CN101765963B - 电荷泵电路的操作控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了电荷泵电路的操作控制方法，其用于将输入电压升压到在输入电压和输入电压的两倍之间的范围中的期望量值，并输出已升压的电压。该方法包括步骤：(a)在充电时段期间，通过根据期望的电压量值选择性地闭合一个或多个第一开关，闭合第三开关，并选择性地闭合第四开关之一或第二开关，来以输入电压对串联连接的一个或多个电容器充电；和(b)在放电时段期间，断开已被闭合的第三开关和第二开关或第四开关；选择性地闭合一个或多个第一开关；和闭合一个或多个第四和第五开关。

Description

电荷泵电路的操作控制方法
技术领域
本发明涉及输出电压可变的电荷泵电路的操作控制方法，并且特别地涉及能够输出具有在输入电压和输入电压的两倍之间的范围中的量值的电压的电荷泵电路的操作控制方法。
背景技术
图11是示出了现有电荷泵电路(例如，参见专利文档1)的示例的电路图。
图11的电荷泵电路通过提供足够数量的快速电容器(flying c印acitor)C1-Cn(n是大于1的整数)，能够输出具有升高到输入电压Vin的(1+1/n)倍的量值的电压作为输出电压Vout。例如，如果n＝3，则电荷泵电路输出具有通过三个快速电容器C1-C3升高到输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout。也就是说，取决于快速电容器的数量，可以提供具有在输入电压Vin和输入电压Vin的两倍之间的范围中的量值的电压作为输出电压Vout。
专利文档1：日本专利公开No.3911188
然而，现有电荷泵电路留下了这样的问题：在提供n个快速电容器的情况下，对于输出电压Vout来说，仅可以获得等于输入电压Vin的(1+1/n)倍的一个电压量值。
发明内容
考虑到现有问题，本发明旨在提供电荷泵电路的操作控制方法，用于产生其量值在输入电压Vin和输入电压Vin的两倍的范围中可变的输出电压Vout。
根据本发明的一个方面，提供了输出电压可变的电荷泵电路的操作控制方法，其用于将输入到电荷泵电路的输入端子的输入电压升压到在输入电压和输入电压的两倍之间的范围中的期望电压量值，并从电荷泵电路的输出端子输出已升压的电压作为输出电压。电荷泵电路包括多个快速电容器；一个或多个第一开关元件，其每个被配置为串联连接快速电容器中的两个以形成包括快速电容器和一个或多个第一开关元件的串联电路；第二开关元件，被配置为将串联电路的一端连接到输入端子；第三开关元件，被配置为将串联电路的另一端连接到地；多个第四开关元件，其每个对应于快速电容器中不同的一个，并被配置为将对应的快速电容器的低电压端连接到输入端子；和多个第五开关元件，其每个对应于快速电容器中不同的一个，并被配置为将对应的快速电容器的高电压端连接到输出端子。该操作控制方法包括步骤：(a)在用于对一个或多个快速电容器充电的充电时段期间，通过根据期望的电压量值选择性地闭合一个或多个第一开关元件，闭合第三开关元件，和选择性地闭合第四开关元件之一或第二开关元件，来以输入电压对串联连接的一个或多个快速电容器充电；和(b)在用于将在一个或多个快速电容器中累积的电荷放电的放电时段期间，通过以下列方式将一个或多个已充电快速电容器的所选的一个或多个低电压端连接到输入端子，并将一个或多个已充电快速电容器的所选的一个或多个高电压端连接到输出端子，而从输出端子输出具有期望的电压幅度的输出电压：断开已经在充电时段期间闭合的第三开关元件，并且断开在充电时段期间闭合的第四开关元件之一或第二开关元件；控制一个或多个第一开关元件的闭合/断开状态；和闭合一个或多个第四开关元件和一个或多个第五开关元件。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施例的电荷泵电路的示例；
图2A到图2C示出了在产生具有等于输入电压Vin的量值的电压并输出产生的电压作为输出电压Vout的情况下每一个开关元件的ON/OFF模式；
图3A到图3C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例；
图4A到图4C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/2)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例；
图5A到图5C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+2/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例；
图6A到图6C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的2倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例；
图7A到图7C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的2倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的另一示例；
图8A到图8C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的另一示例；
图9A到图9C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/2)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的另一示例；
图10A到图10C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的2倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的另一示例；以及
图11是示出了现有电荷泵电路的示例的电路图。
具体实施方式
接着参照图中所图示的实施例详细描述本发明。
第一实施例
图1示出了根据本发明的第一实施例的电荷泵的示例。
图1的电荷泵电路1输出具有在输入到其输入端子IN的输入电压Vin和输入电压Vin的两倍的范围中的期望量值的电压作为来自其输出端子OUT的输出电压Vout。从直流电源10(如，电池或恒压电路)输入输入电压Vin。
电荷泵电路1包括：n个快速电容器C1-Cn(n是大于1的整数)，其每一个具有相同的电容；输出电容器Co，被配置为稳定输出电压Vout；第一开关元件S1(1到n-1)；第二开关元件S2；第三开关元件S3；第四开关元件S4(1到n)；第五开关元件S5(1到n)；以及控制电路2，被配置为执行第一开关元件S1(1到n-1)、第二开关元件S2、第三开关元件S3、第四开关元件S4(1到n)和第五开关元件S5(1到n)的开关控制。
注意，第一开关元件S1(1到n-1)中的每一个均单独地是第一开关元件。第二开关元件S2和第三开关元件S3分别是第二开关元件和第三开关元件。第四开关元件S4(1到n)中的每一个均单独地是第四开关元件。第五开关元件S5(1到n)中的每一个均单独地是第五开关元件。
在输入端子IN与地之间，第二开关元件S2、串联电路和第三开关元件S3彼此串联连接。在串联电路中，交替地排列快速电容器C1-Cn和第一开关元件S1(1到n-1)并且其彼此连接。也就是说，在由快速电容器C1-Cn和第一开关元件S1(1到n-1)形成的串联电路中，快速电容器C1-Cn经由对应的第一开关元件S1(1到n-1)彼此串联连接。第四开关元件S4(1到n)中的每一个连接在输入端子IN与快速电容器C1-Cn中的对应一个的低电压端之间。第五开关元件S5(1到n)中的每一个连接在输出端子OUT与快速电容器C1-Cn中的对应一个的高电压端之间。注意，在图1中未示出控制电路2与第一开关元件S1(1到n-1)、第二开关元件S2、第三开关元件S3、第四开关元件S4(1到n)和第五开关元件S5(1到n)的控制电极之间的连接。
接着通过采用提供三个快速电容器(即，n＝3)的情况作为示例，具体描述具有这种结构的图1的电荷泵电路1的操作。在这种情况下，电荷泵电路1能够输出具有以下五个量值之一的电压作为输出电压Vout：等于输入电压Vin；等于输入电压Vin的(1+1/3)倍；等于输入电压Vin的(1+1/二2)倍；等于输入电压Vin的(1+2/3)倍；和等于输入电压Vin的2倍。根据输出电压Vout的所选量值，控制电路2控制第一开关元件S1(1和2)、第二开关元件S2、第三开关元件S3、第四开关元件S4(1到3)和第五开关元件S5(1到3)的闭合和断开。
图2A到图2C示出了在产生具有等于输入电压Vin的量值的电压并输出产生的电压作为输出电压Vout的情况下，每一个开关元件的ON/OFF模式。
在图2A中，闭合第二开关元件S2和第五开关元件S5(1)且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。从而，输入端子IN和输出端子OUT通过第二开关元件S2和第五开关元件S5(1)连接，由此输出电压Vout的量值变为等于输入电压Vin的量值。
在图2B中，闭合第一开关元件S1(2)、第三开关元件S3、第四开关元件S4(2)和第五开关元件S5(3)且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。相应地，输入端子IN和输出端子OUT通过第一开关元件S1(2)、第四开关元件S4(2)和第五开关元件S5(3)连接，由此输出电压Vout的量值变为等于输入电压Vin的量值。另外，快速电容器C3通过第三开关元件S3和第五开关元件S5(3)与输出电容器Co并联连接。结果，连接到输出端子OUT的电容增大，反过来引起了输出电压Vout的稳定性的提高。
在图2C中，断开第四开关元件S4(3)且因此阻塞，同时闭合其余全部开关元件且因此导通。在输入端子IN与输出端子OUT之间存在三组彼此串联连接的开关元件：第二开关元件S2和第五开关元件S5(1)；第四开关元件S4(1)、第一开关元件S1(1)和第五开关元件S5(2)；以及第四开关元件S4(2)、第一开关元件S1(2)和第五开关元件S5(3)。闭合所有这些组的开关元件且因此导通。也就是说，在该条件下，闭合在输入端子IN与输出端子OUT之间彼此串联连接的所有开关元件且因此导通。相应地，可以最小化输入端子IN与输出端子OUT之间的阻抗。
此外，如图2B的情况下那样，快速电容器C3与输出电容器Co并联连接。相应地，连接到输出端子OUT的电容增大，这引起了输出电压Vout的稳定性的提高。注意，引起输入端子IN与输出端子OUT之间的短路的开关元件的ON/OFF模式不限于图2A到图2C中所示的方式。可以闭合开关元件的任意组合，或者更进一步，可以闭合开关元件的多种任意组合，只要这些开关元件在输入端子IN与输出端子OUT之间彼此串联连接即可。与输出电容器Co并联连接的快速电容器不限于快速电容器C3。包括快速电容器C3的快速电容器彼此串联连接的串联电路可以与输出电容器Co并联连接。
图3A到图3C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例。
图3A示出了以输入电压Vin来对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图3C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图3B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图3A→图3B→图3C→图3B→图3A的操作顺序。
首先，描述图3A的充电状态。
如图3A所示，由于闭合两个第一开关元件S1(1和2)且因此导通，所以所有快速电容器C1-C3彼此串联连接。另外，由于闭合第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此导通，所以将输入电压Vin施加到快速电容器C1-C3的串联电路。结果，以等于输入电压Vin的1/3的电压对快速电容器C1-C3中的每一个充电。
然后，电荷泵电路1转换到图3B中所图示的状态。在图3B中，断开第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此阻塞，并且还断开两个第一开关元件S1(1和2)且因此阻塞。因此，快速电容器C1-C3的充电停止。接着，电荷泵电路1转换到图3C中所图示的状态。在图3C中，闭合所有第四开关元件S4(1到3)和所有第五开关元件S5(1到3)且因此导通。也就是说，所有快速电容器C1-C3彼此并联连接，并且快速电容器C1-C3的低电压端分别连接到输入端子IN，同时它们的高电压端分别连接到输出端子OUT。相应地，将在快速电容器C1-C3中累积的电荷经由输出电容器Co放电到连接到输出端子OUT的负载(未示出)。
接着，电荷泵电路1再次转换到图3B的状态。在图3B中，由于断开所有第四开关元件S4(1到3)和所有第五开关元件S5(1到3)且因此阻塞，所以通过输出电容器Co从快速电容器C1-C3到负载的放电停止。然后，当电荷泵电路1转换到图3A的状态时，再次对快速电容器C1-C3充电，如上所述。在操作顺序中，当电荷泵电路1转换到图3C的状态时，每一个快速电容器C1-C3的高电压端的电压具有等于输入电压Vin和快速电容器C1-C3的充电电压(Vin/3)之和的量值。因此，通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有升高到输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值。
图4A到图4C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/2)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例。
图4A示出了以输入电压Vin来对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图4C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图4B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图4A→图4B→图4C→图4B→图4A的操作顺序。
首先，描述图4A的充电状态。
在图4A中，闭合第一开关元件S1(1和2)、第三开关元件S3和第四开关元件S4(1)且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，快速电容器C2和C3彼此串联连接，并且将输入电压Vin施加到该串联电路。结果，以等于输入电压Vin的一半的电压对快速电容器C2和C3中的每一个充电。
然后，电荷泵电路1转换到图4B中所图示的状态。在图4B中，断开第三开关元件S3和第四开关元件S4(1)且因此阻塞，并且还断开两个第一开关元件S1(1和2)且因此阻塞。因此，快速电容器C2和C3的充电停止。
接着，电荷泵电路1转换到图4C中所图示的状态。在图4C中，闭合第四开关元件S4(2和3)和第五开关元件S5(2和3)且因此导通。即，快速电容器C2和C3彼此并联连接，并且快速电容器C2和C3的低电压端分别连接到输入端子IN，同时它们的高电压端分别连接到输出端子OUT。相应地，将在快速电容器C2和C3中累积的电荷通过输出电容器Co放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图4B的状态。在图4B中，由于断开第四开关元件S4(2和3)和第五开关元件S5(2和3)且因此阻塞，所以通过输出电容器Co从快速电容器C2和C3到负载的放电停止。然后，当电荷泵电路1转换到图4A的状态时，再次充电快速电容器C2和C3，如上所述。因此，通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有升高到输入电压Vin的(1+1/2)倍的量值。
图5A到图5C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+2/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例。
图5A示出了以输入电压Vin对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图5C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图5B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图5A→图5B→图5C→图5B→图5A的操作顺序。
首先，描述图5A的充电状态。
在图5A中，闭合第一开关元件S1(1和2)、第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，将输入电压Vin施加到快速电容器C1-C3的串联电路。结果，以等于输入电压Vin的三分之一的电压对快速电容器C2和C3中的每一个充电。
然后，电荷泵电路1转换到图5B中所图示的状态。在图5B中，断开第一开关元件S1(1)、第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此阻塞。因此，快速电容器C1-C3的充电停止。
接着，电荷泵电路1转换到图5C中所图示的状态。在图5C中，闭合第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(2)且因此导通。在这种条件下，形成串联电路的快速电容器C2和C3的低电压端连接到输入端子IN，同时它们的高电压端连接到输出端子OUT。相应地，将在快速电容器C2和C3中累积的电荷通过输出电容器Co放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图5B的状态。在图5B中，由于断开第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(2)且因此阻塞，所以通过输出电容器Co从串联连接的快速电容器C2和C3到负载的放电停止。然后，当电荷泵电路1转换到图5A的状态时，再次对快速电容器C2和C3充电，如上所述。跨越串联连接的快速电容器C2和C3两端的电压具有等于输入电压Vin的三分之二的量值。因此，通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有提高到输入电压Vin的(1+2/3)倍的量值。
图6A到图6C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的2倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例。
图6A示出了以输入电压Vin对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图6C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图6B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图6A→图6B→图6C→图6B→图6A的操作顺序。
在图6A中，闭合第一开关元件S1(2)、第三开关元件S3和第四开关元件S4(2)且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，由于仅以输入电压Vin对快速电容器C3充电，所以以等于输入电压Vin的电压对快速电容器C3充电。
然后，电荷泵电路1转换到图6B中所图示的状态。在图6B中，断开第一开关元件S1(2)、第三开关元件S3和第四开关元件S4(2)且因此阻塞。这里，快速电容器C3的充电停止。
接着，电荷泵电路1转换到图6C中所图示的状态。在图6C中，闭合第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(3)且因此导通。在这种条件下，快速电容器C3的低电压端连接到输入端子IN，同时它的高电压端连接到输出端子OUT。相应地，将在快速电容器C3中累积的电荷通过输出电容器Co放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图6B的状态。在图6B中，由于断开第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(3)且因此阻塞，所以通过输出电容器Co从快速电容器C3到负载的放电停止。
然后，当电荷泵电路1转换到图6A的状态时，再次对快速电容器C3充电，如上所述。快速电容器C3的电压具有等于输入电压Vin的量值。因此，通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有升高到输入电压Vin的2倍的量值。
注意，在存在用以产生具有相同量值的输出电压Vout的第一到第五开关元件S1-S5的ON/OFF模式的多种可能组合的情况下，通常采用在放电时段期间允许串联连接的快速电容器的数量最小且并联连接的快速电容器的数量最大的组合。然而，取决于输出条件，可以基于不同的准则来选择组合。
图7A到图7C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的2倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例。
图7A示出了以输入电压Vin对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图7C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C 1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图7B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图7A→图7B→图7C→图7B→图7A的操作顺序。
在图7A中，闭合第一开关元件S1(1和2)、第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，快速电容器C1-C3彼此串联连接，且将输入电压Vin施加到该串联电路。结果，以等于输入电压Vin的电压对串联连接的快速电容器C1-C3充电。
然后，电荷泵电路1转换到图7B中所图示的状态。在图7B中，断开第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此阻塞，由此串联连接的快速电容器C1-C3的充电停止。
接着，电荷泵电路1转换到图7C中所图示的状态。在图7C中，闭合第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(1)且因此导通。在这种条件下，快速电容器C1-C3的低电压端连接到输入端子IN，同时它们的高电压端连接到输出端子OUT。相应地，将在快速电容器C1-C3中累积的电荷通过输出电容器Co放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图7B的状态。在图7B中，由于断开第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(1)且因此阻塞，所以通过输出电容器Co从串联连接的快速电容器C1-C3到负载的放电停止。
然后，当电荷泵电路1转换到图7A的状态时，再次对串联连接的快速电容器C1-C3充电，如上所述。跨越快速电容器C1-C3两端的电压具有等于输入电压Vin的量值。因此，通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有升高到输入电压Vin的2倍的量值。
然而，在图7A到图7C的情况下，三个快速电容器彼此串联连接，由此串联电路的电容是图6A到图6C的情况的电容的三分之一。结果，与图6A到图6C的情况相比，在一个周期中通过输出电容器Co放电到负载的电荷更小。因此，除非存在要求满足的特殊输出条件，否则输入电压Vin应该以图6A到图6C中所图示的方式升压。
尽管未提供图示，但是也可以通过将输入电压Vin施加到快速电容器C2和C3彼此串联连接的串联电路而以上述方式获得具有等于输入电压Vin的两倍的量值的输出电压Vout。然而，在这种情况下，串联电路的电容是图6A到图6C的情况的电容的一半。因此，如在以上情况中那样，除非存在要求满足的特殊输出条件，否则输入电压Vin应该以图6A到图6C中所图示的方式升压。
图8A到图8C示出了用以输出具有等于输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值的电压作为输出电压Vout的开关元件的开关操作的示例。
图8A示出了以输入电压Vin对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图8C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图8B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图8A→图8B→图8C→图8B→图8A的操作顺序。
在图8A中，闭合第一开关元件S1(1和2)、第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，所有快速电容器C1-C3彼此串联连接，且将输入电压Vin施加到该串联电路。结果，以等于输入电压Vin的三分之一的电压对快速电容器C1-C3中的每一个充电。
然后，电荷泵电路1转换到图8B中所图示的状态。在图8B中，断开第一开关元件S1(2)、第二开关元件S2和第三开关元件S3且因此阻塞。这里，串联连接的快速电容器C1-C3的充电停止。
接着，电荷泵电路1转换到图8C中所图示的状态。在图8C中，闭合第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(3)且因此导通。在这种条件下，快速电容器C3的低电压端连接到输入端子IN，同时它的高电压端连接到输出端子OUT。相应地，将在快速电容器C3中累积的电荷通过输出电容器Co放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图8B的状态。在图8B中，由于断开第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(3)且因此阻塞，所以通过输出电容器Co从快速电容器C3到负载的放电停止。
然后，当电荷泵电路1转换到图8A的状态时，再次充电串联连接的快速电容器C1-C3，如上所述。快速电容器C3的电压具有等于输入电压Vin的三分之一的量值。因此，通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有升高到输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值。
与图3A到图3C的情况(其中，三个快速电容器彼此并联连接)相比，在图8A到图8C的情况下仅一个快速电容器用于放电。结果，快速电容器的电容是图3A到图3C的情况的电容的三分之一。结果，与图3A到图3C的情况相比，在一个周期中通过输出电容器Co放电到负载的电荷更少。因此，除非存在要求满足的特殊输出条件，否则输入电压Vin应该以图3A到图3C中所图示的方式升压。
尽管未提供图示，但是通过将图8的快速电容器C2和C3彼此并联连接，也可以获得具有等于输入电压Vin的(1+1/3)倍的量值的输出电压Vout。然而，同样在这种情况下，与图3A到图3C的情况相比，快速电容器C2和C3的电容更小。因此，除非存在要求满足的特殊输出条件，否则输入电压Vin应该以图3A到图3C中所图示的方式升压。
注意，在存在用以产生具有相同量值的输出电压Vout的第一到第五开关元件S1-S5的ON/OFF模式的多种可能组合的情况下，除非存在要求满足的特殊输出条件，否则采用在放电时段期间允许串联连接的快速电容器的数量最小且并联连接的快速电容器的数量最大的组合。图9A到图9C以及图10A到图10C示出了当采用这种组合时开关元件的开关操作的其他示例。图9A到图9C图示了输出具有等于输入电压Vin的(1+1/2)倍的量值的电压作为输出电压Vout的情况，而图10A到图10C图示了输出具有等于输入电压Vin的2倍的量值的电压作为输出电压Vout的情况。
图9A示出了以输入电压Vin对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图9C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图9B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图9A→图9B→图9C→图9B→图9A的操作顺序。
在图9A中，闭合第一开关元件S1(1和2)、第三开关元件S3、第四开关元件S4(1)和第五开关元件S5(1)且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，以输入电压Vin对彼此串联连接的快速电容器C2和C3充电，由此以等于输入电压Vin的一半的电压对其每一个充电。此外，快速电容器C1串联连接到输入电压，并且该串联电路与输出电容器Co并联连接。
然后，电荷泵电路1转换到图9B中所图示的状态。在图9B中，断开第一开关元件S1(1和2)和第三开关元件S3且因此阻塞。这里，快速电容器C2和C3的充电停止。然而，由于保持闭合第四开关元件S4(1)和第五开关元件S5(1)，所以由快速电容器C1和输入电压Vin形成的串联电路保持与输出电容器Co并联连接。
接着，电荷泵电路1转换到图9C中所图示的状态。在图9C中，闭合所有第四开关元件S4(1到3)和所有第五开关元件S5(1到3)且因此导通。快速电容器C2和C3彼此并联连接，并且快速电容器C2和C3的低电压端分别连接到输入端子IN，同时它们的高电压端分别连接到输出端子OUT。相应地，通过由输出电容器Co、快速电容器C1和输入电压Vin形成的串联电路将在快速电容器C2和C3中累积的电荷放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图9B的状态。在图9B中，由于断开第四开关元件S4(2和3)和第五开关元件S5(2和3)且因此阻塞，所以通过串联电路从快速电容器C2和C3到负载的放电停止。
然后，当电荷泵电路1转换到图9A的状态时，再次对快速电容器C2和C3充电，如上所述。通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有提高到输入电压Vin的(1+1/2)倍的量值。
图9A到图9C的情况与图4A到图4C的情况的不同之处在于：在图4A到图4C的情况下，未用于产生输出电压Vout的快速电容器C1与输出电容器Co并联连接。根据图9A到图9C，输出电容增大，由此可以提高输出电压Vout的稳定性。
图10A示出了以输入电压Vin对快速电容器C1-C3充电的每一个开关元件的ON/OFF模式。图10C示出了在以输入电压Vin充电之后，用以将快速电容器C1-C3的电荷放电到输出端子OUT和输出电容器Co的每一个开关元件的ON/OFF模式。图10B示出了用以从充电状态转换到放电状态以及从放电状态转换到充电状态的每一个开关元件的ON/OFF模式。电荷泵电路1重复图10A→图10B→图10C→图10B→图10A的操作顺序。
在图10A中，闭合第一开关元件S1(2)、第三开关元件S3、第四开关元件S4(1和2)和第五开关元件S5(1和2)且因此导通，同时断开其余开关元件且因此阻塞。在这种条件下，由于仅向快速电容器C3施加输入电压Vin，所以以等于输入电压Vin的电压对快速电容器C3充电。此外，彼此并联连接的快速电容器C1和C2串联连接到输入电压Vin，并且该串联电路与输出电容器Co并联连接。
然后，电荷泵电路1转换到图10B中所图示的状态。在图10B中，断开第一开关元件S1(2)和第三开关元件S3且因此阻塞。因此，快速电容器C3的充电停止。然而，由于保持闭合第四开关元件S4(1和2)和第五开关元件S5(1和2)，所以由并联连接的快速电容器C1和C2以及输入电压Vin形成的串联电路保持与输出电容器Co并联连接。
接着，电荷泵电路1转换到图10C中所图示的状态。在图10C中，闭合所有第四开关元件S4(1到3)和所有第五开关元件S5(1到3)且因此导通。在这种条件下，快速电容器C3的低电压端连接到输入端子IN，同时它的高电压端连接到输出端子OUT。相应地，通过连接到输出电容器Co的串联电路将在快速电容器C3中累积的电荷放电到负载。
接着，电荷泵电路1再次转换到图10B的状态。在图10B中，由于断开第四开关元件S4(3)和第五开关元件S5(3)且因此阻塞，所以通过连接到输出电容器Co的串联电路从快速电容器C3到负载的放电停止。
然后，当电荷泵电路1转换到图10A的状态时，再次充电快速电容器C3，如上所述。通过重复以上操作顺序，电荷泵电路1的输出电压Vout具有升高到输入电压Vin的2倍的量值。
图10A到图10C的情况与图6A到图6C的情况的不同之处在于：在图6A到图6C的情况下，未用于产生输出电压Vout的快速电容器C1和C2与输出电容器Co并联连接。根据图10A到图10C，输出电容增大，由此可以提高输出电压Vout的稳定性。
在图9A到图9C以及图10A到图10C的情况下，输出电容以如下方式增大。关于在充电期间未以输入电压Vin充电的一个或多个快速电容器，连接在输入端子IN与一个或多个快速电容器的一个或多个低电压端之间的一个或多个第四开关元件以及连接在一个或多个快速电容器的一个或多个高电压端与输出端子OUT之间的一个或多个第五开关元件不变地保持闭合。在这种条件下对应的第四和第五开关元件与输入电压Vin串联连接，并且该串联电路与输出电容器Co并联连接。这里，可以进一步提高输出电压Vout的稳定性。
因此，通过使用与现有电路相同的电路，第一实施例的电荷泵电路控制根据要输出的输出电压Vout的量值而选择的第一到第五开关元件的闭合和断开，由此能够在输入电压Vin和输入电压Vin的两倍之间的范围内多样地改变输出电压Vout的量值。
注意，以上给出了提供三个快速电容器的情况的描述；然而，通过增大快速电容器的数量可以获得输出电压Vout的更多不同的量值。在快速电容器的数量为n的情况下，要获得的输出电压Vout的量值是输入电压Vin与如下乘数的乘积：(1+1/n)、(1+2/n)、(1+3/n)、……、{1+(n-1)/n}、(1+n/n)、{1+1/(n-1)}、{1+2/(n-1)}、{1+3/(n-1)}、……、{1+(n-1)/(n-1)}、……、(1+1/3)、(1+2/3)、(1+3/3)、(1+1/2)、(1+2/2)、(1+1/1)和1。
另外，以上给出了将正电压输入到输入端子IN的情况的描述；然而，可以将负电压输入到输入端子IN。在这种情况下，开关元件的开关操作与上述相同，并且因此省略其说明。
该申请基于2007年11月5日向日本专利局提交的日本专利申请No.2007-287039，将其全部内容通过引用的方式合并在此。

Claims (9)

1.一种输出电压可变的电荷泵电路的操作控制方法，其用于将输入到其输入端子的输入电压升压到在输入电压和输入电压的两倍之间的范围中的期望电压量值，并从其输出端子输出已升压的电压作为输出电压，所述电荷泵电路包括：
多个快速电容器；
一个或多个第一开关元件，其每个被配置为串联连接快速电容器中的两个以形成包括快速电容器和一个或多个第一开关元件的串联电路；
第二开关元件，被配置为将串联电路的一端连接到输入端子；
第三开关元件，被配置为将串联电路的另一端连接到地；
多个第四开关元件，其每个对应于快速电容器中不同的一个，并被配置为将对应的快速电容器的低电压端连接到输入端子；和
多个第五开关元件，其每个对应于快速电容器中不同的一个，并被配置为将对应的快速电容器的高电压端连接到输出端子，
所述操作控制方法包括如下步骤：
(a)在用于对一个或多个快速电容器充电的充电时段期间，通过根据期望的电压量值选择性地闭合一个或多个第一开关元件，闭合第三开关元件，并选择性地闭合第四开关元件之一或第二开关元件，来以输入电压对串联连接的一个或多个快速电容器充电；和
(b)在用于将在一个或多个快速电容器中累积的电荷放电的放电时段期间，通过以下列方式将一个或多个已充电快速电容器的所选的一个或多个低电压端连接到输入端子，并将一个或多个已充电快速电容器的所选的一个或多个高电压端连接到输出端子，来从输出端子输出具有期望的电压量值的输出电压：
断开已经在充电时段期间闭合的第三开关元件，并断开已经在充电时段期间闭合的第四开关元件之一或第二开关元件；
控制一个或多个第一开关元件的闭合/断开状态；和
闭合一个或多个第四开关元件和一个或多个第五开关元件；
其中，在充电时段和放电时段期间存在第一到第五开关元件的闭合/断开模式的多个可能组合以产生具有相同量值的输出电压的情况下，选择允许在放电时段期间最小化串联连接的快速电容器的数目且最大化并联连接的快速电容器的数目的组合。
2.如权利要求1所述的操作控制方法，其中，对于在充电时段期间没有以输入电压充电的一个或多个快速电容器，连接在输入端子与所述一个或多个未充电快速电容器的低电压端之间的一个或多个第四开关元件以及连接在输出端子与所述一个或多个未充电快速电容器的高电压端之间的一个或多个第五开关元件恒定地保持闭合。
3.如权利要求1或2所述的操作控制方法，其中，当作出从充电时段到放电时段的转换时提供用于停止充电的时段，且当作出从放电时段到充电时段的转换时提供用于停止放电的时段。
4.如权利要求1或2所述的操作控制方法，其中，在串联连接在输入端子和输出端子之间的第一、第二、第四和第五开关元件的多种组合当中，全部或部分组合的开关元件被闭合以直接连接在输入端子和输出端子之间。
5.如权利要求4所述的操作控制方法，其中，所述第三开关元件被闭合以通过一个或多个快速电容器将输出端子耦合到地。
6.一种输出电压可变的电荷泵电路的操作控制方法，其用于将输入到其输入端子的输入电压升压到在输入电压和输入电压的两倍之间的范围中的期望电压量值，并从其输出端子输出已升压的电压作为输出电压，所述电荷泵电路包括：
多个快速电容器；
一个或多个第一开关元件，其每个被配置为串联连接快速电容器中的两个以形成包括快速电容器和一个或多个第一开关元件的串联电路；
第二开关元件，被配置为将串联电路的一端连接到输入端子；
第三开关元件，被配置为将串联电路的另一端连接到地；
多个第四开关元件，其每个对应于快速电容器中不同的一个，并被配置为将对应的快速电容器的低电压端连接到输入端子；和
多个第五开关元件，其每个对应于快速电容器中不同的一个，并被配置为将对应的快速电容器的高电压端连接到输出端子，
所述操作控制方法包括如下步骤：
(a)在用于对一个或多个快速电容器充电的充电时段期间，通过根据期望的电压量值选择性地闭合一个或多个第一开关元件，闭合第三开关元件，并选择性地闭合第四开关元件之一或第二开关元件，来以输入电压对串联连接的一个或多个快速电容器充电；和
(b)在用于将在一个或多个快速电容器中累积的电荷放电的放电时段期间，通过以下列方式将一个或多个已充电快速电容器的所选的一个或多个低电压端连接到输入端子，并将一个或多个已充电快速电容器的所选的一个或多个高电压端连接到输出端子，来从输出端子输出具有期望的电压量值的输出电压：
断开已经在充电时段期间闭合的第三开关元件，并断开已经在充电时段期间闭合的第四开关元件之一或第二开关元件；
控制一个或多个第一开关元件的闭合/断开状态；和
闭合一个或多个第四开关元件和一个或多个第五开关元件；
其中，对于在充电时段期间没有以输入电压充电的一个或多个快速电容器，连接在输入端子与所述一个或多个未充电快速电容器的低电压端之间的一个或多个第四开关元件以及连接在输出端子与所述一个或多个未充电快速电容器的高电压端之间的一个或多个第五开关元件恒定地保持闭合。
7.如权利要求6所述的操作控制方法，其中，当作出从充电时段到放电时段的转换时提供用于停止充电的时段，且当作出从放电时段到充电时段的转换时提供用于停止放电的时段。
8.如权利要求6所述的操作控制方法，其中，在串联连接在输入端子和输出端子之间的第一、第二、第四和第五开关元件的多种组合当中，全部或部分组合的开关元件被闭合以直接连接在输入端子和输出端子之间。
9.如权利要求8所述的操作控制方法，其中，所述第三开关元件被闭合以通过一个或多个快速电容器将输出端子耦合到地。
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