CN107612318B - 电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电荷泵，包括电荷泵主模块，被配置为接收输入信号并产生输入信号的整数倍或者整数分之一的输出信号，其包括N级串联的电荷泵单元，每级电荷泵单元仅通过其他级的电荷泵单元存储其所释放的电荷；时钟模块，被配置为所述各电荷泵单元提供相应的时钟信号；以及输出电容，耦合在所述电荷泵的输出端与地电平之间。本申请还公开了采用电荷泵对电压进行调整的方法。

Description

电荷泵电路

技术领域

本申请涉及集成电路领域，特别涉及具有高集成度的全倍率电荷泵。

背景技术

电荷泵结构被广泛的用于显示屏或手持设备的电源管理系统设计。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用电容而非电感或变压器来储能的直流变换器。通过电荷泵能使输入电压升高或降低，甚至可以用于产生负电压。电荷泵结构采用开关阵列以一定的方式控制电容器充电和放电，使输入电压以一定因数倍增或倍减，从而得到所需要的输出电压。由于(电容型)电荷泵并不包括电感器，因此可以避免由电感器带来的电磁干扰。

图1所示为电荷泵的模块示意图。其中，电荷泵100可以包括倍率选择模块102被配置为产生输出信号相对于输入信号的倍率，时钟模块104被配置为产生控制电荷泵主模块中各个开关的开合状态，以及由电容以及开关阵列构成的电荷泵主干模块106。

为了能够适应不同应用的需要，全倍率电荷泵当然是使用者理想的选择。所谓全倍率电荷泵的意思就是可以实现以输入电压的全部整数倍或全部整数分之一进行输出。传统的series-parallel或Dickson电荷泵结构可以实现全倍率，不过其在电荷泵主干模块中所使用的外挂电容数目太多，它们一般是用于片上集成且产生倍率相对比较低的应用中。

因此需要提供的电荷泵是能够实现所有的整数或整数分之一倍率，以提高系统功率；同时，该电荷泵外挂电容数目更少，以提高系统集成度。

发明内容

针对当前技术中存在的问题，本申请提供了一种电荷泵，包括电荷泵主模块，被配置为接收输入信号并产生输入信号的整数倍或者整数分之一的输出信号，其包括N级串联的电荷泵单元，每级电荷泵单元仅通过其他级的电荷泵单元存储其所释放的电荷；时钟模块，被配置为所述各电荷泵单元提供相应的时钟信号；以及输出电容，耦合在所述电荷泵的输出端与地电平之间。

特别的，所述的电荷泵还包括倍率选择模块，被配置为各个所述电荷泵单元提供相应的倍率选择信号以控制提供给该电荷泵单元的参考电压，从而确定所述输出信号与所述输入信号的倍率关系。

特别的，通过所述各级电荷泵单元和/或所述输出电容实现的各级充电链路的充电时间相同并且彼此不交叠。

特别的，所述时钟模块包括一个N+1位的计数器配置为产生

个第一组中间信号，

个非门配置为产生第二组中间信号即所述第一组中间信号的反相信号，N+1个与非门和N+1个非门配置为对所述第一组和第二组中间信号分别进行与操作以产生N+1个时钟信号，所述N+1个时钟信号的有效电平持续时间相同并且彼此不交叠。

特别的，每级所述电荷泵单元一个电容以及四个开关，包括第一开关耦合在单元输入端和电容的第一端之间，第二开关耦合在单元的输入端和所述电容的第二端之间，第三开关耦合在所述电容的第一端和单元输出端之间，第四开关耦合在所述电容的第二端和参考电压输入端之间；每一级电荷泵单元的输出端耦合到下一级电荷泵单元的输入端，最后一级电荷泵单元的输出端耦合到所述输出电容的第一端；所述各级电荷泵单元中的各开关被配置为在所述时钟模块输出的相应的时钟信号的控制下导通或断开。

特别的，所述时钟模块被配置为接收所述倍率选择模块输出的倍率选择信号，并根据所述倍率选择信号为所述各级电荷泵单元提供恒定的时钟信号和/或周期性变化的脉冲时钟信号。

本申请还提供了一种显示器，包括前述任一所述的电荷泵。

本申请还提供了一种闪存装置，包括前述任一所述的电荷泵。

本申请还提供了一种采用电荷泵进行电压调整方法，其中所述电荷泵包括电荷泵主模块和时钟模块，所述电荷泵主模块包括数级电荷泵单元以及输出电容，所述方法包括所述电荷泵主模块接收输入电压，所述电荷泵主模块中的每级所述电荷泵单元仅通过其他级的电荷泵单元存储其所释放的电荷；以及电荷泵时钟模块为所述各电荷泵单元提供相应的时钟信号以控制各电荷泵单元的充放电操作。

特别的，在所述电荷泵时钟模块产生的时钟信号的控制下，由所述各电荷泵单元和/或输出电容构成的充电链路的充电时间相同且不交叠。

本申请提供的电荷泵可以实现输入信号所有的整数或整数分之一倍率，系统功率高，并且纹波特性好。如果大输入V_DD下使用较大的倍率，电荷泵主体驱动能力很强，输出纹波较大，对后续电路/设备的影响较不好。而本申请的电荷泵可以实现全倍率，可以保证在宽的V_DD范围下都有较小的纹波。另外本申请提供的电荷泵外挂电容数目更少，系统集成度高，而外挂的电容保证电源有强的驱动能力。

以下将参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1所示为电荷泵架构示意性框图；

图2a所示为采用传统2倍率电荷泵单元构成电荷泵电路示意图；

图2b所示为传统2倍率电荷泵单元的电路示意图；

图3所示为根据本申请一个实施例的电荷泵电路示意图；

图4所示为根据本申请一个实施例的控制如图3所示的电荷泵工作的时钟信号示意图；

图5所示为根据本申请一个实施例产生图4中时钟信号的电荷泵时钟电路模块示意图；

图6所示为根据本申请另一实施例的电荷泵电路示意图；

图7所示为根据本申请一个实施例的控制如图6所示的电荷泵工作的时钟信号示意图；

图8所示为图6中电荷泵电路工作相位的分解示意图；

图9所示为根据本申请一个实施例产生图7中时钟信号的电荷泵时钟电路模块示意图以及相应的真值表；

图10所示为根据本申请一个实施例产生时钟信号的电荷泵时钟电路模块示意图以及相应的真值表；

图11a-11c所示为根据本申请另一实施例的电荷泵电路示意图；以及

图12所示为根据本申请一个实施例的采用电荷泵进行电压调整的方法流程图。

具体实施方式

以下将参照附图来详细描述本申请的各示例性实施例。应注意的是，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，而不是作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图2a所示为采用2倍率电荷泵单元搭建起来的全倍率电荷泵主模块的示意图。这个电荷泵可以实现输入电压2^N个倍率的输出，N为大于等于0的整数。图2b所示为单独的2倍率电荷泵单元的电路图。

对于如图2b所示的2倍率电荷泵单元来说，其包括四个开关S₁-S₄，以及两个电容C_fly和C_L。总的来说该2倍率电荷泵单元的输出电压V_o＝2V_t-V_b，其中V_t是输入电压，V_b是参考电压，并且V_b＝V_DD或0。

具体来说，开关S₁和S₄都受时钟信号Φ₁的控制，开关S₂和S₃都受时钟信号Φ₂的控制。在V_b＝0的模式下，当Φ₁＝1，Φ₂＝0时，电容C_fly通过开关S₁和S₄被充电到V_t；当Φ₁＝0，Φ₂＝1时，开关S₁和S₄断开，开关S₂和S₃导通，电容C_fly放电，并会同输入电压V_t一起给电容C_L充电，因此在这个模式下输出电压V_o＝2V_t。

在V_b＝V_DD的模式下，当Φ₁＝1，Φ₂＝0时，电容C_fly通过开关S₁和S₄被充电到V_t-V_DD；当Φ₁＝0，Φ₂＝1时，开关S₁和S₄断开，开关S₂和S₃导通，仅仅由输入电压V_t给电容C_L充电，因此在这个模式下输出电压V_o＝2V_t-V_DD。

图2a所示的电荷泵主模块就是将n个2倍率电荷泵单元连接而成。具体来说，第一级电荷泵单元的输入信号可以是V_DD，对其他电荷泵单元来说前一级的电荷泵单元输出可以作为本级的输入，最后一级电荷泵单元的输出作为整个电荷泵主模块的输出。

在图2a的n-阶电荷泵结构，根据2倍率电荷泵单元的工作原理，可以得到各级输出电压：

第一极电荷泵单元的输出可以通过公式(1)表示，其中包括在倍率选择模块中的D_n和

是控制第一个电荷泵单元对应的参考电压值的两个相反的控制信号，当D_n＝1的时候参考电压是地电平，

的时候参考电压是V_DD。以此类推，第n个电荷泵单元对应的开关是D₁和

第二级电荷泵单元的输出可以通过公式(2)表示

第三级电荷泵单元的输出可以通过公式(3)表示

第n级电荷泵单元的输出可以通过公式(4)表示

其中的[D_n-1…D₂D₁]₂为由倍率选择模块开关控制信号构成的二进制码，其决定最终输出的电压倍数。以三阶架构为例(n＝3)，如果[D₃D₂D₁]₂＝[111]₂，即选择开关均接地，根据公式(4)，这种情况的输出倍率为8；如果[D₃D₂D₁]₂＝[000]₂，即选择开关均接V_DD，则输出倍率为1。第一个电荷泵单元对应的倍率选择控制信号具有最大的权重，依次递减。当然，根据其他的实施例，通过搭配倍率选择模块中的开关D₃、D₂和D₁，开关

和

导通和断开情况，还可以产生倍率为1-7的输出。

可见，上述结构实现了输入电压全倍率的设想。但是，如图2a所示的电荷泵主模块的集成度不高，因为每级2倍率电荷泵都需要2个外挂电容C_fly和C_L。这些电容之所以需要采用外挂形式是因为若这些电容是片上电容的话，片上电容较小，本身储存电荷不多，当给出同等的电荷Q给输出端时(带载能力一样时)，电压降Q/C很大，电压损耗大，最终V_OUT较低。就是换句话说，如果保持两者V_OUT一样，则片上电容方案的带载能力较差

图3所示为根据本申请一个实施例的三阶电荷泵主模块示意图。如图3所示，电荷泵单元301、302和303都分别仅仅包括一个电容C_f1、C_f2和C_f3，并且还包括一个耦合在电荷泵主模块的输出端和低电平之间的电容C_L。与图2所示的结构相比，电荷泵单元301并不是靠其内部的电容存储电荷，而是靠下一级的电荷泵单元302中的电容C_f2来存储电荷。类似的，电荷泵单元302靠电荷泵单元303中的电容C_f3存储电荷，电荷泵单元303靠电容C_L来存储电荷。这样的架构大大减少了外挂电容的数量，有利于提高电荷泵的集成度。

需要注意的是，要利用这样的电荷泵主模块来工作，时钟模块需要为其提供相应的时钟信号来控制其中每个电荷泵单元的开关的工作状态，保证N个电容至少对应N个充/放电链路，使得各电容能预充到特定的电压值，保证获得正确的输出倍率；同时，设置的时钟信号最好能使得各充电链路的RC延迟较小，使得充电更充分。

图4所示为根据本申请一个实施例的时钟模块产生的用于控制电荷泵主模块工作的时钟信号示意图。

根据一个实施例，图3中的电荷泵单元301中的开关S₁₁和S₁₄都由时钟信号Φ₁₁来控制，开关S₁₂和S₁₃都由时钟信号Φ₁₂来控制；电荷泵单元302中的开关S₂₁和S₂₄都由时钟信号Φ₂₁来控制，开关S₂₂和S₂₃都由时钟信号Φ₂₂来控制；电荷泵单元303中的开关S₃₁和S₃₄都由时钟信号Φ₃₁来控制，开关S₃₂和S₃₃都由时钟信号Φ₃₂来控制。

根据一个实施例，时钟信号Φ₁₁和Φ₁₂可以由相同的时钟信号Φ₁衍生而得，Φ₁₁和Φ₁₂是反相时钟，有效电平(例如为高电平)彼此不交叠。根据一个的实施例，Φ₁₁和Φ₁₂可以是彼此基本相反的信号。

根据一个实施例，时钟信号Φ₂₁和Φ₂₂可以由相同的时钟信号Φ₂衍生而得，Φ₂₁和Φ₂₂的有效电平例如高电平彼此不交叠，并且可以具有例如相同的频率。根据一个的实施例，Φ₂₁和Φ₂₂可以是彼此基本相反的信号。

根据一个实施例，时钟信号Φ₃₁和Φ₃₂可以由相同的时钟信号Φ₂衍生而得，Φ₃₁和Φ₃₂的有效电平例如高电平彼此不交叠，并且可以具有例如相同的频率。根据一个的实施例，Φ₃₁和Φ₃₂可以是彼此基本相反的信号。这个架构的好处是：虽然存在3组不交叠时间Φ₁₁和Φ₁₂，Φ₂₁和Φ₂₂，Φ₃₁和Φ₃₂，但是不同级之间的时钟是不必设置不交叠的，因为我们只需要确保当前级的电容不会被短接而泄放掉电荷，而3组不交叠时间例如Φ₁₁和Φ₁₂，已经保证图3所示的开关S₁₁和S₁₂不能同时导通，以保护当前电容C_f1。

根据一个实施例，时钟信号Φ₂和Φ₃可以通过对时钟信号Φ₁进行分频而获得，例如如图4所示，时钟信号Φ₂可以具有与时钟信号Φ₁相同的占空比但是其周期可以是时钟信号Φ₁的一半；时钟信号Φ₃可以具有与时钟信号Φ₁相同的占空比但是其周期可以是时钟信号Φ₁的四分之一或者时钟信号Φ₂的一半。

以下结合图4对图3中的电荷泵主模块的工作流程进行介绍，例如输出电压为输入电压的8倍率的情形，也就是在D₃、D₂和D₁均为1的情况。当Φ₁₁为高电平，Φ₁₂为低电平，因此电荷泵单元301中的开关S₁₁和S₁₄导通，开关S₁₂和S₁₃断开，在相位1电容C_f1被充电。根据一个的实施例，C_f1的充电和放电时间可以相等，并可以被定义为T。当Φ₁₂上升到高电平，Φ₁₁下降到低电平，C_f1开始放电。

在C_f1放电的同时，当Φ₂₁为高电平，Φ₂₂为低电平，在相位2电容C_f2被充电，给C_f2充电的电压为V_DD和C_f1两端的电压。但是C_f2充电的时间只有T/2。当Φ₂₂上升到高电平，Φ₂₁下降到低电平，C_f2开始放电，类似的其放电时间也只有将近T/2。

在C_f1和C_f2放电的同时，当Φ₃₁为高电平，Φ₃₂为低电平，在相位3电容C_f3被充电，给C_f3充电的电压为V_DD和C_f1以及C_f2两端的电压。但是C_f3充电的时间只有T/4。当Φ₃₂上升到高电平，Φ₃₁下降到低电平，C_f3开始放电，类似的其放电时间也只有将近T/4。

在C_f1、C_f2和C_f3放电的同时，在相位4，C_L被充电，其充电时间只有将近T/4。

图5所示为根据本申请一个实施例的时钟模块的逻辑示意图。可以利用三个串联的例如二分频T触发器来进行分频来产生如图4所示的时钟信号Φ₁、Φ₂、Φ₃。根据一个实施例，还可以利用例如反相器链或者RC链路产生延时功能对时钟信号Φ₁、Φ₂、Φ₃进行处理从而产生时钟信号Φ₁₁、Φ₁₂、Φ₂₁、Φ₂₂、Φ₃₁、Φ₃₂。当电荷泵结构主模块包括n个电荷泵单元时，则需要采用n个T触发器来产生n个时钟信号Φ_n、Φ_n-1、…Φ₂、Φ₁，并采用n个反相器链或者RC链路来产生衍生的时钟信号Φ_n1、Φ_n2、…Φ₁₁、Φ₁₂。

尽管本实施例中的方案大幅度的减少了外挂电容的数量，但是由于给各电荷泵单元中电容充电的时间并不平均，难以实现对各级电容C_f1,C_f2,C_f3,C_L的完全充电，电荷泵的工作频率(反比于电荷泵最终达到目标输出倍率的时间)受限，特别是在升压型电荷泵结构(RC时间常数较大的情况)，电容C_f2,C_f3,C_L较难充电至理想电压值，对系统效率，输出电流都有很大的影响。

虽然降低电荷泵的工作频率也就是允许更长的充电时间，可能使各电容最终的充电值更接近理想倍率，但是由于电荷泵的各级电压损耗正比于I_LOAD/fC_fi，其中I_LOAD是电荷泵的输出电流，f是电荷泵的工作频率，C_fi是电荷泵的电容，因此降低电荷泵的工作频率会使各级的电压损耗增大，从而导致电荷泵性能降低。

因此希望提供一种在保证各电荷泵单元的电容都彻底充电的前提下，尽可能增大工作频率，缩短充电时间，提高电荷泵性能的结构。这就需要调整时钟模块以提供更快的时钟信号，同时保证各电荷泵单元中电容被充分充电。

图6所示为根据本申请一个实施例的电荷泵主模块示意图。事实上，该电荷泵主模块的结构与图3相同，但是控制各电荷泵单元中开关的时钟信号与图3所示的情况不同。

图7所示为根据一个的实施例时钟子模块产生的用来控制电荷泵主模块工作的时钟信号。在本实施例中，采用了四种时钟信号Φ₄至Φ₇。如图7所示，Φ₄至Φ₇具有相同的周期长度，相同的占空比，但是彼此的有效电平并不交叠。根据一个实施例，Φ₄至Φ₇的占空比可以为1/4，即有效电平持续时间为周期总长度的1/4。

根据一个实施例电荷泵单元601中的开关S₁₁和S₁₄由时钟信号Φ₄₁控制，开关S₁₂和S₁₃由时钟信号Φ₄₂控制，其中Φ₄₁可以与四种时钟信号Φ₄相同，Φ₄₂可以等于Φ₅∨Φ₆∨Φ₇。

根据一个实施例电荷泵单元602中的开关S₂₁和S₂₄由时钟信号Φ₅₁控制，开关S₂₂和S₂₃由时钟信号Φ₅₂控制，其中Φ₅₁可以与四种时钟信号Φ₅相同，Φ₅₂可以等于Φ₆∨Φ₇。

根据一个实施例电荷泵单元603中的开关S₃₁和S₃₄由时钟信号Φ₆₁控制，开关S₃₂和S₃₃由时钟信号Φ₆₂控制，其中Φ₆₁可以与四种时钟信号Φ₆相同，Φ₆₂可以等于Φ₇。

图8所示为根据本申请一个的实施例的电荷泵主模块不同相位工作状态图。下面以实现输入电平的8倍输出为例进行介绍。在相位1，时钟信号Φ₄为高电平，从而Φ₄₁为高电平，因此开关S₁₁和S₁₄导通，输入电压V_DD对电容C_f1进行充电；Φ₅至Φ₇在这个阶段都为低电平，从而Φ₄₂也为低电平，因此开关S₁₂和S₁₃断开，如图8中的相位1所示。由于有固定电源V_DD的预充，在这个相位电荷泵单元601中的电容C_f1可以被充电到V_DD。另外，由于Φ₅至Φ₇在这个阶段都为低电平，因此电荷泵单元602和603中的开关也都断开。

根据一个实施例，在相位2，时钟信号Φ₄为低电平，从而Φ₄₁为低电平，因此开关S₁₁和S₁₄断开；Φ₅上升至高电平，Φ₆至Φ₇仍然为低电平，Φ₄₂为Φ₅∨Φ₆∨Φ₇的结果，因此在这个相位Φ₄₂上升为高电平，因此开关S₁₂和S₁₃导通，电容C_f1放电，如图8中的相位2所示。另外，由于Φ₅在这个阶段都为高电平，因此时钟信号Φ₅₁也为高电平，因此电荷泵单元602中的开关S₂₁和S₂₄导通，由输入电压V_DD会同放电中的C_f1一起给电容C_f2充电；由于Φ₆和Φ₇在这个相位里均为低电平，因此时钟信号Φ₅₂为Φ₆∨Φ₇的结果也为低电平，因此电荷泵单元602中的开关S₂₂和S₂₃断开。根据一个实施例，经过几轮的循环，在这个相位电荷泵单元602中的电容C_f2可以被充电到2V_DD。另外，由于Φ₆至Φ₇在这个阶段都为低电平，因此电荷泵单元603的开关断开。

根据一个实施例，在相位3，时钟信号Φ₄仍为低电平，因此开关S₁₁和S₁₄仍然断开；Φ₅下降至低电平，Φ₆上升至高电平，Φ₇仍然为低电平，Φ₄₂为Φ₅∨Φ₆∨Φ₇的结果，因此在这个相位Φ₄₂仍然为高电平，因此开关S₁₂和S₁₃导通，电容C_f1继续放电，如图8中的相位3所示。另外，由于Φ₅在这个阶段下降到低电平，因此时钟信号Φ₅₁也为低电平，因此电荷泵单元602中的开关S₂₁和S₂₄断开；由于Φ₆在这个相位中为高电平，Φ₇在这个相位里为低电平，因此时钟信号Φ₅₂为Φ₆∨Φ₇的结果，因此Φ₅₂也为高电平，因此电荷泵单元602中的开关S₂₂和S₂₂导通，电容C_f2开始放电。另外，由于Φ₆在这个阶段为高电平，从而时钟信号Φ₆₁也为高电平，因此电荷泵单元603的开关S₃₁和S₃₄导通，由输入电压V_DD以及放电的电容C_f1和C_f2一起给电荷泵单元603中的电容C_f3充电。由于Φ₇在这个阶段为低电平，因此电荷泵单元603的开关S₃₂和S₃₃断开。根据一个实施例，经过几轮的循环，在这个相位电荷泵单元603中的电容C_f3可以被充电到4V_DD。

根据一个实施例，在相位4，时钟信号Φ₄仍为低电平，因此开关S₁₁和S₁₄仍然断开；Φ₅仍为低电平，Φ₆下降至低电平，Φ₇上升至高电平，Φ₄₂为Φ₅∨Φ₆∨Φ₇的结果，因此在这个相位Φ₄₂仍然为高电平，因此开关S₁₂和S₁₃导通，电容C_f1继续放电，如图8中的相位4所示。另外，由于Φ₅在这个阶段仍低电平，因此时钟信号Φ₅₁也为低电平，因此电荷泵单元602中的开关S₂₁和S₂₄断开；由于Φ₆在这个相位中为低电平，Φ₇在这个相位里为低电平，因此时钟信号Φ₅₂为Φ₆∨Φ₇的结果，因此Φ₅₂也为高电平，因此电荷泵单元602中的开关S₂₂和S₂₂导通，电容C_f2继续放电。另外，由于Φ₆在这个阶段为低电平，从而时钟信号Φ₆₁也为低电平，因此电荷泵单元603的开关S₃₁和S₃₄断开。由于Φ₇在这个阶段为高电平，因此电荷泵单元603的开关S₃₂和S₃₃导通，电容C_f3也开始放电。由输入电压V_DD和电容C_f1、C_f2和C_f3一起给电容C_L充电。根据一个实施例，经过几轮的循环，在这个相位电容C_L可以被充电到8V_DD。

当然，这里所说的将C_f2充电到2V_DD、将C_f3充电到4V_DD以及将C_L充电到8V_DD都不是一蹴而就的，而是需要经过包含相位1-4的数轮的充电过程才能最终将各电容充电到上述稳定的电压水平。(C_f1由固定电源快速预充至V_DD。)

如图7所示，每个电荷泵单元中的电容C_f1、C_f2、C_f3以及C_L的充放电时间都是相同的。这大大节省了电荷泵达到稳定状态的时间。如果在本实施例中电容C_L的充电时间与图4所示的电荷泵工作时序中电容C_L的充电时间相同，例如为T/4，图7中C_f1、C_f2、C_f3以及C_L完成一轮充电的时间是T，而图4中C_f1、C_f2、C_f3以及C_L完成一轮充电的时间是2T。由此可见第二实施例中的电荷泵可以将工作频率提高2ⁿ/(n+1)倍(n为电荷泵单元个数)，例如当电荷泵主模块包括3个电荷泵单元的时候工作频率提高了2倍。

图9为根据本申请一个实施例产生图7所示的时钟信号的时钟模块的逻辑电路图。该时钟模块包括一个计数器，计数器的位数为n+1，其中n为电荷泵单元的个数。当n＝3的时候，计数器的位数为4，产生Q₁和Q₀两个中间信号，这两个中间信号分别经过两个非门，从而得到另外两个中间信号

和

这四个中间信号两两组合通过四个或非门从而得到时钟信号Φ₁至Φ₄。

图10所示为根据本申请一个实施例的时钟模块的逻辑示意图。在本实施例中，电荷泵包括n-1个电荷泵单元，需要产生n个时钟Φ₁至Φ_n。该时钟模块可以采用一个N＝n位的计数器，其输出的中间信号Q的位数为

也就是log₂n的上取整函数，上取整函数的定义为

根据一个的实施例，N位计数器输出的第一组中间信号可以为

其中Φ₁对应的二进制数为

Φ₂对应的二进制数为

……Φ_n对应的二进制数为

根据一个实施例，能够实现上述逻辑的时钟模块可以包括n个与非门和

个非门。其中的

个非门配置为产生

的反相信号作为第二组中间信号，n个非门和n个与非门配置为对第一组和第二组中间信号分别进行与操作以产生n个时钟信号Φ₁至Φ_n。当然，逻辑门的数量往往可以优化，比如在图9所示的实施例中，当n＝4时，只需要4个或非门和2个非门就可以实现相应的时钟模块逻辑。然而，逻辑门的优化方法并不确定，需要根据具体情况而定。

在另一个实施例中，时钟模块接收倍率选择模块的输出并基于倍率的数值来选择时钟模块的输出模式。当倍率比较小，例如小于等于8的时候，或者是2ⁿ的时候，如果采用前述实施中的时钟模块，多个电荷泵单元中的开关反复开启，但是只有最后一级或者两级的电荷泵单元中的电容真正进行电荷存放操作，因此整个电荷泵的动态功耗会比较高。基于这种情况，在本实施例中，当时钟模块被告知倍率比较低的情况下，时钟模块则输出特殊时钟信号或者说一些相应的时钟信号为恒定信号而不是脉冲信号。

图11a所示为根据本实施例中的一种电荷泵主模块连接方式示意图，当倍率为1的时候，所有电荷泵单元中的开关都被恒定的时钟信号控制，开关S_i1和S_i3都持续导通，开关S_i2和S_i4都断开，这样输入电压V_DD可以通过导通的开关S_i1和S_i3直接给电容C_L充电，而无需前面数个电荷泵单元的任何操作。

图11b为根据本申请实施例中的另一种电荷泵主模块连接方式示意图，当需要的输出倍率为2的时候，时钟模块仅仅将一个时钟信号例如Φ₁输送给第一电荷泵单元用来控制其中的开关S₁₁-S₁₄，其他电荷泵单元中的开关都由恒定的电压控制，使得开关S_i1和S_i3都持续导通，开关S_i2和S_i4都断开。从而在例如时钟信号Φ₁为高电平的时候由输入电压V_DD对电容C_f1充电，在时钟信号Φ₁为低电平的时候，C_f1放电并会同输入电压V_DD一起给电容C_L充电，从而实现2倍率的输出。

图11c所示为根据本实施例的电荷泵架构模块图。倍率选择模块1102可以将倍率选择信号输出给电荷泵主模块1106，同时也将倍率选择信号输出给时钟模块1104。时钟模块1104对倍率选择信号进行过滤，在输出小倍率(例如小于等于8倍)或者2ⁿ倍率的情况下，时钟模块1104可以输出特定时钟信号给电荷泵主模块1106，在其他倍率的情况下时钟模块1104仍然向电荷泵主模块1106输出如前述实施例的多相位时钟信号。

当然，在时钟模块1104在产生特殊时钟信号的时候，可以将尽量利用靠近输入端的电荷泵单元，也可以尽量利用靠近输出端的电荷泵单元。但是相对来说，靠近输入端的电荷泵单元热能损耗较少，可以实现较高的输出电压V_OUT；同时，靠近输入端的电荷泵单元对RC时间常数限制较低，闲置泵单元产生的电阻R只影响例如时钟信号

的充电时间常数RC，对相位

则并没有影响。

本申请所介绍的电荷泵可以应用于多种产品例如显示器或闪存等需要增压或降压的产品中的电源管理系统。

图12所示为根据本申请一个实施例的采用电荷泵进行升压或降压调整的方法流程图。其中电荷泵包括电荷泵主模块和时钟模块，电荷泵主模块可以包括数级的电荷泵单元以及输出电容，所述方法可以包括：

在1202，电荷泵主模块接收输入电压，所述电荷泵主模块中的每级电荷泵单元仅通过其他级的电荷泵单元存储其所释放的电荷；

在1204，电荷泵时钟模块为所述各电荷泵单元提供相应的时钟信号以控制各电荷泵单元的充放电操作。根据一个实施例，由所述各电荷泵单元和/或输出电容构成的充电链路的充电时间相同且不交叠。

虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种电荷泵，包括：

电荷泵主模块，被配置为接收输入信号并产生输入信号的整数倍或者整数分之一的输出信号，所述电荷泵主模块包括N级串联的电荷泵单元，每级电荷泵单元仅通过其他级的电荷泵单元存储其所释放的电荷；

其中每级所述电荷泵单元包括一个电容以及六个开关，其中第一开关耦合在所述电荷泵单元输入端和所述电容的第一端之间，第二开关耦合在所述电荷泵单元的输入端和所述电容的第二端之间，第三开关耦合在所述电容的第一端和所述电荷泵单元输出端之间，第四开关耦合在所述电容的第二端和参考电压输入端之间，所述参考电压端通过第五开关或第六开关分别耦合到地电平或者所述输入信号；

时钟模块，被配置为所述各电荷泵单元提供相应的时钟信号；其中针对每级所述电荷泵单元，所述第一开关和所述第四开关由该级电荷泵单元的第一时钟信号控制，所述第二开关和所述第三开关由该级电荷泵单元的第二时钟信号控制，所述该级电荷泵单元的第一时钟信号与第二时钟信号的有效电平彼此不交叠，所述第五和第六开关的状态由要产生的输出信号与输入信号的所述整数倍或者整数分之一决定；以及

输出电容，耦合在所述电荷泵的输出端与地电平之间。

2.如权利要求1所述的电荷泵，还包括倍率选择模块，被配置为各个所述电荷泵单元提供相应的倍率选择信号以控制所述第五和第六开关的状态。

3.如权利要求1或2所述的电荷泵，其中通过所述各级电荷泵单元和/或所述输出电容实现的各级充电链路的充电时间相同并且彼此不交叠。

4.如权利要求3所述的电荷泵，其中所述时钟模块包括一个N+1位的计数器配置为产生

个第一组中间信号，

个非门配置为产生第二组中间信号即所述第一组中间信号的反相信号，N+1个与非门和N+1个非门配置为对所述第一组和第二组中间信号分别进行与操作以产生N+1个时钟信号，所以共计需要

个非门和N+1个与非门，所述N+1个时钟信号的有效电平持续时间相同并且彼此不交叠。

5.如权利要求1所述的电荷泵，其中每一级电荷泵单元的输出端耦合到下一级电荷泵单元的输入端，最后一级电荷泵单元的输出端耦合到所述输出电容的第一端；其中每级电荷泵单元的第一时钟信号彼此交叠。

6.如权利要求2所述的电荷泵，其中所述时钟模块被配置为接收所述倍率选择模块输出的倍率选择信号，并根据所述倍率选择信号为所述各级电荷泵单元提供恒定的时钟信号和/或周期性变化的脉冲时钟信号。

7.一种显示器，包括如权利要求1-6中任一所述的电荷泵。

8.一种闪存装置，包括如权利要求1-6中任一所述的电荷泵。

9.一种采用电荷泵进行电压调整方法，其中所述电荷泵包括电荷泵主模块和时钟模块，所述电荷泵主模块包括数级电荷泵单元以及输出电容，所述方法包括：

所述电荷泵主模块接收输入电压，所述电荷泵主模块中的每级所述电荷泵单元仅通过其他级的电荷泵单元存储其所释放的电荷；以及

电荷泵时钟模块为所述各电荷泵单元提供相应的时钟信号以控制各电荷泵单元的充放电操作；其中在所述电荷泵时钟模块产生的时钟信号的控制下，由所述各电荷泵单元和/或输出电容构成的充电链路的充电时间相同且不交叠。

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