TW201810897A - 單向導通裝置 - Google Patents

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Abstract

一種單向導通裝置，包括第一電晶體及驅動電路。第一電晶體具有耦接第一節點的控制端、分別耦接單向導通裝置之輸入與輸出電極端的輸入端與輸出端。驅動電路包括第一開關電路、第二與第三電晶體、第一與第二電阻器。第一開關電路耦接輸入電極端及第二節點。第二電晶體具有耦接第三節點的基極與集極、耦接第二節點的射極。第一電阻器耦接第一開關電路與接地端。第三電晶體具有耦接第三節點的基極、耦接輸出電極端的射極、耦接第一節點的集極。第二電阻器耦接於第一節點與接地端之間。第一開關電路阻斷單向導通裝置的逆向漏電流路徑。

Description

單向導通裝置
本發明有關於一種單向導通裝置，特別是有關於一種具有較低的逆向漏電流的單向導通裝置。
在電子電路中，二極體為常見的電子元件。由於二極體的單向導通特性，使得二極體可用於電源供應系統的電源輸入端以避免受電裝置內電池的電流向外流，也可用於具有雙電源輸入的電源供應系統以防止來自一電源供應端的電流流向另一電源供應端。然而，當二極體處於逆向偏壓時，由負極端流向正極端的逆向漏電流將導致不必要的功率損失，降低了電路整體的電源使用效率。
本發明一實施例提供一種單向導通裝置，其包括第一電晶體以及驅動電路。第一電晶體具有耦接第一節點的控制端、耦接單向導通裝置之輸入電極端的輸入端、以及耦接單向導通裝置之輸出電極端的輸出端。驅動電路耦接第一電晶體且包括第一開關電路、第二電晶體、第一電阻器、第三電晶體、以及第二電阻器。第一開關電路耦接輸入電極端以及第二節點。第二電晶體具有耦接第三節點的基極、耦接第二節點的射極、以及耦接第三節點的集極。第一電阻器具有透過第一開關電路耦接第三節點的第一端、以及耦接接地端的第二端。第三電晶 體具有耦接第三節點的基極、耦接輸出電極端的射極、以及耦接第一節點的集極。第二電阻器具有耦接第一節點的第一端、以及耦接接地端的第二端。第一開關電路根據第一電阻器的第一端上的電壓與第二節點上的電壓來決定是否阻斷單向導通裝置的逆向漏電流路徑。
1、3‧‧‧單向導通裝置
10、30‧‧‧驅動電路
40‧‧‧開關電路
41‧‧‧電阻器
50‧‧‧開關電路
51‧‧‧電阻器
100…102‧‧‧電阻器
103‧‧‧開關電路
104‧‧‧電阻器
300…302‧‧‧電阻器
303‧‧‧開關電路
304‧‧‧電阻器
400、401、500、501‧‧‧電阻器
B2、B3、B5‧‧‧基極
C2、C3、C5‧‧‧集極
D1、D1_3、D4‧‧‧汲極
E2、E3、E5‧‧‧射極
G1、G1_3、G4‧‧‧閘極
I1‧‧‧靜態漏電流
I2、I3‧‧‧電流
IC3‧‧‧電流
ID1‧‧‧順向電流
IE2‧‧‧靜態電流
N‧‧‧輸出電極端
N10…N15‧‧‧節點
P‧‧‧輸入電極端
P10‧‧‧逆向漏電流路徑
Q1‧‧‧PMOS電晶體
Q1_3‧‧‧NMOS電晶體
Q2、Q3‧‧‧PNP型雙載子接面電晶體
Q2_3、Q3_3‧‧‧NPN型雙載子接面電晶體
Q4‧‧‧PMOS電晶體
Q4_3‧‧‧PMOS電晶體
Q5‧‧‧NPN型雙載子接面電晶體
Q5_5‧‧‧PNP型雙載子接面電晶體
S1、S1_3、S4‧‧‧源極
VN、VP‧‧‧電壓
VR100、VR102‧‧‧電壓
第1圖表示根據本發明一實施例的單向導通裝置，其處於逆向偏壓狀態時的操作示意圖。
第2圖表示根據本發明一實施例的單向導通裝置，其處於順向偏壓狀態時的操作示意圖。
第3圖表示根據本發明另一實施例的單向導通裝置。
第4圖表示根據本發明另一實施例的單向導通裝置。
第5圖表示根據本發明另一實施例的單向導通裝置。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下將參考附圖詳細說明本發明的各種示例性實施例、特徵和方面。附圖中相同的附圖標記表示功能相同或相似的元件。儘管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪製附圖。
第1圖係表示根據本發明實施例的單向導通裝置。參閱第1圖，單向導通裝置1包括金氧半場效電晶體Q1以及驅動電路10。透過驅動電路10對於金氧半場效電晶體Q1的控制，單 向導通裝置1能以極低的順向偏壓來實現單向導通。驅動電路10包括PNP型雙載子接面電晶體(BJT)Q2與Q3、電阻器100-102、以及開關電路103。在此實施例中，開關電路103包括P通道金氧半場效(PMOS)電晶體Q4以及電阻器104。金氧半場效電晶體Q1為一P通道金氧半場效(PMOS)電晶體，其汲極(也稱為輸入端)D1與源極(也稱為輸出端)S1分別耦接單向導通裝置1的輸入電極端(即陽極)P與輸出電極端(即陰極)N，而其閘極(也稱為控制端)G1耦接驅動電路10於節點N10。電阻器100耦接於輸入電極端P與PMOS電晶體Q4的汲極(也稱為輸入端)D4之間。開關電路103中的PMOS電晶體Q4的閘極(也稱為控制端)G4耦接於節點N13，且其源極S4(也稱為輸出端)耦接於節點N11。電晶體Q2的基極B2與集極C2都耦接節點N12，且其射極E2耦接節點N11。開關電路103中的電阻器104的第一端耦接節點N12，且其第二端耦接節點N13。電阻器101之第一端耦接節點N13，且其第二端耦接接地端。根據電阻器101與開關電路103之間的連接關係可知，電阻器101的第一端透過開關電路103的電阻器104耦接節點N12。電晶體Q3的基極B3耦接電晶體Q2的基極B2與集極C2於節點N12，其射極E3耦接輸出電極端N，且其集極C3耦接PMOS電晶體Q1的閘極G1於節點N10。電阻器102之第一端耦接節點N10，且其第二端耦接接地端。根據電晶體Q2與Q3的電路連接架構，電晶體Q2與Q3組成BJT差動放大器。
以下將說明根據本發明一實施例，單向導通裝置1的操作原理。
參閱第1圖，當單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態時，即當輸出電極端N的電壓VN比輸入電極端P的電壓VP高時，電晶體Q3導通，且耦接電晶體Q3的集極C3的節點N10具有一高電位，使得PMOS電晶體Q1完全關閉，即單向導通裝置1不導通。假設此時的輸出電極端N的電壓VN為20伏特(V)，PMOS電晶體Q4的閘極電壓VG4與源極電壓VS4為：VG4=(VN-VBE3)/(R104+R101)*R101
VS4=VN-VBE3-VEB2
其中，VBE3表示電晶體Q3的順向偏壓(即電晶體Q3的基-射極電壓)，大約等於0.6V。VEB2表示電晶體Q2的反向偏壓(即電晶體Q2的射-基極電壓)，大約等於6V。R104表示電阻器104的電阻值，例如為240K歐姆。R101表示電阻器101的電阻值，例如為750K歐姆。因此，可得到PMOS電晶體Q4的閘極電壓VG4(即節點N13上的電壓)與源極電壓VS4(即節點N11上的電壓)為：VG4=(VN-VBE3)/(R104+R101)*R101=(20V-0.6V)/(240K+750K)*750K=14.7V
VS4=VN-VBE3-VEB2=20V-0.6V-6V=13.4V
PMOS電晶體Q4的閘-源極電壓VGS4則等於：VGS4=VG4-VS4=14.7V-13.4V=1.3V
根據為正值的閘-源極電壓VGS4，PMOS電晶體Q4因 此而關閉。如此一來，當單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態時可能會經由電晶體Q3與Q2而介於輸出電極端N與輸入電極端P之間的逆向漏電流路徑P10，則由於關閉的PMOS電晶體Q4而被阻斷。根據上述，電阻器101的第一端耦接節點N13。因此可知，當單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態時，開關電路103是根據電阻器101的第一端(即節點N13)上的電壓(即閘極電壓VG4)以及節點N11上的電壓(源極電壓VS4)來決定是否阻斷此逆向漏電流路徑。當電阻器101的第一端上的電壓以及節點N11上的電壓之間的差值(即閘-源極電壓VGS4)大於0V時，關閉PMOS電晶體Q4，以阻斷此逆向漏電流路徑，使得逆向偏壓狀態時的逆向漏電流趨近於零。
當輸入電極端P的電壓VP逐漸地上升至19V時，PMOS電晶體Q4的源極電壓VS4經由電阻器100與PMOS電晶體Q4內部的本體二極體(body diode)而接近於19V。此時PMOS電晶體Q4的閘極電壓VG4(即節點N13上的電壓)仍為14.7V。因此，PMOS電晶體Q4的閘-源極電壓VGS4則等於：VGS4=VG4-VS4=14.7V-19V=-4.3V
根據為負值的閘-源極電壓VGS4，PMOS電晶體Q4因此而導通。因此可知，當單向導通裝置1進入順向偏壓狀態前，PMOS電晶體Q4已導通，使得單向導通裝置1在順向偏壓狀態下能進行正常工作。單向導通裝置1在順向偏壓狀態的正常工作將參閱第2圖於下文中詳細說明。
參閱第2圖，當單向導通裝置1處於順向偏壓狀態時，即當輸入電極端P的電壓VP等於或大於輸出電極端N的電壓 VN時，由於PMOS電晶體Q4已導通，一靜態電流IE2流經電阻器100與電晶體Q2，使得在電阻器100的兩端上產生跨壓VR100。在此實施例中，跨壓VR100較佳的數值為幾十毫伏(mV)。當輸入電極端P上升至其與輸出電極端N之間的電壓差高於跨壓VR100時，電晶體Q2的射極E2的電壓會隨著輸入電極端P的電壓VP上升而上升。由於電阻器100的電阻值(例如為1K歐姆)，使得靜態電流IE2幾乎維持定值，使得電晶體Q2的射-基極電壓VEB2幾乎維持固定。由於電晶體Q2的射極E2的電壓隨著輸入電極端P的電壓VP上升而上升，使得電晶體Q2的基極B2的電壓隨著電晶體Q2的射極E2的電壓上升而上升。如上所述，電晶體Q3的基極B與電晶體Q2的基極B2耦接在一起，因此，電晶體Q3的基極B3的電壓也隨著電晶體Q2的基極B2的電壓上升而上升。然而，由於輸出電極端N的電壓VN的電壓維持固定，因此電晶體Q3的射極E3的電壓維持固定，此得電晶體Q3的射-基極電壓VEB3下降。如此一來，流經電晶體Q3的集極C3的電流IC3減少，且電阻器102的跨壓VR102下降，這使得電晶體Q3的集極C3的電壓下降。當電晶體Q3的集極C3的電壓下降至使得PMOS電晶體Q1的源-閘極VSG1大於PMOS電晶體Q1的臨界電壓Vth的絕對值時，PMOS電晶體Q1則導通，順向電流ID1則由輸入電極端P流向輸出電極端N。
根據上述實施例可知，由於開關電路103的操作，使得當單向導通裝置1處於逆向偏壓操作時，開關電路103關閉以阻斷逆向漏電流路徑，使得逆向漏電流趨近於零，藉此減少不必要的功率損失。此外，當輸入電極端P的電壓VP逐漸上升 時，開關電路103可在進入正向偏壓狀態前導通，以使得單向導通裝置1在順向偏壓狀態下時能進行正常工作。因此，就由開關電路103的配置與操作，利用單向導通裝置1的電路能有較高的電源使用效率。
第3圖係表示根據本發明另一實施例的單向導通裝置3。參閱第3圖，單向導通裝置3包括N通道金氧半場效(NMOS)電晶體Q1_3以及驅動電路30。驅動電路30包括NPN型雙載子接面電晶體(BJT)Q2_3與Q3_3、電阻器300-302、以及開關電路303。開關電路303包括NMOS電晶體Q4_3以及電阻器304。PMOS電晶體Q1_3的源極S1_3與汲極D1_3分別耦接單向導通裝置1的輸入電極端P與輸出電極端N，而其閘極G1_3耦接驅動電路30。單向導通裝置3的電路架構與工作原理與第1圖所示的單向導通裝置1類似。單向導通裝置3與第1圖的單向導通裝置1之間的差異在於以NMOS電晶體Q1_3與Q4_3來分別取代第1圖中單向導通裝置1的PMOS電晶體Q1與Q4，並以NPN型雙載子接面電晶體Q2_3與Q3_3電晶體來分別取代第1圖中單向導通裝置1的PNP型雙載子接面電晶體Q2與Q3，即可得到第3圖的單向導通裝置3。因此，關於單向導通裝置3的操作可參閱上述關於第1圖的單向導通裝置1的說明，在此省略敘述。
參閱第1圖，在一些實施例中，當單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態時逆向漏電流已趨近於零，但是仍可能存在來自輸出端電極N的靜態電流I1。如第1圖所示，此靜態電流I1係由流經電阻器101與104的電流I3以及流經電阻器102的電流I2所組成。假設輸出電極端N的電壓VN為20V，則電流I2與I3分 別為：I2=(VN-VCE3)/R102
I3=(VN-VBE3)/(R104+R101)
其中，VCE3表示電晶體Q3的集-射極電壓，大約等於0.2V。R102表示電阻器102的電阻值，例如為1M歐姆(即1000K歐姆)。因此，可得到電流I2與I3分別為：I2=(VN-VCE3)/R102=(20-0.2)/1000K=19.8uA(微安培)
I3=(VN-VBE3)/(R104+R101)=(20-0.6)/(204K+750L)=19.6uA
靜態電流I1則等於：I1=I2+I3=19.8uA+19.6uA=39.4uA
因此，在逆向偏壓狀態下，可能存在靜態電流I1，造成功率損失。
根據本發明另一實施例，如第4圖所示，驅動電路10可更包括開關電路40與電阻器41，以在單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態時可阻斷輸出電極端N與接地端之間的靜態電流路徑。參閱第4圖，開關電路40包括電阻器400與401以及NPN型雙載子接面電晶體Q5。電阻器400耦接於輸入電極端P與節點N14之間。電阻器401耦接於節點N14與接地端之間。電晶體Q5的基極B5(也稱為控制端)耦接節點N14，其集極C5(也稱為輸入端)耦接電阻器101與102的第二端，且其射極E5(也稱為 輸出端)耦接接地端。電阻器41耦接於輸出電極端N與電阻器102的第二端。
當單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態時，假設由於逆向漏電流路徑已被開關電路103阻斷，因此輸入電極端P的電壓VP處於低電位或0V。此時，節點N14上的電壓也處於低電位，以關閉電晶體Q5。如此一來，則不會產生第1圖所示的電流I2與I3，藉此阻斷了輸出電極端N與接地端之間的靜態電流路徑。為了避免當電晶體Q5關閉時PMOS電晶體Q1的閘極G1的浮動，電阻器41的存在可使PMOS電晶體Q1的閘-源極電壓VGS1幾乎等於0V，使PMOS電晶體Q1能維持關閉。
當輸入電極端P的電壓VP開始上升時，一旦節點N14上的電壓處於高電位，電晶體Q5則導通。之後，單向導通裝置1在順向偏壓狀態下能進行正常工作。
根據上述，開關電路40可根據輸入電極端P的電壓VP來決定是否阻斷可阻斷輸出電極端N與接地端之間的靜態電流路徑。輸入電極端P的電壓VP處於低電位或0V(單向導通裝置1處於逆向偏壓狀態)時，開關電路40可阻斷輸出電極端N與接地端之間的靜態電流路徑，藉此減少功率損失。
在第4圖的實施例中，電晶體Q5可以一NMOS電晶體來實施。在此例子中，NMOS電晶體的閘極(也稱為控制端)耦接節點N14，其汲極(也稱為輸入端)耦接電阻器101與102的第二端，且其源極(也稱為輸出端)耦接接地端。
第3圖的單向導通裝置3也可包括開關電路50與電阻器51，如第5圖所示，以阻斷在逆向偏壓狀態下輸出電極端N 與接地端之間的靜態電流路徑。開關電路50包括PNP型雙載子接面電晶體Q5_5以及電阻器500與501。開關電路50與電阻器51的電路架構與工作原理與第4圖所示的開關電路40與電阻器41類似。開關電路50與第4圖的開關電路40之間的差異在於以PNP型雙載子接面電晶體Q5_5來取代第4圖的NPN型雙載子接面電晶體Q5，即可得到第5圖的開關電路50。因此，關於開關電路50的操作可參閱上述關於第4圖的開關電路40的說明，在此省略敘述。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種單向導通裝置，包括；一第一電晶體，具有耦接一第一節點的控制端、耦接該單向導通裝置之一輸入電極端的輸入端、以及耦接該單向導通裝置之一輸出電極端的輸出端；一驅動電路，耦接該第一電晶體，包括：一第一開關電路，耦接該輸入電極端以及一第二節點；一第二電晶體，具有耦接一第三節點的基極、耦接該第二節點的射極、以及耦接該第三節點的集極；一第一電阻器，具有透過該第一開關電路耦接該第三節點的第一端、以及耦接一接地端的第二端；一第三電晶體，具有耦接該第三節點的基極、耦接該輸出電極端的射極、以及耦接該第一節點的集極；以及一第二電阻器，具有耦接該第一節點的第一端、以及耦接該接地端的第二端；其中，該第一開關電路根據該第一電阻器的第一端上的電壓與該第二節點上的電壓來決定是否阻斷該單向導通裝置的一逆向漏電流路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的單向導通裝置，其中，該第一開端電路包括： 一第四電晶體，具有耦接一第四節點的控制端、耦接該輸入電極端的輸入端、以及耦接該第二節點的輸出端；以及一第三電阻器，具有耦接於該第三節點的第一端、以及耦接該第四節點的第二端；其中，該第一電阻器的第一端耦接該第四節點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的單向導通裝置，其中，該驅動電路更包括：一第二開關電路，耦接於該等第一及第二電阻器的第二端與該接地端之間；其中，該第二開關電路偵測該輸入電極端的電壓，且根據該輸入電極端的電壓來決定是否阻斷該單向導通裝置的一靜態電流路徑。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的單向導通裝置，其中，該驅動電路更包括：一第四電阻器，耦接於該輸出電極端與該第二電阻器的第二端之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的單向導通裝置，其中，該第二開關電路包括：一第四電阻器，耦接於該輸入電極端與一第五節點之間；一第五電阻器，耦接於該第五節點與該接地端之間；以及 一第五電晶體，具有耦接該第五節點的控制端、耦接該等第一及第二電阻器的第二端的輸入端、以及耦接該接地端的輸出端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的單向導通裝置，其中，該第五電晶體為一N通道金氧半場效電晶體，且該N通道金氧半場效電晶體的閘極、汲極、與源極分別對應該第五電晶體的控制端、輸入端、與輸出端。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的單向導通裝置，其中，該第五電晶體為一NPN型雙載子接面電晶體，且該NPN型雙載子接面電晶體的基極、集極、與射極分別對應該第五電晶體的控制端、輸入端、與輸出端。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的單向導通裝置，其中，該第一電晶體為一P通道金氧半場效電晶體，且該第二電晶體與該第三電晶體為PNP型雙載子接面電晶體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的單向導通裝置，其中，該第一電晶體為一N通道金氧半場效電晶體，且該第二電晶體與該第三電晶體為NPN型雙載子接面電晶體。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的單向導通裝置，更包括：一第三電阻器，耦接於該輸入電極端與該第一開關電路之間。
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