CN113394971B - 一种电荷泵升压控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电荷泵升压控制电路，包括电压产生电路、第一误差放大器、第一电阻、第二电阻和电荷泵升压电路；电压产生电路与第一误差放大器的反相输入端连接；第一误差放大器的同相输入端分别与第一电阻的第二端和第二电阻的第一端连接；第一误差放大器的输出端与电荷泵升压电路连接；第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接；第一电阻的第一端与电荷泵升压电路连接；第二电阻的第二端接地；电压产生电路用于产生补偿电压；电荷泵升压电路用于根据补偿电压、第一电阻的阻值和第二电阻的阻值产生升压范围内的任一输出电压。

Description

一种电荷泵升压控制电路

技术领域

本发明涉及电荷泵控制技术领域，特别是涉及一种电荷泵升压控制电路。

背景技术

传统电荷泵升压电路如图1所示，传统电荷泵升压电路控制信号如图2所示。参见图1和图2，在相位Φ1：开关管SW1(P型金氧半场效晶体管，即PMOS管)、开关管SW2(N型金氧半场效晶体管，即NMOS管)导通，开关管SW3(P型金氧半场效晶体管，即PMOS管)、开关管SW4(P型金氧半场效晶体管，即PMOS管)断开，电容CF两端充电至Vin。在相位Φ2：开关管SW3、开关管SW4导通，开关管SW1、开关管SW2断开，CN充电至Vin，根据电荷守恒，CP充电至2Vin，也就是Vo＝2Vin(电容CL>电容CF)。其中，Vin指电池电压，电池电压一般范围是2.8V<Vin<4.6V，Vo指输出电压，输出电压可达到5.6V<Vo<9.2V，图1所示传统电荷泵升压电路结构仅能实现Vo输出与Vin固定2倍比例关系，无法实现电荷泵升压电路产生Vin～2Vin范围内的任一输出电压Vo。其中，Vin～2Vin为图1所示传统电荷泵升压电路所能够实现的升压范围。此外，传统电荷泵升压电路结构Vo输出会随着Vin的变化而变化，变化范围比较大，存在输出电压Vo不稳定的情况，容易导致负载电路工作不稳定以及超出负载电路器件耐压，进而烧坏芯片。

发明内容

本发明的目的是提供一种电荷泵升压控制电路，能够实现电荷泵升压电路产生升压范围内的任一输出电压。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电荷泵升压控制电路，所述电路包括电压产生电路、第一误差放大器、第一电阻、第二电阻和电荷泵升压电路；

所述电压产生电路与所述第一误差放大器的反相输入端连接；所述第一误差放大器的同相输入端分别与所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接；所述第一误差放大器的输出端与所述电荷泵升压电路连接；所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；所述第一电阻的第一端与所述电荷泵升压电路连接；所述第二电阻的第二端接地；

所述电压产生电路用于产生补偿电压；

所述电荷泵升压电路用于根据所述补偿电压、所述第一电阻的阻值和所述第二电阻的阻值产生输出电压；所述输出电压在升压范围内，所述升压范围的最小值为所述电荷泵升压电路的电池电压，所述升压范围的最大值为2倍的所述电荷泵升压电路的电池电压。

可选地，所述电压产生电路包括第一电池、基准电压源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二误差放大器、第三误差放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

第一电池分别连接所述第四开关管的源极、所述第三开关管的源极、所述第二开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；

所述第四开关管的源极分别连接所述第三开关管的源极、所述第二开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；所述第三开关管的源极分别连接所述第二开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；所述第二开关管的源极分别连接所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；所述第一开关管的源极连接所述第六电阻的第一端；

所述第四开关管的栅极分别连接所述第八开关管的漏极、所述第四开关管的漏极和所述第三开关管的栅极；所述第三开关管的栅极分别连接所述第四开关管的漏极和所述第八开关管的漏极；所述第二开关管的栅极分别连接所述第五开关管的漏极、所述第一开关管的漏极和所述第一开关管的栅极；所述第一开关管的栅极分别连接所述第五开关管的漏极和所述第一开关管的漏极；

所述第四开关管的漏极连接所述第八开关管的漏极；所述第三开关管的漏极分别连接所述第七开关管的漏极、所述第一误差放大器的反相输入端和所述第四电阻的第一端；所述第二开关管的漏极分别连接所述第六开关管的漏极、所述第六开关管的栅极和所述第七开关管的栅极；所述第一开关管的漏极连接所述第五开关管的漏极；

所述第七开关管的漏极分别连接所述第一误差放大器的反相输入端和所述第四电阻的第一端；所述第六开关管的漏极分别连接所述第六开关管的栅极和所述第七开关管的栅极；

所述第八开关管的栅极连接所述第三误差放大器的输出端；所述第七开关管的栅极连接所述第六开关管的栅极；所述第五开关管的栅极连接所述第二误差放大器的输出端；

所述第八开关管的源极分别连接所述第三误差放大器的反相输入端和所述第五电阻的第一端；所述第七开关管的源极接地；所述第六开关管的源极接地；所述第五开关管的源极分别连接所述第二误差放大器的反相输入端和所述第三电阻的第一端；

所述第二误差放大器的反相输入端连接所述第三电阻的第一端；所述第二误差放大器的同相输入端分别连接所述第六电阻的第二端和所述第七电阻的第一端；所述第六电阻的第二端连接所述第七电阻的第一端；所述第七电阻的第二端接地；所述第三电阻的第二端接地；所述第四电阻的第二端接地；所述第五电阻的第二端接地；所述第五电阻的第一端连接所述第三误差放大器的反相输入端；所述第三误差放大器的同相输入端连接所述基准电压源；所述第四电阻的第一端连接所述第一误差放大器的反相输入端。

可选地，所述第一电池提供的电压值等于所述电池电压。

可选地，所述电荷泵升压电路包括第二电池、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第一电容和第二电容；所述第二电池用于提供所述电荷泵升压电路的电池电压；

所述第二电池连接第九开关管的漏极和所述第十一开关管的漏极；第九开关管的源极连接所述第一电容的第一端和所述第十二开关管的漏极；所述第十二开关管的源极连接所述第二电容的第一端；所述第二电容的第二端接地；所述第十一开关管的源极连接所述第一电阻的第一端、所述第一电容的第二端和所述第十开关管的漏极；所述第十开关管的源极接地；所述第一电容的第二端连接所述第十开关管的漏极和所述第一电阻的第一端；所述第一电阻的第一端连接所述第十开关管的漏极。

可选地，所述补偿电压的计算公式为：

其中，Vr表示补偿电压，VBG表示基准电压源提供的基准电压，R5表示第五电阻的阻值，R6表示第六电阻的阻值，R7表示第七电阻的阻值，R3表示第三电阻的阻值，R4表示第四电阻的阻值，Vin1表示第一电池提供的电压值。

可选地，所述输出电压的计算公式为：

其中，Vo表示输出电压，Vin表示电池电压的电压值，R1表示第一电阻的阻值，R2表示第二电阻的阻值。

可选地，所述基准电压的计算公式为：

可选地，所述第八开关管、所述第七开关管、所述第六开关管和所述第五开关管均为NMOS管；所述第四开关管、所述第三开关管、所述第二开关管和所述第一开关管均为PMOS管。

可选地，所述第九开关管、所述第十一开关管和所述第十二开关管均为PMOS管；所述第十开关管为NMOS管。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的电荷泵升压控制电路，设置电压产生电路产生补偿电压；利用补偿电压、第一电阻的阻值和第二电阻的阻值使电荷泵升压电路产生升压范围内的任一输出电压，同时利用补偿电压抵消电荷泵升压电路的电池电压的变化，能够实现输出电压不随电池电压变化而变化，使输出电压稳定，避免负载电路工作不稳定以及超出负载电路器件耐压，进而烧坏芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统电荷泵升压电路示意图；

图2为传统电荷泵升压电路控制信号示意图；

图3为本发明电荷泵升压控制电路实施例的结构图；

图4为本发明电荷泵升压控制电路实施例的控制信号示意图。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种电荷泵升压控制电路，能够实现电荷泵升压电路产生升压范围内的任一输出电压。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图3为本发明电荷泵升压控制电路实施例的结构图。参见图3，该电荷泵升压控制电路包括电压产生电路、第一误差放大器EA、第一电阻R1、第二电阻R2和电荷泵升压电路。

电压产生电路与第一误差放大器EA的反相输入端连接；第一误差放大器EA的同相输入端分别与第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第一端连接；第一误差放大器EA的输出端与电荷泵升压电路连接；第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端连接；第一电阻R1的第一端与电荷泵升压电路连接；第二电阻R2的第二端接地。

电压产生电路用于产生补偿电压Vr。

电荷泵升压电路用于根据补偿电压Vr、第一电阻的阻值R1和第二电阻的阻值R2产生输出电压Vo；输出电压Vo在升压范围内，升压范围的最小值为电荷泵升压电路的电池电压Vin，升压范围的最大值为2倍的电荷泵升压电路的电池电压Vin。

其中，电压产生电路包括第一电池(图中未示出)、基准电压源、第一开关管P1、第二开关管P2、第三开关管P3、第四开关管P4、第五开关管N1、第六开关管N2、第七开关管N3、第八开关管N4、第二误差放大器EA1、第三误差放大器EA2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7。第八开关管N4、第七开关管N3、第六开关管N2和第五开关管N1均为NMOS管；第四开关管P4、第三开关管P3、第二开关管P2和第一开关管P1均为PMOS管。

第一电池分别连接第四开关管P4的源极、第三开关管P3的源极、第二开关管P2的源极、第一开关管P1的源极和第六电阻R6的第一端。第一电池提供的电压值Vin1等于电池电压Vin。

第四开关管P4的源极分别连接第三开关管P3的源极、第二开关管P2的源极、第一开关管P1的源极和第六电阻R6的第一端；第三开关管P3的源极分别连接第二开关管P2的源极、第一开关管P1的源极和第六电阻R6的第一端；第二开关管P2的源极分别连接第一开关管P1的源极和第六电阻R6的第一端；第一开关管P1的源极连接第六电阻R6的第一端。

第四开关管P4的栅极分别连接第八开关管N4的漏极、第四开关管P4的漏极和第三开关管P3的栅极；第三开关管P3的栅极分别连接第四开关管P4的漏极和第八开关管N4的漏极；第二开关管P2的栅极分别连接第五开关管N1的漏极、第一开关管P1的漏极和第一开关管P1的栅极；第一开关管P1的栅极分别连接第五开关管N1的漏极和第一开关管P1的漏极。

第四开关管P4的漏极连接第八开关管N4的漏极；第三开关管P3的漏极分别连接第七开关管N3的漏极、第一误差放大器EA的反相输入端和第四电阻R4的第一端；第二开关管P2的漏极分别连接第六开关管N2的漏极、第六开关管N2的栅极和第七开关管N3的栅极；第一开关管P1的漏极连接第五开关管N1的漏极。

第七开关管N3的漏极分别连接第一误差放大器EA的反相输入端和第四电阻R4的第一端；第六开关管N2的漏极分别连接第六开关管N2的栅极和第七开关管N3的栅极。

第八开关管N4的栅极连接第三误差放大器EA2的输出端；第七开关管N3的栅极连接第六开关管N2的栅极；第五开关管N1的栅极连接第二误差放大器EA1的输出端。

第八开关管N4的源极分别连接第三误差放大器EA2的反相输入端和第五电阻R5的第一端；第七开关管N3的源极接地；第六开关管N2的源极接地；第五开关管N1的源极分别连接第二误差放大器EA1的反相输入端和第三电阻R3的第一端。

第二误差放大器EA1的反相输入端连接第三电阻R3的第一端；第二误差放大器EA1的同相输入端分别连接第六电阻R6的第二端和第七电阻R7的第一端；第六电阻R6的第二端连接第七电阻R7的第一端；第七电阻R7的第二端接地；第三电阻R3的第二端接地；第四电阻R4的第二端接地；第五电阻R5的第二端接地；第五电阻R5的第一端连接第三误差放大器EA2的反相输入端；第三误差放大器EA2的同相输入端连接基准电压源；第四电阻R4的第一端连接第一误差放大器EA的反相输入端。

电荷泵升压电路包括第二电池(图中未示出)、第九开关管SW1、第十开关管SW2、第十一开关管SW3、第十二开关管SW4、第一电容CF和第二电容CL；第二电池用于提供电荷泵升压电路的电池电压Vin。第九开关管SW1、第十一开关管SW3和第十二开关管SW4均为PMOS管；第十开关管SW2为NMOS管。

第二电池连接第九开关管SW1的漏极和第十一开关管SW3的漏极；第九开关管SW1的源极连接第一电容CF的第一端和第十二开关管SW4的漏极；第十二开关管SW4的源极连接第二电容CL的第一端；第二电容CL的第二端接地；第十一开关管SW3的源极连接第一电阻R1的第一端、第一电容CF的第二端和第十开关管SW2的漏极；第十开关管SW2的源极接地；第一电容CF的第二端连接第十开关管SW2的漏极和第一电阻R1的第一端；第一电阻R1的第一端连接第十开关管SW2的漏极。

电荷泵升压控制电路中，补偿电压Vr的计算公式为：

其中，Vr表示补偿电压，VBG表示基准电压源提供的基准电压，R5表示第五电阻的阻值，R6表示第六电阻的阻值，R7表示第七电阻的阻值，R3表示第三电阻的阻值，R4表示第四电阻的阻值，Vin1表示第一电池提供的电压值，Vin1＝Vin。

输出电压Vo的计算公式为：

其中，Vo表示输出电压，Vin表示电池电压的电压值，R1表示第一电阻的阻值，R2表示第二电阻的阻值。

基准电压VBG的计算公式为：

基准电压VBG主要是为了让电压产生电路知道要产生多大的补偿电压Vr，即根据基准电压VBG去确定补偿电压Vr，先确定需要电荷泵升压电路输出多大的电压，即先确定输出电压Vo的值，然后再去确定基准电压VBG和电阻的比值。

上述计算公式均基于电荷泵升压控制电路的工作原理得到，电荷泵升压控制电路的工作原理如下：

参见图3和图4，在相位Φ1：S1为低电平，S2为高电平时，第九开关管SW1开启，第十开关管SW2开启，S3为高电平，S4为高电平时，第十一开关管SW3断开，第十二开关管SW4断开，第一电容CF两端电压充电到Vin；在相位Φ2：S1为高电平，S2为低电平时，第九开关管SW1关断，第十开关管SW2关断，S4为低电平时，第十二开关管SW4开启，第十一开关管SW3栅压S3通过环路锁定为Vc，第十一开关管SW3，第一电阻R1，第二电阻R2以及第一误差放大器EA把CN电压锁定在

值，

n4电压为Vr，Vr内含有随Vin变化而变化的负系数，两者相加可以抵消Vin变化带来的影响，CN电压为

在相位Φ1：第一电容CF充电到Vin，在相位Φ2：第一电容CF电荷转移到第二电容CL，时钟不停切换，最终使得输出电压为Vo。

基准电压VBG通过第三误差放大器EA2和第八开关管N4，把n1点电压锁定在VBG，

I2通过第三开关管P3和第四开关管P4电流镜复制，I2＝I1。Vin通过第六电阻R6，第七电阻R7分压得到n3电压

n3电压通过第二误差放大器EA1以及第五开关管N1把n2点电压锁定在

I4通过第一开关管P1和第二开关管P2电流镜复制，得到I4＝I3，I5通过第六开关管N2和第七开关管N3电流镜复制，得到I5＝I4＝I3，Vr＝(I2-I5)R4，把

和

代入Vr＝(I2-I5)R4得到

再将

代入

得到

让

得到

通过设置R3与R5的比值以及R6、R7阻值实现不同电压输出Vo。

本发明电荷泵升压控制电路设置电压产生电路产生补偿电压Vr；利用补偿电压Vr、第一电阻的阻值R1和第二电阻的阻值R2使电荷泵升压电路产生升压范围(Vin～2Vin)内的任一输出电压Vo，即Vin≤Vo≤2Vin，相比于传统电荷泵升压电路的输出电压Vo只能是2Vin，即Vo＝2Vin，扩大了应用范围；同时利用补偿电压Vr抵消电荷泵升压电路的电池电压Vin的变化，能够实现输出电压Vo不随输入电池电压Vin变化而变化，使输出电压Vo稳定，从而改善传统电荷泵升压电路输出电压不稳定的情况，避免负载电路工作不稳定以及超出负载电路器件耐压，进而烧坏芯片。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述电路包括电压产生电路、第一误差放大器、第一电阻、第二电阻和电荷泵升压电路；

所述电压产生电路与所述第一误差放大器的反相输入端连接；所述第一误差放大器的同相输入端分别与所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接；所述第一误差放大器的输出端与所述电荷泵升压电路连接；所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；所述第一电阻的第一端与所述电荷泵升压电路连接；所述第二电阻的第二端接地；

所述电压产生电路用于产生补偿电压；

所述电荷泵升压电路用于根据所述补偿电压、所述第一电阻的阻值和所述第二电阻的阻值产生输出电压；所述输出电压在升压范围内，所述升压范围的最小值为所述电荷泵升压电路的电池电压，所述升压范围的最大值为2倍的所述电荷泵升压电路的电池电压；

所述电压产生电路包括第一电池、基准电压源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二误差放大器、第三误差放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

第一电池分别连接所述第四开关管的源极、所述第三开关管的源极、所述第二开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；

所述第四开关管的源极分别连接所述第三开关管的源极、所述第二开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；所述第三开关管的源极分别连接所述第二开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；所述第二开关管的源极分别连接所述第一开关管的源极和所述第六电阻的第一端；所述第一开关管的源极连接所述第六电阻的第一端；

所述第四开关管的栅极分别连接所述第八开关管的漏极、所述第四开关管的漏极和所述第三开关管的栅极；所述第三开关管的栅极分别连接所述第四开关管的漏极和所述第八开关管的漏极；所述第二开关管的栅极分别连接所述第五开关管的漏极、所述第一开关管的漏极和所述第一开关管的栅极；所述第一开关管的栅极分别连接所述第五开关管的漏极和所述第一开关管的漏极；

所述第四开关管的漏极连接所述第八开关管的漏极；所述第三开关管的漏极分别连接所述第七开关管的漏极、所述第一误差放大器的反相输入端和所述第四电阻的第一端；所述第二开关管的漏极分别连接所述第六开关管的漏极、所述第六开关管的栅极和所述第七开关管的栅极；所述第一开关管的漏极连接所述第五开关管的漏极；

所述第七开关管的漏极分别连接所述第一误差放大器的反相输入端和所述第四电阻的第一端；所述第六开关管的漏极分别连接所述第六开关管的栅极和所述第七开关管的栅极；

所述第八开关管的栅极连接所述第三误差放大器的输出端；所述第七开关管的栅极连接所述第六开关管的栅极；所述第五开关管的栅极连接所述第二误差放大器的输出端；

所述第八开关管的源极分别连接所述第三误差放大器的反相输入端和所述第五电阻的第一端；所述第七开关管的源极接地；所述第六开关管的源极接地；所述第五开关管的源极分别连接所述第二误差放大器的反相输入端和所述第三电阻的第一端；

所述第二误差放大器的反相输入端连接所述第三电阻的第一端；所述第二误差放大器的同相输入端分别连接所述第六电阻的第二端和所述第七电阻的第一端；所述第六电阻的第二端连接所述第七电阻的第一端；所述第七电阻的第二端接地；所述第三电阻的第二端接地；所述第四电阻的第二端接地；所述第五电阻的第二端接地；所述第五电阻的第一端连接所述第三误差放大器的反相输入端；所述第三误差放大器的同相输入端连接所述基准电压源；所述第四电阻的第一端连接所述第一误差放大器的反相输入端。

2.根据权利要求1所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述第一电池提供的电压值等于所述电池电压。

3.根据权利要求1所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述电荷泵升压电路包括第二电池、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第一电容和第二电容；所述第二电池用于提供所述电荷泵升压电路的电池电压；

所述第二电池连接第九开关管的漏极和所述第十一开关管的漏极；第九开关管的源极连接所述第一电容的第一端和所述第十二开关管的漏极；所述第十二开关管的源极连接所述第二电容的第一端；所述第二电容的第二端接地；所述第十一开关管的源极连接所述第一电阻的第一端、所述第一电容的第二端和所述第十开关管的漏极；所述第十开关管的源极接地；所述第一电容的第二端连接所述第十开关管的漏极和所述第一电阻的第一端；所述第一电阻的第一端连接所述第十开关管的漏极。

4.根据权利要求2所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述补偿电压的计算公式为：

其中，Vr表示补偿电压，VBG表示基准电压源提供的基准电压，R5表示第五电阻的阻值，R6表示第六电阻的阻值，R7表示第七电阻的阻值，R3表示第三电阻的阻值，R4表示第四电阻的阻值，Vin1表示第一电池提供的电压值。

5.根据权利要求4所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述输出电压的计算公式为：

其中，Vo表示输出电压，Vin表示电池电压的电压值，R1表示第一电阻的阻值，R2表示第二电阻的阻值。

6.根据权利要求5所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述基准电压的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述第八开关管、所述第七开关管、所述第六开关管和所述第五开关管均为NMOS管；所述第四开关管、所述第三开关管、所述第二开关管和所述第一开关管均为PMOS管。

8.根据权利要求3所述的电荷泵升压控制电路，其特征在于，所述第九开关管、所述第十一开关管和所述第十二开关管均为PMOS管；所述第十开关管为NMOS管。

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