CN102055320B - 电荷泵电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电荷泵电路及其实现方法，该电荷泵电路至少包括：电荷泵；采样电路，由串联在该电荷泵输出端与地之间的两个电容构成，并从该两个电容的中间节点得到采样电压；电压比较器，用于将该采样电压与参考电压进行比较后产生电荷泵驱动使能信号以控制该电荷泵；以及连接在该中间节点与地之间的放电电路，用于释放该电荷泵输出电压变化产生的电流，根据上述结构，本发明电荷泵输出电压的上升或下降速率仅由采样电路所使用的电容以及负载电流决定，实现了电荷泵输出电压上升或下降速率及时间可控的目的，同时本发明还可以消除电荷泵输出电压爬升过程的大电流负载，且不消耗额外的电荷泵驱动能力。

Description

电荷泵电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种电荷泵电路及其实现方法，特别是涉及一种可以对电荷泵输出电压的上升或下降速率进行控制的电荷泵电路及其实现方法。

背景技术

电荷泵是一种电容式电压变换器，可用以提升或降低电压，也可用以产生负电压。由于其电路简单且效率较高，可广泛应用于单电源供电的集成电路中。

由于电荷泵在无任何限制的条件下所产生的输出电压往往偏离于所需值，故现有技术中的电荷泵往往会设置电压调节电路需要对其输出电压进行调节。图1为常见的一种具有输出电压调节功能的电荷泵电路的示意图。如图1所示，该电荷泵电路包括逻辑门电路10、电荷泵20、比较器30以及参考电压发生电路40，电荷泵20的输出电压被送至比较器30的负向输入端，而参考电压发生电路40产生的参考电压被送至比较器30的正向输入端，从而通过将输出电压与参考电压比较产生反馈信号，进一步控制逻辑门电路10使***时钟被屏蔽或打开，实现输出电压的调节。例如，当输出电压低于参考电压时，通过比较器30将产生高电平信号，从而控制逻辑门电路打开***时钟，电荷泵输入电压提高，输出电压随之升高；而当输出电压高于参考电压时，比较器30产生低电平信号，从而控制逻辑门电路10屏蔽***时钟，电荷泵输入电压降低，输出电压随之降低，如此便实现了输出电压的调节。

然而，上述现有技术虽然实现了输出电压的调节，但却无法控制电荷泵爬坡的时间，即无法控制电荷泵输出电压上升或下降的速度，这将使得电荷泵电路存在以下不可避免的两个问题：1、电荷泵输出电压的快速上升将会对其它器件产生冲击，可能导致其他器件的损坏；2、电荷泵输出电压爬升(上升)过程可能会出现大电流负载状况。

综上所述，可知先前技术的电荷泵电路由于未控制电荷泵输出电压的上升速率而可能存在对其他器件冲击及出现大电流负载的问题，因此，实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的由于未控制电荷泵输出电压上升速率而存在对其他器件冲击及出现大电流负载的问题，本发明的主要目的在于提供一种电荷泵电路，其不仅可以消除电荷泵输出电压上升过程中的大电流负载，且使电荷泵输出电压爬坡时间可控，即电荷泵输出电压的上升或下降速率可控，同时本发明可以在电荷泵输出电压达到既定恒定值时，不再消耗电荷泵驱动能力。

为达上述及其它目的，本发明一种电荷泵电路，其至少包括：

电荷泵；

采样电路，由串联在该电荷泵输出端与地之间的两个电容构成，并从该两个电容的中间节点得到采样电压；

电压比较器，其第一输入端连接至该中间节点以获得该采样电压，第二输入端连接一参考电压，输出端连接至该电荷泵，该电压比较器用于将该采样电压与该参考电压进行比较后产生电荷泵驱动使能信号以控制该电荷泵；

复位电路，连接于该中间节点，用于在该电荷泵工作之前对该中间节点的电压进行复位，在该电荷泵工作之前，该复位电路将该中间节点电压复位到该参考电压附近值，并且该第一输入端为该电压比较器的负向输入端，该第二输入端为该电压比较器的正向输入端；以及

放电电路，连接在该中间节点与地之间，用于释放该电荷泵输出电压变化产生的电流。

进一步地，当该采样电压高于该参考电压时，该电压比较器输出低电平的该电荷泵驱动使能信号至该电荷泵以减小该电荷泵的驱动能力，反之，当该采样电压低于该参考电压时，该电压比较器输出高电平的该电荷泵驱动使能信号以增加该电荷泵的驱动能力。

进一步地，该采样电路的两个电容比值的选定以获得的该采样电压不超过该电压比较器的最大工作电压为准。

进一步地，该放电电路为负载或具有泄放能力的恒流源。

为达上述及其它目的，本发明还提供了一种电荷泵电路的实现方法，至少包括如下步骤：

复位电路将采样电路的中间节点电压复位到参考电压的附近值；

该采样电路对该电荷泵的输出电压进行采样以获得采样电压输出至电压比较器；

该电压比较器将该采样电压与一参考电压进行比较产生电荷泵驱动使能信号控制该电荷泵；以及

当该电荷泵的输出电压达到既定恒定值，该采样电路中间节点被放电电路下拉至地。

与现有技术相比，本发明一种电荷泵电路通过将采样电路连接在电荷泵输出端与地之间，将采样电路中间节点获得的采样电压与参考电压进行比较后输出电荷泵驱动使能信号以控制电荷泵，并通过放电电路将电荷泵输出电压变化产生的电流释放，使得电荷泵输出电压的上升或下降速率由仅由采样电路所使用的电容以及负载电流决定，不受其他影响，即实现了电荷泵输出电压的上升或下降速率及时间可控的目的，同时消除了电荷泵输出电压爬升过程的大电流负载，同时不消耗额外的电荷泵驱动能力。

附图说明

图1为现有技术一种具有输出电压调节功能的电荷泵电路的电路示意图；

图2为本发明一种电荷泵电路的电路示意图；

图3为图2电荷泵电路实现方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图2为本发明一种电荷泵电路的电路示意图。如图2所示，本发明一种电荷泵电路，该电荷泵电路可对电荷泵输出电压的上升或下降速率进行控制，其至少包括电荷泵201、采样电路202、电压比较器203以及放电电路204。

其中采样电路202连接于电荷泵201的输出端Vpp与地Gnd之间，采样电路202包括两个串联相接的采样电路C1与C2，从采样电容C1与C2中间节点A引出的采样电压连接至电压比较器203的负向输入端，选定合适的电容C1与C2的比值来得到合适的采样电压，电容C1与电容C2比值的选定以获得的采样电压不超过电压比较器203的最大工作电压为目的；电压比较器203的正向输入端与参考电压Vref相连，其输出端连接至电荷泵201，电压比较器203主要通过比较采样电压与参考电压Vref产生电荷泵驱动使能信号EN以控制电荷泵201，具体来说，当采样电压高于参考电压Vref时，电压比较器203输出低电平信号(即电荷泵驱动使能信号EN为低电平)，此时减小电荷泵201的驱动能力，反之，当采样电压低于参考电压Vref时，电压比较器203输出高电平信号(即电荷泵驱动使能信号EN为高电平)，此时增加电荷泵的驱动能力，一般通过驱动开关电荷泵时钟完成；放电电路204连接于节点A与地Gnd之间，用于释放电荷泵201输出电压变化产生的电流，其可以为一负载I0或有泄放能力的恒流源。

除此之外，本发明一种电荷泵电路还包含一复位电路205，复位电路205连接于节点A，用于在电荷泵201工作之前对节点A的电压进行复位，一般会将节点A的电压复位到参考电压的附近值。

以下将进一步说明本发明如何控制电荷泵201输出电压上升或下降的速率。根据电路理论可以获得如下表达式：

$I=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}};$

其中I为电容上充电电流，Q为电容上的电荷。

同时，由电路理论可以知道，

那么Q＝C*V，因此可以得到

根据图2，电容C₁上的电压为v1＝v_pp-v2，其中v_pp为电荷泵201的输出电压，v2为电容C₂上的电压，而由于

$v2=\frac{\frac{1}{w{C}_2}}{\frac{1}{w{C}_2}+\frac{1}{w{C}_1}}{v}_{\mathrm{pp}}=\frac{C_1}{C_1+C_2}{v}_{\mathrm{pp}};$

故可以得到

进一步地，可以得到电容C1上的充电电流i1，即 $\mathrm{il}=\frac{C_1\mathrm{dv}1}{\mathrm{dt}}=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}\frac{{\mathrm{dv}}_{\mathrm{pp}}}{\mathrm{dt}}$

这样不难得出本发明中电荷泵201输出电压的上升或下降速率为：

$\frac{{\mathrm{dv}}_{\mathrm{pp}}}{\mathrm{dt}}=\frac{C_1+C_2}{C_1{C}_2}\mathrm{il};$

若设计i1＝I0(I0为负载电流)为恒定电流，则电荷泵201的输出电压v_pp的上升或下降速率

由电容C1、C2以及负载电流I0决定，不受其他影响，即实现了电荷泵201输出电压的上升速率及上升时间可控的目的。

图3为图2电荷泵电路实现方法的流程图。如图3所示，本发明一种电荷泵电路实现方法，该方法可实现对电荷泵输出电压的上升或下降速率进行控制，其至少包括如下步骤：

步骤301，复位电路对节点A复位，一般应将节点A复位到参考电压Vref的附近值；

步骤302，采样电路202对电荷泵201的输出电压进行采样，选定合适的电容C1与C2的比值来得到合适的采样电压，电容C1与C2值的选定以使采样电压不超过电压比较器203的最大工作电压为准，具体来说，也就是选定合适的C1与C2的比值，使得

其中v_comp为电压比较器203的最大工作电压；

步骤303，电压比较器203将采样电压与参考电压Vref进行比较产生电荷泵驱动使能信号，即当采样电压高于参考电压Vref时，产生低电平的电荷泵驱动使能信号EN，以减小电荷泵201的驱动能力，而当采样电压低于参考电压Vref时，产生高电平的电荷泵驱动使能信号，增加电荷泵201的驱动能力；

步骤304，当电荷泵201输出电压达到既定恒定值，节点A被放电电路204下拉至地，由于电荷泵201输出电压v_pp达到既定恒定值，v_pp没有波动，电容C1被充电至v_pp，电荷泵201无法对节点A进行充电，节点A则被放电电路204下拉至地，此时电荷泵驱动使能最大，但控制电路(如采样电路)不再消耗电荷泵驱动能力。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种电荷泵电路，其至少包括：

电荷泵；

采样电路，由串联在该电荷泵输出端与地之间的两个电容构成，并从该两个电容的中间节点得到采样电压；

电压比较器，其第一输入端连接至该中间节点以获得该采样电压，第二输入端连接一参考电压，输出端连接至该电荷泵，该电压比较器用于将该采样电压与该参考电压进行比较后产生电荷泵驱动使能信号以控制该电荷泵；

复位电路，连接于该中间节点，用于在该电荷泵工作之前对该中间节点的电压进行复位，在该电荷泵工作之前，该复位电路将该中间节点电压复位到该参考电压附近值，并且该第一输入端为该电压比较器的负向输入端，该第二输入端为该电压比较器的正向输入端；以及

放电电路，连接在该中间节点与地之间，用于释放该电荷泵输出电压变化产生的电流。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：当该采样电压高于该参考电压时，该电压比较器输出低电平的该电荷泵驱动使能信号至该电荷泵以减小该电荷泵的驱动能力，反之，当该采样电压低于该参考电压时，该电压比较器输出高电平的该电荷泵驱动使能信号以增加该电荷泵的驱动能力。

3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：该采样电路的两个电容比值的选定以获得的该采样电压不超过该电压比较器的最大工作电压为准。

4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于：该放电电路为负载或具有泄放能力的恒流源。

5.一种电荷泵电路的实现方法，至少包括如下步骤：

复位电路将采样电路的中间节点电压复位到参考电压附近值；

该采样电路对该电荷泵的输出电压进行采样以获得采样电压输出至电压比较器；

该电压比较器将该采样电压与一参考电压进行比较产生电荷泵驱动使能信号控制该电荷泵；以及

当该电荷泵的输出电压达到既定恒定值，该采样电路中间节点被放电电路下拉至地。

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