TWI425750B - 雙模式電荷幫浦 - Google Patents

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Description

雙模式電荷幫浦
本發明係有關一種雙模式電荷幫浦，特別是關於一種可供應正、負電壓的雙模式電荷幫浦。
G類及H類放大器需要多個電源供應器，分別提供正、負供應電壓。近來已發現，將產生一組正、負供應電壓的方法與可選擇的模式結合在一起，成為改善G類及H類放大器之效能及成本的手段。
具雙模式電荷幫浦的電源供應產生方法，係美國專利公開號20080044041首先提出，其使用兩個飛輪(flying)電容及八個受控開關。爾後，在美國專利號7,626,445中，揭露僅使用單一飛輪電容及六個開關的雙模式電荷幫浦產生雙極性供應電壓的發明，因而減少晶粒面積及成本。然而，這些雙極性供應電壓都和雙模式電荷幫浦的輸入電源電壓VDD有關，不是等於±VDD，就是等於±cVDD，此處c為比例分數。例如在美國專利公開號20080044041中，圖1參照，若正供應電壓Out+為1.6V，則負供應電壓Out-必定是-1.6V，且輸入電源電壓Vbatt只能是1.6V或1.6V的比例分數倍(如2/3，而且需額外電容來實現)，輸入電源電壓Vbatt完全被供應電壓Out+/Out-所限制，降低了系統應用的彈性。
此外，在習知的雙模式電荷幫浦中，例如美國專利公開號20080044041，圖1參照，共模電壓Vcm易受開關動作及負載電流的影響，導致較大的共模電壓漂移，尤其是在從供應電壓輸出端Out+及Out-抽取的負載電流不平衡時更嚴重。
本發明的目的之一，在於提出一種輸出正負電壓準位與輸入電壓準位無關之雙模式電荷幫浦電路。
根據本發明，一種雙模式電荷幫浦可操作於第一及第二模式，以提供正、負輸出電壓，其藉由調節飛輪(flying)電容兩端點的充電時間或正、負電壓輸出端的充放電時間來穩定該正、負輸出電壓。本發明的雙模式電荷幫浦輸入電源電壓不被輸出正、負電壓所限制，因此增加了系統應用的彈性。
如圖2所示的放大器系統，其中聲音輸出裝置10可以是G類或H類放大器，用以放大輸入信號audio_in產生輸出信號audio_out至負載14，雙模式電荷幫浦12可根據模式選擇信號操作於第一及第二模式，提供多組供應電壓HPVDD及HPVSS至聲音輸出裝置10的電源輸入端，負載振幅感測電路16感測輸出信號audio_out的振幅以判斷負載14之狀態，並根據負載14之狀態送出模式選擇信號來切換第一及第二模式。
圖3係圖2的雙模式電荷幫浦12的實施例，其包括飛輪電容Cfly、開關控制電路22及開關電容電路24。在開關電容電路24中，開關S1連接在電源輸入端VIN及飛輪電容Cfly的第一端18之間，開關S2連接在接地端GND及飛輪電容Cfly的第二端20之間，開關S3連接在飛輪電容Cfly的第一端18及雙模式電荷幫浦的供應電壓輸出端HPVDD之間，開關S4連接在飛輪電容Cfly的第一端18及接地端GND之間，開關S5連接在飛輪電容Cfly的第二端20及雙模式電荷幫浦的供應電壓輸出端HPVSS之間，開關S6連接在飛輪電容Cfly的第二端20及雙模式電荷幫浦的供應電壓輸出端HPVDD之間，儲能電容C1及C2分別連接電壓輸出端HPVDD及HPVSS。開關S1~S6的控制信號CS1~CS6由開關控制電路22來控制。
圖4顯示圖3中控制信號CS1~CS5在第一模式期間的時序圖。參照圖3及圖4，其中開關S6在第一模式期間保持截止，雙模式電荷幫浦12的第一模式包含第一及第二操作狀態，在第一模式的第一操作狀態期間，如時間t1至t2，開關S1、開關S2及開關S3導通(on)，開關S4、開關S5截止，如圖5所示，圖6顯示圖5電路的等效電路，此期間輸入電壓VIN對飛輪電容Cfly及儲能電容C1充電，其中控制電路22偵測飛輪電容Cfly第一端點18的電壓V1，並將其與參考電壓VREF做比較來控制開關S1的導通時間Ton，因而使飛輪電容Cfly及儲能電容C1上的跨壓等於參考電壓VREF，此參考電壓VREF可以是輸入電源電壓VIN的任意比例分數c*VIN，所以在第一模式的第一操作狀態期間，電壓輸出端HPVDD上的電壓等於VREF。在第一模式的第二操作狀態期間，如時間t3至t4，開關S1、開關S2及開關S3截止，當開關S4及S5都導通時，如圖7所示，圖8顯示圖7電路的等效電路，此期間飛輪電容Cfly對電壓輸出端HPVSS放電，使電壓輸出端HPVSS上的電壓等於-VREF。在此實施例中，電壓HPVDD及HPVSS之絕對值皆等於飛輪電容Cfly的第一端18及第二端20之間的跨壓VREF，但在其他實施例中，開關控制電路22也可以調整控制信號CS3及CS5的脈寬，使電壓HPVDD及HPVSS之絕對值相等且小於飛輪電容Cfly的第一端18及第二端20之間的跨壓VREF。
圖9顯示圖3中控制信號CS1~CS6在第二模式期間的時序圖。參照圖3及圖9，雙模式電荷幫浦12的第二模式包含第一、第二及第三操作狀態。在第二模式的第一操作狀態期間，如時間t1至t2所示，開關S1及開關S6導通(on)，其他開關截止，如圖10所示，圖11顯示圖10電路的等效電路，此期間輸入電壓VIN對串聯的飛輪電容Cfly及儲能電容C1充電，其中控制電路22偵測飛輪電容Cfly第一端點18的電壓V1，並將其與參考電壓VREF做比較來控制開關S1的導通時間Ton，進而使飛輸電容Cfly的第一端點18至接地端GND之間的跨壓等於VREF，此時飛輪電容Cfly與儲能電容C1平均分配參考電壓VREF，亦即飛輪電容Cfly與儲能電容C1的跨壓皆為VREF/2。在第二模式的第二操作狀態期間，如時間t3至t4，開關S4及開關S5導通(on)，其他開關截止，如圖12所示，圖13顯示圖12的等效電路，此時飛輪電容Cfly與儲能電容C2並聯，而且飛輪電容Cfly的第一端點18接地，因此飛輪電容Cfly的電荷轉移到儲能電容C2使得電壓輸出端HPVSS等於-VREF/2。在第二模式的第三操作狀態期間，如時間t5至t6，開關S2及開關S3導通(on)，其他開關截止，如圖14所示，圖15顯示圖14電路的等效電路，飛輪電容Cfly與儲能電容C1並聯，而且飛輸電容Cfly的第二端點20接地，因此飛輪電容Cfly及儲能電容C1的電荷重新分配，使得電壓輸出端HPVDD等於VREF/2。在此實施例中，電壓HPVDD及HPVSS之絕對值的兩倍皆等於飛輪電容Cfly的第一端18及第二端20之間的跨壓VREF/2，但在其他實施例中，開關控制電路22也可以調整控制信號CS3及CS5的脈寬，使電壓HPVDD及HPVSS之絕對值的兩倍相等且小於飛輪電容Cfly的第一端18及第二端20之間的跨壓VREF/2。
與習知技術相比，圖3的雙模式電荷幫浦輸入電源電壓VIN不被輸出正、負電壓HPVDD及HPVSS所限制，而且藉由調整控制信號CS1~CS6的脈寬可以調整正、負電壓HPVDD及HPVSS，因此增加了系統應用的彈性。
圖3中的開關控制電路22的實施例如圖16所示。其包括電阻R1及R2串聯在參考電壓端VREF及電壓輸出端HPVSS之間，電阻R3及R4串聯在電壓輸出端HPVDD及接地端GND之間，電阻R3及R4分壓電壓HPVDD產生電壓Vd，比較器26比較參考電壓VREF/2及電壓Vd產生比較信號Sc1，比較器28比較電壓HPVSS及接地電位GND產生比較信號Sc2，脈寬控制電路30根據比較信號Sc1及Sc2產生控制信號CS1~CS6。開關控制電路22的作用為決定控制信號CS1~CS6的輸出時序及其脈波寬度來達成控制飛輪電容Cfly第一端點18之電壓絕對值。
10．．．聲音輸出裝置
12．．．雙模式電荷幫浦
14．．．負載
16．．．負載振幅感測電路
18．．．飛輪電容的第一端
20．．．飛輪電容的第二端
22．．．開關控制電路
24．．．開關電容電路
26．．．比較器
28．．．比較器
30．．．脈寬控制電路
圖1係習知的雙模式電荷幫浦；
圖2係使用本發明的雙模式電荷幫浦的放大器系統；
圖3係圖2的雙模式電荷幫浦的實施例；
圖4係圖3的雙模式電荷幫浦在第一模式關關控制時序圖；
圖5係圖3開關電容電路在第一模式的第一操作狀態的開關控制；
圖6係圖5開關電容電路的等效電路；
圖7係圖3開關電容電路在第一模式的第二操作狀態的開關控制；
圖8係圖7開關電容電路的等效電路；
圖9係圖3的雙模式電荷幫浦在第二模式關關控制時序圖；
圖10係圖3開關電容電路在第二模式的第一操作狀態的開關控制；
圖11係圖10開關電容電路的等效電路；
圖12係圖3開關電容電路在第二模式的第二操作狀態的開關控制；
圖13係圖12開關電容電路的等效電路；
圖14係圖3開關電容電路在第二模式的第三操作狀態的開關控制；
圖15係圖14開關電容電路的等效電路；
圖16係圖3的開關控制電路的實施例。
18．．．飛輪電容的第一端
20．．．飛輪電容的第二端
22．．．開關控制電路
24．．．開關電容電路

Claims (7)

  1. 一種可操作於第一及第二模式的雙模式電荷幫浦電路，包括：一輸入端，可接受一輸入電壓；一接地端，為計算電壓大小的相對零點；第一和第二電壓輸出端；飛輪電容，具有第一端和第二端；以及一開關電容電路連接該輸入端、接地端、飛輪電容的第一端和第二端、以及第一和第二電壓輸出端；其中，在第一模式期間，在第一電壓輸出端產生第一正電壓，在第二電壓輸出端產生第一負電壓，該第一正電壓及第一負電壓具有相同的第一絕對值，該第一絕對值小於或等於飛輪電容第一端點及第二端點間的跨壓，而且在該輸入電壓固定的情況下，該第一絕對值是可調整的；在第二模式期間，在第一電壓輸出端產生第二正電壓，在第二個電壓輸出端產生第二負電壓，該第二正電壓和第二負電壓具有相同的第二絕對值，該第二絕對值的兩倍小於或等於飛輪電容第一端點及第二端點間的跨壓，而且在該輸入電壓固定的情況下，該第二絕對值是可調整的。
  2. 如請求項1之雙模式電荷幫浦電路，其中該開關電容電路可以操作於多種操作狀態，該多種操作狀態包括對該飛輪電容充電，或對該第一和第二電壓輸出端放電。
  3. 如請求項2之雙模式電荷幫浦電路，更包括一開關控制電 路提供控制信號給該開關電容電路以決定其操作狀態。
  4. 如請求項1之雙模式電荷幫浦電路，其中該第一和第二模式係根據第一和第二電壓輸出端之間的負載狀態而決定。
  5. 如請求項3之雙模式電荷幫浦電路，其中該第一和第二電壓輸出端分別接到聲音的輸出裝置之電源輸入。
  6. 如請求項1之雙模式電荷幫浦電路，其中該開關電容電路包括多個開關用以控制該飛輪電容的充電時間及第一和第二電壓輸出端的充放電時間。
  7. 如請求項6之雙模式電荷幫浦電路，更包括一開關控制電路提供多個控制信號給該開關電容電路以控制該多個開關的導通時間，以調整該第一及第二正電壓以及第一及第二負電壓的值。
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