專利名稱：電流調(diào)節(jié)器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電子學(xué)，尤其是，形成半導(dǎo)體設(shè)備和結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
過去，半導(dǎo)體工業(yè)利用各種方法和結(jié)構(gòu)制造為電源系統(tǒng)調(diào)節(jié)電流的電源控制器。這些通常被稱作電流調(diào)節(jié)器。為了將電流調(diào)節(jié)到期望值，電流調(diào)節(jié)器一般切換功率晶體管以控制電流流過電感。為了測量或確定流過電感的電流值，系統(tǒng)通常利用電流調(diào)節(jié)器外部的設(shè)備，例如變壓器的電流感應(yīng)線圈或者與功率晶體管或電感串聯(lián)的電阻。電流調(diào)節(jié)器使用該測量值來控制電流。用于感應(yīng)電流的元件，例如電流感應(yīng)變壓器和電流感應(yīng)電阻，增加了系統(tǒng)的成本。另外，電流感應(yīng)電路會增加額外的功耗。
因此，希望有一種電流調(diào)節(jié)器確定電流的方法，其使用較少的位于控制器外部的元件并且具有較低的成本。


圖1用示意示了包括根據(jù)本發(fā)明的電流調(diào)節(jié)器實(shí)施例的部分控制系統(tǒng)的實(shí)施例；圖2是具有圖示根據(jù)本發(fā)明的圖1的電流調(diào)節(jié)器的一些信號的曲線圖表；圖3用示意示了根據(jù)本發(fā)明的作為圖1的電流調(diào)節(jié)器的替換實(shí)施例的另一個(gè)電流調(diào)節(jié)器的實(shí)施例；以及圖4用示意示了根據(jù)本發(fā)明的包括圖1的電流調(diào)節(jié)器的半導(dǎo)體設(shè)備的放大平面圖。
具體實(shí)施例方式
為了描述簡明和清楚，圖中的所有元件不必是按比例的，并且不同的圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。另外，為了描述簡明，省略對公知步驟和元件的描述和詳細(xì)介紹。這里，載流電極是指攜帶電流流過設(shè)備的設(shè)備的元件，例如MOS晶體管的源極或漏極或者場效應(yīng)晶體管的發(fā)射極或集電極或者二極管的陰極或陽極，控制電極是指控制電流流過設(shè)備的設(shè)備的元件，例如MOS晶體管的柵極或者場效應(yīng)晶體管的基極。盡管這里解釋的設(shè)備是某個(gè)N溝道或P溝道設(shè)備，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會理解根據(jù)本發(fā)明其它的設(shè)備也是可以的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解這里使用的“在......期間(during)、同時(shí)(while)、當(dāng)......的時(shí)候(when)”等詞不是表示在發(fā)起動作的同時(shí)立即發(fā)生動作的精確術(shù)語，而是表示在由發(fā)起動作引起的反應(yīng)之間存在一些少量的但是合理的延時(shí)。
圖1用示意示了控制系統(tǒng)10的一部分的示意性實(shí)施例，所述控制系統(tǒng)包括切換電流調(diào)節(jié)器25的示意性的形式。系統(tǒng)10一般從功率輸入端子11和功率返回端子12之間的電壓源接收功率，所述電壓源例如整流AC電壓或DC電壓，并且形成流過電感16的已調(diào)節(jié)輸出電流21。電感16推動形成的電流21。為了減少來自端子11的輸入電壓上的波紋以及為由切換電感16產(chǎn)生的AC電流提供路徑，可以在端子11和12之間連接濾波電容器17。通常使用箝位二極管(catch diode)18來協(xié)助電感16放電?？梢赃B接發(fā)光二極管(LED)23等負(fù)載來被電流21激勵(lì)。盡管將所述負(fù)載圖示為LED 23，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解可以使用多個(gè)LED作為負(fù)載或者其它需要穩(wěn)定電流的元件可以形成所述負(fù)載，例如白熾燈泡。
將調(diào)節(jié)器25配置成將電流21的峰值和最小值或波谷值控制到基本上是恒定值，形成滯后或波紋調(diào)節(jié)器。維持基本上恒定的電流峰值或波谷值導(dǎo)致具有兩個(gè)恒定值的平均電流，這是驅(qū)動具有基本上恒定負(fù)載電流的負(fù)載所需要的，例如LED。調(diào)節(jié)器25接收電壓輸入26和電壓返回27之間的功率。通常將輸入26連接到端子11，將返回27連接到端子12。在使能輸入34上接收使能信號，所述使能信號激活調(diào)節(jié)器25的操作。調(diào)節(jié)器25通常包括SENSEFET類型的功率晶體管32、PWM鎖存器29、由與門30表示的PWM控制邏輯、驅(qū)動器31、第一電流比較器或峰值電流比較器37、第二電流比較器或波谷電流比較器38、參考電壓生成器或參考60、截止時(shí)間(off-time)參考電路41、截止時(shí)間控制電路48、電阻54和55以及截止時(shí)間比較器52。調(diào)節(jié)器25還可以包括用于提供操作調(diào)節(jié)器25的其它元件的內(nèi)部操作電壓的內(nèi)部調(diào)節(jié)器58，所述其它元件例如是門30、驅(qū)動器31和鎖存器29。調(diào)節(jié)器25還可以包括其它公知的功能，例如圖1中未示出的熱關(guān)閉電路或欠電壓切斷電路。參考60形成參考信號，例如第一參考信號Vref1和第二參考信號Vref2，其被調(diào)節(jié)器25的其它部分使用。調(diào)節(jié)器25的PWM部分包括鎖存器29、門30和驅(qū)動器31。驅(qū)動器31用于接收門30的輸出并給控制晶體管32提供足夠的驅(qū)動。盡管用晶體管32來表示調(diào)節(jié)器25的一部分，但是在一些實(shí)施例中，可以將SENSEFET類型的功率晶體管32放置在調(diào)節(jié)器25的外部。
SENSEFET類型的晶體管通常被形成以包括主晶體管部分和感應(yīng)部分。SENSEFET類型的晶體管通常還包括圖1中未示出的寄生體二極管。一般來說，SENSEFET類型的晶體管由許多互連的晶體管單元形成，以便形成能夠有大負(fù)載電流低導(dǎo)通電阻的較大的晶體管。一些單元具有與剩余單元的源極分離的自己的源極，并形成單獨(dú)的外部端子或感應(yīng)端子，例如晶體管32的感應(yīng)端子39。剩余的源極被連接在一起以形成一個(gè)源極，例如晶體管32的源極40。所有單元的漏極和柵極一般形成各自的漏極和柵極。SENSEFET是摩托羅拉公司(Schaumburg，Illinois)的商標(biāo)。在1985年11月12日公布的RobertWrathall的專利號為4553084的美國專利申請中公開了SENSEFET類型的晶體管的一個(gè)例子，在這里引入其內(nèi)容作為參考。
當(dāng)負(fù)載電流19流過晶體管32時(shí)，電流19的第一部分流過源極40并產(chǎn)生感應(yīng)電流43流過感應(yīng)端子39。感應(yīng)電流43用于在感應(yīng)輸入36上形成感應(yīng)信號，其是電流19的代表。由于晶體管32是SENSEFET類型的晶體管，感應(yīng)電流43可被用于確定電流19的值并用于確定什么時(shí)候禁用晶體管32。但是當(dāng)禁用晶體管32時(shí)，電流43就不流動，因此晶體管32不提供能用于確定什么時(shí)候?qū)㈦姼?6放電到期望值或什么時(shí)候重新激活晶體管32的信號。但是，調(diào)節(jié)器25配置成在節(jié)點(diǎn)56上形成截止時(shí)間參考信號，以及在節(jié)點(diǎn)57上形成截止時(shí)間控制信號，以便估計(jì)用于晶體管32的合適的截止時(shí)間。調(diào)節(jié)器25使用電流19的波谷值來協(xié)助形成截止時(shí)間參考信號。截止時(shí)間參考電路41的示意性的實(shí)施例包括與門42、放電晶體管44、放電電阻45和儲能電容器46。截止時(shí)間控制電路48的示意性實(shí)施例包括放電晶體管49和儲能電容器50。電阻54和55用作電流源，其用于對各個(gè)電容器50和46充電。一般將電阻54和電容器50的時(shí)間常數(shù)選擇成在比電阻55和電容器46的時(shí)間常數(shù)快20到500(20-500)倍，以便與節(jié)點(diǎn)57傻瓜內(nèi)的截止時(shí)間控制信號相比，節(jié)點(diǎn)56上的截止時(shí)間參考信號基本上是DC值。
圖2是具有圖示在電流調(diào)節(jié)器25的操作期間在調(diào)節(jié)器25內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)上的信號的曲線的圖表。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示每個(gè)曲線的信號值。曲線65說明了通過電感16的電流21。曲線66說明了流過晶體管32的電流19。曲線67說明了電容器46上儲存的電壓，曲線68說明了電容器50上儲存的電壓。該描述參照了圖1和圖2。
當(dāng)在輸34上斷言使能信號時(shí)，激活調(diào)節(jié)器25操作和控制電流19、20、21的值，由此控制輸出電壓的值。盡管使能信號被舉例說明成當(dāng)其為高時(shí)被斷言，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解可以形成控制器25，以便當(dāng)使能信號低時(shí)對其進(jìn)行斷言。設(shè)置鎖存器29使得Q輸出變高，這強(qiáng)迫門30的和驅(qū)動器31的輸出變高以激活晶體管32。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解來自Q輸出的高值可以開始激活晶體管32的過程，但是那是由于電容性負(fù)載，完全激活晶體管32可能需要一些額外的時(shí)間。激活晶體管32使得電流19流過電感16，如時(shí)間T0處的曲線65和66所示。電流19也流過調(diào)節(jié)器25的輸出33以及晶體管32。電流19的第一部分流過源極40，第二部分象電流43一樣流過感應(yīng)端子39、調(diào)節(jié)器25的輸入36和電阻24以在輸入36上形成電流感應(yīng)(CS)信號。電流感應(yīng)(CS)信號是電流值19的代表。在晶體管32開始被激活的時(shí)候，電感16一般沒有完全放電，并且電流19的值一般不是從0開始，而是從大于0的某個(gè)值開始，如時(shí)間T0時(shí)曲線66的值I1所示。電流19的這個(gè)值被稱作波谷值或波谷電流，電流19的最大值被稱作峰值或峰值電流。調(diào)節(jié)器25控制峰值和波谷值以形成基本上恒定的穩(wěn)定電流19的平均值。如時(shí)間T0時(shí)曲線68所示，來自鎖存器29的高值還使得晶體管49對電容器50放電，并復(fù)位截止時(shí)間控制電路48。
如下面將看到的，截止時(shí)間參考電路41在節(jié)點(diǎn)56上形成截止時(shí)間參考信號，作為調(diào)節(jié)器25當(dāng)前周期的電流19的實(shí)際波谷值與電流19的期望波谷值之間的差值的代表。電流19的期望波谷值由輸入36上的感應(yīng)信號值表示，其大約等于Vref2的值。在操作中，電路41通過電阻55慢慢地且連續(xù)地給電容46充電，并調(diào)整響應(yīng)于電流19的波谷值的截止時(shí)間參考信號的值。每次鎖存器29的Q輸出變高從而開始調(diào)節(jié)器25的周期時(shí)，高的Q輸出開始激活晶體管32。來自Q輸出的高值也被門42的一個(gè)輸入接收。如在上文中解釋的，當(dāng)激活晶體管32時(shí)，電流19的波谷值小于峰值，但是一般不等于0。如果電流19的波谷值足夠得低，使得CS信號低于Vref2的值，比較器38的輸出就變高。由于鎖存器29的Q輸出還是很高，從比較器38的高輸出強(qiáng)迫門42的輸出變高，由此激活晶體管44。晶體管44開始讓電容器46放電，由此調(diào)整電容器46上的電壓值并減小節(jié)點(diǎn)56上的截止時(shí)間參考信號的值，如時(shí)間T0時(shí)曲線67所示。隨著電流19的值增加，電流43增加，使得CS信號也增加。一旦電流19和43增加到足夠讓CS信號不低于Vref2，比較器38的輸出就變低，由此強(qiáng)迫門42的輸出變低并禁用晶體管44。因此，已經(jīng)將截止時(shí)間參考信號值調(diào)整成波谷電流的實(shí)際值和由Vref2的值和CS信號表示的期望值之間的差值的代表。禁用晶體管44使得電阻55再次慢慢地給電容器46充電。電阻45一般比電阻55小得多，因此，激活晶體管44可快速地調(diào)整電容器46上的電壓值，甚至對于CS信號和Vref2之間的較小的差值也是這樣。電阻45一般大約比電阻55小10到100(10-100)倍，而且優(yōu)選地小大約25倍。如果當(dāng)激活晶體管32時(shí)電流19的波谷值足夠得高，使得CS信號比Vref2的值大，則比較器38的輸出就變低，電路41就不激活晶體管44，因此，允許截止時(shí)間參考信號的值繼續(xù)增加，由此來調(diào)整電容器46上的電壓值，以便控制器25提供更多的電流。
隨著電流19的值繼續(xù)向峰值增加，比較器37用于禁用晶體管32，并且開始調(diào)節(jié)器25的周期中的放電部分。隨著電流19的值繼續(xù)增加，CS信號增加到不低于Vref1的一個(gè)值，這強(qiáng)迫比較器37的輸出變高，由此復(fù)位鎖存器29并強(qiáng)迫Q輸出變低，以便開始禁用晶體管32。因此，Vref1的值控制電流19的峰值。鎖存器29的低值也禁用晶體管49，由此讓電容器50開始通過電阻54充電，如時(shí)間T1時(shí)曲線68所示。當(dāng)電容器50充電到大約不低于電容器46中儲存的值的一個(gè)值時(shí)，比較器52的輸出就被強(qiáng)迫變低，由此設(shè)置鎖存器29再次開始激活晶體管32并停止晶體管32的截止時(shí)間。因此，截止時(shí)間參考信號的值用作電路48用來控制晶體管32的截止時(shí)間的參考信號或參考值。隨著鎖存器29的Q輸出變高，對調(diào)節(jié)器25的每個(gè)周期都繼續(xù)該操作，以開始激活晶體管32以及開始調(diào)節(jié)器25的另一個(gè)周期。如從前面的描述中可見，如果電流19的波谷值低于期望值，如CS信號的值和Vref2的值所表示的，電路41就調(diào)整截止時(shí)間參考信號的值。截止時(shí)間參考信號的值越低，電容器50就越快充電到截止時(shí)間參考信號，因此，晶體管32的截止時(shí)間就越短?？s短截止時(shí)間使得晶體管32工作更少的時(shí)間，由此增加電流19的波谷值。因此，電流19的波谷值協(xié)助形成截止時(shí)間參考值，而截止時(shí)間參考值協(xié)助設(shè)置晶體管32的截止時(shí)間。要注意的是，為了保證峰值大于波谷值，Vref1的值應(yīng)該選擇成大于Vref2。一般選擇電阻24的值以便將波谷值和峰值設(shè)置到達(dá)到期望的電流19的平均值。
在優(yōu)選實(shí)施例中，將Vref1的值選為大約100毫伏，將Vref2的值選為大約50毫伏。因此，波谷值大約是峰值的50％。在其它實(shí)施例中，可以給Vref1和Vref2使用其它的值來改變峰值和波谷值之間的比例關(guān)系。
為了促進(jìn)調(diào)節(jié)器25的該操作，將門30的第一輸入連接到輸入34。通常將門30的第二輸入共用地連接到鎖存器29的Q輸出、門42的第一輸入以及晶體管49的柵極。將門30的輸出連接到驅(qū)動器31的一個(gè)輸入，驅(qū)動器31具有連接到晶體管32的柵極的輸出。將晶體管32的漏極連接到輸出33。將晶體管32的源極40連接到返回端27，并且將感應(yīng)端子39共用地連接到比較器38的反相輸入、比較器37的非反相輸入和輸入36。將比較器37的反相輸入連接到參考60的Vref1輸出，將比較器37的輸出連接到鎖存器29的復(fù)位輸入。將比較器38的非反相輸入連接到參考60的Vref2輸出，將比較器38的輸出連接到門42的第二輸入。將門42的輸出連接到晶體管44的柵極，晶體管44的源極被連接到返回端27。將晶體管44的漏極連接到電阻45的第一端。將電阻45的第二端共用地連接到電容器46的第一端，比較器52的反相輸入以及電阻55的第一端。將電容器46的第二端連接到返回端27。將電阻55的第二端共用地連接到調(diào)節(jié)器58的輸出和電阻54的第一端。將電阻54的第二端共用地連接到比較器52的非反相輸入，電容器50的第一端以及晶體管49的漏極。將比較器52的輸出連接到鎖存器29的設(shè)置輸入。將電容器50的第二端連接到返回端27和晶體管49的源極。
圖3用示意示了作為系統(tǒng)10的替換實(shí)施例的電源系統(tǒng)90的一部分的示意性實(shí)施例。系統(tǒng)90包括切換電流調(diào)節(jié)器91的示意性形式，所述電流調(diào)節(jié)器91是圖1的描述中解釋的調(diào)節(jié)器25的替換實(shí)施例。調(diào)節(jié)器91包括截止時(shí)間參考電路93，其是圖1的描述中解釋的電路41的替換實(shí)施例。
電路93包括阻塞晶體管94。響應(yīng)于鎖存器29的Q輸出變高而激活晶體管94，以開始激活晶體管32。激活晶體管94讓電容器46響應(yīng)于激活的晶體管32而充電。響應(yīng)于鎖存器29的Q輸出變低而禁用晶體管94，以開始禁用晶體管32。禁用晶體管94保證截止時(shí)間參考信號在禁用晶體管32時(shí)基本上不改變值。將電路93配置成只響應(yīng)于開始激活晶體管32而充電截止時(shí)間參考信號，使得電路93必須從電容器46放電的量最小化，以調(diào)整截止時(shí)間參考信號，并且導(dǎo)致調(diào)節(jié)器91更精確地調(diào)節(jié)電流19的值?？梢韵嘈?，電路91將截止時(shí)間參考信號的值保持在需要用來將電流19的波谷電流值保持期望的波谷電流值的值的大約3％到5％之內(nèi)。
圖4用示意示了半導(dǎo)體設(shè)備95的實(shí)施例的一部分的放大平面圖，所述半導(dǎo)體設(shè)備形成在半導(dǎo)體管芯96上。調(diào)節(jié)器25形成在管芯96上。管芯96可包括為了附圖的簡明而未圖4中示出的其它電路。調(diào)節(jié)器25和設(shè)備95都通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的半導(dǎo)體制造技術(shù)形成在管芯96上。
考慮到上面所有的內(nèi)容，很明顯公開了一種新的設(shè)備和方法。除了其它特征，包含使用電流19的值來協(xié)助形成晶體管32的截止時(shí)間。使用電流19的值來確定截止時(shí)間簡化了使用SENSEFET類型的功率晶體管，由此提高了調(diào)節(jié)器25的效率。使用電流19的值來確定截止時(shí)間消除了對外部電流感應(yīng)元件的需要，由此減少了系統(tǒng)成本并減少了功耗。
盡管本發(fā)明的主題是用特定的優(yōu)選實(shí)施例來描述的，但是很明顯，對于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，許多替換方式和變換都是很明顯的。盡管將系統(tǒng)10和90作為反相補(bǔ)償(buck)電源系統(tǒng)進(jìn)行描述，但是電路41、48、93也適用于其它類型的電源系統(tǒng)，包括升壓配置系統(tǒng)、非反相補(bǔ)償系統(tǒng)、不具有PWM鎖存器的系統(tǒng)、前沿PWM系統(tǒng)和后沿PWM系統(tǒng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會明白，電路41可具有其它實(shí)施例，只要它響應(yīng)于電流19的波谷值形成截止時(shí)間參考信號，電路48可具有其它實(shí)施例，只要它形成表示功率開關(guān)的截止時(shí)間的截止時(shí)間控制信號。具體來說，本發(fā)明的主題已經(jīng)針對特殊的N溝道晶體管進(jìn)行了說明，盡管所述方法直接適用于包括P溝道晶體管、BiCMOS、金屬半導(dǎo)體FET(MESFET)、HFET以及其它晶體管結(jié)構(gòu)的晶體管。另外，全文使用“連接(connected)”一詞是為了說明的清楚，但是，其應(yīng)具有與“耦合(coupled)”一詞相同的意思。因此，“連接”應(yīng)被解釋成包括直接連接和間接連接。
權(quán)利要求
1.一種電流調(diào)節(jié)器，包括PWM部分，其被配置成激活SENSEFET類型的功率晶體管以形成通過功率晶體管電流；第一電路，其被配置成形成表示通過功率晶體管的電流的第一值的第一信號；以及第二電路，其被配置成使用第一信號來形成功率晶體管的截止時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的電流調(diào)節(jié)器，其中將第二電路配置成比較第一信號和第二信號以控制功率晶體管的截止時(shí)間。
3.如權(quán)利要求1所述的電流調(diào)節(jié)器，其中第一電路被配置成在功率晶體管的截止時(shí)間內(nèi)形成第一信號的第一值以及在功率晶體管的接通時(shí)間內(nèi)使用表示流過功率晶體管的電流的感應(yīng)信號，來響應(yīng)于電流值將第一個(gè)值調(diào)整到第二個(gè)值。
4.如權(quán)利要求1所述的電流調(diào)節(jié)器，其中第二電路被配置成使用第一信號作為參考信號以控制功率晶體管的激活。
5.如權(quán)利要求1所述的電流調(diào)節(jié)器，其中第一電路被配置成響應(yīng)于開始激活功率晶體管以及流過功率晶體管的電流值，使用表示流過功率晶體管的電流的感應(yīng)信號的值來調(diào)整電容器上的儲存的電壓。
6.一種形成電流調(diào)節(jié)器的方法，包括配置電流調(diào)節(jié)器以控制功率開關(guān)的接通時(shí)間以形成具有第一值的輸出電流；以及配置電流調(diào)節(jié)器以形成代表輸出電流和輸出電流的參考值之間的差值的第一參考信號，并使用第一參考信號來形成功率開關(guān)的截止時(shí)間。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中配置電流調(diào)節(jié)器以形成第一參考信號的步驟包括配置電流調(diào)節(jié)器的第一電路以形成第一參考信號，配置第二電路以形成代表功率開關(guān)的截止時(shí)間的第二信號，以及配置電流調(diào)節(jié)器以便將第二信號和第一參考信號進(jìn)行比較，以便控制截止時(shí)間。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中配置電流調(diào)節(jié)器以形成第一參考信號的步驟包括配置電流調(diào)節(jié)器以便響應(yīng)調(diào)整輸出電流的值電容器上儲存的電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括配置電流調(diào)節(jié)器以便響應(yīng)于開始激活功率開關(guān)和輸出電流的值來在電容器上儲存電壓。
10.一種操作電流調(diào)節(jié)器的方法，包括使用SENSEFET晶體管的感應(yīng)輸出來形成表示在SENSEFET晶體管的接通時(shí)間內(nèi)流過SENSEFET晶體管的電流的第一信號；以及使用第一信號來確定SENSEFET晶體管的截止時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及電流調(diào)節(jié)器及其方法。在一個(gè)實(shí)施例中，將電流調(diào)節(jié)器配置成形成代表流過功率開關(guān)的電流的第一信號，并使用第一信號來確定功率開關(guān)的截止時(shí)間。
文檔編號G05F1/613GK1904789SQ200610106208
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者阿蘭·R·鮑爾, 大衛(wèi)·M.·海明格爾 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司