CN113394968B - 电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电荷泵电路，其包括：电荷泵核心电路，用于产生输出电压；振荡器，用于为所述电荷泵核心电路提供时钟信号；反馈电路，用于根据所述输出电压对所述振荡器进行控制，所述反馈电路包括一内部环路。其优点是：内部环路可以通过输出给振荡器的控制信号来动态调整从电荷泵核心电路输出端电压的采样值，进而调整电荷泵核心电路的启动和关闭时间，达到通过内部环路来对电荷泵输出电压纹波进行调整的目的，进而减小了电荷泵输出电压的纹波大小。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电荷泵电路。
背景技术
电荷泵电路被广泛应用于各类电子芯片中，如存储器、显示驱动等各类电子芯片中。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容来储能的变换器。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。由于电荷泵电路实质是开关电源，它的输出电压不可避免的会产生纹波。
现有的电荷泵电路的输出电压的纹波较大，在一些对输出电压要求比较高的场合，已经不能满足要求。
发明内容
基于此，有必要针对上述的电荷泵输出电压的纹波较大的问题，提供一种电荷泵电路，可以减小电荷泵电路输出电压的纹波大小。
为实现上述目的，本发明提供一种电荷泵电路，其特征是，包括：
电荷泵核心电路，用于产生输出电压；
振荡器，用于为所述电荷泵核心电路提供时钟信号；
反馈电路，用于根据所述输出电压对所述振荡器进行控制，所述反馈电路包括一内部环路。
上述的电荷泵电路，其中，所述内部环路包括一电阻模块和一模数转换器，所述电阻模块的第二端连接于所述模数转换器的第一输入端，所述模数转换器的输出端连接于所述电阻模块的第三端。
上述的电荷泵电路，其中，所述电阻模块的第一端连接于所述电荷泵核心电路的输出端，所述电阻模块的第四端连接于接地端，所述模数转换器的第二输入端连接于一参考电压，所述模数转换器的输出端还连接于所述振荡器的控制端。
上述的电荷泵电路，其中，所述电阻模块从其所述第一端到其所述第四端的等效电阻值为R14，所述电阻模块的第三端控制所述R14的大小。
上述的电荷泵电路，其中，所述电阻模块从其所述第一端到其所述第二端的等效电阻值为R12，所述电阻模块的第三端控制所述R12的大小。
上述的电荷泵电路，其中，所述电阻模块从其所述第二端到其所述第四端的等效电阻值为R24，所述电阻模块的第三端控制所述R24的大小。
上述的电荷泵电路，其中，所述电阻模块包括固定电阻和开关，所述电阻模块的第三端连接于所述开关的控制端，所述开关通过闭合或关断来实现所述电阻模块的等效电阻值的调节。
上述的电荷泵电路，其中，所述固定电阻包括R1、R2、R3，所述开关包括NMOS开关或PMOS开关或MOS传输门中的一种；所述R3的一端为所述电阻模块的第一端，所述R3的另一端接R2的一端；所述R2的另一端接R1的一端，并作为所述电阻模块的第二端；所述R1的另一端为所述电阻模块的第四端；所述开关的一端为所述电阻模块的第一端，所述开关的另一端接所述R3的另一端，以实现所述开关与所述R3并联，所述开关的控制端为所述电阻模块的第三端。
上述的电荷泵电路，其中，所述模数转换器包括比较器，所述比较器的第一输入端、第二输入端、输出端分别作为所述模数转换器的第一输入端、第二输入端、输出端。
上述的电荷泵电路，其中，所述参考电压由带隙基准电压源提供。
本发明采用上述技术方案，具体有以下优点：反馈电路中设置内部环路，使得内部环路可以通过输出给振荡器的控制信号来动态调整从电荷泵核心电路输出端电压的采样值，进而调整电荷泵核心电路的启动和关闭时间，达到通过内部环路来对电荷泵输出电压纹波进行调整的目的，进而减小了电荷泵输出电压的纹波大小。
附图说明
图1为本发明的电荷泵电路结构框图；
图2为本发明的实施例中采用模数转换器与电阻模块组成内部环路的电荷泵电路结构示意图；
图3为本发明的实施例中通过电阻模块的第三端控制R14的大小进而达到调整反馈电压的目的时的电阻模块的电路图；
图4为本发明的实施例中通过电阻模块的第三端控制R24的大小进而达到调整反馈电压的目的时的电阻模块的电路图；
图5为本发明的实施例中通过电阻模块的第三端控制R12的大小进而达到调整反馈电压的目的时的电阻模块的电路图；
图6为本发明的实施例中通过电阻模块的第三端控制R12的大小进而达到调整反馈电压的目的时的电荷泵电路的电路图；
图7为本发明在图6所示电路下当电荷泵电路未引入内部环路时的输出电压Vout的输出电压波形图；
图8为本发明在图6所示电路下当电荷泵电路未引入内部环路时的反馈电压V1与基准电压Vref的电压波形关系示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件或方法。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
如图1所示，本发明提供了一种电荷泵电路，其包括：电荷泵核心电路1000，用于产生输出电压Vout，其输出端通常连接一负载4000即被供电装置，所述的电荷泵核心电路1000通常包括至少一个电容及其控制开关；振荡器3000，用于为所述电荷泵核心电路1000提供时钟信号；反馈电路2000，用于根据所述输出电压对所述振荡器3000进行控制，所述反馈电路2000包括一内部环路2010。
如图2所示，在一实施例中，所述反馈电路2000中的内部环路2010可以包括一电阻模块2012和一模数转换器2011，所述电阻模块2012的第二端2连接于所述模数转换器2011的第一输入端a，所述模数转换器2011的输出端c连接于所述电阻模块2012的第三端3，以形成一负反馈环路；需要说明的是，所述电阻模块2012的第二端2输出的可以是一反馈电压，该反馈电压可以包括对电荷泵核心电路1000的输出电压Vout的分压电压或者与输出电压Vout成比例关系的电压但不限于此，所述的电阻模块2012对电荷泵核心电路1000的输出电压进行采样，并同时根据所述模数转换器2011的输出结果来调整其第二端a的反馈电压，以此达到控制振荡器3000的输出时钟信号的目的，从而改变电荷泵核心电路1000输出电压的纹波。值得注意的是，基于上述发明思路，控制振荡器3000输出时钟信号所用的内部环路2010的实现方式有多种，使用模数转换器2011与电阻模块2012所组合构成的内部环路2010仅仅是其中一种实现方式。
所述的电荷泵电路中，所述电阻模块2012的第一端1还连接于所述电荷泵核心电路1000的输出端，所述电阻模块2012的第四端4还连接于接地端，所述模数转换器2011的第二输入端b连接于一参考电压，所述模数转换器2011的输出端c还连接于所述振荡器3000的控制端。所述的参考电压通常为一个固定电压值，本实施例中，所述参考电压的提供源可以包括但不限于带隙基准电压源。
在一个示例中，所述电阻模块2012可以包括固定电阻和开关S1，所述电阻模块2012的第三端3连接于所述开关S1的控制端，所述开关S1通过闭合或关断来实现所述电阻模块2012等效电阻值的调节。所述开关S1可以包括传输晶体管或传输门，例如NMOS开关或PMOS开关或MOS传输门中的一种。
所述的电阻模块2012包括上述的四个端，可以理解的是，通过改变电阻模块2012的等效电阻值就能调整电阻模块2012第二端的反馈电压。例如：
在一个示例中，假设所述电阻模块2012从其所述第一端1到其所述第四端4的等效电阻值为R14，可以通过所述电阻模块2012的第三端3控制所述R14的大小进而达到调整反馈电压的目的，如图3所示，为一个具体实施方式，电阻模块2012包括依次串联的R1,R2,R3,R4，开关S1对应控制电阻R3是否接入，开关S2对应控制电阻R4是否接入，开关S1和开关S2同一时刻工作在不同状态,电阻模块2012的第三端3同时控制开关S1和开关S2进而实现R14等效电阻的调节，此时，反馈电压与输出电压的比值可以在R2/(R2+R3+R4)与(R1+R2)/(R1+R2+R4)之间切换，进而达到调整反馈电压的目的；
在又一示例中，假设所述电阻模块2012从其所述第二端2到其所述第四端4的等效电阻值为R24，可以通过所述电阻模块2012的第三端3控制所述R24的大小进而达到调整反馈电压的目的，如图4所示，为一个具体实施方式，电阻模块2012包括依次串联的R1,R2,R3，开关S1对应控制电阻R1是否接入，电阻模块2012的第三端3控制开关S1进而实现R24等效电阻的调节，此时，反馈电压与输出电压的比值可以在(R1+R2)/(R1+R2+R3)与R2/(R2+R3)之间切换，进而达到调整反馈电压的目的；
在另一个示例中，假设所述电阻模块2012从其所述第一端1到其所述第二端2的等效电阻值为R12，可以通过所述电阻模块2012的第三端3控制所述R12的大小进而达到调整反馈电压的目的，如图5所示，为一个具体实施方式，电阻模块2012包括依次串联的R1,R2,R3，开关S1对应控制电阻R3是否接入，电阻模块2012的第三端3控制开关S1进而实现R12等效电阻的调节，此时，反馈电压与输出电压的比值可以在R1/(R1+R2+R3)与R1/(R1+R2)之间切换，进而达到调整反馈电压的目的。
值得注意的是，所述模数转换器2011的实现方式有多种，例如可以包括但不限于通过比较器来实现，在一些示例中，还可以通过对比较器的数量及级联方式进行相应的设计以进一步提高数据处理量进而提高本发明的工作精度。在一个具体实施例中，所述模数转换器2011包括一个比较器2011a，所述比较器2011a的第一输入端、第二输入端、输出端分别作为所述模数转换器2011的第一输入端、第二输入端、输出端。
接下来，将结合如图6所示的具体电路来进一步说明本发明的工作原理及所能达到的技术效果，本实施例中，所述固定电阻包括R1、R2、R3，图中的端点1、2、3、4分别表示电阻模块2012的第一端、第二端、第三端以及第四端，即，所述R3的一端为所述电阻模块的第一端，所述R3的另一端接R2的一端；所述R2的另一端接R1的一端，并作为所述电阻模块2012的第二端；所述R1的另一端为所述电阻模块2012的第四端；所述开关S1的一端为所述电阻模块2012的第一端，所述开关S1的另一端接所述R3的另一端，以实现所述开关S1与所述R3并联，所述开关S1的控制端Vctr为所述电阻模块2012的第三端3。本实施例中，所述模数转换器2011包括一个比较器2011a，所述比较器2011a的第一输入端a为负端用于输入电阻模块2012第二端2的反馈电压V1，其第二输入端b为正端用于输入参考电压Vref，所述的比较器2011a用于比较正端与负端的输入电压，并输出比较结果。
图7为当电荷泵电路未引入内部环路时的输出电压Vout的输出电压波形图；图8为当电荷泵电路未引入内部环路时的反馈电压V1与基准电压Vref的电压波形关系示意图；现在，结合图7和图8来说明上述电荷泵电路的工作原理：
当Vout从波谷向波峰上升时，将经历两个阶段，其中从t1时刻到t2时刻是谷峰转换阶段，从t2时刻到t3时刻是谷峰转换延迟阶段。从t1时刻到t2时刻，Vctr为高电平1，控制振荡器3000正常工作，振荡器3000输出驱动时钟给电荷泵核心电路1000，同时Vctr控制开关S1闭合，这一阶段V1＝Vout*R1/(R1+R2)，Vout持续上升，直至V1等于Vref，比较器2011a到达临界翻转点；因为比较器2011a具有延迟特性，虽然V1在t2时刻已经等于Vref，但是比较器2011a的输出Vctr不能立即从高电平1变为低电平0，而是继续维持高电平1直至t3时刻。
当Vout从波峰向波谷下降时，将经历两个阶段，其中从t3时刻到t4时刻是峰谷转换阶段，从t4到t5是峰谷转换延迟阶段。从t3时刻到t4时刻，Vctr变为低电平0，同时关闭振荡器3000并断开开关S1，电荷泵核心电路1000停止工作，这一阶段V1＝Vout*R1/(R1+R2+R3)，Vout持续下降，直至V1等于Vref，比较器2011a到达临界翻转点；因为比较器2011a具有延迟特性，虽然V1在t4时刻已经等于Vref，但是比较器2011a的输出Vctr不能立即从低电平0变为高电平1，而是继续维持低电平0直至t5时刻。
此后，电荷泵电路重复t1时刻到t5时刻的工作原理。需要指出的是，从t1时刻到t3时刻的反馈电压与输出电压的比值是R1/(R1+R2)，而从t3时刻到t5时刻的反馈电压与输出电压的比值是R1/(R1+R2+R3),从而使得反馈电压更快的接近Vref电压，进而比较器2011a可以更快的发生翻转，进而振荡器3000可以更快的从休眠状态进入工作状态，进而电荷泵核心电路1000能更快的从停止工作状态恢复正常工作，进而减小了输出电压Vout从波峰到波谷的电压降，进而减小了输出电压Vout的纹波大小。
可以理解的是，上述实施例是通过调节反馈电压V1来实现的，如图8所示，我们也可以基于上述发明思路做一些变换，例如，在另一示例中，采取反馈电压V1不调节，基准电压调节的控制方式来实现，具体的，可以在t3到t4时刻将基准电压抬高到Vref1，Vref1＞Vref，那么，同样也可以达到使反馈电压V1更快的接近基准电压，进而减小输出电压Vout的纹波大小的目的。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括：
电荷泵核心电路，用于产生输出电压；
振荡器，用于为所述电荷泵核心电路提供时钟信号；
反馈电路，用于根据所述输出电压对所述振荡器进行控制，所述反馈电路包括一内部环路，所述内部环路包括一电阻模块和一模数转换器，所述电阻模块的第二端连接于所述模数转换器的第一输入端，所述模数转换器的输出端连接于所述电阻模块的控制端，以形成一负反馈环路，且所述模数转换器的输出端还连接于所述振荡器的控制端；
其中，所述电阻模块从其第一端到其第四端的等效电阻值为R14，且其包括固定电阻和开关，所述固定电阻包括依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述开关包括开关S1及开关S2，所述开关S1对应控制所述电阻R3是否接入，所述开关S2对应控制所述电阻R4是否接入，所述开关S1和所述开关S2在相同时刻的工作状态不同；所述电阻模块的第三端为所述电阻模块的控制端且连接于所述开关的控制端，用于控制所述开关S1和所述开关S2以调节所述R14的大小。
2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电阻模块的第一端连接于所述电荷泵核心电路的输出端，所述电阻模块的第四端连接于接地端，所述模数转换器的第二输入端连接于一参考电压。
3.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电阻模块的第二端输出的反馈电压包括所述电荷泵核心电路的输出电压的分压电压，或者与所述输出电压成比例关系的电压。
4.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述反馈电压与所述电荷泵核心电路的输出电压的比值在R2/（R2+R3+R4）与（R1+R2）/（R1+R2+R4）之间切换，以调整所述反馈电压。
5.根据权利要求1-3任一项所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵核心电路至少包括一个电容及其控制开关。
6.根据权利要求1-3任一项所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵核心电路的输出端与负载连接。
7.根据权利要求1-3任一项所述的电荷泵电路，其特征在于，所述开关包括NMOS开关或PMOS开关或MOS传输门中的一种。
8.根据权利要求1-3任一项所述的电荷泵电路，其特征在于，所述模数转换器包括比较器，所述比较器的第一输入端、第二输入端、输出端分别作为所述模数转换器的第一输入端、第二输入端、输出端。
9.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述参考电压为一个固定电压值。
10.根据权利要求9所述的电荷泵电路，其特征在于，所述参考电压由带隙基准电压源提供。
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