KR20030011343A - 동기 정류기 - Google Patents

Abstract

2 단자 자체-전력 공급된 동기 정류기(ASR)이 제공되며 이와 함께, 스위칭된 모드 전원에서 출력 다이오드 정류기(D)를 대체할 수 있는 2 단자 또는 3 단자 패키징된 소자가 제공된다. 동기 정류기는 두 개의 정류기 단자(A,K) 사이의 제 1 암(arm)(11)에서 그 소스-드레인 경로를 구비하는 전계-효과 트랜지스터(M)을 포함하며, 게이트-제어 회로(GC)는 두 개의 정류기 단자(A,K)에서 전압 뒤바뀜에 따라서 트랜지스터(M)을 동기적으로 온 및 오프로 스위칭하기 위해서 트랜지스터(M)가 게이트 전극(g)에 연결되고, 제 3 병렬 암에서 전력 신호로부터 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 전하 펌프(C,R;C,R,C2,R2)는 정류기에 의해 정류된다.

Description

동기 정류기{SYNCHRONOUS RECTIFIERS}

SMPS의 출력 다이오드 정류기(통상적으로 쇼트키 다이오드 또는 pn 다이오드)를 그 터미널 전압의 역전과 동시에 스위칭되는 로우 온-저항(on-resistance) 전계-효과 트랜지스터(통상적으로 MOSFET)로 대체하는 것이 알려져 있다. 이러한 스위칭된 트랜지스터 정류기 회로는 동기 정류기로 알려져 있다. 그 더 낮은 온-저항은 다이오드 정류기의 순방향 전압 강하와 함께 발생했던 전력 손실을 감소시킨다.

그래서, 알려진 동기 정류기는 두 개의 정류기 단자 사이의 그 소스-드레인 경로를 구비하는 전계-효과 트랜지스터 및 두 개의 정류기 단자에서 전압 역전에 따라 트랜지스터를 동기적으로 온 및 오프로 스위칭하기 위하여 트랜지스터의 게이트 전극에 연결된 게이트-제어 회로를 포함한다.

동기 정류기 및 그 사용의 예가 예를 들면, 1994년 12월에 출간된 필립스 반도체의 the Power Semiconductors Applications Handbook 1995의 179쪽 내지 183쪽의 섹션 2.3.3 "An Introduction to Synchronous Rectifier Circuits using PowerMOS(Trademark) Transistors"(1133011/12000/02/;문서 순서 번호.9398 652 85011)와 미국 특허 US-A-6,060,943 및 US-A-5,991,182에 개시되어 있다. 이로써 이 세 가지 아이템의 모든 내용이 참고 문헌 자료로 본 명세서에 포함된다.

이 세 가지 참고 문헌 아이템에서 설명된 바와 같이, 전계-효과 트랜지스터 구조는 트랜지스터의 몸체-드레인 p-n 접합에 의해 본질적으로 형성되고 트랜지스터의 소스와 드레인 사이에 연결된 병렬 p-n 다이오드를 보통 포함한다. p-n 다이오드는 "기생 몸체 다이오드", "인트린직(intrinsic) 다이오드", "내부(internal) 다이오드" 및 이들 용어의 서로 다른 조합으로 다양하게 알려져 있다. 트랜지스터가 동기 정류기로 사용될 때, 소스-드레인 경로를 따르는 전류 흐름은 정상 트랜지스터 사용을 위한 전류 흐름의 반대이어서, 몸체 다이오드는 트랜지스터가 블록킹될 때 역바이어스 된다. 몸체 다이오드는 트랜지스터의 게이트 드라이브가 일실되고/일실되거나, 트랜지스터가 켜지기 이전의 초기 스타트-업 상태에 있다면 정류를 수행할 수 있다(그러나 상당히 감소된 효율로).

알려진 동기 정류기는 게이트-제어 회로에 전력을 제공하기 위해서 (두 개의 정류기 단자에 추가하여) 하나 이상의 엑스트라 단자를 제공해야 하는 필요 때문에 다이오드 정류기에 대한 간단한 대체물이 아니다. 제어 회로를 위한 그 자체의 전원 레일(rail)의 공급은, 특히 그 출력 단이 입력 단으로부터 전기적으로 분리된 SMPS에서, 어렵고/어렵거나 고가일 수 있다. 간단한 분리된 회로(isolated circuit)는 트랜지스터를 구동하기 위한 보조 트랜스포머 와인딩(winding)을 사용하는 것으로 알려져 있으나 이들 또한 구현하는 것이 고가이고 형편없이 제어되어서 게이트 상에 과도한 전압 과 결과적인 데미지의 위험이 있다. 그 결과, 현재 동기 정류의 최대량 사용은 아무런 분리도 요구되지 않는 고전류 저전압 dc-dc 변환 회로를 위해 이루어진다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 그 전력 제공하는 측면을 위한 엑스트라 단자 및/또는 고가의 설비를 요구하지 않는 동기 정류기를 제공하는 것이고, 특별히 그러나 배제적이지 않게 2 단자 다이오드 정류기를 위한 간단한 대체일 수 있는 2 단자 또는 3 단자 패키징된 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 2 단자 자체 전력 공급된 동기 정류기가 제공되되, 트랜지스터를 스위칭하기 위한 제어 전력은 정류기에 의해 정류되는 전력 신호로부터 끌어낸다. 본 발명에 따른 이러한 동기 정류기는 유리하게는 두 개의 정류기 단자 사이의 전압 차에 의해 에너자이징되는 전하 펌프(charge pump)로 형성되며, 제어 회로는 전하 펌프로부터 전력 공급된다.

유리하게는, 전하 펌프가 트랜지스터를 스위칭하기 위한 제어 회로에 전력을 공급하기 위해서 충분히 에너지를 공급받을 때까지 초기 스타트-업 상태 동안 정류하기 위하여 병렬 다이오드가 두 개의 정류기 단자 사이에 존재한다. 이 다이오드는 단지 트랜지스터의 몸체-드레인 p-n 접합에 의해 본질적으로 형성된 p-n 다이오드가 될 수 있으나, 가령 턴-온 지연때문에 트랜지스터의 스위칭이 정확히 동기되지 않는다면 전하-저장 효과가 그 후 발생할 수 있다. 이 전하-저장 효과는 트랜지스터의 몸체-드레인 p-n 접합 양단에 연결된 쇼트키 다이오드로서 병렬 다이오드를 형성함으로써 회피될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 2 단자 소자 패키지를 포함하는 2 단자 자체 전력 공급된 동기 정류기 소자가 제공되며, 트랜지스터, 가능한 병렬 다이오드, 게이트-제어 회로 및 그 자체-생성 전원이 그 안에 수용된다. 트랜지스터의 자체-생성 전원, 병렬 다이오드 및 소스-드레인 경로는 병렬 구성내의 소자 패키지의 2 단자 사이에 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3 단자 소자 패키지를 포함하는 3 단자 동기 정류기가 제공되고, 그 안에 트랜지스터, 가능한 병렬 다이오드, 게이트-제어 회로 및 그 자체-생성 전원 연결이 수용되며, 3 단자는 정류기에 의해 정류되는 전력 신호로부터 게이트 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 전하 펌프를 완성하기 위해서 제 3 단자와 두 개의 정류기 단자 중 하나 사이에 외부 캐패시터를 연결하기 위해 작용한다.

본 발명의 유리한 기술적 특징 및 이것의 다른 측면은 포함된 청구 범위에서 설정되어 있다.

본 발명은 두 개의 정류기 단자에서 전압 역전으로 동기적으로 교환되는 전계-효과 트랜지스터를 포함하는 동기 정류기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 동기 정류기를 위해 패키징된 반도체 소자 및 이러한 동기 정류기 및/또는 이러한 소자를 포함하는 스위칭된 모드 전원(종종 "SMPS"로 불림)에 관한 것이다.

본 발명의 이러한 특징들 및 다른 특징들은 도면과 함께 설명될 본 발명의 특정 실시예들에 개시되어 있다.

도 1은 다이오드 정류기를 위한 대체물로서 본 발명에 따른 2 단자 자체전력 공급된 동기 정류기를 포함하는 스위칭된 모드 전원 실시예의 간단한 회로도이다.

도 2는 본 발명에 따른 이러한 2 단자 자체-전력 공급되는 동기 정류기일 실시예의 회로도이다.

도 3은 본 발명에 따른 이러한 2 단자 자체-전력 공급되는 동기 정류기에서의 사용을 위한 다른 전하 펌프의 회로도이다.

도 4는 2 단자 패키징된 소자에서 실시된, 본 발명에 따른 이러한 자체-전력 공급되는 동기 정류기의 개략도이다.

도 5는 본 발명에 따른 2 단자 자체-전력 공급되는 동기 정류기를 (캐패시터와 함께) 형성하기 위한 본 발명에 따른 3 단자 패키징된 소자의 개략도이다.

도 6은 도 2의 정류기의 변경으로 본 발명에 따른 2 단자 자체-전력 공급되는 동기 정류기의 다른 실시예의 회로도이다.

동일한 참조 부호가 변경된 그리고 다른 실시예에서 대응하는 또는 유사한 특징들을 참조하기 위해 일반적으로 사용된다.

도 2, 4 및 6의 2 단자 동기 정류기 실시예 즉, 본 명세서에서 ASR로 명시된자율 동기 정류기는 자체-전력 공급된다. 각각은

·정류기의 2 단자 K 와 A 사이의 제 1 암(arm)(11)에 그 소스-드레인 경로를 구비하는 전계-효과 트랜지스터 M와,

·두 개의 정류기 단자 K 및 A에서 전압 역전에 따라 트랜지스터 M을 동기적으로 온 및 오프로 스위칭하기 위한 트랜지스터 M의 게이트 전극 g에 연결된 게이트-제어 회로 GC와,

·두 개의 정류기 단자 K와 A 사이의 전압 차에 의해 에너지가 공급되며 게이트-제어 회로 GC가 전하 펌프 C 및 R로부터 전력 제공되는 전하 펌프 C 및 R을 포함하는 다른 병렬 암(arm)(13)을 포함한다.

트랜지스터 M은 통상적으로 n-채널 셀룰러 MOSFET이다. 이러한 MOSFET M은 도 2 및 도 3의 회로도에 나타나 있다. 그 드레인 전극 d는 정류기의 단자 K에 연결되고, 그 소스 전극 s는 단자 A에 연결된다. 통상적으로, pn 다이오드는 트랜지스터 M에 진성으로 존재하며 트랜지스터의 몸체-드레인 p-n 접합에 의해 형성된다. 소스 전극 s는 그 n-타입 소스 영역뿐만 아니라 MOSFET M의 p-타입 몸체 영역을 접촉한다. 그래서, 이 진성 몸체 다이오드 BD는 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 정류기 단자 K와 A 사이의 제 2 암(12)에서 트랜지스터 M의 소스-드레인 경로에 병렬 연결된다.

도 2 및 도 6에 도시된 간단한 형태에서, 전하 펌프 C 및 R은 두 개의 정류기 단자 K와 A 사이에 연결된 캐패시터 C 및 직렬 정류기 R을 포함한다. 게이트-제어 회로 GC를 위한 전력 출력은 캐패시터 C 및 직렬 정류기 R의 직렬 노드 N으로부터 얻어진다. 도 2는 게이트-제어 회로 GC 즉, 드레인 전극 d(즉, 정류기 단자 K)로부터 그 입력을 얻는 인버터 I를 위한 특히 간단한 형태를 도시한다.

그래서, 본 발명에 따른 ASR 구성은 제어 회로 GC에 전력 공급하기 위한 내부 전원을 생성하는 자율 전력 구동 소자(가령, C, R)와 결합한다. 이 자체-전력 공급된 정류기는 전원의 출력 단에서, p-n 접합을 다이오드 D 또는 쇼트키 다이오드 D를 대체할 수 있는데, 이의 특정 예가 도 1에 도시되어 있다.

도 1의 특정 예는 플라이백 컨버터 타입의 매우 간단한 SMPS이며 입력 단자 (1,2) 및 출력 단자(3,4)를 가진다. 그 출력 단은 그 입력 단으로부터의 트랜스포머 T에 의해 분리된다. 입력 단은 알려진 구성이며, 트랜스포머 T의 1차측 권선을 거쳐 고주파수로 입력 공급을 스위칭하는 빠른-스위칭 트랜지스터 MS를 포함한다. 따라서, 전압 펄스 트레인(train)은 출력 단에서 트랜스포머 T의 2차측 권선에서 나타난다.

출력 단자(3,4)를 건너 연결된 (도시되지 않은) 부하를 위한 원하는 dc 출력을 제공하기 위해 전압 펄스 트레인은 출력 정류기에 의해 대략 정류되고, 출력 필터에 의해 평활화된다. 도 1은 캐패시터 CO를 출력 필터로 간단히 도시한다. 본 발명에 따른 SMPS에서 출력 정류기는 다이오드 D대신에 ASR이다.

많은 이러한 전원에서, p-n 접합 다이오드 D 또는 쇼트키 다이오드 D에 의해 전류의 최후 정류를 수행하는 것이 알려져 있다. 쇼트키 다이오드는 그것이 p-n 접합보다 더 낮은 순방향의 전압 강하 및 저장된 전하의 부재를 가지는 것처럼 낮은 전압 출력에 대해 선호된다. 그래서 쇼트키 다이오드에 걸린 순방향의 전압 강하는전력 손실까지도 가져오고, 전력 변환 프로세스의 효율을 감소시킨다.

(도 1의 예에서 도시된 바와 같이) 단자(3)에서의 출력 전류가 5V 에서 20A이고, 공급이 50%의 듀티 싸이클로 스위칭하고 있다면, 그 때 40A가 정류기를 통해 흐르고 있을 것이다. 출력 정류기가 0.5V의 순방향 전압 강하를 가진 쇼트키ky 다이오드 D라면, 그 때 이 전류 레벨에서 그리고 소자의 동작 온도에서 손실은 약 10W일 것이다. 공급이 100W를 전달하고 있다면, 쇼트키 다이오드 정류기 D의 사용자는 약 10% 효율의 손실을 나타낼 것이다.

이 도 1 전원에서 손실을 감소시키기 위해서, 출력 정류기 다이오드 D는 도 2에서 큰 화살표에 의해 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 ASR로 대체된다. 그 MOSFET M의 Rds(on)는 가령 4 밀리 옴스로 매우 낮을 수 있으며, 상기 예에서, 약 3W까지 손실을 감소시킨다.

SMPS 출력 단에서 도 2의 ASR의 회로 동작이 이제 상세히 설명될 것이다. 이 회로 설명에서, 트랜지스터 M은 n-채널 MOSFET로 가정되고, 그 진성(intrinsic) p-n 접합 다이오드는 가장 간단한 예로서 병렬 다이오드 BD를 제공하기 위해 사용된다. 그 안에 ASR이 연결되어 있는 외부 회로는 출력 단자 3과 출력 단자 4 사이의 로드에 의해 또는 로드가 비활성이라면 적어도 평활 캐패시터 CO에 의해 완전해진다. 그래서, 트랜스포머의 2차측 권선 및 로드 및/또는 캐패시터 CO는 그 단자 A와 K 사이의 ASR의 각 병렬 암(11,12,13)을 위한 전체 회로를 함께 형성한다. 도 2의 ASR의 다양한 구성요소는 다음과 같이 동작한다.

(a) 초기 상태에서, 전원이 먼저 온으로 스위칭된다:

·캐패시터 C는 방전된 상태에 있다; 트랜지스터 게이트 g로의 어떤 구동도도 없고, 그래서 MOSFET M은 오프이다;

·단자 K가 네거티브일 때, 병렬 다이오드 BD는 전도하고, 그래서 ASR 소자는 정상적인 p-n 접합 다이오드로(즉, BD의 이 진성 p-n 접합 다이오드 예에서) 나타난다;

·정류는 이 다이오드 BD를 통해서 발생한다;

·그래서, 이 매우 짧은 스타트-업 기간 동안 전력 손실이 높다.

(b) 안정 상태에서:

·캐패시터 C는 최대의 포지티브 드레인 전압 익스커션(excursion)까지 (직렬 정류기 R을 통하여) 충전한다;

·노드 N에서 캐패시터 C로부터의 전력 출력은 MOSFET 게이트 g를 위한 제어 신호를 제공하고 그에 따라 게이트의 동기적 제어를 수행하기 위해서 드레인 d(단자 K)에서 전압을 인버팅하는 인버터 회로 I에 전력을 공급한다;

·그래서 인버터 I는 드레인 전압이 네거티브가 될 때 MOSFET를 온으로 스위칭한다;

·드레인이 포지티브가 될 때, MOSFET는 인버터 I에 의해 오프로 스위칭된다.

그래서, 일반적으로, ASR이 전도하지 않고 있을 때, 즉, 그 애노드(adnode) 단자 A가 캐소드 단자 K에 비해 네거티브일 때에 스타트-업 상태 동안 전하 펌프는 충전되고 있다. 이 스타트 업 상태에서 전압이 역전될 때, 전하 펌프에 게이트 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 충분한 에너지가 없을 수 있고, 이 경우에 MOSFET는 오프로 남을 것이다. 그러나 ASR은 MOSFET의 진성 몸체 다이오드 DB를 통해서 전도할 수 있다. 몇 싸이클 이후에, 전하 펌프는 게이트 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 충분한 저장된 에너지를 가질 것이고, 전류는 선택 MOSFET에 의해 블록킹되거나(애노드 A는 네거티브) MOSFET에 의해 전도될(애노드 A는 포지티브) 것이다.

본 발명에 따른 ASR은 병렬 다이오드 BD 없이, 즉 제 2 병렬 암(12) 없이 동작할 수도 있다는 것을 주목해야 한다. 이 경우에, 게이트 제어 회로 GC에 전력을 공급하기 위하여 캐패시터 C가 충분히 에너지 공급될 때까지 스타트 업 상태 동안 전원의 여러 싸이클에 대해서 어떠한 정류도 없을 것이다. 그래서, 병렬 암(12)에서 다이오드 BD를 포함하는 것이 스타트-업에 대해 훨씬 더 효율적이고 유리하다. 게다가, 이러한 병렬 다이오드 BD는 대부분의 MOSFET에서 기생 p-n 접합 몸체 다이오드로 이미 고유하게(intrinsically) 존재한다.

MOSFET의 스위칭이 정확하게 타이밍 된다면, 몸체 다이오드는 초기 스타트 업 상태 이후에 전도하지 않을 것이다. 그러나, 예를 들면, MOSFET의 게이트 캐패시턴스를 충전할 때의 지연 때문에, 이 타이밍은 실제로 정확하지 않을 수 있다. 그래서, 가령 저비용 게이트 제어 회로가 사용된다면, 그것은 너무 작아서 MOSFET를 매우 빠르게 스위칭할 수 없을 것이다. 이 경우에, 몸체 다이오드는 짧은 기간 동안 전도할 것이다. 이는 효율을 감소시킬 것이고, MOSFET 또는 연관된 회로에서 바람직스럽지 못한 전하 저장 효과를 가져올 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 ASR에서의 개선은 스타트-업 상태를 포함하여 언제나 몸체 다이오드 전도를 회피하는 것을 가능하게 한다. 이 개선은 몸체 다이오드에 쇼트키 다이오드를 병렬로 추가하는 것으로써 이루어진다. 쇼트키 다이오드는 분리된 소자일 수 있으나 그것은 MOSFET 내로 유리하게 집적될 수 있다.

(MOSFET의 진성 몸체 다이오드를 건너 연결된) 쇼트키 다이오드는 이제 ASR의 병렬 다이오드 BD로 동작한다. 그 때, 이 병렬 쇼트키 다이오드 BD는 MOSFET의 몸체 다이오드를 대시하여 스타트-업 동안에 동작할 것이다. 이러한 쇼트키 다이오드 BD에 의해, MOSFET 스위칭이 정확히 동기될 수 없다면 발생할 수 있는 전하 저장 효과가 회피된다.

이미 알려져 있는 동기 정류기와 달리, 본 발명의 ASR은 MOSFET 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 추가적인 단자 및/또는 전원 레일을 요구하지 않고도 2 단자 정류기 다이오드 D를 대체할 수 있다. 그것은 자체-전력 공급된 2 단자 패키징된 소자 안에서 실시될 수 있다. 다르게, 3 단자 소자는 소자의 3 단자와 정류기 단자 K 및 A 중 하나의 사이에서 적어도 하나의 캐패시터 C와 함께 사용될 수 있다. 결과적인 소자-캐패시터 조합은 2 단자 동기 정류기 회로가 된다.

도 4는 2 단자 자체-전력 공급된 동기 정류기 소자의 하나의 예를 도시한다. 그것은 2 단자 반도체 소자 패키지를 포함하고, 그 안에 트랜지스터 M, 병렬 다이오드 BD, 게이트-제어 회로 GC 및 전하 펌프 C 및 R이 수용된다. 소자 패키지는 가령 알려진 정류기 다이오드 D를 위해 사용되는 것처럼 표준 구조 및 표준 아웃 라인일 수 있다. 그래서, 도 4는 소자에 실장탭(mounting tab)을 그리고 정류기 단자K 및 A 각각에 단자 리드(121,122)를 제공하기 위하여 플라스틱 인캡슐레이션(encapsulation)(100)(점선)으로부터 뻗어나온 리드 프레임(120,121,122)을 도시한다.

소자의 다양한 구성요소 M, BD, R 및 C는 알려져 있는 방식으로 인캡슐레이션(100) 내에 집적될 수 있다.

그래서, 가령 MOSFET M의 반도체 소자 몸체(140)가 인캡슐레이션(100) 내의 탭의 받침대(pedestal) 상에 직접 탑재될 수 이고, 그에 따라 몸체(140)의 하부에 있는 드레인 전극 d에 직접 연결을 형성할 수 있다. 단자 리드(121)(정류기 단자 K)는 도 4에서 도시된 바와 같이 탭(120)(정류기 단자 A) 사이의 두꺼운 본드 배선 연결(151)을 도시한다.

도 4의 이 특정 예에서, 병렬 다이오드 BD는 MOSFET M과 동일한 반도체 소자 몸체(140)에 집적된다. 그것은 간단히, MOSFET M의 n-타입 드레인 드리프트 영역과 그 p-타입 채널 영역(트랜지스터 몸체 영역) 사이에 p-n 접합에 의해 진성적으로 형성된 pn 다이오드일 수 있다.

이 특정 예에서, 탭(120)의 받침대 상의 절연 기판(130)(예를 들면, 알루미나(alumina)로 됨)이 MOSFET 몸체(140)와 나란히 있다. 두 개의 분리된 금속화된 영역(131,132)의 패턴이 기판(130)의 상부 표면 상에 존재한다.

금속화된 영역(131) 상에 탑재된 IC(집적 회로) 몸체 (141)는 이 특정 예에서 게이트 제어 회로 GC 및 직렬의 정류기 R을 포함한다. 이 금속화된 영역(131)은 GC를 위한 그라운드 연결을 제공하고 단자 리드(122)(정류기 단자 A)로의 배선 연결(152)을 가진다. 금속화된 영역(132)은 전하 펌프 C 및 R의 직렬의 노드 N을 제공하고 GC의 전력선 및 R의 캐소드 모두를 위한 IC 몸체(141)의 본드-패드로의 배선 연결(153)을 가진다. CG의 출력 본드-패드는 MOSFET M의 게이트 전극 g로의 배선 연결(151)을 가진다. R의 애노드 및 CG의 입력을 위한 다른 배선 연결(154)은 탭(120)(정류기 단자 K)의 받침대로부터 다른 IC 몸체(141)의 본드-패드로 확장한다.

이 특정 예에서, 전력 공급하는 캐패시터 C는 금속화된 영역(131)과 금속화된 영역(132) 사이에서 연결된 칩-캐패시터(142)의 형태이다.

그래서,이들 배선 연결(151 내지 154)에 의해, 트랜지스터 M의 직렬의 정류기 및 캐패시터 R 및 C, 다이오드 BD 그리고 소스-드레인 경로는 두 개의 정류기 단자 A와 K 사이에 병렬 형태(parallel configuration)로 연결된다.

직렬 정류기 R이 많은 전하를 지닐 필요가 없는 단지 작은 소자일지라도, 그것은 IC 소자 몸체(141)로부터 분리되어, 가령, 바텀(bottom) 애노드 금속화 및 탑(top) 캐소드 본드-패드를 구비하는 분리된 다이오드 몸체로 제공될 수 있다. 그래서, 도 4의 변경에서, 이 분리된 다이오드 몸체는 정류기 단자 K로의 그 애노드 연결을 형성하기 위하여 탭(120)의 받침대 상에 직접 탑재될 수 있고, 그 캐소드 본드-패드로부터 금속화된 영역(132)(노드 N)으로의 배선 연결(155)을 가질 수 있다.

캐패시터 C는 도 4의 실시예에서, 소자 패키지(100) 내부에 있다. 그러나 외부 캐패시터 C는 가령 도 5의 소자 실시예와 함께 사용될 수 있다. 이 경우에, 사용자는 SMPS 회로에서 외부 캐패시터 C를 연결해서, 패키징된 소자의 단자 리드(122)(정류기 단자 A)와 제 3 단자 리드(123) 사이에 연결되게 된다.패키지(100) 내에서, 제 3 단자 리드(123)는 직렬의 정류기 R의 캐소드 전극에 본드 배선 연결(155)에 의해 연결된다. 그래서, 직렬의 정류기 R은 단자 리드(121)와 단자 리드(123) 사이에 연결되고, 제 3 단자 리드(123)는 외부 캐패시터 C로부터 게이트-제어 회로 GC에 전력을 공급하기 위해서 직렬의 노드 N을 제공한다.

도 5는 이러한 3 단자 소자의 특정 실시예를 도시하고, 예로서 하나의 IC 몸체(145) 내의 MOSFET M, 병렬 다이오드 BD, 게이트 제어 회로 GC 및 직렬의 정류기 R의 모노리식(monolithic) 집적 또한 도시한다. 실리콘 온 절연체(SOI:silicon-on-insulator) 기술은 특히 구성요소간의 기생 효과를 회피하는데 특히 편리하고 유리하다. 그래서 구성요소 M+BD, GC 및 R은 절연 층 또는 기판 상의 실리콘 층의 분리된 실리콘 아일랜드(island)로 형성될 수 있으며, 아일랜드는 산화물(LOCOS) 아일랜드 월(wall)에 의해 측면으로 경계가 형성된다. 이 경우에, 도 5에 도시된 바와 같이 MOSFET M의 소스와 드레인 전극 s 및 d는 단자 리드(122,121)로의 각각의 배선 연결과 함께 IC 몸체(145)의 상부에서 본드-패드를 가진다.

본 발명에 따른 정류기 회로 및 소자에 다른 변경 및 변동이 채택될 수 있다는 것이 명백할 것이다 그래서 가령, 쇼트키 다이오드 BD가 트랜지스터 M의 몸체-드레인 p-n 접합 양단에 연결될 때, 이 쇼트키 다이오드 BD는 MOSFET M의 반도체 몸체(140)에서 집적될 수 있거나 또는 그것은 동일한 소자 패키지(100) 안에서 탑재된 분리된 다이오드 몸체 내에 제공될 수 있다.

도 2의 동기 정류기는 세 개의 병렬 암(11,12,13)을 정류기 회로의 2 단자 A와 K 사이에 가진다. 제 1 암(11)은 MOSFET M의 소스-드레인 경로를 포함하나 로우 온-저항인 짧은 스타트-업 기간 이후에만 작동한다. 제 2 암(12)은 MOSFET의 몸체-드레인 p-n 접합에 의해 진성적으로 형성된 pn 다이오드일 수 있는 병렬 다이오드 BD, 또는 이 MOSFET 몸체 다이오드와 함께 집적되거나 이 MOSFET 양단에 연결될 수 있는 선택적인 엑스트라 쇼트키 다이오드 BD를 포함한다. 전원이 처음으로 온으로 스위칭될 때인 짧은 스타트-업 기간에 전도하고 정류하는 것은 바로 이 다이오드 암(12)이다. 제 3 암(13)은 정류기 단자 A 및 K에서 전압 역전과 함께 동기적으로 MOSFET M을 동기적으로 스위칭하기 위한 인버터 I 또는 다른 구성 회로 GC에 전력을 공급하기 위한 스타트-업 기간 동안에 충전되는 정류기 R 및 캐패시터 C의 직렬 회로이다. 병렬 다이오드 BD 및 직렬 정류기 R은 정류기 단자 K 및 A에 대하여 반대의 극성이어서 스타트-업 기간 동안에 캐패시터 C를 충전하게 된다.

도 2에 도시된 전하 펌프 C, R은 단자 A와 K 사이의 최대 전압만큼만 제어 회로 GC의 전력 라인을 부스트하는(boost) 간단한 직렬 구성이다. 그래서 단자 A 와 K 사이의 +V 또는 -V의 AC 입력은 R 및 C의 직렬 노드 N에서 정류된 +V의 출력을 생성한다. 도 3은 노드 N에서 출력이 더 높은 것을 허용하는 전하 펌프를 위한 서로 다른 회로 구성 R2, C2, R 및 C를 도시한다. 그래서 단자 A와 K 사이의 +V 또는 -V의 AC 입력은 도 3에서 R 및 C의 직렬 노드 N에서 정류된 +2V의 출력을 생성할 수 있다. 도 3의 전하 펌프같은 전하 펌프는 더 높은 전압 출력이 제어 회로 GC를 위해 요구될 때, 도 1, 2, 4, 5 및 6의 ASR을 위해 간단한 직렬 구성 R 및 C 대신에 사용될 수 있다. 추가적인 구성요소 R2 및 C2가 도 4의 소자 패키지(100)에서 구성요소 R 및 C와 같은 방법으로 포함될 수 있다. 다르게, 양 캐패시터 C 및 C2는 도 5의 구성요소같은 3 단자 소자를 구비하는 외부 구성요소일 수 있다.

본 발명은 MOSFET 게이트 g의 동기 제어를 간단하게 수행하는 회로 GC를 인에이블시킨다. 그래서 도 2는 그 입력을 드레인 전극 d로부터 얻는 인버터 I를 도시한다. 그러나, 원한다면, 더 정교한 회로, 가령 도 6에 도시된 것 같은 전압 비교기가 채택될 수 있다. 이 비교기 회로 CG는 게이트 전극 g로의 그 출력 드라이브를 생성하기 위해서 소스 전극 s에서의 전압을 드레인 전극 d에서의 전압과 비교한다. 도 6 정류기가 도 4 타입의 소자에서 구현될 때, 본드 배선(154)은 정류기 단자 K 와 비교기의 네거티브(-) 입력 라인 사이의 연결을 형성할 수 있고, 도 4에서 넘버링되지 않은 (선택적인) 본드 배선이 정류기 단자 A와 비교기의 포지티브(+) 입력 라인 사이의 연결을 형성할 수 있다.

본 명세서를 읽음으로써, 당업자들에게 다른 변화 및 변경이 명백할 것이다. 이러한 변화 및 변경은 해당 기술 분야에서 이미 알려져 있고 본 명세서에서 설명될 특징들을 대신하거나 이에 추가하여 사용될 수 있는 동일한 그리고 다른 특징들을 포함할 수 있다.

본 출원서에서 청구 범위가 특정 특징들의 조합으로 형성되었으나, 본 발명의 범위 및 개시가 본 명세서에서 명시적이거나 함축적으로 포함된 임의의 새로운 특징 또는 임의의 새로운 특징들의 조합, 또는 그것이 어떤 청구항에서 현재 청구되고 있는 것같은 동일한 발명에 관한 것이든 그렇지 않든 그리고 본 명세서에서 하는 것처럼 동일한 기술적 문제의 일부 또는 전부를 완화하든 그렇지 않든 그것의 임의의 일반화 또한 포함한다는 것을 이해해야 한다.

이로써, 출원인은 본 출원서 또는 이것으로부터 도출된 임의의 다른 출원서의 처리 동안에 이러한 특징들 그리고/또는 이러한 특징들의 조합으로 새로운 청구항이 형성될수 있다는 것을 통고한다.

Claims (11)

1. 2 단자 동기 정류기에 있어서,

   상기 두 개의 정류기 단자 사이의 제 1 암(arm)에서 그 소스-드레인 경로를 가지는 전계-효과 트랜지스터와,

   상기 두 개의 정류기 단자에서의 전압 역전에 따라 상기 트랜지스터를 동기적으로 스위칭하기 위한 트랜지스터의 게이트 전자에 연결된 게이트-제어 회로를 포함하되,

   상기 두 개의 정류기 단자 사이의 전압 차에 의해 에너지 공급되는 전하 펌프를 포함하는, 다른 병렬 암을 구비하는 것을 특징으로 하며

   상기 게이트-제어 회로는 상기 전하 펌프로부터 전력 제공되는

   동기 정류기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이트-제어 회로는 상기 트랜지스터의 상기 드레인 및 게이트 사이에 연결되는 인버터인 것을 다른 특징으로 하는

   동기 정류기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전하 펌프가 상기 두 개의 정류기 단자 사이에 연결되는 캐패시터와 직렬 정류기를 포함하고, 상기 게이트-제어 회로를 위한 전력 출력은 상기 캐패시터 및 직렬 정류기의 상기 직렬 노드로부터 획득되는 것을 다른 특징으로 하는

   동기 정류기.
4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 동기 정류기의 스타트-업 동안에 정류를 제공하기 위하여 상기 두 개의 정류기 단자 사이의 다른 암 안에 병렬 다이오드가 연결된 것을 추가적인 특징으로 하는

   동기 정류기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 병렬 다이오드가 상기 트랜지스터의 몸체-드레인 p-n 접합에 의해 진상적으로 형성된 pn 다이오드인 것을 추가적인 특징으로 하는

   동기 정류기.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 병렬 다이오드가 쇼트키 다이오드인 것을 추가적인 특징으로 하는

   동기 정류기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 트랜지스터, 동작 병렬 다이오드, 게이트-제어 회로 및 전하 펌프가 수용하는 2 단자 반도체 소자 패키지를 구비하는 자체 전력 공급된 패키징된 소자의 형태인 것을 추가적인 특징으로 하는

   동기 정류기.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   패키징된 3 단자 반도체 소자 및 외부 캐패시터의 회로 연결에 있어서, 상기 두 개의 정류기 단자가 상기 두 개의 소자 단자를 포함하고, 상기 전하 펌프가 상기 두 개의 정류기 단자 사이에 연결되는 상기 캐패시터 및 직렬 정류기를 포함하고,

   상기 소자의 상기 3 단자 패키지 안에 상기 트랜지스터, 선택적인 병렬 다이오드, 게이트-제어 회로 및 직렬 정류기가 수용되고, 상기 직렬 정류기의 직렬 노드 및 상기 외부 캐패시터를 상기 제 3 소자 단자가 제공하며, 상기 게이트-제어 회로에 전력을 공급하기 위하여 이로부터 상기 패키지 내에 전력 출력이 얻어지는 것을 다른 특징으로 하는

   동기 정류기.
9. 전계-효과 트랜지스터, 병렬 다이오드, 게이트-제어 회로 및 전하 펌프가 그 안에 수용되는 2 단자 패키지를 포함하는 2 단자 자체 전력 공급된 동기 정류기에 있어서,

   상기 게이트-제어 회로의 출력은 상기 트랜지스터를 교환하기 위한 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 소자 패키지 내에서 연결되고,

   상기 트랜지스터의 상기 전하-펌프, 상기 병렬 다이오드 및 상기 소스-드레인 경로가 상기 소자 패키지의 상기 2 단자 사이에서 병렬 구성으로 연결되며, 상기 전하 펌프는 상기 트랜지스터를 스위칭하기 위해서 상기 게이트-제어 회로에 전력을 공급하는 출력을 가지는

   2 단자 자체 전력 공급된 동기 정류기 소자.
10. 제 8 항에 있어서,

    전계 효과 트랜지스터, 병렬 다이오드, 게이트-제어 회로 및 직렬 정류기가그 안에 수용되는 3 단자-패키지를 포함하되,

    상기 게이트-제어 회로의 출력이 상기 트랜지스터를 스위칭하기 위하여 상기 소자 패키지 내에서 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되고,

    상기 트랜지스터의 상기 병렬 다이오드 및 상기 소스-드레인 경로가 상기 소자 패키지의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 연결되고, 상기 직렬 정류기는 상기 소자 패키지의 상기 제 1 단자와 제 3 단자 사이에 연결 -상기 제 3 단자는 상기 제 3 단자로부터 상기 게이트-제어 회로에 전력을 공급하는 전하-펌프 전원을 형성하기 위하여 상기 직렬 정류기와 상기 제 2 단자 사이에 외부 캐패시터를 연결하기 위한 직렬 노드를 제공함- 된

    3 단자 동기 정류기.
11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 동기 정류기 그리고/또는 제 9 항 또는 제 10 항에 따른 패키징된 소자를 출력 단 -상기 출력 단은 트랜스포머에 의해 입력 단으로부터 전기적으로 분리되어 있음- 에서 포함하는

    스위칭된 모드 전원.