CN110858749B - 交叉耦合电荷泵及其操作方法 - Google Patents

交叉耦合电荷泵及其操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110858749B
CN110858749B CN201910054637.1A CN201910054637A CN110858749B CN 110858749 B CN110858749 B CN 110858749B CN 201910054637 A CN201910054637 A CN 201910054637A CN 110858749 B CN110858749 B CN 110858749B
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitor
lead
coupled
electrically controlled
voltage output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910054637.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110858749A (zh
Inventor
皮埃尔·热内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Components Industries LLC
Original Assignee
Semiconductor Components Industries LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Components Industries LLC filed Critical Semiconductor Components Industries LLC
Publication of CN110858749A publication Critical patent/CN110858749A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110858749B publication Critical patent/CN110858749B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H02M3/073—Charge pumps of the Schenkel-type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0041—Control circuits in which a clock signal is selectively enabled or disabled
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H02M3/073—Charge pumps of the Schenkel-type
    • H02M3/077—Charge pumps of the Schenkel-type with parallel connected charge pump stages

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明题为“交叉耦合电荷泵及其操作方法”。本主题申请涉及交叉耦合电荷泵及其操作方法。示例性实施方案中的至少一些是方法，所述方法包括：将电荷从第一电容器通过第一场效应晶体管(FET)泵送到电压输出，并且从第二电容器通过第二FET泵送到所述电荷泵的所述电压输出；在电荷的所述泵送期间刷新第三电容器和第四电容器的电荷；在死区时间期间电隔离所述第一电容器至所述第四电容器；以及然后将电荷从所述第三电容器通过第三FET泵送到所述电压输出，并且从所述第四电容器通过第四FET泵送到所述电荷泵的所述电压输出；以及在从所述第三电容器和所述第四电容器泵送电荷期间刷新所述第一电容器和所述第二电容器的电荷。

Description

交叉耦合电荷泵及其操作方法
技术领域
本申请涉及电源转换器的技术领域，并且具体地讲为交叉耦合电荷泵。
背景技术
电源转换器将第一电压下的电能转换为第二电压。电荷泵是一种类型的电源转换器，该电源转换器增加电压，使得电压输出高于电压输入。一种类型的电荷泵是交叉耦合电荷泵。相关技术的交叉耦合电荷泵经历不希望的交叉传导，这降低了操作效率。具体地讲，交叉耦合电荷泵使用场效应晶体管(FET)来选择性地将电荷从充电电容器泵送到电压输出，并且同时使用另一个FET来刷新第二电容器上的电压。两个电容器的泵和电荷的作用交替。然而，FET从导电状态转变为非导电状态需要有限量的时间，反之亦然。在某些情况下，交叉耦合电荷泵中的部分导电FET可允许电流从电压输出回流到电压输入，从而降低效率。
发明内容
示例性实施方案涉及交叉耦合电荷泵。至少一些示例性实施方案包括操作交叉耦合电荷泵的方法，包括：将电荷从第一电容器通过第一场效应晶体管(FET)泵送到电压输出，并且从第二电容器通过第二FET泵送到电荷泵的电压输出；在电荷的泵送期间刷新第三电容器和第四电容器的电荷；在死区时间期间电隔离第一电容器至第四电容器；以及将电荷从第三电容器通过第三FET泵送到电压输出，并且从第四电容器通过第四FET泵送到电荷泵的电压输出；以及在从第三电容器和第四电容器泵送电荷期间刷新第一电容器和第二电容器的电荷。
在示例性方法中，从第一电容器和第二电容器泵送电荷还可包括：将第一电压输入耦合到第一电容器的第一引线，并且将第一电容器的第二引线耦合到电压输出；以及将第一电压输入耦合到第二电容器的第一引线，并且将第二电容器的第二引线耦合到电压输出。
在示例性方法中，将第一电容器的第二引线耦合到电压输出还可包括：用第二电压输入驱动第一FET的栅极；并且其中将第二电容器的第二引线耦合到电压输出还包括用第二电压输入驱动第二FET的栅极。
在示例性方法中，刷新第三电容器和第四电容器的电荷还可包括：将电压输入耦合到第三电容器的第二引线，并且将第三电容器的第一引线接地；以及将电压输入耦合到第四电容器的第二引线，并且将第四电容器的第一引线接地。
在示例性方法中，将第二电压输入耦合到第三电容器的第二引线还可包括用电压输出驱动第三FET的栅极；并且将第二电压输入耦合到第四电容器的第二引线还可包括用电压输出驱动第四FET的栅极。
在示例性方法中，从第三电容器和第四电容器泵送电荷还可包括：将第一电压输入耦合到第三电容器的第一引线，并且将第三电容器的第二引线耦合到电压输出；以及将第一电压输入耦合到第四电容器的第一引线，并且将第四电容器的第二引线耦合到电压输出。
在示例性方法中，将第三电容器的第二引线耦合到电压输出还可包括：用第二电压输入驱动第五FET的栅极；并且将第四电容器的第二引线耦合到第二电压输出还可包括用电压输入驱动第六FET的栅极。
在示例性方法中，刷新第一电容器和第二电容器的电荷还可包括：将第二电压输入耦合到第一电容器的第二引线，并且将第一电容器的第一引线接地；以及将第二电压输入耦合到第二电容器的第二引线，并且将第二电容器的第一引线接地。
在示例性方法中，将第二电压输入耦合到第一电容器的第二引线还可包括用电压输出驱动第七FET的栅极；并且将第二电压输入耦合到第二电容器的第二引线还可包括用电压输出驱动第八FET的栅极。
在示例性方法中，在死区时间期间电隔离第一电容器至第四电容器还可包括将第一电容器的第一引线接地并且将第一电压输入耦合到第四电容器的第一引线，所有的操作都同时将第二电容器的第一引线维持在第一电压输入，并且将第三电容器的第一引线维持接地。
示例性方法还可包括通过将第二电容器的第一引线接地并且将第一电压输入耦合到第三电容器的第一引线来结束电隔离，所有的操作都同时将第一电容器的第一引线维持接地，并且维持到第四电容器的第一引线的第一电压输入。
在示例性方法中，从第一电容器和第二电容器泵送电荷还可包括：将第一电压输入耦合到第一电容器的第一引线，并且将第一电容器的第二引线耦合到电压输出；以及将第一电压输入耦合到第二电容器的第一引线，并且将第二电容器的第二引线耦合到电压输出。在示例性方法中，在电荷的泵送期间刷新第三电容器和第四电容器的电荷还可包括：将第二电压输入耦合到第三电容器的第二引线，并且将第三电容器的第一引线接地；以及将第二电压输入耦合到第四电容器的第二引线，并且将第四电容器的第一引线接地。
其他示例性实施方案包括交叉耦合电荷泵，该交叉耦合电荷泵包括：限定第一引线和第二引线的第一电容器，限定第一引线和第二引线的第二电容器，限定第一引线和第二引线的第三电容器，以及限定第一引线和第二引线的第四电容器；第一场效应晶体管(FET)，该第一FET限定栅极、漏极和源极，第一FET的漏极耦合到第一电容器的第二引线，第一FET的源极耦合到电压输出，并且第一FET的栅极耦合到第四电容器的第二引线；第二FET，该第二FET限定栅极、漏极和源极，第二FET的漏极耦合到第二电容器的第二引线，第二FET的源极耦合到电压输出，并且第二FET的栅极耦合到第四电容器的第二引线；第三FET，该第三FET限定栅极、漏极和源极，第三FET的源极耦合到第二电压输入，第三FET的漏极耦合到第三电容器的第二引线，并且第三FET的栅极耦合到第一电容器的第二引线；第四FET，该第四FET限定栅极、漏极和源极，第四FET的源极耦合到第二电压输入，第四FET的漏极耦合到第四电容器的第二引线，并且第四FET的栅极耦合到第一电容器的第二引线；第五FET，该第五FET限定栅极、漏极和源极，第五FET的漏极耦合到第三电容器的第二引线，第五FET的源极耦合到电压输出，并且第五FET的栅极耦合到第二电容器的第二引线；第六FET，该第六FET限定栅极、漏极和源极，第六FET的漏极耦合到第四电容器的第二引线，第六FET的源极耦合到电压输出，并且第六FET的栅极耦合到第二电容器的第二引线；其中，在交叉耦合电荷泵的操作的第一阶段中，FET被配置为将电荷从第一电容器和第二电容器泵送到电压输出，并且被配置为从电压输入刷新第三电容器和第四电容器；并且其中，在交叉耦合电荷泵的操作的第二阶段中，FET被配置为将电荷从第三电容器和第四电容器泵送到电压输出，并且被配置为从电压输入刷新第一电容器和第二电容器。
示例性交叉耦合电荷泵还可包括：第七FET，该第七FET限定栅极、漏极和源极，第七FET的源极耦合到第二电压输入，第七FET的漏极耦合到第一电容器的第二引线，并且第七FET的栅极耦合到第三电容器的第二引线；第八FET，该第八FET限定栅极、漏极和源极，第八FET的源极耦合到第二电压输入，第八FET的漏极耦合到第二电容器的第二引线，并且第八FET的栅极耦合到第三电容器的第二引线。
在示例性交叉耦合电荷泵中，第一FET、第二FET、第五FET和第六FET可以是p沟道金属氧化物半导体FET，并且第三FET、第四FET、第七FET和第八FET可以是n沟道金属氧化物半导体FET。
示例性交叉耦合电荷泵还可包括：时钟电路，该时钟电路被配置为产生不同的第一时钟信号至第四时钟信号；包含多个电控制开关的开关网络，该开关网络限定第一时钟输入至第四时钟输入、以及第一电压输出至第四电压输出；该开关网络被配置为当第一时钟信号和第二时钟信号生效时将第一电压输入驱动到第一电压输出和第二电压输出；该开关网络被配置为当第一时钟信号和第二时钟信号失效时将第一电压输出和第二电压输出接地；该开关网络被配置为当第三时钟信号和第四时钟信号生效时将第一电压输入驱动到第三电压输出和第四电压输出；并且该开关网络被配置为当第三时钟信号和第四时钟信号失效时，将第三电压输出和第四电压输出接地。
在示例性交叉耦合电荷泵中，时钟电路可进一步被配置为在第一阶段和第二阶段之间实现死区时间，其中所有FET都是非导电的。
在示例性交叉耦合电荷泵中，当时钟电路实现死区时间时，时钟电路可进一步被配置为使第一时钟信号失效并且使第四时钟信号生效，同时保持第二时钟信号生效并且保持第三时钟信号失效。
在示例性交叉耦合电荷泵中，当时钟电路实现死区时间时，时钟电路可进一步被配置为使第二时钟信号失效并且使第三时钟信号生效，同时保持第一时钟信号失效并且保持第四时钟信号生效。
其他示例性实施方案包括方法，该方法包括：通过以下步骤操作交叉耦合电荷泵：a)通过第一组第一场效应晶体管(FET)由第一组电容器向负载供应电流，同时通过第二组FET对第二组电容器再充电；b)电隔离第一组FET和第二组FET；c)通过第三组FET由第二组电容器向负载供应电流，同时通过第四组FET对第一组电容器再充电；以及d)重复步骤a)至c)。
附图说明
为了详细描述示例性实施方案，现在将参照附图，在附图中：
图1示出电荷泵的电路图；
图2示出根据至少一些实施方案的电路图；
图3示出根据至少一些实施方案的在第一阶段期间的电荷泵的简化电路图；
图4示出根据至少一些实施方案的在第二阶段期间的电荷泵的简化电路图；并且
图5示出根据至少一些实施方案的流程图。
定义
各种术语用于表示特定系统部件。不同公司可用不同名称表示一种部件–本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于…”。另外，术语“耦合”或“耦接”意指间接或直接的连接。因此，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接进行。
就电气装置而言，术语“输入”和“输出”是指到电气装置的电连接，并且不应被视为需要操作的动词。例如，控制器可具有栅极输出以及一个或多个感测输入。
具体实施方式
以下讨论涉及本发明的各种实施方案。虽然这些实施方案中的一个或多个可能是优选的，但所公开的实施方案不应解释为或以其他方式用来限制包括权利要求书在内的本公开的范围。另外，本领域技术人员应当理解，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的讨论仅意指该实施方案的示例，而并非旨在表示包括权利要求书在内的本公开的范围限于该实施方案。
各种实施方案涉及改善的交叉耦合电荷泵。更具体地讲，各种示例性实施方案涉及交叉耦合电荷泵，该交叉耦合电荷泵减小或消除从电压输出到电压输入的反向电流。减小的反向电流不仅提高了操作效率，而且还实现了增加的时钟频率。增加的时钟频率继而增加了向负载供应电流的能力，而不增加各种电容器的尺寸。还更具体地讲，示例性实施方案涉及交叉耦合电荷泵，该交叉耦合电荷泵被配置为将电荷泵送通过两个电容器，并且同时刷新两个电容器，然后作用反转。该说明书首先转向电荷泵的概念性综述。
图1示出处于两种操作状态或阶段的电荷泵的电路图。具体地讲，电路图在左侧示出处于第一阶段102的电荷泵100，并且电路图在右侧示出处于第二阶段104的电荷泵100。在第一阶段102期间，到电压输出VOUT的电流由耦合到电压输入VIN1的电容器106供应。也就是说，电压输出VOUT是电压输入VIN1和电容器106上的电压(我们将看到其最初也等于电压输入VIN2)的总和。同时，电容器106将电流泵送到电压输出VOUT，示例性电路正在充电或将电容器108刷新为等于电压输入VIN2。
在示例性第二阶段104中，电容器的作用反转。也就是说，在示例性第二阶段104期间，供应给电压输出VOUT的电流由电容器108泵送到电压输出VOUT。此处同样，在第二阶段104中，电压输出VOUT是电压输入VIN1和电容器108上的电压的总和，其中电容器108被充电以匹配第一阶段中的电压输入VIN2。随后，在第二阶段期间，电压输出VOUT是电压输入VIN1和电容器108上的电压(我们将看到其最初也等于电压输入VIN2)的总和。同时，电容器108将电流泵送到电压输出VOUT，示例性电路正在将电容器106刷新为等于电压输入VIN2。然后电路恢复到第一阶段102，并且循环继续向电压输出VOUT供应电压和电流。
电容器106和108选择性耦合以将电流泵送到电压输出VOUT或被电压输入VIN2刷新在图1中实现为四个电控制开关110、112、114和116。电控制开关被示为单刀双掷开关。每个电控制开关的线圈信号或控制输入未在图1中示出，以免使描述过度复杂。虽然如图所示可以实现具有机械单极双掷开关的电荷泵，但是操作频率(例如，电路可在阶段之间切换的速度)将受到机械开关改变物理位置所需的时间的严重限制。在许多情况下，电控制开关作为交叉耦合场效应晶体管(FET)来操作。如背景技术部分中提到的，FET从导电状态转变为非导电状态需要有限量的时间，反之亦然。在某些情况下，交叉耦合电荷泵中的部分导电FET可允许电流从电压输出VOUT回流到电压输入VIN2，从而降低效率。例如，如果实现电控制开关110的功能的FET是同时导电的，则电流将倾向于通过FET从电压输出VOUT回流到较低电压输入VIN2。关于实现电控制开关112的功能的FET，出现类似的情况。各种实施方案涉及通过实现电控制开关110和112的功能的交叉耦合FET减小或消除从电压输出VOUT到电压输入VIN的反向电流。添加附加FET以及附加电容器。附加电容器增加整体电路的电荷泵送能力。
图2示出根据至少一些实施方案的电路图。具体地讲，图2示出交叉耦合电荷泵200(下文中仅称为电荷泵200)，该电荷泵包括一组上部FET 202(下文中仅称为上部FET 202)，该FET实现将电荷泵送到电压输出VOUT和刷新电容器。上部FET 202的功能对应于图1的电控制开关110和112，但是如下更多地讨论，电控制开关110和112的功能在重复组的FET上实现以减小或消除电流从电压输出VOUT到电压输入VIN2的回流。在示例性实施方案中，上部FET202与四个电容器一起工作。在第一阶段期间，两个电容器将电荷泵送到电压输出VOUT，同时用电压输入VIN2的电压来刷新两个电容器。在第二阶段期间，作用反转，并且两个电容器将电荷泵送到电压输出VOUT，同时用电压输入VIN2的电压来刷新两个电容器。因此，示例性电荷泵200包括第一电容器206、第二电容器208、第三电容器210和第四电容器212。电容器206、208、210和212的作用部分地取决于开关网络204的状态，因此讨论首先转向开关网络204。
开关网络204实现对应于图1的电控制开关114和116的功能，并且仅仅是用以帮助理解上部FET 202的操作的示例性电路。开关网络204的实现可采取任何合适的形式。开关网络204包括多个电控制开关(在下文中更多地讨论)。开关网络204限定第一时钟输入219、第二时钟输入221、第三时钟输入223和第四时钟输入225。开关网络204限定第一输出227、第二输出229、第三输出231和第四输出233。示例性开关网络204被配置为当第一时钟信号和第二时钟信号生效时将电压输入VIN1驱动到第一输出227和第二输出229。开关网络204被配置为当第一时钟信号和第二时钟信号失效时将第一输出227和第二输出229接地。开关网络204被配置为当第三时钟信号和第四时钟信号生效时将电压输入VIN驱动到第三输出231和第四输出233。开关网络204被配置为当第三时钟信号和第四时钟信号失效时将第三输出231和第四输出233接地。
更具体地讲，在示例性开关网络204中，第一电容器206的第一引线214通过第一输出227耦合到互补FET 216。互补FET 216将第一引线214选择性地耦合到电压输入VIN1或地217，这取决于施加到互补FET 216的栅极的第一时钟信号的状态。出于该讨论的目的，当第一时钟信号生效时，互补FET 216将第一引线耦合到电压输入VIN1。相反，当第一时钟信号失效时，互补FET 216将第一引线214耦合到地217。换句话讲，当第一时钟信号生效时，互补FET 216将第一引线耦合到电压输入VIN1。相反，当第一时钟信号失效时，互补FET 216将第一引线214耦合到地217。
仍然参见图1的开关网络204，第二电容器208的第一引线218通过第二输出229耦合到互补FET 220。互补FET 220将第一引线218选择性地耦合到电压输入VIN1或地217，这取决于施加到互补FET 220的栅极的第二时钟信号的状态。出于该讨论的目的，当第二时钟信号生效时，互补FET 220将第一引线218耦合到电压输入VIN1。相反，当第二时钟信号失效时，互补FET 220将第一引线218耦合到地217。示例性开关网络204同样包含分别耦合到第三电容器210的第一引线226和第四电容器212的第一引线228的互补FET 222和224。如关于互补FET 216和220所述，互补FET 222和224分别相对于第三时钟信号和第四时钟信号类似地操作，并且为了不进一步延长描述，不再重复操作方面。描述现在转向上部FET 202。
示例性系统中的上部FET 202包括第一FET 230、第二FET 232、第三FET 234和第四FET 236。FET 230、232、234和236作为一组引入，因为这些FET在示例性第一阶段期间是导电的(但是它们的导电时间不一定相同)。FET 230限定栅极238、源极240和漏极244。第一FET 230的漏极244耦合到第一电容器206的第二引线246。第一FET 230的源极240耦合到电压输出VOUT。第一FET 230的栅极238耦合到第四电容器212的第二引线248。第二FET 232限定栅极250、漏极252和源极254。第二FET 232的漏极252耦合到第二电容器208的第二引线256。第二FET 232的源极254耦合到电压输出VOUT。第二FET 232的栅极250耦合到第四电容器212的第二引线248。
仍然参见图2，第三FET 234限定栅极257、漏极258和源极260。第三FET 234的源极260耦合到电压输入VIN2。第三FET 234的漏极258耦合到第三电容器210的第二引线262。第三FET 234的栅极257耦合到第一电容器206的第二引线246。第四FET 236限定栅极264、漏极266和源极268。第四FET 236的源极268耦合到电压输入VIN2，第四FET 236的漏极266耦合到第四电容器212的第二引线248。第四FET 236的栅极264耦合到第一电容器206的第二引线246。
示例性系统中的上部FET 202还包括第五FET 270、第六FET 272、第七FET 274和第八FET 276。FET 270、272、274和276作为一组引入，因为这些FET在示例性第二阶段期间是导电的(但是它们的导电时间不一定相同)。第五FET 270限定栅极278、源极280和漏极282。第五FET 270的漏极282耦合到第三电容器210的第二引线262。第五FET的源极280耦合到电压输出VOUT。第五FET 270的栅极278耦合到第二电容器208的第二引线256。第六FET272限定栅极284、源极286和漏极288。第六FET 272的漏极288耦合到第四电容器212的第二引线248。第六FET 272的源极286耦合到电压输出VOUT。第六FET 272的栅极284耦合到第二电容器208的第二引线256。
仍然参见图2，第七FET 274限定栅极290、漏极292和源极294。第七FET 274的源极294耦合到电压输入VIN2。第七FET 274的漏极292耦合到第一电容器206的第二引线246。第七FET 274的栅极290耦合到第三电容器210的第二引线262。第八FET276限定栅极296、漏极298和源极299。第八FET 276的源极299耦合到电压输入VIN2。第八FET 274的漏极298耦合到第二电容器208的第二引线256。第八FET 276的栅极296耦合到第三电容器210的第二引线262。
在示例性电荷泵200中，第一FET 230、第二FET 232、第五FET 270和第六FET 272是p沟道金属氧化物半导体FET，如图2所示。因此，这些示例性FET中的每个在栅极电压低于漏极源极电压时是导电的，并且在栅极与漏极源极电压大约相同时是非导电的。在示例性电路中，第三FET 234、第四FET 236、第七FET 274和第八FET 276是n沟道金属氧化物半导体FET，如图2所示。因此，这些示例性FET中的每个在栅极电压与漏极大约相同，高于源极电压时是导电的，并且在栅极低于漏极电压，与源极电压大约相同时是非导电的。
电荷泵200被设计和构造为以两个阶段操作。在电荷泵200的操作的第一阶段中，FET被配置为将电荷从第一电容器206和第二电容器208泵送到电压输出VOUT。另外，在第一阶段期间，电荷泵200被配置为从电压输入VIN2刷新第三电容器210和第四电容器212。在电荷泵200的操作的第二阶段中，FET被配置为将电荷从第三电容器210和第四电容器212泵送到电压输出VOUT。另外，在第二阶段期间，电荷泵200被配置为从电压输入VIN2刷新第一电容器206和第二电容器208。为了更好地描述第一阶段，说明书转向电荷泵的简化电路图。
图3示出根据至少一些实施方案的在第一阶段期间的电荷泵的简化电路图。具体地讲，图3示出示例性电荷泵200，其中仅示出了在第一阶段期间导电的FET，并且移除了剩余的FET以简化该图。另外示于图3中的是时钟电路300，该时钟电路被配置为分别在时钟输出302、304、306和308上产生不同的第一时钟信号至第四时钟信号。嵌入在时钟电路300框内的是在第一阶段期间的四个示例性时钟信号(不一定按比例绘制)。可使用用以生成时钟信号的任何合适的系统。根据示例性实施方案，每个阶段之前是转变周期。在所示的示例性时序图中，时间t0至t1表示第一阶段之前的转变周期。类似地，时间t2至t3表示第一阶段之后以及第二阶段之前的转变周期。出于解释的目的，第一时钟输出至第四时钟输出分别耦合到第一缓冲器310、第二缓冲器312、第三缓冲器314和第四缓冲器316。出于解释的目的，缓冲器表示开关网络204(图2)的功能，但不一定在实际实践中使用。当缓冲器的输入生效时，缓冲器将VIN耦合到其输出，并且当缓冲器的输入失效时，缓冲器将其输出接地。
在时间t1和t2之间的第一阶段期间，第一电容器206的第一引线214被驱动到VIN1；第二电容器208的第一引线218被驱动到VIN1；第三电容器210的第一引线226接地；并且第四电容器212的第一引线228接地。随后，第一FET 230和第二FET 232的栅极是低的(例如，大致在VIN2处)，并且因此FET 230和232是导电的。在第一阶段中，电荷然后从第一电容器206通过第一FET 230泵送到电压输出VOUT(如箭头318所示)，并且电荷从第二电容器208通过第二FET 232泵送到电压输出VOUT(如箭头320所示)。另外，在第一阶段期间，第三FET 234和第四FET 236的栅极是高的(例如，大致在VOUT处)，并且因此FET 234和236是导电的，从而刷新第三电容器210(如箭头322所示)和第四电容器212(如箭头324所示)的电荷。
仍然参见图3，在时间t2和t3之间的转变周期中：第一电容器206的第一引线214接地；第二电容器208的第一引线218保持驱动到VIN1；第三电容器210的第一引线226保持接地；并且第四电容器212的第一引线228被驱动到VIN1。随后，第一FET 230和第二FET 232的栅极是高的(例如，大致在VOUT处)，并且因此FET 230和232是非导电的。另外，在时间t2和t3之间的转变周期期间，第三FET 234和第四FET 236的栅极是低的(例如，大致在VIN2处)，并且因此FET 234和236是非导电的。因此，时间t2和t3之间的转变周期是FET为非导电的时间段，并且因此转变周期在本文中称为死区时间。尽管操作的描述在时间t1处开始，但现在可以看出，在时间t0和t1之间的转变周期期间各种时钟信号的状态与t2和t3之间的转变周期相同，并且因此在时间t0和t1之间的转变周期也表示死区时间。示例性电路然后转变到第二阶段。
图4示出根据至少一些实施方案的在第二阶段期间的电荷泵的简化电路图。具体地讲，图4示出示例性电荷泵200，其中仅示出了在第二阶段期间导电的FET，并且移除了剩余的FET以简化该图。另外示于图4中的是时钟电路300，在该情况下，在第二阶段期间包括四个示例性时钟信号(不一定按比例绘制)。如前所述，可使用用以生成时钟信号的任何合适的系统。如前所述，每个阶段之前是转变周期。由于示例性第二阶段紧跟在第一阶段之后(来自图3)，因此t2至t3表示第一阶段与第二阶段之间的转变周期。如前所述，考虑第一时钟输出至第四时钟输出分别耦合到相应第一缓冲器310、第二缓冲器312、第三缓冲器314和第四缓冲器316。
在时间t3和t4之间的第二阶段期间：第一电容器206的第一引线214接地；第二电容器208的第一引线218接地；第三电容器210的第一引线226被驱动到VIN1；并且第四电容器212的第一引线228被驱动到VIN1。随后，第五FET 270和第六FET 272的栅极是低的(例如，大致在VIN2处)，并且因此FET 270和272是导电的。在第二阶段中，电荷然后从第三电容器210通过第五FET 270泵送到电压输出VOUT(如箭头400所示)，并且电荷从第四电容器212通过第六FET 272泵送到电压输出VOUT(如箭头402所示)。另外，在第二阶段期间，第七FET 274和第八FET 276的栅极是高的(例如，大致在VOUT处)，并且因此FET 274和276是导电的，从而刷新第一电容器206(如箭头404所示)和第三电容器208(如箭头406所示)的电荷。
仍然参见图4，在时间t4和t5之间的转变周期中：第一电容器206的第一引线214保持接地；第二电容器208的第一引线218被驱动到VIN1；第三电容器210的第一引线226接地；并且第四电容器212的第一引线228保持驱动到VIN1。随后，第五FET 270和第六FET 272的栅极是高的(例如，大致在VOUT处)，并且因此FET 270和272是非导电的。另外，在时间t4和t5之间的转变周期期间，第七FET 274和第八FET 276的栅极是低的(例如，大致在VIN2处)，并且因此FET 234和236是非导电的。因此，时间t4和t5之间的转变周期是FET为非导电的时间段，并且因此转变周期再次称为死区时间。尽管操作的描述在时间t3处开始，但现在可以看出，在时间t2和t3之间的转变周期期间各种时钟信号的状态与t4和t5之间的转变周期相同。示例性电路然后转变回第一阶段。
在操作的第一阶段期间，电荷泵200将电荷从第一电容器206通过第一FET 230泵送到电压输出VOUT，并且将第一电容器206的第一引线214耦合到电压输入VIN1(通过开关网络204)。另外，在第一阶段期间，电荷泵200将电荷从第二电容器208通过第二FET 232泵送到电压输出VOUT，并且将第二电容器208的第一引线218耦合到电压输入VIN1(通过开关网络204)。另外，在第一阶段期间，电荷泵200被设计和构造为刷新第三电容器210和第四电容器212的电荷。具体地讲，在第一阶段中的刷新期间，示例性电荷泵200将电压输入VIN2通过第三FET 234耦合到第三电容器210的第二引线262，并且将第三电容器210的第一引线接地(通过开关网络204)，并且将电压输入VIN2耦合到第四电容器212的第二引线248，并且将第四电容器212的第一引线228接地。
再次参见图2，与重复FET组合的死区时间因此减小或消除了从电压输出VOUT到电压输入VIN2的交叉传导或反向电流。例如，死区时间确保第一FET 230和第七FET 274不能同时导电。对于FET 270和234、FET 232和276以及FET 272和236，类似的陈述也是如此。此外，所有四个电容器206、208、210和212都对输出电流有贡献(在其相应的阶段期间)。减小的反向电流不仅提高了操作效率，而且还实现了增加的时钟频率。增加的时钟频率继而增加了向负载供应电流的能力，而不增加各种电容器的尺寸。
图5示出根据至少一些实施方案的流程图。具体地讲，方法开始(框500)并且包括：将电荷从第一电容器通过第一场效应晶体管(FET)泵送到电压输出，并且从第二电容器通过第二FET泵送到电荷泵的电压输出(框502)；在电荷的泵送期间刷新第三电容器和第四电容器的电荷(框504)；在死区时间期间电隔离第一电容器至第四电容器(框506)；以及然后将电荷从第三电容器通过第三FET泵送到电压输出，并且从第四电容器通过第四FET泵送到电荷泵的电压输出(框508)；以及在从第三电容器和第四电容器泵送电荷期间刷新第一电容器和第二电容器的电荷(框510)。随后，该方法结束(框512)。
附图中的许多电连接被示为没有中间设备的直接耦合，但在上面的描述中并未如此明确说明。然而，对于在附图中示出的没有中间设备的电连接，该段落应充当权利要求的先行基础，以用于引用任何电连接作为“直接耦合”。
上述讨论意在说明本发明的原理和各种实施方案。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多变型形式和修改形式就将变得显而易见。例如，开关网络204同样可由一组八个FET实现，如上部FET 202所示。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式和修改形式。

Claims (10)

1.一种操作交叉耦合电荷泵的方法，包括：
将电荷从第一电容器通过第一电控制开关泵送到电压输出，并且从第二电容器通过第二电控制开关泵送到所述电荷泵的所述电压输出；
在电荷的所述泵送期间刷新第三电容器和第四电容器的电荷；
将电荷从所述第三电容器通过第三电控制开关泵送到所述电压输出，并且从所述第四电容器通过第四电控制开关泵送到所述电荷泵的所述电压输出；以及
在从所述第三电容器和所述第四电容器泵送电荷期间刷新所述第一电容器和所述第二电容器的电荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从所述第一电容器和所述第二电容器泵送电荷还包括：
将第一电压输入耦合到所述第一电容器的第一引线，并且将所述第一电容器的第二引线耦合到所述电压输出；以及
将所述第一电压输入耦合到所述第二电容器的第一引线，并且将所述第二电容器的第二引线耦合到所述电压输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中刷新所述第三电容器和所述第四电容器的电荷还包括：
将电压输入耦合到所述第三电容器的第二引线，并且将所述第三电容器的第一引线接地；以及
将所述电压输入耦合到所述第四电容器的第二引线，并且将所述第四电容器的第一引线接地。
4.根据权利要求1所述的方法，其中从所述第三电容器和所述第四电容器泵送电荷还包括：
将第一电压输入耦合到所述第三电容器的第一引线，并且将所述第三电容器的第二引线耦合到所述电压输出；以及
将所述第一电压输入耦合到所述第四电容器的第一引线，并且将所述第四电容器的第二引线耦合到所述电压输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其中刷新所述第一电容器和所述第二电容器的电荷还包括：
将第二电压输入耦合到所述第一电容器的第二引线，并且将所述第一电容器的第一引线接地；以及
将所述第二电压输入耦合到所述第二电容器的第二引线，并且将所述第二电容器的第一引线接地。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过将所述第一电容器的第一引线接地并且将第一电压输入耦合到所述第四电容器的第一引线，与此同时，将所述第二电容器的第一引线维持在所述第一电压输入，并且将所述第三电容器的第一引线维持接地，来在死区时间期间电隔离所述第一电容器至所述第四电容器。
7.一种交叉耦合电荷泵，包括：
限定第一引线和第二引线的第一电容器，限定第一引线和第二引线的第二电容器，限定第一引线和第二引线的第三电容器，以及限定第一引线和第二引线的第四电容器；
第一电控制开关，所述第一电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第一电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第一电容器的所述第二引线，所述第一电控制开关的所述第二开关连接耦合到电压输出，并且所述第一电控制开关的所述控制输入耦合到所述第四电容器的所述第二引线；
第二电控制开关，所述第二电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第二电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第二电容器的所述第二引线，所述第二电控制开关的所述第二开关连接耦合到所述电压输出，并且所述第二电控制开关的所述控制输入耦合到所述第四电容器的所述第二引线；
第三电控制开关，所述第三电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第三电控制开关的源极耦合到第二电压输入，所述第三电控制开关的漏极耦合到所述第三电容器的所述第二引线，并且所述第三电控制开关的栅极耦合到所述第一电容器的所述第二引线；
第四电控制开关，所述第四电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第四电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第二电压输入，所述第四电控制开关的所述第二开关连接耦合到所述第四电容器的所述第二引线，并且所述第四电控制开关的所述控制输入耦合到所述第一电容器的所述第二引线；
第五电控制开关，所述第五电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第五电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第三电容器的所述第二引线，所述第五电控制开关的所述第二开关连接耦合到所述电压输出，并且所述第五电控制开关的所述控制输入耦合到所述第二电容器的所述第二引线；
第六电控制开关，所述第六电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第六电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第四电容器的所述第二引线，所述第六电控制开关的所述第二开关连接耦合到所述电压输出，并且所述第六电控制开关的所述控制输入耦合到所述第二电容器的所述第二引线；
其中，在所述交叉耦合电荷泵的操作的第一阶段中，所述电控制开关被配置为将电荷从所述第一电容器和所述第二电容器泵送到所述电压输出，并且被配置为从所述第二电压输入刷新所述第三电容器和所述第四电容器；并且
其中，在所述交叉耦合电荷泵的操作的第二阶段中，所述电控制开关被配置为将电荷从所述第三电容器和所述第四电容器泵送到所述电压输出，并且被配置为从所述第二电压输入刷新所述第一电容器和所述第二电容器。
8.根据权利要求7所述的交叉耦合电荷泵，还包括：
第七电控制开关，所述第七电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第七电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第二电压输入，所述第七电控制开关的所述第二开关连接耦合到所述第一电容器的所述第二引线，并且所述第七电控制开关的所述控制输入耦合到所述第三电容器的所述第二引线；
第八电控制开关，所述第八电控制开关限定控制输入、第一开关连接和第二开关连接，所述第八电控制开关的所述第一开关连接耦合到所述第二电压输入，所述第八电控制开关的所述第二开关连接耦合到所述第二电容器的所述第二引线，并且所述第八电控制开关的所述控制输入耦合到所述第三电容器的所述第二引线。
9.根据权利要求8所述的交叉耦合电荷泵，其中所述第一电控制开关、所述第二电控制开关、所述第五电控制开关和所述第六电控制开关是p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管FET，并且所述第三电控制开关、所述第四电控制开关、所述第七电控制开关和所述第八电控制开关是n沟道金属氧化物半导体FET。
10.根据权利要求7所述的交叉耦合电荷泵，还包括：
时钟电路，所述时钟电路被配置为产生不同的第一时钟信号至第四时钟信号；
包含多个电控制开关的开关网络，所述开关网络限定第一时钟输入至第四时钟输入、以及第一电压输出至第四电压输出；
所述开关网络被配置为当所述第一时钟信号和所述第二时钟信号生效时将第一电压输入驱动到所述第一电压输出和所述第二电压输出；
所述开关网络被配置为当所述第一时钟信号和所述第二时钟信号失效时将所述第一电压输出和所述第二电压输出接地；
所述开关网络被配置为当所述第三时钟信号和所述第四时钟信号生效时将所述第一电压输入驱动到所述第三电压输出和所述第四电压输出；并且
所述开关网络被配置为当所述第三时钟信号和所述第四时钟信号失效时，将所述第三电压输出和所述第四电压输出接地。
CN201910054637.1A 2018-08-22 2019-01-21 交叉耦合电荷泵及其操作方法 Active CN110858749B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/108,949 US10211726B1 (en) 2018-08-22 2018-08-22 Cross-coupled charge-pumps
US16/108,949 2018-08-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110858749A CN110858749A (zh) 2020-03-03
CN110858749B true CN110858749B (zh) 2022-01-04

Family

ID=65322831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910054637.1A Active CN110858749B (zh) 2018-08-22 2019-01-21 交叉耦合电荷泵及其操作方法

Country Status (4)

Country Link
US (2) US10211726B1 (zh)
CN (1) CN110858749B (zh)
DE (1) DE102019100197A1 (zh)
TW (1) TWI703802B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11502619B1 (en) * 2021-07-30 2022-11-15 Texas Instruments Incorporated Hybrid multi-level inverter and charge pump
CN117477939B (zh) * 2023-12-28 2024-03-26 无锡力芯微电子股份有限公司 一种用于快速过压保护开关的电荷泵电路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1695300A (zh) * 2002-10-29 2005-11-09 皇家飞利浦电子股份有限公司 双向双nmos开关
CN101247076A (zh) * 2008-03-01 2008-08-20 炬力集成电路设计有限公司 信号输出设备、电荷泵、倍压器及一种输出电流的方法
CN202513820U (zh) * 2012-02-08 2012-10-31 北京兆易创新科技有限公司 电荷泵单级电路及电荷泵电路
CN103001487A (zh) * 2011-09-08 2013-03-27 中国科学院微电子研究所 一种消除阈值电压影响的电荷泵
CN107707117A (zh) * 2017-11-20 2018-02-16 广东工业大学 一种电荷泵时序控制电路及电荷泵电路

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7741898B2 (en) * 2007-01-23 2010-06-22 Etron Technology, Inc. Charge pump circuit for high voltage generation
KR102140269B1 (ko) * 2014-01-02 2020-07-31 에스케이하이닉스 주식회사 펌핑 회로
US10050522B2 (en) * 2015-02-15 2018-08-14 Skyworks Solutions, Inc. Interleaved dual output charge pump
CN107070205B (zh) * 2017-05-10 2019-09-20 湘潭大学 一种新电荷泵电路
CN207442695U (zh) * 2017-11-20 2018-06-01 广东工业大学 一种电荷泵时序控制电路及电荷泵电路

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1695300A (zh) * 2002-10-29 2005-11-09 皇家飞利浦电子股份有限公司 双向双nmos开关
CN101247076A (zh) * 2008-03-01 2008-08-20 炬力集成电路设计有限公司 信号输出设备、电荷泵、倍压器及一种输出电流的方法
CN103001487A (zh) * 2011-09-08 2013-03-27 中国科学院微电子研究所 一种消除阈值电压影响的电荷泵
CN202513820U (zh) * 2012-02-08 2012-10-31 北京兆易创新科技有限公司 电荷泵单级电路及电荷泵电路
CN107707117A (zh) * 2017-11-20 2018-02-16 广东工业大学 一种电荷泵时序控制电路及电荷泵电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN110858749A (zh) 2020-03-03
US10560016B1 (en) 2020-02-11
TWI703802B (zh) 2020-09-01
TW202010230A (zh) 2020-03-01
US10211726B1 (en) 2019-02-19
DE102019100197A1 (de) 2020-02-27
US20200067404A1 (en) 2020-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109155627B (zh) 增强型fet栅极驱动器集成电路
US20080246457A1 (en) Voltage up-conversion circuit
US9806616B2 (en) Control circuit for multiple high side switches
JP2815292B2 (ja) 半導体集積回路装置の負電荷チャージポンプ回路
CN105720924A (zh) 推挽式驱动器、集成电路和用于在输出处生成信号的方法
US10622908B2 (en) Isolated DC-DC converter
JP2010119292A (ja) チャージポンプ装置及び出力電源生成方法
JPS6261420A (ja) 充電ポンプ回路
TWI728184B (zh) 半導體裝置
CN110858749B (zh) 交叉耦合电荷泵及其操作方法
EP1961118A1 (en) High voltage power switches using low voltage transistors
US9923459B2 (en) Charge pump
US10476383B2 (en) Negative charge pump circuit
US6483377B2 (en) Low slew rate charge pump
US20100097123A1 (en) Keep-alive for power stage with multiple switch nodes
US20190348909A1 (en) Power converter and dead-time control circuit therefor
US7323927B2 (en) Integrated charge pump
US6320446B1 (en) System for improving low voltage CMOS performance
US8350632B1 (en) Energy-conserving driver for reactive loads
CN110620509B (zh) 开关模式功率变换器
US9112406B2 (en) High efficiency charge pump circuit
CN108336988B (zh) 一种mos开关的负压驱动电路
US11777497B1 (en) Efficiency concept for driving a PMOS and NMOS full-bridge power stage
CN117914302A (zh) 晶体管驱动电路和晶体管驱动方法
EP3566109B1 (en) Fast start-up bias circuits

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant