專利名稱：電源設(shè)備與電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于小功率LSI(大規(guī)模集成電路)的一種電源設(shè)備與一種電壓轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
用來把一個直流輸入電壓值增大、減小、或極性倒轉(zhuǎn)成一個不同的直流輸出電壓值的電路包括DC(直流)/DC轉(zhuǎn)換器。從轉(zhuǎn)換效率和發(fā)熱量的角度看，與穩(wěn)壓器相比，DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率較高而發(fā)熱量較少。與變壓器相比，DC/DC轉(zhuǎn)換器的體積較小。由于這些特性，它們適用于要求有高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱量和小體積的工作站和個人計算機。
圖51A和51B示出一種普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61的結(jié)構(gòu)。圖51A示出把輸入電壓降低和輸出的部分。在一個電壓輸入端提供一個電源電壓。兩個NMOS(N型—金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管50和51根據(jù)提供在信號輸入端A和B的脈沖信號，在斷開和導(dǎo)通狀態(tài)之間變化。當NMOS晶體管50導(dǎo)通而NMOS晶體管51斷開時，將有一個電流施加到LC(電感電容)部分上。施加電流隨時間的變化被電感L轉(zhuǎn)變成電壓，并且輸入端A處的電壓增大比輸出端處的快。接著，當NMOS晶體管50斷開而NMOS晶體管51導(dǎo)通時，LC部分將放電。施加電流與放電電流的比值確定了輸出電壓。當NMOS晶體管50的導(dǎo)通時間大于NMOS晶體管51的導(dǎo)通時間時，輸出電壓將增大。當NMOS晶體管50的導(dǎo)通時間小于NMOS晶體管51的導(dǎo)通時間時，輸出電壓將降低。例如，假定當NMOS晶體管50和51的導(dǎo)通時間相等時輸出電壓為1.5V，則當晶體管50比51有較大的導(dǎo)通時間時輸出電壓將大于1.5V，反之則輸出電壓將小于1.5V。
如圖51B所示，指令NMOS晶體管50和51處于斷開或?qū)顟B(tài)的信息是通過信號輸入端A和B輸入的，而輸入給信號輸入端A和B的脈沖信號是由一個脈沖發(fā)生部分55產(chǎn)生的。脈沖發(fā)生部分55輸出脈沖的周期和脈寬是由一個控制部分57控制的?？刂撇糠?7通過對來自一個參考電壓發(fā)生部分56的輸出電壓與電壓轉(zhuǎn)換部分54的一個監(jiān)視端處的電壓進行比較，來控制脈沖發(fā)生部分輸出的脈沖信號的周期和脈寬，使得監(jiān)視端處的電壓處于目標電壓。
近來，為了延長鋰(離子)電池的壽命，還有人建議在諸如移動電話或PHS(個人處理系統(tǒng))這些便攜設(shè)備中使用DC/DC轉(zhuǎn)換器。這是因為存在著這樣的可能性。如果利用DC/DC轉(zhuǎn)換器把鋰電池的3V輸出電壓降低到1V左右，同時使移動電話中所用的LSI也工作于1V左右，就可以減小LSI的功耗。
然而，為了實現(xiàn)這樣的電池壽命延長，要求DC/DC轉(zhuǎn)換器必須同時解決下述問題(1)和(2)。
(1)即使當把電池電壓轉(zhuǎn)換為其一半或不足一半時，轉(zhuǎn)換效率也不會減小。
用于移動電話的鋰電池的輸出電壓為3V。為了減小LSI的功耗，必須高效率地把該電壓降低到1V。然而，當試圖用普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器61(圖51B)來實現(xiàn)這一電壓降低時，轉(zhuǎn)換效率將減小。這是由于普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61中的控制系統(tǒng)電路58的功耗比較大。例如，當電源電壓為1V時，LSI的功耗約為10mW，但包括了脈沖發(fā)生部分55、控制部分57和參考電壓發(fā)生部分56的控制系統(tǒng)電路58的功耗約要100mW。所以，低電源電壓時轉(zhuǎn)換效率減小的原因在于，DC/DC轉(zhuǎn)換器61的控制系統(tǒng)電路58的功耗要大于LSI的功耗。
(2)電壓轉(zhuǎn)換部分的效率需等于或大于90％。
普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61中電壓轉(zhuǎn)換部分54效率減小的原因在于流經(jīng)NMOS晶體管50和51的電流。在電壓轉(zhuǎn)換部分54中，在一個周期中有雙重的效率減小。這是因為在電壓轉(zhuǎn)換部分54的一個周期中NMOS晶體管50和51都要斷開。
此外，還存在著下面(3)所述的與芯片形成(on-chip)技術(shù)相關(guān)的問題。
(3)芯片實現(xiàn)必須容易在普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器61中，電感52的值約為100μH。然而在硅基底上形成這樣大電感值的電感是困難的。這是因為在硅基底上最多只能形成約200nH的電感。當使用約100μH的電感時，電磁輻射噪聲有可能使其他的LSI發(fā)生故障。
還有，為了在普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61中實現(xiàn)等于或大于80％的轉(zhuǎn)換效率，NMOS晶體管50和51導(dǎo)通時的電阻(導(dǎo)通電阻，ON電阻)必須為0.1mΩ左右。然而在硅基底上要形成具有這樣小的ON電阻的開關(guān)是困難的。這是因為在硅基底上最多只能形成ON電阻約為500mΩ的開關(guān)。當使用ON電阻約為500mΩ的開關(guān)時，轉(zhuǎn)換效率將減小到等于或小于60％。
所以普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器61對上述問題(1)-(3)一個也不能解決。
本發(fā)明的一個目的是提供一種即使當輸出小電流時也能實現(xiàn)高效率電壓轉(zhuǎn)換的電壓轉(zhuǎn)換器，以同時解決上述問題(1)-(3)。
此外，本發(fā)明是關(guān)于適用于小功率LSI的電源設(shè)備的一項基本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是提供一種具有下列特性的電源設(shè)備(1)基本上沒有能量損失；(2)能夠產(chǎn)生各種類型的電壓波形；以及(3)適于用作LSI的電源。
還有，本發(fā)明的一個目的是提供一種包括一個電源設(shè)備的半導(dǎo)體集成電路，它含有一個LC諧振電路和至少一個其電源電壓由該電源設(shè)備供給的電路模塊，其中有可能減小因LC諧振電路的工作所產(chǎn)生的噪聲。
本發(fā)明公開的內(nèi)容按權(quán)利要求1所定義的一種本發(fā)明電源設(shè)備包括月來在預(yù)定時刻提供能量的能量提供裝置，以及用來從能量提供裝置接收能量并保存該能量的能量保存裝置，能量保存裝置包含一個電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于電感一端的第一電容、以及一個在一個第二節(jié)點處連接于電感另一端的第二電容。能量是通過第一節(jié)點和第二節(jié)點中的至少一個節(jié)點提供給負載的。
根據(jù)權(quán)利要求1所定義的本發(fā)明，含在能量保存裝置中的電感與第一電容和第二電容構(gòu)成了一個構(gòu)成了一個封閉系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本上不會向能量保存裝置外部泄漏能量。由于基本上不會向能量保存裝置外部泄漏能量，該電源設(shè)備基本上沒有能量損失。因此有可能提供一種低功耗類型的電源設(shè)備。
此外，根據(jù)按權(quán)利要求1所定義的本發(fā)明，通過把第一電容和第二電容分別設(shè)定為預(yù)定值，就可能分別從第一節(jié)點和第二節(jié)點向負載提供各種類型的電壓波形。例如，有可能從第一節(jié)點或第二節(jié)點向負載提供直流電壓波形?；蛘?，有可能從第一節(jié)點或第二節(jié)點向負載提供交流電壓波形。有可能從第一節(jié)點或第二節(jié)點中的一個節(jié)點向負載提供直流電壓波形，同時從另一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形?；蛘?，有可能同時從第一節(jié)點和第二節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
在一個實施例中，負載是一個具有整流功能的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電路。根據(jù)按權(quán)利要求1所定義的本發(fā)明的電源設(shè)備適合于向這種負載提供電源。這是因為按權(quán)利要求1所定義的本發(fā)明電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)使得其中的電流永遠不會以集中的方式流向負載。
在另一個實施例中，從第一節(jié)點或第二節(jié)點向負載提供直流電壓波形。
在又一個實施例中，從第一節(jié)點或第二節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
在又一個實施例中，從第一節(jié)點和第二節(jié)點中的一個節(jié)點向負載提供直流電壓波形，從另一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
在又一個實施例中，從第一節(jié)點和第二節(jié)點中的一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形，從另一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
在又一個實施例中，電源設(shè)備和負載形成在同一塊半導(dǎo)體芯片上。
在又一個實施例中，在從電源設(shè)備提供給負載的能量中至少有一部分被返回到電源設(shè)備中，以供重新利用。
在又一個實施例中，在從電源設(shè)備提供給負載的能量中至少有一部分通過第一和第二節(jié)點中那個用來向該負載提供能量的節(jié)點返回到電源設(shè)備中。
在又一個實施例中，在從電源設(shè)備提供給負載的能量中至少有一部分通過第一和第二節(jié)點中的那個不是用來向該負載提供能量的節(jié)點返回到電源設(shè)備中。
本發(fā)明的一種電壓轉(zhuǎn)換器包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把從一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，使得從電源向電壓轉(zhuǎn)換部分提供的功率基本上等于電壓接收電路所消耗的功率，從而實現(xiàn)上述一些目的。
在一個實施例中，控制部分包括一個第一探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于某個希望電壓；并且當?shù)谝惶綔y器探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于該希望電壓時控制部分將控制電壓轉(zhuǎn)換部分。
本發(fā)明的另一種電壓轉(zhuǎn)換器包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分的控制部分，其中電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路和一個開關(guān)，前者含有一個電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于電感一端的第一電容和一個在一個第二節(jié)點處連接于電感另一端的第二電容，后者含有第一端和第二端，第一端連接在電源上，第二端連接在諧振電路的第一節(jié)點上；并且控制部分控制開關(guān)的斷開/接通。這樣便實現(xiàn)了上述一些目的。
在一個實施例中，控制部分包括一個第一探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于某一希望電壓；并且當?shù)谝惶綔y器探測到上述情況時控制部分將控制開關(guān)的斷開/接通。
在另一個實施例中，控制部分在第一節(jié)點處的電壓小于電源提供的第一電壓但大于希望電壓的時期內(nèi)將控制開關(guān)的斷開/接通。
在又一個實施例中，控制部分還包括一個第二探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個預(yù)定的第一參考電壓；以及一個第三探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個大于預(yù)定第一參考電壓的預(yù)定第二參考電壓，其中當?shù)诙綔y器探測到第一節(jié)點電壓已達到預(yù)定第一參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)改變?yōu)榻油顟B(tài)；當?shù)谌綔y器探測到第一節(jié)點電壓已達到預(yù)定第二參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其狀態(tài)從接通狀態(tài)改變?yōu)閿嚅_狀態(tài)。
在又一個實施例中，第一探測器與電壓接收電路工作同步地開始其工作。
在又一個實施例中，控制部分包括一個第四探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已達到某一預(yù)定的參考電壓；在響應(yīng)于一個復(fù)原信號時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)改變成接通狀態(tài)；而當?shù)谒奶綔y器探測到了電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已達到預(yù)定參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從接通狀態(tài)改變成斷開狀態(tài)。
在又一個實施例中，控制部分還包括一個時鐘信號發(fā)生器，用來根據(jù)第一節(jié)點處的電壓變化產(chǎn)生一個時鐘信號；以及一個電路，用來在探測到時鐘信號頻率不同于某一預(yù)定頻率時輸出復(fù)原信號。
在又一個實施例中，控制部分還包括一個電路，用來在探測到第一節(jié)點處的電壓變化的最大值小于某一預(yù)定參考電壓時輸出復(fù)原信號。
在又一個實施例中，控制部分還包括一個第一參考電壓發(fā)生器，用來產(chǎn)生希望電壓；并且第一參考電壓發(fā)生器僅在第一探測器工作的時期內(nèi)工作。
在又一個實施例中，控制部分還包括一個第一參考電壓發(fā)生器，用來產(chǎn)生希望電壓；并且第一參考電壓發(fā)生器根據(jù)一個從電壓接收電路輸送來的信號改變希望電壓。
在又一個實施例中，控制部分還包括一個第二探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個預(yù)定的第一參考電壓；當?shù)诙綔y器探測到了這一情況時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)改變成接通狀態(tài)，并且在這一狀態(tài)改變后經(jīng)過一段預(yù)定的時間，又控制開關(guān)使其從接通狀態(tài)改變成斷開狀態(tài)。
在又一個實施例中，控制部分在第一節(jié)點處的電壓上升的階段中控制開關(guān)的斷開/接通。
在又一個實施例中，控制部分在第一節(jié)點處的電壓下降的階段中控制開關(guān)的斷開/接通。
在又一個實施例中，電壓轉(zhuǎn)換部分還包括存儲裝置，用來暫時存儲通過開關(guān)從電感流向電源的返回電流。
本發(fā)明的又一種電壓轉(zhuǎn)換器是這樣一個電壓轉(zhuǎn)換器，它能把由一個電源提供的電壓轉(zhuǎn)換成希望電壓，并把該希望電壓提供給一個電壓接收電路，該電壓轉(zhuǎn)換器包括一個具有第一轉(zhuǎn)換效率的第一電壓轉(zhuǎn)換器；一個具有第二轉(zhuǎn)換效率的第二電壓轉(zhuǎn)換器，其中當從電壓轉(zhuǎn)換器流向電壓接收電路的電流小于某一預(yù)定電流值時第二轉(zhuǎn)換效率大于第一轉(zhuǎn)換效率；以及一個電流探測器，用來探測從電壓轉(zhuǎn)換器流向電壓接收電路的電流，其中，當電流探測器探測到的電流大于預(yù)定電流時第一電壓轉(zhuǎn)換器將工作，但當電流探測器探測到的電流小于預(yù)定電流時第二電壓轉(zhuǎn)換器將工作。這樣便實現(xiàn)了上述一些目的。
本發(fā)明的又一種電壓轉(zhuǎn)換器包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，其中，電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個第一諧振電路，它含有一個第一電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于第一電感一端的第一電容、和一個在一個第二節(jié)點處連接于第一電感另一端的第二電容；一個第一開關(guān)，它含有一個第一端和一個第二端，第一端連接在電源上，第二端連接在第一諧振電路的第一節(jié)點上；一個第二諧振電路，它含有一個第二電感、一個在一個第三節(jié)點處連接于第二電感一端的第三電容、和一個在一個第四節(jié)點處連接于第二電感另一端的第四電容；以及一個第二開關(guān)，它含有一個第三端和一個第四端，第三端連接在第一諧振電路的第二節(jié)點上，第四端連接在第二諧振電路的第三節(jié)點上；并且，控制部分控制第一和第二開關(guān)的斷開/接通。這樣便實現(xiàn)了上述一些目的。
本發(fā)明的又一種電壓轉(zhuǎn)換器包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，其中，電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路，它含有一個第一電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于第一電感一端的第一電容、和一個在一個第二節(jié)點處連接于第一電感另一端的第二電容；一個第一開關(guān)，它含有一個第一端和一個第二端，第一端連接在電源上，第二端連接在諧振電路的第一節(jié)點上；以及一個調(diào)制諧振電路，它含有一個第二電感、一個第三電容和一個帶有一個第三端和一個第四端的第二開關(guān)，第二電感的一端在一個第三節(jié)點處與第二電容相連接，第二電感的另一端連接在第二節(jié)點上，第二開關(guān)的第三端連接在電源上，第二開關(guān)的第四端連接在第三節(jié)點上；而控制部分則控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開/接通。這樣就實現(xiàn)了上述一些目的。
本發(fā)明的又一種電壓轉(zhuǎn)換器包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，其中，電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路，它含有一個第一電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于第一電感一端的第一電容、和一個在一個第二節(jié)點處連接于第一電感另一端的第二電容；一個第一開關(guān)，它帶有一個第一端和一個第二端，第一端連接在電源上，第二端連接在諧振電路的第一節(jié)點上；以及一個調(diào)制諧振電路，它含有一個第二電感、一個第三電容和一個帶有一個第三端和一個第四端的第二開關(guān)，第二電感的一端連接在第一節(jié)點上，第二電感的另一端在一個第三節(jié)點處連接在第三電容上，第二開關(guān)的第三端連接在電源上，第二開關(guān)的第四端連接在第三節(jié)點上；而控制部分則控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開/接通。這樣就實現(xiàn)了上述一些目的。
本發(fā)明的一種半導(dǎo)體集成電路包括一個含有一個LC諧振電路的電源設(shè)備；以及至少一個其電源電壓是由電源設(shè)備提供的電路模塊，其中，LC諧振電路的諧振頻率被設(shè)定得能使根據(jù)該諧振頻率來確定的噪聲強度在該至少一個電路模塊所使用的頻帶內(nèi)等于或小于一個預(yù)定值。這樣就實現(xiàn)了上述一些目的。
電源設(shè)備和至少一個電路模塊可以形成在同一塊半導(dǎo)體芯片上。
電源設(shè)備和至少一個電路模塊可以形成在不同的半導(dǎo)體芯片上。
電源設(shè)備可以向至少一個電路模塊提供直流電壓。附圖的簡單說明

圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的一種電源設(shè)備200的結(jié)構(gòu)的圖；圖2A-2E是示意性說明在能量保存電路200中，動態(tài)能量在電容223與電容225之間通過電感221流動時保持恒定的圖；圖3是說明當C1＞＞C2時節(jié)點222處的一個示例性交流電壓波形的圖；圖4A和4B都是說明示例性交流電壓波形的圖；圖5是說明當一個帶有寄生二極管250的LSI(大規(guī)模集成電路)被連接到電源設(shè)備200的節(jié)點222上時的等效電路的圖；圖6A-6D都是說明能量提供電路210的結(jié)構(gòu)的圖；圖7A-7E都是說明電壓v的波形和電流i1的波形的圖；圖8是說明一種電源設(shè)備1301的結(jié)構(gòu)的圖；圖9A和9B都是說明在一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖10A是說明探測動態(tài)能量的處理過程的流程圖；
圖10B是說明探測靜態(tài)能量的處理過程的流程圖；圖11A是說明一種電源設(shè)備1302的結(jié)構(gòu)的圖；圖11B和11C都是說明元件391的結(jié)構(gòu)的圖；圖11D是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖12是說明一種電源設(shè)備1303的結(jié)構(gòu)的圖；圖13A是說明一種電源設(shè)備1304的結(jié)構(gòu)的圖；圖13B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖14是說明調(diào)節(jié)動態(tài)能量的處理過程的流程圖；圖15是說明開關(guān)部分212e的一種示例性結(jié)構(gòu)的圖；圖16A是說明一種DC(直流)型電源設(shè)備201的結(jié)構(gòu)的圖；圖16B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖17A是說明一種AC(交流)型電源設(shè)備202的結(jié)構(gòu)的圖；圖17B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖18A是說明一種DC-AC型電源設(shè)備203的結(jié)構(gòu)的圖；圖18B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖19A是說明一種AC-AC型電源設(shè)備204的結(jié)構(gòu)的圖；圖19B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖20A是說明一種AC-AC型電源設(shè)備205的結(jié)構(gòu)的圖；圖20B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖21是說明一種AC-AC型電源設(shè)備206的結(jié)構(gòu)的圖；圖22是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖23A一23D分別是說明時期T1-T4中的電荷運動的圖；圖24A和24B都是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖25A是說明一種能量再利用DC型電源設(shè)備1202的結(jié)構(gòu)的圖；圖25B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖26A是說明一種能量再利用AC-AC型電源設(shè)備1203的結(jié)構(gòu)的圖；圖26B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；
圖27A是說明一種能量再利用AC-DC型電源設(shè)備1204的結(jié)構(gòu)的圖；圖27B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖28A是說明一種能量再利用DC-AC型電源設(shè)備1205的結(jié)構(gòu)的圖；圖28B是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖29是說明根據(jù)本發(fā)明的一種電壓轉(zhuǎn)換器20的結(jié)構(gòu)的圖；圖30是說明電壓轉(zhuǎn)換部分3的一種結(jié)構(gòu)的圖；圖31是說明諧振電路140的等效電路的圖；圖32是說明電壓轉(zhuǎn)換器20的工作的圖；圖33是說明電壓轉(zhuǎn)換器20在穩(wěn)態(tài)工作時期的工作的圖；圖34是說明電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3C處的電壓變化(波形a)和電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e處的電壓變化(波形b)的圖；圖35是說明穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時的波形a和波形b的圖；圖36是說明穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時的波形a和波形b的圖；圖37A是說明探測器8的一種結(jié)構(gòu)的圖；圖37B是說明探測器8的工作的圖；圖38是說明當負載2為一個數(shù)字LSI時減小噪聲作用的一種方法的圖；圖39A是說明探測器15的一種結(jié)構(gòu)的圖；圖39B是說明探測器15的工作的圖；圖40是說明電壓轉(zhuǎn)換器20的另一種結(jié)構(gòu)的圖；圖41是說明監(jiān)視器661的處理過程的控制流程圖；圖42是說明一種用來實現(xiàn)圖41的控制流程的示例性電路結(jié)構(gòu)的圖；圖43是說明從參考電壓發(fā)生器14輸出的電壓Vs是如何改變的圖；圖44是說明確定電壓Vc的處理過程的控制流程圖；圖45是說明根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的另一種結(jié)構(gòu)的圖；
圖46是說明電壓改變的速度是如何通過結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換器20和普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器61而增大的圖；圖47是說明存在著一個能被DC/DC轉(zhuǎn)換器61的電壓轉(zhuǎn)換部分54和電壓轉(zhuǎn)換器20的電壓轉(zhuǎn)換部分3所共用的電路部分的圖；圖48A和48B都是說明電壓轉(zhuǎn)換部分3的另一種結(jié)構(gòu)的圖；圖49A和49B都是說明電壓轉(zhuǎn)換部分3的又一種結(jié)構(gòu)的圖；圖50是說明電壓轉(zhuǎn)換器20的另一種工作過程的圖；圖51A和51B都是說明普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61的結(jié)構(gòu)的圖；圖52是說明LSI的噪聲產(chǎn)生機制的圖；圖53A是說明在普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61中負載功耗PL與轉(zhuǎn)換損失Pt之間的關(guān)系的圖；圖53B是說明在根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20中負載功耗PL與轉(zhuǎn)換損失Pt之間的關(guān)系的圖；圖54A是說明在普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61中負載功耗PL與總損失率ηct之間的關(guān)系的圖；圖54B是說明在根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20中負載功耗PL與總損失ηct之間的關(guān)系的圖。
圖55是說明一種用來向多個負載提供不同電源電壓的電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)的圖；圖56是說明一個節(jié)點處的電壓波形的圖；圖57是說明動態(tài)能量和靜態(tài)能量環(huán)繞能量保存電路220流動的圖；圖58A是說明能量提供電路210的另一種結(jié)構(gòu)的圖；圖58B是說明節(jié)點222處的電壓變化(波形(A))和節(jié)點224處的電壓變化(波形(B))的圖；圖59是說明一種電壓轉(zhuǎn)換器1500的結(jié)構(gòu)的圖；圖60A和60B都是說明電壓轉(zhuǎn)換部分1501的一種結(jié)構(gòu)的圖；圖61A-61C都是說明電源電壓VDD是如何降低的圖；圖62A是說明控制部分1518接通和斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1501的開關(guān)1502的時刻的控制流程圖；圖62B是說明控制部分1518接通和斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1501的開關(guān)1506的時刻的控制流程圖；圖63A和63B都是說明開關(guān)1506被接通和斷開的時刻的圖；圖64是說明一種電壓轉(zhuǎn)換器1600的結(jié)構(gòu)的圖；圖65是說明電壓轉(zhuǎn)換部分1601的一種結(jié)構(gòu)的圖；圖66是說明當電壓轉(zhuǎn)換部分1601處于穩(wěn)態(tài)時各個點處的電壓變化的圖；圖67是說明如何調(diào)節(jié)端頭1601e處的電壓相位與端頭1601f處的電壓相位之間的關(guān)系的圖；圖68A和68B都是說明端頭1601e處的電壓(曲線E)和端頭1601f處的電壓(曲線F)是如何具有相反相位的圖。
圖69是說明控制部分1632接通和斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1601的開關(guān)1619的時刻的控制流程圖；圖70是說明控制部分1632接通和斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1601的開關(guān)1620的時刻的控制流程圖；圖71是說明一種電壓轉(zhuǎn)換器1700的結(jié)構(gòu)的圖；圖72是說明電壓轉(zhuǎn)換部分1701的一種結(jié)構(gòu)的圖；圖73A是說明第一基礎(chǔ)諧振電路的結(jié)構(gòu)的圖；圖73B是說明第一基礎(chǔ)諧振電路的結(jié)構(gòu)的圖；圖74是說明當電壓轉(zhuǎn)換部分1701處于穩(wěn)態(tài)時各個點處的電壓變化的圖；圖75是說明系統(tǒng)LSI的一個實施例的圖；圖76是說明噪聲強度相對于LC振電路的諧振頻率的分布的圖；圖77是說明一個例子的圖，其中一個含有LC諧振電路的電源設(shè)備1806和一個中頻及高頻模擬電路模塊1802形成在不同的芯片上。
圖78是說明噪聲強度相對于系統(tǒng)LSI1807與中頻及高頻模擬電路模塊1802之間的距離D的分布的圖；
圖79是說明含有一種具有L-C結(jié)構(gòu)的LC諧振電路的電源設(shè)備1806的結(jié)構(gòu)的圖。實施本發(fā)明的最佳模式1.本發(fā)明電源設(shè)備的基本原理圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一各電源設(shè)備200的結(jié)構(gòu)。該電源設(shè)備200包含一個能量提供電路210和一個能量保存電路220。
能量提供電路210在預(yù)定的時間向能量保存電路220提供能量。由能量提供電路210所提供的能量可以是任何能量。例如，由能量提供電路210所提供的能量可以是電能(電功率)、光能、磁能或輻射能。
能量保存電路220接收能量提供電路210所提供的能量并保存該能量。能量保存電路220包含一個電感221、一個在節(jié)點222處連接于電感221-端的電容223、和一個于節(jié)點224處連接在電感221另一端的電容225。這里L(fēng)代表電感221的值，C1代表電容225的電容值，C2代表電容223的電容值。
保存在能量保存電路220中的能量通過節(jié)點222和節(jié)點224中的至少一個節(jié)點提供給一個負載(圖1中未示出)。
電源設(shè)備200和負載可以形成在同一塊半導(dǎo)體芯片上。如下面將說明的，在電源設(shè)備200中只需要使用電感值比較小的電感就足夠了。例如，該電感值約為100nH。因此，把電源設(shè)備200形成在一個硅基底上是容易的。
電源設(shè)備200具有以下特性(1)-(3)(1)在電源設(shè)備200中基本上沒有能量損失；(2)電源設(shè)備200能產(chǎn)生各種類型的電壓波形；以(3)電源設(shè)備200適合用作LSI的電源。特性1基本沒有能量損失如圖1所示，電容223含有極板223-1和極板223-2。這兩個極板是互相電絕緣的。極板223-1連接在節(jié)點222上，極板223-2連接在地上。類似地，電容225含有極板225-1和225-2。這兩個極板互相電絕緣。極板225-1連接在節(jié)點224上，極板225-2連接在地上。
由能量提供電路210提供的能量在從電容223的極板223-1經(jīng)過電感221到電容225的極板225-1這一封閉系統(tǒng)中產(chǎn)生電荷。這樣產(chǎn)生的電荷不能跑到該封閉系統(tǒng)的外部。其原因是，由于電極板223-1與電極板223-2是互相電絕緣的，所以不存在電荷從電極板223-1流動到電極板223-2的通道，而且由于電極板225-1與電極板225-2是互相電絕緣的，所以不存在電荷從電極板225-1流動到電極板225-2的通道。
所以，該封閉系統(tǒng)中的電荷量是保持恒定的。這意味著在能量保存電路220中靜態(tài)能量是保持恒定的。其原因是，靜態(tài)能量是由封閉系統(tǒng)中的電荷量代表的。能量保存電路220中所保存的靜態(tài)能量可表示為1/2·(q1+q2)2/(C1+C2)。這里，q1和q2分別代表存儲在電容225和223中的電荷量。換言之，靜態(tài)能量可以認為是當封閉系統(tǒng)所含各端頭處的電壓不再變化而變?yōu)楹愣〞r，也即當這些電壓變得所謂穩(wěn)定時，該閉路系統(tǒng)所具有的能量。
圖2A-2E示意性地示出在能量保存電路220中，動態(tài)能量雖然通過電感221在電容223與電容225之間流動，但保持著恒定不變，在能量保存電路220中，動態(tài)能量的狀態(tài)從圖2A所示的狀態(tài)過渡到圖2E所示的狀態(tài)，然后又從圖2E所示的狀態(tài)過渡到圖2A所示的狀態(tài)。其后再重復(fù)這一狀態(tài)變化。
動態(tài)能量被分類成存儲在電感221中的能量和取決于電容223與電容225之間的電荷量差(電位差)的能量。在圖2A至2E中，EM1代表存儲在電感221中的能量，EM2代表取決于電容223與電容225之間的電荷量差(電位差)的能量。(EM1+EM2)保持為常量。EM1＝1/2·Li12。這里i1代表流經(jīng)電感221的電流。EM2＝｜1/2·q12/C1-1/2·q22/C2｜。這里q1代表存儲在電容225中的電荷量，q2代表存儲在電容223中的電荷量。換言之，可以把動態(tài)能量看作是能使含在封閉系統(tǒng)內(nèi)的各端頭處的電壓發(fā)生振蕩的能量，也就是能所謂移動電壓的能量。
存儲在電感221中的能量EM1使電荷從電容223移向電容225(或從電容225移向電容223)。因此，直到存儲在電感221中的能量變?yōu)榱阒埃姾蓮碾娙?23向電容225(或從電容225向電容223)的運動不會停止。
當存儲在電感221中的能量EM1為零時，取決于電容223與225之間的電荷量差(電位差)的能量EM2達到最大。因此，電荷開始向消除電容223與225之間的電荷量差(電位差)的方向運動。當電荷流經(jīng)電感221時，能量EM1將存儲在電感221中。此后重復(fù)這一過程。
于是，能量保存電路220基本上保持靜態(tài)能量和動態(tài)能量恒定。換言之，基本上沒有靜態(tài)能量和動態(tài)能量泄漏到能量保存電路220的外部。這里，“基本上”的含義是除了非故意的能量泄漏之外沒有能量泄漏，非故意泄漏例如是由于電容223和225的兩極板之間的漏電流所造成的靜態(tài)能量泄漏，或者是由于電感221的電阻的衰減所造成的動態(tài)能量泄漏。這意味著電源設(shè)備200中一般沒有能量損失。所以有可能提供一種低功耗類型的電源設(shè)備。特性2能夠產(chǎn)生各種類型的電壓波形通過把電容223和電容225的電容值設(shè)定得滿足關(guān)系式C1＞＞C2，有可能在節(jié)點222處產(chǎn)生交流電壓波形而在節(jié)點224處產(chǎn)生直流電壓波形。這樣的電壓波形可以根據(jù)能量保存電路220中的諧振得到。關(guān)于電壓波形的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)將在后面參考(表達式1)至(表達式17)說明。
此外，通過把電容223和225的電容值設(shè)定得滿足關(guān)系式C1≈C2，有可能在節(jié)點222和節(jié)點224處都產(chǎn)生交流電壓波形。
還有，通過調(diào)節(jié)能量提供電路210所提供的能量中分別作為靜態(tài)能量和動態(tài)能量存儲在能量保存電路220中的這兩部分能量的比例，有可能任意地設(shè)定交流電壓波形的振幅中心和振幅大小。這是因為，靜態(tài)能量確定了交流電壓波形振幅的中心，而動態(tài)能量確定了交流電壓波形的振幅。
圖3示出C1＞＞C2時節(jié)點222處的一個示例性交流電壓波形。如上所述，通過適當?shù)靥峁╈o態(tài)能量Es和動態(tài)能量EM，有可能得到一個其振幅中心在電壓Vp處，其振幅為1/2VDD的交流電壓波形。注意，節(jié)點222處的電壓永遠高于或等于地電壓。
當C1＞＞C2時，節(jié)點222處的電壓波形可以近似成一個正弦波，其振蕩周期T0＝2π√(LC2)。因此，通過使電感221的電感值L與電容223的電容值C2的乘積(LC2)可被改變，就可能把節(jié)點222處的電壓波形的周期T0調(diào)節(jié)到任意值。可以在電源設(shè)備200工作之前事先把LC2調(diào)節(jié)到某一預(yù)定值，并在電源設(shè)備200工作中使它固定在該預(yù)定值上。或者，也可以用一個控制電路在電源設(shè)備200工作過程中動態(tài)地控制LC2。例如，控制電路可以這樣地控制LC2，使得當從能量提供電路210向能量保存電路220提供的能量較小時周期T0較大，而當從能量提供電路210向能量保存電路220提供的能量較大時周期T0較小。通過上述這樣地控制周期T0，當從能量提供電路210提供給電能保存電路220的能量較大時單位時間內(nèi)節(jié)點222處的電壓接近于電源電壓VDD的次數(shù)就能增多。因此，通過把提供能量的時間控制得使能量提供電路210在節(jié)點222處的電壓接近于電源電壓VDD的時期(圖3中的時期TA)內(nèi)向能量保存電路220提供能量，便可能使從能量提供電路210向能量保存電路220提供能量時所發(fā)生的能量損失最小化。這是因為，效率最高的能量提供是在節(jié)點222處的電壓接近于電源電壓VDD的時期(圖3中的時期TA)內(nèi)由能量提供電路210向能量保存電路220提供能量。
此外，通過在保持LC2恒定的條件下使L和C2可變，有可能在不改變周期T0的情況下調(diào)節(jié)含在由能量提供電路210所提供的能量中的靜態(tài)能量Es與動態(tài)能量EM之間的比例。通過減小電感221的電感值L和增大電容223的電容值C2，有可能增大存儲在電容223和225中的能量(靜態(tài)能量)和減小存儲在電感221中的能量(動態(tài)能量)。反之，通過增大電感221的電感量L和減小電容223的電容值C2，有可能減小存儲在電容223和225中的能量(靜態(tài)能量)和增大存儲在電感221中的能量(動態(tài)能量)。
上面已說明了電容值C2和電感值L的示例性調(diào)節(jié)。此外，此外，通過調(diào)節(jié)電容值C1、電容值C2和電感值L，有可能更特定地調(diào)節(jié)靜態(tài)能量Es與動態(tài)能量EM之間的比例。
例如，假定能量提供電路210使一個電流i0從節(jié)點222流出。假定電流i0中流入電容223的部分是電流i1，流入電容225的部分是電流i2。通過調(diào)節(jié)電容值C1、C2和電感值L可以把電流i1與i2的比例設(shè)定為任何值。存儲在電容223和225中的能量(靜態(tài)能量)可表示為1/2·(q1+q2)2/(C1+C2)，存儲在電感221中的能量(動態(tài)能量)可表示為1/2Li21。這里，q1和q2分別表示存儲在電容225和223中的電荷量。因此，通過調(diào)節(jié)電流i1與i2之間的比例，有可能調(diào)節(jié)存儲在電容223和225中的能量(靜態(tài)能量)和存儲在電感221中的能量(動態(tài)能量)。
上述可以自由地控制交流電壓波形的振幅中心和振幅大小的能力適合于利用“絕熱充電原理”來對電容性負載充電。“絕熱充電原理”是一個關(guān)于利用交流電壓波形對一個電容性負載充電的原理。已經(jīng)知道，根據(jù)“絕熱充電原理”，當電容負載被充電了較長時間時，與充電相關(guān)連的能量損失將可減小。
圖4A示出一個以周期T0在電源電壓VDD與地電壓GND之間振蕩的交流電壓波形(A)，作為對比還示出了一個以周期T0在電源電壓VDD與負電壓-VDD之間振蕩的交流電壓波形。在從電源電壓VDD向地電壓GND作絕熱充電時，交流電壓波形(A)的絕熱充電時期TA的長度是交流電壓波形(B)的絕熱充電時期TB的長度的兩倍。因此，可以看出，用交流電壓波形(A)來進行絕熱充電將因其能量損失較小而是有利的。類似地，對于從地電壓GND向電源電壓VDD的絕熱充電，情況也是這樣。
圖4B示出一個以周期T0在電源電壓VDD與電壓1/2VDD之間振蕩的交流電壓波形(A)，作為對比周時示出了一個以周期T0在電源電壓VDD與電壓-VDD之間振蕩的交流電壓波形(B)。在從電源電壓VDD向電壓1/2VDD作絕熱充電時，交流電壓波形(A)的絕熱充電時期TA的長度約為交流電壓波形(B)的絕熱充電時期TB的長度的4倍。因此，可以看出，用交流電壓波形(A)來進行絕熱充電將因其能量損失較小而是有利的。類似地，當從電壓1/2VDD向電源電壓VDD作絕熱充電時情況也是這樣。
此外，對圖4A與圖4B進行比較表明，交流電壓波形的振幅愈小，則在進行絕熱充電時愈有效。特性3適合于用作LSI的電源考慮以一個LSI作為負載連接在電源設(shè)備200的節(jié)點222上的情況。LSI永遠含有一個寄生二極管。在本說明書中，寄生二極管是指具有有整流功能的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電路。例如，用來保護LSI的內(nèi)部不被發(fā)生在LSI外部的電流入侵的保護二極管就是一個寄生二極管。又如，當LSI使用雙極晶體管時，在基極與發(fā)射極之間和基極與集電極之間將形成寄生二極管。再如，當LSI使用MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管時，在源極與井極和漏極與井極之間將形成寄生二極管。
圖5示出當一個含有寄生二極管250的LSI被連接在電源設(shè)備200的節(jié)點222上時的等效電路。當節(jié)點222處的電壓低于地電壓GND時，將有一個前向電流流過該寄生二極管250。于是在寄生二極管250中將消耗功率。其結(jié)果是產(chǎn)生了能量損失。此外，前向電流流經(jīng)寄生二極管250可能會損壞該寄生二極管250。這是因為存儲在電感221中的能量可能以集中的形式被寄生二極管250消耗。
反之，使用根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備200有可能把交流電壓波形控制得使節(jié)點222處的電壓永遠高于或等于地電壓GND，如在特性2中所說明的。在這樣的控制下，前向電流永遠不會流過寄生二極管250。因此，永遠不會因LSI中所含的寄生二極管250而發(fā)生能量損失。
此外，即使有前向電流流過寄生二極管250，也永遠不會造成寄生二極管250的損壞。其原因是存儲在電感221中的動態(tài)能量被轉(zhuǎn)換成了靜態(tài)能量并保存在能量保存電路220中。
通常，把一些數(shù)字電路、SRAM(靜態(tài)隨機訪問存儲器)或ROM(只讀存儲器)集成為一個LSI是很普通的。近年來，存在著把一些閃爍存儲器、DRAM(動態(tài)隨機訪問存儲器)或從高頻直到低頻范圍內(nèi)的模擬電路集成為一個LSI的趨勢?？梢灶A(yù)期，這一趨勢將來會進一步發(fā)展，我們將在10年內(nèi)進入一個新的集成電路時代。為了使這樣一個集成電路的各個電路模塊能在更高的控制水平下工作，必須有一個能以高效率產(chǎn)生各電路模塊所需的各種電壓的電源。這是因為有可能通過減小各種類型電路模塊的功耗來實現(xiàn)集成電路的改進的系統(tǒng)工作。此外，在某些頻率區(qū)域內(nèi)要求有低噪聲特性。
本發(fā)明的電源設(shè)備作為單個電源實現(xiàn)了從動態(tài)能量到靜態(tài)能量的高效率轉(zhuǎn)換以及直流電源和交流電流對負載的高效率供電。把多個這樣的單電源設(shè)備結(jié)合起來可得到一個多電源設(shè)備。多電源設(shè)備能產(chǎn)生多種電源電壓。多電源設(shè)備可以由結(jié)合多個相同類型的電源設(shè)備得到，也可以由結(jié)合多個不同類型的電源設(shè)備得到。
圖6A示出能量提供電路210的一種結(jié)構(gòu)。能量提供電路210向能量保存電路220的節(jié)點222提供電能(功率)。能量提供電路210連接在能量保存電路220的節(jié)點222上。
圖6A所示的能量提供電路210包含一個直流電源211和一個設(shè)置在直流電源211與節(jié)點222之間的開關(guān)212。
當開關(guān)212接通時，直流電源211將通過開關(guān)212向能量保存電路220提供電荷。通過控制接通開關(guān)212的時間，便能在預(yù)定的時間由直流電源211向能量保存電路220提供電荷。
可以用一個交流電源來取代直流電源211。通過在預(yù)定的時刻通、斷交流電源的功率，交流電源可當作為一個直流電源。
此外，還可以用一個能提供脈沖波形電壓的電源來取代直流電源211。由這種電源提供的功率大小例如可以通過脈寬調(diào)制來控制。當使用這種電源時不再需要開關(guān)212。
圖6B示出能量提供電路210的另一種結(jié)構(gòu)。該能量提供電路210向能量保存電路220的電感221提供磁能。能量提供電路210與能量保存電路220不互相接觸。
圖6B所示的能量提供電路210包含一個電感214和一個交流電源215。流過能量提供電路210的電感214的電流將產(chǎn)生一個磁場，由于該磁場，將有電流流過能量保存電路220的電感221。由于有電流流過電感221，使其中存儲了動態(tài)能量。這樣，能量提供電路210所提供的磁能被能量保存電路220的電感221接收并作為動態(tài)能量被保存在能量保存電路220中。
圖6C示出能量提供電路210的另一種結(jié)構(gòu)。該能量提供電路210向能量保存電路220的電容223和225中的至少一個電容提供光能。能量提供電路210與能量保存電路220不相互接觸。
圖6C所示的能量提供電路210包含一個能輻射光的光發(fā)射電路216。電容223和225中至少有一個具有把接收到的光轉(zhuǎn)換成電的功能。這樣，由能量提供電路210所提供的光能被能量保存電路220的電容223(或225)接收并作為靜態(tài)能量被保存在能量保存電路220中。例如，電容223(或225)可以是一個光電二極管或一個太陽能電池。
圖6D示出能量提供電路210的另一種結(jié)構(gòu)。
圖6D所示的能量提供電路210包含一個電源211、一個開關(guān)212、一個開關(guān)212a、一個反相器212b、和一個電容212c。
在能量保存電路220中，典型地，當節(jié)點222處的電壓升高時將有一個電流從電容225通過電感221向電容223流動。如果在該電流流動時接通開關(guān)212，則將有一個電流暫時地從電感221經(jīng)過開關(guān)212流向電源211。這里，該電流被稱作“返回電流”。返回電流被存儲在電源211中。然而，當電源211是一個非能量存儲型電源(例如這樣一種電源，其中的輸出級一般將吸入電流并不加利用地將其通地)時，或者當電源211是一個諸如電池等這樣的具有大寄生內(nèi)阻的電源(例如鋰電池)時，都將增大能量損失。這是因為，對于非能量存儲型電源，電源211將使返回電流直接通地；而對于電池，則因寄生內(nèi)阻而損失了能量。
設(shè)置開關(guān)212a和電容212c的目的是防止返回電流流入電源211。開關(guān)212a設(shè)置在電源211與開關(guān)212之間。電容212c連接在開關(guān)212a與開關(guān)212之間的節(jié)點212d上。電容212c的電容值為C0。
當開關(guān)212接通時開關(guān)212a被斷開。這時返回電流將被存儲在電容212c中。存儲在電容212c中的能量可以提供給能量保存電路220。
當開關(guān)212斷開時開關(guān)212a被接通。結(jié)果有電流從電源211流向電容212c，從而電容212c上的電壓變得等于電源電壓VDD。
反相器212b用來交替地接通/斷開開關(guān)212和212a。通過交替地接通/斷開開關(guān)212和212a，使上述過程重復(fù)進行。
圖58A示出能量提供電路210的另一種結(jié)構(gòu)。
圖58A所示的能量提供電路210包含一個電源211、一個開關(guān)212、一個開關(guān)212a、和一個電容212c。電容212c用來暫時存儲返回電流。
圖58B示出節(jié)點222處的電壓變化(波形(A))和節(jié)點224處的電壓變化(波形(B))。
在時刻t1，一個比較器272a探測到節(jié)點222處的電壓已達到電源電壓VDD，并向控制電路271a輸出一個探測信號。控制電路271a在響應(yīng)該探測信號時將使開關(guān)212a從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)。
當存在在返回電流時，節(jié)點222處的電壓在時刻t1與時刻t2之間的時期內(nèi)將向著一個高于電源電壓VDD的電壓升高。這一電壓變化表明，有返回電流從節(jié)點222向電容212c流動，并且該返回電流被暫時存儲在電容212c中。
在時刻t2，節(jié)點222處的電壓達到峰值，其后開始下降。
在時刻t2至t3的時期內(nèi)，有一個電流開始從電容212c流向能量保存電路220。
在時刻t3，比較器272a探測到節(jié)點222處的電壓再次達到電源電壓VDD，于是向控制電路271a輸出一個探測信號?？刂齐娐?71a在響應(yīng)于該探測信號時，使開關(guān)212a從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)。
此外，在時刻t3，控制電路271使開關(guān)212從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)。其后直到時刻t4之前，開關(guān)212保持接通。在開關(guān)212接通的時期內(nèi)，電源2111通過工關(guān)212向能量保存電路220提供能量。
這樣，返回電流被暫時存儲在電容212c中而不會返回到電源211中。
2、動態(tài)能量與靜態(tài)能量之間比例的調(diào)節(jié)當能量提供電路210具有圖6A所示的結(jié)構(gòu)時，有可能通過調(diào)節(jié)接通開關(guān)212的時間來調(diào)節(jié)提供給能量保存電路220的動態(tài)能量與靜態(tài)能量之間的比例。
根據(jù)節(jié)點222處電壓v的大小和流經(jīng)電感221的電流i1的方向，可以把開關(guān)212接通的時期分類成以下4個時期。這里假定當電流i1沿節(jié)點224到節(jié)點222的方向流動時其值為正，返之其值為負。
時期I電流i1為正值并且電源電壓VDD與電壓V之間的差值小于一個預(yù)定電壓VTH的時期。
時期II電流i1為負值并且電源電壓VDD與電壓V之間的差值小于預(yù)定電壓VTH的時期。
時期III電流i1為正值并且電源電壓VDD與電壓V之間的差值大于預(yù)定電壓VTH的時期。
時期IV電流i1為負值并且電源電壓VDD與電壓V之間的差值大于一個預(yù)定電壓VTH的時期。
圖7A示出時期I-IV、電壓V的波形、與電流i1的波形之間的關(guān)系。電壓V的波形是一個環(huán)繞中心電壓即預(yù)定電壓VTH振蕩的正弦波形。電流i1的波形是一個環(huán)繞作為中心電壓的零進行振蕩的正弦波形。
為了使在由能量提供電路210向能量保存電路220提供能量時發(fā)生的能量損失最小化，需要在開關(guān)212的兩端間電壓盡可能小的時候接通開關(guān)212。這根據(jù)的是“絕熱充電原理”當用電荷對一個電容充電時，通過使施加在位于電源與電容之間的電阻兩端的電壓最小化，便可以使該電阻造成的能量損失最小化。因此，為了使能量損失最小化，最好在時期I或II中接通開關(guān)212，在這兩個時期內(nèi)電源電壓VDD與電壓V的差是比較小的。
現(xiàn)在將說明在時期I和II中施加給能量保存電路220的動態(tài)能量與靜態(tài)能量的比例。
圖7B示出時期I中流經(jīng)電感221的電流i1和流經(jīng)開關(guān)212的電流i2，圖7C示出時期I中接通開關(guān)212的時間。
如圖7B所示，在時期I中電流i1、和電流i2的流動方向相反。結(jié)果電流i2比流向電感221更多地流向電容223。這意味著在時期I中提供給能量保存電路220的靜態(tài)能量比動態(tài)能量多。這是因為動態(tài)能量主要是由流經(jīng)電感221的電流產(chǎn)生的。
圖7D示出在時期II中流經(jīng)電感221的電流i1和流經(jīng)開關(guān)212的電流i2，圖7E示出時期II中接通開關(guān)212的時間。
如圖7D所示，在時期II中電流i1和電流i2的流動方向相同。結(jié)果電流i2比流向電容223更多地流向電感221。這意味著在時期II中提供給能量保存電路220的動態(tài)能量多于靜態(tài)能量。這是因為動態(tài)能量主要由流經(jīng)電感221的電流產(chǎn)生。
如上所述，通過把時期I或時期II選為接通開關(guān)212的時間，便能調(diào)節(jié)由能量提供電路210提供給能量保存電路220的動態(tài)能量與靜態(tài)能量的比例。
3、動態(tài)能量和靜態(tài)能量的探測能量保存電路220保存動態(tài)能量和靜態(tài)能量。一個連接在能量保存電路220上的負載所消耗的動態(tài)能量值和靜態(tài)能量值隨著該負載性質(zhì)(即，其電容性質(zhì)較強還是其電阻性質(zhì)較強)的不同而改變。
為了保持能量保存電路220中所保存的動態(tài)能量值和靜態(tài)能量值恒定不變，需要分別探測動態(tài)能量和靜態(tài)能量的減少量，以便根據(jù)動態(tài)能量的減少量和靜態(tài)能量的減少量來由能量提供電路210向能量保存電路220提供能量。
現(xiàn)在將說明動態(tài)能量和靜態(tài)能量的探測以及根據(jù)探測結(jié)果的動態(tài)能量和靜態(tài)能量的提供。這里假定能量提供電路210具有圖6A所示的結(jié)構(gòu)。不過下面將說明的關(guān)于探測與提供動態(tài)能量和靜態(tài)能量的方法也適用于能量提供電路210具有其他結(jié)構(gòu)(例如圖6B或6C所示的結(jié)構(gòu))的情況。
圖8示出一種具有探測動態(tài)能量和靜態(tài)能量功能的電源設(shè)備1301的結(jié)構(gòu)。負載370連接在電源設(shè)備1301的節(jié)點224處。負載370至少含有一個電容元件和一個電阻元件。
電源設(shè)備1301除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、參考電壓發(fā)生電路371-374、比較器375-379和一個時鐘信號發(fā)生電路380。
電容值C1和C2的設(shè)定滿足關(guān)系式C1＞＞C2。所以在節(jié)點222處將得到交流電壓波形，而在節(jié)點224處將得到直流電壓波形。
圖9A示出與交流電壓波形(A)相對比的一個交流電壓波形(A’)。這里，交流電壓波形(A)代表當保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量保持恒定時節(jié)點222處的電壓隨時間的變化，交流電壓波形(A’)代表當保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量減小時節(jié)點222處的電壓隨時間的變化。如圖9A所示，當保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量減小時，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩中心沒有改變，但其振蕩振幅減小。
圖9B示出與交流電壓波形(A)相對比的交流電壓波形(A’)。這里，交流電壓波形(A)代表當保存在能量保存電路220中的靜態(tài)能量保持恒定時節(jié)點222處的電壓隨時間的變化，交流電壓波形(A’)代表當保存在能量保存電路220中的靜態(tài)能量減少時節(jié)點222處的電壓隨時間的變化。如圖9B所示，當保存在能量保存電路220中的靜態(tài)能量減小時，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩中心將移動。
圖10A示出探測動態(tài)能量的處理過程。該處理由控制電路271(見圖8)在每個預(yù)定的時間內(nèi)執(zhí)行。這里，VA代表節(jié)點222處的電壓，Vp、Vr1、Vr2和Vr3分別代表參考電壓發(fā)生電路371-374所產(chǎn)生的參考電壓輸出，VDD代表電源電壓。這些電壓滿足關(guān)系式Vp＜Vr3＜Vr2＜Vr1＜VDD。此外，時鐘信號發(fā)生電路380(見圖8)產(chǎn)生一個其周期等同于交流電壓波形(A)和(A’)周期的時鐘信號。該時鐘信號的波形示于圖9A。
在步驟S11中，在電壓VA的上升階段判斷它是否超過了電壓Vr3。電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr3這一事實由比較器379的輸出信號從L(低)電平變?yōu)镠(高)電平的變化被探測到。當電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr3時，處理進入步驟S12。
在步驟S12中，判斷電壓VA在其上升階段是否超過了電壓Vr1。電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr1這一事實由比較器276的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平的變化被探測到。當電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr1時，處理將終止并且不從能量提供電路210向能量保存電路220提供動態(tài)能量。這是因為已經(jīng)判定，保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量還沒有減少到需要提供動態(tài)能量的程度。
另一方面，如果在電壓VA的上升階段中在探測到時鐘信號的跳變沿之前沒有出現(xiàn)電壓VA超過電壓Vr1(步驟S13)，則將判定需要由能量提供電路210向能量保存電路220提供動態(tài)能量。這是因為直到交流電壓波形(A’)的下一個周期之前電壓VA不可能達到電壓Vr1。因此，在這種情況下處理將進入步驟S14。
在步驟S14中，判斷電壓VA在其下降階段是否下降到了低于電壓Vr2。電壓VA在其下降階段下降到了低于電壓Vr2這一事實由比較器378的輸出信號從H電平變?yōu)長電平的變化被探測到。當電壓VA在其下降階段降低到了低于電壓Vr2。時，控制電路271將接通開關(guān)212(步驟S15)。
在步驟S16中，判斷電壓VA在其下降階段是否下降到了低于電壓Vr3。電壓VA在其下降階段降低到了低于電壓Vr3這一事實由比較器379的輸出信號從H電平變?yōu)長電平的變化被探測到。當電壓VA在其下降階段下降到了低于電壓Vr3時，檢制電路271將切斷開關(guān)212(步驟S17)。
這樣，當保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量減少時，開關(guān)212將在時期T1中接通，在該時期T1內(nèi)電壓VA接近于電源電壓VDD并且在降低。于是有可能由能量提供電路210向能量保存電路220提供動態(tài)能量。
圖10B示出探測靜態(tài)能量的處理過程。該處理由控制電路271(見圖8)在每個預(yù)定的時期內(nèi)執(zhí)行。這里，VA代表節(jié)點222處的電壓，Vp、Vr1、Vr2和Vr3分別代表由參考電壓發(fā)生電路371-374輸出的參考電壓，VDD代表電源電壓。這些電壓滿足關(guān)系式Vp＜Vr3＜Vr2＜Vr1＜VDD。
在步驟S21中，判斷時期T1是否小于時期T2。這里，時期T1的定義是從交流電壓波形(A)的電壓VA超過電壓Vp的時刻到其后的電壓VA降低到低于電壓Vp的時刻之間的時間。時期T2的定義是從交流電壓波形(A’)的電壓VA超過電壓Vp的時刻到其后的電壓VA降低到低于電壓Vp的時刻之間的時間。時期T1和T2由控制電路271確定，其方法是測量從比較器375的輸出信號自L電平變?yōu)镠電平的變化時刻到該輸出信號自H電平變?yōu)長電平的變化時刻之間的時間。
當判定出時期T1小于時期T2時，就可判定需要從能量提供電路210向能量保存電路220提供靜態(tài)能量。因此在這種情況下處理將進入步驟S22。
在步驟S22中，判斷電壓VA在其上升階段是否超過了電壓Vr3。電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr3這一事實由比較器379的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平的變化被探測到。當電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr3時，控制電路271將接通開關(guān)212(步驟S23)。
在步驟S24中，判斷電壓VA在其上升階段是否超過了電壓Vr2。電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr2這一事實由比較器378的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平的變化被探測到。當電壓VA在其上升階段超過了電壓Vr2時，控制電路271將斷開開關(guān)212(步驟S25)。
這樣，當保存在能量保存電路220中的靜態(tài)能量減小時，開關(guān)212將在時期T3內(nèi)接通，在該時期T3中電壓VA接近電源電壓VDD并在下降。因此有可能由能量提供電路210向能量保存電路220提供靜態(tài)能量。
4、動態(tài)能量的調(diào)節(jié)圖11A示出一種具有調(diào)節(jié)保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量大小的功能的電源設(shè)備1302的結(jié)構(gòu)。負載390連接在電源設(shè)備1302的節(jié)點224處。負載390至少含有一個電容元件和一個電阻元件。
電源設(shè)備1302除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、一個比較器272、和一個參考電壓發(fā)生電路273。
當過多地向能量保存電路220提供動態(tài)能量時，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅將增大。提供電源設(shè)備1302的目的是，當節(jié)點222處的電壓變得低于或等于地電壓GND時將減小節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅。
在能量保存電路220中提供一個元件391。該元件391連接在節(jié)點222上。例如，元件391是一個二極管，其一一個端頭a為陰極，另一個端頭b為陽極(見圖11B)。或者，元件391也可以是一個PMOS(p型MOS)晶體管，其端頭a為漏極、端頭b為源極、而電源VDD為井極，并且門極與源互相連接(見圖11C)。這種PMOS晶體管的閾值VT可以是高的，也可以是低的。
圖11D示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)。
對于把圖11B的二極管用作元件391的情形，當節(jié)點222處的電壓變得低于或等于地電壓GND時，該二極管將被前向偏置。結(jié)果，節(jié)點222處的電壓被固定在一個比地電壓GND低二極管前向電壓VT的電壓上(例如見圖11D的時期t3-t4)。由于二極管被前向偏置，故存在前向電流。二極管的該前向電流是靠存儲在電感中的動態(tài)能量產(chǎn)生的。因此，存儲在電感中的動態(tài)能量被二極管消耗。結(jié)果，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅減小。另一方面，二極管前向電流將向能量保存電路220提供電荷。于是靜態(tài)能量增大。
對于把圖11C中的PMOS晶體管用作元件391的情形，當漏極電壓變得等于一個比地電壓GND低閾值電壓VT的電壓時，PMOS晶體管將導(dǎo)通。結(jié)果，將有一漏極電流從PMOS晶體管的端頭b(源極)流向端頭a(漏極)。該漏極電流是靠存儲在電感中的動態(tài)能量產(chǎn)生的。因此，存儲在電感中的動態(tài)能量被PMOS晶體管消耗。結(jié)果，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅將減小。另一方面，漏極電流將向能量保存電路220提供電荷。于是靜態(tài)能量增大。
圖12示出一種具有調(diào)節(jié)保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量大小的功能的電源設(shè)備1303的結(jié)構(gòu)。該電源設(shè)備1303利用磁耦合把能量提供電路210提供給能量保存電路220。
在能量保存電路220中提供一個元件391。元件391連接在節(jié)點222上。元件391的結(jié)構(gòu)與上述相同。
當過多地向能量保存電路220提供動態(tài)能量時，存儲在電感中的動態(tài)能量將被元件391消耗。結(jié)果，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅將減小。另一方面，元件391將向能量保存電路220提供電荷。于是，靜態(tài)能量增大。
隨著過度的動態(tài)能量這樣地被元件391消耗，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅將衰減。于是保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量大小被保持恒定。
圖13A示出一種具有調(diào)節(jié)保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量大小的功能的電源設(shè)備1304的結(jié)構(gòu)。負載400連接在電源設(shè)備1304的節(jié)點224上。負載400至少含有一個電容元件和一個電阻元件。
電源設(shè)備1304除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、比較器272、參考電壓發(fā)生電路273、一個控制電路402、比較器403-404、和參考電壓發(fā)生電路405-406。
當給能量保存電路220提供了過多的動態(tài)能量時，節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅將增大。提供電源設(shè)備1304的目的是，當節(jié)點222處的電壓變得低于或等于地電壓GND時，減小節(jié)點222處的交流電壓波形的振蕩振幅。
在能量保存電路220中提供一個開關(guān)401。開關(guān)401連接在節(jié)點222上。開關(guān)401例如可以是一個NMOS晶體管。開關(guān)401的斷開/接通時間由控制電路402控制。
電容值C1和C2的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1＞＞C2。于是在節(jié)點222處得到交流電壓波形，在節(jié)點224處得到直流電壓波形。
圖13B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)和節(jié)點224處的直流電壓波形(B)。
當節(jié)點224處的電壓降低到低于目標電壓Vp時，控制電路271將接通開關(guān)212。例如，控制電路271在t3-t4時刻之間的時期內(nèi)接通開關(guān)212?；蛘?，接通開關(guān)212的時期也可以在時刻t1-t2之間或t1-t4之間。這樣，能量便由能量提供電路210提供給能量保存電路220。結(jié)果，節(jié)點222處交流電壓波形的振蕩振幅將增大。
當向能量保存電路220提供了過多的動態(tài)能量時，節(jié)點222處的電壓將低于或等于地電壓GND。當保存在能量保存電路220中的靜態(tài)能量減小，從而節(jié)點222處交流電壓波形的振蕩振幅的中心變得低于1/2VDD時，也會出現(xiàn)該電壓低于或等于地電壓GND的情況。
在節(jié)點222處的電壓低于或等于地電壓GND的時期內(nèi)，控制電路和402將在時刻t5-t6之間的時期內(nèi)接通開關(guān)401?；蛘撸油ㄩ_關(guān)401的時期也可以是時刻t7-t8或t5-t8之間的時期。結(jié)果有一個電流從地電壓GND流向節(jié)點222。該電流是由存儲在電感中的動態(tài)能量產(chǎn)生的。因此，存儲在電感中的動態(tài)能量被開關(guān)401消耗。結(jié)果，節(jié)點222處交流電壓波形的振蕩振幅將減小。另一方面，將通過開關(guān)401向能量保存電路220提供電荷。于是，靜態(tài)能量增大。
通過如上所述地在節(jié)點222處電壓低于電壓GND時接通開關(guān)401，保存在能量保存電路220中的一部分動態(tài)能量將被轉(zhuǎn)換成熱能并被開關(guān)401的寄生電阻消耗，另一部分動態(tài)能量將被轉(zhuǎn)換成靜態(tài)能量并保存在能量保存電路220中。
另一方面，如果在節(jié)點222處的電壓高于地電壓GND時開關(guān)401，則保存在能量保存電路220中的靜態(tài)能量將向地電壓GND釋放。從能量保存電路220釋放的一部分靜態(tài)能量被轉(zhuǎn)換成熱能并被開關(guān)401的寄生電阻消耗，另一部分靜態(tài)能量借助于流經(jīng)電感221的電荷而轉(zhuǎn)換成動態(tài)能量。
特別地，通過在電壓低于地電壓GND時接通開關(guān)401，便可能減少保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量而增大靜態(tài)能量。通過在電壓高于地電壓GND時接通開關(guān)401，便可能增大保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量而減小靜態(tài)能量。
如上所述，通過調(diào)節(jié)接通開關(guān)401的時間，便可能調(diào)節(jié)保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量和靜態(tài)能量。接通開關(guān)401的時間可以通過調(diào)節(jié)由參考電壓發(fā)生電路406輸出的參考電壓Vr3和Vr4來任意調(diào)節(jié)。
圖14示出調(diào)節(jié)動態(tài)能量的處理過程。該處理由控制電路271(見圖13A)在每個預(yù)定的時期執(zhí)行。這里，VA代表節(jié)點222處的電壓、VB代表節(jié)點224處的電壓、Vp代表從參考電壓發(fā)生電路273輸出的參考電壓、Vr1和Vr2代表從參考電壓發(fā)生電路405有選擇地輸出的參考電壓、Vr3和Vr4代表從參考電壓發(fā)生電路406有選擇地輸出的參考電壓，VDD代表電源電壓，GND代表地電壓。這些電壓滿足關(guān)系式Vr4＜Vr3＜GND＜Vp＜Vr2＜Vr1＜VDD。
在步驟S31中，判斷電壓VB是否已降低到降低于電壓Vp。電壓VB已降低到低于電壓Vp這一事實由比較器272的輸出信號從H電平改變?yōu)長電平的變化探測到。當電壓VB已降低到低于電壓Vp時，處理將進入步驟S32。
在步驟S32中，判斷電壓VA在其下降階段是否已降低到低于電壓Vr1。電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr1這一事實由比較器403的輸出信號從L電平改變成H電平的變化探測到。當電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr1時，控制電路271將接通開關(guān)212(步驟S33)。
在步驟S34中，判斷電壓VA在其下降階段是否已降低到低于電壓Vr2。電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr2這一事實由比較器403的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平的變化探測到。當電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr2時，控制電路271將斷開開關(guān)212(步驟S35)。
在步驟S36中，判斷當電壓VA在其下降階段是否已降低到低于電壓Vr3。電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr3這一事實由比較器404的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平的變化探測到。當電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr3時，控制電路271將接通開關(guān)401(步驟S37)。
在步驟S38中，判斷電壓VA在其下降階段是否已降低到低于電壓Vr4。電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr4這一事實由比較器404的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平的變化探測到。當電壓VA在其下降階段已降低到低于電壓Vr4時，控制電路271將斷開開關(guān)401(步驟S39)。
這樣，在節(jié)點222處的電壓低于或等于地電壓GND的時期內(nèi)開關(guān)401將被接通。隨著多余的動態(tài)能量被開關(guān)401消耗，節(jié)點222處交流電壓波形的振蕩振幅并衰減。于是保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量將保持恒定。5.關(guān)于噪聲如圖6A所示，對于由能量提供電路210通過開關(guān)212向能量保存電路220提供能量的情況，所提供的動態(tài)能量和靜態(tài)能量的總量(或動態(tài)能量和靜態(tài)能量的總轉(zhuǎn)換量)由開關(guān)212接通的時間長度確定。隨著從能量保存電路220向負載提供的動態(tài)能量和靜態(tài)能量的增大，開關(guān)212接通的時間長度將被控制得較長。隨著從能量保存電路220向負載提供的動態(tài)能量和靜態(tài)能量的減少，開關(guān)212接通的時間長度將被控制得較短。
當如上所述開關(guān)212的接通時間長度改變時，節(jié)點222處的正弦波振蕩畸變也發(fā)生改變。結(jié)果，畸變的頻譜將發(fā)生變化。
節(jié)點222處的正弦波振蕩使電流通過電感221。流過電感221的電流將產(chǎn)生一個電磁波。該電磁波的頻率唯一地與正弦波振的頻率有關(guān)。由流過電感221的電流所產(chǎn)生的電磁波在與另一個電感耦合時將會影響含有該電感的電路。這就是所謂的噪聲。
噪聲可以用一個濾波器去除。為了實現(xiàn)用濾波器去除噪聲，希望噪聲的頻譜最好總的來說是恒定的和不變的。通過保持開關(guān)212的接通時間長度恒定，可以保持噪聲頻譜恒定。為了保持開關(guān)212接通時間長度恒定，可以通過改變開關(guān)212的寄生電阻來調(diào)節(jié)能量的提供量和轉(zhuǎn)換量。
改變開關(guān)212的寄生電阻的方法例如是，在電感221與節(jié)點222之間提供多個互相串聯(lián)的開關(guān)，并改變這多個開關(guān)中被同時接通的開關(guān)數(shù)目。
圖15示出開關(guān)部分212e的示例性結(jié)構(gòu)。開關(guān)部分212e含有4個互相并聯(lián)的開關(guān)212-1至212-4。在某一時刻內(nèi)只有開關(guān)212-1接通。在另一時期內(nèi)開關(guān)212-1和212-2接通。在又一個時期內(nèi)開關(guān)212-1至212-3接通。在再一個時期內(nèi)開關(guān)212-1至212-4都接通。隨著同時接通的開關(guān)數(shù)目增多，能量的提供量和轉(zhuǎn)換量增大。
在如上所述地通過改變開關(guān)212的寄生電阻而調(diào)節(jié)能量提供量和轉(zhuǎn)換量的同時，通過保持開關(guān)212接通時間為恒定，就可能保持噪聲頻譜恒定。這樣就實現(xiàn)了用濾波器去除噪聲。
6.關(guān)于諧振工作當滿足關(guān)系式C1＞＞C2時，能量保存電路220節(jié)點222處的正弦波振蕩的頻率f可表示為f＝1/{2π√(LC2)}。這里，L代表電感221的電感值，C1和C2分別代表電容225和223的電容值。
當電容值C2增大時頻率f將減小。此外，當電感值L增大時頻率f將減小。
頻率f低意味著輸入給用于各種類型電源電路的比較器的信號的變化率小。這樣，比較器可以不出錯的探測電壓。這是因為比較器的特性是，被探測信號變化愈慢則電壓探測精度愈高。此外，當比較器具有以足夠的精度探測電壓的能力時，有可能通過降低比較器探測精度來減小它的功耗。還有，可以在開關(guān)212兩端的電壓差小的時間內(nèi)集中進行從能量提供電路210向能量保存電路220的能量提供，由此可以避免由下述原因而產(chǎn)生噪聲由于開關(guān)212兩端的大電壓差而發(fā)生的沖擊電流。
這樣，能量保存電路220具有這樣一個特性，即能夠通過改變電容值和/或電感值來增大和減小節(jié)點222處正弦波振蕩的頻率f。因此可能在諧振工作時增大或減小噪聲頻率。
當在節(jié)點222處的正弦波振蕩的振幅保持不變的情況下增大電容值C2時，給電容223充電的電荷量也增大。結(jié)果，流入電容223的電流增大。
當用正弦波振蕩給負載提供荷時，或者當從負載取出電荷時，電荷量將根據(jù)負載改變。因此，在能量保存電路220的電路設(shè)計時需要考慮頻率f和提供給負載的電荷量(和/或從負載取出的電荷量)。
7.關(guān)于基于LC振蕩工作的噪聲抑制可以期望，隨著LSI集成密度的增大，將在同一塊芯片上形成存儲器電路(例如DRAM)、數(shù)字電路、和模擬電路。人們相信，由于在一塊芯片上混合了這些不同的電路，進入到中頻模擬電路的工作頻帶中的噪聲將會影響該模擬電路的性能，這在將來將逐漸成為一個問題。
圖75示出一個系統(tǒng)LSI的實施例。例如，系統(tǒng)LSI1801的功能是接收和解調(diào)例如由移動電話發(fā)射的高頻無線電波。
系統(tǒng)LSI1801包含一個中頻和高頻模擬電路模塊1802，其功能是接收高頻信號并將它解調(diào)成中頻信號；一個DRAM模擬1803，用來存儲解調(diào)所需的程序；一個低頻模擬電路模塊1804，用來控制解調(diào)操作，它還含一個用來把解調(diào)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器；一個數(shù)字電路模塊1805，用來執(zhí)行例如去除數(shù)字解調(diào)信號中的噪聲等信號處理；以及一個含有LC諧振電路的電源設(shè)備1806。電路模塊1802-1805以及電源設(shè)備1806全都形成在同一塊硅芯片上。電源設(shè)備1806向電路模塊1802-1805中的至少一個模塊提供電源電壓。
如圖75所示，中頻和高頻模擬電路模塊1802和電源設(shè)備1806是相互鄰近放置的，因此由LC諧振電路的電感所產(chǎn)生的噪聲將被導(dǎo)入中頻和高頻模擬電路模塊1802。另一方面，由于模塊1802的特性會被噪聲明顯地降低，所以對例如信號發(fā)射等每一種應(yīng)用形式都有相應(yīng)標準規(guī)定了可接受的噪聲強度。例如，有一個標準規(guī)定了禁止有等于或大于-60dBm的噪聲被導(dǎo)入到10-20MHZ的頻帶內(nèi)。
為了防止導(dǎo)入噪聲，有一種方法采用了不含電感的電源設(shè)備，例如采用運算放大器的電源設(shè)備。然而，不含電感的電源設(shè)備有大的能量損失，從而對于減小功率和LSI所產(chǎn)生的熱量是不利的。當采用含有電感的電源設(shè)備時，流經(jīng)電感的電流又會產(chǎn)生輻射噪聲。因此，有必要保證不在會影響中頻和高頻模擬電路模塊特性的頻帶內(nèi)導(dǎo)入其強度大于可接受強度的噪聲。
在圖51A所示的帶有電壓轉(zhuǎn)換部分54的普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61中，當從開關(guān)50提供的電流停止時，開關(guān)50從斷開路狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)。當開關(guān)50從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)時，流經(jīng)電感52的電流突然改變，因此根據(jù)電感52的特性，信號輸入端A處的電壓將瞬間地達到地電壓。結(jié)果，由于信號輸入端A處電壓的快速變化，電感52所產(chǎn)生的噪聲的分布將達到高頻域。這可能將在會影響中頻和高頻模擬電路模塊特性的頻帶內(nèi)導(dǎo)入其強度大于可接受強度的噪聲。
另一方面，對于含有LC諧振電路的電源設(shè)備1806的情況，有可能通過適當?shù)卦O(shè)定LC諧振電路的諧振頻率來限制流經(jīng)電感的電流的變化。所以有可能減小噪聲的頻率。
圖77示出噪聲強聲強度分布與LC諧振電路諧振頻率的關(guān)系。在圖77中，曲線a、b、c分別對應(yīng)于LC諧振電路的諧振頻率為fLa、fLb、fLc的慰問。這里，有關(guān)系式fLa＜fLb＜fLc。這三個諧振頻率fLa、fLb、fLc都是在設(shè)計階段通過適當?shù)卦O(shè)定電容值C(例如圖1中的C2)和電感值L(例如圖1中的L)來設(shè)定的。于是有可能在設(shè)計階段適當?shù)剡x擇和設(shè)定L和C。諧振頻率f由下式確定f＝1/2π√(LC)?？梢钥闯?，隨著LC諧振電路諧振頻率的減小，噪聲分布的頻帶將變窄。曲線d代表上述普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器61的噪聲分布。
假定需要在一個特定頻帶(從頻率f1至f2)內(nèi)使噪聲強度小于或等于對應(yīng)于中頻和高頻模擬電路和模塊1802的一個預(yù)定值P2。這時，通過把LC諧振電路的諧振頻率設(shè)定為fLa或fLb，就可能把該特定頻帶內(nèi)的噪聲強度設(shè)定得小于或等于預(yù)定值P2。這樣，就能防止中頻和高頻模擬電路模塊1802的特性因噪聲而降低。頻率f1例如為10MHz，頻率f2例如為20MHz。預(yù)定值P2例如為-60dBm。
不僅當各種電路模塊混合在同一塊芯片上時，而且當LSI的封裝密度增大時，例如當在一個基底上有多芯片模塊或有高密度封裝時，也需要保證在會影響中頻和高頻模擬電路模塊特性的頻帶內(nèi)不導(dǎo)入其強度大于可接受強度的噪聲。
圖76示出含有LC諧振電路的電源設(shè)備與中頻和高頻模擬電路模塊1802形成在不同芯片上的一個例子。系統(tǒng)LSI1807包含數(shù)字電路模塊1805和電源設(shè)備1806。系統(tǒng)LSI1807與中頻和高頻模擬電路模塊1802形成在不同芯片上。電源設(shè)備1806向電路模塊1802至1805中的至少一個模塊提供電源電壓。
圖78示出噪聲強度分布和系統(tǒng)LSI1807與中頻和高頻模擬電路模塊1802的距離D之間的關(guān)系。在圖78中，曲線e、f、g分別對應(yīng)于系統(tǒng)LSI 1807與中頻和高頻模擬電路模塊1802之間的距離De、Df、Dg。這里有關(guān)系式De＞Df＞Dg。可以看出，隨著系統(tǒng)LSI1807與模擬電路模塊1802之間的距離D的減小，噪聲分布的頻帶將增寬。
如上所述，通過把LC諧振電路的諧振頻率設(shè)定得足夠小，便可能把特定頻帶中的噪聲強度設(shè)定得小于或等于預(yù)定值。于是，能防止高頻和中頻模擬電路1802的特性因噪聲而降低。
本說明書第8章和第9章中說明的任一類型的電源設(shè)備都可用作含有LC諧振電路的電源設(shè)備1806。不過LC諧振電路并不一定需要具有這樣的結(jié)構(gòu)第一個電容連接在電感的一端而第二個電容連接在電感的另一端(以下將該結(jié)構(gòu)稱為C-L-C結(jié)構(gòu))。LC諧振電路的結(jié)構(gòu)也可以是只有一個電容連接在電感的一端(以下稱為L-C結(jié)構(gòu))。
圖79示出一種含有L-C結(jié)構(gòu)的LC諧振電路的電源設(shè)備1806的結(jié)構(gòu)。該電源設(shè)備1806向多個電路模塊中的至少一個模塊提供直流電源電壓。電源設(shè)備1806和多個電路模塊可以形成在同一塊半導(dǎo)體芯片上，也可以形成在不同的半導(dǎo)體芯片上。
LC諧振電路由一個電感1820和一個電容1821組成。有一個電流調(diào)節(jié)電路1811連接在LC諧振電路上。與電流調(diào)節(jié)電路1811相連接的電感1820的那個端頭處的電壓被設(shè)定為VDD/2。這里假定電源電壓為VDD。
當流經(jīng)電感1820的電流是從電流調(diào)節(jié)電路1811流向電容1821時，節(jié)點1818處的電壓將增大。反之，節(jié)點1818處的電壓將降低。
電流調(diào)節(jié)電路和1811在監(jiān)視節(jié)點1818處電壓的同時調(diào)節(jié)電流的輸入/輸出，使得節(jié)點1818處的電壓以一個預(yù)定的電壓振幅作LC振蕩。為了把節(jié)點1818處的振蕩電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，設(shè)置了比較器1813和1819、一個參考電壓發(fā)生電路1814和一個控制電路1812。通過用控制電路1812斷開/接通開關(guān)1815，負載1817的節(jié)點1816處的電壓被轉(zhuǎn)換成直流電壓。這種轉(zhuǎn)換方法與下面將參考圖17A說明的電源設(shè)備的轉(zhuǎn)換方法類似。圖79所示的控制電路1812、比較器1819和1813、開關(guān)1815、負載1817和參考電壓發(fā)生電路1814分別對應(yīng)于圖17A所示的控制電路283、比較器284和285、開關(guān)282、負載280和參考電壓發(fā)生電路286。
8.電源設(shè)備200的類型電源設(shè)備200一般可以分成以下4種類型(1)-(4)。
(1)DC型這種類型利用能量保存電路220的節(jié)點222和224中的一個節(jié)點所提供的直流電壓波形。
(2)AC型這種類型利用能量保存電路220的節(jié)點222和224中的一個節(jié)點所提供的交流電壓波形。
(3)DC-AC型這種類型利用能量保存電路220的節(jié)點222和224中的一個節(jié)點所提供的直流電壓波形和另一個節(jié)點所提供的交流電壓波形。
(4)AC-AC型這種類型利用能量保存電路220的節(jié)點222和224中的一個節(jié)點所提供的交流電壓波形和另一個節(jié)點所提供的交流電壓波形。
8.1 DC型電源設(shè)備圖16示出一種DC型電源設(shè)備201的結(jié)構(gòu)，它向連接在節(jié)點224上的負載270提供直流電壓波形。負載270至少含有一個電容元件和一個電阻元件。
電源設(shè)備201除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、比較器272、和參考電壓發(fā)生電路273。在圖16A所示的例子中，能量提供電路210采用了圖6A所示的結(jié)構(gòu)。不過，圖6A-6D或圖58A所示的結(jié)構(gòu)也都可用作能量提供電路210的結(jié)構(gòu)。圖11A、11B或13A所示的結(jié)構(gòu)可用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電容值C1和C2的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1＞＞C2。于是在節(jié)點222處得到交流電壓波形而在節(jié)點224處得到的直流電壓波形。
圖16B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)(以虛線表示)和節(jié)點224處的直流電壓波形(B)(以實線表示)。嚴格地說，節(jié)點224處的電壓波形也是一個交流電壓波形。不過節(jié)點224處的交流電壓波形可以被當作是一個直流電壓波形。這是因為節(jié)點224處的電壓振蕩足夠地小于節(jié)點222處的電壓振蕩。
如上所述，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)由能量提供電路210提供的靜態(tài)能量與動態(tài)能量的比例，有可能得到這樣的交流電壓波形(A)，使得其振蕩中心位于電壓Vp，振幅等于1/2 VDD。直流電壓波形(B)通常等于交流電壓波形(A)的振蕩中心。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備201的工作。
比較器272把節(jié)點224處的電壓與參考電壓發(fā)生電路273輸出的電壓Vp進行比較，以探測節(jié)點224處電壓是否已降低到低于電壓Vp。當節(jié)點224處電壓等于或高于電壓Vp時，比較器272的輸出信號為H電平。當節(jié)點224處電壓低于電壓Vp時，比較器272的輸出信號為L電平。
當節(jié)點224處電壓在時刻t1降低到低于電壓Vp時，比較器272的輸出信號從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?71在響應(yīng)于比較器272輸出信號的這一變化時將接通開關(guān)212。于是開始了向能量保存電路220的能量提供。結(jié)果節(jié)點224處的電壓增大。
當節(jié)點224處電壓在時刻t2變得等于或大于電壓Vp時，比較器272的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐泛?71在響應(yīng)于此變化時將斷開開關(guān)212。于是中止了對能量保存電路220的能量提供。
類似地，對能量保存電路220的能量提供開始于時刻t3，中止于時刻t4。
這樣，被負載270消耗的能量通過保存在能量保存電路220中的能量減少而被探測到。然后給能量保存電路220提供能量以補償減少的能量。
這樣，DC型電源設(shè)備201能向負載270提供低于電源電壓VDD的電壓。
8.2 AC型電源設(shè)備圖17A示出一種AC型電源設(shè)備202的結(jié)構(gòu)，它能把一個連接在節(jié)點222上的負載280中的節(jié)點281處的電壓充電到希望的電壓。負載280至少含有一個電容元件、一個電阻元件和開關(guān)282。
電源設(shè)備202除了包含圖16A所示電源設(shè)備201的各元件之外，還包含控制電路283、比較器284、比較器在285和參考電壓發(fā)生電路286。圖11A、11B或13A所示的結(jié)構(gòu)可以用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電容值C1和C2的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1＞＞C2。于是在節(jié)點222處得到交流電壓波形而在節(jié)點224處得到直流電壓波形。
圖17B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)，節(jié)點224處的直流電壓波形(B)和節(jié)點281處的電壓波形(C)。
如上所述，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)能量提供電路210所提供的靜態(tài)能量與動態(tài)能量之間的比例，有可能得到這樣的交流電壓波形(A)，使得其振蕩中心為電壓Vp，振幅為1/2 VDD。直流電壓波形(B)通常等于交流電壓波形(A)的振蕩中心。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備202把節(jié)點281處的電壓從電壓V1設(shè)置成小于電壓V1的電壓Vr1的工作。假定在時刻t＝0時節(jié)點281已被充電到電壓V1。
比較器284將節(jié)點222處的電壓與節(jié)點281處的電壓相比較，以探測節(jié)點222處電壓在交流電壓波形(A)的下降階段是否已達到電壓V1，或者探測節(jié)點222處電壓在交流電壓波形(A)的上升階段是否已達到電壓V1。當節(jié)點222處電壓在交流電壓波形(A)的下降階段達到了電壓V1時，比較器284的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平；當節(jié)點222處電壓在交流電壓波形(A)的上升階段達到了電壓V1時，比較器284的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平。
當節(jié)點222處電壓在交流電壓波形(A)的下降階段于時刻t1達到了電壓V1時，比較器284的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平?？刂破?83在響應(yīng)這一變化時將接通開關(guān)282。于是節(jié)點281處電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
比較器285將節(jié)點281處電壓與參考電壓發(fā)生電路286的輸出電壓Vr1相比較，以探測節(jié)點281處電壓是否已達到電壓Vr1。
當節(jié)點281處電壓于時刻t2達到了電壓Vr1時，比較器285的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平。控制電路283在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)282。于是節(jié)點281處的電壓被保持在電壓Vr1上。
不過，當把節(jié)點281處的電壓從電壓Vr1設(shè)定到高于Vr1的電壓Vr2上時，要利用交流電壓波形(A)的上升階段。
當節(jié)點222處的電壓在交流電壓波形(A)的上升階段于時刻t3達到電壓Vr1時，比較器284的輸出信號從H電平變?yōu)長電平。控制電路283在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)282。于是節(jié)點281處的電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
比較器285將節(jié)點281處的電壓與參考電壓發(fā)生電路286的輸出電壓Vr2相比較，以探測節(jié)點281處電壓是否已達到電壓Vr2。這樣，參考電壓發(fā)生電路286按預(yù)定的時間交替地輸出電壓Vr1和Vr2。
當節(jié)點281處的電壓在時刻t4達到電壓Vr2時，比較器285的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?83在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)282。于是節(jié)點281處的電壓將保持在電壓Vr2上。
通過調(diào)節(jié)參考電壓發(fā)生器286的輸出電壓，可以把負載280節(jié)點281處的電壓充電到任何電壓。
與直流型電源設(shè)備201中的情況相同，被負載280消耗的能量通過保存在能量保存電路220中的能量減小來探測。然后向能量保存電路220提供能量以補償減小的能量。
這樣，AC型電源設(shè)備202能利用交流電壓波形把連接在節(jié)點222上的負載280的節(jié)點281處的電壓充電到希望的電壓。利用交流電壓波形對含有電容元件的負載280的充電是基于前述的“絕熱充電原理“的。因此，在對負載280充電時消耗的能量是極小的。
8.3 DC-AC型電源設(shè)備圖18A示出一種DC-AC型電源設(shè)備203的結(jié)構(gòu)。除了有負載270被連接在節(jié)點224上之外，電源設(shè)備203的結(jié)構(gòu)與圖17A所示電源設(shè)備202的結(jié)構(gòu)相同。
通過把負載270連接在節(jié)點224上，有可能向負載270提供直流電壓波形。此外，通過把負載280連接在節(jié)點222上，還有可能利用交流電壓波形把負載280中的節(jié)點281處的電壓充電壓充電到希望的電壓。
圖18B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的直流電壓波形(B)和節(jié)點281處的電壓(C)。
8.4 AC-AC型電源設(shè)備(變體1)圖19A示出一種AC-AC型電源設(shè)備204的結(jié)構(gòu)。電源設(shè)備204利用第一支流電壓波形把連接在節(jié)點222上的負載280中的節(jié)點281處的電壓充電到希望的電壓，并利用第二交流電壓波形把連接在節(jié)點224上的負載290中的節(jié)點291處的電壓充電到希望電壓，其中第二和第一交流電壓波形的相位相差180°。負載290至少含有一個電容元件、一個電阻元件和開關(guān)292。
電源設(shè)備204除了包含圖17A所示電源設(shè)備202的各元件之外，還包含一個控制電路293、一個比較器294和一個比較器295?？刂齐娐泛?93的功能與控制電路283的相同。比較器294和295功能分別與比較器284和285的相同。示于圖11A、11B或13A的結(jié)構(gòu)可以用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
參考電壓發(fā)生電路286按預(yù)定的時間交替地輸出電壓Vr1和Vr2。參考電壓發(fā)生電路286在向比較器285輸出電壓Vr1的同時向比較器295輸出電壓Vr2；而在向比較器285輸出電壓Vr2的同時向比較器295輸出電壓Vr1。
電容值C1和C2的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1≈C2。于是在節(jié)點222和224處都將得到交流電壓波形。
圖19B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)，節(jié)點224處的交流電壓波形(B)、節(jié)點281處的電壓波形(C)和節(jié)點291處的電壓波形(D)。交流電壓波形(A)和(B)在振蕩中心和振幅方面一般是相同的，但是它們的相位相差180°。
通過同時利用交流電壓波形(A)和(B)，有可能在利用交流電壓波形(A)的下降階段把節(jié)點281處的電壓從電壓V1設(shè)置到低于V1的電壓Vr1上的同時，利用交流電壓波形(B)的上升階段把節(jié)點291處的電壓V2設(shè)置到高于V2的電壓Vr2上。類似地，有可能在利用交流電壓波形(A)的上升階段把節(jié)點281處的電壓從電壓Vr1設(shè)置到高于V1的電壓Vr2上的同時，利用交流電壓波形(B)的下降階段把節(jié)點291處的電壓從電壓Vr2設(shè)置到低于Vr2的電壓Vr1上。電容值C1和C2之間的關(guān)系可以是C1＞C2，也可以是C1＜C2。
8.5 AC-AC型電源設(shè)備(變體2)圖20A示出一種AC-AC電源設(shè)備205的結(jié)構(gòu)。電源設(shè)備205有選擇地利用第一交流電壓波形和有不同相位的第二交流電壓波形把連接在節(jié)點222和224上的負載300中的節(jié)點301處的電壓充電到希望電壓。負載300至少含有一個電容元件、一個電阻元件、一個開關(guān)302和一個開關(guān)303。
電源設(shè)備205除了包含圖16A所示電源設(shè)備201的各元件之外，還包含一個控制電路304、一個比較器305、一個比較器306、一個比較器307和一個參考電壓發(fā)生電路308。示于圖11A、11B或13A的結(jié)構(gòu)可以用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電容值C1和C2的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1≈C2。于是在節(jié)點222和224處都得到交流電壓波形。
圖20B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的交流電壓波形(B)、和節(jié)點301處的電壓波形(C)和(C′)。交流電壓波形(A)和(B)的振蕩中心和振幅一般是相同的，但它們的相位相差180°。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備205把節(jié)點301處的電壓從電壓V1設(shè)置到高于電壓V1的電壓Vr2上的工作。假定在時刻t＝0時節(jié)點301已被充電到電壓V1。
比較器305將節(jié)點222處的電壓與節(jié)點301處的電壓相比較，以探測在交流電壓波形(A)的下降階段節(jié)點222處的電壓是否已達到電壓V1，或者探測在交流電壓波形(A)的上升階段節(jié)點222處的電壓是否已達到電壓V1。當在波形(A)的下降階段節(jié)點222處電壓達到電壓V1時，比較器305的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平。當在波形(A)的上升階段節(jié)點222處電壓達到電壓V1時，比較器305的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平。
比較器307將節(jié)點224處的電壓與節(jié)點301處的電壓相比較，以探測在交流電壓波形(B)的下降階段節(jié)點224處電壓是否達到了電壓V1，或者探測在波形(B)的上升階段節(jié)點224處電壓是否已達到電壓V1。當在波形(B)的下降階段節(jié)點224處電壓達到了電壓V1時，比較器307的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平。當在波形(B)的上升階段節(jié)點224處電壓達到了電壓V1時，比較器307的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平。
當節(jié)點224的電壓在交流電壓波形(B)的上升階段于時刻t2達到了電壓V1時，比較器307的輸出信號從H電平變?yōu)長電平。控制電路304在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)303。于是節(jié)點301處的電壓將隨交流電壓波形(B)改變。
比較器306將節(jié)點301處的電壓與參考電壓發(fā)生電路308輸出的電壓Vr2相比較，以探測節(jié)點301處的電壓是否已達到電壓Vr2。
當節(jié)點301處電壓于時刻t3達到了電壓Vr2時，比較器306的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平。控制電路304在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)303。于是節(jié)點301處的電壓保持在電壓Vr2上。
接著，將說明電源設(shè)備205把節(jié)點301處的電壓從電壓V1設(shè)置到低于V1的電壓Vr1上的工作。假定在時刻t＝0時節(jié)點301處的電壓已充電到了電壓V1。
當節(jié)點222處的電壓在交流電壓波形(A)的下降階段于時刻t1達到了電壓V1，比較器305的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?04在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)302。于是節(jié)點301處電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
比較器306將節(jié)點301處的電壓與參考電壓發(fā)生電路308輸出的電壓Vr1相比較，以探測節(jié)點301處電壓是否已達到電壓Vr1。這樣，參考電壓發(fā)生電路308以預(yù)定的時間交替地產(chǎn)生電壓Vr1和Vr2。
當探測到節(jié)點301處電壓于時刻t3達到了電壓Vr1時，比較器306的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?04在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)302。于是節(jié)點301處的電壓將保持在電壓Vr1上。
通過調(diào)節(jié)參考電壓發(fā)生電路308的輸出電壓，可以把負載300中的節(jié)點301處的電壓充電到任何電壓上。
與DC型電源設(shè)備201的情況相同，負載300所消耗的能量由保存在能量保存電路220中的能量減小探測到。給能量保存電路220提供能量以補償減小的能量。
這樣，通過有選擇地利用交流電壓波形(A)和(B)中的一個波形，便可能縮短把負載300充電到希望電壓所需的時間，更快地達到希望電壓。電容值C1與C2之間的關(guān)系可以是C1＞C2，也可以是C1＜C2。
8.6 AC-AC型電源設(shè)備(變體3)圖21示出一種AC-AC型電源設(shè)備206的結(jié)構(gòu)。負載410連接在電源設(shè)備206的節(jié)點1222、1224和1226上。負載410至少含有一個電容元件，一個電阻元件，和開關(guān)412-414。
電源設(shè)備206包含能量提供電路210和能量保存電路1220。示于圖11A、11B或13A的結(jié)構(gòu)可用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
在能量保存電路1220的結(jié)構(gòu)中有兩個LC諧振電路以級聯(lián)的形式連接在一起。較具體地說，能量保存電路1220含有一個電感1221、一個電感1228、一個電容1223、一個電容1225、和一個電容1227。電感1221與1228在節(jié)點1224處串聯(lián)。電容1223在節(jié)點1222處與電感1221連接。電容1225在節(jié)點1224處與電感1221和1228相連接。電容1227在節(jié)點1226處與電感1228連接。這里，L1和L2分別代表電感1221和1228的電感值。C1-C3分別代表電容1223、1225和1227的電容值。
電源設(shè)備206還含有一個控制電路271、一個比較器272、一個參考電壓發(fā)生電路273、一個控制電路415、比較器416-419、和一個參考電壓發(fā)生電路420。
電容值C1、C2、C3的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1≈C2≈C3。于是，在節(jié)點1222、1224、1226處都得到交流電壓波形。
圖22示出節(jié)點1222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點1224處的交流電壓波形(B)、節(jié)點1226處的交流電壓波形(C)、和負載410中節(jié)點411處的電壓波形(D)。一般，交流電壓波形(A)-(C)有相同的振蕩中心和振幅。交流電壓波形(A)與(C)的相位相差180°。
圖23A-23D分別示出在圖22所示的時期T1-T4中的電荷運動。這里定義VA代表節(jié)點1222處的電壓，VB代表節(jié)點1224處的電壓，VC代表節(jié)點1226處的電壓。
在時期T1中，存儲在電容1223中的電荷向電容1225和1227運動(圖23A)。于是電壓VA降低而電壓VB和VC升高。
在時期T2中，存儲在電容1223和1225中的電荷向電容1227運動(圖23B)。于是電壓VA和VB降低而電壓VC升高。
在時期T3中，存儲在電容1225和1227中的電荷向電容1223運動(圖23C)。于是電壓VA升高而電壓VB和VC下降。
在時期T4中，存儲在電容1227中的電荷向電容1223和1225運動(圖23D)。于是電壓VA和VB升高而電壓VC下降。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備206把節(jié)點411處的電壓從電壓V1設(shè)置到低于V1的電壓Vr1上的工作。假定在t＝0時節(jié)點411已充電到了電壓V1。
當電壓VC在其下降階段于時刻t1達到了節(jié)點411處的電壓(即電壓V1)時，控制電路415將接通開關(guān)414。結(jié)果節(jié)點411處的電壓將隨交流電壓波形(C)降低。
當電壓VC在其下降階段于時刻t2達到了參考電壓發(fā)生電路420輸出的參考電壓Vr2時，控制電路415將斷開開關(guān)414。結(jié)果節(jié)點411處的電壓將保持在電壓Vr2上。
接著將說明電源設(shè)備206把節(jié)點411處的電壓從電壓Vr2設(shè)置到高于Vr2的電壓Vr1上的工作。
當電壓VC在其上升階段于時刻t3到達了參考電壓發(fā)生電路420輸出的參考電壓Vr2時，控制電路415將接通開關(guān)414。結(jié)果節(jié)點411處的電壓將隨交流電壓波形(C)升高。
當電壓VC在其上升階段于時刻t4達到了參考電壓發(fā)生電路420輸出的參考電壓Vr1時，控制電路415將斷開開關(guān)414。這樣，負載410中的電容元件被絕熱充電。到目前為止該電源設(shè)備的工作相似于前述AC-AC型電源設(shè)備204和205的工作。
當在時刻t4把節(jié)點411處的電壓從電壓Vr1設(shè)置到電壓Vr2時，利用交流電壓波形(B)來替代(C)將更為有效。這是因為，如果讓節(jié)點411處電壓隨交流電壓波形(C)來降低，則必須等待到時刻t5才能接通開關(guān)414。但如果利用波形(B)，則可以在早于時刻t5的時刻t4接通開關(guān)413。所以，通過利用交流電壓波形(B)可以增大工作頻率。
典型地，當利用分別由各個電路產(chǎn)生的多個交流電壓波形時，需要調(diào)節(jié)這些波形之間的相位關(guān)系。反之，對于電源設(shè)備206而言，不需要調(diào)節(jié)交流電壓波形(A)-(C)之間的相位關(guān)系。這是因為，由于級聯(lián)LC諧振電路的特性，交流電壓波形(B)的相位被設(shè)置在交流電壓波形(A)和(C)之間。
圖24A示出當電容值C1-C3的設(shè)定滿足關(guān)系式C1、C2＜＜C3時在各個節(jié)點處得到的電壓波形，在節(jié)點1222和1224處分別得到了交流電壓波形(A)和(B)，而在節(jié)點1226處得到了直流電壓波形(C)。
圖24B示出當電容值C1-C3的設(shè)定滿足關(guān)系式C1、C3＜＜C2時在各個節(jié)點處得到的電壓波形。在節(jié)點1222和1226處分別得到了交流電壓波形(A)和(C)，而在節(jié)點1224處得到了直流電壓波形(B)。
這樣，通過適當?shù)亟M合電容值C1-C3，便可能產(chǎn)生各種類型的電壓波形。
表1概要地示出分別在節(jié)點1222、1224和1226處得到的電壓波形的各種組合情況。
表1

9.電源設(shè)備200的能量再利用類型電源設(shè)備200一般分成以下5種類型(1)-(5)。
(1)能量再利用AC型該類型通過把電能量保存電路220的節(jié)點222和節(jié)點224中的一個節(jié)點所提供的至少一部分交流電壓能量通過該同一節(jié)點返回給能量保存電路220，而實現(xiàn)能量再利用。
(2)能量再利用DC型該類型通過把由能量保存電路220的節(jié)點222和節(jié)點224中的一個節(jié)點所提供的至少一部分直流電壓能量通過該同一節(jié)點返回給能量保存電路220，而實現(xiàn)能量再利用。
(3)能量再利用AC-AC型該類型通過把由能量保存電路220的節(jié)點222和節(jié)點224中的一個節(jié)點所提供的至少一部分交流電壓能量仍以交流電壓能量的形式通過另一個節(jié)點返回給能量保存電路220，而實現(xiàn)能量再利用。
(4)能量再利用AC-DC型，該類型通過把由能量保存電路220的節(jié)點222和節(jié)點224中的一個節(jié)點所提供的至少一部分交流電壓能量以直流電壓能量的形式通過另一個節(jié)點返回給能量保存電路220，而實現(xiàn)能量再利用。
(5)能量再利用DC-AC型該類型通過把由能量保存電路220的節(jié)點222和節(jié)點224中的一個節(jié)點所提供的至少一部分直流電壓能量以交流電壓能量的形式通過另一個節(jié)點返回給能量保存電路220，而實現(xiàn)能量再利用。
9.1能量再利用AC型電源設(shè)備圖19A所示的AC-AC型電源設(shè)備204對應(yīng)于一種能量再利用AC型電源設(shè)備1201。這是因為，當能量保存電路220的節(jié)點222所提供的交流電壓波形(A)(見圖19B)在上升階段時由能量保存電路220向負載280提供能量，而當交流電壓波形(A)在下降階段時能量從負載280通過節(jié)點222返回給能量保存電路220。對于由能量保存電路220的節(jié)點224所提供的交流電壓波形(B)，情況也是類似的。
這樣，通過把存儲在負載280和290的電容元件中的電荷返回給能量保存電路220這一形式，能量得到了再利用。于是有可能以極少的能量損失對負載280和290充放電。
9.2能量再利用DC型電源設(shè)備圖25A示出一種能量再利用DC型設(shè)備1202的結(jié)構(gòu)。負載310連接在電源設(shè)備1202的節(jié)點224上。負載310含有一個電容元件C3、一個電阻元件312和一個開關(guān)313。
電源設(shè)備1202通過節(jié)點224向負載310提供直流電壓波形。所提供的能量被存儲在負載310的電容C3中。該被存儲能量中的至少一部分仍通過節(jié)點224返回給電源設(shè)備1202。于是能量得到再利用。
電源設(shè)備1202除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、比較器272、參考電壓發(fā)生電路273、和控制電路314。在圖25A所示的例子中，能量提供電路210采用了圖6A所示的結(jié)構(gòu)。不過，示于圖6A-6D和58A的任一種結(jié)構(gòu)都可用作能量提供電路210的結(jié)構(gòu)。圖11A、11B或13A所示的結(jié)構(gòu)可用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電容值C1和C2的設(shè)定使得能滿足關(guān)系式C1＞＞C2。于是在節(jié)點222處得到交流電壓波形而在節(jié)點224處得到直流電壓波形。
圖25B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的直流電壓波形(B)，和節(jié)點311處的電壓波形(C)。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備1202的工作。
比較器272將節(jié)點224處的電壓與參考電壓發(fā)生電路273輸出的電壓Vp相比較，以探測節(jié)點224處的電壓是否已降低到低于電壓Vp。當節(jié)點224處電壓等于或高于電壓Vp時，比較器272的輸出信號為H電平。當節(jié)點224處電壓低于電壓Vp時，比較器272的輸出信號為L電平。
在時刻t＝0時，開關(guān)312是斷開的，而開關(guān)313是接通的。因此負載310的節(jié)點311處的電壓被設(shè)置在地電壓GND上。
在時刻t1，控制電路314接通開關(guān)312，斷開開關(guān)313。結(jié)果，節(jié)點311處的電壓向著電源電壓VDD充電。由于節(jié)點311處電壓在時刻t1至t2時期內(nèi)升高，所以存儲在負載310的電容元件C3中的電荷將通過節(jié)點224返回到能量保存電路220中。
在時刻t3，控制電路314斷開開關(guān)312，接通開關(guān)313。結(jié)果，節(jié)點311處的電壓向著地電壓GND充電。由于節(jié)點311處電壓在時刻t3至t1的時期內(nèi)下降，所以由能量保存電路220通過節(jié)點224提供的電荷將被存儲在負載310的電容元件C3中。
通過向負載310提供能量，能量保存電路220的節(jié)點224處的電壓將降低。
當節(jié)點224處電壓于時刻t4降低到低于電壓Vp時，比較器272的輸出信號從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?71在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)212。于是開始向能量保存電路220提供能量。結(jié)果，節(jié)點224處的電壓升高。
當節(jié)點224處電壓于時刻t5變得等于或高于電壓Vp時，比較器272的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?71在響應(yīng)于這一變化時，將斷開開關(guān)212。于是中止向能量保存電路220提供能量。
負載310的節(jié)點311處的電壓被控制得從地電壓GND升高到電源電壓VDD，或從電源電壓VDD下降到地電壓GND。當節(jié)點311處電壓升高時，存儲在負載310的電容元件C3中的電荷通過節(jié)點224返回到能量保存電路220中。當存儲在負載310的節(jié)點311處的電壓降低時，由能量保存電路220提供的電荷通過節(jié)點224被存儲在負載310的電容元件C3中。
這樣，通過讓存儲在負載310的電容元件C3中的電荷返回到能量保存電路220中，能量得到了再利用。于是有可能以極少的能量損失對負載310充放電。
9.3能量再利用AC-AC型電源設(shè)備圖26A示出一種能量再利用AC-AC型電源設(shè)備1203的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與圖20A所示的AC-AC型電源設(shè)備205的結(jié)構(gòu)相同。負載300連接在電源設(shè)備1203的節(jié)點222和224上。負載300含有電容元件C3、開關(guān)302和開關(guān)303。示于圖11A、11B或13A的結(jié)構(gòu)可以用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電源設(shè)備1203分別通過節(jié)點222和224向負載300提供交流電壓波形。通過節(jié)點224提供的能量被存儲在負載300的電容元件C3中。至少一部分存儲在電容元件C3中的能量將通過節(jié)點222返回給電源設(shè)備1203。于是能量被再利用。
圖26B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的交流電壓波形(B)和節(jié)點301處的電壓波形(C)。交流電壓波形(A)和(B)一般有相同的振蕩中心和振幅，但它們的相位相差180°。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備1203的工作。
假定在時刻t＝0時節(jié)點301已被充電到電壓V1。開關(guān)302和開關(guān)303都是斷開的。
當節(jié)點224處的電壓在交流電壓波形(B)的上升階段于時刻t1達到了節(jié)點301處的電壓(即電壓V1)時，比較器307的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?04在響應(yīng)于該變化時將接通開關(guān)303。于是節(jié)點301處的電壓將隨交流電壓波形(B)改變。
比較器306將節(jié)點301處的電壓與參考電壓發(fā)生電路308輸出的電壓Vr2相比較，以探測節(jié)點301處電壓是否已達到電壓Vr2。
當節(jié)點301處電壓于時刻t2達到電壓Vr2時，比較器306的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?04在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)303。于是節(jié)點301處的電壓將保持在電壓Vr2上。
當節(jié)點222處的電壓在交流電壓波形(A)下降階段于時刻t3達到了節(jié)點301處的電壓(即Vr2)，比較器305的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?04在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)302。于是節(jié)點301處的電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
比較器306將節(jié)點301處的電壓與參考電壓發(fā)生電路308輸出的電壓Vr1相比較，以探測節(jié)點301處電壓是否已達到電壓Vr1。這樣，參考電壓發(fā)生電路308按預(yù)定的時間交替地輸出電壓Vr1和電壓Vr2。
當探測到節(jié)點301處的電壓于時刻t4達到了電壓Vr1時，比較器306的輸出信號從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?04在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)302。于是節(jié)點301處的電壓將保持在電壓Vr1上。
在時刻t＝0至t1的時期內(nèi)，能量保存電路220和負載300之間沒有能量移動。這是因為開關(guān)302和303都是斷開的，從而能量保存電路220和負載300在這段時期中是互相電分離的。
在從時刻t1至?xí)r刻t2的時期內(nèi)，有能量通過節(jié)點224從能量保存電路220提供給負載300。這是因為在該時期中開關(guān)302是斷開的但開關(guān)303是接通的。結(jié)果，負載300的節(jié)點301處的電壓升高。
在從時刻t2至?xí)r刻t3的時期內(nèi)，在能量保存電路220和負載300之間沒有能量流動。這是因為開關(guān)302和303都是斷開的，從而在讓時期中能量保存電路220和負載300是互相電分離的。
在從時刻t3至?xí)r刻t4的時期內(nèi)，能量通過節(jié)點222從負載300返回到能量保存電路220中。這是因為在這段時期中開關(guān)302是接通的，而開關(guān)303是斷開的。結(jié)果，負載300的節(jié)點301處的電壓下降。
這樣，至少一部分由能量保存電路220通過節(jié)點224提供給負載300的能量又通過節(jié)點222從負載300返回到了能量保存電路220，從而可以再利用該能量。于是有可能以極少的能量損失對負載300充放電。電容值C1和C2之間的關(guān)系可以是C1＞C2，也可以是C1＜C2。
9.4能量再利用AC-DC型電源設(shè)備圖27A示出一種能量再利用AD-DC型電源設(shè)備1204的結(jié)構(gòu)。負載320連接在電源設(shè)備1204的節(jié)點222和224上。負載320含有一個電容元件C3和開關(guān)323-326。示于圖11A、11B或13A的結(jié)構(gòu)可用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電源設(shè)備1204分別通過節(jié)點222和224向負載320提供交流電壓波形和直流電壓波形。通過節(jié)點222提供的能量被存儲在負載320的電容元件C3中。該能量中的至少一部分將通過節(jié)點224返回到電源設(shè)備1204中。這樣，能量得到了再利用。
電源設(shè)備1204除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、比較器272、參考電壓發(fā)生電路273、控制電路327、比較器328、比較器329、和參考電壓發(fā)生電路330。在圖27A所示的例子中，能量提供電路210采用了圖6A所示的結(jié)構(gòu)。但是，圖6A-6C所示的任一種結(jié)構(gòu)都可被用作能量提供電路210的結(jié)構(gòu)。
電容值C1和C2的設(shè)定使得滿足關(guān)系式C1＞＞C2。于是在節(jié)點222處得到交流電壓波形而在節(jié)點224處得到直流電壓波形。
圖27B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的直流電壓波形(B)、節(jié)點321處的電壓波形(C)、和節(jié)點322處的電壓波形(D)。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備1204的工作。
假定在時刻t＝0時負載320的節(jié)點321已充電到電壓V1。開關(guān)323-325是斷開的，但開關(guān)326是接通的。
當節(jié)點222處的電壓在交流電壓波形(A)的上升階段于時刻t1達到了節(jié)點321處的電壓(即電壓V1)時，比較器328的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?27在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)323。于是節(jié)點321處電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
比較器329將節(jié)點321處的電壓與參考電壓發(fā)生電路330輸出的電源電壓VDD相比較，以探測節(jié)點321處電壓是否已達到電源電壓VDD。
當節(jié)點321處電壓于時刻t2達到了電源電壓VDD時，比較器329的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?27在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)323和接通開關(guān)324。于是節(jié)點321處的電壓將向著節(jié)點224處的電壓(即電壓Vp)改變。
在時刻t3，節(jié)點321處的電壓達到了電壓Vp。
在時刻t1至t2的時期內(nèi)，能量通過節(jié)點222從能量保存電路220提供給負載320。該提供的能量被存儲在負載320的電容元件C3中。在時刻t2至t3的時期內(nèi)，能量通過節(jié)點224從負載320返回到能量保存電路320中。
這樣，至少一部分通過節(jié)點222從能量保存電路320提供給負載320的能量又通過節(jié)點224從負載320返回到能量保存電路220中，于是再利用了能量。于是有可能以極少的能量損失對負載320充放電。
當節(jié)點222處的電壓在交流電壓波形(A)的上升階段于時刻t4達到了節(jié)點321處的電壓(即電壓Vp)時，比較器328的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平?？刂齐娐?27在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)323和斷開開關(guān)324。于是節(jié)點321處電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
當于時刻t5探測到節(jié)點321處電壓已達到了電壓Vr1時，比較器329的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?27在響應(yīng)于這一變化時將斷開開關(guān)323和接通開關(guān)324。此外，在響應(yīng)于比較器329輸出信號的這一變化時，控制電路327還將接通開關(guān)325和斷開開關(guān)326。于是節(jié)點321處電壓將向著節(jié)點224處的電壓(即電壓Vp)改變。
在時刻t6，節(jié)點321處電壓達到了電壓Vp。
在時刻t4至t5的時期內(nèi)，能量通過節(jié)點222從負載320返回到能量保存電路220中。在時刻t5至t6的時期內(nèi)，從能量保存電路220通過節(jié)點224向負載320提供能量。該提供的能量被存儲在負載320的電容元件C3中。
這樣，至少一部分通過節(jié)點224從能量保存電路220提供給負載320的能量又通過節(jié)點222從負載320返回到能量保存電路220中，由此再利用了能量。于是有可能以極少的能量損失向負載320充放電。
由于向負載320提供能量，能量保存電路320的節(jié)點224處的電壓將下降。在圖27B所示的例子中，節(jié)點224處電壓于時刻t2降低到了低于電壓Vp。當出現(xiàn)這一情況時，比較器272的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?71在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)212一段預(yù)定的時間。結(jié)果，節(jié)點224處的電壓升高。
9.5能量再利用DC-AC型電源設(shè)備圖28A示出一種能量再利用DC-AC型電源設(shè)備1205的結(jié)構(gòu)。負載350設(shè)置在電源設(shè)備1205的節(jié)點224與351之間。電容元件C3連接在節(jié)點351上。
電源設(shè)備1205通過節(jié)點224向負載350提供直流電壓波形。電源設(shè)備1205通過節(jié)點224提供的能量被存儲在電容元件C3中。至少一部分被存儲在電容C3中的能量要通過節(jié)點222返回到電源設(shè)備1205中。這樣能量得到了再利用。
電源設(shè)備1205除了包含能量提供電路210和能量保存電路220這兩個基本單元之外，還包含控制電路271、比較器272、參考電壓發(fā)生電路273、開關(guān)352、控制電路353、比較器354、比較器355、和參考電壓發(fā)生電路356。在圖28A所示的例子中，能量提供電路210采用了圖6A所示的結(jié)構(gòu)。但是，圖6A-6D和58A所示的任一種結(jié)構(gòu)都可以用作能量提供電路210的結(jié)構(gòu)。示于圖11A、11B或13A的結(jié)構(gòu)可用作調(diào)節(jié)動態(tài)能量的裝置。
電容值C1和C2的設(shè)定1使得滿足關(guān)系式C1＞＞C2。于是在節(jié)點222處得到交流電壓波形，在節(jié)點224處得到直流電壓波形。
圖28B示出節(jié)點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的直流電壓波形(B)、和節(jié)點351處的電壓波形(C)。
現(xiàn)在將說明電源設(shè)備1205的工作。
在從時刻t＝0至?xí)r刻t1的時期內(nèi)，通過節(jié)點224從能量保存電路220向負載350提供電荷。結(jié)果，節(jié)點224處的電壓逐漸降低。一部分已通過負載350的電荷將再通過負載360到地。其余電荷被存儲在電容元件C3中。結(jié)果，節(jié)點351處的電壓逐漸升高。
當節(jié)點224處的電壓于時刻t1下降到低于電壓Vp時，比較器272的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平?？刂齐娐?71在響應(yīng)于這一變化時將在時刻t1至t2的時期內(nèi)接通開關(guān)212。于是能量從能量提供電路210提供給能量保存電路220。結(jié)果節(jié)點224處的電壓升高。
在時刻t2至t3的時期內(nèi)，沒有能量從能量提供電路210提供給能量保存電路220。結(jié)果節(jié)點224處的電壓逐漸降低。
當節(jié)點222處的電壓在支流電壓波形(A)的下降階段于時刻t3達到了節(jié)點351處的電壓時，比較器354的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平，控制電路353在響應(yīng)于這一變化時將接通開關(guān)352。于是節(jié)點351處的電壓將隨交流電壓波形(A)改變。
在時刻t3至t4的時期內(nèi)，存儲在電容元件C3中的電荷通過開關(guān)352和節(jié)點222返回到能量保存電路220中。
當節(jié)點351處電壓在時刻t4達到了電壓Vr時，比較器355的輸出信號將從H電平變?yōu)長電平。這里，參考電壓發(fā)生電路將其輸出電壓Vr作為參考電壓輸出給比較器355?？刂齐娐?53在響應(yīng)于比較器355輸出信號的這一變化時將斷開開關(guān)352。
在時刻t4至t5的時期內(nèi)，沒有能量從能量提供電路210提供給能量保存電路220，因此節(jié)點224處的電壓將逐漸降低，并且存儲在電容元件C3中的電荷也不返回到能量保存電路220中，因此節(jié)點351處的電壓將逐漸升高。但當存儲在電容元件C3中的電荷返回到能量保存電路220中時，節(jié)點224處的電壓下降將轉(zhuǎn)變?yōu)樯摺亩?jié)點224處的電壓和節(jié)點351處的電壓都將保持在希望電壓附近。
在圖28A所示的例子中，負載350設(shè)置在節(jié)點224與351之間，負載360設(shè)置在節(jié)點351與地之間。除了負載350和360之外，還可以在節(jié)點224與地之間再設(shè)置另一個負載?；蛘?，也可以把負載350設(shè)置在節(jié)點224與351之間，而把負載360設(shè)置在節(jié)點224與地之間?；蛘咭部梢灾辉O(shè)置負載350而不設(shè)置負載360。
10.本發(fā)明對電壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用現(xiàn)在將說明本發(fā)明對電壓轉(zhuǎn)換器(DC/DC轉(zhuǎn)換器)的應(yīng)用。(實施例1)圖29示出根據(jù)本發(fā)明的一種電壓轉(zhuǎn)換器20的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換器20包含一個電壓轉(zhuǎn)換部分3和一個控制部分130，前者用來把一個由電源1提供的電壓轉(zhuǎn)換成另一個電壓并把這另一個電壓提供給一個電壓接收電路(負載)2；后者用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分3，使得能把來自電源1的基本上等于負載2的功耗的功率提供給電壓轉(zhuǎn)換部分3。電源1連接在電壓轉(zhuǎn)換器20的端頭21上。負載2連接在電壓轉(zhuǎn)換器20的端頭22上。
控制部分130含有一個驅(qū)動電路4和一個同步電路5，前者用來斷開/接通含在電壓轉(zhuǎn)換部分3中的一個開關(guān)26(圖29中未示出，見圖30)；后者用來根據(jù)由探測器8、15和18輸出的信號確定開關(guān)26的通斷狀態(tài)。
控制部分130還含有一個時鐘發(fā)生器6和一個時鐘探測器7，前者用來產(chǎn)生確定電壓轉(zhuǎn)換部分3的工作周期的時鐘脈沖；后者用來探測從時鐘發(fā)生器6輸出的時鐘脈沖。
控制部分130還含有一個用來將從電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e輸出的電壓與一個目標電壓相比較的探測器8、一個用來產(chǎn)生目標電壓的參考電壓發(fā)生器9、和一個用來根據(jù)一個控制時鐘脈沖和一個從時鐘發(fā)生器6輸出的時鐘脈沖來控制探測器8和參考電壓發(fā)生器9的工作時間的同步電路10?？刂茣r鐘脈沖通過端頭23提供給同步電路10。此外，有一個指明目標電壓的信號通過端頭25提供給參考電壓發(fā)生器9。
控制部分130還含有一個用來將從電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e輸出的電壓與一個初始電壓相比較的探測器11、一個用來產(chǎn)生初始電壓的參考電壓發(fā)生器12、和一個用來根據(jù)一個開始信號、一個控制時鐘脈沖、一個從同步電路5輸出的信號和一個從時鐘探測器7輸出的信號，來控制探測器11和參考電壓發(fā)生器12的工作時間的同步電路13。開始信號通過端頭24提供給同步電路13?？刂茣r鐘脈沖通過端頭23提供給同步電路13。
控制部分130還含有一個參考電壓發(fā)生器14，用來產(chǎn)生一個能確定含在電壓轉(zhuǎn)換部分3中的開關(guān)26(圖29中未示出，見圖30)從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)的時刻的電壓；一個探測器15，用來將參考電壓發(fā)生器14輸出的電壓與電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3c輸出的電壓相比較；以及一個同步電路16，用來根據(jù)一個控制時鐘脈沖和一個由時鐘發(fā)生器6輸出的時鐘脈沖來控制參考電壓發(fā)生器14和探測器15的工作時間?？刂茣r鐘脈沖通過端頭23提供給同步電路16。
控制部分130還含有一個參考電壓發(fā)生器17，用來產(chǎn)生一個能確定含在電壓轉(zhuǎn)換部分3中的開關(guān)26(圖29中未示出，見圖30)從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)的時刻的電壓；探測器18，用來將參考電壓發(fā)生器17輸出的電壓與電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3c輸出的電壓相比較；以及一個同步電路19，用來根據(jù)一個控制時鐘脈沖和一個由時鐘發(fā)生器6輸出的時鐘脈沖來控制參考電壓發(fā)生器17和探測器18的工作時間。控制時鐘脈沖通過端頭23提供給同步電路19。
圖30示出電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換部分3具有端頭3a-3e。端頭3a通過端頭21連接在電源1上。端頭3b連接在驅(qū)動電路4上。端頭3c連接在探測器15、探測器18和時鐘發(fā)生器6上。端頭3d通過端頭22連接在負載2上。端頭3e連接在探測器8和探測器11上。
電壓轉(zhuǎn)換部分3包含一個諧振電路140和一個開關(guān)26，后者與電源1和諧振電路140有電連接。
開關(guān)26例如可以是一個PMOS晶體管。
諧振電路140含有一個電感28和兩個電容27、29。
電感28的一端與電容27在節(jié)點3f處連接。節(jié)點3f連接在端頭3c上。在下面的說明中，把節(jié)點3f和端頭3c看成是相同的。開關(guān)26連接在諧振電路140的節(jié)點3f上。
電感28的另一端與電容29在節(jié)點3g處連接。節(jié)點3g連接在端頭3d和3e上。在下面的說明中，把節(jié)點3g、端頭3d和端頭3e看成是相同的。
一個控制開關(guān)26的斷開/閉合狀態(tài)的信號從端頭3b輸入。
現(xiàn)在將說明電壓轉(zhuǎn)換部分3的工作。這里，電容29和27的電容值分別用C1和C2表示，電感28的電值用L表示。
在諧振電路140中，一部分存儲在電容29中的電荷通過電感28被運送給電容27。此外，被運送給電容27的電荷又通過電感28重新運送給電容29。這樣，電容27和29通過電感28交換電荷。
圖31示出在端頭3d處沒有連接負載2并且開關(guān)26斷開的情形下諧振電路140的等效電路。在此情形中，流經(jīng)電容27的電流與流經(jīng)電容29的電流大小相同、方向相反。于是下面的(式1)成立。
C1·(dvg(t))/(dt)+C2·(dvf(t))/(dt)＝0(式1)這里，vf(t)和vg(t)分別代表于時刻t時端頭3f和3g處的電壓。電感28的端間電壓由下面的(式2)表示。
vg(t)-vf(t)＝L·(di)/(dt)(式2)這里，i代表流經(jīng)電感28的電流，當電流從端頭3g流向3f時i取正號。此外，流經(jīng)電感28的電流i等于流經(jīng)電容27的電流。于是，下述(式3)成立。
i＝C2·(dvf(t))/(dt)(式3)從(式1)至(式3)解出vf(t)和vg(t)，可得到下述的(式4)和(式5)。vf(t)=(vf(o)+i(o)C2-C1vg(o)+C2vf(o)C1+C2)cosC1+C2LC1C2t]]>

vg(t)={(C2(vg(o)-vf(o))C1+C2)2+(i(o)C2)2LC1C2C1+C2}12cos(C1+C2LC1C2t+α)]]>

為了簡化(式4)和(式5)以便理解，考慮到實際的設(shè)計值，引入下述條件(式6)至(式8)。
C1＞＞C2(式6)
C2/C1·vf(0)＝0(式7)C2/C1·(vg(0)-vf(0))＝0(式8)把條件(式6)至(式8)應(yīng)用到(式4)和(式5)，后兩式可簡化成下述的(式9)和(式10)。


這里，vf(0)和vg(0)分別代表t＝0時端頭3f和3g處的電壓。i(0)代表t＝0時的電感電流i。此外，a由下面(式11)表示

把條件(式6)至(式8)應(yīng)用到(式11)，(式11)可簡化成下述(式12)。

從(式9)可以看出，端頭3f處的電壓vf(t)由第一項的表示成余弦函數(shù)的交流成份和第二項的直流成份代表。交流成份的頻率fR可由余弦函數(shù)中時間t的系數(shù)(角速度)得到。具體地說，交流成份的頻率fR由下述(式13)給出。
fR＝1/(2π·√(LC2))(式13)交流成份的振幅Af是余弦函數(shù)的系數(shù)。具體地說，該振幅Af由下述(式14)給出。
Af＝vf(0)-vg(0)+i(0)/C2(式14)從(式10)可以看出，端頭3g處的電壓vg(t)由第一項的表示成余弦函數(shù)的交流成份和第二項的直流成份代表。端頭3g處電壓vg(t)的交流成份的頻率與端頭3f處電壓vf(t)的交流成份頻率相同。
電壓vg(t)的交流成份振幅Ag是余弦函數(shù)的系數(shù)。具體地說，該振幅Ag由下述(式15)給出。
Ag＝(i(0)/C1)·√(LC2)(式15)在一個實際設(shè)計中，可以應(yīng)用下述條件(式16)。
vf(0)-vg(0)，i(0)/C2＞＞1(0)/C1(式16)從(式16)可以看出，端頭3f和3g處電壓的交流成份振幅有下述關(guān)系。
Af＞＞Ag(式17)在一個實際設(shè)計中，端頭3g處電壓的振幅約為端頭3f處的1/50-1/100。
例如，假定要被轉(zhuǎn)換的電源電壓為3V，希望從電壓轉(zhuǎn)換器20輸出的電壓為1.5V。根據(jù)C1＝50uF、C2＝5uF、L＝100nH條件下的仿真結(jié)果，端頭3f處電壓的振幅為1.5V，而端頭3g處電壓的振幅為20mV。頻率為500RHz。因此，端頭3g處電壓振幅為3f處的1/75。
這樣，端頭3f處電壓vf(t)的交流成份有大的振幅。另一方面可以看出，與vf(t)的振幅相比，端頭3g處電壓vg(t)的交流成份振幅小得可以忽略。
端頭3f處電壓vf(t)和端頭3g處電壓vg(t)的直流成份近似相同。例如，假定從電壓轉(zhuǎn)換器20輸出的電壓(即端頭3g處電壓vg(t))為1.5V，則端頭3f處電壓vf(t)的直流成份也是1.5V。因此可以看出，端頭3f處電壓vf(t)在3V與0V之間振蕩，其中心為1.5V。
在圖34中，曲線a示出端頭3f處的電壓變化。在時刻tss之后曲線a按余弦波振蕩。這里，由于有負載2連接在電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出端22上，所以該余弦波隨時間衰減。
在前面參考圖31所作的討論中，假定了負載2沒有連接在電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出端22上，所以在(式4)或(式5)中不出現(xiàn)衰減項。但實際中負載2是連接在輸出端22上的，因此(式4)和(式5)中應(yīng)出現(xiàn)衰減項。這是因為有電流從電壓轉(zhuǎn)換器20流出到負載2。
如圖34所示，余弦波有衰減。在圖34中，VDD代表電源1的電壓，Vp代表目標輸出電壓。
下面將參考圖29-34詳細說明對電壓轉(zhuǎn)換部分3的開關(guān)(PMOS晶體管)26的通斷控制操作。
首先，參考圖32，說明電壓轉(zhuǎn)換器20的工作。
通過端頭24向電壓轉(zhuǎn)換器20輸入開始信號。在向電壓轉(zhuǎn)換器20輸入開始信號之前參考電壓發(fā)生器12和探測器11不消耗電流。參考電壓發(fā)生器12和探測器11不消耗電流這一工作狀態(tài)稱為“睡眠(Sleep)?！痹陧憫?yīng)于開始信號時，參考電壓發(fā)生器12的工作狀態(tài)從睡眠轉(zhuǎn)變成“參考電壓輸出”。在參考電壓輸出時期，參考電壓發(fā)生器12開始工作并向探測器11輸出參考電壓Vs(圖34中的電壓Vs)。
在響應(yīng)于開始信號時，探測器11的工作狀態(tài)從睡眠轉(zhuǎn)變成“設(shè)置(Set)”。在設(shè)置時期，探測器11對參考電壓發(fā)生器12輸出的參考電壓Vs進行采樣和保持。
在響應(yīng)于開始信號時，開關(guān)26的狀態(tài)從斷開狀態(tài)(OFF)變?yōu)榻油?ON)狀態(tài)。
在把參考電壓Vs輸出給探測器11之后，參考電壓發(fā)生器12的工作狀態(tài)從參考電壓輸出返回到睡眠。
在采樣保持了參考電壓Vs之后，探測器11的工作狀態(tài)從設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤綔y”。在探測時期，探測器11將電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e處(與端頭d和g處相同)的電壓與參考電壓Vs相比較，以探測端頭3e處電壓是否高于參考電壓Vs。
當探測器11探測到端頭3e處電壓高于參考電壓Vs時，它將輸出一個脈沖信號(圖32中的輸出信號)。輸出了輸出信號之后，探測器11的工作狀態(tài)將從探測返回到睡眠。
在響應(yīng)于輸出信號時，開關(guān)26將從接通狀態(tài)(ON)改變到斷開(OFF)狀態(tài)。
下面將參考圖34說明電壓轉(zhuǎn)換器20的工作。在圖34中，波形a代表電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3c處的電壓變化，波形b代表電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e處的電壓變化。
開始信號被輸入給電壓轉(zhuǎn)奐器20。于是電壓轉(zhuǎn)換器20開始工作，在時刻ts，開關(guān)26從斷開狀態(tài)(OFF)改變成接通狀態(tài)(ON)。
在時刻ts至te的時期內(nèi)，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3c和3e處的電壓上升到參考電壓Vs(電壓轉(zhuǎn)換器20的初始電壓)。這一時期稱作建立(setup)時期。在建立時期中，端頭3c和3e處的電壓(分別由圖34的波形a和b表示)根據(jù)(式6)的條件升高。端頭3c處電壓的升高速度比端頭3e處的快。
假定在時刻te至tsL時期內(nèi)負載2沒有被連接在端頭3d上。這個時期稱為“保持”時期。能作出這一假定的原因是，典型地，一個連接在電壓轉(zhuǎn)換器20輸出端22(即電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d)上的LSI不會在電壓轉(zhuǎn)換器20的建立時期剛結(jié)束時立即工作，而是要在建立時期結(jié)束后再經(jīng)過一段時間才會工作。
在圖29中，負載2用一個電阻符號表示。這是因為連接在端頭22上的LSI的工作速度比電壓轉(zhuǎn)換器20的工作速度足夠地快，所以LSI負載可以近似地用一個電阻負載來代替。電壓轉(zhuǎn)換器20的工作速度約為500kHz，而LSI的工作速度典型地是20MHz或更快。
在保持時期，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d處電壓保持不變。這是因為負載2沒有連接在電壓轉(zhuǎn)換部分3的輸出端22上。在保持時期端頭3d處電壓保持不變這一事實在圖34中由波形b在該時期內(nèi)平行于水平軸表示。
根據(jù)(式4)和(式5)，端頭3c處電壓(波形a)和端頭3e處電壓(波形b)都開始按正弦波振蕩。這里，雖然端頭3e處電壓是按正弦波振蕩的，但圖34沒有示出端頭3e處電壓(波形b)是按正弦波振蕩的。這是因為從(式17)可以看出，波形b的振幅遠小于波形a的振幅。
電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3c處電壓的振幅在保持時期要大于其他時期的振幅。這是因為端頭3c處的電壓因建立時期的電壓變化而在時刻te降低到了低于電源電壓VDD。于是，位于端頭3f一側(cè)的PMOS開關(guān)26的漏極區(qū)和井區(qū)所形成的二極管是前向偏置的。結(jié)果，正弦波a被箝位。
在時間tss之后，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓不再被箝位。這是因為一旦端頭3f處電壓(波形a)在過渡時期(時刻tsL至tss的時期)被箝位，振蕩能量就要衰減，于是端頭3f處電壓v(波形a)的振幅將減小。
時刻tss之后的時期稱作“穩(wěn)態(tài)工作時期”。在穩(wěn)態(tài)工作時期，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f和3g處的電壓按正弦波振蕩。不過，在穩(wěn)態(tài)工作時期，連接在輸出端22上的LSI開始工作(由于負載2是連接在其上的)，于是該振蕩將是衰減型的正弦波振蕩。不過，雖然該正弦波振蕩實際上在衰減，但在正弦波振蕩的一個周期左右的時間內(nèi)，端頭3f和3g處的電壓可認為分別是按(式4)和(式5)振蕩的。這是因為衰減量是足夠小的。
圖35示出圖34中的時刻t1之后的波形a和b。若在穩(wěn)態(tài)工作時期中的一段等于或大于正弦波振蕩周期的時間內(nèi)考察波形a和波形b，將發(fā)現(xiàn)它們的正弦波振幅和直流成份是在衰減的。這是因為有電流流過了負載2。
圖33示出電壓轉(zhuǎn)換器20在穩(wěn)態(tài)工作時期的工作。
圖33示出了諧振時鐘的波形。諧振時鐘是這樣得到的，利用時鐘發(fā)生器6把電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的正弦波振蕩整形成時鐘脈沖。
在響應(yīng)于諧振時鐘從H電平變?yōu)長電平的變化時，探測器8的工作狀態(tài)從睡眠變成“采樣”。在采樣時期，探測器8執(zhí)行所謂的采樣操作，即跟隨和保持電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3g處的電壓?；蛘撸綔y器8也可以同步于電壓接收電路(負載)2的工作時刻開始工作。
在采樣時期結(jié)束之后，探測器8的工作狀態(tài)從采樣轉(zhuǎn)變成“比較”。在比較時期，探測器8將參考電壓發(fā)生器9輸出的希望電壓Vp與采樣的電壓相比較。結(jié)果，當希望電壓Vp高于采樣的電壓時(即采樣的電壓低于希望電壓Vp時)，探測器8的輸出信號從L電平變?yōu)镠電平。在比較時期結(jié)束之后，探測器8返回睡眠狀態(tài)。
與探測器8從采樣狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較狀態(tài)相同步，參考電壓發(fā)生器9的工作狀態(tài)從睡眠轉(zhuǎn)變成電壓輸出。在電壓輸出時期，參考電壓發(fā)生器9向探測器8輸出希望電壓Vp。功率輸出時期結(jié)束之后，參考電壓發(fā)生器9返回睡眠狀態(tài)。
當探測器8的輸出信號為H電平時，參考電壓發(fā)生器14在響應(yīng)于諧振時鐘從L電平向H電平的變化時，其工作狀態(tài)將從睡眠轉(zhuǎn)變成電壓輸出。在電壓輸出時期，參考電壓發(fā)生器14向探測器15輸出參考電壓Vs。參考電壓Vs用來確定接通開關(guān)26的時刻。電壓輸出時期結(jié)束之后，參考電壓發(fā)生器14返回睡眠狀態(tài)。
與參考電壓發(fā)生器14的工作狀態(tài)從睡眠轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵鱿嗤?，探測器15從睡眠轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)置”。在設(shè)置時期，探測器15對參考電壓發(fā)生器14輸出的參考電壓Vs進行采樣和保持。其后，探測器15的工作狀態(tài)從設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤綔y”。在探測時期，探測器15將電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓(圖35中的波形a)與參考電壓Vs相比較，以探測端頭3f處電壓(圖35中的波形a)是否已達到參考電壓Vs。當端頭3f處電壓達到了參考電壓Vs時(圖35中的點1)，探測器15的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平。這一電平變化被傳送給同步電路5。同步電路5在響應(yīng)于這一電平變化時將使開關(guān)26從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)。探測時期結(jié)束之后，探測器15返回睡眠狀態(tài)。
當探測器8的輸出信號為H電平時，參考電壓發(fā)生器17在響應(yīng)于諧振時鐘從L電平變?yōu)镠電平的變化時其工作狀態(tài)將從睡眠變?yōu)殡妷狠敵?。在電壓輸出時期，參考電壓發(fā)生器17向探測器15輸出參考電壓Vc。參考電壓Vc用來確定斷開開關(guān)26的時刻。電壓輸出時期結(jié)束之后，參考電壓發(fā)生器17返回睡眠狀態(tài)。
與參考電壓發(fā)生器17從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變成電壓輸出狀態(tài)相同步，探測器18從睡眠轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)置。在設(shè)置時期，探測器18對參考電壓發(fā)生器17輸出的參考電壓Vc進行采樣和保持。其后，探測器18的工作狀態(tài)從設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)樘綔y。在探測時期，探測器18將電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓(圖35中的波形a)與參考電壓Vc相比較，以探測端頭3f處電壓是否已達到參考電壓Vc。當端頭3f電壓達到了參考電壓Vc時(圖35中的點2)，探測器18的輸出信號將從L電平變?yōu)镠電平。這一電平變化被傳送給同步電路5。同步電路5在響應(yīng)于這一電平變化時將使開關(guān)26從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。探測時期結(jié)束之后，探測器18返回睡眠狀態(tài)。
在從探測器15輸出信號由L電平變?yōu)镠電平的時刻到探測器18輸出信號由L電平變?yōu)镠電平的時刻之間的時期內(nèi)，開關(guān)26是接通(ON)的，在其他時期內(nèi)開關(guān)26是斷開(OFF)的。所以，在端頭3f處的電壓低于電壓VDD和高于目標電壓Vp的時期內(nèi)，開關(guān)26被斷開/接通。
電壓轉(zhuǎn)換部分3在上述穩(wěn)態(tài)工作時期中的工作小結(jié)如下。
當探測器8探測到電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3g處的電壓已下降到低于希望電壓Vp時，將有一個工作開始信號從探測器8通過同步電路5發(fā)送給探測器15和18。在響應(yīng)于該工作開始信號時，將起動從電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3注入電荷的操作。
在響應(yīng)于來自探測器8的工作開始信號時，探測器15和18都將開始各自的工作。當探測器15探測到端頭3f處電壓已達到參考電壓Vs時，開關(guān)26將被控制得從斷開狀態(tài)變成接通狀態(tài)。其后，當探測器18探測到端頭3f處電壓已達到參考電壓Vc(＞參考電壓Vs)時，開關(guān)26將被控制得從接通狀態(tài)變成斷開狀態(tài)。
或者，也可以把開關(guān)26控制得在電壓轉(zhuǎn)換器20的設(shè)置時期結(jié)束后經(jīng)過某一段時間從接通狀態(tài)變成斷開狀態(tài)?；蛘撸部梢栽陂_關(guān)26被從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)之后，把它控制得在探測器18探測到了端頭3f處電壓已達到參考電壓Vc(＞參考電壓Vs)后經(jīng)過某一段時間從接通狀態(tài)變成斷開狀態(tài)。
在開關(guān)26接通的時期內(nèi)，待轉(zhuǎn)換電源1是與電壓轉(zhuǎn)換部分3互相連接的。結(jié)果，有電荷從電源1注入到電壓轉(zhuǎn)換部分3中，由此提供了功率。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20的一個優(yōu)點是功耗極小。下面將說明其原因。
在開關(guān)26接通的時期中，有電流從待轉(zhuǎn)換電源1流向電壓轉(zhuǎn)換部分3。該電流從PMOS開關(guān)26的源極(連接在電源1上的極)流向其漏極(連接在端頭3f一側(cè)的極)。PMOS開關(guān)26的源極與漏極之間有一個電阻。因此，在PMOS開關(guān)26的這兩個極之間將產(chǎn)生一個電壓，并且在這兩個極之間流動的電流將消耗功率。這一功耗是電壓轉(zhuǎn)換時發(fā)生的轉(zhuǎn)換能量損失。轉(zhuǎn)換能量損失率ηc由下述(式18)確定。
ηc＝(PMOS開關(guān)26的源極與漏極之間的功耗)/(負載2的功耗)(式18)電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率差意味著其轉(zhuǎn)換能量損失率ηc大。反之，具有希望的轉(zhuǎn)換效率的電壓轉(zhuǎn)換器意味著它的轉(zhuǎn)換能量損失率ηc小。根據(jù)歐姆定律，當負載2的電阻值和轉(zhuǎn)換后的電壓都一定時，(式18)的分母為常數(shù)。于是，為了減小轉(zhuǎn)換能量損失率ηc需要減小分子。如果用Vds代表在PMOS開關(guān)26的源極與漏極之間產(chǎn)生的電壓，用Id代表流經(jīng)這兩個極的電源(假定從源極流向漏極的電流方向為正)，則功耗Pt可由下式表示。
Pt＝Vds·Id(式19)當負載2的電阻值和轉(zhuǎn)換后的電壓都一定時，需要提供的電流Id(需要提供的電荷總量)也是一定的。因此可以通過減小極間電壓Vds來減小功耗Pt。
如圖35所示，電壓轉(zhuǎn)換器20通過使電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓振蕩，從而可以在連接于PMOS開關(guān)源極上的待轉(zhuǎn)換電源1的電壓VDD與端頭3f處的電壓(波形a)相互接近時才接通PMOS開關(guān)26。通過在待轉(zhuǎn)換電源1的電壓VDD與端頭3f處電壓相互接近時接通PMOS開關(guān)26，便可以減小功耗Pt。這是因為當在這樣的時期內(nèi)接通PMOS開關(guān)26時，對于流經(jīng)源極和漏極的電流id相同的情況，在這兩個極之間產(chǎn)生的電壓Vds便會減小。
此外，由于電壓轉(zhuǎn)換部分3中的電阻元件就是PMOS開關(guān)26源、漏極之間的電阻，而如上所述，這部分的功耗是小的。從這個角度來說，電壓轉(zhuǎn)換部分3中一般不會產(chǎn)生熱量。
再有，當探測器8對參考電壓發(fā)生器9輸出的參考電壓(希望電壓)與電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d處的電壓的比較結(jié)果表明Vp低于端頭3d處電壓時，探測器15、參考電壓發(fā)生器14、同步電路16、探測器18、參考電壓發(fā)生器17、以及同步電路19都不工作。這例如對應(yīng)于圖33中所示的第二個周期的工作。于是通過控制部分130執(zhí)行有條件的操作，功耗得到了減小。為了進一步減小功耗，可以在電壓轉(zhuǎn)換器20輸出小電流的時期延長探測器8和參考電壓發(fā)生器9的工作周期。
另外，根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20具有下述優(yōu)點。整個控制部分130所消耗的功率大部分來自以下各電路的功耗探測器8、參考電壓發(fā)生器9、探測器11、參考電壓發(fā)生器12、探測器15、參考電壓發(fā)生器14、探測器18、以及參考電壓發(fā)生器17。典型地，影響控制電路系統(tǒng)功耗的主要因素是需要高精度和/或高速度工作。例如，對于參考電壓發(fā)生器，其功耗隨輸出電壓精度要求的提高而增大。對于探測器，其耗隨探測精度和速度要求的提高而增大。因此，從減小功耗的角度來說，最好讓控制電路系統(tǒng)進行低精度的電壓輸出和低精度、低速度的探測。由于如前所述，根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20中的電壓轉(zhuǎn)換部分3的諧振頻率約為1MHz-500kHz，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓變化十分緩慢。因此控制電壓轉(zhuǎn)換部分3的控制部分130不需要進行高精度和高速度操作。例如，在探測圖35中的點1和點2時，只要低速度和低精度探測就足夠了(雖然對于高速工作需要高精度、高速度探測)。
于是有可能把控制部分130的功耗減小到十分的小。在一個實際設(shè)計中，已經(jīng)確認控制部分130的功耗可以減小到1mW或更小。這意味著，即使負載2的功耗為10mW或更小，控制部分130的功耗也只有其10％左右。由于可以把諧振頻率設(shè)定得低，所以可以減小因諧振工作所造成的噪聲頻率。
圖53A示出普通DC/DC轉(zhuǎn)換器中功耗PL與轉(zhuǎn)換損失Pt之間的關(guān)系。圖54B示出在根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20中功耗P1與轉(zhuǎn)換損失在Pt之間的關(guān)系。這里，轉(zhuǎn)換損失Pt是控制系統(tǒng)電路的耗Pc和電壓轉(zhuǎn)換部分的功耗Ps之和，即Pt＝Ps。
圖54A示出普通DC/DC轉(zhuǎn)換器中負載功耗P1與總損失率ηct之間的關(guān)系。圖54B示出在根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換20中負載功耗PL與總損失率ηct之間的關(guān)系。這里，總損失率ηct是轉(zhuǎn)換損失Pt除以負載功耗PL，即ηct＝Pt/pL＝(Pc+Ps)/PL。
表2歸結(jié)了普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61和根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20的一些特性。
表2

此外，根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器20具有易于做成芯片的優(yōu)點。下面將說明其原因。
對于諧振電路140的電感28，其電感值約為100nH就足夠了。所以電感28的值足夠地小，使得在硅基底上易于形成電壓轉(zhuǎn)換器20。而且，由于電感28的值足夠地小，所以基本上不產(chǎn)生輻射電磁噪聲。再有，在開關(guān)26的極間不產(chǎn)生大電壓，所以不會像當開關(guān)26有大極間電壓差時那樣因出現(xiàn)沖擊電流而產(chǎn)生噪聲。
此外，當把PMOS晶體管用作開關(guān)26時，可以把開關(guān)26的接通(導(dǎo)通)電阻設(shè)置在500mΩ左右。這樣，因為開關(guān)26的接通電阻足夠大，所以易于在硅基底上形成電壓轉(zhuǎn)換器20。即使當開關(guān)的接通電阻為500mΩ左右時，也仍可保證轉(zhuǎn)換效率為90％或更高。
現(xiàn)在將說明電壓轉(zhuǎn)換器20的非穩(wěn)態(tài)工作。電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的正弦波振蕩電壓被時鐘發(fā)生器6轉(zhuǎn)換成方波時鐘脈沖。時鐘發(fā)生器6輸出的時鐘脈沖被提供給同步電路10、16、和19。因此，不正確的時鐘脈沖輸出將導(dǎo)致電壓轉(zhuǎn)換器20工作不正常。這是因為探測器8、15、18和參考電壓發(fā)生器9、14、17是同步于由同步電路10、16、19所提供的時鐘脈沖工作的。
設(shè)置時鐘探測器7的目的是在時鐘發(fā)生器6沒有正確輸出時鐘脈沖時把電壓轉(zhuǎn)換器20導(dǎo)回到正常工作狀態(tài)。時鐘脈沖的不正確輸出例如可能在電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處出現(xiàn)了異常的電壓變化的情況下發(fā)生。當探測到時鐘發(fā)生器6沒有正確輸出時鐘脈沖時，時鐘探測部分7將向同步電路13輸出一個復(fù)原信號。
同步電路13在響應(yīng)于該復(fù)原信號時，將恢復(fù)電壓轉(zhuǎn)換器20的正常工作。同步電路13接收到復(fù)原信號之后的電壓轉(zhuǎn)換器20的工作過程與同步電路13通過端頭24接收到了開始信號之后的電壓轉(zhuǎn)換器20的工作過程是相似的。于是在電壓轉(zhuǎn)換器部分3中重新產(chǎn)生諧振工作，時鐘發(fā)生器6重新產(chǎn)生時鐘脈沖輸出。結(jié)果，電壓轉(zhuǎn)換器20返回到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。
現(xiàn)在將說明電壓轉(zhuǎn)換器20的另一種非穩(wěn)態(tài)工作。
當端頭3f處的振蕩振幅減小時，可能出現(xiàn)端頭3f處電壓能達到參考電壓Vs但不能到達參考電壓Vc的情況。在該情況中，當PMOS開關(guān)26從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)之后，它將停留在接通狀態(tài)而不能轉(zhuǎn)變回到斷開狀態(tài)。
這一非穩(wěn)態(tài)工作情況由同步電路5探測到。當同步電路5在一個，是電壓轉(zhuǎn)換部分3的電容27、29和電感28所確定的預(yù)定時期(諧振電路的振蕩周期)內(nèi)探測到下列3個信號中有任一個信號來被產(chǎn)生時，將向同步電路13輸出一個復(fù)原信號。這3個信號是·工作開始信號，它應(yīng)從探測器8經(jīng)過同步電路5輸出給探測器15和18。
·一個應(yīng)由探測器15輸出給同步電路5的信號，該信號確定了PMOS開關(guān)26從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)的時刻。
·一個應(yīng)由探測器18輸出給同步電路5的信號，該信號確定了PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)的時刻。
同步電路13在響應(yīng)于該復(fù)原信號時，將恢復(fù)電壓轉(zhuǎn)換器20的正常工作。同步電路13接收到復(fù)原信號之后的電壓轉(zhuǎn)換器20的工作過程與同步電路13通過端頭24接收到了開始信號之后的電壓轉(zhuǎn)換器20的工作過程是相似的。于是在電壓轉(zhuǎn)換部分3中重新產(chǎn)生諧振工作。結(jié)果，電壓轉(zhuǎn)換器20返回到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。
現(xiàn)在將說明電壓轉(zhuǎn)換器20的另一種不同于穩(wěn)態(tài)工作的工作狀態(tài)。
電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出電壓(端頭22處的電壓)變化總是使電壓轉(zhuǎn)換器20的端頭3e處的電與參考電壓發(fā)生器9輸出的參考電壓Vp(希望電壓)相匹配。希望電壓Vp是由一個通過端頭25輸入給參考電壓發(fā)生器9的信號指定的。當參考電壓發(fā)生器9的輸入信號指令要改變希望電壓Vp時，電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出電壓(端頭22處的電壓)將向改變后的希望電壓Vp變化。
當電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出電壓降低時，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的振蕩振幅衰減，于是如果前、后的希望電壓有大的差別時，端頭3f處的振蕩振幅的衰減也大。為了保持端頭3f處的振蕩振幅，可以在前、后的希望電壓之間設(shè)置一個中間電壓，使得探測器15和18能夠在電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出電壓下降到低于中間電壓時斷開/接通PMOS開關(guān)26。通過向電壓轉(zhuǎn)換部分3的諧振電路提供電荷(諧振能量)，有可能恢復(fù)端頭3f處的振蕩振幅。
下面將說明向電壓轉(zhuǎn)換電路3提供電荷的另一種方法。按照上述參考圖35說明的方法，向電壓轉(zhuǎn)換電路3提供電荷的時間是這樣控制的在端頭3f處的電壓上升階段，在點1處使PMOS開關(guān)26從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)，在點2處使PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)。
向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供電荷的時間也可以在端頭3f處的電壓下降階段中而不是上升階段中。
圖36示出穩(wěn)態(tài)工作時端頭3f處的電壓變化(波形a)和端頭3e處的電壓變化(波形b)。如圖36所示，向電壓轉(zhuǎn)換電路3提供電荷的時間可以是這樣控制的在端頭3f處電壓達到參考電壓Vs的點(點3)上使PMOS開關(guān)26從斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)，在端頭3f電壓達到參考電壓Vc的點(點4)上使PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)。
當然，有可能把在端頭3f處的電壓升高階段(圖35)和電壓下降階段(圖36)向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供電荷的操作結(jié)合起來。通過把這兩種操作結(jié)合起來，有可能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率高于僅使用一種操作的電壓轉(zhuǎn)換操作。這樣的兩種操作結(jié)合在轉(zhuǎn)換效率方面是有利的，但不利的是對PMOS開關(guān)26的控制將變得復(fù)雜。不過，由于這樣做電路規(guī)模的增大不多，可以忽略不計，所以結(jié)合操作可認為是一種優(yōu)越的電壓轉(zhuǎn)換操作。然而，由于用來控制PMOS開關(guān)26工作的控制電路將增大功耗，所以當電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出電流值大時，結(jié)合兩種控制是有利的；但當輸出電流值小時，則基于單一控制的工作是有利的。
圖37A和37B示出探測器8的結(jié)構(gòu)和工作。在圖37A中，輸入端I1，連接在電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e(端頭3f)上。參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓輸入給輸入端I2。探測器8包含一個斬波比較器，其中含有晶體管30-35、37、38和一個電容36；以及邏輯門39和40。
斬波比較器按照圖37B所示的工作過程將電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3g(端頭3e和3d，輸出端22)處的電壓與參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓相比較，在時鐘脈沖φ1(φ1B是φ1的反相時鐘脈沖)從L電平變?yōu)镠電平的時期(圖37B中的采樣時期)內(nèi)，跟隨和保持電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3g(端頭3e和3d，輸出端22)處的電壓。在時鐘脈沖φ1從H電平變?yōu)長電平的時期(圖37B中的比較時期)內(nèi)，參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓從端頭I2輸入。當端頭3g處電壓低于參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓時，在反相器(晶體管37和38)的輸出端將輸出一個L電平信號。
當時鐘脈沖φ4(φ4B是φ4的反相時鐘脈沖)從L電平變?yōu)镠電平時，探測器8可以輸出端頭3g處電壓與參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓之間的比較結(jié)果，使輸出端O從L電平變?yōu)镠電平(當端頭3g處電壓低于參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓時)。時鐘脈沖φ4從L電平變?yōu)镠電平的時刻要滯后于斬波比較器進入比較時期的時刻(此時時鐘脈沖φ2變成H電平)。這是為了防止因斬波比較器在比較時期初期其輸出值不穩(wěn)定而造成探測器8輸出不穩(wěn)定信號。探測器8在(采樣之后)保持了參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓(端頭3e處的電壓)之后將采樣的電壓與該電壓相比較。采樣端頭3e處電壓的原因是為了減小當負載2是一個數(shù)字LSI時的噪聲影響。通過采樣端頭3e處的電壓，有可能避免探測器8探測到加上了疊加在端頭22上的噪聲的電壓。
圖38示出當負載2為數(shù)字LSI時減小噪聲影響的一個方法。通過把經(jīng)過端頭23輸入給同步電路10的時鐘脈沖作為連接在端頭22上的數(shù)字LSI的時鐘脈沖(同步時鐘脈沖)，有可能確定從數(shù)字LSI產(chǎn)生噪聲的時間并避開該噪聲。在圖38中，系統(tǒng)時鐘是輸入給數(shù)字LSI(負載2)的工作時鐘脈沖。在圖38中，在系統(tǒng)脈沖的跳變點上由數(shù)字LSI產(chǎn)生的噪聲用電壓Vp的疊加噪聲表示，這里Vp是從電壓轉(zhuǎn)換器20輸出的。由于該疊加噪聲在系統(tǒng)時鐘的跳變點之后經(jīng)過一段時間td之后將衰減，所以有可能通過讓探測器8在經(jīng)過時間td后再保持電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e處的電壓來避開噪聲。輸入給端頭23的時鐘脈沖不需要具有相同于輸入給連接在端頭22上的數(shù)字LSI的時鐘脈沖周期，但需要同步化。
參見圖52，現(xiàn)在將說明LSI中產(chǎn)生噪聲的機制。LSI含有一個被封裝的硅芯片。封裝的插腳與硅芯片互相用導(dǎo)線連接。連接線帶有電感值Lp。當系統(tǒng)時鐘跳變時，有一個電流i(t)流經(jīng)硅芯片。隨著電流i(t)的變化，將因電感值Lp而產(chǎn)生一個電壓。該電壓就是噪聲。
圖39A示出探測器15的一種結(jié)構(gòu)。由于探測器18與15有相同的結(jié)構(gòu)，所以將只詳細說明探測器15的結(jié)構(gòu)而略去說明探測器18的結(jié)構(gòu)。
與圖37A的區(qū)別是連接在端頭I1和I2上的開關(guān)是PMOS開關(guān)4 1和42。采用PMOS開關(guān)41和42作為開關(guān)的原因如下。當電壓轉(zhuǎn)換器20的輸出電壓低于待轉(zhuǎn)換電源1的電壓的1/2時，端頭I2(即向電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處輸入電壓的那個端頭)處的電壓將振蕩到低于0V。在把NMOS晶體管或并行連接PMOS晶體管用作開關(guān)的結(jié)構(gòu)中，由NMOS晶體管的漏極(源極)和井極所形成的二極管將被正向偏置，從而電壓轉(zhuǎn)換部分3的電荷將通過該二極管流失。電荷的流失就是提供給諧振電路電荷的損失，這會減小電壓轉(zhuǎn)換效率。
采用PMOS開關(guān)40和41的目的就是避免這種電荷流失。
在輸出端使用了一個“與”門，使得當參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓高于電壓轉(zhuǎn)換部分3的輸出電壓時，把探測器15的輸出信號從L電平變成H電平。時鐘脈沖φ4從L電平變?yōu)镠電平的時刻滯后于斬波比較器進入比較時期的時刻(這時時鐘脈沖φ2B變成L電平)。這是為了防止由于斬波比較器在比較時期初期的輸出值不穩(wěn)定而造成探測器15輸出不穩(wěn)定的信號。
圖39B示出探測器15的工作情況。在采樣時期(采樣參考電壓發(fā)生器14的電壓)時鐘脈沖φ1B轉(zhuǎn)變成L電平，在比較時期時鐘脈沖φ2B轉(zhuǎn)變成L電平。
雖然被時鐘發(fā)生器6轉(zhuǎn)換的時鐘脈沖與端頭3f處的正弦波振蕩電壓有相同的周期，但該時鐘脈沖的周期也可以是端頭3f處正弦波振蕩電壓周期的倍數(shù)。當時鐘脈沖的周期為端頭3f處正弦波振蕩電壓周期的兩倍時，探測器8對電壓轉(zhuǎn)換部分3的輸出電壓(端頭3g處的電壓)的采樣周期將為圖33所示工作周期的兩倍。隨著探測器8工作周期的降低，整個電壓轉(zhuǎn)換器20的功耗將變小。但由于PMOS開關(guān)26的功耗隨著電壓轉(zhuǎn)換器20輸出電壓的增大而增大，故需要根據(jù)負載2的大小適當?shù)卦O(shè)計輸出電壓。(實施例2)圖40示出電壓轉(zhuǎn)換器20的另一種結(jié)構(gòu)。除了一個監(jiān)視器661之外，圖40所示電壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與圖29所示的電壓轉(zhuǎn)換器20的結(jié)構(gòu)相同。
監(jiān)視器661有2個輸入端和3個輸出端。其中一個輸入端連接在電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d上。另一個輸入端連接在同步電路10上。3個輸出端分別連接在同步電路5、參考電壓發(fā)生器14和17上。監(jiān)視器661探測電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d處的電流(單位時間內(nèi)的電壓減小)。這是因為流入負載2的電流可以從該電流(單位時間內(nèi)的電壓減小)獲得。監(jiān)視器661基本上給出了由電源1提供給電壓轉(zhuǎn)換部分3的功率中被負載2消耗的功率。例如，當監(jiān)視器661探測到負載2的消耗電流增大時，監(jiān)視器661將通過增大電壓轉(zhuǎn)換部分3中的PMOS開關(guān)26的接通時期來增大提供給電壓轉(zhuǎn)換部分3的電荷量。
為了增大PMOS開關(guān)26接通的時期，例如可以降低參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓(開關(guān)26從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)的時刻取決于這個電壓)，以及可以提高參考電壓發(fā)生器17的輸出電壓(開關(guān)26從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)的時刻取決于這個電壓)。
關(guān)于電壓轉(zhuǎn)換效率可以作下述的考慮。從改進電壓轉(zhuǎn)換效率的角度看，PMOS開關(guān)26的接通時期最好比較短，并且這個接通時期最好在電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的振蕩電壓與待轉(zhuǎn)換電源1的電壓相接近的時間點附近。希望通過調(diào)節(jié)參考電壓發(fā)生器14和17的輸出電壓來實現(xiàn)較佳的轉(zhuǎn)換效率。
可以根據(jù)探測8的工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)參考電壓發(fā)生器14和17的輸出電壓，使得PMOS開關(guān)26的接通時期增大。例如，當對電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3e處的電壓與參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓進行比較的結(jié)果表明，端頭3e處電壓接連兩次降低到低于參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓時，這意味著負載2所消耗的電荷量多于PMOS開關(guān)26接通時由待轉(zhuǎn)換電源1提供的電荷量。在這種情況下，除非增大PMOS開關(guān)26的接通時期，否則電壓轉(zhuǎn)換器20輸出端22處的電壓就不能保持在希望電壓上。于是，探測器8向監(jiān)視器661發(fā)送一個信號，指明端頭3e處電壓降低到了低于參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓。監(jiān)視器661在響應(yīng)于探測器8的這一信號時，將調(diào)節(jié)參考電壓發(fā)生器14和17的輸出電壓，以增大PMOS開關(guān)26的接通時期。
因此，在增大PMOS開關(guān)26的接通時期方面，有可能用監(jiān)視器661根據(jù)端頭3e處電壓與參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓之間的比較結(jié)果來探測端頭3e處電壓降低到低于參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓的發(fā)生頻率，而不是用監(jiān)視器661來探測電壓轉(zhuǎn)換部分3的輸出電流。
此外，電壓轉(zhuǎn)換部分3中PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)的時刻不僅可以通過提高參考電壓發(fā)生器17的輸出電壓來推遲，而且也可以通過利用監(jiān)視器661延遲同步電路5的關(guān)于讓PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)的工作信號來推遲。利用監(jiān)視器661的這種信號延遲，可以在不增大電路規(guī)模的情況下進行細微調(diào)節(jié)。因此，一種有利的調(diào)節(jié)方法可以是，用參考電壓發(fā)生器17進行粗調(diào)，用延遲同步電路5的關(guān)于讓PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)的工作信號進行微調(diào)。
圖41是監(jiān)視器661處理過程的控制流程。
在控制模塊C1中，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d處的電壓Vd被與目標電壓(即參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓)Vp相比較。當電壓Vd低于電壓Vp時，處理進入控制模塊C2。當電壓Vd高于電壓Vp時，重復(fù)進行控制模塊C3的處理?？刂颇KC1對電壓Vd和電壓Vp的比較結(jié)果存儲在控制模塊C2中。在控制模塊C2中，探測連續(xù)出現(xiàn)5次控制模塊C1的比較結(jié)果為Vd＜Vp的情況。當Vd＜Vp連續(xù)5次成立時，在控制模塊C3中將電壓Vs降低△V。這里，電壓Vs是參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓，電壓△V是電壓Vs的最小改變量。在控制模塊C3的處理結(jié)束之后，處理返回到控制模塊C1。
控制模塊C2探測到Vd＜Vp連續(xù)5次成立意味著由電源1提供給電壓轉(zhuǎn)換部分3的功率小于負載2的功耗。要等到Vd＜Vp連續(xù)成立5次是為了提供余地(margin)。當電壓Vd低于電壓Vp時，電源1將向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供率。當提供的功率小于負載2的功耗時，在控制模塊C1進行下一次比較時將仍然得到電壓Vd低于電壓Vp。因此，連續(xù)2次有Vd＜Vp意味著電源1給電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率是不夠的。然而，電壓Vd與電壓Vp之間的比較是受噪聲干擾的。尤其是當Vd變得接近于Vp比較結(jié)果對噪聲更為敏感。為了使比較結(jié)果較不敏感于噪聲，用Vd＜Vp連續(xù)成立5次來判定電源1提供給電壓轉(zhuǎn)換部分3的功率不足要比用Vd＜Vp連續(xù)成立2次來判定要好。這是因為在提供了相當于三個處理周期的余地后可以排除因噪聲造成的錯誤比較結(jié)果，使得判斷更為可靠。控制模塊C3中的將電壓Vs降低△V意味著增大電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率。這是因為當電壓Vs降低時開關(guān)26的接通時期將增長。
類似于控制模塊C1-C3中的處理，進行模塊C4-C6的處理。具體地說，在控制模塊C4中比較電壓Vd與電壓Vp。當在控制模塊C5中探測到Vd＞Vp連續(xù)5次成立時，控制模塊C6中將使電壓Vs提高△V。控制模塊C5中連續(xù)5次探測到Vd＞Vp意味著電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率大于負載2的功耗?？刂颇KC6中把電壓Vs提高△V意味著減小電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率。這是因為當電壓Vs提高時開關(guān)26的接通時期將縮短。
圖42示出實現(xiàn)圖41控制流程的一個示例性電路結(jié)構(gòu)。參考電壓發(fā)生器141產(chǎn)生電壓Vp。探測器142比較電壓Vd與電壓Vp。當Vd＜Vp時探測器142向移位寄存器143輸出“0”，當Vd＞Vp向移位寄存器143輸出“1”。移位寄存器143保持探測器142，5個周期的輸出信號“0”和“1”。當保持在移位寄存器143中的5個周期的數(shù)據(jù)均為“0”時(即連續(xù)5次出現(xiàn)“0”時)，編碼器144將使參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓Vs降低△V；當保持在移位寄存器143中的5個周期的數(shù)據(jù)均為“1”時(即連續(xù)5次出現(xiàn)“1”時)，編碼器144將使參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓Vs提高△V。這樣就實現(xiàn)了圖41所示的控制。
圖43示出參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓Vs是如何改變的。當一次電壓改變不夠時，將再重復(fù)進行電壓改變，直到電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率等于負載2的功耗。
圖44是確定電壓Vc的處理過程的控制流程。
在控制模塊C7中，電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3d處的電壓Vd被與目標電壓(即參考電壓發(fā)生器9的輸出電壓)Vp相比較。當電壓Vd低于電壓Vp時，處理進入控制模塊C8，否則重復(fù)控制模塊C7的處理。在控制模塊C8中，判斷Vd＜Vp是否連續(xù)5次成立。當Vd＜Vp連續(xù)5次成立時，處理返回到控制模塊C7。否則，處理進入控制模塊C9。在控制模塊C9中，將電壓Vc提高△V。然后處理進入控制模塊C10。在控制模塊C10中，比較電壓Vd與電壓Vp。當電壓Vd高于電壓Vp時，處理進入控制模塊C11，否則，重復(fù)控制模塊C10的處理。在控制模塊C11中，判斷Vd＞Vp是否連續(xù)5次成立。當連續(xù)5次Vd＞Vp成立時，處理返回到控制模塊C7和C14。否則，處理進入控制模塊C12和C13，由此使電壓Vc降低2△V。然后處理返回控制模塊C7和C14。在控制模塊C14中，比較電壓Vd與電壓Vp。當電壓Vd高于電壓Vp時，處理進入控制模塊C15，否則，重復(fù)控制模塊C14的處理。在控制模塊15中，判斷Vd＞Vp是否連續(xù)5次成立。當Vd＞Vp連續(xù)5次成立時，處理返回到控制模塊C14。否則，處理進入控制模塊C9。
下面將說明控制模塊C7-C15的意義?？刂颇KC7和C8的流程意味著，如對圖41所示控制流程所說明的，“寬度”(電壓Vs與電壓Vc之間的電位差)是根據(jù)Vd＜Vp是否連續(xù)5次成立來確定的。對于控制模塊C14和C15來說，情況也是這樣。當控制模塊C8和C15的輸出為“否”時，意味著該寬度已被確定。一旦確定了寬度，就確定了“高度”(電壓Vc)。在控制模塊C9中，電壓Vc被提高△V。這一操作意味著在圖41所示的控制之后，電壓Vc被故意改變得偏離合適寬度。當合適的寬度被故意加寬時(當電壓Vc被被提高△V時)，電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率增大，于是可以期望在控制模塊C10中對電壓Vd與Vp進行比較時將會有Vd＞Vp連續(xù)5次成立。當Vd＞Vp連續(xù)5次成立時，圖44所示的流程就完成了。然而，如果Vd＞Vp不是連續(xù)5次成立，則意味著電壓Vc被過多地提高了。通過提高電壓Vc，由于寬度增大，電源1向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供的功率在正常情況下也應(yīng)增大；但是，由于在開關(guān)26接通的時期中電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓是高于電源1的電壓的，從而提供給電壓轉(zhuǎn)換部分3的功率將流回到電源1中，所以實際的功率增大太少了(Vd＞Vp不是連續(xù)5次成立)。在這種情況下，開關(guān)26必須在較低的Vc電壓下從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)。因此，在該情況下，考慮到電壓Vc已在控制模塊C9中被升高了△V，所以在控制模塊C12和C13中需把電壓Vc降低2△V。上面是調(diào)節(jié)電壓Vc高度的一個示例性過程。
下列表3總結(jié)了寬度、高度的確定和中間操作。
表3

實施例3)圖45示出根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的另一種結(jié)構(gòu)。代號61代表普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器。代號62代表待轉(zhuǎn)換電源，63代表連接在電壓轉(zhuǎn)換器20的端頭23上的時鐘脈沖發(fā)生器，64代表連接在端頭24上的開始信號發(fā)生器。代號65代表LSI，它將作為接受經(jīng)轉(zhuǎn)換電壓的負載。LSI65向電壓轉(zhuǎn)換器20的端頭25發(fā)送希望的最佳電源電壓值。雖然當向LSI65提供小電流時電壓轉(zhuǎn)換器20可進行高效率的電壓轉(zhuǎn)換，但當提供的電流增大時該轉(zhuǎn)換效率將降低到低于普通DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。
圖45所示電壓轉(zhuǎn)換器20的結(jié)構(gòu)與圖40所示的相似。電壓轉(zhuǎn)換器20包含一個電流探測器，用來探測從端頭22流向LSI65的電流?；蛘撸部梢园言撾娏魈綔y器設(shè)置在電壓轉(zhuǎn)換器20的外部。
當電流探測器探測到的電流小于一個預(yù)定電流值時，電壓轉(zhuǎn)換器20將工作。當電流探測器探測到的電流大于該預(yù)定電流值時，DC/DC轉(zhuǎn)換器61將工作。
或者，也可以當端頭22向LSI65的輸出電壓高于一個預(yù)定電壓值的時間積分值時電壓轉(zhuǎn)換器20工作，而當端頭22向LSI65的輸出電壓低于該預(yù)定電壓值的時間積分值時DC/DC轉(zhuǎn)換器61工作。
這樣，當DC/DC轉(zhuǎn)換器61的電壓轉(zhuǎn)換效率大于電壓轉(zhuǎn)換器20的轉(zhuǎn)換效率時，電壓轉(zhuǎn)換器20將停止供電，而由DC/DC轉(zhuǎn)換器61提供電流。
此外，DC/DC轉(zhuǎn)換器61除了要對付LSI65功耗的變化之外，還要在希望電壓有大變化時執(zhí)行向希望電壓的轉(zhuǎn)變。達到了希望電壓之后，開始由電壓轉(zhuǎn)換器20提供電流。這樣將提高向希望電壓轉(zhuǎn)變(設(shè)置)的速度。DC/DC轉(zhuǎn)換器61除了在兩個希望電壓轉(zhuǎn)變期間執(zhí)行轉(zhuǎn)變操作之外，還可以執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換器20的起動和復(fù)原操作。
圖46示出如何通過結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換器20和普通DC/DC轉(zhuǎn)換器61來提高電壓改變速度的。
在圖46中，在時期I和III中僅有電壓轉(zhuǎn)換器20工作。因此在這兩個時期能以高轉(zhuǎn)換效率向負載2提供功率。在時期II中，電壓轉(zhuǎn)換器20和DC/DC轉(zhuǎn)換器61同時工作，由此使輸出電壓從1V提高到2V要快于僅由電壓轉(zhuǎn)換器20工作的情形。不過在該時期內(nèi)轉(zhuǎn)換效率要降低。
圖47示出存在著可以被DC/DC轉(zhuǎn)換器61的電壓轉(zhuǎn)換部分54和電壓轉(zhuǎn)換器20的電壓轉(zhuǎn)換部分3所共用的電路部分。開關(guān)26和66、電容27和29、以及電感28對DC/DC轉(zhuǎn)換器61和電壓轉(zhuǎn)換器20的電路規(guī)模有最大的影響。因此，能過合用一些電路部分，可以在不增大電路規(guī)模的情況下把DC/DC轉(zhuǎn)換器61結(jié)合到電壓轉(zhuǎn)換器20中。具體地說，有可能通過把NMOS開關(guān)66連接到電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f上來設(shè)置DC/DC轉(zhuǎn)換器61的電壓轉(zhuǎn)換部分54，如圖47所示。由于其余的電路部分可以被電壓轉(zhuǎn)換部分54和3共用，所以采用圖47所示結(jié)構(gòu)有可能實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器61和電壓轉(zhuǎn)換器20而基本上不增加電路規(guī)模。(實施例4)圖48A和48B示出電壓轉(zhuǎn)換部分3的另兩種結(jié)構(gòu)。
圖48A所示電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)與圖30所示電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)的差別在于，開關(guān)26上連接了一個二極管67和一個電容66。二極管67例如可以是一個肖特基阻擋層二極管。
圖48B所示電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)與圖30所示電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)的差別在于，開關(guān)26上連接了一個齊納二極管68。
圖48A和48B中的端頭3a-3e與圖29中的端頭3a-3e相同。如圖33所示，由于電壓轉(zhuǎn)換部分3在建立時期的工作特性，端頭3f處的電壓(波形a的電壓)高于待轉(zhuǎn)換的電壓VDD，于是當由PMOS晶體管26的連接在端頭3f上的漏極和井極所形成的(寄生)二極管為前向偏置時將有電流從漏極流向井極。根據(jù)電容27、29和電感28的值，該電流的值可能較大，以至超過了漏極和井極之間的二極管的前向擊穿電流值，從而損壞PMOS晶體管。所以，在端頭3f與3a之間連接二極管67，在端頭3a與地之間連接電容66。當端頭3f處電壓高于待轉(zhuǎn)換電源1的電壓(端頭3a處的電壓)時，將使二極管67前向偏置，從而使電流從端頭3f流向端頭3a，而流入端頭3a的電流則將流入電容66。這里，二極管67開始前向?qū)ǖ碾妷阂陀赑MOS晶體管26漏、井極二極管開始前向?qū)ǖ碾妷?。因為沒有大電流流經(jīng)PMOS晶體管26，所以不會發(fā)生擊穿。不過，由于二極管67需要具有大的擊穿電流值，所以典型地它被設(shè)置成一個外部元件，而不設(shè)置在半導(dǎo)體集成電路上。電容66把二極管67的前向電流提供給待轉(zhuǎn)換電源1，從而減少了回流量。
在圖48B所示的結(jié)構(gòu)中，用齊納二極管68把端頭3f的電流導(dǎo)向地端，從而不會有大電流流過PMOS晶體管26。這里，齊納二極管68的導(dǎo)通電壓低于開始使電流流經(jīng)PMOS晶體管26漏、井極的電壓，但高于待轉(zhuǎn)換電源1的電壓。(實施例5)圖49A和49B示出電壓轉(zhuǎn)換部分3的另兩種結(jié)構(gòu)。
圖49A所示電壓轉(zhuǎn)換部分3與圖30所示電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)差別在于，在端頭3f與地端之間連接了一個二極管69。二極管69例如可以是一個肖特基阻擋層二極管。
圖49B所示電壓轉(zhuǎn)換部分3與圖30所示電壓轉(zhuǎn)換部分3的結(jié)構(gòu)差別在于，在端頭3f與地端之間連接了一個齊納二極管70。
在圖49A所示的結(jié)構(gòu)中，當端頭3f處的電壓低于地電壓GND時將有電流從地端流向端頭3f，由此使二極管69前向偏置?？梢园验_始使電流前向流經(jīng)二極管69的電壓設(shè)置得低于在PMOS晶體管26的連接在端頭3f上的漏極與井極之間形成的二極管的反向擊空電壓，從而防止PMOS晶體管26被擊穿。
圖49B所示的結(jié)構(gòu)可以通過把圖49A結(jié)構(gòu)中的二極管69換成齊納二極管70而得到?？梢园验_始使電流流過齊納二極管70的電壓設(shè)置得低于在PMOS晶體管26的連接在端頭3f上的漏極與井極之間形成的二極管的反向擊穿電壓，從而防止PMOS晶體管26被擊穿。典型地，二極管69和齊納二極管70作為外部元件設(shè)置，而不是設(shè)置在半導(dǎo)體集成電路上。(實施例6)
圖50示出電壓轉(zhuǎn)換器20的另一種工作過程。它與圖33所示的電壓轉(zhuǎn)換器20工作過程的差別在于，探測器15和18的探測時期、探測器15和18的輸出信號、和PMOS晶體管26的斷開/接通操作不同。
當探測器15進入探測時期時，將把電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓與參考電壓發(fā)生器14的輸出電壓Vs相比較并在端頭3f處電壓超過電壓Vs時輸出一個H脈沖作為其輸出信號。其后，當端頭3f處電壓在變化過程中經(jīng)過其峰值而開始下降時，將再次接近電壓Vs。在端頭3f處電壓下降到低于電壓Vs時探測器15將再次輸出高脈沖作為其輸出信號。
當探測器18進入探測時期時，將把電壓轉(zhuǎn)換部分3的端頭3f處的電壓與參考電壓發(fā)生器17的輸出電壓Vc相比較，并在端頭3f處電壓超過電壓Vc時輸出一個H脈沖作為其輸出信號。當端頭3f處電壓在下降到電壓Vs之后開始再次升高時，將又一次接近電壓Vc。當它超過電壓Vc時探測器18將輸出一個H脈沖作為其輸出信號。
在響應(yīng)于探測器15的第一個H脈沖時(該信號在端頭3f處電壓超過電壓Vs時給出)，開關(guān)26將從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)。其后，在響應(yīng)于探測器17的第一個H脈沖時(該信號在端頭3f處電壓超過電壓Vc時給出)，開關(guān)26將從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
接著，在響應(yīng)于探測器15的下一個H脈沖時(該信號在端頭3f處電壓降低到低于Vs時給出)，開關(guān)26將從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)。最后，在響應(yīng)于探測器17的下一個H脈沖時(該信號在端頭3f處電壓超過Vc給出)，開關(guān)26將從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
這樣，PMOS開關(guān)26將在圖35中的點1與點2之間接通，然后又在圖36中的點3與4點之間再次接通。
通過上述那樣在一個工作周期中2次接通PMOS開關(guān)26，有可能使確定向電壓轉(zhuǎn)換部分3提供電荷的點1和點3的電壓Vs更接近于待轉(zhuǎn)電源1的電壓。于是電壓轉(zhuǎn)換效率得到改善。
在上述實施列中，PMOS開關(guān)26從斷開狀態(tài)到接通狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時刻和從接通狀態(tài)至斷開狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時刻是互相獨立地被控制的?；蛑?，PMOS開關(guān)26從接通狀態(tài)到斷開狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時也可以根據(jù)從斷開狀態(tài)到接通狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時刻來控制。例如，POMS開關(guān)26從接通狀態(tài)到斷開狀態(tài)的轉(zhuǎn)變的時刻可以通過對從斷開狀態(tài)到接通狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時刻進行一定的延遲來確定。(實施例7)圖59示出電壓轉(zhuǎn)換器1500的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換器1500包含一個電壓轉(zhuǎn)換部分1501和一個控制部分1518，前者用來把電源1516所提供的電源電壓轉(zhuǎn)換成希望電壓，后者用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分1501。
電壓轉(zhuǎn)換部分1501含有端頭1501a-1501f。端頭1501a連接在電源1516上。端頭1501f連接在負載1517上。負載1517至少含有一個電阻元件和一個電容元件。從電壓轉(zhuǎn)換部分1501輸出的希望電壓通過端頭1501f提供給負1517。
控制部分1518含有探測部分1510、1512、1513、1515、和同步部分1511、1514。
圖60A示出電壓轉(zhuǎn)換部分1501的一種結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換部1501含有一個開關(guān)1502、一個諧振電路LC1、一個開關(guān)1506、和一個諧振電路LC2。
諧振電路LC1含有一個電感1504、一個在節(jié)點1504-1處連接于電感1504一端的電容1503、和一個在節(jié)點1504-2處連接于電感1504另一端的電容1505。
開關(guān)1502含有端頭S1和S2。在響應(yīng)于一個控制信號時，開關(guān)1502將端頭S1和S2互相電連接在一起，或者將端頭S1和S2互相電分離。該控制信號是同步部分1511通過端頭1501b提供的。開關(guān)1502的端頭S1通過端頭1501a連接在電源1516上。開關(guān)1502的端頭S2連接在諧振電路LC1的節(jié)點1504-1上。
諧振電路LC2含有一個電感1508、一個在節(jié)點1508-1處連接于探測部分1508的一端的電容1507、和一個在節(jié)點1508-2處連接于探測部分1508另一端的電容1509。
開關(guān)1506含有端頭S1和S2。在響應(yīng)于一個控制信號時，開關(guān)1506將把端頭S1和S2電連接在一起，或者使端頭S1和S2互相分離。該控制信號是同步電路1514通過端頭1501e提供的。開關(guān)1506的端頭S1連接在諧振電路LC1的節(jié)點1504-2上。開關(guān)1506的端頭S2連接在諧振電路LC2的節(jié)點1508-1上。
這里，如果把一個開關(guān)和一個連接在其上的諧振電路稱作為一個“基礎(chǔ)諧振電路”，則電壓轉(zhuǎn)換部分1501的結(jié)構(gòu)將是兩個互相串聯(lián)在一起的基礎(chǔ)諧振電路。當然，基礎(chǔ)諧振電路的數(shù)目不局限于兩個。電壓轉(zhuǎn)換部分1501可以含有N個基礎(chǔ)諧振電路。這里N是任何等于或大于2的整數(shù)。
具有一些互相串聯(lián)在一起的基礎(chǔ)諧振電路的結(jié)構(gòu)的電壓轉(zhuǎn)換部分1501適合于有效地降低電源1516所提供的電源電壓VDD。這是因為從第一級基礎(chǔ)諧振電路輸出的電壓Vp(Vp＜VDD)可以用作第二級基礎(chǔ)諧振電路的電源電壓。
只使用一個基礎(chǔ)諧振電路的降低電源電壓VDD的方法可以包括把一個交流電壓波形的振蕩中的向下移動和減小該交流電壓波形的振幅。
圖61A示出只使用一個基礎(chǔ)諧振電路時是如何通過下移交流電壓波形(A)的振蕩中心來降低電源電壓VDD的。波形(A)是把交流電壓波形(A)的振蕩中心下移后所得到的波形。這樣得到的波形(A’)的一部分將低于地電壓GND。從保護LSI的角度看這是不利的。
圖61B示出只使用一個基礎(chǔ)諧振電路時是如何通過減小交流電壓波形(A)的振幅來降低電源電壓VDD的。波形(A’)是減小交流電壓波形(A)的振幅后所得到的波形。電壓Vp與波形(A’)的電壓差△V最小(VDD-Vp)。因此，開關(guān)接通時的能量損失是大的。
圖61C示出當使用由兩個互相串聯(lián)的基礎(chǔ)諧振電路構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換部分1501時是如何降低電源電壓VDD的。兩個基礎(chǔ)諧振電路互相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)解決了只用一個基礎(chǔ)諧振電路來降低電源電壓VDD時所出現(xiàn)的問題。
在圖61C中波形(A)代表諧振電路LC1的節(jié)點1504-1處的電壓變化。波形(A)是一個以電壓Vp為中心的在電源電壓VDD與地GND之間振蕩的交流波形。波形(B)代表諧振電路LC1的節(jié)點1504-2處的電壓變化。波形(B)是一個電壓Vp的直流波形。波形(C)代表諧振電路LC2的節(jié)點1508-1處的電壓變化。波形(C)是一個以電壓VDD為中心的在電壓Vp與地GND之間振蕩的交流波形。波形(D)是一個電壓Vpp的直流波形。這里有VDD＞Vp＞Vpp＞GND。
諧振電路LC2可以利用諧振電路LC1的輸出電壓Vp作為電源電壓。因此，開關(guān)1502可以在電壓Vp與波形(C)之間的電壓差為△V的時期內(nèi)被接通。通過上述那樣來控制開關(guān)1502的接通時期，有可能使開關(guān)1502接通時期的能量損失最小化。此外，在圖61C中T1＜T2。這表明波形(C)比波形(A)更適合于絕熱充電。
圖60B示出當從“能量提供電路210”和“能量保存電路220”的觀點來重新考察電壓轉(zhuǎn)換部分1501的結(jié)構(gòu)時將會得到什么結(jié)論。如圖60B所示，可以把開關(guān)1502、諧振電路LC1、和開關(guān)1506看成為“能量提供電路210”，把諧振電路LC2看成為“能量保存電路220”。在此情形下，諧振電路LC1起著一個電容器的作用，它可暫時存儲從諧振電路LC2通過開關(guān)1506向電源1516回流的電流。從這個意義上說，電壓轉(zhuǎn)換部分1501的結(jié)構(gòu)與圖6D所示的結(jié)構(gòu)類似。由于把來自電源1516的電流存儲在諧振電路LC1中，電壓轉(zhuǎn)換部分1501相對于圖6D所示結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是功率較低，這是因為開關(guān)1502可以在其端頭之間的電位差較小的時期內(nèi)接通。
圖62A是說明控制部分1518接通/斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1501的開關(guān)1502的時刻的控制流程圖。
步驟S51探測部分1510將端頭1501d處的電壓Vd與目標電壓Vp1相比較。當電壓Vd低于目標電壓Vp1時，處理將進入步驟S52。這時探測部分1510向探測部分1512輸出一個表明電壓Vd低于目標電壓Vp1的信號。
步驟S52探測部分1512判斷在電壓Vc上升階段它是否變得等于或高于一個預(yù)定電壓Vs1。預(yù)定電壓Vs1用來確定把開關(guān)1502從斷開轉(zhuǎn)變成接通的時刻。當電壓Vc在其上升階段變得等于或高于預(yù)定電壓Vs1時，處理將進入步驟S53。這時探測器1512將向同步電路1511輸出一個表明電壓Vc在其上升階段已變得等于或高于預(yù)定電壓Vs1的探測信號。
步驟S53同步電路1511接通開關(guān)1502。
步驟S54探測部分1512判斷在端頭1501C處的電壓Vc上升階段它是否變得等于或高于一個預(yù)定電壓Vsp1。預(yù)定電壓Vsp1用來確定把開關(guān)1502從接通轉(zhuǎn)變成斷開的時刻。當電壓Vc在其上升階段變得等于或高于預(yù)定電壓Vsp1時，處理將時入步驟S55。這時，探測器1512將向同步電路1511輸出一個表時電壓Vc在其上升階段已變得等于或高于預(yù)定電壓Vspl的探測信號。
步驟S55同步電路1511斷開開關(guān)1502。
這里，預(yù)定電壓Vsp1高于預(yù)定電壓Vs1。預(yù)定電壓Vsp1與預(yù)定電壓Vs1之間的電位差愈大，開關(guān)1502的接通時期將愈長。
圖62B是說明控制部分1518接通/斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1501的開關(guān)1506的時刻的控制流程圖。除了把電壓Vp2用作目標電壓，把電壓Vs2和Vsp2用作確定開關(guān)1506的接通時期的電壓之外，圖62B所示的控制流程圖與圖62A所示的相似。
這樣，開關(guān)1506的接通/斷開可以獨立于開關(guān)1502的接通/斷開受到控制。
當端頭1501d處的電壓Vd為直流電壓時，即使諧振電路LC1和諧振電路LC2中的正弦波振蕩互相獨立，也不會影響電壓轉(zhuǎn)換效率。這是因為諧振電路LC2在工作時把電壓Vd當作電源電壓。
另一方面，當端頭1501d處的電壓Vd為交流電壓時，電壓Vd是否與端頭1501f處的電壓Vf相同步將會影響轉(zhuǎn)換效率。為了減少能量從諧振電路LC1轉(zhuǎn)移到諧振電路LC2時出現(xiàn)的能量損失，有必要控制電壓Vf的振幅和相位，使得開關(guān)1506在其端頭間的電位差(即電壓Vd與Vf之間的電位差)小的時期內(nèi)被接通。這一控制例如可以這樣實現(xiàn)調(diào)節(jié)用來確定開關(guān)1506接通時期的電壓Vs2和Vsp2。
圖63A示出當電壓Vd和Vf互相同步時接通/斷開開關(guān)1506的時刻。圖63B示出當電壓Vd和Vs不相互同步時接通/斷開開關(guān)1506的時刻。
在圖63A和63B中，波形(A)代表電壓Vd的變化，波形(B)代表電壓Vf的變化。圖63A，中在開關(guān)1506接通的時期內(nèi)其端頭之間的電位差(即電壓Vd與Vf之間的電位差)要小于圖63B中的。因此，圖63A，中因開關(guān)1506所造成的能量損失要比圖63B中的小。(實施例8)
圖64示出一種電壓轉(zhuǎn)換器1600的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換器1600包含一個電壓轉(zhuǎn)換部分1601和一個控制部分1632，前者用來把由一個電源1616提供的電源電壓轉(zhuǎn)換成希望電壓，后者用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分1601。
電壓轉(zhuǎn)換部分1601含有端頭1601a-1601g。端頭1601a和1601b連接在電源1616上。端頭1601g連接在負載1617上。負載1617至少含有一個電阻元件和一個電容元件。由電壓轉(zhuǎn)換部分1601輸出的希望電壓通過端頭1601g提供給負載1617。
控制部分1632含有探測部分1627、1629、1631和同步部分1628、1630。
圖65示出電壓轉(zhuǎn)換部分1601的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換部分1601含有一個開關(guān)1619、一個諧振電路LC和一個調(diào)制諧振電路MLC。
諧振電路LC含有一個電感1623、一個在節(jié)點1623-1處連接于電感1623一端的電容1621、和一個在節(jié)點1623-2處連接于電感1623另一端的電容1625。
開關(guān)1619含有端頭S1和S2，在響應(yīng)于一個控制信號時，開關(guān)1619將使端頭S1和S2互相電連接或使端頭S1和S2互相電分離，該控制信號是由同步電路1628通過端頭1601c提供的。開關(guān)1619的端頭S1通過端頭1601a連接在電源1616上。開關(guān)1619的端頭S2連接在諧振電路LC的節(jié)點1623-1上。
調(diào)制諧振電路MLC含有一個電感1624、一個電容1622和一個開關(guān)1620。電感1624的一端在節(jié)點1624-1處連接于電容1622。電感1624的另一端連接在諧振電路LC的節(jié)點1623-2上。
開關(guān)1620含有端頭S1和S2。在響應(yīng)于一個控制信號時，開關(guān)1620將使端頭S1和S2互相電連接或互相電分離。該控制信號是由同步部分1630通過端頭1601d提供的。開關(guān)1620的端頭S1通過端頭1601b連接在電源1616上。開關(guān)1620的端頭連接在節(jié)點1624-1上。
可以認為電壓轉(zhuǎn)換部分1601包括一個第一基礎(chǔ)諧振電路和一個第二基礎(chǔ)諧振電路，前者含有開關(guān)1619，電感1623、以及電容1621和1625，后者含有開關(guān)1620，探測部分1624、以及電容1622和1625。特別地，電容1625起著第一和第二基礎(chǔ)諧振電路的公用電容的作用。電壓轉(zhuǎn)換部分1601的一個優(yōu)點是能從端頭1601g輸出無紋波的直流電壓。
端頭1601g處的電壓等于第一和第二基礎(chǔ)諧振電路的輸出電壓的疊加。因此，有可能通過控制電壓轉(zhuǎn)換部分1601使得第一和第二基礎(chǔ)諧振電路的輸出電壓有相同的振幅但有相反的相位(兩相位互相錯開180°)，從而在端頭1601g處得到消除紋波的直流電壓。
圖66示出在穩(wěn)態(tài)情形下電壓轉(zhuǎn)換部分1601各點處的電壓變化。由線E代表端頭1601e處的電壓變化。曲線F代表端頭1601f處的電壓變化。曲線G′代表第二基礎(chǔ)諧振電路輸出電壓的變化。曲線G″代表第一基礎(chǔ)諧振電路輸出電壓的變化。曲線G是根據(jù)疊加原理把曲線G′和G″互相疊加所得到的。
控制部分1632控制開關(guān)1620的斷開/接通時刻，使得端頭1601e處的電壓(曲線E)與端頭1601f處的電壓(曲線F)有相同的振幅和互相錯開180°的相反相位。這樣的控制將導(dǎo)致第一基礎(chǔ)諧振電路的輸出電壓(曲線G″)與第二基礎(chǔ)諧振電路的輸出電壓(曲線G′)有相同的振幅和相互錯開180°的相反相位。結(jié)果，曲線G′和G″的振幅將相互抵消，從而得到?jīng)]有振蕩的直流電壓(曲線G)。這樣，便可以從端頭1601g輸出的直流電壓中消除紋波。
當端頭1601e和1601f處的電壓不具有相反相位時，控制部分1632將控制開關(guān)1620的接通/斷開時刻，使得這兩個電壓有相反的相位。具體地說，控制部分1632通過以端頭1601e處的電壓相位作為基準來提前或延遲端頭1601f處的電壓相位，從而對端頭1601e與1601f處的電壓的相位關(guān)系進行調(diào)節(jié)。
圖67示出端頭1601e與1601f處電壓的相位關(guān)系是如何被調(diào)節(jié)的。在圖67中，曲線E和F分別代表端頭1601e和1601f處的電壓變化。
通過在端頭1601f處電壓上升階段中的時期△toa內(nèi)接通開關(guān)1620，端頭1601f處的電壓將被提高。于是曲線F被轉(zhuǎn)變成曲線F′。這意味著提前了曲線F的相位。此外，通過調(diào)節(jié)開點1620的接通時期△toa的長度可以調(diào)節(jié)曲線F相位的提前程度。
通過在端頭1601f處電壓下降階段中的時期△tob內(nèi)接通開點1620，端關(guān)1601f處的電壓將被提高。于是曲線上將轉(zhuǎn)變成曲線F″。這意味著延遲了曲線F的相位。此外，通過調(diào)節(jié)開關(guān)1620的接通時期△tob的長度，可以調(diào)節(jié)曲線F的相位的延遲程度。
這樣，端頭1601f處的電壓(曲線F)的相位可被提前或延遲。
圖68A示出是如何通過提前端頭1601f處的電壓相位來使端頭1601e處的電壓(曲線E)與端頭1601f處的電壓(曲線F)有相反相位的。在圖68A中，通過在端頭1601f處電壓的上升階段中接通開關(guān)1620，端頭1601e和1601f處的電壓于時刻t5變得有相反的相位。
圖68B示出是如何通過延遲端頭1601f處的電壓相位來使端頭1601e處的電壓(曲線E)與端頭1601f處的電壓(曲線F)有相反相位的。在圖68B中，通過在端頭1601f處電壓的下降階段中接通開關(guān)1620，端頭1601e和1601f處的電壓于時刻t5變得有相反的相位。
現(xiàn)在將說明控制部分1632的工作。
圖69是說明控制部分1632接通/斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1601的開關(guān)1619的時刻的控制流程圖。
步驟S71探測部分1627將端頭1601g處的電壓Vg與目標電壓Vp相比較。當電壓Vg低于目標電壓Vp時處理將進入步驟S72。這時，探測部分1627將向探測部分1629輸出一個表明電壓Vg低于目標電壓Vp的探測信號。
步驟S72探測部分1629判斷在端頭1601e處的電壓Ve升高的階驟它是否變得等于或高于一個預(yù)定電壓Vs1。預(yù)定電壓Vs1用來確定把開關(guān)1619從斷開轉(zhuǎn)變成接通的時刻。當電壓Ve在其上升階段變得等于或高于預(yù)定電壓Vs1時，處理將進入步驟S73。這時，探測部分1629將向同步部分1628輸出一個表明電壓Ve在其上升階段已變得等于或高于預(yù)定電壓Vs1的探測信號。
步驟S73同步部分1628接通開關(guān)1619。
步驟S74探測部分1629判斷端頭1601e處的電壓Ve在其上升階段是否變得等于或高于一個預(yù)定電壓Vsp1。預(yù)定電壓Vspl用來確定把開關(guān)1619從接通轉(zhuǎn)變成斷開的時刻。當電壓Ve在其上階段變得等于或高于預(yù)定電壓Vsp1時，處理將進入步驟S75。這時，探測部分1629將向同步部分1628輸出一個表明電壓Ve在其上升階段已變得等于或高于預(yù)定電壓Vsp1的探測信號。
步驟S75同步部分1628斷開開關(guān)1619。
這里，預(yù)定電壓Vsp1是高于預(yù)定電壓Vs1的。預(yù)定電壓Vsp1與Vs1之間的電位差愈大，開關(guān)1619的接通時期將愈長。
圖70是說明控制部分1632接通/斷開電壓轉(zhuǎn)換部分1601的開關(guān)1620的時刻的控制流程圖。
步驟S81探測部分1629探測端頭1601e處的電壓Ve在其下降階段與目標電壓Vp相匹配的時刻。探測到的時刻t1通知給同步部分1630。
步驟S82探測部分1631探測端頭1601f處的電壓Vf在其上升階段與目標電壓Vp相匹配的時刻。探測到的時刻t2通知給同步部分1630。
步驟S83同步部分1630將時刻t1與時刻t2相比較。當t1＜t2時，處理進入步驟S84。當t1≥t2時，處理進入步驟S88。
步驟S84探測部分1631判斷電壓Vf在其上升階段是否變得等于或高于一個預(yù)定電壓Vsf。預(yù)定電壓Vsf用來確定把開關(guān)1620從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)的時刻。當電壓Vf在其上升階段變得等于或高于預(yù)定電壓Vsf時，處理將進入步驟S85。這時探測部分1631將向同步部分1630輸出一個指明電壓Vf在其上升階段已變得等于或高于電壓Vsf的探測信號。
步驟S85同步部分1630接通開關(guān)1620。
步驟S86探測部分1631判斷電壓Vf在其上升階段是否變得等于或高于一個預(yù)定電壓Vspf，預(yù)定電壓Vspf用來確定把開關(guān)1620從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)的時刻。當電壓Vf在其上升階段變得等于或高于預(yù)定電壓Vspf時，處理將進入步驟S87。這時，探測部分1631將向同步部分1630輸出一個指明電壓Vf在其上升階段已變得等于或高于預(yù)定電壓Vspf的探測信號。
步驟S87同步部分1630斷開開關(guān)1620。
這里，預(yù)定電壓Vspf高于預(yù)定電壓Vsf。預(yù)定電壓Vspf與Vsf之間的電位差愈大，開關(guān)1620的接通時期將愈長。
步驟S88探測部分1631判斷電壓Vf在其下降階段是否已變得低于或等于一個預(yù)定電壓Vsd。預(yù)定電壓Vsd用來確定把開關(guān)1620從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)的時刻。當電壓Vf在其下降階段變得低于或等于預(yù)定電壓Vsd時，處理將進入步驟S89。這時探測部分1631將向同步部分1630輸出一個指明電壓Vf在其下降階段已變得低于或等于預(yù)定電壓Vsd的探測信號。
步驟S89同步部分1630接通開關(guān)1620。
步驟S90探測部分1631判斷電壓Vf在其下降階段是否變得低于或等于一個預(yù)定電壓Vspd。預(yù)定電壓Vspd用來確定把開關(guān)1620從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)的時刻。當電壓Vf在其下降階段變得低于或等于預(yù)定電壓Vspd時，處理將進入步驟S91。這時，探測部分1631將向同步部分1630輸出一個指明電壓Vf在其下降階段已變得低于或等于預(yù)定電壓Vspd的探測信號。
步驟S91同步部分1630斷開開關(guān)1620。
這里，預(yù)定電壓Vspd低于預(yù)定電壓Vsd。預(yù)定電壓Vspd與Vsd之間的電位差愈大，開關(guān)1620的接通時期將愈長，(實施例9)圖71示出一種電壓轉(zhuǎn)換器1700的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換器1700包含一個電壓轉(zhuǎn)換部分1701和一個控制部分1758，前者用來將由電源1716所提供的電源電壓轉(zhuǎn)變成希望電壓，后者用來控制電壓轉(zhuǎn)換問部分1701。
電壓轉(zhuǎn)換部分1701含有端頭1701a-1701g。端頭1701a和1701e連接在電源1716上。端頭1701c連接負載1717上。負載1717至少含有一個電阻元件和一個電容元件。從電壓轉(zhuǎn)換部分1701輸出的希望電壓通過端頭1701c提供給負載1717。
控制部分1758含有探測部分1753-1755和同步部分1756、1757。
圖72示出電壓轉(zhuǎn)換部分1701的結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換部分1701含有一個開關(guān)1747、一個諧振電路LC和一個調(diào)制諧振電路MLC。
諧振電路LC含有一個電感1748、一個在節(jié)點1748-1處連接于電感1748一端的電容1746和一個在節(jié)點1748-2處連接于電感1748另一端的電容1749。
開關(guān)1747含有端頭S1和S2。在響應(yīng)于一個控制信號時，開點1747將端頭S1和S2互相電連接或?qū)⒍祟^S1和S2互相電分離。該控制信號是由同步部分1756通過端頭1701b提供的。開關(guān)1747的端頭S1通過端頭1701a連接在電源1716上。開關(guān)1747的端頭S2連接在諧振電路LC的節(jié)點1748-1上。
調(diào)制諧振電路MLC含有一個電感1750、一個電容1751和一個開關(guān)1752。電感1750的一端通過節(jié)點1750-1連接在電容1751上。電感1750的另一端連接在諧振電路LC的節(jié)點1748-1上。
開關(guān)1752含有端頭S1和S2。在響應(yīng)于一個控制信號時，開關(guān)1752將使端頭S1和S2互相電連接或使端頭S1和S2互相電分離。該控制信號是由同步部分1757通過端頭1701d提供的。開關(guān)1752的端頭S1通過端頭1701e連接在電源1716上。開關(guān)1752的端頭S2連接在節(jié)點1750-1。
可以認為電壓轉(zhuǎn)換部分1701包括一個第一基礎(chǔ)諧振電路(見圖73A)和一個第二基礎(chǔ)諧振電路(見圖73B)，前者含有開關(guān)1747、電感1748和電容1746、1749；后者含有開關(guān)1752、電感1750和電容1746、1751。特別是，電容1746起著第一和第二基礎(chǔ)諧振電路的共用電容的作用。電壓轉(zhuǎn)換部分1701的一個優(yōu)點是能給出長時間的端頭1701g處電壓與電源電壓VDD之間有小電位差的時期。
端頭1701g處的電壓等于第一基礎(chǔ)諧振電路的節(jié)點1748-1處和第二基礎(chǔ)諧振電路的節(jié)點1748-1處的電壓的疊加。
圖74示出在穩(wěn)態(tài)時電壓轉(zhuǎn)換部分1701中各點處的電壓變化。曲線G代表端頭1701g處的電壓變化。曲線G′代表第一基礎(chǔ)諧振電路節(jié)點1748-1處的電壓變化。曲線G ″代表第二基礎(chǔ)諧振電路節(jié)點1748-1處的電壓變化。曲線G是根據(jù)疊加原理由互相疊加曲線G′和G″得到的。
曲線G′和G″的相位是用類似于實施例8中所說明的方法調(diào)節(jié)的。
如圖74所示，曲線G的電位與電源電位VDD之間的電位差小的時期△tc1長于正常正弦波曲線A與電源電位VDD之間的電位差小的時期△tc2。因此，通過在時期△tc1中接通開關(guān)1747，有可能減小開關(guān)1747所造成的能量損失。這樣，通過設(shè)置調(diào)制諧振電路MLC，則相對于使用正常的正弦波振蕩的情況來說，有可能得到具有更高效率并能承受較大輸出電流的電壓轉(zhuǎn)換器。
11.作為LSI的系統(tǒng)電源作為LSI的系統(tǒng)電源，本發(fā)明的電源設(shè)備具有分別向多個負載提供不同電源電壓的能力。
圖55示出一種電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)，其中有多個負載280-1至280-4連接在能量保存電路220的節(jié)點222上。分別含有負載280-1至280-4的各個能量接收部分287-1至287-4都具有類似于圖17A所示能量接收電路的結(jié)構(gòu)。能量接收部分287-1至287-4的區(qū)別在于它們的參考電壓發(fā)生電路286-1至286-4分別輸出不同的參考電壓Vr1至Vr4。
圖56示出點222處的交流電壓波形(A)、節(jié)點224處的直流電壓波形(B)、負載280-1的節(jié)點281-1處的電壓波形(C)、負載280-2的節(jié)點281-2處的電壓波形(D)、負載280-3的節(jié)點281-3處的電壓波形(E)和負載280-4的節(jié)點281-4的節(jié)點281-4處的電壓波形(F)。這里，各電壓之間滿足關(guān)系式
Vr4＜V4＜GND＜V3＜Vr3＜Vp＜Vr2＜VDD＜V1＜Vr1。
通過增大保存在能量保存電路220中的動態(tài)能量，可次使交流電壓波形(A)在一個高于電源電壓VDD的電壓與一個低于地電壓GND的電壓之間振蕩。這里，振蕩中心設(shè)置在電壓Vp(＝1/2VDD)處。交流電壓波形(A)的振蕩中心也可設(shè)置在任何電壓處。
當節(jié)點222處的電壓在其上升階段于時刻t1達到負載280-1的節(jié)點281-1處的電壓時，控制電路283-1將響應(yīng)于比較器284-1的輸出值變化而使開關(guān)282-1從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)。結(jié)果，節(jié)點281-1處的電壓將隨交流電壓波形(A)上升。
當節(jié)點222處的電壓于時刻t2達到參考電壓Vr1時，控制電路283-1將響應(yīng)于比較器285-1的輸出值變化而使開關(guān)282-1從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變斷開狀態(tài)。結(jié)果節(jié)點281-1處的電壓被設(shè)定在電壓Vr1。其后，節(jié)點281處的電壓將逐漸向電壓V1降低。這是因為能量要被負載280-1消耗。
當節(jié)點222處的電壓在其上升階段再次達到負載280-1的節(jié)點281-1處的電壓時，控制電路283-1將響應(yīng)于比較器284-1的輸出值變化而使開關(guān)282-1從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)。結(jié)果，節(jié)點281-1處的電壓將隨交流電壓波形(A)上升。
這樣，節(jié)點281-1處的電壓反復(fù)地在電壓V1和電壓Vr1之間上升和下降。通過把電壓V1與Vr1之間的差值設(shè)置得足夠小，可以向負載280-1提供一個可看作是直流的電壓。這里，電壓Vr1可以設(shè)置成任何值。
類似地，節(jié)點281-2處的電壓反復(fù)地在電壓V2和電壓Vr2之間上升和下降。通過把電壓V2與Vr2之間的差值設(shè)置得足夠小，可以向負載280-2提供一個可看作是直流的電壓。節(jié)點281-3處的電壓反復(fù)地在電壓V3和電壓Vr3之間上升和下降。通過把電壓V3與Vr3之間的差值設(shè)置得足夠小，可以向負載280-3提供一個可看作是直流的電壓。
電壓V4和電壓Vr4低于地電壓GND。通過在節(jié)點222處電壓的下降階段使開關(guān)282-4從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)，節(jié)點281-4處壓將隨交流電壓波形(A)下降。結(jié)果，能量保存電路220將收集到電荷。
節(jié)點281-4處的電壓反復(fù)地在電壓V4和Vr4之間上升和下降。通過把電壓V4與Vr4之間的差值設(shè)置得足夠小，可以向負載280-4提供一個可看作是直流的電壓。
提供給負載280-1至280-4的電壓是互不相同的。所以有可能向多個負載提供不同的電源電壓。
在圖55所示的例子中，并聯(lián)在節(jié)點222上的各個能量接收部分287-1至287-4具有相同類型的結(jié)構(gòu)。不過各能量接收部分287-1至287-4也可以有不同類型的結(jié)構(gòu)。例如，能量接收部分287-1至287-4中任何一個的結(jié)構(gòu)都可以用第8章所述任何類型的電源設(shè)備中的連接在節(jié)點222或224上的能量接收部分的結(jié)構(gòu)來替換。此外，能量接收部分287-1至287-4中任一個的結(jié)構(gòu)都可以用第9章所述任何類型的電源設(shè)備中的連接在節(jié)點222或224上的能量接收部分的結(jié)構(gòu)來替換。對于有多個能量接收部分并聯(lián)在節(jié)點224上的情況，以上所述也是適用的。
通過適當?shù)亟Y(jié)合下面列出的各項要點，有可能把本發(fā)明的電源設(shè)備用作各作類型電路的電源，這些要點是向能量保存電路220注入能量并在其中保存能量的基本原理；高效地向能量保存電路220注入動態(tài)能量和靜態(tài)能量的方法；控制動態(tài)能量與靜態(tài)能量之間比例的方法；把保存在能量保存電路220中的動態(tài)(或靜態(tài))能量轉(zhuǎn)換成靜態(tài)(或動態(tài))能量的方法；以及通過調(diào)節(jié)開關(guān)尺寸來保持噪聲頻率恒定的方法。對于把本發(fā)明的電源設(shè)備應(yīng)用到第10章所討論的電壓轉(zhuǎn)換器(DC/DC轉(zhuǎn)換器)的情況，以上所述也是適用的。
現(xiàn)在將從能量流動的角度來重新考慮能量保存電路220的作用。
圖57示出以能量保存電路220為能量流動中心的動態(tài)和靜態(tài)能量流動情況。能量保存電路220在使由電路中的電阻元件所造成的能量損失最小化的同時，實現(xiàn)了能量提供電路210與能量保存電路220之間的雙向動態(tài)和靜態(tài)能量交換。此外，能量保存電路220在使由電路中的電阻元件所造成的能量損失最小化的同時，實現(xiàn)了能量保存電路220與負載之間的動態(tài)和靜態(tài)能量交換。
這樣，可以看出，存在著以能量保存電路220為能量流動中心的，動態(tài)和靜態(tài)能量向/從電子電路和元件的，例如能量提供電路210和負載的，低損失流動。
存儲在能量保存電路220中的動態(tài)和靜態(tài)能量可以通過在一個控制電路與能量提供電路210、能量保存電路220和負載中的每一個之間交換控制信號，根據(jù)能量提供電路210和負載所需要的動態(tài)和靜態(tài)能量的總和及比例，來進行適當?shù)目刂?。或者，有可能需要根?jù)存儲在能量保存電路220中的動態(tài)和靜態(tài)能量來適當?shù)卦O(shè)計被能量提供電路210和負載所消耗的能量。
在上述各個實施例中，動態(tài)和靜態(tài)能量被電路中的電阻元件轉(zhuǎn)變成熱能，而這些熱能又消散到電子電路系統(tǒng)的能量系統(tǒng)的外部。提供了一個轉(zhuǎn)換電路把熱能轉(zhuǎn)換成動態(tài)能量和靜態(tài)能量，并把轉(zhuǎn)換電路得到的動態(tài)能量和靜態(tài)能量高效地反饋給能量提供電路210和/或能量保存電路220，由此有可能減小消散到電子電路系統(tǒng)的能量系統(tǒng)外部的能量。
本申請的說明書公開了以下的內(nèi)容。
一種本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分和一個控制部分，前者用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓，并把第二電壓提供給電壓接收電路；后者用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分。電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路和一個開關(guān)，前者含有一個電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于電感一端的第一電容、和一個在一個第二節(jié)點處接于電感另一端的第二電容；后者含有一個第一端頭和一個第二端頭，第一端頭連接在電源上，第二端頭連接在諧振電路的第一節(jié)點上，并且控制部分控制開關(guān)的斷開和接通。
控制部分包括一個第一探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已下降到低于一個希望電壓；并且控制部分在第一探測器探測到了電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已下降到低于希望電壓時將控制開關(guān)的斷開/接通。
控制部分還包括一個第二探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個預(yù)定的第一參考電壓；以及一個第三探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個預(yù)定的高于第一參考電壓的第二參考電壓，其中當?shù)诙綔y器探測到第一節(jié)點處的電壓已達到預(yù)定的第一參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)；當?shù)谌綔y器探測到第一節(jié)點處的電壓已達到預(yù)定的第二參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
控制部分包括一個時鐘信號發(fā)生器，用來根據(jù)第一節(jié)點處的電壓變化產(chǎn)生一個時鐘信號，其中當在時鐘信號的一個周期的前半周期中第一探測器探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已下降到低于希望電壓時，第二探測器和第三探測器將在時鐘信號該周期的后半周期中工作。
控制部分還包括一個第二參考電壓發(fā)生器，用來產(chǎn)生第一參考電壓，并且第二參考電壓發(fā)生器僅在第二探測器工作的時期內(nèi)工作。
控制部分還包括一個第三參考電壓發(fā)生器，用來產(chǎn)生第二參考電壓，并且第三參考電壓發(fā)生器僅在第三探測器工作的時期內(nèi)工作。
控制部分還包括一個第二參考電壓發(fā)生器和一個監(jiān)視器電路，前者用來產(chǎn)生第一參考電壓；后者用來監(jiān)視電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓的轉(zhuǎn)變時期，其中第二參考電壓發(fā)生器根據(jù)監(jiān)視器電路的輸出來改變第一參考電壓。
控制部分還包括一個第三參考電壓發(fā)生器和一個監(jiān)視器電路，前者用來產(chǎn)生第二參考電壓；后者用來監(jiān)視電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓的轉(zhuǎn)變時期，其中第三參考電壓發(fā)生器根據(jù)監(jiān)視器電路的輸出來改變第二參考電壓。
當監(jiān)視器電路探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓沒有達到希望電壓時，第二參考電壓發(fā)生器將降低第一參考電壓。
當監(jiān)視器電路探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓沒有達到希望電壓時，第三參考電壓發(fā)生器將提高第二參考電壓。
當監(jiān)視器電路探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已達到希望電壓時，第二參考電壓發(fā)生器將提高第一參考電壓。
當監(jiān)視器電路控測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已達到希望電路時，第三參考電壓發(fā)生器將降低第二參考電壓。
控制部分還包括一個監(jiān)視器電路，用來監(jiān)視電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓的轉(zhuǎn)變時期，其中，當監(jiān)視器電路探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓沒有達到希望電壓時，控制部分將從第三控測器控測到第一節(jié)點處的電壓已達到預(yù)定的第二電壓的時刻開始經(jīng)過一段預(yù)定的時間后控制開關(guān)使其接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
控制部分從第三探測器探測到第一節(jié)點處的電壓已達到預(yù)定的第二電壓的時刻開始經(jīng)過一段預(yù)定的時間后控制開關(guān)使其從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的電源設(shè)備在一個能量保存裝置中含有一個電感、一個第一電容、和一個第二電容，由此形成一個基本上沒有能量泄漏到能量保存裝置外部的封閉系統(tǒng)。由于基本上沒有能量泄漏到能量保存裝置外部，在該電源設(shè)備中基本上沒有能量損失。于是有可能提供一種低功耗類型的電源設(shè)備。
此外，通過把第一和第二電容設(shè)定在它們各自的預(yù)定值上，有可能分別從第一節(jié)點和第二節(jié)點向負載提供各種類型的電壓波形。再有，本發(fā)明的電源設(shè)備適合于用作LSI的電源。
按照本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器，電壓轉(zhuǎn)換部分被控制得能從電源向電壓轉(zhuǎn)換部分提供基本上等于電壓接收電路所消耗功率的功率。于是有可能實現(xiàn)在電壓轉(zhuǎn)換中幾乎沒有能量損失的高效率(90％或更高)電壓轉(zhuǎn)換器。
此外，在本發(fā)明的另一種電壓轉(zhuǎn)換器中，一個電源與一個諧振電路通過一個開關(guān)連接，并且開關(guān)的斷開/接通操作由控制部分控制。諧振電路包含一個電感、一個在第一節(jié)點處連接于電感一端的第一電容、和一個在第二節(jié)點處連接于電感另一端的第二電容。通過在預(yù)定的時刻執(zhí)行開關(guān)的斷開/接通操作，有可能實現(xiàn)在電壓轉(zhuǎn)換中幾乎沒有能量損失的電壓轉(zhuǎn)換器。
在控制開關(guān)的斷開/按通操作時，通過在諧振電路的第一節(jié)點處的電壓接近于電源電壓時接通開關(guān)以使電流從電源注入諧振電路，有可能在開點兩端之間的電壓差較小時把電流注入諧振電路。此外，當開點從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)之后，在諧振電路第一節(jié)點處的電壓變得高于電源電壓之前讓開點從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)，由此防止了電流從諧振電路回流到電源中。對于從電源流入諧振電路的電流恒定(如果負載的功耗穩(wěn)定，則從電源流入諧振電路的電流將恒定)的情況，開關(guān)兩端之間的電壓差愈小，則開關(guān)所消耗的功率將愈小，從而改善了電壓轉(zhuǎn)換效率。再有，通過防止電流從諧振電路到電源的回流，功耗被減小了。
根據(jù)本發(fā)明的另一種電壓轉(zhuǎn)換器，有可能通過結(jié)合兩個轉(zhuǎn)換效率不同的電壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)良好轉(zhuǎn)換效率的電壓轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)本發(fā)明的一種半導(dǎo)體集成電路，一個電源含有一個LC諧振電路，并且該LC諧振電路的諧振頻率被設(shè)定得使由諧振頻率所確定的噪聲強度在由該電源提供電源電壓的電路模塊所使用的頻帶的等于或小于一個預(yù)定值。于是有可能防止該電路模塊的特性因LC電路所產(chǎn)生的噪音而下降。
權(quán)利要求
1.一種電源設(shè)備，它包括能量提供裝置，用來在預(yù)定時間提供能量；以及能量保存裝置，用來接收由能量提供裝置所提供的能量并保存該能量，其中能量保存裝置包含一個電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于電感一端的第一電容、和一個在一個第二節(jié)點處連接于電感另一端的第二電容；并且能量至少通過第一節(jié)點和第二節(jié)點中的一個節(jié)點被提供給負載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中的負載是一個具有含整流功能的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中由第一節(jié)點和第二節(jié)點中的至少一個節(jié)點向負載提供直流電壓波形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中由第一節(jié)點和第二節(jié)點中的至少一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中由第一節(jié)點和第二節(jié)點中的一個節(jié)點向負載提供直流電壓波形，由第一節(jié)點和第二節(jié)點中的另一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中由第一節(jié)點和第二節(jié)點中的一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形，由第一節(jié)點和第二節(jié)點中的另一個節(jié)點向負載提供交流電壓波形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中電源設(shè)備和負載形成在同一塊半導(dǎo)體芯片上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電源設(shè)備，其中由電源設(shè)備提供給負載的能量的至少一部分被返回到電源設(shè)備中以供重新利用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電源設(shè)備，其中由電源設(shè)備提供給負載的能量的至少一部分通過第一節(jié)點和第二節(jié)點中那個用來向負載提供能量的節(jié)點返回到電源設(shè)備中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的電源設(shè)備，其中由電源設(shè)備提供給負載的能量的至少一部分通過第一節(jié)點和第二節(jié)點中那個不是用來向負載提供能量的節(jié)點返回到電源設(shè)備中。
11.一種電壓轉(zhuǎn)換器，它包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源所提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，使得由電源提供給電壓轉(zhuǎn)換部分的功率基本上等于電壓接收電路所消耗的功率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分包括一個第一探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于一個希望電壓；以及當?shù)谝惶綔y器探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于希望電壓時控制部分將控制電壓轉(zhuǎn)換部分。
13.一種電壓轉(zhuǎn)換器，它包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓，并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，其中電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路，它含有一個電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于電感一端的第一電容、和一個在一個第二節(jié)點處連接于電感另一端的第二電容，以及一個開關(guān)，它含有第一端頭和第二端頭，第一端頭連接在電源上，第二端頭連接在諧振電路的第一節(jié)點上；并且，控制部分控制開關(guān)的斷開/接通。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分包括一個第一探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于一個希望電壓；以及當?shù)谝惶綔y器探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已降低到低于希望電壓時控制部分將控制開關(guān)的斷開/接通。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分在第一節(jié)點處的電壓低于由電源提供的第一電壓并高于希望電壓電壓的時期中控制開關(guān)的斷開/接通。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分還包括一個第二探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個預(yù)定的第一參考電壓；以及一個第三探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個高于第一參考電壓的預(yù)定的第二參考電壓，其中當?shù)诙綔y器探測到第一節(jié)點處的電壓己達到預(yù)定的第一參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)；以及當?shù)谌綔y器探測到第一節(jié)點處的電壓已達到預(yù)定的第二參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的電壓轉(zhuǎn)換器，其中第一探測器同步于電壓接收電路工作的時刻開始其工作。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分包括一個第四探測器，用來探測電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已達到一個預(yù)定的參考電壓；在響應(yīng)于一個復(fù)原信號時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)；以及當?shù)谒奶綔y器探測到電壓轉(zhuǎn)換部分輸出的第二電壓已達到預(yù)定的參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分還包括一個時鐘信號發(fā)生器，用來根據(jù)第一節(jié)點處的電壓變化產(chǎn)生一個時鐘信號；以及一個電路，用來在探測到時鐘信號的頻率不同于一個預(yù)定頻率時輸出復(fù)原信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的電壓換器，其中控制部分還包括一個電路，用來在探測到第一節(jié)點處的電壓變化的最大值小于一個預(yù)定參考電壓時輸出復(fù)原信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分還包括一個第一參考電壓發(fā)生器，用來產(chǎn)生希望電壓；并且第一參考電壓發(fā)生器僅在第一探測器工作的時期內(nèi)工作。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分還包括一個第一參考電壓發(fā)生器，用來產(chǎn)生希望電壓；并且第一參考電壓發(fā)生器根據(jù)一個從電壓接收電路送來的信號改變希望電壓。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分還包括一個第二探測器，用來探測第一節(jié)點處的電壓已達到一個預(yù)定的第一參考電壓當?shù)诙綔y器探測到第一節(jié)點處的電壓已達到預(yù)定的第一參考電壓時，控制部分將控制開關(guān)使其從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)；并且控制部分從開關(guān)由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變成接通狀態(tài)的時刻開始經(jīng)過一段預(yù)定的時間后控制開關(guān)使其由接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求13的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分在第一節(jié)點處的電壓的上升階段中控制開關(guān)的斷開/接通。
25.根據(jù)權(quán)利要求13的電壓轉(zhuǎn)換器，其中控制部分在第一節(jié)點處的電壓的下降階段中控制開關(guān)的斷開/接通。
26.根據(jù)權(quán)利要求13的電壓轉(zhuǎn)換器，其中電壓轉(zhuǎn)換部分還包括存儲裝置，用來暫時存儲經(jīng)過開關(guān)從電感流向電源的返回電流。
27.一種用來把由一個電源提供的電壓轉(zhuǎn)換成希望電壓并把該希望電壓提供給一個電壓接收電路的電壓轉(zhuǎn)換器，該電壓轉(zhuǎn)換器包括一個具有第一轉(zhuǎn)換效率的第一電壓轉(zhuǎn)換器；一個具有第二轉(zhuǎn)換效率的第二電壓轉(zhuǎn)換器，其中當從電壓轉(zhuǎn)換器流向電壓接收電路的電流小于一個預(yù)定電流值時，第二轉(zhuǎn)換效率高于第一轉(zhuǎn)換效率；以及一個電流探測器，用來探測從電壓轉(zhuǎn)換器流向電壓接收電路的電流，其中當電流探測器所探測到的電流大于預(yù)定電流值時，第一電壓轉(zhuǎn)換器工作；而當電流探測器所探測到的電流小于預(yù)定電流值時，第二電壓轉(zhuǎn)換器工作。
28.一種電壓轉(zhuǎn)換器，它包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓，并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，其中電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個第一諧振電路，它含有一個第電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于第一電感一端的第一電容和一個在一個第二節(jié)點處接于第一電感另一端的第二電容一個第一開關(guān)，它含有第一端頭和第二端頭，第一端頭連接在電源上，第二端頭連接在第一諧振電路的第一節(jié)點上一個第二諧振電路，它含有一個第二電感、一個在一個第三節(jié)點處接于第二電感一端的第三電容和一個在一個第四節(jié)點處連接于第二電感另一端的第四電容；以及一個第二開關(guān)，它含有第三端頭和第四端頭，第三端頭連接在第一諧振電路的第二節(jié)點上，第四端頭連接在二諧振電路的第三節(jié)點上；并且控制部分控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開/接通。
29.一種電壓轉(zhuǎn)換器，它包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓，并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分；其中電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路，它含有一個第一電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于第一電感一端的第一電容和一個在一個第二節(jié)點處連接于第一電感另一端的第二電容；一個第一開關(guān)，它含有第一端頭和第二端頭，第一端頭連接在電源上，第二端頭連接在諧振電路第一節(jié)點上；以及一個調(diào)制諧振電路，它含有一個第二電感，一個第三電容、和一個含有第三端頭和第四端頭的第二開關(guān)，第二電感的一端在一個第三節(jié)點處連接于第二電容，第二電感的另一端連接在第二節(jié)點上，第二開關(guān)的第三端頭連接在電源上，第二開關(guān)的第四端頭連接在第三節(jié)點上；并且控制部分控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開/接通。
30.一種電壓轉(zhuǎn)換器，它包括一個電壓轉(zhuǎn)換部分，用來把由一個電源提供的第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓，并把該第二電壓提供給一個電壓接收電路；以及一個控制部分，用來控制電壓轉(zhuǎn)換部分，其中電壓轉(zhuǎn)換部分包含一個諧振電路，它含有一個第一電感、一個在一個第一節(jié)點處連接于第一電感一端的第一電容和一個在一個第二節(jié)點處連接于第一電感另一端的第二電容；一個第一開關(guān)，它含有第一端頭和第二端頭，第一端頭連接在電源上，第二端頭連接在諧振電路的第一節(jié)點上以及一個調(diào)制諧振電路，它含有一個第二電感、一個第三電容和一個含有第三端頭和第四端頭的第二開關(guān)，第二電感的一端連接在第一節(jié)點上，第二電感的另一端在一個第三節(jié)點處連接于第三電容，第二開關(guān)的第三端頭連接在電源上，第二開關(guān)的第四端頭連接在第三節(jié)點上；并且控制電路控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的斷開/接通。
31.一種半導(dǎo)體集成電路，它包括一個含有一個LC諧振電路的電源設(shè)備；以及至少一個由電源設(shè)備提供電源電壓的電路模塊，其中LC諧振電路的諧振頻率設(shè)定使得根據(jù)該諧振頻率確定的噪聲強度在上述至少一個電路模塊所使用的頻帶內(nèi)等于或小于一個預(yù)定值。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的半導(dǎo)體集成電路，其中的電源設(shè)備和至少一個電路模塊形成在同一塊半導(dǎo)體芯片上。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的半導(dǎo)體集成電路，其中的電源設(shè)備和至少一個電路模塊形成在不同的半導(dǎo)體芯片上。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的半導(dǎo)體集成電路，其中電源設(shè)備向至少一個電路模塊提供直流電壓。
全文摘要
一種電源設(shè)備200包括一個能量提供電路210和一個能量保存電路220，前者用來在預(yù)定的時間提供能量；后者用來接收由能量提供電路210提供的能量和保存該能量。能量保存電路220含有一個電感221、一個在一個節(jié)點222處連接于電感于221的一端的電容223和一個在一個節(jié)點224處連接于電感221的另一端的電容225。能量是通過節(jié)點222和節(jié)點224中的至少一個節(jié)點提供給負載的。
文檔編號H02M3/155GK1239601SQ97180254
公開日1999年12月22日 申請日期1997年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月8日
發(fā)明者楠本馨一, 松澤昭 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社