提供無極性功率連接的橋接電路的製作方法

2023-08-03 15:39:01

專利名稱：提供無極性功率連接的橋接電路的製作方法
技術領域：
本說明書涉及ー種用於提供無極性功率連接(polarity insensitive powerconnection)的橋接電路。
背景技術：
在裝置(例如，乙太網供電(PoE)裝置)的輸入端處可使用橋式整流電路，使得該輸入將對耦接至該裝置的電源的極性不敏感。該裝置本身可能對電源的極性敏感，但橋式整流器可被構造為，當電源的極性顛倒時對該裝置提供適當的極性。如果在輸入端處沒有橋式整流電路，那麼，當將電源的極性不適當地耦接至具有相反極性的裝置時，會損壞該裝置。一些系統(例如PoE系統)具有這樣的規格，不管所施加的功率的極性的顛倒，其都需要該系統適當地操作。可用典型的ニ極管(例如PN結ニ極管、肖特基ニ極管)來構造許多已知的橋式整流電路。這些已知的橋式整流電路通常具有相對較高的能量損失，其在許多應用中是不希望有的。近年來，已經在橋式整流電路中使用了金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件，但是，在已知的解決方案中，通常需要許多額外的外部部件來控制這些電路和/或保護MOSFET器件的柵極。因此，存在對解決本技術的缺點並提供其他新的且創新的特徵的系統、方法和設備的需求。

發明內容
在一個總的方面中，一種設備可包括耦接至金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件的柵極的無極性輸入端。MOSFET器件可具有大於25伏的柵極電介質額定值(gate dielectric rating)。該設備還可包括I禹接至MOSFET器件的源極的固定極性輸出端。在附圖和以下描述中闡述了ー個或多個實現方式的細節。從該描述和附圖中，以及從權利要求中，其他特徵將是顯而易見的。


圖I是示出了根據實施方式的極性轉換電路的框圖。
圖2是示出了根據實施方式的極性轉換電路的電路圖。圖3A至圖3H是共同示出了圖2中所示的極性轉換電路的操作的圖表。圖4是根據實施方式的極性轉換電路的布局的頂視圖的示意性框圖。圖5是示出了根據實施方式的極性轉換電路的電路圖。圖6是示出了與ニ極管橋式整流電路相比的圖5中所示的極性轉換電路的效率的曲線圖。圖7是示出了用於操作極性轉換電路的方法的流程圖。圖8是根據實施方式的極性轉換電路的布局的頂視圖的另ー示意性框圖。圖9是示出了用於製造極性轉換電路的至少一部分的方法的流程圖。
具體實施例方式圖I是示出了根據實施方式的極性轉換電路110的框圖。極性轉換電路110被構造為轉換由電源120提供給負載130的功率(例如電流、電壓)的極性。具體地，極性轉換電路110被構造為，不管由電源120提供的功率的極性如何，都對負載130提供適當的極性。在沒有由極性轉換電路110提供的極性轉換的情況下，則電源120可耦接至具有相反極性的負載130，例如，該相反極性會導致負載130損壞。換句話說，極性轉換電路110可用作允許電源120非有意地被安裝或與相反極性耦接的保護部件。在一些實施方式中，可以包括極性轉換電路110作為到負載130的輸入，使得負載130和極性轉換電路110可共同用作可從具有任何極性構造(例如用作極性無限制裝置)的電源(例如電源120)接收輸出的裝置。如圖I所示，極性轉換電路110包括無極性輸入端112 (也可被稱作無極性輸入節點)和固定極性輸出端114(也可被稱作固定極性輸出節點)。無極性輸入端112通過標記被表示為無極性輸入端。無極性輸入端112將被稱作無極性輸入端A和無極性輸入端B，以將其彼此區分(因為在此實施方式中其本質上是功能等價的)。分別由「 + 」(即，正)或「-」(即，負)標記表示為固定極性輸出端的固定極性輸出端114，將通過其極性而被稱作正固定極性輸出端115和負固定極性輸出端117。固定極性輸出端114被構造為稱接至負載130的負載輸入端132,該負載輸入端包括正負載輸入端133 (由「 + 」標記表不)和負負載輸入端135 (由標記表不)。具體地，正固定極性輸出端115被構造為I禹接至正負載輸入端133,並且負固定極性輸出端117被構造為耦接至負負載輸入端135。固定極性輸出端114被稱為是固定的，因為其產生固定極性(例如固定正輸出或固定負輸出)。電源120的功率輸出端122被構造耦接至無極性輸入端112。功率輸出端122包括正功率輸出端123 (用「 + 」標記表示)和負功率輸出端125 (用「-」標記表示)。如圖I所示，當功率輸出端122根據虛線(其代表一個極性取向)或點線(其代表另ー極性取向)耦接至無極性輸入端112吋，極性轉換電路110被構造為(從電源120)向負載130的正功率輸入端133提供正功率輸出，並(從電源120)向負載130的負功率輸入端135提供負功率輸出。作為ー個具體實例，當負功率輸出端125耦接至功率不敏感輸入端A並且正功率輸出端123耦接至功率不敏感輸入端B吋，極性轉換電路110被構造為向正負載輸入端133提供具有正極性的功率，並向負負載輸入端135提供具有負極性的功率。當電源120的極性被轉換使得負功率輸出端125耦接至功率不敏感輸入端B並且正功率輸出端123耦接至功率不敏感輸入端A吋，極性轉換電路110被構造為繼續向正負載輸入端133提供具有正極性的功率，並向負負載輸入端135提供具有負極性的功率。極性轉換電路110可以為，或可包括具有金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件而不是例如ニ極管的橋式整流器。在一些實施方式中，橋式整流器可以為相對高效率(例如大於95%的效率)的橋式整流器。在一些實施方式中，MOSFET器件可以為相對低電阻的功率MOSFET器件。在一些實施方式中，MOSFET器件的電阻可以為大約O. I歐姆以下(例如O. 05歐姆、O. 01歐姆)。在一些實施方式中，MOSFET器件的電阻可大於O. I歐姆(例如O. 5歐姆)。在一些實施方式中，包括在極性轉換電路110中的ー個或多個MOSFET器件可具有
被構造為(無故障地)處理相對高的電壓的柵極輸入(例如，柵源極輸入)。換句話說，包括在極性轉換電路Iio中的ー個或多個MOSFET器件可具有相對高的柵極輸入電壓額定值。例如，包括在極性轉換電路110中的MOSFET器件可具有被構造為處理大約等於(和/或超過)電源120的最大輸出電壓的輸入電壓的柵極輸入。在一些實施方式中,柵極輸入的電壓額定值可大於等於20伏(V)(例如25V、30V、40V、50V)。在一些實施方式中，MOSFET器件的柵極輸入電壓額定值可大於等於MOSFET器件的源漏極電壓額定值。在一些實施方式中，包括在極性轉換電路110中的ー個或多個MOSFET器件可被構造為具有使MOSFET器件能夠處理相對高的柵極輸入電壓(和/或功率電平)的柵極電介質(例如柵極氧化物)厚度。在一些實施方式中，包括在極性轉換電路110中的MOSFET器件可具有被構造為MOSFET器件可處理大約等於(和/或超過)電源120的最大輸出電壓的輸入電壓的柵極氧化物厚度(在一些實施方式中，其可以是任何類型的柵極電介質)。在一些實施方式中，MOSFET器件的柵極氧化物厚度可大於5納米(nm)(例如15nm、50nm至300nm)。在一些實施方式中，極性轉換電路110例如可包括具有串聯電阻器的電壓限制器電路(例如集成柵源極電壓限制器)。在一些實施方式中，電壓限制器電路可被構造為，在極性轉換電路Iio的操作過程中控制(例如限制)極性轉換電路110內的一個或多個電壓(例如柵源極電壓)。在這些實施方式中，包括在極性轉換電路Iio中的MOSFET器件可以不具有較厚的柵極電介質。在一些實施方式中，由極性轉換電路110提供的極性轉換能力可被集成在單個封裝體中，使得極性轉換電路110是獨立的、分立的部件。換句話說，MOSFET器件、電阻器、齊納ニ極管，和/或包括在極性轉換電路110中的其他部件可集成在單個封裝體中。在這些實施方式中，單個集成部件可具有(例如僅可具有)圖I中所示的四個端子——無極性輸入端112和固定極性輸出端114。在一些實施方式中，極性轉換電路110的一部分可被集成在多個分立封裝體中、集成在單個集成電路上等。在一些實施方式中，包括在極性轉換電路110中的部件的數量可小於在具有極性轉換功能性的已知極性轉換電路中使用的部件的數量和/或複雜性。在這種已知的極性轉換電路中使用的附加部件可導致比極性轉換電路110的低效和/或功耗大的低效和/或功耗。在一些實施方式中，極性轉換電路可用於各種應用中(例如，直流電(DC)電源應用、具有AC電源的交流電(AC)應用)。在一些實施方式中，極性轉換電路110可用作到與乙太網供電(PoE)應用和/或無線接入點相關的ー個或多個裝置的輸入電路的一部分。因此，負載130可以為或可包括各種類型的部件。例如，負載130可以為被構造為基於電源120提供的功率進行操作的任何類型的電路(或其一部分)。例如，負載130可以為微處理器、邏輯模塊、射頻(RF)放大器、PoE輸入電路、數位訊號處理器(DSP)、邏輯柵極、特定用途集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)等。在一些實施方式中，負載130可以為數字電路和模擬電路的任何組合。結合以下附圖描述了極性轉換電路110的實例架構及其操作。圖2是示出了根據實施方式的極性轉換電路210的電路圖。如圖2所示，極性轉換電路210包括兩個N溝道MOSFET器件(M0SFET器件NI和MOSFET器件N2)以及兩個P溝道MOSFET器件(M0SFET器件Pl和MOSFET器件P2)。在該實施方式中，MOSFET器件可被稱作器件。例如，MOSFET器件Pl可被稱作器件Pl。極性轉換電路210包括固定極性輸出端214 (即，正固定輸出端211和負固定輸出端213)和無極性輸入端212 (無極性輸入端Cl和無極性輸入端C2)。如圖2所示，MOSFET器件N1、N2、P1和P2分別包括體ニ極管(由通 過虛線連接的ニ極管表示)。在一些實施方式中，包括在極性轉換電路210中的MOSFET器件NI、N2、Pl和P2被統稱為極性轉換電路210的MOSFET器件。如圖2所示，器件N2具有耦接至負固定輸出端213 (例如，限定其至少一部分，沒有插入部件地直接耦接至，經由ー個或多個插入部件耦接)的源極Sn2，器件NI也具有耦接至負固定輸出端213(例如，限定負固定輸出端的至少一部分，沒有插入部件地直接耦接，經由ー個或多個插入部件耦接)的源極SN1。器件Pl具有耦接至正固定輸出端211(例如，限定正固定輸出端的至少一部分，沒有插入部件地直接耦接，經由ー個或多個插入部件耦接)的源極Sn，器件P2也具有耦接至正固定輸出端211 (例如，限定正固定輸出端的至少一部分，沒有插入部件地直接耦接，經由ー個或多個插入部件耦接)的源極SP2。器件Pl的漏極Dpi、器件P2的柵極Gp2、器件NI的漏極Dni和器件N2的柵極Gn2耦接至無極性輸入端Cl (例如，限定其至少一部分，沒有插入部件地直接耦接)。而且，器件P2的漏極Dp2、器件Pl的柵極Gpi、器件N2的漏極Dn2和器件NI的柵極Gni耦接至無極性輸入端C2 (例如，限定無極性輸入端的至少一部分，沒有插入部件地直接耦接)。固定極性輸出端214被構造為不管耦接至無極性輸入端212的電源(未示出)的極性如何均提供具有圖2中所示的極性的功率。換句話說，極性轉換電路210的輸出極性是固定的。極性轉換電路210的基本操作如下。當電源(未示出)的正端子耦接至無極性輸入端Cl，並且電源的負端子耦接至無極性輸入端C2時，器件N2將被導通(例如導電、閉路、激活)，器件NI將被截止(例如不導電、開路、去激活)。因為器件N2的柵源極電壓(從柵極Gn2到漏極Dn2)可等於(或大約等幹)電源的電壓(假設其大於器件N2的閾值電壓)，所以器件N2將被導通。因此，負固定輸出端213將經由器件N2電耦接至電源的負端子，該負端子耦接至無極性輸入端C2。而且，當電源的正端子耦接至無極性輸入端Cl且電源的負端子耦接至無極性輸入端C2時，器件Pl將被導通且器件P2將被截止。因為器件Pl的柵源極電壓(從柵極Gpi到漏極Dpi)可等於(或大約等幹)電源的負壓(假設其大於器件Pl的閾值電壓)，所以器件Pl將被導通。因此，正固定輸出端211將經由器件Pl而電耦接至電源的正端子，該正端子耦接至無 極性輸入端Cl。
當電源的極性顛倒時，正固定輸出端211將繼續電耦接至電源的正端子，負固定輸出端213將仍電耦接至電源的負端子。具體地，當電源的正端子耦接至無極性輸入端C2且電源的負端子耦接至無極性輸入端Cl時，器件N2(其之前是導通的)將被截止，器件NI (其之前是截止的)將被導通。因為器件NI的柵源極電壓(從柵極Gni到漏極Dni)可等於(或大約等幹)電源的電壓(假設其大於器件NI的閾值電壓)，所以器件NI將被導通。因此，負固定輸出端213將經由器件NI (而不是器件N2)電耦接至電源的負端子，該負端子耦接至無極性輸入端Cl (而不是無極性輸入端C2)。而且，當電源的正端子耦接至無極性輸入端C2且電源的負端子耦接至無極性輸入端Cl時，器件Pl (其之前是導通的)將被截止，器件P2(其之前是截止的)將被導通。因為器件P2的柵源極電壓(從柵極Gp2到漏極Dp2)可等於(或大約等幹)電源的負壓(假設其大於器件P2的閾值電壓)，所以器件P2將被導通。因此，正固定輸出端211將經由器件P2(而不是器件Pl)電耦接至電源的正端子，該正端子耦接至無極性輸入端C2 (而不是無極性輸入端Cl)。在一些實施方式中，極性轉換電路210的ー個或多個MOSFET器件可被構造為具有 使MOSFET器件能夠處理相對高的柵極輸入電壓(和/或功率電平)的柵極電介質(例如柵極氧化物)厚度。在一些實施方式中，極性轉換電路210的ー個或多個MOSFET器件可具有被構造為使極性轉換電路210的MOSFET器件可處理大約等於(和/或超過)電源(未示出)的最大輸出電壓的輸入電壓的柵極氧化物厚度。極性轉換電路210的ー個或多個MOSFET器件可被構造為處理等於(和/或超過)電源的最大輸出電壓的輸入電壓，因為在極性轉換電路210的操作過程中，極性轉換電路210的至少兩個MOSFET器件的柵源極電壓將處於(或接近)電源間的電壓(例如負壓、正壓)。在一些實施方式中，極性轉換電路210的一個或多個MOSFET器件的柵極氧化物厚度可遠大於5nm (例如15nm、50nm至300nm)。在一些實施方式中，極性轉換電路210的ー個或多個MOSFET器件的柵極氧化物厚度可彼此大約相等，或可以是不同的。在一些實施方式中，極性轉換電路210的ー個或多個MOSFET器件可被構造為具有可處理大於20V(例如30V、40V、50V、100V)的柵源極電壓的柵極氧化物厚度。在一些實施方式中，極性轉換電路210可被集成在單個封裝體中，使得極性轉換電路210是獨立的、分立的部件。換句話說，可在單個襯底或多個襯底上處理極性轉換電路210的MOSFET器件，然後將其集成在單個封裝體中。在這種實施方式中，單個集成部件可具有(例如僅可具有)圖2中所示的四個端子——無極性輸入端212和固定極性輸出端214。例如，結合圖4描述了封裝集成裝置的實例。因為極性轉換電路210可用在直流電(DC)電源應用中，其中，電源可能不以高頻轉換，或可能僅與極性轉換電路210耦接一次)，所以柵極氧化物厚度的増加可能沒有不合意的效果。在一些實施方式中，在一些實施例中，除了柵極氧化物厚度的增加以外，極性轉換電路210的ー個或多個MOSFET器件的特徵可與高性能MOSFET器件的特徵相同。例如，可針對具有薄柵極氧化物的相對高性能的MOSFET器件來優化MOSFET器件NI的除了柵極氧化物厚度以外的特徵(例如，導通電阻(導通RDS)、摻雜級、電容、閾值電壓)。換句話說，可通過為了預期電壓額定值增加MOSFET器件的氧化物的厚度，而可在極性轉換電路210中使用針對高性能(例如高轉換性能)被構造的MOSFET器件。所述不同地，可針對高性能(例如高性能轉換)來調節MOSFET器件(包括柵極氧化物厚度)。在已經調節MOSFET器件之後，可増加柵極氧化物厚度(例如為了預期電壓額定值而増加)，以用於極性轉換電路210。在一些實施方式中，具有相對較厚的柵極氧化物的MOSFET器件可具有與具有相對較薄的柵極氧化物的MOSFET器件相似的性能特性。在一些實施方式中，可在下表中總結圖2所示的極性轉換電路210的基本操作
權利要求
1.一種設備，包括 無極性輸入端，耦接至金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件的柵極，所述MOSFET器件具有大於25伏的柵極電介質額定值；以及固定極性輸出端，耦接至所述MOSFET器件的源扱。
2.根據權利要求I所述的設備，其中，所述MOSFET器件的柵極的電壓額定值約等於所述MOSFET器件的漏極-源極電壓額定值。
3.根據權利要求I所述的設備，其中，所述MOSFET器件為第一η溝道MOSFET器件，所述無極性輸入端為第一無極性輸入端，所述設備還包括 第二 η溝道MOSFET器件，具有耦接至所述固定極性輸出端的源極和耦接至第二無極性輸入端的柵極。
4.根據權利要求I所述的設備，其中，所述MOSFET器件為η溝道MOSFET器件，所述固定極性輸出端為第一固定極性輸出端，所述設備還包括 P溝道MOSFET器件，具有耦接至第二固定極性輸出端的源極和耦接至所述無極性輸入端的柵極。
5.根據權利要求I所述的設備，其中，所述柵極電介質具有大於50nm的厚度。
6.根據權利要求I所述的設備，其中，所述無極性輸入端和所述固定極性輸出端共同限定分立部件的引線框的至少一部分。
7.根據權利要求I所述的設備，其中，所述無極性輸入端耦接至所述MOSFET器件的柵極，所述固定極性輸出端耦接至所述MOSFET器件的源扱。
8.根據權利要求I所述的設備，其中，所述無極性輸入端用作乙太網供電連接的輸入端。
9.根據權利要求I所述的設備，還包括 電壓限制器電路，包括至少ー個齊納ニ極管和被構造為限制通過所述電壓限制器電路的電流的電阻器。
10.一種設備，包括 引線框，包括 固定正輸出端子， 固定負輸出端子， 第一無極性輸入端子，以及 第二無極性輸入端子； P溝道MOSFET器件，包括耦接至所述固定正輸出端子的源極墊、耦接至所述第一無極性輸入端子的漏極以及耦接至所述第二無極性輸入端子的柵極墊；以及 η溝道MOSFET器件，包括耦接至所述固定負輸出端子的源極墊、耦接至所述第一無極性輸入端子的漏極以及耦接至所述第二無極性輸入端子的柵極墊，所述η溝道MOSFET器件為垂直定向MOSFET器件。
11.根據權利要求10所述的設備，還包括 電壓限制器電路，包括設置在所述η溝道MOSFET器件的柵極墊和源極墊之間的至少ー部分。
12.根據權利要求10所述的設備，其中，所述引線框、所述P溝道MOSFET器件和所述η溝道MOSFET器件被封裝為單個分立部件。
13.根據權利要求10所述的設備，其中，所述P溝道MOSFET器件或所述η溝道MOSFET器件中的至少ー個具有大於25伏的柵極電介質額定值，並且，所述η溝道MOSFET器件的柵極墊的電壓額定值約等於所述η溝道MOSFET器件的漏極-源極電壓額定值。
14.根據權利要求10所述的設備，其中，所述η溝道MOSFET器件的漏極在不插入部件的情況下直接耦接至所述第一無極性輸入端。
15.根據權利要求10所述的設備，其中，所述η溝道MOSFET器件包括具有大於50nm的厚度的柵極電介質。
16.—種設備,包括 四端子引線框，包括一對無極性輸入端子和ー對輸出端子； 多個P溝道MOSFET器件，操作地耦接至所述四端子引線框； 以及 多個η溝道MOSFET器件，操作地耦接至所述四端子引線框。
17.根據權利要求16所述的設備，其中，所述多個P溝道MOSFET器件中的每個P溝道MOSFET器件為具有耦接至所述ー對無極性輸入端中的至少ー個的漏極的垂直定向MOSFET器件，以及 所述多個η溝道MOSFET器件中的每個η溝道MOSFET器件為具有耦接至所述ー對無極性輸入端中的至少ー個的漏極的垂直定向MOSFET器件。
18.根據權利要求16所述的設備，還包括 互連部，將所述η溝道MOSFET器件的柵極操作地耦接至所述四端子引線框的一部分； 電阻器，耦接至所述多個η溝道MOSFET器件中的ー個η溝道MOSFET ；以及 齊納ニ極管，耦接至所述多個η溝道MOSFET器件中的所述η溝道M0SFET，所述電阻器和所述齊納ニ極管經由所述互連部而操作地耦接至所述四端子引線框的所述部分。
19.根據權利要求16所述的設備，其中，所述多個P溝道MOSFET器件中的至少ー個或所述多個η溝道MOSFET器件中的至少ー個具有大於25伏的柵極電介質額定值。
20.根據權利要求16所述的設備，還包括 電壓限制器電路，包括至少ー個齊納ニ極管和被構造為限制通過所述電壓限制器電路的電流的電阻器，其中，所述齊納ニ極管被構造為用作箝位ニ極管。
全文摘要
本發明公開了一種提供無極性功率連接的橋接電路，總的來說，一種設備可包括耦接至金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件的柵極的無極性輸入端。MOSFET器件可具有大於25伏的柵極電介質額定值。該設備還可包括耦接至MOSFET器件的源極的固定極性輸出端。
文檔編號H02M3/00GK102694463SQ20121007845
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者史蒂文·薩普, 約瑟夫·D·蒙塔爾博 申請人:飛兆半導體公司