CN105356742A - 一种高效率电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率电荷泵，其包括电压源、倍压电路、电压差产生电路和驱动模块。倍压电路包括依次串联于第一电源端和地节点之间的第一开关管、第三开关和第二电容；依次串联于第二电源端和地节点之间的第四开关和第二开关；第一电容的正端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，其负端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连；第三开关和第二电容之间的连接节点与高效率电荷泵的输出端相连；第一电源端与电压源相连。电压差产生电路基于电压源产生并输出差值电压给倍压电路的第二电源端；驱动模块控制各个开关的导通或者关断。与现有技术相比，本发明不需要经过电压转换器即可在输出端得到目标电压，从而提高电荷泵的工作效率。

Description

一种高效率电荷泵

【技术领域】

本发明涉及电压转换的技术领域，特别涉及一种高效率电荷泵。

【背景技术】

在一个系统中，通常会包括不同功能的IC(集成电路)，有些IC会需要一个比外部电源更高的电压才能正常工作，因此，通常系统会使用电荷泵电路来将外部电源的电压提升至这些IC需要的电压，以使这些IC能够正常工作。

请参考图1所示，其为一种传统电荷泵电路的电路示意图，其包括倍压电路110和电压稳压器120。倍压电路110包括开关SW1、SW2、SW3和SW4，电容C1和电容C2，具体连接方式如图1所示。

请参考图2所示，其为图1中倍压电路110各开关的时序图，其中，高电平表示开关导通，低电平表示开关关断。在stage1中，开关SW1和SW2导通，开关SW3和SW4关断，外部电源VDD对电容C1充电，等电容C1的正端电压被冲至等于外部电源VDD的电压时，对电容C1的充电完成；然后进入stage2，此时，开关SW1和SW2关断，并且开关SW4先导通，然后开关SW3再导通，此时，电容C1的正端电压等于2*VDD(VDD为外部电源VDD的电压值)，并且会充电至电容C2，其实是电容C1和C2进行电荷分配；stage1+stage2为一个充电周期，等经过若干次充电周期后，最终，电容C2的正端电压会达到2*VDD。此即为倍压电路110的工作模式。

接着，可以由倍压电路110得到的2*VDD的电压作为后级电压稳压器120的电源VP。电压稳压器120包括运算放大器OP2，电阻R4和R5，电容C3，具体连接关系如图1所示。稳压器120的输出电压VOUT＝VREF/R5*(R4+R5)，其中，VREF为运算放大器OP2的正向输入端连接的参考电压VREF的电压值，R4为电阻R4的电阻值，R5为电阻R5的电阻值。可见，通过调整电阻R4和电阻R5的比值即可得到我们最终需要的输出电压VOUT，其中，输出电压VOUT的电压范围是0～VDD*2，从而通过图1所示的电荷泵，我们可以得到低于VDD*2的任意电压。

图1所示的传统电荷泵称为稳压式电荷泵，稳压式电荷泵因为电压稳压器110的存在，导致其工作效率最高只能达到VOUT/(VDD*2)*100％，这是由电压稳压器的特性决定的。这样对于一些电池作为外部电源应用的情况，就会缩短电池的使用寿命。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高效率电荷泵，其不需要经过电压转换器即可在输出端得到目标电压，从而提高电荷泵的工作效率，进而达到延长电池寿命的目的。

为了解决上述问题，本发明提供一种高效率电荷泵，其包括电压源、倍压电路、电压差产生电路和驱动模块。所述倍压电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电容和第二电容，其中，第一开关管、第三开关和第二电容依次串联于所述倍压电路的第一电源端和地节点之间；第四开关和第二开关依次串联于所述倍压电路的第二电源端和地节点之间；第一电容的正端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，其负端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连；第三开关和第二电容之间的连接节点作为所述倍压电路的输出端与高效率电荷泵的输出端相连；所述倍压电路的第一电源端与电压源相连。所述电压差产生电路基于电压源产生并输出差值电压给所述倍压电路的第二电源端，所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或者关断，其中，在控制第一开关和第二开关导通时，控制第三开关和第四开关关断；在控制第一开关和和第二开关关断时，先控制第四开关导通，再控制第三开关导通。

进一步的，所述驱动信号包括第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，其中，第一驱动信号与第一开关和第二开关的控制端相连，以控制第一开关和第二开关的导通或者关断；所述第二驱动信号与第四开关的控制端相连，以控制第四开关的导通或者关断，所述第三驱动信号与第三开关的控制端相连，以控制第三开关的导通或者关断。

进一步的，所述电压差产生电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器。所述运算放大器的正向输入端与参考电压相连，其负向输入端经第二电阻与地节点相连，其输出端与所述电压差产生电路的输出端相连；所述第一电阻和第三电阻依次串联于所述电压源和所述电压差产生电路的输出端之间，所述第一电阻和第三电阻之间的连接节点与所述运算放大器的负向输入端相连；所述电压差产生电路的输出端与所述倍压电路的第二电源端相连。

进一步的，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断，当第一驱动信号为高电平时，第二驱动信号和第三驱动信号为低电平，满足如下关系：

VC1＝VDD(1)

其中，VDD为所述电压源的电压值，VC1为电容C1正端的电压值；

当第一驱动信号为低电平时，第二驱动信号先由低电平变为高电平，然后，第三驱动信号再由低电平变为高电平，满足如下关系：

VOUT＝VM+VDD(2)

其中，VOUT为所述高效率电荷泵输出端的电压值，VM为所述倍压电路第二电源端的电压值，VDD为所述倍压电路第一电源端的电压值。

进一步的，所述电压差产生电路输出端的电压VM＝VREF*(R1*R2+R2*R3+R1*R3)/(R1*R2)-VDD*R3/R1(3)

若R1＝R3，公式(3)化简为：

VM＝VREF*(2*R2+R1)/R2-VDD(4)

联合公式(2)和(4)可得：

VREF*(2*R2+R1)/R2＝VOUT(5)，

其中，VREF为所述参考电压VREF的电压值，R1、R2和R3分别为第一电阻，第二电阻和第三电阻的电阻值，VDD为电压源VDD的电压值，VOUT为高效率电荷泵的输出端的电压值。

进一步的，基于公式(4)和(5)可知：若R1＝R3，通过选择合适的R1和R2的比值，实现对所述高效率电荷泵的输出电压VOUT的调节，以满足目标电压；所述高效率电荷泵的输出电压的范围为VDD～VDD*2。

进一步的，所述四个开关为MOS晶体管，所述第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号为时钟信号；所述电容C1和电容C2为飞电容。

进一步的，所述电压源为由电池供电的电压源。

与现有技术相比，本发明中的电荷泵包括倍压电路和电压差产生电路，所述倍压电路将所述电压源的电压和电压差产生电路的输出电压相加作为高效率电荷泵的输出电压，从而避免了使用电压稳压器，提高了电荷泵的工作效率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为一种传统电荷泵电路的电路示意图；

图2为图1中倍压电路各开关的时序图；

图3为本发明在一个实施例中的高效率电荷泵的电路示意图；

图4为在一个实施例中，图3所示的驱动信号CK1、CK2和CK3的时序图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

由于现在移动便携式电子产品越来越多，且电池在此类产品中的应用越来越广泛，我们对低功耗的要求也越来越强烈，因此，本发明设置了高效率的电荷泵，其通过避免使用传统电荷泵中常用的电压稳压器，从而提高电荷泵的工作效率，进而达到延长电池寿命的目的。

请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中的高效率电荷泵的电路示意图。图3所示的高效率电荷泵包括电压源VDD(或称外部电源)，倍压电路210、电压差产生电路220和驱动模块230。

所述倍压电路210的电路结构与图1中的倍压电路110的电路结构相同。所述倍压电路210包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第一电容C1和第二电容C2，其中，第一开关管SW1、第三开关SW3和第二电容C2依次串联于所述倍压电路210的第一电源端和地节点之间；第四开关SW4和第二开关SW2依次串联于所述倍压电路210的第二电源端和地节点之间；第一电容C1的正端与第一开关SW1和第三开关SW3之间的连接节点相连，其负端与第二开关SW2和第四开关SW4之间的连接节点相连；第三开关SW3和第二电容C2之间的连接节点作为所述倍压电路210的输出端与高效率电荷泵的输出端VOUT相连；所述倍压电路210的第一电源端与电压源VDD相连。所述倍压电路210通过开关电容，进行电压转换。

所述驱动模块230输出驱动信号以控制开关SW1-SW4的导通或者关断，其中，在控制第一开关SW1和第二开关SW2导通时，控制第三开关SW3和第四开关SW4关断；在控制第一开关SW1和第二开关SW2关断时，先控制第四开关SW4导通，再控制第三开关SW3导通。

在图3所示的实施例中，所述驱动模块230输出的驱动信号包括第一驱动信号CK1、第二驱动信号CK2和第三驱动信号CK3，其中，第一驱动信号CK1与第一开关SW1和第二开关SW2的控制端相连，以控制第一开关SW1和第二开关SW2的导通或者关断；第二驱动信号CK2与第四开关SW4的控制端相连，以控制第四开关SW4的导通或者关断；第三驱动信号CK3与第三开关SW3的控制端相连，以控制第三开关SW3的导通或者关断。在一个具体的实施例中，开关SW1-SW4都为NMOS(N-ChannelMetalOxideSemiconductor)晶体管，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断。以下基于图4具体介绍图3中的倍压电路210的工作过程。请参考图4所示，其为在一个实施例中，图3所示的驱动信号(或时钟信号)CK1、CK2和CK3的时序图。在图4所示的实施例中，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断。

在stage1，当第一驱动信号CK1为高电平时，第二驱动信号CK2和第三驱动信号CK3为低电平，驱动模块230控制开关SW1和SW2导通，控制开关SW3和SW4关断，电压源VDD对电容C1充电，等电容C1的正端电压被冲至等于电压源VDD的电压时，对电容C1的充电完成，此时满足如下关系：

VC1＝VDD(1)

其中，VDD为所述电压源VDD的电压值，VC1为电容C1的正端电压值。

在stage2，当第一驱动信号CK1为低电平时，第二驱动信号CK2先由低电平跳变为高电平，然后，第三驱动信号CK3再由低电平跳变为高电平，驱动模块230控制开关SW1和SW2关断，并先控制开关SW4导通，再控制开关SW3导通，此时，电容C1的正端电压等于VM+VDD，并且会充电至电容C2，其实是电容C1和C2进行电荷分配；stage1+stage2为一个充电周期，等经过若干次充电周期后，最终，电容C2的正端电压会达到VM+VDD，

即VOUT＝VM+VDD(2)

其中，VOUT为图2所示的高效率电荷泵输出端的电压值，VM为所述倍压电路210第二电源端的电压值(其等于电压差产生电路220的输出电压)，VDD为所述倍压电路210第一电源端的电压值(其等于电压源VDD的电压)。也就是说，所述倍压电路210将所述电压源VDD的电压和电压差产生电路220的输出电压相加得到高效率电荷泵的输出电压VOUT。

请继续参考图3所示，所述电压差产生电路220基于电压源VDD产生并输出差值电压(即输出电压VM)给所述倍压电路210的第二电源端。在图3所示的实施例中，所述电压差产生电路220包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和运算放大器OP1。所述运算放大器OP1的正向输入端与参考电压VREF相连，其负向输入端经电阻R2与地节点相连，其输出端与所述电压差产生电路220的输出端VM相连；所述第一电阻R1和第三电阻R3依次串联于所述电压源VDD和所述电压差产生电路220的输出端VM之间，所述第一电阻R1和R3之间的连接节点与所述运算放大器OP1的负向输入端相连；所述电压差产生电路220的输出端VM与所述倍压电路210的第二电源端相连。我们不难推出，电压差产生电路220的输出电压VM为：VM＝VREF*(R1*R2+R2*R3+R1*R3)/(R1*R2)-VDD*R3/R1(3)，

如果我们使R1＝R3，公式(3)可化简为：

VM＝VREF*(2*R2+R1)/R2-VDD(4)，

联合公式(2)和(4)可得：

VREF*(2*R2+R1)/R2＝VOUT(5)，

其中，VREF为所述参考电压VREF的电压值，R1、R2和R3分别为第一电阻R1，第二电阻R2和第三电阻R3的电阻值，VDD为电压源VDD的电压值，VOUT为高效率电荷泵的输出端VOUT的输出电压值。

基于公式(4)和(5)可知：若R1＝R3，通过选择合适的R1和R2的比值，即可调节电压差产生电路220的输出电压VM的电压值，从而实现对所述高效率电荷泵的输出电压VOUT的电压值的调节，以满足目标电压。当然，因为图3中的运算放大器OP1的电源电压等于电压源VDD的电压，所以，所述电压差产生电路220的输出电压VM的最大值等于VDD。也就是说，在图3所示的实施例中，若R1＝R3，我们只需要选择合适的R1和R2的比值，就可以得到范围在VDD～VDD*2之间的任意输出电压VOUT。由于图3所示的高效率电荷泵没有使用电压稳压器，在所有元件都是理想的情况下，其效率可达到100％，因此，其效率远远大于传统稳压式电荷泵。

需要特别说明的是，所述电压源VDD可以为电池，所述电容C1和电容C2可以为飞电容；本发明中的电压差产生电路不仅仅局限于图3所示的电压差产生电路220，其也可以采样现有技术中的任一一种电压差产生电路，只要可以基于电压源产生并输出差值电压，且该差值电压可调节即可，故在此不再赘述。

综上所述，本发明中的电荷泵包括倍压电路210和电压差产生电路220，所述倍压电路210将所述电压源VDD的电压和电压差产生电路220的输出电压相加作为高效率电荷泵的输出电压VOUT，通过调节所述倍压电路210内的电阻比值，从而调节高效率电荷泵的输出电压VOUT，以满足目标电压。由于本发明未使用电压稳压器，因此，提高了电荷泵的工作效率，从而达到延长电池寿命的目的。

在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (8)

1.一种高效率电荷泵，其特征在于，其包括电压源、倍压电路、电压差产生电路和驱动模块，

所述倍压电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电容和第二电容，其中，第一开关管、第三开关和第二电容依次串联于所述倍压电路的第一电源端和地节点之间；第四开关和第二开关依次串联于所述倍压电路的第二电源端和地节点之间；第一电容的正端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，其负端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连；第三开关和第二电容之间的连接节点作为所述倍压电路的输出端与高效率电荷泵的输出端相连；所述倍压电路的第一电源端与电压源相连，

所述电压差产生电路基于电压源产生并输出差值电压给所述倍压电路的第二电源端，

所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或者关断，其中，在控制第一开关和第二开关导通时，控制第三开关和第四开关关断；在控制第一开关和和第二开关关断时，先控制第四开关导通，再控制第三开关导通。

2.根据权利要求1所述的高效率电荷泵，其特征在于，

所述驱动信号包括第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，其中，第一驱动信号与第一开关和第二开关的控制端相连，以控制第一开关和第二开关的导通或者关断；所述第二驱动信号与第四开关的控制端相连，以控制第四开关的导通或者关断，所述第三驱动信号与第三开关的控制端相连，以控制第三开关的导通或者关断。

3.根据权利要求2所述的所述的高效率电荷泵，其特征在于，

所述电压差产生电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器，

所述运算放大器的正向输入端与参考电压相连，其负向输入端经第二电阻与地节点相连，其输出端与所述电压差产生电路的输出端相连；所述第一电阻和第三电阻依次串联于所述电压源和所述电压差产生电路的输出端之间，所述第一电阻和第三电阻之间的连接节点与所述运算放大器的负向输入端相连；所述电压差产生电路的输出端与所述倍压电路的第二电源端相连。

4.根据权利要求3所述的高效率电荷泵，其特征在于，

驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断，

当第一驱动信号为高电平时，第二驱动信号和第三驱动信号为低电平，满足如下关系：

VC1＝VDD(1)

其中，VDD为所述电压源的电压值，VC1为电容C1正端的电压值；

当第一驱动信号为低电平时，第二驱动信号先由低电平变为高电平，然后，第三驱动信号再由低电平变为高电平，满足如下关系：

VOUT＝VM+VDD(2)

其中，VOUT为所述高效率电荷泵输出端的电压值，VM为所述倍压电路第二电源端的电压值，VDD为所述倍压电路第一电源端的电压值。

5.根据权利要求4所述的高效率电荷泵，其特征在于，

所述电压差产生电路输出端的电压VM＝VREF*(R1*R2+R2*R3+R1*R3)/(R1*R2)-VDD*R3/R1(3)

若R1＝R3，公式(3)化简为：

VM＝VREF*(2*R2+R1)/R2-VDD(4)

联合公式(2)和(4)可得：

VREF*(2*R2+R1)/R2＝VOUT(5)，

其中，VREF为所述参考电压VREF的电压值，R1、R2和R3分别为第一电阻，第二电阻和第三电阻的电阻值，VDD为电压源VDD的电压值，VOUT为高效率电荷泵的输出端的电压值。

6.根据权利要求5所述的高效率电荷泵，其特征在于，

基于公式(4)和(5)可知：

若R1＝R3，通过选择合适的R1和R2的比值，实现对所述高效率电荷泵的输出电压VOUT的调节，以满足目标电压；

所述高效率电荷泵的输出电压的范围为VDD～VDD*2。

7.根据权利要求1所述的高效率电荷泵，其特征在于，

所述四个开关为MOS晶体管，所述第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号为时钟信号；

所述电容C1和电容C2为飞电容。

8.根据权利要求根据权利要求1所述的高效率电荷泵，其特征在于，

所述电压源为由电池供电的电压源。