CN103607116B - 一种自激式电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自激式电荷泵电路，其设置有：与升压单元中各结点分别连接，用于控制升压单元充放电的开关单元；以及用于根据输出端子的反馈电压，控制开关单元做出相应开启、关闭的操作的控制单元；本发明省去了一般电荷泵电路需要接入时钟驱动器，并无需提供环路补偿，令外置元件可以减至最少；优化了电路设计的同时，减少了因外部时钟操驱动器工作时产生的特定频率分量的EMI噪声；抑制了电磁干扰，使本发明在对噪声极其敏感的医疗设备中具有广泛的使用范围，克服了现有技术中的不足。

Description

一种自激式电荷泵电路

技术领域

本发明涉及一种电荷泵电路，尤其涉及一种应用于医疗设备的自激式电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路是一种将输入电位转换成正的高电位或者负的低电位的电路。因处于系统需求或者提高集成电路性能的需要，集成电路芯片内部仍会存在高压电路或高压器件，因此电荷泵电路被作为集成电路中的电源电路，即以电荷泵电路提升输入电压以提供预定电压的电路使用。目前，一般的电荷泵电路由晶体管、电容器、时钟驱动器等组成。然而，传统电荷泵电路均需要用一复杂的外部时钟来驱动开关晶体管电路，而外部时钟电路不仅增加了电路复杂性，并且电荷泵电路在高频操作时钟会产生一定频率分量的EMI噪声，如果这一频率分量落在将在使用IC的环境中受抑制的频带之下，则有在操作中造成电子干扰问题。这在对干扰噪声极其敏感的医疗影像系统中尤其难以抑制解决。另外在开关电路中，电源侧晶体管和接地侧晶体管的驱动电路并无时延处理的电路设置，易出现电源侧晶体管和接地侧晶体管同时导通的现象致使电路损毁。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于医疗设备中，采用自激式驱动方式，无需外置时钟电路且可避免开关电路同时导通的电荷泵电路。

一种自激式电荷泵电路包括：与电源正极顺序串联的输入端子、整流单元、输出端子，与该输出端子相连的取样单元，与电源负极及取样单元相连的地线端子，连接在整流单元中的结点与地线端子之间的升压单元，连接在输出端子与地线端子之间的输出电容，连接在输入端子和升压单元中的结点之间的第三整流元件。

该自激式电荷泵电路，还设置有：与升压单元连接，用于控制升压单元充放电的开关单元；以及分别与开关单元、输出端子、取样单元连接，用于根据输出端子的反馈电压控制开关单元做出相应开启、关闭的操作的控制单元。

进一步的，整流单元包括：顺序串联的第一整流元件和第二整流元件；取样单元包括：顺序串联的第一取样电阻和第二取样电阻；升压单元包括：顺序串联的第一升压电容和第二升压电容。

进一步的，开关单元设置有第一三极管和第二三极管，第一三极管串联至第一升压电容、第二升压电容之间，第一三极管发射极与第一升压电容连接，第一三极管集电极与第二升压电容连接；第一三极管基极与第一前馈电阻串联后再与所述第三整流元件正极并联至输入端子；第三整流元件负极连接至第一三极管集电极；

第二三极管集电极与第一三极管发射极相连；第二三极管发射极与电源负极及地线端子相连。

进一步的,控制单元设置有误差比较器、第一迟滞比较器、第二迟滞比较器、泄流三极管、迟滞分压电阻、泄流控制电阻、第一死区电阻、第二死区电阻、截止控制电阻、第一迟滞电容、第二迟滞电容、基准电源；

误差比较器反向输入端与第一迟滞比较器正向输入端、第二迟滞比较器正向输入端并联后与基准电源的正极连接；误差比较器正向输入端连接至串联的第一取样电阻、第二取样电阻中间节点；误差比较器输出端与截止电阻串联后与泄流三极管基极连接。

泄流三极管发射极与误差比较器的地线端、第一迟滞比较器的地线端、第二迟滞比较器的地线端并联至所述地线端子；迟滞分压电阻一端连接至输出端子，另一端与第一迟滞电容串联至电源的负极；泄流三极管的集电极与泄流控制电阻串联后再与第一迟滞比较器的反向输入端并联至迟滞分压电阻与第一迟滞电容中间结点。

第一死区电阻与第二死区电阻串联后并联至第一迟滞电容两端；第二迟滞电容一端与第二迟滞比较器的反向输入端同时连接至串联的第一死区电阻、第二死区电阻中间结点；第二迟滞电容的另一端同时接入电源的负极及地线端子。

第一迟滞比较器的输出端与第二分压电阻串联后连接至第二三极管的基极；第二迟滞比较器的输出端与第一分压电阻串联后连接至第一三极管的基极。

再进一步的，第一三极管采用PNP型三极管；第二三极管采用NPN型三极管。

又一步的，泄流三极管采用NPN型三极管。

作为一种改进，泄流控制电阻采用可调型电阻；第一死区电阻、第二死区电阻采用可调型电阻。

再者，第一整流元件、第二整流元件、第三整流元件采用二极管。

本发明一种自激式电荷泵电路通过采用控制单元根据输出端的反馈电压与基准电压的比较结果，自动控制开关单元中第一、第二三极管的导通、截止操作，使本发明可以不需要外接时钟驱动器就可以自行控制开关单元，输出相应电压，省去了时钟驱动器并无需提供环路补偿，令外置元件可以减至最少。优化了电路设计的同时，减少了因外部时钟操驱动器工作时产生的特定频率分量的EMI噪声。抑制了电磁干扰，使本发明一种自激式电荷泵电路在对噪声极其敏感的医疗设备中具有广泛的使用范围，克服了现有技术中的不足。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施方式及附图作详细描述。

图1为本发明一种自激式电荷泵电路的示意图；

图2为本发明一种自激式电荷泵电路的升压电容充电示意图；

图3为本发明一种自激式电荷泵电路的升压电容放电示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如附图1所示，一种自激式电荷泵电路包括：与电源正极顺序串联的输入端子7、整流单元、输出端子9，与该输出端子9相连的取样单元，与电源负极及取样单元相连的地线端子40，连接在整流单元中的结点与地线端子40之间的升压单元，连接在输出端子9与地线端子40之间的输出电容17，连接在输入端子7和升压单元中的结点之间的第三整流元件12。

该自激式电荷泵电路，还设置有：与升压单元连接，用于控制升压单元充放电的开关单元6；以及分别与开关单元6、输出端子9、取样单元连接，用于根据输出端子9的反馈电压控制开关单元6做出相应开启、关闭的操作的控制单元8。

进一步的，整流单元包括：顺序串联的第一整流元件10和第二整流元件11；取样单元包括：顺序串联的第一取样电阻13和第二取样电阻14；升压单元包括：顺序串联的第一升压电容15和第二升压电容16。

进一步的，开关单元6设置有第一三极管30和第二三极管31，第一三极管30串联至第一升压电容15、第二升压电容16之间，第一三极管30发射极与第一升压电容15连接，第一三极管30集电极与第二升压电容16连接；第一三极管30基极与第一前馈电阻35串联后再与第三整流元件12正极并联至输入端子7；第三整流元件12负极连接至第一三极管30集电极；

第二三极管31集电极与第一三极管30发射极相连；第二三极管31发射极与电源负极及地线端子40相连。

进一步的,控制单元8设置有误差比较器22、第一迟滞比较器20、第二迟滞比较器21、泄流三极管32、迟滞分压电阻34、泄流控制电阻39、第一死区电阻25、第二死区电阻26、截止控制电阻38、第一迟滞电容27、第二迟滞电容28、基准电源41。

误差比较器22反向输入端与第一迟滞比较器20正向输入端、第二迟滞比较器21正向输入端并联后与基准电源41的正极连接；误差比较器22正向输入端连接至串联的第一输出取样电阻13、第二输出取样电阻14中间结点；误差比较器22输出端与截止电阻38串联后与泄流三极管32基极连接。

泄流三极管32发射极与误差比较器22的地线端、第一迟滞比较器20的地线端、第二迟滞比较器21的地线端并联至地线端子40；迟滞分压电阻34一端连接至输出端子9，另一端与第一迟滞电容27串联至电源的负极；泄流三极管32的集电极与泄流控制电阻39串联后再与第一迟滞比较器20的反向输入端并联至所述迟滞分压电阻31与第一迟滞电容27中间结点。

第一死区电阻25与第二死区电阻26串联后并联至第一迟滞电容27两端；第二迟滞电容28一端与第二迟滞比较器21的反向输入端同时连接至串联的第一死区电阻25、第二死区电阻26中间结点；第二迟滞电容28的另一端同时接入电源的负极及地线端子40。

第一迟滞比较器20的输出端与与第二分压电阻37串联后连接至第二三极管31的基极；第二迟滞比较器21的输出端与第一分压电阻36串联后连接至第一三极管30的基极。

再进一步的，第一三极管30采用PNP型三极管；第二三极管31采用NPN型三极管。

又一步的，泄流三极管32采用NPN型三极管。

作为一种改进，泄流控制电阻39采用可调型电阻；第一死区电阻25、第二死区电阻26采用可调型电阻。

再者，第一整流元件10、第二整流元件11、第三整流元件12采用二极管。

以下结合附图1-3，对本发明进行进一步的详细说明。

电荷泵电路1包括接收电源VDD电压的输入端子7、开关单元6、控制单元8、由第一升压电容15和第二升压电容16组成的充电单元、以及与之相连的负载提供预定升压电压的输出端子9。

开关单元6用于控制电荷从输入端子7到输出端子9的传输路径，包括第一三极管30和第二三极管31。所述第一三极管30的发射极与第二三极管31的集电极耦接。充电单元适用于存储电荷，以提升传输电压。充电单元中的每级升压电容与开关单元6中的三极管一一对应匹配。控制单元8用于控制开关单元6中三极管的开关逻辑控制和死区控制（防止第一三极管30与第二三极管31同时导通而使电路损毁的延迟导通控制），控制单元8输出信号与开关单元6中的三极管管一一对应匹配，控制所述匹配三极管的导通或截止，同时通过第一死区电阻25及第二死区电阻26的阻值调整进行死区时间设定，避免第一三极管30和第二三极管31形成直通。

均为二极管元件的第一整流元件10、及第二整流元件11 串联为整流单元连接在输入端子7和输出端子9 之间。输出端子9 与输出电容17，以及用于对输出电压进行分压的取样单元中的第一输出取样电阻13 和第二输出取样电阻14 相连。输出电容17具有尽可能大地抑制纹波电压的较大电容。第一输出取样电阻13 和第二输出取样电阻14 具有减小流向地电势的电流的较高电阻。第一输出取样电阻13和第二输出取样电阻14 之间节点上的电压作为反馈电压馈送至误差比较器22。

误差比较器22通过对反馈电压与基准电压VREF进行误差比较而产生输出电压，该输出电压控制泄流三极管32对第一迟滞电容27进行电荷周期性泄放，以产生开关单元中第一三极管30和第二三极管31分别所需的自激式控制信号。用于升压操作的第一升压电容15一端与第一整流元件10和第二整流元件11 之间的节点相连，另一端与开关单元中第一三极管30发射极和第二三极管31集电极之间的节点相连。用于升压操作的第二升压电容16一端与第三整流元件12和开关单元中第一三极管30的集电极之间的节点相连，另一端与功率电流返回路径即电源负极和地线端子40的结点相连。第一迟滞比较器20和第二迟滞比较器21在正相输入端上接收基准电压VREF，在其反相端子上接收用于控制检测用途的设定电压，并通过对设定电压提供的反馈电压与基准电压VREF进行比较而产生用于操作开关单元三极管的自激式控制电压信号。

在具体的电荷泵工作流程中，初始工作时，控制单元中第一迟滞电容27节点电压和第二死区电阻26节点电压分别作为第一迟滞比较器20和第二迟滞比较器21的反相输入电压，并且低于非反相输入电压端的基准电压VREF值，因此第一迟滞比较器20和第二迟滞比较器21分别输出高电平信号。高电平使开关单元中第二三极管31导通，使第一三极管30关断。由于开关单元6中第一三极管30基极串联第一前馈电阻35起电压前馈作用，即上电后使第一三极管30的基极电位置于高，使第一三极管30进入截止状态。使得整个电路上电，第一三极管30就进入截止状态，然后第二三极管31才进入导通状态。因此不会导致在上电时，使开关单元6中第一三极管30和第二三极管31同时出现导通状态。第一输出取样电阻13 和第二输出取样电阻14 之间节点上的电压作为输出反馈电压馈送至误差比较器22的正相输入端，并且低于反相输入端基准电压VREF值，误差比较器22输出为低电平。经由输入端子7从电源VDD提供的电荷，依次移动经过第一整流元件10和第二整流元件11，并分别累积在第一升压电容15、第二升压电容16和输出电容17中。因开关单元6中第二三极管31导通，电荷从第一整流元件10 的正极侧向负极侧移动，并暂时累积在第一升压电容器15中。因开关单元6中第一三极管30关断，电荷从第一整流元件12的正极侧向负极侧移动，并暂时累积在第二升压电容16中。同时经由输入端子7从电源VDD提供的电荷，依次移动经过第一整流元件10和第二整流元件11，分别积累在输出电容器17和控制单元8第一迟滞电容27、第二迟滞电容28中。

当控制单元8中第一迟滞电容27节点电压作为第一迟滞比较器20的反相输入电压，达到并略高于正相输入电压端的基准电压VREF值时，第一迟滞比较器20输出的低电平使开关单元6中第二三极管31开始关断。由于控制单元中第二迟滞电容28节点电压为第一迟滞电容节点27电压经第一死区电阻25和第二死区电阻26的分压，第二迟滞电容28节点电压小于第一迟滞电容27节点电压，并作为第二迟滞比较器21的反相输入电压，仍小于正相输入电压端的基准电压VREF值，第二迟滞比较器21持续输出高电平并仍使开关单元6中第一三极管30关断。此阶段为死区控制时间，防止开关单元6中第一三极管30和第二三极管31出现同时导通状态。通过调整第一死区电阻25和第二死区电阻26阻值的比例大小，可灵活设定死区控制时间。

当控制单元中第二迟滞电容28节点电压作为第二迟滞比较器21的反相输入电压，达到并略高于反相输入电压端的基准电压VREF值时，第二迟滞比较器21输出的低电平使开关单元中第一三极管30开始导通，并且此时开关单元6中第二三极管31仍处于关断状态。因开关单元中第一三极管30导通，这使得充电单元中第一升压电容器15和第二升压电容器16中存储的电荷进行叠加，电荷移动经过第二整流元件11，并累积在输出电容17中，提升了传输电压，从而为输出端子9 提供预定电压。

随着电荷移动并累积在输出电容17中电荷的增加，输出端子9电压升高至电路预设定电压。这时第一输出取样电阻13 和第二输出取样电阻13 之间节点反馈电压作为误差比较器22的正相输入电压，达到并略高于误差比较器22反相输入电压端的基准电压VREF值时，误差比较器22输出的高电平使控制单元8中泄流三极管32导通，对控制单元8中第一迟滞电容27进行电荷泄放。使得控制单元8中第一迟滞电容27节点电压和第二迟滞电容28节点电压开始下降。通过调整与泄流三级管32串联电阻的大小，可设置第一迟滞电容27节点电压的变化速率。

由于控制单元8中第二迟滞电容28节点的电阻分压关系，使得控制单元8中第二迟滞电容28节点电压低于第一迟滞电容27节点电压，因第一迟滞比较器20与第二迟滞比较器21的正相输入电压端有相同的基准电压VREF值，因此第二迟滞比较器21先输出高电平，使开关单元6中第一三极管30开始关断。因控制单元中泄流三极管32的持续导通对第一迟滞电容27电荷的泄放，随后使第一迟滞电容27节点电压也低于基准电压VREF值，则第一迟滞比较器20输出高电平，使开关单元6中第二三极管31重新开始导通。经由输入端子7从电源VDD提供的电荷，依次移动经过第一整流元件10和第三整流元件12，重新对充电单元中的第一升压电容15和第二升压电容16进行充电。电荷分别积累在第一升压电容15和第二升压电容16中。

因开关单元6中第一三极管30关断，使得第二整流元件11的正极侧电压降低，迫使第二整流元件11截止。累积在输出电容器17中电荷提供输出负载供电，使输出电容器17上的电压逐渐下降。当作为误差比较器22的正相输入端电压的第一输出取样电阻13 和第二输出取样电阻14 之间节点反馈电压，略低于误差比较器22反相输入电压端的基准电压VREF值时，误差比较器22输出的低电平使控制单元8中泄流三极管32关断。因停止对控制单元8中电容电荷的泄放，第一迟滞电容27节点电压和第二迟滞电容28节点电压又开始上升。此时电源刚好运行一个完整周期。然后通过第一迟滞电容27节点电压和第二迟滞电容28节点电压的先后变化，又控制开关单元6中的三极管开关逻辑变化和死区时间，进入了下一个循环周期，使输出电压始终保持在预设定数值。

因此整个开关单元6中三极管的逻辑控制及死区设定，是通过对输出端子9的反馈电压与基准电压VREF进行比较而产生的自激式开关控制信号，以及提供通过输出端子电压二次处理而产生的死区控制信号，使电荷泵电路可以控制电荷的移动。

本发明的电荷泵电路完全省略了外部时钟电路并无需提供环路补偿，令外置元件可以减至最小，简化了电路设计。本发明设计中，开关单元中晶体管的开关工作频率随着输入电压及输出负载的动态变化而变化，这也减小了因外部高频时钟操作会产生的特定频率分量的EMI噪声。有效减少了对噪声极其敏感的超声医疗设备中电磁干扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则的内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围的内。

Claims (8)

1.一种自激式电荷泵电路包括：与电源正极顺序串联的输入端子、包括顺序串联的第一整流元件和第二整流元件的整流单元、输出端子，与所述输出端子相连的取样单元，与电源负极及所述取样单元相连的地线端子，连接在所述第一整流元件、第二整流元件的串联连接结点与所述地线端子之间的升压单元，所述升压单元包括：顺序串联的第一升压电容和第二升压电容，连接在所述输出端子与所述地线端子之间的输出电容，连接在所述输入端子与所述第一升压电容、第二升压电容的串联连接结点之间的第三整流元件；

其特征在于，还包括有：与所述升压单元连接，用于控制所述升压单元充放电的开关单元；以及分别与所述开关单元、所述输出端子、所述取样单元连接，用于根据所述输出端子的反馈电压，控制所述开关单元做出相应开启、关闭的操作的控制单元。

2.根据权利要求1所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于，所述取样单元包括：顺序串联的第一取样电阻和第二取样电阻。

3.根据权利要求2所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于，所述开关单元设置有第一三极管和第二三极管，所述第一三极管串联在所述第一升压电容、所述第二升压电容之间，所述第一三极管的发射极与所述第一升压电容连接，所述第一三极管的集电极与所述第二升压电容连接；所述第一三极管的基极与第一前馈电阻串联后再与所述第三整流元件的正极和所述输入端子连接；所述第三整流元件的负极连接至所述第一三极管的集电极；

所述第二三极管的集电极与所述第一三极管的发射极相连；所述第二三极管的发射极与所述电源负极及地线端子相连。

4.根据权利要求3所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于,所述控制单元设置有误差比较器、第一迟滞比较器、第二迟滞比较器、泄流三极管、迟滞分压电阻、泄流控制电阻、第一死区电阻、第二死区电阻、截止控制电阻、第一迟滞电容、第二迟滞电容、基准电源；所述误差比较器的反向输入端与所述第一迟滞比较器的正向输入端、所述第二迟滞比较器的正向输入端连接后与所述基准电源的正极连接；所述误差比较器的正向输入端连接至串联的所述第一取样电阻、第二取样电阻之间结点；所述误差比较器的输出端与所述截止电阻串联后与所述泄流三极管基极连接；

所述泄流三极管的发射极与所述误差比较器的地线端、所述第一迟滞比较器的地线端、所述第二迟滞比较器的地线端和所述地线端子连接；所述迟滞分压电阻一端连接至输出端子，另一端与第一迟滞电容串联至所述电源的负极；所述泄流三极管的集电极与所述泄流控制电阻串联后再与所述第一迟滞比较器的反向输入端连接后和所述迟滞分压电阻与所述第一迟滞电容中间结点连接；

所述第一死区电阻与所述第二死区电阻串联后两端并联至所述第一迟滞电容两端；所述第二迟滞电容一端与所述第二迟滞比较器的反向输入端同时连接至串联的所述第一死区电阻、所述第二死区电阻中间结点；所述第二迟滞电容的另一端同时接入所述电源负极及所述地线端子；

所述第一迟滞比较器的输出端与第二分压电阻串联后连接至所述第二三极管的基极；所述第二迟滞比较器的输出端与第一分压电阻串联后连接至所述第一三极管的基极。

5.根据权利要求3所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于，所述第一三极管采用PNP型三极管；所述第二三极管采用NPN型三极管。

6.根据权利要求4所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于，所述泄流三极管采用NPN型三极管。

7.根据权利要求6所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于，所述泄流控制电阻采用可调型电阻；所述第一死区电阻、第二死区电阻采用可调型电阻。

8.根据权利要求7所述一种自激式电荷泵电路，其特征在于，所述第一整流元件、第二整流元件、第三整流元件采用二极管。