CN1240178C - 双极电源电压发生器及其半导体器件 - Google Patents

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CN1240178C CNB021575703A CN02157570A CN1240178C CN 1240178 C CN1240178 C CN 1240178C CN B021575703 A CNB021575703 A CN B021575703A CN 02157570 A CN02157570 A CN 02157570A CN 1240178 C CN1240178 C CN 1240178C
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Abstract

一种减小了尺寸的双极电源电压发生器，从单极电源产生正电压和负电压。使用单个电感器来进行电流开关操作，电感器中以磁的形式存储了来自电源的电能，所存储的磁能以电能的形式释放。第一和第二二极管分别与电感器的第一和第二端相连。电感器的第一端通过第一开关接地，而其第二端通过第二开关与电源相连。开关控制器激活两个开关来给电感器通电。然后它单独关闭第一开关，从而将电感器的能量通过第一二极管导向正电压输出。控制器可在给电感器充电之后单独关闭第二开关。现在所存储的能量通过第二二极管出现在负电压输出处。

Description

双极电源电压发生器及其半导体器件
技术领域
本发明涉及双极电源电压发生器及所用半导体器件。更特别地，本发明涉及从单极电源产生正极和负极电源电压的双极电源电压发生器，以及用于该双极电源电压发生器中的半导体器件。
背景技术
今天，许多便携式数据处理设备，包括移动电话和个人数字/数据助理(PDA)在内，都具有液晶显示器(LCD)。由于LCD既使用正电压，也使用负电压，因此在那些器件中加入了双极电源电路，用以从诸如二次蓄电池组这样的单电压电源中产生上述所要的电压。
图12示出一个传统双极电源电压发生器的典型结构。所示电路包含下列元件：输入电容器Cin、脉冲发生器PG1和PG2、电感器L1和L2、开关晶体管Q1和Q2、二极管D1和D2以及输出电容器C1和C2。该电路由，例如，锂二次蓄电池提供的三伏源电压Vin供电。
输入电容器Cin插在源电压Vin和地之间，用以减小高频下电源的输出阻抗。第一电感器L1为一线圈，其电感为几十到几百微亨(μH)。第一电感器L1将输入的电能以磁场的形式存储起来，并将此磁能作为电能释放出来。第二电感器L2也是具有相同电感的线圈。
脉冲发生器PG1和PG2产生第一和第二脉冲信号来分别驱动开关晶体管Q1和Q2。开关晶体管Q1为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，Q2为p沟道MOSFET。第一开关晶体管Q1在第一脉冲信号P1变高时开启，其它时间保持关断状态。另一方面，第二开关晶体管Q2在第二脉冲信号P2变低时开启，其它时间保持关断状态。
两个二极管D1和D2用作开关，当它的正极电压高于负极(正偏)时有效，否则关闭。第一二极管D1在正偏时允许通过第一电感器L1发生的电压出现在其负极上。同样地，第二二极管D2在正偏时允许通过第二电感器L2发生的电压出现在其正极上。
第一输出电容器C1减小第一二极管D1负极上的输出电压起伏，从而使正输出电压Vo1平滑。同样地，第二电容器C2减小第二二极管D2负极上的输出电压起伏，从而使负输出电压Vo2平滑。
下面参看时序图图13描述图12中的传统电压发生器的工作。第一脉冲发生器PG1产生第一脉冲信号P1，它在相隔预定间隔的预定时间段T1内变高，如图13的(A)部分所示。另一方面，第二脉冲发生器PG2产生第二脉冲信号P2，它在相隔预定间隔的另一预定时间段T2内变低，如图13的(D)部分所示。
P1的高电平使n沟道开关晶体管Q1开启，将第一电感器L1的一端与地相连，使源电压Vin完全加在第一电感器L1上。所得电流示于图13的(C)部分中，该电流在第一电感器L1内部产生磁场，将电能以磁的形式存储起来。然而，在此时，输出侧没有电流，因为二极管D1的正极端接地从而处于反偏状态。
当预定时间段T1过去时，脉冲信号P1在其作用之后变回低电平。从而开关晶体管Q1关闭，电感器电流降低。电流的改变导致第一电感器L1的自感，产生反抗这个改变的电动势(EMF)。由于所产生的反EMF作为第一二极管D1的正偏电压出现，建立了从第一电感器L1到正电压输出Vo1的电流通路。结果，电压Vo1随电感器电流的降低而上升，如图13的(B)部分所示。这意味着第一电感器L1中感应出的电压通过第一二极管D1抬高了正输出电压Vo1。
独立于上述过程，p沟道开关晶体管Q2在第二脉冲信号P2变低时开启。启动的开关晶体管Q2允许源电压Vin加到第二电感器L2上，从而导致电流进入L2，如图13的(F)部分所示。所得电流在第二电感器L2内部产生磁场，将电能以磁的形式存储起来。此时输出侧没有电流，因为第二二极管D2处于反偏状态。
当预定时间段T2过去时，第二脉冲信号P2在其作用之后变回高。从而开关晶体管Q2关闭，此时电感器电流要降低。电流的改变导致第二电感器L2的自感，产生反抗这个改变的EMF。产生的反EMF为一负电压，它作为第二二极管D2的正向偏压出现，因此，建立了从负电压输出Vo2到第二电感器L2的电流通路。结果，负电压输出Vo2的幅度随电感器电流的降低而增加，如图13的(E)部分所示。这意味着第二电感器L2中感应出的电压通过第二二极管D2抬高了负输出电压Vo2。
在上述方法中，传统电源电压发生器产生大约十五伏的正输出电压和负输出电压，超过源电压Vin大约三伏。
虽然图12和13没有特别显示，但输出电压可以通过使用脉冲频率调制(PFM)技术来进行调整。PFM根据观察到的真实输出电压来改变P1和P2的间隔(或频率)，同时保持脉宽T1和T2不变。更特别地，如果真实正输出电压Vo1超过其额定值，则第一脉冲发生器PG1激活频率更低的第一脉冲信号P1来减少能量向输出端的传输。如果真实电压Vo1低于其额定值，则第一脉冲发生器PG1激活频率更高的P1来增大输出电压Vo1。负输出电压Vo2可通过类似的方式进行调整，其中第二脉冲发生器PG2依据真实电压值来改变第二脉冲信号P2的频率。
正如图12中所解释的，传统双极电源电源发生器需要两个电感器L1和L2来产生两个极性相反的电压。那些电感器用来将一定量的能量存储在其铁芯中所产生的磁场中。电感器铁芯用磁性材料制成，为了有效地存储能量，电感器必须包含适当数量地磁性材料。为此，很难减小电感器的物理尺寸，这点与电容器不同。传统双极电源电压发生器使用至少两个这样耗费空间的元件，这使得很难减小说明书第一部分中所提到的便携式电子设备的尺寸。
发明内容
鉴于上述这些问题，本发明的一个目的就是给出一种双极电源电压发生器，同时给出所用的半导体器件，它们更适用于小型电子设备中。
为实现上述目的，本发明给出一种双极电源电压发生器，它可以从单极电源产生正极和负极电源电压。该双极电源电压发生器包含下列元件：电感器；第一二极管，其正极和负极分别与电感器的第一端和双极电源电压发生器的正电压输出相连；第二二极管，其负极和正极分别与电感器的第二端和双极电源电压发生器的负电压输出相连；第一开关，将电感器的第一端接地；第二开关，将电感器的第二端与单极电源相连；控制器，控制第一和第二开关。
为实现上述目的，本发明还给出一种半导体器件，用以和一个外部电感器耦合，从单极电源产生正、负电源电压。该半导体器件包含下列元件：第一二极管，其正极和负极分别与外部电感器的第一端和该半导体器件的正电压输出相连；第二二极管，其负极和正极分别与外部电感器的第二端和半导体器件的负电压输出相连；第一开关，将外部电感器的第一端接地；第二开关，将外部电感器的第二端与单极电源相连；控制器，控制第一和第二开关。
本发明提供一种双极电源电压发生器，它从单极电源产生正、附电源电压，包括：电感器；第一二极管，其正极和负极分别与所述电感器的第一端和双极电源电压发生器的正电压输出相连；第二二极管，其负极和正极分别与所述电感器的第二端和双极电源电压发生器的负电压输出相连；第一开关，将所述电感器的第一端接地；第二开关，将所述电感器的第二端与单极电源相连；以及控制器，控制所述第一和第二开关，其中：所述控制器重复第一过程和第二过程来产生正的和负的电源电压；在第一过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第一开启时间段终止时关闭第一开关，从而产生正输出电压；以及在第二过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第二开启时间段终止时关闭第二开关，从而产生负输出电压。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中：在第一过程中，所述控制器还在关闭第一开关之后，当电感器释放掉所存储能量时关闭第二开关；以及在第二过程中，所述控制器还在关闭第二开关之后，当电感器释放掉所存储能量时关闭第一开关。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中：在第一过程中，所述控制器关闭第一开关之后，在预定时间终止时，还关闭第二开关；在第二过程中，所述控制器关闭第二开关之后，在预定时间终止时，还关闭第一开关；以及该预定时间长于第一和第二过程中所述电感器完全释放所存储能量所需的时间段。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中：所述控制器在第一过程中关闭第一开关之后，维持第二开关开启直到下个第二过程开始；以及所述控制器在第二过程中关闭第二开关之后，维持第一开关开启直到下个第一过程开始。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中：第一开启时间段和第二开启时间段都固定；以及所述控制器单独地改变第一过程和第二过程的间隔，从而调整所产生的正、负电源电压。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中第一开启时间段与第二开启时间段一致。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中：所述控制器以固定间隔重复第一和第二过程；以及所述控制器单独地改变第一开启时间段和第二开启时间段，从而调整所产生的正、负电源电压。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中所述控制器与第一过程同时开始工作。
根据本发明的上述双极电源电压发生器的实施例，其中所述控制器与第二过程同时开始工作。
本发明提供一种半导体器件，和与其耦合的外部电感器一起使用，从单极电源产生正、负电源电压，该半导体器件包括：第一二极管，其正极和负极分别与外部电感器的第一端和半导体器件的正电压输出相连；第二二极管，其负极和正极分别与外部电感器的第二端和半导体器件的负电压输出相连；第一开关，将外部电感器的第一端接地；第二开关，将外部电感器的第二端与单极电源相连；以及控制器，控制所述第一和第二开关，其中：所述控制器重复第一过程和第二过程来产生正、负电源电压；在第一过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第一开启时间段终止时关闭第一开关，从而产生正输出电压；以及在第二过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第二开启时间段终止时关闭第二开关，从而产生负输出电压。
根据本发明的上述半导体器件的实施例，其中：在第一过程中，所述控制器还在关闭第一开关之后，当外部电感器释放掉所存储能量时关闭第二开关；以及在第二过程中，所述控制器还在关闭第二开关之后，当外部电感器释放掉所存储能量时关闭第一开关。
根据本发明的上述半导体器件的实施例，其中：在第一过程中，所述控制器关闭第一开关之后，在预定时间终止时，还关闭第二开关；在第二过程中，所述控制器关闭第二开关之后，在预定时间终止时，还关闭第一开关；以及该预定时间长于第一和第二过程中外部电感器完全释放所存储能量所需的时间段。
根据本发明的上述半导体器件的实施例，其中：所述控制器在第一过程中关闭第一开关之后，维持第二开关开启直到下个第二过程开始；以及所述控制器在第二过程中关闭第二开关之后，维持第一开关开启直到下个第一过程开始。
根据本发明的上述半导体器件的实施例，其中：第一开启时间段和第二开启时间段都固定；以及所述控制器单独地改变第一过程和第二过程的间隔，从而调整所产生的正、负电源电压。
根据本发明的上述半导体器件的实施例，其中第一开启时间段与第二开启时间段一致。
根据本发明的上述半导体器件的实施例，其中：所述控制器以固定间隔重复第一和第二过程；以及所述控制器单独地改变第一开启时间段和第二开启时间段，从而调整所产生的正、负电源电压。
结合以例子示出本发明具体实施方案的附图，下面的描述将能显见本发明的上述和其它目的、特征以及优点。
附图说明
图1为本发明的概念图；
图2示出本发明第一实施方案的基本结构；
图3为一时序图，说明图2中所示第一实施方案的工作；
图4示出第一实施方案更具体的电路结构；
图5示出图4中所示的PFM控制器的细节；
图6为一时序图，说明图5中所示PFM控制器的工作；
图7为图4中所示的PFM控制器的另一详细结构；
图8为一时序图，说明图7中所示的替代PFM控制器的工作；
图9示出根据本发明第二实施方案的电路；
图10为一时序图，说明图9中所示第二实施方案的工作；
图11为另一时序图，说明图9中所示第二实施方案的工作；
图12示出传统双极电源电压发生器的典型结构；以及
图13为一时序图，示出图12的传统电路的工作。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的具体实施方案，其中整个描述中相同的参考号表示相同元素。
图1为本发明的概念图。所示双极电源电压发生器包含下列元件：电感器10、第一和第二二极管11和12、第一和第二开关13和14、控制器15以及单极电源16。
电感器10的电感为几十至几百μH。电感器10由单极电源16通过开关13和14供电，并将能量以磁的形式存储起来。电感器10中的磁能可重新以电能的形式释放出来。
电感器10的一端(第一端)与第一二极管11的正极相连，而另一端(第二端)与第二二极管12的负极相连。正电压输出来自第一二极管11的负极，而负电压输出来自第二二极管12的正极。二极管11和12为适用于开关作用的二极管，包括肖特基势垒二极管。
第一开关13根据来自控制器15的命令将电感器10的第一端接地。第二开关根据来自控制器15的命令将电感器10的第二端与单极电源16相连。控制器15控制第一和第二开关13和14。
根据第一实施方案，上述双极电源电压发生器如下工作。首先，控制器15开启开关13和14，导致从单极电源16流进电感器10的电流。这是我们此处所称的“第一过程”的开始。在第一过程中，所给电路应该产生正输出电压。(正如后面要描述的，我们还有“第二过程”，其中产生负输出电压。)
电感器电流——它是电能——在电感器10中产生磁场，从而电感器10将一定量的能量以磁的形式存储起来。在预定时间过去之后(这个时间不能太长，至少电感器中的磁能应达到饱和值)，控制器15关闭第一开关13。由此导致电感器10与地之间断开，使电感器10减少其电流。由于电感器电流降低，其自感导致电感器10中产生反电动势(EMF)。
由于单极电源16的电压此时加在第二二极管12的正极上，第二二极管12被反偏，没有电流通过。另一方面，第一二极管11上所加电压为单极电源16的电压和电感器10所感生反EMF之和。这对第一二极管11产生一个正偏压，使其开启。结果，和电压出现在第一二极管11的负极上，称作正输出电压V+。当电感器10中的磁能耗尽时，控制器15关闭第二开关14，从而结束第一过程。
接着，控制器15通过重新开启开关13和14而开始“第二过程”，产生从单极电源16流进电感器10的电流并将电能在电感器10中以磁场的形式存储起来。在预定时间的终止处，控制器15单独关闭第二开关14，由此而导致的单极电源16的断开使电感器10减少其电流。由于电感器电流降低，其自感导致电感器10中产生反EMF。
此时第一二极管11正极接地，因此它被反偏，从而不允许电流流向V+输出。另一方面，第二二极管12被加上电感器10的反EMF，它给出一个正偏压而使二极管12开启。结果，反EMF出现在第二二极管12的阳极上，称为负电源电压V-。当电感器10中存储的磁能完全释放时，控制器15关闭第一开关13，从而结束第二过程。
通过重复上述第一和第二过程，图1的电路从单极电源16产生正输出电压和负输出电压。根据当前电压值，通过改变第一过程或第二过程的频率，可以单独控制这些输出电压。这样，所给电路结构能够使用单个电感器10来产生正电压和负电压。本发明去掉了一个电感器，有利于减小电子设备的物理尺寸。
下面参看图2描述本发明第一实施方案的基本结构。根据第一实施方案，双极电源电压发生器包含下列元件：电压为Vin的输入电源、输入电容器Cin、两个开关晶体管Q1和Q2、两个脉冲发生器PG1和PG2、电感器L0、两个二极管D1和D2以及两个输出电容器C1和C2。
输入电源Vin为，例如，电压为三伏的锂二次电池。输入电容器Cin连在源电压Vin和地之间以减小高频下的输出阻抗。电感器L0为一线圈，其电感为几十到几百微亨(μH)。它将输入电能以磁场的形式存储起来，并将存储的磁能以电能的形式释放。
脉冲发生器PG1产生第一脉冲信号P1以驱动第一开关晶体管Q1。同样，第二脉冲发生器PG2产生第二脉冲信号P2以驱动第二开关晶体管Q2。第一开关晶体管Q1为n沟道MOSFET，它在第一脉冲信号P1变高时开启，否则就处于OFF状态。第二开关晶体管Q2为p沟道MOSFET，它在第二脉冲信号P2变低时开启，否则就处于OFF状态。
二极管D1和D2用作开关，在它们的正极电压高于负极电压(即正偏)时启动，否则就切断电路。正偏的第一二极管D1允许电感器L0所产生的电压出现在其负极上。同样，正偏的第二二极管D2允许电感器L0所产生的电压出现在其正极上。
当出现在第一二极管D1负极上的电压含有某些波动时，第一输出电容器C1使其平滑，从而产生正输出电压Vo1。类似地，第二输出电容器消除出现在第二二极管D2正极上的输出电压中的波动成分，从而产生负输出电压Vo2。
上述实施方案如下工作。图3为时序图，说明了图2的第一实施方案如何工作。图3的(A)部分示出第一脉冲信号P1(第一脉冲发生器PG1的高态有效输出)，它重复地跳到高电平并维持预定时间T1或T2。另一方面，图3的(B)部分示出第二脉冲信号P2(第二脉冲发生器PG2的低态有效输出)，它重复地跳到低电平并维持(assert)预定时间T1或T2。这些脉冲信号P1和P2的相位在它们的前沿对齐，而不是在它们的后沿。更具体地，P1在T1之后关闭，而P2在T2之后关闭。或，P1在T2之后关闭，而P2在T1之后关闭。
这样的脉冲信号P1和P2被分别加到第一和第二开关晶体管Q1和Q2上。当第一脉冲信号P1变高时，第二脉冲信号P2同时变低。启动了开关晶体管Q1和Q2，在电感器L0和电源Vin之间建立连接通路，允许电流流入电感器L0，如图3的(C)部分所示。这个电流在电感器L0内部产生磁场，意味着一部分电能以磁的形式被存储起来了。由于此时第一二极管D1的正极通过Q1接地，D1被反偏，因此没有流向Vo1的输出电流。第二二极管D2也被加在其负极的正电压Vin反偏，不允许输出电流流过。
随着两个脉冲信号P1和P2被维持(assert)后时间T1的终止，第一脉冲信号P1被取消，从而单独关闭了第一开关晶体管Q1。这减小了电感器L0的电流，导致反抗电流减小的EMF电压的自感。由于第二开关晶体管Q2依然导通，第一二极管D2正极上的电压还是电源电压Vin和电感器L0感生的EMF之和。升高的电压给第一二极管D1一个正偏，使其导通。结果，和电压作为正输出电压Vo1出现在第一二极管D1之后，如图3的(B)部分所示。当第二脉冲信号P2随着时间T2的终止而被取消时，输入电源Vin被从电路中断开，结束了所存储能量从电感器L0的释放。
在下一阶段，两个脉冲信号P1和P2都再次被维持(assert)，启动两个晶体管Q1和Q2。现在电感器L0再次与电源Vin相连，允许电流流入电感器L0，如图3的(C)部分所示。这个电流在电感器L0中产生磁场，意味着一定量的电能被转化并以磁场的形式存储起来。由于此时第一二极管D1的正极通过第一开关晶体管Q1接地，D1被反偏，因此没有流向Vo1的输出电流。第二二极管D2也被加在其负极的正电压反偏，不允许输出电流流过。
随着P1和P2被维持后时间T1的终止，第二脉冲信号P2被单独取消，关闭了第二开关晶体管Q2，但没有关闭第一开关晶体管Q1。这是电感器电流必须减小，导致电感器L0感生出反抗这个减小的EMF。因为第一开关晶体管依然导通，第二二极管D2的负极被感生EMF在负方向驱动。这给了第二二极管D2一个正偏，使其开启。结果，感生EMF电压通过第二二极管D2出现在Vo2的输出端，如图3的(E)部分所示。当时间T2终止，第一脉冲信号P1随后被取消时，电感器L0与地断开，结束了其中能量的释放。
重复上述开关操作，图2的所给电路从约为三伏的单源电压产生了约为15伏的正电压和负电压。
现在参看图4至图6给出一个更具体的电路设计。图4为根据本发明第一实施方案的双极电源电压发生器。正如所看到的，该电路包含集成半导体器件50和一些外部元件，包括：输入电容器60、第一输出电容器61、电感器62以及第二输出电容器63。电路由电压为Vin的电源供电。
集成半导体器件50含有下列元件：比较器51和52、电阻器40至43、参考电压源Vref1和Vref2、脉冲频率调制(PFM)控制器55、p沟道开关晶体管56、n沟道开关晶体管57以及二极管58和59。电阻器40和41分配正输出电压Vo1。第一比较器51将该分配电压和所给第一参考电压Vref1进行有效的比较并将结果送入PFM控制器55。类似地，另一对电阻器42和43分配负输出电压Vo2，而第二比较器52将该分配电压与所给第二参考电压Vref2进行比较并将结果送入PFM控制器55。PFM控制器55根据比较器51和52的输出控制开关晶体管56和57。
图5更详细地示出了PFM控制器55。正如所看到的，PFM控制器55包含下列元件：开关晶体管70和71，电容器72和73，恒流源I1和I2，比较器74和75，参考电压源Vref3和Vref4，反相器76、77、81、82、88、91和94，NAND门78至80和83至86、AND门87至89以及OR门90、92和93。
图5的左上框(即，开关晶体管70、恒流源I1、电容器72、参考电压源Vref3和电容器74)为确定开关晶体管56和57都应开启多长(称作“开启时间”)的电路。这个电路由NAND门80的输出从高变为低的转换来触发(图5中标为“dchg-on”)，关闭开关晶体管70并允许恒流源I1对电容器72充电。当电容器72上最后所得的电压增大到参考电压Vref3时，比较器74将其输出由低变高。
另一方面，图5的左下框(即，开关晶体管71、恒流源I2、电容器73、参考电压源Vref4和比较器75)为确定何时关闭开关晶体管56和57(称作“关闭时间”)的电路。这个电路由NAND门79的输出从高变为低的转换来触发(图5中标为“dchg-off”)，关闭开关晶体管71并允许恒流源I2对电容器73充电。当电容器73上最后所得的电压增大到参考电压Vref4时，比较器75将其输出由低变高。
反相器76和77以及NAND门78和79形成复位置位(RS)触发器，由比较器75的输出置位，并由比较器74的输出复位。这个RS触发器在图5中标为“RS3”。类似于RS3，反相器77和81以及NAND门83和84形成另一RS触发器，由比较器51的输出置位，并由比较器75的输出复位。这个RS触发器在图5中标为“RS1”。进一步，反相器77和82以及NAND门85和86也形成另一个RS触发器，由比较器52的输出置位，并由比较器75的输出复位。这个RS触发器在图5中标为“RS2”。注意在图5中，每个RS触发器较低的门输出称作“未反相输出”。
AND门87对NAND门84和85的结果——它们分别是RS1的未反相输出和RS2的反相输出——之间进行逻辑AND计算。也就是，AND门87在RS1置位且RS2置位时变高。反相器88将AND门87的输出反相，并将结果与NAND门86的输出(即，RS2的未反相输出)通过AND门89进行AND计算。这意味着AND门89在触发器RS2置位时变高，且AND门87的输出为低。
OR门90产生上述两个AND门87和89的输出的逻辑和。然后NAND门80计算这个和与NAND门79的输出(即，RS3的未反相输出)的逻辑积，并将结果以负逻辑输出。反相器91再将NAND门80的输出转变成正逻辑。OR门计算AND门89和反相器91的输出的逻辑和，用在n沟道开关晶体管57的控制中。同样地，OR门92计算AND门87和反相器91的输出的逻辑和。反相器94将该结果反相，用在p沟道开关晶体管56的控制中。
上述PFM控制器55如下工作。当图4中所示的电路开始工作时，比较器51和52的输出都处于高状态，因为正输出电压Vo1和负输出电压Vo2都没有达到它们的额定值(即，+15V和-15V)。这样，触发器RS1和RS2都置位，意味着NAND门84和86的输出都为高。这使得AND门87的输出为低且AND门89的输出为高，导致OR门90输出高电平。
触发器RS3可假设为一开始就置位了。比较器74和75的都为低，因为那时电容器72和73都没有充电，于是触发器RS3可以保持在其最初状态上。也就是，由于dchg-off信号为高，OR门90的高输出导致NAND门80的输出(dchg-on信号)为低电平。因此，反相器91提供给OR门92和93一个高电平信号，从而同时开启两个开关晶体管56和57。导通的开关晶体管56和57使电源Vin和电感器62相连，允许电流流向后者。结果，电感器62存储了一定量的磁能。
dchg-off信号依然处于高状态，因为触发器RS3置位，使电容器73被开关晶体管71短路。从而比较器75维持其低电平输出。另一方面，dchg-on信号位于低状态，因为NAND门80开始起作用，关闭了开关晶体管70。从而电容器72被来自恒流源I1的电流充电。当该电容器电压超过参考电压Vref3时，比较器74将其输出状态由低变高，并将触发器RS3复位。NAND门79的输出变低，使反相器91输出低电平。因此，OR门92的输出变低，从而关闭开关晶体管56，同时保持开关晶体管57的ON状态。这导致了一个足够大的正偏电压使二极管58导通，因此电感器62将释放它存储的能量来放大负输出电压Vo2。输出电容器61由释放的能量充电，电压Vo2的增大使比较器52将其输出由高变低。
由于触发器RS3已复位且dchg-off信号为低，开关晶体管71处于OFF状态，允许电容器73被来自恒流源I2的电流充电。当电容器电压达到参考电压Vref4时，比较器75将其输出由低变高，除了将RS3再次置位之外，还将触发器RS1和RS2复位。于是OR门93的输出变低，从而关闭开关晶体管57。
虽然比较器52的输出因为负输出电压Vo2的增加而变低，比较器51依然保持高状态，因此，触发器RS1被再次置位。由于触发器RS2此时被复位，AND门87将其输出变为高电平，允许NAND门80将输出改变为低。这个改变导致反相器91输出高电平信号，这个信号穿过OR门92和93来激活两个晶体管56和57。由于dchg-on信号变低，电容器72开始被来自恒流源I1的电流充电。当这个电容器电压达到参考电压Vref3时，比较器74输出高电平信号，将触发器RS3复位。此时NAND门79的输出变低，使dchg-off变低而dchg-on变高。这使电容器72放电，并使电容器73开始充电。
反相器91的输出已经变低。虽然这个改变没有影响OR门92的状态，因为AND门87的输出为高，但是OR门93将其输出由高变低。然后开关晶体管57关闭，导致电感器62将其存储的能量通过二极管59转为负输出电压Vo1。当电容器73被充电至参考电压Vref4时，比较器75将其输出由低变高，从而使触发器RS3置位。这意味着dchg-off信号变高，且电容器73放电。由于比较器75的高电平输出也将触发器RS1和RS2复位，所以OR门90的输出变低，使dchg-on信号变高。从而电容器72被导通的开关晶体管70放电。
所给双极电源电压发生器以上述方式提供正电压和负电压Vo1和Vo2。每个输出的负载电流则导致一个电压降落。考虑，例如，负输出电压Vo2显示了一个降落。如果真实电压Vo2降到额定电压之下，比较器52探测到它并输出一个高电平信号。这个信号将触发器RS2置位，使OR门90变高且NAND门80变低。开关晶体管56和57都开启，电流开始流进电感器62。同时，因为dchg-on信号为低，电容器72的电压开始上升。
当电容器电压达到参考电压Vref3时，比较器74将其输出由低变高，将触发器RS3复位。这导致NAND门80将其输出变到高电平。OR门92的输出则回到低，而另一OR门93保持其高电平输出。此时开关晶体管56关闭，而另一开关晶体管57保持导通状态。由于电感器62提供了附加电源，负输出电压Vo2恢复其电压值。
此时，dchg-off信号为低且dchg-on信号为高。前者导致电容器73被充电，而后者使电容器72放电。当电容器73的电压达到参考电压Vref4时，比较器75将其输出由低变高，使触发器RS3置位且将另两个触发器RS1和RS2复位。现在dchg-off和dchg-on信号都为高，意味着两个电容器72和73都被放电了。
输出Vo1和Vo2将从随后的任何电压降落中恢复，因为每当需要的时候，附加电源就可以上述方式提供。也就是，正输出电压Vo1和负输出电压Vo2都被控制在各自的额定电压值上。
图6为一时序图，描述了上面所说明的第一实施方案的工作。如图6的(A)部分和(D)部分所示，T1为电容器72和恒流源I1的时间常数，而T为电容器73和恒流源I2的时间常数。图6示出了另一时间常数T2，它恰为T1和T之和。这里假设需要时间TiL1来给正输出电压Vo1充电，而需要时间TiL2来给负输出电压Vo2充电。根据本实施方案，时间常数T应当大于TiL1和TiL2。也就是，开关晶体管56或57将其ON状态保持固定持续时间T，假定在这段时间中(C)部分所示的电感器电流L0下降。通过这样选择T的值，本发明无需单独检测TiL1和TiL2的终止，有利于电路设计的简化。
正如从上面的说明中可以看出的，与传统电路中使用两个电感器不同，本发明的第一实施方案用单个电感器62产生了正电压和负电压。由于很难减小电感器尺寸，去掉一个电感器有利于开发小尺寸设备。同样，与使用两个独立的控制器来调整正电压和负电压的传统电路不同，所给结构具有单个固定电压控制器来实现相同目的。这个简化也对设备尺寸的减小由贡献。
还应当注意，使用AND门87和89以及反相器88来确保在加电时可以比正电压更早地得到负电压。也就是，开关工作的最先一个周期被设计为关闭开关晶体管56在关闭另一个之前，意味着负电压首先产生。这个特征尤其适用于液晶显示器这样需要在正电压之前提供负电压的设备。
下面将参看图7描述可用于图4的电路中的PFM控制器55的另一种结构。虽然大部分与图5中说明的电路类似，图7的PFM控制器55还包括两个D型触发器100和101作为附加元件。前面一个D型触发器100在每次反相器76变低时(即，在开启时间T1终止时)截获AND门87的输出，并保持它直到下一次截获。类似地，另一D型触发器101在每次反相器76变低时捕获截获AND门89的输出，并保持它直到下一次截获。
图8描述了改进PFM控制器55是如何工作的。正如从这个时序图的(A)部分所看出的，作为D型触发器101保持操作的结果，第一脉冲信号P1的高状态部分维持。更特别地，P1没有在时间T2终止时回到低，而是保持其高状态直到下一开关过程开始。同样地，正如从图8的(D)部分所看出的，作为D型触发器100保持操作的结果，第二脉冲信号P2的低状态部分维持。也就是，P2没有在时间T2终止时回到高，而是保持其低状态直到下一开关过程开始。
利用上述结构，改进的PFM控制器55改变了开关晶体管56和57的状态，使其比图5中说明的原始电路频率更低。降低了的开关频率除了可节能之外，还导致了更小的开关噪声。
现在参看图9描述本发明第二实施方案。第二实施方案与第一实施方案(图4)的不同之处在于它使用了脉宽调制(PWM)技术来调整输出电压。其它相同元件则用相同参考号标出，此处不再进行说明。
特殊地，第二实施方案使用两个具有反馈电阻器112和113的运算放大器(OP放大器)110和111来替代第一实施方案中的比较器51和52(见图4)。其它的新元件有：PWM比较器114和115、参考电压源Vref3和Vref4、开关控制器116和三角波发生器117。
OP放大器110与电阻器42、43和112结合，形成一个反相放大器，它将参考电压Vref2和负输出电压Vo2相加，将它们都乘上一个特定增益。输出信号用记号“OP-AMP110”表示。同样地，另一OP放大器111与电阻器40、41和113形成一个反相放大器，将正输出电压Vo1的一部分和参考电压Vref1之差放大一个特定增益。输出信号用记号“OP-AMP111”表示。于是上面两个OP放大器110和111用作误差放大器，放大真实输出电压和它期望值之间的误差。
PWM比较器114将OP放大器110的输出和参考电压Vref4与三角波发生器117所提供的三角波进行比较。当三角波电压降到前两者之下时，它输出一个低电平信号，否则输出一个高电平信号。与此类似，另一PWM比较器115将OP放大器111的输出和参考电压Vref3与该三角波进行比较，当三角波电压降到前两者之下时，它给出一个低电平信号，否则给出一个高电平那个信号。
选择两个参考电压Vref3和Vref4来为每个开关晶体管56和57所能开启的时间设定一个适当的上限。开关控制器116根据PWM比较器114和115的输出信号来控制开关晶体管56和57。
现在参看图10的时序图描述第二实施方案的工作。当设备启动时，三角波发生器117开始为PWM比较器114和115提供三角波，如图10的(A)部分所示。由于在启动后的这个较早阶段，正、负输出电压都为零，OP放大器110和111分别向PWM比较器114和115输出负电压和正电压。
PWM比较器114将OP-AMP110信号和参考电压Vref4与所给三角波进行比较。当三角波电压降到前两者之下时，它产生一个低电平信号，否则产生一个高电平信号。正如上面所提到的，参考电压Vref4给出开关晶体管56和57所能开启时间的上限，防止电感器62中的磁能饱和。这个开启时间限制功能避免了不必要的能源浪费。
另一方面，PWM比较器115将OP-AMP111信号和参考电压Vref3与所给三角波进行比较。当三角波电压降到前两者之下时，它产生一个低电平信号，否则产生一个高电平信号。正如上面所提到的，与Vref4类似，参考电压Vref3限制开关晶体管56和57的开启时间，防止电感器62中的磁能饱和，从而避免了不必要的能源浪费。
PWM比较器114和115的输出信号被提供给开关控制器116，用在开关晶体管56和57的控制中。图10示出了上述PWM工作的一个实施例，其中(A)部分所示的三角波被限幅在OP-AMP111信号电平上(由上虚线表示)。当三角波超过该电平时，开关控制器116产生一个第一和第二脉冲信号P1和P2来开启开关晶体管56和57。这导致电流流进电感器62，如图10的(D)部分所示，其电能以磁场的形式存储在电感器62中。
当三角波回到低于OP-AMP111的电平时，第一脉冲信号P1被取消，如图10的(B)部分所示。于是开关晶体管57关闭，允许电感器62中的磁能以电能的形式释放到正电压输出，如(C)部分所示。这里，存储在电感器62中的能量与开关晶体管56和57都导通的时间段T1的长度成比例。这个时间段随OP-AMP111信号电压值的减小而延长，意味着当在正输出电压Vo1处观察到更大的电压降落时，将有更多的能量被存储在电感器62中。
然后开关控制器116在第一脉冲信号P1取消之后的预定时间之后关闭开关晶体管56。这显示在图10的(E)部分中，其中第二脉冲信号P2在延迟时间T后由低变高。
三角波也被限幅在OP-AMP110信号电平上，如图10的(A)部分中的下虚线所示。当三角波降到该电平之下时，开关控制器116产生第一和第二脉冲信号P1和P2来开启开关晶体管56和57。这导致一个电流流进电感器62，其电能以磁场的形式被存储起来。开关控制器116保持第二脉冲信号P2激活直到三角波重新与OP-AMP交叉。开关晶体管56单独关闭，允许存储在电感器62中的磁能以电能的形式释放到负电压输出，如(F)部分所示。注意随着OP-AMP110的信号上升，电感器62可存储更多的磁能。这意味着当在负输出电压Vo2处观察到更大的电压降落时，将有更多的能源被传送到负电压输出Vo2。
然后开关控制器116在第二脉冲信号P2取消之后的预定时间之后关闭另一开关晶体管57。这显示在图10的(B)部分中，其中第一脉冲信号P1在延迟时间T后由高变低。
上述过程根据三角波的间隔而重复。每个晶体管56和57的导通时间段动态改变(从而脉冲宽度调制也是如此)，取决于正、负电压输出Vo1和Vo2的真实电平。输出电压以这种方式进行调整。
上面对第二实施方案的解释假设了开关控制器116设计成在每次电流开关操作结束时关闭开关晶体管56和57。然而，我们并不是要将本发明限制在这个特定设计上。也可以将开关控制器116配置成维持任一个开关晶体管的ON状态，其方式与前面在图7和8中所说明的相同。
图11为一时序图，示出具有上述替代结构的开关控制器116是如何工作的。图11(B)部分所示的第一脉冲信号P1与图10中的不同点在于其高状态被部分维持到下一开关周期。回到图10来看，例如，(A)部分中所示三角波的第一个波谷。这里，当其作用之后逝去时间τ2时，图10的(A)部分中P1的波形变低。然而，在图11中，此时第一脉冲信号P1并没有变低，而是维持其ON状态直到遇到三角波的下个波峰。
然后以三角波的第一个波峰为例。图10的(E)部分中第二脉冲信号P2的波形示出，P2在其作用之后逝去时间τ1时变低。与此相反，示于图11的(E)部分中的P2的波形保持其低状态直到遇到三角波的下个波谷。
正如从上面的讨论中可以看出的，替代开关控制方法允许开关晶体管56和57在某些条件下维持它们的ON状态。换句话说，与第二实施方案的原始版本相比，开关晶体管56和57更少地转换它们的状态。除了降低开关噪声之外，这个结构避免了在不必要的开关操作中浪费能源。
与第一实施方案中一样，第二实施方案用单个电感器产生正电压和负电压，与传统电路中使用的两个电感器不同。这使得应用本发明的设备的尺寸减小成为可能。第一实施方案应用PFM方法，而第二实施方案利用PWM技术来调整两个输出电压Vo1和Vo2。利用PWM，控制Vo1的过程和控制Vo2的过程可以交替进行。与第一实施方案相比，这个特点简化了T1和T2的定时控制电路。第二实施方案在电子设备尺寸减小方面更为有利。
上面的讨论将总结如下。根据本发明，所给双极电源电压发生器，以及所给半导体器件，被设计成仅使用单个电感器来从单极电源产生正、负电源电压。它在电感器和正电压输出之间使用了第一二极管，在电感器和负电压输出之间使用了第二二极管。电感器通过第一开关接地，而它通过第二开关与电源相连。两个开关由控制器以适当的方式激活，因此产生所要电压。所给电路与传统电路一样提供两个电压，却去掉了一个电感器。因此它适用于需要双极电源的小型电子器械。
认为前述的这些仅显示了本发明的原理。进一步，由于本领域技术人员很容易得到很多改进和变化，不应将本发明严格局限于所示和所描述的结构和应用，所以，所有合适的改进和等价物都应视为属于所附权利要求及其等价物中本发明的范围。

Claims (16)

1.双极电源电压发生器，它从单极电源产生正、负电源电压，包括：
电感器；
第一二极管，其正极和负极分别与所述电感器的第一端和所述双极电源电压发生器的正电压输出相连；
第二二极管，其负极和正极分别与所述电感器的第二端和所述双极电源电压发生器的负电压输出相连；
第一开关，将所述电感器的第一端接地；
第二开关，将所述电感器的第二端与单极电源相连；以及
控制器，控制所述第一和第二开关，其中：所述控制器重复第一过程和第二过程来产生正的和负的电源电压；
在第一过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第一开启时间段终止时关闭第一开关，从而产生正输出电压；以及
在第二过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第二开启时间段终止时关闭第二开关，从而产生负输出电压。
2.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中：
在第一过程中，所述控制器还在关闭第一开关之后，当电感器释放掉所存储能量时关闭第二开关；以及
在第二过程中，所述控制器还在关闭第二开关之后，当电感器释放掉所存储能量时关闭第一开关。
3.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中：
在第一过程中，所述控制器关闭第一开关之后，在预定时间终止时，还关闭第二开关；
在第二过程中，所述控制器关闭第二开关之后，在预定时间终止时，还关闭第一开关；以及
该预定时间长于第一和第二过程中所述电感器完全释放所存储能量所需的时间段。
4.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中：
所述控制器在第一过程中关闭第一开关之后，维持第二开关开启直到下个第二过程开始；以及
所述控制器在第二过程中关闭第二开关之后，维持第一开关开启直到下个第一过程开始。
5.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中：
第一开启时间段和第二开启时间段都固定；以及
所述控制器单独地改变第一过程和第二过程的间隔，从而调整所产生的正、负电源电压。
6.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中第一开启时间段与第二开启时间段一致。
7.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中：
所述控制器以固定间隔重复第一和第二过程；以及
所述控制器单独地改变第一开启时间段和第二开启时间段，从而调整所产生的正、负电源电压。
8.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中所述控制器从第一过程开始工作。
9.根据权利要求1的双极电源电压发生器，其中所述控制器从第二过程开始工作。
10.半导体器件，和与其耦合的外部电感器一起使用，从单极电源产生正、负电源电压，该半导体器件包括：
第一二极管，其正极和负极分别与外部电感器的第一端和半导体器件的正电压输出相连；
第二二极管，其负极和正极分别与外部电感器的第二端和半导体器件的负电压输出相连；
第一开关，将外部电感器的第一端接地；
第二开关，将外部电感器的第二端与单极电源相连；以及
控制器，控制所述第一和第二开关，其中：所述控制器重复第一过程和第二过程来产生正、负电源电压；
在第一过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第一开启时间段终止时关闭第一开关，从而产生正输出电压；以及
在第二过程中，所述控制器开启第一和第二开关之后，在第二开启时间段终止时关闭第二开关，从而产生负输出电压。
11.根据权利要求10的半导体器件，其中：
在第一过程中，所述控制器还在关闭第一开关之后，当外部电感器释放掉所存储能量时关闭第二开关；以及
在第二过程中，所述控制器还在关闭第二开关之后，当外部电感器释放掉所存储能量时关闭第一开关。
12.根据权利要求10的半导体器件，其中：
在第一过程中，所述控制器关闭第一开关之后，在预定时间终止时，还关闭第二开关；
在第二过程中，所述控制器关闭第二开关之后，在预定时间终止时，还关闭第一开关；以及
该预定时间长于第一和第二过程中外部电感器完全释放所存储能量所需的时间段。
13.根据权利要求10的半导体器件，其中：
所述控制器在第一过程中关闭第一开关之后，维持第二开关开启直到下个第二过程开始；以及
所述控制器在第二过程中关闭第二开关之后，维持第一开关开启直到下个第一过程开始。
14.根据权利要求10的半导体器件，其中：
第一开启时间段和第二开启时间段都固定；以及
所述控制器单独地改变第一过程和第二过程的间隔，从而调整所产生的正、负电源电压。
15.根据权利要求10的半导体器件，其中第一开启时间段与第二开启时间段一致。
16.根据权利要求10的半导体器件，其中：
所述控制器以固定间隔重复第一和第二过程；以及
所述控制器单独地改变第一开启时间段和第二开启时间段，从而调整所产生的正、负电源电压。
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