背景技术
集成电路通常具有主电源(一般称作VCC)和备用电源。备用电源使电路可以在主电源出于某种原因而中断或落到预置电压电平以下时继续工作。转接电路用于在主电源和备用电源之间切换电路的内部电源(通常称作Vdd)。希望具有一种转接电路,该转接电路使用内部电源(Vdd)作为其电源,并且使用少量电力。随着电路尺寸不断减小,还希望转接电路占用较小的面积。
一种类型的转接电路使用分离的开关、作为电源的电压电平的函数来导通和关断主电源和备用电源。这种电源之间的切换可能很难以快速且高效的方式来执行。例如,当主电源的电力下降并且电力被切换至备用电源时,在与备用电源的连接开始时与主电源的连接可以仍然是导通的。在这种该情况下,两个电源之间存在寄生短路。
用于容易受到这种短路影响的集成电路的一种类型的备用电源是电池备用电源。在采用电池备用的情况下,使用相对少量电力的转接电路对于延长电池寿命来说是有用的。例如,在诸如时钟收音机、电子计量设备以及其他等电子设备中,将来自网络的电力与备用电源一起使用的转接电路是有用的。
采用电池备用电源的示例类型的转接电路使用比较器将主电源电压(VCC)与备用电池电压(VBAT)和电池阈值(VBMT)相比较。以内部电源(Vdd)为比较器供电,并且参考电路产生电池阈值(VBMT),其中也以内部电源(Vdd)为参考电路供电。当主电源电压(VCC)低于电池电压(VBAT)和电池阈值(VBMT)两者时,转接电路切换至备用电池,当主电源电压高于电池电压或电池阈值时,转接电路切换回主电源。尽管这种应用可以是有用的,然而存在某些不期望的特性。例如,这种转接方法还容易受到上述寄生短路的影响。此外,通常必须将电池阈值(VBMT)指定为低于内部电源(Vdd)最小电压的值,这是因为电池阈值是由以内部电源供电的参考电路来产生的。
某些转接方法具有供电的比较器和参考电路,所述参考电路产生具有高于内部功率(Vdd)的电压电平的电池阈值(VBMT)。可以使用倍压器提高内部电源(Vdd)的电压电平来产生所述较高的电压电平。然而,倍压器的添加可能增大转接电路的尺寸和功耗。
其他转接电路方法将输入的分段电平(例如,VCC/2、VBAT/2和VBMT/2)相比较。然而,使用诸如带隙源和电阻分压器之类的电路来产生分段电压电平可能导致功耗的提高和转接电路尺寸的增大。
这些和其他问题为转接电路的实现提出了挑战。
具体实施方式
尽管本发明可以有多种修改和备选形式,然而附图中仅通过示例示出了本发明的特定细节,以下将详细描述这些特定细节。然而应该理解的是,本发明并非局限于所描述的具体实施例。相反,本发明覆盖落入所附权利要求所限定的本发明范围之内的所有修改、等同和替换。
相信本发明可应用于在第一电源和第二电源之间进行切换的各种装置和方法。尽管本发明不必须限于这样的应用,然而通过在这种环境下讨论示例,将更好地理解本发明的各个方面。
根据本发明的示例实施例,电源开关电路使用控制方法自动切换电源,以缓解或消除电源之间的短路。例如,当以容易受到短路(例如,在两个电源之间切换电力时这两个电源都短暂地连接的情况下)影响的基于CMOS的开关来实现时,控制逻辑和相关电路被实现为以减小或消除短路的方式来操作开关。
在本发明的更具体示例实施例中,备用电源转接电路监控主电源电平,并响应于主电源电平达到阈值或下降到阈值以下自动切换至备用电源,如电池电源。阈值被设置为适合具体电路应用,并且可以包括备用电源电平与主电源电平之间的比较。控制器以缓解或消除寄生短路或短路连接的方式来操作电源开关。例如,当主电源下降(针对从主电源至备用电源的切换)时,或当主电源上升(针对从备用电源至主电源的切换)时,可以选择性地使用主电源或备用电源来操作开关以维持开关的控制。
在一个应用中,CMOS开关用于选择性地将电源耦合至电路组件,每个开关操作用于将单个电源与电路组件耦合或去耦合。控制逻辑操作开关以消除寄生短路,所述寄生短路可能发生在切换期间的某一时刻,如,在一个CMOS开关关断主电源或开始将主电源导通,而另一个CMOS开关开始或已经将备用电源关断时。例如,通过控制用于导通或关断电源的晶体管的栅极,以确保晶体管处的电压电平足够高以至于可以在适当切换时间内将晶体管控制在“关断”状态的方式,本来在电源电平处出现的寄生泄漏发生波动。
在上述示例中,类似地执行从备用电源到主电源的切换(例如,当主电源电平达到或超过阈值时),以缓解或消除寄生短路或短路连接。这种方法例如可以与可经由内部电池或外部电源来操作的便携式设备一起使用。
图1A和1B示出了根据本发明示例实施例的电源装置的示例工作特性的曲线,所述电源装置包括主电源和备用电池电源。两个工作模式被示为分别从主电源和电池电源供电的“电源”模式和“电池”模式。图中所示的项目如下:
Vcc=主电源电压
Vdd=供应给可操作电路的电力
VBAT=电池电压
VBMT=电池模式阈值电压
在图1A中,当在曲线最左部分的电源模式110时,使用主电源来操作电路,其中Vcc提供Vdd。随着Vcc从左向右(即,沿着水平轴随时间)下降时,以示例的方式示出了Vcc下降到电压电平VBAT以下并随后下降到VBMT以下。当在时刻t0达到VBMT或下降到VBMT以下时,如曲线上指示的,电源装置进入电池模式,电源从主电源(Vcc)切换至电池电源(VBAT),并且从第一电源模式切换至电池模式120。选择性地使用主电压电平或备用电压电平(Vcc或VBAT)来控制切换,以缓解或消除任何寄生短路或短路连接。简言之,控制开关处的电压电平以确保对于备用电源关断的晶体管具有与备用电压近似相同的值(如,其源极),使得栅源电压是(大约)0V或微小的负数。例如,在切换至备用电源之前,当主电源已经下降到了备用电源电压电平以下时或在此之后实现切换的情况下,这是有用的。
当切换至备用电池电源时,只要Vcc处于VBMT处或在VBMT以下,电路就工作在电池模式120,其中,VBAT提供Vdd。当Vcc在时刻t1达到或超过VBMT时,电源切换回(第二)电源模式130,其中主电源(Vcc)再次提供Vdd。
图1B结合另一示例实施例示出了切换电源的另一方法,其中VBAT小于VBMT。在这种情况下,并非在达到VBMT时转接电源,而是在电源电压Vcc下降到VBMT以下并进一步达到VBAT或下降到VBAT以下之后转接电源。可以采用符合图1所示方法的方式来实现这种应用,例如其中电池电压VBAT可以根据电池的电力或其他条件而变化。类似的方法应用于例如VBAT大约等于VBMT的情况。
继续参考图1B,当Vcc等于或小于VBMT时,以及另外当Vcc也等于或小于VBAT时,在时刻t2将电源从电源模式110或112切换至电池模式120或122。该方法处理了与图1A所示情况相关的、电池电压VBAT低于阈值电压VBMT的情况(例如,当电池没有被完全充电或在VBAT小于VBMT的条件下工作时)。再次采用与结合图1A所描述的方式相类似的方式实现切换,其中使用高电压(例如,来自主电源和备用电源中电压较高的那个)进行开关控制以确保适当的开关操作。
当系统工作在电池模式122、并且Vcc在时刻t3爬升回电平VBAT或更高时,电源切换回(第二)电源模式132以及切换回主电源(Vcc)。如采用图1的方法,以缓解或消除寄生短路或短路连接的方式来实现切换。
在图1A和图1B中,电压电平及其应用根据电路、工作条件以及所需的控制方法而变化。例如,这些方法可以应用于与电源一起实现,所述电源与通过Vcc和/或VBAT而示出的电源有很大不同。图1A中以交替的形式针对电源Vcc示出了的一个这样的示例曲线140,其中,电压电平从“导通”状态和电压电平142开始下降,在时刻t0下降到“关断”状态下的大约为零和电压电平144,并在时刻t1返回“导通”电平。
图2示出了根据本发明另一示例实施例的实现备用电源的电源电路200。可以根据结合图1A和1B所描述的方法来操作电源电路200,通过示例使用类似的方式来描述电源电路200。使用比较器210和212来操作电源电路200,所述比较器210和212分别将VBMT与VCC相比较以及将VBAT与VCC相比较,以分别确定主电源是否在阈值电平以下以及主电源是否在电池电平以下。控制逻辑电路220包括“与非”器件222和反相器224,并向电源开关230和232提供控制输出,以分别将用于供应主要电力(VDD)的主电源和备用电源(VCC和VBAT)耦合至电路。控制逻辑电路220以缓解或消除寄生短路或短路连接、并且结合确保备用开关232被控制为使得其栅极-源极电压为(大约)0V或微小负值的上述方式来控制开关230和232。
图3示出了根据本发明另一示例实施例的用于提供功率输出(Vdd)的电源开关控制电路300。所述开关控制电路300包括控制逻辑310和开关电压供应电路320,所述控制逻辑310和开关电压供应电路320控制主电源开关330和备用电源开关334,以分别向电路340供应主电力或备用电力(Vdd)。主电源开关330包括NMOS晶体管331和PMOS晶体管332。类似地,备用电源开关334包括NMOS晶体管335和PMOS晶体管335。
控制逻辑310包括控制电平移位器314的“与非”门312(例如,如图2所示,由比较器经由A和B馈送的),所述电平移位器314接收输出(Vdd)以及由开关电压供应电路320产生的并且还存在于主开关和备用开关330和334的PMOS基板上的高电压Vhigh。开关电压供应电路320包括在备用电源与主电源之间(在VBAT与VCC之间)的两个PMOS晶体管322和324的串联结构。电平移位器314产生输出“C”和“Cn”,其中,将输出“C”提供至晶体管331和336,将输出“Cn”提供至晶体管332和335。还在电压供应电路320中的晶体管322的栅极处提供来自电平移位器314的输出“C”。
如在图1A或图1B中所示的第一电源模式下示出的,当主电源下降时,备用电源开关334的控制电压(VGS(C,VBAT)=C-VBAT)具有供应值Vdd=VCC=3V,从而使开关保持在“关断”条件。从而电压供应电路320和电平移位器314便于将电压“C”施加到晶体管336处的备用电源开关334,以缓解或消除分别耦合至开关330和334的电源(VCC和VBAT)之间的寄生短路。即,备用电源开关334的PMOS晶体管336的VGS被控制为大于PMOS晶体管336的阈值电压(Vthp)。
如图1A或图1B所示,当工作在电池模式下并且主电源返回上升时,电压供应电路320和电平移位器314以类似的方式控制向主电源的切换。使用由电压供应电路320提供至电平移位器的Vhigh输入来控制从电平移位器314供应至主电源开关330的输入。在备用电源开关334从“导通”状态进入“关断“状态时,这使得主电源开关330保持在“关断”状态下足够长的时间,以至于能够缓解寄生短路。
在从主电源向备用电源切换或从备用电源向主电源的任一种切换中,相对于相应电源处的电压来控制图3中的输出“C”,以在切换期间使相应的开关330和334保持在“关断状态”,从而缓解寄生短路。例如,这在从Vdd供应输出“C”(如,经由现用电源而提供的,所述现用电源可以是主电源或备用电源)时是有用的,从Vdd提供输出“C”可能在相应PMOS晶体管331和336处产生负的VGS。
图4示出了根据本发明另一示例实施例的使用由电源开关控制电路提供的电源电压的电平移位器电路400。例如可以如图3所示的电平移位器314一样,结合电源开关控制电路300来实现电平移位器电路400。电平移位器电路400包括六个晶体管410-460,Vdd耦合在晶体管410处,高电压Vhigh(例如,来自图3所示的开关电压供应电路320)耦合在晶体管430和440处。至电平移位器电路400的输入耦合在晶体管410和420的栅极处。输出C耦合至晶体管440(栅极)、430和450,以及输出Cn耦合至晶体管430(栅极)、440和460。例如,输出C和Cn还耦合至图3所示的电源开关。
可以结合各种电路,例如以上所描述的电路,来实现图4所示的电路和/或其功能。在F.Riedel和G.Genna于2007年11月7日提交的题为“Arrangement and method for providing power to a circuit usingswitched capacitor techniques,”申请号为PCT/US2007/83715的PCT申请中,示出了可以利用本发明不同实施例来实现的一种类型的监控电路,其全部公开一并在此作为参考。
图5示出了根据本发明另一示例实施例的功率控制方法的电压随时间变化的曲线。例如,可以使用图3和图4中的电路来实现图5所示的方法,以示例的方式结合这些图来描述该方法。各个曲线如下表示电压。曲线510是主电源电压VCC,曲线520是备用电源电压VBAT(如以示例的方式示为电池电压)。曲线530是如上所述用于(例如,使用电平移位器电路)控制电源开关的操作的高电压Vhigh,曲线540是操作用于对电源的耦合加以控制的晶体管的栅源电压VGS。
如曲线中所示的,对于下降范围Vdd=VCC=3.3V…2.5V,在Vdd从VCC切换至VBAT(例如,在图5中,比较标记点A处的VGS,直到VGS从-0.268V变成-4V)的切换点之前,值VGS=C-VBAT始终保持-0.268V不变。因此,由于VGS=-0.268V>Vthp,所以备用电源开关334的PMOS晶体管是“关断”的。
通过也在图5中示出的所产生的n阱电压Vhigh实现了所论证的这种行为,在Vdd=VCC=3.3V至2.5V的范围上,该n阱电压Vhigh(经由PMOS串联结构)的值保持在Vhigh=VBAT-0.268V=4V-0.268V=3.372V,略微低于VBAT=4V。该Vhigh=3.372V是电平移位器电路314的电源,因此C=3.372V,Cn=0V。来自电平移位器的这种更高控制电压C使备用电源开关334的PMOS晶体管保持在“关断”状态。
图6示出了结合本发明其他示例实施例而实现的电源切换的曲线。如图5中的曲线一样,结合图3和图4所示的电路来实现图6中的曲线,以示例的方式来描述图6中的曲线。各个曲线如下表示电压。曲线610是主电源电压VCC,曲线620是备用电源电压VBAT(以示例的方式被示为电池电压)。曲线650是输出电压Vdd,例如,如图5中所控制的以及如以上所描述的,输出电压Vdd是经由电源开关而耦合的电源所供应的。
根据图6中的曲线,结合不同实施例,以类似的方式来执行从备用电源到主电源的切换。图6中的标记B表示向后切换点,该向后切换点大约是阈值电压VBMT=2.5V加上小的偏移。
使用不同类型的电路(包括但不限于集成电路、CMOS器件、电池转接电路以及其他类似类型的电路)来实现本发明的不同实施例。
以上所描述并在图中示出的不同实施例仅仅是以说明的方式来提供的,不应被解释为限制本发明。基于以上讨论和说明,本领域技术人员将容易认识到,在严格遵循本文所说明和描述的示例实施例和应用的前提下,可以对本发明进行各种修改和改变。这种修改和改变并不脱离权利要求中所阐述的本发明的真实范围。