CN117375410A - 一种升压电荷泵电路及功率放大器 - Google Patents

一种升压电荷泵电路及功率放大器 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种升压电荷泵电路及功率放大器，升压电荷泵电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第一电容；第一开关单元连接在第一电源和第一电容的第一端之间，第三开关单元连接在第二电源和第一电容的第二端之间，第四开关单元连接在第一电容的第二端和接地端之间；第一电源的电压值高于第二电源的电压值；第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元及第四开关单元中任一开关单元的最大耐压值均与第二电源的电压值相等；该升压电荷泵电路通过调整两个电源与各开关单元之间的连接关系以及采用具有较小的最大耐压值的开关单元，实现电压抬升后的输出电压的同时，大大减小升压电荷泵电路在芯片上的占用面积。

Description

一种升压电荷泵电路及功率放大器
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种升压电荷泵电路及功率放大器。
背景技术
在具有高边驱动电路的产品中，通常采用自举电容来实现高边驱动。但是每一个半桥输出级就需要一个自举电容，当通道数比较多的时候，自举电容式高边驱动需要较多的电容引脚，使得封装体变大，占用PCB的面积也较大。
也有一些产品采用升压电荷泵电路来提高产生高边驱动的gate电压。现有升压电荷泵结构如图1所示，通过该升压电荷泵电路实现在输入电源VIN1基础上抬升VIN2电压以获得抬升后的输出电压值Vout。其中S1、S2、S3、S4分别表示四个功率MOS管。如图1所示的拓扑结构中，一种工作状态下，S1和S4导通，S2和S3截止，电容Cfly的第一端即A点的电压为VIN2，电容Cfly的第二端即B点的电压为0。即，该状态下实现对电容Cfly的充电。在此后的另一种工作状态下，S1和S4截止，S2和S3导通，该状态下，电容Cfly的第二端即B点的电压为VIN1，由于电容的电压不可突变，电容Cfly的第一端即A点的电压为VIN2+VIN1，从而实现将输入VIN1抬升至输出VIN2+VIN1，即通过该升压电荷泵实现升压。在该配置下，现有升压电荷泵中包括的任一功率MOS管的最大耐压值必须达到VIN1，否则会出现击穿导致器件烧毁。因此，该结构下四个功率MOS管的最大耐压值较大，相应的功率MOS管面积较大。由于该拓扑结构采用片上实现，每个升压电荷泵中功率MOS管在芯片上的面积消耗较大，不利于芯片的小型化。
比如，D类功放(Class D)作为一种典型的具有高边驱动电路的产品，某些产品采用此类升压电荷泵产生比输入电压高的电压源。通常的，上述的VIN1可能达到12V～45V，VIN2为5V，即VIN1>>VIN2，所有开关需要采用45V耐压器件，导致升压电荷泵电路在D类功放芯片中的面积消耗很大。
因此，需要寻找一种能有效克服上述缺陷的升压电荷泵电路。
发明内容
本申请的目的在于提供一种升压电荷泵电路及功率放大器，该升压电荷泵电路能有效减小芯片占用面积，降低芯片成本。
为实现上述申请目的，本申请第一方面提供一种升压电荷泵电路，所述升压电荷泵电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第一电容；
所述第一开关单元连接在第一电源和所述第一电容的第一端之间，所述第二开关单元连接在所述第一电容的第一端和输出端之间；所述第三开关单元连接在第二电源和所述第一电容的第二端之间，所述第四开关单元连接在所述第一电容的第二端和接地端之间；
所述第一电源的电压值高于所述第二电源的电压值；
所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元及所述第四开关单元中任一开关单元的最大耐压值均与所述第二电源的电压值相等。
在一种较佳的实施方式中，所述第一开关单元包括第一开关管，所述第二开关单元包括第二开关管，所述第三开关单元包括第三开关管，所述第四开关单元包括第四开关管。
在一种较佳的实施方式中，所述第一开关管为PMOS开关管，所述第一开关管的源极与所述第一电源连接，所述第一开关管的漏极与所述第一电容的第一端连接；或，所述第一开关管为NMOS开关管，所述第一开关管的源极与所述第一电容的第一端连接，所述第一开关管的漏极与所述第一电源连接。
在一种较佳的实施方式中，所述第二开关管为PMOS开关管，所述第二开关管的源极与所述第一电容的第一端连接，所述第二开关管的漏极与输出端连接；或，所述第二开关管为NMOS开关管，所述第二开关管的源极与输出端连接，所述第二开关管的漏极与所述第一电容的第一端连接。
在一种较佳的实施方式中，所述第三开关管为PMOS开关管，所述第三开关管的源极与所述第二电源连接，所述第三开关管的漏极与所述第一电容的第二端连接；所述第三开关管为NMOS开关管，所述第三开关管的源极与所述第一电容的第二端连接，所述第三开关管的漏极与所述第二电源连接。
在一种较佳的实施方式中，所述第四开关管为PMOS开关管，所述第四开关管的源极与所述第一电容的第二端连接，所述第四开关管的漏极与接地端连接；或，所述第四开关管为NMOS开关管，所述第四开关管的源极与接地端连接，所述第四开关管的漏极与所述第一电容的第二端连接。
在一种较佳的实施方式中，所述升压电荷泵电路还包括第二电容，所述第二电容连接于所述第二开关单元与接地端之间；或，
所述第二电容连接于所述第二开关单元与所述第一电源之间。
在一种较佳的实施方式中，所述第一开关管为NMOS开关管，所述第二开关管为PMOS开关管，所述第三开关管为PMOS开关管，所述第四开关管为NMOS开关管。
在一种较佳的实施方式中，与所述第一开关管的栅极及所述第二开关管的栅极分别连接的第一驱动级工作在第一电源域内，所述第一电源域的电压值不小于所述第一电源电压值且不大于所述输出端电压值；
与所述第三开关管的栅极与所述第四开关管的栅极分别连接的第二驱动级工作在第二电源域内，所述第二电源域的电压值不小于接地端电压值且不大于所述第二电源电压值。
本申请第二方面提供一种功率放大器，所述功率放大器包括如第一方面任意一项所述的升压电荷泵电路。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：
本申请提供一种升压电荷泵电路及功率放大器，升压电荷泵电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第一电容；第一开关单元连接在第一电源和所述第一电容的第一端之间，第二开关单元连接在第一电容的第一端和输出端之间；第三开关单元连接在第二电源和第一电容的第二端之间，第四开关单元连接在第一电容的第二端和接地端之间；第一电源的电压值高于第二电源的电压值；第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元及第四开关单元中任一开关单元的最大耐压值均与第二电源的电压值相等；该升压电荷泵电路通过调整两个电源与各开关单元之间的连接关系以及采用具有较小的最大耐压值的开关单元的方式，实现基于第一电源进行电压抬升后的输出电压，在满足输出电压要求的前提下，相较于现有技术能大大减小该升压电荷泵电路在芯片上的占用面积；以及，该升压电荷泵电路在工作状态下输出的电流值较大，在大电流驱动的电荷泵产品中的驱动功率更大、稳定性更佳；
本申请中与第一开关管的栅极及第二开关管的栅极分别连接的第一驱动级工作在第一电源域内，第一电源域的电压值不小于所述第一电源电压值且不大于所述输出端电压值；与第三开关管的栅极及第四开关管的栅极分别连接的第二驱动级工作在第二电源域内，第二电源域的电压值不小于接地端电压值且不大于第二电源电压值；该升压电荷泵电路的四个开关管的栅极驱动电路只需以第一电源、第二电源和输出电压作为第三电源来供电，无需额外用于栅极驱动的电源产生电路，大大简化驱动级以进一步减小片上面积。
附图说明
图1是背景技术中电容自举升压电路的结构示意图；
图2是实施例中升压电荷泵电路的一种结构示意图；
图3是实施例中升压电荷泵电路的又一种结构示意图；
图4是实施例中升压电荷泵电路的又一种结构示意图；
图5是实施例中升压电荷泵电路的又一种结构示意图；
图6是实施例中升压电荷泵电路的又一种结构示意图；
图7是实施例中升压电荷泵电路的又一种结构示意图。
附图标记：
100-升压电荷泵电路，10-第一开关单元，11-第一开关管，20-第二开关单元，21-第二开关管，30-第三开关单元，31-第三开关管，40-第四开关单元，41-第四开关管，51-第一驱动级，52-第二驱动级。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
鉴于现有用于Class D芯片等产品中的升压电荷泵电路存在在芯片中面积消耗大的现状，本实施例提出一种升压电荷泵电路，其能有效减小在芯片上的面积消耗，以减小芯片面积，降低成本并实现小型化。
实施例
如图2、图3所示，本实施例提供一种升压电荷泵电路100，该升压电荷泵电路100包括第一开关单元10、第二开关单元20、第三开关单元30、第四开关单元40、第一电容C1及第二电容C2。其中，第一开关单元10连接在第一电源和第一电容C1的第一端C1a之间。第二开关单元20连接在第一电容C1的第一端C1a和输出端Vout或第一电源之间。第三开关单元30连接在第二电源和第一电容C1的第二端C1b之间。第四开关单元40连接在第一电容C1的第二端C1b和接地端GND之间。最重要的是，本实施例中的第一开关单元10所连接的第一电源的电压值Power1，与第三开关单元10所连接的第二电源的电压值Power2相比，Power1大于Power2。以及，第一开关单元10、第二开关单元20、第三开关单元30及第四开关单元40中任一开关单元的最大耐压值小于第一电源的电压值Power1，作为优选，任一最大耐压值与第二电源的电压值Power2相等。
上述，第一开关单元10、第二开关单元20、第三开关单元30、第四开关单元40分别包括至少一个场效应晶体管(以下简称功率MOS管)，或者分别包括至少一个二极管(D)，或者分别包括至少一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。本实施例以开关单元包括功率MOS管为例做如下进一步描述。
在一种实施方式中，第一开关单元10包括第一开关管11，第二开关单元20包括第二开关管21，第三开关单元30包括第三开关管31，第四开关单元40包括第四开关管41，上述的任一种开关管为NMOS或PMOS中的一种，如图4至图7所示。
当第一开关管11为PMOS开关管，第一开关管11的源极S1与第一电源Power1连接，第一开关管11的漏极D1与第一电容C1的第一端C1a连接。当第一开关管11为NMOS开关管，第一开关管11的源极S1与第一电容C1的第一端C1a连接，第一开关管11的漏极D1与第一电源Power1连接。
当第二开关管21为PMOS开关管，第二开关管21的源极S2与第一电容C1的第一端C1a连接，第二开关管21的漏极D2与输出端连接。当第二开关管21为NMOS开关管，第二开关管21的源极S2与输出端连接，第二开关管21的漏极D2与第一电容C1的第一端C1a连接。
当第三开关管31为PMOS开关管，第三开关管31的源极S3与第二电源Power2连接，第三开关管31的漏极D3与第一电容C1的第二端C1b连接。当第三开关管31为NMOS开关管，第三开关管31的源极S3与第一电容C1的第二端C1b连接，第三开关管31的漏极D3与第二电源Power2连接。
当第四开关管41为PMOS开关管，第四开关管41的源极S4与第一电容C1的第二端C1b连接，第四开关管41的漏极D4与接地端GND连接。当第四开关管41为NMOS开关管，第四开关管41的源极S4与接地端GND连接，第四开关管41的漏极D4与第一电容C1的第二端C1b连接。
第二电容C2连接于第二开关单元20与接地端GND之间，或者连接于第二开关单元20与第一电源Power1之间，通过设置该第二电容C2能有效去除输出端Vout所输出的抬升后电压中的交流信号，以获得稳定的直流输出信号。
上述，该升压电荷泵电路100还包括与各开关管的栅极连接的多个驱动级从而分别获得对应于相应开关管的栅极驱动电压Vgs及驱动功率。
在第一稳态工作状态下，第一开关管11和第四开关管41导通，第二开关管21、第三开关管31截止，给第一电容C1充电至Power1。该状态下第三开关管31的源极S3和漏极D3之间的电压为Power2，第二开关管21的源极S2和漏极D2之间的电压为Power2。在此后的第二稳态工作状态下，第一开关管11和第四开关管41截止，第二开关管21、第三开关管31导通，第一电容C1放电以将输出端Vout电压抬升至Power1+Power2。该状态下第一开关管11的源极S1和漏极D1之间的电压为Power2，第四开关管41的源极S4和漏极D4之间的电压为Power2。因此，本实施例中，各开关管在不同状态下承受的最大电压为Power2。因此，对于本实施例中的各开关管的最大耐压值为Power2即可。
例如，该升压电荷泵电路100应用于Class D时，Power1为14.4V/25V/45V，Power2为5V，上述第一开关管11的最大耐压vds1、第二开关管21的最大耐压vds2、第三开关管31的最大耐压vds3和第四开关管41的最大耐压vds1均为5V即适用，远小于Power1。而当功率MOS管的最大耐压值vds减小时，功率MOS管的面积会显著减小。因此，相较于现有技术，本实施例采用最大耐压值较小、面积较小的功率MOS管，能有效减小升压电荷泵电路100的片上面积消耗，从而降低芯片成本。
更进一步的，本实施例中的升压电荷泵电路100在上述第一稳态工作状态下，第一电容C1中的电量Q为C*Power1，相较于现有技术中第一电容C1的电量Q为C*Power2的现状，提高了第一电容C1的电量，即有效提高了该升压电荷泵电路100作为电源时的电流值，从而在大电流驱动的电荷泵产品中能具备更多优势。
由于各功率MOS管具有相应的导通电压Vth(通常为5V)，NMOS开关管当Vgs达到Vth时导通，PMOS开关管当Vsg达到Vth时导通。基于此，当第二开关管21采用NMOS开关管时，片内不存在能提供(Vout+Vth)大小的栅极电压Vg。因此，第二开关管21优选采用PMOS开关管，并且第二开关管21的源极S2与第一电容C1的第一端C1a连接，栅极电压Vg为Vs-Vth即可，其中Vs范围为(Power1,Power1+Power2)，片内不需要产生额外的升压电压即可实现。示例性的，应用于Class D产品中升压电荷泵电路100结构如图4、图5或图6所示，当然，升压电荷泵电路100的实现结构包含但不限于此。
在一些实施方式中，上述的第一开关单元10、第二开关单元20、第三开关单元30、第四开关单元40分别包括两个或两个以上的同种开关管，每一开关单元中的两个或两个以上的开关管并联或者串联设置。
为进一步减小该升压电荷泵电路100的片上面积，如图7所示，作为优选，第一开关管11为NMOS开关管，第二开关管21为PMOS开关管，第三开关管31为PMOS开关管，第四开关管41为NMOS开关管。该升压电荷泵电路100还包括第一驱动级51及第二驱动级52，第一驱动级51与第一开关管11的栅极及第二开关管21的栅极分别连接，第二驱动级52与第三开关管31的栅极及第四开关管41的栅极分别连接。第一驱动级51工作在第一电流域内，第一电流域的电压值不小于第一电源电压值Power1且不大于输出端电压值Vout。第二驱动级52工作在第二电流域内，第二电源域的电压值不小于接地端电压值GND且不大于第二电源电压值Power2。该结构下，第一开关管11和第二开关管21共同第一驱动级5获得驱动功率，第三开关管31和第四开关管41公用第二驱动级52获得驱动功率，减少驱动级的方式简化驱动结构。更进一步的，升压电荷泵电路100中的四个开关管的栅极驱动电路只需以第一电源、第二电源和输出电压作为第三电源来供电，而不需要设置额外的栅极驱动的电源产生电路，大大简化了驱动级，进一步减小其片上面积消耗。
在此基础上，本实施例进一步提供一种功率放大器，优选为音频功率放大器，其包括前述的升压电荷泵电路100。该功率放大器具有前述升压电荷泵电路100所具有的减小片上面积消耗及输出电流较大的优势。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，即可将任意多个实施例进行组合，从而获得应对不同应用场景的需求，均在本申请的保护范围内，在此不再一一赘述。
需要说明的是，以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种升压电荷泵电路，其特征在于，所述升压电荷泵电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第一电容；
所述第一开关单元连接在第一电源和所述第一电容的第一端之间，所述第二开关单元连接在所述第一电容的第一端和输出端之间；所述第三开关单元连接在第二电源和所述第一电容的第二端之间，所述第四开关单元连接在所述第一电容的第二端和接地端之间；
所述第一电源的电压值高于所述第二电源的电压值；
所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元及所述第四开关单元中任一开关单元的最大耐压值均与所述第二电源的电压值相等。
2.如权利要求1所述的升压电荷泵电路，其特征在于，所述第一开关单元包括第一开关管，所述第二开关单元包括第二开关管，所述第三开关单元包括第三开关管，所述第四开关单元包括第四开关管。
3.如权利要求2所述的升压电荷泵电路，其特征在于，
所述第一开关管为PMOS开关管，所述第一开关管的源极与所述第一电源连接，所述第一开关管的漏极与所述第一电容的第一端连接；或，所述第一开关管为NMOS开关管，所述第一开关管的源极与所述第一电容的第一端连接，所述第一开关管的漏极与所述第一电源连接。
4.如权利要求2所述的升压电荷泵电路，其特征在于，
所述第二开关管为PMOS开关管，所述第二开关管的源极与所述第一电容的第一端连接，所述第二开关管的漏极与输出端连接；或，所述第二开关管为NMOS开关管，所述第二开关管的源极与输出端连接，所述第二开关管的漏极与所述第一电容的第一端连接。
5.如权利要求1所述的升压电荷泵电路，其特征在于，
所述第三开关管为PMOS开关管，所述第三开关管的源极与所述第二电源连接，所述第三开关管的漏极与所述第一电容的第二端连接；所述第三开关管为NMOS开关管，所述第三开关管的源极与所述第一电容的第二端连接，所述第三开关管的漏极与所述第二电源连接。
6.如权利要求2所述的升压电荷泵电路，其特征在于，
所述第四开关管为PMOS开关管，所述第四开关管的源极与所述第一电容的第二端连接，所述第四开关管的漏极与接地端连接；或，所述第四开关管为NMOS开关管，所述第四开关管的源极与接地端连接，所述第四开关管的漏极与所述第一电容的第二端连接。
7.如权利要求1所述的升压电荷泵电路，其特征在于，所述升压电荷泵电路还包括第二电容，所述第二电容连接于所述第二开关单元与接地端之间；或，
所述第二电容连接于所述第二开关单元与所述第一电源之间。
8.如权利要求1所述的升压电荷泵电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS开关管，所述第二开关管为PMOS开关管，所述第三开关管为PMOS开关管，所述第四开关管为NMOS开关管。
9.如权利要求8所述的升压电荷泵电路，其特征在于，与所述第一开关管的栅极及所述第二开关管的栅极分别连接的第一驱动级工作在第一电源域内，所述第一电源域的电压值不小于所述第一电源电压值且不大于所述输出端电压值；
与所述第三开关管的栅极及所述第四开关管的栅极分别连接的第二驱动级工作在第二电源域内，所述第二电源域的电压值不小于接地端电压值且不大于所述第二电源电压值。
10.一种功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括如权利要求1至9任意一项所述的升压电荷泵电路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117614264A (zh) * 2024-01-23 2024-02-27 苏州锴威特半导体股份有限公司 一种用于桥式驱动的电荷泵电路和升压方法

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