CN104883051B

CN104883051B - 一种多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路

Info

Publication number: CN104883051B
Application number: CN201510278355.1A
Authority: CN
Inventors: 肖筱
Original assignee: 771 Research Institute of 9th Academy of CASC
Current assignee: 771 Research Institute of 9th Academy of CASC
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN104883051A

Abstract

一种多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，包括逻辑单元、控制单元、参考电压产生单元、反馈电阻、电荷泵单元、开关单元、非交叠时钟产生单元及接地保护单元；逻辑单元连接系统使能信号端以及电荷泵使能信号端；控制单元包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元连接电荷泵使能信号端，偏置电流输入端，输入电压选择信号端以及参考电压产生单元信号输出端，电荷泵单元包括并联设置的第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵与非交叠时钟产生单元的输出信号互补型连接；开关单元包括串联设置的第一开关单元和第二开关单元，第二开关单元的输出端分别连接接地保护单元以及地线。本发明能够抑制电压纹波，且输出电压可灵活配置。

Description

一种多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路

技术领域

本发明属于电源管理领域，具体涉及一种多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路。

背景技术

电荷泵即结合利用开关和泵电容，将电荷从输入转移到输出，并提供负载所需电流的电路。高效率、低噪声、低成本等优点使电荷泵电路成为电源管理家族中炙手可热的成员之一。

中国实用新型专利CN203643879U名称为“负电压调整电路”公开了一种现有电荷泵系统模块示意图，如图1所示。该系统模块由电压比较器、电荷泵、反馈电阻和负载电阻组成。参考电压Vref连接反馈电阻R1一端，其另一端分别连接电压比较器的同向输入端Vfbk和反馈电阻R2一端，所述电压比较器的输出端Enable连接电荷泵的输入端，所述电荷泵的输出端连接电路输出电压Vout、负载电阻R3一端和反馈电阻R2另一端，所述电压比较器的反向输入端和负载电阻R3的另一端分别连接地电平GND。

该实用新型专利在传统的电荷泵电路基础上增加了比较器和反馈环路模块，通过闭环系统稳定电荷泵的输出电压，提高了电路精度。然而，该结构仍存在如下缺点：

第一，工作模式单一，如果电荷泵损坏或其使能前处于高阻态时，该电路用于系统中会对系统工作状态造成极大威胁，甚至导致系统无法正常工作。

第二，电荷泵仅在一个时钟周期中的部分时间进行充电或放电，其输出电压无法保持连续稳定的状态，必然导致输出纹波值很大。该反馈环路仅能在一定程度上稳定输出电压，但无法满足高精度要求。

第三，该系统仅能产生电源电压的倍增负电压，无法产生可配置输出负压，灵活性较低。

从以上分析可见，需要开发能够在不同模式下工作的电荷泵系统模块，最大程度确保系统稳定性；增强输出纹波的抑制能力，提高电荷泵输出电压的精度；实现可配置的不随电源电压倍增的输出电压，从而提高电荷泵使用的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，解决由于电荷泵输出不定态对系统造成的风险，抑制电压纹波提高输出精度，实现灵活多变的可配置输出电压。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括逻辑单元、控制单元、参考电压产生单元、反馈电阻、电荷泵单元、开关单元、非交叠时钟产生单元以及接地保护单元；

所述的逻辑单元连接系统使能信号端以及电荷泵使能信号端；控制单元包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元连接电荷泵使能信号端，偏置电流输入端，输入电压选择信号端以及参考电压产生单元信号输出端，参考电压产生单元信号输入端连接系统使能信号端，第二控制单元连接参考电压产生单元以及第一控制单元的信号输出端；第二控制单元的输出端连接电荷泵单元，电荷泵单元包括并联设置的第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵与非交叠时钟产生单元的输出信号互补型连接；开关单元包括串联设置的第一开关单元和第二开关单元，电荷泵单元的输出端与第一开关单元连接，第二开关单元的输出端分别连接接地保护单元以及地线；所述的反馈电阻包括第一反馈电阻与第二反馈电阻，第一反馈电阻设置在第一控制单元信号输出端与第二控制单元信号输入端之间，第二反馈电阻设置在第二控制单元信号输入端与第一开关单元输出端之间；

所述的逻辑单元输出多路控制信号，分别连接至第一开关单元，第二开关单元以及接地保护单元，通过施加给系统使能信号端以及电荷泵使能信号端的不同信号，控制电荷泵单元按要求工作。

所述的第一控制单元包括电平转换单元、3-8译码器以及可配置型LDO模块。

所述的第二控制单元包括误差放大器和用于电荷泵输入电压二级调整的一级放大器。

所述的输入电压选择信号端连接三位寄存器。

所述的逻辑单元输出六路控制信号，每两个一组分别连接至第一开关单元，第二开关单元以及接地保护单元。

所述的非交叠时钟产生单元输出四路时钟信号，每两个一组交叉互补连接第一电荷泵和第二电荷泵，使第一电荷泵充电时第二电荷泵放电，第一电荷泵放电时第二电荷泵充电。

所述的第一电荷泵和第二电荷泵内部均包括两个采用常规CMOS传输门结构开关的电荷泵以及两个采用深N阱工艺六端器件开关的电荷泵，两个采用常规CMOS传输门结构开关的电荷泵与两个采用深N阱工艺六端器件开关的电荷泵之间设置泵电容，并且各个电荷泵分别连接非交叠时钟产生单元的输出信号，组成互补型结构。

所述的深N阱工艺六端器件开关包括三个N型MOSFET器件，其中一个设置在主通路上，另两个设置在与主通路并联的辅助通路上；所述的主通路上设置的器件与辅助通路上任意一个器件所接栅极控制信号相同，并与辅助通路上另外一个器件所接栅极控制信号相反。

所述的系统使能信号端和电荷泵使能信号端通过施加不同信号实现正常模式、接地保护模式和外灌电压模式的切换；正常模式下第一开关单元和第二开关单元导通，接地保护单元断开；接地保护模式下第一开关单元和第二开关单元断开，接地保护单元导通；外灌电压模式下第一开关单元、第二开关单元以及接地保护单元均断开，电荷泵单元能够独立关断，由外部电源直接供电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

第一，本发明通过工作模式的自由切换，使得该电荷泵电路相对于整个系统而言能够独立开启或关断，使用灵活方便。

第二，本发明在非交叠时钟产生单元的控制下，实现了可配置的、不随电源电压倍增的输出电压，提高电荷泵使用的灵活性。

第三，本发明第一电荷泵和第二电荷泵采用的互补型结构，并结合使用电压负反馈环路确保了电荷泵的输出端在整个时钟周期内均有持续稳定的负压输出，最大程度的降低了输出纹波电压，提高了输出精度。

进一步的，本发明接地保护模式能够有效防止电荷泵的不定态输出导致系统中高阻节点的存在。此外，外灌电压模式下假如电荷泵由于某种原因无法正常工作，能够由外部电源直接供给电压至系统内，为系统提供双重保护。

进一步的，本发明深N阱工艺六端器件开关能够实现衬底偏置自动选择，衬底偏置自动选择功能一方面避免了体效应对阈值电压的影响，减小导通电阻，准确传输电平，另一方面有效避免了衬底接地后其到负压间PN结导通产生的漏电，提高了电荷泵系统的可靠性。

附图说明

图1现有负电压调整电路的结构示意图；

图2本发明系统电路结构示意图；

图3本发明电荷泵单元的内部电路结构示意图；

图4本发明深N阱工艺六端器件开关电路结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图2，本发明包括逻辑单元1、控制单元、参考电压产生单元4、反馈电阻、电荷泵单元、开关单元、非交叠时钟产生单元9以及接地保护单元10；

逻辑单元1连接系统使能信号端Glo_EN以及电荷泵使能信号端CP_EN；控制单元包括第一控制单元2和第二控制单元3，第一控制单元2连接电荷泵使能信号端CP_EN，偏置电流输入端，输入电压选择信号端以及参考电压产生单元4信号输出端，第二控制单元3连接参考电压产生单元4以及第一控制单元2的信号输出端；第二控制单元3的输出端连接电荷泵单元，电荷泵单元包括并联设置的第一电荷泵5和第二电荷泵6，第一电荷泵5和第二电荷泵6与非交叠时钟产生单元9的输出信号进行互补型连接；开关单元包括串联设置的第一开关单元7和第二开关单元8，电荷泵单元的输出端与第一开关单元7连接，第二开关单元8的输出端分别连接接地保护单元10以及地线；反馈电阻包括第一反馈电阻R1与第二反馈电阻R2，第一反馈电阻R1设置在第一控制单元2信号输出端与第二控制单元3信号输入端之间，第二反馈电阻R2设置在第二控制单元3信号输入端与第一开关单元7输出端之间；

逻辑单元1输出六路控制信号Ctrl1～Ctrl6，其中Ctrl1和Ctrl2连接至第一开关单元7，Ctrl3和Ctrl4连接至第二开关单元8，Ctrl5和Ctrl6连接至接地保护单元10，通过施加给系统使能信号端Glo_EN及电荷泵使能信号端CP_EN的不同信号，控制电荷泵单元按要求工作。

非交叠时钟产生单元9输出四路时钟信号Clk1a，Clk1b，Clk2a，Clk2b，每两个一组交叉互补连接第一电荷泵5和第二电荷泵6，第一电荷泵5按Clk1a，Clk1b，Clk2a，Clk2b的顺序连接，第二电荷泵6按Clk2a，Clk2b，Clk1a，Clk1b的顺序连接，这样使第一电荷泵5充电时第二电荷泵6放电，第一电荷泵5放电时第二电荷泵6充电。

上述的偏置电流输入端外接偏置电流Ibias，地线与第二开关单元8的输出端之间设置负载电容C，输入电压选择信号端为Sel<2:0>。

参见图3，本发明第一电荷泵5和第二电荷泵6内部均包括两个采用常规CMOS传输门结构开关的电荷泵以及两个采用深N阱工艺六端器件开关的电荷泵，两个采用常规CMOS传输门结构开关的电荷泵与两个采用深N阱工艺六端器件开关的电荷泵之间设置泵电容Cp。其中一个电荷泵单元的MN1与Clk1b相连，MN2与Clk1a相连，MN3与Clk2b相连，MN4与Clk2a相连，MP5与Clk1b相连，MP6与Clk1a相连，MP7与Clk2b相连，MP8与Clk2a相连；另一个电荷泵的MN1与Clk2b相连，MN2与Clk2a相连，MN3与Clk1b相连，MN4与Clk1a相连，MP5与Clk2b相连，MP6与Clk2a相连，MP7与Clk1b相连，MP8与Clk1a相连。以其中一个电荷泵单元的工作原理为例，图示开关S1、S3采用普通CMOS传输门结构，开关S2、S4采用适合传递负压的深N阱工艺六端器件。正常工作模式下，充电阶段开关S1、S2闭合，开关S3、S4断开，泵电容Cp充电到电源电压AVDD33；放电阶段，开关S3、S4闭合，开关S1、S2断开，泵电容Cp上极板电压变化至VCTR，根据电容两极板间电压差不能发生突变，下极板电压为VCTR-AVDD33；死区内，开关S1、S2、S3、S4均断开，Cp保持，自此为一个工作周期。采用互补型电荷泵结构是基于这样的发现，目前同类电荷泵一般利用一半时钟进行充电，另一半进行放电，这样在输出端只有半个周期有电压产生，间断性的输出会导致输出电压的不稳定，纹波电压较大，影响电荷泵精度。本发明采用互补型电荷泵结构，使得一个电荷泵在充电的同时，另一个电荷泵处于放电状态，二者结合使用确保了输出端在整个时钟周期内均有持续稳定的负压输出，最大程度的降低了输出纹波电压。

参见图4，本发明深N阱工艺六端器件开关包括三个器件，其中主通路与辅助通路上任意一个器件所接栅极控制信号相同，辅助通路上另外一个器件所接栅极控制信号与之相反。根据驱动电路的控制信号，衬底能够自动选择最低电位与其连接，一方面避免了体效应对阈值电压的影响，进而导致导通电阻变大，无法准确传输电平，另一方面，能够避免衬底接地后其到负压间PN结导通产生的漏电，防止开关管烧毁。此结构共包含3个器件，其中，器件11与16的控制信号相同，与器件21的相反。器件11的源极端口13与器件16的漏极端口18连接于点M，器件11的漏极端口14与器件21的源极端口24连接于点N，器件11的衬底端口15、器件16的衬底端口20和器件21的衬底端口25连接于点P。当V_A为高时，V_B为低，器件11、16导通，器件21断开，衬底连接至M端；当V_B为高时，V_A为低，器件21导通，器件11、16断开，衬底连接至N端。

为了提高电荷泵模块使用的灵活性，多种工作模式进行自由切换是本发明的特点之一。如图2所示，通过系统使能信号Glo_EN和电荷泵使能信号CP_EN经过逻辑运算产生6路控制信号分别控制第一开关单元7、第二开关单元8以及接地保护单元10的行为。当Glo_EN＝0，CP_EN＝1时，第一开关单元7和第二开关单元8的驱动电路接收到逻辑信号Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4后控制开关断开此单元，接地保护单元10的驱动电路接收到逻辑信号Ctr5、Ctr6后控制开关导通该单元，此时电荷泵处于接地保护模式，该模式的设置是防止在系统没有启动前，由于电荷泵的关闭，其输出端的不定态会导致电路中高阻节点的存在。当Glo_EN＝1，CP_EN＝0时，第一开关单元7和第二开关单元8的驱动电路接收到逻辑信号Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4后控制开关导通此单元，接地保护单元10的驱动电路接收到逻辑信号Ctr5、Ctr6后控制开关断开该单元，此时电荷泵处于正常模式。当Glo_EN＝1，CP_EN＝1时，第一开关单元7和第二开关单元8的驱动电路接收到逻辑信号Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4后控制开关断开此单元连接，接地保护单元10的驱动电路接收到逻辑信号Ctr5、Ctr6后控制开关断开该单元，此时电荷泵处于外灌电压模式，电荷泵模块能够独立于系统关断，由外部电源直接供给电压至系统内，为系统提供双重保护。

为了扩展应用范围，本发明通过增加3-8译码器、LDO模块实现了输出电压的可配置性。由寄存器为译码器提供3位输入信号Sel<2:0>，其输出信号控制LDO模块的反馈电阻网络，即对于不同的输入码值，LDO模块反馈电阻阻值不同，进而LDO模块的输出电压也不同，系统反馈环路采集到该电压后经过一系列处理传送至互补型电荷泵单元，在非交叠时钟产生单元9的控制下，电荷泵通过对泵电容Cp进行充放电实现电荷转移，能够得到八种与电源电压不是倍增关系的灵活多样的输出负压。

本发明在现有同类负压电荷泵电路的基础上增加了更多功能，扩展了电荷泵模块的应用范围，提高其使用的可靠性和灵活性。通过设置不同的工作模式，降低了电荷泵模块对系统造成的风险；通过设置寄存器和LDO模块实现了输出电压的可配置性，提高了电荷泵电路的适用性；通过互补型结构和闭环负反馈抑制输出电压纹波，提高了输出精度。本发明核心创新点在于克服了现有技术负压电荷泵模块存在的缺陷，解决了由于电荷泵输出不定态对系统造成的风险，抑制了电压纹波，提高了输出精度，实现了灵活多变的可配置输出电压。

以本发明电荷泵电路工作在正常模式下，输出电压为-0.5V为例，Glo_EN＝1，CP_EN＝0，Ibias＝10uA，Sel<2:0>＝010，此时逻辑单元产生的六路控制信号分别为Ctr1＝0V，Ctr2＝3.3V，Ctr3＝0V，Ctr4＝3.3V，Ctr5＝3.3V，Ctr6＝0V，分别控制第一开关单元7和第二开关单元8开启，接地保护单元10关闭。此种情况下，第一控制单元2输出1.578V电压，经过第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2分压后与参考单元产生的1.2V电压共同进入第二控制单元3中产生2.8V的控制电压，作为互补型电荷泵单元的输入信号。根据本发明工作原理可知，此时输出的电压为-0.5V，通过第一开关单元7和第二开关单元8传送到输出端。闭环电压负反馈系统根据输出电压的大小改变电荷泵模块搬运电荷的多少，从而达到稳定输出电压的目的。

对于接地保护工作模式，Glo_EN＝0，系统和电荷泵单元均处于未使能状态，此时逻辑单元1产生的六路控制信号分别为Ctr1＝3.3V，Ctr2＝0V，Ctr3＝3.3V，Ctr4＝0V，Ctr5＝0V，Ctr6＝3.3V，该六路控制信号分别控制第一开关单元7和第二开关单元8关断，接地保护单元10开启。此时电荷泵输出的信号为0V地电平，避免了系统中高阻结点的出现。

对于外灌电压工作模式，Glo_EN＝1，CP_EN＝1，系统使能正常工作，电荷泵关闭，此时逻辑单元1产生的六路控制信号分别为Ctr1＝3.3V，Ctr2＝0V，Ctr3＝3.3V，Ctr4＝0V，Ctr5＝3.3V，Ctr6＝0V，分别控制第一开关单元7和第二开关单元8、接地保护单元10均关断，电荷泵的输出电压直接由外部电源提供，为系统正常工作提供了双重保护，提高系统可靠性。

从以上分析可见，本发明的负压电荷泵系统采用系统使能信号和电荷泵使能信号的逻辑运算实现三种工作模式的切换，使电荷泵相对于整个系统能够独立开启或关断，使用灵活方便。其中，接地保护模式能够有效防止电荷泵的不定态输出导致系统中高阻节点的存在，外灌电压模式能够避免电荷泵异常导致的整个系统无法正常工作，为系统提供双重保护。此外，实现了能够配置的、不仅随电源电压倍增的输出电压，提高电荷泵使用的灵活性。互补型结构的使用确保了电荷泵的输出端在整个时钟周期内均有持续稳定的负压输出，最大程度的降低了输出纹波电压，电压负反馈环路能够稳定输出电压，提高输出精度。

Claims

1.一种多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：包括逻辑单元(1)、控制单元、参考电压产生单元(4)、反馈电阻、电荷泵单元、开关单元、非交叠时钟产生单元(9)以及接地保护单元(10)；

所述的逻辑单元(1)连接系统使能信号端(Glo_EN)以及电荷泵使能信号端(CP_EN)；控制单元包括第一控制单元(2)和第二控制单元(3)，第一控制单元(2)连接电荷泵使能信号端(CP_EN)，偏置电流输入端，输入电压选择信号端以及参考电压产生单元(4)信号输出端，参考电压产生单元(4)信号输入端连接系统使能信号端(Glo_EN)，第二控制单元(3)连接参考电压产生单元(4)以及第一控制单元(2)的信号输出端；第二控制单元(3)的输出端连接电荷泵单元，电荷泵单元包括并联设置的第一电荷泵(5)和第二电荷泵(6)，第一电荷泵(5)和第二电荷泵(6)与非交叠时钟产生单元(9)的输出信号互补型连接；开关单元包括串联设置的第一开关单元(7)和第二开关单元(8)，电荷泵单元的输出端与第一开关单元(7)连接，第二开关单元(8)的输出端分别连接接地保护单元(10)以及地线；所述的反馈电阻包括第一反馈电阻(R1)与第二反馈电阻(R2)，第一反馈电阻(R1)设置在第一控制单元(2)信号输出端与第二控制单元(3)信号输入端之间，第二反馈电阻(R2)设置在第二控制单元(3)信号输入端与第一开关单元(7)输出端之间；

所述的逻辑单元(1)输出多路控制信号，分别连接至第一开关单元(7)，第二开关单元(8)以及接地保护单元(10)，通过施加给系统使能信号端(Glo_EN)以及电荷泵使能信号端(CP_EN)的不同信号，控制电荷泵单元按要求工作。

2.根据权利要求1所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的第一控制单元(2)包括电平转换单元、3-8译码器以及可配置型LDO模块。

3.根据权利要求1所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的第二控制单元(3)包括误差放大器和用于电荷泵输入电压二级调整的一级放大器。

4.根据权利要求1所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的输入电压选择信号端连接三位寄存器。

5.根据权利要求1所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的逻辑单元(1)输出六路控制信号，每两个一组分别连接至第一开关单元(7)，第二开关单元(8)以及接地保护单元(10)。

6.根据权利要求1所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的非交叠时钟产生单元(9)输出四路时钟信号，每两个一组交叉互补连接第一电荷泵(5)和第二电荷泵(6)，使第一电荷泵(5)充电时第二电荷泵(6)放电，第一电荷泵(5)放电时第二电荷泵(6)充电。

7.根据权利要求1或6所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的第一电荷泵(5)和第二电荷泵(6)内部均包括两个采用常规CMOS传输门结构开关的电荷泵以及两个采用深N阱工艺六端器件开关的电荷泵，两个采用常规CMOS传输门结构开关的电荷泵与两个采用深N阱工艺六端器件开关的电荷泵之间设置泵电容(Cp)，并且各个电荷泵分别连接非交叠时钟产生单元(9)的输出信号，组成互补型结构。

8.根据权利要求7所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的深N阱工艺六端器件开关包括三个N型MOSFET器件，其中一个设置在主通路上，另两个设置在与主通路并联的辅助通路上；所述的主通路上设置的器件与辅助通路上任意一个器件所接栅极控制信号相同，并与辅助通路上另外一个器件所接栅极控制信号相反。

9.根据权利要求1所述的多模式控制可配置型互补片上负压电荷泵电路，其特征在于：所述的系统使能信号端(Glo_EN)和电荷泵使能信号端(CP_EN)通过施加不同信号实现正常模式、接地保护模式和外灌电压模式的切换；正常模式下第一开关单元(7)和第二开关单元(8)导通，接地保护单元(10)断开；接地保护模式下第一开关单元(7)和第二开关单元(8)断开，接地保护单元(10)导通；外灌电压模式下第一开关单元(7)、第二开关单元(8)以及接地保护单元(10)均断开，电荷泵单元能够独立关断，由外部电源直接供电。