具体实施方式
这里讨论的具体实施例仅为示例而不限制本发明的范围。
现在参照图2,图示了根据一个实施例构造的用于集成电路的欠压检测器的示意图。该欠压检测器能够用很小的静态电流来操作,这正成为新电路设计中的要求。另一新要求是用于输入偏置电压的更低操作阈值电压,这在检测输入偏置电压时要求更大精确度级别。先前要求用于功率转换器的控制器的集成电路设计的操作低至7V的输入电压。最新的设计现在要求低至4V的操作,这给电路设计的许多元件带来压力。因而,要求新设计用更小裕度来操作。
欠压检测器通过运用电阻器-分压器网络来感测输入偏置电压VBAT,该网络包括与M个npn双极晶体管Q1、Q2和Q4串联耦合的电阻器R1和R2。如图2中的示例性电路中所示,M=3,但是可以通过复制以二极管配置耦合的与电阻器R1串联的双极晶体管Q2来选择更大的数目M。通过图2中所示基极到集电极的短接来产生双极晶体管Q2的二极管配置。通过npn双极晶体管Q1耦合到晶体管Q4发射极的输入偏置电压VBAT通过由晶体管Q1的发射极-基极结产生的二极管正向电压降而降低。电阻器R3耦合于晶体管Q1的发射极与基极之间。随着输入偏置电压VBAT从零增加,电流起初流过电阻器R3,直至电阻器R3上的电压变成大约在晶体管Q1的基极-发射极电压的二极管正向电压降内。当电阻器R3上的电压变成大约在晶体管Q1的基极-发射极电压的二极管正向电压降内时,电流开始流过晶体管Q1的“基极-发射极二极管”,从而使晶体管Q1能够导通。因此,随着输入偏置电压VBAT从零增加,晶体管Q4起初仅导通小电流。随着输入电压VBAT进一步增加,晶体管Q4的集电极导通向电流镜202馈送的电流I1=(VBE_Q1)/R3。因此,输入偏置电压VBAT通过三个二极管电压降耦合到用电阻器R1和R2形成的电阻器-分压器网络。
又一二极管电压降可以由与用上分压器电阻器R1和下分压器电阻器R2形成的电阻器-分压器网络串联耦合的npn双极晶体管Q3产生。晶体管Q3通过图2中所示基极到集电极的短接来产生二极管电压降。一般而言,以二极管电路配置耦合的P个双极晶体管可以与电阻器R2串联耦合。在图2中所示示例性电路中,P=1,因为仅一个双极晶体管Q3与电阻器R2串联耦合。
在电阻器R1和R2的连接点产生的输入偏置电压VBAT(即电压V2)的经缩放的值由用p沟道场效应晶体管M1和M2形成的比较器感测,这些晶体管耦合到由n沟道场效应晶体管M3和M4形成的电流镜。在一个替代实施例中,通过本领域普通技术人员已知的必要电路适配,双极晶体管在这里和别处可以取代欠压检测器中的场效应晶体管。偏置电阻器R4和R5分别与场效应晶体管M1和M2的源极串联耦合。场效应晶体管M3和M4的衬底耦合到内部5V偏置电压源或者其它内部电压电平。参考电压VBG由带隙参考如1.25V带隙参考供应到比较器。场效应晶体管M1和M2的源极由电流镜201馈送电流I2=2·I1/N,电流镜201由N:1电流镜202供应参考电流I1/N,N:1电流镜202又被供应电流I1。比较器的输出信号203由n沟道场效应晶体管M7反相、由反相器INV1感测、然后由反相器INV2再次反相,以产生欠压检测器输出信号UPM2,用以提供芯片接通阈值电压VBAT_阈值。反相器INV1和INV2是为了提供特定逻辑输出信号而可以在欠压检测器设计中包括的可选电路元件。
在图2中,电压V2和电流I2通过以下等式相关:
其中VBE同样代表基极-发射极电压。参数P和M先前在上文中已描述。电阻器符号如符号“R1”和“R2”这里用来代表图中的电阻器以及它们在等式中的相应电阻值。
在比较器(由场效应晶体管M1、M2等形成)的转变/切换点,晶体管M1的栅极到源极阈值电压VGS(M1)等于晶体管M2的栅极到源极阈值电压VGS(M2),即:
VGS(M1)=VGS(M2)。
因而在比较器的转变/切换点,
比较器VBAT_阈值的阈值电压由以下等式给出:
根据上述等式,如果满足以下等式(1):
则以下等式(2)表明VBAT_阈值基本上仅与带隙参考产生的电压VBG和电阻器比相关:
如果电阻器R4和R5具有相等电阻,则如果下式成立则满足等式(1):
P·R1=M·R2,(3)
即数目P与数目M之比等于下分压器电阻器R2与上分压器电阻器R1的电阻比。上述等式(2)说明了用于由场效应晶体管M1、M2形成的比较器的阈值电压VBAT_阈值基本上与二极管和基极-发射极正向电压降无关,并因此基本上与比较器的操作温度和用于形成其中器件的工艺无关。等式(3)说明了当偏置电阻器R4和R5具有相等电阻时的更简单的关系。阈值电压与电阻器之比R1/R2相关,即使用以产生这些电阻器的半导体制造工艺产生电阻与温度或者工艺相关的个别电阻器,该比值仍然可以基本上恒定。因此,形成具有与温度和工艺无关的有利特性的欠压检测器。
在一个实施例中,用于图2中所示组件的值如下:
N=8,
R1=13.7MΩ,
R2=5.3MΩ,
M=3,
P=1,
R3=950kΩ。
R4=500kΩ,以及
R5=500kΩ。
可以针对N:1电流镜202的特定偏置电流调节电阻器R3的电阻,以由电流镜201提供用于比较器的适当输入电流水平。本领域技术人员将认识到,这里提供的值仅为举例并且许多变化都在本发明的范围内。虽然公开了3∶1的M与P之比,但是这一比值根据所得电路的希望性能特性可以是10∶1、1∶1、1∶3或者任何其它比值。
下文在表I中列举了用于参照图1和图2图示和描述的检测器的典型/最小/最大工艺变化的仿真结果,该表I示范了新检测器具有比常规检测器更好的温度特性。
表I
温度℃ |
工艺偏置 |
新检测器(V) |
常规检测器(V) |
-40 |
典型 |
4.51 |
4.85 |
27 |
典型 |
4.51 |
4.53 |
125 |
典型 |
4.48 |
4.02 |
-40 |
最小 |
4.60 |
4.86 |
27 |
最小 |
4.52 |
4.55 |
125 |
最小 |
4.49 |
4.06 |
-40 |
最大 |
4.52 |
4.84 |
27 |
最大 |
4.52 |
4.51 |
125 |
最大 |
4.48 |
3.99 |
因此,已经描述如下欠压检测器,该欠压检测器的操作有利地基本上与其操作温度或者用来形成欠压检测器的半导体组件的半导体工艺无关。该欠压检测器可以用来禁止集成电路在低输入偏置电压下操作。
已经介绍用如下分压器网络形成欠压检测器的概念,该分压器网络包括以二极管配置耦合的与电阻器分压器串联的多个半导体器件。在一个实施例中,形成如下分压器网络,其中以二极管配置耦合的半导体器件数目的比值与电阻器分压器中的电阻器电阻之比相等。在一个实施例中,与电阻器分压器的下部串联耦合的半导体器件数目和与电阻器分压器的上部串联耦合的半导体器件数目之比等于分压器电阻器的下部的电阻与分压器的上部的电阻之比。在又一实施例中,通过在欠压检测器中其它电阻的存在来校正以二极管配置耦合的半导体器件数目的比值。
在一个实施例中,分压器网络包括耦合到输入偏置电压源的第一端子的、数目为M的至少一个半导体器件的第一串联电路布置。电阻器分压器的第二串联电路布置包括第一分压器电阻器和第二分压器电阻器。第二串联电路布置与第一串联电路布置串联耦合。电路节点形成于第一与第二分压器电阻器之间。第三串联电路布置与第二串联电路布置串联耦合。第三串联电路布置包括耦合到输入偏置电压源的第二端子的、数目为P的至少一个半导体器件。形成比较器,其中一个输入耦合到两个分压器电阻器之间形成的电路节点而另一输入耦合到电压参考。在一个实施例中,数目P与数目M之比等于第二分压器电阻器的电阻与第一分压器电阻器的电阻之比。
在一个实施例中,第一串联电路布置被配置成提供用于比较器的偏置电流。
在一个实施例中,第一偏置电阻器耦合到第一比较器输入晶体管的电流输入端子,而第二偏置电阻器耦合到第二比较器输入晶体管的电流输入端子。
在一个实施例中,第一比较器输入晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管,而第一比较器输入晶体管的电流输入端子是第一比较器输入晶体管的源极输入端子。第二比较器输入晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管,而第二比较器输入晶体管的电流输入端子是第二比较器输入晶体管的源极输入端子。
在一个实施例中,P个半导体器件和M个半导体器件各自以二极管配置耦合。
在一个实施例中,具有输入的电流镜耦合到第一串联电路布置以产生偏置电流。
在一个实施例中,第一偏置电阻器的电阻等于第二偏置电阻器的电阻,而数目P与数目M之比等于第二分压器电阻器的电阻与第一分压器电阻器的电阻之比。
在一个实施例中,电阻为R3的发射极-基极电阻器耦合于数目为M的至少一个半导体器件之一的发射极与基极之间。第一串联电路布置为比较器提供的偏置电流通过按照因子N来减少偏置电流的电流镜耦合到比较器,并且基本上满足以下关系:
其中R1和R2分别代表第一和第二分压器电阻器的电阻,而R4和R5分别代表第一和第二偏置电阻器的电阻。
在一个实施例中,比较器的输出用来产生欠压检测信号。在又一实施例中,第一反相器耦合到比较器的输出以产生欠压检测信号。在又一实施例中,第二反相器耦合到第一反相器的输出以产生欠压检测信号。
另一实施例提供一种形成欠压检测器的方法。在一个实施例中,该方法包括形成分压器网络,其中包括将数目为M的至少一个半导体器件的第一串联电路布置耦合到输入偏置电压源的第一端子、将第一分压器电阻器和第二分压器电阻器的第二串联电路布置与第一串联电路布置串联耦合,其中电路节点形成于第一与第二分压器电阻器之间。第一分压器电阻器和第二分压器电阻器形成电阻器分压器。该方法还包括将数目为P的至少一个半导体器件的第三串联电路布置耦合到输入偏置电压源的第二端子,其中第三串联电路布置与第二串联电路布置串联耦合。该方法还包括形成比较器,其中包括将一个输入耦合到两个分压器电阻器之间形成的电路节点、将另一输入耦合到电压参考并且运用第一串联电路布置以提供用于比较器的偏置电流。
在一个实施例中,P个半导体器件和M个半导体器件各自以二极管配置耦合。
在又一实施例中,该方法包括将第一偏置电阻器耦合到第一比较器输入晶体管的源极端子并且将第二偏置电阻器耦合到第二比较器输入晶体管的源极端子。
在又一实施例中,该方法包括形成如下分压器网络,其中数目P与数目M之比与第二分压器电阻器的电阻与第一分压器电阻器的电阻之比相等。
在一个实施例中,该方法包括:将第一偏置电阻器耦合到第一比较器输入晶体管的源极端子、将第二偏置电阻器耦合到第二比较器输入晶体管的源极端子,并且选择第一偏置电阻器以具有与第二偏置电阻器的电阻相等的电阻。
在又一实施例中,该方法包括:运用电流镜来提供偏置电流;并且将电流镜的输入耦合到第一串联电路布置。
在一个实施例中,该方法还包括:选择第一偏置电阻器以具有与第二偏置电阻器的电阻相等的电阻;并且形成数目P与数目M之比与第二分压器电阻器的电阻与第一分压器电阻器的电阻之比相等的分压器网络。
在又一实施例中,该方法包括在数目为M的至少一个半导体器件之一的发射极与基极之间耦合具有电阻为R3的发射极-基极电阻器;并且由按照因子N来减少第一串联电路布置产生的偏置电流的、耦合到第一串联电路布置的电流镜提供用于比较器的偏置电流。该方法还包括选择用于发射极-基极电阻器、第一和第二偏置电阻器以及第一和第二分压器电阻器的电阻值以基本上满足以下关系:
其中R1和R2分别代表第一和第二分压器电阻器的电阻,并且其中R4和R5分别代表第一和第二偏置电阻器的电阻。
在一个实施例中,该方法还包括运用比较器的输出以产生欠压检测信号。在一个实施例中,该方法还包括将第一反相器耦合到比较器的输出以产生欠压检测信号。在又一实施例中,该方法包括将第二反相器耦合到第一反相器的输出以产生欠压检测信号。
虽然已经针对用于功率转换器的控制芯片的应用描述了用于为集成电路构造欠压检测器的工艺和有关方法,但是应当理解,在本发明的广泛范围内设想这些工艺的其它应用(比如用输入偏置电压欠压检测器形成的集成电路的其它应用),并且这些应用无需限于运用这里介绍的工艺的功率转换器应用。
虽然已经主要结合具体示例性实施例示出和描述了本公开内容,但是本领域技术人员应当理解,可以进行其在配置和细节上的各种改变而不脱离如所附权利要求限定的本发明实质和范围。本发明的范围因此取决于所附权利要求,并且本意在于让落在权利要求的含义范围和等效含义范围内的所有更改都为权利要求所涵盖。