CN102017382B - 形成检测电路的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

在一种实施方式中，电源控制器配置为使用电流在单个输入端子上检测两种不同的工作条件。

Description

形成检测电路的方法及其结构

技术领域

本发明一般涉及电子学，尤其涉及半导体及其结构以及形成半导体器件的方法。

在过去，半导体工业利用不同方法和结构形成将输出电压调节到期望值的电源控制器。这些电源控制器的一些优点特征包括检测电源控制器的周围环境的过温条件的方法和检测用于操作电源控制器的输入电压的过电压条件的方法。为了检测这两种不同的条件，电源控制器一般使用两个相应的输入。为这两种条件使用两个输入导致使用半导体封装的两个端子。由于在半导体封装上有限的端子数量，为两种不同的工作条件使用两个端子经常阻止其它特征组合到电源控制器中。

另外，两种不同的条件一般通过监控表示该条件的电压中的变化来检测。检测电压条件所需的不同电路导致不精确性。

相应地，期望有一种电源控制器，其可在电源控制器的单个输入上检测过电压和过温条件，以及更精确地检测这两种条件。

附图说明

图1示意性示出了电源系统的一部分的实施方式，其包括依照本发明的电源控制器的示例性实施方式；以及

图2示出了半导体器件的放大的平面图，其包括依照本发明的图1的电源控制器。

为了说明的简单和清楚，图中的元件不一定是按比例绘制的，且在不同图中相同的参考数字表示相同的元件。另外，省略了众所周知的步骤和元件的描述和细节以简化描述。如这里所使用的，载流电极意味着器件中承载通过该器件的电流的元件，例如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、或者二极管的负极或正极，而控制电极意味着器件中控制通过该器件的电流的元件，例如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。虽然器件在这里被解释为某种N沟道器件或P沟道器件、或者某种N型或P型掺杂区，但是本领域的普通技术人员应认识到，依照本发明，互补器件也是可能的。本领域技术人员应认识到，这里所使用的涉及电路工作的词“在……的期间、在……的时候和当……的时候”并不是表示一有启动行为就会马上发生行为的精确的术语，而是表示可能有一些小的但是合理的延迟，例如在由初始行为激起的反应之间的传播延迟。词“大约”或“实质上”的使用意指元件的值的参数被预期非常接近于规定值或位置。然而，如在本领域内众所周知的，总有较小的差异阻止值或位置确切地如规定的那样。在本领域中充分确定，直到至少百分之十(10％)(且对于半导体掺杂浓度直到百分之二十(20％))的差异是偏离确切地如所描述的理想目标的合理差异。

具体实施方式

图1示意性示出了电源系统10的一部分的实施方式，其包括电源控制器35的示例性实施方式。控制器35配置为形成表示控制器35外部的两种不同的工作条件的感测信号，上述两种不同的工作条件例如是控制器35的周围环境的过温条件和用于操作控制器35的输入电压的过电压条件。控制器35配置为在控制器35的单个输入上形成感测信号。在控制器35外部的齐纳二极管31和负温度系数(NTC)电阻器33帮助检测这两种条件。系统10在电压输入端子11和公共参考端子12之间接收功率，并在输出13和输出返回14之间提供输出电压。输出电压通常被调节到在目标值附近的值域内的期望值或目标值。例如，目标值可以是5V，值域可以是在5V左右加或减百分之五(5％)。系统10包括变压器16，变压器16具有初级绕组17、次级绕组18和辅助绕组19。为了调节输出电压的值，功率开关例如晶体管27用来控制流经绕组17和晶体管27的电流29的值。电流感测元件例如感测电阻器28用来形成表示电流29的电流感测(CS)信号。本领域技术人员应认识到，其它众所周知的电流感测元件可用来代替电阻器28。电流29确定了提供到负载的电流的量，负载包括电容器21和连接在输出13和返回14之间的负载15。

二极管20通常连同电容器21一起连接到绕组18以帮助形成在输出13和返回14之间的输出电压。反馈电路26提供表示输出电压的值的反馈(FB)信号。反馈电路26可以是多种众所周知的反馈电路中的任何一个，例如在变压器16的初级侧和次级侧与系统10之间提供隔离的光耦合器。辅助绕组19用于在节点25提供用于操作控制器35的辅助电压。二极管23、电容器24和电阻器22帮助从感应到绕组19中的电压和电流形成辅助电压。由绕组19、二极管23和电容器24形成的辅助绕组电路是众所周知的辅助绕组电源电路。

控制器35被配置为在电压输入37和电压返回38之间接收用于操作控制器35的辅助电压。为了接收辅助电压，电压输入37一般连接到节点25，为了接收公共参考电压，返回38一般连接到公共参考端子12。控制器35还配置有反馈(FB)输入40、驱动输出41和电流感测(CS)输入42，反馈(FB)输入40从反馈电路26接收反馈(FB)信号，驱动输出41配置为提供用于操作晶体管27的开关驱动信号，电流感测(CS)输入42配置为接收电流感测(CS)信号。控制器35还包括检测电路60，且通常包括开关控制电路45。开关控制电路45可以是用于开启或关闭电源控制器的多种众所周知的开关控制电路中的任何一个。例如，电路45可以是PWM控制电路、PFM控制电路或滞后开关控制电路。在图1中示出的开关控制电路45的示例性实施方式包括误差放大器48，误差放大器45接收反馈信号并形成误差信号(ES)，误差信号(ES)表示输出电压的期望值与输出电压的实际值之间的差异。如在本领域中众所周知的，误差放大器48一般包括用来为由控制器35形成的闭合控制回路提供频率补偿的频率补偿部件，例如阻抗Z1和Z2。为了在正常工作条件下控制晶体管27的工作，比较器51将误差信号与电流感测信号进行比较。时钟电路49形成时钟信号，时钟信号使锁存器54置位以使开关驱动信号有效。或门53从电路60接收控制信号，并使锁存器54复位以使开关驱动信号无效，从而禁止晶体管27并终止电流29。控制器35一般还包括内部调节器39，调节器39接收输入电压并形成内部工作电压以操作控制器35的元件，例如电路45和电路60。

控制器35的感测输入44配置为形成一感测信号，该感测信号表示两种不同的工作条件，例如过温条件和过电压条件。检测电路60配置为检测两种工作条件，并使开关控制电路45响应性地使在输出41上的开关驱动信号无效。检测电路60包括电流源62、第一电流比较器71、第二电流比较器74、电流感测电路70以及包括或门78和锁存器79的逻辑电路。检测电路60还包括分路调节器电路，该分路调节电路具有放大器66、晶体管67、和电压参考发生器或参考(ref)65。参考65、放大器66和晶体管67的分路调节器在节点68形成与在参考65的输出上的电压实质上相等的电压。因此，分路调节器电路将输入44维持在实质上固定的电压值。

在正常的工作条件期间，在节点25的电压在期望的工作范围内并小于二极管31的齐纳电压，使得实质上没有电流流经二极管31。电流源62形成具有实质上固定的电流值的电流63。电流63流经晶体管67并在节点68耦合到输出44。电流63的第一部分作为电流64流经输入44到NTC电阻器33。电流64的值保证NTC电阻器33两端的电压降是由分路调节器形成的电压的值。电流63的第二部分作为电流69流到返回38。电流感测电路70感测电流69的值。电流比较器71和74接收电路70的输出。电流比较器71将电流69与来自电流参考发生器72的参考电流的值进行比较，而电流比较器74将电流69与来自电流参考发生器75的参考电流的值进行比较。在正常的工作条件下，电流69的值大于来自发生器72的值，使得比较器71的输出为低。另外，电流69的值小于来自发生器75的参考电流的值，使得比较器74的输出也为低。因此，门78的输出也为低。典型地，当功率被应用到控制器35时，锁存器79由加电复位电路(power onreset circuit)初始化到复位条件。因此，锁存器79被复位，并不受来自门78的低电平的影响。

如果控制器35的周围环境的温度增加，则NTC电阻器33的电阻减小。因为分路调节器将输入44上的电压强制在实质上恒定的值，为了维持在输入44的电压实质上恒定，电流64的值必须增加。因为电流63的较大部分流经输入44，所以电流69的值减小。因此，电路60将电流64的第一值改变到第二值。电流69的减小的值减小了传感器70的输出。如果电流69的值下降到来自发生器72的电流的值以下，则传感器70的输出减小到足以促使比较器71的输出为高而使锁存器79置位。来自锁存器79的高电平由开关控制电路45接收，开关控制电路45响应性地使PWM锁存器54复位并使开关驱动信号无效，以便终止对输出电压的调节。典型地，锁存器79保持在这种置位条件中，且系统10终止对输出电压的调节，直到功率从控制器35被移走并接着再应用到控制器35为止，这允许加电复位电路使锁存器79再次复位。

如果在节点25的输入电压的值增加而超过二极管31的齐纳电压的值加上来自参考65的电压的值，则电流32流经二极管31。由于在输入44的固定的电压，因此电流32和电流63在输入44从而在节点68汇总，以形成电流34，电流34流经NTC电阻器33，从而在电阻器33两端形成固定的电压。在节点68汇总电流64和电流32改变了电流64的值并增加了电流69的值。电流69的增加的值增加了传感器70的输出。如果电流69的值增加而超过来自发生器75的电流的值，则传感器70的输出增加到足以促使比较器74的输出为高以使锁存器79再次置位并终止输出41上的开关驱动信号。

如果输入电压增加并且温度增加，则二极管31能够比电流源62提供更多的电流，所以电流32的值增加了电流69的值。电流69的增加的值增加了传感器70的输出，这促使比较器74的输出高以终止开关驱动信号。因此，可以看出，检测电路60配置为将输入44维持在实质上第一电压值并将电流63耦合到输入44。电流32从控制器35的外部流到输入44。控制器35响应于电流64的第一值而使开关驱动信号无效并且响应于电流32的第一值而使开关驱动信号无效。检测电路60配置为接收输入44上的感测信号，并响应于过温条件而将电流64的值改变到第二值，以及响应于过电压条件而将电流64的值改变到第三值。另外，检测电路60配置为使电流64以第一值流经输入44、响应于过温条件而将所述第一值改变到第二值、响应于过电压条件而使电流32从控制器35的外部流到输入44中并将所述第一值改变到第三值，以及使电流32和电流63汇总。

为了促进控制器35的这项功能，调节器39连接成接收输入37和返回38之间的输入电压。电流源62的第一端子连接到调节器39的输出，以及第二端子连接到晶体管67的漏极。晶体管67的源极共同连接到放大器66的非反相输入、输入44和电流感测电路70的第一端子。电路70的第二端子连接到返回38。放大器66的输出连接到晶体管67的栅极，且放大器66的反相输入连接到参考65的输出。电路70的输出共同连接到比较器71的非反相输入和比较器74的反相输入。比较器71的反相输入连接到电流参考发生器72的输出。比较器74的非反相输入连接到电流参考发生器75的输出。比较器74的输出连接到门78的第一输入，门78的第二输入连接到比较器71的输出。门78的输出连接到锁存器79的复位输入。锁存器79的Q输出耦合到开关控制电路45。

输入44连接到NTC电阻器33的第一端子，NTC电阻器33的第二端子连接到端子12。二极管31的正极连接到输入44，负极连接到节点25。

图2示出在半导体管芯96上形成的半导体器件或集成电路95的实施方式的一部分的放大的平面图。控制器35在管芯96上形成。管芯96也可包括其它电路，为了简化附图在图2中没有显示这些电路。控制器35和器件或集成电路95通过对本领域技术人员是熟知的半导体制造工艺在管芯96上形成。

鉴于以上全部内容，显然公开了新颖的器件和方法。连同其它特征包括的是形成电源控制器的检测电路来将输入钳位于一电压并将电流耦合到所述输入，以形成表示两种不同的工作条件的感测信号。所述电流的一个值表示正常工作条件，第二个值表示第一非正常工作条件(例如过温条件态)，所述电流的另一个值表示第二非正常工作条件(例如过电压条件)。使用电流值来表示上述条件消除了电流到电压的转换，从而提高了控制器的检测电路的准确性。只使用半导体管芯的一个端子来检测两种条件允许将其它端子用于其它功能，并减少了半导体器件的成本。

虽然本发明的主题是以特定的优选实施方式描述的，显然对半导体领域的技术人员来说许多替代和变化是明显的。虽然使用固定频率降压(buck)电源控制器的示例性实施方式描述了本发明的主题，但是本发明可适用于在一个端子上检测两种不同的条件的其它电路，且不限于电源结构。另外，在全文中使用词“连接”是为了描述的清楚，然而，其被规定为与词“耦合”具有相同的含义。相应地，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (20)

1.一种形成电源控制器的方法，包括：

配置所述电源控制器来形成开关驱动信号，以操作开关并将输出电压调节到期望值；

配置检测电路以将所述电源控制器的第一输入维持在实质上第一电压值并将控制电流耦合到所述第一输入，其中所述控制电流包括第一部分和第二部分，其中所述控制电流的所述第一部分以第一值从所述检测电路流入所述第一输入，其中所述第一部分的所述第一值响应于第一条件而变为第二值，且其中另一电流响应于第二条件而从所述电源控制器的外部流到所述第一输入；以及

配置所述电源控制器以响应于所述控制电流的所述第一部分的所述第二值而使所述开关驱动信号无效，并响应于所述另一电流的值而使所述开关驱动信号无效。

2.如权利要求1所述的方法，其中配置所述检测电路以将所述电源控制器的所述第一输入维持在实质上所述第一电压值并将所述控制电流耦合到所述第一输入的步骤包括：配置所述检测电路以将所述第一输入钳位于所述第一电压值，并在所述第一输入处汇总所述控制电流与所述另一电流。

3.如权利要求1所述的方法，其中配置所述电源控制器以使所述开关驱动信号无效的步骤包括：配置所述检测电路以检测所述控制电流的所述第二部分并响应性地使所述开关驱动信号无效。

4.如权利要求3所述的方法，其中配置所述检测电路以检测所述控制电流的所述第二部分的步骤包括：配置电流比较器以将所述控制电流的所述第二部分与参考电流进行比较。

5.如权利要求3所述的方法，其中配置所述电源控制器以使所述开关驱动信号无效的步骤包括：配置所述检测电路以检测所述另一电流并响应性地使所述开关驱动信号无效。

6.如权利要求5所述的方法，其中配置所述检测电路以检测所述另一电流的步骤包括：配置电流比较器以将所述另一电流与参考电流进行比较。

7.一种开关电源控制器，其包括：

开关控制电路，其配置为形成开关驱动信号以操作开关并将输出电压调节到期望值；

第一输入，其配置为形成表示过温条件和过电压条件二者的感测信号；

检测电路，其配置为将所述第一输入维持在实质上第一电压值、配置为形成控制电流、并配置为将具有第一值的所述控制电流耦合到所述第一输入，所述检测电路配置为从所述第一输入接收所述感测信号并响应于使所述感测信号改变第一量的所述过温条件而将所述第一值改变到第二值，以及响应于使所述感测信号改变第二量的所述过电压条件而将所述第一值改变到第三值；以及

所述检测电路配置为响应于所述第二值或响应于所述第三值而使所述开关驱动信号无效。

8.如权利要求7所述的开关电源控制器，其中所述第二值小于所述第一值，以及所述第三值大于所述第一值。

9.如权利要求7所述的开关电源控制器，其中所述检测电路包括分路调节器，所述分路调节器配置成对于所述过温条件和对于所述过电压条件将所述第一输入维持在所述第一电压。

10.如权利要求9所述的开关电源控制器，其中所述检测电路包括第一电流源，所述第一电流源配置为将所述控制电流耦合到所述第一输入。

11.如权利要求9所述的开关电源控制器，其中所述检测电路包括第一电流比较器，所述第一电流比较器配置为接收所述控制电流并检测所述第三值。

12.如权利要求11所述的开关电源控制器，其中所述检测电路包括第二电流比较器，所述第二电流比较器配置为接收所述控制电流并检测所述第二值。

13.如权利要求12所述的开关电源控制器，其中所述检测电路包括逻辑电路，所述逻辑电路耦合成响应于所述第一电流比较器的输出和所述第二电流比较器的输出而使控制信号有效。

14.如权利要求13所述的开关电源控制器，其中所述逻辑电路包括或门，所述或门具有耦合成接收所述第一电流比较器的所述输出的第一输入、耦合成接收所述第二电流比较器的所述输出的第二输入以及输出。

15.如权利要求14所述的开关电源控制器，其中所述逻辑电路包括锁存器，所述锁存器配置为响应于所述或门的所述输出而被置位。

16.一种形成检测电路以在单个输入上检测两种不同的条件的方法，所述方法包括：

配置所述检测电路以将所述单个输入维持在实质上第一电压值，以形成具有第一部分和第二部分的控制电流，并将所述控制电流的所述第一部分以第一值耦合到所述单个输入；

配置所述检测电路以使所述控制电流的所述第一部分响应于第一条件而以第二值流入所述单个输入，并使第一电流响应于第二条件而从所述检测电路的外部流入所述单个输入；以及

配置所述检测电路以汇总所述控制电流与所述第一电流。

17.如权利要求16所述的方法，其中配置所述检测电路以汇总所述控制电流与所述第一电流的步骤包括：配置所述检测电路作为电源控制器的一部分，其中所述第一电流从控制器的外部流入所述单个输入，并进一步包括配置所述检测电路以在所述单个输入处汇总所述控制电流与所述第一电流。

18.如权利要求16所述的方法，其中配置所述检测电路以使所述控制电流的所述第一部分流入所述单个输入的步骤包括：配置所述检测电路以使所述控制电流的所述第一部分响应于过温条件而流入所述单个输入，并使第一电流响应于过电压条件而流入所述单个输入。

19.如权利要求16所述的方法，其中配置所述检测电路以将所述单个输入维持在实质上所述第一电压值以形成具有所述第一部分和所述第二部分的所述控制电流并将所述控制电流的所述第一部分以第一值耦合到所述单个输入的步骤包括：配置所述检测电路作为电源控制器的一部分，配置所述检测电路以将所述单个输入钳位于所述第一电压值，配置所述检测电路以形成具有固定的值的所述控制电流，其中所述第一部分和第二部分汇总为所述固定的值，并且其中所述控制电流的所述第一部分响应于在所述控制器的外部的电阻的减小而流入所述单个输入。

20.如权利要求16所述的方法，还包括配置所述检测电路作为控制器的一部分，并配置所述检测电路以使所述第一电流响应于在所述控制器的外部的电压的增加而流入所述单个输入。

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