CN112600409A

CN112600409A - 一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器

Info

Publication number: CN112600409A
Application number: CN202011408126.4A
Authority: CN
Inventors: 黄君; 陈志坚; 吴朝晖; 李斌
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2040-12-03
Also published as: CN112600409B

Abstract

本发明公开了一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器，涉及电荷泵。针对现有技术中不能转换输出负压的问题提出本方案，环形振荡器模块输出两路反相的时钟信号至电压转换器模块，还输出选通信号至正负压选择模块；使得，当选通信号处于正压选通时，正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝2；当选通信号处于负压选通时，正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝‑1；电压转换器模块将输入电压Vin与比例参数n相乘后得到输出电压Vout。优点在于，可以输出正负两种电压，增加了输出范围，提高了开关电容结构的实用性，可以满足很多电路需要不同电压转换器的需求。

Description

一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器

技术领域

本发明涉及一种电压转换器，尤其涉及一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器。

背景技术

现有的开关电容电压转换器架构如图1所示，环形振荡器模块产生两个相位相反的时钟信号至电压转换器模块。输入电压Vin接入所述电压转换器模块。升降压选择模块在预设的条件下对电压转换器模块输出一个大于0的比例参数n。

由于环形振荡器模块产生的时钟信号对电压转换器模块里面的电容交替充放电，使得输出电压Vout＝n·Vin。但是由于结构限制，如果输入电压是正压，输出电压只能为正压，不满足部分电路需要负压支持的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器，以解决上述现有技术存在的问题，实现既能选择升压输出，也能实现负压输出的功能。

本发明所述的一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器，包括环形振荡器模块、正负压选择模块以及电压转换器模块；所述的环形振荡器模块输出两路反相的时钟信号至电压转换器模块，还输出选通信号至正负压选择模块；使得，当所述选通信号处于正压选通时，所述正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝2；当所述选通信号处于负压选通时，所述正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝-1；所述电压转换器模块将输入电压Vin与比例参数n相乘后得到输出电压Vout。

所述的正负压选择模块包括两个负压选通单元和两个正压选通单元；所述电压转换器模块包括：六个开关和两个电容；第一电容C1的第一极板对输入电压Vin串接第一开关，对地串接第二开关；第一电容C1的二极板分出四条支路：第一支路对地串接第三开关和第一负压选通单元；第二支路对输入电压Vin串接第四开关和第一正压选通单元；第三支路对输出电压Vout串接第五开关和第二负压选通单元；第四支路对输出电压Vout串接第六开关和第二正压选通单元；输出电压Vout还对地串接第二电容C2；所述的环形振荡器模块输出第一时钟信号clk1、第二时钟信号clk2、负压选通信号clkn和正压选通信号clkp；所述的第一时钟信号clk1分别接入第二开关、第四开关以及第五开关的使能端；所述的第二时钟信号clk2分别接入第一开关、第三开关以及第六开关的使能端；所述的负压选通信号clkn分别接入两个负压选通单元的使能端；所述的正压选通信号clkp分别接入两个正压选通单元的使能端。

所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2是频率不低于1MHz的非交叠时钟信号，优选为1MHz～50MHz。

所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2的占空比在48％～52％，但不等于50％，优选为49％或51％。

所述六个开关内均分别设有自举电路用于提供导通栅压。

所述的第二电容C2为负载稳压电容。

本发明所述的一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其优点在于，两个非交叠时钟信号分别控制六个开关，利用开关交替导通促使第一电容充放电。由于第一电容两端电压不能突变的特性，加之第二电容的稳压效果，可输出稳定转换比的电压。本发明提出了新的开关交替导通架构，增加了两个正负电压选通信号，同时改变了开关连接方式。可以输出正负两种电压，增加了输出范围，提高了开关电容结构的实用性，可以满足很多电路需要不同电压转换器的需求。

附图说明

图1是现有技术中开关电容电压转换器的框架原理示意图。

图2是本发明所述开关电容电压转换器的框架原理示意图；

图3是本发明所述开关电容电压转换器的结构示意图；

图4是本发明所述开关电容电压转换器的时序图。

附图标记：

clk1-第一时钟信号，clk2-第二时钟信号；

clkn-负压选通信号，clkp-正压选通信号；

Vin-输入电压，Vout-输出电压；

Va-第一电容第一极板的电压值，Vb-第一电容第二极板的电压值；

gnd-接地端，C1-第一电容，C2-第二电容。

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明所述一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器包括环形振荡器模块、正负压选择模块以及电压转换器模块。所述的环形振荡器模块输出两路反相的时钟信号至电压转换器模块，还输出选通信号至正负压选择模块。使得，当所述选通信号处于正压选通时，所述正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝2。当所述选通信号处于负压选通时，所述正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝-1。所述电压转换器模块将输入电压Vin与比例参数n相乘后得到输出电压Vout。

所述的正负压选择模块包括两个负压选通单元和两个正压选通单元。所述电压转换器模块包括：六个开关和两个电容。第一电容C1的第一极板对输入电压Vin串接第一开关，对地串接第二开关。第一电容C1的二极板分出四条支路：第一支路对地串接第三开关和第一负压选通单元。第二支路对输入电压Vin串接第四开关和第一正压选通单元。第三支路对输出电压Vout串接第五开关和第二负压选通单元。第四支路对输出电压Vout串接第六开关和第二正压选通单元。输出电压Vout还对地串接第二电容C2。所述的环形振荡器模块输出第一时钟信号clk1、第二时钟信号clk2、负压选通信号clkn和正压选通信号clkp。所述的第一时钟信号clk1分别接入第二开关、第四开关以及第五开关的使能端。所述的第二时钟信号clk2分别接入第一开关、第三开关以及第六开关的使能端。所述的负压选通信号clkn分别接入两个负压选通单元的使能端。所述的正压选通信号clkp分别接入两个正压选通单元的使能端。

其中，所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2是频率不低于1MHz的非交叠时钟信号，优选为1MHz～50MHz。所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2的占空比在48％～52％，以接近但不等于50％为佳，优选为49％或51％。

所述六个开关内均分别设有自举电路用于提供导通栅压，导通栅压的具体数值根据开关电容电压转换器的应用场合而定。所述的第二电容C2为负载稳压电容。正压选通信号clkp和负压选通信号clkn只有在选择输出对应输出电压的时候才是有效电平，其余时间无效。

本发明所述开关电容电压转换器的基本电路架构是电荷泵，该电荷泵基于普通电荷泵结构，加入自举电路给开关提供合适的导通栅压，其中自举电路设置在各开关内。输出共用输出负载稳压电容，可节省面积。

负压选通时：第四开关和第六开关不工作，在第二时钟信号clk2有效时，第一电容C1充电至两端压差为Va-Vb＝Vin。在第一时钟信号clk1有效时，第二开关导通，Va＝gnd，因此输出电压Vout＝-Vin，比例参数n＝-1。

正压选通时：第三开关和第五开关不工作，在第一时钟信号clk1有效时，电容两端压差Vb-Va＝Vin。在第二时钟信号clk2有效时，Va＝Vin，因此输出电压Vout＝2Vin，比例参数n＝2。

在控制正负选通下，可以达到输出不同电压的目的。

各信号的逻辑关系如下表所示：

clk1	1	1	0	0	1	1	0	0
									clk2	0	1	1	0	0	1	1	0
clkn	1	1	1	1	0	0	0	0
									clkp	0	0	0	0	1	1	1	1
Vin	u	u	u	u	u	u	u	u
									Vout	-u	-u	-u	-u	2u	2u	2u	2u

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，包括环形振荡器模块、正负压选择模块以及电压转换器模块；所述的环形振荡器模块输出两路反相的时钟信号至电压转换器模块，还输出选通信号至正负压选择模块；

使得，

当所述选通信号处于正压选通时，所述正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝2；

当所述选通信号处于负压选通时，所述正负压选择模块对电压转换器模块输出比例参数n＝-1；

所述电压转换器模块将输入电压Vin与比例参数n相乘后得到输出电压Vout。

2.根据权利要求1所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述的正负压选择模块包括两个负压选通单元和两个正压选通单元；所述电压转换器模块包括：六个开关和两个电容；

第一电容C1的第一极板对输入电压Vin串接第一开关，对地串接第二开关；

第一电容C1的二极板分出四条支路：第一支路对地串接第三开关和第一负压选通单元；第二支路对输入电压Vin串接第四开关和第一正压选通单元；第三支路对输出电压Vout串接第五开关和第二负压选通单元；第四支路对输出电压Vout串接第六开关和第二正压选通单元；

输出电压Vout还对地串接第二电容C2；

所述的环形振荡器模块输出第一时钟信号clk1、第二时钟信号clk2、负压选通信号clkn和正压选通信号clkp；

所述的第一时钟信号clk1分别接入第二开关、第四开关以及第五开关的使能端；

所述的第二时钟信号clk2分别接入第一开关、第三开关以及第六开关的使能端；

所述的负压选通信号clkn分别接入两个负压选通单元的使能端；

所述的正压选通信号clkp分别接入两个正压选通单元的使能端。

3.根据权利要求2所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2是频率不低于1MHz的非交叠时钟信号。

4.根据权利要求3所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2频率在1MHz～50MHz。

5.根据权利要求2所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2的占空比在48％～52％，但不等于50％。

6.根据权利要求5所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2的占空比为49％或51％。

7.根据权利要求2所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述六个开关内均分别设有自举电路用于提供导通栅压。

8.根据权利要求2所述具有正负选通功能的开关电容电压转换器，其特征在于，所述的第二电容C2为负载稳压电容。