TWI660567B - 平衡電荷泵電路 - Google Patents

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Abstract

提供了控制一切換式電容器轉換器的方法及系統。在決定跨一飛行電容器的一電壓是在一第一臨限值以上之後，由一第一電流源從該飛行電容器的一第一端點汲取一第一電流，且由一第二電流源向該飛行電容器的一第二端點提供一第二電流。在決定跨該飛行電容器的該電壓是在一第二臨限值以下之後，由該第一電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第一電流，且由該第二電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第二電流。在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓是在該第二臨限值以上且相對於該參考電壓是在該第一臨限值以下之後，關閉該第一及第二電流源。

Description

平衡電荷泵電路
本案依據專利法主張於2016年7月15日所申請之標題為「Balancing and Driving Charge Pump Circuits」之第62/363,025號之美國臨時專利申請案的優先權權益，其整體內容出於各種目的特此以引用方式併入本文。
此揭示案大致關於電壓轉換器。更具體而言，本揭示案關於更可靠的切換式電容器轉換器電路(switched capacitor converter circuit)。
電荷泵電路是可用以將直流(DC)輸入電壓轉換成另一DC電壓的一種切換式電容器電路。電荷泵可被配置為產生輸入電壓之倍數(例如2、3...N倍)的輸出電壓，或該電荷泵可設置為該輸入電壓之分數(例如輸入電壓的½、1/3...1/N倍)的輸出電壓。在某些實施方式中，此類電路亦可從正的輸入電壓產生負的輸出電壓。因為電荷泵電路並不需要電感器來進行電壓轉換，該電荷泵電路有時被稱為無電感器的DC/DC轉換器。
圖1A繪示傳統的切換式電容器轉換器電路100。在圖1A的實例中，輸入電壓在穩態下約等於輸出電壓的2倍。在圖1A的實例中，僅藉由實例的方式而非限 制的方式，電晶體被繪示為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)(電晶體Q1 106及Q3 110)、以與電晶體Q2及Q4(108及112)互補的方式導通(ON)及關閉(OFF)(如圖1B中所繪示)。電晶體被圖示為以大約50%的工作週期進行切換。如圖1B中所繪示，在穩態運作期間，電晶體Q1-Q4(106到112)被切換為循環地將電容器(有時稱為飛行電容器(flying capacitor)C飛行104)充電及放電。藉由將反饋添加至切換式電容器轉換器電路100，電晶體Q1(106)及Q4(112)可被不同地驅動以產生V輸入/2以外的輸出電壓V輸出。例如，可使用不同的工作比(duty ratio)來提供供應為輸入電壓之不同乘數(例如0.75、0.5、0.25等等)的輸出電壓的彈性。並且，藉由分別調換輸入及輸出節點V輸入及V輸出，輸出電壓可為輸入電壓的倍數。為了簡化起見，如本文中所使用的，用語「乘數」包括分數及倍數的意義。
在圖1A的實例中，在電晶體Q1 106及Q3 110導通時，飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114有效地串聯連接，藉此將飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114充電至約V輸入/2。飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114在啟動時一開始被輸入電壓V輸入充電，其中跨飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114之節點的電壓處於V輸入/2。一般而言，電容器由於它們的大尺寸所以是連接到任何控制器封裝的外部。開關Q1-Q4(電晶體Q1 106到Q4 112)亦可在封裝的外部以適應較高 的電流。輸入電壓V輸入102直接連接至電晶體Q1(106)的頂端，其中飛行電容器C飛行104在電晶體Q1(106)導通時透過該電晶體Q1連接至輸入電壓V輸入102。
在電晶體Q2 108及Q4 112導通時，飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114是並聯的。此佈置強制跨飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114的電壓實質上是類似地處於約V輸入/2。
與切換式電容器轉換器電路100類似的電荷泵電路可能經受到達敏感的電路構件(例如電晶體Q1到Q4(106到112))的大的湧入電流。例如，跨飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114的初始電壓在啟動期間或由於運作期間之故障情況(fault condition)的存在而可能不等於V輸入/2，在本文中統稱為暫態。在各種情境下，可能例如在電容器(例如輸出電容器C輸出114)變得短路時發生故障情況。因為在切換式電容器轉換器電路100中不存在電感器來限制電流，輸入的湧入電流可能快速地上升至高位準。在高電流應用中，因為可能使用非常低的導通電阻的MOSFET來實現電晶體Q1到Q4(106到112)以達到高功率效率，這巨大的湧入電流是惡化的。
圖1C為一示例情境，其繪示在V輸入電源在時間T0開機(例如當飛行電容器C飛行104-輸出電容器C輸出114具有零初始電壓時)之後，湧入電流130如何可超過1000A(取決於路徑中的寄生電阻)。高電流可能持 續短時間(例如小於1微秒)，但雖然如此還是可能超過電晶體Q1 106到Q4 112的安全運作電流，因此一般影響了切換式電容器轉換器電路100的可靠性且特別是影響了電晶體Q1 106到Q4 112的可靠性。輸出電壓V輸出在飛行電容器C飛行104及輸出電容器C輸出114完全充電且開關Q1-Q4(電晶體Q1 106到Q4 112)被控制之後達到該輸出電壓的穩態電壓，如圖1B的背景下所繪示的。進一步地，可能在湧入電流之後在輸出電壓節點V輸出處存在減幅振盪132，如圖1C中所繪示，該減幅振盪可能影響負載116。在暫態(例如開機或故障情況)期間，晶片上的電壓不是可預測的，因為電壓可能還未完全發展。
本文中所揭露的各種方法及電路關於控制一種切換式電容器轉換器。一第一比較器電路耦合至一第一電流源及一第二電流源。一分壓器被配置為取樣一輸入節點處的一輸入電壓，且向該第一比較器電路提供一參考電壓。該第一比較器電路被配置為：控制該第一及第二電流源，使得在決定跨一飛行電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第一臨限值之後，該第一電流源從該切換式電容器轉換器之該飛行電容器的一第一端點汲取一第一電流且該第二電流源向該飛行電容器的一第二端點提供一第二電流。該第一比較器電路更被配置為：控制該第一及第二電流源，使得在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該 參考電壓低於一第二臨限值之後，該第一電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第一電流且該第二電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第二電流。該第一比較器電路更被配置為：在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓高於該第二臨限值且相對於該參考電壓低於該第一臨限值之後，關閉該第一及第二電流源。
在一個實施例中，額外的第二比較器電路耦合至一第三電流源。該分壓器更被配置為向該第二比較器電路提供該參考電壓。該第二比較器被配置為控制該第三電流源，使得：在決定跨一輸出電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第三臨限值之後，該第三電流源從該切換式電容器轉換器之該輸出電容器的一第一端點汲取一第三電流；在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第四臨限值之後，該第三電流源向該輸出電容器的該第一端點提供該第三電流；及在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於該第三臨限值且相對於該參考電壓高於該第四臨限值之後，關閉該第三電流源。
在一個實施例中，提供了一種用於控制一切換式電容器轉換器的電路。一第一比較器電路耦合至一第一電流源。一分壓器被配置為取樣一輸入電壓，且向該第一比較器電路提供一參考電壓。該第一比較器電路被配置為控制該第一電流源，使得：在決定跨一輸出電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第一臨限值之後，該第一電流源從該切換式電容器轉換器之該輸出電容器的一第一端 點汲取一第一電流。該第一比較器電路更被配置為控制該第一電流源，使得：在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第二臨限值之後，該第一電流源向該輸出電容器的該第一端點提供該第一電流。該第一比較器電路更被配置為控制該第一電流源，使得：在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於該第一臨限值且相對於該參考電壓高於該第二臨限值之後，關閉該第一電流源。
在一個實施例中，額外的第二比較器電路耦合至一第二電流源及一第三電流源。該分壓器更被配置為向該第二比較器電路提供該參考電壓。該第二比較器被配置為：控制該第二及第三電流源，使得在決定跨一飛行電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第三臨限值之後，該第二電流源從該切換式電容器轉換器之該飛行電容器的一第一端點汲取一第二電流且該第三電流源向該飛行電容器的一第二端點提供一第三電流；控制該第二及第三電流源，使得在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第四臨限值之後，該第二電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第二電流且該第三電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第三電流；及在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓高於該第四臨限值且相對於該參考電壓低於該第三臨限值之後，關閉該第二及第三電流源。
在一個實施例中，提供了一種控制一切換式電容器轉換器的方法，該切換式電容器轉換器具有一飛行電容器及一輸出電容器，其中一比較器耦合至一第一電流源及一第二電流源。在決定跨該飛行電容器的一電壓相對於一參考電壓高於一第一臨限值之後，由該第一電流源從該飛行電容器的一第一端點汲取一第一電流，且由該第二電流源向該飛行電容器的一第二端點提供一第二電流。在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第二臨限值之後，由該第一電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第一電流，且由該第二電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第二電流。並且，在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓高於該第二臨限值且相對於該參考電壓低於該第一臨限值之後，關閉該第一及第二電流源。
將藉由以下的本發明較佳實施例的詳細說明以及隨附的繪圖來更加理解本發明的各種目標、特徵、態樣及優點，在該等繪圖中，類似的標號表示類似的元件。
100‧‧‧切換式電容器轉換器電路
102‧‧‧輸入電壓V輸入
104‧‧‧飛行電容器C飛行
106‧‧‧電晶體Q1
108‧‧‧電晶體Q2
110‧‧‧電晶體Q3
112‧‧‧電晶體Q4
114‧‧‧輸出電容器C輸出
116‧‧‧負載
130‧‧‧湧入電流
132‧‧‧減幅振盪
201‧‧‧切換式電容器轉換器電路
202‧‧‧輸入電壓V輸入
204‧‧‧飛行電容器C飛行
206‧‧‧電晶體Q1
208‧‧‧電晶體Q2
210‧‧‧電晶體Q3
212‧‧‧電晶體Q4
214‧‧‧輸出電容器C輸出
228‧‧‧節點SW1
230‧‧‧預平衡電路
232‧‧‧比較器
234‧‧‧第一遲滯電壓源V遲滯
236‧‧‧第二遲滯電壓源V遲滯
238‧‧‧比較器
242‧‧‧第一電阻構件
244‧‧‧節點
246‧‧‧第二電阻構件
252‧‧‧比較器
254‧‧‧第三遲滯電壓源V遲滯
256‧‧‧第四遲滯電壓源V遲滯
258‧‧‧比較器
260‧‧‧電流源ISW1
262‧‧‧電流源I輸出
264‧‧‧電流源ISW2
301‧‧‧切換式電容器轉換器電路
302‧‧‧輸入電壓V輸入
304‧‧‧飛行電容器C飛行
306‧‧‧電晶體Q1
308‧‧‧電晶體Q2
310‧‧‧電晶體Q3
312‧‧‧電晶體Q4
314‧‧‧輸出電容器C輸出
328‧‧‧節點SW1
330‧‧‧預平衡電路
330B‧‧‧預平衡電路
332‧‧‧比較器
334‧‧‧遲滯電壓源
336‧‧‧遲滯電壓源
338‧‧‧比較器
342‧‧‧第一電阻構件
344‧‧‧節點
346‧‧‧第二電阻構件
350‧‧‧邏輯閘
352‧‧‧串聯電阻構件Rg
354‧‧‧電容構件Cg
356‧‧‧斷接FET QD
358‧‧‧R負載
360‧‧‧電流源
370‧‧‧額外輸出電容器C可選
400‧‧‧架構
401‧‧‧切換式電容器轉換器電路
430‧‧‧預平衡電路
462‧‧‧反饋及控制電路
464‧‧‧輸出電容器C輸出
468‧‧‧電感器L
470‧‧‧第二電容器C輸出2
472‧‧‧電阻構件
474‧‧‧電阻構件
480‧‧‧節點
繪圖係屬於說明性實施例。它們並不繪示所有實施例。可附加性地或替代性地使用其他實施例。可能是清楚的或不必要的細節可被忽略以節省空間或以供更有效地進行說明。可在有額外元件或步驟及/或沒有所繪示之所有元件或步驟的情況下實行某些實施例。當相同的標 號出現在不同的繪圖中時，其指相同的或類似的元件或步驟。
圖1A繪示傳統的切換式電容器轉換器電路。
圖1B繪示圖1A之電路之電晶體的示例閘極驅動器輸入波形。
圖1C繪示圖1A之電路之啟動期間的示例波形。
圖2為與說明性實施例一致之耦合至預平衡電路的切換式電容器轉換器電路。
圖3A為與另一說明性實施例一致之耦合至預平衡電路的切換式電容器轉換器電路。
圖3B為與另一說明性實施例一致之耦合至預平衡電路的切換式電容器轉換器電路。
圖4為與說明性實施例一致之耦合至預平衡電路的具有降壓佈局(buck topology)的切換式電容器轉換器電路。
在以下的詳細說明中，是藉由實例的方式來闡述許多特定細節以提供相關教示的完整了解。然而，應理解的是，可在沒有此類細節的情況下實行本教示。在其他的實例中，已在相對高的層級下描述而不詳細描述習知的方法、程序、元件及/或電路系統，以避免不必要地模糊了本教示的態樣。可在有額外元件或步驟及/或沒有所描述之所有元件或步驟的情況下實行某些實施例。
本文中所揭露的各種方法及電路大致關於針對切換式電容器電壓轉換器提供故障保護的方法及電路。乘法及除法的切換式電容器電壓轉換器兩者受各種預平衡電路控制，使得防止大的湧入電流，藉此提供切換式電容器電壓轉換器的可靠運作。
圖2繪示與說明性實施例一致之耦合至預平衡電路230的切換式電容器轉換器電路201。切換式電容器轉換器電路201的元件與圖1A的那些元件類似，且因此為了簡要起見在此不複述。可針對兩個運作階段藉由以下等式來估計在電晶體Q1到Q4在三極體區域下運作時通過電晶體Q1到Q4(206到212)的電流以及飛行電容器C飛行204及輸出電容器C輸出214：階段1，I=(V輸入-VC飛行(t)-VC輸出(t))/(R導通_Q1+R導通_Q3) (等式1)
階段2，I=(VC飛行(t)-VC輸出(t))/(R導通_Q2+R導通_Q4) (等式2)
其中：階段1是在電晶體Q1及Q3導通且Q2及Q4關閉時，階段2是在電晶體Q2及Q4導通且Q1及Q3關閉時，I是通過導通之電晶體的電流，R導通是電晶體在其導通時的汲極到源極電阻，VC飛行(t)是在時間t跨C飛行的電壓，及VC輸出(t)是在時間t跨C輸出的電壓。
各電晶體Q1到Q4(206到212)的汲極到源極電阻R導通可為了較佳的功率效率而具有非常低的導通電阻。相對應電晶體的R導通越低，湧入電流可能越大，因此對於切換式電容器轉換器電路的可靠性造成潛在的威脅。
申請人鍳於上述的等式1及2已識別的是，若以本文中所揭露的方式控制飛行電容器C飛行204及輸出電容器C輸出214的電壓，則可最小化湧入電流。例如，若以下的等式3及4的兩個條件符合，則湧入電流為零：條件1：VC飛行(t=0)=VC輸出(t=0) (等式3)
條件2：V輸入=VC飛行(t=0)+VC輸出(t=0) (等式4)
在各種實施例中，可基於電晶體Q1到Q4(206到212)的安全運作範圍來將湧入電流限制於不同的預定值。例如，不同類型的電晶體具有用於適當運作的不同的容差，該等容差不導致電晶體的過早的可靠性劣化。
在一個實施例中，假設電晶體Q1到Q4(206到212)的導通電阻R導通是相同的，且若電晶體(例如MOSFET)的最大安全電流為I最大，則等式5及6可提供用於切換式電容器轉換器電路201的安全運作的條件。
V輸入/2-2R導通 * I最大<VC飛行(t=0)<V輸入/2+2R導通 * I最大 (等式5)
V輸入/2-2R導通 * I最大<VC輸出(t=0)<V輸入/2+2R導通 * I最大 (等式6)
其中：2R導通 * I最大是預定的偏移電壓V遲滯。
之後更詳細地論述遲滯性及相對應的偏移電壓。預平衡電路230被配置為預先平衡跨飛行電容器C飛行204及輸出電容器C輸出214的電壓，使得在切換式電容器轉換器電路201運作為分壓器電荷泵時符合上述等式5及6的條件。可在切換式電容器轉換器電路201的開機或重新啟動期間執行預平衡電路230的預先平衡步驟。
在圖2的實例中，預平衡電路包括三個電流源ISW1 260、I輸出262及ISW2 264，該等電流源能夠分別針對節點SW1 228(具有V輸出)及節點SW2汲取或供應電流。預平衡電路230包括分壓器，該分壓器包括串聯連接的第一電阻構件242及第二電阻構件246。第一電阻構件242對第二電阻構件246的比率可基於要由切換式電容器轉換器電路201達成的分壓而不同。例如，對於除以二的電荷泵配置而言，第一電阻構件242及第二電阻構件246的電阻可相等，使得在分壓器節點244處提供V輸入/2的電壓。分壓器被配置為取樣輸入電壓V輸入202及在節點244處提供成比例的版本的該輸入電壓。節點244處的電壓被用作預平衡電路230之各種元件的參考電壓。
預平衡電路包括比較器232及238的對偶，該等比較器被配置為將跨飛行電容器C飛行204的電壓與節 點244的參考電壓比較。在各種實施例中，可添加遲滯性以針對比較器232及238提供容差範圍。為此，第一遲滯電壓源V遲滯234向第一比較器252的輸入端提供第一遲滯電壓V遲滯。類似地，將第二遲滯電壓源V遲滯236添加至第二比較器238的輸入端。在各種實施例中，取決於要針對預平衡電路230所實施的需要的遲滯容差範圍，第一遲滯電壓在數值上可等於第二遲滯電壓或可為不同的。換言之，第一遲滯電壓源V遲滯234及第二遲滯電壓源V遲滯236提供了臨限位準，該等臨限位準在被超過時，可觸發校正行動以預先平衡切換式電容器轉換器電路201。
若VC飛行電壓超出由第一遲滯電壓源V遲滯234及第二遲滯電壓源V遲滯236所定義的預定容差，則比較器232及238的對偶啟用第一電流源以提供電流來將飛行電容器C飛行204充電或汲電，且啟用第二電流源來將飛行電容器C飛行204抽取電流或供電，使得跨飛行電容器C飛行204的電壓被控制在上文所論述的容差範圍內。
預平衡電路亦可包括比較器252及258的第二對偶，該等比較器一起提供了第二比較器電路，該第二比較器電路被配置為將跨輸出電容器C輸出214的電壓(亦即節點SW1 228處的輸出電壓V輸出)與節點244的參考電壓進行比較。與比較器232及238的第一對偶(亦即第一比較器電路)類似，可添加遲滯性以針對比較器252及258提供容差範圍。為此，第三遲滯電壓源V遲滯254向第一比較器252的輸入端提供第三遲滯電壓V遲滯。類似地， 第四遲滯電壓源V遲滯256向比較器258的端點提供遲滯電壓。在各種實施例中，取決於要針對跨預平衡電路230之輸出電容器C輸出214的電壓實施的需要的遲滯容差範圍，第三遲滯電壓可在數值上等於第四遲滯電壓或可為不同的。
若V輸出電壓超出由第三遲滯電壓源V遲滯254及第四遲滯電壓源V遲滯256所定義的預定容差，則比較器252及258的第二對偶啟用第二電流源以提供或汲取電流來調整(例如充電/放電)輸出電容器C輸出214，使得跨輸出電容器C輸出214的電壓被控制在由第三遲滯電壓源V遲滯254及第四遲滯電壓源V遲滯256所定義的容差範圍內。
在一個實施例中，在電容器電壓預平衡階段期間，電晶體Q1到Q4(206到212)保持關閉，且各電流源ISW1 260、I輸出262及/或ISW2 264基於跨飛行電容器C飛行204及輸出電容器C輸出214的感測到的電壓將節點SW1、SW2及V輸出抽取或供應電流。以下等式分別提供了各電流源的條件及極性。
對於電流源I輸出262而言：V輸出>(V輸入/2+V遲滯) (等式7)
其中：I輸出從具有V輸出的節點SW1 228抽取電流。
(V輸入/2-V遲滯)<V輸出<(V輸入/2+V遲滯) (等式8)
其中：I輸出被關閉。
V輸出<(V輸入/2-V遲滯) (等式9)
其中：I輸出向具有V輸出的節點SW1 228提供電流。
對於電流源ISW1 260及ISW2 264而言：VC飛行>(V輸入/2+V遲滯) (等式10)
其中：ISW1從節點SW1抽取電流，而ISW2向節點SW2提供電流。
(V輸入/2-V遲滯)<VC飛行<(V輸入/2+V遲滯) (等式11)
其中：ISW1及ISW2是關閉的。
VC飛行<(V輸入/2-V遲滯) (等式12)
其中：ISW1向節點SW1供應電流，而ISW2從節點SW2抽取電流。
現參照圖3A，其為與另一說明性實施例一致之耦合至預平衡電路330的切換式電容器轉換器電路301。切換式電容器轉換器電路301的元件與切換式電容器轉換器電路201的那些元件類似，且因此不論述其實質細節。在一個實施例中，切換式電容器轉換器電路301可包括耦合在輸入電壓V輸入302的端點及輸出電容器C輸出314之間的額外輸出電容器C可選370，以用於更好的電荷分配及效率。如本文中所使用的，用語「效率」關於輸入功率量被用來獲得某個功率量。例如，對於100%高效的系統而言，不存在損失且所使用的輸入功率與輸出功率相同。額外輸出電容器C可選370在將電荷傳輸至輸出電容器C輸出時提供了額外的路徑，藉此減少了流過電晶體的電流 量。因為電容器相較於功率電晶體具有較低的有效電阻，電容器因此具有較低的損失。
在切換式電容器轉換器電路301被配置為運作為分壓器電荷泵(如圖3A中所繪示)時，預平衡電路可被進一步簡化。例如，預平衡電路330可使用單一的電流源360來同時將兩個電容器(飛行電容器C飛行304及輸出電容器C輸出314)充電或放電。
預平衡電路330包括分壓器，該分壓器包括串聯連接的第一電阻構件342及第二電阻構件346。第一電阻構件342對第二電阻構件346的比率可基於要由切換式電容器轉換器電路301達成的分壓而不同。分壓器被配置為取樣輸入電壓V輸入302及在節點344處提供成比例的版本的該輸入電壓。
預平衡電路330亦包括比較器332及338的對偶，該等比較器被配置為將跨輸出電容器C輸出314的電壓與節點344的參考電壓進行比較。比較器332及338之對偶的運作與圖2之比較器252及258的對偶類似，且因此為了簡要起見不詳細論述。
預平衡電路330能夠藉由電容器(C輸出)電壓預平衡階段期間之電晶體Q1到Q4(306到312)之啟用及停用的特定時序，來在不使用圖2之預平衡電路230的額外電路系統的情況下執行預平衡步驟。例如，在此類階段期間，電晶體Q2及Q4(308及312)被導通(由短路的線來表示)，而電晶體Q1及Q3(306及310)被關閉 (由間隙及汲極到源極的二極體連接來表示)，如圖3A中所繪示。
在導通電晶體Q2 308及Q4 312之前，節點SW1 328被拉動到與V輸出實質類似的位準，而節點SW2被下拉至與GND實質類似的位準。在一個實施例中，可使用兩個電流源來單獨地將節點SW1拉動到GND及將節點SW2拉動到GND，或者兩個電阻構件可單獨地從節點SW1連接到GND及從節點SW2連接到GND以下拉這兩個節點。在電晶體Q2 308及Q4 312被接著導通時，飛行電容器C飛行304及輸出電容器C輸出314並聯連接且跨該等電容器的電壓是相同的。若跨輸出電容器C輸出314所感測到的電壓不在如由遲滯電壓源334及336所定義的預定容差內，則預平衡電路330同時將飛行電容器C飛行304及輸出電容器C輸出314充電或放電。或者，若不需要如輸出電容器C輸出314般地準確平衡飛行電容器C飛行304，則可為了簡化起見僅在電晶體Q4 312導通(而電晶體Q2 308關閉)的情況下完成預平衡步驟。在此類情境下，可通過Q2的內接二極體由預平衡電路330將飛行電容器C飛行304充電。飛行電容器C飛行304上的電壓比輸出電容器C輸出314上的電壓低一個二極體電壓落差(例如約0.7V)。
圖3B為與說明性實施例一致之耦合至另一預平衡電路的切換式電容器轉換器電路。切換式電容器轉換 器電路301的元件及預平衡電路330B的某些元件與圖3A的那些元件類似，且因此為了簡要起見在此不複述。
預平衡電路330B可以切換式電容器轉換器電路301之輸出上的負載電流執行預平衡步驟。若通過R負載358的負載電流遠小於電流源360(例如小至少10倍)，則電流源360將小的負載電流過驅動且如常執行平衡步驟。然而，若負載電流相較於電流源360而言是類似或較大的，則使用斷接FET QD 356來在預平衡期間斷接負載電流。在圖3B的實例中，兩個比較器332、338的輸出連接至邏輯閘350(該邏輯閘在一個實施例中可為AND閘)。邏輯閘350的輸出通過可選的RC濾波器來控制斷接FET QD 356的閘極。例如，有一個串聯電阻構件Rg 352串聯耦合在邏輯閘350及斷接FET QD 356的閘極之間。亦有一個電容構件Cg 354耦合在斷接FET QD 356的閘極及接地之間。可基於將斷接FET QD 356導通的所需的延遲及速度來選擇由串聯電阻構件Rg 352及電容構件Cg 354所提供的RC濾波器以符合不同應用的需求。
邏輯閘350的輸出僅在兩個比較器332及338的輸出是高的時候是高的。據此，V輸出是在由遲滯電壓源334及336所定義的預定容差內的。邏輯閘350由一電壓源供電，該電壓源夠高來導通斷接FET QD。在使用斷接FET QD 356的情況下，可以與無負載情況相同 的方式執行預平衡步驟，且僅在預平衡步驟完成之後才施用負載電流。
更進一步地，本文中所論述的概念可同各種類型的DC對DC電壓轉換器(例如降壓(buck)、升壓(boost)及降壓-升壓)一起使用。為此，圖4藉由說明性示例的方式繪示與說明性實施例一致之切換式電容器轉換器電路401，該切換式電容器轉換器電路具有降壓佈局且耦合至預平衡電路430。預平衡電路430與圖2的預平衡電路230實質類似。類似地，切換式電容器轉換器電路401與圖2的切換式電容器轉換器電路201實質類似。因此為了簡要起見在此不複述這些方塊。
架構400包括耦合在節點480及GND之間的輸出電容器C輸出464。電感器L 468耦合在節點SW2及輸出節點V輸出之間。第二電容器C輸出2470耦合在V輸出及GND之間。兩個電阻構件472及474串聯耦合在V輸出及GND之間。反饋及控制電路462耦合至第一電阻構件472及第二電阻構件474之間的介面。
在一個實施例中，藉由將電流源ISW1 260及ISW2 264的幅度設置為實質類似的，混合式降壓轉換器被允許在不將輸出電壓V輸出充電或放電的情況下啟動進入預偏壓的輸出情況。
結論
已論述的元件、步驟、特徵、目的、益處及優點僅為說明性的。它們或關於它們的論述沒有一個是要用 來以任何方式限制保護範圍。亦考慮許多其他實施例。這些實施例包括具有更少、額外及/或不同元件、步驟、特徵、目的、益處及/或優點的實施例。這些實施例亦包括不同地佈置及/或排序之元件及/或步驟的實施例。
例如，本文中所論述的任何訊號可在不重大改變基本控制方法的情況下被縮放、暫存(buffer)、縮放及暫存、轉換為另一模式(例如電壓、電流、電荷、時間等等)或轉換為另一狀態(例如從HIGH轉換為LOW及從LOW轉換為HIGH)。
已論述的元件、步驟、特徵、目的、益處及優點僅為說明性的。它們或關於它們的論述沒有一個是要用來以任何方式限制保護範圍。亦考慮許多其他實施例。這些實施例包括具有更少、額外及/或不同元件、步驟、特徵、目的、益處及優點的實施例。這些實施例亦包括不同地佈置及/或排序之元件及/或步驟的實施例。例如，可使用雙極型電晶體(例如PNP或NPN)或接面場效電晶體(JFET)而非MOS電晶體。可使用PNP而非NPN，且可使用PMOS而非NMOS。
除另有說明外，所有量測結果、值、分級、位置、數值、尺寸及此說明書中所闡述的其他規格是近似的而非精確的。它們要具有與它們所相關的功能一致且與它們所屬領域中所慣用者一致的合理範圍。
除非上文直接陳述，已經陳述或繪示的內容不要或不應被解讀為將任何元件、步驟、特徵、目標、益處、 優點或等效物貢獻給公眾，無論該等元件、步驟、特徵、物體、益處、優點或等效物是否被記載在請求項中。
已於此揭示案中所引用的所有文章、專利、專利申請案及其他出版品係以引用方式併入本文中。
將了解的是，本文中所使用的用語及表述具有如針對此類用語及表述的相對應的各別的調查及研究領域所賦予該等用語及表述的通常意義，除非本文中已另有闡述特定的意義。在不一定需要或不暗示實體或動作間之任何實際關係或順序的情況下，關係性用詞例如「第一」及「第二」等等可僅用以相對於一個實體或動作區隔另一實體或動作。用詞「包括(comprises)」、「包括(comprising)」及其任何其他變化當在說明書或請求項中與構件列表連接使用時，是要指示該列表不是排他性的，且可包括其他構件。類似地，開頭為「一(a)」或「一(an)」的構件在沒有進一步限制的情況下並不排除相同類型之額外構件的存在。
本揭示案的摘要被提供為允許讀者快速確定本技術揭示的本質。是在了解不將摘要用於解讀或限制請求項的範圍或意義的情況下提出該摘要。此外，在上述的實施方式中，可看到的是，各種特徵是為了使本揭示案流暢的目的而在各種實施例中被群集在一起。此揭示方法不要被解讀為反映所主張的實施例需要比明確記載在各請求項中的特徵還要更多的特徵的意圖。反而，如以下的請求項所反映的，具有進步性的標的的特徵少於單一揭露的 實施例的所有特徵。因此，以下的請求項特此併進實施方式中，其中各請求項獨立地作為單獨主張的標的。

Claims (20)

  1. 一種用於控制一切換式電容器轉換器的電路，包括：一第一比較器電路，耦合至一第一電流源及一第二電流源；及一分壓器，被配置為取樣一輸入節點處的一輸入電壓，且向該第一比較器電路提供一參考電壓，其中該第一比較器電路被配置為：控制該第一電流源及該第二電流源，使得在決定跨一飛行電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第一臨限值之後，該第一電流源從該切換式電容器轉換器之該飛行電容器的一第一端點汲取一第一電流且該第二電流源向該飛行電容器的一第二端點提供一第二電流；控制該第一電流源及該第二電流源，使得在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第二臨限值之後，該第一電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第一電流且該第二電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第二電流；及在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓高於該第二臨限值且相對於該參考電壓低於該第一臨限值之後，關閉該第一電流源及該第二電流源。
  2. 如請求項1所述之電路，更包括：一第二比較器電路，耦合至一第三電流源，其中：該分壓器更被配置為向該第二比較器電路提供該參考電壓；及該第二比較器被配置為控制該第三電流源，使得：在決定跨一輸出電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第三臨限值之後，該第三電流源從該切換式電容器轉換器之該輸出電容器的一第一端點汲取一第三電流；在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第四臨限值之後，該第三電流源向該輸出電容器的該第一端點提供該第三電流；及在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於該第三臨限值且相對於該參考電壓高於該第四臨限值之後，關閉該第三電流源。
  3. 如請求項1所述之電路，其中該第一比較器電路包括：一第一比較器，包括：一正輸入，耦合至該參考電壓；及一負輸入，耦合至跨該飛行電容器的一電壓；及一第二比較器，包括：一負輸入，耦合至該參考電壓；及一正輸入，耦合至跨該飛行電容器的該電壓。
  4. 如請求項2所述之電路，更包括：一第一遲滯電源，耦合在該第一比較器的該正輸入及該參考電壓之間；及一第二遲滯電源，耦合在該第一比較器的該負輸入及該參考電壓之間。
  5. 如請求項4所述之電路，其中該第一遲滯電源及該第二遲滯電源一起提供跨該飛行電容器的該電壓及該參考電壓之間的一容差範圍。
  6. 如請求項4所述之電路，其中該第一遲滯電源及該第二遲滯電源在數值上是相等的但在極性上是相反的。
  7. 如請求項1所述之電路，其中該第二比較器電路包括：一第一比較器，包括：一正輸入，耦合至該參考電壓；及一負輸入，耦合至跨該輸出電容器的一電壓；及一第二比較器，包括：一負輸入，耦合至該參考電壓；及一正輸入，耦合至跨該輸出電容器的該電壓。
  8. 如請求項7所述之電路，更包括：一第三電容器，耦合在該輸入節點及該輸出電容器之間。
  9. 如請求項7所述之電路，更包括：一第三遲滯電源，耦合在該第一比較器的該正輸入及該參考電壓之間；及一第四遲滯電源，耦合在該第一比較器的該負輸入及該參考電壓之間。
  10. 如請求項1所述之電路，其中該分壓器包括：一第一電阻構件，具有耦合至該切換式電容器轉換器之一輸入電壓的一第一節點；及一第二電阻構件，具有耦合至該第一電阻構件之一第二節點的一第一節點及耦合至接地的一第二節點，其中該第一電阻構件的該第二節點用以提供該參考電壓。
  11. 一種用於控制一切換式電容器轉換器的電路，包括：一第一比較器電路，耦合至一第一電流源；及一分壓器，被配置為取樣一輸入電壓，且向該第一比較器電路提供一參考電壓，其中該第一比較器電路被配置為控制該第一電流源，使得：在決定跨一輸出電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第一臨限值之後，該第一電流源從該切換式電容器轉換器之該輸出電容器的一第一端點汲取一第一電流；在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第二臨限值之後，該第一電流源向該輸出電容器的該第一端點提供該第一電流；及在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於該第一臨限值且相對於該參考電壓高於該第二臨限值之後，關閉該第一電流源。
  12. 如請求項11所述之電路，更包括：一第二比較器電路，耦合至一第二電流源及一第三電流源，其中：該分壓器更被配置為向該第二比較器電路提供該參考電壓；及該第二比較器被配置為：控制該第二電流源及該第三電流源，使得在決定跨一飛行電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第三臨限值之後，該第二電流源從該切換式電容器轉換器之該飛行電容器的一第一端點汲取一第二電流且該第三電流源向該飛行電容器的一第二端點提供一第三電流；控制該第二電流源及該第三電流源，使得在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第四臨限值之後，該第二電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第二電流且該第三電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第三電流；及在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓高於該第四臨限值且相對於該參考電壓低於該第三臨限值之後，關閉該第二電流源及該第三電流源。
  13. 如請求項11所述之電路，其中該第一比較器電路包括：一第一比較器，具有：一正輸入，耦合至該參考電壓；及一負輸入，耦合至跨該飛行電容器的一電壓；及一第二比較器，具有：一負輸入，耦合至該參考電壓；及一正輸入，耦合至跨該飛行電容器的一電壓。
  14. 如請求項11所述之電路，更包括：一第一遲滯電源，耦合在該第一比較器的該正輸入及該參考電壓之間；及一第二遲滯電源，耦合在該第一比較器的該負輸入及該參考電壓之間。
  15. 如請求項14所述之電路，其中該第一比較器電路更被配置為控制該第一電流源，使得在決定跨該輸出電容器的該電壓不是在一預定容差內之後，將該飛行電容器及該輸出電容器同時充電或放電，該預定容差是由該第一遲滯電源及該第二遲滯電源所定義的。
  16. 如請求項14所述之電路，其中該第一遲滯電源及該第二遲滯電源一起提供跨該輸出電容器的一電壓及該參考電壓之間的一容差範圍。
  17. 如請求項14所述之電路，其中該第一遲滯電源及該第二遲滯電源在數值上是相等的但在極性上是相反的。
  18. 如請求項11所述之電路，其中該分壓器包括：一第一電阻構件，具有耦合至該切換式電容器轉換器之一輸入電壓的一第一節點；及一第二電阻構件，具有耦合至該第一電阻構件之一第二節點的一第一節點及耦合至接地的一第二節點，其中該第一電阻構件的該第二節點用以提供該參考電壓。
  19. 一種控制一切換式電容器轉換器的方法，該切換式電容器轉換器具有一飛行電容器及一輸出電容器，其中一比較器耦合至一第一電流源及一第二電流源，該方法包括以下步驟：在決定跨該飛行電容器的一電壓相對於一參考電壓高於一第一臨限值之後：由該第一電流源從該飛行電容器的一第一端點汲取一第一電流；及由該第二電流源向該飛行電容器的該第二端點提供一第二電流；在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第二臨限值之後：由該第一電流源向該飛行電容器的該第一端點提供該第一電流；及由該第二電流源從該飛行電容器的該第二端點汲取該第二電流；及在決定跨該飛行電容器的該電壓相對於該參考電壓高於該第二臨限值且相對於該參考電壓低於該第一臨限值之後，關閉該第一電流源及該第二電流源。
  20. 如請求項19所述之方法，更包括以下步驟：在決定跨該輸出電容器的一電壓相對於該參考電壓高於一第三臨限值之後，由一第三電流源從該輸出電容器的一第一端點汲取一第三電流；在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於一第四臨限值之後，由該第三電流源向該輸出電容器的該第一端點提供該第三電流；及在決定跨該輸出電容器的該電壓相對於該參考電壓低於該第三臨限值且相對於該參考電壓高於該第四臨限值之後，關閉該第三電流源。
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