低功率电压检测电路及其方法

专利名称：低功率电压检测电路及其方法
低功率电压检测电路及其方法
背景技术：
本发明一般涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法和结构。
过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成检测电压达到某个 值的位置的电压检测电路。对这样的电压检测电路的一个应用是开关
电源控制器的欠电压锁定(UVLO)电路。这样的开关电源控制器的 一个例子是可从Phoenix Arizona的ON半导体公司得到的NCP345。 现有的开关电源控制器一般形成用于转换功率晶体管以产生调节电 压的开关驱动信号。在开关电源控制器应用中，如果输入电压小于最 小期望操作值，则阻止驱动电源控制器的功率开关很重要。当输入电 压低于期望操作值时，这些现有UVLO电路通常有功率耗散，当输入 电压高于期望操作值时，该期望操作值大约等于功率耗散。
在2003年8月12日发布给Halamik等人的美国专利号6, 605， 978中公开了另一类型的电压检测电路。这种类型的电压检测电路比 现有UVLO电路消耗较少的功率，然而，这种类型的电路通常具有较 低的准确性。
因此，期望有一种电压检测电路，其具有低功率耗散，以及具有 至少较低的输入电压阈值的准确检测。
附图的筒要说明


图1简要示出根据本发明的具有电压检测电路的电源系统的一 部分的实施例；
图2简要示出根据本发明的包括图1的电压检测电路的半导体器 件的放大平面图。
为了说明的简洁和清楚，附图中的组成部分不一定按比例绘制，
不同图中相同的附图标记表示相同的组成部分。此外，为了描述的简 要而省略了公知的步骤和组成部分的说明与详述。如这里所使用的载
流电极表示器件的一个组成部分，其承载通过该器件如MOS晶体管 的源极或漏极、或双极晶体管的集电极或发射极、或二极管的阴极或 阳极的电流；控制电极表示器件的一个组成部分，其控制通过该器件 如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极的电流。虽然这些器件在 这里被解释为某个N通道或P通道器件，但技术领域里一般技能的人 员应该认识到，依照本发明，互补器件也是可能的。技术领域中的技 术人员应认识到，这里使用的词"在…的期间、在…同时、当…的时候" 不是当启始行为发生时一个行为同时发生的准确术语，而是在由启始 行为启始的反应之间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。
附图的详细说明
图1简要示出包括电压检测电路20的电源控制系统10的一部分 的实施例。当用于操作电路20的输入电压小于期望的最小阔值或第 一阈值时，电压检测电路20形成有低功率耗散。系统10 —般包括 PWM控制器60、开关功率晶体管62和能量储存感应器(inductor)64。 在一些实施例中，感应器64可为变压器的一部分。感应器64通常被 连接以接收输入63上的整流交流电压。控制器60设置成从电路20 接收功率并在输出61上形成用于驱动晶体管62的开关驱动信号。电 路20、控制器60和晶体管62可一起在公共半导体管芯(die)上形 成，而感应器64—般在半导体管芯的外部。然而，在一些实施例中， 控制器60或晶体管62可在形成有电路20的半导体管芯的外部。
电路20从操作电压或输入电压接收功率，该电压应用在电路20 的电压输入端子或输入31和电压返回端子或返回(return) 32之间。 输入电压一般为直流电压或整流交流电压，其可由应用到输入63的 整流交流电压形成或可从另外的源得到。电路20在输出33和返回端 子32之间形成给其它电路如控制器60提供电力的输出电压。如在下 文中将进一步看到的，电路20接收应用到输入31的输入电压，并响 应于小于第一阈值的输入电压而将输入电压从输出33去耦 (decouple),以及响应于不小于第一阈值的输入电压而将输入电压耦 合(couple)到输出33。因此，在输入电压到达第一阈值之前，控制器 60不接收用于操作控制器60的功率。电路2 0还将阈值改变到较低 的值，如在下文中将进一步看到的。系统10利用在输出33上形成的 输出电压来操作控制器60。此外，在输入电压不小于第一阈值电压之 后，电路20将功率应用到电路20的其它部分，以便更准确地检测降 低回到第一阈值的输入电压，从而使电路20可再次将功率从输入33 和控制器60去耦。
电路20包括电压检测电路11、重置电路23、输出电压控制器 40、比较器37、包括电阻器55和电阻器56的参考电压网络、以及包 括电阻器38、电阻器39和反馈去耦开关或晶体管35的开关反馈网络。 在一些实施例中，电路20还可包括可选的输出禁止晶体管59。如在 下文中将进一步看到的，控制器40用作可选择性启动的线性电压调 节器，其可选择性地被耦合以从输入电压接收功率并在输出33上形 成调节输出电压，或可选择性地被去耦而不从输入电压接收功率、并 阻止形成输出电压。为了最小化电路20的功率耗散，阈值电压检测 电路11被耦合以从应用到输入31的输入电压连续接收功率，然而， 在输入电压达到不小于第 一 阈值的值之后，功率只被应用到比较器37 和控制器40。如'978专利中所述，电路ll具有很低的功率耗散，且 一般比比较器37的操作电流和因而产生的功率耗散小得多，因此， 当输入电压小于第一阈值时，电路20的功率耗散低。
阈值电压检测电路ll包括阈值晶体管14、第一 JFET晶体管16、 第二 JFET晶体管17、下限输出(lower output)晶体管13和电阻器 18。电路11类似于在2003年8月12日发布给Halamik等人的美国 专利号6， 605， 978中公开的电压检测设备，且与之类似地运行，该 专利因此通过引用被并入('978专利)。阈值电压检测电路11的晶 体管13、 14、 16和17类似于'978专利中描述的电压检测设备10的 相应晶体管13、 14、 16和17,以及电路11的电阻器18与'978专利
的晶体管18类似地运行。重置电路23包括第一电平移位晶体管26、 第二电平移位晶体管24和重置晶体管25。晶体管24和26起电平移 位器的作用，该电平移位器将电路23的信号作为比较器37的输出从 参照输出33的电压改变为参照输入31的电压。输出电压控制器40 包括可启动的线性电压调节器，该线性电压调节器包括分流(pass)晶 体管52、调节器禁止开关或晶体管53、开关电流源43、和在所示实 施例中实现为齐纳二极管48的参考电压发生器。开关电流源43用来 将偏置电流耦合到二极管48以及将偏置电流从二极管48去耦，以便 帮助启动和禁止形成输出电压的电压调节器。开关电流源43包括电 流源44、包含电流反射镜耦合晶体管45和46的电流反射镜、以及电 流源开关或晶体管47。
在操作中，当应用到输入31的输入电压的值开始从大约为零的 值增加时，电路ll接收输入电压。只要输入电压的值小于第一阈值， 晶体管14就被禁止且晶体管16运行在三级管模式中，所述第一阈值 基本上为晶体管14的阈值电压加上晶体管16的夹断(pinch-off)电压。 在三级管模式中，晶体管16耦合输入19以接收输入电压。由于晶体 管14被禁止，电阻器18将晶体管13、 35和47的栅极耦合到返回32, 这使晶体管禁止。因为晶体管16和17在三级管模式中，输出19通 过晶体管16和17耦合到输入31,且输入电压的值被应用到输出19。 只要输入电压的值小于晶体管16的夹断电压加上晶体管14的阈值电 压，晶体管16和17就在三级管模式中保持激活。当输入电压的值达 到晶体管16的夹断电压加上晶体管14的阈值电压时，晶体管16开 始运行在夹断模式中，因此变成非导电的，且晶体管16的源极以及 输出19被固定到晶体管17的夹断电压。形成晶体管17使得夹断电 压大到足以启动晶体管53和59。因为晶体管47被禁止，没有电流流 经电流源43，因此，二极管48不接收偏置电流，且参考电压没有应 用到晶体管52。因为晶体管53被启动，晶体管52的栅极连接到返回 32，因而禁止晶体管52、使调节器去耦而不接收输入电压、以及阻止 电路20在输出33上形成输出电压。此外，可选的晶体管59被启动
并使输出33与返回32短路，进一步确保在输出33上没有形成输出 电压。因为没有电压应用到输出33，比较器37被禁止，这也禁止晶 体管26和耦合晶体管24和25的电流反射镜。晶体管35也被禁止， 因此没有反馈电压应用到比较器37的反向输入。因为晶体管35被禁 止，电阻器38和39消耗可以忽略的功率。电路20消耗功率的唯一 部分是电路ll，因此，电路20的功率耗散很低。电路20还没有将功 率应用到控制器60，因而进一步减少了功率耗散。
当输入电压值增加并变得不小于第一阈值时，晶体管14开始导 电并向电阻器18提供电流。通过电阻器18的电流启动晶体管13、 35 和47。启动晶体管13将输出19拉低，这降低了应用到晶体管14的 栅极的电压的值。降低晶体管14的栅极电压将电路ll的阈值降低到 第二阈值，第二阈值大约等于晶体管14的阈值电压加上晶体管16的 源极电压。降低电路11的阈值确保当输入电压的值继续增加时电路 11不响应噪声。启动晶体管35使电阻器39耦合到返回32并在比较 器37的反向输入上形成表示输入31上的输入电压值的反馈信号。启 动晶体管47使电流源44能够提供流经晶体管45的电流，并形成流 经晶体管46的大约相等的电流。来自晶体管46的电流被提供到二极 管48作为启动二极管48以形成节点49上的参考电压的偏置电流。 可看到，二极管48和源43运行，以分别响应于小于第一阈值电压或 不小于第一阈值电压的输入电压，而选择性地形成参考电压或选择性 地阻止形成参考电压。禁止晶体管53使晶体管52从返回32去耦， 因而启动晶体管52以接收输入电压，并且还允许偏置电流通过二极 管48将参考电压应用到节点49和晶体管52的基极。启动晶体管47 和禁止晶体管53使调节器耦合以从输入电压接收功率，并使调节器 能够将输入电压从输入31耦合到输出33作为输出电压。来自输出33 的输出电压用于向比较器37提供操作功率。
电阻器55和56的参考电压网络在节点57上形成参考电压。本 领阈技术人员应认识到，可通过各种其它公知的参考电压发生器形成 参考电压。比较器37接收参考电压和反馈电压，并检测改变为小于
第三阈值的输入电压。第三阈值一般选择为大约不大于第一阈值。晶
体管38、 39、 55和56的值一般选择为确保第三阈值大约不大于第一 阈值。形成不大于第一阈值的第三阈值给电路20提供了滞后作用。 如果在控制器60的正常操作期间输入电压值仅仅降低很小的量，则 该滞后作用阻止电路20转换模式。比较器37比电路11更准确，因 此，比较器37可比电路11更准确地检测降低到小于第三阈值电压值 的值的输入电压。通常比较器37比电路ll准确约十倍。可看到，电 路ll的第二阔值电压应选择为小于第一和第三阈值以阻止电路ll影 响比较器37的操作。第二阈值一般比第一阈值约小百分之六十 (60%)。
如果输入电压改变到小于第三阈值的值，则比较器37的输出变 高，且比较器37响应性地阻止电路20形成输出电压，并重置电路ll 以检测第一阈值。来自比较器37的高启动晶体管26以形成流经晶体 管24的电流。通过晶体管24的电流将栅极电压耦合到晶体管25，该 栅极电压也启动晶体管25。启动晶体管25使晶体管14的栅极到源极 电压短路，因而禁止晶体管14。禁止晶体管14使流经电阻器18的电 流停止，这再次将晶体管13、 35和47的栅极拉到返回32，因而禁止 晶体管。禁止晶体管13使输出19释放而被拉到晶体管17的夹断电 压，因而重置电路ll以检测第一阈值并再次启动晶体管53和59。禁 止晶体管47使源43禁止并阻止二极管48形成参考电压，且启动晶 体管53使晶体管52的基极耦合到返回32，因而禁止晶体管52。因 此，禁止晶体管47和启动晶体管53使调节器去耦而不从输入电压接 收功率，且禁止调节器将输入电压从输入31耦合到输出33。阻止电 路20形成输出电压使比较器37禁止，且它的输出变低，这禁止了电 路23。因此，电路20被重置回到原先状态以检测改变到第一阈值电 压的输入电压。
在电路20的一个实施例中，当输入电压小于第一阈值时，电路 20消耗约一微安的电流，而当输入电压不小于第一阈值时，电路20 消耗约一百微安的电流。因此，可看到，当输入电压小于第一阈值时，
电路20的功率耗散很低。
为了帮助促进电路20的此操作，晶体管14的源极连接输入31， 而晶体管14的漏极通常连接到电阻器18的第一端子、晶体管13的 栅极、晶体管47的栅极、晶体管35的栅极和输出15。电阻器18的 第二端子与返回32连接。晶体管14的栅极通常连接到晶体管16的 源极和晶体管25的漏极。晶体管25的源极连接到输入31和晶体管 24的源极。晶体管25的栅极通常连接到晶体管24的栅极和漏极以及 晶体管26的漏极。晶体管26的源极与晶体管13的源极连接。晶体 管13的漏极通常连接到晶体管17的源极、电路11的输出19、晶体 管53的栅极和晶体管59的栅极。晶体管59的漏极与输出33连接， 而晶体管59的源极连接到返回32和电阻器56的第一端子。电阻器 56的第二端子通常连接到节点57、比较器37的非反向输入和电阻器 55的第一端子。电阻器55的第二端子与输出33连接。比较器37的 反向输入通常连接到电阻器38的第一端子和电阻器39的第一端子。 电阻器38的第二端子与输入31连接。比较器37的输出与晶体管26 的栅极连接。比较器37的电源输入连接到输出33，而比较器37的功 率返回连接到返回32。电阻器39的第二端子与晶体管35的漏极连接， 晶体管35有连接到返回32的源极。电阻器38的第二端子与输入31 连接。晶体管47的源极连接到返回32，而漏极连接到电流源44的第 一端子。电流源44的第二端子通常连接到晶体管45的漏极和栅极以 及晶体管46的栅极。晶体管45的源极通常连接到输入31和晶体管 46的源极。晶体管46的漏极通常连接到节点49、 二极管48的阴极、 晶体管52的基极和晶体管53的漏极。晶体管53的源极通常连接到 返回32和二极管48的阳极。晶体管52的集电极与输入31连接而发 射极与输出33连接。PWM控制器60的电源输入被连接以从输出33 接收功率，且控制器60的功率返回与返回32连接。控制器60的PWM 驱动输出61与晶体管62的栅极连接。
图2简要示出在半导体管芯71上形成的半导体器件70的实施例 的一部分的放大平面图。电路20在管芯71上形成。控制器60和晶
体管62也可在其上形成。管芯71还可包括其它在图2中为制图简单 而没有示出的电路。电路20、控制器60、晶体管62和器件70通过 半导体制造技术在管芯71上形成，这些技术对技术领域的人员来讲 是公知的。
鉴于上述内容，显然公开的是一种新的装置和方法。包括其它特 征中的是形成从输入电压接收功率的第一电压检测设备和从低功率 电压检测电路的输出接收功率的第二电压检测设备。形成具有低功率 耗散且比第二电压检测设备有更低的功率耗散的第 一检测设备減少 了功率耗散。配置第二电压检测设备以从输出电压接收功率并选择性 地形成输出电压进一步减少了功率耗散。耦合其它设备如PWM控制 器以从输出电压接收操作功率也有助于减少功率耗散。
虽然本发明的主题是用特定的优选实施例来描述的，但显然对半 导体领域的技术人员来说许多替换和变化是显而易见的。例如，通过 改变晶体管38和39的值例如通过使一个晶体管短路，可改变第三阈 值。此外，为描述清楚而始终使用"连接(connected )，，这个词，但是， 意指与词"耦合(coupled)"具有相同的含义。相应地，"连接"应被解 释为既包括直接连接也包括间接连接。
权利要求
1.一种低功率欠电压检测方法，包括耦合欠电压检测电路的第一电压检测电路以连续接收输入电压，响应于小于第一值的所述输入电压而使所述输入电压从所述欠电压检测电路的输出去耦，以及响应于不小于所述第一值的所述输入电压而将所述输入电压耦合到所述欠电压检测电路的所述输出作为输出电压；和耦合所述欠电压检测电路的第二电压检测电路以响应于所述输入电压耦合到所述输出而接收表示所述输入电压的信号，以及响应于小于第二值的所述输入电压而使所述输入电压从所述输出去耦。
2. 如权利要求l所述的方法，其中耦合所述欠电压检测电路的 所述笫一电压检测电路以连续接收所述输入电压的步骤，包括响应于 所述第 一 电压检测电路检测到所述输入电压不小于所述第 一值而启 动电压调节器以将所述输入电压耦合到所述输出并形成所述输出电 压。
3. 如权利要求2所述的方法，其中耦合所述欠电压检测电路的 所述第二电压检测电路以响应于所述输入电压耦合到所述输出而接收表示所述输入电压的所述信号的步骤，包括将所述输出电压耦合到 所述第二电压检测电路。
4. 一种低功率电压检测电路，包括第一电压检测电路，其耦合成从输入电压连续接收功率，并设置 成响应于所述输入电压的第一阈值而形成启动信号；输出电压控制器，其耦合成响应于所述启动信号而接收所述输入 电压并在所述低功率电压检测电路的输出上形成输出电压；和比较器电路，其耦合成从所述输出电压控制器接收功率并形成第 二阈值，所述比较器电路耦合成响应于不大于所述第二阈值的所述输 入电压而禁止所述输出电压控制器。
5. 如权利要求4所述的低功率电压检测电路，其中所述第一电压检测电路比所述比较器电路需要更少的操作电流。
6. 如权利要求4所述的低功率电压检测电路，其中所述第二阈 值小于所述第一阈值。
7. 如权利要求4所述的低功率电压检测电路，其中所述输出电 压控制器是线性调节器，所述线性调节器设置成响应于所述输入电压 的所述第一阈值而选择性地从所述输入电压形成所述输出电压，以及 设置成响应于所述输入电压的所述第二阈值而选择性地禁止从所述 输入电压形成所述输出电压。
8. 如权利要求7所述的低功率电压检测电路，其中所述线性调 节器包括参考发生器，所述参考发生器耦合成响应于所述输入电压的 所述第一阈值而选择性地形成所述线性调节器的参考电压。
9. 如权利要求4所述的低功率电压检测电路，其中所述第一电 压检测电路设置成响应于所述输入电压的所述第一阈值而将所迷第 一阈值改变为第三阈值。
10. 如权利要求9所述的低功率电压检测电路，其中所述比较器 电路可操作地被耦合成响应于不大于所述第三阈值的所述输入电压而将所述第一电压检测电路的所述第三阈值重置回所述第一阈值。
11. 如权利要求4所述的低功率电压检测电路，进一步包括耦合 成接收所述输出电压的PWM控制器。
12. 如权利要求4所述的低功率电压检测电路，其中所述比较器压接收操作功率。
13.如权利要求4所述的低功率电压检测电路，其中所述第一电 压检测电路包括第一JFET晶体管，其具有耦合成接收所述输入电压的漏极、耦 合到所述低功率电压检测电路的电压返回的栅极、和源极；第二 JFET晶体管，其具有耦合成接收所述第一 JFET晶体管的 所述源极的漏极、耦合到所述电压返回的栅极、和源极；第一MOS晶体管，其具有耦合到所述第二 JFET晶体管的所述源极的漏极、耦合到所述电压返回的源极、和栅极；第二MOS晶体管，其具有耦合成接收所述输入电压的源极、耦 合到所述第一 MOS晶体管的所述栅极的漏极、和耦合到所述第一 JFET晶体管的所述漏极的栅极。
14. 一种形成低功率电压检测电路的方法，包括 耦合所述低功率电压检测电路以接收输入电压，并提供输出电压配置所述低功率电压检测电路以检测小于第 一 阈值的所述输入 电压并响应性地禁止提供所述输出电压；和配置所述低功率电压检测电路以检测不小于所述第 一 阈值的所 述输入电压并响应性地提供所述输出电压。
15. 如权利要求14所述的方法，其中配置所述低功率电压检测 电路以检测小于所述第一阈值的所述输入电压并响应性地禁止提供 所述输出电压的步骤，包括配置所述低功率欠电压检测电路以禁止向 所述低功率欠电压检测电路的调节器提供功率。
16. 如权利要求15所述的方法，其中配置所述低功率欠电压检 测电路以检测不小于所述第一阈值的所述输入电压并响应性地提供 所述输出电压的步骤，包括配置所述低功率欠电压检测电路以检测不 小于所述第一阈值的所述输入电压并响应性地将功率耦合到所述调 节器。
17. 如权利要求15所述的方法，其中配置所述低功率欠电压检 测电路以检测不小于所述第一阈值的所述输入电压并响应性地将功 率耦合到所述调节器的步骤，包括配置所述低功率欠电压检测电路以 选择性地将参考电压耦合到所述调节器，以及配置所述调节器以响应 性地形成所述输出电压。
18. 如权利要求14所述的方法，其中耦合所述低功率电压检测率电压检测电路的所述输出的其它电路提供电力的步骤，包括将电压 调节器串联在所述输入电压和所述输出之间，以选择性地从所述输入电压接收功率并响应性地形成所述输出电压。
19. 如权利要求14所述的方法，其中耦合所述低功率电压检测率电压检测电路的所述输出的其它电路提供电力的步骤，包括耦合第 一电压检测电路以从所述输入电压接收功率，以及耦合第二电压检测 电路以从所述输出电压接收功率。
20. 如权利要求19所述的方法，其中耦合所述第二电压检测电 路以从所述输出电压接收功率的步骤，包括耦合比较器以从所述输出 电压接收功率。
全文摘要
在一个实施例中，低功率电压检测电路包括从输入电压接收功率的第一电压检测设备和从低功率电压检测电路的输出接收功率的第二电压检测设备。
文档编号G01R19/165GK101166982SQ200580049497
公开日2008年4月23日 申请日期2005年6月6日 优先权日2005年6月6日
发明者克里斯多夫·巴索, 弗兰蒂瑟克·苏卡普, 约瑟夫·赫拉米克 申请人:半导体元件工业有限责任公司