发明内容
本发明实施例提供一种低电压启动电路和升压型转换器,用于加快转换器电路启动速度,并进一步降低启动电源电压。
本发明实施例提出了一种低电压启动电路,包括振荡器,转换单元,还包括时钟升压单元;
所述振荡器,用于产生开关所述转换单元的时钟信号;
所述转换单元,用于实现输入电压-输出电压的转换;
所述时钟升压单元,用于提升所述振荡器输出时钟信号的电压幅度,以驱动所述转换单元。
根据本发明实施例所述的一种低电压启动电路的一个进一步的方面,还包括电源检测单元,用于检测启动时输入所述振荡器的电源电压是否小于预定的门限值,如果小于所述门限值则启动所述时钟升压单元;否则关闭所述时钟升压单元,直接将所述振荡器输出的时钟信号转换单元至所述转换单元。
根据本发明实施例所述的一种低电压启动电路的再一个进一步的方面,所述低电压启动电路的电源与所述输入电源或所述低电压启动电路的输出连接,所述低电压启动电路的输出具有一个初始值。
根据本发明实施例所述的一种低电压启动电路的另一个进一步的方面,所述时钟升压单元包括:电荷泵单元,电压钳位单元和门电路单元;
所述电荷泵单元,用于将所述输入的时钟信号的电平幅度升高,从而提升所述时钟信号的高电平幅度;
所述电压钳位单元,用于检测电荷泵单元输出电压(Vcp)的电平,当Vcp大于根据输入电源(VIN)的电压或输出电压Vout设定的电平幅度时,驱动所述门电路单元中的一个下拉开关屏蔽输入电荷泵单元的所述时钟信号,使电荷泵单元停止升压;当所述Vcp小于或者等于所述根据输入电源VIN的电压设定的电压电平幅度时,再恢复输入所述电荷泵单元的时钟信号,使所述电荷泵单元重新启动;
所述门电路单元,用于接收时钟信号。
根据本发明实施例所述的一种低电压启动电路的另一个进一步的方面,所述门电路单元接收的信号还包括选择信号,该选择信号为所述电源检测单元输入的启动或者关闭所述时钟升压单元的信号,所述门电路单元根据该选择信号,停止或者恢复所述电荷泵对所述时钟信号作升压变换。
本发明实施例为了解决现有技术中的问题还提供了一种升压型转换器,包括反馈控制单元,还包括低电压启动电路;
所述低电压启动电路包括:
振荡器,用于产生开关所述转换单元的时钟信号;
转换单元,用于输入电源电压到所述低电压启动电路输出电压的转换;
时钟升压单元,用于提升所述振荡器输出时钟信号的电压,以输入所述转换单元;
所述反馈控制单元,用于实现所述低电压启动电路的输出,启动或者关闭所述低电压启动电路,并利用所述低电压启动电路的输出向外界供电。
根据本发明实施例所述的一种升压型转换器的一个进一步的方面,所述低电压启动电路还包括:电源检测单元,用于检测启动时输入所述振荡器的电源电压是否小于预定的门限值,如果小于所述门限值则启动所述时钟升压单元;否则关闭所述时钟升压单元,直接将所述振荡器输出信号转换单元输出至所述转换单元。
根据本发明实施例所述的一种升压型转换器的再一个进一步的方面,所述低电压启动电路的电源与所述输入电源或所述低电压启动电路的输出电压连接,所述低电压启动电路的输出电压具有一个初始值。
根据本发明实施例所述的一种升压型转换器的另一个进一步的方面,所述时钟升压单元包括:电荷泵单元,电压钳位单元和门电路单元;
所述电荷泵单元,用于将所述输入的时钟信号的电平幅度升高,从而提升所述时钟信号的高电平幅度;
所述电压钳位单元,用于检测电荷泵单元输出电压(Vcp)的电平,当Vcp大于根据输入电源VIN的电压或输出电压Vout设定的电平幅度时,驱动所述门电路单元中的一个下拉开关屏蔽输入电荷泵单元的所述时钟信号,使电荷泵单元停止升压;当所述Vcp小于或者等于所述根据VIN设定的电压电平幅度时,再恢复输入所述电荷泵单元的时钟信号,使所述电荷泵单元重新启动;
所述门电路单元,用于接收时钟信号。
根据本发明实施例所述的一种升压型转换器的另一个进一步的方面,所述门电路单元接收的信号还包括选择信号,该选择信号为所述电源检测单元输入的启动或者关闭所述时钟升压单元的信号,所述门电路单元根据该选择信号,停止或者恢复所述电荷泵对所述时钟信号作升压变换。
本发明实施例可以快速提高输入的时钟信号电压,使得低电压启动电路或者升压型转换器快速启动,同时支持工作在更低电源电压下的升压型转换器,并且结构简单,实现成本低。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图2所示为本发明实施例一种低电压启动电路的结构示意图。
包括振荡器201,转换单元202,还包括时钟升压单元203。
所述振荡器201,用于产生开关所述转换单元202的时钟信号。
所述转换单元202,用于输入电源电压到所述低电压启动电路输出电压的转换。
所述时钟升压单元203,用于提升所述振荡器201的时钟信号电平幅度,输出至所述转换单元202。
作为本发明的一个实施例,还包括电源检测单元,与所述时钟升压单元203相连接,用于检测启动时电源电压是否小于一设定门限值,如果小于所述门限值则启动所述时钟升压单元203,否则关闭所述时钟升压单元203,直接将所述振荡器201输出的时钟信号至所述转换单元202。其中所述振荡器201也获得所述电源的供电,输出的时钟信号的高电平为所述输入电源VIN。
如图3所示为本发明实施例一种升压型转换器的结构示意图。
低电压启动电路40包括N型开关管41、时钟升压单元125、振荡器100、电源检测单元130和肖特基二极管42。其中N型开关管41和肖特基二极管42构成上述转换单元,在本例中对输入电源VIN的电压进行升压转换后输出Vout。所述N型开关管41的漏端在LX端通过电感器L1连接到输入电源VIN,所示输入电源VIN作为低电压启动电路40的电源,在图中表示为电源VDD。所述肖特基二极管42阴极连接到所述升压型转换器的输出端Vout。所述N型开关管41的漏端在LX端连到所述肖特基二极管42的阳极,所述N型开关管41的源极端接地。所述时钟升压单元125与振荡器100相连,与所述N型开关管41的栅极相连,在启动阶段,其对所述振荡器100的时钟信号CLK的电平幅度作倍增后输出信号BCLK。
所述电源检测单元130的输出与所述时钟升压单元125相连,判决所述时钟升压单元125是否对所述振荡器时钟信号CLK的电平幅度作操作。
当输入电源VIN的电压小于电源检测的设定值并且小于所述N型开关管41的开启电压Vth,例如VIN为0.5V,电源检测的设定的参考值为1.5V,所述N型开关管41的开启电压Vth为0.7V,所述VDD的电压小于所述设定的参考值1.5V,则启动所述时钟升压单元125利用该时钟升压单元125对振荡器100输入的时钟信号CLK的电平幅度进行提升,作为驱动所述N型开关管41时钟信号BCLK由于电平幅度提升,其高电平幅度VIH=K*Vin,K为倍增系数,VIH远大于所述N型开关管41的开启电压Vth。由于所述N型开关管41的驱动电压被升压后,该N型开关管41充分开启,输入电源VIN流出的电流对电感器L1充电,在所述电感器L1进行储能,电感器L1再通过所述肖特基二极管42向输出端电容充电,提升输出电压Vout,N型开关管41等组成的转换单元实现输入电源VIN的电压到所述低电压启动电路输出电压Vout的转换,实现更低电源电压条件下的启动电路正常启动。另外,当驱动时钟信号电平幅度提升后,在每一个时钟周期内对电感器L1充电电流也大幅提升,增大了单个时钟周期内电感器L1上的储能,电感器L1向输出端电容的转移的能量也增加,输出端电压提升速度较现有技术快,有效缩短转换器的启动时间。
当输入电源VIN的电压大于电源检测单元130的一个设定的参考值时,所述电源检测单元130不启动所述时钟升压单元125,使所述振荡器100输入的时钟信号CLK直接输入到N型开关管41的栅极,通过该N型开关管41等组成的转换单元实现输入电源VIN的电压到所述低电压启动电路输出电压Vout的转换,该时钟信号幅度远大于驱动N型开关管41的开启电压Vth,低电压启动电路40实现正常启动。
启动过程中,所述反馈控制单元200检测到输出电压Vout达到预定门限值时,例如Vout达到1.8V,反馈控制电路单元200判断低电压启动电路40可以结束启动动作,发出Ngate信号和STEND信号。启动结束后,Ngate信号在反馈控制单元200控制下导通或者关断N型开关管601,STEND信号控制关闭所述低电压启动电路40的工作并且时钟升压单元125的输出信号BCLK为低电平,由所述反馈控制单元200利用转换器输出Vout端持续向外界设备供电。当低电压启动电路40关闭后,反馈控制单元200调节所述升压型转换器的输出进入稳态。
当启动时,由于所述输出电压Vout没有到达所述预定门限值时,所述低电压启动电路40一直工作在启动阶段。
如图4所示为本发明实施例一种升压型转换器的另一结构示意图。
低电压启动电路40包括N型开关管41、时钟升压单元125、振荡器100和肖特基二极管42,其中N型开关管41和肖特基二极管42构成上述转换单元。所述N型开关管41的漏端在LX端通过电感器L1连接到输入电源VIN。所述肖特基二极管42的阳极端连接到所述电感器L1的LX端,阴极端连接到所述升压型转换器的输出端Vout,且所述输出电压Vout连接到所述低电压启动电路40的电源VDD,所述输出电压Vout具有一个初始值。所述N型开关管41的漏极经过LX连到所述肖特基二极管42的阳极,所述N型开关管41的源端接地。所述时钟升压单元125与振荡器100相连,与所述N型开关管41的栅极相连,在启动阶段,所述振荡器100的时钟信号CLK的电平幅度作倍增后输出信号BCLK。
当电源电压很低并且小于所述N型开关管41的开启电压Vth,驱动所述N型开关管41时钟信号高电平幅度提升,其中高电平幅度VIH=K*Vout,K为倍增系数。随着输出电压Vout电平幅度的提高,所述振荡器100的输出时钟电平幅度也提高,时钟升压单元125的输出时钟BCLK的电平幅度也倍增提高,这样输出电压Vout,所述振荡器100和所述时钟升压单元125构成一个提升输出电压Vout的正反馈环路,使Vout快速的提升,实现低电压下正常启动。例如,0.7V的输入电源VIN,肖特基二极管的正向结压降0.1V,假设K=2,那么时钟升压单元125驱动时钟信号的高电平幅度约为1.2V,通常N型开关管41的开启电压Vth为0.6V到0.7V,充分保证所述N型开关管41开启,实现电感器L1的电流积累和在电感器L1储能,电感器L1再通过肖特基二极管42向输出端电容充电并提高输出电压Vout。最终在低电压条件下,完成升压型转换器的启动过程。另外,驱动时钟信号电平幅度提升后,在每一个时钟周期内对电感器L1充电电流也大幅提升,增大了单个时钟周期内电感器L1上的储能,电感器L1向输出端电容的能量的转移也增加,输出端电压提升速度较现有技术快,缩短了转换器的启动时间。
当启动完成后,输出电压Vout达到预定门限值时,例如1.8V时,所述反馈控制单元200向所述振荡器100输出控制电信号STEND,停止所述低电压启动电路40并且所述时钟升压单元125输出信号BLCK为高阻抗状态,由所述反馈控制单元200输出信号Nage驱动开关管41,利用转换器输出电压Vout持续向外界设备供电。当低电压启动电路40关闭后,反馈控制单元200调节所述升压型转换器的输出进入稳态。
启动过程中,如果所述输出电压Vout没有到达所述预定门限值时,所述低电压启动电路40一直工作在启动阶段。
如图5a所示为本发明实施例时钟升压单元结构示意图。
时钟升压单元125中包含电荷泵单元60,电压钳位单元62和门电路单元61。
所述电荷泵单元60,用于将所述输入的时钟信号的电平幅度升高,从而提升所述时钟信号的电压。
所述电压钳位单元62,用于检测电荷泵单元输出电压Vcp的电平,当Vcp超过根据输入电源V
IN的电压设定的一参考电平幅度时,例如V
IN为1.2V,设定的参考电平幅度为1.9V,当Vcp电平高于1.9V时,所述电压钳位单元62驱动一个下拉开关屏蔽所述电荷泵单元60的输入时钟信号(φck,
),使电荷泵单元60停止升压动作;直到Vcp下降并不超过根据输入电源V
IN设定的参考电平幅度后,再释放所述电荷泵单元60的输入时钟信号(φck,
),所述电荷泵单元60重新启动。
所述门电路单元61用于接收时钟信号。其中门电路单元61的输入信号还可以包括选择信号BCKSEL,该选择信号用于电源检测单元130判定是否启动所述时钟升压单元125。
所述时钟升压单元125将振荡器100输入时钟信号的电平幅度提高,转换为BCLK输出给N型开关管41的栅极,如图5b为图5a时钟升压单元125的实施例的时序图,输入时钟信号CLK经过升压变化,输出信号BCLK,其高电平幅度理论上倍增K*VIN,K为升压系数。
如图6为本发明实施例电荷泵单元结构示意图。
如图为四段Dickson结构的电荷泵单元电路,采用两相非交叠时钟CLK,
逐级地对下列电压节点1→2→3→4→Vout相连的电容C1,C2,C3,C4,Cout进行充电-升压的工作过程,最终产生稳定输出电压Vout。所述两相非交叠时钟CLK,
通过驱动反相器产生驱动时钟Vφ,
以下是电荷泵电路在一个工作时钟周期的工作过程,并将每个时钟周期分为两个阶段S1,S2。
在S1阶段,
为高电平,Vφ为低电平,晶体管MD1的栅-漏电压Vgs1大于晶体管MD1的开启电压Vth,晶体管MD1导通,从电源V
DD流出的电流流过晶体管MD1并对节点1相连的电容C1充电,充电后电容C1正负极板上的电压差Vc1近似等于V
DD-Vth,此时节点1的电势V1也等于V
DD-Vth;进入S2阶段时,
为低电平,Vφ为高电平,电容C1上电压差Vc 1保持不变,当Vφ为高电平,那么电容C1负极板电位变为V
DD,节点1处的电势V1提升高到V
DD+V
C1=V
DD+(V
DD-Vth)=2V
DD-Vth。相同的工作原理,晶体管MD2的栅-源电压Vgs2(Vgs2=2V
DD-Vth)大于一个开启电压Vth,晶体管MD2导通,对节点2相连电容C2充电,直到VC2等于栅-源电压减去一个开启电压Vth,即2V
DD-2Vth。依此类推,与节点3相连的电容C3上电压差V
C3变化到3V
DD-3Vth,节点4相连的电压差C4电势提升到4V
DD-4Vth,…经过两相非交叠时钟驱动,C4产生5V
DD-4Vth的电势并向输出电容Cout充电,最终Vout稳定在5V
DD-5Vth,实现从电源V
DD到输出电压Vout的电压倍增,但输出电压倍增过程中存在开启电压阈值Vth的损失。
图7为本发明实施例中时钟升压单元中的电压钳位单元62的结构示意图。本实施例中以输入电源VIN为参考电压,电荷泵单元输出电压Vcp作为被检测电压,当所述参考电压VIN与所述被检测电压Vcp之间的电压差大于晶体管65的开启电压|Vthp|,晶体管65导通,有电流流过晶体管65和电阻R1,并对C1充电,当电容C1电位大于晶体管66的开启电压Vth后,晶体管66将下拉与其漏端节点PDWN至低电平,电荷泵60的输入驱动信号随着节点PDWN拉低,电荷泵60也停止升压动作,这样Vcp电压不再继续上升,其电压大小被电压钳位单元62限制继续提升。当Vcp电压降低,电压钳位电路62中晶体管65关闭,晶体管66截止,就解除对电荷泵的输入时钟信号的下拉,电荷泵60恢复升压动作并提升输出电压Vcp。
如图8所示为本发明实施例电源检测单元的结构示意图。
通过对R1,R2和R3构成的电阻串上施加输入电源VIN,检测电压VIN*R2/(R1+R2+R3),将其作为比较器301比较的正输入电压,另一个由内建的基准电流和电阻构成的基准电压作为比较器的负输入电压,比较器301输出信号通过缓冲器输出BCKSEL,同时送到晶体管MP1的栅极,其通过R3上的电压差来设定比较器301迟滞电压宽度,防止噪声对比较器输出的干扰。当正输入电压低于负输入电压时,输出BCKSEL为低电平,表示电源电压没有超过设定电压;当正输入电压高于负输入电压时,输出BCKSEL为高电平,表示电源电压高于设定电压。如图3所示,所述电源检测单元130输出信号送至所述时钟升压单元125,如果所述输出信号为低电平,所述时钟升压单元125对所述振荡器100的电平幅度进行提升,并提高时钟信号的电压;如果所述输出信号为高电平,所述时钟升压单元125对所述振荡器100的电平幅度保持原电平幅度输出。
通过上述的实施例,如图9所示为现有技术中升压转换器输出波形图,横坐标为时间轴,纵坐标为输出信号(电压)。图9,当***使能信号(SHDN)为高时,升压转换器进入启动阶段,输出电压经过较长的上升过程,达到了设定电压,启动时间在1.6ms左右。如图10所示为本发明实施例升压转换器启动结果图,在同样低的电压条件下,本发明实施例的升压型转换器实现了正常启动,并更快速的提升输出端电压的电平幅度,可以快速提高输入的时钟信号电压,使得低电压启动电路或者升压型转换器快速启动。
在低于开关管的开启电压Vth的条件下,开启电压Vth=0.95V,Vin=0.9V,图11为另一现有技术中升压转换器输出波形图,如图12所示为本发明实施例升压转换器的启动后输出波形图。现有技术在低于开关管开启电压Vth下启动失败,而本发明方案在相同条件下实现了正常的启动。本发明实施例实现更低电源电压下的启动或者升压转换器的应用,扩展了电源使用范围,并且结构简单,实现成本低。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。