CN101331669B - 形成电荷泵控制器的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

在一个实施方式中，形成电荷泵控制器以控制提供给负载的电流的值。

Description

形成电荷泵控制器的方法及其结构

发明背景

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。

过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成开关电容器增压电路(step-up voltage circuit)。这样的增压电路的一个例子是电荷泵电路如电压倍增器电路。电压倍增器通常使用电容器，该电容器可选地充电到一个电压并接着与输入电压串联耦合以供给负载电力。在大多数应用中，电压倍增器使用配置为两个晶体管对的四个晶体管，这两个晶体管对交替地接通或断开以提供电容器的期望充电。在一些情况下，电压倍增器包括用于设定由电压倍增器形成的输出电压值的反馈环。

在一些情况下，当电压倍增器用于调节电流时，用一个单电路电荷泵电路获得良好的调节、低管脚数和低成本很难。这三个参数通常相对于彼此被折衷选择，以便获得低成本、准确的调节或低管脚数。

因此，期望有一种具有低管脚数、具有低成本并提供准确调节的电荷泵电路。

附图的简要说明

图1示意性地示出根据本发明的具有电荷泵控制器的电荷泵系统的一部分的实施方式；

图2示意性地示出根据本发明的具有另一电荷泵控制器的另一电荷泵系统的一部分的实施方式，所述另一电荷泵控制器是图1中的电荷泵控制器的可选实施方式；

图3示意性地示出根据本发明的具有另一电荷泵控制器的另一电荷泵系统的一部分的实施例，所述另一电荷泵控制器是图1中的电荷泵控制器的可选实施方式；以及

图4示意性地示出根据本发明的包括图1中的电荷泵控制器的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简洁和清楚，附图中的元件不一定按比例绘制，且不同附图中相同的参考数字表示相同的元件。此外，为了描述的简单而省略了公知的步骤和元件的说明与详述。如这里所使用的载流电极(current carrying electrode)表示承载通过器件的电流的该器件的一个元件，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、或二极管的阴极或阳极；控制电极表示控制通过器件的电流的该器件的一个元件，如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。虽然这些器件在这里被解释为某种N沟道或P沟道器件，但本领域中的普通技术人员应该认识到，依照本发明，互补器件(complementarydevice)也是可能的。本领域中的技术人员应认识到，这里使用的词“在…的期间、在…同时、当…的时候”不是表示当开始行为发生时一个行为立刻发生的准确术语，而是在被初始行为发动的反应之间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。

附图的详细说明

图1示意性地示出电荷泵系统10的实施方式的一部分，其包括电荷泵控制器25的示例性形式。控制器25通常配置成使用不多于六个的外部端子，以便控制电容器的充电和放电并给负载提供电流。控制器25还配置成将提供给负载的电流的值调节到第一值。系统10包括电压源13、泵电容器17、平均电容器(averaging capacitor)20、负载如发光二极管(LED)15，和反馈电阻器19。电压源13一般是电池，但在其它实施方式中可为不同类型的电压源。电压源13通过功率输入11和功率返回12向系统10提供功率。系统10可包括可连接到输入11和返回12的其它元件，然而为了制图的清楚在图1中没有示出这样的其它电路。电荷泵控制器25在电压输入端子29和公共返回端子30之间从源13接收输入电压。端子29和30一般连接到相应的输入11和返回12。

控制器25一般包括内部调节器33、控制电路42、电流源35、电流源36和多个电容器开关，所述多个电容器开关包括第一晶体管37、第二晶体管38和第三晶体管39。调节器33通常连接在端子29和30之间，以接收输入电压并在输出34上形成内部工作电压。来自输出34的内部工作电压通常用于操作控制器25的其它元件，例如电流源36和控制电路42。电路42一般包括振荡器或时钟43、基准信号发生器或基准44、比较器46和控制逻辑，控制逻辑包括“或”门47、反相器(inverter)40、49和50以及“与”门48。在一些实施方式中，控制器25还包括启动(enable)输入31，其接收启动和禁止控制器25的操作的启动信号。在一些实施方式中，可省略调节器33并可从端子29获得操作控制器25的功率。

在操作中，时钟43产生具有实质上为50-50占空比的时钟信号(CLK)。时钟信号(CLK)为高表示一个时间段，而CLK为低表示第二时间段。在CLK为高的第一时间段期间，电容器17被充电到一电压，该电压实质上为源13的电压。假定启动输入31上的启动信号为高以及比较器46的输出为高，则当CLK变为高时，门47的输出变为高，这就禁止了晶体管37。来自时钟43的高信号迫使门48的输出为高，这就启动了晶体管38和39。启动晶体管38和39使电容器17的一个端子通过晶体管38连接到源13的阳极侧，而电容器17的另一个端子通过晶体管39连接到返回12，因而给电容器17充电到实质上为源13的电压。电流源35可用于在给电容器17充电的同时限制通过晶体管38的电流的最大值。注意，一些电流也可在电容器17被充电时提供给负载15。在CLK变为低的下一时间段期间，电容器17与源13串联连接以给LED 15提供电流16。当CLK变为低时，门48的输出变为低，这就禁止了晶体管38和39，且门47的输出变为低，这启动了晶体管37。启动晶体管37使电容器17的一个端子通过晶体管37和电流源36耦合到源13的阳极侧。因此，施加到LED 15上的电压的值是源13的电压加上储存在电容器17上的电压。最后得到的施加到LED 15上的电压使电流16从源13通过电流源36和电容器17流到LED 15。电流源36配置成将电流16的最大值限制到第二值。一般来说，第二值设置成小于LED 15的最大额定电流，以便防止损坏LED 15。电流源35和36可形成为P沟道MOS晶体管，其具有施加到晶体管的栅极的恒定的基准电压，以便限制流经该晶体管的电流的最大值。在优选实施方式中，通过限制施加到各个晶体管38和37上的栅极驱动电压的最大值，从而限制通过这些晶体管的电流的最大值来形成电流源35和36。当电流16流经LED 15时，电流16也流经感测电阻器19并形成代表电流16的值的电压。电容器20充电到实质上等于电阻器19两端电压的值的电压，因而形成感测信号，该感测信号在感测输入28上被控制器25接收。电容器20给电阻器19两端电压的值取平均，并形成代表电流16的平均值的感测信号。

比较器46从输入28接收感测信号，从基准44接收基准信号，并将感测信号的值与基准信号比较。如果感测信号的值小于基准信号的值，则比较器46的输出为高，这允许电路42继续操作来交替地给电容器17充电，并耦合电容器17以提供电流16。然而，如果感测信号的值大于基准信号，则比较器46的输出为低，这禁止电路42和控制器25给LED 15提供电流16。如果比较器46的输出为低，则反相器49的输出为高且门47的输出为高，这就禁止了晶体管37，以及门48的输出为低，这就禁止了晶体管38和39。因此，比较器46和感测信号便于控制器25将电流16的平均值调节到第一值。一般来说，电流16的平均值小于被电流源36限制的电流16的第二值。本领域的技术人员应认识到，电容器20可由控制器25内部的滤波电路代替。

如可看到的，控制器25只使用三个开关，其被交替地接通或断开，以便交替地给电容器17充电并提供电流16。只使用三个晶体管开关便于最小化控制器25所需要的外部连接端子的数量。对于省略启动输入31的实施方式，只使用三个晶体管开关便于控制器25需要不多于五个的外部连接或端子。在一个实施方式中，控制器25形成为半导体管芯(die)上的集成电路。只使用三个晶体管开关便于形成具有不多于五个外部端子的半导体管芯，其中的外部端子例如在半导体管芯上的连接焊盘(bonding pad)。对于包括启动输入31的实施方式，控制器25可形成为具有不多于六个外部端子的半导体管芯上的集成电路。因此，半导体管芯可组装在具有不多于六个管脚的低成本封装中。在现有技术电荷泵控制器中，特别是在现有技术LED电荷泵控制器中，这些控制器调节在电荷泵系统的输出上提供的电压的值而不是提供给负载的电流的值。因为通过LED的电流作为LED两端正向电压的函数而变化，调节电压的值并不提供对通过LED的电流的良好调节。使用控制器25来调节通过LED的电流的值提供了对由LED发出的光的较好控制。

为了促进控制器25的这项功能，端子29连接到调节器33的第一端子、源36的第一端子和源35的第一端子。晶体管38的源极连接到源35的第二端子。晶体管38的漏极连接到输出26。输出26通常连接到电容器17的第一端子和LED 15的第一端子。LED 15的第二端子连接到电容器20的第一端子、电阻器19的第一端子和输入28。电容器20的第二端子通常连接到端子30、返回12和电阻器19的第二端子。电容器17的第二端子连接到输出27。调节器33的第二端子连接到端子30和晶体管39的源极。晶体管39的漏极通常连接到输出27和晶体管37的漏极。晶体管37的源极连接到源36的第二端子。时钟43的输出通常连接到门47的第一输入和门48的第一输入。基准44的输出连接到比较器46的非反相输入。比较器46的反相输入被连接以从输入28接收电流感测信号。比较器46的输出通常连接到门48的第二输入和反相器49的输入。反相器49的输出连接到门47的第二输入。启动输入31通常连接到门48的第三输入和反相器50的输入。反相器50的输出连接到门47的第三输入。门47的输出连接到晶体管37的栅极。门48的输出通常连接到晶体管39的栅极和反相器40的输入。反相器40的输出连接到晶体管38的栅极。

图2示意性地示出电荷泵系统55的实施方式的一部分，其为在图1的说明中描述的系统10的可供选择的实施方式。系统55包括具有控制电路57的电荷泵控制器56，其为在图1的说明中描述的相应的控制器25和电路42的可供选择的实施方式。控制器56包括提供电流的可变电流源62，该电流由提供给源62的外部控制信号控制。电路57包括误差放大器58而不是比较器46。放大器58接收感测信号，并提供表示感测信号和来自基准44的基准信号之间的偏差的误差信号。电路57还包括门59和60，其类似于门47和48但具有较少的输入信号。电路57配置成接收感测信号，并通过控制由电流源62提供的电流的量来将电流16的值调节到第一值。因此，控制器56的作用与控制器25类似。然而，代替使用比较器46来禁止晶体管37、38和39的接通或断开，来自放大器58的误差信号用于控制由源62提供的电流的值，从而调节电流16的值。与电流源36类似，可变电流源62也将电流16的最大值限制到第二值。

图3示意性地示出电荷泵系统65的实施方式的一部分，其为在图1的说明中描述的系统10的可供选择的实施方式。系统65包括具有控制电路67的电荷泵控制器66，其为在图1的说明中描述的相应的控制器25和电路42的可供选择的实施方式。电路67包括“与非”门51、反相器52、比较器54和第二基准电压发生器或基准53，基准53形成具有大于由基准44形成的基准电压的值的第二基准电压。如果从输入28接收的感测信号大于由基准44的值表示的第一值，而小于由基准53的值表示的第二值，则比较器46的输出为低，且比较器54的输出为低。来自比较器46的低电平信号和来自比较器54的低电平信号迫使门51的输出为高，以禁止晶体管37并启动晶体管39。来自门51的高电平信号也迫使门47的输出为低，通过反相器52来启动晶体管38。因此，晶体管38和39被启动，使得一些电流从源13流到负载15。如果电流16增加到第二值，这使输入28上的感测信号增加到大于由基准53的输出表示的第二值，则比较器54的输出变高。来自比较器46的低电平信号和来自比较器54的高电平信号迫使门51的输出为高，以禁止晶体管37并启动晶体管39。禁止晶体管38阻止电流流到负载15并允许电容器17放电。如果感测电压变得小于第二值，则晶体管38被再次启动。

图4示出在半导体管芯81上形成的半导体器件或集成电路80的实施方式的一部分的放大平面图。控制器25在管芯81上形成。管芯81还可包括在图3中为制图简单而没有示出的其它电路。控制器25和器件或集成电路80通过半导体制造技术在管芯81上形成，这些技术对本领域的人员来讲是公知的。在其它实施方式中，控制器55或65可在管芯81上形成。

鉴于上述所有内容，显然公开的是一种新的器件和方法。连同其它特征，包括的是形成一种电荷泵电路，其配置成将提供给负载的电流控制到第一值。同样包括的是配置不多于三个的晶体管开关以耦合到电容器17，并可替换地将电容器17耦合在充电结构中以及在提供电流16的结构中。只使用三个晶体管开关还便于具有感测输入，并且仍然具有到控制器25的不多于六个的外部连接。

虽然本发明的主题是用特定的优选实施方式来描述的，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。本领域的技术人员应认识到，可用也允许电流16只在一个方向流动的任何类型的负载来代替LED 15。例如，负载可为二极管或具有与其串联的二极管的其它类型的电路。当负载为LED时，电荷泵控制器25起LED控制器的作用。进一步地，电路42和57的逻辑可用其它逻辑电路来代替。逻辑电路还可包括其它逻辑以确保电路42和57的非重叠操作。此外，为描述清楚而始终使用“连接(connect)”这个词，但是，其旨在具有与词“耦合(couple)”相同的含义。相应地，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (6)

1.一种电荷泵控制器，包括：

多个外部端子；

所述多个外部端子中的第一外部端子，所述第一外部端子配置成给LED提供电流；

所述多个外部端子中的第二外部端子，所述第二外部端子配置成接收表示到所述LED的所述电流的值并且通过所述电流形成的感测信号；

所述电荷泵控制器内部的不多于三个的开关，其中所述不多于三个的开关配置成耦合到外部电容器，并且在第一时间段期间交替地将外部电容器耦合到电压源以给所述外部电容器充电，并在第二时间段期间耦合所述外部电容器以将所述电流提供给所述LED；以及

控制电路，其配置成响应于所述感测信号将所述提供到所述LED的电流的值调节到实质上第一值；以及

电流源，与所述不多于三个的开关中的一个开关串联耦合，其中所述电流源将所述电流的最大值限制为不大于第二值，其中所述第二值大于所述第一值。

2.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电荷泵控制器在具有不多于六个外部连接的半导体管芯上形成。

3.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述不多于三个的开关中的第一开关和第二开关配置成将所述电容器耦合在充电结构中，且其中所述不多于三个的开关中的第三开关配置成耦合所述电容器以向所述LED提供电流。

4.如权利要求3所述的电荷泵控制器，其中所述电流源串联耦合在所述第三开关和所述LED之间以限制提供给所述LED的所述电流的最大值。

5.一种形成LED控制器的方法，包括：

配置所述LED控制器以耦合电容器来在第一时间段期间向LED提供电流并在第二时间段期间给所述电容器充电；

配置电荷泵控制器的不多于三个的交替开关的开关以耦合到电容器，包括将所述不多于三个的交替开关的开关中的每一个的至少一个载流电极配置为连接到所述电容器的至少一个极板，其中所述不多于三个的交替开关的开关被配置为在所述第一时间段期间将所述电容器耦合在充电结构中，以及在所述第二时间段期间耦合所述电容器以为所述LED提供电流；

将第一晶体管耦合在所述电荷泵控制器的第一输出和所述电荷泵控制器的供电电压输入之间，所述第一晶体管是所述不多于三个的交替开关的开关中的第一开关，其中所述第一输入被配置为耦合到所述电容器的第一极板以及耦合到所述LED的第一端子；

将第二晶体管耦合在所述电荷泵控制器的第二输出和所述供电电压输入之间，所述第二晶体管是所述不多于三个的交替开关的开关中的第二开关，其中所述第二输出被配置为耦合到所述电容器的第二极板；配置所述LED控制器以接收表示所述电流的感测信号并响应于所述感测信号的值将所述电流调节到实质上第一值；以及

在具有不多于六个外部端子的半导体管芯上形成所述LED控制器。

6.如权利要求5所述的方法，其中配置所述LED控制器以接收表示所述电流的所述感测信号并将所述电流调节到实质上第一值的步骤包括：比较所述感测信号与基准值，以及禁止所述LED控制器耦合所述电容器来向所述LED提供所述电流。

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