CN111817553A - 片内式电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种片内式电荷泵电路。包括：电荷泵单元阵列、开关阵列、第一采样单元及第二采样单元，电荷泵单元阵列中的多个电荷泵单元与开关阵列中的多个受控开关一一对应，每个受控开关用于控制对应的电荷泵单元是否输入时钟信号，其中，一部分受控开关的控制信号由第一采样单元根据电荷泵单元阵列的输入电压产生，另一部分受控开关的控制信号由第二采样单元根据电荷泵单元阵列的输出电压产生。本发明通过输入输出的自调节实现电荷泵工作时的电荷平衡，能够减小电荷泵电路的面积开销。

Description

片内式电荷泵电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种片内式电荷泵电路。
背景技术
电荷泵是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，用来产生比输入电压大的输出电压。以用于产生2×VDD的电压为例，图1给出了一个传统的电荷泵电路。受开关电容切换以及负载电流IL的影响，Vout的输出上会有很大的纹波，并且输出电压大小(均值)可能会随负载电流的大小变化而变化。根据电路原理，输出平均值可以近似地表示为：
Figure BDA0002564629250000011
其中，fclk为时钟频率。显然，当IL过大或者fclk较低时，输出会显著地低于理想值2VDD。
根据电路原理，输出纹波可以表示为：
Figure BDA0002564629250000012
其中，CD为去耦电容，当IL较大或者fclk较低时，输出都会呈现出较大的纹波。若使用较大的去耦电容，虽然可以降低纹波，但是会带来非常大的面积开销，无法满足片内应用的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种片内式电荷泵电路，能够减小电荷泵电路的面积开销。
第一方面，本发明提供一种片内式电荷泵电路，包括：
电荷泵单元阵列，包括n+m个电荷泵单元，所述n+m个电荷泵单元的输出端连接于一点，以用于输出所述电荷泵单元阵列的输出电压，所述n+m个电荷泵单元的输入端连接于一点，以用于输入所述电荷泵单元阵列的输入电压，每个所述电荷泵单元的时钟输入端分别用于输入时钟信号；
开关阵列，包括n+m个受控开关，每个所述受控开关一一对应地分别位于每个所述电荷泵单元的时钟信号输入通路上，以决定各自对应的所述电荷泵单元是否输入时钟信号；
第一采样单元，用于对所述电荷泵单元阵列的输入电压进行采样，并基于采样得到的输入电压产生一个N位数字信号，以用于对所述开关阵列中的n个所述受控开关进行控制，其中N≥n；
第二采样单元，用于对所述电荷泵单元阵列的输出电压进行采样，并基于采样得到的输出电压产生一个M位数字信号，以用于对所述开关阵列中的其余m个所述受控开关进行控制，其中M≥m。
可选地，所述第一采样单元包括：
采样保持模块，用于提供采样后的输入电压信号；
电阻分压模块，包括N+1个串联电阻，用于提供N个等级的基准电压信号；
比较器阵列模块，包括N个比较器，其中每个所述比较器的同相输入端各自输入所述采样后的输入电压信号，每个所述比较器的反相输入端各自输入一个不同等级的所述基准电压信号，以输出N位数字信号。
可选地，所述第二采样单元采用流水线ADC结构。
可选地，还包括：
时钟信号产生单元，用于提供每个所述电荷泵单元所需的时钟信号。
可选地，所述时钟信号的频率为100MHz。
可选地，所述受控开关为MOS晶体管。
第二方面，本发明提供一种芯片，包括上述片内式电荷泵电路。
本发明提供一种片内式电荷泵电路，一部分电荷泵单元的工作状态取决于电荷泵单元阵列的输入电压，一部分电荷泵单元的工作状态取决于电荷泵单元阵列的输出电压，通过输入输出的自调节实现电荷泵工作时的电荷平衡，进而利用电荷平衡控制电荷泵纹波，不需要额外的储能电容和滤波网络，减小了面积开销。
附图说明
图1为现有技术中用于产生2×VDD的电压的电荷泵电路示意图；
图2为本发明一实施例提供的片内式电荷泵电路的示意图；
图3为本发明一实施例提供的第一采样单元的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的第二采样单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
本发明实施例提供一种片内式电荷泵电路，如图2所示，该片内式电荷泵电路包括：
电荷泵单元阵列10，包括n+m个电荷泵单元，这n+m个电荷泵单元可以看成两组，其中一组包括n个电荷泵单元，依次记为电荷泵单元1～电荷泵单元n，另一组包括m个电荷泵单元，依次记为电荷泵单元n+1～电荷泵单元n+m，这n+m个电荷泵单元的输出端连接于一点，以用于输出电荷泵单元阵列10的输出电压Vout，这n+m个电荷泵单元的输入端连接于一点，以用于输入电荷泵单元阵列10的输入电压Vin，每个电荷泵单元的时钟输入端分别用于输入时钟信号；
开关阵列20，包括n+m个受控开关，每个受控开关一一对应地分别位于每个电荷泵单元的时钟信号输入通路上，以决定各自对应的电荷泵单元是否输入时钟信号，n+m个受控开关可以依次记为S1，S2，……，Sn，Sn+1，……，Sn+m；
第一采样单元30，用于对电荷泵单元阵列10的输入电压Vin进行采样，并基于采样得到的输入电压产生一个N位数字信号，以用于对开关阵列20中的n个受控开关进行控制，其中N≥n；
第二采样单元40，用于对电荷泵单元阵列10的输出电压Vout进行采样，并基于采样得到的输出电压产生一个M位数字信号，以用于对开关阵列20中的其余m个受控开关进行控制，其中M≥m。
本发明实施例提供的一种片内式电荷泵电路，一部分电荷泵单元的工作状态取决于电荷泵单元阵列的输入电压，一部分电荷泵单元的工作状态取决于电荷泵单元阵列的输出电压，通过输入输出的自调节实现电荷泵工作时的电荷平衡，进而利用电荷平衡控制电荷泵纹波，不需要额外的储能电容和滤波网络，减小了面积开销。
作为一种实施方式，任意一个电荷泵单元的结构可以采用图1所示的电路结构，电荷泵单元通过给电容供电或断电来进行DC/DC电压转换，产生比输入电压高的输出电压。
作为一种实施方式，第一采样单元30，可以采用下述结构，如图3所示，包括：
采样保持模块，用于提供采样后的输入电压信号；
电阻分压模块，包括N+1个串联电阻，能够实现0.5LSB的精度，用于根据输入的参考电压Vref产生N个等级的基准电压信号；
比较器阵列模块，包括N个比较器，其中每个比较器的同相输入端各自输入采样后的输入电压信号，每个比较器的反相输入端各自输入一个不同等级的基准电压信号，以输出N位数字信号。
比较器阵列模块输出的N位数字信号作为控制后级开关阵列中的n个受控开关的控制信号，输出至开关阵列以便控制输入电荷泵单元的数目。
第一采样单元30通过基准电压逐周期检测输入电压值并转换为控制信号，高带宽可以实现更高的时钟频率。
作为一种实施方式，第二采样单元40，采用流水线(pipeline)ADC结构，如图4所示，流水线ADC结构包括X级，每一级输出Y位，第二采样单元40分级的采样输出电压Vout，最后形成M(M＝Y*X)位数字信号作为控制后级开关阵列中的m个受控开关的控制信号，输出至开关阵列以便控制输出电荷泵单元的数目。
第二采样单元40通过基准电压逐周期检测输出电压值并转换为控制信号,高带宽可以实现更高的时钟频率。
开关阵列20在第一采样单元30和第二采样单元40输出的控制信号作用下，调整正在工作的电荷泵单元的数目，从而实现输出电压的自调节。具体工作分析如下：
本发明实施例基于电荷平衡来实现，电荷平衡可根据公式(1)得出，
Figure BDA0002564629250000051
其中Cpump为每个电荷泵单元的电容；ncell为电荷泵单元的数目；Vout为输出电压值；Vin为输入电压值；Vt为电荷泵单元的电压消耗值；Iout为输出电流值；fclk为电荷泵的时钟频率。通过输入输出的自调节可以实现每个周期传递的电荷等于输出负载消耗的电荷，达到电荷泵电路的低纹波输出。
本发明实施例提供的片内式电荷泵电路，电荷泵电路启动时，所有电荷泵单元均使能启动，当输出电压达到设定值时，第二采样单元采样输出电压并转换为开关控制信号将调节电荷泵单元的数目，使电荷泵传输的电荷量与消耗的电荷量达到电荷平衡，通过电荷平衡可以降低输出电压纹波，同理，在电荷泵工作过程中，当输入电压变化或负载电流变化时，第一采样单元和第二采样单元可产生开关控制信号，动态调节电荷泵单元的数目，重新建立电荷平衡，进一步的降低输出电压纹波。
本发明实施例提供的片内式电荷泵电路，可以适用于芯片内部模块需要倍压供电的场合；采用输入输出自调节的模式实现电荷泵工作的电荷平衡，降低了输出电压纹波，极大的减小了储能电容和滤波网络的面积，节省了调试时间。
此外，本发明另一实施例提供一种芯片，包括上述实施例的片内式电荷泵电路。
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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种片内式电荷泵电路，其特征在于，包括：
电荷泵单元阵列，包括n+m个电荷泵单元，所述n+m个电荷泵单元的输出端连接于一点，以用于输出所述电荷泵单元阵列的输出电压，所述n+m个电荷泵单元的输入端连接于一点，以用于输入所述电荷泵单元阵列的输入电压，每个所述电荷泵单元的时钟输入端分别用于输入时钟信号；
开关阵列，包括n+m个受控开关，每个所述受控开关一一对应地分别位于每个所述电荷泵单元的时钟信号输入通路上，以决定各自对应的所述电荷泵单元是否输入时钟信号；
第一采样单元，用于对所述电荷泵单元阵列的输入电压进行采样，并基于采样得到的输入电压产生一个N位数字信号，以用于对所述开关阵列中的n个所述受控开关进行控制，其中N≥n；
第二采样单元，用于对所述电荷泵单元阵列的输出电压进行采样，并基于采样得到的输出电压产生一个M位数字信号，以用于对所述开关阵列中的其余m个所述受控开关进行控制，其中M≥m。
2.根据权利要求1所述的片内式电荷泵电路，其特征在于，所述第一采样单元包括：
采样保持模块，用于提供采样后的输入电压信号；
电阻分压模块，包括N+1个串联电阻，用于提供N个等级的基准电压信号；
比较器阵列模块，包括N个比较器，其中每个所述比较器的同相输入端各自输入所述采样后的输入电压信号，每个所述比较器的反相输入端各自输入一个不同等级的所述基准电压信号，以输出N位数字信号。
3.根据权利要求1所述的片内式电荷泵电路，其特征在于，所述第二采样单元采用流水线ADC结构。
4.根据权利要求1所述的片内式电荷泵电路，其特征在于，还包括：
时钟信号产生单元，用于提供每个所述电荷泵单元所需的时钟信号。
5.根据权利要求4所述的片内式电荷泵电路，其特征在于，所述时钟信号的频率为100MHz。
6.根据权利要求1所述的片内式电荷泵电路，其特征在于，所述受控开关为MOS晶体管。
7.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的片内式电荷泵电路。
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