电荷再循环电路的制作方法

本申请要求于2014年4月24日提交的题为“CHARGE-RECYCLING CIRCUITS”的第14/260,592号美国申请的优先权，其内容出于所有目的以整体内容通过引用并入本文。

本申请与于2014年4月24日提交的题为“CHARGE PUMPS HAVING VARIABLE GAIN AND VARIABLE FREQUENCY”的第14/260,658号美国申请和于2014年4月24日提交的题为“CHARGE-RECYCLING CIRCUITS INCLUDING SWITCHING POWER STAGES WITH FLOATING RAILS”的第14/260,733号美国申请有关，出于所有目的以其整体内容通过引用并入本文。

背景技术：

本公开涉及电荷再循环电路，并且特别地，涉及使用电荷泵的电荷再循环电路。

除非在本文中另外指示，否则本章节中所描述的方法不因包括在本章节中而被承认为现有技术。

调节器常常用于在同一系统中向负载拉电流和灌电流。例如，低压差调节器(LDO)可以用于在第一共源共栅电路的节点上产生电压，并且另一LDO可以用于产生另一共源共栅电路(例如，在相同集成电路上)的节点上的另一电压。通过每个LDO的电流导致能量损失和降低的效率。能量损失还增加了调节器和系统的操作温度。

技术实现要素：

本公开描述了使用电荷泵的电荷再循环电路。

在一个实施例中，电路包括第一负载电路，其被耦合到第一输入电压。灌电流电路被耦合到第一负载电路的输出。第二负载电路被耦合到接地。拉电流电路被耦合在第二输入电压与第二负载电路的输出之间。电荷再循环电路被耦合在第一负载电路的输出与第二负载电路的输出之间，以将电流从灌电流电路提供到拉电流电路的输出来降低通过拉电流电路的电流。

在一个实施例中，电荷再循环电路是电荷泵。

在一个实施例中，电荷再循环电路将与通过所述第一负载电路的电流近似相等的电流从灌电流电路提供到拉电流电路的输出。

在一个实施例中，电路还包括开关调节器，其包括共源共栅器件，共源共栅器件具有被耦合到灌电流电路和拉电流电路的相应输出的栅极。

在一个实施例中，电路还包括开关调节器，其包括被串联耦合在第一输入电压与接地之间的第一开关晶体管、第一共源共栅晶体管、第二共源共栅晶体管和第二开关晶体管。该第一开关晶体管具有被耦合到第一负载电路的栅极。该第一共源共栅晶体管具有耦合到拉电流电路的栅极。该第二共源共栅晶体管具有被耦合到灌电流电路的栅极。该第二开关晶体管具有被耦合到第二负载电路的栅极。

在一个实施例中，电荷再循环电路具有基于第一输入电压的可变增益。

在一个实施例中，拉电流电路是低压差调节器，并且灌电流电路是低压差调节器。

在一个实施例中，电压控制振荡器被耦合到电荷再循环电路，以提供用以控制电荷再循环的时序的时钟信号。

在一个实施例中，时钟信号基于第一输入电压。

在另一实施例中，电路包括具有输出的拉电流电路。灌电流电路具有输出。第一开关被配置为响应于第一控制信号是有效的，将第一电压信号耦合到第一功率开关器件。第二开关被配置为响应于第二控制信号，将第一开关器件耦合到拉电流电路的输出。第一控制信号和第二控制信号是非重叠信号。第三开关被配置为响应于第一控制信号，将灌电流电路的输出耦合到第二功率开关器件。第四开关被配置为响应于第二控制信号，将第二功率开关器件耦合到接地。电荷再循环电路被耦合到拉电流电路的输出和灌电流电路的输出。电荷再循环电路响应于第二控制信号是无效的并且第一控制信号是无效的，从拉电流电路接收电荷，以及响应于第二控制信号是有效的，向灌电流电路提供电荷。

在一个实施例中，拉电流电路是低压差调节器，并且灌电流电路是低压差调节器。

在一个实施例中，电荷再循环电路具有基于第一电压信号而被调节的可调节增益。

在一个实施例中，第一功率开关器件的第一端子和第二端子相应地被耦合到第一电压信号和功率共源共栅器件的第一端子，并且第一功率开关器件的栅极被耦合到第一开关和第二开关。第一功率共源共栅器件的第二端子被耦合到输出端子，并且功率共源共栅器件的栅极被耦合到拉电流电路的输出。第二功率开关器件的第一端子被耦合到接地，并且第二功率开关器件的栅极被耦合到第三开关和第四开关。第二功率共源共栅器件的第一端子和第二端子相应地被耦合到输出端子和第二功率开关器件的第二端子，并且第二功率共源共栅器件的栅极被耦合到灌电流电路的输出。

在一个实施例中，灌电流电路被耦合到第二电压信号。

在一个实施例中，电荷再循环电路具有基于第一电压信号和第二电压信号而被调节的可调节增益。

在又一实施例中，一种方法包括：将第一电流从第一输入电压提供到被耦合到第一节点的第一负载电路，第一节点在第一节点电压处；将第二电流从第二节点提供到被耦合到接地的第二负载电路；通过灌电流电路将第三电流从第一节点灌到接地；将第四电流从第二输入电压拉到第二节点，第二节点在第二节点电压处，第二节点电压大于第一节点电压；并且将电荷从第一节点传送到第二节点以降低第三电流。

在一个实施例中，电荷泵将电荷从第一节点传送到第二节点。

在一个实施例中，从第一节点传送电荷到第二节点以降低第三电流将第三电流降低到近似零。

在一个实施例中，该方法还包括将第一节点和第二节点耦合到开关调节器的共源共栅器件的相应栅极。

在一个实施例中，基于第一节点电压与第二节点电压之差，调节传送电荷。

以下详细描述和附图提供对本公开的本质和优点的更好理解。

附图说明

关于以下以及特别是附图的讨论，应当强调的是，所示细节表示出于说明性讨论的目的的示例并且为了本公开的原理和概念方面而呈现。在该方面，并不尝试示出超出针对本公开的基本理解所需要的那些实施方式细节。结合附图，以下讨论使得可以如何实践根据本公开的实施例对于本领域的技术人员变得明显。在附图中：

图1是根据实施例的图示电荷再循环电路的框图。

图2是根据另一实施例的图示电荷再循环电路的框图。

图3是根据又一实施例的图示电荷再循环电路的框图。

图4图示了根据实施例的图示用于再循环电流的过程流的简化图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述若干示例和特定细节以便提供本公开的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言将明显的是，如在权利要求中所表达的本公开可以包括这些示例中的特征中的一些或全部特征，以及单独或组合下文所描述的其他特征，并且还可以包括本文所描述的特征和概念的修改和等同物。

图1是根据实施例的图示电荷再循环电路100的框图。电荷再循环电路100包括灌电流电路102、拉电流电路104、第一负载107、第二负载109、电荷再循环电路114和压控振荡器(VCO)116。在各种实施例中，灌电流电路102是低压差调节器(LDO)(在下文中被称为“LDO 102”)并且可以包括运算放大器122和传输晶体管124。在各种实施例中，拉电流电路104是低压差调节器(LDO)(在下文中被称为“LDO 104”)并且可以包括运算放大器132和传输晶体管134。在各种实施例中，电荷再循环电路114可以是开关电容器电路或电荷泵(诸如升压电荷泵)。电荷再循环电路114在下文中被称为“电荷泵114”。电荷泵114可以可编程或可重新配置为具有通过电荷泵114所传送的电荷量的可变增益。第一负载107可以包括并联耦合的电阻器106和电容器110。第二负载109可以包括并联耦合的电阻器108和电容器112。

电荷再循环电路100耦合LDO 102与LDO 104之间的电流。维持LDO输出电压可能有时要求附加电流，其通常通过引起能量损失的LDO 102或104提供。在一个实施例中，可以从LDO 102或104提供由LDO 102或104之一所要求的电流的改变，使得通过LDO 102、104之一或二者的电流降低，从而降低功率损耗。这被称为电荷再循环。在图1中所示的一个实施例中，在源供电流的LDO 102的输出与吸灌电流的LDO 104的输出之间耦合电荷泵114。在一个实施例中，电荷再循环电路100包括反馈电路，其感测电压改变(例如，跨LDO 102、104之一)并且将电荷泵114重新配置为将更多电荷提供给另一个LDO 102、104的输出，使得另一个LDO 102、104不需要增加其电流，这降低了功率损耗。在一个实施例中，反馈电路包括耦合到负载107与LDO 104之间的共同节点(电压VS1处)的感测电阻器144，并且还包括将指示电压Vs1的比较电压Ve提供给VCO 116的比较器142。在一些实施例中，反馈电路被耦合到LDO 102的输出(电压VS2处)或被耦合到LDO 102和104二者的输出将反馈提供给VOC 116。VCO 116将一个或多个时钟(CLK)信号提供给电荷泵114以控制电荷泵114中的电荷传送。由于电荷泵114可以提升电压，电荷再循环系统100甚至针对电压VS1与电压VS2之间的大电压差并且在电压VS2大于电压VS1的情况下提供电荷传送。

LDO 140的输出通过电荷泵114被耦合到LDO 102的输出。每个LDO 102、104可以产生系统中不同的电路节点的参考电压，如图2和图3中所示。在该示例中，来自与LDO 104相关联的第一负载107的电流通过电荷泵114引导到与LDO 102相关联的第二负载109。因此，当第二负载109汲取更多电流时，电荷泵114可以提供附加电流而不是LDO 102中的传输晶体管提供附加电流。由于由LDO 102中的传输晶体管124生成的功率降低，因而电荷再循环电路100的效率得到了改善。在一个实施例中，电荷泵114向负载109提供电流，该电流等于或近似等于通过负载107的电流。在该示例中，LDO 104中被灌入的电流等于零或是近似零。

图2是根据实施例的图示电荷再循环电路200的框图。在图3中示出了电荷再循环电路200的一个实施例的细节。电荷再循环电路200包括功率级202、高侧中压源244和低侧中压源246。功率级202包括开关驱动器210、高侧缓冲电路214和低侧缓冲电路216。

开关驱动器210包括高侧开关功率晶体管220、低侧开关功率晶体管222、高侧共源共栅晶体管224和低侧共源共栅晶体管226。开关驱动器210可以是针对降压转换器的开关驱动器。共源共栅晶体管224和226分别是高侧和低侧的共源共栅晶体管以分别降低跨开关功率晶体管220和222的电压降。高侧中压源244和低侧中压源246分别将高侧中压(VHS)和低侧中压(VLS)以近似恒定的栅极驱动电压分别提供给共源共栅晶体管224和共源共栅晶体管226。在该示例中，低侧中压(VLS)大于高侧中压(VHS)。在一个实施例中，高侧中压源224可以是LDO 102，并且低侧中压源246可以是LDO 104。在该示例中，高侧中压源244的负载是高侧缓冲电路214。此外，高侧中压源244可以用作针对向高侧开关功率晶体管220产生开关信号的高侧驱动器的低电源电压。因此，高侧驱动器是高侧中压源244上的负载。

类似布置被用低侧。在该示例中，低侧中压源246的负载是低侧缓冲电路216。此外，低侧中压源246可以用作针对向低侧开关功率晶体管222产生开关信号的低侧驱动器的低电源电压。因此，低侧驱动器是低侧中压源246上的负载。缓冲电路214和216分别从用于驱动开关驱动器210的前置驱动器电路(未示出)接收前置功率级电压VpreP和VpreN。(在图2中未示出并且结合图3所描述的)开关提供高侧开关功率晶体管220和低侧开关功率晶体管222之间的电荷再循环的耦合。

图3是根据实施例的图示电荷再循环电路300的详细电路。电荷再循环电路300可以用于图2的开关调节器210。电荷再循环电路300包括电荷泵114、VCO 116、多个开关310、312、314和316和多个LDO 344和346。

响应于电源电压VDD，VCO 116生成时钟φ1和时钟φ2，其在该示例中是以100MHz运行的非重叠的时钟。时钟φ1和时钟φ2用于电荷泵116的时序以及用于开关310、312、314和316的控制信号。

LDO 344响应于高侧参考电压(VREF-HS)而生成高侧中压(VHS)。LDO 344可以是LDO 244。LDO 346响应于低侧参考电压(VREF-LS)而生成低侧中压(VLS)。LDO 346可以是LDO 246。LDO 344和LDO 346的输出(电压VHS和VLS)通过电荷泵114耦合在一起。在该示例中，电荷泵114接收高侧中压(VHS)(在大约0.4-0.8V之间)并且将电荷输出到低侧中压(VLS)以将低侧中压(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1.6到2V变化，并且电荷泵114被配置为基于电源Vdd的值产生不同的增益以将低侧中压(VLS)维持在接近1.2V。

在输入电压Vin与高侧中压(VHS)之间耦合的开关310和312是高侧驱动器中的开关。在低侧中压VLS与接地之间耦合的开关314和316是低侧驱动器中的开关。

在高侧驱动器上，开关310响应于第一控制信号(例如，处于有效状态或导通状态)选择性地将高侧开关功率晶体管220的栅极和开关320耦合到输入电压Vin。开关312响应于第二控制信号(例如，处于有效状态或导通状态)选择性地将高侧开关功率晶体管220的栅极耦合到LDO 344的输出。

在低侧驱动器上，开关316响应于第二控制信号(例如，处于有效状态或导通状态)选择性地将低侧开关功率晶体管222的栅极耦合到接地。开关314响应于第一控制信号(例如，处于有效状态或导通状态)选择性地将低侧开关功率晶体管222的栅极耦合到LDO 344的输出。

开关310和开关314由第一控制信号(时钟Pφ1)控制。开关312和开关316由第二控制信号(时钟Pφ2)控制。开关310和314在开关312和316闭合之前打开，并且类似地，开关312和316在开关310和开关314闭合之前打开(“先开后合”)。在时钟Pφ1期间，低侧导通。时钟Pφ1将开关310闭合以将高侧开关功率晶体管220的栅极拉到输入电压Vin来断开高侧开关功率晶体管220并且将低侧开关功率晶体管222的栅极拉到低侧中压(VLS)来接通低侧开关功率晶体管222。在时钟Pφ2期间，高侧导通。时钟Pφ2将开关312闭合以将高侧开关功率晶体管220的栅极拉到高侧中压(VHS)来接通高侧开关功率晶体管220并且将开关316闭合以将低侧开关功率晶体管222的栅极拉到接地来断开低侧开关功率晶体管222。

电荷泵114包括开关控制多路复用器340、多个电容器342和多个开关S1I、S2I、S3I、S1G、S2G、S3G、S1O、S2O、S3O、S1X、S2X和S3X。

开关控制多路复用器340生成控制信号以响应于来自比较器142的比较电压Ve而开关用于控制电荷泵114的增益的电荷泵116。

开关S1I、S2I和S3I响应于来自开关控制多路复用器340的对应的控制信号，选择性地将电容器342-1到342-3相应地耦合到由LDO344所提供的高侧中压(VHS)以将电荷从高侧传送到电容器342。

开关S1G、S2G和S3G响应于来自开关控制多路复用器340的对应的控制信号，选择性地将电容器342-1到342-3相应地耦合到接地。

开关S1O、S2O和S3O响应于来自开关控制多路复用器340的对应的控制信号，选择性地将电容器342-1到342-3相应地耦合到由LDO 346所提供的低侧中压(VLS)。

开关S1X、S2X和S3X响应于来自开关控制多路复用器340的对应的控制信号，选择性地将所选择的电容器342-1到342-3串联耦合以及耦合到高侧中压(VHS)以提升电压并且设定电荷泵的增益。在图3中示出了三个电容器342，但是其他数目的电容器可以用于提供电荷泵114的增益的其他值。

本文所描述的开关可以被实现为一个或多个晶体管。

图4图示了根据实施例的图示用于再循环电流的过程流400的简化图。在402处，来自第一输入电压Vin的第一电流被提供到第一负载107。在该示例中，第一负载107的输出端子在电压Vs1处。在404处，第二电流被提供到第二负载109的输入端子。在该示例中，第二负载109的输入端子在电压Vs2处。在406处，通过LDO 104将第三电流从第一负载107的输出端子吸灌到接地。在408处，经由例如LDO 102将第四电流从第二输入电压源供到第二负载109的输入端子。在一些实施例中，电压Vs2大于电压Vs1。在一个实施例中，第二输入电压等于第一输入电压。在410处，电荷通过电荷泵114从第一负载107传送到第二负载109以降低第三电流。在一个实施例中，传送电荷将第三电流降低到近似零。在这样的时候，这有效地关闭了LDO 104的传输晶体管134。

电荷泵114具有基于电压Vs1和电压Vs2而调节的可调节增益。在一个实施例中，基于电压Vs1与电压Vs2之差确定增益。在一个实施例中，基于电压Vs2与电压Vs1比率(Vs2/VS1)确定增益。由于图3的电荷泵114的增益具有1、2、3和4的值，因而增益可以是高于该比率的第一可用值。

以上描述举例说明了本公开的各种实施例连同可以如何实现特定实施例的各方面的示例。以上示例不应当被认为是仅有实施例，而是被呈现为阐明如由权利要求所限定的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开内容和权利要求，在不脱离如由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、实施方式及等同物。