TW201603463A - 電荷平衡之電荷泵控制技術 - Google Patents

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TW201603463A
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艾青 劉
葛雷格里 斯札斯辛斯基
大衛 朱利安諾
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亞提克聖德技術股份有限公司
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Abstract

一種用以耦合至電容器以形成一電荷泵之裝置包含第一與第二組切換元件、以及一控制器。該第一組切換元件中之切換耦合電容器之端點以允許電荷在它們之間轉移。第二組切換元件中之切換耦合該等電容器之至少一些端點至一高電壓或一低電壓端點。該控制器導致該等切換循環經由一狀態序列，各狀態界定該等切換元件之一對應的組態。該等狀態之至少三者界定允許電荷在一第一電容器與一第二電容器之間、或在一第一電容器與該等端點的一者之間轉移的不同組態。所組態的狀態循環週期導致電壓在該等二端點之間轉換。

Description

電荷平衡之電荷泵控制技術 相關申請
本申請案聲明關於美國暫時專利申請第61/953270號案在2014年3月14日優先權日之權益，其整體內容將配合此處作為參考。
發明領域
本發明係有關對於電荷泵之控制以平衡電荷。
發明背景
公佈於2012年11月8日，並且將配合此處作為參考之第WO2012/151466號專利案，說明電荷泵之組態，其也是習知為切換式電容器轉換器，於其中電源及/或負載包括調整/調整器電路。於一些範例中，該負載可有效地包括一電流源及/或負載而不是於被稱為電荷泵之“絕熱”操作範例中之一固定電壓。調整/調整器電路，例如，切換模式電源轉換器，其作用如電流負載/源。因此，為了這揭示之目的，電流負載/源以及調整/調整器電路是可互換的。
例如，由於在電荷泵內之電荷的重新分配，雖然當比較至一完全地或實質上電壓為基礎之負載(及/或源) 時，電流為基礎之負載(及/或源)之使用可能改進效能，也可能保留內部能量損失。
發明概要
使用具有一電荷泵之一電流為基礎之負載(及/或源)的一效應是，可能有一習見的切換時序與電壓為基礎負載及/或源被使用而導致跨越電容器之電荷不平衡的情況，例如，其由於即時地在電荷泵中的組態之間的切換之後的電荷重新分配，而可能導致效能之損失。
於一論點中，通常，使用絕熱電荷轉移以改善一電荷泵之效能的一方法使用三個或更多個狀態，各個狀態對應於耦合電容器至彼此及/或電荷泵之輸入與輸出端點之切換器的一組態。藉由引入多於二狀態之一適當的序列，於其中，電荷係轉移至或自電容器，並且選擇在電荷泵之各操作週期中所佔據的那些狀態的持續時間，各電容器之電荷進與出之轉移經由操作週期而平衡，因而避免或大量地減低導致無效率之在狀態轉換時之電荷重新分配以及其相關聯之功率損失。
於一論點中，本發明具特徵於用以耦合電容器以形成一電荷泵電路的一裝置。此一裝置包含一第一與第二組切換元件以及一控制器電路。該第一組切換元件包括係組態以耦合電容器元件端點以允許電荷在該等電容器之間轉移的切換元件。該第二組切換元件包括係組態以耦合該等電容器元件之至少一些端點至一第一端點(其是一高 電壓端點或一低電壓端點)之切換元件。該控制器電路係耦合至該切換元件並且並且係組態以使該等切換元件循環經由一狀態序列。各狀態界定該等切換元件之一對應的組態。該等狀態之至少三者界定允許電荷在一對元件之間轉移的該等切換元件之不同組態。該對元件是一對電容器、或一電容器以及一端點的任一者。該所組態的狀態循環週期提供在該高電壓端點與該低電壓端點之間的一電壓轉換。
於一些實施例中，其具有用以耦合切換元件至該等電容器之端點。
其他實施例包含該等電容器它們本身，於這些實施例中，該等電容器，當耦合至該等切換元件時，界定一電荷泵電路。
一些實施例包括一積體電路。於這些實施例中，該電荷泵電路之至少部份以及該控制器電路之至少部份係形成於一單一積體電路中。
同時在那些實施例之中也包含一調整器電路。於這些實施例中，該調整器電路係耦合至該電荷泵電路的該高電壓端點與該低電壓端點之至少一者。於這一些實施例中，該調整器電路係組態以以在該電荷泵電路之該低電壓端點提供一電流負載。於其他實施例中，該調整器電路係組態以在該電荷泵電路之該低電壓端點操作如一電流源。再於其他實施例中，該調整器電路係組態以在該電荷泵電路之該高電壓端點提供一電流負載，或在該電荷泵電 路之該高電壓端點操作如一電流源，或導致一脈波電流在該調整器電路與該電荷泵電路之間流通。在後者的情況中，電荷泵於一脈波循環週期中操作，其具有一第一小分量，當在其中脈波電流是一第一固定電流，以及一第二小分量，當在其中脈波電流是在振幅上較大於第二固定電流。在許多情況中，第二固定電流是實質地為零或甚至等於零。通常，第一固定電流是實質地較大於第二固定電流。
於一些實施例中，一調整器電路係組態以控制一平均電流在該調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
在具特徵於一調整器的那些實施例中，有許多調整器型式可被使用。這些調整器包含切換模式電源轉換器、或降壓轉換器、或甚至磁濾波器。
於一些實施例中，該控制器係組態以保持各狀態經一電荷泵循環週期時間的一小分量之一對應持續。這些狀態之持續時間係被選擇以經由各週期之狀態序列而保持該等電容器之各者的一平衡充電與放電。
在其他實施例中，該控制器係組態以選擇該等狀態之持續時間以減低在狀態轉換時在該等電容器之中的電荷之重新分配。
當耦合至電容器元件的端點時，該等切換元件界定多種之電荷泵電路之任何一種。範例包含一多相位電荷泵、一單相位電荷泵、一多級式電荷泵、以及一串聯乘法器。
同時在那些實施例之中，該控制器係組態以自第一與第二組切換元件之至少一者而接收感測器信號並且至少部份地基於該等感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該等狀態序列。
於一些實施例中，有二個調整器電路。一調整器電路係耦合至該電荷泵電路之高電壓端點。同時，一第二調整器電路係耦合至該電荷泵電路之低電壓端點。第一或第二調整器之任一者可以是一磁濾波器。在這些實施例之中，那些控制器係組態以自該等第一與第二組切換元件之至少一者接收感測器信號並且至少部份地基於該等感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
於另一論點中，本發明具特徵於用以操作一電荷泵之一方法，其中來自一第一組切換元件之切換元件係組態以耦合電容器元件之端點以允許電荷在該等電容器之間轉移，並且於其中來自一第二組切換元件之切換元件係組態以耦合電容器元件之端點至一高電壓端點或一低電壓端點之任一端點。此一方法包含導致在該高電壓端點與該低電壓端點之間的一電壓轉換。導致這電壓轉換包含使該等切換元件循環經由一狀態序列。各狀態界定該等切換元件之一對應的組態。該等狀態之至少三者界定允許電荷在一對元件之間轉移的該等切換元件之不同組態。該對元件是一對電容器或一電容器以及該等端點之一的任一者。
本發明之一些執行包含保持一平均電流在一調整器電路與該電荷泵電路之間流通。其他執行包含調整在 該第一端點之一電流，因而保持一平均電流在一調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
於其他執行中，循環該等切換元件經由一狀態序列包含保持各狀態經一電荷泵循環週期時間之一小分量的一對應持續。這執行也可包含選擇該等狀態的持續，其被選擇以經由各循環週期之狀態序列而保持該等複數個電容器之各者的一平衡充電與放電。
本發明之一些執行包含控制在一調整器電路與該電荷泵電路之間的一平均電流。
其他執行包含耦合一調整器電路至該第一端點。在這些執行之中包含導致該調整器電路以在該電荷泵電路之該低電壓端點提供一電流負載，導致該調整器電路以在該電荷泵電路之該高電壓端點提供一電流負載，導致該調整器電路在該電荷泵電路之該低電壓端點操作如一電流源，導致該調整器電路在該電荷泵電路之該高電壓端點操作如一電流源，以及導致一脈波電流在一調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
一些執行包含耦合來自該等第一與第二組切換元件之切換元件至該等電容器元件之該等端點。這可導致形成一多相位電荷泵、一單相位電荷泵、一多級式電荷泵、或一串聯乘法器。
那些執行包含一調整器，其包含選擇調整器之型式。這可包含選擇該調整器作為一切換模式電源轉換器、選擇該調整器作為一降壓轉換器、或選擇該調整器作 為一磁濾波器。
一些執行也包含自該等第一與第二組切換元件之至少一者而接收感測器信號並且至少部份地基於該等感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
一些執行包含二個調整器之使用。這些執行進一步地包含耦合一第一調整器至該高電壓端點，以及耦合一第二調整器至該低電壓端點。該等調整器之一者可以是一磁濾波器而另一者可以是一轉換器。在這些執行之中，也包含控制該等第一與第二組切換元件之至少一者以及至少部份地基於自該等第一與第二組切換元件之至少一者所接收的感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
本發明之其他特點與優點可從下面的說明、以及自申請專利範圍而明白。
110‧‧‧電荷泵
C 1-C 4‧‧‧電容器
S 1-S 9‧‧‧切換器
V IN ‧‧‧輸入電壓
V OUT ‧‧‧輸出電壓
P 1-P 2‧‧‧相位節點
100‧‧‧電源轉換器
112‧‧‧電容器
114‧‧‧切換器
116、118‧‧‧端點
120‧‧‧控制器
122‧‧‧處理器
124‧‧‧組態資料
130‧‧‧調整器電路
132、134‧‧‧路線
140‧‧‧負載
150‧‧‧電源
160‧‧‧調整器電路
圖1是具有電壓源以及電流負載之單相位5：1電荷泵的分解圖。
圖2A-2B分別地是切換組態之狀態1和2之圖1電路的分解圖。
圖3A-3C分別地是狀態1a、1b、以及2之圖1電路的分解圖。
圖3D是展示在電荷泵操作期間，跨越圖3A-3C中之各電容器的電壓之一組波形。
圖4A-4C分別地是狀態1a、1b、以及2之不同定義的圖1電路之分解圖。
圖4D是展示在電荷泵操作期間跨越圖4A-4C中之各電容器的電壓之一組波形。
圖5是具有電壓源以及電流負載之單相位6：1電荷泵的分解圖。
圖6A-6D分別地是狀態1a、1b、2a、以及2b之圖5電路的分解圖。
圖7是具有電壓源以及電流負載之雙相位5：1電荷泵的分解圖。
圖8A-8B分別地是狀態1a與1b之圖7電路的分解圖。
圖9是具有電壓源和電流負載之雙相位3：1串並聯電荷泵的分解圖。
圖10A-10D分別地是狀態1a、1b、2a、及2b之圖9電路的分解圖。
圖11A-11B分別地是具有電流偏移之狀態1a與1b的圖7電路之分解圖。
圖12-14是電源轉換器之方塊圖。
較佳實施例之詳細說明
第一範例電荷泵110係展示於圖1中以例示此一電荷泵操作中之電荷不平衡的來源。該電荷泵110是一串聯乘法器，其係組態以額定地提供一個5：1(亦即，M=5) 電壓遞降，以至於一輸出電壓V OUT (伏特)是一輸入電壓V IN (伏特)的五分之一。四個電容器(標明為C 1至C 4)被使用為具有切換器(標明為S 1至S 9)在各電容器之兩端點上以儲存輸入電壓V IN 之一小分量並且將電荷自一個電容器轉移至下一個電容器。最接近V IN 和V OUT 端點之電容器係分別地標明為C 1與C 4，並且在下面係稱為“外部”電容器，而標明為C 2和C 3之其餘電容器則在下面係稱為“內部”電容器。如進一步的標誌，在一電容器C k 上之電壓和電荷是分別地以V k 和Q k 來表示。除非有所表明，否則該等電容器係理想地當作為具有相同電容C(法拉第)來處置。
電荷泵110是藉由控制一組切換器(S 1至S 9)而操作，其導致電荷流通在該等電容器之間以及在該等端點與該等電容器之間。電荷泵110之切換器的控制係可以表示如經由一狀態系列之一循環週期，其中各狀態是相關聯於該組切換器的一特定組態(亦即，該等切換器之各者的開路(非導電)以及閉路(導電)組態之一特定設定)。
展示於圖1中之電荷泵110的一操作模式使用二個狀態之一循環週期。在狀態1時，係標明為“1”之切換器(亦即，S 1、S 3、S 5、S 7、S 8)是關閉的並且標明為“2”之切換器(亦即，S 2、S 4、S 6、S 9)是打開的。於一狀態2時，標明為“1”之切換器是打開並且標明為“2”之切換器是關閉的。這些切換器組態係以表格形式來展示(“1”表明該切換器是關閉的並且“0”表明該切換器是打開的)，其是如下所示：
應注意，當執行時，另外的狀態也可以是所需要的，於其中所有的或一足夠組對之切換器是打開的，以至於電荷是不流通至或自該等電容器，而不會影響電荷泵110的全面功能，例如，以一“先斷後合”之方法，以避免真正瞬間切換之必要性。但是，對於下面之理想行為的分析，此等另外的狀態通常是不受考慮的，因為這些另外的狀態不涉及電荷之轉移並且將不會影響分析結果。
電荷泵110之一完全週期具有二個狀態之一序列，狀態1之後緊接著狀態2。一第一相位節點P 1耦合於電容器C 1、C 3之負端點，並且一第二相位節點P 2耦合於電容器C 2、C 4之負端點。在第一相位節點P 1之電壓在接地和該輸出電壓V OUT 之間交替，並且在第二相位節點P 2之電壓是與在第一相位節點P 1的相位不同。
在穩態操作中，電容器C 1至C 4具有跨越其端點之額定輸出電壓的複數倍之額定電壓：
例如，當輸入電壓V IN 等於25.0(伏特)時，跨越該等電容器C 1-C 4之額定電壓分別地是20.0、15.0、10.0、以及5.0(伏特)，並且額定輸出電壓V OUT 是5.0(伏特)。在電荷泵110操作之連續狀態的一週期期間，跨越該等電容器之實際電壓在這些額定數值附近變化(亦即，該電壓展示“漣波”)，其表示如下：
在這範例中，電荷泵110之輸出端點受處置如耦合至具有電流I OUT 之一電流負載。於一些範例中，這電流係假設為固定。更通常地，如在下面之進一步的討論，電 流可以是具有一固定平均而脈動，其中D是脈 波電流負載之責務週期(在零和1之間的一小分量)；這是降壓轉換器性能之一良好表示。通常，電流負載切換之頻率是電荷泵110切換頻率之複數個倍數(例如，2x、3x、10x、100x)。於一些範例中，在各狀態期間該電流可以是固定的，但是在各狀態期間具有不同的數值。更進一步地，狀態轉換時刻最好是係選擇以發生在輸出電流責務週期之零電流部份期間，因而減低非理想(例如，電晶體)切換器之切換損失。但是，為了這第一範例之討論起見，係僅考慮固定電流之情況。
參看至圖2A-2B，圖1中之電荷泵110的等效電路係分別地以狀態1和狀態2來展示。通常，在狀態1中，能量係在內部電容器C 2、C 3之間自V IN 端點轉移至外部電容器C 1，以及自外部電容器C 4轉移至V OUT 端點。在狀態2 中，能量在該等電容器之間轉移並且轉移至在V OUT 端點之負載。
在狀態1期間，外部電容器C 1、C 4攜帶0.4*I OUT 之電流，而內部電容器C 2、C 3則各攜帶0.2*I OUT 之電流，其是流經外部電容器C 1、C 4之電流的一半。因此，如果狀態1具有一狀態持續時間t 1，則在外部電容器C 1、C 4上之電荷中的改變，表示為△Q k,j ，如在狀態j期間之電容器C k 上的電荷之改變，其滿足： 而在狀態1期間之內部電容器C 2、C 3上的電荷中之改變，則滿足： 應注意，內部電容器C 2、C 3是串列連接的，而外部電容器C 1、C 4則是它們的分別路徑中之僅有元件，其導致電流因此由串列電容器之數目而劃分。
在狀態2期間，每個電容器攜帶0.5*I OUT 之電流。內部電容器C 2、C 3經常是在任一狀態中與另一電容器串列連接，而外部電容器C 1、C 4則僅在狀態2期間具有一相似之串列連接。經由各電容器之電流流動極性如所需而來回地從一狀態改變至下一個狀態，以充電以及放電電容器並且保持跨越該電容器之一固定平均電壓。
如果電荷泵110係以t 1=t 2=05*T SW 控制在50%責務週期，其中T SW 是切換週期之總持續時間，跨越各電容器C k 上的二個狀態之各週期的淨電荷，△Q k =△O k,1+△Q k,2是不 為零。這結果是該等電容器上之淨電荷和平均電壓可能飄移經過連續的循環週期，及/或可能在各狀態轉換導致相當大的電荷重新分配，其都不是所需的。
展示於圖1中的電荷泵110之一不同的三狀態控制使用標明為“1a”、“1b”、以及“2”之狀態。這些狀態中之切換器組態係以表格形式展示如下：
這些狀態之各者中的等效電路係分別地展示於圖3A-3C中。注意到，在狀態1a中，0.5*I OUT 之電流流通過電容器C 1、C 4(具有相反電壓極性)之各者，在狀態1b中，1.0*I OUT 之電流流通過電容器C 2、C 3，並且在狀態2中，0.5*I OUT 之電流流通過所有的四個電容器。用以平衡各循環週期中之電荷中的總變化之狀態持續時間t 1a 、t 1b 、t 2之一適當的選擇，必須滿足下列方程式集合：△Q 1=0=+0.5t 1a -0.5t 2
△Q 2=0=-1.0t 1b +0.5t 2
△Q 3=0=+1.0t 1b -0.5t 2
△Q 4=0=-0.5t 1a +0.5t 2
T SW =+1.0t 1a +1.0t 1 b+1.0t 2 其中該等方程式集合係藉由下列條件而滿足：t 1a =0.4*T SW
t 1b =0.2*T SW
t 2=0.4*T SW
假設在上面之狀態持續時間，圖3D例示當電荷泵110具有等於25.0伏特之一輸入電壓V IN 時，跨越圖3A-3C中之電容器C 1-C 4的電壓V 1-V 4。這產生具有大約地為5.0伏特之平均電壓的一輸出電壓V OUT ，如於圖3D之展示。
另一個控制圖1之電荷泵110的三狀態方法分別地使用展示於圖4A-4C中之切換器組態以及對應的等效電路之一不同的狀態序列。三狀態中之切換器組態係以表格形式展示如下：
如上面提出之應用至這狀態界定的一分析產生狀態持續時間，其滿足下列電荷平衡方程式：t 1a =0.5*T SW
t 1b =0.1*T SW
t 2=0.4*T SW
假設上述之狀態持續時間，圖4D例示當該電荷泵110具有等於25.0伏特之一輸入電壓V IN 時，跨越圖 4A-4C中之電容器C 1-C 4的電壓V 1-V 4。這產生具有大約地為5.0伏特之平均電壓的一輸出電壓V OUT ，如於圖4D之展示。注意，圖4D中之波形是如何地不同於圖3D中的那些者。
對於經由電容器的RMS(均方根)電流總和之一考慮展示這些狀態界定產生一較低於先前所述之三狀態組態(圖3A-3C)之數值。在電荷泵110之一非理想實行例中，於其中包含與電容器串接的電阻之電阻導致功率損失，一較低的RMS電流是相關聯於較小的功率損失。因此，這些狀態組態可能是較佳的。
注意，不同的狀態序列仍然可經由重複循環週期而導致電荷平衡。例如，狀態序列1a-1b-2-1a-1b-2可以使用如上面所判定的相同狀態持續時間之序列1b-1a-2-1b-1a-2來取代。
其他狀態界定以及時序也遵循如上面所概述之方法。例如，對於M=5之情況的二種另外方法係以表格形式展示在下面： 以及 其中X表明切換器可以是打開或閉合的。
對於圖1之M=5電路在上面呈現之多狀態方法係可以直接地延伸至M之其他奇數值。通常，在狀態1a中，電容器C 1是與電容器C M-1並聯的，並且當M 5時，則經由C M-3和C M-2而平行於C 2和C 3之串列連接。狀態1b具有經由C M-3和C M-2之串列C 2和C 3的平行連接，並且狀態2具有經由C M-2和C M-1之串列C 1和C 2的平行連接。對於一般為奇數M之狀態持續時間的一封閉形式接著係可表示如下：t 1a =(M+5)/(4M)*T SW
t 1b =(M-3)/(4M)*T SW
t 2=(M-1)/(2M)*T SW
一相似方法係可應用至M是偶數之情況中。參看至圖5，一個6：1(M=6)串聯乘法器型式電荷泵110係展示而包含標明為S 1至S 10之10個切換器以及標明為C 1至C 5之5個電容器。對於四個狀態：1a、1b、2a、以及2b之各者中的切換器之組態係以下面之表格來展示。這些狀態之各 者中的等效電路係分別地展示於圖6A-6D中。
應用如上所述之分析型式，用以經由狀態週期達成一電荷轉移平衡之狀態持續時間，將產生為：t 1a =1/3*T SW
t 1b =1/6*T SW
t 2a =1/3*T SW
t 2b =1/6*T SW
如M是奇數的情況，對於任意的M是偶數之一般的解決辦法，將產生如下之解答：t 1a =(M-2)/(2M)*T SW
t 1b =1/M*T SW
t 2a =(M-2)/(2M)*T SW
t 2b =1/M*T SW
如上所述之方法同樣也是可應用至多相位電荷泵。例如，圖7展示一雙相位M=5串聯乘法器型式電荷泵110，其包含標明為S 1a 至S 7b 之14個切換器以及標明為C 1a 至C 4b 之8個電容器。對於在一個可能4狀態(具有標明為1a、1b、2a、2b之狀態)方法中的切換器之組態係以下面之表 格來展示：
圖8A-8B分別地展示對於狀態1a與1b之等效電路。對於狀態2a與2b之電路是等效的(亦即，互換電路之”a”與“b”元件)。對於這電路應用電荷平衡限制產生對於四狀態之各者的0.25*T SW 之狀態持續時間，如下面之展示：t 1a =12a =0.25*T SW
t 1b =t 2b =0.25*T SW
應注意，在這範例中，在狀態1b和2b期間，來自V IN 端點之輸入電流是零，而在狀態1a和2a期間則是為 0.4*I OUT 之非零電流，如所期待地產生之一 平均輸入電流。
參看至圖7，其是如展示於圖1之二個部份的一平行配置；各部份之時序是90°外之相位，以至於一個部份具有狀態1a之切換器組態，而另一部份則具有狀態1b之 切換器組態，以及等等。注意到，在這平行配置中，在各 操作週期中之平均輸入電流是
如上所述之方法是可應用至廣泛範圍之電荷泵實體架構。如進一步的範例，圖9展示一M=3雙相位串列-併列電荷泵110，其包含標明為S 1a 至S 7b 之14個切換器以及標明為S 1a 至S 7b 之四個電容器。四狀態中之切換器組態係以表格形式展示如下：
用於四狀態之等效電路係展示於圖10A-10D中。對於各狀態之電荷平衡係藉由0.25*T SW 之一狀態持續 時間而達成，於各狀態以及之週期中而自V IN 產生 一平均輸入電流。
在上面之分析中，在所有的狀態持續時間期 間，平均電流是假設為相同，因此，電荷轉移是成比 例於。在一另外方法中，平均輸出電流係可以受控 制而對於不同的狀態是不同的，因而在狀態j中之電荷轉 移是成比例於，其中狀態持續時間tj和平均電流 兩者是依據限制方程式而判定。於一些範例中，狀態 持續時間係可以進一步地(完全或部分地)受限制於其他考慮因素，例如，以避免可能導致EMI(電磁干擾)之短狀態持續時間。一範例，其中當驅動串列或並列之一個或多個LED(發光二極體)時，輸出電流之此變量以及週期性控制可以是有效的，其中電流之變化不會導致光輸出之明顯可察覺之變化。
如上所述之方法係可應用至圖7之雙相位M=5串聯乘法器型式電荷泵110。一種可能的4狀態方法(具有標明為1a、1b、2a、2b之狀態)具有分別地對於狀態1a與1b之等效電路，如於圖11A-11B之展示。對於狀態2a與2b之電路是等效的(亦即，互換電路之”a”與“b”元件)。四狀態中之切換器組態係以表格形式展示如下：
藉由對於四狀態之各者的0.25*T SW 之狀態持續時間，其必須施加一電流偏移，I SKEW ，至各狀態中之輸出 負載，以達成經由四狀態之一循環週期的電荷平衡。在這範例中，在狀態1a和2a期間之一0.2*I OUT 的負電流偏移，以及在狀態1b和2b期間之0.2*I OUT 的正電流偏移將經由一循環週期而達成所有電容器中之電荷平衡，其中跨越四狀態之各循環週期的平均輸出電流是I OUT 。換言之，在狀態1a和2a期間之輸出負載電流是0.8*I OUT 並且在狀態1b和2b期間之輸出負載電流是1.2*I OUT 。在所有的四狀態中，施加電流偏移之振幅是相同的，但是電流偏移之極性在正和負之間來回地自一個狀態改變至下一個。對於具有這4狀態方法以及0.25*T SW 狀態持續時間之一雙相位電荷泵，有關任意的M之一般解決辦法，對於所施加電流偏移(I SKEW )之振幅產生下面的解：
應了解，上面之說明聚焦於具有理想切換器、理想電流、電壓來源、以及無電阻電路路徑之理想化電路的分析。於執行時，切換器，例如，藉由電晶體而實行，其通常具有內部電阻以及電容性特性。輸出電流負載可以使用一電感器而實行，以至於在模式化如一固定電流之責務週期部份的期間，當能量係自電荷泵而轉移至電感器時電流實際上波動。實際電容器可以具有稍微不同的電容，並且因此對於電荷平衡之理想分析可能不是完全正確的。然而，在上面所呈現之方法是可應用至非非理的方法實行例，確切地，或考慮到電路之非理想性質，例如，判定狀 態持續以達成真正而不是一理想電路的電荷平衡，例如，使用數值電路模擬技術。
依據如上所述之一個或多個方法的電荷泵控制實行例可能使用一控制器，其係組態以遵循上述之一狀態序列以及因此用以設定切換器。參看至圖12，電源轉換器100之範例包含一電荷泵110，其耦合至一控制器120而在路線132上提供控制信號以及在路線134上接收感測器信號。電荷泵110包含電容器112以及切換器114。一端點116(例如，高電壓端點)耦合該電荷泵110至一電源150，例如，至一電壓源(例如，在25伏特)。另一端點118耦合該電荷泵110至一第一調整器電路130，其係耦合至一負載140。一控制器120包含一可程控處理器122，其係藉由組態資料124(及/或處理器指令)而組態，其給予控制器120上之功能。
於一些範例中，控制器120也控制第一調整器電路130，例如，以保持用於電荷泵110和第一調整器電路130兩者之一共同根本時脈率(例如，以電荷泵110的週期頻率之複數倍2x、4x、10x、100x、等等而切換第一調整器電路130)。在一些實行例中，控制器120係整體地或部分地整合於包含至少一些切換器114(例如，電晶體)之一積體設備中。
一不同的電源轉換器101係例示於圖13中，其中一第二調整器電路160係耦合在電源150和電荷泵110之間以取代如於圖12中的負載140和該電荷泵110之間。於一些 範例中，控制器120控制負載140以便利在電荷泵110內之電容器112的電荷平衡。在其他範例中，控制器120控制第二調整器電路160並且甚至於其他範例中，控制器120控制負載140和第二調整器電路160兩者。
一個另外的電源轉換器102係例示於圖14中。這範例是電源轉換器100、101之組合。於這實行例中，有耦合在負載140和電荷泵110之間的一第一調整器電路130；以及耦合在電源150和電荷泵110之間的一第二調整器電路160。於一些範例中，控制器120控制至少第一調整器電路130或第二調整器電路160，以保持一共用基本時脈。
在其他範例中，第一調整器電路130或第二調整器電路160之任一者是磁濾波器，例如，一LC濾波器，其取代一轉換器。如果第一調整器電路130是磁濾波器，則電源轉換器102之調整能力是僅藉由第二調整器電路160而達成，並且由於第一調整器電路130作用如一電流負載，絕熱操作可能只是部分地達成。同樣地，如果第二調整器電路160是磁濾波器，則電源轉換器102之調整能力僅是藉由第一調整器電路130而達成並且由於第二調整器電路160作用如一電源，絕熱操作可能僅是部分地達成。
應了解，當執行時，設備並不是理想的，例如，電容器112不必定地具有相同的電容，且電荷泵110中之電路路徑以及切換器114具有非零電阻。於一些範例中，控制器120依據理想化之分析而控制切換器114。在其他範例中，非理想化特性之效應係於判定狀態持續時間中 考慮，例如，藉由明確的電路分析(例如，模擬)或適應地藉由調整相對狀態持續時間以依據路線134上之感測器信號而在狀態週期期間達成電荷平衡。於一些範例中，控制器120是可組態軟體，例如，在設備製造之後允許特定狀態時序被組態。於一些範例中，控制器120是完全地或至少部份地藉由設備的其他電路構件所指定的特定應用邏輯而實行。
電荷泵110係可以使用許多不同電荷泵實體架構而實行，例如，Ladder、Dickson、串並聯實體架構、斐波納契(Fibonacci)、以及倍頻器。同樣地，用於調整器電路130、160之適當的轉換器包含降壓轉換器、升壓轉換器、降壓-升壓轉換器、非反相降壓-升壓轉換器、庫克轉換器、SEPIC轉換器、諧振轉換器、多階轉換器、返馳轉換器、順向轉換器、以及全橋式轉換器。
應了解，先前說明是意欲例示而不是用以限制本發明之範疇，其係藉由附加申請專利範圍之範疇而界定。其他實施例是在下面的申請專利範圍範疇之內。
110‧‧‧電荷泵
C 1-C 4‧‧‧電容器
S 1-S 9‧‧‧切換器
P 1-P 2‧‧‧相位節點
V IN ‧‧‧輸入電壓
V OUT ‧‧‧輸出電壓
I OUT ‧‧‧電流

Claims (50)

  1. 一種裝置，其用以耦合至電容器以形成一電荷泵電路，該裝置包括：一第一組切換元件、一第二組切換元件、以及一控制器電路，其中該第一組切換元件包括係組態以耦合電容器元件之端點以允許電荷在該等電容器之間轉移的切換元件，其中該第二組切換元件包括係組態以耦合該等電容器元件之至少一些端點至一第一端點之切換元件，其中該第一端點是選自由一高電壓端點與一低電壓端點所構成之族群，其中該控制器電路係耦合至該等切換元件並且係組態以使該等切換元件循環經由一狀態序列，其中各狀態界定該等切換元件之一對應的組態，其中該等狀態之至少三者界定允許電荷在一對元件之間轉移的該等切換元件之不同組態，其中該對元件是選自由一第一電容器與一第二電容器、以及一第一電容器與該第一端點所構成之族群，並且其中所組態的狀態循環週期提供在該高電壓端點與該低電壓端點之間的一電壓轉換。
  2. 如請求項1之裝置，其進一步地包括用以耦合切換元件至該等電容器之端點。
  3. 如請求項1或2之裝置，其進一步地包括電容器，其中該等電容器，當耦合至該等切換元件時，界定一電荷泵電路。
  4. 如請求項1、2、或3之裝置，其進一步地包括一積體電路，其中該電荷泵電路之至少部份以及該控制器電路之至少部份係形成於一單一積體電路中。
  5. 如先前請求項之任一項之裝置，其進一步地包括一調整器電路，其中該調整器電路係耦合至該電荷泵電路的該高電壓端點與該低電壓端點之至少一者。
  6. 如請求項5之裝置，其中該調整器電路係組態以在該電荷泵電路之該低電壓端點提供一電流負載。
  7. 如請求項5之裝置，其中該調整器電路係組態以在該電荷泵電路之該低電壓端點操作如一電流源。
  8. 如請求項5之裝置，其中該調整器電路係組態以在該電荷泵電路之該高電壓端點提供一電流負載。
  9. 如請求項5之裝置，其中該調整器電路係組態以在該電荷泵電路之該高電壓端點操作如一電流源。
  10. 如請求項5之裝置，其中該調整器電路係組態以導致一脈波電流在該調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
  11. 如請求項10之裝置，其中電荷泵以具有一第一小分量和一第二小分量之一脈波循環週期而操作，其中該脈波電流包括在該第一小分量期間的一第一固定電流以及在該第二小分量期間的一第二固定電流，其中該第一固定電流在振幅上是較大於該第二固定電流。
  12. 如先前請求項之任一項之裝置，其進一步地包括一調整器電路，其中該調整器電路係組態以控制在該調整器電路和該電荷泵電路之間流通的一平均電流。
  13. 如請求項5-12之任一項的裝置，其中該調整器是一切換模式電源轉換器。
  14. 如請求項5-12之任一項的裝置，其中該調整器是一降壓轉換器。
  15. 如先前請求項之任一項之裝置，其中該控制器係組態以保持各狀態經一電荷泵循環週期時間的一小分量之一對應持續，其中該等狀態之持續係被選擇以經由各循環週期狀態序列而保持該等電容器之各者的一平衡充電與放電。
  16. 如先前請求項之任一項之裝置，其中該控制器係組態以選擇該等狀態之持續以減低在狀態轉換時的該等電容器之中的電荷之重新分配。
  17. 如先前請求項之任一項之裝置，其中該等切換元件，當耦合至該等電容器元件之該等端點時，則界定該電荷泵電路。
  18. 如請求項17之裝置，其中該電荷泵電路包括一多相位電荷泵。
  19. 如請求項17之裝置，其中該電荷泵電路包括一單相位電荷泵。
  20. 如請求項17之裝置，其中該電荷泵電路包括一串聯乘法器。
  21. 如先前請求項之任一項之裝置，其中該控制器係組態以自該等第一與第二組切換元件之至少一者而接收感測 器信號並且至少部份地基於該等感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
  22. 如請求項1之裝置，進一步地包括一第一調整器電路與一第二調整器電路，其中該調整器電路係耦合至該電荷泵電路之高電壓端點並且其中該第二調整器電路係耦合至該電荷泵電路之低電壓端點。
  23. 如請求項22之裝置，其中該控制器係組態以自該等第一與第二組切換元件之至少一者接收感測器信號並且至少部份地基於該等感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
  24. 如請求項22之裝置，其中該第一調整器電路包括一磁濾波器。
  25. 如請求項22之裝置，其中該第二調整器電路包括一磁濾波器。
  26. 如請求項17之裝置，其中該電荷泵電路包括一多級式電荷泵。
  27. 一種用以操作一電荷泵之方法，於其中來自一第一組切換元件之切換元件係組態以耦合電容器元件之端點以允許電荷在該等電容器之間轉移，並且於其中來自一第二組切換元件之切換元件係組態以耦合電容器元件之端點至選自由一高電壓端點與一低電壓端點所構成之族群的一第一端點，該方法包括導致在該高電壓端點與該低電壓端點之間的一電壓轉換，其中導致該電壓轉換包括使該等切換元件循環經由一狀態序列，各狀態界定 該等切換元件之一對應的組態，該等狀態之至少三者界定允許電荷在一對元件之間轉移的該等切換元件之不同組態，其中該對元件是選自由一第一電容器與一第二電容器、以及一第一電容器與該第一端點所構成之族群。
  28. 如請求項27之方法，進一步地包括保持一平均電流在一調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
  29. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括調整在該第一端點之一電流，因而保持一平均電流在一調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
  30. 如先前請求項之任一項之方法，其中循環該等切換元件經由一狀態序列包含保持各狀態經一電荷泵循環週期時間之一小分量的一對應持續。
  31. 如先前請求項之任一項之方法，其中該等狀態之持續係被選擇以經由各循環週期之狀態序列而保持該等複數個電容器之各者的一平衡充電與放電。
  32. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括控制在一調整器電路與該電荷泵電路之間的一平均電流。
  33. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括耦合一調整器電路至該第一端點。
  34. 如請求項33之方法，進一步地包括導致該調整器電路以在該電荷泵電路之該低電壓端點提供一電流負載。
  35. 如請求項33之方法，進一步地包括導致該調整器電路以在該電荷泵電路之該高電壓端點提供一電流負載。
  36. 如請求項33之方法，進一步地包括導致該調整器電路在該電荷泵電路之該低電壓端點操作如一電流源。
  37. 如請求項33之方法，進一步地包括導致該調整器電路在該電荷泵電路之該高電壓端點操作如一電流源。
  38. 如請求項33-37之方法，進一步地包括導致一脈波電流在一調整器電路與該電荷泵電路之間流通。
  39. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括耦合來自該等第一與第二組切換元件之切換元件至該等電容器元件之該等端點。
  40. 如請求項39之方法，其中耦合該等切換元件包括形成一多相位電荷泵。
  41. 如請求項39之方法，其中耦合該等切換元件包括形成一單相位電荷泵。
  42. 如請求項39之方法，其中耦合該等切換元件包括形成一多級式電荷泵。
  43. 如請求項39之方法，其中耦合該等切換元件包括形成一串聯乘法器。
  44. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括選擇該調整器作為一切換模式電源轉換器。
  45. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括選擇該調整器作為一降壓轉換器。
  46. 如先前請求項之任一項之方法，進一步地包括自該等第一與第二組切換元件之至少一者而接收感測器信號並 且至少部份地基於該等感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
  47. 如請求項27之方法，進一步地包括耦合一第一調整器至該高電壓端點，以及耦合一第二調整器至該低電壓端點。
  48. 如請求項47之方法，進一步地包括選擇該第二調整器作為一磁濾波器以及選擇該第一調整器將作為一轉換器。
  49. 如請求項47之方法，進一步地包括選擇該第一調整器作為一磁濾波器以及選擇該第二調整器作為一轉換器。
  50. 如請求項47之方法，進一步地包括控制該等第一與第二組切換元件之至少一者以及至少部份地基於自該等第一與第二組切換元件之至少一者所接收的感測器信號而適應地調整該等切換元件循環經由該狀態序列。
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