具有改进的时间响应特性的通路开关电路及其控制方法技术

本发明专利技术涉及用于将输入节点的电压传输到输出节点的通路开关电路，更具体地，涉及因提升的时间响应特性而能够快速切换的通路开关电路。根据本公开一实施方式的通路开关电路包括通路开关、第一电容器和第一开关，其中，通路开关用于将电压电平从输入节点传输到输出节点，第一电容器的一侧的节点在通路开关的控制节点的电压处于第一状态时具有第一电压电平，并且第一开关用于将第一电容器的所述一侧的节点连接到通路开关的控制节点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的时间响应特性的通路开关电路及其控制方法
本专利技术涉及将输入节点的电压传输到输出节点的通路开关电路，更具体地，涉及具有改进的时间响应特性从而实现快速切换的通路开关电路。
技术介绍
在支持高电压开关操作的电子电路应用中，采用被称作电平移位器的电路在具有不同电压电平的电路网络之间传输信号。在与反相器组合时，电平移位器用于将在0至V1的电压范围内工作的逻辑信号转换为在0至V2的电压范围内工作的输出信号。此外，电平移位器还指代用于仅传输电压电平而不传输逻辑信号的电路。在这种情况下，如果满足特定逻辑条件，则电平移位器经由通路开关将电压电平从输入侧传输到输出侧，然后可使用诸如自举电路或电荷泵等的电路执行升压或降压操作。专利技术名称为“具有低动态阻抗的单驱动电平移位器”的第5,160,854号美国专利以及专利技术名称为“具有优化的响应时间的高压电平移位电路”的第6,727,742号美国专利中公开了这种高电压电平移位器的典型电路的示例。第6,727,742号美国专利公开了高压电平移位器的典型常规电路的示例，其在图1中示出。参照图1，其示出了电平移位器电路，其中输出电压OUT响应于输入控制信号φ在VBOOT和VPHASE之间摆动。VBOOT(即输出电压VOUT的上限)通常为等于或高于40-50V的高压功率，并且VPHASE(即输出电压VOUT的下限)为具有低于VBOOT特定差值的电压电平的功率。通常，高压电平移位器广泛地用于处理高电流的功率器件中。当使用半导体实现功率器件时，双扩散MOS(DMOS)晶体管被广泛地应用。DMOS晶体管分为垂直扩散型的垂直DMOS(VDMOS)晶体管和横向扩散型的横向DMOS(LDMOS)晶体管。众所周知，对于VDMOS和LDMOS晶体管，漏-源击穿电压是40至50V的高电压，且栅-源电压由相应晶体管的沟道氧化物的厚度而决定，因此很难将栅-源电压增加到几十伏的电平。因此，为了确保DMOS晶体管的安全运行，高压电平移位器被设计成不超过栅-源电压的极限。例如，如图1所示，当DMOS晶体管的栅-源电压的极限为10V时，VBOOT和VPHASE之间的差值被确定在10V以内。如图1所示，为了获得与VBOOT具有特定差值的电位VPHASE，电阻R1和电流源Idd以及钳位电路M3的组合被广泛使用。当输入控制信号φ导通时，电流源Idd操作，开关MHV导通，因此电流Idd流过开关MHV。在这种情况下，电流Idd的全部或部分流经电阻器R1，因此通过电阻器R1的两个端子之间的压降而产生VBOOT与节点X110之间的电压差。由于节点X110的电压是M1和M2的栅极节点的电压Vg，M1(即PMOS晶体管)导通并且输出电压OUT的电压电平为VBOOT。同时，当晶体管M3导通时，晶体管M3的栅极节点的电压VPHASE与节点X110(即M3的源节点)的电压Vx之间存在相当于晶体管M3的阈值电压VT,M3的差值。也就是说，满足如式1的条件：Vx＝VPHASE-VT,M3(1)当VPHASE与Vx之间的电位差达到VT,M3时，晶体管M3截止，由此电流Idd只流经电阻R1。在这种情况下，节点X110的电压Vx满足下式2的条件：Vx＝VBOOT-Idd·R1(2)其结果，VPHASE(即输出电压OUT的下限)满足下式3：VPHASE＝VBOOT-Idd·R1+VT,M3(3)可见，VPHASE(即输出电压VOUT的下限)与VBOOT之间的差值由电流源Idd、电阻器R1和晶体管M3的阈值电压VT,M3决定。相反，当输入控制信号φ断开时，电流源Idd被切断。在这种情况下，当经过足够的时间时，流经电阻器R1的电流变为0，由此电阻器R1的两端间的电压变为0V。即，Vx＝VBOOT。在这种情况下，晶体管M3的漏-源电压为0V，并且电流仍不会流经晶体管M3。在这种情况下，由于Vx的电压是高电平的VBOOT，晶体管M2导通且输出电压OUT的电压电平为VPHASE。尽管在进行长时间观察时图1中的电路将以上述方式操作，但是该电路仍存在如下问题：即在实践中，其操作被图1所示的节点X110的寄生电容Cr和Cp所延迟。此时，Cr表示电阻器R1的寄生电容，Cp表示开关MHV的寄生电容。当输入控制信号φ在断开状态下被导通时，节点X110的电压Vx应从VBOOT降到(VBOOT-Idd·R1)，但是在这个过程中，Vx以基于时间常数R1·(Cr+Cp)的RC延迟缓慢操作。以相同的方式，当输入控制信号φ在接通状态下被断开时，节点X110的电压Vx应从(VBOOT-Idd·R1)上升到VBOOT，但是在这个过程中，由于时间常数R1·(Cr+Cp)，Vx缓慢地达到稳定状态。这意味着瞬态响应大大延长。在这种情况下，如果Vx具有在VBOOT与VPHASE之间的中间电平，则由于各种原因(例如晶体管M1和M2同时导通的情况)而存在VPHASE的电压改变为接近VBOOT的值的风险。为避免这种问题，应使与VPHASE节点对应的储能电容(reservoircapacitance)非常高，而这又造成了设计上的不便。图2是示出了第6,727,742号美国专利中提出的、对图1的电路的改进的示意图。参照图2，钳位晶体管M3的栅极节点连接至输出电压OUT，而不是VPHASE。因此，当输入控制信号φ长时间保持在接通状态时，Vx被钳位到VBOOT，即输出电压OUT的电压电平，而非VPHASE。则，满足下式4：Vx＝VBOOT-VT,M3(4)其结果，Vx的摆动范围变得比图1的Idd·R1窄，从而实现了电平移位器的切换速度增加的效果。然而，尽管有了图2的电路改进，仍存在节点X110受到由RC时间常数引起的时间响应延迟影响的问题。此外，与图1的电路相比，在图2的改进电路中更加难以匹配晶体管M1、M2和M3的阈值电压特性。因此，需要一种能够如常规技术那样有效地保护高压开关电路或电平移位电路中的晶体管的同时克服因RC时间常数引起的时间响应延迟的电路设计技术。
技术实现思路
解决的技术问题因此，本专利技术为解决现有技术中出现的上述问题而做出，并且本专利技术旨在在通路开关电路中克服RC延迟的同时获得快速的时间响应速度。图2所示的现有技术可减少输入控制信号φ从接通状态转换为断开状态(Vx从低电压上升至高电压)的时间，但其并不能成为根本的解决方案。最终，这种现有技术的问题在于Vx的升/降特性由RC时间常数决定。此外，图2所示的现有技术的问题在于，由于Vx的下限被确定为(VBOOT-VT,M3)，所以只有在晶体管M2的阈值电压VT,M2非常高的情况下，晶体管M2才在Vx的下限处截止并能够实现其预期目的，为此，需满足下式5的条件：VT,M2>VBOOT-VT,M3–VPHASE(5)相反，产生的问题在于，只有当晶体管M1在Vx的下限处截止时才能实现预期目的，因此晶体管M1的阈值电压VT,M1应满足下式6：VT,M1<VT,M3(6)也就是说，现有技术的问题在于它不能成为RC时间延迟的根本解决方案，并且也很难匹配晶体管的阈值电压特性。本专利技术旨在与如构成电路的晶体管的阈值电压等器件的特性无关地提供稳定和快速的高压开关操作。本专利技术通常旨在改善传输电压电平的通路开关的时间响应性能，更具体地，旨在满足保护传输高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通路开关电路，包括：通路开关，配置为将电压电平从输入节点传输到输出节点；第一电容器，配置为当所述通路开关的控制节点的电压处于第一状态时，使得所述第一电容器的一侧的节点具有第一电压电平；以及第一开关，配置为将所述第一电容器的所述一侧的节点连接到所述通路开关的所述控制节点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通路开关电路，包括：通路开关，配置为将电压电平从输入节点传输到输出节点；第一电容器，配置为当所述通路开关的控制节点的电压处于第一状态时，使得所述第一电容器的一侧的节点具有第一电压电平；以及第一开关，配置为将所述第一电容器的所述一侧的节点连接到所述通路开关的所述控制节点。2.如权利要求1所述的通路开关电路，还包括：电阻器，连接在所述通路开关的所述控制节点与所述输入节点和所述输出节点中的任何一个之间；以及电流源，经由所述第一开关连接到所述通路开关的所述控制节点。3.如权利要求1所述的通路开关电路，还包括：钳位电路，连接到所述通路开关的所述控制节点以及所述输入节点和所述输出节点中的任何一个。4.如权利要求1所述的通路开关电路，其中，所述第一电容器的另一侧的节点连接到第一电源。5.如权利要求1所述的通路开关电路，其中，当所述通路开关的所述控制节点的电压处于所述第一状态时，所述第一电容器的两侧的节点均具有所述第一电压电平。6.如权利要求1所述的通路开关电路，其中，当所述通路开关的所述控制节点的电压处于所述第一状态时，所述第一开关将所述第一电容器的所述一侧的节点连接到所述通路开关的所述控制节点，并将所述通路开关的所述控制节点的电压从所述第一状态改变为第二状态。7.如权利要求1所述的通路开关电路，其中，当所述第一开关将所述第一电容器的所述一侧的节点连接到所述通路开关的所述控制节点时，通过所述通路开关的所述控制节点的寄生电容与所述第一电容器之间的电荷共享来促进所述通路开关的所述控制节点的电压从所述第一状态改变为第二状态的过程。8.如权利要求1所述的通路开关电路，还包括：第二开关，连接到所述通路开关的所述控制节点以及所述输入节点和所述输出节点中的任何一个；第三开关，连接到所述第二开关的控制节点；以及第二电容器，配置为使其一侧的节点经由所述第三开关连接到所述第二开关的控制节点，并且当所述通路开关的所述控制节点的电压处于第二状态时，所述第二电容器的所述一侧的节点具有第二电压电平。9.如权利要求8所述的通路开关电路，还包括：第四开关，配置为使所述第四开关的一侧的节点连接到与所述第二开关连接的、所述输入节点和输出节点中的任何一个，所述第四开关的另一侧的节点连接到所述第二开关的所述控制节点，并且所述第四开关的控制节点连接到所述第二开关的所述控制节点。10.如权利要求8所述的通路开关电路，其中当所述通路开关的所述控制节点的电压处于所述第二状态时，所述第三开关将所述第二电容器的所述一侧的节点连接到所述第二开关的所述控制节点，改变所述第二开关的所述控制节点的电压，并且响应于所述第二开关的所述控制节点的电压的变化，将所述通路开关的所述控制节点的电压从所述第二状态改变为所述第一状态。11.如权利要求8所述的通路开关电路，其中，当所述第三开关将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李承锺，曺芋铉，禹永振，
申请(专利权)人：硅工厂股份有限公司，
类型：发明
国别省市：韩国,KR