CN112152446B - 电荷泵升压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电荷泵升压电路，电荷泵升压电路包含两个储能电容、两个电阻及两个整流组件。第一储能电容接收第一频率信号，第二储能电容接收第二频率信号。第一电阻连接第一储能电容并接收一参考电压，第二电阻连接第二储能电容并接收参考电压。第一整流组件连接第一储能电容及电压输出端，第一频率信号及参考电压对第一储能电容进行充电，并根据第一频率信号选择性导通第一整流组件，以利用第一储能电容对电压输出端充电。第二整流组件连接第二储能电容及电压输出端，第二频率信号及参考电压对第二储能电容进行充电，并根据第二频率信号选择性导通第二整流组件，以利用第二储能电容对电压输出端充电。

Description

电荷泵升压电路
技术领域
本发明涉及一种电压转换技术，特别是涉及一种电荷泵升压电路。
背景技术
由于集成电路工艺的演进，电源电压(VDD)愈来愈低，而金属氧化半导体(MOS)组件的导通临界电压(Vth)并没有大幅下降，因此在先进工艺中，容易出现MOS组件不易导通，组件内阻值过大的问题。另一方面，为了芯片能达到低耗能、小面积的目的，使得高、低压组件混用的情况也愈来愈多，此亦会导致电路中的MOS组件的偏压条件不利于MOS的导通。
为解决上述问题，利用电荷泵电路将输入电压转换为组件所需的电压，以供应各高低压组件所需的电压。以电荷泵升压电路为例，现有电荷泵升压电路通常使用较多的开关组件，例如金氧半场效晶体管(MOS FET)组件，以便将电压抬升为电源电压的线性组合，但是使用较多的开关组件将导致电路过于复杂，且并非适用于所有电路。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电荷泵升压电路，包含两个储能电容、两个电阻及两个整流组件。第一储能电容的一端接收第一频率信号，另一端连接至第一节点。第二储能电容的一端接收第二频率信号，另一端连接至第二节点。第一电阻分别连接第一节点及一参考电压，且第二电阻分别连接第二节点及参考电压。第一整流组件连接第一节点及电压输出端，第一频率信号及经过第一电阻的参考电压对第一储能电容进行充电，并根据第一频率信号选择性导通第一整流组件，以利用第一储能电容对电压输出端充电。第二整流组件连接第二节点及电压输出端，第二频率信号及经过第二电阻的参考电压对第二储能电容进行充电，并根据第二频率信号选择性导通第二整流组件，以利用第二储能电容对电压输出端充电。
在一些实施例中，第一频率信号与第二频率信号为互为反向的频率信号，以利用第一储能电容及第二储能电容轮流对电压输出端充电。
在一些实施例中，第一频率信号为高电平电压时，第一整流组件导通并利用第一储能电容对电压输出端充电。第二频率信号为高电平电压时，第二整流组件导通并利用第二储能电容对电压输出端充电。
在一些实施例中，电压输出端的输出电压为高电平电压及参考电压的总和减去第一整流组件或第二整流组件的临界电压。
在一些实施例中，第一整流组件及该第二整流组件为P型金氧半场效晶体管(PMOS)、N型金氧半场效晶体管(NMOS)或二极管。
在一些实施例中，第一整流组件为第一P型金氧半场效晶体管时，第一P型金氧半场效晶体管的源极连接第一节点，栅极和漏极共同连接至电压输出端。第二整流组件为第二P型金氧半场效晶体管时，第二P型金氧半场效晶体管的源极连接第二节点，栅极和漏极共同连接至电压输出端。
在一些实施例中，第一整流组件为第一N型金氧半场效晶体管时，第一N型金氧半场效晶体管的源极连接电压输出端，栅极和漏极共同连接至第一节点。第二整流组件为第二N型金氧半场效晶体管时，第二N型金氧半场效晶体管的源极连接电压输出端，栅极和漏极共同连接至第二节点。
在一些实施例中，第一整流组件为第一二极管时，第一二极管的正极连接第一节点，负极连接电压输出端。第二整流组件为第二二极管时，第二二极管的正极连接第二节点，负极连接电压输出端。
综上所述，本发明使用较少的组件来达到抬升电压的目的，且抬升后的输出电压根据整流组件的临界电压来决定，使输出电压可有效导通电路中需要高电压才能导通的晶体管组件。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的电荷泵升压电路的电路示意图。
图2为根据本发明一实施例具有PMOS的电荷泵升压电路的电路图。
图3为根据本发明一实施例的具有PMOS的电荷泵升压电路的波形示意图。
图4为图2的电荷泵升压电路连接高压晶体管的电路示意图。
图5为根据本发明一实施例具有NMOS的电荷泵升压电路的电路图。
图6为根据本发明一实施例具有二极管的电荷泵升压电路的电路图。
图7为根据本发明一实施例电压输出端的输出电压的波形示意图。
具体实施方式
图1为根据本发明一实施例的电荷泵升压电路的电路示意图，请参阅图1所示，电荷泵升压电路10包含一第一储能电容12、一第一电阻14、一第一整流组件16、一第二储能电容20、一第二电阻22、一第二整流组件24以及一电压输出端VC。
在电荷泵升压电路10中，第一储能电容12的一端电性连接至一第一频率源18，以接收一第一频率信号CK1，第一储能电容12的另一端电性连接至一第一节点A。第二储能电容20的一端电性连接至一第二频率源26，以接收一第二频率信号CK2，第二储能电容20的另一端电性连接至一第二节点B。第一电阻14的两端分别连接第一节点A及参考电压Vr，使第一电阻14通过第一节点A电性连接至第一储能电容12。第二电阻22的两端分别连接第二节点B及参考电压Vr，使第二电阻22通过第二节点B电性连接至第二储能电容20。第一整流组件16分别电性连接第一节点A及一电压输出端VC，使第一频率信号CK1及经过第一电阻14的参考电压Vr对第一储能电容12进行充电，并根据第一频率信号CK1选择性导通第一整流组件16，以利用第一储能电容12对电压输出端VC进行充电。第二整流组件24分别电性连接第二节点B及电压输出端VC，使第二频率信号CK2及经过第二电阻22的参考电压Vr可以对第二储能电容20进行充电，并根据第二频率信号CK2选择性导通第二整流组件24，以利用第二储能电容20对电压输出端VC进行充电。
第一频率源18产生的第一频率信号CK1与第二频率源26产生的第二频率信号CK2为互为反向的频率信号，当第一频率信号CK1为高电平电压时，第一整流组件16导通并利用第一储能电容12对电压输出端VC充电，轮流地，当第二频率源26产生的第二频率信号CK2为高电平电压时，第二整流组件24导通并利用第二储能电容20对电压输出端VC充电，以利用第一储能电容12及第二储能电容20轮流对电压输出端VC充电。因此，电压输出端VC会被第一储能电容12及第二储能电容20反复进行充电，使电压输出端VC的输出电压Vo会逐渐上升至预定的电压值，并可维持在此电压值。
在一实施例中，第一整流组件16及该第二整流组件24为P型金氧半场效晶体管(PMOS)，请同时参阅图1及图2所示，第一整流组件16为第一P型金氧半场效晶体管161，第二整流组件24为第二P型金氧半场效晶体管241，且第一P型金氧半场效晶体管161及第二P型金氧半场效晶体管241皆为二极管连接式(diode connect)晶体管。详言之，第一P型金氧半场效晶体管161的源极连接至第一节点A，第一P型金氧半场效晶体管161的栅极连接至漏极并共同连接至电压输出端VC。第二P型金氧半场效晶体管241的源极连接第二节点B，第二P型金氧半场效晶体管241的栅极连接至漏极并共同连接至电压输出端VC。
请同时参阅图2及图3所示，当第一频率源18输出的第一频率信号CK1为高电平电压时，第一频率信号CK1及参考电压Vr对第一储能电容12进行充电，第一节点A的电位亦为高电平电压，且高电平电压的第一频率信号CK1会导通第一P型金氧半场效晶体管161，以利用第一储能电容12对电压输出端VC充电；此时，第二频率源26输出的第二频率信号CK2为低电平电压，第二节点B的电位亦为低电平电压，且第二P型金氧半场效晶体管241为断开(不导通)状态，所以第二储能电容20无法对电压输出端VC进行充电。反之，当第二频率源26输出的第二频率信号CK2为高电平电压时，第二频率信号CK2及参考电压Vr会对第二储能电容20进行充电，第二节点B的电位亦为高电平电压，且高电平电压的第二频率信号CK2会导通第二P型金氧半场效晶体管241，以利用第二储能电容20对电压输出端VC充电；此时，第一频率源18输出的第一频率信号CK1为低电平电压，第一节点A的电位亦为低电平电压，且第一P型金氧半场效晶体管161为断开(不导通)状态，所以第一储能电容12无法对电压输出端VC进行充电。如此，第一频率源18和第二频率源26依序轮流输出高电平电压的第一频率信号CK1和第二频率信号CK2，使第一储能电容12及第二储能电容20轮流对电压输出端VC反复进行充电，则电压输出端VC的输出电压Vo会逐渐上升直至维持稳定的预定电压值为止。
其中，电压输出端VC的输出电压Vo为第一频率信号CK1的高电平电压及参考电压Vr的总和减去第一P型金氧半场效晶体管161的临界电压Vth1(Vo＝CK1+Vr-Vth1)，或是第二频率信号CK2的高电平电压及参考电压Vr的总和减去第二P型金氧半场效晶体管241的临界电压Vth2(Vo＝CK2+Vr-Vth2)。因此电压输出端VC的输出电压Vo，并非单纯的第一储能电容12或第二储能电容20的跨压，而是由第一P型金氧半场效晶体管161或第二P型金氧半场效晶体管241的临界电压Vth1、Vth2来决定。
在一实施例中，第一频率信号CK1和第二频率信号CK2的频率为25MHz，第一储能电容12及第二储能电容20为100F，第一电阻14及第二电阻22为1.1MΩ，第一P型金氧半场效晶体管161及第二P型金氧半场效晶体管241的临界电压Vth1、Vth2为0.81V至1.1V(受工艺、电压、温度影响而有变化)，且第一频率信号CK1和第二频率信号CK2的高电平电压为1.8V，参考电压Vr为1.8V，由于受到临界电压Vth1、Vth2的影响，因此电压输出端VC的输出电压Vo为2.5V至2.79V(1.8+1.8-0.81V～1.1V)，而并非是两倍的1.8V，但此输出电压Vo的电压值已可导通电路中需要高电压才能导通的晶体管组件。如图4所示的第三P型金氧半场效晶体管30，电压输出端VC电性连接第三P型金氧半场效晶体管30的栅极，由于第一P型金氧半场效晶体管161及第二P型金氧半场效晶体管241与第三P型金氧半场效晶体管30在相同工艺下制作完成，第一P型金氧半场效晶体管161及第二P型金氧半场效晶体管241的差异性会近似于后端的第三P型金氧半场效晶体管30，所以输出电压Vo可以顺利用来偏压导通第三P型金氧氧化半导体30，使后续电路亦可以顺利运作。
在一实施例中，第一整流组件16及该第二整流组件24为N型金氧半场效晶体管(NMOS)，请参阅图1及图5所示，第一整流组件16为第一N型金氧半场效晶体管162，第二整流组件24为第二N型金氧半场效晶体管242，且第一N型金氧半场效晶体管162及第二N型金氧半场效晶体管242皆为二极管连接式晶体管。第一N型金氧半场效晶体管162的源极连接至电压输出端VC，第一N型金氧半场效晶体管162的栅极连接至漏极并共同连接至第一节点A。第二N型金氧半场效晶体管242的源极连接电压输出端VC，第一N型金氧半场效晶体管242的栅极连接至漏极并共同连接至第二节点B。
当第一频率源18输出的第一频率信号CK1为高电平电压时，第一频率信号CK1及参考电压Vr对第一储能电容12进行充电，且高电平电压的第一频率信号CK1会导通第一N型金氧半场效晶体管162，以利用第一储能电容12对电压输出端VC充电。当第二频率源26输出的第二频率信号CK2为高电平电压时，第二频率信号CK2及参考电压Vr会对第二储能电容20进行充电，且高电平电压的第二频率信号CK2会导通第二N型金氧半场效晶体管242，以利用第二储能电容20对电压输出端VC充电。如此，第一频率源18和第二频率源26依序轮流输出高电平电压的第一频率信号CK1和第二频率信号CK2，使第一储能电容12及第二储能电容20轮流对电压输出端VC反复进行充电，则电压输出端VC的输出电压Vo会逐渐上升直至维持稳定的预定电压值为止。在此实施例中，电荷泵升压电路10使用第一N型金氧半场效晶体管162、第二N型金氧半场效晶体管242作为整流组件，除此之外，其余的细节与图1所示的实施例相同，故在此不再赘述。
在一实施例中，第一整流组件16及第二整流组件24为二极管。请参阅图1及图6所示，第一二极管163的正极连接第一节点A，第一二极管163的负极连接电压输出端VC。第二二极管243的正极连接第二节点B，第二二极管243的负极则连接电压输出端VC。当第一频率信号CK1为高电平电压时，第一频率信号CK1及参考电压Vr对第一储能电容12进行充电，且高电平电压的第一频率信号CK1会导通第一二极管163，以利用第一储能电容12对电压输出端VC充电。当第二频率信号CK2为高电平电压时，第二频率信号CK2及参考电压Vr会对第二储能电容20进行充电，且高电平电压的第二频率信号CK2会导通第二二极管243，以利用第二储能电容20对电压输出端VC充电。因此，利用第一储能电容12及第二储能电容20轮流对电压输出端VC反复进行充电，使电压输出端VC的输出电压Vo会逐渐上升直至维持稳定的预定电压值为止。在此实施例中，电荷泵升压电路10使用第一二极管163、第二二极管243作为整流组件，除此之外，其余的细节与图1所示的实施例相同，故在此不再赘述。
请参阅图7所示，图中所示为不同工艺、电压、温度条件下，电荷泵升压电路的电压输出端的输出电压的波形示意图，虽然电压输出端的输出电压会有差异(2.2V至2.79V)，但每一个波形在开始时，都是从零开始逐渐上升后逐渐趋于稳定，这是利用第一储能电容及第二储能电容轮流对电压输出端反复进行充电，使输出电压从零开始逐渐上升直至维持稳定的预定电压值为止。因此，虽然电路中会有工艺、电压、温度等差异性存在，电荷泵升压电路仍可提供稳定的输出电压。
综上所述，本发明提出一种电路架构简单的电荷泵升压电路，以使用较少的组件来达到抬升电压的目的，且抬升后的输出电压根据整流组件(第一整流组件及第二整流组件)的临界电压来决定，使输出电压可有效导通电路中需要高电压才能导通的晶体管组件。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技术者能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的权利要求范围，即大凡依本发明所揭示的精神所做的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的权利要求范围内。
【符号说明】
10 电荷泵升压电路
12 第一储能电容
14 第一电阻
16 第一整流组件
161 第一P型金氧半场效晶体管
162 第一N型金氧半场效晶体管
163 第一二极管
18 第一频率源
20 第二储能电容
22 第二电阻
24 第二整流组件
241 第二P型金氧半场效晶体管
242 第二N型金氧半场效晶体管
243 第二二极管
26 第二频率源
30 第三P型金氧半场效晶体管
A 第一节点
B 第二节点
CK1 第一频率信号
CK2 第二频率信号
Vr 参考电压
VC 电压输出端。

Claims (9)

1.一种电荷泵升压电路，包含：
一第一储能电容，一端接收一第一频率信号，另一端连接至一第一节点；
一第二储能电容，一端接收一第二频率信号，另一端连接至一第二节点；
一第一电阻，分别连接该第一节点及一参考电压；
一第二电阻，分别连接该第二节点及该参考电压；
一第一整流组件，连接该第一节点及一电压输出端，该第一频率信号及经过该第一电阻的该参考电压对该第一储能电容充电，并根据该第一频率信号选择性导通该第一整流组件，以利用该第一储能电容对该电压输出端充电；以及
一第二整流组件，连接该第二节点及该电压输出端，该第二频率信号及经过该第二电阻的该参考电压对该第二储能电容充电，并根据该第二频率信号选择性导通该第二整流组件，以利用该第二储能电容对该电压输出端充电，
其中，该第一频率信号与该第二频率信号为互为反向的频率信号，以利用该第一储能电容及该第二储能电容轮流对该电压输出端充电。
2.根据权利要求1所述的电荷泵升压电路，其中，该第一频率信号为高电平电压时，该第一整流组件导通并利用该第一储能电容对该电压输出端充电；以及该第二频率信号为该高电平电压时，该第二整流组件导通并利用该第二储能电容对该电压输出端充电。
3.根据权利要求2所述的电荷泵升压电路，其中，该电压输出端的输出电压为该高电平电压及该参考电压的总和减去该第一整流组件或该第二整流组件的临界电压。
4.根据权利要求1所述的电荷泵升压电路，其中，该第一整流组件及该第二整流组件为P型金氧半场效晶体管。
5.根据权利要求4所述的电荷泵升压电路，其中，该第一整流组件为第一P型金氧半场效晶体管，该第一P型金氧半场效晶体管的源极连接该第一节点，栅极和漏极共同连接至该电压输出端；以及该第二整流组件为第二P型金氧半场效晶体管，该第二P型金氧半场效晶体管的源极连接该第二节点，栅极和漏极共同连接至该电压输出端。
6.根据权利要求1所述的电荷泵升压电路，其中，该第一整流组件及该第二整流组件为N型金氧半场效晶体管。
7.根据权利要求6所述的电荷泵升压电路，其中，该第一整流组件为第一N型金氧半场效晶体管，该第一N型金氧半场效晶体管的源极连接该电压输出端，栅极和漏极共同连接至该第一节点；以及该第二整流组件为第二N型金氧半场效晶体管，该第二N型金氧半场效晶体管的源极连接该电压输出端，栅极和漏极共同连接至该第二节点。
8.根据权利要求1所述的电荷泵升压电路，其中，该第一整流组件及该第二整流组件为二极管。
9.根据权利要求8所述的电荷泵升压电路，其中，该第一整流组件为第一二极管，该第一二极管的正极连接该第一节点，负极连接该电压输出端；以及该第二整流组件为第二二极管，该第二二极管的正极连接该第二节点，负极连接该电压输出端。
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