CN110168467A - 可重新配置的电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在具有多个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器包括功率检测电路和电荷泵。所述功率检测电路被耦合到电源，并且被配置为：将所述电源的功率范围划分为与所述系统的多个功率域相对应的多个电压区；并且提供与所述多个功率域中的具体功率域相关联的泵使能信号。所述电荷泵包括多个泵级，所述多个泵级被布置在矩阵中，其中，根据所述泵使能信号的对应位来激活或停用每个泵级。

Description

可重新配置的电压调节器
技术领域
本发明涉及一种可重新配置的电压调节器，并且更具体涉及一种用于在具有多个功率域(power domain)的系统中使用的可重新配置的电压调节器。
背景技术
许多便携式产品，诸如手机、膝上型计算机、个人数据助理(PDA)等，利用了执行诸如通信和多媒体程序之类的程序的处理系统。用于这样的产品的处理系统可以包括多个处理器、包括用于存储指令和数据的多级高速缓存和存储器的复杂存储器系统、控制器、诸如通信接口的外围器件，以及例如在单个芯片上配置的固定功能逻辑块。同时，便携式产品具有电池形式的有限能量源，其常常需要支持处理系统的高性能操作以及随着功能增加而逐渐增大的存储器容量。这样的问题扩展到了个人计算机产品，这些产品也正在以有效的设计来开发从而以降低的总体能耗进行操作。
在这样的便携式系统中，一个或多个低压差(LDO)电压调节器(也称为LDO调节器)通常被嵌入在电源管理芯片上，以调节用于一个或多个芯片上的电路的一个或多个电压。多个LDO调节器中的每个LDO调节器被用于调节用于特定功率域中的电路的电压。例如，便携式蜂窝电话可以采用闪存，其需要各种高电压以用于读取、编程和擦除操作。这些电压由电荷泵生成，所述电荷泵基于由LDO调节器生成的内部电源。
现有技术的LDO解决方案的主要缺点是便携式系统的劣化的功率效率。此外，需要使用许多去耦电容器来补偿AC或瞬态性能，从而导致增加了管芯尺寸。
发明内容
本发明涉及一种用于在具有多个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器。所述可重新配置的电压调节器包括：功率检测电路和电荷泵。所述功率检测电路被耦合到电源，并且被配置为：将所述电源的功率范围划分为与所述系统的所述多个功率域相对应的多个电压区；并且提供与所述多个功率域中的第一功率域相关联的泵使能信号。所述电荷泵包括多个泵级，所述多个泵级被布置在由第一行至第M行以及第一列至第N列所限定的矩阵中，其中，M和N是大于1的整数。根据所述泵使能信号的对应位来激活或停用每个泵级。
在阅读了在各个附图和绘图中所图示的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些目的和其他目的无疑将对本领域普通技术人员变得显而易见。
附图说明
图1是图示了根据本发明的实施例的用于在多个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器的功能图。
图2是图示了根据本发明的实施例的用于在多个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器的功率检测电路的实施方式的图。
图3是图示了根据本发明的实施例的可重新配置的电压调节器的电荷泵的实施方式的图。
图4是图示了根据本发明的实施例的可重新配置的电压调节器的操作的图。
图5是图示了根据本发明的另一实施例的可重新配置的电压调节器的操作的图。
图6是图示了根据本发明另一实施例的可重新配置的电压调节器的操作的图。
图7是图示了根据本发明另一实施例的可重新配置的电压调节器的操作的图。
图8是图示了根据本发明另一实施例的可重新配置的电压调节器的操作的图。
图9是图示了根据本发明的实施例的每个泵级的实施方式的图。
具体实施方式
图1是图示了根据本发明的实施例的用于在多个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器100的功能图。可重新配置的电压调节器100包括功率检测电路20和电荷泵30，其操作由外部电源10来维持。功率检测电路20被配置为将外部电源10的整个功率范围分成与所述系统的多个功率域相对应的多个电压区。电荷泵30针对每个电压区可重新配置，并且被配置为表现得像基于功率的电压倍增器，由此在所述系统的整个功率范围内实现优化的功率效率。
图2是图示了根据本发明实施例的用于在L(L是大于1的整数)个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器100的功率检测电路20的实施方式的图。功率检测电路20包括分压器22、比较器CP1～CPL、第一解码器24和第二解码器26。分压器22可以包括串联耦合在由外部电源10提供的偏置电压VCC与接地电压GND之间的多个电阻器，其中，L个抽头电压V1～VL被提供在两个相邻电阻器之间。比较器CP1～CPL中的每个比较器包括：正输入端，其被耦合以接收对应的抽头电压；负输入端，其被耦合到对应的参考电压(VREF1～VREFL)；以及输出端。每个比较器被配置为当在其正输入端处接收到的抽头电压高于在其负输入端处接收到的参考电压时输出逻辑1信号；每个比较器被配置为当在其正输入端处接收到的抽头电压不高于在其负输入端处接收到的参考电压时输出逻辑0信号。比较器CP1～CPL的所有输出信号形成L位确定信号det<L:1>。第一解码器24被配置为将确定信号det<L:1>解码为行使能信号en_row<1:M>和列使能信号en_column<1:N>，其中，M和N是大于1的正整数。第二解码器26被配置为将行使能信号en_row<1:M>和列使能信号en_column<1:N>转换成与所述系统的特定功率域相关联的泵使能信号EN<1:M×N>。
图3是图示了根据本发明的实施例的电荷泵30的实施方式的图。电荷泵30包括多个泵级ST11～STMN，其被布置在由M个行和N个列限定的矩阵中，并且被配置为提供泵输出VOUT。第一列上的泵级ST11～STM1被耦合到由外部电源10提供的偏置电压VCC。第二列上的泵级ST12～STM2至第N列上的泵级ST1N～STMN中的每个泵级经由相应的开关SW12～SWM2至ST1N～STMN被选择性地耦合到偏置电压VCC。泵级ST11～STMN由功率检测电路10生成的泵使能信号EN<1:M×N>的对应位en<1,1>～en<M,N>来启用或禁用。开关SW12～SWM2至ST1N～STMN通过控制信号S12～SM2至S1N～SMN分别被接通或断开。
图4～8是图示了根据本发明的实施例的可重新配置的电压调节器100的操作的图。对于所述系统中的L个功率域中的每个功率域，M和N的数量是可重新配置的。为了例示说明的目的，图4～8描绘了当M＝2并且N＝3时的实施例。然而，M和N的数量并不限制本发明的范围。
在图4～8中所图示的实施例中，泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23由功率检测电路10生成的泵使能信号EN<1:6>的对应位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>来启用或禁用。所述矩阵的第一列上的泵级ST11和ST21被直接耦合到偏置电压VCC。所述矩阵的第二列和第三列上的泵级ST12、ST13、ST22和ST23经由相应的开关SW12、SW13、SW22和SW23被耦合到偏置电压VCC，所述开关SW12、SW13、SW22和SW23分别通过控制信号S12、S13、S22和S23来接通或断开。在本发明中，通过分别反转泵使能信号EN<1:6>的位en<1,1>、en<1,2>、en<2,1>和en<2,2>来提供控制信号S12、S13、S22和S23。更具体地，对于所述矩阵的同一行上的泵级，所述矩阵的第(n+1)列上的泵级当所述矩阵的第n列上的泵级被停用时经由其对应的接通的开关被耦合到偏置电压VCC；或者当所述矩阵的第n列上的泵级被激活时通过其对应的断开的开关与偏置电压VCC隔离，其中，n是2与N之间的整数。
在图4中所描绘的实施例中，假设偏置电压VCC处于最大值3.6V。在这样的情况下，由比较器CP1～CPL输出的确定信号det<L:1>的每个位是逻辑1。在第一解码器24对确定信号det<L:1>进行解码之后，行使能信号en_row<1:2>在Verilog中等于2'b10，并且列使能信号en_column<1:3>在Verilog中等于3'b100。在第二解码器26转换了行使能信号en_row<1:2>和列使能信号en_column<1:3>之后，泵使能信号EN<1:6>在Verilog中等于6'b001000。如在图4中所描绘的，泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23分别由泵使能信号EN<1:6>的位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>来控制。因此，仅泵级ST13被激活，如由具有逻辑1的使能电平的位en<1,3>所指示的。此外，由于位en<1,1>、en<1,2>、en<2,1>和en<2,2>处于逻辑0的禁用电平，所以具有逻辑1的使能电平的控制信号S12、S13、S22和S23接通开关SW12、SW13、SW22和SW23，由此将泵级ST12、ST13、ST22和ST23耦合到偏置电压VCC。
在图5中所描绘的实施例中，假设偏置电压VCC处于最小值1.6V。在这样的情况下，由比较器CP1～CPL输出的确定信号det<L:1>的每个位是逻辑0。在第一解码器24对确定信号det<L:1>进行解码之后，行使能信号en_row<1:2>在Verilog中等于2'b11，并且列使能信号en_column<1:3>在Verilog中等于3'b111。在第二解码器26转换了行使能信号en_row<1:2>和列使能信号en_column<1:3>之后，泵使能信号EN<1:6>在Verilog中等于6'b111111。如在图5中所描绘的，泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23分别由泵使能信号EN<1:6>的位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>来控制。因此，所有泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23被激活，如由具有逻辑1的使能电平的位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>所指示的。此外，具有逻辑0的禁用电平的控制信号S12、S13、S22和S23断开开关SW12、SW13、SW22和SW23，由此将泵级ST12、ST13、ST22和ST23与偏置电压VCC隔离。
在图6中所描绘的实施例中，假设电压VCC处于需要通过两个泵级进行电压放大的值。在这样的情况下，泵使能信号EN<1:6>在Verilog中可以等于6'b001001。如在图6中所描绘的，泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23分别由泵使能信号EN<1:6>的位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>来控制。因此，仅有泵级ST13和ST23被激活，如由各自具有逻辑1的使能电平的位en<1,3>和en<2,3>所指示的。此外，由于位en<1,1>、en<1,2>、en<2,1>和en<2,2>各自处于逻辑0的禁用电平，所以各自具有逻辑1的使能电平的控制信号S12、S13、S22和S23接通开关SW12、SW13、SW22和SW23，由此将泵级ST12、ST13、ST22和ST23耦合到偏置电压VCC。
在图7中所描绘的实施例中，假设电压VCC处于需要通过两个泵级进行电压放大的值。在这样的情况下，泵使能信号EN<1:6>可以在Verilog中等于6'b011000。如在图7中所描绘的，泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23分别由泵使能信号EN<1:6>的位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>来控制。因此，仅有泵级ST12和ST13被激活，如由各自具有逻辑1的使能电平的位en<1,2>和en<1,3>所指示的。此外，由于位en<1,1>、en<2,1>和en<2,2>各自处于逻辑0的禁用电平，所以各自具有逻辑1的使能电平的控制信号S12、S22和S23接通开关SW12、SW22和SW23，由此将泵级ST12、ST22和ST23耦合到偏置电压VCC。由于位en<1,2>处于逻辑1的使能电平，所以具有逻辑0的禁用电平的控制信号S13断开开关SW13，由此将泵级ST13与偏置电压VCC隔离。
在图8中所描绘的实施例中，假设电压VCC处于需要通过四个泵级进行电压放大的值。在这样的情况下，泵使能信号EN<1:6>可以在Verilog中等于6'b011011。如在图8所描绘的，泵级ST11、ST12、ST13、ST21、ST22和ST23分别由泵使能信号EN<1:6>的位en<1,1>、en<1,2>、en<1,3>、en<2,1>、en<2,2>和en<2,3>来控制。因此，仅有泵级ST12、ST13、ST22和ST23被激活，如由各自具有逻辑1的使能电平的位en<1,2>、en<1,3>、en<2,2>和en<2,3>所指示的。此外，由于位en<1,1>和en<2,1>各自处于逻辑0的禁用电平，因此各自具有逻辑1的使能电平的控制信号S12和S22接通开关SW12和SW22，由此将泵级ST12和ST22耦合到偏置电压VCC。由于位en<1,2>和en<2,2>各自处于逻辑1的使能电平，因此各自具有逻辑0的禁用电平的控制信号S13和S23断开开关SW13和SW23，由此将泵级ST13和ST23与偏置电压VCC隔离。
在本发明中，泵级ST11～STMN中的每个泵级可以是电压倍增器。图9是图示了根据本发明的实施例的每个泵级的实施方式的图。在图9中所图示的实施例中，每个泵级可以被实施为Pelliconi倍压器，其被配置为通过将输入电压VIN放大2倍来提供输出电压VOUT。然而，泵级ST11～STMN的实施方式并不限制本发明的范围。
在根据本发明的可重新配置的电压调节器100中，功率检测电路20可以实时地检测外部电源10的电流水平。当利用当前的可重新配置的电压调节器100实施的芯片被应用于具有多个功率域的系统时，可以自发地重新配置电荷泵30以提供与当前功率域相关联的对应输出电压VOUT。当利用当前的可重新配置的电压调节器100实施的系统的电源改变时，诸如当锂基电池随时间传送较少能量时，可以自发地重新配置电荷泵30以提供与当前功率域相关联的对应输出电压VOUT。
在根据本发明的可重新配置的电压调节器中，外部电源的整个功率范围可以被划分为与系统的多个功率域相对应的多个电压区。在可重新配置的电压调节器中的每个电荷泵可以针对每个电压区重新配置，并且可以被配置为表现得像基于功率的电压倍增器，以向每个功率域提供所需的电压。根据本发明的可重新配置的电压调节器可以被应用于维持宽功率范围闪存的操作，由此在系统的整个功率范围内实现优化的功率效率。
本领域技术人员将容易观察到，可以在保留本发明的教导的同时对设备和方法进行多种修改和更改。因此，以上公开内容应当被解释为仅受所附的权利要求的范围和界限的限制。

Claims (9)

1.一种用于在具有多个功率域的系统中使用的可重新配置的电压调节器，包括：
功率检测电路，其被耦合到电源，并且被配置为：
将所述电源的功率范围划分为与所述系统的所述多个功率域相对应的多个电压区；并且
提供与所述多个功率域中的第一功率域相关联的泵使能信号；以及
电荷泵，其包括多个泵级，所述多个泵级被布置在由第一行至第M行以及第一列至第N列限定的矩阵中，其中：
根据所述泵使能信号的对应位来激活或停用每个泵级；并且
M和N是大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的可重新配置的电压调节器，其中，每个泵级是被实施为包括二极管和电容器的二极管整流器电路的电压倍增器。
3.根据权利要求1所述的可重新配置的电压调节器，其中，所述功率检测电路包括：
分压器，其被串联地耦合在由所述电源提供的偏置电压与接地电压之间，以提供与所述多个功率域相关联的多个抽头电压；
多个比较器，每个比较器被配置为根据所述多个抽头电压中的对应抽头电压来输出逻辑信号；
第一解码器，其被配置为：
接收包括由每个比较器输出的所述逻辑信号的确定信号；并且
将所述确定信号解码为与所述第一功率域相关联的M位行使能信号和N位列使能信号；以及
第二解码器，其被配置为将所述M位行使能信号和所述N位列使能信号转换为具有M×N位的所述泵使能信号。
4.根据权利要求1所述的可重新配置的电压调节器，还包括多个开关，其中：
所述矩阵的第一列上的每个泵级被耦合到由所述电源提供的偏置电压；并且
所述矩阵的第二列至第N列上的每个泵级经由所述多个开关中的对应开关被选择性地耦合到所述偏置电压。
5.根据权利要求4所述的可重新配置的电压调节器，其中：
将所述矩阵的第m行和第(n+1)列上的泵级选择性地耦合到所述偏置电压的开关当所述矩阵的第m行和第n列上的泵级被停用时被接通，或者当所述矩阵的第m行和第n列上的所述泵级被激活时被断开；
m是在1与M之间的整数；并且
(n+1)是在2与N之间的整数。
6.根据权利要求1所述的可重新配置的电压调节器，其中：
当所述泵使能信号指示通过多个泵级中的一个泵级进行电压放大时，所述矩阵的第一行和第N列上的第一泵级被激活。
7.根据权利要求1所述的可重新配置电压调节器，其中：
当所述泵使能信号指示通过所述多个泵级中的两个泵级进行电压放大时，所述矩阵的第一行和第N列上的第一泵级被激活，所述矩阵的第一行和第(N-1)列上的第二泵级被激活，并且所述多个泵级中除了所述第一泵级和所述第二泵级之外的其他泵级被停用。
8.根据权利要求1所述的可重新配置的电压调节器，其中：
当所述泵使能信号指示通过所述多个泵级中的两个泵级进行电压放大时，所述矩阵的第一行和第N列上的第一泵级被激活，所述矩阵的第二行和第N列上的第二泵级被激活，并且所述多个泵级中除了所述第一泵级和所述第二泵级之外的其他泵级被停用。
9.根据权利要求1所述的可重新配置的电压调节器，其中：
当所述泵使能信号指示通过所述多个泵级中的四个泵级进行电压放大时，所述矩阵的第一行和第N列上的第一泵级被激活，所述矩阵的第一行和第(N-1)列上的第二泵级被激活，所述矩阵的第二行和第N列上的第三泵级被激活，所述矩阵的第二行和第(N-1)列上的第四泵级被激活，并且所述多个泵级中除了所述第一泵级至所述第四泵级之外的其他泵级被停用。
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