CN104143907B - 非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电荷泵电路领域，公开一种非连续电流控制的双环路电荷泵电路，其包括电荷泵主电路P、采样电压产生电路、电流调节电路、频率控制电路；电荷泵主电路P，通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出VOUT；采样电压产生电路，对电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低于0电平进行采样得到采样电压Vs；频率控制电路，在采样电压Vs控制下，产生用于控制电流调节电路的方波信号；电流调节电路，基于控制电路产生的方波信号控制电荷泵主电路P的输出。本发明提供的非连续性电流控制的双环路电荷泵电路可以产生两个时钟信号CLK1、CLK2共同对电荷泵调节，使电荷泵的输出电压达到预定值，具有提高电荷泵输出电压稳定性，减小输出波纹的优点。

Description

非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路

技术领域

本发明涉及电荷泵电路领域，特别涉及一种非连续电流控制的双环路电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路是一种运用电荷在电容中的积累来产生高压的电路，它广泛运用在非易失性存储器电路中。现有技术的电荷泵电路一般采用控制振荡器间歇振荡的方式使输出电压保持稳定，采用这种结构，电荷泵电路的输出波纹较大，同时存在过充的问题，大大的降低了电荷泵的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高电荷泵输出电压的稳定性，减小电荷泵的输出波纹的非连续电流控制的双环路电荷泵电路。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双环电荷泵控制电路，包括：

电荷泵主电路P、采样电压产生电路、频率控制电路及电流调节电路；

所述电荷泵主电路P，通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出VOUT；

所述采样电压产生电路，对所述电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低于0电平进行采样得到采样电压Vs；

所述频率控制电路，在所述采样电压Vs控制下，产生用于控制所述电流电路的方波信号；

所述电流调节电路，基于所述控制电路产生的方波信号控制所述电荷泵主电路P的输出。

进一步地，所述采样电压产生电路包括：电阻R1和电阻R2；所述电阻R1一端与所述电荷泵主电路P连接，另一端分别与所述频率控制电路和电阻R2连接；

所述电阻R2一端接地，另一端与所述电阻R1、所述频率控制电路连接。

进一步地，所述频率控制电路包括压控振荡器V1及压控振荡器V2；所述压控振荡器V1分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk1的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述电荷泵主电路P的泵电容充电速度；所述压控振荡器V2分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk2的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述电荷泵主电路P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位的切换。

进一步地，所述电流调节电路包括电容C1、电容C2，缓冲器N1、缓冲器N2，电压控制电流源I1、电压控制电流源I2，双掷时钟控制开关；

所述电容C1、电容C2，接收所述频率为fclk1的方波信号，用于给缓冲器N1、N2提供输入电平，控制所述电压控制电流源I1、电压控制电流源I2关断或打开；

所述双掷时钟控制开关接收所述频率为fclk2的方波信号，用于控制双掷时钟控制开关S开启关断从而控制电荷泵主电路P的工作频率。

进一步地，所述电荷泵主电路P包括NMOS管M1、M2、M3、M4、M5，电容C5、C6、C3、C4、COUT、CS1、CS2、CS3、CS4；

所述NMOS管M1的栅极和漏极与电源VDD连接，所述NMOS管M1的源极分别与电容C5、NMOS管M2的漏极和栅极、电容CS1连接；所述NMOS管M2的源极分别与电容C6、NMOS管M3的漏极和栅极、电容CS2连接；所述NMOS管M3的源极分别与电容C3、NMOS管M4的漏极和栅极、电容CS3连接；所述NMOS管M4的源极分别与电容C4、NMOS管M5的漏极和栅极、电容CS4连接；所述NMOS管M4的源极分别与输出端VOUT和电容COUT连接；所述电容C5、C3还与接线端CLKA连接，电容C6、C4还与接线端CLKB连接；所述电容COUT、电容CS1、CS2、CS3、CS4还分别接地。

进一步地，所述压控振荡器V1、V2分别包括4个PMOS管，1个NMOS管、3个倒相放大器I0、I1、I2，电容C0、C7；

所述NMOS管的源极接地端，栅极接Vs，漏极与PMOS管的漏极连接；4个所述PMOS管的栅极相连，源极分别接电源VDD1，其中3个PMOS管中的每个PMOS管的漏极与一个倒相放大器连接；

所述电容C0一端连接在倒相放大器I0、I1之间，另一端接地端；电容C7一端连接在倒相放大器I1、I2之间，另一端接地端；

所述倒相放大器I0、I1、I2一端分别接地端；所述倒相放大器I0的输出端依次通过倒相放大器I1与倒相放大器I2的输入端连接，所述倒相放大器I2的输出端还与倒相放大器I0的输入端连接。

本发明提供的非连续电流控制的双环路电荷泵电路，可以使电荷泵电路工作时，减小电荷泵的输出波纹，提高电荷泵输出电压的稳定性，大大提高了电荷泵的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非连续电流控制的双环路电荷泵电路结构示意图。

图2为本发明实施例提供的时钟信号CLK1、CLK2和缓冲器的输出端D1，D2的波形图。

图3为本发明实施例提供的电荷泵主电路P的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的双掷时钟控制开关的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的电压控制源I1的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的电压控制源I2的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的压控振荡器的结构示意图。

具体实施方式

参见图1～图5所示，本发明实施例提供的一种非连续电流控制的双环路电荷泵电路包括电荷泵主电路P、采样电压产生电路10、频率控制电路20、电流调节电路30。电荷泵主电路P分别与频率控制电路20、电流调节电路30及采样电压产生电路10连接。采样电压产生电路10分别与频率控制电路20、电流调节电路30连接。电流调节电路30与频率控制电路20连接。其中，电荷泵主电路P通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低。电压输出VOUT，基于时钟信号CLKA、CLKB产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出VOUT。采样电压产生电路10，对电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低于0电平进行采样得到采样电压Vs。Vs正比于电压输出VOUT。频率控制电路在采样电压Vs控制下，产生用于控制所述电流电路的方波信号。电流调节电路基于所述控制电路产生的方波信号控制所述电荷泵主电路P的输出。

采样电压产生电路10包括电阻R1和电阻R2。电阻R1一端与电荷泵主电路P连接，另一端分别与所述频率控制电路和电阻R2连接。电阻R2一端接地，另一端与所述电阻R1、所述频率控制电路连接。采样电压产生电路中电阻R1和电阻R2电阻值为设定的比例关系，其决定了Vs的大小表达式为Vs＝VOUT*R2/(R1+R2)，调整合适的电阻R1和电阻R2电阻值可使Vs的大小在压控振荡器的输入电压范围内。

频率控制电路20包括压控振荡器V1及压控振荡器V2，压控振荡器V1分别与采样电压产生电路、电流调节电路连接，在采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk1的方波信号，用于控制电流调节电路对电荷泵主电路P的泵电容充电速度，例如，频率为fclk1的方波信号负责打开和关断两个电流源I1、I2，从而控制其对电荷泵主电路P的泵电容充电速度。压控振荡器V2分别与采样电压产生电路、电流调节电路连接，在采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk2的方波信号，用于控制电流调节电路对电荷泵主电路P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位的切换，例如，频率为fclk2的方波信号负责切换电荷泵主电路P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位，对电荷泵P中不同的泵电容进行充电和放电，达到升压或者降压的效果。压控振荡器V1、V2的结构参见图7所示，压控振荡器包括4个PMOS管，3个倒相放大器I0、I1、I2，电容C0、C7。NMOS管的源极接VSS0端，栅极接VS，漏极与PMOS管的漏极连接。4个PMOS管的栅极相连，源极分别接电源VDD1，漏极分别接电源Vs；其中，3个PMOS管中的每个PMOS管的漏极与一个倒相放大器连接。电容C0一端连接在倒相放大器I0、I1之间，另一端接VSS0端；电容C7一端连接在倒相放大器I1、I2之间，另一端接VSS0端；3个倒相放大器I0、I1、I2一端分别接VSS0端，倒相放大器I0的输出端依次通过倒相放大器I1与倒相放大器I2的输入端连接，倒相放大器I2的输出端还与倒相放大器I0的输入端连接。

电流调节电路30包括压控振荡器V1、电容C1、电容C2，缓冲器N1、缓冲器N2，电压控制电流源I1(参见图5)、电压控制电流源I2(参见图6)，双掷时钟控制开关；压控振荡器V1连接在电容C1、电容C2之间；电容C1与缓冲器N1的输入端连接；缓冲器N1的输出端通过电压控制电流源I1与双掷时钟控制开关连接；电容C2与缓冲器N1的输入端连接；缓冲器N2的输出端通过电压控制电流源I2与双掷时钟控制开关连接；双掷时钟控制开关与电荷泵主电路P连接。参见图4，双掷时钟控制开关包括触点A1、触点A2、两个触点B、两个触点C；触点A1与电压控制电流源I1的输出端连接，触点A2与电压控制电流源I2的输出端连接；两个触点B连接且与电荷泵主电路P的CLKA端连接；两个触点C连接且与电荷泵主电路P的CLKB端连接。图4给出了双掷时钟控制开关的一具体电路，其中CLK2和CLK2B是一对相位相反的时钟控制信号。电流调节电路30主要通过开通和关闭电流源I1、I2以及控制双掷时钟控制开关A1、A2产生输出电流可控的时钟CLKA、CLKB控制电荷泵P的输出；例如，当VOUT受外部负载增大的影响降低时，Vs减小，两个压控振荡器输出方波频率提高，电流源I1、I2输出至CLKA、CLKB的电流充放电频率提高，CLKA、CLKB在频率提高的同时，给电荷泵的泵电容充电能力也提高，使电荷泵能输出更大的电流，即内阻减小，于是能提供给外部的电流更大，至外部负载阻抗不变的情况下，Vout会慢慢上升至初始平衡点，完成负反馈过程。其中，电容C1、电容C2为电平提升/降低电容，负责给缓冲器N1、N2提供输入电平，当CLK1为高(VDD1)时，电容C1的上极板、电容C2下极板预先充电的初始值分别为VDD1、VDD0；当CLK1变为低(VSS0)时，电容C1的上极板、电容C2下极板电平值不能突变，因此电容C1的上极板、电容C2下极板电平值分别变为(VDD1-VDD1＝0)、(VDD0-VDD1)，于是反向缓冲器D1输出电平值变为VDD1、反向缓冲器D2输出电平值变为VDD0，D1输出电平值关断电压控制电流源I1、D2输出电平值打开电压控制电流源I2；此时CLK2为低电平VSS0，电流源I2将CLKB的电平拉低一些；同理当CLK1由低电平VSS0变为高电平VDD1时，电容C1的上极板、电容C2下极板预先充电的初始值分别为VSS1、VSS0，CLK1变化后电容C1的上极板、电容C2下极板电平值分别变为(VSS1+VDD1>VDD1)、(VSS0+VDD1>VDD0),于是D1输出电平值变为VSS1、D2输出电平值变为VSS0，D1输出电平值打开电压控制电流源I1、D2输出电平值关断电压控制电流源I2；此时CLK2为低电平VSS0，电流源I1将CLKA的电平提升一些；如此CLK2为低电平时多个CLK1周期后，CLKA的电平由初始VSS0提升至某一电平值VSS0+VA0，CLKB的电平由初始VDD1拉低至VDD1-VB0；那么CLKA对VOUT的电荷贡献量为C*VA0，CLKB对VOUT的电荷贡献量为C*VB0；其中C为电荷泵的泵电容值。反之，CLK2为高时，多个CLK1周期后，CLKB的电平提升至某一电平值VSS0+VA1，CLKA的电平拉低至VDD1-VB1；那么CLKB对VOUT的电荷贡献量为C*VA1，CLKA对VOUT的电荷贡献量为C*VB1。简化计算假设VA0＝VB0＝VA1＝VB1＝Vk，则每个CLK2周期内VOUT的输出电荷为2*C*Vk，Vk正比于电流源的电流大小以及电流源的开通频率时间，于是VOUT的单位时间输出电荷量(电压值)正比于电流源的电流大小、CLK1的频率fclk1、CLK2的频率fclk2。

电荷泵主电路P包括接线端CLKA、接线端CLKB、输出端VOUT；接线端CLKA与两个触点B连接，接线端CLKB与两个触点C连接，输出端VOUT与电阻R1连接。图3给出了电荷泵主电路P的一个具体电路示意图，电荷泵主电路P包括NMOS管M1、M2、M3、M4、M5，电容C5、C6、C3、C4、COUT、CS1、CS2、CS3、CS4，接线端CLKA，接线端CLKB。NMOS管M1的栅极和漏极与电源VDD连接，NMOS管M1的源极分别与电容C1、NMOS管M2的漏极和栅极、电容CS1连接。NMOS管M2的源极分别与电容C6、NMOS管M3的漏极和栅极、电容CS2连接。NMOS管M3的源极分别与电容C3、NMOS管M4的漏极和栅极、电容CS3连接。NMOS管M4的源极分别与电容C4、NMOS管M5的漏极和栅极、电容CS4连接。NMOS管M4的源极分别与输出端VOUT和电容COUT连接。电容C5、C3还与接线端CLKA连接，电容C6、C4还与接线端CLKB连接。电容COUT还接地。电容CS1、CS2、CS3、CS4还接地。

本发明实施例提供的非连续电流控制的双环路电荷泵电路，电荷泵主电路P通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出VOUT，输出端VOUT通过电阻R1、R2进行采样得到一个采样电压Vs，采样电压Vs控制两个输出频率范围不同的压控振荡器V1和压控振荡器V2使其产生频率不同的时钟信号CLK1和CLK2。时钟信号CLK1控制电压控制电流源I1和电压控制电流源I2的充放电频率来调节驱动电荷泵主电路P的电流；时钟信号CLK2控制双掷时钟控制开关S开启关断，从而控制电荷泵主电路P的工作频率。通过设置两个压控振荡器的参数使时钟信号CLK2频率较低，时钟信号CLK1频率较高。因而在时钟信号CLK2的一个周期内有一个或者多个时钟信号CLK1周期存在，CLK1的频率越高则电荷泵主电路P等效电阻越低，电荷泵主电路P输出电流的能力越大；时钟信号CLK2的频率越高，则电压控制电流源I1和电压控制电流源I2的充电频率越快，等效于充电的电流变大；两个时钟CLK1、CLK2共同对电荷泵主电路P进行调节，进而使输出电压达到预定值。图2给出了时钟信号CLK1，CLK2、缓冲器N1的输出端D1、缓冲器N1的输出端D2的波形图。

本发明提供的非连续电流控制的双环电荷泵主电路P电路具有以下有益效果：

1.可以使电荷泵主电路P电路工作时，减小电荷泵主电路P的输出波纹。

2.可以提高电荷泵主电路P输出电压的稳定性，大大提高了电荷泵主电路P的效率。

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)

1.一种双环电荷泵控制电路，其特征在于，包括：

电荷泵主电路P、采样电压产生电路、频率控制电路及电流调节电路；

所述电荷泵主电路P，通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出VOUT；

所述采样电压产生电路，对所述电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低于0电平进行采样得到采样电压Vs；

所述频率控制电路，在所述采样电压Vs控制下，产生用于控制所述电流调节电路的方波信号；

所述电流调节电路，基于所述频率控制电路产生的方波信号控制所述电荷泵主电路P的输出；

所述频率控制电路包括：

压控振荡器V1及压控振荡器V2；

所述压控振荡器V1分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk1的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述电荷泵主电路P的泵电容充电速度；

所述压控振荡器V2分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk2的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述电荷泵主电路P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位的切换；所述电流调节电路包括：

电容C1、电容C2，缓冲器N1、缓冲器N2，电压控制电流源I1、电压控制电流源I2，双掷时钟控制开关；

所述电容C1、电容C2，接收所述频率为fclk1的方波信号，用于给缓冲器N1、N2提供输入电平，控制所述电压控制电流源I1、电压控制电流源I2关断或打开，从而控制电荷泵主电路P的泵电容充电速度；

所述双掷时钟控制开关接收所述频率为fclk2的方波信号，用于控制双掷时钟控制开关开启关断，从而控制电荷泵主电路P的工作频率。

2.根据权利要求1所述的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所述采样电压产生电路包括：

电阻R1和电阻R2；

所述电阻R1一端与所述电荷泵主电路P连接，另一端分别与所述频率控制电路和电阻R2连接；

所述电阻R2一端接地，另一端与所述电阻R1、所述频率控制电路连接。

3.根据权利要求1所述的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所述电荷泵主电路P包括：

NMOS管M1、M2、M3、M4、M5，电容C5、C6、C3、C4、COUT、CS1、CS2、CS3、CS4；

所述NMOS管M1的栅极和漏极与电源VDD连接，所述NMOS管M1的源极分别与电容C5、NMOS管M2的漏极和栅极、电容CS1连接；所述NMOS管M2的源极分别与电容C6、NMOS管M3的漏极和栅极、电容CS2连接；所述NMOS管M3的源极分别与电容C3、NMOS管M4的漏极和栅极、电容CS3连接；所述NMOS管M4的源极分别与电容C4、NMOS管M5的漏极和栅极、电容CS4连接；所述NMOS管M5的源极分别与输出端VOUT和电容COUT连接；所述电容C5、C3还与接线端CLKA连接，电容C6、C4还与接线端CLKB连接；所述电容COUT、电容CS1、CS2、CS3、CS4还分别接地。

4.根据权利要求2-3任一项所述的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所述压控振荡器V1、V2分别包括：

4个PMOS管、3个倒相放大器I0、I1、I2，电容C0、C7；

4个所述PMOS管的栅极相连，源极分别接电源VDD1；其中，一个所述PMOS管的漏极接电源Vs；其中，3个PMOS管中的每个PMOS管的漏极分别与一个倒相放大器连接；

所述电容C0一端连接在倒相放大器I0、I1之间，另一端接地端；电容C7一端连接在倒相放大器I1、I2之间，另一端接地端；

所述倒相放大器I0、I1、I2一端分别接地端；所述倒相放大器I0的输出端与所述倒相放大器I1的输入端连接，所述倒相放大器I1的输出端与所述倒相放大器I2的输入端连接，所述倒相放大器I2的输出端还与倒相放大器I0的输入端连接。