CN101897100B

CN101897100B - 使用受控开关技术来耦合电源的装置和方法

Info

Publication number: CN101897100B
Application number: CN2008801181098A
Authority: CN
Inventors: 弗兰德伯特·里德尔; 吉奥瓦尼·吉纳
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: CN101897100A; WO2009069092A2; WO2009069092A3; US20100301673A1; US8264801B2

Abstract

以缓解寄生短路的方式来切换电源。根据示例，控制电路(例如，310，320)使用主电源电压和备用电源电压中较高的电源电压来操作主电源和备用电源，以在电源之间切换。

Description

使用受控开关技术来耦合电源的装置和方法

技术领域

本发明总体涉及通过在第一电源和第二电源之间切换来向电路供电，更具体地，涉及一种开关控制技术。

背景技术

集成电路通常具有主电源(一般称作V_CC)和备用电源。备用电源使电路可以在主电源出于某种原因而中断或落到预置电压电平以下时继续工作。转接电路用于在主电源和备用电源之间切换电路的内部电源(通常称作V_dd)。希望具有一种转接电路，该转接电路使用内部电源(V_dd)作为其电源，并且使用少量电力。随着电路尺寸不断减小，还希望转接电路占用较小的面积。

一种类型的转接电路使用分离的开关、作为电源的电压电平的函数来导通和关断主电源和备用电源。这种电源之间的切换可能很难以快速且高效的方式来执行。例如，当主电源的电力下降并且电力被切换至备用电源时，在与备用电源的连接开始时与主电源的连接可以仍然是导通的。在这种该情况下，两个电源之间存在寄生短路。

用于容易受到这种短路影响的集成电路的一种类型的备用电源是电池备用电源。在采用电池备用的情况下，使用相对少量电力的转接电路对于延长电池寿命来说是有用的。例如，在诸如时钟收音机、电子计量设备以及其他等电子设备中，将来自网络的电力与备用电源一起使用的转接电路是有用的。

采用电池备用电源的示例类型的转接电路使用比较器将主电源电压(V_CC)与备用电池电压(V_BAT)和电池阈值(V_BMT)相比较。以内部电源(V_dd)为比较器供电，并且参考电路产生电池阈值(V_BMT)，其中也以内部电源(V_dd)为参考电路供电。当主电源电压(V_CC)低于电池电压(V_BAT)和电池阈值(V_BMT)两者时，转接电路切换至备用电池，当主电源电压高于电池电压或电池阈值时，转接电路切换回主电源。尽管这种应用可以是有用的，然而存在某些不期望的特性。例如，这种转接方法还容易受到上述寄生短路的影响。此外，通常必须将电池阈值(V_BMT)指定为低于内部电源(V_dd)最小电压的值，这是因为电池阈值是由以内部电源供电的参考电路来产生的。

某些转接方法具有供电的比较器和参考电路，所述参考电路产生具有高于内部功率(V_dd)的电压电平的电池阈值(V_BMT)。可以使用倍压器提高内部电源(V_dd)的电压电平来产生所述较高的电压电平。然而，倍压器的添加可能增大转接电路的尺寸和功耗。

其他转接电路方法将输入的分段电平(例如，V_CC/2、V_BAT/2和V_BMT/2)相比较。然而，使用诸如带隙源和电阻分压器之类的电路来产生分段电压电平可能导致功耗的提高和转接电路尺寸的增大。

这些和其他问题为转接电路的实现提出了挑战。

发明内容

本发明的不同方面针对在第一电源和第二电源之间进行切换以处理和解决上述问题和其他问题的装置和方法，处理方式如以下在详细描述中直接和间接的处理方式一样。

根据本发明的示例实施例，装置将主电源和备用电源之一选择性地耦合至用于操作电路的输出。所述装置包括：主开关，用于将主电源耦合至输出；备用开关，用于将备用电源耦合至输出；以及控制器电路，用于控制开关的操作。控制器电路根据主电源和备用电源的电压电平以及预定的阈值电压，控制开关选择性地将主电源和备用电源耦合至输出。控制器电路包括电平移位器电路和高电压供应电路。电平移位器电路向主开关和备用开关提供电压输入，以控制开关的开关状态。高电压供应电路使用主电源电压和备用电源电压中较高的电源电压来选择性地向电平移位器电路供应高电压输入，以便于控制主开关和备用开关并且消除电源之间的寄生短路。

根据本发明的另一示例实施例，一种开关控制器装置控制电源开关，以将主电源和备用电源选择性地连接至输出节点。开关控制器包括电平移位器，电平移位器向每一个电源开关提供控制电压，以响应于高电压输入节点处的高电压输入独立地将开关控制在开和关状态。开关控制器还包括高电压供应电路，所述高电压供应电路连接至高电压输入节点，以选择性地将高电压耦合至电平移位器电路以用于供应所述控制电压。在主电源电压低于备用电源电压的操作条件下，使用备用电源电压来耦合所述高电压，以及在主电源电压高于备用电源电压的条件下，使用主电源电压来耦合所述高电压。

本发明的以上概述并不旨在描述本发明的每一个实施例或每一种实现方式。通过结合附图参考以下详细描述和权利要求，本发明的其他方面将变得显而易见并得以理解。

附图说明

结合附图根据以下对本发明不同实施例的详细描述可以更全面地理解本发明，附图中：

图1A和1B示出了根据本发明示例实施例的电源装置的示例工作特性的曲线；

图2示出了根据本发明另一示例实施例的电源电路的框图；

图3示出了根据本发明另一示例实施例的电源开关控制电路；

图4示出了根据本发明另一示例实施例的使用由电源开关控制电路提供的电源电压的电平移位器电路；

图5示出了根据本发明另一示例实施例的针对电源控制方法随时间变化的电压的曲线；以及

图6示出了结合本发明其他示例实施例而实现的电源切换的曲线。

具体实施方式

尽管本发明可以有多种修改和备选形式，然而附图中仅通过示例示出了本发明的特定细节，以下将详细描述这些特定细节。然而应该理解的是，本发明并非局限于所描述的具体实施例。相反，本发明覆盖落入所附权利要求所限定的本发明范围之内的所有修改、等同和替换。

相信本发明可应用于在第一电源和第二电源之间进行切换的各种装置和方法。尽管本发明不必须限于这样的应用，然而通过在这种环境下讨论示例，将更好地理解本发明的各个方面。

根据本发明的示例实施例，电源开关电路使用控制方法自动切换电源，以缓解或消除电源之间的短路。例如，当以容易受到短路(例如，在两个电源之间切换电力时这两个电源都短暂地连接的情况下)影响的基于CMOS的开关来实现时，控制逻辑和相关电路被实现为以减小或消除短路的方式来操作开关。

在本发明的更具体示例实施例中，备用电源转接电路监控主电源电平，并响应于主电源电平达到阈值或下降到阈值以下自动切换至备用电源，如电池电源。阈值被设置为适合具体电路应用，并且可以包括备用电源电平与主电源电平之间的比较。控制器以缓解或消除寄生短路或短路连接的方式来操作电源开关。例如，当主电源下降(针对从主电源至备用电源的切换)时，或当主电源上升(针对从备用电源至主电源的切换)时，可以选择性地使用主电源或备用电源来操作开关以维持开关的控制。

在一个应用中，CMOS开关用于选择性地将电源耦合至电路组件，每个开关操作用于将单个电源与电路组件耦合或去耦合。控制逻辑操作开关以消除寄生短路，所述寄生短路可能发生在切换期间的某一时刻，如，在一个CMOS开关关断主电源或开始将主电源导通，而另一个CMOS开关开始或已经将备用电源关断时。例如，通过控制用于导通或关断电源的晶体管的栅极，以确保晶体管处的电压电平足够高以至于可以在适当切换时间内将晶体管控制在“关断”状态的方式，本来在电源电平处出现的寄生泄漏发生波动。

在上述示例中，类似地执行从备用电源到主电源的切换(例如，当主电源电平达到或超过阈值时)，以缓解或消除寄生短路或短路连接。这种方法例如可以与可经由内部电池或外部电源来操作的便携式设备一起使用。

图1A和1B示出了根据本发明示例实施例的电源装置的示例工作特性的曲线，所述电源装置包括主电源和备用电池电源。两个工作模式被示为分别从主电源和电池电源供电的“电源”模式和“电池”模式。图中所示的项目如下：

V_cc＝主电源电压

V_dd＝供应给可操作电路的电力

V_BAT＝电池电压

V_BMT＝电池模式阈值电压

在图1A中，当在曲线最左部分的电源模式110时，使用主电源来操作电路，其中V_cc提供V_dd。随着V_cc从左向右(即，沿着水平轴随时间)下降时，以示例的方式示出了V_cc下降到电压电平V_BAT以下并随后下降到V_BMT以下。当在时刻t₀达到V_BMT或下降到V_BMT以下时，如曲线上指示的，电源装置进入电池模式，电源从主电源(V_cc)切换至电池电源(V_BAT)，并且从第一电源模式切换至电池模式120。选择性地使用主电压电平或备用电压电平(V_cc或V_BAT)来控制切换，以缓解或消除任何寄生短路或短路连接。简言之，控制开关处的电压电平以确保对于备用电源关断的晶体管具有与备用电压近似相同的值(如，其源极)，使得栅源电压是(大约)0V或微小的负数。例如，在切换至备用电源之前，当主电源已经下降到了备用电源电压电平以下时或在此之后实现切换的情况下，这是有用的。

当切换至备用电池电源时，只要V_cc处于V_BMT处或在V_BMT以下，电路就工作在电池模式120，其中，V_BAT提供V_dd。当V_cc在时刻t₁达到或超过V_BMT时，电源切换回(第二)电源模式130，其中主电源(V_cc)再次提供V_dd。

图1B结合另一示例实施例示出了切换电源的另一方法，其中V_BAT小于V_BMT。在这种情况下，并非在达到V_BMT时转接电源，而是在电源电压V_cc下降到V_BMT以下并进一步达到V_BAT或下降到V_BAT以下之后转接电源。可以采用符合图1所示方法的方式来实现这种应用，例如其中电池电压V_BAT可以根据电池的电力或其他条件而变化。类似的方法应用于例如V_BAT大约等于V_BMT的情况。

继续参考图1B，当V_cc等于或小于V_BMT时，以及另外当V_cc也等于或小于V_BAT时，在时刻t₂将电源从电源模式110或112切换至电池模式120或122。该方法处理了与图1A所示情况相关的、电池电压V_BAT低于阈值电压V_BMT的情况(例如，当电池没有被完全充电或在V_BAT小于V_BMT的条件下工作时)。再次采用与结合图1A所描述的方式相类似的方式实现切换，其中使用高电压(例如，来自主电源和备用电源中电压较高的那个)进行开关控制以确保适当的开关操作。

当***工作在电池模式122、并且V_cc在时刻t3爬升回电平V_BAT或更高时，电源切换回(第二)电源模式132以及切换回主电源(V_cc)。如采用图1的方法，以缓解或消除寄生短路或短路连接的方式来实现切换。

在图1A和图1B中，电压电平及其应用根据电路、工作条件以及所需的控制方法而变化。例如，这些方法可以应用于与电源一起实现，所述电源与通过V_cc和/或V_BAT而示出的电源有很大不同。图1A中以交替的形式针对电源V_cc示出了的一个这样的示例曲线140，其中，电压电平从“导通”状态和电压电平142开始下降，在时刻t₀下降到“关断”状态下的大约为零和电压电平144，并在时刻t₁返回“导通”电平。

图2示出了根据本发明另一示例实施例的实现备用电源的电源电路200。可以根据结合图1A和1B所描述的方法来操作电源电路200，通过示例使用类似的方式来描述电源电路200。使用比较器210和212来操作电源电路200，所述比较器210和212分别将V_BMT与V_CC相比较以及将V_BAT与V_CC相比较，以分别确定主电源是否在阈值电平以下以及主电源是否在电池电平以下。控制逻辑电路220包括“与非”器件222和反相器224，并向电源开关230和232提供控制输出，以分别将用于供应主要电力(V_DD)的主电源和备用电源(V_CC和V_BAT)耦合至电路。控制逻辑电路220以缓解或消除寄生短路或短路连接、并且结合确保备用开关232被控制为使得其栅极-源极电压为(大约)0V或微小负值的上述方式来控制开关230和232。

图3示出了根据本发明另一示例实施例的用于提供功率输出(V_dd)的电源开关控制电路300。所述开关控制电路300包括控制逻辑310和开关电压供应电路320，所述控制逻辑310和开关电压供应电路320控制主电源开关330和备用电源开关334，以分别向电路340供应主电力或备用电力(V_dd)。主电源开关330包括NMOS晶体管331和PMOS晶体管332。类似地，备用电源开关334包括NMOS晶体管335和PMOS晶体管335。

控制逻辑310包括控制电平移位器314的“与非”门312(例如，如图2所示，由比较器经由A和B馈送的)，所述电平移位器314接收输出(V_dd)以及由开关电压供应电路320产生的并且还存在于主开关和备用开关330和334的PMOS基板上的高电压V_high。开关电压供应电路320包括在备用电源与主电源之间(在V_BAT与V_CC之间)的两个PMOS晶体管322和324的串联结构。电平移位器314产生输出“C”和“Cn”，其中，将输出“C”提供至晶体管331和336，将输出“Cn”提供至晶体管332和335。还在电压供应电路320中的晶体管322的栅极处提供来自电平移位器314的输出“C”。

如在图1A或图1B中所示的第一电源模式下示出的，当主电源下降时，备用电源开关334的控制电压(V_GS(C，V_BAT)＝C-V_BAT)具有供应值V_dd＝V_CC＝3V，从而使开关保持在“关断”条件。从而电压供应电路320和电平移位器314便于将电压“C”施加到晶体管336处的备用电源开关334，以缓解或消除分别耦合至开关330和334的电源(V_CC和V_BAT)之间的寄生短路。即，备用电源开关334的PMOS晶体管336的V_GS被控制为大于PMOS晶体管336的阈值电压(V_thp)。

如图1A或图1B所示，当工作在电池模式下并且主电源返回上升时，电压供应电路320和电平移位器314以类似的方式控制向主电源的切换。使用由电压供应电路320提供至电平移位器的V_high输入来控制从电平移位器314供应至主电源开关330的输入。在备用电源开关334从“导通”状态进入“关断“状态时，这使得主电源开关330保持在“关断”状态下足够长的时间，以至于能够缓解寄生短路。

在从主电源向备用电源切换或从备用电源向主电源的任一种切换中，相对于相应电源处的电压来控制图3中的输出“C”，以在切换期间使相应的开关330和334保持在“关断状态”，从而缓解寄生短路。例如，这在从V_dd供应输出“C”(如，经由现用电源而提供的，所述现用电源可以是主电源或备用电源)时是有用的，从V_dd提供输出“C”可能在相应PMOS晶体管331和336处产生负的V_GS。

图4示出了根据本发明另一示例实施例的使用由电源开关控制电路提供的电源电压的电平移位器电路400。例如可以如图3所示的电平移位器314一样，结合电源开关控制电路300来实现电平移位器电路400。电平移位器电路400包括六个晶体管410-460，V_dd耦合在晶体管410处，高电压V_high(例如，来自图3所示的开关电压供应电路320)耦合在晶体管430和440处。至电平移位器电路400的输入耦合在晶体管410和420的栅极处。输出C耦合至晶体管440(栅极)、430和450，以及输出C_n耦合至晶体管430(栅极)、440和460。例如，输出C和C_n还耦合至图3所示的电源开关。

可以结合各种电路，例如以上所描述的电路，来实现图4所示的电路和/或其功能。在F.Riedel和G.Genna于2007年11月7日提交的题为“Arrangement and method for providing power to a circuit usingswitched capacitor techniques，”申请号为PCT/US2007/83715的PCT申请中，示出了可以利用本发明不同实施例来实现的一种类型的监控电路，其全部公开一并在此作为参考。

图5示出了根据本发明另一示例实施例的功率控制方法的电压随时间变化的曲线。例如，可以使用图3和图4中的电路来实现图5所示的方法，以示例的方式结合这些图来描述该方法。各个曲线如下表示电压。曲线510是主电源电压V_CC，曲线520是备用电源电压V_BAT(如以示例的方式示为电池电压)。曲线530是如上所述用于(例如，使用电平移位器电路)控制电源开关的操作的高电压V_high，曲线540是操作用于对电源的耦合加以控制的晶体管的栅源电压V_GS。

如曲线中所示的，对于下降范围V_dd＝V_CC＝3.3V…2.5V，在V_dd从V_CC切换至V_BAT(例如，在图5中，比较标记点A处的V_GS，直到V_GS从-0.268V变成-4V)的切换点之前，值V_GS＝C-V_BAT始终保持-0.268V不变。因此，由于V_GS＝-0.268V＞V_thp，所以备用电源开关334的PMOS晶体管是“关断”的。

通过也在图5中示出的所产生的n阱电压V_high实现了所论证的这种行为，在V_dd＝V_CC＝3.3V至2.5V的范围上，该n阱电压V_high(经由PMOS串联结构)的值保持在V_high＝V_BAT-0.268V＝4V-0.268V＝3.372V，略微低于V_BAT＝4V。该V_high＝3.372V是电平移位器电路314的电源，因此C＝3.372V，C_n＝0V。来自电平移位器的这种更高控制电压C使备用电源开关334的PMOS晶体管保持在“关断”状态。

图6示出了结合本发明其他示例实施例而实现的电源切换的曲线。如图5中的曲线一样，结合图3和图4所示的电路来实现图6中的曲线，以示例的方式来描述图6中的曲线。各个曲线如下表示电压。曲线610是主电源电压V_CC，曲线620是备用电源电压V_BAT(以示例的方式被示为电池电压)。曲线650是输出电压V_dd，例如，如图5中所控制的以及如以上所描述的，输出电压V_dd是经由电源开关而耦合的电源所供应的。

根据图6中的曲线，结合不同实施例，以类似的方式来执行从备用电源到主电源的切换。图6中的标记B表示向后切换点，该向后切换点大约是阈值电压V_BMT＝2.5V加上小的偏移。

使用不同类型的电路(包括但不限于集成电路、CMOS器件、电池转接电路以及其他类似类型的电路)来实现本发明的不同实施例。

以上所描述并在图中示出的不同实施例仅仅是以说明的方式来提供的，不应被解释为限制本发明。基于以上讨论和说明，本领域技术人员将容易认识到，在严格遵循本文所说明和描述的示例实施例和应用的前提下，可以对本发明进行各种修改和改变。这种修改和改变并不脱离权利要求中所阐述的本发明的真实范围。

Claims

1.一种用于选择性地将主电源和备用电源之一耦合至用于操作电路的输出的装置，所述装置包括：

主开关(330)，将主电源耦合至输出；

备用开关(334)，将备用电源耦合至输出；以及

控制器电路(310，320)，根据主电源和备用电源的电压电平以及预定的阈值电压来控制开关的操作，以将主电源和备用电源选择性地耦合至输出，所述控制器电路包括：

电平移位器(314)电路，向主开关和备用开关供应电压输入，以响应于高电压输入将开关控制在导通和关断状态；以及

高电压供应电路(320)，使用主电源电压和备用电源电压中较高的电源电压来选择性地供应高电压输入，其中，

所述高电压供应电路包括在主电源和备用电源之间的两个PMOS晶体管；

所述两个PMOS晶体管中的第一PMOS晶体管的源极耦合至主电源，第一PMOS晶体管的栅极耦合至备用电源；

所述两个PMOS晶体管中的第二PMOS晶体管的源极耦合至备用电源，第二PMOS晶体管的栅极耦合至电平移位器所提供的电压输入；以及

耦合PMOS晶体管的漏极以提供所述高电压输入。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，电平移位器电路响应于所述高电压输入，向主开关和备用开关中每一个开关的晶体管供应栅极电压。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电平移位器电路针对主开关和备用开关中的每一个开关，向NMOS晶体管的栅极供应第一栅极电压，以及向PMOS晶体管的栅极供应第二栅极电压。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述主开关和备用开关每一个均具有并联在电源与输出之间的NMOS晶体管和PMOS晶体管。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述主开关和备用开关每一个均具有并联在电源与输出之间的的NMOS晶体管和PMOS晶体管；以及

电平移位器电路通过向NMOS晶体管供应第一栅极电压以及向PMOS晶体管供应第二栅极电压来供应电压输入。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述主开关和备用开关每一个均具有并联在电源与输出之间的NMOS晶体管和PMOS晶体管，以及

电平移位器电路通过按以下方式向NMOS晶体管供应第一栅极电压输入以及向PMOS晶体管供应第二栅极电压输入来供应电压输入：

使用第一栅极电压来控制将高电压输入耦合作为第二栅极电压输入，以及

使用第二栅极电压来控制将高电压输入耦合作为第一栅极电压输入。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高电压供应电路供应高电压，所述高电压是主开关和备用开关的PMOS晶体管的基板处的电压。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，在一个电源正在关断而另一个电源正在导通的电源转换期间，所述高电压供应电路通过在正在关断的电源的电压电平下降到正在导通的电源的电压电平以下之前，始终使用正在关断的电源，使用主电源电压和备用电源电压中较高的电源电压来选择性地供应高电压输入。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，在一个电源正在关断而另一个电源正在导通的电源转换期间，所述控制器电路将正在导通的开关中的晶体管的栅源电压控制在比阈值电平高的电平，在所述阈值电平处晶体管切换至导通状态。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器电路包括用于根据主电源和备用电源的电压电平之间的比较，以及根据主电源的电压电平与预定阈值电压的比较，来选择性地向电平移位器电路供应主电源和备用电源的电路。

11.一种用于控制电源开关以将主电源和备用电源选择性地连接至输出节点的开关控制器装置，所述装置包括：

电平移位器电路(314，400)，向每一个电源开关供应控制电压，以响应于高电压输入节点处的高电压独立地将开关控制在导通和关断状态；以及

高电压供应电路(320)，连接至所述高电压输入节点，用于通过以下方式选择性地将高电压耦合至电平移位器电路以用于供应所述控制电压：

在主电源电压低于备用电源电压的操作条件下使用备用电源电压来耦合所述高电压；以及

在主电源电压高于备用电源电压的条件下使用主电源电压来耦合所述高电压，

耦合PMOS晶体管的漏极以提供所述高电压输入。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述开关控制器装置通过以下方式控制第二电源的电源开关中晶体管的栅源电压，以从第一电源切换至第二电源：

在第一电源的电压电平下降到第二电源的电压电平以下之前始终使用第一电源的电压电平向晶体管的栅极耦合电压；以及

响应于第一电源的电压电平下降到第二电源的电压电平以下，使用第二电源的电压电平向晶体管的栅极耦合电压。