TW202349878A

TW202349878A - 開關電路

Info

Publication number: TW202349878A
Application number: TW111120667A
Authority: TW
Inventors: 木村宏之
Original assignee: 大陸商上海韋爾半導體股份有限公司
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2023-12-16

Abstract

本發明之開關電路包含：p通道傳輸電晶體，其源極連接於電源，汲極連接於負載；及閘極驅動電路，其連接於上述傳輸電晶體之閘極；閘極驅動電路包含：第1電晶體，其藉由接通/斷開信號之接通而流通第1電流；及放大器，其負輸入端被輸入與上述第1電流相對應之基準電壓，正輸入端被輸入上述閘極之閘極電壓，以上述閘極電壓與上述基準電壓一致之方式，藉由來自輸出端之輸出而控制來自上述閘極之閘極電流，且可設定上述輸出之最大電流。藉由根據上述傳輸電晶體之閘極電容設定上述最大電流，而設定從上述接通/斷開信號之接通至上述傳輸電晶體之接通為止之軟接通時間。

Description

開關電路

本發明係關於一種使用配置於電源與負載之間之p通道傳輸電晶體之開關電路。

先前，作為控制從電源到負載之電流之開關電路，已知有使用MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金屬氧化物半導體場效電晶體)之傳輸電晶體之開關電路。

此處，若於負載之電源側配置n通道傳輸電晶體，則需要比電源電壓更高之電壓來確保傳輸電晶體之接通斷開。因此，需要電荷泵等而導致構成變得複雜。

因此，於電源側配置傳輸電晶體之情形時，較佳為使用p通道MOSFET(n通道)。

又，若傳輸電晶體突然接通，則會產生朝向負載之衝擊電流，因此，需要緩緩地接通(軟接通)，且需要恰當之電路用來進行軟接通。

本發明之開關電路包含： p通道傳輸電晶體，其源極連接於電源，汲極連接於負載；及閘極驅動電路，其連接於上述傳輸電晶體之閘極；上述閘極驅動電路包含：第1電晶體，其藉由接通/斷開信號之接通而流通第1電流；及放大器，其負輸入端被輸入與上述第1電流相對應之基準電壓，正輸入端被輸入上述閘極之閘極電壓，以上述閘極電壓與上述基準電壓一致之方式，藉由來自輸出端之輸出而控制來自上述閘極之閘極電流，且可設定上述輸出之最大電流；藉由根據上述傳輸電晶體之閘極電容設定上述最大電流，而設定從上述接通/斷開信號之接通至上述傳輸電晶體之接通為止之軟接通時間。

根據本發明之開關電路，使用傳輸電晶體之閘極電容來防止衝擊電流之產生，從而實現軟起動。

以下，一面參照附圖，一面於下文中對本發明之實施方式進行說明。再者，以下之實施方式並不限定本發明，且將複數個示例選擇性組合而成之構成亦包含於本發明中。

「整體構成」圖1係表示本實施方式之開關電路之整體構成之電路圖。根據接通/斷開信號ON/OFF，將傳輸電晶體M12接通斷開，以此控制向負載RL之電力供給。

於電源Vin(電源電壓＝Vin)連接p通道傳輸電晶體M12之源極，於傳輸電晶體M12之汲極連接負載RL之一端，負載RL之另一端連接於接地gnd。因此，藉由將傳輸電晶體M12接通，來自電源Vin之電流會流經負載RL。再者，傳輸電晶體M12係p通道MOSFET，汲極為輸出端Vout。

本實施方式中，作為控制傳輸電晶體M12之電路，有閘極驅動電路10及監視電路20。

＜閘極驅動電路10＞首先，對閘極驅動電路10進行說明。於電源Vin連接電阻R1之一端，於電阻R1之另一端，經由電流源CS1而連接有作為第1電晶體之n通道電晶體M1之汲極。又，電晶體M1之源極連接於接地gnd。電流源CS1流通定電流i1。因此，當電晶體M1接通時，電阻R1、電晶體M1中流通電流i1。再者，將電流i1稱作第1電流。

對電晶體M1之閘極供給接通/斷開信號ON/OFF，根據接通/斷開信號ON/OFF進行接通/斷開。

於電源Vin連接p通道電晶體M3之源極，於電晶體M3之汲極，經由電流源CS2而連接有作為第2電晶體之n通道電晶體M2之汲極。又，電晶體M2之源極連接於接地gnd。

電流源CS2流通作為第2電流之電流i2。因此，若電晶體M2接通，則電晶體M3、電晶體M2中亦流通電流i2。對電晶體M2之閘極，經由反相器inv1而供給接通/斷開信號ON/OFF，藉由接通/斷開信號ON/OFF之反相信號進行接通/斷開。

因此，當接通/斷開信號ON/OFF接通(H位準)時，電晶體M1接通，電晶體M2斷開，當接通/斷開信號ON/OFF斷開(L位準)時，電晶體M1斷開，電晶體M2接通。

電晶體M3之閘極汲極間短路，其閘極連接於p通道電晶體M4之閘極，該p通道電晶體M4之源極連接於電源Vin。因此，電晶體M3與電晶體M4構成電流鏡。此處，電晶體M3與電晶體M4之面積比為1：m，電晶體M4中流通電晶體M3之電流i2之m倍即電流m＊i2。

電晶體M4之汲極輸入至gm放大器A1之正輸入端ip，並且連接於傳輸電晶體M12之閘極。gm放大器A1之負輸入端in被輸入電阻R1與電流源CS1之連接點之電壓vref。因此，gm放大器A1以正輸入端ip之電壓即傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg成為電壓vref之方式動作。再者，將電壓vref稱作基準電壓。

於gm放大器A1之輸出端連接n通道電晶體M5之汲極，電晶體M5之源極連接於接地gnd。電晶體M5之閘極汲極間短路，其閘極連接於n通道電晶體M6之閘極，該n通道電晶體M6之源極連接於接地gnd。因此，電晶體M5與電晶體M6構成電流鏡。電晶體M6之汲極連接於gm放大器A1之正輸入端及傳輸電晶體M12之閘極。進而，上述電晶體M6之汲極與gm放大器A1之正輸入端及傳輸電晶體M12之閘極之連接點經由電阻R2而連接於電源Vin。因此，傳輸電晶體M12之閘極在未被控制閘極電流之情形時，上升為Vin。又，電晶體M5與電晶體M6之面積比為1：n，電晶體M6中流通之電流係電晶體M5中所流通之電流之n倍。

此處，gm放大器A1之輸出電流流經電晶體M5，其n倍之電流流經電晶體M6，由此，從傳輸電晶體M12之閘極抽出電荷，使得正輸入端ip之電壓下降。因此，當正輸入端ip之電壓高於vref時，輸出電流變大，但gm放大器A1之輸出電流之最大值(＝飽和電流)被定為電流imax。再者，將電流imax稱作最大電流。又，該例中，電壓vref對應於傳輸電晶體M12全接通之閘極電壓Vg而設定。

因此，當接通/斷開信號ON/OFF接通，流通電流i1，傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg充分高於電壓vref時，gm放大器A1輸出電流imax。因此，從傳輸電晶體M12之閘極經由電晶體M6抽出閘極電流ig＝n＊imax。

另一方面，若接通/斷開信號ON/OFF斷開，電晶體M3中流通電流i2，傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg低於電源電壓Vin，則電流i2流經電晶體M3。因此，經由電晶體M4向傳輸電晶體M12之閘極供給閘極電流ig＝m＊i2。

＜監視電路20＞繼而，對監視電路20進行說明。對第1監視電路進行說明。於構成電流鏡之電晶體M5、M6之閘極共通連接n通道電晶體M7之閘極，該電晶體M7之源極連接於接地gnd。電晶體M7之面積與電晶體M5相同，電晶體M7中流通電流imax。

電晶體M7之汲極經由電流源CS3連接於電源Vin。並且，電流源CS3與電晶體M7之汲極之連接點之電壓經由反相器inv2而作為信號g_charge輸出。電流i3設定為小於電流imax(imax＞i3)，於流通有電流imax之情形時，反相器inv2之輸出即信號g_charge成為L位準，於未流通電流imax之情形時，信號g_charge成為H位準。

對第2監視電路進行說明。於傳輸電晶體M12之閘極連接n通道電晶體M8之汲極。於電晶體M8之閘極連接n通道電晶體M9之閘極，該等閘極設定為電壓vb。該電壓vb係稍高於電晶體M8、M9之閾值電壓之電壓。又，電晶體M8、M9之源極彼此連接。並且，電晶體M9之汲極經由電流源CS4連接於電源Vin，電晶體M9之汲極與電流源CS4之連接點之電壓經由反相器inv3而作為信號vg0v輸出。

如上所述，電壓vb設定為稍高於電晶體M8、M9之閾值電壓之電壓。因此，通常而言，電晶體M8、M9中不流通電流，信號vg0v為L位準。

另一方面，當接通/斷開信號ON/OFF接通，Vin＜i1＊R1時，想要電晶體M12成為全接通，閘極電壓Vg需為大致gnd位準(該例中為0 V)。此情形時，當經由電晶體M9、M8流通電流且電流量大於電流i4時，信號vg0v成為H位準。

對第3監視電路進行說明。源極連接於電源Vin之p通道電晶體M10之汲極經由電流源CS5而連接於接地gnd。電晶體M10之汲極與電流源CS5之連接點之電壓經由反相器inv4而作為信號gate_off輸出。傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg相比電源Vin低既定值，當傳輸電晶體M12接通時，電晶體M11、M10中流通電流，信號gate_off成為L位準。即，藉由將電阻R3設為由電晶體M12之閘極之閾值電壓與電晶體M11之閾值電壓之電位差和電流i5之比所定義之值，電晶體M12在所期望之閾值電壓以下斷開，從而使信號gate_off成為L位準。

「驅動動作」圖2係表示Vin＞i1＊R1時之各部分之狀態之時序圖。首先，若接通/斷開信號ON/OFF斷開(L位準)，則電晶體M1斷開，電晶體M2接通。此情形時，電壓vref＝Vin、Vg＝Vin，閘極電流ig＝0。又，電晶體M7之電流為0，信號g_charge為L位準，電晶體M9中無電流，信號vg0v為L位準，電晶體M10中無電流，信號gate_off為H位準。

該狀態下，若接通/斷開信號ON/OFF接通(H位準)，則電晶體M1接通，流通電流i1，電壓vref＝Vin-i1＊R1。並且，該電壓vref被輸入至gm放大器A1之負輸入端。gm放大器A1之正輸入端之電壓為Vin，gm放大器A1之輸出中流通電流imax。因此，電晶體M6中流通imax＊n之電流，此電流從傳輸電晶體M12之閘極被抽出。

此處，於傳輸電晶體M12之閘極具有閘極電容。傳輸電晶體M12係向負載RL供給電流之電晶體，具有相對較大之閘極電容Cg。於接通/斷開信號ON/OFF斷開之階段，閘極電壓為Vin，被充電至閘極之電荷為Cg＊Vin。並且，從gm放大器A1輸出imax，電晶體M6中流通電流imax＊n，該電流從傳輸電晶體M12之閘極被抽出(ig＝imax＊n)。並且，閘極電壓從Vin下降至vref。此處，Vin－vref＝i1＊R1，閘極電壓從Vin變為vref所需之軟接通時間ton如下所示。 ton＝Cg＊i1＊R1/(imax＊n)

再者，傳輸電晶體M12之閘極源極間電壓Vgs之最大值為i1＊R1。又，亦可於閘極源極間另外並列連接電容器，以調整閘極源極間之電容。

並且，於閘極電壓Vg＝vref＝Vin－i1＊R1之狀態下，傳輸電晶體M12全接通，對負載RL供給電流。

此處，若Vgs＜i1＊R1，則gm放大器A1之輸出電流為imax，電晶體M7之電流大於電流i3。因此，藉由於電晶體M6中流通閘極電流ig＝imax＊n，而信號g_charge成為H位準。進而，於已變為Vg＝vref之階段，gm放大器A1之輸出電流成為0，因此，信號g_charge成為L位準。即，從傳輸電晶體M12之閘極抽出閘極電流，傳輸電晶體M12從斷開轉變為接通之時間、即軟接通時間內，成為H位準。

該例之條件為，電阻R1中之電壓下降i1＊R1小於電源Vin(Vin＞i1＊R1)。因此，電晶體M9、M8之電流不會大於電流i4，信號vg0v保持L位準。

又，若接通/斷開信號ON/OFF接通，流通傳輸電晶體M12之閘極電流ig，閘極電壓Vg開始下降，則電晶體M11中開始流通電流。因存在電阻R3，因此該電流為相對較小之電流，相對於閘極電流ig而言可忽視。再者，電晶體M11中流通之電流未必設為非常小之電流，該情形時，只要考慮電流imax之電流量即可。並且，若電晶體M11中流通電流，則電晶體M10中流通電流，藉由將該電流量設定為大於電流i5，而信號gate_off成為L位準。

繼而，若接通/斷開信號ON/OFF斷開，則電晶體M1斷開，電晶體M2、M3中流通電流i2，電晶體M4中流通電流m＊i2。並且，該電流m＊i2被供給至傳輸電晶體M12之閘極(ig＝m＊i2)，傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg開始上升。即，閘極電容Cg被放電，直至閘極電壓成為Vin為止。因此，閘極電壓從vref變為Vin所需之軟斷開時間toff如下所示。 toff＝Cg＊i1＊R1/(i2＊m)

又，伴隨著接通/斷開信號ON/OFF斷開，傳輸電晶體M12之閘極電壓上升，由此，電晶體M11之電流減少，信號gate_off成為H位準。再者，該例中，將構成電流鏡之電晶體M10、11之面積比率設為1：1，但並不限定於此。

圖3係表示Vin＜i1＊R1時之各部分之狀態之時序圖。對應於接通/斷開信號之接通，電壓vref、傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg成為Vin－i1＊R1，但大致為0 V。又，對應於接通/斷開信號之斷開，電壓vref、傳輸電晶體M12之閘極電壓Vg恢復為Vin。閘極電流ig、信號g_charge、gate_off之行為亦與圖2之情況相同。

此處，藉由將接通/斷開信號ON/OFF接通，電晶體M7中流通電流imax，由此，信號g_charge成為H位準。並且，藉由傳輸電晶體M12之全接通，電流imax成為0。但是，於Vin充分低於i1＊R1(Vin＜i1＊R1)之情形時，即便閘極電壓Vg下降至0 V附近，電晶體M12仍不會達到全接通狀態。因此，表示充電過程中之g_charge保持H狀態。其原因在於，放大器A1將目標vref與Vg進行比較，當Vin接近i1＊R1時，根據各元件(M1、CS1、A1、M6)之gnd位準(該例中為0 V)附近之動作區域之界限，g_charge之判定變得不固定，圖3中，用複數條斜線表示該不固定狀態。

例如，電晶體M12之閘極電壓Vg固定為gnd位準，電晶體M12中不流通電流，但亦可取而代之，向電晶體M6流通電流。其原因在於，放大器A1之輸出電流不充分，輸出大致電流imax。並且，藉由輸出電流imax，電晶體M9、M8中流通電流，信號vg0v成為H位準。

若接通/斷開信號ON/OFF斷開，則電晶體M6斷開，電晶體M8、M9之電流無處可去，使得電晶體M9之汲極電壓上升，信號vg0v恢復為L位準。

本實施方式中，具有信號vg0v。因此，藉由另一端被輸入信號vg0v之及閘(and gate)來限制信號g_charge，從而可防止信號g_charge中錯誤之H位準之輸出。

10:閘極驅動電路 20:監視電路 A1:gm放大器 CS1～CS5:電流源 gate_off:信號 gnd:接地 g_charge:信號 i1～i4:電流 ig:閘極電流 imax:電流 imax＊n:電流 ip:正輸入端 Inv1～Inv4:反相器 m＊i2:電流 M1:n通道電晶體 M2:n通道電晶體 M3:p通道電晶體 M4:p通道電晶體 M5:n通道電晶體 M6:n通道電晶體 M7:n通道電晶體 M8:n通道電晶體 M9:n通道電晶體 M10:p通道電晶體 M11:電晶體 M12:傳輸電晶體 ON/OFF:接通/斷開信號 Vb:電壓 Vg:閘極電壓 vg0v:信號 Vin:電源 R1～R3:電阻 ton:軟接通時間 toff:軟斷開時間

圖1係表示本實施方式之開關電路之整體構成之電路圖。圖2係表示Vin＞i1＊R1時之各部分之狀態之時序圖。圖3係表示Vin＜i1＊R1時之各部分之狀態之時序圖。

10:閘極驅動電路

20:監視電路

A1:gm放大器

CS1~CS5:電流源

gate_off:信號

gnd:接地

g_charge:信號

i1~i4:電流

ig:閘極電流

imax:電流

ip:正輸入端

Inv1~Inv4:反相器

M1:n通道電晶體

M2:n通道電晶體

M3:p通道電晶體

M4:p通道電晶體

M5:n通道電晶體

M6:n通道電晶體

M7:n通道電晶體

M8:n通道電晶體

M9:n通道電晶體

M10:p通道電晶體

M11:電晶體

M12:傳輸電晶體

ON/OFF:接通/斷開信號

Vb:電壓

Vg:閘極電壓

vg0v:信號

Vin:電源

R1~R3:電阻

Claims

一種開關電路，其包含： p通道傳輸電晶體，其源極連接於電源，汲極連接於負載；及閘極驅動電路，其連接於上述傳輸電晶體之閘極；上述閘極驅動電路包含：第1電晶體，其藉由接通/斷開信號之接通而流通第1電流；及放大器，其負輸入端被輸入與上述第1電流相對應之基準電壓，正輸入端被輸入上述閘極之閘極電壓，以上述閘極電壓與上述基準電壓一致之方式，藉由來自輸出端之輸出而控制來自上述閘極之閘極電流，且可設定上述輸出之最大電流；藉由根據上述傳輸電晶體之閘極電容設定上述最大電流，而設定從上述接通/斷開信號之接通至上述傳輸電晶體之接通為止之軟接通時間。
如請求項1之開關電路，其進而包含：第2電晶體，其藉由接通/斷開信號之斷開而流通第2電流；且藉由將與上述第2電流相對應之電流向上述閘極流通閘極電流，而設定從上述接通/斷開信號之斷開時至上述傳輸電晶體之斷開為止之軟斷開時間。
如請求項1之開關電路，其進而包含：第1監視電路，其包含流通與上述最大電流相對應之電流的電流鏡，藉由上述電流鏡之電流而輸出有關上述軟接通時間之信號。
如請求項1之開關電路，其進而包含：第2監視電路，其於上述傳輸電晶體全接通時而上述閘極電壓為大致0 V之情形時，輸出信號。
如請求項1之開關電路，其進而包含：第3監視電路，其於上述傳輸電晶體之閘極源極間電壓小於既定值之情形時，輸出信號。