CN102761243B - 自适应电荷泵 - Google Patents

Abstract

一种自适应控制电荷泵的方法，包括：将电荷泵耦合到控制节点；将时钟输入在供电电压电平之间转换以对电荷泵输出充电；监视电荷泵输出；当供电电压大小不超过阈值电平时，将控制节点维持为供电电压电平；以及当供电电压大小超过阈值电平时，调节控制节点以将电荷泵输出维持在极限电平。正电荷泵实施例将输出充电至正供电电压电平的两倍直至不超过极限电平。负电荷泵实施例将输出充电至与正供电电压电平大小相等但极性相反，并且如果正供电电压高于阈值电平则降低输出大小。齐纳二极管和受控电流镜可用于控制。

Description

自适应电荷泵

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月27日提交的美国临时申请S/N 61/479,733的权益，该申请的全部内容出于所有意图和目的通过引用结合于此。

附图简述

参考以下描述以及附图将能更好地理解本发明的益处、特征以及优点，在附图中：

图1是包括向负载提供经调节的输出电压的DC-DC开关电压调节器的电子设备的框图；

图2是包括根据一个实施例实现的正自适应电荷泵的IC的简化框图；

图3是包括根据一个实施例实现的负自适应电荷泵的IC的简化框图；

图4是根据一个实施例的图2的正自适应电荷泵的示意性框图；

图5是描绘各节点的电压与时间的关系的时序图，用于示出图4的正自适应电荷泵的操作；

图6是根据一个实施例的图4的控制器的示意图；

图7是对于VP从VTH之下的最小电平VMIN增加到最大电平VLIM的情况，VP、G和VCTL与时间的关系图，用于示出利用图6所示的控制器的图4的正自适应电荷泵的操作；

图8是根据一个实施例的图3的负自适应电荷泵的示意性框图；以及

图9是对于VP从VTH之下的最小电平VMIN增加到最大电平VLIM的情况，VP、VO和VCTL与时间的关系简化图，用于示出图8的负自适应电荷泵的操作。

详细描述

给出以下描述以使本领域技术人员能在特定应用及其需求的背景下作出和利用所提供的本发明。然而，优选实施例的多种修改对本领域技术人员将会是明显的，而且可将本文所限定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不旨在局限于本文中示出和描述的特定实施例，而应给予与本文中披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。

通常期望在宽范围的电源电压上操作互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC)。例如，CMOS芯片可接收范围大概从1.8伏(V)的最小电平至5.5V的最大或极限电压电平的供电电压，其中上限电压范围(例如，5.5V)由用于制造IC的工艺的电压极限来确定。通常在源电压范围的较低电平处，期望比输入供电电压所能提供的更大的操作电压范围。当期望比所提供的源电压更大的电压电平或电压范围时，将电荷泵等并入IC设计以增加总的可用供电电压。

例如，在期望增加诸如放大器等器件的动态操作范围的情况下，完成供电电压范围的增加。电荷泵可用于将正电压干线充电至高于正供电电压的电压电平。在例如提供单个正电源干线但期望低于接地的操作的情况下，完成该操作，在这种情况下，电荷泵生成负供电干线。负供电干线通常处于低于接地的电位，且在大小上略小于所提供的干线电压。

利用通常使用的电荷泵配置，正/负干线电压以所提供的正干线电压增加的相同速率变得更正/负。当内部生成的正干线电压和外部施加的接地或基准电平之间的总电压范围达到工艺允许的最大值时，出现这种实际极限。或者或另外，当内部生成的负干线电压和外部施加的正干线电压之间的总电压范围达到工艺允许的最大值时，出现实际极限。

期望电荷泵生成的电压大小减小的速率与外部施加的电压增加超过工艺极限点的速率相同，以便确保内部生成的电压干线与供电电压的任一个或两个之间的总供电电压范围不超过工艺极限。修改现有的电荷泵电路以实现该目的的手段是本公开内容的主题。

图1是包括提供经调节的输出电压VOUT的DC-DC开关电压调节器107(另外还称为转换器或电源等)的电子设备100的框图。示出电子设备100包括电池101，它将电池电压VBAT提供给电压选择(VSEL)电路105的一个输入，电压选择(VSEL)电路105的另一个输入从功率适配器103接收DC电压(VDC)。功率适配器103从诸如交流(AC)源(未示出)之类的外部电源接收AC或DC电压，并将所接收的电压转换成VDC电压。如果电池101是可充电的，则功率适配器103可包括用于对电池101进行充电的电池充电器，或者可包括单独的电池充电器(未示出)。VSEL电路105将输入电压VIN提供给电压调节器107的输入。电压调节器107具有提供输出电压VOUT的输出，其用于向负载LD提供源电压。

负载LD一般包括电子设备100的电路，其接收负载电流ILOAD。如图所示，LD可包括很多设备，诸如处理器109、存储器111以及经由诸如总线等适当的接口114耦合在一起的一个或多个其它支持设备113(以上是可能设备的非穷举列表)。每个设备相对于诸如GND之类的基准电压电平从调节器107(例如，VOUT)接收供电电压。还可构想到不具有处理器或存储器的其它类型的电子设备。

电子设备100可以是任何类型的电子设备，包括移动、便携或手持设备，诸如任何类型的个人数字助理(PDA)、个人计算机(PC)、便携计算机、膝上型计算机等、蜂窝电话、个人媒体设备等。在替换实施例中，电子设备100不是电池供电的而是通过AC源或其它电源供电。一般而言，电压调节器107被配置为用于计算机、工业、消费者等应用和/或电池供电应用的功率调节器。

电子设备100的主要功能由负载LD执行，该负载LD是所示配置中的设备电路。在一个实施例中，电池101是任何适当类型的可充电电池，尽管构想到不可充电的电池。在各实施例中，对于升压配置VIN的电压低于VOUT，对于降压配置VIN高于VOUT，或者对于诸如单端、初级电感器转换器(SEPIC)或降压-升压转换器等各种其它配置VIN相对于VOUT可在之间的任何范围内变化。

在便携和/或电池供电的应用中，功耗和效率是最重要的。例如，期望将负载LD尽可能高效地配置以使ILOAD(以及相应的功耗)最小化同时维持期望的操作参数或模式的适当操作。VOUT和/或其它供电电压可具有限于实现期望的功率效率的规定值。然而，可能期望在比VOUT和GND所提供范围大的扩展电压范围内操作负载LD内的任一个或多个设备(诸如处理器9和一个或多个支持设备113)。通常在IC内部提供电荷泵等以实现期望的电压范围。

在某些电子设备中，VOUT相对于GND的电压足够低，以使负载LD内的设备能操作在扩展的电压范围内而不违背电压工艺极限。在这种情况下，期望电荷泵将内部电压干线驱动至期望的增加的电压电平。在其它电子设备中，尽管在VOUT和GND之间的电压范围在负载LD的设备的电压工艺极限内，但内部扩展的电压范围可能另外超过该设备的电压工艺极限。在这种情况下，期望由任意内部提供的电荷泵生成的电压的大小基于外部施加的电压而降低，使得总供电电压范围不超过工艺极限。

换言之，期望一种能够生成最大可允许内部电压电平而不超过该设备的工艺极限的IC设备。本文所描述的自适应电荷泵提供了这种有用功能。

图2是包括根据一个实施例实现的正自适应电荷泵201的IC 200的简化框图。IC 200包括分别耦合到供电电压VOUT和GND的电源引脚V+和V-。施加到供电输入引脚V+的电压(例如VOUT)经由导电路径203作为正电压VP在内部路由到电荷泵201的正输入。施加到供电输入引脚V-的电压(例如GND)经由导电路径205作为负(或基准)电压VN在内部路由到电荷泵201的负输入。示出时钟信号CK由时钟电路211提供至自适应电荷泵201的另一个输入。在一个实施例中，时钟电路211是用于在IC 200上生成CK的振荡器电路或类似电路。或者，时钟电路211从外部时钟源(诸如由时钟引脚CL等接收的外部时钟信号CLK)分配或以其它方式产生CK。IC 200包括以大于GND和VOUT之差但不违背IC 200的工艺极限的扩展电压范围操作的至少一个设备。如图所示，例如，IC 200包括放大器209，该放大器209具有旨在在尽可能大的动态电压范围内操作的正(V+)和负(V-)供电电压端子。自适应电荷泵201接收VP和VN并提供可高达约VP两倍(2VP)的大小的输出电压VO。自适应电荷泵201的输出耦合到正电压干线207。在这种情况下，将VN提供给放大器209的V-供电端子，且将正电压干线207耦合到放大器209的V+供电端子。

当VOUT和GND之间的电压供电范围足够低时，自适应电荷泵201用于增加放大器209的动态操作电压范围，诸如通过将VO的电压电平增加到VP电压电平的两倍，或2VP。在适当的频率下转换CK信号，以如下进一步描述地驱动自适应电荷泵201的操作。如果电压供电范围增加到高于阈值电平(VTH)，这可能另外导致2VP和VN(或GND)之间的差超过工艺极限，从而自适应电荷泵201相应地限制VO的电压电平。在一个实施例中，与VN有关的工艺电压极限是VLIM。如图所示，V0具有约2VP的电压，其被VLIM限制，使得VO-VN≤VLIM。假设VN约为0伏(0V)且VTH约为VLIM的二分之一，当VP低于VTH时，VO是2VP，且当VP为VTH或高于VTH时，VO为VLIM。因此，自适应电荷泵201是正自适应电荷泵，其尽可能地增加正电压干线207的电压电平但不超过IC 200的工艺极限。

图3是包括根据一个实施例实现的负自适应电荷泵301的IC 300的简化框图。IC 300也包括分别接收供电电压VOUT和GND的电源引脚V+和V-。施加到供电输入引脚V+的电压(例如VOUT)经由导电路径203作为正电压VP在内部路由到电荷泵301的正输入。施加到供电输入引脚V-的电压(例如GND)经由导电路径205作为负(或基准)电压VN在内部路由到电荷泵301的负输入。示出时钟信号CK由时钟电路211提供至自适应电荷泵201的另一个输入。此外，时钟电路211可以是用于在IC 300上生成CK的振荡器电路或类似电路，或者时钟电路211可按照如之前IC 200的描述的类似方式基于外部时钟源简单地产生或分配CK。IC 300包括以大于GND和VOUT之差但不违背IC 300的工艺极限的扩展电压范围操作的至少一个设备。如图所示，例如，IC 300包括放大器209，该放大器209具有旨在在尽可能大的动态电压范围内操作的正(V+)和负(V-)供电电压端子。

自适应电荷泵301接收VP和VN并提供输出电压VO。在这种情况下，VO的电压电平具有大约与VP相同的大小(但具有相反的极性)，使得VO等于-VP同时VP小于或等于阈值电压电平VTH(VLIM的一半)。当VP为VTH或高于VTH时，VP加上V0的大小的和保持在VLIM，或者VP+|VO|≤VLIM。提供VO的自适应电荷泵301的输出耦合到负电压干线307。在这种情况下，将VP提供给放大器209的V+供电端子，且将负电压干线307耦合到放大器209的V-供电端子。

当VOUT和GND之间的供电电压足够低时，自适应电荷泵301用于增加放大器209的动态操作电压范围，诸如通过增加VO的大小以跟随VP的大小(例如-VP)，使得VP和Vo之差高达VOUT和GND之间的供电电压范围的两倍(VP-[-VP]＝2VP)。以适当的频率转换CK信号，从而以类似于自适应电荷泵201的方式驱动自适应电荷泵301的操作。如果将VP增加到高于阈值电平VTH，这可能另外导致VP和VO之差超过VLIM表示的处理极限，则自适应电荷泵301相应地控制VO的大小以将VP和VO之间的电压差保持在VLIM。因此，自适应电荷泵301是负自适应电压泵，其尽可能地增加负电压干线307的大小但不超过IC 300的工艺极限。

图4是根据一个实施例的正自适应电荷泵201的示意性框图。节点A耦合到P沟道晶体管P1和N沟道晶体管N1的栅极。晶体管器件被示为金属氧化物半导体(MOS)晶体管或场效应晶体管(FET)或根据CMOS技术的类似物。取决于集成工艺的具体实现，可使用供选择的晶体管类型。P1的源和体耦合到正供电电压VP而其漏耦合到节点C，该节点C进一步耦合到N1的漏。N1的源和体耦合到负供电电压VN。节点A耦合到反相器403的输入，其输出耦合到节点B。节点B耦合到另一个P沟道晶体管P4和另一个N沟道晶体管N4的栅极。P4的源和体耦合到正供电电压VP而其漏耦合到节点D，该节点D进一步耦合到N4的漏。N4的源和体耦合到VN。

一对N沟道晶体管N2和N3的漏和体端子或结各自耦合到控制节点VCTL。N2的源耦合到节点E，节点E进一步耦合到P沟道晶体管P2的源以及电容器C1的一端。N2的源耦合到节点E，该节点E进一步耦合到P沟道晶体管P2的源以及电容器C1的一端。N2的栅极和P2的栅极均耦合到节点F，且N3的栅极和P3的栅极均耦合到节点E。C1的另一端耦合到节点C且C2的另一端耦合到节点D。P2和P3各自的漏和体在输出节点VO耦合在一起，该输出节点VO进一步耦合到另一个电容器C3的一端。C3的另一端耦合到VN。控制器401耦合在VN和VP之间，且进一步耦合到VCTL和VO。示出CK信号驱动节点A，其中CK在VN和VP的电压电平之间转换。VO是正自适应电荷泵201的输出。

图5是描绘节点A、B、C、D、E、F和VO的电压与时间的关系的时序图，示出正自适应电荷泵201的操作。VP和VN之间的供电电压范围充分低于工艺电压极限阈值以允许扩展的电压范围，且输出VO无负载。在这种情况下，正常操作表示控制器401将VCTL保持在与VP相同的电平。CK信号如前所述地将节点A在VN和VP之间转换。在最初的时间t0，节点A由CK驱高至VP，使N1导通且P1截止，使得节点C被拉低至VN。在时间t0，反相器403将节点B驱低至VN，使P4导通N4截止，使得节点D被拉高至VP。P1和N1共同形成反相器，使得节点C在VN和VP之间转换至与节点A相反的状态，忽略节点之间的小时序延迟。类似地，P4和N4共同形成反相器，使得节点D在VN和VP之间转换至与节点B相反的状态，忽略节点之间的小时序延迟。因此，如图所示，当在时间t1节点A变低时，B和C均变高，且D变低；当在时间t2A变回高时，B和C均变低，且D变高；而当在时间t3A变回低时，B和C均变高，且D变低。在CK转换节点A时操作以此方式重复。

在时间t0之后，电容器C1通过N2的体源结和N1的漏源路径充电至约VP电压(示为～VP，在此情况下其略小于VP)，如由节点E的电压所反映的。节点F的电压是不确定的，且VO处于低电压电平，表明电容器C3最初未充电。在随后的时间t1，节点A-D改变状态，其中节点C变高至VP。C1的电荷很快将节点E驱动高于VP至约两倍VP，示为～2VP。因为节点B变高至VP，使P4截止且N4导通，节点F被驱动至约VP，示为～VP。因为D处于VN，所以电容器C2被充电至约VP或～VP。节点E和F上电压的组合使P2导通，导致C1部分地放电至C3。在t1和t2之间，C3充电至电压V01，该电压V01一般约为VP的二分之一(VP/2)。

在时间t2，每个节点A-D再次改变状态(例如，响应于CK信号)，使得D变高至约VP且C2上的电荷将节点F升高到接近两倍VP，或～2VP。N2艰难导通，这将C1完全充电至VP。P3导通，且C2部分放电至C3，使输出节点VO升高到较高的电压电平，示为V02。当节点A-D响应于CK改变状态时该过程继续，直到输出VO被充电至电压V03，诸如此类直到约2VP的最大电平。

通常出现其中诸如IC 200和/或300之类的电路或IC被应用到具有不同VOUT值的各种环境中的情况。例如，给定的物理IC可暴露于给定电子器件中的供电电压范围，诸如用于不同的操作模式，其中对于不同操作模式在最小和最大值之间调节VOUT。或者，根据给定设计的第一IC可置于将低电压电平用于VOUT的第一设备中，而根据相同设计实现的第二IC可置于将高压电平用于VOUT的第二设备中。IC 200和300均具有工艺击穿极限，该工艺击穿极限限制施加在IC两端或IC内的任何组件两端的电压差。如果电压差超过工艺击穿极限，则IC可被破坏或不能正常操作。因为每个IC 200和300生成内部电压，导致约是VOUT和GND之间的源电压差的两倍的电压差，则如果VOUT超过工艺击穿极限的约二分之一，则在VO处内部生成的电压的大小2VP(正自适应电荷泵201)或-VP(负自适应电荷泵301)被减小或限制，以避免违背工艺击穿极限。

例如，考虑其中预期VOUT在1.8V至5.5V的范围之间的特定情况，其中工艺击穿极限或VLIM刚好高于约5.5V。当VOUT等于或低于VLIM的约二分之一的阈值电压电平，或约VTH＝2.75V时，则正自适应电荷泵201或负自适应电荷泵301可用于驱动电压干线207或电压干线307至最大电压电平，或至约2VP或-VP。然而，当VOUT高于VTH时，则电压干线207或307的电压电平被限制或以其它方式减小以避免大于VLIM的电压差(例如，VO-VN＞VLIM)。当VOUT为5.5V时，则在IC 200内的VO将另外被驱动至约2X5.5V＝11V。类似地，当VOUT为5.5V(且VP为5.5V)时，则VO将另外被驱动至约-5.5V，使得VP和VO(-VP)之差约为11V。

IC 200的自适应电荷泵201的控制器401被配置成通过控制VCTL的电压电平以限制驱动正电压干线207的电压电平的输出VO的电压电平来避免这种不期望的情况。具体地，当VP和VN之差小于或等于VTH时，控制器401有效地将VCTL箝位至VP，使得VO被充电至约为VP两倍的电压电平。然而，当VP和VN之差高于VTH时，控制器401控制VCTL以便限制VO的电压电平，使得VO和VN之差具有约VLIM的最小电平。

IC 300的负自适应电荷泵301通过控制VCTL的电压电平以限制驱动负电压干线307的电压电平的VO的电压电平来以类似方式操作。在这种情况下，当VP为VTH或低于VTH时，VO被驱动至具有相反大小的VP的负版本，或-VP。当VP高于VTH时，VO的大小减小，使得VP和VO之差维持在约VLIM以避免违背最大工艺极限。

图6是根据一个实施例的控制器401的示意图。齐纳二极管Z1的阴极耦合到VO，而其阳极耦合到节点606。一对P沟道晶体管P5和P6各自使其体和源耦合到VP。P6是以二极管方式耦合的，在节点602其栅极耦合到其漏极，该节点602进一步耦合到P5的栅极。P5的漏耦合到VCTL，且平滑电容器C4耦合在VP和VCTL之间。电流源601具有耦合到VP的第一端子和耦合到节点604的第二端子，其中电流源601形成从VP至节点604的偏置电流IB。N沟道晶体管N5的漏极耦合到节点602，其栅极耦合到节点604，且其体和源在节点606耦合在一起。电阻器R耦合在节点604和节点608之间。N沟道晶体管N6的体和源耦合到VN且其漏耦合到节点606。另一个N沟道晶体管N7的体和源耦合到VN且其漏耦合到节点608。N6和N7的栅极在节点608耦合在一起，使得N7有效地以二极管方式耦合。电流IM从N5的漏流入节点602。电流IZ从节点606穿过Z1流至VO。

Z1配置成具有击穿电压VLIM。IB的电平和R值共同配置成在节点604建立电压以操作N5，使得N6的漏-源电压超过其夹断(pinch-off)电压。由此，N6在其饱和模式下工作。N6和N7共同配置为电流镜，使得主要由IB确定的流过R的电流控制流过N6的漏-源的电流电平。N6和N7的相对尺寸确定N6相对于IB的源漏电流的增益量。在一个实施例中，N6和N7大小相等，使得N6的漏源电流与IB大致相等。在替换实施例中，可调节N6和N7的相对大小以调节N6相对于IB的漏源电流。电流源601连同R1、N5、N6和N7共同用作电流控制的电流源，其有效地再现IB或IB的固定倍数作为N6的漏源电流。P5被配置为与P6相比相对较大的器件。在一个实施例中，例如，P5约是P6大小的20倍。

电流控制的电流源的配置导致电流IZ和IM的和约等于IB。当Z1截止时，IZ为0或可忽略，使得IM约等于IB。当Z1导通时，IZ增加且IM减小以将IM和IZ的和维持在约IB，或IM+IZ≈IB。

图7是对于VP从VTH之下的最小电平VMIN增加到最大电平VLIM的情况，VP、VO和VCTL与时间的关系简化图，用于示出利用图6所示的控制器401的正自适应电荷泵201的操作。图被简化之处在于小的差异和过渡变化被忽略。VN是假设为GND或约0V的基准供电电压。如701所示，直到初始时间t0，VP的电压为VMIN。如703所示，VO的电压约是VP的两倍，或约为2VMIN。在这种情况下，Z1截止，使得IZ为0。穿过P6的电流IM建立栅源电压，该栅源电压被反映为P5的栅源电压。P5配置成仅以相对较小的源漏电压提供由电容器C1和C2汲取的电流的平均值，使得VCTL有效地耦合到VP同时Z1截止。如图所示，VCTL具有如702所示的约为VMIN的电压。由此，控制器401几乎没有效果，使得自适应电荷泵201如前参考图5的时序图所述地以正常方式操作。

VP如705所示向VTH线性增加。如707所示，VO的电压以VP速率的两倍增加以将其电压维持在约2VP，同时VP为VTH或低于VTH。如706所示，VCTL的电压以与VP相同的速率上升。在时间t1，VP达到VTH，使得VO达到VLIM且VCTL仍大致与VP相同，为VTH。

如709所示在时间t1之后VP的电压超过VTH时，由于VO的电压倾向于超过VLIM，Z1将非零电流IZ提供给节点606，从而由于N6的漏源电流由于电流镜配置而恒定的事实而减小IM电平。P6的栅源电压降低，由此降低P5的栅源电压，使得P5将较少的电流从其漏提供至VCTL，这用于在电荷泵操作期间将电流提供给C1和C2并因此最终至C3。如710所示VCTL的电压电平线性降低，同时VP线性增加，使得随着VP增加VO的电压保持被限制为约VLIM。在时间t2，VP达到VLIM然后被保持在VLIM。VO相对稳定地保持在约VLIM，同时VCTL最终稳定在最小电平。

节点A-D的开关动作可被反映在VCTL上，其中电容器C4用于在操作期间使VCTL的电压电平平滑。

图8是根据一个实施例的负自适应电荷泵301的示意性框图。以类似于正自适应电荷泵201的方式配置负自适应电荷泵301，其中相似的元件使用相同的附图标记。以基本相同的方式将N1、N4、P1、P4和反相器403配置和耦合在VP和VN之间，从而以基本相同的方式形成节点A、B、C和D。示出CK信号驱动节点A，其中CK在VN和VP的电压电平之间以相同方式转换。而且，以类似方式，电容器C1耦合在节点C和E之间，电容器C2耦合在节点D和F之间。

对于负自适应电荷泵301，P沟道晶体管P2和P3分别被相应的N沟道晶体管N12和N13替换，且N沟道晶体管N2和N3分别被相应的P沟道晶体管P12和P13替换。节点E耦合到N12的源、N13的栅极、P12的源极以及P13的栅极。节点F耦合到N13的源、N12的栅极、P13的源极以及P12的栅极。N12和N13的漏和体在输出节点VO处耦合在一起，该输出节点VO进一步耦合到C3的一端。C3的另一端耦合到VN。P12和P13的漏和源耦合到VCTL。

控制器401被控制器801替换，该控制器801耦合在VN和VP之间，且进一步耦合到VCTL和VO。对于控制器801，控制器401的P沟道晶体管P5和P6分别被相应的N沟道晶体管N15和N16替换，且控制器401的N沟道晶体管N5-N7各自分别被相应的P沟道晶体管P15、P16和P17替换。该配置在VP和VN之间有效翻转，其中Z1被反向，其阳极耦合到VO且其阴极耦合到节点806(其对应于节点606)。电流源803替换电流源601并将电流IB从VN提供给节点804。电流R耦合在节点804(对应于节点604)和节点808(对应于节点608)之间。P16和P17的源和体耦合到VP，其栅极耦合在节点808耦合在一起。P17的栅极在节点808耦合至其漏。P16的漏耦合到节点806，而节点806进一步耦合到P15的栅极和体。P15的栅极耦合到节点804且其漏耦合到节点802(对应于节点602)。N15和N16的源和体耦合到VN。N15的漏耦合到VCTL以及C4的一端。N15和N16的栅以及N16的漏在节点802耦合到一起。C4的另一端耦合到VN。示出电流IM从节点802流入P15的漏，且示出电流IZ流出节点806通过Z1至VO。

负自适应电荷泵301的控制器801的配置和操作与正自适应电荷泵201的控制器401的配置和操作相似。Z1配置成具有击穿电压VLIM。IB的电平和R值共同配置成在节点804建立电压以操作P15，使得P16的漏-源电压超过其夹断(pinch-off)电压。由此，P16在其饱和模式下工作。P16和P17共同配置为电流镜，使得主要由IB确定的流过R的电流控制流过P16的漏-源的电流电平。P16和P17的相对尺寸确定P16的源漏电流相对于IB的增益量。在一个实施例中，P16和P17大小相等，使得P16的漏源电流与IB大致相等。在替换实施例中，可调节P16和P17的相对大小以相对于IB调节P16的漏源电流。电流源803连同R1、P15、P16和P17共同用作电流控制的电流源，其有效地再现IB或IB的固定倍数作为P16的漏源电流。N15被配置为与N16相比相对较大的器件。在一个实施例中，例如，N15约是N16大小的20倍。

电流控制的电流源的配置导致电流IZ和IM的和约等于IB。当Z1截止时，IZ为0或可忽略使得IM约等于IB。当Z1导通时，IZ增加且IM减小以将IM和IZ的和维持在约IB，或IM+IZ≈IB。

负自适应电荷泵301的操作是类似的，不同之处在于节点G被充电至与VP大小相等且极性相反，同时VP等于或小于VTH。当VP高于VTH时，节点G的大小减小，使得VP和节点G之差保持在约为VLIM的最大电压差。注意，如果VP约为VLIM，则节点G变为约0V。

图9是对于VP从VTH之下的最小电平VMIN增加到最大电平VLIM的情况，VP、VO和VCTL与时间的关系简化图，用于示出利用图8所示的控制器801的负自适应电荷泵301的操作。图被简化之处在于小的差异和过渡变化被忽略。VN是假设为GND或约0V的基准供电电压。如701所示，直到初始时间t0，VP的电压为VMIN。如901所示，VO的电压与VP大小大约相等但极性相反或约为-VMIN。在这种情况下，Z1截止，使得IZ为0。穿过N16的电流IM建立栅源电压，其被反映为N15的栅源电压。N15配置成仅以相对较小的源漏电压提供由电容器C1和C2汲取的电流的平均值，使得VCTL有效地耦合到VN同时Z1截止。如图所示，VCTL具有如903所示的约为0的电压。由此，控制器801几乎没有效果，使得负自适应电荷泵301以正常方式操作，使得VO约为-VP。

VP如705所示向VTH线性增加。如905所示，VO的电压降低的速率与VP上升的速率大致相同，以将其电压维持在与VP大小相等但极性相反(-VP)，同时VP等于或低于VTH。如903所示，VCTL的电压维持约为0。在时间t1，VP达到VTH，使得VO达到与VP大小相等但极性相反的-VTH。

如709所示，在时间t1之后VP的电压超过VTH时，由于VP和VO间的电压倾向于超过VLIM，Z1将非零电流IZ提供给节点806，从而由于P16的漏源电流由于电流镜配置而恒定的事实而减小IM电平。N16的栅源电压降低，由此降低N15的栅源电压，使得N15将较少的电流从其漏提供至VCTL，这用于在电荷泵操作期间将电流提供给C1和C2并因此最终至C3。如909所示，VCTL的电压电平线性增加至VP超过VTH的量的约两倍，使得如907所示VO的电压增加大约与VP相等的量，以将VP和VO之差保持在约VLIM。在时间t2，VP达到VLIM然后被保持在VLIM。在时间t2之后，在VP为VLIM时，VO相对稳定地保持在约为0，同时VCTL最终稳定在约VLIM。

虽然已参考本发明的某些优选版本相当详细地描述了本发明，但可构想其它可能的版本和变型。本领域普通技术人员应当理解的是，他们能容易地利用所公开的概念和特定实施例作为基础以设计或修改其它结构以提供本发明的相同目的，而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种自适应电荷泵，包括：

第一和第二节点，所述第一和第二节点转换至第一和第二供电电压之间的相反状态；

耦合在所述第一节点和第三节点之间的第一电容器、耦合在所述第二节点和第四节点之间的第二电容器以及耦合在输出节点和所述第二供电电压之间的第三电容器；

第一导电类型的第一晶体管，具有耦合到控制节点的第一电流端子，具有耦合到所述第三节点的第二电流端子，并且具有耦合到所述第四节点的控制端子；

第一导电类型的第二晶体管，具有耦合到所述控制节点的第一电流端子，具有耦合到所述第四节点的第二电流端子，并且具有耦合到所述第三节点的控制端子；

第二导电类型的第三晶体管，具有耦合到所述第三节点的第一电流端子，具有耦合到所述输出节点的第二电流端子，并且具有耦合到所述第四节点的控制端子；

第二导电类型的第四晶体管，具有耦合到所述第四节点的第一电流端子，具有耦合到所述输出节点的第二电流端子，并且具有耦合到所述第三节点的控制端子；以及

控制器，所述控制器控制所述控制节点使其具有与所述第一供电电压相同的电压电平，同时所述输出节点和所述第二供电电压之间的电压差不超过极限电压，且所述控制器还控制所述控制节点的电压以防止所述电压差超过所述极限电压。

2.如权利要求1所述的自适应电荷泵，其特征在于：

所述第二供电电压具有基准电压电平且其中所述第一供电电压具有正供电电压电平；

其中所述第一导电类型是N型且其中所述第二导电类型是P型；以及

其中所述输出节点具有所述第一供电电压的电压电平的两倍的电压电平直到所述极限电压，且其中当所述第一供电电压高于所述极限电压的二分之一时所述输出节点被保持在所述极限电压。

3.如权利要求1所述的自适应电荷泵，其特征在于：

所述第一供电电压具有基准电压电平且其中所述第二供电电压具有正供电电压电平；

其中所述第一导电类型是P型且其中所述第二导电类型是N型；以及

其中当所述第二供电电压小于或等于所述极限电压的二分之一时，所述输出节点和所述第二供电电压具有相同的大小但相反的极性，且其中当所述第二供电电压大于所述极限电压的二分之一时所述输出节点具有所述第二供电电压减去所述极限电压的电压电平。

4.如权利要求1所述的自适应电荷泵，其特征在于，所述控制器包括：

第二导电类型的第五晶体管，具有接收所述第一供电电压的第一电流端子，具有耦合到第五节点的控制端子，并且具有耦合到所述控制节点的第二电流端子；

第二导电类型的第六晶体管，具有接收所述第一供电电压的第一电流端子，且具有在所述第五节点耦合在一起的第二电流端子和控制端子；

耦合在所述第一供电电压和第六节点之间的电流设备；

第一导电类型的第七晶体管，具有耦合到所述第五节点的第一电流端子，具有耦合到所述第六节点的控制端子，并且具有耦合到第七节点的第二电流端子；

第一导电类型的第八晶体管，具有耦合到所述第七节点的第一电流端子，具有耦合到第八节点的控制端子，并且具有接收所述第二供电电压的第二电流端子；

第一导电类型的第九晶体管，具有在所述第八节点耦合在一起的第一电流端子和控制端子，具有接收所述第二供电电压的第二电流端子；

耦合在所述第六和第八节点之间的电阻器；以及

耦合在所述输出节点和所述第七节点之间的齐纳二极管。

5.如权利要求4所述的自适应电荷泵，其特征在于，还包括耦合在所述第一供电电压和所述控制节点之间的平滑电容器。

6.如权利要求4所述的自适应电荷泵，其特征在于，所述第五晶体管显著大于所述第六晶体管，其中所述电流设备和所述电阻器配置成使所述第七晶体管饱和地工作，且其中所述第八和第九晶体管为电流镜配置。

7.如权利要求4所述的自适应电荷泵，其特征在于：

所述第二供电电压具有基准电压电平且其中所述第一供电电压具有正供电电压电平；

其中所述第一导电类型是N型且其中所述第二导电类型是P型；

其中所述齐纳二极管具有耦合到所述第七节点的阳极和耦合到所述输出节点的阴极；以及

其中所述电流设备将电流提供给所述第六节点。

8.如权利要求4所述的自适应电荷泵，其特征在于：

所述第一供电电压具有基准电压电平且其中所述第二供电电压具有正供电电压电平；

其中所述第一导电类型是P型且其中所述第二导电类型是N型；

其中所述齐纳二极管具有耦合到所述输出节点的阳极和耦合到所述第七节点的阴极；以及

其中所述电流设备从所述第六节点汲取电流。

9.一种电子设备，包括：

接收经调节的电压的供电输入和接收基准电压的基准输入；

电压干线；以及

耦合在所述供电输入和基准输入之间的电荷泵，具有耦合到所述电压干线的输出端子，其中所述电荷泵将所述电压干线驱动至所述经调节的电压的电压电平的两倍直至极限电压电平，其中所述电荷泵包括：

第一和第二节点，所述第一和第二节点转换至所述经调节的电压和所述基准电压之间的相反状态；

耦合在所述第一节点和第三节点之间的第一电容器、耦合在所述第二节点和第四节点之间的第二电容器以及耦合在所述基准输入和所述输出端子之间的第三电容器；

第一N型晶体管，具有耦合在控制节点和所述第三节点之间的电流端子，并且具有耦合至所述第四节点的控制端子；

第二N型晶体管，具有耦合在所述控制节点和所述第四节点之间的电流端子，并且具有耦合至所述第三节点的控制端子；

第一P型晶体管，具有耦合在所述第三节点和所述输出端子之间的电流端子，并且具有耦合至所述第四节点的控制端子；

第二P型晶体管，具有耦合在所述第四节点和所述输出端子之间的电流端子，并且具有耦合至所述第三节点的控制端子；以及

控制器，所述控制器控制所述控制节点使其具有与所述经调节的电压相同的电压电平，同时所述输出端子和所述基准电压之间的电压差不超过极限电压电平，且所述控制器还控制所述控制节点的电压以防止所述电压差超过所述极限电压电平。

10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，还包括：

调节器，提供相对于所述基准电压的所述经调节的电压；

其中所述电压干线、时钟节点和所述电荷泵集成在包括所述供电输入和基准输入的芯片上；以及

经由接口耦合在一起且从所述调节器接收所述经调节的电压和基准电压的处理器和存储器。

11.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述控制器包括：

第三P型晶体管，具有耦合在所述供电输入和所述控制节点之间的电流端子，并且具有耦合至第五节点的控制端子；

第四P型晶体管，具有耦合在所述供电输入和所述第五节点之间的电流端子，并且具有耦合至所述第五节点的控制端子；

将来自所述供电输入的电流提供给第六节点的电流设备；

第三N型晶体管，具有在所述第五节点和第七节点之间的电流端子，且具有耦合到所述第六节点的控制端子；

第四N型晶体管，具有耦合在所述第七节点和所述基准输入之间的电流端子，并且具有耦合至第八节点的控制端子；

第五N型晶体管，具有耦合在所述第八节点和所述基准输入之间的电流端子，并且具有耦合至第八节点的控制端子；

耦合在所述第六和第八节点之间的电阻器；

耦合在所述供电输入和所述控制节点之间的第四电容器；以及

齐纳二极管，具有耦合至所述第七节点的阳极且具有耦合到所述输出端子的阴极。

12.如权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述第三P型晶体管显著大于所述第四P型晶体管，其中所述电流设备和所述电阻器配置成使所述第三N型晶体管饱和地工作，且其中所述第四和第五N型晶体管为电流镜配置。

13.一种电子设备，包括：

接收经调节的电压的供电输入和接收基准电压的基准输入；

电压干线；以及

耦合在所述供电输入和基准输入之间的电荷泵，具有耦合到所述电压干线的输出端子，其中所述电荷泵将所述电压干线驱动至与所述经调节的电压的电压电平相等但极性相反直至阈值电压电平，其中所述电荷泵包括：

第一和第二节点，所述第一和第二节点转换至所述经调节的电压和所述基准电压之间的相反状态；

耦合在所述第一节点和第三节点之间的第一电容器、耦合在所述第二节点和第四节点之间的第二电容器以及耦合在所述基准输入和所述输出端子之间的第三电容器；

第一P型晶体管，具有耦合在控制节点和所述第三节点之间的电流端子，并且具有耦合至所述第四节点的控制端子；

第二P型晶体管，具有耦合在所述控制节点和所述第四节点之间的电流端子，并且具有耦合至所述第三节点的控制端子；

第一N型晶体管，具有耦合在所述第三节点和所述输出端子之间的电流端子，并且具有耦合至所述第四节点的控制端子；

第二N型晶体管，具有耦合在所述第四节点和所述输出端子之间的电流端子，并且具有耦合至所述第三节点的控制端子；以及

控制器，所述控制器控制所述控制节点使其具有与所述基准电压相同的电压电平，同时所述输出端子和所述经调节的电压之间的电压差不超过所述阈值电压电平的两倍，且所述控制器还控制所述控制节点的电压以防止所述电压差超过所述阈值电压电平的两倍。

14.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，还包括：

调节器，提供相对于所述基准电压的所述经调节的电压；

其中所述电压干线、所述控制节点和所述电荷泵集成在包括所述供电输入和基准输入的芯片上；以及

经由接口耦合在一起且从所述调节器接收所述经调节的电压和基准电压的处理器和存储器。

15.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述控制器包括：

第三N型晶体管，具有耦合在所述基准输入和所述控制节点之间的电流端子，并且具有耦合至第五节点的控制端子；

第四N型晶体管，具有耦合在所述基准输入和所述第五节点之间的电流端子，并且具有耦合至所述第五节点的控制端子；

将来自第六节点的电流提供给所述基准输入的电流设备；

第三P型晶体管，具有在所述第五节点和第七节点之间的电流端子，且具有耦合到所述第六节点的控制端子；

第四P型晶体管，具有耦合在所述第七节点和所述供电输入之间的电流端子，并且具有耦合至第八节点的控制端子；

第五P型晶体管，具有耦合在所述第八节点和所述供电输入之间的电流端子，并且具有耦合至第八节点的控制端子；

耦合在所述第六和第八节点之间的电阻器；

耦合在所述基准输入和所述控制节点之间的第四电容器；以及

齐纳二极管，具有耦合至所述第七节点的阴极且具有耦合到所述输出端子的阳极。

16.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述第三N型晶体管显著大于所述第四N型晶体管，其中所述电流设备和所述电阻器配置成使所述第三P型晶体管饱和地工作，且其中所述第四和第五P型晶体管为电流镜配置。

17.一种自适应控制如权利要求1-8中的任一项所述的电荷泵的方法，包括：

将所述电荷泵耦合到控制节点；

将电荷泵的时钟输入在供电电压电平之间转换以对电荷泵的输出充电；

监视电荷泵的输出；

当供电电压大小小于或等于阈值电平时，将控制节点维持为供电电压电平；以及

当供电电压大小超过阈值电平时，调节控制节点以将电荷泵的输出维持在极限电平。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：

所述转换电荷泵的时钟输入包括将电荷泵的输出充电至供电电压电平的两倍；以及

其中所述调节控制节点包括使控制节点的大小减小的量与供电电压大小超过阈值电平的量相同。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于：

所述转换电荷泵的时钟输入包括将电荷泵的输出充电至与供电电压电平大小相等但极性相反；以及

其中所述调节控制节点包括使控制节点的大小增加的量为供电电压电平超过阈值电平的量的两倍。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括：

通过耦合在供电电压节点和控制节点之间的控制设备形成控制电流；

当供电电压大小小于或等于阈值电平时，将控制电流维持为固定电平；以及

当供电电压大小超过阈值电平时，调节控制电流以调节控制节点。