TWI508420B - 應用於高負載電流之電荷注入式開關電容穩壓器 - Google Patents

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Description

應用於高負載電流之電荷注入式開關電容穩壓器
本發明係有關於一種開關電容式穩壓器，尤指一種即使在過大的負載電流下也能提供穩定輸出電壓的開關電容式穩壓器。
在一般的開關電容式穩壓器中，如果負載電流超過了系統所能提供的最大電流值時，則開關電容式穩壓器的輸出電壓會產生很大的壓降，而造成開關電容式穩壓器無法提供一個穩定的輸出電壓；此外，由於輸出電壓的下降，也會進一步使得負載電流的容許值下降，而造成系統元件在操作上的問題。
因此，本發明的目的在於提供一種開關電容式穩壓器，其可以在過大的負載電流下提供穩定輸出電壓，以解決上述的問題。
依據本發明一實施例，一種應用於高負載電流之電荷注入式開關電容穩壓器，用來於一輸出端點產生一輸出電壓，包含有一儲存電容、一開關模組、一電流源以及一控制單元，其中該開關模組耦接於該儲存電容與一第一供應電壓、一第二供應電壓以及該輸出端點之間；該電流源耦接於該輸出端點，且用以選擇性地提供一電流至該輸出端點；以及該控制單元耦接於該開關模組與該輸出端點，且用來控制該開關模組以對該儲存電容進行充電或放電，以及控制該電流源以選擇性地提供 該電流至該輸出端點，以調整該輸出電壓的電壓準位。
100‧‧‧開關電容式穩壓器
110‧‧‧開關模組
120‧‧‧控制單元
122‧‧‧能帶隙電壓產生電路
124‧‧‧第一比較器
126‧‧‧第二比較器
128‧‧‧第一控制訊號產生單元
129‧‧‧第二控制訊號產生單元
Cs‧‧‧儲存電容
Cload ‧‧‧負載電容
I‧‧‧電流源
Iload ‧‧‧負載電流
M1‧‧‧電晶體
Nout‧‧‧輸出端點
SW1~SW4‧‧‧開關
第1圖為依據本發明一實施例之開關電容式穩壓器的示意圖。
第2圖為第1圖所示之開關電容式穩壓器的輸出電壓位於不同電壓區間時，對儲存電容進行充放電與對輸出端點進行充電的示意圖。
第3圖為當負載電流超過系統預設的最大負載電流時，開關電容式穩壓器的輸出電壓的變化的示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖為依據本發明一實施例之開關電容式穩壓器100的示意圖，其中開關電容式穩壓器100係用來於一輸出端點Nout產生一穩定的輸出電壓Vout，且輸出端點Nout連接至一負載(圖示之Cload 為負載電容，而Iload 為負載電流)。如第1圖所示，開關電容式穩壓器100包含有一儲存電容Cs、一開關模組110、一電流源(於本實施例中，該電流源係以一電晶體M1來實作)以及一控制單元120，其中 該開關模組110包含有四個開關SW1、SW2、SW3、SW4，開關SW1耦接於一供應電壓VDD 與儲存電容Cs的一第一端點，且用以選擇性地將供應電壓VDD 連接至儲存電容Cs的該第一端點；開關SW2耦接於儲存電容Cs的該第一端點與輸出端點Nout之間，且用以選擇性地將儲存電容Cs的該第一端點連接至輸出端點Nout；開關SW3耦接於儲存電容Cs的一第二端點與輸出端點Nout之間，且用以選擇性地將儲存電容Cs的該第二端點連接至輸出端點Nout；開關SW4則耦接於另一供應電壓(於本實施例中為接地電壓GND)與儲存電容Cs的該第二端點，且用以選擇性地將接地電壓GND連接至儲存電容Cs的該第二端點。另外，控制單元120包含有一能帶隙電壓產生電路122、一第一比較器124、一第二比較器126、一第一控制訊號產生單元128以及一第二控制訊號產生單元129，且控制單元120產生複數個第一控制訊號VC1_1 、VC1_2 與一第二控制訊號VC2 來分別控制開關模組110與電晶體M1的操作。
在開關電容式穩壓器100的操作上，是藉由控制開關SW1~SW4的開啟/關閉來對儲存電容Cs進行充電或放電，以及藉由控制電晶體M1的開啟/關閉來選擇性地對輸出端點Nout進行充電，以使得輸出電壓Vout可以維持在一個穩定的電壓值。詳細來說，控制單元120會依據輸出電壓Vout的準位來控制SW1~SW4的開啟/關閉來對儲存電容Cs進行充電或放電，以維持固定的輸出電壓Vout，然而，當負載電流Iload 過大造成輸出電壓Vout持續下降而無法維持在一個穩定的電壓值的時候，控制單元120則會另外開啟電晶體M1，以使得電晶體M1可以作為一電流源以另外對輸出端點Nout進行充電，以進一步提升輸出電壓Vout的準位。以下將針對電容式穩壓器100中每個元件的詳細操作作說明。
能帶隙電壓產生電路122會產生兩個參考電壓VREF1 與 VREF2 ，其中參考電壓VREF1 為開關電容式穩壓器100之輸出電壓Vout的理想值，而參考電壓VREF2 的準位則略低於參考電壓VREF1 。舉例來說，假設供應電壓VDD 為3.3V，參考電壓VREF1 為1.2V，則參考電壓VREF2 可以為1.0V或是1.1V。
接著，第一比較器124會比較輸出電壓Vout與參考電壓VREF1 以產生一比較結果CP1，而第一控制訊號產生單元128依據比較結果CP1來產生第一控制訊號VC1_1 與VC1_2 來分別控制開關SW1~SW4的開啟/關閉，其中第一控制訊號VC1_1 與VC1_2 為反相的訊號；此外，第二比較器126會比較輸出電壓Vout與參考電壓VREF2 以產生一比較結果CP2，而第二控制訊號產生單元129依據比較結果CP2來產生第二控制訊號VC2 以控制電晶體M1的開啟/關閉。
詳細來說，當輸出電壓Vout大於參考電壓VREF1 時，第一控制訊號產生單元128產生第一控制訊號VC1_1 、VC1_2 以關閉開關SW1~SW4,使得輸出端點Nout上之輸出電壓Vout會緩慢的進行放電，以使得輸出電壓Vout保持在VREF1 電壓準位；此外，第二控制訊號產生單元129產生第二控制訊號VC2 以關閉電晶體M1。
另一方面，當輸出電壓Vout小於參考電壓VREF1 ，第一控制訊號產生單元128產生週期性兩個相位的第一控制訊號VC1_1 、VC1_2 ，以交替地對儲存電容Cs進行充電放電來使得輸出電壓Vout保持在VREF1 電壓準位。詳細來說，當對儲存電容Cs進行充電時，第一控制訊號VC1_1 會開啟開關SW1與SW3，而第一控制訊號VC1_2 關閉開關SW2與SW4來對儲存電容Cs進行充電，且對Vout供應電流，此時對儲存電容Cs進行充電的示意圖如第2圖(b)所示；當對儲存電容Cs進行放電時，第一控 制訊號VC1_2 開啟開關SW2與SW4，而第一控制訊號VC1_1 關閉開關SW1與SW3來對儲存電容Cs進行放電，此時對儲存電容Cs進行放電的示意圖如第2圖(a)所示；此外，若是此時輸出電壓Vout大於參考電壓VREF2 時，第二控制訊號產生單元129會產生第二控制訊號VC2 以關閉電晶體M1。
另外，當輸出電壓Vout小於參考電壓VREF2 時，此時代表負載電流Iload 過大造成輸出電壓Vout持續下降而無法維持在一個穩定的電壓值，此時第一控制訊號產生單元128持續的產生週期性兩個相位的第一控制訊號VC1_1 和VC1_2, 使得儲存電容Cs持續的對輸出端點Nout充電，第二控制訊號產生單元129此時會產生第二控制訊號VC2 以開啟電晶體M1，以作為一個電流源I對輸出端點Nout進行充電以進一步提升輸出電壓Vout的準位，而此時電晶體M1對輸出端點Nout進行充電的示意圖如第2圖(c)所示。
如上所述，由於在負載電流Iload 過大時，電晶體M1會提供另外一個充電路徑來對輸出端點Nout進行充電以進一步提升輸出電壓Vout的準位，因此，即使如第3圖所示之負載電流Iload 超過了系統預設的最大負載電流Iload_max ，輸出電壓Vout也只會稍微降低而不會影響到系統其他元件的操作。
此外，雖然於第1圖所示的實施例中，開關模組120係包含四個開關SW1~SW4，且電流源使用電晶體M1來實作，然而，此一電路架構僅為範例說明而並非作為本發明的限制。於本發明之其他實施例中，由於開關電容穩壓器有各種架構，開關模組120可有數顆充放電容Cs和數個開關去組合，只要是開關電容穩壓器的架構，，且當輸出電壓Vout 小於參考電壓VREF2 時輸出端點Nout具有如第2圖(c)所示的等效電路，開關模組120中的開關數量以及耦接方式可以有其他種類的設計，且電晶體M1亦可以被替換為其他形式的電流源，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
簡要歸納本發明，於本發明之開關電容式穩壓器中，當開關電容式穩壓器的輸出電壓因為過大的負載電流而使得輸出電壓低於一參考電壓值時，開關電容式穩壓器會使用兩個電流路徑來對輸出端點進行充電，以使得輸出電壓可以維持在一穩定電壓值，而不會影響到系統其他元件的操作。
100‧‧‧開關電容式穩壓器
110‧‧‧開關模組
120‧‧‧控制單元
122‧‧‧能帶隙電壓產生電路
124‧‧‧第一比較器
126‧‧‧第二比較器
128‧‧‧第一控制訊號產生單元
129‧‧‧第二控制訊號產生單元
Cs‧‧‧儲存電容
Cload ‧‧‧負載電容
Iload ‧‧‧負載電流
M1‧‧‧電晶體
Nout‧‧‧輸出端點
SW1~SW4‧‧‧開關

Claims (6)

  1. 一種應用於高負載電流之電荷注入式開關電容穩壓器(switching-capacitor regulator)，用來於一輸出端點產生一輸出電壓，包含有：一儲存電容；一開關模組，耦接於該儲存電容與一第一供應電壓、一第二供應電壓以及該輸出端點之間；一電流源，耦接於該輸出端點，用以選擇性地提供一電流至該輸出端點；以及一控制單元，耦接於該開關模組與該輸出端點，用來控制該開關模組以選擇性地對該儲存電容進行充電或放電，以及控制該電流源以選擇性地提供該電流至該輸出端點，以調整該輸出電壓的電壓準位；其中該控制單元依據該輸出電壓的電壓準位來控制該開關模組以選擇性地對該儲存電容進行充電或放電，以及控制該電流源以選擇性地提供該電流至該輸出端點，以調整該輸出電壓的電壓準位，且該控制單元包含有：一第一比較器，用來比較該輸出電壓與一第一參考電壓，以產生一第一比較結果；一第一控制訊號產生單元，耦接於該第一比較器，用來依據該第一比較結果來產生複數個第一控制訊號來控制該開關模組；一第二比較器，用來比較該輸出電壓與一第二參考電壓，以產生一第二比較結果；以及一第二控制訊號產生單元，耦接於該第二比較器，用來依據該第二比較結果來產生一第二控制訊號來控制該電流源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之開關電容式穩壓器，其中該電流源係為耦接 於該第一供應電壓與該輸出端點之間的一開關元件，且用來選擇性地將該第一供應電壓連接至該輸出端點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之開關電容式穩壓器，其中該第二參考電壓低於該第一參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之開關電容式穩壓器，其中該電流源係為耦接於該第一供應電壓與該輸出端點之間的一開關元件，且用來依據該第二控制訊號以選擇性地將該第一供應電壓連接至該輸出端點。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之開關電容式穩壓器，其中當該輸出電壓小於該第二參考電壓時，該第二控制訊號產生單元控制該電流源以提供該電流至該輸出端點；以及當該輸出電壓大於該第二參考電壓時，該第二控制訊號產生單元控制該電流源以使得該電流源不會提供該電流至該輸出端點。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之開關電容式穩壓器，其中該第一參考電壓與該第二參考電壓均由一能帶隙電壓(bandgap voltage)產生電路所產生。
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