TW200428176A - Method of forming a low quiescent current voltage regulator and structure therefor - Google Patents

Description

200428176 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請案曾於公元2003年4 號專利申請案提出。 以國以第咖2507 本發明一般言之係關於 裝置與結構之方法。μ疋關於構成半導體 【先前技術】 在過去’半導體工業界採 ^ ^ ^ ^ 各種方法與結構以建構含有 斤…。 ’壓5周…於正常操作期間，當由電 ^〜 輸出电壓達到所要之操作值時，該電廢 调卽即將輸出雷曰興 ^ 態，直到此輸出電晶體保持其失效狀 電!輸出：麼降至所要操作值之下為止。一外部遽波 电谷為及―負載連接至㈣器 期間，漏泄電流合恭w s 长叛出-曰曰體失效 持續將电 流經外接遽波電容器，並 十、^〜/屯合态充電。此漏泄電流將該電容哭充恭使 電容器上的電壓#祕工 包谷的充包使 遞^，而可達到損壞負載的電壓值。在若 月况中’於輸出電晶體與地線兩者間連接 =泄電流自電晶體流經該電阻器而不流經遽波電“： 增!題t於功率消耗。流經該電阻器之漏_ 。兒机耗抽，相當於此電壓調節器的功率耗損。一 =言’採用此電阻器组構之電壓調節器的平均靜態電流 耗知不低於五十五微安培。 因止匕， 一種方法，用以構成一種減低靜態電流耗損， 持輸出電壓值在損及負載值以下之電壓調節器。 92122.doc 200428176 【發明内容】 一種電壓調 出補償值時， 等於輪出電晶 【貫施方式】 即為10形成以於該電壓調節器之輪出電壓超 即產生一流動之補償電流。此補償電流至少 體2 4之漏泄電流。 厂圖1概略顯示-種具低靜態電流耗損及低功率消耗之電 壓調節器H)具體實例的—部分 "耗之私 1刀 凋即為1 〇自外部電源電力 則入11及電力迴路12接受電力，並於電壓輸出13與電壓迴 =4間提供輸出電壓。—濾波電容器34及—負載如外連 凋正态10的輸出丨3與迴路14間。調節器含有一誤差 ^大益26、—輸出裝置或輪出電晶體24、-回饋網路19及 一參考產生器16。網路19通常以虛線方格表示，盆含有一 對回饋電阻器22及23,串聯於輸出13與迴路_，形成一 :有：兩電阻斷22’ 23連接所構成回饋節21之電阻分壓 ^ ° ^差放大器％接受節點21之回饋電塵並接受來自參考 產生器16輸出17之參考電壓。放大器％響應此兩電壓而於 其輸出處產生一誤差雷屬。纲諮 干曰 决孟电洤。周即态⑺利用此誤差電壓激勵 電晶體24，以將輸出電壓值控制於允宜操作電壓值。此允 宜操作電壓係由電壓分壓器之值及參考電壓值所建立。嫻 於技術人士皆知，允宜操作電壓通常具有上限與下限之允 宜操作範圍。例如，（2.5伏特）之允宜操作電壓值可含正負 百分之二的上限與下限之允宜操作範圍。故該允宜操作範 圍會具有 '約旦2.5伏特之標準值，t高2.55伏特之最高值及 最低2.45伏特之最低值。當輸出電壓值低於標準值時，回 92122.doc 200428176 饋電壓值即低於參考電壓值，而誤差放大器26即形成一啟 動電晶體24之誤差電壓。電晶體24供應流經負載33及電容 器34之負載電流IL，並將電容器34充電以增高輸出電壓至 允宜操作值。當輸出電壓值達到允宜操作值時，回饋電壓 高於或等於輸出17上之參考電壓值，則誤差放大器26產生 一誤差電壓值，將電晶體24失效。此等網路19、產生器16、 放大器26及電晶體24之特徵與操作乃屬技術方家所熟知。 調節器10並含一通常由虛線方格表示之補償電路20，以 助減低該調節器10之靜態電流及功率消耗。電路2 0包含一 可選性電流源28、一固定電流源29、一補償比較器27及一 參考補償18。調節器10形成選擇性地啟動可選性電流源 28，以於輸出電壓值等於或大於第一電壓值或補償電壓值 時，產生一補償電流，自電晶體24流經源28至迴路12。一 般言之，該補償電壓值大於允宜操作電壓範圍之最高值， 而小於會損及負載33之電壓值。下文中可見，補償18形成 之補償參考電壓等於產生器16參考電壓值加上一補償電壓 值。比較器27接受該補償參考值及回饋電壓後，響應此等 電壓而將該可選性電流源28啟動或失效。 固定電流源29吸收自電晶體24電流的固定值。此固定之 電流值通常約為在標準程序條件及包括溫度之標準操作條 件下，所預期之電晶體24的漏泄電流值。在標準之操作與 程序條件下，當電晶體24失效時，源29即吸收自電晶體24 之漏泄電流，從而並無漏泄電流自電晶體2 4流經電容為3 4 或負載33。不過，若所採用形成電晶體24之程序條件自標 92122.doc 200428176 i t序參數改μ ’或若操作條件自標準操作條件改變下， 曰日to24失效¥，電晶體24的漏泄電流會超過由固定源 泄及收的漏旭電流，即會流經電容器，。此過多的漏 p卩開始將電容㈣充電，導致輸出電屢 值增加’直到增至由補償器18之補償參彻及 貝^值所建立之補償值為止。補償比較⑽接受該回 =麼及補償參考電錢，即響應此等電麼而等輸出電屢 力達到補償㈣值時，啟動源28。此補償電流加上固定電 :應至f等於但最好大於最差狀況之電晶體24的漏泄電 w。在較佳具體實例中，只有補償電流經建立為至少等於 或大於最差狀況下之電晶體24的漏泄電流。如此即提供了 最差狀況漏泄電流變化之安全底線。啟動源28以吸收過多 心电机’此舉防止輸出電麼值增高超過補償值以免損及 ^負載33 1擇性地啟動源28吸收過多漏泄電流減少該調節 —的靜態電流耗損，蓋僅有源28於輸出電麼超過補償電 麼值時i才啟動以吸收電流，而源28並非—直在啟動。 比季乂為27通常具有遲滞作用，以讀保可選性電流源不合 在啟動與失效間來回振盛。在較佳具體實例中，比較⑽ 具有二十毫伏特的遲滞作用’以使比較器27在回饋電壓等 於或大於補償參考電壓值時啟動源28，且於回饋電壓小於 補償參考電壓值二十毫伏特時將源28失效。 “：'主忍’在某些具體實例中，源29可以省略，但其輸出 電壓會在允宜電麼值與補償電壓值兩者間振盡，縱使在標 準條件下亦然。不過’電阻器22及23可形成電阻分壓器提 92122.doc 200428176 供固定電流值，固定電流源即可省略。在其它具體實例中， 可由選擇性啟動源28之放大器取代比較器27，以響應該放 大器的類比輸出信號而形成補償電流。此外，調節器10亦 可含其它熟知之電路功能，包括過流保護及溫度保護等。 為簡化說明計，此等電路並未顯示於圖1中。 在一範例中，調節器10經形成具有（2.5伏特）正負百分之 二（±2%)之標準允宜操作值，導致一約2.45伏特至2.55伏特 之允宜操作範圍。不致損及負載33之最大電壓值約為2.7伏 特。電容器34之值約為一微法拉。電晶體24之標準漏泄電 流在約氏二十五度及標準程序參數下，約為二微安培。在 最差狀況程序參數及最差狀況操作條件卞，最差狀況之電 晶體24的漏泄電流約為十五微安培。該固定電流值經選定 等於標準漏泄電流或約為二微安培。源28所能吸收之電流 值選定為四十微安培，以確保源28能吸收電晶體之最差狀 況下的全部漏泄電流。不過，源28所吸收之實際電流乃屬 電晶體24過多漏泄電流的實際值。補償電壓值經選定約為 二點六（2.6伏特）。偏向電壓值為一百毫伏特，以確保輸出 13之輸出電壓值不會超出允宜操作電壓值（2.5伏特）的一百 毫伏特以上。當輸出13上的輸出電壓達到約2.5伏特時，放 大器26即將電晶體24失效，以維持輸出電壓於此值。於電 晶體24的漏泄電流值超過二微安培時，電容器34上的電壓 值遞增至約（2.6伏特），而比較器27啟動選擇性電流源28以 吸收此過多的電晶體24之泄電流。電容器34上的電壓值緩 緩下降至（2.6伏特）以下，則比較器27的輸出再次將源28失 92122.doc -10- 200428176 效。在評估此範例電路期間 於電容器34充電時失效約二 動約（6 5 0)微秒，故源2 8在電 ，於電晶體24失效期内，源28 宅秒，而於電容器34放電時啟 晶體24失效之全部時間的百分 二十五（25%)内啟動。在此_範例中，調節器1〇的平均靜態 電流約為二十五微安培，此值要比先前調節器的平均靜態 電流五十五微安培少百分之三十六（36%)。在某些應用中， 例如電池操作應用等，此項電池節約頗具重要性。 圖2概略顯示在一半導體片41上形成之半導體裝置4〇具 體實例一部分之放大平面圖。調節器1〇於半導體片4丨上形 成。半導體41亦可念其它電路，為圖式簡明起見而未於圖^ 中顯示， 本發明雖依特定之較佳具體實例說明，但就嫻於半導體 技術之人士而t，顯然可做很多取代與變化。例如，補償 麥考電壓可於其它處形成’包括以產生器16的分立輸出形 成等。比較器27可以一類比放大器取代。此外，固定電流

源29可以省略。同時，女八口口 π μ ， ；，L 本务明乃就特殊P-通道電晶體加以 說明，此方法固可首；& ^ β ^ α 罝接適用於其它金屬氧化半導體電晶 體，以及雙極電晶體、雔$ $人ρ & 又·互補金屬氧化半導體、金屬半導 體場效電晶體、高場效電晶體等等。 基於以Ji切所述，顯然係揭示一種新穎的方法鱼穿 置。除其它特徵外，所冬去充π丄、 ^ 所δ者乃形成一種電壓調節器，選擇 1±也產生W動的兒流’以防止自輸出電晶體之漏泄電流 i曰冋β電㈣即之輪出電壓至損及負載之值。選擇性地 啟動該電流流動減少調節器的靜態電流消耗。 92122.doc 200428176 【圖式簡單說明] 圖1概略顯示根據本發明之電壓調節器具體實例的/部 分；及 圖2概略顯示含有根據本發明圖1中電壓調節器之半導體 裝置具體實例的部分。 為W明顯示計，元件未依比例製’且不同圖中之相同參 考號碼乃表示相同元件。此外，熟知·之步驟與元件之說明 及細節，為簡化說明皆予省略。本文中所採用載流電極意 才曰一装置之元件，載有電流流經諸如金屬氧化半導體之源 極或汲極裝置或雙極電晶體之射極或集極，而控制電極咅 指該裝置之元件，其控制電流流經該裝置，諸如金屬氧化 半導體電晶體之閘極或雙極電晶體之基極。 【圖式代表符號說明】 10 電壓調節器 11 電力輸入 12 電力迴路 13 電壓輸出 14 電壓迴路 16 參考產生器 17 輪出 18 參考補償 19 回饋網路 20 補償電路 21 回饋節 92122.doc 200428176 22 電阻器 23 電阻器 24 輸出電晶體 26 誤差放大器 27 補償比較器 28 電流源 29 電流源 33 負載 34 濾波電容器 IL 負載電流 40 半導體裝置 41 半導體片 92122.doc -13 -

Claims (1)

1. 200428176 拾、申請專利範圍： L 一種形成電壓調節器的方土 J ，其句人. 形成電壓調節器（10)，以提址3 . 於電壓輪出上提供一負供具第一值之輪出電壓，並 、取電流；及 形成電壓調節器（10)， 大於第-值之第二值時，、琴：广壓調節器輸出電壓超出 2· 節器輸出裝置（24)流至調^器的產生—補償電流自調 如申請專利範圍第1項之方法，:二路（14)。 擇性地產生補償電流括、、形成電壓調節器以選 3. 下及第-值以上之第三值 二降低至弟二值以 ,.^ ^ 將5亥補償電流失效0 如申凊專利範圍第丨項之方法，、 ^ 、中形成電壓調節器以選 擇性地產生補償電流，包括當輪出裝置广 4. 電壓調節器以選擇性地產生補償電流。㈠形成 ==利範圍第!項之方法，其中形成電壓調節器以選 擇性地產生補償電流流動，包括形成電壓調節器以選擇 性地產生補償電流流經輸出裝置，而不流經外部負綱 及外部濾波電容器（34)。 5.如申請專利範圍第㈣之方法，其中形成電壓調節器以產 生補償電流流動，包括形成電壓調節器以啟動電流源⑽ 而產生補償電流。 6·如申请專利範圍第5項之方法，其中形成電流調節器以產 生償電流流動，包括形成電壓調節器以於該電壓調節器 之輸出電壓超出第一值時’啟動電流源（2 §)。 7·如申請專利範圍第6項之方法，尚包括當該電壓調節器之 92122.doc 200428176 輪出電虔降至少於第一值之第二值時，將該電流源失效。 如申請專利範圍第㈣之方法，其中形成電堡調節器以產 生補償電流流動，包括形成電壓調節器以產生一代表輪 出電壓之回饋電壓，並包括耦合該電壓調節器以比較： 饋电壓與第—參考電壓值而產生輸出電壓，且耦合該電 壓調節器以比較回饋電壓與大於第一參考電壓(⑺之二 —芩考電壓（I 7+1 8)，而產生補償電流流動。 如申請專利範圍第8項之方法，其中趣合該電屢調節哭以 比較回鎮電麼與大於第一參考電壓值之第二參考電麼而 產生補償電流流動，包括麵合—遲滞比較器以接受 電壓及第二參考電壓。 10. 一種形成調節性電壓的方法，其包含： 產生一輸出電壓’此輸出電壓具第一所要值與低於第 -所要值之第二所要值兩者間之所要操作範圍， · 當輸出電壓到達第一所要值時，將輸出裝 效； 以及 當輸出電墨超出大於第-所要值之補償值⑽17)時， 選擇性地啟動補償電流（28)，自輪出裝置流至電麼迴路。 η.如中請專利範圍第10項之方法，其尚含當輸出電壓降至 小於補償值而大於第一所要值時，將該補償電流⑽失 效。 12.如申請專利範圍第10項之方法，其令產生輸出電麼包括 合至《調節器的輪出終端（13，14)，且其 中選擇性地啟動補償電流自輪出发置流至電壓迴路，包 92122.doc 200428176 括將流經輪出終端的電流轉向。 13·:、:：：利乾圍第10項之方法，其中選擇性地啟動補償 一動’包括啟動一電流源以吸收輪出 電流。 、 14. ^利扼圍第1(3項之方法，其_選擇性地啟動補償 电二動’包括形成-代表輪出電麼之回_，將此 回饋4與第-參考電屢比較以將輸出裝置失效，並將 此回饋電遷與大於第一參考電屋之第二參考電屡比較， 而響應性地啟動補償電流流動。 15」第=='第14項之方法，其中以回饋電塵與大於 / 4之弟一參考電壓（18+17)比較’且響應性地 =償電流流動’包括利用—遲滞比 以二 饋電壓及第二參考電壓。 #xu 範圍第14項之方法，其中《回饋電*與大於 壓力至/*之第—參考電壓比較’包括將補償偏向電 壓加至第一參考電壓。 私 17 一種電壓調節器，其包含： 〃輸出衣置(24) ’經耦合以接受輸入電壓，並於 節器的輸出上形成—輸出； 、凋 壓；口饋網路（19)，經耗合以形成代表輸出電壓的回饋電 放大器(26)’經耗合以接受第—參考電壓，並塑 應生也驅動該輸出裝置；以及 曰 補仏放大杰（27)，經輕合以接受該回饋電壓及大於第 92122.doc 200428176 $考％壓之弟二參考電壓 流自輸出裝置流動。 並響應性地產生_補償電 其中該補償放大 18·如申明專利範圍第17項之電壓調節器 放乃屬一遲滯比較器。 19.如申請專利範圍第17項之電虔調節器， _ . ” Τ補仏放大 為1耦5以接受回饋電壓及大於第一參考電壓之第二參 考電壓。並響應性地產生補償電流，包括啟動電流源⑽ 以產生該補償電流。 20·如申請專利範圍第17項之電壓調節器，尚含一固定電流 源，經耦合而產生一自輸出裝置流動之固定電後。 92122.doc