电荷泵稳定性控制的制作方法

相关申请

援引35usc119，本申请要求美国临时申请61/953,303的2014年3月14日优先权日期和美国临时申请61/953,270的2014年3月14日优先权日期的权益，这两个申请的内容通过引用被结合于此。

本发明涉及功率转换器，并且更具体而言，涉及电荷泵。

背景技术：

在许多电路中，可用于驱动电路的功率可能不是电路需求的形式。为了纠正这一点，提供将可用功率转换成符合电路需求的形式的功率转换器是有用的。

功率转换器的一种常见类型是开关模式功率转换器。开关模式功率转换器通过利用开关网络将反应性电路元件切换到不同的电气配置来产生输出电压。开关电容器功率转换器是开关模式功率转换器的一种类型，其主要利用电容器来转移能量。这种转换器被称为“电荷泵”。电容器被称为“泵电容器”。

在操作中，电荷泵在一系列泵状态中从一个泵状态过渡到下一个。每个泵状态的特征在于其中电荷泵保持在那个泵状态的停留时间和其中电荷泵处于泵状态之间的过渡时间。用于所有泵状态的停留时间和那些泵状态之间的中间过渡时间的总和是用于电荷泵的一个循环的周期。

为了正确的操作，每个泵电容器应当以电荷的零变化开始和结束每个循环。如果不是这种情况，则在电荷的正非零变化的情况下电荷会在几个循环的过程中在泵电容器上积累。由于跨电容器的电压与电荷线性成比例，因此这种电荷积聚/耗损将导致跨泵电容器的电压随时间漂移。

在许多电荷泵中，开关连接相邻的泵电容器。因此，跨开关的电压依赖于跨相邻泵电容器的电压。如果跨这些电容器的电压漂移不均，则跨开关的电压可能超过其额定值。这会导致开关过热，从而破坏开关，也破坏电荷泵。

用于管理泵电容器上的电荷的过程部分依赖于电荷如何到达那里。一般而言，有两种途径把电荷放入电容器：使用电压源，或使用电流源。

当使用电压源时，电荷的管理是相对简单的。存在于电容器处的电荷是电压的线性函数。因此，将电压降低到零就足以从电容器除去电荷。

当使用电流源时，电荷的管理不是那么简单。这是因为泵电容器上的电荷与电流的积分，而不是与电流的瞬时值，相关。

在2012年11月8日，通过引用被结合于此的专利出版物wo2012/151466进行电荷泵的公共配置，其中一个端子被连接到调节器。由于其电感器，并且由于与所涉及的开关相关联的相关时间尺度，对于这些电荷泵配置而言，调节器表现得像电流源。这使得多少电荷在泵电容器中的管理更具挑战性。

技术实现要素：

本文所描述的发明性主题涉及通过确保电荷泵的每个泵电容器对于每个循环在相同的条件下开始循环来稳定与电流源或负载耦合的电荷泵。这避免在来自第一循环结束的残余电荷被添加到第二循环开始时发生从而造成电容器的电压随时间漂移的电荷积聚。

在一方面，本发明的特征在于一种装置，其包括开关网络和控制系统，控制系统用于控制开关网络中的开关以使一组泵电容器循环通过组中的泵电容器的不同布置，其中，每个循环以初始布置开始并且以最终布置结束，其中，开关网络具有连接至包括电感器的电路的端子，其中，在第一循环开始时，泵电容器处于一种状态，并且其中，在第一循环之后的后续循环开始时，电容器已经恢复到所述状态，其中，所述状态与该组泵电容器中的每个电容器被充电的程度对应。

在另一方面，本发明的特征在于一种装置，其包括：功率转换器，其具有控制器和第一电路，第一电路在其端子处连接至第二电路，第二电路被配置成维持对第一电路尝试改变电荷在所述第一电路与所述第二电路之间通过的速率的抵抗，其中，第一电路包括多个开关，多个开关响应于来自控制器的控制信号而使多个泵电容器通过一组循环，一组循环中的每个循环的特征在于一系列电容器布置，其中，在第一循环之后发生的后续循环开始时，泵电容器中的至少一个被充电至与第一循环开始时该泵电容器被充电的程度相同的程度。

在另一方面，本发明的特征在于一种装置，其包括开关网络和控制器，在开关网络连接至多个电容器时，控制器使开关网络形成第一电容器布置并且之后形成第二电容器布置，其中，第一布置和第二布置是电容器布置的循环的布置的组成部分，其中，电容器包括第一电容器，该第一电容器在第一循环开始时具有第一电荷，并且在第一循环之后的第二循环开始时具有第二电荷，第二电荷等于第一电荷。

在另一方面，本发明的特征在于一种方法，其包括将开关网络连接至多个电容器、使开关网络执行第一循环以及在第一循环之后的第二循环，其中，使开关网络执行第一循环包括使来自多个电容器的第一电容器带着第一电荷开始第一循环、使开关网络将电容器布置成第一电容器布置、以及在这样做之后使开关网络将电容器布置成第二电容器布置，其中，使开关网络执行第二循环包括使第一电容器带着第二电荷开始第二循环，第二电荷等于第一电荷。

在另一方面，本发明的特征在于一种用于重新布置电容器的装置，该装置包括控制器和连接至电容器的开关网络，控制器被配置成使开关网络执行循环，循环中的每个包括电容器布置其中，多个电容器包括第一电容器，第一电容器带着第一电荷值开始第一循环，其中，在第一循环期间，在第一电容器与多个电容器中的至少一个其他电容器之间发生电荷再分配，并且其中，作为电荷再分配的结果，第一电容器带着等于第一电荷值的第二电荷值开始第二循环。

从以下详细描述以及附图，本发明的这些和其它特征将显而易见，其中：

附图说明

图1示出了单相电荷泵；

图2示出了与图1的单相电荷泵的操作相关联的时间线；

图3示出了与图1的单相电荷泵的循环相关联的电路配置；

图4示出了两相电荷泵；

图5示出了与图4的两相电荷泵的循环相关联的电路配置；

图6示出了用于在图1的电荷泵中控制泵状态停留时间的第一控制器；

图7示出了用于在图1的电荷泵中控制泵状态停留时间的第二控制器；

图8示出了图7中的第二反馈电路的实现；

图9示出了图7中的第二定时电路的实现；

图10示出了用于在图1的电荷泵中控制泵状态停留时间的第三控制器；

图11示出了用于控制在负载的电流的第四控制器；

图12示出了用于控制在调节器的电流的第五控制器；

图13示出了用于为图1中的泵电容器获得期望电容的开关网络；及

图14示出了用于获得期望的稳定电容的开关网络。

具体实施方式

图1示出了耦合到被建模为理想电流源的负载12的电荷泵10的第一个例子。电荷泵10是多级电荷泵，也被称为级联乘法器。虽然所示出的电流实际上是从电荷泵10吸取的，但这种区别相当于仅仅符号改变。电流源的重要特征是它不懈地驱动电流的恒定流。

贯穿本说明书，将引用“电流源”。众所周知，理想的“电流源”是用于实际上并不存在的电路分析的抽象。但是，对于所关心的时间尺度，有各种有效地充当电流源的设备。依赖于负载，例子包括调节器，诸如线性调节器、dc马达，以及idac，这是设置通过led的电流的有源电路。因此，贯穿本说明书，“电流源”或“电流负载”被理解为是指有效地充当电流源的实际设备，包括但不限于本文列举的那些。

负载12可以被看作是非零的恒定电流，或在两个值之间交替的脉动电流，其中一个值可以是零。当负载处的电流不为零的任何时候，发生电荷转移。当电流非零并且是常数时，电荷转移将被称为“软充电”或“绝热充电”。

电荷泵10具有第一和第二端子14、16。一个端子是携带低电流的高电压。另一个端子是携带高电流的低电压。在本文中所描述的特定例子中，第二端子16是低电压端子。但是，在其它实施例中，第二端子16是高电压端子。

在端子14、16之间是四个完全相同的泵电容器：外部泵电容器c1、c4和内部泵电容器c2、c3。第一相节点p1与第一和第三泵电容器c1、c3的负端子耦合，并且第二相节点p2与第二和第四泵电容器c2、c4的负端子耦合。

第一开关集1和第二开关集2合作，以便使电荷泵10在第一和第二泵状态18、20之间重新配置泵电容器c1-c4，如图2中所示。通过第一和第二开关集1、2的操作，电荷泵10在第一和第二端子14、16处的电压之间维持变换比m:n。在图1中所示的特定电荷泵10中，变换比为5:1。

在操作中，电荷泵10执行一系列电荷泵循环。每个电荷泵循环具有第一泵状态18和第二泵状态20，如图2所示。为了从第一泵状态18过渡到第二泵状态20，第一开关集1中的开关被打开，并且第二开关集2中的开关被关闭。相反，为了从第二泵状态20过渡到第一泵状态18，第一开关集1中的开关被关闭，并且第二开关集2中的开关被打开。

图2示出开关的配置为“configx/y”，其中x和y是二进制变量，分别指示在第一和第二开关集1、2中的开关的部署。二进制零指示特定开关集中的开关是打开的，并且二进制一指示特定开关集中的开关是关闭的。

在第一泵状态18期间，第一开关集1中的开关全部关闭并且第二开关集2中的开关全部打开。第一泵状态18由第一泵状态重新分配间隔18a和第一泵状态稳态间隔18b组成。

第一泵状态18以第二开关集2中的开关的打开和第一开关集1中的开关的关闭开始。这开始第一泵状态重新分配间隔18a，其特征在于电荷的快速重新分配。对于短暂的周期，与这个电荷分配相关联的电流变小，这与通过负载12的电流相关联。

最终，与电荷重新分配相关联的电流逐渐停止并且电荷泵10稳定于第一泵状态稳态间隔18b。在第一泵状态稳态间隔18b期间，通过电荷泵10的电流由通过负载12的电流支配。花在第一泵状态稳态间隔18b和第一泵状态重新分配间隔18a中的时间的总和是第一停留时间。

在第二泵状态20期间，第一开关集1中的开关全部打开并且第二开关集2中的开关全部关闭。第二泵状态20由第二泵状态重新分配间隔20a和第二泵状态稳态间隔20b组成。

第二泵状态20以第二开关集2中的开关的关闭和第一开关集1中的开关的打开开始。这开始第二泵状态重新分配间隔20a，其特征在于电荷的快速重新分配。对于短暂的周期，与这个电荷分配相关联的电流变小，这与通过负载12的电流相关联。

最终，与电荷重新分配相关联的电流逐渐停止并且电荷泵10稳定于第二泵状态稳态间隔20b。在第二泵状态稳态间隔20b期间，通过电荷泵10的电流再次由通过负载12的电流支配。花在第二泵状态稳态间隔20b和第二泵状态重新分配间隔20a中的时间的总和是第二停留时间。

在第一和第二泵状态18、20之间过渡的过程中，在第一相节点p1处的电压在地和第二端子16处的电压之间交替。同时，在第二相节点p2处的电压与第一相节点p1异相180度。

在第一泵状态18和第二泵状态20之间存在停滞时间间隔21，期间第一开关集1中的开关和第二开关集2中的开关都打开。虽然原则上不是必需的，但这个停滞时间间隔实际是是必要的，因为开关不会瞬时过渡。因此，有必要提供一个余量来避免第一和第二开关集1、2中的开关同时关闭的不期望结果。

为了避免引入将只会模糊操作原理理解的复杂性，图3示出了在第一和第二泵状态18、20都通过泵电容器c1-c4的电流，假设瞬时电荷重新分配、没有停滞时间，以及在这两个泵状态下第二端子16处相同的非零电流，ix。

在图3中，在第一泵状态重新分配间隔18a中所花的时间是t1a；在第一泵状态稳态间隔18b所花的时间是t1b；在第二泵状态重新分配间隔20a所花的时间是t2a；而在第二泵状态稳态间隔20b所花的时间是t2b。最后，一个循环的总长度为tsw。因此，第一停留时间是t1a+t1b；和第二停留时间时t2a+t2b。瞬时电荷重新分配的假设是通过将t1a和t2a设置为零从而导致tsw等于t1b+t1b表现出来的。

在第一泵状态稳态间隔18b期间，外部泵电容器c1、c4携带具有量值0.4ix的电流，而内部泵电容器c2、c3携带由外部泵电容器c1、c4所携带的电流的一半量值的电流。这是因为内部泵电容器c2、c3是串联的而外部泵电容器c1、c4是它们自己。

在第二泵状态稳态间隔20b期间，每个外部泵电容器c1、c4被放成分别与其中一个内部泵电容器c2、c3串联。其结果是，每个泵电容器c1-c4携带具有量值0.5ix的电流。应当指出，内部泵电容器c2、c3总是与另一个泵电容器串联，而外部泵电容器c1、c4仅在一个泵状态期间与另一个泵电容器串联。

在其中电荷被立即重新分配的限制性情况下，电流源可以在第一和第二泵状态重新分配间隔18a、20a期间被除去，就像在图3中。被重新分配的电荷的量依赖于在泵状态改变之前跨泵电容器c1-c4的电压。

一般而言，期望的是在任何泵电容器c1-c4处的净电荷变化都在特定循环过程中是零。否则，增加/减少电荷的量将在几个循环上被收集在泵电容器c1-c4中。在多个循环上的这种积聚/耗损导致不稳定。

由于被转移的电荷的量是电流与电流流动的时间量的乘积，因此它遵循可以通过控制电荷泵10在循环的那部分中所花的时间量来控制在循环的任何部分中被转移到泵电容器c1-c4的电荷量。这提供了一种途径来确保在每个泵电容器c1-c4处的净电荷变化在电荷泵10的一个循环期间为零。

如果以上约束被应用到电荷泵10中的每个不同的电容器电流，则有可能生成线性方程的系统，其中在每个泵状态所花的时间是未知的。对那个系统的答案将是避免用于每个泵状态18、20的不稳定的停留时间。

在这个例子中为了避免不稳定，假设瞬时电荷重新分配，第一停留时间应当是3/5·tsw并且第二停留时间应当是2/5·tsw。这导致在第一泵状态重新分配间隔18a期间等量电荷从内部泵电容器c2、c3被转移到第一泵电容器c1和第四泵电容器c4；并且在第二泵状态重新分配间隔20a期间零重新分配电荷。

对于各种变换比m:n的解决方案在下面以表格形式示出：

虽然没有保证每个拓扑都有答案，但是在如图1的电荷泵的情况下，存在答案。由于在第一和第二泵状态重新分配间隔18a、20a期间电流流的对称性，对于其中变换比是2k:1的情况的解决方案对于正整数k，第一和第二停留时间将是相等的。此外，当m是奇数并且n是1时，第一停留时间是tsw·(m+1)/2m而第二停留时间是tsw·(m–1)/2m。

在两相电荷泵10的情况下，诸如图4中所示的，在第一和第二泵状态重新分配间隔18a、20a中的电流本质上是对称的，如图5中所示。因此，第一和第二泵状态停留时间相等，不像在图1中所示的单相电荷泵10中那样，即使两个电荷泵都具有相同的变换比m:n。

一般而言，在像图4中那样的电荷泵的情况下，第一和第二泵状态停留时间将对于任何变换比k:1都相等，其中k是正整数。当其达到稳定时，这种固有的对称性为两相电荷泵提供了超越单相电荷泵的优势。

但是，基于线性电路理论的原理的分析是基于电路的理想化。在实践中，例如，由于图1的各个泵电容器c1-c4的电容的差异、电路电阻的差异(例如，通过晶体管开关和/或信号迹线)或泵状态持续时间的不精确定时，会难以管理泵电容器c1-c4中的电荷积聚/耗损。

用于管理电荷积聚/耗损的一种方法是使用反馈来控制停留时间。图6示出了执行这种控制的装置。

为方便讨论，图6示出了被分成电容器阵列26和开关电路28的电荷泵10。电容器阵列26包括泵电容器c1-c4并且开关电路28包括第一和第二开关集1、2。

第一控制器100识别用于每个泵状态的适当停留时间并且将那些存储在第一和第二停留时间缓冲器32、34中。在适当的时候，包括时钟以保持时间的第一定时电路36a读取停留时间缓冲器32、34并且使开关电路28中的开关在适当的时候过渡。

为了确定停留时间的正确的值，第一控制器100包括第一反馈电路38a。一般而言，反馈电路将具有测量变量，以及响应于该测量变量而要被操纵的操纵变量，以期实现某个设定点。对于第一反馈电路38a，操纵变量是一对停留时间，并且测量变量包括在第二端子16处测得的电压。可选地，为第一反馈电路38a测量变量包括从电荷泵10内获得的测量结果，因此，是图6中的虚线。这种测量的例子包括跨第一和第二开关集1、2中的开关的或者跨泵电容器c1-c4的电压。

在一个实施例中，第一反馈电路38a基于经一系列循环取得的测量确定停留时间值。第一控制器100的操纵变量是基于历史值选择的。一种合适的第一控制器100是pid(比例-积分-微分)控制器。

图6中所示的第一控制器100的优点是电荷泵10的频率是固定的。图7中所示的另一个实施例的特征在于被配置为基于只在当前循环期间获得的测量确定停留时间值的第二控制器101。这允许停留时间值以逐循环为基础来确定。其结果是，在使用第二控制器101时，电荷泵10的循环长度可以变化。

第二控制器101包括类似于图6中描述的第一定时电路36a的第二定时电路36b。但是，第二反馈电路38b被实现为依赖于比较电压的阈值逻辑电路。

第二定时电路36b向开关电路28提供状态控制信号。在正常操作期间，利用额定的第一和第二停留时间，第二定时电路36b导致第一和第二泵状态18、20之间的过渡。额定的停留时间可以基于假设理想电路元件的电路分析。

第二定时电路36b还包括第一和第二歪斜输入44、46，以便从第二反馈电路38b接收对应的第一和第二歪斜信号48、50。第二反馈电路38b断言第一和第二歪斜信号48、50中的一个过早迫使电荷泵10改变泵状态。第二反馈电路38b基于来自一个或多个源的反馈断言第一和第二歪斜信号48、50中的一个。这个反馈包括在在第一端子14、第二端子16、开关电路28内部和电容器阵列26内部当中一个或多个进行的电气参数的测量。

如果第二反馈电路38b没有断言任意一个歪斜信号48、50，则第二定时电路36b使电荷泵10根据额定的第一和第二停留时间在其第一和第二泵状态18、20之间过渡。当电荷泵10处于第一泵状态18时，如果第二反馈电路38b向第一歪斜输入44给出第一歪斜信号48的断言，则第二定时电路36b立即使电荷泵10从第一泵状态18过渡到第二泵状态20。相反，如果在电荷泵10处于第二泵状态20时第二反馈电路38b向第二歪斜输入46给出断言的第二歪斜信号50，则第二定时电路36b立即使电荷泵10从第二泵状态20过渡到第一泵状态18。

第二控制器101的优点是它以逐循环为基础立即作出反应。这意味着电容器阵列26内部的电容器可以更快被稳定。实际上，由于第二控制器101通过过早地终止电荷泵状态18、20操作，因此频率的概念没有良好地定义。

应当指出，在持所述第二停留时间恒定的同时缩短第一停留时间一般会导致向上漂移和/或输出电压纹波的下部偏移的振幅减小。因此，在一个例子中，当第二反馈电路38b检测到或者平均输出的向下漂移或者输出纹波的过度下部偏移时，它向第一歪斜输入44给出断言的第一歪斜信号48，从而截断第一泵状态18并缩短第一停留时间。

相反，在另一个例子中，在检测到向上漂移和/或纹波的过度向上偏移时，第二反馈电路38b向第二歪斜输入46给出断言的第二歪斜信号50，由此截断第二泵状态20并缩短第二停留时间。

如上面所指出的，第二反馈电路38b从一个或多个位置接收电气参数的测量。但是，如果没有某种让第二反馈电路38b知道测得的值是否正常的途径，那么这些测量将是毫无意义的。为了解决这个问题，期望的是提供这些电气参数的预期值。

提供给第二反馈电路38b的阈值可以以很多途径得到。一种途径是通过分析对应于电荷泵10的理想电路。另一种途径是通过物理电荷泵10的模拟。这些技术中任意一种可被用来提供用于平均输出电压的预期值(例如，作为输入电压的倍数)和关于那个平均值的输出电压纹波的预期最大和最小值。第二反馈电路38b在设置歪斜信号48、50被断言的阈值时使用这种预先计算的值。类似的逻辑可被用来实现结合图6讨论的第一反馈电路38a。图8示出了图7中所示的限制峰但不限制谷的第二反馈电路38b的实现。所示出的反馈电路38b使用第一和第二峰检测器来分别在第一和第二泵状态18、20期间感测在第二端子16处的峰电压。第一峰检测器包括第一电压缓冲器和第一二极管d1。第二峰检测器包括第二电压缓冲器和第二二极管d2。第一峰检测器在第一峰存储电容器c1中存储第一泵状态18期间的峰电压。第二峰检测器在第二峰存储电容器c2中存储第二泵状态20期间的峰电压。

然后，在第一和第二峰存储电容器c1、c2上存储的峰电压可以通过同时关闭第一和第二开关s1a、s2a而连接到对应的第一和第二峰电压比较器的输入。这比较在前面的第一和第二泵状态18、20期间存储在第一和第二峰存储电容器c1、c2上的峰电压。

如果第一泵状态18期间的峰电压超过第二泵状态20第一阈值v1，则第一峰电压比较器断言第一歪斜信号48。相反，如果第二泵状态20期间的峰电压超过第一泵状态18第二阈值v2，则第二峰电压比较器断言第二歪斜信号50。

来自第二反馈电路38b的第一和第二歪斜信号48、50一路前进到第二定时电路36b，其实现在图9中示出。第二定时电路36b使用这些第一和第二歪斜信号48、50来生成控制第一和第二开关集1、2的非重叠信号。在所示出的实施例中，在两个泵状态18、20之间没有间隙。第一泵状态18在从第二泵状态20过渡时开始，反之亦然。

在操作中，图9中所示的电路通过关闭第一开关s4开始第一泵状态18。这将第一定时电容器c4复位成低。同时，第一sr锁存器u4处于复位状态。在第一泵状态18期间，打开的第二开关s3允许第一偏置电流i3给第二定时电容器c3充电。最终，第一偏置电流i3将在第二定时电容器c3中沉积足够多的电荷，以升高其电压，超过在第一电压比较器的输入的第一电压阈值v3。当发生这种情况时，第一电压比较器输出逻辑高。这又设置第二sr锁存器u3，从而终止第一泵状态18。因此，在缺少断言的第一歪斜信号48的时候，第一泵状态18的停留时间依赖于第一偏置电流i3、第二定时电容器c3的电容和第一电压阈值v3。

在终止第一泵状态18时，第二泵状态20开始。第二泵状态20期间的操作类似于上面对第一泵状态18所描述的。

在第二泵状态20开始时，第一开关s4打开，从而允许第二偏置电流i4给第一定时电容器c4充电。最终，第二偏置电流i4将在第一定时电容器c4中沉积足够多的电荷，以升高其电压，超过在第二电压比较器的输入的第二电压阈值v4。响应于此，第二电压比较器输出设置第一sr锁存器u4的逻辑高，从而终止第二泵状态20。在第二泵状态20期间，当第二开关s3被关闭时第二定时电容器c3被复位成低，并且第二sr锁存器u3处于复位状态。在缺少断言的第二歪斜信号50的时候，第二泵状态20的停留时间由第二偏置电流i4、第一定时电容器c4的电容和第二电压阈值v4设置。

第一歪斜信号48和第一电压比较器的输出是到第一or门的输入。因此，第一泵状态18可以以两种途径被终止。以第一种途径，已经在上面描述过，第一泵状态18持续其额定的停留时间并且一旦有足够多的电荷在第二定时电容器c3中积累就终止。但是，虽然第二定时电容器c3仍填充有电荷，但是第二反馈电路38b可以断言第一歪斜信号48，从而使第一泵状态18过早结束。

从图9中所示电路的对称性显而易见的是，第二泵状态20可以以相同的途径通过第二歪斜信号50的断言被截断。第二反馈电路38b因此能够通过断言第一歪斜信号48而不是第二歪斜信号50来相对于第二缩短第一停留时间。

在第一和第二泵状态18、20中峰电压的每次比较之后，第二反馈电路38b的第一和第二峰存储电容器c1、c2通过关闭第三和第四开关s1b、s2b并打开第一和第二开关s1a、s2a被复位。而且，感测在第二端子16处的电压的电压缓冲器可被禁用或成三态，而第一和第二峰存储电容器c1、c2被复位。每个采样-比较-复位循环可以在每个电荷泵循环发生一次或者多个连续的电荷泵循环的每个集合发生一次。

在上述方法中，只有两个泵状态18、20和两个停留时间。但是，所描述的原理不限于仅两个泵状态18、20。例如，有可能实现期间电荷泵10不做任何事情的停滞时间间隔。这个停滞时间间隔可以结合图7中所描述的实施例来使用，以引起固定频率操作。为此，停滞时间间隔被设置成额定电荷泵周期与第一和第二泵状态间隔之和的差值。

图10示出了用于执行定义停滞时间作为它的第三状态的三态电荷泵的一种实现。图10中所示的实施例特征在于使用连接到第三定时电路36c的第三反馈电路38c的第三控制器102，以便仅对第二停留时间缓冲器34中的第二停留时间而不对第一停留时间进行控制。在这个实施例中，第一停留时间总是被设置为某个额定值。第三控制器102特征在于来自开关电路28的输入，其提供关于第一开关集1的状态的信息。基于这种信息，如果第三控制器102确定第一开关集1中的开关打开，则它有两个选择。第一个选择是关闭第二开关集2中的开关。这启动第二次停留时间。第二个选择是让第二开关集2中的开关保持打开。这启动停滞时间间隔。为了正确的操作，第一和第二停留时间必须是非零。

停滞时间间隔是在其中没有电荷转移发生的第三泵状态的例子。但是，也有可能在三个或更多个状态操作电荷泵，其中每个状态允许电容器之间的电荷转移。这种多态电荷泵控制的例子在美国临时申请61/953,270中给出，尤其是在其第11页开始，其内容通过引用被结合于此。

电荷在电容器上累积的速率依赖于电流和电流被允许流动的时间量。因此所公开的方法通过控制这两个参数中的第二个(电流被允许流动的时间量)来管理电荷累积。但是，也有可能控制这两个参数中的第一个，即，流动的电流的量。执行这个过程的实施例在图11和12中示出。

图11示出了类似于图7中所示的第二控制器101的第四控制器103，但是在第四反馈电路38d和第四定时电路36d之间没有连接。因此，不像第二控制器101，第四控制器103不改变第一和第二停留时间。取而代之的是，第四控制器103的第四反馈电路38d调整由负载12，诸如led驱动器中的idac，吸取的电流，同时允许第一和第二停留时间间隔从恒定的时钟信号clk得出。第四反馈电路38d基于来自一个或多个源的反馈测量对改变由负载12吸取的电流的程度作出决定。这些包括在第一端子14、第二端子16、开关电路28内部以及电容器阵列26内部当中一个或多个进行的电气参数的测量。

图12示出了类似于第四控制器103的第五控制器104，不同之处在于代替控制由负载12吸取的电流，第五控制器104控制通过调节器56的电流，在所示出的电路中，调节器56被建模为电流源。在第五控制器104中，第五定时电路36e只对时钟信号clk作出响应。第五反馈电路38e基于来自一个或多个源的反馈测量决定改变通过调节器56的电流多少。这些包括在第一端子14、第二端子16、开关电路28内部以及电容器阵列26内部当中一个或多个进行的电气参数的测量。

上述控制方法并不相互排斥。这样，就有可能实现混合控制器，其实现上述两种或更多种控制方法。

电荷积聚/耗损成为问题的一个原因是，作为实际问题，几乎不可能制造全都具有相同的期望电容的泵电容器c1-c4。现在参考图13，对此的补救措施是通过开关与泵电容器串联或并联的其它电容器来补偿泵那个电容器的电容值的误差。因为它们将电容修整为期望的值，所以这些电容器被称为“修整”电容器。术语“修剪”不应当被解释为“减少”，而应当在任何方向进行精细调整以期获得期望值的意义上解释。泵电容器的电容可以通过分别并联或串联连接另一个电容器来升高或降低。

图13示出了具有两个修整电容器c5、c6的修整电容器网络70，其中任意一个修整电容器可以被放成与第四泵电容器c4并联。虽然只示出了两个修整电容器c5、c6，但实际的修整电容器网络70具有是各种值的电容器的种类，其中电容器可以选择性地在与第四泵电容器c4串联或并联之间切换。所示出的修整电容器网络70被示为将一个修整电容器c6与泵电容器c4并联，从而升高组合的有效电容。为了清晰，只示出了两个修整电容器c5、c6。但是，添加更多修整电容器是一个简单的事情，因此允许调整的更大可变性。此外，为了简化，所示出的修整电容器网络70只并联放置修整电容器c5、c6。但是，设计电路以开关与第四泵电容器c4串联的修整电容器c5、c6是一个相对简单的事情。此外，在图13中，修整电容器网络70仅对第四泵电容器c4示出。在实践中，每个泵电容器c1-c4将有其自己的修整电容器网络70。

通过在修整电容器网络70中修整电容器的适当组合中切换，可以使与修整电容器c5、c6的电容组合的泵电容器c4的总电容接近或甚至等于目标值。这个修整过程可能只需要在电荷泵的寿命中被执行一次，或者可以在正常操作期间被执行，因为实际电容器的电容通常随着跨其端子的电压以及温度而变化。

不是被使用一次来调整制造误差，如图所示的修整电容器网络70还可以在电路操作期间被使用，通过在特定电容器，例如泵电容器c4，和某个其它电荷储存库，诸如修整电容器网络70中的修整电容器c5、c6，或者接地的最终储存库之间转移电荷，作为控制特定泵电容器c4上的电荷量的途径。这提供了调整每个电容器上的电荷的备选途径，以期在电荷泵循环的开始将所有泵电容器恢复到其相应的初始电压。

作为替代，电流吸收器可以耦合到每个泵电容器c1-c4，从而允许它将任何过量的电荷排放到另一个位置或多个位置，诸如第一端子14、第二端子16、开关电路28内部的端子、电容器阵列26内部的端子，以及甚至地。

在图14中示出的修整电容器网络70的另一个用途是充当电荷泵10和负载12之间的稳定电容。为了减少损耗，该稳定电容优选地刚好足以稳定电荷泵10。比必要更大的稳定电容值会增加电荷泵操作期间的功率损耗。由于制造公差，一般将不可能预测稳定电容的所需值或者，即使预测可用，也无法确保其在所有操作条件下都具有所需的值。因此，可以使用类似于结合图13描述的技术来从修整电容器网络开关选定的修整电容器c5、c6，以充当稳定电容。

电荷泵10可以利用许多不同的电荷泵拓扑来实现，诸如梯子(ladder)、dickson、串-并联、fibonacci和倍频(doubler)。类似地，用于调节器56和当被实现为调节器时用于负载12的合适的转换器包括：降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、非反相降压-升压转换器、cuk转换器、sepic转换器、谐振转换器、多级转换器、反激转换器、正向转换器和全桥转换器。

已经描述了本发明及其优选实施例，被声明为新的并且受专利证书保护的是。

本发明还公开了以下方案：

(1)一种用于功率转换的装置，所述装置包括被配置为控制在具有耦合到电流源的端子的电容器网络中的泵电容器之间的互连的开关网络，和电荷管理子系统，其中，在操作中，所述开关网络使所述电容器网络执行电荷泵操作循环，在每个循环期间，所述电容器网络响应于所述开关网络的不同配置而采用不同的配置，其中，在第一电荷泵操作循环开始时，每个泵电容器采取对应的初始状态，并且其中所述电荷管理子系统被配置为，由跟着所述第一电荷泵操作循环的第二电荷泵操作循环开始，将每个泵电容器恢复到所述初始状态。

(2)如(1)所述的装置，其中所述电荷管理子系统包括控制第一停留时间，在此期间所述开关网络处于第一配置的控制器。

(3)如(1)所述的装置，其中所述电荷管理子系统包括在所述开关网络处于第一配置期间控制第一停留时间和在所述开关网络处于第二配置期间控制第二停留时间的控制器。

(4)如前面(1)至(3)中的任何一项所述的装置，其中所述电荷管理子系统包括使所述开关网络引起所述电容器网络采取停滞时间配置的控制器。

(5)如前面(1)至(4)中的任何一项所述的装置，其中循环包括第一配置和第二配置，并且其中所述电荷管理子系统包括基于让所述开关网络已经采取所述第一配置的结果来控制第二配置的控制器。

(6)如前面任何一项所述的装置，其中所述开关网络通过当前循环和至少一个过去的循环，并且其中所述电荷管理子系统包括至少部分地基于在所述过去循环中所述至少一个期间所述开关网络的性能来控制所述当前循环的控制器。

(7)如前面任何一项所述的装置，其中所述开关网络在通过过去的循环之后通过当前循环，并且其中所述电荷管理子系统包括至少部分地基于在至少一个所述过去循环期间所述开关网络的性能来控制所述当前循环的比例-积分-微分控制器。

(8)如前面任何一项所述的装置，其中所述电荷管理系统包括被配置为对所述开关网络的配置进行控制的控制器。

(9)如(8)所述的装置，其中所述控制器包括被配置为基于所述电容器网络的输出，控制所述开关网络的不同配置的反馈控制器。

(10)如(8)所述的装置，其中所述控制器包括被配置为基于所述电容器网络的输出，控制所述开关网络的不同配置的阈值逻辑电路控制器。

(11)如前面任何一项所述的装置，其中所述电荷管理系统包括被配置为对所述电容器网络耦合到的所述电流源进行控制的控制器。

(12)如(11)所述的装置，其中所述电容器网络具有两个端子，其中一个端子是低电压端子，并且其中耦合到所述电流源的所述端子是低电压端子。

(13)如(11)所述的装置，其中所述电容器网络具有两个端子，其中一个端子是高电压端子，并且其中耦合到所述电流源的所述端子是高电压端子。

(14)如前面任何一项所述的装置，其中所述电荷管理系统包括稳定电容，并且其中所述稳定电容连接到所述电流源。

(15)如前面任何一项所述的装置，还包括修整电容器网络，其包括选择性地被配置为定义一个或多个修整电容器的互连的开关，由此定义聚合电容，以减少所述聚合电容和期望的电容之间的失配。

(16)如(15)所述的装置，其中期望的电容是连接到所述电流源的稳定电容。

(17)如15所述的装置，其中所述期望的电容是泵电容器的期望电容。

(18)如前面任何一项所述的装置，其中所述电荷泵操作循环具有恒定持续时间。

(19)如前面任何一项所述的装置，其中所述电荷泵操作循环具有可变持续时间。

(20)如前面任何一项所述的装置，其中跟在所述第一电荷泵操作循环后面的所述第二电荷泵操作循环是紧接在所述第一电荷泵操作循环之后的电荷泵循环。

(21)如(1)-(19)所述的装置，其中跟在所述第一电荷泵操作循环后面的所述第二电荷泵操作循环是与所述第一电荷泵操作循环分开至少一个居间电荷泵操作循环的电荷泵循环。

(22)如前面任何一项所述的装置，其中所述装置还包括所述开关网络被配置为控制的电容器网络。

(23)如前面任何一项所述的装置，其中所述开关网络导致执行了由不超过两个配置组成的，在此期间电荷在电容器之间转移的电荷泵操作循环。

(24)如(1)-(22)中任何一项所述的装置，其中所述开关网络导致执行了由至少三个配置组成的，在此期间电荷在电容器之间转移的电荷泵操作循环。

(25)如(22)所述的装置，其中所述电容器网络和所述开关网络定义电荷泵。

(26)如(25)所述的装置，其中所述电荷泵包括多级电荷泵。

(27)如(26)所述的装置，其中所述多级电荷泵包括级联乘法器。

(28)如(25)所述的装置，其中所述电荷泵包括多相电荷泵。

(29)如(25)所述的装置，其中所述电荷泵包括单相电荷泵。

(30)如(1)所述的装置，其中所述电流源包括调节器。

(31)如(30)所述的装置，其中所述调节器包括开关模式功率转换器。

(32)如(30)所述的装置，其中所述调节器包括降压转换器。

(33)如(1)所述的装置，其中所述电荷管理子系统被配置为至少部分地通过改变存储在所述至少一个泵电容器上的电荷量，来将其中至少一个所述泵电容器恢复到其初始状态。

(34)如(33)所述的装置，其中所述电荷管理子系统被配置为通过在所述至少一个泵电容器和电荷储存库之间造成流动，来改变存储在所述至少一个泵电容器上的电荷量。

(35)如(34)所述的装置，其中所述电荷的储存库是另一个泵电容器。

(36)如(34)所述的装置，其中所述电荷的储存库是地面。

(37)一种用于控制电荷泵的方法，所述方法包括使电荷泵开关网络引起所述电荷泵开关网络耦合到泵电容器的网络，以产生电荷泵操作循环，在每一个所述操作循环期间所述泵电容器响应于所述开关网络的不同配置而采用不同配置，其中，在第一电荷泵操作循环的开始，每个泵电容器采取对应的初始状态，由跟在所述第一电荷泵操作循环后面的第二电荷泵操作循环开始，将每个泵电容器恢复到所述初始状态。

(38)如(37)所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括由紧接着所述第一电荷泵操作循环后面的第二电荷泵操作循环开始，将每个泵电容器恢复到所述初始状态。

(39)如(37)所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括由与所述第一电荷泵操作循环分开至少一个电荷泵操作循环的第二电荷泵操作循环开始，将每个泵电容器恢复到所述初始状态。

(40)、如(37)所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括控制期间所述开关网络处于第一配置的第一停留时间。

(41)如(37)所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括控制第一停留时间，在此期间所述开关网络处于第一配置，并且控制第二停留时间，在此期间所述开关网络处于第二配置。

(42)如前面任何一项所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括使所述电容器网络采取停滞时间配置。

(43)如前面任何一项所述的方法，其中循环包括第一配置和第二配置，并且其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括基于已让所述开关网络采取第一配置的结果来控制所述开关网络的第二配置。

(44)如前面任何一项所述的方法，其中所述开关网络通过当前循环和至少一个过去的循环，并且其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括至少部分地基于在所述至少一个过去的循环期间所述开关网络的性能来控制所述当前循环。

(45)如前面任何一项所述的方法，其中所述开关网络在通过过去的循环之后通过当前循环，并且其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括至少部分地基于在其中至少一个所述过去的循环期间所述开关网络的性能，来在所述当前循环上实现比例-积分-微分控制。

(46)如前面任何一项所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括对所述开关网络的配置进行控制。

(47)如(46)所述的方法，其中对所述开关网络的配置进行控制包括基于所述电容器网络的输出对所述开关网络的不同配置进行反馈控制。

(48)如(46)所述的方法，其中对所述开关网络的配置进行控制包括基于所述电容器网络的输出对所述开关网络的不同配置进行阈值逻辑控制。

(49)如前面任何一项所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括对所述电容器网络耦合到的电流源进行控制。

(50)如(49)所述的方法，其中对所述电容器网络耦合到的所述电流源进行控制包括对耦合到低电压端子的电流源进行控制。

(51)如(49)所述的方法，其中对所述电容器网络耦合到的所述电流源进行控制包括对耦合到高电压端子的电流源进行控制。

(52)如(49)所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括连接被连接到所述电流源的稳定电容。

(53)如前面任何一项所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括互连一个或多个修整电容器以定义聚合电容，所述聚合电容最小化所述聚合电容和期望电容之间的误差。

(54)如(53)所述的方法，其中所述期望电容是连接到电流源的稳定电容器的期望电容。

(55)如(53)所述的方法，其中所述期望电容是泵电容器的期望电容。

(56)如前面任何一项所述的方法，其中使电荷泵开关网络引起所述电荷泵开关网络耦合到的泵电容器的网络，以产生电荷泵操作循环包括引起具有恒定持续时间的电荷泵操作循环的执行。

(57)如前面任何一项所述的方法，其中使电荷泵开关网络引起所述电荷泵开关网络耦合到的泵电容器的网络，以产生电荷泵操作循环包括引起具有可变持续时间的电荷泵操作循环的执行。

(58)如前面任何一项所述的方法，还包括在完成所述第一电荷泵操作循环之后紧接着开始跟在所述第一电荷泵操作循环后面的所述第二电荷泵操作循环。

(59)如前面任何一项所述的方法，还包括在完成至少一个居间的电荷泵操作循环之后才开始跟在所述第一电荷泵操作循环后面的所述第二电荷泵操作循环。

(60)如前面任何一项所述的方法，其中使电荷泵开关网络引起所述电荷泵开关网络耦合到的泵电容器的网络，以产生电荷泵操作循环包括引起由不超过两个配置组成的、期间电荷的转移在电容器之间发生的电荷泵操作循环的执行。

(61)如(37)-(59)中任何一项所述的方法，其中使电荷泵开关网络引起所述电荷泵开关网络耦合到的泵电容器的网络，以产生电荷泵操作循环包括导致产生由至少三个配置组成的，在此期间电荷的转移在电容器之间发生的电荷泵操作循环。

(62)如(37)所述的方法，还包括通过组合电容器网络和开关网络形成电荷泵。

(63)如(62)所述的方法，其中形成电荷泵包括形成多级电荷泵。

(64)如(63)所述的方法，其中形成多级电荷泵包括形成级联乘法器。

(65)如(62)所述的方法，其中形成电荷泵包括形成多相电荷泵。

(66)如(62)所述的方法，其中形成电荷泵包括形成单相电荷泵。

(67)如(49)所述的方法，其中对所述电容器网络耦合到的电流源进行控制包括对调节器进行控制。

(68)如(67)所述的方法，其中对所述调节器进行控制包括对开关模式功率转换器进行控制。

(69)如(67)所述的方法，其中对所述调节器进行控制包括对降压转换器进行控制。

(70)如(37)所述的方法，其中将每个泵电容器恢复到所述初始状态包括至少部分地通过改变存储在所述至少一个泵电容器上的电荷量来将其中至少一个所述泵电容器恢复到其初始状态。

(71)如(70)所述的方法，其中改变储存在所述至少一个泵电容器上的电荷量包括引起所述至少一个泵电容器和电荷储存库之间的流动。

(72)如(71)所述的方法，其中引起所述至少一个泵电容器和电荷储存库之间的流动包括引起向另一个泵电容器的流动。

(73)如(71)所述的方法，其中引起所述至少一个泵电容器和电荷储存库之间的流动包括引起向地面的流动。