專(zhuān)利名稱(chēng)：用分段開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)dc/dc轉(zhuǎn)換器的數(shù)字環(huán)路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電源，更具地說(shuō)，涉及開(kāi)關(guān)電容器電荷泵電源，用于產(chǎn)生不同于電源電壓的穩(wěn)定輸出電壓。
背景技術(shù)：
未穩(wěn)壓的開(kāi)關(guān)電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)開(kāi)關(guān)陣列。圖1A示出了現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。該轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)快速電容器和四個(gè)開(kāi)關(guān)。圖1B示出了另一現(xiàn)有拓?fù)?，它有兩個(gè)快速電容器和九個(gè)開(kāi)關(guān)。
圖2示出等效于該開(kāi)關(guān)陣列的三端子器件。通過(guò)將TOP、MID和BOT端子與輸入、輸出和地連接成各種組合，就可產(chǎn)生升壓、降壓和反相拓?fù)洹?br> 圖3示出了2∶1降壓電荷泵。使用兩階段非重疊時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。在階段1，即充電階段，開(kāi)關(guān)S1和S3接通。所以，快速電容器C1通過(guò)TOP端子連接到輸入電源電壓并被充電。在階段2，即泵激階段，快速電容器C1通過(guò)MID端子連接到輸出。在此泵激階段，快速電容器C1的電荷被轉(zhuǎn)移到輸出電容器Cout。
可用各種方法調(diào)節(jié)電荷泵。在滯后控制方法中，電荷泵以滯后模式運(yùn)行。滯后方法可包括脈沖跳越、脈沖頻率調(diào)制或“起停式”過(guò)程。電荷泵將輸出電壓控制到一個(gè)電壓窗口。如果輸出達(dá)到窗口的上閾值，則電路的振蕩器被禁止，且電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，直到輸出電壓降到低于下閾值的值為止。此時(shí)振蕩器再次被啟動(dòng)，且開(kāi)關(guān)被接通。該方法可實(shí)現(xiàn)高效率，特別是在輕負(fù)載的情況下。但它會(huì)產(chǎn)生高的電流尖峰和輸出中的大脈動(dòng)。
控制電荷泵的另一種方法稱(chēng)為線(xiàn)性或模擬控制，或Rdson調(diào)制。線(xiàn)性控制的電荷泵以基本恒定的頻率工作。通過(guò)對(duì)接通開(kāi)關(guān)電阻的模擬調(diào)制，即連續(xù)調(diào)制，來(lái)調(diào)節(jié)電荷泵。這種線(xiàn)性控制方法能產(chǎn)生低噪聲。
圖4示出具有線(xiàn)性控制環(huán)路1的電荷泵。將在稍后對(duì)線(xiàn)性控制環(huán)路1作更詳細(xì)說(shuō)明。一般來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性控制環(huán)路1包括電荷泵15，它具有TOP、MID和BOT端子，輸出端子27連接到MID端子。線(xiàn)性控制環(huán)路還包括連接到輸出端子27的電阻分壓器49。由分壓器49產(chǎn)生的反饋電壓接回運(yùn)算放大器即opamp 42，該放大器將反饋電壓與參考電壓進(jìn)行比較，并在其輸出端產(chǎn)生誤差信號(hào)。所產(chǎn)生的誤差信號(hào)連接到傳輸晶體管47，該晶體管連接在電源和電荷泵15的輸入TOP端子之間。
圖4中電荷泵的一些方面如下。傳輸晶體管47通常較大，并占據(jù)了寶貴的管芯面積。而且，在泵激階段，電荷從快速電容器C1到輸出電容器Cout的流動(dòng)速率不受控制。所以，輸出電壓的脈動(dòng)不受控制，且可能相當(dāng)大。而且，環(huán)路穩(wěn)定性限制了外部輸出電容器及其等效串聯(lián)電阻的選擇。電荷泵的瞬態(tài)性能由控制環(huán)路帶寬限制，而不能令人滿(mǎn)意。最后，與調(diào)諧開(kāi)關(guān)陣列的通/斷相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)損耗可能很高。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要概括地說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施例包括含有開(kāi)關(guān)陣列的功率控制電路，該開(kāi)關(guān)陣列包括開(kāi)關(guān)、快速電容器以及輸出電壓端子，以提供輸出電壓。在一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)中至少有一個(gè)是分段開(kāi)關(guān)。功率控制電路還包括連接到輸出電壓端子的反饋環(huán)路以及連接到反饋環(huán)路和開(kāi)關(guān)陣列的電壓調(diào)節(jié)器塊。電壓調(diào)節(jié)器塊調(diào)節(jié)輸出電壓。
在功率控制電路的一些實(shí)施例中，電壓調(diào)節(jié)器塊是數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊。數(shù)字實(shí)施例包括A/D轉(zhuǎn)換器、編碼器、算術(shù)/邏輯單元和門(mén)邏輯。
功率控制電路的一些實(shí)施例不使用傳輸晶體管，從而節(jié)省管芯面積。
本發(fā)明的一些實(shí)施例包括一種方法，其中電荷泵工作在兩階段周期中，包括充電階段和泵激階段。有些實(shí)施例在這兩階段都控制功率控制電路，從而減少了輸出電壓脈動(dòng)。


為了對(duì)本發(fā)明以及其特性和優(yōu)點(diǎn)有更全面的理解，現(xiàn)參閱結(jié)合附圖所作的以下說(shuō)明。
圖1A和1B示出開(kāi)關(guān)陣列。
圖2示出三端子電荷泵。
圖3示出電荷泵。
圖4示出線(xiàn)性控制環(huán)路。
圖5示出按照本發(fā)明實(shí)施例的功率控制電路的框圖。
圖6示出按照本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字功率控制電路的框圖。
圖7示出按照本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字功率控制電路的電路圖。
圖8A和B示出按照本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)陣列工作的兩個(gè)階段。
具體實(shí)施例方式
參閱圖1-8可最好地理解本發(fā)明的實(shí)施例和它們的優(yōu)點(diǎn)。相同的編號(hào)用于各圖中相同或相應(yīng)的部件。
先結(jié)合圖4的模擬功率控制電路1說(shuō)明功率控制電路的結(jié)構(gòu)和工作。然后結(jié)合圖5-8說(shuō)明按照本發(fā)明實(shí)施例的各種功率控制電路2。
在功率控制電路1中，輸出電壓V_out的調(diào)節(jié)是通過(guò)將V_DD電源電壓連接到電壓調(diào)節(jié)器塊36以模擬方式實(shí)現(xiàn)的。在功率控制電路1中，電壓調(diào)節(jié)器塊36調(diào)節(jié)到達(dá)開(kāi)關(guān)陣列15的那部分V_DD電源電壓。
電壓調(diào)節(jié)器塊36包括參考電壓源40，提供預(yù)定義的參考電壓V_ref。在一些實(shí)施例中，參考電壓V_ref值可在大約0.5V到20V的范圍內(nèi)。電壓調(diào)節(jié)器塊36還包括放大器42，它連接到參考電壓源40和反饋環(huán)路33。放大器42配置成感測(cè)由參考電壓源40提供的參考電壓V_ref和由反饋環(huán)路33提供的反饋電壓V_fb之間的差。放大器42產(chǎn)生誤差信號(hào)V_err，表示V_ref較大還是V_fb較大。V_err被連接到傳輸晶體管47。在目前的功率控制電路中，傳輸晶體管47是MOS-FET晶體管。
放大器42連接到傳輸晶體管47的柵極。V_DD電源電壓連接到傳輸晶體管47的源極。傳輸晶體管47的漏極連接到開(kāi)關(guān)陣列15。其它實(shí)施例用不同的連接實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。
根據(jù)參考電壓V_ref較高還是反饋電壓V_fb較高，放大器42的V_err誤差電壓增加或降低傳輸晶體管47的柵極電壓。相應(yīng)地，傳輸晶體管47呈現(xiàn)較高或較低的電導(dǎo)。傳輸晶體管47的電導(dǎo)控制有多大部分電源電壓V_DD到達(dá)開(kāi)關(guān)陣列15。這是電壓調(diào)節(jié)器塊36調(diào)節(jié)輸出電壓端子27的輸出電壓V_out的一種機(jī)制。
傳輸晶體管47連接到開(kāi)關(guān)陣列15。在功率控制電路1中，開(kāi)關(guān)陣列15包括四個(gè)開(kāi)關(guān)S1…S4。開(kāi)關(guān)S1…S4串聯(lián)在TOP和BOT端子之間。
輸出端子27連接到位于開(kāi)關(guān)S2和S3之間的MID節(jié)點(diǎn)。在功率控制電路1中至少有兩個(gè)電容器。快速電容器C1連接到開(kāi)關(guān)S1和S2之間的節(jié)點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)S3和S4之間的節(jié)點(diǎn)。輸出電容器C_out連接在輸出端子27和地之間。外部負(fù)載R_load連接在輸出端子27和地之間。
輸出端子27還連接到分壓器49。在功率控制電路1中，分壓器49包括兩個(gè)電阻器R1和R2。反饋環(huán)路33連接在電阻器R1和R2之間，并感測(cè)反饋電壓V_fb。對(duì)于這兩個(gè)電阻分壓器來(lái)說(shuō)，反饋電壓V_fb是輸出電壓V_out的一部分V_fb＝R1/(R1+R2)*V_out該V_fb反饋電壓接回電壓調(diào)節(jié)器塊36中的放大器42。如上所述，V_fb反饋電壓由電壓調(diào)節(jié)器塊36用于控制傳輸晶體管47。
在功率控制電路1中，電壓調(diào)節(jié)器塊36控制傳輸晶體管47，以調(diào)節(jié)連接到開(kāi)關(guān)陣列15的那部分電源電壓。傳輸晶體管通常占用大的管芯面積，因此要求電源芯片的總面積也要大。在有些功率控制電路中，傳輸晶體管可占用多達(dá)10％的芯片面積。作為比較，數(shù)字邏輯晶體管可僅占傳輸晶體管面積的1/1000。而且，現(xiàn)代光刻技術(shù)更適于電路的形成，其中各種電路元件具有可比較的尺寸。最后，當(dāng)傳輸晶體管的柵極電壓僅部分打開(kāi)導(dǎo)電通道時(shí)，傳輸晶體管的電導(dǎo)仍比其完全導(dǎo)電值低得多。為此，傳輸晶體管耗散了由電壓源提供的大部分功率。所以，具有傳輸晶體管的功率控制電路由于發(fā)熱而損失了相當(dāng)一部分功率，故而工作效率不高。
圖5示出按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的功率控制電路2的框圖。功率控制電路2包括開(kāi)關(guān)陣列15。在有些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)陣列15包括n個(gè)開(kāi)關(guān)SW1…SWn、快速電容器C1以及輸出電壓端子27。在功率控制電路2的一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)SW1…SWn中至少有一個(gè)是分段開(kāi)關(guān)，含有多于一個(gè)開(kāi)關(guān)分段。開(kāi)關(guān)陣列15也稱(chēng)為電荷泵開(kāi)關(guān)陣列。
功率控制電路2還包括反饋環(huán)路33，連接到輸出電壓端子27和電壓調(diào)節(jié)器塊36。電壓調(diào)節(jié)器塊36也連接到開(kāi)關(guān)陣列15。電壓調(diào)節(jié)器塊36的功能包括調(diào)節(jié)輸出電壓端子27上的輸出電壓V_out。
圖6示出按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的功率控制電路2。在此實(shí)施例中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)SW1和SW2是分段的。功率控制電路2不包括傳輸晶體管，因此避免了上述有關(guān)傳輸晶體管尺寸較大的方面。在功率控制電路2中，電壓調(diào)節(jié)器塊36通過(guò)控制分段開(kāi)關(guān)SW1和SW2的分段SW1-1…SW1-m和SW2-1…SW2-m來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓V_out。
電壓調(diào)節(jié)器塊36是數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊。電壓調(diào)節(jié)器塊36包括A/D轉(zhuǎn)換器52。A/D轉(zhuǎn)換器52具有與其連接的參考電壓源40的參考電壓V_ref，以及由反饋環(huán)路33提供的反饋電壓V_fb。A/D轉(zhuǎn)換器52感測(cè)參考電壓V_ref和反饋電壓V_fb之間的差。A/D轉(zhuǎn)換器52產(chǎn)生代表V_ref較大還是V_fb較大的誤差電壓V_err。
A/D轉(zhuǎn)換器52連接到編碼器55。編碼器55接收誤差電壓V_err，并產(chǎn)生數(shù)字誤差電壓V_err，d來(lái)表示V_err。在有些實(shí)施例中，數(shù)字誤差電壓為n比特長(zhǎng)。編碼器55將數(shù)字誤差電壓V_err，d連接到加減法器59。而且，對(duì)應(yīng)于電路前一周期門(mén)信號(hào)的m比特采樣保持信號(hào)也連接到加減法器59，如下所述。對(duì)應(yīng)于V_fb較大還是V_ref較大，加減法器59將n比特的數(shù)字誤差電壓V_err，d和m比特的采樣保持門(mén)信號(hào)相加或相減。在功率控制電路2的實(shí)施例中，m大于n。
數(shù)字加/減信號(hào)連接到門(mén)邏輯63。門(mén)邏輯63還連接到振蕩器67。振蕩器67能夠產(chǎn)生具有基本固定周期的周期性信號(hào)。門(mén)邏輯63根據(jù)它從加減法器59和振蕩器67接收的輸入產(chǎn)生門(mén)信號(hào)。該門(mén)信號(hào)也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
門(mén)信號(hào)連接到開(kāi)關(guān)陣列15。門(mén)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m、SW2-1…SW2-m以及開(kāi)關(guān)SW3和SW4。在其它實(shí)施例中，其它開(kāi)關(guān)，例如SW3和SW4，可以是分段的。在有些實(shí)施例中，多于兩個(gè)開(kāi)關(guān)是分段的。在有些實(shí)施例中，采用多于四個(gè)開(kāi)關(guān)。下面將參閱圖7說(shuō)明開(kāi)關(guān)陣列15的一些細(xì)節(jié)，然后將完成對(duì)圖6的說(shuō)明。
圖7示出一個(gè)實(shí)施例，其中開(kāi)關(guān)分段包括開(kāi)關(guān)分段組。在此實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)SW1和SW2是分段的，而SW3和SW4不分段。在其它實(shí)施例中，其它開(kāi)關(guān)或它們的組合可以是分段的。
開(kāi)關(guān)SW1分段成6個(gè)開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-6，且開(kāi)關(guān)SW2也分段成6個(gè)開(kāi)關(guān)分段，表示為SW2-1…SW2-6。開(kāi)關(guān)分段可包括開(kāi)關(guān)分段組。在有些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段組包括類(lèi)似的各個(gè)開(kāi)關(guān)分段，其中隨后標(biāo)記的開(kāi)關(guān)分段組中的開(kāi)關(guān)分段數(shù)以2的乘方彼此相關(guān)。舉例來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)分段SW1-1可以是一個(gè)開(kāi)關(guān)分段組，它含有20個(gè)基本相同的MOS-FET，并聯(lián)在第一共享干線(xiàn)71和第二共享干線(xiàn)73之間。在此實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段組SW1-2含有40個(gè)基本相同的MOS-FET，開(kāi)關(guān)分段組SW1-3含有80個(gè)基本相同的MOS-FET，開(kāi)關(guān)分段組SW1-4含有160個(gè)基本相同的MOS-FET，開(kāi)關(guān)分段組SW1-5含有320個(gè)基本相同的MOS-FET，而開(kāi)關(guān)分段組SW1-6含有640個(gè)基本相同的MOS-FET。在此實(shí)施例中，隨后開(kāi)關(guān)分段組中的MOS-FET數(shù)之比以2的升冪彼此相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，在具有m個(gè)開(kāi)關(guān)分段且在開(kāi)關(guān)分段SW1-1中有20個(gè)MOS-FET的實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段SW1-m含有20*2(m-1)個(gè)MOS-FET。在有些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段組SW1-1…SW1-6中MOS-FET的面積按照二進(jìn)制序列根據(jù)分?jǐn)?shù)1/2、1/4、1/8、1/16、1/32和1/64改變。在其它實(shí)施例中，這些分?jǐn)?shù)可遵循任何其它序列。
在本實(shí)施例中，在遞增標(biāo)記的開(kāi)關(guān)分段組SW2-1…SW2-6中的MOS-FET數(shù)為30、60、120、240、480和960。隨后開(kāi)關(guān)分段組的數(shù)也是以2的升冪彼此相關(guān)。
在其它實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段組SW1-1可包括任何數(shù)量的MOS-FET。在有些實(shí)施例中，具有增加數(shù)量MOS-FET的開(kāi)關(guān)分段組不依次排列和標(biāo)記。在有些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段組數(shù)按某些公式而不是按2的升冪彼此相關(guān)。
開(kāi)關(guān)分段受門(mén)信號(hào)控制，該門(mén)信號(hào)由連接到它們柵極的門(mén)邏輯63產(chǎn)生。如圖所示，開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-6接收來(lái)自門(mén)邏輯63的各個(gè)門(mén)信號(hào)UFS1…UFS6(用于“上部分開(kāi)關(guān)”)，而開(kāi)關(guān)分段SW2-1…SW2-6接收各個(gè)門(mén)信號(hào)LFS1…LFS6(用于“下部分開(kāi)關(guān)”)。
在其它實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段是單個(gè)MOS-FET，但較高標(biāo)記的MOS-FET的尺寸在增加。在這些實(shí)施例中，有些具有逐漸增大尺寸的MOS-FET，它們不是順序標(biāo)記的。
在一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)分段的大小是針對(duì)最小峰值儲(chǔ)備和最重負(fù)荷的情況選擇的。電流尖峰、輸出脈動(dòng)以及動(dòng)態(tài)損耗的程度都與開(kāi)關(guān)的大小成比例。所以，使用數(shù)個(gè)較小開(kāi)關(guān)分段的實(shí)施例降低了電流尖峰、輸出脈動(dòng)以及動(dòng)態(tài)損耗。
再參閱圖6，開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m各具有至少兩個(gè)端子。每個(gè)開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m的一個(gè)端子連接到第一共享干線(xiàn)71，每個(gè)開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m的另一端子連接到第二共享干線(xiàn)73。第一共享干線(xiàn)71包括第一開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)72，其輸出節(jié)點(diǎn)為T(mén)OP，第二共享干線(xiàn)73包括第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74，其輸出節(jié)點(diǎn)為CAP+。開(kāi)關(guān)分段SW2-1…SW2-m各具有至少兩個(gè)端子。每個(gè)開(kāi)關(guān)分段SW2-1…SW2-m的一個(gè)端子連接到第二共享干線(xiàn)73，每個(gè)開(kāi)關(guān)分段SW2-1…SW2-m的另一端子連接到第三共享干線(xiàn)75。第三共享干線(xiàn)包括第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76，具有輸出節(jié)點(diǎn)MID。在其它實(shí)施例中，其它開(kāi)關(guān)被分段。在這些實(shí)施例中，SW1連接在第一開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)72和第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74之間，且SW2連接在第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74和第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76之間。
在此實(shí)施例中，第三開(kāi)關(guān)SW3不分段。第三開(kāi)關(guān)SW3連接在第三共享干線(xiàn)75或第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76和第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78之間。第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78具有輸出節(jié)點(diǎn)CAP-。第四開(kāi)關(guān)SW4連接在第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78和第五開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)80之間，具有輸出節(jié)點(diǎn)BOT。在其它實(shí)施例中，第三開(kāi)關(guān)SW3和第四開(kāi)關(guān)SW4可以分段。
快速電容器C1連接在第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74和第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78之間。輸出端子27，提供輸出電壓V_out，連接到輸出節(jié)點(diǎn)MID。輸出端子27連接到輸出電容器C_out，并可連接到負(fù)載R_load。最后，輸出端子27還連接到分壓器49。在本實(shí)施例中，分壓器49包括兩個(gè)電阻器R1和R2，但在其它實(shí)施例中可采用其它分壓器電路。反饋環(huán)路33連接到電阻器R1和R2之間的節(jié)點(diǎn)。反饋環(huán)路33感測(cè)輸出電壓V_out中的[R1/(R1+R2)]部分，并將感測(cè)的電壓反饋到A/D轉(zhuǎn)換器52。
工作時(shí)，功率控制電路2的一些實(shí)施例的作用如下。功率控制電路2產(chǎn)生輸出電壓V_out，它基本上等于某預(yù)定電壓。但輸出電壓V_out可能偏離該預(yù)定電壓，例如，因?yàn)殡娫措妷篤_DD或負(fù)載有變化。為補(bǔ)償這種電壓偏差，一部分輸出電壓V_out由分壓器49產(chǎn)生，并由反饋環(huán)路33反饋到A/D轉(zhuǎn)換器52，作為反饋電壓V_fb。A/D轉(zhuǎn)換器52感測(cè)V_fb，并將其與參考電壓V_ref進(jìn)行比較。A/D轉(zhuǎn)換器52產(chǎn)生誤差電壓V_err，表示V_fb和V_ref哪個(gè)更大。誤差電壓V_err連接到編碼器55。編碼器55從V_err誤差電壓中產(chǎn)生n比特的數(shù)字誤差信號(hào)V_err，d。V_err，d表示V_fb較大還是V_ref較大。
在一些實(shí)施例中，輸出電壓V_out的精確度大約為±3％。這就設(shè)定了反饋電壓V_fb的范圍。如果參考電壓V_ref是1V，則反饋電壓V_fb在±20mV(或±2％)的范圍內(nèi)。如果反饋電壓V_fb比參考電壓V_ref高20mV，則將m比特的門(mén)信號(hào)設(shè)為“低”，它就斷開(kāi)了開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m。如果反饋電壓V_fb比參考電壓V_ref低20mV，則將m比特的門(mén)信號(hào)設(shè)為“高”，它就接通了開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m。A/D轉(zhuǎn)換器52中所用的比較器通常具有大約2mV的輸入偏置電壓。如果將A/D轉(zhuǎn)換器52的最低有效位(LSB)設(shè)為3mV，則4比特的A/D轉(zhuǎn)換器足以覆蓋±20mV的范圍。
V_err，d數(shù)字誤差信號(hào)被接入加減法器59。而且，在一個(gè)周期中，將前一周期的m比特門(mén)信號(hào)，換言之即采樣保持門(mén)信號(hào)，也通過(guò)鏈路連接到加減法器59中。為作響應(yīng)，加減法器59通過(guò)將當(dāng)前周期的n比特?cái)?shù)字誤差信號(hào)V_err，d加到前一周期的采樣保持門(mén)信號(hào)上，來(lái)產(chǎn)生當(dāng)前周期的加減信號(hào)。
加減法器59的m比特加減信號(hào)連接到門(mén)邏輯63。振蕩器67的振蕩信號(hào)也連接到門(mén)邏輯63。振蕩器67提供周期時(shí)鐘信號(hào)，以使功率控制電路2中各種塊的工作同步。門(mén)邏輯63按照振蕩器67的周期產(chǎn)生門(mén)信號(hào)。門(mén)信號(hào)根據(jù)加減信號(hào)產(chǎn)生，而該加減信號(hào)是根據(jù)反饋電壓V_fb較大還是參考電壓V_ref較大以及根據(jù)采樣保持信號(hào)來(lái)確定的，如上所述。根據(jù)哪個(gè)電壓較大，門(mén)信號(hào)增加或減少接通的開(kāi)關(guān)分段數(shù)。電壓V_fb或V_ref之間的差越大，在已接通的開(kāi)關(guān)分段組中加上或減去的開(kāi)關(guān)分段數(shù)越多。在有些實(shí)施例中，電壓差越大，在已接通的開(kāi)關(guān)分段組中加上或減去的所標(biāo)記的開(kāi)關(guān)分段越高。
門(mén)信號(hào)連接到開(kāi)關(guān)陣列15中。門(mén)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m以及SW2-1…SW2-m的通/斷狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m以及SW2-1…SW2-m是MOS-FET的實(shí)施例中，門(mén)信號(hào)控制MOS-FET的柵極電壓。柵極電壓的改變轉(zhuǎn)變?yōu)镸OS-FET的通/斷狀態(tài)的改變。開(kāi)關(guān)分段SW1-1…SW1-m相互并聯(lián)。門(mén)信號(hào)控制哪些開(kāi)關(guān)分段應(yīng)接通，從而控制在輸出端子27產(chǎn)生輸出電壓V_out的那部分電源電壓V_DD。因此，改變接通的開(kāi)關(guān)分段數(shù)的門(mén)信號(hào)就控制了輸出電壓V_out。
接下來(lái)，結(jié)合圖8A-B說(shuō)明開(kāi)關(guān)陣列15的工作。整個(gè)功率控制電路2的工作隨后結(jié)合圖6加以說(shuō)明。
圖8A-B示出了開(kāi)關(guān)陣列15的工作實(shí)例。先用簡(jiǎn)化的體系結(jié)構(gòu)，即開(kāi)關(guān)不分段，來(lái)解釋其工作?？焖匐娙萜鰿1也稱(chēng)為CFly。
類(lèi)似于較早的實(shí)施例，在開(kāi)關(guān)陣列15中，第一開(kāi)關(guān)SW1連接在第一開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)72和第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74之間，第二開(kāi)關(guān)SW2連接在第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74和第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76之間，第三開(kāi)關(guān)SW3連接在第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76和第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78之間，且第四開(kāi)關(guān)SW4連接在第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78和第五開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)80之間。第五開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)80接地。
快速電容器CFly連接在第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)74和第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)78之間。輸出電容器C_out連接在第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76和第五開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)80之間。輸出端子27和負(fù)載電阻R_load連接在第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)76和地之間。
圖8A示出了開(kāi)關(guān)陣列15工作的充電階段或步驟。在此充電階段中，開(kāi)關(guān)SW1和SW3接通，而開(kāi)關(guān)SW2和SW4斷開(kāi)?？焖匐娙萜鰿Fly與輸出電容器C_out和負(fù)載電阻器R_out電連接。在此充電階段，電源電壓V_DD使快速電容器CFly充電。
圖8B示出泵激階段或步驟。在此泵激階段，開(kāi)關(guān)SW1和SW3斷開(kāi)，而開(kāi)關(guān)SW2和SW4接通。所以，電容器CFly和C_out都和電壓源斷開(kāi)。在此階段，快速電容器CFly通過(guò)將其電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容器C_out而放電。在快速電容器CFly大致等于C_out的實(shí)施例中，兩個(gè)電容器都在負(fù)載電阻R_load上放電。在此泵激階段，電容器的電壓從大約為V_DD一半的V_out初始值開(kāi)始下降。但如果振蕩器67的周期比由C_out和R_load形成的RC電路的時(shí)間常數(shù)足夠短，則電壓衰減就可保持足夠小，將輸出電壓V_out的脈動(dòng)降到所需水平。
在示范實(shí)例中，開(kāi)關(guān)SW1在周期i的階段1(充電階段)中接通，而開(kāi)關(guān)SW2在同一周期i的階段2(泵激階段)中接通。在階段1結(jié)束以前，采樣并保持開(kāi)關(guān)SW1的m比特門(mén)信號(hào)，直到階段2。開(kāi)關(guān)SW1的采樣m比特門(mén)信號(hào)通過(guò)鏈路連接到m比特加減法器59。來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器52的n比特?cái)?shù)字誤差信號(hào)V_err，d也連接到m比特加減法器59。在m比特加減法器59中，在開(kāi)關(guān)SW1的m比特門(mén)信號(hào)中加上/減去n比特?cái)?shù)字誤差信號(hào)。所得到的m比特信號(hào)通過(guò)門(mén)邏輯63產(chǎn)生開(kāi)關(guān)SW1的更新的m比特門(mén)信號(hào)，并將用于周期(i+1)的階段1。開(kāi)關(guān)SW1的門(mén)信號(hào)在周期i的階段1即將結(jié)束時(shí)被采樣，在周期i的階段2被處理，并用于周期(i+1)的階段1。開(kāi)關(guān)SW2的門(mén)信號(hào)在周期i的階段2結(jié)束前被采樣，在周期(i+1)的階段1被處理，并用于周期(i+1)的階段2。
A/D轉(zhuǎn)換器52產(chǎn)生的n比特?cái)?shù)字誤差信號(hào)具有一個(gè)符號(hào)位。符號(hào)位的高或低決定了在采樣保持m比特門(mén)信號(hào)中加上或減去數(shù)字誤差信號(hào)的其它(n-1)比特。
通常，n小于或等于m-1。在有些情況下，沒(méi)有負(fù)載時(shí)m比特門(mén)信號(hào)的位全是0，而在滿(mǎn)負(fù)載時(shí)m比特信號(hào)的位全是1。在n＝m-1的一些實(shí)施例中，(m-1)比特?cái)?shù)字誤差信號(hào)具有1符號(hào)位，在此情況為高。這個(gè)高符號(hào)位使數(shù)字誤差信號(hào)的其余(m-2)比特加到m比特門(mén)信號(hào)上。要用4個(gè)時(shí)鐘周期使m比特門(mén)信號(hào)從全0變?yōu)槿?。
最后，參閱圖6的數(shù)字實(shí)施例說(shuō)明功率控制電路2工作的附加方面?？赡軙r(shí)，將與圖4中描述的模擬電路作比較參考。
在圖4的模擬電路工作期間，電荷流動(dòng)僅在充電階段受控制。在圖6的數(shù)字實(shí)施例中，電荷流動(dòng)在充電階段和泵激階段都受控制。
而且，在圖4的模擬電路工作期間，快速電容器C1可在電壓比輸出電壓V_out高得多時(shí)放電。這種電壓差通常產(chǎn)生高電平噪聲。在圖6的數(shù)字實(shí)施例中，快速電容器C1僅部分連接到輸出電壓V_out。所以，快速電容器C1的放電通常產(chǎn)生低電平噪聲。
此外，圖4的模擬電路由于有限的環(huán)路帶寬而具有較差的線(xiàn)路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。而且，由于開(kāi)關(guān)陣列15的全部開(kāi)關(guān)被接通和斷開(kāi)，因此動(dòng)態(tài)損耗很高。
在圖6的數(shù)字實(shí)施例中，由于數(shù)字控制環(huán)路的高帶寬，線(xiàn)路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)很快。而且，由于只有部分開(kāi)關(guān)分段被接通，因此動(dòng)態(tài)損耗很低。
雖然已詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)理解，在不背離由所附權(quán)利要求書(shū)定義的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進(jìn)行各種改變、替換或更改。也就是說(shuō)，在本申請(qǐng)中包括的討論旨在作為一個(gè)基本說(shuō)明。應(yīng)理解，該具體討論不可能明示所有可能的實(shí)施例，許多備選方案是隱含的。其也不會(huì)完全解釋本發(fā)明的一般性質(zhì)，不會(huì)明示每種特征或元件如何實(shí)際上代表更廣泛的功能或大量備選或等效元件。再者，這些也都隱含地包括在本公開(kāi)之內(nèi)。當(dāng)以面向裝置的術(shù)語(yǔ)說(shuō)明本發(fā)明時(shí)，該裝置的每個(gè)元件隱含地實(shí)現(xiàn)一種功能。本說(shuō)明和術(shù)語(yǔ)都不應(yīng)限制權(quán)利要求書(shū)的范圍。
權(quán)利要求
一種功率控制電路，包括開(kāi)關(guān)陣列，包括開(kāi)關(guān)；快速電容器；以及輸出電壓端子，能夠提供輸出電壓；反饋環(huán)路，連接到所述輸出電壓端子；以及電壓調(diào)節(jié)器塊，連接到所述反饋環(huán)路和所述開(kāi)關(guān)陣列，所述電壓調(diào)節(jié)器塊配置成調(diào)節(jié)所述輸出電壓，其中所述開(kāi)關(guān)中至少一個(gè)是分段開(kāi)關(guān)，包括多于一個(gè)開(kāi)關(guān)分段。1.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中分段開(kāi)關(guān)的所述開(kāi)關(guān)分段包括第一和第二端子，其中所述開(kāi)關(guān)分段的第一端子連接到第一共享干線(xiàn)；以及所述開(kāi)關(guān)分段的第二端子連接到第二共享干線(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中所述開(kāi)關(guān)分段具有打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中當(dāng)在第一共享干線(xiàn)和第二共享干線(xiàn)之間的閉合開(kāi)關(guān)分段數(shù)增加時(shí)，在第一和第二共享干線(xiàn)之間的電導(dǎo)增加。
3.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中分段開(kāi)關(guān)的所述開(kāi)關(guān)分段組織成開(kāi)關(guān)分段組，其中可標(biāo)記所述開(kāi)關(guān)分段組，以使所述開(kāi)關(guān)分段組中的開(kāi)關(guān)分段數(shù)以2的升冪彼此相關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中所述開(kāi)關(guān)分段包括晶體管，其中所述晶體管選自雙極結(jié)晶體管和MOS-FET的組。
5.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中第一開(kāi)關(guān)連接在第一開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間；第二開(kāi)關(guān)連接在第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間；第三開(kāi)關(guān)連接在第三開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間；以及第四開(kāi)關(guān)連接在第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和第五開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間；其中第一和第三開(kāi)關(guān)能夠呈現(xiàn)第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且第二和第四開(kāi)關(guān)能夠呈現(xiàn)第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中第一和第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)是相反的。
6.如權(quán)利要求5所述的控制電路，其中所述快速電容器連接在第二開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和第四開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間。
7.如權(quán)利要求5所述的控制電路，包括輸出電壓端子，連接到第一、第三和第五開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之一；以及輸出電容器，連接到所述輸出電壓端子。
8.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中所述電壓調(diào)節(jié)器塊是數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊。如權(quán)利要求8所述的控制電路，其中所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊配置成調(diào)節(jié)至少一個(gè)分段開(kāi)關(guān)的所述開(kāi)關(guān)分段中的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求8所述的控制電路，所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器；以及編碼器，連接到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，配置成從參考電壓和由所述反饋環(huán)路提供的反饋電壓之差中產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的控制電路，所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊包括加減法器，所述加減法器配置成接收來(lái)自所述編碼器的所述數(shù)字誤差信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10所述的控制電路，其中所述加減法器配置成接收采樣保持門(mén)信號(hào)，并對(duì)所接收的數(shù)字誤差信號(hào)和所述采樣保持門(mén)信號(hào)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算。
12.如權(quán)利要求11所述的控制電路，所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊包括門(mén)邏輯，配置成接收由所述加減法器產(chǎn)生的信號(hào)；根據(jù)從所述加減法器接收的所述信號(hào)產(chǎn)生門(mén)控制信號(hào)；以及將所產(chǎn)生的門(mén)控制信號(hào)連接到分段開(kāi)關(guān)中。
13.如權(quán)利要求12所述的控制電路，其中所述開(kāi)關(guān)分段具有打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)狀態(tài)；以及閉合開(kāi)關(guān)分段數(shù)由所接收的門(mén)控制信號(hào)控制。
14.如權(quán)利要求12所述的控制電路，包括至少一個(gè)所述分段開(kāi)關(guān)和所述加減法器之間的鏈路，所述鏈路配置成在振蕩器周期中將前一振蕩器周期的門(mén)信號(hào)反饋到所述加減法器，從而產(chǎn)生采樣保持信號(hào)。
15.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中所述控制電路配置成以恒定頻率工作。
16.一種功率控制電路，包括電壓源；開(kāi)關(guān)陣列，配置成接收來(lái)自所述電壓源的電源電壓，包括開(kāi)關(guān)；至少一個(gè)電容器；以及輸出電壓端子；反饋環(huán)路，連接到所述輸出電壓端子；以及數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊，連接到所述反饋環(huán)路、所述電壓源以及所述開(kāi)關(guān)陣列，所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊配置成通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所述電源電壓。
17.如權(quán)利要求16所述的控制電路，所述開(kāi)關(guān)包括分段開(kāi)關(guān)，其中所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊調(diào)節(jié)所述分段開(kāi)關(guān)。
18.一種功率控制電路，包括開(kāi)關(guān)陣列，包括開(kāi)關(guān)；快速電容器；以及輸出電壓端子，能夠提供輸出電壓；反饋環(huán)路，連接到所述輸出電壓端子；以及電壓調(diào)節(jié)器塊，連接到所述反饋環(huán)路和所述開(kāi)關(guān)陣列，所述電壓調(diào)節(jié)器塊配置成調(diào)節(jié)所述輸出電壓，其中所述功率控制電路可工作在充電和泵激階段；以及所述輸出電壓的脈動(dòng)在所述充電和所述泵激階段都被控制。
19.一種功率控制電路，包括電壓源；開(kāi)關(guān)陣列，配置成接收來(lái)自所述電壓源的電源電壓，包括開(kāi)關(guān)；至少一個(gè)電容器；以及輸出電壓端子；反饋環(huán)路，連接到所述輸出電壓端子；以及電壓調(diào)節(jié)器塊，連接到所述反饋環(huán)路、所述電壓源和所述開(kāi)關(guān)陣列，所述電壓調(diào)節(jié)器塊配置成調(diào)節(jié)所述電源電壓，其中所述功率控制電路不包括傳輸晶體管。
20.一種控制功率控制電路的輸出電壓的方法，所述方法包括在所述功率控制電路的輸出電壓端子產(chǎn)生輸出電壓；通過(guò)反饋環(huán)路將所述輸出電壓反饋到電壓調(diào)節(jié)器塊來(lái)產(chǎn)生反饋電壓；以及根據(jù)所述反饋電壓，由所述電壓調(diào)節(jié)器塊控制開(kāi)關(guān)陣列的至少一個(gè)分段開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)所述輸出電壓。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述輸出電壓包括由模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及所連接的編碼器從參考電壓和所述反饋電壓之差中產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(hào)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述輸出電壓包括通過(guò)由加減法器對(duì)所述數(shù)字誤差信號(hào)和采樣保持門(mén)信號(hào)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生加減法器信號(hào)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述輸出電壓包括由門(mén)邏輯根據(jù)所述加減法器信號(hào)產(chǎn)生門(mén)控制信號(hào)；以及將所述門(mén)控制信號(hào)連接到所述開(kāi)關(guān)陣列中。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述輸出電壓包括由所述門(mén)控制信號(hào)控制所述開(kāi)關(guān)陣列的閉合開(kāi)關(guān)分段數(shù)，其中所述開(kāi)關(guān)分段具有打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
25.一種控制功率控制電路的輸出電壓的方法，所述方法包括由電壓源向開(kāi)關(guān)陣列提供電源電壓；在輸出電壓端子產(chǎn)生輸出電壓；通過(guò)反饋環(huán)路將所述輸出電壓反饋到數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊，產(chǎn)生反饋電壓；以及根據(jù)所述反饋電壓，由所述數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊數(shù)字地控制所述開(kāi)關(guān)陣列的至少一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)所述輸出電壓。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述開(kāi)關(guān)中至少一個(gè)包括至少一個(gè)分段開(kāi)關(guān)。
27.一種控制功率控制電路的輸出電壓的方法，所述方法包括提供功率控制電路，包括開(kāi)關(guān)陣列，包括開(kāi)關(guān)；快速電容器；以及輸出電壓端子，能夠提供輸出電壓；反饋環(huán)路，連接到所述輸出電壓端子；以及電壓調(diào)節(jié)器塊，連接到所述反饋環(huán)路和所述開(kāi)關(guān)陣列，所述電壓調(diào)節(jié)器塊配置成調(diào)節(jié)所述輸出電壓；使所述功率控制電路工作在充電和泵激階段；以及在所述充電和所述泵激階段都控制所述輸出電壓的脈動(dòng)。
全文摘要
提供了一種含有開(kāi)關(guān)陣列的功率控制電路，開(kāi)關(guān)陣列包括分段開(kāi)關(guān)、快速電容器、輸出電壓端子、反饋環(huán)路以及數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊。數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、編碼器、加減法器以及門(mén)邏輯。這些功率控制電路不包括傳輸晶體管。還提供了一種方法，其中功率控制電路的電荷泵工作在兩個(gè)階段的周期中，包括充電階段和泵激階段。功率控制電路在這兩個(gè)階段都受控制，從而減少輸出電壓脈動(dòng)。
文檔編號(hào)H02M3/07GK1906833SQ200480041134
公開(kāi)日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月3日
發(fā)明者J·S·曾, S·科蒂卡拉普迪, L·博格延 申請(qǐng)人:美國(guó)快捷半導(dǎo)體有限公司