CN112882528B - 负载开关的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种负载开关的控制电路，其包括电荷泵电路、振荡器以及电流信号产生器。电荷泵电路依据时脉信号以产生控制信号。负载开关依据控制信号以导通或断开。振荡器依据控制电流以产生时脉信号。电流信号产生器提供一电阻串以接收电源电压。电流信号产生器的电阻串依据电源电压以产生感测电流或感测电压。电流信号产生器并依据感测电流的倒数或感测电压的平方以产生控制电流。其中，时脉信号的频率与电源电压的电压值呈负相关。

Description

负载开关的控制电路
技术领域
本发明涉及一种控制电路，尤其涉及一种负载开关的控制电路。
背景技术
在现有的技术领域中，在电子电路中，常设置一负载开关，以控制是否将电源电压传送至负载装置的媒介。当电子装置进行开机时，负载开关会依据所接收的控制信号被导通，并使电源电压可被传送至负载装置上；相对的，当电子装置进行关机时，负载开关会依据所接收的控制信号被切断，并使电源电压不被传送至负载装置上。
值得注意的，由于电源电压的电压值是会改变的，因此通过电荷泵电路所产生的控制信号的上升时间(rising time)，与电荷泵电路所接收的时脉信号的频率、电荷泵电路的级数以及电源电压的大小是相关的。其中，时脉信号的频率可以是电源电压的函数。而在现有的技术中，上述的时脉信号的频率经常是被设计为固定值。在这样的条件下，负载开关的导通速度会随着电源电压的大小而发生变化。在这样的情况下，常发生随着电源电压的电压值增大，而发生更大的涌浪电流(in-rush current)的情况。
发明内容
本发明提供一种负载开关的控制电路，可维持开关导通的速度不致受电源电压大小的影响。
本发明的负载开关的控制电路包括电荷泵电路、振荡器以及电流信号产生器。电荷泵电路依据时脉信号以产生控制信号。负载开关依据控制信号以导通或断开。振荡器依据控制电流以产生时脉信号。电流信号产生器提供一电阻串以接收电源电压。电流信号产生器的电阻串依据电源电压以产生感测电流或感测电压。电流信号产生器并依据感测电流的倒数或感测电压的平方以产生控制电流。其中，时脉信号的频率与电源电压的电压值呈负相关。
基于上述，本发明的控制电路通过提供一电阻串以接收电源电压，并依据电源电压来产生感测电流或感测电压。控制电路另依据感测电流的倒数或感测电压的平方以产生控制电流，并依据控制电流来产生时脉信号，并通过电荷泵电路以依据时脉信号，来产生控制负载开关导通速度的控制信号。在时脉信号的频率与电源电压的电压值呈负相关的前提，电荷泵电路产生控制信号的速度可以获得补偿，并可降低负载开关的被导通速度与电源电压大小的关联性。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出本发明一实施例的负载开关的控制电路的示意图；
图2A示出本发明实施例的控制电路的电流信号产生器的示意图；
图2B示出本发明图2A实施例的电流信号产生器的另一实施方式的示意图；
图3A示出本发明另一实施例的控制电路的电流信号产生器的示意图；
图3B示出本发明图3A实施例的电流信号产生器的一实施方式的示意图；
图3C示出本发明图3A实施例的电流信号产生器的另一实施方式的示意图。
附图标记说明
100：控制电路
110：电荷泵电路
120：振荡器
130、200、300、300’：电流信号产生器
210、310：电阻串
220：电压缓冲器、
230：电流产生器
320、320’：倒数电流产生器
Fclk：时脉信号
Iosc：控制电流
SW：负载开关
VDD：电源电压
VG：控制信号
VOUT：输出电压
R、R1、R2：电阻
GND：参考电压端
CM1、CM2：电流镜
DV：分压电压
Vsen：感测电压
Vref：参考电压
I1、I2：电流
M1、MC、T1～T4：晶体管
D1、D2：二极管
IS1、IS2：参考电流源
具体实施方式
请参照图1，图1示出本发明一实施例的负载开关的控制电路的示意图。控制电路100耦接至由晶体管构成的负载开关SW。负载开关SW接收电源电压VDD，并依据控制信号VG以被导通或断开。在当负载开关SW被导通时，电源电压VDD可通过负载开关SW被传送至输出端而产生输出电压VOUT。输出电压VOUT可被传送至负载装置(未示出)。在本实施例中，电源电压VDD的电压值并非固定不变的。
控制电路100包括电荷泵电路110、振荡器120以及电流信号产生器130。电流信号产生器130接收电源电压VDD。电流信号产生器130另提供一电阻串以接收电源电压VDD。电流信号产生器130的电阻串可通过电源电压VDD来产生一感测电流，或者产生一感测电压。电流信号产生器130并依据所产生的感测电流的倒数来产生控制电流Iosc，或者，电流信号产生器130可依据所产生的感测电压的平方来产生控制电流Iosc。
振荡器120耦接至电流信号产生器130，并接收电流信号产生器130所产生的控制电流Iosc。振荡器120可依据控制电流Iosc来产生时脉信号Fclk，其中控制电流Iosc的大小可以与时脉信号Fclk的频率相关，例如，正相关。在本实施例中，振荡器120可以为一电流控制振荡器。
电荷泵电路110耦接至振荡器120，并接收振荡器120所产生的时脉信号Fclk。电荷泵电路110并接收电源电压VDD，并基于电源电压VDD，依据时脉信号Fclk来执行电荷泵操作，以产生控制信号VG。
在此请注意，本发明实施例的电流信号产生器130所产生的控制电流Iosc的大小，与电源电压VDD的电压值大小是负相关的。也就是说，当电源电压VDD的电压值变大时，电流信号产生器130对应产生的控制电流Iosc会减小。相对应的，振荡器120所产生的时脉信号Fclk的频率也随之降低。
在这样的条件下，电荷泵电路110所接收电源电压VDD的电压值虽然提高了，但基于时脉信号Fclk的频率被降低的情况下，控制信号VG的上升时间可以维持实质上不改变的状态。也就是说，负载开关SW的导通速度可以被维持，不受电源电压VDD变化的影响。
相对的，在当电源电压VDD的电压值变小时，电流信号产生器130对应产生的控制电流Iosc会增大。相对应的，振荡器120所产生的时脉信号Fclk的频率也随之升高。而在这样的条件下，电荷泵电路110所产生的控制信号VG的上升时间可以维持实质上不改变的状态。也就是说，负载开关SW的导通速度可以被维持，同样不会受到电源电压VDD变化的影响。
以下请参照图2A，图2A示出本发明实施例的控制电路的电流信号产生器的示意图。电流信号产生器200包括电阻串210、电压缓冲器220、电流产生器230以及电流镜CM1。电阻串210接收电源电压VDD，并耦接至参考电压端GND，在本实施例中，电阻串210包括相互串联的电阻R1以及R2，参考电压端GND可以为接地端。电阻串210被组态为一分压电路，用以对电源电压VDD进行分压，藉以产生分压电压DV。电压缓冲器220耦接至电阻串210，接收分压电压DV，并依据分压电压DV以产生感测电压Vsen。电流产生器230耦接至电压缓冲器220，接收参考电压Vref以及感测电压Vsen。电流产生器230计算参考电压Vref以及感测电压Vsen的差，并依据参考电压Vref以及感测电压Vsen的差的平方，来产生电流I1。
在另一方面，电流产生器230耦接至电流镜CM1。电流镜CM1接收电流I1，并通过镜射电流I1来产生控制电流Iosc，其中，控制电流Iosc用以提供至振荡器120。在本实施例中，电流镜CM1的电流镜射比可以为1：m，其中m可以为任意实数。
在此请注意，在本实施例中，参考电压Vref可以为预设的固定值，而基于参考电压Vref以及感测电压Vsen的差的平方来产生的电流I1，则可以与电源电压VDD负相关。也因此，通过镜射电流I1所产生的控制电流Iosc也可以与电源电压VDD负相关。
此外，本实施例中的电压缓冲器220为一电压随耦器(voltage follower)。电压缓冲器220所产生的感测电压Vsen与分压电压DV实质上是相等的。
以下请参照图2B，图2B示出本发明图2A实施例的电流信号产生器的另一实施方式的示意图。与图2A不同的，图2B实施方式中，电流产生器230由晶体管M1所建构。其中，晶体管M1的第一端接收感测电压Vsen，晶体管M1的控制端接收参考电压Vref。晶体管M1的第二端耦接至电流镜CM1，晶体管M1并通过其第二端由电流镜CM1汲取电流I1。
在此请注意，在本实施方式中，晶体管M1工作在饱和区。晶体管M1所汲取的电流
Figure BDA0002387251970000051
而控制电流Iosc的电流值则等于m与电流I1的乘积。
以下请参照图3A，图3A示出本发明另一实施例的控制电路的电流信号产生器的示意图。电流信号产生器300耦接至振荡器120。电流信号产生器300包括电阻串310、电流镜CM1、倒数电流产生器320以及电流镜CM2。在本实施例中，电阻串310接收电源电压VDD，并用以产生感测电流Isen。其中，电阻串310具有一个或多个电阻R，并通过所接收的电源电压VDD来产生感测电流Isen。电流镜CM1耦接至电阻串310，接收感测电流Isen，并通过镜射感测电流Isen来产生电流I1。
在另一方面，倒数电流产生器320耦接至电流镜CM1，并接收电流I1。倒数电流产生器320用以依据电流I1的倒数(乘法反元素)来产生电流I2。电流镜CM2耦接在倒数电流产生器320以及振荡器120间，用以镜射电流I2来产生控制电流Iosc。控制电流Iosc则被提供至振荡器120。
在本实施例中，基于电流I1与电源电压VDD正相关，因此，电流I2则与电源电压VDD负相关。也因此，电流信号产生器300可产生与电源电压VDD负相关的控制电流Iosc。
以下请参照图3B，图3B示出本发明图3A实施例的电流信号产生器的一实施方式的示意图。对应图3A，在图3B中，倒数电流产生器320包括参考电流源IS1、二极管D1、D2以及晶体管T1、T2。参考电流源IS1的一端接收电源电压VDD，参考电流源IS1的另一端耦接至二极管D1的阳极端，并用以提供参考电流至二极管D1的阳极端。二极管D1的阴极端耦接至二极管D2的阳极端，二极管D2的阴极端耦接至参考电压端GND。
此外，晶体管T1的第一端接收电源电压VDD，晶体管T1的控制端耦接至二极管D1的阳极端，晶体管T1的第二端则耦接至电流镜CM1。晶体管T2的第一端耦接至电流镜CM2，晶体管T2的控制端耦接至晶体管T1的第二端，晶体管T2的第二端则耦接至参考电压端GND。其中，电流镜CM1由晶体管T1的第二端汲取电流I1，晶体管T2的第一端则由电流镜CM2汲取电流I2。在本实施方式中，晶体管T1、T2均为NPN型态的双极性接面晶体管(bipolar junctiontransistor,BJT)。
在本实施方式中，以电流镜CM1以及CM2的电流镜射比分别为n：1以及1：m为范例，感测电流Isen可以表示为Isen＝(VDD-VGSN)/R，其中VGSN为电流镜CM1中的晶体管MC的栅极-源极间的电压差。控制电流Iosc则可表示为
Figure BDA0002387251970000061
其中IREF为参考电流源IS1所提供的参考电流。上述的m、n可以为任意实数。
由上述的说明可以明确得知，控制电流Iosc与电源电压VDD是负相关的。
附带一提的，图3B中的二极管D1、D2，可以通过晶体管来建构。
请参照图3C，图3C示出本发明图3A实施例的电流信号产生器的另一实施方式的示意图。电流信号产生器300’包括电阻串310、电流镜CM1、倒数电流产生器320’以及电流镜CM2。与图3B实施方式不相同的，本实施例中的倒数电流产生器320’包括参考电流源IS1、IS2以及晶体管T1～T4。参考电流源IS1的一端接收电源电压VDD，参考电流源IS1的另一端耦接至晶体管T1的第一端、晶体管T2的控制端以及晶体管T3的控制端。晶体管T1的控制端耦接至晶体管T2的第二端，晶体管T1的第二端耦接至参考电压端GND。晶体管T2、T3的第一端共同接收电源电压，参考电流源IS2耦接在晶体管T2与参考电压端GND间。晶体管T3的第二端则耦接至电流镜CM1以及晶体管T4的控制端，并提供电流I2至电流镜CM1。另外，晶体管T4的第一端耦接至电流镜CM2，并由电流镜CM2汲取电流I2，晶体管T4的第二端耦接至参考电压端GND。
在本实施例中，以电流镜CM1以及CM2的电流镜射比分别为n：1以及1：m，且晶体管T1～T4具有相同电气特性为范例。依据图3C的电路图，可建立第一等式：VBE1+VBE2＝VBE3+VBE4，其中VBE1～VBE4分别为晶体管T1～T4的基极-射极电压差。基于晶体管的电流公式：
Figure BDA0002387251970000071
(VT为晶体管的热电压，IC、IS分别为晶体管的集级电流与饱和电流，上述的等式可以改写为第二等式：
Figure BDA0002387251970000072
其中的IC1～IC4分别为晶体管T1～T4的集极电流。
依据上述的第二等式，可计算出
Figure BDA0002387251970000073
并可进一步推得控制电流
Figure BDA0002387251970000074
其中m、n可以为1，IREF为参考电流源IS1、IS2提供的参考电流。
由上述的说明可以得知，本发明实施例的电流信号产生器可产生与电源电压VDD负相关的控制电流Iosc。
综上所述，本发明提供电阻串以接收电源电压，并将依据电源电压所产生的感测电流或感测电压，作为产生控制电流的依据，并据以产生与电源电压负相关的控制电流。如此一来，振荡器可提供频率与电源电压负相关的时脉信号，来使电荷泵产生控制信号的上升时间，可以不因电源电压的电压值的变高或变低，而产生变化，维持负载开关维持有效的工作效能。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种负载开关的控制电路，包括：
电荷泵电路，依据时脉信号以产生控制信号，所述负载开关依据所述控制信号以导通或断开；
振荡器，依据控制电流以产生所述时脉信号；以及
电流信号产生器，提供电阻串以接收电源电压，所述电流信号产生器的所述电阻串依据所述电源电压以产生感测电流或感测电压，所述电流信号产生器并依据所述感测电流的倒数或参考电压与所述感测电压的差的平方以产生所述控制电流，
其中，所述时脉信号的频率与所述电源电压的电压值呈负相关。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电荷泵电路基于所述电源电压，依据所述时脉信号进行电荷泵操作以产生所述控制信号。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电流信号产生器包括：
所述电阻串，分压所述电源电压以产生分压电压；
电压缓冲器，耦接所述电阻串，依据所述分压电压以产生所述感测电压；
电流产生器，耦接所述电压缓冲器，依据参考电压以及所述感测电压的差的平方以产生第一电流；以及
电流镜，耦接所述电流产生器，镜射所述第一电流以产生所述控制电流。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述电流产生器为晶体管，所述晶体管的第一端接收所述感测电压，所述晶体管的控制端接收所述参考电压，所述晶体管的第二端产生所述第一电流，
其中所述晶体管工作在饱和区。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述电压缓冲器为电压随耦器。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电流信号产生器包括：
所述电阻串，依据所述电源电压以产生感测电流；
第一电流镜，镜射所述感测电流以产生第一电流；以及
倒数电流产生器，接收所述第一电流，并依据所述第一电流的倒数来产生第二电流。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其中所述电流信号产生器还包括：
第二电流镜，接收所述第二电流，镜射所述第二电流以产生所述控制电流。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其中所述倒数电流产生器包括：
参考电流源，提供参考电流；
第一二极管，其阳极端接收所述参考电流；
第二二极管，具有阳极端耦接所述第一二极管的阴极端，所述第二二极管的阴极端耦接至参考电压端；
第一晶体管，具有第一端接收所述电源电压，所述第一晶体管的控制端耦接至所述第一二极管的阳极，所述第一晶体管的第二端接收所述第一电流；以及
第二晶体管，具有第一端产生所述第二电流，所述第二晶体管的控制端耦接至所述第一晶体管的第二端，所述第二晶体管的第二端耦接至所述参考电压端。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其中所述第二二极管为第四晶体管，所述第四晶体管的控制端耦接至所述第四晶体管的第一端并耦接至所述第一二极管的阴极端，所述第四晶体管的第二端耦接所述参考电压端。
10.根据权利要求6所述的控制电路，其中所述倒数电流产生器包括：
第一参考电流源，提供第一参考电流；
第一晶体管，第一端接收所述第一参考电流，所述第一晶体管的第二端耦接至参考电压端；
第二晶体管，第一端接收所述电源电压，所述第二晶体管的控制端耦接至所述第一晶体管的第一端，所述第二晶体管的第二端耦接至所述第一晶体管的控制端；
第二参考电流源，耦接在所述第一晶体管的控制端以及所述参考电压端间，用以提供第二参考电流；
第三晶体管，第一端接收所述电源电压，所述第三晶体管的控制端耦接至所述第二晶体管的控制端，所述第三晶体管的第二端接收所述第一电流；以及
第四晶体管，第一端产生所述第二电流，所述第四晶体管的控制端耦接至所述第三晶体管的第二端，所述第四晶体管的第二端耦接至所述参考电压端。
11.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述振荡器为电流控制振荡器。
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