CN105763039B - 一种用于电容型电荷泵的优化的电荷转移结构与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计领域，具体为一种用于电容型电荷泵的优化的电荷转移结构与方法。本发明用于电容间的电荷转移，将前一级的电容拆分成多个电容的并联，各电容彼此独立，依次向后一级电容充电；当有电荷输入时，并联电容连接在一起形成一个大电容，接收来自前一级电容的充电。该电荷转移机制提高了电荷转移时的能量转换效率，同时增加了升压能力，以及对负载的驱动能力。

Description

一种用于电容型电荷泵的优化的电荷转移结构与方法

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种用于电容型电荷泵的优化的电荷转移结构与方法。

背景技术

随着可穿戴电子的兴起，物联网应用的普及，以及传感器需求量的日益增大，能量采集技术(Energy Harvesting)在近年来得到了迅猛的发展。能量采集***能够从光照、温差、振动和电磁波等能源获取能量，并为电子设备提供电能。在众多可供采集的能源中，太阳能以其简便的采集条件和较高的能量密度而得到最为广泛的应用。然而，用于光电转换的光伏二极管的输出电压通常较低，只有300到600mV，不足以给集成电路芯片***供电或者给能量存储装置充电，所以需要一种升压转换器，将低输出电压提高到一个合理的电压值。

电荷泵为升压转换器的一种实现方式，相比电感式的升压转换，电容型电荷泵具有更低的电磁干扰，良好的自启动能力，较少的片外元件，从而更适合为低功耗小容量的电子***提供能量。但是电容型电荷泵能量转换效率较低，驱动能力较差。电荷转移为电容型电荷泵最基本的运行方式，一个好的电荷转移机制将大大提高电容型电荷泵的性能，增强能量获取的能力。

传统的电容型电荷泵，单级由电荷待放电电容、充放电开关和电荷待充电电容组成。充放电时，流过充放电开关的瞬态电流会在充放电开关的导通电阻上产生焦耳热，造成能量损耗，该损耗通常与充放电开关的导通电阻大小无关，而与电荷泵单级电容成正比，并与电荷泵相邻两级之间的电压差平方成正比。由于电荷泵相邻两级之间的电压差与电荷泵负载电流成正比，因此电荷泵负载电流越大，由焦耳热带来的能量损耗越为严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电容型电荷泵的优化的电荷转移机制（包括结构与方法），以提高电荷转移的能量转换效率。

本发明提供的用于电容型电荷泵的优化的电荷转移结构，至少包括部件：

电荷待放电电容，由多个放电电容并联而成，用于向后一级进行电荷输出；

电荷待充电电容，用于接收前一级的电荷输入；

充放电开关，用于控制每一级的充放电操作；

放电电容开关，用于控制放电电容间的连接与断开。

本发明提供的电容型电荷泵的优化的电荷转移方法，至少包括以下步骤：

（1）所述电荷待放电电容向所述电荷待充电电容充电时，所述放电电容开关断开，各并联放电电容彼此独立，依次向所述电荷待充电电容充电；

（2）所述电荷待放电电容接收电荷输入时，所述放电电容开关闭合，各并联放电电容连接在一起形成一个大电容，接收电荷输入。

进一步，所述充放电开关与每一个所述放电电容相串联，分别独立控制每个所述放电电容。

进一步，所述电荷转移结构可以单级结构，单级直接使用，也可以由多个单级电荷转移结构级联形成多级台阶式电荷转移结构，多级级联使用。

如上所述，本发明具有以下有益效果：提高了电荷转移的能量转换效率。应用在电容型电荷泵上，可以改善它的缺点，并同时增加升压量，以及增强驱动能力。

附图说明

图1是本发明电荷转移结构的示意图。

图2是按照本发明实施例的电荷泵结构示意图。

图中标号：11为电荷待放电电容，12为电荷待充电电容，13为充放电开关，14为放电电容开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。

图1所示为本发明优化的电荷转移结构示意图，其中C_{i_1}到C_{i_k}为相互并联的电荷待放电电容，C_i+1为电荷待充电电容。

具体地，在电荷待放电电容向电荷待充电电容充电阶段，放电电容开关断开，放电电容C_{i_1}到C_{i_k}彼此互相独立。首先，与C_{i_1}相串联的充放电开关闭合，由电荷待放电电容C_{i_1}向电荷待充电电容C_i+1充电；其次，与C_{i_1}相串联的充放电开关断开，与C_{i_2}相串联的充放电开关闭合，由电荷待放电电容C_{i_2}向电荷待充电电容C_i+1充电；再次，与C_{i_2}相串联的充放电开关断开，与C_{i_3}相串联的充放电开关闭合，由电荷待放电电容C_{i_3}向电荷待充电电容C_i+1充电……以此类推，直至电荷待放电电容C_{i_k}向电荷待充电电容C_i+1充电完毕。

具体地，在电荷待放电电容接收来自输入信号或电荷转移前级的电荷输入，放电电容开关全部闭合，放电电容C_{i_1}到C_{i_k}彼此并联形成等效大电容，接收电荷输入。

图2所示为应用本发明电荷转移机制的电荷泵结构，其中V_in为输入电压，Φ ₀和Φ ₁为两个互相反相的时钟信号，信号波形如图2所示。将每一级的电容分为k个小电容并联，并有一个开关与之相连，开关S₁至S_2k的控制信号波形如图2所示。

具体地，在Φ ₁有效阶段，电容C_{2_1}至C_{2_k}相互并联，形成等效大电容C₂，开关S₁至S_k依次导通，电容C_{1_1}至C_{1_k}依次向C₂充电；在Φ ₀有效阶段，电容C_{1_1}至C_{1_k}相互并联，形成等效大电容C₁，接收来自输入信号V_in的充电，开关S_k+1至S_2k依次导通，电容C_{2_1}至C_{2_k}相互独立并依次向后一级等效大电容充电。

进一步，图2所示的电荷泵结构中，在单级充放电过程中，流过充放电开关的瞬态电流，会产生焦耳热。在应用本发明电荷转移机制的电荷泵中，单级充放电所产生的总焦耳热E_J，为待放电电容C_{i_1}到C_{i_k}向待充电电容C_i+1的k次充电所产生的焦耳热的总和。而在传统电荷泵中，单级充放电所产生的的总焦耳热，可等效为待放电电容C_{i_1}到C_{i_k}并联后同时向待充电电容充电时产生的焦耳热。由于焦耳热与待放电电容和待充电电容之间电压差的平方成正比，应用本发明电荷转移机制的电压泵在单级充放电过程中产生的焦耳热显著地小于传统电荷泵单级充放电过程中产生的焦耳热。

应用本发明电荷转移机制的电荷泵单级电荷传输过程中，待充电电容在充电结束后的电压要高于k个待放电电容的电压平均值，而在传统电荷泵中，待充电电容和待放电电容在充放电结束后电压相等。因此，应用本发明电荷转移机制的电荷泵中的各级在一次充电过程中的电压增量要大于传统电荷泵各级的电压增量，相应地，应用本发明电荷转移机制的电荷泵的单级电压增益要大于传统电荷泵的单级电压增益。

由于电荷泵在一个周期内向负载输出的电荷量等于一次充放电过程中的电压增量与单级电容总量的乘积，因此在单级电容总量不变的情况下，应用本发明电荷转移机制的电荷泵的驱动能力，即负载电流I_out要大于传统电荷泵的负载电流。

N级电荷泵在电荷分配中损失的功率P_CRL为NE_J/T，电荷泵的能量转换效率定义为输出功率与总功率的比值，所以该能量转换效率可表示为：

其中，N为级数，T为时钟周期，V_out为输出电压，I_out为负载电流。

在电荷泵开关周期T不变，级数N不变的情况下，应用本发明电荷转移机制的电荷泵所产生的焦耳热E_J减少，负载电流I_out增大，并由于单级电压增益增大，V_out也增大，从而使能量转换效率PCE得到了显著提高。

以上通过特定的具体实例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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

Claims (4)

1.一种用于电容型电荷泵的优化的电荷转移结构，其特征在于至少包括部件：

电荷待放电电容，由多个放电电容并联而成，用于向后一级进行电荷输出；

电荷待充电电容，用于接收前一级的电荷输入；

充放电开关，用于控制每一级的充放电操作；

放电电容开关，用于控制放电电容间的连接与断开；

所述电荷待放电电容向所述电荷待充电电容充电时，所述放电电容开关断开，各并联放电电容彼此独立，依次向所述电荷待充电电容充电；

所述电荷待放电电容接收电荷输入时，所述放电电容开关闭合，各并联放电电容连接在一起形成一个大电容，接收电荷输入。

2.根据权利要求1所述的电荷转移结构，其特征在于所述充放电开关与每一个所述放电电容相串联，分别独立控制每个所述放电电容。

3.根据权利要求1所述的电荷转移结构，其特征在于所述电荷转移结构为单级，或者由多个单级电荷转移结构级联形成多级台阶式电荷转移结构。

4.基于权利要求1-3之一所述的电荷转移结构的优化电荷转移方法，其特征在于至少包括以下步骤：

（1）所述电荷待放电电容向所述电荷待充电电容充电时，所述放电电容开关断开，各并联放电电容彼此独立，依次向所述电荷待充电电容充电；

（2）所述电荷待放电电容接收电荷输入时，所述放电电容开关闭合，各并联放电电容连接在一起形成一个大电容，接收电荷输入。