CN106160459A - 快速瞬态响应的电荷泵电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种电源系统。快速瞬态响应的电荷泵电路系统，包括一电荷泵电路，用于提供一输出电压至一受控负载；电荷泵电路包括：一误差放大器，对一参考电压和一采样自输出电压的电压反馈信号进行比较产生一误差放大信号，误差放大器于一第二控制信号的作用下于具有第一增益的电路拓扑和具有第二增益的电路拓扑之间切换以改变误差放大信号的大小；一电荷泵控制电路，于误差放大信号的作用下产生一组开关控制信号；设置有储能电容的工作电路，于开关控制信号作用下改变储能电容的充放电时间，以稳定输出电压。本发明于负载电流突变之前改变误差放大器的增益，减小输出电压的波动，可以增强瞬态响应，改善系统性能。

Description

快速瞬态响应的电荷泵电路系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种电源系统。

背景技术

电荷泵是利用电容作为储能元件的一种开关电源，其内部通过控制开关管阵列来控制电容的充放电，实现电压转化，依据不同的拓扑结构，可以实现升压、降压和电压反转功能，由于电荷泵电路外接电路简单，且没有使用电感作为储能元件，因而电磁干扰小，广泛应用于测量仪器、数码相机及便携式通信设备中，瞬态响应是衡量电源系统性能的一个重要指标，反映了电源系统对负载发生阶跃变化时其输出电压能够快速响应的能力，典型的电荷泵电路应用系统如图1和图2所示，当负载电流ILOAD跳变时，由于电路的输出电压无法瞬态跟踪负载电流的快速变化，易于造成输出电压较大波动，使得系统的正常工作面临很大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种快速瞬态响应的电荷泵电路系统，解决以上技术问题；

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其中，包括一电荷泵电路，用于提供一输出电压至一受控负载；所述电荷泵电路包括：

一误差放大器，对一参考电压和一采样自所述输出电压的电压反馈信号进行比较产生一误差放大信号，所述误差放大器于一第二控制信号的作用下于具有第一增益的电路拓扑和具有第二增益的电路拓扑之间切换以改变所述误差放大信号的大小；

一电荷泵控制电路，于所述误差放大信号的作用下产生一组开关控制信号；

一设置有储能电容的工作电路，于所述开关控制信号作用下改变所述储能电容的充放电时间，以稳定输出电压。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述第二控制信号通过一控制电路产生。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述控制电路还用于产生一第一控制信号，所述第一控制信号控制所述受控负载的负载电流降低或增加，所述控制电路于所述负载电流降低或增加之前的预定时间内产生所述第二控制信号。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述工作电路包括，

一输入电压端，与一工作电压连接；

一输出电压端，用于提供输出电压；

第一开关支路，连接于所述输入电压端和一第一参考节点之间；

第二开关支路，连接于所述第一参考节点和接地端之间；

第三开关支路，连接于所述输出电压端和一第二参考节点之间；

第四开关支路，连接于所述第二参考节点和接地端之间；

所述第一开关支路、所述第二开关支路、所述第三开关支路和所述第四开关支路的控制端分别与所述开关控制信号连接；

所述储能电容连接于所述第一参考节点和所述第二参考节点之间；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关支路和所述第四开关支路导通，所述第二开关支路和所述第三开关支路断开，所述输入电压端向所述储能电容充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第二开关支路和所述第三开关支路导通，所述第一开关支路和所述第四开关支路断开，自所述储能电容两端向所述输出电压端放电。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述电压反馈信号通过一反馈网络产生，所述反馈网络主要由一电阻分压电路形成，所述电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于所述输出电压端与接地端之间的分压电阻，所述分压电阻间相连接的点形成分压节点，所述电压反馈信号自所述分压节点引出。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述误差放大器包括，

工作电压端，用于输入所述工作电压；

第一输入端，用于输入一第一输入信号；

第二输入端，用于输入一第二输入信号；

输出端，用于输出所述误差放大信号；

复数个MOS管组成的差分放大电路，可控制地连接于所述工作电压端、所述接地端、所述第一输入端、所述第二输入端及所述输出端之间，用于对所述第一输入信号和所述第二输入信号进行差分放大以输出所述误差放大信号；

所述差分放大电路中预定的所述MOS管的两端并联一第二MOS管，所述第二MOS管的栅极与预定的所述MOS管的栅极之间连接一开关支路，所述开关支路于所述第二控制信号的作用下导通或断开，以实现所述差分放大电路于所述具有第一增益的电路拓扑和所述具有第二增益的电路拓扑之间切换。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述差分放大电路包括，

第一PMOS管，其源极连接一第一交汇节点，其漏极连接一第二交汇节点，其栅极连接所述第一输入端；

第二PMOS管，其源极连接所述第一交汇节点，其漏极连接一第三交汇节点，其栅极连接所述第二输入端；

第三PMOS管，其栅极连接一第一偏置电压，其源极连接所述工作电压端，漏极连接所述第一交汇节点，于所述第一偏置电压的作用下提供第一偏置电流。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，还包括一第四PMOS管，并联于所述第三PMOS管的源极和漏极之间，所述第四PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的栅极之间连接一第五开关支路，所述第五开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第二PMOS管与所述第一PMOS管同步工作，以改变所述第一偏置电流的大小。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述差分放大电路包括，

第一NMOS管，连接于所述第二交汇节点和电源地之间，其栅极连接一第二偏置电压；

第二NMOS管，连接于所述第三交汇节点和电源地之间，其栅极连接所述第二偏置电压；

所述第一NMOS管和所述第二NMOS管于所述第二偏置电压的作用下以产生第二偏置电流。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，所述差分放大电路还包括，

第三NMOS管，并联于所述第一NMOS管的源极和漏极之间，所述第三NMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极之间连接一第六开关支路，所述第六开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第三NMOS管与所述第一NMOS管同步工作；

第四NMOS管，并联于所述第二NMOS管的源极和漏极之间，所述第四NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极之间连接一第七开关支路，所述第七开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第四NMOS管与所述第二NMOS管同步工作。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明于负载电流突变之前改变误差放大器的增益，减小输出电压的波动，可以增强瞬态响应，改善系统性能。

附图说明

图1为传统的电源系统结构图；

图2为传统的输出电压和负载电流的波形图；

图3为本发明的电源系统结构图；

图4为本发明的电荷泵电路结构示意图；

图5为本发明的第二控制信号、误差放大信号、输出电压、负载电流的波形图；

图6为本发明的误差放大器的电路结构示意图；

图7为本发明的第五开关支路示意图；

图8为本发明的第六开关支路示意图；

图9为本发明的第七开关支路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图3、图4，快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其中，包括一电荷泵电路1，用于提供一输出电压Vout至一受控负载3；电荷泵电路1包括：

一误差放大器123，对一参考电压Vref和一采样自输出电压Vout的电压反馈信号Vfb进行比较产生一误差放大信号Iea，误差放大器123于第二控制信号s2的作用下具有第一增益的电路拓扑和具有第二增益的电路拓扑之间切换以改变误差放大信号Iea大小；

一电荷泵控制电路121，于误差放大信号Iea的作用下产生一组开关控制信号；

设置有储能电容的工作电路，于开关控制信号作用下改变储能电容的充放电时间，以稳定输出电压。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，第二控制信号s2通过一控制电路2产生。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，控制电路2还用于产生一第一控制信号s1，控制电路于第一控制信号s1控制受控负载3的负载电流Iload增加或降低之前的预定时间内产生所述第二控制信号s2。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，工作电路可以包括，

一输入电压端，与一工作电压VDD连接；

一输出电压端，用于提供输出电压Vout；

第一开关支路，连接于输入电压端和一第一参考节点x1之间；

第二开关支路，连接于第一参考节点x1和接地端GND之间；

第三开关支路，连接于输出电压端和一第二参考节点x2之间；

第四开关支路，连接于第二参考节点x2和接地端GND之间；

第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路和第四开关支路的控制端分别与开关控制信号连接；

储能电容C1连接于第一参考节点x1和第二参考节点x2之间；

工作电路于充电模式时，第一开关支路和第四开关支路导通，第二开关支路和第三开关支路断开，输入电压端向储能电容C1充电；

工作电路于放电模式时，第二开关支路和第三开关支路导通，第一开关支路和第四开关支路断开，自储能电容C1两端向输出电压端放电。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，电压反馈信号Vfb可以通过一反馈网络13产生，反馈网络13主要由一电阻分压电路形成，电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出端与接地端之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点，电压反馈信号Vfb自分压节点引出。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，误差放大器123包括，

工作电压端，用于输入一工作电压VDD；

第一输入端Vin1，用于输入一第一输入信号；

第二输入端Vin2，用于输入一第二输入信号；

输出端EAout，用于输出误差放大信号Iea；

复数个MOS管组成的差分放大电路，可控制地连接于工作电压端、接地端、第一输入端Vin1、第二输入端Vin2及输出端EAout之间，用于对第一输入信号和第二输入信号进行差分放大以输出误差放大信号EAout；

差分放大电路中预定的MOS管的两端并联一第二MOS管，第二MOS管的栅极与预定的MOS管的栅极之间连接一开关支路，开关支路于第二控制信号s2的作用下导通或断开，以实现该差分放大电路具有第一增益的电路拓扑和具有第二增益的电路拓扑之间切换。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，差分放大电路包括，

第一PMOS管M1，其源极连接一第一交汇节点A，其漏极连接一第二交汇节点X，其栅极连接第一输入端Vin1；

第二PMOS管M2，其源极连接第一交汇节点A，其漏极连接一第三交汇节点Y，其栅极连接第二输入端Vin2；

第三PMOS管M11，其栅极连接一第一偏置电压Vb5，其源极连接工作电压VDD，漏极连接第一交汇节点A，于第一偏置电压Vb5的作用下提供第一偏置电流。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，还包括一第四PMOS管M12，并联于第三PMOS管M11的源极和漏极之间，第四PMOS管M12的栅极与第三PMOS管M11的栅极之间连接一第五开关支路，第五开关支路于第二控制信号s2的作用下导通时，第二PMOS管M2与第一PMOS管M1同步工作，以改变第一偏置电流的大小。如图7所示，第五开关支路于第二控制信号s2的作用下导通时，第四PMOS管M12的栅极Vb6与第一偏置电压Vb5连通。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，差分放大电路包括，

第一NMOS管M5，连接于第二交汇节点X和电源地GND之间，其栅极连接一第二偏置电压；

第二NMOS管M6，连接于第三交汇节点Y和电源地之间，其栅极连接第二偏置电压Vb4；

第一NMOS管M5和第二NMOS管M6于第二偏置电压Vb4的作用下以产生第二偏置电流。

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，差分放大电路还可以进一步包括，

第三NMOS管M13，并联于第一NMOS管M5的源极和漏极之间，第三NMOS管M13的栅极与第一NMOS管M5的栅极之间连接一第六开关支路，第六开关支路于第二控制信号s2的作用下导通时，第三NMOS管M13与第一NMOS管M5同步工作；如图8所示，第六开关支路于第二控制信号s2的作用下导通时，第三NMOS管M13的栅极Vb7与第二偏置电压Vb4连通；

第四NMOS管M14，并联于第二NMOS管M6的源极和漏极之间，第四NMOS管M14的栅极与第二NMOS管M6的栅极之间连接一第七开关支路，第七开关支路于第二控制信号s2的作用下导通时，第四NMOS管M14与第二NMOS管M6同步工作。如图9所示，第七开关支路于第二控制信号s2的作用下导通时，第四NMOS管M14的栅极Vb8与第二偏置电压Vb4连通；

本发明的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，差分放大电路主要采用差分输入单端输出的共源共栅结构。优选采用折叠共源共栅结构，以提高增益，及增加电源电压的噪声抑制能力。

如图5的波形图可以看出，本发明于负载电流突变之前产生第二控制信号以改变误差放大器在具有第一增益的电路拓扑和具有第二增益的电路拓扑之间切换，可以减小输出电压的波动，增强瞬态响应，改善系统性能。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，包括一电荷泵电路，用于提供一输出电压至一受控负载；所述电荷泵电路包括：

一误差放大器，对一参考电压和一采样自所述输出电压的电压反馈信号进行比较产生一误差放大信号，所述误差放大器于一第二控制信号的作用下于具有第一增益的电路拓扑和具有第二增益的电路拓扑之间切换以改变所述误差放大信号的大小；

一电荷泵控制电路，于所述误差放大信号的作用下产生一组开关控制信号；

一设置有储能电容的工作电路，于所述开关控制信号作用下改变所述储能电容的充放电时间，以稳定所述输出电压。

2.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述第二控制信号通过一控制电路产生。

3.根据权利要求2所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述控制电路还用于产生一第一控制信号，所述第一控制信号控制所述受控负载的负载电流降低或增加，所述控制电路于所述负载电流降低或增加之前的预定时间内产生所述第二控制信号。

4.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，

所述工作电路包括，

一输入电压端，与一工作电压连接；

一输出电压端，用于提供输出电压；

第一开关支路，连接于所述输入电压端和一第一参考节点之间；

第二开关支路，连接于所述第一参考节点和接地端之间；

第三开关支路，连接于所述输出电压端和一第二参考节点之间；

第四开关支路，连接于所述第二参考节点和接地端之间；

所述第一开关支路、所述第二开关支路、所述第三开关支路和所述第四开关支路的控制端分别与所述开关控制信号连接；

所述储能电容连接于所述第一参考节点和所述第二参考节点之间；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关支路和所述第二开关支路导通，所述第三开关支路和所述第四开关支路断开，所述输入电压端向所述储能电容充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第三开关支路和所述第四开关支路导通，所述第一开关支路和所述第二开关支路断开，自所述储能电容两端向所述输出电压端放电。

5.根据权利要求4所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述电压反馈信号通过一反馈网络产生，所述反馈网络主要由一电阻分压电路形成，所述电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于所述输出电压端与接地端之间的分压电阻，所述分压电阻间相连接的点形成分压节点，所述电压反馈信号自所述分压节点引出。

6.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述误差放大器包括，

工作电压端，用于输入所述工作电压；

第一输入端，用于输入一第一输入信号；

第二输入端，用于输入一第二输入信号；

输出端，用于输出所述误差放大信号；

复数个MOS管组成的差分放大电路，可控制地连接于所述工作电压端、所述接地端、所述第一输入端、所述第二输入端及所述输出端之间，用于对所述第一输入信号和所述第二输入信号进行差分放大以输出所述误差放大信号；

所述差分放大电路中预定的所述MOS管的两端并联一第二MOS管，所述第二MOS管的栅极与预定的所述MOS管的栅极之间连接一开关支路，所述开关支路于所述第二控制信号的作用下导通或断开，以实现所述差分放大电路于所述具有第一增益的电路拓扑和所述具有第二增益的电路拓扑之间切换。

7.根据权利要求6所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述差分放大电路包括，

第一PMOS管，其源极连接一第一交汇节点，其漏极连接一第二交汇节点，其栅极连接所述第一输入端；

第二PMOS管，其源极连接所述第一交汇节点，其漏极连接一第三交汇节点，其栅极连接所述第二输入端；

第三PMOS管，其栅极连接一第一偏置电压，其源极连接所述工作电压端，漏极连接所述第一交汇节点，于所述第一偏置电压的作用下提供第一偏置电流。

8.根据权利要求7所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，还包括一第四PMOS管，并联于所述第三PMOS管的源极和漏极之间，所述第四PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的栅极之间连接一第五开关支路，所述第五开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第二PMOS管与所述第一PMOS管同步工作，以改变所述第一偏置电流的大小。

9.根据权利要求6所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述差分放大电路包括，

第一NMOS管，连接于所述第二交汇节点和电源地之间，其栅极连接一第二偏置电压；

第二NMOS管，连接于所述第三交汇节点和电源地之间，其栅极连接所述第二偏置电压；

所述第一NMOS管和所述第二NMOS管于所述第二偏置电压的作用下以产生第二偏置电流。

10.根据权利要求8所述的快速瞬态响应的电荷泵电路系统，其特征在于，所述差分放大电路还包括，

第三NMOS管，并联于所述第一NMOS管的源极和漏极之间，所述第三NMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极之间连接一第六开关支路，所述第六开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第三NMOS管与所述第一NMOS管同步工作；

第四NMOS管，并联于所述第二NMOS管的源极和漏极之间，所述第四NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极之间连接一第七开关支路，所述第七开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第四NMOS管与所述第二NMOS管同步工作。