TWI489744B - 交流對直流電源轉換器的控制電路 - Google Patents

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Description

交流對直流電源轉換器的控制電路
本發明有關交流對直流電源轉換器，尤指一種可耐高電壓的交流對直流電源轉換器的控制電路。
隨著能源的日益匱乏，許多產業標準皆要求電子產品能夠更有效率地使用能源，以達到節約能源的目的。許多電子產品中會使用交流對直流電源轉換器來將輸入電源信號轉換為適當的輸出電壓信號或輸出電流信號，以使交流對直流電源轉換器的負載能夠正常地運作。改善交流對直流電源轉換器的能源使用效率以節約能源，已成為產業界的重要課題。
許多交流對直流電源轉換器的控制電路會藉由偵測輸入電源信號，而將交流對直流電源轉換器設置於適當的運作狀態。例如，當控制電路偵測不到輸入電源信號時，會將防電磁干擾電容(EMI suppression capacitor)進行放電以符合安規標準，而能避免發生使用者觸電等危險情形。
控制電路必須直接偵測輸入電源信號，以便能夠準確地將電源轉換器設置於合適的運作狀態。然而，輸入電源信號通常是90伏特至270伏特的交流信號，甚至是更高電位的交流信號。因此，當控制電路偵測輸入電源信號時，需要能夠承受約400伏特或更高電位的直流信號(例如，業界常要求控制電路能耐受700伏特的電壓)。然而，電源轉換器的控制電路通常採用積體電路(integrated circuit)元件的方式實施，而難以承受如此高電位的信號。
在美國第7,306,999、7,638,405、7,803,643、7,955,943及8,283,705號專利中，揭露了數種交流對直流電源轉換器的控制電路，這些控制電路採用電阻等電路元件所組成的高壓偵測電路來偵測輸入電源信號。然而，當這些控制電路採用積體電路的方式實施時，必須非常注意電阻等電路元件的布局(layout)方式，否則控制電路很容易因為電路布局上的誤差或是製程上的差異，造成電路元件因為承受過高的電壓而毀損。因此，控制電路的硬體設計的複雜度大幅增加，造成產品的良率難以提升。
有鑑於此，如何降低上述相關領域中控制電路的硬體設計及製造問題，實為業界有待解決的問題。
本說明書提供一種交流對直流電源轉換器的控制電路的實施例，用以依據一輸入電源信號而設置一交流對直流電源轉換器對一負載進行供電，該控制電路包含：一接面場效電晶體，包含：一第一摻雜類型的一基板；一第二摻雜類型的一井區域，設置於該基板的一表面；該第二摻雜類型的一汲極，設置於該井區域，用於接收該輸入電源信號；該第二摻雜類型的一源極，設置於該井區域，用於耦接一第一電位；該第一摻雜類型的一閘極，設置於該井區域，並且位於該汲極及該源極之間；該汲極及該閘極之間所定義的一第一區域，位於該井區域；一第一氧化層，設置於該井區域的一表面，並且接合於該第一區域；以及一第二氧化層，設置於該井區域的該表面，並且不接合於該第一區域；一第一電阻，設置於該第一氧化層，並且包含一第一端及一第二端，該第一 電阻的該第一端用於接收該輸入電源信號；一第二電阻，設置於該第二氧化層，並且包含一第一端及一第二端，該第二電阻的該第一端耦接於該第一電阻的第二端；以及一第三電阻，設置於該第二氧化層，並且包含一第一端及一第二端，該第三電阻的該第一端耦接於該第二電阻的第二端，該第三電阻的該第二端用於耦接一第三電位；其中該閘極耦接於該第一氧化層，並且用於耦接一第二電位；並且該第二電阻的該第二端及該第三電阻的該第一端用以提供一分壓信號。
上述實施例的優點之一是能夠簡化控制電路的電路布局方式，使得控制電路能夠更強韌，而不易因為電路布局或半導體製程的誤差而造成毀損。因此，控制電路的積體電路晶片的硬體複雜度能夠降低，而使產品的良率能夠提升。本發明的其他優點將藉由以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
100‧‧‧交流對直流電源轉換器
110‧‧‧變壓器
120‧‧‧電流開關
130‧‧‧電阻
140‧‧‧控制電路
191‧‧‧交流電源
192‧‧‧負載
220‧‧‧接面場效電晶體
222‧‧‧汲極
224‧‧‧源極
226‧‧‧閘極
240、260、280‧‧‧電阻
290‧‧‧電壓偵測電路
310、320、330‧‧‧導體
410‧‧‧基板
420‧‧‧井區域
431~433‧‧‧氧化層
441~447‧‧‧導體
451、452‧‧‧區域
CS、GATE、HV‧‧‧接腳
GND‧‧‧接地端
Vac‧‧‧輸入電源信號
Vcs‧‧‧電流感測信號
Vg‧‧‧控制信號
Vx‧‧‧分壓信號
圖1為本發明一實施例的電源轉換器簡化後的功能方塊圖。
圖2為圖1的控制電路的一實施例簡化後的部分電路圖。
圖3為圖2的接面場效電晶體和電阻的一實施例簡化後的電路布局圖。
圖4為圖3的接面場效電晶體和電阻沿A-A'線段的簡化後的剖面圖。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
圖1為本發明一實施例的交流對直流電源轉換器100簡化後的功能 方塊圖，電源轉換電路100包含有變壓器110、電流開關120、電阻130及控制電路140，以依據交流電源191的輸入電源信號Vac而供電至負載192。為使圖面簡潔而易於說明，電源轉換電路100的其他元件及相關的連接關係並未繪示於圖1中。
在圖1的實施例中，變壓器110耦接於交流電源191及負載192之間，電流開關120的一端耦接於變壓器110，電流開關120的另一端耦接於電阻130的一端，電阻130的另一端耦接於接地端GND。控制電路140採用積體電路晶片的方式實施，藉由接腳(pin)HV耦接於交流電源191，藉由接腳GATE耦接至電流開關120的控制端，並且藉由接腳CS耦接至電阻130。
控制電路140能藉由接腳GATE傳送控制信號Vg至電流開關120的控制端，以設置電流開關120的導通狀態。控制電路140能藉由接腳CS接收電流感測信號Vcs，以調整控制信號Vg，進而調整電流開關120的導通狀態。
此外，控制電路140還能藉由接腳HV接收輸入電源信號Vac，以調整電流開關120的導通狀態或者進行其他合適的運作。例如，在一實施例中，當控制電路140偵測到輸入電源信號Vac小於預設信號值時，控制電路140會將防電磁干擾電容(未繪示於圖1中)進行放電以符合安規標準，以避免發生使用者發生觸電等危險情形。
圖2為圖1的控制電路140的一實施例簡化後的部分電路圖。在圖2的實施例中，控制電路140包含接面場效電晶體(junction field effect transistor,JFET)220、第一電阻240、第二電阻260、第三電阻280及電壓偵測電路290。為使圖面簡潔而易於說明，控制電路 140的其他元件及相關的連接關係並未繪示於圖2中。
在圖2的實施例中，接面場效電晶體220採用N型通道接面場效電晶體的方式實施，接面場效電晶體220的汲極222耦接於接腳HV，接面場效電晶體220的源極224耦接於第一電位V1，接面場效電晶體220的閘極226耦接於第二電位V2。電阻240的第一端耦接於接面場效電晶體220的汲極222及接腳HV，電阻260的第一端耦接於電阻240的第二端，電阻280的第一端耦接於電阻260的第二端，電阻280的第二端耦接於第三電位V3。電壓偵測電路290耦接於電阻240的第二端及電阻260的第一端。
接面場效電晶體220用於耦接交流電源191，以接收輸入電源信號Vac。例如，接面場效電晶體220可以搭配其他電路(未繪示於圖2中)而用於設置控制電路的啟動(startup)運作，或者將防電磁干擾電容進行放電等運作。
電阻240、260及280用於將輸入電源信號Vac進行分壓，以產生分壓信號Vx。電壓偵測電路290會依據分壓信號Vx的信號值而設置控制電路140的運作，例如，在一實施例中，電壓偵測電路290可以依據分壓信號Vx的信號值而調整控制信號Vg的信號值、頻率及/或責任週期(duty cycle)等。在另一實施例中，電壓偵測電路290可以依據分壓信號Vx的信號值，而設置接面場效電晶體220及/或其他電路將防電磁干擾電容進行放電運作。電壓偵測電路290可以採用比較電路、信號處理器及微控制器等合適的電路架構實施。
由於接腳HV所接收的輸入電壓信號Vac的電壓值可能達到數百伏特，為了避免控制電路140因為輸入電壓信號Vac的電壓值過高而 毀損，接面場效電晶體220、電阻240、260及280及相關元件的電路布局需要經過適當的設計。
圖3為圖2中接面場效電晶體220和電阻240、260及280的一實施例簡化後的電路布局圖，圖4為圖3中接面場效電晶體220和電阻240、260及280沿A-A'線段的簡化後的剖面圖，以下將以圖2至圖4進一步說明控制電路140的電路布局方式。為使圖面簡潔而易於說明，接面場效電晶體220和電阻240、260及280的部分元件及相關的連接關係並未繪示於圖3和圖4中。例如，基板410、井區域(well)420、氧化層431~433及導體441~447並未繪示於圖3，而接面場效電晶體220的基極(body)也未繪示於圖3和圖4中。
在圖2至圖4的實施例中，接面場效電晶體220採用N型接面場效電晶體的方式實施。因此，基板410採用摻雜類型為P型(也可稱為第一摻雜類型)的基板，井區域420被設置於基板410的一表面，並且井區域420的摻雜類型被設置為N型(也可稱為第二摻雜類型)。汲極222、源極224及閘極226皆設置於井區域420，汲極222及源極224的摻雜類型被設置為N型，閘極226的摻雜類型被設置為P型。
第一氧化層431被設置於井區域420的一表面，並且設置於汲極222及閘極226之間所定義的區域。例如，氧化層431被設置於圖3中汲極222及閘極226之間所定義的環狀區域，亦即接合於圖4中汲極222及閘極226之間所定義的第一區域451上方的井區域420的表面。第二氧化層432被設置於井區域420的一表面，並且不設置於汲極222及閘極226之間所定義的區域。例如，氧化層432被設置於圖3中源極224外側的區域，亦即接合於圖4中源極224外側的 第二區域452上方的井區域420的表面。第三氧化層433被設置於井區域420的一表面，並且設置於閘極226及源極224之間所定義的區域。
電阻240設置於氧化層431的一表面，例如，電阻240以多個相連接的弧形的方式設置於圖3中汲極222及閘極226之間所定義的環狀區域。在本實施例中，電阻240的第一端通過導體442、310及441而耦接於汲極222。
電阻260及280設置於氧化層432的一表面，例如，電阻260及280以多個相連接的弧形的方式設置於圖3中源極224外側的區域。在本實施例中，電阻260的第一端通過導體446、320及443而耦接於電阻240，電阻260和280藉由導體330區分以提供分壓信號Vx，而電阻280可以藉由導體447而耦接於第三電位V3。
導體444用於耦接閘極226及氧化層431，導體445用於耦接源極224。此外，為使圖面簡潔而易於說明，導體441、444和445與於汲極222、閘極226、氧化層431及源極224等耦接處的元件未被繪示於圖4中。例如，導體444與氧化層431耦接處的多晶矽元件等即未繪示於圖4中。
由於接面場效電晶體220的汲極222所接收的輸入電源信號Vac的電壓值可能達到數百伏特，而接面場效電晶體220的閘極226所耦接的第二電位V2通常會設置為接地端的電位或其他遠小於輸入電源信號Vac的電位。因此，接面場效電晶體220的汲極222及閘極226之間(例如，圖3中汲極222及閘極226之間所定義的環狀區域，及圖4中的區域451)需要能夠耐受數百伏特的電壓而正常的運作。此外，電阻240的第一端用於耦接輸入電源信號Vac，電阻 280的第二端所耦接的第三電位V3通常會設置為接地端的電位或其他遠小於輸入電源信號Vac的電位。電阻240、260及280會依據輸入電源信號Vac及第三電位V3進行分壓，以產生分壓信號Vx。
為了避免電阻240與汲極222及閘極226之間所定義的區域451的電壓差值大於氧化層431的擊穿電壓(punch-through voltage或breakdown voltage)，使氧化層431被擊穿而造成接面場效電晶體220的毀損，傳統的電路布局方式必須注意電阻的整個布局圖形的每一部分與氧化層下方區域的電壓差值，不但需要耗費冗長的時間進行設計及驗證，也容易因為半導體製程有所偏差而造成氧化層因為承受過高的電壓而毀損。然而，本說明書所提出的技術方案則可以解決上述電路布局時所產生的問題。
在一實施例中，接面場效電晶體220的汲極222所耦接的輸入電源信號Vac的電壓值為700伏特，而閘極226所耦接的第二電位V2及電阻280的第二端所耦接的第三電位V3的電位皆為0伏特。因此，圖4中第一區域451的電壓值會由汲極222處的700伏特逐漸降低至閘極226處的0伏特。由於電阻240、260及280會依據輸入電源信號Vac及第三電位V3進行分壓，因此可以適當地設置電阻240、260及280的電阻值R240、R260及R280，使耦接於電阻240的導體443的電壓能夠小於預設電壓值(例如，將預設電壓值設置為氧化層431的擊穿電壓)。對於氧化層431而言，導體443處的電阻240與第一區域451的電壓差值為最大，因此僅須將導體443處的電壓值設置為小於預設電壓值，就可確保氧化層431不會被擊穿。例如，當氧化層431的擊穿電壓為300伏特，可將電阻240的電阻值R240設置為電阻260及280的電阻值和R260+R280的3倍(即 R240=3xR260+3xR280)，因此導體443處的電壓值等於175伏特(700伏特x3/4)。因此，導體443處的電阻與第一區域451的電壓差值會小於等於175伏特，亦即小於氧化層431的擊穿電壓300伏特，因而能夠確保氧化層431不會被擊穿。此外，對於氧化層432而言，導體446處的電阻260與第二區域的電壓差值為最大，而導體446處的電壓實質上等於導體443處的電壓，因此上述的實施例同樣可以確保氧化層432不會被擊穿。
在上述的實施例中，為了確保導體443的電壓能夠小於預設電壓值(亦即，小於為氧化層431的擊穿電壓)，可以將電阻240的電阻值R240設置大於為電阻260及280的電阻值和(R260+R280)。在一實施例中，可以將電阻240的電阻值R240設置大於為電阻260及280的電阻值和(R260+R280)的2倍以上。在另一實施例中，可以將電阻240的電阻值R240設置大於為電阻260及280的電阻值和(R260+R280)的3倍以上。
在上述的實施例中，可以藉由適當地設置電阻240、260及280的電阻值R240、R260及R280，當電阻240耦接於輸入電源信號Vac時，能使位於氧化層431上的電阻240的最小電壓值(例如，導體443處的電壓值)遠大於第二電位V2的電壓值(例如，差距兩個數量級以上的電壓差值)並且小於氧化層431的擊穿電壓，並且使位於氧化層432上的電阻260及280的最大電壓值(例如，導體446處的電壓值)小於氧化層432的擊穿電壓。因此，上述的實施例能夠確保氧化層431和432不會被擊穿，並且能夠避免因為電阻240、260及280的電路布局所造成的限制，並且能夠承受較大的製程差異。
在圖1的實施例中，電源轉換器100採用返馳式(flyback)電源轉換器進行說明。然而，圖2至圖4所示的控制電路140的電路架構仍然可以適用於升壓式(boost)、降壓式(buck)及升降壓式(buck-boost)等架構的電源轉換器。
在圖3的實施例中，接面場效電晶體220的汲極222、源極224及閘極226分別採用採用圓形和環形的布局圖形，電阻240、260及280採用多個相連接的弧形的布局圖形，而導體310、320及330則採用矩形的布局圖形。在其他實施例中，各個元件皆能分別採用合適的幾何圖形進行布局。由於上述實施例所揭示的技術方案能夠避免電路布局的限制，因此上述的元件能夠依據不同的設計考量而採用合適的幾何圖形，因而更能降低電路布局的複雜度。
在圖3的實施例中，導體310、320和330被設置於A-A'線段上，以易於搭配圖4進行說明。在其他實施例中，導體310、320和330可以分別設置於適當的位置，而不需要排列於同一線段。
在圖4的實施例中，導體310~330及441~447採用兩層的金屬層進行布局，並且各個導體分別再以導體適當地耦接至其他導體或元件，以易於說明。在其他實施例中，也可以採用其他合適數量的導體，並且採用合適數量的金屬層進行布局及耦接。
在上述的實施例中，電阻240僅設置於氧化層431的表面，而電阻260及280僅設置於氧化層432的表面。在其他實施例中，電阻240僅設置於氧化層431的表面，而電阻260及280可以分別設置於氧化層432和433的表面。
在上述的實施例中，汲極222及源極224的摻雜濃度可以設置為大於井區域420的摻雜濃度。
在圖2的實施例中，接面場效電晶體220的源極224和閘極226以及電阻280分別耦接至電位V1、V2和V3。實作上，電位V1、V2和V3可以是預設的固定電位值，也可以是其他電路區塊所提供並且數值可變動的電位值。電位V1、V2和V3也可以依據設計考量，而分別設置為相同或不同的信號值。
在上述的實施例中，源極224可以採用各種合適的布局圖形實施。例如，源極224可以採用一個封閉的幾何圖形(如圓形、矩形、三角形及多邊形等)的方式實施，使第一區域451位於幾何圖形的內側，並使第二區域452位於幾何圖形的外側，以分別將並且電阻240設置於第一區域451上的氧化層431，以及將電阻260及280的至少其中之一設置於第二區域452上的氧化層432。
在上述的實施例中，電阻260及280可以採用各種合適的布局圖形實施。例如，電阻260及280可以採用一個連續的幾何圖形(例如，多個相連接的線段及弧形等)的方式實施，並且由耦接於幾何圖形的導體330提供該分壓信號Vx。
由前述說明可知，上述的實施例僅需適當地設置電阻240、260及280間的電阻值，即可確保接面場效電晶體220的氧化層431~433不會被擊穿。其他技術方案需要考慮布局圖形的每一部分與氧化層下方區域的電壓差值，而對控制電路的積體電路布局所造成的限制，可以由上述的實施例所克服。上述的實施例不但可以承受半導體製程上的差異，還可以降低電路布局的複雜度。因此，控制電路的積體電路晶片的硬體複雜度能夠降低，而使產品的良率能夠提升。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。 然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
說明書及申請專利範圍中的「電壓信號」，在實作上可採用電壓形式或電流形式來實現。說明書及申請專利範圍中的「電流信號」，在實作上也可用電壓形式或電流形式來實現。
在說明書及申請專利範圍當中所提及的「元件」(element)一詞，包含了構件(component)、層構造(layer)、或區域(region)的概念。
圖式的某些元件的尺寸及相對大小會被加以放大，或者某些元件的形狀會被簡化，以便能更清楚地表達實施例的內容。因此，除非申請人有特別指明，圖式中各元件的形狀、尺寸、相對大小及相對位置等僅是便於說明，而不應被用來限縮本發明的專利範圍。此外，本發明可用許多不同的形式來體現，在解釋本發明時，不應僅侷限於本說明書所提出的實施例態樣。
為了說明上的方便，說明書中可能會使用一些與空間中的相對位 置有關的敘述，對圖式中某元件的功能或是該元件與其他元件間的相對空間關係進行描述。例如，「於...上」、「在...上方」、「於...下」、「在...下方」、「高於...」、「低於...」、「向上」、「向下」等等。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，這些與空間中的相對位置有關的敘述，不僅包含所描述的元件在圖式中的指向關係(orientation)，也包含所描述的元件在使用、運作、或組裝時的各種不同指向關係。例如，若將圖式上下顛倒過來，則原先用「於...上」來描述的元件，就會變成「於...下」。因此，在說明書中所使用的「於...上」的描述方式，解釋上包含了「於...下」以及「於...上」兩種不同的指向關係。同理，在此所使用的「向上」一詞，解釋上包含了「向上」以及「向下」兩種不同的指向關係。
在說明書及申請專利範圍中，若描述第一元件位於第二元件上、在第二元件上方、連接、接合、耦接於第二元件或與第二元件相接，則表示第一元件可直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接於第二元件，亦可表示第一元件與第二元件間存在其他元件。相對之下，若描述第一元件直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接、或直接相接於第二元件，則代表第一元件與第二元件間不存在其他元件。
以上僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
222‧‧‧汲極
224‧‧‧源極
226‧‧‧閘極
240‧‧‧電阻
260‧‧‧電阻
280‧‧‧電阻
310、320、330‧‧‧導體
410‧‧‧基板
420‧‧‧井區域
431~433‧‧‧氧化層
441~447‧‧‧導體
451、452‧‧‧區域

Claims (7)

  1. 一種交流對直流電源轉換器的控制電路，用以依據一輸入電源信號而設置一交流對直流電源轉換器對一負載進行供電，該控制電路包含：一接面場效電晶體，包含：一第一摻雜類型的一基板；一第二摻雜類型的一井區域，設置於該基板的一表面；該第二摻雜類型的一汲極，設置於該井區域，用於接收該輸入電源信號；該第二摻雜類型的一源極，設置於該井區域，用於耦接一第一電位；該第一摻雜類型的一閘極，設置於該井區域，並且位於該汲極及該源極之間；該汲極及該閘極之間所定義的一第一區域，位於該井區域；一第一氧化層，設置於該井區域的一表面，並且接合於該第一區域；以及一第二氧化層，設置於該井區域的該表面，並且不接合於該第一區域；一第一電阻，設置於該第一氧化層，並且包含一第一端及一第二端，該第一電阻的該第一端用於接收該輸入電源信號；一第二電阻，設置於該第二氧化層，並且包含一第一端及一第二端，該第二電阻的該第一端耦接於該第一電阻的第二端；以及一第三電阻，設置於該第二氧化層，並且包含一第一端及一第二 端，該第三電阻的該第一端耦接於該第二電阻的第二端，該第三電阻的該第二端用於耦接一第三電位；其中該閘極耦接於該第一氧化層，並且用於耦接一第二電位；並且該第二電阻的該第二端及該第三電阻的該第一端用以提供一分壓信號。
  2. 如請求項1所述的控制電路，其中該第一電阻的電阻值大於該第二電阻的電阻值與該第三電阻的電阻值的一電阻值總和。
  3. 如請求項1所述的控制電路，其中該第一氧化層包含有一擊穿電壓，並且當該第一電阻接收該輸入電源信號時，該第一電阻的一最小電壓值大於該第二電位的電壓值，並且小於該第一氧化層的該擊穿電壓。
  4. 如請求項3所述的控制電路，其中該第二氧化層包含有一擊穿電壓，並且當該第一電阻接收該輸入電源信號時，該第二電阻的一最大電壓值小於該第二氧化層的該擊穿電壓。
  5. 如請求項1所述的控制電路，另包含：一電壓偵測電路，當該分壓信號小於一預設信號值時，用於設置該接面場效電晶體對一防電磁干擾電容進行放電。
  6. 如請求項1所述的控制電路，其中該源極為一封閉的幾何圖形，該第一區域位於該幾何圖形的內側，並且該第二電阻及該第三電阻的至少其中之一位於該幾何圖形外側的一第二區域。
  7. 如請求項1所述的控制電路，其中該第二電阻與該第三電阻為一連續的幾何圖形，並且由耦接於該幾何圖形的一導體提供該分壓信號。
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