TWI342124B - Power control system startup method and circuit - Google Patents

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叫 2124 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 -般言之’本發明係關於電子元件，更特定言之，係關 於形成半導體裝置及結構之方法。 【先前技術】 以前’電子產業使用各種方法與裝置來控制高數值或大 的輸入電壓，以提供受控之輸出電壓與電流。美國專利第 5,477，175號（1995年12月19日授予1^叫“等人）中揭示該 裝置的-範例（稱為離線自舉啟動電路），該專利以引用方式 併入本文。該自舉啟動電路接收一大輸入電壓並產生一 輪出電流，該輸出電流對一電容器充電並產生一輸出電 壓。然而’許多應用需要一電流序列，可以控制該電流序 列，以對該電容器充電並形成該輸出電壓。然而，使用多 個自舉啟動電路會增加製造成本，並會增大最終形成之半 導體產品之複雜程度及使用該等產品之應用之複雜程度。 【發明内容】 因此，需要具有一啟動電路，其可接收具有一高電壓值 之輪入電壓，並從該輸入電壓產生一電流序列，且其可降 低製造成本。 本發明揭示一種功率控制系統啟動方法及電路。—功率 控制系統使用兩獨立電流以控制該功率控制系統之啟動操 作。該等電流中的-電流具有小數值，並用於將一輸出電 壓充電至-初始I。-旦達到該初始㈣’❹具有大數 值之第二電流將該輸出電壓充電至一操作電壓值。 95673-991005.doc 1342124 【實施方式】 圖1不意性說明高電壓啟動電路10的一部分之具體實施 例，該高電壓啟動電路1〇具有雙操作模式，並可從單一高 電壓輸入產生多個輸出電流。通常，高電壓啟動電路10係 功率控制系統70的—部分，使用高電壓啟動電路1〇控制系 統70之啟動序列。高電壓啟動電路1〇包括一高電壓電流控 制裝置16，該裝置16包括一高電壓電流控制元件丨丨，該元 件11係形成為包括一高電壓j_FET電晶體14與一 M〇s電晶 體12。以一般方法，藉由虛線方塊識別高電壓啟動電路1〇、 裝置16及件U。裝置16還包括一捏縮電阻器— _ resistor) 17及一偏壓電阻器13，偏壓電阻器"係形成為提 供偏壓電流至電晶體12之閘極。裝置16係形成為在高電壓 輸入22上接收高電|，並在輸出⑺上產生一輸出電流以回 f'施加至控制輸入23之控制信號。裝置16還經由捏縮電阻 器17產生另—輸出電流作為該偏壓電流，以下將進一步說 明。 ^ ° 為提供該功能，連接電晶體14之汲極至輸入22，並連接 ，晶體Μ之源極至共用節點18。連接電晶體12之沒極至電 S曰體14之源極與節點18。連接電晶體12之閘極至輸入23與 電阻器U之第—端子，並連接電晶體12之源極至輸出心 連接電阻β 13之第二端子至電晶體14之源極與電晶體U之 係、形成為叫·FET電晶體’其基板用作該電 曰曰體之閘極’因此’顯示將電晶體14之閘極連接連接至主 體。通常，連接基板與主體至系統之最負電位。捏縮電阻 95673-991005.doc “42124 器17係形成為低夾斷電壓j_FET， 扣心+ 其閘極連接至基板。連接 L鈿龟阻器丨7之第一端 電Μπ17墙 卞主屯日日體12之閘極，並連接捏縮 态17之第—端子至裝置16 之輸出21。捏縮電阻器17之 弟一端子係J-FET之等效汲極，且 且6亥第一粕子係該等效源 極。經由二極體29，遠垃鹼山〇，^•▲工 ❸出21至鬲電壓啟動電路10之輸 出36。在該較佳具體實施 1 Τ玉日日體丨2係N通道MOS電晶 體，電晶體U係N通道㈣丁電晶豸，而捏縮電阻心係形 成為N通#FET並藉由該基板形成_極與—覆蓋p型區 域都連接至基板。在其他具體實施例中，電晶㈣可能係 其他電晶體結構，例如j_FET4雙極電晶體。 捏縮電阻器17與電晶體12及14之崩潰電壓依賴於應用及 各種其他因素。在全球線路電壓應用之_具體實施例中電 晶體14之汲極相對於基板之崩潰電壓可能超過四百伏特（4〇〇 V)’而電晶體12之源極之維持電壓可能超過五十伏特（5〇v)。 施加於輸入22之電壓小於電晶體14之夾斷電壓時，輸出 19跟隨施加至節點μ之電壓。施加於輸入22之電壓大於電 晶體14之夾斷電壓時，電晶體14以汲極電流飽和模式開 啟，並藉由施加至控制輸入23之電壓來控制裝置16之輸 出。如果沒有施加外部電壓至輸入23，例如輸入23係浮動 的’則電阻器13供應來自電晶體μ之閘極偏壓電流，以致 動裝置16與電晶體12兩者，以便在輸出19產生輸出電流。 在一操作電路中，通常施加一外部控制電壓至輸入23，以 控制輸出電流之數值。施加至輸入23之電壓產生小於電晶 體1 2之臨界電壓之閘極至源極電壓時，通常停用電晶體12。 95673-991005.doc 1342124 高電壓啟動電路Η)使用裝置16，以控制高電壓啟動電路 10之高電壓啟動序列與功率控制系統7G之啟動序列。高電 麼啟動電路丨〇接收電壓輸入37與電壓回路38之間之輸Z電 壓。通常將功率控制系統之其他組件，例如遽波電容⑽ 操作電壓偵測器39、參考46、停用電晶體41、變壓写44 功率控制組塊42、禁用電晶體35及負載43,從外部連接至 高電壓啟動電路10,以提供所需功率控制功能。顯示電容 器49 Μ貞測器39、電晶體41、參考牝、變壓器44、功率控 制組塊42及負載43,以協助說明裝置16與高電壓啟動電^ 10之操作。熟知技術人士應瞭解，通常包括圖^未顯示之 熟知組件與功能’以形成完整的功率控制系統。在多數且 體實施例中，電容器49、變壓器44、功率控制組塊42/負 載43通常在半導體晶粒外部，在半導體晶粒上該形成裝置 16與高電壓啟動電路1Q。在某些具體實施例中，部分或全 部組⑽可能料導體晶粒之另—料，在料導體晶粒 上形成裝置16與高電壓啟動電路1〇。 f考46在參考46之輸出上提供-參考電壓。制器39使 、x 1考電壓’以设定用於彳貞測操作電壓值之彳貞測位準。 ，39係形成為接收該參考電壓與輸出上之輪出電 二：在忒輸出電壓等於或高於所需操作電壓值時相應地 、置6在6仏佳具體實施例中，偵測器39具有遲滯， 以防止該輪出Φ厭+# ^ ^ 6χ所需操作電壓值附近稍稍變化時， 偵測器39開或關。 Τ 使用裝置16與高電壓啟動電路1〇提供-小的初始電流， 95673-991005.doc 1342124 並在施加功率至該功率控制系統時使用該初始電流來對電 容器49充電。輸出36之電壓達到初始電壓時，裝置丨6供應 一大的輸出電流，以將電容器49充電至操作電壓。高電壓 啟動電路1 〇控制該大的輸出電流之數值，以產生一受控電 流。通常，該初始電壓之數值比該操作電壓之數值小很多。 通常，ϋ擇該初始電f，使其盡可能低，以便盡可能快地 將電容器49充電至該初始值，卩最小化啟動系統7〇所需時 間量。通常將該操作電壓值選擇為一值，該值使高電壓啟 動電路10外部之其他電路（例如負載43)能夠正常操作。 施加功率至輸入37前，使電容器49放電’且輸出％係零 伏特。因此，高電壓啟動電路1〇不操作，且沒有來自裝置 16之輸出電流。施加輸入電壓至輸入37時，電流開始流經 文壓器44，並流至裝置16之輸入22。隨著輸入”上之電壓 增加，電晶體14開啟，並經由電阻器13供應偏壓電流至電 晶體12之閘極。由於經由二極體29連接捏縮電阻器口至輸 出3 6並相對於電阻器丨3之大小正確設計捏縮電阻器1 7， 且使電容器49放電，所以捏縮電阻器陳低輸入23，並停 用電晶體12。㈣電阻⑽之偏壓電流作為該初始電流緩 由捏縮電阻器17流至輸出％，並開始對電容器49充電，因 此，捏縮電阻器17保持電晶體12停用，且沒有電流從裝置 W之輸。輸心上之輸^壓低於雜作電壓， 所以僧測器39之輸出為低，且停用電晶體^。由於捏縮電 阻器Π係捏縮電阻器，且連㈣極至最低電位，所以經過 捏縮電阻器1 7之電流佑龆认、、店 依賴於源極之電位或連接至輸出36之 95673-991005.doc 1342124

端子之電位。來自電阻器13之偏壓電流作為初始電流流經 捏縮電阻器17並對電容器49充電時，輸出36之電壓增加， 並引起流經捏縮電阻器17之電流相應減小。輸出36之電壓 達到捏縮電阻器1 7之夾斷電壓時，經過捏縮電阻器丨7之電 流路徑被切斷，且捏縮電阻器丨7停止導通。現在，來自電 阻器13之偏壓電流致動電晶體12，該電晶體12在輸出丨今上 產生輸出電流。因此，可將電晶體12視為高電壓啟動電路 ⑺之輸出電晶體。電晶體12係形成為提供大於該初始電流 的一電流，可藉由捏縮電阻器17供應該初始電流，以便快 速將電容器49充電至該操作電壓值。通常，電晶體。係形 成為供應係捏縮電阻器17之該電流之大約三十（3〇)至兩千 (2000)倍之間之電流。可以看到，捏縮電阻器1 7之夾斷電壓 減去4邱體12之臨界電壓即是該初始電壓之數值。在一具 體實施例中’將該夾斷電壓設計為大約三伏特（3 g v)，並 將相應之初始電壓值設計為大約1 2伏特。 —旦致動電晶體12,高電壓啟動電路1G控制來自電晶體 12之輸出電流，以供應受控之電流至輸出％。該受控之輸 出電流開始對電容器49充電。為了控制裂置批^出電 流’高電壓啟動電路具有-電流控制迴路，該迴路包括 -感測電阻器26、一感測電晶體28及—電流鏡31，該電流 ㈣包括-參考電晶體32與—鏡電晶體33。藉由該電流控 ㈣U電流。輸出此電流流 經電阻器26,並橫跨該電阻器26產生—相應之電壓降。在 電晶體28之問極與源極之間連接電阻器“，並形成電晶體 95673-991005.doc 1342124 28之閘極至源極電壓，因此，橫跨電阻器26之電壓降建立 經過電晶體28之感測電流。電流鏡31接收來自電晶體28之 感測電流’並相應地控制施加至控制輸入23之電壓，藉此 控制電晶體12之閘極電壓，並控制元件1丨與裝置16之輸出 電流之數值。隨著輸出19上之輸出電流增加，感測電流也 相應地增加’並相應地降低電晶體28之閘極電壓，並相鹿 地降低輸入23上之控制電壓’以減小輸出電流值。熟知技 術人士會明白，電晶體28 ' 32及33也可能係雙極電晶體。 在某些具體實施例中，可能省略該等兩電流控制迴路。 受控之輸出電流已將電容器49充電至該操作電壓值時， 偵測器39之輸出切換為高值，藉此致動電晶體4ι，並停用 電晶體12與裝置16。電晶體41吸收來自電阻器13之偏壓電 流。當電晶體41吸收偏壓電流時，電阻器13之數值係設計 為最小化功率損耗，並確保捏縮電阻器17可以在所需時間 週期供應足夠電流以對電容器49充電至致動電晶體41時， 二極體29防止電流從輸出36流回至回路38。在該較佳具體 貫把例中’ m 39具有遲滞，以防止該輸出電壓在該操 作電壓值附近稍稍緣《# , οσ 夺’ Υ貞測益3 9開或關。由於該遲滯 輸入，輸出電壓減小至—估, 值％，偵測器39重新致動電晶體 1 2與袭置1 6，該值大約等於 寺於6亥刼作電壓值減去偵測器39之 遲滯偏移電麼。 用高電壓啟動電路10可 一狀況，該狀況需要停 ’負載43或另一電路（未 高電壓啟動電路！〇操作期間，禁 能係合適的。例如’負载43偵測： 用高電壓啟動電路10。在該情況下 95673-99I005.doc —1342124

顯示）可能致動電晶體35，以拉低輸出36，並禁用高電壓啟 動電路10之操作。拉低輸出36使電容器49放電。使電容器 49放電至小於偵測器39之遲滯偏移之數值時，偵測器39之 輸出變咼，並停用電晶體41，藉此允許電阻器丨3供應電流 至電晶體12,並致動電晶體12，以產生輸出電流。電晶體 35吸收該受控之輸出電流，並繼續使電容器49放電。電容 器49放電至低於該初始電壓值之值時，捏縮電阻器丨7傳導 來自電阻器13之偏壓電流作為該初始電流至電晶體3 5。電 晶體35吸收該初始電流，並停用電晶體12，以禁用高電壓 啟動電路1 0。為了確保該禁用功能操作正確，該初始電壓 應大於電晶體35之飽和電壓。電晶體12不再供應輸出電 流，因此，電晶體35僅必須吸收偏壓電流，而無須吸收輸 出電流。禁用高電壓啟動電路1〇時，通常也禁用功率控制 組塊42内的功率供應控制器之操作。通常，在輸出％與該 功率供應控制器之間存在一連接，以協助該功率供應控制 操作。由於偏壓電流比輸出電流小，通常小大約三十（3〇) 至兩千（2_)倍’較佳小大約五十⑼)倍，因錢功率損耗 最小化，並禁用啟動電路，且裝置16供應—㈣電流，該 待用電流約等於偏壓電流。因此，該方法提供一方便的方 法禁用高電壓啟動電路1G之操作，同時料—待用電流， 並提供-方法，負載43停用電晶體35時，該方法允許方便 地對電容器49重新充電。禁用系統7〇時，最小化功率損耗 之數量係重要的。由於偏壓電流的電流很小，因此初始電 流之電流也很小’禁Μ統7G之該方法最小化施加至輸入 95673-991005.doc -14· 1342124 37之電壓所致之功率損耗之數量。通常，選擇偏麼電流之 數值，使其小於認證準則（例如商標ενε· star⑧所要求 之準則)中所指定之待用電流。可以看到，裝置⑽電晶體 35形成系統70之禁用電路。另外，偵測器π也可使用其他 控制序列，例如偵測到初始電壓值後，致動裝置Μ，使裝 置'6僅：應輸出電流’或可以反轉該序列，在偵測到初始 電壓值前供應輸出電流，並在偵測到初始電Μ值後供應偏 壓電流，等等。 技術人士應瞭解，可在操作序列甲任何時間致動電 而TR用功此開始於此時存在的輸出電壓與電流值。 圖2示意性說明高電壓啟動電路5〇的一部分之具體實施 例’該電路50係圖！之說明中所述高電壓啟動電路⑺之另— 具體實施例。以一般方式，藉由虛線方塊識別電路。電 路〇 L括耦合比較器之電晶體5丨，該電晶體5 1用於供應 初始電机，並用於在輸出電壓小於初始電壓時停用電晶體 12，還用於在輸出電壓達到初始電壓值後致動裝置16。經 由二極體54，連接電晶體51之汲極至裝置16之輸入23。連 接電β曰體5 1之源極至輸出3 6，以接收輸出電壓，並連接電 曰曰體5 1之閘極至電晶體52之汲極與閘極兩者，以接收來自 電日曰體52與53之參考電壓。連接閘極偏壓電阻器％之第— 端子至電晶體5 1之閘極，並連接電阻器56之第二端子至節 點18。連接電晶體52之源極至電晶體^之閘極與汲極兩 者。連接電晶體5 3之源極至回路3 8。 以串連方式堆疊電晶體52與53，以便形成為具有一臨界 95673-99l005.doc 15 1342124 電壓’邊臨界電壓係調整為在電晶體5 2之汲極提供一固定 翏考電壓。電阻器56以所需參考電壓提供偏壓電流至偏壓 電晶體52與53。在該較佳具體實施例中，調整電晶體52與 53之每一電晶體之臨界值至大約每個電晶體2.3伏特，且最 終之參考電壓係大約4 6伏特。類似於高電壓啟動電路⑺之 操作，施加功率至輸入37時，使電容器49放電，且輸出％ 係零伏特9電晶體14開啟且電阻器13供應偏壓電流至電晶 體12時，電晶體5 1之源極係低位準，且將閘極充電至表考 電壓，因而致動電晶體51。電晶體51將電晶體12之閘極拉 至經放電之電容器49之低電壓，藉此停用電晶體12。電晶 體51也將偏壓電流作為初始電流傳導至輸出％，該偏壓電 流可確保電晶體丨2保持停用，且該偏壓電流也開始對電容 益49充電。輸出36上之輸出電壓低於該操作電壓，所以偵 測器39之輸出為低，且停用電晶體41。來自電晶體5ι之初 始電流對電容器49充電時，電晶體51之源極電壓增加，並 引起閘極至源極電壓之相應降低，藉此減小流經電晶體“ 之電流。輸出36之電壓達到一值(該值約等於施加至電晶體 51之閘極之參考電壓減去電晶體51之臨界電壓）時，經過電 晶體51之電流路徑被切斷，且電晶體51停止導通。來自電 阻器13之偏壓電流致動電晶體12 ’該電晶體12在輸出Η上 產生第二輸出電流。電晶體51之沒極之電壓低於源極電壓 時（例如電晶體41停用電晶體12時），二極體54防止電流經電 晶體51之内禀體二極體回流至輸人23。可以看到參考電 壓減去電晶體51之臨界電壓即是該初始電壓之數值。—旦 95673-991005.doc -16- 1342124 致動電晶體12，高電壓啟動電路ι〇控制來自電晶體ι2之輸 出電流，以供應受控之電流至輸出3 6。 致動電晶體35’以拉低輸出36，此會使電容器49放電。 使電容器49放電至小於偵測器39之遲滯偏移之值時，偵測 器39之輸出致動電晶體12，以產生輸出電流。電晶體乃吸 收輸出電流，並繼續使電容器49放電。使電容器49放電至 低於該初始電壓值之值時，電晶體51傳導來自電阻器丨3之 偏壓電流作為該初始電流至電晶體35，電晶體35吸收停用 電晶體1 2之初始電流。 圖3顯不包括圖丨之裝置16與高電壓啟動電路之半導體 裝置6〇之放大平面圖。在半導體晶粒61上形成裝置6〇。組 從以上所述來看’顯然’揭示_種新縣置、形成該裝 置之方法及使用該裝置之方法。&了其他特徵還包括藉

由將啟動裝置之輸出拉至低電壓來禁用功率控制系統之J =。輸出上之低電壓使啟動裝置停用充電電流，該低電壓 還禁用功率控制系統之操作。 【圖式簡單說明】 圖1不意性顯示功率控制系統的一部分之具體實施例，該 功率控制系統包括依據本發明的一高電壓啟動電路； 圖2不意性顯示根據本發明該功率控制系統與，之 壓啟動電路之另一具體實施例；及 圖3顯示—半導體裝置之放大平面圖， 依據本發明之圖〗之高電壓啟動電路。導-裝置。括 為說明之簡潔與清晰’圖中各元件並未遵從實際比例， 95673-991005.doc —1342124 不同圊中的相同元件符號指示相同元件。另外，為說明簡 潔起見，關於熟知步驟及元件之說明與細節均略去。如本 文所用’電流承载電極所指的係一裝置中可承载電流流經 該裝置的某-元件，例如M0S電晶體的源極或汲極，或是 雙極電晶體的射極或集極，而控制電極所指的係該褒置中 可控制電流流經該裝置的某一元件，例如MOS電晶體的問 極’或是雙極電晶體的基極。

【主要元件符號說明】 10 高電塵啟動電路 11 面電壓電流控制元件 12 M〇S電晶體 13 偏壓電阻器 14 電晶體 16 裝置 17 捏縮電阻器 18 共用節點 19 輸出 21 輸出 22 輸入 23 控制輸入 26 感測電阻器 28 電晶體 29 二極體 31 電流鏡 95673-991005.doc

-18· 1342124 32 參考電晶體 33 鏡電晶體 35 電晶體 36 輸出 37 電壓輸入 38 電壓回路 39 操作電壓偵測器 41 停用電晶體 42 功率控制組塊 43 負載 44 變壓器 46 參考 49 濾波電容器 50 高電壓啟動電路 5 1 耦合比較器之電晶體 52 電晶體 53 電晶體 54 二極體 56 電阻器 60 半導體裝置 61 半導體晶粒 70 功率控制系統 95673-991005.doc -19-

Claims (1)

1342124 十、申請專利範園： L —種功率控制系統啟動方法，其包括下列步驟： 耗合一高電壓裝置以接收—輸入電壓，並相庫地產生 出電晶體； 電机至遠回電壓裝置的一輸 耗合-開關元件，以便一輸出㈣小於—第 ，將該偏壓電流從該輸出電晶體分流走；& . 麵合該高電壓裝置之該輸出電晶體 摩大於該第-數值時，產生_輸出^更在。亥輸出電 於該偏壓電流。 &出電流’該輸出電流大 2· 其中㈣高電壓元件以接收該輸人 :二；相應地產生該偏壓電流，並耦合該偏壓電流至 雷= 件的-輸出電晶體之步驟包括麵合—刚丁 電曰曰體的一第一電流承載電極以接收該輸入電壓，耗人 =啦電晶體之第二電流承載電極至該輸出電晶㈣ 之1兹電流承載電極’搞合—電阻器以從該J-FET電晶體 =二電流承載電極接收-電流，並福合該偏壓電流 至忒輪出電晶體的一控制電極。 3. ^求項2之方法，其令耗合該開關元件，以使該輸出電 ;°亥第數值時’將該偏壓電流從該輸出電晶體分 1t U㈣合—捏縮電阻11 ’以將該偏壓電流從 该輸出電晶體分流走。 .ώ / $ 3之H其中搞合該捏縮電阻器，以將該偏壓 電亥輸出電晶體分流走之步驟包括耗合該捏縮電阻 95673-991005.doc 口0的—第一端子至該輪出 爷扣妒~ 出电日日體之该控制電極，及耦合 "亥扰鲕電阻器的一第二 壓。 而子至—輸出用於形成該輸出電 5· 一=功率控射、統啟動方法，其包括下列步驟： 接收一輸入電壓； 從該輸入電壓產生—第—電流； 將》亥第-電流分流至—啟動電路的一輸出； t用該第一電流，以在該輸出形成一輸出電壓；及 彳用—第-電流’以在該輸出電壓大於一第一數值日* :形成該輸出電壓，“該第二電流係大於該第一電： 6. 如請求項5之方法，其中使用 An 使用5亥第二電流，以在該輸出形 y電壓包括在該輸出電壓係大於該第—數值時， 該偏壓電流至該啟動電路的一輸出電晶體。 7. 如請求項5之方法，其中將該第一電流分流至該啟動 X輸出之步驟包括在該輸出與該啟動電路的一輪出 晶體的-控制電極之間耗合—捏縮電阻器，及在 電壓小於該捏縮電阻器的-失斷電壓時，致動該捏端兩 阻器。 电 8. 如求項5之方法，其進一步包括耦合該輸出至—電壓回 路’以停用該功率控制系統。 種力率控制系統方法，其包括下列步驟： 相應於-啟動電路之一輸出電壓的一第一數值，在誃 啟動電路的一輸出產生一第一輸出電流；及 95673-991005.doc 揭合該輪出至1壓回路， .如請求項9之古土廿丄 〆輸出電壓。 、之方法，其中相應於該輪 值，+ 铷出電壓的該第一數 在該啟動電路的該輸出產生該第—輸出電流之步驟 I括耦合一偏壓電流至該輪出，及停用該啟動電路的一 輪出電晶體。 95673-991005.doc