CN101689801A

CN101689801A - 电荷泵控制器及其方法

Info

Publication number: CN101689801A
Application number: CN200780053008A
Authority: CN
Inventors: H·沙维
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2010-03-31
Also published as: KR20100021590A; WO2008153567A1; US20100156512A1; KR101343305B1; TW200849783A

Abstract

一种电荷泵控制器(20)，被配置为一种在充电时间间隔期间给多个泵电容器(16，17)充电并顺序形成多个放电时间间隔的电荷泵控制器，对于每个放电时间间隔，耦合不同的泵电容器(16，17)以向负载(14)提供电流(18)。

Description

电荷泵控制器及其方法

技术领域

本发明大体涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法及结构。

过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成用于从输入电压源例如电池提供输出电压的电荷泵控制器。一般，电荷泵控制器用于从输入电压给多个电容器充电，并耦合电容器以向负载提供电流。现有的电荷泵控制器通常形成两个时间间隔，其中一个时间间隔用于给电容器充电，而第二时间间隔用于给电容器放电。在2001年3月6日发布给Kotowski等人的美国专利第6,198,645号中公开了一个这样的电荷泵控制器。由于电容器被充电和放电的方式，当电容器被充电时一般存在高涌入电流，在给电容器放电时，所产生的输出电压上存在波动。

因此，期望有一种减少涌入电流并减少输出电压中的波动的电荷泵控制器。

附图说明

图1简要示出包括根据本发明的电荷泵控制器的示例性实施方式的电荷泵电源系统的一部分的实施方式；

图2是具有曲线的图，其示出根据本发明的图1的电荷泵控制器的一些信号；以及

图3简要示出包括根据本发明的图1的电荷泵控制器的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简洁和清楚，附图中的元件不一定按比例绘制，且不同图中相同的参考数字表示相同的元件。此外，为了描述的简单而省略了公知的步骤和元件的说明与细节。如这里所使用的载流电极表示器件的一个元件，其承载通过该器件的电流，载流电极例如为MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的集电极或发射极、或二极管的阴极或阳极；而控制电极表示器件的一个元件，其控制通过该器件的电流，控制电极例如为MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。虽然这些器件在这里被解释为某个N沟道或P沟道器件，但本领域中的普通技术人员应该认识到，依照本发明，互补器件也是可能的。本领域中的技术人员应认识到，这里使用的词“在...的期间、在...同时、当...的时候”不是表示一有启动行为就会马上发生行为的准确术语，而是在被初始行为激起的反应之间可能有一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。

具体实施方式

图1简要示出包括电荷泵控制器20的示例性实施方式的电荷泵电源系统10的一部分的实施方式。系统10在电压输入端子12和电压返回端子13之间从DC电压源例如电池11接收功率，并形成输出电压以及负载电流18，该输出电压提供到负载，例如发光二极管(LED)14。负载电流18也用于给输出电容器15充电，输出电容器15用于帮助将输出电压维持在期望的电压值。负载电流18的一部分作为LED电流19流经LED14。

电荷泵控制器20在电压输入21和电压返回22之间接收输入电压，并在控制器20的输出23上提供输出电压。输入21通常连接到端子12，而返回22通常连接到端子13。如将在下文中进一步看到的，控制器20配置成在充电时间间隔期间给多个电荷泵电容器或泵电容器例如泵电容器16和17充电，并在顺序或连续地出现的多个放电时间间隔期间，顺序地耦合电容器16，接着耦合电容器17，以提供电流18。控制器20包括时钟发生器电路或时钟发生器33、开关控制电路40、模式控制电路或模式控制器32以及电流源31。发生器33或电路40与发生器33一起可被视为控制电路。电流源31配置成通过电流源(CS)输入24从LED 14接收电流19，并形成表示电流19的状态的反馈(FB)信号。如果电流19的值不小于期望阈值水平，则FB信号为低，以指示电流19的值不小于期望最小值。如果电流19的值落到期望阈值水平之下，则FB信号变高，以指示电流19低于电流19的期望值。作为对使用电流源31来形成FB信号的替换，电流感测电阻器可设置成与输入24串联以接收电流19，且因而形成的电压可与参考信号进行比较。对于图1所示的示例性实施方式，模式控制器32接收FB信号并提供用于确定控制器20的工作模式的两个模式控制信号(M1和M2)。控制器20响应于模式控制信号M1和M2而控制电荷泵电容器16和17，这允许控制器20在三种不同模式之一中操作。三种工作模式通常被称为1X模式、1.5X模式和2X模式。对于1X模式，控制器20将来自输入21的输入电压直接耦合到输出23。在1.5X模式中，控制器20形成大约为在输入21上接收的电压的值的1.5倍的输出电压。在2X模式中，控制器20形成大约为在输入21上接收的输入电压的值的2倍的输出电压。

为了便于给电容器16和17充电和放电，开关控制电路40包括多个反相器和作为晶体管实现的多个开关，这些反相器和开关用于配置待充电的电容器16和17，并用于配置电容器16和17以帮助提供电流18。电路40包括反相器55、56、57、58和59，并且还包括晶体管41、42、43、44、45、46、47、50、51和52。时钟发生器33产生用于控制电路40的开关的状态的多个计时信号。

图2是具有曲线的图，其示出在控制器20的操作期间形成的一些信号。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加的值。曲线65和66分别示出控制器32产生的控制信号M1和M2。此描述参考图1和图2。曲线67示出发生器33形成的1X控制信号的状态。曲线68和69示出发生器33形成的第一充电时钟(C1)信号和第二充电时钟(C2)控制信号的状态。曲线70、71和72示出发生器33产生的低侧控制信号S1、S2和S3的状态。曲线73和74示出时钟发生器33形成的顺序放电控制信号D1和D2的状态。放电控制信号D1和D2通常在电容器16和17被充电的充电时间间隔的整个时间内是无效的。在充电时间间隔之后，控制器20形成多个放电时间间隔，以便以连续的方式产生放电控制信号D1和D2。在第一放电时间间隔期间，信号D1是有效的且信号D2是无效的，在第一放电时间间隔之后的第二放电时间间隔期间，信号D2是有效的且信号D1是无效的。

为了描述控制器20的操作的目的，假定在时刻T0，电池11被完全充电，且通过LED 14的电流19的值不小于期望值并足够使电容器15的电压维持实质上等于电池11的电压。流经电流感测(CS)输入24的电流19使反馈(FB)信号为低。模式控制器32接收低反馈(FB)信号，并响应性地迫使M1控制信号高和M2控制信号低，这用信号通知时钟发生器33在1X模式中操作。在1X模式中，发生器33迫使1X控制信号高，从而迫使反相器55的输出低并启动晶体管47。启动晶体管47将来自输入21的电压耦合到输出23，使得输出电压实质上等于来自电池11的电压的值减去较小的损失(例如通过晶体管47的较小的损失)。在1X工作模式中，时钟发生器33迫使C1、C2、S1、S2、S3、D1和D2控制信号低，从而禁止相应的晶体管43、44、42、41、50、45和46。因此，在1X模式中，发生器33不切换将从电池11充电或提供电流18的电荷泵电容器16和17。

假定在时刻T1电流19的值降低到小于阈值的值，这迫使FB信号高。控制器32接收高FB信号，其指示控制器20需要增加输出23上的输出电压的值，以便提供电流19的期望值，因此，控制器32迫使M1和M2信号低，以使控制器20操作在1.5X模式中。在1.5X模式中，时钟发生器33配置成形成充电时间间隔，在该充电时间间隔期间，电容器16和17串联连接，其该串联组合与电池11并联连接，所以电容器16和17每个都被充电到大约为来自电池11的电压的一半的电压值。在时刻T1和T2之间的该充电时间间隔期间，控制器33迫使1X控制信号低，C1控制信号高，C2控制信号低，S1控制信号高，S2控制信号低，以及S3控制信号高。放电控制信号D1和D2一般在充电时间间隔期间总是低。高C1控制信号和低C2控制信号启动晶体管43并禁止晶体管44。低S2控制信号禁止晶体管41，而高S1和S3控制信号启动晶体管42和50。因为放电控制信号D1和D2都为低，晶体管45、46、51和52被禁止。由于晶体管42、43和50被启动，来自输入21的输入电压通过晶体管43耦合到电容器端子30，电容器端子29通过晶体管50耦合到电容器端子28，以及电容器端子27通过晶体管42耦合到返回22。因此，电容器16和17每个都被充电到大约为来自电池11的电压的一半的电压。用于T1和T2之间的充电时间间隔的时间被选择成足够长，以确保电容器16和17接收足够提供电流19并维持电容器15被充电的电荷。在充电时间间隔在时刻T2结束之后，发生器33顺序形成若干个放电时间间隔，使得放电时间间隔的数量等于由控制器20充电的泵电容器的数量。对于图1所示的示例性实施方式，发生器32形成两个放电时间间隔，对电容器16和17中的每个电容器有一个放电时间间隔。在第一放电时间间隔期间，信号D1是有效的且信号D2是无效的，而在第二放电时间间隔期间，信号D2是有效的且信号D1是无效的。因此，发生器33顺序地形成由有效的放电控制信号D1或D2之一限定的两个放电时间间隔。在时刻T2之后到时刻T3的第一放电时间间隔期间，除了信号D1以外，所有的控制信号都为低。本领域技术人员应认识到，在时刻T2的结束和第一放电时间间隔的开始之间通常有少量时间(常常称为死区时间)，以便允许在启动信号D1所控制的晶体管之前，该晶体管被完全禁止。高D1控制信号迫使反相器59的输出低，从而启动晶体管46和52。启动晶体管46将输入21耦合到电容器端子27，而启动晶体管52将电容器端子28耦合到输出23，因此，来自电池11的电压被加到电容器16的电压，从而在输出23上提供实质上1.5倍于电池11上的电压的值的输出电压。当第一放电时间间隔大约在时刻T3终止时，发生器33通过使控制信号D2有效并使控制信号D1无效而顺序形成随后的放电时间间隔。本领域技术人员认识到，在使信号D1无效之后且在信号D2被有效之前，通常存在死区时间。高D2信号迫使反相器58的输出低，从而启动晶体管45和51。晶体管45将来自输入21的电压耦合到电容器端子29，而启动晶体管51将电容器端子30耦合到输出23，从而形成实质上1.5倍于电池11上的电压的值的输出电压。在第二放电时间间隔大约在时刻T4终止之后，控制器20一般开始另一充电时间间隔，例如在时刻T1开始的时间间隔。通常，只要电流19的值保持在阈值之上，控制器20就继续以1.5X模式工作。

假定FB信号再次为低，且恰好在时刻T4之后，电流19降低到小于阈值的值，从而再次迫使FB信号高。模式控制器32接收高FB信号，其指示控制器20需要增加输出23上的输出电压的值，以便提供电流19的期望值，因此，控制器32迫使M1低而M2信号高，以使控制器20操作在2X模式中。在2X模式中，时钟发生器33配置成形成充电时间间隔，在该充电时间间隔期间，电容器16和17并联连接，且该并联组合与电池11并联连接，所以电容器16和17每个都被充电到大约等于来自电池11的电压的电压值。在时刻T4之后且一直到时刻T5的该充电时间间隔期间，控制器33迫使1X控制信号低，C1和C2控制信号高，S1和S2控制信号高，以及S3控制信号低。放电控制信号D1和D2一般在此充电时间间隔期间总是低。高C1和C2信号启动晶体管43和44。高S1和S2信号启动晶体管41和42，而低S3信号禁止晶体管50。因为放电控制信号D1和D2都为低，晶体管45、46、51和52被禁止。由于晶体管41、42、43和44被启动，来自输入21的输入电压通过晶体管43耦合到电容器端子30，以及电容器端子29通过晶体管41耦合到返回22。晶体管44将来自输入21的输入电压耦合到电容器端子28，且电容器端子27通过晶体管42耦合到返回22。因此，电容器16和17每个都被充电到大约等于来自电池11的电压的电压。用于充电时间间隔的时间被选择成足够长，以确保电容器16和17接收足够提供电流19并维持电容器15被充电的电荷。在充电时间间隔在时刻T5结束之后，发生器33顺序形成若干个放电时间间隔，使得放电时间间隔的数量等于由控制器20充电的泵电容器的数量。对于图1所示的示例性实施方式，发生器32形成两个放电时间间隔，对电容器16和17中的每个电容器有一个放电时间间隔。在第一放电时间间隔期间，放电控制信号D1是有效的且信号D2是无效的，而在第二放电时间间隔期间，信号D2是有效的且信号D1是无效的。因此，发生器33再次顺序形成由有效的放电控制信号D1或D2之一限定的两个放电时间间隔。在时刻T5之后到时刻T6的第一放电时间间隔期间，除了信号D1以外，所有的控制信号都为低。本领域技术人员应认识到，在时刻T5的结束和第一放电时间间隔的开始之间通常有死区时间。高D1控制信号迫使反相器59的输出低，从而启动晶体管46和52。启动晶体管46将输入21耦合到电容器端子27，而启动晶体管52将电容器端子28耦合到输出23，因此，来自电池11的电压被添加到电容器16的电压，从而在输出23上提供实质上2倍于电池11上的电压的值的输出电压。当第一放电时间间隔大约在时刻T6终止时，发生器33通过使控制信号D1无效并在死区时间之后使控制信号D2有效而顺序地形成随后的第二放电时间间隔。高D2信号迫使反相器58的输出低，从而启动晶体管45和51。晶体管45将来自输入21的电压耦合到电容器端子29，而启动晶体管51将电容器端子30耦合到输出23，从而形成实质上2倍于电池11上的电压的值的输出电压。在第二放电时间间隔大约在时刻T7终止之后，控制器20一般开始另一充电时间间隔，例如大约在时刻T4开始的时间间隔。通常，只要电流19的值保持在阈值之上，控制器20就继续在2X模式中操作。一般，未示出的其它电路有助于形成帮助使控制器20切换回1X或1.5X模式的信号。

为了便于控制器20的这项功能，输入24连接到电流源31的一个端子。源31的FB输出连接到控制器32的输入。来自控制器32的M1控制信号连接到发生器32的第一输入，而来自控制器32的M2信号连接到发生器32的第二输入。发生器33的1X输出连接到反相器55的输入，反相器55具有连接到晶体管47的栅极的输出。发生器33的C1输出连接到反相器56的输入，反相器56具有连接到晶体管43的栅极的输出。发生器33的C2输出连接到反相器57的输入，反相器57具有连接到晶体管44的栅极的输出。发生器33的S1输出连接到晶体管42的栅极。发生器33的S2输出连接到晶体管41的栅极。发生器33的S3输出连接到晶体管50的栅极。发生器33的D1输出连接到反相器59的输入，反相器59具有共同连接到晶体管46的栅极和晶体管52的栅极的输出。发生器33的D2输出连接到反相器58的输入，反相器58具有共同连接到晶体管45的栅极和晶体管51的栅极的输出。输入21共同连接到晶体管47的源极、晶体管46的源极、晶体管45的源极、晶体管44的源极和晶体管43的源极。晶体管47的漏极共同连接到输出23、晶体管51的漏极和晶体管52的漏极。晶体管46的漏极共同连接到端子27和晶体管42的漏极。晶体管45的漏极共同连接到端子29、晶体管50的源极和晶体管41的漏极。晶体管44的漏极共同连接到端子28、晶体管50的漏极和晶体管52的源极。晶体管43的漏极共同连接到端子30和晶体管51的源极。晶体管41的源极共同连接到晶体管42的源极、电流源31的第二端子和返回22。

图3简要示出在半导体管芯81上形成的半导体器件或集成电路80的实施方式的一部分的放大平面图。控制器20在管芯81上形成。管芯81还可包括在图3中为制图简单起见而没有示出的其它电路。控制器20和器件或集成电路80通过半导体制造技术在管芯81上形成，这些技术对本领域的技术人员来讲是公知的。

鉴于上述全部内容，显然公开的是一种新的器件和方法。连同其它特征包括的是形成一种电荷泵控制器，以在充电时间间隔期间给多个泵电容器充电，并顺序形成多个放电时间间隔，对每个放电时间间隔，耦合不同的泵电容器向负载提供电流。

虽然用特定的优选实施方式描述了本发明的主题，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是明显的。更具体地，针对使用两个泵电容器的特定实施方式而描述了本发明的主题，然而，本技术适用于使用多于两个的泵电容器。顺序放电时间间隔的数量通常被选择成与在充电时间间隔期间被充电的电容器的数量相同。

Claims

1.一种电荷泵控制器，包括：

多个端子，其配置成耦合到多个泵电容器；

输出，其配置成向负载提供负载电流；以及

控制电路，其配置成形成用于给所述多个泵电容器的第一泵电容器充电的充电时间间隔，并顺序形成用于顺序耦合所述多个泵电容器以向所述输出提供电流的多个放电时间间隔。

2.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述控制电路在形成所述充电时间间隔之后顺序形成所述多个放电时间间隔。

3.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述控制电路在形成另一充电时间间隔之前顺序形成所述多个放电时间间隔。

4.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电荷泵控制器配置成在所述充电时间间隔期间并联连接所述多个泵电容器中的至少两个泵电容器，以将所述至少两个泵电容器充电到第一电压，以及对应于所述多个放电时间间隔中的每个顺序的放电时间间隔，从所述至少两个泵电容器中顺序选择一泵电容器来向所述输出提供电流。

5.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电荷泵控制器配置成在所述充电时间间隔期间并联连接所述多个泵电容器中的至少两个泵电容器，以将所述至少两个泵电容器充电到第一电压，并对应于所述多个放电时间间隔中的第一放电时间间隔而顺序地选择所述至少两个泵电容器中的第一泵电容器来向所述输出提供电流，以及对应于所述多个放电时间间隔中的第二放电时间间隔而顺序地选择所述至少两个泵电容器中的第二泵电容器来向所述输出提供电流。

6.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电荷泵控制器配置成在所述充电时间间隔期间串联连接所述多个泵电容器，以将每个电荷泵电容器充电到第一电压，以及对应于所述多个放电时间间隔中的每个顺序的放电时间间隔，从所述多个电容器中顺序选择不同的泵电容器来向所述输出提供电流。

7.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述电荷泵控制器配置成在所述充电时间间隔期间串联连接所述多个泵电容器中的至少两个泵电容器，以将所述至少两个泵电容器充电到第一电压，以及对应于所述多个放电时间间隔中的第一放电时间间隔而顺序地选择所述至少两个泵电容器中的第一泵电容器来向所述输出提供电流，并对应于所述多个放电时间间隔中的第二放电时间间隔而顺序选择所述至少两个泵电容器中的第二泵电容器来向所述输出提供电流。

8.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述多个放电时间间隔的放电时间间隔的数量不大于所述多个泵电容器的泵电容器的数量。

9.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述控制电路在所述充电时间间隔期间使多个控制信号有效，对于所述多个放电时间间隔的每个放电时间间隔，所述控制电路顺序地使单个放电控制信号有效。

10.一种形成电荷泵控制器的方法，包括：

配置所述电荷泵控制器以在充电时间间隔期间将多个泵电容器充电到第一电压；以及

配置所述电荷泵控制器以顺序地耦合所述多个泵电容器中的每个泵电容器来向负载提供电流。

11.如权利要求10所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以给多个泵电容器充电的所述步骤包括：配置所述电荷泵控制器以并联连接两个电荷泵电容器来给所述两个泵电容器充电。

12.如权利要求11所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以顺序地耦合每个泵电容器的所述步骤包括：配置所述电荷泵控制器以耦合所述两个电荷泵电容器中的第一泵电容器来向所述负载提供电流，同时不耦合所述两个电荷泵电容器中的第二泵电容器来向所述负载提供电流，接着顺序地耦合所述两个电荷泵电容器中的所述第二泵电容器来向所述负载提供电流，同时不耦合所述两个电荷泵电容器中的所述第一泵电容器来向所述负载提供电流。

13.如权利要求10所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以给多个泵电容器充电的所述步骤包括：配置所述电荷泵控制器以串联连接两个电荷泵电容器来给所述两个泵电容器充电。

14.如权利要求13所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以顺序地耦合每个泵电容器的所述步骤包括：配置所述电荷泵控制器以耦合所述两个电荷泵电容器中的第一电荷泵电容器来向所述负载提供电流，同时不耦合所述两个电荷泵电容器中的第二电荷泵电容器来向所述负载提供电流，接着顺序地耦合所述两个电荷泵电容器中的所述第二电荷泵电容器来向所述负载提供电流，同时不耦合所述两个电荷泵电容器中的所述第一电荷泵电容器来向所述负载提供电流。

15.如权利要求10所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以顺序地耦合所述多个泵电容器中的每个泵电容器来向负载提供电流的所述步骤包括：配置所述电荷泵控制器以在所述充电时间间隔之后、在形成另一充电时间间隔之前，顺序地耦合所述多个泵电容器中的每个泵电容器来提供电流。

16.如权利要求10所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以顺序地耦合所述多个泵电容器中的每个泵电容器来向负载提供电流的所述步骤包括：配置所述电荷泵控制器以形成多个放电时间间隔，并对应于所述多个放电时间间隔中的每个放电时间间隔，将所述多个泵电容器中不同的泵电容器耦合到所述电荷泵控制器的输出。