CN101449451B - 电荷泵控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

电荷泵控制器(20)包括可配置的泵电容器(15、16)。电荷泵控制器(20)将提供到负载(20)的电荷控制成小于存储在泵电容器(15、16)上的电荷。

Description

电荷泵控制器及其方法

技术领域

本发明大体涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法和结构。

过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成电荷泵控制器。电荷泵控制器一般是这样的电路，其将电容器上的电荷存储到一电压且并联或串联地配置电容器，以形成大于输入电压的输出电压。电荷泵控制器一般以两个相位时钟工作，其中电容器在一个相位期间被充电并连接成在第二个相位期间提供输出电压。当负载所需要的电流的量减小到小的值时，电荷泵控制器一般不精确地调节输出电压的值。在轻负载条件下，输出电压一般具有大的纹波电压，该纹波电压恶化了从电荷泵控制器接收电压的负载的工作。在通常称为LM2794的部件的数据表中公开了这样的电荷泵控制器的一个例子，LM2794可从加利福尼亚州的Santa Clara的National Semiconductor公司得到。

因此，期望有一种具有低纹波电压的电荷泵控制器。

附图说明

图1简要示出包括根据本发明的电荷泵控制器的示例性实施方式的电荷泵系统的一部分的实施方式；

图2是具有曲线的图，该曲线示出根据本发明的图1的电荷泵控制器的一些信号；以及

图3简要示出包括根据本发明的图1的电荷泵控制器的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简洁和清楚，附图中的元件没有必要按比例绘制，且不同图中相同的参考数字表示相同的元件。此外，为了描述的简单而省略了公知的步骤和元件的说明与详述。如这里所使用的载流电极表示器件中承载通过该器件的电流的元件，如MOS晶体管的源极或漏极、或双极型晶体管的集电极或发射极、或二极管的负极或正极；而控制电极表示器件中控制通过该器件的电流的元件，如MOS晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。虽然这些器件在这里被解释为某个N沟道或P沟道器件，但本领域中的普通技术人员应该认识到，依照本发明，互补器件也是可能的。本领域中的技术人员应认识到，这里使用的词“在...的期间、在...同时、当...的时候”不是表示一有启动行为就会马上发生行为的准确术语，而是在被初始行为激起的反应之间可能有一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。

具体实施方式

图1简要示出了电荷泵系统10的一部分的实施方式，该电荷泵系统10利用电荷泵控制器20的示例性实施方式来提供用于使负载12工作的功率。电荷泵控制器20被用来将电荷施加到泵电容器15和16上，并接着使用泵电容器15和16来给负载12提供小于在充电模式期间施加到电容器15和16的电荷的电荷。由控制器20提供的电荷给负载12提供输出电压和负载电流。泵电容器15和16通常在控制器20的外部。控制器20通常在电压输入21和电压返回22之间从dc电压源例如电池11接收功率，并通过输出23提供电荷。滤波电容器13可连接在输出23和返回22之间，以便例如通过存储由控制器20提供的电荷来帮助提供输出电压。如在下文中将进一步看到的，对于大于第一值的充电电流的值，控制器20将放电电流控制到大约等于充电电流，以及对于小于第一值的充电电流的值，控制器20将放电电流控制到小于充电电流。

控制器20一般包括开关阵列或开关矩阵45，其具有多个开关，例如开关46-48和50-52，这些开关用于选择性地将电容器15和16配置成在第一时间间隔期间被充电，而在第二时间间隔期间向负载12提供电荷。开关46-48和50-82通常是MOS晶体管。这样的开关矩阵对本领域的技术人员来说是公知的。控制器20一般还包括输出控制晶体管58、电流源26、充电控制电路30、放电控制电路38、时钟发生器或时钟60、参考电压发生器或参考63、误差放大器65、比较器64和模式控制逻辑67。时钟60产生两个不交迭的时钟，在图1中被标为C1和C2。时钟C1一般为高，以表示具有第一时间间隔的控制器20的充电状态，该第一时间间隔实质上等于C1为高的时间。时钟C2在第二时间间隔内通常为高，以表示控制器20的放电状态，在该放电状态期间电容器15和16用来给电容器13和负载12提供电荷。控制器20在反馈输入24上接收表示输出23和返回22之间的输出电压的值的反馈(FB)信号。在一些实施方式中，正如对本领域的技术人员所公知的，电阻分压器可用于从输出电压获得FB信号。比较器64接收反馈信号和来自参考63的参考电压并形成输出，当输出电压小于期望的输出电压值时该输出为低。模式控制逻辑67接收C1和C2时钟信号以及比较器64的输出，并形成用于控制开关46-48和50-52的配置和控制器20的模式的控制信号。模式控制信号用于配置电容器15和16的充电和放电，以提供可大于电池11的电压的值的输出电压。例如，模式控制逻辑67可将电容器15和16配置为提供1.0、1.5或2.0倍于在输入21和返回22之间接收的电压值的电压。如图1所示，控制器20配置成工作在2.0X乘法器模式中。开关46-48和50-52对此2.0X乘法器模式的充电配置由虚线示出，且放电配置由实线示出。本领域的技术人员应认识到，控制器20可具有比电容器15和16更多的泵电容器。在具有模式泵电容器的这样的配置中，矩阵45具有比图1所示的六个开关更多的开关，且模式逻辑67将被配置成使控制器20运行为提供其它输出电压，所述其它输出电压提供了不同的乘法器模式例如1.3X和3.0X乘法器模式。本领域的技术人员还应认识到，当电池11的输入电压的值降低时，比较器64的输出由逻辑67用来增加乘法器模式，以便将输出电压维持在期望的工作范围内。

电流源26包括提供可变电流29的可变电流源27以及电流镜晶体管28，电流镜晶体管28用来与其它晶体管形成电流镜。充电控制电路30包括与晶体管28一起形成电流镜的电流镜晶体管31以及由电流镜晶体管32和电流镜晶体管33加上开关晶体管34和35形成的可选的电流镜。放电控制电路38包括晶体管40、晶体管39、晶体管42、以及耦合成与晶体管28形成电流镜的电流镜晶体管41。

图2是具有示出控制器20的一些信号的曲线的图。横坐标表示时间而纵坐标表示所示信号的增加的信号值。曲线76示出时钟C1，而曲线77示出时钟C2。曲线78示出电流29，而曲线79示出在晶体管42的栅极上相对于返回22的电压。此描述参考了图1和图2。

在工作中，时钟60使时钟C1为高以及时钟C2为低，以将控制器20设置成工作在充电模式或充电配置中，如在图2中在时刻T0所示的。逻辑67接收C1和C2并配置矩阵45以将电容器15和16耦合在2.0X乘法器模式下的充电配置中。对于图1所示的示例性实施方式，2.0X乘法器模式中的开关46-48和50-52的充电配置由虚线示出。误差放大器65接收FB信号并形成误差信号，该误差信号指示输出电压与输出电压的期望值偏离的量。误差信号用于改变由可变电流源27提供的电流29的值。当输出电压的值降低时，误差信号增加，以便增加电流29的值。电流29从源27流经晶体管28并产生流经晶体管31和32的实质上相等的电流。因为时钟C1为高且时钟C2为低，因此晶体管34被启动且晶体管35被禁止。由于晶体管34被启动，以电流镜配置耦合晶体管32和33，该电流镜配置形成流经晶体管33的起源于参考电流29的充电电流36。电流36相对于电流29的值由晶体管32和33之间的有效面积比以及晶体管28和31之间的有效面积比控制。在优选实施方式中，电流36大约6000倍于电流29的值。在充电配置中，电容器15配置成通过开关46接收充电电流36，而电容器16配置成通过开关51接收充电电流36。来自时钟C1的高信号还启动晶体管37，这使电容器15和16的另一端子通过相应的开关47和52连接到返回22。晶体管28和41的电流镜配置形成流经晶体管41的电流43。电流43的值由晶体管28和41的有效面积比确定。在优选实施方式中，电流43大约500倍于电流29。来自时钟C2的低信号禁止晶体管40并启动晶体管39，这使晶体管42的栅极耦合到输入21，从而禁止了晶体管42。因为晶体管42被禁止，所以放电控制电路38不影响电容器15和16的充电。

在时刻T1，时钟60迫使时钟C1为低以及时钟C2为高，以将控制器20控制成工作在例如2.0X乘法器模式下的放电模式或放电配置中。低C1时钟禁止晶体管34，而高C2时钟启动晶体管35，这禁止了晶体管33，从而阻止电路30产生电流36。逻辑67接收低时钟C1和高C2时钟，并将开关46-48和50-52的配置设置到由实线所示的位置，以便将电容器15和16配置成通过输出23向负载12和电容器13提供电荷，从而向负载12提供输出电压。电容器15配置成通过开关46向输出23提供电荷。电容器15通过开关48和50连接到电容器16，而电容器16通过开关52连接到参考电压。低C1时钟还启动输出晶体管58，以将矩阵45的输出53连接到输出23。

高C2时钟禁止晶体管39并启动晶体管40。禁止晶体管39使晶体管42的栅极从输入21去耦，而启动晶体管40允许晶体管41控制晶体管42的栅极电压。如果误差放大器65提供大的误差信号，则源27提供电流29的高值。在电流29的高值处，晶体管28的栅极到源极电压(Vgs)大，这使晶体管41的栅极到源极电压(Vgs)也大。如本领域中公知的，MOS晶体管例如晶体管41的阻抗与晶体管的Vgs的值成反比。因此，晶体管41的高Vgs电压为晶体管41提供低阻抗。低阻抗允许晶体管41使晶体管42的栅极到源极电容快速放电并将晶体管42的栅极拉低，如由时刻T1和T2之间的曲线79所示出的。当晶体管42开始传导时，节点56上的电压被拉到实质上返回22上的电压的值。由于节点56处在返回22的电压处，放电电流44以及提供到输出23的电流的值大约等于在时刻T0和T1之间的充电配置期间提供的电流36。因为晶体管42在大约C2的整个时间间隔被启动，因此耦合到负载12的电荷的量大约等于通过电流36耦合到电容器15和16的电荷的量。

然而，如果负载12所需的电流的量降低，输出23和返回22之间的电压增加且误差信号降低，这降低了电流29的值。在负载12所需的负载电流的较低值处，控制器20将在放电配置期间从电容器15和16耦合到输出23的电荷的量减少到小于在充电配置期间由电流36施加到电容器15和16的电荷的量。这有助于最小化输出23和返回22之间的输出电压中的纹波。在电流29的较低值处，晶体管28的Vgs较小，这迫使晶体管41的Vgs也较小。因为晶体管41的阻抗与Vgs的值成反比，因而与电流29的值的值成反比，所以晶体管41的阻抗增加。晶体管41的阻抗因而电流29的值控制晶体管42的栅极上的电压衰减得多快，因而控制在时钟C2的间隔期间晶体管42开始传导的时刻，控制C2的时间间隔中晶体管42传导的时间间隔量，并控制由晶体管42传导的电流44的值。优选地，晶体管41设计成使得对于电流29的值，因而对于小于第一值的电流36，晶体管41的Vgs不足够大，因而阻抗不小到足以在C2为高的整个时间间隔内完全启动晶体管42。输出电压的第一值和电流29因而电流36的相应的第一值被选择为如果放电电流的值不降低则输出电压将有额外的纹波的值。电流29的第一值通常被选择成不大于电流29的最大值的约10％。如在时刻T2和T3之间所示的，输出电压的值增加，这减少了在充电配置期间电流29的值。在时刻T3，C2变高以禁止晶体管39并启动晶体管40。因为电流29较低，所以晶体管41的Vgs较低且阻抗较高。晶体管41开始给晶体管42的栅极电容放电，并开始将晶体管42的栅极拉向返回22的电压。但晶体管41的较高阻抗增加了给栅极电容放电所需的时间，且晶体管41缓慢地启动晶体管42。晶体管42在晶体管42的Vgs达到最小阈值电压时开始传导并工作在线性模式中，直到Vgs进一步增加。当晶体管42的Vgs在T3和T4之间增加时，电流44的值也缓慢增加，直到它在时刻T4达到在T1和T2之间的充电配置期间为电流36形成的值。在T3和T4之间电流44的较低的平均值减少了耦合到输出23的电荷的量。此外，C2时间间隔中电流44等于电流36的较小部分也减少了电荷的量。因此，从电容器15和16提供到输出23的总电荷小于由电流36存储在电容器15和16上的电荷的量。在时刻T5，时钟C1变高，以将控制器20置于充电配置中。如曲线78所示的，输出电压增加且电流29再次降低，因而充电电流36的值也降低。在时刻T6，时钟C1变低而时钟C2变高，以将电路20置于放电配置中。电流29的较低值再次减小了晶体管41的Vgs和阻抗。较低的阻抗进一步将启动晶体管42所需的时间增加到大于C2的时间间隔的时间。当晶体管42的Vgs在T6和T7之间增加时，电流44的值缓慢增加，但没有达到在充电配置期间在T5和T6之间为电流36形成的值。在时刻T6和T7之间的C2的时间间隔内电流44的较低的平均值将提供给输出23的电荷量减少到小于在时刻T5和T6之间由电流36存储在电容器15和16上的电荷量。晶体管42的有效面积和栅极电容通常较大，而晶体管41的有效面积被选择成小于晶体管42的有效面积，以便晶体管41的阻抗可提供晶体管42的期望控制。

在一个示例性实施方式中，源27响应于FB信号的值而将电流29的值从约10毫安改变到约700毫安(10-700ma)。因此，电流36在此相同的范围内变化。然而，晶体管41被选择成对于大于约20毫安(20ma)的第一值的电流29的值形成大约等于电流29的值的电流44，以及对于电流29的较小值形成小于电流29的值的电流44的平均值。例如，对于在充电时间间隔内大约等于10毫安(10ma)的电流29的平均值，在放电时间间隔(C2)内电流44的平均值大约为1毫安(1ma)，而对于大约等于15毫安(15ma)的电流29，电流44的平均值大约为10毫安(10ma)。如可看到的，对于本例，电流29的20毫安(20ma)的第一值为约700毫安(700ma)的最大值的大约2.8％。

为了促进控制器20的这项功能，输入21连接到电流源27的第一端子。电流源27的第二端子公共地连接到晶体管28的漏极和栅极、晶体管31的栅极以及晶体管41的栅极。晶体管28的源极连接到返回22。晶体管32的源极连接到输入21。晶体管32的栅极公共地连接到晶体管34的源极、晶体管32的漏极和晶体管31的漏极。晶体管31的源极连接到返回22。晶体管34的漏极公共地连接到晶体管35的源极和晶体管33的栅极。晶体管34的栅极公共地连接到晶体管58的栅极、晶体管37的栅极、逻辑67的第一输入和时钟60的输出C1。晶体管35的栅极公共地连接到晶体管39的栅极、晶体管40的栅极、逻辑67的第二输入和时钟60的C2输出。晶体管35的漏极连接到输入21。晶体管33的源极连接到输入21，而漏极连接到矩阵45的输入54。晶体管39的源极公共地连接到输入21和晶体管42的源极。晶体管39的漏极公共地连接到晶体管42的栅极和晶体管40的漏极，晶体管40具有连接到晶体管41的漏极的源极。晶体管42的漏极连接到节点56和矩阵45的输入。晶体管41的源极连接到返回22。晶体管37的源极连接到返回22而漏极连接到节点56。晶体管58的源极连接到矩阵45的输出53而漏极连接到输出23。参考63的输出连接到比较器64的反相输入，比较器64具有连接到输入24的非反相输入。比较器64的输出连接到逻辑67的第三输入。逻辑67的模式控制输出连接到矩阵45的模式控制输入。

图3简要示出在半导体管芯86上形成的半导体器件或集成电路85的实施方式的一部分的放大平面图。控制器20在管芯86上形成。管芯86还可包括在图3中为制图简单而没有示出的其它电路。控制器20和器件或集成电路85通过半导体制造技术在管芯86上形成，这些技术对本领域的技术人员来讲是公知的。

鉴于上述全部内容，显然公开的是一种新颖的器件和方法。连同其它特征包括的是在充电模式期间给泵电容器充电储存第一电荷，并在放电模式期间将所储存的电荷的一部分通过电荷泵控制器的输出耦合到外部负载。

虽然本发明的主题是用特定的优选实施方式来描述的，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是明显的。更具体地，本发明的主题是对特定的N沟道和P沟道MOS晶体管描述的，虽然本方法可直接适用于其它MOS晶体管以及双极、BiCMOS，本发明的主题是对特定的N沟道和P沟道MOS晶体管描述的，虽然本方法可直接适用于其它MOS晶体管以及双极、BiCMOS和其它晶体管结构。此外，为描述清楚而始终使用“连接”这个词，但是，其被规定为与词“耦合”具有相同的含义。相应地，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (17)

1.一种电荷泵控制器，包括：

可配置的泵电容器；

控制电路，其配置成在第一时间间隔内以充电配置耦合所述可配置的泵电容器，以及在第二时间间隔内以放电配置耦合所述可配置的泵电容器；

电流源，其配置成提供参考电流；

充电电路，其配置成形成与所述参考电流成比例的充电电流，并将所述充电电流耦合到所述可配置的泵电容器，以响应于所述第一时间间隔而将第一值的电荷存储在所述可配置的泵电容器上；以及

放电电路，其配置成响应于所述参考电流的第一值而运行在第一状态或第二状态中，所述放电电路配置成响应于所述第一状态而将在所述第二时间间隔期间从所述可配置的泵电容器耦合到负载的电荷限制到所述第一值，以及响应于所述第二状态而将在所述第二时间间隔期间从所述可配置的泵电容器耦合到所述负载的电荷限制到小于所述第一值，所述放电电路包括第一电流镜、第一晶体管和第二晶体管，所述第一电流镜配置成形成与所述参考电流成比例的第一电流，所述第一晶体管耦合成响应于所述第二时间间隔而接收所述第一电流，以及所述第二晶体管将从所述可配置的泵电容器耦合到所述负载的电荷控制成不大于所述第一值。

2.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述第一晶体管控制所述第二晶体管被启动的所述第二时间间隔的一部分。

3.如权利要求2所述的电荷泵控制器，其中所述第二晶体管具有比所述第一晶体管更大的有效面积。

4.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述第一晶体管的控制电极耦合成接收表示所述参考电流的信号，且第一载流电极耦合成控制所述第二晶体管的控制电极，所述第二晶体管包括耦合到所述电荷泵控制器的开关矩阵的第一载流电极以及耦合成接收电源电压的第二载流电极。

5.如权利要求1所述的电荷泵控制器，进一步包括第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管可操作地耦合成在所述第一时间间隔期间禁止所述第二晶体管，而所述第四晶体管配置成在所述第二时间间隔期间将第一晶体管耦合到所述第二晶体管。

6.如权利要求1所述的电荷泵控制器，其中所述参考电流的所述第一值不大于所述参考电流的最大值的10％。

7.一种形成电荷泵控制器的方法，所述方法包括：

配置所述电荷泵控制器以在所述电荷泵控制器的充电配置期间向泵电容器提供第一电荷；

配置参考电路以形成响应于由所述电荷泵控制器形成的输出电压而变化的参考电流；

配置所述电荷泵控制器以在所述电荷泵控制器的放电配置期间从所述泵电容器提供第二电荷到所述电荷泵控制器外部的负载，其中所述第二电荷小于所述第一电荷；以及

配置放电电路以响应于所述输出电压的第一值而形成所述第二电荷，包括耦合第一晶体管以接收所述参考电流并响应于所述参考电流而改变所述第一晶体管的阻抗。

8.如权利要求7所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以在充电配置期间向泵电容器提供第一电荷的所述步骤包括配置所述电荷泵控制器以响应于表示由所述电荷泵控制器形成的输出电压的反馈信号而控制第一值。

9.如权利要求7所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以在充电配置期间向泵电容器提供第一电荷的所述步骤包括配置所述电荷泵控制器以形成用于形成所述第一电荷的参考电流，并响应于所述参考电流的第一值而将所述第二电荷控制成小于所述第一电荷。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括配置所述电荷泵控制器以对于大于所述参考电流的所述第一值的所述参考电流的值，在所述放电配置期间将第三电荷从所述泵电容器提供到所述负载，其中所述第三电荷与所述第一电荷相同。

11.如权利要求7所述的方法，进一步包括耦合第二晶体管以响应于所述第一晶体管的所述阻抗而形成所述第二电荷。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括配置所述放电电路以响应于所述充电配置而禁止所述第二晶体管。

13.如权利要求7所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以从所述泵电容器提供第二电荷的所述步骤包括配置所述电荷泵控制器以在小于所述放电配置的时间间隔的时间间隔内提供所述第二电荷。

14.如权利要求7所述的方法，其中配置所述电荷泵控制器以提供第二电荷的所述步骤包括配置所述电荷泵控制器以响应于由所述电荷泵控制器形成的输出电压的第一值而提供小于所述第一电荷的所述第二电荷。

15.一种电荷泵方法，包括：

在电荷泵控制器的充电配置期间以第一电流值将所述电荷泵控制器的泵电容器充电到第一电荷；

在所述电荷泵控制器的放电配置期间将第二电荷从所述泵电容器耦合到所述电荷泵控制器的负载；

配置放电电路以响应于输出电压的值而形成参考电流；以及

通过响应于所述参考电流而改变第一晶体管的阻抗，从而响应于由所述电荷泵控制器形成的输出电压的第一值而将所述第二电荷控制成小于所述第一电荷。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括响应于所述输出电压小于所述第一值而将所述第二电荷控制成实质上等于所述第一电荷。

17.如权利要求15所述的方法，其中将所述第二电荷控制成小于所述第一电荷的所述步骤包括耦合所述泵电容器以在小于所述放电配置的时间间隔的时间间隔内提供所述第二电荷。

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