本發(fā)明涉及一種電源輸出電路及其控制方法，尤其涉及一種可調(diào)整電源輸出電路中充電泵的運(yùn)作頻率的控制方法。

背景技術(shù)：

充電泵(Charge Pump)是一種常見的電源供應(yīng)電路，其可產(chǎn)生并輸出高于其輸入電壓的電壓值。充電泵的電壓輸出可以是任意倍率，例如可將輸入電壓乘以2或乘以3以后再加以輸出。若將充電泵通過反饋電路與穩(wěn)壓器連接，可通過穩(wěn)壓器中參考電壓的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)任意且穩(wěn)定的電壓輸出。

為了提供較高的電壓輸出，充電泵往往具有電容，用來存儲(chǔ)電量，并通過時(shí)鐘信號(hào)的切換來產(chǎn)生較高的電壓。傳統(tǒng)上，充電泵使用外掛式電容(即位于芯片外部的電容)來存儲(chǔ)電荷，其具有較大的電容值，能存儲(chǔ)的電量較多，因此，使用頻率較低的時(shí)鐘即足以提供穩(wěn)定的輸出電壓。近年來，為了降低成本及縮小電路面積，外掛式電容逐漸被內(nèi)嵌式電容(即位于芯片內(nèi)部的電容)所取代。然而，內(nèi)嵌式電容的電容值較小，因此充電泵的時(shí)鐘信號(hào)需要較快的頻率來維持輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。此外，內(nèi)嵌式電容往往具有較大的寄生電容，過快的頻率使得過多功率消耗在寄生電容上，特別是當(dāng)負(fù)載為輕載時(shí)，過快的頻率會(huì)造成極低的工作效率。在此情形下，時(shí)鐘信號(hào)的頻率太快會(huì)造成寄生電容消耗過大功率，頻率太慢會(huì)造成輸出端的驅(qū)動(dòng)能力不足而無法針對(duì)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)反應(yīng)。

現(xiàn)有技術(shù)提供了一種切換時(shí)鐘信號(hào)頻率的方法，其中，時(shí)鐘信號(hào)可設(shè)定為較快的一第一頻率或較慢的一第二頻率。系統(tǒng)可偵測(cè)充電泵的輸出電壓，并在輸出電壓高于一臨界值時(shí)采用第二頻率，在輸出電壓低于所述臨界值時(shí)采用第一頻率。然而，上述方法的運(yùn)作頻率在數(shù)個(gè)固定的頻率之間進(jìn)行切換，這些固定的頻率無法適用于任何負(fù)載狀況，舉例來說，當(dāng)一負(fù)載大小適用的運(yùn)作頻率位于第一頻率及第二頻率之間時(shí)，代表第一頻率過快而第二頻率過慢，此時(shí)，輸出電壓會(huì)在臨界值上下振蕩，且運(yùn)作頻率會(huì)在第一頻率和第二頻率之間持續(xù)切換，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。再者，系統(tǒng)需在輸出電壓產(chǎn)生變化以后才會(huì)改變頻率，因此輸出電壓必然存在一定的振蕩幅度，當(dāng)負(fù)載變化大時(shí)難以維持穩(wěn)定的輸出電壓。在此情形下，現(xiàn)有技術(shù)僅適用于以電容性負(fù)載為主的電路系統(tǒng)，而無法適用于具有較大電阻性負(fù)載的電路系統(tǒng)，因電阻性負(fù)載的變化幅度大，易造成輸出電壓不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

鑒于此，實(shí)有必要提出另一種調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)頻率的方法，以控制充電泵運(yùn)作在最適合的頻率之下，同時(shí)避免上述缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的主要目的即在于提供一種可調(diào)整電源輸出電路中充電泵(Charge Pump)的運(yùn)作頻率的控制方法，其中，充電泵的運(yùn)作頻率可任意調(diào)整，以根據(jù)負(fù)載大小運(yùn)作在最適合的頻率之下。

本發(fā)明公開一種電源輸出電路，包括一充電泵、一電壓調(diào)節(jié)單元(Voltage Regulator)、一時(shí)鐘產(chǎn)生器及一電壓偵測(cè)單元。所述充電泵可用來接收具有一運(yùn)作頻率的一時(shí)鐘信號(hào)，并輸出一輸出電壓。所述電壓調(diào)節(jié)單元耦接于所述充電泵，可用來輸出一控制電壓到所述充電泵，以控制所述輸出電壓。所述時(shí)鐘產(chǎn)生器耦接于所述充電泵，可用來輸出所述時(shí)鐘信號(hào)到所述充電泵。所述電壓偵測(cè)單元耦接于所述時(shí)鐘產(chǎn)生器及所述電壓調(diào)節(jié)單元，可用來偵測(cè)所述控制電壓，并根據(jù)所述控制電壓的大小，控制所述時(shí)鐘產(chǎn)生器調(diào)整所述時(shí)鐘信號(hào)的運(yùn)作頻率。

本發(fā)明還公開一種控制方法，用來調(diào)整一充電泵的一運(yùn)作頻率，所述控制方法包括輸出一控制電壓到所述充電泵，以控制所述充電泵所輸出的一輸出電壓；輸出一時(shí)鐘信號(hào)到所述充電泵，所述時(shí)鐘信號(hào)具有所述運(yùn)作頻率；以及偵測(cè)所述控制電壓，并根據(jù)所述控制電壓的大小，調(diào)整所述時(shí)鐘信號(hào)的運(yùn)作頻率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一電源輸出電路的示意圖。

圖2為圖1的電源輸出電路的一種實(shí)施方式的示意圖。

圖3為圖1的充電泵的一種實(shí)施方式的示意圖。

圖4A及圖4B為本發(fā)明實(shí)施例偵測(cè)控制電壓以控制時(shí)鐘信號(hào)切換相位的波形示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一流程的流程圖。

其中，附圖標(biāo)記說明如下：

10 電源輸出電路

100 充電泵

102 電壓調(diào)節(jié)單元

104 時(shí)鐘產(chǎn)生器

106 電壓偵測(cè)單元

CLK 時(shí)鐘信號(hào)

V_ctrl 控制電壓

V_out 輸出電壓

VDD 輸入電壓

210 負(fù)載

202 反饋電路

204 放大器電路

V_fb 反饋信號(hào)

C1、C2 電容

SW1～SW8 開關(guān)

GND 地端

CLK1 正相時(shí)鐘信號(hào)

CLK2 反相時(shí)鐘信號(hào)

V_det 預(yù)設(shè)電壓

50 流程

500～508 步驟

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例一電源輸出電路10的示意圖。如圖1所示，電源輸出電路10包括一充電泵(Charge Pump)100、一電壓調(diào)節(jié)單元(Voltage Regulator)102、一時(shí)鐘產(chǎn)生器104及一電壓偵測(cè)單元106。充電泵100可用來接收具有一運(yùn)作頻率的一時(shí)鐘信號(hào)CLK，并輸出一輸出電壓V_out。詳細(xì)來說，充電泵100可包括多個(gè)電容，這些電容可通過時(shí)鐘信號(hào)CLK的控制，在不同相位之間切換，進(jìn)而在不同相位分別將不同電容的電荷提供給輸出端的負(fù)載。電壓調(diào)節(jié)單元102耦接于充電泵100，可輸出一控制電壓V_ctrl到充電泵100，以控制輸出電壓V_out。詳細(xì)來說，當(dāng)電源輸出電路10啟動(dòng)時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定(如電壓調(diào)節(jié)單元102內(nèi)部電阻值的設(shè)定)，控制輸出電壓V_out上升到一預(yù)定電壓值，隨后維持在所述預(yù)定電壓值。電壓調(diào)節(jié)單元102具有一反饋電路結(jié)構(gòu)，可從電源輸出電路10的輸出端接收輸出電壓V_out，并據(jù)此調(diào)整控制電壓V_ctrl的大小，使得輸出電壓V_out維持在預(yù)定電壓值。時(shí)鐘產(chǎn)生器104耦接于充電泵100，可用來輸出時(shí)鐘信號(hào)CLK到充電泵100。時(shí)鐘信號(hào)CLK泛指正相及/或反相時(shí)鐘，用來控制充電泵100中每一開關(guān)的運(yùn)作。電壓偵測(cè)單元106耦接于時(shí)鐘產(chǎn)生器104及電壓調(diào)節(jié)單元102，可用來偵測(cè)控制電壓V_ctrl，并根據(jù)控制電壓V_ctrl的大小，控制時(shí)鐘產(chǎn)生器104調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)CLK的運(yùn)作頻率。更明確來說，時(shí)鐘產(chǎn)生器104可根據(jù)控制電壓V_ctrl的大小來決定時(shí)鐘信號(hào)CLK相位切換的時(shí)間點(diǎn)。

請(qǐng)參考圖2，圖2為電源輸出電路10的一種實(shí)施方式的示意圖。在圖2中，充電泵100與電壓調(diào)節(jié)單元102均接收一輸入電壓VDD。此外，一負(fù)載210并未包含在電源輸出電路10內(nèi)，但繪示在圖2中以方便說明。如圖2所示，電壓調(diào)節(jié)單元102包括一反饋電路202及一放大器電路204。反饋電路202可從充電泵100接收輸出電壓V_out，并據(jù)此產(chǎn)生一反饋信號(hào)V_fb，放大器電路204再根據(jù)反饋信號(hào)V_fb，調(diào)整控制電壓V_ctrl的大小，以控制輸出電壓V_out維持在預(yù)定電壓值。詳細(xì)來說，反饋電路202可由一可變電阻或多個(gè)分壓電阻所構(gòu)成，以對(duì)輸出電壓V_out進(jìn)行分壓以后產(chǎn)生反饋信號(hào)V_fb。接著，放大器電路204的一輸入端從反饋電路202接收反饋信號(hào)V_fb，另一輸入端則接收一參考電壓V_ref，由于放大器電路204為負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)，兩輸入端之間為虛短路(virtual short)，使得反饋信號(hào)V_fb的大小等于參考電壓V_ref的大小，放大器電路204并輸出控制電壓V_ctrl到充電泵100。通過上述反饋機(jī)制，電壓調(diào)節(jié)單元102可控制充電泵100的輸出電壓V_out維持在定值。

請(qǐng)參考圖3，圖3為充電泵100的一種實(shí)施方式的示意圖。如圖3所示，充電泵100包括電容C1、C2及開關(guān)SW1～SW8。電容C1及C2的一端分別通過開關(guān)SW2及SW8耦接于電壓調(diào)節(jié)單元102以接收控制信號(hào)V_ctrl，或通過開關(guān)SW1及SW7耦接于一地端GND；電容C1及C2的另一端則分別通過開關(guān)SW3及SW5耦接于一電源輸入端以接收輸入電壓VDD，或通過開關(guān)SW4及SW6耦接于電源輸出電路10的一電源輸出端以產(chǎn)生輸出電壓V_out。通過正相時(shí)鐘信號(hào)CLK1及反相時(shí)鐘信號(hào)CLK2的控制，開關(guān)SW1～SW8可切換電容C1及C2的耦接方式，電容C1及C2可分別在不同相位中抬升輸入電壓VDD以產(chǎn)生輸出電壓V_out。需注意的是，上述每一開關(guān)SW1～SW8都包括一或多個(gè)晶體管，或者，開關(guān)SW1～SW8也可通過其它方式來實(shí)現(xiàn)。此外，為方便說明，圖3所示的電路僅為最簡(jiǎn)易的充電泵結(jié)構(gòu)，然而，為實(shí)現(xiàn)不同電壓需求或不同放大倍率，充電泵100也可采用其它電路結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，只要是通過時(shí)鐘信號(hào)切換來控制多個(gè)電容交替產(chǎn)生輸出電壓，并通過電壓調(diào)節(jié)單元來控制輸出電壓維持在預(yù)定電壓值的電路結(jié)構(gòu)，都可采用本發(fā)明的控制方法來調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的運(yùn)作頻率。

詳細(xì)來說，在一第一相位中，正相時(shí)鐘信號(hào)CLK1開啟開關(guān)SW1、SW3、SW6及SW8，反相時(shí)鐘信號(hào)CLK2關(guān)閉開關(guān)SW2、SW4、SW5及SW7，使得電容C1耦接于電源輸入端與地端GND之間，電容C2耦接于電源輸出端與電壓調(diào)節(jié)單元102之間。此時(shí)，電容C1可由輸入電壓VDD進(jìn)行充電，以存儲(chǔ)來自于輸入電壓VDD的電量，電容C2則對(duì)電源輸出端進(jìn)行供電。接著，在一第二相位中，正相時(shí)鐘信號(hào)CLK1關(guān)閉開關(guān)SW1、SW3、SW6及SW8，反相時(shí)鐘信號(hào)CLK2開啟開關(guān)SW2、SW4、SW5及SW7，使得電容C1耦接于電源輸出端與電壓調(diào)節(jié)單元102之間，電容C2耦接于電源輸入端與地端GND之間。在此情形下，先前已充飽電荷的電容C1開始對(duì)電源輸出端供電，即，電容C1可將所存儲(chǔ)的電量輸出而產(chǎn)生輸出電壓V_out。

進(jìn)一步參考圖3搭配圖2所示。在第二相位中，負(fù)載210可對(duì)電容C1抽取電流，使得電容C1存儲(chǔ)的電量下降，此時(shí)，為使輸出電壓V_out維持在一定值，電容C1另一端的電壓(即電壓調(diào)節(jié)單元102所輸出的控制電壓V_ctrl)會(huì)逐漸上升。然而，控制電壓V_ctrl無法無限制地上升，在此例中，由于電壓調(diào)節(jié)單元102是由輸入電壓VDD進(jìn)行供電，控制電壓V_ctrl的數(shù)值無法超過輸入電壓VDD，因此，當(dāng)控制電壓V_ctrl上升到等于輸入電壓VDD以后，若負(fù)載210仍持續(xù)抽取電流，輸出電壓V_out會(huì)開始下降。為避免上述情況發(fā)生，本發(fā)明通過電壓偵測(cè)單元106來偵測(cè)控制電壓V_ctrl的大小，并在偵測(cè)到控制電壓V_ctrl上升到接近輸入電壓VDD時(shí)，控制時(shí)鐘產(chǎn)生器104切換時(shí)鐘信號(hào)CLK1及CLK2，以進(jìn)入第一相位。此時(shí)，在第二相位中已充飽電荷的電容C2即可開始對(duì)電源輸出端供電，即，負(fù)載210停止對(duì)電容C1抽取電流而改為對(duì)電容C2抽取電流。由上述可知，通過時(shí)鐘信號(hào)CLK1及CLK2的連續(xù)切換，電容C1及C2可交替對(duì)電源輸出端供電。

在一實(shí)施例中，假設(shè)輸入電壓VDD為6V且電源輸出電路10欲輸出的輸出電壓V_out為10V，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK切換相位以后，控制電壓V_ctrl會(huì)等于4V并通過反饋電路202將輸出電壓V_out推升到10V。接著，負(fù)載210開始抽取電流使得電容存儲(chǔ)的電量下降，此時(shí)控制電壓V_ctrl會(huì)從4V開始上升。當(dāng)控制電壓V_ctrl接近輸入電壓VDD(6V)時(shí)，電壓偵測(cè)單元106可控制時(shí)鐘產(chǎn)生器104切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位，此時(shí)，控制電壓V_ctrl會(huì)回到4V并改由另一電容對(duì)電源輸出端進(jìn)行供電。在此情形下，可設(shè)定略低于輸入電壓VDD的一預(yù)設(shè)電壓(如5.8V)，使得電壓偵測(cè)單元106可在偵測(cè)到控制電壓V_ctrl到達(dá)預(yù)設(shè)電壓時(shí)，控制時(shí)鐘產(chǎn)生器104切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位。

值得注意的是，預(yù)設(shè)電壓往往被設(shè)定為略低于輸入電壓VDD的電壓值，而不會(huì)剛好等于輸入電壓VDD，其目的在于提供電源輸出電路10內(nèi)部信號(hào)傳送的反應(yīng)時(shí)間。上述反應(yīng)時(shí)間應(yīng)足以使電壓偵測(cè)單元106傳送信號(hào)到時(shí)鐘產(chǎn)生器104以切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位。換句話說，電壓偵測(cè)單元106可判斷輸入電壓VDD與控制電壓V_ctrl的差值，當(dāng)輸入電壓VDD與控制電壓V_ctrl的差值小于一臨界值(如0.2V)時(shí)，即可控制時(shí)鐘產(chǎn)生器104切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位。另外需注意的是，上述預(yù)設(shè)電壓或臨界值的大小可根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境來進(jìn)行設(shè)定，而不限于此。舉例來說，在負(fù)載可能發(fā)生劇烈變化的系統(tǒng)中，為維持穩(wěn)定的輸出電壓V_out，可將預(yù)設(shè)電壓設(shè)定得較低(如5.5V)(即臨界值為0.5V)，以在負(fù)載瞬間加大時(shí)，及早切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位以避免輸出電壓V_out下降。

通過上述方式，本發(fā)明可通過控制電壓V_ctrl的偵測(cè)來控制時(shí)鐘信號(hào)CLK切換相位。在此情形下，時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率完全取決于負(fù)載210抽取電流的速度(即取決于負(fù)載大小)。即使電源輸出端的負(fù)載210為電阻性負(fù)載，時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率也會(huì)隨著負(fù)載的變化實(shí)時(shí)調(diào)整到最適合的頻率，而不限于特定頻率值之間的切換，可達(dá)到較佳的穩(wěn)定性，同時(shí)避免頻率過快造成過多功率消耗在寄生電容上。在此情況下，本發(fā)明的電源輸出電路可應(yīng)用于具有大幅度負(fù)載變化的電阻性負(fù)載系統(tǒng)。除此之外，本發(fā)明可在控制電壓V_ctrl接近輸入電壓VDD但尚未到達(dá)輸入電壓VDD時(shí)切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位，代表在輸出電壓V_out尚未下降時(shí)即可切換相位。相較于現(xiàn)有技術(shù)需在偵測(cè)到輸出電壓發(fā)生變化以后才進(jìn)行頻率切換，本發(fā)明通過控制電壓的偵測(cè)，可在輸出電壓未發(fā)生變化的情況下切換相位。如此一來，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出電壓。

請(qǐng)參考圖4A及圖4B，圖4A及圖4B為本發(fā)明實(shí)施例偵測(cè)控制電壓V_ctrl以控制時(shí)鐘信號(hào)CLK切換相位的波形示意圖。圖4A及圖4B分別繪出輕載及重載的情況。如圖4A所示，在輕載之下，負(fù)載210對(duì)電容抽取電流的速度較慢，使得控制電壓V_ctrl上升的速度較慢，當(dāng)電壓偵測(cè)單元106偵測(cè)到控制電壓V_ctrl到達(dá)預(yù)設(shè)電壓V_det時(shí)，時(shí)鐘產(chǎn)生器104即可切換時(shí)鐘信號(hào)CLK的相位。此時(shí)，由于負(fù)載210較小，時(shí)鐘信號(hào)CLK相位切換的速度較慢，代表充電泵100運(yùn)作在較慢的頻率之下。另一方面，如圖4B所示，在重載之下，負(fù)載210對(duì)電容抽取電流的速度加快，使得控制電壓V_ctrl上升的速度加快而更快到達(dá)預(yù)設(shè)電壓V_det，在此情形下，時(shí)鐘產(chǎn)生器104切換時(shí)鐘信號(hào)CLK相位的速度也會(huì)加快。此時(shí)，由于負(fù)載210較大，時(shí)鐘信號(hào)CLK相位切換的速度較快，代表充電泵100運(yùn)作在較快的頻率之下。如此一來，根據(jù)不同負(fù)載大小，充電泵100可在最適合的頻率之下運(yùn)作，可避免運(yùn)作頻率太快造成過多電荷消耗在寄生電容上，也可避免運(yùn)作頻率太慢造成輸出電壓V_out無法對(duì)負(fù)載210的變化實(shí)時(shí)反應(yīng)。

值得注意的是，本發(fā)明提供一種可在最佳頻率之下運(yùn)作的充電泵及電源輸出電路及其控制方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可據(jù)此進(jìn)行修飾或變化，而不限于此。舉例來說，上述電路結(jié)構(gòu)僅為本發(fā)明眾多實(shí)施方式當(dāng)中的一種，在其它實(shí)施例中，也可將時(shí)鐘產(chǎn)生器包含在電壓偵測(cè)單元內(nèi)部，使得電壓偵測(cè)單元可在偵測(cè)到控制電壓接近輸入電壓時(shí)，切換時(shí)鐘信號(hào)的相位。除此之外，根據(jù)不同輸出電壓的需求，輸入電壓或參考電壓的大小可進(jìn)行調(diào)整，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)系統(tǒng)需求，改變充電泵的電路結(jié)構(gòu)。

上述關(guān)于電源輸出電路10的運(yùn)作方式可歸納為一流程50，如圖5所示。

流程50可用來調(diào)整一充電泵的一運(yùn)作頻率，其包括以下步驟：

步驟500：開始。

步驟502：輸出一控制電壓到充電泵，以控制充電泵所輸出的一輸出電壓。

步驟504：輸出一時(shí)鐘信號(hào)到充電泵，時(shí)鐘信號(hào)具有所述運(yùn)作頻率。

步驟506：偵測(cè)控制電壓，并根據(jù)控制電壓的大小，調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的運(yùn)作頻率。

步驟508：結(jié)束。

流程50的詳細(xì)運(yùn)作方式及變化可參考前述，在此不贅述。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種可調(diào)整電源輸出電路中充電泵的運(yùn)作頻率的控制方法，充電泵的運(yùn)作頻率可隨著負(fù)載大小而任意調(diào)整，而不限于特定頻率值之間的切換。在一實(shí)施例中，充電泵從一電壓調(diào)節(jié)單元接收一控制電壓，并通過負(fù)反饋的電路結(jié)構(gòu)來控制其輸出電壓維持在預(yù)定電壓值。通過偵測(cè)控制電壓的大小，可決定用于充電泵的時(shí)鐘信號(hào)切換相位的時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)而決定時(shí)鐘信號(hào)的運(yùn)作頻率。如此一來，通過控制電壓的偵測(cè)，本發(fā)明可在輸出電壓未發(fā)生變化的情況下切換相位，以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出電壓。此外，時(shí)鐘信號(hào)在任何負(fù)載狀況之下都可達(dá)到最佳運(yùn)作頻率，可避免運(yùn)作頻率太快造成過多電荷消耗在寄生電容上，也可避免運(yùn)作頻率太慢造成輸出電壓無法對(duì)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)反應(yīng)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。