CN110971119A - 电源电路、电子设备及功率平滑方法 - Google Patents

电源电路、电子设备及功率平滑方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种电源电路、电子设备及功率平滑方法。本发明实施例在电荷泵启动和建立高压的过程中，先对时钟发生电路产生的第一时钟信号作分步式降频，通过对时钟多段分频，使电荷泵在启动时按照时钟控制单元产生的频率逐渐增加的第二时钟信号产生高压。这使得电荷泵所消耗的输入电流从较慢的频率下的较小值，逐步过渡到较快的频率下的较大值，从而降低电荷泵启动过程中的功耗阶跃。

Description

电源电路、电子设备及功率平滑方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及电源电路、电子设备及功率平滑方法。
背景技术
非接触式集成电路(Integrated Circuit，IC)卡又称射频(Radio Frequency，RF)卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)卡片内，芯片及天线无任何外露部分，已被广泛应用于公交、医疗、校园一卡通，门禁等领域。非接触式IC卡工作于非接模式，它的供电不是理想电源，因此有限的供电能力要求闪存(Flash)等模块对于电流的消耗，要具备较好的平滑度，即相邻微秒(μs)之间的平均功耗值的差值不能过大，这体现在功耗阶跃有最大值限制。通常在电荷泵(PUMP)启动瞬间，会导致系统端较大的功耗阶跃。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电源电路、电子设备及功率平滑方法，以解决在电荷泵启动瞬间，导致系统端的功耗阶跃过大的问题。
本发明实施例提供的电源电路包括：
时钟发生电路，被配置为生成预定频率的第一时钟信号；
时钟控制单元，被配置为响应于电荷泵启动信号，输出频率逐渐递增的第二时钟信号；以及
电荷泵，根据所述第二时钟信号进行直流-直流转换输出电流，其中所述电荷泵的输入电流与所述第二时钟信号的频率正相关。
进一步地，所述时钟控制单元被配置为在接收到所述电荷泵启动信号后，每隔预定周期升高输出的第二时钟信号的频率直至所述第二时钟信号的频率上升达到设定值。
进一步地，所述时钟控制单元被配置为每隔预定周期倍增所述第二时钟信号的频率。
进一步地，所述时钟控制单元被配置为在对应的周期输出具有对应频率的第二时钟信号，各周期对应的第二时钟信号的频率依次增加。
进一步地，相邻所述周期的所述时钟信号的频率的差值相同。
进一步地，还包括：
感应电路，被配置在交变电磁场中产生感应电流为所述电荷泵供电。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种电子设备，包括：
存储单元，被配置为存储数据；
无线通信电路，被配置为以无线方式进行通信；以及
电源电路，被配置为为所述存储单元和所述无线通信电路供电。
进一步地，所述电子设备为IC卡。
根据本发明实施例的又一方面，提供一种功率平滑方法，用于平滑电荷泵启动的功率阶跃，所述方法包括：
响应于电荷泵启动信号，向所述电荷泵输出频率逐渐递增的时钟信号以驱动所述电荷泵抽取的输入电流逐渐增加。
进一步地，所述时钟信号的频率每隔预定周期升高，直至所述时钟信号的频率上升达到设定值。
进一步地，所述时钟信号的频率每隔预定周期倍增。
进一步地，相邻周期的所述时钟信号的频率的差值相同。
本发明实施例在电荷泵启动和建立高压的过程中，先对时钟发生电路产生的第一时钟信号作分步式降频，通过对时钟多段分频，使电荷泵在启动时按照时钟控制单元产生的频率逐渐增加的第二时钟信号产生高压。这使得电荷泵所消耗的输入电流从较慢的频率下的较小值，逐步过渡到较快的频率下的较大值，从而降低电荷泵启动过程中的功耗阶跃。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是一个对比例的电荷泵的输入电流和输出电压的变化示意图；
图2是本发明实施例的电源电路的示意图；
图3是本发明实施例的电荷泵的输入电流和输出电压的变化示意图；
图4和图5是本发明优选实施例的电源电路的示意图；
图6是本发明实施例的电子设备的电路示意图；
图7是本发明实施例的功率平滑方法的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是一个对比例的电荷泵的输入电流和输出电压的变化示意图，对比例是利用额外补偿电流的方式来实现功耗平滑，这种方案是依据负载的时序，在电荷泵等功耗较大的单元启动的前一段时间(t0-t1)，先打开一路补偿电流，等到电荷泵开始工作时，再关闭这一路补偿电流，从而降低电荷泵启动时刻的功耗阶跃。参考图1，实线I(PUMP_VDD)为电荷泵的输入电流，虚线V(PUMP_OUT)为电荷泵的输出电压，在t1时刻启动补偿电流的瞬间，如图中椭圆区域所示，电荷泵的输入电流会急剧升高。而电荷泵的功耗等于电荷泵的输入电流与电荷泵的输入电压的乘积，电荷泵的输入电压基本保持稳定，因此在电荷泵启动瞬间，输入电流突然增大会产生比较大的功耗阶跃。同时，对比例的方案较为复杂，补偿的时序关系较为苛刻，因为不同的工作模式下，启动电荷泵的时刻是不固定的。补偿电流的具体数值难以跟随工艺、电压和温度(Process，Voltage and Temperature，PVT)变化，从而降低了补偿的效果。这种设计方案，对系统的设计要求较高，难度很大。
图2是本发明实施例的电源电路的示意图，参考图2，电源电路100包括时钟发生电路10，时钟控制单元20以及电荷泵30。
其中，电荷泵，也称为开关电容变换器，是一种电容式电压变换器，其通过基于时钟信号控制开关的导通和关断对电路中的电容进行充放电，从而实现直流-直流变换。通常，电荷泵可用以提升或降低电压，也可用于产生负电压，具有简单、高效的特点。同时，由于电荷泵不必采用电感就可以实现电压变换或功率变换，因此，适于直接集成在芯片中，集成度更高。在射频卡中，存储器通常需要一个较高的内生电压完成存储器的写操作和擦除操作，因此，在本发明实施例中，采用电荷泵30来升高电压，将供电电压转换为高于供电电压的高电压信号，以向类似于存储器这样的需要较高电压的负载供电。
通常，电荷泵的输入电流与控制器的时钟信号频率正相关，也就是说，电荷泵的输入电流在时钟信号频率较低时较小，在时钟信号频率较高时较大，并会随时钟信号频率的增加而增加。由此，可以利用这一属性来控制电荷泵以降低整个过程中对电源抽电流的功耗阶跃。在本实施例中，所述时钟发生电路10用于接收电荷泵启动信号，并在接收到电荷泵启动信号后生成预定频率的第一时钟信号CLK1。所述时钟控制单元20用于接收并响应电荷泵启动信号，并在接收到电荷泵启动信号后输出频率逐渐递增的第二时钟信号CLK2。所述电荷泵30根据接收到的第二时钟信号CLK2进行直流-直流转换输出电流I2，其中所述电荷泵所消耗的输入电流I1与所述第二时钟信号CLK2的频率正相关。所述电荷泵30连接电源VDD用于升高电压。
在一个可选的实现方式中，所述时钟控制单元20在接收到所述电荷泵启动信号后，每隔预定周期升高输出的第二时钟信号CLK2的频率直至所述第二时钟信号CLK2的频率上升达到设定值。所述第二时钟信号CLK2的频率的设定值为f0。
具体地，所述时钟控制单元20每隔预定周期倍增所述第二时钟信号CLK2的频率。例如，采用分频的方法，在接收到电荷泵启动信号后，逐渐将第二时钟信号CLK2的频率分别以
Figure BDA0001818232300000051
等依次倍增。该方法简便易行，电路结构更加容易设计。应理解，也可以将由电荷泵启动到电荷泵基于正常工作频率工作的阶段设置为更多周期，以使得功率的上升更加平滑。
具体地，所述时钟控制单元20在对应的周期输出具有对应频率的第二时钟信号CLK2，并且相邻所述周期的所述时钟信号的频率的差值相同。周期个数是可以控制的，并且分频的模式也可以对应地作调整。例如，第二时钟信号CLK2的频率为
Figure BDA0001818232300000052
Figure BDA0001818232300000053
的顺序逐渐上升。由此，该分频方法能够使功率更为平滑，每隔固定周期升高相同的频率，分频个数越多，相邻周期的功耗阶跃越小，但分频个数太多会降低分频的效率，所以根据电路的具体需要，综合选择合适的分频个数。
此外，也可以根据需要，每隔预定周期升高输出的第二时钟信号CLK2，使得每个预定周期内的第二时钟信号CLK2具有预定的频率。直至所述第二时钟信号CLK2的频率上升达到设定值。例如，第二时钟信号CLK2的频率分别以
Figure BDA0001818232300000054
以及
Figure BDA0001818232300000055
的顺序逐步升高。在开始启动阶段，使频率以较小的幅度逐渐升高，以平滑功率。可根据电路需要设定预定的频率。
图3是本发明实施例的电荷泵的输入电流和输出电压的变化示意图，如图3所示，实线I(PUMP_VDD)为电荷泵的输入电流，虚线V(PUMP_OUT)为电荷泵的输出电压。在t1时刻电荷泵启动，电荷泵的输入电流随时钟信号升高，时钟信号经过T1-T7这7个周期达到预定值。电荷泵的功耗等于电荷泵的输入电流与电荷泵的输入电压的乘积，如图3中椭圆区域所示，电荷泵的输入电流的曲线平滑升高，电荷泵的输入电压基本保持不变，对应地，相邻周期间的功耗阶跃较小。与对比例相比，本发明实施例在电荷泵启动阶段的功耗阶跃更为平缓，确保电源电路的稳定性。
本实施例在电荷泵启动和建立高压的过程中，先对时钟发生电路产生的第一时钟信号作分步式降频，通过对时钟多段分频，使电荷泵按照时钟控制单元产生的第二时钟信号从慢到快的方式利用时钟来产生高压。让电荷泵从较慢的频率下，逐步过渡到较快的频率，降低整个过程中对电源抽电流的功耗阶跃。在对比例是利用额外补偿电流的方式来实现功耗平滑，不仅对时序有复杂的要求，并且补偿电流的数值还难以跟随PVT变化而自适应改变，难度很大。本发明实施例不改变系统的时序控制，仅仅利用电荷泵自身的简单的逻辑控制改进，就达到了平缓功耗阶跃的要求。
图4-图5是本发明优选实施例的电源电路的示意图，如图4所示，在应用于射频卡场景时，所述电源电路100还包括感应电路40，所述感应电路40可以在交变电磁场中产生感应电流I1直接或间接输入到所述电荷泵30。感应电路40一方面产生感应电流，另一方面响应控制终端的指令，产生电荷泵启动信号以及时钟信号。如图5所示，所述感应电路40包括：感应天线41以及整流器电路42。感应天线41是几组绕线的线圈，负责接收信号以及与外部终端耦合以产生能量。感应天线41的种类一般有绕线天线、印刷天线、蚀刻天线等，优选采用绕线天线。整流器电路42用于将天线产生的能量转换成直流电源，输入到电荷泵30。
感应电路可以在不与控制终端接触的情况下产生感应电流，同时接收控制终端指令，可以在距离控制终端一定距离内操作。能够实现无线通信。
图6是本发明实施例的电子设备的电路示意图，如图6所示，所述电子设备1000包括存储单元300，所述存储单元300用来存储数据，存储单元300可以包括带电可擦写可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM)、易挥发性随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)以及Flash中的至少一种。无线通信电路200用来以无线方式进行通信，接收控制终端的指令，根据控制终端的读写信号Signal，对存储单元进行读写操作。由此，所述电子设备可以在距离控制终端一定范围内即可执行控制终端的指令。电源电路100，为所述存储单元300和所述无线通信电路200供电，为所述无线通信电路200提供电流I3，为存储单元300提供的电流为I4。
其中，所述电源电路100包括感应电路，时钟发生电路，时钟控制单元以及电荷泵。在电子设备启动阶段，所述电源电路通过对时钟信号多段分频，使电荷泵按照时钟信号从慢到快的方式，使电荷泵抽取的输入电流逐渐增大。具有平缓功耗阶跃的效果，以确保电子设备的安全性和稳定性。
在一个可选的实现方式中，所述时钟信号的频率每隔预定周期升高，直至所述时钟信号的频率上升达到设定值f0。所述时钟信号的分频模式可以随着不同应用作调整，根据相应的情况，设置不同的分频个数以及时钟周期长度。例如，所述时钟信号的频率每隔预定周期倍增；或者相邻周期的所述时钟信号的频率的差值相同，即下一周期比上一周期增加相同的频率。
具体地，时钟信号的频率可以分别以
Figure BDA0001818232300000071
的顺序依次倍增；或者时钟信号的频率以
Figure BDA0001818232300000072
Figure BDA0001818232300000073
的顺序逐渐上升。
在一个可选的实现方式中，所述电子设备为IC卡，优选为非接触IC卡，可以应用在包括：公交卡、门禁卡、身份证、社保卡、学生卡以及员工卡等多个领域。
在本实施例中，通过电源电路产生电流对无线通信电路以及存储单元供电，无线通信电路接收控制终端的读写信号以对存储单元进行读写操作。在电子设备启动阶段，所述电源电路具有平缓功耗阶跃的效果，以确保电子设备的安全性和稳定性。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率平滑方法，用于平滑电荷泵启动的功率阶跃，所述方法包括如下步骤：
步骤S100，检测电荷泵启动信号。
步骤S200，响应于电荷泵启动信号，向所述电荷泵输出频率逐渐递增的时钟信号以驱动所述电荷泵抽取的的输入电流逐渐增加。
在一个可选的实现方式中，所述时钟信号的频率每隔预定周期升高，直至所述时钟信号的频率上升达到设定值f0。所述时钟信号的分频模式可以随着不同应用作调整，根据相应的情况，设置不同的分频个数以及时钟周期长度。例如，所述时钟信号的频率每隔预定周期倍增；或者相邻周期的所述时钟信号的频率的差值相同，即下一周期比上一周期增加相同的频率。
具体地，时钟信号的频率可以分别以
Figure BDA0001818232300000081
的顺序依次倍增；或者时钟信号的频率以
Figure BDA0001818232300000082
Figure BDA0001818232300000083
的顺序逐渐上升。
在本实施例中，所述功率平滑方法，通过对时钟信号多段分频，使电荷泵按照时钟信号从慢到快的方式，利用时钟来产生高压。具有平缓功耗阶跃的效果。
本发明实施例在电荷泵启动和建立高压的过程中，先对时钟发生电路产生的第一时钟信号作分步式降频，通过对时钟多段分频，使电荷泵在启动时按照时钟控制单元产生的频率逐渐增加的第二时钟信号产生高压。这使得电荷泵的所消耗的输入电流从较慢的频率下的较小值，逐步过渡到较快的频率下的较大值，从而降低电荷泵启动过程中的功耗阶跃。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电源电路，其特征在于，包括：
时钟发生电路，被配置为生成预定频率的第一时钟信号；
时钟控制单元，被配置为响应于电荷泵启动信号，输出频率逐渐递增的第二时钟信号；以及
电荷泵，根据所述第二时钟信号进行直流-直流转换输出电流，其中所述电荷泵的输入电流与所述第二时钟信号的频率正相关。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述时钟控制单元被配置为在接收到所述电荷泵启动信号后，每隔预定周期升高输出的所述第二时钟信号的频率直至所述第二时钟信号的频率上升达到设定值。
3.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于，所述时钟控制单元被配置为每隔预定周期倍增所述第二时钟信号的频率。
4.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于，所述时钟控制单元被配置为在对应的周期输出具有对应频率的第二时钟信号，各周期对应的第二时钟信号的频率依次增加。
5.根据权利要求4所述的电源电路，其特征在于，相邻所述周期的所述第二时钟信号的频率的差值相同。
6.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，还包括：
感应电路，被配置在交变电磁场中产生感应电流为所述电荷泵供电。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储单元，被配置为存储数据；
无线通信电路，被配置为以无线方式进行通信；以及
如权利要求1-6任一项所述的电源电路，被配置为为所述存储单元和所述无线通信电路供电。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为集成电路卡。
9.一种功率平滑方法，用于平滑电荷泵启动的功率阶跃，其特征在于，所述方法包括：
响应于电荷泵启动信号，向所述电荷泵输出频率逐渐递增的时钟信号以驱动所述电荷泵抽取的的输入电流逐渐增加。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述时钟信号的频率每隔预定周期升高，直至所述时钟信号的频率上升达到设定值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述时钟信号的频率每隔预定周期倍增。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，相邻周期的所述时钟信号的频率的差值相同。
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