CN1996693B

CN1996693B - 故障控制电路及其方法

Info

Publication number: CN1996693B
Application number: CN2006101605721A
Authority: CN
Inventors: 拉迪斯拉弗·马特亚斯
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2006-01-03
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-11-23
Also published as: US7423856B2; KR101389056B1; HK1106622A1; CN1996693A; US20070153439A1; TW200735508A; KR20070073624A; TWI389431B

Abstract

在一个实施例中，开关式电源控制器的故障控制电路配置为响应故障状态禁止开关式电源控制器的操作电压，并随后使故障控制电路与其它操作电压分离。

Description

故障控制电路及其方法

技术领域

本发明通常涉及电子学，尤其涉及形成半导体设备和结构的方法。

背景技术

在过去，半导体工业利用各种方法和结构以形成在电源控制系统中使用的开关式电源控制器。先前的电源控制器通常接收一个输入电压，然后调节并输出电压到可接受范围内的一个期望值。在某些情况下，电源控制器包括电路以检测故障状态，诸如输入电压下降到一个不足以操作系统从电源系统接收功率的值。在检测到这样的故障状态后，禁止该电源控制器的操作。在大多数实施例中，所述控制电路需要响应于所述故障状态而管理所述电源控制器，并且通常在故障情况期间和故障情况不再存在之后仍消耗功率。另外，所述控制电路通常需要一些模拟元件和各种数字逻辑元件，诸如，门电路、锁存器等。数字和模拟元件使用半导体模片上的区域，在该区域生产所述电源控制器，从而增加了所述电源控制器的成本。

因此，希望有一个电源控制器的故障控制电路，其能够在故障事件发生期间以及之后减少功率的消耗，以及减少实现所述故障控制电路所需要的元件数量。

发明内容

本发明提供了一种开关式电源控制器，包括：第一输入，配置为接收来自所述开关式电源控制器外部的电压源的第一电压；所述开关式电源控制器的第一部分，被可操作的耦合以检测故障状态；所述开关式电源控制器的第一电路，响应于所述开关式电源控制器检测到所述故障状态，被可操作的耦合以使用所述第一电压形成用于所述第一电路的第一操作电压并产生一个控制信号，响应于所述第一操作电压减少到第一值，所述第一电路可操作的耦合以无效所述控制信号并使所述第一电路与从所述第一操作电压的操作分离；以及所述开关式电源控制器被配置为生成不同于第一操作电压的第二操作电压并响应于所述控制信号禁用所述第二操作电压，其中所述第二操作电压被用于操作所述开关式电源控制器的第一部分。

本发明提供一种形成开关式电源控制器的方法，包括：配置所述开关式电源控制器的第一电路以根据第一操作电压操作，所述第一操作电压是从所述开关式电源控制器外部的电压源获得；配置所述开关式电源控制器以生成不同于所述第一操作电压的第二操作电压；配置所述开关式电源控制器的故障检测电路以检测故障状态，以及使用所述第二操作电压作为所述故障检测电路的电源；配置所述第一电路以响应于所述开关式电源控制器检测所述故障状态来产生一控制信号，响应于所述电压源减少到第一值来无效所述控制信号，以及使所述第一电路与根据所述第一操作电压的操作分离；以及配置所述开关式电源控制器响应于所述控制信号禁用所述第二操作电压。

附图说明

图1示意性示出了依据本发明具有电源控制器的电源控制系统一部分的实施例；

图2示意性示出了依据本发明图1的电源控制器的一部分的示例性可替换实施例；以及

图3示出了包括依据本发明图1的电源控制器的半导体设备的放大平面图。

为了简单和清楚地示出，图中的元件不必按比例，不同附图中的同一附图标记指示相同的元件。另外，为了说明书简明，省略众所周知的步骤以及元件的说明和细节。如在此使用的，载流电极是指通过以下设备，诸如，MOS晶体管的源极或漏极，或双极性晶体管的发射极或集电极，或二极管的阴极或阳极，承载电流的设备的元件，控制电极是指通过以下设备，诸如，MOS晶体管的栅极或双极性晶体管的基极控制电流的设备的元件。尽管所述设备在此解释为诸如特定N沟道或P沟道设备，本领域的普通技术人员应该理解依据本发明互补设备也是可能的。本领域的技术人员应该理解在此使用的“期间”、“当...的时候”以及“在...的时候”不是指当有启动动作时就立即发生动作的精确术语，而是可能会有一些小的但合理的延迟，诸如，在由初始动作所启动的反应之间的传播延迟。

具体实施方式

图1示意性示出电源控制系统10的一部分的实施例，其包括电源控制器40的一部分的示例性实施例。电源控制器40被配置为最小化实现控制器40的第一电路或故障电路70所需要的元件的数量。故障控制电路70被配置为没有任何数字逻辑门，并被配置为最小化控制器40的功率消耗。系统10通常从施加在输入端子11和返回端子12之间的大输入电压接收输入功率，并在电压输出13和电压返回14之间提供输出电压。控制器40被配置为调节所述输出电压的值到期望范围值内的一个目标值。例如，所述目标值可以是5伏特(5V)，所述期望的范围可以是该目标的正或负百分之五(5％)。系统10通常包括变压器16，其包括主线圈17、次线圈18以及辅线圈19。整流二极管20和滤波电容器21可连接到次线圈18以帮助形成所述输出电压。辅线圈19通常用于帮助形成用于控制器40的输入电压，该输入电压可以用于操作控制器40的至少一部分。电容24、电阻器22和二极管23可以连接到辅助线圈19以帮助形成所述输入电压并提供电源给控制器40，如稍后进一步所示。功率开关，诸如功率晶体管33，通常连接到主线圈17以易于控制器40调节所述输出电压的值。电阻32可以连接到晶体管33以提供电流测量(CS)信号，其表示流过晶体管33的电流的值。尽管晶体管33和电阻32显示在控制器40的外部，在一些实施例中，晶体管33和电阻30之一或两者可以在控制器40的内部。包括光耦合器27和电阻30的反馈网络可以用于向控制器40提供反馈(FB)信号，其表示所述输出电压的值。光耦合器27通常包括光发射器29和光电晶体管28。包括电阻35和电阻36的电阻分压器可以连接在端子11和12之间以提供一个电压，该电压表示端子11和12之间接收的大电压(bulk voltage)的值。

对于图1示出的示例性实施例，控制器40被配置为在电压输入41和电压返回42之间从控制器40外部的一个源接收用于操作控制器40的所述输入电压。控制器40通常包括电压降低(Brown Out，BO)输入43，其用于测量在端子11和12之间接收的所述大电压的值，PWM输出44，电流测量(CS)输入45，和反馈(FB)输入46。控制器40通常包括故障控制电路70，被用于在故障状态期间来控制控制器40的操作，以及开关或脉宽调制(PWM)控制部分48，被用于控制晶体管33并调节输出13和返回端14之间的所述输出电压的值。PWM控制部分48通常包括故障检测块52和PWM控制器49。PWM控制器49可以是各种不同类型的PWM控制器中的任何一种，包括固定频率电流模式PWM控制器、固定频率电压模式PWM控制器、滞后控制器、或其它本领域技术人员公知的各种类型PWM控制器。控制器49可以包括其它公知的PWM控制器功能，诸如软启动、前沿消隐、跳跃循环、以及过压保护。故障检测块52接收各种状态信号，并且当检测到故障状态时形成一个故障检测信号。

故障控制电路70被配置为接收施加在输入41和返回42之间的输入电压，并使用该输入电压作为操作电路70的第一操作电压。电路70也配置为生成第二操作电压(Vdd)，其被用于操作控制器40的其它部分，诸如故障检测块52和PWM控制器49。电路70还可配置为响应从块52接收的所述故障检测信号而禁止提供所述第二操作电压(Vdd)，并使电路70与从第一操作电压的操作分离。电路70通常包括一对并行连接的开关82和83，其有助于形成复位控制信号(Reset)，该复位控制信号有助于电路70的操作。电路70也通常配置为包括电流源78、电流镜74、电阻89、和复位电路95。电路95帮助复位所述电路70并使电路70与第一操作电压分离。对于图1示出的示例性实施例，复位电路95包括比较器96、电压参考或参考99、和操作电压测量电路，该操作电压测量电路由连接在输入41和电路70的开关电压返回端81之间的电阻97和98的分压器形成。开关82和83的一端连接到返回端42，第二端连接到同样帮助使电路70与第一操作电压分离的开关电压返回端81。比较器96、参考99、电阻97和98、以及电流源78、电流镜74被连接以接收来自第一操作供电电压的操作功率，该第一操作供电电压在输入41和开关电压返回81之间。如所示的，当开关82和83都打开时，电流源78、比较器96、电阻97、98以及参考99与开关电压返回81分离，从而与第一操作供电电压分离，并且不接收操作功率。电路70也可以包括欠压切断(under-voltage lock out，UVLO)电路72和用于生成第二操作电压(Vdd)的偏压生成器71。UVLO电路72和偏压生成器71在输入41和返回42之间连接以接收所述第一操作电压。UVLO电路72监视第一操作电压的值，并且如果所述第一操作电压的值小于操作控制器40所需要的最小值就阻止电路70生成第二操作电压，并且优选地，直到所述第一操作电压值大于所述最小值。UVLO电路72向偏压生成器发送控制信号以允许偏压生成器71生成第二操作电压(Vdd)。注意UVLO电路72和偏压生成器71也可以被电路70的复位控制信号(Reset)禁止。这样，Reset可以抑制控制器40生成第二操作电压。

在正常操作中，在端子11和12之间接收的所述大电压可以比操作控制器40和系统10所需要的大的多。例如，施加在端子11和12之间的电压可以是100伏特(100V)或更大，输出电压的目标值可能是大约5伏特(5V)。在系统10的初始启动期间，电容24被放电，在端子11和12之间接收的大电压开始通过电阻22给电容24充电。当电容24正在充电时，UVLO电路72阻止控制器40生成第二操作电压，直到电容24上的输入电压的值大于操作控制器40所需要的电压。例如，用于操作控制40的电压可以是10和12伏特之间(10-12V)，UVLO电路72可以直到所述输入电压达到大约15伏特(15V)时才允许控制器40开始操作。在一些实施例中，电路70也可以包括一个电路(未示出)，用于检测第一操作电压到达一个不小于所述期望范围的上限的电压。对于该例子，所述期望范围的上限可以大于约12伏特。然后电路72使能偏压生成器生成第二操作电压(Vdd)，并且随后PWM控制器49开始操作以调节所述输出电压的值。应该注意在一些实施例中，在UVLO电路72检测到一个允许控制器40操作的电压和生成器71生成Vdd之间有额外的时间延迟。这样的延迟通常用于保证在操作所述控制器40的其它元件之前所述偏压生成器元件达到所述期望的值。当PWM控制器49在输出44上生成PWM驱动脉冲到开关晶体管33时，辅线圈19接收功率并开始通过二极管23给电容24充电。因此，调节所述输出电压的PWM控制器49也调节跨电容24两端的电压，从而调节施加到控制器40的输入41的输入电压。电阻22、辅线圈19、电容24和二极管23给电容24充电并提供所述输入电压的功能对本领域的技术人员来说是众所周知的。

在控制器40的操作期间，有可能发生故障。例如，由于给系统10供电的主电路上的降低或其它低功率状况，端子11和12之间的大电压值可能开始下降。故障检测块52通过电阻35和36在降低(BO)输入43上接收所述低电压状况。替换地，在输出13和返回14之间可能会发生短路，并且引起反馈电压增加到其最大级。在另一个实例中，到控制器40的输入电压可能减少。例如，系统10供给的负载可能要求负载电流的大幅增加，这可能暂时减少所述输入电压。电阻53和54的电阻分压器形成一个低电压(VL)信号，其表述所述输入电压的值。当输入电压减少时，VL同样减少。注意到当禁止Vdd时，开关晶体管55分离电阻53和54，以减少在故障状态期间所述控制器40的功率损耗。故障检测块52被配置为检测这些状态中的任何之一并生成由电路70接收的故障检测信号。声明故障检测信号，则关闭开关82，从而连接电流源78和复位电路95到开关电压返回81以从所述第一操作电压接收功率。随着开关82的关闭，电流源78提供电流90，电流90流过电流镜74的主支路并流过开关82。由于电流镜功能，电流90使得电流镜74生成流过电流镜74的第二支路或镜像支路的第二电流91。电流91流过电阻89，形成电阻89两端的压降。电阻89两端的所述压降在复位节点88创建所述复位控制信号(Reset)。所述复位控制信号使得开关83关闭并且使得电流90分流流过开关82和83。有效的复位控制信号禁止电路72，从而禁止偏压生成器71并禁止所述第二操作电压。禁止第二操作电压使得从PWM控制部分50移除操作功率，从而阻止包括所述故障检测块52的部分50的操作。禁止故障检测块52使得对所述故障检测控制信号无效，所述故障检测控制信号反过来禁止开关82到打开状态。因为开关83关闭，电流90继续流过电流镜74、开关83、和电阻89，并且同样继续声明Reset有效。维持Reset的声明状态使得继续阻止生成所述第二操作电压。

为了确定所述故障状态是否仍存在，控制器40被配置为周期地再次使能所述第二操作电压。如果所述故障状态保持，再次禁止所述第二操作电压以阻止控制器49的操作。为了帮助提供该周期性的使能，流过电流镜74主支路的电流90还生成流过电流镜74的第三支路的电流92。由于第二操作电压仍然被抑制或禁止，部分48不操作并且不开关晶体管33。结果，电容24不是正从辅线圈19充电。流过镜像74的第三支路的电流92从电容24拉取电荷，从而对电容24放电并且减少所述第一操作电压的值。由于第一操作电压减少，在比较器96的反向输入接收的信号也减少。当第一操作电压值减少到第一值或复位值，比较器96的反向输入不再大于来自参考99的参考电压，并且比较器96的输出变高以关闭开关104。关闭开关104短路电阻89，从而在节点88上无效所述复位控制信号。无效Reset允许偏压生成器71再次生成所述第二操作电压。一旦建立第二操作电压，PWM控制器49开始开关晶体管33以调节所述输出电压的值和施加在所述控制器40上的输入电压的值。另外，无效Reset也打开开关83。随着开关82和83都打开，复位电路95和电流源78再次与从第一操作供电电压的操作相分离。复位电路95和电流源78与开关电压返回81相分离阻止了电流90-92的生成，并且阻止了复位电路95的操作，从而减少控制器40的功率消耗。与开关82和83一起使用电源和电流镜，以实现第二操作电压的控制，并且电路70的控制最小化形成所述控制电路70所需要的元件数目。

图2示意性示出了故障控制电路101的示例性可替换实施例，其是在图1的说明中解释的电路70的一个可替换实施例。电路101包括第一晶体管84和第二晶体管85，它们被配置为作为开关82和83。操作在电流饱和模式的扩散致窄电阻(pinch resistor)79被配置为作为电流源78。扩散致窄电阻的例子在2003年8月12日在Halamik etal的美国专利号6,605,978中公开，还在2003年12月18日发表的发明人Sukup et al的美国专利公开号2003/0231050A中公开，这两者都在此被合并作为参考。源78可以是本领域技术人员公知的各种其它类型的电流源中的任何一种。晶体管75与晶体管76、77和102连接在电流镜配置中。晶体管75作为电流镜74的主支路，而配置晶体管76和77以形成电流镜74的各自的第二和第三支路。晶体管103用于实现比较器96。与电阻97和98的值一起选择晶体管103的阈值电压，以为第一操作电压的复位值提供一个阈值电压，该阈值电压使能晶体管103。晶体管102提供用于晶体管103的偏置电流。晶体管106作用为实现开关104。如果从电路52接收到故障检测信号，晶体管105禁止晶体管106以允许电路101生成Reset信号。电阻86和电容87形成延迟，该延迟确保在电路101生成所述复位控制信号之前禁止晶体管106。电阻86和电容87还可以帮助阻止电压尖脉冲使能晶体管85。

示出故障检测块52的一个示例性实施例，包括晶体管60和电阻59，其被配置为用于VL输入信号的比较器。配置晶体管65和电阻62以形成用于BO信号的比较器。与各个电阻值一起选择晶体管60和65的阈值电压，以确保晶体管60和65检测各自VL和BO信号的所述期望值。比较器和定时器57接收所述反馈信号，将反馈信号与参考电压比较，并在反馈信号处于最大值后等待超时，以确保在生成反馈故障信号之前所述FB信号处于该最大值一段时间间隔。OR门电路58接收三个故障信号并为块52生成故障检测信号。本领域的技术人员理解其它公知类型的比较器可以用来代替晶体管60和65以及电阻59和62。

为了实现故障控制电路的该功能，晶体管84和85的源极被连接到返回42。晶体管84和85的漏极共同连接到开关电压返回81，连接到扩散致窄电阻79的第一端子，连接到晶体管103的源极，以及连接到电阻98的第一端子。晶体管84的栅极连接到晶体管105的栅极，并从块52接收故障检测信号。晶体管85的栅极共同连接电容87的第一端和电阻86的第一端，电阻86具有连接到节点88上的第二端。电容87的第二端连接到返回42。电阻89的第一端连接到返回42，第二端连接到节点88。电阻79的第二端共同连接到晶体管75的漏极和栅极，晶体管76的栅极，晶体管77的栅极、和晶体管102的栅极。晶体管75的源极共同连接到输入41、晶体管76的源极、晶体管77的源极、晶体管102的源极、和电阻97的第一端子。晶体管76的漏极连接到节点88以及电路72的复位控制输入。晶体管77的漏极连接到返回42。晶体管102的漏极共同连接到晶体管106的栅极、晶体管105的漏极、以及晶体103的漏极。晶体管103的栅极连接到电阻97和98的第二端子。晶体管105和106的源极连接到返回42。

图3示意性示出了半导体设备或集成电路110的实施例的一部分的放大平视图，该半导体设备或集成电路110在半导体模片111上形成。控制器40在模片111上形成。模片111也可以包括为了附图简单而未在图3中示出的其它电路。通过本领域技术人员熟知的半导体制造技术，在模片111上形成控制器40和设备或集成电路110。

鉴于上述所有的说明，显然公开了一种新颖的设备和方法。在其它特征之中，包括形成一种设备，其使用更少元件实现故障控制电路，并且它不使用数字逻辑元件。使用电流源、电流镜和并行连接的开关，诸如开关82和83或晶体管84和85，来最小化故障控制电路的有源元件，减少成本，并且有助于减少功率损耗。

当使用具体优选实施例说明本发明的主题时，对半导体领域的技术人员来说有许多替换和变化是显而易见的。更具体的，对于特殊P-沟道和N-沟道晶体管已经描述了本发明的主旨，尽管该方法直接应用于二极晶体管，以及BiCOMS，金属半导体FET(MESFET)，HFET和其它晶体管结构。另外，词语“连接的”通篇是为了说明清楚而使用，而且，其意在与词语“耦合的”具有相同意思。因此，“连接的”应该解释为包括直接连接或者间接连接。

Claims

1.一种开关式电源控制器，包括：

第一输入，配置为接收来自所述开关式电源控制器外部的电压源的第一电压；

所述开关式电源控制器的第一部分，被可操作的耦合以检测故障状态；

所述开关式电源控制器的第一电路，响应于所述开关式电源控制器检测到所述故障状态，被可操作的耦合以使用所述第一电压形成用于所述第一电路的第一操作电压并产生一个控制信号，响应于所述第一操作电压减少到第一值，所述第一电路可操作的耦合以无效所述控制信号并使所述第一电路与根据所述第一操作电压的操作分离；以及

所述开关式电源控制器被配置为生成不同于第一操作电压的第二操作电压并响应于所述控制信号禁用所述第二操作电压，其中所述第二操作电压被用于操作所述开关式电源控制器的第一部分。

2.根据权利要求1的开关式电源控制器，其中响应于所述第一部分检测所述故障状态，所述第一电路配置为耦合该第一电路以根据第一操作电压操作。

3.根据权利要求1的开关式电源控制器，其中所述第一电路包括耦合的电流源以供给第一电流，耦合的第一晶体管以响应所述第一部分检测所述故障状态而传导所述第一电流，以及耦合的第二晶体管以响应所述控制信号传导所述第一电流。

4.根据权利要求1的开关式电源控制器，其中所述第一电路包括电流镜，所述电流镜具有耦合的主路径以传导第一电流，以及耦合的第二路径以传导第二电流，所述第二电流是所述第一电流的镜像，其中所述第二电流用于形成所述控制信号。

5.根据权利要求4的开关式电源控制器，进一步包括，所述电流镜具有耦合的第三路径以传导第三电流，所述第三电流是所述第一电流的镜像，其中所述第三电流用于减少所述第一电压的值。

6.根据权利要求5的开关式电源控制器，其中所述主路径包括耦合的第一晶体管以传导所述第一电流，与所述第一晶体管成镜像配置的耦合的第二晶体管以形成所述第二电流，以及与所述第一和第二晶体管成镜像配置的耦合的第三晶体管以形成所述第三电流。

7.一种形成开关式电源控制器的方法，包括：

配置所述开关式电源控制器的第一电路以根据第一操作电压操作，所述第一操作电压是从所述开关式电源控制器外部的电压源获得；

配置所述开关式电源控制器以生成不同于所述第一操作电压的第二操作电压；

配置所述开关式电源控制器的故障检测电路以检测故障状态，以及使用所述第二操作电压作为所述故障检测电路的电源；

配置所述第一电路以响应于所述开关式电源控制器检测所述故障状态来产生一控制信号，响应于所述电压源减少到第一值来无效所述控制信号，以及使所述第一电路与根据所述第一操作电压的操作分离；以及

配置所述开关式电源控制器响应于所述控制信号禁用所述第二操作电压。

8.根据权利要求7的方法，其中配置所述第一电路生成所述控制信号包括，响应于所述开关式电源控制器检测所述故障状态，耦合一电流源以形成第一电流以流过电流镜和串连耦合的第一开关，耦合所述电流镜以响应于所述第一电流来生成第二电流，其中所述第一电路响应于所述第二电流来生产所述控制信号，并配置所述第一电路响应于所述控制信号分流所述第一电流通过所述第一开关和与所述第一开关并行耦合的第二开关、然后禁用所述第一开关。

9.根据权利要求7的方法进一步包括，配置所述第一电路响应于所述开关式电源控制器检测到所述故障状态来减少所述电压源的值。