CN101088211A - 电源电路、电荷泵电路和具有这些电路的便携式设备 - Google Patents

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柳田修
今中义德
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    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps

Abstract

根据本发明，一种电荷泵电路(21)具有：并联连接在电容器(C1)的一端与输入端(T1)之间的晶体管(P1至P3)，用作在对第一电容器(C1)进行充电时导通的开关装置。当对第一电容器(C1)进行充电时，控制器(CNT)根据第一和第二检测器(DET1，DET2)对输入和输出电压的监控结果，确定晶体管(P1至P3)中要驱动的晶体管。因此，即使输入电压的电平发生改变，也可以减小启动时的涌入电流，而不会引起输出电压的压降或效率的损失。

Description

电源电路、电荷泵电路和具有这些电路的便携式设备
技术领域
本发明涉及一种用作DC/DC转换器(具体地是用作便携式设备中的电池输出转换装置)的电荷泵电路。
背景技术
图8是示出了电荷泵电路的传统示例的电路图。该图所示的电荷泵电路配置为周期地导通和断开开关SW1至SW4，以便用经由输入端馈入的输入电压Vin对第一电容器C1进行充电，并且第一电容器C1两端的充电电压经由输出端作为负电压Vout(-Vin)馈出。
更具体地，这里，以以下方式输出负电压。首先，导通开关SW1和SW2，并断开开关SW3和SW4。作为这种开关的结果，输入电压Vin经由开关SW1施加到第一电容器C1的第一端(点A)，并且第一电容器C1的第二端(点B)经由开关SW2接地。因此，对第一电容器C1进行充电，直到其两端的电位差变得等于输入电压Vin。
在完成了对第一电容器C1的充电之后，断开开关SW1和SW2，并导通开关SW3和SW4。作为这种开关的结果，点A经由开关SW3接地，因此点A处的电位从输入电压Vin降为地电位。这里，由于先前充电的结果，第一电容器C1两端的电压近似等于输入电压Vin，所以上述点A处的电位下降使点B处的电位从地电位降到负电压-Vin。这里，由于点B经由开关SW4与输出端导通，所以第一电容器C1中的电荷移动到第二电容器C2，这使输出端的电位下降到-Vin。
该电荷泵电路的一个问题在于启动时的涌入电流。尤其是在具有高阻抗电源部分的系统中，例如以电池作为其电源供电的便携式设备，涌入电流不利地引起提供给设备的不同部分的电压的压降，从而使操作不稳定。
一种传统上已公开并提出的技术以以下方式克服了上述问题。由FET(场效应晶体管)导通和断开电源电压与电容器之间的连接路径，并且由栅极驱动电压改变电路根据电容器两端的充电电压，改变该FET的栅极驱动电压。这里，充电电压越高，则使FET的栅极驱动电压越高，充电电压越低，则使FET的栅极驱动电压越低，从而按需要使FET的导通状态电阻增加和减小。这可以减小涌入电流(例如，参见下面所列的专利文献1)。
另一传统上已公开并提出的技术以以下方式克服了上述问题。通过导通和截止多个晶体管来控制电容器的充电和放电，多个晶体管中预定的一个晶体管与开关设备并联，开关设备具有较高的导通状态电阻。在开始提供直流电压之后的预定时间段内，该预定晶体管保持截止，由与该预定晶体管并联的开关设备来控制电容器的充电和放电；在经过了预定时间段之后，由该预定晶体管来控制电容器的充电和放电。这同样可以减小涌入电流(例如，参见下面所列的专利文献2)。
专利文献：JP-A-H10-014218
专利文献2：JP-A-2004-048893
发明内容
本发明要解决的问题
当然，利用上述传统技术中的任何一个，均可以减小涌入电流。
然而，不利的是，这些传统技术具有以下缺点。专利文献1的技术采用如下的电路配置，其中当设置在电源电压与电容器之间的连接路径中的FET截止时，将FET的栅极驱动电压经由电阻器上拉到输入电压Vin。因此，FET的截止伴随着由栅极电容和栅极电阻所形成的CR时间常数电路所引起的延迟，这导致输出电压的压降以及效率的损失。尤其是在FET具有高W/L比(栅极宽度与栅极长度之比)的情况下，FET自然具有高电容，因此使上述缺点更加明显。因此，专利文献1的技术并不适用于具有低输出阻抗的电荷泵电路。同样由于上述原因，专利文献1的技术并不适用于较高的开关频率。
另一方面，专利文献2的技术仅提供了一种配置，其中，仅在开始提供直流电压之后的预定时间段内，代替稳定使用的开关设备，使用具有更高导通状态电阻的启动用开关设备。因而，专利文献2未考虑输入电压中的变化。例如，当专利文献2的技术应用于用作便携式设备中电池输出转换装置的电荷泵电路时，尽管涌入电流由于电池消耗而减小，但是启动用开关设备保持其高导通状态电阻，以应付完全充电的电池电平(最大输入电压)。因此，尽管具有完全充电的电池，导通状态电阻最终随着电池消耗而变得非常高，这引起输出电压中的压降和效率的损失。
本发明的目的是提供一种电源电路、电荷泵电路和包括这种电路的便携式设备，利用该电路，即使输入电压的电平改变，也可以减小启动时的涌入电流，而不会引起输出电压的压降或效率的损失。
解决问题的手段
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，在电源电路中，
包括：第一开关装置，连接在电容器的第一端与输入电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通；和/或第二开关装置，连接在电容器的第二端与基准电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通，以及
通过周期地对电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
第一和第二开关装置中的至少一个
包括彼此并联并具有不同驱动能力的多个分离的晶体管，以及
受控，以在输入电压高且输出电压低时产生最小驱动能力，而在输入电压低且输出电压稳定时产生最大驱动能力(第一配置)。
根据本发明的另一方面，在电荷泵电路中，
包括：第一开关装置，连接在第一电容器的第一端与输入电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通；第二开关装置，连接在第一电容器的第二端与基准电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通；控制装置，用于控制第一和第二开关装置的驱动；第一监控装置，用于监控输入电压；以及第二监控装置，用于监控输出电压，以及
通过周期地对所述第一电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
第一和第二开关装置中的至少一个被分为彼此并联的多个分离的晶体管，以及
当对第一电容器进行充电时，所述控制装置根据第一和第二监控装置的监控结果，确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管(第二配置)。
具有上述第二配置的电荷泵电路还可以包括：第三和第四开关装置，在对第一电容器进行放电时导通；以及第二电容器，在第三和第四开关装置导通时，电荷从第一电容器经过第三和第四开关装置移动到所述第二电容器(第三配置)。
更具体地，根据本发明的另一方面，在电荷泵电路中，
包括：第一电容器；第一开关装置，连接在第一电容器的第一端与输入电压输入端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；第二开关装置，连接在第一电容器的第二端与基准电压输入端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；第三开关装置，连接在第一电容器的第一端与基准电压输入端之间，或者连接在第一电容器的第一端与输出电压输出端之间，并在对第一电容器进行放电时导通；第四开关装置，连接在第一电容器的第二端与输出电压输出端之间，或者连接在第一电容器的第二端与输入电压输入端之间，并在对第一电容器进行放电时导通；第二电容器，连接在输出电压输出端与基准电压输入端之间；控制装置，用于控制第一至第四开关装置的驱动；第一监控装置，与输入电压输入端相连，以监控输入电压；以及第二监控装置，与输出电压输出端相连，以监控输出电压，以及
通过周期地对所述第一电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
第一和第二开关装置中的至少一个被分为彼此并联的多个分离的晶体管，以及
当对第一电容器进行充电时，所述控制装置根据第一和第二监控装置的监控结果，确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管(第四配置)。
可选地，根据本发明的另一方面，在电荷泵电路中，
包括：电压升压单元，电压升压单元包括依次相连的n级电压升压电路，其中n≥2，每一个电压升压电路包括：第一电容器；第一开关装置，连接在第一节点与第一电容器的第一端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；第二开关装置，连接在第二节点与第一电容器的第二端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；第三开关装置，连接在第三节点与第一电容器的第一端之间，并在对第一电容器进行放电时导通；以及第四开关装置，连接在第四节点与第一电容器的第二端之间，并在对第一电容器进行放电时导通，其中，要么：第一至第n电压升压电路的每一个的第一节点与输入电压输入端相连，第一电压升压电路的第二节点与基准电压输入端相连，第二至第n电压升压电路的每一个的第二节点与前一电压升压电路的第四节点相连，第一至第n电压升压电路的每一个的第三节点与基准电压输入端相连，以及第n电压升压电路的第四节点与输出电压输出端相连；要么：第一电压升压电路的第一节点与输入电压输入端相连，第二至第n电压升压电路的每一个的第一节点与前一电压升压电路的第三节点相连，第一至第n电压升压电路的每一个的第二节点与基准电压输入端相连，第n电压升压电路的第三节点与输出电压输出端相连，以及第一至第n电压升压电路的每一个的第四节点与输入电压输入端相连；
还包括：第二电容器，连接在输出电压输出端与基准电压输入端之间；控制装置，用于控制第一至第n电压升压电路的每一个中所包括的第一至第四开关装置的驱动；第一监控装置，与输入电压输入端相连，以监控输入电压；以及第二监控装置，与输出电压输出端相连，以监控输出电压，以及
通过周期地对第一至第n电压升压电路的每一个中所包括的第一电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
第一电压升压电路中所包括的第一和第二开关装置中的至少一个被分为彼此并联的多个分离的晶体管，以及
当对第一电容器进行充电时，所述控制装置根据第一和第二监控装置的监控结果，确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管(第五配置)。
在具有上述第二至第五配置之一的电荷泵电路中，根据第一和第二监控装置的监控结果，所述控制装置可以确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管，使得
如果输出电压尚未达到目标电平，驱动更少量的晶体管，以使对第一电容器进行充电的电流路径的导通状态电阻增加，并且输入电压越高，导通状态电阻越高，以及
如果输出电压已经达到目标电平，则减小导通状态电阻(第六配置)。
更具体地，在具有上述第六配置的电荷泵电路中，
第一和第二开关装置中的至少一个可以被分为第一、第二和第三分离的晶体管，这些晶体管的导通状态电阻设计为第一晶体管具有最高导通状态电阻，第二晶体管具有第二高导通状态电阻，第三晶体管具有最低导通状态电阻，
第一监控装置的输出逻辑电平可以保持为低，直到输入电压变为高于第一阈值，并在输入电压变为高于第一阈值电平时，第一监控装置的输出逻辑电平变高，并且第二监控装置的输出逻辑电平可以保持为低，直到输出电压变为低于第二阈值，并在输出电压变为低于第二阈值电平时，第二监控装置的输出逻辑电平变高，以及
控制装置进行操作，以便
在第二监控装置的输出逻辑电平为低且第一监控装置的输出逻辑电平为高时，仅驱动第一晶体管而不驱动第二和第三晶体管，
在第一和第二监控装置的输出逻辑电平均为低时，仅驱动第二晶体管而不驱动第一和第三晶体管，
在第一和第二监控装置的输出逻辑电平均为高时，驱动第一和第二晶体管而不驱动第三晶体管，以及
在第二监控装置的输出逻辑电平为高且第一监控装置的输出逻辑电平为低时，驱动全部第一至第三晶体管(第七配置)。
利用上述配置中的任何一个，即使输入电压的电平发生变化，也可以减小启动时的涌入电流，而不会引起输出电压的压降或效率的损失。
在具有上述第七配置的电荷泵电路中，第一和第二监控装置中的至少一个的输入-输出响应可以具有迟滞(第八配置)。利用这种配置，可以避免由于输出反馈而产生的振荡。
在具有上述第三至第五配置的电荷泵电路中，第一开关装置可以是P沟道MOS场效应晶体管，第二至第四开关装置可以是N沟道MOS场效应晶体管(第九配置)。
根据本发明的另一方面，在便携式设备中，包括：电池，作为电源；以及DC/DC转换器，作为转换电池输出的装置，该便携式设备可以包括具有上述第一配置的电源电路或具有上述第二至第五配置的电荷泵电路，作为DC/DC转换器(第十配置)。利用这种配置，总是可以适当地减小启动时的涌入电流，而与电池的充电电平无关。
本发明的有益效果
如上所述，利用根据本发明的电源电路和电荷泵电路，即使输入电压的电平发生变化，也可以减小启动时的涌入电流，而不会引起输出电压的压降或效率的损失。
附图说明
图1是示出了作为本发明第一实施例的根据本发明的蜂窝电话单元的方框图。
图2是示出了负电压产生电路21的配置示例的电路图。
图3是示出了控制信号的波形示例的时序图。
图4是示出了第一和第二检测器DET1和DET2的输入-输出响应的图。
图5是示出了检测器输出与是否驱动输出晶体管P1至P3之间的相关的矩阵图。
图6是示出了正电压产生电路22的配置示例的电路图。
图7是示出了根据本发明的电荷泵电路的修改示例的电路图。
图8是示出了电荷泵电路的传统示例的电路图。
附图标记列表
1         电池
2         DC/DC转换器
21        负电压产生电路
22        正电压产生电路
3         CCD摄像机
P1-P3     P沟道MOS场效应晶体管
N1-N3     N沟道MOS场效应晶体管
C1、C2    第一和第二电容器
DET1、DET2第一和第二检测器
CNT       控制器
具体实施方式
下面，通过其应用于蜂窝电话单元中所包含的DC/DC转换器，以便转换电池的输出电压而产生用于驱动蜂窝电话单元的不同部分(具体是CCD(电荷耦合器件)摄像机)的电压的示例，来描述本发明。
图1是示出了作为本发明实施例的根据本发明的蜂窝电话单元(具体是CCD的电源部分)的方框图。如图所示，本实施例的蜂窝电话单元包括：电池1，用作整个蜂窝电话单元的电源；DC/DC转换器2，用作转换电池1的输出的装置；以及CCD摄像机3，用作蜂窝电话单元用于传感图像的装置。无须说，除了所提到的组件之外，蜂窝电话单元还包括发射/接收电路、扬声器、麦克风、显示器、操作面板、存储器等，作为实现其主要功能(例如通信功能)的装置。
CCD摄像机3需要以负驱动电压(例如-8V)和正驱动电压(例如+15V)来驱动。因此，电源单元2包括负电压产生电路21和正电压产生电路22，作为分别从电池1的输出电压Vin中产生负输出电压Vout1和正输出电压Vout2的装置。
图2是示出了负电压产生电路21的配置示例的电路图(部分为框图)。如图所示，本实施例的负电压产生电路21包括：P沟道MOS(金属氧化物硅)场效应晶体管P1至P3和N沟道MOS场效应晶体管N1至N3，作为开关器件。根据控制器CNT所产生的控制信号CK1、CK1B1-3和CK2，周期地导通或截止这些晶体管，使得以经由输入端T1馈入的输入电压Vin(电池1的输出电压)对电容器C1进行充电，并且第一电容器C1两端的充电电压经由输出端T2馈出，作为负输出电压Vout1(CCD摄像机3的负驱动电压)。因此，负电压产生电路21被配置为负电压输出电荷泵电路。
晶体管P1至P3的源极均与输入端T1相连。晶体管P1至P3的漏极均与第一电容器C1的第一端(点A)和晶体管N2的源极相连。晶体管P1至P3的栅极分别与控制器CNT的不同控制信号输出端相连，以分别接收控制信号CK1B1-3。晶体管P1至P3的背栅极分别与其各自的源极相连。从上述描述可知，晶体管P1至P3每个均用作开关装置，以导通或断开输入端T1与第一电容器C1(点A)之间的连接路径。换言之，导通以便对第一电容器C1进行充电的开关装置分为彼此并联的晶体管P1至P3；或者相反地，彼此并联在一起的晶体管P1至P3形成单个多栅晶体管。
晶体管N1的源极接地。晶体管N1的漏极与第一电容器C1的第二端(点B)并与晶体管N3的漏极相连。晶体管N的栅极与控制器CNT的控制信号输出端相连，以便接收控制信号CK1。晶体管N1的背栅极与其自身的漏极相连。从上述说明可知，晶体管N1用作开关装置，以便导通或断开地(基准电压施加节点)与第一电容器C1的第二端(点B)之间的连接路径。
晶体管N2的漏极接地，并还与第二电容器C2的第一端相连。晶体管N2的栅极与控制器CNT的控制信号输出端相连，以便接收控制信号CK2。晶体管N2的背栅极与其自身的漏极相连。从上述说明可知，晶体管N2用作开关装置，以便导通或断开地(基准电压施加节点)与第一电容器C1的第一端(点A)之间的连接路径。
晶体管N3的源极与第二电容器C2的第二端并与输出端T2相连。晶体管N3的栅极与控制器CNT的控制信号输出端相连，以便接收控制信号CK2。晶体管N3的背栅极与其自身的源极相连。从上述说明可知，晶体管N3用作开关装置，以便导通或断开输出端T2与第一电容器C1的第二端(点B)之间的连接路径。
现在，参考图3来具体描述如上配置的负电压产生电路21如何操作以产生负电压。图3是示出了控制信号的波形示例的时序图。尽管在图3中，信号逻辑电平发生转变的时间点被表示为精确地重合，但是这应该理解为是为了容易理解而简化的表示；实际上，为了避免输入端T1和输出端T2短路到地(即晶体管P1至P3和晶体管N2同时导通，以及晶体管N1和N3同时导通)，控制信号CK1和CK1B1-3的逻辑电平发生转变的时间点通常偏离控制信号CK2的逻辑电平发生转变的时间点。
为了产生负输出电压Vout1，首先，控制信号CK1的逻辑电平变高，而控制信号CK1B1-3中至少一个的逻辑电平以及控制信号CK2的逻辑电平变低(这些电平保持时间段X)。因此，晶体管N1以及晶体管P1至P3中的至少一个导通，并且晶体管N2和N3截止。作为这种开关的结果，输入电压Vin从输入端T1经由晶体管P1至P3中的至少一个施加到点A，并且点B经由晶体管N1接地。因此，对第一电容器C1进行充电，直到其两端的电位差变为等于输入电压Vin。
在完成了第一电容器C1的充电之后，现在，控制信号CK1的逻辑电平变低，而控制信号CK1B1-3的逻辑电平以及控制信号CK2的逻辑电平变高(这些电平保持时间段Y)。因此，晶体管N1和晶体管P1至P3截止，而晶体管N2和N3导通。作为这种开关的结果，点A经由晶体管N2接地，因此点A处的电位从输入电压Vin下降到地电位。这里，由于先前充电的结果，第一电容器C1两端的电压近似等于输入电压Vin，所以上述点A处的电位下降使点B处的电位从地电位下降到负电压-Vin。这里，由于点B经由晶体管N3导通到输出端T2，所以第一电容器C1中的电荷移动到第二电容器C2，这使输出端T2处的电位(即输出电压Vout1)下降为-Vin。
随着时间段X和Y交替地重复发生，负电压产生电路21周期地导通和截止晶体管P1至P3以及N1至N3，使得经由输入端T1馈入的输入电压Vin被转换为负输出电压Vout1，然后该电压经由地端T2馈出。
这里，如上所述，在本实施例的负电压产生电路21中，导通以便对第一电容器C1进行充电的开关装置分为彼此并联的晶体管P1至P3。利用这种配置，当对第一电容器C1进行充电时，根据晶体管P1至P3中被驱动的晶体管，可按照希望改变第一电容器C1的充电电流路径的导通状态电阻。现在，作为本发明的特有特征，来详细描述用于选择性地驱动晶体管P1至P3中的一个或多个的控制(用于防止启动时的涌入电流的控制)。
如先前所讨论的图2所示，本实施例的负电压产生电路21除了已经描述的主要部件之外，还包括：第一检测器DET1，用于监控输入电压Vin；以及第二检测器DET2，用于监控输出电压Vout1。根据第一和第二检测器DET1和DET2的监控结果(即根据输入电压Vin和输出电压Vout相对于彼此的电平)，控制器CNT确定晶体管P1至P3中要驱动的晶体管。
图4是示出了第一和第二检测器DET1和DET2各自的输入-输出响应的图。在图4中，(a)示出了第一检测器DET1的输入-输出响应，即输入电压Vin(沿横轴)与检测器的输出(沿纵轴)之间的相关；(b)示出了第二检测器DET2的输入-输出响应，即输出电压Vout 1(沿横轴)与检测器的输出(沿纵轴)之间的相关。
如图所示，第一和第二检测器DET1和DET2均表现出具有迟滞的输入-输出响应。
更具体地，第一检测器DET1的输出逻辑电平保持为低，直到输入电压Vin变为高于第一上阈值电平(在该图中是3.6V)，并在输入电压Vin变为高于第一上阈值电平时变高。一旦第一检测器DET1的输出逻辑电平变高，则其保持为高，除非输入电压Vin变为低于第一下阈值电平(在该图中是3.5V)，并在输入电压Vin变为低于第一下阈值电平时变低。
类似地，第二检测器DET2的输出逻辑电平保持为低，直到输出电压Vout1变为低于第二下阈值电平(在该图中是-4/5Vin)，并在输出电压Vout1变为低于第二下阈值电平时变高。一旦第二检测器DET2的输出逻辑电平变高，则其保持为高，除非输出电压Vout1变为高于第二上阈值电平(在该图中是-3/5Vin)，并在输出电压Vout1变为高于第二上阈值电平时变低。
以这种方式使第一和第二检测器DET1和DET2的输入-输出响应具有迟滞，有助于避免由于其输出反馈而产生的振荡。图中所示的特定阈值电平仅仅是示例，而可使用任意其它的阈值电平，只要可正确地执行用于选择性地驱动晶体管P1至P3中一个或多个的控制。第一和第二检测器DET1和DET2并不局限于产生二电平(高或低)输出的检测器，而可以是根据在对第一电容器C1进行充电时导通的开关装置所分为的级数，产生逻辑电平在三个或多个电平(例如H、M和L)中转变的输出的检测器。
图5是示出了检测器输出与是否驱动晶体管P1至P3之间的相关的矩阵图，因此示出了在控制器CNT执行用于选择性地驱动晶体管P1至P3中一个或多个的控制时所查阅的数据表的内容。
下面的说明假设晶体管P1至P3设计为晶体管P1具有最高的导通状态电阻，晶体管P2具有第二高的导通状态电阻，而晶体管P3具有最低的导通状态电阻。例如，假设晶体管P1至P3的尺寸为其W/L比分别是1000μm/1μm、3000μm/1μm、11000μm/1μm。
首先，说明第二检测器DET2的输出逻辑电平为低且第一检测器DET1的输出逻辑电平为高的情况。在这种情况下，由于第二检测器DET2的输出逻辑电平，控制器CNT认识到电荷泵电路仍然处于启动过程中，因此存在涌入电流的风险。此外，由于第一检测器DET1的输出逻辑电平，控制器CNT认识到电池1的充电电平(即输入电压Vin的电平)为高，因此存在极大的大涌入电流流入的风险。因此，根据上述认识，控制器CNT进行操作，以使第一电容器C1的充电电流路径的导通状态电阻最大化；为了实现此目的，控制器CNT产生控制信号CK1B1-3，以便仅驱动晶体管P1至P3中具有最小W/L比(即最高导通状态电阻)的晶体管P1，而不驱动其它晶体管P2和P3(保持截止)。在该操作状态下，负电压产生电路21可减小启动时的涌入电流。
接下来说明第一和第二检测器DET1和DET2的输出逻辑电平均为低的情况。在该情况下，由于第二检测器DET2的输出逻辑电平，控制器CNT认识到电荷泵电路仍然处于启动过程中，因此存在涌入电流的风险。此外，由于第一检测器DET1的输出逻辑电平，控制器CNT认识到电池1的充电电平(即输入电压Vin的电平)为低，因此几乎没有大涌入电流流入的风险。因此，根据上述认识，控制器CNT进行操作，以将第一电容器C1的充电电流路径的导通状态电阻增加到足够高但是不过分高的程度；为了实现此目的，控制器CNT产生控制信号CK1B1-3，以便仅驱动晶体管P1至P3中具有第二小的W/L比(即第二高的导通状态电阻)的晶体管P2，而不驱动其它晶体管P1和P3(保持截止)。在该操作状态下，负电压产生电路21可减小启动时的涌入电流，而不会引起输出电压Vout的不足或效率的损失，即使电池是几乎耗尽的电池。
接下来，说明第一和第二检测器DET1和DET2的输出逻辑电平均为高的情况。在该情况下，由于第二检测器DET2的输出逻辑电平，控制器CNT认识到电荷泵电路处于稳定状态，因此几乎没有涌入电流的风险。此外，由于第一检测器DET1的输出逻辑电平，控制器CNT认识到晶体管P1至P3的源极电压(即输入电压Vin)足够高，因此其导通状态电阻均相对较低。因此，根据上述认识，控制器CNT进行操作，以产生控制信号CK1B1-3，以便驱动晶体管P1和P2，而不驱动晶体管P3(保持截止)。在该操作状态下，代替无条件地驱动所有晶体管P1至P3并因此不必要地减小了第一电容器C1的充电电流路径的导通状态电阻，负电压产生电路21将第一电容器C1的充电电流路径的导通状态电阻适当地减小到预定目标程度。以这种方式，可以将稳定状态下电荷泵电路的输出阻抗减小到目标程度，而不会引起效率的损失。
接下来说明第二检测器CET2的输出逻辑电平为高而第一检测器DET1的输出逻辑电平为低的情况。在该情况下，由于第二检测器DET2的输出逻辑电平，控制器CNT认识到电荷泵电路处于稳定状态，因此几乎没有涌入电流的风险。此外，由于第一检测器DET1的输出逻辑电平，控制器CNT认识到晶体管P1至P3的源极电压(即输入电压Vin)为低，因此其导通状态电阻均相对较高。因此，根据上述认识，控制器CNT进行操作，产生控制信号CK1B1-3，以便驱动所有晶体管P1至P3。在该操作状态下，通过使第一电容器C1的充电电流路径的导通状态电阻最小化，负电压产生电路21将稳定状态下电荷泵电路的输出阻抗减小到目标程度，即使电池1几乎耗尽。
上述用于选择性地驱动一个或多个晶体管的控制仅仅是示例；可将其修改以适应晶体管P1至P3的实际尺寸以及第一和第二检测器DET1和DET2的实际阈值电平，从而根据具体情况，仅驱动晶体管P2或P3，或者同时驱动晶体管P1和P3。
如上所述，在本实施例的负电压产生电路21中，设置有彼此并联连接在第一电容器C1的第一端与输入端T1之间的晶体管P1至P3，用作在对第一电容器C1进行充电时导通的开关装置，并且在对第一电容器C1进行充电时，控制器CNT根据第一和第二检测器DET1和DET2对输入和输出电压的监控结果，确定晶体管P1至P3中要驱动的晶体管。
利用如上划分的晶体管P1至P3，可分别用独立的反相器来控制其栅极电压。因此，与用于避免涌入电流的传统方法不同，可以实现低阻抗驱动，而与晶体管分别导通还是截止无关。此外，在试图通过给晶体管赋予高W/L比来减小电荷泵电路的输出阻抗的情况下，利用划分的晶体管P1至P3，可以减小各个晶体管的栅极电容。因此，与用于避免涌入电流的传统方法相比，可以获得极大提高的转换效率，这使得可应用于具有低输出阻抗的电荷泵电路。此外，利用上述配置，还可以减小开关时的延迟，这使得适用于更高的开关频率。
尽管作为示例，上述实施例涉及负电压产生电路21的配置和操作，但是这绝不是要限制本发明的配置；本发明还可应用于正电压产生电路22(正电压输出电荷泵电路)(参见图6)。在这种情况下，可针对负和正电压产生电路21和22的每一个设置一个独立的控制器CNT，或者设置两者共享的单个控制器CNT。
本发明广泛应用于具有依次连接的第一至第n电压升压电路CP1至CPn(其中n≥2)的电荷泵电路(参见图7(a)和7(b))，并且除了电荷泵电路之外，还应用于电源电路(参见图7(c))。
除了上面作为实施例具体描述的方式之外，本发明可以以其它方式实践，并且在本发明的精神内，多种变化和修改也是可以的。
例如，尽管上述实施例涉及以下示例：在构成电荷泵电路的所有开关器件中，用作导通或断开输入端T1与第一电容器C1的第一端(点A)之间的连接路径的开关装置的开关器件以P沟道MOS场效应晶体管实现，而用作其它开关装置的开关器件以N沟道MOS场效应晶体管实现，但是这并不意味着限制本发明；可适当地设计各个开关器件的沟道属性，使得整体上在电荷泵电路中获得所希望的特性(例如耐压特性)。
尽管上述实施例涉及以下示例：在对第一电容器C1进行充电时导通的开关装置包括与第一晶体管C1的电源侧相连的开关装置，并且该开关装置分为多个开关器件，但是这并不意味着限制本发明；代替地，与第一晶体管的接地侧相连的开关装置可分为多个开关器件，或者两个开关装置均分为多个开关器件。
工业实用性
本发明有助于减小电荷泵电路中的涌入电流，尤其适用于用作便携式设备中的电池输出转换装置的DC/DC转换器。

Claims (10)

1.一种电源电路，包括：
第一开关装置，连接在电容器的第一端与输入电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通；和/或
第二开关装置，连接在电容器的第二端与基准电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通，
所述电源电路通过周期地对电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
其中
第一和第二开关装置中的至少一个
包括彼此并联并具有不同驱动能力的多个分离的晶体管，以
及
受控，以在输入电压高且输出电压低时产生最小驱动能力，
而在输入电压低且输出电压稳定时产生最大驱动能力。
2.一种电荷泵电路，包括：
第一开关装置，连接在第一电容器的第一端与输入电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通；
第二开关装置，连接在第一电容器的第二端与基准电压输入端之间，并在对电容器进行充电时导通；
控制装置，用于控制第一和第二开关装置的驱动；
第一监控装置，用于监控输入电压；以及
第二监控装置，用于监控输出电压，
所述电荷泵电路通过周期地对所述第一电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
其中，
第一和第二开关装置中的至少一个被分为彼此并联的多个分离的晶体管，以及
当对第一电容器进行充电时，所述控制装置根据第一和第二监控装置的监控结果，确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管。
3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，还包括：
第三和第四开关装置，在对第一电容器进行放电时导通；以及
第二电容器，在第三和第四开关装置导通时，电荷从第一电容器经过第三和第四开关装置移动到所述第二电容器。
4.一种电荷泵电路，包括：
第一电容器；
第一开关装置，连接在第一电容器的第一端与输入电压输入端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；
第二开关装置，连接在第一电容器的第二端与基准电压输入端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；
第三开关装置，连接在第一电容器的第一端与基准电压输入端之间，或者连接在第一电容器的第一端与输出电压输出端之间，并在对第一电容器进行放电时导通；
第四开关装置，连接在第一电容器的第二端与输出电压输出端之间，或者连接在第一电容器的第二端与输入电压输入端之间，并在对第一电容器进行放电时导通；
第二电容器，连接在输出电压输出端与基准电压输入端之间；
控制装置，用于控制第一至第四开关装置的驱动；
第一监控装置，与输入电压输入端相连，以监控输入电压；以及
第二监控装置，与输出电压输出端相连，以监控输出电压，
所述电荷泵电路通过周期地对所述第一电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
其中，
第一和第二开关装置中的至少一个被分为彼此并联的多个分离的晶体管，以及
当对第一电容器进行充电时，所述控制装置根据第一和第二监控装置的监控结果，确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管。
5.一种电荷泵电路，包括：
电压升压单元，包括依次相连的n级电压升压电路，其中n≥2，每一个电压升压电路包括：
第一电容器；
第一开关装置，连接在第一节点与第一电容器的第一端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；
第二开关装置，连接在第二节点与第一电容器的第二端之间，并在对第一电容器进行充电时导通；
第三开关装置，连接在第三节点与第一电容器的第一端之间，并在对第一电容器进行放电时导通；以及
第四开关装置，连接在第四节点与第一电容器的第二端之间，并在对第一电容器进行放电时导通，
其中，要么
第一至第n电压升压电路的每一个的第一节点与输入电压输入端相连，
第一电压升压电路的第二节点与基准电压输入端相连，
第二至第n电压升压电路的每一个的第二节点与前一电压升压电路的第四节点相连，
第一至第n电压升压电路的每一个的第三节点与基准电压输入端相连，以及
第n电压升压电路的第四节点与输出电压输出端相连，要么
第一电压升压电路的第一节点与输入电压输入端相连，
第二至第n电压升压电路的每一个的第一节点与前一电压升压电路的第三节点相连，
第一至第n电压升压电路的每一个的第二节点与基准电压输入端相连，
第n电压升压电路的第三节点与输出电压输出端相连，以及
第一至第n电压升压电路的每一个的第四节点与输入电压输入端相连；
第二电容器，连接在输出电压输出端与基准电压输入端之间；
控制装置，用于控制第一至第n电压升压电路的每一个中所包括的第一至第四开关装置的驱动；
第一监控装置，与输入电压输入端相连，以监控输入电压；以及
第二监控装置，与输出电压输出端相连，以监控输出电压，
所述电荷泵电路通过周期地对第一至第n电压升压电路的每一个中所包括的第一电容器进行充电和放电，而从输入电压中产生所希望的输出电压，
其中，第一电压升压电路中所包括的第一和第二开关装置中的至少一个被分为彼此并联的多个分离的晶体管，以及
当对第一电容器进行充电时，所述控制装置根据第一和第二监控装置的监控结果，确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管。
6.根据权利要求2至5之一所述的电荷泵电路，其中
根据第一和第二监控装置的监控结果，所述控制装置确定所述多个分离的晶体管中要驱动的晶体管，使得
如果输出电压尚未达到目标电平，驱动更少量的晶体管，以使对第一电容器进行充电的电流路径的导通状态电阻增加，并且输入电压越高，导通状态电阻越高，以及
如果输出电压已经达到目标电平，则减小导通状态电阻。
7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，其中
第一和第二开关装置中的至少一个被分为第一、第二和第三分离的晶体管，这些晶体管的导通状态电阻设计为第一晶体管具有最高导通状态电阻，第二晶体管具有第二高导通状态电阻，第三晶体管具有最低导通状态电阻，
第一监控装置的输出逻辑电平保持为低，直到输入电压变为高于第一阈值，并在输入电压变为高于第一阈值电平时，第一监控装置的输出逻辑电平变高，并且第二监控装置的输出逻辑电平保持为低，直到输出电压变为低于第二阈值，并在输出电压变为低于第二阈值电平时，第二监控装置的输出逻辑电平变高，以及
控制装置进行操作，以便
在第二监控装置的输出逻辑电平为低且第一监控装置的输出逻辑电平为高时，仅驱动第一晶体管而不驱动第二和第三晶体管，
在第一和第二监控装置的输出逻辑电平均为低时，仅驱动第二晶体管而不驱动第一和第三晶体管，
在第一和第二监控装置的输出逻辑电平均为高时，驱动第一和第二晶体管而不驱动第三晶体管，以及
在第二监控装置的输出逻辑电平为高且第一监控装置的输出逻辑电平为低时，驱动全部第一至第三晶体管。
8.根据权利要求7所述的电荷泵电路，
其中，第一和第二监控装置中的至少一个的输入-输出响应具有迟滞。
9.根据权利要求3至5之一所述的电荷泵电路，
其中，第一开关装置是P沟道MOS场效应晶体管，第二至第四开关装置是N沟道MOS场效应晶体管。
10.一种便携式设备，包括：电池，作为电源；以及DC/DC转换器，作为转换电池输出的装置，
其中，所述便携式设备包括根据权利要求1所述的电源电路或根据权利要求2至5之一所述的电荷泵电路，作为DC/DC转换器。
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