CN103023308A

CN103023308A - 电源供应电路及具有适应性使能电荷泵的电源供应电路

Info

Publication number: CN103023308A
Application number: CN2011102916358A
Authority: CN
Inventors: 左仲先; 魏维信; 蔡振国; 林水木; 许育嘉; 吴纬权
Original assignee: Richtek Technology Corp
Current assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明提出一种具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，包含：降压型功率转换电路，根据控制讯号，切换功率开关以将输入电压转换为中间电压；电荷泵，其中，当该电荷泵使能时，该电荷泵接收来自该降压型功率转换电路的该中间电压，并进行升压转换以供应负载电压，且当该电荷泵禁止时，该中间电压直接供应该负载电压；以及控制器，产生控制讯号以控制降压型功率转换电路，并根据输入电压位准以决定使能或禁止电荷泵。

Description

电源供应电路及具有适应性使能电荷泵的电源供应电路

技术领域

本发明涉及一种电源供应电路，特别是指一种根据输入电压的状况，适应性地使能电荷泵的电源供应电路。

背景技术

图1为现有技术中自电池产生负载电压Vld供应给负载电路的电源供应电路的示意图，其中负载电路例如为可携式电子装置的显示面板。如图所示，电源供应电路中主要包括两组功率转换电路：位于系统侧的降压型功率转换电路11和位于面板侧的升压型功率转换电路12。降压型功率转换电路11接收输入电压Vin，并切换其中的功率开关，以将输入电压Vin转换为较低的中间电压Vm，中间电压Vm低于负载电压Vld。中间电压Vm经由电路板传输至面板端，升压型功率转换电路12切换其中的功率开关，将中间电压Vm转换为负载电压Vld，以提供稳定的电压给负载电路。以上使用降压和升压两组功率转换电路的原因是因为输入电压Vin(通常为电池电压)在初使用时电压高于负载电压Vld，但使用较久时，其电压会下降而低于负载电压Vld，故必须以降压型功率转换电路11将输入电压Vin转换为确定位准的中间电压Vm，才能确保升压型功率转换电路12正常工作产生负载电压Vld。

上述现有技术的电源供应电路，其使用升压型功率转换电路12，于操作过程中，电压经过两次转换，功率耗损较高；另外，由于Vm在系统上有较长的走线，降压后电流变大，电路板走线的等效电阻Rpcb所消耗的功率也不可忽视。因此，如何降低功率损失，以增长电池寿命，成为需要克服的问题。

有鉴于此，现有技术另提出了四种电源供应电路，分别显示于图2，3，4，5当中。然而，此四种电源供应电路亦分别有其缺点。在图2所示的现有技术美国专利第7,411,316号案中，其电源供应电路具有一控制器14及双输入电压VDD，VPP。当其中一输入电压低于负载电压Vld时，电路改选择另一输入电压，因此可保持操作于降压转换模式。然而，图2所示的现有技术必须限定在有双输入电压VDD，VPP的情况下，而无法应用于单输入电压的情况。

图3所示为本案申请人所提出的另一现有技术，其中当输入电压Vin(即电池电压)高于临界值，足够以降压方式产生负载电压Vld时，控制器14控制降压型功率转换电路15来将输入电压Vin转换为负载电压Vld；当输入电压Vin下降以致低于临界值时，则通过电荷泵13产生升压电压(电荷泵13的输入电压可来自电压Vppl-Vppn)，并通过降压型功率转换电路16来供应负载电压Vld。然而，图3所示的现有技术必须使用一额外功率开关161来切换不同的模式，且其控制器14需要控制电荷泵13、降压型功率转换电路15与降压型功率转换电路16，电路较为复杂。

图4所示为另一现有技术的电源供应电路，其利用升降压型功率转换电路来进行功率转换。然而，此现有技术在操作时，若输入电压Vin和负载电压Vld位准相近，则电路会操作于升降压模式，此时四组功率开关必须频繁地切换，功率耗损较高，因此整体功率使用效率不佳。

图5所示为本案申请人所提出的另一现有技术，其中当输入电压Vin(即电池电压)高于临界值，足够以降压方式产生负载电压Vld时，开关SW为断路，控制器14控制降压型功率转换电路17来将输入电压Vin转换为负载电压Vld；当输入电压Vin下降以致低于临界值时，开关SW为通路，控制器14控制升压型功率转换电路18产生升压后的中间电压Vm，再通过降压型功率转换电路17来供应负载电压Vld。然而，图5所示的现有技术需要额外的电感。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其根据输入电压的状况，适应性切换不同的模式，使得电源供应器的操作最佳化。

【发明内容】

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种电源供应电路。

本发明的另一目的在于，提出一种具有适应性使能电荷泵的电源供应电路。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种电源供应电路，包含：一降压型功率转换电路，根据一控制讯号，切换至少一功率开关以将一输入电压转换为一中间电压；一电荷泵，该电荷泵接收来自该降压型功率转换电路的该中间电压，并进行升压转换以供应一负载电压；以及一控制器，产生该控制讯号以控制该降压型功率转换电路。

上述电源供应电路中，该电荷泵可包括一固定倍压电路或一可变倍压电路。

上述电源供应电路中，该控制器宜根据负载电压而回授控制该至少一功率开关。

就再另一个观点言，本发明提供了一种具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，包含：一降压型功率转换电路，根据一控制讯号，切换至少一功率开关以将一输入电压转换为一中间电压；一电荷泵，其中，当该电荷泵使能时，该电荷泵接收来自该降压型功率转换电路的该中间电压，并进行升压转换以供应一负载电压，且当该电荷泵禁止时，该中间电压直接供应该负载电压；以及一控制器，产生该控制讯号以控制该降压型功率转换电路，并根据该输入电压位准以决定使能或禁止该电荷泵。

上述具有适应性使能电荷泵的电源供应电路中，该控制器宜根据负载电压而回授控制该至少一功率开关。

上述具有适应性使能电荷泵的电源供应电路中，可更进一步包含：一模式选择电路，根据该输入电压位准，以产生一模式选择讯号，使得该控制器可根据该模式选择讯号以决定使能或禁止该电荷泵。

上述具有适应性使能电荷泵的电源供应电路中，当该输入电压大于该负载电压时，该电荷泵宜禁止不动作。

在其中一个实施型态中，该电荷泵包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关与一电容，该电容具有第一端与第二端，该第一开关耦接在该电容第一端与该中间电压之间，该第二开关耦接在该电容第一端与负载电压之间，该第三开关耦接在该电容第二端与地之间，该第四开关耦接在该电容第二端与中间电压之间，其中当该电荷泵禁止时，该第一开关、第二开关与第三开关导通且该第四开关断路；当该电荷泵使能时，于第一阶段，该第一开关与第三开关导通且该第二开关与第四开关断路；于第二阶段，该第一开关与第三开关断路且该第二开关与第四开关导通。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示现有技术的电源供应电路示意图；

图2显示另一现有技术的电源供应电路示意图；

图3显示另一现有技术的电源供应电路示意图；

图4显示另一现有技术的电源供应电路示意图；

图5显示另一现有技术的电源供应电路示意图；

图6显示本发明基本架构的第一实施例；

图7A显示本发明基本架构的第二实施例；

图7B显示本发明侦测输入电压位准的一个实施例；

图7C显示降压型功率转换电路25亦可替换为异步降压型功率转换电路；

图8显示本发明的一更具体实施例；

图9A-9C以二倍压电荷泵为例说明本发明的基本操作。

图中符号说明

13，23 电荷泵

14，24 控制器

11，15，16，17，25 降压型功率转换电路

251，252 功率开关

12，18 升压型功率转换电路

26 模式选择电路

261 比较器

C 电容

L 电感

Nh 电容上端

Nl 电容下端

Rpcb 等效电阻

S1，S2，S3，S4，Sug，Slg 控制讯号

sel 模式选择讯号

SW 开关

Vppl-Vppn 电压

Vin 输入电压

Vm 中间电压

Vld 负载电压

具体实施方式

请参阅图6，显示本发明基本架构的第一实施例。如图6所示，本发明的电源供应电路，包含：电荷泵23、控制器24及降压型功率转换电路25。降压型功率转换电路25根据控制讯号Sug，Slg切换功率开关251，252，以将输入电压转Vin换为中间电压Vm；控制器24产生控制讯号Sug，Slg以控制降压型功率转换电路25；电荷泵23接收来自降压型功率转换电路25的中间电压Vm，并进行升压转换以产生负载电压Vld。本实施例中电荷泵23的功率转换效率优于图1、4、5现有技术中的升压型功率转换电路，且本实施例可应用于单输入电压的情况，优于图2现有技术，又本实施例与图3所示的现有技术相较，并不需要额外的功率开关161，故也优于图3现有技术。

图6中也显示，本实施例中控制器24从负载电压Vld取回授讯号(可为负载电压Vld本身或其分压)，以回授控制功率开关251，252，此方式的优点是可直接将负载电压Vld调节在所要的目标值。另一方式是从中间电压Vm取回授讯号以回授控制功率开关251，252，而电荷泵23则根据稳压后的中间电压Vm来产生负载电压Vld，此方式亦可，但图6所显示的方式较佳。

请参阅图7A，显示本发明基本架构的第二实施例。如图7A所示，本发明的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，包含：电荷泵23、控制器24、降压型功率转换电路25及模式选择电路26。降压型功率转换电路25根据控制讯号Sug，Slg切换功率开关251，252，以将输入电压转Vin换为中间电压Vm；控制器24产生控制讯号Sug，Slg以控制降压型功率转换电路25，并根据输入电压Vin位准以决定使能或禁止电荷泵23，其中当电荷泵23使能时，电荷泵23接收来自降压型功率转换电路25的中间电压Vm，并进行升压转换以产生负载电压Vld；当电荷泵23禁止时，则中间电压Vm直接供应作为负载电压Vld。模式选择电路26产生模式选择讯号sel，使得控制器24可根据模式选择讯号sel以决定使能或禁止电荷泵23。详言之，模式选择讯号sel表示输入电压Vin是否在某一位准以上，当输入电压Vin在该位准以上时，表示可单纯根据输入电压Vin来降压产生负载电压Vld，亦即中间电压Vm可直接供应作为负载电压Vld；当输入电压Vin不在该位准以上时，则根据输入电压Vin所降压产生的中间电压Vm，宜通过电荷泵23的升压后，才作为负载电压Vld。

图7B显示本发明模式选择电路26的一种实施例，其中，模式选择电路26包含比较器261，此比较器261比较输入电压Vin及负载电压Vld，由此产生模式选择讯号sel。须说明的是，本实施例显示比较器261比较输入电压Vin及负载电压Vld，目的为在概念上说明模式选择讯号sel是根据输入电压Vin与负载电压Vld的相对关系而产生；比较器261并不限于比较输入电压Vin及负载电压Vld，亦可比较输入电压Vin的分压及负载电压Vld的分压，或可在比较器的任一输入端加上正或负的偏压(亦即比较(Vin+ΔV)与Vld，或比较Vin与(Vld+ΔV)，或比较(Vin的分压+ΔV)与Vld的分压，或比较Vin的分压与(Vld+ΔV)的分压，其中ΔV可为正值或负值)。或是，模式选择讯号sel也不必须根据输入电压Vin及负载电压Vld的相对关系而产生，可将输入电压Vin或其分压与一设定的参考位准相比较，以产生模式选择讯号sel。

图7A中所示的降压型功率转换电路25为同步降压型功率转换电路，包含两个功率开关251，252，但本发明不限于此，图7A中的降压型功率转换电路25亦可改换为图7C所示的异步降压型功率转换电路。

图8举例显示本发明更具体的实施例。如图8所示，在本实施例中电荷泵23为一具有四个开关S1，S2，S3，S4及一电容C的倍压电荷泵，其中，各开关S1，S2，S3，S4可包括一P型金属氧化半导体场效晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)或一NMOSFET。开关S1耦接在电容上端Nh与中间电压Vm之间，开关S2耦接在电容上端Nh与负载电压Vld之间，开关S3耦接在电容下端Nl与地之间，开关S4耦接在电容下端Nl与中间电压Vm之间。须说明的是，图8所示的实施例仅为举例说明，并非用以限定本发明；实际上，本发明的电荷泵23可为一固定倍压电路或一可变倍压电路，其倍率也不限于为两倍。

图9A-9C显示图8实施例的基本操作，其原则如下：假设模式选择电路26根据输入电压Vin与负载电压Vld的相对关系而产生模式选择讯号sel，则当输入电压Vin高于负载电压Vld，表示足够以降压方式产生负载电压Vld时，整体电路通过降压型功率转换电路25来将输入电压Vin转换为中间电压Vm以供应负载电压Vld；当输入电压Vin不高于负载电压Vld时，则利用电荷泵23产生升压电压来供应负载电压Vld。图9A显示输入电压Vin高于负载电压Vld的情况，而图9B-9C则显示输入电压Vin不高于负载电压Vld的情况。在图9A中，由于输入电压Vin高于负载电压Vld，整体电路尚足够以降压转换模式来供应负载电压Vld；因此，在此情况中，开关S1、S2及S3是处于导通状态，使中间电压Vm直接供应负载电压Vld，但开关S4则为断路，以禁止电荷泵23。须说明的是，所谓“禁止电荷泵23”并非指无电流通过电荷泵23，而是指当电流流过电荷泵23时没有产生升压的效果(亦即，电荷泵23不进行升压的动作)。在图9B-9C中，由于Vin不高于负载电压Vld，整体电路不足够以降压转换模式来供应负载电压Vld；因此，必须通过电荷泵23产生升压电压来供应负载电压Vld。第9B图显示电荷泵23产生升压电压的步骤一，在此步骤中，开关S1及S3是处于导通状态而开关S2及S4是处于断路状态，使得电容C进行充电而在电容C中储存等同于中间电压Vm的电容电压。图9C显示电荷泵23产生升压电压的步骤二，在此步骤中，开关S2及S4是处于导通状态而开关S1及S3是处于断路状态，使得电容C所储存的电压被迭加到中间电压Vm之上，因此负载电压Vld等于双倍的中间电压Vm(即Vld＝2*Vm)，而可达到升压的效果。虽然图9A-9C以二倍压电荷泵为例进行说明，但其它种类的电荷泵亦可用相似的原理实施，因此不予赘述。又，以上步骤一、二是为了便于了解而以此次序说明，事实上步骤一、二的次序可以调换。

与现有技术相较，本发明直接将Vin转换成Vld，不需要使用系统侧先降压再做升压转换，因此可以大幅降低走线Rpcb的功率损失，故本发明的功率运用效率比现有技术为佳。此外，本发明并不需要时常切换开关，因此整体效率及稳定性也较现有技术为佳。再者，本发明不需要双输入电压或多输入电压，也不需要增加开关或者电感，因此应用范围较广且成本较低。综上所述，本发明在多方面的表现优于现有技术，因此本发明不仅是不同于现有技术，更具有相当的优越性。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。除电荷泵23可使用其它型式的电荷泵之外，例如，在所示各实施例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等；又例如比较电路的输入端正负可以互换，仅需对应修正电路的讯号处理方式即可。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims

1.一种电源供应电路，其特征在于，包含：

一降压型功率转换电路，根据一控制讯号，切换至少一功率开关以将一输入电压转换为一中间电压；

一电荷泵，该电荷泵接收来自该降压型功率转换电路的该中间电压，并进行升压转换以供应一负载电压；以及

一控制器，产生该控制讯号以控制该降压型功率转换电路。

2.如权利要求1所述的电源供应电路，其中，该电荷泵包括一固定倍压电路或一可变倍压电路。

3.如权利要求1所述的电源供应电路，其中，该控制器根据负载电压而回授控制该至少一功率开关。

4.一种具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其特征在于，包含：

一电荷泵，其中，当该电荷泵使能时，该电荷泵接收来自该降压型功率转换电路的该中间电压，并进行升压转换以供应一负载电压，且当该电荷泵禁止时，该中间电压直接供应该负载电压；以及

一控制器，产生该控制讯号以控制该降压型功率转换电路，并根据该输入电压位准以决定使能或禁止该电荷泵。

5.如权利要求4所述的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其中，该控制器根据负载电压而回授控制该至少一功率开关。

6.如权利要求4所述的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其中，当该输入电压大于该负载电压时，该电荷泵禁止不动作。

7.如权利要求4所述的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其中，还进一步包含：一模式选择电路，根据该输入电压位准以产生一模式选择讯号，使得该控制器可根据该模式选择讯号以决定使能或禁止该电荷泵。

8.如权利要求7所述的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其中，该模式选择电路包含一比较器，该比较器比较

(1)该输入电压与该负载电压，或

(2)该输入电压的分压与该负载电压的分压，或

(3)该输入电压加上一偏压与该负载电压，或

(4)该输入电压与该负载电压加上一偏压，或

(5)该输入电压的分压加上一偏压与该负载电压的分压，或

(6)该输入电压的分压与该负载电压的分压加上一偏压，或

(7)该输入电压与一参考位准，或

(8)该输入电压的分压与一参考位准，

由此产生该模式选择讯号。

9.如权利要求4所述的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其中，该电荷泵包括一固定倍压电路或一可变倍压电路。

10.如权利要求4所述的具有适应性使能电荷泵的电源供应电路，其中，该电荷泵包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关与一电容，该电容具有第一端与第二端，该第一开关耦接在该电容第一端与该中间电压之间，该第二开关耦接在该电容第一端与负载电压之间，该第三开关耦接在该电容第二端与地之间，该第四开关耦接在该电容第二端与中间电压之间，其中当该电荷泵禁止时，该第一开关、第二开关与第三开关导通且该与第四开关断路；当该电荷泵使能时，于第一阶段，该第一开关与第三开关导通且该第二开关与第四开关断路；于第二阶段，该第一开关与第三开关断路且该第二开关与第四开关导通。