特許第5676711号(P5676711)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5676711
(24)【登録日】2015年1月9日
(45)【発行日】2015年2月25日
(54)【発明の名称】レベルシフトデバイス
(51)【国際特許分類】
   H03K 19/0185 20060101AFI20150205BHJP
【FI】
   H03K19/00 101E
【請求項の数】10
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2013-183941(P2013-183941)
(22)【出願日】2013年9月5日
(65)【公開番号】特開2014-53895(P2014-53895A)
(43)【公開日】2014年3月20日
【審査請求日】2013年9月5日
(31)【優先権主張番号】10-2012-0098498
(32)【優先日】2012年9月5日
(33)【優先権主張国】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】593121379
【氏名又は名称】エルエス産電株式会社
【氏名又は名称原語表記】LSIS CO.,LTD.
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100165191
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 章
(74)【代理人】
【識別番号】100151459
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 健一
(72)【発明者】
【氏名】チュン ジェ ソク
【審査官】 宮島 郁美
(56)【参考文献】
【文献】 特開平10−294662(JP,A)
【文献】 特開平11−205123(JP,A)
【文献】 特開平07−193488(JP,A)
【文献】 特開平11−136120(JP,A)
【文献】 特開2012−070333(JP,A)
【文献】 特開平11−261401(JP,A)
【文献】 特開2001−177388(JP,A)
【文献】 特開平05−308274(JP,A)
【文献】 米国特許第05852366(US,A)
【文献】 特開2013−90535(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03K5/00−5/02,5/08−5/12,5/15−5/26,17/00−17/70,19/00,19/01−19/082,19/094−19/096
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1電圧レベルを有する入力信号を、第2電圧レベルを有する出力信号に変換するレベルシフトデバイスであって、
ラッチ構造をなす二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタと、
前記二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタのゲート−ソース電圧ブレークダウンを防止するための二つの下側pチャンネルトランジスタを含むラッチ型レベルシフタと、
前記二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタのゲート−ソース電圧ブレークダウンを防止するための電圧を生成して、前記二つの下側pチャンネルトランジスタのゲート電極に提供する電圧生成部と、を含み、
前記電圧生成部は、
前記下側pチャンネルトランジスタのゲートに接続されるアノード電極を有するツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードのアノード電極と接続される電流入力端子を有する定電流源と、前記ツェナーダイオードのアノード電極に接続された一端及びグラウンドに接続された他端を有するコンデンサと、を含み、
前記定電流源とコンデンサは並列に接続され、
前記第2電圧レベルは前記第1電圧レベルより高いことを特徴とする、レベルシフトデバイス。
【請求項2】
プルアップnチャンネルトランジスタを通じて、前記二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタの各々のプルアップ時間を短縮させるプルアップ時間短縮部を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項3】
前記二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタの一つのドレイン電極の信号をバッファして前記出力信号を出力する電圧出力部を更に含むことを特徴とする、請求項2に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項4】
第1電圧レベルを有する入力信号を、第2電圧レベルを有する出力信号に変換するレベルシフトデバイスであって、
第1のpチャンネルトランジスタと、
前記第1のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたゲート電極及び前記第1のpチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたドレイン電極を有する第2のpチャンネルトランジスタと、
前記第1のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたソース電極を有する第3のpチャンネルトランジスタと、
前記第2のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたソース電極及び前記第3のpチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたゲート電極を有する第4のpチャンネルトランジスタと、
前記第3のpチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたアノード電極を有する第1ツェナーダイオードと、
前記第1ツェナーダイオードのアノード電極と接続される電流入力端子を有する定電流源と、
前記第1ツェナーダイオードのアノード電極に接続された一端及びグラウンドに接続された他端を有するコンデンサと、を含み、
前記定電流源とコンデンサは並列に接続され、
前記第2電圧レベルは前記第1電圧レベルより高いことを特徴とする、レベルシフトデバイス。
【請求項5】
前記第1のpチャンネルトランジスタのソース電極に前記第2電圧レベルの第1駆動電圧が印加され、
前記第2のpチャンネルトランジスタのソース電極に前記第1駆動電圧が印加され、
前記第1ツェナーダイオードのカソード電極に前記第1駆動電圧が印加されることを特徴とする、請求項4に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項6】
前記第3のpチャンネルトランジスタのドレイン電極が接続されたドレイン電極、前記入力信号の非反転信号が印加されるゲート電極及びグラウンドに接続されたソース電極を有する第1のnチャンネルトランジスタと、
前記第4のpチャンネルトランジスタのドレイン電極が接続されたドレイン電極、前記入力信号の反転信号が印加されるゲート電極及びグラウンドに接続されたソース電極を有する第2のnチャンネルトランジスタと、
を更に含むことを特徴とする、請求項5に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項7】
前記第1駆動電圧が印加されるドレイン電極及び前記第1のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたソース電極を有する第3のnチャンネルトランジスタと、
前記第3のnチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたアノード電極及び前記第1駆動電圧が印加されるカソード電極を有する第2ツェナーダイオードと、
前記第2ツェナーダイオードのアノード電極に接続された一端及び前記入力信号の反転信号が印加される他端を有する第1コンデンサと、を更に含むことを特徴とする、請求項6に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項8】
前記第1駆動電圧が印加されるドレイン電極及び前記第2のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたソース電極を有する第4のnチャンネルトランジスタと、
前記第4のnチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたアノード電極及び前記第1駆動電圧が印加されるカソード電極を有する第3ツェナーダイオードと、
前記第3ツェナーダイオードのアノード電極に接続された一端及び前記入力信号の非反転信号が印加される他端を有する第2コンデンサと、を更に含むことを特徴とする、請求項7に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項9】
前記第1駆動電圧が印加されるソース電極、前記第2のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたゲート電極及び前記出力信号を出力するドレイン電極を有する第5のpチャンネルトランジスタと、
前記第5のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたドレイン電極、前記入力信号の非反転信号が印加されるゲート電極及びグラウンドに接続されたソース電極を有する第5のnチャンネルトランジスタと、を更に含むことを特徴とする、請求項5乃至8のうち、いずれか一項に記載のレベルシフトデバイス。
【請求項10】
前記第1ツェナーダイオードのアノード電極が接続された電流入力端及びグラウンドに接続された電流出力端を有する定電流源と、
第3コンデンサと、を更に含むことを特徴とする、請求項9に記載のレベルシフトデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、低電圧の入力信号を高電圧レベルの出力信号に変換させるレベルシフタと、このレベルシフタを含む絶縁ゲート両極性トランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)のゲート駆動デバイスとに関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、IGBTは、ゲート電圧が13V以下に十分に大きくなければ素子の飽和電圧(VCE_SAT)が上昇するだけでなく、10V以下に非常に低い場合にはIGBTが活性領域で動作して素子が過熱及び損傷することがある。したがって、これを防止するために、IGBTを駆動するためのゲート駆動回路は、低電圧レベル(3.3V〜5.5V)の入力信号を高電圧レベル(15V〜20V)の出力信号に変換させるレベルシフタ部を備えて、15V以上のゲート電圧でIGBTを駆動する。
【0003】
従来、ゲート駆動回路に普遍的に使われるラッチ型レベルシフトデバイスは、静的電流及び上昇伝播遅延時間(rising propagation delay)の発生によって消費電力が増加するだけでなく、チップサイズが大きくなってチップ価格が高くなる問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の一実施形態が達成しようとする技術的課題は、静的電流を発生させないことによって、電力消費を低減したレベルシフトデバイスを提供することにある。
【0005】
本発明の更に他の実施形態が達成しようとする技術的課題は、チップサイズを小さくするレベルシフトデバイスを提供することにある。
【0006】
また、本発明の更に他の実施形態が達成しようとする技術的課題は、Vgsブレークダウン現象を防止しながらも伝播遅延時間を短縮させて、スイッチング速度を向上させたレベルシフトデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施形態に従って、第1電圧レベルを有する入力信号を、第2電圧レベルを有する出力信号に変換するレベルシフトデバイスは、ラッチ構造をなす二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタと、二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタのゲート−ソース電圧ブレークダウンを防止するための二つの下側pチャンネルトランジスタを含むラッチ型レベルシフタと、二つの上側プルアップpチャンネルトランジスタのゲート−ソース電圧ブレークダウンを防止するための電圧を生成して二つの下側pチャンネルトランジスタのゲート電極に提供する電圧生成部と、を含み、第2電圧レベルは第1電圧レベルより高い。
【0008】
本発明の更に他の実施形態に従って、第1電圧レベルを有する入力信号を第2電圧レベルを有する出力信号に変換するレベルシフトデバイスは、第1のpチャンネルトランジスタ、第1のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたゲート電極及び第1のpチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたドレイン電極を有する第2のpチャンネルトランジスタと、第1のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたソース電極を有する第3のpチャンネルトランジスタと、第2のpチャンネルトランジスタのドレイン電極に接続されたソース電極及び第3のpチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたゲート電極を有する第4のpチャンネルトランジスタと、第3のpチャンネルトランジスタのゲート電極に接続されたアノード電極を有する第1ツェナーダイオードとを含み、第2電圧レベルは第1電圧レベルより高い。
【発明の効果】
【0009】
本発明の一実施形態に従うレベルシフトデバイスは、プルアップPMOSのVgsブレークダウン現象を防止しながらも、電圧制御用ツェナーダイオードを通じて流れていた静的電流を除去して、不要な電力消費を減少させることができる。
【0010】
また、本発明の実施形態に従うレベルシフトデバイスは、レベルシフトデバイスの伝播遅延時間を短縮させるために使われるプルアップ時間短縮用PMOSをNMOSに取り替えてプルアップ時間短縮用スイッチング素子のサイズ及びブートストラップコンデンサのサイズを小さくすることができ、チップサイズに従う製作コストを減少させることができる。
【0011】
また、本発明の実施形態に従うレベルシフトデバイスは、Vgsブレークダウン現象を防止しながらも伝播遅延時間を短縮させて、スイッチング速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明の一実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
図2】本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
図3】ローレベルの入力信号を受けた図2のレベルシフトデバイスの動作を示す図である。
図4】ハイレベルの入力信号を受けた図2のレベルシフトデバイスの動作を示す図である。
図5】本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
図6図5のハイレベルの入力信号を受けたレベルシフトデバイスの動作を示す図である。
図7図5のローレベルの入力信号を受けたレベルシフトデバイスの動作を示す図である。
図8】本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以降、本発明と関連した移動端末機に対して図面を参照してより詳細に説明する。以降の説明で使われる構成要素に対する接尾辞“モジュール”及び“部”は明細書作成の容易性だけを考慮して与えられ,又は混用されるものであって、それ自体として互いを区別する意味又は役割を有するものではない。
【0014】
本明細書の全体において、ある部分が他の部分と“接続”されているとの記載は、“直接的に接続”されている場合だけでなく、その中間に他の素子を介して“電気的に接続”されている場合も含むものとする。
【0015】
図1は、本発明の一実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
【0016】
図1に示すように、本発明の一実施形態に従うレベルシフトデバイス100は、NOTゲート(U1)、NOTゲート(U2)、及びラッチ型レベルシフタ部10を含む。ラッチ型レベルシフタ部10は、下側スイッチ機能をする第1のNMOS(NM1)及び第2のNMOS(NM2)並びに上側スイッチ機能をする第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)を含む。
【0017】
図1のレベルシフトデバイス100は、中央処理ユニット(CPU)などの制御部(図示せず)から低電圧の入力信号を受けてIGBTのゲートを駆動することに適合した高電圧スイッチング信号を出力する。
【0018】
NOTゲート(U1)の入力端子には低電圧の入力信号が印加される。NOTゲート(U1)には低い駆動電圧(VDDL)が印加される。
【0019】
NOTゲート(U2)の入力端子は、NOTゲート(U1)の出力端子と接続される。NOTゲート(U2)には低い駆動電圧(VDDL)が印加される。
【0020】
第1のNMOS(NM1)は、第1のPMOS(PM1)のドレイン電極に接続されたドレイン電極、NOTゲート(U2)の出力端子に接続されたゲート電極、及びグラウンドに接続されたソース電極を含む。
【0021】
第2のNMOS(NM2)は、第2のPMOS(PM2)のドレイン電極に接続されたドレイン電極、NOTゲート(U1)の出力端子に接続されたゲート電極、及びグラウンドに接続されたソース電極を含む。
【0022】
第1のPMOS(PM1)は、高い駆動電圧(VDDH)が印加されるソース電極、第2のNMOS(NM2)のドレイン電極に接続されたゲート電極、及び第1のNMOS(NM1)のドレイン電極に接続されたドレイン電極を含む。
【0023】
第2のPMOS(PM2)は、高い駆動電圧(VDDH)が印加されるソース電極、第1のNMOS(NM1)のドレイン電極に接続されたゲート電極、及び第2のNMOS(NM2)のドレイン電極に接続されたドレイン電極を含む。
【0024】
図1のレベルシフト回路100の動作は、次の通りである。
【0025】
NOTゲート(U1)は低電圧の入力信号を反転して低電圧の反転された入力信号を生成する。NOTゲート(U2)は、NOTゲート(U1)によって生成された低電圧の反転された入力信号を再反転して低電圧の再反転された入力信号を生成する。
【0026】
‘High’状態の入力信号(VIN)がレベルシフトデバイス100に入力された場合、下側の第1のNMOS(NM1)がターンオンされ、第2のNMOS(NM2)はターンオフされて、第1のNMOS(NM1)によってOUTノードの状態が‘High’から‘Low’へ遷移し、これによって上側の第2のPMOS(PM2)がターンオンされて、OUTBノードの状態も‘Low’から‘High’へ遷移して、上側の第1のPMOS(PM1)はターンオフされる。この際、OUTノード及びOUTBノードの状態が遷移する間、第1のNMOS(NM1)と第1のPMOS(PM1)との間に短絡回路電流が発生する。
【0027】
反対に、‘Low’状態の入力信号(VIN)がレベルシフトデバイス100に入力された場合、下側の第2のNMOS(NM2)がターンオンされ、第1のNMOS(NM1)はターンオフされて、第2のNMOS(NM2)によってOUTBノードの状態が‘High’から‘Low’へ遷移し、これによって上側の第1のPMOS(PM1)がターンオンされて、OUTノードの状態も‘Low’から‘High’へ遷移して、上側の第2のPMOS(PM2)はターンオフされ、前記と同様にOUTノードとOUTBノードの状態が遷移する間、第2のNMOS(NM2)と第2のPMOS(PM2)との間に短絡回路電流が発生する。
【0028】
次に、図2乃至図4を参考して本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイス200を説明する。
【0029】
図2は、本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
【0030】
図2に示すように、本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイス200は、回路の入力電圧を駆動電圧である高電圧レベルに変えるレベルシフタ部20と、レベルシフタ部20のプルアップPMOSのVgsを一定の電圧値に制限してプルアップPMOSのVgsブレークダウンを防止する電圧制御部21−1、21−2と、レベルシフタ部20のプルアップPMOSのプルアップ時、プルアップ時間を短縮させるプルアップ時間短縮部22−1、22−2と、レベルシフタ部20の出力電圧及び回路の入力電圧の入力を受けてバッファして出力する電圧出力部23と、を含む。
【0031】
図2のレベルシフトデバイス200は、図1のラッチ型レベルシフト回路にレベルシフタ部20のプルアップPMOSのVgsを一定の電圧値に制限してプルアップPMOSのVgsブレークダウンを防止する電圧制御部21−1、21−2と、レベルシフタ部20のプルアップPMOSのプルアップ時、プルアップ時間を短縮させるプルアップ時間短縮部22−1、22−2とを追加して、図1のラッチ型レベルシフト回路の短所を一部改善した形態である。
【0032】
次に、図3及び図4を参考して図2のレベルシフトデバイス200の動作を説明する。
【0033】
図3は、ローレベルの入力信号を受けた図2のレベルシフトデバイスの動作を示している。
【0034】
‘Low’状態の入力信号(VIN)が入力された場合、下側の第1のNMOS(NM1)がターンオンされ、第2のNMOS(NM2)はターンオフされて、第1のNMOS(NM1)によってOUTノードの状態が‘High’から‘Low’へ遷移し、これによって上側の第2のPMOS(PM2)がターンオンされて、OUTBノードの状態も‘Low’から‘High’へ遷移して、上側の第1のPMOS(PM1)はターンオフされる。この際、プルアップ時間短縮部22−2はOUTBノードの電圧がVDDHに充電される時間を短縮し、電圧制御部21−1はOUTノード電圧を一定の電圧(VDDH−Vz)に制限する。しかしながら、電圧制御部21−1の第1ツェナーダイオード(ZD1)及び下側の第1のNMOS(NM1)を通じて静的電流が流れることによって、不要な電力消費が発生する。
【0035】
電圧出力部23の上側第5のPMOS(PM5)はターンオフされ、下側第3のNMOS(NM3)はターンオンされて、VOUTはGND電圧を出力する。
【0036】
図4は、ハイレベルの入力信号を受けた図2のレベルシフトデバイスの動作を示している。
【0037】
‘High’状態の入力信号(VIN)が入力された場合、下側の第2のNMOS(NM2)がターンオンされ、第1のNMOS(NM1)はターンオフされて、第2のNMOS(NM2)によってOUTノードの状態が‘High’から‘Low’へ遷移し、これによって上側の第1のPMOS(PM1)がターンオンされて、OUTノードの状態も‘Low’から‘High’へ遷移して、上側の第2のPMOS(PM2)はターンオフされる。この際、プルアップ時間短縮部22−1はOUTノードの電圧がVDDHに充電される時間を短縮し、電圧制御部21−2はOUTBノードの電圧を一定の電圧(VDDH−Vz)に制限する。しかしながら、電圧制御部21−2の第2ツェナーダイオード(ZD2)と下側の第2のNMOS(NM2)を通じて静的電流が流れることによって、不要な電力消費が発生する。
【0038】
電圧出力部23の上側第5のPMOS(PM5)はターンオンされ、下側第3のNMOS(NM3)はターンオフされて、VOUTはVDDH電圧を出力する。
【0039】
しかしながら、図1乃至図4の実施形態に従うレベルシフトデバイスは相変らず以下のような問題を有している。
【0040】
即ち、図1のラッチ型レベルシフト回路は、ノードOUT又はノードOUTBの状態遷移時間の間、短絡回路電流が発生する。したがって、ノードOUT又はノードOUTBの状態遷移時間が大きいほど消費電力も増加する。しかしながら、上記のようにトランジスタがラッチ構造からなる場合にはノードOUTB(又は、ノードOUT)は、反対側ノードOUT(又は、ノードOUTB)が‘High’状態から‘Low’状態へ遷移した後に‘Low’状態から‘High’状態へ遷移するため、ノードOUT又はノードOUTBが‘Low’状態から‘High’状態への遷移にかかる伝播遅延時間が大きいという短所を有している。したがって、これによって、レベルシフタのスイッチング速度が減少し、電力消費も増加する問題点がある。また、製造業体から提供する高電圧用トランジスタのVgsブレークダウン電圧は製造業体毎に異なるが、一般的に、小さくは12V内外から、大きくは20V内外であるため、VDDH電圧が数ボルト内外の小さな電圧の場合には問題にならないが、数十ボルト以上の高電圧の場合には、上側プルアップPMOSである第1のPMOS(PM1)、第2のPMOS(PM2)のVgs(ゲート−ソース電圧)ブレークダウン現象が発生して素子が破壊されることがある。
【0041】
図2のレベルシフトデバイス200は、ツェナーダイオード(Zener Diode)を用いて、第1のNMOS(NM1)及び第2のNMOS(NM2)のドレインの電圧を一定の値に制限して、第2のPMOS(PM2)及び第1のPMOS(PM1)のVgsをVgsブレークダウン電圧より小さくしてVgsブレークダウン現象を防止したものであり、プルアップ時間短縮部22−1、22−2の第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)を用いて、伝播遅延時間を短縮させて、図1のラッチ型レベルシフトに回路に比べて短絡回路電流による電力消費を減少させた。しかしながら、図2のように、ツェナーダイオードを使用して電圧を制限する場合には、図3及び図4に示すように、OUTノード又はOUTBノードの状態遷移が終わった後、すなわちスイッチング動作が終わった後にもツェナーダイオードを通じて、静的電流が続けて流れるため、不要な電力消費が発生する。この際、発生した静的電流は電源電圧(VDDH)に比例して増加するため、電源電圧(VDDH)が上昇するにつれて、電力消費はより大きくなる。また、プルアップ時間短縮部22−1、22−2に使用された第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)の場合、オン抵抗値が大きいため、大きい電流容量を駆動するためには第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)のサイズを大きくしなければならず、これによって、第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)を駆動するためのゲート充電容量が増加して、第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)を駆動するためのブートストラップコンデンサ(Cb1)(Cb2)の容量も共に増加し、チップサイズが大きくなり、これに従うチップ製作コストが増加するという短所を有している。
【0042】
要するに、ゲート駆動回路のレベルシフト回路として図1に図示されたようなラッチ型レベルシフトデバイスが使用できる。このような構造では、大きい伝播遅延時間及び短絡電流による電力消費が発生する。また、VDDH電圧が数ボルト内外の小さな電圧の場合には問題にならないが、数十ボルトの高電圧の場合には、上側第1のPMOS(PM1)、第2のPMOS(PM2)、第3のPMOS(PM3)のVgs(ゲート−ソース電圧)ブレークダウン現象が発生して、素子が破壊される問題点がある。これを改善するために、図2に図示されたようにツェナーダイオードを用いて、第1のNMOS(NM1)及び第2のNMOS(NM2)のドレインの電圧を一定の値に制限して、第2のPMOS(PM2)及び第1のPMOS(PM1)のVgsブレークダウン現象を防止するか、プルアップ時間短縮部22−1、22−2の第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)を用いて伝播遅延時間を短縮させて、短絡電流による電力消費を減少させたが、このような場合、ツェナーダイオードを通じた静的電流の発生によって不要な消費電力が発生し、プルアップ時間短縮部22−1、22−2の第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)によってチップサイズが大きくなって、チップ製作コストが上がるという短所を有している。
【0043】
次に、図5乃至図7を参考して本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイス300を説明する。
【0044】
図5は、本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
【0045】
図5に示すように、本発明の実施形態に従うレベルシフトデバイス300は、NOTゲート(U1)、NOTゲート(U2)、NOTゲート(U3)、NOTゲート(U4)、ラッチ型レベルシフタ部30、電圧生成部31、プルアップ時間短縮部32−1、プルアップ時間短縮部32−2、及び電圧出力部33を含む。
【0046】
ラッチ型レベルシフタ部30は、レベルシフトデバイス300の入力信号を駆動電圧である高電圧レベルに変換する。
【0047】
電圧生成部31は、ラッチ型レベルシフタ部30のプルアップPMOSのVgsを一定の電圧値に制限してプルアップPMOSのVgsブレークダウンを防止する。
【0048】
プルアップ時間短縮部32−1は、ラッチ型レベルシフタ部30のプルアップPMOS(PM1)のプルアップ時、プルアップ時間を短縮させ、プルアップ時間短縮部32−2はラッチ型レベルシフタ部30のプルアップPMOS(PM2)のプルアップ時、プルアップ時間を短縮させる。
【0049】
電圧出力部33は、ラッチ型レベルシフタ部30の出力電圧及びレベルシフトデバイス300の入力信号の入力を受けてバッファして出力する。
【0050】
ラッチ型レベルシフタ部30は、第1のPMOS(PM1)、第2のPMOS(PM2)、第1のNMOS(NM1)、第2のNMOS(NM2)、第3のPMOS(PM3)、及び第4のPMOS(PM4)を含む。ラッチ型レベルシフタ部30の上側に位置した第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)と、下側の第1のNMOS(NM1)及び第2のNMOS(NM2)とは、ラッチ構造をなす。第3のPMOS(PM3)及び第4のPMOS(PM4)は、プルアップPMOSである第1のPMOS(PM1)と第2のPMOS(PM2)のVgsブレークダウンを防止するためのトランジスタである。
【0051】
電圧生成部31は、ツェナーダイオード(ZD3)、定電流源(Icc)、及びコンデンサ(Cc)を含む。
【0052】
プルアップ時間短縮部32−1は、ツェナーダイオード(ZD1)、第3のNMOS(NM3)、及びブートストラップコンデンサ(Cb1)を含む。
【0053】
プルアップ時間短縮部32−2は、ツェナーダイオード(ZD2)、第4のNMOS(NM4)、及びブートストラップコンデンサ(Cb2)を含む。
【0054】
電圧出力部33は、上側の第5のPMOS(PM5)及び下側の第5のNMOS(NM5)を含む。
【0055】
NOTゲート(U1)は入力端子及び出力端子を有する。NOTゲート(U1)の入力端子には低電圧レベルの入力信号が印加される。
【0056】
NOTゲート(U2)は、入力端子及び出力端子を有する。NOTゲート(U2)の入力端子は、NOTゲート(U1)の出力端子と接続される。
【0057】
NOTゲート(U3)は、入力端子及び出力端子を有する。NOTゲート(U3)の入力端子は、NOTゲート(U2)の出力端子と接続される。
【0058】
NOTゲート(U4)は、入力端子及び出力端子を有する。NOTゲート(U4)の入力端子は、NOTゲート(U3)の出力端子と接続される。
【0059】
第1のPMOS(PM1)は、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極を有する。第1のPMOS(PM1)のソース電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。
【0060】
第2のPMOS(PM2)は、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極を有する。第2のPMOS(PM2)のソース電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。第2のPMOS(PM2)のゲート電極は、第1のPMOS(PM1)のドレイン電極に接続される。第2のPMOS(PM2)のドレイン電極は、第1のPMOS(PM1)のゲート電極に接続される。
【0061】
第3のPMOS(PM3)は、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極を有する。第3のPMOS(PM3)のソース電極は、第1のPMOS(PM1)のドレイン電極に接続される。
【0062】
第4のPMOS(PM4)は、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極を有する。第4のPMOS(PM4)のソース電極は、第2のPMOS(PM2)のドレイン電極に接続される。第4のPMOS(PM4)のゲート電極は、第3のPMOS(PM3)のゲート電極に接続される。
【0063】
第1のNMOS(NM1)は、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極を有する。第1のNMOS(NM1)のドレイン電極は、第3のPMOS(PM3)のドレイン電極に接続される。第1のNMOS(NM1)のゲート電極は、NOTゲート(U2)の出力端子に接続される。第1のNMOS(NM1)のソース電極は、グラウンドに接続される。
【0064】
第2のNMOS(NM2)は、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極を有する。第2のNMOS(NM2)のドレイン電極は、第4のPMOS(PM4)のドレイン電極に接続される。第2のNMOS(NM2)のゲート電極は、NOTゲート(U1)の出力端子に接続される。第2のNMOS(NM2)のソース電極は、グラウンドに接続される。
【0065】
第3のNMOS(NM3)は、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極を有する。第3のNMOS(NM3)のドレイン電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。第3のNMOS(NM3)のソース電極は、第1のPMOS(PM1)のドレイン電極に接続される。
【0066】
ツェナーダイオード(ZD1)は、アノード電極及びカソード電極を有する。ツェナーダイオード(ZD1)のカソード電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。ツェナーダイオード(ZD1)のアノード電極は、第3のNMOS(NM3)のゲート電極に接続される。
【0067】
ブートストラップコンデンサ(Cb1)は、ツェナーダイオード(ZD1)のアノード電極に接続された一端と、第3のNMOS(NM3)のゲート電極に接続された他端とを有する。
【0068】
第4のNMOS(NM4)は、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極を有する。第4のNMOS(NM4)のドレイン電極には高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。第4のNMOS(NM4)のソース電極は、第2のPMOS(PM2)のドレイン電極に接続される。
【0069】
ツェナーダイオード(ZD2)は、アノード電極及びカソード電極を有する。ツェナーダイオード(ZD2)のカソード電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。ツェナーダイオード(ZD2)のアノード電極は、第4のNMOS(NM4)のゲート電極に接続される。
【0070】
ブートストラップコンデンサ(Cb2)は、ツェナーダイオード(ZD2)のアノード電極に接続された一端と、第4のNMOS(NM4)のゲート電極に接続された他端とを有する。
【0071】
第5のPMOS(PM5)は、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極を有する。第5のPMOS(PM5)のソース電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。第5のPMOS(PM5)のゲート電極は、第2のPMOS(PM2)のドレイン電極に接続される。第5のPMOS(PM5)のドレイン電極は、高電圧レベルのバッファされた出力信号を出力する。
【0072】
第5のNMOS(NM5)は、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極を有する。第5のNMOS(NM5)のドレイン電極は、第5のPMOS(PM5)のドレイン電極に接続される。第5のNMOS(NM5)のゲート電極は、NOTゲート(U4)の出力端子に接続される。第5のNMOS(NM5)のソース電極は、グラウンドに接続される。
【0073】
ツェナーダイオード(ZD3)は、アノード電極及びカソード電極を有する。ツェナーダイオード(ZD3)のカソード電極には、高電圧レベルの駆動電圧(VDDH)が印加される。
【0074】
定電流源(ICc)は、ツェナーダイオード(ZD3)のアノード電極に接続された電流入力端子及びグラウンドに接続された電流出力端子を有する。
【0075】
コンデンサ(Cc)は、ツェナーダイオード(ZD3)のアノード電極に接続された一端と、グラウンドに接続された他端とを有する。
【0076】
第3のPMOS(PM3)及び第4のPMOS(PM4)のゲート電極には電圧生成部31で生成されたバイアス電圧(VDDH−Vz)が印加される。
【0077】
ラッチ型レベルシフタ部30の第3のPMOS(PM3)及び第4のPMOS(PM4)のゲートにバイアス電圧(VDDH−Vz)を印加する。
【0078】
次に、図6及び図7を参考して、図5のレベルシフトデバイス300の動作を説明する。
【0079】
図6は、図5のハイレベルの入力信号を受けたレベルシフトデバイスの動作を示している。
【0080】
‘High’状態の入力信号(VIN)が入力された場合、下側の第1のNMOS(NM1)がターンオンされ、第2のNMOS(NM2)はターンオフされて、第1のNMOS(NM1)によってOUTノードの状態が‘High’から‘Lowへ遷移し、これによって上側の第2のPMOS(PM2)がターンオンされて、OUTBノードの状態も’Low’から‘High’へ遷移して、上側の第1のPMOS(PM1)はターンオフされる。この際、Cノードの電圧は第1ブートストラップコンデンサ(Cb1)によって(VDD−Vz+VDDL)電圧から(VDD−Vz)電圧に減少し、プルアップ時間短縮部32−1の第3のNMOS(NM3)はターンオフされ、Dノードの電圧は第2ブートストラップコンデンサ(Cb2)によって(VDD−Vz)電圧から(VDD−Vz+VDDL)電圧に上昇して、プルアップ時間短縮部32−2の第4のNMOS(NM4)がターンオンされて、OUTBノードの電圧がVDDHに充電される時間を短縮する。ここで、Eノードの電圧は電圧生成部31によって供給されるバイアス電圧(VDDH−Vz)に一定に維持されて、OUTノードの電圧が一定電圧(VDDH−Vz+Vth)以下に減少する場合、第3のPMOS(PM3)がターンオフされてOUTノードの電圧がまた上昇するようになり、一定電圧(VDDH−Vz+Vth)以上に上昇すると、第3のPMOS(PM3)がターンオンされて、第1のPMOS(PM1)のドレイン電圧をまた減少させるフィードバック動作が発生して、OUTノードの電圧は一定電圧(VDDH−Vz+Vth)に制限される。したがって、電源電圧(VDDH)が上昇しても、ラッチ型レベルシフタ部30の上側プルアップPMOSの第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)のVgsは一定電圧(Vz−Vth)に維持されて、電源電圧(VDDH)の上昇に従うプルアップPMOSのVgsブレークダウンを防止し、従来の技術とは異なり、ツェナーダイオードを使用しないことによって、不要な静的電流が発生しない。
【0081】
電圧出力部33の上側の第5のPMOS(PM5)は、ラッチ型レベルシフタ部30によってターンオフされ、下側の第5のNMOS(NM5)はターンオンされて、VOUTはGND電圧を出力に送り出す。
【0082】
図7は、図5のローレベルの入力信号を受けたレベルシフトデバイスの動作を示している。
【0083】
‘Low’状態の入力信号(VIN)が入力された場合、下側の第2のNMOS(NM2)がターンオンされ、第1のNMOS(NM1)はターンオフされて、第2のNMOS(NM2)によってOUTBノードの状態が‘High’から‘Low’へ遷移し、これによって上側の第1のPMOS(PM1)がターンオンされて、OUTノードの状態も‘Low’から‘High’へ遷移して、上側の第2のPMOS(PM2)はターンオフされる。この際、Dノードの電圧は第2ブートストラップコンデンサ(Cb2)によって(VDD−Vz+VDDL)電圧から(VDD−Vz)電圧に減少し、プルアップ時間短縮部32−2の第4のNMOS(NM4)はターンオフされ、Cノードの電圧は第1ブートストラップコンデンサ(Cb1)によって(VDD−Vz)電圧から(VDD−Vz+VDDL)電圧に上昇して、プルアップ時間短縮部32−1の第3のNMOS(NM3)がターンオンされて、OUTノードの電圧がVDDHに充電される時間を短縮する。ここで、OUTBノードの電圧は前述したような原理によって一定電圧(VDD−Vz+Vth)に制限されて、上側第1のPMOS(PM1)のVgsは一定電圧(Vz−Vth)に維持される。したがって、電源電圧(VDDH)の上昇に従うプルアップPMOSのVgsブレークダウンが発生せず、従来の技術とは異なり、ツェナーダイオードを使用しないことによって、不要な静的電流が発生しない。
【0084】
電圧出力部33の上側の第5のPMOS(PM5)は、ラッチ型レベルシフタ部30によってターンオンされ、下側の第5のNMOS(NM5)はターンオフされて、VOUTはVDDH電圧を出力に送り出す。
【0085】
次に、図8を参考して本発明の更に他の実施形態を説明する。
【0086】
図8は、本発明の更に他の実施形態に従うレベルシフトデバイスの回路図である。
【0087】
図8に示すように、本発明の実施形態に従うレベルシフトデバイス400は、NOTゲート(U1)、NOTゲート(U2)、NOTゲート(U3)、NOTゲート(U4)、ラッチ型レベルシフタ部40、電圧生成部41、プルアップ時間短縮部42−1、プルアップ時間短縮部42−2、及び電圧出力部43を含む。
【0088】
図8に示すように、図5の電圧生成部31のツェナーダイオードは直列に接続されたn個のダイオードに取替えできる。この際、Eノードの電圧は(VDDH−n*VD)に一定に維持されて、上側プルアップPMOSの第1のPMOS(PM1)及び第2のPMOS(PM2)のVgsは一定電圧(n*VD−Vth)に維持される。
【0089】
図8に示すように、図5のプルアップ時間短縮部32−1、32−2のツェナーダイオードは直列に接続されたn個のダイオードに置き換えることができる。直列に接続されたn個のダイオードのアノードには高電圧レベルの駆動電圧が印加され、カソードはCノードと接続できる。
【0090】
プルアップ時間短縮部42−1、42−2のダイオードの個数(n)は電圧生成部41のダイオードの個数(n)と同一でなければならず、多いか足りない場合にはプルアップ時間短縮部42−1、42−2の第3のNMOS(NM3)及び第4のNMOS(NM4)が正常にターンオンされるか、ターンオフされないことがあり、これによって、伝播遅延時間が減少しないか、静的電流が発生することがある。
【0091】
また、OUTノード及びOUTBノードが(VDDH+VD)電圧以上に上昇しないように、第1ダイオード(D1)及び第2ダイオード(D2)をn個のダイオードと逆方向に並列配置する。
【0092】
本発明の一実施形態によれば、前述した方法は、プログラムが記録された媒体にプロセッサによって読み取ることができるコードとして具現することが可能である。プロセッサによって読み取ることができる媒体の例には、ROM、RAM、CD−ROM、磁気テープ、フレキシブルディスク、光データ記憶装置などがあり、搬送波(例えば、インターネットを通じた転送)の形態に具現されるものも含む。
【0093】
上記のように説明された移動端末機は、前述した実施形態の構成及び方法が限定されるように適用できるものでなく、前記実施形態は多様な変形ができるように、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することもできる。
【符号の説明】
【0094】
10、30、40 ラッチ型レベルシフタ部
20 レベルシフタ部
21−1、21−2 電圧制御部
22−1、22−2、32−1、32−2、42−1、42−2 プルアップ時間短縮部
31、41 電圧生成部
23、33、43 電圧出力部
100、200、300、400 レベルシフトデバイス
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8