具有电磁发射控制电路的集成的浮动功率传递设备和方法

摘要

为功率传递设备提供一种电磁发射控制电路和方法，所说功率传递设备具有通过功率和数据系统(107、301、310、103)驱动的浮动总线。电磁发射控制电路包括一个或多个开关控制电路(402、411)，开关控制电路耦合在浮动总线和功率和数据系统之间，用于促进浮动总线的充电并且用于通过约束浮动总线上的转换速率控制来自功率传递设备的电磁发射。在一个实施例中，一个或多个开关控制电路包括第一开关控制电路(402)和第二开关控制电路(411)，第一开关控制电路电耦合到浮动总线的高端总线节点(214)，第二开关控制电路电耦合到浮动总线的低端总线节点(215)。在此之后，定制第一和第二开关控制电路的传输特性，以便约束浮动总线上的转换速率。

说明书

技术领域

本申请要求保护2002年11月18日提交的美国临时专利申请No.60/427413的权益。这里参考引用了该申请的全文。

本发明一般涉及功率传递(power transfer)设备，更加具体地说，本发明涉及用于约束来自集成的浮动(floating)功率传递设备的电磁发射的开关控制电路和方法。

背景技术

许多系统设计都包括功率转换电路以产生所需的操作电压。一种这样的功率转换电路称之为电荷泵。电荷泵是用于增加电源电压或者反相电源电压以产生分段电源(split supply)的设备。许多这样的设备都涉及使用非可易失的存储器电路的应用，这些应用需要很高的编程电压。在常规的电荷泵功率转换电路中，要对于负载设备进行连接，以使负载的一端是电源终端之一的公共端，在一般情况下就是接地参考端。美国专利证书No.4807104公开了一种功率转换电路，它既是电压多路转换又是反相电荷泵。然而，功率转换电路的输出仍旧引到接地节点。

在某些系统的实施方案中，使用浮动功率传递设备给系统供电可能是有益的。通过浮动所说的功率传递设备，如果系统的一端短路，这个系统仍旧能够继续操作。例如，在一个自动总线网络中，系统在总线上的发出信号的部分对于任何其它的参考点如地或电池正端可以是浮动的。虽然一端短路，但通过允许交换仍旧发生，可使故障容限增加。

发明内容

通过提供浮动功率传递设备，可以克服现有技术的缺点并且可以提供附加的优点，所说的浮动功率传递设备包括一个浮动总线和驱动所说的浮动总线的一个功率和数据系统。功率和数据系统包括一个电荷泵电路。通过至少一个开关控制电路提供电磁发射控制，开关控制电路耦合在浮动总线和功率和数据系统之间，用于促进浮动总线的充电，并且用于通过约束浮动总线上的转换速率来控制来自浮动总线的电磁发射。

在另一方面，提供一个电路，所说电路包括第一和第二开关控制电路，第一开关控制电路电耦合到浮动总线的高端总线节点，第二开关控制电路电耦合到浮动总线的低端总线节点，其中的第一开关控制电路和第二开关控制电路包括互补控制电路，用于通过功率和数据系统控制浮动总线的充电。还要提供一个参考电路，用于为第一开关控制电路产生第一参考信号并且为第二开关控制电路产生第二参考信号。第一参考信号和第二参考信号分别由第一开关控制电路和第二开关控制电路使用，用于通过约束浮动总线上的转换速率控制来自浮动总线的电磁发射。

在下一方面，提供一种用于约束来自集成的浮动功率传递设备的电磁发射的方法。这个方法包括：定制电耦合到浮动总线的高端总线节点的第一开关控制电路的传输特性，并且定制电耦合到浮动总线的低端总线节点的第二开关控制电路的传输特性，其中第一开关控制电路和第二开关控制电路包括互补控制电路，用于通过功率和数据系统控制浮动总线的充电；并且，在使用时产生用于第一开关控制电路的第一参考信号和用于第二开关控制电路的第二参考信号，其中第一参考信号和第二参考信号分别由第一开关控制电路和第二开关控制电路使用，以便通过约束浮动总线上的转换速率控制来自浮动总线的电磁发射。

通过本发明的教导可以实现附加的特征和优点。在这里详细描述了本发明的其它实施例和方面，并且认为它们是本发明的一部分。

附图说明

在本说明书的结尾部分的权利要求书中具体指出并且明确要求保护被认为是本发明的主题。从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述的和其它的目的、特征、和优点都将变得显而易见，其中：

图1是常规的双倍压的电荷泵电路的一个实施例的示意图；

图2是具有功率和数据传输的双重功能的浮动功率传递设备的一个实施例的示意图；

图3是浮动功率传递设备的集成电路实施方案的一个实施例的示意图；

图4是按照本发明的一个方面的具有限制电磁发射的开关控制电路的集成的浮动功率传递设备的一个实施例的示意图；

图5是按照本发明的一个方面的用于图4的集成的浮动功率传递设备的开关控制电路的传输特性曲线图；

图6是按照本发明的一个方面的用于图4的集成的浮动功率传递设备的开关控制电路的一个实施例的示意图；

图7是按照本发明的一个方面的图6的开关控制电路的N型晶体管电平实施方案的一个实施例的示意图；

图8是按照本发明的一个方面的图6的开关控制电路的增强N型晶体管电平实施方案的示意图；

图9是按照本发明的一个方面的图6的开关控制电路的另一个增强N型晶体管电平实施方案的示意图；

图10是按照本发明的一个方面的如图7所示的开关控制电路的P型晶体管电平实施方案的一个实施例的示意图。

具体实施方式

现在参照附图，其中在不同附图中使用的相同标号代表相同的或相似的部件。在图1中表示的是用于给一个负载105供电的功率传递设备的一个实施例。这个电荷传榆设备在信号发生器109的控制下通过开关SW4101、SW3110向电容器CS103传递电荷。通过电源电压(V_DC)107提供电荷，电源电压(V_DC)107的一端引到地108。电容器CH104为负载105提供经过改变的电源。在这个电压倍压例中，当开关SW1 102、SW2 111通过信号发生器106闭合时，电容器104以两倍电容器CS的电压充电。

图1的功率传递设备称为参照地的电荷传榆设备，因为这个设备经过参照地的电容将功率提供给负载。如图1所示的电路通常应用在例如E²ROM编程或扩展不同模拟电路的操作范围。如下面还要进一步说明的，本发明不是一定要寻求增加或反相输出电压，而是使用一个类似的切换方案以便利用接近原始电源电压的一个电压来预充电浮动总线。对于按照本发明的一个方面实施的电路进行设计，以便可以从这个浮动电路连续地抽取功率，同时一个信令方案可使浮动总线部分地或者全部地放电。在共同授予的欧洲专利申请EP1065600A2中先前已经描述过这种设备的组合的功率和数据特征，在这里参照引用了这个申请的全文。

在图2中表示具有功率和数据传输双重功能的浮动功率传递设备的一个实施例。浮动总线是与电源电压V_DC107的地参照点108电隔离的一个总线。在如图2所示的电路中，输出端VB+214提供相对于浮动总线的一个连续的电源，用两个节点BUS+214和BUS-215来确定这个电源。在信号发生器V_SW1 109处在逻辑1时的“数据”阶段，电源开关SW3 110、SW4 101“接通”，并且将电源电压驱动到梭式电容器(shuttle capacitor)CS103。输出开关SW1 102、SW2 111断开，浮动总线BUS+214和BUS-215可用于发送信号。由于保持电容器CH204保持能量，所以可从浮动总线得到功率。二极管212可防止总线信号电压使保持电容器204放电。“功率”阶段，即当信号发生器V_SW2 106处在逻辑1时，通过接通总线开关102、111完成两个阶段的循环，同时V_SW1 109返回到逻辑0，断开电源开关101、110。在这个周期，电荷从梭式电容器103传递到浮动总线214、215，并因此传递到保持电容器204。浮动总线上的电压恢复到接近电源电压的数值。恢复来自保持电容器204的耗尽的电荷，同时根据需要维持来自输出端VB+216的连续电源。

在图3中表示具有组合的功率和数据特征的浮动功率传递设备的集成电路(IC)实施方案。在这个实施方案中，开关101、110、102、111用DMOS晶体管301、310、302、311代替，它们是P型和N型晶体管。这些器件需要增加二极管317、318、319、320，以维持浮动总线BUS+214和BUS-215与电源电压107和地108的隔离。这就意味着，在这种形式的电路中存在附加的电损耗，并且减小了相对于原始电源电压的可利用的输出电压。信号发生器106、109现在要求有附加的互补控制源109b、106b来驱动P型DMOS晶体管开关301、302(对于N型DMOS晶体管开关310、311，分别由控制源109、106驱动)。在一般情况下，控制源是由数字信号驱动的，并且以主要的逻辑电源电压偏置，其中与以上所述相同的情况都与图2的浮动功率传递设备有关。

在这个实施方案中，还可以从浮动电路得到功率，因为保持电容CH204保持着能量。二极管212再一次用于防止总线信号电压使保持电容器204放电。在负载205一侧的输出端VB+216提供相当于浮动总线的连续电源。

当在数据阶段在浮动总线上出现一个信号时，可将总线电压驱动到0伏或者某个预定中间值。在这个阶段的其余时间，总线就保持在这个数值。在功率阶段开始，总线晶体管开关302、311接通并且总线电压恢复到功率水平。在这个系统中，总线电压变化的速度取决于引导电流从梭式电容器CS103到浮动总线的开关302、311和二极管318、319。当不控制变化速率时，就像这种情况一样，电压波形的边缘可能是十分陡峭。这就使信号谱具有高次谐波内容。如果信号的光谱内容扩展到附近的无线电频段，这就是所谓的电磁发射(EME)。如图3所示的浮动功率传递设备的某种应用可能要求这个系统能将电磁发射限制在最小。在一个方面，本发明提供一种技术，用于减小/约束由浮动电源电路产生的电磁发射。

这里公开了一种技术，用于约束从通过一个组合的功率和数据系统并且根据集成电路(IC)电荷泵驱动的浮动总线输出的电磁发射。如以上所述，功率-相位电压边缘的未加控制的斜率可能产生干扰无线电接收的电磁发射。用这里公开的特定的开关控制电路替换图3的总线-开关晶体302、311，可以改善目标功率传递设备的电磁发射性能。在一个实施例中，假定功率传递设备有两个操作模式，一个高速模式和一个低速模式。在低速模式，通过利用可利用的向总线上传递电荷的较长的时间间隔，有可能实现较好的电磁发射性能。这就意味着，在某些实施方案，开关控制电路具有一个取决于总线速度的可选择的操作模式。

浮动总线形成一个平衡系统，这里的高端总线BUS+214的开关302和二极管318与对应的低端总线BUS-215的开关311和二极管319(还包括隐含的总线电容CBUS213)是匹配的。电流流动离开BUS+端并且进入BUS-端。使用两个互补电路(complementary circuit)来维持系统的平衡，同时实现期望的电磁发射减小。图4所示的电路描述具有电磁发射控制的浮动功率传递设备的一个实施例。

在图4中，源端的开关301、310和二极管317、320仍旧保持如图3所示的，而总线端的开关则由开关控制电路402、411和参考电路421代替。在此例中，开关控制电路402是基于P型晶体管的，并且提供控制电流输出，而开关控制电路411在此例中提供一个N型晶体控制的电流输出。参考电路421提供两个稳定的温度补偿的参考信号，这两个信号用于开关控制电路402、411的设定操作。

开关控制电路402、411的总体操作(conceptual operation)类似于“P型控制”402和“N型控制”411的电路，在这里只详细描述N型控制。P型控制电路402可以是N型控制电路的互补电路。“N型控制”电路有一个控制输入端Ctrl和一个参考端Ref以及开关节点Vlo和Sw。当向控制输入端Ctrl施加一个逻辑1时，开关控制电路411接通，当施加逻辑0时电路411断开。当在开关终端Sw和Vlo两端的电压大于指定的阈值电压(VswTh)时，将输出电流保持在一个恒定值，这个值取决于参考值。

图5表示用于一个设备的并且在“接通”开关时的电压-电流关系的一个实例的曲线图(即传榆特性曲线)，所说的设备将输出电流例如限制在200毫安，开关电压大于1伏。

在图4的电路中，负的开关电压是不可能出现的，因为有一个阻塞二极管D_1319。在开关电压小于1伏时，维持限制电流的电压不够大，输出电流变为开关电压的函数。当开关电压是0伏时，这个电流也是0。如图所示，参考模块RefGen421对于两个互补的开关控制电路421提供分开的参考值。在图4的例中，使用电流来提供参考基准，但是也可以使用电压。

使用输入到RefGen421的HiLo在由总线速度确定的两个不同的参考电流值之间进行选择。在高速操作期间，电流固定在最大值，这个最大值通过开关控制电路402、411为所说的总线产生必要的转换速率。对于低速操作，确定一个在施加最大输出值之前的一个小电流的周期。这将产生一个较长的转换，因此减小了在低速模式下的电磁发射。

这里重申，在此例中提供开关控制电路402、411是为了将电流限制到一个固定值，从而可以利用浮动总线上的上升电压来控制电磁发射量。电磁发射量取决于开关控制电路的开关接通和断开特性的锐度。图5描述的是图4的N型控制电路411的期望的传输特性的一个例子。图5中所示的斜率确定了所说开关的有效电阻。在第一阶段，当电流和电压上升时，产生电磁发射，同时在第二阶段，电流保持基本上稳定，并且所说的电流用于把电荷置入保持电容器204和总线电容器CBUS213中。在图5中的Vswitch代表在N型控制电路411中在Vlo和Sw之间的电压差。当电压增加时，输出电流也要增加，一直到Vsw约等于1伏，在这一点电流变为恒定值200毫安。

在图6中，描述N型控制电路411的一个实施例。在这个实施例中，函数F(V_ctrl，V_out)根据在参考电压V_Ref的比较结果控制输出电流Iout601，参考电压V_Ref来源于由源609产生的流过电阻R1604到地603的电流。参考电压V_Ref包括输入到误差放大器608的电压，误差放大器608的第二输入VCmp是由流过电阻器R0 605的输出电流产生的。在电阻器值R1 604和R0 605之间的比提供确定在输出电流和参考电流之间比例(scaling)。控制运算器606可以保证当输出电压变化时输出电流基本上保持不变。当Vout达到与VCmp相同的数值时，输出调节不能维持整个输出电流，因此电流下降。当开关“接通”时，在信号Vsw611的控制下，开关610断开输出电流Iout601。电阻器R2 612允许把控制电压VCtrl拉到0伏以保证输出的完全禁止。

图7描述一个“N型控制”电路如以上结合图6描述的电路的一个晶体管电平实施方案。

对于这种设计，将输出分成两个分支，对于分支A由DMOS开关MND1 717控制，对于分支B由MND0 716控制。将输出电流分成两个路径，允许在分支A中使用小的串联连接电阻RBA714，以产生与所产生的参考电压进行比较的读出电压，而不会在主电流路径分支B中引入附加的电阻。

输入节点Iref722提供参考电流I_R，参考电流I_R通过电流反射镜J_4 721、J_3 712、J_5 711弯折。反射镜J_2 708、J_1 706、J_0 705弯折来自正电源的电流。反射镜J_0 705将输出电流加倍成为2I_R，并提供校正偏置电流I_R，用于连接成二极管的NMOS晶体管M2 702，并且使用其余的电流(也是I_R)来产生在电阻器RIB718两端的偏差电压。理想的电流I_R偏置两个NMOS晶体管M3 703、M2720。器件M3703提供电路的增益。电压I_o RBA与从I_R RIB获得的参考电压进行比较，附加的电阻器RIA K719对于因为向分支A中的输出电流增加参考电流I_R引入的微小误差进行校正。对于在每个路径中的电流I_R，电阻器R0、RIA、RIB的值是相等的。从以下的公式获得通过阻塞二极管D_2702的输出电流Iout701的最终数值：

                    Io＝IR·RIB

                         RBA

                   Iout＝Io·(N+1)

通过电阻器RO704在栅极驱动节点GataBA和GataBB补偿由通过RBA714的电流在晶体管MND1的源极产生的偏差电压。当电路在平衡状态操作时，通过RO704的电流与RIB718中的电流是相同的，这两个元件具有相同的电压。反馈回路RO704、MND1 717、RBA714、M2 720、RIB718、M3 703保证RO704两端的电压与RBA714两端的电压相同。当在漏极节点上的输出电压仍然足够大可以保持两个DMOS开关MND1 717和MND0 716饱和时，上述的条件仍然成立。在动态条件下，例如在节点Iout上(并且因此在漏极上)的输出下拉，一定量的电荷丢失到MND1 717的栅极上，因此RO714两端的电压降产生误差。类似地，在MND0 716的栅极充电当中损失的电流也要引入一个附加的误差，这将改变NMOS晶体管M3 703的偏置状态。如果栅极充电电流相对于偏置电流来说很小，输出电流(N+1)Io的精确度足够用于这个设备。

通过控制信号Vsw710可以实现输出节点的切换，控制信号Vsw710可驱动栅极开关SW_0 713和SW_1 715。当开关接通时，将两个栅极节点GataBA和GataBB下拉到地，使两个输出DMOS晶体管MND1717和MND0 716截止。通过电流反射镜J_1 706将通过开关的电流损耗限制到I_R。

通过图8所示的电路可以解决由于结合图7所述的输出Iout701的转换(slewing)引入的误差。使用两个确定比例的B类放大器825、826来缓冲原始的放大器输出级的重复。为此目的，要增加NMOS晶体管N_9 824、晶体管ROX823、和电流反射镜J_6 827。在输出器件(MND1 817和MND0 816)处的N∶1比例要求在栅极电流中有类似的比例。这是通过确定缓冲器的比例实现的，驱动GateBB的缓冲器825的强度是驱动节点GateBA的缓冲器826强度的N倍。当电路接通时，由于在输出DMOS器件上存在寄生栅极电容，所以输出Iout使栅极节点的感应电流开始下降。当这种情况发生时，缓冲器导通并且向栅极节点提供附加电流。当达到平衡时，缓冲器停止提供附加电流。

现在回到图7，当禁止输出时，放大器利用它的增益限制晶体管M3703使其被驱动成截止状态。开关713、715吸收通过其它级损失的偏置电流I_R。在图9中描述图7电路的附加变化。图9提供从控制输入端到控制输出端的切换时间的改进。为了减小电路中的功率损耗，电路的变化是把偏置电流源分成两个部分，以便用于每个分支。一个部分仍旧是静态的，第二部分是可切换的。一个单独的控制信号924、两个附加的开关925和926、并利用反射镜器件927、923组合起来，以形成增强图7的基本开关控制电路。保持所说的电路是部分偏置的，可确保电路的启动性能有所改善。维持总的电流比，以使当电路接通时电路的行为与图7电路的行为完全一样。

图8和图9的增强电路还可以组合成单个开关控制电路以获得两个期望的改进。在一个完全的电路实施方案中，电流反射镜可能需要共射共基地放大(cascoding)，以增加它们的输出阻抗。共射共基放大器件(cascode devices)的使用取决于输出电流Iout所需的准确度。；

图10中描述互补的“P型控制”电路的一个实施例。图10基本上是图7的电路的PMOS/PDMOS版本。在图7中连接到地的反射镜现在连接到正电源，对于其余的反射镜情况反之亦然。P型器件代替N型器件，电路的操作仍旧是相同的。

虽然在这里详细描述了优选实施例，但对于相关领域的普通技术人员应该认识到，在不偏离由下边的权利要求书限定的本发明的范围内，可以进行各种改进、增加、替换等。