TWI443953B

TWI443953B - 電源供應控制器及其方法

Info

Publication number: TWI443953B
Application number: TW096136669A
Authority: TW
Inventors: Benjamin M Rice
Original assignee: Semiconductor Components Ind
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2007-09-29
Publication date: 2014-07-01
Also published as: US7583120B2; TW200824245A; CN101188382B; KR101415011B1; HK1119302A1; KR20080046121A; US20080116865A1; CN101188382A

Description

電源供應控制器及其方法

本發明大體與電子學有關，更具體地，與形成半導體裝置的方法和結構有關。

在過去，半導體工業利用各種方法和結構來構成電源供應控制器以調節電源供應系統的輸出電壓。隨著電源供應控制器技術的發展，為了增加效率和使電源供應系統中的功率耗散最小化，設計了新的高效電源供應控制器以提供合成輸出阻抗。合成輸出阻抗還幫助將過衝和下衝最小化為供應到負載的電流的快速變化，其通常稱為負載瞬變。通常，電源供應系統具有幫助提供在低電壓的大輸出電流的多個輸出通道。多通道控制器通常利用包括與輸出感應器中電流成比例的資訊的誤差信號，以便調節輸出電壓。通常，一系列放大器和電阻用來將負載電流資訊轉換為由控制器所使用的信號，以調節輸出電壓。放大器通常引入影響輸出電壓精確度的誤差。放大器回路一般還相當複雜，並且昂貴。

因此，期望有一種具有較低複雜結構、使輸出電壓中誤差最小化並具有較低成本的電源供應控制器。

為解決上述問題，本發明提供一種電源供應控制器及形成電源供應控制器的方法。

本發明之一實施例提供一種電源供應控制器，其包括：一控制電路，其經配置成形成一控制信號來控制一功率控制元件，以將一負載電流提供至一負載以及調節一電源供應系統的一輸出電壓；一誤差放大器，其被連接以接收由一電流感測元件所形成的一電流感測信號，其中，該電流感測信號與在該電流感測元件的一第一側形成的一偏置信號做參考，該誤差放大器經配置成接收該偏置信號；以及一差分放大器，其被連接以放大該偏置信號，以及經配置成將該差分放大器的一輸出與該誤差放大器的一輸入上的該電流感測信號相加。

本發明之另一實施例提供一種形成電源供應控制器的方法，其包括：配置該電源供應控制器以形成一驅動信號來控制一功率電晶體，以將一負載電流提供至一負載而調節一電源供應系統的一輸出電壓；以及配置該電源供應控制器的一誤差放大器以接收表示該負載電流的一電流感測信號，其中，該誤差放大器接收該電流感測信號，而沒有首先放大該電流感測信號。

本發明之另一實施例提供一種形成一電源供應控制器的方法，其包括：配置該電源供應控制器以形成一驅動信號來控制一功率電晶體，以將一負載電流提供至一負載而調節一電源供應系統的一輸出電壓；以及配置該電源供應控制器的一誤差放大器以接收表示該負載電流的一電流感測信號，其中，該電流感測信號與一偏置信號做參考，該偏置信號表示用於形成該電流感測信號的一電源感測元件的一輸出電勢。

為了說明的簡單和明瞭，圖中的元件不一定按照比例，並且在不同的圖中相同的參考號代表相同的元件。此外，為了說明的簡要，省略了眾所周知的步驟和元件的說明和細節。這裏使用的載流電極(current carrying electrode)是指裝置的元件，其承載通過該裝置例如MOS電晶體的源極或汲極、或雙極電晶體的發射極或集電極、或二極體的正極或負極的電流，控制電極是指裝置的元件，其控制通過該裝置例如MOS電晶體的閘極或者雙極電晶體的基極的電流。雖然這裏把裝置解釋為確定的N－通道或P－通道裝置，本領域中具有通常知識者應認識到，根據本發明，互補裝置也是可能的。本領域中具有通常知識者應認識到，這裏使用的辭彙"在...期間"、"在...的時候"、以及"當...時"不是表示一旦開始操作馬上就會出現反應的準確術語，而是可能會在被初始操作激起的反應之間有一些微小但合理的延遲，例如傳播延遲。

第一圖概要示出了包括電源供應控制器55的電源供應系統10的一部分的實施例。系統10在功率輸入端子11和功率返回端子12之間接收功率，例如整流DC電壓。系統10經配置成多通道切換控制系統，其利用N個通道來調節輸出13和輸出返回14之間的輸出電壓，並且也將輸出電流15提供至負載45。濾波電容器46一般連接在輸出13和返回14之間以使輸出電壓平滑。多通道系統的每個通道經由通道感應器提供通道電流，並且N個通道電流在輸出13處累加以形成負載電流15。對於第一圖中所示的示例性實施例，N等於2，但是，本領域中具有通常知識者應該認識到，系統10可以有包括單一通道的任何數量的通道。電源供應控制器55一般有N個輸出，例如輸出82和83，每個輸出向系統10的每個通道提供切換控制信號。在控制器55外部，每個通道包括電流控制電路，該電流控制電路接收該切換控制信號並形成各自的通道電流。例如，第一電流控制電路從輸出82接收第一切換控制信號，並包括開關驅動器16、功率控制元件17、感應器22、平均電阻器26以及濾波電阻器28。對於第一圖所示的實施例，功率控制元件17一般包括一對功率電晶體，例如，配置在堆疊結構中的P－通道MOS電晶體18和N－通道MOS電晶體19。儘管未在第一圖中示出，但是元件17可以包括阻止電晶體18和19被同時導通的其他邏輯，以便阻止通過元件17的貫通電流(shoot through current)。電流24顯示通過第一電流控制電路而被提供至輸出13的通道電流。每個通道電流的值可以很大。例如，負載電流15可以高達200安培(200 amps)，並且每個通道電流可以在10至30安培(10－30 amps)之間或者更高。第一電流控制電路通常經由將電流24引導至輸出13的導體而連接至輸出13。由導體所運載的大電流一般形成在導體的寄生電阻兩端的電壓降。該寄生電阻顯示為寄生電阻器27。由大電流通過電阻器27而降低的電壓可導致輸出電壓值中的誤差。如在下文中將進一步看到的，控制器55的結構幫助從輸出電壓中抵消這種不期望的誤差電壓。第二電流控制電路類似於第一電流控制電路，並且類似地包括開關驅動器31、功率控制元件32、輸出感應器37、平均電阻器41、濾波電阻器43以及寄生電阻器42。

負載電流15一般非常大，並且從負載45流過連接在返回端子14和返回端子12之間的導體。該導體還具有由寄生電阻器47和48示出的寄生電阻。如在下文中將進一步看到的，控制器55經配置成還幫助從輸出電壓中抵消這種不期望的誤差電壓。

控制器55連接在端子11和12之間以接收功率輸入56和功率返回57之間的功率。控制器55一般包括差分電路69、誤差放大器77以及脈寬調變器(PWM)81。控制器55還可以包括連接在輸入56和返回57之間以在輸出67上形成內部操作電壓的內部調節器66，內部操作電壓用於將操作功率提供至控制器55的元件，例如電路69、放大器77以及PWM 81。如在下文中將進一步看到的，誤差放大器77通常具有高增益，使得在放大器77的輸出上形成的誤差(ES)信號被控制器55使用，以控制元件17和32而嘗試維持放大器77輸入上的信號實質上相等。來自放大器77的誤差(ES)信號由PWM 81使用，以協助控制PWM 81的每個通道的切換控制信號的工作週期。PWM 81通常為多通道PWM電路，其具有與系統10相同數量的通道，並產生經配置成在每個信號之間具有相位偏移的多個切換控制信號。對於本領域中具有通常知識者而言，這樣的PWM電路是眾所周知的。在第二圖中示出了這樣的PWM電路的一個實例。差分放大器電路69包括運算放大器70和包含電阻器71－75以及78的各種增益元件。電阻器71－75以及78通常緊密相配以便提供共同模式信號的適當抑制。

當控制器55致能啟動功率控制元件17和32時，各個通道電流24和39流經相應的感應器22和37，並在共同節點(如輸出13)處匯總，以形成電流15。每個感應器的等效串聯電阻(ESR)用於形成表示負載電流15的電流感測(CS)信號。當通道電流24和39流過相應的感應器22和37時，每個感應器的ESR在感應器兩端形成相應的電壓降。由感應器22和37所形成的電流感測元件的輸出側為向負載45提供電流的端子，並且在所示實施例中還被連接至相應的節點23和38。由感應器22和37形成的電流感測元件的輸入側為從相應的功率控制元件17和32接收電流的端子。電阻器26和28將感應器22兩端的電壓連接至電容器49。類似地，電阻器41和43將感應器37兩端的電壓連接至電容器49。結果，電容器49被充電至表示所有各自的通道電流的時間平均值的電壓，因此，電容器49兩端因而產生的電壓表示電流15的時間平均值。控制器55利用電容器49上的電壓差分值作為表示負載電流15的時間平均值的CS信號。然而，電阻器26和41在節點54將電壓耦合至電容器49的一側，該電壓實質上為輸出電壓加上在相應的寄生電阻器27和42兩端的平均電壓降的數值。因此，實質上為輸出電壓加上在寄生電阻器27和42兩端的平均電壓降的數值的電容器49兩端的電壓在偏置信號附近被偏置。該平均數值實質上為電壓降的和除以寄生電阻器的數目。放大器77的輸入連接至節點53和54，以在節點53上將電容器49兩端的與節點54上的偏置信號做參考的電壓差動地接收為CS信號。因為電容器49兩端的電壓與偏置信號做參考，偏置信號也連接至放大器77。由放大器77施加給信號的相反極性的增益使與信號一樣的任何電壓被抵消。因此，放大器77將輸入61上所接收的偏置信號從輸入62上所接收的信號中除去。此功能從在放大器77的輸出上形成的ES信號中除去了偏置信號。

如將進一步看到的，由放大器70形成的輸出信號與CS信號相加。為了累加這些信號，最好還將放大器70的輸出信號與偏置信號做參考。如隨後將看到的，放大器77還將偏置信號從自放大器70所接收的信號中減去，從而保護偏置信號不受ES信號的抑制。差分電路69經配置成接收表示輸出電壓的差分回饋(FB)信號。控制器55在回饋輸入58和回饋(FB)共同輸入59之間接收差分FB信號。注意，輸入58上的FB信號被參考為輸入59上的FB共同信號。差分電路69接收差分回饋(FB)信號以及來自參考產生器68的參考信號，並在放大器70的輸出上形成表示差分FB信號和參考信號之間的差的差分(DS)信號。為了使DS信號與CS信號相加，最好也將DS信號與偏置信號做參考。因為參考產生器68與返回57的電勢做參考，放大器70從輸入61接收偏置信號，並將偏置信號與差分FB信號相加作為DS信號的一部分。這使DS信號也與偏置信號做參考。放大器70經由電阻器78從輸入61接收偏置信號。除了從輸入58至放大器70的非反向輸入的FB信號之外，三個一組的電阻器74、75和78還控制來自輸入61的偏置信號的增益。三個一組的電阻器71、72和73控制來自輸入59的FB共同信號的增益和從參考68至來自放大器69的DS信號的參考信號的增益。除了輸入58和59之間的FB信號至來自放大器69的DS信號之外，電阻器71－75以及78還控制來自輸入61的偏置信號的增益。在較佳實施例中，電阻器71－75以及78全部相等，使得放大器電路69具有一樣的增益。來自放大器70的DS信號連接至輸出64並且經由回饋電阻器51連接至放大器77的反向輸入。電阻器51用於將DS信號與來自電容器49的差分電流感測信號相加。因為DS信號包括來自節點54的偏置信號，放大器77將偏置信號從DS信號中減去。因此，偏置信號不包括在放大器77的輸出上的ES信號中，這便於放大器77提供正確的誤差信號。放大器70還將差分FB信號轉換為與偏置信號做參考的單端信號，以便於回饋資訊與CS資訊的合併。還注意到，電路69幫助最小化寄生電阻器47和48的影響。因為放大器70的負輸入在返回14處接收由負載所接收的電壓的共同側，並且放大器70的正輸入在返回12處接收電阻器47和47的相對側的電勢，電路69將由這些寄生電阻引起的誤差從DS信號中減去，從而阻止它們影響ES信號。因此，還阻止它們影響輸出端子13和返回端子14之間的輸出電壓。

正如可看到的，控制器55在輸入61和62處將CS信號與FB信號和參考信號進行組合，而沒有首先放大CS信號。因此，在CS信號經受任何放大之前，誤差放大器77接收CS信號。因為CS信號與偏置信號做參考，放大器70用於將FB信號與偏置信號的值做參考，並且誤差放大器77用於減去偏置信號的電勢，從而將其從誤差信號中除去。選擇補償元件52和增益元件電阻器51的值，以為由誤差放大器77和這些元件所形成的放大器電路提供高dc增益。該放大器電路的dc增益一般大於1000，並且較佳地在大約10,000和1,000,000之間(10,000－1,000,000)。最好保持最小增益大於1000，而且儘管增益可能隨著溫度和電壓而變化，本領域中具有通常知識者應該認識到，透過負反饋的優點，該高增益將最小化增益變化對輸出電壓產生的影響。在形成誤差信號之前不放大CS信號有利於最小化由誤差放大器77所形成的ES信號中的誤差，從而提高輸出電壓和由控制器55控制的合成阻抗的精確性。

本領域中具有通常知識者應該認識到，電流感測信號值一般非常低。因此，在將電流感測信號提供至誤差放大器之前，現有電路利用專用電流感測放大器來差分地放大這樣的電流感測信號。這些現有的專用電流感測放大器一般具有低並且非常精確的增益，以便在不大於約5%的範圍內合成期望的輸出阻抗。在被用作對分離的誤差放大器的輸入之前，專用電流感測放大器的輸出通常與參考電壓或者回饋電壓相加。這樣的專用電流感測放大器通常引起與電流感測信號的值相比相當大的誤差電壓。

因此，將控制器55配置成在CS信號被誤差放大器接收之前不放大CS信號，使得ES信號中這樣的誤差的可能性最小化。利用放大器77來合併電流感測資訊與輸出電壓資訊而不首先放大CS資訊，使得控制器55能夠精確地控制系統10的合成輸出阻抗。如在下文中將看到的，控制器55的配置將輸出阻抗合成為N個通道感應器(例如感應器22和37)的等效串聯電阻的函數，並包括由下列等式所示的電阻器51和50的比率。系統10的合成輸出阻抗Zo為：Zo＝(Vo1－Vo2)/(I1－I2)其中：Zo－－輸出13和返回14之間的合成輸出阻抗；Vo1－－在電流15的第一值處的輸出13和返回14之間的輸出電壓；Vo2－－在電流15的第二值處的輸出13和返回14之間的輸出電壓；I1－－負載電流15的第一值；以及I2－－負載電流15的第二值。

但是，Vo＝Vref－(VESR*(R51/ER50))其中：Vo－－輸出13和返回14之間的輸出電壓；Vref－－來自參考產生器68的參考電壓；VESR－－所有N個並聯的輸出感應器的ESR兩端的平均電壓數值；ER50－－電阻器50的值加上電阻器R28和R43的並聯組合；以及R51－－電阻器51的值。

但是，VESR＝I15*ESRn其中：ESRn－－N個通道感應器的並聯ESR；以及I15－－負載電流15。

將ESRn的等式代回到Vo的等式中，得到：Vo＝Vref－(I15*(ESRn)*(R51/ER50))

將該Vo等式代回到Vo1和Vo2項的Zo等式中，得到：Zo＝ESRn*(R51/ER50)

因此，控制器55的配置形成可以透過調整電阻器50和51的值而改變的合成輸出阻抗。所以，合成輸出阻抗不是控制器55或系統10的任何放大器的函數。因為寄生電阻器27和42的值一般非常小(通常只有1或2(1－2)毫歐姆)，電阻器26和41可以僅為幾歐姆(例如，1－2歐姆)，並且還至少大於電阻器27和42的大小等級，使得幾乎沒有電流流過電阻器27和42。可以假定偏置信號(如果與返回14做參考)實質上等於輸出電壓值加上在電阻器27和42兩端降低的電壓的平均數值。本領域中具有通常知識者應認識到，不考慮寄生電阻器27和42兩端下降的電壓，就不會得到輸出電壓的期望值。

電阻器28、43和50的並聯等效電阻與電容器49一起形成通常被選擇成實質上與感應器22和37的時間常數相同的時間常數，感應器22和37的時間常數為其電感係數加上其等效串聯電阻。在一些實施例中，電容器49的RC電路以及電阻器28和43還可以包括溫度補償，以考慮ESR的溫度偏離和感應器22和37的電感係數。在一些實施例中，FB信號還可以為與返回端子12的單端信號做參考，並且可以省略電阻器71和75。

第二圖概要示出了在第一圖的說明中所解釋的電源供應控制器55的PWM 81的一部分的實施例。PWM 81包括多相位時脈85以及多個PWM通道，例如第一PWM通道86和第二PWM通道93。時脈85形成多個從CK1到CKn的時脈信號，該時脈信號有助於在輸出82和83上形成切換控制信號。第一PWM通道86包括斜波產生器或斜波87、PWM比較器91、PWM鎖存器92、加法電路90以及電流感測放大器89。類似地，第二PWM通道93包括斜波產生器或斜波94、PWM比較器98、PWM鎖存器99、加法電路97以及電流感測放大器96。本領域中具有通常知識者應認識到，放大器89和96用於形成分別對第一PWM通道86和第二PWM通道93的電流感測信號。這樣的CS信號和CS放大器用於平衡系統10的各個相位之間的通道電流。在於2006年7月6日授權給Paul J.Harriman等人的第7,057,381號美國專利中揭露了一種包括多個斜波和多個PWM比較器的多相位系統的一個樣例，其在這裏透過應用被併入。

第三圖概要示出了包括線性電源供應控制器110的電源供應系統100的一部分的實施例，線性電源供應控制器110包括在第一圖的說明中所解釋的控制器55的一些元件。系統100包括在第三圖中顯示為電晶體101的線性功率控制元件。控制器110經配置成操作電晶體101以控制輸出13和返回14之間的輸出電壓值。系統100的電流控制電路通常包括電晶體101以及顯示為電流感測電阻器103的電流感測元件。因為系統100未在電流控制電路中使用感應器，電流感測電阻器103串聯在電晶體101和輸出13之間。線性電源控制系統一般不包括多個通道，例如在第一圖中所顯示的多個通道，然而，一些實施例可以在線性類型的電源供應系統中使用多個通道。由電阻器103所增強並由負載電流15產生的電流感測信號在節點53上形成與節點54上的偏置信號做參考的電流感測信號。正如可看到的，在電流感測信號經受放大之前，電流感應信號被誤差放大器77接收。控制器110包括差分電路69、誤差放大器77以及緩衝器107。差分電路69和誤差放大器77具有與第一圖中的相同元件類似的作用。緩衝器107接收來自放大器77的誤差信號，並在將其提供至控制器110的驅動輸出109之前，對信號進行緩衝。

第四圖概要顯示出系統100的可選實施例的電源供應系統125的一部分的實施例。系統125包括電源供應控制器126的實施例的一部分，其為在第三圖的說明中所描述的控制器110的可選實施例。控制器126包括代替電晶體101以及還代替電流感測電阻器103和電阻器50的SENSEFET型電晶體127。SENSEFET型電晶體通常形成為包括主要電晶體部分和感測電晶體部分。SENSEFET型電晶體通常還包括未在第四圖中示出的寄生體二極體。通常，SENSEFET型電晶體由很多電晶體單元構成，這些電晶體單元相互連接以形成可以有大負載電流的、低導通電阻的較大電晶體。一些單元使其源極與剩餘單元的源極分離並接入分離的外部端子或感測端子。剩餘的源極連接在一起以構成主要電晶體部分的源極。所有單元的汲極和閘極一般是共同的以形成各自的汲極和閘極。SENSEFET是半導體裝置工業Arizona，Phoenix有限公司(SCILLC)的商標。在於1985年11月12日授權給Robert Wrathall的第4,553,084號美國專利中揭露了SENSEFET型電晶體的一個實例，其在這裏透過引用被併入。

當負載電流15流過電晶體127時，感測元件或電晶體127的感測電晶體128形成產生CS信號的電流130。CS信號由誤差放大器77在放大器77的反向輸入上接收。因為電晶體128連接至放大器77的反向輸入，包括放大器77的控制回路使CS信號與在控制器126的輸出131上形成的偏置信號做參考。差分電路69經由電阻器78接收偏置信號。因此，電路69和誤差放大器77具有與第一圖和第三圖的電路69和放大器77類似的作用。注意，在第三圖中，電阻器103將電流15轉換為電壓，該電壓被電阻器50轉換回電流信號。第四圖中的實現用感測電晶體128直接形成對電流感測信號的電流。為了清楚地理解附圖，輸入61和輸出131之間的連接顯示為在控制器126的外部，但是，該連接可以在控制器126的內部並且可以省略輸入61。儘管電晶體127和128顯示為N－通道電晶體，但是本領域中具有通常知識者應該認識到，電晶體127和128可以為P－通道電晶體。對於這樣的配置，可以倒置放大器70的反向輸入和非反向輸入。

第五圖概要示出了在半導體晶粒141上形成的半導體裝置或積體電路140的實施例的一部分的放大平面圖。控制器55在晶粒141上形成。晶粒141還可以包括為了簡化附圖而未在第五圖中示出的其他電路。控制器55和裝置或積體電路140可透過本領域中具有通常知識者已知的半導體製造技術而在晶粒141上形成。

鑒於上述內容，顯然公開了一種新穎的裝置和方法。包括其他特徵的是形成電源供應控制器以在電流感測信號經受放大之前接收電流感測信號。配置電源供應控制器以對未經受放大的電流感測信號起作用便於輸出電壓的更精准的調節。這樣的配置最小化了電流感測信號和由電源供應控制器所調節的輸出電壓中的誤差。配置電源供應控制器以去掉偏置信號的電勢便於在放大之前使用電流感測信號。

儘管用具體的較佳實施例對本發明的主題進行了描述，但是顯然對於半導體技術領域中具有通常知識者而言很多替換和變更是明顯的。另外，為了清楚地描述，始終使用詞語"連接(connect)"，但是，其被規定為與詞語"耦合(couple)"具有相同的意思。因此，應該將"連接"解釋為包括直接連接或間接連接。

10、125．．．電源供應系統

11．．．功率輸入端子

12．．．功率返回端

13、56、58、59、64、67、82、83、109、131．．．輸出

14、57．．．返回

15．．．輸出電流

16、31．．．開關驅動器

17、32．．．功率控制元件

18、19、101、127、128．．．電晶體

22、37．．．感應器

23、38、53、54．．．節點

24、39、130．．．電流

26．．．平均電阻器

27、28、41、42、43、47、48、50－52、71－75、78、103．．．電阻器

28．．．濾波電阻器

45、49．．．負載

46．．．電容器

55、126．．．電源供應控制器

61、62．．．輸入

66．．．內部調節器

68．．．參考產生器

69、70、77．．．放大器電路

81．．．PWM

85．．．多相位時脈

86、93．．．PWM通道

87．．．斜波

89、96．．．電流感測放大器

90、97．．．加法電路

91、94、98．．．PWM比較器

92、99．．．PWM鎖存器

107．．．緩衝器

110．．．控製器

140．．．積體電路

141．．．半導體晶粒

第一圖概要示出了具有根據本發明的電源供應控制器的電源供應系統的一部分的實施例；第二圖概要示出了根據本發明的第一圖中的電源供應控制器的一部分的實施例；第三圖概要示出了具有根據本發明的另一電源供應控制器的另一電源供應系統的一部分的實施例；第四圖概要示出了又一電源供應系統的一部分的實施例，其為根據本發明的第三圖的電源供應系統的可選實施例；以及第五圖概要示出了包括根據本發明的第一圖的電源供應控制器的半導體裝置的放大平面圖。

10．．．電源供應系統