CN102106068A - 形成开关调节器及其结构的方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方式中，配置电源控制器以接收具有与输入电压成比例的负值的感测信号。所述电源控制器使用所述感测信号来响应于所述输入电压的值限制通过开关的开关电流。

Description

形成开关调节器及其结构的方法
技术领域
本发明大致涉及电子器件，尤其是涉及半导体结构和形成半导体器件的方法。
背景技术
在过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成开关式电源控制器，该开关式电源控制器用于形成提供调整的输出电压的电源。一个有利的特征是响应于通过电源的电源开关的电流来限制开关式电源的输出功率。这种配置的实例在美国专利第7,215,107号中被描述，该专利在2007年5月8日由Djenguerian等人发布。通常存在从电流到达期望峰值的时间以及开关响应于电流被实际关闭的时间的传播延迟，该传播延迟导致比期望的峰值大的实际峰电流。在一些实施方式中，基于电流从第一值变化到第二值所需的时间的量而限制电流。然而，确定时间间隔和变化率需要增加了电源控制器的成本的复杂电路。另外，精确地确定导致输出电压的不准确性的时间间隔是困难的。
因此，需要一种更精确地限制输送至负载的功率且具有较低成本的电源控制器。
附图说明
图1简要示出了电源系统的一部分的实施方式，该系统包括根据本发明的电源控制器的一部分的示例性的实施方式。
图2简要示出了由根据本发明的图1的电源系统的操作而形成的一些信号。
图3简要示出了根据本发明的图1的电源控制器的另一部分的实施方式的更详细的部分。
图4简要示出了另一个电源系统的一部分的实施方式，该系统包括另一个电源控制器的一部分的示例性实施方式，该控制器是根据本发明的图1的电源控制器的可选的实施方式。
图5示出了半导体器件的放大的平面图，该器件包括根据本发明的图1的电源控制器。
为了说明的简单和清楚，图中的元件不一定按比例，且不同图中的相同标号代表相同的元件。此外，为了描述的简单而省略了众所周知的步骤及元件的描述及细节。如本文所用的载流电极意指承载通过器件的电流的器件元件，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；控制电极意指承载通过器件的电流的器件元件，如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。尽管本文将器件解释为某种N-通道或P-通道器件；或某些N-型或P-型掺杂区域，本领域的普通技术人员应认识到，根据本发明补充器件也是可能的。本领域的技术人员应认识到，本文所用的涉及电路操作的词语“期间(during)”、“在(while)”、“当(when)”并非是指动作在启动动作开始时立即发生的准确术语，而是可能有些小的但合理的延迟，如在由启动动作启动的反应的之间的传播延迟。词语“大约”或“基本上”的使用意指元件的值具有预计极接近设定值或位置的参数。然而，如本领域所熟知的，总是会有小的变化阻止值或位置精确地如规定的。本领域确认高达至少百分之十(10％)(且对于半导体掺杂浓度来说高达百分之二十(20％))的变化是偏离确切地如所述的理想目标的合理变化。
具体实施方式
图1简要示出了电源系统10的一部分的实施方式，该电源系统10包括电源控制器35的示例性实施方式。系统10接收在电压输入端子11和公共参考端子12之间的功率，且提供在输出13和输出返回14之间的电压。在端子11和12之间接收的输入电压通常指在端子12上形成的公共参考电压。通常将输出电压调节为在目标值左右的值的范围内的期望值或目标值。例如，所述目标值可以为五伏特(5V)，值的范围可以为五伏上下的正负百分之五(5％)。系统10通常包括具有初级线圈17、次级线圈18和辅助线圈19的变压器16。电源开关(例如晶体管27)用于控制流经线圈17和晶体管27的开关电流30的值，以便调节输出电压的值。电流感测元件(例如感测电阻器28)用于形成电流感测(CS)信号，该信号代表开关电流30。本领域的技术人员将认识到，其它公知的电流感测元件可以用于替代电阻器28。电流30确定被提供给负载的输出电流的量，该负载包括在输出13和返回14之间连接的电容器21和负载15。如在下文中将进一步看到的，电源控制器35配置成感测输入电压的值并响应于输入电压的值而控制通过电源开关的电流30的峰值，因此，控制提供给包括电容器21和负载15的负载的输出电流的峰值。电流30的峰值的这种控制也针对反馈信号的给定值导致向输出13提供功率的基本上恒定的值，即使该输入电压的值可能变化。
二极管20通常与电容器21一起连接于线圈18以在输出13和返回14间帮助形成输出电压。反馈电路29提供代表输出电压的值的反馈(FB)信号。反馈电路29可以是各种公知的反馈电路中的任一种例如光耦合器，其提供在变压器16的初级和次级侧与系统10之间的隔离。使用辅助线圈19来通过用于操作控制器35的辅助电压。二极管23、电容器24和电阻器22帮助从被感应到线圈19中的电压和电流形成辅助电压。由线圈19、二极管23和电容器24形成的辅助线圈电路是公知的辅助线圈电源电路。
配置控制器35以接收用于操作控制器35的在电压输入37和电压返回38之间的辅助电压。电压输入37一般连接于电容器24以便接收辅助电压，且返回38一般连接于公共参考端子12以便接收公共参考电压。控制器35也配置有从反馈电路29接收反馈(FB)信号的反馈(FB)输入40、配置成提供用于操作晶体管27的开关驱动信号的驱动输出41、以及配置成接收电流感测(CS)信号的电流感测(CS)输入42。配置控制器35的感测输入43以接收作为感测信号(SS)的感测电压，该感测信号代表相对于在端子12上的公共参考电压的在端子11上的输入电压的值。控制器35也包括开关控制电路45和电流补偿电路51。开关控制电路45可以是用于开关电源控制器的各种公知的开关控制电路。例如，电路45可以是PWM控制电路、PFM控制电路或滞后开关控制电路。
图2是具有曲线的图，这些曲线示出在控制器35的操作期间在系统10内形成的一些信号。横坐标表示时间且纵坐标表示所示信号的增加的值。曲线66示出在输出41上形成的开关驱动信号的额定波形。曲线56示出电流30的额定值，且曲线59示出在输入43上接收的相对于在端子12上的公共参考电压的感测信号(SS)的额定值。曲线80示出由电路51形成的补偿信号(CSS)的额定值。本说明书已经参考图1及图2。
在控制器35的操作期间，开关控制电路45使如曲线66在时间T0处所示的开关驱动信号有效(assert)以启动晶体管27。该开关驱动信号通常在如曲线66所示的开关驱动信号的周期的导通时间部分期间是高的。启动晶体管27使电流30流经线圈17、晶体管27和电阻器28。流经线圈17的电流30试图感应出电流33以流经线圈19。然而，二极管23阻止电流33的流动，电流33在节点32感应出电压，该电压相对于在端子12上的公共参考电压是负的。在节点32上的负电压的绝对值相对于端子12与在端子11上的输入电压的值成比例。该比例大致由在线圈17和19之间的匝数比相关。电阻器25和26的电阻分压器形成作为在输入43上的感测信号(SS)的电压，如由曲线59所示的。感测信号(SS)与输入电压成比例，因而代表该输入电压，但相对于在端子12上的公共参考电压是负的。
使用电流补偿电路51来响应于输入电压的值控制电流30的峰值，以便控制由系统10提供的功率的最大值。在没有电路51的情况下，如果输入电压的值增加，电流30的斜率将增加且电流30的峰值可在电路45可终止电流30之前增加而超过额定峰值。配置电路51以响应于输入电压的值控制驱动信号的导通时间部分的持续时间，以便响应于输入电压的值限制电流30的峰值。电路51接收感测信号(SS)和电流感测(CS)信号，并使用感测信号来响应于输入电压的值调节或补偿通过电源开关的开关电流30的峰值。在图1中示出的示例性的实施方式包括加法器电路50、比较器48和参考发生器或参考电路或参考46。在该示例性实施方式的配置中，加法器电路50将来自输入43的感测信号(SS)与来自参考46的参考电压求和以形成补偿信号(CSS)。将补偿信号(CSS)的值与电流感测(CS)信号的值比较以形成在比较器48的输出上的无效(disable)信号。当电流感测(CS)信号的值变得比补偿信号(CSS)的值更大时，比较器48的输出变高。如在下文中进一步看到的，开关控制电路45使用该无效信号来终止开关驱动信号的周期的导通时间部分，由此禁止晶体管27且终止电路30。
典型地，选择电阻器25和26的值，使得在输入43上形成的感测信号(SS)在输入电压的额定值处具有额定值，并针对如曲线56所示的电流30给出期望或额定峰值。例如，系统10可以被设计成使得在端子11和12之间接收的输入电压的额定值为约三百二十五伏特(325V)且可以具有约三百七十五伏特(375V)的高值以及约一百伏特(100V)的低值。感测信号的相应的额定值可以约为负二百六十毫伏特(-260mV)，而高值可以为约负三百毫伏特(-300mV)且低值可以为约负八十毫伏特(-80mV)。当晶体管27被启动且输入电压在额定值处时，电阻器25和26的选定值形成在额定值处的感测信号，其相对于公共参考电压是负的，如曲线59所示的。将感测信号的该额定值加至来自参考46的参考电压以形成补偿信号(CSS)的额定值。因为感测信号(SS)的值是负的，它使补偿信号(CSS)低于如曲线80例如在时间T0示出的参考电压的值。当感测信号(CS)的值达到补偿信号(CSS)的值时，比较器48的输出变高且电路45终止驱动信号(如在时间T1由曲线66所示的)的电流周期的导通时间部分，由此在额定峰值处终止电流30，如由曲线56在时间T1所示的。
当晶体管27被禁止时，在线圈17中存储的能量感应出在节点32处的正电压和来自端子12的通过二极管23的电流，以给电容器24充电并形成辅助电压。在节点32处的正电压形成相对于端子12上的公共参考电压的值具有正电压的感测信号，如在时间T1后由曲线59所示的。因为电路45具有无效的晶体管27，补偿信号的该正值对于电路45的操作没有影响。
当晶体管27被启动且输入电压高于额定值(高值)时，电流30以较大的速率因此以更陡的斜率增加，如由虚曲线57所示的。因为输入电压的值增加，感测信号的绝对值大于在额定值的值，因此，感测信号更负，如由虚曲线61所示的。因此，电路51形成了具有比补偿信号(CSS)的额定值更低的值的补偿信号(CSS)，如虚曲线81所示的。因为补偿信号的值降低，电流感测(CS)信号越过在驱动信号的周期中较早阶段的补偿信号的值，该驱动信号终止在驱动信号周期中较早阶段的驱动信号的导通时间部分，因此使晶体管27在周期中在比对输入电压的额定值更早的阶段被禁止，如虚曲线67所示的。因为电流30的斜率更陡，作为补偿信号形成的、用于开始终止电流30的参考信号的值降低使电流30的因而产生的峰值基本上等于峰电流的额定值。在不响应于输入电压改变参考信号的值的情况下，电流30的更陡的斜率将导致该峰值比额定峰值更大。因此，控制电流30的峰值响应于输入电压的增加的值而被控制。因为由于输入电压的值更大，电流30以更快的速率增加，输送到输出13的功率的量基本上与对输入电压的额定值输送的功率的量相同。
当晶体管27被启动且输入电压小于额定值时，电流30以缓慢的速率增加，因此也以较小的斜率增加，如虚曲线58所示的。这形成感测信号的绝对值，其小于如由虚曲线60所示的额定值处的值。因为感测信号是负的，感测信号的降低的值使补偿信号大于如虚曲线82所示的补偿信号的额定值。因为补偿信号的值增加，电流感测信号(CS)在驱动信号的周期中后期越过补偿信号的值，该驱动信号终止在驱动信号周期中后期的驱动信号的导通时间部分，因此使晶体管27在周期中在比对于如虚曲线68所示的输入电压的额定值更后的阶段被禁止。因为电流30的较低的斜率，用于开始终止电流30的参考信号的值的增加使电流30的作为结果的峰值基本上等于峰电流的额定值。在不响应于输入电压改变参考信号的值的情况下，电流30的更小的斜率导致峰值比额定峰值更小。因此，配置电路51以响应于输入电压的变化调节开关电流的峰值，以对于反馈信号的给定值将电流30的基本上恒定的峰值提供到输出13。因为电流30以较低的速率增加，输送到输出13的功率的量基本上等于输入电压的额定值。
图3简要示出了开关控制电路45的一部分的示例性实施方式。在该示例性实施方式中，开关控制电路45的误差放大器62接收反馈信号且形成误差信号(ES)，该误差信号代表在输入电压的期望值和输入电压的实际值间的差异。如在本领域中所公知的，误差放大器62一般包括用于为控制器35所形成的闭合控制回路提供频率补偿的频率补偿组件，例如阻抗Z。比较器63将误差信号与电路感测信号比较，以便在正常工作状态下控制晶体管27的操作。或门65接收补偿信号(CSS)并使锁存器64复位以禁止晶体管27并终止电流30，以响应于输入电压的值限制电流30的峰值。
为了说明的清楚，解释了控制器35的优选的实施方式的操作，然而，其它实施方式应该提供相似的操作。本领域的技术人员将认识到，其它实现可以用于电路45。例如，误差放大器62可以在控制器35的外部，且误差放大器的输出可以替代FB信号。在可选的实施方式的另一个实施例中，进入电路45的电流感测信号可以用由斜坡发生器电路产生的斜坡信号替换。
图4简要示出了电源系统70的实施方式，该系统是电源系统10的可选的实施方式，系统10在图1～图4的实施方式中被解释。系统70类似于系统10，除了二极管71和电容器72用于帮助形成在输入43上的感测信号以外。另外，系统70使用电源控制器75替代图1中的控制器。控制器75类似于控制器35，但控制器75包括功率开关，例如功率晶体管77，其在同一半导体芯片上被形成为开关控制电路45和电路51。另外，控制器75包括电流感测电路78，例如分路调节器，其用于感测电流30的值以形成电流感测信号。这种电流感测元件对于本领域的技术人员是公知的。
在可选的实施方式中，且因为控制器75被集成以包括电源开关和电流感测电路78，使用恒定负电压以替代感测信号可能是有利的。恒定负电压使控制器75将电流30的峰值控制至基本上固定的值。
图5示出了在半导体芯片86上形成的半导体器件或集成电路85的实施方式的一部分的放大的平面图。控制器35或控制器75在芯片86上形成。芯片86也可以包括未在图5中示出的电路(为了简化附图)。控制器35和器件或集成电路85通过本领域的技术人员公知的半导体制造技术在芯片上形成。
鉴于上述全部内容，很显然本申请公开了一种新型器件和方法。除了其它特征以外还包括形成电源控制器以接收代表输入电压的负感测电压及响应于输入电压的值限制经过电源开关的电流的峰值。采用负电压便于采用电压补偿电流感测信号，而不必产生输入电压的电流到电压转换。这通过消除至少一个电流到电压转换电路来提供准确度。而且，使用了较少的组件和电路，这减少了电源控制器的成本。不采用输入电压，从代表输入电压的信号形成负电压直接减少了形成感测信号的电路所使用的功率的量。较少的组件也提高了准确度，这导致即使输入电压变化也将电流30的峰值限制到基本上额度值。采用电压来形成感测功能而不用电压到电流转换提高了准确度。
尽管本发明的主题用特定的优选实施方式被描述，但很明显很多替换及变化对于半导体领域的技术人员而言是明显的。为了描述的清楚，词语“被连接”在全文中被使用，然而，它被规定为与词语“被耦合”具有相同的含义。因此，“被连接”应该被解释为包括直接连接和间接连接。尽管使用固定频率反激电源控制器的示例性实施方式来描述本发明，但是本发明适用于其它电源配置。

Claims (17)

1.一种开关调节器，包括：
第一电路，其配置成形成用于操作开关的开关驱动信号，以便控制流经所述开关的开关电流，以便将输出电压调节至期望值，其中所述输出电压是由如下的输入电压形成的，所述输入电压相对于所述输入电压的公共参考值具有正值；
电流补偿电路；
所述电流补偿电路的第一输入被配置成接收代表流经所述开关的所述开关电流的电流感测信号；
所述电流补偿电路的第二输入被配置成接收与所述输入电压成比例的感测电压，其中所述感测电压相对于所述输入电压的所述公共参考值为负；并且
所述开关调节器被配置成使用所述感测电压来响应于所述输入电压将所述开关电流的峰值控制到基本上恒定的值。
2.根据权利要求1所述的开关调节器，其中所述电流补偿电路配置成将所述感测电压与参考电压求和以形成补偿信号，其中所述电流补偿电路使用所述补偿信号来形成用来终止所述开关驱动信号的导通时间部分的控制信号。
3.根据权利要求2所述的开关调节器，还包括将所述补偿信号与所述电流感测信号相比较以形成所述控制信号。
4.根据权利要求1所述的开关调节器，其中所述电流补偿电路包括将所述感测电压与参考电压求和以形成补偿信号的求和电路。
5.根据权利要求4所述的开关调节器，其中所述电流补偿电路包括比较器，所述比较器耦合成接收所述补偿信号和所述电流感测信号并响应性地形成用来终止所述开关驱动信号的导通时间部分的控制信号。
6.根据权利要求1所述的开关调节器，还包括将所述开关调节器配置成接收代表所述输出电压的反馈信号，使用所述反馈信号来形成代表所述输出电压与所述期望值的偏差的误差电压，以及将所述误差电压与所述补偿信号相比较来限制通过所述开关的开关电流。
7.根据权利要求1所述的开关调节器，其中所述电流感测信号是电压。
8.一种形成开关调节器的方法，包括：
配置所述开关调节器以形成用于操作开关的开关驱动信号，并控制流经所述开关的开关电流，以便将输出电压调节至期望值，其中所述输出电压是由输入电压形成的，所述输入电压相对于所述输入电压的公共参考值具有正值；
配置所述开关调节器以接收感测信号，所述感测信号与所述输入电压成比例，其中所述感测信号相对于所述输入电压的所述公共参考值为负；以及
可操作地耦合所述开关调节器以使用所述感测信号来响应于所述输入电压限制所述开关电流的峰值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中可操作地耦合所述开关调节器以使用所述感测信号包括：配置所述开关调节器以使用所述感测信号来调节所述开关驱动信号的周期的导通时间部分的持续时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中可操作地耦合所述开关调节器以使用所述感测信号包括：配置所述开关调节器以将所述感测信号与参考信号求和以形成补偿感测信号，并响应于所述补偿感测信号限制所述开关电流的峰值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中配置所述开关调节器以将所述感测信号求和还包括：可操作地耦合所述开关调节器以将所述补偿感测信号与代表所述开关电流的电流感测信号相比较。
12.根据权利要求11所述的方法，其中可操作地耦合所述开关调节器以使用所述感测信号包括：将所述开关调节器配置成接收代表所述输出电压的反馈信号，使用所述反馈信号来形成代表所述输出电压与期望值的偏差的误差信号，并且将所述误差信号与所述补偿感测信号相比较。
13.一种开关调节器，包括：
所述开关调节器被配置成形成用来操作开关的开关驱动信号，其中所述开关配置成接收相对于公共参考具有正值的输入电压，并且其中所述开关驱动信号被形成以控制流经所述开关的开关电流，以便将输出电压调节至期望值，其中所述输出电压由所述输入电压形成；
所述开关调节器的第一电路，所述第一电路可操作地耦合以接收代表所述开关电流的电流感测信号；
所述第一电路配置成接收相对于所述输入电压的所述公共参考为负的感测信号；以及
所述开关调节器配置成使用所述感测信号来响应于所述感测信号控制所述开关电流的峰值。
14.根据权利要求13所述的开关调节器，其中所述感测信号的绝对值与所述输入电压的值成比例。
15.根据权利要求13所述的开关调节器，其中所述第一电路配置成将所述感测信号与参考信号求和以形成补偿感测信号。
16.根据权利要求15所述的开关调节器，其中所述第一电路配置成将所述补偿感测信号与所述电流感测信号相比较来形成控制信号。
17.根据权利要求16所述的开关调节器，其中所述开关调节器的PWM电路配置成使用所述控制信号来形成所述开关驱动信号的持续时间。
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