測試電源控制器的方法及其結構的製作方法
2023-07-11 23:44:51
專利名稱：測試電源控制器的方法及其結構的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電子學，更具體地涉及形成半導體器件的方法和結構。
背景技術：
在過去，半導體工業利用各種方法和結構來構造脈寬調製(PWM)電源控制器。然而，通常難於精確測試電源控制器的控制迴路的精確度。通常，測試探針放置成與電源控制器半導體管芯(die)上的各個點接觸，且用於在半導體管芯上的不同點處注入信號和採樣信號。然而，這些探針具有非常大的寄生電容和電感。當測試電源控制器時，寄生電容和電感導致大的噪聲信號，其使得難於精確確定被測試信號的值。在某些情況下，電路以非常慢的速度工作以減少一些噪聲。但是，較慢的速度增加了測試時間，從而增加了電源控制器的成本。
因而，期望有一種測試電源控制器的方法，其可精確確定被測試的信號的值，不增加測試時間，以及減少電源控制器的成本。
圖1示意性地示出了部分電源系統的具體實施方案，其包括根據本發明的電源控制器；和圖2示意性地示出了部分半導體器件的具體實施方案的放大平面圖，其包括根據本發明的圖1電源控制器。
為了圖示的簡單和清楚，圖中的元件不一定是按照比例的，以及在不同附圖中相同的標號指示相同的元件。此外，為了描述的簡單性，省略了公知的步驟和元件的描述的細節。如本文所使用的，載流電極意為一個器件的元件，其承載電流通過該器件，例如MOS電晶體的源極或漏極，或雙極電晶體的發射極或集電極，控制電極意為一個器件的元件，其控制通過該器件的電流，例如MOS電晶體的柵極或雙極電晶體基極。雖然本文器件解釋為特定的N-通道或P-通道器件，但是本領域普通技術人員應可理解根據本發明互補的器件也是可以的。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了包括電源控制器20的部分電源系統10的具體實施方案。系統10在電力輸入端子11和公用迴路端子12之間接收電力，並響應地在電壓輸出13和端子12之間供應輸出電壓。施加於端子11和12之間的電壓通常是電池或其它直流電壓。系統10還包括能量存儲指示器14和能量存儲電容17，所述能量存儲指示器14連接在輸出13和控制器20的輸出端子62之間，所述能量存儲電容17連接在輸出13和端子12之間。
控制器20在連接至端子11的電壓輸入端子60和連接至端子12的電壓迴路61之間從端子11接收電力。控制器20通常包括脈寬調製(PWM)控制器21，第一電力開關或上電力開關26，第一電力開關或上電力開關驅動23，第二電力開關或下電力開關27，第二電力開關驅動或下電力開關驅動24，誤差信號放大器36，基準電壓發生器或基準電壓源29，反饋電路53，以及測試模式控制器22。通常，施加到端子11的電壓適於運行控制器20。如果來自端子11的電壓不適於運行控制器20，控制器20還可以包括內部調節器。在優選實施方案中，開關26是P-通道功率MOS電晶體，開關27是N-通道功率MOS電晶體。在其他實施方案中，開關26和27可以分別具有其他配置，例如PNP和NPN雙極電晶體。PWM控制器21包括時鐘發生器或時鐘31，PWM比較器32，以及PWM鎖存器33。時鐘31在時鐘31的第一輸出上產生自由運行時鐘信號，其用於設置鎖存器33。時鐘31還在第二輸出上產生斜坡信號，其由比較器32接收並幫助復位或清除鎖存器33。這樣的PWM控制器對於本領域技術人員是公知的。此外，由時鐘31產生的自由運行時鐘和斜坡信號可通過對施加到時鐘31的啟動輸入的啟動信號求反而被停止並復位到低輸出值。當復位信號被求反或低時鐘31被復位時，且當啟動信號走高或維持，時鐘31開始另一時鐘循環和相應的斜坡信號。本領域技術人員可認識到，PWM控制器21也可包括其他的電路和功能，例如電流模式控制或斜坡補償，其未在圖1中示出。基準電壓源29在基準電壓源29的輸出上形成基準電壓。基準電壓用於幫助調節輸出電壓的值。控制器22設置成控制控制器20在正常工作模式和測試模式之間轉換或更變，在所述正常工作模式下控制器20驅動指示器14並調節在輸出13上的輸出電壓，所述測試模式用於測試控制器20的控制迴路。
控制器22包括第一開關或測試模式開關或測試模式電晶體42，阻抗轉換器40，倒相器44，以及探針墊50。探針墊50形成以允許測試探針或其他類似器件接觸墊50並注入用於開關控制器22的外部信號以在測試模式或正常模式下運行控制器20。當外部信號不施加到墊50時，電阻器46施加高電壓到墊50、模式節點45，以及與其相連的元件。當測試探針與墊50接觸時，測試探針可注入外部信號，其促使墊50和與其相連的元件為低電壓或高電壓。低電壓通常基本上等於在迴路61上的電壓，高電壓足夠至少觸發倒相器44。低電壓將控制器22置於工作的測試模式，高電壓將控制器22置於工作的正常模式。
控制器20還可包括可選的電晶體43和備用頻率補償網絡34。網絡34可連接在放大器36的倒相輸入和輸出之間，以為閉合迴路的電極和零點提供補償，其用於在系統10工作的正常模式期間調節輸出電壓。這樣的頻率補償網絡對於本領域的技術人員是公知的。可選的電晶體43可用於在工作的測試模式期間從放大器36的輸出退耦網絡37。
在典型的系統設置中，沒有信號注入墊50，控制器20在正常模式工作。在這樣的設置中，輸出端子62通常連接至指示器14，控制器20的感測輸入端子63連接至輸出13以接收輸出電壓。在正常模式，反饋電路53接收輸出電壓並在反饋節點54上形成反饋信號，其是輸出電壓的代表。在優選實施方案中，電路53是分壓器，其包括第一分壓器電阻器51和第二分壓器電阻器52。電路53在其他的實施方案中可具有其他的設置。來自節點54的反饋信號和來自基準電壓源29的基準電壓由放大器36接收，其響應地形成誤差信號，作為放大器36的輸出上的放大器輸出信號。這樣的誤差信號對於本領域的技術人員是公知的。在大多數實施方案中，放大器36是具有高輸出阻抗的跨導放大器。該輸出阻抗通常大於大約一百萬(1M)歐姆，優選地大於大約一千萬(10M)歐姆。此外，在大多數實施方案中，放大器36具有連接到放大器36的輸出的頻率補償網絡37，以為控制器20提供穩定控制迴路並改進輸出電壓的穩定性。在優選的實施方案中，頻率補償網絡37包括串聯連接的電容38和電阻器39，其自放大器36的輸出連接至迴路61。在其他實施方案中，網絡37可具有其他設置。由於沒有外部信號施加到墊50，電阻器46施加高電壓至節點45。節點45上的高電壓啟動時鐘31以產生自由運行時鐘信號和相應的斜坡信號。對於使用備用電晶體43的情況，節點45上的高電壓也啟動電晶體43以將網絡37連接到放大器36的輸出。放大器36接收反饋信號和基準電壓，並響應地形成誤差信號。節點45上的高電壓還驅動倒相器44的輸出為低，以使電晶體42無效。無效電晶體42確保電晶體40不幹擾放大的誤差信號。PWM控制器21接收誤差信號並響應地在鎖存器33的Q輸出上產生PWM控制信號。節點45上的高電壓還啟動柵極47和48以從控制器21接收PWM控制信號並響應地產生一對施加到驅動器23和24的PWM控制信號。驅動器23和24接收PWM控制信號並響應地PWM驅動信號以驅動開關26和27。開關26和27響應地驅動感應器14以調節輸出13上的輸出電壓的值。因此，墊50和節點45上的高電壓啟動PWM控制器21以形成PWM控制信號，以及啟動控制器20以產生PWM控制信號和相應的PWM驅動信號。
當低電壓施加到墊50時，例如由測試探針在墊50外部注入控制器22，促使節點45為低電壓。低電壓將控制器20轉換為在測試模式下工作。在控制器20在測試模式下工作的大多數實施方案中，端子62不連接到指示器14，端子63不連接到輸出13，如虛線所示。通常不形成到端子62和63的連接，但是，在某些實施方案中，可使用控制開關來斷開端子62和63的連接。墊50和節點45上的低電壓使電晶體43無效並從放大器36退耦網絡37。節點45上的低電壓還使時鐘31無效並復位時鐘和斜坡信號為低值，其近似等於迴路61上的電壓。無效或停止時鐘31和相應的時鐘信號減少可耦合入放大器36的輸出中的噪聲。節點45上的低電壓還使柵極47和48無效，從而防止鎖存器33的輸出驅動驅動器23和24。來自節點45的低電壓將門47的輸出驅動為高並將門48的輸出驅動為低，其使相應的開關26和27無效，從而阻止控制器20驅動指示器14，以及禁止控制器20調節輸出電壓。因此，促使節點45為低阻止了控制器20在驅動器23和24的輸出上產生PWM驅動信號。節點45上低電壓還將倒相器44的輸出驅動為高，啟動電晶體42。
啟動電晶體42將來自放大器36的輸出的輸出信號連接到轉換器40的輸入。轉換器40功能用作電壓輸出跟隨器，並將輸出信號減去轉換器40的柵-源電壓(Vgs)的值連接到節點41，感測輸入端子63，以及通過反饋電路53連接到放大器36的輸入。在測試模式下電晶體40啟動期間，轉換器40的輸出上的、在節點41處的輸出信號此後被稱為迴路測試信號。由於轉換器40連接在電壓輸出跟隨器設置中，轉換器40具有低輸出阻抗，使得例如來自測試探針和測試裝置的連接至輸入端子63或節點41的寄生電容和電感不注入噪聲到迴路測試信號，從而有助於精確測量迴路測試信號的值。在測試模式下轉換器40的閉合迴路輸出阻抗通常不大於大約一百(100)歐姆，優選地小於大約一(1)歐姆。在優選實施方案中，轉換器40是N-通道MOS電晶體。在其他實施方案中，轉換器40可具有其他實施方案，只要輸出阻抗低且放大器36的輸出信號和迴路測試信號之間的電壓差是完全可預測的。例如，轉換器40可以是具有低偏移電壓的跟隨放大器。由於放大器36的輸出通過電晶體42和轉換器40連接到感測輸入端子63，可通過施加探針到節點41或端子63來測量迴路測試信號的值。
在測試模式，放大器36的輸出信號通過電晶體42，轉換器40，節點41和電路53連接回放大器36。放大器36具有高增益，通常大於大約六十分貝(60db)。在平衡狀態，節點41上的迴路測試信號是基準電壓和放大器36的偏移電壓的值的函數，如下面的公式所示V41＝V36-Vgs(40)＝A*(Voffset+Vref-(v41*(R52/(R52+R51))))-Vgs(40)＝(A*(Voffset+Vref)-Vgs(40))/(1+A*(R52/(R52+R51)))當A＞＞1時，V41為V41＝(Voffset+Vref)*(R52+R51)/R52其中V36-放大器36的輸出電壓，V41-節點41處的電壓，Vgs(40)-電晶體40的柵-源電壓，Voffset-放大器36的偏移電壓，Vref-基準電壓的值，R51-電阻器51的值，和R52-電阻器52的值。
如公式所示，由於基準電壓的偏移通過放大器36被放大，迴路測試信號的值包括放大器36的偏移電壓。例如，放大器36可具有大約五到十(5-10)毫伏的輸入偏移電壓。此電壓加到基準電壓的值上並隨後與基準電壓的值一起以所述公式的方式被放大器36放大。此外，由於轉換器40的輸出信號通過電路53連接到放大器36的輸入，迴路測試信號包括電路53的元件的值中的任何誤差。在正常工作模式，這樣的偏移電壓和誤差會有害地影響控制器20和系統10的控制迴路的工作。因此，期望測量偏移電壓和最小化對系統工作的影響。
作為測試過程的一部分，測量來自基準電壓源29的基準電壓，並且調整或調節基準電壓源29直到基準電壓的值基本等於期望的值。這給予輸出電壓類似不隨溫度變化的保證。基準電壓源29調整到期望的值之後，控制器20在測試模式下工作，測量迴路測試信號的值。由於基準電壓已經基本校正，迴路測試信號與期望值的偏差主要是由於放大器36的輸入偏移電壓以及電阻器51和52的失配，如前面的公式所示。因此，調整或調節電阻器51和52直到V41的值基本等於期望或希望的值。在某些情況下，電阻器51和52可在控制器20的外部。對於這樣的情況，可調整放大器36直到V41的值基本等於期望或希望的值。如本領域所公知的，總是存在較小的變化，其阻礙測量的值完全等於期望或希望的值。本領域公認，達到大約百分之十的變化被認為是對於理想目標的精確相等的合理的變化。用於調整基準電壓源29的基準電壓、電阻器51和52的值、以及放大器36的偏移電壓的方法對於本領域技術人員是公知的。因此，控制器20在測試模式中被調整之後，節點41上的迴路測試信號基本上等於基準電壓乘以(R52+R51)/R52理想比率的值。在測試過程完成之後並當控制器20在正常模式下工作時，控制器20在期望的控制器工作溫度範圍上形成精確的輸出電壓。
為了給控制器20提供所述的功能，在輸入端子60和迴路61之間連接調節器28。電阻器51的第一端子連接到節點41和端子63，電阻器51的第二端子一般連接到節點54、放大器36的倒相輸入、和電阻器52的第一端子。電阻器52的第二端子連接到迴路61。放大器36的非倒相輸入連接到基準電壓源29的輸出。放大器36的輸出一般連接到電晶體42的源極、比較器32的倒相輸入、和電容38的第一端子。電容38的第二端子連接到電阻器39的第一端子，所述電阻器39具有連接到迴路61的第二端子。電晶體42的柵極連接到倒相器44的輸出，電晶體42的漏極連接到電晶體40的柵極。倒相器44的輸入一般連接到啟動時鐘31的輸入的節點45、電阻器46的第一端子，墊50、和柵極47和48的第一輸入。電阻器46的第二端子一般連接到端子60和轉換器40的漏極。電晶體40的源極連接到節點41和端子63。時鐘31的第一輸出連接到鎖存器33的設置輸入。時鐘31的第二輸出連接到比較器32的非倒相輸入，所述比較器32具有連接到鎖存器33的復位輸入的輸出。鎖存器33的Q輸出連接到柵極47和48的第二輸入。柵極47的輸出連接到驅動器23的輸入，所述驅動器23具有連接到電晶體開關26的柵極的輸出。柵極48的輸出連接到驅動器24的輸入，所述驅動器24具有連接到電晶體開關27的柵極的輸出。電晶體開關26的源極連接到輸入端子60，電晶體開關26的漏極一般連接到電晶體開關27的漏極和輸出端子62。電晶體開關27的源極連接到迴路61。
圖2示意性地示出了形成在半導體管芯71上的半導體器件70的實施方案的一部分的的放大平面圖。控制器20形成在管芯71上。墊50定位在管芯71上測試探針易於到達的區域。管芯71還可包括為了附圖的簡單而在圖2中未示出的其他的電路。控制器20和器件70通過本領域技術人員公知的半導體製造技術在管芯71上形成。
應注意，在一些實施方案中，任何的驅動器23和24，開關26和27，以及電路53可在控制器20的外部。對於驅動器23和24在控制器20外部的實施方案，柵極47和48也可在控制器20的外部。此外，轉換器40的輸出可連接到端子62而不是端子63，端子62和63可一起外部地連接到控制器20。在一些實施方案中，電路53可在控制器20外部。對於這樣的實施，電阻器51和52應連接到端子63。此外，電阻器51和52的值應對於控制器20外部地調節。
綜上所述，顯而易見公開了新的器件和方法。通過阻抗轉換器耦合來自PWM控制器的誤差放大器的輸出信號有助於測試基準電壓和誤差放大器的偏移電壓的值。所述方法還有助於調節PWM控制器以補償誤差放大器的偏移電壓和輸出電阻器橋的失配。
雖然本發明是以特定的優選實施方案描述的，但明顯地很多替換和變化對於半導體領域的技術人員是顯而易見的。例如，可通過施加測試探針到轉換器40的輸出來代替將轉換器40的輸出連接到端子63，以訪問迴路測試信號。以及，代替在測試模式下停止時鐘，放大器36的輸出可斷開到比較器32以及比較器32的輸入可轉換到接地。雖然示出了控制器20用於降壓感應直流-直流變換器(buck inductivedc-dc converter)，但是測試方法和結構通常可應用於其他直流-直流dc-dc變換器，包括升壓感應系統和電容式電荷泵系統。為了清楚通篇使用了詞語「連接」，然而其旨在與詞語「耦合」具有相同的意思。因而，「連接」應被解釋為包括直接連接或間接連接。
權利要求
1.一種測試電源控制器的方法，包括連接來自所述電源控制器的誤差放大器的輸出的輸出信號到阻抗轉換器；和測量所述阻抗轉換器的輸出信號的值。
2.如權利要求1所述的方法，其中連接來自所述電源控制器的所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號到所述阻抗轉換器包括連接來自所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號到所述電源控制器的反饋電路。
3.如權利要求1所述的方法，其中連接來自所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號到所述阻抗轉換器包括將所述輸出信號從所述誤差放大器的高輸出阻抗轉換為所述阻抗轉換器的低輸出阻抗。
4.如權利要求1所述的方法，其中連接來自所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號包括停止所述電源控制器的時鐘產生時鐘信號。
5.如權利要求1所述的方法，其中連接來自所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號包括阻止所述電源控制器連接PWM驅動信號到所述電源控制器的電力開關。
6.如權利要求5所述的方法，其中阻止所述電源控制器連接所述PWM驅動信號到所述電力開關包括阻止所述電源控制器產生PWM驅動信號。
7.如權利要求1所述的方法，其中連接來自所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號包括從所述電源控制器的PWM控制器退耦所述輸出信號。
8.如權利要求1所述的方法，進一步包括調節所述阻抗轉換器的所述輸出信號的值以補償所述誤差放大器的偏移誤差；和再次連接來自所述電源控制器的所述誤差放大器的所述輸出的所述輸出信號到所述阻抗轉換器；以及測量所述阻抗轉換器的所述輸出信號的所述值。
9.一種形成電源控制器的方法，包括設置所述電源控制器以在測試模式和正常模式工作，以便調節輸出電壓的值；在所述正常模式期間，設置所述電源控制器以在誤差放大器的第一輸入上接收代表輸出電壓的反饋信號，以及響應地在所述誤差放大器的輸出上形成輸出信號；和在所述測試模式期間，設置所述電源控制器以可操作地連接代表所述誤差放大器的所述輸出信號的第一信號到所述誤差放大器的輸入。
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括設置所述電源控制器以接收測試模式信號，以及響應地在所述測試模式下工作。
11.如權利要求10所述的方法，進一步包括設置所述電源控制器以從所述電源控制器內部的測試墊接收測試模式信號。
12.如權利要求9所述的方法，進一步包括設置所述電源控制器以連接所述誤差放大器的所述輸出信號到所述電源控制器的端子。
13.如權利要求9所述的方法，進一步包括測量所述第一信號的值。
14.如權利要求13所述的方法，進一步包括調節所述第一信號的值，並再次測量所述第一信號的所述值。
15.如權利要求9所述的方法，其中設置所述電源控制器以連接代表所述誤差放大器的所述放大信號的所述第一信號到所述誤差放大器的所述輸入包括設置所述電源控制器以連接所述誤差放大器的所述輸出信號到阻抗轉換器的輸入，和連接所述阻抗轉換器的輸出信號到所述誤差放大器的所述輸入，以及在所述正常模式不通過所述阻抗轉換器連接所述誤差放大器的所述輸出信號到所述誤差放大器的所述輸入。
16.如權利要求9所述的方法，進一步包括設置所述電源控制器以在至少一部分所述測試模式期間阻止產生PWM驅動信號。
17.一種電源控制器，包括誤差放大器，其具有第一輸入，第二輸入，以及輸出；和測試模式控制器，其設置成連接所述誤差放大器的所述第一輸入以接收代表所述誤差放大器的輸出信號的信號。
18.如權利要求17所述的電源控制器，進一步包括所述測試模式控制器，其設置成連接代表所述誤差放大器的所述輸出信號的信號到所述電源控制器的端子。
19.如權利要求17所述的電源控制器，進一步包括所述測試模式控制器，其設置成阻止所述電源控制器產生PWM驅動信號。
20.如權利要求17所述的電源控制器，進一步包括所述測試模式控制器，其設置成連接所述誤差放大器的輸出到阻抗轉換器的輸入，以及連接所述阻抗轉換器的輸出到所述誤差放大器的所述第一輸入。
全文摘要
在一實施方案中，電源控制器設置成在測試模式下工作，其有助於測量所述電源控制器的誤差放大器的輸出信號的值。
文檔編號G01R31/28GK101036064SQ200480044134
公開日2007年9月12日 申請日期2004年10月12日 優先權日2004年10月12日
發明者保羅·米格裡爾瓦卡 申請人:半導體元件工業有限責任公司