线性开关电路及方法技术

本申请公开线性开关电路及方法。系统包括输出端子和耦合到输出端子的线性开关电路。线性开关电路包括第一功率场效应晶体管(FET)，其具有：第一沟道宽度；控制端子；第一电流端子；和第二电流端子，其中第二电流端子耦合到输出端子。线性开关电路还包括第二功率FET，其具有：小于第一沟道宽度的第二沟道宽度；控制端子；第一电流端子，其耦合到第一功率FET的第一电流端子；第二电流端子，其耦合到输出端子。系统还包括耦合到第一功率FET的控制端子和第二功率FET的控制端子的控制电路。控制电路检测漏源极电压(V

【技术实现步骤摘要】
线性开关电路及方法相关申请的交叉引用本申请要求于2019年9月20日提交的美国临时申请号62/903,494的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术介绍
电子器件和集成电路(IC)技术的迅速发展，导致了IC产品的商业化。随着新的电子器件的发展和IC技术的进步，新的IC产品被商业化。许多IC产品使用功率场效应晶体管(FET)，随着IC技术向小型化方向发展，功率FET的安全操作区(SOA)越来越受到限制。
技术实现思路
根据本公开的至少一个示例，一种系统包括输出端子和耦合到输出端子的线性开关电路。线性开关电路包括第一功率场效应晶体管(FET)，该第一功率场效应晶体管具有：第一沟道宽度；控制端子；第一电流端子以及第二电流端子，其中第二电流端子耦合到输出端子。线性开关电路还包括第二功率FET，该第二功率FET具有：小于第一沟道宽度的第二沟道宽度；控制端子；耦合到第一功率FET的第一电流端子的第一电流端子；以及耦合到输出端子的第二电流端子。该系统还包括耦合到第一功率FET的控制端子和第二功率FET的控制端子的控制电路。控制电路被配置成：检测与第一功率FET相关的漏源极电压(VDS)饱和状况；响应于检测到VDS饱和状况，调节到第一功率FET的控制端子的第一驱动信号，以减小通过第一功率FET的电流；以及响应于检测到VDS饱和状况，调节至第二功率FET的控制端子的第二驱动信号，以增大通过第二功率FET的电流。根据本公开的至少一个示例，一种集成电路(IC)包括在线性开关电路中的第一功率FET。单片IC还包括与在线性开关电路中的第一功率FET并联的第二功率FET，其中第二功率FET在沟道宽度方面小于第一功率FET。单片IC还包括耦合到第一功率FET和第二功率FET的控制电路，其中控制电路被配置成响应于检测到与第一FET有关的漏源极电压(VDS)饱和状况，增大至第二功率FET的栅极驱动信号并减小至第一功率FET的栅极驱动信号。根据本公开的至少一个示例，一种电路包括：输入电压(VIN)端子；输出电压(VOUT)端子和第一功率场效应晶体管(FET)。第一功率FET包括：第一沟道宽度；控制端子；第一电流端子和第二电流端子，其中第二电流端子耦合到VOUT端子。该电路还包括第二功率FET，第二功率FET包括：小于第一沟道宽度的第二沟道宽度；控制端子；耦合到第一功率FET的第一电流端子的第一电流端子以及耦合到VOUT端子的第二电流端子。该电路还包括控制电路，其中控制电路包括：感测电路；以及耦合到感测电路并耦合到第一功率FET和第二功率FET的控制端子的栅极驱动电路。附图说明对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：图1是示出根据一个示例实施例的系统的框图；图2是根据一个示例实施例的示出漏极电流密度的曲线图，漏极电流密度是针对不同功率场效应晶体管(FET)的栅极到源极电压(VGS)的函数；图3是根据一个示例实施例的示出作为针对功率FET的导通电阻(RSP)的函数的温度补偿点(TCP)的曲线图；图4是示出根据一个示例实施例的系统的示意图；图5是根据一个示例实施例的示出表示软启动故障场景的线性开关电路的信号的曲线图；图6是示出根据一个示例实施例的另一系统的示意图；图7是示出根据示例实施例的表示作为时间的函数的电流限制场景的线性开关电路的信号的曲线图；图8-图10是示出根据不同示例实施例的线性开关电路组件的集成电路(IC)布局的俯视图；以及图11是根据一个示例实施例的示出线性开关电路控制方法的流程图。具体实施方式本文描述具有功率场效应晶体管(FET)和饱和状况保护的线性开关电路拓扑或相关系统。为了避免功率FET的热失控/热散逸场景，对第一或主功率FET的漏源极电压(VDS)饱和状况进行监控，并根据需要使用另一个或次功率FET代替第一功率FET，以避免第一功率FET的长时间VDS饱和状况和/或避免第一功率FET的热失控状况。当功率FET在栅源极电压(VDS)低于温度补偿点(TCP)的饱和情况下操作时，由于电流密度和温度之间的正反馈回路，发生电流集中。在给定的漏极电流和栅源极电压(VDS)下，随着温度的升高，电流集中到功率FET的一个越来越小的区域，从而大大增大传导电流的功率FET区域的功率密度。当功率密度随温度增加的速率超过了将热量从沟道区传导出去的速率时，所谓的“热失控”发生，并且功率FET受到损坏。由于功率FET的阈值电压和热环境中的不均匀性(例如，封装不对称)，将发生热失控的功率FET的精确区域是不可预测的。在一个示例中，热敏二极管被放置在功率FET的中心，但是由于IC的不同点处的电流和功率的极端集中以及它们与热敏二极管的距离，热敏二极管可能没有被加热到足以激活热关机保护功能。在功率FET的特定导通电阻(RSP)和热失控的脆弱性(高漏极电流密度“JD”下的TCP，单位为A/mm2)之间存在直接(～1/x)的权衡。出于成本和尺寸的原因，对于线性开关应用(例如，热插拔/软启动开关、限流开关和功率复用器)，期望使用非常低的导通电阻(RSP)功率FET技术。例如，在一个通用串行总线电传输(USB-PD)器件中，需要30V的紧固式(stand-off)背靠背开关，其典型的总导通电阻为6mΩ，开关需要安装在一个带有大控制器管芯的6x6mm多芯片模块(MCM)中。虽然IC电路的小型化有助于以较低的RSP满足尺寸目标，但由于TCP高，因此存在一种权衡，从而导致相应的热失控脆弱性。在至少一些所描述的实施例中，第一功率FET具有低导通电阻(RSP)，并且在正常状况期间(例如，当VDS低于阈值时、当负载电流低于阈值时、当没有故障时和/或在启动事件完成之后)为线性开关电路导通电流。第二功率FET与第一功率FET并联，并且在沟道宽度(W)或W/L方面小于第一功率FET，其中L是沟道长度。与第一功率FET的RSP相比，第二(较小的)功率FET具有更高的RSP，并且能够处理更高的VDS和/或更高的温度而没有热失控。在操作中，第二功率FET被配置成响应于第一功率FET的VDS饱和状况来为线性开关电路传导电流。在示例实施例中，可以以不同的方式检测第一功率FET的VDS饱和状况。非限制地，第一功率FET的示例VDS饱和状况检测选项包括：1)测量第一功率FET的VDS并将所测量的VDS与阈值进行比较；2)测量通过第一功率FET的电流(IBIG_FET)和/或通过相关电流路径的感测电流(例如，电流镜像感测电流路径，其提供IBIG_FET的指示)，并将IBIG_FET与阈值进行比较；3)检测启动事件；和/或4)检测故障状况。通过在第一功率FET的VDS饱和状况期间，利用第二(较小的)功率FET来传导电流，避免了第一功率FET的热失控。在一个示例实施例中，还通过在第二(较小的)功率FET的IC材料布局(占用面积(footprint))内或附近对准热敏二极管或其它温度传感器来避免第二功率FET的热失控，因为第二功率FET的IC材料层是发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，其包括：/n输出端子；/n线性开关电路，其耦合到所述输出端子，所述线性开关电路包括：/n第一功率场效应晶体管即第一功率FET，其包括：/n具有第一沟道宽度的沟道；/n控制端子；/n第一电流端子；以及/n第二电流端子，其中所述第二电流端子耦合至所述输出端子；以及/n第二功率FET，其包括：/n具有小于所述第一沟道宽度的第二沟道宽度的沟道；/n控制端子；/n耦合到所述第一功率FET的所述第一电流端子的第一电流端子；和/n耦合到所述输出端子的第二电流端子；以及/n控制电路，其耦合到所述第一功率FET的所述控制端子和所述第二功率FET的所述控制端子，其中所述控制电路被配置成：/n检测与所述第一功率FET相关的漏源极电压饱和状况即VDS饱和状况；/n响应于检测所述VDS饱和状况，调节到所述第一功率FET的所述控制端子的第一驱动信号以减小通过所述第一功率FET的电流；并且/n响应于所述检测VDS饱和状况，调节到所述第二功率FET的所述控制端子的第二驱动信号，以增大通过所述第二功率FET的电流。/n

【技术特征摘要】
20190920 US 62/903,494;20200803 US 16/984,0151.一种系统，其包括：
输出端子；
线性开关电路，其耦合到所述输出端子，所述线性开关电路包括：
第一功率场效应晶体管即第一功率FET，其包括：
具有第一沟道宽度的沟道；
控制端子；
第一电流端子；以及
第二电流端子，其中所述第二电流端子耦合至所述输出端子；以及
第二功率FET，其包括：
具有小于所述第一沟道宽度的第二沟道宽度的沟道；
控制端子；
耦合到所述第一功率FET的所述第一电流端子的第一电流端子；和
耦合到所述输出端子的第二电流端子；以及
控制电路，其耦合到所述第一功率FET的所述控制端子和所述第二功率FET的所述控制端子，其中所述控制电路被配置成：
检测与所述第一功率FET相关的漏源极电压饱和状况即VDS饱和状况；
响应于检测所述VDS饱和状况，调节到所述第一功率FET的所述控制端子的第一驱动信号以减小通过所述第一功率FET的电流；并且
响应于所述检测VDS饱和状况，调节到所述第二功率FET的所述控制端子的第二驱动信号，以增大通过所述第二功率FET的电流。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一功率FET和所述第二功率FET是单个集成电路即单个IC的组件。


3.根据权利要求2所述的系统，其中所述IC包括：
所述第一功率FET的第一部分；
所述第一功率FET的第二部分；以及
所述第二功率FET，其中所述第一功率FET的所述第一部分和所述第二部分位于所述第二功率FET的相对侧。


4.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制电路位于所述IC中。


5.根据权利要求2所述的系统，其中所述IC是第一IC，且其中所述控制电路在第二IC中。


6.根据权利要求2所述的系统，还包括与所述第二功率FET对准的温度传感器。


7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一功率FET位于第一IC中，其中所述控制电路和所述第二功率FET位于第二IC中。


8.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路包括：
感测电路，其被配置成检测所述VDS饱和状况；以及
栅极驱动电路，其被配置成在不满足VDS饱和状况时向所述第一功率FET提供第一栅极驱动信号，并在所述VDS饱和状况满足时向所述第二功率FET提供第二栅极驱动信号。


9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路包括：
感测电路，其被配置成检测与所述VDS饱和状况相关联的启动事件；以及
栅极驱动电路，其被配置成在不满足所述VDS饱和状况时向所述第一功率FET提供第一栅极驱动信号，并在所述VDS饱和状况满足时向所述第二功率FET提供第二栅极驱动信号。


10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路包括：
感测电路，其被配置成检测与所述VDS饱和状况相关联的故障状况；以及
栅极驱动电路，其被配置成在不满足所述VDS饱和状况时向所述第一功率FET提供第一栅极驱动信号，并在所述VDS饱和状况满足时向所述第二功率FET提供第二栅极驱动信号。


11.一种集成电路即IC，其包括：
第一功率FET即第一功率FET，其包括：
具有第一沟道宽度的沟道；
控制端子；
第一电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·K·宋，C·B·格林伯格，I·兰穆图，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US