CN111033274A - 低功率低占空比开关电容器分压器 - Google Patents

Abstract

提供了一种开关电容器分压器，该开关电容器分压器仅在低占空比时钟脉冲信号被断言时才起作用以将输入电压分压。在低占空比时钟脉冲信号的关闭时间期间，开关电容器分压器中的所有开关都空闲。

Description

低功率低占空比开关电容器分压器

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年08月17日提交的美国申请No.15/680,105的优先权和权益。

技术领域

本申请涉及分压器，并且更具体地涉及低功率低占空比的开关电容器分压器。

背景技术

电阻性分压器是用于对输入电压进行分压的常规电路。但是在电阻性分压器中实现低功耗是有问题的，因为电阻性分压器内的电阻器必须相当鲁棒(例如2MΩ)以减小传导到地的电流。与诸如晶体管的有源器件相比，电阻器的最终过大尺寸使得它们不易受到半导体工艺变化的影响。而且，与有源器件相比，通常使用明显更低的掺杂水平来形成电阻器，以使电阻性分压器通常对温度变化鲁棒。但是，由于提供这种鲁棒电阻所需的裸片面积，电阻的过大尺寸降低了所得集成电路的密度。

与电阻性分压器对芯片面积的要求相反，开关电容器分压器提供了更紧凑的备选。开关电容器分压器中的电容器相对于传导的DC电流开路，从而电容器无需过大来降低功耗。因此，与电阻性分压器相比，开关电容器分压器有利地是密集的。但是，开关电容器分压器中的晶体管开关消耗大量动态功率。

因此，在本领域中需要一种改进的开关电容器分压器，该开关电容器分压器保持其密度优势而又是低功率的(例如，小于0.5μA)。

发明内容

提供了一种开关电容器分压器，该开关电容器分压器对低占空比时钟脉冲信号进行响应。在低占空比时钟脉冲信号的关闭时间期间，开关电容器分压器内的所有开关都空闲。仅在低占空比时钟脉冲信号的断言期间，才使开关在切换相位中循环，以使用一对分压电容器将输入电压分成经分压的输出电压。因此，由于在低占空比时钟脉冲信号的大部分周期(关闭时间)期间没有消耗动态切换功率，因此开关电容器分压器的所得操作的功率非常低。

通过下面的具体实施方式可以更好地理解这些和其他有利特征。

附图说明

图1是根据本公开的一个方面的低占空比开关电容器分压器的电路图。

图2是根据本公开的一个方面的用于图1的低占空比开关电容器分压器的时钟生成器的电路图。

图3是根据本公开的一个方面的由图2的时钟生成器产生的各种时钟脉冲的时序图。

图4图示了根据本公开的一个方面的在三个切换相位中并且还图示了在无脉冲状态中的权利要求1的低占空比开关电容器分压器的配置。

图5是根据本公开的一个方面的用于低占空比开关电容器分压器的操作方法的流程图。

通过参考以下具体实施方式，将最好地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中图示的相同元件。

具体实施方式

在以下公开中，低占空比时钟脉冲信号激活用于低功率操作的开关电容器分压器。在低占空比时钟脉冲信号被断言时，诸如基准电压的输入电压对输入电容器的输入节点充电。另外，在低占空比时钟脉冲信号的断言期间，三个切换相位被循环地断言。在切换相位的第一相位中，一对分压电容器放电。在切换相位的第二相位中，该对分压电容器串联连接在地与输入节点之间。因此，在第二切换相位期间，该对分压电容器之间的中间节点被充电到基准电压的分压版本。在第三切换相位中，中间节点连接到输出电容器的输出节点，而分压电容器对与输入电容器隔离，以将输出节点充电到基准电压的该分压版本。在低占空比脉冲的关闭时间期间，输入节点与电压源并且与该对分压电容器隔离。类似地，在低占空比脉冲的关闭时间期间，中间节点与输出节点隔离。

所得的开关电容器分压器非常有利，因为关闭时间构成低占空比脉冲的大部分切换周期。例如，在一些实施例中，关闭时间可以是切换周期的98％。由于在关闭时间期间没有切换活动和功耗，因此，低占空比开关电容器分压器的所得操作非常低功率，诸如仅0.5μA或更小的消耗。现在转向附图，图1中示出了示例开关电容器分压器100。差分放大器105用作输入电压源。差分放大器105的正输入接收基准电压Vref，而差分放大器105的输出被绑定到其负输入。通过差分放大器105得到的负反馈保持其输出电压等于基准电压。

为了减少功耗，为差分放大器105供电的电流源110通过开关S1连接到差分放大器105的功率节点，该开关S1被控制成在低占空比时钟脉冲信号(ck_pulse)的开启时间(脉冲断言)期间闭合。差分放大器105的输出节点通过开关S2连接到输入电容器Ci的输入节点115，该输入电容器Ci耦合在输入节点115与地之间。像开关S1一样，仅在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse被断言时，才控制开关S2闭合。

开关电容器分压器100还包括由第一分压电容器Ca通过中间节点125与第二分压电容器Cb串联形成的一对分压电容器。第一分压电容器Ca连接在输入节点120与中间节点125之间，而第二分压电容器Cb连接在中间节点125与地之间。为了对通过开关电容器分压器100进行的分压提供调谐能力，在一些实施例中，第一分压电容器Ca可以是可变电容器。在其中通过开关电容器分压器100进行的分压期望调谐能力的实施例中，第二分压电容器Cb也可以是可变电容器。开关S3耦合在输入节点115与输入节点120之间，而开关S4耦合在输入节点120与地之间。类似于开关S4，开关S5连接在中间节点125与地之间。另一个开关S6连接在中间节点125与输出节点130之间。最后，输出电容器Co连接在输出节点130与地之间。

在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的关闭时间期间，开关S3至开关S6像开关S1和开关S2一样断开。与开关S1和开关S2相反，在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的断言期间，开关S3至开关S6不是简单地闭合。而是，在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的开启时间期间，开关S3至开关S6的组中的哪些开关闭合取决于切换相位。特别地，低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的开启时间被分成三个非重叠的切换相位，它们在开启时间期间被逐次地重复。在第一切换相位(ph1)期间，开关S3至开关S6的组中的开关S4和开关S5是唯一闭合的开关。在第二切换相位(ph2)期间，在开关S3至开关S6的组中仅开关S3闭合。最后，在第三切换相位(ph3)期间，在开关S3至开关S6的组中仅开关S6闭合。开关电容器分压器100在这三个切换相位期间的所得配置将在下面进一步讨论。由于开关S3至开关S6的组在切换相位期间是活动的，因此这些开关也可以被指定为分压器开关。开关S1至开关S6都可以包括晶体管开关。

在一些实施例中，该三个切换相位可以是不重叠的。每个切换相位可以被其自身的非重叠时钟脉冲激活。例如，在第一切换相位期间断言时钟脉冲信号ph1。类似地，在第二切换相位期间断言时钟脉冲信号ph2，而在第三切换相位期间断言时钟脉冲信号ph3。图2中示出了用于生成低占空比时钟脉冲信号和非重叠时钟脉冲信号ph1、ph2和ph3的示例时钟生成器200。脉冲生成器205生成低占空比时钟脉冲信号ck_pulse。图3中示出了示例低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的时序图。在该示例中，低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的周期为100μs，但是将理解，在备选的实施例中可以使用不同的周期。由于脉冲生成器205是低占空比脉冲生成器，因此低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的占空比将小于50％。在图3的示例中，占空比为2％，但是将理解，在备选实施例中可以使用小于50％的其他低占空比。当低占空比时钟脉冲信号ck_pulse被断言时，无毛刺振荡器210被使能以生成振荡时钟信号ck_int。时钟信号ck_int的周期小于低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的开启时间的1/3。例如，在其中低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的开启时间是2μs的实施例中，时钟信号ck_int的周期可以是100ns。

低占空比时钟脉冲信号ck_pulse和时钟信号ck_int驱动非重叠三相时钟生成器265。特别地，低占空比时钟脉冲信号ck_pulse驱动触发器215的D输入。触发器215由如第一反相器230产生的时钟信号ck_int的反相版本提供时钟。第二反相器230将时钟信号ck_int的反相版本反相，以为触发器220和触发器225提供时钟。来自触发器215的Q bar输出将触发器220和225复位。来自触发器220的Q bar输出用作其数据输入D。来自触发器220的Q输出驱动触发器225的数据输入D。来自触发器220的所得Q输出和Q bar输出分别形成时钟信号ck_int的同相版本(ph0)和反相版本(ph180)。类似地，来自触发器225的所得Q输出和Q bar输出分别形成时钟信号ck_int的90°移位版本(ph90)和270°移位版本(ph270)。延迟调整电路240校正相控时钟信号ph0、ph90、ph180和ph270中的任何非理想性，以驱动或门250、或门255和或门260。特别地，或门250对ph90时钟信号和ph180时钟信号取或，以产生第一切换相位的时钟脉冲信号ph1。类似地，或门255对ph180时钟信号和ph270时钟信号取或，以产生第二切换相位的时钟脉冲信号ph2。最后，或门260对ph0时钟信号和ph270时钟信号取或，以产生第三切换相位的时钟脉冲信号ph3。如图3中所示，时钟脉冲信号ph1、ph2和ph3的脉冲宽度与时钟信号ck_int的脉冲宽度大致相同。时钟脉冲信号ph1首先被脉冲化，随后是时钟脉冲信号ph2。由于这些脉冲是不重叠的，因此短暂的延迟将时钟脉冲ph1和ph2分离。类似地，短暂的延迟将时钟脉冲信号ph3的脉冲与时钟脉冲信号ph2的脉冲分离。在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse被断言时，时钟脉冲信号ph1、ph2和ph3的连续脉冲持续进行。在一个实施例中，可以认为非重叠的三相时钟生成器265形成了一种装置，该装置用于在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse的开启时间期间，循环地断言第一时钟脉冲信号ph1、第二时钟脉冲信号ph2和第三时钟脉冲信号ph3。

图4中示出了在切换相位ph1期间的开关电容器分压器100的所得配置。如关于图1所讨论的，在第一切换相位期间，开关S4和开关S5闭合，而开关S3和开关S6断开。注意，在切换相位ph1期间，分压电容器Ca和Cb中的每个电容器的两个端子都连接到地。分压电容器Ca和Cb的这种放电确保了它们上没有剩余电荷来污染随后的分压。

再次参考图1，在第二切换相位(ph2)期间，开关S3闭合，而开关S4、S5和S6断开。图4中也示出了在相位ph2期间的开关电容器分压器100的所得配置。在第一切换相位ph1期间，差分放大器105将输入节点115充电到等于基准电压的电压Va。由于在第二切换相位ph2期间，分压电容器Ca和Cb串联连接在输入节点115与地之间，因此在该切换相位期间，分压电容器Ca和Cb之间的中间节点125被充电到基准电压的分压版本。特别地，基准电压的分压版本等于分压电容器Ca的电容Ca与总电容(Ca+Cb)的比率乘以基准电压，其中Cb是分压电容器Cb的电容。以这种方式，中间节点125的电压Vc在第二切换相位期间被充电到分压电压(Ca/(Ca+Cb))*Vref。

再次参考图1，在第三切换相位ph3期间，开关S6闭合，而开关S3、S4和S5断开。图4中也示出了在第三切换相位ph3期间的开关电容器分压器100的所得配置。在第三切换相位期间，输出节点130上的输出电压Vout被充电到分压电压(Ca/(Ca+Cb))*Vref。在图4中，低占空比时钟脉冲信号pulse_ref的关闭时间被指定为“无脉冲”。输入电容器Ci与差分放大器105隔离并且与分压电容器Ca隔离。类似地，在关闭时间期间，中间节点125与输出节点130隔离。

现在将参考图5的流程图讨论低占空比开关电容器分压器的操作的方法。方法包括动作500，在低占空比时钟脉冲信号的关闭时间期间，将基准电压源从输入电容器断开连接。在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse为低时的开关S2的断开是动作500的示例。此外，方法包括动作505，在低占空比时钟脉冲信号的开启时间期间，将基准电压源连接到输入电容器，以将输入电容器的输入节点充电到基准电压。在低占空比时钟脉冲信号ck_pulse被断言时的开关S2的闭合是动作505的示例。方法还包括动作510，在低占空比时钟脉冲信号的开启时间期间，在第一时钟脉冲信号的开启时间期间，将一对分压电容器串联连接在输入节点与地之间，以将该对分压电容器中的中间节点充电到基准电压的分压版本。响应于第二时钟脉冲信号ph2的断言的开关S3的闭合是动作510的示例。最后，方法包括动作515，在低占空比时钟脉冲信号的开启时间期间，在第二时钟脉冲信号的开启时间期间，将中间节点连接到输出电容器的输出节点，以将输出节点充电到经分压的基准电压。响应于第三时钟脉冲信号ph3的断言的开关S6的闭合是动作515的示例。

因此将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法进行许多修改、替代和变化。鉴于此，本公开的范围不应当受限于本文图示和描述的特定实施例的范围，因为它们仅是通过其一些示例的方式，而是应当与所附权利要求及其功能等同物的范围完全相称。

Claims (20)

1.一种开关电容器分压器，包括：

输入电压源，用于提供输入电压；

输入电容器；

输入开关，被配置成在低占空比时钟脉冲信号的断言期间将所述输入电压源耦合到所述输入电容器，以将所述输入电容器充电到所述输入电压；

一对分压电容器；

输出电容器；以及

多个分压器开关，耦合到所述一对分压电容器和所述输出电容器，其中在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间，所述多个分压器开关响应于第一时钟脉冲信号而将所述一对分压电容器耦合到所述输入电容器，以将所述一对分压电容器中的中间节点充电到所述输入电压的分压版本，并且其中在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间，所述多个分压器开关还响应于第二时钟脉冲信号而将所述中间节点耦合到所述输出电容器，以将所述输出电容器充电到所述输入电压的所述分压版本。

2.根据权利要求1所述的开关电容器分压器，其中在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间，所述多个分压器开关还响应于第三时钟脉冲信号，以将所述一对分压电容器放电。

3.根据权利要求2所述的开关电容器分压器，其中所述多个分压器开关包括：

第一开关，耦合在到所述一对分压电容器的输入节点与地之间；以及

第二开关，耦合在所述中间节点与地之间，并且其中所述第一开关和所述第二开关都被配置成在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间，响应于所述第三时钟脉冲信号的断言而闭合。

4.根据权利要求3所述的开关电容器分压器，其中所述多个分压器开关包括第三开关，所述第三开关耦合在到所述一对分压电容器的所述输入节点与所述输入电容器之间，并且其中所述第三开关被配置成在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间，响应于所述第一时钟脉冲信号的断言而闭合。

5.根据权利要求4所述的开关电容器分压器，其中所述多个分压器开关还包括第四开关，所述第四开关耦合在所述中间节点与所述输出电容器之间，并且其中所述第四开关被配置成在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间，响应于所述第二时钟脉冲信号的断言而闭合。

6.根据权利要求5所述的开关电容器分压器，其中所述第一时钟脉冲信号、所述第二时钟脉冲信号和所述第三时钟脉冲信号都是非重叠时钟脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的开关电容器分压器，其中所述一对分压电容器是一对可变电容器。

8.根据权利要求1所述的开关电容器分压器，其中所述输入开关和所述多个分压开关都是晶体管开关，并且其中所述低占空比时钟脉冲信号的占空比为2％。

9.根据权利要求6所述的开关电容器分压器，还包括：

时钟源，被配置成提供所述低占空比时钟脉冲信号、所述第一时钟脉冲信号、所述第二时钟脉冲信号和所述第三时钟脉冲信号。

10.根据权利要求9所述的开关电容器分压器，其中所述时钟源包括脉冲生成器，所述脉冲生成器被配置成生成所述低占空比时钟脉冲信号。

11.根据权利要求10所述的开关电容器分压器，其中所述时钟源还包括振荡器和非重叠三相时钟生成器，其中所述非重叠三相时钟生成器被配置成响应于来自所述振荡器的振荡，循环地断言所述第三时钟脉冲信号、所述第一时钟脉冲信号和所述第二时钟脉冲信号，其中所述振荡器被配置成在所述低占空比时钟脉冲信号的所述断言期间振荡。

12.一种在开关电容器分压器中将输入电压分压的方法，包括：

在低占空比时钟脉冲信号的关闭时间期间，将输入电压源从输入电容器断开连接；

在所述低占空比时钟脉冲信号的开启时间期间，将所述输入电压源连接到所述输入电容器，以将所述输入电容器的输入节点充电到所述输入电压；

在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间，在第一时钟脉冲的开启时间期间，将一对分压电容器串联连接在所述输入节点与地之间，以将所述一对分压电容器中的中间节点充电到所述输入电压的分压版本；以及

在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间，在第二时钟脉冲的开启时间期间，将所述中间节点连接到输出电容器的输出节点，以将所述输出节点充电到所述输入电压的所述分压版本。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间，响应于第三时钟脉冲信号的断言，将所述一对分压电容器放电。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间，将所述第三时钟脉冲信号、所述第一时钟脉冲信号和所述第二时钟脉冲信号循环地断言为非重叠时钟脉冲信号。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

调整所述一对分压电容器中的每个电容器的电容，以调整所述输入电压的所述分压版本。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间，在差分放大器中生成等于基准电压的所述输入电压。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述低占空比时钟脉冲信号的占空比为2％。

18.一种开关电容器分压器，包括：

基准电压源；

输入电容器；

输入开关，连接在所述基准电压源与所述输入电容器的输入节点之间，其中所述输入开关被配置成在低占空比时钟脉冲信号的开启时间期间闭合，并且在所述低占空比时钟脉冲信号的关闭时间期间断开；

第一分压电容器，通过中间节点与第二分压电容器串联；

第一开关，连接在所述第一分压电容器的输入节点与所述输入电容器的所述输入节点之间，其中所述第一开关被配置成在第一时钟脉冲信号的开启时间期间闭合，并且在所述第一时钟脉冲信号的关闭时间期间断开；

输出电容器；

第二开关，连接在所述中间节点与所述输出电容器之间，其中所述第二开关被配置成在第二时钟脉冲信号的开启时间期间闭合，并且在所述第二时钟脉冲信号的关闭时间期间断开；以及

用于在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间，循环地断言所述第一时钟脉冲和所述第二时钟脉冲的装置。

19.根据权利要求18所述的开关电容器分压器，还包括：

第三开关，连接在到所述第一分压电容器的所述输入节点与地之间；以及

第四开关，连接在所述中间节点与地之间，其中所述第三开关和所述第四开关都被配置成在第三时钟脉冲信号的开启时间期间闭合，并且在所述第三时钟脉冲信号的关闭时间期间断开，并且其中所述装置还被配置成在所述低占空比时钟脉冲信号的所述开启时间期间循环地断言所述第三时钟脉冲信号。

20.根据权利要求19所述的开关电容器分压器，其中所述装置还被配置成：循环地断言所述第一时钟脉冲信号、所述第二时钟脉冲信号和所述第三时钟脉冲信号，以成为非重叠时钟脉冲信号。

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