CN203590027U

CN203590027U - 功率电荷泵

Info

Publication number: CN203590027U
Application number: CN201320670075.1U
Authority: CN
Inventors: 王钊
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Wuxi Zhonggan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2023-10-28

Abstract

为实现上述目的，本实用新型实施例第一方面提供了一种功率电荷泵，所述功率电荷泵包括输出电容、至少一飞电容、第一电压源和第二电压源、以及第一组时钟开关和第二组时钟开关，第一、第二时钟开关各自包含至少两个时钟开关，第一组时钟开关和第二组时钟开关的导通时间不重叠；第一组时钟开关导通时，控制至少一飞电容产生第一电压源的第一电压和第二电压源的第二电压之差的第三电压；第二组时钟开关导通时，控制输出电容产生与第三电压成比例的输出电压。通过本实用新型实施例提供的功率电荷泵，可以构建更多产生更多输入电压/输出电压倍率的电压模式，有助于优化功率电荷泵效率。

Description

功率电荷泵

技术领域

本实用新型涉及电子领域，具体涉及一种功率电荷泵。

背景技术

基于开关电容的电荷泵电路被广泛应用于电压转换电路中，可以实现较高的电压转换效率。现有技术中的功率电荷泵，一般采用一个输入电压，产生比输入高的输出电压或者比输出低的输出电压，其效率高于线性调压器。

相比基于电感的直流-直流转换器相比，功率电荷泵无需体积较大的电感，其更适用于PCB空间较小的应用，且成本较低。对于理想的开关来说，其能量损耗可被忽略，在这种情况下，可以认为功率电荷泵电路的效率为100%。但功率电荷泵电路只能以某些固定的倍率转换电压时，其理想功率为100%。然而这样的固定倍率是有限的几种。现有技术中，对于仅采用两个飞电容(flying capacitor)的应用中，针对同一个输入电压源，可以产生的VO/VIN（其中VO为输出电压，VIN为输入电压）的倍率有：3倍、2倍、3/2倍、4/3倍、1倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍。对于仅采用一个飞电容(flying capacitor)应用，现有技术中存在的VO/VIN倍率有：2倍、1倍、1/2倍。

采用增加飞电容的个数的方式，可以产生更多可能的倍率，但成本随之增加。增加更多可能的倍率，有利于优化功率电荷泵的实际工作效率。例如，输入电压为3.3V，输出电压目标值为1.7V，对于仅一个飞电容情形，只能采用1倍模式，产生3.3V电压，然后通过线性调压技术(线性调压技术只能降低电压)降为1.7V，其理想情况下的效率为1.7V/3.3V=51.5%。对于采用两个飞电容情形，则可以采用2/3倍模式，产生2.2V电压，然后通过线性调压技术降为1.7V，其理想情况下的效率为1.7V/2.2V=77.3%，这样就改善了效率。当输入电压在一定范围内变化时（例如电池供电时，随着电池放电或充电，其电压会不断变化），更多倍率模式有助于优化不同输入电压下的工作效率。飞电容越多，有助产生更多倍率模式，但成本更高。如何以较少的飞电容，产生更多可能的倍率，是本实用新型亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种功率电荷泵，以提高功率电荷泵中飞电容的利用效率。

为实现上述目的，本实用新型实施例第一方面提供了一种功率电荷泵，所述功率电荷泵包括一输出电容、至少一飞电容、第一电压源和第二电压源、以及第一组时钟开关和第二组时钟开关，所述第一、第二时钟开关各自包含至少两个时钟开关，所述第一组时钟开关和第二组时钟开关的导通时间不重叠；

所述第一组时钟开关导通时，控制所述至少一飞电容产生所述第一电压源的第一电压和第二电压源的第二电压之差的第三电压；

所述第二组时钟开关导通时，控制所述输出电容产生与第三电压成比例的输出电压。

基于第一方面，在第一种可能的实施方式中，所述功率电荷泵包含一个飞电容，所述第一组时钟开关包括第一时钟开关和第二时钟开关，所述第二组时钟开关包括第三时钟开关和第四时钟开关。

基于第一方面的第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，所述第一时钟开关连接所述第一电压源的正极和所述飞电容的第一端，所述第二时钟开关连接所述飞电容的第二端和所述第二电压源的正极，所述第三时钟开关连接所述飞电容的第一段和所述输出电容的第一端，所述第四时钟开关连接所述飞电容的第二端、所述输出电容的第二端以及所述第一、第二电压源的负极。

基于第一方面，在第三种可能的实施方式中，所述功率电荷泵包含第一飞电容和第二飞电容，所述第一组时钟开关包括第一时钟开关、第二时钟开关和第五时钟开关，所述第二组时钟开关包括第三时钟开关、第四时钟开关、第六时钟开关以及第七时钟开关。

基于第一方面的第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，所述第一时钟开关连接所述第一电压源的正极和所述第一飞电容的第一端，所述第二时钟开关连接所述第二飞电容的第二端和所述第二电压源的正极，所述第三时钟开关连接所述第一飞电容的第一端和所述输出电容的第一端，所述第四时钟开关连接所述第二飞电容的第二端、所述输出电容的第二端以及所述第一、第二电压源的负极，所述第五时钟开关连接所述第一飞电容的第二端和所述第二飞电容的第一端，所述第六时钟开关连接所述第一飞电容的第二端、所述输出电容的第二端以及所述第一、第二电压源的负极；所述第七时钟开关连接所述第二飞电容的第一端和所述输出电容的第一端。

基于以上的任意一种可能的实施方式，所述第一电压源为电池，所述第二电压源为电路中的直流-直流转换器或线性调压器。

基于以上的任意一种可能的实施方式，所述第一组时钟受第一时钟控制，当第一时钟为高电平时，所述第一组时钟导通；所述第二组时钟受第二时钟控制，当第二时钟为高电平时，所述第二组时钟导通。

基于以上的任意一种可能的实施方式，所述第一组时钟的导通时间和所述第二组时钟的导通时间之间间隔第一时间长度。

通过本实用新型实施例提供的功率电荷泵，可以利用应用系统中存在的其它电压，设计功率电荷泵，则通过利用除电池电压外的其他电压作为第二电压源，构建更多产生更多输入电压/输出电压倍率的电压模式，有助于优化功率电荷泵效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种功率电荷泵的一种实施例的电路原理图；

图2是图1所示的实施例的第一工作状态图；

图3是图1所示的实施例的第二工作状态图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种功率电荷泵的电路原理图；

图5是图4所示的实施例的第一工作状态图；

图6是图4所示的实施例的第二工作状态图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型实施例的核心思想是，利用系统中存在的更多其它电压，例如平板电脑、智能手机、蓝牙耳机等系统中都配备电源管理单元(PowerManagement Units)，他们通常可以支持多路电压输出，有些为线性调压器，有些为直流-直流转换器，通过这些作为第二输入电压源与电池作为第一电压源，设计功率电荷泵，构建更多其他倍率的电压模式，以优化功率电荷泵效率。

本实用新型实施例提供了一种功率电荷泵，所述功率电荷泵包括一输出电容、至少一飞电容、第一电压源和第二电压源、以及第一组时钟开关和第二组时钟开关，所述第一、第二时钟开关各自包含至少两个时钟开关，所述第一组时钟开关和第二组时钟开关的导通时间不重叠；所述第一组时钟开关导通时，控制所述至少一飞电容产生所述第一电压源的第一电压和第二电压源的第二电压之差的第三电压；所述第二组时钟开关导通时，控制所述输出电容产生与第三电压成比例的输出电压。

其中，，所述第一组时钟受第一时钟CK1控制，当CK1为高电平时，所述第一组时钟导通；所述第二组时钟受CK2控制，当CK2为高电平时，所述第二组时钟导通。所述第一组时钟的导通时间和所述第二组时钟的导通时间之间间隔第一时间长度。

如图1所示，在一种实施例中，所述功率电荷泵包含一个飞电容C1，所述第一组时钟开关包括第一时钟开关S1和第二时钟开关S2，所述第二组时钟开关包括第三时钟开关S3和第四时钟开关S4。

所述S1连接所述第一电压源V1的正极和所述飞电容C1的第一端，所述S2连接所述C1的第二端和所述第二电压源V2的正极，所述S3连接所述C1的第一端和所述输出电容C_O的第一端，所述S4连接所述C1的第二端、所述C_O的第二端以及电压源V1和V2的负极。

其中，第一电压源V1通常为电路中的电池，第二电压源可以是电路中的线性调压器或者直流-直流转换器等电压输出电路。

如图2和图3所示，图2～图3描述了图1实施方式的具体工作过程。当CK1为高电平时，对应图2工作状态，开关S1和S2导通，开关S3和S4断开。电容上的稳定电压满足V_C1+V2=V1，即V_C1=V1-V2，其中V_C1为飞电容C1两端的电压，V1为电压源V1的电压值，V2为电压源V2的电压值。其中，CK1与CK2为反相时钟信号，之间存在不交叠控制，即在开关S1和S2关断后，延迟一定死区时间，开关S3和S4才导通；开关S3和S4也是关断后，延迟一定死区时间，开关S1和S2才导通。

当CK2为高电平时，对应图3工作状态，开关S1和S2断开，开关S3和S4导通。飞电容上的稳定电压满足VC1=VO，其中V_C1为电容C1两端的电压，V_O为输出电容Co两端的电压。

由于稳定工作状态下，电容两端电压维持相等，则V_C1=V_O=V1-V2，当然如果交换图1中V1和V2的位置，则可以实现VO=V2-V1。

图1描述的实施例仅有一个飞电容(flying capacitor)情形，可以构建产生V1-V2的电压输出。如果V1=3.3V，输出目标电压值为1.7V，对两个飞电容情况，采用现有技术的最佳效率模式为2/3倍模式，理想效率为1.7V/2.2V=77.3%；而仅采用一个飞电容情况，采用现有技术的最佳效率模式为1倍模式，理想效率为1.7V/3.3V=51.5%。而采用本实用新型，如果V1=3.3V，V2=1.5V，则理想效率为1.7V/(3.3V-1.5V)=94.4%，且只用一个飞电容，大大提高了电路利用效率。

如图4所示，在另一种是实例中，所述功率电荷泵包含第一飞电容C1和第二飞电容C2，所述第一组时钟开关包括第一时钟开关S1、第二时钟开关S2和第五时钟开关S5，所述第二组时钟开关包括第三时钟开关S3、第四时钟开关S4、第六时钟开关S6以及第七时钟开关S7。

所述S1连接所述第一电压源V1的正极和所述C1的第一端，所述S2连接所述C2的第二端和所述第二电压源V2的正极，所述S3连接所述C1的第一端和所述C_O的第一端，所述S4连接所述C2的第二端、所述C_O的第二端以及所述电压源V1、V2的负极，所述S5连接所述C1的第二端和所述C2的第一端，所述S6连接所述C1的第二端、所述C_O的第二端以及所述电压源V1、V2的负极；所述S7连接所述C2的第一端和所述C_O的第一端。

与图1所示的实施例类似，第一电压源V1通常为电路中的电池，第二电压源可以是电路中的线性调压器或者直流-直流转换器等电压输出电路。

图5～图6描述了图4实施方式的具体工作过程，当CK1为高电平时，如图5所示，开关S1、S2、S5导通，开关S3、S4、S6、S7断开。电容电压满足：

V_C1+V_C2+V2=V1 (1)

其中V_C1为电容C1两端的电压，V_C2为电容C2两端的电压，V1为电压源V1的电压值，V2为电压源V2的电压值。

当CK2为高电平时，如图6所示，开关S1、S2、S5断开，开关S3、S4、S6、S7导通。电容电压满足：

V_C1=V_C2=V_O (2)

其中，V_C1为电容C1两端的电压，V_C2为电容C2两端的电压，V_O为输出电容两端的电压值。

稳定状态下，电容两端的电压相等。根据公式(1)和(2)可知：

V_O=(V1-V2)/2

通过图4描述的第二实施方式，采用两个飞电容C1和C2。可以产生的输出电压等于(V1-V2)/2。

可以理解的是，还可以根据本实用新型实施例的核心思想，通过设计更多的时钟开关和飞电容，以产生更多倍率的输出电压，在此不多赘述。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种功率电荷泵，其特征在于，包括一输出电容、至少一飞电容、第一电压源和第二电压源、以及第一组时钟开关和第二组时钟开关，所述第一组、第二组时钟开关各自包含至少两个时钟开关，所述第一组时钟开关和第二组时钟开关的导通时间不重叠；

2.如权利要求1所述的功率电荷泵，其特征在于，所述功率电荷泵包含一个飞电容，所述第一组时钟开关包括第一时钟开关和第二时钟开关，所述第二组时钟开关包括第三时钟开关和第四时钟开关。

3.如权利要求2所述的功率电荷泵，其特征在于，所述第一时钟开关连接所述第一电压源的正极和所述飞电容的第一端，所述第二时钟开关连接所述飞电容的第二端和所述第二电压源的正极，所述第三时钟开关连接所述飞电容的第一段和所述输出电容的第一端，所述第四时钟开关连接所述飞电容的第二端、所述输出电容的第二端以及所述第一、第二电压源的负极。

4.如权利要求1所述的功率电荷泵，其特征在于，所述功率电荷泵包含第一飞电容和第二飞电容，所述第一组时钟开关包括第一时钟开关、第二时钟开关和第五时钟开关，所述第二组时钟开关包括第三时钟开关、第四时钟开关、第六时钟开关以及第七时钟开关。

5.如权利要求4所述的功率电荷泵，其特征在于，所述第一时钟开关连接所述第一电压源的正极和所述第一飞电容的第一端，所述第二时钟开关连接所述第二飞电容的第二端和所述第二电压源的正极，所述第三时钟开关连接所述第一飞电容的第一端和所述输出电容的第一端，所述第四时钟开关连接所述飞电容的第二端、所述输出电容的第二端以及所述第一、第二电压源的负极，所述第五时钟开关连接所述第一飞电容的第二端和所述第二飞电容的第一端，所述第六时钟开关连接所述第一飞电容的第二端、所述输出电容的第二端以及所述第一、第二电压源的负极；所述第七时钟开关连接所述第二飞电容的第一端和所述输出电容的第一端。

6.如权利要求1至5任一项所述的功率电荷泵，其特征在于，所述第一电压源为电池，所述第二电压源为电路中的直流-直流转换器或线性调压器。

7.如权利要求1至5任一项所述的功率电荷泵，其特征在于，所述第一组时钟受第一时钟控制，当第一时钟为高电平时，所述第一组时钟导通；所述第二组时钟受第二时钟控制，当第二时钟为高电平时，所述第二组时钟导通。

8.如权利要求7所述的功率电荷泵，其特征在于，所述第一组时钟的导通时间和所述第二组时钟的导通时间之间间隔第一时间长度。