CN110149046B - 基于宽范围输入电压输出相对恒定的cmos电荷泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，包括第一二极管D1，连接电源VDD，输出电压V1；第二二极管D2，输入电压V1，输出电压V4、并与PMOS管PM1的漏极连接；电容C3；电平转换器A1；逻辑模块，连接时钟信号CK、第一检测单元DET1的输出端VO1、第二检测单元DET2的输出端VO2，输出电压V2、V3；跨接在V1、V2之间的第一级电容C1、第一检测单元DET1；跨接在V1、V2之间的第二级电容C2、第二检测单元DET2。本发明适用于大输入电压范围，输出为基于电源电压上增加恒定电压的电荷泵，并且有较低的静态功耗，适用于低功耗应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗电荷泵，适用于宽输入电压范围，但又要求输出电压保持高于电源电压固定值的应用下，为芯片内部提供局部电源或者产生外部输出电源，属于电荷泵技术领域。
背景技术
电荷泵(charge pump)是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。
一种输出基于电源电压相对恒定的电荷泵如图1所示，主要包括串联的第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3，第一升压电容C1，跨接在V1和V2之间，V1是第一二极管D1的N型节点，V2是时钟信号CK经过反相器I1整形后的时钟信号；第二升压电容C2，跨接在输出节点VCP和时钟信号CK之间；串接在电荷泵输出VCP和地之间的电容C3；跨接在电源电压VDD和电荷泵输出VCP之间的稳压二极管Z1。电荷泵工作期间，分为两个阶段，第一阶段CK为高信号，V2为低电平，此时第一二极管D1导通，VDD经过第一二极管D1给第一升压电容C1充电，V1电压值升高；第二升压电容C2下极板为高，V3产生两倍的VDD的电压，通过第三二极管D3为电容C3充电。第二阶段CK为低信号，V2为高信号，此时V1升高到两倍的VDD，第一二极管D1截止，V1通过第二二极管D2给第二升压电容C2充电，此时电容C3上电压为最高电位，因此第三二极管D3截止，电容C3独自为负载供电，维持VCP电压。若不计损耗，VCP的最高电压可以达到。稳压二极管Z1跨接在VDD和电荷泵输出VCP之间，泄放多余电荷泵产生的电荷，保证输出电压VCP始终维持在VDD+VZENER上。其中，VZENER为稳压二极管Z1的嵌位电压。这种电荷泵属于开环电荷泵，电荷泵的输出电压取决于稳压二极管Z1的嵌位电压，因此稳压二极管Z1的工艺偏差，温度等因素非常容易引起输出电压的偏差；另外，这种结构在宽输入电压应用下，两级电荷泵始终都在工作，多余抬起的电荷以负载电流形式泄放掉，这样在稳压二极管Z1上消耗了额外的功耗，尤其在输入电压比较高的时候，自身静态消耗更加明显。
目前，还有一种闭环工作的电荷泵，如图2所示，它的结构与图1类似，不同之处在于在输出节点VCP和电源VDD之间串联一个电阻R，采用一个四输入运算放大器OP1对VCP和VDD之间的电压差与Vr到GND之间的电压差进行比较，当VCP和VDD之间电压差过大的时候，输出电压翻转为高，VO＝H，通过逻辑或非门I1的控制，阻止时钟信号CK进入电荷泵内部，从而避免电荷泵继续工作，维持输出VCP保持在VDD加上Vr的电压值上。这种电荷泵输出电压的精度比较高，但额外增加的运算放大器设计复杂，需要针对高压进行设计，另外，额外的电阻R仍然提供了很大的静态功耗。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，其适用于大输入电压范围，输出为基于电源电压上增加恒定电压的电荷泵，并且有较低的静态功耗，适用于低功耗应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，包括：
第一二极管D1，连接电源VDD，输出电压V1；
第二二极管D2，输入电压V1，输出电压V4、并与PMOS管PM1的漏极连接；
PMOS管PM1，衬底和源极短接，作为电荷泵的输出端VCP；
电容C3，一端连接输出端VCP，另一端接地；
电平转换器A1，输入端连接时钟信号CK，输出端与PMOS管PM1的栅极连接；
逻辑模块，连接时钟信号CK、第一检测单元DET1的输出端VO1、第二检测单元DET2的输出端VO2，输出电压V2、V3；
第一级电容C1，一端连接电压V1，另一端连接电压V2；
第二级电容C2，一端连接电压V4，另一端连接电压V3；
第一检测单元DET1，用于检测V1、V2间的电压差，跨接在V1、V2之间；
第二检测单元DET2，用于检测V4、V3间的电压差，跨接在V3、V4之间。
优选地，所述逻辑模块包括：
第一反相器I5，输入端接第一检测单元DET1的输出端VO1；
与非门I2，输入端接时钟信号CK、第一反相器I5的输出端，输出端接电压V2；
第二反相器I1，输入端接时钟信号CK；
或非门I4，输入端接第一检测单元DET1的输出端VO1和第二检测单元DET2的输出端VO2；
与非门I3，输入端接第二反相器I1的输出端、或非门I4的输出端，输出端接电压V3。
优选地，所述第一检测单元DET1包括二极管D3、稳压二极管Z1、偏置电流ID1以及PMOS管PM11、PM12，PM11和PM12的源极短接、共同连接电压V1，PM11和PM12的栅极短接、并连接到PM12的漏极，PM12的漏极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与稳压二极管Z1的负极连接，稳压二极管Z1的正极连接电压V2；偏置电流ID1的一端接地，另一端与PM11的漏极连接、共同作为输出端VO1。
优选地，所述第二检测单元DET2包括稳压二极管Z2、偏置电流ID2以及PMOS管PM21、PM22，PM21和PM22的源极短接、共同连接电压V4，PM21和PM22的栅极短接、并连接到PM22的漏极，PM22的漏极与稳压二极管Z2的负极连接，稳压二极管Z2的正极连接电压V3；偏置电流ID2的一端接地，另一端与PM21的漏极连接、共同作为输出端VO2。
与现有的技术相比，本发明利用两级电荷泵，同时采用两个检测单元，根据不同输入电源电压控制电荷泵的工作级数，同时也实现了基于电源电压恒定输出电压的目的。分级工作使得电荷泵不浪费多余的直流功耗，非常适用于较大输入电压范围的应用，稳压二极管Z1和反馈的应用也使得输出恒定电压有更高的稳定性和精度。总的来说，本发明适用于大输入电压范围，输出为基于电源电压上增加恒定电压的电荷泵，并且有较低的静态功耗，适用于低功耗应用。
附图说明
图1为一种输出电压恒定的电荷泵的电路图；
图2为一种闭环工作电荷泵的电路图；
图3为本发明的电路图；
图4为本发明中第一检测单元DET1的示意图；
图5为本发明中第二检测单元DET2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图3所示，本发明实施例提供的一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，适用于宽输入电压范围，但又要求输出电压保持高于电源电压固定值，包括：
第一二极管D1，连接电源VDD，输出电压V1；
第二二极管D2，输入电压V1，输出电压V4、并与PMOS管PM1的漏极连接；
PMOS管PM1，衬底和源极短接，作为电荷泵的输出端VCP；
电容C3，一端连接输出端VCP，另一端接地；
电平转换器A1，输入端连接时钟信号CK，输出端与PMOS管PM1的栅极连接；
逻辑模块，连接时钟信号CK、第一检测单元DET1的输出端VO1、第二检测单元DET2的输出端VO2，输出电压V2、V3；
第一级电容C1，一端连接电压V1，另一端连接电压V2；
第二级电容C2，一端连接电压V4，另一端连接电压V3；
第一检测单元DET1，用于检测V1、V2间的电压差，跨接在V1、V2之间；
第二检测单元DET2，用于检测V4、V3间的电压差，跨接在V3、V4之间。
具体的，如图3所示，第一二极管D1的P极(正极)与电源VDD相连，N极(负极)与第二二极管D2的P极(正极)相连，并且共同连接到第一级电容C1的一端；第二二极管D2的N极(负极)连接PMOS管PM1的漏端，并且共同连接到第二级电容C2的一端，PMOS管PM1的衬底和源极短接，作为电荷泵的输出端VCP；PMOS管PM1的栅极由电平转换器A1驱动；第一级电容C1的另一端、第二级电容C2的另一端均由逻辑模块驱动；电容C3跨接在输出端VCP和地之间。第一检测单元DET1与第一级电容C1并联，跨接在电压V1和V2之间，其输出VO1接入逻辑模块；第二检测单元DET2与第二级电容C2并联，跨接在电压V3和V4之间，其输出VO2也接入逻辑模块；逻辑模块连接在时钟信号CK与电压V2、V3之间，用以屏蔽或导通时钟信号CK对第一级电容C1、第二级电容C2的驱动。
进一步的，所述逻辑模块包括：第一反相器I5，输入端接第一检测单元DET1的输出端VO1；与非门I2，输入端接时钟信号CK、第一反相器I5的输出端，输出端接电压V2；第二反相器I1，输入端接时钟信号CK；或非门I4，输入端接第一检测单元DET1的输出端VO1和第二检测单元DET2的输出端VO2；与非门I3，输入端接第二反相器I1的输出端、或非门I4的输出端，输出端接电压V3。具体的，跨接在电压V1和V2之间的第一检测单元DET1，其输出VO1接入第一反相器I5和或非门I4的输入；跨接在电压V3和V4之间第二检测单元DET2，其输出VO2接入或非门I4的另一个输入端，时钟信号CK和第一反相器I5的输出接入与非门I2的输入，其输出为V2；时钟信号CK经过第二反相器I1和或非门I4的输出进入与非门I3的输入，其输出为V3。
如图4所示，所述第一检测单元DET1的输入为电压V1、V2，输出为VO1，主要由二极管D3、稳压二极管Z1、偏置电流ID1以及PMOS管PM11、PM12组成，PM11和PM12的源极短接、共同连接电压V1，PM11和PM12的栅极短接、并连接到PM12的漏极，PM12的漏极接到二极管D3的正极(P型端)，VP1；二极管D3的负极(N型端)接到稳压二极管Z1的负极(N型端)，VN1；稳压二极管Z1的正极连接电压V2；偏置电流ID1的一端接地，另一端与PM11的漏极连接、共同作为输出端VO1，即PM11的漏极为输出端VO1，并且由偏置电流ID1驱动。
第一检测单元DET1起的作用是检测V1和V2之间的电压差，第一检测单元DET1中的二极管D3是为了增加DET1的检测电压从而拟弥补主电荷泵通路上第二二极管D2的压降损耗；当V1<V2+VTH1时，PM12通路不通，稳压二极管Z1中无电流，使得镜像管PM11中无电流，由于ID1的作用，VO1被下拉为地电位；当V1>V2+VTH1时，稳压二极管Z1导通，产生直流电流，由PM12镜像到PM11，当PM11中电流大于ID1时，输出VO1翻转为高电平。
其中，VTH1由PM12串联的器件参数决定，
VTH1＝Vgs,pm12+Vdio1+Vz1，
式中：Vgs,pm12为PM12的饱和栅源电压；Vdio1为二极管D3的正向导通电压；Vz1为稳压二极管Z1的钳位电压。
如图5所示，所述第二检测单元DET2的输入为电压V4、V3，输出为VO2，主要由稳压二极管Z2、偏置电流ID2以及PMOS管PM21、PM22组成，PM21和PM22的源极短接、共同连接电压V4，PM21和PM22的栅极短接、并连接到PM22的漏极，PM22的漏极与稳压二极管Z2的负极连接(即PM22的漏极接到稳压二极管Z2的N型端，VN)，稳压二极管Z2的正极连接电压V3；偏置电流ID2的一端接地，另一端与PM21的漏极连接、共同作为输出端VO2，即PM21的漏极为输出端VO2，并且由偏置电流ID2驱动。
第二检测单元DET2与第一检测单元DET1的结构类似，起的作用是检测V4和V3之间的电压差，当V4<V3+VTH2时，PM22通路不通，稳压二极管Z1中无电流，使得镜像管PM21中无电流，由于ID2的作用，VO2被下拉为地电位；当V4>V3+VTH2时，稳压二极管Z2导通，产生直流电流，由PM22镜像到PM21，当PM21中电流大于ID2时，输出VO2翻转为高电平。其中，VTH2由PM22串联的器件参数决定：
VTH2＝Vgs,pm22+Vz2，
式中，Vgs,pm22为PM22的饱和栅源电压；Vz2为稳压二极管Z2的钳位电压。
第一二极管D1、第二二极管D2、第一级电容C1、第二级电容C2的作用与图1、图2中类似，起到电压传递和电压倍增的作用，第一检测单元DET1跨接在V1和V2之间，检测V1和V2之间的电压差，当两者电压差大于VTH1时，输出VO1翻转为高，通过与非门I2和或非门I4的逻辑控制，屏蔽时钟信号CK驱动第一级电容C1和第二级电容C2。第二检测单元DET2跨接在V3和V4之间，检测V3和V4之间的电压差，当两者电压差大于VTH2时，输出VO2翻转为高，通过或非门I4的逻辑控制，屏蔽时钟信号CK驱动第二级电容C2；第一检测单元DET1的作用是保证V1最大为VDD+VTH1，当输入电源电压比较大的时候，第一级电容C1产生的倍增效果已经超过目标值时，第一检测单元DET1会检测到V1和V2的电压差超过设定值，因此会让VO1翻转为高，关闭第一级电容C1和第二级电容C2，避免更多的直流损耗，此时整个电荷泵可以看做是单级电荷泵在工作；当输入电压比较小的时候，第一级电荷泵C1无法满足要求，第二级电荷泵C2开启，第二检测单元DET2的作用是保证V4不超过VDD+VTH2，当电压差过大，则通过或非门I4仅仅关闭第二级电荷泵C2的时钟控制，这样保证了V4的恒定输出；通过合理设计电压移位模块和PM1可以保证V4和VCP相同电位。输出端VCP的电压与电源电压的差值由第一检测单元DET1和第二检测单元DET2决定，第一检测单元DET1中考虑了第二二极管D2的额外损耗，因此实际差值与第二检测单元DET2中VTH2相同，达到了基于VDD恒定输出电压的目的。
综上所述，本发明利用两级电荷泵，同时采用两个检测单元，根据不同输入电源电压控制电荷泵的工作级数，同时也实现了基于电源电压恒定输出电压的目的。分级工作使得电荷泵不浪费多余的直流功耗，非常适用于较大输入电压范围的应用，稳压二极管Z1和反馈的应用也使得输出恒定电压有更高的稳定性和精度。总的来说，本发明适用于大输入电压范围，输出为基于电源电压上增加恒定电压的电荷泵，并且有较低的静态功耗，适用于低功耗应用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，其特征在于，包括：
第一二极管D1，连接电源VDD，输出电压V1；
第二二极管D2，输入电压V1，输出电压V4、并与PMOS管PM1的漏极连接；
PMOS管PM1，衬底和源极短接，作为电荷泵的输出端VCP；
电容C3，一端连接输出端VCP，另一端接地；
电平转换器A1，输入端连接时钟信号CK，输出端与PMOS管PM1的栅极连接；
逻辑模块，连接时钟信号CK、第一检测单元DET1的输出端VO1、第二检测单元DET2的输出端VO2，输出电压V2、V3；
第一级电容C1，一端连接电压V1，另一端连接电压V2；
第二级电容C2，一端连接电压V4，另一端连接电压V3；
第一检测单元DET1，用于检测V1、V2间的电压差，跨接在V1、V2之间，当两者电压差大于VTH1时，输出VO1翻转为高，屏蔽时钟信号CK驱动第一级电容C1和第二级电容C2；
第二检测单元DET2，用于检测V4、V3间的电压差，跨接在V4、V3之间，当两者电压差大于VTH2时，输出VO2翻转为高，屏蔽时钟信号CK驱动第二级电容C2。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，其特征在于，所述逻辑模块包括：
第一反相器I5，输入端接第一检测单元DET1的输出端VO1；
与非门I2，输入端接时钟信号CK、第一反相器I5的输出端，输出端接电压V2；
第二反相器I1，输入端接时钟信号CK；
或非门I4，输入端接第一检测单元DET1的输出端VO1和第二检测单元DET2的输出端VO2；
与非门I3，输入端接第二反相器I1的输出端、或非门I4的输出端，输出端接电压V3。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，其特征在于，所述第一检测单元DET1包括二极管D3、稳压二极管Z1、偏置电流ID1以及PMOS管PM11、PM12，PM11和PM12的源极短接、共同连接电压V1，PM11和PM12的栅极短接、并连接到PM12的漏极，PM12的漏极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与稳压二极管Z1的负极连接，稳压二极管Z1的正极连接电压V2；偏置电流ID1的一端接地，另一端与PM11的漏极连接、共同作为输出端VO1。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，其特征在于，所述第二检测单元DET2包括稳压二极管Z2、偏置电流ID2以及PMOS管PM21、PM22，PM21和PM22的源极短接、共同连接电压V4，PM21和PM22的栅极短接、并连接到PM22的漏极，PM22的漏极与稳压二极管Z2的负极连接，稳压二极管Z2的正极连接电压V3；偏置电流ID2的一端接地，另一端与PM21的漏极连接、共同作为输出端VO2。
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