CN104795990B - 电荷泵级和电荷泵 - Google Patents

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Abstract

电荷泵单元，包括：输入节点；输出节点；Q信道，其中Q是大于1的整数，并且其中至少两个所述通道包括：电容器；单向电流流动设备；输出二极管；和信道驱动信号节点；且其中所述单向电流流动设备的第一电流节点连接到第一节点处的电容器的信道节点，所述电容器的第二节点被连接到信道驱动信号节点，所述单向电流流动设备的第二电流流节点被连接到输入节点，输出二极管被连接在信道节点和输出节点之间。

Description

电荷泵级和电荷泵
技术领域
本公开涉及电荷泵和电荷泵级，也称为电荷泵单元，并涉及包括这些电荷泵的电子设备，。
背景技术
许多电子设备都由相对低电压电源供电。这些设备通常是便携式的，例如，移动电话，平板电脑等。电路的某些部分可需要大于从例如与电子设备相关联的电池获得的电压。需要用于低功率电子设备的电荷泵和电压助推器，诸如便携式通信设备，以产生增加的电压。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一个电荷泵单元，包括：输入节点；输出节点；Q信道，其中Q是大于1的整数，并且其中至少两个所述通道包括：电容器；单向电流流动设备；输出二极管；和信道驱动信号节点，并且其中，所述单向电流流动装置的第一电流节点在信道节点连接到所述电容器的第一节点，所述电容器的第二节点被连接到信道驱动信号节点，单向电流流动设备的第二节点被连接到所述输入节点，以及输出二极管连接在信道节点与所述输出节点之间。
该单向电流流动设备可以是二极管，或者它可以是有源整流器，诸如控制成在导通和非导通状态之间切换的晶体管。
每个通道可以接收各自的驱动信号。有利地，至少两个驱动信号是不同的。该驱动信号可以是彼此的时间偏移版本。
在实施例中，电荷泵单元具有两个通道。因此，方便地，第二通道的驱动信号是提供给第一信道的驱动信号的反相版本。驱动信号可被布置成它们不处于激活状态重叠。
在另一个实施例中，可以有三个或更多个信道。其中三个或更多个时移输入信号可用于驱动电荷泵单元。
当晶体管整流器被提供作为单向电流流动设备，所述晶体管的所述栅极可被驱动与所述信道的驱动信号同步。栅极信号可以直接从信道的控制信号中获得，或者可以从相邻信道的状态得到。
在本公开内容的实施例中，提供了一种具有输入节点和输出节点的电荷泵级，所述电荷泵级包括通过各自的漏极耦合到输入节点的第一和第二晶体管，所述第二晶体管的栅极耦合到在第一节点的所述第一晶体管的源极，第一晶体管的栅极耦合到在第二节点的第二晶体管的源极，第一电容器耦合在第一节点和第一振荡器输入节点之间，第二电容器耦合在第二节点和第二振荡器输入节点之间，第一和第二振荡器输入节点可操作以接收相位相反的第一和第二振荡信号，第一二极管耦合在第一节点和输出节点之间，和第二二极管耦合在第二节点和输出节点之间。
在本公开的另一实施例中，提供了一种具有输入节点和输出节点的电荷泵级，电荷泵级包括通过各自的源极耦合到输入节点的第一和第二晶体管，第二晶体管的栅极耦合到在第一节点的所述第一晶体管的漏极，第二晶体管的栅极耦合到在第二节点的第二晶体管的漏极，第一电容器耦合在第一节点和第一振荡器输入节点之间，第二电容器耦合在第二节点和第二振荡器输入节点之间，第一和第二振荡器输入节点可操作以接收相位相反的第一和第二振荡信号，第一二极管耦合在第一节点和所述输出节点之间，以及第二二极管耦合在第二节点和输出节点之间。
由于电荷泵级被设计成接收相位相反的两个输入信号，电荷泵级需要在振荡的两个阶段从输入节点到输出节点充电。由此，电荷在振荡器的每个转变上转移，导致电荷的更有效传递、减少泄漏、减少波纹、以及在电荷泵输出的潜在更少的高频噪声。此外，由于相对平滑的输出电压，平滑电容不需要在输出和地面之间设置，进一步减小泄漏。可替代地，平滑电容器的尺寸可以减小，从而节省了空间。
优选地，所述第一和第二二极管的一个或两个是肖特基二极管。从而在整个肖特基二极管的电压降相对于标准二极管或二极管连接的MOSFET降低。由于第一和第二二极管的两端各电压降可以在0.15V或更小的区域，使用肖特基二极管降低了电路的整流部中的电压损失。这导致增加电荷泵级的效率，特别是当在低功率架构中实现时。此外，使用完全无源元件以从第一和第二电容器的电荷向输出节点转移电荷降低级的复杂性，提供具有更高效率的降低半导体足迹。
在一个替代的较少优选的方法中，一个或多个第一和第二二极管可以是硅二极管。
第一和第二晶体管之一或两者优选是N型晶体管，并且可是MOSFET。
第一和第二晶体管被优选实质上匹配。同样，第一和第二二极管可以实质上匹配，所述第一和第二电容器可以实质上匹配。
单电荷泵级或单元可用于隔离以形成电荷泵。然而几个阶段可以串联，以形成较大的输出电压。
在一些实施例中，平滑电容器可以提供在电荷泵级的输出节点和接地之间。
根据本公开的第二方面，提供了一种电荷泵，包括根据本公开的第一方面的N个电荷泵级(或单元)，其中N是≥2的任何正整数，以及具有第一和第二振荡器输出的振荡器，用于提供相位相反的第一和第二输出信号，第一和第二振荡器输出耦合到每个N个电荷泵级的相应第一和第二振荡器输入节点，其中，N个电荷泵级的第一电荷泵级被安排来在其输入节点接收输入电压，并且其中，到第n-1的电荷泵级的每个第二电荷泵级具有耦合到先前级的输出节点的其相应输入节点，并且其中，所述第N电荷泵级具有耦合到第n-1级的输出节点的其输入节点，并经被安排以在其输出节点输出输出电压。
该振荡器可以通过在第一电荷泵级的输入节点的输入电压供电。这样，第一和第二振荡器输出可以具有在0V或接地和输入电压之间的电压范围，例如VDD。
振荡器可在其第一和第二输出输出方波信号。
附图说明
现在将参考附图仅仅通过非限制性示例描述电荷泵单元和电荷泵的实施例，其中：
图1是一个单级电荷泵的示意图。
图2是根据本公开内容的单一电荷泵单元的示意图；
图3是根据本公开内容的多级电荷泵的示意图。和
图4是构成本公开实施例的电荷泵倍压的电路图。
具体实施方式
图1示出了单级电荷泵1，如美国专利No.6995602所述。它包括振荡器2，第一和第二逆变器4、6，第一和第二电荷转移电容8、10和蓄积电容器12。使用两个参考电压驱动振荡器2，诸如可以是0V(GND)的VDD和VSS。通常，VDD等于其中结合电荷泵1的电路的电源轨电压。例如，VDD可以等于+5V。在低功率设备(诸如，便携设备)中，VDD可以在+1.2V和+3.5V之间的区域。振荡器2在每个第一和第二输出端14、16输出相位相反的第一和第二振荡信号。第一和第二振荡信号通常具有方波的形式，但也可以采取其它形式。第一电荷转移电容器8具有耦合到所述振荡器2的的第一输出14的第一端和耦合到第一逆变器4的输入节点20的第二端。第二电荷转移电容10具有耦合到所述振荡器2的第二输出端16的第一端6和耦合到所述第二反相器的输入节点22的第二端子。第一逆变器4包括N型场效应晶体管26，具有其源极连接到电源输入节点24和其漏极连接到P型场效应晶体管28的漏极，所述P型场效应晶体管28具有其源极连接到节点30。类似地，第二逆变器包括分别连接在节点24和30之间的串联连接的N型和P型晶体管32和34。反相器4和6是交叉耦合的，使得第一反相器的输入节点20被连接到第二反相器6的晶体管32的漏极，以及第二逆变器6的输入节点22耦合到第一逆变器4的晶体管26的漏极。也说明晶体管的体二极管40、42、44和46。在操作过程中，当电荷泵1被接通并且电源电压VDD或前级的输出被最初供给到供给输入节点24时，蓄积电容器12最初处于放电状态，以及在输出节点上的电压30移向VDD-2VD，VD是横跨晶体管26、28、32和34的每个体二极管40、42、，44、46的电压降。通常，VD对于MOSFET大约是0.7V。在这一点上，所有四个晶体管截止，并通过体二极管40、42、44和46对电容器12充电。当正电源电压VDD和输出电压之间的差变大于晶体管26、28、32和34的阈值电压时，晶体管26、28、32和34开始导通。取决于振荡信号14和16的状态，电容器8和10向蓄积电容器12供给电荷。当时钟信号(例如，信号14)是低时，则相关联的电容器20充电到在节点24的电压。当振荡器的输出变高到电压Vosc时，则在节点20的电压成为在节点24的电压和Vosc的总和。凭借反相的两个振荡信号14和16，电荷被传递到振荡器的每个时钟边缘的输出节点30。
对于单电荷泵级，Vosc和在节点24的电压都可能是VDD。电荷泵1在节点30的输出电压大约等于两倍的电源电压VDD减去晶体管28或34的漏极和源极之间的电压降。在低功率电路中，其中该电源轨电压可低至+1.2V，晶体管的阈值电压可以是显著的，并且在晶体管的栅极的电压变化的低值可导致导通电阻，其引起大约为0.4至0.8V的电压降。因此，当绘制负载电流时，由于跨越晶体管28和34的源极-漏极电压降，在输出节点30的电压降低变得显著。图1中所公开的电路还包括保护电路50，包含从电平移动电路54接收信号的晶体管，所述电平移动电路54从电荷泵级的最后级接收输出电压Vout。晶体管52被布置成当电荷泵不工作时就进行切换。电荷泵需要该附加电路，以防止任何晶体管的栅极电压足够高，使得构成逆变器的MOS晶体管的击穿。
根据本公开实施例的电荷泵60示于图2。电荷泵60被示为具有单级S1。然而，在其他实施例中，诸如图3所示，其中类似的部分已采用相同的编号，单级S1可以是串联连接的N级S1，S2…SN之一。像在图1所示的振荡器，振荡器62具有第一和第二输出端64和66，它提供相位相反的第一和第二振荡信号OSC1、OSC2，诸如方波。电荷泵60进一步包括一对交叉耦合的NMOS晶体管70和72、一对电荷转移电容器76和78、以及一对肖特基二极管80和82。电容器76在其端子之一耦合到振荡器62的第一输出64，以及在其另一端通过节点84耦合至晶体管70的源极，晶体管72的栅极和二极管80。电容器78在其端子之一耦合到振荡器62的第二输出66，并在其另一端通过节点86耦合到晶体管72的源极，晶体管70的栅极和二极管82。晶体管70和72的漏极在输入节点90耦接在一起，以及二极管80和82的阴极在输出节点100耦合在一起的。
振荡器由两个参考电压驱动，通常VDD和0V(GND)。这样，当第一输出OSC1处于VDD时，第二输出OSC2是在0V，反之亦然。
电荷泵60的操作如下。在第一阶段，OSC1为0V，以及OSC2为VDD。晶体管70被因此接通，在输入节点90耦合节点84到电压VIN。因此，电容器76开始充电。晶体管72保持非导通，因为其栅极电压不超过其源电压。当时钟改变时，使得OSC1是VDD，以及OSC2为0V，则电压节点84上升到约2VDD。该操作接通晶体管72上，使得它连接节点86到输入节点90，以便充电电容器78。另外，二极管80可以变为正向偏置，以便向输出节点100传送电荷，如果在该节点的电压超过低于在节点84的电压的二极管压降。同时，节点86由OSC2变低被拉低到接近0V，其结果，当其栅极电压低于其源极电压时，晶体管70被关断。一旦时钟再次改变，晶体管72被关断，在节点86的电压上升到VIN和VDD的大约总和，因此，二极管82可变为正向偏置以向输出节点100转移电荷，并且晶体管70被接通以便充电电容器76，准备进行下一个时钟改变。应当理解，图3所示的实施方案包括多个阶段，例如是，第一级S1的输出节点100可以连接到下一个级S2的输入节点90-2，等等。
在图2和3所述的电荷泵在振荡器62的第一阶段和第二阶段从VDD向输出节点传输电荷。通过在上升和下降沿转移电荷，电荷被更经常地转移到输出，从而导致电荷的更有效传递，在电荷泵的减少泄漏和减少高频噪声。此外，由于相对平滑的输出电压，平滑电容不需要提供在输出和地之间，进一步减少渗漏。
还可以看出，使用肖特基二极管80和82显著降低了电路的整流部中的电压损失，因为跨过每个二极管80和82的电压降可能低至0.15V或甚至在某些情况下更小。这导致增加电荷泵级S1的效率，特别是当在低功率架构实现时。进一步，使用完全无源元件以从电容器76和78向输出节点100转移电荷降低了每级S1的复杂性，提供了减少半导体足迹和更大的器件效率。此外，当每个二极管80和82是自控制时，因为它只要向前偏置一伏的一小部分导通时，它可以防止交叉耦合的晶体管的栅极电压相比VIN变得足够大以引起晶体管内的击穿。虽然在图2和3的电荷泵中使用的二极管80和82是肖特基二极管，但可以理解，每个电荷泵同样可以使用其他类型的二极管，尽管具有较少效率。其他类型的二极管可以包括标准的硅二极管或本领域中已知的其他合适二极管。
可以理解，上述电荷泵可使用离散组件来实施或在一个或多个集成电路上实现。还应当理解，一个或多个电荷泵和/或其级可在相同或多个集成电路上制造。应该理解，电荷泵也可以设计和操作以产生负电压。此外，较少直观地，又一个实施例可以通过利用图2中所示的布置和交换漏极和源极连接而形成。因此，N型晶体管70和72的源极可以被连接到节点90，并且所述第一晶体管70的漏极可以连接到节点84。第二晶体管的栅极保持连接到节点84。类似地，第二晶体管的漏极连接到节点86，并且第一晶体管的栅极保持连接至节点84。因此，例如当OSC2变高，在节点86的电压上升到高于Vin，和开关晶体管70打开以对电容器76充电，而电容器78可用于提供电荷到输出100。当时钟交换状态晶体管70关断以及晶体管72接通时，从而使电容器76可以提供充电到输出节点100，而电容器78被充电。
图4示出了可用作电压倍增并包括平行的多个级120.1-120.Q的充电泵的进一步实施例。各阶段是相同的，所以只详细说明第一级120.1。第一级120.1包括晶体管122，其在本例中是P型场效应晶体管。晶体管122的源极连接到输入节点124以接收输入电压VIN。该晶体管的漏极连接到二极管126的阳极和电容器128的第一板。电容器128的第二板被布置成从信号发生器130接收振荡信号。二极管126的阴极被连接到输出节点132。晶体管122的栅极连接到电容器128的第二板。当时钟为低时，晶体管122接通，充电电容器128到VIN在这个例子中为VDD。当该时钟变高(VDD)时，则晶体管122被关断，并二极管126的阳极上的电压上升到2VDD。如果输出节点上的电压足够低，这个正向偏置它以供给充电到输出节点132。图4所示的布置中的级不交叉耦合，以便不介意它们是否时钟重叠。这使得能够从振荡器130提供多个时钟信号，和一些时钟可以在轻负载条件下被禁用，例如响应于“负载信号”。在当所有时钟运行的条件下，每个时钟可以有利地(但不是必须)从它的相邻偏移2n/Q弧度，其中Q是级的数目。该晶体管可以由二极管来代替。该二极管可以是肖特基二极管。
特此提出的权利要求以适用于美国专利局的单一依赖格式起草。然而，应对理解，任何权利要求可取决于同一类型的任何一项前述权利要求，除非该显然不是技术上可行的。

Claims (14)

1.一种电荷泵单元，包括：
输入节点；
输出节点；
Q个信道，其中Q是大于1的整数，并且其中至少两个所述信道包括：
电容器；
单向电流流动设备；
输出二极管；和
信道驱动信号节点；
且其中，所述单向电流流动设备的第一电流节点连接到在信道节点处的所述电容器的第一节点，所述电容器的第二节点被连接到信道驱动信号节点，所述单向电流流动设备的第二电流节点被连接到所述输入节点，以及输出二极管连接在所述信道节点与所述输出节点之间。
2.如权利要求1所述的电荷泵单元，其中，所述单向电流流动设备是晶体管。
3.如权利要求2所述的电荷泵单元，包括：
第一和第二晶体管，通过各自的漏极耦合到输入节点，所述第二晶体管的栅极耦合到在第一信道节点处的所述第一晶体管的源极，所述第一晶体管的栅极耦合到在第二信道节点处的所述第二晶体管的源极；
第一电容器，耦合在所述第一信道节点与第一信道驱动信号节点之间；
第二电容器，耦合在所述第二信道节点和第二信道驱动信号节点之间，所述第一和第二信道驱动信号节点可操作以接收相位相反的第一和第二振荡信号；
第一二极管，耦合在所述第一信道节点和所述输出节点之间；和
第二二极管，耦合在所述第二信道节点和所述输出节点之间。
4.如权利要求3所述的电荷泵单元，其中，一个或多个所述第一和第二二极管是肖特基二极管。
5.如权利要求3所述的电荷泵单元，其中，一个或多个所述第一和第二二极管是硅二极管。
6.如权利要求3所述的电荷泵单元，其中，所述第一和第二晶体管是N型MOSFET。
7.如权利要求3所述的电荷泵单元，其中，所述第一和第二晶体管相等地匹配。
8.一种电荷泵，包括N个如权利要求1所述的电荷泵单元，其中N是≥2的任何正整数，以及具有相反相位的第一和第二振荡器输出的振荡器，第一和第二振荡器输出耦合到N个电荷泵单元的每个电荷泵单元的相应第一和第二驱动信号节点，其中，电荷泵单元中的第一电荷泵单元被安排来在其输入节点处接收输入电压，并且其中，从第二电荷泵单元到第n-1电荷泵单元中的每个电荷泵单元具有耦合到先前级的输出节点的其相应输入节点，并且其中，所述第N电荷泵单元具有耦合到第n-1级的输出节点的其输入节点，并被安排以在其输出节点处输出输出电压。
9.如权利要求8所述的电荷泵，其中，第一和第二振荡信号从由输入电压供电的振荡器产生。
10.如权利要求9所述的电荷泵，其中，第一和第二振荡器输出输出具有0V或接地和输入电压之间的电压范围。
11.如权利要求8所述的电荷泵，其中，第一和第二振荡器输出输出方波。
12.如权利要求1所述的电荷泵单元，包括：
第一和第二晶体管，通过各自的源极耦合到输入节点，第二晶体管的栅极耦合到在第一信道节点处的第一晶体管的漏极，第一晶体管的栅极耦合到在第二信道节点处的第二晶体管的漏极；
第一电容器，耦合在所述第一信道节点与第一信道驱动信号节点之间；
第二电容器，耦合在所述第二信道节点和第二信道驱动信号节点之间，所述第一和第二信道驱动节点能够操作以接收相位相反的第一和第二振荡信号；
第一二极管，耦合在第一信道节点和所述输出节点之间；和
第二二极管，耦合在第二信道节点和所述输出节点之间。
13.一种电子设备，包括如权利要求1所述的电荷泵单元。
14.一种电子设备，包括如权利要求8所述的电荷泵。
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