CN104734494A - 用于控制电荷泵的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于控制电荷泵的方法和一种用于电荷泵的控制设备的实施例。在一个实施例中，所述用于控制电荷泵的方法包括：监控电荷泵的加电状态；基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比；以及基于电荷泵的占空比调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。还描述了其它实施例。

Description

用于控制电荷泵的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种控制电荷泵的方法和系统。
背景技术
电荷泵是一种直流(DC)到DC电压转换器电路，其能够增加或减少由电压源提供的电压电平。电荷泵用于多种应用/设备中，例如存储器电路、电平移位器和电池器件。传统的电荷泵被设计为在最差情况的工艺、电压和温度(PVT)条件下满足规定的标准。然而，在正常或最佳PVT条件下，传统电荷泵的性能可能下降。例如，传统电荷泵的功率消耗和输出电流经常在正常或最佳情况的PVT条件下升至高电平。因此，在正常或最佳情况的PVT条件下，传统电荷泵经受高电流峰值和高平均电流。为了处理高电流峰值和高平均电流，在基板上包括与电荷泵相邻的大型低欧姆电源开关和大型解耦电容器，以使得电源电压稳定。在一些情况中，需要使用附加的低压降调节器(LDO)来将电源电压调节至可接受的电平。此外，传统的电荷泵可以经受高输出纹波，这会损坏其负载电路。因此，需要能够在各种PVT条件下运行良好的电荷泵。
发明内容
描述了一种用于控制电荷泵的方法和一种用于电荷泵的控制设备的实施例。在一个实施例中，一种用于控制电荷泵的方法包括：监控电荷泵的加电状态；基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比；以及基于电荷泵的占空比，调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。通过监控电荷泵的加电状态，计算电荷泵的占空比以及基于电荷泵的占空比调整电荷泵的设置，可以容易地管理电荷泵的性能，以适于多种PVT条件。还描述了其它实施例。
在一个实施例中，一种用于控制电荷泵的方法包括：监控电荷泵的加电状态；基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比；以及基于电荷泵的占空比，调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。
在一个实施例中，一种用于电荷泵的控制设备包括：监控器模块，被配置为监控电荷泵的加电状态；以及控制器模块，被配置为基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比以及基于电荷泵的占空比，调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。
在一个实施例中，一种用于控制电荷泵的方法包括：获得电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别，其中每个强度级别包括用于驱动电荷泵的时钟信号的频率和电荷泵的总泵浦电容的唯一组合；基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比，如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较低频率或电荷泵的较小总泵浦电容的不同强度级别，如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较高频率或电荷泵的较大总泵浦电容的不同强度级别，以及如果电荷泵的占空比小于至少一个最大阈值且大于至少一个最小阈值，则保持电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别不变。
通过结合附图以本发明的原理的示例的方式描述的以下具体实施方式，本发明的实施例的其它方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的IC器件的示意框图；
图2示出了图1所示的电荷泵电路的实施例；
图3示出了图2所示的电荷泵电路的时钟信号和加电状态信号的波形的示例；
图4是示出了图2所示的控制器模块的操作的流程图；
图5示出了图2所示的电荷泵的操作参数的一些示例；
图6示出了图2所示的控制器模块的实施例；
图7是示出了根据本发明实施例用于控制电荷泵的方法的处理流程图。
在说明书中，类似附图标记用于标识类似要素。
具体实施方式
容易理解的是，这里所一般地描述的以及附图中所示出的实施例的组件可按照多种不同的配置进行布置和设计。从而，对各个实施例的以下具体描述(如附图所示)不用于限制本公开的范围，而只是各个实施例的代表。尽管附图中示出了实施例的多个方面，但是除非具体指示，附图并不用于规定大小。
在各个方面认为所描述的实施例只是示例性的而非限制性的。本发明的范围因此由所附权利要求而不是这一具体实施方式来指示。权利要求的等同范围和意思内的所有变更都被包含在其范围内。
说明书通篇对特征、优点或类似语言的提及并不意味着可通过本发明实现的所有特征和优点被限制于任何单一的实施例中。相反地，提及特征和优点的语言被理解为意思是结合实施例描述的具体特征、优点或特性被包括在至少一个实施例中。从而，说明书通篇对特征和优点以及类似语言的讨论可以(但不是必要地)指相同的实施例。
此外，在一个或多个实施例中可通过合适的方式对本发明的所描述的特征、优点和特性进行组合。相关领域技术人员将认识到，借助这里的具体描述，本发明可在不具有特定实施例的一个或多个具体特征或优点的情况下得以实现。在其它情况中，某些实施例中的附加特征和优点可能不在本发明的所有实施例中存在。
说明书通篇对“一个实施例”、“实施例”或类似语音的提及意味着结合所指示的实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。从而，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言在说明书通篇都指代(但不是必要地)相同的实施例。
图1是根据本发明的实施例的IC器件100的示意框图。在图1所示的实施例中，IC器件包括时钟电路102、电荷泵104和电荷泵控制器106。电荷泵和电荷泵控制器构成电荷泵电路108。IC器件可用于多种应用中，例如自动化应用、通信应用、工业应用、医疗应用、计算机应用和/或消费或电器应用。IC器件可实现在基板中，例如半导体晶元或印刷电路板(PCB)。在一个实施例中，IC器件被封装为半导体IC芯片。IC器件可被包括在微控制器中，微控制器可用于例如设备控制、识别和/或无线通信。在一些实施例中，IC器件被包括在存储器设备中，例如闪存存储器模块。尽管IC器件100在图1中被示为包括具体组件，但是在一些实施例中，IC器件包括用于实现更少或更多功能的更少或更多的组件。举例来讲，IC器件可包括存储单元或其它电路元件。
时钟电路102被配置为生成针对IC器件100的具有频率“fCLK”的时钟信号“CLK”。时钟电路可包括晶体振荡器或其它适当的时钟生成器，以及时钟信号“CLK”可采用方波或其它适合波形的形式。在一个实施例中，电荷泵控制器106的时钟信号“CLK_GB”(具有频率“fCLK_GB”)和用于驱动电荷泵104的时钟信号“CLK_PUMP”(具有频率“fCLK_PUMP”)是从时钟信号“CLK”得到的。时钟信号“CLK”通常是具有频率“fCLK”的内部时钟，其随着工艺、电压和温度(PVT)条件发生改变。由于时钟信号“CLK_GB”是从时钟信号“CLK”得到的，所以根据时钟信号“CLK”在各种PVT条件下的改变对时钟信号“CLK_GB”的时钟时间周期进行调整。用于驱动电荷泵控制器的时钟信号“CLK_GB”的频率“fCLK_GB”通常是时钟信号“CLK”的频率“fCLK”的一部分。用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”可以与时钟信号“CLK”的频率“fCLK”相同或者是其一部分。然而，在其它实施例中，用于驱动电荷泵控制器106的时钟信号“CLK_GB”并不是从由时钟电路102生成的时钟信号“CLK”得到的。
电荷泵104是直流(DC)到DC电压转换器电路，其使用一个或多个能量存储元件110(例如电容器)来提高或降低由电压源提供的电压电平。电荷泵通常包括一个或多个开关器件，例如n-沟道MOSFET(NMOS)晶体管或p-沟道MOSFET(PMOS)晶体管。电荷泵可以控制对能量存储元件的充电和放电，以便提高或降低电荷泵的输入电压，以获得期望的输出电压。电荷泵104的输出电压可以高于、等于或低于电荷泵104的输入电压。电荷泵可被用于生成对存储器电路(例如非易失性存储器电路或任何其它适当电路)的供电。在一个实施例中，电荷泵将输入电压上转换为针对闪存存储器的较高输出电压。
电荷泵控制器106被配置为控制电荷泵104。电荷泵控制器(其还可被称为电荷泵强度档位(gear)箱)连续地监控电荷泵的动作并调整/移位电荷泵的可操作参数的设置(例如时钟频率设置和电容设置中的至少一个)。例如，电荷泵控制器可以基于电荷泵的操作状态提高/划分(divide)电荷泵的时钟频率(例如用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”)和/或电荷泵的总泵浦电容。通过连续地监控电荷泵的动作以及调整/移位电荷泵时钟的频率以及电荷泵电容的大小，电荷泵控制器提供连续时间调节循环，其改变电荷泵的功率和输出电路以适应各种工艺、电压、温度(PVT)、负载电容和泄漏电流变化。此外，由于电荷泵控制器提供了连续时间调节循环，所以电荷泵控制器是可自我调节的或可自我修整的。因此，对于电荷泵控制器控制电荷泵来讲，不需要任何预先校准处理。
电荷泵104的动作状态可包括电荷泵的操作状态，例如电荷泵的加电状态。在一些实施例中，电荷泵控制器106监控电荷泵104的加电状态并基于加电状态调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置。在一个实施例中，电荷泵的加电状态指示了电荷泵是否加电以及电荷泵被加电多久。当电荷泵被加电时，电荷泵基于输入电压生成输出电压。当电荷泵未被加电时，电荷泵不生成输出电压。基于电荷泵的加电状态，电荷泵控制器计算电荷泵在时间周期内的占空比。在一些实施例中，时间周期是时钟信号(例如时钟信号“CLK”)的单个时钟时间周期或具有与所述时钟信号的频率不相关(例如相同)的频率的另一时钟信号(例如时钟信号“CLK_GB”)的单个时钟时间周期的倍数。在一个实施例中，电荷泵的占空比是电荷泵处于动作状态(例如加电状态)的时间占所考虑的总时间的百分比。如果电荷泵的占空比在时间周期内大于至少一个最大阈值或小于至少一个最小阈值，则电荷泵控制器可以改变用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”或电荷泵的总泵浦电容。
电荷泵控制器106可以确定电荷泵104在时间周期期间被加电的时间量并按照电荷泵被加电的时间量与时间周期的比来计算电荷泵的占空比。在一个实施例中，电荷泵控制器计算时间周期与单位时钟周期的比。时间周期可以是用于驱动电荷泵控制器的时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期。单位时钟周期可以是来自时钟电路102的时钟信号“CLK”的一个时钟周期。在该实施例中，对于时间周期内的每个单位时钟周期来讲，电荷泵控制器确定电荷泵是否被加电并且如果电荷泵被加电的话则将计数器值加一。电荷泵控制器按照计数器值与时钟频率比的比值来计算占空比。然而，在其它实施例中，采用不同地方式来计算或确定电荷泵的占空比。如果电荷泵的占空比在时间周期内大于至少一个最大阈值(一个最大阈值或最大阈值的集合)或小于至少一个最小阈值(一个最小阈值或最小阈值的集合)，则电荷泵控制器可以改变电荷泵的时钟频率或电荷泵的总泵浦电容。例如，高于至少一个最大阈值的占空比指示电荷泵过于弱以及需要设置较高的时钟频率或较大的总泵浦电容，而低于至少一个最小阈值的占空比指示电荷泵过强以及需要设置较低的时钟频率或较小的总泵浦电容。如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则电荷泵控制器提高电荷泵的时钟频率或电荷泵的总泵浦电容，并且如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则电荷泵控制器降低电荷泵的时钟频率或电荷泵的总泵浦电容。
在一些实施例中，电荷泵控制器106基于电荷泵的操作状态以步进的方式(即一步接一步地或一个设置接着一个设置地)调整/移位用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的至少一个频率设置(也被称为电荷泵的时钟频率设置)和电荷泵104的电容设置。例如，电荷泵控制器106可以按照固定增量的步长来调整电荷泵104的设置。电荷泵控制器可以定义或获得电荷泵的时钟频率设置和电容设置的多个强度级别。每个强度级别包括电荷泵的时钟频率和总泵浦电容的唯一组合。在一个实施例中，电荷泵控制器基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比并且基于电荷泵在时间周期内的占空比改变电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别。时钟周期可以是用于驱动电荷泵控制器时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期。如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值或小于至少一个最小阈值，则电荷泵控制器可以将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中的不同强度级别。例如，如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则电荷泵控制器将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的当前强度级别改变为强度级别中的具有电荷泵的较高时钟频率或电荷泵的较大总泵浦电容的不同强度级别。如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则电荷泵控制器将当前强度级别改变为强度级别中的具有电荷泵的较低时钟频率或电荷泵的较小总泵浦电容的不同强度级别。
图2示出了图1所示的电荷泵电路108的实施例。在图2所示的实施例中，电荷泵电路208包括电荷泵204和电荷泵控制器206。图2所示的电荷泵电路208是图1所示的电荷泵电路108的一种可能实施例。然而，图1所示的电荷泵电路108不限于图2中示出的实施例。
电荷泵204是DC到DC电压转换器电路，其包括开关模块222和包括多个电容器228的电容器模块/组(bank)224。开关模块包括一个或多个开关器件，例如NMOS晶体管或PMOS晶体管。开关模块222被配置为对电容器模块中的电容器228进行充电或放电，以根据输入电压生成期望的输出电压。电荷泵204的输出电压可以高于、等于或低于电荷泵204的输入电压。电容器模块可以为电荷泵204提供可变电容。在图2所示的实施例中，电容器模块包括四个开关226-1、226-2、226-3、226-4以及具有相等电容的四个电容器228-1、228-2、228-3、228-4。然而，在其它实施例中，电容器模块可包括多于四个电容器/开关或少于四个电容器/开关。在一些实施例中，电容器模块可包括具有不同电容的电容器。
在图2所示的实施例中，电容器模块224的电容器228彼此并联。通过接通或关断电容器模块中的开关226，相应的电容器228被启用或禁用。例如，如果电容器模块中只有一个开关接通，而电容器模块中的其它三个开关关断，则只启用电容器模块中的一个电容器228，电容器模块中的其它三个电容器都被禁用。在这种情况中电容器模块224的电容等于一个电容器228-1、228-2、228-3或228-4的电容“C”。如果电容器模块中的所有模块都接通，则电容器模块中的所有四个电容器228都被启用。在这种情况中，电容器模块224的电容等于“4×C”，这是一个电容器228-1、228-2、228-3或228-4的电容“C”的四倍。
电荷泵控制器206监控电荷泵204的动作并调整/移位电荷泵的至少一个设置。在图2所示的实施例中，电荷泵控制器206包括监控器模块232、分频器234和控制器模块236。尽管图2所示的电荷泵控制器206被示为包括某些组件，但在一些实施例中，电荷泵控制器206包括用于实现更少或更多功能的更少或更多的组件。例如，电荷泵控制器206可以包括多个分频器或分频器和倍频器的组合。
监控器模块232监控电荷泵204的加电状态并为控制器模块236生成加电状态信号。监控器模块可以包括电压传感器或电流传感器。在图2所示的实施例中，监控器模块包括电压传感器238，电压传感器238被配置为监控电荷泵204的输出电压，以确定电荷泵204是否被加电。例如，如果输出电压在一个时间周期内高于预定义电压阈值(例如零)，则电压传感器确定在该时间周期内电荷泵204被加电。
分频器234根据来自时钟电路102(图1所示)的时钟信号(具有频率“fCLK”)生成用于驱动电荷泵控制器206的控制器模块236的时钟信号“CLK_GB”(具有频率“fCLK_GB”)和用于驱动电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”(具有频率“fCLK_PUMP”)。时钟信号“CLK_GB”的频率“fCLK_GB”通常是时钟信号“CLK”的频率“fCLK”的一部分。时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”可以与时钟信号“CLK”的频率“fCLK”相同或者是其一部分。在一些实施例中，电荷泵控制器206可包括针对控制器模块236生成时钟信号“CLK_GB”的第一分频器和针对电荷泵204生成时钟信号“CLK_PUMP”的第二分频器。
控制器模块236被配置为通过控制电荷泵204的分频器234和/或电容器模块224，基于来自监控器模块232的加电状态信号来调整电荷泵204的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。在图2所示的实施例中，控制模块生成控制信号，该控制信号用于控制分频器改变用于驱动电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”或保持频率“fCLK_PUMP”相同(不变)。此外，通过接通或关断开关226以便启用或禁用相应的电容器228，控制器模块控制电荷泵204的电容器模块。
控制器模块236基于电荷泵204在时间周期内的加电状态计算电荷泵204在时间周期内的占空比。在一些实施例中，如果电荷泵204的经过计算的占空比在控制器模块的时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期内大于最大阈值或小于最小阈值，则控制模块改变用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”或电荷泵的总泵浦电容。如果计算的占空比大于最大阈值，则控制器模块提高用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”或电荷泵204的总泵浦电容。如果经过计算的占空比小于最小阈值，则控制器模块降低用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”或电荷泵的总泵浦电容。例如，如果经过计算的占空比大于最大阈值，则电荷泵被确定为过弱。在这种情况中，控制器通过控制分频器234降低分频器的分频因子或者通过旁路分频器234来提高用于驱动电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”的频率，以使得电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”与来自时钟电路102的时钟信号“CLK”具有相同的频率。通过将之前关断的一个或多个开关226接通以启用一个或多个相应的电容器228，控制器模块增加电荷泵204的总泵浦电容。如果过计算的占空比小于最小阈值，则电荷泵被确定为过强。在这种情况中，控制器通过控制分频器234提高分频器的分频因子(例如从1增加到4，以使得时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”降低75％)或者通过停止旁路分频器234来降低用于驱动电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”的频率，以使得电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”比来自时钟电路102的时钟信号“CLK”具有较低的频率。通过将之前接通的一个或多个开关226关断以禁用一个或多个相应的电容器228，控制器模块减少电荷泵204的总泵浦电容。如果经过计算的占空比在最小阈值和最大阈值之间，控制器模块可保持用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”和电荷泵的总泵浦电容相同(不变)
在一些实施例中，控制器模块236计算电荷泵204在控制器模块的时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期内的占空比。控制器模块计算时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期与单位时钟周期(即来自时钟电路102的时钟信号“CLK”的一个时钟周期)的时钟频率比值。对于时钟信号“CLK_GB”的时钟周期内的每个单位时钟周期，控制器模块可以确定电荷泵204是否被加电，并且如果电荷泵204被加电则使计数器值加一。控制器模块按照计数器值与时钟频率比值的比值来计算占空比。
参照图3描述了由控制器模块236计算电荷泵204的占空比的示例操作。具体地，图3示出了来自时钟电路102的输入时钟信号“CLK”、用于驱动控制器模块236的时钟信号“CLK_GB”和来自监控器模块232的电荷泵加电状态信号的波形的示例。在图3所示的实施例中，加电状态信号的高边沿“1”指示电荷泵204被加电以及加电状态信号的低边沿“0”指示电荷泵204被断电。如图3所示，电荷泵204被加电时钟信号“CLK”的12个时钟周期“TU”。控制器模块对电荷泵204被加电的时钟信号“CLK”的时钟周期“TU”的数量进行计数，并且递增地将加电计数器值增加到12。如图3所示，时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期“TGB”等于时钟信号“CLK”的一个时钟周期“TU”的16倍。控制器模块按照时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期“TGB”与一个时钟周期“TU”的比值来计算时钟频率比值。控制器模块将电荷泵204在时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期“TGB”期间的占空比计算为等于电荷泵204被加电的时钟信号“CLK”的时钟周期“TU”的数量与控制器时钟信号“CLK_GB”和输入时钟信号“CLK”之间的时钟频率比值的比值。在图3所示的实施例中，电荷泵204在时钟信号“CLK_GB”的时钟周期“TGB”期间的占空比是12/16(等于75％)。
转到图2，控制器模块236以步进的方式调整/移位用于驱动电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”和/或电荷泵的电容器模块224的电容器228的总电容。控制器模块定义或获得电容器模块224的总电容和频率“fCLK_PUMP”的多个强度级别(还被称为档位)。每个强度级别包括用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”与电容器模块的总电容的唯一组合。例如，控制器模块定义或获得五个强度级别，其中包括：第一强度级别(档位0)，其中电荷泵的频率“fCLK_PUMP”等于时钟信号“CLK”的频率“fCLK”的四分之一，以及电容器模块的总电容等于一个电容器228的电容“C”；第二强度级别(档位1)，其中频率“fCLK_PUMP”等于频率“fCLK”的二分之一，以及电容器模块的总电容等于一个电容器228的电容“C”；第三强度级别(档位2)，其中频率“fCLK_PUMP”等于频率“fCLK”，以及电容器模块的总电容等于一个电容器228的电容“C”；第四强度级别(档位3)，其中频率“fCLK_PUMP”等于频率“fCLK”，以及电容器模块的总电容等于一个电容器228的电容“C”的两倍；以及第五强度级别(档位4)，其中频率“fCLK_PUMP”等于频率“fCLK”，以及电容器模块的总电容等于一个电容器228的电容“C”的四倍。
基于电荷泵204在控制器模块236的时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期内的占空比，控制器模块改变电荷泵204的当前强度级别或保持电荷泵的当前强度级别相同(不变)。如果电荷泵的占空比大于最大阈值或最大阈值的集合，或小于最小阈值或最小阈值的集合，则控制器模块将电荷泵的强度级别改变为不同的强度级别(其可以是紧接着的下一个强度级别或其它合适的强度级别)。如果电荷泵的占空比大于最大阈值，则确定电荷泵过弱。在这种情况中，控制器模块将电荷泵204的当前强度级别改变为具有较高频率“fCLK_PUMP”或电荷泵的较大总电容的不同强度级别(其可以是紧接着的下一个强度级别或其它合适的强度级别)。例如，如果电荷泵的占空比大于最大阈值，则控制器模块将电荷泵的强度级别从档位1改变到档位2或档位3。如果电荷泵的占空比小于最小阈值，则确定电荷泵过强。在这种情况中，控制器模块将电荷泵204的当前强度级别改变为具有较低频率“fCLK_PUMP”或电荷泵的较小总电容的不同强度级别(其可以是紧接着的下一个强度级别或其它合适的强度级别)。例如，如果电荷泵的占空比小于最小阈值，则控制器模块将电荷泵的强度级别从档位4改变到档位3或档位2。
参照以下伪码描述由控制器模块236使用的电荷泵控制算法的一种可能实施例。然而，可使用不同的码来实现由控制器模块使用的电荷泵控制算法。电荷泵控制算法在控制器模块236的时钟信号“CLK_GB”的每个时钟周期期间对电荷泵204的动作进行采样。用于驱动控制器模块的时钟信号“CLK_GB”的频率“fCLK_GB”通常是用于驱动电荷泵的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”的一部分。在伪码中，用于驱动电荷泵204的时钟信号“CLK_PUMP”的频率“fCLK_PUMP”被定义为：
fCLK_PUMP＝fCLK×KCLK    (1)
其中，表示时钟信号“CLK”的频率，以及“KCLK”表示时钟信号“CLK_PUMP”的频率与时钟信号“CLK”的频率的频率比值。此外，在伪码中，电荷泵电容的电容系数“KCAP”等于当前电荷泵电容与电容器模块224的电容器228的最大电容的比值。作为示例，等于0.25的电容系数“KCAP”意味着总电荷泵电容是电容器模块的最大电容的四分之一(1/4)(例如，在电容器模块中，四个电容器228只有一个被启用)。
电荷泵强度档位箱
1KCLK＝0.25；//fCLK_PUMP被初始地设为最小频率
2KCAP＝0.25；//电荷泵电容器被初始设为最小尺寸
3           //
4gear＝0；//作为起始点，档位被设为最弱
5Non＝0；//Non对在CLK_GB的一个时钟周期期间泵在多少个
6           //CLK循环是动作的进行计数
7NGB＝fCLK/fCLK_GB；//NGB是CLK与CLK_GB的时钟频率比值
8           //
9DClow_th＝0.32；//这一占空比阈值定义了何时认为泵过强
10          //
11DChigh_th＝0.87；//这一占空比阈值定义了何时认为泵过弱
12          //
13@always(TU_CLK)
14if(pump_on＝1)Non++；//如果泵启动，则Non加一
15@always(TGB_CLK_GB)begin
16DC＝Non/NGB；//每个CLK_GB周期，按照Non和NGB之间的
17          //比值来计算电荷泵的占空比
18if(DC＜DClow_th&&gear＞0)；//泵过强
19gear--；//将档位向下移位1
20else if(DC＞DChigh_th&&gear＜4)；//泵过弱
21gear++；//将档位向上移位1
22Non＝0；//在CLK_GB周期的结尾重置Non
23case(gear)begin
24  4：KCLK＝1.00；KCAP＝1.00；//最强档位
25  3：KCLK＝1.00；KCAP＝0.50；
26  2：KCLK＝1.00；KCAP＝0.25；
27  1：KCLK＝0.5；KCAP＝0.25；
28  0：KCLK＝0.25；KCAP＝0.25；//最弱档位
29  end
在以上的伪码中，频率比值“KCLK”和电容系数“KCAP”被初始设为最小值，电荷泵204的档位/强度级别“gear”和加电计数器值“Non”被初始设为0，以及设置了电荷泵的占空比的最大阈值和最小阈值“DChigh_th”、“DClow_th”。计算输入时钟信号“CLK”和控制器时钟信号“CLK_GB”之间的频率比值“NGB”。定义了具有频率比值“KCLK”和电容系数“KCAP”的不同组合的电荷泵的五个档位/强度级别(0、1、2、3、4)。档位/强度级别4被认为是五个档位中的最强档位，其具有等于1的频率比值“KCLK”和等于1的电容系数“KCAP”。档位/强度级别0被认为是五个档位中的最弱档位，其具有等于0.25的频率比值“KCLK”和等于0.25的电容系数“KCAP”。尽管伪码包括电荷泵的五个档位/强度级别，但在其它实施例中，电荷泵的所需档位/强度级别的数量可以大于或小于5。
在时钟信号“CLK”的每个时钟周期内，如果电荷泵被加电(即pump_on值等于1)，则加电计数器值“Non”加一。在控制器时钟信号“CLK_GB”的每个时钟周期的结尾或开始处，计算电荷泵的占空比“DC”并且根据占空比使电荷泵的档位/强度级别保持相同或上移/下移。在控制器时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期内，按照加电计数器值“Non”与频率比值“NGB”的比值计算电荷泵的占空比“DC”。如果电荷泵的占空比“DC”小于最小阈值“DClow_th”且电荷泵的档位/强度级别“gear”高于0，则电荷泵的当前档位/强度级别“gear”减少/向下移位1。如果电荷泵的占空比“DC”大于最大阈值“DChigh_th”且电荷泵的档位/强度级别“gear”低于4，则电荷泵的当前档位/强度级别“gear”曾加/向上移位1。随着档位/强度级别被移位/保持，通过频率比值“KCLK”和电容系数“KCAP”来修改用于驱动电荷泵的时钟信号的频率和电荷泵电容。在控制器时钟信号“CLK_GB”的时钟周期的结尾将加电计数器值“Non”重置为0。
图4是示出了由图2所示的控制器模块236使用的电荷泵控制算法的操作的流程图。在步骤400，控制器模块开始操作。在步骤402，控制器模块执行初始设置。在步骤404，在来自控制器时钟信号“CLK_GB”的一个时钟周期的时钟电路102的输入时钟信号“CLK”的每个时钟周期内，控制器模块检查电荷泵204是否被加电。在步骤406，如果电荷泵204被加电，则控制器模块使加电计数器值加一。在步骤408，如果电荷泵204被断电或在递增加电计数器值之后，控制器模块检查来自时钟电路102的输入时钟信号“CLK”的当前时钟周期是否是控制器时钟信号“CLK_GB”的时钟周期中的最后一个时钟周期。如果来自时钟电路102的输入时钟信号“CLK”的当前时钟周期是控制器时钟信号“CLK_GB”的时钟周期中的最后一个时钟周期，则在步骤410，控制器模块计算电荷泵在控制器时钟信号“CLK_GB”的时钟周期中的占空比。在步骤412，控制器模块检查占空比是否低于最小阈值以及电荷泵的当前档位/强度级别是否高于最小档位/强度级别。如果占空比低于最小阈值且电荷泵的当前档位/强度级别高于最小档位/强度级别，则在步骤414，控制器模块使电荷泵的当前档位/强度级别减少/下移1。否则，在步骤416，控制器模块检查占空比是否高于最大阈值以及电荷泵的当前档位/强度级别是否低于最大档位/强度级别。如果占空比高于最大阈值且电荷泵的当前档位/强度级别低于最大档位/强度级别，则在步骤418，控制器模块使电荷泵的当前档位/强度级别增加/上移1。随后，在步骤420，控制器模块将加电计数器值重置为零，并且返回步骤404，以重复调整电荷泵的设置的处理。在步骤422，控制器模块终止操作。
图5示出了处于图2所示的电荷泵204的不同档位/强度级别的操作参数的一些示例。在图5所示的实施例中，定义了具有频率比值“KCLK”和归一化(normalized)电容系数“KUCAP”的不同组合的电荷泵的五个档位/强度级别(0、1、2、3、4)。档位/强度级别4被认为是五个档位中的最强档位，其具有等于1的频率比值“KCLK”和等于4的统一(uniform)电容系数“KUCAP”。在档位/强度级别4下，电荷泵的归一化输出电压纹波“KVout_ripple”、平均输入电流“KIin_avg”、输入电流峰值“KIin_peak”等于1。档位/强度级别0被认为是五个档位中的最弱档位，其具有等于0.25的频率比值“KCLK”和等于1的归一化电容系数“KUCAP”。在档位/强度级别0下，电荷泵的归一化输出电压纹波“KVout_ripple”、平均输入电流“KIin_avg”、输入电流峰值“KIin_peak”分别等于1/4、1/16、1/4。因此，可通过电荷泵控制器206来使得电荷泵的输出电压纹波“KVout_ripple”、平均输入电流“KIin_avg”、输入电流峰值“KIin_peak”衰减。电荷泵控制器使电荷泵的强度适应PVT条件、负载电容和泄漏电流，并降低输出电压纹波以及电流峰值。使用电荷泵控制器，电荷泵的平均输入电流消耗可以低至4毫安(mA)。因此，与需要大尺度的电源开关和解耦电容器的传统电荷泵相比，电荷泵204只需要小型的解耦电容器和小型的电源开关。此外，电荷泵204不需要附加的低压降调节器(LDO)来将电源电压调节到可接受的电平。
图6示出了图2所示的控制器模块236的实施例。在图6所示的实施例中，控制器模块636包括处理器642和存储将由处理器执行的指令(例如编程代码)的存储介质644。处理器可以是多功能处理器和/或专用处理器。处理器可以是微处理器，例如为电荷泵控制器206提供微指令和数据处理能力的中央处理单元(CPU)。存储介质可以是电、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或装置或器件)、或传播介质。存储介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和闪存。图6所示的控制器模块636是图2所示的控制器模块236的一种可能实施例。然而，图2所示的控制器模块236不限于图6所示的实施例。
图7是示出了根据本发明实施例的用于控制电荷泵的方法的处理流程图。电荷泵可以与图1所示的电荷泵104和/或图2所示的电荷泵204相同或相似。在方框702，监控电荷泵的加电状态。在方框704，基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比。在方框706，基于电荷泵的占空比调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。
尽管在这里按照特定的顺序对所述方法的操作进行了示出和描述，但是可对所述方法的操作顺序进行修改，以使得可按照相反的顺序执行某些操作或可使得某些操作至少部分地与其它操作同时执行。在另一实施例中，可通过间歇和/或交替的方式来实现不同操作的子操作或指令。
此外，尽管本发明的具体实施例被描述或示出为包括这里所示的若干组件，但是本发明的其它实施例还可包括更多或更少的组件，以实现更多或更少的特征。
此外，尽管描述或示出了本发明的具体实施例，但是本发明不限于所描述或示出的部件的具体形式或布置。本发明的范围由所附的权利要求及其等同来限定。

Claims (20)

1.一种用于控制电荷泵的方法，所述方法包括：
监控电荷泵的加电状态；
基于电荷泵的加电状态，计算电荷泵在时间周期内的占空比；以及
基于电荷泵的占空比，调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间周期是时钟信号的一个时钟时间周期的倍数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间周期是第一时钟信号的一个时钟时间周期，所述第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率不相关。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于加电状态计算电荷泵的占空比包括：
确定在所述时间周期期间电荷泵被加电的时间量；以及
按照电荷泵被加电的时间量与所述时间周期的比值计算占空比。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个包括：如果电荷泵在所述时间周期内的占空比大于至少一个最大阈值或小于至少一个最小阈值，则改变用于驱动电荷泵的时钟信号的频率或电荷泵的总泵浦电容。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，改变用于驱动电荷泵的时钟信号的频率或电荷泵的总泵浦电容包括：
如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则增加用于驱动电荷泵的时钟信号的频率或电荷泵的总泵浦电容；以及
如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则减少用于驱动电荷泵的时钟信号的频率或电荷泵的总泵浦电容。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
定义或获得电荷泵的时钟频率设置和电容设置的多个强度级别，其中每个强度级别包括用于驱动电荷泵的时钟信号的频率和电荷泵的总泵浦电容的唯一组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个包括：
基于电荷泵在所述时间周期内的占空比，改变电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，改变电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别还包括：如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值或小于至少一个最小阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中的不同强度级别。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个包括：
如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的当前强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较高频率或电荷泵的较大总泵浦电容的不同强度级别；以及
如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则将当前强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较低频率或电荷泵的较小总泵浦电容的不同强度级别。
11.一种用于电荷泵的控制设备，所述控制设备包括：
监控器模块，配置为监控电荷泵的加电状态；以及
控制器模块，配置为基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比，并基于电荷泵的占空比调整电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的控制设备，其中，所述时间周期是时钟信号的一个时钟时间周期的倍数。
13.根据权利要求11所述的控制设备，其中，所述时间周期是第一时钟信号的一个时钟时间周期，第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率不相关。
14.根据权利要求11所述的控制设备，其中，所述控制器模块还配置为：如果电荷泵的占空比在所述时间周期内大于至少一个最大阈值或小于至少一个最小阈值，则改变用于驱动电荷泵的时钟信号的频率或电荷泵的总泵浦电容。
15.根据权利要求11所述的控制设备，其中，所述控制器模块还被配置为：
定义或获得电荷泵的时钟频率设置和电容设置的多个强度级别，其中每个强度级别包括用于驱动电荷泵的时钟信号的频率和电荷泵的总泵浦电容的唯一组合。
16.根据权利要求15所述的控制设备，其中，所述控制器模块还被配置为：
基于电荷泵在所述时间周期内的占空比，改变电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别。
17.根据权利要求16所述的控制设备，其中，所述控制器模块还被配置为：如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值或小于至少一个最小阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中的不同强度级别。
18.根据权利要求15所述的控制设备，其中，所述控制器模块还被配置为：
如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置中的当前强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较高频率或电荷泵的较大总泵浦电容的不同强度级别；以及
如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则将当前强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较低频率或电荷泵的较小总泵浦电容的不同强度级别。
19.一种包括权利要求11中的控制设备和电荷泵的集成电路设备。
20.一种用于控制电荷泵的方法，所述方法包括：
获得电荷泵的时钟频率设置和电容设置的多个强度级别，其中每个强度级别包括用于驱动电荷泵的时钟信号的频率和电荷泵的总泵浦电容的唯一组合；
基于电荷泵的加电状态计算电荷泵在时间周期内的占空比；
如果电荷泵的占空比小于至少一个最小阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较低频率或电荷泵的较小总泵浦电容的不同强度级别；
如果电荷泵的占空比大于至少一个最大阈值，则将电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别改变为强度级别中具有用于驱动电荷泵的时钟信号的较高频率或电荷泵的较大总泵浦电容的不同强度级别；以及
如果电荷泵的占空比小于至少一个最大阈值且大于至少一个最小阈值，则保持电荷泵的时钟频率设置和电容设置的强度级别不变。
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