TWI418126B - 電流控制器及其方法 - Google Patents

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Description

電流控制器及其方法
本發明一般涉及電子學，尤其是涉及形成半導體裝置裝置的方法和結構。
過去，半導體工業利用各種方法和結構來製造DC/DC轉換器，其利用電荷泵電路來控制由轉換器形成的輸出電壓。這些轉換器一般監控輸出電壓的值並轉換電荷泵電路的模式以便調節輸出電壓的值。一般來說，代表輸出電壓值的迴授電壓與參考電壓相比較且如果迴授電壓降到參考電壓值之下，電荷泵電路的模式將改變。2002年6月25日Nork et al發佈的美國專利號6,411,531檔公開了這樣的DC/DC轉換器的一個例子。這些已有的DC/DC轉換器的問題是參考電壓電路、比較器和其他閉環元件耗用的面積。電路通常需要在其上形成電路的半導體晶粒上有較大的面積，因而增加了轉換器電路的成本。
因此，期望有一個利用較少的晶粒面積且成本較低的控制器電路。
為了說明的簡潔和清楚，附圖中的組成部分不一定按比例繪製，不同圖中相同的附圖標記表示相同的組成部分。此外，為了描述的簡要而省略了公知的步驟和組成部分的說明與詳述。如這裏所使用的載流電極表示裝置的一個組成部分，其承載通過該裝置如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的電流；控制電極表示裝置的一個單元，其控制通過該裝置如MOS電晶體的閘極或雙極電晶體的基極的電流。雖然這些裝置在這裏被解釋為某個N通道或P通道裝置，但本領域裏一般技術人員應該認識到，依照本發明，互補裝置也是可以的。本領域中的技術人員應認識到，這裏使用的詞"在...的期間(during)、在...同時(while)、當...的時候(when)"不是精確的詞語，其意味著在啟始動作發生時立即發生的動作，但在由啟始動作啟始的反應動作之間可能有一些小而合理的延遲，如傳播延遲。
圖1示意性地說明了發光二極體(LED)控制系統10的一部分的實施例。系統10包括電荷泵控制器19，其將負載電流16的值控制到基本恒定的值，而沒有調節由控制器19所形成的輸出電壓值。系統10一般包括為控制器19提供電力的DC電源，如電池11。控制器19在電壓輸入12和電壓返回(return)13之間接收電力，且除在輸出54上提供輸出電壓外還提供電流16。控制器19可稱為DC/DC轉換器。控制器19在讀出(sense)輸入55上接收代表電流16的值的讀出信號並回應性地將電流16的值控制為基本恒定以便準確地控制由LED17發射的光量。在較佳實施例中，讀出信號主要理解為基本上等於電流16的值的電流且有一個電壓。在其他實施例中，讀出信號可理解為電壓且可具有代表電流16的值的其他值。
控制器19一般包括電流控制器30、轉換矩陣或轉換陣列25、振盪器26和模式控制邏輯27。轉換陣列25一般包括連接到多個電容器15的多個電晶體。轉換陣列25交替地為電容器15充電和放電且以不同的配置連接電容器15以在輸出54上形成輸出電壓和提供電流16。陣列25一般設置電容器15以形成輸出電壓，其為在輸入12和返回13之間接收的電壓值的倍數。電容器15通常在半導體晶粒的外部，在所述半導體晶粒上形成控制器30或控制器19。振盪器26提供在陣列25的操作期間使用的時脈信號。模式控制邏輯27接收在節點23形成的模式控制信號並為陣列25提供控制陣列25用於操作的配置或狀態的信號。在較佳實施例中，陣列25設置為在至少一個1.0X、1.3X、1.5X或2.0X倍增模式中操作。能以這些不同模式操作的轉換陣列對本領域技術人員來講是公知的。
控制器30設置為迫使節點23上的模式控制信號到第一狀態，例如高準位，其係回應於輸入55上讀出信號的值而基本等於第一值，並迫使模式控制信號到第二狀態，例如低準位，其係回應於讀出信號的值而小於第一值。低模式控制信號使邏輯27將控制信號和陣列25的操作狀態改變到下一較高的倍增模式，以便增加輸出電壓值使得電流16可被控制而保持基本恒定。當改變到陣列25的新的倍增模式後，如果讀出信號增加到基本上等於第一值的值，則模式控制信號變高準位且陣列25保持在新的倍增模式中。
控制器30接收操作電壓以在輸入12和返回13之間操作控制器30。控制器30包括提供第一參考電流的第一電流源40、提供第二參考電流的第二電流源31、被實現為輸出裝置的電晶體36、被實現為參考裝置的電晶體35、被實現為開關的電晶體21、下拉電阻器22和電流反射鏡，其包括被實現為電流反射鏡輸入裝置的電晶體43和被實現為電流反射鏡輸出裝置的電晶體34。
在操作中，如果來自電池11的電壓足以提供電流16，則陣列25被調整到倍增模式，例如1.0X倍增模式，並提供電流16和基本上等於電池11的值的輸出電壓。LED17降下來自電池11的一些電壓而電池11的剩餘電壓應用于輸入55作為輸入電壓。控制器30也在輸入55上接收電流16。電流源40和31分別形成在值上基本相等的第一和第二參考電流41和32。因為電晶體43在二極體配置中連接，電晶體43在電晶體43的特徵飽和區域內操作而電流41流經電晶體43以便為電晶體43形成閘極到源極電壓(Vgs)。除由於電晶體43和34的電流反射鏡配置外，還由於電流32和41的值基本上相等，電流32使電晶體34的Vgs基本上等於電晶體43的Vgs，因此，結果產生電晶體34的源電壓，並基本上等於電晶體43的源電壓，而其基本上等於輸入55上的輸入電壓。這樣，電晶體34和43的電流反射鏡在節點38上形成參考電壓，該參考電壓相對於返回13與輸入55上的輸入電壓是相同的電位。這使電晶體35的汲極到源極電壓(Vds)基本上等於電晶體36的Vds。電晶體35和36的閘極連接到電晶體34的汲極，從而電晶體34和35的Vgs相等。只要來自電池11的電壓大於在LED17兩端的正向電壓降加上電晶體36的Vds(sat)，電晶體35的Vgs就大致在電晶體35的門檻電壓上，一般小於約1.2伏。此低電壓也被應用到節點33，因而應用到電晶體21的閘極。低閘極電壓啟動電晶體21而將節點23基本拉到輸入12的電壓。這對邏輯27施加了邏輯高信號。高模式控制信號將陣列操作保持在電流倍增模式。
因為電晶體35和36的Vds和Vgs電壓基本相等，使通過電晶體36的電流等於通過電晶體35的電流乘以兩個電晶體之間的有效區域率(active area ratio)。在較佳實施例中，有效區域率為1：1000，電晶體35和36起電流反射鏡的作用，通過電晶體36的電流由電晶體35控制為大約流經電晶體35的電流32的值的一千(1000)倍。通過電晶體36的電流等於電流41加上電流16。因為電流41等於電流32，電流16大致等於電流32的值的九百九十九(999)倍。本領域技術人員應認識到，有效區域率可以不同於1：1000，只要該比率大於1：1。
因為電晶體35和36的Vds和Vgs電壓實質上相等，通過電晶體36的電流的值基本上獨立於輸入55上的電壓值。因為電晶體35和36的閘極連接到電晶體34的汲極，電晶體35和36的Vgs可以從大致等於電晶體35的門檻電壓(VT)的低值到大致為輸入12上輸入電壓值減去電流源31的Vds(sat)的上限自由地變化。Vds(sat)通常理解為為了承載所要求的流經一裝置的電流而在該裝置兩端需要的最小電壓。因為電晶體35和36的Vgs可以自由地在這樣的範圍內變化，電晶體35和36的電流反射鏡可在電晶體35和36的特徵飽和區域內的操作與那些特徵線性區域內的操作之間變化。例如，如果輸入55上輸入電壓低於電晶體36的Vds(sat)，如來自電池11的電壓低，則電晶體35和36可以在線性區域操作，而如果輸入55上輸入電壓高於電晶體36的Vds(sat)，則電晶體35和36可以在飽和區域操作。因此，無論電晶體35和36是在線性還是在飽和區域內操作，即使輸入55上電壓值接近於零，控制器30都可通過輸入55提供基本恒定的電流。
隨著系統10繼續操作，電流16最終使來自電池11的電壓降低。當來自電池11的電壓降低時，控制器30保持電流16的值基本恒定且輸入55上的電壓降低。節點38上的參考電壓跟隨輸入電壓也降低。因為參考電壓降低和因為電流32保持恒定，電晶體35的Vgs不得不增加從而也增加了節點33上的電壓。節點33上電壓的增加使應用到電晶體21的閘極電壓增加。如果為使輸入55上電壓降低到小於電流控制器30的Vds(sat)的值而充分降低來自電池11的電壓，則控制器30不能將電流16控制到基本恒定的值且電流16的值降低。當節點33增加而越過電晶體21的門檻電壓時，電流16也降低到第一值，電晶體21關閉，而電阻器22將節點23上電壓基本上拉到返回13的電壓，從而迫使模式控制信號處於低準位。控制器30的Vds(sat)通常理解為為了承載要求流經裝置的電流而在節點44所需要的最小電壓。正如從說明中看到的，控制器30的Vds(sat)小於電晶體35的Vds(sat)，這提高了整個系統的效率。邏輯27接收低模式控制信號並將陣列25的操作狀態改變到在下一較高的倍增模式操作。在此例子說明中，邏輯27改變控制信號以控制陣列25從1.0X倍增模式中的操作轉換並在1.3X倍增模式中操作。在此模式中，陣列25形成大約為從電池11接收的電壓值的1.3倍的輸出電壓。如果節點23上的模式控制信號保持低準位，則邏輯27可改變控制信號以使陣列25在下一較高的倍增模式中操作，如1.5X倍增模式。通常，來自輸出54的較高電壓增加了電流16的值和在輸入55上接收的電壓值，且在節點38形成相應的電壓。節點38上的較高電壓降低了電晶體35的Vgs和電晶體21閘極上的相應電壓，從而再一次啟動電晶體21並迫使模式控制信號處於高準位。
如果來自電池11的電壓值增加，如電池被充電，則邏輯27設置為改變陣列25的操作模式。在陣列25操作期間的某個時刻，如在倍增模式N(例如：2X)中操作時，邏輯27將陣列25的操作模式減少到下一較低的倍增模式，如倍增模式N－1(例如：1.3X)。如果來自電池11的電壓增加，則模式控制信號可保持高準位，且邏輯27保持陣列25在那個倍增模式，即倍增模式N－1(例如：1.3X)，中操作。如果模式控制信號變低，則邏輯27將操作模式增加到下一較高的倍增模式，如倍增模式N(例如：2X)。邏輯27可以以某個固定的頻率操作此模式降低演算法，例如每一毫秒(1 msec)一次。
本領域技術人員應認識到，目標是設置電流源31和40以及電晶體34－36及43，以使電流16基本保持恒定。然而，在本領域中眾所周知，總有較小的變化阻止電流完全恒定。在本領域中完全確認，直到約百分之十(10%)的變化被視為是離完全恒定的理想目標的合理的變化。
為了幫助控制器30實現此功能，電晶體43的汲極被耦合以從電流源40接收電流41。電流源40的第一端子被耦合以從輸入12接收輸入電壓而第二端子通常與電晶體43的閘極和汲極以及電晶體34的閘極連接。電晶體43的源極和電晶體36的汲極被耦合以從輸入55接收輸入電壓。輸入55連接到電晶體43的源極和電晶體36的汲極。電晶體36的源極被連接以在電壓返回13上接收共用電壓。電晶體35的源極連接到返回13。電晶體35的閘極連接到電晶體36的閘極並被連接以接收電流32。電晶體35的汲極連接到電晶體34的源極。電晶體34的汲極通常與電流源31的第一端子、電晶體21的閘極和電晶體35的閘極連接。電流源31的第二端子與電流源40的第一端子連接。電晶體21的源極連接到輸入12。電晶體21的汲極與電阻器22的第一端子和邏輯27的模式控制輸入連接。電阻器22的第二端子與返回13連接。
圖2示意性地說明了作為圖1所述系統10的替代實施例的發光二極體LED控制系統60的一部分的實施例。系統60包括作為圖1所述控制器19的替代實施例的電荷泵控制器61。控制器61包括形成圖1所述模式控制信號的比較器63。比較器63接收來自輸入55的讀出信號和來自參考62的參考信號。回應於輸入55上接收的電壓，比較器迫使模式控制信號處於高準位，其大於第一值，並回應於輸入55上的電壓，迫使模式控制信號處於低準位，其不大於第一值。因此，來自參考62的信號值形成第一值，控制器61將負載電流16的值控制到基本恒定的值而沒有調節由控制器61形成的輸出電壓值。
圖3示意性地說明了在半導體晶粒51上形成的半導體裝置或積體電路50的實施例的一部分的放大平面圖。控制器30或控制器61在晶粒51上形成。晶粒51也可包括其他在圖3中為製圖簡單而沒有示出的電路。控制器30或控制器61和裝置或積體電路50通過半導體製造技術在晶粒51上形成，這些技術對本領域的人員來講是公知的。
鑒於上述內容，顯然公開的是一種新的裝置和方法。除了其他特徵，還包括使用控制器，其控制通過LED的負載電流的值而沒有調節由控制器形成的電壓值。不控制電壓而控制電流便於形成較小的半導體晶粒，從而減少了控制器的成本。在一實施例中，控制器設置為用兩個電流源通過第一電流反射鏡來形成電流並用第一電流反射鏡控制第二電流反射鏡的Vds。設置第一電流反射鏡在飽和區域中操作有助於控制第二電流反射鏡的Vds。耦合第二電流反射鏡在或者線性區域或者飽和區域中操作有助於允許電流源在輸入電壓的低值處操作，在電流源的電流輸出上接收所述輸入電壓。此外，形成具有相同Vds和Vgs的電晶體35和36便於電晶體35和36的電流反射鏡在或者線性或者飽和區域中操作。因此，控制器30將電流16的值控制到基本上恒定，其小於第一值，並形成控制信號以回應於電流16的第一值設置轉換矩陣25的操作模式。
雖然本發明的主題是用特定的較佳實施例來描述的，但顯然對半導體領域的技術人員來說，許多替換和變化也是顯而易見的。例如，電阻器22可為電流源或電晶體21和電阻器22可為類比比較器或數位逆變器。此外，為描述清楚而始終使用"連接(connect)"這個詞，但是，詞"耦合(couple)"被認為具有相同的含義。相應地，"連接(connect)"應解釋為既包括直接連接也包括間接連接。
10‧‧‧包括電荷泵控制器的發光二極體(LED)控制系統的一部分
11‧‧‧電池
12‧‧‧電壓輸入
13‧‧‧電壓返回(return)
15‧‧‧多個電容器
16．．．負載電流
17．．．LED
19．．．電荷泵控制器
21．．．被實現為開關的電晶體
22．．．下拉電阻器
23．．．節點
25．．．轉換矩陣或轉換陣列
26．．．振盪器
27．．．模式控制邏輯
30．．．電流控制器
31．．．第二電流源
32．．．第二參考電流
33．．．節點
34．．．電流反射鏡輸出裝置的電晶體
35．．．參考裝置的電晶體
36．．．輸出裝置的電晶體
38．．．節點
40．．．第一參考電流的第一電流源
41．．．第一參考電流
43．．．電流反射鏡輸入裝置的電晶體
44．．．節點
50．．．半導體裝置或積體電路
51．．．半導體晶粒
54．．．輸出
55．．．讀出(sense)輸入
60．．．發光二極體LED控制系統
61．．．電荷泵控制器
62．．．參考
圖1示意性地說明了根據本發明的包括電荷泵控制器的發光二極體(LED)控制系統的一部分的實施例；圖2示意性地說明了根據本發明的作為圖1所示LED系統的替代實施例的LED系統的一部分的實施例，其包括作為圖1所示電荷泵控制器的替代實施例的電荷泵控制器；圖3示意性地說明了根據本發明的包括圖1所示電荷泵控制器的半導體裝置的放大平面圖。
10．．．包括電荷泵控制器的發光二極體(LED)控制系統的一部分
11．．．電池
12．．．電壓輸入
13．．．電壓返回(return)
15．．．多個電容器
16．．．負載電流
17．．．LED
19．．．電荷泵控制器
21．．．被實現為開關的電晶體
22．．．下拉電阻器
23．．．節點
25．．．轉換矩陣或轉換陣列
26．．．振盪器
27．．．模式控制邏輯
30．．．電流控制器
31．．．第二電流源
32．．．第二參考電流
33．．．節點
34．．．電流反射鏡輸出裝置的電晶體
35．．．參考裝置的電晶體
36．．．輸出裝置的電晶體
38．．．節點
40．．．第一參考電流的第一電流源
41．．．第一參考電流
43．．．電流反射鏡輸入裝置的電晶體
44．．．節點
54．．．輸出
55．．．讀出(sense)輸入

Claims (12)

  1. 一種電荷泵控制器，包括：一轉換矩陣，其有多個轉換配置模式，所述轉換矩陣設置成接收一輸入電壓並形成是所述輸入電壓倍數的一輸出電壓以及設置成提供所述輸出電壓和一負載電流到一負載；以及一電流控制器，其設置為接收代表所述負載電流的一讀出信號並形成一模式控制信號以回應於所述負載電流的一第一值設置所述轉換矩陣的一操作模式，以在未調節所述輸出電壓之一值之情況下將所述負載電流之一值調節至一基本恒定值，所述電流控制器進一步包括第一和第二參考電流產生器，其中所述第一和第二參考電流產生器設置為形成基本相等的第一和第二參考電流。
  2. 如請求項1所述的電荷泵控制器，其中，對於小於所述負載電流的所述第一值的所述負載電流的值，所述電流控制器設置為控制所述負載電流的一值與所述第一或第二參考電流的其中之一成比例。
  3. 如請求項1所述的電荷泵控制器，其中，所述電流控制器包括一第一輸入裝置和一第二輸入裝置，所述第一輸入裝置設置為接收所述第一參考電流，所述第二輸入裝置可操作地被耦合以接收所述第二參考電流，並回應性地控制所述第一輸入裝置以形成一參考電壓。
  4. 如請求項3所述的電荷泵控制器，進一步包括一參考裝置，其可操作地被耦合以接收所述參考電壓和所述第一 參考電流，並回應地控制一輸出裝置以形成與所述第一參考電流成比例的一輸出電流。
  5. 如請求項4所述的電荷泵控制器，其中，所述第一輸入裝置包括一第一電晶體，所述第一電晶體具有被耦合以接收所述第一參考電流的一第一載流電極、被耦合以提供所述參考電壓的一第二載流電極、和一控制電極。
  6. 如請求項1所述的電荷泵控制器，其中，所述電流控制器設置為控制流經一發光二極體之負載的所述負載電流。
  7. 一種電荷泵控制器，包括：一轉換矩陣，其有多個轉換配置模式，所述轉換矩陣設置成接收一輸入電壓並形成是所述輸入電壓倍數的一輸出電壓以及設置成提供所述輸出電壓和一負載電流到一負載；以及一電流控制器，其設置為接收代表所述負載電流的一讀出信號並形成一模式控制信號以回應於所述負載電流的一第一值設置所述轉換矩陣的一操作模式以在未調節所述輸出電壓之一值之情況下將所述負載電流之一值調節至一基本恒定值，所述電流控制器包括一第一輸入裝置和一第二輸入裝置，所述第一輸入裝置設置為接收一第一參考電流，所述第二輸入裝置可操作地被耦合以接收基本等於所述第一參考電流的一第二參考電流，並回應性地控制所述第一輸入裝置以形成一參考電壓，其中，所述第一輸入裝置包括一第一電晶體，所述第一電 晶體具有被耦合以接收所述第一參考電流的一第一載流電極、被耦合以提供所述參考電壓的一第二載流電極、和一控制電極，且其中，所述第一輸入裝置包括一第二電晶體，所述第二電晶體具有被耦合以接收所述第二參考電流的一第一載流電極、被耦合以接收所述讀出信號的一第二載流電極、和一控制電極，所述控制電極與所述第一電晶體的所述控制電極和所述第二電晶體的所述第一載流電極耦合。
  8. 如請求項7所述的電荷泵控制器，其中，所述參考裝置包括一第三電晶體，所述第三電晶體具有被耦合以接收所述參考電壓的一第一載流電極、與所述第一電晶體的所述第一載流電極耦合的一控制電極、和一第二載流電極，且其中，所述輸出裝置包括一第四電晶體，所述第四電晶體具有被耦合以接收所述讀出信號的一第一載流電極、與所述第三電晶體的所述控制電極耦合的一控制電極、和與所述第三電晶體的所述第二載流電極耦合的一第二載流電極。
  9. 一種形成一電流控制器的方法，包括：設置所述電流控制器以接收代表一負載電流的一讀出信號，其中所述讀出信號具有一第一電壓，並回應地將所述負載電流的一值調節到一基本恒定的值而沒有將所述第一電壓調節至一基本恒定值；設置所述電流控制器以形成第一和第二參考電流並控制所述負載電流與所述第一參考電流或第二參考電流的 其中之一成比例；耦合一第一電晶體以接收所述第一參考電流並按照所述第一電壓形成一參考電壓；及耦合一第二電晶體以接收所述第二參考電流並接收所述讀出信號，以及控制所述第一電晶體以形成所述參考電壓。
  10. 如請求項9所述的方法，進一步包括設置所述電流控制器以提供一模式控制信號，對於小於一第一值的所述負載電流的值，所述模式控制信號具有一第一狀態，對於基本等於所述第一值的所述負載電流的值，所述模式控制信號具有一第二狀態。
  11. 如請求項9所述的方法，進一步包括耦合所述電流控制器以控制一轉換矩陣的一模式，其中，所述轉換矩陣有多個轉換配置模式，其中，所述轉換矩陣設置為接收一輸入電壓並形成一輸出電壓，所述輸出電壓是所述輸入電壓的倍數並設置為提供所述負載電流和一輸出電壓到一負載。
  12. 如請求項9所述的方法，進一步包括耦合一第三電晶體以接收所述第一參考電流和所述參考電壓，並回應地控制一第四電晶體以將所述負載電流控制到所述基本恒定的值。
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