CN108880231B

CN108880231B - 一种用于调整电荷泵的输出电压的电路

Info

Publication number: CN108880231B
Application number: CN201810707400.4A
Authority: CN
Inventors: 赵利川; 范东风; 沈红伟
Original assignee: Sichuan Huada Hengxin Technology Co Ltd
Current assignee: Huada Hengxin Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: CN108880231A

Abstract

本发明涉及一种用于调整电荷泵的输出电压的电路，包括：第一分压电路，所述第一分压电路的电压输入端与电荷泵的输出端连接，所述第一分压电路的接地端接地，并且所述第一分压电路的电压输出端与第一比较器的输入端之一连接；第一比较器，所述第一比较器的一个输入端与第一分压电路的电压输出端连接，另一个输入端与第一参考电压连接，并且所述第一比较器的输出端与电荷泵的控制输入端连接；电流源，所述电流源的一端与开关的一端连接，另一端接地；以及开关，所述开关的一端与电流源连接，另一端与第一分压电路的电压输出端连接。本发明还涉及一种电荷泵电路和一种用于运行电荷泵的方法。通过所述电路或方法，可以控制电荷泵的输出电压的波形。

Description

一种用于调整电荷泵的输出电压的电路

技术领域

本发明总体上涉及集成电路领域，具体而言涉及一种用于调整电荷泵的输出电压的电路。此外，本发明还涉及一种具有输出电压调整功能的电荷泵电路以及一种用于运行根据本发明的电路的方法。

背景技术

在电子系统中，高于电源电压的应用广泛存在。例如在非易失性存储器电路、例如EEPROM中，在进行擦除或编程操作时就需要与电源电压相比通常更高的电压。为了产生比电源电压更高的电压，电荷泵是一个良好的解决方案。

在电荷泵的运行中，需要对电荷泵的一系列电容充电，然后再将输出的高压作用到负载上。然而，在此过程中会产生较大的电流消耗。而在一些低功耗应用中，大的峰值电流消耗会严重限制系统的性能。

发明内容

本发明的任务是，提供一种用于调整电荷泵的输出电压的电路、一种具有输出电压调整功能的电荷泵电路、以及一种用于运行根据本发明的电路的方法，通过所述电路或方法，可以控制电荷泵的输出电压的波形，从而程度地减小电流消耗的最大值，由此在电荷泵的充电过程中的功率消耗将变得更均匀。

在本发明的第一方面，前述任务通过一种用于调整电荷泵的输出电压的电路来解决，该电路包括：

第一分压电路，所述第一分压电路的电压输入端与电荷泵的输出端连接，所述第一分压电路的接地端接地，并且所述第一分压电路的电压输出端与第一比较器的输入端之一连接；

第一比较器，所述第一比较器的一个输入端与第一分压电路的电压输出端连接，另一个输入端与第一参考电压连接，并且所述第一比较器的输出端与电荷泵的控制输入端连接；

分压比例调整元件，所述分压比例调整元件用于调整第一分压电路的分压比例，其中所述分压比例调整元件的一端与开关的一端连接，另一端接地；以及

开关，所述开关的一端与分压比例调整元件连接，另一端与第一分压电路的电压输出端连接。

在本发明的一个优选方案中规定，该电路还包括：

第二分压电路，所述第二分压电路的电压输入端与电荷泵的输出端连接，所述第二分压电路的接地端接地，并且所述第二分压电路的电压输出端连接到第二比较器的输入端之一；以及

第二比较器，所述第二比较器的一个输入端与第二分压电路的电压输出端连接，另一个输入端与第二参考电压连接，并且所述第二比较器的输出端连接到电荷泵的控制输入端。

通过该优选方案，除了控制电荷泵充电过程中的电压波形以外，还可以通过第二比较器和第二分压电路来控制目标电压值的大小。例如，可以通过调整第二分压电路的分压比和/或第二参考电压的大小来调整目标电压值的大小。

在本发明的另一优选方案中规定，其中第一分压电路为电容分压电路并且包括两个或两个以上的分压电容；第二分压电路为电容分压电路或电阻分压电路并且包括两个或两个以上的分压电容或分压电阻。由于电容本身不消耗实际功率，通过该优选方案，可以降低功耗。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述分压比例调整元件包括下列各项中的一个或多个：

电流源、电阻、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、双极结型晶体管BJT、以及PN结；其中，所述电流源包括集成或外接电流源、镜像电流源。

在本发明的另一扩展方案中规定，第一参考电压和第二参考电压相同，并且第一分压电路和第二分压电路的分压比不同。通过该扩展方案、即使参考电压相同而分压比不同，可以通过调节第一分压电路的分压比来调整电压的上升波形，而通过第二分压电路的分压比来确定最终的稳定电压。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种具有输出电压调整功能的电荷泵电路来解决，该电荷泵电路包括：

电荷泵，所述电荷泵的控制输入端与第一比较器的输出端连接并且所述电荷泵的输出端与第一分压电路的电压输入端连接；

第一比较器，所述第一比较器的一个输入端与第一分压电路的电压输出端连接，另一个输入端与第一参考电压连接，并且所述第一比较器的输出端与电荷泵的控制输入端连接；以及

电流源，所述电流源的一端与开关的一端连接，另一端接地；以及

开关，所述开关的一端与电流源连接，另一端与第一分压电路的电压输出端连接。

在本发明的一个优选方案中规定，该电荷泵电路还包括：

在本发明的一个扩展方案中规定，第一分压电路和/或第二分压电路为电容分压电路并且包括两个或两个以上的分压电容。

在本发明的另一扩展方案中规定，当电荷泵的电压输出端处的输出电压未达到目标电压时，所述开关闭合；当电荷泵的电压输出端处的输出电压达到目标电压时，所述开关断开。

在本发明的又一扩展方案中规定，所述分压比例调整元件的一端线性增加，通过所述开关闭合的时间，判断分压比例调整元件的电压输出端处的输出电压是否达到目标电压。

在本发明的又一扩展方案中规定，其中所述分压比例调整元件的一端的电压值线性增加或非线性增加，通过检测分压比例调整元件的电压输出端处的输出电压的电压值，判断分压比例调整元件的电压输出端处的输出电压是否达到目标电压。

在本发明的又一扩展方案中规定，其中所述分压比例调整元件为恒定电流源，使得所述分压比例调整元件的一端的电压值线性增加；或所述分压比例调整元件为电阻值可调的电阻，调节所述电阻的电阻值，使得所述分压比例调整元件的一端线性增加。

在本发明的第三方面，前述任务通过一种用于运行根据本发明的电路的方法来解决，该方法包括：

在电荷泵的电压输出端处的输出电压达到目标电压以前，闭合开关；

调整分压比例调整元件的电流大小，使得输出电压以所定义的曲线变化升高到目标电压；以及

断开开关。

在本发明的一个优选方案中规定，其中所述分压比例调整元件为电阻，并且调整分压比例调整元件的电流大小包括：

调整电阻的大小，使得输出电压以所定义的线性曲线升高到目标电压；

或，所述分压比例调整元件为电流源，并且调整分压比例调整元件的电流大小包括：

设置所述电流源为恒定电流源，使得输出电压以所定义的线性曲线升高到目标电压。。

通过该优选方案，可以使电流线性升高，从而使功耗更加平缓。在本发明的教导下，其它调整输出电压曲线的方式也是可设想的，例如控制开关闭合的时间、控制分压比例调整元件的电流大小等等。

本发明基于本发明人的独特洞察：电荷泵输出电压的波形在一定程度上会影响最大电流消耗的大小，因而对输出电压波形控制可以减小电流消耗的最大值，得到更均衡的电流消耗分布。本发明的主要原理为：电荷泵可以通过较低的电源电压产生较高的输出电压以作用到负载上，电容分压电路可以产生一个与输出高电压成比例的反馈电压，比较器对反馈电压和参考电压进行比较输出一个使能信号，此使能信号可以控制电荷泵是否工作，可调节的分压比例调整元件连接到分压电容的反馈电压节点，通过调节电流可以改变分压电容的分压比例，从而改变目标的输出电压的值，由此导致更均匀的功耗。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的具有输出电压调整功能的电荷泵电路的第一实施例；

图2示出了根据本发明的具有输出电压调整功能的电荷泵电路的第二实施例；以及

图3示出了根据本发明的具有输出电压调整功能的电荷泵电路的第三实施例。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

图1示出了根据本发明的具有输出电压调整功能的电荷泵电路的第一实施例100。

如图1所示，电荷泵电路100包括：用于将电源电压变换为输出电压的电荷泵101、将电荷泵输出电压(VHV)转化为反馈电压(VFB)的分压电路104、将反馈电压(VFB)与参考电压(VREF)相比较的比较器102、以及改变分压比例的分压比例调整元件103，在本市实例中，分压比例调整元件103为电流源。电荷泵电路100还包括连接在电流源103与分压电路104的电压输出端之间的开关105。在此，分压电路104为电容分压电路，其包括两个分压电容C1和C2。但是应当指出，在本发明的教导下，其它分压电路也是可设想，或者其它数目的分压电容也是可设想的。

当电荷泵101的输出电压VHV小于目标电压时，输出电压VHV通过分压电路104产生了反馈电压VFB；此时，反馈电压VFB小于参考电压VREF(或称基准电压)，比较器102的输出端处的输出使能信号EN有效，此使能信号EN使能电荷泵101启动工作，使得电荷泵101的输出电压VHV不断增加。当电荷泵101的输出电压VHF大于目标电压时，反馈电压VFB大于参考电压VREF，比较器101的输出使能信号EN无效，使得电荷泵101关闭，电荷泵101的输出电压(VHV)不再增加。

当需要调节电荷泵101的输出电压VHV时(一般多用于增加VHV电压)，使电流源103与分压电路104的输出端之间的开关105闭合，电流减小了分压电压的输出端处的VFB节点电容上的正电荷数量，导致电容分压关系改变，反馈电压VFB减小，使得比较器102的输出使能EN有效，电荷泵101开始工作。经过一定时间后，电荷泵101的输出电压VHV达到目标电压，此时断开开关105，使得输出端处的VFB节点电容上的电荷保持恒定，电容分压关系不再变化，电荷泵101的输出电压VHV稳定目标电压。

根据电荷守恒原理得到，图1中的电荷泵101的输出电压与VREF、电流源103的电流和时间的关系为：

VHV＝VREF*(1+C1/C2+∫I*dt/C2)，

其中I为电流源103的电流大小。在一个实施例中，为了得到一个线性增加的输出电压VHV，可以使电流源103在开关105闭合过程中保持恒定，此时：

VHV＝VREF*(1+C1/C2+I*t/C2)。

在其它实施例中，电流源103的电流可以是时间t的特定函数。通过控制电流I和时间t，进而控制引入的电荷数量，从而可以得到想要的输出电压VHV的稳定值及上升波形。

在采用恒定电流源103的实施例中(即所述电流源103为恒定电流源)，可以使电容分压关系匀速变化，因而电荷泵101的输出电压VHV与反馈电压VFB和时间为线性关系，最大程度保证了电荷泵101的输出电压VHV的线性变化，进而能够使电流消耗保持均匀一致，减小电流消耗的最大值，改善电路系统的功耗特性。本电荷泵电路100可以提升低功耗应用的电荷泵性能。

图1中的分压电路104和电流源103例如可以具有如下优选方案：(1)分压电路104可以通过多个电容串联或并联来实现；(2)考虑到输出电压VHV及电流源103的电流大小等因素，可以选择不同大小的电容；(3)恒定电流源103的电流可以随时间恒定，也可以在设置成与时间相关，目的是得到想要的输出电压VHV的波形(线性上升的速度或者非线性形状)；(4)可以通过控制开关105使得电流源103持续连接到分压电路，也可以间断性或周期性地连接到分压电路。

在图1中，当电流源103为恒定电流源时，所述电流源103的一端(靠近开关105的一端)的电压值线性增加，接入的时间可以通过时钟计数来实现，此时电流源103接入时间为时钟周期的整数倍，当时钟计数达到设定值后，断开开关105。也可以采用其它的计时方法控制电流源105接入的时间，从而可以通过时钟计数控制开关105的闭合时间，使得输出电压VHV达到目标电压。也可以通过反馈的方法实现电流源开关的控制，一种反馈方法是检测VHV电压的大小，当VHV电压达到目标电压后，向开关105输出控制信号以使开关105打开。

当电流源103为非恒定电流源时，可以通过检测输出电压VHV是否达到目标电压，来关闭开关105。

在图1中分压比例调整元件为电流源103，其中电流源103可以通过多种方式来实现，例如集成或外接的电流源及其镜像电流源。

在其他实施例中，分压比例调整元件103也可以采用特定偏压下的MOS或BJT等器件实现恒定或可调的电流；还可以采用正偏或反偏的PN结等器件得到需要的电流。例如，图2示出了根据本发明的具有输出电压调整功能的电荷泵电路的第二实施例200。

图2的第二实施例200与图1的第一实施例100之间的区别在于，图2中用来改变分压比例的分压比例调整元件是电阻203。由于反馈电压VFB变化很小，因而电阻203上的电流近似为恒定的，因此输出电压VHV随着时间增加而线性增加。通过调节电阻203的大小可以控制输出电压VHV的上升波形。此外，控制电阻203接入的时间可以得到输出电压VHV的所期望的目标稳定值。

图2所示的实施例200中也可以存在多个由开关105控制的电阻203，其中通过开关105控制接入反馈电压节点的电阻203的多少/大小可以改变输出电压的上升速率。在不同时间接入不同电阻203，可以改变不同时间阶段的输出电压VHV的上升速率，实现输出电压VHV的所期望的变化波形。例如通过调节不同时刻电阻203接入的电阻值，使得输出电压VHV为线性变化或非线性变化。

在图2中，电阻203接入时间可以通过时钟计数或输出电压VHV电压反馈控制的方式来实现。当通过调节不同时刻电阻203接入的电阻值，从而使得电阻203的一端(连接所述开关105的一端)的电压值线性增加，并可以通过时钟计数控制开关105的闭合时间，使得输出电压VHV达到目标电压。当通过调节不同时刻电阻203接入的电阻值，从而使得电阻203的一端(连接所述开关105的一端)的电压值非，线性增加，并可以通过时钟计数控制开关105的闭合时间，使得输出电压VHV达到目标电压；或通过检测输出电压VHV是否达到目标电压，来关闭开关105。

图3示出了根据本发明的具有输出电压调整功能的电荷泵电路的第三实施例300。

在图3的实施例300中，输出电压VHV的稳定值的确定和上升波形的调整分别通过两个反馈电路来实现，其中第一比较器102及其输出使能EN1在输出电压VHV的上升过程有效，而第二比较器106及其输出EN2在输出电压VHV的稳定状态有效。由第一比较器102、第一反馈电压VFB1、第一分压电路104的电容C1、C2和电流源103确定的输出电压VHV的大小为：

VHV1＝VREF*(1+C1/C2+∫I*dt/C2)，

其中I为电流源103的电流大小。

而由第二比较器106、第二反馈电压VFB2、第二分压电路107的电容C3和C4确定的输出电压VHV大小为：

VHV2＝VREF*(1+C3/C4)，

其中电荷泵101在t＝0时刻的输出电压VHV1小于通过由第二比较器106和第二分压电路107构成的反馈电路达到稳定的输出电压VHV2。

在输出电压VHV上升过程，其值小于VHV2，因而反馈电压VFB2小于VREF，比较器输出EN2有效，此过程中第一比较器102输出EN1控制电荷泵101工作，使输出电压VHV大小为：

VHV＝VREF*(1+C1/C2+∫I*dt/C2)，

通过控制电流源103的电流大小及其随时间的变化特性，可以得到需要的输出电压VHV的上升波形。当输出电压VHV不断增加达到VHV2后，第二比较器106的输出EN2变化，使电荷泵101停止工作，第一比较器102的输出EN1控制失效，输出电压VHV稳定在VHV2。

在此实施例中，电容C3和C4也可以由电阻R3和R4来替代，此时：

VHV2＝VREF*(1+R3/R4)，

在图3中，其中分压比例调整元件为电流源103，在其他实施例中，分压比例调整元件也可以用电阻、MOS和BJT等器件来实现，根据本发明的上述描述，此为本领域的普通技术人员可以理解的，在此不做赘述。

在此实施例300中，通过对输出电压VHV的稳定值和上升波形的分别控制可以减小由电流源接入时间的误差造成的输出电压VHV的稳定值的偏差，由此在实现电荷泵功耗控制的同时，保证较高的输出电压VHV的精确度。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims

1.一种用于调整电荷泵的输出电压的电路，包括：

分压比例调整元件，所述分压比例调整元件用于调整第一分压电路的分压比例，其中所述分压比例调整元件的一端与开关的一端连接，另一端接地，其中调整分压比例调整元件的电流大小，使得输出电压以所定义的曲线变化升高到目标电压；以及

2.根据权利要求1所述的电路，还包括：

3.根据权利要求1所述的电路，其中第一分压电路为电容分压电路并且包括两个或两个以上的分压电容。

4.根据权利要求2所述的电路，其中第二分压电路为电容分压电路或电阻分压电路并且包括两个或两个以上的分压电容或分压电阻。

5.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述分压比例调整元件包括下列各项中的一个或多个：

6.根据权利要求2所述的电路，其中第一参考电压和第二参考电压相同，并且第一分压电路和第二分压电路的分压比不同。

7.根据权利要求1或2所述的电路，其中当第一分压电路的电压输出端处的输出电压未达到目标电压时，所述开关闭合；当第一分压电路的电压输出端处的输出电压达到目标电压时，所述开关断开。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述分压比例调整元件的一端的电压值线性增加，通过所述开关闭合的时间，判断第一分压电路的电压输出端处的输出电压是否达到目标电压。

9.根据权利要求7所述的电路，其中所述分压比例调整元件的一端的电压值线性增加或非线性增加，通过检测第一分压电路的电压输出端处的输出电压的电压值，判断第一分压电路的电压输出端处的输出电压是否达到目标电压。

10.根据权利要求7所述的电路，其中所述分压比例调整元件为恒定电流源，使得所述分压比例调整元件的一端的电压值线性增加；或所述分压比例调整元件为电阻值可调的电阻，调节所述电阻的电阻值，使得所述分压比例调整元件的一端的电压值线性增加。

11.一种具有输出电压调整功能的电荷泵电路，包括：

根据权利要求1至10之一所述的电路；以及

电荷泵，所述电荷泵的控制输入端与第一比较器的输出端连接并且所述电荷泵的输出端与第一分压电路的电压输入端连接。

12.一种用于运行根据权利要求1至11之一所述的电路的方法，包括：

断开开关。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述分压比例调整元件为电阻，并且调整分压比例调整元件的电流大小包括：

设置所述电流源为恒定电流源，使得输出电压以所定义的线性曲线升高到目标电压。