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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023128032
(43)【公開日】2023-09-14
(54)【発明の名称】負荷スイッチ装置
(51)【国際特許分類】
   H03K 17/06 20060101AFI20230907BHJP
【FI】
H03K17/06 063
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022032077
(22)【出願日】2022-03-02
(71)【出願人】
【識別番号】506334171
【氏名又は名称】トレックス・セミコンダクター株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100128532
【弁理士】
【氏名又は名称】村中 克年
(72)【発明者】
【氏名】池田 剛志
【テーマコード(参考)】
5J055
【Fターム(参考)】
5J055AX12
5J055AX25
5J055BX16
5J055DX13
5J055DX22
5J055EY21
5J055EZ03
5J055EZ09
5J055EZ55
5J055FX12
(57)【要約】
【課題】ドライバのフルオン状態およびその近傍状態ではチャージポンプを停止させる制御をチャージポンプからの出力電流を引くことなく実現し得る負荷スイッチ装置を提供する。
【解決手段】 ドライバ1のゲートの電位と、ドライバ1の負荷側の電位とに基づきドライバの動作状態を検出するとともに、前記ゲートに印加されるチャージポンプ3の出力電圧CPがドライバ1のフルオン電圧未満の所定の電圧以上の場合にはチャージポンプ3の動作を停止させる一方、所定の電圧未満の場合にはチャージポンプ3が駆動されるようにオッシレータ2を制御する駆動制御信号ENを生成するドライバON検出回路4を有し、さらにドライバON検出回路4は、ドライバ1の前記ゲートとソースとの間の電圧をモニタするセンストランジスタTR1に流れるセンス電流Iと、前記フルオン状態でドライバ1に流れる電流を模擬した基準電流Iとを比較することにより駆動制御信号ENを生成するようにした。
【選択図】 図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電源と負荷との間に接続された半導体スイッチ素子であるNchのFETで形成したドライバと、前記ドライバのゲートの電位を制御することで前記ドライバのオン・オフを含む動作状態を制御するチャージポンプと、生成したクロック信号に基づき前記チャージポンプを駆動するオッシレータとを有する負荷スイッチ装置において、
前記ゲートの電位と、前記ドライバのソース側の電位とに基づき前記動作状態を検出するとともに、前記チャージポンプの出力電圧が前記ドライバのフルオン電圧未満の所定の電圧以上の場合には前記チャージポンプの動作を停止させる一方、前記所定の電圧未満の場合には前記チャージポンプが駆動されるように前記オッシレータを制御する駆動制御信号を生成するドライバON検出回路を有し、
さらに前記ドライバON検出回路は、前記ドライバの前記ゲートとソースとの間の電圧をモニタするセンストランジスタに流れるセンス電流と、前記所定の電圧で前記センストランジスタに流れる電流を模擬した基準電流とを比較することにより前記駆動制御信号を生成するように構成したことを特徴とする負荷スイッチ装置。
【請求項2】
請求項1に記載する負荷スイッチ装置において、
前記センストランジスタは、そのゲートが前記ドライバのゲートに、そのドレインが前記ドライバのソースにそれぞれ接続されるとともに、第1の基準電圧源を電源として循環する循環電流であるセンス電流を流すセンス循環路を形成する一方、
前記基準電流は、前記第1の基準電圧源と同電圧を出力電圧とする第2の基準電圧源で生成され、前記第2の基準電圧源および第3の基準電圧源で制御される前記センストランジスタと同形状の基準トランジスタを含む基準循環路を循環し、
さらに前記センス循環路に介在させた第1の電流制御電流源を介して前記センス電流を検出するとともに、前記基準循環路に介在させた第2の電流制御電流源を介して前記基準電流を検出して両者を比較することにより前記駆動制御信号を生成するようにしたことを特徴とする負荷スイッチ装置。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載する負荷スイッチ装置において、
前記ドライバはそのドレインが前記電源に、そのソースが前記負荷に接続されていることを特徴とする負荷スイッチ装置。
【請求項4】
請求項1または請求項2に記載する負荷スイッチ装置において、
前記ドライバは、そのドレインが前記負荷に、そのソースが前記電源に接続されていることを特徴とする負荷スイッチ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は負荷スイッチ装置に関し、特に半導体スイッチ素子(FET、理想ダイオード)で形成したドライバと、出力信号で前記ドライバのゲートの電位を制御することで前記ドライバの動作状態を制御するチャージポンプとを備えた負荷スイッチ装置に適用して有用なものである。
【背景技術】
【0002】
従来より半導体スイッチ素子を利用した負荷スイッチ装置が提案されている。この種の負荷スイッチ装置の一例を図7に示す。同図に示す負荷スイッチ装置では、入力電圧VINの電源に接続された入力端子と出力電圧VOUTの出力端子との間に半導体スイッチ素子であるNchのFET01を接続し、FET01の動作を制御することにより出力端子(電圧VOUT)に接続した負荷(図示せず)に電源(電圧VIN)から所定の電力を供給するようになっている。ここで、FET01を介して負荷に供給される電流は、オッシレータ02からの周波数信号で動作するチャージポンプ03の出力電圧CPでFET01のゲートに充電される電圧により規定される。
【0003】
ところで、従来技術に係る負荷スイッチ装置においては、FET01のオン状態でFET01のゲートが充分なオン電位に充電されていても定常的にチャージポンプ03を駆動してゲートを充電し続けている。このため、不要な電力を消費してしまうこととなっていた。
【0004】
そこで、FET01のゲートが充分なオン電位に充電されている状態が検出された場合には、オッシレータ02およびチャージポンプ03の駆動を停止させるように制御する方式が提案されている(例えば特許文献1、特許文献2参照)。
【0005】
しかしながら特許文献1および特許文献2に開示された技術をはじめ従来技術においては、チャージポンプ03の出力電圧CPに基づく電流の一部を利用して所望の状態検出や制御を行っている。この結果、前記状態検出や制御のためにチャージポンプ03の出力電圧CPに基づく電流が消費されてしまい、その分頻繁にチャージポンプ03を動作させることが必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2003-168963号公報
【特許文献2】米国特許9,831,852 B2公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記従来技術に鑑み、チャージポンプの出力で動作状態が制御されるドライバであるFETまたは理想ダイオードを介して負荷に電力を供給する場合において、ドライバのフルオン状態およびその近傍状態ではチャージポンプを停止させる制御をチャージポンプからの出力電流を引くことなく適切に実現し得る負荷スイッチ装置を提供することを目的とする。
【0008】
ここで、「ドライバのフルオン状態およびその近傍状態」とは、次のような状態をいう。図8はFETで形成したドライバのゲートの電圧特性を示すグラフである。同図において横軸が経過時間、縦軸がドライバ(FET)のゲート電圧を示している。同図に示すように、オッシレータが出力するクロック信号CL1~CL4によりチャージポンプの出力でドライバ(FET)のゲートが充電され、その結果ゲート電圧VGATが上昇して飽和電圧であるフルオン電圧VSATに到達する。このようにドライバがフルオン電圧VSATに到達した状態をフルオン状態という。フルオン状態に達した後、チャージポンプは停止させる。この結果、ゲート電圧VGATはチャージポンプの停止後の時間の経過とともにフルオン電圧VSATから漸減するが、ドライバのオン状態を維持すべく、ゲート電圧VGATがフルオン電圧VSATから所定の電圧VPREまで降下した時点でクロック信号CL2~CL4を送出し、再度ドライバのゲートを充電する。この場合のゲート電圧VGATが所定の電圧VPREに達した状態を「フルオン状態の近傍状態」という。
【0009】
このように、ドライバのゲート電圧VGATがフルオン状態に達した時点でチャージポンプの出力電圧によるドライバのゲートの充電を停止するとともに、所定の電圧VPREまで低下した時点でチャージポンプの出力電圧によるドライバのゲートの充電を再開するという制御を行っている。そこで、「ドライバのフルオン状態およびその近傍状態」を検出する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成する本発明の第1の態様に係る負荷スイッチ装置は、
電源と負荷との間に接続された半導体スイッチ素子であるNchのFETで形成したドライバと、前記ドライバのゲートの電位を制御することで前記ドライバのオン・オフを含む動作状態を制御するチャージポンプと、生成したクロック信号に基づき前記チャージポンプを駆動するオッシレータとを有する負荷スイッチ装置において、
前記ゲートの電位と、前記ドライバのソース側の電位とに基づき前記動作状態を検出するとともに、前記チャージポンプの出力電圧が前記ドライバのフルオン電圧未満の所定の電圧以上の場合には前記チャージポンプの動作を停止させる一方、前記所定の電圧未満の場合には前記チャージポンプが駆動されるように前記オッシレータを制御する駆動制御信号を生成するドライバON検出回路を有し、
さらに前記ドライバON検出回路は、前記ドライバの前記ゲートとソースとの間の電圧をモニタするセンストランジスタに流れるセンス電流と、前記所定の電圧で前記センストランジスタに流れる電流を模擬した基準電流とを比較することにより前記駆動制御信号を生成するように構成したことを特徴とする。
【0011】
本発明の第2の態様に係る負荷スイッチ装置は、
第1の態様に記載する負荷スイッチ装置において、
前記センストランジスタは、そのゲートが前記ドライバのゲートに、そのドレインが前記ドライバのソースにそれぞれ接続されるとともに、第1の基準電圧源を電源として循環する循環電流であるセンス電流を流すセンス循環路を形成する一方、
前記基準電流は、前記第1の基準電圧源と同電圧を出力電圧とする第2の基準電圧源で生成され、前記第2の基準電圧源および第3の基準電圧源で制御される前記センストランジスタと同形状の基準トランジスタを含む基準循環路を循環し、
さらに前記センス循環路に介在させた第1の電流制御電流源を介して前記センス電流を検出するとともに、前記基準循環路に介在させた第2の電流制御電流源を介して前記基準電流を検出して両者を比較することにより前記駆動制御信号を生成するようにしたことを特徴とする。
【0012】
本発明の第3の態様に係る負荷スイッチ装置は、
第1または第2の態様に記載する負荷スイッチ装置において、
前記ドライバはそのドレインが前記電源に、そのソースが前記負荷に接続されていることを特徴とする。
【0013】
本発明の第4の態様に係る負荷スイッチ装置は、
第1および第2の態様に記載する負荷スイッチ装置において、
前記ドライバは、そのドレインが前記負荷に、そのソースが前記電源に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、チャージポンプの出力電圧に基づく電流を消費することなくドライバがフルオン状態およびその近傍の状態であるか否かを検出してチャージポンプの駆動を適宜制御することができる。この結果、チャージポンプの出力電圧に基づく電流の消費を抑制しつつ当該負荷スイッチ装置の合理的な駆動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】本発明の第1の実施の形態に係る負荷スイッチ装置を示すブロック図である。
図2図1の実施の形態を示す回路図である。
図3図1の実施の形態のさらに具体的な回路を示す回路図である。
図4】本発明の第2の実施の形態に係る負荷スイッチ装置を示すブロック図である。
図5図4の実施の形態を示す回路図である。
図6図4の実施の形態のさらに具体的な回路を示す回路図である。
図7】従来技術に係る負荷スイッチ装置の一例を示すブロック図である。
図8】FETで形成したドライバのゲートの電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0017】
<第1の実施の形態>
図1は本発明の第1の実施の形態に係る負荷スイッチ装置を示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る負荷スイッチ装置は、半導体スイッチ素子であるNchのFETで形成したドライバ1と、所定周波数のクロック信号を送出するオッシレータ2と、オッシレータ2のクロック信号で動作し、出力電圧CPでドライバ1のゲートを充電することでドライバ1のオン・オフを含む動作状態を制御するチャージポンプ3とを有する。ここで、本形態におけるドライバ1はそのドレインが入力電圧VINの電源側に、そのソースが出力電圧VOUTの負荷側にそれぞれ接続されている。
【0018】
本形態に係る負荷スイッチ装置は、さらにドライバ1の動作状態を検出するドライバON検出回路4を有する。ドライバON検出回路4は、ドライバ1のゲートの電位と、ドライバ1のソース側の電位とに基づきドライバ1の動作状態を検出するとともに、出力電圧CPがドライバ1のフルオン電圧VSAT(図8参照、以下同じ)未満の所定の電圧VPRE(図8参照、以下同じ)以上の場合にはチャージポンプ3の動作を停止させる。一方、出力電圧CPが所定の電圧VPRE未満の場合には、チャージポンプ3が駆動されるようにオッシレータ2を制御する駆動制御信号ENを生成する。
【0019】
さらに詳言すると、図2に示すように、ドライバON検出回路4は、ドライバ1のゲートとソースとの間の電圧をモニタするセンストランジスタTR1に流れるセンス電流I1と、所定の電圧VPREでセンストランジスタTR1に流れる電流を模擬した基準電流I2とを比較することにより駆動制御信号ENを生成する。
【0020】
ここで、センストランジスタTR1は、そのゲートがドライバ1のゲートに、そのドレインがドライバ1のソースにそれぞれ接続されるとともに、出力電圧Vref1を出力する第1の基準電圧源5を電源として循環する循環電流であるセンス電流I1を流すセンス循環路を形成している。一方、基準トランジスタTR2は、出力電圧Vref2を出力する第2の基準電圧源6を電源として循環する循環電流である基準電流I2を流す基準循環路を形成している。この結果、基準電流I2は、第1の基準電源5の出力電圧Vref1と同電圧を出力電圧Vref2とする第2の基準電圧源6で生成され、第2の基準電圧源6および基準トランジスタTR2を含む基準循環路を循環する。ここで、基準トランジスタTR2は出力電圧Vref3を出力する第3の基準電圧源7で動作される。また、出力電圧Vref1と出力電圧Vref2は同電圧で、かつセンストランジスタTR1と基準トランジスタTR2との形状比は同一になるように形成してある。
【0021】
センス電流I1は前記センス循環路に介在させた第1の電流制御電流源(CCCS)8を介して検出するとともに、基準電流I2は前記基準循環路に介在させた第2の電流制御電流源(CCCS)9を介して検出する。そして、それぞれ検出したセンス電流I1および基準電流I2を比較し、この結果出力電圧CPがドライバ1のフルオン電圧VSAT未満の所定の電圧VPRE以上の場合にはチャージポンプ3の動作を停止させる。一方、出力電圧CPが所定の電圧VPRE未満の場合にはチャージポンプ3が駆動されるようにオッシレータ2を制御する駆動制御信号ENを生成し、この駆動制御信号ENでオッシレータ2を駆動する。なお、電流制御電流源8,9は、検出した電流の電流値に比例した電流を出力する。
【0022】
ここで、センストランジスタTR1のゲート・ソース間電圧を電圧VGS_TR1、基準トランジスタTR2のゲート・ソース間電圧を電圧VGS_TR2とすると、駆動制御信号ENが反転する条件は、以下の条件が充足された場合である。
VGS_TR1= VGS_TR2
【0023】
図2において、電圧VGS_TR1,VGS_TR2はそれぞれ以下のように表される。
VGS_TR1=CP-(VOUT-Vref1)
VGS_TR2=Vref3
また、ドライバ1のゲート・ソース間電圧を電圧VGS_drvとすると、
VGS_drv=CP-VOUT
と表されるので、駆動制御信号ENが反転するときの電圧VGS_drvは、上述の4つの式より
VGS_drv=Vref3-Vref1
となる。
【0024】
なお、本形態においては、第1および第2の基準電圧源5,6の出力電圧Vref1、Vref2は、両者を同電圧とするとともに、フルオン電圧VSATから所定の電圧VPREを差し引いた電圧に設定している。この結果、フルオン電圧VSATないしその近傍の所定の電圧VPREを維持しながらチャージポンプ3を止めることができる。なお、このときの出力電圧Vref1、Vref2は、0.1~0.2V程度が好適である。
【0025】
図3図1に示す本実施の形態のさらに具体的な回路を示す回路図である。図3中、図2と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。同図に示すように、図3に示す回路においてドライバON検出回路4は、センストランジスタTR1および基準トランジスタTR2の他に、トランジスタTR3,TR4、オペアンプ10,11、電流源8,9、抵抗Rref1,Rref2を有している。ここで、Iref1×Rref1(=Vref1)= Iref2×Rref2(=Vref2)の関係を有している。
【0026】
かかる回路においてはオペアンプ10,11の非反転入力端子と反転入力端子とにそれぞれ入力される電圧が等しくなるように第3のトランジスタTR3、第4のトランジスタTR4のゲートの電位が制御され、センス電流Iおよび基準電流Iが決定される。かくして、センス電流Iおよび基準電流Iを比較することで、駆動制御信号ENを反転させるか否かを決定する。
【0027】
上述の如き本形態によれば、チャージポンプ3の出力電圧CPに基づく電流を消費することなくドライバ1がフルオン状態およびその近傍の状態であるか否かを検出してチャージポンプ3の駆動を適宜制御することができるので、チャージポンプ3の出力電圧CPに基づく電流の消費を抑制しつつ当該負荷スイッチ装置の合理的な駆動を実現することができる。
【0028】
<第2の実施の形態>
図4は本発明の第2の実施の形態に係る負荷スイッチ装置を示す回路図である。同図に示すように、本形態におけるドライバON検出回路14は、接続線の一つが入力電圧VINの電源側に接続されている。すなわち、図1に示す第1の実施の形態の場合には、ドライバ1のソースが負荷側に、ドレインが電源側にそれぞれ接続されているのに対し、本形態では、ドライバ21のソースが電源側に、ドレインが負荷側にそれぞれ接続されている。ただ、ドライバON検出回路14が、ドライバ21のゲートの電位と、ドライバ21のソースの電位とに基づきドライバ21の動作状態を検出する点では両者同様である。すなわち、図5および図6に詳細を示すドライバON検出回路14は、ドライバ21部分の接続の変更に関連する変更点を除けば、図5に対応する図2および図6に対応する図3に示すドライバON回路4の構成と同一である。そこで、図5,図6中、図2,図3と同一部分には、同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【0029】
図4図6に示す負荷スイッチ装置においても図1図3に示す負荷スイッチと同様に、チャージポンプ3の出力電圧CPに基づく電流を消費することなくドライバ1がフルオン状態およびその近傍の状態であるか否かを検出してチャージポンプ3の駆動を適宜制御することができる。
【符号の説明】
【0030】
1,11 ドライバ
2 オッシレータ
3 チャージポンプ
4,14 ドライバON検出回路
5~7 第1~第3の基準電圧源
8,9 第1,第2の電流制御電流源
10,11 オペアンプ


図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8