靴帶電容充電電路及使用該充電電路的驅動集成電路的製作方法

2023-10-25 11:12:47 3

專利名稱：靴帶電容充電電路及使用該充電電路的驅動集成電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種靴帶電容(bootstrap capacitor)充電電路，及使用該 充電電路的驅動集成電路，其特別適用於高壓半橋式電源供應電路中。
背景技術：
半橋式電源供應電路，又稱切換式電源供應電路，其基本結構的 一例可見圖l，通過兩功率電晶體Q1、 Q2分別切換其導通狀態，而將 供應電壓Vcc轉換成適當的電壓提供給負載20。兩功率電晶體Ql、 Q2的導通狀態分別由驅動IC晶片10中的上下橋驅動電路11與12所 控制，其中上橋驅動電路11的操作電壓範圍下限為節點電壓Vph，下 橋驅動電路12的操作電壓範圍下限為接地電壓。(驅動IC晶片10中 的其它部份與本案無關，故予以省略。)
當供應電壓Vcc為高壓時(例如數百伏特)，上橋驅動電路11不 宜直接自供應電壓Vcc獲取工作電壓，故通常如圖所示，提供一靴帶 電容Cl,於下橋電晶體Q2導通時，自晶片10內部的低壓供應源Vdd 經靴帶二極體Dl對該靴帶電容Cl充電，使得當下橋電晶體Q2關閉 時，節點N1的電壓可到達Vph+Vdd，以供上橋驅動電路11操作所需。 靴帶二極體D1的目的是在節點N1的電壓高於低壓供應源Vdd時，避 免節點N1的電壓倒灌損害低壓供應源Vdd。
在上述安排下，由於節點Nl的電壓可能相當高，故對靴帶電容 Cl的電容值、和靴帶二極體D1的崩潰電壓與峰值電流容量，其規格 要求都相當高，因此靴帶電容Cl和靴帶二極體Dl通常皆使用獨立元 件(discrete component)來製作，而無法整合至IC晶片10之內。在美國專利第5,373,435號案中，提及一種仿真靴帶二極體Dl的 電路BDE (Bootstrap Diode Emulator),通過複雜的元件組合，達成仿真 靴帶二極體D1的效果。因BDE電路相當複雜，故圖2中僅示出其簡 化概念；其詳細電路結構請見圖3。該案的目的是使用仿真靴帶二極體 電路BDE，將原本必須以獨立元件製作的仿真靴帶二極體D1，整合至 IC晶片IO之內。然而，若詳閱美國專利第5,373,435號案可知，該案所提出的BDE 電路十分複雜，不但組成元件數量繁多，且電路中同時包含MOS與雙 極電晶體元件，對於集成電路晶片的整合與製作而言，並不便利。有鑑於此，本發明即針對上述現有技術的不足，提出一種較佳的 靴帶電容充電電路，其電路結構遠較現有技術更為簡單，可以很便利 地整合在集成電路晶片之內，且所構成的集成電路晶片可以使用MOS 製程來製作。發明內容本發明的第一目的在於，提出一種靴帶電容充電電路，以簡單的 結構，達成對靴帶電容充電的功能。本發明的第二目的在於，提出一種使用該充電電路的驅動集成電路。本發明的第三目的在於，提出一種使用該驅動集成電路的半橋式 電源供應電路。為達上述目的，本發明提供一種靴帶電容充電電路，用以自一供 應電壓對一靴帶電容充電，該充電電路包含 一耗乏型電晶體，其源 極/汲極的第一端與該供應電壓電連接，柵極亦與該供應電壓電連接， 源極/汲極的第二端與該靴帶電容電連接。此外，根據本發明，也提供了一種驅動集成電路，用以控制至少 一功率電晶體的導通狀態，該驅動集成電路包含 一上橋驅動電路， 用以產生訊號控制第一功率電晶體的導通狀態，此上橋驅動電路的第 一電壓端與第一電壓節點電連接，第二電壓端與第二電壓節點電連接； 以及一耗乏型電晶體，其源極/汲極的第一端與一供應電壓電連接， 柵極亦與該供應電壓電連接，源極/汲極的第二端與該第一電壓節點 電連接。根據本發明的另一內容，也提供了一種半橋式電源供應電路，用 以供應電壓至負載，該半橋式電源供應電路包含互相電連接的上橋 與下橋功率電晶體； 一上橋驅動電路，用以產生訊號控制該上橋功率 電晶體的導通狀態，此上橋驅動電路的第一電壓端與第一電壓節點電 連接，第二電壓端與第二電壓節點電連接； 一下橋驅動電路，用以產 生訊號控制該下橋功率電晶體的導通狀態； 一靴帶電容，電連接於該 第一電壓節點和第二電壓節點之間；以及一耗乏型電晶體，其源極/ 汲極的第一端與第一供應電壓電連接，柵極亦與該第一供應電壓電連 接，源極/汲極的第二端與該第一電壓節點電連接。在前述靴帶電容充電電路、驅動集成電路、半橋式電源供應電路 中，為安全起見，可在供應電壓與耗乏型電晶體之間設置一個二極體， 其陽極與該供應電壓電連接，其陰極與該耗乏型電晶體的第一端電連 接。下面通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發明的目的、技 術內容、特點及其所達成的功效。


圖1標出現有技術的半橋式電源供應電路，其中使用的靴帶電容 與靴帶二極體為獨立元件(discrete components);圖2為現有技術的簡化示意電路圖，其中以仿真靴帶二極體電路 BDE來取代獨立的靴帶二極體；圖3標出圖2現有技術中的BDE的詳細結構； 圖4為示意電路圖，說明本發明的第一實施例； 圖5為本發明的第二實施例。圖中符號說明10驅動IC晶片11驅動電路12驅動電路14控制電路20負載40充電電路41耗乏型電晶體42二極體BDE仿真靴帶二極體電路CI靴帶電容Dl靴帶二極體電感Nl節點OUT輸出端Q1,Q2功率電晶體Vcc供應電壓(高壓)Vdd供應電壓(低壓)Vph節點電壓具體實施方式
請參考圖4，其中以示意電路圖的方式顯示本發明的一個實施例。 如圖所示，本實施例中，在低壓供應源Vdd與靴帶電容Cl間，設有一 個靴帶電容充電電路40，其中包含有N型耗乏型電晶體41和二極體42，且N型耗乏型電晶體41以側向擴散的金氧半電晶體(LDMOS)較 佳，如此在製程整合與元件特性上將更能符合本發明的需求。當低壓 供應源Vdd的電壓大於節點Nl的電壓時，耗乏型電晶體41的左方端 可視為源極，由於耗乏型電晶體41的柵極對源極電壓Vgs為正(等於 二極體42的壓降)，故耗乏型電晶體41維持為導通狀態，使低壓供 應源Vdd得以對靴帶電容Cl進行充電。當下橋電晶體Q2關閉時，節點N1的電壓為Vph+Vdd，此時耗乏 型電晶體41的右方端電壓較左方端為高，但由於電晶體41的耗乏型 LDMOS特性，本身具有限流的功能，故並不需要使用高規格的二極體 42，即可達到防護電流倒灌的功能。因此，耗乏型電晶體41和二極體 42，可以整合在驅動IC晶片IO之內。以上電路中的二極體42，是為安全起見而設置，但事實上也可省 略，如圖5所示。在本圖實施例中，當低壓供應源Vdd的電壓大於節 點N1的電壓時，耗乏型電晶體41的柵極對源極電壓Vgs為零，仍然 可以導通；而當節點N1的電壓大於低壓供應源Vdd的電壓時，耗乏型 電晶體41的右方端可視為源極，此時耗乏型電晶體41的柵極對源極 電壓Vgs為負(等於-Vdd)，故耗乏型電晶體41自然截止而不導通。在以上兩實施例的電路中，並不需要複雜的控制機制，其電路遠 較圖3所示的電路更為簡單，且製作時也不需要使用複雜的BiCMOS製程。以上已針對較佳實施例來說明本發明，以上所述，僅為使本領域 技術人員易於了解本發明的內容，並非用來限定本發明的權利範圍。 如前所述，本發明的主要概念在於，使用耗乏型電晶體作為靴帶電容 的充電電路；利用耗乏型電晶體的常態導通、限流與截止特性，使得 低壓供應源Vdd不需要複雜的防護機制。在此精神下，本領域技術人 員可以思及各種等效變化，均應包含在本發明的範圍之內。例如，在圖中所示元件間，可加入不影響電路主要功能的元件；靴帶電容未必 限於高壓半橋式電源供應電路中的靴帶電容，亦可為其它電路中的電 容；所示半橋式電源供應電路中的下橋電晶體，可以代換為二極體； 等等。故凡依本發明的概念與精神所為的均等變化或修飾，均應包括 於本發明的權利要求書的範圍內。
權利要求
1. 一種靴帶電容充電電路，用以自一供應電壓對一靴帶電容充電， 其特徵在於，該充電電路包含一耗乏型電晶體，其源極/汲極的第一端與該供應電壓電連接， 柵極亦與該供應電壓電連接，源極/汲極的第二端與該靴帶電容電連 接。
2. 如權利要求l所述的靴帶電容充電電路，其中還包含有一個二極體，其陽極與該供應電壓電連接，其陰極與該耗乏型電晶體的第一 端電連接。
3. 如權利要求l所述的靴帶電容充電電路，其中，該耗乏型晶體 管為側向擴散的金氧半電晶體。
4. 一種驅動集成電路，用以控制至少一功率電晶體的導通狀態， 其特徵在於，該驅動集成電路包含一上橋驅動電路，用以產生訊號控制第一功率電晶體的導通狀態， 此上橋驅動電路的第一電壓端與第一電壓節點電連接，第二電壓端與 第二電壓節點電連接；以及一耗乏型電晶體，其源極/汲極的第一端與一供應電壓電連接， 柵極亦與該供應電壓電連接，源極/汲極的第二端與該第一電壓節點 電連接。
5. 如權利要求4所述的驅動集成電路，其中，該第一電壓節點和 第二電壓節點與一靴帶電容的兩端電連接。
6. 如權利要求5所述的驅動集成電路，其中，該靴帶電容位於驅 動集成電路外部。
7. 如權利要求4所述的驅動集成電路，其中還包含有一個二極體，其陽極與該供應電壓電連接，其陰極與該耗乏型電晶體的第一端電連接。
8. 如權利要求4所述的驅動集成電路，其中還包含有一下橋驅動 電路，用以產生訊號控制第二功率電晶體的導通狀態。
9. 如權利要求4所述的驅動集成電路，其中，該耗乏型電晶體為 側向擴散的金氧半電晶體。
10. —種半橋式電源供應電路，用以供應電壓至負載，其特徵在於，該半橋式電源供應電路包含互相電連接的上橋與下橋功率電晶體；一上橋驅動電路，用以產生訊號控制該上橋功率電晶體的導通狀 態，此上橋驅動電路的第一電壓端與第一電壓節點電連接，第二電壓 端與第二電壓節點電連接；一下橋驅動電路，用以產生訊號控制該下橋功率電晶體的導通狀態；一靴帶電容，電連接於該第一電壓節點和第二電壓節點之間；以及一耗乏型電晶體，其源極/汲極的第一端與第一供應電壓電連接， 柵極亦與該第一供應電壓電連接，源極/汲極的第二端與該第一電壓 節點電連接。
11. 如權利要求IO所述的半橋式電源供應電路，其中還包含有一 個二極體，其陽極與該第一供應電壓電連接，其陰極與該耗乏型晶體 管的第一端電連接。
12. 如權利要求IO所述的驅動集成電路，其中，該上橋功率晶體 管的一端與第二供應電壓電連接，該第二供應電壓高於第一供應電壓。
13.如權利要求IO所述的半橋式電源供應電路，其中，該耗乏型 電晶體為側向擴散的金氧半電晶體。
全文摘要
本發明涉及一種靴帶電容充電電路及使用該充電電路的驅動集成電路，用以自一供應電壓對一靴帶電容充電，該充電電路包含一耗乏型電晶體，其源極/汲極的第一端與該供應電壓電連接，柵極亦與該供應電壓電連接，源極/汲極的第二端與該靴帶電容電連接。在供應電壓與耗乏型電晶體之間可設置一個二極體。
文檔編號H02M1/08GK101312328SQ20071010512
公開日2008年11月26日 申請日期2007年5月24日 優先權日2007年5月24日
發明者張光銘, 鄭謙興 申請人:立錡科技股份有限公司