CN101197533A - 电荷泵电路及其方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，电荷泵电路用于在转换晶体管不转换时，例如当电源系统在操作的突发模式中运行时，保持电源系统的升压电容器充电。

Description

电荷泵电路及其方法

技术领域

本发明一般涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法和结构。

背景技术

过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成电源控制器，其帮助将输出电压调节到期望值。在一些电源配置中，两个晶体管连接在堆栈结构或半桥(half-bridge)电路结构中，以便驱动电感器并形成输出电压。在半桥电路中这两个晶体管的每一个都被分离的晶体管驱动器驱动。高端驱动器通常自比低端驱动器高的电源电压操作。较高的电源电压通常指升压电压(boost voltage)并被自举(bootstrap)电路从连接在高端和低端晶体管之间的公共节点处的电压增大。在一些操作模式中，这两个晶体管在一段时间可能不被转换(switch)。不转换的这些时段通常称为突发模式或周期跳步(cycle-skipping)。在这样的时段期间，升压电压的值通常减少，这造成电源系统的无效操作。

因此，期望有一种电源控制器，其能在电力开关不转换的时段期间向高端驱动器提供电力。

附图说明

图1简要示出根据本发明的包括具有电荷泵电路的电源控制器的电源系统的一部分的实施例；

图2简要示出根据本发明的包括具有电荷泵电路的另一电源控制器的另一电源系统的一部分的实施例；

图3简要示出根据本发明的图1的电源控制器的移位器(shifter)电路的一部分的实施例；

图4示出根据本发明的半导体管芯(die)的简化放大平面图，在该管芯上形成图1的电源控制器；

图5示出根据本发明的图4的半导体管芯的第一部分的简化放大横截面图；

图6示出根据本发明的图4的半导体管芯的第二部分的放大简化横截面图；

图7示出根据本发明的图4的半导体管芯的第三部分的放大简化横截面图；

图8示出根据本发明的图4的半导体管芯的第四部分的放大简化横截面图。

具体实施方式

图1简要示出包括电源控制器35的一部分的示例性实施例的电源系统10的一部分的实施例，电源控制器35用于调节由系统10形成的输出电压。正如在下文中将进一步看到的，控制器35设置成给电荷泵电容器充电到第一电压，并响应于充电到第一电压的泵电容器而将电荷从泵电容器传递到另一电容器一段时间。还将看到，泵电容器的充电是根据泵电容器两端的差动电压而不是根据泵电容器被充电的时段被终止。

系统10接收电力输入端子11和电力返回(return)端子12之间的电力例如整流交流电压，并在电压输出14和电压返回15之间形成输出电压。端子11和12之间的电压通常称为体电压(bulk voltage)。在图1中示出的系统10是降压(buck)电源系统。第一电力开关如MOS晶体管28和第二电力开关如MOS晶体管29连接在端子11和12之间的半桥结构或堆栈结构中。与晶体管28和29并联的二极管代表晶体管的体二极管(body diode)。晶体管28和29在半桥结构的转换节点或公共节点27处连接在一起，该节点27也连接到电感器18。虽然晶体管28和29在图1的实施例中显示为在控制器35的外部，本领域技术人员应认识到，晶体管28和29在其它实施例可在控制器35的内部。通常，电感器18和电容器19被连接以从晶体管28和29接收电流并在输出14和返回15之间形成输出电压。反馈网络26被连接以接收输出电压并形成代表输出电压值的反馈信号。反馈网络26可为光学耦合器或其它类型的公知反馈网络。

在大多数实施例中，端子11和12之间的电压从整流家用电源被接收。为了在各个不同的国家操作，系统10设置成接收在端子11和12之间的可能高达六百伏(600V)或低至两百五十伏(250V)的电压，这取决于向端子11和12提供电压的国家。因此，系统10通常在输入33上接收较低的电压，该电压在控制器35的功率输入36和功率返回37之间应用到控制器35。在输入33上接收的电压可从系统10的输出电压获得或可从另外的源得到。包括二极管30和升压电容器31的升压网络连接在输入33和半桥的转换节点27之间。控制器35在转换输入42上从节点27接收半桥电压。二极管30和电容器31的升压网络用于形成升压电压，该升压电压用于形成对晶体管28的驱动信号。控制器35在升压输入39上接收升压电压。这样的升压网络对本领域技术人员来说是公知的。

控制器35通常包括开关电源电路例如脉冲频率调制(PFM)控制器或PFM66，其通过控制器35的反馈输入44从网络26接收反馈信号，并响应性地形成PFM控制信号，该控制信号用于形成对晶体管28和29的驱动信号。控制器66可为各种公知的PFM控制器的任一种或可为脉冲宽度调制(PWM)控制器或滞后(hysteretic)控制器。控制器35还包括高端控制电路46和低端驱动器74，高端控制电路46用于形成第一驱动信号以控制晶体管28，低端驱动器74用于第二驱动信号以控制晶体管29。电路46的输出通过控制器35的输出40耦合到晶体管28，而驱动器74的输出通过控制器35的输出43耦合到晶体管29。控制器35还可包括没有示出的低端逻辑，其帮助形成驱动器74的输入信号。此外，控制器35可包括内部调节器71，其连接在输入36和返回37之间以接收输入电压并在输出72上形成用于操作控制器35的元件如PFM控制器66和低端驱动器74的内部操作电压。高端控制电路46包括驱动器电路或驱动器50、逻辑电路或逻辑49、电荷泵电路52和电平移位器(level shifter)电路或电平变换器电路47和48。

为了在足以启动晶体管28的电压处从驱动器50形成驱动信号，通常高端控制电路46的逻辑49和至少驱动器50连接在输入39和42之间，以便自升压电压操作。升压电压由储存在电容器31上的电荷形成，作为晶体管28和29转换的结果，并且是输入39和42之间的差动电压。升压电压的平均电压大约等于输入36上接收的电压减去二极管30两端的电压降。当参照端子12时，升压电压的瞬时值一般波动，且其峰值大于端子11上接收的输入电压。

正如下文中将进一步看到的，高端控制电路一般在半导体管芯的隔离或浮动区内形成，控制器35在半导体管芯上形成以便从用于操作电路46的升压电压隔离控制器35的剩余部分。对于电路46自不损害控制器35其它部分的低端电压而操作的实施例，电路46不可以在这样的浮动或隔离区内形成。电路47和48设置成从PFM控制器66接收信号，并将信号的电压值从参照输出72的电压的电压，移位或变换到与用于操作电路46的升压电压一致的较高的电压值。正如在下文中还将进一步看到的，电路47和48的一部分在浮动区内形成。

在操作期间，PFM控制器66形成被电路46使用的控制信号67，以维持(assert)输出40上的第一驱动信号并启动晶体管28。其后，PFM控制器66通常形成被电路46使用的第二控制信号68以禁止晶体管28。在晶体管28被启动的时间间隔期间，晶体管28将电压从输入端子11耦合到节点27。其后，PFM控制器66维持驱动器74使用的控制信号69以启动晶体管29。求反(negating)信号69用于禁止晶体管29。转换所述半桥在节点27上形成了由控制器35在转换输入42上接收的电桥电压。如可看到的，输入42上的电桥电压小于输入39上的升压电压。此外，晶体管28和29的转换使电桥电压在两个电压值之间变化，这两个电压值在输入端子11的电压和返回端子12的电压之间。因此，电桥电压值至少增加晶体管28被启动的一部分时间且至少减少晶体管29被启动的一部分时间。

在操作期间，控制器35可停止转换晶体管28和29一段时间。例如，输入电压可降低到小于期望的输出电压值的一个值，以及PFM控制信号67可停止转换晶体管28和29一段大于控制器66的转换周期的时间。在这种情况下，晶体管28通常接通及晶体管29关闭。在一些情况下，这段时间可以足够长以便电容器31上的电压降低到不能操作驱动器50的值。电荷泵电路52设置成在这样长的时段期间提供电力以操作驱动器50。电路52是独立于晶体管28和29的转换而操作的自激振荡(self-oscillating)电荷泵。

齐纳二极管53形成电路52的操作电压，该操作电压允许电路52自输入42和输出41之间的电压操作。输入42形成用来操作电路52的高端轨，而输出41形成用来操作电路52的低端轨。如果晶体管28被启动，输入42和返回37之间的电桥电压可能大于二极管53的击穿或齐纳电压。这将使二极管53导电并将输入42的高端轨和输出41的低端轨之间的电压固定到二极管53的齐纳电压。因此，在这些情况下，二极管53形成电路52的操作电压。二极管53的齐纳电压被选择为适合于操作电路52的元件如比较器54和单触发电路57的值。在优选实施例中，齐纳电压大约为二十伏(20V)。经过二极管53的电流通过电流源65被引导。在一些实施例中，可选外部电阻器32可连接在输出41和返回37之间。在这样的情况下，经过二极管53的电流的一部分通过电流源65被引导，而另一部分通过电阻器32被引导。如果电桥电压低于二极管53的齐纳电压，例如当晶体管28被禁止且晶体管29被启动时，输出41被拉到返回37的电压，以致于输入42和输出41之间的电压值基本上是电桥电压。因为电桥电压不近似地大于返回37的值，电路52没有电源电压且不操作。因为当晶体管28被启动时，电路52只须操作并提供电力，那么当电桥电压很低时，不操作对电路52是可接受的情况。二极管53的齐纳电压也大于参考电路或参考56的参考电压。

为了说明电路52的操作，假定电容器63的电压小于参考56的值。这种情况使比较器54的输出低。比较器输出连接到图1所示的脉冲发生器电路作为单触发电路57。电路57可例如自连接到逻辑门的一系列变极器(inverter)形成为边缘检测器电路或其它公知的脉冲发生器电路。电路57的输出是控制信号，其用于驱动由堆栈晶体管58和59形成的变极器。当电路57被比较器54触发时，电路57的非触发状态为高且输出变低一段时间间隔。因为电路57没有被触发，所以输出为高且晶体管59被启动，以将变极器的输出节点60拉低。节点60上低允许电流源65形成流经二极管61和晶体管59的充电电流64以给泵电容器63充电。二极管61优选地为肖特基(Schottky)二极管。可选外部电阻器32可连接到输出41以增加用于给电容器63充电的电流量。没有电阻器32，电流64大约为源65的电流减去通过二极管53的电流。电路52继续给电容器63充电直到电容器63上的电压达到来自参考56的电压值。比较器54的输出响应于充电到参考56的值的电容器63而将状态改变到逻辑高。来自比较器54的高活动信号触发电路57并使输出低一段时间或时间间隔，其由电路57的时间控制元件确定。来自电路57的低禁止晶体管59并启动晶体管58。启动晶体管58使启动二极管62的电桥电压应用到节点60。启动二极管62使泵电容器63耦合到输入39而与升压电容器31并联，因而启动泵电容器63以将电荷传递到升压电容器31。选择电路57的脉冲宽度以提供充足的时间来分配从电容器63到电容器31的最大电荷量。当来自电路57的脉冲的时间间隔终止后，电路57的输出再次变高，这禁止晶体管58并启动晶体管59，应而再次用电流64给电容器63充电。在控制器35的操作期间电路52的这个周期持续。正如从说明书中可看到的，电路52是独立于晶体管28和29的转换而循环的自激振荡电荷泵电路，因此，电容器63的充电时间间隔是储存在电容器63上的电压的函数和时间的函数。当晶体管28和29被启动和禁止时，节点27和输入42上的电压变化，然而，电路52总是给电容器63充电到参考56的固定电压。

因为电路52具有对于连接到输入42的高端轨的较高电压供应和对于连接到输出41的低端轨的较低电压供应，电路52依从节点27上的电压。例如，如果晶体管28被启动，则节点27上的电压被拉到端子11的电压，而如果晶体管29被启动，则节点27上的电压被拉到返回端子12的电压。当节点27上的电压大于参考56的电压时，电荷泵电路52操作并循环以给电容器63充电到参考56的电压，然后从电容器63到电容器31将电荷传递一段由电路57的脉冲宽度确定的时间间隔。

因为从电容器63供应的电荷仅在驱动器50和74以及相应的晶体管28和29不转换时才需要，在非转换时间期间需要的电流很小且从电容器63所需要的电荷也小。因此，电容器63可合并到半导体管芯以及控制器35的电路中。在一个实施例中，电容器63大约为二十皮可法拉(20pf)，以及由电路57产生的脉冲的宽度大约为一百毫微秒(100纳秒)。对于电容器63的较大值，电路52的循环频率降低。

为了促进控制器35的这个功能，输入36设置成接收小于体电压的电压，以及返回37设置成连接到端子12。输入39设置成接收升压电压。调节器71连接在输入36和返回37之间以在输出72上形成内部操作电压。PFM控制器66连接在输出72和返回37之间，且还具有连接到输入44以从反馈网络26接收反馈信号的反馈控制输入。信号69的PFM66输出连接到驱动器74的输入。驱动器74的输出连接到输出43，输出43设置成与晶体管29的栅极连接。电路47的输入被连接以从PFM66接收信号67，而输出连接到逻辑49的第一输入。电路48的输入被连接以从PFM66接收信号68，而输出连接到逻辑49的第二输入。逻辑49的输出与驱动器50的输入连接，而驱动器50的输出设置成连接到输出40和晶体管28的栅极。二极管53的阳极连接到电流源65的第一端子。电流源65的第二端子与返回37连接。二极管53的阴极连接到参考56的第一端子，参考56有连接到比较器54的非反向输入的第二端子。比较器54的反向输入与节点60连接。比较器54的输出连接到电路57的输入，以及电路57的输出连接到晶体管58的栅极和晶体管59的栅极。晶体管59的源极连接到电流源65的第一端子。晶体管59的漏极连接到节点60和晶体管58的漏极。晶体管58的源极通常连接到二极管53的阴极、二极管61的阳极和输入42。二极管61的阴极连接到二极管62的阳极和电容器63的第一端子。二极管62的阴极与输入39连接。电容器63的第二端子与节点60连接。比较器54和电路57被连接以在连接到二极管53的阴极的高端电源轨和连接到二极管53的阳极的低端电源轨之间接收电力。驱动器50、逻辑49及电路47和48被连接以在输入39和输入42之间接收电力。

图2简要示出电源系统80的一部分的实施例，其为在图1的说明中描述的系统10的可替换的实施例。系统80包括电源控制器81，其为也在图1的说明中描述的控制器35的可替换的实施例。控制器81与控制器35相同，除了控制器81包括电荷泵电路83，其为也在图1的说明中描述的电荷泵52的可替换的实施例。电路83与电路52相同，除了电路83具有附加的二极管86和87，其形成到节点27的不同连接。

在一些情况下，节点27上的电压可能相对于端子12变成负的。在这样的情况下，其中形成电路52(图1)的隔离区可触发寄生基底双极晶体管。二极管86将节点84的浮动上电源轨固定到输入36的电压，以阻止启动寄生双极晶体管。还增加二极管87以从节点27缓冲节点84的电压。

电路83类似地连接到电路52，除了二极管86的阳极连接到输入36，而阴极连接到晶体管58的源极。同样，二极管87插在晶体管58的源极和二极管61的阳极之间，以便二极管87的阳极连接到二极管61的阳极和输入42。二极管87的阴极连接到二极管86的阴极和晶体管58的源极。

图3简要示出适合于用作电路47和48的电路的实施例。电平变换器电路47用于将控制信号如控制信号67的逻辑电平的电压从调节器71的电压移位或变换到输入39上的升压电压。变换器电路47接收PFM控制信号67并在接收到信号67的上升沿时形成负活动脉冲。信号67高使晶体管101将设定的条(bar)信号输入拉低并设定锁存器92。因为输入39上的升压电压在晶体管28的操作期间可能有突然的变化，且因为晶体管101的漏极具有对基底表示为电容器104的寄生电容，所以电路47也包括晶体管103、电容器107和电阻器106，电阻器106阻止升压电压的突然变化改变电路47的输出。升压电压的突然变化被耦合在电容器104两端并产生流经电阻器102的电流，以便开始给电容器104充电。这可能对锁存器92产生不需要的寄生设定脉冲。但是，快速的电压变化形成通过电阻器106的电流变化，且因而产生的电流通过其流动以便开始给电容器107充电。流到电容器107的电流形成电阻器106两端的启动晶体管103的电压降。晶体管103接通，这开始引导电流给电容器104充电，并将锁存器92的设定条信号输入上的电压值固定到基本上等于输入39上的升压电压值的电压。启动晶体管103防止升压电压值的快速变化错误地改变锁存器的状态。

图4示出半导体管芯110的放大简化平面图，控制器35在管芯110上形成。控制器35由标有数字35的方框以一般的方式示出。部分112至少包括图3所示变换器电路47的晶体管101。部分113包括图1所示变换器电路48的部分。控制器35通过半导体制造技术在管芯110上形成，这些技术对本领域的技术人员来讲是公知的。

图5示出管芯110沿横截面线5-5的放大简化横截面图。横截面线5-5通过图3和图4所示的晶体管101和电阻器102形成。该说明参考图4和图5。掺杂区110形成第一隔离区，其中形成电路46的一些元件，包括逻辑49、驱动器50以及变换器电路47和48的一部分。通常，包括电容器107、电阻器106和102以及晶体管103的电路47和48的一部分也在区域111内形成。管芯110在半导体基底118上形成。掺杂区111在基底118的表面上形成并具有与基底118的传导性相反的传导类型。掺杂区120在基底118的表面上形成，与区域111空间分隔，以形成晶体管101。区域120具有与基底118的传导性相反的传导类型。电阻器102作为掺杂区102在区域111内形成。区域102形成有与区域111的传导性相反的传导类型。掺杂区120通过导体如金属连接到电阻器102，该导体还提供与节点105的连接。使用掺杂区如区域111以将电路的部分从电路的其它部分隔离开的例子在2005年9月13日发布给Antonin Rozsypal等人的美国专利号6,097,075中被描述。

图6示出管芯110沿横截面线6-6的放大简化横截面图。横截面线6-6通过区域211和通过掺杂区212形成。区域212用于帮助形成电容器63和二极管61。区域212作为掺杂区在基底118的表面上及在区域211内形成。区域212具有与基底118的传导类型相反的传导类型并与区域211相同。区域212起二极管61的阴极的作用，以及在区域212的表面上形成并被电连接到区域212的金属162形成二极管61的阳极。注意，区域212被区域21 1围绕并与区域211分离一段距离或间隔。在区域212内形成的掺杂区165形成电容器63的第一极板(plate)。电容器的电介质由覆盖区域165的一部分的绝缘体形成，且导体在该绝缘体上形成以形成电容器63的第二极板。表示为节点163的电容器63的第一端子通常连接到二极管62的阳极(见图1)和二极管61的阴极。电容器63的第二端子连接到节点60。

图7示出管芯110沿横截面线7-7的放大简化横截面图。横截面线7-7通过电流源65形成。掺杂区220在基底118的表面上形成并具有与基底118的传导性相反的传导类型。作为电流源65的一部分的LDMOS晶体管166在区域220内形成。

图8示出管芯110沿横截面线8-8的放大简化横截面图。横截面线8-8通过区域111和211形成。区域111和211分离一段距离210。距离210作为隔离间隙，其有利于允许区域111和211的电压之间的电压差异，而不影响电路52的击穿电压。

鉴于上述内容，显然公开的是一种新的装置和方法。包括其它特征中的是形成电荷泵电路，其给泵电容器充电直到该电容器两端的电压达到某个值，然后将电荷的至少一部分传递到电源系统的升压电容器。当晶体管28和29不操作时，独立于用于转换晶体管28和29的定时而给升压电容器充电使给泵电容器充电变得容易，这允许使用泵电容器来保持升压电容器充电。

虽然本发明的主题是用特定的优选实施例来描述的，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是显而易见的。虽然控制器35被示为降压电源系统的一部分，但控制器35可用在其它电源配置中。另外，对于特定的N通道和P通道晶体管描述了本发明的主题，虽然本方法可直接应用于双极晶体管以及其它MOS、BiMOS、金属半导体FETs(MESFETs)、HFETs和其它晶体管结构。此外，为描述清楚而始终使用“连接(connected)”这个词，但是，意指与词“耦合(coupled)”具有相同的含义。相应地，“连接”应被解释为既包括直接连接也包括间接连接。

Claims (10)

1.一种电荷泵电路，包括：

第一电容器，其具有第一端子和第二端子；

第一输入，其耦合成接收第一电压；

第二输入，其设置成从第二电容器接收第二电压，其中所述第二电压大于所述第一电压，所述第二电容器具有第一端子和第二端子；

电流源，其具有第一端子和第二端子；

第一电路，其设置成从所述第一电压给所述第一电容器充电，并响应于具有小于第三电压的电压的所述第一电容器而从所述第一电容器将第一电流提供到所述电流源，其中所述第三电压小于所述第一电压；和

第二电路，其设置成将所述第一电容器耦合到所述第二电压，并响应于至少等于所述第三电压的所述第一电容器的电压而将电荷从所述第一电容器传递到所述第二电容器。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述第一电路包括第一二极管，所述第一二极管具有阴极和阳极，所述阴极耦合到所述第一电容器的所述第二端子，所述阳极耦合成接收所述第一电压。

3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中所述第一电路包括第二二极管，所述第二二极管具有阴极和阳极，所述阴极耦合成接收所述第二电压，所述阳极耦合到所述第一电容器的所述第二端子。

4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其中所述电流源的第一端子耦合到第一晶体管的第一载流电极，以及所述第一晶体管的第二载流电极耦合到所述第一电容器的所述第一端子，所述第一晶体管具有控制电极，以及第二晶体管具有耦合到所述第一晶体管的所述第二载流电极的第一载流电极、耦合成接收所述第一电压的第二载流电极、和控制电极。

5.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述第二电容器是电源电路的升压电容器，所述升压电容器用于向所述电源电路的高端驱动器提供电力。

6.一种形成电荷泵电路的方法，包括：

配置所述电荷泵电路以将泵电容器充电到第一电压；和

配置所述电荷泵电路以响应于至少为所述第一电压的所述泵电容器的电压，而将电荷从所述泵电容器传递到第一电容器长达第一时间段；

7.如权利要求6所述的方法，其中配置所述电荷泵电路以将所述泵电容器充电到所述第一电压的步骤，包括配置所述电荷泵电路以自可变的电源电压操作，其中当所述电源电压变化时所述第一电压是固定的。

8.一种形成电荷泵电路的方法，包括：

配置所述电荷泵电路以在充电时间间隔期间给泵电容器充电，并响应于近似地大于第一电压的所述泵电容器的电压而终止给所述泵电容器充电；和

配置所述电荷泵电路以响应于所述泵电容器的所述电压，而将电荷从所述泵电容器传递到另一电容器长达第一时间段。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括在半导体管芯上形成所述电荷泵电路和所述泵电容器而作为电源控制器的一部分。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括耦合所述另一电容器以向所述电源控制器的高端驱动器提供操作电力，其中所述高端驱动器在所述半导体管芯上形成。

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