CN107872152A - 电源管理电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电源管理电路，该电路包括：振荡器电路、电荷泵电路和负反馈电路；振荡器电路与电荷泵电路相连，负反馈电路分别与振荡器电路、电荷泵电路相连；振荡器电路，用于根据输入电压生成2个相反的时钟信号给电荷泵电路；电荷泵电路，用于根据振荡器电路生成的2个相反的时钟信号对输入电压进行升压并输出；负反馈电路，用于对电荷泵电路的输出电压进行稳压并输出反馈信号，反馈信号用于控制振荡器电路工作。本发明实施例同时还提供一种电源管理电路的实现方法。

Description

电源管理电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种电源管理电路及其实现方法。

背景技术

如今，芯片的应用越来越广泛，小到一个微型的信号追踪器，大到宇宙空间站，芯片在各个应用领域，发挥着至关重要的作用。然而芯片的工作离不开电源的供给，对于大多数装置，我们可以通过更换电池为芯片提供持续的电源供给，但对于某些特殊装置，例如植入式医疗器械、动物追踪装置等，通过更换电池为芯片提供持续的电源供给几乎是不可能实现的。但是芯片工作所处的环境大多有可利用的能量，如：电磁波、光能、震动、温度变化等，我们可以通过某种方式将这些能源收集，进而转化为电能，如：利用温差发电的微型热能电池，个别的太阳能电池，微生物燃料电池，利用建筑物自身的极微小振动获得电能来监控房间温度的装置，从而不仅可以解决芯片无法实现供能的问题，而且也能减少低压电池的使用频率，再比如在蓝牙耳机中，现有电池的续航时间非常短，而由于成本和便携性的需求，蓝牙耳机又可能配备高性能的电池或大体积的电池，因此如果能利用环境能源收集进行自供电，可以很大程度上节省电池电量的消耗甚至可以完全代替电池。

然而在实际操作中，通过能源收集所得到的电能并不理想，收集的能源所提供的输出电压通常很低，往往需要采用变频电源管理电路转换到一个更高的电源电压才能进行使用。在最先进的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)工艺下，即使金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，简称：MOSFET)的阈值电压已经能够达到低于400mV，对于0.5V下运行高性能的电路仍然是一个非常艰难的任务。因此，所收集的能源并不能直接作为芯片的供电源，还是需要进行升压、整流和稳压。那么这时候，一个我们就需要一个电路对这些低压能源进行整流，升压和稳压，才能供给芯片工作。现有技术中往往通过升压转换器电路对输入电压进行升压，然而这些升压转换器需要通过一些特殊的结构如额外的高电池电压和机械振荡开关来实现，结构十分复杂，实现困难。因此，如何简单、便捷地对环境中收集到的低压不稳定能源进行升压和稳压，以得到一个可以供给芯片工作的稳定电压是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种电源管理电路及其实现方法，以简单、便捷地对环境中收集到的低压不稳定能源进行升压和稳压，从而得到一个可以供给芯片工作的稳定电压。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种电源管理电路，包括：振荡器电路、电荷泵电路和负反馈电路；所述振荡器电路与所述电荷泵电路相连，所述负反馈电路分别与所述振荡器电路、所述电荷泵电路相连；

所述振荡器电路，用于根据输入电压生成2个相反的时钟信号给所述电荷泵电路；

所述电荷泵电路，用于根据所述振荡器电路生成的2个相反的时钟信号对所述输入电压进行升压并输出；

所述负反馈电路，用于对所述电荷泵电路的输出电压进行稳压并输出反馈信号，所述反馈信号用于控制所述振荡器电路工作。

如上所述的电源管理电路，所述负反馈电路为零温度系数负反馈电路。

如上所述的电源管理电路，所述振荡器电路包括环形振荡器电路和线性振荡器电路，所述环形振荡器电路由13个反相器组成，用于自激振荡生成一个第一时钟信号；所述线性振荡器电路用于将所述第一时钟信号分成2个相位相差180°的第二时钟信号。

如上所述的电源管理电路，所述第一时钟信号频率为8.14MHz。

如上所述的电源管理电路，所述电荷泵电路为6级Pelliconi电荷泵电路。

一种电源管理电路的实现方法，包括：

根据输入电压生成2个相反的时钟信号；

根据所述2个相反的时钟信号对所述输入电压进行升压并输出；

对输出电压进行稳压并输出反馈信号，所述反馈信号用于控制所述输入电压。

本发明实施例提供的电源管理电路，包括：振荡器电路、电荷泵电路和负反馈电路；振荡器电路与电荷泵电路相连，负反馈电路分别与振荡器电路、电荷泵电路相连；振荡器电路，用于根据输入电压生成2个相反的时钟信号给电荷泵电路；电荷泵电路，用于根据振荡器电路生成的2个相反的时钟信号对输入电压进行升压并输出；负反馈电路，用于对电荷泵电路的输出电压进行稳压并输出反馈信号，反馈信号用于控制振荡器电路工作。实现以简单、便捷地对环境中收集到的低压不稳定能源进行升压和稳压，进而得到一个可以供给芯片工作的稳定电压的目的。

附图说明

图1为本发明电源管理电路实施例的结构示意图；

图2为本发明振荡器电路的结构示意图；

图3为本发明电荷泵电路的结构示意图；

图4为本发明零温度系数负反馈电路的结构示意图；

图5为本发明零温度系数负反馈电路第一部分的结构示意图；

图6为本发明零温度系数负反馈电路第二部分的结构示意图；

图7为本发明零温度系数负反馈电路第三部分的结构示意图；

图8为本发明零温度系数负反馈电路第四部分的结构示意图；

图9为本发明电源管理电路的实现方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了避免使用额外的结构来增加成本和工艺难度，本发明提供的电源管理电路通过标准CMOS工艺实现。

图1为本发明电源管理电路实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的电源管理电路包括：振荡器电路、电荷泵电路和负反馈电路；振荡器电路与电荷泵电路相连，负反馈电路分别与振荡器电路、电荷泵电路相连；

振荡器电路，用于根据输入电压生成2个相反的时钟信号给电荷泵电路；电荷泵电路，用于根据振荡器电路生成的2个相反的时钟信号对输入电压进行升压并输出；负反馈电路，用于对电荷泵电路的输出电压进行稳压并输出反馈信号，反馈信号用于控制振荡器电路工作。

需要说明的是，负反馈电路为零温度系数负反馈电路。

图2为本发明振荡器电路的结构示意图，如图2所示，振荡器电路包括环形振荡器电路和线性振荡器电路，环形振荡器电路由13个反相器组成，用于自激振荡生成一个第一时钟信号；线性振荡器电路用于将第一时钟信号分成2个相位相差180°的第二时钟信号。其中，第一时钟信号频率为8.14MHz。

还需要说明的是，电荷泵电路为6级Pelliconi电荷泵电路。图3为本发明电荷泵电路的结构示意图，如图3所示，命名靠近时钟信号CLK₁的N型金属-氧化物-半导体(N-Metal-Oxide-Semiconductor，简称NMOS)分别为M_n1、M_n3、M_n5、M_n7、M_n9、M_n11，P型金属-氧化物-半导体(P-Metal-Oxide-Semiconductor，简称PMOS)分别为M_p1、M_p3、M_p5、M_p7、M_p9、M_p11；命名靠近时钟信号CLK₂的NMOS分别为M_n2、M_n4、M_n6、M_n8、M_n10、M_n12，PMOS分别为M_p2、M_p4、M_p6、M_p8、M_p10、M_p12。当时钟信号CLK₁为高电平，时钟信号CLK₂为低电平的时候，M_p1和M_n4打开，从节点A₁到节点B₂，电压从V_DD上升到2V_DD；当时钟信号CLK₁为低电平，时钟信号CLK₂为高电平的时候，M_p2和M_n3打开，从节点A₂到节点B₁，电压从V_DD上升到2V_DD。每一级的作用相同，都可以将电压提升一个V_DD，以此类推，在最后的输出端，电压将会提升到6V_DD，从而实现对低电压的升压。

图4为本发明零温度系数负反馈电路的结构示意图，假设模拟输入的环境电压为400mV—800mV的低电压，输出端要得到一个1V的稳定电压，精度设计在3％误差范围之内，而且能够驱动1nF的电容，下面对本发明零温度系数负反馈电路的工作原理进行说明。由于这部分电路结构较为复杂，将分为四部分电路进行描述。图5为本发明零温度系数负反馈电路第一部分的结构示意图，图6为本发明零温度系数负反馈电路第二部分的结构示意图，图7为本发明零温度系数负反馈电路第三部分的结构示意图，图8为本发明零温度系数负反馈电路第四部分的结构示意图。

如图5所示，V_cc是电荷泵的输出电压V_out，也就是零温度系数负反馈电路的输入电压，V_cc从零伏开始上升，按照电荷泵电路的设计，如果不考虑负载以及电路的损耗，理论上V_cc将会上升到6V_cc，这样显然是不满足要求的，负反馈电路就是在V_cc上升到1V以上的时候开始工作，反馈给回路一个信号，使电荷泵电路停止工作，从而电压停止上升。

V_cc从零伏开始上升，一开始V_cc的电压非常低，低于M_N1的阈值电压，因此M_N1其实处于关断状态，下面的R₇也不生成作用，B点的电压为零伏，低于M_N2和M_N3的阈值电压，M_N2和M_N3也处于关断状态。此时A点的电压即为V_cc。又因为M_N1和M_N3都是关断的，M_P1也没有电流可以下来，整个电路在V_cc小于M_N1的阈值电压的时候完全不工作。

当V_cc大于M_N1的阈值电压时，M_N1导通，可以看到M_P1->M_N1->R₇这条支路开始工作，有电流下来。M_P1->M_N1->R₇支路的电流是从零开始上升的，也就是说刚开始通过M_P1->M_N1->支路的电流非常小，将该电流记为I_b。I_b非常小的时候，流过R₇以及导通后阻抗非常小的M_N1生成的电压V_C也很低，那么M_P1的阻抗就很小，促使电流I_b增大。此时，I_b很小，V_B＝I_bR₇也很小，小于M_N1和M_N3的阈值电压，M_N1和M_N3保持关断。

然后V_cc继续增大，I_b也逐渐增大，V_C也随之增大，又因为V_C控制M_P1的栅极，V_C增大会导致M_P1的阻抗增大，反而会减小I_b，最终会达到一个平衡点。而I_b流过R₇生成的电压V_B上升也会户而来越慢，最终趋向稳定。

如图6所示，V_X＝V_BE1，V_Y＝V_BE2+V_R1，其中V_BE1和V_BE2即为三极管Q₁和Q₂的发射级电压。因为PMOS管M_P1和M_P2的规格相同，那么从M_P9和M_P2管向下流的电流I₁和I₂相同，令I₁＝I₂＝I，可以得到V_X＝V_Y。又设计R₂＝R₄、R₃＝R₅，那么流过R₂、R₃的电流I(R₂，R₃)＝I(R₄，R₅)。所以流过Q₁的电流I_Q1和流过Q₂的电流I_Q2相同，定义I_Q1＝I_Q2＝I_Q。很显然，因为V_X＝V_Y，I_Q1＝I_Q2，所以V_BE1＝V_X＝V_Y＝V_BE2+I_Q2R₁＝V_BE2+I_QR₁，得到ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2＝I_QR₁。由带隙基准原理可知，V_BE是一个负温度系数的电压，而ΔV_BE是一个正温度系数的电压，ΔV_BE＝I_QR₁，V_BE1＝V_X＝(I-I_Q)(R₄+R₅)，结合两式得那么只要适当调整R₁和R₄+R₅的比例就可以得到一个零温度系数的电流I。

如图7所示，V₁和V₂分别作为比较器的2个输入端。V₁和V₂分别控制两个PMOS的栅极，因为V₁<V₂。那么V₁控制的PMOS导通性比V₂控制的PMOS好，从而导致流过比较器左边支路的电流大于右边支路。从左支路引出的电压为一个高电平。这个高电平大于其控制的NMOS的阈值电压，M_N6导通。结合图8，当V_cc超过1V的时候，M_N4，M_N5，M_N6，M_N7均导通，O点得到一个低电平，通过一个反相器之后，负反馈电路输出一个高电平，从而达到设计要求。

如图8所示，当V_cc较低的时候，通过M_P5，R₈的电流I_s较小，U点电压V_U＝I_s R₈也较低。M_P3将电流I_s镜像过来，一开始的V_cc不高，D点电压也不高，都没有超过阈值电压，M_N4、M_N5和M_N7都没有导通。V_cc较低的时候，流过带隙基准的电流I不大，可以认为是理想的情况，即V_X＝V_Y，又因为电阻R₂＝R₄、R₃＝R₅，那么R₂和R₃之间的电压V₂与R₄和R₅之间的电压V₁是相同的。结合图4至图6部分零温度系数负反馈电路，比较器输出电压V_com是低电平，V_com控制M_N6的栅极，此时M_N6也未导通，那么O点电压V_O是一个高电平，通过反相器后，负反馈电路输出一个低电平。

当V_cc逐渐升高，带隙基准中的电流增大，出现非理想情况，V₁和V₂开始出现差异，比较器输出一个高电平V_com，此时V_com大于M_N6的阈值电压，M_N6导通。但此时V_cc尚未上升到1V，我们需要负反馈输出一个低电平来确保电荷泵继续工作升压，那么为了使得O点电压V_O为高电平，我们用到了M_N4，M_N5和M_N7。由于M_N4和M_N5的参数规格相同，那么D点电压为M_N4栅极电压的一般，也就是说即使电流变大一些导致M_N4栅极电压超过一阈值电压，但只要没有超过2倍的阈值电压，D点电压仍然不足以使得M_N7导通，所以O的仍然保持一个高电平，满足了负反馈电路在V_cc小于1V之前输出一个低电平的要求。

本实施例提供的电源管理电路，振荡器电路生成2个相反的时钟信号给电荷泵电路，电荷泵电路根据振荡器电路生成的2个相反的时钟信号对输入电压进行升压，零温度系数负反馈电路对电荷泵电路的输出电压进行稳压，从而实现以简单、便捷地对环境中收集到的低压不稳定能源进行升压和稳压，进而得到一个可以供给芯片工作的稳定电压的目的。

图9为本发明电源管理电路的实现方法实施例的流程示意图，本发明提供的电源管理电路的实现方法，包括：

步骤11、根据输入电压生成2个相反的时钟信号；

步骤12、根据2个相反的时钟信号对输入电压进行升压并输出；

步骤13、对输出电压进行稳压并输出反馈信号，反馈信号用于控制输入电压。

本实施例提供的电源管理电路的实现方法基于电源管理电路实现，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以生成一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令生成用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令生成包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以生成计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电源管理电路，其特征在于，所述电源管理电路包括：振荡器电路、电荷泵电路和负反馈电路；所述振荡器电路与所述电荷泵电路相连，所述负反馈电路分别与所述振荡器电路、所述电荷泵电路相连；

所述振荡器电路，用于根据输入电压生成2个相反的时钟信号给所述电荷泵电路；

所述电荷泵电路，用于根据所述振荡器电路生成的2个相反的时钟信号对所述输入电压进行升压并输出；

所述负反馈电路，用于对所述电荷泵电路的输出电压进行稳压并输出反馈信号，所述反馈信号用于控制所述振荡器电路工作。

2.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述负反馈电路为零温度系数负反馈电路。

3.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述振荡器电路包括环形振荡器电路和线性振荡器电路，所述环形振荡器电路由13个反相器组成，用于自激振荡生成一个第一时钟信号；所述线性振荡器电路用于将所述第一时钟信号分成2个相位相差180°的第二时钟信号。

4.根据权利要求3所述的电源管理电路，其特征在于，所述第一时钟信号频率为8.14MHz。

5.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述电荷泵电路为6级Pelliconi电荷泵电路。

6.一种电源管理电路的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

根据输入电压生成2个相反的时钟信号；

根据所述2个相反的时钟信号对所述输入电压进行升压并输出；

对输出电压进行稳压并输出反馈信号，所述反馈信号用于控制所述输入电压。