CN101908821B - 电荷泵、电荷泵升压电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电荷泵，包括电源VCC、第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2，第一PNP管Q1的发射极连接电源VCC，第一PNP管Q1的基极连接第一电位Vb1，第二PNP管Q3的基极连接第二电位Vb2，NPN管Q2的基极连接时钟信号CLK，第二PNP管Q3的集电极和NPN管Q2的发射极接地，第一PNP管Q1的集电极、第二PNP管Q3的发射极和NPN管Q2的集电极连接作为电荷泵输出端OUT，同时本发明还提供了利用该电荷泵实现的电荷泵升压电路及其工作方法，由于电荷泵升压电路的充放电速度取决于电荷泵中NPN管的开关的速度，而与PNP管无关，避免了电荷泵的开关速度被PNP管所限制的问题，提高了电荷泵的最高工作频率，提高电荷泵升压电路带负载能力。

Description

电荷泵、电荷泵升压电路及其工作方法

技术领域

本发明涉及电源开关技术，尤其涉及电荷泵、电荷泵升压技术。

背景技术

常用的电荷泵升压电路，如图1所示，包括：

一系列的串联二极管连接在电源和电源输出端之间；

一系列的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第一时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的奇数节点上；

一系列的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第二时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的偶数节点上；

第一时钟信号和第二时钟信号相位相差180度。

电荷泵升压电路进入稳定工作状态后，当CLK为低电平时，电荷泵CP1、电荷泵CP3、电荷泵CP5输出为高，电荷泵CP2、电荷泵CP4、电荷泵CP6输出为低，由于电容C1、C2、C3、C4、C5、C6的耦合作用，节点M1、M3、M5的电压被抬高，节点M2、M4、M6的电压被拉低，对电容C2、电容C4、电容C6充电，对电容C1、电容C3、电容C5放电；当CLK为高电平时，则对电容C1、电容C3、电容C5充电，对电容C2、电容C4、电容C6放电。经过交替充电、放电，在电荷泵升压电路的输出端得到一个高于电源电压VCC的输出电压VOUT。

如上电荷泵升压电路所采用的电荷泵如图2所示，电荷泵的NPN管Q3、NPN管Q4的基极连到一起作为电荷泵的输入端IN，NPN管Q3、NPN管Q4的发射极接地，NPN管Q3、NPN管Q4的集电极分别通过电阻R1、电阻R2连到电源VCC上，PNP管Q1、NPN管Q2的基极连接NPN管Q3、NPN管Q4的集电极，PNP管Q1的发射极连接电源VCC，NPN管Q2的发射极接地，PNP管Q1、NPN管Q2的集电极连在一起作为电荷泵的输出端OUT。

在图2所示电荷泵，当输入端电压为高电平时，PNP管Q1、NPN管Q2的基极都被拉低，PNP管Q1打开，NPN管Q2关闭，此时电荷泵的输出端输出高电平，电荷泵输出电流，对同此电荷泵相连的电容充电；当电荷泵的输入端电压为低电平时，NPN管Q3、NPN管Q4关闭，PNP管Q1、NPN管Q2的基极被拉高，NPN管Q2打开，PNP管Q1关闭，对同此电荷泵相连的电容放电。

由于图2所示电荷泵的PNP管Q1的速度比NPN管Q2响应速度慢得多，上述电荷泵的输入端电压变低时，NPN管Q2立即打开，但PNP管Q1反应速度慢，不能立即关断，NPN管Q2打开到PNP管Q1关断这段时间里，电流经过PNP管Q1、NPN管Q2到GND产生毛刺。针对这个问题，图3中的电路在图2的基础上进行了改进，在图3中PNP管Q7中的镜像电流等于PNP管Q1中的电流。NPN管Q6中的镜像电流等于NPN管Q5中的电流，这样当PNP管Q1关断之前NPN管Q6中有电流，将NPN管Q2的基极拉低，NPN管Q2就不会在PNP管Q1没关上之前打开，防止PNP管Q1、NPN管Q2同时打开。

图2和图3所示的电荷泵输出电流同电容充/放电情况相关，充/放电初期充/放电电流较大，充/放电接近完成时电流较小，上述两种电荷泵升压电路必然存在和时钟同频率的毛刺噪声，在对电源噪声敏感的应用环境下，这将会是个问题。

为了克服电荷泵升压电路的毛刺噪声，存在如图4所示的电荷泵，当时钟信号CLK1和CLK2为高电平时，PNP管Q1关闭，NPN管Q2打开，电荷泵输出端OUT的电压下降，由于NPN管Q3的钳位作用，NPN管Q2始终工作在饱和区内，NPN管Q2的电流保持不变；当时钟信号CLK1和CLK2为低电平时，PNP管Q1打开，NPN管Q2关闭，电荷泵输出端OUT的电压上升，由于PNP管Q4的钳位作用，PNP管Q1始终工作在饱和区内，PNP管Q1的电流保持不变。该电荷泵虽然减少了毛刺噪声，然而其输出端输出的最高电压和最低电压分别被VB1和VB2所限制，如图5所示，电荷泵输出端输出的高低电压差值降低较大，影响DC-DC转换器带负载能力。

同时，图2、图3、图4上述三种电荷泵都存在以下缺陷：

由于输出电压VOUT和时钟信号CLK的频率f、电荷泵级联的级数N、电荷泵输出端输出的高低电压差值ΔV、二极管D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6的正向导通压降V_ON以及电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6的电容大小C之间的关系为：

$\mathrm{VOUT}=\mathrm{VCC}+N*(\mathrm{\ΔV}-V_{\mathrm{TH}}-\frac{I_0}{f*C})-V_{\mathrm{ON}}---\left(1\right)$

从式(1)中可以看出，电荷泵升压电路的带负载能力直接和输入的时钟信号频率相关，时钟信号频率越高，带负载能力越强。而普通的PNP管的高频特性远差于NPN管，所以电荷泵升压电路的最高工作频率受PNP管限制，存在PNP管Q1关不上，或NPN管Q2打开了很长一段时间，PNP管Q1才关上，导致电荷泵对电容的有效放电时间变短，电荷泵对电容的充、放电不充分，电荷泵的输出高低电压差值变小，进而降低电荷泵升压电路带负载能力。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种不受PNP管高频特性影响、线路简单的电荷泵。

本发明还提供一种电荷泵升压电路，该电荷泵升压电路不受PNP管高频特性影响，提高工作频率，避免了电荷泵输出端输出的高低电压差值降低，具有较强的带负载能力。

本发明还提供一种电荷泵升压电路的工作方法。

电荷泵包括：电源VCC、第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2，第一PNP管Q1的发射极连接电源VCC，第一PNP管Q1的基极连接第一电位Vb1，第二PNP管Q3的基极连接第二电位Vb2，NPN管Q2的基极连接时钟信号CLK，第二PNP管Q3的集电极和NPN管Q2的发射极接地，第一PNP管Q1的集电极、第二PNP管Q3的发射极和NPN管Q2的集电极连接作为电荷泵输出端OUT。

进一步，所第一PNP管Q1的饱和电流为I₀，NPN管Q2的饱和电流大于2I₀。

第二PNP管Q3起到箝位作用使得第一PNP管Q1保持在饱和区，即满足：(1)电源VCC与电荷泵输出端OUT的最高电压之间的压差大于第一PNP管Q1的饱和电压；(2)第二电位Vb2的电压与第二PNP管Q3的BE结正向导通电压之和为电荷泵输出端OUT最高电压值。

利用如上所述电荷泵实现的电荷泵升压电路，包括：

一系列的串联二极管连接在电源和电源输出端之间；

奇数级的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第一时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的奇数节点上；

偶数级的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第二时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的偶数节点上；

第一时钟信号和第二时钟信号相位相差180度；

电荷泵升压电路的工作方法为：

(1)在一个时钟信号周期第一相位中，第一时钟信号为高电平，第二时钟信号为低电平，奇数级的电荷泵的NPN管Q2打开，偶数级的电荷泵的NPN管Q2关闭，各级电荷泵的第一PNP管Q1工作在饱和区并且集电极电流都为I₀，电源对第一级电荷泵对应的电容充电，电源VCC对偶数级电荷泵对应的电容进行充电，由于偶数级电荷泵的NPN管Q2是关闭的，偶数级电荷泵的第一PNP管Q1中的电流流经该级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵对应的二极管、下一级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵的NPN管Q2到地，从而对该级电荷泵对应的电容放电，对下一级电荷泵对应的电容充电，偶数级电荷泵对应电容的电荷转移到下一级电荷泵对应电容，偶数级电荷泵的NPN管Q2的电流为0，奇数级电荷泵的NPN管Q2的电流为2I₀，电荷泵升压电路进入时钟信号周期的第二个相位；

(2)在时钟信号周期的第二相位中，第一时钟信号为为低电平，第二时钟信号为高电平，奇数级电荷泵的NPN管Q2关闭，偶数级电荷泵的NPN管Q2打开，各级电荷泵的第一PNP管Q1工作在饱和区并且集电极电流都为I₀，奇数级电荷泵的第一PNP管Q1的电流流经该级电荷泵的输出端、该级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵对应的二极管、下一级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵的NPN管Q2到地，从而对该级电荷泵对应的电容放电，对下一级电荷泵对应的电容充电，奇数级电荷泵对应的电容的电荷转移到偶数级电荷泵对应的电容，电荷泵升压电路输出端VOUT的输出电压进一步升高，电荷泵升压电路进入下一个时钟信号周期的第一相位；

(3)重复步骤(2)，直到电荷泵升压电路输出端VOUT的输出电压达到最高值。

如上所述，在没有负载电流时，即二极管D5负端开路时，节点ND1、节点ND2、节点ND3、节点ND4的最终电压分别为2VCC-V_ON、3VCC-2V_ON、4VCC-3V_ON、5VCC-4V_ON。

本发明提出的电荷泵、电荷泵升压电路及其工作方法同传统技术相比，具有以下优点：

(1)电荷泵升压电路的充放电速度取决于电荷泵中NPN管的开关的速度，而与PNP管无关，避免了电荷泵的开关速度被PNP管所限制的问题，提高了电荷泵的最高工作频率；

(2)由于钳位PNP管的作用，电荷泵的第一PNP管始终工作在饱和区，在降低电源噪声的同时，也避免了传统电荷泵输出端输出的高低电压差值降低较大的问题，进而提高电荷泵升压电路带负载能力；

附图说明

图1为传统的电荷泵升压电路

图2为传统的电荷泵一

图3为传统的电荷泵二

图4为传统的电荷泵三

图5为传统的电荷泵三输出端输出的电压示意图

图6为本发明提出的电荷泵

图7为本发明提出的电荷泵升压电路

图8为本发明提出的电荷泵升压电路工作时电流示意图

图9为本发明提出的电荷泵升压电路工作时电流示意图

图10为本发明提出的电荷泵升压电路各电荷泵第一PNP管、NPN管Q2集电极电流示意图

图11为本发明提出的电荷泵升压电路输出端的输出电压以及各级电荷泵输出端输出电压的仿真图

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容进一步说明。

电荷泵，如图6所示，包括：电源VCC、第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2，第一PNP管Q1的发射极连接电源VCC，第一PNP管Q1的基极连接第一电位Vb1，第二PNP管Q3的基极连接第二电位Vb2，NPN管Q2的基极连接时钟信号CLK，第二PNP管Q3的集电极和NPN管Q2的发射极接地，第一PNP管Q1的集电极、第二PNP管Q3的发射极和NPN管Q2的集电极连接作为电荷泵输出端OUT。

进一步，所第一PNP管Q1的饱和电流为I₀，NPN管Q2的饱和电流大于2I₀。

第二PNP管Q3起到箝位作用使得第一PNP管Q1保持在饱和区，即满足：(1)电源VCC与电荷泵输出端OUT的最高电压之间的压差大于第一PNP管Q1的饱和电压；(2)第二电位Vb2的电压与第二PNP管Q3的BE结正向导通电压之和为电荷泵输出端OUT最高电压值。

较优时，第二PNP管Q3的发射极最高电压刚刚使Q1工作在饱和区内。

电荷泵升压电路，如图7所示，包括：

一系列的串联二极管连接在电源和电源输出端之间；

奇数级的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第一时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的奇数节点上；

偶数级的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第二时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的偶数节点上；

第一时钟信号和第二时钟信号相位相差180度；

所述的电荷泵如图6所示。

为了区分各级电荷泵及其对应的电容和二极管，将第一级的电荷泵的第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2、输出端OUT及对应的电容C和二极管D分别命名为第一PNP管Q11、第二PNP管Q13、NPN管Q12、输出端OUT1、电容C1和二极管D1，将第二级的电荷泵的第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2、输出端OUT及对应的电容C和二极管D分别命名为第一PNP管Q21、第二PNP管Q23、NPN管Q22、输出端OUT2、电容C2和二极管D2，依次类推，在图7示意的电荷泵升压模块包括四级电荷泵及其对应的电容和二极管。

图7所示的电荷泵升压电路的工作方法为：

(1)在一个时钟信号周期第一相位中，如图8所示，CLK1为低电平，CLK2为高电平，NPN管Q12、NPN管Q32打开，NPN管Q22、NPN管Q42关闭，PNP管Q11、Q21、Q31、Q41工作在饱和区并且集电极电流都为I₀，电源VCC对电容C1进行充电，NPN管Q12的电流为2I₀，节点OUT1的输出电压为0，由于NPN管Q22是关闭的，PNP管Q21中的电流流经电容C2、二极管D3、电容C3、NPN管Q32到地，对电容C2放电，对C3电容充电；此时NPN管Q22的集电极电流为0，NPN管Q32集电极的电流为2I₀，如图10所示，节点OUT2的电压为VCC，节点OUT3的电压为0，由于NPN管Q42是关闭的，二极管D5的负端连接负载，此时对电容C4进行放电，节点OUT4的电压低于VCC，电荷泵升压电路输出端VOUT的电压下降；此后，电荷泵升压电路进入下一个时钟信号周期的第二个相位；

(2)在时钟信号周期的第二相位中，CLK1为高电平，CLK2为低电平，如图9所示，NPN管Q12、NPN管Q32关闭，NPN管Q22、NPN管Q42打开，PNP管Q11、Q21、Q31、Q41工作在饱和区并且集电极电流都为I₀，PNP管Q11的电流从节点OUT1流出，经过电容C1、二极管D2、电容C2从节点OUT2流入NPN管Q22到地，此时流过NPN管Q12的电流为0，流过NPN管Q22的电流为2I₀，如图10所示，节点OUT1的电压为VCC，节点OUT2的电压为0，对电容C1放电，对电容C2充电，由于节点ND1、节点ND2两点的电荷总和是守恒的，电容C1上的电荷减少，电容C2上的电荷增加，节点ND1上的电荷部分转移到节点ND2上，节点ND2的电压升高；由于NPN管Q32是关闭的，PNP管Q31上的电流经过节点OUT3、电容C3、二极管D4后，一部分由电容C4进入节点OUT4，再从NPN管Q42到地，一部分经过二极管D5流经负载；此时NPN管Q32的电流为0，NPN管Q42的电流为小于2I₀，节点OUT3的电压为VCC，节点OUT4的电压为0，电容C3上的电荷减少，电容C4上的电荷增加，节点ND3上的电荷部分转移到电容C4和负载上，节点ND4的电压升高，电荷泵升压电路输出端VOUT的输出电压也升高，电荷泵升压电路进入下一个时钟信号周期的第一相位；

(3)重复步骤(2)，直到电荷泵升压电路输出端VOUT的输出电压达到最高值。如上所述，在没有负载电流时，即二极管D5负端开路时，节点ND1、节点ND2、节点ND3、节点ND4的最终电压分别为2VCC-V_ON、3VCC-2V_ON、4VCC-3V_ON、5VCC-4V_ON。

应该理解到的是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.电荷泵，其特征在于包括：电源VCC、第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2，第一PNP管Q1的发射极连接电源VCC，第一PNP管Q1的基极连接第一电位Vb1，第二PNP管Q3的基极连接第二电位Vb2，NPN管Q2的基极连接时钟信号CLK，第二PNP管Q3的集电极和NPN管Q2的发射极接地，第一PNP管Q1的集电极、第二PNP管Q3的发射极和NPN管Q2的集电极连接作为电荷泵输出端OUT。

2.如权利要求1所述电荷泵，其特征在于所第一PNP管Q1的饱和电流为I₀，NPN管Q2的饱和电流大于2I₀。

3.如权利要求1所述电荷泵，其特征在于第二PNP管Q3起到箝位作用使得第一PNP管Q1保持在饱和区，即满足：(1)电源VCC与电荷泵输出端OUT的最高电压之间的压差大于第一PNP管Q1的饱和电压；(2)第二电位Vb2的电压与第二PNP管Q3的BE结正向导通电压之和为电荷泵输出端OUT最高电压值。

4.电荷泵升压电路，包括：

一系列的串联二极管连接在电源和电源输出端之间；

奇数级的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第一时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的奇数节点上；

偶数级的电荷泵和电容，所述的电荷泵输入端连接在第二时钟信号，各电荷泵输出端连接各自的电容的一端，电容的另一端连接在串联二极管的偶数节点上；

第一时钟信号和第二时钟信号相位相差180度；

其特征在于所述电荷泵包括：电源VCC、第一PNP管Q1、第二PNP管Q3、NPN管Q2，第一PNP管Q1的发射极连接电源VCC，第一PNP管Q1的基极连接第一电位Vb1，第二PNP管Q3的基极连接第二电位Vb2，NPN管Q2的基极连接时钟信号CLK，第二PNP管Q3的集电极和NPN管Q2的发射极接地，第一PNP管Q1的集电极、第二PNP管Q3的发射极和NPN管Q2的集电极连接作为电荷泵输出端OUT。

5.如权利要求4所述电荷泵升压电路，其特征在于所第一PNP管Q1的饱和电流为I₀，NPN管Q2的饱和电流大于2I₀。

6.如权利要求4所述电荷泵升压电路，其特征在于第二PNP管Q3起到箝位作用使得第一PNP管Q1保持在饱和区，即满足：(1)电源VCC与电荷泵输出端OUT的最高电压之间的压差大于第一PNP管Q1的饱和电压；(2)第二电位Vb2的电压与第二PNP管Q3的BE结正向导通电压之和为电荷泵输出端OUT最高电压值。

7.如权利要求4-6所述电荷泵升压电路，其特征在于电荷泵升压电路的工作方法为：

(1)在一个时钟信号周期第一相位中，第一时钟信号为高电平，第二时钟信号为低电平，奇数级的电荷泵的NPN管Q2打开，偶数级的电荷泵的NPN管Q2关闭，各级电荷泵的第一PNP管Q1工作在饱和区并且集电极电流都为I₀，电源对第一级电荷泵对应的电容充电，电源VCC对偶数级电荷泵对应的电容进行充电，由于偶数级电荷泵的NPN管Q2是关闭的，偶数级电荷泵的第一PNP管Q1中的电流流经该级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵对应的二极管、下一级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵的NPN管Q2到地，从而对该级电荷泵对应的电容放电，对下一级电荷泵对应的电容充电，偶数级电荷泵对应电容的电荷转移到下一级电荷泵对应电容，偶数级电荷泵的NPN管Q2的电流为0，奇数级电荷泵的NPN管Q2的电流为2I₀，电荷泵升压电路进入时钟信号周期的第二个相位；

(2)在时钟信号周期的第二相位中，第一时钟信号为为低电平，第二时钟信号为高电平，奇数级电荷泵的NPN管Q2关闭，偶数级电荷泵的NPN管Q2打开，各级电荷泵的第一PNP管Q1工作在饱和区并且集电极电流都为I₀，奇数级电荷泵的第一PNP管Q1的电流流经该级电荷泵的输出端、该级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵对应的二极管、下一级电荷泵对应的电容、下一级电荷泵的NPN管Q2到地，从而对该级电荷泵对应的电容放电，对下一级电荷泵对应的电容充电，奇数级电荷泵对应的电容的电荷转移到偶数级电荷泵对应的电容，电荷泵升压电路输出端VOUT的输出电压进一步升高，电荷泵升压电路进入下一个时钟信号周期的第一相位；

(3)重复步骤(2)，直到电荷泵升压电路输出端VOUT的输出电压达到最高值。

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