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学，更具体地，涉及形成半导体器件的方法 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形成用于调节电源系统输出电压的脉宽调制(PWM)电源控制器。大部分PWM电源控 制器包括在初始启动期间緩慢地增加最大电流的软启动(soft-start)功 能，所述最大电流用于调节输出电压。 一般包括在大部分PWM电源 控制器中的另一功能是突发模式或跳周期(skip cycle)模式。突发模式 或跳周期模式用于在负载的功率要求降低至轻级别时改善电压调节 并降低功率耗散。这样的电源控制器的一个样例是可从亚利桑那州菲 尼克斯(Phoenix Arizona )的ON半导体7>司获得的NCP1239。在大部分情况中，当电源控制器从跳周期模式转变为正常工作模 式时，重新启动软启动功能以緩慢地增加提供给负载的最大电流。在 一些情况下，在转变期间，输出电压一般会下冲(undershoot)，并且 花费长时间来达到期望的调节输出电压值。因此，期望有一种具有软启动功能和跳周期功能、并在从跳周期 工作模式转变为正常工作模式时不会使输出电压下沖的电源控制器。
图1简要示出了包括根据本发明的PWM电源控制器的电源控制 系统的一部分的实施例；以及图2简要示出了包括根据本发明的图1的PWM电源控制器的半 导体器件的放大的平面视图。
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。这里使用的栽流电极(current carrying electrode )是指器件的元件，其承载通过该器件例 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。
具体实施方式
图1简要示出了包括电源控制器30的电源系统10的一部分的实 施例。系统10配置成在电压输入端子11和电压返回端子12之间接 收输入电压，并在电压输出17和电压返回18之间形成输出电压。负 载20—般被耦合以接收输出电压并接收来自输出17的负栽电流。施 加在端子11和12之间的电压一般为整流AC电压例如整流正弦波， 或者可以为DC电压。系统10还可以包括具有初级侧和二次侧的变 压器13、优选地作为功率晶体管14实现的功率开关、以及形成表示 电流15的电流感测(current sense: CS )信号的电流感测电阻器16， 所述功率晶体管14被连接以控制流过变压器13的初级侧和晶体管14 的电流15。电流15由箭头表示。控制器30在电流感测输入35上接 收电流感测(CS)信号。系统10的反馈网络可以包括光耦合器21、 电压参考设备25以及反馈电阻器19。电压参考设备25 —般为可以形 成精确参考电压的设备，例如并联调节器。设备25—般用作系统10 的输出电压误差放大器。 一种合适的并联调节器是可以从亚利桑那州
菲尼克斯的ON半导体公司获得的TL431。这样的并联调节器及其误 差放大器应用对于本领域的技术人员而言是众所周知的。光耦合器21 包括用于形成表示输出17和返回18之间的输出电压值的反馈(FB) 信号的发光二极管22和光电晶体管(photo-transistor)23。控制器30 可以包括用于上拉晶体管23的输出以有利于形成FB信号的上拉电阻 器47。控制器30在FB输入33上接收FB信号。这样的反馈网络和 FB信号对于本领域技术人员而言是众所周知的。本领域技术人员还 应该理解，反馈网络可以有其他实施例，只要其形成表示输出电压的 FB信号。控制器30 —般在装配到半导体封装中的半导体管芯(die)上 形成。在一些实施例中，晶体管14可以形成为控制器30的一部分。 正如本领域技术人员将认识到的，控制器30的一些实施例可以包括 代替设备25的一部分的误差放大器。电源控制器30接收功率输入31和功率返回32之间的功率。通 常，输入31连接至端子11，而返回32连接至端子12。控制器30 — 般包括内部电压调节器或调节器38，调节器38接收来自输入31的电 压，并在输出39上形成用于运行控制器30的元件的内部工作电压。 参考电压发生器或参考41接收来自输出39的内部工作电压，并产生 用于运行控制器30的参考电压。如在下文中将进一步看到的，参考 41形成在箝位(clamp)输出上的箝位参考(CR)信号、在跳周期输出 上的跳周期参考(SR)信号、在复位输出上的复位参考(RR)信号 以及在超控(override)输出上的超控参考(VR)信号。控制器30通常 还包括振荡器44、 PWM控制部件或PWM45、晶体管驱动器46、电 流感测比较器52、并联调节器箝位70、软启动参考信号发生器57、 跳周期比较器42、变极器(inverter)43以及优选地包括软启动比较器 54和实现为晶体管55的超控开关的软启动超控部件。由电阻器48和 49构成的电阻分压器将FB信号分减成节点50上的减少的FB信号， 节点50具有与箝位70和发生器57的输出兼容的电平。减少的FB信 号表示输出电压。PWM 45是用于产生PWM控制信号的PWM控制电路，PWM
控制信号用于控制晶体管14以便调节输出17和返回18之间的输出 电压值。PWM 45可以是包括电压模式、或电流模式、或前缘(lead edge) 或后缘(tramng edge)PWM控制器或滞后控制器的多种PWM控制器 电路中的任一种。通常，PWM45包括逻辑电路以实现跳周期功能。 在于2003年7月22日授权给Jefferson Hall等人的美国专利号 6,597,221中公开了一种包括跳周期功能的PWM控制电路的一个样 例，其在这里通过引用被并入。驱动器46接收来自PWM 45的PWM 控制信号，并在PWM驱动输出34上形成PWM驱动信号。驱动器 46形成有充分的驱动，以控制功率开关如晶体管14。在优选实施例中，软启动参考发生器57在发生器57的输出62 上选择性地形成线性增加的软启动参考信号。为了形成线性增加的软 启动参考信号，发生器57的优选实施例包括电流源58、实现为第一 晶体管59的第一开关、实现为第二晶体管60的第二开关以及电容器 61。当变极器43的输出为低时，晶体管60被禁止并且没有效应，以 及晶体管59被导通以将电流源58连接至电容器61，从而对电容器 61进行充电，并形成线性增加的软启动参考信号。当变极器43的输 出为高时，晶体管59被禁止且晶体管60被导通，以对电容器61进 行放电。本领域的技术人员应认识到，发生器57可以有其他实施例， 只要其选择性地形成软启动参考信号，并且还应认识到，软启动参考 信号在其他实施例中可以有其它波形。如在下文中将进一步看到的，优选地包括比较器54和晶体管55 的软启动控制部件配置成响应于负载20而选择性地超控软启动参考 信号值，所述负载20需要更大的负载电流并将输出电压值降至小于 调节值以及小于启动跳周期模式的值的值。在图l所示的优选实施例 中，软启动控制部件通过将软启动参考信号值改变为不同的值而超控 它，如在下文中将进一步看到的。并联调节器箝位70优选地包括或型晶体管(ORing transistor ) 73和74、第一电流源71、緩冲晶体管75、第二电流源72、放大器 76、输出晶体管77以及输出78。箝位70在输入79上接收软启动参 考信号，并在输入80上接收箝位参考(CR)信号。晶体管73和74 对信号一起进行逻辑"或(OR)"操作，并且在节点81上形成具有更 低值的信号。随动连接的晶体管75将来自节点81的减去晶体管75 的Vbe的信号耦合至放大器76的反向输入。来自节点50的减少的 FB信号由放大器76的非反向输入接收。如果发生器57被复位，并 且电容器61被放电，则输入79接近于返回32上的电压值，这使晶 体管74导通以将节点81拉至基本为返回32的电压加上晶体管74的 Vbe电压降，并从源71接收电流。因此，放大器76和晶体管77迫 使输出78为输入79上的电压。当电容器61充电时，输出78跟随软 启动参考信号的值，直到它在输入80上达到箝位参考(CR)信号。 注意，节点78跟随输入79，但是在值上变化了晶体管74的Vbe。 一 旦电容器61充电至CR信号的值，输出79跟随在放大器76的非反 向输入上接收的减少的FB信号。当电容器61继续充电而超过CR信 号时，软启动参考信号对箝位70没有影响。这样的箝位电路及其运 行对于本领域人员而言是众所周知的。PWM45形成PWM控制信号以控制晶体管14。在正常运行中， 电容器61被充电至大于CR信号的值，因此，软启动参考信号不影 响控制器30的运行，并且PWM 45将输出电压调节至调节值。振荡 器44 一般为固定频率振荡器，其将时钟信号提供至PWM 45，该时 钟信号用于控制由PWM45产生的PWM控制信号的频率。电流感测 比较器52接收CS信号，并且如果CS信号大于从箝位70接收的电 流感测参考信号，则迫使比较器52的输出高。来自比较器52的高用 于禁止PWM控制信号，因而禁止晶体管14。来自振荡器44的时钟 信号的下一边沿启动另一周期，以基本上将输出电压调节为调节值。 这样的操作一般称为电流模式控制，并且对于本领域的技术人员而言 是众所周知的。如果负载20需要的电流值降低，输出电压值可以增加至大于调 节值的第一值。控制器30配置成检测第一值，并且使控制器30开始 在跳周期模式中运行。如果输出电压值增加至第一值，FB信号的值 相应地降低。如果FB信号降至低于跳周期参考(SR)信号的值，跳 周期比较器42的输出变低以禁止PWM控制信号，并启动跳周期工 作模式。在跳周期模式中，PWM45形成提供足够的电流以将输出电 压基本上维持为调节值的一 系列短脉冲串。本领域的技术人员应认识 到，在跳周期模式中，输出电压一般在调节值周围变化一些量，并且 可以在调节值和第一值之间变化。当控制器30进入运行的跳周期模 式时，控制器30还使用软启动参考信号，以在比较器42的输出变高 之后，在跳周期模式的启动部分期间限制电流15的峰值。来自比较 器42的高迫使变极器43的输出低，因而禁止晶体管60并导通晶体 管59，以开始对电容器61充电，并在输出62上形成线性增加的斜波 信号。只要输出62上的软启动参考信号小于箝位参考(CR)信号或 者小于降低的FB信号，输出78上的电流感测参考信号就跟随软启动 参考信号。电流感测参考信号的线性增加值限制了控制器30允许流 过晶体管14的电流15的峰值。 一旦电容器61充电至不小于CR信 号或降低的FB信号的低值，箝位70就将来自节点50的降低的FB 信号施加至输出78，这有利于控制器30利用输出电压值来控制电流 15的峰值。在跳周期模式的初相位期间，当软启动参考信号小于CR信号 时，由于由软启动参考信号产生的电流限制，很可能负载20可改变 状态，并且需要比在跳周期模式中能提供的电流更大的负栽电流。在 过去，现有技术的电源控制器继续使用软启动参考信号来限制通过晶 体管14的电流的峰值，即使负栽20需要更大的负载电流。因此，输 出电压值会降低，并且不能基本维持在调节值。如果负载20改变状态，并且需要额外的负载电流，而软启动参 考信号小于箝位参考(CR)信号，则输出电压值开始降低至小于调 节值的第二值。较低的输出电压值迫使FB信号和节点50上降低的 FB信号相应地增加。如果降低的FB信号增加至大于复位参考(RR) 信号值的值，则比较器54的输出被迫为低，从而启动晶体管55。启 动晶体管55将超控参考(VR)信号耦合至输出62上的软启动参考 信号，从而快速地将软启动参考信号的值增加至比箝位参考(CR) 信号的值更大的值。来自参考41的VR信号起电压源的作用，并且 快速地将电容器61充电至VR信号的值。因为软启动参考信号现在 大于箝位参考(CR)信号，箝位70将降低的FB信号耦合至输出78， 从而使得控制器30使用降低的FB信号。因此，输出电压现在被用作 参考，以控制电流15的峰值。迫使软启动参考信号为大于箝位参考 (CR)信号的值，保证了输出78上的电流感测参考信号表示输出电 压，以及保证了软启动参考信号不影响控制器30的运行。为了实现控制器30的这个功能，调节器38的电压输入连接至输 入31,以及调节器38的电压返回连接至返回32。调节器38的输出 39连接至参考41的电压输入，参考41有连接至返回32的电压返回。 输出39还连接至电阻器47的第一端子以及源58的第一端子。电阻 器47的第二端子通常连接至输入33、电阻器48的第一端子以及比较 器42的非反向输入。比较器42的反向输入连接至参考41的跳周期 输出。比较器42的输出一般连接至PWM45的第一输入和变极器43 的输入。变极器43的输出连接至晶体管59和60的栅极。晶体管59 的源极连接至源58的第二端子。晶体管59的漏极一般连接至输出62、 晶体管60的漏极、晶体管55的漏极以及电容器61的第一端子。晶 体管60的源极一般连接至电容器61的第二端子以及返回32。输出 62连接至输入79。晶体管55的源极连接至参考41的超控输出。晶 体管55的栅极连接至比较器54的输出。比较器54的反向输入一般 连接至节点50、电阻器49的第一端子、电阻器48的第二端子、放大 器76的非反向输入、晶体管77的漏极以及输出78。比较器54的非 反向输入连接至参考41的复位输出。电阻器49的第二端子连接至返 回32。晶体管77的源极连接至返回32，而栅极连接至放大器76的 输出。放大器76的反向输入一般连接至源72的第一端子以及晶体管 75的发射极。晶体管75的集电极连接至输出39以及源71的第一端 子。源71的第二端子一般连接至晶体管75的基极、晶体管74的发 射极以及晶体管73的发射极。晶体管73的集电极一般连接至返回32、
晶体管74的集电极以及源72的第二端子。晶体管73的基极连接至 输入80以及参考41的箝位输出。晶体管74的基极连接至输入79。 输出78连接至比较器52的反向输入，比较器52有连接至输入35的 非反向输入。比较器52的输出连接至PWM 45的第二输入。振荡器 44的输出连接至PWM 45的第三输入。PWM 45的输出连接至驱动 器46的输入，驱动器46有连接至输出34的输出。图2简要示出了在半导体管芯92上形成的半导体器件91的实施 例的一部分的放大的平面视图。控制器30在管芯92上形成。管芯92 还可以包括为了简化附图而未在图2中示出的其他电路。控制器30 和器件91通过本领域技术人员公知的半导体制备技术在管芯92上形 成。鉴于上述内容，显然公开了一种新颖的器件和方法。包括其他特 征中的是形成PWM控制器，以响应于降低至小于输出电压的期望调 节值的值的输出电压而复位或超控软启动参考信号。复位或超控软启流的峰值，从而提高负载瞬态响应。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明显的。例如，控制器30被描述为用于特定的回扫电源系统应用，但是还可以 用于其他电源配置的应用中。进一步地，对发生器57、箝位70以及软启动超控部件的所示和所述具体实施方案为示例性实施方案，并且 其他的实施方案是可能的。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
1.一种电源控制器的软启动电路，其包括软启动参考发生器，其配置成响应于增加至大于输出电压调节值的第一值的电源系统的所述输出电压而形成软启动参考信号；以及软启动超控电路，其配置成接收表示所述输出电压的第一信号，以及配置成响应于降低至小于所述调节值的第二值的所述输出电压而超控所述软启动参考信号的值。
2. 根据权利要求1所述的软启动电路，其中，所述软启动参考 发生器配置成产生斜波信号作为所述软启动参考信号。
3. 根据权利要求1所述的软启动电路，其中，所述调节值小于 所述第一值并大于所述第二值。
4. 根据权利要求1所述的软启动电路，其中，所述软启动超控 电路配置成响应于降低至所述第二值的所述输出电压而将电压源耦 合至所述软启动参考信号。
5. 根据权利要求1所述的软启动电路，其中，所述软启动超控 电路包括比较器，所述比较器耦合成接收所述第一信号和第一参考信 号并形成控制信号以使所述软启动超控电路改变所述软启动参考信 号的所述值。
6. 根据权利要求5所述的软启动电路，其中，所述控制信号耦 合成将电压源转换至所述软启动参考发生器的输出。
7. 根据权利要求5所述的软启动电路，其中，所述比较器具有 耦合成接收所述第一信号的第一输入、耦合成接收来自参考电压发生 器的所述第一参考信号的第二输入、以及一个输出，并且还包括一个 晶体管，所述晶体管具有耦合至所述比较器的所述输出的控制电极、 耦合成接收所述第一参考信号的第一载流电极、以及耦合至所述软启 动参考发生器的输出的第二载流电极。
8. 根据权利要求1所述的软启动电路，其中，箝位电路配置成 接收所述软启动参考信号，以及形成由电流感测比较器使用的电流感 测参考信号。
9. 根据权利要求1所述的软启动电路，其中，所述电源控制器 包括PWM控制器和电流感测比较器。
10. —种形成电源控制器的方法，其包括 配置所述电源控制器来形成驱动信号，以控制功率开关而将输出电压调节为调节值；配置所述电源控制器以接收表示所述输出电压的反馈信号； 配置所述电源控制器以响应于大于所述调节值的所述输出电压的第一值而形成软启动参考信号；以及配置所述电源控制器以响应于小于所述调节值的所述输出电压的第二值而抑制所述软启动参考信号。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述配置所述电源控 制器以抑制所述软启动信号的步骤，包括配置所述电源控制器以迫使 所述软启动信号为第一参考值。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述配置所述电源控 制器以迫使所述软启动参考信号为所述第一参考值的步骤，包括配置 所述电源控制器以迫使所述软启动信号为所述第 一参考值，以便启动 所述电源控制器，以将所述输出电压调节为所述调节值。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述配置所述电源控 制器以迫使所述软启动参考信号为所述第一参考值的步骤，包括配置 比较器以接收所述反馈信号和第一参考信号，以及启动晶体管以响应 于所述输出电压的所述第二值而将所述第一参考值耦合至所述软启 动参考信号。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述配置所述电源控 制器以响应于所述输出电压的所述第一值而形成所述软启动参考信 号的步骤，包括配置所述电源控制器以形成脉冲形式的驱动信号，以
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述配置所述电源控 制器以形成所述软启动参考信号的步骤，包括配置所述电源控制器以形成斜波状软启动参考信号。
16. —种电源控制方法，其包括形成驱动信号来运行功率开关，以将电源系统的输出电压调节为调节值；响应于大于所述调节值的所述输出电压的第一值而形成软启动 参考信号以限制通过所述功率开关的电流的峰值，以及响应于小于所述调节值的所述输出电压的第二值而改变所述软 启动参考信号的值。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述响应于大于所述 调节值的所述输出电压的所述第一值而形成所述软启动参考信号以 限制通过所述功率开关的电流的所述峰值的步骤，包括利用所述软启 动参考信号来控制所述驱动信号，以限制通过所述功率开关的电流的 所述峰值。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述响应于所述输出 电压的所迷第二值而改变所述软启动参考信号的所述值的步骤，包括 将电压源耦合至所述软启动参考信号。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，所述将所述电压源耦 合至所述软启动参考信号的步骤，包括将表示所述输出电压的信号与 第一参考信号比较，以及启动开关以将所述电压源耦合至所述软启动参考信号。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述响应于所述输出 电压的所述第二值而改变所述软启动参考信号的所述值的步骤，包括 增加所述软启动参考信号的所述值。
全文摘要
在一个实施例中，电源控制器配置成响应于降低至小于输出电压的期望调节值的值的输出电压，而复位或超控软启动参考信号。
文档编号H02M1/00GK101167236SQ200580049582
公开日2008年4月23日 申请日期2005年7月15日 优先权日2005年7月15日
发明者克里斯多夫·巴索, 彼得·卡丹卡, 杰斐逊·W.·霍尔 申请人:半导体元件工业有限责任公司