CN101180546B - 形成电流感测电路的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，电流感测电路以一对串联的开关形成，所述串联开关用于导引负载电流并形成电流感测信号。

Description

形成电流感测电路的方法及其结构

技术领域

本发明一般涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体器件的方法及结构。

背景技术

以前，半导体工业利用各种方法和结构来形成用于电源控制器的电流感测电路。电流感测电路一般接收负载电流，其由电源控制器调节并施加至连接到电源控制器的负载。电流感测电路一般使负载电流流过感测电阻器，并且感测电阻器形成表示负载电流值的电压。在一些情况中，期望使用多个感测电阻器以便在负载电流的不同值之间进行选择。通常，晶体管与感测电阻器串联以导引通过感测电阻器和晶体管的负载电流。在具有MP1517部件号的升压型变换器的数据页中公开了这样的电流感测电路的一个例子，该升压变换器由加利福尼亚州的Los Gatos的Monolithic Power Systems公司制造。在大部分情况下，提供至电源控制器的感测电压的值经常变化，并在负载电流值中产生误差。

因此，期望有一种电流感测电路，其形成更准确地表示负载电流值的电流感测信号。

附图说明

图1简要示出了具有根据本发明的电流感测电路的电源系统的一部分的实施例；

图2简要示出了包括根据本发明的功率系统的一部分的半导体器件的放大平面视图。

为了说明的简单和明了，图中的元件不一定按照比例，并且在不同的图中相同的参考号代表相同的元件。此外，为了说明的简要，省略了众所周知的步骤和元件的说明和细节。这里使用的载流电极(current carrying electrode)是指器件的元件，例如MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的发射极或集电极、或二极管的正极或负极，其承载通过该器件的电流，控制电极是指器件的元件，例如MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极，其控制通过该器件的电流。虽然这里把器件解释为确定的N沟道或P沟道器件，本领域的普通技术人员应认识到，根据本发明，互补器件也是可能的。本领域的普通技术人员应认识到，这里使用的词汇“在...期间”、“在...的时候”、以及“当...时”不是表示一旦开始操作马上就会出现反应的准确术语，而是可能会在被初始操作激起的反应之间有一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。

具体实施方式

图1简要示出了电源系统10的一部分的实施例。系统10包括电源控制器20，其配置成准确地调节提供至负载13的负载电流25的值。系统10在功率输入11和功率返回12之间接收功率。施加在输入11和返回12之间的电压一般为来自诸如电池的DC源的DC电压。在大部分情况下，感应器16和阻塞二极管(blocking diode)18连接在控制器20的外部，以帮助提供至负载13的电流25。电容器17还可以用于帮助运行负载13。在优选实施例中，负载13包括多个串联的发光二极管(LED)，例如LED 14和LED 15。在一些实施例中，二极管18可以包括在控制器20中。

控制器20在分别连接至输入11和返回12的电压输入23和电压返回24之间接收功率。控制器20一般包括开关控制电路36、电流感测电路21、和可选的内部调节器或者调节器33。调节器33连接在输入23和返回24之间以便接收输入电压并在输出34上提供内部工作电压，该内部工作电压用于运行控制器20的元件，例如开关控制电路36和电流感测电路21。开关控制电路36一般为形成开关信号的PWM控制电路，所述开关信号用于控制诸如晶体管43的功率开关并调节电流25的值。在其他实施例中，电路36可以为包括脉冲频率调制器(PFM)的其他类型的公知控制电路。在图1中示出的开关控制电路36的示例性模块图形式包括时钟发生器或时钟37、参考发生器或参考45、误差放大器46、斜波发生器或斜波38、PWM比较器39、控制块40和晶体管43。如本领域中所公知的，开关控制电路36接收电流感测信号并响应性地形成开关信号，以控制晶体管43并调节电流25的值。电路36还可以包括在图1中未示出的其他公知功能，例如过电压保护、低电压保护、热切断(thermal shut-down)、峰值电流限制或其他公知功能。

电流感测电路21包括控制电路62、第一电流感测开关或晶体管47、第二电流感测开关或晶体管52、第一耦合开关或晶体管49以及第二耦合开关或晶体管50。控制电路62配置成接收来自控制输入31的电流选择控制信号，并响应性地形成第一电流控制信号59和第二电流控制信号58，信号59和信号58用于将来自节点48的信号耦合至电路21的输出22或将来自节点51的信号耦合至输出22。控制电路62一般包括缓冲器56以及变极器(inverter)57。在一个实施例中，电流感测电路21在具有诸如电路36的开关控制电路的半导体基底上形成。对于这样的实施例，感应器16、电容器17以及二极管18一般在半导体基底之外。在一些实施例中，晶体管43或开关控制电路36也可以在半导体基底之外，电路21在该半导体基底上形成。

在运行中，施加至输入31的控制信号用于为电流25选择两个不同值。此外，电路21配置成以导致形成电流25的值的非常精确的控制的方式形成电流感测信号。开关控制电路36接收耦合至电路21的输出22的电流感测信号。如本领域中所公知的，开关控制电路36响应性地启动或禁止晶体管43以增加或减少负载电流25的值。如果晶体管43被禁止，电流25自感应器16通过二极管18、通过负载13流至电路36的控制器的电流输入27。如果晶体管43被启动，来自感应器16的电流通过控制器20的PWM输出26、通过晶体管43流至返回24。当晶体管43被启动时，电容器17为负载13提供电流。

如果晶体管43被禁止，电路21在电路21的输入上接收来自输入27的电流25。电路21还在输入31上接收电流选择控制信号，并选择性地启动晶体管47和49或晶体管52和50，以在输出22上形成电流感测信号。缓冲器56和变极器57形成选择性地启动两对晶体管中一对的选择器电路。如果输入31上的电流选择控制信号为低，变极器57的输出上的控制信号59为高，这启动了晶体管47和49，并且缓冲器56的输出上的控制信号58为低，这禁止了晶体管50和52。利用电流选择控制信号启动晶体管47选择性地将负载电流25耦合至第一电流感测元件或感测电阻器65。电阻器65在控制器20的第一感测输入28上连接至电路21。电流25通过晶体管47流至节点48，通过输入28并通过电阻器65流至返回12。流过电阻器65的导引(steering)电流25在节点48上形成电流感测信号。因为晶体管49还被电流控制信号选择性地启动，晶体管49将来自节点48的电流感测信号耦合至输出22。误差放大器46接收电流感测信号，并且开关控制电路36控制晶体管43以调节负载电流25的值，使得由放大器46接收的电流感测信号的值基本上等于来自参考45的参考信号的值。导引的负载电流25通过电阻器65在节点48上形成与横跨晶体管47两端的电压降的值无关的电流感测信号。横跨晶体管47两端的电压降的值可以根据包括晶体管47的导通电阻或Rdson的值的几个参数来变化。导通电阻值可以根据各个参数例如温度、晶体管47的栅极-源极电压、以及甚至流过晶体管47的电流值来变化。因为在节点48上形成的、并由放大器46接收的电流感测信号为由电流25的值确定的横跨电阻器65两端的信号值，电流感测信号与横跨晶体管47两端的电压值无关。因此，即使横跨晶体管47两端的电压降的值可能变化，在节点48上形成的感测电压的值仅仅取决于电流25的值和电阻器65的值。因为放大器46的输入为高阻抗，流过晶体管49的电流可以忽略不计，并且横跨晶体管49两端随之产生的电压也可以忽略不计，而且对被晶体管49从节点48耦合至输出22的电流感测信号值基本上没有影响。横跨晶体管49两端的电压值一般不大于大约1mV。当晶体管47和49被启动并且晶体管50和52被禁止时，电路36将电流25的值控制为第一值。因为电流感测信号值不包括晶体管47的电压，电流感测信号值非常准确地表示电流25的值并且被电阻器65的精度控制。因为电阻器65在电路21之外，电阻器65的值可以非常精确。在一个示例性实施例中，电阻器65被选择成百分之一电阻器并且电流25的相应值也大约精确至约1％的范围内。这比现有的实现精确得多，现有的实现达到实际等于大约5％的精度，即使感测电阻器具有1％的精度。因而电流25的值被维持为基本上恒定的值，该值的变化仅仅为大约1％。

类似地，如果输入31上的控制信号值为高，电流控制信号59为低，这禁止了晶体管47和49，但缓冲器56的输出上的电流控制信号58为高，这启动了晶体管52和50。当晶体管52被启动并且晶体管47被禁止时，电流25通过晶体管52流至节点52，通过第二感测输入29、通过诸如电阻器66的第二电流感测元件流至返回12。晶体管50将节点51上形成的电流感测信号的值耦合至输出22。晶体管52起类似于晶体管47的作用，而晶体管50起类似于晶体管49的作用。因此，由放大器46接收的电流感测信号为横跨电阻器66两端的信号的值，并且不包括横跨晶体管52两端的电压值，而且电流感测信号与横跨晶体管52两端的电压值无关。此外，流过晶体管50的电流可以忽略不计，并且横跨晶体管50两端随之产生的电压对被晶体管50自节点51耦合至输出22的感测信号的值基本上没有影响。

在不同的实施例中，较多或较少的晶体管对和感测电阻器例如电阻器65和晶体管47和49、以及控制电路62的不同结构可以用于为电流25提供额外的可选择的值。例如，在另一实施例中，同时并成对地启动所有的晶体管47、49、50和52以形成电流25的第三状态是可能的。

为了便于电路21的这种运行，晶体管47的漏极一般连接至晶体管52的漏极和输入27。晶体管47的源极一般连接至晶体管49的漏极、节点48以及输入28。晶体管49的源极一般连接至输出22以及晶体管50的源极。晶体管49的栅极一般连接至晶体管47的栅极以及变极器57的输出。晶体管50的漏极一般连接至节点51、输入29以及晶体管52的源极。晶体管52的栅极一般连接至晶体管50的栅极、缓冲器56的输出以及变极器57的输入。缓冲器56的输入连接至输入31。

图2简要示出了在半导体管芯(die)71上形成的半导体器件70的实施例的一部分的放大平面视图。电路21在管芯71上形成。管芯71还可以包括为了简化视图而未在图2中示出的其他电路，例如电路36。电路21和器件70通过本领域技术人员公知的半导体制备技术在管芯71上形成。

鉴于上述内容，显然公开了一种新颖的器件和方法。包括其他特征的是将一对晶体管串联在开关控制器的反馈路径中，以将负载电流准确地调节为基本上恒定的值。将感测元件连接至晶体管的公共连接便于导引负载电流通过感测元件并形成横跨感测元件两端的电压，该电压与横跨晶体管之一的两端的电压无关。

尽管用具体的优选实施例对本发明的主题进行了描述，但是显然对于半导体技术领域的技术人员而言很多替换和变更是明显的。电路21还可以用于为类似于控制器20的控制器提供可靠的切断功能。更具体地，本发明的主题是对N-沟道MOS晶体管描述的，虽然本发明可直接应用于其他双极晶体管和其他MOS晶体管以及BiCMOS晶体管、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、双极及其他类型的晶体管。另外，为了清楚地描述，始终使用词语“连接(connect)”，但是，其被规定为与词语“耦合(couple)”具有相同的意思。因此，应该将“连接”解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (9)

1.一种电流感测电路，其包括：

输入，其配置成接收来自负载的负载电流；

第一开关，其配置成将所述负载电流选择性地流过所述第一开关以及流过第一感测元件；以及

第二开关，其配置成将所述第一感测元件选择性地耦合至配置成调节所述负载电流的值的控制电路，其中所述负载电流不流过所述第二开关。

2.根据权利要求1所述的电流感测电路，还包括第三开关，所述第三开关配置成将所述负载电流按指定路线发送至第二感测元件；以及

第四开关，其配置成将所述第二感测元件选择性地耦合至所述控制电路。

3.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述第一开关为第一晶体管，所述第一晶体管具有被耦合用于接收所述负载电流的第一载流电极、耦合至所述第一感测元件的第二载流电极、以及控制电极，以及其中，所述第二开关为第二晶体管，所述第二晶体管具有耦合至所述第一感测元件的第一载流电极、第二载流电极、以及控制电极。

4.一种形成电流感测电路的方法，其包括如下步骤：

配置所述电流感测电路以从负载接收要被调节的负载电流，并使用第一开关来选择性地导引所述负载电流流过所述第一开关以及流过第一感测元件，以及响应性地形成表示所述负载电流的值的第一电流感测信号，其中，所述第一电流感测信号的值与横跨所述第一开关两端下降的电压的值无关。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括配置所述电流感测电路的第二开关以导引所述负载电流流过第二感测元件，并响应性地形成表示所述负载电流的值的第二电流感测信号，其中，所述第二电流感测信号的值与横跨所述第二开关两端下降的电压的值无关。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述配置所述电流感测电路以从所述负载接收要被调节的所述负载电流并使用所述第一开关来选择性地导引所述负载电流流过所述第一开关以及流过所述第一感测元件的步骤包括：配置所述电流感测电路以选择性地导引所述负载电流流过所述第一感测元件，以及选择性地导引所述负载电流流过所述第二感测元件。

7.一种形成电流感测电路的方法，其包括如下步骤：

配置电流调节电路以响应于电流感测信号而调节电流；

以第一公共节点连接在第一开关和第二开关之间的方式将所述第一开关配置成与所述第二开关串联；以及

将所述第一开关和第二开关串联在所述电流调节电路的反馈路径中，以将所述电流感测信号耦合至所述电流调节电路，其中所述第一开关选择性地引导负载电流流过所述公共节点，并且其中所述第二开关不传导所述负载电流。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述将所述串联的第一开关和第二开关串联在所述反馈路径中的步骤包括：耦合所述第二开关以将所述电流感测信号选择性地耦合至所述电流调节电路。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括将串联的第三开关和第四开关串联在所述反馈路径中，其中，所述串联的第三开关和第四开关与所述串联的第一开关和第二开关并联。

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