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CN110612660B - Vboost信号生成 - Google Patents

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CN110612660B
CN110612660B CN201880027300.5A CN201880027300A CN110612660B CN 110612660 B CN110612660 B CN 110612660B CN 201880027300 A CN201880027300 A CN 201880027300A CN 110612660 B CN110612660 B CN 110612660B
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Abstract

在所描述的实例中,一种VBOOST生成器(300)包含用于生成在供应电压VCC和接地之间的第一功率导轨VX的电压调节器(332)。时钟生成器(320)经布置以生成在所述供应电压VCC和电压VCC‑VX之间振荡的时钟信号。电荷泵(340)经布置以在所述第一时钟信号的第一半周期期间将所述电压VCC‑VX耦合到衬底(310)上回扫电容器(360)的第一端子,且经设置以在所述第一时钟信号的第二半周期期间将所述电压VCC耦合到所述回扫电容器(360)的所述第一端子。引脚(352)耦合到所述衬底(310)且将在所述第一时钟信号的所述第二半周期期间在所述回扫电容器(360)的第二端子上形成的所述电压VCC+VX耦合到外部桶形电容器(350)。任选地包含第二电荷泵以增加所述VBOOST生成器的充电容量。

Description

VBOOST信号生成
背景技术
处理器对于控制装置(例如用于电动机控制的控制器)很有用。处理器和控制器通常使用集成电路技术形成在单个或单独的衬底上。可以将用于处理器和控制器的衬底安装在单个封装中,所述封装具有用于朝向或远离安装在所述封装中的衬底输送信号(和功率)的端子(“引脚”)。信号通常经由引脚输送到不适合包含在封装中的电路(例如,由于大小、功耗、制造成本、工艺限制)。然而,增加封装的引脚数目通常会增加包含封装的制造组件的成本和/或面积。
发明内容
在所描述的实例中,一种VBOOST生成器包含用于生成在供应电压VCC和接地之间第一功率导轨VX的电压调节器。时钟生成器经布置以生成在供应电压VCC和电压VCC-VX之间振荡的时钟信号。电荷泵经布置以在所述第一时钟信号的第一半周期期间将所述电压VCC-VX耦合到衬底上回扫电容器的第一端子,且经设置以在所述第一时钟信号的第二半周期期间将所述电压VCC耦合到所述回扫电容器的所述第一端子。引脚耦合到所述衬底,将在所述第一时钟信号的所述第二半周期期间在所述回扫电容器的第二端子上形成的所述电压VCC+VX耦合到外部桶形电容器。任选地包含第二电荷泵以增加所述VBOOST生成器的充电容量。
附图说明
图1为根据实例实施例的计算装置的示意图。
图2为基于片外回扫电容器的电动机控制器的示意图。
图3为根据实例实施例的基于片上回扫电容器的VBOOST信号生成器的示意图。
图4为根据实例实施例的电荷泵倍增器的示意图。
图5为根据实例实施例的电荷泵倍增器的示意图。
具体实施方式
在本说明书中,系统可为又一系统的子系统。同样,在本说明书中,术语“耦合到”或“与…耦合”(及类此术语)描述间接或直接电连接。因此,如果第一装置耦合到第二装置,那么所述连接可通过直接电连接或通过经由其它装置及连接的间接电连接而进行。此外,在本说明书中,术语“部分”可以指整个部分或小于整个部分的部分。另外,术语“引脚”可以指用于将信号和电力耦合到包含所述引脚的封装上和从所述封装断开的端子。
在用于VBOOST信号生成的系统和方法的实例实施例中,减少引脚数。
图1为根据实例实施例的计算装置100的示意图。例如,计算装置100为电子系统129或并入到电子系统129中,所述电子系统例如为计算机、电子器件控制“盒”或模块,机器人设备(包含固定或移动)、汽车、工业电动机控制器或其中计算机使用差分信号的任何其它类型电子系统。
在一些实施例中,计算装置100包括宏单元或单片系统(SoC),其包括控制逻辑组件,例如CPU 112(中央处理单元)、存储装置114和电力供应器110。CPU 112包括由离散逻辑组件提供的功能和/或经布置以执行专用指令(例如,软件或固件),所述专用指令在由CPU112执行时将CPU 112转换成专用机器。CPU 112经布置以接收由接收器(RX)包络检测器138检测到的解码信息,其中所描述的包络检测器138经布置以接收用从耦合到另一CPU 112的传输器传输的信息编码的差分传输。
CPU 112包括存储器和逻辑,所述存储器和逻辑存储从存储装置114频繁存取(例如,写入到所述存储装置114和/或从所述存储装置114读取)的信息。用户通常使用UI(用户界面)116控制计算装置100,所述UI在执行软件应用程序130期间向用户提供输出并从用户接收输入。所述输出是使用显示器118提供,所述显示器118包含信号器(例如指示灯、扬声器、振动器等)和控制器。所述输入是使用音频及/或视频输入(例如,使用话音或图像辨识)及电装置及/或机械装置(例如小键盘、开关、接近检测器、陀螺仪、加速度计、解析器等)而接收。
CPU 112耦合到I/O(输入输出)端口128,所述端口提供接口,所述接口经配置以接收来自联网装置131的输入(或向其提供输出)。联网装置131可以包含能够与计算装置100进行点对点和/或联网通信的任何装置(包含与计算装置100电子配对的“蓝牙”单元)。计算装置100任选地耦合到外围装置和/或计算装置,包含有形(例如,非暂时性)媒体质(例如快闪存储器)和/或有线或无线媒体。这些及其它输入及输出装置由外部装置使用无线或有线连接选择性地替换到计算装置100。
可以例如通过联网装置131存取存储装置114。CPU 112、存储装置114及电力供应器110可耦合到外部电力供应器(未展示)或耦合到本地电源(例如电池、太阳能电池、交流发电机、电感场、燃料电池、电容器等)。
存储装置114(可为存储器,例如处理器上高速缓存器、处理器外高速缓存器、RAM、快闪存储器、数据寄存器、触发器、磁盘存储装置等)存储一或多个软件应用程序130(例如,嵌入式应用程序),所述软件应用程序当由CPU 112执行时将计算装置100转换为适合执行例如检测编码在调制信号中的信息(例如,其中信息和/或数据用于调制生成用于传输到计算装置100的信号的载波频率)等一或多个目标功能的专用机器。
计算系统100包含电动机控制器138,所述电动机控制器138经布置以生成用于驱动(例如控制)电动机152的信号。电动机控制器138包含VBOOST生成器140(或与其以电通信方式耦合)。电动机控制器138和VBOOST生成器140任选地形成在同一衬底142上。例如,VBOOST生成器140经布置以生成具有实质上比用于为电动机控制器138和VBOOST生成器140中的逻辑电路供电的电压供应更高的电压的控制信号(例如,通常高于VCC的电压VX电平,其中VX可以根据用于驱动电动机152的功率MOS金属氧化物半导体-晶体管的最大栅极到源极电压来选择)。
VBOOST生成器140经布置以生成VCP(电荷泵输出电压)信号,所述信号为具有升压高于功率导轨VCC的电压的电源。信号VCP 152通过引脚150耦合到电动机,其中功率从电动机152返回到VBOOST生成器,到相应相位引脚U、V或W,其中相位引脚耦合到高侧开关晶体管的源极,使得电流从高侧开关晶体管流入到相位引脚(参见下文参考图3所描述的相位引脚392)。
如下文中所描述,实例VBOOST生成器140包含用以提升电荷泵中的内部(例如,在衬底142上)回扫电容器的内部电压(例如,在衬底142上)的电荷泵。在衬底142中形成回扫电容器减少了用于将信号(包括功率)耦合到衬底142外部的装置的引脚的引脚数,并且减少了原本所需要或实施的引脚数和外部组件的数目。VBOOST生成器140经布置以减小原本横跨回扫电容器形成的电压,这增加了在衬底上包含回扫电容器(这减少了引脚数)对各种较高电压应用的适用性。尽管本文在控制电动机的上下文中描述了VBOOST生成器140,但VBOOST生成器140适于生成升压电压,所述升压电压用于响应于控制信号具有比例如由具有功率导轨VCC和接地的电路生成用于驱动功率MOS晶体管的栅极的控制信号更高的电压来控制其它装置操作。
在各种系统中,处理器和控制器可能设计为以实质上小于用于控制电动机的电压和电流的电压和电流操作。封装的各种引脚用于将信号(和功率)输送到外部组件用于生成控制信号。使用外部组件是因为在使用集成电路制造技术制造的衬底上形成这些组件的成本高昂。
图2为电动机控制器200的基于片外回扫电容器的电荷泵的示意图。电机控制器200包含封装210,所述封装210包含引脚212、214、216和218。桶形电容器250(其在封装210的外部)的阴极耦合到引脚212,且桶形电容器250的阳极耦合到引脚216。回扫电容器260(其在封装210的外部)的阴极耦合到引脚214,且回扫电容器260的阳极耦合到引脚218。
封装210包含(在内部)开关控制器220(SWITCH CTL)、电荷泵电平移位器和驱动器230、驱动晶体管242、244、246和248,以及用于监测和控制电荷泵输出电压(VCP)的抖动泵输出电压控制器(VCP MON)270。
开关控制器220控制驱动晶体管242、244、246和248的时序。然而,开关控制器220通常使用标准CMOS(互补金属氧化物半导体)技术来实施,其产生不直接适合于驱动驱动晶体管242、244、246和248的输出(例如,其依次经布置以切换通常高于使用标准CMOS技术可以切换的电压的电压)。电荷泵电平移位器和预驱动器230经布置以从开关控制器220接收晶体管驱动控制信号,并为驱动晶体管242、244、246、248的相应驱动晶体管生成相应驱动信号。
例如,电荷泵电平移位器和预驱动器230的开关模块232经布置以生成用于生成用于PMOS(P型金属氧化物半导体)晶体管242的驱动信号的第一脉冲。第一脉冲具有高压电平VCP(其为由电动机控制器200在节点VCP处产生的输出电压,并且耦合来自桶形电容器250的高切换电流)和低压电平VCP-VX(其中VX可为被驱动的晶体管的栅极到源极电压,且通常为5伏以驱动LDMOS)。开关块232经布置以生成用于生成用于LDMOS(横向扩散的金属氧化物半导体)晶体管244的驱动信号的第二脉冲。第二脉冲也具有高压电平VCP及低压电平VCP-VX。开关块234经布置以生成用于生成用于LDMOS晶体管246的驱动信号的第三脉冲。第三脉冲具有高压电平VCP和接地(0伏)的低压电平。开关块236经布置以生成用于生成用于LDMOS晶体管248的驱动信号的第四脉冲。第四脉冲具有高压电平VDD(其为CMOS开关控制器220的“低”电压供应,且通常为5伏)和接地(0伏)的低压电平。
驱动晶体管242、244、246和248经布置为用于生成高于电源电压的输出电压的电荷泵。PMOS驱动晶体管242的源极为VCP节点VCP,其耦合到引脚212和桶形电容器250的阴极。PMOS驱动晶体管242的漏极(和LDMOS驱动晶体管244的漏极)为节点CPP,其耦合到引脚214和回扫电容器260的阴极。LDMOS驱动晶体管244的源极(和LDMOS驱动晶体管246的漏极)为节点VCC(其耦合范围从4.5到19伏的“高”电压供应),其耦合到引脚216和桶形电容器250的阳极。LDMOS驱动晶体管246的源极(和LDMOS驱动晶体管248的漏极)为节点CPN(其耦合外部回扫电容器250的底板电势),其耦合到引脚218和回扫电容器250的阳极。
在操作中,电动机控制器200经布置为将电荷存储在回扫电容器260上,并将所存储电荷转移到桶形电容器。例如,开关控制器220经布置以激活驱动晶体管248和244(在其它驱动晶体管关断的情况下),使得电压VCC供应电荷以存储在回扫电容器260上作为基本上等于VCC的电压。驱动晶体管248和244被关断,且驱动晶体管242和246被激活,使得存储在回扫电容器260上的电荷经由节点CPP(其耦合外部回扫电容器250的顶板电势)和驱动晶体管242转移到桶形电容器250的阴极,从而以实质上等于VCC的电压对电容器充电。由于桶形电容器的阳极耦合到VCC电源,因此相对于接地,桶形电容器250的阴极(节点VCP)处的电压为电压VCC的两倍。抖动泵输出电压控制器(VCP MON)270监测电荷泵输出电压(VCP)并调整第一、第二、第三和第四脉冲的宽度和时序,以将节点VCP处产生的电压保持在控制电平。因此,电荷泵产生大于VCC的电压。
当节点VCP耦合到负载(例如电动机的控制引脚)时,由于桶形电容器250中的存储电荷的损失,节点VCP的电压下降。抖动泵输出电压控制器(VCP MO N)270检测到VCP节点电压的下降并向驱动晶体管发出脉冲,以将更多电荷泵送到回扫电容器260中,然后将其泵送到桶形电容器260中。
当负载电流和电压相对较高时(例如,在使用5伏的VCC时大于8伏),更频繁地向驱动晶体管242、244、246和248发出脉冲,这会导致更多的热损耗,且可能导致温度过高的情况,例如过热和激活热关断安全机制。此外,向驱动晶体管242、244、246和248发出脉冲频率增加,以及在引脚218和214处遇到的高压摆幅,也可能导致电磁辐射的大幅增加,这有可能导致电磁干扰(EMI)。相反地,在较低的电压(和较低的电流)下,较少的电荷可存储在桶形电容器260中,这又导致用于驱动负载的驱动强度降低。
除了用于供应电压VCP的引脚212外,其它三个引脚(引脚214、216和218)还用于耦合来自外部回扫电容器260和桶形电容器250的电流。外部回扫电容器260和桶形电容器250在芯片外集成,因为由于操作条件而在集成电路衬底上形成电容器的相对效率低下(增加的成本和面积),这可能需要对相对高的电压的容限。如上文所描述,额外引脚导致使用更大和更昂贵的封装,这增加了包含电动机控制器200的任何系统的成本。
图3为根据实例实施例的基于片上回扫电容器的VBOOST信号生成器300的示意图。VBOOST信号生成器300包含衬底310、时钟生成器(CLK GEN)320、电平移位器330、调节器332、电荷泵340、回扫电容器360、任选的VCP监测器370、预驱动器380、高侧开关晶体管(HIGH-SIDE FET)390。
时钟生成器320经布置以生成输出泵时钟信号,所述信号在0伏(接地)和VDD(其为CMOS和电平移位器330的“低”电压供应且通常为5伏)之间振荡。任选的电平移位器330经布置以对泵时钟信号进行电平移位(例如,上升)以生成用于驱动电荷泵340的升高电压泵信号。泵时钟信号的电压升高,使得升高电压泵信号在浮动导轨(例如虚拟接地)和VCC(基于特定应用,其为范围从4.5到19伏或甚至更高电压的“高”电压供应)之间振荡。当不包含任选的电平移位器330时,时钟生成器320经布置以直接生成升高电压泵时钟信号,其中升高电压泵时钟信号在VCC和VCC与VX之间的差(例如,VCC-VX)之间振荡。
升高电压泵信号由调节器332生成。调节器332包含非反相端子,所述非反相端子耦合到由组件334和336形成的分压器的中心节点。组件334的第一端子耦合到VCC,且组件334的第二端子耦合到组件336的第一端子(其形成分压器的中心节点),而组件336的第二端子耦合到接地。分压器经布置以根据组件334和336之间的电压降的比率来生成小于电压VCC的参考电压。例如,组件334可为第一电阻器或齐纳二极管,且组件336可为第二电阻器或电压偏置生成器(VBG)以吸收定义的电流。在广泛的温度范围内,节点VX处的电压相对于VCC提供稳定的参考电压。
调节器332的输出(例如,其为浮动导轨)耦合到调节器332的反相输入。将调节器332的输出耦合到调节器332的反相输入形成反馈回路。例如,调节器332的反馈回路有助于确保由调节器332生成的浮动导轨(VCC-VX RAIL,其中VX为常规的LDMOS驱动电压,例如功率MOS技术中的5伏)保持在恒定电压电平(例如,不管浮动导导轨上的负载如何变化)。可以根据为适当地驱动输出LDMOS晶体管的栅极而选择的电压来选择电压VX(例如,使得对于可靠的二极管操作不超过栅极到源极电压)。例如,当最大栅极到源极电压为5伏时,信号VBOOST等于VCC+5V。
浮动导轨输出耦合到电荷泵340的浮动接地输入。因此,建立了第一电压域312和第二电压域314。在时钟生成器320、电平移位器330和调节器(和相关联的分压器)332的接地端子的情况下,建立第一电压域312。在电荷泵340的接地端子为耦合到浮动导轨输入端(例如,其经布置以吸收来自电荷泵340的电流)的虚拟接地(例如,未耦合到实际的接地,例如第一电压域312的接地)的情况下,建立第二电压域314。例如,第一电压域312为VBOOST信号生成器300的第一级,且第二电压域314为VBOOST信号生成器300的第二级。
VBOOST信号生成器300包含电压调节器,其用于从VCC生成VCC-VX导轨,使得VCC-VX导轨可用作电荷泵的接地导轨以使得VCC和电压差VCC-VX(“低裕量”)之间能够进行低压操作。低裕量允许电荷泵设计中的低压较高密度电容,其从而减小电荷泵的回扫电容器在衬底上占据的面积。电荷泵时钟经过电平移位,以在VCC和VCC-VX导轨之间摆幅(例如振荡)。例如,当VX为6伏时,电荷泵可以生成VCC+6伏的升压输出电压(VBOOST)。为了切换高于VCC的电压,LDMOS输出晶体管由高于VCC的电压(例如,VCC+VX,请参见图4和图5)驱动,所述电压容纳较低的栅极到源极电压(其取决于制造过程),并降低了漏极到源极电阻(RDSon)。因此,电荷泵分别使用高输入电压VCC和低输入电压VCC-VX进行操作,所述高和低输入电压交替地耦合到集成式(例如,衬底上)低压回扫电容器的底板。根据预期的应用负载和要供应的最小VCC,电荷泵可以经配置为倍增器(用以生成用于驱动轻负载的VCC+VX)或三倍器(用以生成用于驱动重负载的VCC+VX)。
衬底310包含例如引脚352(VCP)和引脚392(相位)等引脚。桶形电容器350(例如1μF电容器,其任选地在封围衬底310的封装的外部)的阴极耦合到引脚352,且电容器350的阳极耦合到VCC(其为范围从4.5到19伏的“高”电压供应)。与参照图2描述的电动机控制器200相反,回扫电容器(例如,回扫电容器360)在衬底310上形成到VBOOST信号生成器300。在衬底310上形成回扫电容器360减少了包含衬底310的封装的原本将用于耦合回扫电容器的引脚数。回扫电容器360(其在封围衬底310的封装外部)的阴极(例如,第二端子)耦合到引脚314,且回扫电容器360的阳极(例如,第一端子)耦合到引脚318。
下文中至少参考图4描述电荷泵340的操作。在实施例中,电荷泵340为自调节的,此消除了对任选的VCP监测器370的需要。VCP监测器370可以三倍器配置(下文中参考图5进行描述)用于控制电荷泵340。
VCP引脚352耦合到预驱动器380的输入。预驱动器380响应于VCP生成预驱动器控制信号。预驱动器控制信号耦合到高侧开关晶体管390的栅极。高侧开关晶体管390的源极耦合到VCC,而漏极耦合到相位引脚392。预驱动器380经布置以将脉冲宽度调制(PWM)控制信号从低压域电平移位到高(更高)电压域(例如,VCP),所述高(更高)电压域用于驱动(例如,高侧开关晶体管390)LDMOS输出晶体管。高侧开关晶体管390的源极耦合到VCC,而漏极耦合到相位引脚392。例如,相位引脚392用于耦合到三相BLDC(无刷DC)电动机的相位(例如,U、V或W),其中相位引脚耦合到高侧开关晶体管的源极,使得电流从高侧开关晶体管流入到相位引脚中。因此,当对桶形电容器350进行充电时,高侧开关晶体管390运载高切换电流。
图4为根据实例实施例的电荷泵倍增器400的示意图。电荷泵倍增器400包含衬底部分410、第一对输入晶体管420、第一对回扫电容器430和第一对输出晶体管440。
电荷泵倍增器400通常布置为“倍增器”架构,其中输出功率信号VCP(电荷泵输出)达到输出电压VCC+VX(其大于输入电压VCC)。电荷泵倍增器400为用于在开环(例如,不受监测)中操作(例如,在连续输出功率的同时)的电荷泵。电荷泵倍增器400架构不一定在环路中需要用于控制电荷泵输出的监测电路,因为电荷泵输出可经设计为不超过可靠性电压限制(例如,即使在连续提供高于VCC达VX的VBOOST电压时)。
通常,形成在衬底部分410中的半导体器件与耦合到浮动导轨(例如由调节器332供应的浮动导轨)的虚拟接地一起形成在衬底部分410中。因此,与VCC耦合的装置—生成高于VCC的电压(例如VCP)的装置—具有降低的电压裕量VX(如与在此类装置原本耦合到绝对接地时所遇到的电压裕量相比)。例如,降低的电压裕量VX允许区域有效的解决方案,包含形成在衬底内(例如,而不是外部耦合,其原本需要额外引脚)的相对高密度低压回扫电容器(例如,低压回扫电容器430)。降低的电压裕量VX(其为横跨电荷泵400两端的固定电压)和恒定的电荷供应能力(如下文中所描述)减少了原本会生成和辐射的EMI辐射。例如,电路节点处降低的电压摆幅减少了向衬底和电力供应器导轨注入的噪声。
第一对输入晶体管420包含一对交叉耦合的NMOS晶体管422和424。NMOS晶体管422和424中的每一者的漏极耦合到VCC。(第一对输入晶体管420的)第一NMOS(MN0)晶体管422的栅极耦合到形成节点V1的(第一对输入晶体管420的)第二NMOS(MN1)晶体管424的源极。第二NMOS晶体管424的栅极耦合到第一NMOS晶体管422的源极,其形成节点V2。
第一对回扫电容器430包含一对低压、高密度电容器,例如第一电容器(C1)432和第二电容器(C2)434。(第一对回扫电容器430的)第一电容器432的阴极耦合到节点V2,而(第一对回扫电容器430的)第二电容器434的阴极耦合到节点V1。第一电容器432的阳极耦合到反相输入时钟信号VCLK_BAR,而第二电容器434的阳极耦合到输入时钟信号VCLK,其中反相输入时钟信号VCLK_BAR为输入时钟信号VCLK的反相且具有50%的占空比。
第一对输出晶体管440包含一对交叉耦合的PMOS晶体管442和444。第一输出PMOS晶体管(MP6)442的源极耦合到节点V1,而第二输出PMOS晶体管(MP7)444的源极耦合到节点V2。(第一对输出晶体管424的)第一PMOS晶体管442的栅极耦合到节点V2和(第一对输出晶体管440的)第二PMOS晶体管444的源极。第二PMOS晶体管444的栅极耦合到节点V1和第一输出PMOS晶体管424的源极。
如下文中所描述,第一PMOS晶体管442和第二PMOS晶体管444的漏极相互耦合,使得响应于经由第一输出PMOS晶体管442切换的电荷的第一半周期和经由第二输出PMOS晶体管444切换的电荷的第二半周期(例如,与第一半周期异相180度)形成VCP输出功率信号。因此,经由VCP输出功率信号耦合“恒定”(例如,始终接通)的电荷源。VCP输出功率信号通常由外部桶形电容器(例如桶形电容器350)集成,此减小输出电压摆幅并存储电荷。
输入时钟信号中的每一者经布置以在(较高)电压电平VCC和(较低)电压电平VCC-VX之间振荡。因此,反相的输入时钟信号VCLK_BAR被单独地AC耦合(例如,使用没有直流电流的交流电耦合)到第一NMOS晶体管422的源极,而输入时钟信号VCLK被单独地AC耦合到第二NMOS晶体管424的源极。
响应于输入时钟信号的第一跃迁,反相输入时钟信号VCLK_BAR的上升导致第一电容器432的阴极(节点V2)的电压的上升,而输入时钟信号VCLK中的伴随下降导致第二电容器434的阴极(节点V1)的电压的下降。第一电容器432的阴极(节点V2)的电压的上升断言激活第二NMOS晶体管424的栅极的有源高控制信号。第二NMOS晶体管424的栅极的激活和第二电容器434的阴极(节点V1)的电压下降导致电荷从VCC转移到节点V1。例如,节点V1的电压的下降断言激活第二PMOS晶体管444的栅极的有源低控制信号,使得由节点V2的电压的上升所激励的电荷在第二PMOS晶体管444有源时(例如,在第一半周期期间)通过第二PMOS晶体管444耦合到功率输出信号VCP。
响应于输入时钟信号中的第二跃迁(方向与第一跃迁的方向相反),输入时钟信号VCLK的上升导致第二电容器434的阴极(节点V1)的电压的上升,而输入时钟信号VCLK_BAR中的伴随下降导致第一电容器432的阴极(节点V2)的电压的下降。第一电容器434的阴极(节点V1)的电压的上升断言激活第二NMOS晶体管422的栅极的有源高控制信号。第一NMOS晶体管422的栅极的激活和第一电容器432的阴极(节点V2)的电压的下降导致电荷从VCC转移到节点V2。例如,节点V2的电压的下降断言激活第一PMOS晶体管442的栅极的有源低控制信号,使得由节点V1的电压的上升所激励的电荷在第一PMOS晶体管442有源时(例如,在第二半周期期间有源,其中第一半周期和第二半周期完成时钟输入信号的完整周期)通过第一PMOS晶体管442耦合到功率输出信号VCP。
因此,在时钟的第一半周期期间通过将电压VX耦合到第一电容器的顶板且将电压VCC-VX耦合到第一电容器的底板来对第一电容器进行充电。在时钟的后半周期期间,底板电压与电压VCC-VX解耦并耦合到VCC,以将第一电容器的顶板电压升高(例如,通过电荷泵作用)到电压VCC+VX。
以类似的方式,通过将电压VX耦合到第二电容器的顶板且通过将电压VCC-VX耦合到第二电容器的底板在时钟的第二半周期期间对第二电容器进行充电。在时钟的(例如,随后)第一半周期期间,底板电压与电压VCC-VX解耦并耦合到VCC,以将第二电容器的顶板电压升高(例如,通过电荷泵作用)到电压VCC+VX。由第一电容器生成的电压VCC+VX经选择性地耦合以在第二半周期期间对外部桶形电容器进行充电,而由第二电容器生成的电压VCC+VX经选择性地耦合以在第一半周期期间对外部桶形电容器进行充电。
图5为根据实例实施例的电荷泵三倍器500的示意图。在实施例中,电荷泵三倍器500经布置以生成升压电压(例如,在低于5伏的VCC电力供应器处)用于存在或可能预期重载的应用。第二级耦合到例如VCP监测器370的监测电路,其中电压监测器监测输出电压VCP以检测输出电压VCP何时超过VCC+VX的电压并停止电荷泵时钟(或将时钟信号门控到固定状态)。例如,输出电压VCP可以耦合到外部桶形电容器,所述桶形电容器产生集成输出电压VCP,所述集成输出电压又由电压监测器调节。
因此,第二级为用于将输出电压VCP调节到在电压VCC+VX周围“抖动”(例如,调节)的电压的闭环系统。经添加两个到第二级电荷泵504的第一级电荷泵502的组合输出增加了所存储电荷量或对电荷泵三倍器500的驱动能力(例如,可供应的电流量)有所贡献。
电荷泵倍增器500包含第一级电荷泵502,其具有耦合到第二级电荷泵504(其可以包含在第一级电荷泵502所形成在的同一衬底上)的输出。第一级电荷泵502类似于电荷泵倍增器400,除了第一对输出晶体管550的输出不相互耦合。替代地(例如),电荷分别从每一输出晶体管(例如442和444)泵送到电容器C3和C4的阳极(例如,532和534),这增加可以泵送到(例如外部)桶形电容器的电荷量。在第一半周期期间,当VLCK跃迁到VCC时(例如,当V1超过VCC使得电压晶体管442的栅极到源极电压超过电压阈值时),电荷通过晶体管442泵出,而在第二半周期期间当VLCK_BAR跃迁到VCC时(例如,当V2超过VCC使得电压晶体管442的栅极到源极电压超过电压阈值时),电荷通过晶体管444泵出。
第二对输入晶体管520包含交叉耦合的NMOS晶体管对522和524(如与第一对输入NMOS晶体管420相比)。NMOS晶体管522和524中的每一者的漏极耦合到VCC。第一NMOS(MN6)晶体管522的栅极耦合到第二NMOS(MN7)晶体管524的源极,其形成节点V4。第二NMOS晶体管524的栅极耦合到第一NMOS晶体管522的源极,其形成节点V3。
第二对回扫电容器530包含一对低压、高密度电容器,例如第一电容器(C1)532和第二电容器(C2)534。(第二对回扫电容器530中的)第一电容器532的阴极耦合到节点V3,而第二电容器534的阴极耦合到节点V4。
第一电容器532的阳极耦合到节点V1_SW,所述节点为(第一级502的)第一输出晶体管442的漏极并到达第一时钟缓冲晶体管(MN4)590的漏极。第一时钟缓冲晶体管590经布置以响应于输入时钟信号VCLK_BAR的的有源电平而将节点(节点V1_SW)选择性地耦合到电压(例如功率导轨)VCC-VX。
第二电容器534的阳极耦合到节点V2_SW,所述节点为(第一级502的)第二输出晶体管444的漏极,且耦合到第二时钟缓冲晶体管(MN6)592的漏极,所述第二时钟缓冲晶体管(MN6)592经布置以响应于输入时钟信号VCLK的有源电平将节点V4选择性地耦合到信号CRUMP_LDO_OUT。
例如,在第一半周期期间,VCLK BAR为低电平,且电流通过晶体管442泵送到节点V1_SW(由于根据VCLK将电容器434的阳极切换为高)。节点V1_SW的电压的上升使电容器532的阳极处的电压升高(同时根据VCLK_BAR关断第一时钟缓冲晶体管590)。阳极的电压的上升被转移到阴极以升高节点V3的电压。节点V3的电压的上升将输出晶体管542关断(同时节点V4的电压的伴随下降将晶体管544导通)。节点V3的电压的上升还激活晶体管524以对电容器534的阴极充电(同时电容器534的阳极经由晶体管592耦合到VCC-VX)。
在第二半周期期间,VCLK为低,且电流通过晶体管444被泵送到节点V2_SW(由于根据VCLK_BAR将电容器432的阳极切换为高)。节点V2SW的电压的上升使电容器534的阳极处的电压升高(同时根据VCLK关断第二时钟缓冲晶体管592)。阳极的电压的上升被转移到阴极以升高节点V4的电压。节点V4的电压的上升将输出晶体管544关断(同时节点V3的电压的伴随下降将晶体管542导通)。节点V4的电压的上升还激活晶体管522以对电容器532的阴极充电(同时电容器532的阳极经由晶体管592耦合到VCC-VX)。
因此,第一级502在第一半周期和第二半周期期间均生成高于VCC的第一级输出电压,且第二级504在第一半周期和第二半周期期间生成高于第一级输出电压的第二级输出电压,使得第二级输出电压(VCP)的电压和驱动能力两者都得到提高。第二级VCP任选地包含电压监测器(例如VCP监测器270)以调节VCP输出。
在权利要求书的范围内,修改在所描述实施例中是可能的,且其它实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种电路,其包括:
衬底,其包含第一功率导轨;
电压调节器,其经布置在所述衬底上,其中所述电压调节器经布置以响应于参考电压VX和所述第一功率导轨而生成第二功率导轨;
第一回扫电容器,其经布置在所述衬底上;及
第一电荷泵,其经布置在所述衬底上,其中所述第一电荷泵耦合到所述第一功率导轨并耦合到所述第二功率导轨,其中所述第一电荷泵用于在第一时钟信号的第一半周期期间将第二功率导轨电压耦合到所述第一回扫电容器的第一端子且用于在所述第一时钟信号的第二半周期期间将第一功率导轨电压耦合到所述第一回扫电容器的所述第一端子,其中在所述第一时钟信号的所述第二半周期期间在所述第一回扫电容器的第二端子上产生大于所述第一功率导轨电压的第一升压电压,且其中所述第一升压电压用于耦合到桶形电容器。
2.根据权利要求1所述的电路,其中所述电压调节器经布置以生成所述参考电压VX,其中所述参考电压VX为小于所述第一功率导轨电压的电压且是大于接地的电压,其中所述第一功率导轨电压为共用载波电压(VCC),且其中所述第二功率导轨为根据所述第一功率导轨电压(VCC)和所述参考电压VX的差的电压(VCC-VX)。
3.根据权利要求1所述的电路,其包括经布置在所述衬底上的第二回扫电容器,其中所述第一电荷泵经布置以在所述第一时钟信号的所述第二半周期期间将所述第二功率导轨电压耦合到所述第二回扫电容器的第一端子且在所述第一时钟信号的所述第一半周期期间将所述第一功率导轨电压耦合到所述第二回扫电容器的所述第一端子,其中在所述第一时钟信号的所述第一半周期期间在所述第二回扫电容器的第二端子上形成大于所述第一功率导轨电压的第二升压电压,且其中所述第二升压电压用于耦合到所述桶形电容器。
4.根据权利要求3所述的电路,其包括经布置在所述衬底上的时钟生成器,其中所述时钟生成器经布置以生成与所述第一时钟信号相反的第二时钟信号,其中所述第一时钟信号和所述第二时钟信号在所述第一功率导轨电压和所述第二功率导轨电压之间振荡。
5.根据权利要求4所述的电路,其中所述第一时钟信号耦合到所述第一回扫电容器的第一端子,且所述第二时钟信号耦合到所述第二回扫电容器的第一端子。
6.根据权利要求5所述的电路,其中所述第一回扫电容器的第二端子耦合到第一输入晶体管的源极、第二输入晶体管的栅极、第一输出晶体管的栅极以及第二输出晶体管的源极,且其中所述第二回扫电容器的第二端子耦合到所述第一输入晶体管的栅极、所述第二输入晶体管的源极、所述第一输出晶体管的源极和所述第二输出晶体管的栅极。
7.根据权利要求6所述的电路,其中所述第一输出晶体管和所述第二输出晶体管的漏极耦合在一起,且用于将所述第一升压电压和所述第二升压电压耦合到引脚,所述引脚用于耦合到在所述衬底外部的所述桶形电容器。
8.根据权利要求7所述的电路,其中所述第一升压电压和所述第二升压电压为开环调节的。
9.根据权利要求6所述的电路,其包括经布置在所述衬底上的第二电荷泵,其中所述第二电荷泵包含布置在所述衬底上的第三回扫电容器和第四回扫电容器,其中所述第一升压电压耦合到所述第四回扫电容器的第一端子,且其中所述第二升压电压耦合到所述第三回扫电容器的第一端子。
10.根据权利要求9所述的电路,其包括第一时钟缓冲晶体管,其用于在所述第一时钟信号的所述第二半周期期间将所述第三回扫电容器的所述第一端子选择性地耦合到所述第二功率导轨,且包括第二时钟缓冲晶体管,其用于在所述第二时钟信号的所述第一半周期期间将所述第四回扫电容器的所述第一端子选择性地耦合到所述第二功率导轨。
11.根据权利要求10所述的电路,其中在所述第一时钟信号的所述第一半周期期间在所述第三回扫电容器的第二端子上产生大于所述第二升压电压的第三升压电压,且其中在所述第二时钟信号的所述第二半周期期间在所述第四回扫电容器的第二端子上产生第四升压电压。
12.根据权利要求11所述的电路,其中所述第三回扫电容器的第二端子耦合到第三输入晶体管的源极、第四输入晶体管的栅极、第三输出晶体管的栅极以及第四输出晶体管的源极,且其中所述第四回扫电容器的第二端子耦合到所述第三输入晶体管的栅极、所述第四输入晶体管的源极、所述第三输出晶体管的源极和所述第四输出晶体管的栅极。
13.根据权利要求12所述的电路,其中所述第三输出晶体管和所述第四输出晶体管的漏极耦合在一起,且用于将所述第三升压电压和所述第四升压电压耦合到引脚,所述引脚用于耦合到在所述衬底外部的所述桶形电容器。
14.根据权利要求13所述的电路,其包括电压监测器,其用于调节在所述引脚处产生的电压。
15.一种用于VBOOST信号生成的系统,其包括:
封装,其包含耦合到第一功率导轨的第一引脚;
衬底,其安装在所述封装中且经布置以从所述第一功率导轨接收功率;
电压调节器,其经布置在所述衬底上,其中所述电压调节器经布置以响应于参考电压VX和所述第一功率导轨而生成第二功率导轨;
第一回扫电容器,其经布置在所述衬底上;及
第一电荷泵,其经布置在所述衬底上,其中所述第一电荷泵耦合到所述第一功率导轨并耦合到所述第二功率导轨,其中所述第一电荷泵用于在时钟信号的第一半周期期间将第二功率导轨电压耦合到所述第一回扫电容器的第一端子且用于在所述时钟信号的第二半周期期间将第一功率导轨电压耦合到所述第一回扫电容器的所述第一端子,其中在所述时钟信号的所述第二半周期期间在第一回扫电容器的第二端子上产生大于所述第一功率导轨电压的第一升压电压,且其中所述第一升压电压用于耦合到桶形电容器。
16.根据权利要求15所述的系统,其包括经布置在所述衬底上的第二电荷泵,其中所述第二电荷泵包含经布置在所述衬底上的第二回扫电容器,其中所述第一升压电压耦合到所述第二回扫电容器的第一端子,且其中时钟缓冲晶体管在所述时钟信号的所述第一半周期期间将所述第二回扫电容器的所述第一端子选择性地耦合到所述第二功率导轨。
17.根据权利要求16所述的系统,其中在所述时钟信号的所述第二半周期期间在所述第二回扫电容器的第二端子上产生第二升压电压,其中所述第二升压电压耦合到用于耦合到在所述衬底外部的桶形电容器的第二引脚,且其中在所述第二引脚处产生的电压是闭环调节的。
18.一种用于VBOOST信号生成的方法,其包括:
从第一功率导轨接收功率;
响应于参考电压VX和所述第一功率导轨而生成第二功率导轨;
将第一电荷泵耦合到所述第一功率导轨和所述第二功率导轨;
在时钟信号的第一半周期期间将第二功率导轨电压耦合到所述第一电荷泵的第一回扫电容器的第一端子;及
在所述时钟信号的第二半周期期间将第一功率导轨电压耦合到所述第一回扫电容器的所述第一端子,其中在所述时钟信号的所述第二半周期期间在所述第一回扫电容器的第二端子上产生大于所述第一功率导轨电压的第一升压电压。
19.根据权利要求18所述的方法,其包括:
将所述第一升压电压耦合到第二电荷泵的第二回扫电容器的第一端子;及
在所述时钟信号的所述第一半周期期间,将所述第二回扫电容器的所述第一端子选择性地耦合到所述第二功率导轨。
20.根据权利要求19所述的方法,其包括:
在所述时钟信号的所述第二半周期期间,在所述第二回扫电容器的第二端子上产生第二升压电压;
将所述第二升压电压耦合到第二引脚,以耦合到在衬底外部的桶形电容器;及
闭环调节在所述第二引脚处产生的电压。
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