专利名称：保护电路及其方法
技术领域：
本发明一般涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体设备的方法 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生产可用于保护例如 电压调节器的各种类型设备的过电压和电压瞬变保护电路。这些过电
压和电压瞬变保护电路一般包括利用分流晶体管(pass transistor)和 运算放大器来控制输出电压的线性调节器。在瞬变或过电压现象期 间，过电压保护电路通常禁止线性调节器并阻止调节直到瞬变或过电 压条件被消除。因为线性调节器被禁止，所以线性调节器重新启动后 的恢复时间一般非常长，这引起输出电压中的变化。此外，电路一般 对电压瞬变緩慢地起作用，这使输出电压在调节器被禁止前过冲 (overshoot)。在于1997年2月15日授权给Howard E. Murphy的 美国专利号4,008,418中描述了这样的瞬变保护电路的一个样例。
因此，期望有一种更精确地调节输出电压、在瞬变期间使过冲最 小化、避免禁止调节器、并具有较快的反应时间的保护电路。
图1简要示出了根据本发明的电源系统的一部分的实施例的一 般化结构图2简要示出了根据本发明的图1的电源系统的保护电路的一部 分的实施例；
图3为具有曲线图(plot)的图表，其示出根据本发明的图2的保 护电路的一些信号；
图4简要示出了保护电路的一部分的实施例，该保护电路是根据 本发明的图2的保护系统的可选实施例；以及
图5简要示出了半导体设备的放大平面图，该半导体设备包括根 据本发明的图2的保护电路。
为了说明的简单和明了，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是指 器件的元件，其承栽通过该器件例如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简要示出了电源系统10的一部分的实施例的一般化结构图。 系统10接收来自例如电池的电压源11的电压和电力，并在系统10 的输出13和返回14之间提供输出电压。系统IO包括电源控制器15, 其控制开关元件13的运行以便调节系统10的输出电压。控制器15 在电压输入18和公共返回19之间接收电力。返回19通常连接至返 回14以提供公共电压参考。控制器15包括保护电路20和逻辑和控 制电路17。控制器15可以是任何类型的电源控制器，例如脉冲宽度 调制(PWM)控制器、脉沖频率调制(PFM)控制器，或者可以用 于调节输出电压的其他类型的控制器。逻辑和控制电路17通常包括 在用于控制开关元件12的输出16上形成开关驱动信号的PWM型控 制电路和逻辑电路。对于本领域的技术人员而言，电源控制器的这样
的控制电路和逻辑电路是众所周知的。随后说明保护电路20。
图2简要示出了图1中所示的保护电路20的一部分的实施例。 电路20接收输入18和返回19之间的输入电压，并在输出21和返回 19之间提供输出电压。由电路20提供的输出电压被基本上保护以防 输入电压的快速偏移。电路20包括线性调节器部分25以及保护部分 40。如在下文中进一步看到的，电路20配置成检测使在部分25的输 出上形成的中间电压或者第一电压增加至不小于第一值的输入电压 偏移，并保持线性调节器部分25启动，同时基本上防止输入电压的 整个增加耦合到输出21上的输出电压，所述第一值大于部分25的中 间电压的期望值。
对于在图2中所示的电路20的实施例，电压源11由电池23表 示。线性调节器部分25包括用于形成参考电压的参考发生器或参考 28、误差放大器31、显示为MOS晶体管32的串联分流元件、以及 提供反馈(FB)信号的反馈(FB)网络，该反馈信号表示由部分25 在输出33上形成的中间电压。对于图2中所示的实施例，FB网络包 括作为在FB节点36处提供FB信号的分压器而形成的电阻器35、 37 以及39。保护部分40包括连接在部分25的输出33和返回19之间的 箝位电路。对于图2中所示的实施例，箝位电路由齐纳二极管41示 出。保护电路40还具有阈值检测器42，阈值检测器42包括阈值检测 晶体管45、控制晶体管49、晶体管52以及由二极管53和54所示的 降压元件或者降压电路。晶体管52与降压电路并联。检测器42还包 括电阻器43和50。在一些其他实施例中，电路20还可以包括内部调 节器(未示出)，其接收来自输入18的输入电压，并提供可以用于 运行电路20的一些元件如参考28和放大器31的内部运行电压。
图3是具有曲线图的图表，其显示了电路20的一些信号。横坐 标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加值。曲线图61示出了输 入18上的输入电压，曲线图62示出了部分25的输出33上的中间电 压，而曲线图63示出了输出21上的输出电压。该说明参考图2和图 3。如图3中曲线图61和62所示，在时刻TO和时刻Tl之间，电路
20接收来自输入18的输入电压，并且部分25在部分25的输出33上 形成中间电压。误差放大器31接收FB信号和来自参考28的参考信 号，并在放大器31的输出上形成控制晶体管32的栅极电压以将中间 电压调节至期望值的线性控制信号。通常，期望值是目标值附近的值 域内的目标值。例如，目标值可以为大约3.5伏特，并且值域可以为 加上或减去大约3.5伏特的5%。选择由电阻器35、 37和39形成的 分压器，以便当输出33上的中间电压在目标值附近的电压范围内变 化时，节点38上形成的感测信号值小于晶体管45的阈值。因此，在 正常运行中，晶体管45被禁止，并且电阻器43将晶体管49的栅极 拉至输出33的电压，从而禁止晶体管49。因为晶体管49被禁止，所 以电阻器50将节点44和晶体管52的栅极拉向返回19的值，从而启 动晶体管52。启动晶体管52在二极管53和54的降压电路附近形成 电流流动路径，从而将输出33上的中间电压连接至输出21并在输出 21上形成输出电压。因此，输出电压实质上等于输出33上的中间电 压，如在时刻T0和T1间的曲线图63所示。
在电路20运行期间，输入18上接收的电压值可能会快速地增加， 如在时刻Tl曲线图61所示。例如，电池充电器可以连接至电池23 以便对电池23进行充电。来自电池充电器的电压通常大于来自电池 23的电压，并将快速地增加输入18上的电压值。可选地，电池23可 以由线路适配器代替，该线路适配器可能有使输入18上的电压快速 增加的缺陷。如果输入电压值使输出33上的中间电压的值增加至大 于第一值，则阈值检测器42启动二极管54和55的降压电路以降低 输出21上的输出电压值。通常，第一值大于期望值的值域内的上限 值。本领域的技术人员应认识到，放大器31具有有限的反应时间。 因此，输入电压中的增加可以通过晶体管32耦合至输出33，并且输 出33上的电压可以在放大器31能起作用之前临时地增加至超过第一 值一段时间。阈值检测器42配置成检测增加至不大于第一值的输出 33上的中间电压，并且响应性地禁止二极管53和54周围的电流流动 路径，从而将二极管53和54串联在输出33和输出21之间。当输出
33上的电压值增加至第一值时，节点38上的电压增加至晶体管45的 阈值电压，从而启动晶体管45。启动晶体管45将晶体管49的栅极拉 低，从而启动晶体管49，晶体管49将节点44和晶体管52的栅极耦 合至基本上等于输出33上电压的电压。这使晶体管52禁止。所述晶 体管52通过终止二极管53和54附近的电流流动路径来启动降压电 路，从而在晶体管32和输出21之间连接二极管53和54。 二极管53 和54与晶体管32串联使二极管53和54两端的电压降从中间电压中 减去，并且降低了输出21上的输出电压值，如在时刻T1之后的曲线 图63所示。优选地，晶体管45、 49以及52形成为小几何结构的晶 体管，以使晶体管45、 49和52可以非常快地转换以及比放大器31 的响应时间快得多地禁止晶体管52。优选地，对于用于产生晶体管 45、 49以及52的技术，晶体管45、 49以及52接近于或者处于最小 几何结构。通常，输入电压中的变化比中间电压的期望值大得多。二 极管41的箝位(clamp)电路配置成检测增加至大于第一值的第二值的 中间电压，并且基本上将输出33固定至第二值。二极管41的齐纳 (zener)电压一般大于第一值，如曲线图62在时刻T2所示。为了输入 电压中较大的增加，齐纳二极管41可能必须传导大电流，所述大电 流可以使第二值大于二极管41的齐纳电压。
调节器部分25的控制回路在输入电压的增加期间和之后保持运 行。然而，输入电压中的快速增加可能使部分25放松调节一段较短 的时间，如时刻Tl和T2之间所示。在输入电压增加之后，例如在时 刻T2，部分25的调节回路开始恢复并且再次调节输出33上的电压 值，如时刻T2和T3之间的曲线图62所示。只要输入电压使输出33 上的中间电压值保持大于第一值，晶体管52就保持禁止。如果输入 电压降低并且输出33上的中间电压值降低至低于第一值，晶体管45 再次变为禁止，并且晶体管51被启动以再次在二极管53和54周围 形成电流流动路径。本领域的技术人员应认识到，如果输入电压降低 至低于输出33上的中间电压的期望值，那么部分25不再调整中间电 压，并且中间电压值将跟随输入电压。 在一个示例性实施例中，输入18上的电压值至少为大约5伏特 (5V)，而输出33上的电压的期望值为大约3.5伏特。对于该样例， 二极管41的齐纳电压形成为大约5.5V,当输出33上的电压值大约为 4伏特(4.0V)时，形成电阻器35、 37以及39的分压器以提供节点 38处的晶体管45的阈值电压，并且每个二极管53和54形成为具有 大约0.7伏特的正向(forward)电压。当输入电压值增加至大约5.5V 时，阈值检测器42快速地禁止使输出21上电压降低的晶体管52。当 输入电压增加使输出33上的中间电压增加至超过4伏特时，二极管 41将输出33上的电压固定至大约5.5伏特，所以二极管53和54的 电压降形成约为4.1伏特的输出电压。没有阈值检测器42，输出21 上的输出电压会增加至大约5.5V，并且保持这个值直到部分25可以 恢复以再次调整输出电压。
为了促进电路20的该项功能，连接参考28和误差放大器31以 在输入18和返回19之间接收运行电力。参考28的输出连接至放大 器31的反向输入。放大器31的非反向输入连接至节点36，并且放大 器31的输出连接至晶体管32的栅极。晶体管32的源极连接至输入 18，而漏极连接至部分25的输出33。电阻器35的第一端子连接至输 出33，而第二端子通常连接至节点36和电阻器37的第一端子。电阻 器37的第二端子通常连接至节点38、晶体管45的栅极和电阻器39 的第一端子。电阻器39的第二端子连接至返回19。 二极管41的阴极 连接至输出33，而阳极连接至返回19。电阻器43的第一端子连接至 输出33，而第二端子通常连接至晶体管49的栅极和晶体管45的漏极。 晶体管45的源极通常连接至返回19。晶体管49的源极通常连接至二 极管53的阳极、晶体管52的源极和输出33。晶体管49的漏极通常 连接至节点44、晶体管52的栅极和电阻器50的第一端子。电阻器 50的第二端子连接至返回19。晶体管52的漏极连接至输出21和二 极管54的阴极。二极管54的阳极连接至二极管53的阴极。
图4简要示出了保护电路66的一部分的实施例，其是在图1中 所示的保护电路20的可选实施例。电路66类似于电路20，除了电路
66配置成将输出33调节为大于电路20的中间电压值的中间电压值。 如在下文中进一步看到的，电路66配置成接收具有第一值的输入电 压，将中间电压调整为小于输入电压的值，以及配置成在输出21上 形成具有小于第一值的值的输出电压，而不禁止晶体管32的分流元 件。显示为电压发生器67的第二负栽被连接以在输出33和返回14 之间接收运行电力。第二负载可以为各种元件，例如用于在输出68 上形成另一运行电压的电荷泵电路，所述另一运行电压用于运行其他 电路(未示出)。
选择电阻器35、36以及37以在一个值处形成中间电压的期望值， 该值在节点38上形成大于晶体管45的阈值电压的感测信号。在运行 中，如果输入电压大于期望值，则调整输入18上的输入电压以在输 出33上形成调节的电压。输入电压必须比期望值大至少由晶体管32 降低的电压。对于图4中所示的实施例，中间电压的期望值通常是使 节点38上的感测信号不小于晶体管45的阈值电压的值。因此，晶体 管45被启动，而晶体管52被禁止，因而二极管53和54的降压电路 在输出21上形成小于中间电压值的输出电压。
如果输入电压值降低至低于使感测信号降低至晶体管45的阈值 电压之下的第一值，则晶体管45变为禁止的并且晶体管52变为启动 的，以在二极管53和54周围形成电路流动路径，并且形成基本上等 于中间电压值的输出电压。对于图4中所示的实施例，该输入电压值 小于中间电压的期望值，因此，调节器部分25不能调整中间电压， 并且中间电压遵循输入电压。如果输入电压上的瞬变使输入电压大于 第二值，则晶体管45变为启动的，这启动了二极管53和54的降压 电路，并且二极管41变为启动的以固定中间电压值。因为输入电压 的快速增加，调节器部分25不能够调节一段时间。在该段时间后， 调节器部分25开始将中间电压调整为期望值，这也启动降压电路以 形成小于中间电压的输出电压。只要输入电压保持大于期望值加晶体 管32两端的电压降，调节器部分就将中间电压调整为期望值。
例如，可以将电池23充电至例如大于5伏特(5V)的电压，并
且部分25可以将输出33上的中间电压调整到基本上为5伏特(5V)。 对于不小于大约4伏特(4V)的中间电压值，可以选择电阻器35、 37以及39以形成不小于晶体管45的阈值电压的感测电压。因此，对 于大于形成不小于检测器42的阈值电压的感测信号的电压的输入电 压值，晶体管45被启动，且晶体管52被禁止，因此，二极管53和 54降低一些中间电压，并形成小于中间电压的输出电压。如果电池 23放电而低至使感测电压降低至小于晶体管45的阈值电压的值，则 晶体管45变为禁止的，并且晶体管52被启动，因此，二极管53和 54短路，并形成基本上等于中间电压的输出电压。因为输入电压降低 至小于由部分25调节的值，所以部分25并不调整中间电压，并且中 间电压遵循输入电压。
然而，如果输入电压快速地增加至大于第一值的第三值，例如二 极管41的齐纳电压，二极管41将输出33固定为大于中间电压的值。 例如，二极管41的齐纳电压可以为5.5伏特。如果输入电压增加至大 于齐纳电压，则二极管41开始传导并且将输出33固定至齐纳电压。 如上文中所述，输入电压可以快速地增加至比齐纳电压大得多的值， 这可以使二极管41传导大电流，从而允许中间电压增加。但是，在 部分25有充分的时间恢复之后，部分25将把中间电压调整回第一值。
图5简要示出了在半导体管芯(die)71上形成的半导体设备或者 集成电路70的实施例的一部分的放大平面图。包括电路20或电路66 的控制器15在管芯71上形成。管芯71还可以包括出于简化附图目 的而未在图5中示出的其他电路。电路20或者电路66以及设备或者 集成电路70通过本领域的技术人员公知的半导体制备技术在管芯71 上形成。
鉴于上面内容，显而易见，公开了一种新颖的设备和方法。包括 的其他特征是形成了一种在输入电压的电压瞬变期间不禁止线性调 节器部分的保护电路。此外，响应于不小于第一值的中间电压而选择 性地实现降压使输出电压中的增加最小化。
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显而易见的。
例如，如在输出33和输出21之间提供适当电压降所要求的，二极管 53和54的降压电路可以具有更多或更少的二极管。尽管电路20被显 示或描述为给开关电压调节器提供电力，但是电路20可以用于向能
提供保护电压。同样，可以用提供箝位型功能的任何类型的电路代替 由二极管41所表示的箝位电路。另外，为了清楚地描述，始终使用 词语"连接(connect)"，但是，其被规定为与词语"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
1.一种过电压保护电路，其用于线性电压调节器，包括分流晶体管，其可操作地连接成接收输入电压，以及将输出电压基本上调整为期望值，所述分流晶体管具有连接成接收所述输入电压的第一载流电极、连接成提供用于形成所述输出电压的第一电压的第二载流电极以及控制电极；多个二极管，其串联在所述分流晶体管的所述第二载流电极和所述过电压保护电路的输出之间；第一晶体管，其与所述多个二极管并联，所述第一晶体管具有连接至所述分流晶体管的所述第二载流电极的第一载流电极、连接至所述过电压保护电路的所述输出的第二载流电极以及控制电极；以及第三晶体管，其具有连接成接收表示在所述分流晶体管的所述第二载流电极处的电压的感测信号的控制电极以及连接成提供控制信号的第一载流电极，所述控制信号响应于增加至大于所述期望值的第一值的所述第一电压而使所述第一晶体管禁止，以及响应于降低至小于所述第一值的所述第一电压而使所述第一晶体管启动。
2. —种电压调节器，其具有过电压保护电路，包括 串联分流元件，其连接成接收输入电压，并形成用于在所述过电压保护电路的输出处提供输出电压的第一电压，所述串联分流元件包 括第一晶体管，所述第一晶体管具有连接成接收所述输入电压的第一载流电极、连接成提供所述第一电压的第二载流电极以及控制电极；至少一个降压元件，其串联在所述串联分流元件的所述第二载流 电极和所述输出之间；以及阈值检测器，其具有与所述降压元件并联的第一输出和第二输 出，其中，所述阈值检测器包括第二晶体管，所述第二晶体管具有连 接至所述第一输出的第一载流电极以及连接至所述第二输出的第二 载流电极，所述阈值检测器配置成接收表示所述第一电压的感测电 压，并响应于小于第一值的所述第一电压在所述降压元件周围形成电流流动路径，以及响应于大于所述第 一值的所述第 一 电压在所述降压 元件周围不形成所述电流流动路径。
3. 根据权利要求2所述的过电压保护电路，其中，所述阔值检 测器包括第三晶体管，所述第三晶体管连接成接收所述第一电压，并 响应于所述第一电压的所述第一值而使所述第二晶体管启动和禁止， 所述第三晶体管具有第一载流电极、第二载流电极以及控制电极。
4. 根据权利要求3所述的过电压保护电路，其中，所述第三晶 体管的所述控制电极被连接以接收所述感测电压，所述第一载流电极 被连接以接收所述第一电压，以及所述第二载流电极连接至所述过电 压保护电压的电压返回。
5. 根据权利要求4所述的过电压保护电路，其中，所述阈值检 测器还包括第四晶体管，所述第四晶体管具有连接至所述第三晶体管 的所述第二载流电极的控制电极、连接至所述阈值检测器的所述第一 输出的第一载流电极以及连接至所述阈值检测器的所述第二输出的 第二载流电极。
6. 根据权利要求2所述的过电压保护电路，其中，所述串联分 流元件配置成响应于在所述降压元件周围不形成所述电流流动路径 的所述域值检测器而保持启动。
7. —种方法，其用于形成过电压保护电路的方法，包括 配置分流元件以接收输入电压，并将第一电压基本上调整为第一值；以及配置阈值检测器以检测具有小于所述第 一值的第二值的所述第 一电压，以及响应性地形成小于所述第一值的输出电压，而不禁止所 述分流元件。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述配置所述阈值检测 器以检测具有所述第二值的所述第一电压的步骤，包括将降压元件串 联在所述分流元件和所述过电压保护电路的输出之间，将第一晶体管 与所述降压元件并联，以及可操作地配置所述阈值检测器以启动所述 第 一晶体管而在所述降压元件周围形成电流流动路径，以及禁止所述 第一晶体管以基本上终止所述电流流动路径。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述将所述第一晶体管 与所述降压元件串联的步骤，包括将所述第一晶体管与多个二极管并 联，以及还包括可操作地连接第二晶体管以接收表示所述第一电压的 感测信号，并响应性地控制所述第二晶体管的启动和禁止。
10. 根据权利要求7所述的方法，还包括连接箝位电路以检测增 加至大于所述第一值的第三值的所述第一电压，以及响应性地将所述 第一电压固定至不大于所述第三值的值。
全文摘要
在一个实施例中，保护电路包括在一段时间期间保持启动的线性调节器，同时将线性调节器的输出电压限制为第一值。
文档编号H02H9/04GK101188356SQ20071018085
公开日2008年5月28日 申请日期2007年10月17日 优先权日2006年11月21日
发明者保罗·米格里尔瓦卡 申请人:半导体元件工业有限责任公司