CN102324840A

CN102324840A - 电荷泵及工作方法

Info

Publication number: CN102324840A
Application number: CN201110123472A
Authority: CN
Inventors: 富聪; 宋志棠; 陈后鹏; 陈小刚
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: CN102324840B

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、第一开关、第二开关、第三开关、及第四开关；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的转换效率，降低电荷泵电路输出电压纹波。

Description

电荷泵及工作方法

技术领域

本发明涉电路领域，特别涉及一种电荷泵及工作方法。

背景技术

电荷泵是一种基于单一供应电压而输出不同电压的电路，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，通过设定参考电压Vref可控制输出电压Vout。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10产生的两相非交叠时钟。

当输出电压Vout经分压电阻R1、R2分压后得到的电压Vn与参考电压Vref相比较，通过电压放大器13放大电压Vn与参考电压Vref的差值，得到电压VE来控制可变电阻Rin，从而调节输入到电荷转移电路12中的输入电流，进而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，电容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。开关S1、S2、S3、S4可以是MOS管、双极型晶体管或是由其他器件或电路构成。开关S1与S3由CLK1信号控制，当CLK1为高电平时开关S1与S3导通，否则关闭；开关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。该电荷转移电路12的工作原理如下：

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

上述电荷泵电路的主要问题在于转换效率较低，这是因为：从Vin端流入电荷转移电路的电流会经过可变电阻Rin，由此在可变电阻Rin上会产生能量消耗；而当电荷泵输出端Vout负载电流较小时，为降低流入电荷转移电路的电流，将会增大可变电阻Rin的阻值，由此会进一步增大可变电阻Rin的能量消耗，进而导致电荷泵电路的转移效率大幅度下降。

为解决上述问题，改进的方法是使用以跳周期模式控制输出电压的电荷泵电路，如图3所示。当输出电压Vout低于Vref·(R1+R2)/R2，则电压比较器33输出高电平，时钟发生电路31正常工作，输出周期性非交叠时钟信号CLK1，CLK2，电荷转移电路32也处于正常充电-电荷转移的工作状态；当输出电压Vout高于Vref·(R1+R2)/R2，则电压比较器33输出低电平，将时钟发生电路31关闭，使得非交叠时钟信号CLK1，CLK2保持原有的电平，电荷转移电路32暂停工作，使能信号EN、时钟信号CLK1与CLK2如图4所示。

然而，在该电荷泵电路中，由于电荷转移电容Cf在充电阶段过程中，下极板接地，上极板电压被充至Vin，而放电阶段电荷转移电容Cf下极板接Vin，由于电荷转移电容Cf两端的电压不能跳变，所以电荷转移电容Cf上极板理论上被提升为2Vin，如果2Vin大于Vout，当电荷转移电容Cf连接至Vout时则会与输出电容Cout进行电荷分享，造成输出电压Vout出现较大的纹波，同时电荷分享本身也会影响电荷泵工作效率。

针对上述两种电荷泵电路的缺点，研究人员又提出一种改进的电荷泵电路，具体如图5所示，该电荷泵电路包括参考电压发生电路52、电压比较器53、时钟发生器51、电荷转移电容Cf、稳压电容Cout、开关管M1、54、55、56。首先，电压比较器53控制开关管M1导通，同时，时钟发生器生成的非交叠时钟信号CLK1，CLK2将开关管54导通、开关管55，56断开，电荷转移电容Cf下极板与地接通，电荷转移电容Cf处于充电状态，当电荷转移电容Cf上极板电压达到Vo-Vin后，电压比较器53将开关管M1关闭，停止对电荷转移电容充电；然后非交叠时钟信号CLK1，CLK2将开关管54断开、开关管55，56导通，电荷转移电容Cf下极板提升至电源输入电压Vin，电荷转移电容Cf上极板通过开关管55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，由此，电荷泵输出电压将稳点在预期值Vo。

通过此种工作方式，消除了跳周期电荷泵中电容分享问题，可以很大程度上的减小输出电压的纹波，同时提高了工作效率。但由于开关管M1、开关管54，55，56以及电荷泵电路存在内阻，所以输出电压Vout会随着负载电流的增大而降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纹波小的电荷泵及其工作方法。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的电荷泵，其包括：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、及第四开关，其中，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，另一端作为电路输出端；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；稳压电容的一端与所述第二开关的另一端连接，另一端接地；所述时钟发生器用于产生两相非交叠钟信号，以便使第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；而第三开关关断时，第二开关、第四开关导通；所述参考电压发生电路分别与所述第二开关的另一端及输入电源连接，用于输出参考电压：Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，其中Vo为电路输出端的预期电压值，Vin为输入电源的电压，Vout为电路输出端的实际输出电压值，k为比例系数，其值大于等于1；所述电压比较器的一个输入端连接所述参考电压发生电路输出的的参考电压，另一输入端连接电荷转移电容上极板的电压信号，其输出信号用于控制第一开关的开闭。

本发明还提供一种电荷泵工作方法，其包括以下步骤：

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+k·(Vo-Vout)，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+k·(Vo-Vout)，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、第二开关与第四开关导通，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稳压电容；

重复上述步骤一及步骤二，稳压电容输出的电压将稳定在预期值Vo。

综上所述，本发明的电荷泵电路可增加电荷泵电路的转换效率，降低电荷泵电路输出电压纹波。

附图说明

图1为现有的电荷泵电路图。

图2为现有的电荷泵的电荷转移电路的电路图。

图3为另一个现有的电荷泵电路图。

图4为跳周期模式的电荷泵的时钟信号示意图。

图5为又一个现有的电荷泵电路图。

图6为本发明实施例一的电荷泵的示意图。

图7为本发明的电荷泵所包含的参考电压产生电路的具体电路图。

图8为本发明一个优选实施例的电荷泵的电路图。

图9为本发明实施例二的电荷泵电路的第一电平转换电路的具体电路图。

图10为本发明实施例二的电荷泵的电源选择电路的工作波形图。

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

如图6所示，所述电荷泵包括参考电压发生电路62、电压比较器63、时钟发生器61、电荷转移电容Cf、稳压电容Cout、第一开关M1、第二开关65、第三开关64、第四开关66；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，当电荷转移电容上极板电压达到Vo-Vin+k·(Vo-Vout)后，停止对电荷转移电容充电；其中，Vo为电荷泵输出端的预期电压值，Vin为输入电源电压，Vout为电荷泵输出端实际的输出电压值，k为比例系数其值大于等于1。

电荷泵电路如图6所示，时钟发生器61产生两相非交叠时钟信号CLK1，CLK2，时钟发生器61有多种实现方式，本技术领域人员应理解。

参考电压发生电路62产生参考电压Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，其中Vo是电荷泵电路输出端的预期电压值，Vin为输入电源的电压，Vout为电路输出端的实际输出电压值，k为比例系数，其值大于等于1。

电压比较器63比较电荷转移电容Cf上极板CFP电压与参考电压：Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，当CFP的电压值高于Vo-Vin+k·(Vo-Vout)时，电压比较器63输出端M1C输出高电平，反之，CFP的电压值低于Vo-Vin+k·(Vo-Vout)时，电压比较器63输出端M1C输出低电平，电压比较器63可使用有迟滞效果的电压比较器或运算放大器增加电路的稳定性。

第二开关65、第三开关64、第四开关66可由MOS管、双极型晶体管等器件实现。其中第三开关64在CLK1信号为“1”时导通，CLK1信号为“0”时断开。第二开关65与第四开关66在CLK2信号为“1”时导通，CLK2信号为“0”时断开。稳压电容Cout跨接在电路输出端与地之间。第一开关M1为PMOS管，也可以是双极型晶体管等。

图7为参考电压发生电路，其中Vref为参考电压，可由带隙基准电路71产生，本技术领域人员均可理解。该电路通过两级运算放大电路：即运算放大器72与73，电阻R1～R5构成的电路，并且设定R1/R2＝k，R2/R3＝(1+k)·(n-1)/k，R4/R5＝(1+k)·(n-1)-1，其中Vo/Vref＝n，k大于等于1，就可获得电压Vo-Vin+k·(Vo-Vout)。实际上可由多种方式产生电压Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，这里只是举例说明。

此外，需要说明的是，为简化图示，图6中的时钟发生器与第二开关、第三开关及第四开关之间的连线未示出，还有，参考电压发生电路与电源Vin、稳压电容之间的连线也未示出。

上述电荷泵的工作过程如下：

步骤一，CLK1＝“1”，CLK2＝“0”，第三开关64导通，第二开关65、第四开关66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+k·(Vo-Vout)，则电压比较器的输出信号将第一开关M1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+k·(Vo-Vout)，则电压比较器63的输出信号将第一开关M1关断，停止对电荷转移电容充电；

步骤二，CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，第三开关64关断，第二开关65、第四开关66导通，同时，第一开关M1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稳压电容；

重复步骤一及步骤二，稳压电容输出的电压将稳定在预期值Vo。

实施例二

图8为本发明电荷泵的另一实例，对图6的实施方式进一步优化。本实施例中电荷泵由时钟发生器81、参考电压发生电路82、电压比较器83、电源选择电路84、电平转换电路85，86、反相器87、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81产生两相非交叠时钟信号CLK1，CLK2，时钟发生器81有多种实现方式，本技术领域人员应理解。

参考电压发生电路82产生参考电压Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，其中Vo为电路预期输出的电压值。

电压比较器83比较电荷转移电容Cf上极板CFP电压与Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，当CFP的电压值高于Vo-Vin+k·(Vo-Vout)时，电压比较器83输出端M1C输出高电平，反之，CFP的电压值低于Vo-Vin+k·(Vo-Vout)时，电压比较器83输出端M1C输出低电平，其中电压比较器83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84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10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85、86内部结构如图9所示，其中M51、M52为NMOS管，M53、M54为PMOS管，91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8中，第一开关M1、第二开关M2、第四开关M4为PMOS管，其中第一开关M1的体端接在VH上，第二开关的体端接在Vout上，第四开关M4的体端接在Vin上；第三开关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。

为了简化图示，图8中的时钟发生器81与第三开关之间的连线未示出；反相器与第四开关之间的连线未示出；电平转换电路86与第二开关之间的连线未示出，还有，参考电压产生电路82与电源Vin、稳压电容Cout的连接关系均未示出。

上述电荷泵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87，电平转换电路86，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+k·(Vo-Vout)则，M1C输出低电平，电平转移电路85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+k·(Vo-Vout)后，M1C变成高电平Vin，经过电平转换电路85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+k·(Vo-Vout)，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。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种电荷泵，其包括：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、及第四开关，其特征在于：

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，另一端作为电路输出端；

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；

稳压电容的一端与所述第二开关的另一端连接，另一端接地；

所述时钟发生器用于产生两相非交叠钟信号，以便使第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；而第三开关关断时，第二开关、第四开关导通；

所述参考电压发生电路分别与所述第二开关的另一端及输入电源连接，用于输出参考电压：Vo-Vin+k·(Vo-Vout)，其中Vo为电路输出端的预期电压值，Vin为输入电源的电压，Vout为电路输出端的实际输出电压值，k为比例系数，其值大于等于1；所述电压比较器的一个输入端连接所述参考电压发生电路输出的的参考电压，另一输入端连接电荷转移电容上极板的电压信号，其输出信号用于控制第一开关的开闭。

2.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：所述参考电压产生电路包括：用于产生与所述期望电压成比例的基准电压的带隙基准电压电路、分别与所述带隙基准电压电路输出端、电源及所述稳压电容连接的多级运算放大电路，以输出所述参考电压。

3.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：当第一开关是由高电平来控制其断开时，所述电荷泵电路还包括：电源选择电路，用于在接入的电源电压与所述输出电压Vout中选择较大者作为输出；以及增设在所述电压比较器与所述第一开关之间的第一电平转换电路，其与所述电源选择电路输出端相连接，用于将所述电压比较器输出的高电平转换为所述电源选择电路输出端所输出的电压以控制第一受控开关断开。

4.如权利要求3所述的电荷泵，其特征在于：当第二受控开关由高电平控制其断开时，所述电荷泵电路还包括：连接在所述时钟发生器输出端的反相器、及增设在所述反相器与所述第二受控开关之间的第二电平转换电路，其与所述电源选择电路输出端相连接，用于将所述反相器输出的高电平转换为所述电源选择电路输出端所输出的电压以控制第三受控开关断开。

5.一种电荷泵工作方法，其特征在于包括步骤：

6.如权利要求5所述的电荷泵工作方法，其特征在于：当所述电荷泵还包括电源选择电路与第一电平转换电路时，所述电荷泵工作方法还包括步骤：所述电源选择电路在接入的电源电压与电路输出端的实际输出电压值中选择较大者以提供给第一电平转换电路，所述第一电平转换电路将所述电源选择电路输出的电压作为控制信号来控制所述第一受控开关的断开。

7.如权利要求6所述的电荷泵电路工作方法，其特征在于：当所述电荷泵还包括第二电平转换电路时，所述电荷泵工作方法还包括步骤：所述电源选择电路在接入的电源电压与所述电路输出端的实际输出电压值中选择较大者以提供给第二电平转换电路，所述第二电平转换电路将所述电源选择电路输出的电压作为控制信号来控制所述第二受控开关的断开。