[发明专利]可重构电荷泵的高精度电压转换比搜寻电路及电荷泵系统

说明书

本发明公开了一种可重构电荷泵的高精度电压转换比搜寻电路，包括依次连接的采样保持电路、高精度误差电压‑时间转换器、时间‑数字信号转换器以及反码产生电路；在该电路的基础上，本发明还提供了一种可快速搜寻电压转换比的电荷泵系统，包括所述可重构电荷泵的高精度电压转换比搜寻电路、状态检测模块、最优VCR产生模块、时钟产生模块和RSC电荷泵。现有可重构电荷泵电压转换比搜寻电路存在搜寻速度慢的问题，本发明技术方案通过高精度最优电压转换比搜寻电路，提高最优VCR的搜寻精度，从而加快了搜寻速度，解决了上述问题，实现了可重构电荷泵瞬态响应的改善。

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种可重构电荷泵的高精度电压转换比搜寻电路及电荷泵系统。

背景技术

针对物联网电子设备的小尺寸需求，通过单电压缩放提供多个电压域的全集成电源转换器成为了业界流行的片上电源解决方案。SoC(System-On-a-Chip、片上系统)需要片上电源能在小面积中产生更多和更高效率的电压域，而具有大量VCR(Voltage ConversionRatio、电压转换比)的可重构电荷泵因其能在较大输出范围内保持高效率，成为了片上电源的发展趋势。然而，随着VCR的增多，电荷泵的输出电压域和电压分辨率也增加，但也导致搜寻最优VCR(输出电压最接近参考电压的VCR)的时间变长，负载瞬态响应变差。因此当SoC负载电流剧烈变动时，最优VCR搜索时间过长，上冲/下冲电压使SoC长时间工作在非理想状态，导致性能降低甚至故障。换句话说，VCR数量(关乎电荷泵的效率和电压调节能力)和负载瞬态响应存在权衡。因此可重构电荷泵的快速搜寻电压转换比技术是一个值得研究的命题。

当前主流的最优VCR搜寻方法有feedback/feedforward control(前馈/反馈控制)、binary search(二进制搜寻)、FORS(Fast Optimum Ratio Searching、快速搜寻最优转换比)三种方法。feedback/feedforward方法需要一个分压网络，面积开销大，且需多次采样输出电压，迭代搜寻最优VCR，搜寻速度慢。binary search方法尽管消除了分压网络的开销，但仍需多次采样输出电压，搜寻速度慢的问题尚未解决。FORS方法通过评估上冲/下冲电压大小来搜寻最优VCR，该方法不需要分压网络且减少了采样次数，但FORS的搜寻精度较差，仍需通过最小VCR步长迭代搜寻VCR，未完全解决最优VCR搜寻速度慢的问题。本发明创造针对现有可重构电荷泵的最优VCR搜寻速度慢的问题进行改良，通过提高最优VCR搜寻速度，从而改善负载瞬态响应。

论文《A Fully Integrated Asymmetrical Shunt Switched-Capacitor DC–DCConverter with Fast Optimum Ratio Searching Scheme for Load TransientEnhancement》提出的FORS方法的工作原理为：通过采样输出电压V_OUT与参考电压V_REF，存放在电容C₁和C₂中，并与阈值电压为V_th的NMOS管和阻值为R的电阻采用源极负反馈接法，形成电流源和通过误差电压-时间转换(ΔVTC)电路使用两电流源对容值大小C_p为的寄生电容C_p1和C_p2放电。两寄生电容的电压为异或门XOR的输入端，由于两电容放电速度不一样，因此电容电压下降至XOR的开启电压V_open的时间也不一样，使得XOR的输出EN_C的维持时间ΔT正比于ΔV。通过使用周期为t₃₂的时钟信号clk₃₂将ΔT量化为8位数字编码K[7:0]，K[7:0]为当前VCR相较于最优VCR的误差VCR，根据K[7:0]和当前VCR则可搜寻到最优VCR，其中K[7:0]的表达式为式1所示：