專利名稱：提供具有與電容器成比例的電流的電流調節電荷泵驅動器的集成設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及適合于表面安裝技術的集成電路組件。更具體地說，本發明涉及包括電流調節電荷泵的集成電路，并且其中輸出電流的大小通過定標(scale)單個外部電荷泵電容器進行調整。
背景技術：
用電池工作的電器在全世界迅速激增。蜂窩電話手機、便攜式收音機和播放裝置、個人數字助理、發光二極管(LED)閃光燈以及無線安全和遙控系統等只是許多這些電器實例中的很少幾種。在這些電器中通常采用的那些類型的小電池不產生恒流或恒壓。為了對輸出負載例如LED提供恒流，采用了反饋調節技術。調節可以簡單到一個鎮流電阻器，或復雜到具有反饋控制的集成電路。
LED通常需要的供電電壓電位常常超過由特定電池或低壓電池所提供的電壓電位。例如，白色LED在20毫安(mA)電流時，具有的前向電壓典型為3.5伏，并且最大為4.0伏，而單個鋰電池輸送大約3.6伏，且兩個堿電池串聯輸送大約3.0伏。在此情況下，通常采用電壓變換器將電壓升到適于給LED供電的電平。
已知集成電路升壓變換器的一個實例IC1示于圖1。在此實例中，升壓變換器IC1可以是由Tyco電子公司、本發明受讓人所提供的型號RYC 9901高功率多LED升壓變換器，或等效物。該電路IC1可由包括單個鋰電池或兩個串聯堿電池的電池B進行工作，并能夠驅動多達8個串聯的LED，圖1中示出了兩個LED D1和D2。正常工作時，IC1作為不連續導電模式的非隔離回掃變換器工作。
當NMOS晶體管開關M1導通時，電流從電池B流入外部電感器L1，并產生磁場。當開關M1斷開時，電流從電感器流出，通過外部肖特基二極管SD1并流入存儲電容器C2。當存儲電容器C2充電時，電流在高于電池B所提供的電壓流過一個或多個串聯的發光二極管D1、D2，且電流感測電阻器R1提供反饋控制信號到IC1。可以提供一個輸入濾波電容器C1。如圖1所示，IC1還可包括內部元件，包含放大器U1和U2、“與”門G1、鎖存器LA1以及內部電流感測電阻器R2，它們的連接如圖所示。
為負載例如LED產生恒流的另一個已知方式是采用電荷泵電路拓撲。例如，由Maxim Integrated Products，Inc.，Sunnyvale，California提供的型號MAX684電壓調節電荷泵能為三個或更多個白色LED供電。MAX684電荷泵調節器從2.7V到4.2V的輸入中產生5伏，但需要一個升壓電阻器或電流源用于每個LED以及外部電容器。升壓電阻器因所需的大電壓降而降低了驅動器的效率。為了控制亮度，Maxim建議采用受PWM亮度控制器所控制的外部開關晶體管。
參閱圖2A，圖中示出了代表現有技術的單個電荷泵倍壓器/反相器。加在端子1和2上的DC電壓變為存儲在輸入電荷存儲器例如電容器Ci中。當開關S1和S2閉合時，電荷按照電流Ia從輸入電容器Ci轉移到所謂的“快速”電容器Cf。開關S1和S2打開，于是電位就出現在快速電容器Cf上。然后，開關S3和S4閉合，于是快速電容器Cf上的電荷就轉移到輸出電荷存儲器例如電容器Co上。開關S3和S4打開，且輸出存儲器Co上的電荷就可用來為負載供電。對于正確操作圖2A所示電荷泵來說，重要的是開關對S1-S2和S3-S4在不重疊時鐘間隔期間閉合。相應地，時鐘電路產生第一開關相位PHI1(加到控制器S1和S2上)和第二、不重疊的開關相位PHI2(加到控制器S3和S4上)，如圖2B所示。(在實踐中，實際的時鐘不重疊少于圖2B中所示的)。如果端子4連接到端子1，則形成倍壓器。如果端子3連接到端子2，則形成電壓反相器。當開關S1、S2、S3和S4是真實MOS開關時，它們在閉合時允許電流在任一方向流動，從而允許從輸出到輸入以及從輸入到輸出的能量轉移。雖然該現有拓撲已令人滿意地工作，如圖1基于電感器的解決方案，但現有電荷泵解決方案通常需要外部感測電阻器來調節和維持通過外部負載的恒流。
于是出現了一個至今尚未解決的需求，即，提供一種使用電荷泵拓撲的單個集成電路驅動器，其中以克服現有技術的限制和缺點的方式，通過單個外部快速電容器的電容定標，調整到負載的輸出電流的大小，并將其維持在成比例的電平。
發明內容
本發明總的目的是提供一種電子電路，用于以恒流驅動負載，而不管供電電壓范圍內供電電壓的變化如何。
本發明的另一目的是提供一種包括電流調節電荷泵的電子電路，其中通過選擇外部快速電容器的值來建立輸出電流的大小。
本發明的又一目的是提供一種電子驅動器電路，用于在輸入電壓范圍內提供恒定的輸出電流，基于雙電荷泵電路拓撲，能對由內部快速電容器設置的模型電荷泵電流與由主電荷泵產生的輸出電流進行比較，以便通過選擇主電荷泵電路結構中的外部快速電容器的值來設置調節的輸出電流。
本發明的再一個目的是提供一種低成本的高頻電荷泵集成電路，例如用于在通常用電池電源時所具有的輸入電壓范圍內，以恒流驅動1到4個超亮LED，而不需要任何外部電流感測電阻器。
本發明還有一個目的是提供一種低成本的六管腳電流調節電荷泵驅動器IC，它具有外部啟動和用戶可設置的調節驅動電流，其可以用已知的低成本CMOS IC工藝制造。
作為本發明的一個方面，提供一種電氣系統，用于調節從電源流到負載的電流。在該特定方面，此電氣系統包括以下互連的結構元件。電流傳送(pass)調節器元件可連接到電源，其作用是控制從電源提取的供電電流。主電壓乘法有限輸出電阻電路有一輸入端連接到電流傳送調節器元件，一輸出端連接到負載。主電壓乘法有限輸出電阻電路包括用戶可設置輸出電阻確定元件，用于確定輸出電阻的大小。在優選實施例中，電流確定元件包括主電荷泵電路中的快速電容器。模型電壓乘法有限輸出電阻電路有一輸入端連接到電流傳送調節器元件，并提供一輸出到電流感測電路，該電路提供的輸出電流等于模型電壓乘法電路輸出電流(Imodel)。吸收基準電流(Iref)的恒流源連接到電流感測輸出。電流感測電路強制模型電壓乘法電路的輸出等于主電壓乘法電路輸出。因此，主電壓乘法電路和模型電壓乘法電路二者享有同一端子電壓，或工作點。所以，主電壓乘法電路輸出電流與模型電壓乘法電路輸出電流之比由乘法電路設計而不由端子電壓來固定。在優選實施例中，這個比率建立為內部電容器的電容與外部電容器的電容之比。控制電路控制電流傳送調節器元件，以強制電流Imodel等于基準電流Iref。這樣，流經主電壓乘法有限輸出電阻電路的電流被調節到由用戶可設置電流確定元件所建立的電平，而與電源的輸入電壓變化無關。本發明的一個相關方面提供了一種集成電路，用于調節從電池電源流到負載的電流，而不需要外部或內部電流感測電阻器。該相關方面的實現是通過使用一個模型電荷泵，它“反射(mirror)”主電荷泵，以產生輸出電流的定標拷貝。對這兩個電荷泵進行一致地控制，以使定標模型電流由內部電流基準所固定。因此，主電荷泵輸出電流被穩定了，而無需任何感測電阻器。
作為本發明的又一方面，提供了一種方法，用于調節從電池流到負載的電流，而不用直接感測負載上的電流。在本發明的這一方面，該方法包括以下步驟(a)使電流從電池流過電流傳送調節器元件；(b)從電流傳送調節器元件提供電流到為負載提供電流的主電壓乘法有限輸出電阻電路；(c)為主電壓乘法有限輸出電阻電路的用戶可設置輸出電阻確定元件選擇一個值，以便確定流到負載的調節電流的大小；(d)從電流傳送調節器元件提供電流到模型電壓乘法有限輸出電阻電路，以便產生模型電流Imodel；(e)使模型電流流過電流感測元件，并流入用于吸收基準電流Iref的恒流源；以及(f)控制電流傳送調節器元件，以強制電流Imodel等于基準電流Iref，以使流經主電壓乘法有限輸出電阻電路的電流被調節到由用戶可設置電流確定元件所建立的電平，而與電源的輸入電壓變化無關。
在考慮了結合以下附圖給出的優選實施例的詳細說明后，可更全面地理解和認識本發明的這些和其它目的、優點、方面和特性。
圖1示出了常規集成電路升壓變換器的框圖和示意電路圖，用于將負載驅動到由外部電阻器和反饋連接監控的電流電平。
圖2A是現有技術中已知的基于電容器的電荷泵的簡化電路圖。
圖2B示出沿公共水平時基作出的兩相時鐘波形圖。
圖3示出按照本發明原理形成用于負載的電荷泵驅動器的集成電路的框圖和示意電路圖。
圖4示出圖3的框圖和示意電路圖中所包括的主電荷泵體系結構和時鐘的更詳細圖。
圖5示出按照本發明原理包括圖3IC電路的小型表面安裝集成電路封裝的大大放大的頂視平面圖。
具體實施例方式
按照本發明的原理，并如圖3的電路所示，集成電路10實現了電流調節電荷泵，其中通過定標單個外部快速電容器Cp的電容值，輸出電流的大小即可調節。IC10包括兩個電荷泵，即，主電荷泵12和模型電荷泵14。雖然主電荷泵12可以具有任何開關拓撲，但它最優選的是按照圖4的布置，具有內部連接以形成倍壓器。雖然對于主電荷泵12和模型電荷泵14二者而言電路拓撲必須相同，但實際電路布局可以被定標，只要主電荷泵12相對于模型電荷泵14成比例地工作，其中主電荷泵12產生的額定電流由用戶選擇的外部連接的快速電容器Cp設置。通過使主電荷泵12電氣上與模型電荷泵14成比例，模型電荷泵14就可在遠低于主電荷泵12所使用和所供電的電流下工作，并占用小得多的集成電路小片面積。
主電荷泵12使用外部連接的電容器Cp作為其快速電容器，而模型電荷泵14使用在集成電路芯片上形成的內部電容器Cm作為其快速電容器。主電荷泵12具有輸出V1，它形成用于IC10的OUT通路。模型電荷泵14具有輸出V2。電壓放大器U3(具有有限增益)從V1輸出中減去V2輸出，以提供差電壓。電路U3可以各種方式實現，包括但不限于運算放大器或PMOS差分對。U3產生的差電壓加到PMOS晶體管M2的控制柵電極。PMOS晶體管M2串聯在模型電荷泵輸出V2和將恒流Iref吸收到地的恒流源16之間。電路元件U3和M2形成電流感測電路，該電路強制V2與OUT上的輸出電壓大致相同。作到這一點所需的電流是Imodel，即來自模型電荷泵14的輸出電流。
提供串接的傳送調節器元件，在圖3的框圖中用PMOS晶體管M3代表，以調整從DC電源18例如鋰電池到主電荷泵12和模型電荷泵14的輸入驅動電平。輸入電容器C3響應于發生在電荷泵12和14中的高頻開關操作而最小化IC10輸入端的電壓降。輸出電容器C4用于濾除任何開關瞬變現象，否則會留在由IC10提供的輸出電流中。
電流受控電壓源U4有一輸入端連接到PMOS晶體管M2的漏極和恒流源16之間的節點上，有一輸出端連接到傳送元件PMOS晶體管M3的柵控電極。電路U4的作用是電流到電壓變換器，并作為在其輸入端感測的Imodel和Iref之間電流不平衡的函數產生電壓控制。此電壓控制施加到傳送元件M3的控制柵電極，以使流過PMOS晶體管M2的電流Imodel被迫保持與恒流源16產生的內部固定基準電流Iref相等。如果Imodel大于Iref，則出現在U4輸入端的多余電流通過U4被吸收到地，且加到M3的電壓控制使輸入電流減小。如果Imodel小于Iref，則附加電流由U4提供到恒流源16，且加到M3的電壓控制使電荷泵的輸入電流增加。該調節過程自動進行以維持Imodel等于Iref。
集成電路10包括內部時鐘元件20，它以適當的時鐘頻率例如1.2MHz產生圖2B所示的不重疊的開關信號Phi1(即φ1)和Phi2(即φ2)，并同時施加它們來控制主電荷泵12和模型電荷泵14。IC10的啟動管腳EN上的真邏輯電平使電路能夠產生并輸出調節電流Iout到負載22。該負載可以是任何所需負載，特別是但不必須是一個或多個超亮LED。加到啟動管腳EN上的低頻脈沖寬度調制(PWM)信號使IC10接通和斷開，從而調制輸出電流和例如降低LED亮度級。例如，施加占空比為700微秒的1KHz PWM信號，產生的亮度級為外部開關電容器Cp所設置的最大驅動電平的70％。
多個LED可以串聯或并聯。如果并聯，則電流均衡串聯電阻器或鎮流電阻器可用來平衡多個LED的電流和光輸出，給定制造容差范圍。如果要驅動幾個超亮LED，則輸出亮度級匹配考慮可能需要小鎮流電阻器。這些電阻器可通常比在上述現有技術中采用的固定輸出電壓設計技術更小和更有效。例如，圖5示出了四個超亮LED D10、D11、D12和D13，每個LED有一個串聯的電流均衡電阻器R10、R11、R12和R13，選擇成使二極管D1-D4的光輸出均勻一致。
由于傳送元件PMOS晶體管M3輸出的輸入電壓Vreg為主電荷泵12和模型電荷泵14公共，并且兩個電荷泵的輸出電壓被強制為相等，因此模型電荷泵14產生的輸出電流是主電荷泵12產生的輸出電流的定標復制品。輸出電流Iout可表示如下Iout=CpCmImodel]]>由于電路U4強制電流Imodel等于基準電流Iref，所以輸出電流可表示如下
Iout=CpCmIref=CpK]]>由于常數K由集成電路10的適當設計所固定，因此調節的輸出電流Iout可通過選擇外部快速電容器Cp的電容值來定標。正常工作時，IC10向負載提供恒流，而與工作范圍內的實際輸入電壓無關。
例如，在1.6到3.4伏的輸入電壓范圍上，100毫微法(nF)電容器Cp從IC10產生大約30mA的輸出電流，47nF電容器Cp產生大約20mA的輸出電流，22nF電容器產生大約15mA的輸出電流，而10nF電容器產生大約5mA的輸出電流。開關頻率為1.2MHz時，從首次確定有啟動信號的大約4微秒內達到全電流。
IC10最優選為用已知的低成本CMOS IC工藝制造。如圖5所示，IC10可包含在僅有六個外部管腳的小封裝內Cp1(管腳1)、地(管腳2)、啟動(管腳3)、Vin(管腳4)、OUT(管腳5)和Cp2(管腳6)。優選的是，雖然并非必須，封裝可包括例如產業標準表面安裝SOT-23-6封裝，其額定長度為3.0mm，寬度(除管腳)為1.67mm，而高度為1.35mm。用圖示的結構，不需要，也不提供，任何外部感測電阻器或它們用的管腳。
所以，應理解到，本發明提供了基于電荷泵的驅動器集成電路10，它提供恒流調節，可由用戶通過選擇外部快速電容值來設置，其中電流范圍寬達100mA，或更大。電路10工作的輸入電壓范圍很寬，例如1.6伏到5.0伏。在關閉模式不啟動時，電路10提取小到2μA的電流。電路10啟動可以是脈沖寬度調制的，以便對LED提供10到1的線性變暗范圍。集成電路10的應用包括但顯然不限于驅動超亮LED閃光燈、電池供電的指示燈、蜂窩電話顯示板背面照明、無鍵輸入系統、無線安全系統、自動儀表閱讀器等等已對本發明的優選實施例作了說明，現應理解本發明的目的已全部實現，且業界技術人員會理解本發明可有許多結構上的改變以及大不相同的實施例和應用，并不背離本發明的精神和范圍。所以，本文的公開內容和說明純粹是說明性的，并且絕無任何限制性。
權利要求
1.一種用于調節從電源流到負載的電流的電氣系統，所述電氣系統包括(a)電流傳送調節器元件，可連接到所述電源，以控制從所述電源提取的供電電流，(b)主電壓乘法有限輸出電阻電路，其輸入端連接到所述電流傳送調節器元件，且輸出端可連接到所述負載，并具有用戶可設置調節電流確定元件，用以確定流到所述負載的調節電流的大小，(c)模型電壓乘法有限輸出電阻電路，包括連接到所述電流傳送調節器元件的輸入端以及提供模型電流Imodel的輸出端，(d)電流感測電路，連接成強制所述模型電壓乘法有限輸出電阻電路的輸出電壓等于所述主電壓乘法有限輸出電阻電路的輸出電壓，(e)恒流源，用于吸收基準電流Iref，以及(f)控制電路，對所述電流感測電路和所述恒流源作出響應，并連接成控制所述電流傳送調節器元件，以強制所述模型電流Imodel等于所述基準電流Iref，以使流經所述主電壓乘法有限輸出電阻電路的電流被調節到由所述用戶可設置電流確定元件所建立的電平，而與所述電源的輸入電壓變化無關。
2.如權利要求1所述的電氣系統，包括不重疊兩相時鐘發生器，并且其中所述主電壓乘法有限輸出電阻電路包括由所述時鐘發生器定時的第一電荷泵，且其中所述用戶可設置調節電流確定元件包括快速電容器，所述快速電容器的電容值由所述用戶選擇，以建立調節的輸出電流電平。
3.如權利要求2所述的電氣系統，其中所述模型電壓乘法有限輸出電阻電路包括與第一電荷泵同步定時的第二電荷泵。
4.如權利要求3所述的電氣系統，其中所述電流感測電路包括電壓比較電路，它連接有第一輸入以監控所述主電壓乘法有限輸出電阻電路的輸出電壓，連接有第二輸入以監控所述模型電壓乘法有限輸出電阻電路的輸出電壓，并具有電壓比較輸出；以及模型電流調節器，它對所述電壓比較輸出作出響應，并連接成強制所述模型電壓乘法有限輸出電阻電路的輸出電壓等于所述主電壓乘法有限輸出電阻電路的輸出電壓。
5.如權利要求4所述的電氣系統，其中所述電流感測電路的所述模型電流調節器與所述恒流源串聯，并且其中所述控制電路包括電流受控源，所述電流受控源具有連接到所述模型電流調節器與所述恒流源之間節點的輸入端，用以提供和吸收電流，以維持模型電流Imodel等于基準電流Iref，并且所述電流受控源連接有輸出端，以控制流經所述電流傳送調節器元件的電流，優選的是其中所述電流傳送調節器元件包括電壓受控電流調節器，并且其中所述電流受控源包括用于輸出電壓控制的電流受控電壓源。
6.如權利要求4所述的電氣系統，其中所述模型電流調節器包括金屬氧化物半導體場效應晶體管，優選的是其中所述電壓受控電流調節器包括金屬氧化物半導體場效應晶體管。
7.如權利要求1所述的電氣系統，形成為單片集成電路芯片，沒有所述用戶可設置調節電流確定元件，并且具有到所述電源、負載和用戶可設置調節電流確定元件的外部連接，優選的是其中所述電氣系統具有到啟動信號的附加外部連接。
8.如權利要求7所述的電氣系統，包含在六管腳集成電路封裝中，所述封裝包括電源管腳、地回路管腳、負載管腳、啟動管腳以及用于連接所述用戶可設置調節電流確定元件的兩個管腳，優選的是其中所述封裝符合產業標準SOT-23封裝公約。
9.如權利要求1所述的電氣系統，其中所述電源包括電池，并且所述負載包括至少一個發光二極管。
10.一種集成電路，按照互補金屬氧化物硅工藝形成，用于調節從電池電源流到負載的電流，而不需要外部電流感測電阻器，所述集成電路包括(a)電流傳送調節器元件，可連接到所述電池電源，以控制從所述電源提取的供電電流，(b)主電荷泵，其輸入端連接到所述電流傳送調節器元件，且輸出端可連接到所述負載，并具有到外部快速電容器的管腳連接，所述外部快速電容器的值選擇為固定流到所述負載的調節電流的大小。(c)模型電荷泵，具有連接到所述電流傳送調節器元件的輸入和提供模型電流Imodel的模型輸出，并包括電流感測電路以及用于吸收基準電流Iref的恒流源，其中所述電流感測電路被連接，并用于比較所述主電荷泵和模型電荷泵輸出端的電壓電平，并強制所述模型電荷泵輸出端的電壓電平等于所述主電荷泵輸出端的電壓電平，以及(d)控制電路，具有連接到所述電流感測電路與所述恒流源之間節點的電流提供/吸收輸入，并連接有控制輸出，以控制所述電流傳送調節器元件來強制所述電流Imodel等于所述基準電流Iref，以使流經所述主電荷泵的電流被調節到由所述快速電容器的電容值所建立的電平，而與所述電池電源的電壓變化無關。
11.一種用于調節從電池流到負載的電流的方法，無需直接感測所述負載上的電流，所述方法包括如下步驟(a)使電流從所述電池流過電流傳送調節器元件；(b)從所述電流傳送調節器元件提供電流到向所述負載提供調節電流的主電壓乘法有限輸出電阻電路；(c)為所述主電壓乘法有限輸出電阻電路的用戶可設置輸出電阻確定元件選擇一個值，以便確定流到所述負載的調節電流的大小；(d)從所述電流傳送調節器元件提供電流到模型電壓乘法有限輸出電阻電路，以便產生模型電流Imodel；(e)使所述模型電流流過電流感測電路，并流入用于吸收基準電流Iref的恒流源；(f)控制所述電流感測電路，以強制所述模型電壓乘法有限輸出電阻電路輸出端的電壓電平等于所述主電壓乘法有限輸出電阻電路輸出端的電壓電平，以及(g)控制所述電流傳送調節器元件，以強制所述電流Imodel等于所述基準電流Iref，以使流經所述主電壓乘法有限輸出電阻電路的電流被調節到由所述用戶可設置電流確定元件所建立的電平，而與所述電源的輸入電壓變化無關，優選的是，其中從所述電流傳送調節器元件提供電流到主電壓乘法有限輸出電阻電路的所述步驟包括提供電流到主電荷泵，其中從所述電流傳送調節器元件提供電流到模型電壓乘法有限輸出電阻電路的所述步驟包括提供電流到模型電荷泵，并且其中為用戶可設置輸出電阻確定元件選擇一個值的所述步驟包括選擇外部快速電容器的電容值以便確定流到所述負載的調節電流的大小。
全文摘要
集成電路(10)調節從電池(8)流到負載的電流，不需要外部電流感測電阻器。此IC包括主電荷泵(12)；模型電荷泵(14)；電流感測電路(U3、M2)；第一控制電路，它強制模型電荷泵輸出端的電壓電平等于主電荷泵輸出端的電壓；以及第二控制電路，它強制模型電荷泵輸出的模型電流被調節到外部快速電容器(Cp)的電容值所建立的電平，而與電池電源的輸入電壓變化無關。
文檔編號H02M3/07GK1938926SQ200480037247
公開日2007年3月28日 申請日期2004年10月19日 優先權日2003年10月20日
發明者P·W·拉塔姆二世, J·C·坎菲爾德 申請人:泰科電子有限公司