CN101741242B - 电荷泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电荷泵及其工作方法，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、开关单元；通过对电荷转移电容充电，并将充电完毕的电荷转移电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电荷转移电容充电时，并未将电荷转移电容充满，只是将电荷转移电容充到设定的电压后停止充电。本发明可增加电荷泵电路的转换效率。

Description

电荷泵及其工作方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种电荷泵，尤其涉及一种高效的电荷泵电路；同时，本发明还涉及上述电荷泵的工作方法。

背景技术

电荷泵为设计者提供一种方式，以基于单一供应电压而提供不同电压，一般可涉及提供两倍于输入电压的电压。电荷泵经常用于存储电路中，特别是需要多个电压以适当读取和写入的闪存或相变存储器中。

如图1所示，图1为一个现有的产生高压Vout的电荷泵电路，主要通过设定参考电压Vref的大小，来控制Vout的电压大小。该电荷泵电路由时钟发生器10、可变电阻Rin、电荷转移电路12、分压电阻R1和R2、电压放大器13和参考电压产生电路14组成，其中Vin为电荷泵电路的输入电压，CLK1与CLK2为时钟发生器模块产生的两相非交叠时钟。

当输出电压Vout经分压电阻R1，R2分压后得到Vn与参考电压Vref相比，通过放大器13放大电压Vn与参考电压Vref的差值，等到电压VE，控制可变电阻Rin，从而调节输入到电荷转移电路12中的输入电流，得到需要的输出电压Vout，Vout＝Vref×(R1+R2)/R2，其中可变电阻Rin可以由MOS管，双极型晶体管等器件实现。

图2为电荷转移电路12的结构示意图，其中Cf是电荷转移电容，可变电阻Rin跨接在VCC与Vin之间，VCC为电荷转移电路12的电压输入端。S1、S2、S3、S4为开关，可以是MOS管，双极型晶体管或是由其他器件或电路构成。S1与S3由CLK1信号控制，当CLK1为高电平时S1与S3导通，否则关闭；S2与S4由CLK2信号控制，当CLK2为高电平时S2与S4导通，否则关闭。

CLK1＝“1”，CLK2＝“0”时S1与S 3导通，S2与S4断开，将Cf上的电压充至VCC，而后CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，开关S2与S4导通，S1与S3断开，由于电容Cf两端的电压不能跳变，所以VOUT理论上被提升为Vin+Vcc，Cf上的电荷转移到电容Cout上，此过程为电荷转移电路的一个工作周期。

但此种电荷泵电路存在转换效率较低的问题，尤其是在电荷泵输出端Vout负载电流较小的情况下。因为从Vin端流入电荷转移电路的电流将会经过可变电阻Rin，造成不必要的能量消耗，并且电荷泵输出端Vout负载电流较小的情况下，可变电阻Rin由于受到VE的控制，为降低流入电荷转移电路的电流，可变电阻Rin阻值增大，电荷泵电路的转移效率将大幅度的下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电荷泵，可增加电荷泵电路的转换效率。

另外，本发明还提供上述电荷泵的工作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电荷泵，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；所述参考电压发生电路输出端参考电压值为电荷泵电路预期输出的电压值Vo与输入电源电压Vin的差值Vo-Vin；所述时钟发生器产生第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制信号；所述参考电压发生电路产生的参考电压信号输入至电压比较器的一个输入端，电荷转移电容上极板的电压信号输入至电压比较器的另一输入端；第一开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接输入电源；第二开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接电荷泵输出端；第三开关的一端接电荷转移电容下极板，另一端接地；第四开关的一端接电荷转移电容下极板，另一端接输入电源；稳压电容的一端接电荷泵输出端，另一端接地。

作为本发明的一种优选方案，所述的参考电压发生电路，包括带隙基准电路、电阻、运算放大器；时钟发生器生成两相非交叠时钟信号，控制第二开关、第三开关、第四开关；当第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；当第三开关关断时，第二开关、第四开关导通；电压比较器的输出信号控制第一开关，当电荷转移电容上极板电压高于参考电压时，第一开关关闭；当电荷转移电容上极板电压低于参考电压时，第一开关导通。

作为本发明的一种优选方案，所述电荷泵进一步包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、电源选择电路；第一电平转换电路、第二电平转换电路接入电源选择电路的输出；电源选择电路比较电荷泵的输入电源电压Vin、输出电压Vout，输出其中的较高值电压VH，VH＝MAX{Vin，Vout}；所述第一电平转换电路的一端连接电压比较器的输出端，另一端连接第一开关；所述第一电平转换电路、第二电平转换电路用以将输入端Vin端输入的数字信号“1”的高电平电位从Vin提升至VH。

一种应用上述电荷泵的工作方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，时钟发生器生成的两相非交叠时钟信号，控制第三开关导通，第二开关、第四开关关断，此时电荷转移电容下极板被拉至地；若此时电荷转移电容上极板电压低于参考电压Vo-Vin，则电压比较器的输出信号将第一开关导通，对电荷转移电容充电；如果电荷转移电容上极板电压高于参考电压Vo-Vin，则电压比较器的输出信号将第一开关关断，停止对电荷转移电容充电；

步骤二，时钟发生器生成的两相非交叠时钟信号，控制第三开关关断，第二开关、第四开关导通，此时第一开关关断，将电荷转移电容下极板提升至电源输入电压Vin，电荷转移电容上极板通过第四开关接至电荷泵输出端，电荷从电荷转移电容转移至电荷泵输出端。

步骤三，以此类推，重复上述过程，电荷泵输出电压将稳点在预期值Vo。

一种电荷泵，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、开关单元；通过对电荷转移电容充电，并将充电完毕的电荷转移电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电荷转移电容充电时，并未将电荷转移电容充满，只是将电荷转移电容充到设定的电压后停止充电。

作为本发明的一种优选方案，对电荷转移电容充电，当电荷转移电容上级板电压达到Vo-Vin后，停止对电荷转移电容充电；其中，Vo为预期输出的电压值，Vin为输入电源电压。

一种应用上述电荷泵的工作方法，该方法包括如下步骤：

步骤A，电荷转移电容下极板与地接通，对电荷转移电容充电，当电荷转移电容上级板电压达到Vo-Vin后，停止对电荷转移电容充电；

步骤B，将电荷转移电容下极板电压提升至Vin，由于电容两端电压不能跳变，所以上级板电压变为Vo，将上级板与电荷泵电路输出端接通，电荷将从电荷转移电容的上级板，转移至电荷泵电路输出端；

步骤C，多次重复上述过程后，电荷泵电路的输出电压将稳定在设计预期值Vo。

本发明的有益效果在于：本发明提出的电荷泵及其工作方法，通过对电容充电，并将充电完毕的电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电容器充电时，并未将电容器充满，只是将电容器充到特定的电压后停止充电。本发明可增加电荷泵电路的转换效率。

附图说明

图1为现有的电荷泵电路图；

图2为现有电荷泵电路中的电荷转移电路的电路图；

图3为本发明中的电荷泵电路的一个实施例；

图4为Vo-Vin电压发生电路的电路图；

图5为本发明电荷泵的另一个实施例；

图6为电平转换电路的电路图；

图7为电荷转移电路的工作波形图；

图8为电源选择电路的工作波形图；

图9为本发明的又一个实施例。

图中GND表示低电平、地、零电位、逻辑“0”。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图3，本发明揭示了一种电荷泵，所述电荷泵包括参考电压发生电路32、电压比较器33、时钟发生器31、电荷转移电容Cf、稳压电容Cout、开关器件34、35、36、M1；通过对电荷转移电容Cf充电，并将充电完毕的电荷转移电容Cf上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电荷转移电容Cf充电时，并未将电荷转移电容Cf充满，只是将电荷转移电容Cf充到设定的电压后停止充电。

本实施例中，对电荷转移电容充电，当电荷转移电容上级板电压达到Vo-Vin后，停止对电荷转移电容充电；其中，Vo为预期输出的电压值，Vin为输入电源电压。

电荷泵各模块的组成如图3所示，时钟发生器31产生两相非交叠时钟信号CLK1，CLK2，该模块有多种实现方式，本技术领域人员应理解。

Vo-Vin电压发生电路32产生参考电压Vo-Vin，其中Vo是电荷泵电路输出端Vout设置输出的电压值。

电压比较器33比较电荷转移电容Cf上极板CFP电压与Vo-Vin，当CFP的电压值高于Vo-Vin时，比较器33输出端M1C输出高电平，反之，CFP的电压值低于Vo-Vin时，比较器33输出端M1C输出低电平，其中比较器33可使用有迟滞效果的电压比较器增加电路的稳定性。

开关器件34、35、36可由MOS管、双极型晶体管等器件实现。其中开关34在CLK1信号为“1”时导通，CLK1信号为“0”时断开。开关35、36在CLK2信号为“1”时导通，CLK1信号为“0”时断开。稳压电容Cout跨接在电荷泵电路输出端与地之间。M1为PMOS管，也可以是双极型晶体管的其他器件。

该电荷泵电路的具体工作模式如下：

步骤一，CLK1＝“1”，CLK2＝“0”，开关34导通，开关35，36断开，电容Cf下极板CFN接地，如果电容Cf上极板CFP电压低于Vo-Vi n则，M1C输出低电平，则PMOS管M1导通，开始对电容Cf充电，电容Cf上极板CFP电压逐渐升高，当CFP电压高于Vo-Vin后，M1C变成高电平，将PMOS管M1关断，停止对电容Cf充电，电容Cf两端电压差将保持在Vo-Vin。

步骤二，CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，开关34断开，开关35，36导通，电容Cf下极板CFN电压被提升至Vin，由于电容Cf两端电压不能跳变，所以Cf上极板CFP电压被提升至Vo，M1继续保持关闭，如果此时Vout电压低于Vo，则电荷从电容Cf转移至Cout。

步骤三，多次重复上述过程后，电荷泵输出端Vout电压将稳定在Vo。

图1中的现有技术，使用可变电阻Rin来控制流入Cf的电流，从而将电荷泵的输出电压Vout稳定在Vref×(R1+R2)/R2，由于输入电流流过电阻Rin产生热量，降低了电荷泵的工作效率，本发明通过限定每次对电容Cf充电时，只将电容Cf两端电压充至Vo-Vin，将电荷泵输出电压稳定在Vo，从而提升了电荷泵电路的工作效率。

图4为Vo-Vin电压发生电路，其中Vref为参考电压，可由带隙基准电路41产生，本技术领域人员均可理解。该电路通过运算放大器42，43，电阻R1～R6组成，并且设定R1/R2＝R4/R3＝R5/R6＝Vo/Vref，就可获得电压Vo-Vin。实际上可由多种方式产生电压Vo-Vin，这里只是举例说明。

实施例二

图5为本发明电荷泵的另一实例，对图3的实施方式进一步优化。本实施例中电荷泵由时钟发生器51、Vo-Vin电压发生电路52、电压比较器53、电源选择电路54、电平转换电路55，56、反相器57、PMOS管M1、M2、M4、NMOS管M3、电荷转移电容Cf、稳压电容Cout构成。

时钟发生器51产生两相非交叠时钟信号CLK1，CLK2，该模块有多种实现方式，本技术领域人员应理解。

Vo-Vin电压发生电路52产生参考电压Vo-Vin，其中Vo是电荷泵电路输出端Vout设置输出的电压值。

电压比较器53比较电荷转移电容Cf上极板CFP电压与Vo-Vin，当CFP的电压值高于Vo-Vin时，比较器53输出端M1C输出高电平，反之，CFP的电压值低于Vo-Vin时，比较器53输出端M1C输出低电平，其中比较器53可使用有迟滞效果的电压比较器增加电路的稳定性。

电源选择电路54比较Vin与Vout电压值的大小，输出端VH输出两者中的高值电压，图8为该电路的工作波形图，VH＝MAX{Vin，Vout}。其内部结构可由多种方式实现，本技术领域人员均应理解。

电平转移电路55、56内部结构如图6所示，其中M51、M52为NMOS管，M53、M54为PMOS管，61为反相器。该电路作用是将由Vin端输入的数字信号“1”的高电平电位从Vin提升至VH，图7为电平转移电路的工作波形图。

图5中，MOS管M1、M2、M4为PMOS管，其中MOS管M1的体端接在VH上，MOS管M2的体端接在Vout上，MOS管M4的体端接在Vin上；MOS管M3为NMOS管。

Cf为电荷转移电容，Cout为稳压电容跨接在电荷泵电路输出端与地之间。

该电路的具体工作方式如下：

步骤一，CLK1＝“1”，CLK2＝“0”，M4关断，此时CLK2信号经过反相器57，电平转换电路56，至CLK2_H，输出高电平“VH”，将M2关断。M3导通，电容Cf下极板CFN接地，如果电容Cf上极板CFP电压低于Vo-Vin则，M1C输出低电平，电平转移电路55输出端M1G也为低电平，M1导通，开始对电容Cf充电，电容Cf上极板CFP电压逐渐升高，当CFP电压高于Vo-Vin后，M1C变成高电平Vin，经过电平转换电路55提升后，M1G输出高电平VH，将PMOS管M1关断，停止对电容Cf充电，电容Cf两端电压差将保持在Vo-Vin。

步骤二，CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，M3关断，M4导通，此时CLK2_H输出低电平，M2导通，电容Cf下极板CFN电压被提升至Vin，由于电容Cf两端电压不能跳变，所以Cf上极板CFP电压被提升至Vo，M1继续保持关闭，如果此时Vout电压低于Vo，则电荷从电容Cf转移至Cout。

多次重复上述过程后，电荷泵输出端Vout电压将稳定在Vo。

M1的体端接至VH电位，M2的体端接至Vout，以及M1，M2栅端控制信号M1G，CLK2_H为逻辑“1”时被提升至VH电位，是为确保M1，M2完全关断，保证电路的稳定性，其中M2的体端也可以接至VH电位，起到相同作用。

实施例三

图9为本发明的另一实例，对图5的实施方式进一步优化。该实例由时钟发生器91，Vo-Vin电压发生电路92，电压比较器93，电源选择电路94，电平转换电路95，96，反相器97，两输入与非门98，PMOS管M1，M2，M4，NMOS管M3，电荷转移电容Cf，稳压电容Cout构成。

该电路的具体工作方式如下：

步骤一，CLK1＝“1”，CLK2＝“0”，M4关断，此时CLK2信号经过反相器97，电平转换电路96，至CLK2_H，输出高电平“VH”，将M2关断。M3导通，电容Cf下极板CFN接地，如果电容Cf上极板CFP电压低于Vo-Vin，则M1C输出高电平Vin，电平转移电路95输出端M1G为低电平，M1导通，开始对电容Cf充电，电容Cf上极板CFP电压逐渐升高，当CFP电压高于Vo-Vin后，M1C变成低电平，经两输入与非门98，电平转移电路95后，M1G输出高电平VH，将PMOS管M1关断，停止对电容Cf充电，电容Cf两端电压差将保持在Vo-Vin。

步骤二，CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，M3关断，M4导通，此时CLK2_H输出低电平，M2导通，电容Cf下极板CFN电压被提升至Vin，由于电容Cf两端电压不能跳变，所以Cf上极板CFP电压被提升至Vo，M1始终关断，如果此时Vout电压低于Vo，则电荷从电容Cf转移至Cout。

多次重复上述过程后，电荷泵输出端Vout电压将稳定在Vo。

相比于图5中的实例，加入两输入与非门98，是为保证在CLK1＝“0”的状态下M1始终关断，提高电路可靠性。

综上所述，本发明提出的电荷泵及其工作方法，通过对电容充电，并将充电完毕的电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电容器充电时，并未将电容器充满，只是将电容器充到特定的电压后停止充电。本发明可增加电荷泵电路的转换效率。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种电荷泵，其特征在于，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；

所述参考电压发生电路输出端参考电压值为电荷泵电路预期输出的电压值Vo与输入电源电压Vin的差值Vo-Vin；

所述时钟发生器产生第二开关、第三开关、第四开关的控制信号；

所述参考电压发生电路产生的参考电压信号输入至电压比较器的一个输入端，电荷转移电容上极板的电压信号输入至电压比较器的另一输入端；

第一开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接输入电源；第二开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接电荷泵输出端；第三开关的一端接电荷转移电容下极板，另一端接地；第四开关的一端接电荷转移电容下极板，另一端接输入电源；稳压电容的一端接电荷泵输出端，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述的参考电压发生电路，包括带隙基准电路、电阻、运算放大器；时钟发生器生成两相非交叠时钟信号，控制第二开关、第三开关、第四开关；当第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；当第三开关关断时，第二开关、第四开关导通；

电压比较器的输出信号控制第一开关，当电荷转移电容上极板电压高于参考电压时，第一开关关闭；当电荷转移电容上极板电压低于参考电压时，第一开关导通。

3.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述电荷泵进一步包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、电源选择电路；第一电平转换电路、第二电平转换电路接入电源选择电路的输出；

电源选择电路比较电荷泵的输入电源电压Vin、输出电压Vout，输出其中的较高值电压VH，VH＝MAX{Vin，Vout}；

所述第一电平转换电路的一端连接电压比较器的输出端，另一端连接第一开关；

所述第一电平转换电路、第二电平转换电路用以将输入端Vin端输入的数字信号“1”的高电平电位从Vin提升至VH。

4.一种应用权利要求1至3之一所述电荷泵的工作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，时钟发生器生成的两相非交叠时钟信号，控制第三开关导通，第二开关、第四开关关断，此时电荷转移电容下极板被拉至地；若此时电荷转移电容上极板电压低于参考电压Vo-Vin，则电压比较器的输出信号将第一开关导通，对电荷转移电容充电；如果电荷转移电容上极板电压高于参考电压Vo-Vin，则电压比较器的输出信号将第一开关关断，停止对电荷转移电容充电；

步骤二，时钟发生器生成的两相非交叠时钟信号，控制第三开关关断，第二开关、第四开关导通，此时第一开关关断，将电荷转移电容下极板提升至电源输入电压Vin，电荷转移电容上极板通过第四开关接至电荷泵输出端，电荷从电荷转移电容转移至电荷泵输出端。

步骤三，以此类推，重复上述过程，电荷泵输出电压将稳定在预期值Vo。

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