CN207234670U - 一种电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电荷泵电路，包括充放电电路和纹波抑制电路，所述充放电电路接收输入信号并通过多次充放电过程输出第一电压信号；所述纹波抑制电路接收所述第一电压信号，用以减少所述第一电压信号中纹波，并得到电荷泵的输出信号。本实用新型采用纹波抑制电路替代现有技术的大电容，可形成两级滤波结构，同时本实用新型还避免体二极管发生直通的问题。

Description

一种电荷泵电路

技术领域

本实用新型涉及一种电力电子技术领域，特别涉及一种电荷泵电路。

背景技术

电荷泵实际上是一种电压变换器，用于输出所需的直流电压。电荷泵大多应用在一些需要电池的系统中，如一些便携式电子设备。便携式电子设备发展迅速，对电荷泵也提出了更多的需求。图1为现有技术的一种电荷泵电路结构示意图，图1包括4个开关管M1、M2、M3、M4和电容C1、C2、C3，这里开关管M1、M2、M3、M4以NMOS管为例。M1、M2、M3、M4两两相连成环路结构，M1和M3的公共节点接电源VDD，M1和M2公共节点处电压为V01，M3和M4公共节点处电压为V02，M2和M4公共节点处接电容C3一端，其公共节点处电压为电荷泵输出电压Vout；M1、M4通断受脉冲信号ctrl控制，M2、M3通断受脉冲信号控制。电容C1一端接V01，另一端输入脉冲信号clk；电容C2一端接V02，另一端输入脉冲信号

脉冲信号clk和互补，即clk为高电平时，为低电平，这里高电平设定为VDD，低电平设定为0；脉冲信号ctrl和互补，即ctrl为高电平时，为低电平，脉冲信号ctrl和为低电平即NMOS管栅极输入电压不足以使开关管开启，这里设定为VDD；脉冲信号ctrl和为高电平即NMOS管栅极输入电压足够使开关管开启，这里设定为2VDD。脉冲信号clk、和脉冲信号ctrl、脉宽相等且同步产生。

参照图2，示意了现有技术电荷泵输入输出电压波形图，当电荷泵输入端输入电压VDD时，且VDD比两个二极管开启电压之和高，电荷泵的四个MOS管的体二极管会存在直通问题使得电荷泵输出电压Vout不为零。当输入脉冲信号ctrl从低电平变为高电平，从高电平变为低电平时，M1、M4导通，M2、M3断开，电容C1一端输入的脉冲信号clk从VDD变为0，C2一端输入的脉冲信号从0变为VDD，电压V01经M1充电变为VDD，电压V02经电容C2耦合瞬间被抬升了VDD，C2中的电荷通过M4向电容C3流动，输出电压Vout上升；当ctrl为变为低电平时，变为高电平时，M1、M4断开，M2、M3闭合，C1一端输入的clk信号从0变为VDD，电压V01由于电容C1的耦合瞬间被抬升到2VDD，C1中的电荷向C3流动，输出电压Vout上升。经过多个脉冲周期后，输出电压Vout接近2*VDD。

现有技术电荷泵采用的MOS管其体二极管会产生直通问题，使得电荷泵输出电压前期上升速度不可控，电荷泵不能从0线性上升。此外，为减小电荷泵输出纹波影响会在电荷泵内接一个高压大电容C3，C3体积大，额外增加了电荷泵生产成本。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种电荷泵电路，用于解决现有技术存在的电荷泵输出电压上升速度前期不可控及生产成本高等问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种电荷泵电路，包括：

充放电电路，接收输入信号并通过多次充放电过程输出多倍于输入信号的第一电压信号。

纹波抑制电路，接收所述第一电压信号，用以减少将所述第一电压信号中纹波，并得到电荷泵的输出信号。

可选的，所述充放电电路包括包括四个开关管、第一电容和第二电容，所述四个开关管两两相连成对称的环路结构，每两个相连的开关管处有一个节点，其中两个对称节点分别连第一电容和第二电容一端，另外两个对称节点处分别为所述充放电电路的输入端和输出端。

可选的，所述充放电电路的四个开关管的通断受脉冲信号控制，控制每两个相邻开关管通断的脉冲信号互补或相同；所述充放电电路的第一电容和第二电容的另一端分别接收互补的脉冲信号；控制开关管通断的脉冲信号和第一电容、第二电容接收的脉冲信号脉宽相等且同步。

可选的，所述电荷泵电路还包括一个带有体二极管的辅助开关管，所述辅助开关管接在所述所述变换器的输出端，所述辅助开关管的体二极管正向截止。

可选的，所述纹波抑制电路包括两个电阻和第三电容，所述两个电阻相连，所述两个电阻公共节点接所述第三电容一端。

可选的，所述的电荷泵电路输出端连接第一开关管控制端，所述纹波抑制电路的两个电阻、第三电容和所述第一开关管的寄生电容构成两级滤波结构。

可选的，所述第一电容和第二电容通过充电来储存能量，交替向第三电容放电来释放能量，通过上述充放电过程，通过所述纹波抑制电路和第一开关管寄生电容形成的两级滤波结构来减小第一电压信号的纹波。

可选的，所述电荷泵电路为多个级联电路，上一个电荷泵的输出端作为下一个电荷泵的输入端。

与现有技术相比，本实用新型之技术方案具有以下优点：接收输入信号并通过多次充放电过程输出第一电压信号；通过两级滤波方式减小所述第一电压信号中的纹波，并得到电荷泵的输出信号。在电荷泵上电时，所述充放电电路中的开关管不会出现直通问题，电荷泵输出电压能够从0线性上升，启动过程中输出电压的上升速度一直可控。此外本实用新型采用纹波抑制电路来代替现有技术中的电容C3来减少电荷泵输出纹波。纹波抑制电路采用的电容远比现有技术中采用的滤波电容C3小的多，可以实现片内集成，减小系统应用成本和面积，提高可靠性，降低了电荷泵的生产成本。

附图说明

图1为现有技术电荷泵电路结构示意图；

图2为现有技术电荷泵电路输入输出电压波形图；

图3为本实用新型电荷泵电路一种电路结构示意图；

图4为本实用新型电荷泵电路另一种电路结构示意图；

图5为本实用新型控制电荷泵电路工作的脉冲信号波形图；

图6为本实用新型电荷泵电路输入输出电压波形图；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

参照图3，示意了本实用新型电荷泵一种电路结构，包括充放电电路U01、纹波抑制电路U02、辅助开关管M5和第一开关管M01，这里辅助开关管M5为PMOS管，第一开关管M01为NMOS管。所述充放电电路U01包括4个开关管M1、M2、M3、M4和电容C1、C2，这里四个开关管以NMOS管为例。M1、M2、M3、M4两两相连成环路结构，M1和M3的公共节点接电源Vin，M1和M2公共节点处电压为V01，M3和M4公共节点处电压为V02，M2和M4公共节点处为充放电电路U01输出端；M1、M4通断受脉冲信号ctrl控制，M2、M3通断受脉冲信号控制。电容C1一端接V01，另一端输入脉冲信号clk；电容C2一端接V02，另一端输入脉冲信号所述辅助开关管M5漏极接所述充放电电路U01输出端。所述纹波抑制电路U02接所述辅助开关管M5源极，所述纹波抑制电路包括电阻R1、电阻R2和电容C301，电阻R1一端和R2一端相连，其公共节点接电容C301，电阻R2另一端输出电压Vout为所述电荷电路的输出电压，电阻R2另一端和M01栅极相连，电阻R1和第三电容，电阻R2和第一开关管M01的寄生电容形成两节滤波结构。

所述第一开关管M01根据不同的应用场景可实现不同的功能，其控制端接收电荷泵电路输出的电压，从而控制所述第一开关管M01的开关状态。

参照图4，示意了本实用新型电荷泵另一种电路结构，图4与图3的区别这里仅在于开关管M1、M3以NMOS管为例，开关管M2、M4以PMOS管为例，同时开关管M1、M2受脉冲信号ctrl控制，开关管M2、M4受其互补脉冲控制。图4和图3示意的电荷泵工作过程一样。

参照图5，示意了本实用新型控制电荷泵工作的脉冲信号波形图，脉冲信号clk和互补，即clk为高电平时，为低电平，这里高电平设定为VDD，低电平设定为0；脉冲信号ctrl和互补，即ctrl为高电平时，为低电平，脉冲信号ctrl和为高电平即MOS管栅极输入电压足够开关管开启或者关断，这里设定为2VDD；脉冲信号ctrl和为低电平即MOS管栅极输入电压不足以使开关管开启或关断，这里设定为VDD。脉冲信号clk、和脉冲信号ctrl、脉宽相等且同步。

参照图6，示意了本实用新型电荷泵输入输出电压波形图，当电荷泵输入端输入电压VDD时，辅助开关管M5的体二极管正向截止，所述充放电电路的4个MOS管不会出现直通问题，所述电荷泵输出电压不会提前输出。当输入脉冲信号ctrl从低电平变为高电平，从高电平变为低电平时，M1、M4导通，M2、M3断开，电容C1一端输入的脉冲信号clk从VDD变为0，C2一端输入的脉冲信号从0变为VDD，电压V01经M1并通过电容C1充电变为VDD，电压V02经电容C2耦合瞬间被拉升了VDD，C2中的电荷通过M4向电容C301流动，输出电压Vout上升；当ctrl从高电平变为低电平时，从低电平变为高电平时，M1、M4断开，M2、M3闭合，C1一端输入的clk信号从0变为VDD，电压V01由于电容C1的耦合瞬间被拉升到2VDD，C1中的电荷向C301流动，输出电压Vout上升，经过多个脉冲周期后，输出电压Vout接近2*VDD。当有N个电荷泵级联时，上一个电荷泵电路的输出端作为下一个电荷泵电路的输入端，N个电荷泵最终的输出电压Vout接近(1+N)*VDD。

在电荷泵上电时，所述变换器中的开关管不会出现直通问题，电荷泵输出电压能够从0线性上升，启动过程中输出电压的上升速度一直可控。此外本实用新型采用纹波抑制电路来代替现有技术中的电容C3来减少电荷泵输出纹波。纹波抑制电路采用的电容远比现有技术中采用的滤波电容C3小的多，可以实现片内集成，减小系统应用成本和面积，提高可靠性，降低了芯片的应用成本。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电荷泵电路，包括：

充放电电路，接收输入信号并通过多次充放电过程输出第一电压信号；

纹波抑制电路，接收所述第一电压信号，用以减少所述第一电压信号中纹波，并得到电荷泵的输出信号。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述充放电电路包括四个开关管、第一电容和第二电容，所述四个开关管两两相连成对称的环路结构，每两个相连的开关管处有一个节点，其中两个对称节点分别连第一电容和第二电容一端，另外两个对称节点处分别为所述充放电电路的输入端和输出端。

3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述充放电电路的四个开关管的通断受脉冲信号控制，控制每两个相邻开关管通断的脉冲信号互补或相同；所述充放电电路的第一电容和第二电容的另一端分别接收互补的脉冲信号；控制开关管通断的脉冲信号和第一电容、第二电容接收的脉冲信号脉宽相等且同步。

4.根据权利要求1、2或3所述的电荷泵电路，其特征在于：所述电荷泵电路还包括一个带有体二极管的辅助开关管，所述辅助开关管接在所述充放电电路的输出端，所述辅助开关管的体二极管正向截止。

5.根据权利要求1、2或3所述的电荷泵电路，其特征在于：所述纹波抑制电路包括两个电阻和第三电容，所述两个电阻相连，所述两个电阻公共节点接所述第三电容一端。

6.根据权利要求5所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的电荷泵电路输出端连接第一开关管控制端，所述纹波抑制电路的两个电阻、第三电容和所述第一开关管的寄生电容构成两级滤波结构。

7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于：所述第一电容和第二电容通过充电来储存能量，交替向第三电容放电来释放能量，通过所述纹波抑制电路和第一开关管寄生电容形成的两级滤波结构来减小第一电压信号的纹波。

8.根据权利要求1、2或3所述的电荷泵电路，其特征在于：所述电荷泵电路为多个级联电路，上一个电荷泵电路的输出端作为下一个电荷泵电路的输入端。