CN1877949B - 形成浪涌限制器的方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及形成浪涌限制器的方法及其结构。在一个实施方式中，浪涌限制器被配置为控制输出电压使其以与由浪涌限制器供电的负载无关的速率增加。
Description
技术领域
本发明一般涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体器件和结构的方法。
背景技术
过去，电子工业利用各种方法和器件以保护电路免受电压瞬变。在一些应用中，希望在不去除电力的情况下从其电源插或拔电子电路。当电路卡被插入或从诸如个人计算机的小型系统或从诸如可能具有充满电子卡的大的机架的电信系统的大型系统被去除时，已出现这种情况。卡常在整个系统不断电的情况下被去除或被重新插入。由于在转移的过程中电力线保持“热状态”，因此这些情况被称为“热交换”或“热插拔”应用。
在美国专利No.6781502中公开了用于控制在热交换过程中施加到卡的电源总线上的电压的热交换电路的一个例子，该专利在2004年8月24日被授权给Stephen Robb，在此加入其内容作为参考。在热交换事件中，一般希望缓慢地将输入电力耦合到在热交换事件中被插入的卡的电源总线上。但是，大多数热交换控制器不能充分地限制卡的电源总线上的电压的上升时间。这种迅速上升时间导致电源总线的扰动，这会导致部件受损或系统失效。
发明内容
因此，希望具有为在热交换过程中施加到卡的电源总线上的电压提供较长的上升时间的热交换控制方法和电路。
根据本发明的第一方面，提供一种热交换浪涌限制器，包括：被配置为耦合来自电压源的电压以在所述热交换浪涌限制器的输出端形成输出电压的旁路晶体管；和在操作上被耦合为形成线性变化的基准信号并响应地控制所述旁路晶体管以与通过所述旁路晶体管提供到负载的电流无关的速率线性增加所述输出电压的控制电路，所述控制电路包括：被耦合为产生所述线性变化的基准信号作为随时间线性增加的斜坡信号的斜坡产生器；被耦合为接收代表所述输出电压的传感信号并将所述传感信号与所述斜坡信号相比较的放大器；以及被耦合为接收所述放大器的输出并控制所述旁路晶体管以响应所述斜坡信号而增加所述输出电压的控制晶体管。所述热交换浪涌限制器被形成在单个半导体衬底上，并且其中所述控制电路被配置为使用在所述单个半导体衬底外部的电容器来形成所述线性变化的基准信号。
根据本发明的第二方面，提供一种形成热交换浪涌限制器的方法，包括以下步骤：配置旁路晶体管，以耦合来自电压源的电压以在所述热交换浪涌限制器的输出端形成输出电压；配置斜坡电路，以形成斜坡信号；以及配置所述热交换浪涌限制器，以使用所述斜坡信号形成控制所述旁路晶体管的控制信号，其中所述控制信号响应所述斜坡信号而变化并且所述输出电压以与流过所述旁路晶体管的电流无关的速率变化，以及其中所述旁路晶体管控制所述输出电压使其以与被连接为接收所述输出电压的负载无关的速率随时间增加，并且其中所述热交换浪涌限制器被配置为将所述输出电压的增加速率限制到不大于斜坡信号的增加速率。
根据本发明的第三方面，提供一种热交换方法，包括步骤：配置旁路晶体管以将来自电压源的电压耦合到浪涌限制器的输出端以形成输出电压；配置所述浪涌限制器以形成与穿过所述旁路晶体管的负载电流无关的斜坡信号；配置所述浪涌限制器以形成代表所述斜坡信号和传感信号的差的控制信号，其中所述传感信号代表所述输出电压并且所述控制信号的值与穿过所述旁路晶体管的负载电流值无关；配置所述浪涌限制器以响应所述斜坡信号和传感信号的差控制所述旁路晶体管并以与穿过所述旁路晶体管的负载电流无关的速率增加所述输出电压，其中控制所述输出电压的增加速率包括将所述输出电压的增加速率限制到不大于所述斜坡信号的增加速率。
附图说明
图1示意性示出包括根据本发明的用于热交换事件的浪涌限制器的系统的一部分的实施方式。
图2示意性示出根据本发明的图1的浪涌限制器的一些电路的实施方式的一部分。
图3示意性示出包括根据本发明的图1的浪涌限制器的半导体器件的放大平面图。
为了说明的简化和清楚，附图中的部件不必按比例，并且，不同附图中的相同附图标记表示相同的部件。另外，为了说明的简化，忽略公知的步骤和部件的说明和细节。如这里使用的那样，载流电极意思是承载穿过器件的电流的器件的部件，诸如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，控制电极意思是控制穿过器件的电流的器件的部件，诸如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。虽然这里器件被解释为确定的N沟道或P沟道器件，但本领域技术人员可以理解，根据本发明互补器件也是可能的。本领域技术人员可以理解，这里使用的词组在…过程中、在…时和当…时不是意味着一旦出现起始动作就立即发生动作的精确术语，而是在被起始动作启动的反应之间可能存在一些小但合理的延迟的术语。
具体实施方式
图1示意性示出包括具有浪涌限制器25的系统卡11的系统10的实施方式的一部分。系统10一般包括具有各种卡的主系统总线14，该卡诸如被插入总线14或与其联接的卡11。以一般的方式用箭头标识主系统总线14。主系统总线14包括用于向卡11提供电力的电源端子12和电力返回端子13。一般地，电压源在沿主系统总线14的某点被施加到端子12和13之间。电压源一般是直流(dc)电压。为了向卡11提供电压源和电力，卡11一般具有被配置为插入主系统总线14或与其联接或与端子12和13联接的功率输入端子15和电力返回端子16。卡11一般包括限制器25、负载22、内部功率总线43、和帮助向总线43以及向负载22提供稳定电压的能量存储电容器21。负载22可以是各种电路，该电路被配置在卡11上以执行诸如调制功能或局域网络功能等的希望功能。卡11的传感网络包括作为电阻器分割器被耦合的电阻器18和19，该电阻器分割器在代表总线43上的电压值的传感节点24上形成传感信号。限制器25被配置为以与负载22或操作负载22所需要的电流量无关的方式缓慢地增加施加到总线43上的电压值。
限制器25一般从电压源接收电压作为电压源输入端26和电压源返回端27之间的输入电压。输入端26一般与端子15连接，返回端27一般与端子16连接。限制器25接收输入电压并在输出端28和输出返回端29之间形成输出电压。返回端29一般与返回端27连接。输出端28上的输出电压形成总线43上的电压。限制器25接收输入电压并以与负载22或操作负载22所需要的电流值无关的比率相应地控制输出电压的上升时间。限制器25包括控制电路39、旁路晶体管34、电荷泵电路或电荷泵37。限制器25还具有用于从节点24接收传感信号的传感输入端33和斜坡控制端子31。限制器25还可以包括保护电路57，该保护电路57包括对于诸如欠电压、过电压和温度过高保护的条件保护限制器25的电路。实现这种欠电压、过电压和温度过高保护功能的电路对于本领域技术人员是公知的。限制器25一般包括内部调节器45，内部调节器45接收输入端26上的输入电压、并在用于操作限制器25的包括电路39和电荷泵37的一些部件的输出端46上形成内部电压。栅极电阻器36用限制晶体管34栅极电压增加速率的晶体管34的栅极电容形成滤波器。来自电阻器36的信号一般具有接近指数形状的波形，但也可以使用其它的波形。但是，一般希望将栅极电压控制到甚至更低的速率。
随着卡11在端子12和13上与系统总线14联接，卡11开始在端子15和16之间接收电力。由于输入端26和返回端27之间的输入电压值从零开始增加，因此电荷泵37最初是无效的。因此，电荷泵37的输出端38上的电压最初为零，晶体管34处于停用状态，并且输出端28和返回端29之间的输出电压也接近零。随着输入端26和返回端27之间的输入电压值增加为大于调节器45的阈值，调节器45的输出端46上的内部电压开始增加。当输出端46上的电压值大于启动电荷泵37的操作所需要的电压时，电荷泵37开始在输出端38施加电压。电阻器36强制晶体管34的栅极上的电压值以比输出端38上的电压慢的速率增加。电流源40和外部电容器23用作在基准节点32上产生基准信号的斜坡产生器。电流源40可以是恒流源，该恒流源用恒定的电流对外部电容器23充电并在节点32上为基准信号形成结果的线性变化的斜坡信号。在优选实施方式中，斜坡信号是斜坡电压。斜坡信号的斜率由电容器23的值以及由源40供给的电流确定。在一个实施方式中，源40提供约八十(80)微安的电流。如果电容器23的值约为一(1)微法拉，那么在节点32上形成具有每一百(100)毫秒约八(8)伏特的斜率的斜坡信号。在其它实施方式中，源40可以是可变电流源或为充电电流提供其它值的其它类型的电流源，或者，可以使用电容器23的其它值。另外，节点32上的基准信号可以具有其它变化的波形而不是线性变化的斜坡信号。放大器41从输入端33接收传感信号，并从节点32接收基准信号，并相应地在放大器41的端出端上形成控制信号。控制信号以由基准信号的变化速率确定的速率变化，因此，控制信号以与负载22无关且与操作负载22所需要的电流值无关的速率变化。对于线性增加的斜坡基准信号的示例性实施方式，控制信号线性增加。控制信号用于控制晶体管34，以在输出端28上产生输出电压，使得输出电压对应于基准信号而变化。对于线性增加的斜坡基准信号的示例性实施方式，输出电压也随时间线性增加并具有斜坡波形。来自放大器41的控制信号用于控制施加到晶体管34的源极上的电压值，并由此强制输出电压以与基准信号相同的速率变化。如果来自电阻器36的电压值增加得比控制信号快，那么放大器41控制晶体管35的栅极电压，以强制晶体管34的栅极电压符合与基准信号相同的曲线。因此，输出电压的值被控制为符合：
Vout＝Vref*((R19+R18)/R19)
其中，
Vout-输出电压
Vref-节点32上的基准信号的值
R19-电阻器19的值
R18-电阻器18的值
为了实现限制器25的该功能性，调节器45被连在输入端26和返回端27之间。电荷泵37被连在调节器45的输出端46和返回端27之间，并且输出端38与电阻器36的第一端子连接。电阻器36的第二端子与晶体管34的栅极以及晶体管35的漏极连接。晶体管35的源极与返回端27和返回端29连接。晶体管35的栅极与放大器41的输出端连接。放大器41被连接为在调节器45的端出端46和返回端27之间接收电力。放大器41的反相输入端与电流源40的输出端、节点32和端子31共连。电流源40的输入端与输出端46连接。放大器41的非反相输入端与输入端33连接。晶体管34的源极是连接的输入端26，晶体管34的漏极是连接的输出端28。电阻器18的第一端子与输出端28连接，第二端子与输入端33连接。电阻器19的第一端子与输入端33连接，电阻器19的第二端子与返回端29连接。
图2示意性示出图1的限制器25的电荷泵37的示例性实施方式的一部分。电荷泵37从输出端46接收内部操作电压。振荡器53提供在返回端27上的电位和从输出端46接收的电位之间切换的脉冲串。振荡器53的输出端对泵电容器54进行充电，该泵电容器54又对输出电容器52进行充电，以在输出端38和返回端27之间产生输出电压。输出电压是约等于调节器45的输出端46上的电压加上振荡器53的脉冲电压的电压。本领域技术人员可以理解，电荷泵37可具有其它公知的实施方式。
图3示意性示出在半导体模具71上形成的半导体器件70的实施方式的一部分的放大平面图。在模具71上形成限制器25。模具71还可包括为了附图的简化未在图3中示出的其它电路。限制器25和器件70是通过本领域技术人员公知的半导体制造技术在模具71上形成的。
鉴于以上的全部说明，很显然，新型器件和方法被公开。在其它特征中，包括的是控制用于热交换应用的浪涌限制器的输出电压，以使其以与负载和操作负载所需要的电流无关的速率增加。在优选实施方式中，输出电压被控制为响应斜坡整形的基准信号而线性增加。
虽然用特定的优选实施方式说明了本发明，但很显然，对于半导体领域的技术人员来说，许多替代方案和变更方案是显而易见的。例如，限制器25被举例说明为高端控制器，但本领域技术人员可以理解，控制器25也可以被实施为低端控制器。另外，为了清楚说明，通篇中使用词语“连接”，但是，其意图是具有与词语“耦合”相同的意思。因此，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接中的任一种情况。
Claims (6)
1.一种热交换浪涌限制器，包括：
被配置为耦合来自电压源的电压以在所述热交换浪涌限制器的输出端形成输出电压的旁路晶体管；和
在操作上被耦合为形成线性变化的基准信号并响应地控制所述旁路晶体管以与通过所述旁路晶体管提供到负载的电流无关的速率线性增加所述输出电压的控制电路，所述控制电路包括：
被耦合为产生所述线性变化的基准信号作为随时间线性增加的斜坡信号的斜坡产生器；
被耦合为接收代表所述输出电压的传感信号并将所述传感信号与所述斜坡信号相比较的放大器；以及
被耦合为接收所述放大器的输出并控制所述旁路晶体管以响应所述斜坡信号而增加所述输出电压的控制晶体管。
2.根据权利要求1的热交换浪涌限制器，其特征在于，所述热交换浪涌限制器被形成在单个半导体衬底上，并且其中所述控制电路被配置为使用在所述单个半导体衬底外部的电容器来形成所述线性变化的基准信号。
3.根据权利要求1的热交换浪涌限制器，其特征在于，在操作上被耦合为形成线性变化的基准信号并响应地控制所述旁路晶体管以线性增加所述输出电压的所述控制电路包括：在操作上被耦合为控制所述旁路晶体管以响应接收来自所述电压源的所述电压而线性增加所述输出电压的控制电路。
4.根据权利要求1的热交换浪涌限制器，其特征在于：
所述控制晶体管具有控制电极，并且还具有与所述旁路晶体管的控制电极耦合的第一载流电极，以及具有与电压返回端耦合的第二载流电极；
所述斜坡产生器具有被配置为产生线性增加的基准信号的输出端；和
所述放大器具有被耦合为接收所述基准信号的第一输入端、被耦合为接收所述传感信号的第二输入端、和被耦合为向所述控制晶体管的所述控制电极提供所述放大器的输出的输出端。
5.一种形成热交换浪涌限制器的方法，包括以下步骤：
配置旁路晶体管，以耦合来自电压源的电压以在所述热交换浪涌限制器的输出端形成输出电压；
配置斜坡电路，以形成斜坡信号；以及
配置所述热交换浪涌限制器，以使用所述斜坡信号形成控制所述旁路晶体管的控制信号，其中所述控制信号响应所述斜坡信号而变化并且所述输出电压以与流过所述旁路晶体管的电流无关的速率变化，以及其中所述旁路晶体管控制所述输出电压使其以与被连接为接收所述输出电压的负载无关的速率随时间增加，并且其中所述热交换浪涌限制器被配置为将所述输出电压的增加速率限制到不大于斜坡信号的增加速率。
6.一种热交换方法，包括步骤：
配置旁路晶体管以将来自电压源的电压耦合到浪涌限制器的输出端以形成输出电压；
配置所述浪涌限制器以形成与穿过所述旁路晶体管的负载电流无关的斜坡信号；
配置所述浪涌限制器以形成代表所述斜坡信号和传感信号的差的控制信号，其中所述传感信号代表所述输出电压并且所述控制信号的值与穿过所述旁路晶体管的负载电流值无关；
配置所述浪涌限制器以响应所述斜坡信号和传感信号的差控制所述旁路晶体管并以与穿过所述旁路晶体管的负载电流无关的速率增加所述输出电压，其中控制所述输出电压的增加速率包括将所述输出电压的增加速率限制到不大于所述斜坡信号的增加速率。
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