CN115411933A

CN115411933A - 一种模式切换的控制方法及电路

Info

Publication number: CN115411933A
Application number: CN202210967855.6A
Authority: CN
Inventors: 金正扬; 于翔; 肖飞
Original assignee: Shengbang Microelectronics Suzhou Co ltd
Current assignee: Shengbang Microelectronics Suzhou Co ltd
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2022-11-29

Abstract

一种模式切换的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，基于所述电压转换器中输入电压的预设倍数生成控制信号；步骤2，根据所述电压转换器的工作模式，将所述控制信号输入至所述电压转换器的延时元件中，以实现对所述电压转换器模式切换时输出电压的控制。本发明方法简单、效果良好，能够在输入电压发生跳变时，使输出电压快速的恢复到理想状态，确保了输出电压的稳定。

Description

一种模式切换的控制方法及电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体的，涉及一种模式切换的控制方法及电路。

背景技术

开关电容式电压转换器能够利用受控开关和电容元件，改变输出电压与输出电压的关系，并在供电的过程中，确保输出电压的稳定。由于开关电容式电压转换器具备高效率、低噪声、电压输出范围大等优点，被广泛的应用于各种集成电路中。

然而，在这种电压转换器中，当转换器的工作模式随着输入电压的跳变而发生变化时，开关电容难以快速完成充电和放电操作，因此就会导致输出电压的状态不够理想。例如，当输入电压突然降低时，转换器电路会从低压差线性稳压的工作模式迅速切换至电荷泵的工作模式，并实现输出电压的提升。但是由于低压差线性稳压状态下开关电容并未处于充电状态，因此当转换器进入电荷泵工作模式下时，并不能够实际上对于输出电压起到提升作用。这就会导致输入电压快速跳变的短暂时间内，输出电压出现较大的下冲，从而影响后级负载的正常工作。针对上述问题，本发明提供了一种新的模式切换的控制方法及电路。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种模式切换的控制方法及电路，该方法能够判别电压转换器的电荷泵工作模式与低压差线性稳压工作模式，并基于电路的工作模式切换实现对开关电容下极板电压的补偿。

本发明采用如下的技术方案。

本发明第一方面，涉及一种模式切换的控制方法，方法包括以下步骤：步骤1，基于电压转换器中输入电压的预设倍数生成控制信号；步骤2，根据电压转换器的工作模式，将控制信号输入至电压转换器的延时元件中，以实现对电压转换器模式切换时输出电压的控制。

优选地，电压转换器为开关电容式电压转换器；并且，电压转换器至少具备低压差线性稳压的工作模式和电荷泵的工作模式。

优选地，当电压转换器处于所述电荷泵的工作模式时，每个周期内开关SW1、SW2与开关SW3、SW4轮流开启和关断，预设倍数为1/2；当电压转换器处于低压差线性稳压的工作模式时，开关SW1、SW4始终导通，开关SW2、SW3始终关断。

优选地，当输入电压Vin大于预设电压时，电压转换器运行在低压差线性稳压的工作模式下；当输入电压Vin小于预设电压时，电压转换器运行在电荷泵的工作模式下。

优选地，当输入电压Vin大于预设电压时，控制信号为Vout/2；当输入电压Vin小于预设电压时，控制信号为0。

优选地，电压转换器的延时元件为开关电容；控制信号被输入至开关电容的下极板。

本发明第二方面，涉及一种模式切换的控制电路，电路包括比较器、时钟振荡器、运放、控制开关和逻辑门；其中，比较器，与逻辑门连接，用于接收输入电压和预设电压，并生成模式控制信号；时钟振荡器，与逻辑门连接，用于生成时钟信号；逻辑门，与开关SW1、SW2、SW3和SW4连接，用于根据模式控制信号、时钟信号实现对于SW1、SW2、SW3和SW4开关状态的控制；运放，负反馈方式连接，正相输入端接收控制信号，输出端与控制开关的一端连接；控制开关的另一端接入至开关电容的下极板；控制开关的栅极与模式控制信号连接。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种模式切换的控制方法及电路，能够判别电压转换器的电荷泵工作模式与低压差线性稳压工作模式，并基于电路的工作模式切换实现对开关电容下极板电压的补偿。本发明方法简单、效果良好，能够在输入电压发生跳变时，使输出电压快速的恢复到理想状态，确保了输出电压的稳定。

附图说明

图1为现有技术中一种开关电容式电压转换器的电路结构示意图；

图2为本发明中一种开关电容式电压转换器中模式切换的控制电路的结构示意图；

图3为本发明中一种开关电容式电压转换器中模式切换的控制电路在输入电压发生跳变时输出电压的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1为现有技术中一种开关电容式电压转换器的电路结构示意图。如图1所示，现有技术中，经常采用开关电容式电压转换器，作为稳定的电压源为后级负载提供电压。由于输入电压的大小不会非常稳定，因此如果转换器想要工作在理想的输出电压下，就需要电压转换器具备多种不同的工作模式。

本发明中电压转换器能够工作在低压差线性稳压的工作模式和电荷泵的工作模式下。具体来说，当转换器处于低压差线性稳压的工作模式时，开关SW1、SW2与开关SW3、SW4轮流开启和关断。如果SW1和SW2为开启状态，SW3和SW4为关断状态，则开关电容进入充电状态，在充满电的情况下，电容器上储存的总能量为

其中，Vout是该电压转换器的输出电压。

而当切换到SW1和SW2为关断状态，SW3和SW4为开启状态后，开关电容的下极板电压被瞬间升高到Vin，而电容来不及放电，则其上极板电压就被进一步提升，从而为Vout端口提供输出，这种状态下，电路就能够以电荷泵的方式实现供电了。此时，随着SW3和SW4的开启，电容器上存储的总能量被释放到Vout端口。

在一个设定的时间周期下，四个开关循环往复的开启和关断，从而实现相对稳定的电压输出。可以计算的是，当电容充电时，设电容上极板电压为V，其下极板电压为0，而当电容放电时，上极板为Vout，下极板则变为Vout-V。由于电容的充放电状态下，Vin和Vout之间都是通过参数相同的开关元件和电容实现连接，因此，可列出等式Vin-V＝Vin-(Vout-V)。由此，计算得到V＝Vout/2。

而当电路切换到电荷泵工作模式下时，SW1和SW4始终开启，其他开关则始终关断，此时输出电压和输入电压之间存在较小的压降，另外开关电容的另一端处于悬空状态，并不存在任何充放电的情况。

在这种电路结构中，如果电路从低压差线性稳压的工作状态切换至电荷泵的工作模式时，开关电容中并不存在任何充电电荷，而如果要将开关电容充满至能够实现正常的电荷泵工作状态，则需要一段时间，例如多个周期。在这段时间内，由于电路无法满足电荷泵的理想输出，这导致输出电压出现较大的俯冲。

为此，本发明对于电路结构进行了改进。

图2为本发明中一种开关电容式电压转换器中模式切换的控制电路的结构示意图。如图2所示，本发明中涉及了一种模式切换的控制方法，方法包括步骤1和步骤2。

步骤1，基于电压转换器中输入电压的预设倍数生成控制信号；步骤2，根据电压转换器的工作模式，将控制信号输入至电压转换器的延时元件中，以实现对电压转换器模式切换时输出电压的控制。

可以理解的是，本发明中的电压转换器，能够实现控制信号的生成，该控制信号作为输出电压的预设倍数，能够对于开关电容的下极板电压进行补偿，从而在电路切换到电荷泵模式时，能够快速的实现电荷泵的准确输出，从而防止电压俯冲。

优选地，当电压转换器处于电荷泵的工作模式时，每个周期内开关SW1、SW2与开关SW3、SW4轮流开启和关断，预设倍数为1/2；当电压转换器处于低压差线性稳压的工作模式时，开关SW1、SW4始终导通，开关SW2、SW3始终关断。

可以理解的是，如前文所述，由于电容上极板的电压在电荷泵模式下能够保持在Vout/2，因此，本发明中将预设倍数设计为1/2。

可以理解的是，本发明中可以根据后级负载所需要的输出电压，也就是根据该电压转换器的实际应用场景来预先设计一个电压值。当输入电压小于该电压值时，说明输入电压的直接输出并不足以为后级负载电路提供充分的电压，因此需要将电压转换器设置为电荷泵模式。而当输入电压大于该电压值时，则说明当前的输出电压足够大到为后级负载提供电能，因此电路只需要工作在低压差线性稳压状态即可。

可以理解的是，本发明中可以根据输入电压的大小，也就是电路的工作模式来设置控制信号所输出的电压大小。当电路工作在电荷泵状态下，开关电容的下级板需要获取来自控制信号的补偿，从而快速恢复较高的状态。当电路工作在低压差线性稳压的工作模式下，开关电容则不需要控制信号进行任何补偿。

本发明中，控制信号被输入至开关电容的下极板，从而在不直接影响输入和输出电压的情况下，使得电荷泵能够快速启动，并进入正常的工作模式。

需要说明的是，预设电压的大小可以是根据后级负载的理想工作电压，与电压转换器中SW1和SW4的内阻综合确定的。

图3为本发明中一种开关电容式电压转换器中模式切换的控制电路在输入电压发生跳变时输出电压的示意图。如图3所示，在该电压转换器中，如果输入电压发生跳变，例如从3.6V左右降低到2.5V左右时，如果不增加本发明中的控制电路，则输出电压将会从1.1ms至1.104ms之间存在较大的俯冲，输出电压最低会降低到3.16V左右。

而在增加了本发明中的控制电路后，电路响应到输入电压的下降，转为电荷泵的工作模式，此时电压只降低到了3.27V左右，并在1.101ms左右就结束了俯冲，并通过电荷泵的正常工作，快速恢复了原始电压状态。

由于电压的俯冲幅度从141mV降低到了27mV，极大程度上提高了输出电压的稳定性。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种模式切换的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，基于所述电压转换器中输入电压的预设倍数生成控制信号；

步骤2，根据所述电压转换器的工作模式，将所述控制信号输入至所述电压转换器的延时元件中，以实现对所述电压转换器模式切换时输出电压的控制。

2.根据权利要求1中所述的一种模式切换的控制方法，其特征在于：

所述电压转换器为开关电容式电压转换器；并且，

所述电压转换器至少具备低压差线性稳压的工作模式和电荷泵的工作模式。

3.根据权利要求2中所述的一种模式切换的控制方法，其特征在于：

当所述电压转换器处于所述电荷泵的工作模式时，每个周期内开关SW1、SW2与开关SW3、SW4轮流开启和关断，所述预设倍数为1/2；

当所述电压转换器处于所述低压差线性稳压的工作模式时，开关SW1、SW4始终导通，开关SW2、SW3始终关断。

4.根据权利要求3中所述的一种模式切换的控制方法，其特征在于：

当输入电压Vin大于预设电压时，所述电压转换器运行在低压差线性稳压的工作模式下；

当输入电压Vin小于预设电压时，所述电压转换器运行在电荷泵的工作模式下。

5.根据权利要求4中所述的一种模式切换的控制方法，其特征在于：

当输入电压Vin大于预设电压时，所述控制信号为Vout/2；

当输入电压Vin小于预设电压时，所述控制信号为0。

6.根据权利要求5中所述的一种模式切换的控制方法，其特征在于：

所述电压转换器的延时元件为开关电容；

所述控制信号被输入至所述开关电容的下极板。

7.一种模式切换的控制电路，其特征在于：

所述电路包括比较器、时钟振荡器、运放、控制开关和逻辑门；

其中，所述比较器，与逻辑门连接，用于接收输入电压和预设电压，并生成模式控制信号；

所述时钟振荡器，与逻辑门连接，用于生成时钟信号；

所述逻辑门，与开关SW1、SW2、SW3和SW4连接，用于根据模式控制信号、时钟信号实现对于SW1、SW2、SW3和SW4开关状态的控制；

所述运放，负反馈方式连接，正相输入端接收控制信号，输出端与控制开关的一端连接；

所述控制开关的另一端接入至所述开关电容的下极板；

所述控制开关的栅极与所述模式控制信号连接。