專利名稱：金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路，尤其涉 及一種隨溫度、源/漏極壓差調整電流限制的金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電 壓轉換電路。
背景技術：
半導體元件均有其安全工作區域(Safe Operating Area ；簡稱為S0A)，若半導體 元件在應用時或因電路設計不當，使半導體元件工作在安全工作區域以外，就有可能使半 導體元件的可靠度下降，甚至造成損壞。安全工作區域一般由半導體元件所能承受的最大 電流、最大功率及最大電壓來決定。圖1為現有技術中N型金氧半導體的理想(即，在特定 條件下量測得到)與實際安全工作區域的示意圖。如圖1所示，圖1中虛線部分為理想的 安全工作區域，其中，縱坐標反映了 Id(漏極電流)的大小，橫坐標反映了 Vds(漏極與源極 的電壓差)的大小。然而實際上會因為使用環境的不同，使半導體元件在電學以及熱學上 的效應縮小成實線部分的安全工作區域。圖2為N型金氧半導體的剖面示意圖。如圖2所示，在源極S、漏極D為η型摻雜， 而柵極G下方相鄰二氧化硅(圖2中斜線區域)層下方及基底B為ρ型摻雜。因此，形成 一寄生雙極晶體管BJT (Bipolar JimctionTransistor)。一般而言，為了避免寄生雙極晶體 管BJT的作用而影響N型金氧半導體的特性，N型金氧半導體的基底B與源極S會連接而 共電位，使雙極晶體管BJT的基極與發射極在共電位的情況下無法作用。當N型金氧半導體的柵極G電壓上升超過閾值電壓(Threshold Voltage)后，N 型金氧半導體導通，柵極G下方的ρ型摻雜區會形成通道，使電子由源極S經通道到漏極 D而形成電流IDS。當漏極D的電壓上升致使接近漏極D部分的通道消失而出現通道夾止 (pinch-off)，電子由通道末端注入通道夾止區域后會因電場而再被吸入到漏極D。此時N 型金氧半導體進入飽和狀態，電流IDS不再隨漏極D電壓的上升增加而是維持在一較穩定 的電流值。因此，在正常操作下，當N型金氧半導體導通時，漏極電流ID經漏極D進入，經 柵極G下方的通道(電流IDS)后由源極S流出形成源極電流IS。若這些電子的能量太高而成為熱電子，會在注入通道的夾止區時因碰撞硅原子而 產生電子空穴對，碰撞產生的電子因電場作用而流至漏極D而成為寄生雙極晶體管BJT的 集電極電流IC，碰撞產生的空穴也因電場作用而分別流至基底B形成雙極晶體管BJT的基 極電流IB及N型金氧半導體的一漏電流Isub及流至源極S形成一源極電流IS的一部份。 漏電流Isub流經寄生雙極晶體管BJT的基極Bb至N型金氧半導體的基底B時，因基底電 阻Rsub而形成壓降。當漏極D電壓再往上升時，因熱電子碰撞硅原子所產生的電子空穴對同時上升， 使漏電流Isub也隨之上升。最后，當漏電流Isub流經基底電阻Rsub時形成的壓降達到導 通電壓時，寄生雙極晶體管BJT開始作用。部分電子由源極S進入寄生雙極晶體管BJT而 形成發射極電流IE，并經寄生雙極晶體管BJT而流至漏極D，使流經漏極D及源極S間的電流增大。進入寄生雙極晶體管BJT的電子再因碰撞而產生更多的電子空穴對而進一步增大 漏極D及源極S間的電流，形成一種正反饋機制，最后造成N型金氧半導體的雪崩現象。接著，當雪崩現象發生后，大量電子流經寄生雙極晶體管BJT而產生熱，進一步使 寄生雙極晶體管BJT的導通電壓下降而導通更多電流。由于電子流經寄生雙極晶體管BJT 時并不均勻，使溫度分布不平均。溫度較高的區域有較低的阻值使電子集中流經此處，電子 流的集中使此區域溫度上升的速度更快，最后使半導體元件燒毀。根據上述，當電子產品尤其是功率元件因使用環境的不同造成的內部半導體元件 的安全工作區域的縮減，容易造成產品超過工作安全區域而損壞，使產品可靠度下降，進而 影響產品的安全。
發明內容
本發明的目的是提供一種金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電 路，通過偵測流經半導體元件的電壓及溫度，調整半導體元件的電流限制值，確保半導體元 件工作在安全工作區域，解決現有技術中的因半導體元件的安全工作區域的縮減所造成的 產品可靠度下降及產品安全上的疑慮問題。為實現上述目的，本發明提供了一種金氧半導體電流限制電路，包括一金氧半導 體驅動單元以及一電流限制單元。金氧半導體驅動單元連接一金氧半導體以控制金氧半導 體的狀態。電流限制單元用以將流經金氧半導體的一電流限制于一電流限制值之內，其中 電流限制值根據該金氧半導體的漏/源極的一電壓差而調整。本發明提供了一種具有電流限制的線性穩壓器，包括一金氧半導體單元、一電壓 反饋單元、一驅動單元、一電壓偵測單元以及一電流限制單元。金氧半導體單元連接一輸入 電壓以根據一控制信號產生一輸出電壓。電壓反饋單元用以偵測輸出電壓以產生一電壓反 饋信號。驅動單元根據電壓反饋信號產生控制信號使輸出電壓穩定于一預定輸出電壓值。 電壓偵測單元根據輸入電壓產生一電壓偵測信號。電流限制單元控制驅動單元，使流經金 氧半導體單元的一電流限制于一電流限制值之內，其中電流限制值根據電壓偵測信號而調整。本發明同時也提供了一種具有電流限制的電壓轉換電路，包括一轉換電路、一電 壓反饋單元、一金氧半導體單元以及一控制單元。轉換電路用以將一輸入電壓轉換成一輸 出電壓。電壓反饋單元用以偵測輸出電壓以產生一電壓反饋信號。金氧半導體單元連接轉 換電路。控制單元根據電壓反饋信號控制金氧半導體單元的切換，以決定由輸入電壓輸入 至轉換電路的電力大小并限制流經金氧半導體單元的電流于一電流限定值之內，其中電流 限制值根據控制單元或該金氧半導體單元的溫度而調整。本發明提供的金氧半導體電流限制電路及線性穩壓器、電壓轉換電路，通過偵測 流經半導體元件的電壓及溫度，調整半導體元件的電流限制值，確保了半導體元件工作在 安全工作區域，避免了金氧半導體可能的損壞并提高了產品的可靠度。以上的概述與接下來的詳細說明均為示范性質，是為了進一步說明本發明的申請 專利范圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在后續的說明與圖示加以闡述。
圖1為現有技術中N型金氧半導體的理想與實際安全工作區域的示意圖；圖2為N型金氧半導體的剖面示意圖；圖3為本發明一第一較佳實施例的具有電流限制的電壓轉換電路的結構示意圖；圖4為本發明一第二佳實施例的具有電流限制的電壓轉換電路的結構示意圖；圖5為本發明的電流限制值隨溫度、漏/源極電壓差變化的關系示意圖。主要元件符號說明S:源極；G 柵極；BJT:寄生雙極晶體管；IC:集電極電流；Rsub:基底電阻；IB 基極電流；ID 漏極電流100,200 控制單元；120,220 電流限制單元；140、240 溫度偵測單元；160:隔離單元；210 驅動單元；232 第一電壓偵測元件；236 啟動延遲元件；D 整流二極管；IDE 電流反饋單元；M1、M2 金氧半導體單元；Si、S2:控制信號；SLI:電流限制信號；Ta 溫度偵測信號；Vb:輸出電壓偵測信號；VFB 電壓反饋信號；VLI 電流限制參考信號；Vr 參考信號；IS 源極電流；TSS:啟動解除信號。
具體實施例方式圖3為本發明一第一較佳實施例的具有電流限制的電壓轉換電路的結構示意圖。 如圖3所示，在本實施例中，電壓轉換電路為一反激式(flyback)電壓轉換電路，其包括一 金氧半導體單元Ml、一電壓反饋單元VDE、一電流反饋單元IDE、一控制單元100、一隔離單 元160以及一轉換電路170。轉換電路170包括一變壓器T、一整流二極管D、一輸出電容C，
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D 漏極； B 基底； IDS 電流； Bb 基極； Isub 漏電流； IE:發射極電流； IS 源極電流 110 反饋單元； 125 比較器； 150 驅動單元； 170 轉換電路； 230 電壓偵測單元； 234:第二電壓偵測元件； C:輸出電容； I 電流源； IFB:電流反饋信號； RAD 電流限制電阻； SFB 反饋控制信號； T 變壓器； Va:電壓偵測測信號； VDE 電壓反饋單元； VIN:輸入電壓； VOUT 輸出電壓； EN:啟動信號； IDE’ 電流偵測信號；用以將輸入電壓的電力轉換成一輸出電壓V0UT。變壓器T的初級側連接一輸入電壓VIN，在 次級側經整流二極管D整流后產生一輸出電壓V0UT。輸出電容C連接變壓器T的次級側以 穩定輸出電壓VOUT的電壓值。電壓反饋單元VDE連接變壓器T的次級側，以偵測輸出電壓 VOUT并經隔離單元160的隔離作用產生一電壓反饋信號VFB。隔離單元160主要作用是隔 離變壓器T的初級側及次級側，使電壓轉換電路符合安全要求，在一些應用環境下可省略。 金氧半導體單元Ml連接變壓器T的初級側，根據一控制信號Sl進行切換來控制經變壓器 T的初級側傳送至次級側的電力，在本實施例中，金氧半導體單元Ml為一 N型金氧半導體。 電流反饋單元IDE連接金氧半導體單元M1，以偵測流經金氧半導體單元Ml的電流而產生一 電流反饋信號IFB。控制單元100包括一反饋單元110、一電流限制單元120、一溫度偵測單元140以 及一驅動單元150，以根據電流反饋信號IFB、電壓反饋信號VFB來產生控制信號Sl來控 制金氧半導體單元Ml的操作。反饋單元110連接電壓反饋單元VDE，以根據電壓反饋信號 VFB產生一反饋控制信號SFB至驅動單元150。溫度偵測單元140偵測金氧半導體單元Ml 的溫度以產生一溫度偵測信號Ta。電流限制單元120接收溫度偵測信號Ta并據此控制一 電流源I的電流大小，使電流源I的電流大小隨溫度的上升而變小。電流源I的電流流經 一電流限制電阻RAD后產生一電流限制參考信號VLI至電流限制單元120中的比較器125 的反向輸入端，而比較器125的非反向輸入端則接收電流反饋信號IFB，并在輸出端產生一 電流限制信號SLI至驅動單元150。驅動單元150根據反饋控制信號SFB及電流限制信號 SLI，使輸出電壓VOUT穩定于一預定輸出電壓值附近，且限制流經金氧半導體單元Ml的最 大電流值不超過一電流限制值。當金氧半導體單元Ml的溫度上升時，電流源I的電流大小下降而使電流限制參考 信號VLI的基準下降，從而往下調整金氧半導體單元Ml的電流限制值，以確保在溫度升高 的情況下，金氧半導體單元Ml也能工作在安全工作區域而避免燒毀。在實際應用上，溫度偵測單元140可以偵測控制單元100的溫度來代替直接偵測 金氧半導體單元Ml的溫度以產生溫度偵測信號Ta。若金氧半導體單元Ml為外部元件，但 一般的電路設計，控制單元100和金氧半導體單元Ml會在同一系統內，故系統內的各元件 (包含控制單元100和金氧半導體單元Ml)間的溫度會有一溫度差，而原則上溫度差變化不 會太大。也就是說，控制單元100和金氧半導體單元Ml的溫度間有一偏移量，只要對偵測 控制單元100的溫度進行偏移修正即可間接得到金氧半導體單元Ml的溫度。而若金氧半 導體單元Ml與控制單元100為同一晶片或同一封裝下，金氧半導體單元Ml的溫度與控制 單元100的溫度間的溫度差會更小也更為穩定，故也可以以偏移修正方式得到金氧半導體 單元Ml的溫度。另外，電流限制電阻RAD可以外接，以配合不同金氧半導體單元Ml來調整電流限 制值。圖4為本發明一第二較佳實施例的具有電流限制的電壓轉換電路的結構示意圖。 如圖4所示，在本實施例中，電壓轉換電路為一線性穩壓器(LinearDropout Regulator ；簡 稱為LD0)，包含一金氧半導體單元M2、一輸出電容C、一電壓反饋單元VDE以及一控制單元 200。電壓反饋單元VDE連接輸出電壓VOUT以產生一電壓反饋信號VFB。在本實施例，金氧 半導體單元M2為一 N型金氧半導體，一端連接一輸入電壓VIN，而控制單元200根據電壓反饋信號Vra輸出控制信號S2來調整金氧半導體單元M2的等效電阻值，使金氧半導體單 元M2另一端輸出一輸出電壓VOUT并穩定于一預定輸出電壓值。輸出電容C連接輸出電壓 VOUT,以濾除輸出電壓VOUT上高頻雜波。控制單元200包含一驅動單元210、一電流限制單元220、一電壓偵測單元230以 及一溫度偵測單元240。驅動單元210包含一誤差放大器，其反向端接收電壓反饋信號VFB， 非反向端接收一參考信號Vr，并據此調整輸出的控制信號S2的基準，以調整金氧半導體單 元M2的等效電阻。電壓偵測單元230根據輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT及一啟動信號EN 產生一電壓偵測信號Va。溫度偵測單元240偵測金氧半導體單元M2 (或者控制單元200) 的溫度以產生一溫度偵測信號Ta。電流限制單元220接收代表金氧半導體單元M2的電流 大小的一電流偵測信號IDE’，并根據電壓偵測信號Va及溫度偵測信號Ta產生電流限制信 號SLI至驅動單元210。電壓偵測單元230包括一第一電壓偵測元件232、一第二電壓偵測元件234以及 一啟動延遲元件236。第一電壓偵測元件根據輸出電壓VOUT產生一輸出電壓偵測信號Vb。 第二電壓偵測元件根據輸出電壓偵測信號Vb及輸入電壓VIN產生電壓偵測信號Va至電流 限制單元220。當輸入電壓VIN上升、輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT的電壓差(即金氧半 導體單元M2的漏/源極間的電壓差)上升時，降低預定電流限制值，以確保金氧半導體單 元M2工作于安全工作區域。另外，啟動過程或者重啟動過程，輸出電壓VOUT由零開始上升，此時輸入電壓VIN 與輸出電壓VOUT的電壓差最大，造成預定電流限制值在漏/源極間電壓差的基礎上有最大 的減幅，隨著輸出電壓VOUT逐漸上升至穩定的過程，輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT的電壓 差逐漸縮小，使預定電流限制值逐漸上升。此過程同時提供了類似軟啟動的作用。但是，對 于某些電路應用上的要求，在啟動或重新啟動時需盡快將輸出電壓VOUT提升至預定的輸 出電壓值上，此時降低電流限制值反而不符合電路需求。因此，在本實施例中，電流限制單 元220在啟動后的預定時間長度內不根據輸出電壓來調整預定電流限制值。這樣，在電路 啟動或重新啟動后的預定時間長度內不隨輸出電壓VOUT的變動而調整預定電流限制值， 可縮短輸出電壓VOUT穩定所需的時間。因此，當流經金氧半導體單元M2的電流到達一預定電流限制值時，電流限制單元 220產生一電流限制信號SLI至驅動單元210以控制金氧半導體單元M2的電流在預定電流 限制值之內。而電流限制單元220會根據電壓偵測信號Va及溫度偵測信號Ta來調整上述 的預定電流限制值，使溫度、輸入電壓VIN或/和金氧半導體單元M2的漏/源極間的電壓 差上升時預定電流限制值會隨之下降。圖5為本發明的電流限制值隨溫度、漏/源極電壓差變化的關系示意圖，如圖5所 示，其中縱軸為金氧半導體的電流，橫軸為溫度或電壓差。虛線a為一種可能的電流限制值 調整方法，電流限制值會隨溫度或電壓差上升而成階梯狀向下調整，實線b為另一種可能 的電流限制值調整方法，電流限制值會隨溫度或電壓差上升而成線性向下調整。因此，本發明會隨著溫度或金氧半導體的漏/源極電壓差上升而調低電流限制 值，可確保金氧半導體在任何環境下均可以工作在安全工作區域，避免金氧半導體可能的 損壞并提高產品的可靠度。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依 然可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修 改后的技術方案脫離本發明技術方案的精神和范圍。
權利要求
一種金氧半導體電流限制電路，其特征在于，其包括一金氧半導體驅動單元，連接一金氧半導體以控制所述金氧半導體的狀態；以及一電流限制單元，用以將流經所述金氧半導體的一電流限制于一電流限制值之內，其中所述電流限制值根據所述金氧半導體的漏/源極的一電壓差進行調整。
2.根據權利要求1所述的金氧半導體電流限制電路，其特征在于，還包括一溫度偵測 單元，用以偵測所述金氧半導體驅動單元或所述金氧半導體的一溫度而產生一溫度偵測信 號，所述電流限制值還可以根據所述溫度偵測信號進行調整。
3.根據權利要求2所述的金氧半導體電流限制電路，其特征在于，所述電流限制值隨 所述溫度的上升而以線性或階梯狀下降。
4.根據權利要求1所述的金氧半導體電流限制電路，其特征在于，所述電流限制值隨 所述電壓差上升而以線性或階梯狀下降。
5.一種具有電流限制的線性穩壓器，其特征在于，其包括一金氧半導體單元，連接一輸入電壓以根據一控制信號產生一輸出電壓； 一電壓反饋單元，用以偵測所述輸出電壓以產生一電壓反饋信號； 一驅動單元，用以根據所述電壓反饋信號產生所述控制信號使所述輸出電壓穩定于一 預定輸出電壓值；一電壓偵測單元，根據所述輸入電壓產生一電壓偵測信號；以及 一電流限制單元，用以控制所述驅動單元使所述金氧半導體單元的一電流限制于一電 流限制值之內，其中所述電流限制值根據所述電壓偵測信號進行調整。
6.根據權利要求5所述的具有電流限制的線性穩壓器，其特征在于，還包括一溫度偵 測單元，用以偵測所述金氧半導體單元的一溫度而產生一溫度偵測信號，所述電流限制值 還可以根據所述溫度偵測信號進行調整。
7.根據權利要求5所述的具有電流限制的線性穩壓器，其特征在于，所述電壓偵測單 元還可以根據所述輸出電壓以產生所述電壓偵測信號。
8.根據權利要求7所述的具有電流限制的線性穩壓器，其特征在于，所述電流限制值 在啟動或重新啟動的一預定時間長度內不隨所述輸出電壓調整。
9.根據權利要求5至8任一權利要求所述的具有電流限制的線性穩壓器，其特征在于， 所述電流限制值以線性或階梯狀下降。
10.一種具有電流限制的電壓轉換電路，其特征在于，其包括 一轉換電路，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓；一電壓反饋單元，用以偵測所述輸出電壓以產生一電壓反饋信號； 一金氧半導體單元，連接所述轉換電路；以及一控制單元，根據所述電壓反饋信號控制所述金氧半導體單元的切換，以決定由所述 輸入電壓輸入至所述轉換電路的電力大小并限制流經所述金氧半導體單元的電流于一電 流限制值之內，其中所述電流限制值根據所述控制單元或所述金氧半導體單元的溫度進行調整。
11.根據權利要求10所述的具有電流限制的電壓轉換電路，其特征在于，所述控制單 元包括一驅動單元，用以根據所述電壓反饋信號產生一控制信號使所述輸出電壓穩定于一預定輸出電壓值；一溫度偵測單元，用以偵測所述控制單元或所述金氧半導體單元的一溫度而產生一溫 度偵測信號；以及一電流限制單元，連接所述驅動單元，并根據所接收的代表流經所述金氧半導體單元 的電流的一電流偵測信號控制所述驅動單元，使流經所述金氧半導體單元的一電流限制于 一電流限制值之內，其中所述電流限制值根據所述溫度偵測信號進行調整。
12.根據權利要求11所述的具有電流限制的電壓轉換電路，其特征在于，所述電流限 制值以線性或階梯狀下降。
全文摘要
本發明涉及一種會隨著溫度或金氧半導體的漏/源極電壓差而調整金氧半導體的電流限制值的金氧半導體電流限制電路、線性穩壓器及電壓轉換電路，可確保金氧半導體在任何環境下均可以工作在安全工作區域，避免金氧半導體可能的毀損并提高其可靠度。
文檔編號H02H9/02GK101964517SQ20091014039
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者余仲哲, 劉中唯, 徐獻松, 李立民 申請人:登豐微電子股份有限公司