CN101048930A - 电荷泵电路 - Google Patents

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CN101048930A CNA2005800368027A CN200580036802A CN101048930A CN 101048930 A CN101048930 A CN 101048930A CN A2005800368027 A CNA2005800368027 A CN A2005800368027A CN 200580036802 A CN200580036802 A CN 200580036802A CN 101048930 A CN101048930 A CN 101048930A
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Abstract

一种电荷泵电路(1)包括串联在输入(7)和输出端子(9)之间的第一和第二整流元件(10，11)，通过使电荷依次通过整流元件(10，11)，并在输出电容器(12)中累积电荷，来从输出端子(9)提供预定电压；该电荷泵电路(1)还包括：积分器(15)，对从所述输出端子馈送的反馈电压与基准电压之差进行积分；升压电容器(17)，其一端与第一和第二整流元件之间的节点相连；以及时钟反相器(16)，具有设置在电源侧和接地侧的用于接收时钟信号(CLK)的晶体管(30，31)、以及可变电流源(32)，用于向晶体管之一提供基于积分器(15)的输出电压的电流，具有与升压电容器(17)的另一端相连的输出。

Description

电荷泵电路
技术领域
本发明涉及用于提供预定电压的电荷泵电路。
背景技术
采用二极管元件或开关元件等整流元件和电容器作为主要部件的电荷泵电路已广泛用作提升输入电压以提供预定电压的电路。作为这种电路之一，例如，在日本专利公开No.2000-066747(专利文献1)中已提出并公开了一种执行反馈控制来提供适当输出电压的结构。图5示出了与专利文献1所公开的电荷泵电路类似的结构。
电荷泵电路101具有接收电源电压VDD的输入端子107、接收时钟信号CLK的时钟输入端子108、以及向与之相连的负载提供预定升压电压的输出端子109。虽然未示出负载，但是负载是用于实现电子设备预定功能的电子电路的电源部分。
均为二极管元件的第一和第二整流元件110和111串联在输入和输出端子107和109之间。输出端子109与输出电容器112、以及用于对输出电压分压的电阻串联单元113和114相连。电阻113和114之间的节点上的电压设置为到运算放大器115的反馈电压。运算放大器115对反馈电压和基准电压VREF进行比较，提供高电平或低电平信号。
运算放大器115的输出提供至NPN双极性晶体管116的基极，晶体管116的发射极接地。晶体管116的集电极与NPN双极性晶体管117的集电极相连，晶体管117的发射极接地，基极与其集电极相连。晶体管117的集电极也与从输入端子107传送恒定电流IS的恒定电流源118相连。晶体管117的基极与NPN双极性晶体管119的基极相连，晶体管119的发射极接地。晶体管119的集电极与电流镜电路120的IN端子相连。
电流镜电路120的OUT1端子与NPN双极性晶体管121的集电极和NPN双极性晶体管122的集电极相连，晶体管121的发射极接地，晶体管122的发射极接地，基极与其集电极相连。晶体管121的基极与时钟输入端子108相连。
时钟输入端子108还与反相器123相连，反相器123将时钟信号CLK反转并输出。反相器123将其输出提供至具有接地发射极的NPN双极性晶体管124的基极。晶体管124的集电极与电流镜电路120的OUT2端子相连，并与具有接地发射极的NPN双极性晶体管125的基极相连。
晶体管122的基极与具有接地发射极的NPN双极性晶体管126的基极相连。晶体管126的集电极与PNP双极性晶体管127的基极相连，晶体管127的发射极与输入端子107相连，集电极与晶体管125的集电极相连。晶体管125与127之间的节点与升压电容器128的另一端相连，升压电容器128的一端与第一和第二整流元件110和111之间的节点相连。
电荷泵电路101如下进行操作。当电阻113和114之间节点上的电压(即，反馈电压)低于基准电压VREF时，运算放大器115提供低电平信号，使晶体管116截止。当晶体管116截止时，恒定电流IS流经晶体管117，再流经晶体管119，到达电流镜电路120的IN端子。接着，恒定电流IS流经电流镜电路120的OUT1和OUT2端子。
在这种状态下，当时钟输入端子108的时钟信号CLK获得高电平时，晶体管121导通，从而使晶体管122和126截止，并且晶体管127截止。因为晶体管124截止，恒定电流IS作为基极电流流经晶体管125，使晶体管125导通。由此，升压电容器128的另一端上的电压降低，第一整流元件110的负极侧的电压降低。电荷从第一整流元件110的正极侧向其负极侧移动，并暂时累积在升压电容器128中。
之后，当时钟信号CLK获得低电平时，晶体管121截止，从而使恒定电流IS流经晶体管122和126，并且恒定电流IS作为基极电流流经晶体管127，使晶体管127导通。同时，晶体管124导通，从而使晶体管125截止。由此，升压电容器128的另一端上的电压升高，并且第一整流元件110的负极侧的电压，即，第二整流元件111的正极侧的电压升高。在升压电容器128中暂时累积的电荷从第二整流元件111的正极侧向其负极侧移动，并累积在输出电容器112中。这样，当反馈电压低于基准电压VREF时，执行升压操作以使输出端子109的电压升高。
当反馈电压高于基准电压VREF时，运算放大器115提供高电平信号，使晶体管116导通。当晶体管116导通时，晶体管117和119截止，没有电流流经电流镜电路120的IN端子。由此，没有电流流经电流镜电路120的OUT1和OUT2端子。在这种状态下，因为无论高电平还是低电平，时钟信号CLK均使晶体管125和127截止，所以对于第一和第二整流元件110和111，电荷不移动。如上所述，当反馈电压高于基准电压VREF时，升压操作停止。
因此，稳定操作时，在紧接着反馈电压变为低于基准电压VREF的时钟信号CLK时间段中，进行升压操作以升高输出电压。之后，根据与负载大小有关的输出电容器112的放电，输出电压缓慢下降，直到反馈电压变为低于基准电压VREF时，升压操作停止。因为存在升压操作停止的时间段，所以整体上抑制了电流消耗。上述输出电压的略微升高和降低，即，输出电压的变化称作“纹波”，变化幅度称作“纹波电压”。
专利文献1：日本专利公开No.2000-066747
发明内容
本发明要解决的问题
然而，当负载较小时，输出电容器112的放电量极其小，从而纹波的时间段或周期较长，并且纹波电压相对较大。结果，作为负载而连接的电子电路的电源部分发生较长周期的相对较大幅度的振荡，从而电子设备的特性易于降低。
鉴于上述问题，提出本发明，本发明的目的是提供一种电荷泵电路，即使在负载较小时，该电荷泵电路也获得输出电压的较短周期的纹波以及较小的纹波电压。
解决问题的手段
为了实现上述目的，根据本发明的电荷泵电路包括：第一和第二整流元件，串联在输入和输出端子之间；输出电容器，与输出端子相连；以及升压电容器，其一端与第一和第二整流元件之间的节点相连；配置所述电荷泵电路，从而通过升压电容器的另一端上的电压，使电荷依次移动经过第一和第二整流元件，并累积在输出电容器中，以在输出端子上获得预定电压；所述电荷泵电路还包括：积分器，用于提供通过对从输出端子馈送的反馈电压与基准电压之差进行积分而产生的电压；时钟反相器，具有：设置在电源侧和接地侧的晶体管，用于接收时钟信号；以及可变电流源，用于向电源侧和接地侧的晶体管之一提供基于积分器的输出电压的电流，时钟反相器用于向升压电容器的另一端子提供基于可变电流源提供的电流的电压。
根据本发明另一方案的电荷泵电路包括：第一和第二整流元件，串联在输入和输出端子之间；输出电容器，与输出端子相连；以及升压电容器，其一端与第一和第二整流元件之间的节点相连；配置所述电荷泵电路，从而通过升压电容器的另一端上的电压，使电荷依次移动经过第一和第二整流元件，并累积在输出电容器中，以在输出端子上获得预定电压；所述电荷泵电路还包括：积分器，用于提供通过对从输出端子馈送的反馈电压与基准电压之差进行积分而产生的电压；以及可变电流源，设置在输入端子与第一整流元件之间，用于向第一整流元件提供基于积分器的输出电压的电流。
优选地，所述电荷泵电路还包括串联在第一和第二整流元件之间的一个或多个整流元件。
优选地，整流元件是二极管元件。
优选地，整流元件是开关元件，第一和第二整流元件交替地导通或截止。
本发明的有益效果
因为根据本发明的电荷泵电路具有提供通过对输出端子的反馈电压与基准电压之差进行积分而产生的电压的积分器、以及提供基于积分器的输出电压的电流的可变电流源，所以电荷泵电路可以控制电荷移动经过第一和第二整流元件，从而即使在负载较小时，也可以缩短输出电压的纹波周期，并获得较小的纹波电压。
附图说明
图1是根据本发明实施例的电荷泵电路的电路图；
图2是根据本发明另一实施例的电荷泵电路的电路图；
图3是根据本发明另一实施例的电荷泵电路的电路图；
图4是根据本发明另一实施例的电荷泵电路的电路图；
图5是现有技术的电荷泵电路的电路图。
附图标记说明
1-4电荷泵电路
7输入端子
8时钟输入端子
9输出端子
10，40第一整流元件
11，41第二整流元件
12输出电容器
15积分器
16时钟反相器
17升压电容器
30形成时钟反相器的电源侧晶体管
31形成时钟反相器的接地侧晶体管
32，51可变电流源
具体实施方式
现在参考附图，描述本发明的实施例。在以下描述中，相同或相应的部分具有相同的附图标记，并不重复对其的描述。
图1是根据本发明实施例的电荷泵电路的电路图。
参考图1，电荷泵电路1包括接收电源电压VDD的输入端子7、接收时钟信号CLK的输入端子8、以及向与之相连的负载提供预定升压电压的输出端子9。
均为二极管元件的第一和第二整流元件10和11串联在输入和输出端子7和9之间。虽然图1所示的二极管元件分别是PN结二极管，但是可以采用各自的栅极与漏极连接在一起的MOS晶体管。输出端子9与输出电容器12、以及用于对输出电压分压的电阻串联单元13和14相连。输出电容器12具有尽可能大地抑制纹波电压的较大电容。电阻13和14具有减小流向地电势的电流的较高电阻。电阻13和14之间节点上的电压作为反馈电压馈送至积分器15。
积分器15通过对反馈电压与基准电压VREF之差进行积分而产生输出电压，该输出电压控制时钟反相器16的可变电流源32(稍后将述)的电流值。时钟反相器16反转从时钟输入端子8提供的时钟信号CLK，并提供其波形取决于可变电流源32的电流值的电压。时钟反相器16的输出与用于升压操作的升压电容器17的另一端相连，升压电容器17的一端与第一和第二整流元件10和11之间的节点相连。
现在描述积分器15和时钟反相器16的内部电路。积分器15具有运算放大器20、电容器21和电阻22，电阻13与14之间的节点连接在运算放大器20的反相输入端子与电容器21的一端之间。运算放大器20在其非反相输入端子上接收基准电压VREF，在其反相端子上接收前述反馈电压，并通过对从输出端子提供的反馈电压与基准电压VREF之差进行积分而产生电压。运算反相器20的输出端子形成积分器15的输出。电容器21的另一端与电阻22的一端相连，电阻22的另一端与运算放大器20的输出端子相连。电容器21的电容可以相对较小。因此，在电荷泵电路1的许多部件集成在集成电路中的情况下，也可以将积分器15集成到其中。
时钟反相器16具有晶体管30、晶体管31和可变电流源32，晶体管30在电源侧，是PMOS晶体管，晶体管31在接地侧，是NMOS晶体管。电源侧晶体管30和接地侧晶体管31的栅极与时钟输入端子8相连，电源侧晶体管30的源极与输入端子7相连，接地侧晶体管31的源极与可变电流源32相连。电源侧晶体管30的漏极与接地侧晶体管31的漏极相连，两个漏极之间的接地形成时钟反相器16的输出。可变电流源32提供流向地电势的电流，该电流的电流值由上述积分器15的输出电压控制。可变电流源32可以设置在输入端子7与电源侧晶体管30之间。
现在描述电荷泵电路1的操作。通过升压电容器17的另一端上的电压，使经由输入端子7从电源电压VDD提供的电荷依次移动经过第一和第二整流元件10和11，并累积在输出电容器12中。从而输出端子9提供预定电压。
以下更加详细地描述电荷依次移动经过第一和第二整流元件10和11。当时钟输入端子8的时钟信号CLK为高时，时钟反相器16的输出电压降低，并通过升压电容器17使第一整流元件10的负极侧的电压降低。因此，电荷从第一整流元件10的正极侧向负极侧移动，并暂时累积在升压电容器17中。之后，当时钟信号CLK变低时，时钟反相器的输出16升高，第一整流元件10的负极侧的电压升高，即第二整流元件11的正极侧的电压升高。暂时累积在升压电容器17中的电荷从第二整流元件11的正极侧向负极侧移动，并累积在输出电容器12中。
电阻13和14对输出端子9上的输出电压进行分压，积分器15对反馈电压(即，电阻13和14之间的节点上的电压)进行积分。积分器15的输出电压(积分电压)控制可变电流源32的电流值，使之随着积分器15的输出电压的升高而增大，并随着输出电压的降低而减小。该电流值控制时钟反相器16的输出电压的降低程度，并由此确定移动经过第一和第二整流元件10和11的电荷。
更具体地，当与输出端子9耦合的负载增大时，从积分器15提供的积分电压略微升高，可变电流源32的电流值增大。当可变电流源32的电流值较大，时钟反相器16的输出电压降低时，输出电压的降低程度较大，从第一整流10的正极侧向负极侧移动的电荷量增加。相反，当与输出端子9耦合的负载较小时，从积分器15提供的积分电压略微降低，可变电流源32的电流值减小。当可变电流源32的电流值较小，时钟反相器16的输出电压降低时，输出电压的降低程度较小，从第一整流10的正极侧向负极侧移动的电荷量减少。如上所述，移动经过第一整流元件10的电荷移动经过第二整流元件11，并累积在输出电容器12中。
因此，根据负载对移动经过第一和第二整流元件的电荷进行控制。当负载较小时，移动的电荷减少，从而纹波电压降低。当纹波电压较低时，即使输出电容器12的放电量非常下，纹波周期也较短。虽然没有升压操作停止的时间段，但是因为没有多余的电荷移动经过第一和第二整流元件10和11，所以抑制了电流消耗。
现在参考图2，描述使用开关元件作为电荷泵电路的第一和第二整流元件的实施例。
参考图2，电荷泵电路2具有类似于电荷泵电路1的输入端子7、时钟输入端子8和输出端子9，并具有输出电容器12与对输出电压分压的电阻13和14的串联单元、积分器15、时钟反相器16和升压电容器17。第一和第二整流元件40和41分别是PMOS晶体管，用作开关元件，并串联在输入和输出端子7和9之间。第一整流元件40的栅极与反转时钟信号CLK的反相器42的输出相连，第二整流元件41的栅极与对反相器42的输出进一步反转的反相器43的输出相连。向反相器42和43提供输出端子9上的输出电压，作为电源。
电荷泵电路2整体上操作与电荷泵电路1类似，但是第一和第二整流元件40和41与第一整流元件40的负极侧的通过升压电容器17的电压变化同步地交替导通或截止。具体地，当时钟输入端子8上的时钟信号CLK为高时，第一整流元件40的负极侧的电压通过升压电容器17降低，第一整流元件40导通，从而升压电容器17暂时累积电荷。之后，当时钟信号CLK变低时，第一整流元件40的负极侧上的电压，即第二整流元件41的正极侧上的电压升高，第二整流元件41导通，从而输出电容器12累积升压电容器17中暂时累积的电荷。
虽然图2示出了PMOS晶体管作为开关元件，但是可以使用NMOS晶体管等。控制第一和第二整流元件40和41栅极的信号可以采用非交迭的周期。在这种情况下，有必要改变反相器42和43的输出极性，并添加延迟元件，但是这种改变和添加方式对于本领域技术人员是熟知的，所以这里不对其进行描述。
现在参考图3，描述另一实施例，其中可变电流源与第一和第二整流元件串联设置。
参考图3，电荷泵电路3具有类似于电荷泵电路1的输入端子7、时钟输入端子8和输出端子9，并具有输出电容器12与对输出电压分压的电阻13和14的串联单元、积分器15和升压电容器17。均为二极管元件的第一和第二整流元件10和11串联在输入和输出端子7和9之间。此外，可变电流源51设置在输入端子7和第一整流元件10之间，并由积分器15的输出电压控制。升压电容器17的另一端与时钟反相器52的输出相连。时钟反相器52反转从时钟输入端子8提供的时钟信号CLK，但不具有可变电流源。
电荷泵电路3整体上操作与电荷泵电路1类似，但是可变电流源51的电流值由从积分器15提供的积分电压控制。该电流值是每单位时间移动的电荷量，因此确定了移动经过第一和第二整流元件10和11的电荷。当负载较小时，与电荷泵电路1类似，纹波电压较小，纹波周期较短。此外，抑制了电流消耗。
虽然电荷泵电路3是电荷泵电路1的修改方案，但是也可以修改电荷泵电路2，并且可以采用将开关元件用作第一和第二整流元件并将其与可变电流源串联设置的配置。
现在参考图4，描述实施例，其中第一和第二整流元件以及另外的整流元件串联在输入和输出端子7和9之间，以进一步提升输出电压。
参考图4，除了电荷泵电路1的部件外，电荷泵电路4还包括设置在第二整流元件11和输出端子9之间的第三整流元件11a、一端与第二和第三整流元件11和11a之间的节点相连的第二升压电容器17a。第二升压电容器17a的另一端与第二时钟反相器16a的输出相连，第二时钟反相器16a的结构与时钟反相器16的相同。第二时钟反相器16a的第二电源侧晶体管30a和第二接地侧晶体管31a的栅极与反转时钟信号CLK的反相器18的输出相连。类似于可变电流源32，第二可变电流源32a的电流值由积分器15的输出电压控制。
电荷泵电路4如下进行操作。当时钟信号CLK为高时，第一整流元件10的负极侧电压降低，第二整流元件11的负极侧电压升高。因此，电荷从第一整流元件10的正极侧向负极侧移动，并暂时累积在升压晶体管17中。此外，在第二升压晶体管17a中暂时累积的电荷从第三整流元件11a的正极侧向负极侧移动，并累积在输出电容器12中。之后，当时钟信号CLK变低时，第一整流元件10的负极侧电压升高，第二整流元件11的负极侧电压降低。相应地，升压晶体管17中暂时累积的电荷从第二整流元件11的正极侧向负极侧移动，并暂时累积在第二升压电容器17a中。
在一些情况下，两个时钟反相器16和16a之一可以配置成不具有可变电流源。这是因为在一些情况下，只需要控制移动经过整流元件之一的电荷。当然，除了第三整流元件11a之外，还可以采用一个或多个整流元件。可以与电荷泵电路1类似地修改电荷泵电路2和3。
虽然描述了本发明实施例的电荷泵电路，本发明不限于这些实施例的描述，在所附权利要求范围之内，可以进行设计上的多种改变。例如，积分器15可以由另一内部电路形成。在上述实施例中，输出电压呈正值。但是，本发明可以应用于输出电压呈负值的结构。当然，可以用双极性晶体管取代MOS晶体管。
虽然详细描述并示出了本发明，但是要清楚理解以上描述是示例性的，而不是限制性的，本发明的精神和范围仅由所附权利要求限定。

Claims (5)

1.一种电荷泵电路(1，2，4)，包括：
第一和第二整流元件(10，11)，串联在输入和输出端子之间；输出电容器(12)，与所述输出端子相连；以及升压电容器(17)，其一端与所述第一和第二整流元件之间的节点相连；配置所述电荷泵电路，从而通过所述升压电容器的另一端上的电压，使电荷依次移动经过所述第一和第二整流元件，并累积在所述输出电容器中，以在所述输出端子上获得预定电压；其包括：
积分器(15)，用于输出通过对从所述输出端子馈送的反馈电压与基准电压之差进行积分而产生的电压；以及
时钟反相器(16)，具有：设置在电源侧和接地侧的晶体管(30，31)，其被输入时钟信号；以及可变电流源(32)，用于向其中一个晶体管提供基于所述积分器的输出电压的电流；所述时钟反相器用于向所述升压电容器的另一端子输出基于所述可变电流源提供的电流的电压。
2.一种电荷泵电路(3)，包括：
第一和第二整流元件(10，11)，串联在输入和输出端子之间；输出电容器(12)，与所述输出端子相连；以及升压电容器(17)，其一端与所述第一和第二整流元件之间的节点相连；配置所述电荷泵电路，从而通过所述升压电容器的另一端上的电压，使电荷依次移动经过所述第一和第二整流元件，并累积在所述输出电容器中，以在所述输出端子上获得预定电压；其包括：
积分器(15)，用于输出通过对从所述输出端子馈送的反馈电压与基准电压之差进行积分而产生的电压；以及
可变电流源(51)，设置在所述输入端子与所述第一整流元件之间，用于向所述第一整流元件提供基于所述积分器的输出电压的电流。
3.根据权利要求1或2所述的电荷泵电路，还包括：
与所述第一和第二整流元件串联的一个或多个整流元件(11a)。
4.根据权利要求1或2所述的电荷泵电路，其中
所述整流元件是二极管元件。
5.根据权利要求1或2所述的电荷泵电路，其中
所述整流元件是开关元件(40，41)，所述第一和第二整流元件交替地导通或截止。
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