具有多個晶體管的電壓調節器的制造方法
【專利說明】具有多個晶體管的電壓調節器
[0001]相關申請
[0002]本申請要求享受于2013年3月15日提交的美國臨時專利申請號61/790，619的優先權權益，以引用方式將其并入本文中。
技術領域
[0003]下面的公開內容涉及半導體電壓調節器器件。
【背景技術】
[0004]電壓調節器(諸如DC到DC轉換器)用于為電子系統提供穩定的電壓源。對于低功率器件(諸如膝上型筆記本和蜂窩電話)中的電池管理尤其需要有效的DC到DC轉換器。已知開關電壓調節器(或者簡單來說“開關調節器”)是有效的DC到DC轉換器。開關調節器通過將輸入DC電壓轉換成高頻率電壓并對用于產生輸出DC電壓的高頻率輸入電壓進行濾波來產生輸出電壓。具體來說，開關調節器包括用于將輸入DC電壓源(諸如電池)與負載(諸如，集成電路)交替地耦合或解耦的開關。輸出濾波器(通常包括電感器和電容器)耦合在輸入電壓源與負載之間，以對開關的輸出進行濾波并因此提供輸出DC電壓。控制器(諸如脈沖寬度調制器或脈沖頻率調制器)對開關進行控制來保持基本上恒定的輸出DC電壓。

【發明內容】

[0005]總體而言，在一個方面中，本公開內容以具有輸入端子和接地端子的電壓調節器為特征。電壓調節器包括在輸入端子與中間端子的η型高側器件，在中間端子與接地端子端子之間的η型低側器件，以及驅動高側器件和低側器件來將中間端子交替地耦合到輸入端子和接地端子的控制器。高側器件包括具有耦合到輸入端子的第一漏極和耦合到中間端子的第一源極的第一晶體管。高側器件還包括具有耦合到第一晶體管的第一漏極的第二漏極和耦合到中間端子的第二源極的至少第二晶體管，以使得第一晶體管控制第二晶體管的漏源開關電壓。第一晶體管和第二晶體管受控制器驅動，并且第一晶體管的漏極結具有導致第一晶體管具有比第二晶體管更高的擊穿電壓的摻雜分布。
[0006]在另一個方面中，本公開內容以具有輸入端子和接地端子的電壓調節器為特征。電壓調節器包括高側器件、低側器件、以及控制器。高側器件耦合在輸入端子與中間端子之間。高側器件包括第一晶體管和第二晶體管，第一晶體管和第二晶體管各自耦合在輸入端子與中間端子之間，以使得第一晶體管控制第二晶體管的漏源開關電壓。低側器件耦合在中間端子與接地端子之間。控制器驅動高側器件和低側器件來將中間端子交替地耦合到輸入端子和接地端子。
[0007]在另一個方面中，本公開內容以對具有第一端子和第二端子的開關進行操作的方法為特征。方法包括使輔助晶體管導通，所述輔助晶體管具有耦合到第一端子的第一漏極、耦合到第二端子的第一源極、以及第一柵極。方法還包括在輔助晶體管導通的同時使主晶體管導通。主晶體管具有耦合到第一端子的第二漏極、耦合到第二端子的第二源極、以及第二柵極。主晶體管包括導致比輔助晶體管的擊穿電壓更低的擊穿電壓的漏極結摻雜分布。方法還包括在輔助晶體管導通的同時關斷主晶體管，并關斷輔助晶體管。
[0008]在另一個方面中，本公開內容以對電壓調節器中的開關進行操作的方法為特征。開關具有第一端子、第二端子，并且電壓調節器包括耦合到第一端子和第二端子中的一個的電感器。方法包括使耦合在第一端子與第二端子之間的輔助晶體管導通。方法還包括在輔助晶體管導通的同時使主晶體管導通，其中，主晶體管耦合在第一端子與第二端子之間。主晶體管包括導致比輔助晶體管的擊穿電壓更低的擊穿電壓的漏極結摻雜分布。方法還包括在輔助晶體管導通的同時關斷主晶體管，并且在關斷主晶體管之后關斷輔助晶體管。
[0009]在另一個方面中，本公開內容以在測試模式下對電壓調節器進行操作的方法為特征。方法包括針對具有高側器件和低側器件的電壓調節器啟用測試模式，其中，測試模式允許使電流同時通過高側器件和低側器件中的部分。方法還包括使高側器件的晶體管導通。晶體管具有耦合到在高側器件與低側器件之間的輸入端的第一漏極以及耦合到電壓調節器的中間端子的第一源極。方法還包括使低側器件的輔助晶體管和主晶體管導通，以使得通過高側器件的晶體管的電流通過低側器件的輔助晶體管和主晶體管。
[0010]在另一個方面中，在測試模式下對電壓調節器進行操作的方法包括針對具有高側器件和低側器件的電壓調節器啟用測試模式。所述測試模式允許使電流同時通過高側器件和低側器件中的部分。方法還包括使高側器件的晶體管導通，其中，晶體管耦合在電壓調節器的中間端子與電壓調節器的輸入端子之間。方法還包括使耦合到中間端子的低側器件的輔助晶體管和主晶體管導通，以使得通過高側器件的晶體管的電流通過低側器件的輔助晶體管和主晶體管。
[0011]實施方式可以包括以下各項的其中一項或多項。
[0012]第一晶體管的漏極結可以具有比第二晶體管的漏極結更輕的摻雜。第一晶體管的尺寸在第二晶體管的尺寸的20%與30%之間。第一晶體管的導通狀態的電導比第二晶體管的導通狀態的電導更低。與第一晶體管相關聯的開關時間可以比與第二晶體管相關聯的開關時間更長。第一晶體管的飽和電流可以比流出中間端子的負載電流更高。第一晶體管可以具有比第二晶體管更大的安全工作區(S0A)。第一晶體管的柵極的厚度可以比第二晶體管的柵極的厚度更大。第二漏極可以耦合到輸入端子。第二源極可以耦合到第一源極。高側器件可以包括連接到第一晶體管的柵極的第一反相器，以及連接到第二晶體管的柵極的第二反相器。控制器可以通過借助第一反相器和第二反相器分別控制第一晶體管和第二晶體管來驅動高側器件。低側器件可以包括具有耦合到中間端子的第三漏極和耦合到接地端子的第三源極的第三晶體管，以及具有耦合到第三漏極的第四漏極和耦合到接地端子的第四源極的至少第四晶體管。第三晶體管可以至少部分地控制第四晶體管的工作。第三晶體管和第四晶體管由驅動器驅動，第三晶體管具有比第四晶體管更小的尺寸和更高的擊穿電壓。第三晶體管的漏極結可以具有比第四晶體管的漏極結更輕的摻雜分布。第三晶體管的尺寸可以在第四晶體管的尺寸的20%與30%之間。第三晶體管可以具有比第四晶體管更大的安全工作區(SOA)。第三晶體管的柵極的厚度比第四晶體管的柵極的厚度更大。第四漏極可以耦合到中間端子。第四源極可以耦合到第三源極。低側器件可以包括連接到第三晶體管的柵極的第三反相器以及連接到第四晶體管的柵極的第四反相器。控制器可以通過經由第三反相器和第四反相器分別控制第三晶體管和第四晶體管來驅動低側器件。控制器可以被配置為在使第二晶體管導通之前使第一晶體管導通。控制器可以被配置為在使第一晶體管導通與使第二晶體管導通之間施加延遲。控制器可以被配置為在關斷第二晶體管之后關斷第一晶體管。控制電路可以被配置為在使第一晶體管導通與使第二晶體管導通之間施加延遲。第一晶體管可以比第二晶體管更穩健地處理開關瞬變。第一晶體管和第二晶體管可以實現為單片器件。第一晶體管和第二晶體管以及控制器可以實現為單片器件。
[0013]使主晶體管和輔助晶體管導通和關斷可以包括將信號從控制器引導到第一柵極和第二柵極。主晶體管的導通可以在輔助晶體管的導通之后延遲預先確定的時間段。關斷輔助晶體管可以在關斷主晶體管之后延遲預先確定的時間段。主晶體管和輔助晶體管可以實現為單片器件。輔助晶體管的面積可以小于主晶體管的面積。
[0014]當啟用測試模式時，可以檢查電壓調節器內的故障情況。電壓調節器可以被標記為在檢測故障情況上是有缺陷的。輔助晶體管可以包括耦合到電壓調節器的中間端子的第二漏極以及耦合到接地端子的第二源極。主晶體管可以包括耦合到第二漏極的第三漏極以及耦合到接地端子的第三源極。通過設置在電壓調節器中的控制器來使輔助晶體管和主晶體管導通，控制器連接到輔助晶體管和主晶體管中的相應的柵極。
[0015]某些實施方式可能具有以下優點中的其中一個或多個。通過將調節器的高側器件和低側器件劃分為兩個或更多個晶體管的級聯，可以同時優化開關特性和電流容量。可以對調節器中的一部分進行優化來處理開關瞬變，同時可以針對高電導而對另一部分進行優化。這會導致調節器的功率消耗的整體節省。可以使用級聯結構來減緩在調節器的中間端子處的電壓增長，由此降低電壓瞬變以及中間端子至低側器件的柵極的電容性耦合。多個晶體管的級聯結構允許分別設計晶體管的擊穿電壓和安全工作區，由此允許較大的設計靈活性。
[0016]在下面的附圖和描述中闡述了一個或多個實施方式的細節。根據說明書、附圖、以及權利要求書，其它特征、方面、以及優點將變得顯而易見。
【附圖說明】