TWI394024B

TWI394024B - 電源供應器控制器以及用於其之方法

Info

Publication number: TWI394024B
Application number: TW095142886A
Authority: TW
Inventors: Gang Chen; Lung Wai Chris Chan; Chi Tak Leung
Original assignee: Semiconductor Components Ind
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2013-04-21
Also published as: US7446517B2; CN101009465A; KR101347561B1; US20070170902A1; CN101009465B; KR20070078395A; HK1106626A1; TW200728951A

Description

電源供應器控制器以及用於其之方法

本發明一般關於電子元件，而更特定言之，關於形成半導體裝置之方法及結構。

在過去，半導體產業利用各種方法與結構來形成切換電源供應器控制器，例如脈波寬度調變(PWM)電源供應器控制器，其係用以調節由一電源供應器系統所供應之電壓的值。在部分情況下，該等切換電源供應器控制器在正常操作期間能夠於一固定頻率模式下操作。當為持續從電源供應器系統接收電源之負載所需的電流降低時，該等先前切換電源供應器控制器中之部分會略過該等PWM循環中的部分而在一輕負載模式下操作。於大多數情況下，該循環略過操作係無效，且亦可產生不需要的電磁干擾。此外，該略過循環模式經常會在輸出電壓中導致高漣波。部分其他的PWM控制器會在一遲滯模式下操作。該遲滯操作係非同步且係難以用於多通道PWM控制器。部分其他的控制器會在一恆定開啟時間模式下操作。此等控制器亦非同步，其可在一多通道系統之通道間導致頻率拍擊的問題。

據此，希望能具有一種電源供應器控制器，其會在輕負載條件下以增進之效率來操作，並降低電磁干擾的量。

圖1示意性說明一電源供應器控制系統10之一部分的一項具體實施例，其包括一切換電源供應器控制器25之一部分的一示範性形式。配置控制器25以在一正常操作模式期間操作系統10來作為一固定頻率PWM電源供應器控制器，並在一輕負載(LL)操作模式期間使用一較高頻率時脈來起始接續的PWM循環。連接系統10以接收來自一於電源輸入端子11與電源返回端子12間之外部電源來源(未顯示出)的電源，並調節輸出13與端子12間之輸出電壓。將該輸出電壓調節成一目標值，其在該目標值上下之希望值範圍內。例如，該目標值可為五伏特(5 V)而該希望值範圍可為該等五伏特上下加減百分之五(5%)。除了控制器25以外，系統10一般包括一實施成一第一電源電晶體21的第一電源開關、一實施成一第二電源電晶體22的第二電源開關、一能量儲存電感器14、一電流感應電阻器16與一能量儲存電容器或濾波電容器17。一會形成能代表該輸出電壓值之回授(FB)信號的回授網路係於電阻器18與19間之一共用節點處形成。電阻器18與19係於輸出13與端子12間串聯。控制器25會在一FB輸入36上接收該FB信號。一透過電感器14而流至負載23之電流15會形成一橫跨電阻器16的電流感應信號VS。為能偵測電流15之值，控制器25之一第一電流感應輸入34係連接至電阻器16之一端子，而控制器25之一第二電流感應輸入35係連接至電阻器16之一第二端子。儘管將電晶體21與22說明為處於控制器25之外部，然而於部分具體實施例中，電晶體21與22可為控制器25之內部。熟悉本技術人士將瞭解，可藉由為熟悉本技術人士所熟知之多種技術中的任一種來獲得該FB信號與該電流感應信號。

控制器25一般會在電壓輸入26與電壓返回27之間接收來自控制器25外部之一電壓來源的輸入電壓。返回27通常係連接至端子12，而輸入26通常則連接至端子11。控制器25會形成一第一PWM驅動信號以於一輸出30上控制電晶體21，並形成一第二PWM驅動信號以於一輸出31上控制電晶體22。控制器25一般亦包括一固定頻率時脈42、一時脈除法器43、斜坡產生器或斜坡44、一PWM比較器46、一PWM鎖存器47、一參考電壓產生器或參考54、一時脈多工器或時脈Mux 48、一參考多工器或參考Mux 59、一比較器55、一誤差放大器56、一模式控制電路67、一零交越偵測電路78與一最小關閉時間產生器86。斜坡44、PWM比較器46、與鎖存器47係控制器25之PWM控制區塊45的一部分。參考54會產生為控制器25之多種元件所運用的參考電壓Ref1、Ref2、Ref3與Ref4。除法器43會將時脈42所產生之高頻率時脈(CH)劃分成較低頻率時脈(CL)。Mux 48係一數位多工器並可包括一反向器49與電晶體50與51。Mux 59一般係一類比多工器並可包括一反向器62與電晶體63與64。誤差放大器56一般包括有助於對控制器25提供一穩定頻率回應的阻抗57與58。於大多數情況下，除控制器25之其他元件外，控制器25亦包括一內部調節器40，其係用以在輸出41上產生一內部操作電壓。該內部操作電壓一般係用於操作控制器25之元件，例如時脈42、參考54、斜坡44、比較器46與55、誤差放大器56與PWM鎖存器47。模式控制電路67係用以切換控制器25以於正常模式或輕負載(LL)模式下操作。一來自電路67之低值會使控制器25於正常模式下操作，而一來自電路67之高值會使控制器25於輕負載(LL)模式下操作。所說明之模式控制電路67的示範性具體實施例包括一比較器69、一電晶體70、一偏移68、電流源72與73、一電容器74與一比較器76。零交越偵測電路78係用以決定來自電感器14之放電電流在何時流過電晶體22會達一大約不大於零的值。就圖1中所說明之電路78的示範性具體實施例而言，電路78會監控橫跨電晶體22之電壓以偵測來自電感器14之放電電流流過電晶體22的大約零交越。就此示範性具體實施例而言，電路78包括一比較器79，其係橫跨電晶體22而連接並具有一透過控制器25之輸入32連接至電晶體22之汲極的非反相輸入與一透過控制器25之輸入33連接至電晶體22之源極的反相輸入。電路78亦包括一鎖存器81、一NAND閘極82與一AND閘極83。

圖2係具有說明系統10之信號之部分的曲線圖。曲線94說明在正常模式期間流過電感器14之電流15的一可能波形，而曲線95說明在輕負載(LL)模式期間流過電感器14之電流15的一可能波形。橫座標指明時間而縱座標指明所說明之信號的信號增加值。字母「T」對曲線94與95指明一PWM循環之週期，其包括該PWM循環與電晶體21之相對應狀態的開啟時間或活動時間與關閉時間或非活動時間。符號Tnc代表在該週期之非活動部分期間的一段時間，在該段時間裡流過電晶體22的放電電流為負，而符號Tzc代表在該週期之非活動部分期間的一段時間，在該段時間裡電晶體22係停用的且沒有任何放電電流流過電晶體22。此說明與圖1及圖2有關聯。

控制器25具有兩種由電路67之輸出所控制的操作模式。在正常模式下，控制器25會操作為一固定頻率PWM控制器。在此模式下，由電感器14對負載23所供應之電流15會形成一橫跨電阻器16之正VS信號。該正VS信號會迫使比較器69之輸出變低。來自比較器69之低值會停用電晶體70並讓電流源73能夠使電容器74放電，藉此迫使比較器76之輸出變低。來自比較器76之低值會使Mux 48能夠選擇來自除法器43之輸出的低頻率時脈(CL)以作為操作斜坡44與PWM鎖存器47的系統時脈(CK)。在此模式下，CL之頻率會設定該PWM循環時間與週期。來自比較器76之低值會透過反向器49停用電晶體51並致動電晶體50以選擇CL而非CH。來自比較器76之低值亦會致動Mux 59以選擇放大器56之輸出至比較器46。選擇放大器56之輸出，因為來自比較器76之低值亦會透過反向器62來停用電晶體64並致動電晶體63。來自比較器76之低值亦會迫使閘極82之輸出變高，並使鎖存器81免受電晶體22之操作的影響。結果，PWM鎖存器47會控制電晶體22。在正常模式下，CL以及相對應地CK會變高，其會起始一來自斜坡44的斜坡信號且亦會設定鎖存器47。來自鎖存器47之Q輸出的高值會致動電晶體21，而來自鎖存器47之輸出的低值會停用電晶體22，藉此耦合電感器14以接收來自端子11的電流。此係說明於曲線94上的時間T0。當該FB信號之值使放大器56之輸出能夠交叉斜坡44之輸出時，比較器46之輸出會變高以重設鎖存器47。來自該Q輸出之低值會停用電晶體21，而來自該輸出之高值會致動電晶體22，以便能如同曲線94上的時間T1處所說明一般地使電感器14開始放電。鎖存器81並無任何效用，因為比較器76之輸出係低。結果，即使比較器79偵測流過電晶體22之放電電流達到零或甚至反方向，仍會致動電晶體22。此係說明於曲線94上的時間T2之後。結果，在正常操作模式下，低頻率時脈CL會藉由設定鎖存器47來設定一PWM循環之週期(T)以開始該PWM週期，同時並開始產生來自斜坡44的斜坡信號。

若電流15在控制器25之操作期間降低，則如同下文所說明在LL模式下操作控制器25可能較有利。電路67會提供一導致模式改變的模式控制信號。當控制器25改變成LL模式時，Mux 48會選擇該高頻率時脈(CH)來作為系統時脈CK，而Mux 59會選擇一固定參考Ref3至PWM比較器46，而非誤差放大器56。採用該固定參考值而非該誤差放大器輸出會促使控制器25形成一PWM循環的固定開啟時間或固定活動時間，因此，一電晶體21的固定開啟時間。採用高頻率時脈CH來起始下一個系統時脈循環相較於在採用低頻率時脈CL來起始下一個系統時脈循環時接續系統時脈循環間之延遲的量，會降低接續系統時脈循環間之延遲的量。此亦會減少該輸出電壓中漣波的量。一時脈控制閘極91與最小關閉時間產生器86有助於使系統時脈CK能夠與高頻率時脈CH操作同步化。

此外，在LL模式下，若該輸出電壓之值係於希望值範圍內，則控制器25不會產生另一PWM循環。比較器55會藉由比較FB與一能代表希望值範圍的下限之參考信號Ref1來偵測該輸出電壓是否大於該下限。若比較器55之輸出係低，則會迫使閘極91變低以禁止產生一PWM循環。若FB小於Ref1，則比較器55之輸出係高，並致動閘極91以使下一個CH信號能夠傳播通過且起始一PWM循環。

模式控制電路67會使用電流15之平均值來決定控制器25切換成該LL模式之點。一儲存於電容器74上之電壓能代表該平均值。隨著電流15之值的降低，橫跨電阻器16的感應信號VS之值亦會降低。若電流15之值降低且變得足夠接近零而使VS之值小於偏移68之值，則比較器69之輸出會變高並致動電晶體70。此VS之值係指稱為VS之LL值。偏移68會確保VS不會一逕地降為零。致動電晶體70會致動電流源72進而使電容器74開始充電。若VS維持在等於或低於該LL值達一段足夠的時間週期，則電流源72會使電容器74充電至一大於參考電壓Ref4之電壓且比較器76之輸出會變高以將控制器25之操作模式改變成該LL操作模式。由電流源72與73所提供之電流間的比率與Ref4之值通常會決定時間VS的量必須維持在該LL值，以便能使比較器76變高。例如，若電流源72比電流源73大四倍且Ref4係大，則VS便必須維持在該LL值達大約一PWM循環之週期的四分之一(時脈CL之週期的四分之一)。如同所能見到的，若僅致動電晶體70達一循環之一小部分，則電容器74上的電壓便可升高，然而會維持小於Ref4而電容器76之輸出會維持為低。於部分情況下，在電容器74上之電壓降低至一小於Ref4之值前可能需要幾個PWM循環。

操作時，來自比較器76之高值係用以將控制器25改變成在LL模式下操作。Mux 48會接收來自比較器76之高值，其可透過反向器49致動電晶體51並停用電晶體50，從而取消來自系統時脈CK之CL。若控制器25係於該PWM循環之非活動部分或關閉時間部分時，則來自鎖存器47之輸出係高。該高值透過電阻器88使二極體89反向偏壓並使電容器87充電，從而傳遞一高值至閘極91之一輸入。CH的下一個正邊緣會產生一斜坡信號並設定鎖存器47以產生另一PWM循環。來自鎖存器47之Q輸出的高值會致動電晶體21以將電流15供應至電感器14與負載23，如同曲線95的時間T0處所說明。電流15可使比較器79停用電晶體70。若電流15具有一短持續時間，則電晶體74上之電壓會保持夠高以使比較器76之輸出維持高並使控制器25維持在LL模式下。來自鎖存器47之輸出的低值可確保電晶體22係停用的。該低值輸出亦由產生器86所接收，其會使二極體89前向偏壓並隨即使電容器87放電，以及阻擋下一個高值CH傳播通過閘極91。此有助於確保該PWM循環之開啟時間或活動時間具有一由斜坡44與Ref3所控制的固定持續時間。來自比較器76之高值會致動Mux 59選擇Ref3以藉由透過反向器62致動電晶體64並停用電晶體63來取代誤差放大器56的輸出。在斜坡44之輸出交叉Ref3之值時，比較器46之輸出會變高以重設鎖存器47並開始該PWM循環之關閉時間或非活動部分。重設鎖存器47會停用電晶體21並致動電晶體22以使電感器14開始放電，如同於曲線95的時間T1處所說明。來自鎖存器47之輸出的高值會使二極體89反向偏壓，因而必須在該高值影響閘極91之前透過電阻器88使電容器87充電。此使閘極91持續阻擋CH以避免在致動電晶體22達由充電電容器87所必須之時間建立的最小量時間之前起始另一PWM循環。由於電路78之閘極82係由來自比較器76之高值所致動，故而流過電晶體22之放電電流的零交越會控制電晶體22的開啟時間。一旦電晶體22使電感器14充足放電而使流過電晶體22之放電電流變成不大於大約零，則橫跨電晶體22之電壓會反向同時比較器79之輸出會變高以重設鎖存器81。該高值輸出會迫使閘極82與83之輸出變低以停用電晶體22，如同於曲線95的時間T2處所說明。鎖存器81在下一個PWM循環設定鎖存器47進而隨後設定鎖存器81之前會保持重設。控制器25在CH信號之下一個上升邊緣產生另一PWM循環之前會等待，然後接著一相似的操作順序。

若該輸出電壓之值在LL模式期間例如因為負載23需要甚至更少的電流而增加，則該FB信號之值亦可增加。若FB變成大於Ref1之值，則比較器55之輸出會變低並在該輸出電壓之值降低之前防止控制器25產生另一PWM循環。

若負載23所需要的電流之值增加，則橫跨電阻器16之VS信號會保持大於該LL值達一段足令電流源73使電容器74放電至一小於Ref4之值的時間。此可發生於一PWM循環中，或可能需要數個PWM循環以使電容器74充分地放電。一旦電容器74放電至一小於或等於Ref4之值，比較器76之輸出會再次變低，並將控制器25切換回正常操作模式。

該等熟悉本技術人士將瞭解，Ref1至Ref4之值可能相當重要。Ref2之值連同電阻器18與19會設定該輸出電壓之值。Ref1之值應接近且較佳地稍微低於Ref2以設定該輸出電壓之希望操作範圍的較低值。Ref3之值較佳地係設定成接近放大器56在正常操作模式期間之輸出的預期平均值。Ref4一般係設定成一於調節器40之輸出41與返回27上的電壓值間之大約中間處的值。

於一項示範性具體實施例中，在正常操作模式下，CH具有約四百(400)KHz的頻率而CL具有約一百(100)KHz；電流源72為電流源73之值的約四倍；Ref4係約2.5伏特；以及電流15係介於一與十(1至10)安培之間。就電流15為約0.5安培之輕負載操作模式而言，在該輕負載操作模式下該PWM循環之頻率係約五十(50)KHz。

欲有助於對控制器25提供此功能，調節器40係連接於輸入26與返回27之間。時脈42之輸出係連接至閘極91之第一輸入與除法器43之輸入。除法器43之輸出係連接至電晶體50之汲極。電晶體50之源極通常係連接至電晶體51之汲極、斜坡44之輸入與鎖存器47之設定輸入。斜坡44之輸出係連接至比較器46之非反向輸入。電晶體50之閘極係連接至反向器49之輸出，該反向器49具有通常會連接至電晶體51之閘極、閘極82之第一輸入、比較器76之輸出、電晶體64之閘極與反向器62之輸入的輸入。電晶體51之源極係連接至閘極91之輸出。閘極91之第二輸入係連接至比較器55之輸出。比較器55之反向輸入係連接至輸入36並透過阻抗57連接至放大器56之反向輸入。比較器55之非反向輸入係經連接以從參考54接收Ref1。放大器56之非反向輸入係經連接以從參考54接收Ref2。放大器56之輸出通常係透過阻抗58連接至放大器56之反向輸入並連接至電晶體63之汲極。電晶體63之源極係連接至電晶體64之汲極與比較器46之反向輸入。電晶體63之閘極係連接至反向器62之輸出。電晶體64之源極係經連接以從參考54接收Ref3。比較器76之反向輸入係經連接以從參考54接收Ref4。比較器76之非反向輸入通常係連接至比較器74之第一端子、電流源72之輸出與電流源73之輸入。電流源73之輸出係連接至電容器74之第二端子並連接至返回27。電流源72之輸入係連接至電晶體70之源極。電晶體70之汲極係連接至調節器40之輸出41。電晶體70之閘極係連接至比較器69之輸出。比較器69之反向輸入係連接至輸入34。比較器69之非反向輸入係連接至偏移68之正端子，該偏移68具有一連接至輸入35的負端子。比較器46之輸出係連接至鎖存器47之重設輸入。鎖存器47之Q輸出係連接至輸出30並連接至鎖存器81之設定輸入。鎖存器47之輸出通常係連接至閘極83之第一輸入、電阻器88之第一端子與二極體89之陰極。電阻器88之第二端子通常係連接至閘極91之第三輸入、二極體89之陽極與電容器87之第一端子。電容器87之第二端子係連接至返回27。鎖存器81之輸出係連接至閘極82之第二輸入。閘極82之輸出係連接至閘極83之第二輸入，該閘極83具有一連接至輸出31的輸出。鎖存器81之重設輸入係連接至比較器79之輸出。比較器79之反向輸入係連接至輸入33，而比較器79之非反向輸入係連接至輸入32。

圖3示意性說明在一半導體晶粒99上所形成之半導體裝置或積體電路98之一項具體實施例之一部分的放大平面圖。控制器25係於晶粒99上形成。晶粒99亦可包括其他電路，其為求圖式之簡明起見未於圖3中加以顯示。控制器25與裝置或積體電路98係藉由熟悉本技術人士所熟知的半導體製造技術而在晶粒99上形成。

綜觀以上之全部，已明顯揭示一種新穎的裝置與方法。除了其他特徵之外，還包括形成一電源供應器控制器以在一正常操作模式期間運用一第一頻率之一第一時脈來起始PWM循環，以及在另一操作模式期間運用一較高頻率之一第二時脈來起始PWM循環。該較高頻率時脈會減少回應該輸出電壓之改變所需之時間的量。同時，運用由同一時脈產生器所獲得之二時脈會促使一PWM循環之開始與該時脈同步化，從而使得在多通道PWM系統中運用該電源供應器控制器更加容易。

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，熟悉本半導體技術人士將明白許多替代例及變化例。此外，於全文中為使說明清晰起見而採用辭彙「連接」，然而仍希望辭彙「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．．．電源供應器控制系統

11．．．電源輸入端子

12．．．電源返回端子

13．．．輸出

14．．．能量儲存電感器

15．．．電流

16．．．電流感應電阻器

17．．．能量儲存電容器或濾波電容器

18．．．電阻器

19．．．電阻器

21．．．第一電源電晶體

22．．．第二電源電晶體

23．．．負載

25．．．切換電源供應器控制器

26．．．電壓輸入

27．．．電壓返回

30．．．輸出

31．．．輸出

32．．．輸入

33．．．輸入

34．．．第一電流感應輸入

35．．．第二電流感應輸入

36．．．FB輸入

40．．．內部調節器

41．．．輸出

42．．．固定頻率時脈

43．．．時脈除法器

44．．．斜坡產生器或斜坡

45．．．PWM控制區塊

46．．．PWM比較器

47．．．PWM鎖存器

48．．．時脈多工器或時脈Mux

49．．．反向器

50．．．電晶體

51．．．電晶體

54．．．參考電壓產生器或參考

55．．．比較器

56．．．誤差放大器

57．．．阻抗

58．．．阻抗

59．．．參考多工器或參考Mux

62．．．反向器

63．．．電晶體

64．．．電晶體

67．．．模式控制電路

68．．．偏移

69．．．比較器

70．．．電晶體

72．．．電流源

73．．．電流源

74．．．電容器

76．．．比較器

78．．．零交越偵測電路

79．．．比較器

81．．．鎖存器

82．．．NAND閘極

83．．．AND閘極

86．．．最小關閉時間產生器

87．．．電容器

88．．．電阻器

89．．．二極體

91．．．閘極

94．．．曲線

95．．．曲線

98．．．半導體裝置

99．．．半導體晶粒

CH．．．高頻率時脈

CK．．．系統時脈

CL．．．低頻率時脈

FB．．．回授

Ref1．．．參考電壓

Ref2．．．參考電壓

Ref3．．．參考電壓

Ref4．．．參考電壓

VS．．．電流感應信號

圖1示意性說明一電源供應器控制系統之一部分的一項具體實施例，其包括根據本發明之一電源供應器控制器之一部分的一項示範性具體實施例；圖2係具有說明根據本發明之圖1電源供應器控制系統之部分信號的曲線圖；以及圖3示意性說明根據本發明包括圖1電源供應器控制器之一半導體裝置的放大平面圖。

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。如本文所使用，電流攜載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，或雙極電晶體的射極或集極，或二極體的陰極或陽極；以及控制電極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。熟悉本技術人士將瞭解，本文中所使用之辭彙期間、同時、與當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。