CN204733076U - 一种减小输出电压纹波的开环电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种减小输出电压纹波的开环电荷泵电路，开环电荷泵电路包括：过压保护信号产生模块、用于产生开关时钟信号的工作时钟产生模块、升压控制信号产生模块、升压模块以及输出电压纹波控制模块，其中，过压保护信号产生模块的输入端与升压模块的输出端连接、输出端与升压控制信号产生模块的输入端连接；工作时钟产生模块的输出端与升压控制信号产生模块的输入端连接；升压控制信号产生模块的输出端与升压模块的输入端连接；输出电压纹波控制模块的输入端与升压模块的输出端连接，其减小了升压模块生成的第一输出电压信号的纹波的同时提高了第一输出电压信号的纹波频率，相对于现有的开环电荷泵电路提高了电路的驱动能力和效率。

Description

一种减小输出电压纹波的开环电荷泵电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤指一种开环电荷泵电路。

背景技术

电荷泵型升压电路是便携式电子设备最常见的DC-DC(Direct Current，直流)升压供电电路，相比电感型Boost升压电路，电荷泵型升压电路的EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)性能更好，其是采用升压的泵电容来储存能量，通过控制电路控制升压泵电容的充电/放电来达到升压并将能量转移输出的。

一般来说，电荷泵型升压电路分为闭环电荷泵电路和开环电荷泵电路，其中，闭环电荷泵电路通过环路控制，输出一个比升压倍数略低的恒定的输出电压，而恒定的输出电压是通过闭环的环路控制升压模块内部的开关管导通时的栅极电压来调整开关管的导通电阻实现的。这样闭环电荷泵电路在工作时升压模块内部的开关管并不能完全导通，所以闭环电荷泵电路最明显的缺点是转换效率和驱动能力都比较低，而且闭环电荷泵的控制电路也比较复杂，整个电路的功耗和集成电路的芯片面积也都比较大。

典型的开环电荷泵电路如图1所示，由工作时钟产生模块200、过压保护信号产生模块100、升压控制信号产生模块300以及升压模块400组成。其中，工作时钟产生模块200产生升压模块400所需要的开关时钟信号V_OSC，V_OSC信号经升压控制信号产生模块300产生升压控制信号V_C，升压模块400根据升压控制信号V_C控制升压模块400内部的开关管的完全导通和截止，对升压的电荷泵电容C_FLYING1和C_FLYING2进行充放电，最终产生输出电压V_OUT。

相比较闭环电荷泵电路内部开关管导通时的栅极电压是受环路控制，开环电荷泵电路控制内部升压的开关管导通时栅极电压直接是最高电压(NMOS管)/最低电压(PMOS管)，开关管是充分导通的。充分导通的 开关管导通电阻最小，所以开环电荷泵电路的驱动能力会发挥到极致，同时开关管导通电阻最小，在升压模块400内部消耗的功率也最小，效率也最高。所以相比闭环电荷泵电路，开环电荷泵电路的驱动能力和效率都大大提高。

从图1中还可以看出，为了限制开环电荷泵输出的最高电压，一般开环电荷泵电路都有过压保护功能。过压保护信号产生模块100检测第一输出电压信号V_OUT，当第一输出电压信号V_OUT超过保护阈值电压V_OVP1时，产生有效的过压保护信号V_OV，过压保护信号V_OV经过升压控制信号产生模块300后，通过V_C控制升压模块400内部开关管停止升压工作，以限制第一输出电压信号V_OUT继续升高而达到过压保护的目的，停止升压工作后，第一输出电压信号V_OUT由于负载R_LOAD会逐渐降低，但当V_OUT降低至撤销过压保护阈值电压V_OVP2时，过压保护信号V_OV变为无效，升压控制信号V_C控制升压模块400内部开关管重新工作，输出电压升高。如果第一输出电压信号V_OUT在V_OVP1和V_OVP2之间反复变化，则过压保护会反复被触发，过压保护反复触发时的输出电压V_OUT和过压保护信号V_OV的波形如图2所示。

由于开环电荷泵电路在工作时升压模块400内部的开关管都是充分导通的，但是为了考虑开环电荷泵的驱动能力，因而在开环电荷泵电路的设计过程中一般不设置限流电路或者将限流电路的限流电流值设置的比较大，这样当过压保护信号V_OV变无效之后，在升压模块400恢复升压工作的过程中内部开关管会流过很大的瞬态电流，从而第一输出电压信号V_OUT会在很短时间内冲高到触发过压保护使得过压保护信号V_OV变为有效而重新开始进行过压保护。然而从第一输出电压信号升高到产生有效过压保护信号V_OV再到停止升压的过程中都会出现一定的延时，又由于开环电荷泵电路恢复工作时给升压的电荷泵电流的充放电电流很大，导致过压保护时输出电压纹波很大，这样过压保护后第一输出电压信号V_OUT就需要更长的时间才能降低到撤销过压保护阈值电压V_OVP2，降低了第一输出电压信号V_OUT的纹波频率。

如果第一输出电压信号V_OUT的纹波过大，这样的开环电荷泵电路就不能对一些要求小输出纹波的设备供电，而且输出电压纹波过大，也会降低开环电荷泵的驱动能力和效率；另外，由于输出电压纹波过大导致的输出电压纹波频率降低也会对一些应用造成影响，比如开环电荷泵电路对音频器件供电的话，开环电荷泵电路的输出电压纹波频率降低到低于20kHz，则会对音频信号造成干扰，产生可听见的杂音，降低音质，因而一种能够降低输出电压纹波的开环电荷泵电路称为了一种需求。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型旨在提供一种减小输出电压纹波的开环电荷泵电路，其在原有的开环电荷泵电路的基础上增加了输出电压纹波控制模块，以解决第一输出电压信号的纹波过大的问题。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种减小输出电压纹波的开环电荷泵电路，所述开环电荷泵电路包括：用于根据所述开环电荷泵电路的第一输出电压信号生成过压保护信号的过压保护信号产生模块、用于产生开关时钟信号的工作时钟产生模块、用于根据所述开关时钟信号和所述过压保护信号生成升压控制信号的升压控制信号产生模块、用于根据所述升压控制信号实现对所述第一输出电压信号控制的升压模块以及用于对所述第一输出电压信号进行纹波控制输出第二输出电压信号的输出电压纹波控制模块，其中，所述过压保护信号产生模块的输入端与所述升压模块的输出端连接、输出端与所述升压控制信号产生模块的输入端连接；所述工作时钟产生模块的输出端与所述升压控制信号产生模块的输入端连接；所述升压控制信号产生模块的输出端与所述升压模块的输入端连接；所述输出电压纹波控制模块的输入端与所述升压模块的输出端连接。

在本技术方案中，通过输出电压纹波控制模块控制第一输出电压信号的纹波，当然，在实用新型中，我们这里说到的控制第一输出电压信号的纹波即指减小第一输出电压信号的纹波，这样只需要在原有的电荷泵的基础上添加输出电压纹波控制模块即可实现开环电荷泵在一些纹波要求较 小的应用中进行应用。

优选地，所述开环电荷泵电路中还包括至少一个输出电容，所述输出电容的一端与所述输出电压纹波控制模块的输出端连接、另一端接地，用于稳定所述第二输出电压信号的纹波。

在本技术方案中，利用了输出电容两端的电压不能突变来实现开环电荷泵电路对第一输出电压信号纹波减小的目的。

优选地，所述过压保护信号产生模块、所述升压控制信号产生模块、所述工作时钟产生模块、所述升压模块以及所述输出电压纹波控制模块集成为第一电路芯片，实现对第一输出电压信号纹波的控制。

在本技术方案中，将上述模块集成在第一电路芯片中实现目的，实现开环电荷泵电路的精简。

优选地，所述输出电压纹波控制模块中包括一纹波控制电阻，所述纹波控制电阻的一端与所述升压模块的输出端连接、另一端与所述输出电容连接。

在本技术方案中，输出电压纹波控制模块为一纹波控制电阻，通过该纹波控制电阻与输出电容共同的作用实现对第一输出电压信号纹波的减小。

优选地，所述过压保护信号产生模块、所述升压控制信号产生模块、所述工作时钟产生模块以及所述升压模块集成为第二电路芯片，所述输出电压纹波控制模块的输入端与集成电路的输出端连接、输出端与所述输出电容的一端连接。

优选地，所述输出电压纹波控制模块中包括一纹波控制电阻，所述纹波控制电阻的一端与所述升压模块的输出端连接、另一端与所述输出电容连接。

在本技术方案中，输出电压纹波控制模块为一纹波控制电阻，通过该纹波控制电阻与输出电容共同的作用实现对第一输出电压信号纹波的减小。

优选地，所述开环电荷泵电路中还包括分别并联在所述升压模块两端 的第一电荷泵电容和第二电荷泵电容，所述升压模块通过所述第一电荷泵电容和所述第二电荷泵电容的充放电控制所述第一输出电压信号的输出。

在本实用新型提供的开环电荷泵电路中，通过在原有的开环电荷泵电路中添加输出电压纹波控制模块对第一输出电压信号的纹波进行控制，减小了第一输出电压信号的纹波的同时提高了第一输出电压信号的纹波频率，相对于现有的开环电荷泵电路提高了电路的驱动能力和效率；同时有效地解决了由于第一输出电压信号纹波过大引起的问题，扩展了开环电荷泵电路的应用，即本实用新型提供的开环电荷泵电路能够应用在一些要求第一输出电压信号纹波较小的应用中；另外，由于第一输出电压信号纹波频率的提高，有效地解决了由于负载功耗较低而引起的第一输出电压信号纹波频率过低出现的音质降低、杂音等问题。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为现有的开环电荷泵电路结构示意图；

图2为现有的开环电荷泵电路反复触发过压保护的输出电压和过压保护信号波形图；

图3为现有的开环电荷泵电路反复触发过压保护的输出电压和过压保护信号波形放大图；

图4为现有的开环电荷泵电路中两级比较器电路图；

图5为本实用新型中减小电压纹波的开环电荷泵电路第一实施例的结构示意图；

图6为本实用新型中减小电压纹波的开环电荷泵电路第二实施例的结构示意图；

图7为现有开环电荷泵电路和本实用新型开环电荷泵电路过压保护波形对比图。

附图标记：

C_FLYING1-第一电荷泵电容，C_FLYING2-第二电荷泵电容，

V_SP-第一输出电压信号，V_OUT-第二输出电压信号，V_OSC-开关时钟信号，

V_OV-过压保护信号，V_OVP1-第一输出电压阈值，V_OVP2-第二输出电压阈值，

V_C-升压控制信号，R_LOAD-输出负载，C_OUT-输出电容，

CL1-两级比较器中第一级输出的寄生电容和负载电容之和；

CL2-两级比较器中第二级输出的寄生电容和负载电容之和；

100-过压保护信号产生模块，200-工作时钟产生模块，

300-升压控制信号产生模块，400-升压模块，500-输出电压纹波控制模块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图3所示为现有的开环电荷泵电路反复触发过压保护的输出电压和过压保护信号波形放大图，从图中可以看出，在现有的开环电荷泵电路(如图1所示)中，当输出电压信号V_OUT上升到第一输出电压阈值V_OVP1之后，过压保护信号V_OV并没有立即变为有效，而是要经过一段时间ΔT延时之后过压保护信号V_OV才会变为有效；同样地，当输出电压信号V_OUT降低到第二输出电压阈值V_OVP2(即前述的撤销过压保护阈值电压V_OVP2)之后也要延时一段时间ΔT之后过压保护信号V_OV才会变为有效，这样增加了该开环电荷电路中的输出电压信号V_OUT的纹波。

造成上述延时的原因在于过压保护信号产生模块100中包括了一如图4所示的两级比较器，其中图示中的CL1为第一级输出的寄生电容和负载电容之和，CL2为第二级输出的寄生电容和负载电容之和。该两级比较器的总延时为两级延时相加得到，其中第一级延时是第一级输出V_OD的电压从静态工作点跳变到使第二级输出跳变到工作点电压所用的时间，具体如公式(1)：

$\mathrm{\Δ}T1=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{OD}*CL1}{I_{M5}}---\left(1\right)$

其中，其中ΔV_OD为第一级输出电压V_OD从静态工作点电压跃变到使第二级输出跳变到工作点的电压之差，I_M5是图示中NMOS管M5的偏置电流。

第二级延时是输出从电源电压V_DD(或者GND)变化到使下一级跳变所需电压(这里该电压为电源电压的一半)的时间，具体如公式(2)和(3)：

(输出电压V_O由高变低)   (2)

或者

(输出电压V_O由低变高)   (3)

可以得到总的比较延时为：

ΔT＝ΔT1+ΔT2

在现有的开环电荷泵电路中，上述总的比较延时大约在100～300ns(纳秒)左右，若按200ns的比较器延时计算，开环电荷泵输出电容C_OUT为1uF(微法)，过压保护信号V_OV撤消后开关管导通电流为1A计算，则输出电压纹波为：

$\mathrm{\Δ}VOUT=\frac{1A*200ns}{1uF}=200mV$

为了解决上述问题，如图5和图6所示分别为本实用新型提供的减小输出电压纹波的开环电荷泵电路第一实施例和第二实施例的结构示意图，从图中可以看出，第一实施例和第二实时例中减小输出电压纹波的开环电荷泵电路中都包括了过压保护信号产生模块100、工作时钟产生模块200、升压控制信号产生模块300、升压模块400以及输出电压纹波控制模块500，其中，过压保护信号产生模块100的输入端与升压模块400的输出端连接、输出端与升压控制信号产生模块300的输入端连接；工作时钟产生模块200的输出端与升压控制信号产生模块300的输入端连接；升压控制信号产生模块300的输出端与升压模块400的输入端连接；输出电压纹波控制模块500的输入端与升压模块400的输出端连接。第一实施例和第二实施例中不同是的，在第一实施例中，过压保护信号产生模块100、升压控制信号产生模块300、工作时钟产生模块200、升压模块400以及输出电压纹波控制模块集成为第一电路芯片，实现对第一输出电压信号V_SP纹波的控制；而在第二实施例中，过压保护信号产生模块100、 升压控制信号产生模块300、工作时钟产生模块200以及升压模块400集成为第二电路芯片，输出电压纹波控制模块没有集成在第二电路芯片中，而是设置在输出电容与升压模块400之间。可以看出，两个实施例中的区别仅在于是否将输出电压纹波控制模块500集成在集成电路芯片中，其为本实用新型开环电荷泵电路的两种实时方式，其实现的功能是一样的。

简单来说在工作过程中，上述两个实施例中的开环电荷泵电路首先通过过压保护信号产生模块100对开环电荷泵电路(升压模块400)输出的第一输出电压信号V_SP进行检测，并将该第一输出电压信号V_SP与第一输出电压阈值V_OVP1和第二输出电压阈值V_OVP2(第一输出电压阈值V_OVP1大于第二输出电压阈值V_OVP2)进行比对，当第一输出电压信号V_SP大于第一输出电压阈值V_OVP1时，则过压保护信号产生模块100产生有效的过压保护信号V_OV并将该过压保护信号V_OV发送至升压控制信号产生模块300；与此同时，工作时钟产生模块200生成开关时钟信号V_OSC并将该信号发送至升压控制信号产生模块300；随后，升压控制信号产生模块300根据接收到的过压保护信号V_OV和开关时钟信号V_OSC生成相应的升压控制信号V_C并将该信号输入升压模块400；进而在升压模块400中通过使用该升压控制信号V_C控制升压模块400内部开关管停止升压工作，防止第一输出电压信号V_SP继续上升，从而达到过压保护的目的。当第一输出电压信号V_SP停止上升之后，在输出负载R_LOAD的作用下该第一输出电压信号V_SP会逐渐降低直到降低至第二输出电压阈值V_OVP2时，则过压保护信号V_OV变为无效，之后升压控制信号V_C控制升压模块400内部开关管重新工作，第一输出电压信号V_SP上升。这样第一输出电压信号V_SP在第一输出电压阈值V_OVP1和第二输出电压阈值V_OVP2之间反复变化，则过压保护信号产生模块100会反复被触发，该第一输出电压信号V_SP和过压保护信号V_OV的波形如图2和图6中所示。又为了减小第一输出电压信号V_SP的纹波，我们将输出电压纹波控制500设置在升压模块400的输出端，通过该输出电压纹波控制模块500达到减小第一输出电压信号V_SP纹波和第二输出电压信号V_OUT纹波的目的，同时提高第一输出电压信号V_SP的纹波频率和第二输出电压V_OUT的纹波频率。

进一步来说，本实用新型提供的开环电荷泵电路中的过压保护信号产生模 块100中的两级比较器输入端分别输入第一输出电压信号V_SP、第一输出电压阈值V_OVP1和第二输出电压阈值V_OVP2、输出端与升压控制信号产生模块300的输入端连接。两级比较器的正输入端Vp接第一输出电压信号V_SP的分压信号(V_SP信号幅值太大，一般用分压电阻分压到1V左右)，两级比较器的负输入端Vn接一个基准电压信号Vref，这个基准电压信号是选择两个比较的基准电压Vref1和Vref2其中之一。当比较器的输出电压V_O为低电平时选择Vref1(对应的OVP阈值电压为V_OPV1)，当比较器的输出电压V_O为高电平时选择Vref2(对应的OVP阈值电压为V_OVP2)。启动后V_SP从0V开始上升，当V_SP电压升高到高于V_OVP1时，比较器输出电压V_O变为高电平，OVP保护后当V_SP电压降低到低于V_OVP2时，比较器输出电压V_O变为低电平。图示中的输出结果Vo即为过压保护信号产生模块100中输出的过压保护信号V_OV。更进一步来说，开环电荷泵电路中还包括分别并联在升压模块400两端的第一电荷泵电容C_FLYING1和第二电荷泵电容C_FLYING2，升压模块400通过第一电荷泵电容C_FLYING1和第二电荷泵电容C_FLYING2的充放电控制第一输出电压信号V_SP的输出。

另外，为了实现本实用新型的目的，开环电荷泵电路中还包括至少一个输出电容C_OUT，且该输出电容C_OUT的一端与输出电压纹波控制模块500的输出端连接、另一端接地，用于稳定第二输出电压信号V_OUT的纹波。在具体实施例中，输出电压纹波控制模块500为一纹波控制电阻，纹波控制电阻的一端与升压模块400的输出端连接、另一端与输出电容C_OUT连接。图7为现有开环电荷泵电路和本实用新型开环电荷泵电路过压保护波形对比图，从图中可以看出，本实用新型中的开环电荷泵电路在过压保护信号V_OV有效时升压模块400停止升压，此时没有电流经过纹波控制电阻，因而此时纹波控制电阻两端的第一输出电压信号V_SP和第二输出电压信号V_OUT是相等的，而当过压保护信号V_OV变无效升压模块400开始升压工作时，第一电荷泵电容C_FLYING1和第二电荷泵电容C_FLYING2的充放电电流经过纹波控制电阻时，第二输出电压信号V_OUT在输出电容C_OUT的作用不能突变，因而第一输出电压信号V_SP在第二输出电压信号V_OUT的基础上加上纹波控制电阻两端的电压，进而在该点出现了电压突变(突变值为纹波控制电阻两端的电压)，紧接着第二输出电压信号V_OUT和第一输出 电压信号V_SP电压同步升高，由于在第一输出电压信号V_SP增加了上述突变电压，所以在现有开环电荷泵电路所有参数都不变的情况下，输出电压纹波减小了纹波控制电阻两端的电压值，从图7中可以看出输出电压纹波频率同时也提高了，进而达到了本实用新型的目的。要说明的是，在本实用新型中，我们对纹波控制电阻的具体值不做限定，可以根据实际情况进行调整。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种减小输出电压纹波的开环电荷泵电路，其特征在于，所述开环电荷泵电路包括：用于根据所述开环电荷泵电路的第一输出电压信号生成过压保护信号的过压保护信号产生模块、用于产生开关时钟信号的工作时钟产生模块、用于根据所述开关时钟信号和所述过压保护信号生成升压控制信号的升压控制信号产生模块、用于根据所述升压控制信号实现对所述第一输出电压信号控制的升压模块以及用于对所述第一输出电压信号进行纹波控制输出第二输出电压信号的输出电压纹波控制模块，其中，所述过压保护信号产生模块的输入端与所述升压模块的输出端连接、输出端与所述升压控制信号产生模块的输入端连接；所述工作时钟产生模块的输出端与所述升压控制信号产生模块的输入端连接；所述升压控制信号产生模块的输出端与所述升压模块的输入端连接；所述输出电压纹波控制模块的输入端与所述升压模块的输出端连接。

2.如权利要求1所述的开环电荷泵电路，其特征在于：所述开环电荷泵电路中还包括用于稳定所述第二输出电压信号的纹波的至少一个输出电容，所述输出电容的一端与所述输出电压纹波控制模块的输出端连接、另一端接地。

3.如权利要求2所述的开环电荷泵电路，其特征在于：所述过压保护信号产生模块、所述升压控制信号产生模块、所述工作时钟产生模块、所述升压模块以及所述输出电压纹波控制模块集成为第一电路芯片。

4.如权利要求3所述的开环电荷泵电路，其特征在于：所述输出电压纹波控制模块中包括一纹波控制电阻，所述纹波控制电阻的一端与所述升压模块的输出端连接、另一端与所述输出电容连接。

5.如权利要求2所述的开环电荷泵电路，其特征在于：所述过压保护信号产生模块、所述升压控制信号产生模块、所述工作时钟产生模块以及所述升 压模块集成为第二电路芯片，所述输出电压纹波控制模块的输入端与集成电路的输出端连接、输出端与所述输出电容的一端连接。

6.如权利要求5所述的开环电荷泵电路，其特征在于：所述输出电压纹波控制模块中包括一纹波控制电阻，所述纹波控制电阻的一端与所述升压模块的输出端连接、另一端与所述输出电容连接。

7.如权利要求4或6所述的开环电荷泵电路，其特征在于：所述开环电荷泵电路中还包括分别并联在所述升压模块两端的第一电荷泵电容和第二电荷泵电容，所述升压模块通过所述第一电荷泵电容和所述第二电荷泵电容的充放电控制所述第一输出电压信号的输出。