CN101034847A

CN101034847A - 升压电路和具有其的电子设备

Info

Publication number: CN101034847A
Application number: CNA2007100846922A
Authority: CN
Inventors: 小宫邦裕
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2007-09-12
Also published as: TW200737666A; JP2007244051A; US20070211502A1

Abstract

电荷泵升压电路利用与多级升压单元相结合的输出电容器，使输入电压升压，来产生希望的输出电压，其中电荷泵升压电路具有：升压因子切换器，用于根据指定升压因子来控制多少级升压单元工作；以及放电控制器，用于在改变升压因子之前，从电荷积聚电容器和输出电容器放电。利用这种配置，可以改变升压因子，而不会从输出端产生反向电流。

Description

升压电路和具有其的电子设备

技术领域

本发明涉及一种电荷泵升压电路。

背景技术

传统上，已知电荷泵升压电路通过利用图8所示的电路配置，使输入电压Vin升压，来产生希望的输出电压Vout，图8所示的电路配置包括与多级升压单元相结合的输出电容器Co，升压单元包括电荷转移开关(SW_1a至SW_1c、SW_2a至SW_2c以及SW_3a至SW_3d)以及电荷积聚电容器(C₁至C₃)。

具体地，利用这种电路配置，以以下方式进行升压。首先，在电容器C₁的充电周期期间，在第一级升压单元中，开关SW_1a和SW_1b保持闭合，而开关SW_1c保持断开；在第二级升压单元中，开关SW_2a保持断开。作为这种开关操作的结果，输入电压Vin通过开关SW_1a施加到电容器C₁的一端(点“a”)，并且地电压GND通过开关SW_1b施加到电容器C₁的另一端(点“b”)。因此，电容器C₁充电，直到电容器C₁两端的电势近似等于输入电压Vin。

在电容器C₁的充电完成之后，现在，在第一级升压单元中，开关SW_1a和SW_1b断开，而开关SW_1c闭合。作为这种开关操作的结果，点“b”处的电势从地电压GND上升到输入电压Vin。这里，作为电容器C₁的先前充电的结果，电容器C₁两端的电势等于输入电压Vin。因此，当点“b”处的电势上升到输入电压Vin时，点“a”处的电势同时上升到2Vin(输入电压Vin加上充电电压Vin)。

同时，在第二级升压单元中，开关SW_2a和SW_2b闭合，而开关SW_2c断开；在第三级升压单元中，开关SW_3a断开。作为这种开关操作的结果，电容器C₂充电，直到电容器C₂两端的电势近似等于2Vin。

任意的后继升压单元重复类似的充电/放电操作，使得最终从输出电容器Co的一端，引出正的升压后电压4Vin，即输入电压Vin上升四倍的电压，作为输出电压Vout。

与上述电路类似的传统上已公开并提出的升压电路包括可使其升压因子可按需要改变的多种类型(例如，见JP-A-2005-318786)。

即使是图8所示的升压电路，也可按需要工作在四倍、三倍和两倍升压模式中的任何一个中。

具体地，为了使升压电路工作在四倍升压模式中，通过针对所提供的所有开关，执行上述开关操作，来驱动升压单元的所有级。为了工作在三倍升压模式中，通过使开关SW_3b和SW_3d闭合而开关SW_3c断开，来使最后一级升压单元不工作，而针对其它开关执行上述开关操作。为了工作在两倍升压模式中，通过使开关SW_2b、SW_3a、SW_3b和SW_3d闭合而开关SW_2c和SW_3c断开，只驱动第一级升压单元，而对其它开关执行上述开关操作。

利用上述传统的升压电路，的确可以通过根据负载的状态、输入电压的变化或来自外部的控制信号，改变升压因子，来产生希望的输出电压。

然而，在上述传统的升压电路中，通常在升压操作持续的同时改变升压因子，而这不方便。结果，在上述传统的升压电路中，当升压因子从当前因子改变为较低因子时，可能有反向电流从输出端(即整个系统的最高电势点)向输入端流动，有使设置在反向电流通路中的开关置于比平常高的电压的风险。因此，在上述传统的升压电路中，为了避免组件击穿，需要将反向电流通路中的所有开关构造成具有与输出电压Vout相当的耐压的元件(例如，在输入电压Vin是2.5V而且输出电压Vout是10V的情况下，这些元件需要具有10V或15V的耐压)。这导致不必要大的芯片面积和不必要高的导通状态电阻。

发明内容

本发明的目的是提供一种升压电路，可改变其升压因子，而不会从输出端产生反向电流，并提供一种包括这种升压电路的电子设备。

电荷泵升压电路利用与多级升压单元相结合的输出电容器，使输入电压升压，来产生希望的输出电压，其中升压单元包括电荷转移开关和电荷积聚电容器，所述电荷泵升压电路具有：升压因子切换器，用于根据指定的升压因子来增加或减少工作的升压单元的级数；以及放电控制器，用于在改变升压因子之前，从电荷积聚电容器和输出电容器放电。

附图说明

图1是示出了根据本发明的电子设备的示例的方框图；

图2是示出了第三时钟信号CLK3的高电平电势怎样变化的图；

图3是作为本发明第一实施例的升压电路的电路图；

图4是示出了升压因子指定信号S₁和S₂与模式控制信号SX之间的相关性的图；

图5是示出了第一实施例中的升压因子改变操作的图；

图6是作为本发明第二实施例的升压电路的电路图；

图7是示出了第二实施例中的升压因子改变操作的图；以及

图8是升压电路的传统示例的电路图。

具体实施方式

下面，将以如下升压电路为例来描述本发明，所述升压电路作为用作产生多种电子设备(例如，其中包括便携式个人计算机和移动电话终端)中所包括的时钟发生器的电源电压的装置，以产生这些电子设备的操作所需的时钟信号。

图1是示出了根据本发明的电子设备(具体地，是其中包括的时钟发生器)的示例的方框图。

图1所示的时钟发生器包括：电荷泵升压电路1，用于使输入电压Vin升压，从而产生希望的输出电压Vout，以将输出电压Vout作为电源电压馈入放大器4；振荡器2，用于产生第一时钟信号CLK1；分频器3，用于通过对第一时钟信号CLK1进行分频，产生第二时钟信号CLK2；以及放大器4，用于通过将第二时钟信号CLK2的高电平电势放大到放大器4自身的电源电压的电平(即输出电压Vout)，来产生第三时钟信号CLK3。振荡器2还用作产生时钟的装置，升压电路1中设置的电荷转移开关(未示出)根据该时钟来闭合和断开。

在如上所述配置的时钟发生器中，根据升压因子指定信号S₁和S₂(两个都是二进制信号)的逻辑电平，升压电路1的升压因子可择一地在两倍、三倍和四倍中改变。

因此，在如上所述配置的时钟发生器中，第三时钟信号CLK3的高电平电势可择一地在2Vin、3Vin和4Vin中改变(见图2)。利用这种配置，在包括该时钟发生器的电子设备中，根据电子设备的操作状态(例如电子设备是否处于省电模式或睡眠模式中)，第三时钟信号CLK3的高电平电势可改变以降低能耗。

接下来，作为本发明的第一实施例，将参考图3至5来描述升压电路1的示例。

图3是第一实施例的升压电路1的电路图。图4是示出了升压因子指定信号S₁和S₂与模式控制信号SX之间的相关性的图。图5是示出了第一实施例中的升压因子改变操作的图(该特定图示出了从四倍改变为两倍升压操作)。

如图3所示，在本实施例中，升压电路1包括电荷转移开关SW₁₁至SW₁₃、SW₂₁至SW₂₃以及SW₃₁至SW₃₄、电荷积聚电容器C₁至C₃、输出电容器Co、放电开关SWa至SWd、放电恒流源Ia至Id、电阻器R₁和R₂、误差放大器ERR、P沟道场效应晶体管P₁以及控制器CNT。

在如上所述配置的升压电路1中，第一级升压单元CP1由开关SW₁₁至SW₁₃以及电容器C₁组成。电容器C₁的一端(点“a1”)通过电荷转移开关SW₁₁与晶体管P₁的漏极相连。电容器C₁的另一端(点“b1”)通过电荷转移开关SW₁₂与接地端子相连，并且还通过电荷转移开关SW₁₃与晶体管P₁的漏极相连。第一级升压单元CP1还包括开关SWa和恒流源Ia，这两者一起用作使电容器C₁放电的装置。具体地，电容器C₁的一端(点“a1”)通过开关SWa以及恒流源Ia，与接地端子相连。

第二级升压单元CP2由开关SW₂₁至SW₂₃以及电容器C₂组成。电容器C₂的一端(点“a2”)通过电荷转移开关SW₂₁与电容器C₁的一端(点“a1”)相连。电容器C₂的另一端(点“b2”)通过电荷转移开关SW₂₂与接地端子相连，并且还通过电荷转移开关SW₂₃与晶体管P₁的漏极相连。第二级升压单元CP2还包括开关SWb和恒流源Ib，这两者一起用作用于使电容器C₂放电的装置。具体地，电容器C₂的一端(点“a2”)通过开关SWb以及恒流源Ib，与接地端子相连。

最后一级升压单元CP3由开关SW₃₁至SW₃₄以及电容器C₃组成。电容器C₃的一端(点“a3”)通过电荷转移开关SW₃₁与电容器C₂的一端(点“a2”)相连，并且还通过电荷转移开关SW₃₄与引出输出电压Vout的端子相连。电容器C₃的另一端(点“b3”)通过电荷转移开关SW₃₂与接地端子相连，并且还通过电荷转移开关SW₃₃与晶体管P₁的漏极相连。最后一级升压单元CP₃还包括开关SWc和恒流源Ic，这两者一起用作用于使电容器C₃放电的装置。具体地，电容器C₃的一端(点“a3”)通过开关SWc以及恒流源Ic，与接地端子相连。

输出电容器Co的一端与引出输出电压Vout的端子相连，并且输出电容器Co的另一端与接地端子相连。输出电容器Co还与开关SWd以及恒流源Id相连，这两者一起用作用于使输出电容器Co放电的装置。具体地，输出电容器Co的一端通过开关SWd以及恒流源Id，与接地端子相连。

现在，具体地描述第一至第三级升压单元CP1至CP3以及输出电容器Co怎样执行升压操作(四倍升压操作)。首先，在电容器C₁的充电周期期间，在第一级升压单元CP1中，开关SW₁₁和SW₁₂保持闭合，而开关SW₁₃保持断开；在第二级升压单元CP2中，开关SW₂₁保持断开。作为这种开关操作的结果，输入电压Vin通过开关SW₁₁施加到电容器C₁的一端(点“a1”)，而地电压GND通过开关SW₁₂施加到电容器C₁的另一端(点“b1”)。因此，电容器C₁充电，直到电容器C₁两端的电势近似等于输入电压Vin。

在电容器C₁的充电结束之后，现在，在第一级升压单元CP1中，开关SW₁₁和SW₁₂断开，而开关SW₁₃闭合。作为这种切换的结果，点“b1”处的电势从地电势GND上升到输入电压Vin。这里，作为电容器C₁的先前充电的结果，电容器C₁两端的电势等于输入电压Vin。因此，当点“b1”处的电势上升到输入电压Vin时，点“a1”处的电势同时上升到2Vin(输入电压Vin加上充电电压Vin)。

同时，在第二级升压单元CP2中，开关SW₂₁和SW₂₂保持闭合，而开关SW₂₃保持断开；在第三级升压单元CP3中，开关SW₃₁保持断开。作为这种开关操作的结果，电容器C2充电，直到电容器C2两端的电势近似等于2Vin。

电阻器R₁和R₂串联在引出输出电压Vout的端子和接地端子之间，并组成电阻分压电路，该电阻分压电路产生电压电平根据输出电压Vout而改变的反馈电压Vfb。电阻器R₁和R₂构造成其电阻可按需要通过微调等改变。

误差放大器ERR用作用于通过对误差放大器ERR在其非反相输入端(+)处接收的反馈电压Vfb与误差放大器ERR在其反相输入端(-)处接收的预定基准电压Vref之间的差进行放大，来产生误差电压Verr的装置。具体地，误差电压Verr越高，反馈电压Vfb越高于基准电压Vref，因此输出电压Vout越高于其目标电平。

晶体管P1的源极与施加输入电压Vin的端子相连。晶体管P₁的栅极与误差放大器ERR的输出端相连。即，晶体管P₁串联在施加输入电压Vin的端子和第一级升压单元CP1之间，并且晶体管P₁的导通状态电阻随误差电压Verr而变化。更具体地，由于晶体管P₁的导通状态电阻越高，则输出电压Vout越高于其目标电平，所以施加到第一级升压单元CP1的输入电压Vin随晶体管P₁的导通状态电阻增加而降低。利用这种配置，可以控制输出电压Vout，使之恒等于所希望的电平。

控制器CNT一方面用作用于根据升压因子指定信号S₁和S₂(即指定的升压因子)来增加或减少工作的升压单元的级数的升压因子改变装置，另一方面用作用于在改变升压因子之前从电荷积聚电容器C₁至C₃以及输出电容器Co放电的放电控制装置。

首先，将描述控制器CNT怎样用作升压因子改变装置。

根据图4所示的相关性，控制器CNT产生模式控制信号SX，以择一地在四倍升压模式、三倍升压模式、两倍升压模式以及不工作之间选择。根据控制器CNT所产生的模式控制信号SX来控制是否时钟驱动电荷转移开关(SW₁₁至SW₁₃、SW₂₁至SW₂₃以及SW₃₁至SW₃₄)和放电开关(SWa至SWd)。

更具体地，当选择四倍升压模式时，为了使升压单元CP1至CP3的所有级都工作，允许时钟驱动所有的电荷转移开关(SW₁₁至SW₁₃、SW₂₁至SW₂₃以及SW₃₁至SW₃₄)来执行上述开关操作。

当选择三倍升压模式时，为了使最后一级升压单元CP3停止，开关SW₃₂和SW₃₄保持闭合，开关SW₃₃保持断开，而针对其它开关执行上述开关操作。

当选择两倍升压模式时，为了只使第一级升压单元CP1工作，开关SW₂₂、SW₃₁至SW₃₂以及SW₃₄保持闭合，开关SW₂₃和SW₃₃保持断开，而针对其它开关执行上述开关操作。

接下来，描述控制器CNT怎样用作放电控制装置。

如图5所示，控制器CNT产生模式控制信号SX，以便在升压模式改变前后插入电荷泵关闭(简写为“c.p.-off”)模式(放电模式)，作为中间状态。在该中间状态中，为了使升压单元CP1至CP3的所有级都停止，开关SW₁₁、SW₁₃、SW₂₁、SW₂₃、SW₃₁、SW₃₃和SW₃₄都保持断开；此外，为了使电容器C₁至C₃的另一端与接地端子相连，开关SW₁₂、SW₂₂和SW₃₂都保持闭合。此外，在中间状态中，为了从电荷积聚电容器C₁至C₃以及输出电容器Co放电，放电开关SWa至SWd都保持闭合。

如上所述的中间状态的插入使得在升压因子改变时升压操作暂停。利用这种配置，即使在升压因子从当前因子改变为较低因子时，也可以避免从输出端流向输入端的反向电流。因此，在传统配置中形成反向电流通路的开关SW₁₁、SW₂₁、SW₃₁和SW₃₄即晶体管P1不再需要构造成高耐压元件。因此，在所有升压单元CP1至CP3中，至少第一级升压单元CP1可用低耐压元件来构造。这有助于减小芯片面积，还有助于降低升压电路1的导通状态电阻。

在该实施例的升压电路1中，控制器CNT包括定时器TMR，作为计时装置，以便在给出了改变升压因子的指示之后(在升压因子指定信号S₁和S₂的逻辑电平改变之后)，从电荷积聚电容器C₁至C₃以及输出电容器Co放电，直到经过了预定时间“t”为止。考虑到组件特性的变化(例如电容器的电容和电流汲取速率的变化)而设置预定时间“t”，使得该时间足够长以使输出电压Vout降到充分低的电压电平(低到不产生反向电流)。利用这种配置，可以极其容易地实现放电控制装置。

此外，在该实施例的升压电路1中，仅在升压因子改变为比当前因子低的因子时，控制器CNT才从电荷积聚电容器C₁至C₃以及输出电容器Co放电。利用这种配置，当升压因子以没有产生反向电流的风险的方式改变时，不执行上述放电操作。这使得升压操作继续，而没有不应当的迟延。

然而，在优先简化整个系统的情况下，可以在每次升压因子指定信号S₁和S₂的逻辑电平改变时插入电荷泵关闭模式(放电模式)，而不管改变前后升压因子之间的关系。

此外，在该实施例的升压电路1中，放电控制装置包括放电开关SWa至SWd以及放电恒流源Ia至Id，其中每一对分别与升压单元CP1至CP3的电荷积聚电容器C₁至C₃的每一个以及输出电容器Co并联。这里，与输出电容器Co相连的恒流源Id在所有的恒流源Ia至Id中产生最大的放电电流。与只采用放电开关Swa至Swd的配置相比，包括放电恒流源Ia至Id的这种配置有助于减小放电电流的变化(因此减小放电时间的变化)。依次的后继级中的恒流源Ia至Id产生逐渐增大的电流的原因在于，在依次的后继级中的电荷积聚电容器C₁至C₃以及输出电容器Co积聚逐渐增大的电荷量。

接下来，作为本发明的第二实施例，将参考图6和7来描述升压电路1的另一示例。

图6是第二实施例的升压电路1的电路图。图7是示出了在第二实施例中的升压因子改变操作的图(该特定图示出了从四倍改变为两倍升压操作)。

本实施例的升压电路1具有大部分与上述第一实施例相同的配置。因此，用共同的参考数字和符号来标识在上述说明中有对应物的本实施例中的这些部分。下面的说明围绕本实施例的区别特征。

如图6所示，本实施例的升压电路1还包括检测器DET(比较器)，用于产生逻辑电平根据输出电压Vout是否高于预定阈值电压Vth而改变的检测信号S₃。这里，根据检测信号S₃，用作放电控制装置的控制器CNT在给出了改变升压因子的指示之后，从电荷积聚电容器C₁至C₃以及输出电容器Co放电，直到输出电压Vout达到阈值电压Vth为止。阈值电压Vth设置为与升压因子改变之后的升压后电压相等，或考虑组件特性的变化，设置为稍低于该升压后电压的电压。利用这种配置，与依赖于定时器的第一实施例相比，可以更精确地设置从电荷泵关闭模式(放电模式)返回的时刻。这有助于避免过度降低输出电压Vout，因此有助于提高升压效率。

上述实施例以根据本发明的升压电路应用作为产生时钟发生器的电源电压的装置的情况为例。然而，这绝不意味着限制本发明的应用；本发明在电荷泵升压电路中广泛应用，电荷泵升压电路通常利用与多级升压单元相结合的输出电容器，使输入升压，来产生希望的输出电压，其中升压单元包括电荷转移开关和电荷积聚电容器。

上述实施例以正向升压电路的配置和操作为例。然而，这绝不意味着限制本发明的实施方式；本发明也可应用于负向升压电路。

除了上述实施例之外，本发明可以任意配置来实践；本发明允许在其精神内的多种修改和变化，下面给出一些示例。

上述实施例以在电荷泵关闭模式(放电模式)中从所有电荷积聚电容器C₁至C₃放电的情况为例。然而，这绝不意味着限制本发明的配置；可以只从第二级以及后继的升压单元的电荷积聚电容器放电。在这种方式中即使在电荷泵关闭模式(放电模式)下也保持第一级升压单元CP1中的电荷使得可以较早地重新开始升压操作。

上述实施例以三级升压单元用于允许升压因子在两倍至四倍升压模式中改变的情况为例。然而，这绝不意味着限制本发明的配置；升压单元的级数可减少为两级，或可增加为四级或更多。

上述实施例以升压因子从四倍改变为两倍升压模式的情况为例。然而，这绝不意味着限制本发明的应用；在升压因子从四倍改变为三倍升压模式或从三倍改变为两倍升压模式时，也可以如上所述地插入中间状态。

如上所述，利用根据本发明的升压电路，可以避免在改变升压因子时从输出端流出反向电流。

从工业实用性看，由于本发明有助于提高可靠性而组件不需要更高耐压(因此需要增加芯片面积)，所以本发明可用于电荷泵升压电路。

Claims

1.一种升压电路，包括：

多级升压单元，所述升压单元包括电荷转移开关和电荷积聚电容器，所述升压单元使输入电压升压；

输出电容器，与升压单元中的最后一级升压单元的输出端相连，所述输出电容器使得能够从其一端引出输出电压；

升压因子切换器，用于根据指定的升压因子来增加或减少工作的升压单元的级数；以及

放电控制器，用于在升压因子改变之前使电荷积聚电容器和输出电容器释放电荷。

2.根据权利要求1所述的升压电路，

其中，在给出了改变升压因子的指示之后，放电控制器使电荷积聚电容器和输出电容器释放电荷，直到经过预定时间为止。

3.根据权利要求1所述的升压电路，

其中，在给出了改变升压因子的指示之后，放电控制器使电荷积聚电容器和输出电容器释放电荷，直到输出电压达到预定阈值电压为止。

4.根据权利要求1所述的升压电路，

其中，仅在升压因子改变为比当前因子低的因子时，放电控制器才使电荷积聚电容器和输出电容器释放电荷。

5.根据权利要求1所述的升压电路，

其中，电荷控制器仅使第二级和后继的升压单元的电荷积聚电容器释放电荷。

6.根据权利要求1所述的升压电路，还包括：

电阻分压电路，用于产生电平随输出电压而改变的反馈电压；

误差放大器，用于通过放大反馈电压和预定基准电压之间的差来产生误差电压；以及

晶体管，连接在施加输入电压的端子和升压单元中的第一级升压单元之间，晶体管的导通状态电阻随误差电压而改变。

7.根据权利要求1所述的升压电路，

其中，至少升压单元中的第一级升压单元由低耐压元件构成。

8.根据权利要求1所述的升压电路，

其中，放电控制器包括放电开关和放电恒流源，其中每一对分别与升压单元的每个电荷积聚电容器以及输出电容器并联相连，与输出电容器相连的放电恒流源在所有放电恒流源中产生最大的放电电流。

9.一种包括电荷泵升压电路的电子设备，

其中，升压电路包括：

升压因子切换器，用于根据指定的升压因子来控制工作的升压单元的级数；以及

10.根据权利要求9所述的电子设备，

11.根据权利要求9所述的电子设备，

12.根据权利要求9所述的电子设备，

13.根据权利要求9所述的电子设备，

14.根据权利要求9所述的电子设备，还包括：

15.根据权利要求9所述的电子设备，

16.根据权利要求9所述的电子设备，

17.根据权利要求9所述的电子设备，还包括：

振荡器，用于产生第一时钟信号；

分频器，用于通过对第一时钟信号进行分频来产生第二时钟信号；以及

放大器，用于通过将第二时钟信号的高电平电势放大为放大器自身的电源电压电平，来产生第三时钟信号，

其中，升压电路用作用于产生放大器的电源电压的装置。