開關元件驅動電路及半導體裝置的製作方法

2023-10-04 03:50:59 3

專利名稱：開關元件驅動電路及半導體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關元件驅動電路及半導體裝置，特別涉及高端 開關的驅動電路及半導體裝置。
背景技術：
一般而言，在汽車等車輛中，由於車體(底盤)為GND電位，因 此燈或電動機等負載常被設置在低端(low-side)偵'」。因此，負載大多 使用連接在開關與GND之間的高端開關，為了達到低開態電阻、低成 本，作為開關元件大多使用源極跟隨器工作的N溝道型MOSFET。
驅動由源極跟隨器工作的N溝道型MOSFET構成的高端開關時， 需要施加比電源電壓高的柵極電壓。因此，需要設置對電源電壓進行 升壓的升壓電路。作為升壓電路中的代表性電路，公知有電荷泵電路。 在電荷泵電路中，為了接收充電到電容器上的電荷而設置振蕩電路。
但在一般情況下，在電子設備裝置中，需要減輕外來噪聲的混入。 例如，在作為車載用裝置的無線電接收器等中，產生對AM波段(531 1602kHz)的播放或道路交通信息(1620kHz)等侵入噪聲的問題。
因此需要製作減輕外來噪聲混入的系統。例如，在專利文獻1中 公開了降低從電荷泵電路產生的噪聲的車輛用發電控制裝置。該車輛 用發電控制裝置降低用於在預定條件下驅動電荷泵電路的振蕩信號的 頻率。在這裡，預定條件是指如下情況磁場電流檢測電路檢測出的 磁場電流在預定的磁場電流閾值以下時；導通時間檢測電路檢測出的 開關元件的導通時間在預定的導通時間閾值以下時；以及感應電壓檢 測電路檢測出的定子線圈的感應電壓的大小在預定的感應電壓閾值以
下時。此外，公開了振蕩信號為800kHz的矩形波、降低的頻率為400kHz 的例子。
專利文獻l:日本專利特開2005 — 312247號公報(圖l)
在專利文獻1所述的車輛用發電控制裝置中，降低用於驅動電荷 泵電路的振蕩信號的頻率，從而減輕噪聲的產生。若降低的頻率例如 為400kHz，則不會直接混入AM波段的播放。然而，振蕩信號是周期 固定的連續的矩形波，因此在基波之外還存在成為高次諧波的線譜。 該高次諧波成分雖然其電平下降，但混入AM波段的播放等的情況不 會有改變。因此，在現有的裝置中，仍然存在產生噪聲的問題。

發明內容
本發明的一個方式涉及的開關元件驅動電路包括電荷泵電路， 產生施加到開關元件的控制端上的電壓；振蕩電路，將使電荷泵電路 工作的驅動信號輸出到電荷泵電路；以及振蕩控制電路，控制振蕩電 路，使驅動信號的周期依次變動。
根據本發明，以用於驅動電荷泵電路的振蕩信號的頻率變動的方 式進行控制，因此從開關元件驅動電路產生的噪聲信號中不含有能量 集中的線譜。因此可以進一步降低影響其他電子設備的噪聲的產生。


圖1是表示本發明的實施方式涉及的開關元件驅動電路的結構的 框圖。
圖2是表示本發明的第1實施例涉及的半導體裝置的結構的框圖。 圖3是表示將圖2所示的半導體裝置用作車載用的高端開關裝置 時的結構例的框圖。
圖4是本發明的第2實施例涉及的開關元件驅動電路的電路圖。 圖5是表示本發明的第2實施例涉及的開關元件驅動電路的輸出 頻率特性的圖。
圖6是表示現有的開關元件驅動電路的輸出頻率特性的圖。
圖7是本發明的第3實施例涉及的開關元件驅動電路的電路圖。 圖8是本發明的第4實施例涉及的開關元件驅動電路的電路圖。
具體實施例方式
圖1是表示本發明的實施方式涉及的開關元件驅動電路的結構的 框圖。在圖1中，開關元件驅動電路包括振蕩控制電路11、振蕩電路 12、以及電荷泵電路13，對作為高端開關起作用的N溝道型MOSFET Ql的柵極端進行驅動。
振蕩控制電路11產生對振蕩電路12中的振蕩信號的振蕩頻率進 行調製的調製信號，並輸出到振蕩電路12。作為調製信號，優選將振 蕩信號的周期控制為根據調製信號依次變動(不保持恆定)。特別優 選調製信號的振幅分布在一定範圍內並變動的信號，例如優選三角波 信號、正弦波信號、鋸齒波信號、隨機信號、模擬隨機信號的任一種， 或這些信號的組合信號。
振蕩電路12例如由將反相電路多級連接的環形振蕩器構成，該多 級連接的反相電路的一部分或全部電源電壓或者電源電流被控制為根 據由振蕩控制電路11輸出的調製信號依次變動。此外，使電荷泵電路 13工作的驅動信號的產生由控制信號Ct來控制，周期依次變動的驅動 信號被輸出到電荷泵電路13。
電荷泵電路13具有二極體D1、 D2、 D3;電容器C1、 C2;以 及緩衝器14。 二極體D1、 D2、 D 3從電源Vcc向N溝道型MOSFET Ql的柵極端的方向分別正向級聯連接。電容器C 1連接在二極體D 1、 D2的連接點與緩衝器14之間，電容器C2連接在二極體D2、 D3的 連接點與緩衝器14之間。緩衝器14由振蕩電路12輸出的驅動信號生 成相互反相位的信號/$、 並根據信號/$、 4分別驅動電容器C 1、
C2。經由二極體D1、 D2、 D 3而被充電的電容器C 1、 C2的充電電 壓，根據信號/$、 $依次升壓，被施加到N溝道型MOSFET Ql的柵 極端上。N溝道型M0SFETQ1的柵極電位高於電源Vcc的電位，N溝 道型M0SFETQ1導通，電源Vcc的電壓從輸出OUT輸出。
在上述結構的開關元件驅動電路中，用於驅動電荷泵電路13的振 蕩信號的周期被控制為根據調製信號而依次變動。因此，在振蕩電路 12中的振蕩信號中，不含有成為基波及高次諧波的線譜，可以進一步 降低影響其他電子設備的噪聲的產生。
實施例1
圖2是表示本發明的第l實施例涉及的半導體裝置的結構的框圖。 在圖2中，半導體裝置除了圖1所示的開關元件驅動電路10之外，還 內置有輸入電路21、過溫度檢測電路22、過電流檢測電路23、邏輯電 路24、以及異常診斷輸出電路25等，作為高端開關驅動用半導體裝置 起作用。輸入電路21對施加在輸入端IN上的、控制開關元件驅動電 路IO的動作停止的信號進行電平變換，並輸出到邏輯電路24。過溫度 檢測電路22對半導體裝置的過高的溫度進行檢測。過電流檢測電路23 對N溝道型M0SFETQ1的過電流進行檢測。邏輯電路24根據輸入電 路21、過溫度檢測電路22、以及過電流檢測電路23的輸出，輸出控 制開關元件驅動電路10的動作停止的控制信號Ct，並且將由過溫度或 過電流引起的異常診斷信息輸出到異常診斷輸出電路25。異常診斷輸 出電路25將異常診斷信息從埠 DIAG輸出到外部。
上述結構的半導體裝置也可以構成為作為單塊晶片的半導體裝置 26。進而含有N溝道型M0SFETQ1，從而作為多晶片結構或單塊晶片 結構的半導體裝置30。 N溝道型MOSFET Ql在電源端Vcc上連接漏 極，在與負載連接的輸出端OUT上連接源極，並根據與柵極連接的開 關元件驅動電路10來控制導通/截止。
圖3是表示將圖2所示的半導體裝置30用作車載用的高端開關裝 置時的結構例的框圖。在圖3中，半導體裝置30a、 30b與圖2所示的 半導體裝置30相同，在電池31與燈或電動機等負載32之間級聯連接。 半導體裝置30a通常為導通，為了故障保護用而備用。此外，半導體裝 置30b由微處理器33來控制導通/截止。微處理器33對半導體裝置30b 的埠 DIAG的信號進行監視，在輸出異常診斷信息時，向輸入端IN 發送信號，使半導體裝置30b處於截止狀態。
根據上述結構的高端開關裝置，在由半導體裝置30a、 30b產生的 噪聲成分中不含有線譜。因此，在搭載有這種高端開關裝置的車輛中， 例如對無線電接收器等的AM波段的播放或道路交通信息等的噪聲的 影響減輕。
實施例2
圖4是本發明的第2實施例涉及的開關元件驅動電路的電路圖。 在圖4中，開關元件驅動電路包括三角波產生電路lla、電壓控制振蕩 電路12a、電荷泵電路13a、反相器INV 10、以及N溝道型MOSFET Q2。 三角波產生電路lla生成三角波信號，該三角波信號用於對電壓控制振 蕩電路12a進行控制，使得由電壓控制振蕩電路12a產生的驅動信號的 周期依次變動。電壓控制振蕩電路12a是使電荷泵電路13a工作的驅動 信號的產生停止由控制信號Ct來控制的環形振蕩器，並將產生的驅動 信號輸出到電荷泵電路13a。電荷泵電路13a產生施加到作為高端開關 起作用的N溝道型M0SFETQ1的柵極端上的電壓。
首先對三角波產生電路lla進行說明。三角波產生電路lla具有
電壓比較電路CMP;電流源111、 112;反相電路INV 11; P溝道型 MOSFET Qll; N溝道型MOSFET Q12、電阻R 11、 R 12、 R 13、 R 14; 以及電容C 11 。電壓比較電路CMP的輸出端與P溝道型MOSFET Qll、 N溝道型MOSFET Q12各自的柵極以及反相電路INV 11的輸入端連 接。P溝道型MOSFET Qll的源極和電阻R 11的一端一併與電源Vcc 連接，P溝道型MOSFETQll的漏極和電阻Rll的另一端一併與電阻 R 12的一端連接。N溝道型MOSFET Q12的源極和電阻R 14的一端共 同接地，N溝道型MOSFETQ12的漏極和電阻R 14的另一端一併與電 阻R13的一端連接。電阻R12、 R13的另一端之間共同與電壓比較電 路CMP的反轉輸入端(一)連接。反相電路INV ll的電源側由電流 源I11驅動，接地側由電流源I12驅動。反相電路INVll的輸出端與 另一端接地的電容C 11的一端及電壓比較電路CMP的非反轉輸入端 (+ )連接。
在上述結構的三角波產生電路lla中，設電壓比較電路CMP的輸 出端的電位v2處於高電平。此時，P溝道型MOSFETQll截止，N溝 道型MOSFET Q12導通，電壓比較電路CMP的反轉輸入端(一)的 電位vl變成以R13的電阻值與電阻R11、 R12、 R13的電阻值的和 之比將電源Vcc的電位分割的低電位。另一方面，反相電路INV11的 輸入端處於電位v2，處於高電平，因此電容Cll的充電電荷經由電流 源I12被放電，電容Cll的電位v0向接地電位直線下降。
而且，若電位vO低於vl，則電壓比較電路CMP的輸出端的電 位v 2反轉為低電平。此時，P溝道型MOSFET Qll導通，N溝道型 MOSFET Q12截止，電壓比較電路CMP的反轉輸入端(一)的電位 vl變成以電阻R13、 R14的電阻值的和與電阻R12、 R13、 R14的電 阻值的和之比將電源Vcc的電位分割的高電位。另一方面，反相電路 INV 11的輸入端處於低電平，因此電容C 11的充電電荷經由電流源I ll被充電，電容C 11的電位v 0向電源電位直線上升。若電位v0超 過電位v 1，則電壓比較電路CMP的輸出端的電位v 2反轉為高電平， 返回最初說明的狀態。
三角波產生電路lla的動作如上所述，將具有三角波狀變動的電 位vO的信號輸出到電壓控制振蕩電路12a。另外，若將電流源Ill、 I 12的一個短路，則電容C 11的充電或放電變得急劇，電位v0鋸齒波
狀變動。
接下來，對電壓控制振蕩電路12a進行說明。電壓控制振蕩電路 12a具有AND電路AND 1;反相電路INV 21 、INV 22; P溝道型MOSFET Q21、 Q22、 Q23、 Q24; N溝道型MOSFET Q25、 Q26;電阻R21;以 及電容C 21 。P溝道型MOSFET Q21的漏極接地，柵極與反相電路INV 11的輸出端連接，源極經由電阻R21與P溝道型MOSFET Q22、 Q23、 Q24的柵極以及P溝道型MOSFET Q22的漏極連接。P溝道型MOSFET Q22、 Q23、 Q24的源極與電源Vcc連接。P溝道型MOSFET Q23的漏 極與N溝道型MOSFET Q25、 Q26的柵極以及N溝道型MOSFET Q25 的漏極連接。N溝道型MOSFET Q25、 Q26的源極接地。P溝道型 MOSFET Q24的漏極與反相電路INV 22的電源側連接，N溝道型 MOSFET Q26的漏極與反相電路INV 22的接地側連接。
此外，在AND電路AND 1的一側輸入端上施加有控制信號Ct， 另一側輸入端與反相電路INV 22的輸出端連接。AND電路AND 1的 輸出端與反相電路INV 21的輸入端連接，反相電路INV 21的輸出端 與反相電路INV 22的輸入端、 一端與反相電路INV 22的輸出端連接 的電容C21的另一端、以及電荷泵電路13a連接。
在這種結構的電壓控制振蕩電路12a中，AND電路AND 1、反相 電路INV 21、 INV 22構成由控制信號Ct控制振蕩停止的(控制信號 Ct為高電平時振蕩，為低電平時停止)環形計數器。電容C21確定環 形計數器的振蕩頻率。此外，P溝道型MOSFET Q22、 Q23、 Q24構成 電流反射鏡，由作為源極跟隨器而工作的P溝道型MOSFET Q21的輸 出電壓確定電流。進而，N溝道型MOSFET Q25、 Q26構成電流反射 鏡，該電流由流過P溝道型MOSFET Q23的電流確定。根據流過P溝 道型MOSFET Q24和N溝道型MOSFET Q26的電流，控制反相電路 INV22的轉換速度。由此，控制環形計數器的振蕩頻率。g卩，從反相 電路INV 21輸出的信號S 0根據三角波狀變動的電位v 0來調製，被
控制為信號S 0的周期以三角波狀依次變動。
此外，電荷泵電路13a具有二極體D 1、 D2、 D3;電容C 1、 C 2; 反相電路INV1、 INV2、 INV3，與圖1的電荷泵電路13相同，因此 省略具體說明。反相電路INV1、 INV2、 INV 3相當於圖1的緩衝器 14。信號S O經由反相電路INV l被反轉，作為信號/汆對電容Cl的 一端進行驅動。此外，信號S0經由反相電路INV2、 INV3變為信號 $，對電容C2的一端進行驅動。通過電荷泵電路13a升壓的電壓施加 到N溝道型MOSFET Ql的柵極上。
進而，反相電路INV 10對控制信號Ct進行反轉，並施加在N溝 道型MOSFET Q2的柵極上。N溝道型MOSFET Q2的源極接地，漏極 與N溝道型MOSFET Ql的柵極連接。在控制信號Ct為高電平時，電 壓控制振蕩電路12a進行振蕩動作，並且N溝道型MOSFET Q2截止。 在控制信號Ct為低電平時，電壓控制振蕩電路12a停止振蕩，並且N 溝道型MOSFET Q2導通，N溝道型MOSFET Ql截止，電源Vcc的電 壓不輸出到輸出端OUT上。
接下來，對這種結構的開關元件驅動電路的輸出頻率特性進行說 明。圖5、圖6表示電壓控制振蕩電路12a的振蕩頻率的中心為2.25MHz 時開關元件驅動電路的輸出頻譜。圖5表示三角波產生電路lla振蕩 100kHz的三角波信號，並由此調製電壓控制振蕩電路12a的輸出信號 時的輸出頻譜。圖6相當於現有的開關元件驅動電路的輸出頻率特性， 表示三角波產生電路lla停止振蕩，電壓控制振蕩電路12a的輸出信號 以一定周期的矩形波信號振蕩時的輸出頻譜。在圖5中，不存在如圖6 所示的2.25MHz和其高次諧波中的成為大功率的線譜，可以觀測到功 率低且平坦的波譜。
這樣，根據本實施例的開關元件驅動電路，在振蕩信號中不含成 為基波及高次諧波的線譜，可以進一步降低影響其他電子設備的噪聲
的產生。
實施例3
圖7是本發明的第3實施例涉及的開關元件驅動電路的電路圖。 在圖7中，與圖4相同的標號表示同一元件，因此省略其說明。電壓 控制振蕩電路12b具有P溝道型MOSFET Q21a，以此代替圖4的電壓 控制振蕩電路12a中的P溝道型MOSFET Q21 。P溝道型MOSFET Q21 a 的源極與電阻R 21的一端和N溝道型MOSFET Q25、Q26的源極連接。 N溝道型MOSFET Q25、 Q26的源極的電位隨著由三角波產生電路lla 產生的、三角波狀變動的電位v 0變動，並且控制反相電路INV22的 轉換速度。由此，與實施例2相同地控制環形計數器的振蕩頻率。
實施例4
圖8是本發明的第4實施例涉及的開關元件驅動電路的電路圖。 在圖8中，與圖4相同的標號表示同一元件，因此省略其說明。電壓 控制振蕩電路12c不使用圖4的電壓控制振蕩電路12a中的P溝道型 MOSFET Q21、 Q22、 Q23、 Q24; N溝道型MOSFET Q25、 Q26;電阻 R21，而具有P溝道型MOSFET Q27; N溝道型MOSFET Q25a、 Q26a; 電阻R22。 N溝道型MOSFET Q27的漏極與電源Vcc連接，柵極與反 相電路INV 11的輸出端連接，源極經由電阻R 22與N溝道型MOSFET Q25a、 Q26a的柵極以及N溝道型MOSFET Q25a的漏極連接。N溝道 型MOSFET Q25a、 Q26a的源極接地。N溝道型MOSFET Q26a的漏極 與AND電路AND 1 、反相電路INV 21 、 INV 22的接地側連接。
在這種結構的電壓控制振蕩電路12c中，N溝道型MOSFET Q27 的源極的電位隨著由三角波產生電路11a產生的、具有三角波狀變動的 電位vO的信號變動。由此，N溝道型MOSFET Q26a的漏極電流、即 AND電路AND 1、反相電路INV 21、 INV 22的電源電流產生變動。 因此，由AND電路AND 1、反相電路INV 21、 INV 22構成的環形計 數器的振蕩頻率以三角波狀變動。另外，在電壓控制振蕩電路12c中，
雖然沒有圖4的電壓控制振蕩電路12a中的電容C 21，但通過對具有
開關元件驅動電路的半導體裝置的製造工序進行適當設定，例如可以
使環形計數器以數MHz的振蕩頻率振蕩。
權利要求
1.一種開關元件驅動電路，其特徵在於，包括電荷泵電路，產生施加到開關元件的控制端上的電壓；振蕩電路，將使上述電荷泵電路工作的驅動信號輸出到上述電荷泵電路；以及振蕩控制電路，控制上述振蕩電路，使上述驅動信號的周期依次變動。
2. 根據權利要求1所述的開關元件驅動電路，其特徵在於 上述振蕩控制電路產生對上述振蕩電路中的振蕩頻率進行調製的調製信號，將其輸出到上述振蕩電路。
3. 根據權利要求2所述的開關元件驅動電路，其特徵在於 上述振蕩控制電路產生三角波信號、正弦波信號、鋸齒波信號、隨機信號、模擬隨機信號的任一種，或上述信號的組合信號，作為上 述調製信號。
4. 根據權利要求l所述的開關元件驅動電路，其特徵在於 上述振蕩電路由將反相電路多級連接而成的環形振蕩器構成，該多級連接的反相電路的一部分或全部電源電壓或者電源電流被控制為 根據上述振蕩控制電路而變動。
5. —種半導體裝置，其特徵在於包括權利要求1 4中任一項所述的開關元件驅動電路。
6. 根據權利要求5所述的半導體裝置，其特徵在於 還包括上述開關元件。
7. 根據權利要求6所述的半導體裝置，其特徵在於 上述開關元件由作為高端開關起作用的NMOS電晶體構成。
全文摘要
能進一步降低噪聲產生的開關元件驅動電路。振蕩控制電路(11)產生對振蕩電路(12)中的振蕩信號的振蕩頻率進行調製的調製信號，並輸出到振蕩電路(12)。作為調製信號，優選振蕩信號的周期根據調製信號依次變動的信號，例如三角波信號、正弦波信號、鋸齒波信號、隨機信號、模擬隨機信號的任一種，或這些信號的組合信號。振蕩電路(12)例如由環形振蕩器構成，環形振蕩器的電源電壓或者電源電流被控制為根據由振蕩控制電路(11)輸出的調製信號依次變動。電荷泵電路(13)的緩衝器(14)根據振蕩信號產生驅動信號(/Φ、Φ)，並對電容(C1、C2)進行驅動，從而在N溝道型MOSFET(Q1)的柵極上施加高於電源(Vcc)的電位。
文檔編號H03K17/16GK101098136SQ200710111850
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月20日 優先權日2006年6月21日
發明者滿田剛 申請人:恩益禧電子股份有限公司