本公開(kāi)總體涉及電路設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，并且更具體地涉及控制晶體管以提供具有快速正向恢復(fù)和快速反向恢復(fù)兩者的理想二極管的功能的電路、芯片和方法。

背景技術(shù)：

在需要二極管的低功率應(yīng)用中，二極管的正向電壓降可能產(chǎn)生供應(yīng)余量問(wèn)題或過(guò)度的功率耗散。肖特基二極管可以降低該電壓降，但是肖特基二極管在很多半導(dǎo)體工藝中不可用。為了避免這些問(wèn)題，在控制晶體管的柵極電壓以作為理想的二極管操作的情況下，可以使用單個(gè)晶體管代替二極管。對(duì)于極低功率的應(yīng)用，所謂的“理想二極管”電路在低電壓余量的情況下具有快速正向壓降恢復(fù)和快速反向恢復(fù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在所描述的示例中，理想二極管電路可以包括低功率、低電壓操作、快速反向恢復(fù)速度以及快速正向恢復(fù)速度。

在作為低功率理想二極管操作的電路的一個(gè)示例中，該電路包括：p溝道晶體管，其被連接以在第一端子上接收輸入電壓并且在第二端子上提供輸出電壓；第一放大器，其被連接以在第一輸入端處接收輸入電壓并且在第二輸入端處接收輸出電壓并且提供第一信號(hào)，該第一信號(hào)根據(jù)p溝道晶體管兩端的電壓動(dòng)態(tài)地偏置p溝道晶體管的柵極；以及第二放大器，其被連接以在第一輸入端處接收輸入電壓并且在第二輸入端處接收輸出電壓并且提供第二信號(hào)，第二信號(hào)操作以響應(yīng)于輸入電壓小于輸出電壓而p溝道晶體管的柵極。

在另一示例中，一種功率管理芯片包括：用于具有第一電壓的第一電源的第一連接件；用于具有高于第一電壓的第二電壓的第二電源的第二連接件；以及用于芯片的內(nèi)部供電軌。第一電源和第二電源每個(gè)均通過(guò)一種電路連接到內(nèi)部供電軌，該電路包括：p溝道晶體管，其被連接以在第一端子上接收輸入電壓并且在第二端子上提供輸出電壓；第一放大器，其被連接以在第一輸入端處接收輸入電壓并且在第二輸入端處接收輸出電壓并且提供第一信號(hào)，該第一信號(hào)根據(jù)p溝道晶體管兩端的電壓動(dòng)態(tài)地偏置p溝道晶體管的柵極；以及第二放大器，其被連接以在第一輸入端處接收輸入電壓并且在第二輸入端處接收輸出電壓并且提供第二信號(hào)，該第二信號(hào)操作以響應(yīng)于輸入電壓小于輸出電壓而斷開(kāi)p溝道晶體管的柵極。

所公開(kāi)的電路的優(yōu)點(diǎn)可以包括下列中的一個(gè)或多個(gè)：低功率、低電壓操作、正向方向上的快速恢復(fù)、反向方向上的快速恢復(fù)，以及小的面積。所公開(kāi)的電路的至少一個(gè)示例是全互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1說(shuō)明根據(jù)實(shí)施例的作為低功率理想二極管操作的電路的示例。

圖2說(shuō)明根據(jù)實(shí)施例的圖1的電路的具體實(shí)施方式。

圖3在電壓和電流方面描繪圖2的電路的二極管特性。

圖4描繪圖2的電路的瞬時(shí)二極管特性。

圖5描繪圖1的電路的重疊工作區(qū)。

圖6描繪根據(jù)實(shí)施例的包含圖1的電路的芯片。

具體實(shí)施方式

二極管的主要用途是允許單方向上的電流。理想地，這意味著當(dāng)正向偏置時(shí)零正向偏置電壓降、零反向電流以及零等效串聯(lián)電阻?？梢酝ㄟ^(guò)使用單個(gè)晶體管作為開(kāi)關(guān)并且根據(jù)該晶體管兩端電壓控制柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)這些理想特征的最接近的近似。在理想二極管的優(yōu)化操作中，若干時(shí)序問(wèn)題也是重要的。例如，如果二極管正在以正向狀態(tài)傳導(dǎo)并且被立即切換到反向狀態(tài)，則由于正向電壓泄放(bleedoff)，二極管將在短時(shí)間內(nèi)在反向方向上傳導(dǎo)。在被稱為反向恢復(fù)時(shí)間的該小的恢復(fù)時(shí)間期間，通過(guò)二極管的電流將在反向方向上相當(dāng)大。在載流子已經(jīng)齊平并且二極管在反向狀態(tài)下作為正常阻塞器件操作之后，電流應(yīng)該下降到漏電流水平。類似地，正向恢復(fù)時(shí)間是在正向偏置中的大的變化之后電壓到達(dá)規(guī)定值所需要的時(shí)間。優(yōu)選地，反向恢復(fù)時(shí)間和正向恢復(fù)時(shí)間被最小化。

圖1示出根據(jù)實(shí)施例的作為低功率理想二極管操作的電路100。晶體管102在第一端子上接收輸入電壓vin并且在第二端子上提供輸出電壓vout。晶體管102的主體(如所形成的)包含以相反的方向面向的兩個(gè)寄生二極管。然而，在圖1的示例中，晶體管102的柵極已經(jīng)被連接到主體以便將寄生二極管中的一個(gè)短路，因此僅示出一個(gè)二極管。晶體管102是主要的傳輸晶體管，并且其柵極被控制以作為二極管操作。放大器104被連接以接收vin和vout作為輸入并且將輸出提供到輸出級(jí)108。類似地，放大器106也被連接以接收vin和vout作為輸入并且將輸出提供到輸出級(jí)108。輸出級(jí)108然后被連接以控制晶體管102的柵極。在至少一個(gè)實(shí)施例中，輸出級(jí)108簡(jiǎn)單地是組合放大器104和106的輸出的節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)示例中，輸出級(jí)108是電路，該電路以平滑晶體管102的操作的方式接收放大器104和106的輸出。為了實(shí)現(xiàn)理想放大器的目標(biāo)，放大器104被配置為每當(dāng)vout變得大于vin時(shí)為晶體管102提供縮短的斷開(kāi)時(shí)間，并且放大器106被配置為根據(jù)晶體管102兩端的電壓動(dòng)態(tài)地偏置晶體管102的柵極。因此，如果vout下降(例如，由于負(fù)載的變化)，則放大器106將調(diào)整晶體管106的柵極以遵循變化的需求。

參考圖2，電路200是電路100的具體實(shí)施方式。在至少一個(gè)實(shí)施例中，以cmos技術(shù)來(lái)實(shí)施電路200。然而，它也可以以其他技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，諸如雙極結(jié)型晶體管。對(duì)cmos技術(shù)或組件元件(諸如n溝道m(xù)os(nmos)和p溝道(pmos)技術(shù))的引用通常命名不當(dāng)，因?yàn)閏oms電路中的“金屬”可以用摻雜多晶硅來(lái)代替，并且“氧化物”可以用其他鈍化層來(lái)代替。因此，在本公開(kāi)中對(duì)cmos、nmos和pmos的任何引用更一般地指代任何相關(guān)類型的晶體管技術(shù)，諸如絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)(igfet)或金屬絕緣體半導(dǎo)體fet(misfet)。在電路200中，晶體管m5是被控制以作為二極管操作的pmos晶體管。類似于晶體管102，m5在第一端子處接收vin并且在第二端子處提供vout。如圖2所示，m5的源級(jí)被連接到vout，并且其漏極被連接到vin。以這種方式示出晶體管，因?yàn)関out有時(shí)可以大于vin，所以m5作為二極管操作以便防止電流回流。m5的源級(jí)和漏極可以被視為可互換的，這取決于vin更高還是vout更高。m5的柵極通過(guò)電阻器r1被連接到m5的源級(jí)(如圖所示)并且還被連接到pmos晶體管m6的源級(jí)。如圖1所示，m5的柵極被連接到m5的主體以便將一個(gè)寄生二極管短路，使得只有所示出的寄生二極管是有效的。在至少一個(gè)實(shí)施例中，m5的寄生二極管的閾值電壓是大約0.7伏特。該閾值對(duì)于在低功率情況(諸如通常操作在3-5伏特上的便攜式設(shè)備上)中使用是過(guò)高的。因此，m5被控制為具有低得多的閾值電壓。

m0是二極管連接的pmos晶體管，其源級(jí)連接到vin并且漏極通過(guò)電流源cs1連接到低軌，在本文中被稱為地。m0的柵極被關(guān)聯(lián)到(tiedto)pmos晶體管m1和m2的柵極以形成共柵放大器。m1的源級(jí)被連接到vout并且漏極被連接在m6的源級(jí)和m5的柵極之間。m2還具有連接到vout的源級(jí)。m2的漏極被連接到m6的柵極。晶體管m6的源級(jí)被連接到m5，漏極被連接到地，并且柵極從m2、m8和r0接收輸入，其中r0被連接在vout和nmos晶體管m8的漏極之間。m8的源級(jí)被連接到地。二極管連接的pmos晶體管m3的源級(jí)連接到vout并且漏極通過(guò)電流源cs2連接到地。pmos晶體管m4的源級(jí)連接到vin并且漏極連接到二極管連接的nmos晶體管m9的漏極。m9的源級(jí)被連接到地。m3和m4的柵極被連接在一起形成運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(ota)。m8和m9的柵極被連接用于鏡像反映(mirror)從m4輸出的電流并且向m6提供電壓。

在所公開(kāi)的實(shí)施例中，m0、m1和m2一起形成放大器204，該放大器204(類似于圖1的放大器104)操作以當(dāng)vout變得大于vin時(shí)加速斷開(kāi)晶體管m5。同樣地，m3、m4和m9形成放大器206，該放大器206(類似于圖1的放大器106)操作以根據(jù)m5兩端的電壓動(dòng)態(tài)地偏置m5的柵極。晶體管m6和m8與電阻器r0和r1一起形成輸出級(jí)208，該輸出級(jí)208組合放大器204、206的輸出以便為m5提供平滑的操作。在一個(gè)示例中，m3、m4、m9、m8、r0和m6被限定為正向調(diào)節(jié)環(huán)路的一部分，而m0、m1和m2形成有助于m5的關(guān)斷速度的反向阻塞加速環(huán)路。

在電路200的操作中，參考輸出級(jí)208，m5的柵極由下列元件控制：(a)m6，當(dāng)m6導(dǎo)通時(shí)其能夠?qū)5的柵極拉向地；以及(b)m1，當(dāng)m1導(dǎo)通時(shí)其能夠?qū)5的柵極向上拉向vout。m6導(dǎo)通的程度由三個(gè)因素確定，即是：(a)r0，始終將m6的柵極拉向vout；(b)m8，當(dāng)m8導(dǎo)通時(shí)其將m6的柵極拉向地；以及(c)m2，當(dāng)m2導(dǎo)通時(shí)其有助于將m6的柵極拉向vout。

當(dāng)vin大于vout并且電流以正向方向流過(guò)m5時(shí)，放大器206如下操作以確?？焖俚恼蚧謴?fù)。m3作為用于放大器206的浮動(dòng)基準(zhǔn)電壓操作，使得m4實(shí)質(zhì)上了解m5兩端的電壓。如果vout突然變低，則m3的柵極被向下拉并且將對(duì)m4的柵極進(jìn)行下拉。m4然后將具有大的柵極/源級(jí)電壓vgs，并且將快速地允許增加的電流到m9，其也增加m9的柵極上的電壓。m9的柵極將在m8的柵極上鏡像反映增加的電壓，以便m8將更加完全的導(dǎo)通。導(dǎo)通m8將對(duì)m5的柵極進(jìn)行下拉，因此更加有力地導(dǎo)通m6，這最終更有力地導(dǎo)通m5，從而提供所需的附加功率。當(dāng)vout變得大于vin時(shí)，將發(fā)生反轉(zhuǎn)，m4被關(guān)斷，這進(jìn)而關(guān)斷m9和m8。隨著m8被斷開(kāi)，r0將最終把m6的柵極拉到vout并且斷開(kāi)m6和m5兩者，然而通過(guò)自身，r0將比所期望的操作得更緩慢。這是放大器204的作用變得有用的時(shí)間。

在放大器204中，m0作為浮動(dòng)基準(zhǔn)電壓操作，以便m1和m2兩者都了解m5兩端的電壓。如果vout大于vin，則m1和m2兩者的源級(jí)都變高，而其各自的柵極由于連接到m0的柵極而保持為低。低柵極電壓和高源級(jí)電壓將有力地導(dǎo)通m1和m2兩者，從而允許更多的電流流動(dòng)。m1將m6的源級(jí)拉向vout，并且m2有助于將m6的柵極拉向vout，其操作以斷開(kāi)m6和m5。因?yàn)榉糯笃?04的作用，m5能夠比僅發(fā)生r0對(duì)柵極進(jìn)行上拉的情況進(jìn)行更快速地?cái)嚅_(kāi)。

在該實(shí)施例中，正向調(diào)節(jié)環(huán)路由差分對(duì)m3/m4控制，并且負(fù)載是r0。通過(guò)m6的源級(jí)處的低阻抗和r0降低m8的漏極處的有效阻抗，以及vout上的大的解耦電容器，可以使該環(huán)路輸出占主導(dǎo)地位的極點(diǎn)。在該電路中，正向環(huán)路的一個(gè)特性是到重負(fù)載步驟的快速正向恢復(fù)。該電路中的反向恢復(fù)加速環(huán)路在正常的正向偏置狀況下不被激活，而是僅當(dāng)vout上的電壓增加超過(guò)vin時(shí)才被激活。當(dāng)vout大于vin時(shí)，沒(méi)有電流從vout流向地。

圖3說(shuō)明圖2的實(shí)施例的dc電流-電壓(i-v)曲線特性。在曲線的區(qū)域d中(其是當(dāng)vout小于vin時(shí))，對(duì)于所有的負(fù)電壓，通過(guò)m5的電流為零。隨著vin變得大于vout，電流在區(qū)域a中保持為零直到在大約30毫伏處達(dá)到閾值電壓vth。通過(guò)比較，在該技術(shù)中，常規(guī)二極管的閾值電壓將大約為700毫伏。因此，在關(guān)心電壓余量的情況中或者關(guān)心由于電流流過(guò)真實(shí)的二極管而導(dǎo)致功率損失的情況中，所公開(kāi)的電路是有用的。vth由差分對(duì)m3、m4的跨導(dǎo)乘以r0的電阻來(lái)確定。超過(guò)vth，電流在區(qū)域b中以第一速率上升直到晶體管被完全導(dǎo)通。在晶體管完全導(dǎo)通之后(例如，在區(qū)域c中)，i-v曲線的斜率是等于漏極/源級(jí)電阻的倒數(shù)的第二值(即，1/rdson)。從輸入電流或輸出電流獲取用來(lái)運(yùn)行所公開(kāi)的電路的電流并且其可以是非常低的功率。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，電路的靜態(tài)電流供應(yīng)(iddq)是大約1.25μa。因此，在至少一些實(shí)施方式中，靜態(tài)電流供應(yīng)在微安范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，如果需要，則電路系統(tǒng)甚至可以推得更低(例如，進(jìn)入納安范圍)。

圖4說(shuō)明通過(guò)所公開(kāi)的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的理想二極管的瞬時(shí)特性。如下部圖形所示，圖2的實(shí)施例的輸出電壓vout大約從3.265v變換到3.33v，同時(shí)輸入電壓vin保持在3.3v(未示出)。在0.5毫秒后，輸出電壓下落回到其先前的水平。上部圖形中示出了通過(guò)理想二極管m5的電流響應(yīng)。隨著反向電壓被施加，反向電流出現(xiàn)，在大約42ma處達(dá)到峰值，但是在0.020ms內(nèi)，反向電流降至零。當(dāng)去除反向電壓狀況時(shí)，電流返回到之前的水平。在恢復(fù)期間，電壓不發(fā)生下沖(undershooting)，即使這是理想二極管電路中的常見(jiàn)問(wèn)題。

圖5說(shuō)明一個(gè)實(shí)施例中的放大器204和206兩者的工作區(qū)500并且繪制這些放大器中的每一個(gè)的i-v圖形，其中電壓被測(cè)量為vin-vout。圖5沒(méi)有按比例繪制并且僅被提供以說(shuō)明這兩個(gè)放大器電路的工作區(qū)將重疊。虛線代表放大器204的曲線，并且實(shí)線代表放大器206的曲線。如圖5所示，當(dāng)電壓差位于負(fù)區(qū)域(即，vout大于vin)時(shí)，僅放大器204操作。隨著電壓差變得更加正性，來(lái)自放大器204的電流下降，并且來(lái)自放大器206的電流開(kāi)始增長(zhǎng)，使得兩個(gè)放大器同時(shí)操作。最終，到達(dá)放大器204被完全斷開(kāi)并且僅放大器206有效的點(diǎn)。放大器204和放大器206之間的切換總體上提供電路的平滑操作。每個(gè)放大器電路的實(shí)際曲線由每個(gè)電路中的晶體管的閾值電壓和器件的跨導(dǎo)確定。

在示例實(shí)施例中，控制電路系統(tǒng)具有多種應(yīng)用，諸如：(a)零反向電流開(kāi)關(guān)；(b)具有非常小的功率損失的多個(gè)電源的理想冗余二極管(diodeor-ing)(在許多低功率電池操作的器件中是重要的)；以及(c)用于阻塞任何反向電流進(jìn)入低壓差(ldo)的供應(yīng)的低壓差反饋環(huán)路內(nèi)部。

圖6說(shuō)明所公開(kāi)的理想二極管電路在集成電路(ic)芯片600內(nèi)部的較大電路中的使用。ic芯片600中示出的電路使用基于pmos的理想二極管602a、602b以形成來(lái)自下列中的任一項(xiàng)的單個(gè)冗余二極管(diode-ored)內(nèi)部電力軌604：(a)vbus，其連接到電纜(在耗盡的電池的情況下)；或(b)vin，系統(tǒng)電源電壓位于3.3v，給定vin優(yōu)先權(quán)。顯然，所有的低電壓元件都可以用于理想二極管602b，因?yàn)樵摱O管出現(xiàn)在ldo調(diào)節(jié)器606的低壓側(cè)上。圖6公開(kāi)兩個(gè)冗余二極管輸入。然而，這并非限制，因?yàn)樵摲绞娇梢员粩U(kuò)展至不限數(shù)量的輸入供應(yīng)。

在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，所描述的實(shí)施例中的修改是可能的，并且其他實(shí)施例是可能的。