具有可变增益和可变频率的电荷泵的制作方法

本申请要求2014年04月24日提交的、题目为“CHARGE PUMPS HAVING VARIABLE GAIN AND VARIABLE FREQUENCY”的美国申请No.14/260,658的优先权，针对所有目的以其整体通过引用并入本文。

本申请与2014年04月24日提交的、题目为“CHARGE-RECYCLING CIRCUITS”的美国专利申请No.14/260,592以及2014年04与24日提交的、题目为“CHARGE-RECYCLING CIRCUITS INCLUDING SWITCHING POWER STAGES WITH FLOATING RAILS”的美国专利申请No.14/260,733相关，以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及电荷泵，并且具体地涉及具有可变增益和可变频率的电荷泵。

背景技术：

除非本文另有指示，在本部分中描述的方案不因包括在本部分中而被承认是现有技术。

电荷泵经常用来调节电子系统中的电压。到电荷泵的输入电压中的变化影响电荷泵以及由电荷泵驱动的系统的效率。已经提出了电荷泵的各种反馈系统以用于检测电荷泵的输出以及控制电荷泵。

技术实现要素：

本公开涉及具有可变增益和可变频率的电荷泵。

在一个实施例中，本公开包括一种包括电荷泵的电路。增益控制电路被配置成检测输入电压并且生成增益控制信号改变电荷泵的增益以将电荷泵的输出电压维持在一电压范围中。电压到频率转换器被配置成检测输入电压并且基于检测的输入电压而改变施加到电荷泵的频率控制信号的频率以将频率维持在一频率范围中以便将电荷泵的输出电压维持在该电压范围中。

在一个实施例中，电荷泵包括多个电容器，其在电荷泵的输入和电荷泵的输出之间耦合电荷。增益控制信号配置耦合电荷的电容器的数目。增益控制电路进一步被配置成通过基于该控制信号的频率的增加而减少耦合电荷的电容器的数目来改变电荷泵的增益。

在一个实施例中，增益控制电路进一步被配置成通过改变在电荷泵的输入和电荷泵的输出之间耦合电荷的电荷泵的电容器的数目来改变电荷泵的增益。

在一个实施例中，增益控制电路是模数转换器，模数转换器被配置成基于输入电压生成数字信号以控制电荷泵中的开关的选择以用于控制电荷泵中的电容器的选择。

在一个实施例中，电压到频率转换器是压控振荡器，压控振荡器被配置成响应于检测的输入电压的变化生成时钟信号作为频率控制信号。

在一个实施例中，电路进一步包括被配置成检测到电荷泵中的输入电流的电流检测器。电压到频率转换器进一步被配置成基于检测的输入电流而改变控制信号的频率。

在一个实施例中，电路进一步包括耦合到电荷泵的输入的电流源，在电流源和地之间耦合的电流宿(current sink)以及配置成检测来自电流源的电流的电流检测器。电压到频率转换器进一步被配置成基于检测的输入电流来改变控制信号的频率以使到电荷泵的输入电流与来自电流源的电流近似相等。

在一个实施例中，本公开包括一种包括电荷泵的电路，电荷泵包括用于接收输入电压的输入并且具有用于基于输入电压而提供输出电压的输出。电荷泵具有响应于增益控制信号的可选择的增益以及响应于频率控制信号的增益。增益控制电路被配置成检测输入电压并且生成增益控制信号来选择电荷泵的增益以将电荷泵的输出电压维持在一电压范围中。频率控制电路被配置成检测输入电压并且生成频率控制信号来将频率维持在一频率范围中以便将电荷泵的输出电压维持在该电压范围中。

在一个实施例中，本公开包括一种方法，该方法包括检测输入电压以控制电荷泵的增益、频率和输出电压，改变电荷泵的增益以将电荷泵的输出电压维持在一电压范围中，以及基于检测的输入电压而改变施加到电荷泵的控制信号的频率以将频率维持在一频率范围中以便将电荷泵的输出电压维持在该电压范围中。

在一个实施例中，改变电荷泵的增益包括基于控制信号的频率的增加而减少在电荷泵的输入和电荷泵的输出之间耦合电荷的电容器的数目。

在一个实施例中，改变电荷泵的增益包括改变在电荷泵的输入和电荷泵的输出之间耦合电荷的电容器的数目。

在一个实施例中，方法进一步包括检测到电荷泵中的输入电流，并且基于检测的输入电流而改变控制信号的频率。

在一个实施例中，方法进一步包括拉(source)电流到电荷泵的输入，从电流源向地灌(sink)电流宿，检测来自电流源的电流，以及基于检测的输入电流而改变控制信号的频率以使到电荷泵的输入电流与来自电流源的电流近似相等。

以下的详细描述和附图提供了对本公开的性质和优势的更好的理解。

附图说明

关于以下的讨论以及尤其是关于附图，应当强调，示出的特例代表解释性讨论的目的的示例，并且是为了提供对本公开的原理和概念性方面的描述而呈现。鉴于此，并没有作示出超出本公开的基础理解所需的实施细节的尝试。结合着附图的以下的讨论使得可以如何实践根据本公开的实施例对本领域技术人员显而易见。在附图中：

图1图示了根据一个实施例的电荷泵系统的框图。

图2图示了根据第二实施例的电荷泵系统的框图。

图3图示了根据第三实施例的电荷泵系统的框图。

图4图示了根据第四实施例的电荷泵系统的框图。

图5图示了根据第五实施例的电荷泵系统的框图。

图6图示了根据一个实施例的压控振荡器的框图。

图7图示了根据一个实施例的电荷泵系统的简化的时序图。

图8图示了根据一个实施例的控制电荷泵系统的流程的简化图。

具体实施方式

在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了许多示例和具体的细节以便提供对本公开的透彻的理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是如在权利要求中表述的本公开可以包括这些示例中的一些或所有特征(单独或与下文描述的其他特征组合)并且可以进一步包括本文描述的特征和概念的修改和等价物。

图1图示了根据一个实施例的电荷泵系统100的框图。电荷泵系统100包括可变频率/可变增益电荷泵102、增益控制电路104和电压到频率转换器106。

电荷泵系统100可以作为电压调节器或电流调节器或两者操作。在一些实施例中，电荷泵系统100从输入电压V(IN)提供输出电压V(OUT)。电荷泵系统100作为前馈控制系统操作。电荷泵102将输出电压V(OUT)维持在第一范围中，而输入电压V(IN)在第二范围上变化(例如，由于纹波)。第一范围可以较窄以便输出电压V(OUT)基本恒定。输入电压V(IN)也作为输入被提供到电压到频率转换器106(例如，压控振荡器)。随着输入电压V(IN)从低值到高值变化(即，随着输入电压V(IN)增加)，来自电压到频率转换器106的时钟信号的频率也增加。频率的增加导致电荷泵102的增益的对应的增加，这倾向于使输出电压V(OUT)从额定值变化。然而，由于增加的频率/输入电压V(IN)导致的电荷泵102的增益的增加可以通过使用也接收输入电压V(IN)的增益控制电路104来选择性地降低电荷泵102的增益而抵消。例如，可以通过减少在电荷泵102中可操作的电容器的数目来降低增益。

相应地，随着输入电压V(IN)从低值向高值变化，可以通过减少电荷泵103中的电容器的数目来抵消输入电压V(IN)的增加以及由输入电压V(IN)的增加导致的增益的增加而将输出电压V(OUT)维持在受约束的范围内。

因为电荷泵系统100作为前馈系统操作，所以输入电压V(IN)应当在将电压到频率转换器106的频率保持在限制输出电压V(OUT)的范围的一范围中。

图2图示了根据一个实施例的电荷泵系统200的框图。电荷泵系统200是系统100的示例实施方式。电荷泵系统200包括电荷泵202、压控振荡器(VCO)204、电平感测电路206和输入感测电路208。电荷泵202包括开关控制多路复用器210、多个电容器212和多个开关S1I、S2I、S3I、S1G、S2G、S3G、S1O、S2O、S3O、S1X、S2X和S3X。

电荷泵系统200作为前馈控制系统操作。输入电压Vin被电荷泵202接收并且被升压到输出电压Vout。在一些实施例中，希望将跨输入电压Vin的变化而将输出电压Vout维持近似恒定。

输入感测电路208接收输入电压Vin，并且根据输入电压Vin向VCO 204提供对应于输入电压Vin的电压。VCO 204产生非重叠的时钟Φ1和Φ2。时钟Φ1和Φ2被提供到开关控制多路复用器210，开关控制多路复用器210产生用于导通和关断电荷泵开关的信号。这是电荷泵202的频率控制。最初，在时钟Φ1期间，Sx1开关和SxG开关被闭合以便输入电压Vin将三个电容器212中的每个充电。电容器212具有电容Cf。在时钟Φ2期间，时钟Φ1的开关断开并且Sxx和Sx0开关被闭合以便电容器212上的电荷被升压到输出电压Vout。在一些实施例中，输出电压Vout节点包括DC电容器216以将输出电压Vout维持近似恒定。因为电荷泵系统200作为前馈系统操作，所以输入电压V(IN)应当在一范围中，该范围将VCO 204的频率保持在限制输出电压V(OUT)的范围的一范围中。

然而，输入电压Vin的变化可能导致输入电压Vin从某些低电压增加到高电压。在输入电压Vin的电压变化的下端，输入电压Vin可能需要更大的增益来实现输出电压Vout的需要的水平。因此，应当使用较高的增益。相反地，在输入电压Vin的电压变化的高端，输入电压Vin可能需要更小的增益以便输出电压Vout不变得过大。这是电荷泵202的电压或增益控制。

相应地，电平感测电路206(例如，比较器或模数转换器(ADC))将输入电压Vin转译成可以用来设置电荷泵202的增益的编码CODE。在该示例中，CODE包括用于四种增益设置的两个位并且被表示为CODE[1:0]。例如，当输入电压Vin为低时(低于第一电压)，ADC 206可以生成对应于最大增益的CODE(在该示例中，四的增益)。例如，最大增益可以使用所有的三个电容器212。当输入电压Vin增加到高于第一电压而仍然低于第二电压时，输入电压Vin被转译成对应于中等增益的CODE，其中电容器212中的一个被禁能(在该示例中，三的增益)。当输入电压Vin为高时(高于第二电压)，ADC 206可以将输入电压Vin转译成对应于最小增益的CODE(在该示例中，二的增益)，其中两个电容器212被禁能。

CODE被开关控制多路复用器210接收，开关控制多路复用器210选择性地使某些开关禁能电容器212中的一个或多个。开关控制多路复用器210包括多个多路复用器214来生成针对多个开关S1I、S2I和S3I、S1G、S2G、S3G、S1O、S2O、S3O、S1X、S2X和S3X的控制或开关信号。随着CODE改变，开关信号被放置在禁能一个或多个电容器212的状态中。

因此，随着输入电压Vin增加，可以通过禁能电荷泵202中的电容器212以减小电荷泵202的增益而将输出电压Vout维持近似恒定。

开关控制多路复用器210响应于输入电压Vin而生成用于开关电荷泵202的控制信号以用于控制电荷泵202的增益。

开关S1I、S2I和S3I响应于来自开关控制多路复用器210的对应的控制信号而分别将电容器212-1到212-3选择性地耦合到输入电压Vin来将电荷转移到电容器212。

开关S1G、S2G和S3G响应于来自开关控制多路复用器210的对应的控制信号而分别将电容器212-1到212-3选择性地耦合到地。

开关S1O、S2O和S3O响应于来自开关控制多路复用器210的对应的控制信号而分别将电容器212-1到212-3选择性地耦合到输出电压Vout以将电荷从电容器212转移到输出电压Vout。

开关S1X、S2X和S3X响应于来自开关控制多路复用器210的对应的控制信号而分别将选择的电容器212-1到212-3选择性地串联耦合并且耦合到输入电压Vin以提升该电压并且设置电荷泵的增益。在图2中示出了三个电容器212，但可以使用其他数目以提供电荷泵202的其他增益值。

图3图示了根据一个实施例的电荷泵系统300的框图。电荷泵系统300是系统100的示例实施方式。电荷泵系统300作为前馈控制系统操作。电荷泵系统300包括电荷泵202、VCO 204、ADC 206、DC电容器216、电流源302、比较器304、感测电阻器306、感测电路310和电压调节器308。电压调节器308可以是低压差(LDO)调节器。电压调节器308包括NMOS晶体管308和比较器314。感测电阻器306和感测电路310例如代表串联感测电阻器或并联FET电流感测电路。感测电阻器306和感测电路310感测来自电流源302的电流并且向比较器304的负极端子提供电压。比较器304的正极端子被耦合到基准电压，这在该示例中被接地。比较器304向VCO 204提供误差电压Ve，VCO 204以与上文描述的类似的方式生成时钟信号Φ1和Φ2。电荷泵系统300通过改变VCO 204的频率来改变电荷泵202的开关频率而控制到电荷泵202和NMOS晶体管308中的电流。随着电荷泵202的开关频率增加，电荷泵202将更多来自电流源302以及因此来自电荷泵202的输入的电荷转移到电荷泵202的输出，并且因此减少到NMOS晶体管308中的电流。在一个实施例中，比较器304控制VCO 204以控制开关频率以便到NMOS晶体管308中的电流为零或基本为零，以便来自电流源302的所有的或基本所有的电流被提供到电荷泵202。

在电荷泵系统300中，如下文所描述的，到ADC 206中的输入电压Vin可以与到电荷泵202中的输入电压VIN-CP相关。

图4图示了根据一个实施例的电荷泵系统400的框图。电荷泵系统400是系统100的示例实施方式。电荷泵系统400作为前馈控制系统操作。电荷泵系统400包括电荷泵202、VCO 204、ADC 206、比较器304、感测电阻器306、感测电路310、开关驱动器410、高侧中电压源444和低侧中电压源446。电荷泵系统400是具有开关驱动器410的电荷泵202的示例实施方式，开关驱动器410例如可以是用于降压转换器的开关驱动器。

开关驱动器410包括高侧开关功率晶体管420、低侧开关功率晶体管422、高侧共源共栅晶体管424和低侧共源共栅晶体管426。共源共栅晶体管424和426分别是高侧共源共栅晶体管和低侧共源共栅晶体管以分别减少跨开关功率晶体管420和422的电压降。高侧中电压源444和低侧中电压源446分别向共源共栅晶体管424和共源共栅晶体管426提供分别作为近似恒定的栅极驱动电压的高侧中电压(VHS)和低侧中电压(VLS)。在该示例中，低侧中电压(VLS)大于高侧中电压(VHS)。在一个实施例中，高侧中电压源444和低侧中电压源446可以是低压差(LDO)调节器。此外，高侧中电压源444可以用作用于高侧驱动器的低电源电压，高侧驱动器产生到高侧开关功率晶体管420的开关信号。因此，高侧驱动器是在高侧中电压源444上的负载。

针对低侧使用类似的布置。低侧中电压源446可以用作用于低侧驱动器的低电源电压，低侧驱动器产生到低侧开关功率晶体管422的开关信号。因此，低侧驱动器是在低侧中电压源446上的负载。

电荷泵系统400进一步包括多个开关410、412、414和416。

外部控制器(未示出)生成时钟PΦ1和时钟PΦ2，在该示例中，时钟PΦ1和时钟PΦ2是用于开关410、412、414和416的控制信号的非重叠的时钟。

LDO 444响应于高侧基准电压(VREF-HS)而生成高侧中电压(VHS)。LDO 446响应于低侧基准电压(VREF-LS)而生成低侧中电压(VLS)。LDO 444和LDO 446的输出(电压VHS和VLS)通过电荷泵202被耦合在一起。在该示例中，电荷泵202接收高侧中电压(VHS)(在大约0.4V-0.8V之间)并且向低侧中电压(VLS)输出电荷以将低侧中电压(VLS)维持在接近1.2V。在该示例中，输入电压Vin等于电源Vdd，可以从1.6V-2V变化，并且电荷泵202被配置成基于电源Vdd的值产生不同的增益而将低侧中电压(VLS)维持在接近1.2V。

在输入电压Vin和高侧中电压(VHS)之间耦合的开关410和开关412是高侧驱动器中的开关。在低侧中电压VLS和地之间耦合的开关414和开关416是低侧驱动器中的开关。

在高侧驱动器上，开关410响应于第一控制信号(例如，处于活跃状态或导通状态)而将高侧开关功率晶体管420的栅极和开关412选择性地耦合到输入电压Vin。开关412响应于第二控制信号(例如，处于活跃状态或导通状态)而将高侧开关功率晶体管420的栅极选择性地耦合到LDO 444的输出。

在低侧驱动器上，开关416响应于第二控制信号(例如，处于活跃状态或导通状态)而将低侧开关功率晶体管422的栅极选择性地耦合到地。开关414响应于第一控制信号(例如，处于活跃状态或导通状态)而将低侧开关功率晶体管422的栅极选择性地耦合到LDO 444的输出。

开关410和开关414被第一控制信号(时钟PΦ1)控制。开关412和开关416被第二控制信号(时钟PΦ2)控制。在开关412和开关416闭合之前开关410和开关414断开，并且类似地，在开关410和开关414闭合之前开关412和开关416断开(“先断后合”)。在时钟PΦ1期间，低侧导通。时钟PΦ1闭合开关410以将高侧开关功率晶体管420的栅极拉到输入电压Vin以关断高侧开关功率晶体管420并且将低侧开关功率晶体管422的栅极拉到低侧中电压(VLS)以导通低侧开关功率晶体管422。在时钟PΦ2期间，高侧导通。时钟PΦ2闭合开关412以将高侧开关功率晶体管420的栅极拉到高侧中电压(VHS)以导通高侧开关功率晶体管420并且闭合开关416以将低侧开关功率晶体管422的栅极拉到地以关断低侧开关功率晶体管422。

图5图示了根据一个实施例的电荷泵系统500的框图。电荷泵系统500是系统100的示例实施方式。电荷泵系统500作为前馈控制系统操作。电荷泵系统500包括电荷泵202、VCO 204、ADC 206、比较器304、感测电阻器306、感测电路310、开关驱动器410、高侧中电压源444、低侧中电压源446以及多个开关410、412、414和416。电荷泵系统500与电荷泵系统400类似，但是不感测到电荷泵202中的输入电流。到ADC 206中的输入电压VIN与到电荷泵202中的输入电压VIN相同。电荷泵系统500基于输入电压VIN而不基于到电荷泵202中的输入电流来控制电荷泵202的增益和频率。

图6图示了根据一个实施例的压控振荡器204的框图。VCO 204包括作为电流镜布置的电流源602、NMOS晶体管604、PMOS晶体管606和多个NMOS晶体管608。NMOS晶体管608-1到608-3分别通过多个开关610-1到610-3被选择性地耦合在电流镜中。多路复用器612响应于CODE[1:0]生成代表增益设置(例如，n2、n3或n4)的控制信号以控制开关610。在该示例中，示出三个晶体管608和三个开关610以匹配不同的非零增益设置n的数目，其为三。电容器614被跨晶体管606耦合并且具有电容Cx。

开关电路616响应于来自多路复用器612的代表增益设置的控制信号而向比较器618的输入提供选择的基准电压。在该示例中，选择的基准电压可以是分别对应于增益n2、n3和n4的基准电压Vref2、基准电压Vref3和基准电压Vref4。比较器618将电容器614上的电压与选择的基准电压Vref相比较并且生成信号以复位置位-复位(SR)锁存器620。

VCO 204进一步包括与电流源602和NMOS晶体管604作为电流源布置的PMOS晶体管626和多个NMOS晶体管628。响应于来自多路复用器612的代表增益设置的控制信号，NMOS晶体管628-1到628-3以与相应的开关610-1到630-3类似的方式分别通过多个开关630-1到630-3被选择性地耦合在电流镜中。电容器634被跨晶体管626耦合并且具有电容Cx。

开关电路636响应于来自多路复用器612的代表增益设置的控制信号而向比较器638的输入提供选择的基准电压。在该示例中，选择的基准电压可以是分别对应于增益n2、n3和n4的基准电压Vref2、基准电压Vref3和基准电压Vref4。比较器638将电容器634上的电压与选择的基准电压Vref相比较并且生成信号来置位SR锁存器620。SR锁存器620的Q输出被提供到PMOS晶体管606的栅极以及提供到反相器640的输入，反相器640生成用来生成时钟信号Φ1和Φ2的时钟(CLK)。SR锁存器620的输出被提供到PMOS晶体管626的栅极。SR锁存器620的Q输出和输出分别导通和关断PMOS晶体管606和PMOS晶体管626以将SR锁存器620置位和复位以生成时钟(CLK)。

时钟(CLK)的频率FCLK通过下式确定：

$F_{CLK}=\frac{m}{2}\frac{I_X}{C_X\×(V_{DD}-V_{REF})}$

其中m由增益n如下确定：

$m=\frac{n-1}{n^2}$

来自电流源602的电流Ix被设置成：

$\frac{I_X}{C_X}=\frac{I_{CP-HS}}{C_F}$

其中，电流ICP-HS是来自图4和图5的实施例的LDO 444的高侧电流或者可以使用其他实施例的到电荷泵中的电流。基准电压VREF由下式确定：

$V_{REF}=\frac{n+1}{n}\×V_{MID}$

其中电压VMID是图4和图5的实施例的低侧电压VLS或者图2和图3的实施例的输出电压Vout。

图7图示了根据一个实施例的电荷泵系统400的简化的时序图。线701代表输入电压VIN，在该示例中从1.6V递增到1.8V到2.0V。线702代表高侧电压VHS，其从0.4V递增到0.6V到0.8V。线703代表输出电压VOUT，其从1.2V(低侧电压VLS)上升、在1.8V处达到峰值并且在1.6V处变平。

线710和线712分别代表CODE[1]和CODE[0]，并且在图7中被示出成针对4的增益(在上文也被描述成n4)、3的增益(在上文也被描述成n3)和2的增益(在上文也被描述成n2)而设置。如在图7中所示，随着如线701所示的输入电压Vin增加，增益下降，并且如由线703所示的输出电压Vout在最初增加之后保持在一窄范围。

线720、722和724分别代表开关S1I、S1O和S1X的时序信号。在该示例中，用于开关S1I和S1X的信号导通并且用于开关SIO的信号只针对二的增益导通。

线730、732和734分别代表开关S2I、S2O和S2X的时序信号。在该示例中，用于开关S1I和S1X的信号针对三的增益和四的增益导通并且用于开关S2O的信号只针对三的增益导通。

线740、742和744分别代表开关S3I、S3O和S3X的时序信号。在该示例中，用于开关S3I、S3O和S3X的信号针对四的增益导通并且其他情况关断。

图8图示了根据一个实施例的控制电荷泵系统100的流程800的简化图。在802，检测输入电压V(IN)以控制电荷泵102的增益、频率和输出电压V(OUT)。在804，电荷泵系统100确定输入电压V(IN)是否在一范围内。在804，如果输入电压V(IN)在一范围内，则过程返回802，并且检测输入电压V(IN)。否则，在804，如果输入电压V(IN)不在该范围内，则在806，增益控制电路104改变电荷泵102的增益以将电荷泵102的输出电压V(OUT)维持在电压范围中，并且返回802来检测输入电压V(IN)。在808，电压到频率转换器106连续监控检测的输入电压V(IN)并且基于检测的输入电压V(IN)的变化而改变施加到电荷泵102的控制信号的频率以将该频率维持在频率范围中以便将电荷泵102的输出电压V(OUT)维持在一电压范围中，诸如近似恒定的输出电压。

本文描述的开关可以被实施成一个或多个晶体管。

本文公开的电荷泵系统使用更低的功率、更简单并且可以被用在调节器的节点之间。

以上描述解释了本公开的各种实施例以及特定实施例的方面可以如何被实施的示例。以上示例不应当被认为是仅有的实施例并且被呈现以解释如被以下的权利要求所限定的特定实施例的灵活性和优势。基于以上公开和以下权利要求，在不脱离如被权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以采用其他布置、实施例、实施方式和等价物。