CN101636910B - 形成电荷泵控制器的方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
一种形成电荷泵控制器的方法及其结构。在一个实施方式中，电荷泵控制器配置有具有至少两个不同的可选择的导通电阻值的晶体管，可用于给泵电容器充电。
Description
技术领域
本发明大体涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法及结构。
背景技术
过去，半导体工业利用各种方法和结构来构造电荷泵控制器，其利用电容器来增加来自电压源的电压的值，以便将大电压施加到负载。一般，晶体管用作开关，其交替地将泵电容器耦合到电压源用于给泵电容器充电，并接着将泵电容器与电压源串联耦合以向负载提供较高的电压。在2007年1月18日出版的发明人Remi Gerber的PCT专利公布号WO/2007/008202中公开了电荷泵控制器的例子。
当开关电容控制器首先将功率施加到泵电容器时，需要大电流最初给电容器充电到期望的电压。该电流常常称为涌入电流。涌入电流通常非常大，且常常超过用于给电容器充电的电压源的最大电流容量。
此外，如果控制器的输出与地短路，则短路条件常常使大短路电流流动，这常常损坏控制器。
因此，期望有一种限制涌入电流的值并在短路条件下最小化损坏的开关电容控制器。
附图说明
图1简要示出利用根据本发明的开关电容控制器的电源系统的示例性形式的一部分的实施方式；
图2是具有曲线的图，其示出在根据本发明的图1的开关电容控制器的操作期间形成的一些信号；
图3简要示出包括根据本发明的图1的控制器的半导体器件的放大平面图；
图4简要示出另一开关电容控制器的示例性形式的一部分的实施方式，其为根据本发明的图1的控制器的可选实施方式。
图5简要示出利用根据本发明的另一开关电容控制器的另一电源系统的示例性形式的一部分的实施方式。
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细节。如这里所使用的载流电极表示器件的一个元件，该元件承载通过该器件的电流，载流电极例如为MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的集电极或发射极、或二极管的阴极或阳极；而控制电极表示器件的一个元件，该元件控制通过该器件的电流，控制电极例如为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个N沟道或P沟道器件、或某个N型或P型掺杂区，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”不是表示一有启动行为就会马上发生行为的准确术语，而是在被初始行为激起的反应之间可能有一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。为了附图的清楚，器件结构的掺杂区被示为一般具有直线边缘和精确角度的角。但是，本领域的技术人员理解，由于掺杂物的扩散和活化，掺杂区的边缘一般不是直线，并且角可能不是精确的角度。
此外，本发明的器件被示为显示蜂窝式设计(其中晶体管的体区域是多个蜂窝式区域)或单体设计(其中体区域由以细长图案、一般以蛇状图案形成的单个区域组成)。为了容易理解，本发明的器件在整个说明书中被描述为单体设计，然而，应理解，意图是本发明包括蜂窝式设计和单体设计。
具体实施方式
图1简要示出电源系统10的示例性形式的一部分的实施方式，该电源系统10利用开关电容控制器20来将输出电压提供到负载，例如发光二极管(LED)15。系统10在功率输入端子12和功率返回端子13之间从电压源例如电池11接收功率，并在输出27和返回端子13之间形成输出电压。泵电容器14用于增加从电池11接收的电压的值，以便向LED15提供输出电压和负载电流17。电容器16可连接在输出27和返回13之间，以稳定提供到LED 15的输出电压的值。
开关电容控制器20配置成在初始启动阶段期间限制用于给电容器14充电的充电电流45的值，并在启动阶段之后提供较大值的电流45来给电容器14充电。如将在下文中进一步看到的，控制器20利用具有两个不同的导通电阻值的晶体管。在启动阶段期间选择性地使用第一导通电阻，以便限制提供到泵电容器14的电流的值，并在启动阶段之后选择性地使用较低的导通电阻。
控制器20具有连接在端子12和13之间的功率输入21和功率返回22，以便接收用于操作控制器20的功率。控制器20包括用于将电容器14连接到控制器20的泵电容器输入24和15、向负载提供输出电压的输出27、以及用于控制负载电流17的值的控制输入29。除了两个开关例如晶体管56和57以外，控制器20的开关矩阵还包括MOS晶体管41、另一MOS晶体管46。开关矩阵用于将电容器14交替地连接在充电配置和放电配置之间，其中，充电配置用于从电池11接收的输入电压给电容器14充电，而在放电配置中，电容器14与电池11一起用于向负载15和电容器16提供电流40。
控制器20的控制电路31用于形成时钟信号和控制信号，该时钟信号和控制信号被用于操作开关矩阵。电流源55用于控制电流17的值。控制电路31包括多相时钟发生器或时钟32、与非门34、与门37、比较器50以及反相器33、36、39和54。电路31的大部分元件连接在输入21和返回22之间，以便接收操作功率。比较器50连同反相器54一起用于形成指示控制器20在操作的启动阶段中工作的启动(S)信号，并指示操作的启动阶段结束。时钟32产生被标为充电时钟(C)和放电时钟(D)的两个不重叠的时钟。门34和37除了启动(S)信号以外还使用C和D信号，以形成称为充电启动(CS)和放电启动(DS)的相应的控制信号。CS和DS信号用于选择性地改变晶体管41和46的导通电阻。反相器36和39分别形成控制信号CB和DB，其分别用于帮助将电容器14连接在充电和放电配置中。
图2是具有曲线的图，其示出在控制器20的操作期间形成的一些信号。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加的值。曲线58示出充电时钟(C)信号，曲线59示出放电时钟(D)信号，曲线60示出启动(S)信号，曲线61示出充电启动(CS)信号，而曲线62示出放电启动(DS)信号。该描述参考图1和图2。当功率被首次施加时，电容器14和16被放电。比较器50比较电容器16上的电压与输入21上的输入电压的值。如果电容器16上的电压的值小于参考电压，则比较器50和反相器54迫使启动(S)信号低，以指示比较器16和14未被充电，以及控制器20工作在启动阶段中。
晶体管41形成有两个晶体管部分42和43，每个晶体管部分作为单独的晶体管操作。晶体管部分42和43具有公共源极区和公共漏极区，但具有分离的栅极区和沟道区，以便可通过将分离的信号应用于分离的栅极而独立地使能(enable)和禁止(disable)晶体管部分42和43。第一晶体管部分42形成有比第二晶体管部分43更窄的沟道宽度。因此，当禁止部分43并使能部分42的信号应用于部分42的栅极时，晶体管41具有第一导通电阻。当部分43被使能而部分42被禁止时，晶体管41具有低于第一导通电阻的第二导通电阻，这是因为部分43的沟道宽度比部分42的沟道宽度宽。因为部分42和43并联连接，将使部分42和43使能的信号应用于部分42和43的栅极，所形成的晶体管41的导通电阻低于部分42也低于部分43单独的导通电阻。与晶体管41类似地，晶体管46一般形成有第一部分47和第二部分48，第一部分47和第二部分48与相应的部分42和43类似地形成。晶体管41和46可形成为如图3所示的单体区域，或具有多个体区域的基于单元的结构。基于单元的晶体管结构对本领域技术人员是公知的。
为了理解控制器20的操作的目的，假定在时刻To(图2)，电容器14和16已被事先放电。时钟32迫使充电时钟(C)信号高，并确保放电时钟(D)为低，如曲线58和59所示的。因为电容器16被放电，电容器16呈现为短路，因此，晶体管51的栅极通过电容器16被拉低，从而使能晶体管51。由于晶体管51被使能，晶体管51将节点53拉到功率输入21的值，因此，节点53为高，且反相器54的输出上的启动信号(S)为低。低D信号迫使反相器33的输出高，以禁止晶体管41的部分42。低S信号迫使门34的输出高，以禁止晶体管41的部分43。低D信号也迫使反相器36的输出高，以禁止晶体管57。低启动(S)信号迫使门37的输出低，并阻止高C信号使能晶体管46的部分48。然而，高C信号使能晶体管46的部分47，这将电容器14的连接到输入25的端子耦合到返回22。高C信号也迫使反相器39的输出低，这使能晶体管56来从输入24耦合电容器14的另一端子，以接收来自输入21的电压并接收充电电流45，从而给电容器14充电。因为只有晶体管46的部分47被使能，晶体管46的导通电阻高，从而限制了充电电流45的值。优选地，由部分47形成的晶体管46的导通电阻被选择成确保电流45的值在启动阶段期间小于电池11可提供的电流的最大值。
随后在时刻T1(图2)，C信号变低，且其后D信号变高。低C信号禁止晶体管46和56，以使电容器14去耦而不接收充电电流45和来自电池11的电压。因为S保持低，门34阻止高D信号影响晶体管41的部分43。然而，高D信号迫使反相器33的输出低，以使能晶体管41的部分42，从而以高导通电阻使能晶体管41，以从输入25将电容器14的第一端子与在输入21上接收的、来自电池11的电压串联耦合。高D信号也迫使反相器36的输出低，从而使能晶体管57，从而将电容器14的第二端子耦合到输出27，以便向负载LED15提供电流40并给电容器16充电。因为只有晶体管41的部分42被使能，晶体管41的导通电阻高，且电流40的值低。部分42的导通电阻通常被选择成确保电流40的值小于电池11可提供的电流的最大值。此外，因为S信号为低，电流源55被禁止，这阻止电流40通过电流源55流到返回22，因此，电容器14用于给电容器16充电。时钟32继续形成充电时钟(C)信号和放电时钟(D)信号。只要启动(S)信号保持低，控制器20就继续只利用晶体管41和46的第一部分来给电容器14充电，从而限制了充电电流45和放电电流40的值。
随后在时刻T2，电容器16被充电到大于施加到比较器50的参考电压的值，这迫使S信号高。在比较器50的优选实施方式中，当电容器16上的电压被充电到不小于来自电池11的电压减去晶体管51的阈值电压(Vth)的值从而禁止晶体管51时，操作的启动阶段结束。在其它实施方式中，比较器50可以有包括具有分离的参考电压的差动比较器的其它实施方式。反相器54的输出上的高S信号使能门37和34，以便C信号和D信号分别用于使能晶体管46的部分47和48以及晶体管41的部分42和43，从而形成晶体管46和41的较低的导通电阻。多个导通电阻允许电流45形成为在启动阶段期间有低值而在启动阶段结束之后具有较高的电流值。电流45的较高值将较大的电荷储存在电容器14上，使得除了向LED 15提供源55所控制的负载电流17以外，电流40还可保持对电容器16充电。这允许电容器16在电容器14连接在充电配置中的时间间隔期间提供源55所控制的电流17。优选地，晶体管46的第一部分17形成的导通电阻比第二部分48形成的导通电阻大于等于至少10倍。类似地，晶体管41的第一部分42形成的导通电阻通常比第二部分43形成的导通电阻至少大10倍。一般，晶体管56和57的导通电阻与晶体管41和46的两个部分形成的较低的导通电阻具有相同的数量级。
在控制器20的操作期间，如果输出27被短路到返回端子13，则输出27上的输出电压将小于输入21上的电压减去比较器50的参考电压，因此，S信号再次变低，从而分别禁止晶体管41和46的第二部分43和48。控制器20继续操作并使用晶体管46的第一部分47以给电容器14充电，并使用晶体管41的第一部分42以给电容器14放电。由于部分42和47的高导通电阻，限制了通过输出27提供的电流，这将防止输出27上的短路条件破坏控制器20。
为了便于控制器20的这项功能，时钟32产生C信号的输出共同连接到反相器39的输入、晶体管46的第一部分47的栅极和门37的第一输入。门37的第二输入共同连接到门34的第一输入、源55的控制输入和反相器54的输出。反相器54的输入连接到节点53。门37的输出共同连接到晶体管46的部分48的栅极。反相器39的输出连接到晶体管56的栅极。时钟32形成D信号的输出连接到反相器36的输入、门34的第二输入和反相器33的输入。反相器33的输出连接到晶体管41的部分42的栅极。门34的输出共同连接到晶体管41的部分43的栅极。反相器36的输出连接到晶体管57的栅极。部分43和42的源极，因而晶体管41的源极连接到输入21。部分43和42的漏极，因而晶体管41的漏极连接到输入25。部分47和48的漏极，因而晶体管46的漏极连接到输入25。部分47和48的源极，因而晶体管46的源极连接到返回22。晶体管51的源极共同连接到输入21和晶体管56的源极。晶体管51的漏极连接到节点53和电阻器52的第一端子。晶体管51的栅极连接到输出27。电阻器52的第二端子共同连接到返回22和电流源55的返回。电流源55的输入连接到输入29。晶体管57的漏极连接到输出27。晶体管57的源极共同连接到输入24和晶体管56的漏极。电容器14的第一端子连接到输入25，而第二端子连接到输入24。
图3简要示出在半导体管芯66上形成的半导体器件或集成电路65的实施方式的一部分的放大平面图。控制器20在管芯66上形成。管芯66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20和器件或集成电路65通过半导体制造工艺在管芯66上形成，这些工艺对本领域的技术人员来讲是公知的。平面图示出晶体管部分42和43有公共源极区68和分离的公共漏极区69。同样，晶体管部分47和48有公共源极区71和分离的公共漏极区72。
图4简要示出电源系统100的示例性形式的一部分的实施方式，电源系统100为在图1的说明中描述的系统10的可选实施方式。系统100包括开关电容控制器102，其为在图1的说明中描述的控制器20的可选实施方式。控制器102包括控制电路103，其为在图1的说明中描述的控制器31的可选实施方式，除了电路103利用储存在泵电容器14上的电压来确定启动阶段结束的适当时间。控制器103比较储存在电容器14上的电压与参考电压，而不是比较负载电容器16上的电压与参考电压。电路103包括采样保持(S/H)电路105，当C信号为高时保持电路105对电容器14上的电压采样。采样保持(S/H)电路105形成表示储存在电容器14上的电压的值的信号。
图5简要示出电源系统110的示例性形式的一部分的实施方式，电源系统110为在图1的说明中描述的系统10的可选实施方式。系统110包括开关电容控制器111，其为在图1的说明中描述的控制器20的可选实施方式。控制器111包括控制电路112，其为在图1的说明中描述的控制器31的可选实施方式，除了电路112可操作地耦合成以高导通电阻值使能晶体管114和115并在电容器16上的电压增加时逐渐降低该导通电阻。控制器112配置成以使晶体管114和115有高导通电阻值的栅极到源极电压(Vgs)值来使能晶体管114和115，并接着逐渐增加Vgs以降低导通电阻。缓冲器117连接成接收输入21和模拟加法器120的输出之间的工作电压。在缓冲器117的输出上形成的输出信号的值在输入21上的电压值和输入21上的电压值减去加法器120所形成的输出电压值之间摆动。缓冲器118连接成接收加法器120的输出和返22之间的工作电压。当电容器16上的电压值增加时，加法器120的输出增加，这导致施加到晶体管114和115的Vgs的增加。晶体管115可被视为控制充电电流45的值的可变电阻器或可变电流源。类似地，晶体管114可被视为控制放电电流40的值的可变电阻器或可变电流源。
鉴于上述全部内容，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具有多个栅极的开关晶体管，导致允许使能不同数量的多个栅极来选择性地形成晶体管的多个导通电阻。使用晶体管来选择性地形成第一导通电阻来给开关电容控制器的泵电容器充电到第一电压值，并且也选择性地使用较低的导通电阻来维持泵电容器上的电压。对不同的工作阶段选择性地使用不同的导通电阻值便于至少在操作的启动阶段期间减小了涌入电流。使用多个导通电阻也提高了用于给泵电容器供电的电池的寿命，并减少了开关电容控制器的成本。
虽然用特定的优选实施方式描述了本发明的主题，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是明显的。更具体地，对具有多个栅极区和沟道区的MOS晶体管描述了本发明的主题，这些栅极区和沟道区便于选择性地以不同的导通电阻值使能MOS晶体管。虽然MOS晶体管被示为有两个不同的栅极区和沟道区，但可使用任何数量的栅极区和沟道区。此外，可使用各种算法来选择性地使能多个栅极区和沟道区，例如以渐进方式使能它们，以在一段时间间隔内多步地改变导通电阻，而不是使用两个不同的导通电阻。进一步地，单栅极晶体管可被逐渐使能，以通过逐渐改变晶体管的Vgs来改变导通电阻。此外，为描述清楚而始终使用“连接”这个词，但是，其被规定为与词“耦合”具有相同的含义。相应地，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。
Claims (15)
1.一种开关电容控制器，包括：
第一MOS晶体管，其具有包括第一栅极的第一部分并具有包括第二栅极的第二部分，所述第一栅极配置成形成所述第一MOS晶体管的第一导通电阻，所述第二栅极配置成形成所述第一MOS晶体管的小于所述第一导通电阻的第二导通电阻，所述第一MOS晶体管配置成将一泵电容器耦合成接收第一电流以给所述泵电容器充电；
第二MOS晶体管，其具有包括第一栅极的第一部分并具有包括第二栅极的第二部分，所述第一栅极配置成形成所述第二MOS晶体管的第一导通电阻，所述第二栅极配置成形成所述第二MOS晶体管的小于所述第一导通电阻的第二导通电阻，所述第二MOS晶体管配置成将所述泵电容器耦合成向负载提供第二电流；
第一电路，其配置成响应于所述泵电容器或负载电容器之一上的第一电压不大于第一值而使能所述第一MOS晶体管的所述第一部分且不使能所述第一MOS晶体管的所述第二部分，以给所述泵电容器充电；
所述第一电路配置成响应于所述第一电压不大于所述第一值而使能所述第二MOS晶体管的所述第一部分且不使能所述第二MOS晶体管的所述第二部分，以向所述负载提供所述第二电流；
所述第一电路配置成响应于所述第一电压不小于所述第一值而使能所述第一MOS晶体管的所述第一部分和所述第二部分；以及
所述第一电路配置成响应于所述第一电压不小于所述第一值而使能所述第二MOS晶体管的所述第一部分和所述第二部分。
2.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中所述第一电路包括比较器，所述比较器配置成将所述泵电容器或负载电容器之一上的电压与参考电压进行比较。
3.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中，所述第一电路被配置成使能所述第一MOS晶体管的所述第一部分包括所述第一电路被配置成使能所述第一MOS晶体管的所述第一部分而不使能所述第一MOS晶体管的所述第二部分。
4.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中所述第一电路配置成彼此异相地使能所述第一MOS晶体管和所述第二MOS晶体管。
5.如权利要求1所述的开关电容控制器，进一步包括第三晶体管，所述第三晶体管响应于使能所述第一MOS晶体管而被使能，所述第三晶体管配置成将所述泵电容器的一个端子耦合到充电电压，而所述第一MOS晶体管配置成将所述泵电容器的第二端子耦合到电压返回。
6.如权利要求1所述的开关电容控制器，进一步包括第四晶体管，所述第四晶体管响应于使能所述第二MOS晶体管而被使能，所述第四晶体管配置成将所述泵电容器的一个端子耦合到所述开关电容控制器的输出，而所述第二MOS晶体管配置成将所述泵电容器的第二端子耦合成接收所述开关电容控制器的输入电压。
7.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中所述第一MOS晶体管的所述第一导通电阻大于大约10倍的所述第一MOS晶体管的所述第二导通电阻。
8.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中所述第二MOS晶体管的所述第一导通电阻大于大约10倍的所述第二MOS晶体管的所述第二导通电阻。
9.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中所述第一MOS晶体管的所述第一部分和所述第二部分共享公共源极区和公共漏极区以及分离的栅极区和沟道区。
10.如权利要求1所述的开关电容控制器，其中所述第一MOS晶体管形成为基于单元的晶体管。
11.一种形成用于开关电容控制器的开关的方法，包括：
形成具有第一部分和第二部分的第一MOS晶体管，所述第一部分具有第一栅极，所述第一栅极响应于使能所述第一部分而给所述第一MOS晶体管提供第一导通电阻，而所述第二部分具有第二栅极，所述第二栅极响应于使能所述第二部分而给所述第一MOS晶体管提供第二导通电阻；以及
耦合所述第一MOS晶体管以可操作地切换一泵电容器来接收给所述泵电容器充电的第一电流。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：将一控制电路配置为响应于所述泵电容器或负载电容器之一上的电压不大于第一值而使能所述第一MOS晶体管的所述第一部分但不使能所述第一MOS晶体管的所述第二部分。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括形成具有第一部分和第二部分的第二MOS晶体管，所述第一部分具有第一栅极，所述第一栅极响应于使能所述第一部分而给所述第二MOS晶体管提供第一导通电阻，所述第二部分具有第二栅极，所述第二栅极响应于使能所述第二部分而给所述第二MOS晶体管提供第二导通电阻；以及
耦合所述第二MOS晶体管以可操作地切换所述泵电容器来将第二电流从所述泵电容器提供到负载。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：配置一控制电路以响应于所述泵电容器或负载电容器之一上的电压不大于第一值而使能所述第一MOS晶体管的第一部分和所述第二MOS晶体管的第一部分，但不使能所述第一MOS晶体管的第二部分且不使能所述第二MOS晶体管的第二部分。
15.如权利要求11所述的方法，其中形成具有第一部分的第一MOS晶体管的步骤包括将所述第一部分和所述第二部分形成为具有公共源极区和公共漏极区以及分离的沟道区和栅极区，并进一步包括将所述第一导通电阻形成为至少10倍于所述第二导通电阻。
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