电荷泵及其工作方法技术

本发明专利技术揭示了一种电荷泵及其工作方法，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、开关单元；通过对电荷转移电容充电，并将充电完毕的电荷转移电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电荷转移电容充电时，并未将电荷转移电容充满，只是将电荷转移电容充到设定的电压后停止充电。本发明专利技术可增加电荷泵电路的转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及一种电荷泵，尤其涉及一种高效的电荷泵电路； 同时，本专利技术还涉及上述电荷泵的工作方法。
技术介绍
电荷泵为设计者提供一种方式，以基于单一供应电压而提供不同电压，一般可涉及提供两倍于输入电压的电压。电荷泵经常用于存储电路中，特别是需要多个电压以适当 读取和写入的闪存或相变存储器中。 如图l所示，图1为一个现有的产生高压Vout的电荷泵电路，主要通过设定参考 电压Vref的大小，来控制Vout的电压大小。该电荷泵电路由时钟发生器10、可变电阻Rin、 电荷转移电路12、分压电阻R1和R2、电压放大器13和参考电压产生电路14组成，其中Vin 为电荷泵电路的输入电压，CLK1与CLK2为时钟发生器模块产生的两相非交叠时钟。 当输出电压Vout经分压电阻Rl ， R2分压后得到Vn与参考电压Vref相比，通过放 大器13放大电压Vn与参考电压Vref的差值，等到电压VE，控制可变电阻Rin，从而调节输 入到电荷转移电路12中的输入电流，得到需要的输出电压Vout， Vout = VrefX (Rl+R2)/ R2，其中可变电阻Rin可以由M0S管，双极型晶体管等器件实现。 图2为电荷转移电路12的结构示意图，其中Cf是电荷转移电容，可变电阻Rin跨 接在VCC与Vin之间，VCC为电荷转移电路12的电压输入端。Sl、 S2、 S3、 S4为开关，可以 是M0S管，双极型晶体管或是由其他器件或电路构成。Sl与S3由CLK1信号控制，当CLK1 为高电平时Sl与S3导通，否则关闭；S2与S4由CLK2信号控制，当CLK2为高电平时S2与 S4导通，否则关闭。 CLK1 ="1"， CLK2 二"0"时S1与S 3导通，S2与S4断开，将Cf上的电压充至 VCC，而后CLK1 = "0"， CLK2 = "1"，开关S2与S4导通，Sl与S3断开，由于电容Cf两端的 电压不能跳变，所以V0UT理论上被提升为Vin+Vcc， Cf上的电荷转移到电容Cout上，此过 程为电荷转移电路的一个工作周期。 但此种电荷泵电路存在转换效率较低的问题，尤其是在电荷泵输出端Vout负载 电流较小的情况下。因为从Vin端流入电荷转移电路的电流将会经过可变电阻Rin，造成不 必要的能量消耗，并且电荷泵输出端Vout负载电流较小的情况下，可变电阻Rin由于受到 VE的控制，为降低流入电荷转移电路的电流，可变电阻Rin阻值增大，电荷泵电路的转移效 率将大幅度的下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种电荷泵，可增加电荷泵电路的转换效率。 另外，本专利技术还提供上述电荷泵的工作方法。 为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案 —种电荷泵，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷4转移电容、稳压电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；所述参考电压发生电路输 出端参考电压值为电荷泵电路预期输出的电压值Vo与输入电源电压Vin的差值Vo-Vin ; 所述时钟发生器产生第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制信号；所述参考电压 发生电路产生的参考电压信号输入至电压比较器的一个输入端，电荷转移电容上极板的电 压信号输入至电压比较器的另一输入端；第一开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端 接输入电源；第二开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接电荷泵输出端；第三开关 的一端接电荷转移电容下极板，另一端接地；第四开关的一端接电荷转移电容下极板，另一 端接输入电源；稳压电容的一端接电荷泵输出端，另 一端接地。 作为本专利技术的一种优选方案，所述的参考电压发生电路，包括带隙基准电路、电阻、运算放大器；时钟发生器生成两相非交叠时钟信号，控制第二开关、第三开关、第四开关；当第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；当第三开关关断时，第二开关、第四开关导通；电压比较器的输出信号控制第一开关，当电荷转移电容上极板电压高于参考电压时，第一开关关闭；当电荷转移电容上极板电压低于参考电压时，第一开关导通。 作为本专利技术的一种优选方案，所述电荷泵进一步包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、电源选择电路；第一电平转换电路、第二电平转换电路接入电源选择电路的输出；电源选择电路比较电荷泵的输入电源电压Vin、输出电压Vout，输出其中的较高值电压VH， VH = MAX{Vin， Vout};所述第一电平转换电路的一端连接电压比较器的输出端，另一端连接第一开关；所述第一电平转换电路、第二电平转换电路用以将输入端Vin端输入的数字信号"1"的高电平电位从Vin提升至VH。 —种应用上述电荷泵的工作方法，该方法包括如下步骤 步骤一，时钟发生器生成的两相非交叠时钟信号，控制第三开关导通，第二开关、 第四开关关断，此时电荷转移电容下极板被拉至地；若此时电荷转移电容上极板电压低于 参考电压Vo-Vin，则电压比较器的输出信号将第一开关导通，对电荷转移电容充电；如果 电荷转移电容上极板电压高于参考电压Vo-Vin，则电压比较器的输出信号将第一开关关 断，停止对电荷转移电容充电； 步骤二，时钟发生器生成的两相非交叠时钟信号，控制第三开关关断，第二开关、 第四开关导通，此时第一开关关断，将电荷转移电容下极板提升至电源输入电压Vin，电荷 转移电容上极板通过第四开关接至电荷泵输出端，电荷从电荷转移电容转移至电荷泵输出丄山顺。 步骤三，以此类推，重复上述过程，电荷泵输出电压将稳点在预期值Vo。 —种电荷泵，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、开关单元；通过对电荷转移电容充电，并将充电完毕的电荷转移电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电荷转移电容充电时，并未将电荷转移电容充满，只是将电荷转移电容充到设定的电压后停止充电。 作为本专利技术的一种优选方案，对电荷转移电容充电，当电荷转移电容上级板电压达到Vo-Vin后，停止对电荷转移电容充电；其中，Vo为预期输出的电压值，Vin为输入电源电压。 —种应用上述电荷泵的工作方法，该方法包括如下步骤 步骤A，电荷转移电容下极板与地接通，对电荷转移电容充电，当电荷转移电容上5级板电压达到Vo-Vin后，停止对电荷转移电容充电； 步骤B，将电荷转移电容下极板电压提升至Vin，由于电容两端电压不能跳变，所 以上级板电压变为Vo，将上级板与电荷泵电路输出端接通，电荷将从电荷转移电容的上级 板，转移至电荷泵电路输出端； 步骤C，多次重复上述过程后，电荷泵电路的输出电压将稳定在设计预期值Vo。 本专利技术的有益效果在于本专利技术提出的，通过对电容充电，并 将充电完毕的电容上的电荷转移到电荷泵输出端上，输出高于输入电压的电平，每次对电 容器充电时，并未将电容器充满，只是将电容器充到特定的电压后停止充电。本专利技术可增加 电荷泵电路的转换效率。附图说明 图1为现有的电荷泵电路图； 图2为现有电荷泵电路中的电荷转移电路的电路图； 图3为本专利技术中的电荷泵电路的一个实施例； 图4为Vo-Vin电压发生电路的电路图； 图5为本专利技术电荷泵的另一个实施例； 图6为电平转换电路的电路图； 图7为电荷转移电路的工作波形图； 图8为电源选择电路的工作波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷泵，其特征在于，所述电荷泵包括参考电压发生电路、电压比较器、时钟发生器、电荷转移电容、稳压电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；所述参考电压发生电路输出端参考电压值为电荷泵电路预期输出的电压值Ｖｏ与输入电源电压Ｖｉｎ的差值Ｖｏ－Ｖｉｎ；所述时钟发生器产生第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制信号；所述参考电压发生电路产生的参考电压信号输入至电压比较器的一个输入端，电荷转移电容上极板的电压信号输入至电压比较器的另一输入端；第一开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接输入电源；第二开关的一端接电荷转移电容上极板，另一端接电荷泵输出端；第三开关的一端接电荷转移电容下极板，另一端接地；第四开关的一端接电荷转移电容下极板，另一端接输入电源；稳压电容的一端接电荷泵输出端，另一端接地。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：富聪，宋志棠，陈后鹏，陈小刚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]