专利名称：Led控制器及其方法
技术领域：
本发明大体涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体器件及结构的方法。
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发光二极管(LED)的控制电路。一些LED控制器利用连接在高端结构中的P-沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管，以便调整施加给LED的电压的值。P-沟道MOS晶体管通常导致增加成本的较大的芯片尺寸。在其他结构中，N-沟道MOS晶体管连接在低端结构中以控制LED。低端结构将负载连接至电源。如果低端结构的输出意外地变得与另一连接短路，大电流就会流过负载并损害负载。在称为LP3936的部件的数据页中描述了使用连接在低端结构中的N-沟道晶体管的LED控制器的一个实施例，LP3936可以自加利福尼亚州的圣克拉(Santa Clara)的美国国家半导体公司获得。因此，期望有一种LED控制器，其通过高端开关结构连接负载，不利用P-沟道晶体管控制负载，并且具有较低的成本。
图I根据本发明，简要示出了包括LED控制器的LED系统的一部分的实施例；图2根据本发明，简要示出了包括多沟道LED控制器的多沟道LED系统的一部分的实施例；图3根据本发明，简要示出了图2的LED控制器的放大的横截面部分；以及图4根据本发明，示出了包括图2的LED控制器的半导体器件的放大的平面图。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。这里使用的载流电极(current carrying electrode)是指器件的的元件,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该理解，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该理解，这里使用的词汇“期间”、“同时”、以及“当…时”不是表示一旦开始操作马上就会发生反应的准确术语，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。出于简化附图的目的，器件结构的掺杂区域示为一般具有直线边缘和精确拐角。但是，本领域的技术人员应该理解，因为掺杂物的扩散和活动，掺杂区域的边缘一般可能不是直线，并且拐角可能不是精确的角。
具体实施例方式图I简要示出了包括LED控制器22的LED系统10的一部分的实施例。控制器22利用连接在高端结构中的纵向N-沟道MOS晶体管57以控制通过LED的电流。控制器22操作在饱和状态中的晶体管57，以将流过晶体管57从而流过LED的电流的值线性地控制为实质上上恒定的值。系统10接收在输入端子11和功率返回端子12之间的功率。连接在端子11和12之间的电压源通常实质上是DC电压。系统10通常还包括LED 16，以及典型地包括多个串联的LED，例如LED 16和17。电流感测电阻器18 —般还与多个LED串联，以便在节点19上形成反馈信号，反馈信号表示流过LED 16和17的负载电流20的值。控制器22接收电压输入23和电压返回24之间的功率，并提供通过输出13的负载电流20。控制器22接收反馈输入26上的反馈信号。可选的启动输入25可以用于启动和禁止控制器22的运行，因而，允许和禁止电流20的流动。控制器22通常包括线性控制电路37、启动电路29、误差放大器58以及参考信号发生器或参考59。放大器58通常包括运算放大器和阻抗，例如阻抗Zl和Z2，其用于控制增益并提供频率补偿。控制器22还可以包括内部电压调节器61，其可以接收来自输入62的电压，并在输出62上形成内部工作电·压，内部工作电压可以操作控制器22的一些元件，例如参考59和放大器58。启动电路29—般包括启动晶体管34和上拉电阻器33。电阻器31和二极管32提供由电阻器33接收的上拉电压。线性控制电路37通常包括第一偏置电路38、第二偏置电路45以及线性驱动器50。驱动器50包括多个串联的晶体管，例如第一偏置晶体管52、第二偏置晶体管54以及控制晶体管56。在运行时，负载电流20被调整为期望值附近的值的范围内的实质上恒定的期望值。例如，期望值可以为大约300mA，并且值的范围可以加上或减去300mA左右的5%。除了电阻器18之外，负载电路20还流过LED 16和17。经过电阻器18的电流20的流动在反馈节点19处形成了反馈信号，该反馈信号表示电流20的值。误差放大器58接收反馈信号，并在节点35上形成误差信号，其表示电流20的值和电流20的期望值之间的差异。放大器58形成误差信号作为来自输入26的反馈信号和来自参考59的参考信号值之间的差异。正如本领域的技术人员所理解的，控制器22配置成控制电路20的值，使得反馈信号值实质上上等于参考信号值。如果输入25上的启动信号值低，那么禁止晶体管34，并且使电路29不对节点35处的误差信号值产生影响。控制晶体管56接收来自放大器58的误差信号，并控制驱动器50以在晶体管57的栅极上形成线性控制电压。电阻器44连接在驱动器50和输入23之间，以防止晶体管57的栅极与输入23的电压源短路。由驱动器50形成的控制信号操作处于晶体管57的工作特性饱和区中的晶体管57，使得晶体管57未被完全地增强，因而，晶体管57的栅极电压值响应性地随通过晶体管57的电流的变化而变化。晶体管57的这种控制将电流20的值调节为实质上恒定的期望值。因为晶体管连接在高端结构中，必须施加给晶体管57的栅极的控制电压的值一般非常大。因为晶体管57是纵向晶体管，所以晶体管57可形成有高的击穿电压。然而，正如下文中将进一步见到的，晶体管52、54和56为通常比晶体管57具有较低的击穿电压的横向晶体管。为了形成驱动器50以承受必须施加给晶体管57的栅极的大电压，晶体管52、54和56连接在串联或堆垛结构中，该结构分配每个晶体管52、54和56两端之间的控制信号的电压值。由每个晶体管52、54和56降低的电压量通过堆垛结构进行控制，以及通过用实质上固定的电压偏置晶体管52和54进行控制。在堆垛结构中，所有的晶体管52、54和56引导同样的电流，因而，晶体管52和54的栅极-源极电压(Vgs)实质上相等。因此，晶体管52的源极上的电压值等于偏置电压减去晶体管52的Vgs。因为漏极上的电压是固定的，所以晶体管52两 端之间的电压降(voltage drop)也是固定的。类似地，晶体管54的源极上的电压值等于偏置电压减去晶体管54的Vgs。晶体管54的漏极上的电压由晶体管52的源极上的电压固定，因此，晶体管54两端之间的电压降也是固定的。因此，将固定的偏置电压施加给每个晶体管52和54的栅极控制由晶体管52和54降低的电压值。施加给晶体管57的栅极的控制信号的剩余电压在晶体管56两端之间被降低。晶体管52和54的偏置电压由偏压电路45和38形成。偏置电路45接收来自输入23的输入电压，并在晶体管52的栅极上形成第一偏置电压,其小于输入电压的值，并小于要求操作晶体管57的控制电压的最大值。偏置电路38在晶体管54的栅极上形成第二偏置电压，其小于第一偏置电压值，而大于来自放大器58的误差信号的最大值。选择晶体管52和54的偏置电压值，以将每个晶体管52、54和56两端之间的电压降设定为施加给晶体管57的栅极的控制信号电压的最大值的一些部分。在优选实施例中，选择偏置电压以减低控制信号的最大电压的大约1/3。晶体管56的运行由来自放大器58的误差信号的值进行控制。当误差信号的值改变或变化时，晶体管56的Vgs变化，从而改变晶体管57的栅极上的控制信号值以控制电流20的值。在一个示例性实施例中，在输入23和返回24之间接收的输入电压值为大约100V。将节点49上的第一偏置电压选择为大约65V，而将节点42上的第二偏置电压选择为大约35V。流过晶体管52、54和56的电流的值形成大约4V的晶体管52和54的Vgs。因此，节点53上的电压值为大约61V，使得晶体管52下降了大约39V。节点55上的电压值为大约31V，使得晶体管54下降了大约30V。从100V的输入电压中减去在晶体管52和54两端降低的电压剩下晶体管56两端的大约31V。因而，除了将实质上固定的偏置电压施加给晶体管52和54之外，堆垛结构还散布或分配必须被晶体管42、54和56在每个晶体管两端降低的电压的值，使得晶体管52、54和56可以具有比晶体管57的击穿电压低的击穿电压。本领域的技术人员应该理解，如果晶体管52、54和56的栅极全部由相同的电压例如误差信号驱动，晶体管中的一个会降低大约所有的控制电压值，并且其他的晶体管会全部开始引导电流。因此，实质上在一个晶体管两端的所有的电压都会被降低。本领域的技术人员应该理解，驱动器50的结构有利于形成高栅极电压以控制晶体管57，而不使用电荷泵电路。在N-沟道晶体管连接在高端结构中的应用中，通常需要增加控制信号的电压值，以便产生足够大的Vgs以控制晶体管。电荷泵电路一般用于泵高控制电压的值。在称为NIS5112的部件的数据页中描述了将电荷泵用于控制连接在高端结构中的N-沟道MOS晶体管的电路的实施例，该NIS5112来自亚利桑那州的菲尼克斯(Phoenix)的ON半导体公司。驱动器50便于形成控制信号以驱动晶体管57，而不使用电荷泵电路，从而降低了使用控制器22的系统的成本。不使用电荷泵还消除了由电荷泵切换而引起的电磁干扰(EMI )。在利用电荷泵驱动高端结构中的N-沟道晶体管的结构中，施加至晶体管的栅极电压必须大于晶体管的漏极上的电压。因为电路37驱动晶体管57而不使用电荷泵，所以施加至晶体管57的栅极电压不大于晶体管57的漏极上的电压。
为了实现控制器22的该项功能，连接晶体管57的漏极以接收通过电阻器44的输入电压，并连接晶体管57的源极以将负载电流20提供给外部LED 16和17。晶体管57的漏极连接至电阻器44的一个端子，电阻器44具有连接至输入23的第二端子。晶体管57的源极连接至输出13。晶体管57的栅极连接至节点51。晶体管52的漏极连接至节点51，栅极连接至节点49，以及源极连接至节点53。晶体管54的漏极连接至节点53，栅极连接至节点42，以及源极连接至节点55。晶体管56的漏极连接至节点55，栅极连接至节点35，以及源极连接至返回24。偏置电路45的输入连接至输入23以及电阻器46的第一端子。电阻器46的第二端子连接至节点49。二极管47的负极连接至节点49，以及正极连接至二极管48的正极，二极管48的负极连接至返回24。电路38的输入连接至输入23以及电阻器39的第一端子，电阻器39有连接至节点42的第二端子。二极管40的负极连接至节点42，正极连接至二极管41的正极。二极管41的负极连接至返回24。启动电路29的输入连接至输入23以及电阻器31的第一端子。电阻器31的第二端子一般连接至二极管32的负极以及电阻器33的第一端子。二极管32的正极连接至返回24。电阻器33的第二端子一般 连接至节点35和晶体管34的漏极。晶体管34的源极连接至返回24，而栅极连接至输入25。放大器58的非反向输入连接至输入26，反向输入被连接以接收来自参考59的参考信号。放大器58的输出连接至节点35。本领域的技术人员应该理解，电路45和38代表用于形成晶体管52和54的偏置电压的偏置电路以及可以用于形成偏置电压的其他电路的示例性形式。此外，当需要分配晶体管两端的控制电压值及其中的击穿电压时，驱动器50可以包括比晶体管52、54以及56更少或更多数量的堆垛的晶体管。另外，晶体管57可以是形成来自SENSEFET感测部分的反馈信号的SENSEFET类型的晶体管。SENSEFET是亚利桑那州的菲尼克斯(Phoenix)的半导体器件工业LLC (SCILLIC)的一个商标。在1985年11月12日发布给RobertWrathalI的美国专利号4，553，084中公开了 SENSEFET类型的晶体管的一个样例，因此其在这里通过参考被并入。图2简要示出了包括多沟道LED控制器71的多沟道LED系统70的示例性实施例的一部分的一般化的结构图。系统70具有多个沟道，其中，每个沟道一般包括LED 16，并且典型地包括多个LED 16和17。控制器71包括多个LED控制器，其实质上与图I的描述中解释的控制器22相同。控制器71典型地具有单个调节器61，而控制器22不包括调节器61。图3示出了包括LED控制器如控制器22或控制器71的半导体器件或集成电路81的放大的横截面部分。器件81在半导体基片73上形成，半导体基片73在基片73的第一表面上具有导体74，导体74向晶体管57的漏极提供了电连接。横向晶体管52、54和56在基片73的相对第一表面的第二表面上形成。纵向晶体管57在第二表面上形成,并通过基片73延伸，使得电流流过通过基片73延伸到导体74的路径。晶体管57被示为单个单元或者单体设计。然而，本领域的技术人员应该理解，晶体管57可以是蜂窝式设计(其中主体区是多个蜂窝区)或者是单体设计。图4简要示出了在半导体基片73上形成的半导体器件或集成电路81的实施例的一部分的放大的平面图。控制器22或控制器71可以在基片73上形成。基片73还可以包括为了附图的简化而未在图4中示出的其他电路。控制器71和器件或集成电路81通过本领域的技术人员众所周知的半导体制备技术而在基片73上形成。
鉴于上述内容，明显地公开了一种新颖的器件和方法。包括其他特征中的是将纵向N-沟道MOS晶体管连接在高端结构中以控制高电压，而不使用电荷泵电路来产生驱动晶体管栅极的信号。通过消除对于电荷泵的需要降低了系统的成本。用实质上固定的偏置电压偏置多个堆垛晶体管的晶体管便于在应用中使用需要击穿电压大于单个晶体管的击穿电压的晶体管。利用纵向N-沟道晶体管还便于形成多个沟道，每个沟道都连接在高端结构中，所有沟道都在一个半导体芯片上。N-沟道晶体管比P-沟道晶体管小，这降低了成本。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 显而易见的。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“耦接(couple)”具有相同的意思。此外，应该将“连接”解释为包括直接连接或间接连接。
权利要求
1.ー种形成LED控制器的方法，其包括 配置纵向N-沟道晶体管，以在所述纵向N-沟道晶体管的漏极上接收电源电压，并通过所述纵向N-沟道晶体管的源极向LED提供负载电流，其中，所述纵向N-沟道晶体管的栅极接收控制电压，所述控制电压在所述纵向N-沟道晶体管的工作特性的饱和区中操作所述纵向N-沟道晶体管；以及 配置控制电路以形成所述控制电压而不使用电荷泵电路。
2.根据权利I所述的方法，其中，所述配置控制电路以形成所述控制电压而不使用电荷泵电路的步骤包括配置串联的多个晶体管，耦接所述多个晶体管中的一个晶体管以接收表示所述负载电流和所述负载电流的期望值之间的差异的线性误差信号，以及配置所述多个晶体管中的第二晶体管以接收第一偏置电压并在所述第二晶体管的工作特性的线性范围内工作。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述配置所述多个晶体管中的第二晶体管以接收所述第一偏置电压的步骤包括配置所述第二晶体管以接收实质上固定的第一偏置电压，所述第一偏置电压具有小于所述控制电压的最大值的值。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括配置所述多个晶体管中的第三晶体管以接收小于所述第一偏置电压的第二偏置电压。
5.ー种形成LED控制器的方法，其包括 在半导体基片上形成纵向N-沟道晶体管； 耦接所述纵向N-沟道晶体管以接收输入电压并形成用于LED的负载电流；以及 配置控制电路以在饱和状态中操作所述纵向N-沟道晶体管，从而控制所述负载电流的值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述配置所述控制电路以在饱和状态中操作所述纵向N-沟道晶体管的步骤包括串联地耦接多个晶体管，其中，所述多个晶体管中的第一晶体管响应于表示所述负载电流和所述负载电流的期望值之间的差异的误差信号而エ作，并且所述多个晶体管的每个其他晶体管降低施加给所述纵向N-沟道晶体管的栅极的的电压一部分。
全文摘要
本发明涉及一种LED控制器及其方法。在一个实施例中，纵向N-沟道晶体管连接在高端结构中，以控制通过LED的电流。
文档编号H05B37/02GK102685992SQ20121017353
公开日2012年9月19日 申请日期2007年9月11日 优先权日2006年9月26日
发明者亚历杭德罗·拉腊-阿斯科尔拉, 斯蒂芬·P·罗伯, 阿兰·R·保尔 申请人:半导体元件工业有限责任公司