一种Fibonacci电荷泵制造技术

本申请公开了一种带节点移动的Fibonacci电荷泵，采用将每阶充电电容第二端的连接点位置左移的方式，使Fibonacci电荷泵拥有更短的充/放电路径，该方案显著改善了系统的驱动电流和功率效率，本申请还以此为基础提出了一种6阶、16倍率电荷泵及其自动倍率选择方案，以实现根据实际供给电压进行10、13和16三种不同倍率的切换。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及集成电路领域，特别涉及一种Fibonacci电荷泵。
技术介绍
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。电荷泵大多应用在需要电池的电子系统中，例如，电荷泵可用于显示器的驱动电路中，驱动显示器的背光LED。Fibonacci电荷泵作为两相时钟系统中所需电容个数最少、升压倍数最高的结构，广泛应用于高电压工业用电，并且电容一般外置。如图1所示为(n-1)阶Fibonacci电荷泵的原理图。考虑理想情况(电容足够大，同时充电时间足够长，从而电压损耗可忽略)，经过若干周期的电荷传输之后，系统达到稳定状态。当时钟相位φ1＝1,φ2＝0时，电容C1被预充至VDD，由于在前一个相位电容C2已经被预充至2VDD，从而电容C3被预充至即3VDD。在另一相位(即φ2＝1,φ1＝0)，由于之前的相位已经预充电容C1、C3电压达到VDD和3VDD，此时电容C4被预充至即5VDD。按照这样的思路分析，可以发现：理想情况下电容(C1,C2,...,Cn-1,Cn)上存储电压分别为(VDD,2VDD,...,Fn-1·VDD,Fn·VDD)，其中Fn表示Fibonacci数列(斐波那契数列)的第n个数。因此，现有的Fibonacci电荷泵仅能产生Fibonacci数等电压倍率(VCR＝1,2,3,5,8,13,…)，难以做到覆盖全部的整数倍率。这在某些特定用途的应用中，容易影响系统性能，比如：要获取VCR＝23，而Fibonacci电荷泵仅能产生VCR＝34，随后用反馈策略把输出稳定在23倍，此时功率效率最高仅为67.6％。虽然在相同输出电压倍率的两相位电荷泵中，Fibonacci电荷泵所需要的电容数目最少，在电容外置方案中，Fibonacci电荷泵具有较高的集成度。然而，其功率效率和驱动能力仍然有待提高。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提高Fibonacci电荷泵的驱动能力和功率效率。本申请提供一种Fibonacci电荷泵，包括顺序连接的N-1阶电压存储单元，每阶电压存储单元的电压输入端为前一阶电压存储单元的电压输出端，第N-1阶电压存储单元的电压输出端将变压后的电压输出到电荷泵输出端，每阶电压存储单元包括：电压输入端、电压输出端、第一开关、第二开关、第三开关和充电电容；所述N-1阶电压存储单元中奇数阶电压存储单元的第一开关和第三开关由第一时钟控制导通或断开，第二开关由第二时钟控制导通或断开，偶数阶电压存储单元的第一开关和第三开关由第二时钟控制导通或断开，第二开关由第一时钟控制导通或断开，第一时钟和第二时钟为互不交叠的两相时钟；第一开关连接在本阶电压存储单元的电压输入端和本阶电压存储单元的电压输出端之间，第三开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和地之间，充电电容的第一端连接本阶电压存储单元的电压输出端，所述第一阶电压存储单元的第二开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和本阶电压存储单元的电压输入端之间，第M阶电压存储单元的第二开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和J阶电压存储单元的电压输入端之间，其中M为大于或等于2且小于或等于N-1的整数，J为小于M的整数。作为优选，还包括前置电荷泵，所述前置电荷泵连接在第一阶电压存储单元的电压输入端与电压供给端之间，用于将电压供给端提供的电压进行至少两倍放大后提供给后续的电压存储单元。通过提高开关管的栅极驱动电压减小RC时间常数，从而达到提高电荷泵的驱动能力，采用另外的电荷泵对供给电压VDD进行升压，使得由供给电压VDD产生的时钟的幅度提高，时钟用于控制电荷泵的开关管的开关，可减小开关管的导通电阻，从而可减小RC时间常数。作为优选，还包括连接在第N-1阶电压存储单元输出端与电荷泵输出端之间的开关管MN1，以及连接在电荷泵输出端与地之间的输出电容CL。作为优选，所述N等于7，所述电荷泵的第二至第五阶电压存储单元的第二开关的一端与本阶充电电容的第二端连接，第二开关的另一端分别与前一阶电压存储单元的电压输入端连接；所述电荷泵的第六阶电压存储单元的第二开关的一端与本阶充电电容的第二端连接，第二开关的另一端与第三阶电压存储单元的电压输入端连接；第6阶电压存储单元输出端与电荷泵输出端之间通过开关管M71连接。作为优选，该电荷泵还包括一倍率选择单元，所述倍率选择单元包括自动倍率选择模块、第一与非逻辑电路、第二与非逻辑电路、第三与非逻辑电路、或逻辑电路、10倍率开关管M72和13倍开关管M73；所述10倍率开关管M72的两端分别与第一阶电压存储单元的电压输出端以及第五阶电压存储单元的充电电容的第二端连接；所述13倍率开关管的两端分别与第五阶电压存储单元的电压输出端以及电荷泵输出端连接；所述自动倍率选择模块包括用于与电压供给端连接的电压输入端和三路使能信号输出端，使能信号输出端分别用于输出10倍率使能信号、13倍率使能信号和16倍率使能信号，所述自动倍率选择模块根据输入电压的大小在三路使能信号输出端择一地输出使能信号；所述第一与非逻辑电路两个输入端分别输入第二时钟及10倍率使能信号，输出端连接10倍率开关管M72的控制端，根据第二时钟和10倍率使能信号的与非逻辑运算结果控制10倍率开关管M72的导通或断开；所述或逻辑电路的两个输入端分别输入10倍率使能信号及13倍率使能信号，输出端连接第二与非逻辑电路的一输入端，第二与非逻辑电路的另一输入端用于输入第二时钟，所述第二与非逻辑电路的输出端连接13倍率开关管M73的控制端，控制13倍率开关管M73的导通或断开；所述第三与非逻辑电路的两个输入端分别输入16倍率使能信号和第一时钟，其输出端连接开关管M71的控制端，根据第一时钟和16倍率使能信号的与非逻辑运算结果控制开关管M71的导通或断开。作为优选，所述自动倍率选择模块为一比较判断电路，根据输入电压所在区间的不同，选通不同的倍率使能输出端。作为优选，所述自动倍率选择模块包括一使能端，通过手动控制或引入脉冲控制或通过上升沿触发电路控制自动倍率选择模块的启动和关断。本申请的有益效果是：首先，本申请通过左移充电电容第二端的连接点位置，有效缩短了充放电链路，减小了RC时间常数，使得电容充电更加充分，因此可充电至较高的电压，改善了输出电流，从而提高了驱动能力；对于第二至六阶电荷泵的第二开关管，由于控制其的时钟信号时钟幅值较小，降低了对时钟的电平转换功耗，从而提高了功率效率；通过连接节点的选择，可实现任何整数倍率的电压升压；同时本申请理论上可以实现全倍率覆盖，及通过合理设置每阶电容第二端的连接点位置实现不同倍率的放大。其次，本申请设置自动倍率选择模块，电荷泵可以根据输入电压的大小选择10倍，13倍或者16倍三种不同倍率模式，可以很轻松地产生需要的电压倍率，而不增加外部电容数目；通过手动控制或引入脉冲控制或通过上升沿触发电路控制自动倍率选择模块的启动和关断，实现自动倍率选择模块先启动后关断的策略，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fibonacci电荷泵，包括顺序连接的N‑1阶电压存储单元，每阶电压存储单元的电压输入端为前一阶电压存储单元的电压输出端，第N‑1阶电压存储单元的电压输出端将变压后的电压输出到电荷泵输出端，每阶电压存储单元包括：电压输入端、电压输出端、第一开关、第二开关、第三开关和充电电容；所述N‑1阶电压存储单元中奇数阶电压存储单元的第一开关和第三开关由第一时钟控制导通或断开，第二开关由第二时钟控制导通或断开，偶数阶电压存储单元的第一开关和第三开关由第二时钟控制导通或断开，第二开关由第一时钟控制导通或断开，第一时钟和第二时钟为互不交叠的两相时钟；第一开关连接在本阶电压存储单元的电压输入端和本阶电压存储单元的电压输出端之间，第三开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和地之间，充电电容的第一端连接本阶电压存储单元的电压输出端，其特征在于：所述第一阶电压存储单元的第二开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和本阶电压存储单元的电压输入端之间，第M阶电压存储单元的第二开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和J阶电压存储单元的电压输入端之间，其中M为大于或等于2且小于或等于N‑1的整数，J为小于M的整数。...

【技术特征摘要】
1.一种Fibonacci电荷泵，包括顺序连接的N-1阶电压存储单元，每阶电压存储单元的电压输入端为前一阶电压存储单元的电压输出端，第N-1阶电压存储单元的电压输出端将变压后的电压输出到电荷泵输出端，每阶电压存储单元包括：电压输入端、电压输出端、第一开关、第二开关、第三开关和充电电容；所述N-1阶电压存储单元中奇数阶电压存储单元的第一开关和第三开关由第一时钟控制导通或断开，第二开关由第二时钟控制导通或断开，偶数阶电压存储单元的第一开关和第三开关由第二时钟控制导通或断开，第二开关由第一时钟控制导通或断开，第一时钟和第二时钟为互不交叠的两相时钟；第一开关连接在本阶电压存储单元的电压输入端和本阶电压存储单元的电压输出端之间，第三开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和地之间，充电电容的第一端连接本阶电压存储单元的电压输出端，其特征在于：所述第一阶电压存储单元的第二开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和本阶电压存储单元的电压输入端之间，第M阶电压存储单元的第二开关连接在本阶电压存储单元的充电电容的第二端和J阶电压存储单元的电压输入端之间，其中M为大于或等于2且小于或等于N-1的整数，J为小于M的整数。2.如权利要求1所述的Fibonacci电荷泵，其特征在于：还包括前置电荷泵，所述前置电荷泵连接在第一阶电压存储单元的电压输入端与电压供给端之间，用于将电压供给端提供的电压进行至少两倍放大后提供给后续的电压存储单元。3.权利要求1所述的Fibonacci电荷泵，其特征在于：还包括连接在第N-1阶电压存储单元输出端与电荷泵输出端之间的开关管MN1，以及连接在电荷泵输出端与地之间的输出电容CL。4.如权利要求3所述的Fibonacci电荷泵，其特征在于，所述N等于7，所述电荷泵的第二至第五阶电压存储单元的第二开关的一端与本阶充电电容的第二端连接，第二开关的另一端分别与前一阶电压存储单元的电压输入端连接；所述电荷泵的第六阶电压存储单元的第二开关的一端与本阶充电电容的第二端连接，第二开关的另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，林和生，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44