负载开关中的栅极电容的控制制造技术

在所述的用于控制供电电源的开关(200)的示例中，开关(200)包括：第一晶体管(M1)，其具有连接在VIN和VOUT之间的漏极和源极以及经连接以被驱动至大于VIN的第一电压的栅极；外部电容器(CEXT)，其在连接到第一晶体管(M1)的栅极时，可操作以控制VOUT的上升时间；以及耦合到第一晶体管(M1)的栅极并且耦合到外部电容器(CEXT)的电路。该电路经连接以响应于使能信号(EN)导通而将外部电容器(CEXT)耦合到第一晶体管(M1)的栅极并且响应于栅极上的电压达到第一电压而将外部电容器(CEXT)与第一晶体管(M1)的栅极去耦合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】负载开关中的栅极电容的控制
本专利技术一般涉及负载开关，并且更具体地涉及负载开关中的栅极电容的控制。
技术介绍
一些负载开关使用外部电容器，该外部电容器直接连接到电源开关的栅极，以控制上升时间和到栅极的浪涌电流。在开关断开时，输入供电电源用于为一电路供电，该电路使外部电容器放电以准备下一个导通时间。当输入供电电源下降而开关导通时，不存在电力来使外部电容器放电。这种情况导致两个问题：(a)当外部电容器没有放电时，由于高栅极/源极电压VGS，控制输出电压的晶体管中的栅极氧化物可靠性问题；和(b)当输入电源再次上升时，输出电压中会出现不受控制的输出或尖峰，可能导致下游的问题。
技术实现思路
示例实施例提供了电路系统以在晶体管完全导通之后，将外部电容器与控制VOUT的晶体管的栅极断开。然后在开关仍然导通时使电容器放电。在用于控制供电电源的开关的一个实施例中，开关包括：第一晶体管，其具有连接在VIN和VOUT之间的漏极和源极以及经连接以被驱动至大于VIN的第一电压的栅极；外部电容器，其在连接到第一晶体管的栅极时，可操作以控制VOUT的上升时间；以及耦合到第一晶体管的栅极并且耦合到外部电容器的电路，该电路经连接以响应于使能信号导通而将外部电容器耦合到第一晶体管的栅极并且响应于栅极上的电压达到第一电压而将外部电容器与第一晶体管的栅极去耦合。在操作负载开关的方法的一个实施例中，该方法包括响应于ON(通)引脚变高，将外部栅极电容器耦合到选择性地连接VIN和VOUT的晶体管的栅极；以及响应于栅极达到大于VIN的给定电压，将外部栅极电容器与晶体管的栅极去耦合。附图说明图1描绘了根据一个实施例的与负载开关相关联的VGATE、VCT和VOUT信号的期望响应。图2描绘了根据一个实施例的可以实现图1的期望输出的负载开关。图2A描绘了包括图2的电路的芯片。图3说明了在1V的示例输入电压下的图1的实施例的仿真信号。图4A-图4B说明了在5.5V的示例输入电压和两个不同放大率下图1的实施例的仿真信号。图5描绘了所描述的开关的一个实施例的测量信号。图6描绘了根据一个实施例的操作负载开关的方法的流程图。图7A描绘了传统负载开关的示意图。图7B说明了与图7A的负载开关相关联的各种信号。图8说明了当输入功率下降而开关导通时可能出现的问题。图9A-图9C描绘了与输入功率下降相关联的问题的传统解决方案的示意图。具体实施方式在附图中，相同的参考标记表明类似的元件。在本说明书中，阐述了许多具体细节以提供更透彻的理解，但是可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。在其他实例中，未详细描述已知特征以避免不必要地使描述复杂化。在本说明书中：(a)“耦合”可用于表明可以是或可以不是彼此直接物理或电接触的两个或多个元件相互合作或相互作用；以及b)“连接”可以用于表明在彼此耦合的两个或多个元件之间通信的建立，即通信关系。通常，在一个或更多个示例实施例中，如果元件、组件或模块能够执行或以其他方式在结构上经布置以执行功能，那么元件、组件或模块可以经配置以执行该功能。负载开关是用于导通和断开电源轨的集成电路继电器。图7A示出了已知的示例性负载开关700的示意性框图。NMOS晶体管M1是负载开关700的主要部件，并连接在输入信号VIN和输出信号VOUT之间。M1的特性确定了负载开关700可以处理的最大输入电压和负载电流，以及负载开关的导通电阻，其用于计算负载开关700消耗的功率。驱动器708以受控速率对M1的栅极充电，该受控速率由外部电容器CEXT的电容确定。该受控速率定义了器件的上升时间。为了在开关导通时在VIN和VOUT之间具有低电阻，希望将M1的栅极驱动至高于VIN的给定电压VGV。(VIN+VGV)被确定为能够在M1上提供最低电阻而不会对M1造成损坏的电压。在一个传统的负载开关中，VGV被确定为等于7伏。电荷泵706用于从VIN产生该较高电压，并且将该较高电压提供给驱动器708。在M1的栅极已经被充电到VIN+VGV之后，期望将振荡器704和电荷泵706置于休眠模式以提供低功率操作。电荷状态检测器(SOC_Detector)716将栅极电压VGATE与VOUT+VGV进行比较，并在VGATE较大时提供休眠信号718。在一个示例实施例中，SOC_Detector716在VGATE>VIN+7V时提供休眠信号。提供控制逻辑的导通缓冲器(ON-Buffer)710由外部逻辑信号ON驱动，该外部逻辑信号ON控制通过FET(passFET)和其他块的导通和断开。偏置电路712在必要时提供偏置电流。放电电路714连接在FETM1的栅极和接地电压之间，以便使M1的栅极和电容器CEXT两者放电。当信号ON指示开关将导通时，放电电路714接收使能信号(EN)。反相器720将使EN反相以驱动NMOS晶体管MGPD，使得当外部逻辑信号ON被断开时，晶体管MGPD导通并且使外部电容器CEXT放电。图7B公开了在正常操作期间负载开关700上的信号的仿真。在初始状态下，输入电压VIN为高，而所有其他信号为低。在时间T1，ON信号变高并且驱动器708开始对NMOS晶体管M1的栅极充电，导致VGATE(也是VCT)开始上升。最初，栅极电压上升，但输出电压VOUT保持低，直到达到NMOS晶体管M1的阈值电压，此时VOUT开始以受控速率上升直到它达到VIN。在所示的示例中，VCT将继续上升，直到它达到VIN+VGV，以在M1的两端提供低导通电阻。在VOUT已经稳定且VCT已经达到VIN+VGV之后的时间T2，触发休眠信号718，振荡器704和电荷泵706进入休眠，并且栅极电压VCT停止上升。图8公开了当VIN下降而ON信号仍然为高时，负载开关700上的信号的仿真，其导致了不期望的后果。如图8所示，VON在时间T3导通。在此之后，VCT开始上升，并且一旦已经达到M1上的阈值电压，VOUT也开始上升。在VOUT已经到达VIN后，VIN在时间T4下降。VOUT下降至零，但VCT不能被完全放电，因为不存在供电电源来操作放电电路714，因此VCT保持残余电压VRES。过量的VGS(其等于VRES)导致在VIN＝0V时主开关的可靠性问题。在时间T5，ON开关断开，并且在时间T6，VIN恢复。在电力恢复之后，放电电路714能够使VCT放电，但是在栅极电压可以放电之前，VOUT开始导通，导致在VOUT中被圈出的尖峰。图9A说明了这些问题的一种传统解决方案，其使用双供电电源902来提供另一电源，其在图9A中标记为到负载开关904的VBIAS，负载开关904包括具有晶体管M1A和M1B的双负载开关。VBIAS用于为控制电路系统供电。然而，该解决方案增加了引脚计数和用于该实施方式所需的面积，这两者都对解决方案的成本和便利性产生不利影响。图9B说明了第二传统解决方案，其修改负载开关以防止损坏栅极。图9B与图7A大致相同，除了在晶体管M1的栅极和源极之间添加了钳位电路912以确保M1的VGS不上升到选定值以上。在VGV＝7伏特的一个示例实施例中，当VGS变得大于7.1V(即大于VGV)时，钳位电路912将放电，并且将使VGS放电至7.1V，但不会使电容器完全放电。因此，虽然钳位电路可以防止来自过高VGS的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制供电电源的开关，包括：第一晶体管，其具有连接在VIN和VOUT之间的漏极和源极，以及经连接以被驱动至大于VIN的第一电压的栅极；外部电容器，其在连接到所述第一晶体管的所述栅极时，可操作以控制VOUT的上升时间；和电路，其耦合到所述第一晶体管的所述栅极并且耦合到所述外部电容器，所述电路经连接以响应于使能信号导通而将所述外部电容器耦合到所述第一晶体管的所述栅极并且响应于所述栅极上的电压达到所述第一电压而将所述外部电容器与所述第一晶体管的所述栅极去耦合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.22 US 62/298,213;2016.06.30 US 15/198,6181.一种用于控制供电电源的开关，包括：第一晶体管，其具有连接在VIN和VOUT之间的漏极和源极，以及经连接以被驱动至大于VIN的第一电压的栅极；外部电容器，其在连接到所述第一晶体管的所述栅极时，可操作以控制VOUT的上升时间；和电路，其耦合到所述第一晶体管的所述栅极并且耦合到所述外部电容器，所述电路经连接以响应于使能信号导通而将所述外部电容器耦合到所述第一晶体管的所述栅极并且响应于所述栅极上的电压达到所述第一电压而将所述外部电容器与所述第一晶体管的所述栅极去耦合。2.根据权利要求1所述的开关，其中所述电路包括：第二晶体管，其具有分别耦合到所述第一晶体管的所述栅极和所述外部电容器的漏极和源极；电源，其经耦合以向所述第二晶体管的栅极提供第二电压；和第三晶体管，其具有耦合到所述第二晶体管的所述栅极的漏极，所述第三晶体管经耦合以响应于休眠信号将所述第二电压耦合到低轨。3.根据权利要求2所述的开关，其中所述第三晶体管的栅极经连接以由所述休眠信...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·贝克，J·克拉伦贝克，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US