CN101167237B - 开关电容控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种开关电容控制器配置成利用驱动信号以具有时间相关渡越时间的信号来驱动开关电容器。

Description

开关电容控制器及其方法

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DC至DC(DC/DC)电压调节器。DC/DC电压调节器的一个特别的形式利用了悬浮(flying)电容器，其可选地被DC电压充电并接着与DC电压串联以形成输出电压。这些类型的DC/DC电压调节器有时称为充电泵(charge pump)DC/DC转换器。这些DC/DC转换器的一个共同的问题是由开启和关断悬浮电容器而产生的噪声。该噪声使用由与DC电压源串联的悬浮电容器被开启和关断时出现的电流尖峰(current spike)产生。

因此，期望有一种DC/DC电压调节器，其减少噪声产生，以及当悬浮电容器被开启和关断时使电流尖峰最小化。

附图说明

图1简要示出了具有根据本发明的开关电容控制器的DC/DC电源***的一部分的实施例；

图2简要示出了根据本发明的图1的开关电容控制器的驱动器的一部分的实施例；

图3为具有曲线的图，其示出在根据本发明的图1的一部分开关电容控制器工作期间的一些信号；

图4简要示出了开关电容控制器的一部分的实施例，其为根据本发明的图1的开关电容控制器的可选实施例；以及

图5简要示出了包括根据本发明的图1的开关电容器的一部分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。这里使用的载流电极(current carrying electrode)是指器件的元件，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，其承载通过该器件的电流，控制电极是指器件的元件，例如MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极，其控制通过该器件的电流。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简要示出了包括开关电容DC/DC电压调节器或开关电容控制器20的示例性形式的DC/DC电源***10的一部分的实施例。用于控制器20的结构使电流尖峰和噪音产生最小化。***10配置成从DC电压源例如电池11接收DC电压，以及形成由负载17例如移动电话使用的调节DC电压或输出电压。控制器20配置成在电压输入12和电压返回13之间接收DC电压，以及在控制器20的输出15上形成输出电压。***10的电压返回16一般连接至DC电压源例如电池11的一个端子，以形成***10的公共端子。返回13通常连接至返回16。滤波电容器18可以连接在输出15和返回16之间以降低输出电压中的波动。

控制器20的示例性形式一般包括在不同结构中被开启和关断以便帮助在输出15上形成输出电压的悬浮电容器26、帮助对电容器26充电的电流源23、用于配置要被充电的电容器26的充电开关如晶体管32和33、用于配置电容器26以帮助形成输出电压的放电开关如晶体管41和42、配置成选择性地启动和禁止晶体管41和42的驱动器40、以及配置成选择性地启动和禁止晶体管32和33的驱动器31。振荡器21一般形成用于控制电容器26的开启和关断的时钟信号。控制电路或控制22接收时钟信号并形成驱动器40和31的各自的控制信号。控制22一般形成具有定时的控制信号，其被要求来控制晶体管32、33、41以及42以执行电容器26的期望的开启和关断，例如形成不重叠并异相的驱动信号。诸如振荡器21和控制22的振荡器和控制对于本领域的技术人员而言是众所周知的。在驱动器40的输入44上接收来自控制22的第一输出的具有第一频率的第一控制信号，而在驱动器31的输入35上接收来自控制22的第二输出的基本上具有第一频率的第二控制信号。驱动器31的输出36连接至晶体管32和33的栅极，而驱动器40的输出45连接至晶体管41和42的栅极。本领域的技术人员应认识到，控制器20显示为DC/DC控制器的示例性实施例，而DC/DC控制器可以具有多个悬浮电容器如电容器26、以及多个相关的驱动器如驱动器31和40以及开关如晶体管32、33、41和42。因此，本领域的技术人员还应该理解，为了简要说明而简化了控制器20的示例性实施例。在一些实施例中，例如具有在半导体管芯(die)上形成的控制器20的实施例中，电容器26可以在控制器20的外部，以便最小化控制器20的成本。

图2简要示出了驱动器40的一部分的实施例。驱动器40包括从输入44接收控制信号的输入级46以及在输出45上形成输出驱动信号或驱动信号的输出级47。输入级46包括上输入(upper input)晶体管51、上输入电阻器50、下输入(lower input)晶体管52以及下输入电阻器53。输出级47包括上输出晶体管60、上输出电阻器56、57和58、下输出晶体管62以及下输出电阻器64、65和66。

图3为具有示出在控制器20工作期间的一些信号的曲线的图。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加值。曲线70示出了从电池11流出而通过源23和晶体管32以对电容器26充电的充电电流25。曲线71示出了由电容器26提供的通过晶体管42到达输出15的放电电流43。曲线72示出了输出36上的信号，以及曲线73示出了输出45上的信号。该说明参考图1、图2以及图3。

在控制器20的示例性实施例的运行中，振荡器21和控制22在控制器20的第一相位期间形成用于启动晶体管32和33以便对电容器26充电的第一控制信号。在优选实施例中，晶体管32、33、41和42为P沟道晶体管，因此，需要低信号来启动晶体管。如在T1时刻所示的，负向驱动信号36启动晶体管32和33以将电容器26的一个端子耦合至源23，而另一个端子耦合至返回13。因为源23耦合至输入12，因而耦合至电池11，源23提供来自电池11的控制电流以给电容器26充电至基本上等于电池11电压的电压。本领域的技术人员应认识到，由于损耗，电容器26可能仅仅充电至电池11的电压的约70-80％的范围内。如曲线70所示，源23提供的电流25以限制电流25的最大值的控制速率对电容器26充电。因此，电流源23帮助减少由启动晶体管32和33以对电容器26充电而引起的噪声。

此后，振荡器21和控制22在控制器20的第二相位期间形成用于启动晶体管41和41以将电容器26与电池11串联而在输出15上形成输出电压的第二控制信号。在该第二相位期间，第二控制信号由驱动器40接收。如在T3时刻的曲线73所示，驱动器40在输出45上形成第二驱动信号作为具有时间相关渡越时间(time dependenttransition time)的模拟信号。时间相关渡越时间缓慢地启动晶体管41和42。因为第二驱动信号为负向信号，驱动器40形成第二驱动信号的时间相关下降时间(time dependent fall time)。时间相关渡越时间在一段时间内启动晶体管41和42以缓慢地增加电容器26能够提供至输出15和负载17的放电电流43的值。在一段时间内缓慢地启动晶体管41和42阻止了电流43中的尖峰，从而在控制器20的工作期间使噪声的量最小化。形成时间相关渡越时间以具有包括指数波形、锯齿波形或者对数波形的各种不同的波形。驱动器40的优选实施例配置成形成指数波形。当输入44接收来自控制22的负向控制信号时，晶体管51被启动以通过晶体管51和电阻器50将节点54和晶体管60和62的栅极拉高。晶体管60和62的栅极电容以及电阻器50和53的电阻形成级46的第一RC时间常数。第一时间常数减慢了节点54上的信号的上升时间，因而减慢了到晶体管60和62的栅极的信号的上升时间。当节点54通过电阻器50被充电时，节点54最终变得足够高以开始启动晶体管62并禁止晶体管60。电阻器56、57、58、64、65和66的电阻以及晶体管41和42的栅极电容形成级47的第二RC时间常数。当晶体管62被级47启动时，第二时间常数限制了第二驱动信号的下降时间。较长的下降时间绕过第二驱动信号沿并形成具有基本上为指数波形的信号波形。减少的下降时间使晶体管41和42缓慢导通以及通过晶体管41和42的线性工作区域跃迁。通过线性工作区域控制了电流43的值在晶体管42被缓慢启动时缓慢地增加。当晶体管42变得完全启动时，电流43的值达到其最大值。因此，施加至晶体管41和42的栅极的驱动信号的波形具有严重衰减的波形或信号波形。通常，由包括与晶体管41和42的栅极电容结合的输出级47的驱动器40形成的时间常数通常在输入44上控制信号的频率的大约百分之三(3％)至不大于大约百分之二十五至百分之七十五(25％-75％)的范围内，优选地为大约百分之五(5％)。因此，下降时间加上第二驱动信号的整个启动时间基本上形成输入44上的控制信号的整个周期的一半，如曲线73所示。驱动器40的时间常数一般主要由级47的第二时间常数加上晶体管41和42的输入电容形成。级46的第一时间常数一般小于级46的第二时间常数。一般将第二时间常数选择为接近驱动器40的期望时间常数，并调整第一时间常数以形成驱动器40的期望时间常数。因此，第一和第二时间常数形成时间相关渡越时间以及严重衰减的信号波形。在一个实施例中，第二时间常数大约为第一时间常数的三倍。

因为晶体管41和42的优选实施例是P沟道晶体管，电阻器64、65和66与晶体管62串联以便控制用于启动晶体管、晶体管62的下降时间是很重要的，这使晶体管41和42启动。电阻器56、57和58在这个优选实施例中是可选的，因为仅仅具有用于启动晶体管41和42的时间相关渡越时间是很重要的，而不是用于禁止晶体管41和42的时间相关渡越时间。然而，在一些实施例中，晶体管41和42可以是N-沟道晶体管，并且对于晶体管56、57和58而言，形成与电阻器64、65和66形成的时间常数类型相似的时间常数是很重要的。

因为电流源23用于对电容器26充电，由驱动器31形成的驱动信号的上升和下降时间并不重要。然而，本领域的技术人员应认识到，还可以形成驱动器31以具有类似于驱动器40的时间相关渡越时间。

图4简要示出了控制器77的一部分的实施例，其为在图1的说明中解释的控制器20的可选实施例。控制器77配置成在输出15上形成具有小于电池11的电压值的输出电压。

图5简要示出了在半导体管芯81上形成的半导体器件80的实施例的一部分的放大的平面视图。控制器20在管芯81上形成。管芯81还可以包括为了简化附图而未在图5中示出的其他电路。控制器20和器件80通过本领域的技术人员公知的半导体制备技术在管芯81上形成。

鉴于上述内容，显然公开了一种新颖的器件和方法。包括其他特征的是形成一种具有时间相关渡越时间的DC/DC控制器。时间相关渡越时间控制来自悬浮电容器的放电电流，从而在控制器工作期间使噪声最小化。时间相关渡越时间一般主要由与驱动器的下输出晶体管串联的下输出电阻器的值控制。增加至驱动器的输入级的电阻帮助控制时间相关渡越时间。

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，充电和放电开关被描述为P沟道晶体管，但是它们可为N沟道晶体管或其它类型的开关，例如、双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)晶体管、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、双极晶体管、双极结晶体管(BJT)以及其他开关结构。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。

Claims (9)

1.一种电压调节器，其包括：

被配置成从电池接收电压的输入；

电容器，其具有第一和第二端子，并被配置成选择性地耦合在所述输入与充电节点之间以对所述电容器充电以及选择性地耦合在所述输入和所述电压调节器的输出之间以向所述输出供应电流；

第一晶体管，其可操作地耦合成选择性地将所述电容器的第一端子耦合至所述电压调节器的所述输出；

第二晶体管，其可操作地耦合成将所述电容器的第二端子选择性地耦合至所述输入以从所述输入接收电压，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管实质上同时启动；以及

第一驱动器，其具有输出级，并被配置成以具有沿的驱动信号来驱动所述第一和第二晶体管的控制电极，所述沿具有第一时间相关渡越时间，所述第一时间相关渡越时间具有在由所述驱动器接收的信号频率的大约3％-75％之间的第一时间常数，并且使用所述沿启动所述第一晶体管以在所述渡越时间期间工作于线性工作区域中，之后在所述渡越时间后完全启动所述第一晶体管。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述第一驱动器的所述输出级包括串联在启动晶体管和所述第一驱动器的电压节点之间的第一电阻，其中，所述启动晶体管的第一载流电极耦合至所述第一驱动器的输出。

3.根据权利要求2所述的电压调节器，其中，所述启动晶体管的第二载流电极耦合至所述第一电阻的端子。

4.一种形成开关电容控制器的方法，包括以下步骤：

形成所述开关电容控制器以在第一时间间隔期间接收DC电压并从耦合至接收所述DC电压的节点的电流源选择性地对电容器充电；

将第一晶体管和第二晶体管可操作地耦合成在第二时间间隔期间将所述电容器耦合在所述节点与所述开关电容控制器之间，以接收所述DC电压并将电流供应至所述输出，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管实质上同时启动；以及

配置所述开关电容控制器的驱动器以形成驱动信号来驱动所述第一晶体管的控制电极，其中所述驱动器将所述驱动信号形成为具有沿，所述沿具有渡越时间，所述渡越时间具有在用于开启和关断所述电容器的频率周期的大约3％-75％之间的用于启动所述第一晶体管的时间常数，并且所述驱动信号的所述沿使所述第一晶体管在所述渡越时间期间工作于所述第一晶体管的线性工作区域中，之后在所述渡越时间后完全启动所述第一晶体管。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述配置所述开关电容控制器的所述驱动器的步骤，包括配置与第一电阻串联的驱动器的启动晶体管，以及将所述驱动器的输出耦合至所述第一晶体管的栅极。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述配置与所述第一电阻串联的所述驱动器的所述启动晶体管的步骤包括配置与第一电阻器串联的所述驱动器的输出的N沟道晶体管，以及将所述驱动器的输出耦合至P沟道晶体管的栅极。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述配置所述开关电容控制器的所述驱动器的步骤包括将所述时间常数配置成不小于用于开启和关断所述电容器的频率周期的大约5％。

8.一种形成开关电容控制器的方法，其包括：

将所述开关电容控制器的输入配置成在第一时间间隔期间从电压源接收输入电压以对电容器充电；

配置所述开关电容控制器的第一和第二晶体管以在第二时间间隔期间将所述电容器串联耦合在所述输入与所述开关电容控制器的输出之间，以接收所述输入电压并将电流供应至所述输出；以及

配置所述开关电容控制器以利用具有时间相关渡越时间的驱动信号实质上同时驱动所述第一和第二晶体管的控制电极，其中用于开始启动所述第一和第二晶体管的所述驱动信号的渡越时间具有在由所述驱动器接收的信号频率的大约3％-75％之间的时间常数，所述第一和第二晶体管在所述渡越时间期间工作于线性工作区域中，之后所述驱动信号完全启动所述第一和第二晶体管。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述配置所述开关电容控制器以驱动所述控制电极的步骤包括配置所述开关电容控制器以将所述时间相关渡越时间形成为小于用于开启和关断所述电容器的频率的大约5％的时间常数。

Images