CN110233570B - 控制电路及应用其的电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电荷泵的控制电路及应用其的电荷泵，控制电路包括比较器、振荡器和控制单元。比较器连接于电荷泵内核电路，用于比较第一电压与第二电压，并输出比较结果，第一电压与电荷泵内核电路的输出电压成正比；振荡器用于产生时钟信号；控制单元分别连接于比较器和振荡器，用于提供控制信号，以当电荷泵内核电路处于上电阶段时，根据控制信号使振荡器控制电荷泵内核电路，使电荷泵可以正常启动。当电荷泵内核电路的输出电压稳定时，根据控制信号使比较器控制电荷泵内核电路，从而在负载变化的情况下，快速响应，并降低输出电压的纹波，同时控制振荡器使能无效，降低电荷泵的功耗。

Description

控制电路及应用其的电荷泵

技术领域

本发明涉及环路控制领域，尤其涉及一种应用于电荷泵的控制电路及应用其的电荷泵。

背景技术

环路控制电路是一种常用的电路结构，通常包括输入端和输出端，并且输出端通过一个控制模块反馈至输入端，从而对输出端进行控制。电荷泵环路电路常用的环路控制方式包括电压控制方式，如线性模式和跳周期模式进行控制，但容易存在电压环不稳定的情况；另一种环路控制方式为峰值电流控制方式，如通过检测输出端的峰值电路的大小间接调整脉冲宽度，但容易存在电流环不稳定的情况。

发明内容

本发明实施例提供一种控制电路及应用其的电荷泵，以解决或缓解现有技术中的一项或更多项技术问题。

作为本发明实施例的一个方面，本发明实施例提供一种电荷泵的控制电路，包括：

比较器，连接于电荷泵内核电路，用于比较第一电压与第二电压，并输出比较结果，所述第一电压与所述电荷泵内核电路的输出电压成正比；

振荡器，用于产生时钟信号；以及

控制单元，所述控制单元的两个输入端分别连接于所述比较器的输出端和所述振荡器的输出端，所述控制单元用于提供控制信号，以当所述电荷泵内核电路处于上电阶段时，根据所述控制信号使所述振荡器控制所述电荷泵内核电路；当所述电荷泵内核电路的所述输出电压稳定时，根据所述控制信号使所述比较器控制所述电荷泵内核电路。

在一些实施例中，所述控制单元的输出端连接于所述振荡器，当所述电荷泵内核电路的所述输出电压稳定时，所述控制单元使所述振荡器使能无效。

在一些实施例中，所述控制电路还包括多路选择器，所述多路选择器的选择通道端口连接于所述控制单元，所述多路选择器的两个输入端分别连接于所述比较器和所述振荡器，所述多路选择器的输出端连接于所述电荷泵内核电路的输入端。

在一些实施例中，所述控制单元包括：

逻辑控制单元，连接于所述比较器；

计数器，连接于所述逻辑控制单元；

输出控制单元，连接于所述计数器，用于输出所述控制信号；

其中，当所述比较器输出的所述比较结果发生翻转之后，所述逻辑控制单元控制所述计数器开始计数，当计数N个周期后，所述输出控制单元使所述控制信号发生翻转，其中，N为正整数。

在一些实施例中，所述输出控制单元包括复位信号输入端，用于接收复位信号，当所述电荷泵内核电路处于上电阶段时，所述复位信号使所述输出控制单元输出使所述振荡器控制所述电荷泵内核电路的所述控制信号。

在一些实施例中，所述逻辑控制单元包括：

第一逻辑控制子单元，连接于所述比较器和所述振荡器，用于根据所述比较结果和所述时钟信号产生第一逻辑控制信号；

第二逻辑控制子单元，连接于所述比较器和所述振荡器，用于根据所述比较结果和所述时钟信号产生第二逻辑控制信号；

以及所述计数器包括：

第一计数器，连接于所述第一逻辑控制子单元，用于在所述第一逻辑控制信号的控制下被置零或计数N个周期；

第二计数器，连接于所述第二逻辑控制子单元，用于在所述第二逻辑控制信号的控制下被置零或计数N个周期。

在一些实施例中，所述第一计数器包括N-1个相连接的第一触发器，所述第一触发器连接于所述第一逻辑单元，用于在所述第一逻辑信号的控制下被置零或计数；以及所述第二计数器包括N-1个相连接的第二触发器，所述第二触发器连接于所述第二逻辑单元，用于在所述第二逻辑信号的控制下被置零或计数。

在一些实施例中，所述控制电路包括分压电路，所述分压电路包括连接于所述输出电压与接地电压之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻形成连接点，所述第一电压为所述连接点的电压。

在一些实施例中，所述控制电路包括参考电压发生器，连接于所述比较器，用于产生参考电压，所述第二电压为所述参考电压。

作为本发明实施例的另一个方面，本发明实施例还提供一种电荷泵，包括电荷泵内核电路以及以上所述的控制电路。

本发明实施例采用上述技术方案，可以使电荷泵正常启动，又可以输出稳定的电压。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例的电荷泵的电路图。

图2为本发明实施例的电荷泵的控制单元的电路图。

图3为本发明实施例的电荷泵的电路时序图。

附图标记说明：

300：电荷泵；100：控制电路；200：电荷泵内核电路；

110：比较器；120：振荡器；130：控制单元；

131：逻辑控制单元；131A：第一逻辑控制子单元；

131B：第二逻辑控制子单元；132：计数器；

132A：第一计数器；132B：第二计数器；

133：输出控制单元；140：多路选择器；150：分压电路；

160：基准电压发生器。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

本发明实施例旨在提供一种应用于电荷泵的控制电路，以控制电荷泵内核电路，使电荷泵内核电路既可以正常启动，又可以输出稳定的电压。

电荷泵(Charge pump)是一种通过电容积累效应来输出高于电源电压(VDD)的电路，一般作为编程电压产生器或电平转换电路中的高压产生器应用于存储器中。

如图1所示为本实施例的电荷泵300，包括电荷泵内核(Charge pump core)电路200。电荷泵内核电路200是电荷泵300的核心电路，通常包括多组电容及其控制开关，是产生高压VPP(Vout)并将高压VPP提供给所连接的负载(负载连接于电荷泵300的输出端，图中未示出)的主要电路。本实施例中，控制电路100包括比较器110、振荡器120和控制单元130，该控制电路100用于控制电荷泵内核电路200。

本实施例的电荷泵300的控制电路100还包括分压电路150和基准电压发生器160，分压电路150包括连接于输出电压Vout与接地电压之间的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2形成连接点D，第一电压V1为连接点D的电压，即分压电路150的分压电压，需要说明的是，第一电压V1可以为分压电压，即连接点D的电压，也可以是与电荷泵内核电路200的输出电压Vout成正比的电压。参考电压发生器160连接于比较器110，用于产生参考电压，本实施例中，第二电压V2即为参考电压。

振荡器120用于产生时钟信号CLK；比较器110的输入端分别连接于连接点D和参考电压发生器160，用于比较第一电压V1与第二电压V2，并输出比较结果COMP。

控制单元130的两个输入端A1和A2分别连接于比较器110的输出端A3和振荡器120的输出端A4，控制单元130的输出端A5连接于电荷泵内核电路200的输入端，控制单元130用于产生控制信号CTRL，当电荷泵内核电路200处于上电阶段时，即Vout还在不断增大时，根据控制信号CTRL由振荡器120控制电荷泵内核电路200；当电荷泵内核电路200的输出电压Vout稳定时，即Vout的不再变化或其波动范围在设计要求之内时，根据控制信号CTRL由比较器110控制电荷泵内核电路200。

进一步地，控制电路100包括多路选择器140，多路选择器140的选择通道端口B1连接于控制单元130，多路选择器140的两个输入端B2(逻辑“1”)和B3(逻辑“0”)分别连接于比较器130的输出端A3和振荡器120的输出端A4，多路选择器140的输出端B4连接于电荷泵内核电路200的输入端。当控制单元130输出的控制信号COMP为逻辑“1”时，多路选择器140使比较器110的比较结果COMP输出至电荷泵内核电路200，以使比较器110控制电荷泵内核电路200；当控制单元130输出的控制信号COMP为逻辑“0”时，多路选择器140使振荡器120的时钟信号CLK输出至电荷泵内核电路200，以使振荡器120控制电荷泵内核电路200。

需要说明的是，使控制单元130的控制信号CTRL实现使能比较器110或振荡器120控制电荷泵内核电路200的方式有多种，多路选择器140仅是一种较佳的实施方式。

进一步地，本实施例给出了控制单元130的一种实施方式，可以结合多路选择器140实施，如图2所示，本实施例的控制单元130包括逻辑控制单元131、计数器132和输出控制单元133。

逻辑控制单元131连接于比较器110的输出端A3和振荡器120的输出端A4；计数器132连接于逻辑控制单元131；输出控制单元133连接于计数器132，用于输出控制信号CTRL；其中，当比较器110输出的比较结果COMP发生翻转之后，逻辑控制单元131将控制计数器132开始计数，当计数N个周期后，输出控制单元133使控制信号CTRL发生翻转，其中N为正整数，本实施例中，N＝4。

进一步地，输出控制单元133包括复位信号输入端C，用于接收复位信号RESET，当电荷泵内核电路200处于上电阶段时，复位信号RESET使控制信号CTRL输出逻辑“0”，从而使多路选择器140将时钟信号CLK输出至电荷泵内核电路200，即使振荡器120控制电荷泵内核电路200。

本实施例将给出逻辑控制单元131、计数器132和输出控制单元132的一种实施方式，下面结合图2进行描述。

计数器132包括第一计数器132A和第二计数器132B，第一计数器132A包括3个相连接的第一触发器DFF1、DFF2和DFF3，第二计数器132B包括3个相连接的第二触发器DFF4、DFF5和DFF6。

逻辑控制单元131包括第一逻辑控制子单元131A和第二逻辑控制子单元131B，第一逻辑控制子单元131A连接于比较器110的输出端A3、振荡器120的输出端A4和复位信号RESET，用于根据比较结果COMP、时钟信号CLK和复位信号RESET产生第一逻辑控制信号RESET1。例如，第一逻辑控制子单元131A包括第一逻辑或非门NOR1、第二逻辑或非门NOR2和反相器INV，反相器INV用于输出复位信号RESET的反相信号；第一逻辑或非门NOR1将比较结果COMP和时钟信号CLK进行逻辑或非后输出至第一触发器DFF1、DFF2和DFF3的时钟信号端T；第二逻辑或非门NOR2将比较结果COMP和复位信号RESET的反相信号进行逻辑或非后输出第一逻辑控制信号RESET1。

第一逻辑控制信号RESET1输出逻辑“0”时，第一触发器DFF1、DFF2和DFF3被置零；第一逻辑控制信号RESET1输出逻辑“1”时，第一触发器DFF1、DFF2和DFF3开始计数。

第二逻辑控制子单元131B连接于比较器110、振荡器120和复位信号RESET，用于根据比较结果COMP、时钟信号CLK和复位信号RESET产生第二逻辑控制信号RESET2。例如，第二逻辑控制子单元132B包括逻辑与非门NAND和逻辑与门AND，逻辑与非门NAND将比较结果COMP和时钟信号CLK进行逻辑与非后输出至第二触发器DFF4、DFF5和DFF6的时钟信号端T；逻辑与门AND将比较结果COMP和复位信号RESET进行逻辑与后输出第二逻辑控制信号RESET2。

第二逻辑控制信号RESET2输出逻辑“0”时，第二触发器DFF4、DFF5和DFF6被置零；第二逻辑控制信号RESET2输出逻辑“1”时，第二触发器DFF4、DFF5和DFF6开始计数。

输出控制单元133优选为复位(R)置位(S)触发器，其R端连接于第一计数器132A的输出端，其S端连接于第二计数器132B的输出端，其Q端输出控制信号CTRL。

下面结合图3和表1介绍本实施例的控制电路100的工作原理。

表1

RESET	COMP	CLK	RESET1	RESET2	R	S	CTRL
								0	×	×	0	0	0	0	保持
1	1	×	0	1	0	1	0
								1	0	×	1	0	1	0	1

当电荷泵内核电路200处于上电阶段时，RESET＝0，因此，RESET1＝0且RESET2＝0，第一触发器DFF1、DFF2和DFF3以及第二触发器DFF4、DFF5和DFF6被置零，进而，R＝0，S＝0，控制信号CTRL保持在0，时钟信号CLK输出至电荷泵内核电路200，即由振荡器120控制电荷泵内核电路200。

电荷泵内核电路200的输出电压Vout缓慢增加，于是，复位信号RESET翻转为逻辑“1”。RESET＝1且COMP＝1，进而，RESET1＝0，RESET1＝1，第一触发器DFF1、DFF2和DFF3被置零，第二触发器DFF4、DFF5和DFF6开始计数，经过4个周期后，R＝0，S＝1，控制信号CTRL仍为低电平，即CTRL＝0，继续由振荡器120控制电荷泵内核电路200。

当输出电压Vout(V1＝Vout)超过第二电压V2时，COMP＝0，RESET＝1，进而，RESET1＝1，RESET2＝0，第二触发器DFF4、DFF5和DFF6被置零，第一触发器DFF1、DFF2和DFF3开始计数，经过4个周期后，R＝1，S＝0，控制信号CTRL翻转为高电平，即CTRL＝1，比较结果COMP输出至电荷泵内核电路200，由比较器110控制电荷泵内核电路200。

由于负载电流不断变化，比较结果COMP不断翻转(翻转周期小于4个周期)，输出控制单元(RS触发器)133不断地被复位，R＝1，控制信号CTRL保持为高电平，持续由比较器110控制电荷泵内核电路200，

当负载电流增大，且使V1<V2的状态超过4个周期，比较结果COMP翻转并保持为高电平，于是，CTRL＝0，由振荡器120控制电荷泵内核电路200，使电荷泵内核电路200开始升压，进入上电阶段。

本实施例的控制电路100可以满足电荷泵环路的要求，使电荷泵可以正常启动(上电)和使输出电压达到设计值并稳定，并且在电荷泵的输出电压稳定时，由比较器控制电荷泵内核电路比通过振荡器控制电荷泵内核电路所需要的时间短，从而实现快速响应，而且能有效降低输出电压的纹波。

优选地，本实施例中，控制单元130的输出端A5连接于振荡器120，当电荷泵内核电路200的输出电压Vout稳定时，控制单元130可以使振荡器120使能无效，以降低电荷泵300的功耗。

本实施例的电荷泵300的其他构成可以采用本领域普通技术人员现在和未来知悉的各种技术方法，例如还可以包括稳压电路，以调节VPP在规定值范围内，对于本实施例的电荷泵300的其他构成这里不再详细描述。

本发明实施例所提供的控制电路及应用其的电荷泵，可以在电荷泵处于上电阶段时，由振荡器控制电荷泵内核电路，使电荷泵可以正常启动；在电荷泵的输出电压稳定时，由比较器控制电荷泵内核电路，从而在负载变化的情况下，快速响应，并降低输出电压的纹波，同时控制振荡器使能无效，降低电荷泵的功耗。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电荷泵的控制电路，其特征在于，包括：

比较器，连接于电荷泵内核电路，用于比较第一电压与第二电压，并输出比较结果，所述第一电压与所述电荷泵内核电路的输出电压成正比；

振荡器，用于产生时钟信号；

控制单元，所述控制单元的两个输入端分别连接于所述比较器的输出端和所述振荡器的输出端，所述控制单元用于提供控制信号；

多路选择器，所述多路选择器的选择通道端口连接于所述控制单元，所述多路选择器的两个输入端分别连接于所述比较器和所述振荡器，所述多路选择器的输出端连接于所述电荷泵内核电路的输入端；

当所述电荷泵内核电路处于上电阶段时，所述控制信号控制所述多路选择输出所述时钟信号，以使所述时钟信号控制所述电荷泵内核电路；当所述电荷泵内核电路的所述输出电压稳定时，所述控制信号控制所述多路选择输出所述比较结果，以使所述比较结果控制所述电荷泵内核电路。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制单元的输出端连接于所述振荡器，当所述电荷泵内核电路的所述输出电压稳定时，所述控制单元使所述振荡器使能无效。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制单元包括：

逻辑控制单元，连接于所述比较器；

计数器，连接于所述逻辑控制单元；

输出控制单元，连接于所述计数器，用于输出所述控制信号；

其中，当所述比较器输出的所述比较结果发生翻转之后，所述逻辑控制单元控制所述计数器开始计数，当计数N个周期后，所述输出控制单元使所述控制信号发生翻转，其中，N为正整数。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述输出控制单元包括复位信号输入端，用于接收复位信号，当所述电荷泵内核电路处于上电阶段时，所述复位信号使所述输出控制单元输出使所述振荡器控制所述电荷泵内核电路的所述控制信号。

5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述逻辑控制单元包括：

第一逻辑控制子单元，连接于所述比较器和所述振荡器，用于根据所述比较结果和所述时钟信号产生第一逻辑控制信号；

第二逻辑控制子单元，连接于所述比较器和所述振荡器，用于根据所述比较结果和所述时钟信号产生第二逻辑控制信号，所述第一逻辑控制信号和所述第二逻辑控制信号不同时为计数使能信号；

以及所述计数器包括：

第一计数器，连接于所述第一逻辑控制子单元，用于在所述第一逻辑控制信号为所述计数使能信号的情况下计数N个周期；

第二计数器，连接于所述第二逻辑控制子单元，用于在所述第二逻辑控制信号为所述计数使能信号的情况下计数N个周期。

6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述第一计数器包括N-1个相连接的第一触发器，所述第一触发器连接于所述第一逻辑控制子单元，用于在所述第一逻辑控制信号的控制下被置零或计数；以及所述第二计数器包括N-1个相连接的第二触发器，所述第二触发器连接于所述第二逻辑控制子单元，用于在所述第二逻辑控制信号的控制下被置零或计数。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括分压电路，所述分压电路包括连接于所述输出电压与接地电压之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻形成连接点，所述第一电压为所述连接点的电压。

8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括参考电压发生器，连接于所述比较器，用于产生参考电压，所述第二电压为所述参考电压。

9.一种电荷泵，其特征在于，包括电荷泵内核电路以及如权利要求1至8中任一项所述的控制电路。

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