低功率電壓檢測電路及其方法

2023-06-01 05:02:01 2

專利名稱：低功率電壓檢測電路及其方法
低功率電壓檢測電路及其方法
背景技術：
本發明一般涉及電子學，尤其是涉及形成半導體器件的方法和結構。
過去，半導體工業利用各種方法和結構來形成檢測電壓達到某個 值的位置的電壓檢測電路。對這樣的電壓檢測電路的一個應用是開關
電源控制器的欠電壓鎖定(UVLO)電路。這樣的開關電源控制器的 一個例子是可從Phoenix Arizona的ON半導體公司得到的NCP345。 現有的開關電源控制器一般形成用於轉換功率電晶體以產生調節電 壓的開關驅動信號。在開關電源控制器應用中，如果輸入電壓小於最 小期望操作值，則阻止驅動電源控制器的功率開關很重要。當輸入電 壓低於期望操作值時，這些現有UVLO電路通常有功率耗散，當輸入 電壓高於期望操作值時，該期望操作值大約等於功率耗散。
在2003年8月12日發布給Halamik等人的美國專利號6, 605， 978中公開了另一類型的電壓檢測電路。這種類型的電壓檢測電路比 現有UVLO電路消耗較少的功率，然而，這種類型的電路通常具有較 低的準確性。
因此，期望有一種電壓檢測電路，其具有低功率耗散，以及具有 至少較低的輸入電壓閾值的準確檢測。
附圖的筒要說明


圖1簡要示出根據本發明的具有電壓檢測電路的電源系統的一 部分的實施例；
圖2簡要示出根據本發明的包括圖1的電壓檢測電路的半導體器 件的放大平面圖。
為了說明的簡潔和清楚，附圖中的組成部分不一定按比例繪製，
不同圖中相同的附圖標記表示相同的組成部分。此外，為了描述的簡 要而省略了公知的步驟和組成部分的說明與詳述。如這裡所使用的載
流電極表示器件的一個組成部分，其承載通過該器件如MOS電晶體 的源極或漏極、或雙極電晶體的集電極或發射極、或二極體的陰極或 陽極的電流；控制電極表示器件的一個組成部分，其控制通過該器件 如MOS電晶體的柵極或雙極電晶體的基極的電流。雖然這些器件在 這裡被解釋為某個N通道或P通道器件，但技術領域裡一般技能的人 員應該認識到，依照本發明，互補器件也是可能的。技術領域中的技 術人員應認識到，這裡使用的詞"在…的期間、在…同時、當…的時候" 不是當啟始行為發生時一個行為同時發生的準確術語，而是在由啟始 行為啟始的反應之間可能有一些小而合理的延遲，如傳播延遲。
附圖的詳細說明
圖1簡要示出包括電壓檢測電路20的電源控制系統10的一部分 的實施例。當用於操作電路20的輸入電壓小於期望的最小闊值或第 一閾值時，電壓檢測電路20形成有低功率耗散。系統10 —般包括 PWM控制器60、開關功率電晶體62和能量儲存感應器(inductor)64。 在一些實施例中，感應器64可為變壓器的一部分。感應器64通常被 連接以接收輸入63上的整流交流電壓。控制器60設置成從電路20 接收功率並在輸出61上形成用於驅動電晶體62的開關驅動信號。電 路20、控制器60和電晶體62可一起在公共半導體管芯(die)上形 成，而感應器64—般在半導體管芯的外部。然而，在一些實施例中， 控制器60或電晶體62可在形成有電路20的半導體管芯的外部。
電路20從操作電壓或輸入電壓接收功率，該電壓應用在電路20 的電壓輸入端子或輸入31和電壓返回端子或返回(return) 32之間。 輸入電壓一般為直流電壓或整流交流電壓，其可由應用到輸入63的 整流交流電壓形成或可從另外的源得到。電路20在輸出33和返回端 子32之間形成給其它電路如控制器60提供電力的輸出電壓。如在下 文中將進一步看到的，電路20接收應用到輸入31的輸入電壓，並響 應於小於第一閾值的輸入電壓而將輸入電壓從輸出33去耦 (decouple),以及響應於不小於第一閾值的輸入電壓而將輸入電壓耦 合(couple)到輸出33。因此，在輸入電壓到達第一閾值之前，控制器 60不接收用於操作控制器60的功率。電路2 0還將閾值改變到較低 的值，如在下文中將進一步看到的。系統10利用在輸出33上形成的 輸出電壓來操作控制器60。此外，在輸入電壓不小於第一閾值電壓之 後，電路20將功率應用到電路20的其它部分，以便更準確地檢測降 低回到第一閾值的輸入電壓，從而使電路20可再次將功率從輸入33 和控制器60去耦。
電路20包括電壓檢測電路11、重置電路23、輸出電壓控制器 40、比較器37、包括電阻器55和電阻器56的參考電壓網絡、以及包 括電阻器38、電阻器39和反饋去耦開關或電晶體35的開關反饋網絡。 在一些實施例中，電路20還可包括可選的輸出禁止電晶體59。如在 下文中將進一步看到的，控制器40用作可選擇性啟動的線性電壓調 節器，其可選擇性地被耦合以從輸入電壓接收功率並在輸出33上形 成調節輸出電壓，或可選擇性地被去耦而不從輸入電壓接收功率、並 阻止形成輸出電壓。為了最小化電路20的功率耗散，閾值電壓檢測 電路11被耦合以從應用到輸入31的輸入電壓連續接收功率，然而， 在輸入電壓達到不小於第 一 閾值的值之後，功率只被應用到比較器37 和控制器40。如'978專利中所述，電路ll具有很低的功率耗散，且 一般比比較器37的操作電流和因而產生的功率耗散小得多，因此， 當輸入電壓小於第一閾值時，電路20的功率耗散低。
閾值電壓檢測電路ll包括閾值電晶體14、第一 JFET電晶體16、 第二 JFET電晶體17、下限輸出(lower output)電晶體13和電阻器 18。電路11類似於在2003年8月12日發布給Halamik等人的美國 專利號6， 605， 978中公開的電壓檢測設備，且與之類似地運行，該 專利因此通過引用被併入('978專利)。閾值電壓檢測電路11的晶 體管13、 14、 16和17類似於'978專利中描述的電壓檢測設備10的 相應電晶體13、 14、 16和17,以及電路11的電阻器18與'978專利
的電晶體18類似地運行。重置電路23包括第一電平移位電晶體26、 第二電平移位電晶體24和重置電晶體25。電晶體24和26起電平移 位器的作用，該電平移位器將電路23的信號作為比較器37的輸出從 參照輸出33的電壓改變為參照輸入31的電壓。輸出電壓控制器40 包括可啟動的線性電壓調節器，該線性電壓調節器包括分流(pass)晶 體管52、調節器禁止開關或電晶體53、開關電流源43、和在所示實 施例中實現為齊納二極體48的參考電壓發生器。開關電流源43用來 將偏置電流耦合到二極體48以及將偏置電流從二極體48去耦，以便 幫助啟動和禁止形成輸出電壓的電壓調節器。開關電流源43包括電 流源44、包含電流反射鏡耦合電晶體45和46的電流反射鏡、以及電 流源開關或電晶體47。
在操作中，當應用到輸入31的輸入電壓的值開始從大約為零的 值增加時，電路ll接收輸入電壓。只要輸入電壓的值小於第一閾值， 電晶體14就被禁止且電晶體16運行在三級管模式中，所述第一閾值 基本上為電晶體14的閾值電壓加上電晶體16的夾斷(pinch-off)電壓。 在三級管模式中，電晶體16耦合輸入19以接收輸入電壓。由於晶體 管14被禁止，電阻器18將電晶體13、 35和47的柵極耦合到返回32, 這使電晶體禁止。因為電晶體16和17在三級管模式中，輸出19通 過電晶體16和17耦合到輸入31,且輸入電壓的值被應用到輸出19。 只要輸入電壓的值小於電晶體16的夾斷電壓加上電晶體14的閾值電 壓，電晶體16和17就在三級管模式中保持激活。當輸入電壓的值達 到電晶體16的夾斷電壓加上電晶體14的閾值電壓時，電晶體16開 始運行在夾斷模式中，因此變成非導電的，且電晶體16的源極以及 輸出19被固定到電晶體17的夾斷電壓。形成電晶體17使得夾斷電 壓大到足以啟動電晶體53和59。因為電晶體47被禁止，沒有電流流 經電流源43，因此，二極體48不接收偏置電流，且參考電壓沒有應 用到電晶體52。因為電晶體53被啟動，電晶體52的柵極連接到返回 32，因而禁止電晶體52、使調節器去耦而不接收輸入電壓、以及阻止 電路20在輸出33上形成輸出電壓。此外，可選的電晶體59被啟動
並使輸出33與返回32短路，進一步確保在輸出33上沒有形成輸出 電壓。因為沒有電壓應用到輸出33，比較器37被禁止，這也禁止晶 體管26和耦合電晶體24和25的電流反射鏡。電晶體35也被禁止， 因此沒有反饋電壓應用到比較器37的反向輸入。因為電晶體35被禁 止，電阻器38和39消耗可以忽略的功率。電路20消耗功率的唯一 部分是電路ll，因此，電路20的功率耗散很低。電路20還沒有將功 率應用到控制器60，因而進一步減少了功率耗散。
當輸入電壓值增加並變得不小於第一閾值時，電晶體14開始導 電並向電阻器18提供電流。通過電阻器18的電流啟動電晶體13、 35 和47。啟動電晶體13將輸出19拉低，這降低了應用到電晶體14的 柵極的電壓的值。降低電晶體14的柵極電壓將電路ll的閾值降低到 第二閾值，第二閾值大約等於電晶體14的閾值電壓加上電晶體16的 源極電壓。降低電路11的閾值確保當輸入電壓的值繼續增加時電路 11不響應噪聲。啟動電晶體35使電阻器39耦合到返回32並在比較 器37的反向輸入上形成表示輸入31上的輸入電壓值的反饋信號。啟 動電晶體47使電流源44能夠提供流經電晶體45的電流，並形成流 經電晶體46的大約相等的電流。來自電晶體46的電流被提供到二極 管48作為啟動二極體48以形成節點49上的參考電壓的偏置電流。 可看到，二極體48和源43運行，以分別響應於小於第一閾值電壓或 不小於第一閾值電壓的輸入電壓，而選擇性地形成參考電壓或選擇性 地阻止形成參考電壓。禁止電晶體53使電晶體52從返回32去耦， 因而啟動電晶體52以接收輸入電壓，並且還允許偏置電流通過二極 管48將參考電壓應用到節點49和電晶體52的基極。啟動電晶體47 和禁止電晶體53使調節器耦合以從輸入電壓接收功率，並使調節器 能夠將輸入電壓從輸入31耦合到輸出33作為輸出電壓。來自輸出33 的輸出電壓用於向比較器37提供操作功率。
電阻器55和56的參考電壓網絡在節點57上形成參考電壓。本 領閾技術人員應認識到，可通過各種其它公知的參考電壓發生器形成 參考電壓。比較器37接收參考電壓和反饋電壓，並檢測改變為小於
第三閾值的輸入電壓。第三閾值一般選擇為大約不大於第一閾值。晶
體管38、 39、 55和56的值一般選擇為確保第三閾值大約不大於第一 閾值。形成不大於第一閾值的第三閾值給電路20提供了滯後作用。 如果在控制器60的正常操作期間輸入電壓值僅僅降低很小的量，則 該滯後作用阻止電路20轉換模式。比較器37比電路11更準確，因 此，比較器37可比電路11更準確地檢測降低到小於第三閾值電壓值 的值的輸入電壓。通常比較器37比電路ll準確約十倍。可看到，電 路ll的第二闊值電壓應選擇為小於第一和第三閾值以阻止電路ll影 響比較器37的操作。第二閾值一般比第一閾值約小百分之六十 (60%)。
如果輸入電壓改變到小於第三閾值的值，則比較器37的輸出變 高，且比較器37響應性地阻止電路20形成輸出電壓，並重置電路ll 以檢測第一閾值。來自比較器37的高啟動電晶體26以形成流經晶體 管24的電流。通過電晶體24的電流將柵極電壓耦合到電晶體25，該 柵極電壓也啟動電晶體25。啟動電晶體25使電晶體14的柵極到源極 電壓短路，因而禁止電晶體14。禁止電晶體14使流經電阻器18的電 流停止，這再次將電晶體13、 35和47的柵極拉到返回32，因而禁止 電晶體。禁止電晶體13使輸出19釋放而被拉到電晶體17的夾斷電 壓，因而重置電路ll以檢測第一閾值並再次啟動電晶體53和59。禁 止電晶體47使源43禁止並阻止二極體48形成參考電壓，且啟動晶 體管53使電晶體52的基極耦合到返回32，因而禁止電晶體52。因 此，禁止電晶體47和啟動電晶體53使調節器去耦而不從輸入電壓接 收功率，且禁止調節器將輸入電壓從輸入31耦合到輸出33。阻止電 路20形成輸出電壓使比較器37禁止，且它的輸出變低，這禁止了電 路23。因此，電路20被重置回到原先狀態以檢測改變到第一閾值電 壓的輸入電壓。
在電路20的一個實施例中，當輸入電壓小於第一閾值時，電路 20消耗約一微安的電流，而當輸入電壓不小於第一閾值時，電路20 消耗約一百微安的電流。因此，可看到，當輸入電壓小於第一閾值時，
電路20的功率耗散很低。
為了幫助促進電路20的此操作，電晶體14的源極連接輸入31， 而電晶體14的漏極通常連接到電阻器18的第一端子、電晶體13的 柵極、電晶體47的柵極、電晶體35的柵極和輸出15。電阻器18的 第二端子與返回32連接。電晶體14的柵極通常連接到電晶體16的 源極和電晶體25的漏極。電晶體25的源極連接到輸入31和電晶體 24的源極。電晶體25的柵極通常連接到電晶體24的柵極和漏極以及 電晶體26的漏極。電晶體26的源極與電晶體13的源極連接。晶體 管13的漏極通常連接到電晶體17的源極、電路11的輸出19、晶體 管53的柵極和電晶體59的柵極。電晶體59的漏極與輸出33連接， 而電晶體59的源極連接到返回32和電阻器56的第一端子。電阻器 56的第二端子通常連接到節點57、比較器37的非反向輸入和電阻器 55的第一端子。電阻器55的第二端子與輸出33連接。比較器37的 反向輸入通常連接到電阻器38的第一端子和電阻器39的第一端子。 電阻器38的第二端子與輸入31連接。比較器37的輸出與電晶體26 的柵極連接。比較器37的電源輸入連接到輸出33，而比較器37的功 率返回連接到返回32。電阻器39的第二端子與電晶體35的漏極連接， 電晶體35有連接到返回32的源極。電阻器38的第二端子與輸入31 連接。電晶體47的源極連接到返回32，而漏極連接到電流源44的第 一端子。電流源44的第二端子通常連接到電晶體45的漏極和柵極以 及電晶體46的柵極。電晶體45的源極通常連接到輸入31和電晶體 46的源極。電晶體46的漏極通常連接到節點49、 二極體48的陰極、 電晶體52的基極和電晶體53的漏極。電晶體53的源極通常連接到 返回32和二極體48的陽極。電晶體52的集電極與輸入31連接而發 射極與輸出33連接。PWM控制器60的電源輸入被連接以從輸出33 接收功率，且控制器60的功率返回與返回32連接。控制器60的PWM 驅動輸出61與電晶體62的柵極連接。
圖2簡要示出在半導體管芯71上形成的半導體器件70的實施例 的一部分的放大平面圖。電路20在管芯71上形成。控制器60和晶
體管62也可在其上形成。管芯71還可包括其它在圖2中為製圖簡單 而沒有示出的電路。電路20、控制器60、電晶體62和器件70通過 半導體製造技術在管芯71上形成，這些技術對技術領域的人員來講 是公知的。
鑑於上述內容，顯然公開的是一種新的裝置和方法。包括其它特 徵中的是形成從輸入電壓接收功率的第一電壓檢測設備和從低功率 電壓檢測電路的輸出接收功率的第二電壓檢測設備。形成具有低功率 耗散且比第二電壓檢測設備有更低的功率耗散的第 一檢測設備減少 了功率耗散。配置第二電壓檢測設備以從輸出電壓接收功率並選擇性 地形成輸出電壓進一步減少了功率耗散。耦合其它設備如PWM控制 器以從輸出電壓接收操作功率也有助於減少功率耗散。
雖然本發明的主題是用特定的優選實施例來描述的，但顯然對半 導體領域的技術人員來說許多替換和變化是顯而易見的。例如，通過 改變電晶體38和39的值例如通過使一個電晶體短路，可改變第三閾 值。此外，為描述清楚而始終使用"連接(connected )，，這個詞，但是， 意指與詞"耦合(coupled)"具有相同的含義。相應地，"連接"應被解 釋為既包括直接連接也包括間接連接。
權利要求
1.一種低功率欠電壓檢測方法，包括耦合欠電壓檢測電路的第一電壓檢測電路以連續接收輸入電壓，響應於小於第一值的所述輸入電壓而使所述輸入電壓從所述欠電壓檢測電路的輸出去耦，以及響應於不小於所述第一值的所述輸入電壓而將所述輸入電壓耦合到所述欠電壓檢測電路的所述輸出作為輸出電壓；和耦合所述欠電壓檢測電路的第二電壓檢測電路以響應於所述輸入電壓耦合到所述輸出而接收表示所述輸入電壓的信號，以及響應於小於第二值的所述輸入電壓而使所述輸入電壓從所述輸出去耦。
2. 如權利要求l所述的方法，其中耦合所述欠電壓檢測電路的 所述笫一電壓檢測電路以連續接收所述輸入電壓的步驟，包括響應於 所述第 一 電壓檢測電路檢測到所述輸入電壓不小於所述第 一值而啟 動電壓調節器以將所述輸入電壓耦合到所述輸出並形成所述輸出電 壓。
3. 如權利要求2所述的方法，其中耦合所述欠電壓檢測電路的 所述第二電壓檢測電路以響應於所述輸入電壓耦合到所述輸出而接收表示所述輸入電壓的所述信號的步驟，包括將所述輸出電壓耦合到 所述第二電壓檢測電路。
4. 一種低功率電壓檢測電路，包括第一電壓檢測電路，其耦合成從輸入電壓連續接收功率，並設置 成響應於所述輸入電壓的第一閾值而形成啟動信號；輸出電壓控制器，其耦合成響應於所述啟動信號而接收所述輸入 電壓並在所述低功率電壓檢測電路的輸出上形成輸出電壓；和比較器電路，其耦合成從所述輸出電壓控制器接收功率並形成第 二閾值，所述比較器電路耦合成響應於不大於所述第二閾值的所述輸 入電壓而禁止所述輸出電壓控制器。
5. 如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，其中所述第一電壓檢測電路比所述比較器電路需要更少的操作電流。
6. 如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，其中所述第二閾 值小於所述第一閾值。
7. 如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，其中所述輸出電 壓控制器是線性調節器，所述線性調節器設置成響應於所述輸入電壓 的所述第一閾值而選擇性地從所述輸入電壓形成所述輸出電壓，以及 設置成響應於所述輸入電壓的所述第二閾值而選擇性地禁止從所述 輸入電壓形成所述輸出電壓。
8. 如權利要求7所述的低功率電壓檢測電路，其中所述線性調 節器包括參考發生器，所述參考發生器耦合成響應於所述輸入電壓的 所述第一閾值而選擇性地形成所述線性調節器的參考電壓。
9. 如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，其中所述第一電 壓檢測電路設置成響應於所述輸入電壓的所述第一閾值而將所迷第 一閾值改變為第三閾值。
10. 如權利要求9所述的低功率電壓檢測電路，其中所述比較器 電路可操作地被耦合成響應於不大於所述第三閾值的所述輸入電壓而將所述第一電壓檢測電路的所述第三閾值重置回所述第一閾值。
11. 如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，進一步包括耦合 成接收所述輸出電壓的PWM控制器。
12. 如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，其中所述比較器壓接收操作功率。
13.如權利要求4所述的低功率電壓檢測電路，其中所述第一電 壓檢測電路包括第一JFET電晶體，其具有耦合成接收所述輸入電壓的漏極、耦 合到所述低功率電壓檢測電路的電壓返回的柵極、和源極；第二 JFET電晶體，其具有耦合成接收所述第一 JFET電晶體的 所述源極的漏極、耦合到所述電壓返回的柵極、和源極；第一MOS電晶體，其具有耦合到所述第二 JFET電晶體的所述源極的漏極、耦合到所述電壓返回的源極、和柵極；第二MOS電晶體，其具有耦合成接收所述輸入電壓的源極、耦 合到所述第一 MOS電晶體的所述柵極的漏極、和耦合到所述第一 JFET電晶體的所述漏極的柵極。
14. 一種形成低功率電壓檢測電路的方法，包括 耦合所述低功率電壓檢測電路以接收輸入電壓，並提供輸出電壓配置所述低功率電壓檢測電路以檢測小於第 一 閾值的所述輸入 電壓並響應性地禁止提供所述輸出電壓；和配置所述低功率電壓檢測電路以檢測不小於所述第 一 閾值的所 述輸入電壓並響應性地提供所述輸出電壓。
15. 如權利要求14所述的方法，其中配置所述低功率電壓檢測 電路以檢測小於所述第一閾值的所述輸入電壓並響應性地禁止提供 所述輸出電壓的步驟，包括配置所述低功率欠電壓檢測電路以禁止向 所述低功率欠電壓檢測電路的調節器提供功率。
16. 如權利要求15所述的方法，其中配置所述低功率欠電壓檢 測電路以檢測不小於所述第一閾值的所述輸入電壓並響應性地提供 所述輸出電壓的步驟，包括配置所述低功率欠電壓檢測電路以檢測不 小於所述第一閾值的所述輸入電壓並響應性地將功率耦合到所述調 節器。
17. 如權利要求15所述的方法，其中配置所述低功率欠電壓檢 測電路以檢測不小於所述第一閾值的所述輸入電壓並響應性地將功 率耦合到所述調節器的步驟，包括配置所述低功率欠電壓檢測電路以 選擇性地將參考電壓耦合到所述調節器，以及配置所述調節器以響應 性地形成所述輸出電壓。
18. 如權利要求14所述的方法，其中耦合所述低功率電壓檢測率電壓檢測電路的所述輸出的其它電路提供電力的步驟，包括將電壓 調節器串聯在所述輸入電壓和所述輸出之間，以選擇性地從所述輸入電壓接收功率並響應性地形成所述輸出電壓。
19. 如權利要求14所述的方法，其中耦合所述低功率電壓檢測率電壓檢測電路的所述輸出的其它電路提供電力的步驟，包括耦合第 一電壓檢測電路以從所述輸入電壓接收功率，以及耦合第二電壓檢測 電路以從所述輸出電壓接收功率。
20. 如權利要求19所述的方法，其中耦合所述第二電壓檢測電 路以從所述輸出電壓接收功率的步驟，包括耦合比較器以從所述輸出 電壓接收功率。
全文摘要
在一個實施例中，低功率電壓檢測電路包括從輸入電壓接收功率的第一電壓檢測設備和從低功率電壓檢測電路的輸出接收功率的第二電壓檢測設備。
文檔編號G01R19/165GK101166982SQ200580049497
公開日2008年4月23日 申請日期2005年6月6日 優先權日2005年6月6日
發明者克裡斯多夫·巴索, 弗蘭蒂瑟克·蘇卡普, 約瑟夫·赫拉米克 申請人:半導體元件工業有限責任公司