KR20090125451A - 구동 장치 - Google Patents

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KR20090125451A
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Abstract

본 발명은 구동 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 구동 장치는, 전원을 이용하여 부하에 전류를 공급하는 메인 트랜지스터, 턴 온 상태에서, 상기 전원 전압 중 소정 전압을 강하시켜 상기 메인 트랜지스터에 전달하는 보조 트랜지스터, 및 상기 보조 트랜지스터가 턴 오프되면, 상기 전원 전압을 상기 메인 트랜지스터에 전달하는 바이패스 스위치를 포함한다.
공핍형 NMOSFET, 제너 다이오드

Description

구동 장치{DRIVING DEVICE}
본 발명은 구동 장치에 관한 것으로, 특히 스위치 소자로 트랜지스터를 포함하고 부하에 전력을 공급하는 구동 장치에 관한 것이다.
구동 장치(driving device)는 높은 공급 전압 환경에서 동작할 수 있도록 설계된다. 이 때, 구동 장치를 구성하는 각 소자들이 견딜수 있는 압력, 즉 내압은 다양하다. 스위치 소자인 트랜지스터는 벌크(bulk)와 드레인(drain) 사이가 도통되는 항복 전압이 내압으로 간주된다. 항복 전압은 드레인과 소스(source) 사이에 흐르는 전류의 밀도가 증가할수록 감소한다. 구동 장치가 트랜지스터를 포함하고, 높은 레벨의 전원 전압이 구동 장치에 공급되는 경우, 트랜지스터의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류 및 이에 대응하는 항복 전압을 고려하여 IC 설계를 해야한다. 따라서 높은 레벨의 전압 범위에서 동작하는 구동 장치를 제조하는 것이 매우 어렵다.
또한, 현재 범용적인 범위의 전압에 맞추어 설계된 구동 장치의 경우, 공급 전압이 높아지면 더 이상 사용할 수 없다. 또한 범용적인 범위보다 더 높은 전압 범위를 사용하는 제품을 생산하기 위해서는 기존에 생산되어 있는 트랜지스터를 이 용하여 구동 장치를 설계 할 수 없는 문제점이 발생한다
위에서 언급한 문제점을 해결하기 위해, 트랜지스터의 내압 보다 높은 공급 전압 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 구동 장치는 전원을 이용하여 부하에 전류를 공급하는 메인 트랜지스터, 턴 온 상태에서, 상기 전원 전압 중 소정 전압을 강하시켜 상기 메인 트랜지스터에 전달하는 적어도 하나의 보조 트랜지스터, 및 상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터가 턴 오프되면, 상기 전원 전압을 상기 메인 트랜지스터에 전달하는 적어도 하나의 바이패스 스위치를 포함한다. 상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터는, 상기 전원 및 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극 각각에 제1 전극 및 제2 전극이 연결되어 있고, 상기 적어도 하나의 바이패스 스위치는, 상기 전원 및 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극 각각에 양단이 연결되어 있다. 상기 메인 트랜지스터의 제어 전극에는 일정한 전압인 정규 전압이 인가되고, 상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터의 제어 전극에는 소정의 최대 전압을 넘지않고 상기 전원의 전압에 따라 변동하는 전압원의 전압이 인가된다. 상기 소정의 최대 전압은, 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극 및 제2 전극에 허용되는 최대 임계 전압과 상기 정규 전압의 합으로 설정된다. 상기 전원은 양극 및 음극을 포함하며, 상기 양극에 연결되어 일단이 연결되어 있는 전류 제한 소자, 상기 전류 제한 소자의 타단에 일단이 연결되어 있는 제1 제너 다이오드 줄, 및 상기 제1 제너 다이오드 줄의 타단에 일단이 연결되어 있는 제2 제너 다이오드 줄을 포함하고, 상기 정규 전압은 상기 제2 제너 다이오드의 일단의 전압이고, 상기 전압원은 상기 제1 제너 다이오드의 일단의 전압이다. 상기 제1 제너 다이오드 줄에 병렬 연결되어 있는 전류원을 더 포함하며, 상기 전원 전압이 낮으면, 상기 전원 전압에서 상기 전류 제한 소자의 양단 전압 및 상기 전류원의 양단 전압이 강하된 전압이 상기 제2 제너 다이오드 줄에 공급된다. 상기 제1 제너 다이오드 줄 및 제2 제너 다이오드 줄은 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하며, 상기 정규 전압 및 상기 전압원의 최대 전압에 따라 그 개수가 결정된다. 상기 제1 제너 다이오드 줄은 상기 정규 전압에 따르는 개수의 제너 다이오드가 직렬 연결되어 다단으로 적층되어 있는 구조를 가진다. 상기 제2 제너 다이오드 줄은 상기 전압원의 최대 전압에 따르는 개수의 제너 다이오드가 직렬 연결되어 다단으로 적층되어 있는 구조를 가진다. 상기 전류 제한 소자는, 게이트와 소스가 연결되고, 상기 전원에 드레인이 연결되어 있는 공핍형 NMOSFET이다. 이와 달리 상기 전류 제한 소자는, 일단이 상기 전원에 연결되어 있고, 타단이 상기 제1 제너 다이오드의 일단에 연결되어 있는 저항일 수 있다. 상기 적어도 하나의 바이패스 스위치는, 공핍형 MOSFET 소자로 구현되며, 제어 전극에 상기 정규 전압이 입력되고, 상기 전원에 제1 전극이 연결되고, 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극에 제2 전극이 연결되어 있다. 상기 메인 및 보조 트랜지스터는 NMOSFET 소자이고, 상기 적어도 하나의 바이패스 스위치는 공핍형 NMOSFET 소자이다.
본 발명의 한 특징에 따른 구동 장치에서, 상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터는 둘 이상이고, 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터는 상기 전원 및 상기 메인 트랜지스터의 일 전극 사이에 직렬 연결되어 다단 구조를 가진다. 상기 구동 장치는 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터의 개수와 동일한 개수의 바이패스 스위치를 포함한다. 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터의 제어 전극 각각에는 둘 이상의 전압원 각각이 연결되어 있고, 상기 메인 트랜지스터의 제어 전극에는 일정한 정규 전압이 인가된다. 상기 구동 장치는 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터 각각의 제어 전극 사이에 양극이 연결되어 있는 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하는 제1 제너 다이오드 줄, 및 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터 중 상기 메인 트랜지스터에 인접한 보조 트랜지스터의 제어 전극과 상기 메인 트랜지스터의 제어 전극 사이에 양극이 연결되어 있는 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하는 제2 제너 다이오드 줄을 더 포함한다. 상기 구동 장치는 상기 제1 제너 다이오드 줄에 병렬 연결되어 있는 제1 전류원, 및 상기 제2 제너 다이오드 줄에 병렬 연결되어 있는 제2 전류원을 더 포함한다.
상기 구동 장치는 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터 각각에 대응하여 위치한 둘 이상의 바이패스 스위치를 포함하고, 상기 둘 이상의 바이패스 스위치 각각은 상기 전원에 일단이 연결되어 있고, 상기 대응하는 보조 트랜지스터와 상기 메인 트랜지스터 사이에 위치한 전극에 타단이 연결되어 있고, 상기 전원 전압이 낮아져 대응하는 보조 트랜지스터가 턴 오프되면, 턴 온된다. 상기 바이패스 스위치는 공핍형 MOSFET 소자로 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 특징에 따르면, 전원 전압이 높은 고 전압 공정에서는 보조 트랜지스터를 턴 온 시켜, 메인 트랜지스터의 항복 현상을 방지할 수 있는 구동 장치를 제공한다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치는 전원 전압이 낮으면 메인 트랜지스터에 전원을 바로 연결하여, 부하에 충분한 전류를 공급할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 구동 장치는 부하(Load)에 전류를 공급하는 메인 트랜지스터(M1), 메인 트랜지스터(M1)에 직렬 접속되어 있는 보조 트랜지스터(M2) 및 보조 트랜지스터(M2)에 병렬 연결되어 있는 바이패스 스위치(S1)를 포함한다. 보조 트랜지스터(M2)는 메인 트랜지스터(M1)에 과도한 전압이 인가되지 않도록 전원 전압 중 소정 전압을 전압 강하시켜 메인 트랜지스터(M1)에 공급한다. 전원(PS)의 전압이 낮아지면, 바이패스 스위치(S1)가 턴 온 되고, 보조트랜지스터(M2)는 턴 오프되어, 전원(PS) 전압이 메이 트랜지스터(M1)에 공급된다.
보조 트랜지스터(M2)의 드레인은 전원(power supply)의 양극(+)이 연결되어 있고, 소스는 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 연결되어 있다. 바이패스 스위치(S1)는 보조 트랜지스터(M2)에 병렬 연결되어 있다. 메인 트랜지스터(M1)의 소스는 부하(LOAD)의 일단에 연결되어 있다. 부하(Load)의 타단은 전원의 음극(―)이 연결되어 있다. 전원(PS)이 높은 전압을 공급하는 고전압 공정(high―voltage process)에서 메인 트랜지스터(M1)가 높은 드레인―소스 전압에서 높은 드레인―소스 전류를 항상 안정적으로 제어하기란 어렵다. 높은 드레인―소스 전압에 따라 드레인―소스 전류가 증가하면 항복 전압이 낮아지고, 메인 트랜지스터(M1)는 높은 드레인―소스 전압에 의해 쉽게 항복 상태가 될 수 있다. 보조 트랜지스터(M2)는 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 인가되는 전압을 낮추어 메인 트랜지스터(M1)의 드레인―소스 전압을 낮추는 역할을 한다. 그러면 메인 트랜지스터(M1)가 항복 상태가 되는 것을 막을 수 있다.
메인 트랜지스터(M1)의 게이트에는 정규 전압(regulated voltage)(RV)이 공급되고, 보조 트랜지스터(M2)의 게이트에는 전압원(voltage source)(VS)이 연결되어 있다.
전원(PS)은 메인 트랜지스터(M1)를 통해 부하가 필요한 전류를 공급할 수 있 는 최소의 전압 범위부터 메인 트랜지스터(M1)의 항복 상태로 만들 수 있는 매우 높은 전압 범위를 가질 수 있다. 따라서 전원(PS) 전압이 낮은 경우에는 부하에 공급할 전류를 생성하기 위해서 보조 트랜지스터(M2)는 턴 오프 되고 바이패스 스위치(S1)가 턴 온되어 전원(PS) 전압이 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 공급되어야 한다. 반면, 전원(PS)의 전압이 높은 경우에는 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 공급되는 전원(PS)의 전압을 감소시키기 위해 보조 트랜지스터(M2)가 턴 온 되어야 한다. 따라서, 메인 트랜지스터(M1)의 항복 상태를 막기 위해, 전압원(VS)은 전원(PS)이 높은 경우에는 보조 트랜지스터(M2)를 턴 온 시키기 충분한 일정한 전압을 가지고, 전원(PS)이 낮아지면 함께 낮아져 보조 트랜지스터(M2)를 턴 오프시킬 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 전압원(VS)은 정규 전압(RV)보다 높은 값을 가지고, 전원(PS)은 전압원(VS)보다 높은 값을 가진다.
구체적으로, 정규 전압(RV)은 일정한 값으로 유지된다. 전압원(VS)은 전원(PS) 전압에서 정규 전압(RV)을 뺀 전압에 따라 결정되고, 전원(PS)이 고전압인 경우, 소정의 최대 전압을 넘을 수 없다. 소정의 최대 전압은 정규 전압(RV)에 최대 임계 전압을 더한 값으로 정의된다. 최대 임계 전압이란, 임의적으로 설정할 수 있는 값으로, 메인 트랜지스터(M1)의 항복 현상을 방지하기 위해, 메인 트랜지스터(M1)의 항복 전압 보다 낮은 전압이면 된다. 그러면, 전원(PS)이 고전압이 되더라도, 보조 트랜지스터(M2)가 턴 온되어, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인―소스 사이에는 최대 임계 전압보다 큰 전압이 인가될 수 없다.
예를 들면, 메인 트랜지스터와 보조 트랜지스터의 제너 항복 전압이 40V이 고, 이에 따라 최대 임계 전압을 40V로 설정한다. 그리고 전원(PS)의 전압이 50V, 정규 전압(RV)이 6V, 전압원(VS)이 18V, 메인 트랜지스터(M1) 및 보조 트랜지스터(M2)의 문턱 전압이 1V라고 설정한다. 메인 트랜지스터(M1)와 보조 트랜지스터(M2)의 특성은 동일한 것으로 설정한다. 메인 트랜지스터(M1)의 소스의 전압이 5V일 때, 메인 트랜지스터(M1)의 게이트 및 소스 간의 전압차가 문턱 전압 이상이 되어, 메인 트랜지스터(M1)가 턴 온된다. 메인 트랜지스터(M1)에 흐르는 전류와 동일한 전류가 보조 트랜지스터(M2)에도 흐르므로, 보조 트랜지스터(M2)의 소스는 17V 가 된다. 보조 트랜지스터(M2)의 소스와 메인 트랜지스터(M1)의 드레인은 동일한 노드이므로, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인은 17V가 된다. 그러면, 보조 트랜지스터(M2)의 드레인―소스 전압은 33V가 되고, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인―소스 전압은 12V가 된다. 이와 같은 방식으로, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인―소스 전압은 보조 트랜지스터(M2)에 의해 감소하고, 메인 트랜지스터(M1)의 항복 현상이 방지된다.
전원(PS)이 낮아질수록, 전압원(VS)은 최대 전압 이하의 전압으로, 전원(PS)의 전압에 따라 결정된다. 메인 트랜지스터(M1)와 보조 트랜지스터(M2)는 포화 영역에서 동작하며, 포화 영역에서 동작하기 위해서는 각 트랜지스터의 드레인―소스 전압이 소정 값 이상이어야 한다. 보조 트랜지스터(M2)의 드레인 전압은 전원(PS)의 전압이므로, 전원(PS)의 전압이 낮아지고, 보조 트랜지스터(M2)의 게이트 전압과 메인 트랜지스터(M1)의 드레인, 즉 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압의 차이가 보조 트랜지스터(M2)의 문턱전압 이하로 떨어지면 전류의 공급이 불안정 해질 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명의 실시 예에서는, 전원(PS)이 낮아지면, 전압원(VS)의 전압도 낮아지고, 이에 따라 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압도 낮아져, 보조 트랜지스터(M2)의 드레인―소스 전압은 전압원(VS)이 낮아진만큼 큰 전압이 된다. 그러면, 보조 트랜지스터(M2)의 동작 영역을 유지할 수 있다.
예를 들면, 정규 전압(RV)이 6V, 메인 트랜지스터(M1)의 소스 전압이 4V, 전원(PS) 전압이 18V라고 가정한다. 이 때, 메인 및 보조 트랜지스터(M1, M2)의 게이트―소스 전압이 2V 일 때, 포화 영역에서 동작하기 위한 드레인―소스 전압이 6V 이상으로 가정하여, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인 전압이 10V라고 가정한다. 그러면, 메인 트랜지스터(M1)에 흐르는 전류와 동일한 전류가 보조 트랜지스터(M2)에 흐르기 위해서, 전압원(VS)은 12V가 되고, 보조 트랜지스터(M2)의 드레인―소스 전압은 8V가 되므로, 보조 트랜지스터(M2)는 포화 영역에서 동작한다. 따라서 동일한 전류가 두 트랜지스터에 흐를 수 있다. 만약, 전압원(VS)의 전압이 전원(PS)의 전압에 관계없이, 최대 전압인 18V로 유지된다고 하면, 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압은 16V가 되어, 드레인―소스 전압은 2V이다. 그러면, 보조 트랜지스터(M2)는 선형 영역에서 동작하고, 메인 트랜지스터(M1)는 포화 영역에서 동작하여, 동일한 전류가 흐를 수 없다. 결국 부하에 공급되는 전류가 변동한다.
전원(PS)이 계속 낮아짐에 따라, 전압원(VS)이 낮아져 보조 트랜지스터(M1)의 소스 전압과 전압원(VS)의 차가 문턱 전압 이하가 되면 보조 트랜지스터(M2)는 충분히(fully) 턴 온 상태가 될 수 없다. 이 때, 바이패스 스위치(S1)가 턴 온되어 전원(PS)의 전압이 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 바로 전달되어 부하(Load)에 필요한 전류를 공급할 수 있다.
이하 본 전압원(VS) 및 정규 전압(RV)을 생성하는 구성에 대해서 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치의 바이패스 스위치(S1)가 공핍형 NMOSFET(depletion n―channel metal-oxcide field―effection transistor)인 경우를 나타낸 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바이패스 스위치(S1)는 공핍형 NMOSFET(M3)로 구현될 수 있다. 공핍형 NMOS는 게이트와 소스 사이의 전압차가 문턱 전압 이상일 때 턴 온된다. 이 때, 공핍형 NMOSFET의 문턱 전압은 음의 전압일 수 있다. 정규 전압(RV)은 트랜지스터(M3)의 게이트에 인가되고, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인 및 보조 트랜지스터(M2)의 소스에 트랜지스터(M3)의 소스가 연결되어 있으며, 트랜지스터(M3)의 드레인에는 전원(PS)의 양극(+)이 연결되어 있다. 정규 전압(RV)은 일정한 레벨로 유지되므로, 소스의 전압에 따라 트랜지스터(M3)의 온/오프가 결정된다. 전원(PS)의 전압이 감소하면, 트랜지스터(M3)의 소스 전압이 감소하는데, 감소하던 소스 전압과 정규 전압(RV)의 차가 트랜지스터(M3)의 문턱 전압 이상이 되면, 트랜지스터(M3)가 턴 온된다. 구체적으로, 트랜지스터(M3)의 문턱 전압이 -2V이고, 정규 전압(RV)이 6V라고 설정하면, 트랜지스터(M3)의 소스 전압이 8V보다 작아지는 시점에 트랜지스터(M3)가 턴 온된다. 그러면, 전원(PS)의 양극(+)이 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 직접적으로 연결된다.
이와 같이, 전원(PS)의 전압이 감소하여 메인 트랜지스터(M1)의 드레인 전압 이 소정치 이하로 감소하면, 트랜지스터(M3)가 턴 온 된다. 그러면, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 전원(PS) 전압을 바로 인가할 수 있다. 트랜지스터(M3)가 턴 온 되는 시점에 전압원(VS)의 전압과 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압의 차는 보조 트랜지스터(M2)의 문턱 전압 보다 작다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전압원(VS) 및 정규 전압(RV)을 생성하는 구성을 나타낸 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치는 전류 제한 소자(101), 전류원(102), 제1 제너 다이오드 줄(zener diode string)(103) 및 제2 제너 다이오드 줄(104)을 포함한다. 전류 제한 소자(101), 제1 제너 다이오드 줄(103) 및 제2 제너 다이오드 줄(104)은 전원(PS)의 양극(+) 및 음극(-) 사이에 연결되어 있다. 제1 제너 다이오드 줄(103)은 제너 다이오드(ZD1)를 포함하고, 제2 제너 다이오드 줄(104)은 직렬 연결된 2 개의 제너 다이오드(ZD2, ZD3)를 포함한다. 전류원(102)은 제2 제너 다이오드 줄(104)에 병렬 연결되어 있다. 제너 다이오드는 항복 전압 이상의 전압이 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 인가되면, 도통되어 전류가 흐르는 특성(이하, "제너 항복(zener breakdown)"이라 함.)이 있다. 즉, 제너 다이오드의 캐소드 전극의 전압이 애노드 전극의 전압보다 제너 항복 전압 이상 높으면, 도통되어 캐소드 전극에서 애노드 전극 방향으로 전류가 흐른다. 전원(PS)의 전압에서 전류 제한 소자(101)에 의한 전압 강하를 뺀 전압이 제2 제너 다이오드 줄(104) 및 제1 제너 다이오드 줄(103)에 인가된다. 이 때, 전원(PS)의 전압이 낮으면, 제2 제너 다이오드 줄(104)의 모든 제너 다이오드(ZD2, ZD3)를 도 통시킬 수 없다. 전류원(102)을 포함하는 경로 없이, 제2 제너 다이오드 줄(104)이 도통되지 않으면, 제1 제너 다이오드 줄(103)에 충분한 전압이 인가되지 않아 제너 다이오드(ZD1)를 도통시킬 수 없다. 본 발명의 실시 예에서 정규 전압(RV)은 항상 일정한 전압이 보장되어야 하므로, 제2 제너 다이오드 줄(104)을 거치지 않고, 전원(PS)의 전압이 바로 제1 제너 다이오드 줄(103)로 인가되도록 하기 위해 전류원(102)이 필요하다. 제너 항복이 발생하기 위한 항복 전압은 제너 다이오드마다 다를 수 있으나, 본 발명의 제너 다이오드(ZD1―ZD3)는 동일한 항복 전압을 가지는 것으로 설정한다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 제1 제너 다이오드 줄(103) 및 제2 제너 다이오드 줄(104) 각각이 한 개의 제너 다이오드(ZD1) 및 두 개의 제너 다이오드(ZD2, ZD3)를 포함하는 것으로 설명하고 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 정규 전압(RV) 및 전압원(VS)의 최대 전압 레벨에 따라 적절한 개수의 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제너 다이오드(ZD1―ZD3) 각각의 항복 전압이 모두 6V라고 설정한다. 그러면, 정규 전압(RV)은 6V 초과의 전압이 될 수 없고, 전압원(VS)은 18V 초과의 전압이 될 수 없다. 전원(PS)의 전압은 노드(N2)의 전압보다 전류 제한 소자(101)에 강하된 전압만큼 항상 높은 값을 유지한다. 전원(PS)의 전압에 따라 전류 제한 소자(101)의 양단에 인가되는 전압이 달라진다. 전원(PS)의 전압에서 전류 제한 소자(101)의 양단에 인가된 전압을 뺀 전압이 제2 제너 다이오드 줄(104)의 제너 다이오드(ZD3)의 캐소드 전극에 인가된다. 이 때, 노드(N2)에 인가된 전압이 18V 이상인 경우, 제너 다이오드(ZD1―ZD3) 각각의 캐소드 전극 및 애노드 전극간의 전압 차는 모두 항복 전압 이상이 되어, 정규 전 압(RV)은 6V 이고, 전압원(VS)은 18V가 된다. 그러나, 노드(N2)에 인가된 전압이 18V 미만인 경우, 제너 다이오드(ZD1)의 캐소드 전극 및 애노드 전극 간의 전압이 항복 전압 이하가 될 수 있다. 이 때, 전류원(102)을 포함하는 경로를 통해 전원(PS)의 전압에서 전류 제한 소자(101)의 양단 전압 및 전류원(102)의 양단 전압만큼 강하된 전압이 노드(N1)에 인가된다. 그러면, 제2 제너 다이오드 줄(104)을 통해 인가되는 전압보다 높은 전압이 제너 다이오드(ZD1)의 캐소드 전극에 인가된다. 이 전압은 제너 다이오드(ZD1)의 항복 전압 이상이 되어, 제너 다이오드(ZD1)가 도통되고, 정규 전압(RV)은 6V로 유지된다. 그리고 노드(N2)에 인가된 전압과 정규 전압(RV)간의 전압차가 제2 제너 다이오드 줄(104)의 양단에 인가되고, 제너 다이오드(ZD2, ZD3) 각각에서는 제너 항복 현상이 발생하지 않아, 제2 제너 다이오드 줄(104)에는 미세한 누설 전류만 흐른다. 전원(PS)의 전압이 감소하여 노드(N2)의 전압이 줄더라도, 보조 트랜지스터(M2)의 소스의 전압과 게이트의 전압 차가 보조 트랜지스터(M2)의 문턱 전압이 이상이라면, 보조 트랜지스터(M2)는 턴 온 상태를 유지한다. 전원(PS)의 전압 감소에 따라 전압원(VS)의 전압도 낮아지고, 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압도 낮아지므로, 메인 트랜지스터(M1)와 보조 트랜지스터(M2)에 동일한 전류가 흐를 수 있다.
그러나 전원(PS)의 전압이 감소하여, 전압원(VS)의 전압과 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압 차가 보조 트랜지스터(M2)의 문턱 전압 이하가 되면, 보조 트랜지스터(M2)가 충분히 턴 온 되지 않아, 메인 트랜지스터(M1)에 충분한 전류가 흐를 수 없다. 전압원(VS)의 전압과 보조 트랜지스터(M2)의 소스 전압 차가 보조 트 랜지스터(M2)의 문턱 전압 이하가 되면, 바이패스 스위치(S1)가 턴 온 되어, 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 전원(PS)의 전압을 공급하여 메인 트랜지스터(M1)가 부하에 필요한 전류를 공급할 수 있도록 한다.
예를 들어, 전원(PS)의 전압이 8V이고, 전류 제한 소자(101)의 양단 전압이 0.5V, 메인 트랜지스터(M1)의 소스 전압이 5V이고, 드레인 전압이 8V 라고 설정한다. 그러면, 보조 트랜지스터(M2)의 게이트 전압은 7.5V이므로, 보조 트랜지스터(M2)의 게이트-소스 전압이 문턱 전압 이하이므로, 보조 트랜지스터(M2)는 턴 오프 된다. 이 때, 바이패스 스위치(S1)는 온 상태이다. 전원(PS)은 바이패스 스위치(S1)을 통해 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 8V의 전압을 공급한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전류 제한 소자(101)를 공핍형 NMOSFET으로 구현한 구동 장치를 나타낸 도면이다.
전류 제한 소자(101)는 공핍형 NMOSFET(M4)을 사용하여 구현될 수 있다. 공핍형 NMOSFET(M4)의 게이트 및 소스는 연결되어 있어, 공핍형 NMOSFET(M4)은 항상 턴 온 상태이고, 전원(PS)과 노드(N2) 사이에 연결되어 있다. 온 상태에서 공핍형 NMOSFET(M4)는 소정의 온 저항을 가진다. 따라서, 공핍형 NMOSFET(M4)는 전원(PS)의 전압이 노드(N2)의 전압 즉, 전압원(VS)보다 항상 높은 값이 되도록 한다. 바이패스 스위치(S1)은 앞서 설명한 바와 같이, 공핍형 NMOSFET(M3)로 구현되어 있다. 전원(PS)의 전압이 감소하여, 트랜지스터(M3)의 게이트 전압과 소스 전압의 차가 트랜지스터(M3)의 문턱 전압 이상이 되면, 트랜지스터(M3)가 턴 온되어, 전원(PS)의 전압을 메인 트랜지스터(M1)의 드레인에 공급한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전류 제한 소자(101)를 저항(R)으로 구현한 구동 장치를 나타낸 도면이다.
저항(R)은 전원(PS)과 노드(N2)사이에 연결되어 있으며, 전원(PS)의 전압이 노드(N2)의 전압 즉, 전압원(VS)보다 항상 높은 값이 되도록 한다.
지금까지 본 발명의 실시 예에서는 하나의 보조 트랜지스터를 포함하는 구동 장치를 설명하였다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 부하(Load)에 바로 연결된 메인 트랜지스터의 드레인 및 소스 간 전압을 감소시키기 위해 둘 이상의 보조 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동 장치를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동 장치는 두 개의 보조 트랜지스터(M21, M22)를 포함한다.
구동 장치(200)는 전류 제한 소자(201), 제1 전류원(205), 제2 전류원(207), 제3 제너 다이오드 줄(203), 제4 제너 다이오드 줄(204), 제5 제너 다이오드 줄(205), 제1 바이패스 스위치(M31) 및 제2 바이패스 스위치(M32)를 포함한다. 전류 제한 소자(201), 제3 제너 다이오드 줄(203), 제4 제너 다이오드 줄(204) 및 제5 제너 다이오드 줄(205)은 전원(PS)의 양극(+) 및 음극(―) 사이에 연결되어 있다. 제3 제너 다이오드 줄(203)은 제너 다이오드(ZD11)를 포함하고, 제4 제너 다이오드 줄(204)은 제너 다이오드(ZD12)를 포함하며, 제5 제너 다이오드 줄(206)은 제너 다이오드(ZD13)를 포함한다. 제1 전류원(205)은 제4 제너 다이오드 줄(204)에 병렬 연결되어 있고, 제2 전류원(207)은 제5 제너 다이오드 줄(206)에 병렬 연결되어 있다. 제3 내지 제5 제너 다이오드 줄(203, 204, 206)이 포함하는 제너 다이오드의 개수는 정규 전압(RV), 제1 전압원(VS1) 및 제2 전압원(VS2)의 전압을 결정한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제4 및 제5 제너 다이오드 줄(204, 206), 제1 및 제2 전류원(205, 207), 보조 트랜지스터(M21, M22) 및 바이패스 스위치(M31, M32)는 앞서 설명한 실시예의 제너 다이오드 줄(104), 전류원(102), 보조 트랜지스터(M2) 및 바이패스 스위치(M3)와 동일한 기능을 수행하는 구성이다.
즉, 전원(PS)이 충분히 높은 고전압 공정에서 부하(Load), 메인 트랜지스터(M11) 및 보조 트랜지스터(M21, M22)에 전원(PS)의 전압이 분배되고, 전원(PS)의 전압이 감소하여 소정의 값이 되면, 바이패스 스위치(M31, M32)가 턴 온되어 메이 트랜지스터(M11)에 충분한 전압을 공급하고, 정규 전압(RV1)은 일정하게 유지되고, 제1 전압원(VS1) 및 제2 전압원(VS2)이 낮아진다.
구체적으로, 제너 다이오드의 양단은 제너 항복 전압 이상이 인가되지 않는 바, 전원(PS)의 전압이 충분히 높은 고전압 공정에서 정규 전압(RV)은 PS(―)의 전압에 비해 제너 항복 전압만큼 높은 전압이고, 제1 전압원(VS1)은 정규 전압(RV1)에 비해 제너 항복 전압만큼 높은 전압이며, 제2 전압원(VS2)은 제1 전압원(VS1)에 비해 제너 항복 전압만큼 높은 전압으로 일정하게 유지된다. 정규 전압(RV1)이 일정하게 유지된다고 가정했을 때, 제1 전압원(VS1)의 최대 전압은 제너 다이오드(ZD21)가 제너 항복되었을 때이고, 제2 전압원(VS2)의 최대 전압은 제너 다이오 드(ZD21, ZD31)가 제너 항복 되었을 때이다. 제3 내지 제5 제너 다이오드 줄(203, 204, 206) 각각이 포함하는 제너 다이오드의 개수는 고전압 공정에서 정규 전압(RV1), 제1 전압원(VS1)의 최대 전압 및 제2 전압원(VS2)의 최대 전압 값에 따라 결정된다.
전원(PS)의 전압이 낮아져서, 직렬 연결된 복수의 제너 다이오드 각각을 모두 제너 항복 시킬만큼 높지 않아지면, 보조 트랜지스터(M21, M22)의 게이트에 인가되는 제1 전압원(VS1) 및 제2 전압원(VS2)의 전압은 보조 트랜지스터(M21, M22)를 턴 온 시키기에 충분히 높지 않은 전압일 수 있다. 먼저, 보조 트랜지스터(M22)가 충분히 턴 온 되지 않으면, 바이패스 스위치(M32)가 턴 온된다. 그리고 전원(PS)의 전압이 더 낮아져, 보조 트랜지스터(M21)가 충분히 턴 온 되지 않으면, 바이패스 스위치(M31)가 턴 온된다.
바이패스 스위치(M32)가 턴 온되면, 전원(PS)의 전압이 보조 트랜지스터(M21)의 드레인에 직접 인가된다. 그리고 제1 및 제2 전류원(205, 207)을 통해 전원(PS)의 전압에서 전류 제한 소자(201) 및 제1 및 제2 전류원(205, 207)에 의한 전압 강하량을 제외한 전압이 제너 다이오드(ZD11)의 캐소드 전극에 인가되므로, 먼저 제너 다이오드(ZD11)가 제너 항복 된다. 그리고 제2 전류원(207)을 통해 전원(PS)의 전압에서 전류 제한 소자(201) 및 제2 전류원(207)에 의한 전압 강하량을 제외한 전압이 제너 다이오드(ZD21)에 인가되므로, 제너 다이오드(ZD21)가 제너 항복 된다.
전원(PS)이 점점 감소하여, 두개의 제너 다이오드(ZD21, ZD11)를 제너 항복 시킬 수 없으면, 바이패스 스위치(M31)가 턴 온되고, 전원(PS)의 전압이 메인 트랜지스터(M11)의 드레인 전극에 직접 인가된다. 이 때, 바이패스 스위치(M32)는 온 상태일 수 있다. 실질적으로 바이패스 스위치(M31)가 온 되면, 바이패스 스위치(M32)의 온/오프는 동작에 영향을 주지 않는다. 메인 트랜지스터(M11)의 드레인에 전원(PS) 전압이 전달되기 때문이다. 그리고 제1 및 제2 전류원(205, 207)을 통해 전원(PS)의 전압에서 전류 제한 소자(201) 및 제1 및 제2 전류원(205, 207)에 의한 전압 강하량을 제외한 전압이 제너 다이오드(ZD11)의 캐소드 전극에 인가되므로, 제너 다이오드(ZD11)가 제너 항복 된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 바이패스 스위치(M31, M32)는 앞서 설명한 본 발명의 실시 예와 동일하게 공핍형 MOSFET으로 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동 회로의 바이패스 스위치(M31, M32)를 공핍형 MOSFET으로 구현한 것을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 바이패스 스위치(M31, M32)가 n 채널 타입의 공핍형 MOSFET인 경우, 바이패스 스위치(M31)의 게이트 전극은 메인 트랜지스터(M11)의 게이트 전극에 연결되고, 바이패스 스위치(M32)의 게이트 전극은 보조 트랜지스터(M21)의 게이트 전극에 연결된다.
전원(PS)의 전압이 낮아지고, 제너 다이오드(ZD11) 및 제너 다이오드(ZD21)는 제너 항복되며, 제너 다이오드(ZD31)는 제너 항복 되지 않는 경우, 보조 트랜지스터(M22)의 소스 전압은 전원(PS)의 전압이 낮아져 감소한다. 이 때, 바이패스 스위치(M32)의 게이트 전압은 제1 전압원(VS1)이고 소스 전압이 낮아지므로, 바이패 스 스위치(M31)의 게이트―소스 전압은 문턱 전압 이상이 되어 턴 온되고, 보조 트랜지스터(M22)의 게이트―소스 전압은 문턱 전압 이하가 되어 충분한 턴 온 상태가 아니다. 전원(PS)의 전압이 더 낮아지면 보조 트랜지스터(M22)는 턴 오프된다.
전원(PS)의 전압이 더 낮아져, 제너 다이오드(ZD11)만 제너 항복되고, 제너 다이오드(ZD21, ZD31)는 제너 항복 되지 않는 경우, 보조 트랜지스터(M21)의 소스 전압은 전원(PS)의 전압이 낮아져 감소한다. 이 때, 바이패스 스위치(M31)의 게이트 전압은 정규 전압(RV1)이고, 소스 전압이 낮아지므로 바이패스 스위치(M31)의 게이트―소스 전압은 문턱 전압 이상이 되어 턴 온되고, 보조 트랜지스터(M21)의 게이트―소스 전압은 문턱 전압 이하가 되어 충분한 턴 온 상태가 아니다. 전원(PS)의 전압이 더 낮아지면, 보조 트랜지스터(M21)는 턴 오프된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 구동 장치는 전원 전압이 높은 고 전압 공정에서는 보조 트랜지스터를 턴 온 시켜, 메인 트랜지스터의 항복 현상을 방지한다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치는 전원 전압이 낮으면 메인 트랜지스터에 전원을 바로 연결하여, 부하에 충분한 전류를 공급할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 장치의 바이패스 스위치가 공핍형 NMOSFET(depletion n―channel metal―oxcide field―effection transistor)인 경우를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전압원 및 정규 전압을 생성하는 구성을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전류 제한 소자를 공핍형 NMOSFET으로 구현한 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전류 제한 소자를 저항으로 구현한 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동 회로의 바이패스 스위치를 공핍형 MOSFET으로 구현한 것을 나타낸 도면이다.

Claims (20)

  1. 전원을 이용하여 부하에 전류를 공급하는 메인 트랜지스터,
    턴 온 상태에서, 상기 전원 전압 중 소정 전압을 강하시켜 상기 메인 트랜지스터에 전달하는 적어도 하나의 보조 트랜지스터, 및
    상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터가 턴 오프되면, 상기 전원 전압을 상기 메인 트랜지스터에 전달하는 적어도 하나의 바이패스 스위치를 포함하는 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터는,
    상기 전원 및 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극 각각에 제1 전극 및 제2 전극이 연결되어 있고,
    상기 적어도 하나의 바이패스 스위치는,
    상기 전원 및 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극 각각에 양단이 연결되어 있는 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인 트랜지스터의 제어 전극에는 일정한 전압인 정규 전압이 인가되고,
    상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터의 제어 전극에는 소정의 최대 전압을 넘지않고 상기 전원의 전압에 따라 변동하는 전압원의 전압이 인가되는 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소정의 최대 전압은,
    상기 메인 트랜지스터의 제1 전극 및 제2 전극에 허용되는 최대 임계 전압과 상기 정규 전압의 합으로 설정되는 구동 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전원은 양극 및 음극을 포함하며,
    상기 양극에 연결되어 일단이 연결되어 있는 전류 제한 소자,
    상기 전류 제한 소자의 타단에 일단이 연결되어 있는 제1 제너 다이오드 줄, 및
    상기 제1 제너 다이오드 줄의 타단에 일단이 연결되어 있는 제2 제너 다이오드 줄을 포함하고,
    상기 정규 전압은 상기 제2 제너 다이오드의 일단의 전압이고, 상기 전압원은 상기 제1 제너 다이오드의 일단의 전압인 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 제너 다이오드 줄에 병렬 연결되어 있는 전류원을 더 포함하며,
    상기 전원 전압이 낮으면, 상기 전원 전압에서 상기 전류 제한 소자의 양단 전압 및 상기 전류원의 양단 전압이 강하된 전압이 상기 제2 제너 다이오드 줄에 공급되는 구동 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 제너 다이오드 줄 및 제2 제너 다이오드 줄은 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하며, 상기 정규 전압 및 상기 전압원의 최대 전압에 따라 그 개수가 결정되는 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 제너 다이오드 줄은 상기 정규 전압에 따르는 개수의 제너 다이오드가 직렬 연결되어 다단으로 적층되어 있는 구조를 가지는 구동 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 제너 다이오드 줄은 상기 전압원의 최대 전압에 따르는 개수의 제너 다이오드가 직렬 연결되어 다단으로 적층되어 있는 구조를 가지는 구동 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전류 제한 소자는,
    게이트와 소스가 연결되고, 상기 전원에 드레인이 연결되어 있는 공핍형 NMOSFET인 구동 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전류 제한 소자는,
    일단이 상기 전원에 연결되어 있고, 타단이 상기 제1 제너 다이오드의 일단에 연결되어 있는 저항인 구동 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바이패스 스위치는,
    공핍형 MOSFET 소자로 구현되며, 제어 전극에 상기 정규 전압이 입력되고, 상기 전원에 제1 전극이 연결되고, 상기 메인 트랜지스터의 제1 전극에 제2 전극이 연결되어 있는 구동 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 메인 및 보조 트랜지스터는 NMOSFET 소자이고, 상기 적어도 하나의 바이패스 스위치는 공핍형 NMOSFET 소자인 구동 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 트랜지스터는 둘 이상이고, 상기 둘 이상의 보조 트랜지스터는 상기 전원 및 상기 메인 트랜지스터의 일 전극 사이에 직렬 연결되어 다단 구조를 가지는 구동 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 둘 이상의 보조 트랜지스터의 개수와 동일한 개수의 바이패스 스위치를 포함하는 구동 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 둘 이상의 보조 트랜지스터의 제어 전극 각각에는 둘 이상의 전압원 각각이 연결되어 있고, 상기 메인 트랜지스터의 제어 전극에는 일정한 정규 전압이 인가되는 구동 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 둘 이상의 보조 트랜지스터 각각의 제어 전극 사이에 양극이 연결되어 있는 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하는 제1 제너 다이오드 줄, 및
    상기 둘 이상의 보조 트랜지스터 중 상기 메인 트랜지스터에 인접한 보조 트랜지스터의 제어 전극과 상기 메인 트랜지스터의 제어 전극 사이에 양극이 연결되어 있는 적어도 하나의 제너 다이오드를 포함하는 제2 제너 다이오드 줄을 더 포함하는 구동 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 제너 다이오드 줄에 병렬 연결되어 있는 제1 전류원, 및
    상기 제2 제너 다이오드 줄에 병렬 연결되어 있는 제2 전류원을 더 포함하는 구동 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 둘 이상의 보조 트랜지스터 각각에 대응하여 위치한 둘 이상의 바이패스 스위치를 포함하고, 상기 둘 이상의 바이패스 스위치 각각은 상기 전원에 일단이 연결되어 있고, 상기 대응하는 보조 트랜지스터와 상기 메인 트랜지스터 사이에 위치한 전극에 타단이 연결되어 있고, 상기 전원 전압이 낮아져 대응하는 보조 트랜지스터가 턴 오프되면, 턴 온되는 구동 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 바이패스 스위치는 공핍형 MOSFET 소자로 구현되는 구동 장치.
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