阅读说明：本技术 用于开关电容调节器的转换速率控制的电路和方法 (Slew rate control circuit and method for switched capacitor regulator ) 是由 托马斯·李 李志鹏 阿尔贝托·亚历山德罗·安吉洛·普杰利 汉斯·梅瓦特 于 2019-02-14 设计创作，主要内容包括：电路包括：第一电容器(C1)；第一开关(S1),其具有耦合至V<Sub>IN</Sub>的第一端和耦合至C1的第一端的第二端；第二开关(S2),其具有耦合至S1的第二端的第一端；第三开关(S3),其具有耦合至S2的第二端的第一端和耦合至C1的第二端的第二端；第四开关(S4),其具有耦合至S3的第二端的第一端和耦合至V<Sub>SUPPPLY</Sub>的第二端,其中：在第一状态中,S1和S3关断,而S2和S4接通；在第二状态中,S1和S3接通,而S2和S4关断；并且S1的控制端、S2的控制端、S3的控制端和S4的控制端中的至少一个耦合至转换速率随时间变化的信号。(The circuit comprises: a first capacitor (C1); a first switch (S1) having a terminal coupled to V IN And a second terminal coupled to the first terminal of C1; a second switch (S2) having a first terminal coupled to the second terminal of S1; a third switch (S3) having a first terminal coupled to the second terminal of S2 and a second terminal coupled to the second terminal of C1; a fourth switch (S4) having a first terminal coupled to the second terminal of S3 and a second terminal coupled to V SUPPPLY Wherein: in the first state, S1 and S3 are off, while S2 and S4 are on; in the second state, S1 and S3 are on, while S2 and S4 are off; and among the control terminal of S1, the control terminal of S2, the control terminal of S3 and the control terminal of S4Is coupled to the signal having a slew rate that varies with time.)

用于开关电容调节器的转换速率控制的电路和方法

背景技术

开关电容调节器是众所周知的调节器类别，其可以被用于调节电压或电流。在很多现有的开关电容调节器中，调节器的网络开关使调节器在两种状态之间切换。这种调节器的输出电压或输出电流可以通过调整调节器在状态之间切换的频率来进行调节。然而，在对电磁干扰(EMI)敏感的电子设备中，改变开关频率可能是禁止的。例如，手机在EMI上有严格的规范，因为太多的EMI会影响通话质量和无线数据传输，并且手机工程师经常需要调整各种芯片的工作频率，以防止它们干扰关键通信信号，从而确保不会降低通话质量。为了满足严格的EMI规范，SC调节器可能需要在可预测的、单一开关频率下进行操作。在这种情况下，SC调节器不能调整开关频率来调节输出电压。

因此，需要用于调节开关电容调节器的输出的新机制。

发明内容

根据一些实施例，提供了用于开关电容调节器的转换速率控制的电路和方法。更具体地，在一些实施例中，提供了用于开关电容调节器的电路，所述电路包括：第一电容器，其具有第一端和第二端；第一开关，其具有耦合至输入电压的第一端、耦合至所述第一电容器的第一端的第二端、以及控制端；第二开关，其具有耦合至所述第一开关的第二端的第一端、第二端、以及控制端；第三开关，其具有耦合至所述第二开关的第二端的第一端、耦合至所述第一电容器的第二端的第二端、以及控制端；第四开关，其具有耦合于所述第三开关的第二端的第一端、耦合至电源电压的第二端、以及控制端，其中在第一状态中：所述第一开关关断；所述第二开关接通，所述第三开关关断，并且所述第四开关接通；其中在第二状态中：所述第一开关接通；所述第二开关关断，所述第三开关接通，并且所述第四开关关断，并且其中所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端以及所述第四开关的控制端中的至少一个耦合至具有随时间变化的转换速率的控制信号。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述第一开关是PMOS FET，并且所述第一开关的控制端是所述PMOS FET的栅极。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述第二开关是NMOS FET，并且所述第二开关的控制端是所述NMOS FET的栅极。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述第三开关是PMOS FET，并且所述第三开关的控制端是所述PMOS FET的栅极。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述第四开关是NMOS FET，并且所述第四开关的控制端是所述NMOS FET的栅极。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述电源电压是接地的。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述电路进一步包括第二电容器，其具有耦合至所述第二电容器的第二端的第一端、以及耦合至所述电源电压的第二端。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述电路进一步包括可变电容器，其具有耦合至所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端、和所述第四开关的控制端之一的第一端。再具体地，在这些实施例的一些中，所述可变电容器是一组开关电容器。再具体地说，在这些实施例的一些中，所述可变电容器是变容管。

更具体地，在这些实施例的一些中，所述电路进一步包括：可变电流源，其具有输出端；第三电容器，其具有耦合至所述电源电压的第一端，并且具有耦合至所述可变电流源的输出端、以及所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端和所述第四开关的控制端之一的第二端。

附图说明

图1是根据一些实施例的N：M开关电容(SC)调节器模型的示例。

图2A是根据一些实施例的2：1SC调节器的示例。

图2B示出了根据一些实施例的图2A的2:1SC调节器的四个栅极的波形示例。

图3A-3C示出了根据一些实施例的具有不同转换速率的栅驱动波形的示例。

图3D示出了根据一些实施例的通过调整产生栅极驱动信号的驱动程序的电源电压来调整有效V_GS的方法示例。

图4A是根据一些实施例的用于改变转换速率的第一电路的示例。

图4B是根据一些实施例的用于改变转换速率的第二电路的示例。

具体实施方式

根据一些实施例，提供了利用电源开关控制信号的可变转换速率来调节开关电容调节器的输出的机制。

图1示出了根据一些实施例的N:M开关电容(SC)调节器模型的示例100。例如，如果N为2，M为1，则SC调节器模型100描述了2：1SC调节器。输入电压V_IN 102乘以比值M/N 108，然后是输出电阻R_OUT 106。V_OUT＝M x V_IN/N–R_OUT x I_OUT。R_OUT 106可以通过改变SC调节器的开关频率来调整，但是由于EMI的原因，在一些应用中这可能是禁止的。此外，还可以通过改变电源开关的有效电阻来调整R_OUT 106。其中一种方法是改变栅极驱动信号到电源开关的转换速率。

图2A示出了根据一些实施例的2：1SC调节器102的示例。如图所示，调节器102包括四个电源开关P_TOP 202、N_MID 204、P_MID 206、和N_BOT 208。在一些实施例中，可以使用任何合适的组件来实现这些开关。例如，在一些实施例中，P_TOP 202和P_MID 206可以是PMOS FET电源开关，而N_MID 204和N_BOT 208可以是NMOS FET电源开关。

在操作期间，这些开关可以接通和关断，以使调节器在状态0和状态1之间转换，从而将V_OUT 108调节为接近于V_IN 104的1/2。这些开关可以由四个电源开关P_TOP 202、N_MID 204、P_MID 206和N_BOT 208的四个栅极信号P_{TOP_G} 210、N_{MID_G} 212、P_{MID_G} 214和N_{BOT_G} 216来控制。栅极信号将P_TOP 202、N_MID 204、P_MID 206和N_BOT 208的相应栅极驱动为接通或关断。

如图2A所示，在状态0中，P_TOP 202和P_MID 206是关断的(由虚线表示)，而N_MID 204和N_BOT 208是接通的。在状态1中，P_TOP 202和P_MID 206是接通的，而N_MID 204和N_BOT 208是关断的(用虚线表示)。如图2A所示，在状态0中：C_FLY 114的第一端可以通过N_MID 204耦合至去耦电容器C_OUT 106的第一端和输出V_OUT 108的输出端；而C_FLY 114的第二端可通过M_BOT 208耦合至地面。在状态1中：C_FLY 114的第一端可以通过P_TOP 202耦合至V_IN 104；而C_FLY 114的第二端可以通过P_MID 206耦合至解耦电容器C_OUT 106的第一端和输出V_OUT 108的输出端。在一些实施例中，在状态0和状态1二者下，可以将C_OUT 106的第二端耦合至地面110。

图2B分别示出了可用于一些实施例的四个电源开关P_TOP 202、N_MID 204、P_MID 206和N_BOT 208的四个栅极P_{TOP_G} 210、N_{MID_G} 212、P_{MID_G} 214和N_{BOT_G} 216的示例波形。在一些实施例中，V_MID 218可以连接至V_OUT 108，或者可以由单独的电压调节器提供，该电压调节器生成接近输入电压V_IN 104的1/2的电压。

如图2B所示，在一些实施例中，P_{TOP_G} 210和P_{MID_G} 214可以共享同一信号，而N_{MID_G}212和N_{BOT_G} 216可以共享同一信号。在一些实施例中，在N_{MID_G}212的关断时间和P_{TOP_G} 210的接通时间之间可能存在停滞时间220，以提供足够的余量来保证两个开关不会同时接通，不然其可能导致SC调节器故障。在一些实施例中可以使用任何合适的持续停滞时间。

即使在接通电源开关时，由于非理想寄生电阻也会存在非零的接通状态电阻。电源开关的接通状态电阻可以被调整为调整R_OUT来调节SC调节器。MOSFET的接通状态电阻大致与(V_GS–V_th)(V_GS是MOSFET的栅源电压，V_th是MOSFET的阈值电压)成反比，因此在开关的接通状态期间改变V_GS的平均值是一种改变接通状态电阻的方法。

这可以通过调整栅极驱动信号的转换速率来完成。图3A-3C示出了具有不同转换速率的栅极驱动波形的示例，其可以作为栅极驱动信号。通过使用不同的波形，可以控制接通状态电阻。图3A在接通状态期间具有最高的有效V_GS，或V_GS的最高平均值，这会导致N_BOT208的最低接通状态电阻。图3B具有较低的有效V_GS，而图3C具有最低的有效V_GS。在一些实施例中，降低N_{BOT_G} 216的转换速率可能会导致较低的有效V_GS和较低的R_OUT。在一些实施例中，这也可以应用于除了N_BOT 208以外的开关。

如图3D所示，在一些实施例中，调整有效V_GS的另一种方法可以是调整产生栅极驱动信号(例如N_{BOT_G} 216)的驱动器的电源电压。在图3D中，N_{BOT_G} 216在GND 110和V_LOW 318之间切换，V_LOW 318是比V_MID 218电压更低的可变电压电平。这种方法的缺点是它要求额外的电压调节器来产生可变电压V_LOW 318。V_LOW 318可以是GND 110和V_MID 218之间的任何值。V_LOW318的电压越低，N_BOT 208的接通状态电阻越高。通过调整N_BOT 208的接通状态电阻，调节器可以调节输出电压或输出电流。

相反地，可以用非常简单的电路来改变转换速率。图4A-4B中示出了根据一些实施例的可用于改变转换速率的电路的两个示例。如图4A所示，在N_BOT 208的栅极上可以有可调电容402，其可以是连接或断开连接的电容器阵列，也可以是变容管。电容越大会导致在N_BOT208的接通状态期间，N_{BOT_G} 216的转换速率越低并且有效V_GS越低。如图4B所示，另一示例是具有可变电流源406(它可以以任何合适的方式实现，诸如例如，具有可调栅极电压的MOSFET)，其向连接到N_BOT 208的栅极的电容器404提供电荷。随着电流的增加，N_{BOT_G} 216的转换速率也增加。可变电流和可变电容二者可以在一些实施例中使用，以允许大范围的N_{BOT_G} 216的转换速率。

类似电路可应用于其他电源开关，包括P_TOP 202、N_MID 204和P_MID 206。

尽管本发明已在上述说明性实施例中描述和说明，但是应该理解，本公开只是为了举例，并且在实施本发明的细节上的许多变化都可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行，而这种精神和范围只受到所附权利要求书的限制。所公开的实施例的特征可以以各种方式组合和重新排列。