CN116155086A - 负压电荷泵电路、芯片和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压电荷泵电路、芯片和电子设备，所述负压电荷泵电路包括电荷再分配模块，包括飞跨电容器、第一和第二充电开关以及第一和第二放电开关，所述电荷再分配模块用于通过所述充电开关和放电开关使用电荷泵操作以对所述飞跨电容器的电荷进行再分配，以得到负压的输出电压；以及驱动电路，用于控制所述充电开关和放电开关的打开和关闭，以实现所述电荷泵操作，其中，所述驱动电路配置为在所述电荷泵操作中按照非对称驱动方式控制所述充电开关和放电开关，从而使得驱动电路中各元件的耐压值均不小于电源电压即可。

Description

负压电荷泵电路、芯片和电子设备

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种负压电荷泵电路、芯片和电子设备。

背景技术

电荷泵又称为开关负载电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”负载电容来储能的变换器。可以使得输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压，广泛应用于电源、存储器以及射频芯片中，其中，产生负电压的电荷泵又称为负压电荷泵。

图1示出了现有技术的负压电荷泵电路的结构示意图。负压电荷泵电路包括电荷再分配模块和驱动电路，电荷再分配模块包括作为充电开关元件的充电开关M1、充电开关M3，作为放电开关元件的放电开关M2、放电开关M4，以及飞跨电容器Cfly和输出电容器Cout，用于通过充电开关M1、充电开关M3和放电开关M2、放电开关M4使用电荷泵操作以对飞跨电容器Cfly的电荷进行再分配，以得到负压的输出电压VOUT。驱动电路包括驱动器110-140，用于控制充电开关M1、M3以及放电开关M2、M4的开启和关闭。负压电荷泵电路的充电开关侧和放电开关侧均通过控制信号来对称驱动，充电开关侧根据控制信号CTRL1、控制信号CTRL3控制充电开关M1、充电开关M3，放电开关侧根据控制信号CTRL2、控制信号CTRL4控制放电开关M2、放电开关M4。

图2示出了现有技术的负压电荷泵电路控制各开关的驱动信号的时序图，如图2所示，电荷泵操作包括充电阶段T1和放电阶段T2，在充电阶段T1，控制充电开关M3的驱动信号SW3为电源电压VDD，在放电阶段T2，控制充电开关M3的驱动信号SW3为输出电压VOUT(-VDD)，因此，驱动器130的供电电压的电压差为2VDD，使得驱动器130中各元件的耐压值需要不小于2VDD，例如电源电压为5V，则在电路设计中，驱动器130中各元件的耐压值都需要设置为不小于10V才能满足电路要求，对驱动器130中各元件的耐压值要求较高。

因此，有待提出一种新的负压电荷泵电路以解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种负压电荷泵电路、芯片和电子设备，从而使得驱动电路中各元件的耐压值均不小于电源电压即可。

根据本发明的一方面，提供一种负压电荷泵电路，包括电荷再分配模块，包括飞跨电容器、第一和第二充电开关以及第一和第二放电开关，所述电荷再分配模块用于通过所述充电开关和放电开关使用电荷泵操作以对所述飞跨电容器的电荷进行再分配，以得到负压的输出电压；以及驱动电路，用于控制所述充电开关和放电开关的打开和关闭，以实现所述电荷泵操作，其中，所述驱动电路配置为在所述电荷泵操作中按照非对称驱动方式控制所述充电开关和放电开关。

可选地，所述非对称驱动方式为：在所述充电开关侧，所述驱动电路根据第一控制信号控制所述第一充电开关，以及根据所述飞跨电容器的两端电压以及参考地控制所述第二充电开关；在所述放电开关侧，所述驱动电路根据第二控制信号控制所述第一放电开关，以及根据第三控制信号控制所述第二放电开关。

可选地，所述电荷再分配模块还包括输出电容器，且所述第一充电开关和所述第一放电开关依次串联于电源电压和地之间；所述第二充电开关和所述第二放电开关依次串联于地和输出电压之间；所述飞跨电容器连接于所述第一充电开关和所述第一放电开关之间的第一节点与所述第二充电开关和所述第二放电开关之间的第二节点之间；所述输出电容器连接于所述输出电压和地之间。

可选地，所述驱动电路包括第一至第四驱动器，所述第一驱动器，输入端接收第一控制信号，输出端接所述第一充电开关的控制端，供电电压为所述电源电压和参考地电压，用于根据其供电电压以及所述第一控制信号输出第一驱动信号以控制所述第一充电开关的打开和关闭；所述第二驱动器，输入端接收第二控制信号，输出端接所述第一放电开关的控制端，供电电压为所述电源电压和参考地电压，用于根据其供电电压以及所述第二控制信号输出第二驱动信号以控制所述第一放电开关的打开和关闭；所述第三驱动器，输入端接地，输出端接所述第二充电开关的控制端，供电端分别接所述第一节点和所述第二节点，用于根据所述第一节点的电压、所述第二节点的电压以及参考地电压输出第三驱动信号以控制所述第二充电开关的打开和关闭；所述第四驱动器，输入端接收所述第三控制信号，输出端接所述第二放电开关的控制端，供电电压为所述电源电压和所述输出电压，用于根据其供电电压以及所述第三控制信号输出第四驱动信号以控制所述第二放电开关的打开和关闭。

可选地，所述电荷泵操作包括充电阶段和放电阶段，在所述充电阶段，所述第一节点的电压为电源电压，且所述第二节点的电压为参考地电压；以及在所述放电阶段，所述第一节点的电压为参考地电压，且所述第二节点的电压为所述输出电压。

可选地，在所述充电阶段结束之后，所述放电阶段开始之前存在第一死区时间，在所述放电阶段结束之后，充电阶段开始之前存在第二死区时间，在所述第一死区时间和所述第二死区时间，所述第一充电开关、所述第一放电开关和所述第二放电开关均关闭。

可选地，所述第一至第四驱动器均为反相器。

根据本发明的第二方面，提供一种芯片，包括上述所述的负压电荷泵电路。

根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，包括上述所述的负压电荷泵电路或者上述所述的芯片。

本发明提供的负压电荷泵电路，通过将驱动第二充电开关的第三驱动器的供电电压设置为电压可以随负压电荷泵电路的充电阶段以及放电阶段变化的飞跨电容器的两端电压，输入电压设置为参考地电压，无需外部控制信号即可驱动第二充电开关，且第三驱动器的供电电压的电压差始终等于电源电压，从而在满足负压电荷泵电路正常工作需求的同时，降低了对第三驱动器中各元件的耐压值要求，使得驱动电路中各元件的耐压值均不小于电源电压即可。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了现有技术的负压电荷泵电路的结构示意图；

图2示出了现有技术的负压电荷泵电路控制各开关的驱动信号的时序图；

图3示出了根据本发明实施例的负压电荷泵电路的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的第三驱动器的供电电压以及驱动信号的时序图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二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者操作区分开来，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”或者其任何其它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。

在本申请中，MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应开关管)包括第一端、第二端和控制端，在MOS管的打开状态，电流从第一端流至第二端。PMOS管的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，NMOS管的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

图3示出了根据本发明实施例的负压电荷泵电路的结构示意图。

负压电荷泵电路包括电荷再分配模块以及驱动电路，其中，电荷再分配模块包括包括作为充电开关元件的充电开关M1、充电开关M3，作为放电开关元件的放电开关M2、放电开关M4，以及飞跨电容器Cfly，用于通过充电开关M1、充电开关M3和放电开关M2、放电开关M4使用电荷泵操作以对飞跨电容器Cfly的电荷进行再分配，以得到负压的输出电压VOUT。

相对于现有技术的充电开关侧和放电开关侧均通过控制信号来对称驱动的方式，本发明的驱动电路采用了一种非对称驱动方式控制充电开关M1、充电开关M3和放电开关M2、放电开关M4的打开和关闭，具体为在充电开关侧，驱动电路根据第一控制信号CTRL1控制充电开关M1，以及根据飞跨电容器Cfly的两端电压以及参考地控制充电开关M3；在放电开关侧，驱动电路根据第二控制信号CTRL2控制放电开关M2，以及根据控制信号CTRL3控制放电开关M4。

电荷再分配模块还包括输出电容器Cout，且充电开关M1、放电开关M2依次串联于电源电压VDD与地GND之间，充电开关M3、放电开关M4依次串联于地GND与输出电压VOUT之间，飞跨电容器Cfly连接于充电开关M1、放电开关M2的公共节点CP与充电开关M3、放电开关M4的公共节点CN之间，输出电容器Cout连接于输出电压VOUT与地GND之间。其中，充电开关M1为PMOS管，充电开关M3、放电开关M2、放电开关M4均为NMOS管。

驱动电路包括驱动器210-240，驱动器210-240均为反相器，其中，驱动器210的供电电压为VDD-GND，输入端接收控制信号CTRL1，输出端接充电开关M1的控制端，用于根据其供电电压以及控制信号CTRL1输出驱动信号SW1以控制充电开关M1的打开和关闭；驱动器220的供电电压为VDD-GND，输入端接收控制信号CTRL2，输出端接放电开关M2的控制端，用于根据其供电电压以及控制信号CTRL2输出驱动信号SW2以控制放电开关M2的打开和关闭；驱动器230的输入端接地，输出端接充电开关M3的控制端，供电端分别接节点CP和节点NP，用于根据节点电压VP、节点电压VN以及参考地电压输出驱动信号SW3以控制充电开关M3的打开和关闭，无需外部控制信号即可驱动充电开关M3，其中，VP为节点CP的电压，VN为节点CN的电压；驱动器240的供电电压为GND-VOUT(-VDD)，输入端接收控制信号CTRL3，输出端接放电开关M4的控制端，用于根据其供电电压以及控制信号CTRL3输出驱动信号SW4以控制放电开关M4的打开和关闭。

反相器230例如由PMOS管和NMOS管串联而成，则反相器230的供电端分别接PMOS管的第一端和NMOS管的第二端，其中，接PMOS管的第一端的供电端接节点CP，接NMOS管的第二端的供电端接节点CN。

负压电荷泵电路的电荷泵操作包括充电阶段和放电阶段，作为充电开关元件的充电开关M1、充电开关M3和作为放电开关元件的放电开关M2、放电开关M4通过驱动信号SW1-SW4非交叠打开，在充电阶段，充电开关M1、充电开关M3打开，同时放电开关M2、放电开关M4关闭，使得电源电压VDD对飞跨电容器Cfly充电，此时，节点电压VP为VDD，节点电压VN为GND；在放电阶段，放电开关M2、放电开关M4打开，同时充电开关M1、充电开关M3关闭，存储在飞跨电容器Cfly的电荷在飞跨电容器Cfly和输出电容器Cout上完成电荷再分配，以得到负压的输出电压VOUT，此时节点电压VP为GND，节点电压VN为输出电压VOUT(-VDD)。

进一步地，在充电阶段结束之后，放电阶段开始之前存在第一死区时间，在第一死区时间，控制信号CTRL1、控制信号CTRL2和控制信号CTRL3通过驱动电路控制充电开关M1、放电开关M2、放电开关M4均关闭，此时，节点电压VP保持VDD，节点电压VN保持GND；在放电阶段结束之后，充电阶段开始之前存在第二死区时间，在第二死区时间，控制信号CTRL1、控制信号CTRL2和控制信号CTRL3通过驱动电路控制充电开关M1、放电开关M2、放电开关M4均关闭，此时，节点电压VP保持GND，节点电压VN保持-VDD。

图4示出了根据本发明实施例的第三驱动器的供电电压以及驱动信号的时序图，结合上述分析以及图4所示，在充电阶段以及第一死区时间节点电压VP为VDD，节点电压VN为GND，在放电阶段以及第二死区时间节点电压VP为GND，节点电压VN为VOUT(-VDD)，因此，节点电压VP与节点电压VN之间的电压差始终为VDD。

将节点电压VP与节点电压VN作为驱动器230的供电电压，并将驱动器230的输入端接地GND，则在充电阶段，节点电压VP为VDD，节点电压VN为GND，驱动器230的供电电压为VDD-GND，输入电压为GND，根据反相器的原理可知输出的驱动信号SW3为VDD，驱动信号SW3控制充电开关M3打开；在放电阶段，节点电压VP为GND，节点电压VN为VOUT(-VDD)，驱动器230的供电电压为GND-VOUT，输入电压为GND，根据反相器的原理可知输出的驱动信号SW3为VOUT(-VDD)，驱动信号SW3控制充电开关M3关闭，保证了驱动器230输出的驱动信号SW3与现有技术中驱动器130输出的驱动信号SW3的时序一致，可以满足负电荷泵电路的正常工作需求，且因为驱动器230的供电电压的电压差始终为VDD，使得驱动器230内的各元件的耐压值仅需等于电源电压VDD即可，例如，电源电压VDD为5V，则驱动器230内各元件的耐压值设计为不小于5V即可，降低了电路对驱动器230内各元件耐压值的要求。

相应的，本发明实施例还提供了一种芯片，所述芯片可以是诸如存储芯片、射频芯片等的集成电路芯片，其中，该芯片包括上述实施例中的负压电荷泵电路，该负压电荷泵电路中控制开关元件的打开和关闭的驱动电路中各元件的耐压值仅需等于电源电压即可。

相应的，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备例如为无线耳机、耳机音频放大器等便携式电子设备，其中，该电子设备包括上述所述的负压电荷泵电路或者包括包含上述所述负压电荷泵电路的芯片。

根据本发明实施例提供的负压电荷泵电路，通过将控制充电开关M3的打开和关闭的驱动器230的供电电压设置为电压可以随负压电荷泵电路的充电阶段以及放电阶段变化的飞跨电容器Cfly的两端电压，输入电压设置为参考地电压GND，无需外部控制信号即可驱动充电开关M3，且驱动器230的供电电压的电压差始终等于电源电压VDD，从而在满足负压电荷泵电路正常工作需求的同时，降低了对驱动器230内各元件的耐压值要求，使得驱动电路中各元件的耐压值均为不小于电源电压VDD即可。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种负压电荷泵电路，包括：

电荷再分配模块，包括飞跨电容器、第一和第二充电开关以及第一和第二放电开关，所述电荷再分配模块用于通过所述充电开关和放电开关使用电荷泵操作以对所述飞跨电容器的电荷进行再分配，以得到负压的输出电压；以及

驱动电路，用于控制所述充电开关和放电开关的打开和关闭，以实现所述电荷泵操作，

其中，所述驱动电路配置为在所述电荷泵操作中按照非对称驱动方式控制所述充电开关和放电开关。

2.根据权利要求1所述的负压电荷泵电路，其中，所述非对称驱动方式为：

在所述充电开关侧，所述驱动电路根据第一控制信号控制所述第一充电开关，以及根据所述飞跨电容器的两端电压以及参考地控制所述第二充电开关；

在所述放电开关侧，所述驱动电路根据第二控制信号控制所述第一放电开关，以及根据第三控制信号控制所述第二放电开关。

3.根据权利要求2所述的负压电荷泵电路，其中，所述电荷再分配模块还包括输出电容器，且

所述第一充电开关和所述第一放电开关依次串联于电源电压和地之间；

所述第二充电开关和所述第二放电开关依次串联于地和输出电压之间；

所述飞跨电容器连接于所述第一充电开关和所述第一放电开关之间的第一节点与所述第二充电开关和所述第二放电开关之间的第二节点之间；

所述输出电容器连接于所述输出电压和地之间。

4.根据权利要求3所述的负压电荷泵电路，其中，所述驱动电路包括第一至第四驱动器，

所述第一驱动器，输入端接收所述第一控制信号，输出端接所述第一充电开关的控制端，供电电压为所述电源电压和参考地电压，用于根据其供电电压以及所述第一控制信号输出第一驱动信号以控制所述第一充电开关的打开和关闭；

所述第二驱动器，输入端接收所述第二控制信号，输出端接所述第一放电开关的控制端，供电电压为所述电源电压和参考地电压，用于根据其供电电压以及所述第二控制信号输出第二驱动信号以控制所述第一放电开关的打开和关闭；

所述第三驱动器，输入端接地，输出端接所述第二充电开关的控制端，供电端分别接所述第一节点和所述第二节点，用于根据所述第一节点的电压、所述第二节点的电压以及参考地电压输出第三驱动信号以控制所述第二充电开关的打开和关闭；

所述第四驱动器，输入端接收所述第三控制信号，输出端接所述第二放电开关的控制端，供电电压为所述电源电压和所述输出电压，用于根据其供电电压以及所述第三控制信号输出第四驱动信号以控制所述第二放电开关的打开和关闭。

5.根据权利要求4所述的负压电荷泵电路，其中，所述电荷泵操作包括充电阶段和放电阶段，

在所述充电阶段，所述第一节点的电压为电源电压，且所述第二节点的电压为参考地电压；以及

在所述放电阶段，所述第一节点的电压为参考地电压，且所述第二节点的电压为所述输出电压。

6.根据权利要求5所述的负压电荷泵电路，其中，在所述充电阶段结束之后，所述放电阶段开始之前存在第一死区时间，在所述放电阶段结束之后，充电阶段开始之前存在第二死区时间，在所述第一死区时间和所述第二死区时间，所述第一充电开关、所述第一放电开关和所述第二放电开关均关闭。

7.根据权利要求4所述的负压电荷泵电路，其中，所述第一至第四驱动器均为反相器。

8.一种芯片，包括权利要求1-7任一项所述的负压电荷泵电路。

9.一种电子设备，包括权利要求1-7任一项所述的负压电荷泵电路或者权利要求8所述的芯片。

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