CN112510996B - 电荷泵电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电荷泵电路及其操作方法。该电路包括：飞跨电容，连接于第一节点和第二节点之间；n级充电电路，每一级包括：第一开关，一端连接第一节点，另一端连接第三节点；第二开关，一端连接第二节点，第一级第二开关的另一端连接地端，其余级第二开关的另一端连接第三节点；充电电容，连接于第三节点与地端之间；缓冲器，其正输入端连接参考电压，负输入端和输出端相连并连接第m级充电电路的第三节点。第m级的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期是其他级的控制时钟的周期的1/（n‑1），第m+1级~第n级的控制时钟依次延迟1/（n‑1）个周期相位，第1级~第m‑1级的控制时钟以第n级为起点依次延迟1/（n‑1）个周期相位。

Description

电荷泵电路及其操作方法

技术领域

本申请涉及一种集成电路领域，更涉及一种电荷泵电路及其操作方法。

背景技术

电荷泵（Charge pump）具有提供高于电源电压的功能，同时所占空间较小且具有较高的效率，因此被广泛应用于集成电路中。现有技术中通常采用的电荷泵电路结构是设置电容和MOS开关管，并通过MOS开关管的导通与断开不断使得电容在充电和放点这两个状态之间切换，从而实现电荷泵输出端的高电压输出。当需要倍增较高倍数的电压时需要消耗较多的电流，电路功耗高，效率低。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电荷泵电路及其操作方法，实现灵活倍增电压，并且可以降低功耗，提升效率。

本申请的一实施例中公开了一种电荷泵电路，包括：

飞跨电容，所述飞跨电容连接于第一节点和第二节点之间；

n级充电电路，其中，n≥3，每一级所述充电电路包括：

第一开关，其一端连接所述第一节点，另一端连接第三节点；

第二开关，其一端连接所述第二节点，第一级的所述第二开关的另一端连接地端，其余各级的所述第二开关的另一端连接所述第三节点；

充电电容，其连接于所述第三节点与所述地端之间；

缓冲器，其正输入端连接参考电压，负输入端和输出端相连并连接第m级所述充电电路的第三节点，其中，2≤m≤n-1；

其中，第m级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期是其他级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期的1/（n-1），并且，第m+1级~第n级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟依次延迟1/（n-1）个周期相位，第1级~第m-1级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟以第n级为起点依次延迟1/（n-1）个周期相位。

在一个优选例中，还包括：第一多路选择器，所述第一多路选择器连接所述缓冲器的正输入端与多个参考电压之间，用于根据控制信号从所述多个参考电压中选择一个与所述所述缓冲器的正输入端连接。

在一个优选例中，还包括：第二多路选择器，所述第二多路选择器连接所述缓冲器的输出端与各级充电电路的第三节点之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述所述缓冲器的输出端连接。

在一个优选例中，还包括：第三多路选择器，所述第三多路选择器连接各级充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端连接。

本申请的另一实施例中公开了一种电荷泵电路，包括：

采用第一时钟控制所述第m级充电电路的第一开关和第二开关闭合预定时长后断开；

采用第二至第n个时钟控制其他级充电电路的第一开关和第二开关闭合预定时长后断开，第m+1级~第n级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟依次延迟1/（n-1）个周期相位，第1级~第m-1级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟以第n级为起点依次延迟1/（n-1）个周期相位；

其中，第m+1级~第n级充电电路的第三节点分别输出相对于所述第m级充电电路的第三节点（m+1）/m~n/m倍电压，所述第1级~第m-1级充电电路的第三节点分别输出相对于所述第m级充电电路的第三节点1/m~（m-1）/m倍电压，所述预定时长小于所述第一时钟一个周期的时长。

在一个优选例中，所述电荷泵电路还包括：第一多路选择器，所述第一多路选择器连接所述缓冲器的正输入端与多个参考电压之间，用于根据控制信号从所述多个参考电压中选择一个与所述所述缓冲器的正输入端连接。

在一个优选例中，所述电荷泵电路还包括：第二多路选择器，所述第二多路选择器连接所述缓冲器的输出端与各级充电电路的第三节点之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述所述缓冲器的输出端连接。

在一个优选例中，所述电荷泵电路还包括：第三多路选择器，所述第三多路选择器连接各级充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端连接。

相对于现有技术，本申请的电荷泵电路至少具有以下有益效果：

本申请中，可以在一个模块中实现向上倍电压和向下分电压（即可以升压又可以降压），可以获得2/n~n/2倍电压，输入的参考电压可以在各级充电电路中任意输入，开关控制波形可以根据需要相应转换，输出可以根据相应的需要选择任意一路，或者任意多路选择输出。

本说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合（即技术方案）的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本说明书上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案（这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载），除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1为本申请一实施例中电荷泵电路的示意图；

图2为本申请一实施例中各级充电电路的控制时序图；

图3为本申请一实施例中各级充电电路输出电压之间的关系曲线；

图4为本申请另一实施例中电荷泵电路的示意图；

图5为本申请另一实施例中电荷泵电路的示意图；

图6为本申请另一实施例中电荷泵电路的示意图；

图7为本申请另一实施例中各级充电电路的控制时序图；

图8为本申请另一实施例中各级充电电路输出电压之间的关系曲线；

图9为本申请另一实施例中电荷泵电路的示意图；

图10为本申请另一实施例中各级充电电路的控制时序图；

图11为本申请另一实施例中各级充电电路输出电压之间的关系曲线；

图12为本申请另一实施例中的电荷泵电路的示意图；

图13为本申请另一实施例中的电荷泵电路的操作方法的流程图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

本申请的一实施例中公开了一种电荷泵电路，图1示出了电荷泵电路的示意图。该电荷泵电路包括：飞跨电容（C_fiy）160、缓冲器150、四级充电电路110-140。飞跨电容160连接于第一节点A和第二节点B之间。每一级充电电路包括第一开关、第二开关和充电电容，第一开关的一端连接第一节点，另一端连接第三节点，第二开关的一端连接第二节点，第一级的第二开关的另一端连接地端，其余各级的第二开关的另一端连接第三节点，充电电容连接于第三节点与地端之间。

具体的，第一级充电电路110包括第一开关S11、第二开关S12和充电电容C_rail1，第一开关S11连接于第一节点A和第三节点C1之间，第二开关S12连接第二节点B和地端之间，充电电容C_rail1连接第三节点C1和地端之间；第二级充电电路120包括第一开关S21、第二开关S22和充电电容C_rail2，第一开关S21连接于第一节点A和第三节点C2之间，第二开关S22连接第二节点B和第三节点C2之间，充电电容C_rail2连接第三节点C2和地端之间；第三级充电电路130包括第一开关S31、第二开关S32和充电电容C_rail3，第一开关S31连接于第一节点A和第三节点C3之间，第二开关S32连接第二节点B和第三节点C3之间，充电电容C_rail3连接第三节点C3和地端之间；第四级充电电路140包括第一开关S41、第二开关S42和充电电容C_rail4，第一开关S41连接于第一节点A和第三节点C4之间，第二开关S42连接第二节点B和第三节点C4之间，充电电容C_rail4连接第三节点C4和地端之间。

在一实施例中，飞跨电容C_fiy和各支路C_rail1、C_rail2、C_rail3、C_rail3电容一致，电容不一致会影响倍压或分压的电压值，飞跨电容越大，充电速度越快。

缓冲器150的正输入端连接参考电压Vref，负输入端和输出端相连并连接第二级充电电路的第三节点C2。

本申请中，电荷泵电路包括n级充电电路，其中，n≥3，图1中以n=4为例进行说明，应当理解，电荷泵电路不限于包括4级充电电路，n还可以取5、6、8等等。

应当注意，缓冲器的输出端连接第m级充电电路的第三节点Cm，其中，2≤m≤n-1，图1中以缓冲器的输出端连接第三节点C2为例进行说明，应当理解，缓冲器的输出端还可以连接第三节点C3或C4。本实施例中，第m级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期是其他级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期的1/（n-1）。例如，采用脉冲时钟控制各级充电电路第一开关和第二开关的通断，与缓冲器相连的第m级的第一开关和第二开关的脉冲信号的频率是其余各级的脉冲信号的频率的n-1倍。并且，其余各级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟从第m+1级~第n级依次延迟1/（n-1）个周期相位，第1级比第n级充电电路延迟1/（n-1）个周期相位，再从第1级~第m-1级充电电路依次延迟1/（n-1）个周期相位，即第m+2级充电电路的控制时钟比第m+1级充电电路的控制时钟延迟1/（n-1）个周期相位，第m+3级充电电路的控制时钟比第m+2级充电电路的控制时钟延迟1/（n-1）个周期相位，以此类推至第n级充电电路的控制时钟，并且，第1级充电电路的控制时钟比第n级充电电路的控制时钟延迟1/（n-1）个周期相位，第2级充电电路的控制时钟比第1级充电电路的控制时钟延迟1/（n-1）个周期相位，以此类推至第m-1级充电电路的控制时钟。此外，第m+1级充电电路的控制时钟可以比第m级充电电路的控制时钟延迟1/（n-1）个周期相位。

图2是本申请图1所示的实施例中的各级充电电路的控制时序图。结合图1和图2所示，信号φ₁是用于控制第一级充电电路110的开关的信号，信号φ₂是用于控制第二级充电电路120的开关的信号，信号φ₃是用于控制第三级充电电路130的开关的信号，信号φ₄是用于控制第四级充电电路140的开关的信号，第二级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₂的周期是第一、第三和第四级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₁、信号φ₃、信号φ₄的周期的1/3，并且，第一、第三和第四级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₁、信号φ₃、信号φ₄按信号φ₃、信号φ₄、信号φ₁的顺序依次延迟1/3个周期相位。

图3是本申请图1所示的实施例中的各级充电电路输出电压之间的关系曲线。其中，V_1/4表示第一级充电电路的输出电压，V_2/4表示第二级充电电路的输出电压，V_3/4表示第三级充电电路的输出电压，V_4/4表示第二级充电电路的输出电压，并且，V_2/4=Vref，V_3/4=3/2V_2/4，V_4/4=2V_2/4，V_1/4=1/2V_2/4。由此可知，本申请电荷泵可以在一个模块中同时向上倍电压，向下分电压。

在一个实施例中，该电荷泵电路还包括第一多路选择器，所述第一多路选择器连接所述缓冲器的正输入端与多个参考电压之间，用于根据控制信号从所述多个参考电压中选择一个与所述所述缓冲器的正输入端连接，当电路中存在多个电压参考输入时，可以通过控制位选择一路合适的电压输出给缓冲器。图4是本申请该实施例中的电荷泵电路的示意图，是对图1中所示的电荷泵电路的改进电路。该电荷泵电路还包括第一多路选择器170，第一多路选择器170连接缓冲器150的正输入端与多个参考电压Vref1，Vref2，……，Vrefn之间，第一多路选择器170用于根据控制信号（图4中未示出）从多个参考电压Vref1，Vref2，……，Vrefn中选择一个与缓冲器150的正输入端连接。本实施例的电荷泵电路可以灵活选择参考电压，实现不同的升压或分压。

在一个实施例中，该电荷泵电路还包括第二多路选择器，第二多路选择器连接缓冲器的输出端与各级充电电路的第三节点之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与缓冲器的输出端连接。例如，当电路中只存在一路参考电压时，通过多路选择器，选择输入电压vref给V_2/4还是给V_3/4给，通过改变对应的控制信号φ1、信号φ2、信号φ3、信号φ4，达到最终的升压目的。图5是本申请该实施例中的电荷泵电路的示意图，是对图1中所示的电荷泵电路的改进电路。该电荷泵电路还包括第二多路选择器180，连接缓冲器150的输出端与各级充电电路的第三节点C1，C2，……，Cn之间，第二多路选择器180用于根据控制信号（图5中未示出）选择一个级别的充电电路的第三节点C1，C2，……，Cn与缓冲器150的输出端连接。本实施例的电荷泵电路可以灵活选择升压或分压的倍数。

图6示出了根据多路选择器（图中未示出）选择缓冲器连接图1中电荷泵电路的第三级充电电路的第三节点C3。图7是本申请图6所示的实施例中的各级充电电路的控制时序图。结合图6和图7所示，第三级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₃的周期是第一、第二和第四级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₁、信号φ₂、信号φ₄的周期的1/3，并且，第一、第二和第四级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₁、信号φ₂、信号φ₄按信号φ₄、信号φ₁、信号φ₂的顺序依次延迟1/3个周期相位。图8是本申请图6所示的实施例中的各级充电电路输出电压之间的关系曲线，V_3/4=Vref，V_1/4=1/3V_3/4，V_2/4=2/3V_3/4，V_4/4=4/3V_3/4。

图9示出了另一实施例中电荷泵电路的示意图，以n=6为例进行说明，图10是图9所示的实施例中的各级充电电路的控制时序图。结合图9和图10所示，缓冲器连接第二级充电电路的第三节点，第二级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₂的周期是第一、第三、第四、第五和第六级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₁、信号φ₃、信号φ₄、信号φ₅、信号φ₆的周期的1/5，并且，第一、第三、第四、第五和第六级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制信号φ₁、信号φ₃、信号φ₄、信号φ₅、信号φ₆按信号φ₃、信号φ₄、信号φ₅、信号φ₆、信号φ₁的顺序依次延迟1/5个周期相位。图11是图9所示的实施例中的各级充电电路输出电压之间的关系曲线，V_2/6=Vref，V_3/6=3/2V_2/4，V_4/6=2V_2/4，V_5/6=5/2V_2/4，V_6/6=3V_2/6，V_1/6=1/2V_2/6。

在一个实施例中，该电荷泵电路还包括：第三多路选择器，第三多路选择器连接各级充电电路的第三节点与电荷泵电路的输出端之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与电荷泵电路的输出端连接。该电路最终会产生V_1/n到V_n/n的电压输出，可以通过寄存器控制在这n路电压中，选择1路或者n路电压输出。图12是本申请该实施例中的电荷泵电路的示意图，是对图1中所示的电荷泵电路的改进电路。该电荷泵电路还包括第三多路选择器190，连接各级充电电路的第三节点C1，C2，……，Cn与电荷泵电路的输出端Vout之间，第三多路选择器190用于根据控制信号（图12中未示出）选择一个级别的充电电路的第三节点C1，C2，……，Cn与电荷泵电路的输出端连接。本实施例的电荷泵电路可以实现各级充电电路电压的灵活输出。

本申请的另一实施例中公开了一种电荷泵电路，图13是前文所述的电荷泵电路的操作方法的流程图。该方法包括：

步骤1001，采用第一时钟控制第m级充电电路的第一开关和第二开关闭合预定时长后断开。

步骤1003，采用第二至第n个时钟控制其他级充电电路的第一开关和第二开关闭合预定时长后断开，第m+1级~第n级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟依次延迟1/（n-1）个周期相位，第1级~第m-1级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟以第n级为起点依次延迟1/（n-1）个周期相位。

其中，第m+1级~第n级充电电路的第三节点分别输出相对于第m级充电电路的第三节点（m+1）/m~n/m倍电压，第1级~第m-1级充电电路的第三节点分别输出相对于第m级充电电路的第三节点1/m~（m-1）/m倍电压。

在一个优选例中，所述电荷泵电路还包括：第一多路选择器，所述第一多路选择器连接所述缓冲器的正输入端与多个参考电压之间，用于根据控制信号从所述多个参考电压中选择一个与所述所述缓冲器的正输入端连接。

在一个优选例中，所述电荷泵电路还包括：第二多路选择器，所述第二多路选择器连接所述缓冲器的输出端与各级充电电路的第三节点之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述所述缓冲器的输出端连接。

在一个优选例中，所述电荷泵电路还包括：第三多路选择器，所述第三多路选择器连接各级充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端连接。

第一实施方式是与本实施方式相对应的电路结构的实施方式，第一实施方式中的技术细节可以应用于本实施方式，本实施方式中的技术细节也可以应用于第一实施方式。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本说明书的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。

在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描述的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

Claims (8)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括：

飞跨电容，所述飞跨电容连接于第一节点和第二节点之间；

n级充电电路，其中，n≥4，每一级所述充电电路包括：

第一开关，其一端连接所述第一节点，另一端连接第三节点；

第二开关，其一端连接所述第二节点，第一级的所述第二开关的另一端连接地端，其余各级的所述第二开关的另一端连接所述第三节点；

充电电容，其连接于所述第三节点与所述地端之间；

缓冲器，其正输入端连接参考电压，负输入端和输出端相连并连接第m级所述充电电路的第三节点，其中，2≤m≤n-1；

其中，第m级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期是其他级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟的周期的1/（n-1），并且，第m+1级~第n级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟依次延迟1/（n-1）个周期相位，第1级~第m-1级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟以第n级为起点依次延迟1/（n-1）个周期相位。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括：第一多路选择器，所述第一多路选择器连接所述缓冲器的正输入端与多个参考电压之间，用于根据控制信号从所述多个参考电压中选择一个与所述所述缓冲器的正输入端连接。

3.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括：第二多路选择器，所述第二多路选择器连接所述缓冲器的输出端与各级充电电路的第三节点之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述所述缓冲器的输出端连接。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括：第三多路选择器，所述第三多路选择器连接各级充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端连接。

5.一种如权利要求1所述的电荷泵电路的操作方法，其特征在于，包括：

采用第一时钟控制所述第m级充电电路的第一开关和第二开关闭合预定时长后断开；

采用第二至第n个时钟控制其他级充电电路的第一开关和第二开关闭合预定时长后断开，第m+1级~第n级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟依次延迟1/（n-1）个周期相位，第1级~第m-1级充电电路的第一开关和第二开关采用的控制时钟以第n级为起点依次延迟1/（n-1）个周期相位；

其中，第m+1级~第n级充电电路的第三节点分别输出相对于所述第m级充电电路的第三节点（m+1）/m~n/m倍电压，所述第1级~第m-1级充电电路的第三节点分别输出相对于所述第m级充电电路的第三节点1/m~（m-1）/m倍电压，所述预定时长小于所述第一时钟一个周期的时长。

6.根据权利要求5所述的电荷泵电路的操作方法，其特征在于，所述电荷泵电路还包括：第一多路选择器，所述第一多路选择器连接所述缓冲器的正输入端与多个参考电压之间，用于根据控制信号从所述多个参考电压中选择一个与所述所述缓冲器的正输入端连接。

7.根据权利要求5所述的电荷泵电路的操作方法，其特征在于，所述电荷泵电路还包括：第二多路选择器，所述第二多路选择器连接所述缓冲器的输出端与各级充电电路的第三节点之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述所述缓冲器的输出端连接。

8.根据权利要求5所述的电荷泵电路的操作方法，其特征在于，所述电荷泵电路还包括：第三多路选择器，所述第三多路选择器连接各级充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端之间，用于根据控制信号选择一个级别的充电电路的第三节点与所述电荷泵电路的输出端连接。

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