专利名称：恒定电流电荷泵控制器的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法和结构。
背景技术：
过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成DC/DC变换器， 该DC/DC变换器利用电荷泵电路来控制由变换器形成的输出电压。 这些变换器一般监控输出电压的值并转换电荷泵电路的模式，以便调 节输出电压的值。 一般来说，表示输出电压的值的反馈电压与参考电 压比较，且如果反馈电压降到参考电压的值之下，电荷泵电路的模式 将改变。在2002年6月25日授予Nork等人的美国专利号6,411,531 中公开了这样的DC/DC变换器的一个例子。这些现有的DC/DC变换 器的一个问题是，参考电压电路、比较器和其它闭环元件消耗的面积。 上述电路通常需要在形成电路的半导体管芯(die)上的大面积，从而增 加了变换器电路的成本。
因此，期望有一种利用较少的管芯面积并具有较低的成本的控制 器电路。
图1简要示出包括根据本发明的电荷泵控制器的发光二极管
(LED)控制系统的一部分的实施方式；
图2简要示出LED系统的一部分的实施方式，该LED系统是图 1的LED系统的可选实施方式并包括作为根据本发明的图1的电荷泵 控制器的可选实施方式的电荷泵控制器；以及
图3简要示出包括根据本发明的图1的电荷泵控制器的半导体器 件的放大平面图。
为了说明的简洁和清楚，附图中的元件没有必要按比例绘制，且 不同图中相同的参考数字表示相同的元件。此外，为了描述的简单而 省略了公知的步骤和元件的说明与详述。如这里所使用的载流电极表 示器件的一个元件，如MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的 集电极或发射极、或二极管的负极或正极，其承载通过该器件的电流； 而控制电极表示器件的一个元件，如MOS晶体管的栅极或双极晶体 管的基极，其控制通过该器件的电流。虽然这些器件在这里被解释为 某个N沟道或P沟道器件，但本领域中的普通技术人员应该认识到， 依照本发明，互补器件也是可能的。本领域中的技术人员应认识到， 这里使用的词"在...的期间、在...同时、当...的时候"不是表示一旦开始 操作马上就会出现反应的准确术语，而是在被初始操作激起的反应之 间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。
具体实施例方式
图1简要示出发光二极管(LED)控制系统10的一部分的示例 性实施方式。系统10包括电荷泵控制器19,其将负载电流16的值控 制到基本恒定的值，而没有调节由控制器19形成的输出电压的值。 系统10—般包括向控制器19供电的DC电压源，例如电池ll。控制 器19在电压输入12和电压返回13之间接收功率，并在输出54上提 供电流16以及输出电压。控制器19可被称为DC/DC变换器。控制 器19在感测输入55上接收表示电流16的值的感测信号，并响应性 地将电流16的值控制为基本恒定的，以便精确地控制由LED17发出的光的量。在优选实施方式中，感测信号主要被理解为基本等于电流
16的值的电流并具有电压。在其它实施方式中，感测信号可被理解为 电压并可具有表示电流16的值的其它值。
控制器19 一般包括电流控制器30、开关矩阵或开关阵列25、振 荡器26和模式控制逻辑27。开关阵列25 —般包括连接到多个电容器 15的多个晶体管。开关阵列25交替地给电容器15充电和放电，并将 电容器15连接在各种配置中以在输出54上形成输出电压并提供电流 16。阵列25 —般配置电容器15以使输出电压形成为在输入12和返 回13之间接收的电压的值的倍数。电容器15通常在形成控制器30 或控制器19的半导体管芯的外部。振荡器26提供在阵列25的工作 期间使用的时钟信号。模式控制逻辑27接收在节点23形成的模式控 制信号，并向阵列25提供控制阵列25工作的配置或状态的信号。在 优选实施方式中，阵列25配置成在至少l.OX、 1.3X、 1.5X或2.0X乘
法器模式中工作。能够在这些不同的模式中工作的开关阵列对本领域 的技术人员来讲是公知的。
控制器30配置成响应于基本等于第一值的在输入55上的感测信 号的值而迫使节点23上的模式控制信号为第一状态，例如高，以及 响应于小于所述第一值的感测信号的值而迫使模式控制信号为第二 状态，例如低。低模式控制信号使逻辑27改变控制信号并将阵列25 的工作状态改变到下一较高的乘法器模式，以便增加输出电压的值， 使得电流16可被控制成保持基本恒定。如果在改变到阵列25的新的 乘法器模式之后，感测信号增加到基本等于第一值的值，则模式控制 信号变高且阵列25保持在新的乘法器模式中。
控制器30在输入12和返回13之间接收用于操作控制器30的工 作电压。控制器30包括提供第一参考电流的第一电流源40、提供第 二参考电流的第二电流源31、实现为晶体管36的输出设备、实现为 晶体管35的参考设备、实现为晶体管21的开关、下拉电阻器22、以 及电流镜，该电流镜包括实现为晶体管43的电流镜输入设备和实现 为晶体管34的电流镜输出设备。
7在工作中且如果电池11的电压足以提供电流16，则阵列25设 置到乘法器模式例如1.0X乘法器模式，并提供电流16和基本等于电 池ll的值的输出电压。LED17使来自电池11的电压下降一些，且电 池11的剩余电压作为输入电压被施加到输入55。控制器30还在输入 55上接收电流16。电流源40和31形成基本等值的相应的笫一和第 二参考电流41和32。因为晶体管43连接成二极管接法，所以晶体管 43工作在晶体管43的特征曲线的饱和区内，且电流41流经晶体管 43以形成晶体管43的栅极到源极电压(Vgs)。由于电流32和41 的基本相等的值以及晶体管43和34的电流镜配置，电流32迫使晶 体管34的Vgs基本等于晶体管43的Vgs，因此，晶体管34的源极 电压跟随(follow)并基本等于晶体管43的源极电压，而晶体管43的源 极电压基本等于输入55上的输入电压。这样，晶体管34和43的电 流镜在节点38上形成参考电压，该参考电压相对于返回13的电势与 输入55上的输入电压相对于返回13的电势相同。这4吏晶体管35的 漏极到源极电压(Vds)基本等于晶体管36的Vds。晶体管35和36 的栅极连接到晶体管34的漏极，因此，晶体管34和35的Vgs相等。 只要电池11的电压大于LED17两端的正向电压降加上晶体管36的 Vds(sat)，晶体管35的Vgs就近似处在晶体管35的阈值电压，一 般小于约1.2伏。此低电压也被施加到节点33,因而施加到晶体管21 的栅极。低栅极电压使晶体管21导通，这将节点23基本拉到输入12 的电压。这向逻辑27施加逻辑高信号。高模式控制信号保持阵列工 作在当前的乘法器模式中。
因为晶体管35和36的Vds和Vgs电压基本相等，所述通过晶 体管36的电流被迫等于通过晶体管35的电流乘两个晶体管之间的有 效面积(active area)比。在优选实施方式中，有效面积比为1:1000， 且晶体管35和36起电流镜的作用，即通过晶体管36的电流由晶体 管35控制为大约1000倍于流经晶体管35的电流32的值。通过晶体 管36的电流等于电流41加上电流16。因为电流41等于电流32,所 以电流16大约等于999倍的电流32的值。本领域的4支术人员应认识到，有效面积比可不同于1:1000，只要比率大于1:1。
因为晶体管35和36的Vds和Vgs基本相等，通过晶体管36的 电流的值基本与输入55上的电压的值无关。因为晶体管35和36的 栅极连接到晶体管34的漏极，所以晶体管35和36的Vgs可从大约 等于晶体管35的阈值电压(VT)的低值自由地变化到近似为输入12 上的输入电压减去电流源31的Vds (sat)所得值的上限。Vds (sat) 通常被认为是为了承载需要流经该设备的电流，该设备两端所需的最 小电压。因为晶体管35和36的Vgs可以在这样的范围内自由地变化， 所以晶体管35和36的电流镜可在工作在晶体管35和36的特征曲线 的饱和区与工作在这些特征曲线的线性区之间变化。例如，如果输入 55上的输入电压低于晶体管36的Vds(sat),例如电池11的电压低， 则晶体管35和36可工作在线性区内，且如果输入55上的输入电压 高于晶体管36的Vds (sat)，则晶体管35和36可工作在饱和区内。 因此，即使输入55上的电压的值接近于零，控制器30仍可提供通过 输入55的基本恒定的电流，而不用考虑晶体管35和36是否工作在 线性区还是或工作在饱和工作区内。
当系统10继续工作时，电流16最终使电池11的电压降低。当 电池ll的电压降低时，控制器30保持电流16的值基本恒定，因此 输入55处的电压降低。节点38上的参考电压由于跟随输入电压因此 也降低。因为参考电压降低且因为电流32保持恒定，晶体管35的 Vgs必须增加，这也增加了节点33上的电压。增加节点33上的电压 使施加到晶体管21的栅极电压增加。如果电池11的电压降得足够低， 使输入55上的电压降低到小于电流控制器30的Vds (sat)的值，则 控制器30就不能将电流16控制到基本恒定的值，由此电流16的值 降低。当节点33增加而超过晶体管21的阈值电压时，电流16也降 低到第一值，晶体管21截止，且电阻器22将节点23上的电压基本 拉到返回13的电压，从而迫使模式控制信号为低。控制器30的Vds (sat)通常被理解为为了承载需要流经该设备的电流而在节点44所 需的最小电压。如从上述描述中可看到的，控制器30的Vds (sat)小于晶体管35的Vds (sat),这提高了整个系统的效率。逻辑27接 收低模式控制信号，并改变阵列25的工作状态以工作在下一较高的 乘法器模式中。在此示例性解释中，逻辑27改变控制信号以控制阵 列25从工作在l.OX乘法器模式中转换并工作在1.3X乘法器模式中。 在此模式中，阵列25使输出电压形成为大约1.3倍于从电池11接收 的电压的值。如果节点23上的模式控制信号保持低，则逻辑27可改 变控制信号以使阵列25工作在下一更高的乘法器模式中，例如1.5X 乘法器模式。 一般来说，来自输出54的较高的电压增加了电流16的 值以及在输入55上接收的电压的值，且相应的电压在节点38上形成。 在节点38上较高的电压降低了晶体管35的Vgs和晶体管21的栅极 上的相应的电压，从而再次使晶体管21导通，从而迫使模式控制信 号为高。
如果电池11的电压的值增加，例如电池被充电，则逻辑27配置 成改变阵列25的工作模式。在阵列25工作期间的某个时间，例如工 作在乘法器模式N (例如2X)中，逻辑27将阵列25的工作模式减 小到下一较低的乘法器模式，例如乘法器模式N-1 (例如1.3X)。如 果电池ll的电压增加了，则模式控制信号可保持高，则逻辑27保持 阵列25工作在那个乘法器模式，即乘法器模式N-1 (例如1.3X)中。 如果模式控制信号变低，则逻辑27将工作模式增加到下一较高的乘 法器模式，例如乘法器模式N (例如2X)。逻辑27可以某个固定频 率，例如每一毫秒(lmsec) —次，操作此模式减小算法。
本领域的4支术人员应认识到，目标是配置电流源31和40以及晶 体管34-36和43，以便电流16保持基本恒定。然而，正如在本领域 中公知的，总是存在阻止电流为完全地恒定的微小变化。在本领域中 完全确认，最高至约10%的变化被认为是偏离完全地恒定的理想目标 的合理变化。
为了有助于实现控制器30的这项功能，晶体管43的漏极耦合成 从电流源40接收电流41。电流源40的第一端子耦合成从输入12接 收输入电压，而第二端子通常被连接到晶体管43的栅极和漏极以及晶体管34的栅极。晶体管43的源极和晶体管36的漏极耦合成从输 入55接收输入电压。输入55连接到晶体管43的源极和晶体管36的 漏极。晶体管36的源极连接成接收在电压返回13上的公共电压。晶 体管35的源极连接到返回13。晶体管35的栅极连接到晶体管36的 栅极并连接成接收电流32。晶体管35的漏极连接到晶体管34的源极。 晶体管34的漏极通常被连接到电流源31的第一端子、晶体管21的 栅极和晶体管35的栅极。源31的第二端子连接到源40的第一端子。 晶体管21的源极连接到输入12。晶体管21的漏极连接到电阻器22 的第一端子和逻辑27的模式控制输入。电阻器22的第二端子连接到 返回13。
图2简要示出发光二极管(LED)控制系统60的一部分的示例 性实施方式，其为在图1的描述中说明的系统10的可选实施方式。 系统60包括电荷泵控制器61,其为在图1的描述中说明的控制器19 的可选实施方式。控制器61包括比较器63，其形成在图1的描述中 说明的模式控制信号。比较器63接收来自输入55的感测信号和来自 参考62的参考信号。比较器响应于在输入55上接收的大于第一值的 电压而迫使模式控制信号高，并响应于输入55上的不大于第一值的 电压而迫使模式控制信号低。因此，来自参考62的信号的值形成所 述第一值，且控制器61将负载电流16的值控制为基本恒定的值，而 不调节由控制器61形成的输出电压的值。
图3简要示出在半导体管芯51上形成的半导体器件或集成电路 50的实施方式的一部分的放大平面图。控制器30或控制器61在管芯 51上形成。管芯51还可包括在图3中为制图简单而没有示出的其它 电路。控制器30或控制器61以及器件或集成电路50通过半导体制 造技术在管芯51上形成，这些技术对本领域的技术人员来讲是公知 的。
鉴于上述全部内容，显然公开的是一种新的器件和方法。连同其 它特征包括的是使用一种控制器，该控制器控制通过LED的负载电 流的值，而不调节由控制器形成的电压的值。控制电流而不控制电压便于形成较小的半导体管芯，从而减少控制器的成本。在一个实施方 式中，控制器配置成使用两个电流源来形成通过第 一 电流镜的电流，
并使用第一电流镜来控制第二电流镜的Vds。将第一电流镜配置成工 作在饱和区内有助于控制第二电流镜的Vds。将第二电流镜耦合成工 作在线性区或饱和区内有助于允许电流源工作在输入电压的低值处， 该输入电压在电流源的电流输出上被接收。此外，使晶体管35和36 形成有相同的Vds和Vgs便于晶体管35和36的电流镜工作在线性或 饱和区内。因此，对于小于第一值的电流16的值，控制器30将电流 16的值控制为基本恒定的，并形成控制信号以响应于电流16的第一 值而设置矩阵25的工作模式。
虽然本发明的主题是用特定的优选实施方式来描述的，但显然对 半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是明显的。例如，电阻器 22可为电流源或晶体管21和电阻器22可为模拟比较器或数字反相器 (inverter)。此外，为描述清楚而始终使用"连接"这个词，但是， 其被规定为与词"耦合"具有相同的含义。相应地，"连接"应被解释为 包括直接连接或间接连接。
权利要求
1. 一种电荷泵控制器，包括开关矩阵，其具有多个开关配置模式，所述开关矩阵被配置成接收输入电压并形成作为所述输入电压的倍数的输出电压，并被配置成向负载提供所述输出电压和负载电流；以及电流控制器，其被配置成接收表示所述负载电流的感测信号，并响应于所述负载电流的第一值而形成模式控制信号，以设置所述开关矩阵的工作模式。
2. 如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电流控制器包 括第 一参考电流发生器和第二参考电流发生器，所述第 一参考电流发 生器和所述第二参考电流发生器被配置成形成基本相等的第一参考 电流和第二参考电流。
3. 如权利要求2所述的电荷泵控制器，其中所述电流控制器被 配置成对于小于所述负载电流的所述第一值的所述负载电流的值，将 所述负载电流的值控制成与所述第一参考电流或所述第二参考电流 之一成比例。
4. 如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电流控制器不 具有被耦合为比较器的运算放大器。
5. 如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电流控制器包括第一输入设备，其被配置成接收第一参考电流， 第二输入设备，其可操作地耦合成接收基本等于所述第一参考电流的第二参考电流，并响应性地控制所述第一输入设备以形成参考电压。
6. 如权利要求5所述的电荷泵控制器，进一步包括参考设备， 所述参考设备可操作地耦合成接收所述参考电压和所述第 一参考电 流，并响应性地控制输出设备以形成与所述第 一参考电流成比例的输 出电流。
7. 如权利要求6所述的电荷泵控制器，其中所述第一输入设备 包括第一晶体管，所述第一晶体管具有耦合成接收所述第一参考电流 的笫一栽流电极、耦合成提供所述参考电压的第二栽流电极、以及控 制电极。
8. 如权利要求7所述的电荷泵控制器，其中所述第二输入设备 包括第二晶体管，所述第二晶体管具有耦合成接收所述第二参考电流 的第一载流电极、耦合成接收所述感测信号的第二载流电极、以及耦 合到所述第一晶体管的所述控制电极和所述第二晶体管的所述第一 载流电极的控制电极。
9. 如权利要求8所述的电荷泵控制器，其中所述参考设备包括 第三晶体管，所述第三晶体管具有耦合成接收所述参考电压的第 一载 流电极、耦合到所述第一晶体管的所述第一载流电极的控制电极、以 及第二载流电极，且其中所述输出设备包括第四晶体管，所述第四晶 体管具有耦合成接收所述感测信号的第一载流电极、耦合到所述第三 晶体管的所述控制电极的控制电极、以及耦合到所述第三晶体管的所 述第二载流电极的第二载流电极。
10. 如权利要求l所述的电荷泵控制器，其中所述电流控制器被 配置成控制流经发光二极管的负载电流。
11. 一种形成电流控制器的方法，包括配置所述电流控制器以接收表示负载电流的感测信号，其中所述 感测信号具有第一电压，并且所述电流控制器响应性地控制所述负载 电流的值，而不将所述第一电压调节到基本恒定的值。
12. 如权利要求11所述的方法，进一步包括配置所述电流控制 器以提供模式控制信号，所述模式控制信号对于小于第一值的所述负 载电流的值具有第一状态，而对于基本等于所述第一值的所述负载电 流的值具有第二状态。
13. 如权利要求11所述的方法，进一步包括耦合所述电流控制 器以控制开关矩阵的模式，其中所述开关矩阵具有多个开关配置模 式，其中所述开关矩阵被配置成接收输入电压并形成是所述输入电压的倍数的输出电压，并被配置成向负载提供所述负栽电流和输出电 压。
14. 如权利要求11所述的方法，进一步包括配置所述电流控制 器，以形成第 一参考电流和第二参考电流并将所述负栽电流控制成与 所述第 一参考电流或所述第二参考电流之一成比例。
15. 如权利要求14所述的方法，进一步包括耦合第一晶体管以 接收所述第 一参考电流并形成跟随所述第 一 电压的参考电压。
16. 如权利要求15所述的方法，进一步包括耦合第二晶体管以 接收所述第二参考电流并接收所述感测信号和控制所述第一晶体管 以形成所述参考电压。
17. 如权利要求16所述的方法，进一步包括耦合第三晶体管以 接收所述第一参考电流和所述参考电压并响应性地控制第四晶体管 以将所述负载电流控制到基本恒定的值。
全文摘要
电荷泵控制器(19)包括开关矩阵(25)，其具有多个开关配置模式，开关矩阵(25)配置成接收输入电压并形成作为输入电压的倍数的输出电压，以及配置成向负载(17)提供输出电压和负载电流(16)；以及电流控制器(30)，其配置成接收表示电流(16)的感测信号(44)并形成模式控制信号(23)以响应于负载电流(16)的第一值而设置开关矩阵的工作模式。
文档编号H02M3/07GK101449452SQ200680054742
公开日2009年6月3日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者H·乔乌依 申请人:半导体元件工业有限责任公司