TW202038039A - 可重新配置的電壓調節器 - Google Patents

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Abstract

一種用於在具有複數個功率域的系統中使用的可重新配置的電壓調節器包括功率檢測電路和電荷泵。該功率檢測電路被耦合到電源，並且被配置爲：將該電源的功率範圍劃分爲與該系統的複數個功率域相對應的複數個電壓區；並且提供與該複數個功率域中的具體功率域相關聯的泵致能訊號。該電荷泵包括複數個泵級，該複數個泵級被布置在矩陣中，其中，根據該泵致能訊號的對應位元來啟動或停用每個泵級。

Description

可重新配置的電壓調節器
本發明涉及一種可重新配置的電壓調節器，尤指一種用於在具有多個功率域（power domain）的系統中使用的可重新配置的電壓調節器。
許多可攜式産品，諸如手機、筆電、掌上型電腦（PDA）等，利用了執行諸如通信和多媒體程式之類的程式的處理系統。用於這樣的産品的處理系統可以包括複數個處理器、包括用於存儲指令和數據的複數級高速緩存和記憶體的複雜記憶體系統、控制器、諸如通信接口的外圍器件，以及例如在單個晶片上配置的固定功能邏輯塊。同時，可攜式産品具有電池形式的有限能量源，其常常需要支持處理系統的高性能操作以及隨著功能增加而逐漸增大的記憶體容量。這樣的問題擴展到了個人電腦産品，這些産品也正在以有效的設計來開發從而以降低的總體能耗進行操作。
在這樣的可攜式系統中，一個或複數個低壓差（LDO）電壓調節器（也稱爲LDO調節器）通常被嵌入在電源管理晶片上，以調節用於一個或複數個晶片上的電路的一個或複數個電壓。複數個LDO調節器中的每個LDO調節器被用於調節用於特定功率域中的電路的電壓。例如，行動電話可以採用快閃記憶體，其需要各種高電壓以用於讀取、編程和清除操作。這些電壓由電荷泵生成，該電荷泵基於由LDO調節器生成的內部電源。
現有技術的LDO解決方案的主要缺點是可攜式系統的劣化的功率效率。此外，需要使用許多去耦電容來補償AC或瞬態性能，從而導致增加了裸晶尺寸。
本發明涉及一種用於在具有複數個功率域的系統中使用的可重新配置的電壓調節器。該可重新配置的電壓調節器包括：功率檢測電路和電荷泵。該功率檢測電路被耦合到電源，並且被配置爲：將該電源的功率範圍劃分爲與該系統的該複數個功率域相對應的複數個電壓區；並且提供與該複數個功率域中的第一功率域相關聯的泵致能訊號。該電荷泵包括複數個泵級，該複數個泵級被布置在由第一行至第M行以及第一列至第N列所限定的矩陣中，其中，M和N是大於1的整數。根據該泵致能訊號的對應位元來啟動或停用每個泵級。
第1圖是根據本發明的實施例的用於在複數個功率域的系統中使用的可重新配置的電壓調節器100的功能圖。可重新配置的電壓調節器100包括功率檢測電路20和電荷泵30，其操作由外部電源10來維持。功率檢測電路20被配置爲將外部電源10的整個功率範圍分成與該系統的複數個功率域相對應的複數個電壓區。電荷泵30針對每個電壓區可重新配置，並且被配置爲表現得像基於功率的電壓倍增器，由此在該系統的整個功率範圍內實現優化的功率效率。
第2圖是根據本發明實施例的用於在L（L是大於1的整數）個功率域的系統中使用的可重新配置的電壓調節器100的功率檢測電路20的實施方式的圖。功率檢測電路20包括分壓器22、比較器CP1 ~CPL 、第一解碼器24和第二解碼器26。分壓器22可以包括串聯耦合在由外部電源10提供的偏置電壓VCC與接地電壓GND之間的複數個電阻，其中，L個抽頭電壓V1 ~VL 被提供在兩個相鄰電阻之間。比較器CP1 ~CPL 中的每個比較器包括：正輸入端，其被耦合以接收對應的抽頭電壓；負輸入端，其被耦合到對應的參考電壓VREF1 ~VREFL ；以及輸出端。每個比較器被配置爲當在其正輸入端處接收到的抽頭電壓高於在其負輸入端處接收到的參考電壓時輸出邏輯1訊號；每個比較器被配置爲當在其正輸入端處接收到的抽頭電壓不高於在其負輸入端處接收到的參考電壓時輸出邏輯0訊號。比較器CP1 ~CPL 的所有輸出訊號形成L位元確定訊號det＜L:1＞。第一解碼器24被配置爲將確定訊號det＜L:1＞解碼爲列致能訊號en_row＜1:M＞和行致能訊號en_column＜1:N＞，其中，M和N是大於1的正整數。第二解碼器26被配置爲將列致能訊號en_row＜1:M＞和行致能訊號en_column＜1:N＞轉換成與該系統的特定功率域相關聯的泵致能訊號EN＜1:M×N＞。
第3圖是根據本發明的實施例的電荷泵30的實施方式的圖。電荷泵30包括複數個泵級ST11 ~STMN ，其被布置在由M個行和N個列限定的矩陣中，並且被配置爲提供泵輸出VOUT 。第一列上的泵級ST11 ~STM1 被耦合到由外部電源10提供的偏置電壓VCC。第二列上的泵級ST12 ~STM2 至第N列上的泵級ST1N ~STMN 中的每個泵級經由相應的開關SW12 ~SWM2 至ST1N ~STMN 被選擇性地耦合到偏置電壓VCC。泵級ST11 ~STMN 由功率檢測電路10生成的泵致能訊號EN＜1:M×N＞的對應位元en＜1,1＞ ~ en＜M,N＞來啓用或失能。開關SW12 ~SWM2 至ST1N ~STMN 通過控制訊號S12 ~SM2 至S1N ~SMN 分別被接通或斷開。
第4圖~第8圖是根據本發明的實施例的可重新配置的電壓調節器100的操作的圖。對於該系統中的L個功率域中的每個功率域，M和N的數量是可重新配置的。爲了例示說明的目的，第4圖~8描繪了當M = 2並且N = 3時的實施例。然而，M和N的數量並不限制本發明的範圍。
在第4圖~第8圖的實施例中，泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 由功率檢測電路10生成的泵致能訊號EN＜1:6＞的對應位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞來啓用或失能。該矩陣的第一列上的泵級ST11 和ST21 被直接耦合到偏置電壓VCC。該矩陣的第二列和第三列上的泵級ST12 、ST13 、ST22 和ST23 經由相應的開關SW12 、SW13 、SW22 和SW23 被耦合到偏置電壓VCC，該開關SW12 、SW13 、SW22 和SW23 分別通過控制訊號S12 、S13 、S22 和S23 來接通或斷開。在本發明中，通過分別反轉泵致能訊號EN＜1:6＞的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜2,1＞和en＜2,2＞來提供控制訊號S12 、S13 、S22 和S23 。更具體地，對於該矩陣的同一行上的泵級，該矩陣的第（n+1）列上的泵級當該矩陣的第n列上的泵級被停用時經由其對應的接通的開關被耦合到偏置電壓VCC；或者當該矩陣的第n列上的泵級被啟動時通過其對應的斷開的開關與偏置電壓VCC隔離，其中，n是2與N之間的整數。
在第4圖中所描繪的實施例中，假設偏置電壓VCC處於最大值3.6 V。在這樣的情況下，由比較器CP1 ~CPL 輸出的確定訊號det＜L:1＞的每個位元是邏輯1。在第一解碼器24對確定訊號det＜L:1＞進行解碼之後，行致能訊號en_row＜1:2＞在Verilog中等於2'b10，並且列致能訊號en_column＜1:3＞在Verilog中等於3'b100。在第二解碼器26轉換了行致能訊號en_row＜1:2＞和列致能訊號en_column＜1:3＞之後，泵致能訊號EN＜1:6＞在Verilog中等於6'b001000。如在第4圖中所描繪的，泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 分別由泵致能訊號EN＜1:6＞的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞來控制。因此，僅泵級ST13 被啟動，如由具有邏輯1的致能電位的位元en＜1,3＞所指示的。此外，由於位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜2,1＞和en＜2,2＞處於邏輯0的失能電位，所以具有邏輯1的致能電位的控制訊號S12 、S13 、S22 和S23 接通開關SW12 、SW13 、SW22 和SW23 ，由此將泵級ST12 、ST13 、ST22 和ST23 耦合到偏置電壓VCC。
在第5圖中所描繪的實施例中，假設偏置電壓VCC處於最小值1.6 V。在這樣的情況下，由比較器CP1 ~CPL 輸出的確定訊號det＜L:1＞的每個位元是邏輯0。在第一解碼器24對確定訊號det＜L:1＞進行解碼之後，行致能訊號en_row＜1:2＞在Verilog中等於2'b11，並且列致能訊號en_column＜1:3＞在Verilog中等於3'b111。在第二解碼器26轉換了行致能訊號en_row＜1:2＞和列致能訊號en_column＜1:3＞之後，泵致能訊號EN＜1:6＞在Verilog中等於6'b111111。如在第5圖中所描繪的，泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 分別由泵致能訊號EN＜1:6＞的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞來控制。因此，所有泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 被啟動，如由具有邏輯1的致能電位的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞所指示的。此外，具有邏輯0的失能電位的控制訊號S12 、S13 、S22 和S23 斷開開關SW12 、SW13 、SW22 和SW23 ，由此將泵級ST12 、ST13 、ST22 和ST23 與偏置電壓VCC隔離。
在第6圖中所描繪的實施例中，假設電壓VCC處於需要通過兩個泵級進行電壓放大的值。在這樣的情況下，泵致能訊號EN＜1:6＞在Verilog中可以等於6'b001001。如在第6圖中所描繪的，泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 分別由泵致能訊號EN＜1:6＞的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞來控制。因此，僅有泵級ST13 和ST23 被啟動，如由各自具有邏輯1的致能電位的位元en＜1,3＞和en＜2,3＞所指示的。此外，由於位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜2,1＞和en＜2,2＞各自處於邏輯0的失能電位，所以各自具有邏輯1的致能電位的控制訊號S12 、S13 、S22 和S23 接通開關SW12 、SW13 、SW22 和SW23 ，由此將泵級ST12 、ST13 、ST22 和ST23 耦合到偏置電壓VCC。
在第7圖中所描繪的實施例中，假設電壓VCC處於需要通過兩個泵級進行電壓放大的值。在這樣的情況下，泵致能訊號EN＜1:6＞可以在Verilog中等於6'b011000。如在第7圖中所描繪的，泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 分別由泵致能訊號EN＜1:6＞的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞來控制。因此，僅有泵級ST12 和ST13 被啟動，如由各自具有邏輯1的致能電位的位元en＜1,2＞和en＜1,3＞所指示的。此外，由於位元en＜1,1＞、en＜2,1＞和en＜2,2＞各自處於邏輯0的失能電位，所以各自具有邏輯1的致能電位的控制訊號S12 、S22 和S23 接通開關SW12 、SW22 和SW23 ，由此將泵級ST12 、ST22 和ST23 耦合到偏置電壓VCC。由於位元en＜1,2＞處於邏輯1的致能電位，所以具有邏輯0的失能電位的控制訊號S13 斷開開關SW13 ，由此將泵級ST13 與偏置電壓VCC隔離。
在第8圖中所描繪的實施例中，假設電壓VCC處於需要通過四個泵級進行電壓放大的值。在這樣的情況下，泵致能訊號EN＜1:6＞可以在Verilog中等於6'b011011。如在第8圖所描繪的，泵級ST11 、ST12 、ST13 、ST21 、ST22 和ST23 分別由泵致能訊號EN＜1:6＞的位元en＜1,1＞、en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,1＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞來控制。因此，僅有泵級ST12 、ST13 、ST22 和ST23 被啟動，如由各自具有邏輯1的致能電位的位元en＜1,2＞、en＜1,3＞、en＜2,2＞和en＜2,3＞所指示的。此外，由於位元en＜1,1＞和en＜2,1＞各自處於邏輯0的失能電位，因此各自具有邏輯1的致能電位的控制訊號S12 和S22 接通開關SW12 和SW22 ，由此將泵級ST12 和ST22 耦合到偏置電壓VCC。由於位元en＜1,2＞和en＜2,2＞各自處於邏輯1的致能電位，因此各自具有邏輯0的失能電位的控制訊號S13 和S23 斷開開關SW13 和SW23 ，由此將泵級ST13 和ST23 與偏置電壓VCC隔離。
在本發明中，泵級ST11 ~STMN 中的每個泵級可以是電壓倍增器。第9圖是根據本發明的實施例的每個泵級的實施方式的圖。在第9圖中所圖示的實施例中，每個泵級可以被實施爲Pelliconi倍壓器，其被配置爲通過將輸入電壓VIN 放大2倍來提供輸出電壓VOUT 。然而，泵級ST11 ~STMN 的實施方式並不限制本發明的範圍。
在根據本發明的可重新配置的電壓調節器100中，功率檢測電路20可以實時地檢測外部電源10的電流水平。當利用當前的可重新配置的電壓調節器100實施的晶片被應用於具有複數個功率域的系統時，可以自發地重新配置電荷泵30以提供與當前功率域相關聯的對應輸出電壓VOUT 。當利用當前的可重新配置的電壓調節器100實施的系統的電源改變時，諸如當鋰基電池隨時間傳送較少能量時，可以自發地重新配置電荷泵30以提供與當前功率域相關聯的對應輸出電壓VOUT 。
在根據本發明的可重新配置的電壓調節器中，外部電源的整個功率範圍可以被劃分爲與系統的複數個功率域相對應的複數個電壓區。在可重新配置的電壓調節器中的每個電荷泵可以針對每個電壓區重新配置，並且可以被配置爲表現得像基於功率的電壓倍增器，以向每個功率域提供所需的電壓。根據本發明的可重新配置的電壓調節器可以被應用於維持寬功率範圍閃存的操作，由此在系統的整個功率範圍內實現優化的功率效率。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:電壓調節器 10:外部電源 20:功率檢測電路 30:電荷泵 22:分壓器 24、26:解碼器 CP1至CPL:比較器 V1至VL:抽頭電壓 det＜1:1＞至det＜L:1＞:確定訊號 en_row＜1:1＞至en_row＜1:M＞:列致能訊號 en_column＜1:1＞至en_column＜1:N＞:行致能訊號 ST11至STMN:泵級 SW11至SWMN:開關 EN＜1:1＞至EN＜1:M×N＞:致能訊號 en＜1,1＞至en＜M,N＞:致能訊號的對應位元 S11至SMN:控制訊號 VCC:偏置電壓 GND:接地電壓 VREF1至VREFL:參考電壓 VIN:輸入電壓 VOUT:輸出電壓
第1圖是根據本發明的實施例的用於在複數個功率域的系統中使用的可重新配置的電壓調節器的功能圖。 第2圖是根據本發明的實施例的用於在複數個功率域的系統中使用的可重新配置的電壓調節器的功率檢測電路的實施方式的圖。 第3圖是根據本發明的實施例的可重新配置的電壓調節器的電荷泵的實施方式的圖。 第4圖是根據本發明的實施例的可重新配置的電壓調節器的操作的圖。 第5圖是根據本發明的另一實施例的可重新配置的電壓調節器的操作的圖。 第6圖是根據本發明另一實施例的可重新配置的電壓調節器的操作的圖。 第7圖是根據本發明另一實施例的可重新配置的電壓調節器的操作的圖。 第8圖是根據本發明另一實施例的可重新配置的電壓調節器的操作的圖。 第9圖是根據本發明的實施例的每個泵級的實施方式的圖。
100:電壓調節器
10:外部電源
20:功率檢測電路
30:電荷泵

Claims (9)

  1. 一種可重新配置的電壓調節器，包括： 一功率檢測電路，被耦合到電源，且被配置為： 將該電源的功率範圍劃分爲與該系統的複數個功率域相對應的複數個電壓區； 提供與該複數個功率域中的第一功率域相關聯的一泵致能訊號；及 一電荷泵，其包括複數個泵級，該複數個泵級被布置在由第一行至第M行以及第一列至第N列限定的矩陣中，其中： 根據該泵致能訊號的對應位元來啟動或停用每個泵級；及 M和N是大於1的整數。
  2. 如請求項1所述的可重新配置的電壓調節器，其中，每個泵級是被實施爲包括二極體和電容的二極體整流器電路的電壓倍增器。
  3. 如請求項1所述的可重新配置的電壓調節器，其中，該功率檢測電路包括： 一分壓器，被串聯地耦合在由該電源提供的偏置電壓與接地電壓之間，以提供與該複數個功率域相關聯的複數個抽頭電壓； 複數個比較器，每個比較器被配置爲根據該複數個抽頭電壓中的對應抽頭電壓來輸出邏輯訊號； 一第一解碼器，其被配置爲： 接收包括由每個比較器輸出的該邏輯訊號的確定訊號； 將該確定訊號解碼爲與該第一功率域相關聯的M位元行致能訊號和N位元列致能訊號；及 一第二解碼器，其被配置爲將該M位元行致能訊號和該N位元列致能訊號轉換爲具有M×N位元的該泵致能訊號。
  4. 如請求項1所述的可重新配置的電壓調節器，另包括複數個開關，其中： 該矩陣的第一列上的每個泵級被耦合到由該電源提供的偏置電壓； 該矩陣的第二列至第N列上的每個泵級經由該複數個開關中的對應開關被選擇性地耦合到該偏置電壓。
  5. 如請求項4所述的可重新配置的電壓調節器，其中： 將該矩陣的第m行和第（n+1）列上的泵級選擇性地耦合到該偏置電壓的開關當該矩陣的第m行和第n列上的泵級被停用時被接通，或者當該矩陣的第m行和第n列上的該泵級被啟動時被斷開； m是在1與M之間的整數；及 （n+1）是在2與N之間的整數。
  6. 如請求項1所述的可重新配置的電壓調節器，其中： 當該泵致能訊號指示通過複數個泵級中的一個泵級進行電壓放大時，該矩陣的第一行和第N列上的第一泵級被啟動。
  7. 如請求項1所述的可重新配置電壓調節器，其中： 當該泵致能訊號指示通過該複數個泵級中的兩個泵級進行電壓放大時，該矩陣的第一行和第N列上的第一泵級被啟動，該矩陣的第一行和第（N-1）列上的第二泵級被啟動，並且該複數個泵級中除了該第一泵級和該第二泵級之外的其他泵級被停用。
  8. 如請求項1所述的可重新配置的電壓調節器，其中： 當該泵致能訊號指示通過該複數個泵級中的兩個泵級進行電壓放大時，該矩陣的第一行和第N列上的第一泵級被啟動，該矩陣的第二行和第N列上的第二泵級被啟動，並且該複數個泵級中除了該第一泵級和該第二泵級之外的其他泵級被停用。
  9. 如請求項1所述的可重新配置的電壓調節器，其中： 當該泵致能訊號指示通過該複數個泵級中的四個泵級進行電壓放大時，該矩陣的第一行和第N列上的第一泵級被啟動，該矩陣的第一行和第（N-1）列上的第二泵級被啟動，該矩陣的第二行和第N列上的第三泵級被啟動，該矩陣的第二行和第（N-1）列上的第四泵級被啟動，並且該複數個泵級中除了該第一泵級至該第四泵級之外的其他泵級被停用。
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