CN101567625A - 多阶电荷泵以及产生多阶电荷泵的方法 - Google Patents

Abstract

一种多阶电荷泵，有一电源输入端与一电源输出端。多阶电荷泵包括多个电容器，每一个该电容器分别有一电容值。多个开关器连接在这些电容器、该电源输入端、与该电源输出端之间。一开关控制单元控制这些开关器的导通/断开状态，其中对应所要的一泵阶数(pumping level)，组成一充电阶段电路，以对这些电容器充电，以及组成一输出阶段电路将一电压由电源输出端输出。这些电容器的至少其一被非固定地选择做为一稳压电容器。

Description

多阶电荷泵以及产生多阶电荷泵的方法

技术领域

本发明是有关于一种多阶电荷泵的技术。

背景技术

多阶电荷泵例如是用以将一输入电压改变到另一个电压，其中泵的阶数是多个，可以升电压或是降电压。一般的多阶电荷泵是由多个电容器所组成。传统的多阶电荷泵，其输出端会连接到要驱动的负载。然而，为了有稳定的操作电压，负载会与一固定的电容器并联。此电容器又称为稳压电容器。

图1绘示传统的电荷泵的电路示意图。参阅图1，电荷泵100是以二个电容器102、104与一个稳压电容器106所组成，其中稳压电容器固定与负载单元120并联于输出电压Vo与地电压之间。电容器102、104的电容值以C1与C2表示，稳压电容器106的电容以C3表示。

三个电容的传统电荷泵，例如三个电容器的电容值都相同，C1＝C2＝C3。稳压电容器106是固定接地，其余五个电容器端点连接到集成电路(IC)。此泵可以产生多种电压倍率。图2绘示在图1中传统电荷泵的电容器连接电路，在C1＝C2＝C3的条件下，产生多种电压倍率示意图。电荷泵在操作上是以二个阶段进行。图中虚线的左边电路是充电阶段(charging phase)，右边电路是输出阶段(output phase)。电压倍率例如有四种，产生三倍(3X)、两倍(2X)、一点五倍(1.5X)、零点五倍(0.5X)的倍率，分别可以由图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)的电路产生。

在图2(a)中，传统电荷泵需要有一个固定的电容器做为稳压电容器，因此以电容器106固定做为输出电压(以下也以Vo表示)的稳压电容器。在充电阶段时，输入电压(以下也以Vin表示)对电容器102(C1)、104(C2)充电，使其皆存储Vin的电压。在输出阶段时，改变电容器102、104的连接成为串联，且将Vin接到串联的负压端，另一端连接到电压输出端，此时Vo被升至三倍Vin的电压。在图2(b)中，电容器106仍固定为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对电容器102(C1)充电使其存储Vin的电压，同时将Vin接到电容器104(C2)的负压端。电容器104(C2)的另一端连接到输出端，将Vo升至两倍Vin的电压。在输出阶段时，Vin对电容器104(C2)充电使其存储Vin的电压，同时将Vin接到电容器102(C1)的负压端。电容器102(C1)的另一端连接到输出端，将Vo顶至两倍Vin的电压。在图2(c)中，电容器106(C3)固定为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对串联的电容器102、104充电，使其皆存储0.5Vin的电压。在输出阶段时，将Vin接到电容器102、104并联电路的负压端，并联电路的另一端连接到输出端，将Vo升至1.5Vin的电压。在图2(d)中，电容器106(C3)固定为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对串联的电容器102、104充电使其皆存储0.5Vin的电压。在输出阶段时，将Vin接到电容器102、104并联的正压端，其另一端连接到输出端，将Vo往下推至0.5Vin的电压。此泵产生的电压倍数是固定的，无法依照需求来调整电压倍数。

图3绘示传统的另一种电荷泵的电路示意图。图3与图2不同的是三个电容器102、104、106的电容值C1、C2、C3的比例为a∶b∶c，且假设a≠b≠c。如此的电荷泵也可产生多种倍率的电压。在图3(a)与图3(b)中，其电路与图2(a)、图2(b)相似，可以产生三倍的电压与两倍电压。在图3(c)中，电容器106固定为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对串联的电容器102(C1)、104(C2)充电使电容器102存储[b/(a+b)]×Vin的电压，电容器104(C2)存储[a/(a+b)]×Vin的电压。在输出阶段时，Vo的电压为Vin-[b/(a+b)]×Vin+[a/(a+b)]×Vin＝[2a/(a+b)]×Vin。在图2(d)中，电容器106固定做为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对串联的电容器102(C1)、104(C2)充电，使C1存储[b/(a+b)]×Vin的电压，压电容器104(C2)存储[a/(a+b)]×Vin的电压。在输出阶段时，Vo电压为Vin+[b/(a+b)]×Vin-[a/(a+b)]×Vin＝[2b/(a+b)]×Vin。此泵可依照所需电压倍数来调整电容的比例。

图4绘示传统的另一种电荷泵的电路示意图。参阅图4，此电荷泵100是图1的传统电荷泵的扩充，增加一个电容器108，以产生更多种的电压倍率。四个电容器102、104、106、108的电容值大小相同，即是C1＝C2＝C3＝C4，其中电容器106(C4)固定做为稳压电容器，其一端固定接地。其余七个端点接入IC。此泵可产生之电压倍数例如有四倍(4X)、三倍(3X)、二点五倍(2.5X)、两倍(2X)、一点五倍(1.5X)、一点六六倍(1.66X)、一点三三倍(1.33X)、零点六六倍(0.66X)、零点五倍(0.5X)、零点三三倍(0.33X)等。

图5A～5B绘示图4的电荷泵100的各种倍率的切换电路示意图。在图5A(a)中，电容器106(C4)固定为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对并联的电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)充电使其皆存储Vin的电压。在输出阶段时，将Vin接到电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)串联的负压端，其另一端连接到输出端。此时Vo被升至4Vin的电压。在图5A(b)中，电容器106(C4)固定为Vo的稳压电容。在充电阶段时，Vin对并联的电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)充电，使其皆存储Vin的电压。在输出阶段时，电容器102(C1)、104(C2)先并联后再与电容器108(C3)串联。将Vin接到并联的电容器102(C1)、104(C2)的负压端，另一端则连接到输出端。此时Vo被升至3Vin的电压。图5A(c)中，在充电阶段时，Vin对电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)充电，使电容器108(C3)存储Vin的电压，电容器102(C1)、104(C2)存储0.5Vin的电压。在输出阶段时，电容器102(C1)、104(C2)先并联后再与电容器108(C3)串联，将Vin接到电容器102(C1)、104(C2)并联的负压端，而另一端连接到输出端。此时Vo被升至2.5Vin的电压。在图5A(d)中，在充电阶段时，Vin对电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)充电使其皆存储Vin的电压。在输出阶段时，将Vin接到电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)并联的负压端，其另一端连接到输出端。此时Vo被升2Vin的电压。在图5A(e)中，在充电阶段时，Vin对电容器102(C1)、104(C2)、108(C3)充电，使电容器108(C3)存储Vin的电压，电容器102(C1)、104(C2)存储0.5Vin的电压。在输出阶段时，Vin接到电容器102(C1)、104(C2)并联的正压端，再串接电容器108(C3)的负压端，另一端连接到输出端。此时Vo为1.5Vin的电压。依照电容器电路的连接方式，可以产生其它的电压倍率。图5A(f)、图5B(g)、图5B(h)、图5B(i)、图5B(j)的电路分别产生1.66Vin、1.33Vin、0.66Vin、0.5Vin、0.33Vin等的电压倍率，可为本领域技术人员所了解，不予详细描述。

传统的电荷泵，其都需要一个固定的电容器做为负载的稳压电器。传统的电荷泵使用相同大小之外接电容所产生出的电压组合是固定的，无法针对不同应用电压做最佳倍数改变，因此对于一些应用电压可能会有较差的效率。

发明内容

本发明提供一种多阶电荷泵与产生多阶电荷泵的方法，可配合不同的负载操作电压，产生不同的电压组合，如此也能提升电荷泵的效率以及较广泛的应用。

本发明提供一种多阶电荷泵，有一电源输入端与一电源输出端。多阶电荷泵包括多个电容器，每一个该电容器分别有一电容值。多个开关器连接在这些电容器、该电源输入端、与该电源输出端之间。一开关控制单元控制这些开关器的导通/断开状态，其中对应所要的一泵阶数，组成一充电阶段电路，以对这些电容器充电，以及组成一输出阶段电路将一电压由电源输出端输出。这些电容器的至少其一被非固定地选择做为一稳压电容器。

依照本发明一实施例，在上述的多阶电荷泵中，例如每一个电容器分别的电容值都相同，又或是不全部都相同。

依照本发明一实施例，在上述的多阶电荷泵中，例如其输出阶段电路包括第一电路与第二电路。第一电路由该稳压电容器以外的该些电容器的至少一部分藉由该些开关器连接所组成，在该电源输入端与一接地端之间。第二电路包含该稳压电容器，连接在该电源输出端与该接地端之间。

依照本发明一实施例，在上述的多阶电荷泵中，例如其充电阶段电路包括第一电路与第二电路。第一电路由该稳压电容器以外的该些电容器的至少一部分藉由该些开关器连接所组成，该第一电路有第一连接端与该电源输入端连接以及第二连接端。第二电路包含该稳压电容器，连接在该电源输出端与该接地端之间，其中该电源输出端连接到该第一电路的该第二连接端。

本发明提供一种产生多阶电荷泵的方法，用以将第一电压改变到第二电压。此方法包括提供多个电容器，每一个该电容器分别有一电容值，且提供多个开关器。该些开关器连接到该些电容器，该电源输入端与该电源输出端之间。从该些电容器中非固定地选择至少其一做为一稳压电容器。在第一阶段时控制该些开关器，使对应所要的一泵阶数得到一充电阶段电路，以允许该第一电压对该些电容器充电。在第二阶段时控制该些开关器，使对应所要的该泵阶数得到一输出阶段电路，将该第二电压输出。稳压电容器是在该第二电压与一接地电压之间。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，做详细说明如下。

附图说明

图1绘示传统的电荷泵的电路示意图。

图2绘示在图1中传统电荷泵的电容器连接电路，在C1＝C2＝C3的条件下，产生多种电压倍率示意图。

图3绘示传统的另一种电荷泵的电路示意图。

图4绘示传统的另一种电荷泵的电路示意图。

图5A～5B绘示图4的电荷泵100的各种倍率的切换电路示意图。

图6绘示依据本发明一实施例，多阶电荷泵的电路示意图。

图7A-7B绘示依据本发明的实施例，图6的多阶电荷泵的多种组合示意图。

图8绘示依据本发明另一实施例，多阶电荷泵的电路示意图。

图9绘示依据本发明的实施例，图8的多阶电荷泵的多种组合示意图。

图10绘示依据本发明另一实施例，多阶电荷泵的电路示意图。

图11绘示依据本发明一实施例，图10的多阶电荷泵的电路示意图。

主要组件符号说明

100：电荷泵

102～108：电容器

120：负载单元

200、300：多阶电荷泵

202～208：电容器

302～306：电容器

308：开关器

310：开关控制单元

400：负载单元

具体实施方式

本发明的多阶电荷泵，藉由内部开关单元的控制，无需固定其中一个电容器做为输出稳压电容器。其至少除了可以产生更多的电压倍率以外，其电压倍率可随时调整，不需固定在一种倍率的操作。换句话说，藉由开关的切换的方式连接出多种电路，以产生不同的电压准位，增加了更多不同的电容泵组合。又，本发明的多阶电荷泵无须固定的稳压电容器，因此电容器可以更有效的利用，以不同输出电压的需求去选择不同的电压倍率。

以下举一些实施例做为本发明的说明，但是本发明不限制在所举实施例。

图6绘示依据本发明一实施例，多阶电荷泵的电路示意图。参阅图6，本实施例以三个电容器为例来说明。多阶电荷泵200包含三个电容器202、204、206，分别有电容值C1、C2、C3。多阶电荷泵的较详细电路也绘示于图11。多阶电荷泵200的多个电容器，没有固定何者是稳压电容器，因此三个电容器202、204、206都可以做所需要的组合，其中从电容器中依需要选择出至少一个电容来当作稳压电容器。

图7A-7B绘示依据本发明的实施例，图6的多阶电荷泵的多种组合示意图。参阅图7A与图7B，由于本发明无须固定使用一个电容器做为稳压电容器，因此会有更多种组合。在此，三个电容器202(C1)、204(C2)、206(C3)的电容值大小比例为C1∶C2∶C3＝a∶b∶c，其中a、b、c可以相等或是不全部相等，例如a≠b≠c。在图7A与图7B所产生的电压倍率例如有(a)到(h)的8种，分别为三倍、两倍，[2a/(a+b)]倍，[2b/(a+b)]倍，[2c/(b+c)]倍，[2b/(b+c)]倍，[2a/(c+a)]倍，[2c/(c+a)]倍。

在图7A(a)中，例如以电容器206(C3)做为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对电容器202(C1)、204(C2)充电使其皆存储Vin的电压。在输出阶段时，将Vin接到电容器202(C1)、204(C2)串联电路的负端，串联电路的另一端连接到输出端。此时Vo被升至3Vin的电压。在图7A(b)中，例如以电容器206(C3)做为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对电容器202(C1)充电使其存储Vin的电压。同时将Vin接到电容器204(C2)的负压端，电容器204(C2)的另一端连接到输出端。将Vo升至两倍Vin电压。在输出阶段时，Vin对电容器204(C2)充电使其存储Vin的电压。同时将Vin接到的电容器202(C1)负压端，电容器202(C1)的另一端连接到输出端，将Vo升至2Vin电压。在图7A(c)中，仍例如选取电容器206(C3)做为Vo的稳压电容器。在充电阶段时，Vin对串联的电容器202(C1)、204(C2)充电，使电容器202(C1)存储[b/(a+b)]×Vin的电压，电容器204(C2)存储[a/(a+b)]×Vin的电压。在输出阶段时，Vo电压为[2a/(a+b)]×Vin的电压。在图7A(d)中，输出端也可以得到[2b/(a+b)]×Vin的电压。同理选取不同电容器做为稳压，在图7B(e)到图7B(h)的方式可以得到多种泵电压倍率，例如[2c/(b+c)]倍，[2b/(b+c)]倍，[2a/(c+a)]倍，[2c/(c+a)]倍。因为稳压电容器不固定为电容器206，所以可以产生更多种电压倍数。又，如果三个电容器的电容值大小不相同，则使电压倍数更有变化。

图8绘示依据本发明另一实施例，多阶电荷泵的电路示意图。参阅图8，本实施例是以四个电容器为例来组成多阶电荷泵。四个电容器202(C1)、204(C2)、206(C3)、208(C4)的电容值大小比例为C1∶C2∶C3∶C4＝a∶b∶c∶d，其中a、b、c、d可以相等或是不全部相等，一般例如是a≠b≠c≠d。此多阶电荷泵可产生多种电压倍数，例如四倍、三倍、两倍、[2+2a/(a+b)]倍、[2ab/(ac+bc+ab)]倍、[(2ab+2ac)/(ac+bc+ab)]倍...等的电压倍数。

图9绘示依据本发明的实施例，图8的多阶电荷泵的多种组合示意图。在此需要先说明的情形是，如果选取至少一个电容器来串联，例如以二个电容器串联当作稳压电容器，则其与图6的三个电容器是类似的机制。然而以下实施例，例如不固定地选取其中一个电容器为例做为稳压电容器来描述，其中例如是选择电容器208(C4)做为稳压电容器。参阅图9A(a)、图9A(b)、图9A(c)，其分别可以产生4倍、3倍与2倍的电压倍数。另外，多阶电荷泵还有其它多种的组合，例如图9A(d)、图9A(e)、图9A(f)也可以产生[2+2a/(a+b)]倍、[2ab/(ac+bc+ab)]倍、[(2ab+2ac)/(ac+bc+ab)]倍的电压倍数。

例如在图9A(d)中，选取208(C4)为稳压电容器。在充电阶段时，Vin对电容器202(C1)、204(C2)、206(C3)充电，使电容器202(C1)存储[b/(a+b)]×Vin的电压，电容器204(C2)存储[a/(a+b)]×Vin的电压。电容器206(C3)存储Vin电压。在输出阶段时，Vin接到电容器204(C2)与206(C3)串联的电路的负压端，再串接电容器202(C1)的正压端，串联电路的另一端连接到输出端。此时Vo为[2+2a/(a+b)]×Vin的电压。但经由选取不同电容器做为稳压电容器，则可得到更多种不同电压倍数。

在图9(e)中，依照电路的安排，Vo是[2ab/(ac+bc+ab)]×Vin。在图9(f)中，依照另一种电路的安排，Vo是[(2ab+2ac)/(ac+bc+ab)]×Vin。若改变电容器的顺序，则对对应可产生更多种电压倍数。

图10绘示依据本发明另一实施例，多阶电荷泵的电路示意图。参阅图10，根据上述本发明的设计方式，多阶电荷泵300可以是有多个电容器302、304....306，分别有电容值C1、C2、......Cn。藉由不固定地选取这些电容器302、304....306之至少其一做为稳压电器，则可以达到所要泵的电压倍数。

图11绘示依据本发明一实施例，图10的多阶电荷泵的电路示意图。参阅图11，多阶电荷泵300包括多个电容器302、304...306，分别有电容值C1、C2...Cn。电源输入端与电源输出端依电路的安排来选取，其中电源输出端例如是Vout，与一负载400连接。电源输入端例如可以选择电容器的一端，与输入电压Vin连接。多个开关器308连接在这些电容器、电源输入端、电源输出端之间。开关控制单元310控制这些开关器308的导通/断开状态。对应所要的一泵阶数，可以组成一充电阶段电路，以将电容器充电，以及组成一输出阶段电路将改变倍率后的一电压经由电源输出端Vout输出。这些电容器302、304...306的至少其一被非固定地选择做为一稳压电容器。

本发明的多阶电荷泵的电容器可以藉由开关控制单元310控制这些开关器308选择至少一个电容器做为一稳压电容器，以对应电压泵阶数分别构成充电阶段电路与输出阶段电路。本发明的多阶电荷泵因此有较多的电压倍数，因应驱动负载400所需要的电压。

本发明就方法而言，也提供一种产生多阶电荷泵的方法，用以将第一电压改变到第二电压。此方法包括提供多个电容器，每一个该电容器分别有一电容值，且提供多个开关器。该些开关器连接到该些电容器，该电源输入端与该电源输出端之间。从该些电容器中非固定地选择至少其一做为一稳压电容器。在第一阶段时控制该些开关器，使对应所要的一泵阶数得到一充电阶段电路，以允许该第一电压对该些电容器充电。在第二阶段时控制该些开关器，使对应所要的该泵阶数得到一输出阶段电路，将该第二电压输出。稳压电容器是在该第二电压与一接地电压之间。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。

Claims (14)

1.一种多阶电荷泵，有一电源输入端与一电源输出端，包括：

多个电容器，每一个该电容器分别有一电容值；

多个开关器，连接在该些电容器、该电源输入端、与该电源输出端之间；以及

一开关控制单元，控制该些开关器的导通/断开状态，

其中对应所要的一泵阶数得到一充电阶段电路，以对这些电容器充电，以及得到一输出阶段电路将一电压由该电源输出端输出，其中该些电容器的至少其一被非固定地选择做为一稳压电容器。

2.如权利要求1所述的多阶电荷泵，其中每一个该电容器分别的该电容值都相同。

3.如权利要求1所述的多阶电荷泵，其中该些电容器的该些电容值不全部都相同。

4.如权利要求1所述的多阶电荷泵，其中该些电容器的数量是至少三个。

5.如权利要求1所述的多阶电荷泵，其中该输出阶段电路包括：

第一电路，由该稳压电容器以外的该些电容器的至少一部分藉由该些开关器连接所组成，在该电源输入端与一接地端之间；以及

第二电路，包含该稳压电容器，连接在该电源输出端与该接地端之间。

6.如权利要求1所述的多阶电荷泵，其中该充电阶段电路包括：

第一电路，由该稳压电容器以外的该些电容器的至少一部分藉由该些开关器连接所组成，该第一电路有第一连接端与该电源输入端连接以及第二连接端；以及

第二电路，包含该稳压电容器，连接在该电源输出端与该接地端之间，其中该电源输出端连接到该第一电路的该第二连接端。

7.如权利要求1所述的多阶电荷泵，其中该电源输出端是藉由该些开关器与该稳压电容器连接，且与一外部负载电路连接。

8.一种产生多阶电荷泵的方法，用以将第一电压改变到第二电压，该方法包括：

提供多个电容器，每一个该电容器分别有一电容值；

提供多个开关器；

连接该些开关器到该些电容器，该电源输入端与该电源输出端之间；

从该些电容器中非固定地选择至少其一，做为一稳压电容器；

在第一阶段控制该些开关器，使对应所要的一泵阶数得到一充电阶段电路，以允许该第一电压对该些电容器充电；

在第二阶段控制该些开关器，使对应所要的该泵阶数得到一输出阶段电路，将该第二电压输出，其中该稳压电容器是在该第二电压与一接地电压之间。

9.如权利要求8所述的产生多阶电荷泵的方法，其中提供该些电容器的该步骤中，每一个该电容器分别的该电容值都相同。

10.如权利要求8所述的产生多阶电荷泵的方法，其中提供该些电容器的该步骤中，该些电容器的该些电容值不全部都相同。

11.如权利要求8所述的产生多阶电荷泵的方法，其中提供该些电容器的该步骤中，该些电容器的数量是至少三个。

12.如权利要求8所述的产生多阶电荷泵的方法，其中得到该输出阶段电路的方法包括：

将该稳压电容器以外的该些电容器的至少一部分藉由该些开关器连接成第一电路，且连接在该电源输入端与一接地端之间；以及

将该稳压电容器连接在该电源输出端与该接地端之间，构成第二电路。

13.如权利要求8所述的产生多阶电荷泵的方法，其中得到该充电阶段电路的方法包括：

将该稳压电容器以外的该些电容器的至少一部分藉由该些开关器连接成第一电路，该第一电路有第一连接端与该电源输入端连接以及第二连接端；以及

将该稳压电容器连接在该电源输出端与该接地端之间，构成第二电路。

14.如权利要求8所述的产生多阶电荷泵的方法，还包括将该电源输出端藉由该些开关器与该稳压电容器连接，且连接一外部负载电路。

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