CN101777553B - 内建结型场效应晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路 - Google Patents
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Abstract
一种内建结型场效应晶体管的功率晶体管芯片及其应用电路，其以结型场效应晶体管来作为交/直流电压转换电路的启动电路，以在交/直流电压转换电路的脉宽调制电路开始正常工作后，可以关闭启动电路的运作，以节省功率的消耗。此外，并将结型场效应晶体管内建于功率晶体管芯片中，由于结型场效应晶体管可以功率晶体管的相同工艺来制作，故不会增加额外的掩模与工艺，而可简化工艺、节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压调节器(Voltage Regulator)电路，且特别涉及一种内建结型场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor，简称JFET)的功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路。
背景技术
随着半导体科技的快速演进，使得例如电脑及其周边数字产品等也日益地更新。在电脑及其周边数字产品的应用集成电路(Integrated Circuit，简称IC)中，由于半导体工艺的快速变化，造成集成电路电源的更多样化需求，以致应用如升压器(Boost Converter)、降压器(Buck Converter)等各种不同组合的电压调节器电路，来实现各种集成电路的不同电源需求，也成为能否提供多样化数字产品的极重要因素之一。在各种电压调节器电路中，交/直流电压转换电路(AC/DC Voltage Converter)由于能将一般市售的交流电源转换为所需稳定的直流电源输出，因而广泛地作为电压调节器电路的前级电路使用。
请参考图1所示，其为公知的一种交/直流电压转换电路图，图中显示，交/直流电压转换电路10包括：桥式整流电路11、功率晶体管芯片12、脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)电路13、启动(Start Up)电路14、变压器电路15、滤波与反馈电路16与工作电源电路17。其中，脉宽调制电路13用以依据输出的直流电源Vo的反馈电压大小，来产生调制的脉宽调制信号，藉以控制并输出稳定的直流电源Vo。脉宽调制电路13通常需仰赖低压直流电源来驱动，而交/直流电压转换电路10启始时，并无可供脉宽调制电路13工作所需的直流电源，因而应用图中的启动电路14与工作电源电路17，来接续提供其运作所需的电源。
交/直流电压转换电路10启始时，桥式整流电路11的输出端会输出一具有涟波的直流电源，因此，即可通过组成启动电路14的电阻引入脉宽调 制电路13中，以作为其启始运作的电源。之后，脉宽调制电路13即得以开始正常工作，以依据输出的直流电源Vo的反馈电压大小，来产生调制的脉宽调制信号，藉以控制功率晶体管芯片12的功率晶体管的启闭时间长短，进而输出稳定的直流电源Vo。在交/直流电压转换电路10启动并输出稳定的直流电源Vo后，连接变压器电路15的工作电源电路17，即可接手提供较为稳定的工作电源，使脉宽调制电路13可以更为稳定地工作。
前述作法虽可使交/直流电压转换电路10正常地工作，然而，当电路稳定工作后，启动电路14应可功成身退但却仍处于其原始状态，对工作效能而言，不免有所缺失。因此，如图2与图3所示地，以耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(Depletion Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，简称Depletion MOSFET)221与331来取代，并通过脉宽调制电路23或33输出的启动信号st，来分别启断耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221与331的运作，以节省功率的消耗。
图2与图3不同的是，耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221与331，分别集成在功率晶体管芯片22与脉宽调制电路33的芯片中。无论采用哪种方式，应用耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221或331，来作为启动电路的交/直流电压转换电路，其芯片的制造过程，都会因为耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管221或331所增加的沟道(N沟道或P沟道)工艺，使得其芯片的工艺更为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路，其使用结型场效应晶体管来作为启动电路，并将结型场效应晶体管内建于功率晶体管芯片中。因此，不仅具有节省功率消耗的功效，更不会增加额外的掩模与工艺，进而可简化工艺、节省成本。
为实现上述及其他目的，本发明提供一种内建结型场效应晶体管的功率晶体管芯片，可适用于交/直流电压转换电路。此功率晶体管芯片包括：第一接脚、第二接脚、第三接脚、第四接脚、第五接脚、功率晶体管与结型场效应晶体管。其中，功率晶体管用以作为交/直流电压转换电路的功率开关，其具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极。第一源/漏极耦接第一接脚，第二源/漏极耦接第二接脚，功率晶体管栅极耦接第三接脚。结型场效应晶体管用以作为交/直流电压转换电路的启动电路，其具有第三源/漏极、第四源/漏极与结型场效应晶体管栅极，第三源/漏极耦接第一接脚，第四源/漏极耦接第四接脚，结型场效应晶体管栅极耦接第五接脚。
本发明还提供一种交/直流电压转换电路，可将输入的交流电源转换为稳定的直流电源输出。此交/直流电压转换电路除应用前述的内建结型场效应晶体管的功率晶体管芯片外，还包括：桥式整流电路、脉宽调制电路、变压器电路、滤波与反馈电路及工作电源电路。
其中，桥式整流电路具有电源输入端与整流输出端，电源输入端用以接收输入的交流电源。变压器电路具有主线圈、次线圈与副线圈，主线圈的一端耦接桥式整流电路的整流输出端、另一端耦接功率晶体管芯片的第一接脚，也就是耦接功率晶体管的第一源/漏极与结型场效应晶体管的第三源/漏极。
脉宽调制电路具有启动电源控制端、工作电源端、脉宽调制信号输出端与电流检测端，启动电源控制端耦接功率晶体管芯片的第五接脚，也就是结型场效应晶体管栅极，以控制结型场效应晶体管的启闭。工作电源端耦接功率晶体管芯片的第四接脚，也就是结型场效应晶体管的第四源/漏极，以接收结型场效应晶体管输出的启动电源。脉宽调制信号输出端耦接功率晶体管芯片的第三接脚，也就是功率晶体管栅极，用以依据反馈电压的大小，来输出调制直流电源的脉宽调制信号。电流检测端耦接功率晶体管芯片的第二接脚，也就是功率晶体管的第二源/漏极，用以检测流经功率晶体管的电流。
工作电源电路耦接变压器电路的副线圈与脉宽调制电路的工作电源端，用以在脉宽调制电路断开结型场效应晶体管输出的启动电源后，持续提供脉宽调制电路工作所需的电源。滤波与反馈电路则耦接变压器电路的次线圈，用以滤波并输出稳定的直流电源、以及提供脉宽调制电路调制所需的反馈电压。
综上所述，由于本发明所提供的一种功率晶体管芯片及应用此芯片的交/直流电压转换电路，使用结型场效应晶体管来作为启动电路，因而可于交/直流电压转换电路稳定工作后，启断结型场效应晶体管的运作，以节省 功率的消耗。此外，由于将结型场效应晶体管内建于功率晶体管芯片中，而结型场效应晶体管可以功率晶体管的相同工艺来制作，故不会增加额外的掩模与工艺，进而可简化工艺、节省成本。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以优选实施例，并配合附图，作出如下详细说明。
附图说明
图1显示公知的一种交/直流电压转换电路图。
图2显示公知的一种应用耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管作为启动电路的交/直流电压转换电路简图。
图3显示图2的另一种实施方式。
图4显示根据本发明优选实施例的一种交/直流电压转换电路图。
图5显示图4的功率晶体管芯片的结型场效应晶体管启动导通示意图。
图6显示图4的功率晶体管芯片的结型场效应晶体管启断时的示意图。
具体实施方式
请参考图4所示，其为根据本发明优选实施例的一种交/直流电压转换电路图，此交/直流电压转换电路40可将电源输入端411输入的交流电源Vin，转换为稳定的直流电源Vo后输出。图中，交/直流电压转换电路40包括：桥式整流电路41、功率晶体管芯片42、脉宽调制电路43、变压器电路45、滤波与反馈电路46及工作电源电路47等功能方块。
如图所示，功率晶体管芯片42具有第一接脚421、第二接脚422、第三接脚423、第四接脚424、第五接脚425、功率晶体管426与结型场效应晶体管427。故知，此芯片将作为交/直流电压转换电路40的启动电路用的结型场效应晶体管427，集成内建于功率晶体管芯片42中，以实现简化交/直流电压转换电路40所使用芯片的工艺的目的。图中，功率晶体管426与结型场效应晶体管427，虽然是以N型金属氧化物半导体场效应晶体管与N型结型场效应晶体管为例，并在功率晶体管芯片42中，同时内建连接功率晶体管426的栅极的电阻428，然而本领域技术人员应知，亦可采用P型金属氧化物半导体场效应晶体管或P型结型场效应晶体管等不同型式的晶体 管。另外，内建的电阻428亦可选择性地集成在脉宽调制电路43的芯片中，而无须包含于此功率晶体管芯片42内。
其中，功率晶体管426是用以作为交/直流电压转换电路40的功率开关，其具有耦接功率晶体管芯片42第一接脚421的第一源/漏极、耦接功率晶体管芯片42第二接脚422的第二源/漏极与耦接功率晶体管芯片42第三接脚423的功率晶体管栅极。结型场效应晶体管427具有耦接功率晶体管芯片42第一接脚421的第三源/漏极D、耦接功率晶体管芯片42第四接脚424的第四源/漏极S与耦接功率晶体管芯片42第五接脚425的结型场效应晶体管栅极G。
当交/直流电压转换电路40启始时，桥式整流电路41自其电源输入端411接收输入的交流电源Vin，经全波整流后自其整流输出端412输出具有涟波的直流电源，再经一端与整流输出端412耦接的变压器电路45的主线圈451，到达另一端所耦接的功率晶体管芯片42的第一接脚421，也就是结型场效应晶体管427的第三源/漏极D与功率晶体管426的第一源/漏极。
为了提供脉宽调制电路43启始运作的电源，脉宽调制电路43的工作电源端432是耦接至功率晶体管芯片42的第四接脚424，也就是结型场效应晶体管427的第四源/漏极S。此时，由于脉宽调制电路43所输出的启动信号st是为低准位，其内建的晶体管436并未导通，使得脉宽调制电路43的工作电源端432与启动电源控制端431，均具有VCC的相同电位。
另外，由于脉宽调制电路43的启动电源控制端431是耦接至功率晶体管芯片42的第五接脚425，也就是结型场效应晶体管栅极G；脉宽调制电路43的工作电源端432是耦接至功率晶体管芯片42的第四接脚424，也就是结型场效应晶体管427的第四源/漏极S。因此，结型场效应晶体管427的第四源/漏极S与结型场效应晶体管栅极G亦均具有VCC的相同电位而导通(如图5所示)，因而可将桥式整流电路41输出的具有涟波的直流电源，传送至结型场效应晶体管427的第四源/漏极S。
此时，脉宽调制电路43即通过与结型场效应晶体管427的第四源/漏极S耦接的工作电源端432，来取得启始运作的电源而开始工作。之外，并依据交/直流电压转换电路40输出的直流电源Vo的反馈电压大小，来产生调制的脉宽调制信号自其脉宽调制信号输出端433输出，再经与其耦接的 功率晶体管芯片42的第三接脚423及电阻428，传送至功率晶体管芯片42的功率晶体管栅极，藉以控制功率晶体管426的启闭时间长短，并配合耦接功率晶体管芯片42的第二接脚422、用以检测流经功率晶体管426的电流的电流检测端434，来调整脉宽调制信号的脉宽，使交/直流电压转换电路40可以输出稳定的直流电源Vo。
当脉宽调制电路43开始工作后，变压器电路45的次线圈452即会感应电压，并经与其耦接的滤波与反馈电路46的滤波，而输出稳定的直流电源Vo。脉宽调制电路43调制所需参考的反馈电压，则通过图中滤波与反馈电路46的发光二极管461与光晶体管435的隔离检测而得。
另外，变压器电路45的副线圈453也会同时感应电压，并经由与其耦接的工作电源电路47的滤波，而传送至脉宽调制电路43的工作电源端432。此时，由于工作电源电路47所提供的稳定工作电源，已能供应脉宽调制电路43更为稳定地工作所需，因此，脉宽调制电路43将输出的启动信号st拉升为高准位，使其内建的晶体管436导通，进而将脉宽调制电路43的启动电源控制端431拉低至GND地电位，造成结型场效应晶体管427的第四源/漏极S与结型场效应晶体管栅极G间的逆偏压而夹断(如图6所示)，以通过启断结型场效应晶体管427的运作，来关闭结型场效应晶体管427输出的启动电源。之后，便由工作电源电路47所提供的稳定工作电源，来持续地提供脉宽调制电路43工作所需的电源，以节省交/直流电压转换电路40的功率消耗。
请参考图5与图6所示，由于根据本实施例所提供的内建结型场效应晶体管的功率晶体管芯片42，是将结型场效应晶体管427内建于功率晶体管芯片42中，且因结型场效应晶体管427与功率晶体管426间，均具有类似的掺杂结构，故可以使用相同的工艺来制作，而不会增加额外的掩模与工艺，进而可实现简化工艺、节省成本的目的。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种修改与改变，均属本发明的范围。因此，本发明的保护范围当以所附的权利要求所限定的为准。
Claims (8)
1.一种内建结型场效应晶体管的功率晶体管芯片，适用于交/直流电压
转换电路，包括：
第一接脚；
第二接脚；
第三接脚；
第四接脚；
第五接脚；
功率晶体管，用以作为该交/直流电压转换电路的功率开关，具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极，该第一源/漏极耦接该第一接脚，该第二源/漏极耦接该第二接脚，该功率晶体管栅极耦接该第三接脚；以及
结型场效应晶体管，用以作为该交/直流电压转换电路的启动电路，具有第三源/漏极、第四源/漏极与结型场效应晶体管栅极，该第三源/漏极耦接该第一接脚，该第四源/漏极耦接该第四接脚，该结型场效应晶体管栅极耦接该第五接脚。
2.如权利要求1所述的功率晶体管芯片，还包括介于该功率晶体管栅极与该第三接脚间的电阻。
3.如权利要求1所述的功率晶体管芯片，其中该功率晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.如权利要求1所述的功率晶体管芯片，其中该结型场效应晶体管为N型结型场效应晶体管。
5.一种交/直流电压转换电路，适用于将交流电源转换为稳定的直流电源，包括：
功率晶体管芯片，该功率晶体管芯片包括：
第一接脚；
第二接脚；
第三接脚；
第四接脚；
第五接脚；
功率晶体管，用以作为该交/直流电压转换电路的功率开关，具有第一源/漏极、第二源/漏极与功率晶体管栅极，该第一源/漏极耦接该第一接脚，该第二源/漏极耦接该第二接脚，该功率晶体管栅极耦接该第三接脚；以及
结型场效应晶体管，用以作为该交/直流电压转换电路的启动电路，具有第三源/漏极、第四源/漏极与结型场效应晶体管栅极，该第三源/漏极耦接该第一接脚，该第四源/漏极耦接该第四接脚，该结型场效应晶体管栅极耦接该第五接脚；
桥式整流电路，具有电源输入端与整流输出端，该电源输入端用以接收该交流电源；
变压器电路，具有主线圈、次线圈与副线圈，该主线圈的一端耦接该整流输出端、另一端耦接该功率晶体管芯片的该第一接脚；
脉宽调制电路，具有启动电源控制端、工作电源端、脉宽调制信号输出端与电流检测端，该启动电源控制端耦接该第五接脚，以控制该结型场效应晶体管的启闭，该工作电源端耦接该第四接脚，以接收该结型场效应晶体管输出的启动电源，该脉宽调制信号输出端耦接该第三接脚，用以依据反馈电压的大小，来输出调制该直流电源的脉宽调制信号，该电流检测端耦接该第二接脚，用以检测流经该功率晶体管的电流；
工作电源电路，耦接该变压器电路的该副线圈及该脉宽调制电路的该工作电源端，用以在该脉宽调制电路断开该启动电源后，持续提供该脉宽调制电路工作所需的电源；以及
滤波与反馈电路，耦接该变压器电路的该次线圈，用以滤波并输出该直流电源及提供该脉宽调制电路调制所需的该反馈电压。
6.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中该功率晶体管芯片还包括介于该功率晶体管栅极与该第三接脚间的电阻。
7.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中该功率晶体管芯片的该功率晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
8.如权利要求5所述的交/直流电压转换电路，其中该功率晶体管芯片的该结型场效应晶体管为N型结型场效应晶体管。
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