CN102468747A - 一种电荷泵控制电路 - Google Patents

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张立新
谢凌寒
陈健
易扬波
周飙
李海松
张韬
武家中
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Abstract

本发明公开了一种电荷泵控制电路，包括电源检测电路、逻辑控制电路、电荷泵模块、振荡器、比较器、运算放大器、分压电阻R1与R2及负载电容CL，其中，电源检测电路将电源分为低于2.7V、2.7V~4.6V、大于4.6V三个范围，电源检测电路检测出电源电压在某个范围之内后以数字信号的形式，将信息输入到逻辑控制模块，并以此确定电荷泵的增益模式，以得到最大的效率；所述比较器为COMP1和COMP2两个比较器，两者的负输入端连接运算放大器的输出端，两者的正输入端分别输入两个不同相位的锯齿波。本发明相对于传统跳周期控制模式，大幅度降低了输出电压的纹波；其传统的线性调节模式，大幅度节约了功率管的面积，从而在不增加芯片成本的基础上，极大的改善了输出电压的纹波。

Description

一种电荷泵控制电路
技术领域
本发明属于模拟集成电源芯片技术领域，具体涉及一种开关电容式电荷泵环路控制电路。
背景技术
随着电子便携式产品的飞速发展，电源管理芯片的需求量也急剧增加。电荷泵利用电容实现电荷和能量的转移，从而具备无电感元件、无电磁干扰、成本低、高效率等优点，因此这类电源管理芯片在手持电子设备中倍受欢迎。
目前，电荷泵主要有两种控制模式，一种是跳周期控制模式；另一种是线性调节控制模式。在跳周期模式下，首先根据电源电压值选定好合适的增益模式后，当输出电压大于预定值Vo时，输出电压经电阻分压与基准电压相比较，使比较器输出高电平，经逻辑控制电路产生相应的控制信号关断电荷泵；当下降到低于Vo时，比较器输出低电平，通过逻辑控制电路电荷泵开启。由于反馈回路存在延时，在跳周期模式下电荷泵不能在单周期内响应各开关的关断和开启。如果电荷泵关断N个周期后才开启电容CL上的电荷，在此时间内负载电容流出电荷为NIoT，那么输出电压的纹波的峰峰值就是：
Figure 2010105498284100002DEST_PATH_IMAGE001
式中N的值和比较器、逻辑电路的延时有关，当它们的延时越大，N越大，输出电压纹波Vp-p越大；同时当电荷泵的输出电流Io越大，输出电压纹波Vp-p越大，输出纹波过大是跳周期的主要缺陷。专利200510090891.5提出的电荷泵控制电路就是上述的跳周期模式，其无法克服纹波较大的缺陷。
在线性调节模式下，其反馈网络由电阻R1、R2、运算放大器amp和PMOS管MP组成。当输出电压大于预定值Vo时，运算放大器的正输入端电位抬高，MOS管MP的栅电位也随之抬高，MP的导通电阻增加。电源向电荷泵充入的电量减少，减少驱动电流使输出电压下降。由于线性调节模式是通过调节MP的导通电阻来稳定输出电压，并没有关断电荷泵，因此这种模式下的电压输出在每个周期均响应控制信号，从而使纹波较小。
    在′1增益模式下，线性调节模式下的电荷泵电路类似于LDO，输出电压纹波很低。在′1.5/′2增益模式下，电荷泵在时钟第一相位内接受电荷，在时钟第二相位对负载提供电荷。负载电容电压的最大值出现在时钟第二相位的结束时刻，最小值出现在时钟第一相位结束时刻，因此可以推算出其纹波大小如下：
Figure 534496DEST_PATH_IMAGE002
对比跳周期和线性调节两种控制模式，可以发现线性调节模式的输出电压纹波明显小于跳周期的输出电压纹波。但由于线性调节模式下增加了PMOS管MP，在输出最大400mA恒流电流的情况下，PMOS管的宽长比达到106:1量级，而且由于MP的导通电阻，为获得跳周期模式下相同的驱动能力，就必须减少其它开关管的导通电阻，这样就不可避免的要增加其它开关管的宽长比，因此线性调节模式的版图面积需要大幅增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是跳周期模式纹波较大和线性调节模式的版图面积较大的缺陷。为解决所述问题，本发明提出如下的技术方案：该电荷泵控制电路包括电源检测电路、逻辑控制电路、电荷泵模块、振荡器、比较器、运算放大器amp、分压电阻R1与R2及负载电容CL，其中，所述电源检测电路将电源分为低于2.7V、2.7V~4.6V、大于4.6V三个范围，电源检测电路检测出电源电压在某个范围之内后以数字信号的形式，将信息输入到逻辑控制模块，并以此确定电荷泵的增益模式，以得到最大的效率；所述比较器为COMP1和COMP2两个比较器，两者的负输入端连接运算放大器amp的输出端，两者的正输入端分别输入两个不同相位的锯齿波。
 
作为上述方案的优选方案，所述的电荷泵控制电路的特征在于所述振荡器占空比为50%，振荡器的高低电平信号以数字的形式输入到逻辑控制电路。
电荷泵控制电路的特征在于输出电压Vo经分压电阻R1和R2输入运算放大器amp的负输入端。
电荷泵控制电路的特征在于所述逻辑控制模块将电源检测信号、振荡器信号、比较器COMP1和COMP2信号，逻辑组合后输入到电荷泵模块，控制电荷泵模块中功率管的开启和关断。
电荷泵控制电路的特征在于所述电荷泵模块根据逻辑控制模块的输出而选择相应的增益模式，并控制相应功率管的开启和关断，从而实现输出电压的恒定。具体来说
当输出电压略高于预设值之后，运算放大器输出电压下降。在时钟的两个相位内，相应开关管的导通时间减少，从而输出电压下降；当输出电压略低于预设值之后，运算放大器输出电压上升，在时钟的两个相位内，相应开关管的导通时间均增加，从而输出电压上升。通过这种负反馈的方式，输出电压保持恒定。
与现有技术相比，由于在本发明中电荷泵模块是根据逻辑控制的输出而选择恰当的增益模式，并控制在时钟的两个相位内来实现相应功率管的开启和关断，从而实现输出电压的恒定，防止出现跳周期模式下纹波较大以及线性调节模式下版图面积较大的缺陷。
 
附图说明
图1 传统跳周期控制模式原理图；
图2 传统的线性调节控制模式原理图；
图3本发明的双相位调节控制模式原理图；
图4本发明的时钟两相位内功率管导通时间；
图5 本发明的在电荷泵′1倍增益模式下，输出电压波形图；
图6 本发明的在电荷泵′1.5倍增益模式下，输出电压波形图；
图7本发明的在电荷泵′2倍增益模式下，输出电压波形图。
 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步的说明：
在本发明中，电源监测电路将电源分为三个范围：低于3.1V；3.1V~4.6V；大于4.6V。电源检测电路检测出电源电压在某个范围之内，并以数字信号的形式，将信息输入到逻辑控制模块。在本发明中，输出电压为4.5V，因此如果电源电压大于4.6V，电荷泵则工作在′1倍增益模式；如果电源电压在3.1V~4.6V之间，则选择′1.5倍增益模式；如果电源电压低于3.1V，则选择′2倍增益模式。
本发明中振荡器的占空比设置为50%，振荡器高低电平信号以数字的形式输入到逻辑控制电路。
电阻R1和R2组成输出电压分压取样网络。输出电压Vo经分压后，输入至运算放大器amp的负输入端。
运算放大器amp的输出信号输入到比较器COMP1和COMP2的负输入端。比较器COMP1和COMP2的正输入端是两个不同相位的锯齿波。在时钟的第一相位，比较器COMP1正输入端锯齿波与其负输入端的放大器amp的输出相比较，此时比较器 COMP2输出低电平；在时钟的第二相位内，比较器COMP2正输入端的锯齿波与其负输入端的放大器amp的输出相比较，此时比较器COMP1的输出为低电平。比较器COMP1和COMP2的输出电压以数字信号的形式输入到逻辑控制模块。
逻辑控制模块将电源检测信号、振荡器信号、比较器COMP1和COMP2信号，逻辑组合后输入到电荷泵模块。
电荷泵模块根据逻辑控制的输出，而选择恰当的增益模式，并控制在时钟的两个相位内，相应功率管的开启和关断，从而实现输出电压的恒定。

Claims (5)

1.一种电荷泵控制电路，包括电源检测电路、逻辑控制电路、电荷泵模块、振荡器、比较器、运算放大器amp、分压电阻R1与R2及负载电容CL，其特征在于所述电源检测电路将电源分为低于2.7V、2.7V~4.6V、大于4.6V三个范围，电源检测电路检测出电源电压在某个范围之内后以数字信号的形式，将信息输入到逻辑控制模块，所述比较器为COMP1和COMP2两个比较器，两者的负输入端连接运算放大器amp的输出端，两者的正输入端分别输入两个不同相位的锯齿波。
2.根据权利要求1所述的电荷泵控制电路，其特征在于所述振荡器占空比为50%，振荡器的高低电平信号以数字的形式输入到逻辑控制电路。
3.根据权利要求1所述的电荷泵控制电路，其特征在于输出电压Vo经分压电阻R1和R2输入运算放大器amp的负输入端。
4.根据权利要求1所述的电荷泵控制电路，其特征在于所述逻辑控制模块将电源检测信号、振荡器信号、比较器COMP1和COMP2信号，逻辑组合后输入到电荷泵模块，控制电荷泵模块中功率管的开启和关断。
5.根据权利要求1所述的电荷泵控制电路，其特征在于所述电荷泵模块根据逻辑控制模块的输出而选择相应的增益模式，并控制相应功率管的开启和关断，从而实现输出电压的恒定。
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