CN103856044A - 一种电荷泵电路及其输出电压自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电荷泵电路及其输出电压自动调节方法，所述电路包括：用于根据输出电压的变化产生使能信号的使能信号产生电路，其通过控制所述升压模块的工作状态调节输出电压，最终输出电压控制在一个允许的范围内波动；连接于所述使能信号产生电路的升压模块；用于转移所述升压模块中的电荷的泵电容以及连接于所述升压模块输出端，用于储存电荷并输出相应电压的输出电容。所述方法包括：使能信号起效，升压模块工作；V_bg、V_in及V_out生成使能信号；V_out升高至(V_out－V_in)大于V_ref1时功率管关断，V_out下降；V_out降低至(V_out－V_in)小于V_ref2时，升压模块工作；V_out最终在V_ref1与V_ref2之间波动。本发明兼顾了低输出纹波、高电源效率及快负载瞬态响应速度，有效改善电荷泵的性能。

Description

一种电荷泵电路及其输出电压自动调节方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种电荷泵电路及其输出电压自动调节方法。

背景技术

电荷泵(Charge Pump)电路广泛适用于集成电路系统，是一种基于单一供应电压而输出电压不同于供应电压的电路。电荷泵经常用于存储器电路，特别是需要高于一般供应电压的闪存或相变存储器(Phase Change Memory，PCM)。

以PCM为例，PCM进行编程操作时，需要电荷泵输出4.2V～4.3V的电压，100mA的电流，将相变材料融化冷却后置为高阻态。但随着半导体工艺尺寸的逐渐减小，电源电压也在逐渐下降，在40nm工艺PCM的一些应用中，整个芯片只有一个1.8V～2.5V的电源电压，要输出4.2V～4.3V电压以满足PCM的编程需求，必须使用电荷泵对电源电压进行升压。

直流-直流变换器(DC-DC Converter)主要有三种：开关电容电荷泵，采用电感的直流-直流变换器和Dickson电荷泵。与另外两种相比，开关电容电荷泵放大倍数适中，电磁干扰较小，输出响应速度较快，能够兼顾低输出纹波和高电源效率。本发明讨论的电荷泵即为开关电容电荷泵。

图1～图2为开关电容电荷泵的典型工作方式，电容C_f上下两个开关由系统生成的非交叠时钟控制。如图1所示为开关电容电荷泵的充电阶段，电容C_f的上极板接输入电压V_in，下极板接地，经过一段时间后，电容C_f被充电至输入电压V_in；如图2所示为开关电容电荷泵的放电阶段，电容C_f的上极板切换至输出电容C_out，下极板切换至输入电压V_in，在开关切换的一瞬间电容C_f上下极板之间的电压差不变。由于下极板的电压从0上升至输入电压V_in，上极板的电压必须从输入电压V_in上升至2V_in，才能满足电容C_f上下极板之间的电压差不变，电容C_f上电荷被转移至输出电容C_out，输出电压V_out相较于输入电压V_in增大了2倍，实现了升压的目的。

但此种电荷泵存在三个问题：第一，如果2V_in大于V_out，当电容C_f连接至输出电压V_out时则会与输出电容C_out进行电荷分享，造成输出电压V_out较大的纹波，同时电荷分享本身也会影响电荷泵工作效率。第二，电荷泵开关一般采由MOSFET晶体管，又称功率管，升压模块中一般有上千个功率管。当输出电压不变即负载电流为零时，功率管依然受外部非交叠时钟信号控制做开关运动，浪费了功耗。第三，当电荷泵从轻负载切换到重负载时，瞬态响应速度慢。

如何改善开关电容电荷泵的性能是本领域的技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电荷泵电路及其输出电压自动调节方法，用于解决现有技术中电荷泵的输出电压纹波大、浪费功耗以及瞬态响应速度慢等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电荷泵电路，所述电荷泵电路至少包括：

使能信号产生电路，升压模块，泵电容及输出电容；

所述使能信号产生电路用于根据所述升压模块输出电压的变化，产生使能信号，所述使能信号通过控制所述升压模块的工作状态调节其输出电压，以将所述输出电压控制在一个预设范围内波动；

所述升压模块受所述使能信号产生电路输出的使能信号控制实现升压功能；

所述泵电容连接于所述升压模块，用于转移所述升压模块中的电荷；

所述输出电容连接于所述升压模块，用于储存所述泵电容输出的电荷并输出相应的电压。

优选地，所述使能信号产生电路包括：

参考电压V_ref1产生电路，参考电压V_ref2产生电路，减法器，第一放大器，第二放大器，第一反相器，第二反相器，上升沿触发器，下降沿触发器及与门；

所述参考电压V_ref1产生电路及所述参考电压V_ref2产生电路分别用于产生参考电压V_ref1及参考电压V_ref2；

所述减法器用于对电压V_out和V_in做减法运算，得到运算结果(V_out－V_in)；

所述第一放大器连接于所述参考电压V_ref1产生电路及所述减法器，对参考电压V_ref1及所述减法器输出的运算结果(V_out－V_in)进行比较，并输出比较结果；

所述第二放大器连接于所述参考电压V_ref2产生电路及所述减法器，对参考电压V_ref2及所述减法器输出的运算结果(V_out－V_in)进行比较，并输出比较结果；

所述第一反相器连接于所述第一放大器，对所述第一放大器输出的比较结果取反；所述第二反相器连接于所述第二放大器，对所述第二放大器输出的比较结果取反；所述上升沿触发器连接于所述第一反相器，当所述第一反相器输出的信号从低电平跳变到高电平时，所述上升沿触发器输出高电平信号；

所述下降沿触发器连接于所述第二反相器，当所述第二反相器输出的信号从高电平跳变到低电平时，所述下降沿触发器输出低电平信号；

所述与门连接于所述上升沿触发器及所述下降沿触发器，对所述上升沿触发器及所述下降沿触发器输出的结果做与运算，得到所述升压模块的使能信号。

更优选地，所述参考电压V_ref1的值大于所述参考电压V_ref2的值。

更优选地，所述第一放大器及所述第二放大器为轨对轨放大器。

更优选地，从(V_out－V_in)大于V_ref1的V_out升高阶段到(V_out－V_in)大于V_ref2的V_out降低阶段，所述使能信号产生电路输出高电平信号；其余情况，所述使能信号产生电路输出低电平信号。

优选地，所述升压模块的使能信号低有效。

优选地，所述升压模块最终输出的电压在V_ref2～V_ref1之间波动。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种电荷泵的输出电压自动调节方法，所述电荷泵的输出电压自动调节方法至少包括：

步骤一：初始阶段，使能信号产生电路输出的使能信号Enable起效，升压模块开始正常工作；

步骤二：所述使能信号产生电路根据基准电压V_bg、输入电压V_in及所述升压模块反馈的输出电压V_out产生所述使能信号Enable；

步骤三：所述输出电压V_out升高至(V_out－V_in)大于参考电压V_ref1时，所述使能信号Enable为高电平，所述升压模块中所有功率管关断，输出电压V_out开始下降；

步骤四：所述输出电压V_out降低至(V_out－V_in)小于参考电压V_ref2时，所述使能信号Enable为低电平，所述升压模块正常工作；

步骤五：最终输出电压V_out在V_ref2与V_ref1之间波动。

优选地，在步骤二中，参考电压V_ref1与(V_out－V_in)比较后取反，生成第一比较结果，采集所述第一比较结果中的上升沿；参考电压V_ref2与(V_out－V_in)比较后取反，生成第二比较结果，采集所述第二比较结果中的下降沿；将采集到的两组信号做与运算得到使能信号Enable。

优选地，所述参考电压V_ref1=V_o－V_in+k₁(V_o－V_out)，所述参考电压V_ref2=V_o－V_in+k₂(V_o－V_out)，其中，V_o为电荷泵的预期输出电压，k₁和k₂为内部电路设定的系数，其中k₁>k₂。

如上所述，本发明的电荷泵电路及其输出电压自动调节方法，具有以下有益效果：

本发明的电荷泵电路及其输出电压自动调节方法通过一个使能信号来控制电荷泵升压模块，由于使能信号的存在，充电阶段泵电容并未充满，降低了电荷分享对输出纹波的影响；从(V_out－V_in)大于V_ref1的V_out升高阶段，到(V_out－V_in)大于V_ref2的V_out降低阶段，所有功率管都处于关断状态，减少再分配功耗和开关功耗，电源效率得到了提高，特别是在轻负载情况下；当电荷泵从轻负载向重负载切换时，V_out下降。V_ref1和V_ref2也会马上跟随V_out变化，接着Enable信号持续时间变短，V_out立即上升，响应时间在一到两个时钟周期之间，有着快速的负载瞬态响应。本发明的电荷泵电路及其输出电压自动调节方法兼顾了低输出纹波、高电源效率及快负载瞬态响应速度，有效改善电荷泵的性能。

附图说明

图1显示为现有技术中的开关电容电荷泵的充电原理示意图。

图2显示为现有技术中的开关电容电荷泵的放电原理示意图。

图3显示为本发明的电荷泵电路示意图。

图4显示为本发明的使能信号产生电路示意图。

图5显示为参考电压产生电路示意图。

图6显示为本发明的使能信号产生电路的波形示意图。

图7显示为升压模块及电容构成的开关电容电荷泵电路示意图。

图8显示为本发明的可选模式的电荷泵电路示意图。

元件标号说明

1    电荷泵电路

11   使能信号产生电路

110  参考电压V_ref1产生电路

111  参考电压V_ref2产生电路

112  减法器

113  第一放大器

114  第二放大器

115  第一反相器

116  第二反相器

117  上升沿触发器

118  下降沿触发器

119  与门

12   升压模块

13   参考电压产生电路

131   第三放大器

132   第四放大器

14    开关电容电荷泵电路

141   数字控制电路

1410  或门

1411  电平位移器

1412  与门

1413  与门

1414  电平位移器

1415  或门

1416  电平位移器

1417  或门

1418  与非门

1419  电平位移器

2     可选模式的电荷泵电路

21    升压倍数选择模块

22    带隙基准与过温保护电路

23    1MHz时钟生成电路

24    使能信号产生电路

25    电路偏置模块

26    非交叠时钟生成电路

27    电源电压选择模块

28    2×/1.5×升压模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图3所示，本发明提供一种电荷泵电路，所述电荷泵电路1至少包括：

使能信号产生电路11，升压模块12，泵电容C_f1、C_f2及输出电容C_out。

如图3所示，所述使能信号产生电路11连接于所述升压模块12的输入端，用于根据输出电压V_out的变化，产生使能信号Enable，所述使能信号Enable通过控制所述升压模块12的工作状态调节输出电压V_out。最终输出电压V_out控制在一个允许的范围内波动，所述升压模块最终输出的电压在V_ref2～V_ref1之间波动，其中V_ref1及V_ref2为根据设计要求设定的参考电压值。所述升压模块12的使能信号Enable低有效。

如图4所示，所述使能信号产生电路11包括：参考电压V_ref1产生电路110，参考电压V_ref2产生电路111，减法器112，第一放大器113，第二放大器114，第一反相器115，第二反相器116，上升沿触发器117，下降沿触发器118及与门119。

所述参考电压V_ref1产生电路110及所述参考电压V_ref2产生电路111分别用于产生参考电压V_ref1及参考电压V_ref2；

如图4所示，所述参考电压V_ref1产生电路110及所述参考电压V_ref2产生电路111的输入信号为基准电压V_bg、输入电压V_in及从所述升压模块12反馈回来的输出电压V_out，输出信号为参考电压V_ref1及参考电压V_ref2。

在本实施例中，所述参考电压V_ref1产生电路110及所述参考电压V_ref2产生电路111可由图5所示的参考电压产生电路13实现。如图5所述，所述参考电压产生电路13由第三放大器131、第四放大器132及多个电阻组成，所述第三放大器131的第一输入端连接基准电压V_bg，第二输入端连接电阻R₁及R₂，所述电阻R₁的另一端连接输入电压V_in，所述电阻R₂的另一端连接输出电压V_out，所述第三放大器131的输出端连接至电阻R₃及所述第四放大器132的第一输入端，所述电阻R₃的另一端反馈回所述第三放大器131的第二输入端，所述第四放大器132的输出端经串联的电阻R₄及R₅分压后反馈回所述第四放大器132的第二输入端。该参考电压产生电路13满足如下公式： $\frac{V_o}{V_{\mathrm{bg}}}=n,\frac{R_1}{R_2}=k,\frac{R_3}{R_2}=\frac{k}{(n-1)(k+1)},\frac{R_4+R_5}{R_5}=\frac{R_1}{R_3},$ 其中，V_o为电荷泵预期输出电压，V_bg为基准电压，通过设定各电阻的值来设定k值，由此可得输出参考电压值V_ref=V_o－V_in+k(V_o－V_out)，即参考电压V_ref1=V_o－V_in+k₁(V_o－V_out)，参考电压V_ref2=V_o－V_in+k₂(V_o－V_out)，通过设定各电阻的值来设定k₂值，使k₁>k₂，即V_ref1>V_ref2。

所述减法器112用于对电压V_out和V_in做减法运算，得到运算结果(V_out－V_in)。

如图4所示，所述减法器112的输入信号为输入电压V_in及所述升压模块12反馈回来的输出电压V_out，输出信号为(V_out－V_in)。所述减法器112可以是任意一种能实现输入信号的相减运算的电路，在本实施例中，所述减法器112为一个常规的模拟电压减法器，由放大器及多个电阻组成。

所述第一放大器113连接于所述参考电压V_ref1产生电路110及所述减法器112的输出端，对参考电压V_ref1及所述减法器112输出的运算结果(V_out－V_in)进行比较，并输出比较结果。

所述第二放大器114连接于所述参考电压V_ref2产生电路111及所述减法器112的输出端，对参考电压V_ref2及所述减法器112输出的运算结果(V_out－V_in)进行比较，并输出比较结果。

在本实施例中，所述第一放大器113及所述第二放大器114优选为轨对轨放大器。

当(V_out－V_in)高于V_ref1时，所述第一放大器113输出为低电平；当(V_out－V_in)低于V_ref1时，所述第一放大器113输出为高电平。

当(V_out－V_in)低于V_ref2时，所述第二放大器114输出为高电平；当(V_out－V_in)高于V_ref1时，所述第二放大器114输出为低电平。

所述第一反相器115连接于所述第一放大器113的输出端，所述第二反相器116连接于所述第二放大器114的输出端，分别对所述第一放大器113及所述第二放大器114输出的比较结果取反。

所述上升沿触发器117连接于所述第一反相器115的输出端，当所述第一反相器115输出的信号从低电平跳变到高电平时，所述上升沿触发器117输出高电平信号。

所述下降沿触发器118连接于所述第二反相器116的输出端，当所述第二反相器116输出的信号从高电平跳变到低电平时，所述下降沿触发器118输出低电平信号；

所述与门119连接于所述上升沿触发器117及所述下降沿触发器118的输出端，对所述上升沿触发器117及所述下降沿触发器118输出的结果做与运算，得到控制所述升压模块的使能信号Enable。

如图6所示为所述使能信号产生电路11的波形示意图。

在V_out的升高阶段，当(V_out－V_in)大于V_ref1时，所述上升沿触发器117采集到上升沿信号，其输出端Er输出高电平；在V_out的下降阶段，当(V_out－V_in)小于V_ref2时，所述下降沿触发器118采集到下降沿信号，其输出端Ef输出低电平。Er端及Ef端输出的信号进行与运算，当输入全为高电平时输出为高电平，其余情况输出均为低电平，即从(V_out－V_in)大于V_ref的V_out升高阶段到(V_out－V_in)大于V_ref2的V_out降低阶段，所述使能信号Enable为高电平信号，所述升压模块12中的所有功率管都处于关断状态；其余情况，所述使能信号Enable为低电平，所述升压模块12正常工作。

所述升压模块12连接于所述使能信号产生电路11的输出端，受所述使能信号产生电路11输出的使能信号Enable控制实现升压的功能。

所述泵电容连接于所述升压模块12，用于转移所述升压模块12中的电荷。

所述输出电容连接于所述升压模块12的输出端，用于储存输出电荷并输出相应的电压。

所述升压模块12，所述泵电容C_f1、C_f2及所述输出电容C_out构成的升压结构可以是任意满足要求的升压结构，在本实施例中，采用如图7所示的开关电容电荷泵14。

所述开关电容电荷泵由数字控制电路141、功率管和电容组成。所述数字控制电路141通过对使能信号Enable的逻辑变换产生控制各功率管的控制信号。如图7所示，所述数字控制电路141中使能信号Enable与控制信号Clk1的反信号输入至或门1410，并输出控制信号Clk1_E（其反信号用于控制功率管M_n1）；所述或门1410连接于电平移位器1411，并输出控制信号Clk1_H（用于控制功率管M_p8）；控制信号Clk1_E的反信号与高电平输入至与门1412，并输出控制信号Clk1_n2（用于控制功率管M_n2）；控制信号Clk1_E的反信号与低电平输入至与门1413，所述与门1413的输出端连接于电平移位器1414，并输出传输门TG的控制信号Clk1_TG；使能信号Enable与控制信号Clk2的反信号输入至或门1415，输出控制信号Clk2_E（用于控制功率管M_p2及M_p5），所述或门1415连接于电平移位器1416，并输出控制信号Clk2_H（用于控制功率管M_p3及M_p6）；控制信号Clk2_E与软启动信号Soft_Start输入至或门1417，并输出控制信号Clk2_Soft（用于控制功率管M_p1及M_p4）；控制信号Clk1_E的反信号与高电平输入至与非门1418，所述与非门1418的输出端连接于电平移位器1419，并输出控制信号Clk1_p7（用于控制功率管M_p7）。泵电容C_f1的C1n端连接功率管M_n1、M_p1及M_p2，其中功率管M_n1另一端接地，功率管M_p1及M_p2另一端接输入电压Vin；泵电容C_f1的C1p端连接功率管M_p2及M_p3，其中功率管M_p7另一端接地，功率管M_p3另一端接输出电容C_out；泵电容C_f2的C2n端连接功率管M_n2、M_p4及M_p5，其中功率管M_n2另一端接地，功率管M_p4及M_p5另一端接输入电压V_in；泵电容C_f2的C2p端连接功率管M_p8及M_p6，其中功率管M_p8另一端接地，功率管M_p6另一端接输出电容C_out；泵电容C_f1、C_f2通过传输门TG连接。

如图3所示，所述使能信号产生电路11通过基准电压V_bg、输入电压V_in及从所述升压模块12反馈的输出电压V_out产生使能信号Enable，所述使能信号Enable输出至所述升压模块12，用于控制所述升压模块12的工作状态，所述升压模块12中的电荷转移通过所述泵电容C_f1及所述泵电容C_f2实现，所述输出电容C_out连接于所述升压模块12的输出端，储存所述升压模块12中输出的电荷并输出相应的电压V_out。通过使能信号Enable调节输出电压V_out，使最终输出的电压V_out在一个设定范围内波动，在本实施例中，该波动范围设定为V_ref2～V_ref1。

本发明还提供一种电荷泵的输出电压自动调节方法，所述电荷泵的输出电压自动调节方法至少包括：

步骤一：初始阶段，使能信号产生电路11输出的使能信号Enable起效，升压模块12开始正常工作。

如图3所示，在初始阶段，所述电荷泵电路1启动，所述使能信号产生电路11输出的使能信号Enable起效，在本实施例中，使能信号Enable低有效。

所述升压模块12开始正常工作，其中，使能信号Enable为低电平。在本实施例中，以如图7所示的开关电容电荷泵为例。

设置控制信号Clkl=1，Clk2=0，则功率管M_n1，M_n2，M_p7和M_p8导通开启，其它功率管和传输门TG关断，则输入电压V_in开始对泵电容C_f1和C_f2充电，结点c1p和c2p的电压慢慢升高为输入电压V_in。

设置控制信号Clkl=0，Clk2=1，则功率管M_p2，M_p3，M_p5和M_p6导通开启，其它功率管和传输门TG关断，结点c1n，c2n接至V_in，所以结点c1p，c2p被提升至2V_in。但结点c1p，c2p的电压只是在开关切换的一瞬间为2V_in，之后电荷从泵电容C_f1和C_f2流向输出电容C_out，结点c1p，c2p的电压下降。

步骤二：所述使能信号产生电路11根据基准电压V_bg、输入电压V_in及所述升压模块反馈的输出电压V_out产生所述使能信号Enable。

在本实施例中，所述使能信号产生电路11的电路结构如图4所示，所述参考电压V_ref1产生电路110根据输入电压V_in、输出电压V_out及基准电压V_bg生成参考电压V_ref1，所述减法器112对输入电压V_in、输出电压V_out做减法运算，得到运算结果(V_out－V_in)，所述第一放大器113将参考电压V_ref1与(V_out－V_in)相比较，并取反得到第一比较结果，当所述上升沿触发器117采集到所述第一比较结果中的上升沿时输出高电平；所述参考电压V_ref2产生电路111根据输入电压V_in、输出电压V_out及基准电压V_bg生成参考电压V_ref1，所述第二放大器114将参考电压V_ref2与(V_out－V_in)相比较，并取反得到第二比较结果，当所述下降沿触发器118采集到所述第二比较结果中的下降沿时输出低电平；将所述上升沿触发器117和所述下降沿触发器118输出的信号输入至所述与门119，最终得到使能信号Enable。

所述参考电压V_ref1=V_o－V_in+k₁(V_o－V_out)，所述参考电压V_ref2=V_o－V_in+k₂(V_o－V_out)，其中，V_o为电荷泵的预期输出电压，k₁和k₂为内部电路设定的系数，如图5所示为参考电压产生电路，可以通过调节电阻值来设定系数k₁和k₂，使其满足k₁>k₂。

步骤三：所述输出电压V_out升高至(V_out－V_in)大于参考电压V_ref1时，所述使能信号Enable为高电平，所述升压模块12中所有功率管关断，输出电压V_out开始下降。

如图6所示，起始状态，所述上升沿触发器117输出Er为低电平，所述下降沿触发器118输出Ef为高电平。输出电压V_out不断升高，(V_out－V_in)也不断升高，当(V_out－V_in)大于参考电压V_ref1时，所述上升沿触发器117采集到上升沿信号，输出Er跳变为高电平，Er与Ef均为高电平，所述使能信号Enable跳变为高电平，所述升压模块12中所有功率管关断，输出电压V_out开始下降。

步骤四：所述输出电压V_out降低至(V_out－V_in)小于参考电压V_ref2时，所述使能信号Enable为低电平，所述升压模块12正常工作。

如图6所示，输出电压V_out慢慢下降，(V_out－V_in)也不断下降，此时Er与Ef均为高电平，直至(V_out－V_in)小于参考电压V_ref2时，所述下降沿触发器118采集到下降沿信号，输出Ef跳变为低电平，所述使能信号Enable跳变为低电平，所述升压模块12开始正常工作。

步骤五：最终输出电压V_out在V_ref2与V_ref1之间波动。

经过几个工作周期后，输出电压V_out稳定在V_ref2与V_ref1之间。

实施例二

作为本发明的另一优选方案，本发明提供的电荷泵电路还可以结合各种控制电路实现升压模式的选择，如图8所示，所述电荷泵电路2至少包括：升压倍数选择模块21，带隙基准与过温保护电路22，1MHz时钟生成电路23，使能信号产生电路24，电路偏置模块25，非交叠时钟生成电路26，电源电压选择模块27，2×/1.5×升压模块28，泵电容C_f1、C_f2以及输出电容C_out，其中实线表示模拟信号，虚线表示数字信号。

所述升压倍数选择模块21将选择信号输入到所述2×/1.5×升压模块28，根据输入电压的不同选择合适的升压倍数，较高电压选择1.5×模式，较低电压选择2×模式。

所述带隙基准与过流保护模块22及电路偏置模块25为整个系统提供偏置电压和偏置电流。

所述1MHz时钟生成模块23与所述非交叠时钟生成模块26为所述2×/1.5×升压模块28提供两个非交叠时钟Clk1和Clk2。

所述电源电压选择模块27选择V_in和V_out之间的高者电压，输出模拟信号V_H和数字信号Soft_Start。

所述使能信号产生电路24给所述2×/1.5×升压模块28提供使能信号。

所述2×/1.5×升压模块28与所述泵电容C_f1、C_f2以及输出电容C_out配合实现升压功能。

本实施例中的电荷泵的输出电压自动调节方法包括：

步骤一：初始阶段，所述升压倍数选择模块21选择模式，各电路启动，使能信号产生电路24输出的使能信号Enable起效，所述2×/1.5×升压模块28开始正常工作。

本实施例以1.5×模式为例，如图8所示，在初始阶段，所述升压倍数选择模块21选择1.5×模式，并将该1.5×模式选择信号输入至所述2×/1.5×升压模块28；所述带隙基准与过温保护电路22及所述1MHz时钟生成电路23为整个系统提供偏置电压和偏置电流；所述1MHz时钟生成模块23与所述非交叠时钟生成模块26为所述2×/1.5×升压模块28提供两个非交叠的500KHz时钟Clk1和Clk2；所述使能信号产生电路24输出的使能信号Enable起效；所述2×/1.5×升压模块28开始正常工作。

设置控制信号Clkl=1，Clk2=0，输入电压V_in开始对泵电容C_f1和C_f2充电，两者都被充电至Vin/2。

设置控制信号Clkl=0，Clk2=1，电荷从泵电容C_f1和C_f2流向输出电容C_out，输出电压V_out不断上升。

几个工作周期后，输出电压V_out电压约等于输入电压V_in。若V_out高于V_in，所述电源电压选择模块27的输出V_H从V_in变为V_out，Soft_Start从高电平变为低电平，控制所述2×/1.5×升压模块28将V_out升至更高。

步骤二：所述使能信号产生电路24根据基准电压V_bg、输入电压V_in及所述升压模块反馈的输出电压V_out产生所述使能信号Enable。

在本实施例中，所述使能信号产生电路24与实施例一中的使能信号产生电路11结构一致、功能一致。

步骤三：所述输出电压V_out升高至(V_out－V_in)高于参考电压V_ref1时，所述使能信号Enable为高电平，所述2×/1.5×升压模块28中所有功率管关断，输出电压V_out开始下降。

步骤四：所述输出电压V_out降低至(V_out－V_in)低于参考电压V_ref2时，所述使能信号Enable为低电平，所述2×/1.5×升压模块28正常工作。

步骤五：最终输出电压V_out在V_ref2与V_ref1之间波动。

经过几个工作周期后，V_out约等于V_o，输出电压V_out稳定在V_ref2与V_ref1之间。

综上所述，本发明的电荷泵电路及其输出电压自动调节方法，控制输出电压波动范围为ΔV，ΔV=V_ref1－V_ref2=(k₁－k₂)(V_o－V_out)，ΔV与(V_o－V_out)及负载电流大小成正比，电荷泵从(V_out－V_in)大于V_ref1的V_out升高阶段到(V_out－V_in)大于V_ref2的V_out降低阶段，功率管一直关断，减少了再分配功耗和开关功耗，电源效率得到了提高，特别是在轻负载情况下；由于Enable信号，充电阶段泵电容并未充满，降低了电荷分享对输出纹波的影响；当电荷泵从轻负载向重负载切换时，V_out下降，V_ref1和V_ref2也会马上跟随V_out变化，接着Enable信号持续时间变短，V_out立即上升，响应时间在一到两个时钟周期之间，有着快速的负载瞬态响应。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路至少包括：

使能信号产生电路，升压模块，泵电容及输出电容；

所述使能信号产生电路用于根据所述升压模块输出电压的变化，产生使能信号，所述使能信号通过控制所述升压模块的工作状态调节其输出电压，以将所述输出电压控制在一个预设范围内波动；

所述升压模块受所述使能信号产生电路输出的使能信号控制实现升压功能；

所述泵电容连接于所述升压模块，用于转移所述升压模块中的电荷；

所述输出电容连接于所述升压模块，用于储存所述泵电容输出的电荷并输出相应的电压。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述使能信号产生电路包括：

参考电压V_ref1产生电路，参考电压V_ref2产生电路，减法器，第一放大器，第二放大器，第一反相器，第二反相器，上升沿触发器，下降沿触发器及与门；

所述参考电压V_ref1产生电路及所述参考电压V_ref2产生电路分别用于产生参考电压V_ref1及参考电压V_ref2；

所述减法器用于对电压V_out和V_in做减法运算，得到运算结果(V_out－V_in)；

所述第一放大器连接于所述参考电压V_ref1产生电路及所述减法器，对参考电压V_ref1及所述减法器输出的运算结果(V_out－V_in)进行比较，并输出比较结果；

所述第二放大器连接于所述参考电压V_ref2产生电路及所述减法器，对参考电压V_ref2及所述减法器输出的运算结果(V_out－V_in)进行比较，并输出比较结果；

所述第一反相器连接于所述第一放大器，对所述第一放大器输出的比较结果取反；

所述第二反相器连接于所述第二放大器，对所述第二放大器输出的比较结果取反；

所述上升沿触发器连接于所述第一反相器，当所述第一反相器输出的信号从低电平跳变到高电平时，所述上升沿触发器输出高电平信号；

所述下降沿触发器连接于所述第二反相器，当所述第二反相器输出的信号从高电平跳变到低电平时，所述下降沿触发器输出低电平信号；

所述与门连接于所述上升沿触发器及所述下降沿触发器，对所述上升沿触发器及所述下降沿触发器输出的结果做与运算，得到所述升压模块的使能信号。

3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述使能信号产生电路中所述参考电压V_ref1的值大于所述参考电压V_ref2的值。

4.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述第一放大器及所述第二放大器为轨对轨放大器。

5.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：从(V_out－V_in)大于V_ref1的V_out升高阶段到(V_out－V_in)大于V_ref2的V_out降低阶段，所述使能信号产生电路输出高电平信号；其余情况，所述使能信号产生电路输出低电平信号。

6.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述升压模块的使能信号低有效。

7.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述升压模块最终输出的电压在V_ref2～V_ref1之间波动。

8.一种电荷泵的输出电压自动调节方法，其特征在于，所述电荷泵的输出电压自动调节方法至少包括：

步骤一：初始阶段，使能信号产生电路输出的使能信号Enable起效，升压模块开始正常工作；

步骤二：所述使能信号产生电路根据基准电压V_bg、输入电压V_in及所述升压模块反馈的输出电压V_out产生所述使能信号Enable；

步骤三：所述输出电压V_out升高至(V_out－V_in)大于参考电压V_ref1时，所述使能信号Enable为高电平，所述升压模块中所有功率管关断，输出电压V_out开始下降；

步骤四：所述输出电压V_out降低至(V_out－V_in)小于参考电压V_ref2时，所述使能信号Enable为低电平，所述升压模块正常工作；

步骤五：最终输出电压V_out在V_ref2与V_ref1之间波动。

9.根据权利要求8所述的电荷泵的输出电压自动调节方法，其特征在于：在步骤二中，参考电压V_ref1与(V_out－V_in)比较后取反，生成第一比较结果，采集所述第一比较结果中的上升沿；参考电压V_ref2与(V_out－V_in)比较后取反，生成第二比较结果，采集所述第二比较结果中的下降沿；将采集到的两组信号做与运算得到使能信号Enable。

10.根据权利要求8所述的电荷泵的输出电压自动调节方法，其特征在于：所述参考电压V_ref1=V_o－V_in+k₁(V_o－V_out)，所述参考电压V_ref2=V_o－V_in+k₂(V_o－V_out)，其中，V_o为电荷泵的预期输出电压，k₁和k₂为内部电路设定的系数，其中k₁>k₂。

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