CN102386762A

CN102386762A - 一种升压时钟电路和带该升压时钟电路的电荷泵

Info

Publication number: CN102386762A
Application number: CN2010102711743A
Authority: CN
Inventors: 杨光军
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: CN102386762B

Abstract

一种升压时钟电路，由N级单级升压时钟电路(CK_BST 1～CK_BST N)级联而成，其中至少有一级单级升压时钟电路与比较选择电路相连，各单级升压时钟电路的供电电压VDD′相同，其特征在于，所述比较选择电路中至少有一比较选择电路与跟踪电路相连，所述跟踪电路的输入电压VIN与所述单级升压时钟电路的供电电压VDD′满足关系式VIN＝F(VDD′)，其中，N取大于等于1的整数，F为一固定的函数。一种电荷泵电路，包括电荷泵和上述带跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路，所述升压时钟电路对所述电荷泵进行充电。发明提供的升压时钟电路和电荷泵电路克服了传统带比较选择电路的升压时钟电路和电荷泵电路在实际应用中误差大的问题，更加符合实际应用的需要。

Description

一种升压时钟电路和带该升压时钟电路的电荷泵

技术领域

本发明属于电荷泵技术领域，具体涉及一种升压时钟电路和带该升压时钟电路的电荷泵。

背景技术

电荷泵，又称为开关电容式电压变换器，是一种利用“快速”(flying)或“泵送”电容来储能的直流-直流(DC-DC)变换器.电荷泵能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。传统的电荷泵通过控制快速电容器的充电和放电，使输入电压以一定因数(0.5，2或3)倍增或降低，得到所需要的输出电压。

目前，常用的电荷泵都带有升压时钟电路。输入的时钟信号CK和反向时钟信号CKB通过升压时钟电路升压后输出为时钟信号CKO和反向时钟信号CKOB；相应的时钟信号CK和反向时钟信号CKB的高低电平差VH增加到输出的时钟信号CKO和反向时钟信号CKOB的高低电平差VOH。这种方法可以方便、有效地提高电荷泵的效率，特别是对于工作电压较低的电荷泵。

图1A是一种现有技术中带升压时钟电路的电荷泵电路。该电荷泵(CHARGE PUMP)的输入电压Vin一般为VDD，经过升压时钟电路(CLOCK BOOSTCIRCUIT)升压后输出电压Vpump。在不考虑其他因素的情况下，输出电压Vpump由输入电压Vin和升压时钟电路的输出电压VOH决定。升压时钟电路如图1B所示，其由一系列的单级升压时钟电路(CK_BST)级联而成。输入的时钟信号CK和反向时钟信号CKB的高低电平差为工作电压VH。输出的时钟信号CKO和反向时钟信号CKOB的高低电平差VOH较高。CKO和CKOB用于控制电荷泵中的快速电容的充放电。

图2是现有技术中一种常见的单级升压时钟电路。从图中可以看出，该单级升压时钟电路(CK_BST)的供电电压为VDD′。当CK由高电平VH变为低电平(接地)、CKB由低电平(接地)变为高电平VH时，NMOS管m5关闭、PMOS管m3导通；NMOS管m6导通、PMOS管m4关闭；NMOS管m1导通。电容c1开始被预充电至两端的电压为VDD′，由于电容两端的电荷不能突变，因此其两端电压值不变，所以节点A的电压通过电容c1抬高到一个较高的电压VH+VDD′。由于m3导通，所以OUTB端的输出电压为VOUTB＝VH+VDD′。同时节点B通过m2被预充到电压VDD′，输出端OUT通过m6接通到地(ground)。

CK由低电平(接地)变为高电平VH、CKB由高电平VH变为低电平(接地)时，NMOS管m5导通、PMOS管m3关闭；NMOS管m6关闭、PMOS管m4导通；NMOS管m2导通。电容c2开始被预充电至两端的电压为VDD′，由于电容两端的电荷不能突变，因此其两端电压值不变，所以节点B的电压通过电容c2抬高到一个较高的电压VH+VDD′。由于m4导通，所以OUT端的输出电压为VOUT＝VH+VDD′。同时节点A通过m1被预充到电压VDD′，输出端OUTB通过m5接通到地(ground)。

综上所述，CK和CKB的高低电平差VH经过单级升压时钟电路(CK_BST)后变为VOH＝VH+VDD′，VDD′为单级升压时钟电路(CK_BST)的供电电压。若有N级单级升压时钟电路级联组成升压时钟电路，每一级单级升压时钟电路的供电电压都相同，均为VDD′。那么该升压时钟电路最终输出的时钟信号的CKO和反向时钟信号CKOB的高点电平差VOH＝VH+N*VDD′。

然而，这种结构的缺点是各单级升压时钟电路供电电压VDD′较低时，为了得到满足要求的电荷泵的输出电压Vpump，升压时钟电路的级数N就需要增大，也就是说需要更多的单级升压时钟电路(CK_BST)级联。实际电路中，电压VDD′并不是恒定不变的。有一个变化幅度。为了保证电荷泵的性能，设计升压时钟电路的级数时，以电压VDD′的最低电压为准。那么当电压VDD′为最高时，由于升压时钟电路的级数N很大、每一级单级升压时钟电路的输出的时序信号高低电平差都有增加，经升压后输出的时钟信号CKO和反向时钟信号CKOB的高低电平差就会很大。由此导致大的放电电流会带来许多不好的问题，如快速反向(snap back)或闩锁效应。

为了解决这一问题，可以先检测电压VDD′的变化情况，然后根据其变化调整各个单级升压时钟电路所用到的充电电容的大小，以限制升压时钟电路的放大倍数，保证时钟信号CKO和反向时钟信号CKOB的高低电平差VOH相对稳定。如图3所示，单级升压时钟电路CK_BST 1～CK_BST N级联组成升压时钟电路，供电电压均为VDD′，电容分别为C1～CN，其中，N取大于等于1的整数。通常情况下，各单级升压时钟电路的充电电容相等。对一个或多个(图中为全部)单级升压时钟电路中的每一个分别配备一个比较选择电路。该比较选择电路可根据与其相连的单级升压时钟电路的供电电压的变化控制该单级升压时钟电路的电容的大小，从而可以在一定程度上解决上述问题。通常情况下，各个比较选择电路的输入电压VIN与对应相连的单级升压时钟电路的供电电压VDD′存在一个固定的对应关系。当单级升压时钟电路的供电电压VDD′发生变化，对应的比较选择电路的输入电压VIN也发生相应的变化，于是比较选择电路就可以根据该电压VDD′变化控制与之对应相连的单级升压时钟电路电容的大小。图3中所示的比较选择电路的输入电压VIN与对应相连的单级升压时钟电路的供电电压VDD′相等，均为VDD′。

然而，实际电路中，升压时钟电路存在使其升压特性发生变化的因素，如各种寄生电容、温度和湿度等环境因素。直接检测供电电压VDD′或与供电电压VDD′存在固定对应关系的输入电压VIN的变化情况并不能完全地、直接地反应实际升压时钟电路的电压变化情况，因为此时没有考虑到实际电路的各种寄生电容、温度和湿度等环境因素。所以直接检测供电电压VDD′或与供电电压VDD′存在固定对应关系的输入电压VIN的变化结果去选择各单级升压时钟电路充电电容的大小在实际电路应用中存在较大误差。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是传统带比较选择电路的升压时钟电路在实际应用中存在较大误差。应用传统带比较选择电路的升压时钟电路的电荷泵电路存在同样的问题。

为解决上述技术问题，本发明的总体思路是将各单级升压时钟电路的供电电压经跟踪电路升压。由于跟踪电路与升压时钟电路在结构上一致，所以其输出电压同时受供电电压和实际电路中寄生效应、环境因素等调制。比较选择电路根据该受调制的输出电压的变化情况调整对应各个单级升压时钟电路所用到的充电电容的大小，以限制升压时钟电路的放大倍数，保证整个升压时钟电路输出的时钟信号和反向时钟信号的高低电平差以及总的积累电荷相对稳定。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种升压时钟电路，由N级单级升压时钟电路(CK_BST 1～CK_BST N)级联而成，其中至少有一级单级升压时钟电路与比较选择电路相连，各单级升压时钟电路的供电电压VDD′相同，其特征在于，所述比较选择电路中至少有一比较选择电路与跟踪电路相连，所述跟踪电路的输入电压VIN与所述单级升压时钟电路的供电电压VDD′满足关系式VIN＝F(VDD′)，其中，N取大于等于1的整数，F为一固定的函数。

可选的，所述跟踪电路的输入电压与所述单级升压时钟电路的供电电压相同或成倍数关系。

可选的，所述跟踪电路由N级单级跟踪电路(V_BST 1～V_BST N)级联而成。

可选的，所述各单级跟踪电路(V_BST 1～V_BST N)分别与对应的各所述单级升压时钟电路(CK_BST 1～CK_BST N)结构上一致。

可选的，所述单级升压时钟电路包含可变电容C′，所述单级跟踪电路包含电容C，C′的初始值等于C的大小。

可选的，所述单级升压时钟电路的供电电压输入端对应所述单级跟踪电路的输入电压端，所述单级升压时钟电路的时钟信号输出端与接地端并接后对应所述单级跟踪电路的输出电压端。

可选的，所述比较选择电路根据与之相连的所述跟踪电路的输出电压调控所述与之相连的单级升压时钟电路的可变电容C′的大小。

可选的，所述单级升压时钟电路的可变电容C′包括一个或多个并联的充电电容。

可选的，所述比较选择电路包括将输入电压分压的一个或多个串联电阻，所述输入电压的分压值分别与一参考电压经比较器比较，一所述比较器的比较结果控制所述单级升压时钟电路中至少一充电电容的工作状态。

可选的，所述比较器通过开关与所述充电电容相连，所述开关的开关状态由所述比较结果决定。

可选的，每一单级升压时钟电路与一比较选择电路相连。

可选的，所述各单级升压时钟电路结构相同。

可选的，所述与各单级升压时钟电路相连的比较选择电路相同。

可选的，各比较选择电路共用一跟踪电路

可选的，所述各单级升压时钟电路共用一比较选择电路。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种电荷泵电路，包括电荷泵和上述带跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路，所述升压时钟电路对所述电荷泵进行充电。

可选的，每一单级升压时钟电路与一比较选择电路相连。

可选的，所述各单级升压时钟电路结构相同。

可选的，所述电荷泵的输入电压与所述跟踪电路的输出电压相同。

可选的，各比较选择电路共用一跟踪电路。

可选的，所述各单级升压时钟电路共用一比较选择电路。

与传统带比较选择电路的升压时钟电路相比，本发明提供的带跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路和电荷泵电路具有的优点和有益效果是用比较选择电路根据单级升压时钟信号的供电电压的变化情况并考虑实际电路中寄生效应、环境因素等调整对应各个单级升压时钟电路所用到的充电电容的大小，以限制升压时钟电路的放大倍数，保证整个升压时钟电路输出的时钟信号和反向时钟信号的高低电平差以及总的积累电荷相对稳定。这样克服了传统带比较选择电路的升压时钟电路和电荷泵电路在实际应用中误差大的问题。本发明提供的带跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路和电荷泵电路更加符合实际应用的需要。

附图说明

图1A是现有技术中带升压时钟电路的电荷泵电路结构框图；

图1B是图1A中的升压时钟电路结构框图；

图2是现有技术中的单级升压时钟电路结构示意图；

图3是带有比较选择电路的升压时钟的结构框图；

图4是本发明提供的单级升压时钟电路结构示意图；

图5是本发明提供的单个比较选择电路的电路图；

图6是带跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路结构框图；

图7是共用一跟踪电路的升压时钟的结构框图；

图8是本发明提供的跟踪电路结构框图；

图9是本发明提供的单级跟踪电路V_BST的结构示意图；

图10是本发明提供的共用一比较选择电路的升压时钟的结构框图；

图11是应用本发明提供的带有跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路的电荷泵电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图4是本发明提供的升压时钟电路中所采用的单级升压时钟电路结构示意图。比较图4和图2中可以看出，本实施例的单级升压时钟电路与传统的单级升压时钟电路的区别在于其电容的大小是可调的。单级升压时钟电路的电容为可变电容C′100。可变电容C′100的大小由与之相连的比较选择电路根据其自身输入电压的变化调整。具体的，可变电容C′100可以由一个或多个并联的电容构成，且每一个电容与一个开关SW相连。通过控制开关SW就可以控制与该开关SW相连的电容的工作状态，即是否对升压做出贡献。这样比较选择电路就可以通过控制开关SW的通断来选择可变电容C′100的大小。当供电电压VDD′为设定的标准电压值时，可变电容C′100取标准值C(该标准值设定为可变电容C′的初始值)；当供电电压VDD′偏离设定的标准电压值时，可变电容C′100的取值偏离标准值C。上述构成可变电容C′100的电容的大小可以相同，也可以不相同。优选的取大小相同的电容。另外，单级升压时钟电路的可变电容C′100也可以为其他可以调整大小的可变电容，如一个或多个串联的充电电容，不限于本实施例所述的方式。

图5是本发明提供的单个比较选择电路一个实施例的电路图。从图5可以看出，比较选择电路将输入电压VIN通过串联的电阻R1～Rm进行分压，并将各个电阻对应的分压值V1～Vm与参考电压VREF通过比较器进行比较。所获得的m个比较结果分别用以控制与该比较选择电路相连的单级升压时钟电路中的m个开关SW。每个开关SW根据与之相连的比较器的比较结果决定自身的开关状态，进而控制与该开关SW相连的电容是否对升压做出贡献。通过这种方式，比较选择电路就可以根据输入电压VIN的变化选择可变电容C′的大小，进而选择单级升压时钟电路电容的大小。当然，每个比较结果也可以通过一个或多个开关控制多个并联电容的工作状态。用于分压的电阻的个数和各个电阻的大小以及相对关系，可以结合参考电压VREF和实际需要灵活选择。

例如，输入电压VIN最小值为3V，单级升压时钟电路可变电容C′为3个并联的充电电容和对应的3个开关。假设比较选择电路有3个电阻R1＝R2＝R3＝1欧姆，所对应的分压值分别为1V，2V，3V。设定参考电压为3V。当输入电压VIN为3V时，所有分压均不小于参考电压，那么单级升压时钟电路的3个开关打开，3个电容都参与充电，满足整个升压时钟电路对积累电荷的要求。也就是说，单级升压时钟电路可变电容C′的初始值为三个并联的充电电容大小之和。当输入电压VIN超过3V，例如为3.6V时，各分压值分别为1.2V，2.4V，3.6V，那么只有前两个分压值经比较器比较的结果是小于参考电压，与该比较器相连的开关打开，对应的电容参与充电，共同构成可变电容C′；而3.6V的分压值大于参考电压，与对应比较器相连的开关关闭，对应的电容不参与充电。因此，当输入电压VIN增大后，单级升压时钟电路并联的充电电容个数由3个变为2个，从而使得单级升压时钟电路的电容大小减小了。可以根据输入电压VIN的变化情况以及电路调节的精度，选择合适的电阻R1～Rm、充电电容的大小和个数。

图6是本发明提供的带跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路一个实施例的结构框图。一个或多个(优选为图6中所示的全部)单级升压时钟电路中的每一个与一个比较选择电路相连；一个或多个(优选为图6中所示的全部)比较选择电路中每一个的输入电压由一个跟踪电路提供。这样，一个跟踪电路通过一个比较选择电路与一个单级升压时钟电路对应相连。各个单级升压时钟电路的供电电压相同，均为VDD′。跟踪电路的输入电压VIN和单级升压时钟电路的供电电压VDD′存在一个固定的对应关系。也就是说VIN＝F(VDD′)，F为一固定的函数。函数F可以是倍数关系、指数关系、平方关系等等，例如VIN＝2*VDD′或VIN＝VDD′*VDD′或VIN＝2^VDD′。当单级升压时钟电路的供电电压VDD′发生变化，对应的跟踪电路的输入电压VIN也会发生相应变化。但无论二者怎么变化，其满足的关系式F是不变的。随着输入电压VIN的变化，跟踪电路的输出电压VO(即比较选择电路的输入电压)也发生相应的变化，于是比较选择电路就可以根据该电压变化控制与之对应相连的单级升压时钟电路电容的大小。图6中显示了一种优选的方式，即跟踪电路的输入电压VIN与对应相连的单级升压时钟电路的供电电压相等。但也可以由其他固定对应关系，如跟踪电路的输入电压VIN为对应相连的单级升压时钟电路的供电电压的倍数(2倍、3倍等)，并不限于本实施例所述。

作为一种优选的方式，各比较选择电路可共用一跟踪电路(如图7所示)。

本发明提供的跟踪电路如图8所示，该跟踪电路由一级或多级单级跟踪电路V_BST 1～V_BST N级联而成。同时该跟踪电路的级数与升压时钟电路的级数相同。该跟踪电路的输入电压VIN和单级升压时钟电路的供电电压VDD′存在一个固定的对应关系。该跟踪电路各个单级跟踪电路V_BST1～V_BST N与升压时钟电路的各个相应的单级升压时钟电路CK_BST 1～CK_BST N结构上具有一致性。本发明提供的单级跟踪电路V_BST的结构如图9所示。

对比图4可知，该单级跟踪电路和与其对应相连的单级升压时钟电路在结构上一致。也就是说，前者的充电电容是不可变的，大小等于后者可变电容C′的初始值C；前者的m1和m2的源端并接后作为输入电压VIN的端口，后者的m1和m2的源端并接后作为供电电压VDD′的输入端；后者有时钟信号的输出端OUT和OUTB，并且m5和m6的漏端并接后作接地端；前者将OUT和OUTB端与m5和m6的漏端并接后作为输出电压VOUT的端口。除此之外，前者与后者的其他部分相同。正是由于单级跟踪电路和对应的单级升压时钟电路在结构上的一致性，跟踪电路才能很好地复制升压时钟电路的各种寄生效应、受温度、湿度等环境因素的影响才能与升压时钟电路等同，才能在升压特性上起到“跟踪”的作用。因此跟踪电路的输出电压VO也受到寄生效应和环境条件等因素的调制。与之相连的比较选择电路根据该受调制的输出电压VO调控对应单级升压时钟电路的电容的大小。

综上所述，调控各单级升压时钟电路的电容的大小时，不仅考虑到其供电电压的变化VDD′，还考虑到实际电路的寄生电容和环境条件等因素，更符合实际应用的需要。

作为一种优选的方式，单级升压时钟电路内组成可变电容C′的并联的各个充电电容大小相同。

进一步的，作为一种优选的方式，各个单级升压时钟电路内组成可变电容C′的并联的充电电容个数相同。

作为一种优选的方式，各个单级升压时钟电路内组成可变电容C′的初始值相同。

作为一种优选的方式，各个单级升压时钟电路结构相同。即升压时钟电路由一级或多级重复的单级升压时钟电路级联而成。

作为一种优选的方式，与各个单级升压时钟电路相连的比较选择电路相同。

作为一种优选的方式，各个单级升压时钟电路可以共用一个比较选择电路(如图10所示)。该共用的比较选择电路的每个比较器分别控制各个单级升压时钟电路(CK_BST)中相应的一个开关的开关状态。VDD′与VIN具有前文所述的固定的对应关系。

图11是本发明提供的应用上述带有跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路的电荷泵电路。从图中可以看出，电荷泵(CHARGE PUMP)的输入电压为Vin，输出电压为Vpump，由前文所述的带有跟踪电路和比较选择电路的升压时钟电路(CLOCK BOOST CIRCUIT)对其进行充电。

作为一种优选的方式，电荷泵(CHARGE PUMP)的输入电压为Vin与各个跟踪电路的输出电压VO相同，这样更加节约资源。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims

1.一种升压时钟电路，由N级单级升压时钟电路(CK_BST 1～CK_BST N)级联而成，其中至少有一级单级升压时钟电路与比较选择电路相连，各单级升压时钟电路的供电电压VDD′相同，其特征在于，所述比较选择电路中至少有一比较选择电路与跟踪电路相连，所述跟踪电路的输入电压VIN与所述单级升压时钟电路的供电电压VDD′满足关系式VIN＝F(VDD′)，其中，N取大于等于1的整数，F为一固定的函数。

2.根据权利要求1所述的升压时钟电路，其特征在于，所述跟踪电路的输入电压与所述单级升压时钟电路的供电电压相同或成倍数关系。

3.根据权利要求1所述的升压时钟电路，其特征在于，所述跟踪电路由N级单级跟踪电路(V_BST 1～V_BST N)级联而成。

4.根据权利要求3所述的升压时钟电路，其特征在于，所述各单级跟踪电路(V_BST 1～V_BST N)分别与对应的各所述单级升压时钟电路(CK_BST1～CK_BST N)结构上一致。

5.根据权利要求4所述的升压时钟电路，其特征在于，所述单级升压时钟电路包含可变电容C′，所述单级跟踪电路包含电容C，C′的初始值等于C的大小。

6.根据权利要求5所述的升压时钟电路，其特征在于，所述单级升压时钟电路的供电电压输入端对应所述单级跟踪电路的输入电压端，所述单级升压时钟电路的时钟信号输出端与接地端并接后对应所述单级跟踪电路的输出电压端。

7.根据权利要求6所述的升压时钟电路，其特征在于，所述比较选择电路根据与之相连的所述跟踪电路的输出电压调控所述与之相连的单级升压时钟电路的可变电容C′的大小。

8.根据权利要求5所述的升压时钟电路，其特征在于，所述单级升压时钟电路的可变电容C′包括一个或多个并联的充电电容。

9.根据权利要求8所述的升压时钟电路，其特征在于，所述比较选择电路包括将输入电压分压的一个或多个串联电阻，所述输入电压的分压值分别与一参考电压经比较器比较，一所述比较器的比较结果控制所述单级升压时钟电路中至少一充电电容的工作状态。

10.根据权利要求9所述的升压时钟电路，其特征在于，所述比较器通过开关与所述充电电容相连，所述开关的开关状态由所述比较结果决定。

11.根据权利要求1～10中的一项所述的升压时钟电路，其特征在于，每一单级升压时钟电路与一比较选择电路相连。

12.根据权利要求1～10中的一项所述的升压时钟电路，其特征在于，所述各单级升压时钟电路结构相同。

13.根据权利要求1～10中的一项所述的升压时钟电路，其特征在于，所述与各单级升压时钟电路相连的比较选择电路相同。

14.根据权利要求1～10中的一项所述的升压时钟电路，其特征在于，各比较选择电路共用一跟踪电路。

15.根据权利要求1～10中的一项所述的升压时钟电路，其特征在于，所述各单级升压时钟电路共用一比较选择电路。

16.一种电荷泵电路，包括电荷泵，其特征在于，所述电荷泵电路还包括权利要求1～10中的一项所述的升压时钟电路，所述升压时钟电路对所述电荷泵进行充电。

17.根据权利要求16所述的电荷泵电路，其特征在于，每一单级升压时钟电路与一比较选择电路相连。

18.根据权利要求16所述的电荷泵电路，其特征在于，所述各单级升压时钟电路结构相同。

19.根据权利要求16所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵的输入电压与所述跟踪电路的输出电压相同。

20.根据权利要求16所述的电荷泵电路，其特征在于，所述与各单级升压时钟电路相连的比较选择电路相同。

21.根据权利要求16所述的电荷泵电路，其特征在于，各比较选择电路共用一跟踪电路。

22.根据权利要求16所述的电荷泵电路，其特征在于，所述各单级升压时钟电路共用一比较选择电路。