本申請要求2015年12月22日提交的名稱為“HV MOS LEAKAGE COMPENSATION FOR ULTRALOW CURRENT OPERATION”(對HV MOS的泄漏進(jìn)行補償來實現(xiàn)超低電流操作)的美國No.62/270,891臨時申請(發(fā)明人：Dieter JOOS和Johan Camiel Julia JANSSENS)的優(yōu)先權(quán)，該申請以引用方式并入本文，特此要求本文與該申請的共同主題的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型總體涉及具有超低電流要求的控制裝置，具體涉及利用HV MOS泄漏補償來實現(xiàn)超低電流操作的控制裝置。

背景技術(shù)：

晶體管(特別是金屬氧化物半導(dǎo)體(“MOS”)場效應(yīng)晶體管)擁有許多理想的開關(guān)特性。然而，它們的一些特性可能使其在某些情況下的使用存在問題。具體地講，MOS晶體管的制造過程在p型硅與n型硅之間形成了內(nèi)部結(jié)，由此產(chǎn)生了寄生二極管，在這類場合中使用時，必須考慮寄生二極管的效應(yīng)。

采用MOS晶體管的電路通常被設(shè)計成讓此類寄生二極管短路，或?qū)⒋祟惣纳O管保持在反向偏壓下。但是，即便在反向偏壓下，寄生二極管仍顯現(xiàn)泄漏電流。高電壓(“HV”)MOS晶體管中的這種泄漏電流可能尤其明顯，原因是相比常規(guī)的MOS晶體管，HV MOS晶體管通常具有較寬的溝道和擴(kuò)大的漏極尺寸，導(dǎo)致PN結(jié)面積增大、注入電流增強(qiáng)。HV MOS晶體管還可能遭受明顯的亞閾值電流。寄生電流和亞閾值電流都隨溫度而變。這類泄漏電流可能妨礙HV MOS晶體管用于超低電流操作(即便通常期望的是HV MOS晶體管能夠在高溫高壓下工作)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文使用的短語“超低電流操作”是指，裝置處于無源模式時，其總電流消耗被降至最低，例如，保持低于10μA，在一些情況下低于1μA。這類嚴(yán)格的限制可能要求各單獨的信號電流保持為該限值的幾分之一，例如，約100至250nA。本實用新型的一個實施例解決的技術(shù)難題是，HV MOS晶體管的泄漏電流可能與該范圍內(nèi)的電流相當(dāng)，甚至比該范圍內(nèi)的電流大，從而妨礙HV MOS晶體管用于超低電流裝置。本實用新型的一個實施例的技術(shù)效果是，使HV MOS晶體管能夠用于超低電流操作。

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了具有超低電流要求的控制裝置，該控制裝置包括：控制信號線；控制電流源；高壓金屬氧化物半導(dǎo)體(“HV MOS”)控制晶體管，其有選擇地將控制電流源耦接到控制信號線，該控制晶體管還將寄生泄漏電流耦接到控制信號線；以及補償電流源，其耦接到控制信號線以提供補償電流，該補償電流源包括HV MOS補償晶體管，此補償晶體管將補償電流與寄生泄漏電流匹配。

在一個實施例中，補償晶體管具有柵極，以及短接到柵極的浮動源極。

在一個實施例中，補償晶體管的漏極耦接到第二補償晶體管的漏極，該第二補償晶體管具有柵極以及短接到第二補償晶體管的柵極的浮動源極；控制晶體管的漏極耦接到附加晶體管的漏極，該附加晶體管具有柵極以及短接到附加晶體管的柵極的浮動源極；控制晶體管、附加晶體管以及兩個補償晶體管形成了交叉四元(cross-quad)布置，用于將補償電流與寄生泄漏電流匹配。

在一個實施例中，控制電流源和補償電流源各自包括電流鏡布置，用于增大其輸出阻抗。

在一個實施例中，控制裝置還包括耦接在控制信號線與補償電流源之間的二極管或其他電平漂移部件。

在一個實施例中，控制晶體管和補償晶體管是匹配的增強(qiáng)型n型HV MOS晶體管。

在一個實施例中，控制晶體管將控制電流耦接到控制信號線，支持裝置的正常操作；控制裝置失去電力時，控制晶體管就將控制電流與控制信號線隔離。

在一個實施例中，控制信號線耦接到電力開關(guān)，用于在無源模式下斷開電力開關(guān)，在有源模式下閉合電力開關(guān)。

在一個實施例中，電力開關(guān)是反串聯(lián)開關(guān)，一旦閉合，就從備用能量塊提供電力。

在一個實施例中，控制電流源提供強(qiáng)度小于250nA的控制電流。

附圖說明

在附圖中：

圖1是示例性備用能量塊的示意圖。

圖2是不支持超低電流操作的示例性開關(guān)控制裝置的示意圖。

圖3是采用有缺陷的補償技術(shù)的示例性開關(guān)控制裝置的示意圖。

圖4A是采用新型補償技術(shù)的示例性開關(guān)控制裝置的示意圖。

圖4B是另選的開關(guān)控制裝置實施例的示意圖。

圖5示出了對稱的四聯(lián)布置。

應(yīng)當(dāng)理解，附圖和對應(yīng)的詳細(xì)描述并不限制本公開，而是相反，為理解落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有修改形式、等同形式和替代形式提供基礎(chǔ)。

具體實施方式

圖1是具有穩(wěn)壓器102的示例性備用能量塊的示意圖，該備用能量塊一旦啟用，就經(jīng)由一對輸入端子IN1和IN0從備用能量源汲取電力，從而在輸出端子OUT1和OUT0上提供穩(wěn)定電壓。開關(guān)控制裝置104將耦接在輸入端子IN1與穩(wěn)壓器的正輸入端之間的反串聯(lián)開關(guān)(在圖1中顯示為擁有共用源極節(jié)點S的兩個背靠背連接的HV MOS晶體管106、108)閉合時，備用能量塊就開始汲取電力。輸入端子IN0直接耦接到穩(wěn)壓器的負(fù)輸入端。偏壓電阻器110把反串聯(lián)開關(guān)的柵極節(jié)點G耦接到輸入端子IN0。開關(guān)控制裝置104通過驅(qū)使柵極-源極電壓V_GS變?yōu)?而斷開反串聯(lián)開關(guān)，并利用負(fù)V_GS而閉合反串聯(lián)開關(guān)。圖1還示出了等效電壓源112和阻抗114，用來表示輸入端子IN0相對于局部接地節(jié)點的變化。

在一些實施例中，穩(wěn)壓器102是單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)，其能夠以突發(fā)(“充電”)模式工作，用2至40V范圍內(nèi)的輸入電壓對耦接到輸出端子的電容器進(jìn)行再充電，使電容器電壓從約11V升至約15V，在此過程中消耗的電力不超過約1mW。一旦輸出電容器被充電達(dá)到所需的電壓范圍，轉(zhuǎn)換器就進(jìn)入低電力(“放電”)模式，在該模式下無源地監(jiān)控輸出電容器的電壓，在此過程中消耗最小的電力。啟用的穩(wěn)壓器102在充電模式與放電模式之間循環(huán)代表備用能量塊處于有源模式，有源模式在主系統(tǒng)失去電力的情況下被調(diào)用。

與之相比，在主系統(tǒng)正從另一來源接收電力的情況下，備用能量塊進(jìn)入無源模式，此時開關(guān)控制裝置104斷開反串聯(lián)開關(guān)(晶體管106、108)，使穩(wěn)壓器102停用。無源模式下，備用能量塊的電流消耗量應(yīng)降至最小，例如，僅限于微安培范圍甚至更小。

圖2示出了開關(guān)控制裝置104的第一示例性實施例，該開關(guān)控制裝置具有分流晶體管202，此分流晶體管導(dǎo)通時，驅(qū)使V_GS變?yōu)?。分流晶體管202截止時，使偏壓電流(圖1，電阻器110)能夠在電阻器204兩端施加負(fù)V_GS。級聯(lián)成對的二極管配置晶體管206、208任選地與電阻器204并聯(lián)設(shè)置，用于將V_GS限制在閾值電壓的兩倍左右，即-2V_GS，以免損壞反串聯(lián)開關(guān)晶體管106、108。因此，提供給分流晶體管202的柵極電壓信號控制開關(guān)狀態(tài)，從而確定是啟用還是停用穩(wěn)壓器。傳輸該柵極電壓信號的導(dǎo)線在下文稱為控制信號線210。

由于允許輸入端子IN0相對于局部接地浮置，所以控制信號線210優(yōu)選地受電流驅(qū)動，也就是說，控制信號被指定為電流，而不是電壓。電阻器212把控制電流I_CTL轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的柵極電壓，用來控制分流晶體管202?？刂齐娏髟?14將控制電流I_CTL設(shè)定為所需的下拉電流值，控制晶體管216有選擇地將控制電流源214耦接到控制信號線210。

優(yōu)選地設(shè)定各種電路參數(shù)以實現(xiàn)下述效果：一旦控制晶體管216將控制電流源214耦接到控制信號線210，就在電阻器212兩端施加負(fù)V_GS，以致分流晶體管202驅(qū)使反串聯(lián)開關(guān)V_GS變?yōu)?，從而避免電力從輸入端子IN0、IN1進(jìn)入穩(wěn)壓器102。另外，一旦控制晶體管216解除控制電流源214與控制信號線210的耦接，分流晶體管202就斷開，使電阻器204的兩端能夠被施加負(fù)V_GS，由此啟用穩(wěn)壓器102，從輸入端子IN0、IN1汲取電力。

圖示的控制晶體管216是n型HV MOS，因此，如上所述，該控制晶體管的柵極信號生效時，穩(wěn)壓器102就被停用(“無源模式”)，而該控制晶體管的柵極信號失效時，穩(wěn)壓器102就被啟用(“有源模式”)?？刂凭w管216的柵極信號因而可被稱為無源模式信號，在其生效時，保持備用能量塊處于無源模式。有利的是，在控制裝置104失去電力的情況下，無源模式信號(以及控制電流源214)失效，致使備用能量塊自動起效，而將穩(wěn)定電力提供給輸出端子OUT0、OUT1。

在圖示實施例中，邏輯與門218由一組反相觸發(fā)信號220獲得無源模式信號。反相觸發(fā)信號各自默認(rèn)為“開啟”(ON)，要是處于“關(guān)閉”(OFF)狀態(tài)，則指示有必要進(jìn)入有源模式。所以，要是任意一個或多個反相觸發(fā)信號下降，則無源模式信號失效，穩(wěn)壓器102啟用。所述觸發(fā)信號可用主系統(tǒng)電力(例如，電壓損耗，過度噪聲)或手動模式控制來指示檢測到的或預(yù)期的故障。

圖2還示出了HV MOS控制晶體管216內(nèi)的寄生泄漏電流的來源。電流源代表亞閾值泄漏電流I_S，二極管代表大多數(shù)HV MOS晶體管共有的基板至漏極寄生二極管引起的寄生泄漏電流I_P。(在適用于HV應(yīng)用的多種雙擴(kuò)散MOS(“DMOS”)結(jié)構(gòu)中，漏極耦接到埋置的擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層的摻雜類型與基板的相反。)I_S和I_P這兩種電流都隨溫度而變，并在輸入端子IN0、IN1上相對于局部接地節(jié)點經(jīng)歷電壓變化。即便如此，只要控制電流I_CTL的數(shù)量級大于泄漏電流的數(shù)量級，就可預(yù)期圖示的開關(guān)控制裝置104可以可靠地工作。

然而，如有必要將控制電流I_CTL降至微安培的幾分之一，泄漏電流可防止控制晶體管216對控制信號線電壓造成足夠大的影響，從而在無源模式信號失效時，將備用能量塊置于有源模式。對泄漏電流進(jìn)行某種形式的補償是可取的。

圖3示出了一種簡陋的補償方法，該方法采用了與控制晶體管216匹配的補償晶體管302。因此，在該實施例中，上述兩個晶體管都是n型增強(qiáng)型HV MOS晶體管，優(yōu)選地具有相似的尺寸且彼此貼近，以便在兩者的柵極信號失效時，具有相似的泄漏電流I_S、I_P。(只在無源模式信號失效時，控制晶體管的泄漏電流才會造成問題。)補償晶體管的柵極端子和源極端子系縛于地面，得到的泄漏電流經(jīng)由晶體管304、306形成的電流鏡用于設(shè)定補償電流。因此，部件302至306形成了補償電流源。將補償電流提供給控制信號線210，基本上抵消了控制晶體管216的泄漏電流。

然而，仔細(xì)考慮圖3會發(fā)現(xiàn)，反偏電流I_PULL在控制晶體管打開時包括亞閾值泄漏電流I_S。如果補償晶體管302中的亞閾值泄漏變得與反偏電流I_PULL相當(dāng)(如可能在高溫下發(fā)生)，那么補償電流基本上抑制控制電流I_CTL并防止控制晶體管216影響控制信號線電壓，該影響使其足以在斷定無源模式信號時將備用能量塊置于無源模式下。換句話講，控制信號線電壓變得與控制晶體管狀態(tài)無關(guān)，并且備用能量塊保持處于有源模式下。

因此，圖4A示出了采用新型補償方法的控制裝置104的示例性實施例。在圖4A中，補償晶體管402具有短接到柵極但以其他方式保持浮動的源極。在此配置中，補償晶體管402仍具有含寄生泄漏電流I_P的體二極管，但不具有允許亞閾值電流流過的路徑。因此，由部件402,304,306形成的補償電流源提供與寄生泄漏電流I_P匹配的補償電流，但省去了亞閾值泄漏電流I_S。在所有的其他方面中，補償晶體管優(yōu)選地與控制晶體管216匹配，即，兩種晶體管均為n型增強(qiáng)型HV MOS晶體管，二者具有相似的尺寸且彼此貼近以便在它們的柵極-源極電壓V_GS為零時具有相似的寄生泄漏電流I_P。

為確保晶體管306具有足夠的余量來適當(dāng)提供補償電流的來源，將該晶體管經(jīng)由二極管配置的晶體管444、二極管或任何其他部件耦接至控制信號線210，所述其他部件提供控制信號線210與補償電流源的輸出之間的電壓電平漂移。即使在極低的電流下，晶體管444也能夠通過閾值電壓V_t維持電流源輸出電壓低于控制信號線電壓。

作為相對于圖3的進(jìn)一步改變，圖4A的實施例還采用無源模式信號，其中采用額外晶體管416將控制電流源414在打開和關(guān)閉之間直接切換。通過關(guān)閉控制電流源414切換為有源模式，圖4A的實施例使用額外晶體管416來限制控制晶體管的亞閾值泄漏電流I_S?？墒咕w管416的亞閾值泄漏電流I_S|416遠(yuǎn)小于HV MOS控制晶體管216的亞閾值泄漏電流。此外，如果額外晶體管416反串聯(lián)到鏡像晶體管415(即，如果晶體管416的漏極耦接到鏡像晶體管415的漏極)，那么控制晶體管216的柵極-源極電壓V_GS變?yōu)樨?fù)，還降低了裝置216的有效亞閾值電流。

因此，在圖4A的實施例中，控制晶體管216作為補償在斷定為無源模式信號時提供了I_PULL的控制電流I_CTL，并且在否定為無源模式信號時提供了I_S|416。在正確設(shè)置分流晶體管202的閾值電壓后，圖4A的控制裝置實施例展示了相對于圖3的實施例的擴(kuò)展的工作范圍。

由于在超低電流狀況中存在的極小工作裕度，圖4A的實施例可能無法始終實現(xiàn)控制晶體管216的補償電流與寄生泄漏電流的充分匹配，這是因為即使在相鄰晶體管之間也可能存在微小的過程波動。圖4B因此提供了允許更好匹配的可供選擇的實施例。

在圖4B的實施例中，補償晶體管402與第二補償晶體管404并聯(lián)在一起。與第一補償晶體管一樣，第二補償晶體管也具有短接到其柵極的浮動源極。兩種補償晶體管一起設(shè)置補償電流源，從而提供與2個I_P標(biāo)稱匹配的補償電流。

圖4B還提供了具有短接到其柵極的浮動源極的額外晶體管406。所述漏極連接至控制晶體管216的漏極，還導(dǎo)致寄生泄漏電流的標(biāo)稱加倍。然而，過程波動可造成其他相同晶體管的寄生泄漏電流的差異。為補償這種過程波動，優(yōu)選地將四個晶體管216,402,404,406布置成如圖5所示的相等尺寸的晶體管的四邊形。(在圖5中，非對稱的字母“F”用作示例說明如何可將相等尺寸的晶體管布局對稱布置以使匹配最大化。)該布局另外的特點是，結(jié)合了四邊形的對角線相對部分。因此，補償晶體管402和404位于四邊形的對角線相對拐角上，而控制晶體管216和額外晶體管406也位于對角線相對拐角上。這種布置有時稱為“四聯(lián)交叉”布置，并且用于為沿x軸和y軸的波動提供一階補償以及均衡來自襯底中的干擾源電流的載流子注入。

上述泄漏補償設(shè)計和技術(shù)適用于備用能量塊以及在超低電流狀況下提供控制信號可能需要的其他控制裝置中HV MOS晶體管的超低電流操作。雖然本實用新型公開的配置針對n型HV MOS晶體管提供補償，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，該配置對于p型HV MOS晶體管的適用性，以及實際上對于所有種類MOS晶體管的適用性。一旦完全理解了上述公開的內(nèi)容，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說這些和許多其他修改形式、等價形式和替代形式就將變得顯而易見。旨在使以下權(quán)利要求書被解釋為在適用情況下包含所有此類修改形式、等價形式和替代形式。

一個示例性控制裝置實施例包括控制電流源、HV MOS控制晶體管和補償電流源。HV MOS控制晶體管選擇性地將控制電流源耦接至控制信號線，但是也將寄生泄漏電流耦接至控制信號線。補償電流源使用HV MOS補償晶體管提供與寄生泄漏電流匹配的補償電流。

一個示例性方法實施例包括：(a)通過HV MOS控制晶體管選擇性地將控制電流源耦接至控制信號線，所述HV MOS控制晶體管還將寄生泄漏電流耦接至控制信號線；以及(b)通過具有HV MOS補償晶體管的補償電流源補償寄生泄漏電流，所述HV MOS補償晶體管將補償電流與寄生泄漏電流匹配。

一個示例性系統(tǒng)實施例為備用能量塊，該備用能量塊包括：耦接至一對輸出端子的穩(wěn)壓器；耦接至備用能量源的一對輸入端子；反串聯(lián)開關(guān)，其在閉合時從這對輸入端子提供電力至穩(wěn)壓器，在斷開時將來自這對輸入端子的電力與穩(wěn)壓器隔離；控制電流源；以及高壓金屬氧化物半導(dǎo)體(“HV MOS”)控制晶體管，其選擇性地將控制電流源耦接至控制信號線以斷開和閉合反串聯(lián)開關(guān)；以及補償電流源，其耦接至控制信號線以提供與來自控制晶體管的寄生泄漏電流匹配的補償電流。該補償電流源包括與控制晶體管匹配的HV MOS補償晶體管。

上述實施例中的每一個可包括任意組合的一個或多個如下要素：(1)補償晶體管具有短接到其柵極的浮動源極。(2)控制晶體管和補償晶體管是四聯(lián)交叉配置以提供更好的匹配。(3)控制晶體管和補償晶體管均為增強(qiáng)型n型HV MOS晶體管。(4)控制電流源提供的電流具有小于250nA的強(qiáng)度。(5)選擇性耦合包括，對于有源模式將控制電流源與控制信號線隔離，對于無源模式將控制電流源耦接至控制信號線。(6)控制信號線控制反串聯(lián)開關(guān)，對于無源模式斷開開關(guān)，對于有源模式閉合開關(guān)。(7)電力開關(guān)閉合時，從備用能量源提供電力至穩(wěn)壓器。(8)二極管或其他電平漂移部件耦接在控制信號線與補償電流源之間。