TWI381511B - 單一接腳多功能信號偵測方法以及用於其之結構 - Google Patents

Description

單一接腳多功能信號偵測方法以及用於其之結構

本發明大體而言係關於電子設備且，更特定言之係關於形成半導體裝置及結構之方法。

過去，在設計積體電路時，半導體封裝之可用接腳或端子之數目通常形成一限制或設計參數。在有效利用可用封裝端子之數目方面，將一個以上功能組合於單一端子上之能力係有利的。將一端子用於一個以上功能之電路的實例揭示於1999年1月12日頒予Jefferson Hall等人之美國專利第5,859,768號中，該專利以引用的方式併入本文中，且亦揭示於1999年4月6日頒予Frans Pansier等人之美國專利第5,892,355號中。

在某些應用中，表示一個以上功能或一個以上功能狀態之信號值可能超過積體電路可使用之最大信號值。應用此等信號值可能導致積體電路之損壞。

因此，需要一種判定一信號之多個功能狀態之電路及方法，該等狀態不會導致對接收該信號之電路的損壞。

圖1例示性說明一具有一電源控制器30之例示性形式的電源系統10之一部分的實施例，該控制器30接收一具有表示多個功能狀態之多個信號位準的信號。

電源系統10通常自功率輸入端子11與功率返回端子12之間的體電壓接收功率且在輸出端16與返回端17之間形成一輸出電壓。可連接一負載18以自輸出端16及返回端17接收該輸出電壓及一負載電流。施加於端子11與端子12之間的體電壓可為直流電壓或經整流之交流電壓，諸如半波整流正弦波。系統10通常包括一由諸如功率電晶體24之功率開關所控制的諸如變壓器14之電感器，以形成輸出電壓。系統10通常亦包括一由光耦合器19及電阻器22所示之反饋網路，利用該反饋網路提供一表示輸出端16與返回端17之間的輸出電壓值之反饋(FB)信號。光耦合器19包括一光發射器20及一光電晶體21。控制器30內之提升電阻器40可用於提升耦合器19之輸出以有助於形成FB信號。熟習此項技術者已熟知該等反饋(FB)網路及反饋(FB)信號。一電流感測電阻器可用於形成一表示流經電晶體24之電流之值的電流感測信號。在某些實施例中，電晶體24可包括於控制器30作為其一部分。

圖1所示之控制器47之例示性形式通常接收電流感測輸入端35上之電流感測信號及FB輸入端34上之FB信號中之一者或兩者，且分別在輸入端33上形成一開關控制信號。利用該開關控制信號來控制電晶體24且調節輸出端16與返回端17之間的輸出電壓值。控制器30通常自電壓輸入端31與電壓返回端32之間的體電壓接收功率。輸入端31通常連接至端子11且返回端32通常連接至端子12。控制器30通常包括一PWM控制器47、一內部調節器38、一基準信號發生器或基準43及一多位準信號感測器50。多位準感測器50經組態以在一輸入端37上接收一輸入信號，該輸入信號具有表示輸入信號之不同功能狀態之多個信號位準或值。通常利用內部調節器38在輸出端39上形成一內部操作電壓，該操作電壓用於操作控制器30之某些元件，諸如PWM控制器47及基準43。基準43形成用於操作包括感測器50在內之控制器30之各部分的基準信號。基準43在輸出端44上產生一第一基準信號或欠壓基準信號且在輸出端45上產生一第二基準電壓或過壓基準電壓。PWM控制器47可組態為多種PWM控制器功能中之任一者，諸如電壓模式PWM控制器、電流模式PWM控制器、前緣或後緣PWM控制器，或滯後控制器。熟習此項技術者熟知此等PWM控制器功能。2003年7月22日頒予Jefferson Hall等人之美國專利第6,597,221號揭示適當PWM控制器之一實例，該專利以引用的方式併入本文中。

在操作期間，以下情況係可能的：體電壓值可小於一值，此情況通常被認為是欠壓狀態；或體電壓值可大於一值，此情況通常被認為是過壓狀態。在輸入端37上形成輸入信號用於表示體電壓且該輸入信號具有表示體電壓之欠壓狀態的一值及表示體電壓之過壓狀態的另一值。包括串聯在一起之電阻器26及27之電阻分壓器連接至端子11與12之間，在電阻器26與27之間的共同接點處形成表示體電壓值之輸入信號。共同接點亦連接至輸入端37。在電阻器26及27上下降之體電壓形成一流經電阻器26及27之電流67。如此項技術中所熟知，當控制器30開始操作時，電容器28可用於防止輸入信號值下降。

在較佳實施例中，感測器50經組態以接收輸入信號且偵測表示體電壓之欠壓狀態及過壓狀態之輸入信號值。感測器50之此較佳實施例包括一第一比較器或過壓比較器51、一第二比較器或欠壓比較器52及一偏移電路53。偏移電路53之較佳實施例包括一第一電晶體59、一第二電晶體59、一第三電晶體60、一固定電流源62及一反相器55。感測器50亦經組態以偵測具有一不小於第一值之值的輸入信號，且回應不小於第一值之輸入信號值而使輸入信號值偏移至少一第一量。使輸入信號偏移有助於感測器50偵測表示過壓狀態之輸入信號值，該輸入信號值可能大於可能使控制器30損壞之值。如下文中將進一步可見，感測器50之較佳實施例藉由形成一流經電阻器26之電流68而使輸入信號值偏移。

圖2為用圖說明控制器30之某些操作信號的曲線圖。橫座標表示體電壓之增加的值且縱座標表示所說明之信號之增加的值。曲線75說明體電壓之峰值。曲線76說明電流68之值。曲線77說明輸入端37上之輸入信號。曲線78說明欠壓比較器52之輸出，且曲線79說明過壓比較器51之輸出。曲線上之點V1、V2、V3及V4係指端子11與端子12之間的體電壓值。

比較器52經組態以偵測具有一值之輸入信號，該值表示體電壓具有一不大於欠壓值之值，且比較器51經組態以偵測具有一值之輸入信號，該值表示體電壓具有一不小於過壓值之值。比較器52比較輸入信號與基準43之輸出端44上之欠壓基準信號值，且回應輸入信號值而形成比較器52之輸出。如曲線75所示，在值V0與V1之間若體電壓小於欠壓值，則輸入信號小於欠壓基準信號，且如曲線78所示，比較器52之輸出為高位準。該等輸入信號值小於反相器55之低輸入臨限值，因此，反相器55之輸出為高位準。來自反相器55之高位準致能電晶體58拉低(pull down)電晶體59及60之閘極，藉此去能電晶體59及60。因此，對於小於反相器55之低輸入臨限值之輸入信號值，感測器50不影響控制器30之操作或不影響輸入信號。

對於不小於第一值(其中第一值大於表示欠壓的值)之輸入信號值，感測器50使輸入信號值偏移且減小輸入信號之最大值。隨著體電壓值在V1處增加超過欠壓值，如曲線77所示，在值V1之後輸入信號相應地增加。隨著輸入信號在點V2處增加至不小於反相器55之低輸入臨限值的第一值，反相器55之輸出開始轉變為低位準狀態。如熟習此項技術者所熟知，反相器具有一輸入轉變區域，該區域自反相器之低輸入臨限值延伸至反相器之高輸入臨限值。在低於低輸入臨限值之信號位準處，反相器之輸出為高位準，且在高於高輸入臨限值之信號位準處，反相器之輸出為低位準。隨著反相器之輸入信號自低輸入臨限值向高輸入臨限值移動，反相器之輸出亦在一自高輸出值變化至低輸出值之輸出轉變區域中，反之亦然。此通常被認為是反相器之轉變區域。隨著反相器55之輸入電壓移動穿過輸入轉變區域，反相器55之輸出移動穿過輸出轉變區域。因為反相器輸出移動穿過輸出轉變區域，所以施加至電晶體58之閘極的電壓隨著輸入端37上輸入信號值之增加而減小，藉此在線性區域或三極體模式區域中操作電晶體58，其中源極－汲極電壓值隨閘極－源極電壓之變化而變化。因此，隨著反相器55之輸出值移動穿過輸出轉變區域，施加至電晶體59及60之電壓值亦減小，且電晶體59及60亦在線性或三極體模式區域中操作。隨著電晶體59及60變得具導電性，來自電流源62之電流的一部分經鏡像以作為電流68流經電晶體59。隨著電晶體59及60導電性變得更強，來自電流源62之大部分電流經鏡像為電流68。因此，隨著施加至反相器55輸入端之輸入信號值自點V2處之第一值或低輸入臨限值增加至點V3處之第二值或高輸入臨限值，電流68之值逐漸增加。選擇反相器55之輸入級中上部電晶體及下部電晶體之尺寸以產生反相器55之高輸入臨限值及低輸入臨限值且提供一低增益，該低增益允許輸出端具有低轉換率。隨著反相器55之輸出移動穿過輸出轉變區域，低轉換率有助於減少輸入信號中之振盪。低輸入臨限值經形成為大於基準43之輸出端44上之欠壓基準信號值，且高臨限值經形成為小於基準43之輸出端45上之過壓基準信號。如圖所示，回應輸入信號之第一值，反相器55之功能選擇性地耦合偏移信號(例如電流68)至輸入信號。

自流經電阻器26之電流減去電流68之值，得出流經電阻器27之電流67。因此，電流68藉由減小流經電阻器27之電流67之值而使在電阻器27上降低之電壓值偏移。耦合電流68以流經電阻器26使由體電壓增加引起之輸入信號增加偏移，因此，使輸入信號值偏移，如下式給定：V37＝VB－((I67＋I68)*R26)其中V37＝輸入信號值，VB＝體電壓值，且R26＝電阻器26之值

如曲線77點V3處所示，在輸入信號大於反相器55之第二值或高輸入臨限值後，電晶體59及60經完全致能且來自電流源62之電流經鏡像為電流68。如圖所示，只要輸入信號大於第一值或低輸入臨限值，電流68便開始流動且使輸入信號偏移至少某一量。隨著輸入信號達到第二值或高輸入臨限值，電流68達到最大值，且對於輸入信號之進一步增加，偏移量變成固定值。同樣，對於在第一值與第二值之間的輸入信號值，相對於體電壓之變化速率而言輸入信號之變化速率減小，因為電流68之值在增加。因此，除使輸入信號值偏移之外，與沒有電流68之情況相比，相對於體電壓增加而言此輸入信號增加速率之減小導致輸入信號以較低速率增加。在輸入信號不小於第二值後，電流68用於使輸入信號值偏移但是不再影響變化速率。因此，對於在第一與第二值之間的輸入信號值感測器50使輸入信號偏移一可變量，且對於大於第二值之輸入信號值，使輸入信號偏移一固定量。如曲線75及77所示，隨著體電壓值繼續增加，使輸入信號值偏移一固定量且最終增加至最大值，該最大值小於在沒有感測器50之功能的情況下所具有之最大值。

如此項技術者所熟知，可選擇電晶體59及60之尺寸以確定來自電流源62用於形成電流68之電流量。此外，如圖所示，可藉由電阻器26之值的適當選擇來選擇由輸入信號之第一值所表示之體電壓值。在某些實施例中，電阻器27可為控制器30之一部分。

比較器51比較輸入信號與來自基準43之輸出端45之第二基準信號且回應輸入信號而形成比較器51之輸出。若體電壓值不小於點V4處所示之過壓值且更大，則輸入信號值不小於基準43之輸出端45上之第二基準信號且迫使比較器51之輸出為曲線79所示之高位準。熟習此項技術者將瞭解，調整由感測器50所提供之輸入信號有助於獨立地設定過壓值及欠壓值。因為電流68流經電阻器26而不流經電阻器27，所以可藉由選擇電阻器26之絕對值來選擇過壓值且可藉由選擇電阻器26與電阻器27之比率來選擇欠壓值，如下式給定：V4＝((V44/V45)*V1)＋I68*R26 V1＝((R26＋R27)/R27)*V45)其中V1＝體電壓之欠壓值V4＝體電壓之過壓值V44＝基準43之輸出端44上之欠壓基準信號值V45＝基準43之輸出端45上之過壓基準信號值R26＝電阻器26之值R27＝電阻器27之值I68＝電流68之值

PWM控制器47接收比較器51及52之輸出且回應比較器51及52而設定控制器30之欠壓及過壓操作狀態。如熟習此項技術者熟知，對於形成比較器51及52輸出之低位準值之體電壓值，PWM控制器47通常操作以調節輸出端16與返回端17之間的輸出電壓值。

在一實例實施例中，電流源62經形成以提供五十(50)微安之電流且電晶體59與電晶體60之比率為2：5，因此電流68之最大值為二十(20)微安。基準43之輸出端44上之第一基準信號值為約二伏特(2 V)且基準43之輸出端45上之第二基準信號值為約三伏特(3 V)。反相器55之低輸入臨限值為約2.5伏特且高輸入臨限值為約2.6伏特。

為了實施控制器30之此功能，將調節器38連接於輸入端31與返回端32之間。將調節器38之輸出端39連接至基準43之功率輸入端，其係連接至返回端32之功率返回端。將基準43之輸出端44連接至比較器52之非反相輸入端且將基準43之輸出端45連接至比較器51之反相輸入端。比較器51之非反相輸入端通常連接至比較器52之反相輸入端、輸入端37、反相器55之輸入端，及電晶體59之汲極。比較器51之輸出端連接至控制器47之第一輸入端且比較器52之輸出端連接至控制器47之第二輸入端。控制器47之輸出端連接至輸入端33。反相器55之輸出端連接至電晶體58之閘極。電晶體58之源極通常連接至返回端32及電晶體59及60之源極。電晶體58之汲極通常連接至電晶體59及60之閘極、電晶體62之汲極及電流源62之第一端子。電流源62之第二端子連接至輸出端39。

圖3圖解說明形成於半導體晶粒86上之半導體裝置85之實施例的一部分之放大平面圖。感測器50形成於晶粒86上。晶粒86亦可包括控制器30及其他電路，在圖3中為圖示簡單起見未展示。感測器50及裝置85藉由熟習此項技術者已熟知之半導體製造技術形成於晶粒86上。晶粒86通常被組裝於一半導體封裝(未圖示)中。使用一輸入端子來感測或偵測輸入信號之複數個狀態提供了對半導體封裝之端子的有效利用。

鑒於所有以上描述，顯然揭示了一種新穎裝置及方法。所包括之特徵為形成可偵測單一輸入信號之表示一系統之多個功能狀態之值的感測器。組態該感測器對於大於第一值的值使輸入信號值偏移有助於對於可能超過感測器之最大電壓額定(rating)之信號值使用該感測器。

雖然藉由特定之較佳實施例描述了本發明，但是顯然熟習半導體技術之技術者將理解諸多變更及變化。圖1所示之例示性實施例接收一具有表示兩個功能狀態之兩個位準的輸入信號，但是藉由(例如)使用諸如電流源62之另一電流源(其在輸入信號之一不同值處添加電流)及用以偵測該值的另一比較器，亦可將感測器50擴展為偵測兩個以上之位準或狀態。除圖1所示之較佳實施例之外，感測器50可與各種其他實施例組態，只要對於不小於第一值之輸入信號值使輸入信號值偏移至少一第一量。舉例而言，反相器55可由運算放大器替代。同樣，電路53可由各種其他實施例替代，只要實施例偵測第一值且形成一信號以使該輸入信號偏移。舉例而言，電路53可由一滯後比較器及一耦合偏移電壓源至輸入端37之第三基準信號所替代。熟習此項技術者將瞭解，系統10及控制器30之例示性形式用作一媒介物(vehicle)來說明偵測多個位準之操作方法且說明感測器50之較佳實施例。感測器50並非必須為諸如控制器30之電源控制器之一部分，而是可用於要求在一端子上感測一信號之多個位準的其他應用中。儘管在返馳電源系統應用中說明控制器30，但是控制器30可用於各種其他熟知類型之電源系統中。此外，為描述清楚起見在全文中使用單詞"連接"，然而，該單詞亦具有單詞"耦合"之相同含義。因此，"連接"應解釋為包括直接連接或間接連接。

10．．．電源系統

11．．．輸入端子

12．．．返回端子

14．．．變壓器

16．．．輸入端

17．．．返回端

18．．．負載

19．．．耦合器

20．．．發射器

21．．．光電晶體

24．．．電晶體

26．．．電阻器

27．．．電阻器

28．．．電容器

30．．．控制器

31．．．電壓輸入端

32．．．電壓返回端

33．．．輸出端

34．．．FB輸入端

35．．．電流感測輸入端

36．．．電阻器

37．．．輸入端

38．．．調節器

39．．．輸出端

40．．．電阻器

43．．．基準

44．．．輸出端

45．．．輸出端

47．．．控制器

50．．．感測器

51．．．比較器

52．．．比較器

53．．．偏移電路

55．．．反相器

58．．．第一電晶體

59．．．第二電晶體

60．．．第三電晶體

62．．．固定電流源

67．．．電流

68．．．電流

85．．．半導體裝置

86．．．晶粒

圖1根據本發明圖解說明接收一具有多個功能狀態之信號的電源控制器之例示性形式的一部分之實施例；圖2根據本發明圖解說明圖1之電源控制器的某一信號之一部分的實施例；圖3根據本發明圖解說明包括圖1之電源系統的半導體裝置之放大平面圖。

為了簡單及清楚起見，圖中之元件不一定按比例繪製且不同圖中之相同參考數字表示相同元件。此外，為了描述簡單起見，省略對熟知之步驟及元件的描述及細節。如本文所使用，載流電極意謂一裝置之一元件，該元件載運流經該裝置之電流，該元件諸如MOS電晶體之源極或汲極、或雙極電晶體之發射極或集極、或二極體之陰極或陽極，且控制電極意謂該裝置之一元件，該元件控制流經該裝置之電流，該元件諸如MOS電晶體之閘極或雙極電晶體之基極。雖然本文中將裝置說明為某些N通道或P通道裝置，但是一般技術者應瞭解，根據本發明之補充裝置亦係可能的。熟習此項技術者應瞭解，本文所使用之單詞在...期間、同時及當時並非意謂一旦起始動作進行便立刻發生動作之精確術語，而是意謂在起始動作與由起始動作所起始之反應之間存在某一較小但合理之延遲。

10．．．電源系統

11．．．輸入端子

12．．．返回端子

14．．．變壓器

16．．．輸入端

17．．．返回端

18．．．負載

19．．．耦合器

20．．．發射器

21．．．光電晶體

24．．．電晶體

26．．．電阻器

27．．．電阻器

28．．．電容器

30．．．控制器

31．．．電壓輸入端

32．．．電壓返回端

33．．．輸出端

34．．．FB輸入端

35．．．電流感測輸入端

36．．．電阻器

37．．．輸入端

38．．．調節器

39．．．輸出端

40．．．電阻器

43．．．基準

44．．．輸出端

45．．．輸出端

47．．．控制器

50．．．感測器

51．．．比較器

52．．．比較器

53．．．偏移電路

55．．．反相器

58．．．第一電晶體

59．．．第二電晶體

60．．．第三電晶體

62．．．固定電流源

67．．．電流

68．．．電流

Claims (20)

1. 一種多位準信號感測器，其包含一輸入端，其經耦合以接收一具有複數個信號位準之輸入信號；及一感測器，其經耦合以接收該輸入信號且對於該輸入信號之小於一第一值之值不使該輸入訊號偏移，該感測器經耦合以偵測具有一不小於該第一值之值之該輸入訊號，且回應地施加一偏移信號於該輸入端，並加總該偏移訊號與該輸入訊號，並對於該輸入訊號之不小於該第一值之值使該輸入訊號之值改變。
2. 如請求項1之信號感測器，其中該感測器經耦合以偵測該輸入信號，其具有一小於該第一值之第二值，且偵測該輸入信號，其具有一大於該第一值之第三值。
3. 如請求項2之信號感測器，其中該第三值係該第二值之獨立可調的。
4. 如請求項3之信號感測器，其中該第三值可藉由改變一電阻分壓器之電阻器的值且藉由改變該電阻分壓器之該等電阻器的一比率而加以獨立調節。
5. 如請求項2之信號感測器，其中該感測器包括一經耦合以偵測該第二值之第一比較器及一經耦合以偵測該第三值之第二比較器。
6. 如請求項2之信號感測器，其中該感測器為一電源控制器之一部分且該第二值表示該電源控制器之一輸入電壓之一欠壓條件且該第三值表示該輸入信號之一過壓條 件。
7. 如請求項1之信號感測器，其中該感測器包括一反相器，其可操作地經耦合以接收該輸入信號且耦合一電流至該輸入信號；及包含一第一電晶體，其經耦合以自該反相器接收一輸出信號且控制一第二電晶體以耦合該電流至該輸入信號。
8. 一種形成一多位準感測器之方法，其包含：組態該多位準感測器以接收一具有多個位準之信號，其中該信號係被接受於該感測器之一輸入端；及組態該多位準感測器以施加一偏移訊號至該輸入端以對於該信號之不小於該信號之一第一值之值使該信號之值改變一第一量。
9. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以施加一偏移訊號至該輸入端以對於該信號之不小於該信號之該第一值的值使該信號的值改變該第一量之步驟包括組態該多位準感測器以對於該信號之在該信號之該第一值與該信號之一第二值之間的值使該信號之值偏移一可變量，其中該第二值小於該第一值。
10. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以施加一偏移訊號至該輸入端以對於該信號之不小於該信號之該第一值的值使該信號的值改變該第一量之步驟包括組態該多位準感測器以對於該信號之不小於該信號之該第一值的值使該信號的值偏移一固定量。
11. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以接收該 具有多個位準之信號之步驟包括組態該多位準感測器以自一積體電路之一端子接收該信號。
12. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以施加一偏移訊號至該輸入端以對於該信號之不小於該信號之該第一值的值使該信號的值改變該第一量之步驟包括組態該多位準感測器以形成一偏移電流來使該信號之值偏移。
13. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以施加一偏移訊號至該輸入端以對於該信號之不小於該信號之該第一值的值使該信號的值改變該第一量之步驟包括組態該多位準感測器以形成一第一電流且回應該信號之該第一值而將一表示該第一電流之第二電流耦合至該信號。
14. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以施加一偏移訊號至該輸入端以對於該信號之不小於該信號之該第一值的值使該信號的值改變該第一量之步驟包括耦合一第一比較器以偵測該信號之一小於該信號之該第一值之第二值，且耦合一第二比較器以偵測該信號之一大於該信號之該第一值之第三值。
15. 如請求項8之方法，其中組態該多位準感測器以接收該具有多個位準之信號之步驟包括將該多位準感測器組態為一開關電源控制器之一部分。
16. 如請求項9之方法，其中組態該多位準感測器以接收該具有多個位準之信號之步驟包括組態該多位準感測器以接收該具有表示一電源欠壓條件及一電源過壓條件之位 準的信號。
17. 一種電源控制方法，其包含：形成一輸入信號，其具有一表示一電源控制器之一第一操作狀態的第一值及一表示該電源控制器之一第二狀態的第二值；對於該輸入信號之大於一第三值的值施加一偏移訊號至該輸入訊號，其中該第三值係大於該第一值且小於該第二值，且對於該輸入信號之不大於該第一值之值不施加該偏移信號。
18. 如請求項17之方法，其中對於該輸入信號之大於該第三值的值施加一偏移訊號至該輸入訊號之步驟包括耦合一電流至該輸入信號以形成一使該輸入信號偏移之電壓。
19. 如請求項17之方法，其中對於該輸入信號之大於該第三值的值施加一偏移訊號至該輸入訊號之步驟包括使用一反相器來偵測該第三值及使用該反相器來選擇性地耦合一偏移信號至該輸入信號。
20. 如請求項17之方法，其進一步包括使用該輸入信號之該第一值及該第二值來設定一電源控制器之第一及第二操作狀態。