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CN101098136A - 开关元件驱动电路及半导体装置 - Google Patents

开关元件驱动电路及半导体装置 Download PDF

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CN101098136A CN200710111850.9A CN200710111850A CN101098136A CN 101098136 A CN101098136 A CN 101098136A CN 200710111850 A CN200710111850 A CN 200710111850A CN 101098136 A CN101098136 A CN 101098136A
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Abstract

能进一步降低噪声产生的开关元件驱动电路。振荡控制电路(11)产生对振荡电路(12)中的振荡信号的振荡频率进行调制的调制信号，并输出到振荡电路(12)。作为调制信号，优选振荡信号的周期根据调制信号依次变动的信号，例如三角波信号、正弦波信号、锯齿波信号、随机信号、模拟随机信号的任一种，或这些信号的组合信号。振荡电路(12)例如由环形振荡器构成，环形振荡器的电源电压或者电源电流被控制为根据由振荡控制电路(11)输出的调制信号依次变动。电荷泵电路(13)的缓冲器(14)根据振荡信号产生驱动信号(/Φ、Φ)，并对电容(C1、C2)进行驱动，从而在N沟道型MOSFET(Q1)的栅极上施加高于电源(Vcc)的电位。

Description

开关元件驱动电路及半导体装置
技术领域
本发明涉及一种开关元件驱动电路及半导体装置，特别涉及高端开关的驱动电路及半导体装置。
背景技术
一般而言，在汽车等车辆中，由于车体(底盘)为GND电位，因此灯或电动机等负载常被设置在低端(low-side)侧。因此，负载大多使用连接在开关与GND之间的高端开关，为了达到低开态电阻、低成本，作为开关元件大多使用源极跟随器工作的N沟道型MOSFET。
驱动由源极跟随器工作的N沟道型MOSFET构成的高端开关时，需要施加比电源电压高的栅极电压。因此，需要设置对电源电压进行升压的升压电路。作为升压电路中的代表性电路，公知有电荷泵电路。在电荷泵电路中，为了接收充电到电容器上的电荷而设置振荡电路。
但在一般情况下，在电子设备装置中，需要减轻外来噪声的混入。例如，在作为车载用装置的无线电接收器等中，产生对AM波段(531～1602kHz)的播放或道路交通信息(1620kHz)等侵入噪声的问题。
因此需要制作减轻外来噪声混入的系统。例如，在专利文献1中公开了降低从电荷泵电路产生的噪声的车辆用发电控制装置。该车辆用发电控制装置降低用于在预定条件下驱动电荷泵电路的振荡信号的频率。在这里，预定条件是指如下情况：磁场电流检测电路检测出的磁场电流在预定的磁场电流阈值以下时；导通时间检测电路检测出的开关元件的导通时间在预定的导通时间阈值以下时；以及感应电压检测电路检测出的定子线圈的感应电压的大小在预定的感应电压阈值以下时。此外，公开了振荡信号为800kHz的矩形波、降低的频率为400kHz的例子。
专利文献1：日本专利特开2005-312247号公报(图1)
在专利文献1所述的车辆用发电控制装置中，降低用于驱动电荷泵电路的振荡信号的频率，从而减轻噪声的产生。若降低的频率例如为400kHz，则不会直接混入AM波段的播放。然而，振荡信号是周期固定的连续的矩形波，因此在基波之外还存在成为高次谐波的线谱。该高次谐波成分虽然其电平下降，但混入AM波段的播放等的情况不会有改变。因此，在现有的装置中，仍然存在产生噪声的问题。
发明内容
本发明的一个方式涉及的开关元件驱动电路包括：电荷泵电路，产生施加到开关元件的控制端上的电压；振荡电路，将使电荷泵电路工作的驱动信号输出到电荷泵电路；以及振荡控制电路，控制振荡电路，使驱动信号的周期依次变动。
根据本发明，以用于驱动电荷泵电路的振荡信号的频率变动的方式进行控制，因此从开关元件驱动电路产生的噪声信号中不含有能量集中的线谱。因此可以进一步降低影响其他电子设备的噪声的产生。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式涉及的开关元件驱动电路的结构的框图。
图2是表示本发明的第1实施例涉及的半导体装置的结构的框图。
图3是表示将图2所示的半导体装置用作车载用的高端开关装置时的结构例的框图。
图4是本发明的第2实施例涉及的开关元件驱动电路的电路图。
图5是表示本发明的第2实施例涉及的开关元件驱动电路的输出频率特性的图。
图6是表示现有的开关元件驱动电路的输出频率特性的图。
图7是本发明的第3实施例涉及的开关元件驱动电路的电路图。
图8是本发明的第4实施例涉及的开关元件驱动电路的电路图。
具体实施方式
图1是表示本发明的实施方式涉及的开关元件驱动电路的结构的框图。在图1中，开关元件驱动电路包括振荡控制电路11、振荡电路12、以及电荷泵电路13，对作为高端开关起作用的N沟道型MOSFETQ1的栅极端进行驱动。
振荡控制电路11产生对振荡电路12中的振荡信号的振荡频率进行调制的调制信号，并输出到振荡电路12。作为调制信号，优选将振荡信号的周期控制为根据调制信号依次变动(不保持恒定)。特别优选调制信号的振幅分布在一定范围内并变动的信号，例如优选三角波信号、正弦波信号、锯齿波信号、随机信号、模拟随机信号的任一种，或这些信号的组合信号。
振荡电路12例如由将反相电路多级连接的环形振荡器构成，该多级连接的反相电路的一部分或全部电源电压或者电源电流被控制为根据由振荡控制电路11输出的调制信号依次变动。此外，使电荷泵电路13工作的驱动信号的产生由控制信号Ct来控制，周期依次变动的驱动信号被输出到电荷泵电路13。
电荷泵电路13具有二极管D1、D2、D3；电容器C1、C2；以及缓冲器14。二极管D1、D2、D3从电源Vcc向N沟道型MOSFETQ1的栅极端的方向分别正向级联连接。电容器C1连接在二极管D1、D2的连接点与缓冲器14之间，电容器C2连接在二极管D2、D3的连接点与缓冲器14之间。缓冲器14由振荡电路12输出的驱动信号生成相互反相位的信号/Φ、Φ，并根据信号/Φ、Φ分别驱动电容器C1、C2。经由二极管D1、D2、D3而被充电的电容器C1、C2的充电电压，根据信号/Φ、Φ依次升压，被施加到N沟道型MOSFET Q1的栅极端上。N沟道型MOSFET Q1的栅极电位高于电源Vcc的电位，N沟道型MOSFET Q1导通，电源Vcc的电压从输出OUT输出。
在上述结构的开关元件驱动电路中，用于驱动电荷泵电路13的振荡信号的周期被控制为根据调制信号而依次变动。因此，在振荡电路12中的振荡信号中，不含有成为基波及高次谐波的线谱，可以进一步降低影响其他电子设备的噪声的产生。
实施例1
图2是表示本发明的第1实施例涉及的半导体装置的结构的框图。在图2中，半导体装置除了图1所示的开关元件驱动电路10之外，还内置有输入电路21、过温度检测电路22、过电流检测电路23、逻辑电路24、以及异常诊断输出电路25等，作为高端开关驱动用半导体装置起作用。输入电路21对施加在输入端IN上的、控制开关元件驱动电路10的动作停止的信号进行电平变换，并输出到逻辑电路24。过温度检测电路22对半导体装置的过高的温度进行检测。过电流检测电路23对N沟道型MOSFET Q1的过电流进行检测。逻辑电路24根据输入电路21、过温度检测电路22、以及过电流检测电路23的输出，输出控制开关元件驱动电路10的动作停止的控制信号Ct，并且将由过温度或过电流引起的异常诊断信息输出到异常诊断输出电路25。异常诊断输出电路25将异常诊断信息从端口DIAG输出到外部。
上述结构的半导体装置也可以构成为作为单块芯片的半导体装置26。进而含有N沟道型MOSFET Q1，从而作为多芯片结构或单块芯片结构的半导体装置30。N沟道型MOSFET Q1在电源端Vcc上连接漏极，在与负载连接的输出端OUT上连接源极，并根据与栅极连接的开关元件驱动电路10来控制导通/截止。
图3是表示将图2所示的半导体装置30用作车载用的高端开关装置时的结构例的框图。在图3中，半导体装置30a、30b与图2所示的半导体装置30相同，在电池31与灯或电动机等负载32之间级联连接。半导体装置30a通常为导通，为了故障保护用而备用。此外，半导体装置30b由微处理器33来控制导通/截止。微处理器33对半导体装置30b的端口DIAG的信号进行监视，在输出异常诊断信息时，向输入端IN发送信号，使半导体装置30b处于截止状态。
根据上述结构的高端开关装置，在由半导体装置30a、30b产生的噪声成分中不含有线谱。因此，在搭载有这种高端开关装置的车辆中，例如对无线电接收器等的AM波段的播放或道路交通信息等的噪声的影响减轻。
实施例2
图4是本发明的第2实施例涉及的开关元件驱动电路的电路图。在图4中，开关元件驱动电路包括三角波产生电路11a、电压控制振荡电路12a、电荷泵电路13a、反相器INV 10、以及N沟道型MOSFET Q2。三角波产生电路11a生成三角波信号，该三角波信号用于对电压控制振荡电路12a进行控制，使得由电压控制振荡电路12a产生的驱动信号的周期依次变动。电压控制振荡电路12a是使电荷泵电路13a工作的驱动信号的产生停止由控制信号Ct来控制的环形振荡器，并将产生的驱动信号输出到电荷泵电路13a。电荷泵电路13a产生施加到作为高端开关起作用的N沟道型MOSFET Q1的栅极端上的电压。
首先对三角波产生电路11a进行说明。三角波产生电路11a具有电压比较电路CMP；电流源I11、I12；反相电路INV 11；P沟道型MOSFET Q11；N沟道型MOSFET Q12、电阻R11、R12、R13、R14；以及电容C11。电压比较电路CMP的输出端与P沟道型MOSFET Q11、N沟道型MOSFET Q12各自的栅极以及反相电路INV 11的输入端连接。P沟道型MOSFET Q11的源极和电阻R 11的一端一并与电源Vcc连接，P沟道型MOSFET Q11的漏极和电阻R11的另一端一并与电阻R12的一端连接。N沟道型MOSFET Q12的源极和电阻R14的一端共同接地，N沟道型MOSFET Q12的漏极和电阻R14的另一端一并与电阻R13的一端连接。电阻R12、R13的另一端之间共同与电压比较电路CMP的反转输入端(-)连接。反相电路INV 11的电源侧由电流源I11驱动，接地侧由电流源I12驱动。反相电路INV 11的输出端与另一端接地的电容C11的一端及电压比较电路CMP的非反转输入端(+)连接。
在上述结构的三角波产生电路11a中，设电压比较电路CMP的输出端的电位v2处于高电平。此时，P沟道型MOSFET Q11截止，N沟道型MOSFET Q12导通，电压比较电路CMP的反转输入端(-)的电位v1变成以R13的电阻值与电阻R11、R12、R13的电阻值的和之比将电源Vcc的电位分割的低电位。另一方面，反相电路INV 11的输入端处于电位v2，处于高电平，因此电容C11的充电电荷经由电流源I12被放电，电容C11的电位v0向接地电位直线下降。
而且，若电位v0低于v1，则电压比较电路CMP的输出端的电位v2反转为低电平。此时，P沟道型MOSFET Q11导通，N沟道型MOSFET Q12截止，电压比较电路CMP的反转输入端(-)的电位v1变成以电阻R13、R14的电阻值的和与电阻R12、R13、R14的电阻值的和之比将电源Vcc的电位分割的高电位。另一方面，反相电路INV 11的输入端处于低电平，因此电容C11的充电电荷经由电流源I11被充电，电容C11的电位v0向电源电位直线上升。若电位v0超过电位v1，则电压比较电路CMP的输出端的电位v2反转为高电平，返回最初说明的状态。
三角波产生电路11a的动作如上所述，将具有三角波状变动的电位v0的信号输出到电压控制振荡电路12a。另外，若将电流源I11、I12的一个短路，则电容C11的充电或放电变得急剧，电位v0锯齿波状变动。
接下来，对电压控制振荡电路12a进行说明。电压控制振荡电路12a具有AND电路AND 1；反相电路INV 21、INV 22；P沟道型MOSFETQ21、Q22、Q23、Q24；N沟道型MOSFET Q25、Q26；电阻R21；以及电容C21。P沟道型MOSFET Q21的漏极接地，栅极与反相电路INV11的输出端连接，源极经由电阻R21与P沟道型MOSFET Q22、Q23、Q24的栅极以及P沟道型MOSFET Q22的漏极连接。P沟道型MOSFETQ22、Q23、Q24的源极与电源Vcc连接。P沟道型MOSFET Q23的漏极与N沟道型MOSFET Q25、Q26的栅极以及N沟道型MOSFET Q25的漏极连接。N沟道型MOSFET Q25、Q26的源极接地。P沟道型MOSFET Q24的漏极与反相电路INV 22的电源侧连接，N沟道型MOSFET Q26的漏极与反相电路INV 22的接地侧连接。
此外，在AND电路AND 1的一侧输入端上施加有控制信号Ct，另一侧输入端与反相电路INV 22的输出端连接。AND电路AND 1的输出端与反相电路INV 21的输入端连接，反相电路INV 21的输出端与反相电路INV 22的输入端、一端与反相电路INV 22的输出端连接的电容C21的另一端、以及电荷泵电路13a连接。
在这种结构的电压控制振荡电路12a中，AND电路AND 1、反相电路INV 21、INV 22构成由控制信号Ct控制振荡停止的(控制信号Ct为高电平时振荡，为低电平时停止)环形计数器。电容C21确定环形计数器的振荡频率。此外，P沟道型MOSFET Q22、Q23、Q24构成电流反射镜，由作为源极跟随器而工作的P沟道型MOSFET Q21的输出电压确定电流。进而，N沟道型MOSFET Q25、Q26构成电流反射镜，该电流由流过P沟道型MOSFET Q23的电流确定。根据流过P沟道型MOSFET Q24和N沟道型MOSFET Q26的电流，控制反相电路INV 22的转换速度。由此，控制环形计数器的振荡频率。即，从反相电路INV 21输出的信号S0根据三角波状变动的电位v0来调制，被控制为信号S0的周期以三角波状依次变动。
此外，电荷泵电路13a具有二极管D1、D2、D3；电容C1、C2；反相电路INV 1、INV 2、INV 3，与图1的电荷泵电路13相同，因此省略具体说明。反相电路INV 1、INV 2、INV 3相当于图1的缓冲器14。信号S0经由反相电路INV 1被反转，作为信号/Φ对电容C1的一端进行驱动。此外，信号S0经由反相电路INV 2、INV 3变为信号Φ，对电容C2的一端进行驱动。通过电荷泵电路13a升压的电压施加到N沟道型MOSFET Q1的栅极上。
进而，反相电路INV 10对控制信号Ct进行反转，并施加在N沟道型MOSFET Q2的栅极上。N沟道型MOSFET Q2的源极接地，漏极与N沟道型MOSFET Q1的栅极连接。在控制信号Ct为高电平时，电压控制振荡电路12a进行振荡动作，并且N沟道型MOSFET Q2截止。在控制信号Ct为低电平时，电压控制振荡电路12a停止振荡，并且N沟道型MOSFET Q2导通，N沟道型MOSFET Q1截止，电源Vcc的电压不输出到输出端OUT上。
接下来，对这种结构的开关元件驱动电路的输出频率特性进行说明。图5、图6表示电压控制振荡电路12a的振荡频率的中心为2.25MHz时开关元件驱动电路的输出频谱。图5表示三角波产生电路11a振荡100kHz的三角波信号，并由此调制电压控制振荡电路12a的输出信号时的输出频谱。图6相当于现有的开关元件驱动电路的输出频率特性，表示三角波产生电路11a停止振荡，电压控制振荡电路12a的输出信号以一定周期的矩形波信号振荡时的输出频谱。在图5中，不存在如图6所示的2.25MHz和其高次谐波中的成为大功率的线谱，可以观测到功率低且平坦的波谱。
这样，根据本实施例的开关元件驱动电路，在振荡信号中不含成为基波及高次谐波的线谱，可以进一步降低影响其他电子设备的噪声的产生。
实施例3
图7是本发明的第3实施例涉及的开关元件驱动电路的电路图。在图7中，与图4相同的标号表示同一元件，因此省略其说明。电压控制振荡电路12b具有P沟道型MOSFET Q21a，以此代替图4的电压控制振荡电路12a中的P沟道型MOSFET Q21。P沟道型MOSFET Q21a的源极与电阻R21的一端和N沟道型MOSFET Q25、Q26的源极连接。N沟道型MOSFET Q25、Q26的源极的电位随着由三角波产生电路11a产生的、三角波状变动的电位v0变动，并且控制反相电路INV 22的转换速度。由此，与实施例2相同地控制环形计数器的振荡频率。
实施例4
图8是本发明的第4实施例涉及的开关元件驱动电路的电路图。在图8中，与图4相同的标号表示同一元件，因此省略其说明。电压控制振荡电路12c不使用图4的电压控制振荡电路12a中的P沟道型MOSFET Q21、Q22、Q23、Q24；N沟道型MOSFET Q25、Q26；电阻R21，而具有P沟道型MOSFET Q27；N沟道型MOSFET Q25a、Q26a；电阻R22。N沟道型MOSFET Q27的漏极与电源Vcc连接，栅极与反相电路INV 11的输出端连接，源极经由电阻R22与N沟道型MOSFETQ25a、Q26a的栅极以及N沟道型MOSFET Q25a的漏极连接。N沟道型MOSFET Q25a、Q26a的源极接地。N沟道型MOSFET Q26a的漏极与AND电路AND 1、反相电路INV 21、INV 22的接地侧连接。
在这种结构的电压控制振荡电路12c中，N沟道型MOSFET Q27的源极的电位随着由三角波产生电路11a产生的、具有三角波状变动的电位v0的信号变动。由此，N沟道型MOSFET Q26a的漏极电流、即AND电路AND1、反相电路INV 21、INV 22的电源电流产生变动。因此，由AND电路AND1、反相电路INV 21、INV 22构成的环形计数器的振荡频率以三角波状变动。另外，在电压控制振荡电路12c中，虽然没有图4的电压控制振荡电路12a中的电容C21，但通过对具有开关元件驱动电路的半导体装置的制造工序进行适当设定，例如可以使环形计数器以数MHz的振荡频率振荡。

Claims (7)

1.一种开关元件驱动电路，其特征在于，包括：
电荷泵电路，产生施加到开关元件的控制端上的电压；
振荡电路，将使上述电荷泵电路工作的驱动信号输出到上述电荷泵电路；以及
振荡控制电路，控制上述振荡电路，使上述驱动信号的周期依次变动。
2.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于：
上述振荡控制电路产生对上述振荡电路中的振荡频率进行调制的调制信号，将其输出到上述振荡电路。
3.根据权利要求2所述的开关元件驱动电路，其特征在于：
上述振荡控制电路产生三角波信号、正弦波信号、锯齿波信号、随机信号、模拟随机信号的任一种，或上述信号的组合信号，作为上述调制信号。
4.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于：
上述振荡电路由将反相电路多级连接而成的环形振荡器构成，该多级连接的反相电路的一部分或全部电源电压或者电源电流被控制为根据上述振荡控制电路而变动。
5.一种半导体装置，其特征在于：
包括权利要求1～4中任一项所述的开关元件驱动电路。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于：
还包括上述开关元件。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于：
上述开关元件由作为高端开关起作用的NMOS晶体管构成。
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