專利名稱：集成浪涌電流限制器電路及方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，并且更具體地涉及用于限制供電電源總線上電流浪涌的高電流器件。
通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用通常需要具有向系統(tǒng)中插入或從其中移去電路卡而不必對整個(gè)系統(tǒng)斷電的能力，通常稱之為“熱交換”。在配備有分布電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，電路卡通常包括大濾波器電容器，用于減少電軌或總線上的噪聲。在熱交換過程期間，該電容器可以產(chǎn)生浪涌電流尖峰，如果沒有其它限制，峰值可能達(dá)到上百安培，這可能毀壞電路卡或其連接器。而且，這種大浪涌電流可能產(chǎn)生的功率擾動(dòng)可以毀壞插入到該系統(tǒng)中的其它電路卡，或者導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或其它系統(tǒng)故障。為了防止這種有害的影響，可以熱交換的電路卡典型地形成有對功率MOSFET開關(guān)進(jìn)行控制的浪涌電流限制電路，通過該開關(guān)引導(dǎo)供電電流。
現(xiàn)存的浪涌電流限制器的缺點(diǎn)是成本太高，這是因?yàn)樾枰罅康慕M件來控制功率MOSFET開關(guān)，以將浪涌電流限制在指定的級別。大多數(shù)浪涌電流限制器使用與功率MOSFET開關(guān)串連的低值感測電阻，以限制供電電源的峰值。然而，流經(jīng)該開關(guān)和感測電阻的大電流所產(chǎn)生的高功率消耗可能負(fù)面地影響可靠性。
因此，需要一種減少組件數(shù)量的浪涌電流限制器，以減少制造成本，而同時(shí)通過降低功率消耗獲得高的可靠性。
附圖簡述

圖1的示意圖為包括熱交換卡的電子系統(tǒng)；圖2為浪涌電流限制器電路的截面圖；圖3的示意圖所示為該浪涌電流限制器的詳情，其包括并聯(lián)調(diào)節(jié)器和熱傳感及關(guān)閉電路；和圖4的示意圖為該浪涌電流限制器電路的過電壓關(guān)閉電路。
附圖詳述在附圖中，具有相同附圖標(biāo)記的元件的功能相同。
圖1為可熱交換(hot swappable)的電路卡10的簡化示意圖，其用于當(dāng)在工作于供電電壓VSUPP＝48.0伏特的分布電源總線11與地節(jié)點(diǎn)12之間施加有電源期間插入到電子系統(tǒng)中和/或從其中拔出。電源總線11和地節(jié)點(diǎn)12可以同時(shí)向該電子系統(tǒng)的其它組件(未示出)提供電源。
大濾波器電容器13對電源總線11上的噪聲尖峰進(jìn)行平滑處理，以提供穩(wěn)定偏壓。執(zhí)行電路卡10的功能的電路被表示為負(fù)載15，其通過浪涌電流限制器電路20從電源總線11獲得負(fù)載電流ILOAD。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載15包括電壓調(diào)節(jié)器，其獲得ILOAD＝10.0安培的負(fù)載電流作為通過電容器13和負(fù)載15的峰值。ILOAD的典型平均值大約為4安培。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器13的值大約為1000微法。當(dāng)電路卡為可熱交換時(shí)，電流ILOAD流入電容器13，以將其充電到VSUPP。浪涌電流限制器電路20將ILOAD的峰值限制到大約10安培，否則其可以達(dá)到100安培或更多。
浪涌電流限制器20包括控制鏡像功率晶體管50的檢測電路30，負(fù)載電流ILOAD通過該晶體管被引導(dǎo)到電容器13和負(fù)載15。在一個(gè)實(shí)施例中，在作為具有5個(gè)外部引腳41-45的集成電路的半導(dǎo)體基片上形成浪涌電流限制器20。
鏡像晶體管50形成為垂直功率MOSFET晶體管，其具有功率源極51、感測源極52、公共漏極53和公共漏極54。鏡像或按比例標(biāo)定功率源極51和感測源極52，以分別輸導(dǎo)ILOAD的比例成分ISW和ISENSE。在一個(gè)實(shí)施例中，晶體管50具有的柵源極導(dǎo)通閾值大約為1伏特。在一個(gè)實(shí)施例中，將功率源極51和感測源極52的有效大小標(biāo)定為比例1000∶1，從而當(dāng)ILOAD＝10.0安培時(shí)，峰值電流大致為ISW＝9.990安培，ISENSE＝10.0毫安。
集成的感測電阻55與感測源極52串連，以在節(jié)點(diǎn)56產(chǎn)生具有感測電流ISENSE的感測電壓VSENSE。在一個(gè)實(shí)施例中，電阻55的電阻大約為10歐姆，從而當(dāng)ISENSE＝10.0毫安時(shí)，VSENSE的值大約為100毫伏，并且對應(yīng)的功率消耗大約為1毫瓦。
檢測電路30包括電流傳感器61、電壓調(diào)節(jié)器62、熱關(guān)閉電路63、低電壓鎖閉電路(UVLOundervoltage lockout)64、過電壓關(guān)閉電路(OVSDovervoltage shutdown)65以及消隱電路66。
電壓調(diào)節(jié)器62被配置為耦合在接地引線41與供電電源引線44之間的標(biāo)準(zhǔn)并聯(lián)調(diào)節(jié)器，以提供內(nèi)部供電電壓VREG，用于偏壓檢測電路30。
電流傳感器61使用誤差放大器間接地感測ILOAD，該放大器接收VSENSE作為反饋信號(hào)，并在柵極54產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的表示VDRIVE。實(shí)際上，電流傳感器61通過引導(dǎo)ILOAD的標(biāo)定部分通過感測源極52作為ISENSE而工作，并調(diào)節(jié)VDRIVE以將負(fù)載電流ILOAD的幅度限制到預(yù)定的最大值，例如10安培。
浪涌電流限制器電路20的操作如下。在電路卡10的熱交換插入期間，電容器13被充分放電，并在漏極53產(chǎn)生電壓級與VSUPP接近的輸出電壓VSW。電容器13為浪涌電流限制器20提供低的阻抗負(fù)載，浪涌電流限制器20響應(yīng)地提供ILOAD的最大預(yù)定值，例如提供10安培，以對電容器13進(jìn)行充電。實(shí)際上，晶體管50工作為恒流源，直至電容器13被充電到VSUPP，VDRIVE在該點(diǎn)上被增加到VREG電壓級，并且鏡像晶體管50處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)樵撾娏飨拗铺卣鳎捅苊饬诉^量加載供電電壓VSUPP，因此輸出電壓VSW稱作為保護(hù)信號(hào)。
通過使用晶體管50將浪涌電流限制到最大指定值，浪涌電流限制器防止了在電源總線11上的過加載情況，過加載情況可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因?yàn)槭褂玫椭蹈袦y電流ISENSE采樣ILOAD，而不是直接對其進(jìn)行感測，所以通過感測電阻55只消耗了少量功率，從而提供較高的效率。而且減少了外部組件的數(shù)目，這是因?yàn)殡娮?5容易集成在與浪涌電流限制器20的其它組件相同的芯片上，這樣減少了電路卡10的整體成本。
UVLO電路64包括閾值比較器，其感測供電電壓VSUPP的幅度，并將晶體管50保持在關(guān)閉狀態(tài)直至VSUPP上升到預(yù)定的電壓級以上。使用與引線42耦合以提供分壓VUVLO的內(nèi)部分壓器來設(shè)置該預(yù)定的閉鎖電壓級，可以使用一個(gè)或多個(gè)外部電阻調(diào)節(jié)該分壓。與柵極54耦合的輸出配置有開漏極設(shè)置，當(dāng)檢測到低電壓情況時(shí)，其將柵極54拉到大約為地電勢。一旦檢測到低電壓情況，滯后電路將晶體管50保持在關(guān)閉狀態(tài)，直至VSUPP上升到高于第二預(yù)定關(guān)閉電壓級，從而防止了快速的循環(huán)和/或振蕩。在一個(gè)實(shí)施例(其中VSUPP工作于48伏特)中，預(yù)定閉鎖電壓級設(shè)置為大約32伏特。
OVSD電路64工作的方式類似于UVLO電路65，不同之處在于閾值比較器感測VSUPP的幅度，并且如果VSUPP上升到高于使用內(nèi)部分壓器所設(shè)置的第一預(yù)定關(guān)閉電壓級則使檢測電路30和晶體管50無效，其中該分壓器在引線43處提供分壓VOVSD，以允許使用一個(gè)或多個(gè)外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。與柵極54耦合的輸出配置有開漏極設(shè)置，當(dāng)檢測到過電壓情況時(shí)，其將柵極54拉到大約為地電勢。一旦檢測到過電壓情況，則滯后電路將晶體管50保持在關(guān)閉狀態(tài)，直至VSUPP回落到低于第二預(yù)定關(guān)閉電壓級，從而防止了快速的循環(huán)和/或振蕩。在一個(gè)實(shí)施例(其中VSUPP工作于48伏特)中，VOVSD的第一預(yù)定關(guān)閉電壓級被設(shè)置為大約95伏特，并且第二預(yù)定關(guān)閉電壓級設(shè)置為大約90伏特。
熱關(guān)閉電路63包括形成在與檢測電路30和鏡像晶體管50相同的半導(dǎo)體基片上的溫度傳感器。該溫度傳感器電路優(yōu)選地與功率源極51相鄰設(shè)置，或者嵌入在晶體管50的布局內(nèi)，即靠近大多數(shù)熱量產(chǎn)生的地方，以感測浪涌電流限制器20的最熱部分的溫度。當(dāng)該溫度上升到上閾值溫度時(shí)，開漏極輸出將柵極54下拉到大約為地電勢。一旦檢測到過溫度情況，溫度滯后電路確保鏡像晶體管50保持關(guān)閉，直至該溫度回落到低于下閾值溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，該上閾值溫度大約為180攝氏度，并且該下閾值溫度大約為170攝氏度。
消隱電路66包括電阻電容網(wǎng)絡(luò)，以設(shè)置在熱交換卡插入之后將浪涌電流限制器20和晶體管50在延遲期間內(nèi)保持在關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間常數(shù)。通過在電路卡10通過浪涌電流限制器20接收電源之前允許內(nèi)部節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定，該啟動(dòng)延遲避免了啟動(dòng)失效。輸出具有開漏極配置，其在啟動(dòng)延遲期間將柵極54切換到地電勢。在一個(gè)實(shí)施例中，該延遲期間大約為2毫秒。
圖2為的簡化截面圖，浪涌電流限制器20在半導(dǎo)體基片120上形成為包括晶體管50、電阻55和檢測電路30的集成電路。
晶體管50被實(shí)施為垂直器件，以獲得小的芯片面積。因此，源極51-52被形成為基片120的頂面67上p型阱區(qū)內(nèi)的n型摻雜區(qū)域。公共柵極54被形成在柵極氧化層71上，以控制阱區(qū)69內(nèi)沿頂面67的、工作于地電勢并在圖2的平面視圖之外耦合在一起的下層電源通道51A和感測通道51B的導(dǎo)通。注意到，雖然所示源極51和52在附圖中具有類似的尺寸，但是源極52典型地被標(biāo)定為遠(yuǎn)小于源極51的有效尺寸。漏極53被形成在基片120的第二表面68上，使得電流ISW和ISENSE從表面67分別通過通道51A和52A、并通過基片120流到第二表面68的漏極53，如圖所示。晶體管50的垂直結(jié)構(gòu)提供了低的導(dǎo)通阻抗，并且芯片尺寸較小，從而得到高的性能和低的制造成本。
電阻55被形成在表面67上。在一個(gè)實(shí)施例中，通過在介電層72上沉積并構(gòu)圖多晶硅層而形成電阻55，如圖所示。
檢測電路30組件也被形成在表面67上，并也可以在或可以不在電阻55下面。在一個(gè)或多個(gè)阱區(qū)中形成晶體管，這些阱區(qū)可以不同于阱區(qū)69。在晶體管50的附近中形成熱關(guān)閉電路63中的溫度傳感器，以高精確度地?zé)岣袦y基片120的溫度。
圖3的示意圖所示為更加詳細(xì)的電壓調(diào)節(jié)器62和熱關(guān)閉電路63，包括晶體管71-75、齊納二極管76、二極管串77和電阻79-86。
電壓調(diào)節(jié)器62用作并聯(lián)調(diào)節(jié)器，其跨過齊納二極管76產(chǎn)生大概為VREG＝12.0伏特的內(nèi)部調(diào)節(jié)電壓。齊納二極管76具有電壓的正溫度系數(shù)。
晶體管71和電阻79-80用作并聯(lián)調(diào)節(jié)器，其在具有電壓的負(fù)溫度系數(shù)的節(jié)點(diǎn)78建立電壓V87。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)基片120的溫度是25攝氏度時(shí)，V87＝2.7伏特?？邕^二極管串77的壓降隨著溫度而降低，從而晶體管72的柵極電壓隨著溫度而增加。
晶體管72-74與電阻82-84組合在一起，用作三階放大器，當(dāng)溫度達(dá)到上閾值級時(shí)，其將柵極54切換到大約地電勢，以關(guān)閉晶體管50。在一個(gè)實(shí)施例中，熱關(guān)閉溫度被設(shè)定為大約180攝氏度。晶體管75和電阻85-86提供大約10攝氏度的溫度滯后，以防止熱振蕩。
圖4的示意圖所示為更加詳細(xì)的過電壓關(guān)閉電路64。電阻93-94用作對供電電壓VSUPP進(jìn)行分壓的分壓器，以在引線43提供分壓VOVSD。齊納二極管92電平移動(dòng)VOVSD，以在晶體管90的柵極提供過電壓檢測信號(hào)VOV。當(dāng)VSUPP超過預(yù)定電壓時(shí)，VOV超過晶體管90的導(dǎo)通閾值，其開啟晶體管90，以將柵極54切換到地電勢，以關(guān)閉晶體管50并禁用浪涌電流限制器20。一旦晶體管50關(guān)閉，晶體管91切換電阻96與電阻94的并聯(lián)，以提供避免振蕩和/或由于VSUPP噪聲而錯(cuò)誤觸發(fā)柵極50的電壓滯后。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)VSUPP達(dá)到大約95伏特的預(yù)定電壓時(shí)，晶體管50關(guān)閉，具有大概5伏特的滯后。注意到，引線43向用戶提供外部連接，以增加外部電阻來調(diào)節(jié)該預(yù)定的過電壓級。
低電壓鎖閉電路64具有以與過電壓關(guān)閉電路64類似方式的相似結(jié)構(gòu)和操作，不同之處在于形成其內(nèi)部邏輯，使得當(dāng)VSUPP低于預(yù)定的低電壓級時(shí)，柵極54被切換到地電勢。在一個(gè)實(shí)施例中，該預(yù)定的低電壓級設(shè)置為大約32伏特。
總之，本發(fā)明提供一種高穩(wěn)定性和低成本的浪涌電流限制器集成電路。檢測電路響應(yīng)于感測電流而產(chǎn)生控制信號(hào)。功率晶體管響應(yīng)于該控制信號(hào)而工作，并且其具有接收電源電壓的源極和將電源電壓的負(fù)載電流引導(dǎo)到輸出節(jié)點(diǎn)作為保護(hù)信號(hào)的漏極。感測晶體管響應(yīng)于該控制信號(hào)而工作，并且其具有與第一源極成比例、并與輸入節(jié)點(diǎn)耦合的源極，用于將部分負(fù)載電流引導(dǎo)到輸出節(jié)點(diǎn)，作為感測電流。
在半導(dǎo)體基片上形成該功率晶體管和該感測晶體管，并且它們各自的源極和公共控制電極連同該檢測電路一起形成在該半導(dǎo)體基片的頂面上。漏極形成為功率晶體管和感測晶體管的公共漏極，并且形成在該半導(dǎo)體基片的底面上，使得該負(fù)載電流垂直地流過該基片，即從頂面流到底面。該垂直結(jié)構(gòu)提供了小的芯片區(qū)域和低的制造成本，同時(shí)提供切換10安培或更大電流的能力。該檢測電路包括溫度傳感器和關(guān)閉電路，以及過電壓和低電壓檢測和關(guān)閉。因此，本發(fā)明具有高度的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種浪涌電流限制器電路，包括檢測電路，用于響應(yīng)于感測電流而產(chǎn)生控制信號(hào)；和第一晶體管，響應(yīng)于所述控制信號(hào)而工作，并具有與輸入節(jié)點(diǎn)耦合以接收電源電壓的第一源極、和用于將電源電壓的負(fù)載電流引導(dǎo)到輸出節(jié)點(diǎn)作為保護(hù)信號(hào)的漏極；以及第二晶體管，響應(yīng)于所述控制信號(hào)而工作，并具有與第一源極成比例、且與所述輸入節(jié)點(diǎn)耦合以便將部分的所述負(fù)載電流引導(dǎo)到所述輸出節(jié)點(diǎn)作為感測電流的第二源極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的浪涌電流限制器電路，進(jìn)一步包括半導(dǎo)體基片，其具有用于形成所述檢測電路的第一表面和用于形成所述第一晶體管的漏極的第二表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的浪涌電流限制器電路，其中所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏極形成在所述半導(dǎo)體基片的公共區(qū)域中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的浪涌電流限制器電路，其中所述第一和第二晶體管具有與所述檢測電路的輸出耦合以接收所述控制信號(hào)的公共柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的浪涌電流限制器電路，其中所述檢測電路包括形成在所述半導(dǎo)體基片上的熱傳感器，以監(jiān)視所述第一晶體管的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的浪涌電流限制器電路，其中當(dāng)所述第一晶體管的溫度達(dá)到預(yù)定值的時(shí)候，所述熱傳感器使用所述控制信號(hào)關(guān)閉所述第一和第二晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的浪涌電流限制器電路，進(jìn)一步包括與所述第二源極耦合的電阻，用于引導(dǎo)所述感測電流，以在所述檢測電路的輸入端產(chǎn)生檢測信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的浪涌電流限制器電路，其中所述第一晶體管的有效尺寸至少是所述第二晶體管的有效尺寸的500倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的浪涌電流限制器電路，其中所述第一晶體管至少提供10安培的負(fù)載電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的浪涌電流限制器電路，其中所述檢測信號(hào)調(diào)節(jié)所述控制信號(hào)的幅度，以將所述負(fù)載電流限制到預(yù)定值。
11.一種用于耦合第一和第二節(jié)點(diǎn)的浪涌電流限制器，包括半導(dǎo)體基片，具有第一和第二表面；檢測電路，形成在所述第一表面上，以響應(yīng)于感測信號(hào)而提供控制信號(hào)；和鏡像晶體管，具有用于接收所述控制信號(hào)的控制電極、形成在所述第一表面上并與所述第一節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二源極、以及形成在所述第二表面上用于將電流引導(dǎo)到所述第二節(jié)點(diǎn)的漏極，其中使用流經(jīng)所述第二源極的部分電流產(chǎn)生所述感測信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的浪涌電流限制器，進(jìn)一步包括在所述第二源極與所述第一節(jié)點(diǎn)之間耦合的電阻。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的浪涌電流限制器，其中所述第二源極與所述檢測電路的輸入端耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的浪涌電流限制器，其中流經(jīng)所述第二源極的所述部分電流跨過所述電阻產(chǎn)生所述感測信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的浪涌電流限制器，進(jìn)一步包括消隱電路，用于在應(yīng)用電源之后禁用所述鏡像晶體管一段時(shí)間。
16.一種限制浪涌電流的方法，包括響應(yīng)于感測信號(hào)，使用檢測電路產(chǎn)生控制信號(hào)；使用所述控制信號(hào)將電源電壓的負(fù)載電流引導(dǎo)通過第一晶體管到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)；和使用所述鏡像晶體管的第二源極采樣所述負(fù)載電流，以產(chǎn)生所述感測信號(hào)，其中所述第二源極與所述第一源極成比例。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括在半導(dǎo)體基片的第一表面產(chǎn)生所述控制信號(hào)的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述引導(dǎo)步驟包括將所述負(fù)載電流從所述第一表面引導(dǎo)到所述半導(dǎo)體基片的第二表面的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括步驟使用檢測電路調(diào)節(jié)所述控制信號(hào)，以限制所述電流到最大值。
全文摘要
一種浪涌電流限制器電路(20)包括檢測電路(30)，其根據(jù)感測電流(I
文檔編號(hào)H02H1/00GK1689207SQ03824555
公開日2005年10月26日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月5日
發(fā)明者阿蘭·巴爾, 大衛(wèi)·布里格斯, 蘇珊·尼, 斯蒂芬·羅博 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司