CN101924465A - 多模式电压增益的电荷泵电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能实现多种电压增益模式的电荷泵电路，本电荷泵电路只需使用到8个功率开关管、2个充电电容以及1个输出电容，电路根据外部的功率开关管控制信号，实现1倍、1.25倍、1.5倍和2倍的升压功能。与目前已知的电荷泵电路相比，无需增加额外的充电电容，即可增加一种1.25倍升压功能。

Description

多模式电压增益的电荷泵电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及电荷泵技术，具体是指一种能实现多种电压增益模式的电荷泵电路。

背景技术

应用于白光LED驱动芯片的电荷泵电路属于开关电容DC/DC变换器的一种，可实现各种倍数的电压转换。由于不含电感元件，因此适合制作成集成电路，并广泛用于对元件效率要求较高的白光LED驱动芯片等由电池供电的便携式设备中。目前，主流的白光LED驱动芯片采用的是1x/1.5x/2x三种电压增益模式电荷泵，其只需要外接2个充电电容，便可具备1倍、1.5倍和2倍的升压功能。

图1为已知的1x/1.5x/2x三模式电荷泵电路，C₁、C₂为快速充电电容，C_HOLD为输出电容，S₁～S₈为功率开关管。当已知的1x/1.5x/2x三模式电荷泵中，功率开关管S₁～S₈的控制信号如图2中M₁-M₈所示时，V_IN＝V_OUT，实现1倍升压功能。当已知的1x/1.5x/2x三模式电荷泵中，功率开关管S₁～S₈的控制信号如图3中M₁～M₈所示时，V_OUT＝1.5V_IN，实现1.5倍升压功能。当已知的1x/1.5x/2x三模式电荷泵中，功率开关管S₁～S₈的控制信号如图4中M₁-M₈所示时，V_OUT＝2V_IN，实现2倍升压功能。

目前LED驱动芯片中采用的只具备三种升压功能的电荷泵电路已渐渐不能满足发展所需。因此，本发明提出的电荷泵电路，只需使用2个充电电容，一个输出电容，通过8个功率开关管的有机结合，可提供1倍、1.25倍、1.5倍和2倍等四种模式的电压增益。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种新型的电荷泵电路，本电荷泵电路能实现1倍、1.25倍、1.5倍和2倍等多种电压增益模式。

本发明的另一目的在于提供上述多模式电压增益的电荷泵电路实现多模式电压增益的方法。

为达上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：多模式电压增益的电荷泵电路，如图5所示，包括功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇和S₈，相同的充电电容C₁和C₂，以及输出电容C_HOLD；

其中，电压输入端V_IN与功率开关管S₁的漏极连接，功率开关管S₁的源极同时与功率开关管S₄的漏极、充电电容C₁的第一端C₁₁连接；

电压输入端V_IN与功率开关管S₅的漏极连接，功率开关管S₅的源极同时与功率开关管S₇的漏极，以及功率开关管S₂的漏极连接；

功率开关管S₂的漏极与充电电容C₁的第二端C₁₂连接；

功率开关管S₇的源极同时与充电电容C₂的第一端C₂₁，以及功率开关管S₃的漏极连接，功率开关管S₃的源极接地；

功率开关管S₂的源极同时与充电电容C₂的第二端C₂₂连接，其连接线引出一条支路通过功率开关管S₈接地，该连接线还引出另一条支路通过功率开关管S_{6 与}电压输出端V_OUT相连接，同时，功率开关管S₄的源极也与电压输出端V_OUT相连接，电压输出端V_OUT还通过输出电容C_HOLD接地。

作为优选的技术方案，所述充电电容C₁、C₂均采用快速充电电容。

上述多模式电压增益的电荷泵电路实现多模式电压增益的方法，包括1倍等压方法、1.25倍升压方法、1.5倍升压方法和2倍升压方法；

(1)1倍等压方法具体如下：将功率开关管S₁和功率开关管S₄的控制信号设为高电平，功率开关管S₁和功率开关管S₄导通，将功率开关管S₂、S₃、S₅～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₂、S₃、S₅～S₈截止，进而电压输入信号依次通过功率开关管S₁、功率开关管S₄短接到电压输出端V_OUT，从而得到V_IN＝V_OUT，由此实现1倍等压。

(2)1.25倍升压方法具体如下：将功率开关管S₁～S₈各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK₂₁、CLK₂₂和CLK₂₃三个阶段；

在CLK₂₁阶段，将功率开关管S₁～S₃的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₁～S₃导通，将功率开关管S₄～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₄～S₈截止，通过上述设计，使得电压输入端V_IN在CLK₂₁阶段对充电电容C₁和C₂进行充电，由稳态分析得到充电电容C₁、C₂上的压差为V_C1＝V_C2＝0.5V_IN。

在CLK₂₂阶段，将功率开关管S₃、S₅和S₈的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₃、S₅和S₈导通，将功率开关管S₁、S₂、S₄、S₆和S₇的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁、S₂、S₄、S₆和S₇截止，通过上述设计，使得在CLK₂₂阶段C₂对地放电，稳态时有V_C2＝0V；

在CLK₂₃阶段，将功率开关管S₄～S₇的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₄～S₇导通，将功率开关管S₁～S₃，以及S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁～S₃，以及S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₂₃阶段稳态时输出电压V_OUT＝1.25V_IN，由此实现了1.25倍升压。

(3)1.5倍升压方法具体如下：

将功率开关管S₁～S₈各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK₃₁和CLK₃₂两个阶段；

在CLK₃₁阶段，将功率开关管S₁～S₃的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₁～S₃导通，将功率开关管S₄～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₄～S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₃₁阶段稳态时V_IN对充电电容C₁和C₂充电，获得V_C1＝V_C2＝0.5V_IN；

在CLK₃₂阶段，将功率开关管S₄～S₇的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₄～S₇导通，将功率开关管S₁～S₃，以及S₈的控制信号设为低电平，以使得S₁～S₃，以及S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₃₂阶段稳态时充电电容C₁和C₂并接在输入电压V_IN与输出电压V_OUT之间，获得输出电压为V_OUT＝1.5V_IN，由此实现了1.5倍升压。

(4)2倍升压方法具体如下：

将功率开关管S₁～S₈各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK₄₁和CLK₄₂两个阶段；

在CLK₄₁阶段，将功率开关管S₂、S₃和S₅的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₂、S₃和S₅导通，将功率开关管S₁、S₄以及S₆～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁、S₄以及S₆～S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₄₁阶段稳态时V_IN对充电电容C₂充电，获得V_C2＝V_IN；

在CLK₄₂阶段，将功率开关管S₅～S₇的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₅～S₇导通，将功率开关管S₁～S₄以及S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁～S₄以及S₈截止，通过上述设计，使得充电电容C₂接在V_IN与V_OUT之间，在CLK₄₂阶段稳态时输出电压V_OUT＝2V_IN，由此实现了2倍升压。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

本发明电路只需使用到8个功率开关管、2个充电电容以及1个输出电容。电路根据外部的功率开关管控制信号，实现1倍、1.25倍、1.5倍和2倍的升压功能。与目前已知的电荷泵电路相比，无需增加额外的充电电容，即可增加一种1.25倍升压功能。

与现有电荷泵电路相比，本发明主要通过以下2点技术改进以实现电荷泵电路简化和四种升压功能：

1)以S₁和S₄同时闭合组成V_IN经S₁、S₄到V_OUT的1倍升压通路代替已知电荷泵电路中单闭合S₈组成V_IN经S₈到V_OUT的1倍升压通路，提高电荷泵电路中S₁和S₄的复合利用率，优化了V_IN到V_OUT的物理通路；

2)与现有电荷泵电路中C₂经过S₃单极接地相比，本发明以C₂一极经过S₃接地和C₂另一极经过S₈接地的双端接地方式，使得C₂电容可在工作过程中可双极对地放电，电压置零，通过此功能，本发明的电荷泵电路可以实现一种1.25倍的升压功能。

附图说明

图1为现有电荷泵电路的电路架构示意图；

图2为现有电荷泵电路1倍升压模式时功率开关管控制信号示意图；

图3为现有电荷泵电路1.5倍升压模式时功率开关管控制信号示意图；

图4为现有电荷泵电路2倍升压模式时功率开关管控制信号示意图；

图5为本发明多模式电压增益的电荷泵电路的电路架构示意图；

图6为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现1倍升压时功率开关管控制信号示意图；

图7为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现1.25倍升压时功率开关管控制信号示意图；

图8为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现1.5倍升压时功率开关管控制信号示意图；

图9为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现2倍升压时功率开关管控制信号示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明多模式电压增益的电荷泵电路如图5所示，其中输入电压V_IN可以分别通过四种升压模式得到1倍、1.25倍、1.5倍和2倍的电压增益，输出V_OUT，C₁、C₂为快速充电电容，C_HOLD为输出电容，S₁～S₈为功率开关管。

四种升压模式实现过程的工作原理如下：

(1)1倍升压模式

如图6所示，M₁～M₈为S₁～S₈对应的功率开关管的控制信号。可以看出功率开关管控制信号M₁和M₄持续为高电平，M₂、M₃和M₅～M₈持续为低电平，对应功率开关管S₁和S₄导通，S₂、S₃和S₅～S₈截止，V_IN通过S₁和S₄短接到V_OUT，从而得到V_IN＝V_OUT，完成1倍升压模式。

(2)1.25倍升压模式

如图7所示，M₁～M₈为S₁～S₈对应的功率开关管的控制信号。可以看出功率开关管控制信号每个周期均分为CLK₁、CLK₂和CLK₃三个阶段，一个完整的工作过程可分为如下所述：

CLK₁阶段：功率开关管控制信号M₁～M₃高电平，M₄～M₈低电平，对应功率开关管S₁～S₃导通，S₄～S₈截止。V_IN对串联电容C₁和C₂充电，这里C₁＝C₂，由稳态分析可得C₁、C₂上的压差为，V_C1＝V_C2＝0.5V_IN；

CLK₂阶段：功率开关管控制信号M₃、M₅、M₈高电平，M₁、M₂、M₄、M₆和M₇低电平，对应功率开关管S₃、S₅、S₈导通，S₁、S₂、S₄、S₆和S₇截止。C₂对地放电。稳态时有V_C2＝0V；

CLK₃阶段：功率开关管控制信号开关M₄～M₇高电平，M₁～M₃和M₈低电平，对应开关S₄～S₇导通，S₁～S₃和S₈截止。稳态时可得输出电压V_OUT＝1.25V_IN，因此，实现了1.25倍升压模式。

(3)1.5倍升压模式

如图8所示，M₁～M₈为S₁～S₈对应的开关管控制信号。实现1.5倍升压模式的完整过程只需CLK₁和CLK₂两个阶段。

CLK₁阶段：功率开关管控制信号开关M₁～M₃高电平，M₄～M₈低电平，对应功率开关管S₁～S₃导通，S₄～S₈截止，V_IN对串联电容C₁和C₂充电，可得V_C1＝V_C2＝0.5V_IN；

CLK₂阶段：功率开关管控制信号开关M₄～M₇高电平，M₁～M₃和M₈低电平，对应功率开关管S₄～S₇导通，S₁～S₃和S₈截止，C₁和C₂并接在V_IN与V_OUT之间，可得输出电压为V_OUT＝1.5V_IN。因此，实现了1.5倍升压模式。

(4)2倍升压模式

如图9所示，M₁～M₈为S₁～S₈对应的功率开关管控制信号。实现2倍升压模式也只需CLK₁和CLK₂两个阶段。

CLK1阶段：功率开关管控制信号M₂、M₃和M₅高电平，M₁、M₄和M₆～M₈低电平，对应功率开关管S₂、S₃和S₅导通，S₁、S₄和S₆～S₈截止，V_IN对C₂充电，可得V_C2＝V_IN；

CLK2阶段：功率开关管控制信号M₅～M₇高电平，M₁～M₄和M₈低电平，对应功率开关管S₅～S₇导通，S₁～S₄和S₈截止，C₂接在V_IN与V_OUT之间，此时输出电压V_OUT＝2V_IN。从而实现了2倍升压模式。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.多模式电压增益的电荷泵电路，包括功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇和S₈，相同的充电电容C₁和C₂，以及输出电容C_HOLD，其特征在于：

电压输入端V_IN与功率开关管S₁的漏极连接，功率开关管S₁的源极同时与功率开关管S₄的漏极、充电电容C₁的第一端C₁₁连接；

电压输入端V_IN与功率开关管S₅的漏极连接，功率开关管S₅的源极同时与功率开关管S₇的漏极，以及功率开关管S₂的漏极连接；

功率开关管S₂的漏极与充电电容C₁的第二端C₁₂连接；

功率开关管S₇的源极同时与充电电容C₂的第一端C₂₁，以及功率开关管S₃的漏极连接，功率开关管S₃的源极接地；

功率开关管S₂的源极同时与充电电容C₂的第二端C₂₂连接，其连接线引出一条支路通过功率开关管S₈接地，该连接线还引出另一条支路通过功率开关管S_{6 与}电压输出端V_OUT相连接，同时，功率开关管S₄的源极也与电压输出端V_OUT相连接，电压输出端V_OUT还通过输出电容C_HOLD接地。

2.根据权利要求1所述的多模式电压增益的电荷泵电路，其特征在于：所述充电电容C₁、C₂均采用快速充电电容。

3.根据权利要求1或2所述的多模式电压增益的电荷泵电路现多模式电压增益的方法，其特征在于，包括1倍等压方法、1.25倍升压方法、1.5倍升压方法和2倍升压方法；

(1)1倍等压方法具体如下：将功率开关管S₁和功率开关管S₄的控制信号设为高电平，功率开关管S₁和功率开关管S₄导通，将功率开关管S₂、S₃、S₅～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₂、S₃、S₅～S₈截止，进而电压输入信号依次通过功率开关管S₁、功率开关管S₄短接到电压输出端V_OUT，从而得到V_IN＝V_OUT，由此实现1倍等压；

(2)1.25倍升压方法具体如下：将功率开关管S₁～S₈各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK₂₁、CLK₂₂和CLK₂₃三个阶段；

在CLK₂₁阶段，将功率开关管S₁～S₃的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₁～S₃导通，将功率开关管S₄～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₄～S₈截止，通过上述设计，使得电压输入端V_IN在CLK₂₁阶段对充电电容C₁和C₂进行充电，由稳态分析得到充电电容C₁、C₂上的压差为V_C1＝V_C2＝0.5V_IN。

在CLK₂₂阶段，将功率开关管S₃、S₅和S₈的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₃、S₅和S₈导通，将功率开关管S₁、S₂、S₄、S₆和S₇的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁、S₂、S₄、S₆和S₇截止，通过上述设计，使得在CLK₂₂阶段C₂对地放电，稳态时有V_C2＝0V；

在CLK₂₃阶段，将功率开关管S₄～S₇的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₄～S₇导通，将功率开关管S₁～S₃，以及S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁～S₃，以及S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₂₃阶段稳态时输出电压V_OUT＝1.25V_IN，由此实现了1.25倍升压；

(3)1.5倍升压方法具体如下：

将功率开关管S₁～S₈各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK₃₁和CLK₃₂两个阶段；

在CLK₃₁阶段，将功率开关管S₁～S₃的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₁～S₃导通，将功率开关管S₄～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₄～S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₃₁阶段稳态时V_IN对充电电容C₁和C₂充电，获得V_C1＝V_C2＝0.5V_IN；

在CLK₃₂阶段，将功率开关管S₄～S₇的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₄～S₇导通，将功率开关管S₁～S₃，以及S₈的控制信号设为低电平，以使得S₁～S₃，以及S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₃₂阶段稳态时充电电容C₁和C₂并接在输入电压V_IN与输出电压V_OUT之间，获得输出电压为V_OUT＝1.5V_IN，由此实现了1.5倍升压；

(4)2倍升压方法具体如下：

将功率开关管S₁～S₈各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK₄₁和CLK₄₂两个阶段；

在CLK₄₁阶段，将功率开关管S₂、S₃和S₅的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₂、S₃和S₅导通，将功率开关管S₁、S₄以及S₆～S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁、S₄以及S₆～S₈截止，通过上述设计，使得在CLK₄₁阶段稳态时V_IN对充电电容C₂充电，获得V_C2＝V_IN；

在CLK₄₂阶段，将功率开关管S₅～S₇的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S₅～S₇导通，将功率开关管S₁～S₄以及S₈的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S₁～S₄以及S₈截止，通过上述设计，使得充电电容C₂接在V_IN与V_OUT之间，在CLK₄₂阶段稳态时输出电压V_OUT＝2V_IN，由此实现了2倍升压。

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