具有輸出均流的單片集成電路開關器件的制作方法

本申請主張于2015年10月5日在美國提交的第62/237,456號臨時專利申請和于2015年12月7日在美國提交的第14/961,659號專利申請的優先權和權益，并在此包含了前述專利申請的全部內容。

技術領域

本發明的實施例涉及集成電路，特別地，涉及用于電子設備的開關器件。

背景技術：

開關器件用于電子設備中以將供電電源與其負載接通或者斷開。這些開關器件的典型應用包括可移動電路板(例如：擴充板)、熱插拔存儲設備以及其它涉及將供電電源與其負載接通或者斷開的應用。用于這些應用的典型開關器件具有第一端和與該第一端相對的第二端，其第一端連接至供電電源，其第二端連接至負載。舉個具體例子，這種開關器件可以用于允許熱插拔磁盤驅動器(本例中的負載)從磁盤驅動托架或者母板接收供電。該開關器件可以采用功率晶體管實現。功率晶體管的柵極可以耦接電容器。該電容器在啟動過程中被充電，一旦充電完成則該電容器使該功率晶體管保持導通以允許負載從供電電源接收供電電壓。

技術實現要素：

本發明的一個實施例提出了一種系統，包括第一單晶片集成電路開關器件，包含第一引腳、第二引腳和第一功率開關，該第一功率開關用于在該系統導通時將該第一單晶片集成電路開關器件的第一引腳耦接至其第二引腳；第二單晶片集成電路開關器件，包含第一引腳、第二引腳和第二功率開關，該第二功率開關用于在該系統導通時將該第二單晶片集成電路開關器件的第一引腳耦接至其第二引腳，并且該第二單晶片集成電路開關器件的第一引腳和第二引腳分別耦接至第一單晶片集成電路開關器件的第一引腳和第二引腳；該第二單晶片集成電路開關器件進一步包含均流電路，用于在該第二單晶片集成電路開關器件的輸出電流超過包含該第二單晶片集成電路開關器的多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件的總輸出電流的平均輸出電流時通過控制所述第二功率開關降低該第二單晶片集成電路開關器件的輸出電流。

本發明的另一實施例提出了一種包括多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件的系統。每個單晶片集成電路開關器件包含第一引腳、第二引腳和用于在該系統導通時將第一引腳耦接至第二引腳的功率開關。每個單晶片集成電路開關器件還可以包含均流電路，用于在該單晶片集成電路開關器件的輸出電流大于該多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件的總輸出電流的平均電流時降低該單晶片集成電路開關器件的輸出電流。

本發明的再一實施例提出了一種單晶片集成電路開關器件，包括：第一引腳，用于接收輸入電壓；第二引腳，用于耦接負載；功率開關，用于在該單晶片集成電路開關器件導通時將所述第一引腳耦接至所述第二引腳；和均流電路，用于在該單晶片集成電路開關器件的啟動過程中基于該單晶片集成電路開關器件的輸出電流與包含該單晶片集成電路開關器件的多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件的總輸出電流的平均輸出電流的相對大小控制所述功率開關。

本發明的又一實施例提出了一種方法，包括：在單晶片集成電路開關器件的第一引腳接收輸入電壓；響應于該單晶片集成電路開關器件從關斷切換至導通，將該輸入電壓通過功率開關輸送至該單晶片集成電路開關器件的第二引腳；將該單晶片集成電路開關器件的輸出電流與包含該單晶片集成電路開關器件的多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件的總輸出電流的平均輸出電流相比較；以及在該單晶片集成電路開關器件的輸出電流超過所述平均輸出電流時，降低該單晶片集成電路開關器件的輸出電流。

本發明公開的技術方案可以防止每個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件在系統啟動過程中吸取比其余開關器件過量的電流，使系統平穩啟動。

附圖說明

下面的附圖有助于更好地理解接下來對本發明實施例的描述。為簡明起見，不同附圖中相同或類似的組件或結構采用相同的附圖標記。

圖1示意出了根據本發明一實施例的用于將供電電源連接至負載的系統100的電路架構示意圖。

圖2示出了根據本公開一個實施例的單晶片集成電路開關器件103的電路架構示意圖。

圖3示意出了根據本發明一實施例的用于將供電電源連接至一個或多個負載的系統300的電路架構示意圖。

圖4示出了根據本公開一個實施例的開關器件103在獨立模式下的示意圖。

圖5示出了根據本公開一個實施例的開關器件103在啟動過程中的一組啟動時序波形示意圖。

圖6和圖7示出了根據本公開一個實施例的開關器件103在有功率限定以及軟啟動限流時的受控啟動波形示意圖。

圖8示出了根據本公開一個實施例的開關器件103無故障狀態下其功率開關導通/關斷切換控制波形示意圖。

圖9示出了根據本公開一個實施例的開關器件103的下拉模式控制波形示意圖。

圖10示出了根據本公開一個實施例的開關器件103據GOK引腳提供的故障指示控制功率開關的導通/關斷切換的波形示意圖。

圖11，示出了根據本公開一個實施例的單晶片集成電路開關器件405。

圖12示意出了單晶片集成電路開關器件405的更詳細電路示意圖。

圖13示出了根據本公開一個實施例的包含多個單片集成電路開關器件405的系統400的架構示意圖。

圖14示出了根據本公開一個實施例的系統410的架構示意圖。

圖15示出了根據本公開一個實施例的單晶片集成電路開關器件412的電路架構示意圖。

圖16示出了包含多個并聯耦接的開關器件的系統在沒有均流電路/均流措施時(例如圖13示意的系統)的仿真波形。

圖17示出了包含多個并聯耦接的開關器件的系統在有均流電路/均流措施時(例如圖14示意的系統)的仿真波形。

圖18示出了一種根據本公開一個實施例的操作包含開關器件的系統的方法的流程示意圖。

具體實施方式

在下面對本發明的詳細描述中，為了更好地理解本發明的實施例，描述了大量的電路、元件、方法等的具體細節。本領域技術人員將理解，即使缺少一些細節，本發明同樣可以實施。為清晰明了地闡述本發明，一些為本領域技術人員所熟知的細節在此不再贅述。

圖1示意出了根據本發明一實施例的用于將供電電源連接至負載的系統100的電路架構示意圖。在圖1示例中，系統100可以包括單晶片微控制器101和單晶片集成電路開關器件103。該開關器件103可以是“智能開關”，也就是說該開關器件103是可控的(例如可以由微控制器控制)，并且集成有用于驅動功率晶體管的驅動電路以及用于向微控制器提供開關和供電電源狀態的監測電路。

在圖1的示例性實施例中，開關器件103具有多個引腳，包括VIN引腳用于接收輸入供電電壓V_IN和VOUT引腳用于連接至負載。該開關器件103可以包括功率開關(參考圖2示意的開關201)，例如功率場效應晶體管(FET)。該功率開關可以具有耦接至VIN引腳的第一端(例如漏端)和耦接至VOUT引腳的第二端(例如源端)。該開關器件103還可以包括功率開關柵極驅動電路以驅動所述功率開關的柵極從而控制該功率開關以受控的方式進行導通和關斷切換。當該功率開關被導通，則該功率開關將VIN引腳接收的輸入供電電壓V_IN耦接至連接于VOUT引腳的負載。在圖1的示例中，輸入供電電壓V_IN示意為12V，提供60A的供電電流。然而本領域技術人員應該理解這僅僅是示例，系統100還可以被用于將其它提供不同電壓和電流的供電電源耦接至負載。

在圖1的示例中，開關器件103可以進一步具有GOK引腳，用于指示系統故障(例如：過溫故障、短路故障、功率開關短路故障等)；GND引腳，用于將開關器件103耦接至信號地；ON/PD引腳用于使能或不使能該開關器件103或者將該開關器件103置于下拉模式；D_OC引腳，用于提供數字過流指示信號；VTEMP引腳用于指示開關器件103的結溫度(例如，該單片集成電路的晶片溫度)；電流檢測(CS)引腳用于提供指示開關器件103的輸出電流量(例如，從輸出引腳VOUT流出的DC電流量)的指示信號；CLREF引腳，用于接收限流參考信號；GATE或SS引腳用于耦接電容以控制所述功率開關的導通斜率；VDD33引腳用于輸出內部(即單晶片集成電路開關器件103內部)的低壓差電壓調節器(LDO)輸出電壓。

在圖1的示例中，微控制器101可以包括智能開關控制電路102。該智能開關控制電路102包括多路轉換器(MUX)、模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)和控制及編程邏輯電路104(例如，固件、可編程邏輯)。該微控制器101可以基于開關器件103的狀態將其使能或者不使能。該微控制器101可以接收來自開關器件103的狀態指示信號(例如溫度指示信號、電流檢測指示信號、故障指示信號等)。該微控制器101可以采用任何通用微處理器或則其它單晶片處理器實現，具有集成的輸入/輸出引腳、可被配置固件、以及數據獲取或數據處理能力。該微處理器101是“通用的”可以指該微處理器并不需要專門針對所述開關器件103設計，而是可以包括通用的微處理器或微控制器元件，例如處理器和存儲器。優勢之一在于該開關器件103可以采用通用微控制器控制，而無需專門設計的外部控制器以提供該開關器件103與微控制器接口。該開關器件103可以直接由該微控制器101控制。

在圖1的示例中，微控制器101接收由開關器件103提供的狀態指示信號并且基于這些指示信號控制開關器件103工作。更具體地，開關器件103的CS引腳、IMON引腳、VTEMP引腳、D_OC引腳和GOK引腳可以耦接至微控制器101以允許該微控制器101從前述各引腳接收狀態指示信號并對這些指示信號進行處理。例如，該微控制器101可以從開關器件103的一個引腳(例如VTEMP引腳)接收一個狀態指示信號(例如結溫度指示信號)，并將該狀態指示信號送至模數轉換器以進行模數轉換，然后將該狀態指示信號的數字等效送至所述控制及編程邏輯電路104進行處理。該微控制器101也可以被耦接以采用類似的方式對輸入供電電壓V_IN和輸出電壓V_OUT進行檢測。具體地，該微控制器101可以在VINSEN引腳檢測輸入供電電壓V_IN并在VOSEN引腳檢測輸出電壓V_OUT，然后將檢測的輸入供電電壓V_IN或檢測的輸出電壓V_OUT經包括智能開關控制電路102中的MUX和ADC的通路送至所述控制及編程邏輯電路104進行處理。

在圖1的示例中，開關器件103的GOK引腳和D_OC引腳可以輸出數字狀態指示信號，由微控制器101的數字輸入引腳接收后送至控制及編程邏輯電路104進行處理。在一個實施例中，由開關器件103的GOK引腳和D_OC引腳輸出的狀態指示信號為數字信號，因而可以不經過模數轉換而由控制及編程邏輯電路104進行處理。

在圖1的示例中，微控制器101具有GOK引腳用于耦接至開關器件103的GOK引腳。來自開關器件103的GOK引腳的故障指示信號可以指示開關器件103是正常工作還是出現了故障。微控制器101從開關器件103的GOK引腳接收并處理該故障指示信號以控制開關器件103。例如，當故障信號指示開關器件103出現了故障時，微控制器101可以控制該開關器件103進入下拉模式或者將該開關器件103不使能。

在圖1的示例中，微控制器101具有ON/PD引腳用于耦接至開關器件103的ON/PD引腳。微控制器101可以通過向開關器件103的ON/PD引腳提供使能信號以控制開關器件103使能。在一個實施例中，當該使能信號在開關器件103的ON/PD引腳處生效時，開關器件103被使能，即可工作以將輸入供電電源耦接至負載。當該使能信號在開關器件103的ON/PD引腳處不生效時，開關器件103不使能，將輸入供電電源與負載斷開。在一個實施例中，當使能信號保持在設定的電平滿了設定的時間時，開關器件103恢復至下拉模式，在該下拉模式開關器件103將輸出電壓V_OUT下拉。

在圖1的示例中，控制及編程邏輯電路104可以被構建以獲取或決定軟啟動限流值。該控制及編程邏輯電路104還可以根據檢測的輸入供電電壓V_IN和輸出電壓V_OUT和/或者基于系統負載調節要求隨時調節該限流值。該限流值可以通過智能開關控制電路102中的數模轉換器轉換為模擬形式的限流參考信號或者被轉換器為數字編碼輸出之后再經分立元件轉換為模擬形式。微控制器101在CLREF引腳將限流參考信號(模擬形式或者數字形式的)輸出。開關器件103相應地在其CLREF引腳接收該限流參考信號。

在圖1的示例中，微控制器101從開關器件103接收兩個供電電流指示信號。第一供電電流指示信號可以是由開關電路103的CS引腳輸出的電流采樣信號。在一個實施例中，該電流采樣信號可以是正比于輸出電流的電流信號，可以用于均流及過流保護控制。第二供電電流指示信號可以是由開關電路103的IMON引腳輸出的電流監測信號。在一個實施例中，該電流監測信號可以是線性正比于輸出電流的電壓信號并且具有相對較小的幅值(例如，其幅值可以在OV到1.6V的范圍)。這使得該電流監測信號非常有助于該微控制器101準確探測流過開關器件103中的功率開關的電流量。

由于各種原因包括安全性、出問題的可能性及負載均衡等等，最好獲得開關器件103的結溫度。因此，在圖1的示例中，微控制器101還接收表征開關器件103的結溫度的溫度指示信號。在一個實施例中，由開關器件103的VTEMP引腳提供的溫度指示信號可以是正比于結溫度的電壓信號(例如，10mv/℃)。控制及編程邏輯電路104可以基于該結溫度指示信號將結溫度考慮在內以決定是否將開關器件103不使能、或觸發警報、或報告故障狀態等等。

圖2示出了根據本公開一個實施例的單晶片集成電路開關器件103的電路架構示意圖。在圖2的示例中，開關器件103的功率開關201被示意為功率場效應晶體管。電流采樣電路202用于采樣從VIN引腳流向VOUT引腳的電流。該電流采樣電路202在CS引腳輸出相應的電流采樣信號并在IMON引腳輸出相應的電流監測信號。尺寸遠小于功率開關201的晶體管203(例如：尺寸是功率開關201的1/10000的場效應晶體管)與該功率開關201并聯耦接用作電流采樣。電流采樣信號(例如為電壓信號)可以通過比較器204與電壓閾值(例如圖2中示意為1V)相比較以探測過流狀態，該過流狀態可以在D_OC引腳上以數字過流指示信號來指示。開關器件103在CLREF引腳接收限流參考信號。該限流參考信號通過運算放大器205與電流采樣信號(例如為電壓信號)進行運算以控制功率開關201的柵極，從而在啟動過程中限制過涌電流，例如在將可移動電路卡插入正在工作(例如被供電)的底板時。類似地，運算放大器205的輸出可以控制功率開關201的柵極以限制在正常工作模式或者節能模式下從VIN引腳供向VOUT引腳的負載電流。在一個實施例中，運算放大器205可以是跨導運算放大器。

在圖2的示例中，低壓差電壓調節器(LDO)從VIN引腳接收輸入供電電壓V_IN并向VDD33引腳提供調節后電壓(例如3.3V)。熱感測電路206感測開關器件103的結溫度并將感測結果送至邏輯控制電路207。該邏輯控制電路207在VTEMP引腳輸出相應的結溫度指示信號。在一個實施例中，邏輯控制電路207實現過溫鎖存以在結溫度達到結溫度限制閾值(例如145℃)時將開關器件103關斷。

在一個實施例中，邏輯控制電路在GOK引腳輸出故障指示信號以表征短路故障、功率開關201短接或斷路故障、過溫故障、或者其它故障狀態。GOK引腳可以是柵極耦接邏輯控制電路207的輸出、源極耦接至地的晶體管211的漏極輸出。在正常工作模式下，GOK引腳輸出的即為晶體管211的漏極開路電壓，而在故障狀態下(即探測到任何故障時)，GOK引腳被拉至低電位。開關器件103的ON/PD引腳可以接收由微控制器101提供的使能信號，該使能信號送至開關器件103中的ON/PD控制電路208，該ON/PD控制電路208將其進一步傳輸至邏輯控制電路207。當使能信號不生效時，邏輯控制電路207將功率開關關斷，從而把輸入供電電源與負載斷開。在一個實施例中，當使能信號保持在設定的電平滿了設定的時間時，ON/PD控制電路208將VOUT引腳拉低。

在圖2的示例中，金屬選件210可以允許GATE/SS引腳直接連接至功率開關201的柵極或者軟啟動電路211。當GATE/SS引腳被選擇(通過該金屬選件210)直接連接至功率開關201的柵極時，可以在GATE/SS引腳耦接電容個以降低啟動時的浪涌電流。當GATE/SS引腳被選擇(通過該金屬選件210)直接連接至軟啟動電路211時，耦接在GATE/SS引腳的電容可以用于設定軟啟動時間。

圖3示意出了根據本發明一實施例的用于將供電電源連接至一個或多個負載的系統300的電路架構示意圖。在圖3的示例中，單個供電電源被示意為并聯連接至多個開關器件103以為該多個開關器件103提供供電輸入電壓V_IN。微控制器301分別從該多個開關器件103接收多個電流采樣信號以分別用于對該多個開關器件103進行各自的控制和狀態診斷。

在圖3的示例中，由該多個開關器件103各自提供的多個電流監測信號可以被微控制器301分開接收。該多個電流監測信號也可以被耦接在一起送至微控制器301，或者被分為多個組，每組中的電流監測信號被耦接在一起送至微控制器301。對于溫度指示信號也可以采用同樣的方式送至微控制器301。在圖3的示例中，微控制器301具有足夠的集成數字和/或模擬輸入/輸出(I/O)端口以及數據獲取元件以適應多個開關器件103的控制。

在圖3的示例中，兩個開關器件103(上端和中間的)被分為一組并聯接收輸入供電電壓V_IN并且將這兩個開關器件103的輸出端VOUT連接在一起提供組合輸出電壓VOUT(主軌)。另一個獨立的開關器件103(下端的)也并聯接收所述輸入供電電壓V_IN，但是其輸出端VOUT獨立地提供獨立輸出電壓VOUT_A(輔助軌)。圖3的結構允許基于單個輸入供電電壓V_IN產生兩個輸出電壓VOUT和VOUT_A。

在這種并聯結構中，提供至少兩個供電電流的指示信號給微控制器顯得尤其有利，因為這樣每個開關器件103可以獨立地向微控制器提供各自的電流采樣信號從而用于每個開關器件103的獨立限流設定。在圖3的示例中，每個開關器件103的CS引腳輸出的電流采樣信號被獨立地送至微控制器301。兩個或者多個開關器件103的IMON引腳提供的電流監測信號可以被組合在一起送至微控制器301以判定一組開關器件103(即電流監測信號被組合在一起的那組開關器件103)的總輸出電流量。圖3示意出了將三個開關器件103的IMON引腳耦接在一起以向微控制器301提供組合電流監測信號的例子，該組合電流監測信號表征了三個開關器件103的總輸出電流量。該組合電流監測信號由微控制器301的單個IMON引腳接收。

圖4示出了根據本公開一個實施例的開關器件103在獨立模式(即不受微控制器控制時)的示意圖。在圖4的示例中，開關器件103的GATE/SS引腳可以耦接電容器以控制該開關器件103中的功率開關的導通程度從而實現軟啟動。CS引腳可以耦接電阻R_CS以設定過流標志(D_OC)電流水平以及允許流過功率開關201(參見圖2示意)的最大直流輸出電流。過流標志參考水平可以由開關器件103決定。最大允許限流參考水平可以通過將電阻R_CL連接至CLREF引腳實現。在一個實施例中，采用10μA的內部電流源驅動CLREF引腳，則10μA*R_cL便定義了最大允許限流。例如，在CLREF引腳的電壓設定為1.4V的應用中，當電阻R_CL與電流采樣信號的積大于1.4V時，將要超過設定的最大被允許直流輸出電流的輸出電流便可以在1.4V被鉗制下來。若過流狀態持續的時間滿了預先設定的時間，則將開關器件103關斷。在軟啟動過程中，限流參考水平可以被自動調整到更低的水平以控制電流斜坡上升并保證安全工作。

圖5示出了根據本公開一個實施例的開關器件103在啟動過程中的一組啟動時序波形示意圖。對于熱插拔應用，開關器件103的VIN引腳在熱插拔過程中可能經歷電壓過沖或瞬態變化，例如當包含開關器件103的電路卡被插入正在工作(例如被供電)的底板時。這種電壓過沖或瞬態變化通常是由VIN引腳上的輸入線路和輸入電容的寄生電感引起的。當開關器件103被構建與微控制器一起工作時(參見圖1示意)，受微控制器控制，ON/PD引腳可以被拉低以將功率開關201關斷并保持一定的插卡延時，從而使輸入供電電壓V_IN穩定。經過該插卡延時之后，ON/PD引腳可以被驅動至高以將功率開關201導通。

如圖5所示，輸入供電電壓V_IN以相對較快的速率增大，相應地在開關器件103被接入電壓變化率(即較高的dv/dt)較快的輸入供電電壓V_IN時，其柵極可以由開關器件內部的控制電路被拉低。開關器件103內部的LDO在VDD33引腳輸出的調節后電壓跟隨輸入供電電壓V_IN增大。

當開關器件103與微控制器一起工作時，該微控制器可以由LDO在VDD33引腳提供的調節后電壓供電或者由3.3V的外部電源供電。開關器件103的功率開關201保持關斷直到微控制器將ON/PD引腳上的使能信號拉高。當使能信號變高時，功率開關201由內部電荷泵充電。一旦功率開關201的柵源電壓V_GS達到柵源閾值V_GSTH時，輸出電壓V_OUT開始增大。

圖6和圖7示出了根據本公開一個實施例的開關器件103在有功率限定以及軟啟動限流時的受控啟動波形示意圖。在軟啟動過程中，開關器件103的輸出電流可以由CLREF引腳輸入的限流參考信號限定。在一個實施例中，CS引腳處的電流采樣信號經運算放大器205與限流參考信號比較(參見圖2示意)以調整功率開關201的柵極電壓并防止輸出電流超過與該限流參考信號對應的限流值。在啟動過程中，該限流參考信號應該被設定在比正常工作時相對較低的值以控制輸出電壓V_OUT逐步上升。當輸出電壓V_OUT上升至接近輸入供電電壓V_IN時，該限流參考信號可以被提升至正常工作時的滿幅限流值，功率開關201的柵極被完全驅動，整個系統開始從輸入供電電源吸取電能。

在啟動過程中，為防止開關器件103過熱，還可以在啟動過程中加入最大功率限定功能。在一個實施例中，CLREF引腳處提供的限流參考信號具有取決于V_IN-V_OUT的內置最大鉗制。當V_OUT＜30％V_IN時，限流參考信號被鉗制在200mV；當30％V_IN＜V_OUT＜80％V_IN時，限流參考信號被鉗制在600mV；當80％V_IN＜V_OUT時，限流參考信號不再被鉗制。

在一個實施例中，開關器件103的ON/PD引腳可以被用于控制功率開關201的導通/關斷切換或者用于選擇輸出電壓下拉模式。例如，當ON/PD引腳被用于控制功率開關201的導通/關斷切換時，在ON/PD引腳處的使能信號高于1.4V則將功率開關201導通，若該使能信號低于1.2V則將功率開關201關斷。當ON/PD引腳被用于控制輸出電壓V_OUT的下拉模式時，舉個例子，ON/PD引腳處的電壓可以被鉗制在1V左右超過200μs，開關器件103可以被構建為在ON/PD引腳處的電壓位于0.8V和1.2V之間滿200μs時進入下拉模式。

在一個實施例中，在LDO輸出的調節后電壓和輸入供電電壓V_IN均大于欠壓鎖存閾值之后，或者在ON/PD控制邏輯變高之后，以前二者情況最后發生者為準，ON/PD控制電路208(參見圖2示意)具有設定的例如1ms的消隱時間。在消隱時間內，所有故障功能都是可工作的，以使GOK引腳處的故障指示信號在檢測到故障狀態時被拉高，而在未檢測到故障狀態時保持低。在消隱時間內，ON/PD引腳處的高電平信號并不會使功率開關201導通。在該消隱時間結束時，若未檢測到故障狀態，則ON/PD引腳允許進入正常工作模式以將功率開關201導通。一旦ON/PD引腳處的電壓被拉高至高于1.4V并且消隱時間結束，內部電流源將對功率開關201的柵極充電。當功率開關201的柵極電壓達到柵源閾值V_GSTH時，輸出電壓V_OUT開始增大。輸出電壓跟隨由CLREF引腳控制的限流參考信號和輸出電容增大。圖8示出了根據本公開一個實施例的開關器件103無故障狀態下其功率開關導通/關斷切換控制波形示意圖。

在一個實施例中，ON/PD引腳處的電壓受5μA的內部電流源控制被拉高。當開關器件103工作于獨立模式(即不受微控制器控制)時，可以在ON/PD引腳和地之間耦接外部電容。在啟動過程中，5μA的內部電流源對該外部電容充電以實現對插卡延時的設定。一旦ON/PD引腳處的電壓達到導通閾值，則功率開關201可被導通。

圖9示出了根據本公開一個實施例的開關器件103的下拉模式控制波形示意圖。在一個實施例中，當ON/PD引腳處的電壓被設定在1V左右超過200μs時，開關器件103將工作于下拉模式。在這一模式下，當功率開關201被關斷經過設定的延時例如5ms后，連接于VOUT引腳(輸出端)的內部集成的下拉源(例如電阻或者內部PD開關)對輸出電壓V_OUT進行放電。當ON/PD引腳處的電壓直接被拉至低時，下拉模式不使能，輸出電壓V_OUT通過外部負載放電。

圖10示出了根據本公開一個實施例的開關器件103據GOK引腳提供的故障指示控制功率開關的導通/關斷切換的波形示意圖。在一個實施例中，GOK引腳處提供的故障指示信號可以是一個漏極開路且低有效的信號以用于報告開關器件103的故障。當有故障發生時，GOK引腳處的故障指示信號被拉低。當故障解除時，GOK引腳處的故障指示信號被拉高至LDO輸出的調節后電壓，即VDD33引腳處的電壓，例如通過100kΩ的上拉電阻。GOK引腳的輸出在LDO的輸出啟動過程中是要被拉低的。

現參考圖11，示出了根據本公開一個實施例的單晶片集成電路開關器件405。開關器件405可以看作開關器件103(圖2示意)的一個具體實施例。開關器件405是單晶片集成電路在于其被制作成單個裸晶芯片。在圖11的例子中，開關器件405具有多個引腳，例如包括IN引腳用于接收輸入供電電壓VIN和OUT引腳用于提供輸出電壓VOUT至負載(例如其它電路)。在圖11的例子中，輸出電容C2被耦接至OUT引腳。

開關器件405可以包括功率開關(參見圖12中示意的功率開關421)，例如可以是功率場效應晶體管。該功率開關可以具有耦接于IN引腳的第一端(例如漏極)和耦接于OUT引腳的第二端(例如源極)。開關器件405包括控制電路用于驅動功率開關的柵極以使該功率開關以受控的方式進行導通和關斷切換。在圖11的示例中，開關器件405包括ON引腳用于接收將該開關器件405導通或關斷的使能信號。當該開關器件405導通時，其IN引腳通過其功率開關被耦接至OUT引腳。當該開關器件405關斷時，其功率開關關斷從而將TN引腳與OUT引腳斷開。該開關器件405可以由外部電路(例如微控制器)提供使能信號至其ON引腳以控制其導通和關斷切換。

在圖11的示例中，開關器件405進一步包括SS引腳用于接收軟啟動信號、ILIMIT引腳用于接收限流參考信號、IS引腳用于輸出電流采樣信號以及GND引腳用于耦接參考地。

在圖11的示例中，ILIMIT引腳耦接外部電阻R1以便設定開關器件405的限流值。在一個實施例中，開關器件405包括內置電流源(參見圖12中示意的電流源423)用于輸出限流電流至ILIMIT引腳。該限流電流流經電阻R1產生限流電壓VLIM，從而設定了開關器件405的限流值。在一個實施例中，開關器件405還包括電流采樣電路(參見圖12中示意的電流采樣電路424)，用于輸出采樣電流，該采樣電流表征了流過OUT引腳的輸出電流。該采樣電流從IS引腳輸出并流經耦接于該IS引腳的外部電阻R2從而產生電流采樣電壓VCS。開關器件405可以將該電流采樣電壓VCS與限流電壓VLIM比較以判斷過流。在一個實施例中，開關器件405還包括內置軟啟動電路(參見圖12中示意的軟啟動電路426)用于向SS引腳輸出軟啟動電流。參見圖11的例子，可以在SS引腳耦接外部電容C1，軟啟動電流對該電容C1充電從而產生軟啟動電壓。該開關器件405還可以包括其它電路，例如熱感測電路以用于感測開關器件405的結溫度，或者其它在開關器件103中包含并已在上文描述過的電路(參見圖2示意)。

在圖11的示例中，軟啟動電壓、限流電壓VLIM以及電流采樣電壓VCS均通過向開關器件405的相應引腳耦接無源元件(例如電阻或者電容)來設定。本領域的技術人員應該理解，軟啟動電壓、限流電壓VLIM和/或電流采樣電壓VCS還可以通過微控制器或者其它電路被提供或者被監測。

圖12示意出了單晶片集成電路開關器件405的更詳細電路示意圖。在圖12的示例中，開關器件405包括功率開關421和采樣晶體管422。該功率開關421可以使N溝道場效應管。該采樣晶體管422可以是另一N溝道場效應管。當開關器件405被ON引腳處的使能信號導通時，功率開關421導通以將IN引腳耦接至OUT引腳。采樣晶體管422與該功率開關421并聯耦接以進行電流采樣。

電流采樣電路424用于采樣流經采樣晶體管422的電流，該電流表征了開關器件405的輸出電流，即從TN引腳流向OUT引腳的電流。電流采樣電路424輸出表征開關器件405的輸出電流的采樣電流并將該采樣電流送至IS引腳。如前文已參考圖11所述，IS引腳處的該采樣電流流向外部電阻以產生電流采樣電壓。該電流采樣電壓被送至放大器430的一個輸入端。內置電流源423輸出限流電流至ILIMIT引腳。該限流電流流經外部電阻產生限流電壓。該限流電壓被送至放大器430的另一個輸入端。該放大器430將ILIMIT引腳處的限流電壓與IS引腳處的電流采樣電壓比較以檢測過流狀態，即檢測從IN引腳流向OUT引腳的輸出電流何時超過設定的限流值。若過流狀態發生，該放大器430將晶體管427(例如也可以是N溝道場效應晶體管)導通以便關斷功率開關421，從而將IN引腳與OUT引腳斷開。在圖12的示例中，電流源426產生軟啟動電流(Iss)送至SS引腳。該軟啟動電流對外部電容(例如圖11中示出的電容C1)充電而產生軟啟動電壓。該軟啟動電壓被送至軟啟動放大器429的一個輸入端。該軟啟動放大器429的另一個輸入端與OUT引腳之間耦接電壓V1(圖12中示意為由一個電壓源提供)以用于在軟啟動過程結束后將軟啟動放大器429不使能。

在軟啟動時，即當開關器件405剛從關斷狀態被導通時，ON引腳處的使能信號生效，功率開關421的柵極電壓VG可以采用例如電荷泵電路425中的電流源拉高，從而允許功率開關421導通使得耦接于OUT引腳的輸出電容(例如圖11示意的輸出電容C2)可以被充電。OUT引腳輸出的輸出電壓VOUT將以受控速率逐步增大，該受控速率由SS引腳上的軟啟動電壓的變化速率控制。軟啟動放大器429將SS引腳上的軟啟動電壓與輸出電壓VOUT相比較通過例如控制晶體管428(例如N溝道場效應晶體管)的柵極電壓VG以調整輸出電壓VOUT跟隨軟啟動電壓。

在某些狀態下，當多個開關器件405并聯耦接時，其中的一個或幾個開關器件405可能在啟動過程中失敗。更具體的，如果各開關器件405所包含的元件不匹配或者采用的軟啟動放大器429的失調電壓有所不同，其中的某個開關器件405可能會比其余的開關器件405吸取更多電流。這一多個開關器件405并聯耦接時的潛在問題將參考圖13進一步說明。

圖13示出了根據本公開一個實施例的包含多個單片集成電路開關器件405的系統400的架構示意圖。在圖13的示例中，該系統400包括多個并聯耦接的開關器件405，例如圖13中示意為包括三個并聯耦接的開關器件405-1、405-2和405-3。本領域的技術人員應該理解本公開并不限于此，系統400中包含的開關器件405的個數可以根據實際應用的功率需求而合適選取。

由于多個開關器件405是并聯耦接的，它們的IN引腳耦接在一起，OUT引腳也耦接在一起。該多個開關器件405的ON引腳也可以耦接在一起以使該多個開關器件405作為一個單元被整體導通/關斷。將多個開關器件405并聯耦接可以提高功效，因為系統400的總輸出電流要在該多個開關器件405之間均分。不過這是在系統400進入穩定的正常工作模式之后，在系統400的啟動過程中，若存在前述的元件不匹配問題，總輸出電流可能并不能在該多個開關器件405之間均分。

更具體地，參見圖13示意，在軟啟動時，該多個開關器件405的ON引腳處的使能信號生效，每個開關器件405中的功率開關開始導通以對輸出電容C2充電。每個開關器件405中的軟啟動放大器(429)調整輸出電壓VOUT跟隨軟啟動電壓逐步增大。理想地，系統400的總輸出電流應該在該多個(圖13中示意為三個)開關器件405之間均分，從而使開關器件405避免出現過流或者過溫等問題。然而，由于該多個開關器件405中的每個開關器件405中的軟啟動放大器(429)的失調電壓可能不同，很可能出現該多個開關器件405中的某一個把總輸出電流全部吸取的問題。該吸取了總輸出電流的開關器件405將過熱并最終關斷。這將導致總輸出電流又被下一個開關器件405全部吸取，該開關器件405也將過熱并關斷，直至所有開關器件405關斷。因而這種情況下，系統400將不能成功啟動。

圖14示出了根據本公開一個實施例的系統410的架構示意圖。該系統410與系統400(圖13)不同之處在于采用單晶片集成電路開關器件412(例如示出了412-1、412-2、412-3)替換單晶片集成電路開關器件405。在一個實施例中，開關器件412除了還包括IAVE引腳和相關的內置均流電路(例如圖15中示出的均流電路501)外與開關器件405包含的其它元件相同。該IAVE引腳和該內置均流電路有助于防止系統410出現啟動不成功的問題。

在圖14的示例中，多個開關器件412并聯耦接成一個組合開關器件。更具體地，對于圖14示意的多個開關器件412，它們的ON引腳相互耦接在一起，IN引腳相互耦接在一起，OUT引腳相互耦接在一起，SS引腳相互耦接在一起。因此，該多個并聯耦接的開關器件412作為一個組合開關器件或一個單元可以被整體導通/關斷，例如通過在ON引腳上施加使能信號。當系統410被導通時，各開關器件412均導通將各自的IN引腳耦接至各自的OUT引腳。相反，當系統410被關斷時，個開關器件412均關斷以將各自的TN引腳與各自的OUT引腳斷開。

在圖14的示例中，該多個開關器件412的IAVE引腳相互耦接在一起并耦接至外部均衡電阻R7的一端，該外部均衡電阻R7的另一端連接至地。在一個實施例中，每個開關器件412還具有內部產生的采樣電流送至其IAVE引腳。由于該多個開關器件412的IVAE引腳耦接在一起，因而該多個開關器件412中每一個的采樣電流均被送至該外部均衡電阻R7，從而產生平均電壓VAVG，該平均電壓VAVG表征了該多個開關器件412的總輸出電流的平均(平均輸出電流)。舉個例子，假設圖14中示意出的開關器件412-1、412-2和412-3的輸出電流分別為2A、1A和3A，則它們的總輸出電流(亦可認為系統410的總輸出電流)為6A(即：2A+1A+3A)，平均輸出電流為2A(即：6A/3)。對于圖14的例子，所有開關器件412都具有平均電壓VAVG，該平均電壓VAVG可以作為檢測每個開關器件412吸取的電流是否超過平均輸出電流的參考。

在一個實施例中，均衡電阻R7的阻值被選取為使所述平均電壓可以表征所述平均輸出電流。在一個實施例中，該平均輸出電流等于總輸出電流除以系統中開關器件的個數。例如，對于有三個開關器件412的系統410，平均輸出電流等于總輸出電流除以三。再舉個例子，若系統410的總輸出電流為9A，則對于圖14示意的包含三個開關器件412的情況，平均輸出電流等于3A(即：9A/3)。在圖14的例子中，均衡電阻R7的阻值也可以等于外部電阻R的阻值(即：外部電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6)除以并聯耦接的開關器件412的個數。更具體地可以用下式表示：R7＝R/N，其中R＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6，N是開關器件412的個數。舉個例子，若外部電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6均具有3KΩ的阻值，則均衡電阻R7具有1KΩ的阻值(即3KΩ/3)。可以理解，均衡電阻R7可以表示單個電阻也可以表示一個電阻網絡(例如等效并聯和/或串聯電阻)。

圖15示出了根據本公開一個實施例的單晶片集成電路開關器件412的電路架構示意圖。開關器件412除了還包括IAVE引腳和均流電路501之外與圖12示意的開關器件405包含的其它元件相同。該均流電路501用于在啟動過程中對并聯耦接的多個開關器件412的輸出電流進行均流調節。開關器件412中的其它電路元件的工作方式與開關器件405中的相同。

在圖15的示例中，均流電路501可以包括放大器502和晶體管503(例如可以是N溝道場效應晶體管)。均流電路501可以在啟動過程中使能，并在啟動過程結束后不使能。例如，均流電路501可以在輸出引腳OUT處的輸出電壓VOUT達到高于IN引腳處的輸入電壓VIN的90％時不使能。

在圖15的示例中，電流采樣電路424提供表征輸出電流(即從IN引腳流向OUT引腳的電流)的第二采樣電流(Isense2)。在圖15的例子中，該第二采樣電流Isense2可以等于另一采樣電流Isense。該第二采樣電流Isense2流向IAVE引腳并流經外部均衡電阻(如圖14示意的均衡電阻R7)以產生平均電壓。該平均電壓送至放大器502的一個輸入端，該放大器502用于將IAVE引腳上的平均電壓(表征了多個并聯耦接的開關器件412的平均輸出電流)與IS引腳上的電流采樣電壓(表征了每個開關器件412的輸出電流)相比較。當開關器件412的輸出電流超過平均輸出電流時，放大器502控制晶體管503(本公開并不限于此，也可以是任何其它合適的可控開關)將功率開關421的柵極電壓VG拉低，從而降低開關器件412的輸出電流。這樣可以防止開關器件412吸取比平均輸出電流更大的電流。實際上，該均流電路501提供了一個電流調整環路使得系統總輸出電流在該多個并聯耦接的開關器件412之間均分。因而有助于防止每個并聯耦接的開關器件412在啟動過程中吸取比其余開關器件412過量的電流。

圖16和圖17示出了包含多個并聯耦接的開關器件的系統的仿真波形。這些仿真波形是在IN引腳處的輸入電壓VIN設置為12V時所得。

圖16示出了包含多個并聯耦接的開關器件的系統在沒有均流電路/均流措施時(例如圖13示意的系統)的仿真波形。圖16示意的仿真波形包括OUT引腳處的輸出電壓VOUT波形601、系統的總輸出電流IOUT波形602和并聯耦接的多個開關器件405中的每個開關器件(例如圖13中的405-1、405-2和405-3)的輸出電流波形603～605。由圖16可見，在沒有均流電路/均流措施時，在啟動過程中隨著輸出電壓VOUT增大，各開關器件的輸出電流(波形603～605)可能差異很大。比如，圖16可見其中的一個開關器件(與波形603對應的)與其余的開關器件(與波形604、605對應的)相比承擔了大量輸出電流。

圖17示出了包含多個并聯耦接的開關器件的系統在有均流電路/均流措施時(例如圖14示意的系統)的仿真波形。圖17示意的仿真波形包括OUT引腳處的輸出電壓VOUT波形611、系統的總輸出電流IOUT波形612和并聯耦接的多個開關器件412中的每個開關器件(例如圖14中的412-1、412-2和412-3)的輸出電流波形613。由圖17可見，在有均流電路/均流措施時，在啟動過程中隨著輸出電壓VOUT增大，各開關器件的輸出電流其實相同，因而波形幾乎重合(見波形613)。

圖18示出了一種根據本公開一個實施例的操作包含開關器件的系統的方法的流程示意圖。圖18示意的方法可以采用例如多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件412來實施。應該理解，其它開關器件也可以用來實施該方法而并不超出本公開的精神和保護范圍。

在圖18的示例中，單晶片集成電路開關器件可以指多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件中的任何一個。該單晶片集成電路開關器件具有第一引腳和第二引腳，可以在第一引腳接收輸入電壓(步驟701)，并在該單晶片集成電路開關器件導通時將該第一引腳耦接至第二引腳(步驟702)。該多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件可以被構建成一個單元作為系統的一部分被整體導通/關斷。當系統導通是，單晶片集成電路開關器件導通。單晶片集成電路開關器件可以包括功率開關，用于在該單晶片集成電路開關器件導通時將其第一引腳耦接至第二引腳。該單晶片集成電路開關器件導通時還在其第二引腳流出輸出電流。

該單晶片集成電路開關器件還可以將其輸出電流與該多個并聯耦接的單晶片集成電路開關器件的總輸出電流的平均輸出電流相比較(步驟703)。在啟動過程中，若該單晶片集成電路開關器件的輸出電流超出總輸出電流的平均輸出電流，則該單晶片集成電路開關器件降低其輸出電流(步驟704)。例如，該單晶片集成電路開關器件可以通過拉低其功率開關的柵極電壓以降低其輸出電流。

本公開提供單晶片集成電路開關器件及包括單晶片集成電路開關器件的銅系統和相關的操作方法，雖然詳細介紹了本發明的一些實施例，然而應該理解，這些實施例僅用于示例性的說明，并不用于限定本發明的范圍。其它可行的選擇性實施例可以通過閱讀本公開被本技術領域的普通技術人員所了解。