专利名称：形成电源控制的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电子学，以及更具体地说，涉及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来形成脉宽调制(PWM)电源控制器。PWM控制器的一个重要特征是效率。许多PWM电源控制器基于负载所需的电流量来改变操作模式。在一些控制器中，当负载所需的电流大时，使用连续导电模式，以及当负载所需的电流低时，使用突发模式。然而，突发模式通常导致输出电压中大的波纹电压。尽管在突发模式下操作，操作频率通常导致PWM控制器产生可听噪音。另外，PWM控制器需要复杂的逻辑在两个操作模式之间切换PWM控制器。
因此，期望具有在轻负载条件期间具有高效率的PWM控制器，降低轻负载条件下的波纹电压，能降低可听噪音，以及降低控制逻辑的量。
图1示意性地示例说明根据本发明的电源控制系统的一部分的实施例。
图2示意性地示例说明根据本发明的图1的电源控制系统的一部分的实施例。
图3是根据本发明包括图1的电源控制系统的一部分的半导体设备的一部分的实施例的平面图。
具体实施例方式
为简化和清楚示例说明，这些图中的元件不一定按比例，以及在不同图中的相同标记表示相同元件。另外，为简化说明书，省略非常公知的步骤和元件的描述和细节。如在此所使用的，载流电极是指承载电流通过该设备的设备的元件，诸如MOS晶体管的源极或漏极，或双极晶体管的发射极或集电极或二极管的阴极或阳极，以及控制电极是指控制电流通过该设备的设备的元件，诸如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。尽管在此将设备说明为某些N-沟道或P-沟道设备，但本领域的技术人员将意识到根据本发明，互补设备也是可能的。
图1示意性地示例说明包括电源控制器25的电源控制系统10的一部分的实施例。电源控制器25帮助在轻负载条件期间，为系统10提供高效率。系统10接收电源输入11和电源回路(power return)12之间的电源，诸如DC电压或整流后的AC电压，以及在输出电压端13和回路12之间响应地生成稳定的输出电压。系统10通常包括蓄能电感器14、蓄能电容器16、反馈网络17、连接到电源向电感器14充电的电源开关或晶体管22，以及耦合为电感器14提供放电电流的电源开关或晶体管23。在优选实施例中，反馈网络17包括由串联连接在端子13和回路12之间的电阻器18和19形成的分压器。在电阻器18和19之间的连接处形成反馈结点20，并生成表示端子13和回路12之间的输出电压的值的反馈电压。网络17和晶体管22和23通常在控制器25外，然而，在一些实施例中，晶体管22和23或网络17可以在控制器25内。
电源控制器25包括PWM控制器32、过零检测器43、过零锁存器44、脉冲发生器45、瞬变比较器30、振荡电路或振荡器50、误差信号放大器28、标准发生器或基准26，以及内部调压器27。控制器25接收电压输入80和电压回路81之间的电源。输入80通常连接到输入11以及回路81通常连接到回路12。调节器27从输入80接收电压并形成内部电压，用于操作如由从调节器27的输出31至振荡器50的连接所示的控制器25内的元件。形成基准26以便生成用于操作控制器25的各种元件的基准电压，包括连接到误差放大器28的第一基准电压、连接到振荡器50的磁滞比较器56的第二基准电压，以及连接到瞬变比较器30的第三基准电压。
形成PWM控制器32以便在控制器32的输出37上生成第一PWM驱动信号，以及在控制器32的第二输出38上生成第二PWM驱动信号。控制器32通常包括PWM比较器33、PWM锁存器34以及用在控制输出37和38上的PWM驱动信号的定时的PWM控制逻辑36。形成晶体管驱动器40和倒相晶体管驱动器39，以便提供能提供足够的电流以便驱动各个晶体管22和23的驱动能力。驱动器39和40从各个输出37和38接收各自的第一和第二PWM驱动信号，以及通过到控制器25的各个输出82和83的连接，通过PWM驱动信号，响应地驱动各个晶体管22和23。这种PWM控制器和晶体管驱动器对本领域的技术人员来说是非常公知的。
形成振荡器50以便在被用作用于PWM控制器32的定时基准的输出62上提供可变频率时钟信号(CLK)。还形成振荡器50以提供被PWM控制器32用作基准电压的可变频率斜坡信号(Ramp)。振荡器50包括可变频率振荡器(VFO)51，形成用于生成可变频率斜坡(Ramp)信号和用来形成可变频率时钟(CLK)信号的可变频率振荡信号。振荡器50还包括将VFO51与控制器32分开并还缓冲Ramp信号以便为控制器32提供足够驱动的缓冲器59。振荡器50的脉冲整形器61接收由VFO51生成的可变频率振荡信号，使可变频率振荡信号的边缘尖锐，以及调整占空比以便形成CLK信号。在一个实施例中，整形器61将占空比调整到约50-50。最好，整形器61不改变频率使得CLK信号具有与可变频率振荡信号相同的可变频率。在一些实施例中，可以省略整形器61和缓冲器59中的一个或两个。VFO51包括磁滞比较器56、可变电流源52、定时电容器53、放电电流源58和放电开关或晶体管57。由可变电流源52生成的电流的值受控于施加到源52的电流控制输入的频率控制信号的值。振荡器50还包括在频率控制输出74上生成频率控制信号的频率控制电路65。如在下文中将看到的，增加频率控制信号的值增加了Ramp信号的频率以及VFO51的可变频率振荡信号的频率，由此增加了CLK信号的频率和PWM控制器32的相应操作频率。VFO51、Ramp信号和CLK信号的频率如下所示F51＝(K*V74)+Fmin其中，F51-VFO51的振荡频率，K-VFO51的换算操作符，V74-输出74上的可变频率控制信号的值，以及Fmin-VFO51的最小频率。
典型地，将Fmin选择成大于可听频率范围的频率。对图1所示的VFO51的示例性实施例，可通过将源52配置成具有导致所需频率的最小电流来设置最小频率。电路65包括频率增加电流源66、频率增加开关或晶体管67、频率减少电流源71、频率减少开关72、频率电容器68、瞬变开关或晶体管70，以及连接到输出74的频率控制结点69。
对于一般负载条件，系统10在连续导电模式(CCM)下操作。对于轻负载条件，连接在端子13和回路12(未示出)之间的负载所需的电流降低。控制器25响应地减小用于晶体管22的驱动脉冲的宽度。在一些情况下，负载电流充分地降低，使得通过电感器14的放电电流78达到基本上为零的值。这种操作通常被称为断续导电模式(DCM)。断续导电模式(DCM)通常被识别为其中通过电感器14的放电电流78达到基本上为零的值的CLK信号的周期。约在通过电感器14的电流78达到基本上零值后，开始特定CLK周期的DCM操作。基于对那个特定周期变为基本上为零的电流78，能对于CLK信号的一个周期或多个周期发生DCM操作。如在下文进一步所看到的，通过检测器43检测电流78的过零。放电电流78是通过电感器14的电流。通过晶体管23的电流可以不同于刚才的电流78。因此，形成控制器25与CCM或DCM操作兼容，以及在CCM和DCM操作期间，用相同的方式启动晶体管22和23。
在CLK周期的第一部分期间的控制器25的操作与用于CCM或DCM操作相同。CLK周期的第一部分是控制器32的输出37上的PWM驱动信号被置为有效(assert)的时间。在CLK周期的第一部分期间，振荡器50生成设置锁存器34和便于控制器32将输出82上的PWM驱动信号置为有效以便使能晶体管22的可变频率时钟信号(CLK)。使能晶体管22向电感器14、电容器16和连接在端子13和回路12之间的任何负载(未示出)提供充电电流77。充电电流77是通过电感器14的电流。将CLK信号置为有效还复位锁存器44和防止电路65减少电路65的输出74上的频率控制信号的值，同时将控制器32的输出37上的PWM驱动信号置为有效。在图1所示的示例性实施例中，边缘检测电路或边缘检测器76检测CLK信号被置为有效并生成复位锁存器44的脉冲。将输出37上的PWM驱动信号置为有效还使能晶体管67以将来自电流源66的电流传送到电容器68从而充电电容器68，和增加施加到电流源52的频率控制信号的值。增加频率控制信号增加了由电源52提供的电流量。增加由电流52提供的电流增加了提供给充电电容器53的电流，从而更快地充电电容器53以及增加振荡器50的操作频率。当电容器53上的电压值增加超过施加到比较器56的第二基准电压值时，比较器56的输出变高，从而启动晶体管57开始通过电流源58放电电容器53。典型地，由源58提供的放电电流的值大于由源52提供的电流的值。当源58将电容器53放电到约等于或小于第二基准电压值的值时，比较器56的输出变低，从而禁止晶体管57，允许源52再次充电电容器53。比较器56通常具有磁滞输入以便防止错误触发比较器56。如能看到的，VFO51充当张弛振荡器。VFO51和图1所示的频率控制电路65的示例性实施例是VFO51和电路65的示例性实现，但其他实现也是可能的。
误差信号放大器28通过控制器25的反馈输入84和结点20之间的连接，接收反馈信号。在一些实施例中，放大器28可以包括频率补偿网络29。放大器28生成由比较器33接收的误差信号。比较器33还从振荡器50接收Ramp信号。当斜坡信号的值约等于或大于误差信号的值时，比较器33复位锁存器34。由逻辑36接收锁存器34的复位，该逻辑36响应地使输出82上的PWM驱动信号无效并禁止晶体管22。使控制器32的输出37上的PWM驱动信号无效还禁止晶体管67，和将电流源66与电容器68分离，从而终止电容器68的充电。逻辑36还在输出83上响应地生成PWM驱动信号以便启动晶体管23来导引电流78通过晶体管23。如本领域所公知的，当不启动晶体管23时，晶体管23具有可以传送一些电流的体二极管，从而启动晶体管23导引电流通过晶体管23以便被晶体管23控制。
如果连接在端子13和回路12之间的负载(未示出)所需的电流仍然足够大以防止电流78变为基本上为零，CLK周期的第二部分继续CCM操作。在CLK周期的第二部分的CCM操作中，控制器32在CLK周期的第二部分和控制器32的相应周期，使晶体管23保持启动直到振荡器50生成CLK信号的另一周期以及另一相应的PWM驱动信号周期。除非电流78达到基本上为零，如前所述，操作继续CCM操作。
只要CCM操作继续，通过输出37上的每个PWM驱动信号来增加频率控制信号的值，直到振荡器50达到振荡器50的最大频率为止。典型地，在连续导电模式下，将最大频率选择成所需操作频率。在CCM操作期间达到最大频率之后，振荡器50的操作频率维持基本上恒定。因此，在CCM操作期间，频率逐步增加直到达到最大频率。对图1所示的示例性实施例，用下述表示振荡器50的最大频率(Fmax)Fmax＝(V31*K)+Fmin其中，V31-是调节器27的输出31上的电压值，以及K-是VFO51的换算操作符。
如果负载所需的电流足够降低，DCM操作将开始。通过CLK周期的第一部分期间的相同操作，与CCM操作类似地开始用于DCM操作的CLK周期。振荡器50将CLK信号置为有效以启动CLK周期和相应的PWM驱动信号周期。控制器32响应地将输出37上的PWM驱动信号置为有效，复位锁存器44并启动晶体管22以形成电流77。随后，比较器33复位锁存器34以终止控制器32的输出37上的PWM驱动信号，以及在输出38上生成PWM驱动信号以便启动晶体管23。
使控制器32的输出37上的PWM驱动信号无效还禁止晶体管67以及使电流源66与电容器68分开，从而终止充电电容器68。在将输出37置为有效的CLK周期的第一部分期间，在电容器68上存储的电荷量用下述表示Qup＝Ton*I66其中，Qup-在电容器68上存储的电荷，Ton-将输出37置为有效的时间，以及I66-源66的电流。
在DCM操作期间，时间Ton与充电电流77的平方根成正比，因此，增加到电容器68的电荷和振荡器50的频率增加表示通过电感器14的电流。结果，振荡器50的频率将随电流77逐步改变。在使输出37上的PWM驱动信号无效之后，在电容器68上存储的电压值和相应的频率控制信号基本上保持恒定，因为源50具有高输入阻抗。因此，在禁止晶体管67之后，VFO51的操作频率基本保持恒定。如本领域的技术人员所公知的，由于漏电流频率可存在一些变化，然而，变化通常很小以及值基本上保持恒定。通常本领域的技术人员将达百分之十(10％)的变化视为基本上恒定。
大约当电流78变得基本上为零时，DCM操作开始。过零检测器43连接到结点21，以便检测通过电感器14的放电电流达到基本上为零的值。当电流78的值变得基本上等于零时，将过零检测器43的输出置为有效。如本领域所公知的，存在导致在电流78达到零值之前或之后使得检测器43的输出被置为有效的微小偏差和变化，然而，该变化通常很小。典型地，本领域的技术人员将达到通过电感器14的总循环或周期(电流77加上电流78的周期)的百分之十(10％)的变化或误差视为基本为零。这种过零检测器对本领域的技术人员来说是非常公知的。控制逻辑36接收检测器43的被置为有效的输出，以及响应地禁止晶体管23。检测器43的被置为有效的输出还设置锁存器44使Q输出为高。脉冲发生器45响应变高的Q输出而生成脉冲。发生器45的高输出启动晶体管72，从而耦合电流源71开始放电电容器68和降低施加到电源52的频率控制信号的值。振荡器50接收频率控制信号以及响应地减小操作频率。
当发生器45的输出被置为有效的周期届满时，使输出无效，禁止晶体管72和终止电容器68的放电。因此，将过零信号(ZC)置为有效从电容器68移出固定电荷量，降低电容器68上的平均电荷值。所移出的电荷量用下述表示Qdn＝T45*I71其中，Qdn-从电容器68移出的电荷，T45-发生器45的脉冲宽度，以及I71-源71的电流。
降低电容器68上的电压值降低了施加到电源52的频率控制信号的值以及由电源52提供的电流。减少提供给充电电容器53的电流更慢地充电电容器53并减少CLK和Ramp信号的操作频率，以及增加控制器25的相应操作周期。减少控制器25的操作频率增加了输出82上的PWM驱动信号的上升沿之间的时间。应注意到，输出82上的PWM驱动信号的宽度不同于上升沿之间的周期。在禁止晶体管72之后，因为源52的高输入阻抗，频率控制信号的值基本上保持恒定。频率控制信号的值基本上保持恒定直到振荡器50生成另一被置为有效的CLK信号以将另一PWM驱动信号置为有效。可以通过改变来自源66和71的电流的比率，或改变电容器68的值，或改变由发生器45形成的脉冲的宽度，来调整可变频率控制信号的值和CLK信号的相应频率的变化量。
输出37和38保持无效以及晶体管22和23保持禁止直到振荡器50生成CLK信号的另一循环为止。只要负载所需的电流仍然少，对于CLK信号的每个循环DCM操作继续。在DCM操作期间的一些点，Qup和Qdn能变成相等以及控制器25在保持控制器25的操作频率基本上恒定的平衡条件下操作。由发生器45形成的脉冲的持续时间影响何处产生平衡条件。因此，通常选择脉冲的宽度以便确保在稳定的状态条件下，能产生平衡。在一个实施例中，脉冲的宽度在约二十和二百(20-200)纳秒之间，以便从电容器68移出固定电荷来实现平衡。
如前所述，仅在DCM操作期间，降低可变频率控制信号的值。
在大的瞬变条件期间，输出端13上的输出电压会变化很大以及连接到它的负载会要求负载电流的大的变化。使用瞬变比较器30以在瞬变条件期间和启动条件期间形成充电电流77的值的快速变化，以便将所需电流提供给负载。比较器30将来自放大器28的误差信号与来自基准26的第三基准电压进行比较。将第三基准电压的值选择成接近表示输出电压的大的变化的反馈信号的值。典型地，第三基准电压的值大于第一基准电压以便实现快速变化。当输出电压大量降低时，误差信号的值增加。如果误差电压增加到约等于或大于第三基准电压的值，则比较器30的输出被置为有效，启动晶体管70以便将电容器68连接到来自调节器27的内部操作电压。启动晶体管70快速充电电容器68，从而增加频率控制信号的值和CLK信号的相应频率。
由发生器45生成的脉冲的宽度通常取决于输入80上的输入电压。这通过连接到输入80的发生器45的输入来表示。当输入80上的电压增加时，来自发生器45的脉冲的宽度可减小。这种减少降低了从电容器68移出的电荷量，从而降低了频率对于输入电压的相关性。在一些实施例中，该电压相关性是连接以便从输入80接收电源的电流源的结果。
如图1所示，以补偿结构(buck configuration)耦合系统10。然而，本领域的技术人员将意识到，也可以用具有开关振荡器的任何其他类型的dc-dc转换器来耦合控制器25，包括将电源控制器耦合为电流模式、前馈、电压模式或其他类型的控制器的升压或补偿-升压结构。另外，振荡器50可以用在其他振荡器应用中。
为提供图1所述的功能性，调节器27具有连接到输入80的第一端、连接到回路81的第二端和连接到电源52的第一端的输出31。电源52的第二端共连到电容器53的第一端、晶体管57的漏极、缓冲器59的输入以及比较器56的非反相输入。源52的控制输入连接到电容器68的第一端、晶体管72的漏极以及晶体管67和70的源极。电容器53的第二端连接到回路81和源58的第一端。源58的第二端连接到晶体管57的源极。晶体管57的栅极连接到比较器56的输出以及整形器61的输入。比较器56的反相输入连接到基准26的第二基准输出。电容器68的第二端连接到回路81和源71的第一端。晶体管67的漏极连接到源66的第一端。源66的第二端共连到晶体管70的漏极和调节器27的输出31。晶体管70的栅极连接到比较器30的输出。源71的第二端连接到晶体管72的源极。晶体管72的栅极连接到具有连接到锁存器44的Q输出的输入的发生器54的输出。锁存器44的设置输入共连到逻辑36的控制输入和检测器43的输出。锁存器44的复位输入连接到检测器76的输出。检测器43的输入连接到输入85。缓冲器59的Ramp输出连接到比较器33的非反相输入。整形器61的输出62连接到锁存器34的设置输入和检测器76的输入。锁存器34的复位输入连接到比较器33的输出。比较器33的反相输入共连到比较器30的非反相输入和放大器28的输出。比较器30的反相输入连接到基准26的第三输出。基准26的第一输出连接到具有连接到输入84的反相输入的放大器28的非反相输入。锁存器34的Q输出连接到逻辑36的输入以及锁存器34的Q输出连接到逻辑36的另一输入。逻辑36的输出37连接到具有连接到输出82的输出的驱动器39的输入。逻辑36的输出38连接到具有连接到输出83的输出的驱动器40的输入。
图2示意性地示例说明脉冲发生器45的实施例的例子的一部分。本领域的技术人员将意识到图2所示的实施例是脉冲发生器结构的一个例子以及其他结构也是可能的。发生器45包括反相器91、定时开关或晶体管92、定时电容器94、定时电流源93和NOR门95。通常，电流源93是可控电流源，其电流值受控制输入80控制。例如，源93可以是受输入80上的电压的值控制的电压控制的电流源。在图1所示的实施例中，输入81连接到将受输入电压的值控制的输入80。
图3示意性地示例说明在半导体管芯97上形成的半导体设备96的实施例的一部分的放大平面图。控制器25形成在管芯97上。为简化附图起见，管芯97也可以包括图3未示出的其他电路。通过本领域的技术人员非常公知的半导体制造技术，在管芯97上形成控制器25和设备96。
鉴于上述全部，很显然公开了新颖设备和方法。特征中包括形成电源控制器的振荡器，以便具有响应构成电源控制器的电源系统的电感器的充电电流的频率。通过在DCM操作期间，降低电源控制器的操作频率，响应通过电感器的电流而改变振荡器的频率提高了轻负载电流条件下的电源控制器的效率。另外，改变频率以提高效率不要求大量控制逻辑，从而降低电源控制器的成本。另外，更易于控制振荡频率。
尽管通过特定的示例性实施例描述了本发明，很显然对本领域的技术人员来说，许多替代方案和变化将是显而易见的。更具体地说，VFO51、发生器45和电路65可以具有许多不同的实施例，只要振荡器具有在DCM操作模式下改变的可变频率。例如，电路65可以用任何类型的低通滤波器或积分器代替。应注意到，为说明书清楚起见，使用词“连接”，然而，意指具有与词“耦合”相同的含义。因此，“连接”应当解释为包括直接连接或间接连接。
权利要求
1.一种形成电源控制器的方法，包括构造所述电源控制器，以形成可用来控制电源开关以便形成通过电源系统的电感器的电流的PWM驱动信号；以及构造所述电源控制器，以响应在断续导电模式下操作的所述电源控制器，减小所述电源控制器的操作频率。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括构造所述电源控制器，以增加操作频率至少PWM驱动信号被置为有效的时间的一部分。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括构造所述电源控制器，以响应通过所述电感器的电流变为基本上为零，减小所述操作频率。
4.如权利要求1所述的方法，其中，构造所述电源控制器以减小所述电源控制器的操作频率包括构造所述电源控制器，以便生成具有表示通过所述电感器的电流的值的频率控制信号，以及构造所述电源控制器，以便响应将PWM驱动信号置为有效，增加频率控制信号的平均值。
5.一种电源控制方法，包括形成表示通过电源系统的蓄能电感器的电流基本上过零的控制信号；使用该控制信号来控制可变频率振荡器的时钟信号的频率；以及将时钟信号施加到所述电源系统的PWM控制器，其中，PWM控制器响应该时钟信号，响应地启动将所述电源系统的PWM驱动信号置为有效。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括形成可变频率斜坡信号和响应该可变频率斜坡信号，使PWM驱动信号无效。
7.一种电源控制器，包括PWM控制器，被耦合以接收时钟信号，以及响应地生成用来启动电源开关以便生成通过电感器的电流的PWM驱动信号；以及电源控制器的可变频率振荡器，被构造成生成所述时钟信号和响应通过电感器的电流变为基本上为零，改变时钟信号的操作频率。
8.如权利要求7所述的电源控制器，其中，耦合以响应将PWM驱动信号置为有效而改变操作频率的可变频率振荡器包括耦合以响应将PWM驱动信号置为有效而在电容器上存储电荷的可变频率振荡器。
9.如权利要求8所述的电源控制器，进一步包括被耦合以便在使PWM驱动信号无效之后，从电容器移出电荷的可变频率振荡器。
10.如权利要求7所述的电源控制器，其中，构造成生成时钟信号和改变时钟信号的操作频率的电源控制器的可变频率振荡器包括零电流检测器，构造成生成表示通过电感器的电流基本上变为零的过零信号，其中，所述可变频率振荡器可操作地耦合以便接收该过零信号并响应地改变所述可变频率振荡器的操作频率。
全文摘要
在一个实施例中，电源控制器具有用于控制PWM控制器的可变频率振荡器。该电源控制器改变可变频率振荡器的频率。
文档编号H02M5/297GK1797926SQ200510127290
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月1日 优先权日2004年12月1日
发明者简国基, 梁德明 申请人:半导体元件工业有限责任公司