CN203562947U

CN203562947U - 一种增强低电压启动的集成电路

Info

Publication number: CN203562947U
Application number: CN201320760917.2U
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2023-11-26

Abstract

一种增强低电压启动的集成电路，能够在低电压处有效地启动。本实用新型通过将集成电路连接到输出负载并置为高阻抗状态，使输出负载与该电路断开。因此，电路内部的电压在由外部负载耗尽之前可以上升。一个比较器连接到置为高阻抗状态的电路，当内部电压达到一个足够的水平时，在高效的电路运行下，对外部电压的影响可以降到最低。

Description

一种增强低电压启动的集成电路

技术领域：

本发明涉及实现集成电路低电压启动的功能。本发明的一个首选实例是具有低输入电压和输出负载的直流-直流转换电路。然而，本发明也可以用于其他集成电路。

本发明使电路内部电压提高，在电路建立到一个可持续的水平之前，没有额外电阻消耗电压的负面影响。增加的内部电压也有助于减少集成电路中的导通电阻。本发明还可以使这个低电压启动功能不增加专用的外部控制引脚。

背景技术：

升高的直流-直流转换电路可以在基于拓扑结构的电感和开关电容（电荷泵）上实现。基于拓扑结构的电感对于低输入电压的应用通常是首选的，因为它比基于拓扑结构的电容具有更大的封装效率和启动性能。例如，转换电路在基于拓扑结构的电感上实现输入电压四倍的提高，这至少需要三个管脚而基于拓扑结构的电容至少需要八个管脚。基于拓扑结构的电感为了实现一个四倍频器比基于拓扑结构的电容需要更少的电源开关。因此，由于基于拓扑结构的电感具有更少的电源开关，它具有较低的导通电阻，从而它提供了低电压应用的优点。

然而，与基于拓扑结构的电容相比，基于拓扑结构的电感也具有一些缺点。例如，基于拓扑结构的电感比基于拓扑结构的电容具有更复杂的设计，因为前者除了内部的集成电路控制还需要大量的外部元件。此外，基于拓扑结构的电感需要磁能存储，很难稳定和辐射电磁波。

基于拓扑结构的电感和电容不提供足够的开关来驱动集成电路所需的低导通电阻的能力。例如，一个基于拓扑电容的电荷泵最少需要八个电源开关和外部引脚。因为电源开关的高阻抗，该基于拓扑结构的电容在低输入电压下难以启动。一般来说，基于拓扑结构的电容具有比电感更高的导通电阻，因为额外的电源开关实现了一个基于电容拓扑的电荷泵（八个开关与上述四倍频器的开关相对应）。在电源开关下的电阻压降由驱动电压的不足引起，通过额外的电源开关有效地增加了基于拓扑结构的电容。

增加的额外负载造成集成电路的另一个问题，因为在它达到一个可持续的水平之前，驱动电源开关的内部电压由额外负载耗尽。因此，最好提供一个基于直流-直流转换器的开关电容，在低电压下可以启动，同时在非常低的电压下运行，并且不需要额外的控制引脚。

本发明可以应用于集成电路，在启动期间，其内部偏置电压被额外负载消耗。这些电路中的负载消耗加剧了电路导通电阻引起的低效率。

发明内容：

增强的启动能力通过将内部偏置电压与内部负载隔离来实现，同时电压水平也提高了。在本发明的一个首选实例中，内部偏置电压通过一个高阻抗电路屏蔽掉输出负载，以至于不再给输出负载充电。屏蔽电路由比较器控制，在内部电压被加到负载之前，以确保内部电压达到一个可选的水平。

本发明是在一个四倍频器上实现的。在四倍频电荷泵中包含两个电荷泵，比较器最好位于第一和第二电荷泵之间，当第一电荷泵的输出电压足够高于第一电荷泵的输入电压时，将第二电荷泵从断开状态（高阻抗）切换到接通状态。

然而，本发明可以在一个六倍频或八倍频电荷泵电路上实现。在这些电路中，本发明可位于沿电荷泵链的任何位置，但最好是耦合到最后的倍频器，例如，连接到负载，以至于内部偏置电压可以作为输入电压被提高。本发明也可以用于负转换电路或任何电路的正端，由于额外负载的消耗，也会遇到低电压启动问题。

本发明的技术解决方案：

如上所述，直流-直流转换器的低输入电压产生一个问题，因为最初没有足够的电压驱动电源开关来克服它们的导通电阻。当使用一个低输入电压时，驱动电压很小并且电路的导通电阻很大，因此功率损耗在每个开关上并且电路不能有效地运行。为了减少功率损失，内部电压水平必须被激增到足够大来驱动晶体管并减小它们的导通负载，以至于在每个开关上的功率损耗更少。当导通电阻变得很小时，开关工作更有效并且具有更少的功率损耗，同时信号阻断电路。

然而，在建立一个水平来驱动门电路和降低它们的导通电阻之前，如果不给外部电阻加压，内部电压水平不能及时激增。因此，本发明的一个目的是给连接到外部负载的集成电路提供低电压启动能力。

对比专利文献：CN202939530U一种电流源启动电路201220620731.2

附图说明：

本发明的目的将在下面作详细地描述，附图将对本发明的优点作进一步的描述。部分器件的参考字符已在图中标明。

图1是本发明的一个四倍频电荷泵框图。

图2是图1中第二比较器滞后的效果图。

图3是图1电荷泵中倍频器电路原理图。

图4A和4B在图1电荷泵电路中的一系列门电路图，用来产生图3倍频器的控制信号。

具体实施方式：

图1显示了四倍频电荷泵电路10的原理图，具有1-8个引脚，耦合到输入电压端V_in，输出电压端V_out，五个外部电容C1、C2、C3、C_in、C_out和接地端。

四倍频电荷泵电路10包含第一电荷泵电路20，第二电荷泵电路30，第一比较器电路40，定时电路50，第二比较器电路60和偏置控制电路80。电路10的一般操作包括第一电荷泵电路20和第二电荷泵电路30（在图3，图4A和图4B中）、第一比较器40和偏置控制电路80的操作，被称为“不使用专用引脚的集成电路控制特点”，与现在的应用领域相吻合。采样电路可以被添加到该电路中，但没必要对其操作。

一般来说，电压V_in输入到第一电荷泵电路20，它输出的电压大约是V_in的两倍，将该电压以V_c2存储到C2中。如果电压V_c2不大于电压V_in，第二电荷泵电路30被置为高阻抗状态，直到电压V_c2足够大于电压V_in。一旦第二电荷泵电路30启用，电压V_c2输入到第二电荷泵电路30中，反过来，输出电压端V_out大约是电压V_c2的两倍。因此，在稳定的运行条件下，输出电压端V_out大约是输入电压V_in的四倍。

电压V_ib由偏置控制电路80产生，它选择输入电压V_in，电压V_c2和输出电压端V_out中最高的电压。因此，内部偏置电压用于驱动电源开关和降低电路的导通电阻，以保持在最高水平。在低电压启动期间，电压V_in是最高的电压，因为电压V_c2和输出电压V_out大约为0伏。由于电压V_in是很低，不提供驱动电压来降低电源开关的导通电阻，因此，通过电路10的信号功率损耗很多，直到内部电压V_ib足够高来驱动第一电荷泵电路20和第二电荷泵电路30的电源开关。

此外，由于功率损耗在开关和连接到负载的输出端V_out上，V_c2和V_out不能通过电荷泵激增，并且内部偏置电压保持很低来阻止四倍频电荷泵电路10的有效操作。为了解决低电压启动的这个问题，第二电荷泵电路30被置为高阻抗状态（开路），以至于在它激增到驱动电路电源开关的可持续水平之前，输出负载不损耗内部偏置电压。电压V_c2通过第一电荷泵电20升高到一个足够高的水平（高于电压V_in），以提供一个有效的驱动电压和减小外部负载的影响。

当第二电荷泵电路30是高阻抗状态时（例如，具有高阻抗输入），第一电荷泵电路20激增到电压V_c2。电压V_c2由电阻R3和R4分压，在第二比较器60的分压V_div产生信号RS。在第二电荷泵电路30启用前，R3和R4的比值决定了电压V_c2的值。R3和R4的比值是设计选择，在首选的实例中，基于门电路的驱动电压V_c2和启动时间因素，R3和R4的比值约为0.5:1（或1：2）。因此，在第二电荷泵电路30通过第二比较器60接通（去除高阻抗状态）之前，电压V_c2将达到比电压V_in还高的水平（基于电压V_div的选定水平）。当第二电荷泵电路30接通时，电压V_c2耦合到电压V_out，被加到外部负载上。

图2是电路10启动时电压V_c2和电压V_out相对于时间的曲线图，表明了第二比较器60滞后的使用。该图基于1伏的电压和电阻R3与R4值的选择，当电压V_c2达到1.5伏时，第二电荷泵电路30被接通。当电压V_c2达到1.5伏时，第二电荷泵电路30去除了高阻抗状态（接通），以至于电压V_c2耦合到电压端V_out。因此，电压V_c2由外部负载消耗并降低到1.5伏水平。由于在第二比较器60中的滞后，第二电荷泵电路30不被置为高阻抗状态（断开），直到电压V_c2降低到1.1伏。在这段时间内，电压V_out低于1伏。

当电压V_c2再次升高到1.5伏时，第二电荷泵电路30再次接通，电压V_c2耦合到电压端V_out，并且被外部负载消耗。这个过程一直持续到电压V_c2和电压V_out都足够高，以至于电压V_c2不会降低到1.1伏。第二比较器60中的滞后水平可作为电路的设计参数（例如400mV）。

回到图1的电路10，定时电路50由可以产生两个非重叠时钟信号CLK1和CLK2的任何电路形成。非重叠时钟信号控制第一和第二电荷泵电路以确保没有大的电流击穿。如果电路用于除了电荷泵的其他电路，一个不同的时钟信号被使用。电路运行所需的时钟信号类型是基于设计考虑的。

当电路10接通时，信号RS是低电平，因为电压V_c2低于电压V_in。当信号RS是低电平时，第二电荷泵电路30通过第二比较器60的输出端（例如信号RS）被置为高阻抗状态；定时电路50通过信号RS被或门45的输出端控制，信号RS通过反相器48来达到正确的极性。因此，定时电路50将继续产生信号CLK1，CLK2和第一电荷泵电路20将继续发挥作用。

在启动的电路10中，输出端V_out与集成电路断开连接，因为第二电荷泵电路30处于高阻抗状态；因此，第一比较器40的输出端是未知的。第一比较器40输出端的未知导致定时电路50断开，这导致电路10被完全关闭。或门45使信号RS或第一比较器40的输出端控制定时电路50的操作。

因此，当信号RS是低电平并且第二电荷泵电路30处于高阻抗状态时，定时电路50通过反相器48和或门45被信号RS控制，以确保信号CLK1，CLK2的产生。因此，当第二电荷泵电路30处于高阻抗状态时，信号RS使内部时钟运行。多控制信号的使用结构确保了定时电路50可以在已知的技术上以任何方式实现。

一旦信号RS变高，第二电荷泵电路30将启用，定时电路50的操作由第一比较器40的输出端控制。

如图3所示，第一倍频器22和第二倍频器32以相同的方式工作。控制信号以一个略微不同的方式产生，如下面图4A和4B所述。

如图4A所示，逻辑门201到208用来给第一倍频器22产生控制信号A，B和C。图4A中给逻辑门提供覆盖信号。相反，信号A，B和C是基于时钟信号CLK1和CLK2产生。当信号CLK1是高电平时，信号C是高电平。当信号CLK2是高电平时，信号B是高电平，信号A是低电平。当CLK1脉冲是高电平时，晶体管N1和N2（图3）被接通，以至于电压V_in存储在电容C1中。当CLK2脉冲是高电平时，晶体管N3，N4和P3，P4（图3）被接通，以至于电压V_c1与V_in相加。

如图4B所示，当信号RS变为低电平时，信号RS作为一个覆盖信号。通过第二倍频器32中的所有晶体管断开，使第二电荷泵电路30置为高阻抗状态。当信号RS是高电平时，信号D，E和F基于时钟信号CLK1和CLK2产生。当信号CLK1和RS是高电平信号时，信号F是高电平。当信号CLK2和RS是高电平信号时，信号E是高电平，信号D是低电平。因此，在CLK1期间，电压V_c2存储在电容C3中，在CLK2期间，电压V_c3和电压V_c2相加，当信号RS是高电平时，电压有效地输入到第二电荷泵电路30。

用“N”标记的晶体管表示N沟道晶体管，用“P”标记的晶体管表示P沟道晶体管。

图4A和图4B的反相器链增加了图3中第一和第二电荷泵电路的功率开关驱动能力。这些反相器最好在大小上从左至右增加。图4A的反相器比图4B的反相器大，因为第二电荷泵电路30的晶体管通常不需要与第一电荷泵电路20相同的功率开关。然而，反相器的大小和尺寸取决于设计的选择，例如晶体管的类型（最好是MOS场效应晶体管），其他因素根据电路设计而不同。

在两个以上电荷泵电路中，输入到比较器的电压与输入到集成电路的电压相比较，或与电荷泵中电路的一个输入电压相比较。电压比较是设计选择，然而，输入到比较器的电压最好与输入到集成电路的电压相比较。该选择适用于其他电路，如正负转换器电路。

通过将内部电压与输出负载的比较，电路10的内部偏置电压不会被外部负载消耗。因此，有效的低电压启动可以在具有外部负载和导通电阻损耗的电路上实现。本发明可根据其描述实行，为了说明起见，本发明的目的不受限制，本发明的权利受权力要求说明书的限制。

Claims

1.一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：该集成电路包括一个第一电路，用于接收第一电压和提供第二电压；第二电路耦合到第一电路，第二电路具有接通和断开状态；比较器在第一和第二电路之间耦合，其中第二电路从比较器输出端的断开状态被置为接通状态。

2.根据权利要求1所述的一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：其中当在断开状态时，第二电路具有高阻抗输入端；其中第一和第二电路是电荷泵电路；其中比较器接收第三电压，并且将第一电路的第二电压与第三电压作比较。

3.根据权利要求2所述的一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：其中在比较器将第二电压与第三电压比较之前，第二电压被电阻分压；其中第三电压输入到集成电路；其中第三电压等于第一电压。

4.根据权利要求1所述的一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：该电路进一步包括一个时钟发生器，它的输出端耦合到第一和第二电路。

5.根据权利要求4所述的一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：当第二电路是断开状态时，比较器的输出端耦合到时钟发生器电路，以确保时钟发生器电路提供至少一个时钟信号给第一电路。

6.根据权利要求1所述的一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：该集成电路包括一个第一电路，用于接收第一电压和提供第二电压；第二电路耦合到第一电路，并用于接收第二电压；比较器在第一和第二电路之间耦合，当第二电压超过第三电压时，比较器接收第三电压使第二电路在断开状态，直到比较器使其启动，以至于即使当输入到集成电路的电压很低时，第二电压仍可以被提高。

7.根据权利要求1所述的一种增强低电压启动的集成电路，其特征是：该集成电路的特点是四倍频电荷泵电路包含第一倍频电路和第二倍频电路；第一倍频电路接收第一电压并输出第二电压；第二倍频电路耦合到第一倍频电路，用来接收第二电压并且具有接通和断开状态；存储电容器在第一和第二倍频电路之间耦合，存储电容器存储来自第一倍频电路输出的第二电压；比较器电路通过一个分压器耦合到存储电容器和第二倍频电路，分压器提供一个分压；比较器电路包含被分压的第一电压，当分压高于第一电压时，比较器电路将第二倍频电路从断开状态设置为接通状态，从而当输入到集成电路的电压很低时，断开状态的第二倍频电路使存储电容器中的电容提高，而不被外部负载耗尽，因此，四倍频电荷泵电路启动在一个低输入电压下。