CN104049663B - 应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，用来于一输出端点产生一输出电压，包含有一储存电容、一开关模块、一电流源以及一控制单元，其中该开关模块耦接于该储存电容与一第一供应电压、一第二供应电压以及该输出端点之间；该电流源耦接于该输出端点，且用以选择性地提供一电流至该输出端点；以及该控制单元耦接于该开关模块与该输出端点，且用来控制该开关模块以对该储存电容进行充电或放电，以及控制该电流源以选择性地提供该电流至该输出端点，以调整该输出电压的电压准位。本发明的开关电容稳压器即使在过大的负载电流下也能提供稳定输出电压。

Description

应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器
技术领域
本发明涉及一种开关电容式稳压器，尤指一种即使在过大的负载电流下也能提供稳定输出电压的开关电容式稳压器。
背景技术
在一般的开关电容式稳压器中，如果负载电流超过了系统所能提供的最大电流值时，则开关电容式稳压器的输出电压会产生很大的压降，而造成开关电容式稳压器无法提供一个稳定的输出电压；此外，由于输出电压的下降，也会进一步使得负载电流的容许值下降，而造成系统组件在操作上的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于公开一种开关电容式稳压器，其可以在过大的负载电流下提供稳定输出电压，以解决上述的问题。
根据本发明一实施例，一种应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，用来于一输出端点产生一输出电压，包含有一储存电容、一开关模块、一电流源以及一控制单元，其中该开关模块耦接于该储存电容与一第一供应电压、一第二供应电压以及该输出端点之间，该开关模块包含一第一开关、一第二开关、一第三开关及一第四开关，该第一开关耦接于该第一供应电压与该储存电容的一第一端点，且用以选择性地将该第一供应电压连接至该储存电容的该第一端点；该第二开关耦接于该储存电容的该第一端点与该输出端点之间，且用以选择性地将该储存电容的该第一端点连接至该输出端点；该第三开关耦接于该储存电容的一第二端点与该输出端点之间，且用以选择性地将该储存电容的该第二端点连接至该输出端点；该第四开关则耦接于该第二供应电压与该储存电容的该第二端点；该电流源耦接于该输出端点，且用以选择性地提供一电流至该输出端点；以及该控制单元耦接于该开关模块与该输出端点，且用来根据该输出电压的电压准位控制该开关模块以对该储存电容进行充电或放电，以及控制该电流源以选择性地提供该电流至该输出端点，以调整该输出电压的电压准位。其中该控制单元包含：一第一比较器，用来比较该输出电压与一第一参考电压，以产生一第一比较结果；一第一控制信号产生单元，耦接于该第一比较器，用来根据该第一比较结果来产生周期性两个相位的第一控制信号来控制该开关模块；一第二比较器，用来比较该输出电压与一第二参考电压，以产生一第二比较结果，其中该第二参考电压低于该第一参考电压；以及一第二控制信号产生单元，耦接于该第二比较器，用来根据该第二比较结果来产生一第二控制信号来控制该电流源；其中当该输出电压大于该第一参考电压时，该第一控制信号产生单元产生该周期性两个相位的第一控制信号来关闭该第一开关、该第二开关、该第三开关及该第四开关；当该输出电压小于该第一参考电压时，该第一控制信号产生单元产生该周期性两个相位的第一控制信号来控制该第一开关、该第二开关、该第三开关及该第四开关的开启与关闭，以交替地对该储存电容进行充放电；以及当该输出电压小于该第二参考电压时，该第一控制信号产生单元产生该周期性两个相位的第一控制信号来控制该第一开关、该第二开关、该第三开关及该第四开关的开启与关闭，以使得该储存电容对该输出端点进行充电，且该第二控制信号产生单元产生该第二控制信号来开启该电流源以对该输出端点进行充电。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的开关电容式稳压器的示意图。
图2为图1所示的开关电容式稳压器的输出电压位于不同电压区间时，对储存电容进行充放电与对输出端点进行充电的示意图。
图3为当负载电流超过系统预设的最大负载电流时，开关电容式稳压器的输出电压的变化的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100 开关电容式稳压器
110 开关模块
120 控制单元
122 能带隙电压产生电路
124 第一比较器
126 第二比较器
128 第一控制信号产生单元
129 第二控制信号产生单元
Cs 储存电容
Cload 负载电容
I 电流源
Iload 负载电流
M1 晶体管
Nout 输出端点
SW1～SW4 开关
具体实施方式
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或者通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参考图1，图1为根据本发明一实施例的开关电容式稳压器100的示意图，其中开关电容式稳压器100是用来于一输出端点Nout产生一稳定的输出电压Vout，且输出端点Nout连接至一负载(图标的Cload为负载电容，而Iload为负载电流)。如图1所示，开关电容式稳压器100包含有一储存电容Cs、一开关模块110、一电流源(于本实施例中，该电流源是以一晶体管M1来实现)以及一控制单元120，其中该开关模块110包含有四个开关SW1、SW2、SW3、SW4，开关SW1耦接于一供应电压VDD与储存电容Cs的一第一端点，且用以选择性地将供应电压VDD连接至储存电容Cs的该第一端点；开关SW2耦接于储存电容Cs的该第一端点与输出端点Nout之间，且用以选择性地将储存电容Cs的该第一端点连接至输出端点Nout；开关SW3耦接于储存电容Cs的一第二端点与输出端点Nout之间，且用以选择性地将储存电容Cs的该第二端点连接至输出端点Nout；开关SW4则耦接于另一供应电压(于本实施例中为接地电压GND)与储存电容Cs的该第二端点，且用以选择性地将接地电压GND连接至储存电容Cs的该第二端点。另外，控制单元120包含有一能带隙电压产生电路122、一第一比较器124、一第二比较器126、一第一控制信号产生单元128以及一第二控制信号产生单元129，且控制单元120产生多个第一控制信号VC1_1、VC1_2与一第二控制信号VC2来分别控制开关模块110与晶体管M1的操作。
在开关电容式稳压器100的操作上，是通过控制开关SW1～SW4的开启/关闭来对储存电容Cs进行充电或放电，以及通过控制晶体管M1的开启/关闭来选择性地对输出端点Nout进行充电，以使得输出电压Vout可以维持在一个稳定的电压值。详细来说，控制单元120会根据输出电压Vout的准位来控制SW1～SW4的开启/关闭来对储存电容Cs进行充电或放电，以维持固定的输出电压Vout，然而，当负载电流Iload过大造成输出电压Vout持续下降而无法维持在一个稳定的电压值的时候，控制单元120则会另外开启晶体管M1，以使得晶体管M1可以作为一电流源以另外对输出端点Nout进行充电，以进一步提升输出电压Vout的准位。以下将针对电容式稳压器100中每个组件的详细操作作说明。
能带隙电压产生电路122会产生两个参考电压VREF1与VREF2，其中参考电压VREF1为开关电容式稳压器100的输出电压Vout的理想值，而参考电压VREF2的准位则略低于参考电压VREF1。举例来说，假设供应电压VDD为3.3V，参考电压VREF1为1.2V，则参考电压VREF2可以为1.0V或是1.1V。
接着，第一比较器124会比较输出电压Vout与参考电压VREF1以产生一比较结果CP1，而第一控制信号产生单元128根据比较结果CP1来产生第一控制信号VC1_1与VC1_2来分别控制开关SW1～SW4的开启/关闭，其中第一控制信号VC1_1与VC1_2为反相的信号；此外，第二比较器126会比较输出电压Vout与参考电压VREF2以产生一比较结果CP2，而第二控制信号产生单元129根据比较结果CP2来产生第二控制信号VC2以控制晶体管M1的开启/关闭。
详细来说，当输出电压Vout大于参考电压VREF1时，第一控制信号产生单元128产生第一控制信号VC1_1、VC1_2以关闭开关SW1～SW4,使得输出端点Nout上的输出电压Vout会缓慢的进行放电，以使得输出电压Vout保持在VREF1电压准位；此外，第二控制信号产生单元129产生第二控制信号VC2以关闭晶体管M1。
另一方面，当输出电压Vout小于参考电压VREF1，第一控制信号产生单元128产生周期性两个相位的第一控制信号VC1_1、VC1_2，以交替地对储存电容Cs进行充电放电来使得输出电压Vout保持在VREF1电压准位。详细来说，当对储存电容Cs进行充电时，第一控制信号VC1_1会开启开关SW1与SW3，而第一控制信号VC1_2关闭开关SW2与SW4来对储存电容Cs进行充电，且对Vout供应电流，此时对储存电容Cs进行充电的示意图如图2(b)所示；当对储存电容Cs进行放电时，第一控制信号VC1_2开启开关SW2与SW4，而第一控制信号VC1_1关闭开关SW1与SW3来对储存电容Cs进行放电，此时对储存电容Cs进行放电的示意图如图2(a)所示；此外，若是此时输出电压Vout大于参考电压VREF2时，第二控制信号产生单元129会产生第二控制信号VC2以关闭晶体管M1。
另外，当输出电压Vout小于参考电压VREF2时，此时代表负载电流Iload过大造成输出电压Vout持续下降而无法维持在一个稳定的电压值，第一控制信号产生单元128持续的产生周期性两个相位的第一控制信号VC1_1和VC1_2,使得储存电容Cs持续的对输出端点Nout充电,第二控制信号产生单元129此时会产生第二控制信号VC2以开启晶体管M1，以作为一个电流源I对输出端点Nout进行充电以进一步提升输出电压Vout的准位，而此时晶体管M1对输出端点Nout进行充电的示意图如图2(c)所示。
如上所述，由于在负载电流Iload过大时，晶体管M1会提供另外一个充电路径来对输出端点Nout进行充电以进一步提升输出电压Vout的准位，因此，即使如图3所示的负载电流Iload超过了系统预设的最大负载电流Iload_max，输出电压Vout也只会稍微降低而不会影响到系统其它组件的操作。
此外，虽然于图1所示的实施例中，开关模块120包含四个开关SW1～SW4，且电流源使用晶体管M1来实作，然而，此一电路架构仅为范例说明而并非作为本发明的限制。于本发明的其它实施例中，由于开关电容稳压器有各种架构,开关模块120可有数颗充放电容Cs和数个开关去组合,只要是开关电容稳压器的架构，且当输出电压Vout小于参考电压VREF2时输出端点Nout具有如图2(c)所示的等效电路，开关模块120中的开关数量以及耦接方式可以有其它种类的设计，且晶体管M1亦可以被替换为其它形式的电流源，这些设计上的变化均应隶属于本发明的范畴。
简要归纳本发明，在本发明的开关电容式稳压器中，当开关电容式稳压器的输出电压因为过大的负载电流而使得输出电压低于一参考电压值时，开关电容式稳压器会使用两个电流路径来对输出端点进行充电，以使得输出电压可以维持在一稳定电压值，而不会影响到系统其它组件的操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，用来于一输出端点产生一输出电压，该开关电容稳压器的特征在于，包含：
一储存电容；
一开关模块，耦接于该储存电容与一第一供应电压、一第二供应电压以及该输出端点之间，其中该开关模块包含一第一开关、一第二开关、一第三开关及一第四开关，该第一开关耦接于该第一供应电压与该储存电容的一第一端点，且用以选择性地将该第一供应电压连接至该储存电容的该第一端点；该第二开关耦接于该储存电容的该第一端点与该输出端点之间，且用以选择性地将该储存电容的该第一端点连接至该输出端点；该第三开关耦接于该储存电容的一第二端点与该输出端点之间，且用以选择性地将该储存电容的该第二端点连接至该输出端点；该第四开关则耦接于该第二供应电压与该储存电容的该第二端点；
一电流源，耦接于该输出端点，用以选择性地提供一电流至该输出端点；以及
一控制单元，耦接于该开关模块与该输出端点，用来根据该输出电压的电压准位控制该开关模块以选择性地对该储存电容进行充电或放电，以及控制该电流源以选择性地提供该电流至该输出端点，以调整该输出电压的电压准位；
其中该控制单元包含：
一第一比较器，用来比较该输出电压与一第一参考电压，以产生一第一比较结果；
一第一控制信号产生单元，耦接于该第一比较器，用来根据该第一比较结果来产生周期性两个相位的第一控制信号来控制该开关模块；
一第二比较器，用来比较该输出电压与一第二参考电压，以产生一第二比较结果，其中该第二参考电压低于该第一参考电压；以及
一第二控制信号产生单元，耦接于该第二比较器，用来根据该第二比较结果来产生一第二控制信号来控制该电流源；
其中当该输出电压大于该第一参考电压时，该第一控制信号产生单元产生该周期性两个相位的第一控制信号来关闭该第一开关、该第二开关、该第三开关及该第四开关；当该输出电压小于该第一参考电压时，该第一控制信号产生单元产生该周期性两个相位的第一控制信号来控制该第一开关、该第二开关、该第三开关及该第四开关的开启与关闭，以交替地对该储存电容进行充放电；以及当该输出电压小于该第二参考电压时，该第一控制信号产生单元产生该周期性两个相位的第一控制信号来控制该第一开关、该第二开关、该第三开关及该第四开关的开启与关闭，以使得该储存电容对该输出端点进行充电，且该第二控制信号产生单元产生该第二控制信号来开启该电流源以对该输出端点进行充电。
2.如权利要求1所述的应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，其特征在于，该电流源为耦接于该第一供应电压与该输出端点之间的一开关组件，且用来选择性地将该第一供应电压连接至该输出端点。
3.如权利要求1所述的应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，其特征在于，该电流源为耦接于该第一供应电压与该输出端点之间的一开关组件，且用来根据该第二控制信号以选择性地将该第一供应电压连接至该输出端点。
4.如权利要求3所述的应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，其特征在于，当该输出电压小于该第二参考电压时，该第二控制信号产生单元控制该电流源以提供该电流至该输出端点；以及当该输出电压大于该第二参考电压时，该第二控制信号产生单元控制该电流源以使得该电流源不会提供该电流至该输出端点。
5.如权利要求1所述的应用于高负载电流的电荷注入式开关电容稳压器，其特征在于，该第一参考电压与该第二参考电压均由一能带隙电压产生电路所产生。
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