P型功率電晶體控制電路的製作方法

2023-10-26 20:35:32 1

專利名稱：P型功率電晶體控制電路的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種P型功率電晶體的控制電路，特別是有關於一種具有 軟性激活的功能的P型功率電晶體控制電路。
背景技術：
一般而言，在電源應用上所使用到的功率電晶體(powertransistor)較一般 集成電路內的金氧半導體(metal oxide semiconductor, MOS)電晶體具有較大 的尺寸，即較大的寬長比。因此，功率電晶體也比一般MOS電晶體具有較大的 寄生電容。formula see original document page 4(1)
由公式(1)可知，當功率電晶體被導通的瞬間，隨著寄生的電容值越大以 及導通電壓的斜率越高，所產生的瞬間導通電流也跟著變大，而容易造成其它 外圍組件的損壞。因此，功率電晶體導通時，軟性激活(soft start)可避免瞬間 導通電流過大。
圖1為顯示傳統N型功率電晶體的控制電路圖。其中，電荷泵(chargepump) 電路12的輸出電壓提供至N型功率電晶體Ml 1的柵極端以導通N型功率晶體 管，使輸出電壓V。ut大體上等於輸入電壓Vin。在圖1中，電荷泵電路12為一 種升壓電路，經由對電容充電以及開關切換等動作，將較低的輸入電壓轉換成 較高的輸出電壓。因為電荷泵電路的輸出電壓爬升的速度較慢，即導通電壓的 斜率較低，所以產生的瞬間導通電流也跟著變小。
對P型功率電晶體的應用而言，因為P型電晶體沒有基體效應(body effect) 的存在，所以使用上具有較N型功率電晶體更容易設計的優點。然而，P型與N型功率電晶體導通時的控制信號互為反相。因此，無法使用與N型功率電晶體 相同的電荷泵電路來控制P型功率電晶體的切換。有鑑於此，本發明提供可控 制P型功率電晶體軟性激活的電路以及方法。

發明內容
本發明提供一種P型功率電晶體控制電路，包括P型功率電晶體，具有第 一柵極端，耦接於輸入電壓以及輸出電壓之間；第一開關，耦接於第一電壓以 及第一柵極端之間；電流源，用以提供第一電流，並耦接於第二電壓；以及第 二開關，耦接於第一開關、第一柵極端以及電流源之間。其中，當第一開關不 導通且第二開關導通時，根據第一電流決定第一柵極端的電壓位準(voltage level)。
另外，本發明提供一種P型功率電晶體控制電路，包括P型功率電晶體， 具有第一柵極端，耦接於輸入電壓以及輸出電壓之間；第一開關，耦接於第一 電壓以及第一柵極端之間；電流源，用以提供第一電流，並耦接於第二電壓； 以及第二開關，耦接於第一開關、第一柵極端以及電流源之間。其中，根據第 二幵關的導通與不導通的切換動作而決定第一柵極端的電壓位準。
本發明提供的的電路以及方法可使P型功率電晶體軟性激活。


圖1為顯示傳統N型功率電晶體的控制電路圖2為顯示根據本發明一實施例所述的P型功率電晶體的控制電路圖； 圖3A、圖3B為分別顯示圖2實施例的控制信號波形圖； 圖4為顯示根據本發明另一實施例所述的P型功率電晶體的控制電路圖； 圖5為顯示圖4實施例的控制信號波形圖。
附圖標號 12 電荷泵電路
22 節點24、 46 電流源
42 及邏輯柵
M1 P型功率電晶體
44 電流鏡
寄生電容
C』 電容
Ii、 12、 I加 電、流 M11 N型功率電晶體
M2、 M3 電晶體
M4、 M5 鏡射電晶體
Sj 脈衝信號
Sdk 時鐘信號
S^we 激活信號
SW1、 SW2 開關
S2 信號
Sctril、 S^2 控制信號
VDD、 VSS 電源
Vin 輸入電壓
Vout 輸出電壓
Vctrl 電壓
具體實施例方式
為讓本發明的上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出 較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下實施例:圖2為顯示根據本發明一實施例所述的P型功率電晶體的控制電路圖。開 關SW1耦接於電源VDD與節點22之間，而開關SW2耦接於電流源24與節點 22之間。其中，控制信號Setr 用以控制開關SW1是否導通，而控制信號SetH2 用以控制開關SW2是否導通。根據本發明一實施例，開關SW1以及開關SW2 並不會同時導通。電流源24耦接於開關SW2與電源VSS之間，並提供電流U 至電源VSS。 P型功率電晶體M1的柵極端與開關SW1、開關SW2共同耦接於 節點22。 P型功率電晶體M1的源極端耦接至輸入電壓Vin，而其漏極端耦接至
輸出電壓V。ut。其中，電容d。ad等效於在P型功率電晶體Ml的漏極端所看到
的全部負載(即外圍組件)，寄生電容Cp^為P型功率電晶體Ml的寄生電容。 圖3A為顯示圖2的控制信號波形圖，其中控制信號Sctrll、 S滅為邏輯"1" 時，分別導通開關SW1、開關SW2。反之，控制信號S礎、S加,2為邏輯"0"時，分別不導通開關SW1、開關SW2。首先，控制開關SW1導通而開關SW2不導 通。因此位於節點22的電壓V。w為電源VDD，則P型功率電晶體Ml不導通。
接下來，控制開關SW1不導通而開關SW2導通。此時，儲存在寄生電容Cp^
的電壓Von會經由電流源24放電至電源VSS。其中，放電的速度決定於電流Ictrl 的大小。電流Ietri越大，則電壓Vew就越快被放電至電源VSS，如箭頭A所指示。 反之，電流I^越小，則電壓Vetri就越慢被放電至電源VSS，如箭頭B所指示。
當節點22的電壓降為電源VSS時，P型功率電晶體26被完全導通，則輸出電 壓V。ut大體上等於輸入電壓Vin。在此，電流Ietn的大小可為預設的固定值，或 由電路設計者根據不同的電路需求而通過電流源24來控制電流Ietri的大小。
當P型功率電晶體Ml導通的速度越慢，即斜率越小，則導通時所產生的 瞬間導通電流也跟著變小。因此，可達到軟性激活P型功率電晶體的功能。除 了控制電流I^的大小之外，也可利用導通以及不導通開關SW2的切換，來軟 性激活P型功率電晶體。
圖3B為顯示圖2的另一控制信號波形圖。與圖3A的差別在於控制信號Sctri2 為脈衝信號，即開關SW2不會一直導通。如》圖3B所顯示，需要經過4個控制 信號S^2周期，才能將儲存在寄生電容C,的電壓V^放電至電源VSS。禾廿用 控制信號Setri2的脈衝頻率以及工作周期(duty cycle)來控制開關SW2的導通頻 率以及維持開關SW2導通的時間，再根據電流Ictn的大小，可以容易控制P型 功率電晶體導通的時間，以達到軟性激活。
圖4為顯示根據本發明另一實施例所述的P型功率電晶體的控制電路圖。 其中，P型功率電晶體Ml的源極端耦接至輸入電壓Vin，而其漏極端耦接至輸 出電壓V, P型功率電晶體M1的柵極端耦接至電晶體M2、 M3的漏極端。晶 體管M2為PMOS電晶體，其源極端耦接至電源VDD，而其柵極端耦接至激活 信號Senable。電晶體M3為NMOS電晶體，其源極端耦接至電流鏡44，而其柵 極端耦接至及邏輯柵(AND gate) 42的輸出端。及邏輯柵42根據激活信號Senable 以及時鐘信號Sdk產生脈衝信號S,，並提供至電晶體M3的柵極端。電流鏡44包括電流源46、鏡射電晶體M4以及鏡射電晶體M5。其中，鏡 射電晶體M4以及鏡射電晶體M5為NMOS電晶體。鏡射電晶體M4的漏極端 耦接至電晶體M3的源極端，鏡射電晶體M4的柵極端以及鏡射電晶體M5的漏 極端、柵極端耦接至電流源46。鏡射電晶體M4以及鏡射電晶體M5的源極端 耦接至電源VSS。如熟悉此技藝的人士所熟知，電流鏡44可根據電流源46的 電流I,以及鏡射電晶體M4對鏡射電晶體M5的寬長比，提供與電流L成比例的 電流12流經鏡射電晶體M4。
圖5為顯示圖4的控制信號波形圖，其中在P型功率電晶體Ml的柵極端
的信號以信號S2表示。
一開始先設定激活信號S^^為邏輯"0"，則電晶體
M2導通。同時，及邏輯柵42柵控(gating)時鐘信號Sdk，使脈衝信號S,維持 在邏輯"0"。因此，電晶體M2導通時，電晶體M3不會導通，而信號S2維持
在電源VDD。然後，設定激活信號S^^為邏輯"1"，則電晶體M2不導通，
並且及邏輯柵42將時鐘信號Sdk傳送給脈衝信號當脈衝信號S,為邏輯"1 " 時，電晶體M3導通，以及經由電流鏡44，對P型功率電晶體M1的柵極端以 及寄生電容Cp咖形成一放電路徑至電源VSS。
通過控制電晶體M3導通時間的長短、快慢以及電流12的電流量大小，可 以調整P型功率電晶體Ml的柵極端的電壓位準降低至足以導通P型功率晶體 管M1所需的時間。時鐘信號Sdk的頻率越慢或是工作周期越短，則放電的速度 也越慢。因此，P型功率電晶體M1也越慢被導通，而達到軟性激活的功能。
本發明雖以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何 熟習此項技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾， 因此本發明的保護範圍當視權利要求所界定者為準。
權利要求
1. 一種P型功率電晶體控制電路，其特徵是，該電路包括一P型功率電晶體，具有一第一柵極端，耦接於一輸入電壓以及一輸出電壓之間；一第一開關，耦接於一第一電壓以及上述第一柵極端之間；一電流源，用以提供一第一電流，並耦接於一第二電壓；以及一第二開關，耦接於上述第一開關、上述第一柵極端以及上述電流源之間，其中，根據上述第二開關的導通與不導通的切換動作而決定上述第一柵極端的電壓位準。
2. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，當上述第一開 關不導通且上述第二開關導通時，根據上述第一電流決定上述第一柵極端的電 壓位準。
3. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，該電路還包括 根據上述第一電流的大小，決定上述第一柵極端的電壓位準的降低速度。
4. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，該電路還包括 根據上述第一柵極端的電壓位準而決定上述P型功率電晶體的導通。
5. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，當上述P型功 率電晶體導通時，上述輸出電壓大體上等於上述輸入電壓。
6. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，該電路還包括 一第一控制信號用以控制上述第一開關的導通，以及一第二控制信號用以控制 上述第二開關的導通。
7. 如權利要求6所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，當上述第一控 制信號控制上述第一開關導通時，上述第二控制信號控制上述第二開關不導通。
8. 如權利要求6所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，上述第二控制 信號為一脈衝信號。
9. 如權利要求8所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，該電路還包括根據上述脈衝信號的頻率，決定上述第一柵極端的電壓位準的降低速度。
10. 如權利要求6所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，該電路還包 括一邏輯電路，上述邏輯電路根據上述第一控制信號以及一時鐘信號產生上述 第二控制信號。
11. 如權利要求10所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，上述邏輯電 路為一及邏輯柵。
12. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，上述第一開 關為一P型金氧半導體電晶體，上述第二開關為一 N型金氧半導體電晶體。
13. 如權利要求1所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，上述電流源 為一電流鏡電路，包括一第一鏡射電晶體，包括一第二柵極端、 一第一端以及一第二端；以及 一第二鏡射電晶體，包括一第三柵極端、 一第三端以及一第四端， 其中，上述第一鏡射電晶體的上述第二柵極端、上述第一鏡射電晶體的上 述第一端以及上述第二鏡射電晶體的上述第三柵極端耦接至一第二電流，上述 第一鏡射電晶體的上述第二端以及上述第二鏡射電晶體的上述第四端耦接至上 述第二電壓，上述第二鏡射電晶體的上述第三端耦接至上述第二開關。
14. 如權利要求13所述的P型功率電晶體控制電路，其特徵是，根據上述第 二電流以及上述第二鏡射電晶體對上述第一鏡射電晶體的寬長比決定上述第一 電流。
全文摘要
本發明提供了一種P型功率電晶體控制電路，該電路包括P型功率電晶體，具有柵極端，耦接於一輸入電壓以及一輸出電壓之間；第一開關，耦接於第一電壓以及柵極端之間；電流源，用以提供第一電流，並耦接於第二電壓；以及，第二開關，耦接於第一開關、柵極端以及電流源之間。其中，當第一開關不導通且第二開關導通時，根據第一電流決定柵極端的電壓位準(voltage level)。本發明提供的的電路以及方法可使P型功率電晶體軟性激活。
文檔編號H02M1/08GK101286692SQ20071009046
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月11日 優先權日2007年4月11日
發明者李仲平, 湯鎮帆 申請人:華邦電子股份有限公司