CN107800290A - 用于通过倍增dc操作电压来产生输出电压的电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过倍增DC操作电压来产生输出电压的电荷泵，其设置有至少一个泵级，该泵级包括至少一个泵电容器和至少一个级开关，并且连接在DC操作电压和充电电压之间。控制单元可操作地产生至少一个充电电压以及根据下面提到的三个前提条件中的至少一个来预设用于换相的时间点以用于对至少一个充电电压进行换相：‑随着从换相的最后时间点起到可预设的最小时间段到期，‑随着从换相的最后时间点起到可预设的最大时间段到期，或‑如果在从换相的最后时间点开始、在晚于最小时间段且早于最大时间段结束的时间段内达到相应的阈值，则在其分别上升和下降的时间段内一旦达到至少一个充电电压的可预设的最大阈值和可预设的最小阈值。

Description

用于通过倍增DC操作电压来产生输出电压的电荷泵

技术领域

本发明涉及一种用于通过DC操作电压的整数倍增或分数倍增来产生输出电压的电荷泵。

背景技术

电荷泵用于各种各样的应用。

图1示出在文献中已知为“迪克森电荷泵(Dickson charge pump)”的电荷泵10的通常结构。通过二极管和电容器的级联来执行电源电压V_SUP的倍增，其中，对于每个泵级12、14、16，通常两级开关18、20和泵电容器22、24经由相应的节点26、28连接作为二极管/泵电容器电路13、15、17。还示出了通过级开关的方式在内部和彼此之间的各个泵级的互连。

这里，开关元件18、20被设计为二极管。在文献中，还可以发现其他变型，其中代替地，可使用NMOS晶体管或互补PMOS/NMOS晶体管对。关于根据本发明的控制概念，这些变型二者都具有等同的相关性。

每个泵级12、14、16的电容器22、24的基点由两个相互互补(即，被移相180°)的充电(相位)电压Φ₁和Φ₂来控制。最后的泵级16的输出端经由另一开关元件30而被切换到提供电荷泵10的输出电压V_CP的质量相关的缓冲电容器(mass-related buffer capacitor)32。通常，缓冲电容器32连接在V_CP和质量电势(mass potential)之间，如图1和图示可替代的电荷泵概念的其他附图所示。然而，通常，也可以将缓冲电容器连接在V_CP和任何所需的DC电势之间(例如，也连接在V_CP和V_SUP之间)。所产生的优点在于它可以在该缓冲电容器两端实现更小的电压降，从而允许使用具有较低耐压的缓冲电容器。

在图1所示的概念中，假设将要控制电荷泵10的输出电压V_CP。为此，控制单元34包括与输出电压的标称值(nominal value)相对应的V_CP，NOM。V_CP的实际值将经由反馈输入端V_CP，FB被返回到控制单元34，从而可以形成闭合的反馈控制环。

控制单元34的由D₁、D₂和D₃表示的三个输入端用于下面提出的控制概念之一中，而不是简单电荷泵的基本结构的组件。

在如图1所示的电荷泵10的群集中，电荷包(charge packet)将随着相位电压Φ₂的每个上升侧面而被传输到缓冲电容器。

为了提高电荷泵的效率，对于每个级联级，可以添加包括级开关16′、20′、泵电容器22′、24′以及节点26′、28′的第二二极管/泵电容器电路13′、15′、17′，对于每个泵级12，14，16，第二二极管/泵电容器电路13′、15′、17′以与上述二极管/泵电容器电路13、15、17的互补分配方式与相位电压Φ₁和Φ₂连接。在图2中示出再次通常已知的电荷泵10′的这种设计。

在根据图2的电荷泵10′中，与图1所示的结构相反，将在两个相位电压Φ₁和Φ₂的每个侧面处传输电荷。在Φ₁的上升侧面的情况下，经由级联级的上部执行，而在Φ₂的上升侧面的情况下，经由级联级的下部执行。然而，所得到的电流的这种复制是在泵级所需的芯片面积的复制的不利后果下“赢得”的。

根据本发明的控制概念可以应用于电荷泵10、10′的两个变型。

在对倍增因子(即，级数)要求较低的电荷泵中，级联的长度可以被减小到“半”级，即一个泵电容器(参见图3)。在这种情况下，例如可以应用在针对高侧开关晶体管的栅极控制的内部电荷泵10〞中，无论如何仅需要一个相位电压。但是在这些情况下，也可以使用如下所解释的根据本发明的控制原理。

本发明的目的是提高电荷泵的效率。

发明内容

根据本发明，为了实现上述目的，提出了一种用于通过DC操作电压的整数倍增或分数倍增来产生输出电压的电荷泵，所述电荷泵包括：

-至少一个泵级，其包括至少一个泵电容器和至少一个级开关，并且连接在DC操作电压(V_SUP)和充电电压之间，

-其中，充电电压包括具有以交替方式上升和下降的时间段的时间发展，其中在每种情况下这些时段在换相的时间点处开始，

-缓冲电容器，其经由另一开关连接到至少一个泵级，并且具有施加到其的输出电压，以及

-控制单元，其用于产生至少一个充电电压和/或用于在低于可预设阈值之前检测在至少一个级开关两端或在级开关中的一个的两端的电压降，以及用于预设用于换相的时间点以用于对至少一个充电电压进行换相，

-其中，控制单元可操作地以根据下面提到的三个前提条件中的至少一个来设定相应的用于换相的下一个时间点(内部控制环)：

-随着从换相的最后时间点起到可预设的最小时间段(t_MIN)到期，

-随着换相的最后时间点起到可预设的最大时间段(t_MAX)到期，或

-如果在从换相的最后时间点开始、在晚于最小时间段(t_MIN)且早于最大时间段(t_MAX)结束的时间段内达到相应的阈值，则在其分别上升和下降的时间段内一旦达到至少一个充电电压的可预设的最大阈值和可预设的最小阈值，和/或一旦达到至少一个级开关两端或级开关中的至少一个的两端的电压降的阈值。

在上述布置中，可以适当地提供：已经达到最大阈值或最小阈值的情况是在每个情况中，由控制单元基于在泵级的至少一个级开关两端存在的电压而被检测到的，和/或用于对至少一个泵级的至少一个泵电容器进行充电的泵电流的大小根据输出电压与可预设的标称电压的偏差的量而变化(外部控制环)，这种情况是因为充电电流随着输出电压与标称电压的偏差的减小而减小。

通常，电荷泵包括串联配置为级联的多个泵级，其中，缓冲电容器经由所述另一开关连接到最后的缓冲级。此外，缓冲电容器经由其连接到至少一个泵级或多个泵级中的最后一个泵级的开关(即，级开关)和/或另一开关被分别以二极管或具体被配置为二极管的晶体管的形式来设计。

根据本发明的级联电荷泵的第一变型，可以提供：

-对于每个泵级，至少一个级开关连接到至少一个泵电容器，其中，至少一个泵电容器连接到充电电压，

-关于第一个泵级，级开关连接到操作电压，以及

-关于其他泵级中的每个，级开关连接到相应的前一泵级的节点。

根据本发明的级联电荷泵的第二变型，可以提供：

-对于每个泵级，

-第一级开关和第一泵电容器经由第一节点彼此连接，其中，第二级开关连接到第一节点，而第一泵电容器连接到第一充电电压，以及

-第二级开关和第二泵电容器经由第二节点彼此连接，其中，第二泵电容器连接到第二充电电压，

-关于第一泵级，第一级开关连接到操作电压，以及

-关于其他泵级中的每个，第一级开关连接到相应的前一泵级的第二节点。

根据本发明的级联电荷泵的第三变型，可以提供：

-对于每个泵级，

-第一级开关和第一泵电容器经由第一节点彼此连接，其中，第一泵电容器连接到第一充电电压，以及

-第二级开关和第二泵电容器经由第二节点彼此连接，其中，第二泵电容器连接到第二充电电压，

-第三级开关和第三泵电容器经由第三节点彼此连接，其中，第二级开关连接到第一节点，而第三泵电容器连接到第一充电电压，以及

-第四级开关和第四泵电容器经由第四节点彼此连接，其中，第四级开关连接到第三节点，而第四泵电容器连接到第一充电电压，

-关于第一泵级，第一级开关和第三级开关分别连接到操作电压，以及

-对于其他泵级中的每个，第一级开关连接到相应的前一泵级的第二节点，而第三级开关连接到相应的前一泵级的第四节点。

根据根据本发明的电荷泵的第四变型，可以提供电荷泵仅包括一个级，该级可选地被设计成与上述级联电荷泵的变型的第一级一样。

本发明的另一变型涉及一种用于通过DC操作电压的整数倍增或分数倍增来产生输出电压的电荷泵，所述电荷泵包括：

-多个泵级，每个泵级包括至少两个级开关和至少两个泵电容器，并且串联连接，以及在DC操作电压(V_SUP)和被移相180°的充电电压之间，

-其中，充电电压的每个包括具有以交替方式开始的上升和下降的时间段的时间发展，并且在每种情况下，在换相的时间点处开始，

-缓冲电容器，其布置在DC操作电压和质量电势之间，并且经由另一开关连接到泵级的最后一个，以及具有施加到其上的输出电压，以及

-控制单元，其用于产生至少一个充电电压，并且用于设置换相的时间点以用于至少一个充电电压的换相，

-其中，控制单元可操作以根据下面提到的三个前提条件中的至少一个来设置相应的用于换相的下一个时间点(内部控制)：

-随着从换相的最后时间点起到可预设的最小时间段(t_MIN)到期，

-随着从换相的最后时间点起到可预设的最大时间段(t_MAX)到期，或

-如果在从换相的最后时间点开始、晚于最小时间段(t_MIN)且早于最大时间段(t_MAX)结束的时间段内达到相应的阈值，则在其分别上升和下降的时间段内一旦达到两个充电电压的可预设的最大阈值和可预设的最小阈值。

附图说明

在下面的描述中包括参考附图来更详细地阐述了使本领域技术人员能够实施本发明的包括其最佳模式的本发明的完整和有效的公开，在附图中：

图1至图3图示根据本发明可以使用的各种电荷泵概念，

图4是根据本发明的示例性实施例的作为控制单元的一部分的电路的详图，

图5至图7是用于表示相位的时间发展以及各自的充电电压Φ₁(充电电压Φ₂相对于Φ₁被移相180°)的示图，其中，图5示出了在经由t_MIN进行换相的情况下相位的发展和各自的充电电压，图6示出了在经由阈值进行换相的情况下充电电压的发展，以及图7示出了在经由t_MAX进行换相的情况下充电电压的发展，

图8是根据本发明的第二示例性实施例的作为控制单元的一部分的电路的详图，

图9至图11是用于表示相位的时间发展和各自的充电电压Φ₁(充电电压Φ₂相对于Φ₁被移相180°)的示图，其中，图9示出了在经由t_MIN对充电电压进行换相的情况下二极管电压的发展，图10示出了在经由阈值对充电电压进行换相的情况下二极管电压的发展，以及图11示出了在经由t_MAX对充电电压进行换相的情况下二极管电压的发展。

具体实施方式

下面将通过根据图1至图3的电荷泵概念的方式来描述本发明。因此，下面的说明以示例性方式指根据图1至图3的电荷泵10、10′、10〞。

1.控制概念

1.1本发明的基本原理

本发明的基本原理在于两个相互交错的“反馈控制环”。

在本发明中，“内部控制环”用于产生互补相位电压Ф₁和Ф₂。由于电荷传输到缓冲电容器中并且分别传输到连接的电荷中仅在相位信号的侧面附近产生，因此根据本发明的用于提高图1、图2和图3的电荷泵10、10′、10〞的效率的方法在于在前一周期的电荷传输已经结束的时刻执行相位电压的换相。关于用于确定换相的最佳时间点的标准(即，关于检测电荷包的结束的方式)，以下描述的本发明的两个变型彼此不同。

当在图1、图2和图3的电荷泵10、10′、10″的输出端处达到标称电压时，“外部反馈控制环”用于减少供给的电荷。为此，相位信号Ф₁和Ф₂的驱动器22被设计为限流开关。例如，只要在电荷泵的启动期间，需要高输出电流，开关就以其全标称电流来操作。当接近并分别达到标称电压时，开关中的电流将持续减小，因此外部反馈控制环将关闭。

1.2变型1：经由相位电压进行换相

在这里提出的本发明的第一变型中，相位信号Ф₁和Ф₂本身用作用于换相的最佳时间点的标准。在换相之后，预期到：相位电压Ф₁和Ф₂的发展包括两个相反的梯形信号。侧面的上升与限流开关的标称电流和相位电压Ф₁和Ф₂的控制单元的输出端Ф₁和Ф₂处的有效负载电容的商成比例。

通过将相位电压与两个阈值(V_SUP-V_TH)和V_TL进行比较来检测侧面的结束。换相的标准被假定为在两个相位电压已经上升到相应的应用阈值之上以及分别下降到相应的应用阈值之下时的状态。

可选地，除了所述的上升到阈值之上或下降到阈值之下的状态之外，还可以使用另外两个时间前提条件：

-在执行换相之后，即使阈值前提条件早前已经满足，最早也可以在时间段t_MIN之后进行下一次换相。

-两个连续换相之间的时间距离不允许超过值t_MAX。因此，在t_MAX处，即使阈值前提条件尚未得到满足，也将触发换相。

通过这两个时间前提条件，电荷泵的操作频率实际上被限定为以下范围：

限制最大操作频率的目的是限定从电荷泵产生的EMV干扰。如果需要，可以通过定义近似零的时间段t_MIN来实际上使该EMV干扰预防机制不能使用。

限制最小操作频率建立了效果的前提条件，即在与外部反馈控制环相关的完全振荡状态下，实现具有非常低EMV的电荷泵的操作。

图4的框图图示了第一变型的底层电路结构。

对于状态Ф₁＝H和Ф₂＝L(EN_1H和EN_2L激活，EN_1L和EN_2H非激活)，换相前提条件可以被概括如下：

[(t≥t_MIN)∧(PHI_1H＝H)∧(PHI_2L＝H)]∨(t≥t_MAX)

对于互补状态Ф₁＝L和Ф₂＝H(EN_1L和EN_2H激活，EN_1H和EN_2L非激活)，类似地应用：[(t≥t_MLY)∧(PHI_1L＝H)∧(PHI_2H＝H)]∨(t≥t_MAX)

根据电荷泵的负载状态，将产生以下根据图5至图7的可能的操作状态。

关于图5，适用：在超过阈值之前侧面的持续时间比时间段t_MIN短。在这种情况下，换相的时间点仅由时间前提条件t_MIN来确定。输出电压具有梯形发展，该梯形发展具有“上限”最大幅度。

在这里，通过更高的操作频率在理论上可以进一步提高效率，但是应该由t_MIN来限定从而实现仅仅有限的EMW辐射。

如果时间常数(V_SUP-V_TH-V_TL)·I_PHI/C_EFF比预设时间段t_MIN小，则例如在具有最大I_PHI的电荷泵的启动期间可以发生这样的操作状态。

关于图6，适用：在已经超过阈值之前侧面的持续时间实际上比时间段t_MIN长，但仍比时间段t_MAX短。在这种情况下，换相的时间点将仅由达到阈值V_SUP-V_TH和V_TL时的点(即，由相位电压的“阈值通道”)来确定。输出电压具有由阈值(V_SUP-V_TH)和V_TL引起的幅度的三角形发展。在这种操作状态下，电荷泵将以(非常)高的效率来操作。

如果时间常数(V_SUP-V_TH-V_TL)·I_PHI/C_EFF比预设时间段t_MIN大，则例如在具有最大值I_PHI的电荷泵的启动期间可以发生这样的操作状态。

关于图7，适用：在已经超过阈值之前侧面的持续时间比时间段t_MAX长。当输出电压达到其标称值时将发生这种情况，使得将通过外部反馈控制环来减少电流I_PHI，H和I_PHI，L，因此也将减小相位信号的侧面斜率。

在这种情况下，即使相位电压还没有超过其相应的阈值，也将仅由时间前提条件t_MAX来确定换相的时间点。输出电压再次具有三角形发展，该三角形发展具有非常低的幅度。在这种操作状态下，电荷泵以具有低信号侧面的最低操作频率来工作，这允许定期对缓冲容量再充电以及在EMV方面的无干扰操作二者。

如上所述，在电荷泵的完全振荡操作中可以发生这种操作状态。

1.3变型2：经由二极管电压进行换相

在第二个提出的变型中，使用级联级的两个二极管(或，以更通用的术语，两个开关)两端的正向电压代替相位信号Ф₁和Ф₂，以用于检测前一周期的电荷传输的结束。为此，在图8的框图中，已经评估了二极管电压D₁、D₂和D3以及它们各自的差异。

在电荷传输的相位期间，电流将在流动方向上在相应的二极管中流动，使得根据使用的组件部分，在二极管两端可以测量到正向电压U_T。在电荷输送结束之后，该电压将降至值零。通过图8所示的差分计算以及与合适的阈值V_T进行比较，可以从结果下降到阈值之下的事实来检测流动相位的结束。然而，一旦电荷传输终止，所述差分电压不一定直接为零伏特。相反，它将降低到在二极管阈值电压之下的值，使得不再有充电电流将流过二极管。

所有其他边界条件，特别是附加的时间前提条件t_MIN和t_MAX，在该变型中也将保持有效。

因此，对于状态Ф₁＝H和Ф₂＝L(EN_1H和EN_2L激活，EN_1L和EN_2H非激活)，换相前提条件可以被概括如下：

[(t≥t_MIN)∧((V(D₁)-V(D₂))＜V_T)]∨(t≥t_MAX)，或

[(t≥t_MIN)∧(D12＝L)]∨(t≥t_MAX)

对于互补状态Ф₁＝L和Ф₂＝H(EN_1L和EN_2H激活，EN_1H和EN_2L非激活)，类似地应用：

[(t≥t_MIN)∧((V(D₂)-V(D_a))＜V_T)]∨(t≥t_MAX)，或

[(t≥t_MIN)∧(D23＝L)]∨(t≥t_MAX)

此外，在这里，以与变型1中相似的方式，将获得不同的负载相关的操作状态，如图9至图11所示。

尽管已经参考本发明的具体示例性实施例描述和示出了本发明，但是不意味着本发明局限于那些示例性实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的真实范围的情况下，可以进行变化和修改。因此，旨在将落在所附权利要求及其等同物的范围内的所有这些变化和修改包括在本发明以内。

附图标记列表

10 电荷泵

10′ 电荷泵

10〞 电荷泵

12 泵级

13 二极管/泵电容器电路

13′ 二极管/泵电容器电路

14 泵级

15 二极管/泵电容器电路

15′ 二极管/泵电容器电路

16 泵级

17 二极管/泵电容器电路

17′ 二极管/泵电容器电路

18 级开关

18′ 级开关

20 级开关

22 泵电容器

22′ 泵电容器

24 泵电容器

24′ 泵电容器

26 节点

26′ 节点

28 节点

28′ 节点

30 开关元件

32 缓冲电容器

34 控制单元34

D₁ 二极管电压

D₂ 二极管电压

D₃ 二极管电压

Φ₁ 充电(相位)电压

Φ₂ 充电(相位)电压

V_SUP DC操作电压

t_MAX 最大时间段

t_MIN 最小时间段

Claims (8)

1.一种用于通过DC操作电压的整数倍增或分数倍增来产生输出电压的电荷泵，所述电荷泵包括：

-至少一个泵级(12,14,16)，所述至少一个泵级(12,14,16)包括至少一个泵电容器(22,24)和至少一个级开关(18,20)，并且连接在DC操作电压(V_SUP)和充电电压之间，

-其中，充电电压包括具有以交替方式上升和下降的时间段的时间发展，其中在每种情况下这些时段在换相的时间点处开始，

-缓冲电容器(32)，其经由另一开关(30)连接到至少一个泵级(12,14,16)，并且具有施加到其的输出电压，以及

-控制单元(34)，其用于产生至少一个充电电压和/或用于在低于可预定阈值之前检测在至少一个级开关(18,20)两端或在级开关(18,20)中的一个的两端的电压降，以及用于预设用于换相的时间点以用于对所述至少一个充电电压进行换相，

-其中，控制单元(34)可操作地根据下面提到的三个前提条件中的至少一个来设定相应的用于换相的下一个时间点，即内部控制环：

-随着从换相的最后时间点起到可预设的最小时间段(t_MIN)到期，

-随着从换相的最后时间点起到可预设的最大时间段(t_MAX)到期，或

-如果在从换相的最后时间点开始、在晚于最小时间段(t_MIN)且早于最大时间段(t_MAX)结束的时间段内达到相应的阈值，则在其分别上升和下降的时间段内一旦达到所述至少一个充电电压的可预设的最大阈值和可预设的最小阈值，和/或一旦达到至少一个级开关(18,20)两端或级开关(18,20)中的至少一个的两端的电压降的阈值。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其中，控制单元(34)可操作地基于在泵级(12,14,16)的至少一个级开关(18,20)处产生的电压来分别检测达到最大阈值或最小阈值的情况。

3.根据权利要求1或2所述的电荷泵，其中，用于对至少一个泵级(12,14,16)的至少一个泵电容器(22,24)充电的泵电流的大小根据输出电压与可预设的标称电压的偏差的量而变化，输出电压与标称电压的偏差越小，充电电流越小。

4.据权利要求1至3中任一项所述的电荷泵，其中，提供被串联配置为级联的多个泵级(12,14,16)，缓冲电容器(32)经由所述另一开关(30)连接到最后的缓冲级(16)。

5.根据权利要求4所述的电荷泵，其中，

-对于每个泵级(12,14,16)，至少一个级开关(18)连接到至少一个泵电容器(22)，至少一个泵电容器(22)连接到充电电压，

-关于第一泵级(12)，级开关(18)连接到操作电压(22)，以及

-关于其他泵级(14,16)中的每个，级开关(18)连接到相应的前一泵级(12)的节点。

6.根据权利要求4所述的电荷泵，其中，

-对于每个泵级(12,14,16)，

-第一级开关(18)和第一泵电容器(22)经由第一节点(26)彼此连接，第一泵电容器(22)连接到第一充电电压，以及

-第二级开关(20)和第二泵电容器(24)经由第二节点(28)彼此连接，第二泵电容器(20)连接到第一节点(26)，而第二泵电容器(24)连接到第二充电电压，

-关于第一泵级(12)，第一级开关(18)连接到操作电压，以及

-关于其他泵级(14,16)中的每个，第一级开关(18)连接到相应的前一泵级(12,14,16)的第二节点(26)。

7.根据权利要求4所述的电荷泵，其中，

-对于每个泵级，

-第一级开关(18)和第一泵电容器(22)经由第一节点(26)彼此连接，第一泵电容器(22)连接到第一充电电压，

-第二级开关(20)和第二泵电容器(24)经由第二节点(28)彼此连接，第二级开关(20)连接到第一节点(26)，而第二泵电容器(24)连接到第二充电电压，

-第三级开关(18′)和第三泵电容器(22′)经由第三节点(26′)彼此连接，第三泵电容器(22′)连接到第一充电电压，以及

-第四级开关(20′)和第四泵电容器(24′)经由第四节点(28′)彼此连接，第四级开关(20′)连接到第三节点(28′)，而第四泵电容器(24′)连接到第一充电电压，

-关于第一泵级(12)，第一级开关(18)和第三级开关(18′)分别连接到操作电压，以及

-关于其他泵级(14,16)中的每个，第一级开关(18)连接到相应的前一泵级(12,14,16)的第二节点(26)，而第三级开关(18′)连接到相应的前一泵级(12,14,16)的第四节点(28′)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电荷泵，其中，级开关(18,20)和/或另一开关(30)被设计为二极管或晶体管。