专利名称：电流调节器及其方法
技术领域：
本发明通常涉及电子学，尤其是，形成半导体设备和结构的方法。
背景技术：
过去，半导体工业利用各种方法和结构制造为电源系统调节电流的电源控制器。这些通常被称作电流调节器。为了将电流调节到期望值，电流调节器一般切换功率晶体管以控制电流流过电感。为了测量或确定流过电感的电流值，系统通常利用电流调节器外部的设备，例如变压器的电流感应线圈或者与功率晶体管或电感串联的电阻。电流调节器使用该测量值来控制电流。用于感应电流的元件，例如电流感应变压器和电流感应电阻，增加了系统的成本。另外，电流感应电路会增加额外的功耗。
因此，希望有一种电流调节器确定电流的方法，其使用较少的位于控制器外部的元件并且具有较低的成本。
图1用示意示了包括根据本发明的电流调节器实施例的部分控制系统的实施例；图2是具有图示根据本发明的图1的电流调节器的一些信号的曲线图表；图3用示意示了根据本发明的作为图1的电流调节器的替换实施例的另一个电流调节器的实施例；以及图4用示意示了根据本发明的包括图1的电流调节器的半导体设备的放大平面图。
具体实施例方式
为了描述简明和清楚，图中的所有元件不必是按比例的，并且不同的图中相同的附图标记表示相同的元件。另外，为了描述简明，省略对公知步骤和元件的描述和详细介绍。这里，载流电极是指携带电流流过设备的设备的元件，例如MOS晶体管的源极或漏极或者场效应晶体管的发射极或集电极或者二极管的阴极或阳极，控制电极是指控制电流流过设备的设备的元件，例如MOS晶体管的栅极或者场效应晶体管的基极。尽管这里解释的设备是某个N沟道或P沟道设备，但是本领域普通技术人员会理解根据本发明其它的设备也是可以的。本领域的技术人员会理解这里使用的“在......期间(during)、同时(while)、当......的时候(when)”等词不是表示在发起动作的同时立即发生动作的精确术语，而是表示在由发起动作引起的反应之间存在一些少量的但是合理的延时。
图1用示意示了控制系统10的一部分的示意性实施例，所述控制系统包括切换电流调节器25的示意性的形式。系统10一般从功率输入端子11和功率返回端子12之间的电压源接收功率，所述电压源例如整流AC电压或DC电压，并且形成流过电感16的已调节输出电流21。电感16推动形成的电流21。为了减少来自端子11的输入电压上的波纹以及为由切换电感16产生的AC电流提供路径，可以在端子11和12之间连接滤波电容器17。通常使用箝位二极管(catch diode)18来协助电感16放电。可以连接发光二极管(LED)23等负载来被电流21激励。尽管将所述负载图示为LED 23，但是本领域的技术人员会理解可以使用多个LED作为负载或者其它需要稳定电流的元件可以形成所述负载，例如白炽灯泡。
将调节器25配置成将电流21的峰值和最小值或波谷值控制到基本上是恒定值，形成滞后或波纹调节器。维持基本上恒定的电流峰值或波谷值导致具有两个恒定值的平均电流，这是驱动具有基本上恒定负载电流的负载所需要的，例如LED。调节器25接收电压输入26和电压返回27之间的功率。通常将输入26连接到端子11，将返回27连接到端子12。在使能输入34上接收使能信号，所述使能信号激活调节器25的操作。调节器25通常包括SENSEFET类型的功率晶体管32、PWM锁存器29、由与门30表示的PWM控制逻辑、驱动器31、第一电流比较器或峰值电流比较器37、第二电流比较器或波谷电流比较器38、参考电压生成器或参考60、截止时间(off-time)参考电路41、截止时间控制电路48、电阻54和55以及截止时间比较器52。调节器25还可以包括用于提供操作调节器25的其它元件的内部操作电压的内部调节器58，所述其它元件例如是门30、驱动器31和锁存器29。调节器25还可以包括其它公知的功能，例如图1中未示出的热关闭电路或欠电压切断电路。参考60形成参考信号，例如第一参考信号Vref1和第二参考信号Vref2，其被调节器25的其它部分使用。调节器25的PWM部分包括锁存器29、门30和驱动器31。驱动器31用于接收门30的输出并给控制晶体管32提供足够的驱动。尽管用晶体管32来表示调节器25的一部分，但是在一些实施例中，可以将SENSEFET类型的功率晶体管32放置在调节器25的外部。
SENSEFET类型的晶体管通常被形成以包括主晶体管部分和感应部分。SENSEFET类型的晶体管通常还包括图1中未示出的寄生体二极管。一般来说，SENSEFET类型的晶体管由许多互连的晶体管单元形成，以便形成能够有大负载电流低导通电阻的较大的晶体管。一些单元具有与剩余单元的源极分离的自己的源极，并形成单独的外部端子或感应端子，例如晶体管32的感应端子39。剩余的源极被连接在一起以形成一个源极，例如晶体管32的源极40。所有单元的漏极和栅极一般形成各自的漏极和栅极。SENSEFET是摩托罗拉公司(Schaumburg，Illinois)的商标。在1985年11月12日公布的RobertWrathall的专利号为4553084的美国专利申请中公开了SENSEFET类型的晶体管的一个例子，在这里引入其内容作为参考。
当负载电流19流过晶体管32时，电流19的第一部分流过源极40并产生感应电流43流过感应端子39。感应电流43用于在感应输入36上形成感应信号，其是电流19的代表。由于晶体管32是SENSEFET类型的晶体管，感应电流43可被用于确定电流19的值并用于确定什么时候禁用晶体管32。但是当禁用晶体管32时，电流43就不流动，因此晶体管32不提供能用于确定什么时候将电感16放电到期望值或什么时候重新激活晶体管32的信号。但是，调节器25配置成在节点56上形成截止时间参考信号，以及在节点57上形成截止时间控制信号，以便估计用于晶体管32的合适的截止时间。调节器25使用电流19的波谷值来协助形成截止时间参考信号。截止时间参考电路41的示意性的实施例包括与门42、放电晶体管44、放电电阻45和储能电容器46。截止时间控制电路48的示意性实施例包括放电晶体管49和储能电容器50。电阻54和55用作电流源，其用于对各个电容器50和46充电。一般将电阻54和电容器50的时间常数选择成在比电阻55和电容器46的时间常数快20到500(20-500)倍，以便与节点57傻瓜内的截止时间控制信号相比，节点56上的截止时间参考信号基本上是DC值。
图2是具有图示在电流调节器25的操作期间在调节器25内的各个点上的信号的曲线的图表。横坐标表示时间，纵坐标表示每个曲线的信号值。曲线65说明了通过电感16的电流21。曲线66说明了流过晶体管32的电流19。曲线67说明了电容器46上储存的电压，曲线68说明了电容器50上储存的电压。该描述参照了图1和图2。
当在输34上断言使能信号时，激活调节器25操作和控制电流19、20、21的值，由此控制输出电压的值。尽管使能信号被举例说明成当其为高时被断言，但是本领域的技术人员会理解可以形成控制器25，以便当使能信号低时对其进行断言。设置锁存器29使得Q输出变高，这强迫门30的和驱动器31的输出变高以激活晶体管32。本领域的技术人员会理解来自Q输出的高值可以开始激活晶体管32的过程，但是那是由于电容性负载，完全激活晶体管32可能需要一些额外的时间。激活晶体管32使得电流19流过电感16，如时间T0处的曲线65和66所示。电流19也流过调节器25的输出33以及晶体管32。电流19的第一部分流过源极40，第二部分象电流43一样流过感应端子39、调节器25的输入36和电阻24以在输入36上形成电流感应(CS)信号。电流感应(CS)信号是电流值19的代表。在晶体管32开始被激活的时候，电感16一般没有完全放电，并且电流19的值一般不是从0开始，而是从大于0的某个值开始，如时间T0时曲线66的值I1所示。电流19的这个值被称作波谷值或波谷电流，电流19的最大值被称作峰值或峰值电流。调节器25控制峰值和波谷值以形成基本上恒定的稳定电流19的平均值。如时间T0时曲线68所示，来自锁存器29的高值还使得晶体管49对电容器50放电，并复位截止时间控制电路48。
如下面将看到的，截止时间参考电路41在节点56上形成截止时间参考信号，作为调节器25当前周期的电流19的实际波谷值与电流19的期望波谷值之间的差值的代表。电流19的期望波谷值由输入36上的感应信号值表示，其大约等于Vref2的值。在操作中，电路41通过电阻55慢慢地且连续地给电容46充电，并调整响应于电流19的波谷值的截止时间参考信号的值。每次锁存器29的Q输出变高从而开始调节器25的周期时，高的Q输出开始激活晶体管32。来自Q输出的高值也被门42的一个输入接收。如在上文中解释的，当激活晶体管32时，电流19的波谷值小于峰值，但是一般不等于0。如果电流19的波谷值足够得低，使得CS信号低于Vref2的值，比较器38的输出就变高。由于锁存器29的Q输出还是很高，从比较器38的高输出强迫门42的输出变高，由此激活晶体管44。晶体管44开始让电容器46放电，由此调整电容器46上的电压值并减小节点56上的截止时间参考信号的值，如时间T0时曲线67所示。随着电流19的值增加，电流43增加，使得CS信号也增加。一旦电流19和43增加到足够让CS信号不低于Vref2，比较器38的输出就变低，由此强迫门42的输出变低并禁用晶体管44。因此，已经将截止时间参考信号值调整成波谷电流的实际值和由Vref2的值和CS信号表示的期望值之间的差值的代表。禁用晶体管44使得电阻55再次慢慢地给电容器46充电。电阻45一般比电阻55小得多，因此，激活晶体管44可快速地调整电容器46上的电压值，甚至对于CS信号和Vref2之间的较小的差值也是这样。电阻45一般大约比电阻55小10到100(10-100)倍，而且优选地小大约25倍。如果当激活晶体管32时电流19的波谷值足够得高，使得CS信号比Vref2的值大，则比较器38的输出就变低，电路41就不激活晶体管44，因此，允许截止时间参考信号的值继续增加，由此来调整电容器46上的电压值，以便控制器25提供更多的电流。
随着电流19的值继续向峰值增加，比较器37用于禁用晶体管32，并且开始调节器25的周期中的放电部分。随着电流19的值继续增加，CS信号增加到不低于Vref1的一个值，这强迫比较器37的输出变高，由此复位锁存器29并强迫Q输出变低，以便开始禁用晶体管32。因此，Vref1的值控制电流19的峰值。锁存器29的低值也禁用晶体管49，由此让电容器50开始通过电阻54充电，如时间T1时曲线68所示。当电容器50充电到大约不低于电容器46中储存的值的一个值时，比较器52的输出就被强迫变低，由此设置锁存器29再次开始激活晶体管32并停止晶体管32的截止时间。因此，截止时间参考信号的值用作电路48用来控制晶体管32的截止时间的参考信号或参考值。随着锁存器29的Q输出变高，对调节器25的每个周期都继续该操作，以开始激活晶体管32以及开始调节器25的另一个周期。如从前面的描述中可见，如果电流19的波谷值低于期望值，如CS信号的值和Vref2的值所表示的，电路41就调整截止时间参考信号的值。截止时间参考信号的值越低，电容器50就越快充电到截止时间参考信号，因此，晶体管32的截止时间就越短。缩短截止时间使得晶体管32工作更少的时间，由此增加电流19的波谷值。因此，电流19的波谷值协助形成截止时间参考值，而截止时间参考值协助设置晶体管32的截止时间。要注意的是，为了保证峰值大于波谷值，Vref1的值应该选择成大于Vref2。一般选择电阻24的值以便将波谷值和峰值设置到达到期望的电流19的平均值。
在优选实施例中，将Vref1的值选为大约100毫伏，将Vref2的值选为大约50毫伏。因此，波谷值大约是峰值的50％。在其它实施例中，可以给Vref1和Vref2使用其它的值来改变峰值和波谷值之间的比例关系。
为了促进调节器25的该操作，将门30的第一输入连接到输入34。通常将门30的第二输入共用地连接到锁存器29的Q输出、门42的第一输入以及晶体管49的栅极。将门30的输出连接到驱动器31的一个输入，驱动器31具有连接到晶体管32的栅极的输出。将晶体管32的漏极连接到输出33。将晶体管32的源极40连接到返回端27，并且将感应端子39共用地连接到比较器38的反相输入、比较器37的非反相输入和输入36。将比较器37的反相输入连接到参考60的Vref1输出，将比较器37的输出连接到锁存器29的复位输入。将比较器38的非反相输入连接到参考60的Vref2输出，将比较器38的输出连接到门42的第二输入。将门42的输出连接到晶体管44的栅极，晶体管44的源极被连接到返回端27。将晶体管44的漏极连接到电阻45的第一端。将电阻45的第二端共用地连接到电容器46的第一端，比较器52的反相输入以及电阻55的第一端。将电容器46的第二端连接到返回端27。将电阻55的第二端共用地连接到调节器58的输出和电阻54的第一端。将电阻54的第二端共用地连接到比较器52的非反相输入，电容器50的第一端以及晶体管49的漏极。将比较器52的输出连接到锁存器29的设置输入。将电容器50的第二端连接到返回端27和晶体管49的源极。
图3用示意示了作为系统10的替换实施例的电源系统90的一部分的示意性实施例。系统90包括切换电流调节器91的示意性形式，所述电流调节器91是图1的描述中解释的调节器25的替换实施例。调节器91包括截止时间参考电路93，其是图1的描述中解释的电路41的替换实施例。
电路93包括阻塞晶体管94。响应于锁存器29的Q输出变高而激活晶体管94，以开始激活晶体管32。激活晶体管94让电容器46响应于激活的晶体管32而充电。响应于锁存器29的Q输出变低而禁用晶体管94，以开始禁用晶体管32。禁用晶体管94保证截止时间参考信号在禁用晶体管32时基本上不改变值。将电路93配置成只响应于开始激活晶体管32而充电截止时间参考信号，使得电路93必须从电容器46放电的量最小化，以调整截止时间参考信号，并且导致调节器91更精确地调节电流19的值。可以相信，电路91将截止时间参考信号的值保持在需要用来将电流19的波谷电流值保持期望的波谷电流值的值的大约3％到5％之内。
图4用示意示了半导体设备95的实施例的一部分的放大平面图，所述半导体设备形成在半导体管芯96上。调节器25形成在管芯96上。管芯96可包括为了附图的简明而未图4中示出的其它电路。调节器25和设备95都通过本领域技术人员熟知的半导体制造技术形成在管芯96上。
考虑到上面所有的内容，很明显公开了一种新的设备和方法。除了其它特征，包含使用电流19的值来协助形成晶体管32的截止时间。使用电流19的值来确定截止时间简化了使用SENSEFET类型的功率晶体管，由此提高了调节器25的效率。使用电流19的值来确定截止时间消除了对外部电流感应元件的需要，由此减少了系统成本并减少了功耗。
尽管本发明的主题是用特定的优选实施例来描述的，但是很明显，对于半导体技术领域的技术人员来说，许多替换方式和变换都是很明显的。尽管将系统10和90作为反相补偿(buck)电源系统进行描述，但是电路41、48、93也适用于其它类型的电源系统，包括升压配置系统、非反相补偿系统、不具有PWM锁存器的系统、前沿PWM系统和后沿PWM系统。本领域的技术人员会明白，电路41可具有其它实施例，只要它响应于电流19的波谷值形成截止时间参考信号，电路48可具有其它实施例，只要它形成表示功率开关的截止时间的截止时间控制信号。具体来说，本发明的主题已经针对特殊的N沟道晶体管进行了说明，尽管所述方法直接适用于包括P沟道晶体管、BiCMOS、金属半导体FET(MESFET)、HFET以及其它晶体管结构的晶体管。另外，全文使用“连接(connected)”一词是为了说明的清楚，但是，其应具有与“耦合(coupled)”一词相同的意思。因此，“连接”应被解释成包括直接连接和间接连接。
权利要求
1.一种电流调节器，包括PWM部分，其被配置成激活SENSEFET类型的功率晶体管以形成通过功率晶体管电流；第一电路，其被配置成形成表示通过功率晶体管的电流的第一值的第一信号；以及第二电路，其被配置成使用第一信号来形成功率晶体管的截止时间。
2.如权利要求1所述的电流调节器，其中将第二电路配置成比较第一信号和第二信号以控制功率晶体管的截止时间。
3.如权利要求1所述的电流调节器，其中第一电路被配置成在功率晶体管的截止时间内形成第一信号的第一值以及在功率晶体管的接通时间内使用表示流过功率晶体管的电流的感应信号，来响应于电流值将第一个值调整到第二个值。
4.如权利要求1所述的电流调节器，其中第二电路被配置成使用第一信号作为参考信号以控制功率晶体管的激活。
5.如权利要求1所述的电流调节器，其中第一电路被配置成响应于开始激活功率晶体管以及流过功率晶体管的电流值，使用表示流过功率晶体管的电流的感应信号的值来调整电容器上的储存的电压。
6.一种形成电流调节器的方法，包括配置电流调节器以控制功率开关的接通时间以形成具有第一值的输出电流；以及配置电流调节器以形成代表输出电流和输出电流的参考值之间的差值的第一参考信号，并使用第一参考信号来形成功率开关的截止时间。
7.如权利要求6所述的方法，其中配置电流调节器以形成第一参考信号的步骤包括配置电流调节器的第一电路以形成第一参考信号，配置第二电路以形成代表功率开关的截止时间的第二信号，以及配置电流调节器以便将第二信号和第一参考信号进行比较，以便控制截止时间。
8.如权利要求6所述的方法，其中配置电流调节器以形成第一参考信号的步骤包括配置电流调节器以便响应调整输出电流的值电容器上储存的电压。
9.如权利要求8所述的方法，还包括配置电流调节器以便响应于开始激活功率开关和输出电流的值来在电容器上储存电压。
10.一种操作电流调节器的方法，包括使用SENSEFET晶体管的感应输出来形成表示在SENSEFET晶体管的接通时间内流过SENSEFET晶体管的电流的第一信号；以及使用第一信号来确定SENSEFET晶体管的截止时间。
全文摘要
本发明涉及电流调节器及其方法。在一个实施例中，将电流调节器配置成形成代表流过功率开关的电流的第一信号，并使用第一信号来确定功率开关的截止时间。
文档编号G05F1/613GK1904789SQ200610106208
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月4日 优先权日2005年7月28日
发明者阿兰·R·鲍尔, 大卫·M.·海明格尔 申请人:半导体元件工业有限责任公司