本申請案主張2015年7月31日申請的標題為“用于使用標準工藝流程的電感性負載開關(guān)的隔離浮動柵極下拉驅(qū)動器(ISOLATED FLOATING GATE PULL DOWN DRIVER FOR INDUCTIVE LOAD SWITCHES USING STANDARD PROCESS FLOW)”的第62/199,691號美國臨時專利申請案的權(quán)益，所述臨時專利申請案的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路，且更特定來說，本發(fā)明涉及一種隔離輸出切換電路。

背景技術(shù)：

當經(jīng)由負載切換裝置驅(qū)動電感性應(yīng)用時，輸出電壓在切換裝置斷開的情況下可顯著地降至接地以下。舉例來說，現(xiàn)代汽車負載切換裝置利用外部電阻器及外部二極管使驅(qū)動負載切換裝置的控制器芯片中的局部接地與和電感性負載相關(guān)聯(lián)的全局接地隔離。當電感性負載切斷時，局部接地可根據(jù)需要“飛”快降至全局接地以下從而使輸出切換裝置(例如，F(xiàn)ET Vgs)保持在零伏特。當局部GND飛至負值時，經(jīng)由局部接地路徑可在控制器芯片中發(fā)現(xiàn)大量噪聲。在多溝道負載開關(guān)應(yīng)用中，一個電壓源(例如電池)饋送多個輸出電壓-每一輸出驅(qū)動其自身的負載。如果一個負載是電感性的而其它負載不是電感性的，那么電感性負載在相應(yīng)溝道上的電感性負載被切換的情況下可經(jīng)由飛負的局部接地將噪聲耦合到鄰近的溝道的其它輸出電壓上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種隔離輸出切換電路，其通過將切換裝置的控制輸入箝位到所述裝置的輸出電壓電平來使所述裝置的控制輸入放電。

在一個實例中，一種半導體裝置包含輸出切換裝置，所述輸出切換裝置具有輸入節(jié)點、輸出節(jié)點及控制輸入節(jié)點。控制輸入節(jié)點使施加到輸入節(jié)點的輸入電壓能夠被切換到輸出節(jié)點。柵極下拉電路響應(yīng)于至少一個控制信號控制輸出切換裝置的控制輸入節(jié)點。柵極下拉電路通過將控制輸入節(jié)點的電壓電平提高到高于輸出節(jié)點的電壓電平來激活輸出切換裝置，且通過將控制輸入節(jié)點箝位到輸出節(jié)點的電壓電平來去激活輸出切換裝置。柵極上拉電路接收啟用信號且響應(yīng)于所述啟用信號產(chǎn)生到柵極下拉電路的控制信號。

在另一實例中，一種半導體裝置包含輸出切換裝置，所述輸出切換裝置具有輸入節(jié)點、輸出節(jié)點及控制輸入節(jié)點。控制輸入節(jié)點使施加到輸入節(jié)點的輸入電壓能夠被切換到輸出節(jié)點。柵極下拉電路響應(yīng)于至少一個控制信號控制輸出切換裝置的控制輸入節(jié)點。柵極下拉電路包含至少一個晶體管裝置以將電壓施加到控制輸入節(jié)點從而激活及去激活輸出切換裝置。柵極上拉電路接收啟用信號且響應(yīng)于所述啟用信號產(chǎn)生到柵極下拉電路的控制信號。斜率控制電路控制至少一個控制信號的上升及下降時間的斜率使得至少一個晶體管裝置的擊穿電壓低于預定閾值。

在又一實例中，一種半導體裝置包含輸出切換裝置，所述輸出切換裝置具有輸入節(jié)點、輸出節(jié)點及控制輸入節(jié)點?？刂戚斎牍?jié)點使施加到輸入節(jié)點的輸入電壓能夠被切換到輸出節(jié)點。柵極下拉電路響應(yīng)于至少一個控制信號控制輸出切換裝置的控制輸入節(jié)點。柵極下拉電路采用至少一個晶體管裝置以通過將控制輸入節(jié)點的電壓電平提高到高于輸出節(jié)點的電壓電平來激活輸出切換裝置，且通過將控制輸入節(jié)點箝位到輸出節(jié)點的電壓電平來去激活輸出切換裝置。柵極上拉電路接收啟用信號且響應(yīng)于所述啟用信號產(chǎn)生到柵極下拉電路的控制信號。柵極上拉電路中的斜率控制電路控制控制信號的上升及下降時間的斜率使得晶體管裝置的擊穿電壓低于預定閾值。

附圖說明

圖1說明隔離輸出切換電路的實例示意框圖。

圖2說明隔離輸出切換電路的另一實例示意框圖。

圖3說明圖2中所描繪的電路的實例電壓及時序圖。

圖4說明隔離輸出切換電路的另一實例示意電路圖。

圖5說明圖4中所描繪的電路的實例電壓及時序圖。

圖6A及6B說明隔離輸出切換電路的實例電路圖。

圖7說明圖6的柵極下拉電路中所描繪的單個晶體管的實例半導體橫截面圖。

具體實施方式

本發(fā)明涉及一種隔離輸出切換電路。所述切換電路包含輸出切換裝置，其具有輸入節(jié)點、輸出節(jié)點及控制輸入節(jié)點。柵極下拉電路經(jīng)采用以響應(yīng)于可包含來自一或多個電流源的輸出電流的控制信號(或信號)來控制輸出切換裝置的控制輸入節(jié)點。柵極下拉電路通過將控制輸入節(jié)點的電壓電平提高到高于輸出節(jié)點的電壓電平來激活輸出切換裝置(例如，將輸入節(jié)點上的輸入電壓切換到輸出節(jié)點)。可經(jīng)由隔離柵極上拉電路控制柵極下拉電路，所述隔離柵極上拉電路接收啟用信號且響應(yīng)于所述啟用信號產(chǎn)生控制信號以控制柵極下拉電路。

然而，與現(xiàn)有切換控制方案相反，柵極下拉電路通過將控制輸入節(jié)點箝位到輸出節(jié)點的電壓電平來去激活輸出切換裝置，而不是將控制輸入下拉到共同接地連接用于去激活。以此方式，經(jīng)由共同接地連接及相關(guān)聯(lián)的耦合防止電感性回掃電壓(其可在斷開位于切換裝置的輸出節(jié)點處的電感性負載的情況下被誘導)干擾其它切換電路。另外，柵極控制電路可實施有多個較小裝置(例如，與通常所使用的較大裝置相比較具有較低擊穿電壓)以執(zhí)行切換裝置的激活及去激活。通過使用具有較低擊穿電壓的較小晶體管，可節(jié)省半導體占據(jù)面積，這就減少半導體處理中的成本。

柵極上拉電路可包含斜率控制電路以控制控制信號的上升及下降時間的改變速率(例如斜率)，使得柵極下拉電路中的控制晶體管裝置的擊穿電壓經(jīng)控制低于預定閾值。通過控制控制信號的斜率，控制晶體管裝置的輸入到輸出電壓差可經(jīng)控制低于其擊穿電壓。柵極上拉電路中的斜率控制電路也可延遲柵極下拉電路中的控制晶體管的斷開，其又允許連接到輸出節(jié)點的電感式負載的額外時間以在輸出切換裝置的去激活期間完全放電以進一步減少噪聲。

可通過在半導體的隔離區(qū)內(nèi)(例如，P_EPI區(qū))的柵極下拉電路中(例如，在SPWELL區(qū)中)制造晶體管來促進隔離噪聲減少。此包含經(jīng)由相反摻雜的阱區(qū)(例如NWELL)進一步環(huán)繞隔離區(qū)以形成圍繞相應(yīng)晶體管的隔離二極管區(qū)域從而減輕鄰近的切換溝道之間的噪聲的傳輸及接收。

圖1說明隔離輸出切換電路100的實例。輸出切換電路100通過將輸出切換裝置110的控制輸入箝位到所述裝置的輸出電壓電平來使所述裝置的控制輸入放電。如本文中使用，舉例來說，術(shù)語電路可包含執(zhí)行電路功能(例如模擬電路或控制電路)的有源及/或無源元件的集合。額外地或替代地，舉例來說，術(shù)語電路可包含集成電路，其中電路元件的全部及/或部分制造于共同襯底上。

如圖1的實例中所展示，輸出切換裝置110包含輸入節(jié)點120、輸出節(jié)點130及控制輸入節(jié)點140?？刂戚斎牍?jié)點140使施加到輸入節(jié)點120的輸入電壓150能夠被切換到驅(qū)動負載160的輸出節(jié)點130。負載160可為電阻性負載、電感性負載、電容性負載或其組合。如所展示，負載160耦合到與輸入側(cè)接地(例如，電路接地)(例如，與輸入電壓150及/或本文中所描述的其它輸入側(cè)電路相關(guān)聯(lián))隔離的負載側(cè)接地(例如，底板接地)。在一個實例中，輸入電壓150可為電池電壓，但其它電壓源是可能的(例如，切換電源電壓、調(diào)節(jié)DC電壓，等等)。

柵極下拉電路170響應(yīng)于一或多個控制信號而控制輸出切換裝置110的控制輸入節(jié)點140。柵極下拉電路170通過將控制輸入節(jié)點140的電壓電平提高到高于輸出節(jié)點130的電壓電平來激活輸出切換裝置110。如本文中使用，術(shù)語激活是指有效地形成輸入節(jié)點120與輸出節(jié)點130之間的低阻抗路徑的輸出切換裝置中的切換動作。術(shù)語去激活是指有效地斷開輸入節(jié)點120與輸出節(jié)點130之間的路徑的切換動作。柵極下拉電路170通過將控制輸入節(jié)點140箝位到輸出節(jié)點130的電壓電平來去激活輸出切換裝置110。如先前所指出，與現(xiàn)有切換控制方案(其通常將控制輸入節(jié)點140下拉到局部接地連接以用于去激活)相反，柵極下拉電路170通過將控制輸入節(jié)點140箝位到接近輸出節(jié)點130的電壓電平的電平以斷開輸出切換裝置110從而去激活所述裝置。以此方式，在斷開位于輸出切換裝置110的輸出節(jié)點130處的電感性負載160的情況下被誘導的電感性回掃電壓經(jīng)由局部接地連接及相關(guān)聯(lián)的耦合減輕干擾其它切換電路。參考圖4說明來多溝道切換電路，其中可緩解在一個電路中產(chǎn)生的電感性回掃電壓出現(xiàn)在鄰近切換電路中的情況。

在圖1的實例中，柵極上拉電路180接收啟用信號且響應(yīng)于所述啟用信號而產(chǎn)生到柵極下拉電路170的控制信號(或信號)。柵極下拉電路170包含至少一個晶體管裝置以將電壓施加到控制輸入節(jié)點140從而激活及去激活輸出切換裝置110。如所展示，柵極下拉電路170與柵極上拉電路的組合可實施為共享共同半導體襯底的控制器190。在其它實例中(參見例如圖4)，單個控制器可支持多個柵極下拉/上拉電路以控制用于驅(qū)動一個以上負載的多個切換溝道。柵極上拉電路180還包含斜率控制，其控制施加到柵極下拉電路170的控制信號的上升及下降特性。斜率控制提供施加到柵極下拉電路170中的驅(qū)動晶體管的經(jīng)控制的上升及下降時間信號。此允許驅(qū)動晶體管的輸入上升地更緩慢且與控制跨越驅(qū)動晶體管的輸入及輸出電壓差的驅(qū)動晶體管的輸出信號的上升時間一致。此允許利用具有較低擊穿電壓的較小驅(qū)動晶體管裝置且因此節(jié)省半導體占據(jù)面積。以下參考圖6及7描述這些及其它隔離方面。

圖2說明隔離輸出切換電路200的實例，其通過將輸出切換裝置的控制輸入箝位到單個裝置的輸出電壓電平來使所述輸出切換裝置的控制輸入放電。在此實例中，控制器210包含柵極上拉電路214及柵極下拉電路220，其共同地控制輸出切換裝置(展示為FET 230)。FET 230驅(qū)動連接到負載側(cè)接地的串聯(lián)電阻器RLOAD及電感器LSERVO。電池源240將輸入電力提供到FET 230且連接到電路側(cè)接地。負載側(cè)接地及電路側(cè)接地彼此電隔離。

控制器210可通過電阻器R_EXT及DIODE_EXT耦合到局部電路接地。外部二極管DIODE_EXT在電池源240誤接的事件中提供保護。為進一步隔離柵極下拉電路220，可制造各種半導體隔離區(qū)以促進此隔離(例如，鄰近切換溝道之間的隔離)。柵極下拉電路220可包含環(huán)繞P型隔離槽260的NWELL區(qū)250，其中箭頭符號270表示形成于半導體的淺P型阱(SPWELL)區(qū)中的柵極下拉電路中的各種晶體管。NWELL 250可耦合到源240，而隔離槽260可耦合到VOUT，其中NWELL及P隔離部分形成反向偏壓二極管區(qū)以提供進一步隔離。本文參考圖7揭示此類區(qū)。在柵極下拉電路220的270處所表示的各種晶體管包含驅(qū)動晶體管以操作FET 230。柵極上拉電路214中的斜率控制電路提供施加到柵極下拉電路220中的驅(qū)動晶體管的經(jīng)控制的上升及下降時間信號。如先前所指出，此允許驅(qū)動晶體管的輸入上升地更緩慢且與控制跨越驅(qū)動晶體管的輸入及輸出電壓差的驅(qū)動晶體管的輸出信號的上升時間一致。此允許利用具有較低擊穿電壓的較小驅(qū)動晶體管裝置且因此節(jié)省半導體占據(jù)面積。

圖3說明圖2中所描繪的電路的實例電壓及時序圖300。在310處，展示施加到圖2的柵極上拉電路214的啟用信號EN。在320處，展示到輸出FET 230的柵極驅(qū)動。當EN信號變低時，柵極驅(qū)動響應(yīng)于電路的電感器回掃動作變?yōu)樨摰?。到負載的輸出電壓展示在330處且大體上跟隨柵極的驅(qū)動信號且響應(yīng)于啟用信號EN。如所展示，局部接地在340處大體上未受干擾，此歸因于輸出及柵極上的負響應(yīng)。信號350展示響應(yīng)于啟用信號EN的跨越LSERVO的電感器電壓。

圖4說明隔離輸出切換電路400的實例，其使多個輸出切換裝置410及414的控制輸入放電。在此實例中，單個控制器420包含兩個溝道以驅(qū)動切換裝置410及414。兩個以上溝道可類似地提供于控制器420中。第一溝道包含柵極上拉1，展示為GP 1，其驅(qū)動柵極下拉424以控制輸出切換裝置410。第二溝道包含柵極上拉2，展示為GP 2，其驅(qū)動柵極下拉430以控制輸出切換裝置414。每一切換裝置410及414接收共同電池源440。在此實例中，切換裝置410驅(qū)動串聯(lián)電阻器及電感性負載，而第二溝道的切換裝置414驅(qū)動電阻性負載。

圖5說明圖4中所描繪的電路的實例電壓及時序圖500。此實例證實一種情況：一個溝道中的電感性負載的切換對鄰近溝道具有最小影響。在510處，對針對第一溝道的啟用EN 1施以脈沖而啟用EN 2保持非作用。在520處，響應(yīng)于相應(yīng)啟用EN 1及EN 2展示針對晶體管410及414的相應(yīng)柵極驅(qū)動脈沖。在530處，響應(yīng)于相應(yīng)啟用EN 1及EN 2展示針對每一溝道的相應(yīng)輸出電壓。由于由電路400提供的隔離，因此第一溝道輸出電壓VOUT1的電壓響應(yīng)不影響鄰近輸出VOUT2。在540處，局部接地電壓保持大體上恒定接近于零伏特，這說明來自一個溝道的電感性回掃電壓未經(jīng)由接地傳達到鄰近溝道。在550處，針對每一溝道展示相應(yīng)負載電壓響應(yīng)，這表示第一溝道的電感性負載大體上不影響鄰近溝道的電阻性負載。

圖6A及6B說明隔離輸出切換電路600的實例，其通過將輸出切換裝置610的控制輸入箝位到所述裝置的輸出電壓電平來使所述裝置的控制輸入604放電。輸出切換裝置610包含到切換裝置610的輸入節(jié)點(展示為漏極連接)、輸出節(jié)點(展示為源極連接)及控制輸入節(jié)點604(展示為柵極連接)?？刂戚斎牍?jié)點604使施加到輸入節(jié)點的輸入電壓(展示為VBAT)能夠被切換到輸出節(jié)點。柵極下拉電路614響應(yīng)于至少一個控制信號控制輸出切換裝置610的控制輸入節(jié)點604。柵極下拉電路614采用至少一個晶體管裝置以通過將控制輸入節(jié)點604的電壓電平提高到高于輸出節(jié)點的電壓電平來激活輸出切換裝置610，且通過將控制輸入節(jié)點箝位到輸出節(jié)點的電壓電平來去激活所述輸出切換裝置。在此實例中，兩個串聯(lián)晶體管裝置MN2及MN3串聯(lián)操作以驅(qū)動裝置610的柵極(例如控制節(jié)點)。環(huán)繞電路614的虛線表示用于使用以符號形式表示于620、624及626處的隔離槽操作的隔離的NWELL區(qū)。電路614中的每一晶體管可形成于駐留于隔離槽中的SPELL區(qū)域中，例如下文參考圖7所說明及描述。

柵極上拉電路630接收啟用信號EN且響應(yīng)于所述啟用信號而產(chǎn)生到柵極下拉電路的至少一個控制信號。在此實例中，響應(yīng)于啟用信號EN，經(jīng)由分別經(jīng)由開關(guān)644、646及648切換的電流源634、636及638來驅(qū)動控制信號。柵極上拉電路中的斜率控制電路650控制控制信號的上升及下降時間的斜率(例如，來自電流源的電流可增加或減少的快慢程度的斜率)，使得柵極下拉電路614中的晶體管裝置的擊穿電壓低于預定閾值。在此實例中，經(jīng)由斜率控制電路650來控制控制信號654的上升及下降時間。當控制信號被施加到位于656處的晶體管的分壓器網(wǎng)絡(luò)時，斜率信號MNCASC0及MNCASC1產(chǎn)生且分別被施加到MN2及MN3。通過控制MNCASC0及MNCASC1的上升及下降時間，到MN2及MN3的輸入更緊密跟蹤輸出電壓的上升(展示于658處)。以此方式，跨越MN2及MN3從柵極到漏極的輸出電壓差未超過相應(yīng)裝置的擊穿電壓。因此，在電路中可采用較小裝置，這樣節(jié)省半導體占據(jù)面積。在此實例中，舉例來說，考慮到電路614具有的電壓柵極到源極及電壓柵極到體擊穿電壓不應(yīng)超過6.8伏特，使用5V裝置。具有不同擊穿電壓的其它晶體管類型(例如，3.3V裝置)是可能的。

通過還控制MNCASC信號的下降時間，可允許輸出電感器在切換裝置610斷開之前完全放電。斜率控制電路650可包含濾波器(例如，包含至少一個電阻器及電容器)以控制通過裝置656的電流控制信號654的上升及下降時間。擊穿電壓涉及電路614中的晶體管裝置的柵極與漏極之間的電壓或涉及柵極與到相應(yīng)裝置的體二極管連接之間的電壓。

柵極下拉電路614包含分壓器656中的一連串經(jīng)耦合的晶體管裝置，所述一連串經(jīng)耦合的晶體管裝置從柵極上拉電路630接收偏壓電流以將偏壓電壓提供到晶體管裝置MN2及MN3的控制輸入。具有電流鏡MN0及MN1的偏壓電路660使預定最小偏壓電流能夠在輸出切換裝置被激活的情況下經(jīng)由MN4流過晶體管裝置MN2/MN3(例如1uA)，且在輸出切換裝置被去激活的情況下將預定下拉電流提供到晶體管裝置MN2/MN3(例如8uA)。

柵極下拉電路614中的每一晶體管裝置可制造于半導體襯底的SPWELL區(qū)域上。SPWELL區(qū)域可形成于在NWELL環(huán)之間形成的隔離外延(EPI)層內(nèi)。隔離EPI層及NWELL環(huán)形成隔離二極管以將電壓隔離提供到鄰近切換溝道(參見例如圖7)。SPWELL區(qū)域及NWELL環(huán)之間的距離尺寸可被控制為預定距離以將預定隔離電壓范圍提供到鄰近切換溝道。

柵極上拉電路630包含第一電流源634，其響應(yīng)于啟用信號EN經(jīng)由開關(guān)644切換以將偏壓電流供應(yīng)到位于分壓器656處的一連串經(jīng)耦合的晶體管裝置。第二電流源636響應(yīng)于啟用信號EN經(jīng)由開關(guān)646切換以在輸出切換裝置被去激活的情況下將下拉電流(例如8uA)供應(yīng)到偏壓電流。第三電流源638響應(yīng)于啟用信號EN切換以在輸出切換裝置610被激活的情況下將上拉電流(例如80uA)供應(yīng)到晶體管裝置MN2及MN3。如所展示，可提供位于670處的一組隔離晶體管裝置(例如，65v DEPMOS裝置)以將電流從柵極上拉電路630中的相應(yīng)電流源634到638傳遞到柵極下拉電路614。

圖7說明圖6的柵極下拉電路中所描繪的單個晶體管的實例半導體橫截面圖700。以實例的方式，展示單個晶體管裝置710，其可表示圖6的柵極下拉電路中所表示的任何晶體管。晶體管裝置710包含柵極連接、漏極連接及耦合到體或裝置的背柵極連接的源極連接。圖6的柵極下拉電路中的每一晶體管裝置可制造于半導體700的淺P型阱(SPWELL)區(qū)域720上，其中NBL層730(N型掩埋層)形成半導體的襯底。SPWELL區(qū)域720形成于在NWELL環(huán)744之間形成的隔離外延(EPI)區(qū)740(例如隔離槽)內(nèi)。隔離EPI層740及NWELL環(huán)744形成隔離二極管以將電壓隔離提供到鄰近切換溝道(展示于750處)。所形成的隔離二極管的符號表示展示于760處。如先前所描述，NWELL環(huán)744可連接到輸入源電壓，而隔離區(qū)740可連接到輸出電壓VOUT。裝置710的相應(yīng)增益、漏極、源極及背柵極區(qū)經(jīng)展示為形成到SPWELL區(qū)域720中。在SPWELL區(qū)域720與NWELL環(huán)744之間可提供距離“D”，其尺寸被控制為預定距離以將預定隔離電壓范圍提供到鄰近切換溝道。實例距離D可包含約6個設(shè)計單元，其中一微米距離約等于35個設(shè)計單元。可在其它實例中利用不同設(shè)計單元。

上文已描述的內(nèi)容為實例。當然，描述組件或方法的每一個可想到的組合是不可能的，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到許多另外的組合及排列是可能的。因此，本發(fā)明希望涵蓋落入本申請案(包含所附權(quán)利要求書)的范圍內(nèi)的所有此類替代、修改及變化。如本文中使用，術(shù)語“包含”意味著包含但不限于。另外，在本發(fā)明或權(quán)利要求書列舉“一”、“第一”或“另一個”元件或其等效物的情況中，應(yīng)解釋為包含一個或一個以上此元件，既不要求也不排除兩個或兩個以上此類元件。