KR20160147749A

KR20160147749A - 가변 이득 및 가변 주파수를 갖는 충전 펌프들

Info

Publication number: KR20160147749A
Application number: KR1020167028949A
Authority: KR
Inventors: 세예드 모흐모우드레자 사아다트; 춘레이 쉬; 청창 창
Original assignee: 퀄컴 인코포레이티드
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-12-23
Also published as: EP3134962A1; JP2017514444A; US9680371B2; BR112016024708A2; CN106233599A; WO2015164662A1; US20150311784A1

Abstract

일 실시예에서, 회로는 충전 펌프를 포함한다. 이득 제어 회로는 입력 전압을 검출하고, 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하게 충전 펌프의 이득을 변경하기 위한 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된다. 전압-주파수 변환기는 입력 전압을 검출하고, 충전 펌프에 인가되는 주파수 제어 신호의 주파수를 주파수 범위 내에 유지하여 충전 펌프의 출력 전압이 전압 범위 내에 유지되도록, 검출된 입력 전압을 기초로 주파수를 변경하도록 구성된다.

Description

가변 이득 및 가변 주파수를 갖는 충전 펌프들{CHARGE PUMPS HAVING VARIABLE GAIN AND VARIABLE FREQUENCY}

[0001] 본 출원은 "CHARGE PUMPS HAVING VARIABLE GAIN AND VARIABLE FREQUENCY"라는 명칭으로 2014년 4월 24일자 출원된 미국 출원 제14/260,658호에 대해 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

[0002] 본 출원은 "CHARGE-RECYCLING CIRCUITS"라는 명칭으로 2014년 4월 24일자 출원된 미국 특허출원 제14/260,592호, 및 "CHARGE-RECYCLING CIRCUITS INCLUDING SWITCHING POWER STAGES WITH FLOATING RAILS"라는 명칭으로 2014년 4월 24일자 출원된 미국 특허출원 제14/260,733호와 관련되며, 이 출원들은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

[0003] 본 개시는 충전 펌프들, 그리고 특히 가변 이득 및 가변 주파수를 갖는 충전 펌프들에 관한 것이다.

[0004] 본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에서 설명되는 접근 방식들은 이 섹션에서의 포함에 의해 종래 기술로 인정되는 것은 아니다.

[0005] 충전 펌프들은 흔히 전자 시스템들에서 전압들을 조절하는데 사용된다. 충전 펌프에 대한 입력 전압의 변동들은 충전 펌프 그리고 충전 펌프에 의해 구동되는 시스템들의 효율에 영향을 준다. 충전 펌프의 출력을 검출하고 충전 펌프를 제어하기 위한 충전 펌프들의 다양한 피드백 시스템들이 제안되었다.

[0006] 본 개시는 가변 이득 및 가변 주파수를 갖는 충전 펌프들에 관한 것이다.

[0007] 일 실시예에서, 본 개시는 충전 펌프를 포함하는 회로를 포함한다. 이득 제어 회로는 입력 전압을 검출하고, 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하게 충전 펌프의 이득을 변경하기 위한 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된다. 전압-주파수 변환기는 입력 전압을 검출하고, 충전 펌프에 인가되는 주파수 제어 신호의 주파수를 주파수 범위 내에 유지하여 충전 펌프의 출력 전압이 전압 범위 내에 유지되도록, 검출된 입력 전압을 기초로 주파수를 변경하도록 구성된다.

[0008] 일 실시예에서, 충전 펌프는 충전 펌프의 입력과 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 복수의 커패시터들을 포함한다. 이득 제어 신호는 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 구성한다. 이득 제어 회로는 제어 신호의 주파수의 증가를 기초로 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 감소시킴으로써 충전 펌프의 이득을 변경하도록 추가로 구성된다.

[0009] 일 실시예에서, 이득 제어 회로는 충전 펌프의 입력과 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는, 상기 충전 펌프의 커패시터들의 수를 변경함으로써 충전 펌프의 이득을 변경하도록 추가로 구성된다.

[0010] 일 실시예에서, 이득 제어 회로는 입력 전압을 기초로 충전 펌프에서 커패시터들의 선택을 제어하기 위해 충전 펌프에서 스위치들의 선택을 제어하기 위한 디지털 신호를 발생시키도록 구성되는 아날로그-디지털 변환기이다.

[0011] 일 실시예에서, 전압-주파수 변환기는 검출된 입력 전압의 변경들에 대한 응답으로 주파수 제어 신호로서 클록 신호들을 발생시키도록 구성된 전압 제어 발진기이다.

[0012] 일 실시예에서, 회로는 충전 펌프에 대한 입력 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출기를 더 포함한다. 전압-주파수 변환기는 검출된 입력 전류를 기초로 제어 신호의 주파수를 변경하도록 추가로 구성된다.

[0013] 일 실시예에서, 회로는 충전 펌프의 입력에 커플링된 전류원, 전류원과 접지 사이에 커플링된 전류 싱크, 및 전류원으로부터의 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출기를 더 포함한다. 전압-주파수 변환기는 충전 펌프에 대한 입력 전류를 전류원으로부터의 전류와 거의 동일하게 하기 위해, 검출된 입력 전류를 기초로 제어 신호의 주파수를 변경하도록 추가로 구성된다.

[0014] 일 실시예에서, 본 개시는 입력 전압을 수신하기 위한 입력을 포함하고 입력 전압을 기초로 출력 전압을 제공하기 위한 출력을 갖는 충전 펌프를 포함하는 회로를 포함한다. 충전 펌프는 이득 제어 신호에 대한 응답으로 선택 가능한 이득을 그리고 주파수 제어 신호에 대한 응답으로 이득을 갖는다. 이득 제어 회로는 입력 전압을 검출하고, 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하게 충전 펌프의 이득을 선택하기 위한 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된다. 주파수 제어 회로는 입력 전압을 검출하고, 충전 펌프의 출력 전압이 전압 범위 내에 유지되도록 주파수 범위 내에 주파수를 유지하기 위한 주파수 제어 신호를 발생시키도록 구성된다.

[0015] 일 실시예에서, 본 개시는 충전 펌프의 이득, 주파수 및 출력 전압을 제어하도록 입력 전압을 검출하는 단계, 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하도록 충전 펌프의 이득을 변경하는 단계, 및 충전 펌프에 인가되는 제어 신호의 주파수를 주파수 범위 내에 유지하여 충전 펌프의 출력 전압이 전압 범위 내에 유지되도록, 검출된 입력 전압을 기초로 주파수를 변경하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.

[0016] 일 실시예에서, 충전 펌프의 이득을 변경하는 단계는 제어 신호의 주파수의 증가를 기초로, 충전 펌프의 입력과 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 감소시키는 단계를 포함한다.

[0017] 일 실시예에서, 충전 펌프의 이득을 변경하는 단계는 충전 펌프의 입력과 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 변경하는 단계를 포함한다.

[0018] 일 실시예에서, 이 방법은 충전 펌프에 대한 입력 전류를 검출하는 단계, 및 검출된 입력 전류를 기초로 제어 신호의 주파수를 변경하는 단계를 더 포함한다.

[0019] 일 실시예에서, 이 방법은 충전 펌프의 입력에 전류를 공급하는 단계, 전류원으로부터 접지로의 전류 싱크를 싱크하는 단계, 전류원으로부터의 전류를 검출하는 단계, 및 충전 펌프에 대한 입력 전류를 전류원으로부터의 전류와 거의 동일하게 하도록, 검출된 입력 전류를 기초로 제어 신호의 주파수를 변경하는 단계를 포함한다.

[0020] 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면들은 본 개시의 특성 및 이점들의 보다 나은 이해를 제공한다.

[0021] 뒤따르는 논의 그리고 특히 도면들에 관해, 도시된 자세한 사항들은 예시적인 논의를 위한 예들을 나타내고, 본 개시의 원리 및 개념상의 양상들의 설명을 제공하기 위해 제시된다고 강조된다. 이와 관련하여, 본 개시의 기본적인 이해를 위해 요구되는 것 이상의 구현 세부사항들을 보여주기 위한 어떠한 시도도 이루어지지 않는다. 도면들과 함께 뒤따르는 논의는 본 개시에 따른 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지를 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백하게 한다. 첨부 도면들에서:
[0022] 도 1은 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템의 블록도를 예시한다.
[0023] 도 2는 제 2 실시예에 따른 충전 펌프 시스템의 블록도를 예시한다.
[0024] 도 3은 제 3 실시예에 따른 충전 펌프 시스템의 블록도를 예시한다.
[0025] 도 4는 제 4 실시예에 따른 충전 펌프 시스템의 블록도를 예시한다.
[0026] 도 5는 제 5 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 블록도를 예시한다.
[0027] 도 6은 한 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 블록도를 예시한다.
[0028] 도 7은 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템의 단순화된 타이밍도를 예시한다.
[0029] 도 8은 한 실시예에 따라 충전 펌프 시스템을 제어하는 프로세스 흐름의 단순화된 도면을 예시한다.

[0030] 다음 설명에서는, 설명을 목적으로, 본 개시의 전반적인 이해를 제공하기 위해 많은 특정 예들 및 특정 세부사항들이 제시된다. 그러나 청구항들로 표현되는 본 개시는 이러한 예들의 특징들 중 일부 또는 전부를 단독으로 또는 아래 설명되는 다른 특징들과 결합하여 포함할 수도 있으며, 본 명세서에서 설명되는 특징들 및 개념들의 수정들 및 등가물들을 더 포함할 수도 있음이 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

[0031] 도 1은 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템(100)의 블록도를 예시한다. 충전 펌프 시스템(100)은 가변 주파수/가변 이득 충전 펌프(102), 이득 제어 회로(104) 및 전압-주파수 변환기(106)를 포함한다.

[0032] 충전 펌프 시스템(100)은 전압 조절기 또는 전류 조절기 또는 둘 다로서 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 충전 펌프 시스템(100)은 입력 전압(V(IN))으로부터 출력 전압(V(OUT))을 제공한다. 충전 펌프 시스템(100)은 피드포워드 제어 시스템으로서 동작한다. 충전 펌프(102)는 출력 전압(V(OUT))을 제 1 범위 내에 유지하는 한편, 입력 전압(V(IN))은 (예를 들면, 리플(ripple)로 인해) 제 2 범위에 걸쳐 변화한다. 제 1 범위는 출력 전압(V(OUT))이 실질적으로 일정하도록 좁을 수 있다. 입력 전압(V(IN))은 또한 전압-주파수 변환기(106)(예를 들면, 전압 제어 발진기)에 대한 입력으로서 제공된다. 입력 전압(V(IN))이 로우(low) 값에서 하이(high) 값으로 변화할 때(즉, 입력 전압(V(IN))이 증가할 때), 전압-주파수 변환기(106)로부터의 클록 신호의 주파수가 또한 증가한다. 주파수의 증가는 충전 펌프(102)의 이득의 대응하는 증가를 야기하는데, 이는 출력 전압(V(OUT))을 공칭 값에서부터 변화하게 하는 경향이 있다. 그러나 증가된 주파수/입력 전압(V(IN))으로 인한 충전 펌프(102)의 증가된 이득은 입력 전압(V(IN))을 또한 수신하는 이득 제어 회로(104)를 사용하여 충전 펌프(102)의 이득을 선택적으로 감소시킴으로써 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 충전 펌프(102)에서 동작 가능한 커패시터들의 수를 감소시킴으로써 이득이 감소될 수도 있다.

[0033] 이에 따라, 입력 전압(V(IN))이 로우 값에서 하이 값으로 변화할 때, 충전 펌프(102)에서 커패시터들의 수를 감소시킴으로써 출력 전압(V(OUT))이 제한된 범위 내에 유지되어, 입력 전압(V(IN))의 증가 그리고 입력 전압(V(IN))의 증가로 인해 야기되는 이득의 증가를 오프셋할 수 있다.

[0034] 충전 펌프 시스템(100)은 피드포워드 시스템으로서 동작하기 때문에, 입력 전압(V(IN))은 출력 전압(V(OUT))의 범위를 제한하는 범위로 전압-주파수 변환기(106)의 주파수를 유지하는 범위 내에 있어야 한다.

[0035] 도 2는 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템(200)의 블록도를 예시한다. 충전 펌프 시스템(200)은 시스템(100)의 예시적인 구현이다. 충전 펌프 시스템(200)은 충전 펌프(202), 전압 제어 발진기(VCO: voltage controlled oscillator)(204), 레벨 감지 회로(206) 및 입력 감지 회로(208)를 포함한다. 충전 펌프(202)는 스위치 제어 멀티플렉서(210), 복수의 커패시터들(212) 및 복수의 스위치들(S1I, S2I, S3I, S1G, S2G, S3G, S1O, S2O, S3O, S1X, S2X, S3X)을 포함한다.

[0036] 충전 펌프 시스템(200)은 피드포워드 제어 시스템으로서 동작한다. 입력 전압(Vin)이 충전 펌프(202)에 의해 수신되며 출력 전압(Vout)으로 부스팅된다. 일부 실시예들에서, 출력 전압(Vout)을 입력 전압(Vin)의 변동들에 걸쳐 거의 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

[0037] 입력 감지 회로(208)는 입력 전압(Vin)을 수신하고, 그에 따라 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압을 VCO(204)에 제공한다. VCO(204)는 겹치지 않는 클록들 ― Φ1 및 Φ2를 발생시킨다. 클록들(Φ1, Φ2)은 스위치 제어 멀티플렉서(210)에 제공되며, 이는 충전 펌프 스위치들을 온 및 오프 전환하기 위한 신호들을 발생시킨다. 이는 충전 펌프(202)의 주파수 제어이다. 처음에, 클록 Φ1 동안, Sx1 스위치들 및 SxG 스위치들이 닫혀 입력 전압(Vin)이 3개의 커패시터들(212) 각각을 충전한다. 커패시터(212)는 커패시턴스(Cf)를 갖는다. 클록 Φ2 동안, 클록 Φ1 스위치들이 열리고 Sxx 및 Sx0 스위치들이 닫혀 커패시터들(212) 상의 전하가 출력 전압(Vout)으로 부스팅된다. 일부 실시예들에서, 출력 전압(Vout) 노드는 출력 전압(Vout)을 거의 일정하게 유지하기 위한 DC 커패시터(216)를 포함한다. 충전 펌프 시스템(200)은 피드포워드 시스템으로서 동작하기 때문에, 입력 전압(V(IN))은 출력 전압(V(OUT))의 범위를 제한하는 범위로 VCO(204)의 주파수를 유지하는 범위 내에 있어야 한다.

[0038] 그러나 입력 전압(Vin)의 변동들은 입력 전압(Vin)을 어떤 낮은 전압에서 높은 전압으로 증가시킬 수도 있다. 입력 전압(Vin)의 전압 변동의 로우 단에서, 입력 전압(Vin)은 원하는 레벨의 출력 전압(Vout)을 달성하기 위해 더 많은 이득을 필요로 할 수도 있다. 따라서 더 높은 이득이 사용되어야 한다. 반대로, 입력 전압(Vin)의 전압 변동의 하이 단에서, 입력 전압(Vin)은 출력 전압(Vout)이 너무 커지게 되지 않도록 더 적은 이득을 필요로 할 수도 있다. 이는 충전 펌프(202)의 전압 또는 이득 제어이다.

[0039] 이에 따라, 레벨 감지 회로(206)(예를 들면, 비교기 또는 아날로그-디지털 변환기(ADC: analog-to-digital convertor))는 입력 전압(Vin)을 충전 펌프(202)의 이득을 설정하는데 사용될 수 있는 CODE로 변환한다. 이 예에서, CODE는 4개의 이득 설정들에 대한 2개의 비트들을 포함하며 CODE[1:0]로 표기된다. 예를 들어, 입력 전압(Vin)이 낮을 때(제 1 전압 미만), ADC(206)는 최대 이득(이 예에서는, 4의 이득)에 대응하는 CODE를 생성할 수 있다. 최대 이득은 예를 들어, 3개의 모든 커패시터들(212)을 사용할 수도 있다. 입력 전압(Vin)이 제 1 전압보다 높게 증가하지만 여전히 제 2 전압 미만일 때, 입력 전압(Vin)은 커패시터들(212) 중 하나가 디세이블되는 중간 이득(이 예에서는, 3의 이득)에 대응하는 CODE로 변환된다. 입력 전압(Vin)이 높을 때(제 2 전압 초과), ADC(206)는 입력 전압(Vin)을 2개의 커패시터들(212)이 디세이블되는 최소 이득(이 예에서는, 2의 이득)에 대응하는 CODE로 변환할 수도 있다.

[0040] CODE는 선택적으로 특정 스위치들이 커패시터들(212) 중 하나 이상을 디세이블하게 하는 스위치 제어 멀티플렉서(210)에 의해 수신된다. 스위치 제어 멀티플렉서(210)는 복수의 스위치들(S1I, S2I, S3I, S1G, S2G, S3G, S1O, S2O, S3O, S1X, S2X, S3X)에 대한 제어 또는 스위칭 신호들을 발생시키기 위한 복수의 멀티플렉서들(214)을 포함한다. CODE가 변경될 때, 스위칭 신호들은 하나 또는 그보다 많은 커패시터들(212)을 디세이블하기 위한 상태들에 놓인다.

[0041] 이에 따라, 입력 전압(Vin)이 증가할 때 충전 펌프(202)의 이득을 감소시키도록 충전 펌프(202) 내의 커패시터들(212)을 디세이블함으로써 출력 전압(Vout)이 거의 일정하게 유지될 수도 있다.

[0042] 스위치 제어 멀티플렉서(210)는 입력 전압(Vin)에 대한 응답으로 충전 펌프(202)의 이득을 제어하기 위해 충전 펌프(202)를 스위칭하기 위한 제어 신호들을 발생시킨다.

[0043] 스위치들(S1I, S2I, S3I)은 스위치 제어 멀티플렉서(210)로부터의 대응하는 제어 신호들에 대한 응답으로 커패시터들(212)에 전하를 전달하도록 커패시터들(212-1 내지 212-3) 각각을 입력 전압(Vin)에 선택적으로 커플링한다.

[0044] 스위치들(S1G, S2G, S3G)은 스위치 제어 멀티플렉서(210)로부터의 대응하는 제어 신호들에 대한 응답으로 커패시터들(212-1 내지 212-3) 각각을 접지에 선택적으로 커플링한다.

[0045] 스위치들(S1O, S2O, S3O)은 스위치 제어 멀티플렉서(210)로부터의 대응하는 제어 신호들에 대한 응답으로 커패시터들(212)로부터의 전하를 출력 전압(Vout)에 전달하도록 커패시터들(212-1 내지 212-3) 각각을 출력 전압(Vout)에 선택적으로 커플링한다.

[0046] 스위치들(S1X, S2X, S3X)은 스위치 제어 멀티플렉서(210)로부터의 대응하는 제어 신호들에 대한 응답으로 전압을 부스팅하고 충전 펌프의 이득을 설정하도록, 선택된 커패시터들(212-1 내지 212-3)을 직렬로 그리고 입력 전압(Vin)에 선택적으로 커플링한다. 도 2에는 3개의 커패시터들(212)이 도시되지만, 다른 갯수들이 사용되어 충전 펌프(202)의 이득의 다른 값들을 제공할 수 있다.

[0047] 도 3은 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템(300)의 블록도를 예시한다. 충전 펌프 시스템(300)은 시스템(100)의 예시적인 구현이다. 충전 펌프 시스템(300)은 피드포워드 제어 시스템으로서 동작한다. 충전 펌프 시스템(300)은 충전 펌프(202), VCO(204), ADC(206), DC 커패시터(216), 전류원(302), 비교기(304), 감지 저항기(306), 감지 회로(310) 및 전압 조절기(308)를 포함한다. 전압 조절기(308)는 저-드롭아웃(LDO: low-dropout) 조절기일 수 있다. 전압 조절기(308)는 NMOS 트랜지스터(308) 및 비교기(314)를 포함한다. 감지 저항기(306) 및 감지 회로(310)는 예를 들어, 직렬 감지 저항기 또는 병렬 FET 전류 감지 회로를 나타낸다. 감지 저항기(306) 및 감지 회로(310)는 전류원(302)으로부터의 전류를 감지하여 비교기(304)의 음의 단자에 전압을 제공한다. 비교기(304)의 양의 단자는 이 예에서는 접지되는 기준 전압에 커플링된다. 비교기(304)는 앞서 설명한 것과 비슷한 방식으로 클록 신호들(Φ1, Φ2)을 발생시키는 VCO(204)에 오차 전압(Ve)을 제공한다. 충전 펌프 시스템(300)은 충전 펌프(202)의 스위칭 주파수를 변경하도록 VCO(204)의 주파수를 변경함으로써 충전 펌프(202) 및 NMOS 트랜지스터(308)로의 전류를 제어한다. 충전 펌프(202)의 스위칭 주파수가 증가할 때, 충전 펌프(202)는 전류원(302)으로부터 그리고 이에 따라 충전 펌프(202)의 입력으로부터 충전 펌프(202)의 출력으로 더 많은 전하를 전달하며, 이로써 NMOS 트랜지스터(308)로의 전류를 감소시킨다. 일 실시예에서, 비교기(304)는 VCO(204)를 제어하여, NMOS 트랜지스터(308)로의 전류가 0 또는 실질적으로 0이 되어, 전류원(302)으로부터의 모든 또는 실질적으로 모든 전류가 충전 펌프(202)에 제공되도록 스위칭 주파수를 제어한다.

[0048] 충전 펌프 시스템(300)에서, ADC(206)로의 입력 전압(Vin)은 아래 설명되는 바와 같이 충전 펌프(202)로의 입력 전압 VIN-CP와 관련될 수 있다.

[0049] 도 4는 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템(400)의 블록도를 예시한다. 충전 펌프 시스템(400)은 시스템(100)의 예시적인 구현이다. 충전 펌프 시스템(400)은 피드포워드 제어 시스템으로서 동작한다. 충전 펌프 시스템(400)은 충전 펌프(202), VCO(204), ADC(206), 비교기(304), 감지 저항기(306), 감지 회로(310), 스위칭 드라이버(410), 하이 측 중간 전압원(444) 및 로우 측 중간 전압원(446)을 포함한다. 충전 펌프 시스템(400)은 예를 들어, 벅(buck) 변환기를 위한 스위칭 드라이버일 수 있는 스위칭 드라이버(410)를 갖는 충전 펌프(202)의 예시적인 구현이다.

[0050] 스위칭 드라이버(410)는 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420), 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422), 하이 측 캐스코드(cascode) 트랜지스터(424) 및 로우 측 캐스코드 트랜지스터(426)를 포함한다. 캐스코드 트랜지스터들(424, 426)은 각각 스위칭 전력 트랜지스터들(420, 422) 각각에 걸친 전압 강하를 감소시키기 위한 하이 측 및 로우 측 캐스코드 트랜지스터들이다. 하이 측 중간 전압원(444) 및 로우 측 중간 전압원(446)은 캐스코드 트랜지스터(424) 및 캐스코드 트랜지스터(426) 각각에 대해 거의 일정한 게이트 드라이브 전압들로서 각각 하이 측 중간 전압(VHS) 및 로우 측 중간 전압(VLS)을 제공한다. 이 예에서, 로우 측 중간 전압(VLS)은 하이 측 중간 전압(VHS)보다 더 크다. 일 실시예에서, 하이 측 중간 전압원(444) 및 로우 측 중간 전압원(446)은 저-드롭아웃(LDO) 조절기들일 수 있다. 추가로, 하이 측 중간 전압원(444)은 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)에 스위칭 신호들을 발생시키는 하이 측 드라이버에 대한 로우 공급 전압으로서 사용될 수 있다. 이에 따라, 하이 측 드라이버는 하이 측 중간 전압원(444)에 대한 부하이다.

[0051] 비슷한 어레인지먼트가 로우 측에 사용된다. 로우 측 중간 전압원(446)은 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)에 스위칭 신호들을 발생시키는 로우 측 드라이버에 대한 로우 공급 전압으로서 사용될 수 있다. 이에 따라, 로우 측 드라이버는 로우 측 중간 전압원(446)에 대한 부하이다.

[0052] 충전 펌프 시스템(400)은 복수의 스위치들(410, 412, 414, 416)을 더 포함한다.

[0053] (도시되지 않은) 외부 제어기는 이 예에서는, 스위치들(410, 412, 414, 416)에 대한 제어 신호들을 위한 겹치지 않는 클록들인 클록 PΦ1 및 클록 PΦ2를 발생시킨다.

[0054] LDO(444)는 하이 측 기준 전압(VREF-HS)에 대한 응답으로 하이 측 중간 전압 (VHS)을 발생시킨다. LDO(446)는 로우 측 기준 전압(VREF-LS)에 대한 응답으로 로우 측 중간 전압 (VLS)을 발생시킨다. LDO(444) 및 LDO(446)의 출력들(전압들(VHS, VLS))은 충전 펌프(202)를 통해 서로 커플링된다. 이 예에서, 충전 펌프(202)는 (약 0.4 - 0.8V 사이의) 하이 측 중간 전압(VHS)을 수신하고 로우 측 중간 전압(VLS)에 전하를 출력하여 로우 측 중간 전압(VLS)을 1.2V에 가깝게 유지한다. 이 예에서, 전원(Vdd)과 같은 입력 전압(Vin)은 1.6 - 2V로 변화할 수도 있고, 충전 펌프(202)는 전원(Vdd)의 값을 기초로 서로 다른 이득을 발생시켜 로우 측 중간 전압(VLS)을 1.2V에 가깝게 유지하도록 구성된다.

[0055] 입력 전압(Vin)과 하이 측 중간 전압(VHS) 사이에 커플링된 스위치들(410, 412)은 하이 측 드라이버의 스위치들이다. 로우 측 중간 전압(VLS)과 접지 사이에 커플링된 스위치들(414, 416)은 로우 측 드라이버의 스위치들이다.

[0056] 하이 측 드라이버 상에서, 스위치(410)는 (예를 들면, 액티브 상태 또는 온 상태인) 제 1 제어 신호에 대한 응답으로 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)의 게이트와 스위치(412)를 입력 전압(Vin)에 선택적으로 커플링한다. 스위치(412)는 (예를 들면, 액티브 상태 또는 온 상태인) 제 2 제어 신호에 대한 응답으로 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)의 게이트를 LDO(444)의 출력에 선택적으로 커플링한다.

[0057] 로우 측 드라이버 상에서, 스위치(416)는 (예를 들면, 액티브 상태 또는 온 상태인) 제 2 제어 신호에 대한 응답으로 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)의 게이트를 접지에 선택적으로 커플링한다. 스위치(414)는 (예를 들면, 액티브 상태 또는 온 상태인) 제 1 제어 신호에 대한 응답으로 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)의 게이트를 LDO(444)의 출력에 선택적으로 커플링한다.

[0058] 스위치(410) 및 스위치(414)는 제 1 제어 신호(클록 PΦ1)에 의해 제어된다. 스위치(412) 및 스위치(416)는 제 2 제어 신호(클록 PΦ2)에 의해 제어된다. 스위치들(410, 414)은 스위치들(412, 416)이 닫히기 전에 열리고, 마찬가지로 스위치들(412, 416)은 스위치(410) 및 스위치(414)가 닫히기 전에 열린다("메이크 전 브레이크(break before make)"). 클록 PΦ1 동안, 로우 측이 온이 된다. 클록 PΦ1은 스위치(410)를 닫아 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)의 게이트를 입력 전압(Vin)으로 끌어당겨 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)를 오프로 전환하고 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)의 게이트를 로우 측 중간 전압(VLS)으로 끌어당겨 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)를 온으로 전환한다. 클록 PΦ2 동안, 하이 측이 온이 된다. 클록 PΦ2는 스위치(412)를 닫아 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)의 게이트를 하이 측 중간 전압(VHS)으로 끌어당겨 하이 측 스위칭 전력 트랜지스터(420)를 온으로 전환하고, 스위치(416)를 닫아 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)의 게이트를 접지로 끌어당겨 로우 측 스위칭 전력 트랜지스터(422)를 오프로 전환한다.

[0059] 도 5는 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템(500)의 블록도를 예시한다. 충전 펌프 시스템(500)은 시스템(100)의 예시적인 구현이다. 충전 펌프 시스템(500)은 피드포워드 제어 시스템으로서 동작한다. 충전 펌프 시스템(500)은 충전 펌프(202), VCO(204), ADC(206), 비교기(304), 감지 저항기(306), 감지 회로(310), 스위칭 드라이버(410), 하이 측 중간 전압원(444), 로우 측 중간 전압원(446) 및 복수의 스위치들(410, 412, 414, 416)을 포함한다. 충전 펌프 시스템(500)은 충전 펌프 시스템(400)과 비슷하지만, 충전 펌프(202)에 대한 입력 전류를 감지하지 못한다. ADC(206)로의 입력 전압(VIN)은 충전 펌프(202)로의 동일한 입력 전압(VIN)이다. 충전 펌프 시스템(500)은 입력 전압(VIN)을 기초로 하여, 그리고 충전 펌프(202)로의 입력 전류에 기초하지 않고 충전 펌프(202)의 이득 및 주파수를 제어한다.

[0060] 도 6은 한 실시예에 따른 전압 제어 발진기(204)의 블록도를 예시한다. VCO(204)는 전류원(602), NMOS 트랜지스터(604), PMOS 트랜지스터(606), 그리고 전류 미러로서 배열된 복수의 NMOS 트랜지스터들(608)을 포함한다. NMOS 트랜지스터들(608-1 내지 608-3)은 각각 복수의 스위치들(610-1 내지 610-3)에 의해 전류 미러에 선택적으로 커플링된다. 멀티플렉서(612)는 CODE [1:0]에 대한 응답으로 스위치들(610)을 제어하기 위한 이득 설정들(예를 들면, n2, n3 또는 n4)을 나타내는 제어 신호를 발생시킨다. 이 예에서는, 서로 다른 0이 아닌 이득 설정들의 수(n)와 매칭하도록 3개의 트랜지스터들(608) 및 3개의 스위치들(610)이 도시되는데, n은 3이다. 커패시터(614)가 트랜지스터(606)에 걸쳐 커플링되며 커패시턴스(Cx)를 갖는다.

[0061] 스위치 회로(616)는 멀티플렉서(612)로부터의 이득 설정들을 나타내는 제어 신호에 대한 응답으로, 선택된 기준 전압을 비교기(618)의 입력에 제공한다. 이 예에서, 선택된 기준 전압은 이득(n2, n3, n4)에 각각 대응하는 기준 전압(Vref2), 기준 전압(Vref3) 및 기준 전압(Vref4)일 수 있다. 비교기(618)는 커패시터(614) 상의 전압을 선택된 기준 전압(Vref)과 비교하고, 설정-재설정(SR: set-reset) 래치(620)를 재설정하기 위한 신호를 발생시킨다.

[0062] VCO(204)는 PMOS 트랜지스터(626), 그리고 전류원(602) 및 NMOS 트랜지스터(604)를 갖는 전류 미러로서 배열된 복수의 NMOS 트랜지스터들(628)을 더 포함한다. NMOS 트랜지스터들(628-1 내지 628-3)은 멀티플렉서(612)로부터의 이득 설정들을 나타내는 제어 신호에 대한 응답으로 각각의 스위치들(610-1 내지 610-3)과 비슷한 방식으로, 각각 복수의 스위치들(630-1 내지 630-3)에 의해 전류 미러에 선택적으로 커플링된다. 커패시터(634)가 트랜지스터(626)에 걸쳐 커플링되며 커패시턴스(Cx)를 갖는다.

[0063] 스위치 회로(636)는 멀티플렉서(612)로부터의 이득 설정들을 나타내는 제어 신호에 대한 응답으로, 선택된 기준 전압을 비교기(638)의 입력에 제공한다. 이 예에서, 선택된 기준 전압은 이득(n2, n3, n4)에 각각 대응하는 기준 전압(Vref2), 기준 전압(Vref23) 및 기준 전압(Vref4)일 수 있다. 비교기(638)는 커패시터(634) 상의 전압을 선택된 기준 전압(Vref)과 비교하고, SR 래치(620)를 재설정하기 위한 신호를 발생시킨다. SR 래치(620)의 Q 출력은 PMOS 트랜지스터(606)의 게이트에 그리고 인버터(640)의 입력에 제공되며, 인버터(640)는 클록 신호들(Φ1, Φ2)을 발생시키는데 사용되는 클록(CLK: clock)을 발생시킨다. SR 래치(620)의 Q 바(bar) 출력은 PMOS 트랜지스터(626)의 게이트에 제공된다. SR 래치(620)의 Q 출력 및 Q 바 출력은 SR 래치(620)를 설정 및 재설정하도록 PMOS 트랜지스터들(606, 626)을 각각 온 및 오프 전환하여 클록(CLK)을 발생시킨다.

[0064] 클록(CLK)의 주파수(FCLK)는 아래 식에 의해 결정되며:

[0065]

[0066] 여기서 m은 이득(n)으로부터 다음과 같이 결정된다:

[0067]

[0068] 전류원(602)으로부터의 전류(Ix)는 아래와 같이 설정된다:

[0069]

[0070] 여기서 전류(ICP-HS)는 도 4와 도 5의 실시예들의 경우 LDO(444)로부터의 하이 측 전류이거나, 다른 실시예들의 경우에는 충전 펌프로의 전류가 사용될 수 있다. 기준 전압(VREF)은 아래 식으로부터 결정되며:

[0071]

[0072] 여기서 전압(VMID)은 도 4와 도 5의 실시예들의 경우 로우 측 전압(VLS) 또는 도 2와 도 3의 실시예들의 경우 출력 전압(Vout)이다.

[0073] 도 7은 한 실시예에 따른 충전 펌프 시스템(400)의 단순화된 타이밍도를 예시한다. 라인(701)은 이 예에서는 1.6V에서부터 1.8V까지, 2.0V까지 증분하는 입력 전압(Vin)을 나타낸다. 라인(702)은 0.4V에서부터 0.6V까지, 0.8V까지 증분하는 하이 측 전압(VHS)을 나타낸다. 라인(703)은 1.2V(로우 측 전압(VLS))에서부터 상승하여, 1.8V에서 피크에 이르며, 1.6V에서 평평해지는 출력 전압(VOUT)을 나타낸다.

[0074] 라인들(710, 712)은 각각 CODE[1] 및 CODE[0]을 나타내며, (위에서 n4로서 또한 설명된) 4의 이득, (위에서 n3으로서 또한 설명된) 3의 이득 그리고 (위에서 n2로서 또한 설명된) 2의 이득에 대해 설정되는 것으로 도 7에 도시된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 라인(701)으로 도시된 바와 같이 입력 전압(Vin)이 증가함에 따라 이득이 감소되며, 라인(703)으로 도시된 바와 같은 출력 전압(Vout)은 초기 증가 이후 좁은 범위에 머무른다.

[0075] 라인들(720, 722, 724)은 각각 스위치들(S1I, S1O, S1X)의 타이밍 신호들을 나타낸다. 이 예에서, 스위치들(S1I, S1X)에 대한 신호들은 온이고, 스위치(SIO)에 대한 신호는 2의 이득에 대해서만 온이다.

[0076] 라인들(730, 732, 734)은 각각 스위치들(S2I, S2O, S2X)의 타이밍 신호들을 나타낸다. 이 예에서, 스위치들(S1I, S1X)에 대한 신호들은 3 및 4의 이득에 대해 온이고, 스위치(S2O)에 대한 신호는 3의 이득에 대해서만 온이다.

[0077] 라인들(740, 742, 744)은 각각 스위치들(S3I, S3O, S3X)의 타이밍 신호들을 나타낸다. 이 예에서, 스위치들(S3I, S3O, S3X)에 대한 신호들은 4의 이득에 대해 온이고, 그렇지 않으면 오프이다.

[0078] 도 8은 한 실시예에 따라 충전 펌프 시스템(100)을 제어하는 프로세스 흐름(800)의 단순화된 도면을 예시한다. 802에서, 충전 펌프(102)의 이득, 주파수 및 출력 전압(V(OUT))을 제어하도록 입력 전압(V(IN))이 검출된다. 804에서, 충전 펌프 시스템(100)은 입력 전압(V(IN))이 범위 내에 있는지 여부를 결정한다. 804에서 입력 전압(V(IN))이 범위 내에 있다면, 프로세스는 802로 루프백하고, 입력 전압(V(IN))이 검출된다. 그렇지 않으면, 804에서 입력 전압(V(IN))이 범위 내에 있지 않다면, 806에서 이득 제어 회로(104)가 충전 펌프(102)의 출력 전압(V(OUT))을 전압 범위 내로 유지하도록 충전 펌프(102)의 이득을 변경하고, 802로 루프백하여 입력 전압(V(IN))을 검출한다. 808에서, 전압-주파수 변환기(106)가 검출된 입력 전압(V(IN))을 계속해서 모니터링하여, 충전 펌프(102)에 인가되는 제어 신호의 주파수를 주파수 범위 내에 유지하여 충전 펌프(102)의 출력 전압(V(OUT))이 거의 일정한 출력 전압과 같은 전압 범위 내에 유지되도록, 검출된 입력 전압(V(IN))의 변경들을 기초로 주파수를 변경한다.

[0079] 본 명세서에서 설명된 스위치들은 하나 또는 그보다 많은 트랜지스터들로서 구현될 수 있다.

[0080] 본 명세서에 개시된 충전 펌프 시스템들은 더 낮은 전력을 사용하며, 더 간단하고, 조절기들의 노드들 사이에 사용될 수 있다.

[0081] 상기 설명은 특정 실시예들의 양상들이 어떻게 구현될 수 있는지에 관한 예들과 함께 본 개시의 다양한 실시예들을 예시한다. 상기 예들은 유일한 실시예들인 것으로 여겨지지 않아야 하며, 다음 청구항들로 정의되는 바와 같이 특정 실시예들의 탄력성 및 이점들을 예시하도록 제시된다. 상기 개시 및 다음 청구항들을 기초로, 청구항들로 정의되는 바와 같은 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 어레인지먼트들, 실시예들, 구현들 및 등가물들이 이용될 수도 있다.

Claims

회로로서,
충전 펌프;
입력 전압을 검출하고, 상기 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하도록 상기 충전 펌프의 이득을 변경하기 위한 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된 이득 제어 회로; 및
상기 입력 전압을 검출하고, 상기 충전 펌프에 인가되는 주파수 제어 신호의 주파수를 주파수 범위 내에 유지하여 상기 충전 펌프의 출력 전압이 상기 전압 범위 내에 유지되도록, 검출된 입력 전압을 기초로 상기 주파수를 변경하도록 구성된 전압-주파수 변환기를 포함하는,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 충전 펌프는 상기 충전 펌프의 입력과 상기 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 복수의 커패시터들을 포함하고,
상기 이득 제어 신호는 상기 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 구성하며, 상기 이득 제어 회로는 상기 제어 신호의 주파수의 증가를 기초로 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 감소시킴으로써 상기 충전 펌프의 이득을 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 이득 제어 회로는 상기 충전 펌프의 입력과 상기 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는, 상기 충전 펌프의 커패시터들의 수를 변경함으로써 상기 충전 펌프의 이득을 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 이득 제어 회로는 상기 입력 전압을 기초로 상기 충전 펌프에서 커패시터들의 선택을 제어하기 위해 상기 충전 펌프에서 스위치들의 선택을 제어하기 위한 디지털 신호를 발생시키도록 구성되는 아날로그-디지털 변환기인,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 전압-주파수 변환기는 상기 검출된 입력 전압의 변경들에 대한 응답으로 상기 주파수 제어 신호로서 클록 신호들을 발생시키도록 구성된 전압 제어 발진기인,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 충전 펌프에 대한 입력 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출기를 더 포함하며,
상기 전압-주파수 변환기는 상기 검출된 입력 전류를 기초로 상기 제어 신호의 주파수를 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 충전 펌프의 입력에 커플링된 전류원;
상기 전류원과 접지 사이에 커플링된 전류 싱크; 및
상기 전류원으로부터의 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출기를 더 포함하며,
상기 전압-주파수 변환기는 상기 충전 펌프에 대한 입력 전류를 상기 전류원으로부터의 전류와 거의 동일하게 하기 위해 상기 검출된 입력 전류를 기초로 상기 제어 신호의 주파수를 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
회로로서,
입력 전압을 수신하기 위한 입력을 포함하고 상기 입력 전압을 기초로 출력 전압을 제공하기 위한 출력을 갖는 충전 펌프 ― 상기 충전 펌프는 이득 제어 신호에 대한 응답으로 선택 가능한 이득을 그리고 주파수 제어 신호에 대한 응답으로 이득을 가짐 ―;
상기 입력 전압을 검출하고, 상기 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하도록 상기 충전 펌프의 이득을 선택하기 위해 상기 이득 제어 신호를 발생시키도록 구성된 이득 제어 회로; 및
상기 입력 전압을 검출하고, 상기 충전 펌프의 출력 전압이 상기 전압 범위 내에 유지되도록 주파수 범위 내에 상기 주파수를 유지하기 위해 상기 주파수 제어 신호를 발생시키도록 구성된 주파수 제어 회로를 포함하는,
회로.
제 8 항에 있어서,
상기 충전 펌프는 상기 충전 펌프의 입력과 상기 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 복수의 커패시터들을 포함하고,
상기 이득 제어 신호는 상기 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 구성하며,
상기 이득 제어 회로는 상기 제어 신호의 주파수의 증가를 기초로 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 감소시킴으로써 상기 충전 펌프의 이득을 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
제 8 항에 있어서,
상기 이득 제어 회로는 상기 충전 펌프의 입력과 상기 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는, 상기 충전 펌프의 커패시터들의 수를 변경함으로써 상기 충전 펌프의 이득을 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
제 8 항에 있어서,
상기 이득 제어 회로는 상기 입력 전압을 기초로 상기 충전 펌프에서 커패시터들의 선택을 제어하기 위해 상기 충전 펌프에서 스위치들의 선택을 제어하기 위한 디지털 신호를 발생시키도록 구성되는 아날로그-디지털 변환기인,
회로.
제 8 항에 있어서,
상기 주파수 제어 회로는 상기 검출된 입력 전압의 변경들에 대한 응답으로 상기 주파수 제어 신호로서 클록 신호들을 발생시키도록 구성된 전압 제어 발진기인,
회로.
제 8 항에 있어서,
상기 충전 펌프에 대한 입력 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출기를 더 포함하며,
상기 주파수 제어 회로는 상기 검출된 입력 전류를 기초로 상기 주파수 제어 신호의 주파수를 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
제 8 항에 있어서,
상기 충전 펌프의 입력에 커플링된 전류원;
상기 전류원과 접지 사이에 커플링된 전류 싱크; 및
상기 전류원으로부터의 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출기를 더 포함하며,
상기 주파수 제어 회로는 상기 충전 펌프에 대한 입력 전류를 상기 전류원으로부터의 전류와 거의 동일하게 하기 위해 상기 검출된 입력 전류를 기초로 상기 주파수 제어 신호의 주파수를 변경하도록 추가로 구성되는,
회로.
방법으로서,
충전 펌프의 이득, 주파수 및 출력 전압을 제어하도록 입력 전압을 검출하는 단계;
상기 충전 펌프의 출력 전압을 전압 범위 내에 유지하도록 상기 충전 펌프의 이득을 변경하는 단계; 및
상기 충전 펌프에 인가되는 제어 신호의 주파수를 주파수 범위 내에 유지하여 상기 충전 펌프의 출력 전압이 상기 전압 범위 내에 유지되도록, 검출된 입력 전압을 기초로 상기 주파수를 변경하는 단계를 포함하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 충전 펌프의 이득을 변경하는 단계는 상기 제어 신호의 주파수의 증가를 기초로 상기 충전 펌프의 입력과 상기 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 감소시키는 단계를 포함하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 충전 펌프의 이득을 변경하는 단계는 상기 충전 펌프의 입력과 상기 충전 펌프의 출력 간에 전하를 커플링하는 커패시터들의 수를 변경하는 단계를 포함하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 충전 펌프에 대한 입력 전류를 검출하는 단계, 및
상기 검출된 입력 전류를 기초로 상기 제어 신호의 주파수를 변경하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 충전 펌프의 입력에 전류를 공급하는 단계;
상기 전류원으로부터 접지로의 전류 싱크를 싱크하는 단계;
상기 전류원으로부터의 전류를 검출하는 단계; 및
상기 충전 펌프에 대한 입력 전류를 상기 전류원으로부터의 전류와 거의 동일하게 하도록, 상기 검출된 입력 전류를 기초로 상기 제어 신호의 주파수를 변경하는 단계를 더 포함하는,
방법.