專利名稱：具有固態(tài)電池的電荷泵dc-dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有DC-DC轉(zhuǎn)換器的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
如果電子設(shè)備或集成電路中需要用到幾個(gè)不同的直流(DC)電壓， 通常會(huì)根據(jù)電子設(shè)備的特定需求使用DC-DC轉(zhuǎn)換器來拉高或降低直 流電壓。
DC-DC轉(zhuǎn)換器可以使用用于容性轉(zhuǎn)換機(jī)制的電容。對(duì)于電感轉(zhuǎn)換 機(jī)制，通常臨時(shí)使用線圈和電容存儲(chǔ)來自開關(guān)轉(zhuǎn)換器的能量。另一方 面，容性轉(zhuǎn)換器技術(shù)僅需要電容來實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。特別地，當(dāng)DC-DC 轉(zhuǎn)換器作為集成電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，相關(guān)器件(如線圈、電容等)的尺寸會(huì) 被限制，以至于能被存儲(chǔ)在這些器件中的能量非常少。因此，需要開 關(guān)轉(zhuǎn)換器具有高速切換頻率以使得在這些元件中的能量以高達(dá)每秒IO 的7次方的頻率進(jìn)行更新。然而，如此高的頻率會(huì)導(dǎo)致與EMI相關(guān)的一 些嚴(yán)重的問題，以及電源線被污染而導(dǎo)致的干擾問題。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電容DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。此 處特別示出了電荷泵DC-DC轉(zhuǎn)換器。電壓源對(duì)電容Cl到Cn充電。由于 多個(gè)電容以并列的方式或作為單個(gè)電容被順序充電，并被連續(xù)地放電， DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓等于DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入的電源電壓的整數(shù) 倍。另外，在DC-DC轉(zhuǎn)換器的另外一種實(shí)現(xiàn)中，其輸出電壓可以不等 于輸入電壓的整倍數(shù)，而是輸入電壓的一個(gè)有理數(shù)倍。
基于開關(guān)電容執(zhí)行DC-DC轉(zhuǎn)換的機(jī)制，其好處在于與電感轉(zhuǎn)換器 相比，所需組件的尺寸小。然而，如果要取得高效率，只可能固定轉(zhuǎn) 換步幅，即在電池電壓處于正常值的情況下，轉(zhuǎn)換器只能工作在如80% 的效率上。然而，如果電壓降低10%，效率就可能降至65%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供具有DC-DC轉(zhuǎn)換器的電子設(shè)備，在甚至比 正常值低的電壓下，該設(shè)備也能獲得較高的效率。
該目的由根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備和根據(jù)權(quán)利要求8所述
的集成電路來實(shí)現(xiàn)。
因此，提供了一種電子設(shè)備，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器 包括至少一個(gè)用于存儲(chǔ)DC-DC轉(zhuǎn)換能量的固態(tài)充電電池，和輸出電 容。由于固態(tài)電池的能量存儲(chǔ)能力遠(yuǎn)高于開關(guān)電容的能量存儲(chǔ)能力， DC-DC轉(zhuǎn)換的切換頻率可以顯著下降。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，至少一個(gè)固態(tài)電池以孔陣列或溝道陣列的 薄膜電池的形式實(shí)現(xiàn)，孔陣列或溝道陣列在硅襯底上蝕刻而成，或是 多疊層平面電池。因此，固態(tài)電池能與DC-DC轉(zhuǎn)換器集成在同一個(gè)襯 底上。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方面，固態(tài)電池以鋰離子電池形式實(shí)現(xiàn)，故. 而該電池有很大的容量。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方面，DC-DC轉(zhuǎn)換器包括第一開關(guān)組以根據(jù) 第一控制信號(hào)對(duì)至少一個(gè)固態(tài)電池充電，以及第二開關(guān)組以根據(jù)第二 控制信號(hào)對(duì)至少一個(gè)電池放電。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方面，DC-DC轉(zhuǎn)換器的切換頻率低于lHz。 由于如此低的切換頻率，開關(guān)損耗可以顯著降低。
本發(fā)明還涉及具有集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的集成電路，該DC-DC轉(zhuǎn)換 器包括至少一個(gè)固態(tài)充電電池，和輸出電容。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及這樣的思想，即在DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用小尺寸 的電池替換用于存儲(chǔ)能量的電容，以存儲(chǔ)用于DC-DC轉(zhuǎn)換的能量。這 樣帶來的特別的好處在于由于電池的較大容量，轉(zhuǎn)換器的切換頻率得 到顯著降低，即DC-DC轉(zhuǎn)換器工作在非常低的切換頻率下。進(jìn)一步地， 開關(guān)紋波也能顯著降低。另外，由于切換頻率可被降低，開關(guān)損耗也 可被減少，從而降低了DC-DC轉(zhuǎn)換器總的功率耗散。例如，如果使用 了溝道電池(trench battery),該DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸能減少到與開關(guān) 電容轉(zhuǎn)換器相當(dāng)?shù)某潭取?br>

現(xiàn)參照附圖對(duì)本發(fā)明的有益效果和實(shí)施方式做更詳細(xì)的描述。附 圖為
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖，
圖2示出了根據(jù)第一實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖，
圖3示出了根據(jù)第二實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的裝置方框圖，
圖4示出了根據(jù)第三實(shí)施例的電池的電壓/電荷特性圖，
圖5示出了根據(jù)第一實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)序圖，
圖6示出了根據(jù)第四實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖，以及
圖7示出了根據(jù)第五實(shí)施例的溝道電池的示意性的表示。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了根據(jù)第一實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖。DC-DC轉(zhuǎn)換 器(電荷泵)包括第一電池B1和第二電池B2以及在其輸出端的輸出電 容C2。另外，電路包括了八個(gè)開關(guān)Sla， S2a， S3a， S4a和Slb， S2b， S3b以及S4b。開關(guān)Sla， S4a， S2b以及S3b由相位為p的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)， S2a， S3a， Slb以及S4b由相位為-p的時(shí)鐘信號(hào)反相驅(qū)動(dòng)。因而，如果 在時(shí)鐘信號(hào)第一個(gè)半周期，第一電池BI被部分充電，第二電池被部分 放電，則在時(shí)鐘信號(hào)的第二個(gè)半周期反之。輸出電容C2用于在第一電 池B1和第二電池B2的切換期間避免任何電壓的陡降。因此，根據(jù)切換
的控制，第一電池或第二電池連接到輸出端，同時(shí)另一個(gè)電池可被輸 入電壓Vin充電。在這里，當(dāng)開關(guān)Sla和S4a閉合且開關(guān)S3a打開時(shí)，第 一電池Bl被輸入電壓Vin充電。當(dāng)開關(guān)S2a打開時(shí)，第一電池與輸出的 連接斷開。當(dāng)開關(guān)Slb和S4b打開且開關(guān)S3b和S2b閉合時(shí)，第二電池連 接到輸出。當(dāng)開關(guān)Slb打開時(shí)，第二電池B2與輸入電壓的連接斷開。
由于電池B1、 B2的大容量，使得DC-DC轉(zhuǎn)換器的切換頻率(每 秒充/放電周期數(shù))能降低至0.1Hz這樣的低值。進(jìn)一步地，開關(guān)的紋 波可以做得非常小(通常DC: DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波大約為 50mV)，根據(jù)本發(fā)明很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于lmV的紋波值。圖3示出了根據(jù)第二實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器裝置方框圖。除了 DC-DC轉(zhuǎn)換器DC (根據(jù)第二或第四實(shí)施例可被具體化)，還提供了開 關(guān)(on-off)控制單元OOC和充電看門狗電路CWD。在啟動(dòng)時(shí)需要充 電看門狗，亦即當(dāng)電池為空時(shí)，電池不能進(jìn)行足夠快的充電，甚至采 用 "Boost-charging Li-ion batteries: A challenging new charging concept勿Notten et al" in Journal of Power Sources 145 (2005) 89-94"中描述的加速充電算法也不行。為了避免這種情況，電池可以 保持在被充電的水平，例如如果DC-DC轉(zhuǎn)換器切換到關(guān)，可以通過增 加一個(gè)極低功率看門狗電路的方式來實(shí)現(xiàn)。
開關(guān)控制信號(hào)OOS驅(qū)動(dòng)開關(guān)控制單元OOC。如果接收到"關(guān)
(off)"信號(hào)，DC-DC轉(zhuǎn)換器DC關(guān)閉，亦即所有的開關(guān)Sla…S4b被 置于關(guān)斷的位置并且充電看門狗電路CWD切換到開。如果接收到"開
(on)"信號(hào)，看門狗電路CWD切換到關(guān)，DC-DC轉(zhuǎn)換器DC在正常 狀況下運(yùn)行。
圖4示出了根據(jù)第三實(shí)施例的電池的電壓/電荷特性圖。此處，根 據(jù)適當(dāng)選擇的化學(xué)物質(zhì)示出了電池的電壓/電荷特性。電池的電壓取決 于電池中電荷數(shù)量。因而，通過控制電池中電荷的數(shù)量，便可以將電 池電壓調(diào)節(jié)到想要的值。DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出比的3(P/。的浮動(dòng)足 以補(bǔ)償小的輸入電壓變化(由于電池的耗盡導(dǎo)致)，同時(shí)保持輸出電壓 的恒定。然而，如果輸出電壓保持恒定，輸入/輸出比的變化必須緩慢 地改變?？梢酝ㄟ^切換頻率高于1次/1小時(shí)實(shí)現(xiàn)這一緩慢變化。如圖4 所示的電壓變化可能發(fā)生在一個(gè)小時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)。
因此，通過使用合適的電池化學(xué)物質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)變化的輸出電壓 (即，電壓并非輸入電壓的固定倍數(shù))。
圖5示出了根據(jù)圖2的DC-DC轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖。此處顯示了兩個(gè)控 制信號(hào)，用于充電的Pc和用于放電的Pd。與電容(或電池)放電相比， 在電容(或電池)充電期間，控制信號(hào)的占空比可以不同。對(duì)于電容 (或電池)充電，需要開關(guān)Sla、 S4a、 Slb和S4b，而對(duì)于電容(或電 池)放電，需要開關(guān)S2a、 S3a、 S2b和S3b。因而，充電開關(guān)的控制信 號(hào)Pc和放電開關(guān)的控制信號(hào)Pd將不相同。如果沒有提供輸出電壓控制，這些控制信號(hào)可以簡(jiǎn)單地通過固定的關(guān)系(如Pd^Pc)相關(guān)聯(lián)。
然而，如果電池的充電狀態(tài)需要有所變化，便需要調(diào)節(jié)控制信號(hào)。如 果要降低輸出電壓，充電周期的占空比也需要降低，即調(diào)整控制信號(hào)
Pc'。用于放電的控制信號(hào)Pd可以保持不變。因此，電池(平均來說) 在一個(gè)完整的充/放電周期內(nèi)進(jìn)行放電。因此，實(shí)現(xiàn)了較低的輸出電壓。 作為示例，簡(jiǎn)單的控制信號(hào)Pc可以是信號(hào)Pc的占空比變?yōu)榱恪?br> 圖6顯示了根據(jù)第四實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。此處示出 了圖2的電路圖，其中有第一電池B1、第二電池B2和輸出電容C2，以 及對(duì)應(yīng)的開關(guān)。對(duì)電容(或電池)充電的開關(guān)Sla， S4a， Slb以及S4b 由控制信號(hào)Pc控制。對(duì)電容(或電池)放電的開關(guān)，亦即開關(guān)S2a， S3a， S2b以及S3b由控制信號(hào)Pd控制。此外，提供了窗口比較器WC，窗口 比較器WC接收參考電壓Vef和輸出電壓Vout作為其輸入信號(hào)。
時(shí)鐘信號(hào)clk (如等于或小于lHz)產(chǎn)生信號(hào)Pd用于放電的開關(guān)。 信號(hào)Pc (驅(qū)動(dòng)用于對(duì)電容(或電池)充電的開關(guān))能基于窗口比較器 (WC)的輸出進(jìn)行開/關(guān)操作。窗口比較器WC判決在特定窗口中的輸 出電壓是否和所需的參考電壓Vref相等。如果輸出電壓太高，開關(guān)S 打開，Pc的占空比為零。如果輸出電壓太低，開關(guān)閉合，且Pc的占空 比非零。
應(yīng)該注意到，基于本發(fā)明的原理，可以提供更復(fù)雜且更精致的示 意圖和電路。
雖然參考附圖2、 4和6所示的電路，本發(fā)明的實(shí)施例已在上面進(jìn) 行了描述，但是應(yīng)該注意到電池，特別是溝道電池，可以用來代替其 他基于電容的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的電容。
圖7示出了根據(jù)第五實(shí)施例的溝道電池的示意性表示。溝道電池 可以用在根據(jù)圖2或圖6的DC-DC轉(zhuǎn)換器中。通過固態(tài)鋰離子電池疊層 可以實(shí)現(xiàn)該電池?？梢酝ㄟ^在硅襯底100上蝕刻孔陣列或溝道陣列來實(shí) 現(xiàn)電池疊層。在硅襯底100的頂部提供了阻擋層110(如，鉅等元素的)。 在阻擋層110上提供了非晶硅(a-Si)層120。然后提供了固體電解質(zhì) (如LiNb03等)層130和LiCo02層140。
當(dāng)電池層在硅上實(shí)現(xiàn)時(shí)，其可以使用近來的MOS加工處理工藝來進(jìn)行集成。進(jìn)一步地，根據(jù)圖7的電池和根據(jù)本發(fā)明的DC-DC轉(zhuǎn)換器 能夠集成在系統(tǒng)級(jí)封裝(system-in-package， SiP)中。
這樣一種固體電池的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)在WO2005/027245-A2中進(jìn)行了 描述，該專利文獻(xiàn)在此包括在參考文獻(xiàn)中。
上述DC-DC電路可以用在手持設(shè)備，即使用電池運(yùn)行的設(shè)備如移 動(dòng)電話、PDA等中。如果需要高度穩(wěn)定的電壓，根據(jù)本發(fā)明的DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以用于LCD顯示器或存儲(chǔ)器設(shè)備，特別是用于移動(dòng)電話中以 避免EMI和頻譜污染。
通過將電容替換為小尺寸的電池，例如溝道電池，轉(zhuǎn)換器的切換 頻率(即每秒充/放電周期的次數(shù))可被降至0.1Hz這樣的低值。開關(guān) 的紋波可以做得非常小，通常DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波大約為 50mV，根據(jù)本方法很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于lmV的紋波值。輸出電壓上的開 關(guān)紋波不會(huì)導(dǎo)致(在大多數(shù)相關(guān)應(yīng)用中)由于將切換頻率和任何的信 號(hào)頻率進(jìn)行混頻而引起的頻譜問題，因此這種方法能帶來顯著的優(yōu)點(diǎn)。
本應(yīng)用中使用溝道電池是非常有益的，因?yàn)榕c在高得多的切換頻 率下工作的開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器相比，溝道電池使得DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸 很小。此外的優(yōu)點(diǎn)還有，由于開關(guān)工作在非常低的頻率，這些器件中 的開關(guān)損耗大幅降低。在通常情況下，開關(guān)損耗大約占轉(zhuǎn)換器損耗的 一半。因此可以預(yù)見，基于電池的質(zhì)量，上述轉(zhuǎn)換器的損耗很可能只 有標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器的一半。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，可以使用多疊層平面電池。
應(yīng)該注意到上面提到的實(shí)施例是用以解釋而非限制本發(fā)明，本領(lǐng) 域一般技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出很多替代實(shí)施例，而未背離所附權(quán)利要求 的保護(hù)范圍。在權(quán)利要求中，括號(hào)之間的附圖標(biāo)記不應(yīng)理解為對(duì)權(quán)利 要求的限制。用語"包括"并不排除列在權(quán)利要求中提到的之外的元 件或步驟。在組件之前的用語"一"或"一個(gè)"并不排除使用多個(gè)這 樣的組件。在設(shè)備的權(quán)利要求中列舉了幾種裝置，這些裝置中的一些 可以通過一個(gè)相同的硬件來實(shí)施。 一個(gè)基本的事實(shí)是在相互不同的從 屬權(quán)利要求中提到的特定措施并不意味著這些方法的組合不能用來取 得有益效果。進(jìn)一步地，權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被理解為對(duì)權(quán)利要求 保護(hù)范圍的限定。
權(quán)利要求
1. 一種電子設(shè)備，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括至少一個(gè)固態(tài)充電電池(B1、B2)用于存儲(chǔ)用于DC-DC轉(zhuǎn)換的能量，以及輸出電容C2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的電子設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)固態(tài)電池(BKB2)被實(shí)現(xiàn)為薄膜電池、以孔陣列的形式蝕刻在硅襯底中的薄膜電池、以溝道陣列的形式蝕刻在硅襯底中的薄膜電池，或多疊層平面電池。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的電子設(shè)備，其中固態(tài)電池(Bl、 B2)包括鋰離子電池。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的電子設(shè)備，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器包括第一開關(guān)組，用于根據(jù)第一控制信號(hào)(Pc)對(duì)所述至少一個(gè)固態(tài)電池(Bl、 B2)充電，以及第二開關(guān)組，用于根據(jù)第二控制信號(hào)(Pd)對(duì)所述至少一個(gè)電池(Bl、 B2)放電。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的電子設(shè)備，進(jìn)一步包括開關(guān)控制單元(OOC)，用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的開和關(guān)切換，以及充電看門狗電路(CWD)，用于如果通過開關(guān)控制單元(OOC)將DC-DC轉(zhuǎn)換器切換到關(guān)，保持所述至少一個(gè)電池(Bl、 B2)在充電水平上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的電子設(shè)備，其中第一和第二控制信號(hào)(Pc， Pd)被獨(dú)立控制以調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓(Vcmt)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的電子設(shè)備，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器的切換頻率小于lHz。
8. —種集成電路，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括至少一個(gè)固態(tài)充電電池(Bl、 B2)用于存儲(chǔ)用于DC-DC轉(zhuǎn)換的能量，以及輸出電容(C2)。
9. 一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括至少一個(gè)固態(tài)充電電池(Bl、 B2)用于存儲(chǔ)用于DC-DC轉(zhuǎn)換的能量，以及輸出電容(C2)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電子設(shè)備，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)固態(tài)充電電池(B1、B2)用于存儲(chǔ)用于DC-DC轉(zhuǎn)換的能量，以及輸出電容C2。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101467341SQ200780021301
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者弗雷迪·羅澤博姆, 德克·瑞夫曼, 皮卓司·H·L·諾滕, 約翰·H·克洛特威克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司