CN109039060A - 一种输出电压稳定的双边电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出电压稳定的双边电荷泵，包括：时钟电路，以时钟信号CLK为输入，用于产生两相非交叠时钟；逻辑电路：以两相非交叠时钟为和模式选择信号Vin为输入，用于产生双边泵电路开关管的栅极信号；双边泵电路：以开关管的栅极信号和补偿管的控制信号为输入，用于产生输出电压；负载电流检测电路：以双边泵电路中泵电路飞线电容和输出稳压电容之间的压差为输入，用于产生补偿管的控制信号。本发明能解决负载电流的变化对输出电压的影响，使得输出电压不随负载电流发生较大变化，从而提高输出电压的稳定性和精确性。

Description

一种输出电压稳定的双边电荷泵

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种输出电压稳定的双边电荷泵。

背景技术

电荷泵也叫开关电容式电压变换器，利用电容两端电压不能突变的原理，将输入电压提高或下降，得到需要的输出。因为电荷泵使用电容而非电感来实现直流电压的转换，所占用的面积小，输入输出非常灵活，所以常应用于目前的便携式设备或显示装置的电源管理系统中。

图1所示为传统电荷泵。包括时钟电路，外界输入时钟CLK作为输入，用于产生两相非交叠时钟。逻辑电路，两相非交叠时钟和输入控制信号Vin作为输入，用于产生泵电路的控制信号。泵电路，逻辑电路产生的控制信号作为输入，用于产生输出电压和提供负载电流。

图2为图1中泵电路内部电路，泵电路随时钟信号CLK的变化，有充电和放电两种工作状态。

当外界时钟信号为高电平CLK_h时，模式选择信号为Vin时，泵电路为充电状态，根据输入信号中模块选择信号的不同，接入充电电路的MOSFET管也不同。第三P型MOSFET管(P3)源极接电压源VDDB，漏极连接第一电容Cfly的C1P端。第二N型MOSFET(N2)管源极连接电压源VSSB，漏极连接第一电容Cfly的C1N端。

当外界时钟信号为低电平CLK_L时，泵电路为放电状态，第一P型MOSFET管(P1)源极连接电压源AVDD，漏极连接第一电容Cfly的C1N端，第四P型MOSFET管(P4)源极连接第一电容Cfly的C1P端，漏极连接第二电容Cout的C2P端，提供输出电压。

当外界时钟信号为高电平CLK_h时，输出电压和负载电流都只由Cout提供，所以负载电流很大或发生突变会使输出电压发生较大的变化。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种输出电压稳定的双边电荷泵，以期能解决负载电流的变化对输出电压的影响，使得输出电压不随负载电流发生较大变化，从而提高输出电压的稳定性和精确性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种输出电压稳定的双边电荷泵的特点包括：时钟电路、逻辑电路、双边泵电路和负载电流检测电路；

所述时钟电路接收外部低电平的时钟信号CLK_L后产生第一低电平非交叠时钟信号CLK1_L和第二高电平非交叠时钟信号CLK2_h并传递给所述逻辑电路；

所述逻辑电路接收外部的模式选择信号Vin以及所述第一低电平非交叠时钟信号CLK1_L和第二高电平非交叠时钟信号CLK2_h后产生所述双边泵电路在放电状态下对应开关管的栅极信号；

所述负载电流检测电路检测所述双边泵电路在放电状态下的飞线电容和输出稳压电容之间的压差，并将所述压差与参考电压进行比较后，产生补偿管的控制信号并发送给所述双边泵电路；

所述时钟电路接收外部高电平的时钟信号CLK_h后产生第一高电平非交叠时钟信号CLK1_h和第二低电平非交叠时钟信号CLK2_L并传递给所述逻辑电路；

所述逻辑电路接收外部的模式选择信号Vin以及所述第一高电平非交叠时钟信号CLK1_h和第二低电平非交叠时钟信号CLK2_L后产生所述双边泵电路的充电状态下对应开关管的栅极信号；

所述负载电流检测电路保持所述补偿管的控制信号不变并发送给在充电状态下的双边泵电路；

所述双边泵电路根据所述补偿管的控制信号对自身的输出电压Vout进行补偿。

本发明所述的输出电压稳定的双边电荷泵的特点也在于：

所述双边泵电路是由两个对称的泵电路和一个补偿管构成，且两个对称的泵电路共用一个输出稳压电容；所述补偿管的两端分别与所述输出稳压电容和任意一个泵电路串联；

定义与所述补偿管串联的泵电路为补偿泵电路；

所述泵电路处于放电状态且所述补偿泵电路处于充电状态时，所述泵电路的飞线电容和输出稳压电容之间的开关管导通；

若所述补偿管接收到的控制信号为高电平，则所述补偿泵电路断开，从而不对输出电压Vout产生作用；

若所述补偿管接收到的控制信号为低电平，则所述补偿泵电路导通，从而对所述输出电压Vout进行补偿；

所述泵电路处于充电状态且所述补偿泵电路处于放电状态时，所述泵电路的飞线电容和输出稳压电容之间的开关管断开。

所述负载电流检测电路是由比较器、减法器、延迟单元、D触发器、电平移位电路构成；

所述减法器根据所述泵电路的飞线电容两端电压值得到相应的电压差并传递给所述比较器；

所述比较器根据电压差和参考电压得到相应的比较结果并传递给所述D触发器；

所述D触发器接收经过所述延迟单元的时钟信号以及所述比较结果，得到的输出结果传递给所述电平移位电路；

由所述电平移位电路得到补偿管的控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的电荷泵可以通过检测负载电流的大小来控制泵电路的工作状态，当负载电流过大时，将泵电路中的两边一起接入电路来提高电荷泵的带负载能力，减小了输出电压的纹波，在负载电流突变时，使输出电压更加稳定精确；同时还可以提高电压提高的速度；克服了负载电流变化对输出电压带来很大波动的影响。

2、本发明的负载电流检测电路是利用泵电路处于放电状态时，检测飞线电容和输出稳压电容之间的压差，通过和飞线电容和输出稳压电容之间开关管导通的电阻值进行计算的到负载电流的大小，此方法不受不同模式的泵电路的影响，适用性广泛，且负载电流检测电路中的电路都为常见电路，方法简单易实现，结构简单所以能够快速将检测到的结果传递给泵电路。

3、本发明中的双边泵电路中的补偿泵电路与原有泵电路结构完全对称，便于设计且能在很大程度上减小输出电压的纹波，同时可以提供较大的负载电流，来保持输出电压的稳定、精确。

附图说明

图1为传统电荷泵示意性框图；

图2为传统电荷泵中泵电路的电路示意图；

图3为本发明的电荷泵示意性框图；

图4为本发明的电荷泵中泵电路的电路示意图；

图5为本发明的电荷泵中时钟电路的输出两相非交叠时钟与输入信号CLK的关系图；

图6为本发明的电荷泵中负载电流检测电路内部的结构示意性框图。

具体实施方式

传统电荷泵电路当提供的负载电流会发生变化，会导致输出电压的不稳定，而本发明的一种输出电压稳定的双边电荷泵是针对负载电流较大时，对泵电路进行补偿来达到输出电压稳定的目的。如图3所示，该电荷泵具体包括：时钟电路、逻辑电路、双边泵电路和负载电流检测电路；

如图5所示，时钟电路接收外部低电平的时钟信号CLK_L后产生第一低电平非交叠时钟信号CLK1_L和第二高电平非交叠时钟信号CLK2_h并传递给逻辑电路；

逻辑电路接收外部的模式选择信号Vin以及第一低电平非交叠时钟信号CLK1_L和第二高电平非交叠时钟信号CLK2_h后产生的双边泵电路在放电状态下对应开关管的栅极信号；

如图4所示，双边泵电路是由两个对称的泵电路和一个补偿管第五P型MOSFET管P5构成，且两个对称的泵电路共用一个输出稳压电容；补偿管的两端分别与输出稳压电容和任意一个泵电路串联；

定义与补偿管串联的泵电路为补偿泵电路；

泵电路接收逻辑电路的输出信号处于放电状态且补偿泵电路处于充电状态时，第一P型MOSFET管P1的源极接到电压AVDD，漏极连接第一电容Cfly的C1N端，第四P型MOSFET管P4的源极连接到第一电容Cfly的C1P端，漏极接到第二电容Cout的C2P端。第八P型MOSFET管的源极接到电压VDDB，漏极接到第三电容Cfly1的C3P端，第三N型MOSFET管的源极连接到电压VSSB，漏极连接到第三电容的C3N端。补偿管第五P型MOSFET管P5的控制信号由负载电流检测电路来决定。

泵电路的飞线电容和输出稳压电容之间的开关管第四P型MOSFET管P4导通。定义第四P型MOSFET管P4的导通电阻为Ron，负载电流为Iload。

如图6所示，负载电流检测电路是由比较器、减法器、延迟单元、D触发器、电平移位电路构成；

减法器是将双边泵电路中第一电容CflyC1P端的电压值与第二电容CoutC2P端的电压值相减得到相应的电压差并传递给比较器；

比较器根据电压差和参考电压Vref得到相应的比较结果并传递给D触发器；参考电压大，输出为逻辑高电平。参考电压小于或等于电压值C1P-C2P，输出为逻辑低电平。

D触发器接收经过延迟单元的时钟信号以及比较结果，得到的输出结果传递给电平移位电路；

由电平移位电路得到补偿管的控制信号。

当负载电流很大时，C1P-C2P≈Iload×Ron＞Vref，补偿管第五P型MOSFET管P5得到的控制信号为逻辑低电平，补偿管第五P型MOSFET管P5导通，使补偿泵电路可以对输出电压进行补偿。

当负载电流很小时，C1P-C2P≈Iload×Ron＜Vref，补偿管第五P型MOSFET管P5得到的控制信号为逻辑高电平，补偿管第五P型MOSFET管P5断开，补偿泵电路无法对输出电压进行补偿。

如图5所示，时钟电路接收外部高电平的时钟信号CLK_h后产生第一高电平非交叠时钟信号CLK1_h和第二低电平非交叠时钟信号CLK2_L并传递给逻辑电路；

逻辑电路接收外部的模式选择信号Vin以及第一高电平非交叠时钟信号CLK1_h和第二低电平非交叠时钟信号CLK2_L后产生泵电路的充电状态下对应开关管的栅极信号；

泵电路接收逻辑电路的输出信号处于充电电状态且补偿泵电路处于放电状态时，第三P型MOSFET管P3的源极连接电压VDDB，漏极连接第一电容Cfly的C1P端，第二N型MOSFET管的N2源极连接电压VSSB，漏极连接第一电容Cfly的C1N端。第九P型MOSFET管P9的源极连接电压AVDD，漏极连接第三电容Cfly1的C3N端，第六P型MOSFET管P6的源极连接第三电容Cfly1的C3P端，漏极连接第五P型MOSFET管P5。第五P型MOSFET管P5的控制信号保持不变。补偿管第五P型MOSFET管P5保持的控制信号为逻辑低电平，补偿管第五P型MOSFET管P5导通，补偿泵电路中第三电容Cfly1将电荷转移到第二电容Cout中，使输出电压稳定，同时提供负载电流。补偿管第五P型MOSFET管P5保持的控制信号为逻辑高电平，补偿管第五P型MOSFET管P5断开，补偿泵电路不对输出电压产生补偿。

在检测负载电流方面也可以利用电阻串分压的方式来进行检测，但是模式选择信号Vin不同时，需要根据模式选择信号设计不同的电阻串或者参考电压，浪费面积同时增加电路复杂度。本发明提到的负载电流检测电路，不会受模式选择信号所影响，适用性强。

利用与泵电路完全对称的补偿泵电路进行补偿，大大减小了输出电压的波动，传统结构输出电压纹波为40mV时，利用本发明的结构，输出电压为1mV，远远小于传统结构的电压波动。

Claims (3)

1.一种输出电压稳定的双边电荷泵，其特征包括：时钟电路、逻辑电路、双边泵电路和负载电流检测电路；

所述时钟电路接收外部低电平的时钟信号CLK_L后产生第一低电平非交叠时钟信号CLK1_L和第二高电平非交叠时钟信号CLK2_h并传递给所述逻辑电路；

所述逻辑电路接收外部的模式选择信号Vin以及所述第一低电平非交叠时钟信号CLK1_L和第二高电平非交叠时钟信号CLK2_h后产生所述双边泵电路在放电状态下对应开关管的栅极信号；

所述负载电流检测电路检测所述双边泵电路在放电状态下的飞线电容和输出稳压电容之间的压差，并将所述压差与参考电压进行比较后，产生补偿管的控制信号并发送给所述双边泵电路；

所述时钟电路接收外部高电平的时钟信号CLK_h后产生第一高电平非交叠时钟信号CLK1_h和第二低电平非交叠时钟信号CLK2_L并传递给所述逻辑电路；

所述逻辑电路接收外部的模式选择信号Vin以及所述第一高电平非交叠时钟信号CLK1_h和第二低电平非交叠时钟信号CLK2_L后产生所述双边泵电路的充电状态下对应开关管的栅极信号；

所述负载电流检测电路保持所述补偿管的控制信号不变并发送给在充电状态下的双边泵电路；

所述双边泵电路根据所述补偿管的控制信号对自身的输出电压Vout进行补偿。

2.根据权利要求1所述的输出电压稳定的双边电荷泵，其特征是：所述双边泵电路是由两个对称的泵电路和一个补偿管构成，且两个对称的泵电路共用一个输出稳压电容；所述补偿管的两端分别与所述输出稳压电容和任意一个泵电路串联；

定义与所述补偿管串联的泵电路为补偿泵电路；

所述泵电路处于放电状态且所述补偿泵电路处于充电状态时，所述泵电路的飞线电容和输出稳压电容之间的开关管导通；

若所述补偿管接收到的控制信号为高电平，则所述补偿泵电路断开，从而不对输出电压Vout产生作用；

若所述补偿管接收到的控制信号为低电平，则所述补偿泵电路导通，从而对所述输出电压Vout进行补偿；

所述泵电路处于充电状态且所述补偿泵电路处于放电状态时，所述泵电路的飞线电容和输出稳压电容之间的开关管断开。

3.根据权利要求1所述的输出电压稳定的双边电荷泵，其特征是：所述负载电流检测电路是由比较器、减法器、延迟单元、D触发器、电平移位电路构成；

所述减法器根据所述泵电路的飞线电容两端电压值得到相应的电压差并传递给所述比较器；

所述比较器根据电压差和参考电压得到相应的比较结果并传递给所述D触发器；

所述D触发器接收经过所述延迟单元的时钟信号以及所述比较结果，得到的输出结果传递给所述电平移位电路；

由所述电平移位电路得到补偿管的控制信号。