로 제한된다.
앞서 언급한 바와 같이, 제5도의 정전류 회로는 부가된 MOSFET(70)을 포함한다. MOSFET(70)은 MOSFET(60)으로부터 고전압을 제거하기 위해 고전압 응용분야에서 사용되는 비교적 고전압의 MOSFET이다. 예를 들어, 7 볼트의 고정된 게이트 전압이 MOSFET(70)의 게이트에 인가되며, 이것은 제5도의 다른 모든 회로 여소를 포함하는 공통 칩 내에 쉽게 집적된다.
가볍게 도핑된 드레인 MOSFET으로서 MOSFET(70)을 신현하는 방법이 칩의 일부를 단면도로 도시한 제5도에 예시되어 있다. 따라서, 칩(71)은 회로를 구성하는 모든 접합부를 수용하는, 가볍게 도핑된 N-기판(72)을 구비한다. 파워 MOSFET(32)을 한정하는 칩의 파워부는 소정의 접합부 패턴으로 구성되며, N+소오스(74) 따위의 소오스를 포함하는 간격을 두고 형성된 다수의 P 베이스 확산부(73)를 갖춘 수직 전도 장치일 수 있다. 베이스(73) 각각의 채널 영역은 폴리실리콘 게이트일 수도 있는 MOS 게이트(75)에 의해 커버된다. 게이트(75)는 베이스(73) 및 각각의 소오스(74)와 접촉하는 소오스 전극(76)과는 절연되어 있다. 드레인 전극(76a)은 칩(72)의 바닥 위에 형성되어 있으며, Vcc에 연결되어 있다.
P-웰, 예컨대 P-웰(77)은 주 파워 장치용 제어 회로를 포함할 수 있도록, 동일한 칩내로 확산된다. 제5a도는 MOSFET(70)을 포함하는 그러한 하나의 P-웰(77)을 보인 것이다. MOSFET(70)은 N=소오스 확산부(78), N-드레인 확산부(79) 및 N+드레린 접촉 확산부(80)로 구성된 N 채널 장치이다. 그 폴리실리콘 게이트(81)는 확산부(78, 79) 사이의 P 채널 영역에 걸쳐 연장된다. 따라서, MOSFET(70)은 파워부(32)를 형성하는 다수의 동일한 처리단계를 사용하여 칩(71) 내에 쉽게 형성된다.
칩(71)은 완성된 후에는 종래의 방식으로 내장되며, 외부적으로 이용가능한 단자 핀이 하우징을 통해 장치의 여러 가지 전극까지 연장된다. 따라서, Vcc 단자 핀은 드레인 전극(76a)에 연결되고, 소오스 단자 핀은 제4a도 및 제5도의 노드(81)에서 소오스 전극에 연결된다. 접지 단자 핀은 제4a도 및 제5도의 회로 안에 도시되어 있는 칩(71)안의 접지 노드에 또한 연결된다.
제7도는 MOSFET(32, 90)이 공통 드레인이기 때문에 종래의 파워 MOSFET 처리공정으로 IC 칩(71)내에 쉽게 집적될 수 있는 보조 N 채널 파워 MOSFET(90)으로서 실현된 스위치(47)를 갖춘 제4도의 회로를 보인 것이다.
제7도의 스위치(48)는 MOSFET(70)과 유사한, 가볍게 도핑된 드레인을 갖춘 폭방향 NMOS 트랜지스터로서 연결된다.
제7도의 회로의 정상상태 동작중에, 전하 펌프(40)는 Vcc 이상인 5 내지 10 볼트인 파워 MOSFET(90)의 게이트에 연결되는 노드(91)에서 전압을 제공한다. 따라서, MOSFET(90)은 완전히 온되고, 전하 펌프(40)는 Vcc로부터 파워를 수용한다. 제7도의 회로를 온시키기 위해서는, 초기에 풀업 노드(49)를 끌어당겨서 전하 펌핑 작용을 시작할 수 있도록, 제8도에 도시한 바와 같은 개시 회로가 필요하다. 따라서, 제8도에는, 다이오드(91), 스위치(92) 및 전압 소오스(93)로 구성되는 개시 회로가 제공되어 있다. 전압 소오스(93)는 Vcc 로부터 파생될 수도 있는 낮은 전압을 갖는다. 스위치(92)는 저전압 트랜지스터로서 실현될 수도 있다.
제8도의 회로의 동작에 있어서는, 온되었을 때, 스위치(92)는 폐쇄되어 초기의 전압을 전하 펌프(40)에 제공한다. 그런 다음, 전하 펌프(40)는 온으로 된 트랜지스터(90)를 통해 Vcc 로부터 스스로에게 전압을 공급하기 시작하며, 회로는 앞서 설명한 바와 같이 동작하게 된다.
제9도는 제8도의 개시 회로의 또다른 실시예를 보인 것으로, 트랜지스터(100, 101) 및 저항기(102)를 채용하고 있다. 제9도의 회로의 동작에 있어서는, 온되었을 때, 트랜지스터(100)의 게이트가 개시 제어 회로(103)에 의해 접지로 끌어당겨진다. 양극 트랜지스터(101)의 베이스는 약 1 메그 옴에 상당하는 높은 저항치를 갖는 공핍 모드 트랜지스터로서 실현되는 저항기(102)에 의해 끌어당겨진다. 따라서, 노드(49)는 (Vcc - 0.6) 볼트까지 떨어져서 전하 펌프(40) 동작을 개시한다.
새로운 보조 MOSFET(90) 및 소정의 개시 회로(110)는, 제4도에 도시한 부유 노드를 갖춘 새로운 전하 펌프 회로는 물론 전하 펌프(40)가 접지에 연결되는 제2도의 회로와 함께 사용될 수 있다. 제10도는 그러한 회로의 블록도이다.
전술한 도면의 전하 펌프 회로는 충전 회로내에서 다이오드(46)를 채용한다. 모놀리식 집적회로내에 이 다이오드를 집적하는 것은 어려우며, 때때로는 불가능하다. 제11도는 제5a도의 N-기판(72)내의 P-웰(120)내에 다이오드(46)를 집적하는 방법을 보여주고 있다. 다이오드(46)는 웰(120)내의 N+확산부(121)에 의해 형성된다. 전극(122, 123)은 영역(120, 121)에 각각 연결되어, 다이오드(46)의 전극을 형성한다. 에피택셜 기판(72)은 파워 MOSFET(32)의 드레인이고 Vcc 에 연결되기 때문에, 양극에 Vcc 이상으로 여러 가지 볼트를 부유할 수 있어야 하는 이유로, 다이오드(46)는 단순한 PN 다이오드로서는 집적될 수 없다. 그러나, 이것은 다이오드(46)의 양극(46)과 Vcc 사이의 기생 다이오드(124) 때문에 불가능하다. 따라서, 간단한 다이오드(46)의 집적은 불가능하다.
제2도의 전하 펌프의 다이오드(45, 46)의 또다른 결점은 (2Vcc - 2Vf) (여기서, 2Vf는 다이오드(45, 46)의 순방향 전압 강하이다)로 순방향 전압이 떨어짐으로써, 전하 펌프(40)의 출력 전압을 감소시킨다는점이다. 이것은 랩톱형 컴류터 또는 자동차 분야 따위의 낮은 Vcc 응용분야에서의 사실상의 감소일 수 있다.
제12도는 다이오드(46)가 더욱 쉽게 집적될 수 있는 구성요소에 의해 대체되고 전하 펌프 회로의 출력에서 감소된 순방향 전압 강하를 갖는 변형된 전하 펌프 회로를 보인 것이다. 따라서, 다이오드(46)는 향상 모드 트랜지스터(130), 공핍 모드 트랜지스터(131), 저항기(132) 및 트랜지스터(131)용 기판 다이오드(133)에 의해 대체된다. 이들 구성 요소는 제11도의 기판(72) 내에 쉽게 집적된다.
제12도의 회로의 동작에 대해서는, 노드(134-43, 135, 136) 에서의 전압을 보여주는 제13a도, 제13b도 및 제13c도와 관련하여 상세히 설명하기로 한다. 따라서, 처음으로 노드(43)에서의 버퍼(42)의 출력이 높아지면, MOSFET(32)의 게이트에서의 노드(136)는 공핍 모드 트랜지스터(131)의 기판 다이오드(133)를 통해, 최대 (Vcc - Vf)까지 충전된다. 노드(43)에서의 출력이 낮아지면, 커패시터(44)는 다이오드(45)를 통해 충전된다. 이 기간 동안, 트랜지스터(131)는 오프 상태로 유지된다. 노드(134)에서의 소오스 및 노드(136)에서의 드레인은 (Vcc-Vf)에 놓이지만, 노드(135)에서의 게이트 및 그 기판은 0볼트에 놓인다. 따라서, 트랜지스터(131)는 오프되고, 파워 MOSFET(32)의 게이트는 회로의 나머지 부분과 격리된다.
노드(43)가 높이지면, 노드(134)는 (2Vcc-Vf)로 상승한다. 그러면, 트랜지스터(130)는 오프되어, 트랜지스터(131)의 게이트를 인에이블시킴으로써 저항기(132)를 통해 그 소오스의 전위에 이르게 된다. 트랜지스터(131)는 공핍 모드 장치이기 때문에, 게이트와 소오스 사이가 0볼트이면 온된다. 따라서, 커패서터(44)의 전하는 트랜지스터(131)를 통해 MOSFET(32)의 게이트로 전송된다.
이 처리는, 제13c도에 도시한 노드(136) 전위가 (2Vcc - Vf)의 제한값에 이를 때까지 매 사이클마다 지속된다. 이 제한값은, 전류 경로에 단지 하나의 다이오드가 있기 때문에, 하나의 다이오드 강하 Vf만큼 제2도의 종래의 제한값보다 높다. 게다가, 트랜지스터(131)의 기판은 Vcc를 초과하지 않기 때문에, 트랜지스터(130, 131) 및 저항기(132)는 IC 내에 쉽게 집적된다.
제14도는 제12도의 저항기(132)가 IC 기판내에 쉽게 집적되는 공핍모드 MOSFET(140)로 교체되어 있는 제12도의 회로의 실시예를 보인 것이다.
제15도는 MOSFET(32)의 게이트에서 전하 펌프의 출력의 전압 강하를 더욱 감소시키고 모든 다이오드 강하를 제거하는 제12도의 회로의 변형예를 보인 것이다. 따라서, 저항기(150), 저항기(151), 커패시터(152), 다이오드(152) 및 트랜지스터(154)는 제12도의 다이오드(45)에 의해 생성된 강하를 해소하기 위해 제15도의 회로에 부가된다. MOSFET(150)은 제12도의 회로의 다이오드(45)를 대체하고 있음을 주목할 필요가 있다.
제15도의 회로의 동작은 제16a도, 제16b도 및 제16c도의 곡선으로부터 명백히 이해할 수 있다. 제15도의 노드(134-43, 160-161, 1350-162)에서의 전위가 제16a도, 제16b도 및 제16c도에 도시되어 있다. 먼저 노드(43)에서의 출력이 높아지면, 노드(136)에서의 파워 MOSFET(32)를 통해 (Vcc-Vf) 까지 충전된다. 동시에, 노드(161)는 낮고 커패시터(152)는 다이오드(153)를 통해 (Vcc-Vf) 까지 충전된다.
노드(161)가 높아지면, 노드(43)는 낮아진다. 커패시터(152)는 이미 (Vcc-Vf) 까지 충전되어 있기 때문에, 노드(160)는 (2Vcc-Vf) 까지 승압된다. 트랜지스터(154)는 오프 상태이기 때문에, 노드(162)는 또한 (2Vcc-Vf) 까지 승압되고, 트랜지스터(150)는 완전한 온 상태가 된다. 그러면, 커패시터(44)는 트랜지스터(150)를 통해 Vcc 까지 충전된다. 제12도의 회로와 관련하여 설명된 동일한 이유로 해서, 트랜지스터(131) 는 이 시간 동안에 오프되고 MOSFET(32)의 게이트는 회로로부터 절연된다.
노드(43)가 다음으로 높아지면, 트랜지스트(154)는 온되고, 노드(162)는 0볼트로 떨어짐으로써 트랜지스터(150)를 오프시킴으로써, 노드(134)는 2Vcc 로 상승한다. 제12도와 동일한 이유로, 트랜지스터(131)는 온되고, 커패서터(44)의 전하는 트랜지스터(131)를 통해 MOSFET(32)의 게이트로 전송된다.
노드(136)에서의 전압이 2Vcc에 이를 때까지, 동일한 처리가 매사이클 마다 반복된다. 따라서, 전류 경로에는 다이오드가 없기 때문에, 노드(136)에서의 전압은 제2도의 전하 펌프의 전압보다 높은 2Vf이다.
제17도는 푸시 풀 회로로서 실현된 제8도의 기본적인 회로를 보인 것이다. 반쪽으로 된 두 개의 회로는 대칭으로 이루어지며, 회로의 왼쪽은 제8도와 동일한 부호를 사용하고 있고, 회로의 오른쪽은 동일한 번호에 a가 붙은 번호를 사용하고 있다. 고측부 스위치의 일부, 특히 점선으로 표시된 노드(136)에 연결된 게이트를 갖는 파워 MOSFET(32)이 도시되어 있다.
제17도의 회로의 동작은 제17도의 노드(134-43, 134a-43a, 135-135a, 136)에서의 전압을 각각 보여주는 제18a도, 제18b도 및 제18d도를 참조함으로써 쉽게 이해할 수 있다. 제18a도, 제18b도 및 제18c도 에서는, 노드(134, 43, 135)에서의 전위가 노드(134a, 43a, 135a)에서의 전위와 위상이 반대로 되어 있다.
노드(43)가 낮으면, 노드(43a)는 Vcc에 놓이고, 노드(134a)는 2Vcc에 놓이게 된다. 따라서, 트랜지스터(150)는 완전히 온되고, 커패시터(44)는 트랜지스터(150)를 통해 Vcc까지 충전된다. 이 기간 동안에, 트랜지스터(130)는 온됨으로써, 트랜지스터(131a)는 오프된다. 이와 유사하게, 트랜지스터(130a)는 오프됨으로써, 트랜지스터(131a)는 온되고, 커패시터(44a)의 전하는 노드(136) 및 파워 MOSFET(32)의 게이트로 전송된다.
그러면, 노드(43)는 Vcc 까지 상승하며, 노드(134)는 2Vcc 까지 승압된다. 이에 의해 트랜지스터(150a)는 완전히 온되어, 트랜지스터(150)를 오프시키고, 트랜지스터(150)를 통한 커패시터(44)의 방전을 막는다. 트랜지스터(150a)는 온되고, 노드(43a)는 낮기 때문에, 커패시터(44a)는 트랜지스터(150a)를 통해 Vcc 까지 충전된다. 이 기간 동안에, 트랜지스터(130a)는 온됨으로써, 트랜지스터(131a)는 오프된다. 이와 유사하게, 트랜지스터(130)는 오프됨으로써, 트랜지스터(131)가 온되고, 커패시터(44)의 전하는 파워 MOSFET(32)의 게이트로 전송된다.
MOSFET(32) 위의 전압이 2Vcc 의 제한값에 이를 때까지 매 동일한 처리가 클록 반사이클 마다 발생된다. 제12도의 회로에서와 같이, 전류 경로에는 다이오드가 없기 때문에, 전하 펌프의 출력 전압은 다이오드 강하에 의해 어떠한 영향도 받지 않는다.
제17도의 회로는 전하 펌프의 주파수를 배가시키며, 따라서 2의 팩터만큼 노드(136)에서의 리플을 감소시킴을 주목할 필요가 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 여러 가지로 변경 및 변형이 가능하며, 다른 용도로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 앞서 개시된 내용에 의해 제한되지 않고 이하에 기재하는 특허청구의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (21)

  1. 제1 및 제2파워 전극 및 제어 적극을 갖춘 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치와, 제1 및 제2파워 단자와 출력 단자를 갖춘 전하 펌프 회로와, 입력 및 출력 단자를 갖춘 정전류 소오스 회로와, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 상기 제1파워 전극에 연결되고 전원에 연결될 수 있는 Vcc 입력 전압 단자와, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 상기 제2파워 전극에 연결되고 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치가 폐쇄되었을 때 상기 전원으로부터 전압을 공급받을 수 있는 접지 부하에 연결될 수 있는 부하 단자와, 상기 접지 부하에 연결될 수 있는 접지 단자를 포함하며, 상기 전하 펌프 회로는 상기 Vcc 입력 전압보다 높은 상기 출력 단자에서 출력 전압을 생성할 수 있도록 동작하며, 상기 전하 펌프 회로의 상기 제1파워 단자는 상기 Vcc 입력 전압 단자와 연결되며, 상기 전하 펌프 회로의 상기 제2파워 단자는 상기 정전류 회로의 입력 단자에 연결되며, 상기 정전류 회로의 출력 단자는 상기 접지 단자에 연결됨으로써, 상기 제2파워 단자는 부유 전위를 가지고 상기 Vcc 입력 전압 단자 및 상기 접지 단자에서의 전류는 일정하여 상기 Vcc 입력 단자 및 상기 접지 단자에서의 잡음이 감소되며, 상기 전하 펌프 회로의 출력 단자는 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 상기 제어 전극에 연결되어 상기 제2단자의 전압보다 높은 전압을 제공하여 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치는 파워 MOSFET인 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전하 펌프의 제1파워 단자를 상기 Vcc 입력 전압 단자에 연결하고 분리시키는 제1 스위칭 수단과, 상기 제1스위칭 수단이 상기 펌프의 제1파워 단자를 상기 Vcc 입력 단자에서 각각 분리시키고 연결할 때 상기 모스 게이트 제어된 파워 장치의 제어 전극을 상기 접지 단자에 연결하고 분리시키는 제2스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 전하 펌프 회로의 상기 제1 및 제2파워 단자 사이에 연결되어 그 사이의 전압을 제한하는 전압 클램프 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 클램프 수단은 제너 다이오드를 구성되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전하 펌프 회로는, 상기 전하 펌프 회로의 제1 및 제2파워 단자에 연결되고 그로부터 동작하며 오실레이터 출력 단자를 갖춘 사각파 오실레이터와, 상기 오실레이터 출력 단자에 연결되는 인버터 버퍼와, 전하 저장 커패시터와, 제1 및 제2다이오드로 구성되며, 상기 인버터 버퍼는 상기 커패시터 및 상기 제1다이오드와 함께 직렬로 상기 모스 게이트 제어된 파워 장치의 제어 전극에 연결되는 출력을 구비하며, 상기 제2다이오드는 상기 Vcc 입력 전압 단자로부터 상기 커패시터 및 제1다이오드 사이의 노드까지 연결됨으로써, 상기 인버터 버퍼의 출력이 낮을 때 상기 커패시터는 상기 Vcc 단자에서의 전압으로부터 상기 제2다이오드를 통해 충전되며, 상기 인버터 버퍼의 출력이 높을 때 상기 커패시터의 전압과 상기 Vcc 단자와 전압이 합쳐진 전압이 상기 제1다이오드를 통해 직렬로 상기 모스 게이트 제어된 파워 장치의 제어 단자에 인가되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 정전류 회로는 상기 전하 펌프 회로의 제2파워 단자 및 상기 접지 단자에 각각 연결되는 드레인 및 소오스 전극을 갖춘 제1제어 MOSFET과, 보조 전압 소오스 및 상기 접지 단자 사이에 연결되는 직렬상태의 향상 모드 MOSFET 및 공핍 모드 MOSFET으로 구성되며, 상기 향상 모드 및 공핍 모드 MOSFET 사이의 노드는 각각의 게이트 및 상기 제1제어 MOSFET의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 MOSFET과 함께 사용되어 상기 전하 펌프 회로의 제2파워 단자 및 상기 접지 단자 사이의 전압을 상기 제1제어 MOSFET을 파손시키지 않고 증가시키는 제2제어 MOSFET을 포함하는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2파워 단자와 게이트 단자를 구비한 보조 파워 MOSFET을 포함하며, 상기 보조 파워 MOSFET의 제1 및 제2파워 단자는 상기 전하 펌프 회로의 제1파워 단자 및 상기 Vcc 입력 전압 단자에 연결되며, 상기 보조 파워 MOSFET의 게이트 단자는 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 제어 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  10. 제9항에 있어서, 보조 공급 전압 소오스 및 상기 전하 펌프 회로 사이에서 연결되어 상기 보조 파워 MOSFET이 전도되기 전에 상기 전하 펌프 회로를 개시하는 개시기 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  11. 고측부 스위치 회로로서, 상기 회로는 제1 및 제2파워 전극 및 제어 전극을 갖춘 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치와, 제1 및 제2파워 단자와 출력 단자를 갖춘 전하 펌프 회로와, 입력 및 출력 단자를 갖춘 정전류 소오스 회로와, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 상기 제1파워 전극에 연결되고 전원에 연결될 수 있는 Vcc 입력 전압 단자와, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 상기 제2파워 전극에 연결되고 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치가 폐쇄되었을 때 상기 전원으로부터 전압을 공급받을 수 있는 접지 부하에 연결될 수 있는 부하 단자와, 상기 접지 부하에 연결될 수 있는 접지 단자를 포함하며, 상기 전하 펌프 회로는 상기 Vcc 입력 전압보다 높은 상기 출력 단자에서 출력 전압을 생성할 수 있도록 동작하며, 상기 전하 펌프 회로의 상기 제2파워 단자는 상기 접지 단자에 연결됨으로써, 상기 전하 펌프 회로의 출력 단자는 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 상기 제어 전극에 연결되어 상기 제2 단자의 전압보다 높은 전압을 제공하여 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치를 온 시키며, 상기 회로는 상기 모스 게이트 제어된 파워 장치의 제어 전극에 연결되어 접지 스위치가 폐쇄되었을 때 상기 제어 전극을 접지하는 접지 스위치와, 제1 및 제2파워 단자 및 게이트 단자를 갖춘 보조 파워 MOSFET을 포함하며, 상기 보조 파워 MOSFET의 제1 및 제2파워 단자는 상기 전하 펌프 회로의 상기 제1파워 단자 및 상기 Vcc 입력 전압 단자에 각각 연결되고, 상기 보조 파워 MOSFET의 게이트 단자는 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 제어 전극에 연결됨으로써 상기 접지 스위치가 폐쇄되었을 때 상기 보조 파워 MOSFET으 게이트 단자가 접지되어 상기 보조 파워 MOSFET을 오프시켜서 상기 공급 전압으로부터 상기 전하 펌프 회로를 차단하는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  12. 제11항에 있어서, 보조 공급 전압 소오스 및 상기 전하 펌프회로 사이에서 연결되어 성기 보조 파워 MOSFET이 전도되기 전에 상기 전하 펌프 회로를 개시하는 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  13. 제1항에 있어서, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치, 상기 전하 펌프 회로 및 상기 전류 소오스는 모놀리식 반도체 칩안에 집적되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  14. 제3항에 있어서, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치, 상기 전하 펌프 회로, 상기 제1스위칭 수단 및 상기 전류 소오스는 모놀리식 반도체 칩 안에 집적되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  15. 제3항에 있어서, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치, 상기 전하 펌프 회로, 상기 전압 클램프 수단 및 상기 전류 소오스는 모놀리식 반도체 칩 안에 집적되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  16. 제8항에 있어서, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치, 상기 전하 펌프 회로, 상기 보조 파워 MOSFET 및 상기 전류 소오스는 모놀리식 반도체 칩 안에 집적되는 것을 특징으로 하는 고측부 스위치 회로.
  17. Vcc 입력 전압 단자와, 접지 단자와, 제어 단자를 갖춘 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치용 전하 펌프 회로에 있어서, 상기 전하 펌프 회로는 출력 단자를 갖춘 사각파 오실레이터와, 상기 오실레이터 출력 단자에 연결되는 인버터 버퍼와, 상기 인버터 버퍼의 출력에 연결되는 전하 저장 커패시터와, 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 제어 전극에 상기 커패시터를 연결하는 제1커플링 회로 수단과, 상기 Vcc 입력 전압 단자를 상기 커패시터 및 상기 제1커플링 회로 수단 사이의 노드에 연결하는 제2커플링 회로 수단으로 구성됨으로써, 상기 인버터 버퍼의 출력이 낮을 때 상기 커패시터는 상기 Vcc 단자에서의 전압으로부터 상기 제2커플링 수단을 통해 충전되며, 상기 인버터 버퍼의 출력이 높을 때 상기 커패시터의 전압과 상기 Vcc 단자의 전압이 합쳐진 전압이 상기 제1커플링 수단을 통해 직렬로 상기 모스 게이트 제어된 파워 장치의 제어 단자에 인가되며, 상기 제1커플링 수단은 상기 커패시터 및 상기 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치의 제어 전극에 각각 연결되는 소오스 및 드레인 단자를 구비하고 상기 인버터 버퍼의 출력에 연결되는 기판을 구비하는 공핍 모드 MOSFET과, 상기 커패시터에서 공핍 모드 MOSFET의 게이트까지 연결되는 저항 회로 수단과, 상기 공핍 모드 MOSFET의 게이트에서 상기 접지 단자까지 연결되며 상기 오실레이터 출력 단자에 연결되는 게이트를 구비한 제2제어 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전하 펌프 회로.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2커플링 수단은 다이오드인 것을 특징으로 하는 전하 펌프 회로.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 저항 회로 수단은 상기 제1공핍 모드 MOSFET의 게이트에 연결되는 게이트와 상기 제1공핍 모드 MOSFET의 게이트에 연결되는 게이트와 상기 제1공핍 모드 MOSFET의 기판에 연결되는 기판을 갖춘 제2 공핍 모드 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전하 펌프 회로.
  20. 제17항, 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 제2 커플링 회로 수단은 제어 MOSFET을 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프 회로.
  21. Vcc 입력 전압 단자와, 접지 단자와, 제어 단자를 갖춘 모스 게이트 제어된 파워 반도체 장치용 전하 펌프 회로에 있어서, 상기 전하 펌프 회로는 출력 단자를 갖춘 사각파 오실레이터와, 상기 오실레이터 출력 단자에 연결되는 인버터 버퍼와, 상기 인버터 버퍼의 출력에 연결되는 전하 저장 커패시터를 연결하는 제1커플링 회로 수단과, 상기 Vcc 입력 전압 단자를 상기 커패시터 및 상기 제1커플링 회로 수단 사이의 노드에 연결하는 제2커플링 회로 수단을 구성됨으로써, 상기 인버터 버퍼의 출력이 낮을 때 상기 커패시터는 상기 Vcc 단자에서의 전압으로부터 상기 제2커플링 수단을 통해 충전되며, 상기 인버터 버퍼의 출력이 높을 때 커패시터의 전압과 상기 Vcc 단자의 전압이 합쳐진 전압이 상기 제1커플링 수단을 통해 직렬로 상기 모스 게이트 제어된 파워 장치의 제어 단자에 인가되며, 상기 제2커플링 회로 수단은 제어 MOSFET을 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 펌프 회로.
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