CN101467341A - 具有固态电池的电荷泵dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电子设备，包括DC－DC转换器。DC－DC转换器包括至少一个固态充电电池(B1、B2)用于存储用于DC－DC转换的能量，以及输出电容C2。

Description

具有固态电池的电荷泵DC-DC转换器
技术领域
本发明涉及具有DC-DC转换器的电子设备。
背景技术
如果电子设备或集成电路中需要用到几个不同的直流(DC)电压，通常会根据电子设备的特定需求使用DC-DC转换器来拉高或降低直流电压。
DC-DC转换器可以使用用于容性转换机制的电容。对于电感转换机制，通常临时使用线圈和电容存储来自开关转换器的能量。另一方面，容性转换器技术仅需要电容来实现DC-DC转换。特别地，当DC-DC转换器作为集成电路实现时，相关器件(如线圈、电容等)的尺寸会被限制，以至于能被存储在这些器件中的能量非常少。因此，需要开关转换器具有高速切换频率以使得在这些元件中的能量以高达每秒10的7次方的频率进行更新。然而，如此高的频率会导致与EMI相关的一些严重的问题，以及电源线被污染而导致的干扰问题。
图1示出了根据现有技术的开关电容DC-DC转换器的电路图。此处特别示出了电荷泵DC-DC转换器。电压源对电容C1到Cn充电。由于多个电容以并列的方式或作为单个电容被顺序充电，并被连续地放电，DC-DC转换器的输出电压等于DC-DC转换器输入的电源电压的整数倍。另外，在DC-DC转换器的另外一种实现中，其输出电压可以不等于输入电压的整倍数，而是输入电压的一个有理数倍。
基于开关电容执行DC-DC转换的机制，其好处在于与电感转换器相比，所需组件的尺寸小。然而，如果要取得高效率，只可能固定转换步幅，即在电池电压处于正常值的情况下，转换器只能工作在如80％的效率上。然而，如果电压降低10％，效率就可能降至65％。
发明内容
本发明的目的在于提供具有DC-DC转换器的电子设备，在甚至比正常值低的电压下，该设备也能获得较高的效率。
该目的由根据权利要求1所述的电子设备和根据权利要求8所述的集成电路来实现。
因此，提供了一种电子设备，包括DC-DC转换器。DC-DC转换器包括至少一个用于存储DC-DC转换能量的固态充电电池，和输出电容。由于固态电池的能量存储能力远高于开关电容的能量存储能力，DC-DC转换的切换频率可以显著下降。
根据本发明的一方面，至少一个固态电池以孔阵列或沟道阵列的薄膜电池的形式实现，孔阵列或沟道阵列在硅衬底上蚀刻而成，或是多叠层平面电池。因此，固态电池能与DC-DC转换器集成在同一个衬底上。
根据本发明进一步的方面，固态电池以锂离子电池形式实现，故而该电池有很大的容量。
根据本发明进一步的方面，DC-DC转换器包括第一开关组以根据第一控制信号对至少一个固态电池充电，以及第二开关组以根据第二控制信号对至少一个电池放电。
根据本发明进一步的方面，DC-DC转换器的切换频率低于1Hz。由于如此低的切换频率，开关损耗可以显著降低。
本发明还涉及具有集成DC-DC转换器的集成电路，该DC-DC转换器包括至少一个固态充电电池，和输出电容。
本发明进一步涉及这样的思想，即在DC-DC转换器中使用小尺寸的电池替换用于存储能量的电容，以存储用于DC-DC转换的能量。这样带来的特别的好处在于由于电池的较大容量，转换器的切换频率得到显著降低，即DC-DC转换器工作在非常低的切换频率下。进一步地，开关纹波也能显著降低。另外，由于切换频率可被降低，开关损耗也可被减少，从而降低了DC-DC转换器总的功率耗散。例如，如果使用了沟道电池(trench battery)，该DC-DC转换器的尺寸能减少到与开关电容转换器相当的程度。
附图说明
现参照附图对本发明的有益效果和实施方式做更详细的描述。附图为：
图1示出了根据现有技术的DC-DC转换器电路图，
图2示出了根据第一实施例的DC-DC转换器电路图，
图3示出了根据第二实施例的DC-DC转换器的装置方框图，
图4示出了根据第三实施例的电池的电压/电荷特性图，
图5示出了根据第一实施例的DC-DC转换器时序图，
图6示出了根据第四实施例的DC-DC转换器电路图，以及
图7示出了根据第五实施例的沟道电池的示意性的表示。
具体实施方式
图2示出了根据第一实施例的DC-DC转换器电路图。DC-DC转换器(电荷泵)包括第一电池B1和第二电池B2以及在其输出端的输出电容C2。另外，电路包括了八个开关S1a，S2a，S3a，S4a和S1b，S2b，S3b以及S4b。开关S1a，S4a，S2b以及S3b由相位为p的时钟信号驱动，S2a，S3a，S1b以及S4b由相位为-p的时钟信号反相驱动。因而，如果在时钟信号第一个半周期，第一电池B1被部分充电，第二电池被部分放电，则在时钟信号的第二个半周期反之。输出电容C2用于在第一电池B1和第二电池B2的切换期间避免任何电压的陡降。因此，根据切换的控制，第一电池或第二电池连接到输出端，同时另一个电池可被输入电压Vin充电。在这里，当开关S1a和S4a闭合且开关S3a打开时，第一电池B1被输入电压Vin充电。当开关S2a打开时，第一电池与输出的连接断开。当开关S1b和S4b打开且开关S3b和S2b闭合时，第二电池连接到输出。当开关S1b打开时，第二电池B2与输入电压的连接断开。
由于电池B1、B2的大容量，使得DC-DC转换器的切换频率(每秒充/放电周期数)能降低至0.1Hz这样的低值。进一步地，开关的纹波可以做得非常小(通常DC：DC转换器的输出电压纹波大约为50mV)，根据本发明很容易实现远小于1mV的纹波值。
图3示出了根据第二实施例的DC-DC转换器装置方框图。除了DC-DC转换器DC(根据第二或第四实施例可被具体化)，还提供了开关(on-off)控制单元OOC和充电看门狗电路CWD。在启动时需要充电看门狗，亦即当电池为空时，电池不能进行足够快的充电，甚至采用“Boost-charging Li-ionbatteries：A challenging new chargingconcept-by Notten et al.，in Journal of Power Sources 145(2005)89-94”中描述的加速充电算法也不行。为了避免这种情况，电池可以保持在被充电的水平，例如如果DC-DC转换器切换到关，可以通过增加一个极低功率看门狗电路的方式来实现。
开关控制信号OOS驱动开关控制单元OOC。如果接收到“关(off)”信号，DC-DC转换器DC关闭，亦即所有的开关S1a…S4b被置于关断的位置并且充电看门狗电路CWD切换到开。如果接收到“开(on)”信号，看门狗电路CWD切换到关，DC-DC转换器DC在正常状况下运行。
图4示出了根据第三实施例的电池的电压/电荷特性图。此处，根据适当选择的化学物质示出了电池的电压/电荷特性。电池的电压取决于电池中电荷数量。因而，通过控制电池中电荷的数量，便可以将电池电压调节到想要的值。DC-DC转换器的输入/输出比的30％的浮动足以补偿小的输入电压变化(由于电池的耗尽导致)，同时保持输出电压的恒定。然而，如果输出电压保持恒定，输入/输出比的变化必须缓慢地改变。可以通过切换频率高于1次/1小时实现这一缓慢变化。如图4所示的电压变化可能发生在一个小时的时间范围内。
因此，通过使用合适的电池化学物质，可以实现变化的输出电压(即，电压并非输入电压的固定倍数)。
图5示出了根据图2的DC-DC转换器的时序图。此处显示了两个控制信号，用于充电的Pc和用于放电的Pd。与电容(或电池)放电相比，在电容(或电池)充电期间，控制信号的占空比可以不同。对于电容(或电池)充电，需要开关S1a、S4a、S1b和S4b，而对于电容(或电池)放电，需要开关S2a、S3a、S2b和S3b。因而，充电开关的控制信号Pc和放电开关的控制信号Pd将不相同。如果没有提供输出电压控制，这些控制信号可以简单地通过固定的关系(如Pd＝-Pc)相关联。然而，如果电池的充电状态需要有所变化，便需要调节控制信号。如果要降低输出电压，充电周期的占空比也需要降低，即调整控制信号Pc’。用于放电的控制信号Pd可以保持不变。因此，电池(平均来说)在一个完整的充/放电周期内进行放电。因此，实现了较低的输出电压。作为示例，简单的控制信号Pc可以是信号Pc的占空比变为零。
图6显示了根据第四实施例的DC-DC转换器的电路图。此处示出了图2的电路图，其中有第一电池B1、第二电池B2和输出电容C2，以及对应的开关。对电容(或电池)充电的开关S1a，S4a，S1b以及S4b由控制信号Pc控制。对电容(或电池)放电的开关，亦即开关S2a，S3a，S2b以及S3b由控制信号Pd控制。此外，提供了窗口比较器WC，窗口比较器WC接收参考电压Vef和输出电压Vout作为其输入信号。
时钟信号clk(如等于或小于1Hz)产生信号Pd用于放电的开关。信号Pc(驱动用于对电容(或电池)充电的开关)能基于窗口比较器(WC)的输出进行开/关操作。窗口比较器WC判决在特定窗口中的输出电压是否和所需的参考电压Vref相等。如果输出电压太高，开关S打开，Pc的占空比为零。如果输出电压太低，开关闭合，且Pc的占空比非零。
应该注意到，基于本发明的原理，可以提供更复杂且更精致的示意图和电路。
虽然参考附图2、4和6所示的电路，本发明的实施例已在上面进行了描述，但是应该注意到电池，特别是沟道电池，可以用来代替其他基于电容的DC-DC转换器中的电容。
图7示出了根据第五实施例的沟道电池的示意性表示。沟道电池可以用在根据图2或图6的DC-DC转换器中。通过固态锂离子电池叠层可以实现该电池。可以通过在硅衬底100上蚀刻孔阵列或沟道阵列来实现电池叠层。在硅衬底100的顶部提供了阻挡层110(如，钽等元素的)。在阻挡层110上提供了非晶硅(a-Si)层120。然后提供了固体电解质(如LiNbO3等)层130和LiCoO2层140。
当电池层在硅上实现时，其可以使用近来的MOS加工处理工艺来进行集成。进一步地，根据图7的电池和根据本发明的DC-DC转换器能够集成在系统级封装(system-in-package，SiP)中。
这样一种固体电池的结构和生产在WO2005/027245-A2中进行了描述，该专利文献在此包括在参考文献中。
上述DC-DC电路可以用在手持设备，即使用电池运行的设备如移动电话、PDA等中。如果需要高度稳定的电压，根据本发明的DC-DC转换器可以用于LCD显示器或存储器设备，特别是用于移动电话中以避免EMI和频谱污染。
通过将电容替换为小尺寸的电池，例如沟道电池，转换器的切换频率(即每秒充/放电周期的次数)可被降至0.1Hz这样的低值。开关的纹波可以做得非常小，通常DC-DC转换器的输出电压纹波大约为50mV，根据本方法很容易实现远小于1mV的纹波值。输出电压上的开关纹波不会导致(在大多数相关应用中)由于将切换频率和任何的信号频率进行混频而引起的频谱问题，因此这种方法能带来显著的优点。
本应用中使用沟道电池是非常有益的，因为与在高得多的切换频率下工作的开关电容转换器相比，沟道电池使得DC-DC转换器的尺寸很小。此外的优点还有，由于开关工作在非常低的频率，这些器件中的开关损耗大幅降低。在通常情况下，开关损耗大约占转换器损耗的一半。因此可以预见，基于电池的质量，上述转换器的损耗很可能只有标准转换器的一半。
在进一步的实施例中，可以使用多叠层平面电池。
应该注意到上面提到的实施例是用以解释而非限制本发明，本领域一般技术人员能够设计出很多替代实施例，而未背离所附权利要求的保护范围。在权利要求中，括号之间的附图标记不应理解为对权利要求的限制。用语“包括”并不排除列在权利要求中提到的之外的元件或步骤。在组件之前的用语“一”或“一个”并不排除使用多个这样的组件。在设备的权利要求中列举了几种装置，这些装置中的一些可以通过一个相同的硬件来实施。一个基本的事实是在相互不同的从属权利要求中提到的特定措施并不意味着这些方法的组合不能用来取得有益效果。
进一步地，权利要求中的任何附图标记不应被理解为对权利要求保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种电子设备，包括：
DC-DC转换器，包括至少一个固态充电电池(B1、B2)用于存储用于DC-DC转换的能量，以及输出电容C2。
2.根据权利要求1的电子设备，其中，所述至少一个固态电池(B1、B2)被实现为薄膜电池、以孔阵列的形式蚀刻在硅衬底中的薄膜电池、以沟道阵列的形式蚀刻在硅衬底中的薄膜电池，或多叠层平面电池。
3.根据权利要求1或2的电子设备，其中固态电池(B1、B2)包括锂离子电池。
4.根据权利要求3的电子设备，其中DC-DC转换器包括第一开关组，用于根据第一控制信号(Pc)对所述至少一个固态电池(B1、B2)充电，以及第二开关组，用于根据第二控制信号(Pd)对所述至少一个电池(B1、B2)放电。
5.根据权利要求1的电子设备，进一步包括开关控制单元(OOC)，用于控制DC-DC转换器的开和关切换，以及充电看门狗电路(CWD)，用于如果通过开关控制单元(OOC)将DC-DC转换器切换到关，保持所述至少一个电池(B1、B2)在充电水平上。
6.根据权利要求4的电子设备，其中第一和第二控制信号(Pc，Pd)被独立控制以调节DC-DC转换器的输出电压(Vout)。
7.根据权利要求1的电子设备，其中DC-DC转换器的切换频率小于1Hz。
8.一种集成电路，包括：
DC-DC转换器，包括至少一个固态充电电池(B1、B2)用于存储用于DC-DC转换的能量，以及输出电容(C2)。
9.一种DC-DC转换器，包括至少一个固态充电电池(B1、B2)用于存储用于DC-DC转换的能量，以及输出电容(C2)。
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