电荷泵及工作方法技术

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、第一开关、第二开关、第三开关、及第四开关；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的转换效率，降低电荷泵电路输出电压纹波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉电路领域，特别涉及一种。
技术介绍
电荷泵是一种基于单一供应电压而输出不同电压的电路，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1所示，图1为一个现有的产生高压Vout的电荷泵电路，通过设定参考电压 Vref可控制输出电压Vout。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Rl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，CLKl与CLK2为时钟发生器10产生的两相非交叠时钟。当输出电压Vout经分压电阻Rl、R2分压后得到的电压Vn与参考电压Vref相比较，通过电压放大器13放大电压Vn与参考电压Vref的差值，得到电压VE来控制可变电阻 Rin，从而调节输入到电荷转移电路12中的输入电流，进而得到需要的输出电压Vout，Vout =Vref · (Rl+R2)/R2，其中可变电阻Rin可以由MOS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，电容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。开关Si、S2、S3、S4可以是MOS管、双极型晶体管或是由其他器件或电路构成。开关Sl与S3由CLKl信号控制， 当CLKl为高电平时开关Sl与S3导通，否则关闭；开关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。该电荷转移电路12的工作原理如下当CLKl =“1”，CLK2 = “0”时，开关Sl与S3导通，开关S2与S4断开，电荷转移电容Cf被充至VCC,而后CLKl =“0”，CLK2 = “ 1 ”，开关S2与S4导通，开关Sl与S3断开， 由于电荷转移电容Cf两端的电压不能跳变，所以输出电压Vout理论上被提升为Vin+Vcc， 电荷转移电容Cf上的电荷转移到稳压电容Cout上，此过程为电荷转移电路的一个工作周期。上述电荷泵电路的主要问题在于转换效率较低，这是因为从Vin端流入电荷转移电路的电流会经过可变电阻Rin，由此在可变电阻Rin上会产生能量消耗；而当电荷泵输出端Vout负载电流较小时，为降低流入电荷转移电路的电流，将会增大可变电阻Rin的阻值，由此会进一步增大可变电阻Rin的能量消耗，进而导致电荷泵电路的转移效率大幅度下降。为解决上述问题，改进的方法是使用以跳周期模式控制输出电压的电荷泵电路， 如图3所示。当输出电压Vout低于Vref · (Rl+R2)/R2,则电压比较器33输出高电平，时钟发生电路31正常工作，输出周期性非交叠时钟信号CLK1，CLK2，电荷转移电路32也处于正常充电-电荷转移的工作状态；当输出电压Vout高于Vref · (R1+R2)/R2，则电压比较器33 输出低电平，将时钟发生电路31关闭，使得非交叠时钟信号CLKl，CLK2保持原有的电平，电荷转移电路32暂停工作，使能信号EN、时钟信号CLKl与CLK2如图4所示。然而，在该电荷泵电路中，由于电荷转移电容Cf在充电阶段过程中，下极板接地， 上极板电压被充至Vin，而放电阶段电荷转移电容Cf下极板接Vin，由于电荷转移电容Cf 两端的电压不能跳变，所以电荷转移电容Cf上极板理论上被提升为2Vin，如果2Vin大于 Vout,当电荷转移电容Cf连接至Vout时则会与输出电容Cout进行电荷分享，造成输出电压Vout出现较大的纹波，同时电荷分享本身也会影响电荷泵工作效率。针对上述两种电荷泵电路的缺点，研究人员又提出一种改进的电荷泵电路，具体如图5所示，该电荷泵电路包括参考电压发生电路52、电压比较器53、时钟发生器51、电荷转移电容Cf、稳压电容Cout、开关管Ml、54、55、56。首先，电压比较器53控制开关管Ml导通，同时，时钟发生器生成的非交叠时钟信号CLK1，CLK2将开关管M导通、开关管55，56断开，电荷转移电容Cf下极板与地接通，电荷转移电容Cf处于充电状态，当电荷转移电容Cf 上极板电压达到Vo-Vin后，电压比较器53将开关管Ml关闭，停止对电荷转移电容充电；然后非交叠时钟信号CLK1，CLK2将开关管M断开、开关管55，56导通，电荷转移电容Cf下极板提升至电源输入电压Vin，电荷转移电容Cf上极板通过开关管55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端，由此，电荷泵输出电压将稳点在预期值Vo。通过此种工作方式，消除了跳周期电荷泵中电容分享问题，可以很大程度上的减小输出电压的纹波，同时提高了工作效率。但由于开关管Ml、开关管M，55，56以及电荷泵电路存在内阻，所以输出电压Vout会随着负载电流的增大而降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纹波小的电荷泵及其工作方法。为了达到上述目的及其他目的，本专利技术提供的电荷泵，其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、及第四开关，其中，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，另一端作为电路输出端；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；稳压电容的一端与所述第二开关的另一端连接，另一端接地；所述时钟发生器用于产生两相非交叠钟信号，以便使第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；而第三开关关断时，第二开关、 第四开关导通；所述参考电压发生电路分别与所述第二开关的另一端及输入电源连接，用于输出参考电压Vo-Vin+k · (Vo-Vout)，其中Vo为电路输出端的预期电压值，Vin为输入电源的电压，Vout为电路输出端的实际输出电压值，k为比例系数，其值大于等于1 ；所述电压比较器的一个输入端连接所述参考电压发生电路输出的的参考电压，另一输入端连接电荷转移电容上极板的电压信号，其输出信号用于控制第一开关的开闭。本专利技术还提供一种电荷泵工作方法，其包括以下步骤步骤一，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+k · (Vo-Vout)，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+k · (Vo-Vout)，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、第二开关与第四开关导通，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稳压电容；重复上述步骤一及步骤二，稳压电容输出的电压将稳定在预期值V0。综上所述，本专利技术的电荷泵电路可增加电荷泵电路的转换效率，降低电荷泵电路输出电压纹波。附图说明图1为现有的电荷泵电路图。图2为现有的电荷泵的电荷转移电路的电路图。图3为另一个现有的电荷泵电路图。图4为跳周期模式的电荷泵的时钟信号示意图。图5为又一个现有的电荷泵电路图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电荷泵，其包括：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、及第四开关，其特征在于：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，另一端作为电路输出端；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；稳压电容的一端与所述第二开关的另一端连接，另一端接地；所述时钟发生器用于产生两相非交叠钟信号，以便使第三开关导通时，第二开关、第四开关关断；而第三开关关断时，第二开关、第四开关导通；所述参考电压发生电路分别与所述第二开关的另一端及输入电源连接，用于输出参考电压：Ｖｏ－Ｖｉｎ＋ｋ·（Ｖｏ－Ｖｏｕｔ），其中Ｖｏ为电路输出端的预期电压值，Ｖｉｎ为输入电源的电压，Ｖｏｕｔ为电路输出端的实际输出电压值，ｋ为比例系数，其值大于等于１；所述电压比较器的一个输入端连接所述参考电压发生电路输出的的参考电压，另一输入端连接电荷转移电容上极板的电压信号，其输出信号用于控制第一开关的开闭。

【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