CN104518508A - 电源电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电源电路及其控制方法。根据本发明的一种实施例的电源电路包含:电压源;用于使输入电压升压的电压控制电路;以及用于将至少一个电压源连接至一个电压控制电路的电压源连接开关。例如,电压源连接开关将电压源当中具有比预定的参考电压低的电压的电压源连接至电压控制电路,并且将电压源当中具有等于或高于预定的参考电压的电压的电压源连接至电压控制电路。

Description

电源电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电源电路及其控制方法,并且更特别地涉及包含例如多个电压源的电源电路及其控制方法。
背景技术
近年来,用于将环境能量(例如,光能、振动能、热能和无线电波(电磁波))转换成电力的能量收集技术正受到越来越多的关注。能量收集技术的使用消除了对在电子设备内安装电池的需要,并且增强电子设备的用户友好性。
日本未经审核的专利申请公开No.H11-273747公开了与电池组相关的一项技术,该技术允许对多个电池的个体状态进行检查。日本专利No.2959657公开了与电子设备相关的一项技术,该技术允许多个电池的更高自由度来实现提高的电池工作效率。
发明内容
在使用能量收集技术时,由单个电压源获得的电压是极小的。因此,需要电压控制电路(升压电路)将电压源的电压升至能够驱动电子设备的电压。此外,由于通过使用能量收集技术的单个电压源获得的电力是小的,因而有必要提供多个电压源来驱动电子设备并聚集由电压源获得的电力。
但是,如果该多个电压源各自设置有电压控制电路,则电源电路的电路面积会增加。另一方面,如果由多个电压源共用单个电压控制电路以便减小电路面积,则电压源的输出电压不是恒定的,并从而发生电力损耗,这会导致电力无法被有效地从电压源中提取出的问题。
待解决的其他问题以及本发明的新特征通过下面的描述和附图将变得清楚。
本发明的第一方面是一种电源电路,包括:N(N≥3)个电压源;用于使输入电压升压的第一电压控制电路及第二电压控制电路;以及用于将该N个电压源中的至少一个连接至第一电压控制电路及第二电压控制电路之一的电压源连接开关。
在根据第一方面的电源电路中,第一电压控制电路及第二电压控制电路以及电压源连接开关形成于芯片上。第一电压控制电路和电压源连接开关经由形成于芯片之外的第一丝线相互连接。第二电压控制电路和电压源连接开关经由形成于芯片之外的第二丝线相互连接。
本发明的第二方面是一种用于控制电源电路的方法,包括:监测N个电压源中的每个电压源的电压;并且根据该N个电压源中的每个电压源的电压将该N个电压源中的至少一个连接至第一电压控制电路及第二电压控制电路之一。
根据上述方面,可以提供能够从每个电压源中有效地提取出电力的电源电路及其控制方法。
附图说明
上述及其他方面、优点和特征通过下面结合附图进行的关于某些实施例的描述将变得更加清楚,在附图中:
图1是示出根据第一实施例的电源电路的框图;
图2是示出包括根据第一实施例的电源电路的电压源连接开关的实例的框图;
图3是示出电压源连接开关的具体实例的电路图;
图4是示出包含于根据第一实施例的电源电路内的电压控制电路的实例的电路图;
图5是示出包含于根据第一实施例的电源电路内的电压源切换电路的实例的框图;
图6是示出电压源切换电路的具体实例的电路图;
图7是示出包含于根据第一实施例的电源电路内的电压监测电路的实例的示意图;
图8是示出根据第一实施例的电源电路的操作的时序图;
图9是示出根据第一实施例的电源电路的操作实例的框图;
图10是示出根据一个比较例的电源电路的操作实例的框图;
图11是示出根据第二实施例的电源电路的框图;
图12是示出根据第二实施例的电源电路的操作的时序图;
图13是示出根据第二实施例的电源电路的操作实例的框图;
图14是示出根据第三实施例的电源电路的配置实例的示意图;
图15是示出根据一个比较例的电源电路的示意图;
图16是示出包含于根据第三实施例的电源电路内的焊盘的布局实例的示意图;
图17是示出包含于根据第三实施例的电源电路内的焊盘的布局实例的示意图;
图18是示出包含于根据第三实施例的电源电路内的焊盘的布局实例的示意图;
图19是示出根据第四实施例的电源电路的一个实例的框图;
图20是示出在RF-DC转换电路的输出电压和输出功率之间的关系的图表;
图21是示出根据第四实施例的电源电路的另一个实例的框图;
图22是示出根据第四实施例的电源电路的又一个实例的框图;以及
图23是示出根据第四实施例的电源电路的再一个实例的框图。
具体实施方式
<第一实施例>
下面将附图参照来描述第一实施例。
图1是示出根据第一实施例的电源电路1的框图。如图1所示,根据第一实施例的电源电路1包含电压源11_1至11_5、电压源连接开关13、电压控制电路14_1和14_2、电压源切换电路16、电压监测电路17、控制电路18和时钟发生电路20。电源电路1给负载电路15供电。
电压源11_1至11_5分别生成供电电压V1至V5,并且将所生成的供电电压V1至V5输出到电压源连接开关13和电压源切换电路16两者。电压源11_1至11_5各自通过使用能量收集技术来生成供电电压(电力)。例如,电压源11_1至11_5各自将环境能量(例如,光、振动能、热能和无线电波(电磁波))转换成电力。
例如,在将光能转换成电力的情形中,可以使用光电转换元件(太阳能电池)。在将振动能转换成电力的情形中,可以使用压电元件。在将热能转换成电力的情形中,可以使用热电元件(珀尔帖元件(Peltierelement))。在将无线电波转换成电力的情形中,可以使用例如包含天线和整流元件的电路(整流天线)。当使用能量收集技术时,由单个电压源来获得的电压是极小的。例如,当电磁波被转换成电力时,可获得大约0.1~0.2V的供电电压。
在将无线电波转换成电力的情形中,为了转换多个频段的无线电波,可以提供与各个频段对应的电压源11_1至11_5(即,用于接收各个频段的无线电波的电压源11_1至11_5)。本文所描述的术语“预定频段”指的是其中许多类型的无线电波可以被使用的频段(即,高能频段),例如,用于移动电话的频段、用于无线LAN的频段,或者用于数字地面广播的频段。因而,当使用不同频段的无线电波时,通过电压源11_1至11_5所获得的供电电压可以根据频段而改变。
电压源连接开关13切换每个电压源11_1至11_5与每个电压控制电路14_1和14_2之间的连接状态。特别地,电压源连接开关13切换三种连接状态,即,其中电压源11_n(1≤n≤5)与电压控制电路14_1连接的状态,其中电压源11_n与电压控制电路14_2连接的状态,以及其中电压源11_n(1≤n≤5)与电压控制电路14_1和14_2两者均不连接的状态。
图2是示出包含于根据第一实施例的电源电路1内的电压源连接开关13的实例的框图。如图2所示,电压源连接开关13包含多个开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2。电压源11_1经由开关SW1_1连接至电压控制电路14_1,并且经由开关SW1_2连接至电压控制电路14_2。电压源11_2经由开关SW2_1连接至电压控制电路14_1,并且经由开关SW2_2连接至电压控制电路14_2。电压源11_3至11_5具有与此类似的配置。
例如,电压源连接开关13接通开关SW1_1并断开开关SW1_2,由此允许电压源11_1连接至电压控制电路14_1。电压源连接开关13断开开关SW1_1并接通开关SW1_2,由此允许电压源11_1连接至电压控制电路14_2。电压源连接开关13断开开关SW1_1和开关SW1_2两者,由此使电压源11_1进入与电压控制电路14_1和14_2两者不连接的状态。电压源11_2至11_5具有与电压源11_1的配置类似的配置。该多个开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2受由控制电路18输出的控制信号控制。
图3是示出电压源连接开关13的一个具体实例的电路图。如图3所示,例如,开关SW1_1可以使用PMOS晶体管MP1_1、NMOS晶体管MN1_1和反相器INV1_1来配置。电压源11_1连接至PMOS晶体管MP1_1的源极以及NMOS晶体管MN1_1的漏极。电压控制电路14_1连接至PMOS晶体管MP1_1的漏极以及NMOS晶体管MN1_1的源极。NMOS晶体管MN1_1的栅极连接至反相器INV1_1的输入侧,而PMOS晶体管MP1_1的栅极连接至反相器INV1_1的输出侧。
当控制信号CTR1_1处于高电平时,NMOS晶体管MN1_1的栅极被供应以高电平信号,而PMOS晶体管MP1_1的栅极被供应以低电平信号。因此,在这种情况下,NMOS晶体管MN1_1和PMOS晶体管MP1_1导通,并且电压源11_1和电压控制电路14_1相互连接。换言之,电压控制电路14_1被供应以供电电压V1。开关SW1_2具有与开关SW1_1的配置类似的配置。
图3所示的开关SW1_1和SW1_2的配置实例仅作示例来说明,并且开关SW1_1和SW1_2可以具有其他配置。例如,开关SW1_1可以只使用PMOS晶体管来配置,或者可以只使用NMOS晶体管来配置。考虑到由电压源11_1供应的供电电压V1为低,当使用单个MOS晶体管来配置开关SW1_1时优选使用NMOS晶体管。
例如,电压源连接开关13可以将电压源11_1至11_5当中各自具有比预定的参考电压低的电压的电压源连接至电压控制电路14_1,并且电压源连接开关13可以将电压源11_1至11_5当中各自具有等于或高于预定的参考电压的电压的电压源连接至电压控制电路14_2。该配置使得可以分别将各自具有电平近似相同的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_1和14_2。
图1所示的电压控制电路14_1和14_2分别使输入电压Vin_1和Vin_2升压,并且将已升压的输出电压Vout输出给负载电流15。由电压控制电路14_1输出的输出电压以及由电压控制电路14_2输出的输出电压基本上是相同的(Vout)。电压控制电路14_1根据由时钟发生电路20供给的时钟信号CLK_1而使输入电压升压。电压控制电路14_2根据由时钟发生电路20供给的时钟信号CLK_2而使是输入电压升压。时钟发生电路20根据由控制电路18供给的控制信号来生成时钟信号CLK_1和CLK_2。电压控制电路14_1和14_2分别被供应以时钟信号CLK_1和CLK_2,该时钟信号CLK_1和CLK_2按照使得电压控制电路14_1的输出电压和电压控制电路14_2的输出电压基本上相同的方式来设定。
例如,电压控制电路14_1根据给电压控制电路14_1供应的时钟信号CLK_1的占空比来使输入电压升压。类似地,电压控制电路14_2根据给电压控制电路14_2供应的时钟信号CLK_2的占空比来使输入电压升压。
图4是示出电压控制电路14_1的实例的电路图(电压控制电路14_2也具有同样的配置)。如图4所示,电压控制电路14_1可以使用包含电感器L1、PMOS晶体管MP10、NMOS晶体管MN10和电容器C1的开关调节器来配置。
电感器L1的一端被供应以由电压源供给的输入电压Vin_1。NMOS晶体管MN10的漏极连接至电感器L1的另一端以及PMOS晶体管MP10的源极。NMOS晶体管MN10的源极接地。NMOS晶体管的栅极被供应以时钟信号CLK_1。PMOS晶体管MP10的源极连接至电感器L1的另一端以及NMOS晶体管MN10的漏极。PMOS晶体管MP10的漏极连接至电容器C1的一端。PMOS晶体管MP10的栅极被供应以时钟信号CLK_1。输出电压Vout由PMOS晶体管MP10的漏极输出。
当时钟信号CLK_1处于高电平时,NMOS晶体管MN1处于导通状态,而PMOS晶体管MP10处于截止状态。在此时,电感器L1的一端被供应以输入电压Vin_1,而电感器L1的另一端接地,使得电流流过电感器L1。结果,能量储存于电感器L1内。其后,当时钟信号CLK_1变为低电平时,NMOS晶体管MN10截止,并且PMOS晶体管MP10导通。这促使储存于电感器L1内的能量由PMOS晶体管MP10的漏极释放,使得输出电压Vout被输出。输出电压Vout根据时钟信号CLK_1的占空比来确定。在这种情况下,时钟信号CLK_1的占空比能够如下来计算:(高电平时段)/(高电平时段+低电平时段)。
电压控制电路14_1的输出电压Vout随着时钟信号CLK_1的占空比增加而增加。在根据第一实施例的电源电路中,电压控制电路Vout14_1的输出电压Vout与电压控制电路14_2的输出电压Vout是相同的。因此,例如,当给电压控制电路14_1供应的输入电压Vin_1低于给电压控制电路14_2供应的输入电压Vin_2时,时钟信号CLK_1的占空比大于时钟信号CLK_2的占空比。
图1所示的电压源切换电路16依次切换每个电压源11_1至11_5与电压监测电路17之间的连接。换言之,电压源切换电路16将电压源11_1至11_5中的任一个的供电电压输出到电压监测电路17。
图5是示出电压源切换电路16的实例的框图。如图5所示,电压源切换电路16包含多个开关SW_M1至SW_M5。电压源11_1经由开关SW_M1连接至电压监测电路17。电压源11_2经由开关SW_M2连接至电压监测电路17。电压源11_3经由开关SW_M3连接至电压监测电路17。电压源11_4经由开关SW_M4连接至电压监测电路17。电压源11_5经由开关SW_M5连接至电压监测电路17。
通过接通开关SW_M1至SW_M5中的任一个,能够将电压源11_1至11_5中的任一个的供电电压输出到电压监测电路17。开关SW_M1至SW_M5分别通过使用由控制电路输出的控制信号CTR_M1至CTR_M5来控制。当电压源11_1至11_5的供电电压没有被监测时,所有开关SW_M1至SW_M5均处于断开状态。
图6是示出包含于电压源切换电路16内的开关SW_M1至SW_M5的一个具体实例的电路图。尽管在图6中仅示出了开关SW_M1,但是其他开关SW_M2至SW_M5同样具有相同的配置。如图6所示,开关SW_M1可以使用例如PMOS晶体管MP_M1、NMOS晶体管MN_M1和反相器INV1_M1来配置。电压源11_1连接至PMOS晶体管MP_M1的源极以及NMOS晶体管MN_M1的漏极。电压监测电路17连接至PMOS晶体管MP_M1的漏极以及NMOS晶体管MN_M1的源极。NMOS晶体管MN_M1的栅极连接至反相器INV1_M1的输入侧,而PMOS晶体管MP_M1的栅极连接至反相器INV1_M1的输出侧。
当控制信号CTR_M1处于高电平时,NMOS晶体管MN_M1的栅极被供应以高电平信号,而PMOS晶体管MP_M1的栅极被供应以低电平信号。因此,在这种情况下,NMOS晶体管MN_M1和PMOS晶体管MP_M1接通,并且电压源11_1和电压监测电路17相互连接。换言之,电压监测电路17被供应以供电电压V1。
电压监测电路17监测电压源11_1至11_5的供电电压V1至V5。具体地,电压监测电路17监测在电压源切换电路16中选择的电压源11_1至11_5中的任一个的供电电压。
图7是示出电压监测电路17的实例的框图。如图7所示,电压监测电路17包含参考电压产生电路19和比较器CMP1。参考电压产生电路19生成参考电压Vref。参考电压产生电路19可以使用例如带隙参考电路来配置。比较器CMP1将电压源11_1至11_5的供电电压V1至V5与参考电压Vref进行比较,并且输出比较结果OUT_M1至OUT_M5。
例如,当电压源11_1的供电电压V1低于参考电压Vref时,比较器CMP1输出低电平信号作为比较结果OUT_M1。另一方面,当电压源11_1的供电电压V1等于或高于参考电压Vref时,比较器CMP1输出高电平信号作为比较结果OUT_M1。
电压监测电路17的比较结果OUT_M1至OUT_M5(即,在电压源11_1至11_5的供电电压V1至V5与参考电压Vref之间的比较结果)被存储于控制电路18内。控制电路18包含例如分别与电压源11_1至11_5对应的触发器FF1至FF5(未示出),并且在电压源11_1至11_5的供电电压V1至V5与参考电压Vref之间的比较结果OUT_M1至OUT_M5分别存储于触发器FF1至FF5内。
参考电压Vref可以基于电压控制电路14_1的输入电压Vin_1以及电压控制电路14_2的输入电压Vin_2来确定。例如,当Vin_1<Vin_2_时,参考电压Vref可以被确定以致于满足Vin_1×2<Vref<Vin_2×2。
替代地,参考电压Vref可以基于电压源11_1至11_5的供电电压V1至V5来确定。例如,当供电电压V1至V5的最大值由V_max表示并且供电电压V1至V5的最小值由V_min表示时,参考电压Vref可以被确定以致于满足V_min<Vref<V_max。另外替换地,参考电压Vref可以使用供电电压V1至V5的均值(或者与均值近似的值)来确定。
控制电路18控制着电源电路1。具体地,控制电路18控制着包含于电压源切换电路16内的开关SW_M1至SW_M5。控制电路18根据电压监测电路17的比较结果OUT_M1至OUT_M5来控制包含于电压源连接开关13内的多个开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2。例如,控制电路18将电压源11_1至11_5当中各自具有比预定的参考电压Vref低的电压的电压源连接至电压控制电路14_1,并且控制电路18将电压源11_1至11_5当中各自具有等于或高于预定的参考电压Vref的电压的电压源连接至电压控制电路14_2。该配置允许各自具有基本上相同的供电电压的电压源分别连接至电压控制电路14_1和14_2。控制电路18还控制着时钟发生电路20。例如,控制电路18控制着由时钟发生电路20生成的每个时钟信号CLK_1和CLK_2的占空比,由此使得可以调整每个电压控制电路14_1和14_2的输出电压。
然后,根据第一实施例的电源电路的操作将参考图8的时序图来描述。根据第一实施例的电源电路1具有包括监测模式和正常模式在内的操作模式。正常模式是其中电压源连接开关14将电压源11_1至11_5中的至少一个连接至电压控制电路14_1和电压控制电路14_2之一以由此给负载电路15供电的模式。监测模式是其中电压源11_1至11_5的供电电压V1至V5受电压监测电路17所监测的模式。在监测模式中,在电压源11_1至11_5当中,除了其供电电压受电压监测电路17监测的电压源之外的电压源连接至电压控制电路14_1和电压控制电路14_2之一,如同在正常模式中那样。因此,在监测模式中,负载电路15同样被供电。电压控制电路14_1被供应以具有预定占空比的时钟信号CLK_1,并且电压控制电路14_2被供应以具有预定占空比的时钟信号CLK_2。
如图8所示,电压源连接开关13在时间t1从正常模式转换为监测模式。然后,在时间t2,当包含于电压源切换电路16内的开关SW_M1(见图5)的控制信号CTR_M1变为高电平时,开关SW_M1被接通,并且电压源11_1的供电电压V1被输出给电压监测电路17。在此时,电压源连接开关13将连接状态切换为其中电压源11_1与电压控制电路14_1和14_2两者均断开连接的状态。
电压监测电路17将电压源11_1的供电电压V1与参考电压Vref比较,并输出比较结果OUT_M1。例如,当电压源11_1的供电电压V1低于参考电压Vref时,电压监测电路17输出低电平信号作为比较结果OUT_M1。另一方面,当电压源11_1的供电电压V1等于或高于参考电压Vref时,电压监测电路17输出高电平信号作为比较结果OUT_M1。
在时间t3,当用于存储比较结果OUT_M1的触发器FF1的驱动时钟变为高电平时,比较结果OUT_M1(关于电压源11_1的电压的信息)被存储于触发器FF1内。其后,依次使控制信号CTR_M2至CTR_M5变为高电平,并且如同在电压源11_1的情形中那样,电压源11_2至11_5的供电电压V2至V5被与参考电压Vref进行比较,并且比较结果OUT_M2至OUT_M5被分别存储于触发器FF2至FF5内。
其后,电压源连接开关13在时间t4从监测模式转换为正常模式。在此时,电压源连接开关13根据分别存储于触发器FF1至FF5内的比较结果OUT_M1至OUT_M5(即,关于电压源11_1至11_5的电压的信息)将电压源11_1至11_5中的至少一个连接至电压控制电路14_1和14_2之一。因而,在监测模式中受到监测的每个电压源11_1至11_5的供电电压的状态反映在电压源连接开关13的连接状态中。
例如,电压源连接开关13将电压源11_1至11_5当中各自具有比预定的参考电压Vref低的电压的电压源连接至电压控制电路14_1,并且电压源连接开关13将电压源11_1至11_5当中各自具有等于或高于预定的参考电压Vref的电压的电压源连接至电压控制电路14_2。该配置允许各自具有基本上相同的供电电压的电压源连接至同一电压控制电路。
在此时,可以提供下限参考电压Vref_L,并且可以配置各自具有比下限参考电压Vref_L低的供电电压的电压源使得这些电压源不与电压控制电路14_1和14_2中的任一个连接。此外,还可以提供上限参考电压Vref_H,并且可以配置各自具有比上限参考电压Vref_H高的供电电压的电压源使得这些电压源不与电压控制电路14_1和14_2中的任一个连接。
其后,电压源连接开关13在时间t5再次由正常模式转换为监测模式。随后,重复上述操作。
如同在发明背景部分所描述的,当使用能量收集技术时,由单个电压源获得的电压是极小的。例如,使用大气中传播的无线电波(环境无线电波)来获得的电压为大约0.1~0.4V,这是极小的。因此,需要电压控制电路来将电压源的电压升压至能够驱动电子设备的电压。为了驱动例如微计算机,有必要使用电压控制电路将电压升压至大约1V。
此外,由于使用能量收集技术由单个电压源来获得的电力是小的,因而有必要提供多个电压源来驱动电子设备并聚集由电压源获得的电力。例如,需要大约几百μW至几mW的功率来驱动微计算机。
但是,如果为该多个电压源分别设置电压控制电路,则电源电路的电路面积会增加。另一方面,如果由多个电压源共用单个电压控制电路,以便减小电路面积,则电压源的输出电压不是恒定的,并从而发生电力损耗,这会导致无法从电压源中有效地提取电力的问题。尤其是,在使用无线电波来产生电力的电压源中要使用整流电路。这可能会使得难以在所产生的电压为低时从电压源中提取电力。
因此,在根据第一实施例的电源电路1中,该多个电压源11_1至11_5设置有多个电压控制电路14_1和14_2。此外,电压源连接开关13被用来将电压源11_1至11_5中的至少一个连接至多个电压控制电路14_1和14_2之一。例如,各自具有比参考电压低的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_1,而各自具有等于或高于参考电压的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_2。因此,可以提供能够从每个电压源中有效地提取电力的电源电路及其控制方法。此外,由于电压控制电路为多个电压源共用,因而能够减小电源电路的电路面积。
图9是示出根据第一实施例的电源电路1的操作的实例的框图。在图9所示的电源电路1中,电压源11_1的供电电压(开路(opencircuit)电压)为0.2V;电压源11_2的供电电压为0.2V;电压源11_3的供电电压为0.3V;电压源11_4的供电电压为0.4V;并且电压源11_5的供电电压为0.5V。每个电压源11_1至11_5的输出阻抗为1kΩ。
假定参考电压Vref被设定为0.25V;各自具有比参考电压低的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_1;并且各自具有等于或高于参考电压的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_2。在这种情况下,由于电压源11_1和11_2各自的供电电压为0.2V,该电压低于参考电压0.25V,因而电压源连接开关13将电压源11_1和11_2连接至电压控制电路14_1。另一方面,由于电压源11_3、11_4和11_5的供电电压分别为高于参考电压0.25V的0.3V、0.4V和0.5V,因而电压源连接开关13将电压源11_3、11_4和11_5连接至电压控制电路14_2。
此外,当电压控制电路14_1和14_2各自的输出电压Vout被设定为1.5V;给电压控制电路14_1供应的时钟信号CLK_1的占空比被设定为0.93;并且给电压控制电路14_2供应的时钟信号CLK_2的占空比被设定为0.87时,电压控制电路14_1的输入电压Vin_1为0.1V并且电压控制电路14_2的输入电压Vin_2为0.2V。
在此时,由于在电压源11_1的供电电压V1(0.2V)与电压控制电路14_1的输入电压Vin_1(0.1V)之间的电位差为0.1V,并且给电压控制电路14_1供应的电流为100μA(=0.1V/1kΩ),因而由电压源11_1给电压控制电路14_1供应的功率为10μW(=0.1V×100μA)。类似地,由电压源11_2给电压控制电路14_1供应的功率为10μW;由电压源11_3给电压控制电路14_2供应的功率为20μW;由电压源11_4给电压控制电路14_2供应的功率为40μW;并且由电压源11_5给电压控制电路14_2供应的功率为60μW。因此,由电压源11_1至11_5给电压控制电路14_1和14_2供应的总功率为140μW。
图10是示出根据比较例的电源电路的操作的实例的框图。在图10所示的电源电路中,全部电压源111_1至111_5均连接至单个电压控制电路114。电压源111_1至111_5各自的供电电压和输出阻抗类似于图9所示的电源电路的供电电压和输出阻抗。当电压控制电路114的输出电压被设定为1.5V并且给电压控制电路的时钟信号的占空比被设定为0.91时,电压控制电路114的输入电压为0.16V。
在此时,由电压源111_1供应给电压控制电路114的功率为6.5μW;由电压源111_2给电压控制电路114供应的功率为6.5μW;由电压源111_3给电压控制电路114供应的功率为22μW;由电压源111_4给电压控制电路114供应的功率为38μW;并且由电压源111_5给电压控制电路114供应的功率为55μW。因此,由电压源111_1至111_5给电压控制电路114供应的功率为128μW。
因此,当根据图9所示的第一实施例的电源电路1与根据图10所示的比较例的电源电路相比时,与根据比较例的电源电路相比,在根据第一实施例的电源电路中的输入功率被提高大约10%。该提高的原因将在下文中描述。
当电压控制电路14_1和14_2的输入电压Vin_1和Vin_2各自为每个电压源11_1至11_5的供电电压(开路电压)的一半时,对每个电压控制电路14_1和14_2输入的功率变为最大。换言之,对电压控制电路14_1和14_2输入的功率随着电压控制电路14_1和14_2的输入电压Vin_1和Vin_2偏离作为与电压控制电路14_1和14_2连接的电压源11_1至11_5各自的供电电压(开路电压)的一半的电压而降低。
在根据图10所示的比较例的电源电路中,全部电压源111_1至111_5连接至单个电压控制电路114。因此,在电压源111_1至111_5中的许多电压源中,电压控制电路114的输入电压(0.16V)从作为供电电压的一半的电压偏离。
另一方面,在根据图9所示的第一实施例的电源电路1中,提供了多个电压控制电路14_1和14_2,并且电压控制电路14_1的输入电压Vin_1和电压控制电路14_2的输入电压Vin_2被分别设定为0.1V和0.2V。参考电压被设定为0.25V。各自具有比参考电压低的供电电压的电压源11_1和11_2连接至电压控制电路14_1。各自具有等于或高于参考电压的供电电压的电压源11_3至11_5连接至电压控制电路14_2。该配置使得可以减少在电压源11_1至11_5当中的其中电压控制电路14_1和14_2各自的输入电压偏离作为供电电压的一半的电压的电压源的数量,由此增加给电压控制电路14_1和14_2输入的功率。
例如,在根据第一实施例的电源电路中,分别给电压控制电路14_1和14_2供应的时钟信号CLK_1和CLK_2各自的占空比可以固定于预定值。
此外,在根据第一实施例的电源电路中,分别给电压控制电路14_1和14_2供应的时钟信号CLK_1和CLK_2可以根据电压源11_1至11_5各自的供电电压来调整。在这种情况下,控制电路18能够根据由电压监测电路17获得的监测结果(即,电压源11_1至11_5各自的供电电压)来调整分别给电压控制电路14_1和14_2供应的时钟信号CLK_1和CLK_2各自的占空比。
例如,当电压源11_1和11_2各自的供电电压降低时,控制电路18可以增加给电压控制电路14_1供应的时钟信号CLK_1的占空比。结果,电压控制电路14_1的输出电压Vout的降低能够受到抑制。另一方面,当电压源11_1和11_2各自的供电电压增加时,控制电路18可以降低给电压控制电路14_1供应的时钟信号CLK_1的占空比。结果,能够抑制电压控制电路14_1的输出电压Vout的增加。
虽然以上已经描述了其中电源电路1包含五个电压源的情形,但是电压源的数量并不限定于此,只要设置有三个或更多个电压源(即,当电压源的数量由N表示时,有N≥3)即可。虽然以上已经描述了其中电源电路1包含两个电压控制电路的情形,但是电压控制电路的数量并不限定于此,只要设置有两个或更多个电压控制电路(即,当电压控制电路的数量由k表示时,有k≥2,假定N≥k)即可。
<第二实施例>
接下来,将描述第二实施例。图11是示出根据第二实施例的电源电路2的框图。根据第二实施例的电源电路2与第一实施例所描述的电源电路1的不同之处在于设置了电压源开关22。
如图11所示,根据第二实施例的电源电路2包含电压源21_1至21_5、电压源开关22、电压源连接开关23、电压控制电路14_1和14_2、电压源切换电路16、电压监测电路17、时钟发生电路20和控制电路28。电源电路2给负载电路15供电。电压控制电路14_1和14_2、电压源切换电路16、电压监测电路17以及时钟发生电路20与第一实施例所描述的电源电路1的那些电路相同。因此,具有相同配置的构件由相同的附图标记表示,并且关于它们的重复解释被省略。
电压源21_1至21_5分别生成供电电压V1至V5。在根据第二实施例的电源电路2中,电压源21_1至21_5能够被划分成两个群组,即,包含经由丝线(wire)31和32与电压源连接开关23直接连接的电压源21_2和21_4的群组,以及包含经由电压源开关22与电压源连接开关23连接的电压源21_1、21_3和21_5的群组。
电压源21_2和21_4分别生成供电电压V2和V4,并且将所生成的供电电压V2和V4输出给电压源连接开关23和电压源切换电路16两者。电压源21_1、21_3和21_5分别生成供电电压V1、V3和V5,并且将所生成的供电电压V1、V3和V5输出给电压源切换电路16。电压源21_1至21_5各自的其他配置和操作与第一实施例所描述的电压源11_1至11_5的配置和操作类似,因而关于它们的重复解释被省略。
电压源开关22包括电压源开关SW1至SW4。电压源21_1和电压源21_2被配置为可经由电压源开关SW1相互连接。电压源21_2和电压源21_3被配置为可经由电压源开关SW2相互连接。电压源21_3和电压源21_4被配置为可经由电压源开关SW3相互连接。电压源21_4和电压源21_5被配置为可经由电压源开关SW4相互连接。
换言之,电压源开关22被配置为能够连接N个电压源(在图11所示的实例中,N=5)当中的第i(1≤i≤N-1)电压源与第i+1电压源。在此时,在该N个电压源当中,m个电压源(在图11所示的实例中,m=2)直接连接至电压源连接开关23。在该N个电压源当中,N-m个电压源经由电压源开关22连接至电压源连接开关23。
此外,当第i电压源的电压和第i+1电压源的电压落入预定范围之内时,电压源开关22使第i电压源和第i+1电压源相互连接。例如,电压源开关22使该N个电压源当中各自具有比预定参考电压Vref低的电压的电压源连接,由此形成第一电压源群组,并且电压源开关22使该N个电压源当中各自具有等于或高于预定参考电压Vref的电压的电压源连接,由此形成第二电压源群组。
例如,在图11所示的电源电路2中,当电压源21_1的供电电压V1和电压源21_2的供电电压V2每个都低于参考电压Vref时,电压源开关22接通电压源开关SW1以使电压源21_1和电压源21_2相互连接,由此形成第一电压源群组(参见图13)。在此时,第一电压源群组(电压源21_1和21_2)经由丝线31连接至电压源连接开关23。
当电压源21_3至21_5的供电电压V3至V5每个都等于或高于参考电压Vref时,电压源开关22接通电压源开关SW3和SW4以使电压源21_3至21_5相互连接,由此形成第二电压源群组(参见图13)。在此时,第二电压源群组(电压源21_3至21_5)经由丝线32连接至电压源连接开关23。
例如,如同图3所示的开关电压源连接开关23的开关SW1_1一样,电压源开关SW1至SW5每个都可以使用NMOS晶体管、PMOS晶体管和反相器来配置。
电压源连接开关23切换第一电压源群组(丝线31)和第二电压源群组(丝线32)中的每个电压源群组与每个电压控制电路14_1和14_2之间的连接状态。具体地,电压源连接开关23切换三种连接状态,即,其中第一电压源群组(丝线31)连接至电压控制电路14_1的状态,其中第一电压源群组(丝线31)连接至电压控制电路14_2的状态,以及其中第一电压源群组(丝线31)与电压控制电路14_1和14_2两者均不连接的状态。类似地,电压源连接开关23切换三种连接状态,即,其中第二电压源群组(丝线32)连接至电压控制电路14_1的状态,其中第二电压源群组(丝线32)连接至电压控制电路14_2的状态,以及其中第二电压源群组(丝线32)与电压控制电路14_1和14_2两者均不连接的状态。由于电压源连接开关23的配置类似于在第一实施例中所描述的电压源连接开关13的配置(参见图2和3),因而省略关于它的重复解释。
在根据第二实施例的电源电路2中,控制电路28被配置为还能够控制电压源开关22。控制电路28的其他配置和操作类似于在第一实施例中所描述的控制电路18的配置和操作,因而省略关于它们的重复解释。
然后,根据第二实施例的电源电路2的操作将参考图12所示的时序图来描述。根据第二实施例的电源电路2具有包括监测模式和正常模式在内的操作模式。正常模式是其中电压源21_1至21_5中的至少一个通过使用电压源开关22和电压源连接开关23连接至电压控制电路14_1和电压控制电路14_2之一,由此给负载电路15供电的模式。监测模式是其中电压源21_1至21_5的供电电压V1至V5受电压监测电路17所监测的模式。
在监测模式中,当电压源21_1的供电电压V1受电压监测电路17所监测时,电压源开关SW1断开以由此促使电压源21_1和电压源连接开关23相互不电连接。在此时,如同在正常模式的情形中那样,其他电压源21_2至21_5连接至电压控制电路14_1和电压控制电路14_2之一。因此,在监测模式中,负载电路15同样被供电。对于电压源21_3和电压源21_5同样如此。
此外,在监测模式中,当电压源21_2的供电电压V2受电压监测电路17所监测时,电压源开关SW1和SW2以及电压源连接开关被断开以由此促使电压源21_2仅连接至电压监测电路17。在此时,经由丝线31对电压控制电路14_1或电压控制电路14_2的供电被中断。另一方面,经由丝线32对电压控制电路14_1或电压控制电路14_2的供电继续进行。对于电压源21_4同样如此。
电压控制电路14_1被供应以具有预定占空比的时钟信号CLK_1,并且电压控制电路14_2被供应以具有预定占空比的时钟信号CLK_2。
如图12所示,电压源开关22和电压源连接开关23在时间t11从正常模式转换为监测模式。然后,在时间t12,当包含于电压源切换电路16内的开关SW_M1(见图5)的控制信号CTR_M1变为高电平时,开关SW_M1被接通,并且电压源21_1的供电电压V1被输出给电压监测电路17。在此时,电压源开关SW1被断开以由此促使电压源21_1与电压源连接开关23相互不连接。
电压监测电路17将电压源21_1的供电电压V1与参考电压Vref比较,并输出比较结果OUT_M1。例如,当电压源21_1的供电电压V1低于参考电压Vref时,电压监测电路17输出低电平信号作为比较结果OUT_M1。另一方面,当电压源21_1的供电电压V1等于或高于参考电压Vref时,电压监测电路17输出高电平信号作为比较结果OUT_M1。
在时间t13,当用于存储比较结果OUT_M1的触发器FF1的驱动时钟变为高电平时,比较结果OUT_M1(关于电压源21_1的电压的信息)被存储于触发器FF1内。其后,依次使控制信号CTR_M2至CTR_M5变为高电平,并且如同在电压源21_1的情形中那样,电压源21_2至21_5的供电电压V2至V5被与参考电压Vref进行比较,并且比较结果OUT_M2至OUT_M5被分别存储于触发器FF2至FF5内。
其后,在时间t14,电压源开关22和电压源连接开关23从监测模式转换为正常模式。在正常模式中,电压源开关22和电压源连接开关23根据分别存储于触发器FF1至FF5内的比较结果OUT_M1至OUT_M5(即,关于电压源21_1至21_5各自的电压的信息)将电压源21_1至21_5中的至少一个连接至电压控制电路14_1和14_2之一。因而,在监测模式中受到监测的每个电压源21_1至21_5的供电电压的状态反映在电压源开关22和电压源连接开关23各自的连接状态中。
具体地,当在电压监测电路中测得的相邻电压源的比较结果(即,分别存储于触发器FF1至FF5内的且指示“0”或“1”的值的比较结果OUT_M1至OUT_M5)相同时,电压源开关22接通相应的电压源开口22。例如,当电压源21_1和21_2的比较结果OUT_M1和OUT_M2相同时,与电压源21_1和21_2对应的电压源开关SW1接通。例如,当电压源21_3至21_5的比较结果OUT_M3至OUT_M5相同时,与电压源21_3至21_5对应的电压源开关SW3和SW4接通。
电压源连接开关23切换第一电压源群组(丝线31)和第二电压源群组(丝线32)中的每个电压源群组与电压控制电路14_1和14_2中的每个之间的连接状态。例如,当比较结果OUT_M1和OUT_M2指示“0”时,电压源连接开关23将第一电压源群组(丝线31)连接至电压控制电路14_1。例如,当比较结果OUT_M3至OUT_M5指示“1”时,电压源连接开关23将第二电压源群组(丝线32)连接至电压控制电路14_2。结果,在电压源21_1至21_5当中各自具有比预定参考电压Vref低的电压的电压源能够连接至电压控制电路14_1,而在电压源21_1至21_5当中各自具有等于或高于预定参考电压Vref的电压的电压源能够连接至电压控制电路14_2。因此,各自具有基本上相同的供电电压的电压源能够连接至同一电压控制电路。
其后,电压源开关22和电压源连接开关23在时间t15再次由正常模式转换为监测模式。随后,重复上述操作。
当使用电压源开关22来形成的电压源群组不包含直接连接电压源连接开关23的任何电压源时,在包含于相邻电压源群组内的电压源(即,与电压源连接开关23直接连接的电压源)之间的电压源开关可以接通。
换言之,当在N个电压源当中的范围为从第a电压源至第b电压源(1≤a<b≤N)的电压源之间的全部电压源开关均处于接通状态,并且范围为从第a电压源至第b电压源的电压源不包括直接连接电压源连接开关23的任何电压源时,在第a-1电压源与第a电压源之间的电压源开关,或者在第b电压源与第b+1电压源之间的电压源开关可以接通。
图13是示出根据第二实施例的电源电路2的操作的实例的框图。在图13所示的电源电路2中,电压源21_1的供电电压(开路电压)为0.2V;电压源21_2的供电电压为0.2V;电压源21_3的供电电压为0.3V;电压源21_4的供电电压为0.4V;并且电压源21_5的供电电压为0.5V。每个电压源21_1至21_5的输出阻抗为1kΩ。
假定参考电压Vref被设定为0.25V;电压源当中各自具有比参考电压低的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_1;并且电压源当中各自具有等于或高于参考电压的供电电压的电压源连接至电压控制电路14_2。在这种情况下,由于电压源21_1和21_2各自的供电电压为0.2V,该电压低于参考电压0.25V,因而电压源开关SW1接通,并且电压源连接开关23将丝线31连接至电压控制电路14_1。这允许电压源21_1和21_2与电压控制电路14_1电连接。
另一方面,由于电压源21_3、21_4和21_5的供电电压分别为高于参考电压0.25V的0.3V、0.4V和0.5V,因而电压源开关SW3和SW4接通,并且电压源连接开关23将丝线32连接至电压控制电路14_2。这允许电压源21_3、21_4和21_5与电压控制电路14_2电连接。
此外,当电压控制电路14_1和14_2各自的输出电压Vout被设定为1.5V;给电压控制电路14_1供应的时钟信号CLK_1的占空比被设定为0.93;并且给电压控制电路14_2供应的时钟信号CLK_2的占空比被设定为0.87时,电压控制电路14_1的输入电压Vin_1为0.1V并且电压控制电路14_2的输入电压Vin_2为0.2V。
在此时,由于在电压源21_1的供电电压V1(0.2V)与电压控制电路14_1的输入电压Vin_1(0.1V)之间的电位差为0.1V,并且给电压控制电路14_1供应的电流为100μA(=0.1V/1kΩ),因而由电压源21_1给电压控制电路14_1供应的功率为10μW(=0.1V×100μA)。类似地,由电压源21_2给电压控制电路14_1供应的功率为10μW;由电压源21_3给电压控制电路14_2供应的功率为20μW;由电压源21_4给电压控制电路14_2供应的功率为40μW;并且由电压源21_5给电压控制电路14_2供应的功率为60μW。因此,由电压源21_1至21_5给电压控制电路14_1和14_2供应的总功率为140μW,并且由于与在第一实施例中所提及的原因相同的原因,功率能够被有效地从每个电压源21_1至21_5中提取出。
尤其是在根据第二实施例的电源电路2中,当相邻电压源的供电电压落入预定范围之内时,电压源群组使用电压源开关22来形成(换言之,该多个电压源被划分成群组)。因此,在电压源连接开关23的输入侧的丝线(对应于丝线31和32)的数量能够得以减少,结果能够简化电压源连接开关23的配置。
优选将与电压源连接开关23直接连接的电压源均匀地布置于多个电压源当中。
虽然以上已经描述了其中电源电路2包含五个电压源的情形,但是电压源的数量并不限定于此,只要设置有三个或更多个电压源(即,当电压源的数量由N表示时,有N≥3)即可。虽然以上已经描述了其中电源电路2包含两个电压控制电路的情形,但是电压控制电路的数量并不限定于此,只要设置有两个或更多个电压控制电路(即,当电压控制电路的数量由k表示时,有k≥2,假定N≥k)即可。
在此假定在N个电压源当中有m(m是小于N的自然数)个电压源直接连接至电压源连接开关23,则“N”、“K”和“m”被优选地设定以致于满足(N-1)+(m×K)<N×K,以便减少用于构造电压源连接开关23的开关的数量。
当供电电压在相邻的电压源之间变化很大时,可以使用在第一实施例中所描述的电源电路1。
<第三实施例>
接下来,将描述第三实施例。第三实施例示出了其中第一实施例所描述的电源电路1被安装于半导体芯片(以下称为芯片)上的配置实例。图14是示出根据第三实施例的电源电路的配置实例的示意图。如图14所示,在根据第三实施例的电源电路3中,用于构成电压源连接开关13的开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2(见图2)、用于构成电压源切换电路16的开关SW_M1至SW_M5(见图5)、电压控制电路14_1和14_2、电压监测电路17以及焊盘53至58被布置于芯片50上。在芯片50的外部,布置了电压源11_1至11_5、第一丝线51、第二丝线52、焊盘59和负载电路15。
电压源11_1通过键合丝线61连接至电压源焊盘(第三焊盘)53。电压源焊盘53经由开关SW1_1连接至第一焊盘54。在这种情况下,开关SW1_1的的一端与电压源焊盘53通过片内丝线相互连接,并且开关SW1_1的的另一端与第一焊盘54通过片内丝线相互连接。第一焊盘54通过键合丝线62连接至第一丝线51。其他电压源11_2至11_5以及其他开关SW2_1至SW5_1按照与以上所描述的方式类似的方式连接。第一丝线51通过键合丝线64连接至焊盘56。焊盘56通过片内丝线连接至电压控制电路14_1。电压控制电路14_1通过片内丝线连接至焊盘58。本文所述的第一焊盘54指的是与电压控制电路14_1电连接的焊盘。
类似地,电压源焊盘53经由开关SW1_2连接至第二焊盘55。在这种情况下,开关SW1_2的的一端与电压源焊盘53通过片内丝线相互连接,并且开关SW1_2的的另一端与第二焊盘55通过片内丝线相互连接。第二焊盘55通过键合丝线63连接至第二丝线52。其他开关SW2_2至SW5_2具有与开关SW1_2的配置类似的配置。第二丝线52通过键合丝线65连接至焊盘57。焊盘57通过片内丝线连接至电压控制电路14_2。电压控制电路14_2通过片内丝线连接至焊盘58。本文所述的第二焊盘55指的是与电压控制电路14_2电连接的焊盘。
电压源焊盘53经由用于构成电压源切换电路16的开关SW_M1连接至电压监测电路17。其他开关SW_M2至SW_M5具有与开关SW_M1的配置类似的配置。焊盘58通过键合丝线66连接至焊盘59。焊盘59连接至负载电路15。电压源焊盘53、第一焊盘54、第二焊盘55以及焊盘56和57形成于芯片50的在第一及第二丝线51和52一侧的端部处。
以此方式,在根据第三实施例的电源电路3中,电压控制电路14_1、电压控制电路14_2以及电压源连接开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2形成于同一芯片上。电压控制电路14_1和电压源连接开关SW1_1至SW5_1经由形成于芯片50之外的第一丝线51相互连接。电压控制电路14_2和电压源连接开关SW1_2至SW5_2经由形成于芯片50之外的第二丝线52相互连接。本文所述的电压源连接开关SW1_1至SW5_1(第一开关)指的是用于切换每个电压源11_1至11_5与电压控制电路14_1之间的连接的开关。本文所述的电压源连接开关SW1_2至SW5_2(第二开关)指的是用于切换每个电压源11_1至11_5与电压控制电路14_2之间的连接的开关。
第一丝线51和第二丝线52是布置于芯片50之外的且具有比芯片50内的每个丝线(片内丝线)的电阻小的电阻的丝线。因此,在根据第三实施例的电源电路3中,能够降低用于使电压控制电路14_1与电压源连接开关SW1_1至SW5_1相互连接的丝线的接线电阻,以及用于使电压控制电路14_2与电压源连接开关SW1_2至SW5_2相互连接的丝线的接线电阻。
图15是示出根据一个比较例的电源电路103的示意图。图15所示的比较例示出了其中图14所示的第一丝线51和第二丝线52(以下也称为片外丝线51和52)使用片内丝线151和152来配置的情形。在图15所示的电源电路103中,与图14所示的电源电路3的构件相同的构件由相同的附图标记来表示。
如图15所示,在根据该比较例的电源电路103中,片内丝线151和152形成于芯片150内。电压源11_1通过键合丝线连接至电压源焊盘153。电压源焊盘153经由丝线161连接至开关SW1_1的一端、开关SW1_2的一端以及开关SW_M1的一端。开关SW1_1的另一端通过丝线162连接至片内丝线151。开关SW1_2的另一端通过丝线163连接至片内丝线152。开关SW_M1的另一端连接至电压监测电路17。其他的电压源11_2至11_5以及其他的开关SW2_1至_SW5_1和SW_M2至SW_M5具有与以上所述的配置类似的配置。电压控制电路14_1通过丝线164连接至片内丝线151。电压控制电路14_2通过丝线165连接至片内丝线152。
在图15所示的比较例中,需要增加片内丝线151和152各自的宽度(例如,1mm或更大),以便降低片内丝线151和152各自的接线电阻(以至基本上等于图14所示的片外丝线51和52的接线电阻)。由于该原因,当片内丝线151和152形成于芯片150内时,芯片面积增加。因此,在第三实施例中,优选地使用片外丝线51和52,如图14所示,这促使芯片面积的显著减小。
在根据第三实施例的电源电路3中,电压源焊盘53、第一焊盘54和第二焊盘55可以如图16所示的那样布置。也就是,各个焊盘可以按照使得两个电压源焊盘53连接至单个第一焊盘54,或者两个电压源焊盘53连接至单个第二焊盘55的方式布置成两行。在此时,电压源连接开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2每个都被设置于相应的焊盘之间。焊盘通过片内丝线相互连接。
以此方式,图16所示的焊盘布局允许两个电压源焊盘53共用单个第一焊盘54和单个第二焊盘55,这促使焊盘数量减少。
此外,在根据第三实施例的电源电路3中,电压源焊盘53、第一焊盘54和第二焊盘55可以如图17所示的那样布置。也就是,各个焊盘可以布置成两行,并且可以进一步按照交错的方式布置。在此时,电压源焊盘53布置于第一行内,而第一及第二焊盘54和55布置于第二行内。其中焊盘如图17所示出的那样相互连接的状态类似于图14所示的状态。类似地,在这种情况下,电压源连接开关SW1_1至SW5_1和SW1_2至SW5_2每个都被设置于相应的焊盘之间。焊盘通过片内丝线相互连接。
图17所示的焊盘布局使得可以减小由焊盘占用的面积的横向方向上的长度。此外,焊盘按交错方式的布局使得可以抑制与相应的焊盘连接的键合丝线之间的干扰。
例如,当设置了多个(例如,8个)电压源时,焊盘可以如图18那样布置。也就是,各个焊盘可以按照使得四个电压源焊盘53连接至单个第一焊盘54并且四个电压源焊盘53同样连接至单个第二焊盘55的方式布置成两行。类似地,在这种情况下,每个电压源连接开关都被设置于相应的焊盘之间。焊盘通过片内丝线相互连接。
以此方式,图18所示的焊盘布局允许四个电压源焊盘53共用单个第一焊盘54和单个第二焊盘55,由此抑制焊盘数量的增加。
<第四实施例>
接下来,将描述第四实施例。第四实施例示出了使用分别在第一至第三实施例中予以描述的电源电路1至3的供电系统的配置实例,特别地,其中分别在第一至第三实施例中描述的电源电路1至3安装于半导体芯片上的能量收集系统的配置实例。
图19是示出根据第四实施例的供电系统的实例的框图。如图19所示,根据第四实施例的供电系统包含天线71_1至71_5、RF-DC(射频-直流)转换电路72_1至72_5、电源电路73和负载电路15。天线71_1至71_5和RF-DC转换电路72_1至72_5分别对应于第一至第三实施例所描述的电压源11_1至11_5。电源电路73对应于第一至第三实施例分别描述的每个电源电路1至3(除了电压源11_1至11_5外)。
天线71_1至71_5每个都接收预定频段内的无线电波,并且分别将所接收的AC信号输出到RF-DC转换电路72_1至72_5。天线71_1至71_5被配置为能够接收在供电系统所安置的环境中通常使用的频段(即,高能频段)内的无线电波。天线71_1至71_5可以被配置为能够接收单个频段内的无线电波,或者可以被配置为能够接收多个频段内的无线电波。
RF-DC转换电路72_1至72_5被提供以便分别对应于天线71_1至71_5,将由天线71_1至71_5接收到的AC信号转换成DC信号,并且将转换之后所获得的DC信号输出到电源电路73。
电源电路73通过使用由RF-DC转换电路72_1至72_5供应的电力来生成供电电压,并且将所生成的供电电压供应给负载电路15。电源电路73可以使用半导体芯片74来配置。电源电路73的配置和操作类似于分别在第一至第三实施例中进行了描述的电源电路1至3的配置和操作,因而省略关于它们的详细描述。
根据能量收集技术,一般地,从无线电波塔或蜂窝式电话基站朝数量未指定的天线辐射的无线电能被恢复,而不是恢复被导向天线71_1至71_5的无线电能。因此,为了恢复更多的能量,优选使用能够接收在通常使用的频段内的无线电波的天线,例如,在移动电话的频段内的无线电波、在无线LAN的频段内的无线电波,或者在数字地面广播的频段内的无线电波。
图20是示出通过天线71_1至71_5恢复的电力的实例的,并且还示出了在RF-DC转换电路的输出电压和输出功率之间的关系的图表。图20所示的实例示出了以下情形:200MHz频段的天线被用作天线71_1;500MHz频段的天线被用作天线71_2和71_3;以及800MHz频段的天线被用作天线71_4和71_5。
在每个频段内的无线电能的强度根据位置和时间而变化。因此,在所有频段内的无线电能的强度都处于基本上相同的级别是极少发生的情形。200MHz频段、500MHz频段和800MHz频段的天线的输出分别为彼此不同的-14dBm、-20dBm和-26dBm。图20示出了在RF-DC转换电路的输出电压与输出功率之间的关系。
例如,当电压控制电路具有一个输入时(见图10),假定RF-DC转换电路72_1至72_5的全部输出都供应给单个电压控制电路,并且RF-DC转换电路72_1至72_5每个都具有0.2V的输出,则能够由500MHz频段的RF-DC转换电路72_2和72_3恢复的电力变为最大,如图20所示。但是,200MHz频段的RF-DC转换电路72_1的输出功率并不是最大的(如附图标记78所示)。在800MHz频段的RF-DC转换电路72_4和72_5中,输出功率由于泄漏电流的影响而下降(如附图标记79所示)。因此,在这种情况下,由RF-DC转换电路72_1至72_5给单个电压控制电路供应的功率为大约14μW。
另一方面,例如,当使用分别在第一至第三实施例中描述的电源电路1至3时,200MHz频段的RF-DC转换电路72_1连接至电压控制电路14_2(见图1)并且被促使以0.3V操作;500MHz频段的RF-DC转换电路72_2和72_3连接至电压控制电路14_1并且被促使以0.2V操作;而800MHz频段的RF-DC转换电路72_4和72_5与电压控制电路14_1和14_2两者断连,由此使得可以恢复大约20μW的功率。
以上已经描述了图19所示的供电系统,在该供电系统中,天线71_1至71_5和RF-DC转换电路72_1至72_5作为电压源而提供。替代地,在第四实施例中可以提供热电元件或太阳能电池。热电元件的使用使得可以恢复热能。太阳能电池的使用使得可以恢复光能。
如图21所示,可以将各种类型的电压源结合起来用作电压源。图21示出了以下实例:天线71_1至71_3、热电元件75和太阳能电池76被结合起来用作电压源。以这种方式,将各种类型的电压源结合起来使用使得即使在例如暗处难以恢复特定的能量(光能)时也可以恢复来自其他输入的能量(无线电能或热能)。
当将各种类型的电压源结合起来使用时,输出电压根据例如无线电能、热能或光能的强度而变化。但是,在第四实施例中提供了该多个电压控制电路14_1和14_2(见图1),并且待连接的电压控制电路14_1和14_2根据通过每个能量源获得的输出电压来切换。因此,能够从每个能量源中有效地恢复能量。
在第四实施例中,如图22所示,由电源电路73驱动的MCU(微控制器单元)82可以安装于半导体芯片81上,并且负载电路15可以通过由MCU 82输出的控制信号83来控制。以这种配置,能够更详细地控制负载电路15。例如,当电源电路73的输出电压低时,能够中断负载电路15的操作。
此外,在第四实施例中,如图23所示,用于控制对负载电路15的供电的电源开关电路92以及用于控制电源开关电路92的开关控制电路93可以安装于半导体芯片91上。当电源电路73的输出电压处于某一电平或更高(等于或高于负载电路15的操作电压)时,开关控制电路93将控制信号94输出给电源开关电路92。当电源开关电路92被供应以控制信号94时,电源开关电路92使电源电路73和负载电路15相互连接,由此允许电力供应给负载电路15。
以该配置,对负载电路15的供电力够在电源电路73的输出电压达到某一电平或更高(等于或高于负载电路15的操作电压)之后开始。因此,即使在负载电路15具有大的电流消耗并且具有等于或小于操作保障电压的电压时,负载电路15也能够稳定地开启。
虽然由本发明人作出的本发明已经在上文参照实施例进行了具体描述,但是本发明并不限定于上述实施例,而是能够在不脱离本发明的范围的情况下以各种方式来修改。
虽然本发明已经针对若干实施例进行了描述,但是本领域技术人员应当理解,本发明能够以在所附权利要求的精神和范围之内的各种改型来实现,本发明并不限定于以上所描述的实例。
此外,权利要求的范围并不受限于以上所描述的实施例。
而且,应当注意,本申请人的意图是包含所有要求权利的要素的等同形式,即使在后期的审查过程中对权利要求进行过修改亦是如此。

Claims (20)

1.一种电源电路,包含:
N个电压源,其中N≥3;
用于使输入电压升压的第一电压控制电路及第二电压控制电路;以及
用于将所述N个电压源中的至少一个连接至所述第一电压控制电路及第二电压控制电路之一的电压源连接开关。
2.根据权利要求1所述的电源电路,其中所述电压源连接开关将所述N个电压源当中具有比预定的参考电压低的电压的电压源连接至所述第一电压控制电路,并且将所述N个电压源当中具有等于或高于所述预定的参考电压的电压的电压源连接至所述第二电压控制电路。
3.根据权利要求2所述的电源电路,还包含用于监测所述N个电压源中的每个电压源的电压的电压监测电路,其中
所述电压监测电路包含:
用于生成所述预定的参考电压的参考电压产生电路;以及
用于将所述N个电压源中的每个电压源的电压与所述参考电压进行比较的比较器。
4.根据权利要求3所述的电源电路,还包含用于依次切换所述N个电压源中的每个电压源与所述电压监测电路之间的连接的电压源切换电路。
5.根据权利要求3所述的电源电路,其中
所述电源电路具有包括监测模式和正常模式的操作模式,
在所述监测模式中,所述电压监测电路监测所述N个电压源中的每个电压源的电压,并且
在正常模式中,所述电压源连接开关根据所述电压源中的每个电压源的电压的监测结果来将所述N个电压源中的至少一个连接至所述第一电压控制电路及第二电压控制电路之一。
6.根据权利要求2所述的电源电路,其中
所述第一电压控制电路根据给所述第一电压控制电路供应的第一时钟信号的占空比来使输入电压升压,并且
所述第二电压控制电路根据给所述第二电压控制电路供应的第二时钟信号的占空比来使输入电压升压。
7.根据权利要求6所述的电源电路,其中所述第一电压控制电路及第二电压控制电路分别被供应以所述第一时钟信号及第二时钟信号,所述第一时钟信号及第二时钟信号被设定使得所述第一电压控制电路的输出电压以及所述第二电压控制电路的输出电压基本上相同。
8.根据权利要求7所述的电源电路,其中所述第一时钟信号具有比所述第二时钟信号的占空比大的占空比。
9.根据权利要求6所述的电源电路,其中分别给所述第一电压控制电路及第二电压控制电路供应的所述第一时钟信号及第二时钟信号根据所述N个电压源中的每个电压源的电压来控制。
10.根据权利要求1所述的电源电路,还包含能够使所述N个电压源中的第i电压源与第i+1电压源相互连接的电压源开关,其中1≤i≤N-1,其中
所述N个电压源中的m个电压源直接连接至所述电压源连接开关,并且
所述N个电压源中的N-m个电压源经由所述电压源开关连接至所述电压源连接开关。
11.根据权利要求10所述的电源电路,其中当所述第i电压源的电压以及所述第i+1电压源的电压属于预定范围时,所述电压源开关使所述第i电压源与所述第i+1电压源相互连接。
12.根据权利要求10所述的电源电路,其中所述电压源开关连接所述N个电压源当中的各自具有比预定的参考电压低的电压的电压源,以由此形成第一电压源分组,并且连接所述N个电压源当中具有等于或高于所述预定的参考电压的电压的电压源,以由此形成第二电压源分组。
13.根据权利要求12所述的电源电路,其中所述第一电压源分组连接至所述第一电压控制电路,并且所述第二电压源分组连接至所述第二电压控制电路。
14.根据权利要求10所述的电源电路,其中当在所述N个电压源当中的第a电压源与第b电压源之间的所有电压源开关被接通时,并且当与所述电压源连接开关直接连接的所述电压源中没有一个包含于从所述第a电压源到所述第b电压源的范围内的电压源内时,第a-1电压源与所述第a电压源之间的电压源开关或者所述第b电压源与第b+1电压源之间的电压源开关被接通,其中1≤a<b≤N。
15.一种电源电路,包含:
N个电压源,其中N≥3;
用于使输入电压升压的第一电压控制电路及第二电压控制电路;以及
用于将所述N个电压源中的至少一个连接至所述第一电压控制电路及第二电压控制电路之一的电压源连接开关,其中
所述第一电压控制电路及第二电压控制电路和所述电压源连接开关形成于芯片上,
所述第一电压控制电路和所述电压源连接开关经由形成于所述芯片之外的第一丝线相互连接,并且
所述第二电压控制电路和所述电压源连接开关经由形成于所述芯片之外的第二丝线相互连接。
16.根据权利要求15所述的电源电路,其中
所述电压源连接开关包含:
用于切换所述电压源中的每个电压源与所述第一电压控制电路之间的连接的第一开关;以及
用于切换所述电压源中的每个电压源与所述第二电压控制电路之间的连接的第二开关,并且
所述电源电路还包含:
用于使所述第一丝线与所述第一开关的一端相互连接的第一焊盘;
用于使所述第二丝线与所述第二开关的一端相互连接的第二焊盘;以及
用于使所述第一开关的另一端、所述第二开关的另一端以及相应的电压源相互连接的第三焊盘,所述第一焊盘、所述第二焊盘和所述第三焊盘形成于所述芯片的在所述第一及第二丝线一侧的端部。
17.根据权利要求16所述的电源电路,其中
所述第一开关的一端与所述第一焊盘通过芯片内丝线相互连接,而所述第一丝线与所述第一焊盘通过键合丝线相互连接,
所述第二开关的一端与所述第二焊盘通过芯片内丝线相互连接,而所述第二丝线与所述第二焊盘通过键合丝线相互连接,并且
所述第一开关的另一端、所述第二开关的另一端以及所述第三焊盘通过芯片内丝线相互连接,并且所述第三焊盘和相应的电压源通过键合丝线相互连接。
18.一种用于控制电源电路的方法,所述电源电路包含N个电压源以及用于使输入电压升压的第一电压控制电路及第二电压控制电路,其中N≥3,所述方法包括:
监测所述N个电压源中的每个电压源的电压;以及
根据所述N个电压源中的每个电压源的电压来将所述N个电压源中的至少一个连接至所述第一电压控制电路及第二电压控制电路之一。
19.根据权利要求18所述的用于控制电源电路的方法,还包括:
将所述N个电压源当中具有比预定的参考电压低的电压的电压源连接至所述第一电压控制电路;以及
将所述N个电压源当中具有等于或高于所述预定的参考电压的电压的电压源连接至所述第二电压控制电路。
20.根据权利要求19所述的用于控制电源电路的方法,其中所述N个电压源中的每个电压源的电压都通过将所述N个电压源中的每个电压源的电压与所述预定的参考电压进行比较来监测。
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