包括输出效率控制的电荷泵系统

优先权声明

本专利申请要求享有于2018年12月12日提交的美国申请序列号No.16/217,878的优先权权益，其全部内容通过引用的方式并入本文中。

技术领域

本文描述的实施例涉及集成电路中的电源。一些实施例涉及电荷泵电路。

背景技术

电荷泵为用于器件从较低供电电压生成较高供电电压的常用电子器件。许多常规电荷泵具有通过降低电荷泵的操作频率来相对于输出电流改进电荷泵效率的技术(所谓的时钟跳变技术)。这种传统技术在输出电压纹波和噪声性能方面可能使电荷泵的输出电压的质量恶化。因此，这种传统的电荷泵不利于在对噪声敏感的系统中使用。

附图说明

图1示出了根据本文所描述的一些实施例的包括电压发生器和负载的装置。

图2示出了根据本文所描述的一些实施例的图1的电压发生器的电荷泵的等效电路。

图3示出了根据本文所描述的一些实施例的电压发生器。

图4示出了根据本文所描述的一些实施例的采用电子系统形式的装置。

具体实施方式

本文所描述的技术涉及构建到电荷泵系统中的反馈机制。电荷泵系统包括可以是电压发生器的一部分的电荷泵。反馈机制可以监测电荷泵系统的输出电流并且生成反馈信息，所述反馈信息可以包括参考电压。所描述的技术使用参考电压来调整由电荷泵使用的电源电压中的一个。该调整可以降低与电荷泵的切换相关的功耗，而不会牺牲输出电压在噪声和纹波方面的质量。该调整提高了在使用来自电荷泵的功率的负载的一些操作条件下的电荷泵的效率。下面讨论所描述的技术的其他改进和益处。所描述的技术可以用于噪声灵敏度是一个因素的许多系统中。

图1示出了根据本文所描述的一些实施例的包括电压发生器101和负载102的装置100。装置100可以包括电子器件或系统或被包括在电子器件或系统中。此类器件或系统的示例包括计算机(例如，服务器、台式机、膝上型计算机和笔记本)、平板电脑、蜂窝电话、可穿戴电子物品、物联网(IoT)、集成电路芯片(例如，处理器)和其他电子器件或系统。

如图1所示，装置100可以包括用于接收电压(例如，输入供电电压)V

如图1所示，电压发生器101可以包括电荷泵110，其可以分别在节点103、105和106处接收电压(例如，供电电压)V

电荷泵110可以将电压V

如图1所示，电压发生器101可以包括输出调节器120，以调节电压V

负载102可以包括或可以是可能需要低噪声和低纹波供电(例如，调制解调器的收发器部分中的天线信号路径)的电子单元的一部分、发射器、接收器或其他类型的电子单元的一部分。负载102可以具有不同的操作状态，其可以包括较高功耗状态(例如，活跃状态)和较低功耗状态(例如，诸如睡眠状态的非活跃状态)。负载102可以在较高功耗状态下消耗相对较高的电流，而在较低功耗状态下消耗相对较低的电流。节点104处的电流I

电压发生器101可以包括相位供电电压控制器130，其可以操作以接收电压(例如，参考电压)V

电压发生器101可以包括监测电路140，其可以操作以监测电流I

监测电路140可以监测电流I

如上所述以及如以下更加详细描述的，本文所描述的技术涉及基于负载102的操作条件来提高电荷泵(例如，电荷泵110)的效率的机制。如上所述，电流I

图2示出了根据本文所描述的一些实施例的图1的电压发生器的电荷泵110的等效电路。如图2所示，电荷泵110的等效电路可以由与输出电阻Rs串联连接的电压源VCP

在图2中，电压VCP

VCP

在等式(1)中，符号“*”表示乘法，符号“/”表示除法，“C”表示电荷泵级电容，“Cs”表示与单个电荷泵级相关的杂散电容，并且“V

图2的输出电阻Rs可以根据Dickson电荷泵结构如下表示。

Rs＝2/[(C+Cs)*fs](2)

在等式(2)中，“fs”是提供电荷泵相位的时钟信号CLK的频率。

在图2中，波纹电压V

V

电荷泵110的有效输出电压(例如，V

V

基于等式(3)，纹波电压V

电荷泵110的效率(η)可以如下定义。

η＝(V

在等式(5)中，V

P_res＝Rs*I

P_dyn＝k*N*fs*Cs*V

在等式(7)中，“k”是比例系数。

将等式(6)和(7)与等式(5)组合产生电荷泵效率的一般表示如下。

η＝(V

在一些操作条件下，负载(例如，负载102)可以消耗相对低的功率(例如，低或中电流)。在没有本文所描述的技术的情况下，由于传递到负载的低功率、小电阻功耗和主导的开关功耗，电荷泵110的效率在这样的操作条件下可能相对较低。本文所描述的技术有助于提高电荷泵110在这种操作条件下的效率。如下文更详细地描述，所描述的技术包括可以基于输出电流(例如，I

本文所描述的技术包括监测负载电流(例如，I

参考图1，电荷泵110可以基于等式1和4生成电压V

图3示出了根据本文所描述的一些实施例的包括电压发生器301和负载302的装置300。负载302可以包括图2的负载102，并且可以由图3所示的电容器C

如图3所示，电压发生器301可以包括电荷泵310、输出调节器320、相位供电电压控制器330和包括电流传感器341和电流至电压转换器342的组合的监测电路。

电荷泵310可以包括在节点303与307之间串联耦合的二极管Dl、D2和D3、电容器C1和C2、包括晶体管P1、P2、N1和N2的开关电路(例如，相位驱动器电路)311以及反相器INV。节点303和307可以分别是电荷泵310的输入和输出节点。节点303可以接收电压V

输出调节器320可以包括运算放大器321、晶体管N以及电阻器R1和R2。输出调节器320可以基于电压V

相位供电电压控制器330可以包括晶体管P5和运算放大器331，其形成电压跟随器输出电路以基于电压V

电流传感器341可以包括晶体管P3和P4。电压转换器342可以包括晶体管P4、电流源343、电阻器R

在操作中，开关电路311可以是电荷泵310的两个电荷泵级的一部分。电荷泵310的一级可以包括晶体管P1和N1。电荷泵310的另一级可以包括晶体管P2和N2。

如图3所示，晶体管P1和N1具有接收时钟信号CLK的栅极。晶体管P1和N1可以形成驱动器(例如，相位驱动器)，其可以基于时钟信号CLK的相位(例如，信号电平)操作(例如，交替地导通和截止)以将电容器C1的极板(例如，下极板)耦合到地或节点305。

晶体管P2和N2具有接收时钟信号(通过反相器INV)的栅极。晶体管P2和N2可以形成驱动器(例如，相位驱动器)，其可以基于时钟信号CLK的相位(例如，信号电平)操作(例如，交替地导通和截止)以将电容器C2的极板(例如，下极板)耦合到地或节点305。

如图3所示，电容器C1可以包括直接耦合到包括晶体管P1和N1的驱动器的输出节点(晶体管P1和N1之间的节点)的下极板。电容器C2可以包括直接耦合到包括晶体管P2和N2的驱动器的输出节点(晶体管P2和N2之间的节点)的下极板。在电荷泵310的操作期间，响应于时钟信号CLK的一个相位(“低”电平)，电容器C1的下极板可以耦合到节点305(耦合到电压V

输出调节器320可以包括源极跟随器输出级(例如，被包括在运算放大器321中)以基于电压V

电流传感器341可以操作以基于电流I

电流至电压转换器342可以操作以将电流I

由电流至电压转换器342生成的电压V

[C/(C+Cs)]*V

满足等式(9)所示的条件允许电压V

相位供电电压控制器330可以包括电压跟随器输出电路(例如，被包括在运算放大器331中)，以基于电压V

图4示出了根据本文所描述的一些实施例的采用系统(例如，电子系统)400形式的装置。系统400可以包括计算机、平板电脑或其他电子系统或被包括在计算机、平板电脑或其他电子系统中。如图4所示，系统400可以包括诸如电池405、处理器415、存储器器件420、存储器控制器430、图形控制器440、输入和输出(I/O)控制器450、显示器452、键盘454、定点器件456、至少一个天线458和天线电路路径(例如，天线信号路径)402、连接器459和总线460的部件。总线460可以包括导线(例如，系统400的部件所位于的电路板上的基于金属的迹线)。

在一些布置中，系统400不必包括显示器。因此，可以从系统400中省略显示器452。在一些布置中，系统400不必包括任何天线。因此，可以从系统400中省略天线458。

电池405可以向系统400的部件提供功率，(例如，通过功率传递路径416)例如向处理器415、存储器器件420、存储器控制器430、图形控制器440和I/O控制器450提供功率。

处理器415可以包括通用处理器或专用集成电路(ASIC)。处理器415可以包括CPU。

存储器器件420可以包括动态随机存取存储器(DRAM)器件、静态随机存取存储器(SRAM)器件、闪存器件、相变存储器器件、这些存储器器件的组合或其他类型的存储器。图4示出了其中存储器器件420是与处理器415分离的独立存储器器件的示例。在替代布置中，存储器器件420和处理器415可以位于同一管芯上。在这种替代布置中，存储器器件420是处理器415中的嵌入式存储器，例如嵌入式DRAM(eDRAM)、嵌入式SRAM(eSRAM)、嵌入式闪存或其他类型的嵌入式存储器。

显示器452可以包括液晶显示器(LCD)、触摸屏(例如，电容式或电阻式触摸屏)或另一类型的显示器。定点器件456可以包括鼠标、触控笔或另一类型的定点器件。

I/O控制器450可以包括用于有线或无线通信(例如，通过一个或多个天线458进行的通信)的通信模块。这种无线通信可以包括根据WiFi通信技术、高级长期演进(LTE-A)通信技术或其他通信技术的通信。

I/O控制器450还可以包括允许系统400根据一个或多个标准或规范(例如，I/O标准或规范)与其他器件或系统通信的模块，所述标准或规范包括通用串行总线(USB)、显示端口(DP)、高清晰度多媒体接口(HDMI)、雷电(Thunderbolt)、快速外围组件互连(PCIe)、以太网和其他规范。

连接器459可以被布置(例如，可以包括诸如引脚的端子)为允许系统400耦合到外部器件(或系统)。这可以允许系统400通过连接器459与这样的器件(或系统)通信(例如，交换信息)。

连接器459和总线460的至少一部分可以包括符合USB、DP、HDMI、雷电、PCIe、以太网和其他规范中的至少一个的导线。

如图4所示，处理器415、存储器器件420、存储器控制器430、图形控制器440和I/O控制器450中的每一个可以包括电压发生器401。电压发生器401可以包括以上参考图1至图3所描述的电压发生器101和电压发生器301。因此，电压发生器401可以包括以上参考图1至图3所描述的电荷泵、输出调节器、相位供电电压控制器和监测电路，所述监测电路包括电流传感器和电流至电压转换器。

如图4所示，系统400还可以包括电压发生器401，以将电压V

图4示出了一个示例，其中处理器415、存储器器件420、存储器控制器430、图形控制器440和I/O控制器450中的每一个都包括电压发生器401。然而，在一些布置中，处理器415、存储器器件420、存储器控制器430、图形控制器440和I/O控制器450中的一些可以不包括发生器401。

图4示出了作为示例的彼此分开布置的系统400的部件。例如，天线电路路径402、处理器415、存储器器件420、存储器控制器430、图形控制器440和I/O控制器450中的每一个可以单独位于系统400中。例如，这些部件中的每一个都可以位于集成电路(1C)(例如，半导体管芯或IC芯片)上。在一些布置中，系统400的两个或更多个部件(例如，天线电路路径402、处理器415、存储器器件420、图形控制器440和I/O控制器450)可以位于形成片上系统(SoC)的同一管芯(例如，同一IC芯片)上，或者位于形成系统上封装(SoP)或系统级封装(SiP)的同一IC封装上。

上述装置(例如，包括电压发生器101、301和401的装置100和300以及系统400)的图示旨在提供对不同实施例的结构的一般理解，而不是旨在提供对可能利用本文所述结构的装置的所有元件和特征的完整描述。

上述装置和方法可以包括高速计算机、通信和信号处理电路、单处理器模块或多处理器模块、单嵌入式处理器或多嵌入式处理器、多核处理器、消息信息交换机以及包括多层或多芯片模块的专用模块或被包括在其中。此类装置可以进一步作为子部件被包括在多种其他装置(例如，电子系统)内，例如电视、蜂窝电话、个人计算机(例如，膝上型计算机、台式计算机、手持式计算机等)、平板电脑(例如，平板计算机)、工作站、收音机、视频播放器、音频播放器(例如，MP3(运动图像专家组，音频层3)播放器)、车辆、医疗器件(例如，心脏监测器、血压监测器等)、机顶盒等。

示例1包括主题(例如，器件、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器)，包括用于接收第一供电电压的第一节点；用于接收第二供电电压的第二节点；用于接收时钟信号的第三节点；耦合到第一、第二和第三节点以基于第一供电电压、第二供电电压和时钟信号的定时生成输出电压的电荷泵；用于基于输出电压在节点处生成电压的输出调节器；以及用于监测节点处的输出电流并基于输出电流提供反馈信息以调整第二供电电压的值的监测电路。

在示例2中，示例1的主题可以可选地包括，其中监测电路用于基于输出电流生成参考电流，并且反馈信息包括基于参考电流生成的参考电压。

在示例3中，示例1或2的主题可以可选地包括，还包括用于基于参考电压的值来调整第二供电电压的值的控制器。

在示例4中，示例1或2的主题可以可选地包括，其中电荷泵包括用于提供输出电压的输出节点、以及耦合在第一节点和输出节点之间的至少一个二极管。

在示例5中，示例4的主题可以可选地包括，其中电荷泵包括耦合在第二节点和地之间的驱动器。

在示例6中，示例5的主题可以可选地包括，其中驱动器包括具有耦合到第三节点的栅极的晶体管。

在示例7中，示例1的主题可以可选地包括，其中第二供电电压的值小于第一供电电压的值。

示例8包括主题(例如，器件、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器)，包括用于基于第一电压在输出节点处生成输出电压的电荷泵，电荷泵包括用于基于时钟信号的定时来控制输出电压的生成的开关电路，开关电路包括用于接收第二电压的节点；用于基于输出电压来生成经调节的输出电压并在调节器输出节点处提供经调节的输出电压的输出调节器；用于基于调节器输出节点处的输出电流来生成参考电流的电流传感器；用于将参考电流转换为参考电压的转换器；以及用于基于参考电压来控制第二电压的控制器。

在示例9中，示例8的主题可以可选地包括，其中电荷泵包括用于接收第一电压的输入节点、以及串联连接在输入节点和输出节点之间的二极管。

在示例10中，示例9的主题可以可选地包括，其中电荷泵包括耦合到开关电路的节点的驱动器、以及耦合在二极管之一与驱动器的输出节点之间的电容器。

在示例11中，示例10的主题可以可选地包括，其中电荷泵包括耦合到开关电路的节点的附加驱动器、以及耦合在二极管之一与附加驱动器的输出节点之间的附加电容器。

在示例12中，示例11的主题可以可选地包括，其中驱动器和附加驱动器中的每一个包括具有用于接收时钟信号的栅极的晶体管。

在示例13中，示例8-12中的任意一个的主题可以可选地包括，其中电流传感器包括耦合在电荷泵的输出节点和调节器输出节点之间的第一晶体管和第二晶体管。

在示例14中，示例8-12中的任意一个的主题可以可选地包括，其中转换器包括耦合在电荷泵的输出节点和地之间的晶体管、电阻器和二极管。

在示例15中，示例14的主题可以可选地包括，其中电荷泵包括用于接收第一电压的输入节点，并且转换器包括耦合在输入节点和电阻器之间的电流源。

在示例16中，示例8的主题可以可选地包括，其中控制器包括电压跟随器电路，以基于参考电压的值来调整第二电压的值。

示例17包括主题(例如，器件、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器)，包括天线电路路径和耦合到天线电路路径的电压发生器，电压发生器包括用于接收第一供电电压的第一节点；用于接收第二供电电压的第二节点；用于接收时钟信号的第三节点；耦合到第一、第二和第三节点以基于第一供电电压、第二供电电压和时钟信号的定时生成输出电压的电荷泵；基于输出电压在节点处生成电压的输出调节器；以及用于监测节点处的输出电流并基于输出电流提供反馈信息以调整第二供电电压的值的监测电路。

在示例18中，示例17的主题可以可选地包括，还包括耦合到处理器的连接器，连接器符合通用串行总线(USB)、高清晰度多媒体接口(HDMI)、雷电、快速外围组件互连(PCIe)和以太网规范中的一个。

在示例19中，示例17或18的主题可以可选地包括，还包括耦合到天线电路路径的处理器。

在示例20中，示例17或18的主题可以可选地包括，还包括耦合到天线电路路径的显示器。

示例1至示例20的主题可以以任何组合来组合。

在具体实施方式和权利要求中，由术语“其中之一”结合的项的列表可以仅表示所列出的项中的一个。例如，如果列出了项A和B，则短语“A和B中的一个”仅表示A(不包括B)或仅表示B(不包括A)。在另一个示例中，如果列出了项A、B和C，则短语“A、B和C中的一个”仅表示A，仅表示B或仅表示C。项A可以包括单个元素或多个元素。项目B可以包括单个元素或多个元素。项目C可以包括单个元素或多个元素。

在具体实施方式和权利要求中，由术语“其中的至少一个”结合的项的列表可以表示所列出的项的任意组合。例如，如果列出了项A和B，则短语“A和B中的至少一个”仅表示A，仅表示B，或者表示A和B。在另一个示例中，如果列出了项A、B和C，则短语“A、B和C中的至少一个”仅表示A；仅表示B；仅表示C；表示A和B(不包括C)；表示A和C(不包括B)；表示B和C(不包括A)；或者表示全部A、B和C。项A可以包括单个元素或多个元素。项B可以包括单个元素或多个元素。项C可以包括单个元素或多个元素。

以上描述和附图示出了一些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明的实施例。其他实施例可以包含结构、逻辑、电气、过程和其他变化。示例仅代表可能的变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在其他实施例的部分和特征中，或者替代其他实施例的部分和特征。在阅读和理解以上描述的基础上，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，各种实施例的范围由所附权利要求连同这些权利要求书所赋予的等同方案的全部范围来确定。

为了符合需要摘要的37C.F.R 1.72(b)节而提供摘要，该摘要将允许读者确定技术公开的性质和要点。应当理解，其提交不是用于限制或解释权利要求的范围或含义。所附权利要求由此被并入到具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例。