CN1118923C - 用于产生电压的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生输出电压(V_out)的电路，该电压在工作时间间隔期间被使用，以及在非工作时间间隔期间不被使用。DC/DC转换器(T1，D1)把输入电压(V_supply)转换成输出电压(V_out)。在非工作时间间隔期间，用电荷量对电容器(C1)充电，然后它被用来产生在工作时间间隔期间的输出电压(V_out)。电荷量由来自电流发生器(I)的电流产生。该电流通过电容器和二极管(D1)流到地。电容器(C1)被充电得越来越满，以及电流逐渐减小到零。控制电压(V_ctrl)在工作时间间隔期间对电路进行切换，以便得到输出电压(V_out)。该电路可被使用于被包括在便携式无线设备中的无线发射机，其中无线设备被使用于以突发脉冲形式发射的无线系统。

Description

用于产生电压的电路和方法

                    技术领域

本发明涉及用于产生电压的电路和方法。该电压在工作时间间隔期间被使用，以及在非工作时间间隔期间不被使用。

本发明也涉及在构成便携式无线设备的无线发射机中对该电路的使用。

                   现有技术状况

在某些应用中，必须能够产生具有特殊特性的电压。一个这样的应用可以是：该电压只在某个时间间隔期间内才需要。需要该电压的时间可被称为工作时间间隔，而不需要该电压的时间可被称为非工作时间间隔。

一个例子可以是该电压可被产生来用作为一个不是被连续地驱动的电路的电源电压。电源电压应当在工作时间间隔期间被加到电路上，而在非工作时间间隔期间不被加到电路上。

上面提到的一个例子是被包括在便携式无线设备中的无线发射机，其中无线设备被使用于以突发脉冲形式发射的无线系统中。在这种情况下，加到无线发射机的功率放大器的负电源电压在每个突发脉冲发射期间是需要的。

所谓的便携无线设备包括所有的被安排用于无线通信的便携设备，例如，移动电话、寻呼机、电传真机和打印机装置以及通信机，即，带有计算机的和内装的日历的电话。所述的设备可被使用于每种类型的无线网络，例如，蜂窝网、卫星网、或较小的本地网。

已经知道，为了产生具有上述特性的电压，使用所谓的电荷泵。

在专利申请GB 2,023,949中描述了这样的一个例子。在所述应用中，负电源电压由包括运算放大器，缓冲放大器和二极管泵放大器的电路产生。运算放大器控制缓冲放大器，以使得它交替地“接通”和“关断”，这导致电荷被泵送到二极管泵放大器的电容器中，并且得到负电压。

按照所述现有的技术的结构的缺点是使用运算放大器和二极管放大器，因为运算放大器的振荡器频率可依赖于所产生的电压而呈现波纹状。为了避免所述的波纹，需要额外的部件，例如滤波器，而且，除此以外，很难保持波纹足够低，这是本领域技术人员熟知的。

当使用一个振荡器时，也存在如何得到快速的及严格规定的起动时间的问题。

按照所述现有技术的结构上的另一个缺点是，即使当该电压不被需要时，它也被连续地产生，因为电荷在所有时间都被提供给电容器。

                  发明内容公开

本发明解决关于如何以简单的方式交变地产生一个电压的问题。

另一个问题是如何产生该电压而不存在当产生电压时造成的波纹。

再一个问题是如何得到快速和严格规定的过渡时间。

又一个问题是如何仅在需要该电压的时间期间产生该电压。

因此，本发明的一个目的是解决以上的问题。

另一个目的是提供用于产生这种电压的简单的和低成本的电路。

按照本发明的解决方案是，在不需要该电压的时间期间，将电容器充电。当需要该电压时，将电容器放电，由此得到一个电压。

该解决方案包括：

用于连接输出电压到电路以便在工作和非工作时间间隔之间进行切换的装置，

用于连接输入电压到电路的装置(IN)，

DC/DC转换器，用于把输入电压转换成输出电压，

用于产生输出电压的装置，包括存储装置，其中所述存储装置在非工作时间间隔期间能被电荷量进行充电，从而产生在工作时间间隔期间的输出电压，以及

电流发生器，用于产生电流，以便产生出给所述存储装置(C1)充电的电荷量，

因此，连接控制电压到电路的所述装置连接到产生输出电压的所述装置上，

产生输出电压的所述装置与所述DC/DC转换器连接，以及将一个输入电压与电路连接的所述装置(IN)通过一个电流发生器与产生输出电压的装置相连。

本发明具有若干优点。电压是以简单的方式交变地产生的，其中电压可被产生而不会在产生电压时造成波纹。

另一个优点是得到快速而严格规定的过渡时间，以及只在需要使用该电压的时间间隔期间产生该电压。

再一个优点是通过本发明可得到简单的和低成本的用于产生这种电压的电路。

现在借助于优选实施例和参照附图更详细地描述本发明。

附图简述

图1a显示用于产生电压的电路，以及说明按照本发明的原理。

图1b显示按照本发明的电路的一个实施例。

图1c显示按照本发明的电路的另一个实施例。

图2显示按照本发明的电路的又一个实施例。

图3显示作为时间的函数的来自按照本发明的电路的控制电压和输出电压。

图4显示按照本发明的用于产生电压的方法的示意性流程图。

                   优选实施例

图1显示了用于产生电压的电路。电路是示意的，它说明本发明的原理。电流发生器I串联连接到一个包括第一支路和第二支路的并联连接电路，第一支路包括电容器C1与二极管D1的串联，第二支路包括晶体管T1，其中电容器C1和二极管D1与晶体管T1相并联。

电源电压V_supply通过输入端IN(入)被提供给电路。控制电压V_ctrl通过控制输入端CTRL被提供给晶体管T1。控制电压可以以一定的频率和一定的占空比为特征。例如，占空比可以是1∶8。

正如将在下面解释的，输出电压V_out在输出端OUT(出)得出。输出电压在工作时间间隔期间被使用，而在工非作时间间隔期间不使用。

首先假定电路处在非工作时间间隔期间。按照本发明，控制电压V_ctrl为低电平，由此晶体管T1被截止。电流将由电流发生器I产生，以便随后通过电容器C1和二极管D1流到地。电容器将充电越来越满，在此期间电流逐渐减小，当电容器完全充满电时，电流减小到零。

这样，电容器起到电荷量存储装置的作用，这个存储装置由电容器来构建。

现在假定由非工作时间间隔改变到工作时间间隔。当这种改变发生时，电容器C1被充满电。在非工作时间间隔和工作时间间隔之间的过渡或切换是由控制电压V_ctrl确定的。在切换期间，高的控制电压V_ctrl通过控制输入端被施加。这样，晶体管T1将变成为充分导通，电流发生器I和电容器C1的点1处的电位将是0V。同时，在点2处的电位将从xV(二极管D1上的电压降)变到-(V_supply-x)V，其中输出电压V_out也将具有-(V_supply-x)V的值。

x的值取决于所使用的二极管的类型。例如，对于Schottky(肖特基)二极管，这个值可以是0.3V，或对于PN-二极管是0.7V。在以下的说明中，假定二极管是PN-二极管，其中x约等于0.7V。

在工作时间间隔期间，电容器C1将接连地放掉在非工作时间间隔期间提供的电荷量。电荷通过晶体管T1流到地，正如上所述，电压V_out将取-(V_supply-x)的值。

当工作时间间隔结束时，控制电压V_ctrl再次取低的数值，由此晶体管T1截止，电容器C1再次开始充电。

当控制电压是低电平时，由电流发生器I提供对于充电电容器C1所需要的电流。

图1a中的电流发生器I可以以不同的方式来制做。一个方法是把电阻R1连接在输入端IN和点1之间，如图1b所示。通常，于是可以说，被提供到输入端IN的电压V_supply和电阻R1构成图1a上的电流发生器I。充电时间由电阻R1和电容器C1的RC-时间常数确定。

图1c上显示了制做电流发生器I的另一种方式。MESFET-晶体管T2被连接在输入端IN和点1之间。晶体管T2的漏极被连接到输入端IN，源极被连接到点1，以及栅极和源极连接在一起。这样，得到饱和电流I_d，sat，它可被用来如上面解释地充电电容器C1。

MESFET-晶体管T2在工作时间间隔期间限制电流。在非工作时间间隔期间，当电容接近充满电时，晶体管T2起到低的电阻的作用。

如果来自按照本发明的电路的输出电压被用作为，例如，给通过MESFET-过程制造的功率放大器的电源电压，则可借助于MESFET-晶体管T2得到简单的解决方案。在这种情况下，MESFET-晶体管T2可以以与功率放大器同样的制造过程中被集成，并被放置在功率放大器的同一个芯片上。二极管D1也可以以MESFET过程被制造，并被集成在功率放大器和晶体管的同一个芯片上。

图2显示了本发明的另一个实施例，图1上总的显示的电流发生器I，在本实施例中包括电阻R1，R2，R3，和R4，电容器C2和晶体管T3。晶体管T3被用来产生电流发生器的通/断功能。

在非工作时间间隔期间，晶体管T3完全导通，因此，电流发生器提供电流，用于充电电容器C1。在工作时间间隔期间，晶体管T3截止，由此没有电流提供。电阻R3和R4被用来提供想要的晶体管T3的栅极电流值。借助于电容器C2，可以确保晶体管T3通过控制电压V_ctrl被切换成导通或截止。晶体管R2起到保护电阻的作用，以便限制流过晶体管T3的电流。

在本实施例中，总的在图1a-1c上显示的DC/DC转换器也包括电阻R5和齐纳二极管Z1。

电阻R5可被用来提供改变晶体管T1的偏压的可能性。

二极管Z1可被用来避免在输出端OUT被接上负荷(例如功率放大器)时的输出电压V_out的变化。按照本发明，齐纳二极管被连接在晶体管T1的控制输入端与点2之间，如图所示，由此，它使电压稳定在小于齐纳电压减去二极管D1的压降。例如，如果齐纳电压是4.8V和二极管电压是0.7V，则输出电压决不小于-4.1V。这样，在按照本发明的电路中得到了电压稳定功能。

晶体管T1和二极管D1通常可被用来构成DC/DC转换器，它使得有可能在两个状态(工作状态与非工作状态)之间切换，电容器C1通常可被称为存储装置，在其中存储电荷量，以便用来在工作时间间隔期间产生输出电压。

当在工作和非工作时间间隔之间进行切换时，在点2处发生极性变化。在非工作时间间隔期间，在点2处的极性是正的，而在工作时间间隔期间，在点2处的极性是负的。为此，输出电压V_out也变成为负的输出电压。

图3显示作为时间的函数的来自按照本发明的电路的控制电压V_ctrl和输出电压V_out。

控制电压可以以某个频率f和某个占空比为特征。例如，占空比可以是1∶8，这意味着控制电压在时间周期T的八分之一内是高电平。

假定电容器C1在时间t＝0处完全放电。控制电压V_ctrl是低电平，由此，在时间周期T的前八分之七期间内电容器充电。输出电压V_out等于二极管D1上的电压，它约等于0.7V，如果二极管例如是PN二极管的话。

在最后的八分之一的时间周期T内，控制电压是高电平，由此在点2发生极性倒置，正如参照图1a-1c所说明的。当这种情况发生时，电容器被充满电。现在输出电压V_out等于-(V_supply-0.7)V。输出电压将由被存储在电容器C1上的电荷保持。该电荷通过晶体管T1流到地。在工作时间间隔期间，电压将略微上升，但通过电路中的适当调整组成元件的数值，这个变化可保持在特定值V_min和V_max的范围内。齐纳二极管也可如参照图2所描述地被连接，以便产生稳压作用。

图4显示用于产生输出电压(V_out)的方法的示意性流程图。正如上所述，该输出电压在工作时间间隔期间被使用，以及该输出电压在非工作时间间隔期间不被使用。

在阶段41，控制电压V_ctrl被连接到按照本发明的电路，该控制电压在工作和非工作时间间隔之间切换。

在阶段42，输入电压被连接到电路。

在阶段43，输入电压通过DC/DC转换器T1，D1被转换成输出电压V_out。

在阶段44，输出电压被产生，它包括在非工作时间间隔期间对电荷量的存储装置充电，该电荷量在工作时间间隔期间产生输出电压V_out。

阶段44也包括：DC/DC转换器根据控制电压V_ctrl而从非工作状态切换到工作状态，由此，输出电压V_out是作为在电容C1与二极管D1之间的点2和地之间的电压而被得到的，由此，点2处的电位取-(输入电压V_supply-(二极管D1的电压降))伏的值。

在阶段45，通过电流发生器I产生一个电流，该电流产生电荷量，它使所述存储装置C1充电。

本发明自然不限于附图所示的以上描述的实施例，而它可在附属权利要求的范围内修正。

Claims (12)

1.用于产生在工作时间间隔期间使用而在非工作时间间隔期间不使用的输出电压(V_out)的电路，其特征在于，该电路包括

用于连接控制电压(V_ctrl)到电路以便在工作和非工作时间间隔之间进行切换的装置(CTRL，T1)，

用于连接输入电压(V_supply)到电路的装置(IN)，

DC/DC转换器(T1，D1)，用于把输入电压(V_supply)转换成输出电压(V_out)，

用于产生输出电压(V_out)的装置，包括存储装置(C1)，其中所述存储装置(C1)在非工作时间间隔期间能被电荷量进行充电，从而产生在工作时间间隔期间的输出电压(V_out)，以及

电流发生器(I，R1，T2)，用于产生电流，以便产生出给所述存储装置(C1)充电的电荷量，

因此，连接控制电压(Vctr1)到电路的所述装置(CTRL，T1)连接到产生输出电压(Vout)的所述装置上，

产生输出电压(Vout)的所述装置与所述DC/DC转换器连接，以及将一个输入电压(Vsupply)与电路连接的所述装置(IN)通过一个电流发生器(I，R1，T2)与产生输出电压的装置相连。

2.按照权利要求1的电路，其特征在于，其中所述存储装置(C1)由第一电容(C1)构成，以及其中电流发生器(I)包括第一电阻(R1)，它串联连接到一个包括第一支路和第二支路的并联连接电路，第一支路包括第一电容器(C1)与二极管(D1)的串联，第二支路包括第一晶体管(T1)，其中第一电容器(C1)和二极管(D1)是与第一晶体管(T1)相并联的。

3.按照权利要求2的电路，其特征在于，其中所述用于产生输出电压(V_out)的装置还包括二极管(D1)和第一电阻(R1)，该电阻被连接到第一电容(C1)，以便得到一个RC-电路(R1，C1)。

4.按照权利要求1的电路，其特征在于，其中所述存储装置(C1)由第一电容(C1)构成，以及其中电流发生器(I)包括第二晶体管(T2)，它具有漏极，被连接到所述用于连接输入电压(V_supply)的装置(IN)；源极，被连接到一个包括第一支路和第二支路的并联连接电路，第一支路包括第一电容器(C1)与二极管(D1)的串联，第二支路包括第一晶体管(T1)，其中第一电容器(C1)和二极管(D1)是与第一晶体管(T1)相并联的；以及栅极，与源极连接在一起；由此，得到用于充电第一电容器(C1)的饱和电流(I_d，sat)。

5.按照权利要求1的电路，其特征在于，其中所述存储装置(C1)由第一电容(C1)构成，以及其中电流发生器(I)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、和第四电阻(R4)、第二电容(C2)、以及第三晶体管(T3)，

其中第三晶体管(T3)的集电极通过第一电阻(R1)被连接到一个包括第一支路和第二支路的并联连接电路，第一支路包括第一电容器(C1)与二极管(D1)的串联，第二支路包括第一晶体管(T1)，其中第一电容器(C1)和二极管(D1)是与第一晶体管(T1)相并联的，

其中第三晶体管(T3)的发射极通过第二电阻(R2)被连接到所述用于连接输入电压(V_supply)的装置(IN)，

其中第三晶体管(T3)的基极通过第三和第四电阻(R3，R4)被连接到所述用于连接控制电压(V_ctrl)的装置(CTRL，T1)，其中第二电容器(C2)与第四电阻(R4)相并联。

6.按照权利要求2，4或5的电路，其特征在于，它包括第五电阻(R5)和齐纳二极管(Z1)，其中齐纳二极管被连接在二极管(D1)和第一电容器(C1)之间的一点，和被连接到第一晶体管(T1)的基极，以及其中第五电阻(R5)被连接到第一晶体管(T1)的基极，和被连接到所述用于连接控制电压(V_ctrl)的装置(CTRL)。

7.按照权利要求1-5中任一项的电路，其特征在于，其中DC/DC转换器是能够根据控制电压(V_ctrl)而在工作状态与非工作状态之间切换的。

8.按照权利要求1-5中任一项的电路，其特征在于，其中控制电压(V_ctrl)在控制输入端CTRL处被提供给第一晶体管(T1)。

9.按照权利要求1-5中任一项的电路，其特征在于，其中输出电压(V_out)是作为在第一电容器(C1)与二极管(D1)之间的点(2)和地之间的电压而得到的，由此，在点(2)处的电位具有数值：

-(输入电压V_supply-(二极管D1的电压降))伏。

10.产生输出电压(V_out)的方法，该输出电压(V_out)在工作时间间隔期间被使用而该输出电压在非工作时间间隔期间不被使用，该方法的特征在于包括：

把控制电压(V_ctrl)连接到该电路，该控制电压在工作和非工作时间间隔之间切换，

把输入电压连接到该电路，

通过DC/DC转换器(T1，D1)把输入电压(V_supply)转换成输出电压(V_out)，

产生输出电压(V_out)，它包括在非工作时间间隔期间以一个电荷量对存储装置(C1)充电，该电荷量产生在工作时间间隔期间的输出电压(V_out)，

通过电流发生器(I)产生一个电流，该电流产生电荷量，它使所述存储装置(C1)充电。

根据控制电压(V_ctrl)将DC/DC转换器从非工作状态切换到工作状态，

11.按照权利要求10的方法，其特征在于，其中产生在工作时间间隔期间的输出电压(V_out)的步骤包括：

输出电压V_out是作为在电容C1与二极管(D1)之间的点2和地之间的电压被得到的，其中，在点(2)处的电位具有数值：

-(输入电压(V_supply)-(二极管(D1)的电压降))伏。

12.按照权利要求1-9的任一项的电路在构成便携式无线设备的无线发射机中的使用，该无线设备被使用于以突发脉冲发射的无线系统中，其中输出电压(V_out)被用作为加到无线发射机的功率放大器的电源电压。

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