专利名称：功率管理方法和结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子学，尤其涉及形成半导体装置和结构的方法。
背景技术：
从前，半导体工业利用各种电路和方法实现稳压器用于功率管理系统。通常称作低回落(LDO)稳压器的一种特定的稳压器方案典型的用于高效功率管理系统，诸如用于电池操作的应用。尽管当输入电压低于一个伏特而高于规定的输入电压，LDO调节器可以正确的操作。图1示意的描述了该典型的现有低回落(LDO)稳压器的一些元件。晶体管102接收来自电池的功率，并提供电流给输出电容105和负载108。输出电容105，通常由虚线框表示，典型的具有两个成分，纯电容性元件107和阻抗元件106，通常称作等价串联电阻或ESR。单级差动放大器用作误差放大器101以控制在电容105上的电压。分压器104形成的反馈电压表现为输出110上的输出电压。放大器101比较该反馈电压和参考电压，并驱动晶体管102的门控在电容105上提供理想的输出电压。
该电路结构产生由负载108的输入阻抗和晶体管102的输出阻抗控制的主电极。由于晶体管102输出阻抗随着通过晶体管102的电流变化，主电极随着变化的输出电流在频率中移动。进一步，该ESR和电容器105的电容在由电阻106和电容107的乘积确定的频率处形成零。电容器105拥有大的ESR，因此造成高频零点在高频上提供稳定性，并提供充分的相补角以提供稳定的输出电压用于由调节器100提供的输出电流值。然而，如果ESR值降低，零点移动到更高的频率，并且不能长期的提供LDO的稳定性。如果不是所有的输出电流由LDO提供，有时将导致不稳定的输出电压。该低ESR值典型的是经常用于输出电容器的陶瓷电容器。
因此，希望具有一种形成功率管理单元的方法，该单元对于小的ESR值具有稳定的输出。
图1示意的描述了现有LDO调节器的一部分。
图2根据本发明示意的描述了功率系统的部分实施例。
图3根据本发明示意的描述了图2的功率系统的功率管理单元的部分实施例。
图4根据本发明图示了由图3的功率管理单元形成的一些极点和零点的频率。
图5根据本发明示意的描述了图3的功率管理单元的误差放大器实施例的一部分。
图6根据本发明示意的描述了具有功率管理单元的半导体装置实施例的放大的平面图。
为了简单和清楚的描述，图中的元件没必要按比例绘图，并且在不同图中的同一的参考编号表示同一元件。另外，为了简单描述，公知步骤和元件的细节及描述被省略。在此使用的载流电极意思是携带电流的装置的元件，该电流通过该装置，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，并且控制电极意味着控制电流的装置的元件，该电流通过该装置，诸如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。
具体实施例方式
图2示意的描述了具有稳定输出电压的功率管理系统10的部分实施例，该输出电压超过大范围的负载电流。功率管理系统10包括功率源11，典型为电池，其提供功率给系统10。系统10典型的是大型系统，诸如蜂窝电话、便携计算机、个人数字装置、或其它类似系统的一部分。系统10提供输出电压和电流给大型系统内部的其它部件(未示出)。功率管理单元12通过单元12的功率输入14和自动返回16接收来自源11的功率。单元12提供功率输出17和自动返回18之间的输出电压。负载13，例如蜂窝电话的部件，耦合在输出17和返回18之间。输出电容器19典型的插在输出17和返回18之间以过滤输出电压。电容器19通常视为包括等价串联电阻(ESR)21和纯电容15，这在本领域中是公知的。
图3示意的描述了功率管理单元20实施例的一部分，该单元由虚线框表示，其功能类似于图2中解释的单元12。单元20包括具有前馈模块40的多级误差放大器22。误差放大器22和前馈模块40通常由虚线框突出显示。单元20也包括参考源23、输出电压反馈网络24、和输出晶体管29。网络24由插在输出17和反馈节点25之间的电阻器26形成，并且电阻器27连接在节点25和返回18之间。单元20除其它(未示出)任选电路诸如过压保护和平稳起动控制之外，可以任意包括限流电路28。该任选电路对本领域技术人员来说是公知的。
晶体管29具有耦合到输入14上的漏极以接收输入电压，源极连接以提供输出电压和输出电流给输出17，并且具有连接的栅极以接收来自误差放大器22的输出42的控制信号。在耦合晶体管结构的公共源中，晶体管29的输出阻抗于负载13的输入阻抗并联，形成输出17的输出阻抗。输出17的输出阻抗和电容器19的电容产生影响单元20和系统10稳定性的主电极。由于晶体管19的输出阻抗和负载13的输入阻抗都随着由单元20提供的负载电流变化，主电极的频率随着变化的负载电流移动。在该优选实施例中，负载电流从几乎零安培变化到一百毫安(0-100毫安)，并且主电极的频率从大约10赫兹变化到大约10千赫兹(10Hz-10KHz)。在开环频宽或放大器22的频宽的附近没有零点频率，单元20的开环转移函数不具有充分的相补角以提供超过单元20提供的输出电流的整个范围的稳定操作。经常认为大约20度的相补角足够能提供稳定的操作。负载电容器19提供由ESR21的值和电容器15的值确定的零点频率这对本领域技术人员来说属于公知常识。在某些情况下，电容器19可以是陶瓷电容，其具有小于五百毫欧(500毫欧)的ESR值，并且几乎经常接近二十毫欧(20毫欧)。该ESR值形成高频中的零点，该零点远离频宽以提供要求的稳定性。在放大器22频宽的频率附近没有零点的情况下，输出电压可能变的不稳定，并且对一些或多数由单元20提供的负载电流有振荡。
如下文所述，放大器22形成两个并行信号通路，其有利于改善单元20的输出电压的稳定性。一条通路提供增益，并且另一条并行通路提供相位补偿，由此改善输出电压的稳定性。差动前置放大器31和放大器3形成第一信号通路或提供信号增益的增益通路。前馈模块44形成第二信号通路或提供相位补偿的前馈通路。
形成该误差放大器22以插入零点，该零点参予提供相补角，该相补角导致超过单元20提供的负载电流的操作范围的稳定输出电压。形成该放大器22以接收来自表示输出17的输出电压的反馈节点25的反馈信号或输入信号，并且响应激励晶体管29具有补偿信号，该信号相对于输入信号同步漂移。如下文所述，块40的函数运算形成零点，该零点易于形成补偿信号的相移，并提供用于单元20的稳定输出。为了便于该操作，形成的误差放大器22也包括差动前置放大器31、放大器33、前馈放大器32、前馈电容器36、激励放大器或激励器34。每个前置放大器31、放大器33、和激励器34的阻抗产生频率变化的电极，该变化的频率由每个放大器各自的频宽确定。在下文中，前置放大器31、放大器33、和激励器34的每个电极将各自称作电极P31、P33、和P34。为了为单元20提供稳定的输出电压，有必要在这些极中插入零点频率。如下文中更多的细节所述，放大器22插入两个零点以参予提供稳定的输出电压。通过米勒效应电路形成一个零点，该电路包括电阻器45和串联连接在输出17和激励器34的输入之间电容器46。该米勒效应电路在电极的频率之间提供零点频率，该电极由放大器33和激励器34形成(电极P33和P34)。在优选实施例中，由米勒效应电路形成的零点具有接近八千赫兹到十五千赫兹(8KHz-15KHz)的频率。前馈模块40在由激励器34和前置放大器31产生的电极(电极P34和P31)的频率之间插入另一个零点频率。
耦合该差动前置放大器31以接收输入信号并接收来自参考源23的参考电压。前置放大器31比较输入信号值和参考电压，并形成表示输入信号的前置放大器输出信号，尤其是，表示输入信号和参考电压之间的差值的输入信号。在该优选实施例中，放大器31具有差动输出，以便参与形成前置放大器31的宽带宽。然而，只要获得该带宽，其他实施例可以具有单向输出。该前置放大器输出信号在前置放大器31的正向输出39和反向输出40上形成差动。典型的，前置放大器31具有宽带宽，以便前置放大器输出信号的相位实质上与来自直流的频率的输入信号的相位相同，接近放大器22的开环带宽的最大频率。该宽带宽易于确保电极P31不具有影响放大器22和系统10的稳定性的频率。
在该优选实施例中，前置放大器31具有大约0赫兹到10兆赫兹(0Hz-10MHz)，以便提供实质不变的相位大约从0赫兹到1兆赫兹(0Hz-1MHz)，导致电极P31具有大约4兆赫兹到6兆赫兹(4-6MHz)。电极P31实质上不随着负载电流的变化在频率上来回移动。而且，在该优选实施例中，前置放大器31具有大约5-20dB(5dB-20dB)的增益，然而，这对于获得宽带宽很重要，以便前置放大器31精确的复制该输入信号。本领域技术人员将理解，这对于设计放大器31，包括设计半导体布局是重要的，以最小化在输出39和41上的寄生电容，从而有易于宽带宽。在该优选实施例中，放大器31也具有非常低的噪音，优选的不大于15微伏均方值，如下文中图5所示那样。
放大器33接收差动前置放大器输出信号，放大该前置放大器输出信号，并且在单向放大器输出35上形成放大信号。输出35连接补偿节点30。在输出35上的放大信号包括从前置放大器31到激励晶体管29的必然误差信息，并且在输出17上提供规则的输出电压，尽管该信号独自无法具有充分的补偿以提供期待的稳定性。放大器33典型的具有大于前置放大器31的增益，便于放大前置放大器输出信号。由于较高增益，放大器33典型的具有比前置放大器31窄的带宽，然而，该带宽典型的至少大于主电极的频率并且小于放大器22的带宽。在该优选实施例中，放大器33具有大约50至60分贝(50-60dB)的增益，以及大约3千赫兹到50千赫兹(3KHz-50KHz)的带宽，导致电极P33具有大约3千赫兹到50千赫兹(3KHz-50KHz)的频率。放大器33在处于大于电极P33的频率的频率上的放大信号中引发相移。该相移典型的大约为90度。本领域技术人员将理解该相位不比正好是90度，而是逐渐的从处于电极P33的频率上大约四十五(45)度改变到无穷频率上大约九十度(90)。前置放大器31和放大器33形成第一信号路径，其产生第一信号或放大器33的输出35上的放大信号。
与放大器33并联，前馈模块40也接收前置放大器输出信号，作为响应形成前馈输出信号，并且对前馈输出信号和放大信号求和以形成补偿信号。前馈放大器32被耦合以接收前置放大器32的反向输出，并且响应形成放大器32输出上的间歇信号。放大器32典型的耦合作为具有一个增益的跟随器，以便具有不影响接收信号的相位的大带宽。形成放大器32以具有大于放大器22的带宽的带宽。在该优选实施例中，放大器32耦合作为具有大约一个增益和大约一至二兆赫兹(1MHz-2MHz)带宽的跟随放大器。放大器32耦合该间歇信号给前馈电容器36，该电容器串联连接在放大器32的输出和补偿节点30之间。电容器36接收该间歇信号，耦合它到节点30作为前馈信号，并且对前馈信号和来自放大器33的放大信号求和以形成补偿信号。理论上，该前馈信号具有接近零点的相移。本领域技术人员应当理解该相位不比精确到零度，而是可以不同于精确零度，并且仍旧产生插入零度的效果，但是如果它相对于零度几乎为九十度，它将不产生零度效果。典型的，该相位几乎为10度到60度，并且仍旧产生期待的零度插入效果。补偿信号相对于输入信号产生的相移比放大信号的相移小的多。产生的补偿信号的相位取决于增益和每个信号相位。在该优选实施例中，相对于输入信号的相位，该补偿信号具有大约45度的相移。典型的，该相位可以形成10到70度，并且仍旧具有期待的补偿效果。这减小了由块40提供的零插入函数产生的相位，并且改善了单元20输出的稳定性。该由块40形成的零点，Z40，典型的在由电容器36的值确定的频率上。电容器36的值典型的被选择以确保零点在该频率上，该频率接近由放大器22形成的带宽的频率。在该优选实施例中，电容器36具有大约三百到五百毫微微法拉(300-500ff)，以提供插入的零点具有大约一兆赫兹频率(1MHz)。通过从电容器36的效果中隔离前置放大器输出信号，放大器32提供附加优点，由此确保电容器36不影响前置放大器31的带宽或前置放大器输出信号的相位。放大器32和电容器36形成与第一信号路径平行的第二信号路径。
来自节点30的补偿信号应用到激励器34的输入上，该激励器驱动具有补偿信号的晶体管29的栅极。激励器34典型的具有高于放大器33带宽的带宽，来参与提供用于放大器22的稳定输出。在该优选实施例中，激励器34是具有大约一个增益和大约20千赫兹至3兆赫兹(20KHz-3MHz)带宽的跟随放大器。激励器34也从晶体管29中隔离电容器36，并提供更有效的操作和更快的响应时间。
在评价系统10和单元20的优选实施例的一个范例中，单元20提供范围从1微安到100毫安的输出电流。在该范例中，电容器19具有大约二十毫欧(20毫欧)的ESR以及大约1微法的电容，并且电容器36具有大约500毫微微法的值。在该范例中，系统10和单元20提供至少20度(20°)的相补角用于提供的电流电平，由此导致稳定的输出电压。另外，该范例具有六毫伏的低的最大偏移电压，以及小于15微伏均方值的噪音。该操作特点在图5中用更多的细节解释。
图4是描绘由图3描述评价的系统10和单元20的范例形成的电极的接近频率和零点的曲线图。由米勒效应电路形成的零点指定为ZM，并且由前馈模块40形成的零点指定为Z40。该曲线图描绘了在主电极PD和电极P33和P34之上的频率可以随着变化的输出电流值变化。
图5示意的描绘了在图3的描述中解释的误差放大器22的部分优选实施例。放大器22具有偏压输入80，其提供偏流给内有放大器22的不同的电流源晶体管。
形成前置放大器31作为具有连接到单元20的反向输入38的反向输入，和具有连接到单元20的输入37的正向输入的差动放大器。形成前置放大器31以具有第一输入晶体管51，该晶体管具有通过第一电阻器54连接功率输入14和连接前置放大器31的正向输入39的漏极，连接接收反向输入38的栅极，和源极。前置放大器31的第二输入晶体管52具有通过第二电阻器56连接功率输入14和连接前置放大器31的反向输出41的漏极，连接接收正向输入37的栅极，和连接晶体管51的源极的源极。应当理解，利用电阻器54和56代替晶体管作为负载晶体管改善放大器22的噪音特性，而且也改善图3中解释的偏置电压。电流源晶体管53具有连接第一输入晶体管51的源极的漏极，连接偏压输入80的栅极，和连接自动返回16的源极。
形成前馈放大器32包括第一输入晶体管76，该晶体管具有连接功率输入14的漏极，连接前置放大器31的输出41的栅极，和连接放大器32的输出的源极。放大器32的电流源晶体管77具有连接第一输入晶体管76源极的漏极，连接自动返回16的源极，和连接偏压输入80的栅极。晶体管76和77都是N沟道晶体管，以便形成放大器31的跟随结构。在图3中用于放大器32的符号示意为跟随放大器，而不表示放大器32的输出连接到输入。形成前馈电容器36以具有连接到放大器32的输出上，由此连接到第一输入晶体管76的源极的第一终端，和连接节点30的第二终端。
形成放大器33作为改变具有负载电流的放大器33的输入阻抗的放大器，由此随着负载电流变化改变电极P33的频率。本领域技术人员应当理解，如果电极同时靠的太近，它变的很困难插入零点以提供期待的稳定性。因此，移动该电极作为负载电流的函数确保该电极保持频率上的分离，由此易于零点插入效果并获得理想的稳定性。形成放大器33以具有连接前置放大器31的反向输出41的第一输入。连接前置放大器31的正向输出39的第二输入。
形成激励器34包括恒定电流源，其连接电极P34的频率到最小负载电流值。因此，当负载电流接近零点并且优选的当负载电流不大于50毫安时，放大器34保持电极P34的频率高于电极P33频率。如上文所述，随着负载电流变化移动电极的频率有助于插入零点和稳定该输出电压。
在优选实施例中，晶体管51、52、53、76、和77都是作为N沟道MOS晶体管形成。
图6示意了半导体装置的放大平面图，该装置具有在半导体印模86上形成的功率管理单元20和负载13。功率源11和电容器19典型的不形成在印模86上，并且没有显示在图6中。
根据上面所述，明显的公开了用于功率管理单元的新装置和方法。隐含的，在其它特征当中，在放大器中形成两个不同的信号路径以提供误差放大器输出信号，其参与提供功率管理单元的稳定输出。这两个不同路径有助于前馈路径有效地插入提供稳定输出电压的零点。使用两个路径也有助于形成一个路径来提供放大，和另一个路径来提供相位补偿。在前馈模块中使用跟随放大器隔离相关的电容，并且阻止它改变放大信号的相位。使用分离的激励级以驱动输出晶体管有助于在前馈模块中使用小电容器，并提供更有效的操作和更快的响应时间。形成放大器31以具有差动输出有助于获得宽带宽，并且有助于获得低的静态电流和低的噪音操作。
尽管用特定实施例描述本发明，对半导体领域技术人员来说，任何替换或变化将是显而易见的。例如，只要能获得宽带宽和相位特性，前置放大器33可以用差动或单向低增益放大器制成。例如，可以使用完全对称设计，并且PMOS晶体管可以用来代替NMOS晶体管。放大器32可以用各种宽带宽开环或闭环放大器制成。放大器33可以用不同的具有差动或单向输出的差动输入高输出阻抗放大器制成。激励器34可以是不同类型的大带宽跟随级，其中前置放大器31的输入应当被改序。另外，输出晶体管29可以用垂直PNP双极晶体管代替。
权利要求
1.一种功率管理方法，包括在误差放大器(22)的输入(38)上接收输入信号，其中该输入信号具有一个输入相位，并且该信号表示了功率管理单元的输入电压；产生通过误差放大器的第一信号路径(31-33)的一个第一信号，其中该第一信号表示所述输入信号并具有相对于所述输入相位的第一相位；产生与第一信号并行的前馈信号(32-36)，该前馈信号表示所述输入信号，其中前馈信号具有相对于所述输入相位的第二相位；利用第一信号和前馈信号形成一个补偿信号(30)，该补偿信号具有相对于所述输入相位的第三相位；和利用补偿信号对功率管理单元的输入装置(29)进行驱动。
2.如权利要求1所述的功率管理方法，其中产生表示输入信号的第一信号包括产生相对于输入相位的第一相位90度，以及形成小于第一相位的第三相位。
3.如权利要求1所述的功率管理方法，其中产生与第一信号并行的表示输入信号的前馈信号包括产生是零点的第二相位。
4.如权利要求1所述的功率管理方法，其中产生第一信号并行的表示输入信号的前馈信号包括接收表示输入信号的信号，形成表述输入信号的中间信号(41)，以及将该中间信号应用到串联耦合电容器(36)以形成前馈信号，该信号包括形成是零点的第二相位。
5.如权利要求1所述的功率管理方法，其中由激励放大器接收补偿信号并响应驱动该输出装置包括使用激励放大器形成具有频率的电极，该频率随着通过输出装置的负载电流函数变化。
6.一种形成功率管理单元的方法，包括形成误差放大器(22)以具有为第一频率的第一带宽，并接收输入信号(38)，该信号具有表示功率管理单元的输出信号的输入相位；形成误差放大器(22)以产生通过第一信号路径(31-33)的第一信号，其中第一信号表示输入信号并相对于输入相位具有第一相位；形成误差放大器以产生与第一信号并行(32、36)的第二信号，其中第二信号表示输入信号，并相对于输入相位具有第二相位；形成误差放大器来使用第一信号和第二信号以形成误差放大器的输出信号(42)，其中输出信号相对于输入相位具有第三相位；和耦合误差放大器，以驱动具有输出信号的功率管理单元的输出装置(29)。
7.如权利要求6所述的方法，其中形成误差放大器以产生通过第一信号路径的第一信号包括形成第一信号路径，其包含形成前置放大器具有第二带宽，并响应该输入信号产生前置放大器输出信号，形成放大器具有小于第一带宽的第三带宽，并且连接该放大器以接收前置放大器输出信号和响应产生第一信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中形成放大器以具有第三带宽包括形成放大器，来形成第二频率的电极，该第二频率小于第一频率。
9.一种功率管理单元，包括形成的具有输出电压的输出(17、18)；连接的输出装置(29)，驱动功率管理单元的输出；包括前置放大器的误差放大器(22)，该前置放大器具有耦合以接收信号的输入(38)，该信号表示输出电压，并响应形成前置放大器输出信号(39、41)；耦合的放大器(33)，来接收前置放大器输出信号，并响应该信号形成放大的输出信号(35)，该信号相对于前置放大器输出信号具有相移；耦合的前馈模块(40)，来接收前置放大器输出信号，并响应该信号形成前馈输出信号，该信号实质上相对于前置放大器没有相移，并且耦合该前馈模块以对前馈输出信号和放大的输出信号求和(30)，并形成补偿信号；和耦合的激励放大器(34)，接收补偿信号，并响应驱动输出装置(29)。
10.如权利要求9所述的功率管理单元，进一步包括功率输入；功率返回；偏压输入；正向输入；反向输入；该前置放大器包含连接功率管理单元的反向输入的反向输入，连接功率管理单元的正向输入的正向输入，反向输出、正向输出，第一输入晶体管具有通过第一晶体管连接功率输入，并连接前置放大器正向输出的第一载流电极，第二载流电极，耦合的控制电极以接收前置放大器的反向输入，第二输入晶体管具有通过第二晶体管连接功率输入，并连接前置放大器反向输出的第一载流电极，耦合的控制电极接收前置放大器的正向输入，第二载流电极连接第一输入晶体管的第二载流电极，电流源晶体管具有连接第一输入晶体管的第二载流电极的第一载流电极，控制电极连接偏压输入，并且第二载流电极连接功率返回；前馈模块包含输出，前馈放大器和前馈电容器，其中前馈放大器包含第一输入晶体管，该晶体管具有连接功率输入的第一载流电极，连接前置放大器反向输出的控制电极，第二载流电极；第二输入晶体管具有连接前馈放大器的第一输入晶体管的第二载流电极的第一载流电极，第二载流电极连接功率返回，和控制电极连接偏压输入；和前馈电容器(36)具有连接前馈放大器的第一输入晶体管的第二载流电极的第一端，和连接前馈放大器的输出的第二端。
全文摘要
形成功率管理系统(10)的多级误差放大器(22)以插入零点来补偿高频电极，其在一些输出电流电平处引起不稳定输出。该误差放大器(22)包括前馈模块(40)，其将电容器(36)与其它信号路径隔离，有助于降低噪音和高效操作。
文档编号G05F1/575GK1543061SQ20041000674
公开日2004年11月3日 申请日期2004年2月26日 优先权日2003年2月27日
发明者斯特凡·帕里尔, 帕特里克·伯纳德, 伊维斯·伯纳德, 伯纳德, 克 伯纳德, 斯特凡 帕里尔 申请人:半导体元件工业有限责任公司