TWI387863B - 形成電流感應電路之方法以及用於其之結構 - Google Patents

Description

形成電流感應電路之方法以及用於其之結構

本發明一般係關於電子元件，而更特定言之，係關於形成半導體裝置之方法及其結構。

在過去，半導體產業利用各種方法與結構，以供電源供應控制器形成電流感應電路。該等電流感應電路通常會接收一負載電流，其係由該電源供應控制器所調整，並係施加至一連接至電源供應控制器的負載。該等電流感應電路通常會使該負載電流流過一感應電阻器，然後該感應電阻器便形成一代表該負載電流之值的電壓。於部分情況中，為了能在不同的負載電流值之間作選擇，需要使用多個感應電阻器。一般而言，一電晶體係與該感應電阻器串聯，以引導該負載電流通過該感應電阻器與該電晶體。此種電流感應電路之一範例係於具有零件編碼為MP1517之升壓轉換器的資料表中揭示，該升壓轉換器係由加州，Los Gatos的Monolithic Power Systems，Inc.所製造。於大多數情況中，對該電源供應控制器所供應之感應電壓值經常會有所變化，並導致負載電流之值發生錯誤。

據此，需要有一種會形成較能精確代表該負載電流值之電流感應信號的電流感應電路。

為說明之簡潔與清晰起見，圖式中各元件未必依照實際比例，且不同圖式中相同的參考編碼表示相同的元件。此外，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。如本文使用般，載流電極意指一裝置中可攜載電流流經該裝置的某一元件，例如MOS電晶體的源極或汲極，或是雙極電晶體的射極或集極，或二極體的陰極或陽極；而控制電極則意指該裝置中可控制電流流經該裝置的某一元件，例如MOS電晶體的閘極，或是雙極電晶體的基極。雖然本文中以特定的N通道或P通道裝置來解釋該等裝置，然而，熟悉本技術人士將瞭解，根據本發明亦可能係互補型裝置。為熟悉本技術人士所將瞭解的是，本文中所使用的期間、同時、當等詞彙並非意指於一起始動作之後，即刻發生一動作的確切術語，而是在由該起始動作所起始的反應之間可能會有部分小的但合理的延遲，例如傳播延遲。

圖1示意性說明一電源供應系統10之一項具體實施例的一部分。系統10包括一電源供應控制器20，其係配置成用以精確調整一對一負載13所提供的負載電流25之值。系統10會在一電源輸入11與一電源返回12間接收電源。於輸入11與返回12間所施加之電壓通常係一來自例如電池之直流源的直流電壓。於大多數情況中，一電感器16與一阻隔二極體18係於外部連接至控制器20，以對負載13輔助提供電流25。一電容器17亦可用以輔助操作負載13。於該較佳具體實施例中，負載13包括複數個串聯連接發光二極體(LED)，例如一LED 14與一LED 15。於部分具體實施例中，二極體18可包含於控制器20內。

控制器20會於通常係分別連接至輸入11與返回12的電壓輸入23與電壓返回24之間接收電源。控制器20通常包括一開關控制電路36、一電流感應電路21與一選擇性內部調整器或調整器33。調整器33為了能接收該輸入電壓，並於一用以操作控制器20之元件，例如開關控制電路36與電流感應電路21的輸出34上提供一內部操作電壓，係連接於輸入23與返回24之間。開關控制電路36通常係一會形成用以控制電源開關，例如一電晶體43，並調整電流25值之開關信號的PWM控制電路。於其他具體實施例中，電路36可為包括脈衝頻率調變器(PFM)之熟知控制電路的其他類型。圖1中所說明之由開關控制電路36形成的範例性方塊圖包括一時脈產生器或時脈37、一參考產生器或參考45、一錯誤放大器46、一斜坡產生器或斜坡38、一PWM比較器39、一控制區塊40以及電晶體43。如同本技術所熟知般，開關控制電路36會接收一電流感應信號，並回應而對控制電晶體43形成該開關信號，同時調整電流25之值。電路36亦可包括其他在圖1中未加以說明之熟知功能，例如過高電壓保護、過低電壓保護、熱停機、峰值電流限制或其他熟知功能。

電流感應電路21包括一控制電路62、一第一電流感應開關或電晶體47、一第二電流感應開關或電晶體52、一第一耦合開關或電晶體49以及一第二耦合開關或電晶體50。控制電路62係配置成用以從一控制輸入31接收一電流選擇控制信號，並回應以形成一第一電流控制信號59與一第二電流控制信號58，其係用以將一來自節點48之信號耦合至一電路21之輸出22或將一來自節點51之信號耦合至輸出22。控制電路62通常包括一緩衝器56以及一反相器57。於一項具體實施例中，電流感應電路21係於一半導體基板上與一開關控制電路，例如電路36一起形成。就此一具體實施例而言，電感器16、電容器17與二極體18通常係於該半導體基板之外部。於部分具體實施例中，電晶體43或開關控制電路36亦可在於其上包括形成電路21之半導體基板的外部。

操作時，對輸入31所施加之控制信號係用以對電流25的二不同值作選擇。此外，電路21係配置成用而以能夠對電流25之值產生極精確控制的方式形成該電流感應信號。開關控制電路36會接收耦合至電路21之輸出22的電流感應信號。如同本技術中所熟知般，開關控制電路36會回應而使電晶體43能夠或不能夠提升或降低負載電流25之值。若使電晶體43不能夠發揮作用，則電流25之流動會從電感器16，經過二極體18，再經過負載13而至電路36之控制器的電流輸入27。若使電晶體43能夠發揮作用，則來自電感器16之電流的流動便會經過控制器20之PWM輸出26，再經過電晶體43，而至返回24。在使電晶體43能夠發揮作用的同時，電容器17會對負載13供應一電流。

若電晶體43不能夠發揮作用，則電路21會接收來自電路21之輸入上輸入27的電流25。電路21亦會接收輸入31上之電流選擇控制信號，並選擇性使電晶體47與49或電晶體52與50能夠於輸出22上形成該電流感應信號。緩衝器56與反相器57會形成一選擇器電路，其會選擇性使兩對電晶體之其中一對能夠發揮作用。若於輸入31上之電流選擇控制信號係低，則反相器57之輸出上的控制信號59係高，進而使電晶體47與49能夠發揮作用，同時緩衝器56之輸出上的控制信號58則係低，進而使電晶體50與52不能夠發揮作用。具有該電流選擇控制信號之能夠發揮作用的電晶體47會選擇性使負載電流25耦合至一第一電流感應元件或感應電阻器65。電阻器65係於控制器20之第一感應輸入28上連接至電路21。電流25會經過電晶體47而流至節點48，再經過輸入28，然後經過電阻器65而至返回12。引導電流25流經電阻器65會於節點48上形成一電流感應信號。由於電晶體49亦因該電流控制信號而選擇性能夠發揮作用，故而電晶體49會使來自節點48之電流感應信號耦合至輸出22。錯誤放大器46會接收該電流感應信號，而開關控制電路36則會控制電晶體43以調整負載電流25之值，使得由放大器46所接收之電流感應信號實質上與來自參考45之參考信號值相等。引導負載電流25通過電阻器65會於節點48上形成電流感應信號，其與電晶體47之電壓降值無關。該電晶體47之電壓降值會根據包括電晶體47之導通電阻或Rdson值的許多參數而有所不同。該導通電阻值則根據例如電晶體47之溫度、閘極至源極電壓，以及甚至流經電晶體47之電流值的多種參數而可有所不同。由於節點48上所形成且由放大器46所接收之電流感應信號係由電流25之值所決定的電阻器65之信號值，故而該電流感應信號係與電晶體47之電壓值無關。因此，即便是電晶體47之電壓降值可能有所不同，於節點48處所形成之感應電壓值仍僅與電流25之值與電阻器65之值相關。既然放大器46之輸入係一高阻抗，流經電晶體49之電流遂可忽略，且電晶體49所產生之電壓亦可忽略，同時對因電晶體49而從節點48耦合至輸出22之電流感應信號值實質上不會有影響。電晶體49之電壓值通常不會大於約1毫伏特(1 mV)。當電晶體47與49能夠發揮作用而電晶體50與52不能發揮作用時，電路36便會控制電流25之值達一第一值。由於該電流感應信號之值不包括電晶體47之電壓，故而該電流感應信號之值便會極精確地代表電流25之值，同時係由電阻器65之精確度所控制。既然電阻器65係於電路21之外部，電阻器65之值便可能極精確。於一範例具體實施例中，電阻器65係經選擇而成為一個百分點電阻器，且電流25之相對應值亦約略準確至約一個百分點之內。以上所述係較先前實施方案精確極多，該等先前實施方案即使是該感應電阻器具有一個百分點的精確度，所達之精確度仍無法比約五個百分點好。因此，電流25之值便維持在一實質上恆定之值，其之不同不會超過大約一個百分點。

同樣地，若輸入31上控制信號之值係高，則電流控制信號59係低，進而使電晶體47與49不能夠發揮作用，不過緩衝器56之輸出上的電流控制信號58則係高，進而使電晶體50與52能夠發揮作用。當電晶體52能夠發揮作用而電晶體47不能夠發揮作用時，電流25會經過電晶體52而流至節點51，再經過一第二感應輸入29，然後經過一第二電流感應元件，例如電阻器66，而至返回12。電晶體50會使節點51上形成之電流感應信號值耦合至輸出22。電晶體52之功能與電晶體47相同，而電晶體50之功能則與電晶體49相同。因此由放大器46所接收之電流感應信號便為電阻器66之信號值，且不包括電晶體52之電壓值，同時該電流感應信號亦與電晶體52之電壓值無關。此外，流經電晶體50之電流係可忽略，且電晶體50所產生之電壓實質上對因電晶體50而從節點51耦合至輸出22的感應信號之值不會有影響。

於不同的具體實施例中，較多或較少的電晶體對與感應電阻器，例如電阻器65與電晶體47與49，以及控制電路62之不同配置可用以提供電流25額外可選擇之值。例如，於另一具體實施例中，便可能使所有的電晶體47、49、50與52同時能夠發揮作用，乃至於成對地發揮作用，進而形成電流25的第三狀態。

為了促進電路21之操作，電晶體47之汲極一般係連接至電晶體52之汲極並連接至輸入27。電晶體47之源極一般係連接至電晶體49之汲極、節點48與輸入28。電晶體49之源極一般係連接至輸出22與電晶體50之源極。電晶體49之閘極一般係連接至電晶體47之閘極與反相器57之輸出。電晶體50之汲極一般係連接至節點51、輸入29與電晶體52之源極。電晶體52之閘極一般係連接至電晶體50之閘極、緩衝器56之輸出與反相器57之輸入。緩衝器56之輸入係連接至輸入31。

圖2示意性說明關於在一半導體晶粒71上所形成半導體裝置70之一項具體實施例的一部份放大平面圖。電路21係於晶粒71上形成。晶粒71亦可包括其他電路，例如電路36，其為了圖式簡潔起見而未於圖2中加以顯示。藉由熟悉本技術人士所熟知的半導體製造技術，在晶粒71上形成電路21與裝置70。

綜觀上述，已明顯揭示一種新穎的裝置與方法。其他特徵還包括使一對串聯之電晶體於一開關控制器之回授路徑中進行耦合，以精確調整一負載電流至一實質上恆定之值。使一感應元件連接至該等電晶體之一般連接，可促進引導該負載電流通過該感應元件，並形成該感應元件之電壓，其係與該等電晶體之其中一者的電壓無關。

雖然已藉由特定的較佳具體實施例來說明本發明之主旨，但很明顯，熟習本半導體技術人士將明白許多替代例及變化例。電路21亦可用以提供與控制器20相同之控制器一真正的截止功能。更明確地，本發明之主旨已然針對N通道MOS電晶體加以說明，雖然本方法可直接應用至其他雙極電晶體，乃至於其他MOS電晶體以及BiCMOS電晶體、金屬半導體FET(MESFET)、HFET、雙極與其他類型電晶體。此外，於全文中為使說明清晰起見而採用詞彙「連接」，然而仍希望詞彙「耦合」亦具有相同的意義。據此，應將「連接」解釋為包括一直接的連接或一間接的連接。

10．．．電源供應系統

11．．．電源輸入

12．．．電源返回

13．．．負載

14．．．LED

15．．．LED

16．．．電感器

17．．．電容器

18．．．阻隔二極體

20．．．電源供應控制器

21．．．電流感應電路

22．．．輸出

23．．．輸入

24．．．返回

25．．．負載電流

26．．．PWM輸出

27．．．電流輸入

28．．．第一感應輸入

29．．．第二感應輸入

31．．．控制輸入

33．．．調整器

34．．．輸出

36．．．開關控制電路

37．．．時脈

38．．．斜坡

39．．．PWM比較器

40．．．控制區塊

43．．．電晶體

45．．．參考

46．．．錯誤放大器

47．．．電晶體

48．．．節點

49．．．電晶體

50．．．電晶體

51．．．節點

52．．．電晶體

56．．．緩衝器

57．．．反相器

58．．．第二電流控制信號

59．．．第一電流控制信號

62．．．控制電路

65．．．感應電阻器

66．．．電阻器

70．．．半導體裝置

71．．．半導體晶粒

圖1示意性說明一電源供應系統之一項具體實施例的一部分，該電源供應系統具有根據本發明之一電流感應電路；以及圖2示意性說明根據本發明包含圖1電源系統之一部份的半導體裝置放大平面圖。

10．．．電源供應系統

11．．．電源輸入

12．．．電源返回

13．．．負載

14．．．LED

15．．．LED

16．．．電感器

17．．．電容器

18．．．阻隔二極體

20．．．電源供應控制器

21．．．電流感應電路

22．．．輸出

23．．．輸入

24．．．返回

25．．．負載電流

26．．．PWM輸出

27．．．電流輸入

28．．．第一感應輸入

29．．．第二感應輸入

31．．．控制輸入

33．．．調整器

34．．．輸出

36．．．開關控制電路

37．．．時脈

38．．．斜坡

39．．．PWM比較器

40．．．控制區塊

43．．．電晶體

45．．．參考

46．．．錯誤放大器

47．．．電晶體

48．．．節點

49．．．電晶體

50．．．電晶體

51．．．節點

52．．．電晶體

56．．．緩衝器

57．．．反相器

58．．．第二電流控制信號

59．．．第一電流控制信號

62．．．控制電路

65．．．感應電阻器

66．．．電阻器

Claims (20)

1. 一種電流感應電路，其包括：一輸入，其係配置成用以接收一負載電流，其流經一負載且自該負載流入該輸入，其中該負載電流係用以操作該負載；一第一開關，其係配置成用以導引該負載電流以從該輸入流經該第一開關並且流經一第一感應元件；以及一第二開關，其係配置成用以使該第一感應元件選擇性耦合至一控制電路，該控制電路係配置成用以調整該負載電流之一值，其中流經該第一感應元件之電流並未流經該第二開關。
2. 如請求項1之電流感應電路，其中該第一開關係配置成用以使該負載電流選擇性耦合至該第一感應元件，並形成一第一感應信號。
3. 如請求項1之電流感應電路，其中該第二開關係配置成用以使該第一感應元件之電壓選擇性耦合至該控制電路。
4. 如請求項1之電流感應電路，其中該第一開關係配置成用以使該負載電流選擇性導引至該第一感應元件。
5. 如請求項4之電流感應電路，其進一步包括：一第三開關，其係配置成用以導引該負載電流自該輸入流經該第三開關並且流經一第二感應元件；以及一第四開關，其係配置成用以將該第二感應元件選擇性耦合至該控制電路，其中該負載電流並未流經該第四 開關。
6. 如請求項5之電流感應電路，其進一步包括：一選擇器電路，以選擇性致能該等第一與第二開關或該等第三與第四開關。
7. 如請求項1之電流感應電路，其中該第一開關係一第一電晶體，其具有：一第一載流電極，其經耦合以傳導該負載電流；一第二載流電極，其經耦合至該第一感應元件以傳導該負載電流；以及一控制電極；且其中該第二開關係一第二電晶體，其具有耦合至該第一感應元件的一第一載流電極、一第二載流電極與一控制電極。
8. 如請求項1之電流感應電路，其中該第一開關與該第二開關係沿著該控制電路之至少一部份而整合至一單一半導體基板上。
9. 如請求項1之電流感應電路，其中該第一感應元件係一電阻器，其經耦合以接收該負載電流，並形成一感應電壓。
10. 如請求項9之電流感應電路，其中該控制電路係一PWM或PFM控制器之其中一者，其具有一錯誤放大器，且該第二開關係經配置，以使該感應電壓耦合至該錯誤放大器。
11. 一種形成一電流感應電路之方法，其包括：配置該電流感應電路，以傳導一負載電流，其流經一負載且被用以操作該負載；配置該電流感應電路，以運用一第一開關以引導該負 載電流自該負載流經該第一開關且流經一第一感應元件，且回應以形成一第一電流感應信號，其係代表該負載電流之一值，其中該第一電流感應信號之一值係與跨該第一開關之一電壓降的一值無關。
12. 如請求項11之方法，其進一步包括：配置一第二開關，以將該第一電流感應信號耦合至一控制電路，其係配置成用以回應該第一電流感應信號之一值而調整該負載電流之一值，其中流經該第一感應元件之電流並未流經該第二開關。
13. 如請求項11之方法，其進一步包括：配置該電流感應電路之一第二開關，以引導該負載電流自該負載流經一第二感應元件，並回應以形成一第二電流感應信號，其係代表該負載電流之一值，其中該第二電流感應信號之一值係與跨該第二開關之一電壓降的一值無關。
14. 如請求項13之方法，其進一步包括：配置一第三開關，以將該第二電流感應信號耦合至一控制電路；以及配置該控制電路，以回應該第二電流感應信號之值而調整該負載電流之值。
15. 如請求項13之方法，其中配置該電流感應電路以傳導該負載電流包括配置該電流感應電路，以選擇性引導該負載電流通過該第一感應元件，同時選擇性引導該負載電流通過該第二感應元件。
16. 一種形成一電流感應電路之方法，其包括：配置一電流調整電路，以回應一電流感應信號而調整 一流經一負載之負載電流；將一第一開關與一第二開關藉由於該第一開關與該第二開關之間的一第一共用節點連接而串聯配置；以及將該等第一開關與第二開關於該電流調整電路之一回授路徑中，以串聯方式進行耦合，進而將該電流感應信號耦合至該電流調整電路，其中該第一開關傳導該負載電流以自該負載流至該第一共用節點且流經該第一共用節點，以及其中該第二開關並未傳導該負載電流。
17. 如請求項16之方法，進一步包括配置該第一共用節點，進而耦合該負載電流以流經一第一電流感應元件，並回應以形成該電流感應信號。
18. 如請求項16之方法，其中將該等第一開關與第二開關以串聯的方式進行耦合，包括配置該第一開關，以於該第一共用節點處引導該電流以流經一電流感應元件，並回應以形成該電流感應信號。
19. 如請求項16之方法，其中將該等串聯連接之第一開關與第二開關以串聯的方式於該回授路徑中進行耦合，包括耦合該第二開關，以選擇性將該電流感應信號耦合至該電流調整電路，其中該負載電流自該第一共用節點流至一返回節點且並未流經該第二開關。
20. 如請求項19之方法，其進一步包括：將串聯連接之第三開關與第四開關以串聯的方式於該回授路徑中進行耦合，其中該等串聯連接之第三開關與第四開關係與該等串聯連接之第一開關與第二開關平行。