CN106169925B - 具有输出均流的单片集成电路开关器件 - Google Patents
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Abstract
提出了一种具有输出均流的单片集成电路开关器件及包括多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的系统。每个单晶片集成电路开关器件包含第一引脚、第二引脚和用于在该系统导通时将第一引脚耦接至第二引脚的功率开关。每个单晶片集成电路开关器件还可以包含均流电路，用于在该单晶片集成电路开关器件的输出电流大于该多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均电流时降低该单晶片集成电路开关器件的输出电流，从而防止每个并联耦接的单晶片集成电路开关器件在系统启动过程中吸取比其余开关器件过量的电流，使系统平稳启动。
Description
相关引用
本申请主张于2015年10月5日在美国提交的第62/237,456号临时专利申请和于2015年12月7日在美国提交的第14/961,659号专利申请的优先权和权益，并在此包含了前述专利申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施例涉及集成电路，特别地，涉及用于电子设备的开关器件。
背景技术
开关器件用于电子设备中以将供电电源与其负载接通或者断开。这些开关器件的典型应用包括可移动电路板(例如：扩充板)、热插拔存储设备以及其它涉及将供电电源与其负载接通或者断开的应用。用于这些应用的典型开关器件具有第一端和与该第一端相对的第二端，其第一端连接至供电电源，其第二端连接至负载。举个具体例子，这种开关器件可以用于允许热插拔磁盘驱动器(本例中的负载)从磁盘驱动托架或者母板接收供电。该开关器件可以采用功率晶体管实现。功率晶体管的栅极可以耦接电容器。该电容器在启动过程中被充电，一旦充电完成则该电容器使该功率晶体管保持导通以允许负载从供电电源接收供电电压。
发明内容
本发明的一个实施例提出了一种系统，包括第一单晶片集成电路开关器件，包含第一引脚、第二引脚和第一功率开关，该第一功率开关用于在该系统导通时将该第一单晶片集成电路开关器件的第一引脚耦接至其第二引脚；第二单晶片集成电路开关器件，包含第一引脚、第二引脚和第二功率开关，该第二功率开关用于在该系统导通时将该第二单晶片集成电路开关器件的第一引脚耦接至其第二引脚，并且该第二单晶片集成电路开关器件的第一引脚和第二引脚分别耦接至第一单晶片集成电路开关器件的第一引脚和第二引脚；该第二单晶片集成电路开关器件进一步包含均流电路，用于在该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流超过包含该第二单晶片集成电路开关器的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流时通过控制所述第二功率开关降低该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流。
本发明的另一实施例提出了一种包括多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的系统。每个单晶片集成电路开关器件包含第一引脚、第二引脚和用于在该系统导通时将第一引脚耦接至第二引脚的功率开关。每个单晶片集成电路开关器件还可以包含均流电路，用于在该单晶片集成电路开关器件的输出电流大于该多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均电流时降低该单晶片集成电路开关器件的输出电流。
本发明的再一实施例提出了一种单晶片集成电路开关器件，包括：第一引脚，用于接收输入电压；第二引脚，用于耦接负载；功率开关，用于在该单晶片集成电路开关器件导通时将所述第一引脚耦接至所述第二引脚；和均流电路，用于在该单晶片集成电路开关器件的启动过程中基于该单晶片集成电路开关器件的输出电流与包含该单晶片集成电路开关器件的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流的相对大小控制所述功率开关。
本发明的又一实施例提出了一种方法，包括：在单晶片集成电路开关器件的第一引脚接收输入电压；响应于该单晶片集成电路开关器件从关断切换至导通，将该输入电压通过功率开关输送至该单晶片集成电路开关器件的第二引脚；将该单晶片集成电路开关器件的输出电流与包含该单晶片集成电路开关器件的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流相比较；以及在该单晶片集成电路开关器件的输出电流超过所述平均输出电流时，降低该单晶片集成电路开关器件的输出电流。
本发明公开的技术方案可以防止每个并联耦接的单晶片集成电路开关器件在系统启动过程中吸取比其余开关器件过量的电流，使系统平稳启动。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解接下来对本发明实施例的描述。为简明起见，不同附图中相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1示意出了根据本发明一实施例的用于将供电电源连接至负载的系统100的电路架构示意图。
图2示出了根据本公开一个实施例的单晶片集成电路开关器件103的电路架构示意图。
图3示意出了根据本发明一实施例的用于将供电电源连接至一个或多个负载的系统300的电路架构示意图。
图4示出了根据本公开一个实施例的开关器件103在独立模式下的示意图。
图5示出了根据本公开一个实施例的开关器件103在启动过程中的一组启动时序波形示意图。
图6和图7示出了根据本公开一个实施例的开关器件103在有功率限定以及软启动限流时的受控启动波形示意图。
图8示出了根据本公开一个实施例的开关器件103无故障状态下其功率开关导通/关断切换控制波形示意图。
图9示出了根据本公开一个实施例的开关器件103的下拉模式控制波形示意图。
图10示出了根据本公开一个实施例的开关器件103据GOK引脚提供的故障指示控制功率开关的导通/关断切换的波形示意图。
图11，示出了根据本公开一个实施例的单晶片集成电路开关器件405。
图12示意出了单晶片集成电路开关器件405的更详细电路示意图。
图13示出了根据本公开一个实施例的包含多个单片集成电路开关器件405的系统400的架构示意图。
图14示出了根据本公开一个实施例的系统410的架构示意图。
图15示出了根据本公开一个实施例的单晶片集成电路开关器件412的电路架构示意图。
图16示出了包含多个并联耦接的开关器件的系统在没有均流电路/均流措施时(例如图13示意的系统)的仿真波形。
图17示出了包含多个并联耦接的开关器件的系统在有均流电路/均流措施时(例如图14示意的系统)的仿真波形。
图18示出了一种根据本公开一个实施例的操作包含开关器件的系统的方法的流程示意图。
具体实施方式
在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明的实施例，描述了大量的电路、元件、方法等的具体细节。本领域技术人员将理解，即使缺少一些细节，本发明同样可以实施。为清晰明了地阐述本发明，一些为本领域技术人员所熟知的细节在此不再赘述。
图1示意出了根据本发明一实施例的用于将供电电源连接至负载的系统100的电路架构示意图。在图1示例中，系统100可以包括单晶片微控制器101和单晶片集成电路开关器件103。该开关器件103可以是“智能开关”，也就是说该开关器件103是可控的(例如可以由微控制器控制)，并且集成有用于驱动功率晶体管的驱动电路以及用于向微控制器提供开关和供电电源状态的监测电路。
在图1的示例性实施例中，开关器件103具有多个引脚，包括VIN引脚用于接收输入供电电压VIN和VOUT引脚用于连接至负载。该开关器件103可以包括功率开关(参考图2示意的开关201)，例如功率场效应晶体管(FET)。该功率开关可以具有耦接至VIN引脚的第一端(例如漏端)和耦接至VOUT引脚的第二端(例如源端)。该开关器件103还可以包括功率开关栅极驱动电路以驱动所述功率开关的栅极从而控制该功率开关以受控的方式进行导通和关断切换。当该功率开关被导通，则该功率开关将VIN引脚接收的输入供电电压VIN耦接至连接于VOUT引脚的负载。在图1的示例中，输入供电电压VIN示意为12V，提供60A的供电电流。然而本领域技术人员应该理解这仅仅是示例，系统100还可以被用于将其它提供不同电压和电流的供电电源耦接至负载。
在图1的示例中，开关器件103可以进一步具有GOK引脚，用于指示系统故障(例如：过温故障、短路故障、功率开关短路故障等)；GND引脚，用于将开关器件103耦接至信号地；ON/PD引脚用于使能或不使能该开关器件103或者将该开关器件103置于下拉模式；D_OC引脚，用于提供数字过流指示信号；VTEMP引脚用于指示开关器件103的结温度(例如，该单片集成电路的晶片温度)；电流检测(CS)引脚用于提供指示开关器件103的输出电流量(例如，从输出引脚VOUT流出的DC电流量)的指示信号；CLREF引脚，用于接收限流参考信号；GATE或SS引脚用于耦接电容以控制所述功率开关的导通斜率；VDD33引脚用于输出内部(即单晶片集成电路开关器件103内部)的低压差电压调节器(LDO)输出电压。
在图1的示例中，微控制器101可以包括智能开关控制电路102。该智能开关控制电路102包括多路转换器(MUX)、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)和控制及编程逻辑电路104(例如，固件、可编程逻辑)。该微控制器101可以基于开关器件103的状态将其使能或者不使能。该微控制器101可以接收来自开关器件103的状态指示信号(例如温度指示信号、电流检测指示信号、故障指示信号等)。该微控制器101可以采用任何通用微处理器或则其它单晶片处理器实现，具有集成的输入/输出引脚、可被配置固件、以及数据获取或数据处理能力。该微处理器101是“通用的”可以指该微处理器并不需要专门针对所述开关器件103设计，而是可以包括通用的微处理器或微控制器元件，例如处理器和存储器。优势之一在于该开关器件103可以采用通用微控制器控制，而无需专门设计的外部控制器以提供该开关器件103与微控制器接口。该开关器件103可以直接由该微控制器101控制。
在图1的示例中，微控制器101接收由开关器件103提供的状态指示信号并且基于这些指示信号控制开关器件103工作。更具体地，开关器件103的CS引脚、IMON引脚、VTEMP引脚、D_OC引脚和GOK引脚可以耦接至微控制器101以允许该微控制器101从前述各引脚接收状态指示信号并对这些指示信号进行处理。例如，该微控制器101可以从开关器件103的一个引脚(例如VTEMP引脚)接收一个状态指示信号(例如结温度指示信号)，并将该状态指示信号送至模数转换器以进行模数转换，然后将该状态指示信号的数字等效送至所述控制及编程逻辑电路104进行处理。该微控制器101也可以被耦接以采用类似的方式对输入供电电压VIN和输出电压VOUT进行检测。具体地，该微控制器101可以在VINSEN引脚检测输入供电电压VIN并在VOSEN引脚检测输出电压VOUT，然后将检测的输入供电电压VIN或检测的输出电压VOUT经包括智能开关控制电路102中的MUX和ADC的通路送至所述控制及编程逻辑电路104进行处理。
在图1的示例中，开关器件103的GOK引脚和D_OC引脚可以输出数字状态指示信号，由微控制器101的数字输入引脚接收后送至控制及编程逻辑电路104进行处理。在一个实施例中，由开关器件103的GOK引脚和D_OC引脚输出的状态指示信号为数字信号，因而可以不经过模数转换而由控制及编程逻辑电路104进行处理。
在图1的示例中，微控制器101具有GOK引脚用于耦接至开关器件103的GOK引脚。来自开关器件103的GOK引脚的故障指示信号可以指示开关器件103是正常工作还是出现了故障。微控制器101从开关器件103的GOK引脚接收并处理该故障指示信号以控制开关器件103。例如，当故障信号指示开关器件103出现了故障时，微控制器101可以控制该开关器件103进入下拉模式或者将该开关器件103不使能。
在图1的示例中，微控制器101具有ON/PD引脚用于耦接至开关器件103的ON/PD引脚。微控制器101可以通过向开关器件103的ON/PD引脚提供使能信号以控制开关器件103使能。在一个实施例中，当该使能信号在开关器件103的ON/PD引脚处生效时，开关器件103被使能，即可工作以将输入供电电源耦接至负载。当该使能信号在开关器件103的ON/PD引脚处不生效时，开关器件103不使能，将输入供电电源与负载断开。在一个实施例中，当使能信号保持在设定的电平满了设定的时间时，开关器件103恢复至下拉模式，在该下拉模式开关器件103将输出电压VOUT下拉。
在图1的示例中，控制及编程逻辑电路104可以被构建以获取或决定软启动限流值。该控制及编程逻辑电路104还可以根据检测的输入供电电压VIN和输出电压VOUT和/或者基于系统负载调节要求随时调节该限流值。该限流值可以通过智能开关控制电路102中的数模转换器转换为模拟形式的限流参考信号或者被转换器为数字编码输出之后再经分立元件转换为模拟形式。微控制器101在CLREF引脚将限流参考信号(模拟形式或者数字形式的)输出。开关器件103相应地在其CLREF引脚接收该限流参考信号。
在图1的示例中，微控制器101从开关器件103接收两个供电电流指示信号。第一供电电流指示信号可以是由开关电路103的CS引脚输出的电流采样信号。在一个实施例中，该电流采样信号可以是正比于输出电流的电流信号，可以用于均流及过流保护控制。第二供电电流指示信号可以是由开关电路103的IMON引脚输出的电流监测信号。在一个实施例中，该电流监测信号可以是线性正比于输出电流的电压信号并且具有相对较小的幅值(例如，其幅值可以在OV到1.6V的范围)。这使得该电流监测信号非常有助于该微控制器101准确探测流过开关器件103中的功率开关的电流量。
由于各种原因包括安全性、出问题的可能性及负载均衡等等，最好获得开关器件103的结温度。因此，在图1的示例中，微控制器101还接收表征开关器件103的结温度的温度指示信号。在一个实施例中，由开关器件103的VTEMP引脚提供的温度指示信号可以是正比于结温度的电压信号(例如，10mv/℃)。控制及编程逻辑电路104可以基于该结温度指示信号将结温度考虑在内以决定是否将开关器件103不使能、或触发警报、或报告故障状态等等。
图2示出了根据本公开一个实施例的单晶片集成电路开关器件103的电路架构示意图。在图2的示例中，开关器件103的功率开关201被示意为功率场效应晶体管。电流采样电路202用于采样从VIN引脚流向VOUT引脚的电流。该电流采样电路202在CS引脚输出相应的电流采样信号并在IMON引脚输出相应的电流监测信号。尺寸远小于功率开关201的晶体管203(例如：尺寸是功率开关201的1/10000的场效应晶体管)与该功率开关201并联耦接用作电流采样。电流采样信号(例如为电压信号)可以通过比较器204与电压阈值(例如图2中示意为1V)相比较以探测过流状态，该过流状态可以在D_OC引脚上以数字过流指示信号来指示。开关器件103在CLREF引脚接收限流参考信号。该限流参考信号通过运算放大器205与电流采样信号(例如为电压信号)进行运算以控制功率开关201的栅极，从而在启动过程中限制过涌电流，例如在将可移动电路卡插入正在工作(例如被供电)的底板时。类似地，运算放大器205的输出可以控制功率开关201的栅极以限制在正常工作模式或者节能模式下从VIN引脚供向VOUT引脚的负载电流。在一个实施例中，运算放大器205可以是跨导运算放大器。
在图2的示例中，低压差电压调节器(LDO)从VIN引脚接收输入供电电压VIN并向VDD33引脚提供调节后电压(例如3.3V)。热感测电路206感测开关器件103的结温度并将感测结果送至逻辑控制电路207。该逻辑控制电路207在VTEMP引脚输出相应的结温度指示信号。在一个实施例中，逻辑控制电路207实现过温锁存以在结温度达到结温度限制阈值(例如145℃)时将开关器件103关断。
在一个实施例中，逻辑控制电路在GOK引脚输出故障指示信号以表征短路故障、功率开关201短接或断路故障、过温故障、或者其它故障状态。GOK引脚可以是栅极耦接逻辑控制电路207的输出、源极耦接至地的晶体管211的漏极输出。在正常工作模式下，GOK引脚输出的即为晶体管211的漏极开路电压，而在故障状态下(即探测到任何故障时)，GOK引脚被拉至低电位。开关器件103的ON/PD引脚可以接收由微控制器101提供的使能信号，该使能信号送至开关器件103中的ON/PD控制电路208，该ON/PD控制电路208将其进一步传输至逻辑控制电路207。当使能信号不生效时，逻辑控制电路207将功率开关关断，从而把输入供电电源与负载断开。在一个实施例中，当使能信号保持在设定的电平满了设定的时间时，ON/PD控制电路208将VOUT引脚拉低。
在图2的示例中，金属选件210可以允许GATE/SS引脚直接连接至功率开关201的栅极或者软启动电路211。当GATE/SS引脚被选择(通过该金属选件210)直接连接至功率开关201的栅极时，可以在GATE/SS引脚耦接电容个以降低启动时的浪涌电流。当GATE/SS引脚被选择(通过该金属选件210)直接连接至软启动电路211时，耦接在GATE/SS引脚的电容可以用于设定软启动时间。
图3示意出了根据本发明一实施例的用于将供电电源连接至一个或多个负载的系统300的电路架构示意图。在图3的示例中，单个供电电源被示意为并联连接至多个开关器件103以为该多个开关器件103提供供电输入电压VIN。微控制器301分别从该多个开关器件103接收多个电流采样信号以分别用于对该多个开关器件103进行各自的控制和状态诊断。
在图3的示例中，由该多个开关器件103各自提供的多个电流监测信号可以被微控制器301分开接收。该多个电流监测信号也可以被耦接在一起送至微控制器301，或者被分为多个组，每组中的电流监测信号被耦接在一起送至微控制器301。对于温度指示信号也可以采用同样的方式送至微控制器301。在图3的示例中，微控制器301具有足够的集成数字和/或模拟输入/输出(I/O)端口以及数据获取元件以适应多个开关器件103的控制。
在图3的示例中，两个开关器件103(上端和中间的)被分为一组并联接收输入供电电压VIN并且将这两个开关器件103的输出端VOUT连接在一起提供组合输出电压VOUT(主轨)。另一个独立的开关器件103(下端的)也并联接收所述输入供电电压VIN，但是其输出端VOUT独立地提供独立输出电压VOUTA(辅助轨)。图3的结构允许基于单个输入供电电压VIN产生两个输出电压VOUT和VOUTA。
在这种并联结构中，提供至少两个供电电流的指示信号给微控制器显得尤其有利，因为这样每个开关器件103可以独立地向微控制器提供各自的电流采样信号从而用于每个开关器件103的独立限流设定。在图3的示例中，每个开关器件103的CS引脚输出的电流采样信号被独立地送至微控制器301。两个或者多个开关器件103的IMON引脚提供的电流监测信号可以被组合在一起送至微控制器301以判定一组开关器件103(即电流监测信号被组合在一起的那组开关器件103)的总输出电流量。图3示意出了将三个开关器件103的IMON引脚耦接在一起以向微控制器301提供组合电流监测信号的例子，该组合电流监测信号表征了三个开关器件103的总输出电流量。该组合电流监测信号由微控制器301的单个IMON引脚接收。
图4示出了根据本公开一个实施例的开关器件103在独立模式(即不受微控制器控制时)的示意图。在图4的示例中，开关器件103的GATE/SS引脚可以耦接电容器以控制该开关器件103中的功率开关的导通程度从而实现软启动。CS引脚可以耦接电阻RCS以设定过流标志(D_OC)电流水平以及允许流过功率开关201(参见图2示意)的最大直流输出电流。过流标志参考水平可以由开关器件103决定。最大允许限流参考水平可以通过将电阻RCL连接至CLREF引脚实现。在一个实施例中，采用10μA的内部电流源驱动CLREF引脚，则10μA*RcL便定义了最大允许限流。例如，在CLREF引脚的电压设定为1.4V的应用中，当电阻RCL与电流采样信号的积大于1.4V时，将要超过设定的最大被允许直流输出电流的输出电流便可以在1.4V被钳制下来。若过流状态持续的时间满了预先设定的时间，则将开关器件103关断。在软启动过程中，限流参考水平可以被自动调整到更低的水平以控制电流斜坡上升并保证安全工作。
图5示出了根据本公开一个实施例的开关器件103在启动过程中的一组启动时序波形示意图。对于热插拔应用，开关器件103的VIN引脚在热插拔过程中可能经历电压过冲或瞬态变化，例如当包含开关器件103的电路卡被插入正在工作(例如被供电)的底板时。这种电压过冲或瞬态变化通常是由VIN引脚上的输入线路和输入电容的寄生电感引起的。当开关器件103被构建与微控制器一起工作时(参见图1示意)，受微控制器控制，ON/PD引脚可以被拉低以将功率开关201关断并保持一定的插卡延时，从而使输入供电电压VIN稳定。经过该插卡延时之后，ON/PD引脚可以被驱动至高以将功率开关201导通。
如图5所示，输入供电电压VIN以相对较快的速率增大，相应地在开关器件103被接入电压变化率(即较高的dv/dt)较快的输入供电电压VIN时，其栅极可以由开关器件内部的控制电路被拉低。开关器件103内部的LDO在VDD33引脚输出的调节后电压跟随输入供电电压VIN增大。
当开关器件103与微控制器一起工作时，该微控制器可以由LDO在VDD33引脚提供的调节后电压供电或者由3.3V的外部电源供电。开关器件103的功率开关201保持关断直到微控制器将ON/PD引脚上的使能信号拉高。当使能信号变高时，功率开关201由内部电荷泵充电。一旦功率开关201的栅源电压VGS达到栅源阈值VGSTH时，输出电压VOUT开始增大。
图6和图7示出了根据本公开一个实施例的开关器件103在有功率限定以及软启动限流时的受控启动波形示意图。在软启动过程中，开关器件103的输出电流可以由CLREF引脚输入的限流参考信号限定。在一个实施例中，CS引脚处的电流采样信号经运算放大器205与限流参考信号比较(参见图2示意)以调整功率开关201的栅极电压并防止输出电流超过与该限流参考信号对应的限流值。在启动过程中，该限流参考信号应该被设定在比正常工作时相对较低的值以控制输出电压VOUT逐步上升。当输出电压VOUT上升至接近输入供电电压VIN时，该限流参考信号可以被提升至正常工作时的满幅限流值，功率开关201的栅极被完全驱动，整个系统开始从输入供电电源吸取电能。
在启动过程中，为防止开关器件103过热，还可以在启动过程中加入最大功率限定功能。在一个实施例中，CLREF引脚处提供的限流参考信号具有取决于VIN-VOUT的内置最大钳制。当VOUT＜30％VIN时，限流参考信号被钳制在200mV；当30％VIN＜VOUT＜80％VIN时，限流参考信号被钳制在600mV；当80％VIN＜VOUT时，限流参考信号不再被钳制。
在一个实施例中，开关器件103的ON/PD引脚可以被用于控制功率开关201的导通/关断切换或者用于选择输出电压下拉模式。例如，当ON/PD引脚被用于控制功率开关201的导通/关断切换时，在ON/PD引脚处的使能信号高于1.4V则将功率开关201导通，若该使能信号低于1.2V则将功率开关201关断。当ON/PD引脚被用于控制输出电压VOUT的下拉模式时，举个例子，ON/PD引脚处的电压可以被钳制在1V左右超过200μs，开关器件103可以被构建为在ON/PD引脚处的电压位于0.8V和1.2V之间满200μs时进入下拉模式。
在一个实施例中，在LDO输出的调节后电压和输入供电电压VIN均大于欠压锁存阈值之后，或者在ON/PD控制逻辑变高之后，以前二者情况最后发生者为准，ON/PD控制电路208(参见图2示意)具有设定的例如1ms的消隐时间。在消隐时间内，所有故障功能都是可工作的，以使GOK引脚处的故障指示信号在检测到故障状态时被拉高，而在未检测到故障状态时保持低。在消隐时间内，ON/PD引脚处的高电平信号并不会使功率开关201导通。在该消隐时间结束时，若未检测到故障状态，则ON/PD引脚允许进入正常工作模式以将功率开关201导通。一旦ON/PD引脚处的电压被拉高至高于1.4V并且消隐时间结束，内部电流源将对功率开关201的栅极充电。当功率开关201的栅极电压达到栅源阈值VGSTH时，输出电压VOUT开始增大。输出电压跟随由CLREF引脚控制的限流参考信号和输出电容增大。图8示出了根据本公开一个实施例的开关器件103无故障状态下其功率开关导通/关断切换控制波形示意图。
在一个实施例中，ON/PD引脚处的电压受5μA的内部电流源控制被拉高。当开关器件103工作于独立模式(即不受微控制器控制)时，可以在ON/PD引脚和地之间耦接外部电容。在启动过程中，5μA的内部电流源对该外部电容充电以实现对插卡延时的设定。一旦ON/PD引脚处的电压达到导通阈值，则功率开关201可被导通。
图9示出了根据本公开一个实施例的开关器件103的下拉模式控制波形示意图。在一个实施例中，当ON/PD引脚处的电压被设定在1V左右超过200μs时，开关器件103将工作于下拉模式。在这一模式下，当功率开关201被关断经过设定的延时例如5ms后，连接于VOUT引脚(输出端)的内部集成的下拉源(例如电阻或者内部PD开关)对输出电压VOUT进行放电。当ON/PD引脚处的电压直接被拉至低时，下拉模式不使能，输出电压VOUT通过外部负载放电。
图10示出了根据本公开一个实施例的开关器件103据GOK引脚提供的故障指示控制功率开关的导通/关断切换的波形示意图。在一个实施例中，GOK引脚处提供的故障指示信号可以是一个漏极开路且低有效的信号以用于报告开关器件103的故障。当有故障发生时，GOK引脚处的故障指示信号被拉低。当故障解除时，GOK引脚处的故障指示信号被拉高至LDO输出的调节后电压，即VDD33引脚处的电压，例如通过100kΩ的上拉电阻。GOK引脚的输出在LDO的输出启动过程中是要被拉低的。
现参考图11，示出了根据本公开一个实施例的单晶片集成电路开关器件405。开关器件405可以看作开关器件103(图2示意)的一个具体实施例。开关器件405是单晶片集成电路在于其被制作成单个裸晶芯片。在图11的例子中，开关器件405具有多个引脚，例如包括IN引脚用于接收输入供电电压VIN和OUT引脚用于提供输出电压VOUT至负载(例如其它电路)。在图11的例子中，输出电容C2被耦接至OUT引脚。
开关器件405可以包括功率开关(参见图12中示意的功率开关421)，例如可以是功率场效应晶体管。该功率开关可以具有耦接于IN引脚的第一端(例如漏极)和耦接于OUT引脚的第二端(例如源极)。开关器件405包括控制电路用于驱动功率开关的栅极以使该功率开关以受控的方式进行导通和关断切换。在图11的示例中，开关器件405包括ON引脚用于接收将该开关器件405导通或关断的使能信号。当该开关器件405导通时，其IN引脚通过其功率开关被耦接至OUT引脚。当该开关器件405关断时，其功率开关关断从而将TN引脚与OUT引脚断开。该开关器件405可以由外部电路(例如微控制器)提供使能信号至其ON引脚以控制其导通和关断切换。
在图11的示例中，开关器件405进一步包括SS引脚用于接收软启动信号、ILIMIT引脚用于接收限流参考信号、IS引脚用于输出电流采样信号以及GND引脚用于耦接参考地。
在图11的示例中，ILIMIT引脚耦接外部电阻R1以便设定开关器件405的限流值。在一个实施例中，开关器件405包括内置电流源(参见图12中示意的电流源423)用于输出限流电流至ILIMIT引脚。该限流电流流经电阻R1产生限流电压VLIM，从而设定了开关器件405的限流值。在一个实施例中，开关器件405还包括电流采样电路(参见图12中示意的电流采样电路424)，用于输出采样电流，该采样电流表征了流过OUT引脚的输出电流。该采样电流从IS引脚输出并流经耦接于该IS引脚的外部电阻R2从而产生电流采样电压VCS。开关器件405可以将该电流采样电压VCS与限流电压VLIM比较以判断过流。在一个实施例中，开关器件405还包括内置软启动电路(参见图12中示意的软启动电路426)用于向SS引脚输出软启动电流。参见图11的例子，可以在SS引脚耦接外部电容C1，软启动电流对该电容C1充电从而产生软启动电压。该开关器件405还可以包括其它电路，例如热感测电路以用于感测开关器件405的结温度，或者其它在开关器件103中包含并已在上文描述过的电路(参见图2示意)。
在图11的示例中，软启动电压、限流电压VLIM以及电流采样电压VCS均通过向开关器件405的相应引脚耦接无源元件(例如电阻或者电容)来设定。本领域的技术人员应该理解，软启动电压、限流电压VLIM和/或电流采样电压VCS还可以通过微控制器或者其它电路被提供或者被监测。
图12示意出了单晶片集成电路开关器件405的更详细电路示意图。在图12的示例中，开关器件405包括功率开关421和采样晶体管422。该功率开关421可以使N沟道场效应管。该采样晶体管422可以是另一N沟道场效应管。当开关器件405被ON引脚处的使能信号导通时，功率开关421导通以将IN引脚耦接至OUT引脚。采样晶体管422与该功率开关421并联耦接以进行电流采样。
电流采样电路424用于采样流经采样晶体管422的电流，该电流表征了开关器件405的输出电流，即从TN引脚流向OUT引脚的电流。电流采样电路424输出表征开关器件405的输出电流的采样电流并将该采样电流送至IS引脚。如前文已参考图11所述，IS引脚处的该采样电流流向外部电阻以产生电流采样电压。该电流采样电压被送至放大器430的一个输入端。内置电流源423输出限流电流至ILIMIT引脚。该限流电流流经外部电阻产生限流电压。该限流电压被送至放大器430的另一个输入端。该放大器430将ILIMIT引脚处的限流电压与IS引脚处的电流采样电压比较以检测过流状态，即检测从IN引脚流向OUT引脚的输出电流何时超过设定的限流值。若过流状态发生，该放大器430将晶体管427(例如也可以是N沟道场效应晶体管)导通以便关断功率开关421，从而将IN引脚与OUT引脚断开。在图12的示例中，电流源426产生软启动电流(Iss)送至SS引脚。该软启动电流对外部电容(例如图11中示出的电容C1)充电而产生软启动电压。该软启动电压被送至软启动放大器429的一个输入端。该软启动放大器429的另一个输入端与OUT引脚之间耦接电压V1(图12中示意为由一个电压源提供)以用于在软启动过程结束后将软启动放大器429不使能。
在软启动时，即当开关器件405刚从关断状态被导通时，ON引脚处的使能信号生效，功率开关421的栅极电压VG可以采用例如电荷泵电路425中的电流源拉高，从而允许功率开关421导通使得耦接于OUT引脚的输出电容(例如图11示意的输出电容C2)可以被充电。OUT引脚输出的输出电压VOUT将以受控速率逐步增大，该受控速率由SS引脚上的软启动电压的变化速率控制。软启动放大器429将SS引脚上的软启动电压与输出电压VOUT相比较通过例如控制晶体管428(例如N沟道场效应晶体管)的栅极电压VG以调整输出电压VOUT跟随软启动电压。
在某些状态下，当多个开关器件405并联耦接时，其中的一个或几个开关器件405可能在启动过程中失败。更具体的，如果各开关器件405所包含的元件不匹配或者采用的软启动放大器429的失调电压有所不同，其中的某个开关器件405可能会比其余的开关器件405吸取更多电流。这一多个开关器件405并联耦接时的潜在问题将参考图13进一步说明。
图13示出了根据本公开一个实施例的包含多个单片集成电路开关器件405的系统400的架构示意图。在图13的示例中，该系统400包括多个并联耦接的开关器件405，例如图13中示意为包括三个并联耦接的开关器件405-1、405-2和405-3。本领域的技术人员应该理解本公开并不限于此，系统400中包含的开关器件405的个数可以根据实际应用的功率需求而合适选取。
由于多个开关器件405是并联耦接的，它们的IN引脚耦接在一起，OUT引脚也耦接在一起。该多个开关器件405的ON引脚也可以耦接在一起以使该多个开关器件405作为一个单元被整体导通/关断。将多个开关器件405并联耦接可以提高功效，因为系统400的总输出电流要在该多个开关器件405之间均分。不过这是在系统400进入稳定的正常工作模式之后，在系统400的启动过程中，若存在前述的元件不匹配问题，总输出电流可能并不能在该多个开关器件405之间均分。
更具体地，参见图13示意，在软启动时，该多个开关器件405的ON引脚处的使能信号生效，每个开关器件405中的功率开关开始导通以对输出电容C2充电。每个开关器件405中的软启动放大器(429)调整输出电压VOUT跟随软启动电压逐步增大。理想地，系统400的总输出电流应该在该多个(图13中示意为三个)开关器件405之间均分，从而使开关器件405避免出现过流或者过温等问题。然而，由于该多个开关器件405中的每个开关器件405中的软启动放大器(429)的失调电压可能不同，很可能出现该多个开关器件405中的某一个把总输出电流全部吸取的问题。该吸取了总输出电流的开关器件405将过热并最终关断。这将导致总输出电流又被下一个开关器件405全部吸取，该开关器件405也将过热并关断，直至所有开关器件405关断。因而这种情况下，系统400将不能成功启动。
图14示出了根据本公开一个实施例的系统410的架构示意图。该系统410与系统400(图13)不同之处在于采用单晶片集成电路开关器件412(例如示出了412-1、412-2、412-3)替换单晶片集成电路开关器件405。在一个实施例中，开关器件412除了还包括IAVE引脚和相关的内置均流电路(例如图15中示出的均流电路501)外与开关器件405包含的其它元件相同。该IAVE引脚和该内置均流电路有助于防止系统410出现启动不成功的问题。
在图14的示例中，多个开关器件412并联耦接成一个组合开关器件。更具体地，对于图14示意的多个开关器件412，它们的ON引脚相互耦接在一起，IN引脚相互耦接在一起，OUT引脚相互耦接在一起，SS引脚相互耦接在一起。因此，该多个并联耦接的开关器件412作为一个组合开关器件或一个单元可以被整体导通/关断，例如通过在ON引脚上施加使能信号。当系统410被导通时，各开关器件412均导通将各自的IN引脚耦接至各自的OUT引脚。相反，当系统410被关断时，个开关器件412均关断以将各自的TN引脚与各自的OUT引脚断开。
在图14的示例中，该多个开关器件412的IAVE引脚相互耦接在一起并耦接至外部均衡电阻R7的一端，该外部均衡电阻R7的另一端连接至地。在一个实施例中，每个开关器件412还具有内部产生的采样电流送至其IAVE引脚。由于该多个开关器件412的IVAE引脚耦接在一起，因而该多个开关器件412中每一个的采样电流均被送至该外部均衡电阻R7，从而产生平均电压VAVG，该平均电压VAVG表征了该多个开关器件412的总输出电流的平均(平均输出电流)。举个例子，假设图14中示意出的开关器件412-1、412-2和412-3的输出电流分别为2A、1A和3A，则它们的总输出电流(亦可认为系统410的总输出电流)为6A(即：2A+1A+3A)，平均输出电流为2A(即：6A/3)。对于图14的例子，所有开关器件412都具有平均电压VAVG，该平均电压VAVG可以作为检测每个开关器件412吸取的电流是否超过平均输出电流的参考。
在一个实施例中，均衡电阻R7的阻值被选取为使所述平均电压可以表征所述平均输出电流。在一个实施例中，该平均输出电流等于总输出电流除以系统中开关器件的个数。例如，对于有三个开关器件412的系统410，平均输出电流等于总输出电流除以三。再举个例子，若系统410的总输出电流为9A，则对于图14示意的包含三个开关器件412的情况，平均输出电流等于3A(即：9A/3)。在图14的例子中，均衡电阻R7的阻值也可以等于外部电阻R的阻值(即：外部电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6)除以并联耦接的开关器件412的个数。更具体地可以用下式表示：R7＝R/N，其中R＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6，N是开关器件412的个数。举个例子，若外部电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6均具有3KΩ的阻值，则均衡电阻R7具有1KΩ的阻值(即3KΩ/3)。可以理解，均衡电阻R7可以表示单个电阻也可以表示一个电阻网络(例如等效并联和/或串联电阻)。
图15示出了根据本公开一个实施例的单晶片集成电路开关器件412的电路架构示意图。开关器件412除了还包括IAVE引脚和均流电路501之外与图12示意的开关器件405包含的其它元件相同。该均流电路501用于在启动过程中对并联耦接的多个开关器件412的输出电流进行均流调节。开关器件412中的其它电路元件的工作方式与开关器件405中的相同。
在图15的示例中，均流电路501可以包括放大器502和晶体管503(例如可以是N沟道场效应晶体管)。均流电路501可以在启动过程中使能，并在启动过程结束后不使能。例如，均流电路501可以在输出引脚OUT处的输出电压VOUT达到高于IN引脚处的输入电压VIN的90％时不使能。
在图15的示例中，电流采样电路424提供表征输出电流(即从IN引脚流向OUT引脚的电流)的第二采样电流(Isense2)。在图15的例子中，该第二采样电流Isense2可以等于另一采样电流Isense。该第二采样电流Isense2流向IAVE引脚并流经外部均衡电阻(如图14示意的均衡电阻R7)以产生平均电压。该平均电压送至放大器502的一个输入端，该放大器502用于将IAVE引脚上的平均电压(表征了多个并联耦接的开关器件412的平均输出电流)与IS引脚上的电流采样电压(表征了每个开关器件412的输出电流)相比较。当开关器件412的输出电流超过平均输出电流时，放大器502控制晶体管503(本公开并不限于此，也可以是任何其它合适的可控开关)将功率开关421的栅极电压VG拉低，从而降低开关器件412的输出电流。这样可以防止开关器件412吸取比平均输出电流更大的电流。实际上，该均流电路501提供了一个电流调整环路使得系统总输出电流在该多个并联耦接的开关器件412之间均分。因而有助于防止每个并联耦接的开关器件412在启动过程中吸取比其余开关器件412过量的电流。
图16和图17示出了包含多个并联耦接的开关器件的系统的仿真波形。这些仿真波形是在IN引脚处的输入电压VIN设置为12V时所得。
图16示出了包含多个并联耦接的开关器件的系统在没有均流电路/均流措施时(例如图13示意的系统)的仿真波形。图16示意的仿真波形包括OUT引脚处的输出电压VOUT波形601、系统的总输出电流IOUT波形602和并联耦接的多个开关器件405中的每个开关器件(例如图13中的405-1、405-2和405-3)的输出电流波形603～605。由图16可见，在没有均流电路/均流措施时，在启动过程中随着输出电压VOUT增大，各开关器件的输出电流(波形603～605)可能差异很大。比如，图16可见其中的一个开关器件(与波形603对应的)与其余的开关器件(与波形604、605对应的)相比承担了大量输出电流。
图17示出了包含多个并联耦接的开关器件的系统在有均流电路/均流措施时(例如图14示意的系统)的仿真波形。图17示意的仿真波形包括OUT引脚处的输出电压VOUT波形611、系统的总输出电流IOUT波形612和并联耦接的多个开关器件412中的每个开关器件(例如图14中的412-1、412-2和412-3)的输出电流波形613。由图17可见，在有均流电路/均流措施时，在启动过程中随着输出电压VOUT增大，各开关器件的输出电流其实相同，因而波形几乎重合(见波形613)。
图18示出了一种根据本公开一个实施例的操作包含开关器件的系统的方法的流程示意图。图18示意的方法可以采用例如多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件412来实施。应该理解，其它开关器件也可以用来实施该方法而并不超出本公开的精神和保护范围。
在图18的示例中，单晶片集成电路开关器件可以指多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件中的任何一个。该单晶片集成电路开关器件具有第一引脚和第二引脚，可以在第一引脚接收输入电压(步骤701)，并在该单晶片集成电路开关器件导通时将该第一引脚耦接至第二引脚(步骤702)。该多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件可以被构建成一个单元作为系统的一部分被整体导通/关断。当系统导通是，单晶片集成电路开关器件导通。单晶片集成电路开关器件可以包括功率开关，用于在该单晶片集成电路开关器件导通时将其第一引脚耦接至第二引脚。该单晶片集成电路开关器件导通时还在其第二引脚流出输出电流。
该单晶片集成电路开关器件还可以将其输出电流与该多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流相比较(步骤703)。在启动过程中，若该单晶片集成电路开关器件的输出电流超出总输出电流的平均输出电流，则该单晶片集成电路开关器件降低其输出电流(步骤704)。例如，该单晶片集成电路开关器件可以通过拉低其功率开关的栅极电压以降低其输出电流。
本公开提供单晶片集成电路开关器件及包括单晶片集成电路开关器件的铜系统和相关的操作方法，虽然详细介绍了本发明的一些实施例，然而应该理解，这些实施例仅用于示例性的说明，并不用于限定本发明的范围。其它可行的选择性实施例可以通过阅读本公开被本技术领域的普通技术人员所了解。
Claims (20)
1.一种包括多个单晶片集成电路开关器件的系统，包括：
第一单晶片集成电路开关器件，包含第一引脚、第二引脚和第一功率开关，该第一功率开关用于在该系统导通时将该第一单晶片集成电路开关器件的第一引脚耦接至其第二引脚；
第二单晶片集成电路开关器件，包含第一引脚、第二引脚和第二功率开关，该第二功率开关用于在该系统导通时将该第二单晶片集成电路开关器件的第一引脚耦接至其第二引脚，并且该第二单晶片集成电路开关器件的第一引脚和第二引脚分别耦接至第一单晶片集成电路开关器件的第一引脚和第二引脚；
该第二单晶片集成电路开关器件进一步包含均流电路，用于在该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流超过包含该第二单晶片集成电路开关器的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流时通过控制所述第二功率开关降低该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
第三单晶片集成电路开关器件，包含第一引脚、第二引脚和第三功率开关，该第三功率开关用于在该系统导通时将该第三单晶片集成电路开关器件的第一引脚耦接至其第二引脚，并且该第三单晶片集成电路开关器件的第一引脚耦接至第一单晶片集成电路开关器件和第二单晶片集成电路开关器件的第一引脚，该第三单晶片集成电路开关器件的第二引脚耦接至第一单晶片集成电路开关器件和第二单晶片集成电路开关器件的第二引脚。
3.如权利要求1所述的系统，其中：
所述第一单晶片集成电路开关器件还包括第三引脚用于输出表征该第一单晶片集成电路开关器件的输出电流的信号；
所述第二单晶片集成电路开关器件还包括第三引脚用于输出表征该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流的信号；
所述第一单晶片集成电路开关器件的第三引脚与所述第二单晶片集成电路开关器件的第三引脚耦接在一起用于提供表征该第一单晶片集成电路开关器件和该第二单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均电流的平均电压。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第二单晶片集成电路开关器件还包括：
第四引脚，用于提供表征该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流的第一电流采样信号；
第五引脚，用于提供表征该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流的第二电流采样信号。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述均流电路包括：
比较器，用于将该第二单晶片集成电路开关器件的第五引脚上生成的电流采样电压与该第二单晶片集成电路开关器件的第四引脚上生成的平均电压相比较，其中该电流采样电压表征该第二单晶片集成电路开关器件的输出电流，该平均电压表征所述包含该第二单晶片集成电路开关器件的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述平均电压通过使所述多个并联耦接的集成电路开关器件各自的输出电流的采样电流流过均衡电阻产生。
7.如权利要求1所述的系统，所述第一功率开关或所述第二功率开关包括场效应晶体管。
8.一种单晶片集成电路开关器件，包括：
第一引脚，用于接收输入电压；
第二引脚，用于耦接负载；
功率开关，用于在该单晶片集成电路开关器件导通时将所述第一引脚耦接至所述第二引脚；和
均流电路，用于在该单晶片集成电路开关器件的启动过程中基于该单晶片集成电路开关器件的输出电流与包含该单晶片集成电路开关器件的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流的相对大小控制所述功率开关。
9.如权利要求8所述的单晶片集成电路开关器件，其中所述均流电路用于基于该单晶片集成电路开关器件的输出电流与所述平均输出电流的比较结果控制所述功率开关。
10.如权利要求8所述的单晶片集成电路开关器件，其中所述均流电路包括：
比较器，用于接收表征该单晶片集成电路开关器件的输出电流的电流采样信号和表征所述平均输出电流的平均信号，并将该电流采样信号与该平均信号比较以输出比较信号。
11.如权利要求10所述的单晶片集成电路开关器件，其中所述均流电路还包括：
可控开关，用于基于所述比较信号控制所述功率开关的栅极。
12.如权利要求11所述的单晶片集成电路开关器件，其中，当该单晶片集成电路开关器件的输出电流超过所述平均输出电流时，所述可控开关将所述功率开关的栅极拉低。
13.如权利要求10所述的单晶片集成电路开关器件，其中所述电流采样信号是在该单晶片集成电路开关器件的第三引脚上生成的电流采样电压，该电流采样电压基于送至该第三引脚的表征该单晶片集成电路开关器件的输出电流的采样电流生成。
14.如权利要求10所述的单晶片集成电路开关器件，其中，所述平均信号是使所述多个并联耦接的集成电路开关器件各自的输出电流的采样电流流过均衡电阻产生的平均电压。
15.如权利要求8所述的单晶片集成电路开关器件，其中，当该单晶片集成电路开关器件的输出电流超过所述平均输出电流时，所述均流电路控制该单晶片集成电路开关器件的输出电流降低。
16.一种操作包含单晶片集成电路开关器件的系统的方法，包括：
在单晶片集成电路开关器件的第一引脚接收输入电压；
响应于该单晶片集成电路开关器件从关断切换至导通，将该输入电压通过功率开关输送至该单晶片集成电路开关器件的第二引脚；
将该单晶片集成电路开关器件的输出电流与包含该单晶片集成电路开关器件的多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流相比较；以及
在该单晶片集成电路开关器件的输出电流超过所述平均输出电流时，降低该单晶片集成电路开关器件的输出电流。
17.如权利要求16所述的方法，其中，降低该单晶片集成电路开关器件的输出电流包括：
通过拉低所述功率开关的栅极降低该单晶片集成电路开关器件的输出电流。
18.如权利要求16所述的方法，还包括：
在单晶片集成电路开关器件的第三引脚输出表征该单晶片集成电路开关器件的输出电流的第一采样电流；
在单晶片集成电路开关器件的第四引脚输出表征该单晶片集成电路开关器件的输出电流的第二采样电流。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
在所述第三引脚上生成表征该单晶片集成电路开关器件的输出电流的电流采样电压；
在所述第四引脚上生成表征所述多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件的总输出电流的平均输出电流的平均电压；以及
将所述电流采样电压与所述平均电压相比较。
20.如权利要求19所述的方法，还包括:
使所述第一采样电流流过耦接至所述第三引脚的采样电阻以生成所述电流采样电压；以及
使所述多个并联耦接的单晶片集成电路开关器件中的每一个的第二采样电流流过耦接至所述第四引脚的均衡电阻以生成所述平均电压。
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