CN111600481A - 一种供电电源的升降压控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种供电电源的升降压控制系统，包括线性稳压器LDO、欠压保护电路UVLO、电荷泵CP和单刀双掷开关SPDT，欠压保护电路UVLO检测VDD，当VDD>线性稳压器LDO输出额定LDOout_（NOM）时，自动采用降压模式，保持线性稳压器LDO输出供电电压LDOout稳定；当VDD<LDOout_（NOM）时，欠压保护电路UVLO的输出控制电荷泵CP开启，自动进入升压模式，通过其输出信号CPout连接线性稳压器LDO的输入LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD<额定的供电电压输出/2时，通过欠压保护电路UVLO的输出信号UVout2产生的使能信号EN关断线性稳压器LDO输出。

Description

一种供电电源的升降压控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及供电电源的电源管理技术，尤其是一种供电电源的升降压控制系统及其控制方法，属于集成电路技术领域。

背景技术

随着便携式电子产品广泛使用于工作和生活的各个方面，对便携式电子产品的供电电源的性能提出了更高的要求，尤其是针对电池供电系统，随着电池的使用，电池电压会低于额定供电电压，这时电池虽然还有能量，但是供电系统不能提供额定的供电电压。因此，升降压电路就被用于这种电池供电系统。当电池电压高于额定供电电压，采用降压电路使供电系统的输出电压降低；当电池电压接近额定供电电压时，采用升压电路使供电系统的输出电压升高，以维持供电系统输出的额定供电电压稳定。目前现有技术的升降压电路主要是采用电感实现升压和降压，如图1所示，美国专利US 6166527通过四开关对电感的充放电，从而实现升压和降压操作，其内部电路主要是围绕如何产生四个开关的控制信号。这种应用由于有电感的周期性充放电过程而导致严重的电磁干扰EMI和辐射问题，对于射频等噪声敏感的场合，该应用会受到严重限制。

发明内容

为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种供电电源的升降压控制系统及其控制方法，通过引入线性稳压器电路、电荷泵电路、欠压保护电路和转换开关电路实现升降压控制，由于线性稳压器优良的抗干扰能力以及电荷泵优良的EMI性能，可以在实现升降压的同时，显著改善电磁干扰EMI的问题，同时可以提供纹波可忽略的干净输出电源。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种供电电源的升降压控制系统，该控制系统包括电池VDD和供电电压输出电路，当VDD>额定的输出供电电压时，控制系统自动采用降压模式，保持供电电压输出稳定；当VDD<额定的输出供电电压时，控制系统自动采用升压模式，保持供电电压输出稳定；当VDD< 额定的输出供电电压/2时，关断升压模式并且关断供电电压输出，更换电池；

其特征在于，供电电压输出电路包括线性稳压器LDO、欠压保护电路UVLO、电荷泵CP、单刀双掷开关SPDT以及为整个系统提供基准电压VREF和基准电流IBIAS的基准源；线性稳压器LDO的输出端LDOout为供电电源的输出端输出供电电压，LDOout_（NOM）为供电电源额定的输出供电电压，线性稳压器LDO的输入电压端LDOin连接单刀双掷开关SPDT的输出端SO，该输出端SO受控于单刀双掷开关SPDT的控制端SC，单刀双掷开关SPDT的一个输入端S1连接VDD和电荷泵CP的输入信号端CPin，单刀双掷开关SPDT的另一个输入端S2连接电荷泵CP的输出信号端CPout，电荷泵CP的一个控制端CPc连接欠压保护电路UVLO的输出信号端UVout和单刀双掷开关SPDT的控制端SC，电荷泵CP的另一个控制端CPc2连接欠压保护电路UVLO的另一个输出信号端UVout2和线性稳压器LDO的使能控制端；

欠压保护电路UVLO用于检测电池电压VDD，内设两个比较器电路与参考电压比较，当VDD> LDOout_（NOM）时，线性稳压器LDO自动采用降压模式，LDOout<LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD< LDOout_（NOM）时，欠压保护电路UVLO的输出控制电荷泵CP开启，电荷泵CP自动进入升压模式，通过其输出信号端CPout连接线性稳压器LDO的输入电压端LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD< 额定的供电电压输出/2时，通过欠压保护电路UVLO的输出信号端UVout2产生的使能信号EN关断LDO输出。

所述线性稳压器LDO包括设有使能控制端的误差放大器EA，PMOS管P1，电阻R1和R2以及输入电容Cin和输出电容Cout；误差放大器EA的负端连接基准电压VREF，误差放大器EA的输出端连接PMOS管P1的栅极；PMOS管P1的漏极连接电阻R1的一端并作为线性稳压器LDO的输出供电电压LDOout，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和误差放大器EA的正端，电阻R2的另一端接地，EN为误差放大器EA的使能控制端，PMOS管P1的源极与衬底互连并作为线性稳压器LDO的输入电压端LDOin，该输入电压端LDOin通过输入电容Cin接地，稳压器LDO的输出电压端LDOout通过输出电容Cout接地。

所述欠压保护电路UVLO包括两个结构相同的比较器单元，一个比较器单元的输出信号端为UVout，另一个比较器单元的输出信号端为UVout2，两个比较器单元除了其中的分压电阻网络取值不同以及输出信号端位置不同，其余器件都相同；

输出信号端为UVout的比较器单元包括PMOS管Pu1、Pu2、Pu3和Pu4，NMOS管Nu1、Nu2、Nu3和Nu4，电阻Ruv1、Ruv2和 Ruv3构成的分压电阻网络以及反相器inv1和 inv2；电阻Ruv1的一端连接PMOS管Pu3的源极和衬底以及PMOS管Pu4的源极和衬底并连接VDD，电阻Ruv1的另一端连接电阻Ruv2的一端和PMOS管Pu1的栅极，电阻Ruv2的另一端连接电阻Ruv3的一端和NMOS管Nu4的漏极，电阻Ruv3的另一端和NMOS管Nu4的源极和衬底均接地，PMOS管Pu3的栅极与PMOS管Pu4的栅极互连并连接基准电流IBIAS，PMOS管Pu3的漏极连接PMOS管Pu1的源极和衬底和PMOS管Pu2的源极和衬底，PMOS管Pu1的漏极连接NMOS管Nu1的漏极和栅极以及NMOS管Nu2的栅极，PMOS管Pu2的栅极连接基准电压VREF，PMOS管Pu2的漏极连接NMOS管Nu2的漏极和NMOS管Nu3的栅极，NMOS管Nu3的漏极连接PMOS管Pu4的漏极和反相器inv1的输入端，NMOS管Nu1的源极和衬底、NMOS管Nu2的源极和衬底以及NMOS管Nu3的源极和衬底均接地，反相器inv1的输出端连接反相器inv2的输入端，反相器inv2的输出端输出信号UVout并连接NMOS管Nu4的栅极；

输出信号端为UVout2的比较器单元中，除了用不同阻值的电阻Ruv11、Ruv21和 Ruv31相应替换电阻Ruv1、Ruv2和 Ruv3以及反相器inv1的输出端作为输出信号端UVout2外，其余与输出信号端为UVout的比较器单元相同。

所述电荷泵CP包括PMOS管Pcp1、Pcp2、Pcp3以及PMOS管Pcp5~Pcp12，NMOS管Ncp1、Ncp2、 Ncp3和Ncp4，反相器invcp1、invcp2、invcp3、invcp4、invcp5和invcp6，与非门nand1以及电容Cosc和飞电容Ccp；反相器invcp1的输出连接反相器invcp2的输入，反相器invcp2的输出连接反相器invcp3的输入，反相器invcp3的输出连接反相器invcp4的输入，反相器invcp4的输出连接反相器invcp5的输入，反相器invcp5的输出连接NMOS管Ncp1的漏极，NMOS管Ncp1的源极和衬底与NMOS管Ncp2的源极和衬底互连，NMOS管Ncp1的栅极与NMOS管Ncp2的栅极互连并连接反相器invcp6的输出，反相器invcp6的输入连接与非门nand1的输出，与非门nand1的两个输入端分别作为电荷泵CP的两个控制端CPc和CPc2；NMOS管Ncp2的漏极连接电容Cosc的一端以及NMOS管Ncp3的漏极和反相器invcp1的输入端，电容Cosc的另一端以及NMOS管Ncp3的源极和衬底均接地，NMOS管Ncp3的栅极连接与非门nand1的输出；PMOS管Pcp5的漏极与PMOS管Pcp6的漏极互连，PMOS管Pcp5的栅极与PMOS管Pcp6的栅极互连并连接反相器invcp3的输出，PMOS管Pcp7的漏极与PMOS管Pcp8的漏极互连，PMOS管Pcp7的栅极与PMOS管Pcp8的栅极互连并连接反相器invcp4的输出，PMOS管Pcp9的漏极与PMOS管Pcp10的漏极互连，PMOS管Pcp9的栅极与PMOS管Pcp10的栅极互连并连接反相器invcp4的输出，PMOS管Pcp11的漏极与PMOS管Pcp12的漏极互连，PMOS管Pcp11的栅极与PMOS管Pcp12的栅极互连并连接反相器invcp3的输出，PMOS管Pcp5的源极和衬底连接PMOS管Pcp1的源极以及PMOS管Pcp3的源极和衬底并作为电荷泵CP的输入信号端CPin，PMOS管Pcp3的栅极连接反相器invcp4的输出，PMOS管Pcp3的漏极连接NMOS管Ncp4的漏极和飞电容Ccp的一端，NMOS管Ncp4的栅极连接反相器invcp4的输出，NMOS管Ncp4的源极和衬底接地，飞电容Ccp的另一端连接PMOS管Pcp1的漏极、PMOS管Pcp2的漏极、PMOS管Pcp8的源极和衬底以及PMOS管Pcp9的源极和衬底，PMOS管Pcp1的栅极连接反相器invcp3的输出，PMOS管Pcp1的衬底连接PMOS管Pcp6的源极和衬底以及PMOS管Pcp7的源极和衬底，PMOS管Pcp2的衬底连接PMOS管Pcp10的源极和衬底以及PMOS管Pcp11的源极和衬底，PMOS管Pcp2的漏极连接PMOS管Pcp12的源极和衬底并作为电荷泵CP的输出信号端CPout。

所述单刀双掷开关SPDT包括PMOS管Ps1、Ps2、Ps3和Ps4，NMOS管Ns1、Ns2、Ns3和Ns4，反相器invs1和反相器invs2；反相器invs1的输入连接欠压保护电路UVLO的输出信号UVout，作为单刀双掷开关SPDT的控制端SC的控制信号，反相器invs1的输出连接反相器invs2的输入，反相器invs2的输出连接PMOS管Ps1的栅极、PMOS管Ps2的栅极、NMOS管Ns3的栅极和NMOS管Ns4的栅极，PMOS管Ps1的源极和衬底连接NMOS管Ns1的漏极并作为单刀双掷开关SPDT的输入端S1，NMOS管Ns1的栅极与NMOS管Ns2的栅极互连并连接反相器invs1的输出，NMOS管Ns1的源极和衬底连接NMOS管Ns2的源极和衬底，NMOS管Ns2的漏极连接PMOS管Ps2的源极和衬底并作为单刀双掷开关SPDT的输出端SO，NMOS管Ns3的漏极连接PMOS管Ps3的源极和衬底并作为单刀双掷开关SPDT的输入端S2，PMOS管Ps3的漏极与PMOS管Ps4的漏极互连，PMOS管Ps3的栅极与PMOS管Ps4的栅极互连并连接反相器invs1的输出，PMOS管Ps4的源极和衬底连接NMOS管Ns4的漏极并连接单刀双掷开关SPDT的输出端SO。

上述升降压控制系统的工作过程如下：基准电路始终为整个系统提供基准电压VREF和基准电流IBIAS，线性稳压器LDO为正常工作时，输入LDOin电压，控制输出电压LDOout保持稳定，并且LDOout<LDOin，从而实现降压，欠压保护电路UVLO检测VDD，并和内部设置的两个参考电压V1=LDOout_（NOM）和V2=LDOout_（NOM）/2进行比较，从而输出控制信号UVout和UVout2；当VDD> V1时，UVout为低电位，UVout2为高电位；当VDD接近或者低于V1时，输出电位UVout输出高电位，UVout2保持高电位；当VDD电压进一步下降到V2时，UVout2输出低电位，UVout保持高电位；电荷泵CP开启工作后，将CPin=VDD升高到2倍，输出电压CPout=VDD*2，CPc和CPc2为电荷泵CP的控制端，共同控制电荷泵CP的开启和关断；由于电荷泵CP能够实现输出电压CPout等于2倍VDD的升压操作，并输出CPout接单刀双掷开关SPDT的输入端S2，单刀双掷开关SPDT通过控制SC电位，实现输出端SO选通输入端S1或者输入端S2，即SC为高电位，SO=S2=CPout；SC为低电位，SO=S1=VDD；

当VDD大于V1时，欠压保护电路UVLO输出UVout=SC=CPc为低电位，UVout2=EN=CPc2为高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S1=VDD=LDOin，即线性稳压器LDO输入LDOin由电源VDD直接供电，线性稳压器LDO保持开启，输出电压LDOin正常，同时电荷泵CP关闭；

当VDD接近或者低于V1时，输出电位UVout电位由低电位切换为高电位，即UVout=SC=CPc为高电位，同时UVout2=EN=CPc2保持高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S2=CPout=LDOin，开启电荷泵CP升压模式，输出CPout给线性稳压器LDO的输入LDOin供电，同时线性稳压器LDO保持开启，从而维持LDOout输出电压稳定；

当VDD电压进一步下降到V2时，UVout2输出电压由高电位切换为低电位，即UVout2=EN=CPc2为低电位，UVout=SC=CPc保持高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S2=CPout=LDOin，并且关断电荷泵CP升压模式，输出CPout给线性稳压器LDO的输入LDOin供电，同时关断线性稳压器LDO使能EN，因此线性稳压器LDO输出电压LDOout关断；

反之亦然，如果此时VDD开始上升，当VDD>V2时，UVout信号保持输出高电位,同时UVout2反转为高电位，从而控制刀双掷开关SPDT电路选通SO=S2，并开启电荷泵CP和线性稳压器LDO，此时电荷泵CP的输出CPout给LDOin供电，即开启升压模式；

随着VDD进一步上升，达到VDD>V1，UVout信号输出反转为低电位,同时UVout2保持高电位，从而控制刀双掷开关SPDT电路选通SO=S1，并关闭电荷泵CP， VDD直接给LDOin供电，即关断升压模式。

本发明的优点及显著效果：本发明通过引入线性稳压器电路、电荷泵电路、欠压保护电路和转换开关电路实现升降压控制，由于线性稳压器优良的抗干扰能力以及电荷泵优良的EMI性能，可以在实现升降压的同时，显著改善电磁干扰EMI的问题，同时可以提供纹波可忽略的干净输出电源。本发明不需要电感，但需要在线性稳压器电路及电荷泵电路中外接3个电容（因电容体积较大），分别是输入电容Cin,输出电容Ccp，以及飞电容Ccp。这3个电容也可以采用集成在片内电路中。

附图说明

图1是美国专利US 6166527升降压电路。

图2是本发明升降压控制系统的内部电路框图。

图3是本发明升降压控制系统中的使能控制线性稳压源 LDO和基准电路实施例。

图4a是本发明升降压控制系统欠压保护电路UVLO中用于输出UVout的第一个比较器实施例。

图4b是本发明升降压控制系统欠压保护电路UVLO中用于输出UVout2的第二个比较器实施例。

图5是本发明升降压控制系统中的电荷泵电路CP实施例。

图6是本发明升降压控制系统中的单刀双掷开关SPDT实施例。

具体实施方式

参看图2，本发明升降压控制系统包括供电电压输出电路包括线性稳压器LDO、欠压保护电路UVLO、电荷泵CP、单刀双掷开关SPDT以及为整个系统提供基准电压VREF和基准电流IBIAS的基准源。线性稳压器LDO的输出端LDOout为供电电源的输出端输出供电电压，LDOout_（NOM）为供电电源额定的输出供电电压，线性稳压器LDO的输入电压端LDOin连接单刀双掷开关SPDT的输出端SO，该输出端SO受控于单刀双掷开关SPDT的控制端SC，单刀双掷开关SPDT的一个输入端S1连接VDD和电荷泵CP的输入信号端CPin，单刀双掷开关SPDT的另一个输入端S2连接电荷泵CP的输出信号端CPout，电荷泵CP的一个控制端CPc连接欠压保护电路UVLO的输出信号端UVout和单刀双掷开关SPDT的控制端SC，电荷泵CP的另一个控制端CPc2连接欠压保护电路UVLO的另一个输出信号端UVout2和线性稳压器LDO的使能控制端。

欠压保护电路UVLO用于检测电池电压VDD，内设两个比较器电路与参考电压比较，当VDD> LDOout_（NOM）时，线性稳压器LDO自动采用降压模式，LDOout<LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD< LDOout_（NOM）时，欠压保护电路UVLO的输出控制电荷泵CP开启，电荷泵CP自动进入升压模式，通过其输出信号端CPout连接线性稳压器LDO的输入电压端LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD< 额定的供电电压输出LDOout_（NOM）/2时，关断升压模式，并且通过欠压保护电路UVLO的输出信号端UVout2产生的使能信号EN关断LDO输出。

参看图3，本发明升降压控制系统中的带使能控制高PSRR LDO电路和基准电路，其中基准电路提供基准电压VREF和偏置电流IBIAS。LDO电路可以实现将LDOin输入电压稳定降至LDOout输出电压，并且在有限的范围不随LDOin电压和输出端负载变化，尤其是电源抑制比PSRR特性优异。电源抑制比PSRR是LDO系统抑制输出电压随输入电压波动的能力，PSRR性能越优异，输出电压随输入电压波动影响越小。使能控制端EN控制LDO的工作，当EN为低电位时，关闭LDO工作，LDOout=0；当EN为高电位时，开启LDO工作，LDOout输出额定电压LDOout_（NOM）。

本发明采用的欠压保护电路UVLO中设有两个比较器，除了分压电阻网络中的电阻值和输出信号位置不同，其余器件都相同。

图4a是用于输出UVout的第一个比较器，电阻Ruv1一端连接至VDD，另一端连接电阻Ruv2于接点Vu，并连接至PMOS管Pu1的栅极。电阻Ruv2的另一端连接Ruv3的一端和Nu4的漏端。Ruv3的另一端接地。Nu4的源衬相接连接至地电位。Nu4的栅极连至UVout。Pu3和Pu4的源衬相接连至VDD，栅极一起连接IBIAS。Pu3漏极连接Pu1的源衬和Pu2的源衬。Pu1的漏极连接Nu1的漏极和栅极，以及Nu2的栅极。Nu1、Nu2和Nu3的源衬相接，连接至地电位。Nu2的漏极连接至Pu2的漏极，并连接至Nu3的栅极。Pu2的栅极连接基准电压VREF。Nu3的漏极连接至Pu4的漏电位，并连至inv1的输入端。Inv1输出接Inv2的输入端。Inv2输出信号UVout。

图4b是用于输出UVout2的第二个比较器，其中，除了用Ruv11替代Ruv1、Ruv21替代Ruv2、Ruv31替代 Ruv3以及反相器inv1的输出端作为输出信号端UVout2外，其余与第一个比较器相同。

欠压保护电路UVLO工作原理如下：

当VDD电位较高时，UVout为低电位，VDD的电位经过Ruv1、Ruv2和Ruv3分压后的电压Vu=VDD*（Ruv2+Ruv3）/（Ruv1+Ruv2+Ruv3）和基准电压进行比较。设置Vu=VREF时的电源电压VDD等于V1= LDOout_（NOM）, 其中LDOout_（NOM）为LDOout的额定输出电压。对应V1=LDOout_（NOM）=VREF*（Ruv1+Ruv2+Ruv3）/（Ruv2+Ruv3）。当VDD<V1时，UVout为高电位，Nu4导通，Ruv3被短路，VDD的电位经过Ruv1、Ruv2分压后的电压Vu=VDD* Ruv2/（Ruv1+Ruv2）和基准电压进行比较，对应翻转电位V11= VREF*（Ruv1+Ruv2）/Ruv2,V11-V1=VREF*Ruv1*Ruv3/[Ruv2*(Ruv2+Ruv3)]，因此通过Ruv3和Nu4的存在，形成迟滞。

当VDD电位较高时，UVout2为高电位，VDD的电位经过Ruv11、Ruv21和Ruv31分压的电压Vf=VDD*（Ruv21+Ruv31）/（Ruv11+Ruv21+Ruv31）和基准电压进行比较。设置Vf=VREF时的电源电压VDD等于V2= LDOout_（NOM）/2,当VDD较低时，UVout2为高电位，Nu4导通，Ruv31被短路，VDD的电位经过Ruv11、Ruv21分压后的电压Vf=VDD*Ruv21/（Ruv11+Ruv21）和基准电压进行比较.因此通过Ruv31和Nu4的存在，形成迟滞。

从上面电路的原理可以得到，设置V1=LDOout_（NOM）和V2=LDOout_（NOM）/2，其中LDOout_（NOM）为LDOout的额定输出电压。当电源电压VDD> V1时，UVout为低电位，UVout2为高电位；当电源电压VDD接近或者低于参考电压V1时，输出电位UVout输出高电位，UVout2保持高电位；当VDD电压进一步下降到参考电压V2时，UVout2输出低电位，UVout保持高电位。反之亦然，VDD升高到VDD2，UVout2输出高电位，UVout高电位；VDD进一步升高到VDD1，UVout2保持高电位，UVout反转为低电位。

参看图5，本发明采用的电荷泵电路CP包括反向器invcp1、invcp2、invcp3、invcp4、invcp5，以及NMOS管Ncp1、Ncp2、Ncp3，和电容Cosc共同组成环形振荡器，同时invcp3输出信号O1，invcp4输出信号O2。其中Ncp1和Ncp2串联，并且源衬相接在一起，避免体二极管导通漏电。Ncp1的漏接invcp5的输出，Ncp2的漏接电容Cosc的一端，并接Ncp3的漏极。Ncp1和Ncp2的栅极接Uv信号，Ncp3的栅极接Uv-信号。Cosc的另一端接地。Ncp3的源衬相接接地。CPc和CPc2接与非门nand1的输入端，nand1的输出接invcp6的输入端，同时输出信号Uv-。Invcp6输出信号Uv。电荷泵的主电路由Pcp1、Pcp2、Pcp3和Ncp4组成。其中Pcp3源衬相接，连至CPin，Ncp4源衬相接，连接至地电位，Pcp3的漏极和Ncp4的漏极相接于接点f2。Pcp1的源极接CPin，漏极接Pcp2的漏极于接点f1，Pcp2的源极接CPout。其中Pcp5和Pcp6、Pcp7和Pcp8、Pcp9和Pcp10、Pcp11和Pcp12都是采用背靠背连接，即两个PMOS的漏极相连，从而避免衬底的体二极管导致的倒灌漏电。Pcp5的源衬相接接CPin，Pcp5漏极接Pcp6的漏极，Pcp6的源衬相接接Pcp7的源衬，并连接Pcp1的衬底，Pcp7的漏接Pcp8的漏，Pcp8的源衬相接连至Pcp1和Pcp2的漏极接点f1。Pcp9的源衬相接连至接点f1，Pcp9的漏极接Pcp10的漏极.Pcp10的源衬相接连接至Pcp2的衬底，并连接至Pcp11的源衬。Pcp11的漏极连至Pcp12的漏极，Pcp12的源衬相接连至CPout。Pcp1、Pcp5、Pcp6、Pcp11和Pcp12的栅极接O1信号，Pcp2、Pcp3、Ncp4、Pcp7、Pcp8、Pcp9和Pcp10的栅极接O2信号。

电荷泵CP工作原理如下：当CPc和CPc2信号都为高电位，Uv-为低电位，Uv为高电位，Ncp1和Ncp2开启，Ncp3关闭，环形振荡器开始工作，输出振荡方波信号O1和O2，并且O1和O2反向。当O1为低，O2为高时，Pcp1和Ncp4开启，Pcp2和Pcp3关闭，开启给Ccp充电过程，此时接点f1电压为CPin，接点f2电压为地电位；当O1为高，O2为低时，Pcp1和Ncp4关闭，Pcp2和Pcp3开启，开启给Ccp放电过程，此时接点f2电位为CPin，众所周知，由于电容电压不能突变，接点f1的电位升至CPin的2倍，同时输出给CPout，即CPout=f1=2xCPin，从而实现升压操作。其中Pcp1和Pcp2的衬底电位受信号O1和O2控制切换，防止其漏源电位变化导致的电流倒灌。

当Cpc或CPc2信号为低电位，Uv-为高电位，Uv为低电位，Ncp1和Ncp2关闭，Ncp3开启，关闭环形振荡器，并且输出信号O1为高信号，O2为低信号，关闭升压操作。

参看图6，为本发明采用的单刀双掷开关SPDT，其中Ns1和Ns2、Ps1和Ps2、Ns3和Ns4、Ps3和Ps4都是采用背靠背连接，即两个NMOS管的源衬端相连，两个PMOS的漏极相连，从而避免衬底的体二极管导致的倒灌漏电。SC信号连接反相器invs1的输入，输出信号SC1，并连接至反相器invs2的输入端。Invs2的输出端输出信号SC2。S1接Ns1的漏端和Ps1的源衬端，S2接Ns3的漏端和Ps3的源衬端，SO接Ns2的漏端和Ps2的源衬端以及Ns4的漏端和Ps4的源衬端。Ns1、Ns2、Ps3和Ps4的栅极接SC1电位，Ns3、Ns4、Ps1和Ps2的栅极接SC2电位。

单刀双掷开关SPDT工作原理如下：

当SC为高电位时，SC1为低电位，SC2为高电位，Ns3和Ns4、Ps3和Ps4导通，SO=S2，即选通输入端S2到输出SO，而Ns1和Ns2、Ps1和Ps2关断；反之亦然，SC为低电位，SC1为低电位，SC2为高电位，SO=S1，即选通输入端S1到输出SO。

本发明升降压控制系统中，欠压保护电路UVLO一端接输入电源电压VDD，另一端接基准电压VREF，还有一端接偏置电流IBIAS，输出端UVout接单刀双掷SPDT的控制端SC和电荷泵CP的控制端CPc，输出UVout2接电荷泵的控制端CPc2和LDO的使能控制端EN。单刀双掷开关SPDT的输入端S1接输入电源VDD，输入端S2接电荷泵的输出端CPout，其输出端SO接线性稳压器LDO的输入端LDOin。电荷泵CP的输入端CPin接电源电压VDD，f1和f2分别连接飞电容Ccp的两端。线性稳压器LDO的输入端LDOin，除了接SO端之外，还接输入电容Cin正端。输入电容Cin的负端接地电位。线性稳压器的输出LDOout接输出电容Cout的正端。Cout的负端接地。

图2升降压系统的工作过程如下：

基准电路始终为整个系统提供基准电压VREF和基准电流IBIAS。LDO为线性稳压器，正常工作时，输入LDOin电压，控制输出电压LDOout保持稳定，并且LDOout<LDOin，从而实现降压。UVLO为欠压保护电路，检测电源电压VDD，并和内部设置参考电压进行比较，从而输出控制信号UVout和UVout2；UVLO内部设置两个参考电压，分别为V1=LDOout_（NOM）和V2=LDOout_（NOM）/2，其中LDOout_（NOM）为LDOout的额定输出电压。当电源电压VDD> V1时，UVout为低电位，UVout2为高电位；当电源电压VDD接近或者低于参考电压V1时，输出电位UVout输出高电位，UVout2保持高电位；当VDD电压进一步下降到参考电压V2时，UVout2输出低电位，UVout保持高电位。CP为电荷泵电路，开启工作后可以将CPin=VDD升高到2倍，输出电压CPout=VDD*2，CPc和CPc2为其控制端，共同控制电荷泵电路的开启和关断；由于电荷泵CP可以实现输出电压等于2倍输入电压的升压操作，并输出CPout接单刀双掷开关SPDT的输入端S2。SPDT单刀双掷开关，通过控制SC电位，可以实现输出端SO选通输入端S1或者输入端S2，即SC为高电位，SO=S2=CPout；SC为低电位，SO=S1=VDD。

当电源电压VDD大于参考电位V1时，欠压保护电路UVLO输出UVout=SC=CPc为低电位，UVout2=EN=CPc2为高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S1=VDD=LDOin，即LDO输入LDOin由电源VDD直接供电，LDO保持开启，输出电压LDOin正常，同时电荷泵CP关闭。

当电源电压VDD接近或者低于参考电压V1时，输出电位UVout电位由低电位切换为高电位，即UVout=SC=CPc为高电位，同时UVout2=EN=CPc2保持高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S2=CPout=LDOin，开启电荷泵CP升压模式，输出CPout给LDO输入LDOin供电，同时LDO保持开启，从而维持LDOout输出电压稳定，；

当VDD电压进一步下降到参考电压V2时，UVout2输出电压由高电位切换为低电位，即UVout2=EN=CPc2为低电位，UVout=SC=CPc保持高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S2=CPout=LDOin，并且关断电荷泵CP升压模式，输出CPout给LDO输入LDOin供电，同时关断LDO使能EN，因此LDO输出电压LDOout关断。

反之亦然。如果此时电源VDD开始上升，当VDD>V2时，UVout信号保持输出高电位,同时UVout2反转为高电位。从而控制刀双掷开关SPDT电路选通SO=S2，并开启电荷泵CP电路和LDO电路，此时电荷泵CPout给LDOin供电，即开启升压模式；

随着VDD进一步上升，达到VDD>V1，UVout信号输出反转为低电位,同时UVout2保持高电位。从而控制刀双掷开关SPDT电路选通SO=S1，并关闭电荷泵CP电路，电源VDD直接给LDOin供电，即关断升压模式。

需要说明的是，电荷泵CP不局限于X2倍压，还可以是X3倍或者更高，甚至还会是几种倍压的切换，例如X1/X1.5/X2倍压切换。当采用更高倍数的电荷泵，此时电荷泵升压关断门限相应的调整为最大升压倍数相关值，例如最大升压倍数为m，那么VDD关断的最小值为额定LDOout/m，其余电路不需要调整。

还有，电荷泵CP的输入端和输出端也可以分别增设输入电容和输出电容。

对于带载小的系统，例如SOC片上系统供电，可以将电容Ccp，Cin以及Ccp都采用片内电容实现，从而可以实现集成单片式的系统。

Claims (6)

1.一种供电电源的升降压控制系统，所述控制系统包括电池VDD和供电电压输出电路，当VDD>额定的输出供电电压时，控制系统自动采用降压模式，保持供电电压输出稳定；当VDD<额定的输出供电电压时，控制系统自动采用升压模式，保持供电电压输出稳定；当VDD<额定的输出供电电压/2时，关断升压模式且关断供电电压输出，更换电池；

其特征在于，供电电压输出电路包括线性稳压器LDO、欠压保护电路UVLO、电荷泵CP、单刀双掷开关SPDT以及为整个系统提供基准电压VREF和基准电流IBIAS的基准源；线性稳压器LDO的输出端LDOout为供电电源的输出端输出供电电压，LDOout_（NOM）为供电电源额定的输出供电电压，线性稳压器LDO的输入电压端LDOin连接单刀双掷开关SPDT的输出端SO，所述输出端SO受控于单刀双掷开关SPDT的控制端SC，单刀双掷开关SPDT的一个输入端S1连接VDD和电荷泵CP的输入信号端CPin，单刀双掷开关SPDT的另一个输入端S2连接电荷泵CP的输出信号端CPout，电荷泵CP的一个控制端CPc连接欠压保护电路UVLO的输出信号端UVout和单刀双掷开关SPDT的控制端SC，电荷泵CP的另一个控制端CPc2连接欠压保护电路UVLO的另一个输出信号端UVout2和线性稳压器LDO的使能控制端；

欠压保护电路UVLO用于检测电池电压VDD，内设两个比较器电路分别与各自的参考电压比较，当VDD> LDOout_（NOM）时，线性稳压器LDO自动采用降压模式，LDOout<LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD< LDOout_（NOM）时，欠压保护电路UVLO的输出控制电荷泵CP开启，电荷泵CP自动进入升压模式，通过其输出信号端CPout连接线性稳压器LDO的输入电压端LDOin，保持输出供电电压LDOout稳定；当VDD< 额定的供电电压输出/2时，通过欠压保护电路UVLO的输出信号端UVout2产生的使能信号通过EN端口关断LDO输出。

2.根据权利要求1所述的供电电源的升降压控制系统，其特征在于，所述线性稳压器LDO包括设有使能控制端的误差放大器EA，PMOS管P1，电阻R1和R2以及输入电容Cin和输出电容Cout；误差放大器EA的负端连接基准电压VREF，误差放大器EA的输出端连接PMOS管P1的栅极；PMOS管P1的漏极连接电阻R1的一端并作为线性稳压器LDO的输出供电电压LDOout，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和误差放大器EA的正端，电阻R2的另一端接地，EN为误差放大器EA的使能控制端，PMOS管P1的源极与衬底互连并作为线性稳压器LDO的输入电压端LDOin，所述输入电压端LDOin通过输入电容Cin接地，稳压器LDO的输出电压端LDOout通过输出电容Cout接地。

3.根据权利要求1所述的供电电源的升降压控制系统，其特征在于，所述欠压保护电路UVLO包括两个结构相同的比较器单元，一个比较器单元的输出信号端为UVout，另一个比较器单元的输出信号端为UVout2，两个比较器单元除了其中的分压电阻网络取值不同以及输出信号端位置不同，其余器件都相同；

输出信号端为UVout的比较器单元包括PMOS管Pu1、Pu2、Pu3和Pu4，NMOS管Nu1、Nu2、Nu3和Nu4，电阻Ruv1、Ruv2和 Ruv3构成的分压电阻网络以及反相器inv1和 inv2；电阻Ruv1的一端连接PMOS管Pu3的源极和衬底以及PMOS管Pu4的源极和衬底并连接VDD，电阻Ruv1的另一端连接电阻Ruv2的一端和PMOS管Pu1的栅极，电阻Ruv2的另一端连接电阻Ruv3的一端和NMOS管Nu4的漏极，电阻Ruv3的另一端和NMOS管Nu4的源极和衬底均接地，PMOS管Pu3的栅极与PMOS管Pu4的栅极互连并连接基准电流IBIAS，PMOS管Pu3的漏极连接PMOS管Pu1的源极和衬底和PMOS管Pu2的源极和衬底，PMOS管Pu1的漏极连接NMOS管Nu1的漏极和栅极以及NMOS管Nu2的栅极，PMOS管Pu2的栅极连接基准电压VREF，PMOS管Pu2的漏极连接NMOS管Nu2的漏极和NMOS管Nu3的栅极，NMOS管Nu3的漏极连接PMOS管Pu4的漏极和反相器inv1的输入端，NMOS管Nu1的源极和衬底、NMOS管Nu2的源极和衬底以及NMOS管Nu3的源极和衬底均接地，反相器inv1的输出端连接反相器inv2的输入端，反相器inv2的输出端输出信号UVout并连接NMOS管Nu4的栅极；

输出信号端为UVout2的比较器单元中，除了用不同阻值的电阻Ruv11、Ruv21和 Ruv31相应替换电阻Ruv1、Ruv2和 Ruv3以及反相器inv1的输出端作为输出信号端UVout2外，其余与输出信号端为UVout的比较器单元相同。

4.根据权利要求1所述的供电电源的升降压控制系统，其特征在于，所述电荷泵CP包括PMOS管Pcp1、Pcp2、Pcp3以及PMOS管Pcp5~Pcp12，NMOS管Ncp1、Ncp2、 Ncp3和Ncp4，反相器invcp1、invcp2、invcp3、invcp4、invcp5和invcp6，与非门nand1以及电容Cosc和飞电容Ccp；反相器invcp1的输出连接反相器invcp2的输入，反相器invcp2的输出连接反相器invcp3的输入，反相器invcp3的输出连接反相器invcp4的输入，反相器invcp4的输出连接反相器invcp5的输入，反相器invcp5的输出连接NMOS管Ncp1的漏极，NMOS管Ncp1的源极和衬底与NMOS管Ncp2的源极和衬底互连，NMOS管Ncp1的栅极与NMOS管Ncp2的栅极互连并连接反相器invcp6的输出，反相器invcp6的输入连接与非门nand1的输出，与非门nand1的两个输入端分别作为电荷泵CP的两个控制端CPc和CPc2；NMOS管Ncp2的漏极连接电容Cosc的一端以及NMOS管Ncp3的漏极和反相器invcp1的输入端，电容Cosc的另一端以及NMOS管Ncp3的源极和衬底均接地，NMOS管Ncp3的栅极连接与非门nand1的输出；PMOS管Pcp5的漏极与PMOS管Pcp6的漏极互连，PMOS管Pcp5的栅极与PMOS管Pcp6的栅极互连并连接反相器invcp3的输出，PMOS管Pcp7的漏极与PMOS管Pcp8的漏极互连，PMOS管Pcp7的栅极与PMOS管Pcp8的栅极互连并连接反相器invcp4的输出，PMOS管Pcp9的漏极与PMOS管Pcp10的漏极互连，PMOS管Pcp9的栅极与PMOS管Pcp10的栅极互连并连接反相器invcp4的输出，PMOS管Pcp11的漏极与PMOS管Pcp12的漏极互连，PMOS管Pcp11的栅极与PMOS管Pcp12的栅极互连并连接反相器invcp3的输出，PMOS管Pcp5的源极和衬底连接PMOS管Pcp1的源极以及PMOS管Pcp3的源极和衬底并作为电荷泵CP的输入信号端CPin，PMOS管Pcp3的栅极连接反相器invcp4的输出，PMOS管Pcp3的漏极连接NMOS管Ncp4的漏极和飞电容Ccp的一端，NMOS管Ncp4的栅极连接反相器invcp4的输出，NMOS管Ncp4的源极和衬底接地，飞电容Ccp的另一端连接PMOS管Pcp1的漏极、PMOS管Pcp2的漏极、PMOS管Pcp8的源极和衬底以及PMOS管Pcp9的源极和衬底，PMOS管Pcp1的栅极连接反相器invcp3的输出，PMOS管Pcp1的衬底连接PMOS管Pcp6的源极和衬底以及PMOS管Pcp7的源极和衬底，PMOS管Pcp2的衬底连接PMOS管Pcp10的源极和衬底以及PMOS管Pcp11的源极和衬底，PMOS管Pcp2的漏极连接PMOS管Pcp12的源极和衬底并作为电荷泵CP的输出信号端CPout。

5.根据权利要求1所述的供电电源的升降压控制系统，其特征在于，所述单刀双掷开关SPDT包括PMOS管Ps1、Ps2、Ps3和Ps4，NMOS管Ns1、Ns2、Ns3和Ns4，反相器invs1和反相器invs2；反相器invs1的输入连接欠压保护电路UVLO的输出信号UVout，作为单刀双掷开关SPDT的控制端SC的控制信号，反相器invs1的输出连接反相器invs2的输入，反相器invs2的输出连接PMOS管Ps1的栅极、PMOS管Ps2的栅极、NMOS管Ns3的栅极和NMOS管Ns4的栅极，PMOS管Ps1的源极和衬底连接NMOS管Ns1的漏极并作为单刀双掷开关SPDT的输入端S1，NMOS管Ns1的栅极与NMOS管Ns2的栅极互连并连接反相器invs1的输出，NMOS管Ns1的源极和衬底连接NMOS管Ns2的源极和衬底，NMOS管Ns2的漏极连接PMOS管Ps2的源极和衬底并作为单刀双掷开关SPDT的输出端SO，NMOS管Ns3的漏极连接PMOS管Ps3的源极和衬底并作为单刀双掷开关SPDT的输入端S2，PMOS管Ps3的漏极与PMOS管Ps4的漏极互连，PMOS管Ps3的栅极与PMOS管Ps4的栅极互连并连接反相器invs1的输出，PMOS管Ps4的源极和衬底连接NMOS管Ns4的漏极并连接单刀双掷开关SPDT的输出端SO。

6.权利要求1所述的供电电源的升降压控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制系统的工作过程如下：

基准电路始终为整个系统提供基准电压VREF和基准电流IBIAS，线性稳压器LDO为正常工作时，输入LDOin电压，控制输出电压LDOout保持稳定，并且LDOout<LDOin，从而实现降压，欠压保护电路UVLO检测VDD，并和内部设置的两个参考电压V1=LDOout_（NOM）和V2=LDOout_（NOM）/2进行比较，从而输出控制信号UVout和UVout2；当VDD> V1时，UVout为低电位，UVout2为高电位；当VDD接近或者低于V1时，输出电位UVout输出高电位，UVout2保持高电位；当VDD电压进一步下降到V2时，UVout2输出低电位，UVout保持高电位；电荷泵CP开启工作后，将CPin=VDD升高到2倍，输出电压CPout=VDD*2，CPc和CPc2为电荷泵CP的控制端，共同控制电荷泵CP的开启和关断；由于电荷泵CP能够实现输出电压CPout等于2倍VDD的升压操作，并输出CPout接单刀双掷开关SPDT的输入端S2，单刀双掷开关SPDT通过控制SC电位，实现输出端SO选通输入端S1或者输入端S2，即SC为高电位，SO=S2=CPout；SC为低电位，SO=S1=VDD；

当VDD大于V1时，欠压保护电路UVLO输出UVout=SC=CPc为低电位，UVout2=EN=CPc2为高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S1=VDD=LDOin，即线性稳压器LDO输入LDOin由电源VDD直接供电，线性稳压器LDO保持开启，输出电压LDOin正常，同时电荷泵CP关闭；

当VDD接近或者低于V1时，输出电位UVout电位由低电位切换为高电位，即UVout=SC=CPc为高电位，同时UVout2=EN=CPc2保持高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S2=CPout=LDOin，开启电荷泵CP升压模式，输出CPout给线性稳压器LDO的输入LDOin供电，同时线性稳压器LDO保持开启，从而维持LDOout输出电压稳定；

当VDD电压进一步下降到V2时，UVout2输出电压由高电位切换为低电位，即UVout2=EN=CPc2为低电位，UVout=SC=CPc保持高电位，此时单刀双掷开关SPDT选通SO=S2=CPout=LDOin，并且关断电荷泵CP升压模式，输出CPout给线性稳压器LDO的输入LDOin供电，同时关断线性稳压器LDO使能EN，因此线性稳压器LDO输出电压LDOout关断；

反之亦然，如果此时VDD开始上升，当VDD>V2时，UVout信号保持输出高电位,同时UVout2反转为高电位，从而控制刀双掷开关SPDT电路选通SO=S2，并开启电荷泵CP和线性稳压器LDO，此时电荷泵CP的输出CPout给LDOin供电，即开启升压模式；

随着VDD进一步上升，达到VDD>V1，UVout信号输出反转为低电位，同时UVout2保持高电位，从而控制刀双掷开关SPDT电路选通SO=S1，并关闭电荷泵CP，VDD直接给LDOin供电，即关断升压模式。

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