CN103066832A - 一种能快速启动的电荷泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能快速启动的电荷泵。在电荷泵使能信号到来后，利用很短的一段时间，给电荷泵的泵电电容、负载电容充电，称之预充电操作；在随后的正常工作期间，泵电电容、输出电容通过适当的开关配置成电荷泵正常工作所需的连接关系，以保证电荷泵能够正常工作。由于对泵电电容和输出电容的预充电操作，缩短了输出电容电位达到稳态值所需的时间。

Description

一种能快速启动的电荷泵
技术领域
本发明涉及电荷泵电路，具体的，本发明涉及一种能快速启动的电荷泵电路。本发明还涉及包括这种电路的半导体集成电路，具体的，但并非唯一的是射频天线开关控制器。半导体器件，或电子装置是涉及的另一种装置形式，其中电荷泵电路例如是可以集成的。 
背景技术
随着集成电路尺寸的减小，电源电压越来越低，电荷泵的应用越来越广泛，如电源管理集成电路，非挥发性存储器，开关电容电路，运算放大器，变压器，SRAM，LCD驱动，RF天线开关控制。电荷泵电路应用的一个具体例子是应用在射频天线开关控制器，其中，电荷泵电路的作用是产生一个比地更低的负电压源，用以更好的控制射频天线开关的工作。 
众所周知的是，电荷泵电路可以正电压电荷泵也可以是负电压电荷泵。电荷泵可以但不是必须以重复单元出现，单元之间以级联形式相互连接。每一级都包括一个泵电开关和一个泵电电容，每一级的泵电开关和泵电电容的连接点是该级的输出点，而该泵电开关的另一端为本级电荷泵的输入点，泵电电容的非泵电开关连接端称之为控制端。电荷泵级联时，本级的输出点都与次一级电荷泵的输入点相连，而输入点都与前一级电荷泵的输出点相连；而相邻各级电荷泵的泵电电容的控制端交替连接到两个反相或非重叠的时钟控制线中的一个，该时钟控制线控制开关操作，而开关控制了沿这些级的所谓的电荷的泵作用。 
以负电压电荷为例，电荷泵的具体工作过程如下，在一个时钟周期的前半周期，本级的泵电开关导通(具有低阻抗)，同时次一级的泵电开关关断(具有高阻抗)，泵电电容控制端被时钟控制线置于高电平，而前一级泵电电容的时钟控制端置于低电平，这样将有正电荷形成的位移电流从本级泵电电容流向前一级泵电电容，这样就完成了一次本级电容上电荷的存储；在这一时钟周期的后半周期，本级的泵电开关关断，本级泵电电容控制端置于低电平，本级泵电电容的输出端电位将被压低，同时次一级的泵电开关导通，次一级电容的时钟端置于高电位，次一级泵电电容输出端的电位将被拉高，这样将有正电荷形成的位移电流从次一级泵电电容流向本级泵电电容。这样就完成了一个周期里的电荷的泵作用。若多级电荷泵依次串接，电荷将被依次泵到前一级的泵电电容上，最后一级电荷泵的输出，将会达到最低电位。更多的级产生更低的输出电压。 
以含有一级电荷泵产生负电压的电路为例，如图1所示，泵电电容C5，开关S16_ck1，开关S18_ck2连接于结点N10；电容C5，开关S17_ck2，开关S15_ck1连接于结点N9；电源VDC3正极与开关S18_ck2，连接于结点NVDD3；电容C6与开关S15_ck1连接于结点N11，N11为外接负载的输出结点；电源VDC3的负极，开关S16_ck1，开关S17_ck2，负载电容C6连接于结点NGND3。电路工作时，开关S16_ck1，开关S15_ck1由同一时钟ck1控制；开关S17_ck2，开关S18_ck2由与时钟ck1反相的时钟ck2控制。这里反相的时钟信号，不一定完全反相，在实际中，为了防止开关切换过程中的漏电，时钟信号应该是非重叠的。为了使电容C6的电压较快的充电到所需的电压，可以增加时钟频率或增大电容C5的大小。 
事实上，电荷泵的输出需要多个周期，才能达到所需要的电压，输出电压在达到稳态电压前，对应相邻时钟的电压增量将会逐渐变小。实际上，输出电压在电路启动后的瞬间将会很快的上升，然后相对缓慢的爬升到稳态值。这是因为随着输出电压的逐渐上升，每个时钟周期内泵送的电荷会逐渐减少。如果要求输出电压较快的升到稳态值，若不采取特殊措施，必须提高时钟频率，或者使泵电电容相对输出电容取更大的值。若提高时钟频率，则可能引入较大的噪声；在保证输出电压较小纹波的前提下，输出电容一般来说会取较大的值，如果泵电电容相对输出电容取更大的值，电容占用的面积将会增加。 
综上所述，现有的技术通过提高时钟频率，增大泵电电容，加快电荷泵的启动过程，但会引入较大的开关噪声，或增大芯片面积。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能快速启动的电荷泵。在保证较低时钟频率，和较小电容面积的前提下，使电荷泵的输出电压快速达到稳态电压——对于一级电荷泵，理论上需要的时间可以小于一个充电脉冲时间宽度。 
本发明采用的技术方案是：在电荷泵使能信号到来后，利用很短的一段时间，给负载电容和(或)泵电电容充电，这为预充电阶段；在预充电阶段后的正常工作期间，在预充电阶段给负载电容预充电的充电路径处于开路状态，各开关的状态以常规电荷泵正常工作所需的状态进行配置以保证电荷泵正常工作。 
图2给出了本发明公开的一种能快速启动的电荷泵电路的示意图，电路至少包括两部分电荷泵(1)，输出级(2)。电荷泵(1)可以为正电压电荷泵也可以负电压电荷泵。 
其中电荷泵(1)可以以重复单元出现，单元之间以级联形式相互连接。电荷泵(1)包括通过结点(Nc_n)串联连接在一起的泵电开关(Schg_n)和泵电电容(Cp_n)；当电荷泵级联时，本级泵电开关(Schg_n)的非电容Cp_n连接端(Ns_n)接前一级电荷泵的结点(Nc_n-1)；本级泵电开关(Schg_n)的电容Cp_n连接端(Nc_n)接后一级单元的结点(Ns_n-1)；在正电压电荷泵中，第一级电荷泵(n＝1)的Ns_n端连接电压源的高电压端；在负电压电荷泵中，第一级电荷泵的Ns_n端连接直流电压源的低电压端。 
电荷泵(1)的负载即输出级(2)包括输出开关Sout，用于预充电的开关Spre，开关Spreb，负载电容CL，模拟输出负载的电流源IL；其中Sout，CL，Spre依次串联；Spre非电容CL连接端与直流电压源的低电压端相连；Sout的非电容CL连接端与电荷泵的最后一级的Nc_n相连；开关Spreb一端与开关Spre和CL的公共点相连，另一端与直流电压源的高电压端相连；模拟输出负载的电流源IL与Sout，CL的公共点相连，该电流源的另一端则与直流电压源的低电压端相连。 
在电荷泵启动后的小段时间内(称之为预充电阶段)，Spre，Spreb配置为：在正电压电荷泵中，Spre导通(具有低阻抗)，Spreb断开(具有高阻抗)；而在负电压电荷泵中，Spre断开(具有高阻抗)，Spreb导通(具有低阻抗)；在随后的电荷泵的正常工作阶段，则各自取与其预充电阶段相反的开关状态。 
在电路预充电阶段后，电荷泵(1)中的泵电电容Cp_n的非本级泵电开关连接端由控制线(3)控制，接入的控制信号为
Figure BSA00000819683700021
且当多级电荷泵相互级联时，相邻级的控制信号
Figure BSA00000819683700022
彼此反相或是非重叠的。 
另外，在预充电阶段，各电荷泵级的开关Schg_n和输出级的Sout，或可以全部配置成导通状态。在正电压电荷泵中，开关Spreb或可以一直处于断开关状态，或开关Spreb不存在于电路中，与之相对应的，开关Spre一直处于导通状态，或由导线代替。 
电路的具体工作过程如下，在电荷泵使能信号到来后，利用小段时间，给负载电容或(和)泵电电容充电，这为预充电阶段；在预充电阶段后的正常工作期间，在预充电阶段给负载电容预充电的充电路径处于开路状态，负载电容通过开关切换到正常工作所需要的配置，以保证电荷泵正常工作。在预充电后的正常工作时间里，以负电压电荷泵例，电荷泵的具体工作过程如下：在一个时钟周期的前半周期，本级的泵电开关导通(具有低阻抗)，同时次一级的泵电开关关断(具有高阻抗)，泵电电容控制端被时钟控制线置于高电平，而前一级泵电电容的时钟控制端置于低电平，这样将有正电荷形成的位移电流从本级泵电电容流向前一级泵电电容，这样就完成了一次本级电容上电荷的存储；在这一时钟周期的后半周期，本级的泵电 开关关断，本级泵电电容控制端置于低电平，本级泵电电容的输出端电位将被压低，同时次一级的泵电开关导通，次一级电容的时钟端置于高电位，次一级泵电电容输出端的电位将被拉高，这样将有正电荷形成的位移电流从次一级泵电电容流向本级泵电电容。这样就完成了一个周期里的电荷的泵作用。若多级电荷泵依次串接，电荷将被依次泵到前一级的泵电电容上，最后一级电荷泵的输出，将会达到最低电位。更多的级产生更低的输出电压。 
由于预充电操作，在一个时钟操作时间内，一次性给负载电容和(或)泵电电容，灌注了使之电压值为一个直流电压源电压所需的电荷，而在没有预充电操作的情况下，每一次时钟操作，最多给第一级泵电灌注了使之电压值为一个直流电压源电压所需的电荷。对比之下，预充电操作，大大缩短了负载电容达到稳态值所需的时间，而且在电荷泵级数越小的情况下，加快启动的效果越明显。理想情况，在只有一级电荷泵的情形下，只需要一个时钟操作———所需的时间，根据实际的需要，可以将预充电时间设置为比一个时钟周期更短，就可使输出达到稳态电压。 
本发明的有益结果是：在保证较低时钟频率，和较小电容面积的前提下，使电荷泵的输出电压快速达到稳态电压——理论上需要的时间可以小于一个充电脉冲时间宽度。 
图5示出了应用了本发明公开的能快速启动的电荷泵的一个实施例，装置(44)可以是但不是必须是射频功率放大器控制装置，装置(44)内部含有但不是必须含有射频天线开关控制器(42)，本发明公布的一个实施例包含于电路(41)中，电路(41)和射频天线开关控制器(42)可以是但不是必须被设置在公共衬底(43)上。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明： 
图1为常见的产生负电压的只含有一级电荷泵电路的原理图； 
图2为本发明公开的一种能快速启动的电荷泵电路的电路示意图； 
图3为本发明公开的能快速启动的负电压电荷泵的一个实施例； 
图4为本发明公开的能快速启动的正电压电荷泵的一个实施例； 
图5为本发明在射频天线开关控制器应用的一个示例。 
具体实施方式
图3示出了本发明公开的快速启动负电压电荷泵的一个实施例，泵电电容C3，开关S8_ck1，开关S10_ck2连接于结点N5；泵电电容C3，开关S11_ck2，开关S9_ck1连接于结点N6；电源VDC2正极与开关S9_ck1，开关S12_ck_pre连接于结点NVDD2；电容C4与开关S12_ck_pre，开关S14_ck_preb连接于结点N7；电容C4与开关S10_ck2连接于结点N8_out，结点N8_out为外接负载的输出结点；电源VDC2的负极，开关S11_ck2，开关S8_ck1，开关S14_ck_preb连接于结点NGND2。电路预充电后正常工作时，开关S8_ck1，开关S9_ck1由同一时钟ck1控制；开关S11_ck2，S10_ck2由与时钟ck1反相的时钟ck2控制；开关S8_ck1，开关S10_ck2，开关S12_ck_pre和(或)开关S9_ck1，在电路使能信号后的第一个时钟脉内是导通的，在对应时间内，其它开关则是断开的，用于给输出电容和(或)泵电电容预充电，在预充电随后的正常工作阶段，开关则配置成保证电荷泵正常工作所需的状态：开关S12_ck_pre保持断开，开关S14_ck_preb保持导通，其它开关则以常规电荷泵所需的时序进行开关操作。这里涉用到的反相的时钟信号，不一定完全反相，在实际中，为了防止开关切换过程中的漏电，优选的情况下，时钟信号应该非重叠的。 
图4示出了本发明公开的能快速启动的正电压电荷泵的一个实施例，泵电电容C1，开关S1_ck1，开关S4_ck2连接于结点N1；泵电电容C1，开关S3_ck2，S2_ck1连接于结点N2；电源VDC1正极与开关S4_ck2，开关S2_ck1，开关S7_ck_preb连接于结点NVDD1；电容C2与开关S3_ck2连接于结点N3_out，结点N3_out为外接负载的输出结点；电容C2与开关S7_ck_preb，开关S6_ck_pre连接于结点N4；电源VDC1的负极，开关S1_ck1，开关S6_ck_pre连接于结点NGND1。电路工作时，开关S2_ck1，开关S1_ck1由同一时钟ck1控制；开关S4_ck2，开关S3_ck2由与时钟ck1反相的时钟ck2控制；开关S6_ck_pre，S3_ck2，S2_ck1和(或)开关S1_ck1在电路使能信号后的第一个时钟脉内是导通的，在对应时间内，其它开关则是断开的，用于给输出电容和(或)泵电电容预充电，在预充电随后的正常工作阶段，开关则配置成保证电荷泵正常工作所需的状态：开关S6_ck_pre保持断开，开关S7_ck_preb保持导通，其它开关则以常规电荷泵所需的时序进行开关操作。这里涉用到的反相的时钟信号，不一定完全反相，在实际中，为了防止开关切换过程中的漏电，优选的情况下，时钟信号应该非重叠的。 

Claims (16)

1.一种能快速启动的电荷泵，其特征在于，至少包括：
电荷泵(1)；
输出级(2)。
2.如权利要求1中所述的电路，其特征在于，其中电荷泵(1)既可以是正压电荷泵也可以是负压电荷泵。
3.如权利要求1中所述的电路，其特征在于，其中电荷泵(1)可以以重复单元出现，单元之间以级联形式相互连接。
4.如权利要求3中所述的电路，其特征在于，电荷泵(1)包括通过结点(Nc_n)串联连接在一起的泵电开关(Schg_n)，泵电电容(Cp_n)；当电荷泵级联时，本级泵电开关(Schg_n)的非电容Cp_n连接端(Ns_n)接前一级电荷泵的结点(Nc_n-1)；本级泵电开关(Schg_n)的电容Cp_n连接端(Nc_n)接后一级单元的结点(Ns_n-1)。
5.如权利要求1中所述的电路，其特征在于，电荷泵(1)的负载即输出级(2)，对输出电压进行缓冲，减小负载IL上的电压纹波；包括输出开关Sout，用于预充电的开关Spre，开关Spreb，负载电容CL，模拟输出负载的电流源IL；其中Sout，CL，Spre依次串联；Spre非电容CL连接端与直流电压源的低电压端相连；Sout的非电容CL连接端与电荷泵的最后一级的Nc_n相连；开关Spreb一端与开关Spre和CL的公共点相连，另一端与直流电压源的高电压端相连；模拟输出负载的电流源IL与Sout，CL的公共点相连，该电流源的另一端则与直流电压源的低电压端相连。
6.如权利要求1到4中所述的电路，其特征在于，当电荷泵为正压电荷泵时，第一级电荷泵(n＝1)的Ns_n端连接电压源的高电压端，当电荷泵为负压电荷泵时，第一级电荷泵的Ns_n端连接直流电压源的低电压端。
7.如权利要求1中所述的电路，其特征在于，电荷泵的负载(2)，在预充电操作期间，即在电荷泵启动后的小段时间内，Spre，Spreb配置为：当电荷泵为正压电荷泵时，Spre导通(具有低阻抗)，Spreb断开(具有高阻抗)；当电荷泵为负压电荷泵时，Spre断开(具有高阻抗)，Spreb导通(具有低阻抗)；预充电操作完成后，则各自取与其预充电阶段相反的开关状态。
8.如权利要求1中所述的电路，其特征在于，预充电操作完成后，电荷泵(1)中的泵电电容的非本级泵电开关连接端由控制线(3)控制，接入的控制信号为
Figure FSA00000819683600011
且当多级电荷泵相互级联时，相邻级的控制信号彼此反相。
9.如权利要求1中所述的电路，其特征在于，预充电操作完成后，电荷泵(1)中的泵电电容的非本级泵电开关连接端由控制线(3)控制，接入的控制信号为且当多级电荷泵相互级联时，相邻级的控制信号
Figure FSA00000819683600014
彼此可以是非重叠的。
10.如权利要求1到9中所述的电路，其特征在于，各电荷泵级的开关Schg_n和输出级的Sout在权利要求7所述的预充电阶段，或可以全部配置成导通状态，而不是权利要求7和8中要求的反相或非重叠。
11.如权利要求1到10中所述的电路，其特征在于，在正压电荷泵中，开关Spreb或具有不同于权利要求1到10所述的特征，而是一直处于断开关状态，或开关Spreb不存在于电路中，与之相对应的，开关Spre一直处于导通状态，或由导线代替。
12.如前述权利要求中任一个所述的电路，其特征在于，所采用的电子器件可以多种工艺来实现，如CMOS，SOI，BiCMOS。
13.一种电子装置(44)，其特征在于，包括如前述权利要求中所述的任一个电路(41)。
14.如权利要求13中所述的装置，其特征在于，装置(44)可以是但不是必须是射频功率放大器控制装置。
15.如权利要求14中所述的装置，其特征在于，装置(44)内部含有但不是必须含有射频天线开关控制器(42)。
16.如权利要求14中所述的装置，其特征在于，其中，该电路(41)和射频天线开关控制器(42)可以是但不是必须被设置在公共衬底(43)上。
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