CN218733904U - 一种电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电荷泵电路，涉及电源电路技术领域，包括：一级电荷泵单元和二级电荷泵单元；一级电荷泵单元和二级电荷泵单元中包括的场效应管均为NMOS管；一级电荷泵单元用于对电源电压信号进行一次升压处理，得到一次升压后的电源电压信号；二级电荷泵单元用于将一次升压后的电源电压信号进行二次升压处理，得到二次升压后的电源电压信号；二级电荷泵单元的输出端用于输出二次升压后的电源电压信号。本实用新型将传统电荷泵电路中的PMOS场效应管替换为NMOS场效应管，并将NMOS场效应管的栅极与源极短接，能够消除传统PMOS场效应管寄生的PNP晶体管，减小漏电风险。

Description

一种电荷泵电路

技术领域

本实用新型涉及电源电路技术领域，特别是涉及一种电荷泵电路。

背景技术

许多电子设备都通过相对低电压电源供电。有些集成电路(Integrated CircuitIC)会需要一个比外部电源更高的电压才能正常工作，因此，通常使用电荷泵电路提升外部电源的电压，使IC能够正常工作。

现有的电荷泵电路如图1所示，其中，场效应管M1-1、M2-1、M5-1和M6-1为NMOS管，效应管M3、M4、M7和M8为PMOS管，CLK和CLKB是两个由电源电压VDD驱动的反相时钟信号，电容C1-1、C2-1、C3-1和C4-1的电容值相等，VIN为电荷泵输入信号，VOUT为电荷泵输出信号。场效应管M1-1、M2-1、M3和M4，以及电容器C1-1和C2-1构成一个电荷泵单元300，效应管M5-1、M6-1、M7和M8，以及电容器C3-1和C4-1构成另一个电荷泵单元400。

具体实现原理如下：

电荷泵单元300中：当CLK＝0且CLKB＝VDD时，场效应管M1-1和M4导通，节点A被充电到VIN，节点B被充电到VIN+VDD，电荷泵单元300的输出为VIN+VDD。同理，当CLK＝VDD且CLKB＝0时，场效应管M2-1和M3导通，节点A被充电到VIN+VDD，节点B被充电到VIN，电荷泵单元300输出为VIN+VDD。可见电荷泵单元300输出稳定在VIN+VDD。电荷泵单元400中，当CLK＝0且CLKB＝VDD时，场效应管M5-1和M8导通，节点C被充电到VIN+VDD，节点D被充电到VIN+2VDD，电荷泵单元400输出为VIN+2VDD。同理，当CLK＝VDD且CLKB＝0时，场效应管M6-1和M7导通，节点C被充电到VIN+2VDD，节点D被充电到VIN+VDD，电荷泵单元400的输出为VIN+2VDD。可见电荷泵单元400输出稳定在VIN+2VDD，即该电荷泵电路实现了输入电压VIN的升压功能。

在现有电荷泵电路中，场效应管M3、M4、M7和M8为PMOS管，由于其寄生效应存在纵向寄生晶体管PNP，以PMOS场效应管M7为例，PMOS场效应管M7的源端与VOUT相连。PMOS场效应管M7的栅端为GATE。PMOS场效应管M7的漏端与节点C相连。PMOS场效应管M7与它所在的N阱及衬底形成纵向寄生晶体管PNP，如图2所示，在工作过程中，由于电容的电荷保持特性，节点A、B、C和D都会有瞬间的电压变化，瞬间的电压变化产生的电流会流入寄生电阻Rn，当寄生电阻Rn上产生的压降超过PN结的正向导通电压，就会使寄生的PNP晶体管导通，出现漏电现象，降低电荷泵的工作效率甚至损坏芯片。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电荷泵电路，使用NMOS管代替传统电荷泵电路中的PMOS管，能够减少漏电现象的产生，提高电荷泵电路的工作效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种电荷泵电路，包括：

一级电荷泵单元和二级电荷泵单元；

所述一级电荷泵单元和所述二级电荷泵单元中包括的场效应管均为NMOS管；

所述一级电荷泵单元的第一输入端用于输入电源电压信号VIN；所述一级电荷泵单元的第二输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第一时钟信号CLK；所述一级电荷泵单元的第三输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第二时钟信号CLKB；所述一级电荷泵单元的输出端与所述二级电荷泵单元的第一输入端连接；所述一级电荷泵单元用于对所述电源电压信号进行一次升压处理，得到一次升压后的电源电压信号；

所述二级电荷泵单元的第二输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第一时钟信号CLK；所述二级电荷泵单元的第三输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第二时钟信号CLKB；所述二级电荷泵单元用于将所述一次升压后的电源电压信号进行二次升压处理，得到二次升压后的电源电压信号；所述二级电荷泵单元的输出端用于输出二次升压后的电源电压信号。

可选的，所述一级电荷泵单元包括：

第一升压组件和第二升压组件；

所述第一升压组件的第一端口与所述第二升压组件第一端口连接形成的连接点为所述一级电荷泵单元的第一输入端；

所述第一升压组件的第二端口与所述第二升压组件的第三端口连接；

所述第一升压组件的第三端口与所述第二升压组件的第二端口连接；

所述第一升压组件的第四端口作为所述一级电荷泵单元的第二输入端；

所述第一升压组件的第五端口和所述第二升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述一级电荷泵单元的输出端；

所述第二升压组件的第四端口作为所述一级电荷泵单元的第三输入端。

可选的，所述第一升压组件包括：

场效应管M1、场效应管M9和电容C1；

所述场效应管M1的源极作为所述第一升压组件的第一端口与所述第二升压组件第一端口连接；

所述场效应管M1的栅极作为所述第一升压组件的第二端口与所述第二升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M1的漏极、所述场效应管M9的源极、所述场效应管M9的栅极和所述电容C1的上极板连接形成的连接点为所述第一升压组件的第三端口；

所述电容C1的下极板作为所述第一升压组件的第四端口；

所述场效应管M9的漏极作为所述第一升压组件的第五端口分别与所述第二升压组件的第五端口和所述二级电荷泵单元的第一输入端连接。

可选的，所述第一升压组件包括：

场效应管M2、场效应管M10和电容C2；

所述场效应管M2的源极作为所述第二升压组件的第一端口与所述第一升压组件第一端口连接；

所述场效应管M2的栅极作为所述第二升压组件的第二端口与所述第一升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M2的漏极、所述场效应管M10的源极、所述场效应管M10的栅极和所述电容C2的上极板连接形成的连接点为所述第二升压组件的第三端口；

所述电容C2的下极板作为所述第二升压组件的第四端口；

所述场效应管M10的漏极作为所述第二升压组件的第五端口分别与所述第一升压组件的第五端口和所述二级电荷泵单元的第一输入端连接。

可选的，所述二级电荷泵单元包括：

第三升压组件和第四升压组件；

所述第三升压组件的第一端口与所述第四升压组件第一端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的第一输入端；

所述第三升压组件的第二端口与所述第四升压组件的第三端口连接；

所述第三升压组件的第三端口与所述第四升压组件的第二端口连接；

所述第三升压组件的第四端口作为所述二级电荷泵单元的第二输入端；

所述第三升压组件的第五端口和所述第四升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的输出端；

所述第四升压组件的第四端口作为所述二级电荷泵单元的第三输入端。

可选的，所述第三升压组件包括：

场效应管M5、场效应管M11和电容C3；

所述场效应管M5的源极作为所述第三升压组件的第一端口分别与所述第四升压组件第一端口和所述一级电荷泵单元的输出端连接；

所述场效应管M5的栅极作为所述第三升压组件的第二端口与所述第四升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M5的漏极、所述场效应管M11的源极、所述场效应管M11的栅极和所述电容C3的上极板连接形成的连接点为所述第三升压组件的第三端口；

所述电容C3的下极板作为所述第三升压组件的第四端口；

所述场效应管M11的漏极作为所述第三升压组件的第五端口与所述第四升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的输出端。

可选的，所述第三升压组件包括：

场效应管M6、场效应管M12和电容C4；

所述场效应管M6的源极作为所述第四升压组件的第一端口分别与所述第三升压组件第一端口和所述一级电荷泵单元的输出端连接；

所述场效应管M6的栅极作为所述第四升压组件的第二端口与所述第三升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M6的漏极、所述场效应管M12的源极、所述场效应管M12的栅极和所述电容C4的上极板连接形成的连接点为所述第四升压组件的第三端口；

所述电容C4的下极板作为所述第四升压组件的第四端口；

所述场效应管M12的漏极作为所述第四升压组件的第五端口与所述第三升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的输出端。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供了一种电荷泵电路，包括：一级电荷泵单元和二级电荷泵单元；一级电荷泵单元和二级电荷泵单元中包括的场效应管均为NMOS管；一级电荷泵单元用于对电源电压信号进行一次升压处理，得到一次升压后的电源电压信号；二级电荷泵单元用于将一次升压后的电源电压信号进行二次升压处理，得到二次升压后的电源电压信号；二级电荷泵单元的输出端用于输出二次升压后的电源电压信号。本实用新型将传统电荷泵电路中的PMOS场效应管替换为NMOS场效应管，并将NMOS场效应管的栅极与源极短接，能够消除传统PMOS场效应管寄生的PNP晶体管，减小漏电风险。

附图说明

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，下面将对实施例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为现有技术中电荷泵电路图；

图2为现有技术中电荷泵电路寄生PNP示意图

图3为本实用新型实施例中电荷泵电路电路寄生PN结示意图

图4为本实用新型实施例中电荷泵电路图。

附图标记说明：100-一级电荷泵单元；200-二级电荷泵单元；GATE-场效应管栅极；Q1-现有电荷泵电路中寄生PNP；Rp-P衬底寄生电阻；Rn-N阱寄生电阻。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种电荷泵电路，使用NMOS管代替传统电荷泵电路中的PMOS管，能够减少漏电现象的产生，提高电荷泵电路的工作效率。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例

如图4所示，本实施例提供了一种电荷泵电路，包括：一级电荷泵单元和二级电荷泵单元；一级电荷泵单元100和二级电荷泵单元200中包括的场效应管均为NMOS管；一级电荷泵单元的第一输入端用于输入电源电压信号VIN；一级电荷泵单元的第二输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第一时钟信号CLK；一级电荷泵单元的第三输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第二时钟信号CLKB；一级电荷泵单元的输出端与二级电荷泵单元的第一输入端连接；一级电荷泵单元用于对电源电压信号进行一次升压处理，得到一次升压后的电源电压信号；二级电荷泵单元的第二输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第一时钟信号CLK；二级电荷泵单元的第三输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第二时钟信号CLKB；二级电荷泵单元用于将一次升压后的电源电压信号进行二次升压处理，得到二次升压后的电源电压信号；二级电荷泵单元的输出端用于输出二次升压后的电源电压信号。本实用新型将传统电荷泵电路中的PMOS场效应管替换为NMOS场效应管，并将NMOS场效应管的栅极与源极短接。以NMOS场效应管M11为例，NMOS场效应管M11的源端与节点C相连；NMOS场效应管M11的栅极为GATE；NMOS场效应管M11的漏端与VOUT相连；如图3所示，NMOS场效应管所在的P阱与NMOS场效应管的漏端形成寄生PN结。在工作过程中，只有当源端电压与漏端电压差高于寄生PN结的正向导通电压时，才会发生充电，其余时间截止，这样保证了单向导通，消除了传统PMOS场效应管寄生的PNP晶体管，减小了漏电风险。

具体的，一级电荷泵单元包括：第一升压组件和第二升压组件；第一升压组件的第一端口与第二升压组件第一端口连接形成的连接点为一级电荷泵单元的第一输入端；第一升压组件的第二端口与第二升压组件的第三端口连接；第一升压组件的第三端口与第二升压组件的第二端口连接；第一升压组件的第四端口作为一级电荷泵单元的第二输入端；第一升压组件的第五端口和第二升压组件的第五端口连接形成的连接点为一级电荷泵单元的输出端；第二升压组件的第四端口作为一级电荷泵单元的第三输入端。

其中，第一升压组件包括：场效应管M1、场效应管M9和电容C1；场效应管M1的源极作为第一升压组件的第一端口与第二升压组件第一端口连接；场效应管M1的栅极作为第一升压组件的第二端口与第二升压组件的第三端口连接；场效应管M1的漏极、场效应管M9的源极、场效应管M9的栅极和电容C1的上极板连接形成的连接点为第一升压组件的第三端口；电容C1的下极板作为第一升压组件的第四端口；场效应管M9的漏极作为第一升压组件的第五端口分别与第二升压组件的第五端口和二级电荷泵单元的第一输入端连接。

第一升压组件包括：场效应管M2、场效应管M10和电容C2；场效应管M2的源极作为第二升压组件的第一端口与第一升压组件第一端口连接；场效应管M2的栅极作为第二升压组件的第二端口与第一升压组件的第三端口连接；场效应管M2的漏极、场效应管M10的源极、场效应管M10的栅极和电容C2的上极板连接形成的连接点为第二升压组件的第三端口；电容C2的下极板作为第二升压组件的第四端口；场效应管M10的漏极作为第二升压组件的第五端口分别与第一升压组件的第五端口和二级电荷泵单元的第一输入端连接。

具体的，当CLK＝0，CLKB＝VDD时，一级电荷泵单元100中的场效应管M1导通，节点A被充电到VIN(电源电压信号)，节点B被充电到VIN+VDD，电荷泵单元100输出为VIN+VDD-Vbe，其中Vbe为NMOS场效应管的寄生二极管导通电压；同理，当CLK＝VDD，CLKB＝0时，场效应管M2导通，节点A被充电到VIN+VDD，节点B被充电到VIN，一级电荷泵单元100输出为VIN+VDD-Vbe。一级电荷泵单元100输出稳定在VIN+VDD-Vbe，实现了一次升压的同时，PMOS场效应管替换为NMOS场效应管保证了一级电荷泵单元单向导通，消除了传统PMOS场效应管寄生的PNP晶体管，减小了漏电风险。

此外，二级电荷泵单元包括：第三升压组件和第四升压组件；第三升压组件的第一端口与第四升压组件第一端口连接形成的连接点为二级电荷泵单元的第一输入端；第三升压组件的第二端口与第四升压组件的第三端口连接；第三升压组件的第三端口与第四升压组件的第二端口连接；第三升压组件的第四端口作为二级电荷泵单元的第二输入端；第三升压组件的第五端口和第四升压组件的第五端口连接形成的连接点为二级电荷泵单元的输出端；第四升压组件的第四端口作为二级电荷泵单元的第三输入端。

具体的，第三升压组件包括：场效应管M5、场效应管M11和电容C3；场效应管M5的源极作为第三升压组件的第一端口分别与第四升压组件第一端口和一级电荷泵单元的输出端连接；场效应管M5的栅极作为第三升压组件的第二端口与第四升压组件的第三端口连接；场效应管M5的漏极、场效应管M11的源极、场效应管M11的栅极和电容C3的上极板连接形成的连接点为第三升压组件的第三端口；电容C3的下极板作为第三升压组件的第四端口；场效应管M11的漏极作为第三升压组件的第五端口与第四升压组件的第五端口连接形成的连接点为二级电荷泵单元的输出端。

另外，第三升压组件包括：场效应管M6、场效应管M12和电容C4；场效应管M6的源极作为第四升压组件的第一端口分别与第三升压组件第一端口和一级电荷泵单元的输出端连接；场效应管M6的栅极作为第四升压组件的第二端口与第三升压组件的第三端口连接；场效应管M6的漏极、场效应管M12的源极、场效应管M12的栅极和电容C4的上极板连接形成的连接点为第四升压组件的第三端口；电容C4的下极板作为第四升压组件的第四端口；场效应管M12的漏极作为第四升压组件的第五端口与第三升压组件的第五端口连接形成的连接点为二级电荷泵单元的输出端。

当CLK＝0，CLKB＝VDD时，场效应管M5导通，节点C被充电到VIN+VDD-Vbe，节点D被充电到VIN+2VDD-Vbe，二级电荷泵单元200输出为VIN+2VDD-2Vbe；同理，当CLK＝VDD，CLKB＝0时，场效应管M6导通，节点C被充电到VIN+2VDD-Vbe，节点D被充电到VIN+VDD-Vbe，二级电荷泵单元200输出为VIN+2VDD-2Vbe；最终，二级电荷泵单元200输出稳定在VIN+2VDD-2Vbe，实现了二次升压的同时，PMOS场效应管替换为NMOS场效应管保证了二级电荷泵单元单向导通，消除了传统PMOS场效应管寄生的PNP晶体管，减小了漏电风险。

从外，本实施例中电容C1、C2、C3和C4的电容值相等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括：

一级电荷泵单元和二级电荷泵单元；

所述一级电荷泵单元和所述二级电荷泵单元中包括的场效应管均为NMOS管；

所述一级电荷泵单元的第一输入端用于输入电源电压信号VIN；所述一级电荷泵单元的第二输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第一时钟信号CLK；所述一级电荷泵单元的第三输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第二时钟信号CLKB；所述一级电荷泵单元的输出端与所述二级电荷泵单元的第一输入端连接；所述一级电荷泵单元用于对所述电源电压信号进行一次升压处理，得到一次升压后的电源电压信号；

所述二级电荷泵单元的第二输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第一时钟信号CLK；所述二级电荷泵单元的第三输入端用于输入电源电压驱动信号VDD的第二时钟信号CLKB；所述二级电荷泵单元用于将所述一次升压后的电源电压信号进行二次升压处理，得到二次升压后的电源电压信号；所述二级电荷泵单元的输出端用于输出二次升压后的电源电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种电荷泵电路，其特征在于，所述一级电荷泵单元包括：

第一升压组件和第二升压组件；

所述第一升压组件的第一端口与所述第二升压组件第一端口连接形成的连接点为所述一级电荷泵单元的第一输入端；

所述第一升压组件的第二端口与所述第二升压组件的第三端口连接；

所述第一升压组件的第三端口与所述第二升压组件的第二端口连接；

所述第一升压组件的第四端口作为所述一级电荷泵单元的第二输入端；

所述第一升压组件的第五端口和所述第二升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述一级电荷泵单元的输出端；

所述第二升压组件的第四端口作为所述一级电荷泵单元的第三输入端。

3.根据权利要求2所述的一种电荷泵电路，其特征在于，所述第一升压组件包括：

场效应管M1、场效应管M9和电容C1；

所述场效应管M1的源极作为所述第一升压组件的第一端口与所述第二升压组件第一端口连接；

所述场效应管M1的栅极作为所述第一升压组件的第二端口与所述第二升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M1的漏极、所述场效应管M9的源极、所述场效应管M9的栅极和所述电容C1的上极板连接形成的连接点为所述第一升压组件的第三端口；

所述电容C1的下极板作为所述第一升压组件的第四端口；

所述场效应管M9的漏极作为所述第一升压组件的第五端口分别与所述第二升压组件的第五端口和所述二级电荷泵单元的第一输入端连接。

4.根据权利要求2所述的一种电荷泵电路，其特征在于，所述第一升压组件包括：

场效应管M2、场效应管M10和电容C2；

所述场效应管M2的源极作为所述第二升压组件的第一端口与所述第一升压组件第一端口连接；

所述场效应管M2的栅极作为所述第二升压组件的第二端口与所述第一升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M2的漏极、所述场效应管M10的源极、所述场效应管M10的栅极和所述电容C2的上极板连接形成的连接点为所述第二升压组件的第三端口；

所述电容C2的下极板作为所述第二升压组件的第四端口；

所述场效应管M10的漏极作为所述第二升压组件的第五端口分别与所述第一升压组件的第五端口和所述二级电荷泵单元的第一输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种电荷泵电路，其特征在于，所述二级电荷泵单元包括：

第三升压组件和第四升压组件；

所述第三升压组件的第一端口与所述第四升压组件第一端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的第一输入端；

所述第三升压组件的第二端口与所述第四升压组件的第三端口连接；

所述第三升压组件的第三端口与所述第四升压组件的第二端口连接；

所述第三升压组件的第四端口作为所述二级电荷泵单元的第二输入端；

所述第三升压组件的第五端口和所述第四升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的输出端；

所述第四升压组件的第四端口作为所述二级电荷泵单元的第三输入端。

6.根据权利要求5所述的一种电荷泵电路，其特征在于，所述第三升压组件包括：

场效应管M5、场效应管M11和电容C3；

所述场效应管M5的源极作为所述第三升压组件的第一端口分别与所述第四升压组件第一端口和所述一级电荷泵单元的输出端连接；

所述场效应管M5的栅极作为所述第三升压组件的第二端口与所述第四升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M5的漏极、所述场效应管M11的源极、所述场效应管M11的栅极和所述电容C3的上极板连接形成的连接点为所述第三升压组件的第三端口；

所述电容C3的下极板作为所述第三升压组件的第四端口；

所述场效应管M11的漏极作为所述第三升压组件的第五端口与所述第四升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的输出端。

7.根据权利要求5所述的一种电荷泵电路，其特征在于，所述第三升压组件包括：

场效应管M6、场效应管M12和电容C4；

所述场效应管M6的源极作为所述第四升压组件的第一端口分别与所述第三升压组件第一端口和所述一级电荷泵单元的输出端连接；

所述场效应管M6的栅极作为所述第四升压组件的第二端口与所述第三升压组件的第三端口连接；

所述场效应管M6的漏极、所述场效应管M12的源极、所述场效应管M12的栅极和所述电容C4的上极板连接形成的连接点为所述第四升压组件的第三端口；

所述电容C4的下极板作为所述第四升压组件的第四端口；

所述场效应管M12的漏极作为所述第四升压组件的第五端口与所述第三升压组件的第五端口连接形成的连接点为所述二级电荷泵单元的输出端。

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