专利名称：电源装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电子系统的电荷泵电源，更具体地，涉及高效电荷泵及其操作，在这种电荷泵电源中通常通过控制电荷泵在多个操作模式之间进行转换而使用。
背景技术：
许多用电池作电源的便携式电子产品，将LED(发光二极管)元件用作LCD(液晶显示器)的背光或附加照相机的闪光灯。为了驱动LED元件，范围为3V-4.2V的电池电压必须升压到范围为3.2V-5V的LED电压。电荷泵电路通常用作提供升压功能的电源装置。因为电荷泵的固定升压增益，输出电压总是高于所需的LED电压。因此，需要调节器或镇流电阻器将LED电流或输出电压调节到期望值。因此，功率在调节器或镇流电阻器中损失。为了改善电源装置的效率，有许多提案建议调节电荷泵的升压增益以使功率损耗达到最小。例子有美国专利2005/0047181A1、6226193和6512411中描述的电荷泵系统，它们能够在1、3/2和2之间动态地调节它们的增益以提高平均效率。但是，可选择增益的大分距意味着最坏情况的效率可能低到60％。例如，当期望的LED电压是3.7V并且电池电压是3.7V时，必须使用3/2的增益。在该例子中的效率只有66％。因此，需要的是提供进一步改善的、更有效的多模式电荷泵的系统、装置及方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于高效率多模式电荷泵設計的电源装置。
本发明的另一个目的在于提供电荷泵的多模式操作的转换系统，对于电荷泵的具体电路可能遇到的适当输出负载的一个较宽范围该系统都能够有效地工作，优选地可以在其整个范围有效地工作。
本发明的另一个目的在于提供电荷泵的多模式操作的转换系统，其一贯地保持高效率和高输出电流能力。
并且本发明的再一个目的在于提供电荷泵的多模式操作的系统，其可因应负载而自动转换适当高效模式或高输出电流模式。
本发明的技术方案包括提供一种电源装置，它包括电荷泵电路，其包括耦合到多个外部电容器的多个开关、和能够控制开关电路构造以切换电荷泵电路的增益的时序控制电路；一个或多于一个的电流调节器电路，其将一个或多于一个LED的电流调节到预置值并输出信号，该信号在进一步处理之后指示所述电荷泵的输出电压是过度、高于还是低于阈值，以将所述器件的电流保持于预置值；模拟AND电路和模拟OR电路，其处理来自所述调节器的信号；模式转换系统，其利用来自所述模拟AND电路和模拟OR电路的信号，产生并提供用来调节增益的信号，供给到所述电荷泵电路，其中，包括各个开关和时序控制电路的所述电荷泵电路、所述调节器电路、所述模拟AND电路、所述OR电路和所述模式转换系统被单片地集成。
根据本发明的上述电源装置的一个实施例，其中所述电荷泵电路包括9个开关，耦合到3个外部电容器。
根据本发明的上述电源装置的一个实施例，其中所述电荷泵电路具有1；4/3；3/2；5/3；2的增益，并且所述模式转换系统具有模式计数器，其输出内容用于选择所述电荷泵的增益。
根据本发明的上述电源装置的一个实施例，其中所述模式转换系统具有两个比较器，其将来自所述模拟AND电路和模拟OR电路的所述信号与一对预先确定的参考信号比较，以确定所述电荷泵的输出电压是过度、适当还是不足，以将所述电荷泵的输出电流保持于预置值并输出信号到所述模式计数器以减小、保持或增加所述模式计数器的输出内容。
根据本发明的上述电源装置的一个实施例，其中所述模式计数器将其内容输出到所述电荷泵电路，由此，步进地切换增益。
简而言之，本发明的优选实施例是具有电流调节器和模式转换系统的电荷泵。该电荷泵包括根据所选模式产生控制信号的开关时序控制电路，以及在第一半时钟周期期间充电并在另一半时钟周期期间放电的多个升压电容器。针对本发明的一个具体实施例，电荷泵提供1；4/3；3/2；5/3；2这五种模式的不同增益，使得通过选择适当的模式输出电压可以更好地适合于负载的期望电流或电压并使调节器中的功率损耗达到最小。模式转换系统能够自动转换和选择电荷泵的模式，以使调节器中的功率损耗达到最小并使系统的效率达到最大。电流调节器将LED的电流保持于预置值。调节器也输出在被进一步处理之后可以指示电荷泵的输出电压是过度、高于还是低于阈值的信号。信号与预先确定水平比较并且因此产生模式选择信号以使所述调节器的功率损耗达到最小。
本发明的优点在于其提供电荷泵的多模式操作的有效、自动操作的转换系统，其能够适应较宽范围、优选地全范围的电荷泵输入条件和输出负载。当可以选择4/3的增益时，与使用3/2的增益相比在效率上有11％的改善。当可以选择5/3的增益时，与使用2的增益相比在效率上有17％的改善。
本发明的另一个优点在于它可以很大程度上单片地实施。本发明可以包含于单片集成电路类型的电荷泵设计中，而不需要附加的分立部件或依赖于非单片组件。然而如果设计者希望的话，本发明也可以使用分立部件或非单片组件或者为了其它目的嵌入于使用这种电源装置的设计中。
本发明的另一个优点在于它可以使用广泛了解和经济的集成电路数字逻辑工艺来实施。
鉴于这里所描述及几个附图中所说明的实施本发明的当前已知最佳方式以及优选实施方案的工业适用性的描述，本发明的这些和其它目的及优点将对于本领域技术人员变得清楚。
图1说明根据本发明的实施例的电荷泵系统的结构。
图2说明电荷泵电路的结构。
图3说明当图2中所示的电荷泵电路的增益设置为1时开关S1～S9的导通/截止(ON/OFF)状态。
图4A、图4B及图4C说明当图2中所示的电荷泵电路的增益设置为4/3时在充电相位P2/1以及放电相位P2/2和P2/3期间开关S1～S9的导通/截止状态。
图4D说明充电相位P2/1以及放电相位P2/2及P2/3的重复序列。
图5A和图5B说明当图2中所示的电荷泵电路的增益设置为3/2时在充电相位P3/1和放电相位P3/2期间开关S1～S9的导通/截止状态。
图5C说明充电相位P3/1和放电相位P3/2的重复序列。
图6A、图6B、图6C和图6D说明当图2中所示的电荷泵电路的增益设置为5/3时在充电相位P3/1以及放电相位P4/2、P4/3和P4/4期间开关S1～S9的导通/截止状态。
图6E说明充电相位P3/1以及放电相位P4/2、P4/3和P4/4的重复序列。
图7A和图7B说明当图2中所示的电荷泵电路的增益设置为2时在充电相位P5/1和放电相位P5/2期间开关S1～S9的导通/截止状态。
图7C说明充电相位P5/1和放电相位P5/2的重复序列。
图8说明图1中所示的电流调节器电路的结构。
图9说明图1中所示的模拟AND电路的结构。
图10说明图1中所示的模拟OR电路的结构。
图11说明图1中所示的模式转换系统的结构。
具体实施例方式
本发明现在将基于下面的一个具体实施例而描述，该实施例不打算限制本发明的范围而只是示范本发明。本领域技术人员可以理解，在该实施例中描述的所有特征及其组合，以及各种元件的具体数目不一定是对本发明必不可少的。
本发明的一个优选实施例及其优点通过参考附图的图1-11而最好地理解。相似数字用于各个附图的相似及相应部分。图1说明根据本发明的优选实施例的升压转换器100的结构。构成升压转换器100的电路单片集成为电源装置。升压转换器100接收来自锂离子电池11的输入电压即电池电压Vin，并且在使用升压电容器C1、C2和C3的电荷泵电路101处将它升压，从而输出升压后的电压Vout。LED元件12A和12B，连同平滑电容器Cout一起，并联连接到升压转换器100的输出终端，并通过电流调节器102A和102B接地。从升压转换器100输出的升压后的电压Vout供给到LED元件12A和12B。锂离子电池11的电池电压Vin的通常范围为3V～4.2V。升压转换器100将电池电压Vin升压到3.2V～5V的Vout，并将它供给到LED元件12A和12B作为驱动电压。
图2说明电荷泵电路101的结构。电荷泵电路101通过根据预置的时间序列执行开关S1～S9的导通/截止控制从而切换连接模式以及三个升压电容器C1、C2和C3的充电或放电的时序，将输入电压Vin升压到输出电压Vout。开关时序控制子系统13根据模式选择信号SEL提供预置的时间序列。
图3说明当增益为1时开关S1～S9的导通/截止状态。如图3中所示，S4和S9每个设置于截止位置，并且其它开关设置于导通位置，使得输入电压Vin就按照原值输出为输出电压Vout。
接下来，增益为4/3倍的情况在下面说明。图4A、图4B和图4C说明在充电和放电相位期间开关S1～S9的导通/截止状态。
图4A说明在充电相位P2/1期间开关S1～S9的导通/截止状态。在充电期间，电荷泵电路101将S1、S8和S9设置于导通位置并且将其它开关设置于截止位置，使得形成C1、C2及C3串联连接的电路，从而C1、C2和C3用输入电压Vin的电力充电。这样，电压1/3Vin施加到这三个升压电容器C1、C2和C3的每一个的两端。
图4B说明第一放电相位P2/2时S1～S9的导通/截止状态。在该相位中，电荷泵电路101将S2和S5设置于导通位置并将其它开关设置于截止位置，使得C1现在在与充电时相反的方向上串联连接到输入电压Vin。这样C1被放电，并且输送电力到输出终端。这样，C1的电压1/3Vin添加到Vin，使得Vout变成4/3Vin。
图4C说明第二放电相位P2/3时S1～S9的导通/截止状态，在该相位中，电荷泵电路101将S3、S4、S6和S7设置于导通位置并将其它开关设置于截止位置，使得C2和C3现在通过S6并联连接，从而输入电压Vin在与充电时相反的方向上施加到充有电压1/3Vin的C2和C3。这样C2和C3放电，并且输送电力到输出终端。这样，两个升压电容器C2和C3的电压1/3Vin添加到Vin，使得Vout变成4/3Vin。
图4D说明充电相位P2/1以及放电相位P2/2和P2/3的重复序列。电荷泵电路101在信号CLK的第一半周期时进入充电相位P2/1，并在信号CLK的第二半周期时进入放电相位P2/2或P2/3。
图5、图6和图7分别说明对应于增益为3/2、5/3和2时S1和S9的导通/截止状态以及电荷泵电路101的充电和放电序列。图5、图6和图7可以用与上面图4的解释相同的方式分析和理解，并且对于本领域技术人员应当是显然的。
图8说明电流调节器102A或102B的结构。电流感测电阻器23提供与LED电流ILED成正比的电压24。电压24与预置的参考电压20比较。差值由放大器21放大，并且放大后的电压15A驱动MOSFET 22以调节ILED直到ILED等于由电压20和电阻23所确定的预置值。当电荷泵101的输出电压Vout低于产生期望电流的所需LED电压时，电压20和电压24之间的差值将很大。该大的差值将驱动放大器21饱和，并且电压15A取接近或等于Vin即放大器21的电源的值。当电荷泵101的输出电压高于所需LED电压时，多余电压形成调节器102A的电压降14A。当增益G1足以提供期望的LED电流但选择更大的增益G2时，电压14A将比所需值高(G2-G1)*Vin。
因此，放大器21的输出电压15A和信号14A是电荷泵的增益过高或过低的指示信号。信号14B和15B是14A和15A的对应，由调节另一个LED 12B的电流的另一个调节器102B输出。
图9说明输入来自调节器102的信号14A和14B并输出信号14的模拟AND电路105的结构。对于任何给定的阈值电平，当且仅当两个输入14A和14B均高于阈值电平时信号14将高于阈值。因此，当跨越调节器102A和102B的两个电压降过高时信号14将高于阈值，并且电荷泵101的增益可以相应减小。
图10说明输入来自调节器102A和102B的信号15A和15B、并输出信号15的模拟OR电路104的结构。对于任何设定的阈值电平，当15A或15B的任一个或两个高于阈值电平时信号15将高于阈值。因此，当LED 12A或12B的任一个的电流不能调节到期望值时信号15将高于阈值，并且电荷泵101的增益应当增加。
因此，信号14和15是电荷泵增益过高、过低或足够的指示信号。校正动作可以通过使用这两个信号来执行。
图11说明使用信号14和15来调节电荷泵101的增益，使得电压14是最小值、并且调节器102A和102B的功率损耗是最小值的模式转换系统103的结构。比较器36将信号15和来自由电阻器R1和R2形成的分压器的电压31比较。当电压15高于电压31时，其指示电荷泵101的输出Vout是不够的，从而应当选择更高的增益。建议的R2/R1比值为9。更小的比值可能导致电荷泵比所需要的过早地切换到更高增益、或者在正常条件下在调节器的控制电压上施加不必要的上限。
比较器37将电压14与电压35比较。电压35的值取决于电荷泵的增益或模式以及电池电压Vin。当电荷泵101使用增益G1并且下一个较小增益是G2时，电压35的值应当大约为(G1-G2)*Vin。该取决于增益的电压35由分压器R3、R4和R5以及选择器34来提供。对于本发明中的电荷泵101，所建议的R3、R4和R5的值大约为R3/(R3+R4+R5)＝2/3，R4/(R3+R4+R5)＝1/6并且R5＝R4。电阻器R3、R4和R5一起产生阈值电压32和33。当电荷泵101的增益是3/2或5/3时，选择器34将信号33连接到信号35，该处信号等于Vin/6。对于其它增益设置，选择器34将信号32连接到信号35，该处信号等于Vin/3。R1、R2和R3的最佳比值取决于电荷泵101的开关的功率损耗，这可以通过整个系统的实际测试和仿真来确定。
比较器36的输出用作增加模式计数器38的内容(输出值)的信号。比较器37的输出用作减小模式计数器38的内容(输出值)的信号。模式计数器38的内容作为增益选择信号SEL输出到电荷泵101以选择所需的操作模式。
因此，对于电池电压Vin的所有范围和负载电流ILED的所有范围，本发明都能够选择最有效的操作模式使调节器的功率损耗达到最小。
虽然本发明的模式转换系统103的操作和本发明中的电荷泵101一起描述，但是模式转换系统103的应用并不局限于本发明中的电荷泵101，而是可应用于其它多模式电荷泵。
已基于上面的实施例而描述本发明，实施例的描述只是说明性的。因此本领域技术人员应当理解，存在对上面所描述的每个部件及过程的组合的修改，并且这些修改也包括在发明要求保护的范围内。
虽然在已描述的实施例中LED元件用作连接到电源装置的器件的例子，这种器件也可以是其它元件或器件，例如有机电致发光器件等等。
虽然在已描述的实施例中，是基于两个LED元件被驱动的结构；增益通过检测端电压和两个电流调节器的控制信号来选择。但结构也可以是这样的，使得多于两个并联连接的LED元件被驱动并通过多个调节器接地，增益通过检测多个调节器的信号来选择。结构也可以是这样的，使得仅一个LED元件被驱动并通过单个调节器接地，增益通过检测调节器的信号来选择，并且模拟AND和模拟OR电路可以节省。
本领域技术人员还可以理解，实施例的描述是针对采用锂离子电池输入电压并驱动LED元件电路的特定例子描述的，其中电荷泵电路在此情况下包括耦合到3个外部电容器的9个开关，本发明的思想已包含在上述具体实例的描述中。但各种元件的具体数目和具体分压数值以及各种要素的比例关系可以在本发明的思想下根据实际应用而具体改变，从而不超出由权利要求书所限定的本发明的范围。
总之，虽然本发明已通过示范实施例而描述，应当明白许多改变和替换可以由本领域技术人员进一步作出，而不背离由附加权利要求书所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种电源装置，包括电荷泵电路，其包括耦合到多个外部电容器的多个开关、和能够控制开关电路构造以切换电荷泵电路的增益的时序控制电路；一个或多于一个的电流调节器电路，其将一个或多于一个LED的电流调节到预置值并输出信号，该信号在进一步处理之后指示所述电荷泵的输出电压是过度、高于还是低于阈值，以将所述器件的电流保持于预置值；模拟AND电路和模拟OR电路，其处理来自所述调节器的信号；以及模式转换系统，其利用来自所述模拟AND电路和模拟OR电路的信号，产生并提供用来调节增益的信号，供给到所述电荷泵电路，其中，包括各个开关和时序控制电路的所述电荷泵电路、所述调节器电路、所述模拟AND电路、所述OR电路和所述模式转换系统被单片地集成。
2.根据权利要求1的电源装置，其中所述电荷泵电路包括耦合到3个外部电容器的9个开关。
3.根据权利要求2的电源装置，其中所述电荷泵电路具有1；4/3；3/2；5/3；2的增益，并且所述模式转换系统具有模式计数器，其输出内容用于选择所述电荷泵的增益。
4.根据权利要求3的电源装置，其中所述模式转换系统具有两个比较器，其将来自所述模拟AND电路和模拟OR电路的所述信号与一对预先确定的参考信号比较，以确定所述电荷泵的输出电压是过度、适当还是不足，以将所述电荷泵的输出电流保持于预置值并输出信号到所述模式计数器以减小、保持或增加所述模式计数器的输出内容。
5.根据权利要求4的电源装置，其中所述模式计数器将其内容输出到所述电荷泵电路，由此，步进地切换增益。
全文摘要
本发明涉及基于电荷泵原理工作的电源装置，该电源装置的一个实施例包括调节器以及在包含九个开关的开关矩阵中切换的三个电荷泵电容器。该装置提供能够控制开关使得电荷泵在充电相位和放电相位之间转换的控制电路，其能够以具有不同电压增益(1；4/3；3/2；5/3；2)的五种模式来操作电荷泵。本发明还包括模式转换系统。模式的选择依赖比较器以比较来自电流调节元件的信号和预先确定的电压，然后当前者达到后者时将电荷泵转换到相应的其它模式，其中预先确定的电压的选值能够使得转换器的效率达到最优。
文档编号H02M3/07GK1909348SQ20051008848
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月2日 优先权日2005年8月2日
发明者吴锡伟 申请人:蜜蜂工房半导体有限公司