CN103532374B - 稳压电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种稳压电荷泵电路。该电路包括：电荷泵，具有用于接收输入电压的输入端，用于接收充电电流的供给端以及用于输出输出电压的输出端，该电荷泵用于在输出端与输入端之间生成电压差；第一电平移位器，具有耦接到输出端的第一节点以及第二节点，第一电平移位器用于响应于接收自电流源的偏置电流而对输出电压加载第一电压变化；第二电平移位器，其具有耦接到输入端的第三节点以及第四节点，第二电平移位器用于对输入电压加载第二电压变化；电压跟随器，其用于将第二节点的电压设置为与第四节点的电压基本相等，用于接收流经第二电平移位器的差值电流并提供差值电流；电流倍增器，其用于响应于电压跟随器提供的差值电流而生成充电电流。

Description

稳压电荷泵电路

技术领域

本公开大体上涉及电子电路领域，更具体地，本公开涉及一种稳压电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路被广泛应用于集成电路中以提供高于特定供给电压的直流电压(DC)。电荷泵电路通常由振荡器供给的具有相反相位的时钟信号控制。对于高压应用，会参考输入电压调节输出电压，并且然后输出电压被用于驱动片外或片上集成的N型功率MOS晶体管或其他适合的电子器件。

输出电压和供给电压之间的电压差通常由串联或不串联电阻的一个或多个齐纳二极管决定。然而，由于集成电路中的制造偏差，该电压差可能不准确。此外，较大的扩散(spread)可能会被引入到电荷泵电路的输出电压上，这也可能会不利地影响输出电压与供给电压之间的电压差的精确性。

发明内容

因此，需要一种能够提供更精确的电压的稳压电荷泵电路。

根据本公开的一个方面，提供了一种电路。该电路包括：电荷泵，其具有用于接收输入电压的输入端，用于接收充电电流的供给端以及用于输出输出电压的输出端，其中所述电荷泵用于在所述输出端与所述输入端之间生成电压差；第一电平移位器，其具有耦接到所述输出端的第一节点以及第二节点，所述第一电平移位器用于响应于接收自电流源的偏置电流而对所述输出电压加载第一电压变化；第二电平移位器，其具有耦接到所述输入端的第三节点以及第四节点，所述第二电平移位器用于对所述输入电压加载第二电压变化；电压跟随器，其用于将所述第二节点的电压设置为与所述第四节点的电压基本相等，用于接收流经所述第二电平移位器的差值电流并提供所述差值电流；以及电流倍增器，用于响应于所述电压跟随器提供的差值电流而生成所述充电电流。

在本公开的一些实施例中，输出电压与输入电压之间的电压差可以由偏置电流与第一电平移位器有效地确定。这样，该电路能够在其输入端与输出端之间提供准确的电压差。此外，准确的电压感测使得该电路能够使用较小的输出电容，这进一步降低了使用这种电荷泵电路的成本。

在一个实施例中，所述第一电平移位器包括第一电阻，并且所述偏置电流被提供给所述第一电阻以生成所述第一电压变化。

在一个实施例中，所述第二电平移位器包括第二电阻。

在一个实施例中，所述电压跟随器包括：第一晶体管，其具有第一栅极、第一源极以及第一漏极，以及第二晶体管，其具有第二栅极、第二源极以及第二漏极，其中，所述第一源极耦接到所述第一电平移位器的所述第二节点，所述第二源极耦接到所述第二电平移位器的所述第四节点，所述第一栅极耦接到所述第二栅极与所述第一漏极，并且所述第二漏极用于向所述电流倍增器提供所述差值电流。

在一个实施例中，所述电压跟随器还包括：过压保护器，其耦接在所述第二栅极与所述第二源极之间，用于为所述第二晶体管提供过压保护。

在一个实施例中，所述电压跟随器包括：第二运算放大器，第二运算放大器，其具有第二正相输入端、第二负相输入端以及第二输出端，所述第二运算放大器用于虚拟地连接所述第二节点与所述第四节点，其中所述第二正相输入端耦接到所述第一电平移位器的第二节点，所述第二负相输入端耦接到所述第二电平移位器的第四节点，并且所述第二输出端耦接到第四晶体管的栅极，以向所述电流倍增器提供流过所述第四晶体管的所述差值电流。

在一个实施例中，所述电流源包括：第一运算放大器，其具有第一正相输入端、第一负相输入端以及第一输出端；第三晶体管以及第三电阻；其中，所述第一正相输入端用于接收参考电压，所述第一负相输入端耦接到所述第三晶体管的源极，所述第一输出端耦接到所述第三晶体管的栅极，并且所述第三电阻耦接在所述第三晶体管的所述源极与参考电压线之间，以提供流过所述第三晶体管的所述偏置电流。

在一个实施例中，所述电路还包括：限流器，其与所述电流倍增器并联连接，并且用于限制提供给所述电流倍增器的所述差值电流的幅值。

在一个实施例中，所述电荷泵包括：开关电容网络，其具有一个或多个开关以及一个或多个电容，并且所述开关电容网络响应于在所述一个或多个开关处接收的控制信号而被所述充电电流充电。

上文已经概括而非宽泛地给出了本公开内容的特征。本公开内容的附加特征将在此后描述，其形成了本公开权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地使用所公开的构思和具体实施方式，作为修改或设计其他结构或者过程的基础，以便执行与本公开相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这些等同结构没有脱离所附权利要求书中记载的本公开的主旨和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了根据本公开的电路100的第一实施例的框图；

图2示出了根据本公开的电路200的第二实施例的框图；

图3示出了用于控制图2的电路200中的电荷泵充电的时钟信号；

图4示出了根据本公开的电路300的第三实施例的框图。

除非指明，否则不同附图中的相应标记和符号一般表示相应的部分。绘制附图是为了清晰地示出本公开内容的实施方式的有关方面，而未必是按照比例绘制的。为了更为清晰地示出某些实施方式，在附图标记之后可能跟随有字母，其指示相同结构、材料或者过程步骤的变形。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本公开的特定方式，而非限制本公开的范围。

图1示出了根据本公开的电路100的第一实施例的框图。该电路100具有用于接收输入电压V_in的输入端101，以及用于输出输出电压V_out的输出端103。电路100可以被用于在输入端101与输出端103之间提供稳定的电压差，该电压差被泵升到高于输入电压V_in。输出电压V_out具有足够的电流驱动能力来驱动耦接在输入端101与输出端103之间的负载105。例如，负载105可以是驱动分立或集成的N型功率MOS晶体管的等效负载。可以理解，负载105还可以耦接在输出端103和诸如地或负电源的参考电位线之间。

如图1所示，电路100包括电荷泵107、第一电平移位器111、第二电平移位器113、电压跟随器115以及电流倍增器117。

电荷泵107具有输入端101、输出端103以及供给端119。电荷泵107用于在其输入端101接收低电压的直流输入电压V_in，并用于在其输出端103生成升高的输出电压V_out。电荷泵107还用于在其输入端101与输出端103之间生成稳定的电压差。电荷泵107具有一个或多个泵级，并且输出电压V_out的最大值取决于电荷泵107中包含的泵级的数量。例如，电荷泵107可以是输出电压3倍于输入电压的三倍电荷泵(triplecharge pump)。在一个实施例中，电荷泵107包括具有一个或多个开关以及一个或多个电容的开关电容网络，并且该开关电容网络响应于在该一个或多个开关处所接收的控制信号，被充电电流I_ch充电。电荷泵107的供给端119用于接收对电荷泵107中的一个或多个电容进行充电的充电电流I_ch。充电电流I_ch的幅值以及用于对电容充电的时间可能影响输出电压V_out。在该实施例中，对电容充电的时间是由在电荷泵107中的开关处所接收控制信号所控制的。由于控制信号基本稳定，因而输出电压V_out的幅度主要取决于充电电流I_ch。

在图1的实施例中，电流100是具有稳压环路的稳压电荷泵。该稳压环路用于感测输出电压V_out和输入电压V_in之间的电压差的电压波动，并继而响应于该电压波动来调节充电电流I_ch。在该实施例中，电压波动是由第一电平移位器111与第二电平移位器113感测的。具体地，第一电平移位器111具有耦接到输出端103的第一节点与第二节点，并被用于响应于接收自电流源109的偏置电流I_bias向输出电压V_out加载第一电压变化。第二电平移位器113具有耦接到输入端101的第三节点与第四节点，并被用于向输入电压V_in加载第二电压变化。第一节点与第三节点分别耦接到输出端103与输入端101，而第二节点被通过电压跟随器115虚拟地连接到第四节点。换言之，第二节点处的电压与第四节点处的电压基本相等。这样，能够通过第一电压变化与第二电压变化来感测输出电压V_out和输入电压V_in之间的电压差，包括电压波动。在一些例子中，第一电平移位器111可以包括耦接到输出端103的第一电阻，并且偏置电流I_bias被提供给第一电阻以生成第一电压变化。第二电平移位器113可以包括耦接到输入端101的第二电阻。

电压跟随器115耦接在第一电平移位器111和第二电平移位器113之间。电压跟随器115用于将第二节点的电压设置为与第四节点的电压基本相等，并用于接收流经第二电平移位器113的差值电流I_diff。差值电流I_diff进一步被电压跟随器115提供给电流倍增器117。这样，输出电压V_out和输入电压V_in之间的电压差的电压波动能够被转换为差值电流I_diff。在一些例子中，电压跟随器115可以是一个运算放大器，该运算放大器的正相输入端与负相输入端分别耦接到第一电平移位器111的第二节点以及第二电平移位器113的第四节点。运算放大器的输入特性保证了第二节点与第四节点能够被虚拟地连接。在一些其他的实施例中，电压跟随器115可以是简化的放大器，其具有两个栅极相互耦接的晶体管。因此，这两个晶体管中的一个晶体管的源极电压可以跟随这两个晶体管中的另一个晶体管的源极电压变化。此外，这两个晶体管的宽长比可以被设置为相等。

此外，第一电平移位器111被由电流源109提供的偏置电流I_bias所偏置。偏置电流I_bias具有预定电流值，以使得第一电平移位器111上的第一电压变化能够稳定。这样，输出电压V_out和输入电压V_in之间的电压差的电压波动主要被加载在第二电平移位器113上。在一个例子中，第二电平移位器113是一个电阻，因而电压波动可以进一步地被转换为流过第二电平移位器113的差值电流I_diff。

电压倍增器117耦接到电压跟随器115，以接收差值电流I_diff。电压倍增器117用于响应于由电压跟随器115提供的差值电流I_diff而生成供给至电荷泵107的充电电流I_ch。在一些例子中，电流倍增器117可以是电流镜，该电流镜以一个电流倍增因子来由差值电流I_diff镜像充电电流I_ch。因此，充电电流I_ch正比于该差值电流I_diff。这样，该电压波动能够被充电电流I_ch有效地补偿，并且因而能够向输入端101与输出端103之间的负载105提供稳定的电压差。

根据前文，稳定的电压差被提供在输入端101与输出端103之间，其等于第一电压变化与第二电压变化之间的差值。在实际应用中，可以通过使用较大的充电电流I_ch与差值电流I_diff的电流比来将第二电压变化设置为相比于第一电压变化小得多的值。因此，电路100能够提供的稳定的电压差主要由第一电压变化决定，而第一电压变化易于通过调节偏置电流来改变。此外，准确的电压感测使得该电荷泵电路100能够使用较小的输出电容，这进一步降低了使用这种电荷泵电路的成本。

图2示出了根据本公开的电路200的第一实施例的框图。

如图2所示，电路200包括电荷泵201、第一电平移位器205、第二电平移位器207、电压跟随器209以及电流倍增器211。

电荷泵201具有输入端213与输出端215，以在其间提供稳压电压。电荷泵201还包括供给端217，其用于接收充电电荷。输入端213用于接收输入电压V_in。在该实施例中，电荷泵201是三倍电荷泵，其包括具有第一极板和第二极板的第一电容219，以及具有第三极板与第四极板的第二电容221。

电荷泵201还包括多个开关，其用于控制第一电容219与第二电容221的充电。具体地，第一极板通过第一开关223耦接到输入端213，并通过第二开关225耦接到第三极板。第二极板通过第四开关229耦接到输入端213，并通过第六开关233耦接到供给端217。第三极板通过第三开关227耦接到输出端215。第四极板通过第五开关231耦接到输入端213，并通过第七开关235耦接到供给端217。此外，该电荷泵电路200的输出电容251被耦接在输出端215和输入端213之间。

图3示出了用于控制图2的电路200中的电荷泵201充电的时钟信号。如图2和图3所示，电荷泵201被周期性地充电。每个周期包括2个阶段。在第一阶段，开关223、227、231以及233被打开。因此，第一极板被耦接到输入电压V_in，而第一电容219被充电电流I_ch充电，并且因而等于输入电压V_in的第一电压差被加载在第一电容219上。在第二阶段，开关225、229以及235被打开。因此，第一极板耦接到第三极板，第二极板耦接到输入电压V_in，并且第四极板耦接到输入端217。因而第二电容221被电荷泵201充电。因此，等于2倍的输入电压(2V_in)的第二电压差被加载在第二电容219上。此外，在随后的第一阶段，第一极板被再一次地耦接到输入电压V_in，以将输出端215处的输出电压V_out提升到等于3倍的输入电压(3V_in)的电压，这也是电荷泵201能够提供的输出电压V_out的最大值。可以理解，在实际应用中，输出电压V_out可以略低于其最大值，这是由于在第一阶段与第二阶段内，充电电流I_ch可以被设置为低于对电容充分充电的电流。

仍参考图2，电压跟随器209包括第一晶体管237，其具有第一栅极、第一源极以及第一漏极；以及第二晶体管239，其具有第二栅极、第二源极以及第二漏极。第一源极耦接到第一电平移位器205的第二节点，而第二源极耦接到第二电平移位器207的第四节点。此外，第一栅极耦接到第二栅极与第一漏极，而第二漏极用于将由第二电平移位器207生成的差值电流I_diff提供给电流倍增器。这样，第二晶体管239的第二源极的电压可以跟随第一晶体管237的第一源极的电压变化。在一些例子中，电路200还可以包括过压保护器(未示出)，例如齐纳二极管，其耦接在第二晶体管239的第二栅极与第二源极之间。该过压保护器用于为第二晶体管239提供过压保护，以避免第二晶体管239由于输入电压V_in与输出电压V_out之间的大电压差而引起的失效。

第一电平移位器205包括第一电阻。由电流源203提供的偏置电流I_bias被通过第一晶体管237提供给第一电阻，以在第一电平移位器205上生成第一电压变化。第二电平移位器207包括第二电阻，其在输入电压V_in上加载第二电压变化。这样，输出电压V_out和输入电压V_in之间的电压差能够被感测，并被转换为流过第二电平移位器207与第二晶体管239的差值电流I_diff。

电流源203包括第一运算放大器241，第三晶体管243和第三电阻245。第一运算放大器241具有第一正相输入端、第一负相输入端以及第一输出端。第一运算放大器241的第一正相输入端用于接收具有较高精度的参考电压V_ref，例如禁带电压。第一运算放大器241的第一负相输入端耦接到第三晶体管243的的源极。第一运算放大器241的第一输出端耦接到第三晶体管243的栅极。并且第三电阻245耦接在第三晶体管243的源极与诸如地的参考电位线之间。这样，参考电压V_ref能够被加载在第三电阻245上，以在第三晶体管243的漏极生成偏置电流I_bias。偏置电流I_bias流过第三晶体管243和第三电阻245，并进而经由第一晶体管237被提供给第一电平移位器205。本领域技术人员可以理解，偏置电流I_bias正比于参考电压V_ref，并反比于第三电阻245的电阻值。

电流倍增器211是具有一对晶体管247和249的电流镜。由于这两个晶体管的栅源电压相等，因而差值电流I_diff流过晶体管247，并随后被放大为流过晶体管249的充电电流I_ch。晶体管249的漏极被耦接到电荷泵201的供给端217，以向其提供充电电流I_ch。

在运行时，当输出电压V_out与输入电压V_in之间的电压差波动时，例如，输出电压V_out下降而输入电压V_in保持不变时，第一晶体管237的源极的电压下降，并且第二晶体管239的源极的电压跟随第一晶体管237的源极的电压变化。因此，输出电压V_out的电压下降被加载在第二电平移位器207的第二电阻上，这使得流经其的差值电流I_diff增大。由于充电电流I_ch正比于差值电流I_diff，因此充电电流会随着差值电流I_diff的增大而增大。这样，电荷泵会在每个时钟周期中将更多的电子泵入输出端215，以补偿输出电压V_out的下降。因此，提供在电荷泵201的输出端215和输入端213之间的电压差可以被维持在预定范围内。

图4示出了根据本公开的电路300的第三实施例的框图。

如图4所示，电路300包括电荷泵301、电流源303、第一电平移位器305、第二电平移位器307、电压跟随器309以及电流倍增器311。

在该实施例中，电压跟随器309包括第二运算放大器313，其具有第二正相输入端、第二负相输入端以及第二输出端。第二运算放大器313用于将第一电平移位器305与第二电平移位器307虚拟地连接，即第二正相输入端和第二负相输入端的电压被设置为基本相等。具体地，第二运算放大器313的第二正相输入端耦接到第一电平移位器305的第二节点，而第二运算放大器313的第二负相输入端耦接到第二电平移位器307的第四节点。第二运算放大器313的第二输出端耦接到第四晶体管315的栅极。差值电流I_diff通过第四晶体管315被提供给电流倍增器311。

电流倍增器311包括第一NMOS晶体管对325、第二PMOS晶体管对327以及第三NMOS晶体管对329。第二PMOS晶体管对327耦接在第一NMOS晶体管对325与第三NMOS晶体管对329之间，并且第二PMOS晶体管对327中的PMOS晶体管的源极耦接到正电源V_cc。第一NMOS晶体管对325用于接收差值电流I_diff，而第三NMOS晶体管对329用于输出充电电流I_ch。这三对晶体管共同放大差值电流I_diff，以生成充电电流I_ch。应当理解，电流倍增器311可以包括更多对晶体管以用于放大差值电流I_diff。

在一些例子中，电路300还包括限流器331，其与电流倍增器311并联连接。限流器331用于限制提供给电流放大器311的差值电流I_diff的幅值。在该实施例中，限流器331包括第五晶体管333、第六晶体管335以及第七晶体管337。第五晶体管333被共用于第一NMOS晶体管对325中。第五晶体管333与第六晶体管335耦接成对，其中第五晶体管333用于接收差值电流I_diff，而第六晶体管335用于通过第七晶体管337接收阈值电流I_th。限流器331能够将待被提供给限流器311的差值电流I_diff限制在阈值电流I_th以下。相应地，充电电路I_ch也会被限制在预定值以下。这样，将要被提供给电路300的负载的输出电流可以被保持在预定范围内。

在运行时，当输出电压V_out和输入电压V_in之间的电压差波动时，例如，输出电压V_out下降而输入电压V_in保持稳定时，第二运算放大器313的正相输入端的电压下降，而第二运算放大器313的负相输入端的电压跟随其正相输入端的电压变化。因此，输出电压V_out的电压下降被加载在第二电平移位器307上，这使得流经其的差值电流I_diff增加。由于充电电流I_ch正比于差值电流I_diff，因此充电电流I_ch会随着差值电流I_diff的增加而增加。这样，电荷泵会在每个时钟周期内向输出端泵入更多的电荷，以补偿输出电压V_out的下降。因此，提供在电荷泵301的输出端319和输入端323之间的电压差可以被维持在预定范围内。

根据前文，稳定的电压差能够被提供在输入端323与输出端319之间，其等于第一电压变化与第二电压变化之间的差值。在实际应用中，可以通过使用较大的充电电流I_ch与差值电流I_diff的电流比来将第二电压变化设置为远小于第一电压变化的值。因此，电路300能够提供的电压差主要由第一电压变化决定，而第一电压变化易于通过调节偏置电流I_bias来改变。而偏置电流I_bias由电流源303提供。此外，准确的电压感测使得该电荷泵电路100能够使用较小的输出电容，这进一步降低了使用这种电荷泵电路的成本。

本领域技术人员还将容易地理解的是，材料和方法可以变化，同时仍然处于本公开的范围之内。还应理解的是，除了用来示出实施方式的具体上下文之外，本公开提供了多种可应用的创造性构思。因此，所附权利要求意在将这些过程、机器、制品、组合物、装置、方法或者步骤包括在其范围之内。

Claims (9)

1.一种电路，包括：

电荷泵，其具有用于接收输入电压的输入端，用于接收充电电流的供给端以及用于输出输出电压的输出端，其中所述电荷泵用于在所述输出端与所述输入端之间生成电压差；

第一电平移位器，其具有耦接到所述输出端的第一节点以及第二节点，所述第一电平移位器用于响应于接收自电流源的偏置电流而对所述输出电压加载第一电压变化；

第二电平移位器，其具有耦接到所述输入端的第三节点以及第四节点，所述第二电平移位器用于对所述输入电压加载第二电压变化；

电压跟随器，其用于将所述第二节点的电压设置为与所述第四节点的电压基本相等，用于接收流经所述第二电平移位器的差值电流并提供所述差值电流；以及

电流倍增器，用于响应于所述电压跟随器提供的差值电流而生成所述充电电流。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电平移位器包括第一电阻，并且所述偏置电流被提供给所述第一电阻以生成所述第一电压变化。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二电平移位器包括第二电阻。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压跟随器包括：

第一晶体管，其具有第一栅极、第一源极以及第一漏极，以及

第二晶体管，其具有第二栅极、第二源极以及第二漏极，

其中，所述第一源极耦接到所述第一电平移位器的所述第二节点，所述第二源极耦接到所述第二电平移位器的所述第四节点，所述第一栅极耦接到所述第二栅极与所述第一漏极，并且所述第二漏极用于向所述电流倍增器提供所述差值电流。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电压跟随器还包括：

过压保护器，其耦接在所述第二栅极与所述第二源极之间，并且用于为所述第二晶体管提供过压保护。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压跟随器包括：

第二运算放大器，其具有第二正相输入端、第二负相输入端以及第二输出端，所述第二运算放大器用于虚拟地连接所述第二节点与所述第四节点，其中所述第二正相输入端耦接到所述第一电平移位器的第二节点，所述第二负相输入端耦接到所述第二电平移位器的第四节点，并且所述第二输出端耦接到第四晶体管的栅极，以向所述电流倍增器提供流过所述第四晶体管的所述差值电流。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流源包括：

第一运算放大器，其具有第一正相输入端、第一负相输入端以及第一输出端；

第三晶体管以及第三电阻；

其中，所述第一正相输入端用于接收参考电压，所述第一负相输入端耦接到所述第三晶体管的源极，所述第一输出端耦接到所述第三晶体管的栅极，并且所述第三电阻耦接在所述第三晶体管的所述源极与参考电压线之间，以提供流过所述第三晶体管的所述偏置电流。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

限流器，其与所述电流倍增器并联连接，并且用于限制提供给所述电流倍增器的所述差值电流的幅值。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电荷泵包括：

开关电容网络，其具有一个或多个开关以及一个或多个电容，并且所述开关电容网络响应于在所述一个或多个开关处接收的控制信号而被所述充电电流充电。