CN103532377A - 一种电荷泵装置及使用该装置的电源管理电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电荷泵装置及使用该装置的电源管理电路,其中，所述电荷泵装置包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块。所述电压转换模块包括第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；所述输出模块包括输出电容，所述输出电容连接于电压输出端和地节点之间；所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或关断。与现有技术相比，本发明中的电荷泵装置增加有一个电压输入端，其可以利用电源管理电路中除电池单元电压外存在的更多其它电压，产生更多其它倍率，以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率转换电压，从而优化功率电荷泵的实际工作效率。

Description

一种电荷泵装置及使用该装置的电源管理电路

【技术领域】

本发明涉及电压转换的技术领域，特别涉及一种电荷泵装置及使用该装置的电源管理电路。

【背景技术】

目前，有两种经典电路都被称为电荷泵(Charge Pump)。一种是应用于锁相环电路中，连接于鉴频鉴相器后级，通过对电容充放电产生较为稳定的电压，以便用于控制压控振荡器的频率；另一种是通过开关电容，用于电压转换，能提供较大输出电流的功率输出电路，其可称为功率电荷泵。现有技术中的功率电荷泵一般采用一个输入电压，可以产生比输入高的输出电压，也可以产生比输入低的输出电压，另外其效率高于线性调压器。

基于开关电容的电荷泵电路被广泛应用于电压转换电路中，可以实现较高的电压转换效率。对于理想的开关来说，其能量损耗可被忽略，在这种情况下，可以认为功率电荷泵电路的效率为100%，但是功率电荷泵电路只有在以某些固定的倍率转换电压时，其理想功率才为100%，然而固定的倍率只有有限的几种。现有技术中，对于仅采用两个飞电容(flying capacitor)的功率电荷泵电路，主要针对同一个输入电压源，已有文献探讨过的VO/VIN（其中VO为输出电压，VIN为输入电压）的倍率有：3倍、2倍、3/2倍、4/3倍、1倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍；对于仅采用一个飞电容的功率电荷泵电路，现有技术中存在的VO/VIN倍率有：2倍、1倍、1/2倍。通过增加飞电容的个数，可以产生更多可能的倍率，而增加更多可能的倍率，有利于优化功率电荷泵的实际工作效率。例如，输入电压VIN为3.3V，输出电压VO的目标值为3.4V，对于仅一个飞电容的情形，只能采用2倍模式，产生6.6V电压，然后通过线性调压技术(线性调压技术只能降低电压)降为3.4V，其理想情况下的效率为3.4V/6.6V=51.5%；对于采用两个飞电容情形，可采用4/3倍模式，产生4.4V电压，然后通过线性调压技术降为3.4V，其理想情况下的效率为3.4V/4.4V=77.3%，这样就改善了工作效率。当输入电压VIN在一定范围内变化时（例如电池供电时，随着电池放电或充电，其输入电压会不断变化），更多倍率模式有助于优化不同输入电压下的工作效率。

虽然，通过增加飞电容的个数，可以产生更多可能的倍率，有利于优化功率电荷泵的实际工作效率，但成本随之增加，因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种电荷泵装置及使用该装置的电源管理电路，其可以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率转换电压，从而优化功率电荷泵的实际工作效率。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种电荷泵装置，其包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块。所述电压转换模块包括第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；所述输出模块包括输出电容，所述输出电容连接于电压输出端和地节点之间；其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极接地；第一开关、第一电容、第五开关、第二电容、第二开关依次串联于第一电压源的正极与第二电压源的正极之间；第四开关连接于第一电压源的正极和第一开关之间的连接节点与第二电容和第二开关之间的连接节点之间；第八开关连接于第一开关和第一电容之间的连接节点与第五开关和第二电容之间的连接节点之间；第六开关连接于第一电压源的正极和第一开关之间的连接节点与第一电容和第五开关之间的连接节点之间；第七开关连接于第一电容和第五开关之间的连接节点与电压输出端之间；第三开关连接于第一开关和第一电容之间的连接节点和电压输出端之间。所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或关断，其中，在控制第一开关、第二开关、第五开关导通时，控制第三开关、第四开关、第六开关、第七开关和第八开关关断；在控制第三开关和第六开关导通时，控制开关第一开关、第二开关、第四开关、第五开关、第七开关和第八开关关断；在控制第四开关、第七开关和第八开关导通时，控制第一开关、第二开关、第三开关、第五开关和第六开关关断。

进一步的，所述驱动模块输出的驱动信号包括第一驱动信号，第二驱动信号和第三驱动信号，其中第一驱动信号与第一开关、第二开关和第五开关的控制端相连，以控制第一开关、第二开关和第五开关的导通或者关断；第二驱动信号与第三开关和第六开关的控制端相连，以控制第三开关和第六开关的导通或者关断；第三驱动信号与第四开关、第七开关和第八开关的控制端相连，以控制第四开关、第七开关和第八开关的导通或者关断。

进一步的，所述八个开关都为MOS晶体管，第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号都为时钟信号。

进一步的，第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号之间存在一定的死区时间，以避免所述八个开关同时导通。

进一步的，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断，当第一驱动信号为高电平时，第二驱动信号和第三驱动信号为低电平，满足如下关系：V1=V2+VC1+VC2    (1)其中，V1为第一电压源的电压值，V2为第二电压源的电压值，VC1为第一电容两端的电压值，VC2为第二电容两端的电压值；当第二驱动信号为高电平时，第一驱动信号和第三驱动信号为低电平，满足如下关系：VO=V1+VC1    (2)，其中，VO为所述电压输出端的电压值，VC1为第一电容两端的电压值，V1为第一电压源的电压值；当第三驱动信号为高电平时，第一驱动信号和第二驱动信号为低电平，满足如下关系：VO=V1-VC1+VC2   (3)，其中，VO为所述电压输出端的电压值，VC1为第一电容两端的电压值，VC2为第二电容两端的电压值，联合公式(1)、(2)、(3)求解得:VO=(4/3).V1-(1/3).V2。

进一步的，所述第一电容和第二电容为飞电容。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种电源管理电路，其包括：电池单元；电荷泵装置；电压调节电路，基于电池单元提供的电压得到预定电压。电荷泵装置，其包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块。所述电压转换模块包括第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；所述输出模块包括输出电容，所述输出电容连接于电压输出端和地节点之间；其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极接地；第一开关、第一电容、第五开关、第二电容、第二开关依次串联于第一电压源的正极与第二电压源的正极之间；第四开关连接于第一电压源的正极和第一开关之间的连接节点与第二电容和第二开关之间的连接节点之间；第八开关连接于第一开关和第一电容之间的连接节点与第五开关和第二电容之间的连接节点之间；第六开关连接于第一电压源的正极和第一开关之间的连接节点与第一电容和第五开关之间的连接节点之间；第七开关连接于第一电容和第五开关之间的连接节点与电压输出端之间；第三开关连接于第一开关和第一电容之间的连接节点和电压输出端之间。所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或关断，其中，在控制第一开关、第二开关、第五开关导通时，控制第三开关、第四开关、第六开关、第七开关和第八开关关断；在控制第三开关和第六开关导通时，控制开关第一开关、第二开关、第四开关、第五开关、第七开关和第八开关关断；在控制第四开关、第七开关和第八开关导通时，控制第一开关、第二开关、第三开关、第五开关和第六开关关断。所述电池单元作为电荷泵装置中的第一电压源，所述电压调节电路作为电荷泵装置中的第二电压源；或者所述电池单元作为电荷泵装置中的第二电压源，所述电压调节电路作为电荷泵装置中的第一电压源。

与现有技术相比，本发明中的电荷泵装置增加有一个电压输入端，其可以利用电源管理电路中除电池单元电压外存在的更多其它电压，产生更多其它倍率，以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率转换电压，从而优化功率电荷泵的实际工作效率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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它的附图。其中：

图1为本发明在一个实施例中的电荷泵装置的电路示意图；

图2a为图1中的电荷泵装置在一个实施例中，当第一驱动信号CK1为高电平，第二驱动信号CK2和第三驱动信号CK3为低电平时的等效工作电路图；

图2b为图1中的电荷泵装置在一个实施例中，当第二驱动信号CK2为高电平，第一驱动信号CK1和第三驱动信号CK3为低电平时的等效工作电路图；

图2c为图1中的电荷泵装置在一个实施例中，当第三驱动信号CK3为高电平时，第一驱动信号CK1和第二驱动信号CK2为低电平时的等效工作电路图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的电荷泵装置的电路示意图。所述电荷泵装置包括第一电压源（或称第一电压）V1、第二电压源（或称第二电压）V2、电压转换模块110、输出模块120和驱动模块130。

所述电压转换模块110包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8。其中，第一电压源V1的负极和第二电压源V2的负极接地；第一开关S1、第一电容C1、第五开关S5、第二电容C2、第二开关S2依次串联于第一电压源V1的正极与第二电压源V2的正极之间；第四开关S4连接于第一电压源V1的正极和第一开关S1之间的连接节点与第二电容C2和第二开关S2之间的连接节点之间；第八开关S8连接于第一开关S1和第一电容C1之间的连接节点与第五开关S5和第二电容C2之间的连接节点之间；第六开关S6连接于第一电压源V1的正极和第一开关S1之间的连接节点与第一电容C1和第五开关S5之间的连接节点之间；第七开关S7连接于第一电容C1和第五开关S5之间的连接节点与电压输出端VO之间；第三开关S3连接于第一开关S1和第一电容C1之间的连接节点和电压输出端VO之间。

所述输出模块120包括输出电容CO，所述输出电容CO连接于电压输出端VO和地节点之间。

所述驱动模块130输出驱动信号以控制开关S1-S8导通或关断，其中，在控制开关S1、S2和S5导通时，控制开关S3、S4、S6、S7和S8关断；在控制开关S3和S6导通时，控制开关S1、S2、S4、S5、S7和S8关断；在控制开关S4、S7和S8导通时，控制开关S1、S2、S3、S5和S6关断。具体为，所述驱动模块130输出的驱动信号包括第一驱动信号CK1，第二驱动信号CK2和第三驱动信号CK3，其中第一驱动信号CK1与开关S1、S2和S5的控制端相连，以控制开关S1、S2和S5的导通或者关断；第二驱动信号CK2与开关S3和S6的控制端相连，以控制开关S3和S6的导通或者关断；第三驱动信号CK3与开关S4、S7和S8的控制端相连，以控制开关S4、S7和S8的导通或者关断。在一个具体实施例中，开关S1-S8都为MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，驱动信号CK1、CK2和CK3为时钟信号，所述第一电平为使各个开关导通的电平信号，比如，开关S1-S8都为NMOS（N-Channel Metal Oxide Semiconductor）晶体管，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断，且使驱动信号CK1、CK2和CK3的高电平（即第一电平）时间不交叠（也可以说三个驱动信号之间存在一定的死区时间），这样可以避免开关S1-S8同时导通。

以下参考图2a-2c介绍图1中的电荷泵装置在一个实施例中的具体工作过程。

当第一驱动信号CK1为高电平时，第二驱动信号CK2和第三驱动信号CK3为低电平，驱动模块130控制开关S1、S2和S5导通，控制开关S3、S4、S6、S7和S8关断，此时，图1中的电荷泵装置的等效工作电路图如图2a所示，其满足如下关系：

V1=V2+VC1+VC2       (1)

其中，V1为第一电压源V1的电压值，V2为第二电压源V2的电压值，VC1为第一电容C1两端的电压值，VC2为第二电容C2两端的电压值。

当第二驱动信号CK2为高电平时，第一驱动信号CK1和第三驱动信号CK3为低电平，驱动模块130控制开关S3和S6导通，控制开关S1、S2、S4、S5、S7和S7关断，此时，图1中的电荷泵装置的等效工作电路图如图2b所示，其满足如下关系：

VO=V1+VC1        (2)

其中，VO为电压输出端VO的电压值（其等于输出电容CO两端的电压值），VC1为第一电容C1两端的电压值，V1为第一电压源V1的电压值。

当第三驱动信号CK3为高电平时，第一驱动信号CK1和第二驱动信号CK2为低电平，驱动模块130控制开关S4、S7和S8导通时，控制开关S1、S2、S3、S5和S6关断，此时，图1中的电荷泵装置的等效工作电路图如图2c所示，其满足如下关系：

VO=V1-VC1+VC2      (3)

其中，VO为电压输出端VO的电压值，VC1为第一电容C1两端的电压值，VC2为第二电容C2两端的电压值。

对于稳定状态下，电容C1、C2上的电压应该维持近似相等。这样，联合公式(1)、(2)、(3)求解得:

VO=(4/3).V1-(1/3).V2

综上可知，本发明中的电荷泵装置基于两个电源电压转换输出一个输出电压VO，且VO=(4/3).V1-(1/3).V2，其中，V1为第一电压源V1的电压值，V2为第二电压源V2的电压值，因此，本发明中的电荷泵装置又可称为分数比率差值电荷泵。

随着现代电子***设计越来越复杂，电子***中除了电池单元电压外还需要更多其它电压，例如，平板电脑、智能手机、蓝牙耳机等***中都配备有电源管理电路（或称为电源管理单元(Power Management Units)），其通常可以支持多路电压输出，具体为，电源管理电路包括电池单元和电压调节电路，所述电压调节电路基于电池单元提供的电压得到多个预定的其它电压（或称非电池单元电压）。若将上述本发明中的电荷泵装置应用于电源管理电路中，则可以通过利用电池单元电压和电源管理电路中除电池单元电压外存在的其它电压（即电压调节电路输出的电压）构建更多其它倍率的电压模式，从而有助于优化功率电荷泵的效率。

以下通过一个实施例具体介绍本发明中图1所示的电荷泵装置在电源管理电路中的应用。

以电源管理电路中的电池单元作为图1中的电荷泵装置的第一电压源V1，以电源管理电路中的电压调节电路作为图1中的电荷泵装置的第二电压源V2，当电池单元电压（其称为电荷泵装置的输入电压VIN）一定的情况下，采用不同的非电池单元电压（即所述电压调节电路基于电池单元电压输出的其他电压）作为第二电源电压V2，可得到不同的输出电压VO，以产生更多其它倍率（倍率等于VO/VIN），从而实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。在一个具体实施例中，假设电荷泵装置的飞电容个数为两个，输入电压（或称电池单元电压）VIN为3.3v，目标输出电压为3.4v，若使用现有技术中的电荷泵，则该电荷泵采用4/3倍速率的模式供电效率最佳，采用4/3倍速率的模式可以产生4.4V的输出电压VO，通过线性调压技术降为3.4v，则理想情况下的供电效率为3.4v/4.4v=77.3%；若使用本发明中的电荷泵装置，则以输入电压VIN（3.3V）作为第一输入电压V1，以所述电压调节电路输出的2.4V的其它电压作为第二输入电压V2，通过上述工作过程，可以产生(4/3).V1-(1/3).V2=3.6v的输出电压VO，然后通过线性调压器转换为3.4V，则理想情况下的供电效率为3.4v/3.6v=94.4%。由此可见，本发明可以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。

易于思及的是，也可以以电源管理电路中的电池单元作为图1中的电荷泵装置的第二电压源V2，以电源管理电路中的电压调节电路作为图1中的电荷泵装置的第一电压源V1，从而在电荷泵装置的输入电压VIN一定的情况下，采用不同的非电池单元电压，可产生更多其它倍率。

综上所述，本发明中的电荷泵装置包括第一电压源（或称第一电压）V1、第二电压源（或称第二电压）V2、电压转换模块110、输出模块120和驱动模块130，该电荷泵装置基于两个电源电压转换输出一个输出电压VO，且VO=(4/3).V1-(1/3).V2，其可以利用电源管理电路中除电池单元电压外存在的更多其它电压，产生更多其它倍率，以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率转换电压，从而优化功率电荷泵的实际工作效率。

在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (7)

1.一种电荷泵装置，其特征在于，其包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块，

所述电压转换模块包括第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；

所述输出模块包括输出电容，所述输出电容连接于电压输出端和地节点之间；

其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极接地；第一开关、第一电容、第五开关、第二电容、第二开关依次串联于第一电压源的正极与第二电压源的正极之间；第四开关连接于第一电压源的正极和第一开关之间的连接节点与第二电容和第二开关之间的连接节点之间；第八开关连接于第一开关和第一电容之间的连接节点与第五开关和第二电容之间的连接节点之间；第六开关连接于第一电压源的正极和第一开关之间的连接节点与第一电容和第五开关之间的连接节点之间；第七开关连接于第一电容和第五开关之间的连接节点与电压输出端之间；第三开关连接于第一开关和第一电容之间的连接节点和电压输出端之间，

所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或关断，其中，在控制第一开关、第二开关、第五开关导通时，控制第三开关、第四开关、第六开关、第七开关和第八开关关断；在控制第三开关和第六开关导通时，控制开关第一开关、第二开关、第四开关、第五开关、第七开关和第八开关关断；在控制第四开关、第七开关和第八开关导通时，控制第一开关、第二开关、第三开关、第五开关和第六开关关断。

2.根据权利要求1所述的电荷泵装置，其特征在于，所述驱动模块输出的驱动信号包括第一驱动信号，第二驱动信号和第三驱动信号，其中第一驱动信号与第一开关、第二开关和第五开关的控制端相连，以控制第一开关、第二开关和第五开关的导通或者关断；第二驱动信号与第三开关和第六开关的控制端相连，以控制第三开关和第六开关的导通或者关断；第三驱动信号与第四开关、第七开关和第八开关的控制端相连，以控制第四开关、第七开关和第八开关的导通或者关断。

3.根据权利要求2所述的电荷泵装置，其特征在于，

所述八个开关都为MOS晶体管，第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号都为时钟信号。

4.根据权利要求3所述的电荷泵装置，其特征在于，第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号之间存在一定的死区时间，以避免所述八个开关同时导通。

5.根据权利要求4所述的电荷泵装置，其特征在于，

驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断，

当第一驱动信号为高电平时，第二驱动信号和第三驱动信号为低电平，满足如下关系：

V1=V2+VC1+VC2     (1)

其中，V1为第一电压源的电压值，V2为第二电压源的电压值，VC1为第一电容两端的电压值，VC2为第二电容两端的电压值；

当第二驱动信号为高电平时，第一驱动信号和第三驱动信号为低电平，满足如下关系：

VO=V1+VC1       (2)

其中，VO为所述电压输出端的电压值，VC1为第一电容两端的电压值，V1为第一电压源的电压值；

当第三驱动信号为高电平时，第一驱动信号和第二驱动信号为低电平，满足如下关系：

VO=V1-VC1+VC2      (3)

其中，VO为所述电压输出端的电压值，VC1为第一电容两端的电压值，VC2为第二电容两端的电压值，

联合公式(1)、(2)、(3)求解得:

VO=(4/3).V1-(1/3).V2。

6.根据权利要求2所述的电荷泵装置，其特征在于，所述第一电容和第二电容为飞电容。

7.一种电源管理电路，其特征在于，其包括：

电池单元；

电压调节电路，基于电池单元提供的电压得到预定电压；

如权利1-6任一所述的电荷泵装置，

所述电池单元作为电荷泵装置中的第一电压源，所述电压调节电路作为电荷泵装置中的第二电压源；或者所述电池单元作为电荷泵装置中的第二电压源，所述电压调节电路作为电荷泵装置中的第一电压源。

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