专利名称：电源控制器及其方法
技术领域：
本发明一般涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体器件的方法 和结构。
背景技术：
在过去，半导体工业利用各种方法和结构来构成电源控制器以调 节电源系统的输出电压。随着电源控制器技术的发展，为了增加效率 和使电源系统中的功率耗散最小化，设计了新的高效电源控制器以提
供合成输出阻抗。合成输出阻抗还帮助将过沖(overshoot)和下冲 (undershoot)最小化为供应到负载的电流的快速变化，其通常称为负栽 瞬变。通常，电源系统具有帮助在低电压提供大输出电流的多个输出 通道。多通道控制器通常利用包括与输出感应器(inductor)中的电流成 比例的信息的误差信号，以便调节输出电压。通常， 一系列放大器和 电阻用来将负载电流信息转换为由控制器使用的信号，以调节输出电 压。放大器通常引入影响输出电压精确度的误差。放大器回路一般还 相当复杂，并且昂贵。
因此，期望有一种具有较低复杂结构、使输出电压中误差最小化 并具有较低成本的电源控制器。
图1简要示出了具有根据本发明的电源控制器的电源系统的一部 分的实施例；
图2简要示出了根据本发明的图1中的电源控制器的一部分的实
施例；
图3简要示出了具有根据本发明的另 一电源控制器的另 一电源系
统的一部分的实施例；
图4简要示出了又一电源系统的一部分的实施例，其为根据本发 明的图3的电源系统的可选实施例；以及
图5简要示出了包括根据本发明的图1的电源控制器的半导体器 件的放大平面图。
为了说明的筒单和明了，图中的元件不一定按照比例，并且在不 同的图中相同的参考号代表相同的元件。此外，为了说明的简要，省 略了众所周知的步骤和元件的说明和细节。这里使用的载流电极 (current carrying electrode )是指器件的元件，其承载通过该器件例 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 二极管的正极或负极的电流，控制电极是指器件的元件，其控制通过 该器件例如MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极的电流。虽然 这里把器件解释为确定的N-沟道或P-沟道器件，本领域的普通技术人 员应认识到，根据本发明，互补器件也是可能的。本领域的普通技术 人员应认识到，这里使用的词汇"在…期间，，、"在…的时候，，、以及"当… 时，，不是表示一旦开始操作马上就会出现反应的准确术语，而是可能会 在被初始操作激起的反应之间有一些微小但合理的延迟，例如传播延 迟。
具体实施例方式
图1简要示出了包括电源控制器55的电源系统10的一部分的实 施例。系统IO在功率输入端子11和功率返回端子12之间接收功率， 例如整流DC电压。系统10配置成多通道开关控制系统，其利用N 个通道调节输出13和输出返回14之间的输出电压，并且也将输出电 流15提供至负载45。滤波电容器46—般连接在输出13和返回14之 间以使输出电压平滑。多通道系统的每个通道通过通道感应器提供通 道电流，并且N个通道电流在输出13处累加以形成负载电流15。对 于图1中所示的示例性实施例，N等于2，但是，本领域的技术人员 应该认识到，系统IO可以有包括单个通道的任何数量的通道。电源控制器55—般有N个输出，例如输出82和83，每个输出向系统10的 每个通道提供开关控制信号。在控制器55外部，每个通道包括接收开 关控制信号并形成单独通道电流的电流控制电路。例如，第一电流控 制电路从输出82接收第一开关控制信号，并包括开关驱动器16、功 率控制元件17、感应器22、平均电阻器26以及滤波电阻器28。对于 图1所示的实施例，功率控制元件17 —般包括一对功率晶体管，例如， 配置在堆栈结构中的P-沟道MOS晶体管18和N-沟道MOS晶体管 19。尽管未在图l中示出，但是元件17可以包括阻止晶体管18和19 被同时导通的其他逻辑，以便阻止通过元件17的贯通电流(shoot through current)。电流24显示了通过第一电流控制电路而被提供至 输出13的通道电流。每个通道电流的值可以很大。例如，负载电流 15可以高达200安培(200amps)，并且每个通道电流可以在10至 30安培(10-30amps)之间或者更高。第一电流控制电路通常通过将 电流24引导至输出13的导体而连接至输出13。由导体运载的大电流 一般形成横跨在导体的寄生电阻两端的电压降。该寄生电阻显示为寄 生电阻器27。由大电流通过电阻器27而降低的电压可导致输出电压 值中的误差。如在下文中将进一步看到的，控制器55的结构帮助从输 出电压中抵消这种不期望的误差电压。第二电流控制电路类似于第一 电流控制电路，并且类似地包括开关驱动器31、功率控制元件32、输 出感应器37、平均电阻器41、滤波电阻器43以及寄生电阻器42。
负载电流15 —般非常大，并且从负载45流过连接在返回端子14 和返回端子12之间的导体。该导体还具有被寄生电阻器47和48示出 的寄生电阻。如在下文中将进一步看到的，控制器55配置成还帮助从 输出电压中抵消这种不期望的误差电压。
控制器55连接在端子11和12之间以接收功率输入56和功率返 回57之间的功率。控制器55 —般包括差分电路69、误差放大器77 以及脉宽调制器(PWM) 81。控制器55还可以包括连接在输入56 和返回57之间以在输出67上形成内部操作电压的内部调节器66，内 部操作电压用于将操作功率提供至控制器55的元件，例如电路69、
放大器77以及PWM 81。如在下文中将进一步看到的，误差放大器 77通常具有高增益，使得在放大器77的输出上形成的误差(ES)信 号被控制器55使用，用于控制元件17和32，以极力维持放大器77 输入上的信号基本相等。来自放大器77的误差(ES )信号由PWM 81 使用，以帮助控制PWM 81的每个通道的开关控制信号的占空比(duty cycle)。 PWM 81通常为多通道PWM电路，其具有与系统10相同数 量的通道，并产生配置成在每个信号之间具有相位偏移的多个开关控 制信号。对于本领域的技术人员而言，这样的PWM电路是众所周知 的。在图2中示出了这样的PWM电路的一个示例。差分放大器电路 69包括运算放大器70和包含电阻器71-75以及78的各种增益元件。 电阻器71-75以及78通常紧密相配以便提供公共模式信号的适当抑 制。
当控制器启动功率控制元件17和32时，各自的通道电流24和 39流经相应的感应器22和37，并在公共节点如输出13处汇总，以形 成电流15。每个感应器的等效串联电阻(ESR)用于形成表示负载电 流15的电流感测(CS)信号。当通道电流24和39流过相应的感应 器22和37时，每个感应器的ESR在感应器两端形成相应的电压降。 由感应器22和37形成的电流感测元件的输出侧为向负栽45提供电流 的端子，并且在所示实施例中还被连接至相应的节点23和38。由感 应器22和37形成的电流感测元件的输入侧为从相应的功率控制元件 17和32接收电流的端子。电阻器26和28将感应器22两端的电压耦 合至电容器49。类似地，电阻器41和43将感应器37两端的电压耦 合至电容器49。结果，电容器49被充电至表示所有单独通道电流的 时间平均值的电压，因此，电容器49两端因而产生的电压表示电流 15的时间平均值。控制器55利用电容器49上的电压差分值作为表示 负载电流15的时间平均偉的CS信号，然而，电阻器26和"在节点 54将电压耦合至电容器49的一侧，该电压基本为输出电压加上在相 应的寄生电阻器27和42两端的平均电压降的数值。因此，横跨电容 器49两端的电压在偏置信号之上被偏置，其基本上为输出电压加上在
寄生电阻器27和42两端的平均电压降的数值。该平均数值基本上为 电压降的和除以寄生电阻器的数目。放大器77的输入连接至节点53 和54，以在节点53上将电容器49两端的电压差动地接收为CS信号， 其以节点54上的偏置信号做参考。因为电容器49两端的电压以偏置 信号做参考，偏置信号也连接至放大器77。由放大器77施加给信号 的相反极性的增益使与信号一样的任何电压被抵消。因此，放大器77 将输入61上接收的偏置信号从输入62上接收的信号中除去。此功能 从在放大器77的输出上形成的ES信号中除去了偏置信号。
如将进一步看到的，由放大器70形成的输出信号与CS信号相 加。为了累加这些信号，最好还将放大器70的输出信号以偏置信号做 参考。如随后将看到的，放大器77还将偏置信号从自放大器70接收 的信号中减去，从而保护偏置信号不受ES信号的抑制。差分电路69 配置成接收表示输出电压的差分反馈(FB)信号。控制器55在反馈 输入58和反馈(FB)公共输入59之间接收差分FB信号。注意，输 入58上的FB信号参考输入59上的FB公共信号。差分电路69接收 差分反馈(FB)信号以及来自参考发生器68的参考信号，并在放大 器70的输出上形成表示差分FB信号和参考信号之间的差异的差分 (DS)信号。为了使DS信号与CS信号相加，最好也将DS信号以 偏置信号做参考。因为参考发生器68以返回57的电势做参考，放大 器70从输入61接收偏置信号，并将偏置信号与差分FB信号相加作 为DS信号的一部分。这使DS信号也以偏置信号做参考。放大器70 通过电阻器78从输入61接收偏置信号。除了从输入58至放大器70 的非反向输入的FB信号之外，三个一组的电阻器74、 75和78还控 制来自输入61的偏置信号的增益。三个一組的电阻器71、 72和73 控制来自输入59的FB公共信号和从参考68至来自放大器69的DS 信号的参考信号的增益。除了输入58和59之间的FB信号至来自放 大器69的DS信号之外，电阻器71-75以及78还控制来自输入61的 偏置信号的增益。在优选实施例中，电阻器71-75以及78全部相等， 使得放大器69具有一样的增益。来自放大器70的DS信号连接至输
出64并且通过反馈电阻器51连接至放大器77的反向输入。电阻器 51用于将DS信号与来自电容器49的差分电流感测信号相加。因为 DS信号包括来自节点54的偏置信号，放大器77将偏置信号从DS信 号中减去。因此，偏置信号不包括在放大器77的输出上的ES信号中， 这便于放大器77提供正确的误差信号。放大器70还将差分FB信号 转换为与偏置信号做参考的单端信号，以便于反馈信息与CS信息的 合并。还注意到，电路69帮助最小化寄生电阻器47和48的影响。因 为放大器70的负输入在返回14处接收由负载接收的电压的公共侧， 并且放大器70的正输入在返回12处接收电阻器47和47的相对侧的 电势，电路69把由这些寄生电阻引起的误差从DS信号中减去，从而 阻止它们影响ES信号。因此，还阻止它们影响输出端子13和返回端 子14之间的输出电压。
正如可看到的，控制器55在输入61和62处将CS信号与FB信 号和参考信号进行组合，而没有首先放大的CS信号。因此，在CS 信号经受任何放大之前，误差放大器77接收CS信号。因为CS信号 以偏置信号做参考，放大器70用于将FB信号以偏置信号的值做参考， 并且误差放大器77用于减去偏置信号的电势，从而将其从误差信号中 除去。选择补偿元件52和增益元件电阻器51的值，以便为由误差放 大器77和这些元件形成的放大器电路提供高DC增益。该放大器电路 的DC增益一般大于1000，并且优选地在大约10,000和l，OOO，OOO之 间(IO，OOO-I，OOO，OOO )。最好保持最小增益大于1000,而且尽管增益 可能随着温度和电压而变化，但本领域的技术人员应该认识到，借助 于负反馈的优点，该高增益将最小化增益变化对输出电压产生的影响。 在形成误差信号之前不放大CS信号有利于最小化由误差放大器77形 成的ES信号中的误差，从而提高输出电压和由控制器55控制的合成 阻抗的精确性。
本领域的技术人员应该认识到，电流感测信号值一般非常低。因 此，在将电流感测信号提供至误差放大器之前，现有电路利用专用电 流感测放大器来差分地放大这样的电流感测信号。这些现有的专用电
流感测放大器一般具有低并且非常精确的增益，以便在不大于约5% 的范围内合成期望的输出阻抗。在被用作对分离的误差放大器的输入 之前，专用电流感测放大器的输出通常与参考电压或者反馈电压相加。 这样的专用电流感测放大器通常引起与电流感测信号的值相比相当大 的误差电压。
因此，将控制器55配置成在CS信号被误差放大器接收之前不 放大CS信号使ES信号中这样的误差的可能性最小化。利用放大器 77来合并电流感测信号与输出电压信息而不首先放大CS信息使得控 制器55能够精确地控制系统10的合成输出阻抗。如在下文中将看到 的，控制器55的配置将输出阻抗合成为N个通道感应器例如感应器 22和37的等效串联电阻的函数，并包括由下列等式所示的电阻器51 和50的比率。系统10的合成输出阻抗Zo为
Zo=(Vol-Vo2)/(Il-I2)
其中
Zo——输出13和返回14之间的合成输出阻抗；
Vol——在电流15的第一值处的输出13和返回14之间的输出电
压；
Vo2——在电流15的第二值处的输出13和返回14之间的输出电
压；
11——负载电流15的第一值；以及
12——负载电流15的第二值。
但是，Vo=Vref-(VESR*( R51/ER50)) 其中
Vo——输出13和返回14之间的输出电压； Vref——来自参考发生器68的参考电压；
VESR——所有N个并联的输出感应器的ESR两端的平均电压数
值；
ER50——电阻器50加上电阻器R28和R43的并联组合的值；以
及
R51——电阻器51的值。
但是，VESR=I15*ESRn 其中
ESRn——N个通道感应器的并联ESR;以及 115——负载电流15。
将ESRn的等式代回到Vo的等式中，得到
Vo=Vref-(I15*(ESRn)*(R51/ER50))
将该Vo等式代回到Vol和Vo2项的Zo等式中，得到
Zo=ESRn*(R51/ER50)
因此，控制器55的配置形成了可以通过调整电阻器50和51的 值而改变的合成输出阻抗。所以，合成输出阻抗不是控制器55或系统 10的任何放大器的函数。因为寄生电阻器27和42的值一般非常小(通 常只有l或2(l-2)亳欧)，电阻器26和41可以仅为几欧姆(例如， 1-2欧姆)，并且还至少大于电阻器27和42的数量级，使得几乎没 有电流流过电阻器27和42。可以假定偏置信号(如果以返回14做参 考)基本上等于输出电压值加上在电阻器27和42两端降低的电压的 平均数值。本领域的技术人员应认识到，不考虑寄生电阻器27和42 两端下降的电压，就不会得到输出电压的期望值。
电阻器28、 43和50的并联等效电阻与电容器49 一起形成通常 被选择成基本上与感应器22和37的时间常数相同的时间常数，感应 器22和37的时间常数为其电感系数加上其等效串联电阻。在一些实 施例中，电容器49的RC电路以及电阻器28和43还可以包括温度补 偿，以考虑ESR的温度偏离和感应器22和37的电感系数。在一些实 施例中，FB信号还可以为以返回端子12的单端信号做参考，并且可 以省略电阻器71和75。
图2简要示出了在图1的说明中解释的电源控制器55的PWM 81 的一部分的实施例。PWM 81包括多相位时钟85以及多个PWM通道， 例如第一 PWM通道86和第二 PWM通道93。时钟85形成多个从 CK1到CKn的时钟信号，该时钟信号有助于在输出82和83上形成
开关控制信号。第一PWM通道86包括斜波发生器或斜波87、 PWM 比较器91、 PWM锁存器92、加法电路90以及电流感测放大器89。 类似地，第二 PWM通道93包括斜波发生器或斜波94、 PWM比较器 98、 PWM锁存器99、加法电路97以及电流感测放大器96。本领域 的技术人员应认识到，放大器89和96用于形成第一 PWM通道86 和第二PWM通道93的各自的电流感测信号。这样的CS信号和CS 放大器用于平衡系统10的各个相位之间的通道电流。在于2006年7 月6日授权给Paul J. Harrhnan等人的美国专利号7,057,381中公开了 一种包括多个斜波和多个PWM比较器的多相位系统的一个样例，其 在这里并入作为参考。
图3简要示出了包括线性电源控制器110的电源系统100的一部 分的实施例，线性电源控制器IIO包括在图1的说明中解释的控制器 55的一些元件。系统IOO,包括在图3中显示为晶体管101的线性功率 控制元件。控制器110配置成运行晶体管101以控制输出13和返回 14之间的输出电压值。系统100的电流控制电路通常包括晶体管101 以及显示为电流感测电阻器103的电流感测元件。因为系统100未在 电流控制电路中使用感应器，电流感测电阻器103串联在晶体管101 和输出13之间。线性电源控制系统一般不包括多个通道，例如在图1 中示出的多个通道，然而， 一些实施例可以在线性类型的电源系统中 使用多个通道。由电阻器103增强并由负载电流15产生的电流感测信 号在节点53上形成以节点54上的偏置信号做参考的电流感测信号。 正如可看到的，在电流感测信号经受放大之前，电流感应信号被误差 放大器77接收。控制器IIO包括差分电路69、误差放大器77以及緩 沖器107。差分电路69和误差放大器77起与图1中的相同元件类似 的作用。緩冲器107接收来自放大器77的误差信号，并在将其提供至 控制器110的驱动输出109之前，对信号进行緩冲。
图4筒要示出了系统100的可选实施例的电源系统125的一部分 的实施例。系统125包括电源控制器126的实施例的一部分，其为在 图3的说明中描述的控制器110的可选实施例。控制器126包括代替
晶体管101以及还代替电流感测电阻器103和电阻器50的SENSEFET 型晶体管127。 SENSEFET型晶体管通常形成为包括主要晶体管部分 和感测晶体管部分。SENSEFET型晶体管通常还包括未在图4中示出 的寄生体二极管。通常，SENSEFET型晶体管由很多晶体管单元构成， 这些晶体管单元相互连接以形成可以有大负栽电流的、导通电阻低的 较大晶体管。 一些单元使其源极与剩余单元的源极分离并接入分离的 外部端子或感测端子。剩余的源极连接在一起以构成主要晶体管部分 的源极。所有单元的漏极和栅极一般是公共的，以形成各自的漏极和 栅极。SENSEFET是Semiconductor Component Industries, LLC (SCILLC) of Phoenix,Arizona的商标。在于1985年11月12日授权 给Robert Wrathall的美国专利号4,553,084中公开了 SENSEFET型 晶体管的一个样例，其在这里通过引用被并入。
当负载电流15流过晶体管127时，感测元件或晶体管127的感 测晶体管128形成产生CS信号的电流130。 CS信号由误差放大器77 在放大器77的反向输入上接收。因为晶体管128连接至放大器77的 反向输入，包括放大器77的控制回路使CS信号以在控制器126的输 出131上形成的偏置信号做参考。差分电路69通过电阻器78接收偏 置信号。因此，电路69和误差放大器77起与图1和图3的电路69 和放大器77类似的作用。注意，在图3中，电阻器103将电流15转 换为电压，该电压被电阻器50转换回电流信号。图4中的实现用感测 晶体管128直接形成对电流感测信号的电流。为了清楚地理解附图， 输入61和输出131之间的连接显示为在控制器126的外部，但是，该 连接可以在控制器126的内部并且可以省略输入61。尽管晶体管127 和128显示为N-沟道晶体管，但是本领域的技术人员应该认识到，晶 体管127和128可以为P-沟道晶体管。对于这样的配置，可以倒置放 大器70的反向输入和非反向输入。
图5简要示出了在半导体管芯(die)141上形成的半导体器件或集 成电路140的实施例的一部分的放大平面图。控制器55在管芯141 上形成。管芯141还可以包括为了简化附图而未在图5中示出的其他
电路。控制器55和器件或集成电路140通过本领域的技术人员公知的 半导体制造技术而在管芯141上形成。
鉴于上述内容，显然公开了一种新颖的器件和方法。包括其他特 征的是形成电源控制器以在电流感测信号经受放大之前接收电流感测 信号。配置电源控制器以对未经受放大的电流感测信号起作用便于输 出电压的更精准的调节。这样的配置最小化了电流感测信号和由电源 控制器调节的输出电压中的误差。配置电源控制器以去掉偏置信号的 电势便于在放大之前使用电流感测信号。
尽管用具体的优选实施例对本发明的主题进行了描述，但是显然 对于半导体技术领域的技术人员而言很多替换和变更是明显的。另外，
为了清楚地描述，始终使用词语"连接(connect)，，，但是，其意味着 与词语"耦合(couple)"具有相同的意思。因此，应该将"连接"解释 为包括直接连接或间接连接。
权利要求
1.一种电源控制器，其包括控制电路，其配置成形成控制信号来控制功率控制元件，从而将负载电流提供至负载以及调节电源系统的输出电压；误差放大器，其连接成接收由电流感测元件形成的电流感测信号，其中，所述电流感测信号以在所述电流感测元件的第一侧形成的偏置信号做参考，所述误差放大器配置成接收所述偏置信号；以及差分放大器，其连接成放大所述偏置信号，以及配置成将所述差分放大器的输出与所述误差放大器的输入上的所述电流感测信号相加。
2. 根据权利要求1所述的电源控制器，其中，所述误差放大器 的第一输入配置成接收来自第一电阻器的第一端子的偏置信号，所述 第一电阻器具有连接至所述电流感测元件的第一端子的第二端子，以 及所述误差放大器的第二输入配置成接收来自第二电阻器的笫一端子 的所述电流感测信号，所述第二电阻器具有连接至所述电源感测元件 的第二端子和所述功率控制元件的第二端子。
3. 根据权利要求2所述的电源控制器，还包括所述误差放大器 的第二输入，所述误差放大器配置成从连接在所述第一电阻器的所述第一端子和所述第二电阻器的所述第一端子之间的电容器接收所述电 流感测信号。
4. 根据权利要求1所述的电源控制器，其中，所述差分放大器偏置信号相加。
5. —种形成电源控制器的方法，其包括配置所述电源控制器以形成驱动信号来控制功率晶体管，从而将 负栽电流提供至负栽以调节电源系统的输出电压；以及配置所述电源控制器的误差放大器以接收表示所述负栽电流的 电流感测信号，其中，所述误差放大器接收所述电流感测信号，而没2有首先放大所述电流感测信号。
6. 根据权利要求5所述的方法，所述配置所述电源控制器的所 述误差放大器以接收所述电流感测信号的步骤，包括配置所述误差放 大器以接收用偏置信号做参考的所述电流感测信号，所述偏置信号表 示形成所述电流感应信号的电流感应元件的第一侧电压；以及连接差 分放大器以接收所述偏置信号，并将放大的偏置信号连接至所述误差 放大器，其中，所述误差放大器将所述放大的偏置信号从所述偏置信 号中抵消。
7. 根据权利要求5所述的方法，还包括配置所述电源控制器以 接收表示多相位电源系统的N个通道电流的时间平均值的所述电流感 测信号。
8. —种形成电源控制器的方法，其包括配置所述电源控制器以形成驱动信号来控制功率晶体管，从而将 负载电流提供至负载而调节电源系统的输出电压；以及配置所述电源控制器的误差放大器以接收表示所述负载电流的 电流感测信号，其中，所述电流感测信号以偏置信号做参考，所述偏 置信号表示用于形成所述电流感测信号的电流感测元件的输出电势。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述配置所述电源控制 器的误差放大器以接收所述电流感测信号的步骤，包括配置所述误差 放大器以在所述误差放大器的第一输入上接收所述电流感测信号，并 在与所述误差放大器的所述第 一输入极性相反的第二输入上接收所述 偏置信号。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括连接差分放大器以接收 表示所述输出电压的反馈信号、将所述反馈信号与所述偏置信号相加、 以及将所述差分放大器的输出加到所述误差放大器的所述第一输入。
全文摘要
在一个实施例中，电源控制器的误差放大器配置成在电流感测信号经受放大之前接收电流感测信号。
文档编号H02M3/156GK101188382SQ20071016681
公开日2008年5月28日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年11月21日
发明者本杰明·M.·赖斯 申请人:半导体元件工业有限责任公司