CN109845081A - 用于dc/dc转换器的自举电路 - Google Patents

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Abstract

在所描述实例中，一种电路(100)包含电荷泵(110)以产生输出参考电压。第一自举刷新电路(120)从所述电荷泵(110)接收所述参考电压，且耦合于DC/DC转换器的第一自举节点与第二自举节点(124、126)之间。所述第一自举刷新电路(120)基于指示所述DC/DC转换器的第一操作模式的控制信号(130)，将源自所述第一自举节点(124)的第一电荷电流供应到所述第二自举节点(126)。第二自举刷新电路(140)从所述电荷泵(110)接收所述参考电压，且耦合于所述DC/DC转换器的所述第一自举节点与所述第二自举节点(124、126)之间。所述第二自举刷新电路(140)基于指示所述DC/DC转换器的第二操作模式的控制信号(130)，将源自所述第二自举节点(126)的第二电荷电流供应到所述第一自举节点(124)。

Description

用于DC/DC转换器的自举电路
本发明涉及集成电路，且更确切地说，涉及一种提供用于DC/DC转换器的自举充电电流的电路。
背景技术
直流到直流(DC/DC)转换器表示用于电源供应器设计的主要种类。开关模式DC/DC转换器可达成且可超过百分之九十的功率转换效率，且因此已广泛地用以在所有类型的电子装置(例如，电脑、蜂窝电话、电视、汽车等等)中高效地供应电力。取决于应用，DC/DC转换器可提供各种输入及输出转换模式。举例而言，降压模式转换器将较大输入电压转换成较小DC输出电压。升压模式转换器将较小输入电压升压成较高DC输出电压。一些配置提供降压及升压能力以维持输入与输出之间的大体上恒定的电压。对于一些应用，可能有必要提供降压、升压及降压/升压模式能力。举例而言，在一些汽车应用中，当电池达到通常为约十二伏特的其正常操作电压时，可选择升压模式以在冷启动供应电力。在达到正常电压后，可需要其它比电池电压低的电压用于将使用降压模式供应此类电压的电子电路。为了支持多个转换器操作模式，可使用自举电路将电力供应到DC转换器的支持转换器的当前不在作用中模式的不在作用中部分。
发明内容
在一个实例中，一种电路包含电荷泵以产生输出参考电压。第一自举刷新电路从所述电荷泵接收所述参考电压。所述第一自举刷新电路进一步耦合于DC/DC转换器的第一自举节点与第二自举节点之间。所述第一自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的第一操作模式的控制信号将源自所述第一自举节点的第一电荷电流供应到所述第二自举节点以用于对电容器充电，以有助于响应于从所述第一操作模式切换到第二操作模式的自举。第二自举刷新电路从所述电荷泵接收所述参考电压。所述第二自举刷新电路进一步耦合于所述DC/DC转换器的所述第一自举节点与所述第二自举节点之间。所述第二自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的所述第二操作模式的所述控制信号将第二电荷电流从所述第二自举节点供应到所述第一自举节点以用于对所述电容器充电，以有助于响应于从所述第二操作模式切换到第一操作模式的自举。
在另一实例中，一种电路包含电荷泵以产生输出参考电压。第一刷新控制电路包含第一电压输入以从所述电荷泵接收所述参考电压。所述第一刷新控制电路基于所述参考电压且响应于控制信号输入而产生第一输出电流。第一电荷电路耦合到所述第一刷新电路以基于来自所述第一刷新控制电路的所述第一输出电流将第一电荷电流从DC/DC转换器的第一自举节点供应到第二自举节点。第二刷新控制电路包含第二电压输入以从所述电荷泵接收所述参考电压。所述第二刷新控制电路基于所述参考电压且响应于所述控制信号输入产生第二输出电流。第二电荷电路耦合到所述第二刷新电路以基于来自所述第二刷新控制电路的所述第二输出电流将第二电荷电流从所述DC/DC转换器的所述第二自举节点供应到所述第二自举节点。
在又一实例中，一种集成电路包含半导体衬底，和产生跨至少一个充电电容器的参考电压的电荷泵。所述电荷泵和所述充电电容器形成于所述半导体衬底上。第一自举刷新电路形成于所述半导体衬底上，且接收来自所述电荷泵的所述参考电压。所述第一自举刷新电路进一步耦合于DC/DC转换器的第一自举节点与第二自举节点之间。所述第一自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的第一操作模式的控制信号，将源自所述第一自举节点的第一电荷电流供应到所述第二自举节点。第二自举刷新电路形成于所述半导体衬底上，接收来自所述电荷泵的所述参考电压。所述第二自举刷新电路进一步耦合于所述DC/DC转换器的所述第一自举节点与所述第二自举节点之间。所述第二自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的第二操作模式的所述控制信号，将第二电荷电流从所述第二自举节点供应到所述第一自举节点。
附图说明
图1说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路的实例示意性框图。
图2说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路和驱动器电路的实例示意性框图。
图3说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路的实例电路图。
图4A和4B说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路和驱动器电路的实例电路图。
具体实施方式
本描述涉及一种提供用于DC/DC转换器的自举充电电流的电路。所述DC/DC转换器包含降压、升压和降压-升压模式能力，其中自举电容器在转换器中用以提供用于转换器中的不在作用中开关电路的开始电压。举例而言，在降压模式中，降压侧驱动器电路在作用中以驱动连接到升压侧驱动器电路的电感器以提供用于电感器的返回电流路径。在降压模式中，不同于提供用于作用中升压侧电路的返回电流路径，升压侧电路中的多数不在作用中。为了支持从降压模式到升压模式(或反之亦然)的动态倒换，对自举电容器充电以支持倒换操作。在一些现有方法中，自举电容器是经由外部电荷泵(例如，在半导体集成电路(IC)的外部)直接充电。到电荷泵的这个外部连接需要在IC上的附加接脚，连同用于电荷泵的更稳固充电组件的增添费用。
如本文所描述，自举充电电路包含刷新控制和充电电路，其利用作用中转换器侧自举电容器(其归因于转换器的开关动作而被充电)对在转换器的相对且不在作用中侧上的自举电容器充电。充电电流是从转换器中的充电电路组件汲取，而非如在一些现有电路中由外部电荷泵在外部且排他性地提供来源。因此，自举充电电路可使用小得多的充电组件(例如，电容器、缓冲器)使电荷泵能够连同其它转换器电路一起实施为在共同衬底上的内部半导体电路。通过将充电电流从一个自举电容器引导到另一个且利用内部电荷泵作为控制参考，替代使自举充电电流源自外部电荷泵，根据本描述，可规定半导体实施方案利用到大外部组件的较少外部半导体连接，这帮助减少成本。
图1说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路100的实例。如本文中所使用，术语“电路”可包含执行电路功能的有源和/或无源元件的集合，例如，模拟电路或控制电路。另外或替代地，举例来说，术语“电路”可包含集成电路(IC)，其中在共同衬底(例如，半导体衬底)上制造电路元件中的所有和/或一些。
如图1的实例中所展示，电路100包含电荷泵110以产生展示为电压电荷泵(VCP)的输出参考电压。如本文中所使用，电荷泵为将电容器用作能量储存元件以创造更高或更低电压电源的类型的DC/DC转换器。电荷泵使用某一形式的开关装置来控制电压到电容器的连接(例如，见图3)。第一自举刷新电路120从电荷泵110接收参考电压VCP。第一自举刷新电路120进一步耦合于DC/DC转换器的第一自举电容器节点124与第二自举电容器节点126之间。第一自举刷新电路120基于指示DC/DC转换器的第一操作模式的控制信号130经由第一充电路径IPH1将源自第一自举电容器节点124的第一电荷电流供应到第二自举电容器节点126。第二自举刷新电路140也从电荷泵110接收参考电压VCP。第二自举刷新电路140进一步耦合于DC/DC转换器的第一自举电容器节点124与第二自举电容器节点126之间。第二自举刷新电路140基于指示DC/DC转换器的第二操作模式的控制信号130经由第二电荷路径IPH2将第二电荷电流从第二自举电容器节点126供应到第一自举电容器节点124。
第一自举刷新电路120和第二自举刷新电路140中的每一个分别包含刷新控制电路144和146以基于参考电压VCP和控制信号130控制充电路径IPH1和IPH2上的第一电荷和第二电荷电流。刷新控制电路144和146中的每一个基于在164和166处展示的电流信号和指示第一或第二操作模式的控制信号130驱动分别将第一电荷电流和第二电荷电流供应到第一自举电容器节点124和第二自举电容器节点126中的每一个的相关联的电荷电路150和160。举例来说，控制信号130可将DC/DC转换器的操作模式指示为升压、降压或降压/升压模式。
如下文关于图3和4描述，刷新控制电路144和146中的每一个与相关联的电荷电路150和160经由电流镜耦合以产生电流信号164和166，及分别基于参考电压VCP控制第一电荷和第二电荷电流。电流镜中的每一个可基于电流镜电阻网络中的相对电阻来加偏压，所述电流镜电阻网络被配置成分别控制电流信号164和166。在一些实例中，电荷泵110可与第一自举刷新电路120和第二自举刷新电路140一起在共同半导体衬底上操作。因此，可去除外部电荷泵接脚和组件，这较之现有方法又减少了电路成本。电荷泵110还可包含驱动充电电容器(或电容器)产生参考电压VCP的缓冲器，其中缓冲器和充电电容器中的每一个可与其它转换器电路一起在半导体衬底上操作，例如本文中所描述。
图2说明用于DC/DC转换器电路200的自举充电电路和驱动器电路的实例。电路200可连同转换器电感器LC一起实施于与外部自举电容器C1和C2一起操作的共同半导体衬底上，以提供如本文中所描述的DC/DC转换器操作。电路200包含刷新电路204和降压/升压稳压器电路206。电荷泵208产生用于第一自举刷新电路210的输出参考电压VCP。第一刷新控制电路212包含电压输入以从电荷泵208接收参考电压VCP。第一刷新控制电路212基于参考电压VCP且响应于控制信号输入216产生输出电流，作为电流信号214。第一电荷电路218基于来自第一刷新控制电路212的输出电流214供应来自DC/DC转换器的第一自举电容器节点BST1的电荷电流。电荷电流源自第一自举电容器节点BST1，经由第一电荷电路218(经由充电路径IPH1),到第二自举电容器节点BST2。
第二自举刷新电路220包含第二刷新控制电路222，其包含电压输入端以从电荷泵208接收参考电压VCP。第二刷新控制电路222基于参考电压VCP且响应于控制信号输入216经由电流信号224产生输出电流。第二电荷电路226基于来自第二刷新控制电路222的信号224的输出电流供应来自DC/DC转换器的第二自举电容器节点BST2的电荷电流。电荷电流源自第二自举电容器节点BST2，经由第二电荷电路226和第二充电路径IPH2，到第一自举电容器节点BST1。如所展示，自举电容器C1和C2可耦合于相应的自举节点BST1与BST2之间，且在转换器电感器LC的也耦合到转换器节点L1和L2的相对端处。
第一刷新控制电路212与第一电荷电路218可经由第一电流镜(例如，见图3)耦合以基于参考电压VCP和第一电流信号214控制第一电荷电流。类似地，第二刷新控制电路222与第二电荷电路226可经由第二电流镜耦合以基于参考电压VCP和第二电流信号224控制第二电荷电流。第一和第二电流镜中的每一个可经由配置电阻器(例如，匹配的电阻器对)而加偏压。可设定配置电阻器之间的相对电阻以控制电流镜的相应电流信号。在一些实例中，电荷泵208分别与第一刷新控制电路212和第二刷新控制电路222以及第一电荷电路218和第二电荷电路226一起实施于共同半导体衬底上。
电荷泵208可包含缓冲器，其驱动充电电容器以产生参考电压VCP，其中缓冲器和充电电容器中的每一个在半导体衬底上操作。在图2的实例中，降压/升压调节器电路206包含降压侧驱动器电路230以驱动通过第一自举电容器节点BST1操作的DC/DC转换器的第一电感器节点L1(在降压模式中)。升压侧驱动器电路240驱动通过第二自举电容器BST2操作的DC/DC转换器的第二电感器节点L2(在升压模式中)。调节器控制电路250控制在DC/DC转换器的第一电感器节点L1与第二电感器节点L2之间的电流流动的方向。在降压模式中，降压侧驱动器电路230经由L1节点驱动交流电(AC)(例如，方波)信号到电感器内，而升压侧驱动器电路240相对不在作用中(非切换模式)，且经由节点L2提供用于电感器LC的接地返回路径。在降压模式期间，C1在充电且经由第一电荷电路218将充电电流供应到BST2和C2。
相反地，在升压模式中，升压侧驱动器电路240经由L2节点将AC信号驱动到电感器内，而降压侧驱动器电路230相对不在作用中(非切换模式)，且经由节点L1提供用于电感器LC的接地返回路径。在升压模式期间，C2在充电且经由第二电荷电路226将充电电流供应到BST1和C1。控制电路250控制包含降压模式操作、升压模式操作和降压/升压模式操作中的至少一个的DC/DC转换器的操作，其中降压/升压指在降压与升压之间的间歇性切换以调节输出电压。
图3说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路300的实例，例如，可用以实施电荷电路150、160、218和/或226。电路300包含电荷泵310以产生展示为电压电荷泵(VCP)的输出参考电压。电荷泵310包含缓冲器314，其从电荷泵时钟CP_CLK驱动并且又驱动与二极管D1和第二电荷泵电容器C4串联的电荷泵电容器C3和节点CP2。耦合到D1的节点CP1从自举节点BST1和BST2接收电压，连同到转换器的输入电压(展示为VINP)。
第一刷新控制电路320从电荷泵310接收参考电压VCP。第一刷新控制电路320基于参考电压VCP且响应于控制信号输入324产生输出电流，作为电流信号322。第一刷新控制电路320包含晶体管开关装置M0和M1，其接收VCP且通过控制电流信号322的匹配的电阻器R1和R2耦合到M2和M3。缓冲器326响应于控制信号接收控制信号324且驱动装置M2。包含晶体管装置M4和二极管D2的第一电荷电路328基于来自第一刷新控制电路320的输出电流322供应来自DC/DC转换器的第一自举电容器节点BST1的电荷电流。电荷电流源自第一自举电容器节点BST1，经由第一电荷电路328，到第二自举电容器节点BST2。
第二刷新控制电路330从电荷泵310接收参考电压VCP。第二刷新控制电路330基于参考电压VCP且响应于控制信号输入324产生输出电流，作为电流信号332。第二刷新控制电路330包含晶体管开关装置M5和M6，其接收VCP且通过控制电流信号332的匹配的电阻器R3和R4耦合到M7和M8。缓冲器336响应于控制信号接收控制信号324且驱动装置M7。包含晶体管装置M9和二极管D3的第二电荷电路338基于来自第二刷新控制电路330的输出电流332供应来自DC/DC转换器的第二自举电容器节点BST2的电荷电流。电荷电流源自第二自举电容器节点BST2，经由第二电荷电路338，到第一自举电容器节点BST1。
第一刷新控制电路320与第一电荷电路328经由从M3和M4形成的第一电流镜耦合以基于参考电压VCP和第一电流信号322控制第一电荷电流。类似地，第二刷新控制电路330与第二电荷电路338可经由从M8和M9形成的第二电流镜耦合以基于参考电压VCP和第二电流信号332控制第二电荷电流。第一和第二电流镜中的每一个可经由电阻器对R1/R2和R3/R4加偏压，所述电阻器对被配置成控制电流镜的相应电流信号322和332。图4A和4B说明可利用自举充电电路300以藉由DC/DC转换器提供自举充电的方式。
图4A和4B说明用于DC/DC转换器电路的自举充电电路和驱动器电路的实例电路400。上文关于图3描述的自举充电电路展示处于图4A的框410内。为了简洁起见，将不进一步描述框410中的组件中的每一个。图4A的充电电路耦合到图4B的降压/升压调节器电路420。电路420可包含降压侧驱动器电路430以驱动藉由第一自举电容器节点BST1操作的DC/DC转换器的第一电感器节点L1(在降压模式中)。降压侧驱动器电路430包含耦合到转换器的输入电压VINP的晶体管开关装置M10和M11。从连接到二极管D4和电阻器R5的缓冲器434驱动M11。电晶体M12响应于来自控制器440的控制信号436驱动缓冲器434。从控制器440的控制信号436输出驱动控制M10和M12的开关动作的缓冲器444。
升压侧驱动器电路450驱动藉由第二自举电容器节点BST2操作的DC/DC转换器的第二电感器节点L2(在升压模式中)。升压侧驱动器电路450包含耦合到转换器的输出电压VOUT的晶体管开关装置M13和M14。从连接到二极管D5和电阻器R6的缓冲器454驱动M13。电晶体M15响应于来自控制器440的控制信号456驱动缓冲器454。来自控制器440的输出456驱动控制M14和M15的开关动作的缓冲器458。
控制器440包含比较器460，其基于来自斜坡电路462的斜坡信号确定调节器模式(例如，降压、升压、降压/升压)。基于斜坡信号的陡度，控制电路420在降压(VINP大于VOUT)、升压(VINP小于VOUT)还是降压/升压模式(VINP约等于VOUT)中。比较器460比较来自斜坡电路462的斜坡信号与电流误差放大器信号CEA_OUT以产生转换器控制信号436和456。经由电流误差放大器CEA驱动信号CEA_OUT，电流误差放大器CEA又来自电压误差放大器VEA。放大器VEA关于预定阈值设定REF经由R7和R8的分压器网络监视VOUT以控制VOUT。
在权利要求书的范围内，对所描述实施例的修改是可能的，并且其它实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
电荷泵，其产生输出参考电压；
第一自举刷新电路，其被耦合以从所述电荷泵接收所述参考电压，所述第一自举刷新电路进一步耦合于DC/DC转换器的第一自举节点与第二自举节点之间，所述第一自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的第一操作模式的控制信号将第一电荷电流供应到所述第二自举节点以用于对电容器充电，以有助于响应于从所述第一操作模式到第二操作模式的切换而自举，所述第一电荷电流源自所述第一自举节点；以及
第二自举刷新电路，其被耦合以从所述电荷泵接收所述参考电压，所述第二自举刷新电路进一步耦合于所述DC/DC转换器的所述第一自举节点与所述第二自举节点之间，所述第二自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的所述第二操作模式的所述控制信号将第二电荷电流从所述第二自举节点供应到所述第一自举节点以用于对所述电容器充电，以有助于响应于从所述第二操作模式到所述第一操作模式的切换而自举。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一自举刷新电路包含第一刷新控制电路以基于所述参考电压控制所述第一电荷电流，且所述第二自举刷新电路包含第二刷新控制电路以基于所述参考电压控制所述第二电荷电流。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述第一刷新控制电路基于第一电流信号和指示所述第一操作模式的所述控制信号驱动将所述第一电荷电流供应到所述第二自举节点的第一电荷电路，且所述第二刷新控制电路基于第二电流信号和指示所述第二操作模式的所述控制信号驱动将所述第二电荷电流供应到所述第一自举节点的第二电荷电路。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一刷新控制电路与所述第一电荷电路经由第一电流镜耦合以产生所述第一电流信号且基于所述参考电压控制所述第一电荷电流，并且所述第二刷新控制电路与所述第二电荷电路经由第二电流镜耦合以产生所述第二电流信号且基于所述参考电压控制所述第二电荷电流。
5.根据权利要求4所述的电路，进一步包括：在所述第一刷新控制电路中的第一偏压电阻器，其与所述第一电流镜中的第二偏压电阻器匹配以控制所述第一电流信号；在所述第二刷新控制电路中的第三偏压电阻器，其与所述第二电流镜中的第四偏压电阻器匹配以控制所述第二电流信号。
6.根据权利要求1所述的电路，进一步包括半导体衬底，所述电荷泵和所述第一和第二自举刷新电路中的每一个安置于所述半导体衬底上。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述电荷泵进一步包括安置于所述半导体衬底上的缓冲器和充电电容器，所述缓冲器驱动所述充电电容器以产生所述参考电压。
8.根据权利要求1所述的电路，进一步包括降压侧驱动器电路以驱动所述DC/DC转换器的耦合到所述第一自举节点的第一电感器节点，和升压侧驱动器电路以驱动所述DC/DC转换器的耦合到所述第二自举节点的第二电感器节点。
9.根据权利要求8所述的电路，进一步包括调节器控制电路以控制所述DC/DC转换器的第一与第二电感器节点之间的电流流动的方向。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述调节器控制电路控制所述DC/DC转换器的操作以包含降压操作模式、升压操作模式和降压/升压操作模式中的至少一个。
11.一种电路，包括：
电荷泵，其产生参考电压；
第一刷新控制电路，其包含第一电压输入以从所述电荷泵接收所述参考电压，所述第一刷新控制电路基于所述参考电压且响应于控制信号输入产生第一输出电流；
第一电荷电路，其耦合到所述第一刷新电路以基于来自所述第一刷新控制电路的所述第一输出电流将第一电荷电流从DC/DC转换器的第一自举节点供应到第二自举节点；
第二刷新控制电路，其包含第二电压输入以从所述电荷泵接收所述参考电压，所述第二刷新控制电路基于所述参考电压且响应于所述控制信号输入产生第二输出电流；以及
第二电荷电路，其耦合到所述第二刷新电路以基于来自所述第二刷新控制电路的所述第二输出电流将第二电荷电流从所述DC/DC转换器的所述第二自举节点供应到所述第二自举节点。
12.根据权利要求11所述的电路，其中所述第一刷新控制电路与所述第一电荷电路经由第一电流镜耦合以基于所述参考电压和第一电流信号控制所述第一电荷电流。
13.根据权利要求12所述的电路，其中所述第二刷新控制电路与所述第二电荷电路经由第二电流镜耦合以基于所述参考电压和第二电流信号控制所述第二电荷电流。
14.根据权利要求11所述的电路，进一步包括半导体衬底，所述电荷泵以及第一和第二刷新控制电路和第一和第二电荷电路中的每一个安置于所述半导体衬底上。
15.根据权利要求14所述的电路，其中所述电荷泵进一步包括安置于所述半导体衬底上的缓冲器和充电电容器，所述缓冲器驱动所述充电电容器以产生所述参考电压。
16.根据权利要求11所述的电路，进一步包括降压侧驱动器电路以驱动所述DC/DC转换器的耦合到所述第一自举节点的第一电感器节点，和升压侧驱动器电路以驱动所述DC/DC转换器的耦合到所述第二自举节点的第二电感器节点。
17.根据权利要求16所述的电路，进一步包括调节器控制电路以控制所述DC/DC转换器的第一与第二电感器节点之间的电流流动的方向。
18.一种集成电路，包括：
半导体衬底；
电荷泵，其产生跨至少一个充电电容器的参考电压，所述电荷泵和所述充电电容器形成于所述半导体衬底上；
形成于所述半导体衬底上的第一自举刷新电路，其被耦合以从所述电荷泵接收所述参考电压，所述第一自举刷新电路进一步耦合于DC/DC转换器的第一与第二自举节点之间，所述第一自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的第一操作模式的控制信号将第一电荷电流供应到所述第二自举节点，所述第一电荷电流源自所述第一自举节点的；以及
形成于所述半导体衬底上的第二自举刷新电路，其被耦合以从所述电荷泵接收所述参考电压，所述第二自举刷新电路进一步耦合于所述DC/DC转换器的所述第一与第二自举节点之间，所述第二自举刷新电路基于指示所述DC/DC转换器的第二操作模式的所述控制信号将第二电荷电流从所述第二自举节点供应到所述第一自举节点。
19.根据权利要求18所述的集成电路，其中所述第一和第二自举刷新电路中的每一个进一步包括刷新控制电路以基于所述参考电压分别控制所述第一电荷电流和所述第二电荷电流。
20.根据权利要求19所述的集成电路，其中所述刷新控制电路中的每一个驱动相关联的电荷电路，所述电荷电路基于电流信号和指示所述第一或第二操作模式中的一个的所述控制信号分别将所述第一电荷电流和所述第二电荷电流供应到所述第一和第二自举节点中的每一个。
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