CN1856928A - 功率控制***启动方法和电路 - Google Patents
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Abstract
一种功率控制***使用两个分离的电流来控制所述功率控制***的启动操作。一个电流具有较小值，并被用来将输出电压充电至初始值。一旦达到初始值，具有较大值的第二电流被用来将输出电压充电至工作电压值。
Description
技术领域
本发明一般地涉及电子技术，并具体地涉及用于形成半导体设备和结构的方法。
背景技术
过去，电子技术工业使用了各种方法和设备来控制高值或大输出电压，以便提供经控制的输出电压和电流。在1995年12月19日授予Tisinger等人的美国专利5,477,175中公开了这样的设备的一个示例，其被称为离线自举式(bootstrap)启动电路，在此将其引入作为参考。自举式启动电路接收大输入电压，并产生对电容充电的输出电流和产生输出电压。不过，许多应用需要可以被控制的电流序列来对电容充电并形成输出电压。不过，使用多个自举式启动电路增加了制造成本以及得到的半导体产品和使用该产品的应用的复杂性。
因此，想要有一种启动电路，其可以接收具有高电压值的输入电压，以及从该输入电压产生电流序列，并且减小制造成本。
附图说明
图1示意性例示了根据本发明的包括高电压启动电路的功率控制***的一部分的实施例；
图2示意性例示了根据本发明的图1的功率控制***和高电压启动电路的另一实施例；以及
图3例示了根据本发明的图1的包括高电压启动电路的半导体设备的扩大的平面图。
出于例示的简明性和清晰性，附图中的单元不一定合比例，而在不同附图中的相同标号指示相同单元。此外，出于描述的简明性，省略了公知步骤和单元的描述和细节。如此处所使用的，载流电极意味着下述设备单元，其承载通过诸如MOS晶体管的源极或漏极或者双极晶体管的发射极或集电极的设备的电流，而控制电极意味着下述设备单元，其控制通过诸如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极的电流。
具体实施方式
图1示意性例示了高电压启动电路10的一部分的实施例，其具有双运行模式，并可以从单个高电压输入生成多个输出电流。电路10一般是功率控制***70的一部分，并被用于控制***70的启动顺序。电路10包括高电压电流控制设备16，所述高电压电流控制设备16包括高电压电流控制单元11，所述高电压电流控制单元11被形成以包括高电压J-FET晶体管14和MOS晶体管12。通过虚线框一般地标识出电路10、设备16和单元11。设备16还包括扩散致窄电阻(pinchedresistor)17以及偏压电阻13，所述偏压电阻13被形成以向晶体管12的栅极提供偏置电流。设备16被形成以接收高电压输入22上的高电压，并响应于施加于控制输入23的控制信号而生成输出19上的输出电流。如下文中将进一步看到的，设备16还通过电阻17生成另一输出电流作为偏置电流。
为了提供此功能，晶体管14的漏极连接于输入22，而源极连接于公共节点18。晶体管12的漏极连接于晶体管14的源极和节点18。晶体管12的栅极连接于输入23以及电阻13的第一端，而源极连接于输出19。晶体管13的第二端连接于晶体管14的源极和晶体管12的漏极。晶体管14被形成为具有被用作为晶体管的栅极的基底的J-FET晶体管，从而晶体管14的栅极连接如所示的那样连接于主体。典型地，基底和主体连接于***的最大负电位。电阻17被形成为具有连接于基底的栅极的低夹断电压的J-FET。电阻17的第一端连接于晶体管12的栅极，而第二端连接于设备16的输出21。电阻17的第一端是J-FET的等效漏极，而第二端是等效源极。输出21通过二极管29连接于电路10的输出36。在优选实施例中，晶体管12是N通道MOS晶体管，晶体管14是N通道J-FET晶体管，而扩散致窄电阻17被形成为N通道J-FET，其具有由基底构成的栅极和重叠的P型区域，二者皆连接于基底。在其它实施例中，晶体管12可以是其它晶体管结构，诸如J-FET或双极晶体管。
电阻17以及晶体管12和14的击穿电压取决于应用和各种其它因素。在用于世界范围的线电压应用的一实施例中，在晶体管14的漏极处相对于基底的击穿电压可以超过四百伏特(400V)，而在晶体管12的源极处的耐受电压可超过五十伏特(50V)。
当在输入22施加的电压小于晶体管14的夹断电压时，输出19跟随施加于节点18的电压。当在输入22施加的电压大于晶体管14的夹断电压时，晶体管14以漏极电流饱和模式接通，而设备16的输出由施加于控制输入23的电压所控制。如果没有外部电压施加于输入23，例如输入23是悬空的(float)，则电阻13供应来自晶体管14的栅极偏置电流，以使能设备16和晶体管12，从而在输出19生成输出电流。在操作电路中，典型地将外部控制电压施加于输入23，以控制输出电流值。当施加于输入23的电压产生小于晶体管12的阈值电压的栅极到源极电压时，晶体管12典型地被禁用。
启动电路10使用设备16用来控制电路10的高电压启动顺序以及功率控制***70的启动顺序。电路10接收电压输入37和电压回路(return)38之间的输入电压。功率控制***的其它组件诸如滤波电容49、工作电压检测器39、基准46、禁用晶体管41、变压器44、功率控制块42、禁止晶体管35和负载43，它们典型地外部连接于电路10，以便提供想要的功率控制功能。示出了电容49、检测器39、晶体管41、基准46、变压器44、功率控制块42和负载43，以便协助描述设备16和电路10的运行。本领域技术人员会了解，典型地包括图1中未示出的其它公知部件和功能，以形成完整的功率控制***。在大多数实施例中，电容49、变压器44、功率控制块42和负载43位于其上形成有设备16和电路10的半导体芯片之外。在某些实施例中，块42的某些部分或全部可以是其上形成有设备16和电路10的半导体芯片的另一部分。
基准46提供了基准46的输出上的基准电压。基准电压被检测器39用来设定用于检测工作电压值的检测级别。检测器39被形成以接收基准电压和输出36上的输出电压，并作为响应当输出电压大于或等于想要的工作电压值时禁用设备16。在优选实施例中，检测器39具有滞后，以防止当输出电压在想要的工作电压值周围轻微变化时检测器39被接通和切断。
设备16和电路10被用来提供初始电流，所述初始电流是小的，并在对功率控制***供电时被用于对电容49充电。在输出36的电压已达到初始电压之后，设备16供应大输出电流来将电容49充电至工作电压。电路10控制大输出电流值以产生受控电流。初始电压值典型地远小于工作电压值。初始电压值通常被选择为越低越好，以使得电容49可尽快被充电至初始值，以便最小化启动***70所需的时间量。工作电压值典型地被选择为提供对于在电路10外部的其它电路(诸如负载43)的正常运行的值。
在对输入37供电之前，电容49被放电，而输出36为零伏。因此，电路10未运行，并且不存在来自设备16的输出电流。当输入电压被施加于输入37时，电流开始流过变压器44，并进入设备16的输入22。当输入22上的电压增加时，晶体管14接通，并通过电阻13提供偏置电流给晶体管12的栅极。由于电阻17通过二极管29连接于输出36，并根据电阻13的大小而被适当地设计，并且电容49被放电，因此电阻17拉低输入23，并禁用晶体管12。来自电阻13的偏置电流流过电阻17到达输出36作为初始电流，并开始对电容49充电，从而电阻17维持晶体管12被禁用，并且没有电流从设备16的输出19流动。输出36上的输出电压小于工作电压，因此检测器39的输出为低，并且晶体管41被禁用。由于电阻17是扩散致窄电阻，而栅极连接于最低电位，因此通过电阻17的电流取决于连接于输出36的源极或终端的电位。当来自电阻13的偏置电流流过电阻17作为初始电流，并对电容49充电时，输出36的电压增加，并导致流过电阻17的电流的相应减小。当输出36的电压达到电阻17的夹断电压时，通过电阻17的电流通路被断开，并且电阻17停止导电。来自电阻13的偏置电流现在使能晶体管12，其在输出19上生成输出电流。因此，晶体管12可被视为电路10的输出晶体管。晶体管12被形成以提供大于通过电阻17提供的初始电流的电流，以便将电容49快速充电至工作电压值。典型地，晶体管12被形成以提供大约三十(30)到两千(2000)倍之间的电阻17的电流。可以看到，由电阻17的夹断电压减去晶体管12的阈值电压来设置初始电压值。在一实施例中，夹断电压被设计为大约三伏(3.0V)，而相应的初始电压值为大约1.2伏。
一旦晶体管12被使能，电路10就控制来自晶体管12的输出电流，以供应受控电流到输出36。受控输出电流开始对电容49充电。为了控制设备16的输出电流，电路10具有电流控制环路，其包括检测电阻26、检测晶体管28以及电流镜31，所述电流镜31包括基准晶体管32和镜像晶体管33。由电流控制环路控制在输出19生成的输出电流。在输出19的电流流过电阻26，并生成跨电阻26的相应的电压降。电阻26连接于晶体管28的栅极和源极之间，并构成晶体管28的栅极到源极电压，从而跨电阻26的电压降建立了通过晶体管28的检测电流。电流镜31从晶体管28接收检测电流，并作为响应而控制施加于控制输入23的电压，从而控制晶体管12的栅极电压和单元11和设备16的输出电流值。当输出19上的输出电流增加时，检测电流相应地增加，并作为响应而降低晶体管28的栅极电压以及相应的在输入23上的控制电压，以减小输出电流值。本领域技术人员可了解，晶体管28、32和33还可以是双极晶体管。在某些实施例中可能省略两个电流控制环路。
当受控输出电流已经将电容49充电至工作电压值后，检测器39的输出转换到高值，从而使能晶体管41，并禁用晶体管12和设备16。晶体管41吸纳(sink)来自电阻13的偏置电流。电阻13的值被设计成当晶体管41吸纳偏置电流时使得功率耗散最小化，以及确保在想要时段内电阻17可以供应足够对电容49进行充电的电流。二极管29防止当晶体管41被使能时电流从输出36流回回路38。在优选实施例中，检测器39具有滞后，以防止当输出电压在想要的工作电压值周围轻微变化时检测器39被接通和切断。由于存在滞后输入，当输出电压降低至大致等于工作电压值减去检测器39的滞后偏移电压时，检测器39再次使能晶体管12和设备16。
在电路10的运行期间，禁止电路10可能是适当的。例如，负载43可能检测到需要禁用电路10的情形。在此情形中，负载43或其它电路(未示出)可使能晶体管35，以将输出36拉低，并禁止电路10的运行。将输出36拉低会对电容49放电。当电容49被放电至小于检测器39的滞后偏移电压的值时，检测器39的输出变高，并禁用晶体管41，从而允许电阻13供应电流到晶体管12，并使能晶体管12，以产生输出电流。晶体管35吸纳受控输出电流，并继续对电容49放电。当电容49被放电至小于初始电压值的值时，电阻17传导来自电阻13的偏置电流，作为到晶体管35的初始电流。晶体管35吸纳初始电流，并禁用晶体管12，以禁止电路10。为了确保禁止功能正确运行，初始电压应大于晶体管35的饱和电压。晶体管12不再供应输出电流，因此，晶体管35仅需吸纳偏置电流，而不用降低输出电流。禁止电路10通常也禁止了功率控制块42内的电源控制器的运行。通常，在输出36和电源控制器之间存在连接，以使这种运行更便利。由于与输出电流相比较而言偏置电流是小的，一般要小上大约三十(30)到两千(2000)倍，并优选地要小上大约五十(50)倍，因此功率耗散被最小化，启动电路被禁止，并且设备16供应大致等于偏置电流的待机(standby)电流。因此，此方法提供了一种禁止运行电路10而同时保持待机电流的容易的方法，以及提供了一种允许当负载43禁用晶体管35时对电容49容易地再充电的方法。使得当***70被禁止时所耗散的功率量最小化是重要的。由于偏置电流的低电流，从而由于初始电流的低电流，此禁止***70的方法最小化了从施加于输入37的电压中耗散的功率量。典型地，偏置电流值被选择为小于在认证标准中规定的待机电流，所述认证标准诸如是在商标ENERGY STAR下已知的标准。可以看到，设备16和晶体管35形成了***70的禁止电路。此外，检测器39也可以使用其它控制顺序，诸如，在检测到初始电压值之后使能设备16仅供应输出电流，或者检测器39可以反转所述顺序，并在检测到初始电压值之前供应输出电流，以及在检测到初始电压值之后供应偏置电流，等等。
本领域技术人员将了解，晶体管35可在操作顺序中的任何时间被使能，并且禁止功能以在所述时间存在的输出电压和电流值开始。
图2示意性地例示了作为对图1的描述中所描述的电路10的可选实施例的高电压启动电路50的一部分的实施例。通过虚线框一般地标识出电路50。电路50包括耦合了比较器的晶体管51，其被用于供应初始电流，当输出电压小于初始电压时禁用晶体管12，以及在输出电压达到初始电压值之后使能设备16。晶体管51的漏极通过二极管54连接于设备16的输入23。晶体管51的源极连接于输出36，以接收输出电压，而栅极连接于晶体管52的漏极和栅极，以从晶体管52和53接收基准电压。栅极偏置电阻56的第一端连接于晶体管51的栅极，而第二端连接于节点18。晶体管52的源极连接于晶体管53的栅极和漏极。晶体管53的源极连接于回路38。
晶体管52和53被串联堆叠(stack)，并被形成以具有被调节来提供晶体管52的漏极的固定基准电压的阈值电压。电阻56以想要的基准电压提供偏置电流给偏置晶体管52和53。在优选实施例中，晶体管52和53中的每一个的阈值被各自调节到大致2.3伏，而得出的基准电压为大致4.6伏。与电路10的运行类似，当对输入37供电时，对电容49放电，且输出36为零伏。当晶体管14接通并且电阻13供应偏置电流到晶体管12时，晶体管51的源极为低，而栅极被充电至基准电压，从而晶体管51被使能。晶体管51将晶体管12的栅极拉至被放电的电容49的低电压，从而禁用晶体管12。晶体管51还传导偏置电流作为到输出36的初始电流，所述初始电流确保晶体管12维持被禁用，并且还开始对电容49充电。输出36上的输出电压小于工作电压，所以检测器39的输出为低，而晶体管41被禁用。当来自晶体管51的初始电流对电容49充电时，晶体管51的源极电压增加，并导致栅极到源极电压的相应减小，从而降低流过晶体管51的电流。当在输出36的电压达到大致等于施加于晶体管51的栅极的基准电压减去晶体管51的阈值电压的值时，通过晶体管51的电流通路被断开，并且晶体管51停止导电。来自电阻13的偏置电流使能晶体管12，其在输出19生成第二输出电流。二极管54防止当晶体管51的漏极处于比源极低的电压时(诸如当晶体管41禁用晶体管12时)电流通过晶体管51的固有体二极管流回输入23中。可以看到，由基准电压减去晶体管51的阈值电压来设置初始电压值。一旦晶体管12被使能，则电路10控制来自晶体管12的输出电流，以供应受控电流到输出36。
使能晶体管35来将输出36拉低会对电容49放电。当电容49被放电至小于检测器39的滞后偏移的值时，检测器39的输出使能晶体管12，从而产生输出电流。晶体管35吸纳输出电流，并继续对电容49放电。当电容49被放电至小于初始电压值的值时，晶体管51传导来自电阻13的偏置电流，作为到晶体管35的初始电流。晶体管35吸纳初始电流，该初始电流禁用晶体管12。
图3例示了包括图1的设备16和电路10的半导体设备60的扩大的平面图。设备60被形成于半导体芯片61上。
考虑到以上所有内容，很明显，公开了新颖的设备、形成所述设备的方法以及使用所述设备的方法。在其它特征中所包括的有：通过将启动设备的输出拉至低电压而禁止功率控制***的运行。输出上的低电压使得启动设备能禁用充电电流，并禁止功率控制***的运行。
Claims (20)
1.一种功率控制***启动方法，包括：
耦合高电压设备(16)以接收输入电压(22)，并作为响应生成偏置电流(14)，并将所述偏置电流耦合于所述高电压设备(16)的输出晶体管(12)；
当输出电压(30)小于第一值时耦合开关单元(17)，以将所述偏置电流从所述输出晶体管(12)中分流；以及
当输出电压大于所述第一值时耦合所述高电压设备的输出晶体管，以生成大于所述偏置电流的输出电流。
2.如权利要求1所述的方法，其中耦合所述高电压单元以接收输入电压并作为响应生成偏置电流并将所述偏置电流耦合于所述高电压单元的输出晶体管的步骤包括：耦合J-FET晶体管(14)的第一载流电极以接收输入电压，将J-FET晶体管的第二载流电极耦合于输出晶体管(12)的第一载流电极，耦合电阻(13)以从J-FET晶体管的第二载流电极接收电流并将所述偏置电流耦合于所述输出晶体管的控制电极。
3.如权利要求2所述的方法，其中当输出电压小于第一值时耦合开关单元以将所述偏置电流从所述输出晶体管中分流的步骤包括：耦合扩散致窄电阻(17)以将所述偏置电流从所述输出晶体管中分流。
4.如权利要求3所述的方法，其中耦合扩散致窄电阻以将所述偏置电流从所述输出晶体管中分流的步骤包括：将所述扩散致窄电阻(17)的第一端耦合于所述输出晶体管(12)的控制电极，而将所述扩散致窄电阻(17)的第二端耦合于输出(30)，用于形成输出电压。
5.如权利要求2所述的方法，其中当输出电压小于第一值时耦合开关单元以将所述偏置电流从所述输出晶体管中分流的步骤包括：耦合耦合了比较器的MOS晶体管(51)以将所述偏置电流从所述输出晶体管中分流。
6.如权利要求5所述的方法，其中耦合耦合了比较器的MOS晶体管以将所述偏置电流从所述输出晶体管中分流的步骤包括：将所述耦合了比较器的MOS晶体管的第一载流电极耦合于所述输出晶体管的控制电极，将所述耦合了比较器的MOS晶体管的第二载流电极耦合于输出，以及耦合所述耦合了比较器的MOS晶体管的控制电极以接收基准电压。
7.如权利要求6所述的方法，还包括堆叠两个阈值可调节的MOS晶体管，以形成基准电压。
8.一种功率控制***启动方法，包括：
接收输入电压(22)；
从所述输入电压生成第一电流(14)；
将所述第一电流(17)分流至启动电路(10)的输出(30)；
使用所述第一电流来形成在所述输出的输出电压；以及
当输出电压大于第一值时使用第二电流(12)来形成输出电压，其中所述第二电流大于所述第一电流。
9.如权利要求8所述的方法，其中使用第二电流来形成在所述输出的输出电压的步骤包括：当所述输出电压大于所述第一值时将所述偏置电流耦合于所述启动电路的输出晶体管。
10.如权利要求8所述的方法，其中将所述第一电流分流至启动电路的输出的步骤包括：使能扩散致窄电阻(17)，以将所述第一电流耦合于所述输出。
11.如权利要求10所述的方法，其中使能扩散致窄电阻以将所述第一电流耦合于所述输出的步骤包括：将所述扩散致窄电阻耦合于所述启动电路的输出晶体管的控制电极和所述输出之间，并当所述输出电压小于所述扩散致窄电阻的夹断电压时使能所述扩散致窄电阻。
12.如权利要求8所述的方法，其中将所述第一电流分流至启动电路的输出的步骤包括：使能比较器晶体管，以将所述第一电流耦合于所述输出。
13.如权利要求12所述的方法，其中使能比较器晶体管以将所述第一电流耦合于所述输出的步骤包括：形成基准电压，将所述基准电压施加于所述比较器晶体管的控制电极，以及将所述比较器晶体管耦合于输出晶体管的控制电极与所述输出之间。
14.如权利要求8所述的方法，还包括将所述输出耦合于电压回路，以禁用所述功率控制***。
15.一种功率控制***方法，包括：
响应于输出电压的第一值而在启动电路(10)的输出(30)上生成第一输出电流；以及
将所述输出(30)耦合于电压回路(38)，以禁用输出电压。
16.如权利要求15所述的方法，其中响应于输出电压的第一值而在启动电路的输出上生成第一输出电流的步骤包括：将偏置电流耦合于所述输出，并禁用所述启动电路的输出晶体管(12)。
17.如权利要求16所述的方法，其中将偏置电流耦合于所述输出并禁用所述启动电路的输出晶体管的步骤包括：将所述偏置电流从所述输出晶体管的控制电极分流至所述启动电路的输出。
18.如权利要求17所述的方法，其中将所述偏置电流从所述输出晶体管的控制电极分流至所述启动电路的输出的步骤包括：使能扩散致窄电阻以分流所述偏置电流。
19.如权利要求16所述的方法，其中响应于输出电压的第一值而在启动电路的输出上生成第一输出电流的步骤包括：使能所述输出晶体管以生成第一输出电流。
20.如权利要求19所述的方法，其中使能所述输出晶体管以生成第一输出电流的步骤包括：将J-FET晶体管耦合于高电压输入以生成偏置电流，并将所述偏置电流耦合于所述输出晶体管以使能所述输出晶体管。
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