CN111247732A - 具有调节的输出电压的电荷泵结构 - Google Patents

具有调节的输出电压的电荷泵结构 Download PDF

Info

Publication number
CN111247732A
CN111247732A CN201880068120.1A CN201880068120A CN111247732A CN 111247732 A CN111247732 A CN 111247732A CN 201880068120 A CN201880068120 A CN 201880068120A CN 111247732 A CN111247732 A CN 111247732A
Authority
CN
China
Prior art keywords
charge pump
voltage
output voltage
voutmain
transistor
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.)
Granted
Application number
CN201880068120.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111247732B (zh
Inventor
斯蒂芬·克恩
托本·翁
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.)
Sciosense BV
Original Assignee
Sciosense BV
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 Sciosense BV filed Critical Sciosense BV
Publication of CN111247732A publication Critical patent/CN111247732A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111247732B publication Critical patent/CN111247732B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07Conversion 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
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07Conversion 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
    • H02M3/073Charge pumps of the Schenkel-type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07Conversion 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
    • H02M3/073Charge pumps of the Schenkel-type
    • H02M3/077Charge pumps of the Schenkel-type with parallel connected charge pump stages

Landscapes

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

Abstract

一种具有调节的输出电压的电荷泵结构(1)包括:输出端子(OUT),用于提供输出电压(Voutmain);以及电荷泵(10),用于根据输入电源电压(Vsup)产生输出电压(Voutmain)。电荷泵结构(1)还包括控制电路(30),以限制输出电压(Voutmain)的电平。控制电路(30)配置为产生控制电压(Voutref),其中,输出电压(Voutmain)的电平由控制电压(Voutref)控制,使得输出电压(Voutmain)不超过阈值。

Description

具有调节的输出电压的电荷泵结构
技术领域
本发明涉及一种具有调节的输出电压的电荷泵结构。
背景技术
电荷泵用于产生高于可用电源电压的输出电压电平。它们具有的优点是无电感器,且在相对较低的干扰问题的情况下工作。普通的电荷泵产生某个电源电压的固定倍数。
有多种方法来从低电源电压产生更高的电压。这些的全部都能够通过调节结构修改,调节结构使得电压潜在的可配置且稳定。这通常使用分压器将输出电压与某个稳定参考进行比较来完成。过电压保护通常不是固有的,但基本上必须作为单独的功能添加,以防万一。
电荷泵通过设计结构将其输出电压定义为其电源电压的倍数。这是关于过电压的安全原则,但是对于必须在电源电压的整个范围内(例如2.5V至3.6V)可操作的可配置的ASSP芯片来说是有问题的。
在宽范围的电源电压Vsup的给定条件下,例如2.5V<Vsup<3.6V,不能使用标准的电荷泵结构。例如,在Vsup=2.5V时,Vout=15V的期望输出电压可以由具有倍增系数k=6的标准电荷泵产生,使得电荷泵产生输出电压Vout=k*Vsup=6*Vsup。然而,在另外的输入电源电压Vsup=3.6V时,这将产生输出电压Vout=k*Vsup=6*3.6V=21.6V,在本示例中,该输出电压将高于18V的处理的安全限制。
显然,一种既需要宽输入电压范围又需要可配置的输出电压、并且此外必须遵守技术安全限制的ASSP芯片,需要实现调节、稳定和限制机制。
一个简单的解决方案可以是使电荷泵以固定的倍增系数工作,并将输入电源电压Vsup下调至固定值——在上述示例中,这将意味着通过标准的线性电压调节器将Vsup=3.6V降低至Vsup=2.5V。但这将是一种效率极低且仍然不是很灵活的解决方案:由1.1V压降乘以输入电流得到的功率将损失,将效率限制在70%以下。
产生可配置的高输出电压的另一种可能性是基于使用基于电感的开关模式转换器。这些功率转换器以其高干扰电平和其相对庞大的部件而闻名。特别是在燃气表应用中,许多用户拒绝使用基于电感的功率转换器,以避免在故障情况下可能出现的高感应电压峰值或甚至火花。
需要提供具有调节的输出电压的电荷泵结构,以产生稳定但可配置的输出电压,其中输出电压的上限是有限的。
发明内容
在权利要求1中规定了具有稳定且可配置的输出电压的电荷泵结构的实施例。
具有调节的输出电压的电荷泵结构包括:输出端子,用于提供输出电压;电荷泵,用于根据输入电源电压产生输出电压;以及控制电路,用于限制输出电压的电平。控制电路配置为产生控制电压,其中输出电压的电平由控制电压控制,使得输出电压不超过阈值。
电荷泵结构通过基于可配置的控制电压控制标准电荷泵来产生可配置的输出电压。产生输出电压的电荷泵可以配置为主电荷泵。控制电路可以包括另外的电荷泵,以根据参考电压产生控制电压。用于从参考电压产生控制电压的另外的电荷泵可以配置为电荷泵结构的参考电荷泵。参考电荷泵配置为根据稳定的参考工作的无功电荷泵,其中无功电荷泵通过改变其结构并因此改变其倍增系数来配置。
所提出的结构通过组合两个标准电荷泵解决该问题,其中主电荷泵将功率泵送到期望的输出电压电平,而另外的电荷泵,即参考电荷泵基本上无功,但其充当主电荷泵的参考。在这种所提出的结构中,主电荷泵永远不会达到其由倍增系数和主电荷泵的输入电源电压给出的潜在最大电压。主电荷泵宁愿在期望的输出电压电平下停止泵送。参考电压和包括参考电荷泵的控制电路固有地充当过电压限制器。
特别地,电荷泵结构的输出端子耦合到控制电路的电流支路,该电流支路具有可变电阻。电流支路位于输出端子与接地电位之间。当输出电压的输出电平超过阈值时,控制电压控制电流支路的可变电阻,使得可变电阻具有较低的电平。在输出端子提供的电荷通过具有低电阻的电流支路卸载。另一方面,当输出电压的输出电平低于阈值时,控制电压控制电流支路的可变电阻,使得可变电阻具有高于较低电平的电平。
可变电阻可以配置为晶体管的可控电流路径。由主电荷泵泵送到输出端子的电荷通过将晶体管切换为导通状态而减少。这意味着,在调节的电荷泵结构中,主电荷泵的电压电平永远不会达到其潜在最大电压,并且电荷泵结构在期望的输出电压电平下停止泵送。
主电荷泵可以配置为可激活的电荷泵,其可以在激活工作状态下工作以产生调节的电荷泵结构的泵送输出电压,并且可以在停用工作状态下工作以中断泵送输出电压的产生。控制电路可以产生激活信号以激活/停用主电荷泵。控制电路配置为:当输出电压的电平超过阈值时,产生具有停止输出电压的产生的电平的激活信号。
调节的电荷泵结构可以包括固有的过电压保护电路。固有的过电压保护电路配置为:当检测到泵送输出电压超过阈值,并且控制电路未能产生停止输出电压的产生的激活信号,或任何其他故障阻止停用电荷泵时,即使控制电路已产生激活信号,过电压保护电路也降低泵送输出电压。
与可配置的基于电感的开关模式转换器相比,所提出的电荷泵结构不主动使用任何电感。与标准电荷泵结构相比,它提供可配置的输出电压,该输出电压不直接参考输入电源电压,而参考独立稳定的参考电压。因此,所提出的结构产生具有与电源电压无关的上限值/阈值的调节的输出电压电平。与典型的最新技术的实现相比,它在高功率侧不使用有损分压器或其他固有的有损调节结构。这使得它特别适合于高效的低功率应用。当在通用芯片技术中使用所提出的电荷泵结构时,与标准电荷泵结构相比,电荷泵结构的面积消耗减少,并且电荷泵结构导致较小的功耗。此外,它具有集成的过电压保护的特征。特别地,控制电压的无功产生允许在电子电路中集成无源过电压保护,该过电压保护是永久有效的。
附加的特征和优点在下面的详细描述中阐述,并且在一定程度上对于本领域技术人员而言从描述中是显而易见的,或通过实践如本文的书面的说明书和权利要求书以及附图中所述的实施例来确认。应该理解,上述的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的,并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特征。
附图说明
图1A示出了具有调节的输出电压的电荷泵结构的第一实施例;
图1B示出了具有调节的输出电压的电荷泵结构的第二实施例;
图2A示出了具有调节的输出电压的电荷泵结构的主电荷泵的实施例;
图2B示出了具有调节的输出电压的电荷泵结构的主电荷泵的另外的实施例;
图2C示出了具有调节的输出电压的电荷泵结构的主电荷泵的另外的实施例;以及
图3示出了具有调节的输出电压的电荷泵结构的参考电荷泵的实施例。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述具有调节的输出电压的电荷泵结构及其部件的实施例。然而,电荷泵结构及其部件的实施例可以以许多不同的形式体现,并且不应被解释为限于本文所述的实施例;相反,这些实施例提供为使得本公开将电荷泵结构及其部件的实施例的范围完全传达给本领域技术人员。附图配置为清楚地示出电荷泵结构及其部件的不同实施例。
要解决的基本问题是从宽范围的(输入)电源电压Vsup(例如2.5V<Vsup<3.6V)中产生调节的固定电压。这必须在不使用电感器的情况下、在低功率环境中且以高效率实现。
图1示出了调节的电荷泵结构1的实施例,该调节的电荷泵结构提供了稳定但可配置的输出电压Voutmain,该输出电压具有独立于输入电源电压Vsup的电平的上限/阈值。调节的电荷泵结构包括:输出端子OUT,用于提供输出电压Voutmain;电荷泵10,用于根据输入电源电压Vsup产生输出电压Voutmain。输入电源电压Vsup施加到主电荷泵10的电源电压输入端子V10。调节的电荷泵结构还包括控制电路30,以限制输出电压Voutmain的电平。控制电路30配置为产生控制电压Voutref。输出电压Voutmain的电平由控制电压Voutref控制,使得输出电压Voutmain不超过阈值。
调节的电荷泵结构的控制电路30包括另外的电荷泵20,以根据参考电压Vref产生控制电压Voutref。电荷泵10配置为主电荷泵,其将功率泵送到期望的输出电压电平。该另外的电荷泵20配置为参考电荷泵。参考电荷泵20配置为无功电荷泵。参考电压Vref是调节的电压,其能够在包括电荷泵结构1的芯片中获得。参考电压Vref可以由线性电压调节器在参考电荷泵20的参考电压输入端子V20处产生。参考电压Vref以无功的方式乘以参考电荷泵20以提供控制电压Voutref,即Voutref=Vref*k。根据可能的实施例,参考电荷泵20的倍增系数k能够可变地设置。
调节的电荷泵结构的控制电路30包括具有可变电阻的电流支路31。电流支路31设置在输出端子OUT与接地电位GND之间。电流支路31的可变电阻由控制电压Voutref控制。
控制电路30包括晶体管32,以提供具有可变电阻的可控电流路径。晶体管32设置在输出端子OUT与接地电位GND之间的电流支路31中。晶体管32包括控制端子G32,以施加控制电压Voutref来控制可控电流路径31的可变电阻。
晶体管32配置为:当电荷泵10的输出电压Voutmain的电平低于阈值时,晶体管工作使得可控电流路径31具有高电阻。晶体管32配置为:当电荷泵10的输出电压Voutmain的电平高于阈值时,晶体管工作使得可控电流路径31具有低电阻。在这种情况下,主电荷泵10提供的高电荷通过可控电流路径31卸载。
晶体管32配置为:当电荷泵10的输出电压Voutmain的电平低于阈值时,晶体管在非导通状态下工作。晶体管32配置为:当电荷泵10的输出电压Voutmain的电平高于阈值时,晶体管在导通状态下工作。
根据调节的电荷泵结构的实施例,阈值是晶体管32的阈值电压与由参考电荷泵20产生的控制电压Voutref的电平之和。
根据调节的电荷泵结构1的实施例,电荷泵10配置为可激活的电荷泵。控制电路30配置为使电荷泵10在激活和停用状态下工作。可激活的电荷泵10配置为:当电荷泵10在激活工作状态下工作时,产生输出电压Voutmain。可激活的电荷泵10配置为:当电荷泵10在停用工作状态下工作时,停止输出电压Voutmain的产生。
根据调节的电荷泵结构1的实施例,控制电路30配置为:当电荷泵10的输出电压Voutmain的电平低于阈值电压、例如电源电压Vsup时,控制电路产生具有第一电平的激活信号CHP_READY,使得电荷泵10在激活状态下工作。控制电路30配置为:当电荷泵10的输出电压Voutmain的电平低于阈值电压、例如电源电压Vsup时,控制电路产生具有第二电平的激活信号CHP_READY,使得电荷泵10在停用状态下工作。
根据调节的电荷泵结构的实施例,电荷泵结构可以包括比较器电路33。比较器电路33具有输入侧I33和输出侧O33,该输入侧耦合到电流支路31,该输出侧用于产生激活信号CHP_READY,以激活主电荷泵10来产生输出电压Voutmain。电流支路31包括至少一个电阻器34,该至少一个电阻器位于晶体管32与接地电位之间。
根据调节的电荷泵结构的实施例,调节的电荷泵结构1包括过电压保护电路40,以减小在输出端子OUT处提供的输出电压Voutmain。过电压保护电路40包括设置在输出端子OUT与接地电位GND之间的可控电阻器41。过电压保护电路40配置为:当比较器电路33的输入电压Voff的电平低于阈值电压、例如电源电压Vsup时,使得可控电阻器41被控制为具有高电阻。过电压保护电路40配置为:当比较器电路33的输入电压Voff的电平高于阈值电压、例如电源电压Vsup时,使得可控电阻器41被控制为具有低电阻。
根据调节的电荷泵结构1的实施例,过电压保护电路40的可控电阻器41配置为另外的晶体管,该另外的晶体管包括具有可变电阻的可控电流路径。该另外的晶体管41具有控制端子G41,以控制该另外的晶体管41的可控电流路径的可变电阻。晶体管41的控制端子G41在晶体管32与接地电位GND之间连接到电流支路31。晶体管32和41中的每个能够是FET或双极型晶体管。
在下面描述调节的电荷泵结构1的功能。
主电荷泵10由可变的输入电源电压Vsup供电,而无功参考电荷泵20根据稳定的输入参考电压Vref(例如1.8V)工作。通过其可配置的级数,参考电荷泵20永久地提供其配置且稳定的输出/控制电压Voutref,例如,6*Vref=14.4V。
用于主电荷泵10的控制电路30由晶体管32、电阻器34(例如具有高电阻的电阻器或nA级的电流源)和比较器33构成。晶体管32具有某个阈值电压Vth的特征,例如0.6V。只要主电荷泵10的输出电压Voutmain不超过Voutref+Vth的阈值(在示例中=15V),则没有电流流过晶体管32。通过其循环操作,主电荷泵10保持增加输出电压Voutmain的电平,因为输出电压也未达到其最大可实现的电压电平。
在电平Voutmain=Voutref+Vth附近,晶体管32开始导通(在电流支路31处由箭头指示的电流)。然后,比较器输入I33处的电压Voff迅速增加,使得比较器33很快切换其输出信号CHP_READY。这从而关闭主电荷泵32。这样,输出电压稳定到Voutmain=Voutref+Vth。电荷泵结构1以循环方式工作,因此这种简单的调节不构成不受控制的振荡系统。当输出电压Voutmain的电平由于某个负载电流而充分下降时,主电荷泵10再次启动,并且激活信号CHP_READY复位以启动主电荷泵10。
根据图1A中所示的电荷泵结构1的实施例,固有的过电压保护电路40仅包括晶体管41。重要的是,使过电压保护电路40保持简单,以使其故障安全。如果由于任何原因在输出端子OUT处出现本质上更高的输出电压电平(Voutmain>Voutref+Vth),则比较器电路33的输入侧I33处的电压电位Voff进一步迅速增加并开启晶体管41,即在超过输入电源电压Vsup之后,将晶体管41切换为导通状态。如在输出端子OUT与晶体管41之间的电流路径中的箭头所示的电流,过电压被卸载到较低的电压Vsup。
根据高于Voutref+Vth的任何电压都对Vsup短路的事实,这种结构获得其固有的安全性。由于参考电荷泵20被构造为仅产生有限的最大控制电压Voutref,因此即使主电荷泵10可能具有更高的输出电压(取决于可能的高电源电压Vsup),也不能出现过电压。
图1B示出了调节的电荷泵结构1的另外的实施例,其中,与图1A中所示相同的部件用相同的附图标记表示。主电荷泵10、参考电荷泵20和控制电路30与图1A所示的相同并具有相同的功能。图1B的调节的电荷泵结构1包括过电压保护电路40,以减小在输出端子OUT处提供的输出电压Voutmain,其中,过电压保护电路不同于图1A的过电压保护电路40。图1B的过电压保护电路40包括设置在比较器电路33的输入侧I33与输入电源电压Vsup之间的二极管42。
如根据图1B的电荷泵结构的实施例所示,晶体管41的功能可以通过在比较器电路33的输入侧I33(二极管42的阳极)与输入电源电压Vsup(二极管42的阴极)之间添加二极管42来甚至更简单地实现。然后,卸载电流将流过电流支路31和晶体管32。然而,在实际实现中,选择晶体管32作为相对较小的FET是有利的,而晶体管41能够被独立地选择以能够具有高电流。
为了进行比较,应该讨论使用电阻分压器来测量输出电压Voutmain并且将其与某个稳定参考进行比较的常见替代方法。这肯定是可能的,并且将取代参考电荷泵20。然而,在低功率设计中,即使由高电阻分压器汲取的电流也容易超过参考电荷泵20的电流消耗。由于从输出电压Voutmain汲取的电流出现在输入端子V10处,乘以主电荷泵10的倍增系数,因此即使15MΩ的电阻网络也会引起6μA的额外电流消耗,而参考电荷泵20以所选择的Voutmain=15V的示例值仅消耗0.5μA。
上述提出的结构能够用图2A、2B、2C和3中所示的多种单独的电荷泵结构来构建。电荷泵通常使用所谓的“飞跨电容器”将输入电源电压Vsup乘以某个固定系数,该飞跨电容器被充电到电源电压,然后切换到与电源电压或其其他倍数串联。通常由大电容器在最终输出(未示出)处存储输出电压和使其平滑。
图2A示出了电荷泵的实施例,该电荷泵包括电压源V1,以提供电源电压Vsup。电压源V1之一经由可控开关S11耦合到电容器C11。电容器C11通过可控开关S12耦合到接地电位。电荷泵还包括另外的电压源V1,以提供电源电压Vsup,该另外的电压源通过可控开关S13耦合到电容器C12。电容器C12通过可控开关S14耦合到接地电位GND。如箭头所示,电荷泵使用串联加载到电源电压Vsup的两个飞跨电容器产生3*Vsup的输出电压的电平。
图2B示出了电荷泵的另外的实施例,该电荷泵包括电压源V2,以提供电源电压Vsup。电荷泵还包括可控开关S21、S22、S23、S24和S25以及电容器C21和C22。电荷泵使用两个飞跨电容器产生3*Vsup的输出电压的电平,其中第一电容器C21加载到Vsup,且第二电容器C22加载到2*Vsup。各种工作周期的电流路径在图2B中由箭头所示。在第一工作周期中,电容器C21加载到电源电压Vsup的电平。在第二工作周期中,电容器C22加载到2*Vsup。在第三工作周期中,在电荷泵的输出处产生3*Vsup的电平。
图2C示出了电荷泵的另外的实施例,该电荷泵包括电压源V3、可控开关S31、S32、S33、S34和S35。电荷泵还包括电容器C31和C32。电荷泵使用两个飞跨电容器C31和C32产生4*Vsup的电平,其中第二级使用第一级作为Vsup,从而将其输出电压加倍为2*Vsup。如图2C中的箭头所示,在最后的工作周期中,产生4*Vsup的输出电压。
图3描绘了电荷泵的一个级,该级能够用于低功率电平的集成电路中。电荷泵配置为具有例如Vsup=1.8V的对称电荷泵级。这种结构通过其对寄生电容PC1、PC2、PC3和PC4不敏感而非常适合于芯片集成,这些寄生电容在这种结构中有助于所期望的功能。电荷泵还包括交叉耦合的晶体管T41和T42以及其他晶体管T43和T44。电荷泵还包括电容器C41、C42和Cout。第一和第二电压源V4和V5产生方波电压,如图3中所示。这样的级能够叠加,并且每个级基本上将其输入电压增加Vsup。
根据可能的实施例,图1A和1B中所示的参考电荷泵20能够用作如图2A、2B和2C中所示的可配置的1至8级对称电荷泵,其以稳定的参考电压Vref=1.8V工作。使用类似于图2A、2B和2C的设计,其输出/控制电压Voutref进一步再增加一个参考电压Vref,并且可配置为LSB,增加约0.9V的另外的稳定电压。考虑阈值电压Vth=0.6V,这产生了输出电压为Voutmain=4.2V…17.7V的4位可配置范围,以0.9V为步长。实际上,考虑其他寄生效应,这些值略有不同。这种无功参考电荷泵仅需很小的电容,并且是完全集成的。
根据可能的实施例,主电荷泵10可以由如图2B所示的三个加倍级构建。因此能够产生Voutmain=2*2*2*Vsup=20V……28.8V的输出电压。在实际实现中,这些值可能会有所降低。使用加倍级的概念,用于功率泵送的大型外部电容器的数量减少到3个,外加输出处必需的最终存储电容器。
主电荷泵10还具有可配置的倍增系数的特征,用于加快启动时间和优化整体效率。然而,只要主电荷泵10配置为用于更高的最大输出电压,输出电压就完全由参考电荷泵20控制。
总之,所实现的结构旨在低功率系统中的高效率和高电平的电路保护。该结构提供了调节的并且稳定的输出电压,并且避免了通常由使用分压器的调节引起的附加电流。
附图标记说明
1 电荷泵结构
10 主电荷泵
20 参考电荷泵
30 控制电路
31 电流支路
32 晶体管
33 比较器电路
34 电阻器
40 过电压保护电路
41 晶体管
42 二极管
Vsup 输入电源电压
Voutmain 输出电压
Vref 参考电压
Voutref 控制电压。

Claims (15)

1.一种具有调节的输出电压的电荷泵结构,包括:
-输出端子(OUT),用于提供所述输出电压(Voutmain),
-电荷泵(10),用于根据输入电源电压(Vsup)产生所述输出电压(Voutmain),
-控制电路(30),用于限制所述输出电压(Voutmain)的电平,
-其中,所述控制电路(30)配置为产生控制电压(Voutref),其中,所述输出电压(Voutmain)的电平由所述控制电压(Voutref)控制,使得所述输出电压(Voutmain)不超过阈值。
2.根据权利要求1所述的调节的电荷泵结构,其中,所述控制电路(30)包括另外的电荷泵(20),以根据参考电压(Vref)产生所述控制电压(Voutref)。
3.根据权利要求2所述的调节的电荷泵结构,其中,所述另外的电荷泵(20)配置为无功电荷泵。
4.根据权利要求2或3之一所述的调节的电荷泵结构,其中,所述参考电压(Vref)配置为稳定电压。
5.根据权利要求1至4之一所述的调节的电荷泵结构,
-其中,所述控制电路(30)包括具有可变电阻的电流支路(31),其中,所述电流支路(31)设置在所述输出端子(OUT)与接地电位(GND)之间,
-其中,所述电流支路(31)的可变电阻由所述控制电压(Voutref)控制。
6.根据权利要求5所述的调节的电荷泵结构,
-其中,所述控制电路(30)包括晶体管(32),以提供具有所述可变电阻的可控电流路径,
-其中,所述晶体管(32)设置在所述输出端子(OUT)与所述接地电位(GND)之间的电流支路(31)中,
-其中,所述晶体管(32)包括控制端子(G32),以施加所述控制电压(Voutref)来控制所述可控电流路径(31)的可变电阻。
7.根据权利要求6所述的调节的电荷泵结构,其中,所述晶体管(32)配置为:当所述电荷泵(10)的输出电压(Voutmain)的电平低于阈值时,所述晶体管工作使得所述可控电流路径(31)具有高电阻,并且当所述电荷泵(10)的输出电压(Voutmain)的电平高于阈值时,所述晶体管工作使得所述可控电流路径(31)具有低电阻。
8.根据权利要求6所述的调节的电荷泵结构,
-其中,所述晶体管(32)配置为:当所述电荷泵(10)的输出电压(Voutmain)的电平低于阈值时,所述晶体管在非导通状态下工作,
-其中,所述晶体管(32)配置为:当所述电荷泵(10)的输出电压(Voutmain)的电平高于阈值时,所述晶体管在导通状态下工作。
9.根据权利要求7或8所述的调节的电荷泵结构,其中,所述阈值是所述晶体管(31)的阈值电压与由所述另外的电荷泵(20)产生的所述控制电压(Voutref)的电平之和。
10.根据权利要求1至9之一所述的调节的电荷泵结构,包括:
-其中,所述电荷泵(10)配置为可激活的电荷泵,
-其中,所述控制电路(30)配置为使所述电荷泵(10)在激活和停用状态下工作,
-其中,所述可激活的电荷泵(10)配置为:当所述电荷泵(10)在激活工作状态下工作时,产生所述输出电压(Voutmain),
-其中,所述可激活的电荷泵(10)配置为:当所述电荷泵(10)在停用工作状态下工作时,停止所述输出电压(Voutmain)的产生。
11.根据权利要求10所述的调节的电荷泵结构,
-其中,所述控制电路(30)配置为:当所述电荷泵(10)的输出电压(Voutmain)的电平低于阈值电压时,产生具有第一电平的激活信号(CHP_READY),使得所述电荷泵(10)在所述激活状态下工作,
-其中,所述控制电路(30)配置为:当所述电荷泵(10)的输出电压(Voutmain)的电平高于阈值电压时,产生具有第二电平的激活信号(CHP_READY),使得所述电荷泵(10)在所述停用状态下工作。
12.根据权利要求10或11所述的调节的电荷泵结构,包括:
-比较器电路(33),
-其中,所述比较器电路(33)具有输入侧(I33)和输出侧(O33),所述输入侧耦合到所述电流支路(31),所述输出侧用于产生所述激活信号(CHP_READY),以激活所述电荷泵(10)来产生所述输出电压(Voutmain)。
13.根据权利要求5至12之一所述的调节的电荷泵结构,包括:
-过电压保护电路(40),用于降低在所述输出端子(OUT)处提供的所述输出电压(Voutmain),
-其中,所述过电压保护电路(40)包括设置在所述输出端子(OUT)与所述接地电位(GND)之间的可控电阻器(41),
-其中,所述过电压保护电路(40)配置为:当所述比较器电路(33)的输入电压(Voff)的电平低于所述输出电压的阈值电压时,使得所述可控电阻器(41)被控制为具有高电阻,
-其中,所述过电压保护电路(40)配置为:当所述比较器电路(33)的输入电压(Voff)的电平高于所述输出电压的阈值电压时,使得所述可控电阻器(41)被控制为具有低电阻。
14.根据权利要求13所述的调节的电荷泵结构,
-其中,所述过电压保护电路(40)的可控电阻器(41)配置为另外的晶体管,所述另外的晶体管包括具有可变电阻的可控电流路径,
-其中,所述另外的晶体管(41)具有控制端子(G41),以控制所述另外的晶体管(41)的可控制电流路径的可变电阻,
-其中,晶体管(41)的所述控制端子(G41)在所述晶体管(32)与所述接地电位(GND)之间连接到电流支路(31)。
15.根据权利要求12所述的调节的电荷泵结构,包括:
-过电压保护电路(40),用于降低在所述输出端子(OUT)处提供的所述输出电压(Voutmain),
-其中,所述过电压保护电路(40)包括设置在所述比较器电路(33)的输入侧(I33)与所述输入电源电压(Vsup)之间的二极管(42)。
CN201880068120.1A 2017-10-25 2018-10-17 具有调节的输出电压的电荷泵结构 Active CN111247732B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17198261.4A EP3477837A1 (en) 2017-10-25 2017-10-25 Charge pump structure with regulated output voltage
EP17198261.4 2017-10-25
PCT/EP2018/078413 WO2019081304A1 (en) 2017-10-25 2018-10-17 CHARGE PUMP STRUCTURE WITH REGULATED OUTPUT VOLTAGE

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111247732A true CN111247732A (zh) 2020-06-05
CN111247732B CN111247732B (zh) 2023-08-11

Family

ID=60186076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880068120.1A Active CN111247732B (zh) 2017-10-25 2018-10-17 具有调节的输出电压的电荷泵结构

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11398778B2 (zh)
EP (1) EP3477837A1 (zh)
CN (1) CN111247732B (zh)
WO (1) WO2019081304A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3557741A1 (en) 2018-04-16 2019-10-23 ams International AG Charge pump circuit and method for voltage conversion

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03126112A (ja) * 1989-10-11 1991-05-29 Nec Corp 定電圧発生回路
US5812017A (en) * 1994-12-05 1998-09-22 Sgs-Thomson Microelectronics, S.R.L. Charge pump voltage multiplier circuit
US20020084830A1 (en) * 2000-12-18 2002-07-04 Sung-Whan Seo Pumping voltage regulation circuit
CN1452306A (zh) * 2002-04-18 2003-10-29 株式会社理光 电荷泵电路和电源电路
US20070153589A1 (en) * 2005-12-13 2007-07-05 Stmicroelectronics Sa Voltage regulation circuit, particularly for charge pump
CN101034847A (zh) * 2006-03-07 2007-09-12 罗姆股份有限公司 升压电路和具有其的电子设备
US20090184753A1 (en) * 2008-01-23 2009-07-23 Nan Kawashima Charge pump circuit
CN104660041A (zh) * 2013-11-22 2015-05-27 德州仪器公司 低损耗增压及减压电压转换器

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030003551A (ko) 2001-07-03 2003-01-10 삼성전자 주식회사 연속적으로 변화되는 기준 전압을 발생하는 회로
JP2007073143A (ja) * 2005-09-07 2007-03-22 Elpida Memory Inc 半導体記憶装置
KR100900965B1 (ko) * 2007-11-05 2009-06-08 한국전자통신연구원 고전압용 씨모스 전하 펌프
US8598854B2 (en) 2009-10-20 2013-12-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. LDO regulators for integrated applications
KR20130066266A (ko) * 2011-12-12 2013-06-20 한국전자통신연구원 부하변동 특성 향상을 위한 전압공급 회로 및 출력전압 공급 방법
US8872552B2 (en) * 2012-09-29 2014-10-28 Infineon Technologies Austria Ag High-side semiconductor-switch low-power driving circuit and method
CN107437888B (zh) * 2016-05-26 2019-11-01 登丰微电子股份有限公司 功率开关电路及所应用的电源电路

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03126112A (ja) * 1989-10-11 1991-05-29 Nec Corp 定電圧発生回路
US5812017A (en) * 1994-12-05 1998-09-22 Sgs-Thomson Microelectronics, S.R.L. Charge pump voltage multiplier circuit
US20020084830A1 (en) * 2000-12-18 2002-07-04 Sung-Whan Seo Pumping voltage regulation circuit
CN1452306A (zh) * 2002-04-18 2003-10-29 株式会社理光 电荷泵电路和电源电路
US20070153589A1 (en) * 2005-12-13 2007-07-05 Stmicroelectronics Sa Voltage regulation circuit, particularly for charge pump
CN101034847A (zh) * 2006-03-07 2007-09-12 罗姆股份有限公司 升压电路和具有其的电子设备
US20090184753A1 (en) * 2008-01-23 2009-07-23 Nan Kawashima Charge pump circuit
CN104660041A (zh) * 2013-11-22 2015-05-27 德州仪器公司 低损耗增压及减压电压转换器

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019081304A1 (en) 2019-05-02
CN111247732B (zh) 2023-08-11
US20200313551A1 (en) 2020-10-01
US11398778B2 (en) 2022-07-26
EP3477837A1 (en) 2019-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6756772B2 (en) Dual-output direct current voltage converter
JP4966592B2 (ja) 電源回路
KR20100053616A (ko) 다중 출력을 갖는 시간 다중화된 커패시터 dc/dc 컨버터
US20110109374A1 (en) Dying gasp charge controller
US20110075457A1 (en) Capacitor startup apparatus and method with failsafe short circuit protection
JPH0956150A (ja) スイッチング電源装置
US6806694B2 (en) Switching regulator with dynamic current limiting and drive circuit for the switching regulator
US6646424B2 (en) Apparatus for converting voltage with regulator
US6650100B1 (en) Bootstrap technique for a multiple mode switching regulator
KR20180075340A (ko) Mmc 컨버터의 서브모듈 제어기용 전원장치
US6710585B2 (en) Linear regulator with charge pump
US20140167719A1 (en) Voltage generation circuit
CN112671229B (zh) 单电感多输出的直流-直流转换器
CN111247732B (zh) 具有调节的输出电压的电荷泵结构
US20190173385A1 (en) Dc-dc converter
US10008926B2 (en) Switched capacitor DC-DC power converter circuit and voltage output method using the same
JP2010015471A (ja) レギュレータ装置およびそれを備える電子機器
US5877614A (en) Electronic switch-mode power supply
US20180019660A1 (en) Switching power supply
US10230366B2 (en) Current control device and power supply system
US7298121B2 (en) Circuit and method for increasing the stability of switch-mode power supplies
US7839132B2 (en) Power converter
KR101710911B1 (ko) 비절연형 3-레벨 고승압 부스트 컨버터 및 그 구동방법
US6556069B1 (en) Voltage generating circuit
US20100127673A1 (en) Power feed system and voltage stabilization method

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