CN110474532B - 一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路及其实现方法，主要解决现有电荷泵在不同工作模式切换时需要关机重启的问题，该电路包括包括均与电荷泵芯片的VX引脚相连的输入电源控制开关S_in_vx、电容CX、电流源I_PD2、减法器SUB1、SUB2、乘法器MUL1、MUL2、运算放大器OP1、OP2、无源限流电路、钳压电路A1、A2、A3、钳压限流电路等。通过上述电路及本发明提供的电路实现方法，通过调整开关的通断使输入电源、输出负载在电荷泵芯片电路中实现不同的接入方式，从而使电荷泵呈现不同的工作模式，实现带载不掉电切换电荷泵工作模式。因此，具有很高的使用价值和推广价值。

Description

一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种电荷泵工作模式切换电路，具体地说，是涉及一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路及其实现方法。
背景技术
电荷泵是利用电容存储能量的开关变换器，其中，利用开关使得电容在供电和放电状态之间切换，从而可以提升或降低供电电压。在移动终端或便携式电子设备中，供电电源的电压可能低于工作电压，电荷泵可以将供电电源的电压提供之后系统工作，例如，电荷泵产生的电压在3.3V至4.0V范围内，从而满足电子设备的工作需要。
图1所示为电荷泵兼直传开关连接示意图，该电路用在电压变换的场合有四种工作模式：a. 2：1正向电压变换器，b. 1：1正向直传开关，c. 1: 2反向电压变换器和d. 1: 1反向直传开关。
通常电荷泵作为pre-regulator（以极高的效率为后一级初调电压），后面还会再接LDO或DCDC等变换器作为负载。
以正向电压变换为例，实际应用中VX电压会有变化，如果一直工作在1：1模式，那么当VX电压偏高时会导致VY电压高于负载的最高耐压；同样如果一直工作在2：1模式，那么当VX电压偏低时会导致VY电压低于负载能工作的最低电压。所以有必要进行模式切换，当VX电压偏高时，要主动切换到2：1模式；反之，当VX电压偏低时，要主动切换到1：1模式。
传统的，如果系统要切换工作模式，需要将电荷泵关断再按照新模式重启，这个过程中负载也要提前关断再重启。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路及其实现方法，主要解决现有电荷泵在不同工作模式切换时需要关机重启的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，包括均与电荷泵芯片的VX引脚相连的输入电源控制开关S_in_vx、电容CX、电流源I_PD2、减法器SUB1、分压电阻RF1，与电流源I_PD2另一端相连的开关S2，电压输入端与减法器SUB1的输出端相连的乘法器MUL1，反相输入端与乘法器MUL1的输出端相连且输出端与乘法器MUL1的电流输入端相连的运算放大器OP1，负极与分压电阻RF1另一端相连的减法器SUB2，电压输入端与减法器SUB2的输出端相连的乘法器MUL2，反相输入端与乘法器MUL2的输出端相连且输出端与乘法器MUL2的电流输入端相连的运算放大器OP2，与运算放大器OP1、OP2的输出端均相连的无源限流电路，与电荷泵芯片的VY引脚相连的电流源I_PD1，与电流源I_PD1另一端相连的开关S1，均与电荷泵芯片的BT引脚相连的钳压电路A1、A2、A3，连接于钳压电路A3与电荷泵电路中的NMOS管Q3的栅极G之间的开关S3，与运算放大器OP2的输出端相连的钳压限流电路，与减法器SUB2的负极相连的分压电阻RF2，正极与输入电源控制开关S_in_vx相连负极与分压电阻RF2的另一端、电容CX的另一端、开关S2的另一端均相连的输入电源VS，与输入电源VS的正极相连的输入电源控制开关S_in_vy，与输入电源控制开关S_in_vy另一端相连的输出电源控制开关S_out_vy，一端与输出电源控制开关S_out_vy相连另一端与电荷泵芯片的VX引脚相连的输出电源控制开关S_out_vx，一端与输出电源控制开关S_out_vx和输出电源控制开关S_out_vy均相连且另一端与电荷泵芯片的GND引脚相连的负载Load，连接于以及连接于电荷泵芯片的BT引脚和CFH引脚之间的片外电容CBT，以及与电荷泵芯片的BT引脚相连的内部电荷泵；其中，电源VS的负极、钳压限流电路、无源限流电路、开关S1的另一端均与电荷泵芯片的GND引脚相连，减法器SUB1、SUB2的正极均接电荷泵芯片的VY引脚，运算放大器OP1、OP2的正相输入端均接P_REF电压。
进一步地，所述钳压电路A1包括漏极D与电荷泵芯片的BT引脚相连的NMOS钳压管Q_clamp1，负极与NMOS钳压管Q_clamp1的栅极G相连的寄生二极管D1，以及正相输入端与NMOS钳压管Q_clamp1的源极S相连且负相输入端与二极管D1的正极相连的输入缓冲器BUF1；其中，输入缓冲器BUF1的输出端与电荷泵芯片上的NMOS管Q1的栅极G相连。
进一步地，所述钳压电路A2、钳压电路A3与钳压电路A1的电路结构相同；其中，输入缓冲器BUF2、BUF3的输出端分别对应与电荷泵芯片上的NMOS管Q2、Q3的栅极G相连。
进一步地，所述钳压限流电路包括漏极D与电荷泵芯片的VCC引脚相连的NMOS钳压管Q_clamp4，负极与NMOS钳压管Q_clamp4的栅极G相连的寄生二极管D4，均与NMOS钳压管Q_clamp4 的源极S相连的电流源Ilim_ rev1、开关S4，正相输入端与开关S4的另一端相连且负相输入端与二极管D4的正极相连的输入缓冲器BUF4，与输入缓冲器BUF4的输出端相连的开关S5，栅极G和漏极D均与开关S5另一端相连的NMOS管Q4_ lim；其中，输入缓冲器BUF4的输出端与电荷泵芯片上的NMOS管Q4的栅极G相连，电流源Ilim_ rev1还与运算放大器OP2的输出端和输入缓冲器BUF4的正相输入端相连，NMOS管Q4_ lim的源极S与寄生二极管D4的正极和电荷泵芯片上的NMOS管Q4的源极S均相连；其中，NMOS管Q4的源极S、NMOS管Q4_ lim的源极S、输入缓冲器BUF4的负相输入端、寄生二极管D4的正极均与电荷泵芯片的GND引脚相连。
进一步地，所述无源限流电路包括与运算放大器OP1的输出端相连的电流源Ilim_fwd，连接于电流源Ilim_ fwd另一端与电荷泵芯片的VY引脚之间的开关S6，源极S与电荷泵芯片的NMOS管Q3的漏极D和NMOS管Q2的源极S相连的PMOS管Q3b，源极S与PMOS管Q3b的源极S相连且栅极G与PMOS管Q3b的栅极G相连的PMOS管Q3b_lim，输出端与PMOS管Q3b_lim的栅极G、漏极D均相连的输入缓冲器BUF5，与输入缓冲器BUF5的负相输入端相连的电流源Ilim_rev2，源极S与电流源Ilim_ rev2相连且漏极D与NMOS管Q4的源极S相连的NMOS钳压管Q_clamp5，以及一端与电荷泵芯片的VY引脚相连的且另一端与NMOS钳压管Q_clamp5的栅极G相连的寄生二极管D5；其中，PMOS管Q3b、PMOS管Q3b_lim的源极S均与电荷泵芯片的VY引脚相连，电流源Ilim_ rev2还与运算放大器OP2的输出端相连，NMOS钳压管Q_clamp5漏极D与电荷泵芯片的GND引脚相连。
基于上述一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，本发明还提供了该电路的实现方法，包括如下步骤：
（1）通过电源输入、输出控制开关，使输入电源VS、输出负载Load与电荷泵芯片的不同引脚连接，使电荷泵处于不同的工作模式；
（2）根据电荷泵当前工作模式以及待切换工作模式，控制电荷泵芯片NMOS管及电源输入、输出控制开关的通断，使电荷泵的工作模式实现带载不掉电切换。
进一步地，在步骤（1）中，将输入电源VS接到VX，将输出负载Load接到VY，电荷泵处在正向2：1或1：1工作模式；将输入电源VS接到VY，将输出负载Load接到VX，电荷泵处在反向1：2或1：1工作模式。
进一步地，在步骤（2）中，
（Ⅰ）当电荷泵处于正向2：1工作模式、VX压降下降时，电荷泵需要从正向2：1模式切换到正向1：1模式来避免VY电压过低；具体切换步骤如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持正向2：1工作模式，同时启动环路，使能电流支路Ilim_fwd；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
：电流支路Ilim_fwd使能结束，使电荷泵的NMOS管Q2、Q4导通，Q1、Q3关断，将电容CFLY和CY并联在一起；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
：当VY电压高于VX-VTH时，再导通NMOS管Q1，则电荷泵带载不掉电切换到正向1：1工作模式；其中VTH为阈值电压；
（Ⅱ）当电荷泵处于正向1：1工作模式、VX压降升高时，电荷泵需要从正向1：1模式切换到正向2：1模式来避免VY电压过高；具体切换步骤如下：
Figure 483395DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持正向1：1工作模式，同时关断NMOS管Q1，继续保持NMOS管Q2、Q4导通，使能电流支路I_PD1；
Figure 134956DEST_PATH_IMAGE004
：当VY电压低于VX/2时，电荷泵带载不掉电切换到正向2：1工作模式；
（Ⅲ）当电荷泵处于反向1：1工作模式、VY压降下降时，电荷泵需要从1：1反向直传开关模式切换到1：2反向电压变换器模式来避免VX电压低于负载能够接受的最低电压；具体切换步骤如下：
Figure 445852DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持1：1反向直传开关模式，使电荷泵的NMOS管Q1、Q3关断，导通开关S5、关断开关S3、S4，同时启动电荷泵芯片的计时器，计时结束进入步骤
Figure 513165DEST_PATH_IMAGE004
，直到VX高于2*VY-VTH后进入步骤
Figure 858695DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 415579DEST_PATH_IMAGE004
：导通开关S5、关断开关S3、S4，使电荷泵的NMOS管Q2、Q3、Q4关断，导通NMOS管Q1、Q3b，同时启动电荷泵芯片的计时器，计时结束进入步骤
Figure 338404DEST_PATH_IMAGE002
，直到VX高于2*VY-VTH后进入步骤
Figure 334042DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 409445DEST_PATH_IMAGE006
：关断开关S5、导通开关S3、S4，电荷泵带载不掉电切换到反向1：2工作模式；
（Ⅳ）当电荷泵处于反向1：2工作模式、VX压降升高时，将电荷泵从反向1：2模式切换到反向1：1模式的具体切换步骤如下：
Figure 933968DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持反向1：2工作模式，同时关断NMOS管Q1、Q3，导通NMOS管Q2、Q4，同时使能电流支路I_PD2；
Figure 422718DEST_PATH_IMAGE004
：当VX电压低于VY时，电荷泵带载不掉电切换到反向1：1工作模式；
（Ⅴ）如果客户想切换输入电源和输出负载的位置，即在正向1：1和反向1：1之间切换，其具体切换步骤如下：
Figure 316987DEST_PATH_IMAGE002
若电荷泵处于正向1：1工作模式，即输入电源控制开关S_in_vx导通、S_in_vy关断，输出电源控制开关S_out_vx关断、S_out_vy导通；
Figure 637110DEST_PATH_IMAGE004
电荷泵开始由正向1：1工作模式向反向1：1工作模式切换，保持NMOS管Q1、Q2、Q4导通，Q3关断，先导通输出电源控制开关S_out_vx，再关断输出电源控制开关S_out_vy，再关断输入电源控制开关S_in_vx，再导通输入电源控制开关S_in_vy，电荷泵带载不掉电切换到反向1：1工作模式；
Figure 473479DEST_PATH_IMAGE006
若电荷泵处于反向1：1工作模式，即输入电源控制开关S_in_vx关断、S_in_vy导通，输出电源控制开关S_out_vx导通、S_out_vy关断；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
电荷泵开始由反向1：1工作模式向正向1：1工作模式切换，保持NMOS管Q1、Q2、Q4导通，Q3关断，先导通输出电源控制开关S_out_vy，再关断输出电源控制开关S_out_vx，再关断输入电源控制开关S_in_vy，再导通输入电源控制开关S_in_vx，电荷泵带载不掉电切换到正向1：1工作模式；
（Ⅵ）当电荷泵工作在正向2：1模式和反向1：2模式两个状态下，电容电压有突变，不能直接切换，利用上述切换步骤实现间接切换，具体切换步骤如下：
Figure 980683DEST_PATH_IMAGE002
：正向2：1模式向反向1：2模式切换时，由正向2：1模式向正向1：1模式切换，再由正向1：1模式切换到反向1：1模式，最后由反向1：1模式切换到反向1：2模式；
Figure 911599DEST_PATH_IMAGE004
：反向1：2模式向正向2：1模式切换时，由反向1：2模式向反向1：1模式切换，再由反向1：1模式切换到正向1：1模式，最后由正向1：1模式切换到正向2：1模式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过设置输入、输出电源控制开关，通过调整开关的通断使输入电源、输出负载在电荷泵芯片电路中实现不同的接入方式，从而使电荷泵呈现不同的工作模式，实现带载不掉电切换电荷泵工作模式。
（2）本发明中NMOS管Q1、Q2、Q3利用BT电压来为驱动电路供电，在2：1或1：2模式时，片外电容CBT会在Q2、Q4导通的相位从VX充电，在Q1、Q3导通的相位产生足够高的电压为Q1、Q2、Q3的驱动电路供电。在1：1模式时，由于开关保持常开或常关状态，驱动电路不需要消耗大电流，用内部的电荷泵来提供维持驱动电路的小电流。Q4为接地的功率管，驱动电路可以直接由内部5V的 VCC供电。实现电路的节能低功耗。
（3）本发明中NMOS管Q3和Q4可以被无源限流。Q3b和Q4在导通时，他们的VGS电压被Q3b_lim和Q4_lim钳位。如果Q3b/Q3b_lim=Q4/Q4_lim=N, 同时流过Q3b_lim和Q4_lim的电流为Ilim_rev，那么当Q3b和Q4导通时，流过他们的电流会被限制在不高于N*Ilim_rev。避免电流过大使芯片被烧毁。
（4）本发明中Ilim_rev电流是由环路调节得到的。环路反馈能使电路获得最大的带载能力（因为在工作模式切换时，负载还存在，平顺的工作模式切换要求输出电压不掉，所以需要具有足够大的带载能力）。获得最大带载能力，也就是说芯片产生了满足安全条件的最大热损耗。
附图说明
图1为电荷泵兼直传开关示意图。
图2为本发明的电路原理图。
图3为本发明电荷泵从正向2:1模式向正向1:1模式切换流程图。
图4为本发明电荷泵从正向1:1模式向正向2:1模式切换流程图。
图5为本发明电荷泵从反向1:1模式向反向1:2模式切换流程图。
图6为本发明电荷泵从反向1:2模式向反向1:1模式切换流程图。
图7为本发明电荷泵正向1:1模式和反向1:1模式之间的切换流程图。
图8为本发明电荷泵正向2:1模式和反向1:2模式之间的切换流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图2所示，本发明公开的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，包括均与电荷泵芯片的VX引脚相连的输入电源控制开关S_in_vx、电容CX、电流源I_PD2、减法器SUB1、分压电阻RF1，与电流源I_PD2另一端相连的开关S2，电压输入端与减法器SUB1的输出端相连的乘法器MUL1，反相输入端与乘法器MUL1的输出端相连且输出端与乘法器MUL1的电流输入端相连的运算放大器OP1，负极与分压电阻RF1另一端相连的减法器SUB2，电压输入端与减法器SUB2的输出端相连的乘法器MUL2，反相输入端与乘法器MUL2的输出端相连且输出端与乘法器MUL2的电流输入端相连的运算放大器OP2，与运算放大器OP1、OP2的输出端均相连的无源限流电路，与电荷泵芯片的VY引脚相连的电流源I_PD1，与电流源I_PD1另一端相连的开关S1，均与电荷泵芯片的BT引脚相连的钳压电路A1、A2、A3，连接于钳压电路A3与电荷泵电路中的NMOS管Q3的栅极G之间的开关S3，与运算放大器OP2的输出端相连的钳压限流电路，与减法器SUB2的负极相连的分压电阻RF2，正极与输入电源控制开关S_in_vx相连负极与分压电阻RF2的另一端、电容CX的另一端、开关S2的另一端均相连的输入电源VS，与输入电源VS的正极相连的输入电源控制开关S_in_vy，与输入电源控制开关S_in_vy另一端相连的输出电源控制开关S_out_vy，一端与输出电源控制开关S_out_vy相连另一端与电荷泵芯片的VX引脚相连的输出电源控制开关S_out_vx，一端与输出电源控制开关S_out_vx和输出电源控制开关S_out_vy均相连且另一端与电荷泵芯片的GND引脚相连的负载Load，连接于以及连接于电荷泵芯片的BT引脚和CFH引脚之间的片外电容CBT，以及与电荷泵芯片的BT引脚相连的内部电荷泵；其中，电源VS的负极、钳压限流电路、无源限流电路、开关S1的另一端均与电荷泵芯片的GND引脚相连，减法器SUB1、SUB2的正极均接电荷泵芯片的VY引脚，运算放大器OP1、OP2的正相输入端均接P_REF电压。
所述钳压电路A1包括漏极D与电荷泵芯片的BT引脚相连的NMOS钳压管Q_clamp1，负极与NMOS钳压管Q_clamp1的栅极G相连的寄生二极管D1，以及正相输入端与NMOS钳压管Q_clamp1的源极S相连且负相输入端与二极管D1的正极相连的输入缓冲器BUF1；其中，输入缓冲器BUF1的输出端与电荷泵芯片上的NMOS管Q1的栅极G相连。
所述钳压电路A2、钳压电路A3与钳压电路A1的电路结构相同；其中，输入缓冲器BUF2、BUF3的输出端分别对应与电荷泵芯片上的NMOS管Q2、Q3的栅极G相连。
所述钳压限流电路包括漏极D与电荷泵芯片的VCC引脚相连的NMOS钳压管Q_clamp4，负极与NMOS钳压管Q_clamp4的栅极G相连的寄生二极管D4，均与NMOS钳压管Q_clamp4 的源极S相连的电流源Ilim_ rev1、开关S4，正相输入端与开关S4的另一端相连且负相输入端与二极管D4的正极相连的输入缓冲器BUF4，与输入缓冲器BUF4的输出端相连的开关S5，栅极G和漏极D均与开关S5另一端相连的NMOS管Q4_ lim；其中，输入缓冲器BUF4的输出端与电荷泵芯片上的NMOS管Q4的栅极G相连，电流源Ilim_ rev1还与运算放大器OP2的输出端和输入缓冲器BUF4的正相输入端相连，NMOS管Q4_ lim的源极S与寄生二极管D4的正极和电荷泵芯片上的NMOS管Q4的源极S均相连；其中，NMOS管Q4的源极S、NMOS管Q4_ lim的源极S、输入缓冲器BUF4的负相输入端、寄生二极管D4的正极均与电荷泵芯片的GND引脚相连。
所述无源限流电路包括与运算放大器OP1的输出端相连的电流源Ilim_ fwd，连接于电流源Ilim_ fwd另一端与电荷泵芯片的VY引脚之间的开关S6，源极S与电荷泵芯片的NMOS管Q3的漏极D和NMOS管Q2的源极S相连的PMOS管Q3b，源极S与PMOS管Q3b的源极S相连且栅极G与PMOS管Q3b的栅极G相连的PMOS管Q3b_lim，输出端与PMOS管Q3b_lim的栅极G、漏极D均相连的输入缓冲器BUF5，与输入缓冲器BUF5的负相输入端相连的电流源Ilim_ rev2，源极S与电流源Ilim_ rev2相连且漏极D与NMOS管Q4的源极S相连的NMOS钳压管Q_clamp5，以及一端与电荷泵芯片的VY引脚相连的且另一端与NMOS钳压管Q_clamp5的栅极G相连的寄生二极管D5；其中，PMOS管Q3b、PMOS管Q3b_lim的源极S均与电荷泵芯片的VY引脚相连，电流源Ilim_ rev2还与运算放大器OP2的输出端相连，NMOS钳压管Q_clamp5漏极D与电荷泵芯片的GND引脚相连。
其中，VS为输入电源，Load为输出负载。在正向2：1和1：1工作模式下，通过开关将输入电源接到VX，将输出负载接到VY；在反向1：2和1：1工作模式下，通过开关将输入电源接到VY，将输出负载接到VX。
NMOS管Q1、Q2、Q3利用BT电压来为驱动电路供电。在2：1或1：2模式时，片外电容CBT会在NMOS管Q2、Q4导通的相位从VX充电，在Q1、Q3导通的相位产生足够高的电压为NMOS管Q1、Q2、Q3的驱动电路供电。在1：1模式时，由于开关保持常开或常关状态，驱动电路不需要消耗大电流，用内部的电荷泵来提供维持驱动电路的小电流。NMOS管Q4为接地的功率管，驱动电路可以直接由内部5V 的VCC供电。
NMOS管Q3（准确的是Q3b，Q3被关断）和Q4可以被无源限流。具体的是让开关S5导通，S3、S4关断。Q3b和Q4在导通时，他们的VGS电压被Q3b_lim和Q4_lim钳位。如果Q3b/Q3b_lim=Q4/Q4_lim=N，同时流过Q3b_lim和Q4_lim的电流为Ilim_rev1，那么当Q3b和Q4导通时，流过他们的电流会被限制在不高于N*Ilim_rev1。
Ilim_rev1电流是由环路调节得到的。做环路反馈的目的是希望获得最大的带载能力（因为在工作模式切换时，负载还存在，平顺的工作模式切换要求输出电压不掉，所以需要具有足够大的带载能力）。如果要获得最大的带载能力，也就是说芯片产生了满足安全条件的最大热损耗。环境温度、芯片的最高结温和芯片的热阻是确定的，所以芯片的最大热损耗就可以由以下公式确定。
Ploss_max=(Tjunction_max-Tambient)/Rthermal 公式一
所以芯片的最大带载能力为：
Ilim_optimize=Ploss_max/Vdrop 公式二
对于过渡区间的反向1：2工作的电荷泵来说（一个相位为Q1/Q3b导通，另一个相位为Q2/Q4导通），如果两个相位的限流值相等，那么芯片的热损耗为
Ploss_rev_1:2=Ilim_rev*(VX/2-VY) 公式三
这里将Ilim_rev1与（VX/2-VY）压差的乘积作为反馈的调节量，被运放调整到等于P_REF。通过环路调整Ilim_rev，实现了确定热损耗(P_REF)下最大的带载能力。
Ilim_fwd是另一路可调电流源，可以从VX向VY充电。这路电流在由正向2：1变换到正向1：1的过渡过程中工作。这时芯片的热损耗为
Ploss_fwd_1:1=Ilim_fwd*(VX-VY) 公式四
同反向的情况类似，Ilim_fwd也是由反馈环路实时调整得到。Ilim_fwd与(VX-VY)的乘积被反馈环路调整到等于P_REF。这样就实现了确定热损耗(P_REF)下最大的带载能力。
基于上述一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，本发明还提供了该电路的实现方法，包括如下步骤：
（1）通过电源输入、输出控制开关，使输入电源VS、输出负载Load与电荷泵芯片的不同引脚连接，使电荷泵处于不同的工作模式；将输入电源VS接到VX，将输出负载Load接到VY，电荷泵处在正向2：1或1：1工作模式；将输入电源VS接到VY，将输出负载Load接到VX，电荷泵处在反向1：2或1：1工作模式。
（2）根据电荷泵当前工作模式以及待切换工作模式，控制电荷泵芯片NMOS管及电源输入、输出控制开关的通断，使电荷泵的工作模式实现带载不掉电切换。
如图3所示，当VX下降时，电荷泵需要从正向2：1模式切换到正向1：1模式来避免VY电压过低。电荷泵在正向2：1工作时，CFLY和CY的电压约等于VX/2；在正向1：1工作时，CFLY和CY的电压约等于VX。由于两个状态稳态时电容电压相差VX/2，如果直接切换工作方式，就会有瞬间很大的电流来对两个电容充电。由于管子的导通电阻很小，瞬间的电流会非常大，导致烧毁芯片，拉跨前级电源，这些都是不可接受的。
因此，当电荷泵处于正向2：1工作模式、VX压降下降时，电荷泵需要从正向2：1模式切换到正向1：1模式来避免VY电压过低；具体切换步骤如下：
Figure 86229DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持正向2：1工作模式，同时启动环路，使能电流支路Ilim_fwd；
Figure 827920DEST_PATH_IMAGE004
：电流支路Ilim_fwd使能结束，使电荷泵的NMOS管Q2、Q4导通，Q1、Q3关断，将电容CFLY和CY并联在一起；
Figure 88000DEST_PATH_IMAGE006
：当VY电压高于VX-VTH时，再导通NMOS管Q1，则电荷泵带载不掉电切换到正向1：1工作模式；其中VTH为阈值电压。
其中Ilim_fwd是一路可调电流源，可以从VX向VY充电。这路电流在由正向2：1变换到正向1：1的过渡过程中工作。Ilim_fwd是由反馈环路实时调整得到。Ilim_fwd与(VX-VY)的乘积被反馈环路调整到等于P_REF。这样就实现了确定热损耗(P_REF)下最大的带载能力切换：
Iload_max=Ilim_fwd。
同理，如图4所示，当VX升高时，电荷泵需要从正向1：1模式切换到正向2：1模式来避免VY电压过高。
当电荷泵处于正向1：1工作模式、VX压降升高时，电荷泵需要从正向1：1模式切换到正向2：1模式来避免VY电压过高；具体切换步骤如下：
Figure 141317DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持正向1：1工作模式，同时关断NMOS管Q1，继续保持NMOS管Q2、Q4导通，使能电流支路I_PD1；
Figure 373715DEST_PATH_IMAGE004
：当VY电压低于VX/2时，电荷泵带载不掉电切换到正向2：1工作模式。
其中I_PD1为下拉电流。当Q1刚关断时，CFLY和CY的电容电压为接近VX。通过I_PD1和负载电流下拉两个并联的电容。当这两个并联的电容电压下降到VX/2时，这时两个电容电压恰好是正向2：1工作时电容的理想稳态电压，即刻开始正向2：1工作而不会有瞬态大电流。
如图5所示，如果电荷泵最初工作在1：2反向电压变换器模式，随着VY的增加，等于两倍VY电压的VX可能会超过负载的最高耐压，这时就需要切换到1：1反向直传开关模式；同理，如果电荷泵工作在1：1反向直传开关模式，随着VY的减小，近似等于VY的VX电压可能会低于负载能够接受的最低电压，这时就需要切换到1：2反向电压变换器模式。整个切换过程要求平顺的完成，负载不需要掉电重启。
当电荷泵处于反向1：1工作模式、VY压降下降时，电荷泵需要从1：1反向直传开关模式切换到1：2反向电压变换器模式来避免VX电压低于负载能够接受的最低电压；具体切换步骤如下：
Figure 551886DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持1：1反向直传开关模式，使电荷泵的NMOS管Q1、Q3关断，导通开关S5、关断开关S3、S4，同时启动电荷泵芯片的计时器，计时结束进入步骤
Figure 299263DEST_PATH_IMAGE004
，直到VX高于2*VY-VTH后进入步骤
Figure 837560DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 721203DEST_PATH_IMAGE004
：导通开关S5、关断开关S3、S4，使电荷泵的NMOS管Q2、Q3、Q4关断，导通NMOS管Q1、Q3b，同时启动电荷泵芯片的计时器，计时结束进入步骤
Figure 70275DEST_PATH_IMAGE002
，直到VX高于2*VY-VTH后进入步骤
Figure 39368DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 617243DEST_PATH_IMAGE006
：关断开关S5、导通开关S3、S4，电荷泵带载不掉电切换到反向1：2工作模式。
需要特别说明的是以上过程还有一个前提：那就是Q1/Q3b导通与Q2/Q4导通的两个相位的切换频率要足够快，即Fsw>>1/(RQ1*CFLY)，确保每个相位向VX端可以输出约等于Ilim_rev的电流。也可以确保，如果Ilim_rev>Iload，在经历很多次相位切换后，VX会被充电到接近两倍的VY电压。
如图6所示，当电荷泵处于反向1：2工作模式、VX压降升高时，将电荷泵从反向1：2模式切换到反向1：1模式的具体切换步骤如下：
Figure 355391DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持反向1：2工作模式，同时关断NMOS管Q1、Q3，导通NMOS管Q2、Q4，同时使能电流支路I_PD2；
Figure 875366DEST_PATH_IMAGE004
：当VX电压低于VY时，电荷泵带载不掉电切换到反向1：1工作模式。
当电荷泵工作在反向1：2模式时，CFLY=CY， 所以可以直接导通Q2/Q4，将两个电容并联。同时，VX=2*VY，需要被下拉到VX=VY。下拉电流来自于负载电流和I_PD2，当VX下降到VY时，即刻导通Q1，开始反向1：1工作。
如图7所示，如果客户想切换输入电源和输出负载的位置，即在正向1：1和反向1：1之间切换，两个工作状态下，CX=CY=CFLY=VS，所以电容电压没有突变，不需要缓冲。只需要通过开关将VS和LOAD交换位置，即完成了切换。切换的过程中，负载电流由三个电容共同承担，所以开关切换的顺序需要特别注意。其具体切换步骤如下：
Figure 597334DEST_PATH_IMAGE002
若电荷泵处于正向1：1工作模式，即输入电源控制开关S_in_vx导通、S_in_vy关断，输出电源控制开关S_out_vx关断、S_out_vy导通；
Figure 477434DEST_PATH_IMAGE004
电荷泵开始由正向1：1工作模式向反向1：1工作模式切换，保持NMOS管Q1、Q2、Q4导通，Q3关断，先导通输出电源控制开关S_out_vx，再关断输出电源控制开关S_out_vy，再关断输入电源控制开关S_in_vx，再导通输入电源控制开关S_in_vy，电荷泵带载不掉电切换到反向1：1工作模式；
Figure 273352DEST_PATH_IMAGE006
若电荷泵处于反向1：1工作模式，即输入电源控制开关S_in_vx关断、S_in_vy导通，输出电源控制开关S_out_vx导通、S_out_vy关断；
Figure 88861DEST_PATH_IMAGE008
电荷泵开始由反向1：1工作模式向正向1：1工作模式切换，保持NMOS管Q1、Q2、Q4导通，Q3关断，先导通输出电源控制开关S_out_vy，再关断输出电源控制开关S_out_vx，再关断输入电源控制开关S_in_vy，再导通输入电源控制开关S_in_vx，电荷泵带载不掉电切换到正向1：1工作模式。
如图8所示，当电荷泵工作在正向2：1模式和反向1：2模式两个状态下，电容电压有突变，不能直接切换，利用上述切换步骤实现间接切换，具体切换步骤如下：
Figure 173492DEST_PATH_IMAGE002
：正向2：1模式向反向1：2模式切换时，由正向2：1模式向正向1：1模式切换，再由正向1：1模式切换到反向1：1模式，最后由反向1：1模式切换到反向1：2模式；
Figure 732649DEST_PATH_IMAGE004
：反向1：2模式向正向2：1模式切换时，由反向1：2模式向反向1：1模式切换，再由反向1：1模式切换到正向1：1模式，最后由正向1：1模式切换到正向2：1模式。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，其特征在于，包括均与电荷泵芯片的VX引脚相连的输入电源控制开关S_in_vx、电容CX、电流源I_PD2、减法器SUB1、分压电阻RF1，与电流源I_PD2另一端相连的开关S2，电压输入端与减法器SUB1的输出端相连的乘法器MUL1，反相输入端与乘法器MUL1的输出端相连且输出端与乘法器MUL1的电流输入端相连的运算放大器OP1，负极与分压电阻RF1另一端相连的减法器SUB2，电压输入端与减法器SUB2的输出端相连的乘法器MUL2，反相输入端与乘法器MUL2的输出端相连且输出端与乘法器MUL2的电流输入端相连的运算放大器OP2，与运算放大器OP1、OP2的输出端均相连的无源限流电路，与电荷泵芯片的VY引脚相连的电流源I_PD1，与电流源I_PD1另一端相连的开关S1，均与电荷泵芯片的BT引脚相连的钳压电路A1、A2、A3，连接于钳压电路A3与电荷泵电路中的NMOS管Q3的栅极G之间的开关S3，与运算放大器OP2的输出端相连的钳压限流电路，与减法器SUB2的负极相连的分压电阻RF2，正极与输入电源控制开关S_in_vx相连负极与分压电阻RF2的另一端、电容CX的另一端、开关S2的另一端均相连的输入电源VS，与输入电源VS的正极相连的输入电源控制开关S_in_vy，与输入电源控制开关S_in_vy另一端相连的输出电源控制开关S_out_vy，一端与输出电源控制开关S_out_vy相连另一端与电荷泵芯片的VX引脚相连的输出电源控制开关S_out_vx，一端与输出电源控制开关S_out_vx和输出电源控制开关S_out_vy均相连且另一端与电荷泵芯片的GND引脚相连的负载Load，连接于以及连接于电荷泵芯片的BT引脚和CFH引脚之间的片外电容CBT，以及与电荷泵芯片的BT引脚相连的内部电荷泵；其中，电源VS的负极、钳压限流电路、无源限流电路、开关S1的另一端均与电荷泵芯片的GND引脚相连，减法器SUB1、SUB2的正极均接电荷泵芯片的VY引脚，运算放大器OP1、OP2的正相输入端均接P_REF电压。
2.根据权利要求1所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，其特征在于，所述钳压电路A1包括漏极D与电荷泵芯片的BT引脚相连的NMOS钳压管Q_clamp1，负极与NMOS钳压管Q_clamp1的栅极G相连的寄生二极管D1，以及正相输入端与NMOS钳压管Q_clamp1的源极S相连且负相输入端与二极管D1的正极相连的输入缓冲器BUF1；其中，输入缓冲器BUF1的输出端与电荷泵芯片上的NMOS管Q1的栅极G相连。
3.根据权利要求2所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，其特征在于，所述钳压电路A2、钳压电路A3与钳压电路A1的电路结构相同；其中，输入缓冲器BUF2、BUF3的输出端分别对应与电荷泵芯片上的NMOS管Q2、Q3的栅极G相连。
4.根据权利要求3所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，其特征在于，所述钳压限流电路包括漏极D与电荷泵芯片的VCC引脚相连的NMOS钳压管Q_clamp4，负极与NMOS钳压管Q_clamp4的栅极G相连的寄生二极管D4，均与NMOS钳压管Q_ clamp4 的源极S相连的电流源Ilim_ rev1、开关S4，正相输入端与开关S4的另一端相连且负相输入端与二极管D4的正极相连的输入缓冲器BUF4，与输入缓冲器BUF4的输出端相连的开关S5，栅极G和漏极D均与开关S5另一端相连的NMOS管Q4_ lim； 其中，输入缓冲器BUF4的输出端与电荷泵芯片上的NMOS管Q4的栅极G相连，电流源Ilim_ rev1还与运算放大器OP2的输出端和输入缓冲器BUF4的正相输入端相连，NMOS管Q4_ lim 的源极S与寄生二极管D4的正极和电荷泵芯片上的NMOS管Q4的源极S均相连；其中，NMOS管Q4的源极S、NMOS管Q4_ lim 的源极S、输入缓冲器BUF4的负相输入端、寄生二极管D4的正极均与电荷泵芯片的GND引脚相连。
5.根据权利要求4所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路，其特征在于，所述无源限流电路包括与运算放大器OP1的输出端相连的电流源Ilim_ fwd，连接于电流源Ilim_ fwd另一端与电荷泵芯片的VY引脚之间的开关S6，源极S与电荷泵芯片的NMOS管Q3的漏极D和NMOS管Q2的源极S相连的PMOS管Q3b，源极S与PMOS管Q3b的源极S相连且栅极G与PMOS管Q3b的栅极G相连的PMOS管Q3b_lim，输出端与PMOS管Q3b_lim的栅极G、漏极D均相连的输入缓冲器BUF5，与输入缓冲器BUF5的负相输入端相连的电流源Ilim_ rev2，源极S与电流源Ilim_ rev2相连且漏极D与NMOS管Q4的源极S相连的NMOS钳压管Q_clamp5，以及一端与电荷泵芯片的VY引脚相连的且另一端与NMOS钳压管Q_clamp5的栅极G相连的寄生二极管D5；其中，PMOS管Q3b、PMOS管Q3b_lim的源极S均与电荷泵芯片的VY引脚相连，电流源Ilim_rev2还与运算放大器OP2的输出端相连，NMOS钳压管Q_clamp5漏极D与电荷泵芯片的GND引脚相连。
6.如权利要求1~5任一项所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）通过电源输入、输出控制开关，使输入电源VS、输出负载Load与电荷泵芯片的不同引脚连接，使电荷泵处于不同的工作模式；
（2）根据电荷泵当前工作模式以及待切换工作模式，控制电荷泵芯片NMOS管及电源输入、输出控制开关的通断，使电荷泵的工作模式实现带载不掉电切换。
7.根据权利要求6所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路的实现方法，其特征在于，在步骤（1）中，将输入电源VS接到VX，将输出负载Load接到VY，电荷泵处在正向2：1或1：1工作模式；将输入电源VS接到VY，将输出负载Load接到VX，电荷泵处在反向1：2或1：1工作模式。
8.根据权利要求7所述的一种带载不掉电切换电荷泵工作模式的电路的实现方法，其特征在于，在步骤（2）中，
（Ⅰ）当电荷泵处于正向2：1工作模式、VX压降下降时，电荷泵需要从正向2：1模式切换到正向1：1模式来避免VY电压过低；具体切换步骤如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持正向2：1工作模式，同时启动环路，使能电流支路Ilim_fwd；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
：电流支路Ilim_fwd使能结束，使电荷泵的NMOS管Q2、Q4导通，Q1、Q3关断，将电容CFLY和CY并联在一起；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：当VY电压高于VX-VTH时，再导通NMOS管Q1，则电荷泵带载不掉电切换到正向1：1工作模式；其中VTH为阈值电压；
（Ⅱ）当电荷泵处于正向1：1工作模式、VX压降升高时，电荷泵需要从正向1：1模式切换到正向2：1模式来避免VY电压过高；具体切换步骤如下：
Figure 814068DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持正向1：1工作模式，同时关断NMOS管Q1，继续保持NMOS管Q2、Q4导通，使能电流支路I_PD1；
Figure 262367DEST_PATH_IMAGE004
：当VY电压低于VX/2时，电荷泵带载不掉电切换到正向2：1工作模式；
（Ⅲ）当电荷泵处于反向1：1工作模式、VY压降下降时，电荷泵需要从1：1反向直传开关模式切换到1：2反向电压变换器模式来避免VX电压低于负载能够接受的最低电压；具体切换步骤如下：
Figure 307683DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持1：1反向直传开关模式，使电荷泵的NMOS管Q1、Q3关断，导通开关S5、关断开关S3、S4，同时启动电荷泵芯片的计时器，计时结束进入步骤
Figure 857220DEST_PATH_IMAGE004
，直到VX高于2*VY-VTH后进入步骤
Figure 937171DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 166159DEST_PATH_IMAGE004
：导通开关S5、关断开关S3、S4，使电荷泵的NMOS管Q2、Q3、Q4关断，导通NMOS管Q1、Q3b，同时启动电荷泵芯片的计时器，计时结束进入步骤
Figure 698771DEST_PATH_IMAGE002
，直到VX高于2*VY-VTH后进入步骤
Figure 428830DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 487921DEST_PATH_IMAGE006
：关断开关S5、导通开关S3、S4，电荷泵带载不掉电切换到反向1：2工作模式；
（Ⅳ）当电荷泵处于反向1：2工作模式、VX压降升高时，将电荷泵从反向1：2模式切换到反向1：1模式的具体切换步骤如下：
Figure 12444DEST_PATH_IMAGE002
：电荷泵继续保持反向1：2工作模式，同时关断NMOS管Q1、Q3，导通NMOS管Q2、Q4，同时使能电流支路I_PD2；
Figure 173298DEST_PATH_IMAGE004
：当VX电压低于VY时，电荷泵带载不掉电切换到反向1：1工作模式；
（Ⅴ）如果客户想切换输入电源和输出负载的位置，即在正向1：1和反向1：1之间切换，其具体切换步骤如下：
Figure 175889DEST_PATH_IMAGE002
若电荷泵处于正向1：1工作模式，即输入电源控制开关S_in_vx导通、S_in_vy关断，输出电源控制开关S_out_vx关断、S_out_vy导通；
Figure 230432DEST_PATH_IMAGE004
电荷泵开始由正向1：1工作模式向反向1：1工作模式切换，保持NMOS管Q1、Q2、Q4导通，Q3关断，先导通输出电源控制开关S_out_vx，再关断输出电源控制开关S_out_vy，再关断输入电源控制开关S_in_vx，再导通输入电源控制开关S_in_vy，电荷泵带载不掉电切换到反向1：1工作模式；
Figure 551955DEST_PATH_IMAGE006
若电荷泵处于反向1：1工作模式，即输入电源控制开关S_in_vx关断、S_in_vy导通，输出电源控制开关S_out_vx导通、S_out_vy关断；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
电荷泵开始由反向1：1工作模式向正向1：1工作模式切换，保持NMOS管Q1、Q2、Q4导通，Q3关断，先导通输出电源控制开关S_out_vy，再关断输出电源控制开关S_out_vx，再关断输入电源控制开关S_in_vy，再导通输入电源控制开关S_in_vx，电荷泵带载不掉电切换到正向1：1工作模式；
（Ⅵ）当电荷泵工作在正向2：1模式和反向1：2模式两个状态下，电容电压有突变，不能直接切换，利用上述切换步骤实现间接切换，具体切换步骤如下：
Figure 590318DEST_PATH_IMAGE002
：正向2：1模式向反向1：2模式切换时，由正向2：1模式向正向1：1模式切换，再由正向1：1模式切换到反向1：1模式，最后由反向1：1模式切换到反向1：2模式；
Figure 6387DEST_PATH_IMAGE004
：反向1：2模式向正向2：1模式切换时，由反向1：2模式向反向1：1模式切换，再由反向1：1模式切换到正向1：1模式，最后由正向1：1模式切换到正向2：1模式。
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