用於向半導體集成電路設備提供多個電源電壓的電源電路的製作方法
2023-06-25 12:44:31 2
專利名稱：用於向半導體集成電路設備提供多個電源電壓的電源電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源電路，更具體地涉及用於向半導體集成電路設備提供多個電源電壓的電源電路。
背景技術：
在現有技術中，在提高半導體集成電路設備(LSI)的速度和集成度方面有了進步。而且，為了滿足對消耗更少功率的半導體設備的需求，半導體設備的電壓降低了。電子設備包括多種類型的半導體設備，其中每種都被提供以具有適用於該半導體設備的電壓的電源。由於半導體設備是由電源以一定順序供電的，因此取決於所述順序，半導體設備的操作可能變得不穩定。因此，日本專利申請早期公開第8-95652、11-143559和2004-129333號提出了用於控制向半導體設備提供多個不同的電源電壓的順序的電源電路。
而且，當單個半導體設備具有多個工作在不同電源電壓下的電路時，取決於提供所述不同電壓的順序，所述電路的操作可能而變得不穩定。例如，作為半導體設備而工作的專用集成電路(ASIC)包括工作在標準電壓(與連接到該ASIC的設備共同的電壓)下的輸入/輸出電路(I/O電路或接口)，以及工作在低於所述標準電壓的電壓下的內部電路(核心單元)。在此情況下，I/O電路單元必須在內部電路之後被供電，以防止在I/O電路單元中產生錯誤信號。圖1是示出用於控制供電的電源電路10的電路示意圖。電源電路10例如是DC-DC變換器(DC電壓變換器電路)。
電源電路10包括變換器電路(DC-DC變換器)12，其用於向半導體電路11提供通過對輸入電壓Vin進行降壓而產生的第一電壓V1和基本等於輸入電壓Vin的第二電壓V2。半導體電路11包括利用第一電壓V1工作的內部電路11a和利用第二電壓V2工作的I/O電路11b。變換器電路12包括比較器22和PWM控制電路23，所述比較器22比較第一電壓V1和參考電壓Vr1，所述PWM控制電路23將比較器22的比較輸出信號和振蕩器21的振蕩輸出信號比較，以基於比較結果控制第一和第二電晶體T1和T2的激活和禁止，以便通過對輸入電壓Vin進行降壓而產生第一電壓V1。電源電路10還包括由電晶體TS構成的開關電路13和控制開關電路13的開關控制電路(SW控制部分)14。開關控制電路14包括比較器25，其比較第一電壓V1和參考電壓Vr2，並基於比較結果控制電晶體TS的激活和禁止。具體而言，當第一電壓V1變得高於參考電壓Vr2時，比較器25激活電晶體TS以產生基本等於所產生的輸入電壓Vin的第二電壓V2。
如圖2所示，電子設備具有多個半導體集成電路31。所述半導體集成電路31中的每一個都具有內部電路和I/O電路。當提供給內部電路的電源電壓波動時，每個半導體設備錯誤地工作。因此，電源電壓必須準確(接近希望的值)。因此，每個半導體設備都包含電源電路10。
發明內容
然而，向每個半導體集成電路31的電源電路10提供電源電壓的定時存在差異。這造成了下述問題參照圖3，在半導體集成電路31之間傳送信號的I/O電路11b中出現閂鎖(latch-up)。這造成了流過I/O電路11b的穿通電流(through current)。這個問題也出現在例如位於內部電路與I/O電路之間的單個半導體設備中。
本發明提供了一種用於在防止出現穿通電流的同時控制電源提供順序的電源電路。
本發明的一個方面是一種電源電路，其用於利用輸入電壓產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓。所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路將第一電壓與參考電壓相比較，並基於比較結果和指示出第一電壓狀態的通知信號來控制開關電路。
本發明的另一方面是一種電源電路，其用於利用輸入電壓產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓。所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。所述開關電路具有電阻值。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓成比例地產生第二電壓。
本發明的又一方面是一種電源電路，其用於利用輸入電壓產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓。所述電源電路包括用於基於第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。所述開關電路具有電阻值。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓和軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓。
本發明的另一方面是一種半導體集成電路設備，其包括用於利用輸入電壓來產生第一和第二電壓的電源電路。所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路將第一電壓與參考電壓相比較，以基於比較結果和指示出第一電壓狀態的通知信號來控制開關電路。連接到電源電路的半導體電路接收第一和第二電壓。
本發明的又一方面是一種半導體集成電路設備，其包括用於利用輸入電壓來產生第一和第二電壓的電源電路。所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。所述開關電路具有電阻值。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓成比例地產生第二電壓。連接到電源電路的半導體電路接收第一和第二電壓。
本發明的另一方面是一種半導體集成電路設備，其包括用於利用輸入電壓來產生第一和第二電壓的電源電路。所述電源電路包括用於基於第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。所述開關電路具有電阻值。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓和軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓。連接到電源電路的半導體電路接收第一和第二電壓。
本發明的又一方面是一種電子設備，其包括多個電源電路，每個電源電路都利用輸入電壓來產生第一和第二電壓。每個電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路將第一電壓與參考電壓相比較，以基於比較結果和指示出第一電壓狀態的通知信號來控制開關電路。將通知信號提供到每個電源電路。
本發明的另一方面是一種電子設備，其包括多個電源電路，每個電源電路都利用輸入電壓來產生第一和第二電壓。每個電源電路包括用於基於第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。所述開關電路具有電阻值。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓和軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓。將軟起動信號提供到每個電源電路。
本發明的又一方面是一種電子設備，其包括多個半導體集成電路設備。每個半導體集成電路設備都包括用於利用輸入電壓來產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓的電源電路。所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路將第一電壓與參考電壓相比較，以基於比較結果和指示出第一電壓狀態的通知信號來控制開關電路。連接到電源電路的半導體電路接收第一和第二電壓。將通知信號提供到每個半導體集成電路設備的電源電路。
本發明的另一方面是一種電子設備，其包括多個半導體集成電路設備。每個半導體集成電路設備都包括用於利用輸入電壓來產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓的電源電路。所述電源電路包括用於基於第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路。開關電路將輸入電壓作為第二電壓而輸出。所述開關電路具有電阻值。連接到變換器電路和開關電路的開關控制電路控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓和軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓。半導體電路連接到電源電路，以接收第一和第二電壓。將軟起動信號提供到每個半導體集成電路設備的電源電路。
本發明的又一方面是一種用於控制電源電路的方法，所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路，以及用於將輸入電壓作為第二電壓而輸出的開關電路。所述方法包括將第一電壓與參考電壓相比較，提供指示第一電壓狀態的通知信號，以及基於比較結果和指示第一電壓狀態的通知信號來控制開關電路。
本發明的另一方面是一種用於控制電源電路的方法，所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路，以及用於將輸入電壓作為第二電壓而輸出的開關電路。所述開關電路具有電阻值。所述方法包括檢測第一電壓，以及控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓成比例地產生第二電壓。
本發明的又一方面是一種用於控制電源電路的方法，所述電源電路包括用於基於第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路，以及用於將輸入電壓作為第二電壓而輸出的開關電路。所述開關電路具有電阻值。所述方法包括檢測第一電壓和軟起動信號電壓中的任一電壓，以及控制開關電路的電阻值，以使得與第一電壓和軟起動信號電壓中的任一電壓成比例地產生第二電壓。
結合附圖，從以下描述中，本發明的其他方面和優點將會變得清楚，附圖示例性地說明了本發明的原理。
通過參照以下對當前優選實施例的描述以及附圖，可以獲得對本發明及其目的和優點的最佳理解，在附圖中
圖1是示出現有技術半導體集成電路設備的電路示意圖；圖2是示出現有技術電子設備的示意方框圖；圖3是示出半導體集成電路設備的I/O電路之間連接關係的電路示意圖；圖4是示出根據本發明第一實施例的半導體集成電路設備的電路示意圖；圖5是示出包括多個圖4所示的半導體集成電路設備的電子設備的示意方框圖；圖6是示出用於圖5所示的多個半導體集成電路設備的DC-DC變換器的操作的波形圖；圖7是示出根據本發明第二實施例的半導體集成電路設備的電路示意圖；圖8是示出用於圖7的半導體集成電路設備的DC-DC變換器的操作的波形圖；圖9是示出根據本發明第三實施例的半導體集成電路設備的電路示意圖；圖10是示出包括多個圖9所示的半導體集成電路設備的電子設備的示意方框圖；圖11是示出用於圖10所示的多個半導體集成電路設備的DC-DC變換器的操作的波形圖；圖12是示出包含DC-DC變換器的第一種修改的半導體集成電路設備的電路示意圖；圖13是示出包含DC-DC變換器的第二種修改的半導體集成電路設備的電路示意圖；圖14是示出包含DC-DC變換器的第三種修改的半導體集成電路設備的電路示意圖；並且圖15是示出包含DC-DC變換器的第四種修改的半導體集成電路設備的電路示意圖。
具體實施例方式
在所有附圖中，相同的標號用於相同的元件。
現在將參照圖4至圖6，描述根據本發明第一實施例的半導體集成電路設備(下文簡稱為「半導體設備」)40。
半導體設備40包括半導體電路41和用於向半導體電路41提供多個電源電壓的電源電路42(DC-DC變換器)。電路41和42被構造在單個半導體集成電路襯底上。半導體電路41包括多個工作在不同電源電壓下的電路。在本實施例中，所述多個電路包括內部電路41a(核心邏輯)和I/O電路41b(接口邏輯)。內部電路41a工作在第一電壓，而I/O電路41b工作在第二電壓。
電源電路42基於輸入電壓Vin，產生半導體電路41所需的多個電源電壓。本實施例中的電源電路42是產生第一電壓V1和第二電壓V2的DC-DC變換器，所述第一電壓V1作為第一DC電壓，其是通過對輸入電壓Vin進行降壓而產生的；所述第二電壓V2作為基本等於輸入電壓Vin的第二DC電壓。
電源電路42包括變換器電路43、開關電路44和開關控制電路(SW控制部分)45。
變換器電路43將輸入電壓Vin變換成第一電壓V1，所述輸入電壓Vin和所述第一電壓V1都是DC電壓。開關電路44連接在輸入電壓Vin和半導體電路41之間。開關控制電路45接收第一電壓V1和通知信號ST，以基於第一電壓V1和通知信號ST來控制開關電路44的激活和禁止。當開關電路44激活(閉合)時，將輸入電壓Vin作為第二電壓V2提供到半導體電路41。
變換器電路43包括誤差放大電路51、用於提供參考電壓Vr1的參考電源e1、振蕩器52、PWM控制電路53、第一電晶體T1和第二電晶體T2。變換器電路43根據第一電壓V1和參考電壓Vr1之間的差產生脈寬調製信號，並根據所述脈寬調製信號來控制第一和第二電晶體T1和T2，以產生第一電壓V1。
誤差放大電路51的正相輸入端連接到參考電壓Vr1，反相輸入端連接到第一電壓V1。誤差放大電路51將參考電壓Vr1和第一電壓V1之間的差放大，以產生放大信號S1。振蕩器52是三角波振蕩器，其產生具有預定頻率的三角波信號OSC1。PWM控制電路53將誤差放大電路51的放大信號S1的電壓與三角波信號OSC1的電壓相比較，以產生具有與比較結果對應的脈寬的第一控制信號SG1和第二控制信號SG2。
第一電晶體T1優選地是p溝道MOS電晶體，其源極連接到輸入電壓Vin，漏極連接到第二電晶體T2，柵極響應於第一控制信號SG1。第二電晶體T2優選地是n溝道MOS電晶體，其源極連接到低電位電源(在本實施例中是地GND)，漏極連接到第一電晶體T1，柵極響應於第二控制信號SG2。第一和第二電晶體T1和T2之間的節點經由扼流線圈L1連接到半導體電路41。線圈L1和半導體電路41之間的節點經由平滑電容器C1連接到地GND。
第一和第二電晶體T1和T2由第一和第二控制信號SG1和SG2以基本互補的方式激活和禁止。通過對輸入電壓Vin進行降壓而產生的第一電壓V1通過電晶體T1和T2的激活和禁止提供到半導體電路41。第一電壓V1由以放大信號S1和三角波信號OSC1的比較為依據的電晶體T1和T2的導通/關斷比決定。即，變換器電路43將第一電壓V1反饋，以控制第一控制信號SG1和第二控制信號SG2的脈寬(PWM控制)。這控制了電晶體T1的激活時間與禁止時間之比(導通/關斷比)，以控制第一電壓V1。
開關電路44優選地是p溝道MOS電晶體TS，其具有用於接收輸入電壓Vin的第一端(例如源極端)、連接到半導體電路41的第二端(例如漏極端)，以及連接到開關控制電路45的控制端(柵極端)。
開關控制電路45包括參考電源e11和e12、比較器61和62，以及電晶體T11。第一比較器61是電壓比較器，其反相輸入端接收第一電壓V1，正相輸入端接收第一參考電源e11的第一參考電壓Vr11，輸出端連接到電晶體T11的柵極。第一參考電源e11的第一參考電壓Vr11被設定得低於規定的第一電壓V1。第一比較器61將第一電壓V1與第一參考電壓Vr11比較，以產生根據比較結果而具有高電平或低電平的比較信號S11。
本實施例中的電晶體T11是n溝道MOS電晶體，其源極連接到低電位電源(地GND)，漏極連接到外部端P1，柵極響應於比較信號S11。開關控制電路45從外部端P1輸出通知信號ST，該通知信號ST對應於電晶體T11的狀態。電晶體T11的狀態(導通或關斷)由第一比較器61的比較結果(即，第一電壓V1與第一參考電壓Vr11之間的關係，或第一電壓V1是否高於第一參考電壓Vr11)決定。因此，適當設定第一參考電壓Vr11以產生通知信號ST，其指示第一電壓V1是否基本達到預定電壓。
可以假定在電晶體T1的激活和禁止期間，經由外部端P1將通知信號ST提供到開關控制電路45。電晶體T11的漏極連接到第二比較器62的反相輸入端。因此，通知信號ST被提供到第二比較器62的反相輸入端。換言之，對應於電晶體T11的激活或禁止狀態的電壓和通知信號ST的電壓施加到第二比較器62的反相輸入端。具體而言，第二比較器62的反相輸入端在電晶體T11激活時被設定到地GND電平，而當電晶體T11禁止時被設定到通知信號ST的電平。
第二比較器62的正相輸入端用於接收第二參考電源e12的第二參考電壓Vr12。第二參考電源e12的第二參考電壓Vr12被設定得低於輸入電壓Vin。第二比較器62將反相輸入端的電壓電平與第二參考電壓Vr12比較，並生成根據比較結果而具有高電平或低電平的比較信號S12。比較信號S12施加到電晶體TS的柵極，所述電晶體TS充當開關電路44。
外部端P1經由電阻器R1連接到輸入電壓Vin。因此，外部端P1處的電壓由電阻R1上拉至輸入電壓Vin的電平。
在開關控制電路45中，當第一電壓V1低於第一參考電壓Vr11時，第一比較器61產生高電平的比較信號S11，以利用比較信號S11激活電晶體T11。從而，第二比較器62反相輸入端的電壓電平變得低於第二參考電壓Vr12。第二比較器62因而產生高電平的比較信號S12，並且開關電路44被該比較信號S12禁止(斷開)。
當第一電壓V1高於第一參考電壓Vr11時，第一比較器61產生低電平的比較信號S11，並且電晶體T11被該比較信號S11禁止。從而，第二比較器62接收通知信號ST，根據通知信號ST和第二參考電壓Vr12的電壓電平的比較結果產生比較信號S12，並利用比較信號S12激活(閉合)或禁止(斷開)開關電路44。
這樣，當第一電壓V1低於第一參考電壓Vr11時，開關控制電路45禁止開關電路44。當第一電壓V1高於第一參考電壓Vr11時，開關控制電路45根據通知信號ST的電壓電平(外部端P1處的電壓電平)，激活或禁止開關電路44。
如圖5所示，電子設備70包括圖4所示的半導體設備40(稱為半導體設備40a，以和其他半導體設備區分開)和多個(在本例中是兩個)半導體設備40b和40c。以與半導體設備40a相同的方式，半導體設備40b和40c中的每個也都包括分別工作在第一電壓V1b和第二電壓V2的多個半導體電路(未示出)。半導體設備40a、40b和40c中的半導體電路經由I/O電路連接，以使得可以在彼此之間交換信號。
半導體設備40b和40c中的每個都包括與半導體設備40a的電源電路42類似的電源電路(未示出)。電源電路的外部端P1彼此連接。因此，電阻器R1將半導體設備40a、40b和40c的外部端P1上拉至輸入電壓Vin的電平。
輸出第二電壓V2的定時在半導體設備40a、40b和40c之間存在差別。該差別是由於第一電壓V1升高的速度而產生的。例如，半導體設備40a、40b和40c的第一電壓V1分別由V1a、V1b和V1c表示。第二電壓V2分別由V2a、V2b和V2c表示。而且，如圖6所示，假定半導體設備40b中的第一電壓V1b的上升速度最快，而半導體設備40a中的第一電壓V1a的上升速度最慢。
在以上情況下，半導體設備40a、40b和40c中每個的電源電路42都在相應的第一電壓V1a、V1b和V1c低於參考電壓Vr11時激活電晶體T11，以將外部端P1設定到地GND電平。這意味著在半導體設備40a、40b和40c的每一個中，當相應的第一電壓V1a、V1b和V1c低於參考電壓Vr11時，電源電路42從外部端P1輸出低電平的通知信號ST。換言之，如果在所述多個半導體設備40a、40b和40c中的至少一個當中，第一電壓低於參考電壓Vr11，則生成低電平的通知信號ST。因此，如圖6所示，當電壓上升速度最慢的半導體設備40a的第一電壓V1a變得高於參考電壓Vr11時，通知信號ST變高。
半導體設備40a、40b和40c的每個中的電源電路42都響應於高的通知信號ST而激活開關電路44。因此，半導體設備40a、40b和40c產生第二電壓V2的定時基本同步。因此，將第二電壓V2提供到半導體設備40a、40b和40c的I/O電路41b的定時也基本同步。從而，在任何I/O電路41b中都不產生閂鎖現象。
第一實施例的半導體設備40具有以下優點。
(1)開關控制電路45基於所提供的通知信號ST以及第一電壓V1與參考電壓Vr11的比較結果，來控制開關電路44中的電晶體TS的激活和禁止。如果第一電壓V1高於參考電壓Vr11，並且通知信號ST指示出其他設備已準備好工作，則產生第二電壓V2。因此，控制了提供多個電壓V1和V2的順序。而且，防止了在被提供以第一電壓V1的內部電路41a和被提供以第二電壓V2的I/O電路41b之間流過穿通電流。
(2)開關控制電路45產生與第一電壓V1和參考電壓Vr11的比較結果相對應的信號。因此，通過將多個電源電路42彼此連接以使得每個電源電路42接收通知信號ST，當每個電源電路42的第一電壓V1變得高於參考電壓Vr11並且通知信號ST指示出其他設備準備好工作時，產生第二電壓V2。因此，可以在多個半導體設備中控制電壓V1和V2的提供順序。而且，防止了在被提供以第二電壓V2的I/O電路41b之間流過穿通電流。
現在將參照圖7和圖8，描述根據本發明第二實施例的半導體集成電路設備(半導體設備)80。半導體設備80包括半導體電路41和利用多個電源對半導體電路41供電的電源電路81(DC-DC變換器)。這些電路41和81被構造在單個半導體襯底上。
電源電路81包括變換器電路43、開關電路44和開關控制電路(SW控制部分)82。開關控制電路82包括分壓電路83、誤差放大器84、電晶體T21和電阻器R13。
分壓電路83包括多個(本實施例中是兩個)串聯連接的電阻器R11和R12。第一電阻器R11的第一端連接到開關電路44的輸出端(電晶體TS的第二端)，第二端連接到第二電阻器R12的第一端。第二電阻器R12的第二端連接到地GND。第一電阻器R11和第二電阻器R12之間的節點連接到誤差放大器84的反相輸入端。分壓電路83根據第一電阻器R11和第二電阻器R12的電阻值之比對第二電壓V2進行分壓，以產生分壓電壓V21。
誤差放大器84的反相輸入端用於接收分壓電路83的分壓電壓，正相輸入端用於接收第一電壓V1，輸出端連接到電晶體T21。誤差放大器84將第一電壓V1和分壓電壓V21之間的差放大，以產生放大信號S21。
電晶體T21優選地是p溝道MOS電晶體，其源極連接到電阻器R13的第一端，漏極連接到低電位電源(地GND)，柵極響應於放大信號S21。電阻器R13的第二端接收輸入電壓Vin。電晶體T21和電阻器R13之間的節點連接到電晶體TS的柵極。
在上述的電源電路81中，如果分壓電壓V21低於第一電壓V1，則電晶體T21的導通電阻值被誤差放大器84的放大信號S21降低。這降低了施加到電晶體TS的的柵極上的信號S22的電壓，並且降低了電晶體TS的導通電阻值。因此，隨著電晶體TS的導通電阻值降低，第二電壓V2升高。
隨著第二電壓V2的升高，分壓電壓V21也升高以接近第一電壓V1。當第一電壓V1與分壓電壓V21之差變得接近於零時，誤差放大器84所產生的放大信號S21的電壓降低，並且電晶體T21的導通電阻值升高。因此，施加到電晶體TS的柵極上的信號S22的電壓升高，並且電晶體TS的導通電阻值升高。因此，第二電壓V2降低。
在接通電源之後，變換器電路43的操作逐漸升高第一電壓V1。結果，誤差放大器84的正相輸入端處的電壓升高，並且第二電壓V2相應地升高。具體而言，如圖8所示，電源電路81作為線性調壓器進行操作，以將第二電壓V2與第一電壓V1的升高成比例地升高。如果第一電壓V1保持在固定電壓，則開關控制電路82根據提供到誤差放大器84的正相輸入端的電壓，將開關電路44所輸出的第二電壓V2保持在固定電壓。
電源電路81防止在半導體電路41的內部電路41a中產生穿通電流。具體而言，電源電路81與提供到內部電路41a的第一電壓V1的升高成比例地升高提供到I/O電路41b的第二電壓V2。結果，穩定了從I/O電路41b提供到內部電路的輸入門電路的信號的電壓，並且防止了穿通電流的產生。內部電路41a和I/O電路41b由不同的電源供電。因此，如果在未向I/O電路41b提供第二電壓V2時就向內部電路41a提供第一電壓V1，則從I/O電路41b提供到內部電路41a的輸入門電路的信號的電壓會變得不穩定，並可能產生穿通電流。
第二實施例的半導體設備80具有以下優點。電源電路81與提供到內部電路41a的第一電壓V1的升高成比例地升高提供到I/O電路41b的第二電壓V2。因此，穩定了從I/O電路41b提供到內部電路的輸入門電路的信號的電壓，並可以防止穿通電流的產生。
現在將參照圖9至圖11，描述根據本發明第三實施例的半導體集成電路設備(半導體設備)90。半導體設備90包括半導體電路41和用於向半導體電路41提供多個電源電壓的電源電路91(DC-DC變換器)。電路41和91被構造在單個半導體襯底上。
電源電路91包括變換器電路92、開關電路44和開關控制電路(SW控制部分)82。
變換器電路92包括誤差放大器93、參考電源e1、PWM控制電路53、振蕩器52、第一電晶體T1和第二電晶體T2。向變換器電路92提供軟起動(soft-start)信號SS。變換器電路92基於第一電壓V1與軟起動信號SS和參考電源e1的參考電壓Vr1中較低者之間的差，產生脈寬調製信號。然後，變換器電路92利用所述脈寬調製信號控制第一和第二電晶體T1和T2以產生第一電壓V1。
誤差放大器93的第一正相輸入端用於接收參考電壓Vr1，第二正相輸入端連接到用於提供軟起動信號SS的外部端P2，反相輸入端用於接收第一電壓V1。電容器C2連接在外部端P2和地GND之間。外部端P2連接到恆流電路94。向誤差放大器93的第二正相輸入端提供軟起動信號SS，該軟起動信號SS具有電容器C2兩端之間的電壓，該電壓隨著電容器C2被恆流電路94充電而升高。誤差放大器93將第一電壓V1與參考電壓Vr1和軟起動信號SS中較低者之間的差放大，以產生放大信號S31。
在變換器電路92中，當接通電源時(當激活電源電路91時)，連接到外部端P2的電容器C2處於放電狀態。因此，軟起動信號SS所具有的電壓是零伏(0V)。因此，變換器電路92產生0V的第一電壓V1。隨著電容器C2被從恆流電路94提供來的電流I1充電，軟起動信號SS的電壓逐漸從0V升高。在軟起動信號SS的電壓低於參考電壓Vr1期間，變換器電路92根據軟起動信號SS的電壓與第一電壓V1之間的差來控制電晶體T1和T2。因此，隨著軟起動信號SS的電壓逐漸升高，變換器電路92根據軟起動信號SS的電壓逐漸升高第一電壓V1。當軟起動信號SS的電壓超過參考電壓Vr1時，變換器電路92根據參考電壓Vr1與第一電壓V1之間的差來控制電晶體T1和T2。因此，變換器電路92進行操作以利用參考電壓Vr1控制第一電壓V1，並將第一電壓V1保持在固定電壓。
如圖10所示，電子設備100包括圖9所示的半導體設備90(稱為半導體設備90a，以和其他半導體設備區分開)和多個(在本實施例中是兩個)半導體設備90b和90c。和半導體設備90a一樣，半導體設備90b包括分別工作在第一電壓V1b和第二電壓V2的多個半導體電路(未示出)。和半導體設備90a一樣，半導體設備90c也包括分別工作在第一電壓V1b和第二電壓V2的多個半導體電路(未示出)。在第三實施例中，半導體設備90a、90b和90c的內部電路41a所需的第一電壓具有不同的值，分別由V1a、V1b和V1c表示。半導體設備90a、90b和90c的半導體電路41通過I/O電路41b彼此連接，以便彼此交換信號。半導體設備90b和90c中的每個都包括與半導體設備90a的電源電路91類似的電源電路(未示出)，並且這些電源電路的外部端P2彼此連接。因此，向半導體設備90a、90b和90c中的每個提供軟起動信號SS，所述軟起動信號SS所具有的電壓對應於連接到外部端P2的電容器C2的充電狀態。因此，如圖11所示，半導體設備90a、90b和90c的電源電路91與第一電壓V1a、V1b和V1c同時地升高第二電壓V2，並與第一電壓V1a、V1b和V1c的升高成比例地升高第二電壓V2。
電源電路91與提供到I/O電路41b的第一電壓V1的升高成比例地升高提供到內部電路41a的第二電壓V2。因此，穩定了從I/O電路41b提供到內部電路41a的輸入門電路的信號的電壓，並且防止了穿通電流的產生。半導體設備90a、90b和90c中每一個的電源電路91根據軟起動信號SS來升高第一電壓V1(V1a、V1b和V1c)，所述軟起動信號SS的電壓對應於電容器C2的充電狀態。因此，在所有半導體設備90a、90b和90c中，第二電壓V2同時升高。結果，第二電壓V2以相同的定時被提供到半導體設備90a、90b和90c的I/O電路41b。因此，在任何I/O電路41b中都不產生閂鎖現象。
第三實施例的半導體設備90具有以下優點。
電源電路91與提供到內部電路41a的第一電壓V1的升高成比例地升高提供到I/O電路41b的第二電壓V2。因此，穩定了從I/O電路41b提供到內部電路41a的輸入門電路的信號的電壓。從而，防止了穿通電流的產生。而且，半導體設備90a、90b和90c中每一個的電源電路91根據軟起動信號SS來升高第一電壓V1(V1a、V1b和V1c)，所述軟起動信號SS的電壓對應於電容器C2的充電狀態。因此，在所有半導體設備90a、90b和90c中，第二電壓V2同時升高。從而，在相同的定時將第二電壓V2提供到半導體設備90a、90b和90c中的I/O電路41b。結果，防止了在半導體設備90a、90b和90c的I/O電路41b中產生閂鎖現象。
對本領域技術人員來說很清楚的是，本發明可以以很多其他具體形式實現，而不會偏離本發明的精神和範圍。尤其是應當理解到，本發明可以以下述形式實現。
如圖12所示，在第三實施例中，可以向開關控制電路82的誤差放大器84提供軟起動信號SS，而非第一電壓V1。
在上述實施例的每一個中，第一電壓V1和第二電壓V2可以根據需要修改。例如如圖13所示，半導體集成電路設備110包括用於通過對輸入電壓Vin進行升壓而產生第一電壓V1的電源電路111。電源電路111包括具有電晶體T1和T2的變換器電路112，並且電晶體T1和T2之間的節點經由線圈L2接收輸入電壓Vin。輸入電壓Vin的升壓電壓(第一電壓)V1產生在第一電晶體T1的源極處。
如圖14所示，半導體集成電路設備120包括用於產生負電壓的電源電路121。在此情況下，電源電路121具有變換器電路122，其中第二電晶體T2的源極連接到半導體電路41，並且負參考電壓Vr31被提供到誤差放大電路51的正相輸入端。在電源電路121中，在第二電晶體T2的源極處產生負的第二電壓V2。
如圖15所示，半導體集成電路設備130包括半導體電路131和電源電路132。半導體電路131包括利用多個第一電源Va和Vb而工作的內部電路131a。電源電路132產生升壓電壓和負電壓。電源電路132的變換器電路133包括串聯連接的第一和第二電晶體T1和T2，以及串聯連接的第三和第四電晶體T3和T4。第一電晶體T1是p溝道MOS電晶體，其源極連接到半導體電路131，漏極連接到第二電晶體T2的漏極，柵極連接到PWM控制電路134。PWM控制電路134以與PWM控制電路53相同的方式工作。第二電晶體T2是n溝道MOS電晶體，其源極連接到地GND，漏極連接到第一電晶體T1，柵極連接到PWM控制電路134。平滑電容器C1a連接在第一電晶體T1的源極和地GND之間。
第三電晶體T3是p溝道MOS電晶體，其源極用於接收輸入電壓Vin，漏極連接到第四電晶體T4，柵極連接到PWM控制電路134。第四電晶體T4是n溝道MOS電晶體，其源極連接到半導體電路41，漏極連接到第三電晶體T3，柵極連接到PWM控制電路134。平滑電容器C1b連接在第四電晶體T4的源極和地GND之間。
扼流線圈L2連接在第一和第二電晶體T1和T2的節點N1以及第三和第四電晶體T3和T4的節點N2之間。
電源電路132利用第一和第二電晶體T1和T2對輸入電壓Vin進行升壓，並從第一電晶體T1的源極將升壓電壓Va提供到半導體電路131的內部電路131a。電源電路132還利用第三和第四電晶體T3和T4，從第四電晶體T4的源極將負電壓Vb提供到半導體電路131的內部電路131a。
上述扼流線圈L2的連接與分別設置升壓扼流線圈和負電壓扼流線圈的情況相比，防止了電源電路132所佔面積的擴大。
在以上實施例中，半導體電路和電源電路形成在單個半導體襯底上，以將半導體集成電路設備構造在單個晶片中。然而，半導體集成電路設備可以由多個晶片形成，這些晶片可以被合併在單個封裝中。而且，半導體電路和電源電路可以由分開的晶片和封裝分別形成，並可以通過將這些晶片或封裝安裝在印刷電路板上來形成半導體集成電路設備。當電源電路形成在單個半導體襯底上時，扼流線圈L1和平滑電容器C1優選地從外部連接到電路板。在此情況下，形成在半導體襯底上的設備(例如圖4中實線所包圍的元件)構成了DC-DC變換器的控制電路。而且，所述DC-DC變換器的控制電路可以由除了第一和第二電晶體T1和T2以外的設備形成。
所提出的示例和實施例應被認為是說明性而非限制性的，並且本發明不應局限於這裡所給出的細節，而是可在所附權利要求書的範圍及其等同物之內進行修改。
權利要求
1.一種電源電路(42)，用於利用輸入電壓(Vin)產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓，所述電源電路包括變換器電路(43)，用於將所述輸入電壓變換成所述第一電壓(V1)；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓(V2)而輸出；以及開關控制電路，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於將所述第一電壓與參考電壓(Vrl1)相比較，並基於該比較結果和通知信號來控制所述開關電路，所述通知信號指示所述第一電壓的狀態。
2.如權利要求1所述的電源電路，其中所述開關控制電路產生與所述第一電壓和所述參考電壓的比較結果相對應的信號(S11)。
3.如權利要求1所述的電源電路，其中所述開關控制電路包括第一比較器(61)，其連接到所述變換器電路，用於將所述第一電壓與所述參考電壓(Vrl1)相比較，以產生比較信號(S11)；電晶體(T11)，其連接到所述第一比較器，用於響應於所述比較信號而產生通知信號；以及第二比較器(62)，其連接到所述電晶體和所述開關電路，用於將所述通知信號與另一參考電壓(Vrl2)相比較，以產生用於控制所述開關電路的控制信號(S12)。
4.一種電源電路(81)，用於利用輸入電壓產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓，所述電源電路包括變換器電路(43)，用於將所述輸入電壓變換成所述第一電壓；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值；以及開關控制電路(82)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓成比例地產生所述第二電壓。
5.如權利要求4所述的電源電路，其中所述開關控制電路包括分壓電路(R11、R12)，用於對所述第二電壓進行分壓以產生分壓電壓(V21)；比較器(84)，其連接到所述變換器電路和所述分壓電路，用於將所述分壓電壓與所述第一電壓相比較，以產生比較信號(S21)；以及電晶體(T21)，其連接到所述比較器，用於響應於所述比較信號來產生控制信號(S22)，以控制所述開關電路的電阻值。
6.一種電源電路，用於利用輸入電壓產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓，所述電源電路包括變換器電路(92)，用於基於所述第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將所述輸入電壓變換成所述第一電壓；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值；以及開關控制電路(82)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓和所述軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓。
7.如權利要求6所述的電源電路，其中所述開關控制電路包括分壓電路(R11、R12)，用於對所述第二電壓進行分壓以產生分壓電壓(V21)；比較器(84)，其連接到所述變換器電路和所述分壓電路，用於將所述分壓電壓與所述第一電壓和所述軟起動信號的電壓中任一電壓相比較，以產生比較信號(S21)；以及電晶體(T21)，其連接到所述比較器，用於響應於所述比較信號來產生控制信號(S22)，所述控制信號用於控制所述開關電路的電阻值。
8.如權利要求6所述的電源電路，還包括電容器(C2)，其連接到所述變換器電路，用於產生所述軟起動信號。
9.如權利要求1、5和7中任一項所述的電源電路，其中所述變換器電路是降壓DC-DC變換器，用於對所述輸入電壓進行降壓以產生所述第一電壓。
10.如權利要求1、5和7中任一項所述的電源電路，其中所述變換器電路是升壓DC-DC變換器，用於對所述輸入電壓進行升壓以產生所述第一電壓。
11.如權利要求1、5和7中任一項所述的電源電路，其中所述變換器電路是負電壓DC-DC變換器，用於基於所述輸入電壓來產生負的第一電壓。
12.如權利要求1、5和7中任一項所述的電源電路，其中所述變換器電路是DC-DC變換器，用於對所述輸入電壓進行升壓以產生升壓電壓作為所述第一電壓，並基於所述輸入電壓產生負的第三電壓。
13.一種半導體集成電路設備，包括電源電路(42)，用於利用輸入電壓(Vin)來產生第一和第二電壓，其中所述電源電路包括變換器電路，用於將所述輸入電壓變換成所述第一電壓(V1)；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓(V2)而輸出；和開關控制電路(45)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於將所述第一電壓與參考電壓(Vrl1)相比較，以基於該比較結果和通知信號(ST)來控制所述開關電路，所述通知信號指示所述第一電壓的狀態；以及半導體電路(41)，其連接到所述電源電路，用於接收所述第一和第二電壓。
14.一種半導體集成電路設備，包括電源電路(81)，用於利用輸入電壓來產生第一和第二電壓，其中所述電源電路包括變換器電路(43)，用於將所述輸入電壓變換成所述第一電壓；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值；和開關控制電路(82)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓成比例地產生所述第二電壓；以及半導體電路(41)，其連接到所述電源電路，用於接收所述第一和第二電壓。
15.一種半導體集成電路設備，包括電源電路(81)，用於利用輸入電壓來產生第一和第二電壓，其中所述電源電路包括變換器電路(92)，用於基於所述第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的電壓差來執行脈寬調製，從而將所述輸入電壓變換成所述第一電壓；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值；和開關控制電路(82)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓和所述軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓；以及半導體電路(41)，其連接到所述電源電路，用於接收所述第一和第二電壓。
16.一種電子設備，包括多個電源電路，其中每個電源電路都利用輸入電壓(Vin)來產生第一和第二電壓，其中所述每個電源電路包括變換器電路(43)，用於將所述輸入電壓變換成所述第一電壓(V1)；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓(V2)而輸出；和開關控制電路(45)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於將所述第一電壓與參考電壓(Vrl1)相比較，以基於該比較結果和通知信號(ST)來控制所述開關電路，所述通知信號指示所述第一電壓的狀態，所述通知信號被提供到所述每個電源電路。
17.一種電子設備，包括多個電源電路，其中每個電源電路都利用輸入電壓(Vin)來產生第一和第二電壓，其中所述每個電源電路包括變換器電路(92)，用於基於所述第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的差來執行脈寬調製，從而將所述輸入電壓變換成所述第一電壓；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值；以及開關控制電路(82)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓和所述軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓，所述軟起動信號被提供到所述每個電源電路。
18.一種電子設備，包括多個半導體集成電路設備，其中每個半導體集成電路設備都包括電源電路(42)，用於利用輸入電壓(Vin)來產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓，所述電源電路包括變換器電路(43)，用於將所述輸入電壓變換成所述第一電壓(V1)；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓(V2)而輸出；和開關控制電路(45)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於將所述第一電壓與參考電壓(Vrl1)相比較，並基於該比較結果和通知信號(ST)來控制所述開關電路，所述通知信號指示所述第一電壓的狀態；以及半導體電路(41)，其連接到所述電源電路，用於接收所述第一和第二電壓，所述通知信號被提供到所述每個半導體集成電路設備的電源電路。
19.一種電子設備，包括多個半導體集成電路設備，其中每個半導體集成電路設備都包括電源電路，用於利用輸入電壓來產生包括第一和第二電壓在內的多個電壓，所述電源電路包括變換器電路(92)，用於基於所述第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的差來執行脈寬調製，從而將所述輸入電壓變換成所述第一電壓；開關電路(44)，用於將所述輸入電壓作為所述第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值；以及開關控制電路(82)，其連接到所述變換器電路和所述開關電路，用於控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓和所述軟起動信號的電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓；以及半導體電路，其連接到所述電源電路，用於接收所述第一和第二電壓，所述軟起動信號被提供到所述每個半導體集成電路設備的電源電路。
20.一種用於控制電源電路的方法，所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路和用於將所述輸入電壓作為第二電壓而輸出的開關電路，所述方法包括將所述第一電壓與參考電壓相比較；提供指示所述第一電壓的狀態的通知信號；以及基於所述比較的結果和指示所述第一電壓狀態的所述通知信號來控制所述開關電路。
21.一種用於控制電源電路的方法，所述電源電路包括用於將輸入電壓變換成第一電壓的變換器電路和用於將所述輸入電壓作為第二電壓而輸出的開關電路，所述開關電路具有電阻值，所述方法包括檢測所述第一電壓；以及控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓成比例地產生所述第二電壓。
22.一種用於控制電源電路的方法，所述電源電路包括變換器電路(92)和開關電路(44)，所述變換器電路用於基於第一電壓與參考電壓和軟起動信號電壓中較低者之間的差來執行脈寬調製，從而將輸入電壓變換成所述第一電壓，所述開關電路用於將所述輸入電壓作為第二電壓而輸出，所述開關電路具有電阻值，所述方法包括檢測所述第一電壓和所述軟起動信號電壓中的任一電壓；以及控制所述開關電路的電阻值，以使得與所述第一電壓和所述軟起動信號電壓中的任一電壓成比例地產生所述第二電壓。
全文摘要
本發明提供了一種DC－DC變換器，用於控制向半導體集成電路設備提供多個電源電壓的順序。開關控制電路基於第一電壓和參考電壓的比較結果，以及提供到開關控制電路的通知信號，來控制開關電路的電晶體的激活和禁止。當第一電壓高於參考電壓，並且通知信號指示出其他半導體集成電路設備準備好工作時，開關控制電路產生高於第一電壓的第二電壓。
文檔編號H02J1/00GK1797916SQ20051007762
公開日2006年7月5日 申請日期2005年6月17日 優先權日2004年12月28日
發明者小澤秀清, 伊藤秀信, 土屋主稅 申請人:富士通株式會社