CN107666143A - 负压电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

一种负压电荷泵电路，应用于集成电路中，包括第一电容、第二电容、第一及第二电阻、第一到第四晶体管、比较器、基准电压产生单元、时钟发生单元、逻辑控制单元、开关驱动单元以及电流控制单元，其中，施于该第一电容上的输出电压经第一及第二电阻，与该基准电压产生单元所产生的基准电压分压后经由该比较器比较，该时钟发生单元用以产生时钟信号，该比较器及时钟发生单元的输出传送至该逻辑控制单元，从而输出时序控制信号至该开关驱动单元，该开关驱动单元依据该时序控制信号控制第一到第四晶体管的导通或关断，以确保该输出电压为稳定可调的负电压。

Description

负压电荷泵电路
技术领域
本发明涉及一种负压电荷泵电路，尤指一种集成电路中的负压电荷泵电路。
背景技术
当今的电子系统常常需要用到负压作为电源，如音频放大器，运算放大器等，一般而言，产生负电压源常用的方法是使用负压电荷泵结构。
请参阅图1，图1为现有的负压电荷泵结构的电路示意图。如图1所示，开关S1～S4均是理想开关。其中，时间段Φ1和时间段Φ2是反相的时钟，在时间段Φ1，开关S1和开关S2导通，开关S3和开关S4关断，电容Cf两端被充电至电压Vin；在时间段Φ2内，开关S1和开关S2关断，开关S3和开关S4导通，电容Cf对输出电容Co以及负载Ro放电。由于电容Cf的正极板接地，故输出为负压，即电压Vneg＝-Vin，也就是说，电压Vneg为电压Vin的负值，当电压Vin变化时，电压Vneg跟随其变化，无法保持稳定，且无法调节(举例来说，假设电压Vin为5V,无法进行调节以得到-3V输出)。
另一方面，由于技术和性能的限制，开关S1～S4的导通电阻较小，电容Cf的充电和放电速度很快，以至于无法通过一般的反馈控制方法使得输出电压Vneg独立于输入电压Vin并保持稳定。
因此，如何提供一种能输出稳定且可调节的负电压的负压电荷泵电路，即为各家业者亟待解决的课题。
发明内容
鉴于习知技术的种种缺失，本发明的主要目的，即在于提供一种能输出稳定且可调节的负电压的负压电荷泵电路。
为了达到上述目的及其他目的，本发明遂提供一种负压电荷泵电路，应用于集成电路中，该负压电荷泵电路包括第一电容、第二电容、第一及第二电阻、第一到第四晶体管、比较器、基准电压产生单元、时钟发生单元、逻辑控制单元、开关驱动单元以及电流控制单元。该第一电容具有正端及负端；该第一晶体管一端连接至高电位，另一端连接至该第一电容的正端；该第二晶体管一端连接至该第一电容的负端，另一端接地；该第三晶体管一端连接至该第一晶体管及该第一电容的正端，另一端接地；该第二电容具有正端及负端，该第二电容的正端接地；该第四晶体管一端连接至该第二晶体管及该第一电容的负端，另一端连接至该第二电容的负端；该比较器具有正输入端、负输入端以及输出端；该第一电阻一端连接至该第四晶体管及该第二电容的负端，另一端连接至该比较器的负输入端；该基准电压产生单元用以产生稳定的基准电压；该第二电阻一端连接至该第一电阻及该比较器的负输入端，另一端连接至该基准电压产生单元；该时钟发生单元用以产生时钟信号；该逻辑控制单元具有第一输入端、第二输入端及输出端，该第一输入端连接至该比较器的输出端，该第二输入端连接至该时钟发生单元，以及该输出端用以输出时序控制信号；该开关驱动单元连接至该逻辑控制单元，用以接收该时序控制信号，以及分别连接至该第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管的栅极，用以依据该时序控制信号控制该第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管或第四晶体管的导通或关断；该电流控制单元连接于该开关驱动单元及该第三晶体管之间，用以控制该第三晶体管导通时的电流大小；其中，该第一晶体管及第二晶体管同时导通或关断，该第三晶体管及第四晶体管同时导通或关断，以及该第一晶体管与该第三晶体管反相导通或反相关断。
于一实施例中，该第一电容或第二电容为外接元器件。
于一实施例中，该第一电容为飞电容。
于一实施例中，该第二电容为输出稳压滤波电容。
于一实施例中，该负压电荷泵电路还包括第三电阻，与该第二电容并联。
于一实施例中，该第三电阻为等效输出负载。
于一实施例中，该逻辑控制单元为或逻辑门。
于一实施例中，该电流控制单元还包括基准电流产生组件、第五晶体管以及第六晶体管。该基准电流产生组件一端连接至高电位，用以产生基准电流；该第五晶体管一端连接至该基准电流产生组件，另一端接地；以及该第六晶体管一端连接至高电位，另一端连接至该第五晶体管的栅极，且该第六晶体管的栅极连接至该基准电流产生组件；其中，该开关驱动单元控制该第三晶体管导通时，该第三晶体管的栅极连接至该第五晶体管的栅极。
相较于习知技术，由于本发明的负压电荷泵电路能够产生稳定的负电压输出，该负电压输出与输入电压和负载电流大小无关，并能通过调节基准电压或是第一电阻比第二电阻的比值，从而调节该负电压输出，充分地解决了现有技术的缺失。此外，由于电流控制单元的存在，不仅使得该负电压输出稳定，而且提供了一种自然的短路保护机制，当输出短路时，输出电流被限制住，不会失控造成电路损坏，同时由于跳周期控制机制，本发明的负压电荷泵电路即使在轻载的条件下也有优异的能效。
附图说明
图1为现有的负压电荷泵结构的电路示意图。
图2为本发明的负压电荷泵电路实施例的电路架构示意图。
图3为本发明的负压电荷泵电路的信号波形图。
图4为本发明的负压电荷泵电路另一实施例的电路架构示意图。
符号说明：
S1～S4 开关
Φ1、Φ2 时间段
Cf、Co 电容
Vin、Vneg 电压
Ro 负载电阻
1 负压电荷泵电路
10 比较器
11 基准电压产生单元
12 时钟发生单元
13 逻辑控制单元
14 开关驱动单元
15 电流控制单元
C1 第一电容
C2 第二电容
R1 第一电阻
R2 第二电阻
R3 第三电阻
M1 第一晶体管
M2 第二晶体管
M3 第三晶体管
M4 第四晶体管
M5 第五晶体管
M6 第六晶体管
Iref 基准电流产生组件
VDD 高电位
Vneg1 输出电压
Vref1 基准电压
drv1～drv4 第一到第四驱动信号
FB 电压信号
burst 比较器输出信号
clk 时钟信号
T 周期
ΔV 纹波大小
具体实施方式
以下藉由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可藉由其他不同的具体实施例加以施行或应用。
请参阅图2，图2为本发明的负压电荷泵电路实施例的电路架构示意图。如图所示，本发明的负压电荷泵电路1，应用于集成电路中，负压电荷泵电路1包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、比较器10、基准电压产生单元11、时钟发生单元12、逻辑控制单元13、开关驱动单元14以及电流控制单元15。
第一电容C1具有正端及负端；第一晶体管M1一端连接至高电位VDD，另一端连接至第一电容C1的正端；第二晶体管M2一端连接至第一电容C1的负端，另一端接地；第三晶体管M3一端连接至第一晶体管M1及第一电容C1的正端，另一端接地；第二电容C2具有正端及负端，第二电容C2的正端接地；第四晶体管M4一端连接至第二晶体管M2及第一电容C1的负端，另一端连接至第二电容C2的负端；比较器10具有正输入端、负输入端以及输出端；第一电阻R1一端连接至第四晶体管M4及第二电容C2的负端，另一端连接至比较器10的负输入端；基准电压产生单元11用以产生稳定的基准电压Vref1；第二电阻R2一端连接至第一电阻R1及比较器10的负输入端，另一端连接至基准电压产生单元11；时钟发生单元12用以产生时钟信号clk；逻辑控制单元13具有第一输入端、第二输入端及输出端，该第一输入端连接至比较器10的输出端，该第二输入端连接至时钟发生单元12，以及该输出端用以输出时序控制信号；开关驱动单元14连接至逻辑控制单元13，用以接收该时序控制信号，以及分别连接至第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3及第四晶体管M4的栅极，用以依据该时序控制信号控制第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3或第四晶体管M4的导通或关断；电流控制单元15连接于开关驱动单元14及第三晶体管M3之间，用以控制第三晶体管M3导通时的电流大小；其中，第一晶体管M1及第二晶体管M2同时导通或关断，第三晶体管M3及第四晶体管M4同时导通或关断，以及第一晶体管M1与第三晶体管M3反相导通或反相关断。
进一步来说明本发明的负压电荷泵电路1的运作方式，基准电压产生单元11产生一个稳定的基准电压Vref1，用以作为输出电压Vneg1的参考。第一电阻R1及第二电阻R2作为反馈电阻，第一电阻R1及第二电阻R2和比较器10检测输出电压Vneg1是否偏离预设值，如果输出电压Vneg1低于预设值，则停止作为开关的第一到第四晶体管M1～M4动作；如果输出电压Vneg1高于预设值，则使能第一到第四晶体管M1～M4动作，这样使得输出电压Vneg1在预设值附近上下浮动。时钟发生单元12用以产生一个时钟信号clk，假定其占空比为50％，时钟信号clk确定了第一到第四晶体管M1～M4动作的周期。逻辑控制单元13产生第一到第四晶体管M1～M4的时序控制信号。开关驱动单元14产生第一到第四驱动信号drv1～drv4，第一到第四驱动信号drv1～drv4具有恰当的驱动电平和驱动能力，用以控制第一到第四晶体管M1～M4的开启或关闭速度等。电流控制单元15用以控制第三晶体管M3导通时的电流大小。
当电压FB高于0V时，比较器10输出低电平，逻辑控制单元13将允许时钟信号clk通过，产生驱动脉冲信号，再经过开关驱动单元14，驱动第一到第四晶体管M1～M4的导通和关断。其中，第一晶体管M1和第二晶体管M2同时导通和关断，第三晶体管M3和第四晶体管M4同时导通和关断，但第一晶体管M1(第二晶体管M2)及第三晶体管M3(第四晶体管M4)反相导通或反相关断。电流控制单元15的作用是控制第三晶体管M3导通时的电流，使得第三晶体管M3不是简单工作于开关状态，而是工作于恒流状态，其输出电流为预设值。通过负压电荷泵电路1开关充放电动作，输出电压Vneg1的电压逐渐降低(变负)，当电压FB低于0V时，比较器10输出高电平，阻塞时钟信号clk的通过。此时第一晶体管M1和第二晶体管M2导通，而第三晶体管M3和第四晶体管M4关断。输出负载完全通过第二电容C2获得电流(能量)。这样，输出电压Vneg1又会逐渐上升，直至电压FB高于0V，比较器10再次翻转。
不难看出，当电路处于平衡状态时，FB节点的电压时钟接近于0(在0上下略微波动)，因而，可以由以下等式成立：
可见，此负压电荷泵电路1的输出电压Vneg1是一个稳定的电压，且与输入电压或是负载电流大小无关。通过调节基准电压Vref1的大小，或者R1/R2的比值，可以实现输出电压可调。
请参阅图3，图3为本发明的负压电荷泵电路的信号波形图，横轴为时间，纵轴为电压。由于电流控制单元15的存在，在第三晶体管M3导通的放电时间段，放电电流受控，故输出电压Vneg1不会出现很大的纹波，从而使得输出电压Vneg1比较稳定，只有很小的纹波，一个周期内纹波的大小为其中ΔV为纹波的大小，T为周期，I1为通过第三晶体管M3的电流，可见控制住电流I1，就可以使得输出电压Vneg1稳定。
在第一晶体管M1和第二晶体管M2导通给第一电容C1充电时间段，由于并不控制充电电流的大小，第一电容C1两端电压将被充电至输入电压值，而在第三晶体管M3和第四晶体管M4导通的放电时间段，第四晶体管M4处于完全导通状态，故第一电容C1负端的电压近似等于输出电压Vneg1，而由于电流控制单元15的存在，使得第三晶体管M3工作在恒流状态，故其的漏源电压为输入电压值+输出电压Vneg1(其中输出电压Vneg1为负值)。可见，如果第三晶体管M3不是工作在恒流状态而是在开关状态，则其导通电阻将会很小，那么第三晶体管M3的电流就会很大，从而导致输出电压Vneg1无法稳定。
在负载为轻载时，如图3所示，比较器输出信号burst为低电平的时间将变长，从而开关损耗降低，使得轻载效率获得提高。
于一实施例中，第一电容C1或第二电容C2可为外接元器件。
于一实施例中，第一电容C1可为飞电容。
于一实施例中，第二电容C2可为输出稳压滤波电容。
于一实施例中，负压电荷泵电路1还可包括第三电阻R3，与第二电容C2并联。
于一实施例中，第三电阻R3可为等效输出负载。
请参阅图4，图4为本发明的负压电荷泵电路另一实施例的电路架构示意图。如图所示，逻辑控制单元13可为或(OR)逻辑门。
于一实施例中，电流控制单元15还可包括基准电流产生组件Iref、第五晶体管M5以及第六晶体管M6。基准电流产生组件Iref一端连接至高电位，用以产生基准电流；第五晶体管M5一端连接至基准电流产生组件Iref，另一端接地；以及第六晶体管M6一端连接至高电位，另一端连接至五晶体管M5的栅极，且第六晶体管M6的栅极连接至基准电流产生组件Iref；其中，开关驱动单元14控制第三晶体管M3导通时，第三晶体管M3的栅极连接至第五晶体管M5的栅极。
相较于习知技术，由于本发明的负压电荷泵电路能够产生稳定的负电压输出，该负电压输出与输入电压和负载电流大小无关，并能通过调节基准电压或是第一电阻比第二电阻的比值，从而调节该负电压输出，充分地解决了现有技术的缺失。此外，由于电流控制单元的存在，不仅使得该负电压输出稳定，而且提供了一种自然的短路保护机制，当输出短路时，输出电流被限制住，不会失控造成电路损坏，同时由于跳周期控制机制，本发明的负压电荷泵电路即使在轻载的条件下也有优异的能效。
藉由以上较佳具体实施例的描述，本领域具有通常知识者当可更加清楚本发明的特征与精神，惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，任何对上述实施例进行的修改及变化仍不脱离本发明的精神，且本发明的权利范围应如权利要求所列。

Claims (8)

1.一种负压电荷泵电路，应用于集成电路中，其特征在于，该负压电荷泵电路包括：
第一电容，具有正端及负端；
第一晶体管，一端连接至高电位，另一端连接至该第一电容的正端；
第二晶体管，一端连接至该第一电容的负端，另一端接地；
第三晶体管，一端连接至该第一晶体管及该第一电容的正端，另一端接地；
第二电容，具有正端及负端，该第二电容的正端接地；
第四晶体管，一端连接至该第二晶体管及该第一电容的负端，另一端连接至该第二电容的负端；
比较器，具有正输入端、负输入端以及输出端；
第一电阻，一端连接至该第四晶体管及该第二电容的负端，另一端连接至该比较器的负输入端；
基准电压产生单元，用以产生稳定的基准电压；
第二电阻，一端连接至该第一电阻及该比较器的负输入端，另一端连接至该基准电压产生单元；
时钟发生单元，用以产生时钟信号；
逻辑控制单元，具有第一输入端、第二输入端及输出端，该第一输入端连接至该比较器的输出端，该第二输入端连接至该时钟发生单元，以及该输出端用以输出时序控制信号；
开关驱动单元，连接至该逻辑控制单元，用以接收该时序控制信号，以及分别连接至该第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管的栅极，用以依据该时序控制信号控制该第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管或第四晶体管的导通或关断；
电流控制单元，连接于该开关驱动单元及该第三晶体管之间，用以控制该第三晶体管导通时的电流大小；
其中，该第一晶体管及第二晶体管同时导通或关断，该第三晶体管及第四晶体管同时导通或关断，以及该第一晶体管与该第三晶体管反相导通或反相关断。
2.如权利要求1所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该第一电容或第二电容为外接元器件。
3.如权利要求2所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该第一电容为飞电容。
4.如权利要求2所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该第二电容为输出稳压滤波电容。
5.如权利要求1所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该负压电荷泵电路还包括第三电阻，与该第二电容并联。
6.如权利要求5所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该第三电阻为等效输出负载。
7.如权利要求1所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该逻辑控制单元为或逻辑门。
8.如权利要求1所述的负压电荷泵电路，其特征在于，该电流控制单元还包括：
基准电流产生组件，一端连接至高电位，用以产生基准电流；
第五晶体管，一端连接至该基准电流产生组件，另一端接地；以及
第六晶体管，一端连接至高电位，另一端连接至该第五晶体管的栅极，且该第六晶体管的栅极连接至该基准电流产生组件；
其中，该开关驱动单元控制该第三晶体管导通时，该第三晶体管的栅极连接至该第五晶体管的栅极。
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