CN103490624B - 自适应频率电荷泵电路 - Google Patents

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本发明涉及电荷泵技术领域，特别涉及一种自适应频率电荷泵电路，包括：核心电荷泵结构电路、输出电压监测电路及振荡产生电路。输出电压监测电路及振荡产生电路分别与核心电荷泵结构电路相连，输出电压监测电路与振荡产生电路相连。本发明提供的自适应电荷泵电路，核心电荷泵结构电路用于存储能量和升高电压，当核心电荷泵电路的输出电压发生变化时，电压监测电路的输出信号产生一个对应的线性变化，电压监测电路的输出信号的变化引起振荡产生电路比较阈值的变化，使振荡产生电路的输出电压向目标电压调整，从而降低了电荷泵电路的功耗。

Description

自适应频率电荷泵电路
技术领域
本发明涉及电荷泵技术领域，特别涉及一种自适应频率电荷泵电路。
背景技术
传统开关电源一般利用电感来存储和稳定输出电压，但有一定的缺陷，就是电感一般尺度较大，而且其电磁干扰非常大。作为电感式开关电源的一种替代，电容式开关电源(也就是电荷泵电路)得到了很好的发展，电荷泵电路具有结构简单、制造成本低、开关频率高以及电磁干扰小等优点，而得到了广泛的应用。传统的电荷泵的工作原理是：利用电容上的电荷不能突变，提高一个电容极板电压，迫使另外一个极板电压升高，进而把能量传送过去。因此，传统的电荷泵结构都会有一个频率固定的振荡器，且对应不同负载情况，都会以该频率工作，但是对于轻负载情况下，就会造成较大的功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低电荷泵电路功耗的自适应频率电荷泵电路。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应频率电荷泵电路，包括：核心电荷泵结构电路、输出电压监测电路及振荡产生电路。所述输出电压监测电路及所述振荡产生电路分别与所述核心电荷泵结构电路相连，所述输出电压监测电路与所述振荡产生电路相连。所述核心电荷泵结构电路用于存储能量和升高电压，当所述核心电荷泵结构电路的输出电压发生变化时，所述输出电压监测电路的输出信号产生一个对应的线性变化，所述输出电压监测电路的输出信号的变化引起所述振荡产生电路比较阈值的变化，使电荷泵电路的输出电压向目标电压调整。
其中，所述核心电荷泵结构电路包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1及第二二极管D2。所述第一MOS管M1的源极和衬底接地。所述第一MOS管M1的栅极与所述振荡产生电路连接；所述第一MOS管M1的漏极通过所述第一电阻R1与所述第三MOS管M3的栅极连接。所述第三MOS管M3的栅极通过所述第二电阻R2与所述第三MOS管M3的源极连接；所述第三MOS管M3的源极依次通过所述第一二极管D1及所述第二二极管D2与所述输出电压监测电路连接。所述第三MOS管M3的栅极通过所述第二电阻R2与所述输出电压监测电路连接；所述第三MOS管M3的漏极分别与所述第二MOS管M2的漏极及所述第四MOS管M4的栅极连接。所述第二MOS管M2的漏极通过所述第三电阻R3与所述第四MOS管M4的源极连接；所述第二MOS管M2的源极接地；所述第二MOS管M2的栅极与所述振荡电路连接。所述第四MOS管M4的漏极与所述第三MOS管M3的源极连接；所述第四MOS管M4的源极通过所述第一电容C1与所述第二二极管D2的阳极连接。所述第二电容C2的一端接地，另一端与所述第二二极管D2的阴极连接；输入端VIN连接在所述第二电阻R2及所述输出电压监测电路之间。
进一步地，所述输出电压监测电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第一运算放大器AMP1。所述第四电阻R4的一端与所述第二二极管D2的阴极连接，另一端通过所述第六电阻R6接地；所述第七电阻R7的一端与所述输入端VIN连接，另一端与所述第一运算放大器AMP1负输入端连接。所述第一运算放大器AMP1的正输入端通过所述第六电阻R6接地；所述第一运算放大器AMP1的负输入端通过所述第九电阻R9接地；所述第一运算放大器AMP1的输出端VAMP1与所述振荡产生电路连接；所述第一运算放大器AMP1的负输入端通过所述第八电阻R8与所述第一运算放大器的输出端VAMP1连接。所述第五电阻R5的一端与基准电压vref1连接，另一端连接在所述第四电阻R4及第六电阻R6的中间。
进一步地，所述振荡产生电路包括：第十电阻R10、第三电容C3、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一施密特整形器Smit1，第二施密特整形器Smit2、两输入与非门NAND2、反相器INV1、三输入与非门NAND3、D触发器DFF1、第一两输入或非门NOR2_1及第二两输入或非门NOR2_2。所述第一比较器COMP1的正输入端与所述第一运算放大器AMP1的输出端VAMP1连接，所述第一比较器COMP1的负输入端通过所述第十电阻R10分别与所述两输入与非门NAND2的一个输入端及所述三输入与非门NAND3的输出端连接。所述第一比较器COMP1的负输入端通过所述第三电容C3接地；所述第一比较器COMP1的负输入端与所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP1的输出端通过所述第一施密特整形器Smit1与所述两输入与非门NAND2的另一个输入端连接。所述第二比较器COMP2的负输入端与基准电压vref2连接；所述第二比较器COMP2的输出端通过所述第二施密特整形器Smit2与所述三输入与非门NAND3的第二输入端连接。所述两输入与非门NAND2的输出端通过所述反相器INV1与所述D触发器DFF1的Clk端连接；所述两输入与非门NAND2的输出端与所述三输入与非门NAND3的第一输入端连接；所述三输入与非门NAND3的第三输入端分别与RESET端口及所述D触发器DFF1的R端连接。所述D触发器DFF1的Clk端分别与所述第一两输入或非门NOR2_1的第二输入端及所述第二两输入或非门NOR2_2的第一输入端连接；所述D触发器DFF1的D端分别与所述第二两输入或非门NOR2_2的第二输入端及所述D触发器DFF1的QN端连接。所述D触发器DFF1的Q端与所述第一两输入或非门NOR2_1的第一输入端连接；所述第一两输入或非门NOR2_1的输出端与所述第一MOS管M1的栅极连接；所述第二两输入或非门NOR2_2的输出端与所述第二MOS管的栅极连接。
进一步地，所述第一MOS管M1及所述第二MOS管M2均为N沟道MOS管。所述第三MOS管M3为P沟道MOS管；所述第四MOS管M4为隔离型N沟道MOS管。所述第一二极管D1及所述第二二极管D2均为肖特基型二极管。
本发明提供的自适应频率电荷泵电路，核心电荷泵结构电路用于存储能量和升高电压，当核心电荷泵电路的输出电压发生变化时，电压监测电路的输出信号产生一个对应的线性变化，电压监测电路的输出信号的变化引起振荡产生电路比较阈值的变化，使振荡产生电路的输出电压向目标电压调整，从而降低了电荷泵电路的功耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自适应频率电荷泵电路的电路原理图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供了一种自适应频率电荷泵电路，包括：核心电荷泵结构电路、输出电压监测电路及振荡产生电路。输出电压监测电路及振荡产生电路分别与核心电荷泵结构电路相连，输出电压监测电路与振荡产生电路相连。下面进一步地对本实施例提供的自适应频率电荷泵电路的结构进行说明：
核心电荷泵结构电路包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1及第二二极管D2。输出电压监测电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第一运算放大器AMP1。振荡产生电路包括：第十电阻R10、第三电容C3、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一施密特整形器Smit1，第二施密特整形器Smit2、两输入与非门NAND2、反相器INV1、三输入与非门NAND3、D触发器DFF1、第一两输入或非门NOR2_1及第二两输入或非门NOR2_2。
第一MOS管M1的源极和衬底接地；第一MOS管M1的漏极通过第一电阻R1与第三MOS管M3的栅极连接。第三MOS管M3的栅极通过第二电阻R2与第三MOS管M3的源极连接；第三MOS管M3的源极与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极与第四电阻R4连接。第三MOS管M3的栅极通过第二电阻R2与第七电阻R7连接。第三MOS管M3的漏极分别与第二MOS管M2的漏极及第四MOS管M4的栅极连接。第二MOS管M2的漏极通过第三电阻R3与第四MOS管M4的源极连接，第二MOS管M2的源极接地。
第四MOS管M4的漏极与第三MOS管M3的源极连接，第四MOS管M4的源极通过第一电容C1与第二二极管D2的阳极连接。第二电容C2的一端接地，另一端与第二二极管D2的阴极连接；输入端VIN连接在第二电阻R2及所述第七电阻R7之间。
第四电阻R4的一端与第二二极管D2的阴极连接，另一端通过第六电阻R6接地。第七电阻R7的一端与输入端VIN连接，另一端与第一运算放大器AMP1负输入端连接；第一运算放大器AMP1的正输入端通过第六电阻R6接地。第一运算放大器AMP1的负输入端通过第九电阻R9接地。第一运算放大器AMP1的输出端VAMP1与振荡产生电路连接。第一运算放大器AMP1的负输入端通过第八电阻R8与第一运算放大器的输出端VAMP1连接。第五电阻R5的一端与基准电压vref1连接，另一端连接在第四电阻R4及第六电阻R6的中间。
第一比较器COMP1的正输入端与第一运算放大器AMP1的输出端VAMP1连接，第一比较器COMP1的负输入端通过第十电阻R10分别与两输入与非门NAND2的一个输入端及三输入与非门NAND3的输出端连接。第一比较器COMP1的负输入端通过第三电容C3接地，第一比较器COMP1的负输入端与第二比较器COMP2的正输入端连接。第一比较器COMP1的输出端通过第一施密特整形器Smit1与两输入与非门NAND2的另一个输入端连接。第二比较器COMP2的负输入端与基准电压vref2连接；第二比较器COMP2的输出端通过第二施密特整形器Smit2与三输入与非门NAND3的第二输入端连接。两输入与非门NAND2的输出端通过反相器INV1与D触发器DFF1的Clk端连接；两输入与非门NAND2的输出端与三输入与非门NAND3的第一输入端连接。三输入与非门NAND3的第三输入端分别与RESET端口及D触发器DFF1的R端连接。D触发器DFF1的Clk端分别与第一两输入或非门NOR2_1的第二输入端及第二两输入或非门NOR2_2的第一输入端连接。D触发器DFF1的D端分别与第二两输入或非门NOR2_2的第二输入端及D触发器DFF1的QN端连接；D触发器DFF1的Q端与第一两输入或非门NOR2_1的第一输入端连接。第一两输入或非门NOR2_1的输出端与第一MOS管M1的栅极连接。第二两输入或非门NOR2_2的输出端与第二MOS管的栅极连接。本实施例中，第一MOS管M1及第二MOS管M2均为N沟道MOS管。第三MOS管M3为P沟道MOS管；第四MOS管M4为隔离型N沟道MOS管。第一二极管D1及第二二极管D2均为肖特基型二极管。整个自适应频率电荷泵电路的输出端VOUT连接在第二二极管D2与第四电阻的连接导线上。
下面对本实施例提供的自适应频率电荷泵电路的工作原理进行介绍：核心电荷泵结构电路用于存储能量和升高电压，当核心电荷泵电路的输出电压发生变化时，电压监测电路的输出信号产生一个对应的线性变化，电压监测电路的输出信号的变化引起振荡产生电路比较阈值的变化，使振荡产生电路的输出电压向目标电压调整，具体为：
参见图1，第一运算放大器AMP1的输出VAMP1与VOUT的输出成线性变化。根据运放的高增益特点，能够满足第一运算放大器AMP1正输入端与负输入端相等，据此可得：VOUT＝VIN+2VAMP1-VREF1。基准电压VREF1是可以确定的值，本实施例中取为电源VDD，而第一运算放大器AMP1的输出VAPM1的最大值则由第一比较器COMP1的负输入端的最大值决定，该负输入端的最大电压由R10对C3充电所能达到的最大值决定，理论上即为三输入与非门NAND3的电源VDD，进而得到：VOUT＝VIN+VDD。当VOUT降低时，会引起第一运算放大器AMP1的输出VAMP1下降，第一运算放大器AMP1的输出VAMP1与第十电阻R10对第三电容C3的充电电压比较，当在重载情况下工作，VOUT下降较快，第一运算放大器AMP1的输出VAMP1也下降较快。由于第十电阻R10对第三电容C3充电，第一比较器COMP1的负输入端的电压越快达到比较阈值电平，则振荡发生电路具有较高的振荡频率，使得电荷泵较快将VOUT调整到目标电压。轻载情况下VOUT下降较慢，比较阈值较高，引起第十电阻R10对第三电容C3充电时间较长，振荡电路的振荡频率较低，保证了在轻载情况下振荡的功耗较低。整体电路工作时，RESET为高电平。当第三电容C3充电比第一比较器COMP1正输入端高时，则第一比较器COMP1输出为低电平，进而两输入与非门NAND2输出为高电平，从而使三输入与非门NAND3输出为低电平，进而通过第十电阻R10对第三电容C3进行放电，当第三电容C3电容放电至比基准电压VREF2低时，第二比较器COMP2翻转输出为低电平，结果三输入与非门NAND3输出变高电平，将两输入与非门NAND2拉低，从而将反相器INV1输出由低电平变高电平产生一个上升沿，进而使第一两输入或非门NOR2_1及第二两输入或非门NOR2_2产生变化，使核心电荷泵电路工作起来。而三输入与非门NAND3输出变高电平，进而会通过第十电阻R10对第三电容C3充电，进入下一个循环。
本发明实施例具有以下有益效果：
1、核心电荷泵结构电路用于存储能量和升高电压，当核心电荷泵电路的输出电压发生变化时，电压监测电路的输出信号产生一个对应的线性变化，电压监测电路的输出信号的变化引起振荡产生电路比较阈值的变化，使振荡产生电路的输出电压向目标电压调整，从而降低了电荷泵电路的功耗。
2、可以有效地提高电荷泵电路的整体效率，减少反应时间，进而提高整个电荷泵所属芯片的稳定性和调整率，具有较高的实用价值。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种自适应频率电荷泵电路，其特征在于，包括：核心电荷泵结构电路、输出电压监测电路及振荡产生电路；
所述输出电压监测电路及所述振荡产生电路分别与所述核心电荷泵结构电路相连，所述输出电压监测电路与所述振荡产生电路相连；
所述核心电荷泵结构电路用于存储能量和升高电压，当所述核心电荷泵结构电路的输出电压发生变化时，所述输出电压监测电路的输出信号产生一个对应的线性变化，所述输出电压监测电路的输出信号的变化引起所述振荡产生电路比较阈值的变化，使电荷泵电路的输出电压向目标电压调整；
其中，所述核心电荷泵结构电路包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1及第二二极管D2；
所述第一MOS管M1的源极和衬底接地；所述第一MOS管M1的栅极与所述振荡产生电路连接；所述第一MOS管M1的漏极通过所述第一电阻R1与所述第三MOS管M3的栅极连接；
所述第三MOS管M3的栅极通过所述第二电阻R2与所述第三MOS管M3的源极连接；所述第三MOS管M3的源极依次通过所述第一二极管D1及所述第二二极管D2与所述输出电压监测电路连接；所述第三MOS管M3的栅极通过所述第二电阻R2与所述输出电压监测电路连接；所述第三MOS管M3的漏极分别与所述第二MOS管M2的漏极及所述第四MOS管M4的栅极连接；
所述第二MOS管M2的漏极通过所述第三电阻R3与所述第四MOS管M4的源极连接；所述第二MOS管M2的源极接地；所述第二MOS管M2的栅极与所述振荡电路连接；
所述第四MOS管M4的漏极与所述第三MOS管M3的源极连接；所述第四MOS管M4的源极通过所述第一电容C1与所述第二二极管D2的阳极连接；所述第二电容C2的一端接地，另一端与所述第二二极管D2的阴极连接；输入端VIN连接在所述第二电阻R2及所述输出电压监测电路之间。
2.如权利要求1所述的自适应频率电荷泵电路，其特征在于，所述输出电压监测电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第一运算放大器AMP1；
所述第四电阻R4的一端与所述第二二极管D2的阴极连接，另一端通过所述第六电阻R6接地；所述第七电阻R7的一端与所述输入端VIN连接，另一端与所述第一运算放大器AMP1负输入端连接；所述第一运算放大器AMP1的正输入端通过所述第六电阻R6接地；所述第一运算放大器AMP1的负输入端通过所述第九电阻R9接地；所述第一运算放大器AMP1的输出端VAMP1与所述振荡产生电路连接；所述第一运算放大器AMP1的负输入端通过所述第八电阻R8与所述第一运算放大器的输出端VAMP1连接；所述第五电阻R5的一端与基准电压vref1连接，另一端连接在所述第四电阻R4及第六电阻R6的中间。
3.根据权利要求2所述的自适应频率电荷泵电路，其特征在于，所述振荡产生电路包括：第十电阻R10、第三电容C3、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一施密特整形器Smit1，第二施密特整形器Smit2、两输入与非门NAND2、反相器INV1、三输入与非门NAND3、D触发器DFF1、第一两输入或非门NOR2_1及第二两输入或非门NOR2_2；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述第一运算放大器AMP1的输出端VAMP1连接，所述第一比较器COMP1的负输入端通过所述第十电阻R10分别与所述两输入与非门NAND2的一个输入端及所述三输入与非门NAND3的输出端连接；所述第一比较器COMP1的负输入端通过所述第三电容C3接地；所述第一比较器COMP1的负输入端与所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP1的输出端通过所述第一施密特整形器Smit1与所述两输入与非门NAND2的另一个输入端连接；
所述第二比较器COMP2的负输入端与基准电压vref2连接；所述第二比较器COMP2的输出端通过所述第二施密特整形器Smit2与所述三输入与非门NAND3的第二输入端连接；
所述两输入与非门NAND2的输出端通过所述反相器INV1与所述D触发器DFF1的Clk端连接；所述两输入与非门NAND2的输出端与所述三输入与非门NAND3的第一输入端连接；所述三输入与非门NAND3的第三输入端分别与RESET端口及所述D触发器DFF1的R端连接；
所述D触发器DFF1的Clk端分别与所述第一两输入或非门NOR2_1的第二输入端及所述第二两输入或非门NOR2_2的第一输入端连接；所述D触发器DFF1的D端分别与所述第二两输入或非门NOR2_2的第二输入端及所述D触发器DFF1的QN端连接；所述D触发器DFF1的Q端与所述第一两输入或非门NOR2_1的第一输入端连接；所述第一两输入或非门NOR2_1的输出端与所述第一MOS管M1的栅极连接；所述第二两输入或非门NOR2_2的输出端与所述第二MOS管的栅极连接。
4.如权利要求3所述的自适应频率电荷泵电路，其特征在于，所述第一MOS管M1及所述第二MOS管M2均为N沟道MOS管；
所述第三MOS管M3为P沟道MOS管；所述第四MOS管M4为隔离型N沟道MOS管；
所述第一二极管D1及所述第二二极管D2均为肖特基型二极管。
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