TWI420277B - 金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路 - Google Patents
金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路 Download PDFInfo
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- G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
- G05F1/573—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overcurrent detector
Description
本發明係關於一種金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路，尤指一種隨溫度、源/汲極壓差調整電流限制之金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路。
半導體元件均有其安全工作區域(SOA，Safe Operating Area)，若半導體元件應用時或電路設計不當，使半導體元件操作在安全工作區域以外，則可能使半導體元件的可靠度下降，甚至造成毀損。而安全工作區域一般由半導體元件所能承受最大的電流、最大功率及最大電壓來決定。請參考第一圖，為習知的N型金氧半導體的理想(即，在特定條件下量測得到)與實際安全工作區域之示意圖。圖中虛線部分為理想上的安全工作區域，然實際上會因為使用環境上的不同，使半導體元件在電學以及熱學上的效應而縮小成實線部分的安全工作區域。
請參見第二圖，為N型金氧半導體之剖面示意圖。如圖所示，在源極S、汲極D為n型摻雜，而閘極G下方相鄰二氧化矽(圖中斜線區域)層下方及基底B為p型摻雜。因此，形成一寄生雙載子電晶體BJT(Bipolar Junction Transistor)。一般而言，為了避免寄生雙載子電晶體BJT作用而影響N型金氧半導體的特性，N型金氧半導體的基底B與源極S會耦接而共電位，使雙載子電晶體BJT的基極與射極於共電位的情況下而無法作用。
當N型金氧半導體的閘極G電壓上升超過臨界電壓(Threshold Voltage)後，N型金氧半導體導通，閘極G下方的p型摻雜區會形成通道，使電子由源極S經通道到汲極D而形成電流IDS。當汲極D的電壓上升致使接近汲極D部分的通道消失而出現通道夾止(pinch-off)，電子由通道末端注入通道夾止區域後會因電場而再吸入到汲極D。此時N型金氧半導體進入飽和狀態，電流IDS不再隨汲極D電壓的上升增加而維持在一較穩定之電流值。而這些具有高能量的熱電子在注入通道的夾止區時因碰撞矽原子而產生電子電洞對，碰撞產生的電子因電場作用而流至汲極D而成為寄生雙載子電晶體BJT的集極電流IC，碰撞產生的電洞亦因電場作用而分別流至基底B形成雙載子電晶體BJT的基極電流IB及N型金氧半導體的一漏電流Isub及流至源極S形成一源極電流IS。漏電流Isub流經寄生雙載子電晶體BJT的基極Bb至N型金氧半導體的基底B時，因基底電阻Rsub而形成壓降。
當汲極D電壓再往上升，因熱電子碰撞矽原子所產生電子電洞對同時上升，使漏電流Isub也隨之上升。最後，當漏電流Isub流經基底電阻Rsub時形成的壓降到達導通電壓時，寄生雙載子電晶體BJT開始作用。部分電子由源極S進入寄生雙載子電晶體BJT而形成射極電流IE，並經寄生雙載子電晶體BJT而流至汲極D，使流經汲極D及源極S間的電流增大。而進入寄生雙載子電晶體BJT的電子再因碰撞而產生更多的電子電洞對而進一步增大汲極D及源極S間的電流，形成一種正回授機制，最後造成N型金氧半導體的雪崩現象。
再來，雪崩現象發生後，大量電子流經寄生雙載子電晶體BJT而產生熱，進一步使寄生雙載子電晶體BJT的導通電壓下降而導通更多電流。不可避免的，電子流經寄生雙載子電晶體BJT並不均勻，使溫度分佈不平均。溫度較高的區域有較低的阻值使電子集中流經此處，電子流的集中使此區域溫度上升的速度更快，最後使半導體元件燒毀。
如上述，當電子產品尤其是功率元件因使用環境的不同造成內部半導體元件的安全工作區域的縮減，容易造成產品超過工作安全區域而毀損，使產品可靠度下降，進而影響產品之安全。
鑑於先前技術中的因半導體元件的安全工作區域的縮減所造成的產品可靠度下降及產品安全上之疑慮，本發明之金氧半導體電流限制電路及其線性穩壓器透過偵測流經半導體元件的電壓及溫度，調整半導體元件的的電流限制值，確保半導體元件操作在安全工作區域。
為達上述目的，本發明提供了一種金氧半導體電流限制電路，包含一金氧半導體驅動單元、一電壓偵測單元以及一電流限制單元。金氧半導體驅動單元耦接一金氧半導體以控制金氧半導體之狀態。電流限制單元用以將流經金氧半導體之一電流限制於一電流限制值之內，其中電流限制值係根據該金氧半導體之汲/源極之一電壓差而調整。
本發明亦提供了一種具有電流限制之線性穩壓器，包含一金氧半導體單元、一電壓回授單元、一驅動單元以及一電壓偵測單元。金氧半導體單元耦接一輸入電壓以根據一控制訊號產生一輸出電壓。電壓回授單元用以偵測輸出電壓以產生一電壓回授訊號。驅動單元根據電壓回授訊號以產生控制訊號使輸出電壓穩定於一預定輸出電壓值。電壓偵測單元根據輸入電壓以產生一電壓偵測訊號。電流限制單元控制驅動單元，使流經金氧半導體單元之一電流限制於一電流限制值之內，其中電流限制值係根據電壓偵測訊號而調整。
本發明同時也提供了一種具有電流限制之電壓轉換電路，包含一轉換電路、一電壓回授單元、一轉換電路、一電壓回授單元、一金氧半導體單元以及一控制單元。轉換電路用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。電壓回授單元用以偵測輸出電壓以產生一電壓回授訊號。金氧半導體單元耦接轉換電路。控制單元根據電壓回授訊號控制金氧半導體單元之切換，以決定由輸入電壓輸入至轉換電路之電力大小且限制流經金氧半導體單元之電流於一電流限定值之內，其中電流限制值係隨控制單元或該金氧半導體單元之溫度而調整。
以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
請參考第三圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之具有電流限制之電壓轉換電路之電路示意圖。在本實施例中，電壓轉換電路為一反馳式電壓轉換電路，其包含一金氧半導體單元M1、一電壓回授單元VDE、一電流回授單元IDE、一控制單元100、一隔離單元160以及一轉換電路170。轉換電路170包含一變壓器T、一整流二極體D、一輸出電容C，用以將輸入電壓之電力轉換成一輸出電壓VOUT。變壓器T之初級側耦接一輸入電壓VIN，於次級側經整流二極體D整流後產生一輸出電壓VOUT。輸出電容C耦接變壓器T之次級側以穩定輸出電壓VOUT之電壓值。電壓回授單元VDE耦接變壓器T之次級側，以偵測輸出電壓VOUT並經隔離單元160之隔離作用產生一電壓回授訊號VFB。隔離單元160主要作用為隔離變壓器T之初級側及次級側，使電壓轉換電路符合安規要求，在一些應用環境下可省略。金氧半導體單元M1耦接變壓器T之初級側，以根據一控制訊號S1進行切換而控制經變壓器T之初級側傳送至次級側之電力，在本實施例中，金氧半導體單元M1為一N型金氧半導體。電流回授單元IDE耦接金氧半導體單元M1，以偵測流經金氧半導體單元M1之電流而產生一電流回授訊號IFB。
控制單元100包含一回授單元110、一電流限制單元120、一溫度偵測單元140以及一驅動單元150，以根據電流回授訊號IFB、電壓回授訊號VFB來產生控制訊號S1來控制金氧半導體單元M1之操作。回授單元110耦接電壓回授單元VDE，以根據電壓回授訊號VFB產生一回授控制訊號SFB至驅動單元150。溫度偵測單元140偵測金氧半導體單元M1之溫度以產生一溫度偵測訊號Ta。電流限制單元120接收溫度偵測訊號Ta並據此控制一電流源I的電流大小，使電流源I的電流大小隨溫度之上升而變小。電流源I的電流流經一電流限制電阻RAD後產生一電流限制參考訊號VLI至電流限制單元120中的比較器125的反向輸入端，而比較器125的非反向輸入端則接收電流回授訊號IFB，並於輸出端產生一電流限制訊號SLI至驅動單元150。驅動單元150根據回授控制訊號SFB及電流限制訊號SLI，使輸出電壓VOUT穩定於一預定輸出電壓值附近，且限制流經金氧半導體單元M1的最大電流值不超過一電流限制值。
當金氧半導體單元M1之溫度上升時，電流源I的電流大小下降而使電流限制參考訊號VLI的準位下降，從而往下調整金氧半導體單元M1的電流限制值，以確保在溫度升高之情況下，金氧半導體單元M1也能操作在安全工作區域而避免燒毀。
在實際應用上，溫度偵測單元140可以偵測控制單元100之溫度來替代直接偵測金氧半導體單元M1之溫度以產生溫度偵測訊號Ta。若金氧半導體單元M1為外部元件，但由於一般之電路設計，控制單元100和金氧半導體單元M1會在同一系統內，故系統內的各元件(包含控制單元100和金氧半導體單元M1)間的溫度會有一溫度差，而原則上溫度差變化不會太大。也就是說，控制單元100和金氧半導體單元M1之溫度間有一偏移量，只要對偵測控制單元100之溫度進行偏移修正即可間接得到金氧半導體單元M1之溫度。而若金氧半導體單元M1與控制單元100為同一晶片或同一封裝下，金氧半導體單元M1之溫度與控制單元100之溫度間的溫度差大小更小也更為穩定差，故亦可以偏移修正方式得到金氧半導體單元M1之溫度。
另外，電流限制電阻RAD可以外接，以配合不同金氧半導體單元M1的來調整的電流限制值。
請參考第四圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之具有電流限制之電壓轉換電路之電路示意圖。在本實施例中，電壓轉換電路為一線性穩壓器(LDO，Linear Dropout Regulator)，包含一金氧半導體單元M2、一輸出電容C、一電壓回授單元VDE以及一控制單元200。電壓回授單元VDE耦接輸出電壓VOUT以產生一電壓回授訊號VFB。在本實施例，金氧半導體單元M2為一N型金氧半導體，一端耦接一輸入電壓VIN，而控制單元200根據電壓回授訊號VFB輸出控制訊號S2來調整金氧半導體單元M2之等效電阻值，使金氧半導體單元M2另一端輸出一輸出電壓VOUT並穩定於一預定輸出電壓值。輸出電容C耦接輸出電壓VOUT，以濾除輸出電壓VOUT上高頻雜訊。
控制單元200包含一驅動單元210、一電流限制單元220、一電壓偵測單元230以及一溫度偵測單元240。驅動單元210包含一誤差放大器，其反向端接收電壓回授訊號VFB，非反向端接收一參考訊號Vr，並據此調整輸出的控制訊號S2之準位，以調整金氧
半導體單元M2之等效電阻。電壓偵測單元230根據輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT及一啟動訊號EN以產生一電壓偵測訊號Va。溫度偵測單元240偵測金氧半導體單元M2(或者控制單元200)之溫度以產生一溫度偵測訊號Ta。電流限制單元220接收代表金氧半導體單元M2之電流大小之一電流偵測訊號IDE’，並根據電壓偵測訊號Va及溫度偵測訊號Ta以產生電流限制訊號SLI至驅動單元210。
電壓偵測單元230包含一第一電壓偵測元件232、一第二電壓偵測元件234以及一啟動延遲元件236。第一電壓偵測元件根據輸出電壓VOUT以產生一輸出電壓偵測訊號Vb。第二電壓偵測元件根據輸出電壓偵測訊號Vb及輸入電壓VIN以產生電壓偵測訊號Va至電流限制單元220。當輸入電壓VIN上升、輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT之電壓差(即金氧半導體單元M2之汲/源極間的電壓差)上升時，降低預定電流限制值，以確保金氧半導體單元M2操作於安全工作區域。
另外，啟動過程或者重啟動過程，輸出電壓VOUT由零開始上升，此時輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之電壓差最大，造成預定電流限制值在汲/源極間電壓差之因素上有最大的減幅，隨著輸出電壓VOUT逐漸上升至穩定之過程，輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之電壓差逐漸縮小，使預定電流限制值逐漸上升。此過程同時提供了類似軟啟動之作用。然，對於某些電路應用上之要求，於啟動或重新啟動時需盡快將輸出電壓VOUT提升至預定的輸出電壓值上，此時降低電流限制值反而不符合電路需求。因此，可如同本實施例般，電流限制單元220於啟動後之預定時間長度內不根據輸出電壓來調整預定電流限制值。如此，於電路啟動或重新啟動後的預定時間長度內不隨輸出電壓VOUT的變動而調整預定電流限制值，可縮短輸出電壓VOUT穩定所需之時間。
因此，當流經金氧半導體單元M2之電流到達一預定電流限制值時，電流限制單元220產生一電流限制訊號SLI至驅動單元210以控制金氧半導體單元M2之電流在預定電流限制值之內。而電流限制單元220會根據電壓偵測訊號Va及溫度偵測訊號Ta來調整上述之預定電流限制值，使溫度、輸入電壓VIN或/及金氧半導體單元M2之汲/源極間的電壓差上升時預定電流限制值會隨之下降。
請參考第五圖，為本發明之電流限制值隨溫度、汲/源極電壓差之示意圖，其中縱軸為金氧半導體之電流，橫軸為溫度或電壓差。虛線a為一種可能之電流限制值調整方法，電流限制值會隨溫度或電壓差上升而成階梯狀向下調整，實線b為另一種可能之電流限制值調整方法，電流限制值會隨溫度或電壓差上升而成線性向下調整。
因此，本發明會隨著溫度或金氧半導體之汲/源極電壓差上升而調低電流限制值，可確保當金氧半導體在任何環境下均可以操作在安全工作區域，避免金氧半導體可能之毀損並提高產品之可靠度。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
S．．．源極
D．．．汲極
G．．．閘極
B．．．基底
BJT‧‧‧寄生雙載子電晶體
IDS‧‧‧電流
IC‧‧‧集極電流
Bb‧‧‧基極
Rsub‧‧‧基底電阻
Isub‧‧‧漏電流
IB‧‧‧基極電流
IE‧‧‧射極電流
本發明：
100、200‧‧‧控制單元
110‧‧‧回授單元
120、220‧‧‧電流限制單元
125‧‧‧比較器
140、240‧‧‧溫度偵測單元
150‧‧‧驅動單元
160‧‧‧隔離單元
170‧‧‧轉換電路
210‧‧‧驅動單元
230‧‧‧電壓偵測單元
232‧‧‧第一電壓偵測元件
234‧‧‧第二電壓偵測元件
236‧‧‧啟動延遲元件
C‧‧‧輸出電容
D‧‧‧整流二極體
I‧‧‧電流源
IDE‧‧‧電流回授單元
IDE’‧‧‧電流偵測訊號
IFB‧‧‧電流回授訊號
M1、M2‧‧‧金氧半導體單元
RAD‧‧‧電流限制電阻
S1、S2‧‧‧控制訊號
SFB‧‧‧回授控制訊號
SLI‧‧‧電流限制訊號
T‧‧‧變壓器
Ta‧‧‧溫度偵測訊號
TSS‧‧‧啟動解除訊號
Va‧‧‧電壓偵測訊號
Vb‧‧‧輸出電壓偵測訊號
VDE‧‧‧電壓回授單元
VFB‧‧‧電壓回授訊號
VIN‧‧‧輸入電壓
VLI‧‧‧電流限制參考訊號
VOUT‧‧‧輸出電壓
Vr‧‧‧參考訊號
第一圖為習知的N型金氧半導體的理想與實際安全工作區域之示意圖。
第二圖為N型金氧半導體之剖面示意圖。
第三圖為根據本發明之一第一較佳實施例之具有電流限制之電壓轉換電路之電路示意圖。
第四據本發明之一第二佳實施例之具有電流限制之電壓轉換電路之電路示意圖。
第五圖為本發明之電流限制值隨溫度、汲/源極電壓差之示意圖。
200‧‧‧控制單元
210‧‧‧驅動單元
220‧‧‧電流限制單元
230‧‧‧電壓偵測單元
240‧‧‧溫度偵測單元
C‧‧‧輸出電容
M2‧‧‧金氧半導體單元
S2‧‧‧控制訊號
SFB‧‧‧回授控制訊號
SLI‧‧‧電流限制訊號
Ta‧‧‧溫度偵測訊號
Va‧‧‧電壓偵測訊號
VDE‧‧‧電壓回授單元
VFB‧‧‧電壓回授訊號
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
Vr‧‧‧參考訊號
Claims (10)
- 一種金氧半導體電流限制電路，包含：一金氧半導體驅動單元，耦接一金氧半導體以控制該金氧半導體之狀態；以及一電流限制單元，用以將流經該金氧半導體之一電流限制於一電流限制值之內；以及一溫度偵測單元，用以偵測該金氧半導體驅動單元或該金氧半導體之一溫度而產生一溫度偵測訊號，其中該電流限制值係根據該金氧半導體之汲/源極之一電壓差及該溫度偵測訊號而調整，且該電流限制值隨該電壓差的上升而下降。
- 如申請專利範圍第1項所述之金氧半導體電流限制電路，其中該電流限制值隨該溫度之上升而以線性或階梯狀下降。
- 如申請專利範圍第1項所述之金氧半導體電流限制電路，其中該電流限制值隨該電壓差上升而以線性或階梯狀下降。
- 一種具有電流限制之線性穩壓器，包含：一金氧半導體單元，耦接一輸入電壓以根據一控制訊號產生一輸出電壓；一電壓回授單元，用以偵測該輸出電壓以產生一電壓回授訊號；一驅動單元，用以根據該電壓回授訊號以產生該控制訊號使該輸出電壓穩定於一預定輸出電壓值；一電壓偵測單元，根據該輸入電壓以產生一電壓偵測訊號；一電流限制單元，用以控制該驅動單元使該金氧半導體單元之一電流限制於一電流限制值之內；以及一溫度偵測單元，用以偵測該金氧半導體單元之一溫度而產生一溫度偵測訊號，其中該電流限制值係根據該電壓偵測訊號及該溫度偵測訊號而調整，且該電流限制值隨該輸入電壓的上升而下降。
- 如申請專利範圍第4項所述之具有電流限制之線性穩壓器，其中該電壓偵測單元更根據該輸出電壓以產生該電壓偵測訊號。
- 如申請專利範圍第4項至第5項其中之一所述之具有電流限制之線性穩壓器，其中該電流限制值以線性或階梯狀下降。
- 一種具有電流限制之線性穩壓器，包含：一金氧半導體單元，耦接一輸入電壓以根據一控制訊號產生一輸出電壓；一電壓回授單元，用以偵測該輸出電壓以產生一電壓回授訊號；一驅動單元，用以根據該電壓回授訊號以產生該控制訊號使該輸出電壓穩定於一預定輸出電壓值；以及一電壓偵測單元，根據該輸入電壓以產生一電壓偵測訊號；一電流限制單元，用以控制該驅動單元使該金氧半導體單元之一電流限制於一電流限制值之內，其中該電流限制值係根據該電壓偵測訊號而調整，且該電流限制值隨該輸入電壓的上升而下降以及該電流限制值於啟動或重新啟動之一預定時間長度內不隨該輸出電壓調整。
- 如申請專利範圍第7項所述之具有電流限制之線性穩壓器，其中該電流限制值以線性或階梯狀下降。
- 一種具有電流限制之電壓轉換電路，包含：一轉換電路，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓；一電壓回授單元，用以偵測該輸出電壓以產生一電壓回授訊號；一金氧半導體單元，耦接該轉換電路；以及一控制單元，根據該電壓回授訊號控制該金氧半導體單元之切換，以決定由該輸入電壓輸入至該轉換電路之電力大小且限制 流經該金氧半導體單元之電流於一電流限定值之內，其中該電流限制值係根據該控制單元或該金氧半導體單元之溫度上升而下降，該控制單元包含：一驅動單元，用以根據該電壓回授訊號以產生該控制訊號使該輸出電壓穩定於一預定輸出電壓值；一溫度偵測單元，用以偵測該控制單元或該金氧半導體單元之一溫度而產生一溫度偵測訊號；以及一電流限制單元，耦接該驅動單元，並根據所接收之代表流經該金氧半導體單元之電流之一電流偵測訊號控制該驅動單元，使流經該金氧半導體單元之一電流限制於一電流限制值之內，其中該電流限制值係根據該溫度偵測訊號而調整。
- 如申請專利範圍第9項所述之具有電流限制之電壓轉換電路，其中該電流限制值以線性或階梯狀下降。
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