專利名稱：開關(guān)元件及使用該開關(guān)元件的保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)元件及使用該開關(guān)元件的保護(hù)電路，涉及可切換雙向的電流經(jīng)路，且降低占有面積的開關(guān)元件及使用該開關(guān)元件的保護(hù)電路。
背景技術(shù)：
作為開關(guān)元件，不僅對進(jìn)行開關(guān)的切換，而且對例如用于二次電池的保護(hù)電路的開關(guān)元件那樣，切換電流經(jīng)路方向(電流流動的方向)的元件也進(jìn)行了開發(fā)。
圖4中，作為現(xiàn)有的雙向開關(guān)元件的例子，表示二次電池用保護(hù)電路的電路圖。
雙向開關(guān)元件86是將過放電阻止開關(guān)元件82和過充電阻止開關(guān)元件83串聯(lián)連接的元件，利用控制電路84進(jìn)行開關(guān)控制。
控制電路84檢測電池電壓，在檢測到的電壓比最高設(shè)定電壓高時，將過充電阻止開關(guān)元件83切換為斷開，阻止二次電池1的過充電。另外，在檢測到的電壓比最低設(shè)定電壓低時，將過放電阻止開關(guān)元件82切換為斷開，阻止二次電池1的過放電。
過放電阻止開關(guān)元件82和過充電阻止開關(guān)元件83由可減小接通狀態(tài)的內(nèi)部電阻，減小功率損失和電壓降的MOSFET構(gòu)成。MOSFET由于具有寄生二極管，故即使MOSFET斷開，也可以通過寄生二極管形成規(guī)定方向的電流經(jīng)路。
因此，即使在例如電池電壓比最高設(shè)定電壓高，過充電阻止開關(guān)元件83的MOSFET為斷開的情況下，也可以通過寄生二極管進(jìn)行二次電池1的放電。
相反，即使在電池電壓比最低設(shè)定電壓低，過放電阻止開關(guān)元件82的MOSFET為斷開的情況，也可以通過寄生二極管進(jìn)行二次電池1的充電。
圖4所示的二次電池1的保護(hù)電路85進(jìn)行上述的動作，阻止二次電池1的過充電及過放電(例如參照專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1特開平10-12282號公報(第7頁，圖1)如上所述，在現(xiàn)有的技術(shù)中，將一方作為用于阻止過充電的過充電阻止開關(guān)元件83，將另一方作為用于阻止過放電的過放電阻止開關(guān)元件82，實現(xiàn)雙向開關(guān)元件86。而且，它們是將相同尺寸的兩個開關(guān)元件(MOSFET)串聯(lián)連接的元件，存在阻礙尺寸的小型化，不能降低制造成本等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的課題而開發(fā)的，本發(fā)明第一方面提供一種開關(guān)元件，其包括分別具有控制端子和兩個端子的第一、第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件將一端子與所述第一開關(guān)元件的一端子連接，將另一端子與該第二開關(guān)元件及所述第一開關(guān)元件各自的反向柵連接。
另外，在所述第一開關(guān)元件2接通時，將所述第二開關(guān)元件接通，在所述第一開關(guān)元件斷開時，將第二開關(guān)元件斷開。
所述第一開關(guān)元件具有兩個寄生二極管，所述第二開關(guān)元件分別具有一個寄生二極管，在所述第一開關(guān)元件斷開時，將所述第二開關(guān)元件斷開，切斷所述第一開關(guān)元件的一個寄生二極管的連接。
所述第二開關(guān)元件為所述第一開關(guān)元件的芯片尺寸的1/2以下的尺寸。
本發(fā)明第二方面提供一種保護(hù)電路，其具有開關(guān)元件和進(jìn)行所述開關(guān)元件的控制的控制裝置，其中，所述開關(guān)元件包括分別具有控制端子和兩個端子的第一、第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件將一端子與所述第一開關(guān)元件的一端子連接，將另一端子與該第二開關(guān)元件及所述第一開關(guān)元件各自的反向柵連接，將所述開關(guān)元件與二次電池串聯(lián)連接，進(jìn)行該二次電池的充電方向及放電方向的電流經(jīng)路的切換。
所述控制裝置在所述二次電池的電壓比最高設(shè)定電壓高時，或比最低設(shè)定電壓低時，將所述第一開關(guān)元件及所述第二開關(guān)元件斷開，切斷電流經(jīng)路。
所述第一開關(guān)元件具有兩個寄生二極管，所述第二開關(guān)元件具有一個寄生二極管，所述控制裝置在斷開所述第一開關(guān)元件時，將所述第二開關(guān)元件斷開，切斷所述第一開關(guān)元件的一個寄生二極管的連接。
另外，所述第二開關(guān)元件為所述第一開關(guān)元件的芯片尺寸的1/2以下的尺寸。
根據(jù)本發(fā)明，在開關(guān)元件斷開時，可通過第二開關(guān)元件切斷第一開關(guān)元件的兩個寄生二極管內(nèi)的一個。即，由于可切斷斷開時動作的寄生二極管，故可將進(jìn)行電流的導(dǎo)通及切斷的MOSFET設(shè)為一個。因此，可提供降低成本、降低占有面積的開關(guān)元件。另外，在維持開關(guān)元件占有面積的情況下，可實現(xiàn)導(dǎo)通電阻的降低。
另外，第二開關(guān)元件在第一開關(guān)元件導(dǎo)通的狀態(tài)時，可在第一開關(guān)元件的反向柵施加規(guī)定的電位，因此，可使動作時的閾值電壓穩(wěn)定。
通過在二次電池等保護(hù)電路中采用上述開關(guān)元件，可大幅降低切換過充電、過放電的開關(guān)元件的尺寸。由此，可謀求制造成本的降低。
在保護(hù)電路中，需要沿充電側(cè)及放電側(cè)雙向流過電流，目前，實現(xiàn)了使用兩個MOSFET的雙向開關(guān)元件。但是，根據(jù)本實施例，在斷開流過電流的MOSFET時，可切斷寄生二極管，因此，可由一個MOSFET進(jìn)行雙向開關(guān)。
另外，雙向的開關(guān)元件可通過一個控制端子進(jìn)行控制，和現(xiàn)有的保護(hù)電路相比，可降低控制端子的數(shù)量。


圖1是說明本發(fā)明的開關(guān)元件的(A)電路圖、(B)剖面示意圖；圖2是本發(fā)明的保護(hù)電路的電路圖；圖3是本發(fā)明的保護(hù)電路的剖面示意圖；圖4是現(xiàn)有的保護(hù)電路的電路圖。
符號說明1 二次電池2 保護(hù)電路3 開關(guān)元件4 控制電路5 第一MOSFET6 第二MOSFET9 充放電控制電路51、61 漏極52、62 源極54、64 柵極
55、56、65 寄生二極管53、63 反向柵觸子58、68 反向柵82 過放電阻止開關(guān)元件83 過充電阻止開關(guān)元件84 控制電路85 保護(hù)電路86 雙向開關(guān)元件具體實施方式
參照圖1～圖3詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。
圖1表示本發(fā)明的第一實施例。圖1(A)是開關(guān)元件的電路圖，圖1(B)是開關(guān)元件的剖面示意圖。
本實施例的開關(guān)元件3由第一MOSFET5、第二MOSFET6構(gòu)成。
第二MOSFET6將漏極(或源極)與第一MOSFET5的漏極(或源極)連接。另外，將第二MOSFET6的源極(或漏極)分別與第二MOSFET6的反向柵68及第一MOSFET5的反向柵58連接。
參照圖1(B)，說明開關(guān)元件3的結(jié)構(gòu)。另外，在本實施例中，源極及漏極等價，以下的說明將源極及漏極交換也是相同的。
第一MOSFET5、第二MOSFET6例如為n溝道型MOSFET。第一MOSFET5在構(gòu)成反向柵58的p-型襯底上設(shè)置n+型源極52及漏極51。另外，為降低反向柵58的接觸電阻，而設(shè)置p+型反向柵觸子53。
第二MOSFET6也和第一MOSFET5相同，在構(gòu)成反向柵68的p-型襯底上設(shè)置n+型源極62及漏極61。另外，設(shè)置p+型反向柵觸子63。而且，將源極62及反向柵68(反向柵觸子63)短路，并與第一MOSFET5的反向柵58(反向柵觸子53)連接。另外，第二MOSFET6的漏極61與第一MOSFET5的漏極51連接。
第一MOSFET5根據(jù)動作狀態(tài)在襯底上形成寄生二極管55、寄生二極管56。另一方面，第二MOSFET6通過使反向柵68與源極62短路構(gòu)成相同電位，僅形成一個寄生二極管65。
將第一MOSFET5、第二MOSFET 6各自的柵極54、64連接，即，施加相同的控制信號。另外，在第一MOSGET5的漏極51(第二MOSFET6的漏極61)及第一MOSFET的源極52上施加不同的電位。對應(yīng)該施加的電位差和施加于第一、第二MOSFET5、6的柵極54、64的信號，進(jìn)行形成于第一MOSFET的漏極51及第一MOSFET的源極52間的電流經(jīng)路的雙向的切換。
其次，參照附圖具體說明上述開關(guān)元件3的動作。
首先，在第一MOSFET5的柵極54接通時，為通常的導(dǎo)通狀態(tài)，第二MOSFET6的柵極64也導(dǎo)通，在第一MOSFET5的源極52-漏極51間(及第二MOSFET6的源極62-漏極61間)流過電流。例如，在第一MOSFET的漏極51(第二MOSFET6的漏極61)為高電位，第一MOSFET的源極52為低電位的情況下，電流如圖1(B)的箭頭a所示流動。另一方面，在漏極51、源極52的電位關(guān)系相反的情況下，電流如箭頭b所示流動。這樣，通過接通第一MOSFET5，根據(jù)第一MOSFET5的源極52及第一MOSFET5的漏極51(第二MOSFET6的漏極61)間的電位差，電流沿雙向流動。無論在哪種情況下，都通過第二MOSFET6在第一MOSFET5的反向柵58上施加規(guī)定的電位，因此，可使第一MOSFET5的閾值電壓穩(wěn)定。
其次，說明斷開第一MOSFET5的情況。第一MOSFET可沿雙向流動電流，因此，具有兩個寄生二極管55、56。即，當(dāng)在該狀態(tài)下在反向柵58上施加電位時，即使斷開第一MOSFET5，此時也利用成為順方向的寄生二極管在第一MOSFET5中流過電流。但是，在本實施例中，在該情況下，通過斷開第二MOSFET6，使第一MOSFET5的反向柵58形成浮置電位。由此，可切斷順向的寄生二極管，將第一MOSFET5完全設(shè)為斷開狀態(tài)。
即，在第一MOSFET5斷開的狀態(tài)下，無論第一MOSFET5的源極52及第一MOSFET5的漏極51(第二MOSFET6的漏極61)的電位關(guān)系為任何狀態(tài)，也不形成電流經(jīng)路。
在此，本實施例的主要的開關(guān)是第一MOSFET5。即，通常使第一MOSFE5為導(dǎo)通狀態(tài)，切換施加于第一MOSFET5兩端子(即第一MOSFET5的源極52和漏極51)的電壓，形成雙向的電流經(jīng)路。而且，第二MOSFET6是用于使第一MOSFET5的反向柵58的電位穩(wěn)定化，或用于將第一MOSFET5設(shè)為完全斷開的狀態(tài)的開關(guān)。因此，可以不過分考慮第二MOSFET6的導(dǎo)通電阻的降低。
因此，第二MOSFET6的芯片尺寸與第一MOSFET5相比可足夠小。例如，和現(xiàn)有的將相同尺寸的兩個MOSFET串聯(lián)連接的雙向開關(guān)元件86相比，可實現(xiàn)開關(guān)元件3的小型化。
或，如果維持現(xiàn)有的雙向開關(guān)元件86的占有面積，則可擴(kuò)大第一MOSFET5的芯片尺寸，因此，可降低開關(guān)元件3的導(dǎo)通電阻。
圖2及圖3是本發(fā)明的第二實施例，表示將上述的開關(guān)元件用于保護(hù)電路的情況。
保護(hù)電路2和二次電池1串聯(lián)連接，具有開關(guān)元件3和控制電路4。
開關(guān)元件3由第一MOSFET5和第二MOSFET6構(gòu)成。另外，它們的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和第一實施例相同，故省略說明。
第一MOSFET5和二次電池1串聯(lián)連接，沿充電方向及放電方向形成電流經(jīng)路，同時，阻止二次電池1的過充電和過放電。即，在第一MOSFET5上形成雙向的電流經(jīng)路，內(nèi)裝兩個寄生二極管。另一方面，第二MOSFET6與第一MOSFET5的漏極51及反向柵58連接，在第一MOSFET5斷開時，阻止內(nèi)裝于第一MOSFET5的兩個寄生二極管55、56中順向的寄生二極管的動作。
第一MOSFET5的源極52側(cè)與例如負(fù)端子(-)連接，漏極51側(cè)與正端子(+)連接。在負(fù)端子、正端子間連接AC接合器及負(fù)載。
控制電路4具有控制第一MOSFET5的柵極54及第二MOSFET6的柵極64的導(dǎo)通、斷開的充放電控制端子9。
控制電路4在充放電動作時，將MOSFET5切換為導(dǎo)通，沿二次電池1的充電方向及二次電池1的放電方向使電流流動。
另外，判定例如在過充電狀態(tài)下，在正端子、負(fù)端子間連接了AC接合器等電源的狀態(tài)。而且，在該情況下，斷開第一MOSFET5及第二MOSFET6，切斷電流經(jīng)路，阻止過充電。
另外，判定在過放電狀態(tài)下，在正端子、負(fù)端子間連接有負(fù)載的狀態(tài)。而且，在該情況下，斷開第一MOSFET5及第二MOSFET6，切斷電流經(jīng)路，阻止過放電。
這樣的過充電及過放電狀態(tài)，可通過控制電路4判定例如負(fù)端子的電位來進(jìn)行控制(這一點后述)。
圖3是表示保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)的剖面概要圖。
第一MOSFET5及第二MOSFET6的柵極54、64通過充放電控制端子9的輸出進(jìn)行控制。在第一MOSFET5、第二MOSFET6導(dǎo)通的情況下，正端子負(fù)端子存在電位差，因此，沿箭頭方向進(jìn)行充電或放電。另外，內(nèi)裝于第一MOSFET5的寄生二極管55、56通過斷開第二MOSFET6被切斷，并切斷電流經(jīng)路。
參照圖2及圖3說明保護(hù)電路2的動作。
在正常的放電時，在正端子及負(fù)端子上連接負(fù)載，進(jìn)行放電(例如攜帶終端的操作等)直至規(guī)定的電壓。
而且，在該狀態(tài)下，在形成過放電的情況下，為防止進(jìn)一步過放電，需要切斷電流經(jīng)路。在該情況下，例如電池1的電位為1V，在此，將電池的負(fù)極電位設(shè)為0V。
控制電路4判定負(fù)端子的電位，在正電位的情況下，判斷為過放電狀態(tài)下連接了負(fù)載的狀態(tài)。然后，控制電路4將第一MOSFET5及第二MOSFET6設(shè)為斷開狀態(tài)。通過斷開第二MOSFET6，使第一MOSFET5的反向柵58形成浮置電位，因此，寄生二極管55、56不動作，即，開關(guān)元件3變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，電流經(jīng)路被切斷。
另一方面，在從該狀態(tài)(過放電狀態(tài))下進(jìn)行充電時，只要將AC接合器等電源連接于正端子及負(fù)端子之間，使電流沿充電方向流過即可。在該情況下，例如正端子的電位為3V，負(fù)端子的電位為-1V。
控制電路4判定負(fù)端子的電位，在為負(fù)電位的情況下，判斷為過放電狀態(tài)下連接AC接合器的狀態(tài)。而且，控制電路4將第一MOSFET5及第二MOSFET6設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)。由此，開關(guān)元件3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，如箭頭所示，沿充電方向流過電流。
在正常的充電時，在正端子、負(fù)端子上連接AC接合器等電源，沿箭頭方向供給充電電流，進(jìn)行二次電池的充電。
而且，在該狀態(tài)下，在構(gòu)成過充電的情況下，需要切斷電流經(jīng)路。在該情況下，例如正端子為4V，負(fù)端子為-1V。
控制電路4判定負(fù)端子的電位，在為負(fù)電位的情況下，判斷為在過充電狀態(tài)下連接有AC接合器的狀態(tài)。而且，控制電路4將第一MOSFET5及第二MOSFET6設(shè)為斷開狀態(tài)。由此，第一MOSFET5的反向柵58變?yōu)楦≈秒娢?，故寄生二極管55、56不動作，即，開關(guān)元件3變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，切斷電流經(jīng)路。
另一方面，在從該狀態(tài)(過充電狀態(tài))進(jìn)行放電時，只要將負(fù)載與兩端子連接，沿放電方向流動電流即可。在該情況下，例如正端子的電位為4V，負(fù)端子的電位為1V。
控制電路4判定負(fù)端子的電位，在為正電位的情況下，判斷為過放電狀態(tài)下連接有負(fù)載。而且，控制電路4將第一MOSFET5及第二MOSFET6設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)。由此，沿箭頭的放電方向流過電流。
第二MOSFET6在第一MOSFET5中流過電流時，將反向柵58的電位穩(wěn)定化，另外，在第一MOSFET5斷開時，阻止寄生二極管55、56的動作。因此，與第一MOSFET5相比，第二MOSFET6可以不過分考慮導(dǎo)通電阻的降低。
因此，第二MOSFET6的尺寸與第一MOSFET5的尺寸相比，可減小到非常小，可比現(xiàn)有的雙向開關(guān)元件86的芯片尺寸小。
在保護(hù)電路中，有時檢測開關(guān)元件3的電阻值(導(dǎo)通電阻)來進(jìn)行控制，有時希望在開關(guān)元件3上維持規(guī)定的導(dǎo)通電阻值這樣的設(shè)計。即，在維持現(xiàn)有的導(dǎo)通電阻的情況下，根據(jù)本實施例，可將芯片尺寸降低到約1/4。
下面具體地進(jìn)行說明。例如，將現(xiàn)有的MOSFET82、83的導(dǎo)通電阻分別定為20mΩ，將尺寸設(shè)為2mm2。即，現(xiàn)有的雙向開關(guān)元件86的導(dǎo)通電阻為40mΩ，芯片尺寸(占有面積)為4mm2。
而在本實施例中，在維持現(xiàn)有的導(dǎo)通電阻(40mΩ)，且使第二MOSFET6的芯片尺寸足夠小時，可將開關(guān)元件3的芯片尺寸降低到1mm2。即，可將作為開關(guān)元件3的芯片尺寸減小為約1/4。
另外，上述開關(guān)元件3可通過控制電路4的一個控制端子9進(jìn)行動作，與現(xiàn)有的開關(guān)元件86相比，可降低控制端子數(shù)。
另外，在上述開關(guān)元件3及保護(hù)電路2具有的各MOSFET5、6中，使用了n溝道的橫型MOSFET，但不限于此，也可以使用p溝道MOSFET，另外，使用縱型MOSFET，也可以得到相同的效果。
另外，上述說明了將開關(guān)元件3用于二次電池的例子，但也可用作需要雙向開關(guān)的電路開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)元件，其特征在于，包括分別具有控制端子和兩個端子的第一、第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件將一端子與所述第一開關(guān)元件的一端子連接，將另一端子與該第二開關(guān)元件及所述第一開關(guān)元件各自的反向柵連接。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)元件，其特征在于，在所述第一開關(guān)元件接通時，將所述第二開關(guān)元件接通，在所述第一開關(guān)元件斷開時，將所述第二開關(guān)元件斷開。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)元件，其特征在于，所述第一開關(guān)元件具有兩個寄生二極管，所述第二開關(guān)元件具有一個寄生二極管，在所述第一開關(guān)元件斷開時，將所述第二開關(guān)元件斷開，切斷所述第一開關(guān)元件的一個寄生二極管的連接。
4.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)元件，其特征在于，所述第二開關(guān)元件為所述第一開關(guān)元件的芯片尺寸的1/2以下的尺寸。
5.一種保護(hù)電路，其特征在于，具有開關(guān)元件和進(jìn)行所述開關(guān)元件的控制的控制裝置，其中，所述開關(guān)元件包括分別具有控制端子和兩個端子的第一、第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件將一端子與所述第一開關(guān)元件的一端子連接，將另一端子與該第二開關(guān)元件及所述第一開關(guān)元件各自的反向柵連接，將所述開關(guān)元件與二次電池串聯(lián)連接，進(jìn)行該二次電池的充電方向及放電方向的電流經(jīng)路的切換。
6.如權(quán)利要求5所述的保護(hù)電路，其特征在于，所述控制裝置在所述二次電池的電壓比最高設(shè)定電壓高的充電狀態(tài)時，或比最低設(shè)定電壓低的放電狀態(tài)時，將所述第一開關(guān)元件及所述第二開關(guān)元件斷開，切斷電流經(jīng)路。
7.如權(quán)利要求5所述的保護(hù)電路，其特征在于，所述第一開關(guān)元件具有兩個寄生二極管，所述第二開關(guān)元件具有一個寄生二極管，所述控制裝置在斷開所述第一開關(guān)元件時，將所述第二開關(guān)元件斷開，切斷所述第一開關(guān)元件的一個寄生二極管的連接。
8.如權(quán)利要求5所述的保護(hù)電路，其特征在于，所述第二開關(guān)元件為所述第一開關(guān)元件的芯片尺寸1/2以下的尺寸。
全文摘要
一種開關(guān)元件及使用該開關(guān)元件的保護(hù)電路，現(xiàn)有的雙向開關(guān)元件通過準(zhǔn)備相同尺寸的兩個開關(guān)元件實現(xiàn)，因此，存在不能降低成本，不能實現(xiàn)尺寸小型化的問題。本發(fā)明的開關(guān)元件具有沿雙向形成電流經(jīng)路的主要的第一開關(guān)元件；和在第一開關(guān)元件斷開時，切斷寄生二極管的第二開關(guān)元件。第二開關(guān)元件由于進(jìn)行第一開關(guān)元件的輔助動作，故可以為小的芯片尺寸，可實現(xiàn)開關(guān)元件的小型化及低導(dǎo)通電阻化。另外，通過在保護(hù)電路中使用開關(guān)元件，實現(xiàn)保護(hù)電路尺寸的小型化。
文檔編號H01L27/04GK1758445SQ200510107640
公開日2006年4月12日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
發(fā)明者萬代忠男 申請人:三洋電機(jī)株式會社