CN106787685A - 使用软启动的负电荷泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耦接在正电源节点与接地节点之间的电荷泵电路。该电荷泵电路响应于从时钟发生器输出的时钟信号而运行，从而在负电压输出节点产生负电压。一种用于该电荷泵电路的软启动电路包括比较电路，该比较电路被配置成用于在该电荷泵电路的启动周期期间将上升的电源电压与该负电压之间所感测的变化的中间电压与斜坡电压进行比较。响应于该比较而选择性地启用该时钟发生器生成这些时钟信号，从而提供脉冲跳跃。

Description

使用软启动的负电荷泵
技术领域
本发明涉及一种DC-DC转换器电路，特别是涉及一种使用软启动操作的负电荷泵转换器电路。
背景技术
参照图1，图1示出了常规的负电荷泵电路10的电路图。电路10包括第一CMOS开关电路12和第二CMOS开关电路14。每个开关电路12和14由一对串联连接的MOSFET(驱动晶体管)形成，这对MOSFET包括p沟道晶体管16和n沟道晶体管18。第一CMOS开关电路12连接在正电压源节点Vpos与接地基准节点Vgnd之间(其中晶体管16的源极连接至正电压源节点Vpos，而晶体管18的源极连接至接地基准节点Vgnd)。第二CMOS开关电路14被连接在接地基准节点Vgnd和负电压输出节点Vneg之间(其中晶体管16的源极被连接到接地基准节点Vgnd，而晶体管18的源极连接到负电压输出节点Vneg)。晶体管16和18的源极-漏极路径在晶体管16、18的漏极端子处彼此连接，以限定第一CMOS开关电路12的正节点20和第二CMOS开关电路14的负节点22。快速电容器C快 速相应地连接在正节点20与负节点22之间。输出电容器C输出连接在负电压输出节点Vneg与接地基准节点Vgnd之间。第一和第二CMOS开关电路12和14内的驱动晶体管的栅极端子各自由驱动器电路24响应于非重叠时钟发生器电路26生成的时钟信号(clk1至clk4)而驱动。图2展示了时钟信号clk1至clk4的波形的一般形状。在波形的每个周期42的第一阶段40期间，第一和第二CMOS开关电路12和14中的p沟道晶体管16各自被接通，并且电流从正电压源节点Vpos流向接地基准节点Vgnd从而对电容器C快速充电。在周期42的第二阶段44期间，第一和第二CMOS开关电路12、14中的n沟道晶体管18各自被接通，从而将充电的电容器C快速的更正的极板连接至地面并且将充电的电容器C快速的更负的极板连接至负电压输出节点Vneg。最终在负电压输出节点Vneg处生成负电压，该负电压具有等于在正电压源节点Vpos处的电压的绝对值。
出于简化和成本降低的原因，对电荷泵电路10的控制优选地是开环。因而，通常不使用对电荷泵电路的运行的软启动控制。时钟信号clk1至clk4的占空比是固定的。然而，本领域中需要对开环型电荷泵电路的软启动控制。
发明内容
在实施例中，一种电路，包括：电荷泵电路，该电荷泵电路耦接在正电源节点与接地节点之间，所述电荷泵电路响应于从时钟发生器输出的多个时钟信号而运行以在负电压输出节点产生负电压；以及用于所述电荷泵电路的软启动电路，该软启动电路包括比较电路，该比较电路被配置成用于在该电荷泵电路启动期间将电源电压与该负电压之间的中间电压与下降的斜坡电压进行比较并且响应于所述比较而选择性地启用时钟发生器以生成所述多个时钟信号。
在实施例中，一种电路，包括：电荷泵电路，该电荷泵电路耦接在正电源节点与接地节点之间，所述电荷泵电路包括被配置成用于生成多个时钟信号的时钟发生器，该电荷泵电路响应于所述多个时钟信号，从而在负电压输出节点产生负电压；以及用于所述电荷泵电路的软启动电路，该软启动电路运行以在软启动期间引起该多个时钟信号的脉冲跳跃，每当该软启动电路所感测的电源电压和该负电压之间的中间电压跨越斜坡电压时，发生所述脉冲跳跃。
在实施例中，一种电路，包括：电荷泵电路，该电荷泵电路具有负电压输出节点；以及用于所述电荷泵电路的软启动电路。电荷泵电路包括：第一CMOS开关电路，该第一CMOS开关电路耦接在正电源节点与接地节点之间并且被配置成用于接收第一时钟信号和第二时钟信号并且具有第一输出端；第二CMOS开关电路，该第二CMOS开关电路耦接在该接地节点与该负电压输出节点之间并且被配置成用于接收第三时钟信号和第四时钟信号并且具有第二输出端；其中，该第一输出端和该第二输出端被配置成用于连接至快速电容器的相反极板；以及时钟发生器电路，该时钟发生器电路被配置成用于生成这些第一至第四时钟信号。该软启动电路包括：电阻式分压器，该电阻式分压器具有至少第一抽头节点，该电阻式分压器耦接在电源电压节点与负电压输出节点之间；斜坡信号发生器，该斜坡信号发生器被配置成用于生成斜坡信号；以及第一比较器，该第一比较器被配置成用于将第一抽头节点处的电压与该斜坡信号的电压进行比较，从而生成第一使能信号，该第一使能信号被施加以控制该时钟发生器电路的启用来生成这些第一至第四时钟信号。
附图说明
为了更好地理解实施例，现在将仅以示例方式参照附图，在附图中：
图1是常规负电荷泵电路的电路图；
图2展示了图1中的电路的时钟信号驱动操作的波形；
图3是使用软启动操作的负电荷泵电路的电路图；
图4展示了图3中的电路的软启动操作的波形；并且
图5展示了脉冲跳跃。
具体实施方式
现在参照图3，该图示出了使用软启动控制的负电荷泵电路100的电路图。电路100包括第一CMOS开关电路112和第二CMOS开关电路114。每个开关电路112和114由一对串联连接的MOSFET(驱动晶体管)形成，这对MOSFET包括p沟道晶体管116和n沟道晶体管118。第一CMOS开关电路112连接在正电压源节点Vpos与接地基准节点Vgnd之间(其中晶体管116的源极连接至正电压源节点Vpos，而晶体管118的源极连接至接地基准节点Vgnd)。第二CMOS开关电路114连接在接地基准节点Vgnd与负电压输出节点Vneg之间(其中晶体管116的源极连接至接地基准节点Vgnd，而晶体管118的源极连接至负电压输出节点Vneg)。晶体管116和118的源极-漏极路径在晶体管116、118的漏极端子处彼此连接，以限定第一CMOS开关电路112的正节点120和第二CMOS开关电路114的负节点122。快速电容器C快速相应地连接在正节点120与负节点122之间。输出电容器C输出连接在负电压输出节点Vneg与接地基准节点Vgnd之间。第一和第二CMOS开关电路112和114内的晶体管的栅极端子各自由驱动器电路124响应于非重叠时钟发生器电路126生成的时钟信号(clk1至clk4)而驱动。
第一CMOS开关电路112包括另一n沟道驱动晶体管128，该驱动晶体管与n沟道晶体管118并联连接以便具有共同的源极端子和漏极端子但是具有单独的栅极端子。晶体管128在大小上小于晶体管118(即，它的宽度尺寸和/或长度尺寸更小；例如，在一个示例情况下，晶体管118与晶体管128的比值可以是10:1，精确的比值由电容器C快速的浪涌电流极限确定)。晶体管128的栅极端子也由驱动器电路124响应于与晶体管118相同的时钟信号clk2而驱动。然而，在施加于晶体管118的栅极端子之前，时钟信号clk2由逻辑与门134选通。与门134的第一输入端接收时钟信号clk2并且与门134的第二输入端接收控制信号SS_OK，该控制信号指示电路100的软启动周期完成。因而，在软启动期间，与门134阻止时钟信号clk2被施加于晶体管118的栅极端子，但是较小的并联连接的晶体管128由时钟信号clk2驱动，从而允许电荷泵运行。当软启动周期完成时，控制信号SS_OK被断言，与门134使时钟信号clk2通过，并且晶体管118的栅极端子然后也由时钟信号clk2驱动。控制信号SS_OK相应地包括使能信号，该使能信号阻止时钟信号clk2在软启动周期期间被施加于n沟道晶体管118的栅极，并且当软启动周期结束时启用n沟道晶体管118以接收通过与门134的时钟信号clk2。
当电荷泵被启用时，电容器C快速的充电电流仅由晶体管116的导通电阻限制，并且电容器C输出的充电电流仅由晶体管118的导通电阻限制。电容器C输出将非常快速地充电，因为晶体管116和118的导通电阻小，这导致可能对电路的可靠性产生不利影响的大浪涌电流。软启动对这个电路的正常运行至关重要。
通过在软启动期间启用较小的晶体管128(并且禁用晶体管118)，电容器C输出的充电电流现在由可以被设置得高得多(例如，10:1)的晶体管128的电阻限制并且浪涌电流减小。
应注意的是，晶体管128不必与第一CMOS开关电路112相关联。晶体管可以改为在第二CMOS开关电路114中。晶体管128被选择用于电路112中，因为该驱动器电路更容易实现(基于地面)，但这不是必需的。晶体管128可以被放置成与电路114的下侧晶体管118并联。应进一步注意的是，晶体管128可以改为是在电路112或电路114中与晶体管116并联耦接的p沟道器件。
电路100进一步包括电阻式分压器电路140，该电阻式分压器电路包括在电压源节点(Vdd)与负电压输出节点Vneg之间串联连接的多个电阻器R1至R3。在示例实现方式中，电压Vdd可以是低电压模拟电源电压或基准电压。电阻式分压器电路140包括在电阻器R1与电阻器R2之间的第一抽头节点142以及在电阻器R2与电阻器R3之间的第二抽头节点144。电阻器R1至R3的电阻值被选择为使得：针对在Vdd和Vneg处的电压的所有可能的值，第二抽头节点144处的电压大于接地基准节点Vgnd处的接地电压，并且第一抽头节点142处的电压稍大于第二抽头节点144处的电压(例如，仅大几十mV)。
控制信号SS_OK由第一比较器电路150生成。比较器电路150的非反相输入端连接至第二抽头节点144。比较器电路150的反相输入端被配置成用于接收递减的斜坡电压V斜坡。比较器电路150的功能是将递减的斜坡电压与第二抽头节点144处的电压进行比较。应注意的是，当Vneg改变(即，下降)时，电源电压Vdd固定，但在所有时间高于接地电压。针对软启动周期的持续时间，斜坡电压将超过第二抽头节点144处的电压并且比较器电路150将不会断言控制信号SS_OK。因此，时钟信号clk2被与门134阻止施加于晶体管118的栅极端子。电路100的软启动改为利用第一CMOS开关电路112中的较小的晶体管128。当递减的斜坡电压下降到低于(跨越)第二抽头节点144处的变化的电压时，软启动周期结束。比较器电路150的输出端改变状态并且控制信号SS_OK被断言。时钟信号clk2然后通过与门134并且被施加于晶体管118的栅极端子。
参照图2，该图展示了由非重叠时钟发生器电路26和126生成的时钟信号clk1至clk4的波形。当使能信号(En)被断言时，从非重叠时钟发生器电路26和126输出时钟信号clk1至clk4。使能信号En由第二比较器电路160生成。比较器电路160的非反相输入端连接到第一抽头节点142。比较器电路160的反相输入端被配置成用于接收递减的斜坡电压V斜坡。比较器电路160的功能是将递减的斜坡电压与第一抽头节点142处的电压进行比较，应理解的是，在软启动周期期间，第一抽头节点142处的电压将在电源电压Vdd稳定时并且在负电压输出节点Vneg处的负输出电压被抽运得较低时而变化。当第一抽头节点142处的变化的电压上升到高于(跨越)递减的斜坡电压时，比较器电路160断言使能信号En，这启用了由非重叠时钟发生器电路126输出的时钟。因此，时钟信号clk1至clk4被施加于第一和第二CMOS开关电路112和114。相反，当第一抽头节点142处的变化的电压下降到低于(跨越)递减的斜坡电压时，比较器电路160取消断言使能信号En，这禁用了由非重叠时钟发生器电路126输出的时钟。在实施例中，当非重叠时钟发生器电路126被禁用时，时钟信号clk1至clk4各自具有固定的逻辑状态(例如，被配置成用于关断晶体管116、118和128)。非重叠时钟发生器电路126的禁用实现了关于时钟信号clk1至clk4的脉冲跳跃模式的运行和电荷泵运行(概括参见图5)。
斜坡电压V斜坡信号由斜坡信号发生器电路148输出。在实施例中，斜坡信号发生器电路148包括数模转换器(DAC)，该数模转换器接收限定了递减的电压斜坡的多比特数字信号D并且将该数字信号转换成参考基准电压Vref(例如，使用如本领域中已知的带隙电路生成)的模拟斜坡。因此，斜坡信号开始于基准电压Vref并且随着时间的推移逐渐减小，直到达到接地电压。当电荷泵被启用时，斜坡信号被启用。
现在另外参考图4，该图概括展示了图3中的电路100的软启动操作的定时。
软启动操作如下进行：当电源电压Vdd在启动时开始上升时，控制信号SS_OK和使能信号En两者不被断言。非重叠时钟发生器电路126相应地被禁用，并且与门134输出逻辑低信号，该逻辑低信号确保晶体管128被关断。在短延迟时间(参考号200)内，电源电压Vdd已经上升到稳定的电压电平。电阻器R1、R2和R3的电阻被选择成使得当Vneg为零时，第一抽头节点142处的电压等于Vref。所以，当V斜坡由于电路的运行而开始下降时，比较器160改变状态并且使能信号En被断言(参考号202)。非重叠时钟发生器电路126通过生成时钟信号clk1至clk4的一个或多个周期42(如图5中的参考号46所示)来对所断言的使能信号En作出响应。比较器150不改变状态，因为第二抽头节点144处的电压电平保持低于斜坡信号的电压。所以，时钟信号clk2被与门134阻止并且仅被施加于第一CMOS开关电路112中的晶体管128。第一CMOS开关电路112的晶体管116和第二CMOS开关电路114的晶体管116和118分别接收时钟信号clk1、clk3和clk4。所施加的时钟信号使电荷泵运行并且将负电压输出节点Vneg处的电压抽运得较低(参考号204)。这种抽运动作将第一和第二抽头节点142和144处的电压转变得较低，并且当第一抽头节点处的电压下降到低于斜坡信号的电压时，比较器160改变状态并且禁用非重叠时钟发生器电路126(参考号好206)。在一段时间内，不供给时钟信号clk1至clk4，从而实现脉冲跳跃形式，如图5中的参考号48所示。
最终，第一抽头节点142处的电压将超过斜坡信号的电压。比较器160再次改变状态并且使能信号En被断言(参考号208)。非重叠时钟发生器电路126通过再次生成时钟信号clk1至clk4的一个或多个周期42(如图5中的参考号50所示)来对所断言的使能信号En作出响应。比较器150不改变状态，因为第二抽头节点144处的电压电平保持低于斜坡信号的电压。所以，时钟信号clk2被与门134阻止并且仅被施加于第一CMOS开关电路112中的晶体管128。第一CMOS开关电路112的晶体管116和第二CMOS开关电路114的晶体管116和118分别接收时钟信号clk1、clk3和clk4。所施加的时钟信号使电荷泵运行并且进一步将负电压输出节点Vneg处的电压抽运得较低(参考号210)。这种抽运动作将第一和第二抽头节点142和144处的电压转变得较低并且当该第一抽头节点处的电压被抽运得低于斜坡信号的电压时，比较器160改变状态并且禁用非重叠时钟发生器电路126(参考号212)。在一段时间内，不供给时钟信号clk1至clk4，从而实现脉冲跳跃形式。
周期性地重复前述过程(202/204/206和208/210/212)。当第一抽头节点142处的电压超过斜坡电压的下降的电压时，发起每个周期。非重叠时钟发生器电路126被启用很短的持续时间46、50来执行电荷抽运，以便将负电压输出节点Vneg处的电压抽运得较低。当降低后的电压使第一抽头节点142处的电压下降到低于斜坡信号的电压时，非重叠时钟发生器电路126被禁用以实现脉冲跳跃48。斜坡电压的下降引起第一抽头节点142处的电压转变，并且当第一抽头节点142处的电压等于斜坡信号的下降的电压时，周期结束。
最终，由于Vneg电压被周期性抽运得较低、电源电压Vdd被稳定并且斜坡信号V斜坡的电压下降，第二抽头节点144处的电压将超过斜坡信号V斜坡的电压并且比较器150将断言控制信号SS_OK(参考号214)。这指示软启动周期结束。第一抽头节点142处的电压也将超过斜坡信号V斜坡的电压并且比较器160将断言使能信号En(参考号216)。在这一点上，与门134将时钟信号clk2传递到第一CMOS切换电路112的晶体管118。电荷泵的常规运行然后发生，以完成将Vneg电压抽运至绝对量值基本上等于电压Vpos的负电压。
已经通过对本发明的示例性实施例的完整且信息性的描述的示例性且非限制性的示例提供了之前的描述。然而，对于相关领域的技术人员而言，鉴于前面的描述，当结合附图和所附权利要求书来阅读本说明书时，各种修改和适配会变得明显。然而，对本发明教导的所有这样和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所限定的本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
电荷泵电路，所述电荷泵电路耦接在正电源节点与接地节点之间，所述电荷泵电路响应于从时钟发生器输出的多个时钟信号而运行以在负电压输出节点产生负电压；以及
用于所述电荷泵电路的软启动电路，所述软启动电路包括比较电路，所述比较电路被配置成用于在所述电荷泵电路启动期间将电源电压与所述负电压之间的中间电压与下降的斜坡电压进行比较并且响应于所述比较而选择性地启用所述时钟发生器以生成所述多个时钟信号。
2.如权利要求1所述的电路，其中，所述比较电路包括比较器，所述比较器具有被耦接成用于接收所述中间电压的第一输入端和被耦接用于接收所述下降的斜坡电压的第二输入端，所述比较器进一步具有生成使能信号的输出端，其中，所述时钟发生器生成所述多个时钟信号的操作由所述使能信号控制。
3.如权利要求1所述的电路，其中，所述软启动电路进一步包括耦接在用于上升的电源电压的电源节点与所述负电压输出节点之间的电阻式分压器电路，所述电阻式分压器电路具有生成所述中间电压的第一抽头节点。
4.如权利要求3所述的电路，其中，所述电阻式分压器电路进一步具有生成小于所述中间电压的附加中间电压的第二抽头节点，所述软启动电路进一步包括附加比较电路，所述附加比较电路被配置成用于在所述电荷泵电路启动期间将所述附加中间电压与所述下降的斜坡电压进行比较并且响应于所述附加比较而选择性地启用所述电荷泵电路内的驱动晶体管。
5.如权利要求4所述的电路，其中，所述电荷泵电路进一步包括与所述驱动晶体管并联耦接的附加晶体管，所述附加晶体管由所述多个时钟信号中的一个时钟信号驱动，并且仅在被所述附加比较电路选择性地启用时，所述驱动晶体管才由所述多个时钟信号中的所述一个时钟信号驱动。
6.如权利要求5所述的电路，其中，所述附加晶体管比所述驱动晶体管更小。
7.一种电路，包括：
电荷泵电路，所述电荷泵电路耦接在正电源节点与接地节点之间，所述电荷泵电路包括被配置成用于生成多个时钟信号的时钟发生器，所述电荷泵电路响应于所述多个时钟信号，从而在负电压输出节点产生负电压；以及
用于所述电荷泵电路的软启动电路，所述软启动电路运行以在软启动期间引起所述多个时钟信号的脉冲跳跃，每当电源电压与所述负电压之间的由所述软启动电路所感测的中间电压跨越斜坡电压时，发生所述脉冲跳跃。
8.如权利要求7所述的电路，其中，所述软启动电路包括被配置成用于将所述中间电压与所述斜坡电压进行比较并且生成使能信号的比较电路，所述时钟发生器响应于所述使能信号而运行。
9.如权利要求7所述的电路，其中，所述软启动电路进一步包括耦接在用于所述电源电压的电源节点与所述负电压输出节点之间的电阻式分压器电路，所述电阻式分压器电路具有生成所述中间电压的抽头节点。
10.如权利要求7所述的电路，其中，所述电荷泵电路包括：
第一驱动晶体管，所述第一驱动晶体管具有被配置成用于接收所述多个时钟信号中的一个时钟信号的第一控制端子；
第二驱动晶体管，所述第二驱动晶体管与所述第一驱动晶体管并联连接并且具有第二控制端子；
其中，所述软启动电路包括逻辑门，所述逻辑门被配置成用于在软启动周期持续时间内阻止所述多个控制信号中的所述一个控制信号施加于所述第二控制端子并且然后在所述软启动周期结束之后将所述多个控制信号中的所述一个控制信号传递到所述第二控制端子。
11.如权利要求10所述的电路，其中，所述软启动电路进一步包括：
电阻式分压器电路，所述电阻式分压器电路耦接在用于所述电源电压的电源节点与所述负电压输出节点之间，所述电阻式分压器电路具有生成阈值电压的第一抽头节点；以及
比较器电路，所述比较器电路被配置成用于将所述斜坡电压与所述阈值电压进行比较以生成用于施加于所述逻辑门的软启动周期结束信号。
12.如权利要求11所述的电路，其中，所述电阻式分压器电路进一步具有生成所述中间电压的第二抽头节点。
13.如权利要求10所述的电路，其中，所述第一驱动晶体管比所述第二驱动晶体管更小。
14.一种电路，包括：
电荷泵电路，所述电荷泵电路具有负电压输出节点并且包括：
第一CMOS开关电路，所述第一CMOS开关电路耦接在正电源节点与接地节点之间并且被配置成用于接收第一时钟信号和第二时钟信号并且具有第一输出端；
第二CMOS开关电路，所述第二CMOS开关电路耦接在所述接地节点与所述负电压输出节点之间并且被配置成用于接收第三时钟信号和第四时钟信号并且具有第二输出端；
其中，所述第一输出端和所述第二输出端被配置成用于连接至快速电容器的相反极板；以及
时钟发生器电路，所述时钟发生器电路被配置成用于生成所述第一至第四时钟信号；以及
用于所述电荷泵电路的软启动电路，所述软启动电路包括：
电阻式分压器，所述电阻式分压器具有至少第一抽头节点，所述电阻式分压器耦接在电源电压节点与所述负电压输出节点之间；
斜坡信号发生器，所述斜坡信号发生器被配置成用于生成斜坡信号；以及
第一比较器，所述第一比较器被配置成用于将所述第一抽头节点处的电压与所述斜坡信号的电压进行比较，从而生成第一使能信号，所述第一使能信号被施加以控制所述时所述钟发生器电路的启用来生成所述第一至第四时钟信号。
15.如权利要求14所述的电路，其中，所述电阻式分压器进一步包括第二抽头节点，所述软启动电路进一步包括：
第二比较器，所述第二比较器被配置成用于将所述第二抽头节点处的电压与所述斜坡信号的所述电压进行比较，从而生成第二使能信号，所述第二使能信号被施加以控制所述第一CMOS开关电路内的晶体管的启用。
16.如权利要求15所述的电路，其中，所述第一CMOS开关电路包括：
p沟道MOSFET；以及
n沟道MOSFET；
其中，所述p沟道MOSFET和所述n沟道MOSFET串联连接；并且
其中，所述第二使能信号被配置成用于启用所述n沟道MOSFET的运行。
17.如权利要求16所述的电路，其中，所述软启动电路进一步包括：
附加MOSFET，所述附加MOSFET与所述n沟道MOSFET并联耦接，所述附加MOSFET具有被配置成用于接收所述第一至第四时钟信号中的一个时钟信号的控制端子；并且
其中，所述n沟道MOSFET具有通过所述第二使能信号被选择性地启用以接收所述第一至第四时钟信号中的所述一个时钟信号的控制端子。
18.如权利要求17所述的电路，其中，所述软启动电路进一步包括逻辑门，所述逻辑门具有被配置成用于接收所述第一至第四时钟信号中的所述一个时钟信号的第一输入端、被配置成用于接收所述第二使能信号的第二输入端以及耦接至所述n沟道MOSFET的所述控制端子的输出端。
19.如权利要求18所述的电路，其中，所述逻辑门是与门。
20.如权利要求17所述的电路，其中，所述附加MOSFET比所述n沟道MOSFET更小。
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