CN103607115B - 电荷泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电荷泵装置。该装置包括：电压输入单元，至少包括第一输入电源和第二输入电源，用于为电荷泵提供两个或者以上的输入电压，用于为电压转换单元中的电容充电；电压转换单元，包括电容组，以及与电容组连接的多个电子开关，用于通过电容组中电容的充电放电实现电压大小的转换；驱动单元，用于提供用来导通或者关断多个电子开关的不相交叠时序信号，进而实现电压输入单元为电容组中电容的充电或者放电；电压输出单元，与电压转换单元相连接，用于将电压通过输出端输出；在不相交叠时序信号的控制下，相应电子开关导通和关断，控制输出电容输出相应升降压倍率的电压。本发明实施例提高了电荷泵电压转换的供电效率。

Description

电荷泵装置

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种电荷泵装置。

背景技术

目前，有两种经典电路都被称为电荷泵(Charge Pump)。一种是应用于锁相环电路中，连接于鉴频鉴相器后级，通过对电容充放电产生较为稳定的电压，以便用于控制压控振荡器的频率；另一种是通过开关电容，用于电压转换，能提供较大输出电流的功率输出电路，可称为功率电荷泵。

在现有技术下，功率电荷泵一般采用一个输入电压，可以产生比输入高的输出电压，也可以产生比输入低的输出电压，另外其效率高于线性调压器。基于开关电容的电荷泵电路被广泛应用于电压转换电路中，可以实现较高的电压转换效率。对于理想的开关来说，其能量损耗可被忽略，在这种情况下，可以认为功率电荷泵电路的效率为100％，但是功率电荷泵电路只有在以某些固定的倍率转换电压时，其理想功率才为100％，然而固定的倍率只有有限的几种。通过增加飞电容的个数，可以产生更多可能的倍率，但成本随之增加。例如，输入电压为5V，输出电压目标值为0.9V，对于电荷泵中仅有一个飞电容的场景，只能采用1／2倍模式，产生2.5V电压，然后通过线性调压技术降为0.9V，其理想情况下的效率为0.9V／2.5V=36％。对于采用两个飞电容情形，则可以采用1／3倍模式，产生1.67V电压，然后通过线性调压技术降为0.9V，其理想情况下的效率为0.9V／1.67V=54％，这样就改善了效率。但是如果通过增加飞电容个数，来产生更多倍率模式，会导致成本增加。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种电荷泵装置，通过增加输入电源的个数，实现了使用较少的飞电容来产生较多的升降压倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种电荷泵装置，所述装置包括电压输入单元、电压转换单元、电压输出单元：

所述电压输入单元，至少包括第一输入电源(V1)和第二输入电源(V2)，用于为电荷泵提供两个或者以上的输入电压，与电压转换单元相连接，用于为所述电压转换单元中的电容充电；

所述电压转换单元，包括电容组，以及与所述电容组中的电容连接的多个电子开关，用于通过所述电容组中的电容的充电放电实现电压大小的转换；

驱动单元，用于提供用来导通或者关断所述多个电子开关的不相交叠时序信号，进而实现所述电容组中的电容的充电或者放电；

输出单元，与所述电压转换单元相连接，用于将所述电压转换单元转换后的电压通过输出端输出；

在所述不相交叠时序信号的控制下，相应电子开关导通和关断，控制所述输出电容输出相应升降压倍率的电压。

因此，本发明实施例提供的电荷泵装置，根据一组用来导通或者关断多个电子开关的不相交叠时序信号，使用两个或者两个以上的输入电源为电压转换单元中的电容组中的电容充电，进而控制输出电容输出具有相应的升降压倍率的电压。通过应用本发明实施例提供的电荷泵装置，可以实现使用较少的飞电容来产生较多的升降压倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电荷泵装置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电荷泵装置的具体实现示意图；

图3为图2所示的电荷泵装置第一时序信号CK1为高电平，第二时序信号CK2和第三时序信号CK3为低电平时的等效工作电路示意图；

图4为图2所示的电荷泵装置第二时序信号CK2为高电平，第一时序信号CK1和第三时序信号CK3为低电平时的等效工作电路示意图；

图5为图2所示的电荷泵装置第三时序信号CK3为高电平，第一时序信号CK1和第二时序信号CK2为低电平时的等效工作电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种电荷泵装置示意图。如图1所示，本实施例包括电压输入单元101、电压转换单元102、驱动单元103、电压输出单元104。

电压输入单元101至少包括第一输入电源(V1)和第二输入电源(V2)，用于为电荷泵提供两个或者以上的输入电压。电压输入单元101与电压转换单元相连接，用于为所述电压转换单元中的电容充电。

为了在采用尽量少的飞电容的前提下，能使电压泵采用更多的倍率转换电压，本发明实施例除了将电池电源作为第一输入电源外，还采用其他的电源作为第二输入电源。通过电子开关的关断或者导通，可以控制电荷泵使用不同的输入电源为飞电容充放电，进而有助于电压转换单元102构建更多倍率的电压模式。

例如，如果只有一个输入电压V，则对于1／3倍率的场景，可以输出V／3的输出电压，而通过采取输入电压分别为V1、V2的两个输入电源来为电荷泵提供输入电压，通过控制输入电压与飞电容的连接关系、输入电源之间的连接关系，可以构建(V1-V2)／3、(V1+V2)／3、V1／3、V2／3等多种形式的输出电压，由此电荷泵装置便构建出了更多的升降压倍率。

电压转换单元102包括电容组，以及与所述电容组中的电容连接的多个电子开关，用于通过所述电容组中的电容的充电放电实现电压大小的转换。

电压转换单元102中包括电容组，电容组中可以包括至少一个飞电容，以及与电容组中的电容连接的电子开关，通过电子开关的导通或关断可以为飞电容充放电。

驱动单元103用于提供用来导通或者关断所述多个电子开关的不相交叠时序信号，进而实现所述电压输入单元为电容组中的电容的充电或者放电。

不相交叠时序信号是指驱动单元所提供的时序信号之间存在不交叠控制，即为了避免时序信号同时为高电平出现交叠情形，所有的时序信号之间存在一定的死区时间。

为了控制电压转换单元102的电压转换倍率，时序信号可按照一定的频率进行变化。

输出单元104包括输出电容(C0)，与所述电压转换单元相连接，用于将所述电压转换单元转换后的电压通过输出端输出。

在所述不相交叠时序信号的控制下，相应电子开关导通和关断，控制所述输出电容输出相应升降压倍率的电压。

通过不相交叠时序信号的控制，相应电子开关导通、关断，可以控制飞电容为输出电容充电，使得输出电容存储能量，释放能量，实现将输出电压通过与输出电容的一端相连接的输出端输出。

本发明实施例提供的上述技术方案，可以实现通过增加输入电源的个数，实现了使用较少的飞电容来产生较多的升降压倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。

本发明实施例提供的技术方案适用于具有一个或者多个飞电容的电荷泵，而且输入电源的个数可以为两个或者两个以上。下面以具有两个输入电源，两个飞电容的电荷泵为例，描述本发明实施例提供的电荷泵的一种工作过程。

图2为本发明实施例提供的一种电荷泵装置的具体实现示意图，如图2所示，电荷泵装置电压输入单元201、电压转换单元202、驱动单元203、电压输出单元204。其中，电压输入单元201包括第一输入电源V1和第二输入电源V2；电压转换单元202包括第一电容C1和第二电容C2，还包括第一电子开关S1、第二电子开关S2、第三电子开关S3、第四电子开关S4、第五电子开关S5、第六电子开关S6、第七电子开关S7、第八电子开关S8；驱动单元203用来向电压转换单元中的电子开关输入时序控制信号，包括第一时序信号CK1、第二时序信号CK2、第三时序信号S3；电压输出单元204包括输出电容C0。

如图2所示，第一时序信号CK1用来控制第一电子开关S1、第二电子开关S2、第五电子开关S5的导通或者关断；第二时序信号CK2用来控制第三电子开关S3、第六电子开关S6的导通或者关断；第三时序信号CK3用来控制第四电子开关S4、第七电子开关S7、第八电子开关S8的导通或者关断。

具体地，在电压输入单元201中，第一输入电源V1的正极与电压转换单元202中的第一电子开关S1的一端相连接，第二输入电源V2的正极与电压转换单元202中的第二电子开关S2的一端相连接，第一输入电源V1的负极、第二输入电源V2的负极接地。

电压转换单元中，第一电子开关S1的另一端与第一电容C1的一端、第八电子开关S8的一端、第三电子开关S3的一端相连接；第一电容C1的另一端与第五电子开关S5的一端、第六电子开关S6的一端、第五电子开关S5的一端、第七电子开关S7的一端相连接；第五电子开关S5的另一端与第八电子开关S8的另一端、第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端与第二电子开关S2的另一端、第四三电子开关S4的一端相连接；第六电子开关S6的另一端与第四电子开关S4的另一端接地。电压转换单元中的第三电子开关S3的另一端、第七电子开关S7的另一端与电压输出单元的输出端相连接。

驱动单元203可以通过第一时序信号CK1、第二时序信号CK2、第三时序信号CK3来控制电荷泵装置的工作过程。

通过图2所示的电荷泵装置，通过控制时序信号的高低电平，可以构建(V1-V2)／3、(V1+V2)／3、V1／3、V2／3等多种形式的输出电压，下面以构建(V1-V2)／3为例进行描述。

通过控制时序信号的变化情况，可以使得同一个电荷泵产生不同的升降压倍率，本发明实施例以0-T1时间时，CK1为高电平、CK2和CK3为低电平；时间为T1-T1+t时，为死区时间，即CK1、CK2、CK3均为低电平；时间为T1+t-T2时，CK2为高电平、CK1和CK3为低电平；时间为T2-T2+t时，为死区时间，即CK1、CK2、CK3均为低电平；时间为T2+t-T3时，CK3为高电平、CK1和CK2为低电平为例，描述电荷泵的工作过程。

首先，在0-T1时间内，CK1为高电平，CK2和CK3为低电平，则开关S1、S5、S2导通，开关S3、S4、S6、S7、S8关断，第一输入电源和第二输入电源通过V1、V2、C1、C2通过S1、S5、S2的导通构成一个电路回路，为第一电容C1和第二电容C2充电，电荷泵装置的等效工作电路如图3所示，第一输入电源的电压V1、第二输入电源的电压V2、第一电容的电压VC1、第二电容的电压VC2满足以下关系：

V1=V2+VC1+VC2; (1)

在T1-T1+t时间内，CK1、CK2、CK3均为低电平，第一输入电源的电压V1、第二输入电源的电压V2、第一电容的电压VC1、第二电容的电压VC2不会发生变化。

在T1+t-T2时间内，CK2为高电平、CK1和CK3为低电平，则开关S3、S6导通，开关S1、S2、S4、S5、S7、S8关断，C1和C0构成一个电路回路，C1为C0充电，电荷泵装置的等效工作电路如图4所示，且第一电容的电压VC1和输出电容的电压V0满足以下关系:

V0=VC1； (2)

在T2-T2+t时间内，CK1、CK2、CK3均为低电平，第一电容的电压VC1和输出电容的电压V0不会发生变化。

在T2+t-T3时间内，CK3为高电平、CK1和CK2为低电平，开关S4、S7、S8导通，开关S1、S2、S3、S5、S6关断，C1、C2、C0构成一个电路回路，电荷泵装置的等效工作电路如图5所示，且第一电容的电压VC1、第二电容的电压VC2、输出电容的电压V0满足以下关系：

V0=-VC1+VC2 (3)

结合等式(1)、(2)、(3)可以计算得到：

V0=(V1-V2)／3

以现有技术中，如果飞电容个数为两个，输入电压为5v，目标输出电压为0.9v，则采用1／3倍速率的模式供电效率最佳，电荷泵采用1／3倍速率的模式可以产生1.67v的电压，通过线性调压技术降为0.9v，则理想情况下的供电效率为0.9v／1.67v=54％。而在本发明中，第一输入电压为5v、第二输入电压为2v，则电荷泵通过上述工作过程，可以产生(V1-V2)／3=1v的电压，，通过线性调压技术降为0.9v，则理想情况下的供电效率为0.9v／1v=90％。

由此可见，本发明实现使用较少的飞电容来产生较多的升降压倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。

需要进一步说明的是，本发明实施例提供的通过增加输入电源个数来产生更多的升降压倍率的技术方案适用于所有基于开关电容的电容式电荷泵，上面具体实施方式通过具有两个飞电容、两个输入电源的电荷泵来描述本发明的技术方案只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。对于具有一个、三个或者三个以上的飞电容的电荷泵，通过增加输入电源的个数，也可以实现产生更多的升降压倍率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电荷泵装置，其特征在于，所述装置包括电压输入单元、电压转换单元、电压输出单元、驱动单元：

所述电压输入单元，至少包括第一输入电源(V1)和第二输入电源(V2)，用于为电荷泵提供两个或者以上的输入电压，与电压转换单元相连接，用于为所述电压转换单元中的电容充电；

所述电压转换单元，包括电容组，所述电容组包括至少两个电容，以及与所述电容组中的电容连接的多个电子开关，用于通过所述电容组中的电容的充电放电实现电压大小的转换；

所述电容组包括第一电容(C1)、第二电容(C2)，所述多个电子开关包括第一电子开关(S1)、第二电子开关(S2)；

所述电压输入单元中的所述第一输入电源(V1)的正极与所述电压转换单元中的所述第一电子开关(S1)的一端相连接，所述电压输入单元中的所述第二输入电源(V2)的正极与所述电压转换单元中的所述第二电子开关(S2)的一端相连接，所述第一输入电源(V1)的负极、所述第二输入电源(V2)的负极接地；

所述多个电子开关还包括第三电子开关(S3)、第四电子开关(S4)、第五电子开关(S5)、第六电子开关(S6)、第七电子开关(S7)、第八电子开关(S8)；

所述第一电子开关(S1)的另一端与第一电容(C1)的一端、第八电子开关(S8)的一端、第三电子开关(S3)的一端相连接；所述第一电容(C1)的另一端与第五电子开关(S5)的一端、第六电子开关(S6)的一端、第七电子开关(S7)的一端相连接；所述第五电子开关(S5)的另一端与所述第八电子开关(S8)的另一端、所述第二电容(C2)的一端相连接；所述第二电容(C2)的另一端与所述第二电子开关(S2)的另一端、所述第四电子开关(S4)的一端相连接；所述第六电子开关(S6)的另一端与所述第四电子开关(S4)的另一端接地；

所述电压转换单元中的所述第三电子开关(S3)的另一端、所述第七电子开关(S7)的另一端与所述电压输出单元的输出端相连接；

所述电压转换单元包括输出电容(CO)；所述第三电子开关(S3)的另一端、所述第七电子开关(S7)的另一端与输出端、所述输出电容(CO)的一端相连接；所述输出电容(CO)的另一端接地；

驱动单元，用于提供用来导通或者关断所述多个电子开关的不相交叠时序信号，进而实现所述电压输入单元为电容组中的电容的充电或者放电；

所述驱动单元提供的不相交叠时序信号包括第一时序信号、第二时序信号、第三时序信号；

所述驱动单元用于提供用来导通或者关断所述多个电子开关的不相交叠时序信号，具体为：

所述第一时序信号用来控制所述第一电子开关(S1)、第二电子开关(S2)、第五电子开关(S5)的导通或者关断；所述第二时序信号用来控制所述第三电子开关(S3)、第六电子开关(S6)的导通或者关断；所述第三时序信号用来控制所述第四电子开关(S4)、第七电子开关(S7)、第八电子开关(S8)的导通或者关断；

输出单元，与所述电压转换单元相连接，用于将所述电压转换单元转换后的电压通过输出端输出；

在所述不相交叠时序信号的控制下，相应电子开关导通和关断，控制所述输出电容输出相应升降压倍率的电压。