电源输出电路及其控制方法与流程

本发明涉及一种电源输出电路及其控制方法，尤其涉及一种可调整电源输出电路中充电泵的运作频率的控制方法。

背景技术：

充电泵(Charge Pump)是一种常见的电源供应电路，其可产生并输出高于其输入电压的电压值。充电泵的电压输出可以是任意倍率，例如可将输入电压乘以2或乘以3以后再加以输出。若将充电泵通过反馈电路与稳压器连接，可通过稳压器中参考电压的设定来实现任意且稳定的电压输出。

为了提供较高的电压输出，充电泵往往具有电容，用来存储电量，并通过时钟信号的切换来产生较高的电压。传统上，充电泵使用外挂式电容(即位于芯片外部的电容)来存储电荷，其具有较大的电容值，能存储的电量较多，因此，使用频率较低的时钟即足以提供稳定的输出电压。近年来，为了降低成本及缩小电路面积，外挂式电容逐渐被内嵌式电容(即位于芯片内部的电容)所取代。然而，内嵌式电容的电容值较小，因此充电泵的时钟信号需要较快的频率来维持输出端的驱动能力。此外，内嵌式电容往往具有较大的寄生电容，过快的频率使得过多功率消耗在寄生电容上，特别是当负载为轻载时，过快的频率会造成极低的工作效率。在此情形下，时钟信号的频率太快会造成寄生电容消耗过大功率，频率太慢会造成输出端的驱动能力不足而无法针对负载的变化实时反应。

现有技术提供了一种切换时钟信号频率的方法，其中，时钟信号可设定为较快的一第一频率或较慢的一第二频率。系统可侦测充电泵的输出电压，并在输出电压高于一临界值时采用第二频率，在输出电压低于所述临界值时采用第一频率。然而，上述方法的运作频率在数个固定的频率之间进行切换，这些固定的频率无法适用于任何负载状况，举例来说，当一负载大小适用的运作频率位于第一频率及第二频率之间时，代表第一频率过快而第二频率过慢，此时，输出电压会在临界值上下振荡，且运作频率会在第一频率和第二频率之间持续切换，使得系统稳定性较差。再者，系统需在输出电压产生变化以后才会改变频率，因此输出电压必然存在一定的振荡幅度，当负载变化大时难以维持稳定的输出电压。在此情形下，现有技术仅适用于以电容性负载为主的电路系统，而无法适用于具有较大电阻性负载的电路系统，因电阻性负载的变化幅度大，易造成输出电压不稳定的缺点。

鉴于此，实有必要提出另一种调整时钟信号频率的方法，以控制充电泵运作在最适合的频率之下，同时避免上述缺点。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的即在于提供一种可调整电源输出电路中充电泵(Charge Pump)的运作频率的控制方法，其中，充电泵的运作频率可任意调整，以根据负载大小运作在最适合的频率之下。

本发明公开一种电源输出电路，包括一充电泵、一电压调节单元(Voltage Regulator)、一时钟产生器及一电压侦测单元。所述充电泵可用来接收具有一运作频率的一时钟信号，并输出一输出电压。所述电压调节单元耦接于所述充电泵，可用来输出一控制电压到所述充电泵，以控制所述输出电压。所述时钟产生器耦接于所述充电泵，可用来输出所述时钟信号到所述充电泵。所述电压侦测单元耦接于所述时钟产生器及所述电压调节单元，可用来侦测所述控制电压，并根据所述控制电压的大小，控制所述时钟产生器调整所述时钟信号的运作频率。

本发明还公开一种控制方法，用来调整一充电泵的一运作频率，所述控制方法包括输出一控制电压到所述充电泵，以控制所述充电泵所输出的一输出电压；输出一时钟信号到所述充电泵，所述时钟信号具有所述运作频率；以及侦测所述控制电压，并根据所述控制电压的大小，调整所述时钟信号的运作频率。

附图说明

图1为本发明实施例一电源输出电路的示意图。

图2为图1的电源输出电路的一种实施方式的示意图。

图3为图1的充电泵的一种实施方式的示意图。

图4A及图4B为本发明实施例侦测控制电压以控制时钟信号切换相位的波形示意图。

图5为本发明实施例一流程的流程图。

其中，附图标记说明如下：

10 电源输出电路

100 充电泵

102 电压调节单元

104 时钟产生器

106 电压侦测单元

CLK 时钟信号

V_ctrl 控制电压

V_out 输出电压

VDD 输入电压

210 负载

202 反馈电路

204 放大器电路

V_fb 反馈信号

C1、C2 电容

SW1～SW8 开关

GND 地端

CLK1 正相时钟信号

CLK2 反相时钟信号

V_det 预设电压

50 流程

500～508 步骤

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例一电源输出电路10的示意图。如图1所示，电源输出电路10包括一充电泵(Charge Pump)100、一电压调节单元(Voltage Regulator)102、一时钟产生器104及一电压侦测单元106。充电泵100可用来接收具有一运作频率的一时钟信号CLK，并输出一输出电压V_out。详细来说，充电泵100可包括多个电容，这些电容可通过时钟信号CLK的控制，在不同相位之间切换，进而在不同相位分别将不同电容的电荷提供给输出端的负载。电压调节单元102耦接于充电泵100，可输出一控制电压V_ctrl到充电泵100，以控制输出电压V_out。详细来说，当电源输出电路10启动时，可根据系统设定(如电压调节单元102内部电阻值的设定)，控制输出电压V_out上升到一预定电压值，随后维持在所述预定电压值。电压调节单元102具有一反馈电路结构，可从电源输出电路10的输出端接收输出电压V_out，并据此调整控制电压V_ctrl的大小，使得输出电压V_out维持在预定电压值。时钟产生器104耦接于充电泵100，可用来输出时钟信号CLK到充电泵100。时钟信号CLK泛指正相及/或反相时钟，用来控制充电泵100中每一开关的运作。电压侦测单元106耦接于时钟产生器104及电压调节单元102，可用来侦测控制电压V_ctrl，并根据控制电压V_ctrl的大小，控制时钟产生器104调整时钟信号CLK的运作频率。更明确来说，时钟产生器104可根据控制电压V_ctrl的大小来决定时钟信号CLK相位切换的时间点。

请参考图2，图2为电源输出电路10的一种实施方式的示意图。在图2中，充电泵100与电压调节单元102均接收一输入电压VDD。此外，一负载210并未包含在电源输出电路10内，但绘示在图2中以方便说明。如图2所示，电压调节单元102包括一反馈电路202及一放大器电路204。反馈电路202可从充电泵100接收输出电压V_out，并据此产生一反馈信号V_fb，放大器电路204再根据反馈信号V_fb，调整控制电压V_ctrl的大小，以控制输出电压V_out维持在预定电压值。详细来说，反馈电路202可由一可变电阻或多个分压电阻所构成，以对输出电压V_out进行分压以后产生反馈信号V_fb。接着，放大器电路204的一输入端从反馈电路202接收反馈信号V_fb，另一输入端则接收一参考电压V_ref，由于放大器电路204为负反馈的结构，两输入端之间为虚短路(virtual short)，使得反馈信号V_fb的大小等于参考电压V_ref的大小，放大器电路204并输出控制电压V_ctrl到充电泵100。通过上述反馈机制，电压调节单元102可控制充电泵100的输出电压V_out维持在定值。

请参考图3，图3为充电泵100的一种实施方式的示意图。如图3所示，充电泵100包括电容C1、C2及开关SW1～SW8。电容C1及C2的一端分别通过开关SW2及SW8耦接于电压调节单元102以接收控制信号V_ctrl，或通过开关SW1及SW7耦接于一地端GND；电容C1及C2的另一端则分别通过开关SW3及SW5耦接于一电源输入端以接收输入电压VDD，或通过开关SW4及SW6耦接于电源输出电路10的一电源输出端以产生输出电压V_out。通过正相时钟信号CLK1及反相时钟信号CLK2的控制，开关SW1～SW8可切换电容C1及C2的耦接方式，电容C1及C2可分别在不同相位中抬升输入电压VDD以产生输出电压V_out。需注意的是，上述每一开关SW1～SW8都包括一或多个晶体管，或者，开关SW1～SW8也可通过其它方式来实现。此外，为方便说明，图3所示的电路仅为最简易的充电泵结构，然而，为实现不同电压需求或不同放大倍率，充电泵100也可采用其它电路结构。实际上，只要是通过时钟信号切换来控制多个电容交替产生输出电压，并通过电压调节单元来控制输出电压维持在预定电压值的电路结构，都可采用本发明的控制方法来调整时钟信号的运作频率。

详细来说，在一第一相位中，正相时钟信号CLK1开启开关SW1、SW3、SW6及SW8，反相时钟信号CLK2关闭开关SW2、SW4、SW5及SW7，使得电容C1耦接于电源输入端与地端GND之间，电容C2耦接于电源输出端与电压调节单元102之间。此时，电容C1可由输入电压VDD进行充电，以存储来自于输入电压VDD的电量，电容C2则对电源输出端进行供电。接着，在一第二相位中，正相时钟信号CLK1关闭开关SW1、SW3、SW6及SW8，反相时钟信号CLK2开启开关SW2、SW4、SW5及SW7，使得电容C1耦接于电源输出端与电压调节单元102之间，电容C2耦接于电源输入端与地端GND之间。在此情形下，先前已充饱电荷的电容C1开始对电源输出端供电，即，电容C1可将所存储的电量输出而产生输出电压V_out。

进一步参考图3搭配图2所示。在第二相位中，负载210可对电容C1抽取电流，使得电容C1存储的电量下降，此时，为使输出电压V_out维持在一定值，电容C1另一端的电压(即电压调节单元102所输出的控制电压V_ctrl)会逐渐上升。然而，控制电压V_ctrl无法无限制地上升，在此例中，由于电压调节单元102是由输入电压VDD进行供电，控制电压V_ctrl的数值无法超过输入电压VDD，因此，当控制电压V_ctrl上升到等于输入电压VDD以后，若负载210仍持续抽取电流，输出电压V_out会开始下降。为避免上述情况发生，本发明通过电压侦测单元106来侦测控制电压V_ctrl的大小，并在侦测到控制电压V_ctrl上升到接近输入电压VDD时，控制时钟产生器104切换时钟信号CLK1及CLK2，以进入第一相位。此时，在第二相位中已充饱电荷的电容C2即可开始对电源输出端供电，即，负载210停止对电容C1抽取电流而改为对电容C2抽取电流。由上述可知，通过时钟信号CLK1及CLK2的连续切换，电容C1及C2可交替对电源输出端供电。

在一实施例中，假设输入电压VDD为6V且电源输出电路10欲输出的输出电压V_out为10V，当时钟信号CLK切换相位以后，控制电压V_ctrl会等于4V并通过反馈电路202将输出电压V_out推升到10V。接着，负载210开始抽取电流使得电容存储的电量下降，此时控制电压V_ctrl会从4V开始上升。当控制电压V_ctrl接近输入电压VDD(6V)时，电压侦测单元106可控制时钟产生器104切换时钟信号CLK的相位，此时，控制电压V_ctrl会回到4V并改由另一电容对电源输出端进行供电。在此情形下，可设定略低于输入电压VDD的一预设电压(如5.8V)，使得电压侦测单元106可在侦测到控制电压V_ctrl到达预设电压时，控制时钟产生器104切换时钟信号CLK的相位。

值得注意的是，预设电压往往被设定为略低于输入电压VDD的电压值，而不会刚好等于输入电压VDD，其目的在于提供电源输出电路10内部信号传送的反应时间。上述反应时间应足以使电压侦测单元106传送信号到时钟产生器104以切换时钟信号CLK的相位。换句话说，电压侦测单元106可判断输入电压VDD与控制电压V_ctrl的差值，当输入电压VDD与控制电压V_ctrl的差值小于一临界值(如0.2V)时，即可控制时钟产生器104切换时钟信号CLK的相位。另外需注意的是，上述预设电压或临界值的大小可根据系统环境来进行设定，而不限于此。举例来说，在负载可能发生剧烈变化的系统中，为维持稳定的输出电压V_out，可将预设电压设定得较低(如5.5V)(即临界值为0.5V)，以在负载瞬间加大时，及早切换时钟信号CLK的相位以避免输出电压V_out下降。

通过上述方式，本发明可通过控制电压V_ctrl的侦测来控制时钟信号CLK切换相位。在此情形下，时钟信号CLK的频率完全取决于负载210抽取电流的速度(即取决于负载大小)。即使电源输出端的负载210为电阻性负载，时钟信号CLK的频率也会随着负载的变化实时调整到最适合的频率，而不限于特定频率值之间的切换，可达到较佳的稳定性，同时避免频率过快造成过多功率消耗在寄生电容上。在此情况下，本发明的电源输出电路可应用于具有大幅度负载变化的电阻性负载系统。除此之外，本发明可在控制电压V_ctrl接近输入电压VDD但尚未到达输入电压VDD时切换时钟信号CLK的相位，代表在输出电压V_out尚未下降时即可切换相位。相较于现有技术需在侦测到输出电压发生变化以后才进行频率切换，本发明通过控制电压的侦测，可在输出电压未发生变化的情况下切换相位。如此一来，本发明可实现更稳定的输出电压。

请参考图4A及图4B，图4A及图4B为本发明实施例侦测控制电压V_ctrl以控制时钟信号CLK切换相位的波形示意图。图4A及图4B分别绘出轻载及重载的情况。如图4A所示，在轻载之下，负载210对电容抽取电流的速度较慢，使得控制电压V_ctrl上升的速度较慢，当电压侦测单元106侦测到控制电压V_ctrl到达预设电压V_det时，时钟产生器104即可切换时钟信号CLK的相位。此时，由于负载210较小，时钟信号CLK相位切换的速度较慢，代表充电泵100运作在较慢的频率之下。另一方面，如图4B所示，在重载之下，负载210对电容抽取电流的速度加快，使得控制电压V_ctrl上升的速度加快而更快到达预设电压V_det，在此情形下，时钟产生器104切换时钟信号CLK相位的速度也会加快。此时，由于负载210较大，时钟信号CLK相位切换的速度较快，代表充电泵100运作在较快的频率之下。如此一来，根据不同负载大小，充电泵100可在最适合的频率之下运作，可避免运作频率太快造成过多电荷消耗在寄生电容上，也可避免运作频率太慢造成输出电压V_out无法对负载210的变化实时反应。

值得注意的是，本发明提供一种可在最佳频率之下运作的充电泵及电源输出电路及其控制方法，本领域的技术人员当可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，上述电路结构仅为本发明众多实施方式当中的一种，在其它实施例中，也可将时钟产生器包含在电压侦测单元内部，使得电压侦测单元可在侦测到控制电压接近输入电压时，切换时钟信号的相位。除此之外，根据不同输出电压的需求，输入电压或参考电压的大小可进行调整，本领域的技术人员也可根据系统需求，改变充电泵的电路结构。

上述关于电源输出电路10的运作方式可归纳为一流程50，如图5所示。

流程50可用来调整一充电泵的一运作频率，其包括以下步骤：

步骤500：开始。

步骤502：输出一控制电压到充电泵，以控制充电泵所输出的一输出电压。

步骤504：输出一时钟信号到充电泵，时钟信号具有所述运作频率。

步骤506：侦测控制电压，并根据控制电压的大小，调整时钟信号的运作频率。

步骤508：结束。

流程50的详细运作方式及变化可参考前述，在此不赘述。

综上所述，本发明提供了一种可调整电源输出电路中充电泵的运作频率的控制方法，充电泵的运作频率可随着负载大小而任意调整，而不限于特定频率值之间的切换。在一实施例中，充电泵从一电压调节单元接收一控制电压，并通过负反馈的电路结构来控制其输出电压维持在预定电压值。通过侦测控制电压的大小，可决定用于充电泵的时钟信号切换相位的时间点，进而决定时钟信号的运作频率。如此一来，通过控制电压的侦测，本发明可在输出电压未发生变化的情况下切换相位，以实现更稳定的输出电压。此外，时钟信号在任何负载状况之下都可达到最佳运作频率，可避免运作频率太快造成过多电荷消耗在寄生电容上，也可避免运作频率太慢造成输出电压无法对负载的变化实时反应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。