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电压转换器

阅读：1041发布：2020-07-29

IPRDB可以提供电压转换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种电压转换器，包括至少两个电容性电荷泵级，每个电容性电荷泵级包括电容器、充电开关和控制电路，电容器充电电流流经所述充电开关，所述控制电路用于控制所述充电开关。其中，至少一个电荷泵级的控制电路包括用于对通过充电开关的电流加以限制的限流装置。通过限制流过开关的电流，避免了电流尖峰，从而减小了高频失真。，下面是电压转换器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电压转换器，包括至少两个电容性电荷泵级，每个电容性电荷泵级包括电容器(CDCDC)、充电开关(Sw)和控制电路(2，3)，电容器充电电流流经所述充电开关(Sw)，所述控制电路(2，3)用于控制所述充电开关，其中，至少一个电荷泵级的控制电路包括用于对通过充电开关(Sw)的电流加以限制的限流装置(4，5)，其中，充电开关(Sw)包括晶体管和所述限流装置(4，5)，所述限流装置(4，5)用于限制流向充电开关(Sw)的栅极的电流以及从充电开关(Sw)的栅极流出的电流，从而限制施加到栅极的信号的开关速度。

2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，控制电路向充电开关(Sw)的栅极施加周期性信号，所述周期性信号在接通命令与关断命令之间交替，其中栅极电压用接通命令的持续时间的至少10％来达到所述栅极电压的目标值的90％。

3.根据权利要求1或2所述的电压转换器，其中，控制电路向充电开关(Sw)的栅极施加周期性信号，所述周期性信号在接通命令与关断命令之间交替，其中至电容器的峰值电流出现在接通时间段的30％和70％之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电压转换器，其中，控制电路包括反相器(2，

3)，反相器(2，3)具有类型相反的第一晶体管(2)和第二晶体管(3)，第一晶体管(2)和第二晶体管(3)串联在高控制线与低控制线之间，其中第一晶体管(2)和第二晶体管(3)的控制端子连接在一起，并且第一晶体管(2)和第二晶体管(3)之间的节点耦接至充电开关(Sw)的栅极。

5.根据权利要求4所述的电压转换器，其中，限流装置(4，5)包括在高控制线与第一晶体管之间的第一限流器以及在低控制线与第二晶体管之间的第二限流器。

6.根据权利要求5所述的电压转换器，其中，第一限流器和第二限流器具有不同的限流值，使得以不同方式控制充电开关(Sw)的接通和关断。

7.根据权利要求4、5或6所述的电压转换器，其中，电容器(CDCDC)连接在充电开关(Sw)的输出与低控制线之间，在低控制线与晶体管的控制端子之间施加开关控制信号。

8.一种用于电池供电设备(11)的驱动电路(12)，包括如前述任一项权利要求所述的电压转换器(12a)。

9.一种电池供电设备(10)，包括如权利要求8所述的驱动电路。

10.一种电压转换方法，包括：

操作至少两个电容性电荷泵级，每个电容性电荷泵级包括电容器(CDCDC)、充电开关(Sw)和控制电路，电容器充电电流流经所述充电开关(Sw)，所述控制电路用于控制所述充电开关，其中，所述方法包括：通过在开关期间限制流向充电开关(Sw)的栅极的电流以及从充电开关(Sw)的栅极流出的电流，来限制通过充电开关(Sw)的电流，从而限制施加到栅极的信号的开关速度。

11.根据权利要求10述的方法，包括：向充电开关的栅极施加周期性信号，所述周期性信号在接通命令与关断命令之间交替，其中栅极电压用接通命令的持续时间的至少10％来达到所述栅极电压的目标值的90％。

12.根据权利要求10或11所述的方法，包括：向充电开关的栅极施加周期性信号，所述周期性信号在接通命令与关断命令之间交替，其中至电容器的峰值电流出现在接通时间段的30％和70％之间。

说明书全文

电压转换器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于将输入电压转换成输出电压的电压转换器。

背景技术

[0002] 在目前的IC技术中，迫切需要提高电力系统的效率，以从一个或多个电池得到最大工作时间。

[0003] 电池产生的电压经常不处于所需的电平，因此需要电压至电压转换。为了使损耗最小化，大多数情况下利用DC/DC转换器来执行这种转换(升压转换或降压转换)。可以使用线圈或电容器组。

[0004] 本发明具体涉及将电容器用作转换机构的DC/DC转换器。

[0005] 电容性升压转换器使用电荷泵操作。电压转换器可以具有以级联方式布置的若干电荷泵级。当开关驱动第一级的驱动器时，对第一级的电荷存储元件进行充电。在这种情况下，第一级的输出(可以是至下一级的输入)的另外的开关元件断开。

[0006] 然后将输出开关元件闭合，使得可以向下一级提供电荷。然后，当开关驱动后续级的驱动器时，对后续级的电荷存储元件进行充电。因此，将第一级中存储的电荷转发到一个或多个后续级，其中，将第一级中存储的电荷添加至此类后续级的电荷中，使得产生更高的电压并可以将所述更高的电压提供给设备。

[0007] 使用电荷泵的优点是：通常不需要附加的旁路开关，从而可以相对简单地构造电压转换器。驱动器控制电荷存储元件，并且可以由周期性信号或以周期性阶段来操作。

[0008] 在使用这种类型的电容性电荷泵电路将电源电压从(电池)电源电平转换到本地电源电平时，以短时间间隔将电荷存储在电荷泵级的电容器中。接下来，再次以短时间间隔将该电荷传送到本地电源上。对电容器的这种快速充电和放电引起瞬时的高电流峰值，从而在电池和本地电源上都引起高电源电压峰值。

[0009] 上述高电流和电压峰值存在于非常短的时间间隔内。因此，上述高电流和电压峰值具有非常高的频率含量，所述非常高的频率含量具有电容器开关频率的许多高次谐波。最终结果是，电池和本地电源都被开关频率的谐波频率污染。这种污染的特征在于大量的具有高幅度的频率分量。

[0010] 结果有两个：

[0011] -干扰将自污染使用这种DC/DC转换器的芯片，从而引起性能的损耗或甚至变得完全失能。

[0012] -会放射高频干扰，从而在环境中引起EMC问题。

发明内容

[0013] 根据本发明，提供了一种电压转换器，包括：

[0014] 至少两个电容性电荷泵级，每个电容性电荷泵级包括电容器、充电开关和控制电路，电容器充电电流流经所述充电开关，所述控制电路用于控制所述充电开关，[0015] 其中，至少一个电荷泵级的控制电路包括用于对通过充电开关的电流加以限制的限流装置。

[0016] 通过限制流过开关的电流，避免了电流尖峰，这减小了高频失真。限制电流，使得仍然可以在可用的时间段内将电容器充电到期望的电压，但减慢初始充电。

[0017] 在一个布置中，充电开关是晶体管，限流装置用于限制流向充电开关的栅极的电流以及从充电开关的栅极流出的电流，从而限制施加到栅极的信号的开关速度。

[0018] 这种布置控制与电容器相关联的充电开关的开关行为。通过相对缓慢地接通充电开关(即，开关电阻缓慢地从高变成低)，尽可能地使流过开关的电流平滑。因此，一般情况下存在的高电流峰值被去除。因此，显著减少了污染和EMC问题。这种减小可以在可接受性和非功能性之间有很大不同。

[0019] 缓慢接通慢到足以减小尖峰，但仍然使得可以正确地实现开关功能。例如，控制电路向充电开关的栅极施加在接通命令与关断命令之间交替的周期性信号。栅极电压优选地用接通命令的持续时间的至少10％来达到所述栅极电压的目标值的90％。优选地，栅极电压用接通命令的持续时间的50％来达到所述栅极电压的目标值的90％。因此，栅极电压在可用的时间段内快速达到其期望电平，使得可以发生电荷传送，但在栅极电压的斜坡中存在缓慢的初始阶段。这种缓慢接通的效果是，在接通时间段的10％之后，例如在接通时间的30％和70％之间，优选地出现流向电容器的峰值电流。

[0020] 优选地，控制电路包括反相器，反相器具有类型相反的第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管和第二晶体管串联在高控制线与低控制线之间，第一晶体管和第二晶体管的控制端子连接在一起，并且第一晶体管和第二晶体管之间的节点耦接至充电开关的栅极。那么限流装置可以包括在高控制线与第一晶体管之间的第一限流器以及在低控制线与第二晶体管之间的第二限流器。

[0021] 本发明还提供了一种用于电池供电设备的驱动电路，包括本发明的电压转换器，本发明还提供了一种使用该驱动电路的电池供电设备。

[0022] 本发明还提供了一种电压转换方法，包括：

[0023] 操作至少两个电容性电荷泵级，每个电容性电荷泵级包括电容器、充电开关和控制电路，电容器充电电流流经所述充电开关，所述控制电路用于控制所述充电开关，[0024] 其中，所述方法包括限制通过充电开关的电流。

附图说明

[0025] 现在将参考附图，在详细描述中描述本发明的优选实施例，附图中：

[0026] 图1示出了示意性的(已知的)电荷泵架构；

[0027] 图2用于说明已知电荷泵开关的开关特性；

[0028] 图3示出了本发明的电路布置，并且用于说明根据本发明的电荷泵开关的开关特性；

[0029] 图4示出了本发明的缓慢开关接通对于向电容器的电荷传递的影响；

[0030] 图5示出了在传统布置中出现的电流尖峰；

[0031] 图6示出了本发明对电流尖峰的影响；以及

[0032] 图7示出了使用驱动器电路的便携式设备，所述驱动电路具有本发明的电压转换器。

具体实施方式

[0033] 图1示出了可编程电荷泵，可以对所述可编程电荷泵应用本发明。以下描述基于升压转换器。然而，相同的原理适用于降压转换器。在降压转换器中，使用级间共享的电荷。

[0034] 可编程电荷泵1具有一系列的级S1...SN，SN+1，每个级包含：作为电荷存储元件的电容器CDCDC；作为开关Sw1...SwN，SwN+1的MOSFET；以及作为开关装置(未示出)的底板驱动器。如图所示，每个相应的电荷泵还包括缓冲器BF1...BFN，BFN+1，缓冲器BF1...BFN，BFN+1具有输入I1...IN，IN+1，以接收时钟输入信号和电压Vdd。

[0035] 输入端子IP与接地端子GND之间的电压源产生输入电压Vdd，并且该输入电压Vdd被提供至电荷泵设备1。这些级以级联的方式一个接一个地相连。利用每一个级可以获得一个输入电源电压Vdd。这对于没有输出电流的理想情况也成立。还可以分多个阶段自适应地产生时钟。理想情况必须被纠正为存在内部损耗，这些损耗主要是由于处于“接通”位置的开关电阻以及一个或多个底板驱动器所消耗的电流而引起的。

[0036] 单个或多个底板驱动器能够具体通过操作输入端子IP，I1 IN，IN+1等和开关Sw1...SwN，SwN+1等，来致动每个电荷泵。因此，控制向下部电容器电极施加的电压以及对开关的计时。应注意，在降压转换器的情况下，不需要开关下部电容器电极，在这种情况下，下部电容器端子可以连接至固定的低压线。在这种情况下，沿着这些级的连续电荷共享提供了稳定的压降。

[0037] 在最简单的实现方式中，只有交替的两个状态“1”和“2”，以提供沿着电荷泵电路电荷的传送。在输出级，利用电容器Cbuffer，在输出端子OP与接地端子GND之间产生输出电压Vout。

[0038] 图1所示的级及其大小设定在结构上彼此相同。然而，这并不是最优情况，而是仅用于说明简单的设计(优点是设计时间短)。优选地，可以以不同方式来设计另外开发的电压转换器实施例。具体地，与靠近输出的级相比，靠近升压转换器的级S1，S2...SN可以具有更强大的布局。

[0039] 一般以“数字”的方式来控制电路中的开关Sw，使得开关的接通电阻以数字方式起作用。这意味着接通电阻或者为高(没有电流流过)或者为低(最大电流流过)。

[0040] 图2示出了(示意性的)标准开关控制和产生的波形。图2示出了针对仅一个泵级的开关和电容器以及用于操作开关的控制电路。

[0041] 电路包括升压电容器CDCDC、充电开关Sw和控制电路，电容器充电电流流过充电开关Sw，控制电路用于通过将充电开关的栅极(在电压VGATE处)耦接到高或低控制线来控制充电开关。

[0042] 控制电路包括反相器，反相器具有类型相反的第一晶体管2和第二晶体管3，晶体管2、3串联在高控制线与低控制线之间，晶体管2、3的控制端子(栅极)连接在一起。高压晶体管2是PMOS器件，低压晶体管3是NMOS器件。向栅极施加周期性控制电压VSWITCH，以交替地导通晶体管2、3。晶体管的输出之间的节点耦接至充电开关的栅极，并提供栅极电压VGATE。

[0043] 如图2的波形所示，栅极电压VGATE目的在于尽可能精确地遵循与控制电压VSWITCH相反。这意味着尽可能快地驱动充电开关Sw，如充电开关Sw的正向电阻RON所示。

[0044] 因此，如曲线ICHARGE所示，电流浪涌通过充电开关。此外，因此而所获得的对电容器的充电被示为曲线QC，DCDC。

[0045] 本发明涉及限制流过充电开关的电流，在一个示例中，涉及通过对于在接通和关断状态之间控制开关的速度加以控制，来限制流过开关的电流。

[0046] 图3示出了本发明的(示意性的)开关控制布置以及因此而产生的波形。如图2所示一样，图3示出了针对仅一个泵级的开关和电容器以及用于操作开关的控制电路。

[0047] 提供限流装置用于限制流过充电开关的电流。在该示例中，限流装置以限制流向充电开关的栅极的电流以及从充电开关的栅极流出的电流，从而限制施加到栅极的信号的开关速度。限流器是第一限流器4和第二限流器5的形式的，第一限流器4在高控制线与第一晶体管2之间，第二限流器5在低控制线与第二晶体管3之间。

[0048] 通过限制流过反相器的电流来控制栅极电压VGATE缓慢下降，其中反相器用于对电流开关PMOST的栅极电压加以控制。因此，缓慢断开电流开关，以限制电流的增大。

[0049] 如上所述，控制电路向充电开关的栅极施加周期性信号，所述周期性信号在接通命令与关断命令之间交替。如图3的曲线所示，栅极电压VGATE利用接通命令(VSWITCH＝0)的持续时间的大约30％来达到该栅极电压VGATE的目标值的90％。优选地，该时间段在10％到50％的范围内。

[0050] 接通命令的持续时间取决于时钟计时频率。接通命令的持续时间可以在MHz的量级上，例如，在使用芯片上电容器的情况下是20MHz，或者在使用芯片外电容器的情况下更低。

[0051] 优选地，该栅极电压的斜坡被设计为使得晶体管的导通分散在整个可用的时钟周期上，而晶体管的截止保持快速。

[0052] 接通和关断的速度应当被选择为避免在充电开关与放电开关之间的交叉传导电流。陡峭的关断不会引起谐波，这是因为此时电容器电压已稳定。

[0053] 缓慢接通的效果是将计时以及电荷传送(即，电流)的峰值幅度转移到电容器。在传统方法中，峰值电流位于开关时刻附近，这意味着存在从零到最大电荷传送的尖峰。

[0054] 图4针对传统布置(曲线6)以及针对本发明的布置(曲线7)示出了流向电容器的电流(即，每单位时间的电荷传送)。曲线的峰值向可用时间(即，接通时间段)的50％移动。峰值从最初接通开始移开，使得该峰值处于接通时间段的至少10％，优选地在30％至70％的范围内，从而实现逐步接通，而逐步接通在可用的接通时间段内完成。

[0055] 刚好在电荷传送开始之前，充电电流为零。当开始接通时，电压差较大并且接通电阻非常高，这将产生低电流。当对电容器充电时，电压和接通电阻都开始下降(接通电阻下降得更快)，这将引起增大的电流。越接近传送结束，电压差变得越小，以至于电流再次开始减小。

[0056] 因此，在接通时间段的30％到70％之间，流向电容器的峰值电流增大。因此这种实现方式在电荷传送期间提供了接通电阻在高欧姆开关与低欧姆开关之间的动态转变。

[0057] 从图3中还可以看出接通电阻的相应的缓慢变化、减小的充电电流、以及对电容器的更缓慢充电。

[0058] 图5和6示出了这种控制的结果，图5和6针对一系列的开关事件，针对时间绘制了流过开关的电流。图5示出了传统驱动方案，图6示出了本发明的驱动方案。注意，在图4中y轴的刻度为-1mA到10mA，在图5中y轴的刻度为-1mA到2mA。

[0059] 本发明的优点是显而易见的。在传统方法中，电流尖峰在该仿真设置中达到7mA，并且限于小时间间隔。在新方法中，电流幅度要小得多，但是时间间隔更大。在这两种情况下，传送的总电荷相同。因此，电池和目标电源上的尖峰都已被极大地减小。

[0060] 对DC/DC转换器的输出的频谱分析论证了对期望谐波含量减小。

[0061] 本发明通常可应用于既需要电容性DC/DC电压转换又需要电池和目标电源上的低噪声的任何应用。

[0062] 一个示例是显示器驱动器。图7示出了便携式电池供电设备10(在该示例中是移动电话)，该设备10具有显示器11，显示器11例如使用LCD或PolyLED技术。

[0063] 驱动电路12可以是显示模块11的一部分，与LCD单元14集成在一起，或者被形成为单独的IC(如所示的)并与TCP或箔相连(15，15a)电荷泵12a是所示驱动器IC 12的一部分。电荷泵提供了驱动LCD单元14所必须的高电压。如图6所示，显示模块可以例如内置于例如小型便携式设备10(如，蜂窝电话、个人数字助理(PDA))中。

[0064] 本发明提供了对电流流动的限制。这意味着电荷升压电容器更缓慢地充电，并且去除了初始接通时的电流尖峰。出现低得多的峰值电流，并且该峰值电流在时间上移位。

[0065] 在上述示例中，限流装置是限幅器形式的。这些限幅器可以是基本电流源或者与驱动器开关相同类型的器件(在这种情况下，是在反相器输出处的NMOS晶体管)。限流器不需要是快速组件，因此可以是缓慢的低功率器件。限流器是商业上可用的组件，特殊的设计并不构成本发明的主题。

[0066] 用于(从高压轨)充电和用于(向低压轨)放电的限流器可以具有不同的设计。具体地，不需要将关断速度降低到相同的水平。

[0067] 取代反相器部分中的限流器，可以提供与开关串联的限流器。

[0068] 对于本领域技术人员来说，各种修改是显而易见的。

标题	发布/更新时间	阅读量
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一种冲击电压发生器-专利编号CN105044410A	2020-05-11	583
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