JP2025010714A - Switch Circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、スイッチ回路に関する。 This disclosure relates to a switch circuit.
スイッチ回路は、2つのノード間に挿入された出力スイッチング素子を有し、与えられた制御信号に応じて出力スイッチング素子をオン又はオフすることにより、2つのノード間を導通又は遮断する。 The switch circuit has an output switching element inserted between two nodes, and turns the output switching element on or off in response to a given control signal to establish or block conduction between the two nodes.
[概要]
スイッチ回路では、制御信号に基づき出力スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する。制御信号の内容を駆動信号に伝搬する際の伝搬遅延を短くすることが求められる。出力スイッチング素子をオンからオフに切り替える際の伝搬遅延は特に短縮が要される。一方で、回路電流の抑制も求められる。
[overview]
In a switch circuit, a drive signal for driving an output switching element is generated based on a control signal. It is required to shorten the propagation delay when the contents of the control signal are propagated to the drive signal. It is especially required to shorten the propagation delay when switching the output switching element from on to off. At the same time, it is also required to suppress the circuit current.
本開示の一態様に係るスイッチ回路は、第1ノード及び第2ノード間に設けられた出力スイッチング素子と、前記出力スイッチング素子をオンさせるための駆動電圧を生成するよう構成された駆動電圧生成回路と、前記出力スイッチング素子の状態を指定する原制御信号を前記駆動電圧を用いてレベルシフトさせることによりシフト制御信号を生成するよう構成されたレベルシフタと、前記駆動電圧に基づき前記シフト制御信号に従って前記出力スイッチング素子を駆動するよう構成された駆動回路と、を備え、前記レベルシフタは、プルアップ抵抗と、前記プルアップ抵抗に直列接続されるシフト用トランジスタと、を有し、前記原制御信号が前記出力スイッチング素子のオフを指定するときに前記シフト用トランジスタをオンさせて前記プルアップ抵抗に電流を流すことで、前記出力スイッチング素子をオフさせる前記シフト制御信号を生成する。 A switch circuit according to one aspect of the present disclosure includes an output switching element provided between a first node and a second node, a drive voltage generation circuit configured to generate a drive voltage for turning on the output switching element, a level shifter configured to generate a shift control signal by level-shifting an original control signal that specifies the state of the output switching element using the drive voltage, and a drive circuit configured to drive the output switching element according to the shift control signal based on the drive voltage, the level shifter having a pull-up resistor and a shift transistor connected in series to the pull-up resistor, and generating the shift control signal that turns off the output switching element by turning on the shift transistor and flowing a current through the pull-up resistor when the original control signal specifies that the output switching element is to be turned off.
[詳細な説明]
以下、本開示の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量、機能部、回路、素子又は部品等を参照する記号又は符号を記すことによって、該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量、機能部、回路、素子又は部品等の名称を省略又は略記することがある。
Detailed Description
Hereinafter, examples of embodiments of the present disclosure will be specifically described with reference to the drawings. In each of the drawings, the same parts are given the same reference numerals, and duplicated descriptions of the same parts are generally omitted. In this specification, for the sake of simplicity, by writing a symbol or code referring to information, signal, physical quantity, functional part, circuit, element, or part, the name of the information, signal, physical quantity, functional part, circuit, element, or part corresponding to the symbol or code may be omitted or abbreviated.
まず、本開示の実施形態の記述にて用いられる幾つかの用語について説明を設ける。グランドとは、基準となる0V(ゼロボルト)の電位を有する基準導電部を指す又は0Vの電位そのものを指す。基準導電部は金属等の導体を用いて形成されて良い。0Vの電位をグランド電位と称することもある。本開示の実施形態において、特に基準を設けずに示される電圧はグランドから見た電位を表す。 First, some terms used in describing the embodiments of the present disclosure will be explained. Ground refers to a reference conductive part having a reference potential of 0V (zero volts), or refers to the potential of 0V itself. The reference conductive part may be formed using a conductor such as a metal. The potential of 0V is sometimes called the ground potential. In the embodiments of the present disclosure, a voltage indicated without a specific reference represents the potential as seen from ground.
レベルとは電位のレベルを指し、任意の注目した信号又は電圧についてハイレベルはローレベルよりも高い電位を有する。任意の注目した信号について、当該信号がハイレベルであるとき、当該信号の反転信号はローレベルをとり、当該信号がローレベルであるとき、当該信号の反転信号はハイレベルをとる。 Level refers to the level of potential, and for any given signal or voltage, a high level has a higher potential than a low level. For any given signal, when the signal is at a high level, the inverted signal of that signal is at a low level, and when the signal is at a low level, the inverted signal of that signal is at a high level.
MOSFETなどのFET(電界効果トランジスタ)として構成された任意のトランジスタについて、オン状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が導通している状態を指し、オフ状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が非導通となっている状態(遮断状態)を指す。FETに分類されないトランジスタについても同様である。MOSFETは、特に記述無き限り、エンハンスメント型のMOSFETであると解される。MOSFETは“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”の略称である。また、特に記述なき限り、任意のMOSFETにおいて、バックゲートはソースに短絡されていると考えて良い。 For any transistor configured as a FET (field effect transistor) such as a MOSFET, the on state refers to a state in which the drain and source of the transistor are conductive, and the off state refers to a state in which the drain and source of the transistor are non-conductive (cut-off state). The same applies to transistors not classified as FETs. Unless otherwise specified, MOSFETs are understood to be enhancement-type MOSFETs. MOSFET is an abbreviation for "metal-oxide-semiconductor field-effect transistor." Also, unless otherwise specified, the backgate of any MOSFET can be considered to be shorted to the source.
以下、任意のトランジスタについて、オン状態、オフ状態を、単に、オン、オフと表現することもある。また、任意のトランジスタについて、トランジスタがオン状態とされる期間をオン期間と称し、トランジスタがオフ状態とされる期間をオフ期間と称する。 Hereinafter, the on and off states of any transistor may be simply referred to as on and off. Also, for any transistor, the period during which the transistor is in the on state will be referred to as the on period, and the period during which the transistor is in the off state will be referred to as the off period.
ハイレベル又はローレベルの信号レベルをとる任意の信号について、当該信号のレベルがハイレベルとなる期間をハイレベル期間と称し、当該信号のレベルがローレベルとなる期間をローレベル期間と称する。ハイレベル又はローレベルの電圧レベルをとる任意の電圧についても同様である。 For any signal that has a high or low signal level, the period during which the signal is at a high level is called a high-level period, and the period during which the signal is at a low level is called a low-level period. The same applies to any voltage that has a high or low voltage level.
任意の回路素子、配線、ノードなど、回路を形成する複数の部位間についての接続とは、特に記述なき限り、電気的な接続を指すと解して良い。 Unless otherwise specified, connections between multiple parts that form a circuit, such as any circuit elements, wiring, nodes, etc., can be understood to refer to electrical connections.
対比されるべき任意の2つの電圧が電圧v1及びv2であるとした場合、“v1>v2”は電圧v1が電圧v2よりも高いことを表し、“v1<v2”は電圧v1が電圧v2よりも低いことを表す。電圧以外の物理量を含む他の式についても同様である。 If any two voltages to be compared are voltages v1 and v2, then "v1>v2" indicates that voltage v1 is higher than voltage v2, and "v1<v2" indicates that voltage v1 is lower than voltage v2. The same applies to other equations that include physical quantities other than voltage.
図1は本開示の実施形態に係る半導体装置1の概略構成図である。図2は半導体装置1の外観斜視図である。半導体装置1は、半導体基板上に形成された半導体集積回路を有する半導体チップと、半導体チップを収容する筐体CS(パッケージ)と、筐体CSから半導体装置1の外部に対して露出する複数の外部端子と、を備えた電子部品である。半導体チップを樹脂にて構成された筐体CS内に封入することで半導体装置1が形成される。尚、図2に示される半導体装置1の外部端子の数及び半導体装置1の筐体CSの種類は例示に過ぎず、それらを任意に設計可能である。図1には、半導体装置1に設けられる外部端子の一部又は全部として、入力端子IN、出力端子OUT、グランド端子GND及びイネーブル端子ENが示されている。これら以外の外部端子も半導体装置1に設けられ得る。
1 is a schematic diagram of a
尚、半導体装置1の外部に設けられる配線を特に外部配線と称し、半導体装置1の内部に設けられる配線を特に内部配線と称する。
The wiring provided outside the
半導体装置1の外部に設けられた電圧源VSから外部配線を通じ入力端子INに入力電圧VINが供給される。入力電圧VINは正の電圧値を有する。半導体装置1の外部に出力コンデンサCOUTが設けられる。出力コンデンサCOUTの第1端は出力端子OUTに接続され、出力コンデンサCOUTの第2端はグランドに接続される。出力端子OUTにおける電圧を出力電圧VOUTと称する。故に、出力コンデンサCOUTの両端間に出力電圧VOUTが加わる。尚、入力端子INとして機能する2以上の外部端子が半導体装置1に設けられていても良い。出力端子OUTとして機能する3以上の外部端子が半導体装置1に設けられていても良い。グランド端子GNDはグランドに接続される。
An input voltage V IN is supplied to an input terminal IN through an external wiring from a voltage source VS provided outside the
半導体装置1は、主な回路として、スイッチ回路10、内部電源回路20及び保護回路30を備える。半導体装置1の外部回路(不図示)からイネーブル端子ENに対しイネーブル信号SENが供給される。イネーブル信号SENはスイッチ回路10に入力される。
The
スイッチ回路10は、イネーブル信号SENに応じて入力端子IN及び出力端子OUT間を導通させる又は遮断する。入力端子IN及び出力端子OUT間が導通される場合、定常状態では、入力電圧VINと実質的に同じ電圧値を有する出力電圧VOUTが出力端子OUTに発生し、出力電圧VOUTは出力端子OUTに接続された任意の負荷(不図示)に供給される。入力端子IN及び出力端子OUT間を導通させた後、入力端子IN及び出力端子OUT間が遮断されれば、出力電圧VOUTは0Vに向けて低下してゆく。
The
内部電源回路20は入力端子INに供給される入力電圧VINに基づき1以上の内部電源電圧を生成する。保護回路30は半導体装置1において発生し得る各種の異常を検出する。保護回路30の検出結果はスイッチ回路10に伝達される。スイッチ回路10及び保護回路30は内部電源回路20にて生成された何れかの内部電源電圧を用いて駆動する。
The internal
このように半導体装置1は、入力端子IN及び出力端子OUT間を導通させる又は遮断するためのスイッチ装置として機能する。半導体装置1は、電子ヒューズに分類される装置であっても良いし、任意の電源バスに挿入されるハイサイドスイッチ装置であっても良い。ホットスワップ(活線挿抜)が想定される用途に半導体装置1を適用して良い。ここでは、1つのスイッチ回路10に注目するが、半導体装置1内に複数のスイッチ回路10が設けられていても良い。
In this way, the
イネーブル信号SENは“1”又は“0”の値を持つ。イネーブル信号SENが“0”の値を持つとき、スイッチ回路10は入力端子IN及び出力端子OUT間を遮断する。イネーブル信号SENが“1”の値を持つとき、スイッチ回路10は、原則として、入力端子IN及び出力端子OUT間を導通させる。イネーブル信号SENが“1”の値を持つ場合であっても、保護回路30にて特定異常が検出された場合には、スイッチ回路10は入力端子IN及び出力端子OUT間を遮断する。
The enable signal S_EN has a value of "1" or "0". When the enable signal S_EN has a value of "0", the
特定異常の例として過電圧異常がある。過電圧異常とは、入力電圧VINが過度に高まる状態を指す。図3に過電圧異常を検出できる過電圧検出回路31の構成を示す。過電圧検出回路31を保護回路30に設けておくことができる。過電圧検出回路31は抵抗31a及び31b並びにコンパレータ31cを備える。抵抗31aの第1端は入力端子INに接続されて入力電圧VINの供給を受ける。抵抗31aの第2端と抵抗31bの第1端は互いに接続される。抵抗31bの第2端は基準電位端に接続される。基準電位端における電圧は電圧VSSである。基準電位端はグランド端子GNDに接続される。このため、基準電位端はグランドと等価であり、0Vの電圧を有する。抵抗31a及び31b間の接続ノードに入力電圧VINの分圧である電圧VDIVが生じる。
An example of the specific abnormality is an overvoltage abnormality. An overvoltage abnormality refers to a state in which the input voltage V IN is excessively high. FIG. 3 shows the configuration of an
コンパレータ31cの非反転入力端子に電圧VDIVが入力され、コンパレータ31cの反転入力端子に所定の判定基準電圧VOVPが入力される。半導体装置1内に設けられた基準電圧生成回路により、入力電圧VIN又は内部電源電圧から判定基準電圧VOVPが生成される。コンパレータ31cは電圧VDIVを判定基準電圧VOVPと比較し、比較結果に応じた過電圧検出信号SOVPを生成及び出力する。過電圧検出信号SOVPは“1”又は“0”の値を有する。ここでは、ハイレベルの過電圧検出信号SOVPが“1”の値を有し、ローレベルの過電圧検出信号SOVPが“0”の値を有するものとする。
A voltage V DIV is input to a non-inverting input terminal of the
コンパレータ31cでの比較においてヒステリシス特性が付与される。過電圧検出信号SOVPの初期値は“0”である。過電圧検出信号SOVPが“0”の値を持つ状態を起点に“VDIV<VOVP”の成立状態から“VDIV>VOVP”の成立状態に遷移したとき、コンパレータ31cは過電圧検出信号SOVPの値を“0”から“1”に切り替える。以後、コンパレータ31cは、“VDIV<(VOVP-ΔVHYS)”が成立するまで過電圧検出信号SOVPの値を“1”で維持し、“VDIV<(VOVP-ΔVHYS)”が成立すると過電圧検出信号SOVPの値を“1”から“0”に切り替える。ΔVHYSはヒステリシス幅を表す電圧量であり、所定の正の電圧値を有する。変形として、“ΔVHYS=0”であっても良い。“1”の過電圧検出信号SOVPは過電圧異常が検出されたことを示し、“0”の過電圧検出信号SOVPは過電圧異常が検出されたことを示さない。
A hysteresis characteristic is applied in the comparison by the
過電圧検出信号SOVPはスイッチ回路10に入力される。過電圧検出信号SOVPの値が“0”であるとき、スイッチ回路10の動作は原則通りである。コンパレータ31cから“1”の過電圧検出信号SOVPが出力されたとき、スイッチ回路10は、イネーブル信号SENが“1”の値を有していても、即時、入力端子IN及び出力端子OUT間を遮断し、以後、所定のリセット条件が成立するまで入力端子IN及び出力端子OUT間の遮断を継続する。例えば、過電圧検出信号SOVPの値が“1”から“0”に戻るだけでリセット条件が成立する。或いは例えば、イネーブル信号SENの値を“1”から“0”に変化させた後、イネーブル信号SENの値を再度“1”に変化させることでリセット条件が成立するものであっても良い。この他、リセット条件は任意である。
The overvoltage detection signal SOVP is input to the
上述の特定異常は過電圧異常に限定されない。例えば、入力端子IN及び出力端子OUT間に流れる電流が過度に大きくなる過電流異常も特定異常に含まれ得る。また例えば、半導体装置1内の温度検出位置における温度が所定温度以上に高まる高温異常も特定異常に含まれ得る。但し、以下では、特定異常として特に過電圧異常に注目する。
The specific abnormality described above is not limited to an overvoltage abnormality. For example, an overcurrent abnormality in which the current flowing between the input terminal IN and the output terminal OUT becomes excessively large may also be included as a specific abnormality. In addition, for example, a high temperature abnormality in which the temperature at the temperature detection position in the
<<第1参考例>>
図4に第1参考例に係るスイッチ回路910を示す。スイッチ回路910では、チャージポンプ回路911を用いて出力トランジスタm1をオンさせるための駆動電圧Vbstを生成し、イネーブル信号SENに応じた制御信号CNTに従い、ドライバ912が駆動電圧Vbstを用いて出力トランジスタm1を駆動する。
<<First Reference Example>>
4 shows a
図5に第1参考例に係る過電圧異常の発生時のタイミングチャートを示す。ハイレベルの制御信号CNTにより出力トランジスタm1がオンに制御されている状態を起点に、過電圧異常が検出された場合には(“VIN>Vovp_th”となった場合には)、制御信号CNTをハイレベルからローレベルに遷移させる。制御信号CNTのローレベルへの遷移をレベルシフタ913を通じてドライバ912に伝達することで、出力トランジスタm1のゲート電圧Vgを低下させ、以って出力トランジスタm1をオフさせる。ゲート電圧Vgの低下過程において、電圧(Vg-VOUT)が出力トランジスタm1のゲート閾電圧Vthを下回った時点で出力トランジスタm1の状態がオフへと切り替わる。
5 shows a timing chart when an overvoltage abnormality occurs according to the first reference example. Starting from a state in which the output transistor m1 is controlled to be on by the high-level control signal CNT, when an overvoltage abnormality is detected (when "V IN >Vovp_th"), the control signal CNT is transitioned from high to low. By transmitting the transition of the control signal CNT to low to the
入力端子INにはケーブルなどを通じて入力電圧VINが供給されることから、ケーブル等のインダクタンスにより入力電圧VINが急峻に上昇することがある。そのため、過電圧異常が検出されてから出力トランジスタm1をオフさせるまでの動作は短時間で行う必要がある。 Since the input voltage VIN is supplied to the input terminal IN through a cable or the like, the input voltage VIN may rise sharply due to the inductance of the cable, etc. For this reason, the operation from when an overvoltage abnormality is detected to when the output transistor m1 is turned off must be performed in a short time.
<<第2参考例>>
図6に第2参考例に係るスイッチ回路920を示す。図6のスイッチ回路920は図4のスイッチ回路910の一例である。図6のチャージポンプ回路921、ドライバ922、レベルシフタ923は、図4のチャージポンプ回路911、ドライバ912、レベルシフタ913に対応する。但し、図6のドライバ922はインバータ回路である。
<<Second Reference Example>>
Fig. 6 shows a
スイッチ回路920においてレベルシフタ923はプルアップ抵抗924とシフト用トランジスタ925の直列回路を有する。レベルシフタ923により制御信号CNTのレベルシフトが行われる。プルアップ抵抗924及びシフト用トランジスタ925間の接続ノードにおける電圧v1はレベルシフト後の制御信号である。ドライバ922はレベルシフト後の制御信号(v1)に応じてゲート電圧Vgを駆動電圧Vbstのレベル又は出力電圧VOUTのレベルに設定することで出力トランジスタm1をオン又はオフに設定する。
In the
制御信号CNTのハイレベル期間において、レベルシフタ923はシフト用トランジスタ925をオンさせてプルアップ抵抗924に電流を流し、レベルシフト後の制御信号(v1)をローレベルとする。これを受けてドライバ922はハイレベルのゲートVgを出力トランジスタm1に供給し、出力トランジスタm1をオンさせる。逆に制御信号CNTのローレベル期間では、シフト用トランジスタ925のオフを通じてローレベルのゲートVgが出力トランジスタm1に供給され、出力トランジスタm1がオフとなる。スイッチ回路920では、出力トランジスタm1をオン期間にて回路電流(抵抗924及びシフト用トランジスタ925を介して流れる電流)が発生するものの、当該回路電流は出力トランジスタm1のオフ期間では発生しないので、待機時の電力消費を抑えることができる。
During the high-level period of the control signal CNT, the
スイッチ回路920において、制御信号CNTがハイレベルからローレベルに遷移する状況を考える。制御信号CNTがハイレベルからローレベルに遷移したとき、シフト用トランジスタ925のオンからオフの切り替わりを受けて電圧v1が上昇する。このときの電圧v1の上昇速度が大きいほど素早く出力トランジスタm1をオンからオフに切り替えることができる。つまり、過電圧異常に注目した場合、過電圧異常が検出されてから出力トランジスタm1をオフさせるまでに要する時間は、電圧v1の上昇速度が大きいほど短く、故に、電圧v1の上昇速度を高めることが要求される。
Consider a situation in which the control signal CNT transitions from high to low in the
ここで、電圧v1の上昇速度は、プルアップ抵抗924と、電圧v1が生じるノードに付加された寄生容量と、で定まる。このため、電圧v1の上昇速度を高めるにはプルアップ抵抗924の値を小さく設定する必要がある。しかしながら、プルアップ抵抗924の値を小さくすると、出力トランジスタm1のオン期間においてプルアップ抵抗924に大きな電流が流れるため、チャージポンプ回路921の電流能力を高める必要が生じる。これは、回路電流の増大に繋がるだけでなく、チャージポンプ回路921に使用されるフライングコンデンサのサイズ増大を招くため、回路面積の増大を招く。回路電流を抑えながら、出力トランジスタをオンからオフに切り替える時間を短縮できる技術が求められる。
Here, the rate of rise of voltage v1 is determined by pull-up
<<第3参考例>>
図7に第3参考例に係るスイッチ回路930を示す。図7のスイッチ回路930は図4のスイッチ回路910の一例である。図7のチャージポンプ回路931、ドライバ932、レベルシフタ933は、図4のチャージポンプ回路911、ドライバ912、レベルシフタ913に対応する。図7のレベルシフタ933は、4つのPチャネル型のMOSFETであるトランジスタP1~P4と、2つのNチャネル型のMOSFETであるトランジスタN1及びN2と、2つの抵抗r1及びr2と、で形成され、制御信号CNTをレベルシフトすることで電圧v1を生成する。レベルシフタ933を用いれば回路電流の抑制と伝搬遅延の縮小化を実現できる。
<<Third Reference Example>>
FIG. 7 shows a
但し、レベルシフタ933の構成は複雑であって、レベルシフタ933を正しく動作させるための電源電圧として高いものが必要がとなる。トランジスタP2及びP3に注目して概略的に述べると、トランジスタP2のゲートに出力電圧VOUTが加わり、トランジスタP2のソースがトランジスタP3のゲートに接続され、且つ、トランジスタP3のソースに駆動電圧Vbstが加わるため、レベルシフタ933を正常動作させるには、トランジスタP2のゲート閾電圧及びトランジスタP3のゲート閾電圧の和(2×Vth)だけ、駆動電圧Vbstを出力電圧VOUTより高める必要がある(第1必要性)。
However, the configuration of the
一方で、出力トランジスタm1に流れる電流を制限する電流制限動作又は出力電圧VOUTを徐々に上昇させるソフトスタート動作がスイッチ回路930に要望されることも多い。これらの動作を行う際には、差電圧(Vg-VOUT)を出力トランジスタm1のゲート閾電圧Vth近辺に制御する必要がある(第2必要性)。基本的にハイレベルのゲート電圧Vgは駆動電圧Vbstと同等の電位を有するため第1必要性と第2必要性を同時に満たすことは困難である。即ち、上記要望に応えるべきスイッチ回路に対しレベルシフタ933を適用することは困難である。以下、これらの事情を考慮した複数の実施例を示す。
On the other hand, a current limiting operation that limits the current flowing through the output transistor m1 or a soft start operation that gradually increases the output voltage V OUT is often required for the
<<第1実施例>>
第1実施例を説明する。図8に第1実施例に係るスイッチ回路100の構成を示す。スイッチ回路100を図1のスイッチ回路10として用いることができる。スイッチ回路100は、出力スイッチング素子である出力トランジスタM1と、シフト用トランジスタM2と、制御回路110と、チャージポンプ回路120と、出力ドライバ(駆動回路)であるドライバ130と、レベルシフト用ドライバであるドライバ140と、コンデンサC1と、プルアップ抵抗R1と、を備える。トランジスタM1及びM2はNチャネル型のMOSFETである。シフト用トランジスタM2と、ドライバ140と、プルアップ抵抗R1とで、レベルシフタLVS1が形成される。
<<First Example>>
A first embodiment will be described. FIG. 8 shows the configuration of a
ノードND1は入力端子INに接続される。このため、ノードND1における電圧は入力電圧VINである。ノードND2は出力端子OUTに接続される。このため、ノードND2における電圧は出力電圧VOUTである。ノードND1、ND2は、夫々、入力端子IN、出力端子OUTそのものであると解しても良い。出力トランジスタM1はノードND1及びND2間に設けられる。具体的には、出力トランジスタM1のドレインはノードND1に接続され、入力電圧VINを受ける。出力トランジスタM1のソースはノードND2に接続される。このため、出力トランジスタM1がオンであるとき入力端子IN及び出力端子OUT間が導通し、出力トランジスタM1がオフであるとき入力端子IN及び出力端子OUT間が遮断される。 The node ND1 is connected to the input terminal IN. Therefore, the voltage at the node ND1 is the input voltage V IN . The node ND2 is connected to the output terminal OUT. Therefore, the voltage at the node ND2 is the output voltage V OUT . The nodes ND1 and ND2 may be interpreted as the input terminal IN and the output terminal OUT themselves, respectively. The output transistor M1 is provided between the nodes ND1 and ND2. Specifically, the drain of the output transistor M1 is connected to the node ND1 and receives the input voltage V IN . The source of the output transistor M1 is connected to the node ND2. Therefore, when the output transistor M1 is on, the input terminal IN and the output terminal OUT are electrically connected, and when the output transistor M1 is off, the input terminal IN and the output terminal OUT are electrically disconnected.
配線WR1~WR3は内部配線である。配線WR1における電圧は駆動電圧VBSTである。配線WR2はノードND2に接続される。このため、配線WR2における電圧は出力電圧VOUTである。配線WR3は出力トランジスタM1のゲートに接続される。配線WR3における電圧は、出力トランジスタM1のゲート電圧VGであり、出力トランジスタM1を駆動するための駆動信号に相当する。コンデンサC1は配線WR1及びWR2間に挿入される。即ち、コンデンサC1の第1端は配線WR1に接続され、コンデンサC1の第2端は配線WR2に接続される。 The wires WR1 to WR3 are internal wires. The voltage on the wire WR1 is the drive voltage V BST . The wire WR2 is connected to the node ND2. Therefore, the voltage on the wire WR2 is the output voltage V OUT . The wire WR3 is connected to the gate of the output transistor M1. The voltage on the wire WR3 is the gate voltage VG of the output transistor M1, which corresponds to the drive signal for driving the output transistor M1. The capacitor C1 is inserted between the wires WR1 and WR2. That is, the first end of the capacitor C1 is connected to the wire WR1, and the second end of the capacitor C1 is connected to the wire WR2.
プルアップ抵抗R1の第1端は配線WR1に接続され、プルアップ抵抗R1の第2端はノードND3に接続される。ノードND3における電圧を電圧V1と称する。シフト用トランジスタM2はプルアップ抵抗R1に直列接続される。プルアップ抵抗R1と基準電位端との間にシフト用トランジスタM2が挿入される。基準電位端における電圧は上述したように電圧VSSであり、ここではグランドの電圧と一致する。具体的には、シフト用トランジスタM2のドレインはノードND3に接続される。シフト用トランジスタM2のソースと基準電位端との間に抵抗が挿入され得るが、ここでは、シフト用トランジスタM2のソースは基準電位端に直接接続されるものとする。 The first end of the pull-up resistor R1 is connected to the wiring WR1, and the second end of the pull-up resistor R1 is connected to a node ND3. The voltage at the node ND3 is referred to as voltage V1. The shift transistor M2 is connected in series to the pull-up resistor R1. The shift transistor M2 is inserted between the pull-up resistor R1 and the reference potential end. As described above, the voltage at the reference potential end is voltage VSS, which here coincides with the ground voltage. Specifically, the drain of the shift transistor M2 is connected to the node ND3. Although a resistor can be inserted between the source of the shift transistor M2 and the reference potential end, here, the source of the shift transistor M2 is directly connected to the reference potential end.
制御回路110は、内部電源電圧VDDを正側の電源電圧として且つ電圧VSSを負側の電源電圧として駆動するロジック回路である。内部電源電圧VDDは内部電源回路20にて生成される内部電源電圧の1つであり、正の直流電圧値を有する。制御回路110に対してイネーブル信号SEN及び過電圧検出信号SOVPが入力される。制御回路110はイネーブル信号SEN及び過電圧検出信号SOVPに応じた制御信号CNTを出力する。
The
制御回路110は、過電圧検出信号SOVPが“0”の値を有する場合において、イネーブル信号SENが“1”の値をもつときにはハイレベルの制御信号CNTを出力し、イネーブル信号SENが“0”の値をもつときにはローレベルの制御信号CNTを出力する。“1”の過電圧検出信号SOVPが制御回路110に入力されると、制御回路110はイネーブル信号SENの値に依らず制御信号CNTのレベルをローレベルに設定し、以後、リセット条件が成立するまで、制御信号CNTのレベルをローレベルで保持する。
When the overvoltage detection signal SOVP has a value of "0", the
制御信号CNTは出力トランジスタM1の状態を指定する信号(原制御信号)である。ハイレベルの制御信号CNTは出力トランジスタM1をオン状態に設定することを指定し、ローレベルの制御信号CNTは出力トランジスタM1をオフ状態に設定することを指定する。故に、制御信号CNTのハイレベル期間は出力トランジスタM1のオンを指定するオン指定期間に相当し、制御信号CNTのローレベル期間は出力トランジスタM1のオフを指定するオフ指定期間に相当する。ハイレベルの制御信号CNTは実質的に内部電源電圧VDDの電位を有し、ローレベルの制御信号CNTは実質的にグランド電位(電圧VSSの電位)を有する。 The control signal CNT is a signal (original control signal) that specifies the state of the output transistor M1. A high-level control signal CNT specifies that the output transistor M1 is to be set to an on state, and a low-level control signal CNT specifies that the output transistor M1 is to be set to an off state. Thus, the high-level period of the control signal CNT corresponds to an on-designation period that specifies that the output transistor M1 is on, and the low-level period of the control signal CNT corresponds to an off-designation period that specifies that the output transistor M1 is off. A high-level control signal CNT has substantially the potential of the internal power supply voltage VDD, and a low-level control signal CNT has substantially the ground potential (the potential of the voltage VSS).
チャージポンプ回路120は制御回路110からの制御信号CNTに応じて作動する又は非作動となる駆動電圧生成回路の例である。制御信号CNTがチャージポンプ回路120に入力される。制御信号CNTのハイレベル期間においてチャージポンプ回路120は作動状態にあり、配線WR1に出力トランジスタM1をオンさせるための駆動電圧VBSTを発生させる。チャージポンプ回路120は発振回路とコンデンサとダイオードとの組み合わせから成る。チャージポンプ回路120の作動状態において、チャージポンプ回路120は、発振回路の発振動作を利用したチャージポンプ動作により配線WR1に電荷を供給することで、配線WR2の電位を基準に配線WR1の電位を高める。これにより、制御信号CNTのハイレベル期間においてノードND2の電圧(VOUT)よりも高い電圧が駆動電圧VBSTとして配線WR1に生じる。制御信号CNTのローレベル期間においてチャージポンプ回路120は停止する。チャージポンプ回路120が停止するとはチャージポンプ回路120が停止状態にあることを指す。チャージポンプ回路120の停止状態では、上記発振回路の発振動作が行われず、チャージポンプ回路120から配線WR1に対する電荷の供給は生じない。
The
ドライバ130は配線WR1~WR3に接続されると共にノードND3に接続される。ドライバ130に対し駆動電圧VBSTと出力電圧VOUT(換言すれば出力トランジスタM1のソース電圧)が供給される。ドライバ130は、配線WR1における駆動電圧VBSTを正側の電源電圧として且つ配線WR2における出力電圧VOUTを負側の電源電圧として駆動するバッファ回路である。ドライバ130はノードND3の電圧V1に応じたゲート電圧VGを配線WR3を通じて出力トランジスタM1のゲートに供給し、これによって出力トランジスタM1を駆動する(換言すれば出力トランジスタM1のゲートを駆動する)。出力トランジスタM1の駆動により出力トランジスタM1がオン又はオフとされる。
The
ドライバ140は内部電源電圧VDD1を正側の電源電圧として且つ電圧VSSを負側の電源電圧として駆動するインバータ回路である。内部電源電圧VDD1は内部電源回路20にて生成される内部電源電圧の1つであり、正の直流電圧値を有する。ドライバ140に対する内部電源電圧VDD1と制御回路110に対する内部電源電圧VDDは、共通の電圧であっても良いし、互いに異なる電圧であっても良い。ドライバ140の入力端には制御回路110からの制御信号CNTが入力される。ドライバ140の出力端はシフト用トランジスタM2のゲートに接続される。ドライバ140は制御信号CNTの反転信号をシフト用トランジスタM2のゲートに供給する。即ち、ドライバ140はシフト用トランジスタM2のゲートに対し、制御信号CNTのハイレベル期間ではローレベルのゲート信号を供給し、制御信号CNTのローレベル期間ではハイレベルのゲート信号を供給する。
The
シフト用トランジスタM2のゲートに対するハイレベルのゲート信号は実質的に内部電源電圧VDD1の電位を有し、シフト用トランジスタM2はドライバ140からハイレベルのゲート信号を受けたとき、オン状態となる。シフト用トランジスタM2のゲートに対するローレベルのゲート信号は実質的に電圧VSSの電位を有し、シフト用トランジスタM2はドライバ140からローレベルのゲート信号を受けたとき、オフ状態となる。
The high-level gate signal to the gate of the shift transistor M2 has substantially the potential of the internal power supply voltage VDD1, and the shift transistor M2 is turned on when it receives a high-level gate signal from the
シフト用トランジスタM2がオフであるとき、ノードND3の電圧V1は駆動電圧VBSTに等しい。シフト用トランジスタM2がオンであるとき、プルアップ抵抗R1に電流が流れることでノードND3の電圧V1は駆動電圧VBSTよりも十分に低くなり、図8の構成では実質的に0Vとなる。レベルシフタLVS1は、制御信号CNTを駆動電圧VBSTを用いてレべルシフトさせることでシフト制御信号を生成する。電圧V1はシフト制御信号の電圧である。シフト制御信号はハイレベル又はローレベルを有する。シフト用トランジスタM2がオフであるときのシフト制御信号はハイレベルを有し、シフト用トランジスタM2がオンであるときのシフト制御信号はローレベルを有する。例えば、“V1>VOUT+(VBST-VOUT)/2”を満たすときシフト制御信号はハイレベルを有し、“V1<VOUT+(VBST-VOUT)/2”を満たすときシフト制御信号はローレベルを有する。 When the shift transistor M2 is off, the voltage V1 of the node ND3 is equal to the drive voltage V BST . When the shift transistor M2 is on, a current flows through the pull-up resistor R1, so that the voltage V1 of the node ND3 becomes sufficiently lower than the drive voltage V BST, and is substantially 0 V in the configuration of FIG. 8. The level shifter LVS1 generates a shift control signal by level-shifting the control signal CNT using the drive voltage V BST . The voltage V1 is the voltage of the shift control signal. The shift control signal has a high level or a low level. When the shift transistor M2 is off, the shift control signal has a high level, and when the shift transistor M2 is on, the shift control signal has a low level. For example, when "V1>V OUT +(V BST -V OUT )/2" is satisfied, the shift control signal has a high level, and when "V1<V OUT +(V BST -V OUT )/2" is satisfied, the shift control signal has a low level.
ドライバ130は、シフト制御信号がハイレベルであるとき、ハイレベルのゲート電圧VGを出力トランジスタM1のゲートに供給することで出力トランジスタM1をオン状態に設定する。ハイレベルのゲート電圧VGは駆動電圧VBSTに基づく電圧であって、実質的に駆動電圧VBSTのレベルを有し、駆動電圧VBSTより若干低い場合もある。チャージポンプ回路120の作動状態において差電圧(VBST-VOUT)が出力トランジスタM1のゲート閾電圧より大きくなるよう、チャージポンプ回路120が構成される。
When the shift control signal is at a high level, the
ドライバ130は、シフト制御信号がローレベルであるとき、ローレベルのゲート電圧VGを出力トランジスタM1のゲートに供給することで出力トランジスタM1をオフ状態に設定する。ローレベルのゲート電圧VGは出力電圧VOUTに基づく電圧(即ち、出力トランジスタM1のソース電圧に基づく電圧)であって、実質的に出力電圧VOUTのレベルを有し、出力電圧VOUTより若干高い場合もある。ローレベルのゲート電圧VGが出力トランジスタM1に供給されるとき、出力トランジスタM1のゲート-ソース間電圧は出力トランジスタM1のゲート閾電圧より小さい。
When the shift control signal is at a low level, the
上述の説明から理解されるよう、スイッチ回路100では、制御信号CNTがローレベルを有するときに出力トランジスタM1をオフさせ、制御信号CNTがハイレベルを有するときに出力トランジスタM1をオンさせる制御を行う。
As can be understood from the above description, the
ここで図6のスイッチ回路920と図8のスイッチ回路100を対比する。図6のスイッチ回路920では、制御信号CNTがハイレベルを有するときに、即ち出力トランジスタ(m1)をオンさせるときにシフト用トランジスタ(925)をオンしてプルアップ抵抗(924)に電流を流す。これに対し、図8のスイッチ回路100では、制御信号CNTがローレベルを有するときに、即ち出力トランジスタ(M1)をオフさせるときにシフト用トランジスタ(M2)をオンしてプルアップ抵抗(R1)に電流を流す。故に、スイッチ回路100では、出力トランジスタM1をオンからオフに切り替える際、シフト用トランジスタM2のオンを利用して電圧V1を低下させるため、電圧V1の低下速度が速くなる。つまり、スイッチ回路100では、制御信号CNTがハイレベルからローレベルに切り替わってから出力トランジスタM1のゲート電圧VGがハイレベルからローレベルに切り替わるまでの伝搬遅延が短くなり、過電圧検出時等において出力トランジスタM1を素早くオフさせることができる。
Here, the
一方、出力トランジスタM1をオフからオンに切り替えるときには、シフト用トランジスタM2をオンからオフに切り替え、ノードND3に付加される寄生容量をプルアップ抵抗R1を介して充電することで電圧V1をハイレベルへと上昇させる。このため、出力トランジスタM1をオンさせるときの伝搬遅延(制御信号CNTがローレベルからハイレベルに切り替わってから出力トランジスタM1のゲート電圧VGがローレベルからハイレベルに切り替わるまでの伝搬遅延)は比較的長くなる。但し、出力トランジスタM1をオンさせるときの伝搬遅延は多少長くてもアプリケーション上、問題が生じない。 On the other hand, when the output transistor M1 is switched from off to on, the shift transistor M2 is switched from on to off, and the parasitic capacitance added to the node ND3 is charged via the pull-up resistor R1, thereby raising the voltage V1 to a high level. Therefore, the propagation delay when the output transistor M1 is turned on (the propagation delay from when the control signal CNT is switched from low to high to when the gate voltage VG of the output transistor M1 is switched from low to high) is relatively long. However, even if the propagation delay when the output transistor M1 is turned on is somewhat long, it does not cause any problems in terms of application.
また、出力トランジスタM1のオン期間では、過渡応答時を除き、プルアップ抵抗R1及びシフト用トランジスタM2に電流が流れないため、チャージポンプ回路120は出力トランジスタM1をオンさせるのに必要な電流能力を有していれば足る。これは、チャージポンプ回路120の素子サイズ低減を可能とする。
In addition, during the on-period of the output transistor M1, except during a transient response, no current flows through the pull-up resistor R1 and the shift transistor M2, so the
背反事項として、制御信号CNTがローレベルを持つときにプルアップ抵抗R1及びシフト用トランジスタM2を通じた電流が発生することになる。しかしながら、当該電流の発生はチャージポンプ回路120の電流能力増大を繋がらない。制御信号CNTのローレベル期間では、そもそもチャージポンプ回路120の作動を停止させるからである。制御信号CNTがハイレベルからローレベルに切り替われば、配線WR1の電荷がプルアップ抵抗R1及びシフト用トランジスタM2を通じて引き抜かれてゆき、駆動電圧VBSTが下がりきると回路電流はゼロになるため、何ら問題は生じない。
As a trade-off, when the control signal CNT is at a low level, a current is generated through the pull-up resistor R1 and the shift transistor M2. However, the generation of this current does not lead to an increase in the current capacity of the
尚、制御信号CNTのハイレベルからローレベルへの切り替わりに応答する駆動電圧VBSTの低下過程において、配線WR2における電荷はドライバ130内の寄生ダイオードを通じて配線WR1に向かい(図9参照)、プルアップ抵抗R1及びシフト用トランジスタM2を通じて放電されるため、出力電圧VOUTも0Vに向けて低下してゆく。図9に、ドライバ130の内部構成の一部を示す。ドライバ130はトランジスタ131及び132から成る出力段を有する。トランジスタ131はPチャネル型のMOSFETであり、トランジスタ132はNチャネル型のMOSFETである。上述のドライバ130内の寄生ダイオードとは、トランジスタ131及び132の各寄生ダイオードを指す。
In the process of decreasing the drive voltage VBST in response to the switching of the control signal CNT from high level to low level, the charge in the wiring WR2 flows through the parasitic diode in the
トランジスタ131のソースは配線WR1に接続され、トランジスタ131及び132の各ドレインは配線WR3に接続され、トランジスタ132のソースは配線WR2に接続される。図9のドライバ130において、シフト制御信号のハイレベル期間ではトランジスタ131がオン且つトランジスタ132がオフに制御されることで駆動電圧VBSTが配線WR3に供給され、シフト制御信号のローレベル期間ではトランジスタ131がオフ且つトランジスタ132がオンに制御されることで出力電圧VOUTが配線WR3に供給される。トランジスタ131に対してドレインからソースに向かう向きに順方向を有する寄生ダイオードが付加される。トランジスタ132に対してソースからドレインに向かう向きに順方向を有する寄生ダイオードが付加される。
The source of the
<<第2実施例>>
第2実施例を説明する。第2実施例並びに後述の第3及び第4実施例は第1実施例を基礎とする実施例であり、第2~第4実施例において特に述べない事項に関しては、矛盾の無い限り、第1実施例の記載が第2~第4実施例にも適用される。但し、第2実施例の記載を解釈するにあたり、第1及び第2実施例間で矛盾する事項については第2実施例の記載が優先されて良い(後述の第3及び第4実施例についても同様)。矛盾の無い限り、第1~第4実施例の内、任意の複数の実施例を組み合わせても良い。
<<Second Example>>
The second embodiment will be described. The second embodiment and the third and fourth embodiments described below are based on the first embodiment, and for matters not specifically mentioned in the second to fourth embodiments, the description of the first embodiment also applies to the second to fourth embodiments unless there is a contradiction. However, when interpreting the description of the second embodiment, the description of the second embodiment may take precedence over any matters that contradict between the first and second embodiments (the same applies to the third and fourth embodiments described below). As long as there is no contradiction, any combination of the first to fourth embodiments may be used.
図10に第2実施例に係るスイッチ回路200の構成を示す。スイッチ回路200を図1のスイッチ回路10として用いることができる。スイッチ回路200は、図8のスイッチ回路100に対しドライバ141及びシフト用トランジスタM3が追加されている点でスイッチ回路100と相違し、当該追加を除き且つ特記なき限り、スイッチ回路100と同様の構成を持つ。スイッチ回路200では、シフト用トランジスタM2及びM3と、ドライバ140及び141と、プルアップ抵抗R1とで、レベルシフタLVS2が形成される。トランジスタM3はNチャネル型のMOSFETである。スイッチ回路100との相違点に注目してスイッチ回路200の構成及び動作を説明する。
Figure 10 shows the configuration of a
シフト用トランジスタM3はシフト用トランジスタM2と同様にプルアップ抵抗R1に直列接続される。具体的には、スイッチ回路200において、シフト用トランジスタM2及びM3の各ドレインはノードND3に接続される。シフト用トランジスタM2のソースと基準電位端との間に抵抗が挿入され得るが、ここでは、シフト用トランジスタM2のソースは基準電位端に直接接続されるものとする。シフト用トランジスタM3のソースと基準電位端との間に抵抗が挿入され得るが、ここでは、シフト用トランジスタM3のソースは基準電位端に直接接続されるものとする。
The shift transistor M3 is connected in series to the pull-up resistor R1, similar to the shift transistor M2. Specifically, in the
ドライバ141は内部電源電圧VDD2を正側の電源電圧として且つ電圧VSSを負側の電源電圧として駆動するインバータ回路である。ドライバ141の入力端には制御回路110からの制御信号CNTが入力される。ドライバ141の出力端はシフト用トランジスタM3のゲートに接続される。ドライバ141は制御信号CNTの反転信号をシフト用トランジスタM3のゲートに供給する。即ち、ドライバ141はシフト用トランジスタM3のゲートに対し、制御信号CNTのハイレベル期間ではローレベルのゲート信号を供給し、制御信号CNTのローレベル期間ではハイレベルのゲート信号を供給する。
The
シフト用トランジスタM3のゲートに対するハイレベルのゲート信号は実質的に内部電源電圧VDD2の電位を有し、シフト用トランジスタM3はドライバ141からハイレベルのゲート信号を受けたとき、オン状態となる。シフト用トランジスタM3のゲートに対するローレベルのゲート信号は実質的に電圧VSSの電位を有し、シフト用トランジスタM3はドライバ141からローレベルのゲート信号を受けたとき、オフ状態となる。
The high-level gate signal to the gate of the shift transistor M3 has substantially the potential of the internal power supply voltage VDD2, and the shift transistor M3 is turned on when it receives a high-level gate signal from the
シフト用トランジスタM2及びM3が共にオフであるとき、ノードND3の電圧V1は駆動電圧VBSTに等しい。シフト用トランジスタM2及びM3の内、少なくとも一方がオンであるとき、プルアップ抵抗R1とオン状態のシフト用トランジスタを通じて電流が流れることでノードND3の電圧V1は駆動電圧VBSTよりも十分に低くなり、図10の構成では実質的に0Vとなる。レベルシフタLVS2は、制御信号CNTを駆動電圧VBSTを用いてレべルシフトさせることでシフト制御信号を生成する。電圧V1はシフト制御信号の電圧である。シフト制御信号はハイレベル又はローレベルを有する。シフト用トランジスタM2及びM3が共にオフであるときのシフト制御信号はハイレベルを有し、シフト用トランジスタM2及びM3の内、少なくとも一方がオンであるときのシフト制御信号はローレベルを有する。 When both the shift transistors M2 and M3 are off, the voltage V1 of the node ND3 is equal to the drive voltage V_BST . When at least one of the shift transistors M2 and M3 is on, a current flows through the pull-up resistor R1 and the on-state shift transistor, so that the voltage V1 of the node ND3 becomes sufficiently lower than the drive voltage V_BST , and is substantially 0 V in the configuration of FIG. 10. The level shifter LVS2 generates a shift control signal by level-shifting the control signal CNT using the drive voltage V_BST . The voltage V1 is the voltage of the shift control signal. The shift control signal has a high level or a low level. When both the shift transistors M2 and M3 are off, the shift control signal has a high level, and when at least one of the shift transistors M2 and M3 is on, the shift control signal has a low level.
第1又は第2実施例に係るスイッチ回路(100、200)では、シフト用トランジスタ(M2、M3)がオフであるときに出力トランジスタM1をオンさせる方式を採用するため、レベルシフタを構成するドライバの電源が完全に喪失すると出力トランジスタM1がオン状態で固定される。これは、出力端子OUTに繋がる負荷にとって好ましくない。第1実施例のスイッチ回路100においても(図8参照)、入力電圧VINが一定電圧以上であるときに常に内部電源電圧VDD1が正常発生するのであれば問題は無い。但し、比較的高い電流能力が求められるとき、半導体装置1にコンデンサが外付け接続されることがあり、この場合において注意が必要である。第2実施例では、以下、内部電源電圧VDD1に対して外付けコンデンサが割り当てられることを想定する。
In the switch circuit (100, 200) according to the first or second embodiment, a method is adopted in which the output transistor M1 is turned on when the shift transistors (M2, M3) are off, so that when the power supply of the driver constituting the level shifter is completely lost, the output transistor M1 is fixed in the on state. This is not preferable for the load connected to the output terminal OUT. In the
図11に内部電源回路20に関わる半導体装置1の一部構成を示す。第2実施例に係る内部電源回路20は、入力電圧VINに基づき内部電源電圧VDD、VDD1及びVDD2を生成する。図11では、内部電源電圧VDD、VDD1及びVDD2が別々に示されているが、内部電源電圧VDDと内部電源電圧VDD1とは共通の電圧であって良い。内部電源電圧VDDと内部電源電圧VDD2とを共通の電圧とすることも可能である。内部電源電圧VDD1及びVDD2とは別に内部電源電圧VDDが生成されても良い。
Fig. 11 shows a partial configuration of the
端子REGは半導体装置1における外部端子の1つである。端子REGは半導体装置1に設けられ(換言すれば半導体装置1の筐体CSに設けられ)、半導体装置1の筐体CSから半導体装置1の外部に対して露出する金属端子である。内部電源回路20は端子REGに接続され、端子REGに対して内部電源電圧VDD1を出力する。端子REGは外部配線を通じてコンデンサCREGの第1端に接続され、コンデンサCREGの第2端はグランドに接続される。コンデンサCREGは内部電源電圧VDD1に対応する電荷を蓄積するため、内部電源電圧VDD1を高い電流能力を持つ電源として利用できる。一方、内部電源電圧VDD2は半導体装置1の外部に対して出力されない。即ち、半導体装置1には内部電源電圧VDD2が加わる外部端子が存在しない。内部電源電圧VDD2の電流能力は内部電源電圧VDD1の電流能力よりも小さい。
The terminal REG is one of the external terminals in the
入力電圧VINが所定の下限電圧以上であるとき、内部電源回路20は内部電源電圧VDD1及びVDD2の生成を行う。内部電源電圧VDD1及びVDD2とは別に内部電源電圧VDDが生成される場合にあっては、入力電圧VINが所定の下限電圧以上であるとき、内部電源電圧VDDも生成される。
When the input voltage VIN is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage, the internal
入力電圧VINが所定の下限電圧以上であって且つ後述の短絡異常が生じていないとき、内部電源電圧VDD1は所定の正の直流電圧値VAL1を有する。入力電圧VINが所定の下限電圧以上であるとき、後述の短絡異常の発生有無に依らず、常時、内部電源電圧VDD2は所定の正の直流電圧値VAL2を有する。直流電圧値VAL1及びVAL2は基本的には互いに一致するが、互いに相違し得る。 When the input voltage VIN is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage and no short circuit abnormality, which will be described later, occurs, the internal power supply voltage VDD1 has a predetermined positive DC voltage value VAL1. When the input voltage VIN is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage, the internal power supply voltage VDD2 always has a predetermined positive DC voltage value VAL2, regardless of whether or not a short circuit abnormality, which will be described later, occurs. The DC voltage values VAL1 and VAL2 basically match each other, but may differ from each other.
上述の短絡異常は端子REGがグランドに短絡される状態を指す。半導体装置1が実装される基板上に存在し得る不要な半田等により短絡異常が発生し得る。短絡異常の発生時には、入力電圧VINの大きさに依らず内部電源電圧VDD1が0Vとなるので、シフト用トランジスタM2がオフ状態で固定される。しかしながら、ドライバ141は短絡異常の影響を受けずに動作するので、シフト用トランジスタM3をオンに制御できる。
The above-mentioned short circuit abnormality refers to a state in which the terminal REG is short-circuited to ground. A short circuit abnormality can occur due to unnecessary solder or the like that may be present on the board on which the
電流能力が相対的に高い内部電源電圧VDD1を利用するドライバ140は相対的に高速な動作が可能であり、短絡異常が無い場合には、ドライバ140の高速動作により制御信号CNTの指定内容が出力トランジスタM1の状態に素早く反映される。電流能力が相対的に低い内部電源電圧VDD2を利用するドライバ141は高速動作に不向きであるが、短絡異常が発生した場合であってもシフト用トランジスタM3のオンを通じ、出力トランジスタM1をオフさせるための電圧V1(ローレベルのシフト制御信号)を生成できる。即ち、スイッチ回路200によれば、短絡異常の発生時において入力端子IN及び出力端子OUT間を安全に遮断することができる。
The
尚、内部電源電圧VDDと内部電源電圧VDD1が共通である場合において、入力電圧VINが所定の下限電圧以上であるときに短絡異常が生じたとき、制御信号CNTがローレベルで固定されるのでシフト用トランジスタM3のオンを通じ、出力トランジスタM1がオフにて固定される。 In addition, in the case where the internal power supply voltage VDD and the internal power supply voltage VDD1 are common, if a short-circuit abnormality occurs when the input voltage VIN is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage, the control signal CNT is fixed at a low level, so that the shift transistor M3 is turned on and the output transistor M1 is fixed at an off level.
入力電圧VINが0Vになると内部電源電圧VDD2も喪失し、出力トランジスタM1をオンさせる論理状態にはなるが、入力電圧VINが0Vであるので何ら問題は生じない。実際の動作では、制御信号CNTがローレベルであるときに入力電圧VINが低下してゆく際、入力電圧VINが下がりきる前にレベルシフタLVS2が配線WR1の電荷を引き抜くため、出力トランジスタM1がオンすることは無い。 When the input voltage VIN becomes 0 V, the internal power supply voltage VDD2 is also lost, resulting in a logical state that turns on the output transistor M1, but no problem occurs because the input voltage VIN is 0 V. In actual operation, when the input voltage VIN decreases while the control signal CNT is at a low level, the level shifter LVS2 pulls out the charge on the wiring WR1 before the input voltage VIN has completely decreased, so the output transistor M1 does not turn on.
<<第3実施例>>
第3実施例を説明する。図8のスイッチ回路100を図12のスイッチ回路100aに変形しても良い。スイッチ回路100に対し抵抗R2及びダイオードD1を追加することでスイッチ回路100aが得られる。
<<Third Example>>
A third embodiment will now be described. The
スイッチ回路100及び100a間の相違点を説明する。スイッチ回路100aではレベルシフタLVS1の構成要素に抵抗R2が追加される。スイッチ回路100aにおいて、ダイオードD1のアノードは配線WR2に接続され、ダイオードD1のカソードはノードND3に接続される。スイッチ回路100aにおいて、シフト用トランジスタM2のソースと基準電位点との間に抵抗R2が挿入される。即ち、スイッチ回路100aにおいて、シフト用トランジスタM2のソースは抵抗R2を介して基準電位端に接続される。
The differences between the
抵抗R2及びダイオードD1が無い場合において、シフト用トランジスタM2がオンに設定されたとき、抵抗R1の両端間に駆動電圧VBST分の電圧降下が生じるため、駆動電圧VBSTを超える耐圧が抵抗R1に求められる。抵抗R2及びダイオードD1の設置により抵抗R1への耐圧要求が緩和される。即ち、スイッチ回路100aにおいて、シフト用トランジスタM2がオンに設定されたとき、抵抗R1に流れる電流が抵抗R2によって制限される分、抵抗R1の両端間電圧が小さくなる。加えてスイッチ回路100aでは、ダイオードD1の存在により電圧V1の低下が電圧(VOUT-Vf)までに制限される。VfはダイオードD1の順方向電圧を表す。尚、抵抗R2の値は伝搬遅延及び電圧V1の変動幅に影響を与えるため、抵抗R2の値を抵抗R1の値よりも十分に小さく設定しておくことが好ましい。
In the absence of resistor R2 and diode D1, when the shift transistor M2 is set to ON, a voltage drop of the drive voltage V BST occurs across the resistor R1, so that the resistor R1 is required to have a withstand voltage exceeding the drive voltage V BST . The withstand voltage requirement for the resistor R1 is relaxed by the installation of resistor R2 and diode D1. That is, in the
スイッチ回路100をスイッチ回路100aに変形するのと同様に、図10のスイッチ回路200を図13のスイッチ回路200aに変形しても良い。スイッチ回路200に対し抵抗R2及びR3並びにダイオードD1を追加することでスイッチ回路200aが得られる。
Similar to modifying
スイッチ回路200及び200a間の相違点を説明する。スイッチ回路200aではレベルシフタLVS2の構成要素に抵抗R2及びR3が追加される。スイッチ回路200aにおいて、ダイオードD1のアノードは配線WR2に接続され、ダイオードD1のカソードはノードND3に接続される。スイッチ回路200aにおいて、シフト用トランジスタM2のソースと基準電位点との間に抵抗R2が挿入されると共にシフト用トランジスタM3のソースと基準電位点との間に抵抗R3が挿入される。即ち、スイッチ回路200aにおいて、シフト用トランジスタM2のソースは抵抗R2を介して基準電位端に接続され、シフト用トランジスタM3のソースは抵抗R3を介して基準電位端に接続される。
The differences between the
スイッチ回路100aに関して述べたのと同様、抵抗R2及びR3並びにダイオードD1の設置により抵抗R1への耐圧要求が緩和される。尚、抵抗R2及びR3の値は伝搬遅延及び電圧V1の変動幅に影響を与えるため、抵抗R2及びR3の合成抵抗値(即ち抵抗R2及びR3の並列回路の抵抗値)を抵抗R1の値よりも十分に小さく設定しておくことが好ましい。
As described for the
<<第4実施例>>
第4実施例を説明する。第4実施例では、上述の各事項に対する応用技術、変形技術又は補足事項等を説明する。
<<Fourth Example>>
A fourth embodiment will now be described. In the fourth embodiment, applied techniques, modified techniques, or supplementary matters to the above-mentioned items will be described.
任意の信号又は電圧に関して、上述の主旨を損なわない形で、それらのハイレベルとローレベルの関係は上述したものの逆とされ得る。 For any signal or voltage, the relationship between their high and low levels may be reversed without compromising the above principles.
各実施形態に示されたFET(電界効果トランジスタ)のチャネルの種類は例示である。上述の主旨を損なわない形で、任意のFETのチャネルの種類はPチャネル型及びNチャネル型間で変更され得る。 The channel types of the FETs (field effect transistors) shown in each embodiment are examples. The channel type of any FET may be changed between P-channel and N-channel without compromising the above-mentioned gist.
不都合が生じない限り、上述の任意のトランジスタは、任意の種類のトランジスタであって良い。例えば、MOSFETとして上述された任意のトランジスタを、不都合が生じない限り、接合型FET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はバイポーラトランジスタに置き換えることも可能である。任意のトランジスタは第1電極、第2電極及び制御電極を有する。FETにおいては、第1及び第2電極の内の一方がドレインで他方がソースであり且つ制御電極がゲートである。IGBTにおいては、第1及び第2電極の内の一方がコレクタで他方がエミッタであり且つ制御電極がゲートである。IGBTに属さないバイポーラトランジスタにおいては、第1及び第2電極の内の一方がコレクタで他方がエミッタであり且つ制御電極がベースである。 The above-mentioned transistors may be any type of transistor, provided that no disadvantage arises. For example, the above-mentioned transistors as MOSFETs may be replaced with junction FETs, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), or bipolar transistors, provided that no disadvantage arises. The transistors have a first electrode, a second electrode, and a control electrode. In a FET, one of the first and second electrodes is the drain, the other is the source, and the control electrode is the gate. In an IGBT, one of the first and second electrodes is the collector, the other is the emitter, and the control electrode is the gate. In a bipolar transistor that does not belong to an IGBT, one of the first and second electrodes is the collector, the other is the emitter, and the control electrode is the base.
本開示の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本開示の実施形態の例であって、本開示ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。 The embodiments of the present disclosure may be modified in various ways as appropriate within the scope of the technical ideas set forth in the claims. The above embodiments are merely examples of the embodiments of the present disclosure, and the meanings of the terms in the present disclosure or each of the constituent elements are not limited to those described in the above embodiments. The specific numerical values shown in the above description are merely examples, and can, of course, be changed to various numerical values.
<<付記>>
上述の実施形態にて具体的構成例が示された本開示について付記を設ける。
<<Additional Notes>>
Regarding the present disclosure, specific configuration examples of which have been shown in the above-mentioned embodiments, additional notes will be provided.
本開示の一側面に係るスイッチ回路(100、200、100a、200a)は、第1ノード及び第2ノード間に設けられた出力スイッチング素子(M1)と、前記出力スイッチング素子をオンさせるための駆動電圧(VBST)を生成するよう構成された駆動電圧生成回路(120)と、前記出力スイッチング素子の状態を指定する原制御信号(CNT)を前記駆動電圧を用いてレベルシフトさせることによりシフト制御信号を生成するよう構成されたレベルシフタ(LVS1、LVS2)と、前記駆動電圧に基づき前記シフト制御信号に従って前記出力スイッチング素子を駆動するよう構成された駆動回路(130)と、を備え、前記レベルシフタは、プルアップ抵抗(R1)と、前記プルアップ抵抗に直列接続されるシフト用トランジスタ(例えばM2)と、を有し、前記原制御信号が前記出力スイッチング素子のオフを指定するときに前記シフト用トランジスタをオンさせて前記プルアップ抵抗に電流を流すことで、前記出力スイッチング素子をオフさせる前記シフト制御信号を生成する構成(第1の構成)である。 A switch circuit (100, 200, 100a, 200a) according to one aspect of the present disclosure includes an output switching element (M1) provided between a first node and a second node, a drive voltage generation circuit (120) configured to generate a drive voltage (V BST ) for turning on the output switching element, level shifters (LVS1, LVS2) configured to generate a shift control signal by level-shifting an original control signal (CNT) that specifies a state of the output switching element using the drive voltage, and a drive circuit (130) configured to drive the output switching element in accordance with the shift control signal based on the drive voltage, wherein the level shifter has a pull-up resistor (R1) and a shift transistor (e.g., M2) connected in series to the pull-up resistor, and is configured (first configuration) to generate the shift control signal that turns off the output switching element by turning on the shift transistor when the original control signal specifies that the output switching element is to be turned off, thereby flowing a current through the pull-up resistor.
これにより、回路電流を抑えつつ、出力スイッチング素子をオンからオフに切り替える際の伝搬遅延を短くできる。 This reduces the circuit current while shortening the propagation delay when switching the output switching element from on to off.
上記第1の構成に係るスイッチ回路において、前記プルアップ抵抗の第1端に対して前記駆動電圧が供給され、前記レベルシフタは、前記プルアップ抵抗の第2端と前記シフト用トランジスタとの接続ノード(ND3)に前記シフト制御信号を発生させる構成(第2の構成)であっても良い。 In the switch circuit according to the first configuration, the drive voltage may be supplied to a first end of the pull-up resistor, and the level shifter may be configured (second configuration) to generate the shift control signal at a connection node (ND3) between the second end of the pull-up resistor and the shift transistor.
上記第2の構成に係るスイッチ回路において、前記レベルシフタは、前記原制御信号が前記出力スイッチング素子のオンを指定するオン指定期間において、前記シフト用トランジスタをオフさせ、前記原制御信号が前記出力スイッチング素子のオフを指定するオフ指定期間において、前記シフト用トランジスタをオンさせて前記プルアップ抵抗に電流を流すことで前記オン指定期間よりも前記シフト制御信号の電圧を低下させる構成(第3の構成)であっても良い。 In the switch circuit according to the second configuration, the level shifter may be configured (third configuration) to turn off the shift transistor during an on-designated period in which the original control signal designates the output switching element to be on, and to turn on the shift transistor and pass a current through the pull-up resistor during an off-designated period in which the original control signal designates the output switching element to be off, thereby lowering the voltage of the shift control signal below that during the on-designated period.
上記第1~第3の構成の何れかに係るスイッチ回路において、前記出力スイッチング素子はNチャネル型の電界効果トランジスタにて形成される出力トランジスタであり、前記駆動回路に対し前記駆動電圧と前記出力トランジスタのソース電圧(VOUT)が供給され、前記駆動回路は、前記シフト用トランジスタがオフであるときの前記シフト制御信号を受けて前記駆動電圧に基づく電圧を前記出力トランジスタのゲートに供給することにより前記出力トランジスタをオンさせ、前記シフト用トランジスタがオンであるときの前記シフト制御信号を受けて、前記ソース電圧に基づく電圧を前記出力トランジスタのゲートに供給することにより前記出力トランジスタをオフさせる構成(第4の構成)であっても良い。 In the switch circuit according to any of the first to third configurations, the output switching element may be an output transistor formed of an N-channel type field effect transistor, the drive voltage and a source voltage (V OUT ) of the output transistor are supplied to the drive circuit, and the drive circuit receives the shift control signal when the shift transistor is off and supplies a voltage based on the drive voltage to the gate of the output transistor to turn on the output transistor, and receives the shift control signal when the shift transistor is on and supplies a voltage based on the source voltage to the gate of the output transistor to turn off the output transistor (fourth configuration).
上記第1~第4の構成の何れかに係るスイッチ回路において、前記レベルシフタは、前記シフト用トランジスタとして、各々が前記プルアップ抵抗に直列接続された第1及び第2シフト用トランジスタ(M2、M3)を有し、前記第1シフト用トランジスタを第1電源電圧(VDD1)に基づき前記原制御信号に従ってオン又はオフさせ、前記第2シフト用トランジスタを第2電源電圧(VDD2)に基づき前記原制御信号に従ってオン又はオフさせ、前記第1シフト用トランジスタ及び前記第2シフト用トランジスタの内、少なくとも一方がオンであるとき、前記出力スイッチング素子をオフさせる前記シフト制御信号を生成する構成(第5の構成)であっても良い。 In the switch circuit according to any one of the first to fourth configurations, the level shifter may have, as the shift transistors, first and second shift transistors (M2, M3) each connected in series to the pull-up resistor, and may be configured (fifth configuration) to turn on or off the first shift transistor in accordance with the original control signal based on a first power supply voltage (VDD1), turn on or off the second shift transistor in accordance with the original control signal based on a second power supply voltage (VDD2), and generate the shift control signal that turns off the output switching element when at least one of the first shift transistor and the second shift transistor is on.
これにより、第1電源電圧及び第2電源電圧の何れか一方が喪失した場合であっても、出力スイッチング素子をオフさせることが可能となる。 This makes it possible to turn off the output switching element even if either the first power supply voltage or the second power supply voltage is lost.
上記第5の構成に係るスイッチ回路において、前記第1電源電圧及び前記第2電源電圧の内、一方のみが、当該スイッチ回路を収容する筐体(CS)に設けられ且つ前記筐体から露出する外部端子(REG)より出力される構成(第6の構成)であっても良い。 In the switch circuit according to the fifth configuration, only one of the first power supply voltage and the second power supply voltage may be output from an external terminal (REG) provided in a housing (CS) that houses the switch circuit and exposed from the housing (sixth configuration).
上記第1~第6の構成の何れかに係るスイッチ回路において、前記駆動電圧生成回路はチャージポンプ回路であり、前記スイッチング素子がオフに制御される期間において前記チャージポンプ回路は停止する構成(第7の構成)であっても良い。 In the switch circuit according to any of the first to sixth configurations, the drive voltage generating circuit may be a charge pump circuit, and the charge pump circuit may be stopped during the period in which the switching element is controlled to be off (seventh configuration).
1 半導体装置
CS 筐体
10、910、920、930、100、200、100a、200a スイッチ回路
20 保護回路
30 内部電源回路
31 過電圧検出回路
31a、31b 抵抗
31c コンパレータ
VS 電圧源
COUT 出力コンデンサ
IN 入力端子
OUT 出力端子
GND グランド端子
EN イネーブル端子
REG 端子
VIN 入力電圧
VOUT 出力電圧
SEN イネーブル信号
SOVP 過電圧検出信号
VDIV 電圧
VOVP 判定基準電圧
VSS 電圧
911、921、931 チャージポンプ回路
912、922、932 ドライバ
913、923、933 レベルシフタ
924 プルアップ抵抗
925 シフト用トランジスタ
P1~P6、N1、N2 トランジスタ
r1、r2 抵抗
CNT 制御信号
Vbst 駆動電圧
Vg ゲート電圧
110 制御回路
120 チャージポンプ回路
130、140、141 ドライバ
131、132 トランジスタ
M1 出力トランジスタ
M2、M3 シフト用トランジスタ
R1 プルアップ抵抗
R2、R3 抵抗
D1 ダイオード
C1、CREG コンデンサ
WR1~WR3 配線
ND1~ND3 ノード
VBST 駆動電圧
VG ゲート電圧
VDD、VDD1、VDD2 内部電源電圧
1 semiconductor
Claims (7)
前記出力スイッチング素子をオンさせるための駆動電圧を生成するよう構成された駆動電圧生成回路と、
前記出力スイッチング素子の状態を指定する原制御信号を前記駆動電圧を用いてレベルシフトさせることによりシフト制御信号を生成するよう構成されたレベルシフタと、
前記駆動電圧に基づき前記シフト制御信号に従って前記出力スイッチング素子を駆動するよう構成された駆動回路と、を備え、
前記レベルシフタは、プルアップ抵抗と、前記プルアップ抵抗に直列接続されるシフト用トランジスタと、を有し、前記原制御信号が前記出力スイッチング素子のオフを指定するときに前記シフト用トランジスタをオンさせて前記プルアップ抵抗に電流を流すことで、前記出力スイッチング素子をオフさせる前記シフト制御信号を生成する
、スイッチ回路。 an output switching element provided between the first node and the second node;
a drive voltage generating circuit configured to generate a drive voltage for turning on the output switching element;
a level shifter configured to generate a shift control signal by level-shifting an original control signal that designates a state of the output switching element using the drive voltage;
a drive circuit configured to drive the output switching element in accordance with the shift control signal based on the drive voltage;
The level shifter has a pull-up resistor and a shifting transistor connected in series to the pull-up resistor, and generates the shift control signal that turns off the output switching element by turning on the shifting transistor to flow a current through the pull-up resistor when the original control signal specifies that the output switching element is to be turned off.
前記レベルシフタは、前記プルアップ抵抗の第2端と前記シフト用トランジスタとの接続ノードに前記シフト制御信号を発生させる
、請求項1に記載のスイッチ回路。 The drive voltage is supplied to a first end of the pull-up resistor;
2. The switch circuit according to claim 1, wherein the level shifter generates the shift control signal at a connection node between the second end of the pull-up resistor and the shifting transistor.
、請求項2に記載のスイッチ回路。 3. The switch circuit according to claim 2, wherein the level shifter turns off the shifting transistor during an on-designation period in which the original control signal designates the output switching element to be on, and turns on the shifting transistor to cause a current to flow through the pull-up resistor during an off-designation period in which the original control signal designates the output switching element to be off, thereby lowering a voltage of the shift control signal compared to that during the on-designation period.
前記駆動回路に対し前記駆動電圧と前記出力トランジスタのソース電圧が供給され、
前記駆動回路は、前記シフト用トランジスタがオフであるときの前記シフト制御信号を受けて前記駆動電圧に基づく電圧を前記出力トランジスタのゲートに供給することにより前記出力トランジスタをオンさせ、前記シフト用トランジスタがオンであるときの前記シフト制御信号を受けて、前記ソース電圧に基づく電圧を前記出力トランジスタのゲートに供給することにより前記出力トランジスタをオフさせる
、請求項1~3の何れかに記載のスイッチ回路。 the output switching element is an output transistor formed of an N-channel type field effect transistor,
the drive voltage and the source voltage of the output transistor are supplied to the drive circuit;
The switch circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the drive circuit receives the shift control signal when the shift transistor is off and supplies a voltage based on the drive voltage to the gate of the output transistor to turn on the output transistor, and receives the shift control signal when the shift transistor is on and supplies a voltage based on the source voltage to the gate of the output transistor to turn off the output transistor.
、請求項1~3の何れかに記載のスイッチ回路。 4. The switch circuit according to claim 1, wherein the level shifter has, as the shift transistors, first and second shift transistors, each connected in series to the pull-up resistor, turns on or off the first shift transistor in accordance with the original control signal based on a first power supply voltage, turns on or off the second shift transistor in accordance with the original control signal based on a second power supply voltage, and generates the shift control signal for turning off the output switching element when at least one of the first shift transistor and the second shift transistor is on.
、請求項5に記載のスイッチ回路。 6. The switch circuit according to claim 5, wherein only one of the first power supply voltage and the second power supply voltage is output from an external terminal that is provided in a housing that houses the switch circuit and is exposed from the housing.
前記スイッチング素子がオフに制御される期間において前記チャージポンプ回路は停止する
、請求項1~3の何れかに記載のスイッチ回路。 the drive voltage generating circuit is a charge pump circuit,
4. The switch circuit according to claim 1, wherein the charge pump circuit is stopped during a period in which the switching element is controlled to be turned off.
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