CN110190745A - 低功率开关电容比较器 - Google Patents

Abstract

一种电压转换器，包括比较器，其连续地监视电压转换器的输出电压。比较器包括第一比较器核芯和第二比较器核芯，第一比较器核芯使用第一开关电容器和第二开关电容器，第二比较器核芯使用第三开关电容器和第四开关电容器。在第二比较器核芯监视输出电压时，第一比较器核芯断电或处于刷新模式。在第一比较器核芯监视输出电压时，第二比较器核芯断电或处于刷新模式。在第一比较器核芯监视输出电压时，第一开关电容器和第二开关电容器与第一比较器核芯的放大器级串联配置。刷新模式分别将第一开关电容器(第三开关电容器)充电到输出电压的缩放版本，以及将第二开关电容器(第四开关电容器)充电到参考电压减去偏移电压的电压。

Description

低功率开关电容比较器

技术领域

本发明涉及比较器，并且更具体地涉及低功率开关电容比较器。

背景技术

功率转换器将来自诸如电池的电压源的电压转换为电子电路所使用的电压。例如，手提电话使用电压转换器将电池提供的电压转换为用于手提电话的电路的电压。从一个电压转换到另一个电压需使用功率，并且会期望实现更高的电压转换效率以延长电池寿命。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种方法，包括通过操作第一比较器核芯和第二比较器核芯，使用第一比较器核芯和第二比较器核芯监视输出电压，使得当第一比较器核芯正在监视输出电压时，第二比较器核芯断电或第二比较器核芯正在刷新。当第二比较器核芯正在监视输出电压时，第一比较器核芯断电或第一比较器核芯正在刷新。

在另一实施例中，提供了一种比较器，包括第一比较器核芯和第二比较器核芯。控制逻辑被配置为在第二比较器核芯正在监视输出电压时，保持第一比较器核芯断电或处于刷新模式以刷新第一比较器核芯。控制逻辑被进一步配置为在第一比较器核芯正在监视输出电压时，保持第二比较器核芯断电或处于刷新模式。

在又一实施例中，提供了一种电压转换器，包括比较器，用于连续监视电压转换器的输出电压。比较器包括第一比较器核芯和第二比较器核芯，第一比较器核芯使用第一开关电容器和第二开关电容器，第二比较器核芯使用第三开关电容器和第四开关电容器。在第二比较器核芯监视输出电压时，第一比较器核芯断电或处于刷新模式以刷新第一比较器核芯。在第一比较器核芯监视输出电压时，第二比较器核芯断电或处于刷新模式以刷新第二比较器核芯。在第一比较器核芯监视输出电压时，第一开关电容器和第二开关电容器与第一比较器核芯的放大器级串联配置。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本发明，并且本发明的众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

图1示出了使用电池作为电压源的电压转换器的示例。

图2示出了根据一个实施例的电压比较器。

图3示出了比较器核芯中之一的一个实施例。

图4示出了以乒乓方式使用两个核芯的比较器的一个实施例。

图5示出了两个比较器核芯的刷新和复位定时的一个实施例。

图6示出了用于监视超出范围条件的比较器核芯。

图7示出了用于调整提供给比较器核芯的偏置电流的一个实施例。

在不同附图中使用相同的附图标记来表示相似或相同的部件。

具体实施方式

电压转换器监视正在产生的输出电压并调整电压转换器的操作以将输出电压维持在目标电压电平。这需要比较器以将输出电压与目标电压进行比较，并提供比较指示。

图1示出了使用电池作为电压源Vin 101的电压转换器100的示例。在一个实施例中，电压转换器100包括以降压模式、升压模式或降压-升压模式操作的降压转换器103。还可以使用低压差(LD0)稳压器105代替降压-升压转换器103。模式比较器107将输出电压109与输入电压101进行比较，以确定电压转换器的操作模式。电压比较器111将输出电压Vout109与对应于目标电压的阈值电压进行比较，并在每次输出电压低于其目标电压时生成反馈信号。选择器电路115基于模式比较器107的输出选择电压比较器的输出的目的地为降压-升压转换器103或低压差稳压器105。

在升压模式中，晶体管M1导通，晶体管M2截止，并且晶体管M3和M4根据标准升压操作切换。在降压模式下，M3导通，M4截止，并且M1和M2根据标准降压操作切换。在降压-升压模式中，四个开关按此顺序使用：M1和M4导通；M1和M3导通；然后M2和M3导通。在开关低压差操作中，仅使用开关M5。每当低压差从电压比较器接收到指示输出电压低于输出目标电压的反馈信号时，低压差控制器105输出具有固定宽度和固定电流幅度的单个脉冲。这导致低压差为每个脉冲的输出提供已知的固定电荷，从而实现精确的库仑计数。

模式比较器107在每个降压-升压或低压差脉冲结束时比较Vin和Vout。模式比较器将Vin和Vout之间的差值与编程阈值进行比较，以确定系统应在哪种模式下运行。可以使用内置滞后来避免在阈值附近不断切换模式。模式比较器仅需要对每个电流脉冲进行一次比较，因此可忽略不计对系统效率的影响，包括在轻载时。在降压-升压或低压差脉冲之间禁用模式比较器以节省功耗。

当输入和/或输出电压改变时，可以动态地改变操作模式。在大多数实际的电池供电系统中，电池电压会随时间而变化。降压-升压和开关-低压差均被设计成用于与电压比较器相同的脉冲频率调制(PFM)反馈环路，以允许模式之间的无缝转换。

由于降压-升压转换器和开关-低压差在每脉冲都产生固定电荷，所以库仑计数在各种模式下保持不变。传统的非开关低压差不具备这种能力。

参考图2，更详细地示出了电压比较器111的实施例200。比较器200总是运行并监视电压转换器的输出109。比较器被设计成通过有效地将输出电压与目标阈值进行比较来降低对效率的影响，如本文进一步解释的。比较器200输出低电压指示(Vlow)201以指示输出电压低于编程的目标电压。在一个实施例中，当输出电压远离范围时，电压比较器还输出超出范围(00R)检测203，以指示可能需要额外的环路调节。比较器200包括两个独立的开关电容比较器核芯205和207，它们用于乒乓配置。开关209从有源核芯输出(active coreoutput)选择输出。当其中一个核芯处于有源状态时，另一个核芯如本文进一步解释的那样被刷新，或被断电。核芯使用的乒乓配置提供连续监视。连续监视可以更精确地控制输出电压。本文描述的连续监视提供了连续监视的优点，同时提供功率效率，因为开关电容比较器使用低功率，并且在比较器输入和输出之间没有永久的直流反馈。

在再次变为有源之前，无源(non-active)核芯被通电和刷新。在刷新期间，无源核芯的采样电路211中的开关电容器被充电到期望的电压电平，并且仅在此之后无源核芯变为有源核芯。之前的有源核芯将断电，直到下一个刷新周期。控制电路215调整偏置电流发生器217的偏置编程，偏置电流发生器217向放大器核芯205和207提供偏置电流。可以如本文进一步解释的那样调整偏置电流。电压参考发生器219提供用于对采样电路211中的电容器充电的电压，并且在刷新期间用作充电电路。电压参考发生器可以实现为电压数模转换器(VDAC)。

图3示出了比较器核芯300之一的一个实施例。在刷新循环期间，阶段1开关301，303和305闭合，而阶段2开关307断开。在阶段1期间，电容器Cf310存储输出电压(Vout)109的缩放版本。在开关301闭合的情况下，电容器Cf 310存储电压Vout-Vfb＝βVbg，其中β是基于可编程电阻Rfb和可编程电流源N*Ibg的比例因子。带隙电压Vbg可用于产生电流N*Ibg。通过电阻器Rfb的电流N*Ibg产生从Vout中减去的电压Vfb 316。

比较器偏移通过在刷新周期期间将偏移反馈到与比较器输入串联的电容器节点上而自动调零。在阶段1期间，电容器Cs的一个节点耦合到Vref。Vref是可编程电压分压的带隙电压Vbg。电阻器321和323设置分压器值，从而得到Vref＝αVbg，其中α由分压器值确定。具有所示两级的放大器327通过开关305反馈来自第一级的值，以在放大器的输入处产生偏移电压Vos。在阶段1期间在电容器Cs两端产生的电压变为Vref-Vos。因此，偏移电压在阶段2期间，当开关307闭合时被消除，并且对于Vout输入，比较器似乎具有零偏移。

一旦电容器被充电到期望的电压值，比较器核芯可用于通过断开开关301，303和305并闭合开关307来监视阶段2中的电压稳压器的输出。闭合开关307使电容器Cf与电容器Cs串联，并且缩放的输出电压被提供给比较器核芯级325输入。当开关307闭合时，确定比较器核芯300何时生成Vlow 331的阈值电压是Vbg(α+β)。如果输出电压低于Vbg(α+β)，则比较器300生成Vlow 331。

图4示出了电压比较器111的一个实施例，其中两个核芯401和403以乒乓方式使用。核芯A 401包括放大器405，并且核芯B 405包括放大器407。核芯401和403中的每一个以图3中比较器核芯300所示出和所描述的方式操作。当核芯B 403处于有源状态时，核芯A401断电或者刷新。在核芯A 401的刷新阶段期间，开关信号1A生成以闭合开关411，415和417，并且开关信号2A取消以保持开关419断开。这允许电容器CfA和CsA充电到所需的电压电平。当核芯401被刷新时，核芯403监视Vout，其中生成的开关信号2B闭合开关431(阶段2B)，并且开关433，435和437断开。在图4中，Vout 109是被监视的电压转换器的输出。以上结合图3解释了Vfb 316和Vref 312的产生。选择器电路209根据核芯选择信号csel 451在两个核芯的输出VlowA和VlowB之间进行选择，并将vlow根据模式比较器107的输出提供给降压-升压转换器103或者开关-低压差稳压器105(参见图1)。

图5示出了图4中的比较器核芯401和403的交替刷新时间的时序图。第一刷新周期503发生在核芯A上，并且第二刷新周期505发生在核芯B上。刷新周期的时间由来自采样电容器Cf和Csa的泄漏确定。泄漏和由此的刷新时间可能受温度影响。刷新周期必须经常发生，以确保在核芯处于有源状态时将输出电压精确地与由串联的采样电容器Cf和Cs存储的期望阈值进行比较。在刷新A期间，开关控制信号1A生成，如在507处所示。在刷新A期间，核芯选择信号csel选择核芯B，如在511处所示。一旦核芯A完成刷新，核芯选择信号csel在515处选择核芯A作为有源核芯。然后核芯B可以断电，而核芯A则监视输出电压。如在505处所示，核芯B的刷新开始，导致开关控制信号1B在510处生成。一旦核芯B的刷新完成，核芯选择信号csel在517处选择核芯B作为有源核芯。

如果有源核芯生成Vlow信号，则有源核芯从电压转换器接收复位信号。在复位释放后，输出电压应该已被电压转换器升压，因此输出电压应高于阈值触发电压电平。复位清除Vlow被生成后放大器检测到的状态，并使比较器准备好执行下一次检测。在一个实施例中，比较器核芯具有多个放大器级。复位使第一级的输出接近下一级的阈值。复位还会清除先前检测到的状态(VlowA或VlowB)并将其再次设置为未检测状态。注意，复位不会影响存储在电容器Cf和Cs上的采样参考。因此，当核芯监视输出电压时，有源核芯被复位。如果输出电压没有充分升压，则有源核芯将再次快速触发，因为内部节点被预充电以接近触发点。复位有助于使比较器更快地为新的检测做好准备。因此，核芯B在516处生成Vlow会生成复位信号518，并且核芯A在519处生成Vlow导致在521处的复位。

当核芯未被有源地使用时，除了为了刷新，核芯断电。刷新可以在例如3μs中完成，然后核芯可以有源地使用，以监视输出电压数百毫秒。这确保了在框219(参见图3)中为电容器充电而消耗的电流仅用于比较器核芯处于有源状态的一小部分时间。当泄漏接近存储在电容器上的采样参考不可靠的点时，另一个核芯已经刷新并且可以成为有源核芯，而先前有源核芯断电以节省功率直到其需要通电、刷新，并再次成为有源核芯。

参考图6，除了以乒乓方式操作核芯401和403以恒常监视功率之外，实施例可以包括以类似的乒乓方式使用的额外比较器601和603，以在电压转换器输出与通常在正常环路调节下发生的相比更远离目标输出电压时，监视超出范围的状况。与电压转换器输出相比的超出范围阈值电压(Vthoor)高于使用核芯401和403的控制回路所使用的阈值电压。比较器601(核芯A超出范围)在核芯A 401处于有源状态时操作，并且比较器603(核芯B超出范围)在核芯403处于有源状态时操作。选择器电路607从有源超出范围核芯选择超出范围输出。超出范围核芯可被构造成类似于核芯401和403，其实施例在图3中示出。在一些实施例中，在检测到超出范围条件之后，超出范围核芯不复位，并且在生成Vlow之后，核芯401和403不复位。

在一个实施例中，可以改变提供给比较器核芯的偏置电流240(参见图2)。比较器核芯使用可编程偏置电流来权衡速度、精度和功耗。在运行中可以改变偏置电流。在偏置变化期间，比较器一个接一个刷新，并且操作不会中断。参考图7，一个实施例示出了在正常操作期间，核芯通过闭合开关702和703从电流源701接收10na偏置电流。开关704在低功率操作期间保持断开。控制信号刷新处于逻辑低值以闭合开关702和703，并且偏置控制信号707处于逻辑低值以保持开关704断开。在一个实施例中，偏置控制信号707是用于编程偏置电流的偏置控制字的高阶位。如果要改变偏置电流，则生成刷新信号705。核芯选择信号451(参见图4)和核芯选择信号452选择有源核芯并断开相应的开关702或703。这确保了有源核芯不会获得改变的偏置电流。只有刷新中的核芯才能接收改变的偏置电流。在刷新周期期间，通过采样电流源保持有源比较器核芯的偏置电流稳定，以防止与偏置改变相关的任何阈值误差。例如，假设核芯B 403是有源核芯，并且核芯A 401正在使用改变的偏置电流刷新。随着Vgs在电容器727上与晶体管725栅极-源极并联地采样，并且由于开关703断开而不受改变的偏置电流的影响，核芯B403保持与晶体管725提供的电流偏置。图7示出了由晶体管721，723和725形成的电流镜，其向核芯A 401和核芯B 403提供偏置电流。偏置电流取决于形成电流镜的晶体管的宽长比、来自电流源701和709的电流的和(取决于偏置控制信号707)，以及偏置编程字220的其余部分(参见图2)。注意，所示的偏置电流是示例性的，并且可以根据特定实施例的需要使用不同的偏置电流。可以改变偏置电流，例如，以允许系统在系统期望或处理更高的负载电流时提供更快的响应。

当偏置电流改变时，控制器可以使比较器进入快速刷新，其中刷新周期一个接一个地执行。在一个接一个的操作中，刷新的核芯成为有源核芯，并且在无源核芯不断电一段延长的时间(如图5所示)的情况下，先前的有源核芯立即刷新。一旦刷新，无源核芯就会成为有源核芯且有源核芯成为无源核芯，并在不断电一段延长的时间的情况下再次刷新。该一个接一个的刷新周期重复多次。快速刷新允许核芯更快地调整到新的偏置电流。当偏置电流改变时，系统可以提供固定数量，例如10到20个快速刷新周期。增加的偏置电流增加了响应速度，同时也增加了功耗。

因此，已经描述了涉及改进的电压转换器的各个方面。在此提供的对本发明的描述是说明性的，并不意图限制本发明的范围，本发明的范围如在所附权利要求中阐述的。本发明的范围在不脱离在所附权利要求中阐述的情况下，可以基于在本文中阐述的描述做出对本文公开的实施例的其他变化和修改。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

通过操作第一比较器核芯和第二比较器核芯，使用所述第一比较器核芯和所述第二比较器核芯监视输出电压，使得当所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第二比较器核芯断电或所述第二比较器核芯正在刷新，并且当所述第二比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第一比较器核芯断电或所述第一比较器核芯正在刷新。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

通过使第一采样电容器存储所述输出电压的第一缩放版本并使第一参考电容器存储第一电压来刷新所述第一比较器核芯；以及

通过使第二采样电容器存储所述输出电压的第二缩放版本并使第二参考电容器存储第二电压来刷新所述第二比较器核芯。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

响应于所述第一比较器核芯生成低电压指示，复位所述第一比较器核芯，从而指示所述输出电压低于由所述输出电压的所述第一缩放版本和串联的所述第一电压表示的目标电压。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

通过将所述第一采样电容器的第一节点耦合到所述输出电压并且将所述第一采样电容器的第二节点耦合到所述输出电压的减小版本来存储所述第一缩放版本，从而通过所述第一采样电容器存储所述输出电压的所述第一缩放版本；以及

通过存储参考电压和从所述第一比较器核芯的放大器级反馈的第一偏移电压之间的第一电压差来存储所述第一电压。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在所述刷新所述第一比较器核芯期间，断开第一开关以将所述第一采样电容器与所述第一参考电容器隔离；以及

当所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，闭合所述第一开关以使所述第一采样电容器和所述第一参考电容器串联。

6.根据权利要求2所述的方法，还包括：

通过将所述第一采样电容器的所述第一节点耦合到所述输出电压并且将所述第一采样电容器的所述第二节点耦合到所述输出电压的减小版本来存储所述第一缩放版本，从而通过所述第一采样电容器存储所述输出电压的所述第一缩放版本。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：

当没有执行刷新时，保持在刷新期间使用的充电电路断电。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：

在不影响提供给所述第二比较器核芯的第二偏置电流的情况下，当所述第二比较器核芯正在监视所述输出电压时，调整提供给所述第一比较器核芯的放大器的第一偏置电流。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：

当所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，使用第三比较器核芯监视超出范围情况的所述输出电压；以及

当所述第二比较器核芯正在监视所述输出电压时，使用第四比较器核芯监视所述超出范围情况的所述输出电压。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：

响应于所述第一比较器核芯生成低电压指示，复位所述第一比较器核芯，从而指示所述输出电压低于阈值电压。

11.一种比较器，包括：

第一比较器核芯和第二比较器核芯；

控制逻辑，被配置为在所述第二比较器核芯正在监视输出电压时，保持所述第一比较器核芯断电或处于刷新模式以刷新所述第一比较器核芯；以及

所述控制逻辑被进一步配置为在所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，保持所述第二比较器核芯断电或处于所述刷新模式。

12.根据权利要求11所述的比较器，其中所述第一比较器核芯还包括：

第一采样电容器，用于存储所述输出电压的第一缩放版本；

第一参考电容器，用于存储参考电压和从所述第一比较器核芯的放大器级反馈的第一偏移电压之间的第一电压差；

第一开关，用于在所述刷新模式期间将所述第一采样电容器与所述第一参考电容器隔离；

其中当所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第一采样电容器和所述第一参考电容器通过所述第一开关串联耦合。

13.根据权利要求12所述的比较器，其中在刷新所述第一比较器核芯期间，所述第一采样电容器的第一节点耦合到所述输出电压，并且所述第一采样电容器的第二节点耦合到所述输出电压的减小版本，从而通过所述第一采样电容器存储所述输出电压的所述第一缩放版本。

14.根据权利要求12所述的比较器，还包括：

充电电路，用于在刷新期间对所述第一参考电容器和所述第一采样电容器充电；以及

其中当所述比较器中没有发生刷新时，所述充电电路断电。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的比较器，其中响应于所述第一比较器核芯生成低电压指示，复位所述第一比较器核芯的一个或多个放大器级，从而指示所述输出电压低于阈值电压。

16.根据如权利要求11至14中任一项所述的比较器，还包括：

偏置电流产生电路，其被配置为在不向所述第二比较器核芯提供调整的第一偏置电流的情况下，在刷新所述第一比较器核芯期间向所述第一比较器核芯提供所述调整的第一偏置电流。

17.一种电压转换器，包括：

比较器，用于连续监视所述电压转换器的输出电压，所述比较器包括：

第一比较器核芯，其使用第一开关电容器和第二开关电容器；

第二比较器核芯，其使用第三开关电容器和第四开关电容器；

其中在所述第二比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第一比较器核芯断电或处于刷新模式以刷新所述第一比较器核芯；以及

其中在所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第二比较器核芯断电或处于刷新模式以刷新所述第二比较器核芯，在所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第一开关电容器和所述第二开关电容器与所述第一比较器核芯的放大器级串联配置。

18.根据权利要求17所述的电压转换器，还包括：

充电电路，其选择性地耦合到所述第一开关电容器和所述第二开关电容器，所述充电电路在不用于刷新时断电。

19.根据权利要求17所述的电压转换器，还包括：

快速刷新周期，其中所述第一比较器核芯和所述第二比较器核芯一个接一个的刷新。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的电压转换器，还包括：

其中在所述第一开关电容器和所述第二开关电容器独立地刷新时，所述第一开关电容器与所述第二开关电容器隔离，并且在所述第一比较器核芯正在监视所述输出电压时，所述第一开关电容器与所述第二开关电容器串联配置。