專利名稱：通過橫向雙擴(kuò)散mos對(duì)自舉電容充電的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路，尤其是涉及功率級(jí)的驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明針對(duì)一個(gè)自舉系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電容通過LDMOS(輕摻雜漏MOS)集成晶體管充電。
在一個(gè)包含用來驅(qū)動(dòng)分立或者是集成在同一包含驅(qū)動(dòng)和控制電路的芯片中的功率器件的輸出級(jí)的集成電路中，為了保證功率器件驅(qū)動(dòng)級(jí)的正確供電，通常采用自舉電容。在這類系統(tǒng)中，必須保證自舉電容能在很短的時(shí)間內(nèi)被充電，因此，為了保證自舉電容的快速充電，通常采用LDMOS晶體管。
在一個(gè)叫作所謂高邊驅(qū)動(dòng)器(HSD)(High Side Driver)的驅(qū)動(dòng)電路的特例中，當(dāng)HSD連接低電壓，也就是說當(dāng)HSD輸出低電壓時(shí)，LDMOS應(yīng)當(dāng)能對(duì)自舉電容進(jìn)行充電。反之，當(dāng)HSD連接高電壓，也就是說當(dāng)HSD輸出高電壓時(shí)，LDMOS應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)出高阻。即使不考慮與LDMOS集成結(jié)構(gòu)有關(guān)的、在電容充放電過程中產(chǎn)生的肯定會(huì)防礙功率器件高電壓供給的可能的電流注入，在HSD本身從高到低(或相反)的電壓轉(zhuǎn)換期間，上述工作條件也應(yīng)當(dāng)?shù)玫綕M足。
為了控制集成LDMOS結(jié)構(gòu)內(nèi)在的寄生影響，

圖1所示的電路是一個(gè)廣為人知的集成結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。通常，LDMOS的門驅(qū)動(dòng)電壓通過電荷泵從VS源電壓獲得。
例如，驅(qū)動(dòng)級(jí)是一個(gè)被確定的控制信號(hào)IN以開關(guān)方式驅(qū)動(dòng)的HSD。當(dāng)涉及到高電壓(Vhv)時(shí)，HSD的電壓供給由自舉電容Cboot來保證。更進(jìn)一步，在這期間自舉電容Cboot失去了對(duì)HSD的充電和損耗所需要的電荷。
在HSD的輸出(OUT)為低電平期間，充電晶體管LDMOS被打開，從而恢復(fù)在前述期間內(nèi)從電容Cboot吸收的電荷。
n個(gè)二極管(或是直接偏置的串聯(lián)的結(jié))有著在電路的動(dòng)態(tài)工作期間阻礙寄生PNP打開的特殊功能。事實(shí)上，假如結(jié)構(gòu)的尺度能做到滿足條件Vboot＞VS-(n＋1)Vbe時(shí)，那么寄生晶體管PNP將不能被打開。
當(dāng)啟動(dòng)電路時(shí)，并在HSD有輸出(OUT)前，必須先讓原先被放電的自舉電容Cboot充電。
回到圖1，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)VS＞nVbe時(shí)，LDMOS晶體管的體結(jié)點(diǎn)電壓滿足VB＝VS-nVbe。假如源結(jié)點(diǎn)電壓VS上升得比自舉電容的電壓Vboot快、LDMOS集成結(jié)構(gòu)的寄生PNP將被打開，導(dǎo)致全部或部分電流被驅(qū)動(dòng)到集成電路的襯底而不是Cboot電容上。這就意味著自舉電容不能被充電或者要花很長的額外時(shí)間才能充上電并且要通過襯底造成相當(dāng)大的能源浪費(fèi)的危險(xiǎn)。
該類電路在HSD的轉(zhuǎn)換期間可能產(chǎn)生其它更嚴(yán)重的不便，這是因?yàn)長DMOS集成結(jié)構(gòu)上寄生NPN的存在。
如圖2，若不考慮體和漏間的結(jié)電容Cbd，在LDMOS晶體管的漏結(jié)點(diǎn)電壓的上升期間會(huì)通過體-漏結(jié)的結(jié)電容產(chǎn)生體電流注入。
假如由于這樣的一個(gè)電流注入使體電位VB上升到超過數(shù)值VS＋Vbe，再考慮到設(shè)計(jì)條件Vboot＞Vs-(n＋1)Vbe (1)那么漏-體結(jié)被直接偏置，這樣就打開了寄生NPN晶體管并導(dǎo)致由于極高的功率消耗而損壞集成部件的后果。既然體表現(xiàn)為一個(gè)高阻結(jié)點(diǎn)，這個(gè)失效機(jī)制極易產(chǎn)生。
本發(fā)明提出了一種采用集成晶體管LDMOS的自舉電容的充電電路，該電路將保證有低損耗且對(duì)可能導(dǎo)致集成器件損壞的條件有高的抗擾性。
上述目標(biāo)在本發(fā)明中完全達(dá)到了。本發(fā)明涉及一種方法和依照該方法構(gòu)造的電路，該電路能保證使寄生晶體管失效并在任何工作條件下使采用LDMOS集成晶體管的自舉電容的充電電路的漏電電流達(dá)到最小。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在自舉電容的充電期間用一個(gè)開關(guān)關(guān)斷源與通常存在源結(jié)點(diǎn)和連接到地的電流發(fā)生器之間的被直接偏置的結(jié)的第一個(gè)結(jié)之間的連接，當(dāng)自舉電容充電到某一預(yù)設(shè)的閾值電壓時(shí)，該開關(guān)關(guān)斷。更進(jìn)一步，在任何情況下，通過在體結(jié)點(diǎn)和LDMOS結(jié)構(gòu)的體結(jié)點(diǎn)和另一端接地的電流發(fā)生器間引入一個(gè)限流電阻，那么由于寄生晶體管的觸發(fā)而可能被意外注入的電流就得到限制。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可導(dǎo)致寄生NPN晶體管導(dǎo)通的條件產(chǎn)生的可能性微乎其微。例如，通過采用一個(gè)可防止體電壓超過源電壓與Vbe之和的合適電路，在轉(zhuǎn)換期間通過漏和體之間電容的注入電流可以被有效消除。這可以通過為體結(jié)點(diǎn)建立一條放電通路來達(dá)到，該放電通路由一個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)來打開，而該驅(qū)動(dòng)級(jí)又是根據(jù)上述與體串聯(lián)的限流電阻檢測到的電壓降來啟動(dòng)的。這一可開關(guān)的放電回路由第二個(gè)開關(guān)來啟動(dòng)，該開關(guān)能被一控制電路協(xié)調(diào)地與第一開關(guān)一起得到控制，該控制電路根據(jù)自舉電容上的實(shí)際電壓起作用。
根據(jù)附圖，通過對(duì)一些雖然是非限定的但重要的實(shí)施例的描述，本發(fā)明的各個(gè)方面及其優(yōu)點(diǎn)將得到進(jìn)一步的闡明圖1和圖2的簡圖說明了如前所述的自舉電容充電電路存在的問題。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的充電電路的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖4是根據(jù)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一實(shí)施例設(shè)計(jì)的充電電路的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖5是一個(gè)本發(fā)發(fā)明的典型實(shí)施例的電路圖。
圖6是一個(gè)包含根據(jù)圖5設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的方框圖。
根據(jù)圖3，假設(shè)我們正對(duì)在自舉電容進(jìn)行第一次充電，為了保證在充電瞬間寄生PNP晶體管不打開，在電源電壓VS超過寄生齊納管的擊穿電壓前必須保持充電LDMOS晶體管的體-它的另一端連接PNP的發(fā)射極一的電位盡可能的低(在實(shí)踐中接地)。然而這一過程由于體效應(yīng)(增加了閾值電壓)而降低了充電晶體管LDMOS的釋放電流的能力。因此，一旦充電過程結(jié)束，LDMOS晶體管的體被提升到一個(gè)較高的電位是極其重要的，這正好可通過開關(guān)INT1來達(dá)到。
開關(guān)INT1在自舉電容Cboot的充電期間一直保持打開。
當(dāng)電壓Vboot達(dá)到滿足如下關(guān)系Vboot＞VS-(n＋1)Vbe (1)時(shí)，INT1關(guān)閉，同時(shí)體結(jié)點(diǎn)電壓在未考慮任何寄生晶體管觸發(fā)的情況下上升到滿足如下條件VB＝VS-NVbe(2)與體串聯(lián)的電阻R在由于意外的原因(如噪聲)或其它情況而使開關(guān)INT1被過早關(guān)閉從而導(dǎo)致以上條件(1)不能滿足的情況下起著限流的作用。無論如何，通過合適選取限流電阻R的阻值，由于寄生晶生晶體管PNP被觸發(fā)打開而流過襯底的電流的損耗可以被限制住。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在轉(zhuǎn)換期間通過LDMOS結(jié)構(gòu)的漏和體間的寄生電容注入電流的、在一定工作條件下將決定寄生NPN晶體管開啟的缺點(diǎn)可以通過加一個(gè)防止體電壓VB超過源電壓VS與Vbe之和的電路得到有效克服。這可以通過建立一條經(jīng)過晶體管T2的體結(jié)點(diǎn)的放電通路來實(shí)現(xiàn)，該晶體管由一個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)-例如T1和R1組成-來控制，該驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)限流電阻R端的電壓降低產(chǎn)生響應(yīng)。與第一個(gè)開關(guān)INT1一起被協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的第二個(gè)開關(guān)INT2在自舉電容Cboot充滿電的情況下啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)T1-R1。
假如INT2開關(guān)是關(guān)的，若體電位VB(初始值為VS-nVbe)在輸出從低到高的瞬間正好升高了一個(gè)Vbe，也就是說，達(dá)到了VS-(n-1)Vbe，在打開為體電位提供放電通路的晶體管T2時(shí)，PNP晶體管T1打開。在這種情況下，源/體結(jié)不能直接偏置，從而寄生PNP晶體管不能打開。當(dāng)然，放電通路應(yīng)該被設(shè)計(jì)成有足夠快的轉(zhuǎn)換速度，同時(shí)牢記充電LDMOS集成結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性。
啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)T1-R1的開關(guān)INT2的功能是限制電流損耗。
事實(shí)上，通過使用電流發(fā)生器GEN，在自舉電容的第一個(gè)充電期間LDMOS晶體管的體保持在地電位。假如源電壓VS超過體/源結(jié)的擊穿電壓(VZ)，那么由于另一端串接限流電阻R的電流發(fā)生器GEN是高阻，體電壓將達(dá)到VS-VZ。當(dāng)電路條件滿足VS-VZ＞Vbe，由晶體管T1和T2組成的充電回路將吸收大部分電流，這些電流又將泄漏到襯底中去。通過插入開關(guān)INT2，該開關(guān)能與INT1一起被協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)且能在INT1是打開時(shí)保持打開，使晶體管T1和T2在自舉電容的充電過程期間保持關(guān)閉，從而避免電流太大的漏失。
通過一個(gè)簡單的驅(qū)動(dòng)電路很容易達(dá)到對(duì)開關(guān)INT1或INT1和INT2一起的控制，該驅(qū)動(dòng)電路對(duì)充電的自舉電容上的電壓Vboot瞬態(tài)值產(chǎn)生響應(yīng)。
本發(fā)明的電路實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子簡單地表示在圖5中，圖中還包括一個(gè)開關(guān)INT1和INT2的定時(shí)和控制電路。比較器COMP檢測電壓Vboot-Vout，然而，在系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)換前，Vout必須接在一個(gè)地電位或一個(gè)很接近零的電位上，因此當(dāng)Vboot＞Vref(同時(shí)VS-(n＋1)Vbe＜Vref＜VS)時(shí)，將在電阻RLs上產(chǎn)生一個(gè)從“0”到“1”的邏輯信號(hào)。假如在VLs＝“1”時(shí)，VS是這樣一個(gè)數(shù)值，它使系統(tǒng)能開始轉(zhuǎn)換(換句話說就是欠壓鎖定信號(hào)等于1)，那么組成開關(guān)INT1和INT2的兩個(gè)PNP晶體管打開(也就是說它們的控制門被偏置到零電位)，從而保證了集成LDMOS結(jié)構(gòu)的寄生元件的正確控制(使失效)。
圖6是一個(gè)用來驅(qū)動(dòng)推挽功率級(jí)的典型器件的方框圖，該功率級(jí)采用分立功率器件，其電源電壓高于控制和驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓。圖6中的黑框解剖了一個(gè)包含這樣器件的集成電路。如在圖6所示的器件組合中，在整個(gè)等待期間，也就是當(dāng)LVG＝“1”和HVG＝“0”時(shí)，自舉電容Cboot通過一端接地的低端功率器件和集成晶體管LDMOS充電。在開關(guān)期間，HVG和LVG同時(shí)為高或低這種情況肯定能被排除。自舉LDMOS與LVG管腳協(xié)調(diào)打開，從而保證了自舉電容Cboot的電荷的恢復(fù)，這些電荷在HVG＝“1”和LVG＝“0”期間通過自舉電容失去。
顯然，驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載LOAD可以是電子馬達(dá)的線圈，螺線管的線圈，氖管或類似的東西。
權(quán)利要求
1.一種自舉電容(Cboot)的充電電路，它采用一個(gè)集成LDMOS晶體管，包括一個(gè)在源結(jié)點(diǎn)和體結(jié)點(diǎn)間由n個(gè)直接偏置的結(jié)(D1，D2，……Dn)組成的用來防止瞬態(tài)時(shí)LDMOS結(jié)構(gòu)的寄生PNP晶體管打開的電路器件，以及至少一個(gè)連接到地電位的電流發(fā)生器(GEN)，該電流發(fā)生器連接在上述體結(jié)點(diǎn)和地結(jié)點(diǎn)之間，其特征在于包括至少一個(gè)開關(guān)(INT1)，它在上述源結(jié)點(diǎn)和上述n個(gè)直接偏置的結(jié)的第一個(gè)結(jié)(D1)之間；一個(gè)限流電阻(R)連接在上述體結(jié)點(diǎn)和上述電流發(fā)生器(GEN)之間；上述開關(guān)(INT1)在上述自舉電容(Cboot)的充電期間保持打開且當(dāng)自舉電容(Cboot)的充電電壓(Vboot)達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)被關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電電路，其特征在于上述的預(yù)設(shè)閾值大于或等于VS-(n＋1)Vbe，其中VS是LDMOS的源電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電電路，其特征在于它包含一個(gè)能防止體電壓(VB)超過源電壓(VS)與Vbe之和的回路，該回路通過建立一條上述體的放電通路來實(shí)現(xiàn)且該回路由控制級(jí)(T1，R1)來啟動(dòng)，該控制級(jí)對(duì)從上述限流電阻上檢測到的電壓降產(chǎn)生響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的充電電路，其特征在于上述的控制級(jí)(T1，R1)包含一個(gè)能與上述第一個(gè)開關(guān)(INT1)一起被協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的第二開關(guān)(INT2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電電路，其特征在于上述的第一個(gè)開關(guān)(INT1)被一個(gè)根據(jù)自舉電容(Cboot)的充電電壓響應(yīng)的控制電路驅(qū)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的充電電路，其特征在于上述的控制電路包括一個(gè)比較器(COMP)，一個(gè)由上述的比較器(COMP)的輸出來驅(qū)動(dòng)的電平移位電路(LEVEL SHIFTER)，該電平移位電路能強(qiáng)制電流流過連接在上述電平移位電路的輸出結(jié)點(diǎn)和地結(jié)點(diǎn)之間的電阻。一個(gè)邏輯與非門或其等效電路，其特征是有一個(gè)第一輸入端耦合到上述電阻(RLs)，一個(gè)第二輸入端由一個(gè)使能邏輯信號(hào)來控制，一個(gè)輸出端耦合到上述開關(guān)(INT1)的控制端。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的充電電路，其特征在于上述門的輸出端耦合到上述第一個(gè)(INT1)和第二個(gè)(INT2)開關(guān)的控制端。
8.一個(gè)用來驅(qū)動(dòng)由一對(duì)分立場效應(yīng)功率晶體管組成的、其電源電壓比集成驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓高的推挽功率級(jí)的集成器件，該集成器件包括一個(gè)外連接的自舉電容的充電電路，該電容為與上述高電壓連接的分立功率晶體管的驅(qū)動(dòng)級(jí)供電，其特征在于所述外連接自舉電容是用前述幾項(xiàng)權(quán)利要求書中描述的電路來充電。
全文摘要
采用LDMOS(橫向雙擴(kuò)散MOS)晶體管并包括防止轉(zhuǎn)換期間其寄生晶體管打開的電路的自舉電容充電電路，有至少一個(gè)連接在源和多個(gè)結(jié)中的第一個(gè)結(jié)之間的開關(guān)INT1和一個(gè)連接在體和電流發(fā)生器之間的限流電阻。開關(guān)在自舉電容的充電期間保持打開，當(dāng)充電電壓達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)關(guān)閉。另外，控制級(jí)(T1，R1)根據(jù)限流電阻上的電壓降控制放電電路，防止體電壓超過源電壓與Vbe之和。該控制電路由一個(gè)與開關(guān)INT1協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的第二開關(guān)INT2啟動(dòng)。
文檔編號(hào)H01L27/088GK1155763SQ9610744
公開日1997年7月30日 申請(qǐng)日期1996年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月17日
發(fā)明者C·迪茲, F·馬逖諾尼, M·塔蘭托拉 申請(qǐng)人:Sgs-湯姆斯微電子有限公司