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技术，尤其涉及形成半导体器件和结构的方法。
背景技术：
过去，电子工业使用不同的结构和方法来形成交流(ac)到直流(dc)调压器。某些应用使用线性调节器。只要输出电压接近输入电压，则线性调节器能提供有效的调节。随着输入-输出电压差值的增加，有效性降低。另外，许多应用中使用开关调节器。开关调节器要求各种外部电阻、电感和电容，这使调节器变得复杂。这些外部元件还增加了线性调节器的系统成本。
因而，希望有一种价格低、效率高、易于使用的交流到直流电源系统及其电源控制器。
图1示意性地示出了依据本发明的电源系统的一部分；图2示出了依据本发明的图1所示的电源系统的一些信号之间的关系；图3示意性地示出了依据本发明另一实施例的电源系统的一部分；以及图4示出了依据本发明的其上形成有图1所示的电源系统的半导体管芯的平面放大图。
为图的清晰与简化，图中的部件未必是成比例的，不同图中相同的参考标号指示相同的部件。另外，为简化说明，省略了公知步骤的细节和描述。
具体实施例方式
图1示意性地示出了带有电源控制器11的电源系统10的一部分的实施例。电源控制器11向负载60提供受控的输出电流。除控制器11外，通常在控制器11外连接其它部件以实现系统10和控制器11的功能。例如控制器11外通常连接负载60、整流器14、阻塞二极管(blocking diode)16、过滤电阻17和过滤电容18。整流器14接收交流电压(如家用电源)，并在其输出端提供整流过的直流电压。整流器14的输出端与系统10的输入节点或输入端30相连接。过滤电阻17和过滤电容18过滤来自输入端30的输入电压，并向控制器11的电压输入端12提供电压。阻塞二极管16防止电流从电容18流到负载60。
控制器11通常包括电压调节器19、基准电压生成器或基准22、跨导放大器33、平均电流偏差放大器32、瞬态电流误差放大器31、上限比较器36、输出晶体管37和缓冲放大器或缓冲器34。控制器11接收施加在电压输入12和回路(return)13之间的电压，并相应地控制流过负载60的负载电流35的平均值。控制器11线性地控制晶体管37以提供电流35的瞬态值，当该瞬态电流值在输入端30上的输入电压周期上平均时，产生了用于负载60的电流35的期望平均值。
调节器19和电容18用于提供操作控制器11(包括缓冲器34、比较器36和放大器31、32、和33)的各种元件的操作电压。调节器19可以是提供调节电压的任何一种电压调节器。在优选的实施例中，调节器19是齐纳二极管21。在该优选实施例中，选择二极管21和电阻17的值以为调节器19提供合适的输入电压，并选择电容器18的值以为该操作电压提供合适的过滤。控制器11的基准22可以是为控制器11提供各种基准的任何一种基准电压生成器。在该优选实施例中，基准22被形成为串联在输入12和回路13之间的电阻23、26和28。在该优选实施例中，在电阻26和28之间的串联连接处形成平均电流基准节点27，并在电阻23和26之间的串联连接处形成箝位基准节点24。
图2具有代表输入端30上的输入电压的曲线(plot)66和代表负载电流35的瞬态值的曲线67。横坐标代表时间，图示66的纵坐标代表电压，图示67的纵坐标代表电流。本说明将参考图1和图2。如在后文将见到的，在输入端30接收的输入电压被分为活动区(activezone)64和非活动区。活动区64是由电压68表示的下限和由电压69表示的上限之间的电压带。
在系统10和控制器11的操作期间，输入端30和控制器11的电流输入端20之间的负载60上产生负载电压63。负载电压63的出现以及其值依赖于负载60的属性。当输入端30上的输入电压的值低于该负载电压时，整流器14中的二极管反向偏置，阻止电流流经负载60，因而负载电流35为零，系统10禁止负载电流35的流动。但尽管负载电流为零，控制器11是工作的。当输入电压大于负载电压63时，负载电流流过负载60，控制器11驱动晶体管37以控制电流35的平均值。负载60的属性影响负载电压63的值，因而影响活动区64的下限68的值。但不管上限或下限的值怎么样，操作都是相同的。例如，如果负载是纯电阻，当晶体管37未导通时，负载电压63是零，并且输入电压一大于零，则负载电流35就开始流动，因而活动区64的下限接近于零。如果负载为电容(如电容61)，则当负载在工作时，该电容被充电至负载上的压降。对于该示例来说，对包括4个与电容61并联的发光二极管(LED)62的负载60而言，电容61被充电到操作LED62所需的值。假定LED62的总压降大约为6伏，那么当输入电压大于6伏时，电流35开始流动。因而，活动区64的下限变为6伏。如后文将见到的，电流35仅在输入电压的一部分周期期间流动，因而，控制器11形成了电流35的瞬态值，从而该瞬态值在输入电压周期上的平均产生了电流35的期望平均值。
当输入电压比由图2的电压68所示的负载电压63大时，负载电流35经负载60和晶体管37流到回路13，控制器11线性地控制晶体管37以提供电流35的瞬态电流值(其产生电流35的期望平均值)。控制器11包括产生检测(sense)电流40的检测电路。电流40的值与流经晶体管37的负载电流35的瞬态值成比例。在优选的实施例中，晶体管37是具有检测输出的晶体管，其形成了所述检测电路，并提供与电流35成比例的电流。晶体管的检测输出端提供检测电流40。这种晶体管为本领域的技术人员所公知，并有SENSEFET牌的产品出售。在其它的实施例中，可以使用本领域人员所公知的各种方法形成电流40，例如使用电流35流经的电流反射镜(current mirror)或电阻。电流40流经检测电阻38并在电阻38上形成了代表负载电流35的瞬态值的检测电压。跨导放大器33接收并放大检测电压，电阻44控制放大器33的增益。在一些实施例中，电阻44外部可连接在其上形成有控制器11的半导体管芯，从而可以方便地调节放大器33的增益。在其它实施例中，放大器33可以是带有反馈电阻的可操作放大器(代替了跨导放大器)。平均过滤器与放大器33一起形成了平均电路，其通过过滤放大器33的输出，产生代表负载电流35的平均值的平均电压或平均信号。电阻44和电容43形成了平均过滤器。可通过改变平均过滤器的增益来调节电流35的平均值。通过改变电阻44的值改变了该增益。改变电容43的值改变了平均过滤器的带宽。电阻44和电容43两者或其中之一可以在其上形成有控制器11的半导体管芯的外部，以方便改变电阻44和电容43的值。放大器32接收该平均电压，将其与来自节点27的平均电流基准电压相比较，并形成代表电流35的平均值与期望平均值的偏差的偏差电压。如前所述，可通过选择电容43、电阻38和44的值来选择期望平均电压。来自节点27的平均电流基准电压是常值。本领域技术人员应意识到也可改变来自节点27的平均电流基准电压的值以选择期望平均电流的值。放大器32形成的偏差电压用作代表电流35的峰值瞬态值(形成电流35的期望平均值所需要的)的基准电压。选择放大器32上连接的电容47和电阻46以便为放大器32提供低带宽，从而非常缓慢地改变放大器32的偏差电压。通常在大约1到60(1-60)Hz之间选择该带宽，并优选地选为10Hz。在输出端20出现短路或过载时，箝位电路限制放大器32的输出端的值。在优选的实施例中，箝位电路包括与放大器32的输出端相连的晶体管29。晶体管29从节点24接收箝位基准电压，并在输出电压超过该箝位基准电压加晶体管29的阀值电压之和时，箝位放大器32的输出。
缓冲器34放大来自电阻38的检测电压，以确保检测电压不会被控制器11的其它部分干扰。电阻52和电阻53用作设置缓冲器34的增益。该增益通常在大约10和100之间，并优选地大约为40。缓冲器34接收该检测电压并向误差放大器31的反相输入施加代表检测电压的电压。放大器31还从放大器32接收偏差电压并在放大器31的输出端上形成误差电压，该电压将电流35的峰值瞬态值限制为提供电流35的期望平均值所需的值。因而放大器31放大来自缓冲器34的输出端的瞬态电流和与期望平均电流的偏差(由来自放大器32的输出端的偏差电压代表)之间的差值。放大器31以误差电压驱动晶体管37，从而晶体管37传导足以提供电流35的期望平均值的瞬态电流35。选择电阻48和电容49向放大器31提供宽的带宽，从而误差电压快速响应电流35的瞬态电流值的改变。通过改变电阻38和44的值可调节负载电流35的期望平均值。因而，在一些实施例中，电阻38和44可能在其上形成有控制器11的半导体管芯的外部。如曲线67的不同峰值所示，每次晶体管37启用时电流35的瞬态值可能不同，例如，输入电压值的改变可能导致控制器11改变电流35的瞬态值以提供电流35的期望平均值。
当输入端30和回路13之间的输入电压大于活动区64的上限时，被形成的控制器11禁用晶体管37。通常该上限选择为能够充分操作负载60的负载电压63的上限。下限和上限之间的差值是活动区。通常，活动区差值在2到15伏(2-15V)之间，并优选地为5伏。因而上限通常比下限高2到15伏，优选地高5V。当输入电压的值小于或等于活动区64的下限时，输出端20的电压值接近于0。随着输入电压值增长超过下限，输出端20处的电压也开始以输入电压增加的相同速率增加。可以理解输出端20处的晶体管37的压降也从零开始，并随后随输入电压而增长。结果，晶体管37上的压降代表了活动区差值电压。当输入电压的值在时刻T2增长到上限时，(如图2中电压69所指示的)，输出端20的电压值增加到放大器差值电压，导致比较器36的输出变低，并禁用晶体管37。选择电阻54和电阻55以为产生活动区差值电压的比较器36提供基准电压。因而，比较器36和施加的基准电压一起用作禁用电路(disable circuit)。结果，比较器36接收的基准电压值也代表了活动区64的上限。还应理解，活动区64的上限是与负载电压与施加到比较器36的基准电压之和相等的电压。在某些实施例中，可使用泄流电阻(bleeder resistor)45辅助晶体管37的放电，并辅助禁用晶体管37。
阻塞二极管51允许比较器36的输出与放大器31的输出逻辑“或”，从而如果放大器31的输出或比较器36的输出为低，则晶体管37被禁用。齐纳二极管39用作超压防护器件，将比较器36的反相输入端的值箝位到不会损害比较器36的值。电阻56提供阻抗以限制进入二极管39的电流。这也可由活动电路实现。
当在时间T3输出端30处的电压值下降到活动区64的上限时，输出端20处的电压也下降到活动区差值，比较器36的输出随着放大区31走高，从而再次驱动晶体管37，以提供保持电流35的平均值基本恒定的瞬态电流35。输出端30的电压值连续下降，直到其再次等于或小于负载电压63，并且电流35不再流动。每次输入电压在活动区64内时，重复这种操作序列。因而，在施加给输入端30的输入电压的每半个周期重复。结果，输入电压的每个循环或周期，控制器11启用晶体管37四次。
从上面的描述中，可以看出，当输入电压在活动区64内时，控制器11作为线性调节器操作，并在输入电压大于活动区64的上限时禁用晶体管37。
在控制器11的一个示例实施例中，输出端30处的输入电压为全波整流的直流电压(峰值大约为18伏)。调节器19是具有大约8.2伏的齐纳电压的齐纳二极管，该二极管为控制器11提供相等的操作电压值。负载60包括串联在输入端30和输出端20之间的四个LED62。每个LED的压降大约为1.5伏。负载60还包括储能电容器61。结果，活动区64的下限由LED62上的压降决定，并存储在电容61中，大约6伏。选择电阻54和55以提供大约5伏的活动区差值电压和相应的比负载电压63大约高5伏的活动区上限电压。因而，当输入端30处输入电压达到大约6V时，晶体管37被启用，并在该输入电压达到大约11伏时，比较器36禁用晶体管37。在活动区64内，电流35提供电流以操作LED62并充电电容61。在活动区64外，晶体管37被禁用，并且LED62是电容61的负载，并使电容61放电。选择电容61的值以防止负载电压63在这部分期间过分下降。选择电阻23、26和28以在节点27提供大约0.2伏的平均电流基准电压和在节点24提供大约4.5伏的箝位基准电压。对于该实施例，负载电流35的平均值大约为79毫安。将输入电压改变到15伏的峰值导致电流35下降到78毫安，而将输入电压改变到12伏的峰值导致电流35下降到76毫安。因而，控制器11为20％的线性电压变化提供大约3.8％的电流调节。
为提供该功能，调节器19的第一端与输入端12相连接，并且第二端与回路13相连。在优选实施例中，二极管21的阴极与输入端12连接而阳极与回路13连接。基准22的第一端与输入12连接，而第二端与回路13连接。在优选实施例中，电阻23的第一端与输入端12连接，而第二端与节点24和电阻26的第一端相连接。另外，在优选实施例中，电阻26的第二端与节点27和电阻28的第一端相连接，同时电阻28的第二端与回路13相连接。比较器36具有与电阻54的第一端以及电阻器55的第一端相连的非反相输入端。电阻54的第二端与输入端12相连接，电阻55的第二端与回路13相连接。比较器36的反相输入端与电阻器56的第一端及二极管39的阴极相连接。二极管39的阳极与回路13相连接。电阻56的第二端与输出20相连接。比较器36的输出与晶体管37的栅极和二极管51的阳极相连。二极管51的阴极与放大器31的输出端和电容器49的第一端相连。电容49的第二端与放大器31的反相输入和电阻48的第一端相连接。电阻48的第二端与缓冲器34的输出端和电阻52的第一端相连接。放大器31的非反相输入端与放大器32的输出端和电容47的第一端相连接。电容器47的第二端与放大器32的反相输入端和电阻46的第一端相连接。放大器32的非反相输入端与节点27相连接。电阻46的第二端与放大器33的输出端以及晶体管44和电容33的第一端相连接。电阻44和电容43的第二端与回路13相连接。放大器33的反相输入与回路13相连接。缓冲器34带有与放大器33的非反相输入端和电阻38的第一端相连接的非反相输入端。电阻38的第二端与回路13相连接。缓冲器34的反相输入与电阻52的第二端和电阻53的第一端相连接，电阻53的第二端与回路13相连接。晶体管37的源极与输出端20相连接，漏极与回路13相连接，同时晶体管37的检测输出端与放大器33的非反相输入端相连接。晶体管29的基极与节点24相连接，集电极与回路13连接，而发射极与放大器32的输出端连接。
图3示意地示出了带有电源控制器71的电源系统70的一部分的实施例，该控制器71是图1和图2所描述的控制器11的备选实施例。控制器71的功能与控制器11类似，但使用负载电压63而不是检测电流40作为建立负载电流35的平均值的输入。控制器71包括差值放大器72，其接收放大器72的反相和非反相输入端之间的负载电压63，并提供代表负载电压63的输出电压。放大器72的输出电压是负载电流35与负载60的阻抗的乘积。如在图1的说明中所解释的，放大器72的输出电压被平均电路平均。因而平均过滤器与放大器72一起形成平均电路，以产生平均信号。放大器72的输出被送入放大器32的反相输入，放大器32随后与节点27的基准电压相比较。放大器32产生与图1中的电路的误差信号类似的误差信号，只不过其代表输出电压63和节点27处的基准电压之间的误差。以在负载60的阻抗上压降产生期望的负载电压63的这种方式调节峰值电流以给出平均电流。
图4示意性地示出了形成在半导体管芯81上的半导体器件80的实施例的一部分的放大平面图。控制器11形成在管芯81上。管芯81还可包括为简化附图而未在图4中示出的其它电路。
以上的说明很明显公开了一种新颖的器件和方法。将控制器11形成为线性调节器降低了控制器11和系统10的复杂度，从而降低了相关成本。将活动区形成为电压带保持输出电压接近输入电压，使控制器11和系统10能有效地线性操作。在电压大于活动区时禁用输出晶体管，减少了输出晶体管上的压降，并进一步提高了效率。
权利要求
1.一种电源控制方法，包括连接电源系统(10)的输入端(30)以接收具有周期的输入电压；连接负载(60)以接收所述输入电压；形成电源控制器(11)以在所述输入电压大于第一电压(68)时产生流过所述负载的负载电流(35)；以及形成所述电源控制器以在所述输入电压大于第二电压(69)时，禁用所述负载电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述电源控制器(11)以在所述输入电压大于第一电压(68)时产生流过所述负载的负载电流的步骤包括形成所述电源控制器从而以线性模式驱动所述电源控制器的输出晶体管(37)以产生瞬态电流，所述瞬态电流在所述周期上平均为期望的平均电流。
3.一种电源控制器，包括平均电路(43，44，33)，其被连接用于接收代表流过所述电源控制器的负载的负载电流的输入信号(穿过38)，并形成代表所述负载电流的平均值的平均信号(32的输出)；第一放大器(32)，其被连接用于接收该平均信号和第一基准电压，并响应地形成代表所述平均信号和所述第一基准电压之间的差值的偏差信号；第二放大器(31)，其被连接用于接收所述偏差信号和所述输入信号，并响应地驱动输出晶体管(37)以产生流过所述电源控制器的电流输出端(20)上的负载的负载电流(35)；以及禁用电路(36)，其被连接用于当所述输出晶体管(37)上的电压大于第一值(基准电压值)时，响应地禁用所述输出晶体管(37)。
4.根据权利要求3所述的电源控制器，其特征在于，被连接用于接收代表流过所述电源控制器的负载(60)的负载电流的输入信号(穿过38)，并形成代表所述负载电流的平均值的平均信号(32的输出)的所述平均电路(43，44，33)包括被连接用于接收所述负载电流，产生代表所述负载电流的检测电流、从所述检测电流中产生检测电压，并使用所述检测电压作为输入信号的检测电路。
5.根据权利要求3所述的电源控制器，其特征在于，被连接用于在输出晶体管上的电压(20)大于所述第一值时，响应地禁用所述输出晶体管(37)的所述禁用电路(36)包括被连接以接收输出晶体管(37)上的电压(20)以及基准电压，并响应地禁用所述输出晶体管(37)的比较器(36)。
6.一种用于形成电源控制器的方法，包括连接输出晶体管(37)以形成流过负载(60)的负载电流(35)，所述负载(60)与所述电源控制器(11)的输出端(20)连接；形成平均电路(43、44、33)以接收代表负载电流(35)的输入信号，并响应地形成代表所述负载电流的平均值的平均信号(32的输出)；形成所述电源控制器以产生代表所述平均信号和期望常数之间的差值的偏差信号；形成所述电源控制器以响应所述偏差信号和所述输入信号(放大器31)之间的差值驱动所述输出晶体管(37)从而产生负载电流(35)的瞬态值，所述负载电流(35)的瞬态值在第一时间周期上产生负载电流(35)的平均值；以及形成禁用电路(36)，其被连接用于在输出晶体管(37)上的电压(20)大于第一值(基准电压值)时，响应地禁用所述输出晶体管。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成所述禁用电路(36)，该禁用电路(36)被连接用于在所述输出晶体管上的电压大于第一值(基准电压值)时，响应地禁用所述输出晶体管的步骤包括形成所述禁用电路(36)，以在所述第一时间周期内至少禁用所述输出晶体管一次。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成平均电路(43、44、33)以接收代表负载电流(35)的输入信号，并响应地形成代表所述负载电流的平均值的平均信号(32的输出)的步骤包括连接第一放大器(33)以接收所述输入信号；连接一过滤器以接收所述第一放大器的输出；以及将所述第一放大器的输出端连接到所述第二放大器(32)的输入端。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成所述电源控制器以响应所述偏差信号和所述输入信号(放大器31)之间的差值驱动所述输出晶体管(37)的步骤包括形成所述输出晶体管以降低所述负载上的负载电流，其中所述负载电流由施加到所述负载上的整流过的直流电压提供，并且其中所述整流过的直流电压的周期形成所述第一时间周期。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成禁用电路(36)，该禁用电路(36)被连接用于在输出晶体管(37)上的电压(20)大于所述第一值(基准电压值)时，响应地禁用所述输出晶体管(37)的步骤包括形成一个比较器，该比较器被连接用于接收输出晶体管上的电压和接收基准电压，并在所述输出晶体管上的电压大于所述基准电压时响应地禁用所述输出晶体管(37)。
全文摘要
一种电源系统(10)，形成便于电源系统(10)在输入电压(30)处于第一电压值和第二电压值之间时启用输出晶体管(37)的活动区，当所述输出晶体管被启用时，形成具有瞬态值的负载电流(35)，该瞬态值在输入信号的周期上平均时产生所述负载电流的期望平均值。
文档编号G05F1/10GK1606222SQ200410083269
公开日2005年4月13日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年10月7日
发明者阿伦·R.·鲍尔, 亚历杭德罗·拉腊-阿斯科尔拉 申请人:半导体元件工业有限责任公司