CN102761244A

CN102761244A - 电荷泵反馈控制装置及其方法

Info

Publication number: CN102761244A
Application number: CN2012100267704A
Authority: CN
Inventors: 詹政邦
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: US20120274394A1; TWI456874B; US20130162229A1; US8797088B2; CN102761244B; TW201244344A

Abstract

本发明提供一种电荷泵反馈控制装置与方法。其电荷泵反馈控制装置使用多个相位信号控制不同架构的电荷泵以将输入电压进行升压或降压而得到输出电压。这些相位信号采用脉冲频率调制(pulse frequencymodulation，简称PFM)或脉冲省略调制(pulse skipping modulation，简称PSM)的方式进行调制。本发明还利用控制***中稳定度的方法对电荷泵稳压器***进行稳定度补偿，使得电荷泵稳压器的输出电压能够更快反应并得到更稳定的低涟波输出电压。

Description

电荷泵反馈控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种电荷泵控制的方法，特别涉及一种电荷泵反馈控制装置及其方法。

背景技术

由于可携式电子产品近年来的蓬勃发展，可有效管理其电力的电源管理IC(Power management IC)成为不可或缺的关键零组件。电源管理IC可将电池电压转换成可携式电子产品当中不同子电路所需求的固定电压，例如：将3.3伏特转1.2伏特，或者，将3.3伏特转2.5伏特等。此类电压转换应用范围的电源管理电路，其设计重心以高效率、高精确度、低杂讯且体积小为目标。一般而言，电源转换器分为三种：交换式稳压器(Switching regulator)、线性稳压器(Liner regulator)及电荷泵稳压器(charge pump regulator)。其中，相较于交换式供应器(Switching regulator)与线性稳压器，电荷泵稳压器(charge pump regulator)具有体积小且低设计成本的优势。

切换电容式电源转换器(Switched-capacitor power converter)的核心是电容阵列(Capacitor array)，是由多个切换器与多个电容所组成的电路，通过切换器的开或关进而改变电容的连接组态，不同的组态可进行电容充电或放电以达到能量传递与调整电压的目的，一般控制电荷泵可分为开环回路与闭环回路控制。

现有技术大多采用开环回路控制，例如图1a所示，其中电荷泵的控制架构包含：电荷泵单元50与控制单元60。接着，请参考图1b，其电荷泵单元是由第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4与电容C1所组合而成。其中控制单元60针对电荷泵单元50产生多个相位控制信号，这些相位控制信号，请参考图1c。其动作为控制单元60主动地产生第一相位而使得电荷泵单元50中的开关S1、S2导通，则Vi会对C0与C1进行充电，如图1d图所示。接着，请参考图1e所示，由控制单元60主动地产生第二相位而使得电荷泵单元50中的开关S3、S4导通，则C1会对RL与C0进行放电。所以针对输出电压与输入电压的公式推导，请参考如下：

Q_{1}^{-} = (Vi - Vo) * C 1

..................公式1

Q_{1}^{+} = Vo * C 1

..................公式2

Q_{1}^{-} - Q_{1}^{+} = I * T

..................公式3

且

I = \frac{Vo}{RL},

T = \frac{1}{fs}

带入公式3

(Vi - Vo - Vo) * C 1 = \frac{Vo}{RL} * \frac{1}{fs}

经由公式推导，可得到公式4

\frac{V_{o}}{V_{i}} = \frac{C_{1}}{2 \cdot C_{1} + \frac{1}{R_{L} \cdot f_{s}}}

..................公式4

由公式4的推导，我们可以得知电荷泵单元50的输出电压Vo与输入电压Vi的关系与fs和RL有相当程度的关系。其RL在固定的情形下，依据公式4可知，输出电压与输入电压的增益与fs切换的频率及C1的容值有关。但由以上的现有技术得知其问题点，以往的电荷泵稳压器架构大多采用开环回路设计，其切换的频率fs为固定时，当RL负载发生变化时，往往造成输出电压除于输入电压的增益比(gain)产生变化，以致于使得输出电压产生严重的变化，例如：Vo＝gain*Vi，一旦gain产生变化，输出电压也产生变重的变化，使得涟波电压的变化会过大。开环回路架构的电荷泵仅能针对固定负载供电，当负载改变时则输出电压也跟着改变。

以下列举两个现有技术当fs固定情形下的问题：

问题一：以往现有技术fs是固定的情形下，当负载电流变大时，也是负载RL变小时，其依据公式4可知，其分母变大而导致输出电压Vo变小。若不加以控制会导致输出电压Vo过低，进而使得连接的电路造成不动作的现象。

问题二：以往现有技术fs是固定的情形下，当负载电流变小时，也是负载RL变大时，其依据公式4可知，其分母变小而导致输出电压Vo变大。若不加以控制会导致输出电压Vo过高，进而使得连接的电路上的组件，因电压过高而导元件有烧毁的现象。

又，目前已有因开环回路的问题点而以闭环回路控制设计的电荷泵的控制架构则利用比较电路来当负反馈控制以控制电荷泵的开关，并依据输出电压而利用反馈控制电路与一参考电压进行比较而产生至少一个时钟信号来控制电荷泵的开关以进行至少一个电容的充放电而产生升压或降压的输出电压，且使得输出电压能够更稳定且包含更低的涟波杂讯。

另外一个闭环回路控制设计的现有技术为提出利用电压控振荡器(VCO)或电流控振荡器(CCO)的方法来达到闭环回路控制的电荷泵。其依据一检测与控制电路检测输出端的负载电压或电流变化，且以电压控制振荡器或电流控制振荡器产生至少一个时钟信号来控制电荷泵的开关以进行至少一个电容的充放电而产生升压或降压的输出电压，且使得输出电压能够更稳定且包含更低的涟波电压。

所以现有技术有几个问题点，以下分别列出：

1.若电荷泵采用开环回路设计，可得知现有技术无法因负载发生变化时，而立即地调整输出电压以维持更好的精确度，藉以能够因负载的变动，而即时调整输出电压。

2.若电荷泵采用闭环回路设计，现有技术采用比较器并利用比较的方式来比较输出电压与一参考电压来产生反馈控制信号，并将反馈控制信号产生至少一个时钟信号来控制电荷泵的开关。若架构只单纯采用比较器的方式，容易发生***不稳定的现象。

发明内容

本发明的目的为提供一种电荷泵反馈控制装置，耦接于一电荷泵单元，该电荷泵单元接收一输入电压而产生一输出电压，且该电荷泵单元具有多个开关与至少一个电容，该装置包含：补偿单元、调制单元与相位控制单元。补偿单元，耦接电荷泵单元，用以接收输出电压并进行稳定度补偿而产生一误差信号(error signal)；一调制单元，耦接补偿单元，用以接收误差信号并进行调制而产生一调制信号；及一相位控制单元，耦接调制单元，用以接收调制信号并产生多个相位信号，电荷泵单元依据这些相位信号对这些开关进行切换，而使得一输入电压对该电荷泵单元的该至少一个电容进行充放电的动作而产生该输出电压。

本发明的另一目的为提供一种电荷泵反馈控制方法，包含以下步骤：依据多个相位信号的切换而控制一输入电压对至少一个电容充放电而产生一输出电压；补偿输出电压而产生一误差信号；调制误差信号而产生一调制信号；及，接收调制信号并产生相位信号。

本发明的又一目的为提供一种电荷泵反馈控制装置，耦接于一电荷泵单元，该电荷泵单元接收一输入电压而产生一输出电压，且该电荷泵单元具有多个开关与至少一个电容，该装置包含：一比较器，耦接电荷泵单元，比较器的一输出端耦接电容，用以接收输出电压并与一参考电压比较后而产生一比较信号。一调制单元，耦接比较器，用以接收比较信号并依据比较信号进行省略调制而产生一调制信号。一相位控制单元，耦接调制单元，用以接收调制信号并产生多个相位信号，依据相位信号对电荷泵单元的开关进行切换，而使得输入电压对电荷泵单元的电容进行充放电而产生输出电压。

本发明的再一目的为提供一种电荷泵稳压器反馈控制方法，包含以下步骤：依据多个相位信号的切换而控制一输入电压对至少一个电容充放电而产生一输出电压；比较判断输出电压的高低而产生一比较信号；依据比较信号而省略产生一调制信号；及，依据调制信号产生相位信号。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域的普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所披露的内容、申请专利范围及图式，任何本领域的普通技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

附图说明

图1a为现有技术的电荷泵稳压器；

图1b为现有技术的电荷泵单元电路图；

图1c为现有技术的电荷泵稳压器的控制器时序图；

图1d为现有技术的电荷泵单元的充电电路图；

图1e为现有技术的电荷泵单元的放电电路图；

图2a为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例；

图2b为本发明的电荷泵反馈控制装置另一实施例；

图3a为本发明的电荷泵反馈控制装置的第一详细实施例；

图3b为本发明的电荷泵反馈控制装置的第一详细实施例的电压控制振荡器的电压频率线性图；

图3c为本发明的电荷泵反馈控制装置的第一详细实施例的相位控制单元的第一频率对应图；

图3d为本发明的电荷泵反馈控制装置的第一详细实施例的相位控制单元的第二频率对应图；

图4a为本发明的电荷泵反馈控制装置的第二详细实施例；

图4b为本发明的电荷泵反馈控制装置的第二详细实施例的第一相位控制时图；

图4c为本发明的电荷泵反馈控制装置的第二详细实施例的第二相位控制时图；

图4d为本发明的电荷泵反馈控制装置的第二详细实施例的第三相位控制时图；

图5a为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例的第三详细实施例；

图5b为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例的第三详细实施例的升压时序图；

图5c为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例的第三详细实施例的降压时序图；

图5d为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例的第三详细实施例的升压增益相位控制图；

图5e为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例的第三详细实施例的降压增益相位控制图；

图5f为本发明的电荷泵反馈控制装置实施例的第三详细实施例的共同相位控制图；

图6a为本发明的电荷泵反馈控制装置的流程图的一实施例；及

图6b为本发明的电荷泵反馈控制装置的流程图的另一实施例。

【主要元件符号说明】

10 开环回路电荷泵稳压器

50 电荷泵单元

60 控制单元

100 电荷泵稳压器

110 分压单元

120 补偿单元

122 运算放大器

124 运算放大器

130 调制单元

132 电压控制振荡器

140 相位控制单元

160 振荡器

170 开关切换器

C0 电容

C1 电容

C2 电容

C3 电容

R1 第一电阻

R2 第二电阻

R3 第三电阻

RL 负载电阻

S1～S19 开关

Vi 输入电压

Vo 输出电压

具体实施方式

本发明是于电荷泵稳压器***内建立电荷泵反馈控制装置，通过反馈控制调节输出电压，具较佳的输出电压而且可提供大范围变动的负载工作(例如：1mA～100mA)。本发明利用补偿单元补偿电荷泵稳压器***的稳定度，使得电荷泵稳压器的输出电压能够稳定且包含更低的杂讯。而电荷泵反馈控制装置中还采用调制信号的方式产生调制信号，再依据调制信号输出多个相位信号以控制不同架构的电荷泵。调制信号的方式，可采用脉冲频率调制(pulse frequency modulation，简称PFM)或脉冲切换调制(pulseskip modulation，简称PSM)。

请先参考图2a，其为本发明的交换式稳压器电感检查装置的功能方块图。其中，电荷泵反馈控制装置100包含：电荷泵单元50、分压单元110、补偿单元120、调制单元130与相位控制单元140。补偿单元120耦接电荷泵单元50，用以接收输出电压并进行稳定度补偿而产生误差信号。调制单元130耦接补偿单元120，用以接收误差信号并进行调制而产生调制信号。相位控制单元140耦接调制单元130，用以接收调制信号并产生至少一个相位信号，电荷泵单元50依据相位信号对电荷泵单元50的开关进行切换，而使得电荷泵单元50的电容进行充放电的动作而产生输出电压。接着，再加入分压单元110即为图2b。其中，分压单110元耦接于电荷泵单元50与补偿单元120之间，用以接收输出电压并利用一第一电阻与一第二电阻进行分压后送至补偿单元120。

由图1b中可得知，电荷泵单元50是由第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4与电容C1所构成的实施例。其中相位控制单元140针对产生多个相位控制信号对电荷泵单元50进行相位控制，产生第一相位而使得电荷泵单元50中的开关S1、S2导通，则Vi会对C0与C1进行充电，如图1c所示。接着，由相位控制单元主动地产生第二相位而使得电荷泵单元中的开关S3、S4导通，则C1会对RL进行放电。

由于在开环回路的***中，其输出电压会因负载的变化与高频杂讯的干扰，使得电荷泵单元的输出电压变动幅度不甚稳定地，一旦输出电压不甚稳定，容易导致所连接的电路故障或烧毁的现象。由于开环回路***的不稳，所以本发明加入闭环回路控制，使得输出电压的变化能够更稳定，且还不受杂讯的干扰与负载的影响。且在闭环回路控制还加入补偿单元，而该补偿单元利用控制***中稳定度的方法对电荷泵稳压器***进行稳定度补偿，使得电荷泵稳压器的输出电压能够更快反应并得更稳定的低涟波输出电压。其中，控制***中稳定度方法一般常用波德图分析相位边限(phase margin，简称PM)与增益边界(gain margin，简称GM)的角度或是奈氏图等。

电荷泵反馈控制装置100中的调制单元130还采用调制信号的方式，藉以输出至少一个相位信号。且调制信号的方式，则采用脉冲频率调制(pulse frequency modulation，简称PFM)或脉冲省略调制(pulse skippingmodulation，简称PSM)。

其中，相位控制单元140为组合逻辑路或循序逻辑路所组合而成，主要利用其逻辑电路的组合而产生多个相位信号。一般来讲，电荷泵单元50的组合为多个电容搭配多个开关的组合，可依据其为实现升压或降压来进行设计与变化。电荷泵单元50依据相位信号对开关进行切换，而使得电荷泵单元50的电容进行充放电的动作而产生对输入电压升压或降压的输出电压。

以下，将列举两个电荷泵反馈控制装置的详细实施例。

请参考图3a，其说明本发明的电荷泵反馈控制装置的第一详细实施例，其为脉冲频率调制(PFM)的一实施例。其中，补偿单元120包含：第三电阻R3(等效电阻)与误差放大器122。误差放大器122耦接分压单元110与第三电阻R3，放大器122的输入正端耦接参考电压Vref，用以接收第二电阻R2的分压而进行稳定度补偿而产生误差信号。调制单元130为一电压控制振荡器(VCO)，耦接误差放大器122，用以接收误差放大器122输出端的电压，并依据电压的大小以产生不同的脉冲频率信号，也即，调制信号。

当输入的电压Vi若为3.3伏特，且输出电压Vo若为1.2伏特时，分压单元110接收输出电压1.2伏特，并利用第一电阻R1与第二电阻R2进行分压为分压电压。误差放大器122的输出电压Verrorl可由公式5计算得出：

\frac{Vref - Verror}{R 3} + \frac{Vref}{R 1} + \frac{Vref - Vo}{R 2} = 0

..................公式5

可求得

Verror = (\frac{1}{R 1} + \frac{1}{R 1} + \frac{1}{R 3}) * Vref * R 3 - \frac{R 3}{R 2} * Vo

于是，当负载电流变大时，亦是负载RL变小时，输出电压Vo下降，则依据公式5得知Verror变大。反之，当负载电流变小时，也是负载RL变大时，输出电压Vo上升，则依据公式5得知Verrorl变小。其中，公式中的Verrorl也即是误差信号。

在图3a中，调制单元130为一电压控制振荡器(voltage-controlledoscillator，简称VCO)132，电压控制振荡器132会依据补偿单元120所输出的补偿信号的不同电压而输出不同的频率。请参考图3b，X轴为误差信号Error的电压，Y轴为VCO所对应的输出频率。例如：误差信号Error的电压V1会对应出f1频率的调制信号，如图3c所示；而误差信号Error的电压V2会对应出f2频率的调制信号，如图3d所示。

由图3b可轻易看出，当误差信号Error的电压较小时，其所对应的f1频率的调制信号会比较慢；当误差信号Error的电压较大时，其所对应的f2频率的调制信号会比较快。以下针对在PFM的调制***，说明因负载RL产生改变的两个范例：

范例一：

当负载电流变大时，也即负载RL变小时，此时输出电压会降低。若要维持稳定的输出电压，经由输出电压取样并进行分压与稳定度补偿的误差信号Error的电压会变大，而使得电压控制振荡器132的输出频率变快。例如，输出频率为f2。相位控制单元140接收f2的相位频率，利用组合逻辑组合成多个相位信号，每个相位信号彼此不相互重叠。参考图3d可知，电压震荡器132所产生的f2相位信号，输出至相位控制单元140而产生第一相位信号phase1与第二相位信号phase2并传送至电荷泵单元50，其中第一相位信号phase1与第二相位信号两者的相位不同，而使得两者不同步。其中，第一相位信号phase1对电荷泵单元50的电容C1进行充电，而第二相位信号phase2对则将电容C1的电荷对C0对RL进行放电。由公式4可得知，当RL变小时，为了维持电荷泵单元50的输出电压与输入电压的增益比，通过把fs的频率调快，而维持输出电压的稳定度，并可降低输出电压的涟波。

范例二：

当负载电流变小时，也即，负载RL变大时，输出电压会变高。若要维持稳定的输出电压，经由输出电压取样并进行分压与稳定度补偿的误差信号Error的电压会变小，而使得电压控制振荡器132的输出频率变慢。例如，输出频率为f1。而相位控制单元140接收此f1的相位频率，利用组合逻辑组合成多个相位信号，且每个相位信号彼此不相互重叠。参考图3c可知，电压震荡器132所产生的f1的相位信号，输出至相位控制单元140而产生第一相位信号phase1与第二相位信号phase2并传送至电荷泵单元50，其中第一相位信号phase1与第二相位信号两者的相位不同，而使得两者不同步。其中，第一相位信号phase1对电荷泵单元的电容C1进行充电，而第二相位信号phase2对则将电容C1的电荷对C0对RL进行放电。由公式4可得知，当RL变大时，为了维持电荷泵单元50的输出电压与输入电压的增益比，通过把fs的频率调慢，而维持输出电压的稳定度。

请注意：图3a中补偿单元所产生的误差信号为电压信号，其中该调制单元为一电压控制振荡器(VCO)，且电压控制振荡器(VCO)所对应的调制信号为一脉冲频率调制(pulse frequency modulation，简称PFM)信号。但补偿单元120所产生的误差信号也可输出电流信号，而该调制单元也可为一电流控制振荡器(CCO)，且电流控制振荡器(CCO)用以接收电流信号并产生所对应的调制信号，且调制信号为一脉冲频率调制(pulse frequency modulation，简称PFM)的信号，在此就不多加以重述。

请参考图4a，本发明的电荷泵反馈控制装置的第二详细实施例，其中与图3a中的主要差异为采用脉冲省略调制(Pulse skipping modulation，PSM)来控制电荷泵单元50。补偿单元120包含：比较器124。比较器124耦接电荷泵单元50，其中调制单元130包含：振荡器160与开关切换器170。振荡器160用以产生一振荡频率。开关切换器170耦接补偿单元120与振荡器，当比较器输出信号为高电位时使振荡信号通过，当比较器输出信号为低电位时截止振荡信号的通过，藉以产生脉冲省略调制后的调制信号。

接着，请参考图4b，当分压单元110接受电荷泵单元50的输出电压而产生一分压电压，这分压电压会输入比较器124与一参考电压做相互比较。当分压电压小于参考电压时，则比较器输出信号comp输出为高电位，反之，当分压电压大于参考电压时，则比较器输出信号comp输出为低电位，请参考中4b的比较器输出信号comp。其中，开关切换器接收比较器输出信号comp高电位时，将振荡器160所产生的频率通过而产生调制信号fs，此称之为脉冲省略调制PSM。而相位控制单元140接收到调制信号fs又产生第一相位信号phase1与第二相位信号phase2。而电荷泵单元50接收第一相位信号phase1与第二相位信号phase2，其中第一相位信号phase1对电荷泵单元50的电容C1进行充电，而，其中第二相位信号phase2对则将电容C1的电荷对C0对RL进行放电。

以下针对在PSM的调制***，说明因负载RL产生变而例举两个范例：

范例一：

当负载电流变大时，也是负载RL变小时，此时电压会降低将使分压电压变小。所以当分压电压小于参考电压时，则比较器输出信号comp输出为高电位，与前次的电位相比，其电位的时间将拉长，使得开关切换器依据比较器输出信号comp而将振荡器所产生的频率通过的调制信号fs变多。此时，相位控制单元接收此fs的相位频率，利用组合逻辑组合成至少一个相位信号，且至少一个以上的相位信号彼此不相互重叠的信号，参考图4c可知，由fs的相位信号，可以利用相位控制单元140产生第一相位信号phase1与第二相位信号phase2。而电荷泵单元50接收更多频率的第一相位信号phase1与第二相位信号phase2，以加速充放电的时间。由公式4，可以确实的得知，当RL一改时，为了维持电荷泵单元的输出电压与输入电压的增益比，确实必需把fs的频率变多，藉以以维持输出电压的稳定度。

范例二：

当负载电流变小时，也是负载RL变大时，此时电压会接高将使分压电压变高。所以当分压电压小于参考电压时，则比较器输出信号comp输出为低电位，与前次的电位相比，其电位的时间将拉长，而使得开关切换器170依据比较器输出信号comp而将振荡器160所产生的频率通过的调制信号fs变少。此时，相位控制单元140接收此fs的相位频率，利用组合逻辑组合成多个相位信号，且多个相位信号彼此不相互重跌，参考图4d可知，由fs的相位信号，可以利用相位控制单元140产生第一相位信号phase1与第二相位信号phase1。而电荷泵单元50接收变少频率的第一相位信号phase1与第二相位信号phase2，以降低充放电的时间。由公式4，可以确实的得知，当RL一改时，为了维持电荷泵单元50的输出电压与输入电压的增益比，确实必需把fs的通过频率变少，确实可以维持输出电压的稳定度。

请注意：补偿单元120为补偿电荷泵稳压器***整体的相对稳定度，藉以把***不稳定变成稳定或是将稳定度更加的提升，补偿电路是针对PFM架构使用；若为PSM则不需要补偿电路，仅使用比较器判断。其补偿单元120对不限定图3a与图4a的架构，任何可增加闭环回路***稳定度的架构，也可实施之，在此对不加以限定之。

请参考图5a，本发明的电荷泵反馈控制装置的第三详细实施例，其为采用PSM调制的方式控制电荷泵单元的另一实施例。相位控制单元140接收到调制信号fs会依据输出电压而调整第5a图中的开关，而产生电压上升或下降，以维持输出电压值。

其中，图5a中的电荷泵单元架构共有3个电容与19个开关，利用控制19个开关的切换，对这些电容进行充放电而求得输出电压与输入电压的增益比。此架构的增益比分别有2、1、1/2、3/2、2/3、4/3与3/4等的倍数。

以下针对利用图5a的3个电容与19个开关的电荷泵单元50的实施例，说明本发明如何将升压/降压的输出电压尽可能地能够接近3.3伏特，例举两个范例如下：

范例一：升压

当输入电压为1.65伏特，利用电荷泵单元50升压至3.3伏特的输出电压时。其中，电荷电荷泵单元50可以预设输出电压为输入电压的二倍。请参考图5b相位时序图，图中相位控制单元接收到调制信号fs，输出相位信号Ps7、Ps10、Ps12、Ps15与Ps16等，使得控制电荷泵单元中的开关S7、S10、S12、S15与S16等，使得对电容C2与C3充电，此称之为增益相位控制(gain phase)。若输出的相位信号为Ps2、Ps3、Ps4、Ps5、Ps6与Ps9等，其代表控制电荷泵单元中的S2、S3、S4、S5、S6与S9等开关导通，使得对电容C1、C2与C3共同对Co放电，此称之为共同相位控制(common phase)。

接着请参考下列公式的推导：

在增益相位控制时，请参考图5d，其C2电容的电压为Vc2，且C3电容的电压为Vc3，此时，Vc2＝Vc3＝Vi。

而在共同相位控制时，请参考图5f，Vo＝Vc3+Vi，因Vc3等于Vi，所以Vo＝2*Vi，其Vo/Vi＝gain＝2倍。

所以当Vi输入1.65伏特时，将使得Vo＝2*1.65＝3.3伏特。

范例二：降压

当输入电压为4.4伏特，且利用电荷泵单元降压至3.3伏特的输出电压时。其中，电荷电荷泵单元50可以预设输出电压为输入电压的四分之三倍。其中，请参考图5c的相位时序图，在图中相位控制单元接收到调制信号fs，输出相位信号Ps8、Ps11、Ps10与Ps13等，使得控制电荷泵单元中的S8、S11、S10与S13等开关导通，使得对电容C3、C2与C1对Vo放电，此称之为增益相位控制(gain phase)。而输出相位信号若为Ps2、Ps3、Ps4、Ps5、Ps6与Ps9等，代表控制电荷泵单元中的S2、S3、S4、S5、S6与S9等开关导关，使得输入电压对电容C1、C2与C3充电放再共同对Co放电，此称之为共同相位控制(common phase)。

接着请参考下列公式的推导：

在增益相位控制时，请参考图5d，其C1电容的电压为Vc1，且C2电容的电压为Vc2，又C3电容的电压为Vc3，此时，Vc1＝Vc2＝Vc3＝1/3Vo。

而在共同相位控制时，请参考图5e，Vo＝Vc1+Vi＝-1/3Vo+Vi，因Vo+1/3Vo＝Vin，所以Vo＝3/4*Vi，其Vo/Vi＝gain＝3/4倍。

所以当Vi输入4.4伏特时，将使得Vo＝3/4*4.4＝3.3伏特。

请注意：利用本发明确实可以改善电荷泵稳压器的负载调节率与线性调节率。负载调节率的改善，为当负载有变化时，一般输出电压会跟着改变，本发明通过反馈控制产生的调制信号使得输出电压的涟波电压变小，且有更好的输出电流范围(例如：1mA～100mA)。所以采用本发明于ΔVo在更低的情形，ΔIo变大的结果，将使得负载调节率变的较好。本发明的电荷泵稳压器，当输入电压改变时，输出电压能够一直维持稳定。所以ΔVo在更低的情形，且ΔVi在变动的范围下，将使得线性调节率能够更为降低。

请参考图6a，本发明的电荷泵反馈控制装置流程图的实施例，包含以下的步骤：

步骤501：依据多个相位信号的切换而控制一输入电压对至少一个电容充放电而产生一输出电压。

步骤502：补偿输出电压而产生一误差信号。

步骤503：调制误差信号而产生一调制信号。

步骤504：依据调制信号产生相位信号。

其中该调制信号为一脉冲频率调制信号。脉冲频率调制信号利用一电压振荡器依据误差信号来进行调制，误差信号为模拟信号，可连续调整震荡频率以维持输出电压的稳定。

请参考图6b，本发明的电荷泵反馈控制装置流程图的另一实施例，包含以下的步骤：

步骤511：依据多个相位信号的切换而控制一输入电压对至少一个电容充放电而产生一输出电压。

步骤512：比较判断输出电压的高低而产生一比较信号。

步骤513：依据比较信号而省略产生一调制信号。

步骤514：依据调制信号产生相位信号。

其中该调制信号为一脉冲省略调制信号。脉冲省略调制信号利用一开关切换器依据比较器输出信号的一电压电平来进行调制，当补偿信号为高电位时，而使得振荡器所产生的振荡信号通过，以产生调制信号；当补偿信号为低电位时截止振荡信号的通过，而截止调制信号。如此，即可产生脉冲省略调制后的调制信号。

请注意：本发明的此电荷泵反馈控制装置与方法确实可改善负载调节率与线性调节率，相对于传统的开环回路的控制装置，且闭环回路的控制装置有更加的稳定输出电压，其输出电压的涟波会更低。且本发明还加入补偿单元以改善电荷泵反馈控制装置的稳定度，使得***能够获得更快的瞬时响应。本发明实务上确实改善现有技术无法稳定输出电压，及改善输出电压的涟波高度。且本发明另一主要是目的提出利用调制的方装置与方法产生多个相位信号控制电荷泵的多个开关与至少一个电容，以将输入电压并利用至少一个电容进行充放电而产生输出电压。而电荷泵升压与降压的倍数与电荷泵的架构已是本领域普通技术人员的范围，在此就不加以重述。

虽然本发明的技术内容已经以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域普通技术人员在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种电荷泵反馈控制装置，耦接于一电荷泵单元，所述电荷泵单元接收一输入电压而产生一输出电压，且所述电荷泵单元具有多个开关及至少一个电容，所述装置包含：

一补偿单元，耦接所述电荷泵单元，用以接收所述输出电压并进行稳定度补偿而产生一误差信号；

一调制单元，耦接所述补偿单元，用以接收所述误差信号并进行调制而产生一调制信号；及

一相位控制单元，耦接所述调制单元，用以接收所述调制信号并产生多个相位信号，依据所述相位信号对所述电荷泵单元的所述开关进行切换，而使得所述输入电压对所述电荷泵单元的所述至少一个电容进行充放电而产生所述输出电压。

2.根据权利要求1所述的装置，还包含：

一分压单元，介于所述电荷泵单元与所述补偿单元之间，用以接收所述电荷泵单元所输出的所述输出电压并于分压后输出至所述补偿单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述调制单元为一电压控制振荡器，耦接所述补偿单元，用以接收所述误差信号，并依据所述误差信号的大小以产生脉冲频率调制后的所述调制信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述补偿单元包含：

一阻抗；及

一放大器，包含：

一输入负端，耦接一参考电压；及

一输入正端，耦接所述电荷泵单元、及所述调制单元，所述阻抗跨接所述放大器的一输入负端与所述放大器的一输出端，所述放大器的一输入正端耦接一参考电压，用以接收所述输出电压并进行稳定度补偿而产生所述误差信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述调制单元为一电流控制振荡器，耦接所述补偿单元，并依据所述误差信号的大小以产生脉冲频率调制后的所述调制信号。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相位控制单元为多个组合逻辑，用以将所述调制信号组合成所述相位信号。

7.一种电荷泵稳压器反馈控制方法，包含以下步骤：

依据多个相位信号的切换而控制一输入电压对至少一个电容充放电而产生一输出电压；

补偿所述输出电压而产生一误差信号；

调制所述误差信号而产生一调制信号；及

依据所述调制信号产生所述相位信号。

8.根据权利要求7所述的方法，还包含以下步骤：

分压所述输出电压。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述调制信号为一脉冲频率调制信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述脉冲频率调制信号依据所述误差信号的大小以产生脉冲频率调制后的所述调制信号。

11.一种电荷泵反馈控制装置，耦接于一电荷泵单元，所述电荷泵单元接收一输入电压而产生一输出电压，且所述电荷泵单元具有多个开关与至少一个电容，所述装置包含：

一比较器，耦接所述电荷泵单元，所述比较器的一输出端耦接所述电容，用以接收所述输出电压并与一参考电压比较后而产生一比较信号；

一调制单元，耦接所述比较器，用以接收所述比较信号并依据所述比较信号进行省略调制而产生一调制信号；及

12.根据权利要求11所述的装置，还包含：

一分压单元，介于所述电荷泵单元与所述比较器之间，用以接收所述电荷泵单元所输出的所述输出电压并于分压后输出至所述比较器。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述调制单元包含：

一振荡器，用以产生一振荡信号；及

一开关切换器，耦接所述比较器与所述振荡器，当所述比较信号为高电位时使所述振荡信号通过，当所述比较信号为低电位时截止所述振荡信号的通过，藉以产生脉冲省略调制后的所述调制信号。

14.一种电荷泵稳压器反馈控制方法，包含以下步骤：

比较判断所述输出电压的高低而产生一比较信号；

依据所述比较信号而省略产生一调制信号；及

依据所述调制信号产生所述相位信号。

15.根据权利要求14所述的方法，还包含以下步骤：

分压所述输出电压。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述调制信号为一脉冲省略调制信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述脉冲省略调制信号利用一开关切换器并依据所述比较信号的一电压电平来进行调制，当所述比较信号为高电位时，产生所述调制信号，当所述比较信号为低电位时截止所述调制信号。