CN109039058B - 一种基于可配置开关电容的电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于可配置开关电容的电压转换器，具有低噪声、小型化、结构简化、灵活性高等优点。所述电压转换器包括第一至第九开关，第一至第二电容以及用于提供时序信号的时钟控制切换单元，其采用了一种创新的时钟控制时序来对电压转换器中的可配置开关电容进行控制，大大减少了电路配置时所需要的时钟控制切换单元的数目，最大程度上减小了由于可配置所带来的效率降低，同时极大地简化了电容开关结构。

Description

一种基于可配置开关电容的电压转换器

技术领域

本发明涉及电源领域，尤其涉及一种基于可配置开关电容的电压转换器。

背景技术

随着集成电路工艺的迅速发展，片上系统(SoC)得到了日益广泛的关注。片上系统是将多个不同功能的模块，比如射频、模拟、数字、混合信号等等集成在同一个晶圆上，这样大大提高了集成度并且降低了成本。不同模块通常需要不同的工作电压，一般来说，射频模拟需要较高的工作电压来实现更高的信噪比，而数字电路需要较低的工作电压来降低数字静态功耗，因此，在SoC芯片上，往往数字电路需要额外的电压转换模块来将片外高电压转换成数字电路所需要的低电压。

传统的电压转换器一般是开关电感型，但开关电感型结构存在几个问题：1)开关电感型结构需要很大数值和高品质因子的电感，该电感往往采用片外贴片的绕线电感来实现，且该电感需要高磁感的磁棒，成本较高；2)片外电感需要至少两个SoC芯片分布在片外的管脚，使得产品定义更加复杂，芯片成本也因此而增加；3)开关电感型结构往往会带来较高的干扰噪声，该噪声一方面可能会通过SoC内部走线影响射频模拟电路的性能，另一方面也会通过片外电感或者金线的电磁场辐射影响SoC整体功能和性能。

因此开关电容型电压转换器提供了另外一种电压转换的思路。开关电容型结构具有几个优点：1)开关电容可以做到芯片内部全集成，无需片外昂贵的电感，简化了管脚定义；2)开关电容引起的电源电压噪声远远小于开关电感型结构。但是开关电容型往往无法实现一个灵活可变的电压转换方案，其输出电压与输入电压比值通常是一个固定值，因而无法做到像开关电感型电压转换结构那样可随着输入电压而变化。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种基于可配置开关电容的电压转换器，实现了电压转换器电路的低噪声、小型化、结构简化、灵活性高等优点。

为了达到本发明目的，本发明实施例提供了一种基于可配置开关电容的电压转换器，其特征在于：

所述电压转换器包括第一至第九开关，第一至第二电容，其连接关系如下：第一开关的第一端和第八开关的第一端分别接电压输入端，第一开关的第二端连接第一电容的第一端以及第二开关的第一端，第二开关的第二端、第九开关的第二端分别接电压输出端；第一电容的第二端分别接第三开关的第一端、第四开关的第一端、第五开关的第一端；第五开关的第二端分别接第六开关的第一端、第七开关的第一端、第二电容的第一端；第三开关的第二端、第六开关的第二端分别接地，第四开关的第二端、第七开关的第二端分别接电压输出端；第二电容的第二端分别接第八开关的第二端、第九开关的第一端；第一至第九开关的控制端分别接收对应的时序控制信号；

所述电压转换器可以工作在两个模式，分别如下：

当工作在第一模式时，第一开关、第四开关、第六开关、第九开关组成第一开关组在第一时序(ψ1)下周期性通断工作，第二开关、第三开关、第七开关、第八开关组成第二开关组在第二时序(ψ2)下周期性通断工作，第五开关保持断开；

当工作在第二模式时，第一开关、第五开关、第九开关组成第一开关组在第一时序(ψ1)下周期性通断工作，第二开关、第三开关、第七开关、第八开关组成第二开关组在第二时序(ψ2)下周期性通断工作，第四开关、第六开关保持断开；

其中，同一时刻下第一开关组的通断状态与第二开关组的通断状态相反。

进一步的，所述第一时序和第二时序反相；并且所述第一时序和第二时序可均为占空比50％的方波。

进一步的，通过调整时序信号的逻辑顺序，设置第一模式的输出电压与输入电压比值为1/2、第二模式的输出电压与输入电压比值为2/3。

进一步的，所述电压转换器还包括一时钟控制切换单元，用于提供第一至第九开关的时序的切换控制，从而实现开关电容的可配置。第一至第九开关的控制端可分别通过一缓冲器接收各自对应的时序控制信号。

进一步的，第一至第九开关采用MOS晶体管实现，其栅极作为控制极。此外，本发明还提供了一种可调压电源芯片，其内部集成有一个或多个上述任一项所述的电压转换器。

本发明提供的技术方案，采用了一种创新的时钟控制时序来对电压转换器中的可配置开关电容进行控制，大大减少了电路配置时所需要的时钟控制切换单元的数目，进而减小了由于可配置切换单元的寄生电容电阻所引起的效率下降。另一方面，输入到输出电压的直接路径无需做任何时钟控制切换，最大程度上减小了由于可配置所带来的效率降低。通过这种简化的时钟控制时序，开关电容结构相对于基础结构也得到了很大的简化。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明一实施例提供的一种基于可配置开关电容的电压转换器的基础结构电路；

图2为本发明一实施例提供的开关电容型电压转换器的具体实现电路；

图3为本发明一实施例提供的改进后的可配置开关电容的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，其示出了一种基于可配置开关电容的电压转换器的基础结构示意图。其中图1左侧是电压转换器的整体结构图，其核心是一个1/2&2/3输出电压输入电压比值可变的开关电容型降压转换电路SCPC，输出输入电压比可选有1/2和2/3。图1右侧是开关电容型降压转换电路降压比值分别取M＝1/2和M＝2/3时的可配置开关电容的具体结构图，实线开关以时序ψ1进行驱动，曲线开关以时序ψ2进行驱动。从图中可以看出：降压比值是1/2时的电路其实是两个上下完全相同的开关电容结构；而降压比值是2/3时，开关的时序被调整从而完成2/3降压转换，其中只有上面三个开关的时序跟降压比值1/2时相同，而其余六个开关的时序需要调整，因此需要额外的六个时钟控制切换单元。

图2为开关电容的具体实现电路图，其中，图2左侧是具体电路结构，图2右侧是时钟控制切换单元。如图所示，第一开关的第一端和第八开关的第一端分别接电压输入端Vin，第一开关的第二端连接第一电容的第一端以及第二开关的第一端，第二开关的第二端、第九开关的第二端分别接电压输出端Vo；第一电容的第二端分别接第三开关的第一端、第四开关的第一端、第五开关的第一端，第五开关的第二端分别接第六开关的第一端、第七开关的第一端、第二电容的第一端，第三开关的第二端、第六开关的第二端分别接地，第四开关的第二端、第七开关的第二端分别接电压输出端Vo；第二电容的第二端分别接第八开关的第二端、第九开关的第一端；第一至第九开关的控制端分别通过一缓冲器接收各自对应的时钟控制信号S1-S9。经由时钟控制信号Si分别控制第i开关的通断，从而实现开关电容的可配置。具体结合图1的电路可知，在模式变换时，S1、S2、S3可以由原有时钟驱动电路直接驱动，而S4-S9则需要由不同的时钟控制信号进行切换，以此来实现1/2、2/3可配置功能，这些额外需要的时钟控制切换单元带来了寄生电阻和电容，一方面需要更大的功耗来驱动时钟信号，另一方面也给开关电容节点增加了寄生电容，这两方面大大影响了可配置开关电容型电压转换电路的效率，从而使得可配置的效率远远低于固定比值的转换电路。

由上可知，图2所示电路，为了实现不同输出电压输入电压比值的切换需要大量时钟控制切换单元(至少需要变换6个开关的时序信号)，这些单元带来了寄大量的生电阻和电容，一方面需要更大的功耗来驱动时钟信号，另一方面也给开关电容节点增加了寄生电容。

为了进一步弥补上述不足，本发明对开关电容的拓扑变换结构进行了改进。图3示出了本发明实施例提供的改进后的可配置开关电容的具体拓扑结构，如图所示：

当工作在第一模式(例如设置M＝1/2)时，开关K1、K4、K6、K9在第一时序ψ1下周期性通断工作，开关K2、K3、K7、K8在第二时序ψ2下周期性通断工作，开关K5保持断开；其中，同一时刻的开关K1、K4、K6、K9的通断状态与开关K2、K3、K7、K8的通断状态相反；优选地，第一时序ψ1与第二时序ψ2反相。

当工作在第二模式(例如设置M＝2/3)时，开关K1、K5、K9在第一时序ψ1下周期性通断工作，开关K2、K3、K7、K8在第二时序ψ2下周期性通断工作，开关K4、K6保持断开；其中，同一时刻的开关K1、K5、K9的通断状态与开关K2、K3、K7、K8的通断状态相反；优选地，第一时序ψ1与第二时序ψ2反相。

图3的结构与图1右侧的结构图相对比：其在M＝1/2结构中，上方时钟时序不变，下方的镜像结构中的时钟时序被调整为反向时钟，即在下方将图1结构中原来的ψ1被调整为ψ2，原来的ψ2被调整为ψ1。这样带来的好处是：当比值变为M＝2/3时，仅有三个开关需要引入时钟控制切换单元，其它时钟不变，比原来的六个切换单元减小了三个；更重要的是，图3结构里输入到输出的路径，即图中矩形框所示部分，在可配置切换时其时钟控制无需切换单元。由于路径切换时产生的寄生电阻和电容会直接影响转换器的效率，而本发明上尽可能减少了在重配时需要对时钟控制进行切换的开关数，因而最大程度上减小了由于可配置所带来的效率降低。

进一步的，本发明的第一至第九开关K1-K9、第一至第二电容、时钟控制切换单元均集成在单一芯片上。第一至第二电容可选地采用晶体管电容或其它结构电容。第一至第九开关采用MOS管实现，其栅极作为控制极。进一步的，所述晶体管采用N沟道金属氧化物半导体NMOS晶体管，也可替换为P沟道金属氧化物半导体PMOS晶体管，其栅极控制信号为N沟道沟道金属氧化物半导体NMOS晶体管栅极的反相逻辑操作。

多个本发明所述的电压转换器可通过串联或者并联组成一个输出输入比值可变的电源电路。当将本发明所述的电压转换器集成在单一芯片时，由于切换单元数目的减小，本发明所使用的晶圆面积也将减小，大大节约了制造成本。

本发明基于传统可配置开关电容型电压转换器结构基础上，采用一种创新的时钟控制时序，大大减少了原先进行可配置所需要的时钟控制切换单元数目，从而减小了由于可配置切换单元的寄生电容电阻所引起的效率下降。并且，输入到输出电压的直接路径无需做任何时钟控制切换，最大程度上减小了由于可配置所带来的效率降低。此外，通过这种简化的时钟控制时序，开关电容结构也得到了很大的简化。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于可配置开关电容的电压转换器，其特征在于：

所述电压转换器包括第一至第九开关，第一至第二电容，其连接关系如下：第一开关的第一端和第八开关的第一端分别接电压输入端，第一开关的第二端连接第一电容的第一端以及第二开关的第一端，第二开关的第二端、第九开关的第二端分别接电压输出端；第一电容的第二端分别接第三开关的第一端、第四开关的第一端、第五开关的第一端；第五开关的第二端分别接第六开关的第一端、第七开关的第一端、第二电容的第一端；第三开关的第二端、第六开关的第二端分别接地，第四开关的第二端、第七开关的第二端分别接电压输出端；第二电容的第二端分别接第八开关的第二端、第九开关的第一端；第一至第九开关的控制端分别接收对应的时序控制信号；

所述电压转换器可以工作在两个模式，分别如下：

当工作在第一模式时，第一开关、第四开关、第六开关、第九开关组成第一开关组在第一时序(ψ1)下周期性通断工作，第二开关、第三开关、第七开关、第八开关组成第二开关组在第二时序(ψ2)下周期性通断工作，第五开关保持断开；

当工作在第二模式时，第一开关、第五开关、第九开关组成第一开关组在第一时序(ψ1)下周期性通断工作，第二开关、第三开关、第七开关、第八开关组成第二开关组在第二时序(ψ2)下周期性通断工作，第四开关、第六开关保持断开；

其中，同一时刻下第一开关组的通断状态与第二开关组的通断状态相反。

2.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述第一时序和第二时序反相。

3.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，第一电容和第二电容为晶体管电容或其它结构电容。

4.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，通过调整时序信号的顺序，设置第一模式的输出电压与输入电压比值为1/2、第二模式的输出电压与输入电压比值为2/3。

5.如权利要求1-4任一项所述的电压转换器，其特征在于，所述电压转换器还包括一时钟控制切换单元，用于提供第一至第九开关的时序的切换控制，从而实现开关电容的可配置。

6.如权利要求1-4任一项所述的电压转换器，其特征在于，第一至第九开关的控制端分别通过一缓冲器接收各自对应的时序控制信号。

7.如权利要求1-4任一项所述的电压转换器，其特征在于，第一至第九开关采用MOS晶体管实现，其栅极作为控制极。

8.一种可调压电源芯片，其内部集成有一个或多个权利要求1-7任一项所述的电压转换器。

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