TWI724659B - 負載開關的控制電路 - Google Patents

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Abstract

負載開關的控制電路包括電荷泵電路、振盪器以及電流信號產生器。電荷泵電路依據時脈信號以產生控制信號。負載開關依據控制信號以導通或斷開。振盪器依據控制電流以產生時脈信號。電流信號產生器提供一電阻串以接收電源電壓。電流信號產生器的電阻串依據電源電壓以產生感測電流或感測電壓。電流信號產生器並依據感測電流的倒數或感測電壓的平方以產生控制電流。其中，時脈信號的頻率與電源電壓的電壓值呈負相關。

Description

負載開關的控制電路
本發明是有關於一種控制電路，且特別是有關於一種負載開關的控制電路。
在習知的技術領域中，在電子電路中，常設置一負載開關，以控制是否將電源電壓傳送至負載裝置的媒介。當電子裝置進行開機時，負載開關會依據所接收的控制信號被導通，並使電源電壓可被傳送至負載裝置上；相對的，當電子裝置進行關機時，負載開關會依據所接收的控制信號被切斷，並使電源電壓不被傳送至負載裝置上。
值得注意的，由於電源電壓的電壓值是會改變的，因此透過電荷泵電路所產生的控制信號的上升時間（rising time），與電荷泵電路所接收的時脈信號的頻率、電荷泵電路的級數以及電源電壓的大小是相關的。其中，時脈信號的頻率可以是電源電壓的函數。而在習知的技術中，上述的時脈信號的頻率經常是被設計為固定值。在這樣的條件下，負載開關的導通速度會隨著電源電壓的大小而發生變化。在這樣的情況下，常發生隨著電源電壓的電壓值增大，而發生更大的湧浪電流（in-rush current）的情況。
本發明提供一種負載開關的控制電路，可維持開關導通的速度不致受電源電壓大小的影響。
本發明的負載開關的控制電路包括電荷泵電路、振盪器以及電流信號產生器。電荷泵電路依據時脈信號以產生控制信號。負載開關依據控制信號以導通或斷開。振盪器依據控制電流以產生時脈信號。電流信號產生器提供一電阻串以接收電源電壓。電流信號產生器的電阻串依據電源電壓以產生感測電流或感測電壓。電流信號產生器並依據感測電流的倒數或感測電壓的平方以產生控制電流。其中，時脈信號的頻率與電源電壓的電壓值呈負相關。
基於上述，本發明的控制電路透過提供一電阻串以接收電源電壓，並依據電源電壓來產生感測電流或感測電壓。控制電路另依據感測電流的倒數或感測電壓的平方以產生控制電流，並依據控制電流來產生時脈信號，並透過電荷泵電路以依據時脈信號，來產生控制負載開關導通速度的控制信號。在時脈信號的頻率與電源電壓的電壓值呈負相關的前提，電荷泵電路產生控制信號的速度可以獲得補償，並可降低負載開關的被導通速度與電源電壓大小的關聯性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的負載開關的控制電路的示意圖。控制電路100耦接至由電晶體構成的負載開關SW。負載開關SW接收電源電壓VDD，並依據控制信號VG以被導通或斷開。在當負載開關SW被導通時，電源電壓VDD可通過負載開關SW被傳送至輸出端而產生輸出電壓VOUT。輸出電壓VOUT可被傳送至負載裝置（未繪示）。在本實施例中，電源電壓VDD的電壓值並非固定不變的。
控制電路100包括電荷泵電路110、振盪器120以及電流信號產生器130。電流信號產生器130接收電源電壓VDD。電流信號產生器130另提供一電阻串以接收電源電壓VDD。電流信號產生器130的電阻串可透過電源電壓VDD來產生一感測電流，或者產生一感測電壓。電流信號產生器130並依據所產生的感測電流的倒數來產生控制電流Iosc，或者，電流信號產生器130可依據所產生的感測電壓的平方來產生控制電流Iosc。
振盪器120耦接至電流信號產生器130，並接收電流信號產生器130所產生的控制電流Iosc。振盪器120可依據控制電流Iosc來產生時脈信號Fclk，其中控制電流Iosc的大小可以與時脈信號Fclk的頻率相關，例如，正相關。在本實施例中，振盪器120可以為一電流控制振盪器。
電荷泵電路110耦接至振盪器120，並接收振盪器120所產生的時脈信號Fclk。電荷泵電路110並接收電源電壓VDD，並基於電源電壓VDD，依據時脈信號Fclk來執行電荷泵操作，以產生控制信號VG。
在此請注意，本發明實施例的電流信號產生器130所產生的控制電流Iosc的大小，與電源電壓VDD的電壓值大小是負相關的。也就是說，當電源電壓VDD的電壓值變大時，電流信號產生器130對應產生的控制電流Iosc會減小。相對應的，振盪器120所產生的時脈信號Fclk的頻率也隨之降低。
在這樣的條件下，電荷泵電路110所接收電源電壓VDD的電壓值雖然提高了，但基於時脈信號Fclk的頻率被降低的情況下，控制信號VG的上升時間可以維持實質上不改變的狀態。也就是說，負載開關SW的導通速度可以被維持，不受電源電壓VDD變化的影響。
相對的，在當電源電壓VDD的電壓值變小時，電流信號產生器130對應產生的控制電流Iosc會增大。相對應的，振盪器120所產生的時脈信號Fclk的頻率也隨之升高。而在這樣的條件下，電荷泵電路110所產生的控制信號VG的上升時間可以維持實質上不改變的狀態。也就是說，負載開關SW的導通速度可以被維持，同樣不會受到電源電壓VDD變化的影響。
以下請參照圖2A，圖2A繪示本發明實施例的控制電路的電流信號產生器的示意圖。電流信號產生器200包括電阻串210、電壓緩衝器220、電流產生器230以及電流鏡CM1。電阻串210接收電源電壓VDD，並耦接至參考電壓端GND，在本實施例中，電阻串210包括相互串聯的電阻R1以及R2，參考電壓端GND可以為接地端。電阻串210被組態為一分壓電路，用以對電源電壓VDD進行分壓，藉以產生分壓電壓DV。電壓緩衝器220耦接至電阻串210，接收分壓電壓DV，並依據分壓電壓DV以產生感測電壓Vsen。電流產生器230耦接至電壓緩衝器220，接收參考電壓Vref以及感測電壓Vsen。電流產生器230計算參考電壓Vref以及感測電壓Vsen的差，並依據參考電壓Vref以及感測電壓Vsen的差的平方，來產生電流I1。
在另一方面，電流產生器230耦接至電流鏡CM1。電流鏡CM1接收電流I1，並透過鏡射電流I1來產生控制電流Iosc，其中，控制電流Iosc用以提供至振盪器120。在本實施例中，電流鏡CM1的電流鏡射比可以為1：m，其中m可以為任意實數。
在此請注意，在本實施例中，參考電壓Vref可以為預設的固定值，而基於參考電壓Vref以及感測電壓Vsen的差的平方來產生的電流I1，則可以與電源電壓VDD負相關。也因此，透過鏡射電流I1所產生的控制電流Iosc也可以與電源電壓VDD負相關。
此外，本實施例中的電壓緩衝器220為一電壓隨耦器（voltage follower）。電壓緩衝器220所產生的感測電壓Vsen與分壓電壓DV實質上是相等的。
以下請參照圖2B，圖2B繪示本發明圖2A實施例的電流信號產生器的另一實施方式的示意圖。與圖2A不同的，圖2B實施方式中，電流產生器230由電晶體M1所建構。其中，電晶體M1的第一端接收感測電壓Vsen，電晶體M1的控制端接收參考電壓Vref。電晶體M1的第二端耦接至電流鏡CM1，電晶體M1並透過其第二端由電流鏡CM1汲取電流I1。
在此請注意，在本實施方式中，電晶體M1工作在飽和區。電晶體M1所汲取的電流I1 =
Figure 02_image001
。而控制電流Iosc的電流值則等於m與電流I1的乘積。
以下請參照圖3A，圖3A繪示本發明另一實施例的控制電路的電流信號產生器的示意圖。電流信號產生器300耦接至振盪器120。電流信號產生器300包括電阻串310、電流鏡CM1、倒數電流產生器320以及電流鏡CM2。在本實施例中，電阻串310接收電源電壓VDD，並用以產生感測電流Isen。其中，電阻串310具有一個或多個電阻R，並透過所接收的電源電壓VDD來產生感測電流Isen。電流鏡CM1耦接至電阻串310，接收感測電流Isen，並透過鏡射感測電流Isen來產生電流I1。
在另一方面，倒數電流產生器320耦接至電流鏡CM1，並接收電流I1。倒數電流產生器320用以依據電流I1的倒數（乘法反元素）來產生電流I2。電流鏡CM2耦接在倒數電流產生器320以及振盪器120間，用以鏡射電流I2來產生控制電流Iosc。控制電流Iosc則被提供至振盪器120。
在本實施例中，基於電流I1與電源電壓VDD正相關，因此，電流I2則與電源電壓VDD負相關。也因此，電流信號產生器300可產生與電源電壓VDD負相關的控制電流Iosc。
以下請參照圖3B，圖3B繪示本發明圖3A實施例的電流信號產生器的一實施方式的示意圖。對應圖3A，在圖3B中，倒數電流產生器320包括參考電流源IS1、二極體D1、D2以及電晶體T1、T2。參考電流源IS1的一端接收電源電壓VDD，參考電流源IS1的另一端耦接至二極體D1的陽極端，並用以提供參考電流至二極體D1的陽極端。二極體D1的陰極端耦接至二極體D2的陽極端，二極體D2的陰極端耦接至參考電壓端GND。
此外，電晶體T1的第一端接收電源電壓VDD，電晶體T1的控制端耦接至二極體D1的陽極端，電晶體T1的第二端則耦接至電流鏡CM1。電晶體T2的第一端耦接至電流鏡CM2，電晶體T2的控制端耦接至電晶體T1的第二端，電晶體T2的第二端則耦接至參考電壓端GND。其中，電流鏡CM1由電晶體T1的第二端汲取電流I1，電晶體T2的第一端則由電流鏡CM2汲取電流I2。在本實施方式中，電晶體T1、T2均為NPN型態的雙極性接面電晶體（bipolar junction transistor, BJT）。
在本實施方式中，以電流鏡CM1以及CM2的電流鏡射比分別為n：1以及1：m為範例，感測電流Isen可以表示為
Figure 02_image003
，其中VGSN為電流鏡CM1中的電晶體MC的閘極-源極間的電壓差。控制電流Iosc則可表示為
Figure 02_image005
，其中I REF為參考電流源IS1所提供的參考電流。上述的m、n可以為任意實數。
由上述的說明可以明確得知，控制電流Iosc與電源電壓VDD是負相關的。
附帶一提的，圖3B中的二極體D1、D2，可以透過電晶體來建構。
請參照圖3C，圖3C繪示本發明圖3A實施例的電流信號產生器的另一實施方式的示意圖。電流信號產生器300’包括電阻串310、電流鏡CM1、倒數電流產生器320’以及電流鏡CM2。與圖3B實施方式不相同的，本實施例中的倒數電流產生器320’包括參考電流源IS1、IS2以及電晶體T1~T4。參考電流源IS1的一端接收電源電壓VDD，參考電流源IS1的另一端耦接至電晶體T1的第一端、電晶體T2的控制端以及電晶體T3的控制端。電晶體T1的控制端耦接至電晶體T2的第二端，電晶體T1的第二端耦接至參考電壓端GND。電晶體T2、T3的第一端共同接收電源電壓，參考電流源IS2耦接在電晶體T2與參考電壓端GND間。電晶體T3的第二端則耦接至電流鏡CM1以及電晶體T4的控制端，並提供電流I2至電流鏡CM1。另外，電晶體T4的第一端耦接至電流鏡CM2，並由電流鏡CM2汲取電流I2，電晶體T4的第二端耦接至參考電壓端GND。
在本實施例中，以電流鏡CM1以及CM2的電流鏡射比分別為n：1以及1：m，且電晶體T1~T4具有相同電氣特性為範例。依據圖3D的電路圖，可建立第一等式：VBE1 + VBE2 = VBE3 + VBE4，其中VBE1~VBE4分別為電晶體T1~T4的基極-射極電壓差。基於電晶體的電流公式：
Figure 02_image007
，（V T為電晶體的熱電壓，I C、I S分別為電晶體的集級電流與飽和電流，上述的等式可以改寫為第二等式：
Figure 02_image009
，其中的I C1~I C4分別為電晶體T1~T4的集極電流。
依據上述的第二等式，可計算出
Figure 02_image011
，並可進一步推得控制電流
Figure 02_image013
。其中m、n可以為1，I REF為參考電流源IS1、IS2提供的參考電流。
由上述的說明可以得知，本發明實施例的電流信號產生器可產生與電源電壓VDD負相關的控制電流Iosc。
綜上所述，本發明提供電阻串以接收電源電壓，並將依據電源電壓所產生的感測電流或感測電壓，做為產生控制電流的依據，並據以產生與電源電壓負相關的控制電流。如此一來，振盪器可提供頻率與電源電壓負相關的時脈信號，來使電荷泵產生控制信號的上升時間，可以不因電源電壓的電壓值的變高或變低，而產生變化，維持負載開關維持有效的工作效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:控制電路 110:電荷泵電路 120:振盪器 130、200、300、300’:電流信號產生器 210、310:電阻串 220:電壓緩衝器 230:電流產生器 320、320’:倒數電流產生器 Fclk:時脈信號 Iosc:控制電流 SW:負載開關 VDD:電源電壓 VG:控制信號 VOUT:輸出電壓 R、R1、R2:電阻 GND:參考電壓端 CM1、CM2:電流鏡 DV:分壓電壓 Vsen:感測電壓 Vref:參考電壓 I1、I2:電流 M1、MC、T1~T4:電晶體 D1、D2:二極體 IS1、IS2:參考電流源
圖1繪示本發明一實施例的負載開關的控制電路的示意圖。 圖2A繪示本發明實施例的控制電路的電流信號產生器的示意圖。 圖2B繪示本發明圖2A實施例的電流信號產生器的另一實施方式的示意圖。 圖3A繪示本發明另一實施例的控制電路的電流信號產生器的示意圖。 圖3B繪示本發明圖3A實施例的電流信號產生器的一實施方式的示意圖。 圖3C繪示本發明圖3A實施例的電流信號產生器的另一實施方式的示意圖。
100:控制電路
SW:負載開關
VG:控制信號
VDD:電源電壓
VOUT:輸出電壓
110:電荷泵電路
120:振盪器
130:電流信號產生器
Iosc:控制電流
Fclk:時脈信號

Claims (11)

  1. 一種負載開關的控制電路，包括：一電荷泵電路，依據一時脈信號以產生一控制信號，該負載開關依據該控制信號以導通或斷開；一振盪器，依據一控制電流以產生該時脈信號；以及一電流信號產生器，提供一電阻串以接收一電源電壓，該電流信號產生器的該電阻串依據該電源電壓以產生一感測電流或一感測電壓，該電流信號產生器並依據該感測電流的倒數或該感測電壓的平方以產生該控制電流，其中，該時脈信號的頻率與該電源電壓的電壓值呈負相關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該電荷泵電路基於該電源電壓，依據該時脈信號進行電荷泵操作以產生該控制信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該電流信號產生器包括：該電阻串，分壓該電源電壓以產生一分壓電壓；一電壓緩衝器，耦接該電阻串，依據該分壓電壓以產生該感測電壓；一電流產生器，耦接該電壓緩衝器，依據一參考電壓以及該感測電壓的差的平方以產生一第一電流；以及一電流鏡，耦接該電流產生器，鏡射該第一電流以產生該控制電流。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的控制電路，其中該電流產生器為一電晶體，該電晶體的第一端接收該感測電壓，該電晶體的控制端接收該參考電壓，該電晶體的第二端產生該第一電流，其中該電晶體工作在飽和區。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的控制電路，其中該電壓緩衝器為一電壓隨耦器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該電流信號產生器包括：該電阻串，依據該電源電壓以產生一感測電流；一第一電流鏡，鏡射該感測電流以產生一第一電流；以及一倒數電流產生器，接收該第一電流，並依據該第一電流的倒數來產生一第二電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的控制電路，其中該電流信號產生器更包括：一第二電流鏡，接收該第二電流，鏡射該第二電流以產生該控制電流。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的控制電路，其中該倒數電流產生器包括：一參考電流源，提供一參考電流；一第一二極體，其陽極端接收該參考電流；一第二二極體，具有陽極端耦接該第一二極體的陰極端，該第二二極體的陰極端耦接至一參考電壓端； 一第一電晶體，具有第一端接收該電源電壓，該第一電晶體的控制端耦接至該第一二極體的陽極，該第一電晶體的第二端接收該第一電流；以及一第二電晶體，具有第一端產生該第二電流，該第二電晶體的控制端耦接至該第一電晶體的第二端，該第二電晶體的第二端耦接至該參考電壓端。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該第二二極體為一第四電晶體，該第四電晶體的控制端耦接至該第四電晶體的第一端並耦接至該第一二極體的陰極端，該第四電晶體的第二端耦接該參考電壓端。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的控制電路，其中該倒數電流產生器包括：一第一參考電流源，提供一第一參考電流；一第一電晶體，第一端接收該第一參考電流，該第一電晶體的第二端耦接至一參考電壓端；一第二電晶體，第一端接收該電源電壓，該第二電晶體的控制端耦接至該第一電晶體的第一端，該第二電晶體的第二端耦接至該第一電晶體的控制端；一第二參考電流源，耦接在該第一電晶體的控制端以及該參考電壓端間，用以提供一第二參考電流； 一第三電晶體，第一端接收該電源電壓，該第三電晶體的控制端耦接至該第二電晶體的控制端，該第三電晶體的第二端接收該第一電流；以及一第四電晶體，第一端產生該第二電流，該第四電晶體的控制端耦接至該第三電晶體的第二端，該第四電晶體的第二端耦接至該參考電壓端。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該振盪器為一電流控制振盪器。
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