CN100566099C - 升压电路和使用该电路的便携式设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明，使用特定升压单元前一级的升压单元的升压输出，作为多级升压单元中的该特定升压单元的输入电压。这可以增加每一个升压单元所提升的电压的电平，并减少单元数目。此外，根据本发明，当根据基准恒定电流来执行升压操作的升压单元的输出电压低于基准电压时，产生基准恒定电流；当输出电压超过基准电压时，停止基准恒定电流。这可以提供预定电平的输出电压的稳定输出，并减少在达到预定电流电平的启动期间的突入电流。

Description

升压电路和使用该电路的便携式设备

技术领域

本发明涉及一种提升电源电压并输出给定高电压的升压电路，并涉及一种使用该升压电路的便携式设备。

背景技术

传统上，电荷泵升压电路通常用作从电源电压获得高于电源电压的输出电压的电源电路。典型地，这种电荷泵升压电路配置如下。多级电荷泵单元依次连接，以便通过将输入电压提升到预定电平，来获得输出电压，其中每一级电荷泵单元都包括快速电容器和开关(参见专利文献1)。

在上述电荷泵升压电路中，为了获得预定电平的输出电压，必须根据其输出电压来控制所执行的升压操作。作为与上述内容有关的传统技术的示例，专利文献2公开了一种升压操作控制方法，通过该方法，检测升压电路的输出电压，并根据所检测的输出电压，控制升压电路中设置的MOS晶体管的导通度。

专利文献1：JP-A-2003-234408

专利文献2：JP-A-H06-351229

发明内容

本发明要解决的问题

对于上述电荷泵升压电路，存在一种串并开关类型的电荷泵升压电路和一种如专利文献1中所述的Dickson类型的电荷泵升压电路。在任何一种电荷泵升压电路中，根据输入其中的电源电压和升压级数来确定输出电压的电平。

因此，为了通过使输入电压提升预定因子而获得规定的输出电压，需要与预定因子相同数目级数的电荷泵单元。即，还需要与预定因子相同数目的快速电容器。

在上述电荷泵电路并入IC中的情况下，设置在其中的快速电容器占据较大空间。这导致不希望的IC尺寸的增加，并因此相应地导致更高成本。此外，在快速电容器安装在IC外部的情况下，必须在外部安装大量片形电容器。结果，出现了诸如电路板的管脚(footprint)增加和安装所需的时间和劳力增加的问题。

另一方面，对于输出电压控制方法，专利文献2中公开的电荷泵升压电路通过根据输出电压而改变检测器MOS晶体管的导通电阻，来稳定输出电压。然而，问题在于在阈值电压附近，导通电阻急剧地改变。这使得难以进行调节以获得稳定的输出电压。

此外，在专利文献2中公开的电荷泵升压电路中，调节电荷泵单元的开关MOS晶体管的栅电压。然而，用于产生栅电压的分压电阻器的电阻和开关MOS晶体管的浮置电容使得栅电压的上升沿不太陡峭，从而在开关MOS晶体管的开关操作中产生延迟。为了使该延迟最小化，例如可减小分压电阻器的电阻。然而，这不利地降低了升压电路的效率。

此外，在专利文献2中公开的电荷泵升压电路中，在启动期间，对电荷泵单元的电容器进行充电。这不利地引起了较大的突入电流的流动。

因此，本发明的第一目的是提供一种升压电路和一种使用这种升压电路的便携式设备，该升压电路能够通过使用较少级数的升压单元，输出预定电平的输出电压，该预定电平是使输入电压提升预定因子而获得的。

本发明的第二目的是提供一种升压电路和一种使用这种升压电路的便携式设备，该升压电路能够提供预定电平的输出电压的稳定输出，并能够减小在达到预定电流电平的启动期间的突入电流。

为了实现第一目的，根据本发明的第一方面，升压电路包括依次连接的第一级至最后一级升压单元，向第一级升压单元输入输入电压，从最后一级升压单元输出升压的输出电压。这里，每个升压单元包括：第一和第二输入节点；电容器；连接在电容器的一端与第一输入节点之间的第一开关；与电容器的一端以及下一级升压单元的第一输入节点相连的输出节点；连接在电容器的另一端与第二输入节点之间的第二开关；以及连接在电容器的另一端与基准电位点之间的第三开关。在包括第一级升压单元的奇数级升压单元中，根据第一时钟来接通/断开第一开关和第三开关，并且根据几乎与第一时钟反相的第二时钟来接通/断开第二开关。在偶数级升压单元中，根据第二时钟来接通/断开第一开关和第三开关，并根据第一时钟来接通/断开第二开关。特定升压单元的第二输入节点与该特定升压单元前一级的升压单元的第一输入节点相连，从而可执行升压操作，并且不同于该特定升压单元的升压单元的第二输入节点与预定电位点相连(第一配置)。

优选地，在具有上述第一配置的升压电路中，第一级升压单元的第一输入节点和第二输入节点以及第二级升压单元的第二输入节点与输入电压点相连，不同于第一级升压单元的特定奇数级升压单元的第二输入节点与该特定奇数级升压单元前一级的奇数级升压单元的输出节点相连(第二配置)。

优选地，在具有上述第二配置的升压电路中，不同于第二级升压单元的特定偶数级升压单元的第二输入节点与该特定偶数级升压单元前一级的偶数级升压单元的输出节点相连(第三配置)。

优选地，在具有上述第一配置的升压电路中，基准电位点是输入电压的电位点，预定电位点是地电位点，从最后一级升压单元输出作为负电压的输出电压，所述负电压是通过对输入电压进行升压以便在绝对值上大于输入电压而获得的(第四配置)。

优选地，在具有上述第一配置的升压电路中，第一级升压单元是以恒定电流工作的升压单元，从输入电位点向其第一和第二输入节点输入输入恒定电流，以便通过输入恒定电流来执行升压操作(第五配置)。

优选地，在具有上述第五配置的升压电路中，不同于第一级升压单元的特定奇数级升压单元的第二输入节点与该特定奇数级升压单元前一级的奇数级升压单元的输出节点相连(第六配置)。

优选地，在具有上述第六配置的升压电路中，不同于第二级升压单元的特定偶数级升压单元的第二输入节点与该特定偶数级升压单元前一级的偶数级升压单元的输出节点相连(第七配置)。

优选地，在具有上述第五配置的升压电路中，还提供一种电流镜电路，用于将基准恒定电流放大预定因子N(N＞1)，并将输入恒定电流从恒定电流输出节点传递到第一级升压单元(第八配置)。

为了实现第二目的，根据本发明的第二方面，提升输入电压并输出输出电压的升压电路具有：恒定电流控制电路，用于在根据输出电压的第一检测电压低于基准电压时，产生第一基准电流，作为基准恒定电流，并在第一检测电压超过基准电压时，停止基准恒定电流；以及至少一个以恒定电流工作的升压单元，其中，根据基准恒定电流，通过输入恒定电流来执行升压操作(第九配置)。

优选地，在具有第九配置的升压电路中，恒定电流控制电路包括第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压和基准电压，该第一差分放大电路对输入的第一检测电压和基准电压执行差分放大。根据第一差分放大电路的操作，恒定电流控制电路确定产生还是停止基准恒定电流(第十配置)。

优选地，在具有上述第十配置的升压电路中，恒定电流控制电路还在根据输出电压且高于第一检测电压的第二检测电压低于基准电压时，产生小于第一基准电流的第二基准电流，作为基准恒定电流，并且在第二检测电压超过基准电压时，产生第一基准电流(第十一配置)。

优选地，在具有上述第十一配置的升压电路中，恒定电流控制电路包括：第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压和基准电压，该第一差分放大电路对输入的第一检测电压和基准电压执行差分放大；以及第二差分放大电路，向该第二差分放大电路输入第二检测电压和基准电压，该第二差分放大电路对输入的第二检测电压和基准电压执行差分放大。根据第一和第二差分放大电路的操作，恒定电流控制电路确定产生第一和第二基准电流之一作为基准恒定电流还是停止基准恒定电流(第十二配置)。

可选地，在具有上述第九配置的升压电路中，恒定电流控制电路可响应于输入的操作信号来开始操作，并产生小于第一基准电流的第二基准电流，作为基准恒定电流，直到输入操作信号之后经过了预定时间段为止，并在经过了预定时间段时产生第一基准电流(第十三配置)。

优选地，在具有上述第十三配置的升压电路中，恒定电流控制电路包括：第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压和基准电压，该第一差分放大电路对输入的第一检测电压和基准电压执行差分放大；定时器电路，用于响应于输入的操作信号，对预定时间段进行计数；以及第二差分放大电路，向该第二差分放大电路输入定时器电路的输出和基准电压，该第二差分放大电路对输入的定时器电路的输出和基准电压执行差分放大。根据第一和第二差分放大电路的操作，恒定电流控制电路确定产生第一和第二基准电流之一作为基准恒定电流还是停止基准恒定电流(第十四配置)。

优选地，在具有上述第九配置的升压电路中，还提供一种电流镜电路，用于将基准恒定电流放大预定因子N(N＞1)，并将输入恒定电流从恒定电流输出节点传递到以恒定电流工作的升压单元(第十五配置)。

优选地，在具有上述第十五配置的升压电路中，以恒定电流工作的升压单元包括：电容器；连接在恒定电流输出节点与电容器一端之间的第一开关，根据第一时钟来接通/断开第一开关；连接在电容器的另一端与基准电位点之间的第三开关，根据第一时钟来接通/断开第三开关；以及连接在恒定年输出节点与电容器的另一端之间的第二开关，根据几乎与第一时钟反相的第二时钟来接通/断开第二开关(第十六配置)。

可选地，在具有上述第十五配置的升压电路中，以恒定电流工作的升压单元可包括：电容器；连接在输入电压点或前一级的升压单元的输出节点与电容器的一端之间的第一开关，根据第一时钟来接通/断开第一开关；连接在电容器的另一端与基准电位点之间的第三开关装置，根据第一时钟来接通/断开第三开关装置；以及连接在恒定电流输出节点与电容器的另一端之间的第二开关，根据几乎与第一时钟反相的第二时钟来接通/断开第二开关(第十七配置)。

根据本发明的第三方面，便携式设备具有：输出输入电压的电池电源；具有第一至第十七配置之一的升压电路，向升压电路输入输入电压；以及负载，从升压电路向该负载提供输出电压(第十八配置)。

本发明的效果

根据本发明，在升压电路中，向第一级升压单元输入输入电压Vcc，并从最后一级升压单元输出输出电压Vout，通过向特定升压单元输入由该特定升压单元前一级的升压单元所提升的电压而非输入电压，可以增加每一个升压单元所提升电压的电平。与传统的配置相比，这减少了获得需要的输出电压Vout所需的升压单元的数目，可以减少快速电容器的数目。因此，在将上述升压电路并入IC中的情况下，可以实现IC的小型化。此外，在将快速电容器安装在IC之外的情况下，由于减少了安装在外部的片形电容器的数目，所以可以减少电路板上的管脚，从而减少安装所需的时间和劳力。

通过使用以输入恒定电流来执行升压操作的以恒定电流工作类型的升压单元作为第一级升压单元，向升压单元提供输入恒定电流Is1。这有助于限制启动期间的突入电流。这减小了例如电池的电源的负担，并有助于减小电源电压的变化。

根据本发明，当例如电荷泵升压电路的升压电路的输出电压Vout低于给定电压Vo1时，通过给定输入恒定电流Is1来执行升压操作；当输出电压Vout超过给定电压Vo1时，停止输入恒定电流Is1。结果，通过给定输入恒定电流来执行升压操作，可以提供预定电平的输出电压的稳定输出。

由于向例如电荷泵单元的升压单元提供输入恒定电流Is1，所以在启动期间不产生突入电流。这减小了例如电池的电源的负担，并有助于减小电源电压的变化。

通过采用以如下方式执行自动切换的配置，使得电流逐渐增加，即当输出电压Vout较低时，提供较小的输入恒定电流Is2；当输出电压Vout达到预定电平时，提供较大的输入恒定电流Is1。这进一步有助于减小例如电池的电源的负担。

通过采用如下配置，即在例如电荷泵升压电路的升压电路的启动期间、在预定时间段内提供较小的恒定电流，然后提供预定的较大的恒定电流，尽管加长了输出电压Vout达到预定电平Vo1的时间，但是可以进一步减小电池电源的负担。此外，由于正常操作期间的较高的供电能力，可以增强对输出电压的变化的响应。

在升压电路包括多级升压单元的情况下，通过使用以恒定电流工作类型的升压单元作为多级升压单元中的至少一个，可以执行恒定电压控制。

附图说明

图1是示出了使用根据本发明的电荷泵升压电路的便携式设备的示意配置的图。

图2是示出了第一实施例的升压电路100A的图。

图3是示出了第一实施例所用的时钟的时序的图。

图4是示出了第二实施例的升压电路100B的图。

图5是示出了第三实施例的升压电路100C的图。

图6是示出了第三实施例的升压电路100C的输出电压-输入恒定电流特性曲线的图。

图7是示出了第三实施例的升压电路100C的恒定电流控制电路20的特定配置示例的图。

图8是示出了第四实施例的升压电路100D的图。

图9是示出了第五实施例的升压电路100E的图。

图10是示出了第六实施例的升压电路100F的输出电压-输入恒定电流特性曲线的图。

图11是示出了第六实施例的升压电路100F的恒定电流控制电路20的特定配置示例的图。

图12是示出了第七实施例的升压电路100G的恒定电流控制电路20的特定配置示例的图。

图13是示出了第八实施例的升压电路100H的图。

图14是示出了第九实施例的升压电路100I的图。

图15是示出了第十实施例的升压电路100J的图。

附图标记列表

100，100A至100J  电荷泵升压电路

BAT              电池电源

10              电流镜电路

11，12          PMOS

20              恒定电流控制电路

21，22，23      分压电阻器

24              差分放大电路

26              可变恒流源电路

30，40，50，60  电荷泵单元

SA11至SA42，SB11至SB42开关

C1，C2，C3，C4  快速电容器

Co              输出电容器

Vcc             输入电压

Vout            输出电压

Vreg            调整电压

Vref            基准电压

Vdet1           第一检测电压

Vdet2           第二检测电压

Io              输出电流

Iref            基准恒定电流

Ir1             第一基准电流

Ir2             第二基准电流

Isink           输入恒定电流

Is1             第一输入恒定电流

Is2             第二输入恒定电流

CLK1，CLK2      时钟

ST              操作信号

具体实施方式

下面，将参考附图来描述体现本发明的升压电路和使用该升压电路的便携式设备。

图1是示出了使用根据本发明的电荷泵升压电路的便携式设备的示意配置的图。

在图1中，电荷泵升压电路100从电池电源BAT接收输入电压Vcc，并提升输入电压Vcc，以便获得预定电平的输出电压Vout。

输出电压Vout被作为操作电压提供给诸如使用CCD(电荷耦合器件)等的成像电路300和数字信号处理器400之类的负载设备。在该示例中，输出电压Vout被提供给成像电路300的接口电路310和数字信号处理器400的接口电路410。然而，这仅仅是可怎样实现本发明的示例，而决不意味着要限制本发明的应用。

向需要不同于输出电压Vout的电压的例如设置在数字信号处理器400中的模拟/数字转换器420的负载设备提供调整电压Vreg，或者由稳压器200调整的输出电压Vout。

图2是示出了升压电路100的第一实施例(下面称为升压电路100A)的图。在图2中，作为实现方式的示例，描述了产生通过使输入电压Vcc提升因子5而获得的输出电压Vout的配置。

图3是示出了升压电路100A所用的时钟的时序的图。要注意，该图所示的时钟CLK1和CLK2的时序同样适用于后面所述的其它实施例。

如图2所示，本实施例的升压电路100A包括依次连接的第一级至第三级电荷泵单元30至50，作为其升压单元。

电荷泵单元30、40和50具有基本相同的配置。现在，作为这种配置的示例，来描述第一级电荷泵单元30的具体配置。第一级电荷泵单元30包括：快速电容器C1；连接在电容器C1的一端与第一输入节点之间的第一开关SA11；与电容器C1的一端以及后一级电荷泵单元40的第一输入节点相连的输出节点；连接在电容器C1的另一端与第二输入节点之间的第二开关SB11；以及连接在电容器C1的另一端与用作基准电位点的地之间的第三开关SA12。

在第二级电荷泵单元40和最后一级电荷泵单元50中，电容器的附图标记分别为C2和C3，第一至第三开关的附图标记分别为SB21、SA21、SB22和SA31、SB31、SA32。

最后一级电荷泵单元50还包括连接在电容器C3的一端与输出电压点之间并根据第二时钟CLK2来接通/断开的第四开关SB32。第四开关SB32避免从输出电容器Co回流。因此，仅在最后一级电荷泵单元中设置第四开关。换言之，第四开关仅必须设置在最后一级电荷泵单元之外的输出电容器Co的输入侧。

在包括第一级电荷泵单元的奇数级电荷泵单元30和50中，根据第一时钟CLK1来接通/断开第一开关SA11和SA31以及第三开关SA12和SA32，并且根据几乎与第一时钟反相的第二时钟CLK2来接通/断开第二开关SB11和SB31。另一方面，在偶数级电荷泵单元40中，根据第二时钟CLK2来接通/断开第一开关SB21和第三开关SB22，并根据第一时钟CLK1来接通/断开第二开关SA21。

如图3所示，第一时钟CLK1和第二时钟CLK2是两相时钟，并几乎反相。可选地，这两个时钟可以是没有两者皆为导通的时间段的时钟。

第一级电荷泵单元30的第一输入节点和第二输入节点以及第二级电荷泵单元40的第二输入节点与输入电压点相连，其中通过该输入电压点输入输入电压Vcc。不同于第一级电荷泵单元30的特定奇数级电荷泵单元(在该图中是最后一级电荷泵单元50)的第二输入节点与该特定奇数级电荷泵单元的前一级的奇数电荷泵单元(在该图中是第一级电荷泵单元30)的输出节点相连。因此，电荷泵单元30的输出节点与后一级电荷泵单元40的第一输入节点相连，并与最后一级电荷泵单元50的第二输入节点相连。

在依次连接四个或更多个电荷泵单元的情况下，不同于第二级电荷泵单元40的特定偶数级电荷泵单元(图2中不存在这种电荷泵单元，因为只有三个电荷泵单元)的第二输入节点与该特定偶数级电荷泵单元的前一级的偶数级电荷泵单元的输出节点相连。因此，电荷泵单元40的输出节点与后一级电荷泵单元50的第一输入节点相连，并与第四级电荷泵单元(如果有的话)的第二输入节点相连。

由于电荷泵单元50的第二输入节点与电荷泵单元30的输出节点相连，所以该输出节点处的电压，即“2×Vcc”，由电荷泵单元50用于升压操作。以这种方式，通过使用四个电容器，即快速电容器C1至C3和输出电容器Co，可以获得升压电压“Vcc×5”，作为输出电压Vout。因此，利用本发明第一实施例的配置，与需要五个电容器来产生所需电压的传统电荷泵升压电路相比，可以用更少数目的电容器来产生所需电压。

与升压电路100A的输出电压点相连的输出电容器Co被充电至输出电压Vout。所产生的输出电压Vout被作为操作电压输出到负载，并且输出满足负载需求的输出电流Io。

在上述第一实施例中，存储在电荷泵单元30的电容器C1中的电荷被馈送到电荷泵单元40和电荷泵单元50。因此，优选地，使电容器C1的电容大于电容器C2和C3的电容。即，优选地，用作向多个电荷泵单元馈送其中存储的电荷的电容器(例如C1)是电容大于其他电容器(例如C2和C3)的电容的电容器。对于后面所述的其它实施例，这同样成立。

图4是示出了升压电路100的第二实施例(下面称为升压电路100B)的图。在图4中，作为实现方式的示例，描述产生通过使输入电压Vcc提升因子8而获得的输出电压Vout的配置。

如图4所示，本实施例的升压电路100B包括四个依次连接的电荷泵单元30至60，作为其升压单元。尽管增加了依次连接的电荷泵单元的数目，图4所示第二实施例的基本配置与上述第一实施例的基本配置类似。

在图4中，电荷泵单元60是最后一级单元。因此，连接在电容器C4的一端与输出电压点之间并根据第一时钟CLK1而接通/断开的第四开关SA42设置在电荷泵单元60中。在最后一级电荷泵单元60中，电容器的附图标记是C4，第一至第三开关的附图标记是SB41、SA41和SB42。

在该示例中，由于依次连接了四个电荷泵单元，所以作为不同于第二级电荷泵单元40的偶数级电荷泵单元，第四级电荷泵单元60的第二输入节点与作为电荷泵单元60的前一级的偶数级电荷泵单元的电荷泵单元40的输出节点相连。

在图4中，由于电荷泵单元50的第二输入节点与电荷泵单元30的输出节点相连，所以该输出节点处的电压，即“2×Vcc”，由电荷泵单元50用于升压操作。因此，从电荷泵单元50的输出节点输出通过使输入电压Vcc提升因子5而获得的升压电压“5×Vcc”。

此外，由于电荷泵单元60的第二输入节点与电荷泵单元40的输出节点相连，所以该输出节点处的电压，即“3×Vcc”，由电荷泵单元60用于升压操作。因此，从电荷泵单元60的输出节点输出通过使输入电压Vcc提升因子8而获得的升压电压“8×Vcc”。

以这种方式，通过使用五个电容器，即快速电容器C1至C4和输出电容器Co，可以获得升压电压“Vcc×8”，作为输出电压。因此，利用本发明第二实施例的配置，与需要八个电容器来产生所需要电压的传统电荷泵升压电路相比，可以用更少数目的电容器来产生升压了因子8的所需高电压。

如上所述，在本发明的第一和第二实施例中，特定电荷泵单元50或60的第二输入节点与该特定电荷泵单元的前一级的电荷泵单元30或40的输出节点相连，因此可执行升压操作，并且不同于该特定电荷泵单元的电荷泵单元30或40的第二输入节点与预定电位点相连(例如输入电位点)。

也即，代替输入电压Vcc，向特定电荷泵单元50或60输入从该特定电荷泵单元的前一级的电荷泵单元30或40输出的升压电压，因此增加了由每个电荷泵单元提升的电压的电平。与传统的配置相比，该配置减少了获得所需输出电压Vout所需的电荷泵单元的数目。因此，可以减少快速电容器的数目。

因此，在将上述升压电路100B并入IC的情况下，可以实现IC的小型化。此外，在将快速电容器C1至C4安装在IC外部的情况下，由于减少了安装在外部的片形电容器的数目，所以可以减少电路板上的管脚，从而减少安装所需的时间和劳力。

图5是示出了升压电路100的第三实施例(下面称为升压电路100C)的图。如图所示，升压电路100C与图2所示第一实施例的不同之处在于用以电流工作的电荷泵单元30替换第一级电荷泵单元30。此外，升压电路100C具有以下配置：控制输出电压Vout，使之成为预定恒定电压。注意，电荷泵单元40和50与图2所示的电荷泵单元40和50类似。

在图5中，电流镜电路10包括：P型MOS晶体管11(下面称为PMOS)，其栅极与漏极连接在一起；以及PMOS 12，其栅极与PMOS11的栅极相连。PMOS 11与PMOS 12的电流镜像比是1∶N。该电流镜像比可以是任意给定的值，例如，它可以是几十到几百。

当基准恒定电流Iref流经PMOS 11时，是基准恒定电流Iref N倍的输入恒定电流Isink可流经PMOS 12。

该输入恒定电流Isink被提供给用作第一级电荷泵单元的以电流工作的电荷泵单元30。在以电流工作的电荷泵单元30中，通过使用输入恒定电流Isink，来执行升压操作，并且从其输出节点向电荷泵单元40的第一输入节点以及电荷泵单元50的第二输入节点输出所产生的升压电压。

与升压电路100C的输出电压点相连的输出电容器Co被充电到输出电压Vout。所产生的输出电压Vout被作为操作电压输出到负载，并且输出满足负载需求的输出电流Io。

从电流镜电路10的恒定电流输出节点向以电流工作的电荷泵单元30的第一和第二输入节点输入输入恒定电流Isink。

在恒定电流控制电路20中，输出电压Vout由电阻器21(具有电阻R1)和电阻器22(具有电阻R2)分压，从而获得根据输出电压Vout的第一检测电压Vdet1。差分放大电路24接收第一检测电压Vdet1和基准电压Vref，作为两个输入，并在输入操作信号ST时进行操作。差分放大电路24对这样接收的两个输入执行差分放大，并产生差分输出。差分放大电路24可配置为比较器电路。尽管上述说明涉及向差分放大电路24输入操作信号ST的情况，但是仅必须将操作信号ST输入恒定电流控制电路20，以便根据操作信号ST来控制恒定电流控制电路20的操作。

根据差分放大电路24的输出，调节可变恒流源电路26的电流值，即基准恒定电流Iref。当第一检测电压Vdet1低于基准电压Vref时，可变恒流源电路26产生第一基准电流Ir1，作为基准恒定电流Iref。随着第一检测电压Vdet1接近基准电压Vref，基准恒定电流Iref减小。当第一检测电压Vdet1超过基准电压Vref时，停止基准恒定电流Iref。以这种方式，恒定电流控制电路20根据第一检测电压Vdet1的电平，即输出电压Vout，来调节基准恒定电流Iref。

下面参考图6来描述第三实施例的电荷泵电路100C的操作，其中图6示出了输出电压Vout-输入恒定电流Isink的特性曲线。

考虑升压电路100C从输出电压Vout为零的状态开始操作。当产生操作信号ST时，恒定电流控制电路20开始操作。同时，未示出的时钟发生器开始操作，并产生第一和第二时钟CLK1和CLK2。

当恒定电流控制电路20开始操作时，差分放大电路24对第一检测电压Vdet1和基准电压Vref执行差分放大。由于在操作开始时第一检测电压Vdet1低于基准电压Vref，所以差分放大电路24产生较大的差分输出。响应于此，可变恒流源电路26产生给定的第一基准电流Ir1，作为基准恒定电流Iref。

在电流镜电路10中，产生通过使第一基准电流Ir1放大与电流镜像比相对应的因子N而获得的第一输入恒定电流Is1。这样获得的第一输入恒定电流Is1从电流镜电路10输出到电荷泵单元30。

在电荷泵单元30中，根据第一时钟CLK1来接通/断开第一和第三开关SA11和SA12，并且根据第二时钟CLK2来接通/断开第二开关SB11。接通/断开第一和第二开关SA11和SA12以及第二开关SB11，使得在后者断开时前者接通，反之亦然。

在第一和第三开关SA11和SA12接通时，仅在接通时间段T期间，由恒定电流，即沿着从第一开关SA11经由电容器C1到第三开关SA12的第一路径流动的第一输入恒定电流Is1，对电容器C1进行充电，因此电容器C1具有如图所示的极性。此时，电容器C1的充电电压等于“第一输入恒定电流Is1×接通时间段T/电容器C1的电容”。

另一方面，当接通第二开关SB11时，由恒定电流，即沿着从第一开关SB11经由电容器C1到输出节点的第二路径的第一输入恒定电流Is1，执行升压操作，从而对电容器C1进行充电，使之具有如图所示的极性。

在这种情况下，与传统配置不同，由于向电荷泵单元30提供第一输入恒定电流Is1，所以即使在启动期间也不会产生突入电流。这减少了例如电池电源BAT的电源的负担，并有助于减小电源电压Vcc的变化。

根据第一和第二时钟CLK1和CLK2，重复执行流经第一路径的恒定电流的充电和流经第二路径的恒定电流的升压。输出电压Vout在经过进一步执行升压的电荷泵单元40和50的同时逐渐增加。

通过第一输入恒定电流Is1，执行电荷泵单元30中执行的恒定电流的充电和升压。因此，与传统配置不同，即使在输出电压Vout变得相当大时，充电速度和升压速度也不会下降。

随着输出电压Vout接近目标电压，即第一输出电压Vo1，差分放大电路24的差分输出变小，相应地，基准恒定电流Iref从第一基准电流Ir1向零减小。当输出电压Vout达到或超过第一输出电压Vo1时，差分放大电路24的差分输出变为零或负值，相应地，基准恒定电流Iref变为零。结果，输入恒定电流Isink变为零，相应地，暂停升压电路100C的升压操作。

由于即使在该暂停状态下，也持续地产生操作信号ST，所以恒定电流控制电路20仍然工作。此外，由于还持续地产生第一和第二时钟CLK1和CLK2，所以重复地接通/断开开关。

因此，当作为输出电流Io提供给负载的结果，输出电压Vout减小到小于第一输出电压Vo1时，立即重启升压电路100C的升压操作。

如上所述，在升压电路100C中，通过给定输入恒定电流，以如下方式执行升压操作：重复地暂停和重启，以便使输出电压Vout保持在接近第一输出电压Vo1的电平处。

要注意，可通过使差分放大电路24滞后，减小暂停和重启升压操作的频率。

尽管图5示出了控制输出电压Vout使之成为恒定电压的配置，但是也可采用不执行这种恒定电压控制的配置。在这种情况下，仅必须流通基准恒定电流Iref或停止流通该电流。具体地，例如，仅必须通过使用操作信号ST来接通或断开可变恒流源电路26的操作。

图7是示出了图5所示的恒定电流控制电路20以及电流镜电路10的特定配置示例的图。

在图7中，在输入电压点(电源电压点)与地之间，串联有PMOS241和恒流源电路240，PMOS 241的栅极和漏极连接在一起，恒流源电路240由操作信号ST控制，以便接通或断开，并在接通时流过恒定电流100。还提供了PMOS 242，其源极和栅极与PMOS 241的源极和栅极相连，并且其电流镜像比为1∶M1(例如M1是10)。

在PMOS 242的漏极与地之间，串联有PMOS 243和N型MOS晶体管(下面称为NMOS)244，并且串联有PMOS 245和NMOS 246，其中NMOS 244的漏极和栅极连接在一起。向PMOS 243的栅极施加第一检测电压Vdet1，并向PMOS 245的栅极施加基准电压Vref。PMOS243、NMOS 244、PMOS 245以及NMOS 246共同构成了第一差分放大电路。

在电源电压点和地之间，串联有PMOS 262和NMOS 261，并且串联有PMOS 264和NMOS 263，其中PMOS 262的栅极和漏极连接在一起，NMOS 261的栅极与NMOS 246的栅极相连，PMOS 264的栅极与PMOS 262的栅极相连，NMOS 263的栅极与NMOS 244的栅极相连。PMOS 262与PMOS 264之间的电流镜像比设置为1∶1。NMOS246与NMOS 261之间的电流镜像比所以及NMOS 244与NMOS 263之间的电流镜像比均设置为1∶1。

在PMOS 264与NMOS 263串联的节点与电源电压点之间，设置有PMOS 265，PMOS 265的栅极和漏极连接在一起。在电源电压点和地之间，串联有PMOS 266和NMOS 267，其中PMOS 266的栅极与PMOS 265的栅极相连，NMOS 267的漏极与栅极连接在一起。PMOS265与PMOS 266之间的电流镜像比设置为1∶M3(例如M3是50)。

在电流镜电路10的PMOS 11的漏极与地之间，设置有NMOS268，NMOS 268的栅极与NMOS 267的栅极相连。NMOS 267与NMOS268之间的电流镜像比设置为1∶1。

在图7所示的恒定电流控制电路20中，执行与图5和6所述类似的控制操作。即，在产生操作信号ST时(即变为高电平时)，恒定电流控制电路20开始操作。在第一差分放大电路中，对第一检测电压Vdet1和基准电压Vref执行差分放大。根据差分放大的结果，调节基准恒定电流Iref。

图8是示出了升压电路100的第四实施例(下面称为升压电路100D)的图。本实施例的升压电路100D输出通过提升输入电压Vcc以便在绝对值上大于输入电压Vcc而获得的为负电压的输出电压Vout。

图8所示的实施例与图4所示的第二实施例的不同之处在于以下方面。在电荷泵单元30至60中，图4中与地相连的节点在图8中与输入电位点相连，并且图4中与输入电位点相连的节点在图8中与地相连。

如上所述，在本实施例的升压电路100D中，第一和第二实施例中的基准电位点改变为输入电压的电位点，并且预定电位点改变为地电位点。以这种方式，通过简单地改变输入电压和地的电位点的节点电位，可以从输入电压Vcc产生负提升的电压，而不产生正提升的电压Vout。

图9是示出了升压电路100的第五实施例(下面称为升压电路100E)的图。如图所示，本实施例的升压电路100E与第三实施例的升压电路类似，即具有以电流工作的电荷泵单元30作为升压单元，但是与第一至第四实施例的不同之处在于其不具有多级升压单元依次连接的配置。

以电流工作的电荷泵单元30包括：快速电容器C1；第一开关SA11，连接在输出电流镜电路10的输入恒定电流Isink的恒定电流输出节点与电容器C1的一端之间，并根据第一时钟CLK1而接通/断开；第三开关，连接在电容器C1的另一端与基准电位点(例如地)之间，并根据第一时钟CLK1而接通/断开；以及第二开关SB11，连接在输出输入恒定电流Isink的恒定电流输出节点与电容器C1的另一端之间，并根据几乎与第一时钟CLK1反相的第二时钟CLK2而接通/断开。

此外，设置有第四开关SB12，连接在电容器C1的一端与输出电压点之间，并根据第二时钟CLK2而接通/断开。第四开关SB12避免从输出电容器Co回流。因此，在多级电荷泵单元依次连接的情况下，仅在最后一级电荷泵单元中设置第四开关。换言之，仅必须在最后一级电荷泵单元之外的输出电容器Co的输入侧设置第四开关。

要注意，电流镜电路10和恒定电流控制电路20的电路配置和操作以及输出电压Vout-输入恒定电流Isink的特性曲线与参考图5至7具体描述的第三实施例类似。因此，在本实施例的电荷泵单元30中，同样通过输入恒定电流Isink来执行升压操作，并输出所产生的升压电压。通过该升压电压，将与输出电压点相连的输出电容器Co充电至输出电压Vout。所产生的输出电压Vout被作为操作电压输出到负载，并输出满足负载需求的输出电流Io。

如上所述，本实施例的升压电路100E包括：恒定电流控制电路20，用于当根据输出电压Vout的第一检测电压Vdet1低于基准电压Vref时，产生第一基准电流Ir1，作为基准恒定电流Iref，并在第一检测电压Vdet1超过基准电压Vref时，停止基准恒定电流Iref；以及至少一个以恒定电流工作的升压单元30，其中，根据基准恒定电流Iref，通过输入恒定电流Isink来执行升压操作。利用这种配置，通过给定的输入恒定电流Isink来执行升压操作。这可以提供预定电平的输出电压Vout的稳定输出。

此外，由于向电荷泵单元30提供给定的输入恒定电流Isink(第一输入恒定电流Is1)，所以在启动期间不产生突入电流。这减小了诸如电池电源BAT的电源的负担，并有助于减小电源电压Vcc的变化。

接下来，描述升压电路100的第六实施例(下面称为升压电路100F)。本实施例的升压电路100F具有与上述第五实施例基本相同的配置，并且区别特征在于通过减小输入恒定电流Isink的增加幅度，修改了恒定电流控制电路20的配置，使之具有图10所示的输出电压Vout-输入恒定电流Isink的特性曲线。

为了实现图10所示的特性曲线，在恒定电流控制电路20中，除了上述第一检测电压Vdet1之外，还使用根据输出电压Vout而改变并且高于第一检测电压Vdet1的第二检测电压Vdet2。第二检测电压Vdet2设置为当输出电压Vout达到低于第一输出电压Vo1的给定第二输出电压Vo2时，与基准电压Vref相等。

当第二检测电压Vdet2低于基准电压Vref时，产生小于第一基准电流Ir1的第二基准电流Ir2，作为基准恒定电流Iref。因此，在该状态下，输入恒定电流Isink是小于第一输入恒定电流Is1的第二输入恒定电流Is2。

当输出电压Vout达到第二输出电压Vo2时，第二检测电压Vdet2超过基准电压Vref。因此，恒定电流控制电路20产生第一基准电流Ir1。结果，输入恒定电流Isink增加为第一输入恒定电流Is1。

如上所述，以下面的方式来执行自动切换。当输出电压Vout为低时，提供较小的第二输入恒定电流Is2；当输出电压Vout达到预定电平时，提供较大的第一输入恒定电流Is1。这使得电流从零逐渐增加到第二输入恒定电流Is2，然后从第二输入恒定电流Is2逐渐增加到第一输入恒定电流Is1。因此，可以进一步减小例如电池电源BAT的电源的负担。

图11示出了实现图10所示的特性曲线的恒定电流控制电路20以及电流镜电路10的特定配置示例。

在下面的说明中，仅解释图11所示的配置与图7所示的配置之间的差异。在图11中，设置有PMOS 251，其栅极和源极与PMOS 242的栅极和源极相连，并与PMOS 241和PMOS 242一起构成电流镜配置。PMOS 241、PMOS 242以及PMOS 251之间的电流镜像比设置为1∶M1∶M2(例如1∶10∶7)。即M1＜M2。

分压电阻器21、22和23对输出电压Vout分压，以产生第一检测电压Vdet1和高于第一检测电压Vdet1的第二检测电压Vdet2。第一检测电压Vdet1可以与上述第五实施例的第一检测电压Vdet1处于相同的电压电平。第二检测电压Vdet2总是以给定比率高于第一检测电压Vdet1，而与输出电压Vout的变化无关。

在PMOS 251的漏极与地之间，串联有PMOS 252和NMOS 253，NMOS 253的漏极与栅极连接在一起。在PMOS 251的漏极和PMOS245与NMOS 246串联的节点之间，连接有PMOS 254。向PMOS 254的栅极施加第二检测电压Vdet2，并向PMOS 252的栅极施加基准电压Vref。PMOs 252、NMOS 253以及PMOS 254共同构成第二差分放大电路。

在图11所示的恒定电流控制电路20中，在第二差分放大电路中，对基准电压Vref和第二检测电压Vdet2执行差分放大。作为该差分放大的结果，在输出电压Vout低于第二输出电压Vo2的间隔期间，通过PMOS 251的电流流经PMOS 254和NMOS 246。

在这种状态下，流经PMOS 265的电流等于流经NMOS 244的电流与流经NMOS 246的电流之间的差值，即I00×(M1-M2)。

因此，由于基准恒定电流Iref是小于第一基准电流Ir1的第二基准电流Ir2，所以输入恒定电流Isink是小于第一输入恒定电流Is1的第二输入电流Is2。由PMOS 242与PMOS 251之间的镜像比，即M1∶M2来确定第二输入电流Is2小于第一输入恒定电流Is1的程度。

当输出电压Vout增加并且第二检测电压Vdet2超过基准电压Vref时，断开PMOS 254并接通PMOS 252。在这种状态下，由于执行与第五实施例相同的操作，所以输入恒定电流Isink是第一输入恒定电流Is1。

接下来，描述升压电路100的第七实施例(下面称为升压电路100G)。本实施例的升压电路100G具有与上述第六实施例基本相同的配置，并且区别特征在于修改了恒定电流控制电路20的配置，由较小的输入恒定电流Isink(第二输入恒定电流Is2)使输出电压Vout增加为第一输出电压Vo1，并且由较大的输入恒定电流Isink(第一输入恒定电流Is1)来处理随后发生的负载的变化。

图12示出了实现上述操作的恒定电流控制电路20以及电流镜电路10的特定配置示例。

如图所示，恒定电流控制电路20包括：第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压Vdet1和基准电压Vref，该第一差分放大电路对这些输入执行差分放大；定时器电路260，用于接收操作信号ST并对预定时间段τ进行计数；以及第二差分放大电路，向该第二差分放大电路输入定时器电路260的输出以及基准电压Vref，该第二差分放大电路对这些输入执行差分放大。

根据第一和第二差分放大电路的操作，确定产生第一和第二基准电流Ir1和Ir2之一作为基准恒定电流Iref还是停止基准恒定电流Iref。

在图12中，设置定时器电路260，用于仅在产生操作信号ST之后的预定时间段τ内产生L电平输出信号。定时器电路260的输出信号被馈送到第二差分放大电路的PMOS254的栅极。因此，与上述第六实施例不同，第七实施例不需要第二检测电压Vdet2。

预定时间段τ设置为足够输出电压Vout达到第一输出电压Vo1的时间段。可选地，按照需要，预定时间段τ可设置为输出电压Vout低于第一输出电压Vo1的时间段，以便实现图10所示的特性曲线。

根据第七实施例，尽管加长了输出电压Vout达到第一输出电压Vo1的时间，但是可以进一步减小电池电源BAT的负担。此外，由于正常操作期间的高供电能力，可以增强对输出电压Vout的变化的响应。

图13是示出了升压电路100的第八实施例(下面称为升压电路100H)的图。如图所示，本实施例的升压电路100H具有与图9所示的第五实施例几乎相同的配置，但是不同之处在于第一开关SA11与电源电压点相连而不是与电流镜电路10的输出节点相连。

在本实施例的升压电路100H中，当第一和第三开关SA11和SA12接通时，仅在接通时间段T期间，由通过从第一开关SA11经由电容器C1到第三开关SA12的第一路径施加的电源电压Vcc对电容器C1进行充电，使之具有如图所示的极性。

另一方面，当第二和第四开关SB11和SB12接通时，由恒定电流，即流经从第二开关SB11经由电容器C1和第四开关SB12到输出电容器Co的第二路径的第一输入恒定电流Is1，来执行升压操作，以便对输出电容器Co进行充电，使之具有如图所示的极性。

根据第一和第二时钟CLK1和CLK2，重复执行流经第一路径的恒定电流的充电和流经第二路径的恒定电流的升压。结果，输出电压Vout逐渐增加。

随着输出电压Vout接近目标电压，即第一输出电压Vo1，差分放大电路24的差分输出变小，相应地，基准恒定电流Iref从第一基准电流Ir1向零减小。当输出电压Vout达到或超过第一输出电压Vo1时，差分放大电路24的差分输出变为零或负值，相应地，基准恒定电流Iref变为零。此时，仅执行流经第一路径的恒定电流的充电。因此，输入恒定电流Isink也变为零，相应地，暂停升压电路100H的升压操作。

图14是示出了升压电路100的第九实施例(下面称为升压电路100I)的图。如图所示，本实施例的升压电路100I包括多级电荷泵单元。

在本实施例的升压电路100I中，使用在图9的第五实施例中所述的以恒定电流工作的电荷泵单元30，作为其第一级电荷泵单元。此外，使用以电压工作的电荷泵单元40，作为以恒定电流工作的电荷泵单元30的后一级的电荷泵单元。

可修改图14所示的配置，将以电流工作的电荷泵单元用作电荷泵单元40。在这种情况下，如图14中的虚线所示，在图14中与输入电压Vcc相连的开关SA21与电流镜电路10的输出节点相连。具体地，在该修改示例中，电荷泵单元30和40都是以电流工作的类型。

图15是示出了升压电路100的第十实施例(下面称为升压电路100J)的图。如图所示，与第九实施例所述相同，本实施例的升压电路100J包括多级电荷泵单元。

在本实施例的升压电路100J中，使用以电压工作的电荷泵单元40，作为其第一级电荷泵单元。此外，使用在图13所示的第八实施例中所述的以恒定电流工作的电荷泵单元30，作为以电压工作的电荷泵单元40的后一级的电荷泵单元。

即使在包括多级电荷泵单元的升压电路中，分别与图14和15所示的第九和第十实施例所述的升压电相同，通过使用以电流工作的类型的电荷泵单元作为多级电荷泵单元中的至少一个，与第五至第八实施例相同，可以执行通过恒定电流的升压操作和输出电压Vout的恒定电压控制。

Claims (9)

1.一种对输入电压进行升压并输出输出电压的升压电路，所述升压电路包括：

恒定电流控制电路，用于在根据输出电压的第一检测电压低于基准电压时，产生第一基准电流，作为基准恒定电流，并在第一检测电压超过基准电压时，停止基准恒定电流；以及

至少一个以恒定电流工作的升压单元，其中，通过根据基准恒定电流的输入恒定电流来执行升压操作。

2.根据权利要求1所述的升压电路，其中

恒定电流控制电路包括：

第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压和基准电压，该第一差分放大电路对输入的第一检测电压和基准电压执行差分放大，

根据第一差分放大电路的操作，恒定电流控制电路确定产生还是停止基准恒定电流。

3.根据权利要求1所述的升压电路，其中

恒定电流控制电路还在根据输出电压且高于第一检测电压的第二检测电压低于基准电压时，产生小于第一基准电流的第二基准电流，作为基准恒定电流，并且在第二检测电压超过基准电压时，产生第一基准电流。

4.根据权利要求3所述的升压电路，其中

恒定电流控制电路包括：

第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压和基准电压，该第一差分放大电路对输入的第一检测电压和基准电压执行差分放大；以及

第二差分放大电路，向该第二差分放大电路输入第二检测电压和基准电压，该第二差分放大电路对输入的第二检测电压和基准电压执行差分放大，

根据第一和第二差分放大电路的操作，恒定电流控制电路确定产生第一和第二基准电流之一作为基准恒定电流还是停止基准恒定电流。

5.根据权利要求1所述的升压电路，其中

恒定电流控制电路

响应于输入的操作信号来开始操作，并且

产生小于第一基准电流的第二基准电流，作为基准恒定电流，直到输入操作信号之后经过了预定时间段为止，并在经过了预定时间段时产生第一基准电流。

6.根据权利要求5所述的升压电路，其中

恒定电流控制电路包括：

第一差分放大电路，向该第一差分放大电路输入第一检测电压和基准电压，该第一差分放大电路对输入的第一检测电压和基准电压执行差分放大；

定时器电路，用于响应于输入的操作信号，对预定时间段进行计数；以及

第二差分放大电路，向该第二差分放大电路输入定时器电路的输出和基准电压，该第二差分放大电路对输入的定时器电路的输出和基准电压执行差分放大，

根据第一和第二差分放大电路的操作，恒定电流控制电路确定产生第一和第二基准电流之一作为基准恒定电流还是停止基准恒定电流。

7.根据权利要求1所述的升压电路，还包括：

电流镜电路，用于将基准恒定电流放大预定的N倍，N＞1，并将输入恒定电流从恒定电流输出节点传递到以恒定电流工作的升压单元。

8.根据权利要求7所述的升压电路，其中

以恒定电流工作的升压单元包括：

电容器；

连接在恒定电流输出节点与电容器一端之间的第一开关，根据第一时钟来接通/断开第一开关；

连接在电容器的另一端与基准电位点之间的第三开关，根据第一时钟来接通/断开第三开关；以及

连接在恒定电流输出节点与电容器的另一端之间的第二开关，根据与第一时钟反相的第二时钟来接通/断开第二开关。

9.根据权利要求7所述的升压电路，其中

以恒定电流工作的升压单元包括：

电容器；

连接在输入电压点或前一级的升压单元的输出节点与电容器的一端之间的第一开关，根据第一时钟来接通/断开第一开关；

连接在电容器的另一端与基准电位点之间的第三开关装置，根据第一时钟来接通/断开第三开关装置；以及

连接在恒定电流输出节点与电容器的另一端之间的第二开关，根据与第一时钟反相的第二时钟来接通/断开第二开关。

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