专利名称：形成pwm控制器的方法及其结构的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及电子学，更具体地说，涉及形成半导体器件的方 法和结构。
背景技术：
过去，半导体工业利用各种方法和结构来生产脉冲宽度调制 (PWM)电源控制器。在一些情况下，电源控制器监控输出电压的 值以确定电源是否向负栽输送了太多的功率。通常， 一旦过载条件被 检测到，这样的控制器将终止向负载提供功率。因此，现有的控制器 不能有效地处理小的功率过栽。
因此，期望有一种PWM控制器，其更精确地感测功率过载条件， 可调节输送到负载的功率一段较长的时间，且更有效地保护电源控制 器。
图l显示电源系统的实施方式，其示意性地显示根据本发明的脉 沖宽度调制(PWM)电源控制器的示例性实施方式的一部分；
图2是具有显示根据本发明的图1的系统的一些信号的曲线的
图3示意性地显示包括根据本发明的图1的脉冲宽度调制 (PWM)电源控制器的半导体器件的放大平面图。
为了说明的筒洁和清楚，附图中的元件没有必要按比例绘制，且 不同图中相同的参考数字表示相同的元件。此外，为了描述的简单而 省略了对公知的步骤和元件的说明与详述。如这里所使用的栽流电极 表示器件的一个元件，其承载通过该器件的电流，如MOS晶体管的源极或漏极、或双极型晶体管的集电极或发射极、或二极管的负极或
正极；控制电极表示器件的一个元件，其控制通过该器件的电流，如 MOS晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。虽然这些器件在这里被 解释为某个N沟道或P沟道器件，但本领域中的普通技术人员应该认 识到，依照本发明，互补器件也是可能的。本领域中的技术人员应认 识到，这里使用的词"在…的期间、在…同时、当...的时候"不是一个行 为和初始行为同时发生的准确术语，而是在被初始行为发动的反应行 为之间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。词"大约，，或"实质 上"的使用意味着元件的值具有预计非常接近于规定的值或位置的参 数。然而，如本领域中所公知的，总是存在极小的偏差使上述值或位 置不是正好如规定的值或位置。在本领域中业已确认，最大约百分之 十(10%)的偏差被认为是确切地如所描述的理想目标的合理偏差。
具体实施例方式
图1简要显示电源系统10的实施方式的一部分，其显示脉冲宽 度调制(PWM)电源控制器或PWM控制器30的示例性实施方式的 一部分。系统10在功率输入端子12和功率返回端子13之间接收输 入功率，并在输出端子17和输出返回端18之间形成输出电压。负载 (没有显示)通常连接在端子18和返回端18之间。端子12和13通 常耦合成接收通过桥式整流器11在端子12和13之间形成的体输入 电压。电容器14提供有助于形成体输入电压的滤波功能。控制器30 形成驱动信号，该驱动信号被用来控制功率开关例如功率晶体管21 的操作，并将端子17和返回端18之间的输出电压的值调节到期望值。 输出电压通常被调节到形成目标值附近的期望值的数值范围内的目 标值。例如，目标值可为5伏(5V)且期望值的数值范围可为5伏附 近的正负百分之五(5%)。晶体管21 —般连接到变压器16以便控 制流经变压器16的电流，目的是调节输出电压。反馈网络20连接成 接收输出电压并形成表示输出电压的值的反馈(FB )信号。电流感测 电路例如电阻器22通常耦合成形成表示流经晶体管21的电流的值的电流(cs)感测信号。
如在下文中将进一步看到的，控制器30被配置成通过反馈信号 感测增大到不小于第一值的输出电压的值，并响应于输出电压不小于 该第一值达到笫一时间间隔而禁止形成驱动信号。控制器30连接成 接收电压输入端31和电压返回端32之间的输入功率。输入端31和 返回端32 —般连接到相应的端子12和13。控制器30通常包括驱动 输出端36、反馈(FB)输入端37以及电流感测(CS)输入端38。 FB输入端37连接成从反馈网络20接收FB信号，以及CS输入端38 连接成接收表示通过晶体管21的电流的CS信号。驱动输出端36提 供用于操作晶体管21并将端子17和返回端18之间的输出电压调节 到期望值的开关驱动信号或驱动信号。
控制器30通常包括实质上固定频率的时钟电路或时钟43、PWM 锁存器45、 PWM驱动器或緩沖器46、可选的最大占空比控制电路 48、或门51和电压-电流式比较器52。控制器30还通常包括内部调 节器39,其耦合在输入端31和返回端32之间以接收输入电压，并在 输出端40上形成用于操作控制器30的元件例如锁存器45以及门51 的内部工作电压。在一些情况下，调节器39可包括高电压启动电路， 其从输入端31上的高电压形成低电压并接着使用该低电压来在输出 端40上形成工作电压。这样的启动电路和内部调节器对本领域中的 技术人员是公知的。此外，在一些情况下，高电压启动电路可连接在 输入端31和端子12之间，高电压电路的输出连接到输入端31。时钟 43形成实质上固定频率的时钟信号，该时钟信号被用于使锁存器45 置位并在开始输出端36上的驱动信号的周期。使锁存器45置位使驱 动信号有效，该驱动信号使晶体管21导通并当电流开始流经晶体管 21时在输入端38上形成CS信号。比较器52接收CS和FB信号， 且当CS信号达到FB信号的值时比较器52的输出变为高电平。来自 比较器52的高电平使锁存器45复位，并通过使驱动信号无效来终止 驱动信号的周期的有效部分。驱动信号的占空比被确定为驱动信号的 有效部分除以驱动信号的总周期。最大占空比控制电路48用于限制在输出端36上形成的驱动信号的最大占空比。电路48从时钟43接 收时钟信号并在驱动信号的周期中的某个时刻，即在需要驱动信号的 有效部分终止并限制占空比到最大值的时刻，形成控制信号。这样的 占空比控制电路对本领域中的技术人员是公知的。在驱动信号的周期 内的选定时刻，来自电路48的控制信号变为高电平并通过门51使锁 存器45复位，即使锁存器45仍然被置位且没有被比较器52复位。
控制器30还包括过载电路50，其有助于防止系统10的输出上 的过栽损坏系统10的元件。电路50配置成响应于负栽所需的功率不 小于第一值达到第一时间间隔而禁止形成驱动信号。电路50通常配 置成响应于负载所需的功率而形成第 一时间间隔的第 一持续时间，且 该第一持续时间优选地与所述功率成反比。电路50的示例性实施方 式包括输入端53、放大器54、比较器55、参考信号发生器或参考源 56、实现为或门的逻辑电路、第一计时器电路59和第二计时器电路 或计时器57。输入端53耦合成接收可用于检测过载条件的过载感测 信号。在优选实施方式中，电路50被配置成检测功率过栽，因此， 在输入端53上接收的过载感测信号是反馈信号。电路59的示例性实 施方式包括可变电流源60、电容器61、放电晶体管62、参考信号发 生器或参考源65以及比较器64。然而，本领域中的技术人员应认识 到，电路59可具有其它实施方式，只要保留在下文中描述的电路59 的功能。例如，电路50可配置成感测电流信号以便防止电流过载， 或甚至可被配置成从机械传感器接收输入以防止机械运动使系统处 于过载条件。对于这些其它实施方式，适当的感测信号在输入端53 上接收。来自反馈网络例如网络20的FB信号仍可与在输入端53上 接收的信号分开地在输入端37上接收。
图2是具有显示系统10的一些信号的曲线的图。横坐标表示时 间，而纵坐标表示所示信号的增多的值。曲线68显示在端子17和返 回端18之间的输出电压。曲线69显示电路59的节点63上的、取决 于一个输出电压值的信号，而曲线70显示节点63上的、取决于另一 个输出电压值的信号.曲线72显示门58的输出。上述描述涉及图1和图2。
只要输出电压的值保持在期望的数值范围内，控制器30就如以 前在这里所述的那样继续运行。如果连接在端子17和返回端18之间 的负载(没有显示)所需的功率增加到较大的值，则系统10可能不 能够在不损坏系统10的某些器件的情况下提供需要的功率。例如， 端子17可能直接或通过电阻性元件与返回端18短路。这种情况需要 系统10提供大量的功率。如果功率被提供延长的一段时间，则晶体 管21可能被损坏。为了防止这种损坏，控制器30被配置成监控提供 到负栽的功率的值。如果功率增加而超过设定值并保持不小于该设定 值达到第 一时间间隔，则控制器30被配置成终止向负载提供功率。
如本领域中的技术人员所公知的，输出电压的值可表示负载所需 的功率。如果负载消耗的功率大于系统10可提供的功率，同时将输 入电压维持在期望的数值范围内，则输出电压通常降低。因此，如果 输出电压降低到不大于第一值，则可假定负载所需的功率大于系统10 的额定功率。当输出电压降低时，FB电压的值增加。如果输出电压 的值降低到使FB信号增加到不大于来自参考源56的信号的第一值， 则比较器55的输出变为低电平。来自比较器55的低电平指示计数器 电路59开始形成第一时间间隔，并且还指示计数器57开始形成第二 时间间隔。来自比较器55的低电平使晶体管62截止，使得可变电流 源60可开始给电容器61充电。由源60提供的电流的值与输出电压 的值成比例，且优选地与系统10的负载所需的功率成反比。放大器 54接收FB信号并形成控制信号，该控制信号与输出电压的值成比例 且与输出功率成反比。
假定在图2所示的时刻Tl，负载所需的功率比额定功率大得多。 此负载功耗使输出电压的值降低并使FB信号增大，这使来自放大器 54的控制信号的值增大。当控制信号增大时，由源60提供的电流的 量也增大，从而降低了电容器61充电到由曲线69所示的来自参考源 65的信号的值所需的时间量，因而形成较短的时间间隔。当节点63 达到参考源65的值时，比较器64的输出变为高电平，从而迫使门58的输出为高电平并通过门51使锁存器45复位，如曲线72的第一虛 线部分所示的。使锁存器45复位会使输出端36上的驱动信号无效并 使晶体管21截止。注意，控制器30继续形成驱动信号，直到由电路 59形成的第一时间间隔的终止。节点63保持高电平并禁止锁存器45 被时钟43置位，直到负载所需的功率降低并使比较器55的输出变为 高电平。相反，如果在时刻Tl负载所需的功率较小但仍然大于额定 功率，则输出电压的值不那么低(较接近于期望的输出电压值)，FB 信号较低，且源60提供较少的电流，这花费更长的时间来给电容器 61充电到来自参考源65的信号，从而形成较长的时间间隔，如曲线 70以及曲线72的第二虚线部分所示。因此， 一旦输出电压降至第一 值，由电路59形成的时间间隔与输出电压的值成比例，并与负载所 需的功率成反比。
如果负载所需的功率的量小但仍然大于额定功率，则由电路59 形成的时间间隔可能很长。为了确保系统10只在有限的时间量内提 供增大的功率，计时器57被配置成形成实质上固定的时间间隔。如 果由电路59形成的时间间隔大于由计时器57形成的时间间隔，则计 时器57的输出在比较器64变为高电平之前变为高电平。来自计时器 57的高电平迫使门58的输出为高电平以使锁存器45复位并禁止形成 驱动信号。因此，计时器57形成的时间间隔被电路50用来将电路59 的第一时间间隔限制到最大值，以确保控制器30只提供增大的功率 一段最大的时间。在一个实施方式中，计时器57的时间间隔约为一 秒。计时器57可通过多种实现和方法来形成，包括使用时钟43来数 字地形成计时器57的时间间隔的数字计时器。此外，电路59可具有 不同的实现，例如数字实现，且电路57可形成为电路59的一部分， 或源60的值可被限制到消除了对计时器的需要的某一最小值。
为了实现控制器30的这项功能，调节器39连接在输入端31和 返回端32之间以接收输入电压并在输出端40上形成工作电压。时钟 43的输出共同连接到锁存器45的置位输入端和电路48的输入端。电 路48的输出端连接到门51的第一输入端。门51的输出端连接到锁
9存器45的复位输入端。锁存器45的Q输出端连接到緩冲器46的输 入端，緩冲器46的输出端连接到输出端36。比较器52的非反相输入 端共同连接到电阻器53的第一端子、输入端37、放大器54的输入端 和比较器55的反相输入端。比较器52的反相输入端连接到输入端38。 比较器52的输出端连接到门51的第二输入端。放大器54的输出端 连接到电流源60的控制输入端。比较器55的非反相输入端连接到参 考源56的输出端。比较器55的输出端共同连接到计时器57的输入 端和晶体管62的栅极。晶体管62的源极共同连接到电容器61的第 一端子和返回端32。晶体管62的漏极共同连接到电容器61的第二端 子、节点63、源60的第一端子和比较器64的非反相输入端。源60 的第二端子连接到输出端40。比较器64的反相输入端连接到参考源 65的输出端。比较器64的输出端连接到门58的第一输入端，门58 的输出端连接到门51的第三输入端。计时器57的输出端连接到门58 的第二输入端。
图3示意性地显示在半导体晶片81上形成的半导体器件或集成 电路80的实施方式的一部分的放大平面图。控制器30在晶片81上 形成。晶片81还可包括为制图简单起见没有在图3中显示的其它电 路。控制器30和器件或集成电路80通过半导体制造技术在晶片81 上形成，这些技术对本领域的技术人员来讲是公知的。
鉴于上述全部内容，很显然公开了一种新颖的器件和方法。连同 其它特征包括的是形成一种PWM控制器，以响应于输送到负载的功 率保持不小于第 一值达到第一时间间隔而禁止形成驱动信号，其中所 述第一时间间隔形成为与提供给负栽的功率成反比。禁止驱动信号防 止损坏系统的电路。使用输出电压的值来确定功率的第一值简化了确 定功率电平所需的电路。根据负载所需的功率的量来改变时间间隔的 持续时间允许控制器处理峰值负载并仅提供功率一段短的持续时间， 以及还处理小的过载和在较长的时间段内提供较小的功率量。这使电 路更灵活并改善了使用该控制器的系统的运行。
虽然本发明的主题是用特定的示例性的、优选的实施方式来描述的，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换方式和变化是显而
易见的。例如，电路59是用特定的实施方式来说明的，但本领域的 技术人员应认识到，其它实施方式是可能的，只要该实施方式提供电 路59的功能。可使用各种电路结构来形成计时器57。此外，系统IO 被示为降压转换器，然而，电路50可用在其它电源结构中。CS信号 被示为由流经电阻器22的电流形成，但它可由各种公知的方法形成。 包括时钟43和锁存器45的PWM产生部分可具有多种实现，包括使 用可变频率时钟、或甚至不使用时钟而使用迟滞控制回路。此外，为 描述清楚而在全文中使用"连接"这个词，但是，该词旨在与词"耦合" 具有相同的含义。因此，"连接，，应被解释为包括直接连接或间接连接。
权利要求
1. 一种PWM控制器，包括第一电路，其配置成提供用于将输出电压的值调节到期望值的驱动信号；第二电路，其可操作地耦合成接收表示所述输出电压的所述值的反馈信号；以及第三电路，其可操作地耦合成接收所述反馈信号并响应于所述输出电压保持不大于第一值达到第一时间间隔而禁止所述驱动信号，其中所述第三电路形成与提供给负载的功率成反比的所述第一时间间隔。
2. 如权利要求1所述的PWM控制器，其中所述第三电路被配述第 一 时间间隔的第 一 持续时间。
3. 如权利要求2所述的PWM控制器，其中所述第三电路被配 置成形成具有不依赖于所述输出电压的第二持续时间的第二时间间 隔，并响应于所迷第一持续时间不小于所述第二持续时间而禁止所迷 驱动信号。
4. 如权利要求1所述的PWM控制器，其中所述第三电路包括 形成所述第 一时间间隔的第 一数字时间电路。
5. —种形成PWM控制器的方法，包括以下步骤 配置所述PWM控制器以形成被用于将输出电压调节到期望值的驱动信号；以及配置所述PWM控制器以响应于过载感测信号的值不大于第一 值达到第一时间间隔而禁止形成所述驱动信号，并响应于所述过载感 测信号的值而形成所述第 一时间间隔的第 一持续时间。
6. 如权利要求5所述的方法，其中配置所述PWM控制器以禁 止形成所述驱动信号的所述步骤包括配置所述PWM控制器以形成与 所述过载感测信号成反比的所述第 一时间间隔的所述第 一持续时间。
7. 如权利要求5所述的方法，进一步包括配置所述PWM控制 器以形成具有实质上固定的第二持续时间的第二时间间隔，并响应于 所述第 一时间间隔变得不小于所述第二时间间隔而禁止形成所述驱 动信号。
8. 如权利要求5所述的方法，其中配置所述PWM控制器以禁 止形成所述驱动信号的所述步骤包括配置所述PWM控制器以改变与 所述过载感测信号的值成反比的所述第 一时间间隔。
9. 一种形成PWM控制器的方法，包括以下步骤 配置所述PWM控制器以形成用于将输出电压调节到期望值的驱动信号；配置所述PWM控制器以接收过载感测信号；以及 配置所述PWM控制器以响应于所述过载感测信号的值保持不 大于第 一值达到第 一时间间隔而禁止形成所述驱动信号，并形成与所 述过载感测信号的值成反比的所述第一时间间隔的第 一持续时间。
10. 如权利要求9所述的方法，其中配置所述PWM控制器以禁 止形成所述驱动信号的所述步骤包括配置所述PWM控制器以改变与 所述过载感测信号的值成反比的所述第 一时间间隔的所述持续时间。
全文摘要
在一个实施方式中，PWM控制器被配置成响应于过载感测信号的值不大于第一值达到第一时间间隔而禁止形成驱动信号，并响应于所述过载感测信号形成第一时间间隔的第一持续时间。
文档编号H02M3/24GK101459384SQ20081014924
公开日2009年6月17日 申请日期2008年9月17日 优先权日2007年12月12日
发明者J·P·克拉夫特 申请人:半导体元件工业有限责任公司