具有级联驱动器的开关式电容电路的预充电的制作方法
【专利说明】具有级联驱动器的开关式电容电路的预充电
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年10月16日提交的美国专利申请第13/652，835号的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及开关式电容(SC)电路，诸如电荷泵。
【背景技术】
[0004]在电荷泵的稳态运行中，人们往往将电荷泵中的泵开关暴露于电压应力下。这些电压应力取决于电荷泵的设计及其输出电压。一般而言，需要减小在FET (其通常用作电荷泵中的泵开关)上的最大电压应力。
[0005]一类电荷泵是串-并联电荷泵11，图1中示出了这种电荷泵的示例。所示特定实施例，即1:5降压电荷泵，将三个泵开关SW00、SW10、SW14暴露于是输出电压Vout四倍的最大电压应力。
[0006]另一类电荷泵是迪克森电荷泵14，图2示出了这类电荷泵的示例。为了与图1所示的串-并联电荷泵11进行比较，所示特定实施例也是1:5降压电荷泵。迪克森电荷泵14的特征在于四个泵电容器20A-20D和五个互连泵开关22A-22E，第一泵开关22A接收来自电压源12的输入电压Vin而最后一个泵开关22E向负载17提供输出电压Vout。在不失一般性的情况下，负载17建模为并联的负载电阻RL和负载电容CL。
[0007]迪克森泵14的优点在于，在稳态运行期间，在任何一个泵开关22A-22E上的最大电压应力仅仅是输出电压Vout的两倍，而不像在具有串-并联电荷泵11的情况下是输出电压Vout的四倍。结果，泵开关22A-22E可以是较低额定电压开关。
[0008]然而，虽然迪克森电荷泵14中的泵开关22A-22E在稳压模式下的运行期间仅仅受到最适中的电压应力，但是仍然存在于启动期间在泵开关之间存在瞬态电压应力的问题。该瞬态电压应力可超过在稳态运行期间发生的电压应力。为了避免失去迪克森配置的益处，优选地在稳态运行之前以避免在任何泵开关22A-22E上诱发过量电压应力的方式对泵开关20A-20D实行初始充电。该问题通过图2中示出的预充电电路15A得以解决。
[0009]图示的预充电电路15A包括连接至泵开关20A-20D的堆叠电阻器RO - R4。在当输入电压Vin从零伏特上升到其最终电压值时开始的预充电间隔期间，堆叠电阻器RO - R4对这些泵开关20A-20D预充电。该预充电间隔的持续时间取决于与堆叠电阻器RO - R4的电阻和泵开关20A-20D的电阻相关联的时间常数。
[0010]如果输入电压Vin斜升得比与预充电电路15A相关联的时间常数快，那么可能会损坏泵开关22A-22E。为了避免在该预充电间隔期间在泵开关22A-22E上的电压应力，有用的是提供一种将功率设定为适应输入电压Vin的断开开关SWD。断开开关SWD在预充电间隔期间将泵开关22A-22E隔离。因此，在预充电间隔期间，打开断开开关SWD使泵开关22A-22E与输入电压Vin隔离。然后，当对泵开关20A-20D充电时，关闭断开开关SWD，稳态运行开始。
【发明内容】
[0011]断开开关SWD是大多数时候都不需要的大型高电压开关。如此，最好是从预充电电路15A整个省略掉断开开关。本发明基于对一种避免使用断开开关预充电迪克森电荷泵的需要的方式的认识。
[0012]在一个方面中，本发明的特征在于一种用于电压转换的设备。该设备包括开关式电容电路、预充电电路、分压级和驱动级。所述开关式电容电路具有传递能量的泵电容器以及稳态运行模式和预充电模式。所述预充电电路在所述开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对所述泵电容器充电。所述设备包括:具有一个或多个节点的分压级，各个所述节点提供对应的一个或多个电压电平中的其中一个电压电平下的电压；以及，具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子。
[0013]在另一方面中，本发明的特征在于一种用于电压转换的设备。该设备包括开关式电容电路、预充电电路、分压级和驱动级。所述开关式电容电路具有泵电容器以及稳态运行模式和预充电模式。所述预充电电路在所述开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对所述泵电容器充电。所述设备包括:具有第一和第二节点的分压级，所述第一节点提供第一电压电平下的电压二所述第二节点提供第二电压电平下的电压；以及，具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子。
[0014]在一个实施例中，分压级包括一对串联的相邻电阻器，并且节点由该对串联的相邻电阻器限定。
[0015]在另一实施例中，驱动级包括一个或多个FET，各个FET具有栅极、源极和漏极，源极连接至泵电容器并且连接至另一 FET的漏极。
[0016]又一实施例包括另一开关式电容电路和另一预充电电路，所述另一开关式电容电路和所述另一预充电电路相对于所述开关式电容电路和所述预充电电路异相运行，其中，所述另一开关式电容电路包括具有泵电容器的开关式电容电路，所述开关式电容电路具有稳态运行模式和预充电模式，以及其中，所述另一预充电电路包括:具有第一节点和第二节点的分压级，其中，所述第一节点提供第一电平下的电压而所述第二节点提供第二电平下的电压；以及，具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个驱动器包括用于在所述节点中的一个相应节点处接收至少部分地取决于电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子，其中，所述开关式电容电路、所述预充电电路、所述另一开关式电容电路和所述另一预充电电路协作以将能量递送至负载。
[0017]其他实施例包括驱动级包括FET的实施例和驱动级包括BJT的实施例。
[0018]在实施例中存在驱动级包括一个或多个BJT (双极结晶体管)的实施例，各个BJT具有基极、集电极和发射极，其中，发射极连接至泵电容器并且连接至另一 BJT的集电极。
[0019]在某些实施例中，驱动器具有不同的额定电流。在其他实施例中，开关式电容电流包括迪克森电荷泵。在这些实施例中存在驱动器包括在稳态运行模式期间供迪克森电荷泵使用的泵开关的实施例。
[0020]另一些实施例包括用于接收驱动信号的第一端子直接连接至节点的实施例。
[0021]其他实施例也包括一个或多个放大器，各个所述放大器具有:连接至所述驱动器中的一个对应驱动器的第一端子的输出、连接至所述节点中的一个对应节点的输入、以及连接至该驱动器的第二端子的第二输入。
[0022]另一些实施例包括一个或多个PMOS跟随器，各个所述跟随器具有:连接至所述驱动器中的一个对应驱动器的第一端子的源极端子和连接至所述节点中的一个对应节点的栅极端子。
[0023]其他实施例是在预充电模式的第一部分期间分压级包括限定了彼此等距隔开的电压电平的节点以及在预充电模式的第二部分期间分压级包括限定了彼此不等距隔开的电压电平的节点的实施例。
[0024]实施例中还包括在第一时间间隔期间所述分压级包括限定了第一组电压电平的节点以及在第二时间间隔期间所述分压级包括限定了第二组电压电平的节点的实施例。
[0025]在其他实施例中存在所述分压级包括用于将电压分为一个或多个电平的一个或多个串联的电阻器以及与所述串联电阻器串联的齐纳二极管的实施例。
[0026]在另一方面中，本发明的特征在于一种用于泵送电荷的设备。该设备包括具有泵电容器的开关式电容电路。所述开关式电容电路具有稳态运行模式和预充电模式。所述设备还包括在所述开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对所述泵电容器充电的预充电电路。所述预充电电路包括:具有多个节点的分压级，各个所述节点提供对应的多个电压电平中的其中一个电压电平下的电压；以及具有多个级联驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子。
[0027]在某些实施例中，分压级包括多个串联的电阻器。在这些实施例中，各个节点由一对相邻电阻器限定。
[0028]在另一方面中，本发明的特征在于一种用于提供电压的设备。该设备包括预充电电路，所述预充电电路包括第一级和第二级。所述第一级包括一个或多个节点，各个所述节点提供在对应的一个或多个电压电平中的一个电压电平下的电压。第二级包括驱动器组，所述驱动器组包括一个或多个级联驱动器。来自所述驱动器组的至少一个驱动器包括第一端子和第二端子，所述第一端子配置为在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号，而所述第二端子配置为耦合至来自所述组的另一驱动器并且耦合至在待预充电的电路中的电容器。
[0029]某些实施例还包括具有至少一个电容器的开关式电容电路，所述至少一个电容器耦合至所述第二端子。在这些实施例中的某些实施例中，开关式电容电路是迪克森电荷泵。
[0030]其他实施例还包括具有至少一个电容器