TWI418128B - 電壓調節器以及用於形成一切換式電容器控制器之方法 - Google Patents

Description

電壓調節器以及用於形成一切換式電容器控制器之方法

本發明大體上係關於電子，且更特定言之，本發明係關於形成半導體器件及結構之方法。

在過去，半導體工業利用各種方法及結構以形成直流至直流(dc/dc)電壓調節器。dc/dc電壓調節器之一特定形式利用一飛馳電容器(flying capacitor)，該飛馳電容器藉由dc電壓交替地充電且隨後與dc電壓串聯耦合以形成一輸出電壓。此等類型之dc/dc電壓調節器有時稱為電荷泵dc/dc轉換器。此等dc/dc轉換器之一共同問題係自切換飛馳電容器產生的雜訊。此雜訊使用由當飛馳電容器被切換而與dc電壓源串聯時發生之電流尖波所產生。

因此，需要具有一種在飛馳電容器被切換時具有降低之雜訊產生且最小化電流尖波的dc/dc電壓調節器。

圖1示意性地說明了dc/dc電源系統10之一部分的一實施例，該dc/dc電源系統10包括一切換式電容器dc/dc電壓調節器或切換式電容器控制器20之一例示性形式。用於控制器20之該組態最小化電流尖波及雜訊產生。系統10經組態以接收一來自於諸如電池11之dc電壓源的dc電壓，且形成一由負載17(例如行動電話)利用的經調節之dc電壓或輸出電壓。控制器20經組態以接收在一電壓輸入端12與一電壓回路13之間的dc電壓且形成在控制器20之一輸出端15上的輸出電壓。系統10之電壓回路16通常連接至dc電壓源(諸如電池11)之一端子，以形成一用於系統10之共同端子。回路13通常連接至回路16。平滑電容器18可連接於輸出端15與回路16之間以減少輸出電壓中之漣波。

控制器20之例示性形式通常包括：一飛馳電容器26，其在不同組態中切換以幫助在輸出端15上形成輸出電壓；一電流源23，其幫助充電電容器26、充電用於組態待充電之電容器26的切換器(諸如電晶體32及33)、放電用於組態電容器26以幫助形成輸出電壓的切換器(諸如電晶體41及42)；一驅動器40，其經組態以選擇性地啟用且停用電晶體41及42；及一驅動器31，其經組態以選擇性地啟用且停用電晶體32及33。一振盪器21通常形成一用於控制電容器26之切換的時脈訊號。控制電路或控制件22接收時脈訊號且形成用於驅動器40及31之個別控制訊號。控制件22通常形成具有時序之控制訊號，需要該時序以控制電晶體32、33、41及42以執行電容器26之所要切換，諸如形成驅動訊號為非重疊且異相。諸如振盪器21及控制件22之振盪器及控制件已為熟習此項技術者所熟知。在驅動器40之輸入端44上接收一來自控制件22之第一輸出端的具有第一頻率的第一控制訊號，且在驅動器31之輸入端35上接收一來自控制件22之第二輸出端的具有大體上第一頻率的第二控制訊號。驅動器31之輸出端36連接至電晶體32及33之閘極，且驅動器40之輸出端45連接至電晶體41及42之閘極。熟習此項技術者應瞭解，將控制器20說明為dc/dc控制器之一例示性實施例，且dc/dc控制器可具有諸如電容器26之複數個飛馳電容器、諸如驅動器31及40之複數個相關驅動器及諸如電晶體32、33、41及42之切換器。因此，熟習此項技術者亦應理解，為了描述之清楚性而將控制器20之例示性實施例簡化。在一些實施例中，電容器26可在控制器20之外部，諸如一實施例，其中控制器20形成於半導體晶粒上以便最小化控制器20之成本。

圖2示意性地說明了驅動器40之一部分的一實施例。驅動器40包括：一輸入級46，其接收來自輸入端44之控制訊號；及一輸出級47，其形成輸出端45上之輸出驅動訊號或驅動訊號。輸入級46包括上部輸入電晶體51、上部輸入電阻器50、下部輸入電晶體52及下部輸入電阻器53。輸出級47包括上部輸出電晶體60、上部輸出電阻器56、57及58、下部輸出電晶體62及下部輸出電阻器64、65及66。

圖3係一具有曲線之圖表，該等曲線說明了在控制器20之運作期間的一些訊號。橫座標指示時間且縱座標說明了所說明訊號之增值。曲線70說明了自電池11流經電流源23與電晶體32而至充電電容器26的充電電流25。曲線71說明了由電容器26供應流經電晶體42而至輸出端15的放電電流43。曲線72說明了輸出端36上之訊號，且曲線73說明了輸出端45上之訊號。此描述已參考圖1、圖2及圖3。

在控制器20之例示性實施例之運作中，在控制器20之第一相位期間，振盪器21及控制件22形成第一控制訊號，利用第一控制訊號以啟用電晶體32及33，以便充電電容器26。在較佳實施例中，電晶體32、33、41及42係P通道電晶體，因此需要一低訊號以啟用該等電晶體。如在時間T1處所說明，負向驅動訊號36啟用電晶體32及33，以將電容器26之一端子耦接至電流源23且將另一端子耦接至回路13。因為電流源23耦接至輸入端12，因此耦接至電池11，電流源23供應一來自電池11之受控電流，以將電容器26充電至一大體上等於電池11之電壓的電壓。熟習此項技術者應瞭解，歸因於損耗，電容器26可僅充電至電池11之電壓的約百分之七十至百分之八十(70－80%)以內。如由曲線70所說明，由電流源23所供應之電流25以一限制電流25之最大值的受控速率充電電容器26。由此，電流源23幫助降低因啟用電晶體32及33以充電電容器26所引起之雜訊。

其後，在控制器20之第二相位期間，振盪器21及控制件22形成第二控制訊號，利用第二控制訊號以啟用電晶體41及42，以將電容器26與電池11串聯耦接，從而在輸出端15上形成輸出電壓。在此第二相位期間，驅動器40接收第二控制訊號。如由曲線73在時間T3處所說明，驅動器40將輸出端45上之第二驅動訊號形成為一具有一時間相依轉變時間的類比訊號。時間相依轉變時間緩慢地啟用電晶體41及42。因為第二驅動訊號係一負向訊號，所以驅動器40形成第二驅動訊號的時間相依下降時間。時間相依轉變時間在一時間段中啟用電晶體41及42，以緩慢地增加電容器26可向輸出端15及負載17供應之放電電流43的值。在該時間段中緩慢啟用電晶體41及42防止電流43中之尖波，藉此最小化在控制器20之運作期間的雜訊量。可形成時間相依轉變時間以具有各種不同波形，包括指數波形、鋸齒形波形或對數波形。驅動器40之較佳實施例經組態以形成一種指數波形。在輸入端44接收來自控制件22之負向控制訊號時，啟用電晶體51，以經由電晶體51及電阻器50而將一節點54及電晶體60及62之閘極拉高。電晶體60及62之閘極電容與電阻器50及53之電阻形成一用於輸入級46的第一RC時間常數。該第一時間常數減緩節點54處訊號之上升時間，因此，減緩至電晶體60及62之閘極的訊號。在節點54經由電阻器50而充電時，節點54最後變得足夠高以開始啟用電晶體62且停用電晶體60。電阻器56、57、58、64、65及66之電阻及電晶體41及42之閘極的電容形成一用於輸出級47之第二RC時間常數。當藉由輸出級47而啟用電晶體62時，第二時間常數進一步限制第二驅動訊號之下降時間。較長之下降時間圓化第二驅動訊號之邊緣且形成一種具有大體上為指數波形的波形。縮短之下降時間導致電晶體41與42緩慢接通且轉變經過電晶體41及42之線性運作區域。經過線性運作區域可控制電流43之值，以隨著緩慢啟用電晶體42而緩慢地增加。在電晶體42變得完全被啟用時，電流43之值達到最大值。因此，施加至電晶體41及42之閘極的驅動訊號之波形具有一臨界阻尼波形。大體而言，由驅動器40(包括與電晶體41及42之閘極電容組合之輸出級47)所形成之時間常數通常係介於輸入端44上之控制訊號之頻率的約百分之三(3%)至不大於約百分之二十五至百分之七十五(25%－75%)的範圍內，且較佳地為約百分之五(5%)。因此，下降時間加上第二驅動訊號之完全啟用之工作時間，形成輸入端44上之控制訊號之總週期的大體上二分之一，如由曲線73所說明。驅動器40之時間常數通常主要藉由輸出級47之第二時間常數加上電晶體41及42之輸入電容而形成。輸入級46之第一時間常數通常小於輸出級47之第二時間常數。第二時間常數通常選擇為接近用於驅動器40之所要時間常數，且第一時間常數經調節以形成用於驅動器40之所要時間常數。因此，第一及第二時間常數形成時間相依轉變時間及臨界阻尼波形。在一實施例中，第二時間常數為第一時間常數的約三倍。

因為電晶體41及42之較佳實施例係一P通道電晶體，所以電阻器64、65及66與電晶體62串聯以便控制可啟用電晶體41及42之啟用電晶體(電晶體62)的下降時間。因為唯一重要的是具有用於啟用電晶體41及42但不用於停用電晶體41及42的時間相依轉變時間，所以在此較佳實施例中電阻器56、57及58係任選的。然而，在一些實施例中，電晶體41及42可為N通道電晶體且對於電阻器56、57及58而言重要的是形成一與藉由電阻器64、65及66所形成之時間常數類似類型之時間常數。

因為使用電流源23以充電電容器26，所以藉由驅動器31而形成之驅動訊號的上升及下降時間並不具有關鍵性。然而，熟習此項技術者應瞭解，亦可形成驅動器31以具有一與驅動器40類似的時間相依轉變時間。

圖4示意性地說明了控制器77之一部分的一實施例，其為在圖1之描述中所解釋的控制器20之一替代實施例。控制器77經組態以在輸出端15上形成輸出電壓，該輸出電壓具有一小於電池11之電壓值的值。

圖5示意性地說明了形成於半導體晶粒81上之半導體器件80之一實施例之一部分的放大平面圖。控制器20形成於晶粒81上。晶粒81亦可包括為了圖示之簡潔性而未在圖5中展示的其它電路。控制器20及器件80藉由熟習此項技術者所熟知之半導體製造技術而形成於晶粒81上。

鑒於上文之所有內容，顯然揭示了新穎器件及方法。在其它特徵中包括有形成dc/dc控制器之驅動器以具有一時間相依轉變時間。時間相依轉變時間控制來自飛馳電容器之放電電流，藉此最小化在控制器之運作期間的雜訊。時間相依轉變時間通常主要由與驅動器之下部輸出電晶體串聯耦接的下部輸出電阻器之值所控制。增加至驅動器之輸入級的電阻亦幫助控制時間相依轉變時間。

儘管以特定較佳實施例描述了本發明之標的物，但顯然對於熟習半導體技術之技術人員而言許多替代及變化將顯而易見。例如，將充電與放電切換器描述為P通道電晶體，但其可為N通道電晶體或其它類型之切換器，諸如BiCMOS電晶體、金屬半導體FET(MESFET)、HFET、雙極電晶體、BJT及其它切換器結構。另外，為了描述之清楚性而在全文中使用詞語"連接"，然而，希望其與詞語"耦接"具有相同之含義。因此，"連接"應解釋為包括直接連接或間接連接。

10．．．dc/dc電源系統

11．．．電池

12．．．輸入端

13．．．電壓回路

15．．．輸出端

16．．．電壓回路

17．．．負載

18．．．平滑電容器

20．．．控制器

21．．．振盪器

22．．．控制電路或控制件

23．．．電流源

25．．．電流

26．．．電容器

31．．．驅動器

32．．．電晶體

33．．．電晶體

35．．．輸入端

36．．．輸出端

40．．．驅動器

41．．．電晶體

42．．．電晶體

43．．．放電電流

44．．．輸入端

45．．．輸出端

46．．．輸入級

47．．．輸出級

50．．．上部輸入電阻器

51．．．啟用電晶體

52．．．下部輸入電晶體

53．．．下部輸入電阻器

54．．．節點

56．．．電阻器

57．．．電阻器

58．．．電阻

60．．．上部輸出電晶體

62．．．下部輸出電晶體

64．．．電阻器

65．．．電阻器

66．．．電阻器

70．．．曲線

71．．．曲線

72．．．曲線

73．．．曲線

77．．．控制器

80．．．半導體器件

81．．．晶粒

T1．．．時間

T3．．．時間

圖1示意性地說明了根據本發明一具有一切換式電容器控制器之dc/dc電源系統之一部分的一實施例；圖2示意性地說明了根據本發明圖1之切換式電容器控制器之一驅動器之一部分的一實施例；圖3係一具有曲線之圖表，該等曲線說明了根據本發明在圖1之切換式電容器控制器之一部分的運作期間之一些訊號；圖4示意性地說明了根據本發明為圖1之切換式電容器控制器之一替代實施例的一切換式電容器控制器之一部分的一實施例；及圖5示意性地說明了根據本發明一包括圖1之切換式電容器控制器之一部分的半導體器件之放大平面圖。

為了說明之簡單性及清楚性，圖中之元件無需按比例繪製，且不同圖中之相同參考數字指示相同元件。另外，為了描述之簡單性省略了熟知步驟及元件之描述及細節。如本文中所使用，載流電極意謂器件之承載流經該器件之電流的元件，諸如MOS電晶體之源極或汲極或雙極電晶體之發射極或集極或二極體之陰極或陽極，且控制電極意謂器件之控制流經該器件之電流的元件，諸如MOS電晶體之閘極或雙極電晶體之基極。儘管器件在本文中解釋為特定N通道或P通道器件，但普通的熟習此項技術者應瞭解，根據本發明補充器件亦可行。熟習此項技術者將瞭解，本文中所使用之詞"期間"、"正當……時"及"在……時"通常並非為意謂在一起始動作之後立即發生一動作之準確術語，而是在由起始動作起始之反應之間可存在某一小的但合理的延遲。

10．．．dc/dc電源系統

11．．．電池

12．．．輸入端

13．．．電壓回路

15．．．輸出端

16．．．電壓回路

17．．．負載

18．．．平滑電容器

20．．．控制器

21．．．振盪器

22．．．控制電路或控制件

23．．．電流源

25．．．電流

26．．．電容器

31．．．驅動器

32．．．電晶體

33．．．電晶體

35．．．輸入端

36．．．輸出端

40．．．驅動器

41．．．電晶體

42．．．電晶體

43．．．放電電流

44．．．輸入端

45．．．輸出端

Claims (17)

1. 一種電壓調節器，其包含：一輸入端，其經組態以自一電池接收一電壓；一具有一第一端子及一第二端子之電容器，其經組態以選擇性地耦接於該輸入端及一充電節點之間以對該電容器充電以及選擇性地耦接於該輸入端及該電壓調節器之一輸出端之間以將電流供應至該輸出端；一第一電晶體，其可操作地耦接以選擇性耦接該電容器之該第一端子以將電流供應至該電壓調節器之該輸出端；一第二電晶體，其可操作地耦接以選擇性耦接該電容器之該第二端子至該輸入端以將電流供應至該輸出端，其中實質上同時啟用該第一電晶體及該第二電晶體；及一第一驅動器，其具有一輸出級，該輸出級經組態而以具有一邊緣之一驅動訊號來驅動該第一電晶體或該第二電晶體之至少一者之一控制電極，該驅動訊號具有一第一時間相依轉變時間，該第一時間相依轉變時間具有一由該驅動器接收之一訊號之一頻率的約百分之五至百分之七十五之間的第一時間常數，並且使用該邊緣以啟用該第一電晶體或該第二電晶體之一者以在該轉變時間期間以一線性運作模式操作，該轉變時間係在完全啟用該第一電晶體或該第二電晶體之該一者之前。
2. 如請求項1之電壓調節器，其進一步包括：一第三電晶體，其可操作地耦接以選擇性耦接該電容器之該第一端子以 從來自該電池之該電壓充電；及一第四電晶體，其可操作地耦接以將該電容器之該第二端子選擇性耦接至一共同端子，其中該第三電晶體及該第四電晶體係被啟用為彼此同相且與該第一電晶體及該第二電晶體異相。
3. 如請求項1之電壓調節器，其中該第一驅動器之該輸出級具有一耦接至該第一驅動器之一啟用電晶體的第一電阻。
4. 如請求項1之電壓調節器，其中該第一驅動器之該輸出級包括一串聯耦接於一啟用電晶體與該第一驅動器之一電壓節點之間的第一電阻，其中該啟用電晶體之一第一載流電極耦接至該第一驅動器之一輸出端。
5. 如請求項4之電壓調節器，其中該啟用電晶體之一第二載流電極耦接至該第一電阻之一端子。
6. 一種形成一切換式電容器控制器之方法，其包含：形成該切換式電容器控制器以接收一dc電壓，且切換一電容器以從該dc電壓形成一輸出電壓；可操作地耦接一第一電晶體以耦接該電容器以將電流供應至該切換式電容器控制器之一輸出端；可操作地耦接該切換式電容器控制器之一第二電晶體以耦接該電容器以接收該dc電壓，其中實質上同時啟用該第一電晶體及該第二電晶體；及組態該切換式電容器控制器之一驅動器以形成一驅動訊號來驅動該第一電晶體或該第二電晶體之至少一者之一控制電極，其中該驅動器形成該驅動訊號以具有一擁 有一轉變時間之邊緣，其具有一時間常數以用於啟用該第一電晶體或該第二電晶體之一者，該時間常數在用以切換該電容器之一頻率的一週期之約百分之三至百分之七十五之間，並且其中在完全啟用該第一電晶體或該第二電晶體之該一者之前之該轉變時間下，該驅動訊號之該邊緣以在該第一電晶體或該第二電晶體之該一者之一線性操作區域操作該第一電晶體或該第二電晶體之該一者。
7. 如請求項6之方法，其中組態該切換式電容器控制器之該驅動器以形成該驅動訊號包括：組態該驅動器以具有一至一電壓源的第一電阻。
8. 如請求項7之方法，其中組態該切換式電容器控制器之該驅動器以形成該驅動訊號包括：將該驅動器之一輸出端耦接至該第一電晶體或該第二電晶體之一者之一控制電極，其中該控制電極具有一第一電容，且其中該第一電阻與該第一電容形成該時間常數。
9. 如請求項6之方法，其中組態該切換式電容器控制器之該驅動器以形成該驅動訊號包括：組態該驅動器之一啟用電晶體而與一第一電阻串聯及將該驅動器之一輸出端耦接至該第一電晶體及該第二電晶體之一閘極。
10. 如請求項9之方法，其中組態該驅動器之該啟用電晶體而與該第一電阻串聯包括：組態該驅動器之該輸出端的一N通道電晶體而與一第一電阻器串聯，且將該驅動器之一輸出端耦接至一P通道電晶體之一閘極。
11. 如請求項10之方法，其進一步包括組態該驅動器之該輸出端的一P通道電晶體而與一第二電阻器串聯。
12. 如請求項6之方法，其中組態該切換式電容器控制器之該驅動器以形成該驅動訊號包括：組態該驅動器之一輸出級以具有該時間常數。
13. 如請求項6之方法，其中組態該切換式電容器控制器之該驅動器以形成該驅動訊號包括：組態該時間常數使其不大於用以切換該電容器之該頻率之該週期的約百分之二十五。
14. 如請求項6之方法，其中組態該切換式電容器控制器之該驅動器以形成該驅動訊號包括：組態該時間常數使其不小於用以切換該電容器之該頻率之該週期的約百分之五。
15. 一種形成一切換式電容器控制器之方法，其包含：組態該切換式電容器控制器之一輸出電晶體，以將一電容器耦接至該切換式電容器控制器之一輸出端；及組態該切換式電容器控制器來以一具有一時間相依轉變時間的驅動訊號驅動該輸出電晶體之一控制電極，其中用於開始啟用該輸出電晶體之該驅動訊號之該轉變時間具有一時間常數，該時間常數係在由該驅動器所接收之一訊號之一頻率之約百分之三至百分之七十五之間，其中該輸出電晶體係在該轉變時間期間***作於一線性操作區域中，該轉變時間係在該驅動訊號完全啟用該輸出電晶體之前。
16. 如請求項15之方法，其中組態該切換式電容器控制器來以具有該時間相依轉變時間之該驅動訊號驅動該輸出電晶體之該控制電極包括：組態該切換式電容器控制器以形成該時間相依轉變時間作為一時間常數，該時間常數小於用以切換該電容器之一頻率的約百分之二十五。
17. 如請求項15之方法，其中組態該切換式電容器控制器來以具有該時間相依轉變時間之該驅動訊號驅動該輸出電晶體之該控制電極包括：組態該切換式電容器控制器以形成該時間相依轉變時間作為一時間常數，該時間常數小於用以切換該電容器之一頻率的約百分之五。