CN101369775A

CN101369775A - 高效率电荷泵dc到dc转换器电路和方法

Info

Publication number: CN101369775A
Application number: CNA200810000187XA
Authority: CN
Inventors: 吴伟; 朱灵
Original assignee: Diodes Inc
Current assignee: American Polytron Technologies Inc Dahl
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: CN101369775B; US7342389B1

Abstract

在一个实施例中，本发明包含一种可在降压和升压两种模式下操作的电压转换器。所述电压转换器可仅包含一个开关电容器。可实施为开关阵列的可编程电流源在第一时间周期期间产生进入所述开关电容器中的电流以在所述电容器上产生电压。在第二时间周期期间，所述电压可转移到所述转换器的输出端，或通过将输入电压耦合到所述开关电容器的一个端子并将所述电容器的另一端子耦合到输出端而被升压。反馈电路耦合到控制器以便对进入所述电容器中的所述电流进行重新编程，从而将输出电压维持在期望的电平。

Description

高效率电荷泵DC到DC转换器电路和方法

技术领域

本发明涉及电压转换器，且明确地说涉及高效率电荷泵DC到DC转换器电路和方法。

背景技术

电子系统由电压和电流供电。电压转换器是接收通常恒定的输入电压并输出不同的电压以用于电子系统中的电路。此类电路通常在某一电源电压可用(例如，电池电压)但需要用不同的电压来驱动各种系统电子元件时使用。

一个实例电压转换器是DC到DC(“DC/DC”)电压转换器。DC/DC电压转换器接收处于一个电压值的恒定电压而不是振荡电压，并产生处于另一恒定电压值的另一恒定电压。DC/DC转换器的一个实例应用是在电池应用中。最初，电池当充分充电时可产生某一电压。电池所产生的电压可能大于一个或一个以上系统组件所需的一个或一个以上电压。因此，可使用DC/DC转换器将电池电压减小为期望的电平。接收输入电压并产生小于输入电压的输出电压的转换器通常称为“降压”转换器。当使用电池中的能量时，电池电压可能随着时间而下降到较低值。因此，随着时间，电池所产生的电压可能小于一个或一个以上系统组件所需的电压。在此情况下，可使用DC/DC转换器将电池电压增大为期望的电平。接收输入电压并产生大于输入电压的输出电压的转换器通常称为“升压”转换器。

用于实施“降压”或“升压”转换器的普通技术包含使用外部电感器或电容器的开关电源。然而，此类电路需要昂贵的外部组件并需要复杂的结构来执行“降压”和“升压”两种操作。开关电容器技术已用于“降压”和“升压”DC/DC转换器，但此类电路还需要至少两个外部电容器。为了减小成本，通常需要减少外部组件的数目和降低电路复杂性。还需要改进此类电路的效率使得功率消耗减少。

因此，需要改进的电压转换器。本发明通过提供高效率电荷泵电压转换器电路和方法来解决这些和其它问题。

发明内容

在一个实施例中，本发明包含一种可在降压和升压两种模式下操作的电压转换器。所述电压转换器可仅包含一个开关电容器。可实施为开关阵列的可编程电流源在第一时间周期期间产生进入开关电容器中的电流以在电容器上产生电压。在第二时间周期期间，电压可转移到转换器的输出端，或通过将输入电压耦合到开关电容器的一个端子并将电容器的另一端子耦合到输出端而被升压。反馈电路耦合到控制器以便对进入电容器中的电流进行重新编程，从而将输出电压维持在期望的电平。

在一个实施例中，本发明包含一种电压转换器，所述电压转换器包括：第一电容器，其具有第一端子和第二端子；第一开关，其具有耦合到第一电容器的第二端子的第一端子和用于接收输入电压的第二端子；第二开关，其具有耦合到第一电容器的第一端子的第一端子和用于提供输出电压的第二端子；第三开关，其具有耦合到第一电容器的第二端子的第一端子和耦合到第一参考电压的第二端子；可编程电流源，其耦合到第一电容器的第一端子；反馈电路，其耦合到第二开关的第二端子；以及控制器，其耦合到反馈电路，其中在第一时间周期期间，第三开关闭合，第一和第二开关断开，且可编程电流源产生进入第一电容器中的经编程电流以产生第一电压，且在第二时间周期期间，第三开关断开，第一和第二开关闭合，且第一电压增加输入电压，且其中反馈电路产生反馈信号，且控制器根据所述反馈信号而改变可编程电流源产生的经编程电流。

以下具体实施方式和附图提供对本发明的性质和优点的更好的理解。

附图说明

图1说明根据本发明一个实施例的电压转换器。

图2说明根据本发明另一实施例的电压转换器。

图3是根据本发明一个实施例的实例电压转换器。

图4A-B说明根据本发明一个实施例的电压转换器的降压操作。

图5A-B说明根据本发明一个实施例的电压转换器的升压操作。

图6是根据本发明一个实施例的电压转换器的实例。

具体实施方式

本文描述用于高效率电荷泵电压转换器电路和方法的技术。在以下描述内容中，出于阐释的目的，陈述许多实例和特定细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，所属领域的技术人员将容易明白，权利要求书所界定的本发明可单独包含这些实例中的一些或所有特征或与下文描述的其它特征组合，且可进一步包含本文描述的特征和概念的修改和等效物。

图1说明根据本发明一个实施例的电压转换器。电压转换器100包含电容器101(“Cp”)，第一端子耦合到开关102(“S1”)和另一开关102(“S3”)，且第二端子耦合到开关103(“S2”)。开关102的第一端子耦合到电容器101的第二端子，且其第二端子耦合到电路输入端子以用于接收输入电压Vin。开关103的第一端子耦合到电容器101的第一端子，且其第二端子耦合到电路输出端子以用于提供输出电压Vout。开关104的第一端子耦合到电容器101的第二端子，且其第二端子耦合到第一参考电压，所述第一参考电压在此实例中为接地(即，0伏)。电压转换器105进一步包含：可编程电流源105，其耦合到电容器101的第一端子；反馈电路，其通过输出端耦合到开关103的第二端子；以及控制器140，其耦合到反馈电路。

在一个实施例中，电压转换器100可在降压或升压模式下操作。在降压模式下，控制器140产生数字信号141A-C，促使开关102和103断开且开关104闭合持续第一时间周期。控制器140进一步将数字信号141D传输到可编程电流源105，且电流源105产生相应的电流。因此，可编程电流源105产生进入电容器101的一个端子中的经编程电流，且电容器101的另一端子耦合到接地。电流被供应到电容器101中持续第一时间周期，从而在电容器101上产生第一电压。所述时间周期或经编程电流或两者可经修整以在第一时间周期结束时在电容器101上实现所需电压。第一电压可以是(例如)输入电压的某一分数值(即，V1<＝Vin)。在第二时间周期期间，控制器140产生数字信号141A-C，促使开关103闭合。电容器101上的第一电压现在耦合到输出端120。第一电压可由反馈电路130感测，这可包含将输出端处的电压或与之有关的电压与另一参考电压进行比较。反馈电路130感测输出端处的电压，且可执行其它处理以向控制器140产生输出信号，指示所述电压过高还是过低。如果输出端处的电压过高，那么控制器140产生数字信号以减小由可编程电流源105提供到电容器101的电流，并据此减小第一时间周期结束时第一电压的值。如果输出端处的电压过低，那么控制器140产生数字信号以增加由可编程电流源105提供到电容器101的电流，并据此增加第一时间周期结束时第一电压的值。因此，输出端上的电压可设定为任何所需值。举例来说，反馈电路可经配置以促使控制器140调节可编程电流源105以产生在电容器101上导致输入电压的分数值的电流。因此，输出电压也可以是输入电压的任何分数值。

在升压模式下，控制器140产生数字信号141A-C，促使开关102和103断开且开关104闭合持续第一时间周期。与降压模式类似，控制器140进一步将数字信号141D传输到可编程电流源105，且电流源105产生相应的电流。因此，可编程电流源105产生进入电容器101的一个端子中的经编程电流，且电容器101的另一端子耦合到接地。电流被供应到电容器101中持续第一时间周期，从而在电容器101上产生第一电压。与之前一样，所述时间周期或经编程电流或两者可经修整以在第一时间周期结束时在电容器101上实现所需电压。第一电压同样可以是(例如)输入电压的某一分数值(即，V1<＝Vin)。在第二时间周期期间，控制器140产生数字信号141A-C，促使开关102和103闭合且开关104断开。输入电压现在耦合到电容器101的一个端子，促使电容器101的另一端子上的电压增加如下：

Vout＝V1+Vin。

第一电压有效地升压输入电压。输出电压可由反馈电路130感测，这可包含将输出端处的电压或与之有关的电压与另一参考电压进行比较。反馈电路130感测输出端处的电压，且可执行其它处理以向控制器140产生输出信号，指示所述电压过高还是过低。如果输出端处的电压过高，那么控制器140产生数字信号以减小由可编程电流源105提供到电容器101的电流，并据此减小第一时间周期结束时第一电压的值。如果输出端处的电压过低，那么控制器140产生数字信号以增加由可编程电流源105提供到电容器101的电流，并据此增加第一时间周期结束时第一电压的值。因此，输出端上的电压可升压为输入电压以上的任何所需值。举例来说，反馈电路可经配置以促使控制器140调节可编程电流源105以产生在电容器101上导致输入电压的分数值的电流。因此，输出电压可以是输入电压以上的任何分数值。

图2说明根据本发明另一实施例的电压转换器。在此实施例中，可编程电流源是可编程电压-电流转换器。可编程电压-电流(“V-I”)转换器205包含耦合到输入端子210的输入端和耦合到电容器201的第一端子的输出端。可编程V-I 205包含数字输入端子，用于接收数字信号以便对输出端处产生的电流的量进行编程以获得给定的输入电压。与图1中的实施例中一样，开关202-203可经控制而断开和闭合以执行降压或升压转换。对于降压转换，在可编程V-I 205的输入端处接收输入电压并将其转变为电流，所述电流提供到电容器201以产生第一电压。第一电压可以是(例如)输入电压的分数值，从而导致输入电压的分数被转移到输出端子220。对于升压模式，类似地在可编程V-I 205的输入端处接收输入电压并将其转变为电流，所述电流提供到电容器201以产生第一电压。第一电压(例如，其可小于或等于输入电压)可通过将电容器的第二端子与接地分离并将第二电容器端子耦合到输入端而升压。所得的电压升压为大于输入电压的电压并转移到输出端。在此实例中，在降压和升压两种模式下，输出电压被输入到分压器电路230。分压器电路的输出可为(例如)是输出电压的值的分数的电压。分压器输出接着在比较器240中与参考值进行比较。比较器240产生一个或一个以上信号，指示分压器输出大于还是小于所述参考值。在此实施例中，使用数字控制逻辑区块250来实施控制器，所述数字控制逻辑区块250可以是(例如)状态机。比较器输出由控制逻辑250接收，且控制逻辑250可增加由可编程V-I产生的电流以获得给定的输入电压，藉此增加输出电压(如果分压器输出小于所述参考值)。或者，控制逻辑250可减小由可编程V-I产生的电流以获得给定的输入电压，藉此减小输出电压(如果分压器输出大于所述参考值)。

图3是根据本发明一个实施例的实例电压转换器300。电压转换器300包含用于接收输入电压Vin的输入端子310。输入端子310耦合到开关302的一个端子。开关302的另一端子耦合到电容器301(“Cp”)的一端子。输入端子310还耦合到开关阵列305，所述开关阵列305包含多个开关，所述多个开关的端子耦合到输入端子310。开关阵列中的开关的其它端子耦合到电容器301的另一端子。开关304耦合在电容器301的一端子与接地之间。开关303耦合在电容器301的另一端子与输出端子320之间。开关302、303、304以及开关阵列305中的开关可(例如)使用PMOS或NMOS晶体管或两者来实施。所述开关由开关控制逻辑340断开和闭合。开关控制逻辑340可(例如)使用VHDL、Verilog或RTL产生，且可接收时钟输入CLK。在此实例中，输出端子可耦合到包括元件331和332的分压器电路。还可使用输出电容器321(“Cout”)，但输出电容器321可能比电容器301小得多，因此当开关303闭合时发生明显的电压降。经划分的输出电压耦合到比较器333的一个输入端。比较器333的另一输入端耦合到参考电压。比较器的输出可包含一个或一个以上数字信号，所述数字信号由控制逻辑340接收以对开关阵列305进行重新编程。如果经划分的电压小于参考电压，那么开关控制逻辑可对开关阵列进行重新编程以增加输出端处的电压。如果经划分的电压大于参考电压，那么开关控制逻辑可对开关阵列进行重新编程以减小输出端处的电压。可通过减少电容器Cp充电期间闭合的开关的数目来减小到达输出端的电压。可通过增加电容器Cp充电期间闭合的开关的数目来增加到达输出端的电压。

在一个实施例中，反馈电路可包含二极管，例如发光二极管(“LED”)。在此实例中，分压器可包含用于元件331的LED。因此，可能需要将输出端处的电压维持成足以接通LED(例如，2-4伏)。分压器的第二元件332可以是(例如)偏置晶体管，且可能需要将比较器的输入端处的电压维持成足够高而能够将晶体管维持在导通状态的电压(例如，大于或等于Vdsat)。在图3中的实例中，到达比较器的参考电压可设定为刚好高于Vdsat的电压，使得用于元件332的晶体管的源极和漏极上的电压足以偏置晶体管使其接通。因此，比较器和开关控制逻辑将调节开关阵列以将输出维持在最佳电压，以接通元件331处的LED并偏置元件332处的晶体管。如果电池耦合到输入端子并用作电源，那么输出端处的电压可能低于初始电池电压。在这些条件下，系统可在降压模式下操作。因为输出电压维持在足以为331处的LED供电并偏置332处的晶体管的电平，所以节省了功率。类似地，由于电池电压下降到输出端处所需电平以下，所以系统可进入升压模式，在此周期期间，电池输入电压增加刚好足以驱动LED并偏置晶体管。通过将输出端处的电压维持在只足以驱动LED的电平，并将偏置晶体管的源极和漏极上的电压维持在最小电平，可延长用于此应用的电池寿命。

图4A-B说明根据本发明一个实施例的电压转换器300的降压操作。在第一时间周期期间，开关阵列305将输入电压转变为进入电容器中的电流，且电容器的另一端子耦合到接地。开关阵列电流在电容器上产生电压，所述电压小于或等于输入电压。举例来说，对于开关阵列中任何给定的开关，电容器上的电压的变化如下：

ΔV＝iΔt/C

因此，当开关闭合且所述若干开关并联安置时，可控制由开关阵列引起的电压的变化。电容器Cp上产生电压之后，开关控制逻辑340使开关阵列中的开关断开并使开关S2闭合，藉此将电压耦合到输出端。只要输入电压(例如，电池)足够高而能够将Vout维持在所需值(例如，对于LED应用来说，维持在二极管电压加上偏压)，系统就可在此模式下操作。

图5A-B说明根据本发明一个实施例的电压转换器300的升压操作。在第一时间周期期间，开关阵列305将输入电压转变为进入电容器中的电流，且电容器的另一端子耦合到接地。开关阵列电流在电容器上产生电压，所述电压小于或等于输入电压。在电容器Cp上产生电压之后，开关控制逻辑340使开关S4和开关阵列中的开关断开并使开关S2和S3闭合，藉此将输入电压耦合到电容器Cp的一个端子，且将电容器的另一端子耦合到输出端。初始电压由输入升压。当输入电压(例如，电池)并非足够高而能够将Vout维持在所需值时，系统可在此模式下操作。

图6是根据本发明一个实施例的电压转换器的实例。此实例说明开关阵列。输入电压Vin可通过开关602或包括多个开关的开关阵列而耦合到电容器601。开关阵列可包含(例如)较大数目的各个开关605A-D。当每一开关闭合时，每一开关的导通电阻可能非常低(例如，<0.5欧姆)。在一个实施例中，开关阵列可划分为若干组开关，且每一组开关可独立于其它组而一起断开和闭合。当用于电池应用中时，Vin通常将较大，且较小数目的开关组可能闭合。同样在此实例中，使用移位寄存器651来实施控制器。比较器650接收参考输入电压和反馈输入(例如，从二极管与偏置晶体管之间的端子)。比较器的输出端可产生两个信号——指示反馈输入大于还是小于参考输入的数字输出，和互补信号。比较器的输出信号可耦合到移位寄存器651的UP和DOWN输入(例如，其中UP将较多“1”移到寄存器中，且DOWN将较多“0”移到寄存器中)，且可使用数字输出来控制开关阵列(例如，寄存器的每一位可耦合到单个开关)。如果反馈信号过低，那么比较器输出可以发信号通知移位寄存器的UP输入，所述UP输入接通更多开关。类似地，如果反馈信号过高，那么比较器输出可以发信号通知移位寄存器的DOWN输入，所述DOWN输入切断更多开关。因此，输出维持在所需电平。

以上描述内容说明本发明的各个实施例以及可如何实施本发明各方面的实例。以上实例和实施例不应认为是仅有的实施例，且呈现以上实例和实施例是为了说明如所附权利要求书所界定的本发明的灵活性和优点。基于以上揭示内容和所附权利要求书，所属领域的技术人员将了解其它配置、实施例、实施方案和等效物，且可在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下使用所述其它配置、实施例、实施方案和等效物。

Claims

1.一种电压转换器，其包括：

第一电容器，其具有第一端子和第二端子；

第一开关，其具有耦合到所述第一电容器的所述第二端子的第一端子和用于接收输入电压的第二端子；

第二开关，其具有耦合到所述第一电容器的所述第一端子的第一端子和用于提供输出电压的第二端子；

第三开关，其具有耦合到所述第一电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第一参考电压的第二端子；

可编程电流源，其耦合到所述第一电容器的所述第一端子；

反馈电路，其耦合到所述第二开关的所述第二端子；以及

控制器，其耦合到所述反馈电路，

其中在第一时间周期期间，所述第三开关闭合，所述第一和第二开关断开，且所述可编程电流源产生进入所述第一电容器中的经编程电流以产生第一电压，且在第二时间周期期间，所述第三开关断开，所述第一和第二开关闭合，且所述第一电压增加输入电压，

且其中所述反馈电路产生反馈信号，且所述控制器根据所述反馈信号而改变所述可编程电流源产生的所述经编程电流。

2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述可编程电流源是可编程电压-电流转换器，其包括用于接收所述输入电压的至少一个输入端和耦合到所述第一电容器的所述第一端子的至少一个输出端。

3.根据权利要求2所述的电压转换器，其中可编程电流源包括耦合在输入端子与所述第一电容器的所述第一端子之间的多个开关。

4.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述反馈电路包括比较器。

5.根据权利要求1所述的电压转换器，其进一步包括耦合在所述第二开关的所述第二端子与所述反馈电路之间的发光二极管。

6.根据权利要求5所述的电压转换器，其进一步包括耦合在所述发光二极管与所述第一参考电压之间的晶体管。

7.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关是MOS晶体管。

8.一种电压转换器，其包括：

第一电容器，其具有第一端子和第二端子；

可编程电流源，其具有耦合到所述电容器的所述第一端子的输出端和多个数字输入端；

比较器，其具有耦合到参考电压的第一输入端和耦合到所述第二开关的所述第二端子的第二输入端；以及

控制器，其具有耦合到所述比较器的输出端的一个或一个以上输入端，和耦合到所述可编程电流源的所述多个数字输入端的多个数字输出端。

9.根据权利要求8所述的电压转换器，其中可编程电流源包括用于接收所述输入电压的至少一个输入端。

10.根据权利要求9所述的电压转换器，其中可编程电流源包括多个开关。

11.根据权利要求10所述的电压转换器，其中所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述多个开关是MOS晶体管。

12.根据权利要求8所述的电压转换器，其进一步包括耦合在所述第二开关的所述第二端子与所述比较器的所述第二输入端之间的发光二极管。

13.根据权利要求12所述的电压转换器，其进一步包括耦合在所述比较器的所述第二输入端与所述第一参考电压之间的晶体管。

14.一种电压转换器，其包括：

第一电容器，其具有第一端子和第二端子；

多个开关，其每一者具有用于接收所述输入电压的输入端、耦合到所述电容器的所述第一端子的输出端，和用于断开或闭合每一开关的多个数字输入端；

15.根据权利要求14所述的电压转换器，其中所述多个开关每一者提供对应于所述接收的输入电压的输出电流。

16.根据权利要求14所述的电压转换器，其中所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述多个开关是MOS晶体管。

17.根据权利要求14所述的电压转换器，其进一步包括耦合在所述第二开关的所述第二端子与所述比较器的所述第二输入端之间的发光二极管。

18.根据权利要求17所述的电压转换器，其进一步包括耦合在所述比较器的所述第二输入端与所述第一参考电压之间的晶体管。

19.一种电压转换器，其包括：

第一电容器，其具有第一端子和第二端子；

用于产生耦合到所述电容器的所述第一端子的可编程电流的构件；

用于反馈耦合到所述第二开关的所述第二端子的所述输出电压的构件；以及数字控制器，其耦合到所述反馈电路，

20.一种转换电压的方法，其包括：

在第一时间周期期间，

产生第一电流；

将所述第一电流耦合到第一电容器的第一端子，并据此在所述第一电容器上产生第一电压，其中所述第一电容器的第二端子耦合到参考电压；

在第二时间周期期间，

将所述第一电容器的所述第二端子耦合到输入电压，且据此增加所述电容器的所述第一端子上的所述第一电压；

将所述电容器的所述第一端子耦合到输出端子；

将所述增加的第一电压与第二参考电压进行比较；以及

根据所述比较的结果增加或减小所述第一电流。

21.根据权利要求20所述的方法，其中产生第一电流包括闭合多个开关中的一者或一者以上。

22.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括通过发光二极管耦合所述输出端子。