CN113783415A - 电源管理集成电路及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电源管理集成电路及其操作方法。所述电源管理集成电路(PMIC)包括：DC‑DC转换器，被配置为将输出电力提供给负载；控制器，被配置为控制DC‑DC转换器的开关；以及感测电路，包括电容元件且被配置为检测流过DC‑DC转换器与负载之间的节点的输出电流。

Description

电源管理集成电路及其操作方法
本申请要求于2020年6月9日提交的第10-2020-0069838号韩国专利申请和于2021年4月27日提交的第10-2021-0054635号韩国专利申请的优先权，所述韩国专利申请的全部主题通过引用被包含于此。
技术领域
发明构思总体上涉及电源管理集成电路(PMIC)，并且更具体地，涉及包括具有能够扩展PMIC的操作带宽的电容元件的检测电路的PMIC。
背景技术
PMIC已经成为众多消费产品(诸如，智能电话、平板个人计算机(PC)等)中的重要组件。这样的产品(其中许多是移动装置或电池操作装置)需要高效的电源管理。也就是说，使功耗最小化并提高功率效率是移动装置中的PMIC的重要方面。因为能够提供具有高驱动电压和优异功率效率的电力的开关调节器(例如，脉冲宽度调制(PWM)直流到直流(DC-DC)转换器)通常提供稳定的输出电压，所以它们已经被广泛用于PMIC。然而，不幸的是，DC-DC转换器具有有限的操作带宽。
发明内容
响应于该限制并解决其他相关问题，发明构思的实施例提供了包括具有电容元件的检测电路的PMIC，该电容元件提供附加的(一个或多个)零点和(一个或多个)极点，从而扩展操作带宽。
根据发明构思的一个方面，提供了PMIC，所述PMIC包括：DC-DC转换器，被配置为将输出电力提供给负载；控制器，被配置为控制DC-DC转换器的开关；以及感测电路，包括电容元件且被配置为检测流过DC-DC转换器与负载之间的节点的输出电流。
根据发明构思的一个方面，提供了一种PMIC，所述PMIC包括：DC-DC转换器，被配置为将输出电力提供给负载；控制器，被配置为控制DC-DC转换器的开关；感测电路，包括电容阵列且被配置为检测流过DC-DC转换器与负载之间的节点的输出电流；以及频率-数字转换器，被配置为调节电容阵列的总电容。
根据发明构思的一个方面，提供了一种用于PMIC的操作方法。所述方法包括：检测PMIC与负载之间的节点处的输出电流的改变；以及根据与包括在感测电路中的电容元件相关的添加的零点和极点，将与输出电流对应的输出电压供应给所述节点。
附图说明
在考虑以下具体实施方式以及附图时，可以清楚地理解发明构思的有益方面以及发明构思的产生和使用，在附图中：
图1是示出根据发明构思的实施例的包括PMIC的电子装置的框图；
图2、图7、图9和图10是不同地示出根据发明构思的实施例的PMIC的框图；
图3A、图3B和图3C是示出根据发明构思的实施例的DC-DC转换器的相应电路图；
图4是示出根据发明构思的实施例的检测电路的电路图；
图5A和图5B是示出根据发明构思的实施例的PMIC的幅度与频率之间的关系以及幅度和相位与频率之间的关系的相关曲线图；
图6是示出根据发明构思的实施例的操作PMIC的方法的流程图；
图8是示出根据发明构思的实施例的电容阵列的电路图；
图11A和图11B是示出根据发明构思的实施例的操作PMIC的方法的流程图；以及
图12是示出根据发明构思的实施例的针对多种调节模式的作为频率的函数的电容元件的幅度的曲线图。
具体实施方式
贯穿书面描述和附图，相同的参考标号和标签被用于表示相同或相似的元件、组件和特征。在下文中，将参照附图以一些附加细节描述发明构思的实施例。
图1是示出根据发明构思的实施例的包括电源管理集成电路(PMIC)1100的电子装置1000的框图。
参照图1，电子装置1000可以包括PMIC 1100、应用处理器(AP)1200、输入装置1300、显示器1400、存储器1500和电池1600。就此而言，电子装置1000可以是包括在车辆、智能电话、个人计算机(PC)、平板PC、上网本、电子阅读器、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、超移动PC(UMPC)、工作站、便携式计算机、网络平板(webtablet)、平板计算机、无线电话、移动电话、电子书、便携式游戏机、导航装置、黑匣子、数字相机、数字多媒体广播(DMB)播放器、3维(3D)电视、智能电视、数字音频记录器、数字音频播放器、数字图片记录器、数字图片播放器、数字视频记录器、数字视频播放器、构成数据中心的存储设备、能够经由无线环境传送(例如，发送和/或接收)信息的装置、构成家庭网络的各种电子装置、构成计算机网络的各种电子装置、构成远程信息处理网络的各种电子装置、射频识别(RFID)装置或构成计算系统的各种组件等中的装置中的任何一种。在一些实施例中，电子装置1000可以是可穿戴装置(诸如，电子手镯或电子项链)。
电子装置1000可以包括至少一个PMIC 1100。PMIC 1100可以从电池1600接收电力，并且可以总体地调节、限定、供应和/或管理电子装置1000内的电力(下文中，单独地或共同地“管理电力”)。也就是说，PMIC 1100可以管理与AP 1200、输入装置1300、显示器1400和/或存储器1500有关的电力。
因此，在一些实施例中，电子装置1000可以使用单个PMIC 1100来管理与AP 1200、输入装置1300、显示器1400和/或存储器1500有关的电力，并且在其他实施例中，电子装置1000可以使用多个PMIC 1100来管理与AP 1200、输入装置1300、显示器1400和/或存储器1500有关的电力。
AP 1200可以控制电子装置1000的整体操作。例如，AP 1200可根据由输入装置1300生成的输入信号，使用显示器1400显示存储在存储器1500中的数据。这里，输入装置1300可以被实现为指点装置(pointing device)、触摸板、计算机鼠标、小键盘、键盘等。
关于发明构思的实施例特别注意的是，PMIC 1100可以通过确保附加的零点和极点来以扩展的操作带宽和放宽的相位裕度进行操作。另外，PMIC 1100可以通过关于特定操作频率调节零点和极点来以改善的频率响应特性进行操作。
图2是示出根据发明构思的实施例的PMIC 10的框图。图2的PMIC 10可以被理解为先前关于图1描述的PMIC 1100的一个示例。
参照图1和图2，PMIC 10可以将电力和/或时钟信号供应给电子装置1000。就此而言，PMIC 10可以从外部源接收电力，转换和/或调节(例如，整流)接收的电力以生成稳定的电压和/或电流(以下，“电压/电流”)，然后分配和控制生成的电压/电流。这里，PMIC 10可以被实现为单个半导体芯片或一组半导体芯片。
在图2的示出示例中，PMIC 10可以包括控制器100、DC-DC转换器200、感测电路300和负载400，其中，感测电路300包括电容元件310。
控制器100可以被用于总体地控制PMIC 10的操作，或者至少控制PMIC 10的智能组件(诸如，DC-DC转换器200和感测电路300)。也就是说，控制器100可以提供与电子装置1000的性质和目的一致的各种功能控制。例如，在一些实施例中，AP 1200可以被用于生成控制PMIC 10的智能组件的各种控制信号。
在一些实施例中，控制器100可以通过调节DC-DC转换器200的开关(或者，切换)时间(或开关周期)来控制PMIC 10的操作，以适当地生成提供给负载400的输出电力(例如，电压/电流)。也就是说，控制器100可以接收指示作为由感测电路300执行的电压检测操作的结果的将被提供给负载400的输出电力的变化的控制信号。例如，控制器100可以响应于输出电力的波动来调节DC-DC转换器200的开关时间。尽管未在图2中示出，但是控制器100可以向其他组件或装置提供用于驱动PMIC 10的操作频率。
在一些实施例中，控制器100可以被实现为中央处理器(CPU)、执行算术和逻辑操作(诸如，位移位)的算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器(DSP)、微处理器和专用集成电路(ASIC)、控制逻辑等。在一些实施例中，控制器100可包括包含逻辑门的状态机或者处理器与存储可由处理器执行的指令的存储器的组合。
DC-DC转换器200可以将具有第一电平的直流(DC)电力转换为具有第二(不同)电平的DC电力。在一些实施例中，DC-DC转换器200可以使用开关元件来中断从外部源接收的输入DC电力，并且可以被配置为通过调节开关周期来生成输出DC电力。在一些实施例中，提供输入DC电力的外部源可以是电池1600。
在一些实施例中，输出DC电力可以被提供给包括在PMIC 10中的负载400。
输出DC电力可以不同地用作具有可以响应于由感测电路300提供的控制信号而改变的电平的电压/电流。也就是说，在一些实施例中，第一DC电力和第二DC电力可以具有不同的电平、不同的频率和/或不同的相位。然而，在其他实施例中，交流(AC)输入电力可以由外部源提供，并且DC电力可以通过适当的AC-DC转换(例如，通过使用AC-DC转换器)被供应给DC-DC转换器200。
如上所述，开关调节器可以被用作一种类型的DC-DC转换器200。开关调节器可以通过调节开关元件的切换周期来生成DC电力。例如，开关调节器可以使用斜坡信号生成脉冲宽度调制(PWM)信号，并且通过响应于PWM信号而升高和/或降低(以下称为“升高/降低”)输入电压来生成期望的输出电压。
在一些实施例中，DC-DC转换器200可以包括生成具有比输入电力低的电平的电力的降压转换器、生成具有比输入电力高的电平的电力的升压转换器、和/或生成具有高于或低于输入电力的电平的电力的降压-升压转换器。然而，发明构思不限于此，并且可以由DC-DC转换器200执行各种类型的DC-DC转换。
在一些实施例中，感测电路300可以检测供应给负载400的输出电力。也就是说，感测电路300可以在第一节点N1处监测供应给负载400的输出电力(例如，输出电压/电流、输出电力、输出频率、输出相位等)，以向控制器100提供关于与输出电力相关的电压变化(例如，电压降和/或电压上升)的信息。在一些实施例中，该信息可以以“电压变化信号”的形式从感测电路300传送到控制器100。
响应于电压变化信号，控制器100(或电子装置1000中的一些其他组件)可以进行操作(例如，执行一个或多个功能)以根据检测到的电压变化使输出电力稳定。这些一个或多个功能可以以硬件和/或软件被实现。在一些实施例中，感测电路300还可以在第二节点N2处被连接到地GND作为测量参考。利用该配置，感测电路300可以进行操作，以监测具有限定范围的操作带宽内的输出电力的状态。
在特定条件下，由DC-DC转换器提供的输出电力(例如，输出电流)的幅度以及输出电力的变化可能增大。输出电流的突然改变可能导致输出电压下降到最小阈值以下。如果输出电压下降到最小阈值以下，则其可以不被提供给负载，并且可能发生包含DC-DC转换器的电子装置的故障。这里，如常规提供的，DC-DC转换器200的操作带宽可能受到其结构(或组成)特性的限制。此外，DC-DC转换器200可能经历开关损耗，因此，对扩展包含DC-DC转换器200的PMIC的操作带宽存在实际限制。
然而，根据发明构思的实施例，感测电路300可以包括电容元件310。就此而言，“电容元件”可以被理解为AC电路中电流的相位超前(或领先)电压的相位的元件。电容元件310可以被不同地配置。例如，电容元件310可以包括一个或多个分立电容器。在本文中，术语“分立”表示物理上可辨认的元件，与分布的、寄生的或固有的元件形成对比。
在一些实施例中，电容元件310可以是可变电容器。在一些实施例中，电容元件310可以是包括两个或更多个电容器的电容器阵列。然而，发明构思不限于此，并且电容元件310可以被实现为能够影响(或改变)电容的无源元件和/或有源元件的组合。因此，在一些实施例中，电容元件310可以表示提供比感抗大的容抗的一个或多个无源元件和/或有源元件。
如上所述，在一些实施例中，PMIC 10内的感测电路300的设置和连接可以被理解为实现与控制器100相关的负反馈路径。因此，在一些实施例中，电容元件310可以被理解为添加到感测电路300的负反馈路径的附加电容元件。就此而言，通过将电容元件310添加到感测电路300的负反馈路径，发明构思的实施例生成与感测电路300的操作相关的附加零点和极点。这些添加的零点和极点可以有效地增大DC-DC转换器200和PMIC 10的操作带宽(以及相位裕度)。例如，DC-DC转换器200具有至少部分地由感测电路300的电容元件310确定的操作带宽和相位裕度。
因此，添加的电容元件310可以被用于调节负反馈路径的总电容。这里，总电容可以根据PMIC 10的可允许操作频率或可允许操作带宽被确定。并且包括电容元件310的总电容可以被调节，使得最佳极点和零点布置可以在电子装置1000的控制下被提供。
在前面的描述中，负载400可以被理解为由PMIC 10管理的消耗电能的任何元件或组件。就此而言，负载400可以是电子装置1000的操作所需的总电阻的建模。因此，负载400被提供由PMIC 10管理的电压/电流。
在发明构思的一些示出的实施例中，负载400被描述为包括在PMIC 10内，但是这仅仅是为了便于描述的示例。负载400可以被理解为与在电子装置1000的操作期间可变地需要电压/电流的各种知识产权块相关的电能消耗器(electrical energy sink)的建模。
特别注意的是，发明构思的实施例(例如，PMIC 10)通过为感测电路300提供电容元件310来完全解决与DC-DC转换器200相关的操作带宽限制。因此，发明构思的实施例可以扩展操作带宽和相位裕度，以更好地稳定包含PMIC 10的电子装置1000。作为附加益处，因为发明构思的实施例可以通过调节电容元件310的电容来调节零点和极点布置，所以瞬态响应状态可以被快速稳定并且频率响应特性可以被改善。
图3A是示出根据发明构思的实施例的DC-DC转换器210的电路图。图3A的DC-DC转换器210是图2的DC-DC转换器200的一个示例，并且可以被用于执行以上描述的功能。
参照图2和图3A，DC-DC转换器210可以被实现为能够生成具有低于输入电力的电平的输出电力的降压转换器。例如，DC-DC转换器210可以包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)MPa、N型MOSFET MNa、电感器La、转换器电阻器RPa和转换器电容器COa。
DC-DC转换器210可以被提供来自控制器100的P型MOSFET控制信号PDa和/或N型MOSFET控制信号NDa，并且可以将源极电压VDD转换为具有不同电平的DC电压。在一些实施例中，DC-DC转换器210可以生成具有比源极电压VDD的电平小的电平的DC电压。DC-DC转换器210可以生成输出电压VOa作为输出，其中，输出电压可以被提供给第一节点N1。
在一些实施例中，源极电压VDD可以从P型MOSFET MPa的一端(例如，源极)被施加，第三节点N3可以形成在P型MOSFET MPa的另一端(例如，漏极)处，并且P型MOSFET控制信号PDa可以被提供给P型MOSFET MPa的栅极。在一些实施例中，第三节点N3可以形成在N型MOSFET MNa的一端(例如，漏极)处，地电源GND可以从N型MOSFET MNa的另一端(例如，源极)被施加，并且N型MOSFET控制信号NDa可以被提供给N型MOSFET MNa的栅极。在一些实施例中，DC-DC转换器210可通过基于P型MOSFET控制信号PDa和N型MOSFET控制信号NDa来控制P型MOSFET MPa和N型MOSFET MNa，而将源极电压VDD转换成具有不同电平的电压。
P型MOSFET MPa和N型MOSFET MNa可以共享第三节点N3。例如，P型MOSFET MPa的漏极端子和N型MOSFET MNa的漏极端子可以通过共享作为接触件的第三节点N3而彼此连接。这里，第三节点N3也可以被连接到第一线LXa。
在一些实施例中，由P型MOSFET MPa和N型MOSFET MNa转换的电压可以通过第一线LXa被提供。通过第一线LXa提供的转换的电压可以在通过电感器La时下降到中间电压VOla。连接到线LXa的电感器La与转换器电阻器RPa之间的电位可以是VOla。输出电压VOa可以在中间电压VOla通过转换器电阻器RPa时被生成。转换器电容器COa可以充入(或存储)与输出电压VOa对应的电荷，或者释放与输出电压VOa对应的电荷。
控制器100可以输出P型MOSFET控制信号PDa，使得P型MOSFET MPa响应于由感测电路300提供的电压改变信号而比N型MOSFET MNa导通更长的时间段。因此，减小的转换器电容器COa可以被再充电，并且输出电压VOa可以再次上升所需的电平。类似地，当系统的所需电流瞬间减小时，N型MOSFET MNa可以比P型MOSFET MPa导通更长的时间段。
图3B是示出根据发明构思的实施例的DC-DC转换器220的电路图。这里再次，图3B中示出的DC-DC转换器220可以执行先前关于图2的DC-DC转换器200描述的功能。然而，与图3A的DC-DC转换器210相比，图3B的DC-DC转换器220可以被实现为能够生成具有高于输入电力的电平的输出电压VOb的升压转换器型DC-DC转换器。
参照图2和图3B，DC-DC转换器220可以包括电感器Lb、N型MOSFET MNb、P型MOSFETMPb、转换器电阻器RPb和转换器电容器COb。
DC-DC转换器220可以被控制器100提供P型MOSFET控制信号PDb和/或N型MOSFET控制信号NDb，并且可以将源极电压VDD转换为具有不同电平的DC电压。在一些实施例中，DC-DC转换器220可以生成具有高于源极电压VDD的电平的DC电压。DC-DC转换器220可以生成输出电压VOb作为输出。输出电压VOb可以被提供给第一节点N1。
在一些实施例中，源极电压VDD可从电感器Lb的一端被施加，并且第四节点N4可形成在电感器Lb的另一端处。在一些实施例中，第四节点N4可以形成在N型MOSFET MNb的一端(例如，漏极)处，地电源GND可以从N型MOSFET MNb的另一端(例如，源极)被施加，并且N型MOSFET控制信号NDb可以被提供给N型MOSFET MNb的栅极。在一些实施例中，DC-DC转换器220可以通过基于N型MOSFET控制信号NDb控制N型MOSFET MNb，将源极电压VDD转换为具有不同电平的电压。
电感器Lb和N型MOSFET MNb可以共享第四节点N4。例如，电感器Lb的一端和N型MOSFET MNb的漏极端子可以通过共享作为接触件的第四节点N4而彼此连接。这里，第四节点N4也可以被连接到第一线LXb。
在一些实施例中，由电感器Lb和N型MOSFET MNb转换的电压可以通过第一线LXb被提供。通过第一线LXb供应的电流也可以被用作“检测电流”lsen。第一线LXb可以被连接到P型MOSFET MPb。第四节点N4处的电压电位可以在通过P型MOSFET MPb时下降到中间电压VOlb。连接到线LXb的电感器Lb与转换器电阻器RPb之间的电压可以是VOlb。输出电压VOb可以在中间电压VOlb通过转换器电阻器RPb时被生成。这里，转换器电容器COb可以充入(或存储)与输出电压VOb对应的电荷或者释放与输出电压VOb对应的电荷。
P型MOSFET MPb的一端(例如，漏极)可以连接到第四节点N4，并且P型MOSFET MPb的另一端(例如，源极)可以连接到转换器电阻器RPb。另外，P型MOSFET控制信号PDb可以被提供给P型MOSFET MPb的栅极。P型MOSFET控制信号PDb可以从控制器100被提供。
图3C是示出根据发明构思的实施例的DC-DC转换器230的电路图。
这里再次，图3C的DC-DC转换器230可以执行先前关于图2的DC-DC转换器200描述的功能。然而，与图3A的降压转换器型DC-DC转换器210和图3B的升压转换器型DC-DC转换器220相比，图3C的DC-DC转换器230可以被实现为能够使输出电压的电平相对于输入电压增大或降低的降压-升压转换器型DC-DC转换器。
DC-DC转换器230可以包括第一P型MOSFET MP1c、第一N型MOSFET MN1c、电感器Lc、第二P型MOSFET MP2c、第二N型MOSFET MN2c、转换器电阻器RPc和转换器电容器COc。
DC-DC转换器230可以被提供来自控制器100的第一P型MOSFET控制信号PD1c和/或第一N型MOSFET控制信号ND1c，并且可以将源极电压VDD转换为具有不同电平的DC电压。在一些实施例中，DC-DC转换器230可以生成具有大于或小于源极电压VDD的电平的DC电压。DC-DC转换器230可以生成输出电压VOc作为输出。输出电压VOc可以在第一节点N1处被提供。
在一些实施例中，源极电压VDD可以从第一P型MOSFET MP1c的一端(例如，源极)被施加，第五节点N5可以形成在第一P型MOSFET MP1c的另一端(例如，漏极)处，并且第一P型MOSFET控制信号PD1c可以被提供给第一P型MOSFET MP1c的栅极。在一些实施例中，第五节点N5可以形成在第一N型MOSFET MN1c的一端(例如，漏极)处，地电源GND可以从第一N型MOSFET MN1c的另一端(例如，源极)被施加，并且第一N型MOSFET控制信号ND1c可以被提供给第一N型MOSFET MN1c的栅极。在一些实施例中，DC-DC转换器230可以通过基于第一P型MOSFET控制信号PD1c和第一N型MOSFET控制信号ND1c控制第一P型MOSFET MP1c和第一N型MOSFET MN1c，将源极电压VDD转换为具有不同电平的电压。第五节点N5也可以连接到电感器Lc。流过电感器Lc的电流可以被称为检测电流lsen。第一P型MOSFET MP1c和第一N型MOSFETMN1c可以共享第五节点N5。例如，第一P型MOSFET MP1c的漏极端子和第一N型MOSFET MN1c的漏极端子可以通过共享作为接触件的第五节点N5而彼此连接。
在一些实施例中，由第一P型MOSFET MP1c和第一N型MOSFET MN1c转换的电压可以通过穿过电感器Lc而到达第六节点N6。第六节点可以连接到第二N型MOSFET MN2c和第二P型MOSFET MP2c。例如，第二P型MOSFET MP2c的漏极端子和第二N型MOSFET MN2c的漏极端子可以通过共享作为接触件的第六节点N6而彼此连接。第二N型MOSFET MN2c的源极端子可以连接到地电源GND，第二N型MOSFET控制信号ND2c可以被提供给第二N型MOSFET MN2c的栅极端子，并且第二P型MOSFET MP2c的源极端子可以连接到转换器电阻器RPc，第二P型MOSFET控制信号PD2c可以被提供给第二P型MOSFET MP2c的栅极端子。在第六节点N6处表示的电压可以被改变为作为通过第二P型MOSFET MP2c的结果的中间电压VOlc，并且输出电压VOc可以作为中间电压VOlc通过转换器电阻器RPc的结果被生成。转换器电容器COc可以充入与输出电压VOc对应的电荷或者释放与输出电压VOc对应的电荷。
图4是示出根据发明构思的实施例的感测电路301的电路图。这里，图4的感测电路301是图2的感测电路300的一个示例，并且可以执行先前描述的功能。
参照图4，感测电路301可以包括放大器A1、电阻元件(例如，第一电阻器至第四电阻器)RF1、RF2、RF3和RF4以及电容元件311。
放大器A1可以被实现为运算放大器，但不限于此。第一电阻器RF1可以在放大器A1的正输入端子与地电源GND之间连接到第七节点N7，并且第二电阻器RF2可以连接到第七节点N7和第一节点N1中的每个。第三电阻器RF3可以连接到第八节点N8，第八节点N8在放大器A1的负输入端子与放大器的输出端子之间，并且第四电阻器RF4可以连接在第八节点N8与第二节点N2之间。
在一些实施例中，第一电阻器RF1的电阻值和第二电阻器RF2的电阻值的比率可以与第三电阻器RF3的电阻值和第四电阻器RF4的电阻值的比率相同。然而，发明构思不限于此，并且电阻元件RF1、RF2、RF3和RF4的电阻值可以根据PMIC 10所需的传递函数或电特性而改变。例如，第三电阻器RF3的电阻值可以与第一电阻器RF1的电阻值相同，并且第四电阻器RF4的电阻值可以与第二电阻器RF2的电阻值相同。
在一些实施例中，电容元件311可以连接在第八节点N8(其是放大器的负输入端子)与地电源GND之间。电容元件311连接到的地电源GND可以与第一电阻器RF1连接到的地电源GND不同或相同。
与以上电容元件310的描述一致，电容元件311可以包括至少一个电容器。电容元件311可以被理解为AC电路中电流的相位超前电压的相位的元件。在一些实施例中，电容元件311可以是可变电容器，或者可以包括包含两个或更多个电容器的电容器阵列。然而，发明构思不限于此，并且电容元件311可以被实现为能够改变电容的无源元件和/或有源元件的任何合理的组合。然而，在图4中，为了便于描述，电容元件311被描述为单个电容器CF2。
在一些实施例中，电容器CF2的一端可以被连接到第八节点N8，连接到放大器的负输入端子的第三电阻器RF3被连接到第八节点N8。另外，电容器CF2的另一端可以被连接到地电源GND。
电容元件311的添加在感测电路300中产生附加的零点和极点。当第一电阻器RF1的电阻值与第三电阻器RF3的电阻值相同时，电容元件311可以附加地生成零点，如下面紧接着的等式1所述。
Figure BDA0003108408850000121
当第一电阻器RF1的电阻值与第三电阻器RF3的电阻值相同时，电容元件311可以附加地生成极点，如下面紧接着的等式2所述。在等式1中，RF1可以表示第一电阻器RF1的电阻值，CF2可以表示第三电阻器RF3的电阻值。
Figure BDA0003108408850000122
这里，A表示放大器A1的开环增益，并且ω3dB可以表示放大器A1的3dB极点。
由附加电容元件311生成的零和极点可以通过第一电阻器RF1、第二电阻器RF2和电容元件311(例如，电容器CF2)的总电容来调节。
参照图3A、图3B和图3C，当由负载400消耗的电流瞬间增大时，连接到输出电压VOa、VOb或VOc被供应到的第一节点N1的转换器电容器COa、COb或COc可以瞬间提供所需电流，并且转换器电容器COa、COb或COc的电压可以减小与放电电流对应的电压。减小的输出电压VOa、VOb或VOc可以由感测电路300检测。
因此，当PMIC的使用环境改变(例如，额外的电流消耗)时，由DC-DC转换器提供的输出电力的幅度和变化将增大。在特定条件下，输出电力的这种改变可能变得显著，向负载400或电子装置提供输出电力的功能可能发生故障。因此，PMIC被设计成抑制输出电力的显著改变。
抑制输出电力的显著改变的一种常规方法增大转换器电容器Co的尺寸，但是这需要大量的物理空间并增加了PMIC的制造成本。此外，在使用开关元件的DC-DC转换器被包含在PMIC的设计中的情况下，操作带宽可能被限制。
相反，根据发明构思的实施例的PMIC扩展了操作带宽和相位裕度，同时通过添加电容元件来确保附加的极点和零点来稳定输出电压。结果，因为零点和极点可以通过检测根据发明构思的实施例的PMIC的操作频率被调节，所以频率响应特性可以被改善。另外，根据发明构思的实施例的PMIC可以通过根据操作频率的改变选择电容元件的调节模式来确保快速频率响应特性。
图5A和图5B是示出根据发明构思的一些实施例的PMIC的幅度和相位与频率之间的关系的曲线图。
图5A和图5B被示出为波特图(Bode Plot)。在图5A中，水平轴可以指示频率，并且垂直轴可以以分贝(dB)标度来指示信号的幅度。在图5B中，水平轴可以指示频率，并且垂直轴可以以度标度来指示信号的相位。
参照图2、图4和图5A，常规响应的幅度由虚线指示，并且由发明构思的实施例提供的响应的幅度由实线指示。参照图5A中的虚线，常规DC-DC转换器的工作带宽是第一频率fc1。
然而，在一些实施例中，当关于或由于电容元件310(311)的添加而添加零点和极点时，操作带宽可以被增大。因此，在一些实施例中，参照图5A中的实线，由于关于或由于电容元件310(311)添加的极点和零点，比第一频率fc1高的第二频率fc2可以作为改善的操作频率被获得。
作为幅度的波动趋势发生改变的拐点(break)频率，零点拐点频率fza在下面紧接着的等式3中被描述，其中，ωZ可以表示零点。
fza＝ωZ/(2π) (3)
作为幅度的波动趋势发生改变的拐点频率，极点拐点频率fpa由下面紧接着的等式4描述，其中，ωP可以表示极点。
fpa＝ωP/(2π) (4)
参照图5A中的实线，因为根据发明构思的实施例的PMIC包括附加的零点和极点，所以以特定斜率(例如，-20dB/dec)逐渐下降的幅度可以被保持为在与附加的零点对应的零点拐点频率fza处与频率轴平行。另外，保持在特定大小的幅度可以从与附加极点对应的极点拐点频率fpa再次逐渐减小。根据等式2，因为可以理解的是，极点拐点频率fpa具有两个极点wp1和wp2，所以幅度的下降斜率可以是零点拐点频率fza(例如，-20dB/dec)之前的斜率(例如，-20dB/dec)的两倍(例如，-40dB/dec)。
参照图2、图4和图5B，根据常规响应的相位被示出为虚线，并且根据发明构思的实施例的相位被示出为实线。参照图5B中的虚线，常规DC-DC转换器的相位裕度可以与第一相位PM1一样多。随着操作带宽增大，相位裕度可以被减小。
然而，在一些实施例中，当零点和极点关于或由于电容元件310(311)被添加时，相位裕度可以增大。参照图5B的实线，由于附加的极点和零点的影响，即使在大于零点拐点频率fza的频率，与常规响应(虚线)相比，相位也可以增大，并且可以从第一频率fc1与极点拐点频率fpa之间的区间减小。因此，因为第二频率fc2处的第二相位PM2可能不会显著高于第一相位PM1，所以相位裕度可以被扩展(即，相位提高可以被获得)。
在确保改善的操作频率和相位裕度的情况下，根据发明构思的实施例的PMIC还可以确保快速响应特性和改善的整体系统稳定性。
图6是在一个示例中示出根据发明构思的实施例的操作PMIC的方法的流程图。
参照图2、图3A和图6，在示例性方法中，负载400的负载电流被改变(S110)。就此而言，负载电流可为恰当地操作电子装置1000所需的电流。假设PMIC 10在第一节点N1处连接到负载400，则负载400的适当操作所需的电压/电流可以由于处理速率、环境和要求的性能水平而变化。
作为负载电流的改变的结果，包括在DC-DC转换器210中的转换器电容器COa的电压被改变(S120)。在一些实施例中，随着负载400的所需电流变化，转换器电容器COa可以提供负载400所需的电流。
因此，可以由感测电路300检测输出电流的改变(S130)。在一些实施例中，通过第一节点N1传输的电流可以根据负载400的所需电流的改变被转换器电容器COa改变。
然后，可以根据关于或由于电容元件310添加的零点和极点来供应输出电压(S140)。在一些实施例中，感测电路300可以通过包括电容元件310来包括添加的零和极点，并且因此，PMIC 10的操作带宽可以被扩展。感测电路300可以向控制器100提供检测结果。控制器100可以基于扩展的操作带宽来控制DC-DC转换器200，以供应具有快速瞬态响应稳定性的输出电压VOa。DC-DC转换器200可以在第一节点N1处提供输出电压VOa。
然后，可以恢复转换器电容器COa的电压(S150)。例如，当转换器电容器COa向负载供应电流时，转换器电容器COa可以被充电，并且当转换器电容器COa存储电荷时，转换器电容器COa可以被放电。
图7是示出根据发明构思的实施例的PMIC 20的框图。这里，图7的PMIC20可以被理解为图2的PMIC 10的修改。
参照图7(且与图2的实施例相比较)，PMIC 20包括控制器102、DC-DC转换器202、感测电路302、包括在感测电路302中的电容阵列312、负载402和频率-数字转换器(FDC)502。
操作频率fs可以被改变以减少影响(诸如，PMIC 20上的电磁干扰(EMI))。可以通过基于PMIC 20的操作频率fs来调节电容阵列312的总电容而改善频率响应特性。
因此，FDC 502可以用于将从控制器102提供的操作频率fs转换为数字代码输出(DCO)，并且电容阵列312可以通过响应于DCO而调节开关来调节总电容。
零点和极点可以取决于操作频率。在一些实施例中，当操作频率增大时，零点和极点可以移动到相对高的频带。响应于操作频率的增大，FDC 502可以减小电容阵列312的总电容。例如，FDC可以提供DCO作为数字信号，用于调节多个电容器的组合以降低可变电容器的电容或减小电容阵列312的总电容。在一些实施例中，当操作频率fs减小时，零点和极点可以移动到低频带，并且FDC可以生成DCO作为调节多个电容器的组合的数字信号，以增大可变电容器的电容或增大电容阵列312的总电容。
图8是示出可以在发明构思的一些实施例中使用的电容阵列314的电路图。
参照图8，电容阵列314可以包括并联连接的多个电容器C2。多个电容器C2中的每个的一端可以连接到节点x(Nx)，并且多个电容器C2中的每个的另一端可以串联连接到开关，并且开关的通断(intermittence)由DCO控制。
在一些实施例中，电容阵列314可以具有基于DCO调节的总电容。例如，根据DCO，多个电容器C2中的一些可接通(close)或启用(例如，通过所连接的开关的闭合)，并且多个电容器C2中的其他电容器可断开(open)或禁用(例如，通过所连接的开关的断开)。
作为适当地合成多个电容器C2的结果，期望的等效电容CF2可以被生成。也就是说，具有与多个电容器C2的组合电容值对应的电容值的电容器CF2可以被生成。在一些实施例中，电容阵列314可以被称为多个电容器C2，或者总体上被称为电容器CF2。
图9是示出根据发明构思的实施例的PMIC 30的电路图。
参照图9(且与图2和图7中示出的实施例进行比较)，PMIC 30可包括控制器(CTRL)103、DC-DC转换器203、包含电容阵列313的感测电路303、负载403和FDC 503。图9的DC-DC转换器203可以是图3A的DC-DC转换器210、图3B的DC-DC转换器220和图3C的DC-DC转换器中的一个转换器。图9的感测电路303可以是图2的感测电路300的示例实施例。
第一电阻器RF1可以连接到放大器A1的正输入端子与地电源GND之间的第七节点N7，并且第二电阻器RF2可以连接到第七节点N7和第一节点N1。第三电阻器RF3可以连接到第八节点N8，第八节点N8在放大器A1的负输入端子与放大器的输出端子之间，并且第四电阻器RF4可以连接在第八节点N8与第二节点N2之间。
电容阵列313的一端可以连接到第三电阻器RF3与第四电阻器RF4之间的第八节点N8，第四电阻器RF4连接到放大器A1的负输入端子。电容阵列313的另一端可以连接到地电源GND。
FDC 503是将频率转换为数字代码的电路。FDC 503可以被配置为包括开关电容器、电流源、低通滤波器和模数转换器(ADC)，但不限于此。FDC503可以使用作为模拟信号的输出电压来生成数字代码，该输出电压随着频率增大而非线性地增大。
在一些实施例中，FDC可以通过检测作为流过第一线LX的电流的检测电流lsen的大小来调节电容阵列313的总电容。在一些实施例中，FDC可以通过基于控制器103的操作频率fs调节电容阵列313的电容来调节PMIC 30的零点和极点。在一些实施例中，FDC可以响应于检测电流lsen的频率而调节电容阵列313的总电容。在图9中，参考标号PD、ND、MN、VOl分别与图3A中示出的参考标号PDa、NDa、MNa、VOla类似。
图10是示出根据发明构思的实施例的PMIC 40的电路图。
参照图10(且与图2、标记图7和图9中示出的实施例进行比较)，PMIC40可包括控制器104、DC-DC转换器204、感测电路304、包含在感测电路304中的电容阵列314、负载404和电流数字转换器(CDC)504。图10的DC-DC转换器204可以是图3A的DC-DC转换器210、图3B的DC-DC转换器220和图3C的DC-DC转换器230中的一个转换器，并且图10的感测电路304可以是图4的感测电路301。
图10中示出的DC-DC转换器204可以执行先前关于图2的DC-DC转换器200描述的功能，并且与图3A的降压转换器型DC-DC转换器210和图3B的升压转换器型DC-DC转换器220相比，可以是线性调节器型DC-DC转换器。就此而言，线性调节器被理解为相对于输入电压增大或减小输出电压。
线性调节器型DC-DC转换器204可以包括放大器A2、P型MOSFET MP、转换器电阻器RP和转换器电容器Co。由控制器104提供的参考电压VREF可以被施加到放大器A2的负输入端，并且由感测电路304输出的反馈信号FB(例如，电压改变信号)可以被提供到放大器A2的正输入端。放大器A2的输出可以作为放大器输出电压VG被提供给P型MOSFET MP的栅极端子。源极电压VDD可被供应到P型MOSFET MP的一端(例如，源极)，且P型MOSFET MP的另一端(例如，漏极)可连接到转换器电阻器RP。通过P型MOSFET MP的漏极的节点和转换器电阻器RP的电流可以被称为检测电流lsen，并且检测电流lsen可以被提供给CDC 504。
感测电路304可以包括放大器A1、第一电阻器RF1至第四电阻器RF4、第一反馈电阻器R1和第二反馈电阻器R2。这里，与图4的感测电路301相比，感测电路304另外包括用于调节输出电压的第一反馈电阻器R1和第二反馈电阻器R2，但是发明构思不限于此。
第一电阻器RF1和第二电阻器RF2可以连接到放大器A1的正输入端子，第一电阻器RF1可以连接到地电源GND，并且第二电阻器RF2可以连接到向负载404提供输出电压Vo的节点。第三电阻器RF3和第四电阻器RF4可连接到放大器A1的负输入端子，第三电阻器RF3可连接到放大器A1的输出端子，且第四电阻器RF4可连接到将地电源GND提供到负载404的节点。第一反馈电阻器R1的一端可以连接到放大器A1的输出端子，并且第一反馈电阻器R1的另一端可以连接到第二反馈电阻器R2。第二反馈电阻器R2的另一端可以连接到地电源GND。反馈信号FB可以从第一反馈电阻器R1和第二反馈电阻器R2之间的节点被生成，并且反馈信号FB可以被提供给DC-DC转换器204。
在一些实施例中，电容阵列314的一端可以连接到第三电阻器RF3与第四电阻器RF4之间的第九节点N9，第三电阻器RF3和第四电阻器RF4连接到放大器A1的负输入端子，并且电容阵列314的另一端可以连接到地电源GND。
CDC是将电流转换成数字代码的电路。CDC 504可以被配置为包括低通滤波器和模数转换器(ADC)，但不限于此。检测电流lsen通过低通滤波器以生成与检测电流lsen成线性比例的检测电压。随着检测电压增大，CDC 504可以对作为模拟信号的输出电压进行模数转换，以生成数字代码。
CDC可以通过检测作为流过电感器L的电流的检测电流lsen的大小，来调节电容阵列314的总电容。根据发明构思的技术思想，CDC可以通过基于检测电流lsen调节电容阵列314的电容，来调节PMIC 40的零点和极点。
图11A和图11B是示出根据发明构思的实施例的操作PMIC 20的方法的流程图。执行图11A和图11B的方法的PMIC可以是图9的PMIC 30或图10的PMIC 40。
参照图8、图10和图11A，检测PMIC 30的操作频率fs的改变(S210)。这里，可在控制器103将用于驱动PMIC 30的操作频率fs提供到FDC 503时检测到操作频率fs的改变。
然后，FDC 503调节电容阵列312的总电容(S220)。这里，FDC 503可以生成能够通过调节电容阵列312的开关(例如，从而对电容阵列312中的电容器进行开关或者启用/禁用)来调节总电容的DCO。例如，随着操作频率fs增大，FDC可以将DCO提供为调节多个电容器的组合以减小电容阵列312的总电容的数字信号，并且随着操作频率fs减小，FDC可以将DCO生成为调节多个电容器的组合以增大电容阵列312的总电容的数字信号。
参照图8、图10和11B，检测DC-DC转换器203的输出电流的改变(S310)。这里，可以检测流过包括在DC-DC转换器203中并连接到第三节点N3的电感器L的检测电流lsen的改变。
然后，电流数字转换器504调节电容阵列314的总电容(S320)。这里，CDC 504可以通过基于检测电流lsen调节电容阵列314的开关来生成能够调节总电容的DCO。例如，随着检测电流lsen增大，CDC可以向电容阵列314提供DCO作为数字信号，该数字信号调节多个电容器的组合以减小电容阵列314的总电容；随着检测电流lsen减小，CDC可以向电容阵列314提供DCO作为数字信号，该数字信号调节多个电容器的组合以增大电容阵列314的总电容。CDC可以通过基于检测电流lsen调节电容阵列314的电容来调节PMIC30的零点和极点。
图12是示出与图2中示出的实施例相关的每个调节模式的电容元件310的幅度(例如，电容元件310的电容)与频率的曲线图。
电容元件(图2的310)可以根据操作频率fs的改变来选择用于调节电容的调节模式。在一些实施例中，电容元件310可以选择用于线性地响应于操作频率fs的改变的第一调节模式、用于指数地响应于操作频率fs的改变的第二调节模式、以及用于对数地响应于操作频率fs的改变的第三调节模式中的任何一个调节模式。电容元件310可以通过选择调节模式来确保快速响应速率。
虽然已经参照发明构思的特定实施例具体示出和描述了发明构思，但是将理解的是，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式和功能上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种电源管理集成电路，所述电源管理集成电路包括：
直流到直流转换器，被配置为将输出电力提供给负载；
控制器，被配置为控制直流到直流转换器的开关；以及
感测电路，包括电容元件且被配置为检测流过直流到直流转换器与负载之间的节点的输出电流。
2.根据权利要求1所述的电源管理集成电路，其中，感测电路还包括运算放大器和至少一个电阻器，并且
电容元件连接在运算放大器的负输入端子与地之间。
3.根据权利要求2所述的电源管理集成电路，其中，连接到地的第一电阻器和连接到所述节点的第二电阻器被连接到运算放大器的正输入端子，并且
连接到运算放大器的输出端子的第三电阻器和连接到地的第四电阻器被连接到负输入端子。
4.根据权利要求3所述的电源管理集成电路，其中，第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值的比率与第三电阻器的电阻值和第四电阻器的电阻值的比率相同。
5.根据权利要求1所述的电源管理集成电路，其中，直流到直流转换器包括降压转换器。
6.根据权利要求1所述的电源管理集成电路，其中，直流到直流转换器包括升压转换器。
7.根据权利要求1所述的电源管理集成电路，其中，直流到直流转换器包括降压-升压转换器。
8.根据权利要求1所述的电源管理集成电路，其中，直流到直流转换器包括线性调节器。
9.根据权利要求1至权利要求8中的任一项所述的电源管理集成电路，其中，电源管理集成电路形成与感测电路的电容元件有关的附加的极点和零点。
10.根据权利要求1至权利要求8中的任一项所述的电源管理集成电路，其中，直流到直流转换器具有至少部分地由感测电路的电容元件确定的操作带宽和相位裕度。
11.一种电源管理集成电路，所述电源管理集成电路包括：
直流到直流转换器，被配置为将输出电力提供给负载；
控制器，被配置为控制直流到直流转换器的开关；
感测电路，包括电容阵列且被配置为检测流过直流到直流转换器与负载之间的节点的输出电流；以及
频率-数字转换器，被配置为调节电容阵列的总电容。
12.根据权利要求11所述的电源管理集成电路，其中，频率-数字转换器通过响应于从控制器接收的操作频率对电容阵列中的电容元件进行开关来调节所述总电容。
13.根据权利要求11所述的电源管理集成电路，其中，直流到直流转换器包括电感器，并且
频率-数字转换器将流过电感器的电感器电流转换为数字代码。
14.根据权利要求11所述的电源管理集成电路，其中，感测电路还包括运算放大器和至少一个电阻器，并且
电容阵列连接在运算放大器的负输入端子与地之间。
15.根据权利要求14所述的电源管理集成电路，其中，连接到地的第一电阻器和连接到所述节点的第二电阻器被连接到运算放大器的正输入端子，并且
连接到运算放大器的输出端子的第三电阻器和连接到地的第四电阻器被连接到运算放大器的负输入端子。
16.根据权利要求15所述的电源管理集成电路，其中，第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值的比率与第三电阻器的电阻值和第四电阻器的电阻值的比率相同。
17.根据权利要求11至权利要求16中的任一项所述的电源管理集成电路，其中，电源管理集成电路形成与感测电路的电容阵列有关的附加的极点和零点。
18.一种用于电源管理集成电路的操作方法，所述方法包括：
检测电源管理集成电路与负载之间的节点处的输出电流的改变；以及
根据与包括在感测电路中的电容元件相关的添加的零点和极点，将与输出电流对应的输出电压供应给所述节点。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
响应于驱动电源管理集成电路的操作频率来调节电容元件的电容。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
测量流过电源管理集成电路中的电感器的电感器电流；以及
响应于电感器电流的频率而调节电容元件的电容。
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