CN102082507B

CN102082507B - 一种电容式电荷泵

Info

Publication number: CN102082507B
Application number: CN 201010614539
Authority: CN
Inventors: 熊守芬
Original assignee: XIAMEN LINKTRON MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: XIAMEN LINKTRON MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: CN102082507A

Abstract

本发明公开了一种电容式电荷泵，包括由飞电容和开关组成的升压回路，该升压回路具有输入端，输出端和接地，其特征在于所述的升压回路包括第一、第二和第三飞电容和一切换程序；在所述升压回路输入端接入输入电压后，所述的飞电容和开关以一包括四个步骤的切换程序周期循环工作，从输出端得到1.2倍输入电压的输出电压。这种1.2倍升压的电容式电荷泵，其升压回路电路简单，仅需要3个飞电容，同时在应用于LED背光驱动时，其效率比较高。

Description

一种电容式电荷泵

技术领域

本发明涉及一种电源电路，具体是一种升压的电容式电荷泵电路。

背景技术

作为一种电源转换装置，电荷泵具有广泛应用，其中电容式电荷泵采用电容器来贮存能量，工作于较高的频率，常使用小型陶瓷电容作为储能元件；这种类型的电荷泵使空间占用小，使用成本低，且由于不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。电容式电荷泵的种种优点使其十分适用于便携式应用产品，尤其是需要锂电池供电的以白光LED照明的电子设备，这类设备由于白光LED工作电压的特点，锂电池直接供电时会因为电池电压低于LED工作电压而无法再放电，这就需要在有限的设备空间中设置相应的升压电路，将锂电池的电压加以提升，使其能够在适合白光LED的工作电压的条件下充分放电，升压的电容式电荷泵就是合乎此要求的一种装置。

目前常用的电容式升压电荷泵，按照其电压放大倍数，常见的有2倍、1.5倍、1.33倍，其电路结构对应一固定数量的飞电容个数，其最少飞电容数量对应就是1,2和3个，若要达到1.2倍升压，则需要多达5个飞电容。电容器占用的的体积在便携产品中往往极易受到限制，片面地提高飞电容个数，虽然可以示输出电压达到要求，但其庞大的体积，导致毫无实用性。

发明内容

针对现有技术1.2倍升压电荷泵飞电容数量过多的问题，本发明提出一种电容式电荷泵电路，其技术方案如下：

一种电容式电荷泵，包括由飞电容和开关组成的升压回路，该升压回路具有输入端，输出端和接地，所述的升压回路包括第一、第二和第三飞电容；所述输出端与地之间并联一滤波电容。

在所述升压回路输入端接入输入电压后，所述的飞电容和开关以一包括四个步骤的切换程序周期循环工作，从输出端得到1.2倍输入电压的输出电压。

作为本技术方案的优选者，可以作如下改进：

所述飞电容各自均具有一正端和一负端；

所述切换程序包括以下四个步骤：

第一步骤：所述第一、第二和第三飞电容正负端同向顺次串联，第一飞电容的正端接输入端，第三飞电容的负端接入地；

第二步骤：第一飞电容负端接输入端，正端接输出端；

第三步骤：第一飞电容正端接输入端，负端接第二飞电容负端；第二飞电容正端接输出端；

第四步骤：第一飞电容负端接输入端，正端接第二飞电容正端；第二飞电容负端接第三飞电容负端；第三飞电容正端接输出端；

其中每两个步骤之间开关转换状态无重叠。

一较佳实施例中，所述第一、第二和第三飞电容均各自与两个开关构成相同结构的第一、第二和第三泵级回路，每个泵级回路均具有第一、第二和第三端，其中：

第一泵级回路：由第一开关与第一飞电容串联后整体与第五开关并联而成；第一开关与第五开关的连接点成为第一端；第一开关与第一飞电容的连接点成为第二端；第一飞电容与第五开关的连接点成为第三端；

第二泵级回路：由第二开关与第二飞电容串联后整体与第七开关并联而成；第二开关与第七开关的连接点成为第一端：第二开关与第二飞电容的连接点成为第二端；第二飞电容与第七开关的连接点成为第三端；

第三泵级回路：由第三开关与第三飞电容串联后整体与第十开关并联构成；第三开关与第十开关的连接点成为第一端；第三开关与第三飞电容的连接点成为第二端；第三飞电容与第十开关的连接点成为第三端：

以上第一、第二与第三泵级回路顺次以第一端和第三端同向串联；第一泵级回路的第一端接输入端；第三泵级回路的第三端通过第四开关接地；

另外，第一泵级回路的第二端同时接第九开关与第六开关的一端；第九开关的另一端与第二泵级回路的第二端和第八开关的一端连接；第六开关的另一端与第八开关的另一端连接后接所述输出端；第三泵级回路的第二端通过第十一开关连接输出端。

一较佳实施例，其中的：

所述第一步骤中，第一、第二、第三和第四开关连动同时开启和关闭；

所述第二步骤中，第五和第六开关连动同时开启和关闭；

所述第三步骤中，第一、第七和第八开关连动同时开启和关闭；

所述第四步骤中，第五、第九、第十和第十一开关同时开启和关闭。

一较佳实施例中所述开关均为包括MOS管的电子开关。

一较佳实施例中所述电子开关由一带有延迟功能的周期发生电路驱动；该周期发生电路由一个时钟信号驱动。

一较佳实施例中所述第六开关为四个源极与漏极并联的相同MOS管构成，且该四个MOS管栅极在所述周期发生电路之前均连接于一启动电路，该启动电路在电路启动时将四个MOS管逐个全部导通。

一较佳实施例中所述周期发生器与所述升压回路之间还具有一驱动电路。

一较佳实施例中所述升压回路除飞电容以外的其他部分均在同一芯片上制成。

相比现有技术，本发明带来的有益效果是：

1．升压电路简单，用3个飞电容就实现了1.2倍升压，电容器数量少；

2．同等条件下电荷泵效率较高；对于2倍和1.5倍的电荷泵，假设其输入电压为Va，输出电压为Vb，则其效率分别为Vb/（Va*2）=0.5Vb/Va，和Vb/（Va*1.5）≈0.67Vb/Va，但本发明1.2倍电荷泵可以在此条件下达到Vb/（Va*1.2）≈0.83Vb/Va。

3．作为第六开关的MOS管用4管并联，且接入一启动电路将该4个MOS管逐个导通，使升压回路的MOS管工作电流逐步加大，从而升压回路具有软启动的功能。

附图说明

以下结合附图实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例一原理图；

图2是实施例一第一步骤等效原理图；

图3是实施例一第二步骤等效原理图；

图4是实施例一第三步骤等效原理图；

图5是实施例一第四步骤等效原理图；

图6是本发明实施例二电路图；

图7是实施例二所在的片上系统总概览图；

图8是图7中栅极电平时序图；

图9是实施例二在图7系统中仿真图。

具体实施方式

实施例一：

图1是本发明的实施例一原理图。图中有三个泵级回路1至3，每个泵级回路包括一个飞电容和两个开关；泵级回路1具有电容C1和开关S1、S5；泵级回路2具有电容C2和开关S2、S7，泵级回路3具有电容C3和开关S3、S10。另有一开关网络，由S9、S6、S8和S11构成，与此三个串联的泵级回路一并构成升压电路。另有一C4并联在输出端Vout和地之间滤波。为了方便说明，电容C1至C 3按照其初始充放电极性，标注了正负端。

飞电容的实现就是依靠各开关的开启关闭，在一定周期内使电容构成不同的充放电网络，以不同状态进行能量的贮存和转移从而得到需求的工作电压。图1所示的原理图，在Vdd端接通直流工作电压后，依照开关S1至S11不同的开启/关闭组合，达成4个等时长的不同步骤，从而形成一个周期，再无限循环此周期，即可从Vout得到持续的直流电。

如图2，第一步骤等效原理图；此步骤中，图1中的开关S1,S2,S3,S4保持闭合，其余保持断开，则得到如此等效回路，从此等效回路可根据基尔霍夫定律得到如下关系式(Vc1表示电容C1两端电压，Vout开路，下同及类推）：

Vdd=Vc1+Vc2+Vc3…………………………………(1)

如图3，第二步骤等效原理图；此步骤中，图1中的开关S5,S6保持闭合，其余保持断开，则得到如此等效回路，从此等效回路可根据基尔霍夫定律得到如下关系式：

Vout=Vdd+Vc1……………………………………(2)

如图4，第三步骤等效原理图；此步骤中，图1中的开关S1,S7，S8保持闭合，其余保持断开，则得到如此等效回路，从此等效回路可根据基尔霍夫定律得到如下关系式：

Vout=Vdd-Vc1+Vc2………………………………(3)

如图5，第四步骤等效原理图；此步骤中，图1中的开关S5,S9，S10，S11保持闭合，其余保持断开，则得到如此等效回路，从此等效回路可根据基尔霍夫定律得到如下关系式：

Vout=Vdd+Vc1-Vc2+Vc3…………………………(4)

作为飞电容的应用，所有开关都工作在比较高的频率（通常典型在1MHz左右），故所有电容器两端在稳定周期中不会发生任何跳变，而是保持一致，所以可以从以上等式中的相同变量进行替代将各电压关系进行简化：

从（2）式和（3）式得到Vc2=2Vc1；然后再根据(4)式得到Vc3=2Vc2；再把Vc2=2Vc1和Vc3=2Vc1，代入(1)式得到Vdd=5Vc1，所以Vc1=0.2Vdd，最后把Vc1=0.2Vdd代入(2)式，最终得到：

Vout=1.2Vdd

如此，通过这样结构的飞电容和开关网络，通过4个步骤的无限循环，即可建立该输出端Vout是输入端Vdd对地电压1.2倍的关系。需要注明的是，这4个步骤开关转换不能有任何状态重叠，即在上一步骤中所有开关从同时闭合（或断开）全部转换为断开（或闭合）状态之前，其他开关不会有任何动作。该电荷泵效率，假设输入电压Va,输出电压Vb，则可达到Vb/（Va*1.2）≈0.83Vb/Va。

实施例二：

在实际应用里，开关工作在较高的频率，通常是采用具有开关功能的控制器件现，在片上系统中，开关MOS管就可以胜任这样的开关功能。如图6所示的实施例二电路图，该实施例集成于芯片上，实现了小体积化,所有的MOS管都是增强型。

基本上，所有的MOS管的源极和漏极直接替代原图1中开关的位置，不同的是MOS管M6，是由4个相同参数的MOS管M61,62,63,64源极漏极并联实现。

当然，要实现由图6所示片上电路的功能，还必须有一系列的外设。如图7所示，图中的升压电路框就是图6中的内容，其余是电荷泵电路常用的外部设施，有周期发生器，驱动电路和衬底选择电路。其中周期发生器由一个时钟信号驱动，从CLK端输入，然后从P1至P11端输出特定的时序信号，通过驱动电路控制升压电路中MOS管的栅极，完成电荷泵的周期工作。值得注意的是，周期发生电路与驱动电路之间具有一个A部分，该A部分是一个启动电路，其作用是在整个系统启动后，在周期发生电路P6端导通信号有效下，逐步导通图6中的M61至M63，使输出电流逐级增大，起到软启动的功能，保护所有电路所在芯片的安全可靠。图中的衬底选择电路的目的是在Vdd和Vout之间选择一个较高的电压提供给回路中所有PMOS管衬底。因为电路刚启动时，Vout会远小于Vdd，为实现PMOS管的导通，就选择Vdd提供给衬底；若Vout某一时刻大于Vdd，则电路将Vout提供给衬底；该衬底选择电路从buck端输出至升压电路所有PMOS管的衬底。

图8就是图7系统的栅极电平时序图。P1至P11分别对应了图6和图7中MOS管栅极的P1至P11。从图中可知，所有的上升沿、下降沿均没有重叠状态。其中Phase1至Phase4一一对应以上4个不同的步骤，该4个步骤构成一个完整的周期。在图6的时序图中，一个Phase持续大约500ns，因此一个周期2μs；而波形彼此上升、下降沿之间的延迟约10ns。

图9实施例在图7系统中仿真图，从图中可知，3个稳定状态Vdd分别是3V,4V和5V，对应Vout为3.6V，4.8V和6V，即实现了Vout=1.2Vdd。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims

1.一种电容式电荷泵，包括由飞电容和开关组成的升压回路，该升压回路具有输入端，输出端和接地，其特征在于：

所述的升压回路包括第一、第二和第三飞电容；所述输出端与地之间并联一滤波电容;

在所述升压回路输入端接入输入电压后，所述的飞电容和开关以一包括四个步骤的切换程序周期循环工作，从输出端得到1.2倍输入电压的输出电压;

所述切换程序包括以下四个步骤：

第二步骤：第一飞电容负端接输入端，正端接输出端；

其中每两个步骤之间开关转换状态无重叠。

2.如权利要求1所述一种电容式电荷泵，其特征在于：所述第一、第二和第三飞电容均各自与两个开关构成相同结构的第一、第二和第三泵级回路，每个泵级回路均具有第一、第二和第三端，其中：

3.如权利要求2所述一种电容式电荷泵，其特征在于：

所述第二步骤中，第五和第六开关连动同时开启和关闭；

4.如权利要求3所述一种电容式电荷泵，其特征在于：所述开关均为包括MOS管的电子开关。

5.如权利要求4所述一种电容式电荷泵，其特征在于：所述电子开关由一带有延迟功能的周期发生电路驱动；该周期发生电路由一个时钟信号驱动。

6.如权利要求5所述一种电容式电荷泵，其特征在于：所述第六开关为四个源极与漏极并联的相同MOS管构成，且该四个MOS管栅极在所述周期发生电路之前均连接于一启动电路，该启动电路在电路启动时将四个MOS管逐个乃至全部导通。

7.如权利要求5所述一种电容式电荷泵，其特征在于：所述周期发生电路与所述升压回路之间还具有一驱动电路。

8.如权利要求6或7所述一种电容式电荷泵，其特征在于：所述升压回路除飞电容以外的其他部分均在同一芯片上制成。