CN100536298C - 一种阱自偏置开关电容电荷泵电路 - Google Patents

一种阱自偏置开关电容电荷泵电路 Download PDF

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Abstract

一种阱自偏置开关电容电荷泵电路，包括两个高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关电路、两个电流-电压转换电路、一个多输入非对称比较器，其中：高速无死区阱自偏置开关和与之相连的电流限制辅助开关电路，用于开关电荷泵，为电荷泵提供电荷充电和放电通路；电流-电压转换电路，用于电流限制，将开关上的电流转换成电压；多输入非对称比较器，用于电流限制，将开关上的电流和电流限制阀值电流进行比较，输出控制信号控制上述高速无死区阱自偏置开关，达到电流限制的目的。本发明避免了高速电荷泵中的阱偏置电路的死区问题和电流限制导致的电荷泵输出电容冲电不足的问题，以及开关电流-电压转换问题，并降低系统的成本。

Description

一种阱自偏置开关电容电荷泵电路
技术领域
本发明涉及一种升压型(正压/负压)的电源电荷泵电路，尤其指适用于高速、大电流场合的阱自偏置开关电容电荷泵电路。
背景技术
在图1所示的升压型(正压)的开关电容电荷泵电路中，PMOS管M1和M2的两边电压的高低关系随时钟变化在不停的变化，电路中不存在一个绝对的最高电压。为了避免M1和M2的源极漏极与N阱之间的PN结被导通而产生漏电，需要对它们的阱电位进行精心的控制，确保PMOS的N阱被偏置在它的源极和漏极中电压高的一端。
在传统的电路中处理此类阱偏置的办法是将M1和M2的源极和漏极输入到比较器的输入端，根据比较器的比较结果选择N阱的偏置端。这种方法的优点是能够比较精确地选择源极和漏极中的电压高的一端，但是它的缺点也是非常明显的：由于比较器的延迟，可能导致源极漏极和N阱的PN结在阱偏置转换过程中较长时间处于导通状态。因此它不太适合应用在高速电荷泵中。
图2给出一种适用于高速电荷泵中的阱偏置电路。M1、M3和M4共享同一个N阱并与M3和M4的源极相连，M3的漏极连接M1的源极，M4的漏极连接M3的源极，M3的栅连接M4的漏极，M4的栅连接M3的漏极。由于没有比较器的延迟，它的阱偏置转换速度非常快。其缺点是如果M1的源极和漏极电压接近，那么M3和M4都截止，N阱被浮空，源漏极和阱的PN结可能被导通，出现了死区，在死区内，阱电压无法确定。
如果在图2中M1和M2的源漏极两端电压差比较大，那么将会有大电流向电容C1和Cout充电，这种大电流在一些应用中需要被回避，因此需要对流过M1和M2的电流进行限制。
而传统的电荷泵中对电流进行限制的办法是采样流过M1和M2的电流，如果电流过大则将M1和M2关闭，结果是M1和M2中没有了电流，导致输出电容充电不足，这种情况如果在软启动过程中可能导致无法正常启动，如果在正常工作过程中可能导致输出电容过分放电，输出电压下降到不正常的水平上。
如果电荷泵有多个泵浦开关电容，每个开关需要一个电流比较器判断开关中流过的电流是否超过阈值，那么就需要很多的比较器，其结果是系统开销增加很多，导致成本增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阱自偏置开关电容电荷泵电路，以避免高速电荷泵中的阱偏置电路的死区问题和电流限制导致的电荷泵输出电容冲电不足的问题，并降低系统的成本。
本发明所提供的一种阱自偏置开关电容电荷泵电路，其特征在于：包括两个相互相连的开关电路，各开关电路分别包括高速无死区阱自偏置电荷泵开关电路和与之相连的电荷泵开关电流限制辅助开关电路，两个分别与上述开关电路一一对应相连的电流-电压转换电路，一个和上述开关电路以及电流-电压转换电路相连的多输入非对称比较器，其中：高速无死区阱自偏置电荷泵开关电路和与之相连的电荷泵开关电流限制辅助开关电路，用于开关电荷泵，为电荷泵提供电荷充电和放电通路；电流-电压转换电路，用于限制流过所述阱自偏置开关电容电荷泵电路中的电荷泵开关的电流，将电荷泵开关上的电流转换成电压；多输入非对称比较器，用于限制流过电荷泵开关的电流，将电流-电压转换电路输出的电荷泵开关上的电流值与电流限制阈值进行比较，输出控制信号控制上述电荷泵开关，达到限制流过电荷泵开关的电流的目的。
由于采用了上述的技术解决方案，以避免高速电荷泵中的阱偏置电路的死区问题和电流限制导致的电荷泵输出电容冲电不足的问题，以及开关电流-电压转换问题，并降低系统的成本。
附图说明
图1是现有一种升压型(正压)电荷泵示意图。
图2是现有高速阱偏置电荷泵电路示意图。
图3是传统开关电容开关电流限制电路示意图。
图4本发明中高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关电路示意图。
图5本发明中非对称多输入比较器的电路示意图。
图6本发明中电流-电压转换电路示意图。
图7本发明阱自偏置开关电容电荷泵电路的示意图。
具体实施方式
在描述本发明之前，再来审视一下现有技术，尤其对造成图2中的阱偏置死区问题的原因作一简单介绍：当M1的源漏极电压差小于PMOS的开启电压Vthp时，M3的栅源电压和M4的栅源电压均小于PMOS的开启电压Vthp，M3和M4均关闭，M1的阱被浮空，因此阱偏置的死区就是M1的源漏极电压差小于Vthp的区间。同理对M2的死区也是相同的。
本发明电路解决该问题的办法是在M3的栅极和M1的漏极之间增加一个电压降Vthp，使得M3的栅极总是比M1的漏极低一个Vthp，在M4的栅极和M1的源极之间同样也增加一个电压降Vthp，使得M4的栅极电压总是比M1的源极低一个Vthp。这样做的结果是不管M1的源漏极电压差的大小如何，总是能够保证M3和M4中至少有一个是开启的，死区问题被避免了。如果M1的漏极电压等于源极电压，那么M3和M4同时导通，阱电压和源漏极电压相同；如果M1的漏极电压高于源极电压，那么M4导通，M3关闭，阱电压和M1的漏极电压相同；反之如果M1的源极电压高于漏极电压，那么M3导通，M4关闭，阱电压和M1的源极电压相同。
本发明电路为了减少比较器的数目，用一种非对称的多输入比较器实现多个比较器的功能。这个比较器的差分输入结构是非对称，差分结构的一边是单个输入，另一边有多个输入，单个输入的输入是电流限制阈值电压，多个输入的输入分别连接开关电容的开关电流-电压转换点。由于比较器的增益较大，因此只要任何流过一个开关电容中的开关的电流超过了电流限制阈值，比较器就会输出一个信号将所有开关电容的开关断开。
电荷泵输出电容充电不足的问题是由于达到电流限制后，M1和M2被关闭，在单个时钟周期内从M1和M2到输出电容的电荷非常少，输出电容没有充分得到电荷补充，输出电压下降。
本发明电路分别增加一个与M1和M2并联的小开关，在达到电流限制后，M1和M2被关闭，但是小开关保持原来的正常工作状态，流过小开关的电流不受电流限制电路的限制，因此一直有电流通过小开关给输出电容充电，结果是在软启动过程中有足够的电荷给输出电容补充，电荷泵可以正常启动，在正常工作过程中输出电压能够维持正常的输出。
本发明电路将一个开关ML1及与开关串联的电阻R1，并联在开关M1的源和漏极，实现电流-电压转换。ML1的栅控制信号和M1的栅控制信号相同，它们的漏极连接在一起，ML1的源极通过电阻R1和M1的源极连接，输出点在电阻R1和开关ML1的公共点。当开关M1开通后，有电流流过M1，该电流的大小和M1源漏极电压成正比，ML1的电阻相对于R1的电阻可以忽略，所以在电阻R1两端的电压就等于M1两端的电压，流过M1的电流越大，电阻R1两端的电压就越大；当开关M1关断后，ML1也关断，没有电流流过M1和R1，R1两端的电压为0。
以下对本发明阱自偏置开关电容电荷泵电路的一实施例结合其附图进行详细地描述。
参见图7，本发明电路的应用实例，由两个由图4表示的高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关电路、两个由图6表示的电流-电压转换电路和一图5表示的多输入非对称比较器组成。高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关电路11的“Vin”端连接输入信号Vin，out端连接节点ct2，SM1g端连接ph1，M1g端连接节点S1g；高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关电路12的Vin端连接节点ct2，out端连接vout节点，SM1g端连接ph2，M1g端连接节点S2G；电容C1的正极连接节点ct2，负极和反相器xi1的输出相连；电流-电压转换电路21的输入A连接输入信号Vin，输入B连接节点ct2，输出O连接节点N5；“电流-电压转换电路”22的输入A连接节点ct2，输入B连接输出节点vout，输出O连接节点N6；非对称多输入比较器3的输入端inp连接参考电压输入vref，inn1端连接节点N5，inn2端连接节点N6，输出Nout端连接节点N7。N7和ph1经过“OR”运算输出S1G，N7和ph2经过“OR”运算输出S2G；输出电容Cout的正极连接节点vout，负极连接节点gnd。
图4中的“无死区高速阱自偏置开关”模块由电流沉I1、I2；电压转移PMOS管M5，M6；阱开关M3和M4组成。电流沉I1和I2的正极分别连接M5和M6的漏极于N3，N4点；电压转移PMOS管M5和M6的栅极和漏极相连，它们的阱和源极相连，M5的源极连接阱开关M3的漏极，M6的源极连接阱开关M4的漏极；阱开关M3和M4的阱和它们的源连接在一起，M3的漏极和M5的源极连接到N1点即M1的源极，M4的漏极和M6的源极连接到N2点，即M1的漏极，M3的栅连接到M6的漏极，同理M4的栅连接到M5的漏极；M1的栅连接M1g。
当开关N2点电压高于N1点电压时，N3、N4点电压分别比N1、N2点电压低一个Vthp，M4的源栅极电压大于一个Vthp，M4开启，M3的源栅极电压小于一个Vthp，M3关断，M1的阱电压等于N2点电压。反之如果N1点电压高于N2点电压，则M1的阱电压等于N1点电压。如果N1电压和N2电压相等，则M3和M4的源栅极电压均等于一个Vthp，阱电压等于N1和N2点电压。在N1点电压和N2点电压的任何一种关系上，都能保证有M3或者M4开启，因此不会出现死区。
图4中的“电流限制辅助开关”由并联在M1小开关SM1组成。SM1的源极和M1的源极在N1点相连，漏极在N2点相连，阱也连接在一起由高效无死区阱自偏置电路控制连接关系；SM1的栅连接SM1g。
图5给出非对称多输入比较器。该比较器的非对称输入由CM1、CM2、CM3组成；输入级电流由电流源CI1提供；LM1和LM2组成电流镜负载；CM5组成第二级输入；CI2电流源作为第二级的负载。非对称输入管CM1、CM2、CM3由PMOS管构成，它们的阱和源极相连于CN1点，CM1、CM2、CM3的栅极分别连接输入信号inp、inn1、inn2，CM1的漏极连接LM1的漏极于LN1点，CM2，CM3的漏极和LM2的漏极相连于LN2点；CI1的正极连接电源，负极连接CN1点；LM1栅漏极相连，源极和衬底相连到地；LM2的栅极连接LN1点，源极和衬底连接地；CM5的栅极连接LN2点，漏极和CI2的负极连接于Nout点，源极和衬底连接地；CI2的正极连接电源。
由于比较器的增益非常大，由非对称引入的offset非常小，对比较结果不会产生大的影响。
图6给出了电流-电压转换电路，一个开关ML1及与开关串联的电阻R1，并联在开关M1的源和漏极，实现电流-电压转换。ML1的栅控制信号和M1的栅控制信号相同，为M1g；它们的漏极连接在一起作为输入B，ML1的源极通过电阻R1和M1的源极连接，作为该电路的输入A；输出点O在电阻R1和开关ML1的公共点。当开关M1开通后，有电流流过M1，该电流的大小和M1源漏极电压成正比，ML1的电阻相对于R1的电阻可以忽略，所以在电阻R1两端的电压就等于M1两端的电压，流过M1的电流越大，电阻R1两端的电压就越大；当开关M1关断后，ML1也关断，没有电流流过M1和R1，R1两端的电压为0。
本发明的工作原理：流过“高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关”电路的电流经过“电流-电压转换电路”转换成电压信号输入到“非对称多输入比较器”中和参考电压进行比较，如果电流信号超过最大电流限制，则“多输入比较器”输出“1”信号将S1G和S2G置为“1”，S1G和S2G将“高速无死区阱自偏置开关和电流限制辅助开关”1和2的大开关M1关闭，流过M1的电流降为零，但是由于SM1没有被关闭，仍然有电流流过辅助开关SM1从vin向输出电容Cout充电。由于SM1远小于M1，所以这个电流远小于最大限制电流。在任何时候均有电流流过SM1向输出电容Cout充电，所以有足够的电流能够保证电荷泵启动过程中的软启动和电荷泵正常过程中的电压稳定。
虽然本发明已参照当前的具体实例进行了描述，但是本技术领域的普通技术人员应该认识到，以上的实例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改。因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实例的变化，变型都将落在本发明的权利要求书的范围内。

Claims (4)

1、一种阱自偏置开关电容电荷泵电路，其特征在于：包括两个相互相连的开关电路，各开关电路分别包括高速无死区阱自偏置电荷泵开关电路和与之相连的电荷泵开关电流限制辅助开关电路，两个分别与上述开关电路一一对应相连的电流-电压转换电路，一个和上述开关电路以及电流-电压转换电路相连的多输入非对称比较器，其中：
高速无死区阱自偏置电荷泵开关电路和与之相连的电荷泵开关电流限制辅助开关电路，用于开关电荷泵，为电荷泵提供电荷充电和放电通路；
电流-电压转换电路，用于限制流过所述阱自偏置开关电容电荷泵电路中的电荷泵开关的电流，将电荷泵开关上的电流转换成电压；
多输入非对称比较器，用于限制流过电荷泵开关的电流，将电流-电压转换电路输出的电荷泵开关上的电流值与电流限制阈值进行比较，输出控制信号控制上述电荷泵开关，达到限制流过电荷泵开关的电流的目的。
2、根据权利要求1所述的阱自偏置开关电容电荷泵电路，其特征在于：所述的高速无死区阱自偏置电荷泵开关电路由第一电流沉(I1)和第二电流沉(I2)、第五电压转移晶体管(M5)和第六电压转移晶体管(M6)以及第三阱开关(M3)和第四阱开关(M4)组成，所述两个电流沉(I1、I2)的正极分别连接到两个电压转移晶体管(M5、M6)的漏极于第三节点(N3)和第四节点(N4)；两个电压转移晶体管(M5、M6)各自的栅极和各自的漏极相连，各自的阱和各自的源极相连，第五电压转移晶体管(M5)的源极连接到第三阱开关(M3)的漏极，第六电压转移晶体管(M6)的源极连接到第四阱开关(M4)的漏极；两个阱开关(M3、M4)的阱以及它们的源极连接到在一起；第三阱开关(M3)的漏极和第五电压转移晶体管(M5)的源极连接到第一电荷泵开关(M1)的漏极；第四阱开关(M4)的漏极和第六电压转移晶体管(M6)的源极连接到第一电荷泵开关(M1)的源极；第三阱开关(M3)的栅极连接到第六电压转移晶体管(M6)的漏极，第四阱开关(M4)的栅极连接到第五电压转移晶体管(M5)的漏极。
3、根据权利要求1所述的阱自偏置开关电容电荷泵电路，其特征在于：所述的多输入非对称比较器包括第一输入晶体管(CM1)、第二输入晶体管(CM2)、第三输入晶体管(CM3)、提供输入级电流的第一比较器第一输入电流源(CI1)、第一电流镜负载晶体管(LM1)、第二电流镜负载晶体管(LM2)、第二级第五输入晶体管(CM5)、第二级的第二负载电流源(CI2)，三个输入晶体管(CM1、CM2、CM3)的阱和源极相连于比较器第一节点(CN1)，栅极分别连接电流限制阈值电压信号(vref)，第一电流-电压转换输出(inn1)，第二电流-电压转换输出(inn2)，第一输入晶体管(CM1)的漏极连接第一电流镜负载晶体管(LM1)的漏极于比较器第一负载节点(LN1)，第二输入晶体管(CM2)和第三输入晶体管(CM3)的漏极和第二电流镜负载晶体管(LM2)的漏极相连于比较器第二负载节点(LN2)；第一比较器第一输入电流源(CI1)的正极连接电源，负极连接比较器第一节点(CN1)，第一电流镜负载晶体管(LM1)的栅漏相连，其源极和衬底相连到地，第二电流镜负载晶体管(LM2)的栅极连接到比较器第一负载节点(LN1)，源极和衬底相连到地，第二级第五输入晶体管(CM5)的栅极连接比较器第二负载节点(NL2)，其漏极和第二负载电流源(CI2)的负极连接于比较器的输出节点(Nout)，其源极和衬底连接到地，第二负载电流源(CI2)的正极连接电源。
4、根据权利要求1所述的阱自偏置开关电容电荷泵电路，其特征在于：所述电流-电压转换电路由第一电流-电压转换开关晶体管(ML1)以及第一电流-电压转换电阻(R1)组成，第一电流-电压转换开关晶体管(ML1)与第一电流-电压转换电阻(R1)相连于电流-电压转换输出节点(o)；第一电流-电压转换电阻(R1)和第一电流-电压转换开关晶体管(ML1)的串联电路并连到第一电荷泵开关(M1)的源和漏极。
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