專利名稱：形成pwm控制器的方法及用于其的結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電子學，更具體地，涉及形成半導體器件的方法 和結構。
背景技術：
在過去，半導體工業(yè)利用各種方法和結構來產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)電源控制器。在一些應用中，控制由電源系統(tǒng)發(fā)給負載的 最大功率是很重要的。提供一些先前的PWM控制器用于調(diào)節(jié)由PWM 控制器產(chǎn)生的驅動信號的最大占空因數(shù)(duty cycle)。這些先前的 PWM控制器沒有準確地限制發(fā)送給負載的最大功率。這樣的先前 PWM控制器的一個例子在2001年10月16號頒布給Balakrishnan 等人的美國專利號6,304,462中公開。在另外的應用中，設置驅動信號的頻率是很重要的。然而，先前 PWM控制器沒有準確地設置頻率。相應地，期望有一種PWM控制器，其準確地限制發(fā)送給負栽的 最大功率，能夠設置PWM驅動信號的占空因數(shù)，以限制發(fā)送給負載 的最大功率，并能準確地設置驅動信號的頻率而不影響占空因數(shù)。


圖1簡要示出了包括根據(jù)本發(fā)明的脈寬調(diào)制(PWM)控制器的 電源系統(tǒng)的一部分的實施方式；以及圖2簡要示出了包括根據(jù)本發(fā)明的圖1的電源系統(tǒng)的半導體器件 的放大的平面視圖。為了說明的簡單和明了，圖中的元件不一定按照比例，并且在不 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(jié)。這里使用的載流電極
(current carrying electrode )是指器件的元件，例如MOS晶體管的 源極或漏極、或雙極晶體管的發(fā)射極或集電極、或二極管的正極或負 極，其承載通過該器件的電流，控制電極是指器件的元件，例如MOS 晶體管的柵極或者雙極晶體管的基極，其控制通過該器件的電流。雖 然這里把器件解釋為確定的N-溝道或P-溝道器件，本領域的普通技 術人員應認識到，根據(jù)本發(fā)明，互補器件也是可能的。本領域的普通 技術人員應認識到，這里使用的詞匯"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(xiàn)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。
具體實施例方式
圖1簡要示出了包括脈寬調(diào)制(PWM)控制器35的電源系統(tǒng) IO的一部分的實施方式。控制器35配置成形成PWM驅動(DR)信 號，其在操作頻率操作。如在下文進一步看到的，操作頻率具有中心 頻率，并圍繞中心頻率通過最大量和最小量變化，其為中心頻率的百 分比?？刂破?5還配置成改變PWM驅動(DR)信號的占空因數(shù)而 不影響操作頻率。響應于控制器35的一個輸入上的信號，選擇中心 頻率，響應于控制器35的第二輸入上的信號，選擇占空因數(shù)。
系統(tǒng)IO在連接到橋式整流器11的一對輸入之間接收功率。功率 通常自諸如家用電源的整體供電接收輸入電壓。系統(tǒng)10從在功率輸 入端子22和功率返回端子23之間的整流器11接收輸入電壓，并形 成在電壓輸出端子15和輸出返回端子16之間的調(diào)整的輸出電壓。負 載17通常連接在端子15和16之間，以使用調(diào)整的輸出電壓作為負 載17的操作電壓。系統(tǒng)10的二次側通常還包括整流二級管13和濾 波電容器14。光電耦合器33通常用于形成反饋信號，其代表端子15 和16之間的輸出電壓。電阻(未顯示)可包含在控制器35中作為光 電耦合器33的輸出的上拉(pull-up)。諸如功率晶體管18的功率開關用于控制通過變壓器12的初級繞組的電流，以便調(diào)節(jié)端子15和16 之間的輸出電壓的值。電流感測電阻19通常與晶體管18串連，以形 成在節(jié)點20處的電流感測信號，其用于幫助控制輸出電壓的值。變 壓器12通常包括二級繞組，其在系統(tǒng)10的二次側中連接。系統(tǒng)10還 可包括控制器35的預調(diào)節(jié)器，其接收來自整流器ll的端子22和23 的體電壓(bulk voltage)。預調(diào)節(jié)器可包括電阻30、齊納二級管32、 和濾波電容器31。
控制器35通常在控制器35的電壓輸入36和電壓返回37之間接 收輸入電壓。輸入電壓用于形成操作控制器35的操作電壓。輸入36 通常連接至端子22，而返回37通常連接至端子23?？刂破?5包括 占空因數(shù)控制輸入41、頻率控制輸入42、 PWM驅動輸出43、電流 感測輸入44?？刂破?5的振蕩器電路45用于形成時鐘(CK)信號， 其控制在輸出43上的PWM驅動(DR)信號的最大占空因數(shù)和頻率。 振蕩器電路45配置成設置PWM鎖存(latch)79，以便啟動PWM驅動 (DR)信號的周期。比較器80從輸入44接收電流感測信號并從輸 入40接收反饋信號，以及形成用于復位鎖存79的輸出，以便響應于 輸出電壓和通過晶體管18的電流而終止PWM驅動(DR)信號的周 期。負邊沿檢測器(negative edge detector ) 83和或(OR)門84 4更 于限制DR信號的最大占空因數(shù)，因而，限制發(fā)送到變壓器12的二 次側的最大功率。在圖1所示的優(yōu)選實施方式中，振蕩器電路45包 括笫一振蕩器部分63、第二振蕩器部分70、鎖存75、控制電路49， 所迷第一振蕩器部分用于產(chǎn)生時鐘(CK)信號的啟動(on-time)，所 述第二振蕩器部分用于幫助形成CK信號的關閉(off-time)，所述控制 電路49幫助形成CK信號和DR信號的操作頻率?？刂齐娐?9幫助 選擇CK信號和DR信號的中心頻率，還幫助選擇操作頻率圍繞中心 頻率變化的百分比。在此優(yōu)選實施方式中，第一振蕩器部分63包括 電流源晶體管64、電容65、放電晶體管66、和比較器67。類似地， 第二振蕩器部分70包括電流源晶體管71、電容72、放電晶體管73、 和比較器68。包括電阻69和74的電阻分壓器用于產(chǎn)生第一參考信號，其為比較器67和68所使用?？刂齐娐?9包括電流源57、低頻振蕩 器(OSC)60、耦合晶體管58和59的電流鏡、包括電阻53的電壓 到電流轉換電路、放大器52和串聯(lián)耦合晶體管51、以及電流感測晶 體管50。晶體管50配置為電流鏡的輸入晶體管，其中晶體管64和 71配置為電流鏡的鏡象晶體管。控制器35還可包括內(nèi)部調(diào)節(jié)器47， 其在輸入36和返回37之間連接，以便接收輸入電壓并形成輸出48 上的操作電壓。
在操作中，電流源57形成實質恒定的電流56。低頻振蕩器60 產(chǎn)生電流61，其根據(jù)振蕩器60的頻率在值上變化。振蕩器60通常在 低頻改變電流61的值，例如在200赫茲(200HZ)附近。晶體管59 作為晶體管58和59的電流鏡的輸入晶體管，流過晶體管59的電流 61形成通過晶體管58的電流，晶體管58作為電流鏡的鏡象晶體管。 通過晶體管58的電流的平均值減去電流56的值得到雙向電流46。電 流46的值總計到通過電阻53和55的電阻分壓器的電流，以形成流 過電阻53的電流。選擇晶體管58和59的電流鏡象比例以及電流56 和61的值，使得橫跨電阻53兩端的調(diào)節(jié)電壓的峰-峰(peak-to-peak) 值是其平均值的固定比例。例如，對于大約2伏特(2V)的平均值和 大約正負6%(+-6%)的固定比例，峰-峰值為大約2.12伏和1.88伏。 電流54形成橫跨電阻53兩端的電壓，其隨電流54的值變化而變化。 變化的電壓由放大器52和晶體管51的電壓-電流轉換器接收。放大器 52接收來自電阻53的電壓，并形成輸入42上的電壓，其實質上等于 橫跨電阻53兩端的電壓的值，并隨其變化。輸入42上的電壓使得電 流28流過電阻27。因而，電阻27的值決定電流28的值。電流28也 流過晶體管50。因為晶體管50連接在具有晶體管64和71的電流鏡 配置中，電流28的值被反射，作為各自的電流76和77流過晶體管 64和晶體管71。因為橫跨電阻53兩端的電壓隨電流54的變化而變 化，除了電流76和77，電流28的值也響應于電流54而變化。
假定設置鎖存75,流過晶體管64的電流76為電容65充電，直 到橫跨電容65兩端的電壓的值達到施加到比較器67上的參考電壓的值。電容65的充電形成實質斜波形狀的信號。因為橫跨電容65兩端 的電壓的值達到在輸入41上接收的控制信號的值，比較器78的輸出 變高。正邊沿檢測器81接收比較器78的變高的輸出，并形成正向脈 沖，其設置PWM鎖存79并啟動輸出43上的DR信號的一個周期。 比較器78的輸出保持為高，而電容65繼續(xù)被充電(在一些實施方式 中，可不需要檢測器81)。當橫跨電容65兩端的電壓充電至不小于 來自電阻69的第一參考電壓時，比較器67的輸出變高以復位鎖存75。 復位鎖存75使得g輸出為高，以使晶體管66工作并為電容65放電， 因此迫使比較器78的輸出為低?？梢钥吹?，根據(jù)輸入41上的電壓對 于來自電阻69的第一參考信號的值，用于為電容器65充電的時間間 隔控制時鐘(CK)信號的啟動部分。負邊沿檢測器83接收比較器78 的變低的輸出，并形成正向脈沖。對于輸出電壓和電流情況使得比較 器沒有變高而復位鎖存79的情況，來自邊沿檢測器83的正向脈沖迫 使門84的輸出為高一段足以用于復位鎖存79的時間間隔。響應于在 輸入41上接收的信號，自CK信號的負向邊沿復位鎖存79允許控制 器35限制DR信號的占空因數(shù)并限制發(fā)送到負載17的功率量。鎖存 75的低Q輸出禁用晶體管73并允許電流77開始為電容72充電。電 流77的值用于為電容72充電，直到橫跨電容72兩端的電壓達到大 于來自電阻69的第一參考信號的值。當橫跨電容72兩端的電壓的值 不大于第一參考信號時，比較器68的輸出變高以設置鎖存75。設置 鎖存75迫使Q輸出為高，以使晶體管73工作并為電容72放電。低g 輸出再次禁用晶體管66并再次使電流76為電容65充電。比較器78 的輸出保持為高，直到在電容65上形成的電壓的值再次達到輸入41 上的控制信號的值，這迫使比較器78的輸出再次為高，因而再次設 置鎖存79并啟動DR信號的另一個周期。因此，CK信號的關閉時間 由用于為電容72充電至來自電阻69的第一參考信號的時間間隔加上 為電容65充電至在輸入41上接收的電壓所需要的時間間隔來控制。 用于為電容65和72充電的電流的值由電流28和電阻27的值設置。 因為電流28的值響應于電流54而變化，為電容65和72充電所需要的時間間隔也變化，因而改變了 CK信號的頻率。通常，在輸入41 上接收的控制信號的值小于電阻69上的第一參考電壓。同樣，電容 65通常大于電容72的值，使得CK信號的最大占空因數(shù)大于50。/。。 在優(yōu)選實施方式中，選擇電容65和72的值使得最大占空因數(shù)為近似 80%。
在來自電容65的斜波信號增加時，比較器78變高的點通過在輸 入41上接收的信號的值來選擇。輸入41上的信號的值越高，CK信 號的啟動時間越短，因而CK信號的占空因數(shù)越短。電阻24、 25、 26 形成電阻分壓器，所述電阻分壓器形成節(jié)點29上代表體電壓的電壓。 電阻26和25形成電阻分壓器，所述電阻分壓器產(chǎn)生是調(diào)節(jié)器47的 輸出48 (通過到輸出39的連接)上的電壓的固定比例的電壓，而電 阻24加至代表體電壓的值的電壓中。電阻24和26之間的比例調(diào)節(jié) (scale)節(jié)點29上的電壓對體電壓的值的敏感度。電阻24除以電阻26 得到的比例的值越大，對體電壓的敏感度就越高。輸入41上的信號 的值設置CK信號的占空因數(shù)和DR信號的占空因數(shù)。當整流器11 的端子22上的體電壓的值變化時，在輸入41上形成的電壓的值也變 化，因此，當體電壓變化時，占空因數(shù)變化。當體電壓的值增加時， 占空因數(shù)下降，以確保發(fā)送給負載17的功率量保持實質恒定。如果 當體電壓增加時，占空因數(shù)保持恒定，則發(fā)送給負載17的功率量也 會增加。類似地，當體電壓值的下降時，占空因數(shù)增加，以確保發(fā)送 給負載17的功率量保持實質恒定。如果當體電壓下降時，占空因數(shù) 保持恒定，則發(fā)送給負載17的功率量也會減少?？梢钥吹剑鶕?jù)輸 入41上的電壓對于來自電阻69的第一參考信號，用于為電容器65 充電的時間間隔控制CK信號的啟動部分，而CK信號的關閉時間由 用于為電容65充電至在輸入41上接收的電壓以及為電容72充電至 來自電阻69的第一參考信號時間間隔給出。
為了實現(xiàn)控制器35的此功能，輸入42連接成接收第一控制信號， 并通常連接到晶體管51的源極和放大器52的反向輸入。放大器52 的輸出連接至晶體管51的柵極。晶體管51的漏極連接至晶體管50的柵極和漏極、晶體管64的柵極、和晶體管71的柵極。晶體管50 的源極通常連接至調(diào)節(jié)器47的輸出48、電流源57的第一端子、晶體 管64的源極、和晶體管71的源極。晶體管64的漏極通常連接至電 容65的第一端子、晶體管66的漏極、比較器67的非反向輸入、和 比較器78的非反向輸入。電容65的第二端子通常連接至晶體管66 的源極和返回37。晶體管71的漏極通常連接至電容72的第一端子、 晶體管73的漏極、和比較器68的反向輸入。電容72的第二端子通 常連接至晶體管73的源極和返回37。比較器67的反向輸入通常連接 至比較器68的反向輸入、電阻74的第一端子、和電阻69的第一端 子。電阻74的第二端子連接至調(diào)節(jié)器47的輸出48,而電阻69的第 二端子連接至返回37。比較器68的輸出連接至鎖存75的置位輸入。 比較器67的輸出連接至鎖存75的復位輸入。鎖存75的Q輸出連接 至晶體管73的柵極。鎖存75的g輸出連接至晶體管66的柵極。振蕩 器60的輸出通常連接至晶體管59的漏極和柵極、以及晶體管58的 柵極。晶體管59的源極連接至返回37和晶體管58的源極。晶體管 58的漏極通常連接至電流源57的第二端子、放大器52的非反向輸入、 電阻55的第一端子、電阻53的第一端子。晶體管55的第二端子連 接到調(diào)節(jié)器47的輸出48。電阻53的第二端子連接到返回37。比較 器78的反向輸入連接成接收來自輸入41的第二控制信號。比較器78 的輸出通常連接到每個邊沿檢測器81和83的輸入。邊沿檢測器81 的輸出連接到鎖存79的置位輸入。鎖存79的Q輸出連接到緩沖器 82的輸入，緩沖器82的輸出連接到輸出43。輸入44連接到比較器 80的非反向輸入，比較器80的反向輸入連接到輸入40。比較器80 的輸出連接到門84的第一輸入。門84的第二輸入連接到邊沿檢測器 83的輸出。門84的輸出連接到鎖存79的復位輸入。
圖2簡要示出了半導體器件或集成電路85的實施方式的一部分 的放大的平面視圖，其在半導體管芯(die)86上形成?？刂破?5在管 芯86上形成。管芯86也可包括其它電路，為畫圖簡單而未在圖2中 顯示。通過本領域技術人員周知的半導體制造技術，在管芯86上形成控制器35和器件或集成電路85。
鑒于上述內(nèi)容，顯然公開了一種新穎的器件和方法。包括其他特 征中的是形成PWM控制器，從而形成具有操作頻率的驅動信號，操 作頻率圍繞著中心通過中心頻率的百分比變化。形成第一電流源以設 置中心頻率并隨后形成變更固定電流源的百分比的第二電流有利于 形成操作頻率的百分比變化。
盡管用具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明的主題進行了描述，但是顯 然對于半導體技術領域的技術人員而言很多替換和變更是明顯的。為 說明的清楚，解釋了控制器35的優(yōu)選實施方式的操作，然而，其它 實施方式提供了類似的操作。另外，可使用PWM鎖存79的其它實 施方式。例如，可使用具有兩個復位輸入的鎖存代替鎖存79和門84。 例如，振蕩器62可具有不同的電壓-電流轉換器。另外，為了清楚地 描述，始終使用詞語"連接(connect)"，但是，其意味著與詞語"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。
權利要求
1.一種PWM控制器，其包括第一輸入，其配置成形成第一信號；第二輸入，其配置成接收第二信號，所述第二信號響應于體電壓的最大峰值而變化；振蕩器電路，其具有第一部分并具有第二部分，所述第一部分形成時鐘信號的啟動，所述時鐘信號由所述振蕩器電路形成，所述第二部分形成所述時鐘信號的關閉；第一控制電路，其配置成控制所述第一部分和所述第二部分，以形成所述時鐘信號的操作頻率，所述第一控制電路配置成響應于在所述第一輸入上形成的所述第一信號而設置所述操作頻率的中心頻率，并配置成圍繞所述中心頻率改變所述操作頻率的最大和最小量，所述最大和最小量是所述中心頻率的第一百分比；和第二控制電路，其配置成響應于來自所述第二輸入的所述第二信號而改變所述時鐘信號的最大占空因數(shù)。
2. 如權利要求l所述的PWM控制器，其中，所述第一控制電 路配置成形成通過所述第 一輸入的第 一電流，并使用所述第 一電流來 改變所述啟動和所述關閉。
3. 如權利要求2所述的PWM控制器，其中，所述第一控制電 路包括電流源，所述電流源形成具有第一值的第一控制電流，所述第 一值近似為所述第一控制電流的所述第一值的所述第一百分比的正 二分之一。
4. 如權利要求3所述的PWM控制器，其中，所述第一控制電 路包括控制振蕩器，所述控制振蕩器形成具有第二值的第二控制電 流，所述第二值近似為所述第一控制電流的所述第一值的所述第一百 分比的負二分之一。
5. 如權利要求4所述的PWM控制器，其進一步包括第一電流 鏡，所述第一電流鏡具有輸入部分、鏡象部分，所述輸入部分接收所述第二控制電流，所述鏡象部分接收所述第一控制電流，其中所述電 流鏡將所述第一控制電流和所述第二控制電流相加，以形成相加的電流o
6. 如權利要求5所述的PWM控制器，其進一步包括電壓-電流 轉換器，所述電壓-電流轉換器接收代表所述相加的電流的電壓，并形 成通過所述第一輸入的代表所述相加的電流的輸入電流，所述PWM 控制器還包括具有輸入部分的第二電流鏡，所述輸入部分耦合至所述 第 一輸入，以接收所述相加的電流并用于代表所述相加的電流的充電 電流。
7. —種形成PWM控制器的振蕩器的方法，包括 配置振蕩器電路以形成具有操作頻率的時鐘信號，并響應于所述振蕩器電路的第一輸入上的第一信號而形成所述操作頻率的中心頻率；配置所述振蕩器電路以圍繞所述中心頻率改變所述操作頻率所述中心頻率的第一百分比；和配置所述振蕩器電路以響應于在所述振蕩器電路的第二輸入上 接收的第二信號而改變所述操作頻率的占空因數(shù)。
8. 如權利要求7所述的方法，其中配置振蕩器電路以形成具有 操作頻率的時鐘信號的所述步驟包括耦合電流源以形成具有第一值 的笫一控制電流，并形成具有第二值的第二控制電流，加上所述第二 值以使所述第一值改變所述第一百分比。
9. 如權利要求8所述的方法，其中配置振蕩器電路以形成具有 操作頻率的時鐘信號的所述步驟包括配置所述振蕩器電路以使用所 述第 一控制電流和所述第二控制電流控制第 一 電容器的充電間隔，從 而設置所述時鐘信號的啟動，并使用所述第 一控制電流和所述第二控 制電流控制第二電容器的充電間隔，從而設置所述時鐘信號的關閉。
10. 如權利要求9所述的方法，進一步包括耦合第一比較器以比 較所述第一電容器上的電壓和參考值，并響應性地控制所述啟動。
全文摘要
在一個實施方式中，PWM控制器配置成形成具有操作頻率的驅動信號，所述操作頻率圍繞中心通過中心頻率的百分比而變化。
文檔編號H02M3/28GK101309046SQ20081008618
公開日2008年11月19日 申請日期2008年3月18日 優(yōu)先權日2007年5月16日
發(fā)明者P·拉塔爾, R·姆庫塞克 申請人:半導體元件工業(yè)有限責任公司