升降压电荷泵的模式切换电路以及电压管理电路的制作方法

1.本发明涉及功率转换器技术领域，更具体地，涉及一种升降压电荷泵的模式切换电路以及电压管理电路。


背景技术：

2.随着电力电子产品的需求和半导体技术的发展，电源管理芯片在便携式电脑、移动电话、个人数字助理以及其他便携或非便携电子设备中的应用更加广泛。开关电源中开关变换器因转换效率高、输出电流大、静态电流小、输出负载范围宽等优点而被广泛应用。
3.电荷泵是一种典型的无磁性元件变换器，其由一定数量的开关器件和分压电容组成，通过开关控制电容的工作状态，实现电能的传递和转换。其能够通过较少的开关器件产生更高数量的输出电平，具有体积小、效率高和功率密度大等优点，已成为电池充电领域研究的一种趋势，但是现有的电荷泵只能进行升压或降压变换，无法实现降压/升压模式的自动切换，因此需要在电源管理芯片中使用升压和降压两种电荷泵，导致电源管理芯片的结构复杂，增大了系统的功耗。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种升降压电荷泵的模式切换电路以及电压管理电路，解决了开关电容式电压变换器降压/升压双向自动切换的问题，提高了电路的灵活性和应用范围。
5.根据本发明的一方面，提供了一种升降压电荷泵的模式切换电路，所述升降压电荷泵包括第一端口和第二端口，其中，所述模式切换电路包括：第一比较器，同相输入端接收第二端口电压，反相输入端接收与第一端口电压相关的参考电压，输出端用于输出第一比较信号；第二比较器，同相输入端接收所述参考电压，反相输入端接收所述参考电压，输出端用于输出第二比较信号；以及逻辑模块，用于根据所述第一比较信号和第二比较信号进行逻辑判断，并根据判断结果生成降压模式控制信号或者升压模式控制信号，所述升降压电荷泵根据所述降压模式控制信号切换至降压模式或者根据所述升压模式控制信号切换至升压模式。
6.可选的，所述参考电压等于所述第一端口电压的1/2。
7.可选的，所述第一比较器和所述第二比较器为迟滞比较器。
8.可选的，所述第一比较器和所述第二比较器具有第一门限电压和第二门限电压，所述第一门限电压为上限电压，所述第二门限电压为下限电压，且所述上限电压小于所述下限电压。
9.可选的，所述第一比较器被配置为：当所述参考电压与所述第二端口电压之间的电压差小于所述第一门限电压时，所述第一比较信号翻转为高电平，当所述参考电压与所述第二端口电压之间的电压差大于所述第二门限电压时，所述第一比较信号翻转为低电平。
10.可选的，所述第二比较器被配置为：当所述第二端口电压与所述参考电压之间的电压差小于所述第一门限电压时，所述第二比较信号翻转为高电平，当所述第二端口电压与所述参考电压之间的电压差大于所述第二门限电压时，所述第二比较信号翻转为低电平。
11.可选的，所述逻辑模块被配置为：当所述第一比较信号和所述第二比较信号表征所述参考电压小于所述第二端口电压，且二者之间的电压差大于所述第二门限电压时，输出所述升压模式控制信号；当所述第一比较信号和所述第二比较信号表征所述参考电压大于所述第二端口电压，且二者之间的电压差大于所述第二门限电压时，输出所述降压模式控制信号。
12.可选的，所述逻辑模块包括第一至第三反相器以及第一或非门和第二或非门，其中，第一反相器的输入端接收所述第一比较信号，输出端与所述第一或非门的第一输入端连接，第二反相器的输入端接收所述第二比较信号，输出端与所述第二或非门的第一输入端连接，所述第一或非门的第二输入端与所述第二或非门的输出端连接，所述第二或非门的第二输入端与所述第一或非门的输出端连接，所述第一或非门的输出端用于输出所述升压模式控制信号，所述第三反相器的输入端与所述第一或非门的输出端连接，所述第三反相器的输出端用于输出所述降压模式控制信号。
13.根据本发明的另一方面，提供了一种电压管理电路，其中，包括：升降压电荷泵，所述升降压电荷泵包括第一端口和第二端口；以及上述的模式切换电路。
14.可选的，在降压模式时，所述升降压电荷泵的第一端口电连接电源电压，对所述电源电压进行降压并通过所述第二端口输出；在升压模式时，所述升降压电荷泵的第二端口电连接电源电压，对所述电源电压进行自举升压并通过所述第一端口输出。
15.本发明的升降压电荷泵的模式切换电路采用第一比较器和第二比较器将升降压电荷泵的第一端口电压的一半和第二端口电压进行比较，根据两个比较器的输出进行逻辑判断，根据判断结果控制升降压电荷泵工作于降压模式或者升压模式，从而实现自动的模式切换，只需要一个电荷泵即可实现升压和降压的功能，简化了电路的结构，极大的节省了成本，减小了系统功耗，提高了系统效率，有利于增长电池的使用和待机时间。
附图说明
16.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
17.图1示出根据本发明实施例的一种电压管理电路的结构示意图；
18.图2示出根据本发明实施例的升降压电荷泵的示意性电路图；
19.图3a示出降压模式时升降压电荷泵的示意性电路图；
20.图3b示出图3a中部分节点波形示意图；
21.图4a示出升压模式时升降压电荷泵的示意性电路图；
22.图4b示出图4a中部分节点波形示意图；
23.图5示出根据本发明实施例的模式切换电路的示意性电路图；
24.图6a和图6b分别示出图5中的模式切换电路的第一比较器和第二比较器的工作时序图；
25.图7示出根据本发明实施例的电压管理电路的工作时序图。
具体实施方式
26.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
27.应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
28.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
29.图1示出根据本发明实施例的一种电压管理电路的结构示意图。如图1所示，该电压管理电路包括升降压电荷泵100和模式切换电路200。其中，模式切换电路200通过向升降压电荷泵100提供升压模式控制信号和降压模式控制信号来控制升降压电荷泵100的工作模式。当升降压电荷泵100接收到升压模式控制信号时，其工作模式从降压模式切换成升压模式，或者当升降压电荷泵100接收到降压模式控制信号时，其工作模式从升压模式切换成降压模式。
30.本发明提供的升降压电荷泵100在电源电压较低时工作在升压模式进行自举升压来输出电压，在电源电压较高时，其工作在降压模式进行降压来输出电压，克服了现有电源管理应用中采用线性稳压器存在的电源电压高时效率低，在电源电压低时无法工作的问题。
31.可选的，本发明的升降压电荷泵100包括第一至第三端口port-a至port-c、开关阵列110、开关控制电路120以及充放电电路130。其中，第三端口port-c用于接收升压模式控制信号或者降压模式控制信号。开关控制电路120用于接收一时钟信号clk，以根据时钟信号clk的相序时间基准控制开关阵列110中的开关状态。
32.在降压模式时，所述开关控制电路120根据所述相序时间基准控制所述开关阵列110中的开关进行闭合或断开，以控制所述充放电电路130通过升降压电荷泵110的第一端口port-a接收电源电压vi你，并对所述电源电压vin进行降压，以获得输出电压并从升降压电荷泵110的第二端口port-b输出。
33.在升压模式时，所述开关控制电路120根据所述相序时间基准控制所述开关阵列110中的开关进行闭合或断开，以控制所述充放电电路130通过所述升降压电荷泵110的第二端口port-b接收电源电压vin，并对所述电源电压vin进行自举升压，以获得输出电压并从第一端口port-a输出。
34.可选的，模式切换电路200将第一端口电压v2x相关的参考电压vref与第二端口电压v1x进行比较，根据比较结果生成所述升压模式控制信号和降压模式控制信号，以控制升降压电荷泵100的工作模式。
35.可选的，充放电电路130可以通过数字方式实现电容的功能(即去除电容)，这样充放电电路130可以集成在芯片中。所述充放电电路130也可以包括一电容器，电容器通过开关阵列110接入升降压电荷泵中。
36.可选的，升降压电荷泵100还包括时钟产生电路140，时钟产生电路140用于输出时钟信号clk，以控制开关阵列110中的开关状态的相序时间基准。时钟产生电路140可以为一振荡器。在其他实施例中，时钟信号clk也可以由外部电路产生。
37.本发明提供的电压管理电路只需要一个充放电电路和一个开关阵列，即可实现升压和降压的功能，简化了电荷泵的结构，极大的节省成本，减小了系统功耗，提高了系统效率，提高了电池(组)的使用时间和待机时间。
38.参考图2、图3a-3b以及图4a-4b，图2示出根据本发明实施例的升降压电荷泵的示意性电路图，图3a示出降压模式时升降压电荷泵的示意性电路图，图3b示出图3a中部分节点波形示意图，图4a示出升压模式时升降压电荷泵的示意性电路图，图4b示出图4a中部分节点波形示意图。
39.具体的，开关阵列110包括四组开关s1-s4，第一开关s1的第一端电连接至第一端口port-a，其第二端电连接至开关阵列110的第一节点p1。第二开关s2的第一端电连接至第一节点p1，其第二端电连接至第二端口port-b。第三开关s3的第一端接地，其第二端电连接至第二节点p2。第四开关s4的第一端电连接至第二节点p2，其第二端电连接至第二端口port-b。
40.充放电电路130串联连接在第一节点p1和第二节点p2之间。具体的，充放电电路130采用飞跨电容cfly进行输入电压的充放电，飞跨电容cfly的上极板电连接至第一节点p1，其下极板电连接至第二节点p2。
41.具体的，时钟产生电路140(可选部件)可以为一振荡器，振荡器输出高频时钟clk，来提供开关s1-s4的相序时间基准。
42.在降压模式时，升降压电荷泵100的第一端口port-a与电源电压vin电连接，第二端口port-b与负载电连接，开关控制电路120根据相序时间基准控制第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4进行断开和闭合，使得所述飞跨电容cfly通过第一端口port-a接收第一端口电压v2x(v2x＝vin)，并对电源电压vin进行降压，获得第二端口电压v1x从所述第二端口port-b输出。也即，当电源电压高时，升降压电荷泵工作在降压模式，电源电压vin从第一端口port-a输入，降压后的电压v1x从第二端口port-b输出，降压模式时升降压电荷泵的示意性电路图如图3a所示。
43.具体的，所述相序时间基准包括第一降压相序和第二降压相序。在所述第一降压时序，所述开关控制电路120控制所述第一开关s1和第四开关s4闭合，同时控制所述第二开关s2和第三开关s3断开，使得所述飞跨电容cfly通过所述第一开关s1和第四开关s4串联连接在第一端口port-a与第二端口port-b之间，以通过所述第一端口port-a接收所述电源电压vin进行放电。在所述第二降压时序，所述开关控制电路120控制所述第一开关s1和所述第四开关s4断开，同时控制所述第二开关s2和所述第三开关s3闭合，使得所述飞跨电容cfly通过所述第二开关s2和第三开关s3串联连接在接地端gnd和第二端口port-b之间，以进行降压获取第二端口电压v1x通过第二端口port-b输出。其中，第一降压时序和第二降压时序的时间成第一预设比例，从而可以通过改变第一降压时序和第二降压时序的时间比例，调节控制开关阵列的控制信号的占空比，获得不同大小的降压后的输出电压。
44.由图3b所示的节点波形可知，在时钟信号clk的第一降压时序phase11，第一开关s1和第四开关s4闭合，第二开关s2和第三开关s3断开，飞跨电容cfly的上极板接第一端口
port-a，下极板接第二端口port-b，飞跨电容cfly上的电压差为v2x-v1x(其中，v2x＝vin)；在第二降压时序phase12，第一开关s1和第四开关s4断开，第二开关s2和第三开关s3闭合，飞跨电容cfly的上极板接第二端口port-b，下极板接地gnd，飞跨电容cfly上的电压差为v1x，由于电容器cfly上的电压保持不变，因此有v2x-v1x＝v1x，即v1x＝v2x/2＝vin/2，即输出电压等于电源电压vin的一半。第一降压时序phase11和第二降压时序phase12的时间比例不同，降压后的输出电压与输入电源电压vin所成的倍数比不同。
45.在升压模式时，升降压电荷泵100的第一端口port-a与负载电连接，第二端口port-b与电源电压vin电连接，开关控制电路120根据相序时间基准控制第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4进行断开和闭合，使得所述飞跨电容cfly通过第二端口port-b接收第二端口电压v1x(v1x＝vin)，并对电源电压vin进行自举升压，获得第一端口电压v2x从所述第一端口port-a输出。也即，当电源电压过低时，升降压电荷泵工作在自举升压模式，电源电压vin从第二端口port-b输入，升压后的电压v1x从第一端口port-a输出，升压模式时升降压电荷泵的示意性电路图如图4a所示。
46.具体的，所述相序时间基准包括第一升压相序和第二升压相序。在所述第一升压时序，所述开关控制电路120控制所述第二开关s2和第三开关s3闭合，同时控制所述第一开关s1和第四开关s4断开，使得所述飞跨电容cfly通过所述第二开关s2和第三开关s3串联连接在第二端口port-b与地gnd之间，以通过所述第二端口port-b接收所述电源电压vin进行充电。在所述第二升压时序，所述开关控制电路120控制所述第一开关s1和所述第四开关s4闭合，同时控制所述第二开关s2和所述第三开关s3断开，使得所述飞跨电容cfly通过所述第一开关s1和第四开关s4串联连接在第一端口port-a和第二端口port-b之间，以进行升压获取第一端口电压v2x通过第一端口port-a输出。其中，第一升压时序和第二升压时序的时间成第二预设比例，从而可以通过改变第一升压时序和第二升压时序的时间比例，调节控制开关阵列的控制信号的占空比，获得不同大小的升压后的输出电压。
47.由图4b所示的节点波形可知，在时钟信号clk的第一升压时序phase21，第一开关s1和第四开关s4断开，第二开关s2和第三开关s3闭合，飞跨电容cfly的上极板接第二端口port-b，下极板接地gnd，飞跨电容cfly上的电压差为v1x(其中，v1x＝vin)；在第二升压时序phase22，第一开关s1和第四开关s4闭合，第二开关s2和第三开关s3断开，飞跨电容cfly的上极板接第一端口port-a，下极板接第二端口port-a，飞跨电容cfly上的电压差为v2x-v1x，由于电容器cfly上的电压保持不变，因此有v2x-v1x＝v1x，即v2x＝2*v1x＝2*vin，即输出电压等于电源电压vin的二倍。第一升压时序phase21和第二升压时序phase22的时间比例不同，升压后的输出电压与输入电源电压vin所成的倍数比不同。
48.参考图5，本发明的模式切换电路200包括第一比较器201、第二比较器202和逻辑模块203。第一比较器201的同相输入端接收第二端口电压v1x，反相输入端接收所述参考电压vref(参考电压vref等于第一端口电压v2x的1/2)，输出端用于输出第一比较信号v1。第二比较器202的同相输入端用于接收参考电压vref，反相输入端用于接收所述第二端口电压v1x，输出端用于输出第二比较信号v2。
49.图6a和图6b分别示出图5中的模式切换电路的第一比较器和第二比较器的工作时序图。示例的，本发明的第一比较器和第二比较器通过迟滞比较器实现。如图6a所示，当升降压电荷泵100工作在降压模式时，第一端口port-a为输入端，第二端口port-b为负载端，
由于第二端口port-b需要流出负载电流，因此实际的第二端口电压v1x小于参考电压vref，当第二端口电压v1x增大到使得二者之间的电压差小于等于第一门限电压vth1时，表征系统进入轻载模式，第一比较信号v1翻转为高电平；当第二端口电压v1x减小到使得二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2时，表征系统进入重载模式，第一比较信号v1翻转为低电平。
50.同样的，如图6b所示，当升降压电荷泵100工作在升压模式时，第一端口port-a为负载端，第二端口port-b为输入端，由于第一端口port-a需要流出负载电流，因此实际的第一端口电压v2x小于理想的2*v1x，即参考电压vref小于理想的v1x，当参考电压vref增大到使得二者之间的电压差小于等于第一门限电压vth1时，表征系统进入轻载模式，第二比较信号v2翻转为高电平；当参考电压vref减小到使得二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2时，表征系统进入重载模式，第二比较信号v2翻转为低电平。
51.由图6a和6b可知，当升降压电荷泵100在升降压模式之间切换时，第二端口电压v1x与参考电压vref之间会发生交叉，所以在这一过程中第一比较器201和第二比较器202的输出状态都会发生改变，因此通过逻辑模块203利用第一比较器201和第二比较器202的输出信号进行逻辑转换，就可以自动切换升降压电荷泵100工作在降压模式还是升压模式。
52.可选的，逻辑模块203包括反相器inv1-inv3以及或非门nor1和nor2。反相器inv1的输入端接收所述第一比较信号v1，输出端与或非门nor1的第一输入端连接，反相器inv2的输入端接收第二比较信号v2，输出端与或非门nor2的第一输入端连接，或非门nor1的第二输入端与或非门nor2的输出端连接，或非门nor2的第二输入端与或非门nor1的输出端连接，或非门nor1的输出端用于输出升压模式控制信号rvs_mode，反相器inv3的输入端与或非门nor1的输出端连接，反相器inv3的输出端用于输出降压模式控制信号fwd_mode。
53.图7示出根据本发明实施例的电压管理电路的工作时序图。在图7中示出了第一端口电压v2x、第二端口电压v1x、参考电压vref的电压波形图以及第一比较信号v1、第二比较信号v2、降压模式控制信号fwd_mode和升压模式控制信号rvs_mode。
54.以升降压电荷泵100首先工作在降压模式为例，在降压模式下，升降压电荷泵100的第一端口port-a电连接电源电压vin，第二端口port-b电连接负载。
55.在时间t1，第一端口port-a的电压v2x建立完成，升降压电荷泵100正常工作，第二端口电压v1x逐渐上升，此时第二端口电压v1x远小于参考电压vref，因此第一比较信号v1和第二比较信号v2都为低电平，降压模式控制信号fwd_mode为高电平，升压模式控制信号rvs_mode为低电平。
56.在时间t2，第二端口电压v1x增大到使得二者之间的电压差小于等于第一门限电压vth1时，表征系统进入轻载模式，此时第一比较信号v1翻转为高电平，由于此时的参考电压vref依旧大于第二端口电压v1x，因此第二比较信号v2依旧为高电平，降压模式控制信号fwd_mode保持为高电平，升压模式控制信号rvs_mode保持为低电平。
57.在时间t3，第二端口电压v1x减小到使得二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2时，表征系统进入重载模式，第一比较信号v1翻转为低电平，第二比较信号v2依旧为高电平，降压模式控制信号fwd_mode保持为高电平，升压模式控制信号rvs_mode保持为低电平。
58.在时间t4，由于电源电压vin的降低，导致第一端口电压v2x和参考电压vref逐渐
减小，当参考电压vref减小到使得参考电压vref与第二端口电压v1x之间的压差小于第一门限电压vth1时，第一比较信号v1翻转为高电平，第二比较信号v2依旧保持为高电平，降压模式控制信号fwd_mode保持为高电平，升压模式控制信号rvs_mode保持为低电平。随着电源电压vin的进一步降低，在时间t5，参考电压vref小于第二端口电压v1x，且二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2，此时第二比较信号v2翻转为低电平，同时降压模式控制信号fwd_mode翻转为低电平，升压模式控制信号rvs_mode翻转为高电平，升降压电荷泵100由降压模式切换为升压模式。
59.在时间t5-t7之间，升降压电荷泵100工作在升压模式下，升降压电荷泵100的第一端口port-a电连接负载，第二端口port-b电连接电源电压vin。
60.在时间t6，随着负载的减小，第一端口电压v2x和参考电压vref逐渐上升，当参考电压vref增大到使得参考电压vref与第二端口电压v2x之间的电压差小于第一门限电压vth1时，表征系统进入轻载模式，第二比较信号v2翻转为高电平，由于此时参考电压vref依旧小于第二端口电压v1x，因此第一比较信号v1依旧为高电平，升压模式控制信号rvs_mode保持为高电平，降压模式控制信号fwd_mode保持为低电平。随着负载的继续减小，在时间t7，参考电压vref大于第二端口电压v1x，且二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2，此时第一比较信号v1翻转为低电平，同时降压模式控制信号fwd_mode翻转为高电平，升压模式控制信号rvs_mode翻转为低电平，升降压电荷泵100由升压模式切换为降压模式。
61.由上述描述可知，本发明的模式切换电路200将第一端口电压v2x的一半与第二端口电压v1x进行比较，当第一端口电压v2x的一半小于第二端口电压v1x，且二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2时，模式切换电路200控制升降压电荷泵100由降压模式切换为升压模式；当第一端口电压v2x的一半大于第二端口电压v1x，且二者之间的电压差大于等于第二门限电压vth2时，模式切换电路200控制升降压电荷泵100由升压模式切换为降压模式，从而实现自动的模式切换。
62.综上所述，本发明的升降压电荷泵的模式切换电路采用第一比较器和第二比较器将升降压电荷泵的第一端口电压的一半和第二端口电压进行比较，根据两个比较器的输出进行逻辑判断，根据判断结果控制升降压电荷泵工作于降压模式或者升压模式，从而实现自动的模式切换，只需要一个电荷泵即可实现升压和降压的功能，简化了电路的结构，极大的节省了成本，减小了系统功耗，提高了系统效率，有利于增长电池的使用和待机时间。
63.本发明还提供了一种电压管理电路(芯片或者装置)，所述电压管理电路集成有本发明上述的升降压电荷泵和模式切换电路，同样可以简化电压管理电路的结构，节省电路成本，减小系统功耗，提高效率。
64.应当说明，在本文中的诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
65.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制
该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。