CN102005917A - 一种恒压输出电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

一种恒压输出电荷泵电路，该电路包括泵电路、时钟产生电路、第一反馈回路电路与第二反馈回路电路。泵电路包括一个切换装置用来在切换泵电路工作在第一阶段与第二阶段之间相互切换的时鈡信号，一个调节装置用来调节第二阶段泵电路输出电压的大小。时钟产生电路用来产生使切换装置工作的时钟信号。第一反馈回路电路监视泵电路的输出电压，产生一个修正电压至泵电路的调节装置，控制泵电路的输出电压。第二反馈回路电路监视泵电路的输出电压，产生一使能信号至时钟产生电路，决定泵电路工作与否，控制泵电路的输出电压。因此该电荷泵电路能够在输入电压或负载发生变化的情况下，保持恒定的输出电压，避免输出电压跟随输入电压或负载电流的变化而变化。

Description

一种恒压输出电荷泵电路

技术领域

本发明涉及一种电荷泵电路，特别是涉及一种恒压输出电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路作为电源电路的一种，基于开关电容的电压自举技术，通过不同的开关电容拓扑结构，其输出电压可为输入电压的任意倍数。相比与其他种类的电源电路，电荷泵电路的优点主要为低成本、低电磁干扰(EMI)、高效率。

恒压输出电荷泵一般包括一个控制电路与一个泵电路，能够在输入电压或负载发生变化的情况下，通过控制电路对泵电路进行控制，稳定泵电路的输出电压值。

恒压电荷泵电路的控制方法主要有两种，分别为线性控制方法与跨周期控制方法。线性控制方法是通过控制泵电路中开关管的导通电阻，来控制泵电路的输出电压值。跨周期控制方法是通过控制泵电路工作与否，来控制泵电路的输出电压值。使用线性控制方法的恒压电荷泵能够获得较小的输出电压纹波，但静态工作电流较大，效率较低；使用跨周期控制方法的恒压电荷泵能够获得较小的静态工作电流与较高的效率，但输出电压纹波较大。

因此，需要一种恒压输出电荷泵，能够获得较高的效率与较低的输出电压纹波。

在现有技术中，美国Texas Instruments公司的Erich Bayer等人提出了一种恒压输出电荷泵电路(US 6,392,904B1)，其电路结构图如图1所示，该电荷泵采用线性控制与跨周期控制相结合的混合调制模式，可以实现较小的输出电压纹波和较高的效率，但其缺点在于，整个反馈电路需要用到两个高增益运算放大器，并且在反馈电路内存在电容和电阻，这都使得电路的复杂度提高，电路的面积增大，增加了电路的成本。

如果在反馈电路的设计中能够避免采用电阻和电容，并用尽可能少的CMOS晶体管电路实现功能，则可以大幅度减小电路的复杂度和面积，降低电路的成本。

发明内容

本发明的目的为了克服以上不足之处，提出一种恒压输出电荷泵，该电荷泵其可获得较小的输出电压纹波与较高的效率，并且结构简单，成本较低。

本发明提供的恒压输出电荷泵电路，其特征是该电路包括泵电路11、第一反馈回路12、第二反馈回路14和时钟产生电路13，第一反馈回路的一个输出端与第二反馈回路的输入端连接，另一个输出端与泵电路的一个输入端连接，第二反馈回路的输出端与时钟产生电路的输入端连接，时钟产生电路的一个输出端与第一反馈回路的一个输入端连接，另一个输出端与泵电路的第二个输入端连接，泵电路的输出端与第一反馈回路的第二个输入端连接，其工作原理是第一反馈回路电路监视泵电路的输出电压，产生修正电压至泵电路中的调节装置，控制泵电路的输出电压，第二反馈回路电路监视泵电路的输出电压，产生一个使能信号至时钟产生电路，决定泵电路工作与否，控制泵电路的输出电压，以上两个反馈回路电路相结合来控制泵电路的输出电压之保持恒定，并获得较高的效率与较低的输出电压纹波。

附图说明

图1是Erich Bayer的电荷泵电路专利电路结构图

图2是本发明的电荷泵电路原理示意图

图3是本发明的电荷泵电路实施例图

图4是本发明电荷泵电路中第一反馈回路的状态循环图

图5是本发明电荷泵电路中第二反馈回路的状态循环图

图6是本发明电荷泵电路中一、二反馈回路的综合状态循环图

图7是本发明的电荷泵电路实施例在实验条件一下输入输出电压波形图

图8是本发明的电荷泵电路实施例在实验条件二下输出电压与负载电流的波形图

实施例

结合附图通过实施例进一步说明本发明，图3是本发明中的一个特定实例，通过对它的解析说明本发明，该实例电路的结构如下

一个泵电路11，该电路包含有一个自举电容C1，一个输出稳压电容C2，一个以用切换泵电路的第一阶段与第二阶段的切换装置112，一个用以调整第二阶段泵电路输出电压的调节装置111，其中在第一阶段电压V_IN通过点N1对自举电容C1进行充电，在第二阶段自举电容C1通过点N2对输出稳压电容C2进行充电，并在点N2产生输出电压V_OUT，同时耦合至第一反馈回路电路；

一个第一反馈回路电路12，该电路包含有由电阻R1、R2组成的电阻分压监测装置121，误差放大器122和电平移位装置123，该电路耦合至泵电路11与第二反馈回路电路14，产生一个调节信号至调节装置111进而使输入电压V_IN或负载电流发生变化时保持泵电路的输出电压V_OUT恒定。

一个第二反馈回路电路14，该电路包含有放大器AMP141，D触发器142和二输入或门143，该电路14监视泵电路的输出电压，产生一个使能信号至时钟产生电路，决定泵电路工作与否，控制泵电路的输出电压，使泵电路的输出电压保持恒定；

一个时钟信号产生电路13，该电路根据输入的时钟信号，产生一对两相不交叠的互补时钟信号至第一反馈回路电路12与泵电路11中的切换装置112，以产生控制泵电路在第一阶段与第二阶段之间相互切换的时钟信号。

另外，在泵电路中的调节装置111包含两个沟道阻值可调的PMOS晶体管，PMOS晶体管MP1以串联的方式连接在所述输入电压V_IN与自举电容C1阳极之间，PMOS晶体管MP2以串联的方式连接在输入电压V_IN与自举电容C1阴极之间，在第二阶段时，沟道阻值可调的PMOS晶体管根据修正电压来调整其沟道阻值的大小，进而控制输出电压。切换装置112包括一个PMOS晶体管MP3，耦合于自举电容C1阴极与输出电容C2阳极之间，一个NMOS晶体管MN1耦合于自举电容C1阳极与地电位之间，当PMOS晶体管MP1与NMOS晶体管MN1导通时，输入电压V_IN对自举电容C1进行充电，当第二PMOS晶体管MP2与第三PMOS晶体管MP3导通时，自举电容C1对输出稳压电容C2进行充电，并在输出端产生输出电压V_OUT。

上述的PMOS晶体管MP1与NMOS晶体管MN1的操作是和PMOS晶体管MP2与PMOS晶体管MP3的操作为互补操作。

下面通过对图3电路具体工作过程更进一步说明本发明。

第一反馈回路电路12由一电阻分压监测装置121，误差放大器122与电平移位装置123组成，其中电阻分压监测装置121由电阻R1、R2组成，其输入电压为泵电路11的输出电压V_OUT，其输出耦合至误差放大器122的正向输入端，误差放大器122负向输入端的输入电压V_REF由基准电压源提供，误差放大器122的输出端耦合至电平移位装置123。电平移位装置123的输入分别为时钟信号产生电路13的输出信号Φ1与Φ2、以及泵电路11的输出电压V欧V_OUT与误差放大器122的输出电压V_EA，电平移位装置的作用是将时钟信号产生电路13输出的时钟信号Φ1与Φ2进行电平移位，使其高电平为V_OUT，低电平为VEA。电平移位装置123的输出经电平移位后的时钟信号Φ11与Φ21至泵电路11的调节装置111，分别耦合至MP1与MP2的栅极。

该第二反馈回路电路14由放大器AMP141，D触发器142和二输入或门143组成，其中，放大器AMP141接收第一反馈回路电路12中误差放大器122的输出电压V_EA，输出端与D触发器142的D输入端相耦合。D触发器142的时钟输入端为外部输入的时钟信号CLK，其Q输出端耦合至二输入或门143的第一输入端。二输入或门143的第二输入端为外部输入的时钟信号CLK，其输出端与时钟信号产生电路13的输入端相耦合。

该时钟信号产生电路13接收第二反馈回路14的输出信号，并将其转换为两相不交叠的时钟信号Φ1与Φ2，输出至第一反馈回路电路12中的电平移位装置123与泵电路11中的切换装置112。在切换装置112中，Φ1连接至MP3的栅极，Φ2连接至MN1的栅极。

在第一反馈回路电路12中，泵电路11的输出电压V_OUT被电阻分压监测装置121检测，误差放大器122将经过适当分压后的输出电压值与基准电压源提供的参考电压的差值进行放大输出。

结合图3，第一反馈回路的循环状态参考图4。当V_OUT增大时，误差放大器122的输出电压V_EA将增大，经过电平移位装置123，Φ11与Φ21的低电平将升高，对于调节装置111中的P沟道MOS开关管MP1与MP2，其开启时的V_GS减小，沟道等效导通阻抗将增大，C1两端的电压计算方程如下。

V₁＝V_IN-I_LOAD(R_M1+R_M4)      (1)

泵电路输出电压V_OUT的计算方程如下。

$V_{\mathrm{OUT}}=2V_{\mathrm{IN}}-2I_{\mathrm{LOAD}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Mi}}---\left(2\right)$

其中V1为C1两端的电压差值，R_M1、R_M2、R_M3和R_M4分别为MP1、MP2、MP3和MN1开启时的沟道等效导通阻抗，I_LOAD为电荷泵电路的负载电流。

从式(2)中可以得出，当MP1与MP2管开启时的沟道等效导通阻抗增大，即R_M1与R_M2增大时，V_OUT将减小，从而针对泵电路11的输出电压V_OUT实现了负反馈，使V_OUT在V_OUT＝(1+R1/R2)V_REF处保持恒定。

在本发明的电路连接中，第二反馈回路电路14与第一反馈回路电路12共享一组电阻分压监测装置121与误差放大器122，误差放大器122的输出端再耦合一个增益较大的放大器AMP141，则误差放大器122与AMP141共同构成了一个比较器。

结合图3，第二反馈回路的循环状态参考图5。当V_OUT增大直至超过(1+R1/R2)V_REF时，AMP141的输出端将输出高电平，经过D触发器142的锁存输出，传至二输入或门143的第一输入端，从而将二输入或门143第二输入端输入的外部时钟信号屏蔽，则在一个时钟周期内，时钟产生电路13没有时钟信号输入，其输出的时钟信号Φ1与Φ2将使MP1、MP2、MP3与MN1四个MOS管全部保持关断。

在第二模式反馈调节下，泵电路11输出电压V_OUT的计算方程如下

$V_{\mathrm{OUT}}=2V_{\mathrm{IN}}-I_{\mathrm{LOAD}}(2+\frac{t_w}{t})\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Mi}}---\left(3\right)$

其中t为泵电路11第一阶段与第二阶段的工作时间总和，t_w为MP1、MP2、MP3与MN1四个MOS管全部保持关断的时间，当V_OUT超过(1+R1/R2)V_REF时，通过第二反馈回路14，MP1、MP2、MP3与MN1将保持关断，这种状态将持续若干个时钟周期，使t_w增大，根据式(3)，V_OUT将保持下降，直至其值小于(1+R1/R2)V_REF，二输入或门143的第一输入端变为低电平，不再屏蔽时钟信号，V_OUT将再次上升，从而通过负反馈，使泵电路11的输出电压V_OUT在V_OUT＝(1+R1/R2)V_REF处保持恒定。

参考图3、图4、图5，综合第一、第二反馈回路，电荷泵反馈回路总循环状态参考图6。当V_OUT上升，超过(1+R1/R2)V_REF时，通过第二反馈回路14，MP1、MP2、MP3与MN1将保持关断，这种状态将持续若干个时钟周期，使t_w增大，根据式(3)，V_OUT将保持下降，直至其值小于(1+R1/R2)V_REF，当V_OUT小于(1+R1/R2)V_REF时，二输入或门143的第一输入端变为低电平，不再屏蔽时钟信号，此时在第一反馈回路中，由于V_OUT的下降导致V_EA的升高，MP1与MP2管开启时的沟道等效导通阻抗减小，即R_M1与R_M2减小，根据式(2)，V_OUT将升高直至超过(1+R1/R2)V_REF，从而通过第一反馈回路12与第二反馈回路14一起，组成了一个负反馈环路，将V_OUT稳定在(1+R1/R2)V_REF处，实现恒压输出。

在本发明实施例中，第一反馈回路包含线性调制方式，第二反馈回路包含跨周期调制方式，以上两种调制方式相结合，能够在实现恒压输出的同时，获得较高的效率与较低的输出电压纹波。

为了验证输出电压的恒定，针对图3的本发明实施例，分别在输入电压发生变化和负载电流发生变化这两种不同的实验条件下，在0.35μm中低压混合CMOS工艺平台上进行了模拟仿真。

在本发明实施例的实验条件一中，V_IN接入3V直流电压源，CLK接入频率为100KHz的时钟信号，I_LOAD是大小为2mA的负载电流，电阻R1的值为300K，电阻R2的值为100K，参考电压V_REF的值为1.25V，根据上述说明，输出电压V_OUT的直流电压值应恒定在(1+300K/100K)×1.25V＝5V，如图7所示，在400μs时由于外界原因致使V_IN发生变化，在50μs内由3V上升至3.5V，由于上述反馈回路的负反馈影响，输出电压V_OUT的直流电压值并未发生变化，仍然为5V。

在本发明实施例的实验条件二中，V_IN接入3V直流电压源，CLK接入频率为100KHz的时钟信号，I_LOAD是大小为2mA的负载电流，电阻R1的值为300K，电阻R2的值为100K，参考电压V_REF的值为1.25V，根据上述说明，输出电压V_OUT的直流电压值应恒定在(1+300K/100K)×1.25V＝5V，如图8所示，在400μs时由于外界原因致使I_LOAD发生变化，在10μs内由2mA上升至5mA，由于上述反馈回路的负反馈影响，输出电压V_OUT的直流电压值并未发生变化，仍然为5V。

通过实验数据，可见本发明具有结构简单，成本较低，在获得高效率与低输出电压纹波的同时，实现恒压输出的优点。

Claims (5)

1.一种恒压输出的电荷泵电路，其特征是该电路包括泵电路(11)、第一反馈回路(12)、第二反馈回路(14)和时钟产生电路(13)，第一反馈回路的一个输出端与第二反馈回路的输入端连接，另一个输出端与泵电路的一个输入端连接，第二反馈回路的输出端与时钟产生电路的输入端连接，时钟产生电路的一个输出端与第一反馈回路的一个输入端连接，另一个输出端与泵电路的第二个输入端连接，泵电路的输出端与第一反馈回路的第二个输入端连接，其工作原理是第一反馈回路电路监视泵电路的输出电压，产生修正电压至泵电路的调节装置，控制泵电路的输出电压，第二反馈回路电路监视泵电路的输出电压，产生一个使能信号至时钟产生电路，决定泵电路工作与否，控制泵电路的输出电压，以上两个反馈回路电路相结合来控制泵电路的输出电压之保持恒定，并获得较高的效率与较低的输出电压纹波。

2.根据权利要求1所述的恒压输出电荷泵电路，其特征在于该电路具体结构包括：

一个泵电路(11)，该电路包含有一个自举电容C1，一个输出稳压电容C2，一个以用切换泵电路的一个第一阶段与一个第二阶段的切换装置(112)，一个用以调整第二阶段泵电路输出电压的调节装置(111)，其中在第一阶段电压V_IN通过点N1对自举电容C1进行充电，在第二阶段自举电容C1通过点N2对输出稳压电容C2进行充电，并在点N2产生输出电压V_OUT，同时耦合至第一反馈回路电路；

一个第一反馈回路电路(12)，该电路包含有由电阻R1、R2组成的电阻分压监测装置(121)，误差放大器(122)和电平移位装置(123)，该电路耦合至泵电路(11)与第二反馈回路电路(14)，产生一个调节信号至调节装置(111)，进而使输入电压V_IN或负载电流发生变化时，保持泵电路的输出电压V_OUT恒定；

一个第二反馈回路电路(14)，该电路包含有放大器AMP(141)，D触发器(142)和二输入或门(143)，该电路监视泵电路的输出电压，产生一个使能信号至时钟产生电路，决定泵电路工作与否，控制泵电路的输出电压，使泵电路的输出电压保持恒定；

一个时钟信号产生电路(13)，该电路根据输入的时钟信号，产生一对两相不交叠的互补时钟信号至第一反馈回路电路(12)与泵电路(11)中的切换装置(112)，以产生控制泵电路在第一阶段与第二阶段之间相互切换的时钟信号。

3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于调节装置(111)包含两个沟道阻值可调的PMOS晶体管，PMOS晶体管MP1以串联的方式连接在输入电压V_IN与自举电容C1阳极之间，PMOS晶体管MP2以串联的方式连接在输入电压V_IN与自举电容C1阴极之间，其中在第二阶段时，沟道阻值可调的PMOS晶体管根据修正电压来调整其沟道阻值的大小，进而控制输出电压。

4.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，其中切换装置(112)包括一个PMOS晶体管MP3，耦合于所述的自举电容C1阴极与输出电容C2阳极之间，一个NMOS晶体管MN1耦合于自举电容C1阳极与地电位之间，当PMOS晶体管MP1与NMOS晶体管MN1导通时，输入电压V_IN对自举电容C1进行充电，当PMOS晶体管MP2与PMOS晶体管MP3导通时，自举电容C1对输出稳压电容C2进行充电，并在输出端产生输出电压V_OUT。

5.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于其中对PMOS晶体管MP1与NMOS晶体管MN1的操作是和对PMOS晶体管MP2与PMOS晶体管MP3的操作为互补操作。

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