TWI581549B - 電源輸出電路及其控制方法 - Google Patents

Description

電源輸出電路及其控制方法

本發明係指一種電源輸出電路及其控制方法，尤指一種可調整電源輸出電路中充電泵之運作頻率的控制方法。

充電泵（Charge Pump）是一種常見的電源供應電路，其可產生並輸出高於其輸入電壓的電壓值。充電泵的電壓輸出可以是任意倍率，例如可將輸入電壓乘以2或乘以3之後再加以輸出。若將充電泵透過回授電路與穩壓器連結，可藉由穩壓器中參考電壓的設定來實現任意且穩定的電壓輸出。

為了提供較高的電壓輸出，充電泵往往具有電容，用來儲存電量，並透過時脈訊號的切換來產生較高的電壓。傳統上，充電泵使用外掛式電容（即位於晶片外部的電容）來儲存電荷，其具有較大的電容值，能儲存的電量較多，因此，使用頻率較低的時脈即足以提供穩定的輸出電壓。近年來，為了降低成本及縮小電路面積，外掛式電容逐漸被內嵌式電容（即位於晶片內部的電容）所取代。然而，內嵌式電容的電容值較小，因此充電泵之時脈訊號需要較快的頻率來維持輸出端的驅動能力。此外，內嵌式電容往往具有較大的寄生電容，過快的頻率使得過多功率消耗在寄生電容上，特別是當負載為輕載時，過快的頻率會造成極低的工作效率。在此情形下，時脈訊號的頻率太快會造成寄生電容消耗過大功率，頻率太慢會造成輸出端的驅動能力不足而無法針對負載的變化即時反應。

習知技術提供了一種切換時脈訊號頻率的方法，其中，時脈訊號可設定為較快之一第一頻率或較慢之一第二頻率。系統可偵測充電泵之輸出電壓，並在輸出電壓高於一臨界值時採用第二頻率，在輸出電壓低於該臨界值時採用第一頻率。然而，上述方法之運作頻率係在數個固定的頻率之間進行切換，這些固定的頻率無法適用於任何負載狀況，舉例來說，當一負載大小適用之運作頻率位於第一頻率及第二頻率之間時，代表第一頻率過快而第二頻率過慢，此時，輸出電壓會在臨界值上下振盪，且運作頻率會在第一頻率和第二頻率之間持續切換，使得系統穩定性較差。再者，系統需在輸出電壓產生變化之後才會改變頻率，因此輸出電壓必然存在一定的振盪幅度，當負載變化大時難以維持穩定的輸出電壓。在此情形下，習知技術僅適用於以電容性負載為主的電路系統，而無法適用於具有較大電阻性負載的電路系統，因電阻性負載的變化幅度大，易造成輸出電壓不穩定的缺點。

有鑑於此，實有必要提出另一種調整時脈訊號頻率之方法，以控制充電泵運作在最適合的頻率之下，同時避免上述缺點。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可調整電源輸出電路中充電泵（Charge Pump）之運作頻率的控制方法，其中，充電泵之運作頻率可任意調整，以根據負載大小運作在最適合的頻率之下。

本發明揭露一種電源輸出電路，包含有一充電泵、一電壓調節單元（Voltage Regulator）、一時脈產生器及一電壓偵測單元。該充電泵可用來接收具有一運作頻率之一時脈訊號，並輸出一輸出電壓。該電壓調節單元耦接於該充電泵，可用來輸出一控制電壓至該充電泵，以控制該輸出電壓。該時脈產生器耦接於該充電泵，可用來輸出該時脈訊號至該充電泵。該電壓偵測單元耦接於該時脈產生器及該電壓調節單元，可用來偵測該控制電壓，並根據該控制電壓的大小，控制該時脈產生器調整該時脈訊號之該運作頻率。

本發明另揭露一種控制方法，用來調整一充電泵之一運作頻率，該控制方法包含有輸出一控制電壓至該充電泵，以控制該充電泵所輸出之一輸出電壓；輸出一時脈訊號至該充電泵，該時脈訊號具有該運作頻率；以及偵測該控制電壓，並根據該控制電壓的大小，調整該時脈訊號之該運作頻率。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一電源輸出電路10之示意圖。如第1圖所示，電源輸出電路10包含有一充電泵（Charge Pump）100、一電壓調節單元（Voltage Regulator）102、一時脈產生器104及一電壓偵測單元106。充電泵100可用來接收具有一運作頻率之一時脈訊號CLK，並輸出一輸出電壓V_out。詳細來說，充電泵100可包含多個電容，這些電容可藉由時脈訊號CLK的控制，在不同相位之間切換，進而在不同相位分別將不同電容的電荷提供予輸出端的負載。電壓調節單元102耦接於充電泵100，可輸出一控制電壓V_ctrl至充電泵100，以控制輸出電壓V_out。詳細來說，當電源輸出電路10啟動時，可根據系統設定（如電壓調節單元102內部電阻值的設定），控制輸出電壓V_out上升至一預定電壓值，隨後維持在該預定電壓值。電壓調節單元102具有一回授電路結構，可從電源輸出電路10之輸出端接收輸出電壓V_out，並據以調整控制電壓V_ctrl的大小，使得輸出電壓V_out維持在預定電壓值。時脈產生器104耦接於充電泵100，可用來輸出時脈訊號CLK至充電泵100。時脈訊號CLK泛指正相及／或反相時脈，用來控制充電泵100中每一開關的運作。電壓偵測單元106耦接於時脈產生器104及電壓調節單元102，可用來偵測控制電壓V_ctrl，並根據控制電壓V_ctrl的大小，控制時脈產生器104調整時脈訊號CLK之運作頻率。更明確來說，時脈產生器104可根據控制電壓V_ctrl的大小來決定時脈訊號CLK相位切換的時間點。

請參考第2圖，第2圖為電源輸出電路10之一種實施方式之示意圖。在第2圖中，充電泵100與電壓調節單元102均接收一輸入電壓VDD。此外，一負載210並未包含在電源輸出電路10內，但繪示於第2圖中以方便說明。如第2圖所示，電壓調節單元102包含有一回授電路202及一放大器電路204。回授電路202可從充電泵100接收輸出電壓V_out，並據以產生一回授訊號V_fb，放大器電路204再根據回授訊號V_fb，調整控制電壓V_ctrl的大小，以控制輸出電壓V_out維持在預定電壓值。詳細來說，回授電路202可由一可變電阻或多個分壓電阻所構成，以對輸出電壓V_out進行分壓之後產生回授訊號V_fb。接著，放大器電路204之一輸入端從回授電路202接收回授訊號V_fb，另一輸入端則接收一參考電壓V_ref，由於放大器電路204為負回授之結構，兩輸入端之間為虛短路（virtual short），使得回授訊號V_fb的大小等於參考電壓V_ref的大小，放大器電路204並輸出控制電壓V_ctrl至充電泵100。透過上述回授機制，電壓調節單元102可控制充電泵100之輸出電壓V_out維持在定值。

請參考第3圖，第3圖為充電泵100之一種實施方式之示意圖。如第3圖所示，充電泵100包含有電容C1、C2及開關SW1～SW8。電容C1及C2之一端分別透過開關SW2及SW8耦接於電壓調節單元102以接收控制訊號V_ctrl，或透過開關SW1及SW7耦接於一地端GND；電容C1及C2之另一端則分別透過開關SW3及SW5耦接於一電源輸入端以接收輸入電壓VDD，或透過開關SW4及SW6耦接於電源輸出電路10之一電源輸出端以產生輸出電壓V_out。藉由正相時脈訊號CLK1及反相時脈訊號CLK2的控制，開關SW1～SW8可切換電容C1及C2的耦接方式，電容C1及C2可分別在不同相位中抬升輸入電壓VDD以產生輸出電壓V_out。需注意的是，上述每一開關SW1～SW8皆包含一或多個電晶體，或者，開關SW1～SW8亦可透過其它方式來實現。此外，為方便說明，第3圖所繪示之電路僅為最簡易之充電泵結構，然而，為實現不同電壓需求或不同放大倍率，充電泵100亦可採用其它電路結構。實際上，只要是藉由時脈訊號切換來控制多個電容交替產生輸出電壓，並藉由電壓調節單元來控制輸出電壓維持在預定電壓值之電路結構，皆可採用本發明之控制方法來調整時脈訊號之運作頻率。

詳細來說，在一第一相位中，正相時脈訊號CLK1開啟開關SW1、SW3、SW6及SW8，反相時脈訊號CLK2關閉開關SW2、SW4、SW5及SW7，使得電容C1耦接於電源輸入端與地端GND之間，電容C2耦接於電源輸出端與電壓調節單元102之間。此時，電容C1可由輸入電壓VDD進行充電，以儲存來自於輸入電壓VDD之電量，電容C2則對電源輸出端進行供電。接著，在一第二相位中，正相時脈訊號CLK1關閉開關SW1、SW3、SW6及SW8，反相時脈訊號CLK2開啟開關SW2、SW4、SW5及SW7，使得電容C1耦接於電源輸出端與電壓調節單元102之間，電容C2耦接於電源輸入端與地端GND之間。在此情形下，先前已充飽電荷的電容C1開始對電源輸出端供電，亦即，電容C1可將所儲存之電量輸出而產生輸出電壓V_out。

進一步參考第3圖搭配第2圖所示。在第二相位中，負載210可對電容C1抽取電流，使得電容C1儲存之電量下降，此時，為使輸出電壓V_out維持在一定值，電容C1另一端之電壓（即電壓調節單元102所輸出之控制電壓V_ctrl）會逐漸上升。然而，控制電壓V_ctrl無法無限制地上升，在此例中，由於電壓調節單元102係由輸入電壓VDD進行供電，控制電壓V_ctrl的數值無法超過輸入電壓VDD，因此，當控制電壓V_ctrl上升至等於輸入電壓VDD之後，若負載210仍持續抽取電流，輸出電壓V_out會開始下降。為避免上述情況發生，本發明透過電壓偵測單元106來偵測控制電壓V_ctrl的大小，並在偵測到控制電壓V_ctrl上升至接近輸入電壓VDD時，控制時脈產生器104切換時脈訊號CLK1及CLK2，以進入第一相位。此時，在第二相位中已充飽電荷的電容C2即可開始對電源輸出端供電，亦即，負載210停止對電容C1抽取電流而改為對電容C2抽取電流。由上述可知，透過時脈訊號CLK1及CLK2的連續切換，電容C1及C2可交替對電源輸出端供電。

在一實施例中，假設輸入電壓VDD為6V且電源輸出電路10欲輸出之輸出電壓V_out為10V，當時脈訊號CLK切換相位之後，控制電壓V_ctrl會等於4V並透過回授電路202將輸出電壓V_out推升至10V。接著，負載210開始抽取電流使得電容儲存之電量下降，此時控制電壓V_ctrl會從4V開始上升。當控制電壓V_ctrl接近輸入電壓VDD時，電壓偵測單元106可控制時脈產生器104切換時脈訊號CLK的相位，此時，控制電壓V_ctrl會回到4V並改由另一電容對電源輸出端進行供電。在此情形下，可設定略低於輸入電壓VDD之一預設電壓（如5.8V），使得電壓偵測單元106可在偵測到控制電壓V_ctrl到達預設電壓時，控制時脈產生器104切換時脈訊號CLK的相位。

值得注意的是，預設電壓往往被設定為略低於輸入電壓VDD之電壓值，而不會剛好等於輸入電壓VDD，其目的在於提供電源輸出電路10內部訊號傳送的反應時間。上述反應時間應足以使電壓偵測單元106傳送訊號至時脈產生器104以切換時脈訊號CLK的相位。換句話說，電壓偵測單元106可判斷輸入電壓VDD與控制電壓V_ctrl的差值，當輸入電壓VDD與控制電壓V_ctrl的差值小於一臨界值（如0.2V）時，即可控制時脈產生器104切換時脈訊號CLK的相位。另外需注意的是，上述預設電壓或臨界值的大小可根據系統環境來進行設定，而不限於此。舉例來說，在負載可能發生劇烈變化的系統中，為維持穩定的輸出電壓V_out，可將預設電壓設定得較低（如5.5V）（即臨界值為0.5V），以在負載瞬間加大時，及早切換時脈訊號CLK的相位以避免輸出電壓V_out下降。

透過上述方式，本發明可藉由控制電壓V_ctrl的偵測來控制時脈訊號CLK切換相位。在此情形下，時脈訊號CLK的頻率完全取決於負載210抽取電流的速度（即取決於負載大小）。即使電源輸出端的負載210為電阻性負載，時脈訊號CLK的頻率也會隨著負載的變化即時調整至最適合的頻率，而不限於特定頻率值之間的切換，可達到較佳的穩定性，同時避免頻率過快造成過多功率消耗在寄生電容上。在此情況下，本發明之電源輸出電路可應用於具有大幅度負載變化之電阻性負載系統。除此之外，本發明可在控制電壓V_ctrl接近輸入電壓VDD但尚未到達輸入電壓VDD時切換時脈訊號CLK的相位，代表在輸出電壓V_out尚未下降時即可切換相位。相較於習知技術需在偵測到輸出電壓發生變化之後才進行頻率切換，本發明透過控制電壓的偵測，可在輸出電壓未發生變化的情況下切換相位。如此一來，本發明可實現更穩定的輸出電壓。

請參考第4A圖及第4B圖，第4A圖及第4B圖為本發明實施例偵測控制電壓V_ctrl以控制時脈訊號CLK切換相位之波形示意圖。第4A圖及第4B圖分別繪示輕載及重載的情況。如第4A圖所示，在輕載之下，負載210對電容抽取電流的速度較慢，使得控制電壓V_ctrl上升的速度較慢，當電壓偵測單元106偵測到控制電壓V_ctrl到達預設電壓V_det時，時脈產生器104即可切換時脈訊號CLK的相位。此時，由於負載210較小，時脈訊號CLK相位切換的速度較慢，代表充電泵100運作在較慢的頻率之下。另一方面，如第4B圖所示，在重載之下，負載210對電容抽取電流的速度加快，使得控制電壓V_ctrl上升的速度加快而更快到達預設電壓V_det，在此情形下，時脈產生器104切換時脈訊號CLK相位的速度亦加快。此時，由於負載210較大，時脈訊號CLK相位切換的速度較快，代表充電泵100運作在較快的頻率之下。如此一來，根據不同負載大小，充電泵100可在最適合的頻率之下運作，可避免運作頻率太快造成過多電荷消耗在寄生電容上，亦可避免運作頻率太慢造成輸出電壓V_out無法對負載210的變化即時反應。

值得注意的是，本發明提供一種可在最佳頻率之下運作的充電泵及電源輸出電路及其控制方法，本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，上述電路結構僅為本發明眾多實施方式當中的一種，在其它實施例中，亦可將時脈產生器包含在電壓偵測單元內部，使得電壓偵測單元可在偵測到控制電壓接近輸入電壓時，切換時脈訊號之相位。除此之外，根據不同輸出電壓的需求，輸入電壓或參考電壓之大小可進行調整，本領域具通常知識者亦可根據系統需求，改變充電泵之電路結構。

上述關於電源輸出電路10之運作方式可歸納為一流程50，如第5圖所示。流程50可用來調整一充電泵之一運作頻率，其包含以下步驟：

步驟500：   開始。

步驟502：   輸出一控制電壓至充電泵，以控制充電泵所輸出之一輸出電壓。

步驟504：   輸出一時脈訊號至充電泵，時脈訊號具有該運作頻率。

步驟506：   偵測控制電壓，並根據控制電壓的大小，調整時脈訊號之運作頻率。

步驟508：   結束。

流程50之詳細運作方式及變化可參考前述，於此不贅述。

綜上所述，本發明提供了一種可調整電源輸出電路中充電泵之運作頻率的控制方法，充電泵之運作頻率可隨著負載大小而任意調整，而不限於特定頻率值之間的切換。在一實施例中，充電泵從一電壓調節單元接收一控制電壓，並透過負回授的電路結構來控制其輸出電壓維持在預定電壓值。藉由偵測控制電壓的大小，可決定用於充電泵之時脈訊號切換相位的時間點，進而決定時脈訊號之運作頻率。如此一來，透過控制電壓的偵測，本發明可在輸出電壓未發生變化的情況下切換相位，以實現更穩定的輸出電壓。此外，時脈訊號在任何負載狀況之下皆可達到最佳運作頻率，可避免運作頻率太快造成過多電荷消耗在寄生電容上，亦可避免運作頻率太慢造成輸出電壓無法對負載的變化即時反應。   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。

10‧‧‧電源輸出電路
100‧‧‧充電泵
102‧‧‧電壓調節單元
104‧‧‧時脈產生器
106‧‧‧電壓偵測單元
CLK‧‧‧時脈訊號
V_ctrl‧‧‧控制電壓
V_out‧‧‧輸出電壓
VDD‧‧‧輸入電壓
210‧‧‧負載
202‧‧‧回授電路
204‧‧‧放大器電路
V_fb‧‧‧回授訊號
C1、C2‧‧‧電容

SW1~SW8‧‧‧開關

GND‧‧‧地端

CLK1‧‧‧正相時脈訊號

CLK2‧‧‧反相時脈訊號

V_det‧‧‧預設電壓

50‧‧‧流程

500~508‧‧‧步驟

第1圖為本發明實施例一電源輸出電路之示意圖。 第2圖為第1圖之電源輸出電路之一種實施方式之示意圖。 第3圖為第1圖之充電泵之一種實施方式之示意圖。 第4A圖及第4B圖為本發明實施例偵測控制電壓以控制時脈訊號切換相位之波形示意圖。 第5圖為本發明實施例一流程之流程圖。

10‧‧‧電源輸出電路

100‧‧‧充電泵

102‧‧‧電壓調節單元

104‧‧‧時脈產生器

106‧‧‧電壓偵測單元

CLK‧‧‧時脈訊號

V_ctrl‧‧‧控制電壓

V_out‧‧‧輸出電壓

Claims (10)

1. 一種電源輸出電路，包含有：一充電泵，用來接收具有一運作頻率之一時脈訊號，並輸出一輸出電壓；一電壓調節單元，耦接於該充電泵，用來輸出一控制電壓至該充電泵，以控制該輸出電壓；一時脈產生器，耦接於該充電泵，用來輸出該時脈訊號至該充電泵；以及一電壓偵測單元，耦接於該時脈產生器及該電壓調節單元，用來偵測該控制電壓，並根據該控制電壓的大小，控制該時脈產生器調整該時脈訊號之該運作頻率；其中，該電壓偵測單元判斷該控制電壓是否大於一預設電壓，並於該控制電壓大於該預設電壓時，控制該時脈產生器切換該時脈訊號的相位。
2. 如請求項1所述之電源輸出電路，其中該充電泵包含有：一第一電容及一第二電容，用來抬升一輸入電壓以產生該輸出電壓；以及複數個開關，用來根據該時脈訊號的控制，切換該第一電容及該第二電容之耦接方式。
3. 如請求項2所述之電源輸出電路，其中在一第一相位中，該時脈訊號控制該第一電容耦接於一電源輸入端與一地端之間，使該第一電容接收該輸入電壓並儲存來自於該輸入電壓之一電量。
4. 如請求項3所述之電源輸出電路，其中在一第二相位中，該時脈訊號控制該第一電容耦接於一電源輸出端與該電壓調節單元之間，以將該第一電容所儲存之該電量輸出而產生該輸出電壓。
5. 如請求項4所述之電源輸出電路，其中在該第二相位中，該電源輸出端之一負載對該第一電容抽取電流，使得該第一電容所儲存之該電量下降且該控制電壓上升使該輸出電壓維持在一預定電壓值。
6. 如請求項5所述之電源輸出電路，其中當該控制電壓上升至接近該輸入電壓時，該時脈產生器切換該時脈訊號以進入該第一相位，在該第一相位中，該負載停止對該第一電容抽取電流而改為對該第二電容抽取電流。
7. 如請求項6所述之電源輸出電路，其中當該負載加大時，對該第一電容抽取電流的速度加快，使得該控制電壓上升的速度加快而更快接近該輸入電壓，以加快該時脈產生器切換該時脈訊號的速度，進而提升該時脈訊號之該運作頻率。
8. 如請求項1所述之電源輸出電路，其中該電壓調節單元包含有：一回授電路，用來從該充電泵接收該輸出電壓，並據以產生一回授訊號；以及一放大器電路，用來根據該回授訊號，調整該控制電壓的大小，以控制該輸出電壓維持在一預定電壓值。
9. 如請求項2所述之電源輸出電路，其中當該輸入電壓與該控制電壓的一差值小於一臨界值時，該時脈產生器切換該時脈訊號的相位。
10. 一種控制方法，用來調整一充電泵之一運作頻率，該控制方法包含 有：輸出一控制電壓至該充電泵，以控制該充電泵所輸出之一輸出電壓；輸出一時脈訊號至該充電泵，該時脈訊號具有該運作頻率；偵測該控制電壓，並根據該控制電壓的大小，調整該時脈訊號之該運作頻率；以及判斷該控制電壓是否大於一預設電壓，並於該控制電壓大於該預設電壓時，切換該時脈訊號的相位。