CN109327133A - 一种电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电荷泵电路，包括：电荷泵主体电路，电荷泵主体电路分别接收时钟信号和至少一个控制信号，电荷泵主体电路根据至少一个控制信号中有效信号的个数和时钟信号的频率对电荷泵主体电路的输出电压进行调整；使能开关；至少三个串联的电阻，至少三个串联的电阻设置在电荷泵主体电路的输出端和使能开关之间，相邻两个电阻之间具有节点；控制信号产生模块，控制信号产生模块分别与至少三个串联的电阻之间的各节点相连，控制信号产生模块根据各节点的电压和预设电压产生时钟信号和至少一个控制信号。本发明实施例可以有效减小电荷泵电路的输出电压纹波，且当输出电压突然减小时，输出电压可以快速恢复到目标工作电压。

Description

一种电荷泵电路

技术领域

本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种电荷泵电路。

背景技术

传统电荷泵电路的设计架构如图1所示。其中，Vref’为电荷泵电路的输入电压，Vin’为电荷泵电路的电源电压，Vout’为电荷泵电路的输出电压，CLK’为电荷泵电路的输入时钟，N型场效应晶体管N1’为电荷泵电路的使能开关。使能开关N1’接收使能控制信号ENABLE’，输出电压Vout’经电阻R2’分压后的电压VDIV’和输入电压Vref’接到比较器COMP’的输入端，比较器COMP’的输出信号DIFOUT’和输入时钟CLK’接到与门进行与操作，来控制电荷泵电路的时钟信号的开关，与门的输出信号CLK_D’接到电荷泵主体电路。

图2是传统电荷泵电路中电荷泵主体电路1’的设计架构。其中，CLK_D’通过第一驱动电路接到电容C1’的一端，CLK_D_B’通过第二驱动电路接到电容C2’的一端，电容C1’的另一端接电荷泵主体电路1’的内部结点na1’，电容C2’的另一端接电荷泵主体电路1’的内部结点na2’。电荷泵主体电路1’采用差分交叉耦合的架构，N2’和N3’是N型场效应晶体管，P1’和P2’是P型场效应晶体管。该电荷泵主体电路1’利用电容的高通特性不断的对结点na1’和na2’充电，使输出电压Vout’维持在高电压。

传统电荷泵电路的设计架构存在以下缺点：通过控制时钟信号的开关来控制电荷泵电路的输出电压Vout’，本质上是调节时钟信号的频率来控制，输出电流的大小，导致输出电压Vout’的纹波很大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种电荷泵电路，以解决传统电荷泵电路输出电压纹波大的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种电荷泵电路，包括：

电荷泵主体电路，所述电荷泵主体电路分别接收时钟信号和至少一个控制信号，所述电荷泵主体电路根据所述至少一个控制信号中有效信号的个数和所述时钟信号的频率对所述电荷泵主体电路的输出电压进行调整；

使能开关；

至少三个串联的电阻，所述至少三个串联的电阻设置在所述电荷泵主体电路的输出端和所述使能开关之间，相邻两个电阻之间具有节点；

控制信号产生模块，所述控制信号产生模块分别与所述至少三个串联的电阻之间的各节点相连，所述控制信号产生模块根据各节点的电压和预设电压产生所述时钟信号和所述至少一个控制信号。

可选地，当时钟信号CLK的频率增大和/或所述至少一个控制信号中有效信号的个数增加时，所述电荷泵主体电路的输出电压增大；

当时钟信号CLK的频率减小和/或所述至少一个控制信号中有效信号的个数减少时，所述电荷泵主体电路的输出电压减小。

可选地，所述控制信号产生模块包括时钟信号调整单元和至少一个控制信号产生单元，其中，

所述时钟信号调整单元的第一输入端与所述各节点中的第一节点相连，所述时钟信号调整单元的第二输入端连接提供所述预设电压的电源，所述时钟信号调整单元根据所述时钟信号调整单元的第一输入端电压和所述预设电压调整输出的时钟信号频率；所述第一节点为所述各节点中最靠近所述使能开关的节点；

所述控制信号产生单元的第一输入端与所述第一节点之外的一节点相连，每个所述控制信号产生单元的第一输入端连接的节点不同，所述控制信号产生单元的第二输入端连接提供所述预设电压的电源，所述控制信号产生单元根据所述控制信号产生单元的第一输入端电压和所述预设电压产生相应的控制信号。

可选地，所述时钟信号调整单元包括：

第一比较器，所述第一比较器的负输入端与所述第一节点相连，所述第一比较器的正输入端与提供所述预设电压的电源相连，所述第一比较器根据所述第一比较器的负输入端电压和所述预设电压产生第一比较信号；

压控振荡器，所述压控振荡器的输入端与所述第一比较器的输出端相连，所述压控振荡器的输出端与所述电荷泵主体电路的时钟端相连，所述压控振荡器根据所述第一比较信号调整输出的时钟信号频率。

可选地，所述控制信号产生单元包括：

第二比较器，所述第二比较器的负输入端与所述第一节点之外的一节点相连，所述第二比较器的正输入端与提供所述预设电压的电源相连，所述第二比较器根据所述第二比较器的负输入端电压和所述预设电压产生相应的控制信号。

可选地，所述电荷泵主体电路包括充电电容和时钟驱动电路，所述电荷泵主体电路还包括与所述至少一个控制信号一一对应的至少一个驱动信号调整电路，其中，所述时钟驱动电路的输入端和所述驱动信号调整电路的输入端接收所述时钟信号，所述驱动信号调整电路的输出端与所述充电电容相连，所述驱动信号调整电路的控制端接收对应的控制信号，所述驱动信号调整电路根据所述控制信号导通或断开。

可选地，所述驱动信号调整电路包括：

第一反相器和第二反相器，所述第一反相器的输入端接收所述时钟信号，所述第一反相器的控制端和所述第二反相器的控制端接收所述驱动信号调整电路对应的控制信号，所述第二反相器的输出端与所述充电电容相连。

可选地，所述第一反相器和所述第二反相器的尺寸相同。

可选地，所述至少一个驱动信号调整电路的尺寸互不相同。

本发明实施例包括以下优点：通过在电荷泵主体电路的输出端和使能开关之间设置至少三个串联的电阻，进而控制信号产生模块可以获得至少三个串联的电阻之间的各节点电压，以及根据各节点电压和预设电压产生时钟信号和至少一个控制信号并输出至电荷泵主体电路，电荷泵主体电路即可根据至少一个控制信号中有效信号的个数和时钟信号的频率对电荷泵主体电路的输出电压进行调整。这样，由于各节点电压随电荷泵主体电路的输出电压的变化而变化，即当电荷泵主体电路的输出电压增大时，各节点电压增大，当电荷泵主体电路的输出电压减小时，各节点电压减小，因此，随着电荷泵主体电路的输出电压的变化，控制信号产生模块产生的时钟信号和至少一个控制信号中有效信号的个数也随之变化，电荷泵主体电路的输出电压也相应逐渐调整，与传统电荷泵电路相比，本发明实施例输出电压纹波有效减小。

附图说明

图1是传统电荷泵电路的设计架构的结构示意图；

图2是传统电荷泵电路中电荷泵主体电路的设计架构的结构示意图；

图3是本发明的一种电荷泵电路实施例的结构框图；

图4是本发明的一种电荷泵电路实施例的结构示意图；

图5是本发明的一种电荷泵电路实施例中电荷泵主体电路的结构示意图；

图6是本发明的一种电荷泵电路实施例中电荷泵主体电路的输出电压波形。

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。

参照图3，其示出了本发明的一种电荷泵电路实施例的结构框图，具体可以包括如下模块：电荷泵主体电路1，电荷泵主体电路1分别接收时钟信号CLK和至少一个控制信号(控制信号CRL1、……)，电荷泵主体电路1根据至少一个控制信号中有效信号的个数和时钟信号CLK的频率对电荷泵主体电路1的输出电压进行调整；使能开关2；至少三个串联的电阻(电阻R1、电阻R2、……、电阻RN)，至少三个串联的电阻设置在电荷泵主体电路1的输出端和使能开关2之间，相邻两个电阻3之间具有节点；控制信号产生模块3，控制信号产生模块3分别与至少三个串联的电阻之间的各节点相连，控制信号产生模块3根据各节点的电压和预设电压VREF产生时钟信号CLK和至少一个控制信号。

其中，时钟信号CLK、至少一个控制信号为有效信号，时钟信号CLK、至少一个控制信号可以为非零信号。

这样，由于各节点电压随电荷泵主体电路1的输出电压的变化而变化，即当电荷泵主体电路1的输出电压增大时，各节点电压增大，当电荷泵主体电路1的输出电压减小时，各节点电压减小，因此，随着电荷泵主体电路1的输出电压的变化，控制信号产生模块3产生的时钟信号CLK和至少一个控制信号中有效信号的个数也随之变化，电荷泵主体电路1的输出电压也相应逐渐调整，与传统电荷泵电路相比，本发明实施例输出电压纹波有效减小。

可选地，在本发明的一个实施例中，当时钟信号CLK的频率增大和/或至少一个控制信号中有效信号的个数增加时，电荷泵主体电路1的输出电压增大；当时钟信号CLK减小和/或和至少一个控制信号中有效信号的个数减少时，电荷泵主体电路1的输出电压减小。这样，电荷泵主体电路1的输出电压随时钟信号CLK的频率和至少一个控制信号中有效信号的个数变化而反变化，实现减小电荷泵主体电路1的输出电压纹波。

可选地，参照图4，在本发明的一个实施例中，控制信号产生模块3可以包括时钟信号调整单元31和至少一个控制信号产生单元32，其中，时钟信号调整单元31的第一输入端与各节点中的第一节点相连，时钟信号调整单元31的第二输入端连接提供预设电压VREF的电源，时钟信号调整单元31根据时钟信号调整单元31的第一输入端电压和预设电压VREF调整输出的时钟信号CLK频率，即时钟信号CLK的频率随第一输入端电压的大小变化；第一节点为各节点中最靠近使能开关2的节点；控制信号产生单元32的第一输入端与第一节点之外的一节点相连，每个控制信号产生单元32的第一输入端连接的节点不同，控制信号产生单元32的第二输入端连接提供预设电压VREF的电源，控制信号产生单元32根据控制信号产生单元32的第一输入端电压和预设电压VREF产生相应的控制信号。

可选地，图4中，至少三个串联的电阻可以为五个串联的电阻，依次为第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5，第一电阻R1与使能开关2相连，第五电阻R5与电荷泵主体电路1的输出端相连。至少一个控制信号产生单元32可以为三个控制信号产生单元32，第一节点的电压为VDIV1，第一节点之外的其他3个节点电压依次为VDIV2、VDIV3和VDIV4，对应的三个控制信号依次为CRL1、CRL 2和CRL3。使能开关2可以为NMOS管N2，使能开关2接收使能信号ENABLE。

可选地，参照图4，在本发明的一个实施例中，时钟信号调整单元31可以包括：第一比较器COMP1，第一比较器COMP1的负输入端与第一节点相连，第一比较器COMP1的正输入端与提供预设电压VREF的电源相连，第一比较器COMP1根据第一比较器COMP1的负输入端电压和预设电压VREF产生第一比较信号；压控振荡器VCO，压控振荡器VCO的输入端与第一比较器COMP1的输出端相连，压控振荡器VCO的输出端与电荷泵主体电路1的时钟端相连，压控振荡器VCO根据第一比较信号调整输出的时钟信号CLK频率。具体地，当电荷泵主体电路1的输出电压减小时，若第一节点电压小于预设电压VREF，第一比较信号为高电平，压控振荡器VCO根据第一比较信号增大输出的时钟信号CLK频率；当电荷泵主体电路1的输出电压增大时，若第一节点电压大于预设电压VREF，第一比较信号为低电平，压控振荡器VCO减小输出的时钟信号CLK频率或维持输出的时钟信号CLK频率不变。这样，当电荷泵主体电路1的输出电压突然减小时，例如电荷泵主体电路1的输出端突然增加负载时，时钟信号CLK的频率会迅速的增大，电荷泵主体电路1的输出电压可以快速恢复到目标工作电压。

可选地，参照图4，在本发明的一个实施例中，控制信号产生单元32可以包括：第二比较器COMP2，第二比较器COMP2的负输入端与第一节点之外的一节点相连，第二比较器COMP2的正输入端与提供预设电压VREF的电源相连，第二比较器COMP2根据第二比较器COMP2的负输入端电压和预设电压VREF产生相应的控制信号。

可选地，参照图5，在本发明的一个实施例中，电荷泵主体电路1可以包括具有充电电容C1的电荷泵和时钟驱动电路11，电荷泵主体电路1还可以包括与至少一个控制信号一一对应的至少一个驱动信号调整电路12，其中，时钟驱动电路11的输入端和驱动信号调整电路12的输入端接收时钟信号CLK，驱动信号调整电路12的输出端与充电电容C1相连，驱动信号调整电路12的控制端接收对应的控制信号，驱动信号调整电路12根据控制信号导通或断开。其中，当控制信号为有效信号时，驱动信号调整电路12导通，当控制信号为无效信号时，驱动信号调整电路12断开。

可选地，参照图5，在本发明的一个实施例中，驱动信号调整电路12可以包括：第一反相器F1和第二反相器F2，第一反相器F1的输入端接收时钟信号CLK，第一反相器F1的控制端和第二反相器F2的控制端接收驱动信号调整电路12对应的控制信号，第二反相器F2的输出端与充电电容C1相连。其中，当控制信号为有效信号时，第一反相器F1和第二反相器F2工作，驱动信号调整电路12将时钟信号CLK输出至充电电容C1；当控制信号为无效信号时，第一反相器F1和第二反相器F2不工作，驱动信号调整电路12无法将时钟信号CLK输出至充电电容C1。图5中，至少一个驱动信号调整电路12可以为三个驱动信号调整电路12。

具体地，当图4中VDIV4小于预设电压VREF时，各节点的电压均小于预设电压VREF，第一比较器和各第二比较器的输出信号均为高电平，即时钟信号CLK的频率增大，CRL1、CRL2和CRL3均为有效信号，此时，图5中驱动信号调整电路12均导通，电荷泵电路的输出电压和输出电流最大。当荷泵主体电路1的输出电压逐渐增大时，节点电压VDIV1、VDIV2、VDIV3和VDIV4也逐渐增大，相应的比较器输出依次变为低电平，对应的驱动信号调整电路12将依次断开。当所有驱动信号调整电路12均断开时，电荷泵电路的输出电压和输出电流最小。图6是荷泵主体电路1的输出电压波形，由图6可以看出，随着荷泵主体电路1的输出电压逐渐增大，由于各驱动信号调整电路12依次断开，荷泵主体电路1的输出电流逐渐减小，电荷泵电路的输出电压波形斜率越来越小，使得在荷泵主体电路1的输出电压稳定时，纹波也很小。

可选地，参照图5，在本发明的一个实施例中，第一反相器F1和第二反相器F2的尺寸可以相同，便于节省成本。

可选地，参照图5，在本发明的一个实施例中，至少一个驱动信号调整电路12的尺寸可以互不相同，便于获得不同的驱动能力。具体地，若每个驱动信号调整电路12均包括两个相同的反相器，则此时，每个驱动信号调整电路12中反相器的尺寸互不相同。

具体地，可以通过控制时钟驱动电路11的尺寸、驱动信号调整电路12的尺寸来调整电荷泵主体电路的输出电流，实现调整电荷泵主体电路的驱动能力。

可选地，至少三个串联的电阻中各电阻的大小可以相同、部分相同或互不相同。

可选地，第一比较器COMP1和第二比较器COMP2可以为相同的比较器，便于节省成本。

本发明实施例包括以下优点：通过在电荷泵主体电路的输出端和使能开关之间设置至少三个串联的电阻，进而控制信号产生模块可以获得至少三个串联的电阻之间的各节点电压，以及根据各节点电压和预设电压产生时钟信号和至少一个控制信号并输出至电荷泵主体电路，电荷泵主体电路即可根据至少一个控制信号中有效信号的个数和时钟信号的频率对电荷泵主体电路的输出电压进行调整。这样，由于各节点电压随电荷泵主体电路的输出电压的变化而变化，即当电荷泵主体电路的输出电压增大时，各节点电压增大，当电荷泵主体电路的输出电压减小时，各节点电压减小，因此，随着电荷泵主体电路的输出电压的变化，控制信号产生模块产生的时钟信号和至少一个控制信号中有效信号的个数也随之变化，电荷泵主体电路的输出电压也相应逐渐调整，与传统电荷泵电路相比，本发明实施例输出电压纹波有效减小，且当电荷泵主体电路的输出电压突然减小时，电荷泵主体电路1的输出电压可以快速恢复到目标工作电压。

本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电荷泵电路，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (9)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括：

电荷泵主体电路，所述电荷泵主体电路分别接收时钟信号和至少一个控制信号，所述电荷泵主体电路根据所述至少一个控制信号中有效信号的个数和所述时钟信号的频率对所述电荷泵主体电路的输出电压进行调整；

使能开关；

至少三个串联的电阻，所述至少三个串联的电阻设置在所述电荷泵主体电路的输出端和所述使能开关之间，相邻两个电阻之间具有节点；

控制信号产生模块，所述控制信号产生模块分别与所述至少三个串联的电阻之间的各节点相连，所述控制信号产生模块根据各节点的电压和预设电压产生所述时钟信号和所述至少一个控制信号。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，

当时钟信号CLK的频率增大和/或所述至少一个控制信号中有效信号的个数增加时，所述电荷泵主体电路的输出电压增大；

当时钟信号CLK的频率减小和/或所述至少一个控制信号中有效信号的个数减少时，所述电荷泵主体电路的输出电压减小。

3.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述控制信号产生模块包括时钟信号调整单元和至少一个控制信号产生单元，其中，

所述时钟信号调整单元的第一输入端与所述各节点中的第一节点相连，所述时钟信号调整单元的第二输入端连接提供所述预设电压的电源，所述时钟信号调整单元根据所述时钟信号调整单元的第一输入端电压和所述预设电压调整输出的时钟信号频率；所述第一节点为所述各节点中最靠近所述使能开关的节点；

所述控制信号产生单元的第一输入端与所述第一节点之外的一节点相连，每个所述控制信号产生单元的第一输入端连接的节点不同，所述控制信号产生单元的第二输入端连接提供所述预设电压的电源，所述控制信号产生单元根据所述控制信号产生单元的第一输入端电压和所述预设电压产生相应的控制信号。

4.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述时钟信号调整单元包括：

第一比较器，所述第一比较器的负输入端与所述第一节点相连，所述第一比较器的正输入端与提供所述预设电压的电源相连，所述第一比较器根据所述第一比较器的负输入端电压和所述预设电压产生第一比较信号；

压控振荡器，所述压控振荡器的输入端与所述第一比较器的输出端相连，所述压控振荡器的输出端与所述电荷泵主体电路的时钟端相连，所述压控振荡器根据所述第一比较信号调整输出的时钟信号频率。

5.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述控制信号产生单元包括：

第二比较器，所述第二比较器的负输入端与所述第一节点之外的一节点相连，所述第二比较器的正输入端与提供所述预设电压的电源相连，所述第二比较器根据所述第二比较器的负输入端电压和所述预设电压产生相应的控制信号。

6.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵主体电路包括充电电容和时钟驱动电路，所述电荷泵主体电路还包括与所述至少一个控制信号一一对应的至少一个驱动信号调整电路，其中，所述时钟驱动电路的输入端和所述驱动信号调整电路的输入端接收所述时钟信号，所述驱动信号调整电路的输出端与所述充电电容相连，所述驱动信号调整电路的控制端接收对应的控制信号，所述驱动信号调整电路根据所述控制信号导通或断开。

7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于，所述驱动信号调整电路包括：

第一反相器和第二反相器，所述第一反相器的输入端接收所述时钟信号，所述第一反相器的控制端和所述第二反相器的控制端接收所述驱动信号调整电路对应的控制信号，所述第二反相器的输出端与所述充电电容相连。

8.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一反相器和所述第二反相器的尺寸相同。

9.根据权利要求6或7或8所述的电荷泵电路，其特征在于，所述至少一个驱动信号调整电路的尺寸互不相同。