專利名稱：開關(guān)電容控制器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子學，更具體地，涉及形成半導(dǎo)體器件的方法 和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在過去，半導(dǎo)體工業(yè)利用各種方法和結(jié)構(gòu)來形成DC至DC (DC/DC)電壓調(diào)節(jié)器。DC/DC電壓調(diào)節(jié)器的一個特別的形式利用 了懸浮(flying)電容器，其可選地被DC電壓充電并接著與DC電壓串 聯(lián)以形成輸出電壓。這些類型的DC/DC電壓調(diào)節(jié)器有時稱為充電泵 (charge pump)DC/DC轉(zhuǎn)換器。這些DC/DC轉(zhuǎn)換器的一個共同的問題 是由開啟和關(guān)斷懸浮電容器而產(chǎn)生的噪聲。該噪聲使用由與DC電壓 源串聯(lián)的懸浮電容器被開啟和關(guān)斷時出現(xiàn)的電流尖峰(current spike ) 產(chǎn)生。
因此，期望有一種DC/DC電壓調(diào)節(jié)器，其減少噪聲產(chǎn)生，以及 當懸浮電容器被開啟和關(guān)斷時使電流尖峰最小化。


圖1簡要示出了具有根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電容控制器的DC/DC電 源系統(tǒng)的一部分的實施例；
圖2筒要示出了根據(jù)本發(fā)明的圖l的開關(guān)電容控制器的驅(qū)動器的 一部分的實施例；
圖3為具有曲線的圖，其示出在根據(jù)本發(fā)明的圖1的一部分開關(guān) 電容控制器工作期間的一些信號；
圖4簡要示出了開關(guān)電容控制器的一部分的實施例，其為根據(jù)本 發(fā)明的圖1的開關(guān)電容控制器的可選實施例；以及
圖5簡要示出了包括根據(jù)本發(fā)明的圖1的開關(guān)電容器的一部分的 半導(dǎo)體器件的放大的平面視圖。
為了說明的簡單和明了，圖中的元件不一定按照比例，并且在不 同的圖中相同的參考號代表相同的元件。此外，為了說明的簡要，省 略了眾所周知的步驟和元件的說明和細節(jié)。這里使用的載流電極 (current carrying electrode )是指器件的元件，例如MOS晶體管的 源極或漏極、或雙極晶體管的發(fā)射極或集電極、或二極管的正極或負 極，其承載通過該器件的電流，控制電極是指器件的元件，例如MOS 晶體管的柵極或者雙極晶體管的基極，其控制通過該器件的電流。雖 然這里把器件解釋為確定的N溝道或P溝道器件，本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員應(yīng)認識到，根據(jù)本發(fā)明，互補器件也是可能的。本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)認識到，這里使用的詞匯"在…期間"、"在...的時候"、以及 "當...時"不是表示一旦開始操作馬上就會出現(xiàn)反應(yīng)的準確術(shù)語，而是 可能會在被初始操作激起的反應(yīng)之間有一些微小但合理的延遲，例如 傳播延遲。
具體實施例方式
圖1簡要示出了包括開關(guān)電容DC/DC電壓調(diào)節(jié)器或開關(guān)電容控 制器20的示例性形式的DC/DC電源系統(tǒng)10的一部分的實施例。用 于控制器20的結(jié)構(gòu)使電流尖峰和噪音產(chǎn)生最小化。系統(tǒng)10配置成從 DC電壓源例如電池11接收DC電壓，以及形成由負載17例如移動 電話使用的調(diào)節(jié)DC電壓或輸出電壓。控制器20配置成在電壓輸入 12和電壓返回13之間接收DC電壓，以及在控制器20的輸出15上 形成輸出電壓。系統(tǒng)10的電壓返回16—般連接至DC電壓源例如電 池11的一個端子，以形成系統(tǒng)10的公共端子。返回13通常連接至 返回16。濾波電容器18可以連接在輸出15和返回16之間以降低輸 出電壓中的波動。
控制器20的示例性形式一般包括在不同結(jié)構(gòu)中被開啟和關(guān)斷以 便幫助在輸出15上形成輸出電壓的懸浮電容器26、幫助對電容器26
充電的電流源23、用于配置要被充電的電容器26的充電開關(guān)如晶體 管32和33、用于配置電容器26以幫助形成輸出電壓的放電開關(guān)如晶 體管41和42、配置成選擇性地啟動和禁止晶體管41和42的驅(qū)動器 40、以及配置成選擇性地啟動和禁止晶體管32和33的驅(qū)動器31。振 蕩器21 —般形成用于控制電容器26的開啟和關(guān)斷的時鐘信號。控制 電路或控制22接收時鐘信號并形成驅(qū)動器40和31的各自的控制信 號?？刂?2 —般形成具有定時的控制信號，其被要求來控制晶體管 32、 33、 41以及42以執(zhí)行電容器26的期望的開啟和關(guān)斷，例如形成 不重疊并異相的驅(qū)動信號。諸如振蕩器21和控制22的振蕩器和控制 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是眾所周知的。在驅(qū)動器40的輸入44上 接收來自控制22的第一輸出的具有第一頻率的第一控制信號，而在 驅(qū)動器31的輸入35上接收來自控制22的第二輸出的基本上具有第 一頻率的第二控制信號。驅(qū)動器31的輸出36連接至晶體管32和33 的柵極，而驅(qū)動器40的輸出45連接至晶體管41和42的柵極。本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)認識到，控制器20顯示為DC/DC控制器的示例性實 施例，而DC/DC控制器可以具有多個懸浮電容器如電容器26、以及 多個相關(guān)的驅(qū)動器如驅(qū)動器31和40以及開關(guān)如晶體管32、 33、 41 和42。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)該理解，為了簡要說明而簡化了 控制器20的示例性實施例。在一些實施例中，例如具有在半導(dǎo)體管 芯(die)上形成的控制器20的實施例中，電容器26可以在控制器20 的外部，以便最小化控制器20的成本。
圖2簡要示出了驅(qū)動器40的一部分的實施例。驅(qū)動器40包括從 輸入44接收控制信號的輸入級46以及在輸出45上形成輸出驅(qū)動信 號或驅(qū)動信號的輸出級47。輸入級46包括上輸入(upper i叩ut)晶體 管51、上輸入電阻器50、下輸入(lower i叩ut)晶體管52以及下輸入 電阻器53。輸出級47包括上輸出晶體管60、上輸出電阻器56、 57 和58、下輸出晶體管62以及下輸出電阻器64、 65和66。
圖3為具有示出在控制器20工作期間的一些信號的曲線的圖。 橫坐標表示時間，而縱坐標表示所示信號的增加值。曲線70示出了
從電池11流出而通過源23和晶體管32以對電容器26充電的充電電 流25。曲線71示出了由電容器26提供的通過晶體管42到達輸出15 的放電電流43。曲線72示出了輸出36上的信號，以及曲線73示出 了輸出45上的信號。該說明參考圖1、圖2以及圖3。
在控制器20的示例性實施例的運行中，振蕩器21和控制22在 控制器20的第一相位期間形成用于啟動晶體管32和33以便對電容 器26充電的第一控制信號。在優(yōu)選實施例中，晶體管32、 33、 41和 42為P溝道晶體管，因此，需要低信號來啟動晶體管。如在T1時刻 所示的，負向驅(qū)動信號36啟動晶體管32和33以將電容器26的一個 端子耦合至源23，而另一個端子耦合至返回13。因為源23耦合至輸 入12,因而耦合至電池ll，源23提供來自電池11的控制電流以給 電容器26充電至基本上等于電池11電壓的電壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 應(yīng)認識到，由于損耗，電容器26可能僅僅充電至電池11的電壓的約 70-80%的范圍內(nèi)。如曲線70所示，源23提供的電流25以限制電流 25的最大值的控制速率對電容器26充電。因此，電流源23幫助減少 由啟動晶體管32和33以對電容器26充電而引起的噪聲。
此后，振蕩器21和控制22在控制器20的第二相位期間形成用 于啟動晶體管41和41以將電容器26與電池11串聯(lián)而在輸出15上 形成輸出電壓的第二控制信號。在該第二相位期間，第二控制信號由 驅(qū)動器40接收。如在T3時刻的曲線73所示，驅(qū)動器40在輸出45 上形成第二驅(qū)動信號作為具有時間相關(guān)渡越時間(time dependent transition time)的才莫擬信號。時間相關(guān)渡越時間緩慢地啟動晶體管 41和42。因為第二驅(qū)動信號為負向信號，驅(qū)動器40形成第二驅(qū)動信 號的時間相關(guān)下降時間(time dependent fall time )。時間相關(guān)渡越時 間在一段時間內(nèi)啟動晶體管41和42以緩慢地增加電容器26能夠提 供至輸出15和負載17的放電電流43的值。在一段時間內(nèi)緩慢地啟 動晶體管41和42阻止了電流43中的尖峰，從而在控制器20的工作 期間使噪聲的量最小化。形成時間相關(guān)渡越時間以具有包括指數(shù)波 形、鋸齒波形或者對數(shù)波形的各種不同的波形。驅(qū)動器40的優(yōu)選實
施例配置成形成指數(shù)波形。當輸入44接收來自控制22的負向控制信 號時，晶體管51被啟動以通過晶體管51和電阻器50將節(jié)點54和晶 體管60和62的柵極拉高。晶體管60和62的柵極電容以及電阻器50 和53的電阻形成級46的第一RC時間常數(shù)。第一時間常數(shù)減慢了節(jié) 點54上的信號的上升時間，因而減慢了到晶體管60和62的柵極的 信號的上升時間。當節(jié)點54通過電阻器50被充電時，節(jié)點54最終 變得足夠高以開始啟動晶體管62并禁止晶體管60。電阻器56、 57、 58、 64、 65和66的電阻以及晶體管41和42的柵極電容形成級47的 第二RC時間常數(shù)。當晶體管62被級47啟動時，第二時間常數(shù)限制 了第二驅(qū)動信號的下降時間。較長的下降時間繞過第二驅(qū)動信號沿并 形成具有基本上為指數(shù)波形的信號波形。減少的下降時間使晶體管41 和42緩慢導(dǎo)通以及通過晶體管41和42的線性工作區(qū)域躍遷。通過 線性工作區(qū)域控制了電流43的值在晶體管42被緩慢啟動時緩慢地增 加。當晶體管42變得完全啟動時，電流43的值達到其最大值。因此， 施加至晶體管41和42的柵極的驅(qū)動信號的波形具有嚴重衰減的波形 或信號波形。通常，由包括與晶體管41和42的柵極電容結(jié)合的輸出 級47的驅(qū)動器40形成的時間常數(shù)通常在輸入44上控制信號的頻率 的大約百分之三(3%)至不大于大約百分之二十五至百分之七十五 (25%-75%)的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為大約百分之五(5%)。因此，下 降時間加上第二驅(qū)動信號的整個啟動時間基本上形成輸入44上的控 制信號的整個周期的一半，如曲線73所示。驅(qū)動器40的時間常數(shù)一 般主要由級47的第二時間常數(shù)加上晶體管41和42的輸入電容形成。 級46的第一時間常數(shù)一般小于級46的第二時間常數(shù)。 一般將第二時 間常數(shù)選擇為接近驅(qū)動器40的期望時間常數(shù)，并調(diào)整第一時間常數(shù) 以形成驅(qū)動器40的期望時間常數(shù)。因此，第一和第二時間常數(shù)形成 時間相關(guān)渡越時間以及嚴重衰減的信號波形。在一個實施例中，第二 時間常數(shù)大約為第 一 時間常數(shù)的三倍。
因為晶體管41和42的優(yōu)選實施例是P溝道晶體管，電阻器64、 65和66與晶體管62串聯(lián)以便控制用于啟動晶體管、晶體管62的下
降時間是很重要的，這4吏晶體管41和42啟動。電阻器56、 57和58 在這個優(yōu)選實施例中是可選的，因為僅僅具有用于啟動晶體管41和 42的時間相關(guān)渡越時間是4艮重要的，而不是用于禁止晶體管41和42 的時間相關(guān)渡越時間。然而，在一些實施例中，晶體管41和42可以 是N-溝道晶體管，并且對于晶體管56、 57和58而言，形成與電阻器 64、 65和66形成的時間常數(shù)類型相似的時間常數(shù)是很重要的。
因為電流源23用于對電容器26充電，由驅(qū)動器31形成的驅(qū)動 信號的上升和下降時間并不重要。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認識到， 還可以形成驅(qū)動器31以具有類似于驅(qū)動器40的時間相關(guān)渡越時間。
圖4簡要示出了控制器77的一部分的實施例，其為在圖l的說 明中解釋的控制器20的可選實施例?？刂破?7配置成在輸出15上 形成具有小于電池ll的電壓值的輸出電壓。
圖5簡要示出了在半導(dǎo)體管芯81上形成的半導(dǎo)體器件80的實施 例的一部分的放大的平面視圖。控制器20在管芯81上形成。管芯81 還可以包括為了簡化附圖而未在圖5中示出的其他電路?？刂破?0 和器件80通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的半導(dǎo)體制備技術(shù)在管芯81上 形成。
鑒于上述內(nèi)容，顯然公開了一種新穎的器件和方法。包括其他特 征的是形成一種具有時間相關(guān)渡越時間的DC/DC控制器。時間相關(guān) 渡越時間控制來自懸浮電容器的放電電流，從而在控制器工作期間使 噪聲最小化。時間相關(guān)渡越時間一般主要由與驅(qū)動器的下輸出晶體管 串聯(lián)的下輸出電阻器的值控制。增加至驅(qū)動器的輸入級的電阻幫助控 制時間相關(guān)渡越時間。
盡管用具體的優(yōu)選實施例對本發(fā)明的主題進行了描述，但是顯然
如，充電和放電開關(guān)被描述為P溝道晶體管，但是它們可為N溝道晶 體管或其它類型的開關(guān)，例如、雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (BiCMOS)晶體管、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì) 結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、雙極晶體管、雙極結(jié)晶體管(BJT)以
及其他開關(guān)結(jié)構(gòu)。另外，為了清楚地描述，始終使用詞語"連接
(connect)"，但是，其被規(guī)定為與詞語"耦合(couple)"具有相同 的意思。因此，應(yīng)該將"連接"解釋為包括直接連接或間接連接。
權(quán)利要求
1.一種電壓調(diào)節(jié)器，其包括電容器，其配置成選擇性地耦合在所述電壓調(diào)節(jié)器的充電節(jié)點和輸出之間；第一開關(guān)，其可操作地耦合成選擇性地將所述電容器耦合至所述電壓調(diào)節(jié)器的所述輸出；以及第一驅(qū)動器，其具有輸出級，所述輸出級配置成驅(qū)動具有第一時間相關(guān)渡越時間的所述第一開關(guān)的控制電極，所述第一時間相關(guān)渡越時間具有不大于由所述驅(qū)動器接收的信號頻率的大約75％的第一時間常數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述第一開關(guān)可 操作地耦合成將所述電容器的第一端子選擇性地耦合至所述輸出，以 及還包括第二開關(guān)，所述第二開關(guān)可操作地耦合成選擇性地耦合所述 電容器的第二端子以接收DC電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓調(diào)節(jié)器，還包括第三開關(guān)和第四 開關(guān)，所述第三開關(guān)可操作地耦合成選擇性地耦合要被自DC電壓充 電的所述電容器的所述笫一端子，所述笫四開關(guān)可操作地耦合成將所 述電容器的所述第二端子選擇性地耦合至公共端子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述第一驅(qū)動器 的所述輸出級具有耦合至所述第一驅(qū)動器的啟動晶體管的第一電阻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述第一驅(qū)動器 的所述輸出級包括串聯(lián)在啟動晶體管和所述第一驅(qū)動器的電壓節(jié)點 之間的第一電阻，其中，所述啟動晶體管的第一載流電極耦合至所述 第一驅(qū)動器的輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述啟動晶體管 的第二栽流電極耦合至所述第一電阻的端子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述第一時間常 數(shù)大于所述頻率的大約3%。
8. —種形成開關(guān)電容控制器的方法，其包括 形成所述開關(guān)電容控制器以接收DC電壓，以及開啟和關(guān)斷電容器以形成來自DC電壓的輸出電壓；以及配置所述開關(guān)電容控制器的驅(qū)動器以具有不大于用于開啟和關(guān) 斷所述電容器的頻率周期的大約75%的時間常數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電容 控制器的所述驅(qū)動器以具有所述時間常數(shù)的步驟，包括配置所述驅(qū)動 器以具有對電壓源的第一電阻。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電容 控制器的所述驅(qū)動器以具有所述時間常數(shù)的步驟，包括將所述驅(qū)動器 的輸出耦合至開關(guān)的控制電極，其中，所述控制電極具有第一電容， 以及其中，所述第一電阻和所述第一電容形成所述時間常數(shù)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電容 控制器的所述驅(qū)動器以具有所述時間常數(shù)的步驟，包括配置與第一電 阻串聯(lián)的驅(qū)動器的啟動晶體管，以及將所述驅(qū)動器的輸出耦合至開關(guān) 晶體管的柵極。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述配置與所述第一 電阻串聯(lián)的所述驅(qū)動器的所述啟動晶體管的步驟，包括配置與第 一電 阻器串聯(lián)的所述驅(qū)動器的輸出的N溝道晶體管，以及將所述驅(qū)動器的 輸出耦合至P溝道晶體管的柵極。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括配置與第二電阻器串 聯(lián)的所述驅(qū)動器的所述輸出的P溝道晶體管。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電容 控制器的所述驅(qū)動器以具有所述時間常數(shù)的步驟，包括配置所述驅(qū)動 器的輸出級以具有所述時間常數(shù)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述配置第一晶體管以 接收來自第二晶體管的信號的步驟，包括耦合第一晶體管的第一載流 電極以接收工作電壓。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電容 控制器的所述驅(qū)動器以具有所述時間常數(shù)的步驟，包括將所述時間常數(shù)配置成不大于用于開啟和關(guān)斷所述電容器的頻率周期的大約25%。
17. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電容 控制器的所述驅(qū)動器以具有所述時間常數(shù)的步驟，包括將所述時間常 數(shù)配置成不小于用于開啟和關(guān)斷所述電容器的頻率周期的大約5%。
18. —種形成開關(guān)電容控制器的方法，其包括 配置所述開關(guān)電容控制器的輸出開關(guān)以將電容器耦合至所述開關(guān)電容控制器的輸出；以及配置所述開關(guān)電容控制器以利用具有時間相關(guān)渡越時間的驅(qū)動 信號驅(qū)動所述輸出開關(guān)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電 容控制器以利用具有所述時間相關(guān)渡越時間的所述驅(qū)動信號驅(qū)動所 述輸出開關(guān)的步驟，包括配置所述開關(guān)電容控制器以將所述時間相關(guān) 渡越時間形成為小于用于開啟和關(guān)斷所述電容器的頻率的大約25% 的時間常數(shù)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述配置所述開關(guān)電 容控制器以利用具有所述時間相關(guān)渡越時間的所述驅(qū)動信號驅(qū)動所 述輸出開關(guān)的步驟，包括配置所述開關(guān)電容控制器以將所述時間相關(guān) 渡越時間形成為小于用于開啟和關(guān)斷所述電容器的頻率的大約5%的 時間常數(shù)。
全文摘要
在一個實施例中，一種開關(guān)電容控制器配置成利用驅(qū)動信號以具有時間相關(guān)渡越時間的信號來驅(qū)動開關(guān)電容器。
文檔編號H02M3/07GK101167237SQ200580049578
公開日2008年4月23日 申請日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月11日
發(fā)明者瑞米·戈勃 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責任公司