CN103997204B

CN103997204B - 电荷泵电路

Info

Publication number: CN103997204B
Application number: CN201310054610.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡适名
Original assignee: Winbond Electronics Corp
Current assignee: Winbond Electronics Corp
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: CN103997204A

Abstract

本发明公开了一种电荷泵电路。电荷泵电路具有电压输出端而包括电压源模块、反馈电路、比较器、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管以及控制电路。电压源模块提供驱动电压。反馈电路提供关联于电压输出端的反馈电压。比较器比较参考电压与反馈电压而产生误差信号。控制电路经配置以在时域上根据振荡信号至少两次取样于误差信号而产生检测信号，通过检测信号与误差信号来切换第一PMOS晶体管，且通过误差信号来切换第二PMOS晶体管，从而稳定电压输出端的电压电平。

Description

电荷泵电路

技术领域

本发明是有关于一种稳压技术，且特别是有关于一种电荷泵电路(charge pump circuit)。

背景技术

随着电子技术趋向于短小轻薄的发展，现今的电子元件，例如处理器、存储器，其驱动电压逐渐下降。另外，对于驱动电压的电压涟波(voltage ripple)的容许度范围也会随之缩减，以使电子元件可以在精准的电压下工作。

再者，电子元件的驱动电压可能是由电荷泵电路来提供。电荷泵电路是以某一预设倍率将其输入电压电平调升(或调降)，以产生不同电平的电压。当电荷泵电路的输出端出现因负载变化而产生电流变化时，若是无法即时检测及针对此电流做变化，将导致输出电压会随负载电流变化而产生较剧烈的涟波。

为了稳定电荷泵电路的输出电压，过去常利用具有多个比较器来检测电平变化，再调整输出电压至预期的电平。对于这种模拟检测机制，因使用多个比较器而使得电路设计较为复杂，且容易增加功率消耗以及增加制造成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电荷泵电路，为了要解决现有技术所述及的问题其中之一和/或其他问题。

本发明之一实施例提供一种电荷泵电路，其包括：电压源模块、反馈电路、比较器、第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管以及控制电路。电荷泵电路具有电压输出端。电压源模块包括正压电荷泵。电压源模块经配置以提供驱动电压。反馈电路耦接电压输出端，并提供关联于电压输出端的反馈电压。比较器耦接反馈电路与电压源模块，比较参考电压与反馈电压而产生误差信号。第一PMOS晶体管的源极耦接驱动电压，其漏极耦接电压输出端。第二PMOS晶体管的源极耦接驱动电压，其漏极耦接电压输出端。控制电路耦接电压源模块、比较器、第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管，控制电路经配置以在时域上根据振荡信号至少两次取样于误差信号而产生检测信号，通过检测信号与误差信号来切换第一PMOS晶体管，且通过误差信号来切换第二PMOS晶体管，从而稳定电压输出端的电压电平。

于本发明的一示范性实施例中，电压源模块包括振荡器、或门、时脉产生器、正压电荷泵。振荡器用以产生振荡信号。或门接收振荡信号与误差信号。时脉产生器用以依据振荡信号或误差信号而产生时脉信号。正压电荷泵依据时脉信号而产生驱动电压。

于本发明的一示范性实施例中，反馈电路包括PMOS晶体管串，耦接于电压输出端与接地端之间。

于本发明的一示范性实施例中，PMOS晶体管串中的每一PMOS晶体管的漏极耦接其本身的栅极。

于本发明的一示范性实施例中，比较器的反相输入端耦接参考电压，比较器的非反相输入端耦接反馈电压。

于本发明的一示范性实施例中，第一PMOS晶体管相对于第二PMOS晶体管具有相对宽的通道宽度。

于本发明的一示范性实施例中，第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管的通道宽度分别为90微米与10微米。

于本发明的一示范性实施例中，控制电路包括检测电路、第一开关控制单元以及第二开关控制单元。检测电路接收振荡信号与误差信号，检测电路经配置根据振荡信号的上升边缘与下降边缘分别与误差信号进行取样。第一开关控制单元根据检测信号与误差信号来切换第一PMOS晶体管。第二开关控制单元根据误差信号来切换第二PMOS晶体管。

于本发明的一示范性实施例中，检测电路包括第一触发器、第二触发器以及或非门。第一触发器的输入端接收检测信号，其时脉输入端接收振荡信号。第二触发器的输入端接收检测信号，其反相时脉输入端接收振荡信号。或非门的第一输入端、第二输入端分别耦接第一触发器与第二反相器的输出端，或非门的输出端输出检测信号。

于本发明的一示范性实施例中，当控制电路判断出电压输出端的电压电平在预设涟波范围内时，则关闭第一PMOS晶体管。

基于上述，在本发明中，由于控制电路根据振荡信号在时域上至少两次取样于误差信号而产生检测信号，通过检测信号与误差信号来切换第一PMOS晶体管，且通过误差信号来切换第二PMOS晶体管，而第一PMOS晶体管可相对于第二PMOS晶体管具有相对宽的通道宽度。因此可以适当地调整电荷泵电路所输出的电压电平而不会产生过大的电压涟波，从而得以解决现有技术所述及的问题。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的权利要求范围。

附图说明

下面的所附图式是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附图式是与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1绘示为本发明一示范性实施例的电荷泵电路(charge pumpcircuit)10的电路方块图。

图2绘示为图1的控制电路140的实施示意图。

图3和图4绘示为图2的检测电路142的部分操作波形图。

其中，附图标记说明如下：

10：电荷泵电路

110：电压源模块

112：振荡器

114：或门

116：时脉产生器

118：正压电荷泵

120：反馈电路

120_1～120_5：PMOS晶体管

130：比较器

140：控制电路

142：检测电路

144：第一开关控制单元

146：第二开关控制单元

202：第一触发器

204：第二触发器

206：或非门

A、B：取样内容

GND：接地端

Sdet：误差信号

Shvosc：振荡信号

Sosc：时脉信号

Svpon：检测信号

SW1：第一PMOS晶体管

SW2：第二PMOS晶体管

T_PUMP：电压输出端

Vdrive：驱动电压

Vfdbk：反馈电压

Vpump：输出电压

Vref：参考电压

具体实施方式

现将详细参考本发明的示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在图式及实施方式中使用相同或类似标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图1绘示为本发明一示范性实施例之电荷泵电路(charge pumpcircuit)10的电路方块图。请参阅图1，电荷泵电路10包括电压源模块(voltage source module)110、反馈电路(feedback circuit)120、比较器(comparator)130、第一PMOS晶体管(first PMOS transistor)SW1、第二PMOS晶体管(second PMOS transistor)SW2以及控制电路(control circuit)140。

电荷泵电路10具有电压输出端T_PUMP。电压源模块110包括正压电荷泵118。电压源模块110经配置以提供驱动电压Vdrive。反馈电路120耦接电压输出端T_PUMP，并提供关联于电压输出端T_PUMP的反馈电压Vfdbk。比较器130耦接反馈电路120与电压源模块110。比较器130比较参考电压Vref与反馈电压Vfdbk而产生误差信号Sdet。第一PMOS晶体管SW1的源极耦接驱动电压Vdrive，其漏极耦接电压输出端T_PUMP。第二PMOS晶体管SW2的源极耦接驱动电压Vdrive，其漏极耦接电压输出端T_PUMP。

于本示范性实施例中，控制电路140耦接电压源模块110、比较器130、第一PMOS晶体管SW1与第二PMOS晶体管SW2。第一PMOS晶体管SW1可以采用相对于第二PMOS晶体管SW2具有相对宽的通道宽度(channel width)。例如，第一PMOS晶体管SW1与第二PMOS晶体管SW2的通道宽度分别为90微米与10微米(micrometer，μm)，但并不限制于此。

控制电路140经配置以在时域上根据振荡信号Shvosc至少两次取样于误差信号Sdet而产生检测信号Svpon。通过检测信号Svpon与误差信号Sdet来切换第一PMOS晶体管SW1，且通过误差信号Sdet来切换第二PMOS晶体管SW2。另外，假设第一PMOS晶体管SW1与第二PMOS晶体管SW2的通道宽度分别为90微米与10微米。当同时导通第一PMOS晶体管SW1和第二PMOS晶体管SW2时，具有快速调整(类似粗调，通道宽度100微米)输出电压Vpump的电平效果；而仅导通第二PMOS晶体管SW2时可以产生微步调整(类似细调，通道宽度10微米)输出电压Vpump的电平效果，可避免电压上升过快(或电压爆冲)。

举例而言，当位于电压输出端T_PUMP的输出电压Vpump的电压电平还未到达预设电平时，若第一PMOS晶体管SW1与第二PMOS晶体管SW2皆导通(通道宽度相当于100微米)，以便使输出电压Vpump快速到达预设电平。当输出电压Vpump到达预设电平之后，若输出电压Vpump随着时间变化幅度未低于例如±0.1％的预设电平(预设涟波范围)时，则控制电路140仅切换第二PMOS晶体管SW2(通道宽度相当于10微米)，且关闭第一PMOS晶体管SW1。而当输出电压Vpump到达预设电平之后，若输出电压Vpump随着时间下降幅度超过例如0.1％的预设电平时，则控制电路140可再次切换第一PMOS晶体管SW1与第二PMOS晶体管SW2，据以快速调整至预设电平。因此，此控制电路140可以减少输出电压Vpump的涟波(ripple)变化，故能够稳定电压输出端T_PUMP的电压电平。

另一方面，电压源模块110可包括振荡器112、或门114、时脉产生器116、正压电荷泵118。振荡器112用以产生振荡信号Shvosc。或门114接收振荡信号Shvosc与误差信号Sdet。时脉产生器116用以依据振荡信号Shvosc或误差信号Sdet而产生时脉信号Sosc。正压电荷泵118依据时脉信号Sosc而产生驱动电压Vdrive。当比较器130所产生的误差信号Sdet表示为逻辑1时，代表输出电压Vpump已经到达预设电平，并且将使得或门114也输出逻辑1以关闭时脉产生器116。

反馈电路120可包括由PMOS晶体管120_1～120_5所组成的PMOS晶体管串。此PMOS晶体管串(120_1～120_5)耦接于电压输出端T_PUMP与接地端GND之间。PMOS晶体管120_4和120_5的耦接之处可提供反馈电压Vfdbk。此外，也可以在PMOS晶体管120_3和120_4的耦接之处(未绘示)作为提供反馈电压Vfdbk，因此反馈电压Vfdbk可比例于输出电压Vpump。此外，PMOS晶体管串(120_1～120_5)中的每一PMOS晶体管的漏极耦接其本身的栅极，这种接法可以产生类似于二极管的效果。PMOS晶体管串亦可以更换为电阻串，但是PMOS晶体管串能通过较小的电流。

比较器130的反相输入端耦接参考电压Vref，比较器的非反相输入端耦接反馈电压Vfdbk。

更清楚来说，控制电路140包括检测电路142、第一开关控制单元144以及第二开关控制单元146。检测电路142如图2所示，其可包括第一触发器202、第二触发器204以及或非门206。第一触发器202的输入端接收检测信号Sdet，其时脉输入端接收振荡信号Shvosc。第二触发器204的输入端接收检测信号Sdet，其反相时脉输入端接收振荡信号Shvosc。或非门206的第一输入端、第二输入端分别耦接第一触发器202与第二触发器204的输出端，或非门206的输出端输出检测信号Svpon。

图3和图4所绘示为图2的检测电路142的部分操作波形图。请合并参阅图2至图4。从图3可以清楚地看出，检测电路142接收振荡信号Shvosc与误差信号Sdet，检测电路142在振荡信号Shvosc的上升边缘(rising edge)与下降边缘(falling edge)分别与误差信号Sdet各进行一次取样，其中第一触发器202、第二触发器204所取样内容分别以符号A、B表示时，A＝0且B＝0。再将取样内容A和B经由或非门206则产生并输出逻辑1的检测信号Svpon。

另外，从图4可以清楚地看出，检测电路142在振荡信号Shvosc的上升边缘与下降边缘分别与误差信号Sdet各进行一次取样，其中第一触发器202、第二触发器204所取样内容分别以符号A、B表示时，A＝0且B＝1。再将取样内容A和B经由或非门206则产生并输出逻辑0的检测信号Svpon。

关于取样内容、检测信号的真值表与工作状态的相应关系，如表1所示。

【表1】

另一方面，虽然表1是以第一PMOS晶体管SW1与第二PMOS晶体管SW2作为实施方式，但本领域普通技术人员可基于实际设计或应用需求来改变检测电路142的设计，以使得控制电路140可对应地控制两个以上具有不同通道宽度的PMOS晶体管。

基于上述，控制电路140采用了数字检测机制来检测时域上的信号，因此与现有模拟检测机制相比，本发明的电路设计较为简单，且不会增加额外功率消耗，也可减少制造成本。

综上所述，在本发明中，由于控制电路根据振荡信号在时域上至少两次取样于误差信号而产生检测信号，再通过检测信号与误差信号来切换第一PMOS晶体管，且可通过误差信号来切换第二PMOS晶体管，而第一PMOS晶体管可相对于第二PMOS晶体管具有相对宽的通道宽度。因此可以适当地调整电荷泵电路所输出的电压电平而不会产生过大的电压涟波，从而得以解决现有技术所述及的问题。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的申请专利权利要求范围所界定者为准。

另外，本发明的任一实施例或申请专利权利要求范围不须达成本发明所揭示的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利要求范围。

Claims

1.一种电荷泵电路，具有一电压输出端，该电荷泵电路包括：

一电压源模块，包括一正压电荷泵，该电压源模块经配置以提供一驱动电压；

一反馈电路，耦接该电压输出端，并提供关联于该电压输出端的一反馈电压；

一比较器，耦接该反馈电路与该电压源模块，比较一参考电压与该反馈电压而产生一误差信号；

一第一PMOS晶体管，其源极耦接该驱动电压，其漏极耦接该电压输出端；

一第二PMOS晶体管，其源极耦接该驱动电压，其漏极耦接该电压输出端；以及

一控制电路，耦接该电压源模块、该比较器、该第一PMOS晶体管与该第二PMOS晶体管，该控制电路经配置以在时域上根据一振荡信号至少两次取样于该误差信号而产生一检测信号，通过该检测信号与该误差信号来切换该第一PMOS晶体管，且通过该误差信号来切换该第二PMOS晶体管，从而稳定该电压输出端的电压电平。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中该电压源模块包括：

一振荡器，用以产生该振荡信号；

一或门，接收该振荡信号与该误差信号；

一时脉产生器，用以依据该振荡信号或该误差信号而产生一时脉信号；以及

该正压电荷泵，依据该时脉信号而产生该驱动电压。

3.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中该反馈电路包括：

一PMOS晶体管串，耦接于该电压输出端与一接地端之间。

4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其中该PMOS晶体管串中的每一PMOS晶体管的漏极耦接其本身的栅极。

5.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中该比较器的反相输入端耦接该参考电压，该比较器的非反相输入端耦接该反馈电压。

6.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中该第一PMOS晶体管相对于该第二PMOS晶体管具有相对宽的通道宽度。

7.如权利要求6所述的电荷泵电路，其中该第一PMOS晶体管与该第二PMOS晶体管的通道宽度分别为90微米与10微米。

8.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中该控制电路包括：

一检测电路，接收该振荡信号与该误差信号，该检测电路在该振荡信号的上升边缘对该误差信号进行取样，并且该检测电路在该振荡信号的下降边缘对该误差信号进行另一次取样；

一第一开关控制单元，根据该检测信号与该误差信号来切换该第一PMOS晶体管；以及

一第二开关控制单元，根据该误差信号来切换该第二PMOS晶体管。

9.如权利要求8所述的电荷泵电路，其中该检测电路包括：

一第一触发器，其输入端接收该检测信号，其时脉输入端接收该振荡信号；

一第二触发器，其输入端接收该检测信号，其反相时脉输入端接收该振荡信号；以及

一或非门，其第一输入端、第二输入端分别耦接该第一触发器与该第二触发器的输出端，该或非门的输出端输出该检测信号。

10.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中当该控制电路判断出该电压输出端的电压电平在一预设涟波范围内时，则关闭该第一PMOS晶体管。