CN204633599U - 功率电荷泵及使用该功率电荷泵的电源管理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种功率电荷泵及使用该功率电荷泵的电源管理电路，其中，功率电荷泵包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块。电压转换模块包括电容C1、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，第一电压源的负极和第二电压源的负极与地节点相连；第一开关和第三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；第二开关和第四开关依次串联于地节点和电压输出端之间；电容C1的一端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，电容C1的另一端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连。驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或者关断。本实用新型可以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率。

Description

功率电荷泵及使用该功率电荷泵的电源管理电路

【技术领域】

本实用新型涉及电压转换的技术领域，特别涉及一种功率电荷泵及使用该功率电荷泵的电源管理电路。

【背景技术】

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。本实用新型的电荷泵电路是后者的子类，此处为了区别，将后者称为功率电荷泵。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。与基于电感的直流-直流转换器相比，功率电荷泵无需体积较大的电感，其更适用于PCB电路等空间较小的应用，且成本较低。对于理想的开关来说，功率电荷泵的能量损耗可被忽略，在这种情况下，可以认为功率电荷泵电路的效率为100％。但现有的功率电荷泵电路只能以某些固定的倍率转换电压时，其理想功率为100％，而且这样的固定倍率是有限的几种，例如，现有技术中，针对同一个输入电压源，仅采用两个飞电容(Flying Capacitor)的应用，已有文献讨论过的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应用，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，而更多的可能的倍率，有利于优化功率电荷泵的实际工作效率，例如，输入电压为3.3V，输出电压目标值为1.7V，对于仅一个飞电容的情形，只能采用1倍模式，产生3.3V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1.7V，其理想情况下的效率为1.7V/3.3V＝51.5％；而对于采用两个飞电容的情形，则可以采用2/3倍模式，产生2.2V电压，然后通过线性调压技术降为1.7V，其理想情况下的效率为1.7V/2.2V＝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，但成本会随之增加。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种功率电荷泵及使用该功率电荷泵的电源管理电路，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，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种功率电荷泵，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电容C1、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极与地节点相连；第一开关和第三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；第二开关和第四开关依次串联于地节点和电压输出端之间；电容C1的一端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，电容C1的另一端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连；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者关断，其中，在控制第一开关和第二开关导通时，控制第三开关和第四开关关断；在控制第三开关和第四开关导通时，控制第一开关和第二开关关断。

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和第二驱动信号，其中，第一驱动信号与第一开关和第二开关的控制端相连，以控制第一开关和第二开关的导通或者关断；第二驱动信号与第三开关和第四开关的控制端相连，以控制第三开关和第四开关的导通或者关断。

进一步的，所述四个开关都为MOS晶体管，第一驱动信号和第二驱动信号为时钟信号。

进一步的，第一驱动信号和第二驱动信号之间存在一定的死区时间，以避免四个开关同时导通。

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，第二驱动信号为低电平，满足如下关系：

V1＝VC1   (1)

其中，V1为第一电压源的电压值，VC1为电容C1两端的电压值；

当第二驱动信号为高电平时，第一驱动信号为低电平，满足如下关系：

VO＝V2-VC1   (2)

其中，VO为电压输出端的电压值，V2为第二电压源的电压值，VC1为电容C1两端的电压值；联合公式(1)和(2)求解得：VO＝V2-V1。

进一步的，所述电容C1为飞电容。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种电源管理电路，其包括：电池单元；电压调节电路，其基于电压单元提供的电压得到预定电压；功率电荷泵。

所述电池单元作为功率电荷泵中的第一电压源，所述电压调节电路作为功率电荷泵中的第二电压源；或者，所述电池单元作为功率电荷泵中的第二电压源，所述电压调节电路作为功率电荷泵中的第一电压源。所述功率电荷泵包括第一电压源、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电容C1、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极与地节点相连；第一开关和第三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；第二开关和第四开关依次串联于地节点和电压输出端之间；电容C1的一端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，电容C1的另一端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连；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者关断，其中，在控制第一开关和第二开关导通时，控制第三开关和第四开关关断；在控制第三开关和第四开关导通时，控制第一开关和第二开关关断。

与现有技术相比，本实用新型中的功率电荷泵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实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型在一个实施例中的功率电荷泵的电路示意图；

图2为图1中的功率电荷泵工作在第一相位时的等效工作电路图；

图3为图1中的功率电荷泵工作在第二相位时的等效工作电路图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型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，其为本实用新型在一个实施例中的功率电荷泵的电路示意图。所述功率电荷泵包括第一电压源(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包括电容C1、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。其中，第一电压源V1的负极和第二电压源V2的负极与地节点GND相连；第一开关S1和第三开关S3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；第二开关S2和第四开关S4依次串联于地节点GND和电压输出端VO之间；电容C1的一端与第一开关S1和第三开关S3之间的连接节点相连，电容C1的另一端与第二开关S2和第四开关S4之间的连接节点相连。在一个优选的实施例中，所述电容C1可以为飞电容(或称快速电容)，并且飞电容为陶瓷电容。

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GND之间。

所述驱动模块130输出驱动信号以控制开关S1-S4的导通或者关断，其中， 在控制开关S1和S2导通时，控制开关S3和S4关断；在控制开关S3和S4导通时，控制开关S1和S2关断。在图1所示的实施例中，所述驱动模块130输出的驱动信号包括第一驱动信号CK1和第二驱动信号CK2，其中，第一驱动信号CK1与开关S1和S2的控制端相连，以控制开关S1和S2的导通或者关断；第二驱动信号CK2与开关S3和S4的控制端相连，以控制开关S3和S4的导通或者关断。在一个具体的实施例中，开关S1-S4都为MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，驱动信号CK1和CK2为时钟信号，第一电平为使各个开关导通的电平信号，比如，开关S1-S4都NMOS(N-Channel Metal Oxide Semiconductor)晶体管，驱动信号CK1和CK2为反相时钟信号，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和CK2的高电平(即第一电平)时间不交叠(也可以说，第一驱动信号CK1和第二驱动信号CK2之间存在一定的死区时间)，这样，可以避免开关S1-S4同时导通。

为了便于理解本实用新型，以下参考图2-图3介绍图1中的功率电荷泵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为低电平，驱动模块130控制开关S1和S2导通，控制开关S3和S4关断，此时，图1中的功率电荷泵工作在第一相位，其等效工作电路图如图2所示，第一电压源V1对电容C1进行充电，稳态时满足如下关系：

V1＝VC1   (1)

其中，V1为第一电压源V1的电压值，VC1为电容C1两端的电压值。

当第二驱动信号CK2为高电平时，第一驱动信号CK1为低电平，驱动模块130控制开关S3和S4导通，控制开关S1和S2关断，此时，图1中的功率电荷泵工作在第二相位，其等效工作电路图如图3所示，稳态时满足如下关系：

VO＝V2-VC1   (2)

其中，V2为第二电压源V2的电压值，VC1为电容C1两端的电压值，VO为电压输出端VO上的电压值(其等于输出电容Co两端的电压值)。

由于稳态时，上述两个相位中的电容C1两端的电压保持不变，因此，联合公式(1)和(2)求解得：

VO＝V2-V1。

综上可知，本实用新型中的功率电荷泵基于两个电源电压转换输出一个输出电压VO，且VO＝V2-V1，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，本实用新型中的功率电荷泵又可称为差值电荷泵。需要特别说明的是，当V2＜V1时，通过本实用新型还能产生负电压。

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单元(Power Management Units)，其通常可支持多路电压输出，具体为，电源管理电路包括电池单元和电源调节电路，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)。若将上述本实用新型中的功率电荷泵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实用新型中图1所示的功率电荷泵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中的功率电荷泵的第二电压源V2，以电源管理电路中的电压调节电路作为图1中的功率电荷泵的第一电压源V1，当电池单元电压(其称为功率电荷泵的输入电压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它电压)作为第一电源电压V1，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，假设功率电荷泵的输入电压(或称电池单元电压)VIN为3.3V，目标输出电压为3.4V，若使用现有技术中仅一个输入电压源、飞电容个数为两个的功率电荷泵，则该电荷泵采用2/3倍模式的供电效率最佳，采用2/3倍模式可以产生2.2V的输出电压VO，通过线性调压技术降为1.7V，则理想情况下的供电效率为1.7V/2.2V＝77.3％；若使用现有技术中仅一个输入电压源、飞电容个数为一个的功率电荷泵，则该电荷泵采用1倍模式的供电效率最佳，采用1倍模式可以产生3.3V的输出电压VO，通过线性调压技术降为1.7V，则理想情况下的供电效率为1.7V/3.3V＝51.5％；若使用本实用新型中的功率电荷泵，则输入电压VIN(3.3V)作为第二输入电压源V2，以所述电压调节电路输出的1.5V的其它电压作为第 一输入电压源V1，通过上述工作过程，可产生3.3V-1.5V＝1.8V的输出电压VO，然后通过线性调压器转换为1.7V，则理想情况下的供电效率为1.7V/(3.3V-1.5V)＝94.4％，且只用一个飞电容。由此可见，本实用新型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中的功率电荷泵的第一电压源V1，以电源管理电路中的电压调节电路作为图1中的功率电荷泵的第二电压源V2，从而在功率电荷泵的输人电压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，本实用新型中的功率电荷泵包括第一电压源V1、第二电压源V2、电压转换模块110、输出模块120和输出驱动模块130，该功率电荷泵基于这两个电源电压转换输出一个输出电压VO，且VO＝V2-V1，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。

在本实用新型中，“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实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型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)

1.一种功率电荷泵，其特征在于，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电容C1、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极与地节点相连；第一开关和第三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；第二开关和第四开关依次串联于地节点和电压输出端之间；电容C1的一端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，电容C1的另一端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连；

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者关断，其中，在控制第一开关和第二开关导通时，控制第三开关和第四开关关断；在控制第三开关和第四开关导通时，控制第一开关和第二开关关断。

2.根据权利要求1所述的功率电荷泵，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和第二驱动信号，其中，第一驱动信号与第一开关和第二开关的控制端相连，以控制第一开关和第二开关的导通或者关断；第二驱动信号与第三开关和第四开关的控制端相连，以控制第三开关和第四开关的导通或者关断。

3.根据权利要求2所述的功率电荷泵，其特征在于，

所述四个开关都为MOS晶体管，第一驱动信号和第二驱动信号为时钟信号。

4.根据权利要求3所述的功率电荷泵，其特征在于，

第一驱动信号和第二驱动信号之间存在一定的死区时间，以避免四个开关同时导通。

5.根据权利要求4所述的功率电荷泵，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，第二驱动信号为低电平，满足如下关系：

V1＝VC1       (1) 

其中，V1为第一电压源的电压值，VC1为电容C1两端的电压值；

当第二驱动信号为高电平时，第一驱动信号为低电平，满足如下关系：

VO＝V2-VC1      (2) 

其中，VO为电压输出端的电压值，V2为第二电压源的电压值，VC1为电容C1两端的电压值；

联合公式(1)和(2)求解得：

VO＝V2-V1。

6.根据权利要求1所述的功率电荷泵，其特征在于，

所述电容C1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，其基于电压单元提供的电压得到预定电压；

如权利要求1-6任一所述的功率电荷泵，

所述电池单元作为功率电荷泵中的第一电压源，所述电压调节电路作为功率电荷泵中的第二电压源；或者，

所述电池单元作为功率电荷泵中的第二电压源，所述电压调节电路作为功率电荷泵中的第一电压源。