HK1069221B - 形成低静态电流电压调节器的方法及其结构 - Google Patents

Description

形成低静态电流电压调节器的方法及其结构

发明背景

本发明总的来说涉及电子设备，尤其是，涉及形成半导体装置的方法和结构。

过去，半导体工业利用各种方法和结构来制造包括有线性电压调节器的电压调节器。正常工作期间，当由电压调节器产生的输出电压达到期望工作值时，该电压调节器使输出晶体管截止(disable)。输出晶体管保持截止直到输出电压降低到低于该期望工作值的值。外部滤波电容器和负载典型地连接到调节器的输出。在输出晶体管截止期间，输出晶体管的漏电流会流过外部滤波电容器并连续给该滤波电容器充电。漏电流给电容器充电以及电容器上的电压值增加并可能达到会引起负载损坏的值。一些情况下，在输出晶体管和地之间连接一电阻，使得晶体管的漏电流流过电阻而不流过滤波电容器。这样构造存在的问题就是功率损耗。流过电阻的漏电流使静态电流消耗增加，并相应使得电压调节器的功耗增加。典型地，利用电阻这样构造的电压调节器的平均静态电流消耗至少为大约55微安。

因此，期望有一种形成电压调节器的方法，其减少静态电流消耗，并将输出电压维持在低于使负载损坏的值。

附图的简要说明

图1简要示出根据本发明的电压调节器的实施例的一部分；和

图2简要示出半导体装置的实施例的一部分，该装置包括根据本发明图1的电压调节器。

为了描述的简要和清楚，附图中的组成部分没有必要按比例描制，而且不同的图中相同的附图标记表示相同的组成部分。此外，为说明的简要省略了公知步骤和组成部分的说明和详解。如文中所使用的载流极表示器件的一个组成部分，其承载通过该器件如MOS晶体管的源极或漏极或双极性晶体管的发射极或控制极的电流，控制极表示器件的一个组成部分，其控制通过该器件如MOS晶体管的栅极或双极性晶体管的基极电流。

附图的详细说明

图1简要示出电压调节器10的实施例的一部分，该电压调节器10具有低的静态电流消耗和低的功率消耗。调节器10接收来自功率输入11和功率返回(power return)12上的外部电源的功率，并具有在电压输出13和电压返回(voltage return)14之间的输出电压。滤波电容器34和负载33外部连接到输出13和返回14之间的调节器10。调节器10包括误差放大器26，输出设备或输出晶体管24，反馈网络19，和参考发生器16。网络19，用虚线框标识，包括一对反馈电阻22和23，其串联连接在输出13和返回14之间以形成具有通过将电阻22和电阻23连接而形成的反馈节点21的电阻分压器。误差放大器26接收来自节点21的反馈电压和来自参考发生器16的输出17的参考电压。放大器26接收参考电压和反馈电压并在放大器26的输出响应产生误差电压。为了控制输出电压的值到期望工作电压，调节器10利用该误差电压驱动晶体管24。该期望工作电压取决于分压器的值和参考电压的值。本领域技术人员理解期望工作电压典型地具有包括上限和下限的期望工作范围。例如，2.5伏特(2.5V)的期望工作电压值可以包括包括有正或负百分之二(±2％)的上限和下限的期望工作范围。因此，期望工作电压范围应该具有大约2.5伏特的标准值，大约2.55伏特的最大值，和大约2.45伏特的最小值。当输出电压值低于该标准值时，反馈电压值低于参考电压值并且误差放大器26形成使晶体管24工作的误差电压。晶体管24提供流过负载33和电容器34的负载电流IL，并给电容器34充电以将输出电压提高到期望工作值。当输出电压值达到期望工作值时，反馈电压值高于或等于输出17上的参考电压值并且误差放大器26产生使晶体管24截止的误差电压。网络19，发生器16，放大器26和晶体管24的特征和工作方式是本领域技术人员所公知的。

调节器10还包括补偿电路20，一般用虚线框标识，其有助于降低调节器10的静态电流和功率消耗。电路20包括可选择电流源28，固定电流源29，补偿比较器27，和参考偏移18。当输出电压值等于或高于第一电压值或补偿电压值时，调节器10形成为选择性地使可选择电流源28工作以产生从晶体管24流出，经过电流源28并流到返回12的补偿电流。典型地补偿电压值高于期望工作电压范围的最大值并低于可能损坏负载33的值。如下文将看到的，偏移18形成偏移参考电压，其等于来自发生器16的参考电压值加上偏移电压值。比较器27接收该偏移参考值和反馈电压并响应使可选择电流源28工作或不工作。

固定电流源29吸收来自晶体管24的固定电流值。该固定电流值通常形成为大约漏电流值，其期望来自在包括温度的标准工艺条件和标准工作条件下的晶体管24。在标准的工作和工艺条件下，当晶体管24截止时，电流源29吸收来自晶体管24的漏电流而且没有来自晶体管24的漏电流流过电容器34或负载33。但是，如果用于形成晶体管24的工艺条件比标准工艺参数有所变化或如果工作条件比标准的工作条件有所变化，则当晶体管24截止时，晶体管24的漏电流将超出被固定源29吸收的电流。该额外的漏电流或超出的漏电流大于能够被固定源29吸收的漏电流并将流过电容器34。该超出的漏电流开始给电容器34充电引起输出电压值的增加。输出电压值增加直到达到由来自偏移18的偏移参考电压值和反馈电压所决定的补偿值。补偿比较器27接收反馈电压和偏移参考电压，并当输出电压值达到补偿电压值时响应使电流源28工作。补偿电流加上固定电流应该至少等于并最好高于最差情况下晶体管24的漏电流。优选实施例中，单独的补偿电流设置为至少等于或高于最差情况下晶体管24的漏电流。这为最差情况下漏电流的变量提供一安全界限。工作源28吸收超出的漏电流抑制了输出电压值增加到超出补偿值并防止负载33的损坏。由于电流源28只工作于当输出电压超出补偿电压值时吸收电流，于是，电流源28不是一直工作，所以选择性工作源28吸收超出的漏电流降低了调节器10的静态电流消耗。

比较器27典型地形成为具有滞后作用以确保可选择电流源28在工作和不工作之间不来回振荡。优选实施例中，比较器27具有二十毫伏特的滞后特性，这样当反馈电压等于或高于偏移参考电压值时比较器27能使电流源28工作，并当反馈电压值比偏移参考电压值低二十毫伏特时使电流源28不工作。

应该注意的是，某些实施例中电流源29可以省略但即使在标准条件下输出电压也可能在期望电压值和补偿电压值之间振荡。但是，电阻22和23的电阻分压器可以形成为具有固定电流值并且固定电流源29可以省略。其它实施例中，比较器27可以替换为选择性使电流源28工作的放大器，以形成响应于放大器的模拟输出信号的补偿电流。此外，调节器10可以包括其它公知的包括过电流保护和温度保护的电路功能。为解释的清楚这样的电路在图1中未示出。

一个实施例中，调节器10形成为具有接近2.5伏特(2.5V)的标准的期望工作值，其正或负百分之二(±2％)为期望工作范围大约2.45伏特到大约2.55伏特。不会损坏负载33的最大电压值为接近2.7伏特的值。电容器34的值为大约1微法。在接近25摄氏度(25℃)和标准工艺参数时晶体管24的标准漏电流为大约二(2)微安。在最差工艺参数和最差工作条件下晶体管24的最差情况的漏电流为接近十五(15)微安。固定电流值选择为等于标准漏电流或大约2微安。电流源28能够吸收的电流值选择为四十微安培，以确保电流源28能够吸收全部的最差情况下晶体管24的漏电流。但是电流源28吸收的实际电流为超出晶体管24漏电流的实际值。补偿电压值选择为大约2.6伏特(2.6V)。偏移电压值为100毫伏特以确保输出13的输出电压值不大于高于2.5V的期望工作值的100毫伏。当输出13上的输出电压达到接近2.5V的值时，放大器26使晶体管24截止以将出电压维持在这个值。由于来自晶体管24的漏电流值超出2微安，所以电容器34上的电压值增加到大约2.6伏的值，并且比较器27使可选择电流源28工作，以吸收晶体管24的超出的漏电流。电容器34上的电压值缓慢下降到低于2.6伏的值并且比较器27的输出再次使电流源28不工作。在该例证电路赋值期间，在晶体管24截止的一段时间内，电流源28不工作大约二(2)毫秒，而电容器34充电并工作大约六百五十(650)微秒，而电容器34放电，从而电流源28工作大约为晶体管24截止时间的百分之二十五(25％)。该实施例中，调节器10的平均静态电流为大约三十五微安，其比现有调节器的五十五微安的平均静态电流低百分之三十六(36％)。某些应用中如，电池工作中，该电流的节省非常重要。

图2简要示出形成在半导体模块41上的半导体装置40的实施例的部分放大平面图。调节器10形成在模块41上。模块41也可以包括其它电路，为附图的简要，这些电路在图2中未示出。

虽然本发明是参考特定优选实施例进行的描述，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是显而易见的。例如，偏移参考电压可以形在包括形成为发生器16的单独输出的其它地方。比较器27可以为模拟放大器而不是比较器。此外，可以省略固定电流源29。还有，本发明描述了特定的P-沟道输出晶体管，虽然该方法直接可应用于其它MOS晶体管，但也可应用于双极性晶体管，BiCMOS，金属半导体FETs(MESFETs)，HFETs，和其它晶体管结构。

鉴于上述内容，显然公开的是一种新的方法和设备。包括其它特征中的是形成一种电压调节器来选择性地产生流动的补偿电流，以防止来自输出晶体管的漏电流使得电压调节器的输出电压增加到可能损坏负载的值。选择性地使电流流动降低了调节器的静态电流消耗。

Claims (9)

1.一种形成电压调节器的方法，包括：

形成电压调节器(10)以在电压输出上提供具有第一值的输出电压和负载电流；以及

形成电压调节器(10)以选择性地产生补偿电流，该补偿电流从电压调节器的输出设备流到电压调节器的电压返回但不流过所述电压输出，其中，所述电压调节器被配置成在所述输出设备不工作之后并且当电压调节器的输出电压超出比第一值高的第二值时，选择性地产生所述补偿电流。

2.权利要求1的方法，其中形成电压调节器以选择性地产生补偿电流包括：当输出电压降低到低于第二值并高于第一值的第三值时，中止该补偿电流。

3.权利要求1的方法，其中形成电压调节器以选择性地产生补偿电流以流动包括：形成电压调节器以选择性地产生流过该输出设备但不流过外部负载(33)或外部滤波电容器(34)的补偿电流。

4.一种形成调节电压的方法，包括：

产生输出电压，该输出电压具有在第一期望值和低于该第一期望值的第二期望值之间的期望工作范围；

当输出电压达到第一期望值时使输出设备(24)不工作；以及

当输出设备不工作并且当输出电压超出高于第一期望值的补偿值(18加17)时，选择性地使补偿电流(28)从输出设备流到电压返回。

5.权利要求4的方法，进一步包括：当输出电压降低到低于补偿值并高于第一期望值的另一值时，中止补偿电流(28)。

6.权利要求4的方法，其中产生输出电压的步骤包括将输出电压连接到电压调节器的输出端(13，14)，并且其中选择性地使补偿电流从输出设备流到电压返回的步骤包括：将电流转移而不流过所述输出端。

7.一种电压调节器，包括：

输出设备(24)，用于接收输入电压并在电压调节器的输出上形成输出；

可选择电流源，连接在所述输出设备和电压返回之间；

反馈网络(19)，用于形成表示输出电压的反馈电压；

误差放大器(26)，用于接收第一参考电压和反馈电压，并响应驱动输出设备；以及

补偿放大器(27)，用于接收反馈电压和高于第一参考电压的第二参考电压，并响应产生从输出设备流过所述可选择电流源到电压返回但不流过电压调节器的输出的补偿电流。

8.权利要求8的电压调节器，其中补偿放大器是滞后比较器。

9.权利要求8的电压调节器，进一步包括固定电流源，用于产生从输出设备流出的固定电流，其中，所述固定电流的值接近等于所述输出设备的漏电流的值。