電源電路、電荷泵電路和具有這些電路的可攜式設備的製作方法
2023-09-18 04:21:50 1
專利名稱：電源電路、電荷泵電路和具有這些電路的可攜式設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用作DC/DC轉換器(具體地是用作可攜式設備中的電池輸出轉換裝置)的電荷泵電路。
背景技術：
圖8是示出了電荷泵電路的傳統示例的電路圖。該圖所示的電荷泵電路配置為周期地導通和斷開開關SW1至SW4，以便用經由輸入端饋入的輸入電壓Vin對第一電容器C1進行充電，並且第一電容器C1兩端的充電電壓經由輸出端作為負電壓Vout(-Vin)饋出。
更具體地，這裡，以以下方式輸出負電壓。首先，導通開關SW1和SW2，並斷開開關SW3和SW4。作為這種開關的結果，輸入電壓Vin經由開關SW1施加到第一電容器C1的第一端(點A)，並且第一電容器C1的第二端(點B)經由開關SW2接地。因此，對第一電容器C1進行充電，直到其兩端的電位差變得等於輸入電壓Vin。
在完成了對第一電容器C1的充電之後，斷開開關SW1和SW2，並導通開關SW3和SW4。作為這種開關的結果，點A經由開關SW3接地，因此點A處的電位從輸入電壓Vin降為地電位。這裡，由於先前充電的結果，第一電容器C1兩端的電壓近似等於輸入電壓Vin，所以上述點A處的電位下降使點B處的電位從地電位降到負電壓-Vin。這裡，由於點B經由開關SW4與輸出端導通，所以第一電容器C1中的電荷移動到第二電容器C2，這使輸出端的電位下降到-Vin。
該電荷泵電路的一個問題在於啟動時的湧入電流。尤其是在具有高阻抗電源部分的系統中，例如以電池作為其電源供電的可攜式設備，湧入電流不利地引起提供給設備的不同部分的電壓的壓降，從而使操作不穩定。
一種傳統上已公開並提出的技術以以下方式克服了上述問題。由FET(場效應電晶體)導通和斷開電源電壓與電容器之間的連接路徑，並且由柵極驅動電壓改變電路根據電容器兩端的充電電壓，改變該FET的柵極驅動電壓。這裡，充電電壓越高，則使FET的柵極驅動電壓越高，充電電壓越低，則使FET的柵極驅動電壓越低，從而按需要使FET的導通狀態電阻增加和減小。這可以減小湧入電流(例如，參見下面所列的專利文獻1)。
另一傳統上已公開並提出的技術以以下方式克服了上述問題。通過導通和截止多個電晶體來控制電容器的充電和放電，多個電晶體中預定的一個電晶體與開關設備並聯，開關設備具有較高的導通狀態電阻。在開始提供直流電壓之後的預定時間段內，該預定電晶體保持截止，由與該預定電晶體並聯的開關設備來控制電容器的充電和放電；在經過了預定時間段之後，由該預定電晶體來控制電容器的充電和放電。這同樣可以減小湧入電流(例如，參見下面所列的專利文獻2)。
專利文獻JP-A-H10-014218專利文獻2JP-A-2004-04889
發明內容本發明要解決的問題當然，利用上述傳統技術中的任何一個，均可以減小湧入電流。
然而，不利的是，這些傳統技術具有以下缺點。專利文獻1的技術採用如下的電路配置，其中當設置在電源電壓與電容器之間的連接路徑中的FET截止時，將FET的柵極驅動電壓經由電阻器上拉到輸入電壓Vin。因此，FET的截止伴隨著由柵極電容和柵極電阻所形成的CR時間常數電路所引起的延遲，這導致輸出電壓的壓降以及效率的損失。尤其是在FET具有高W/L比(柵極寬度與柵極長度之比)的情況下，FET自然具有高電容，因此使上述缺點更加明顯。因此，專利文獻1的技術並不適用於具有低輸出阻抗的電荷泵電路。同樣由於上述原因，專利文獻1的技術並不適用於較高的開關頻率。
另一方面，專利文獻2的技術僅提供了一種配置，其中，僅在開始提供直流電壓之後的預定時間段內，代替穩定使用的開關設備，使用具有更高導通狀態電阻的啟動用開關設備。因而，專利文獻2未考慮輸入電壓中的變化。例如，當專利文獻2的技術應用於用作可攜式設備中電池輸出轉換裝置的電荷泵電路時，儘管湧入電流由於電池消耗而減小，但是啟動用開關設備保持其高導通狀態電阻，以應付完全充電的電池電平(最大輸入電壓)。因此，儘管具有完全充電的電池，導通狀態電阻最終隨著電池消耗而變得非常高，這引起輸出電壓中的壓降和效率的損失。
本發明的目的是提供一種電源電路、電荷泵電路和包括這種電路的可攜式設備，利用該電路，即使輸入電壓的電平改變，也可以減小啟動時的湧入電流，而不會引起輸出電壓的壓降或效率的損失。
解決問題的手段為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，在電源電路中，包括第一開關裝置，連接在電容器的第一端與輸入電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通；和/或第二開關裝置，連接在電容器的第二端與基準電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通，以及通過周期地對電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，第一和第二開關裝置中的至少一個包括彼此並聯並具有不同驅動能力的多個分離的電晶體，以及受控，以在輸入電壓高且輸出電壓低時產生最小驅動能力，而在輸入電壓低且輸出電壓穩定時產生最大驅動能力(第一配置)。
根據本發明的另一方面，在電荷泵電路中，包括第一開關裝置，連接在第一電容器的第一端與輸入電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通；第二開關裝置，連接在第一電容器的第二端與基準電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通；控制裝置，用於控制第一和第二開關裝置的驅動；第一監控裝置，用於監控輸入電壓；以及第二監控裝置，用於監控輸出電壓，以及通過周期地對所述第一電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，第一和第二開關裝置中的至少一個被分為彼此並聯的多個分離的電晶體，以及當對第一電容器進行充電時，所述控制裝置根據第一和第二監控裝置的監控結果，確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體(第二配置)。
具有上述第二配置的電荷泵電路還可以包括第三和第四開關裝置，在對第一電容器進行放電時導通；以及第二電容器，在第三和第四開關裝置導通時，電荷從第一電容器經過第三和第四開關裝置移動到所述第二電容器(第三配置)。
更具體地，根據本發明的另一方面，在電荷泵電路中，包括第一電容器；第一開關裝置，連接在第一電容器的第一端與輸入電壓輸入端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第二開關裝置，連接在第一電容器的第二端與基準電壓輸入端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第三開關裝置，連接在第一電容器的第一端與基準電壓輸入端之間，或者連接在第一電容器的第一端與輸出電壓輸出端之間，並在對第一電容器進行放電時導通；第四開關裝置，連接在第一電容器的第二端與輸出電壓輸出端之間，或者連接在第一電容器的第二端與輸入電壓輸入端之間，並在對第一電容器進行放電時導通；第二電容器，連接在輸出電壓輸出端與基準電壓輸入端之間；控制裝置，用於控制第一至第四開關裝置的驅動；第一監控裝置，與輸入電壓輸入端相連，以監控輸入電壓；以及第二監控裝置，與輸出電壓輸出端相連，以監控輸出電壓，以及通過周期地對所述第一電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，第一和第二開關裝置中的至少一個被分為彼此並聯的多個分離的電晶體，以及當對第一電容器進行充電時，所述控制裝置根據第一和第二監控裝置的監控結果，確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體(第四配置)。
可選地，根據本發明的另一方面，在電荷泵電路中，包括電壓升壓單元，電壓升壓單元包括依次相連的n級電壓升壓電路，其中n≥2，每一個電壓升壓電路包括第一電容器；第一開關裝置，連接在第一節點與第一電容器的第一端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第二開關裝置，連接在第二節點與第一電容器的第二端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第三開關裝置，連接在第三節點與第一電容器的第一端之間，並在對第一電容器進行放電時導通；以及第四開關裝置，連接在第四節點與第一電容器的第二端之間，並在對第一電容器進行放電時導通，其中，要麼第一至第n電壓升壓電路的每一個的第一節點與輸入電壓輸入端相連，第一電壓升壓電路的第二節點與基準電壓輸入端相連，第二至第n電壓升壓電路的每一個的第二節點與前一電壓升壓電路的第四節點相連，第一至第n電壓升壓電路的每一個的第三節點與基準電壓輸入端相連，以及第n電壓升壓電路的第四節點與輸出電壓輸出端相連；要麼第一電壓升壓電路的第一節點與輸入電壓輸入端相連，第二至第n電壓升壓電路的每一個的第一節點與前一電壓升壓電路的第三節點相連，第一至第n電壓升壓電路的每一個的第二節點與基準電壓輸入端相連，第n電壓升壓電路的第三節點與輸出電壓輸出端相連，以及第一至第n電壓升壓電路的每一個的第四節點與輸入電壓輸入端相連；還包括第二電容器，連接在輸出電壓輸出端與基準電壓輸入端之間；控制裝置，用於控制第一至第n電壓升壓電路的每一個中所包括的第一至第四開關裝置的驅動；第一監控裝置，與輸入電壓輸入端相連，以監控輸入電壓；以及第二監控裝置，與輸出電壓輸出端相連，以監控輸出電壓，以及通過周期地對第一至第n電壓升壓電路的每一個中所包括的第一電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，第一電壓升壓電路中所包括的第一和第二開關裝置中的至少一個被分為彼此並聯的多個分離的電晶體，以及當對第一電容器進行充電時，所述控制裝置根據第一和第二監控裝置的監控結果，確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體(第五配置)。
在具有上述第二至第五配置之一的電荷泵電路中，根據第一和第二監控裝置的監控結果，所述控制裝置可以確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體，使得如果輸出電壓尚未達到目標電平，驅動更少量的電晶體，以使對第一電容器進行充電的電流路徑的導通狀態電阻增加，並且輸入電壓越高，導通狀態電阻越高，以及如果輸出電壓已經達到目標電平，則減小導通狀態電阻(第六配置)。
更具體地，在具有上述第六配置的電荷泵電路中，第一和第二開關裝置中的至少一個可以被分為第一、第二和第三分離的電晶體，這些電晶體的導通狀態電阻設計為第一電晶體具有最高導通狀態電阻，第二電晶體具有第二高導通狀態電阻，第三電晶體具有最低導通狀態電阻，第一監控裝置的輸出邏輯電平可以保持為低，直到輸入電壓變為高於第一閾值，並在輸入電壓變為高於第一閾值電平時，第一監控裝置的輸出邏輯電平變高，並且第二監控裝置的輸出邏輯電平可以保持為低，直到輸出電壓變為低於第二閾值，並在輸出電壓變為低於第二閾值電平時，第二監控裝置的輸出邏輯電平變高，以及控制裝置進行操作，以便在第二監控裝置的輸出邏輯電平為低且第一監控裝置的輸出邏輯電平為高時，僅驅動第一電晶體而不驅動第二和第三電晶體，在第一和第二監控裝置的輸出邏輯電平均為低時，僅驅動第二電晶體而不驅動第一和第三電晶體，在第一和第二監控裝置的輸出邏輯電平均為高時，驅動第一和第二電晶體而不驅動第三電晶體，以及在第二監控裝置的輸出邏輯電平為高且第一監控裝置的輸出邏輯電平為低時，驅動全部第一至第三電晶體(第七配置)。
利用上述配置中的任何一個，即使輸入電壓的電平發生變化，也可以減小啟動時的湧入電流，而不會引起輸出電壓的壓降或效率的損失。
在具有上述第七配置的電荷泵電路中，第一和第二監控裝置中的至少一個的輸入-輸出響應可以具有遲滯(第八配置)。利用這種配置，可以避免由於輸出反饋而產生的振蕩。
在具有上述第三至第五配置的電荷泵電路中，第一開關裝置可以是P溝道MOS場效應電晶體，第二至第四開關裝置可以是N溝道MOS場效應電晶體(第九配置)。
根據本發明的另一方面，在可攜式設備中，包括電池，作為電源；以及DC/DC轉換器，作為轉換電池輸出的裝置，該可攜式設備可以包括具有上述第一配置的電源電路或具有上述第二至第五配置的電荷泵電路，作為DC/DC轉換器(第十配置)。利用這種配置，總是可以適當地減小啟動時的湧入電流，而與電池的充電電平無關。
本發明的有益效果如上所述，利用根據本發明的電源電路和電荷泵電路，即使輸入電壓的電平發生變化，也可以減小啟動時的湧入電流，而不會引起輸出電壓的壓降或效率的損失。
圖1是示出了作為本發明第一實施例的根據本發明的蜂窩電話單元的方框圖。
圖2是示出了負電壓產生電路21的配置示例的電路圖。
圖3是示出了控制信號的波形示例的時序圖。
圖4是示出了第一和第二檢測器DET1和DET2的輸入-輸出響應的圖。
圖5是示出了檢測器輸出與是否驅動輸出電晶體P1至P3之間的相關的矩陣圖。
圖6是示出了正電壓產生電路22的配置示例的電路圖。
圖7是示出了根據本發明的電荷泵電路的修改示例的電路圖。
圖8是示出了電荷泵電路的傳統示例的電路圖。
附圖標記列表
1 電池2 DC/DC轉換器21負電壓產生電路22正電壓產生電路3 CCD攝像機P1-P3 P溝道MOS場效應電晶體N1-N3 N溝道MOS場效應電晶體C1、C2第一和第二電容器DET1、DET2第一和第二檢測器CNT 控制器具體實施方式
下面，通過其應用於蜂窩電話單元中所包含的DC/DC轉換器，以便轉換電池的輸出電壓而產生用於驅動蜂窩電話單元的不同部分(具體是CCD(電荷耦合器件)攝像機)的電壓的示例，來描述本發明。
圖1是示出了作為本發明實施例的根據本發明的蜂窩電話單元(具體是CCD的電源部分)的方框圖。如圖所示，本實施例的蜂窩電話單元包括電池1，用作整個蜂窩電話單元的電源；DC/DC轉換器2，用作轉換電池1的輸出的裝置；以及CCD攝像機3，用作蜂窩電話單元用於傳感圖像的裝置。無須說，除了所提到的組件之外，蜂窩電話單元還包括發射/接收電路、揚聲器、麥克風、顯示器、操作面板、存儲器等，作為實現其主要功能(例如通信功能)的裝置。
CCD攝像機3需要以負驅動電壓(例如-8V)和正驅動電壓(例如+15V)來驅動。因此，電源單元2包括負電壓產生電路21和正電壓產生電路22，作為分別從電池1的輸出電壓Vin中產生負輸出電壓Vout1和正輸出電壓Vout2的裝置。
圖2是示出了負電壓產生電路21的配置示例的電路圖(部分為框圖)。如圖所示，本實施例的負電壓產生電路21包括P溝道MOS(金屬氧化物矽)場效應電晶體P1至P3和N溝道MOS場效應電晶體N1至N3，作為開關器件。根據控制器CNT所產生的控制信號CK1、CK1B1-3和CK2，周期地導通或截止這些電晶體，使得以經由輸入端T1饋入的輸入電壓Vin(電池1的輸出電壓)對電容器C1進行充電，並且第一電容器C1兩端的充電電壓經由輸出端T2饋出，作為負輸出電壓Vout1(CCD攝像機3的負驅動電壓)。因此，負電壓產生電路21被配置為負電壓輸出電荷泵電路。
電晶體P1至P3的源極均與輸入端T1相連。電晶體P1至P3的漏極均與第一電容器C1的第一端(點A)和電晶體N2的源極相連。電晶體P1至P3的柵極分別與控制器CNT的不同控制信號輸出端相連，以分別接收控制信號CK1B1-3。電晶體P1至P3的背柵極分別與其各自的源極相連。從上述描述可知，電晶體P1至P3每個均用作開關裝置，以導通或斷開輸入端T1與第一電容器C1(點A)之間的連接路徑。換言之，導通以便對第一電容器C1進行充電的開關裝置分為彼此並聯的電晶體P1至P3；或者相反地，彼此並聯在一起的電晶體P1至P3形成單個多柵電晶體。
電晶體N1的源極接地。電晶體N1的漏極與第一電容器C1的第二端(點B)並與電晶體N3的漏極相連。電晶體N的柵極與控制器CNT的控制信號輸出端相連，以便接收控制信號CK1。電晶體N1的背柵極與其自身的漏極相連。從上述說明可知，電晶體N1用作開關裝置，以便導通或斷開地(基準電壓施加節點)與第一電容器C1的第二端(點B)之間的連接路徑。
電晶體N2的漏極接地，並還與第二電容器C2的第一端相連。電晶體N2的柵極與控制器CNT的控制信號輸出端相連，以便接收控制信號CK2。電晶體N2的背柵極與其自身的漏極相連。從上述說明可知，電晶體N2用作開關裝置，以便導通或斷開地(基準電壓施加節點)與第一電容器C1的第一端(點A)之間的連接路徑。
電晶體N3的源極與第二電容器C2的第二端並與輸出端T2相連。電晶體N3的柵極與控制器CNT的控制信號輸出端相連，以便接收控制信號CK2。電晶體N3的背柵極與其自身的源極相連。從上述說明可知，電晶體N3用作開關裝置，以便導通或斷開輸出端T2與第一電容器C1的第二端(點B)之間的連接路徑。
現在，參考圖3來具體描述如上配置的負電壓產生電路21如何操作以產生負電壓。圖3是示出了控制信號的波形示例的時序圖。儘管在圖3中，信號邏輯電平發生轉變的時間點被表示為精確地重合，但是這應該理解為是為了容易理解而簡化的表示；實際上，為了避免輸入端T1和輸出端T2短路到地(即電晶體P1至P3和電晶體N2同時導通，以及電晶體N1和N3同時導通)，控制信號CK1和CK1B1-3的邏輯電平發生轉變的時間點通常偏離控制信號CK2的邏輯電平發生轉變的時間點。
為了產生負輸出電壓Vout1，首先，控制信號CK1的邏輯電平變高，而控制信號CK1B1-3中至少一個的邏輯電平以及控制信號CK2的邏輯電平變低(這些電平保持時間段X)。因此，電晶體N1以及電晶體P1至P3中的至少一個導通，並且電晶體N2和N3截止。作為這種開關的結果，輸入電壓Vin從輸入端T1經由電晶體P1至P3中的至少一個施加到點A，並且點B經由電晶體N1接地。因此，對第一電容器C1進行充電，直到其兩端的電位差變為等於輸入電壓Vin。
在完成了第一電容器C1的充電之後，現在，控制信號CK1的邏輯電平變低，而控制信號CK1B1-3的邏輯電平以及控制信號CK2的邏輯電平變高(這些電平保持時間段Y)。因此，電晶體N1和電晶體P1至P3截止，而電晶體N2和N3導通。作為這種開關的結果，點A經由電晶體N2接地，因此點A處的電位從輸入電壓Vin下降到地電位。這裡，由於先前充電的結果，第一電容器C1兩端的電壓近似等於輸入電壓Vin，所以上述點A處的電位下降使點B處的電位從地電位下降到負電壓-Vin。這裡，由於點B經由電晶體N3導通到輸出端T2，所以第一電容器C1中的電荷移動到第二電容器C2，這使輸出端T2處的電位(即輸出電壓Vout1)下降為-Vin。
隨著時間段X和Y交替地重複發生，負電壓產生電路21周期地導通和截止電晶體P1至P3以及N1至N3，使得經由輸入端T1饋入的輸入電壓Vin被轉換為負輸出電壓Vout1，然後該電壓經由地端T2饋出。
這裡，如上所述，在本實施例的負電壓產生電路21中，導通以便對第一電容器C1進行充電的開關裝置分為彼此並聯的電晶體P1至P3。利用這種配置，當對第一電容器C1進行充電時，根據電晶體P1至P3中被驅動的電晶體，可按照希望改變第一電容器C1的充電電流路徑的導通狀態電阻。現在，作為本發明的特有特徵，來詳細描述用於選擇性地驅動電晶體P1至P3中的一個或多個的控制(用於防止啟動時的湧入電流的控制)。
如先前所討論的圖2所示，本實施例的負電壓產生電路21除了已經描述的主要部件之外，還包括第一檢測器DET1，用於監控輸入電壓Vin；以及第二檢測器DET2，用於監控輸出電壓Vout1。根據第一和第二檢測器DET1和DET2的監控結果(即根據輸入電壓Vin和輸出電壓Vout相對於彼此的電平)，控制器CNT確定電晶體P1至P3中要驅動的電晶體。
圖4是示出了第一和第二檢測器DET1和DET2各自的輸入-輸出響應的圖。在圖4中，(a)示出了第一檢測器DET1的輸入-輸出響應，即輸入電壓Vin(沿橫軸)與檢測器的輸出(沿縱軸)之間的相關；(b)示出了第二檢測器DET2的輸入-輸出響應，即輸出電壓Vout 1(沿橫軸)與檢測器的輸出(沿縱軸)之間的相關。
如圖所示，第一和第二檢測器DET1和DET2均表現出具有遲滯的輸入-輸出響應。
更具體地，第一檢測器DET1的輸出邏輯電平保持為低，直到輸入電壓Vin變為高於第一上閾值電平(在該圖中是3.6V)，並在輸入電壓Vin變為高於第一上閾值電平時變高。一旦第一檢測器DET1的輸出邏輯電平變高，則其保持為高，除非輸入電壓Vin變為低於第一下閾值電平(在該圖中是3.5V)，並在輸入電壓Vin變為低於第一下閾值電平時變低。
類似地，第二檢測器DET2的輸出邏輯電平保持為低，直到輸出電壓Vout1變為低於第二下閾值電平(在該圖中是-4/5Vin)，並在輸出電壓Vout1變為低於第二下閾值電平時變高。一旦第二檢測器DET2的輸出邏輯電平變高，則其保持為高，除非輸出電壓Vout1變為高於第二上閾值電平(在該圖中是-3/5Vin)，並在輸出電壓Vout1變為高於第二上閾值電平時變低。
以這種方式使第一和第二檢測器DET1和DET2的輸入-輸出響應具有遲滯，有助於避免由於其輸出反饋而產生的振蕩。圖中所示的特定閾值電平僅僅是示例，而可使用任意其它的閾值電平，只要可正確地執行用於選擇性地驅動電晶體P1至P3中一個或多個的控制。第一和第二檢測器DET1和DET2並不局限於產生二電平(高或低)輸出的檢測器，而可以是根據在對第一電容器C1進行充電時導通的開關裝置所分為的級數，產生邏輯電平在三個或多個電平(例如H、M和L)中轉變的輸出的檢測器。
圖5是示出了檢測器輸出與是否驅動電晶體P1至P3之間的相關的矩陣圖，因此示出了在控制器CNT執行用於選擇性地驅動電晶體P1至P3中一個或多個的控制時所查閱的數據表的內容。
下面的說明假設電晶體P1至P3設計為電晶體P1具有最高的導通狀態電阻，電晶體P2具有第二高的導通狀態電阻，而電晶體P3具有最低的導通狀態電阻。例如，假設電晶體P1至P3的尺寸為其W/L比分別是1000μm/1μm、3000μm/1μm、11000μm/1μm。
首先，說明第二檢測器DET2的輸出邏輯電平為低且第一檢測器DET1的輸出邏輯電平為高的情況。在這種情況下，由於第二檢測器DET2的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電荷泵電路仍然處於啟動過程中，因此存在湧入電流的風險。此外，由於第一檢測器DET1的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電池1的充電電平(即輸入電壓Vin的電平)為高，因此存在極大的大湧入電流流入的風險。因此，根據上述認識，控制器CNT進行操作，以使第一電容器C1的充電電流路徑的導通狀態電阻最大化；為了實現此目的，控制器CNT產生控制信號CK1B1-3，以便僅驅動電晶體P1至P3中具有最小W/L比(即最高導通狀態電阻)的電晶體P1，而不驅動其它電晶體P2和P3(保持截止)。在該操作狀態下，負電壓產生電路21可減小啟動時的湧入電流。
接下來說明第一和第二檢測器DET1和DET2的輸出邏輯電平均為低的情況。在該情況下，由於第二檢測器DET2的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電荷泵電路仍然處於啟動過程中，因此存在湧入電流的風險。此外，由於第一檢測器DET1的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電池1的充電電平(即輸入電壓Vin的電平)為低，因此幾乎沒有大湧入電流流入的風險。因此，根據上述認識，控制器CNT進行操作，以將第一電容器C1的充電電流路徑的導通狀態電阻增加到足夠高但是不過分高的程度；為了實現此目的，控制器CNT產生控制信號CK1B1-3，以便僅驅動電晶體P1至P3中具有第二小的W/L比(即第二高的導通狀態電阻)的電晶體P2，而不驅動其它電晶體P1和P3(保持截止)。在該操作狀態下，負電壓產生電路21可減小啟動時的湧入電流，而不會引起輸出電壓Vout的不足或效率的損失，即使電池是幾乎耗盡的電池。
接下來，說明第一和第二檢測器DET1和DET2的輸出邏輯電平均為高的情況。在該情況下，由於第二檢測器DET2的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電荷泵電路處於穩定狀態，因此幾乎沒有湧入電流的風險。此外，由於第一檢測器DET1的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電晶體P1至P3的源極電壓(即輸入電壓Vin)足夠高，因此其導通狀態電阻均相對較低。因此，根據上述認識，控制器CNT進行操作，以產生控制信號CK1B1-3，以便驅動電晶體P1和P2，而不驅動電晶體P3(保持截止)。在該操作狀態下，代替無條件地驅動所有電晶體P1至P3並因此不必要地減小了第一電容器C1的充電電流路徑的導通狀態電阻，負電壓產生電路21將第一電容器C1的充電電流路徑的導通狀態電阻適當地減小到預定目標程度。以這種方式，可以將穩定狀態下電荷泵電路的輸出阻抗減小到目標程度，而不會引起效率的損失。
接下來說明第二檢測器CET2的輸出邏輯電平為高而第一檢測器DET1的輸出邏輯電平為低的情況。在該情況下，由於第二檢測器DET2的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電荷泵電路處於穩定狀態，因此幾乎沒有湧入電流的風險。此外，由於第一檢測器DET1的輸出邏輯電平，控制器CNT認識到電晶體P1至P3的源極電壓(即輸入電壓Vin)為低，因此其導通狀態電阻均相對較高。因此，根據上述認識，控制器CNT進行操作，產生控制信號CK1B1-3，以便驅動所有電晶體P1至P3。在該操作狀態下，通過使第一電容器C1的充電電流路徑的導通狀態電阻最小化，負電壓產生電路21將穩定狀態下電荷泵電路的輸出阻抗減小到目標程度，即使電池1幾乎耗盡。
上述用於選擇性地驅動一個或多個電晶體的控制僅僅是示例；可將其修改以適應電晶體P1至P3的實際尺寸以及第一和第二檢測器DET1和DET2的實際閾值電平，從而根據具體情況，僅驅動電晶體P2或P3，或者同時驅動電晶體P1和P3。
如上所述，在本實施例的負電壓產生電路21中，設置有彼此並聯連接在第一電容器C1的第一端與輸入端T1之間的電晶體P1至P3，用作在對第一電容器C1進行充電時導通的開關裝置，並且在對第一電容器C1進行充電時，控制器CNT根據第一和第二檢測器DET1和DET2對輸入和輸出電壓的監控結果，確定電晶體P1至P3中要驅動的電晶體。
利用如上劃分的電晶體P1至P3，可分別用獨立的反相器來控制其柵極電壓。因此，與用於避免湧入電流的傳統方法不同，可以實現低阻抗驅動，而與電晶體分別導通還是截止無關。此外，在試圖通過給電晶體賦予高W/L比來減小電荷泵電路的輸出阻抗的情況下，利用劃分的電晶體P1至P3，可以減小各個電晶體的柵極電容。因此，與用於避免湧入電流的傳統方法相比，可以獲得極大提高的轉換效率，這使得可應用於具有低輸出阻抗的電荷泵電路。此外，利用上述配置，還可以減小開關時的延遲，這使得適用於更高的開關頻率。
儘管作為示例，上述實施例涉及負電壓產生電路21的配置和操作，但是這絕不是要限制本發明的配置；本發明還可應用於正電壓產生電路22(正電壓輸出電荷泵電路)(參見圖6)。在這種情況下，可針對負和正電壓產生電路21和22的每一個設置一個獨立的控制器CNT，或者設置兩者共享的單個控制器CNT。
本發明廣泛應用於具有依次連接的第一至第n電壓升壓電路CP1至CPn(其中n≥2)的電荷泵電路(參見圖7(a)和7(b))，並且除了電荷泵電路之外，還應用於電源電路(參見圖7(c))。
除了上面作為實施例具體描述的方式之外，本發明可以以其它方式實踐，並且在本發明的精神內，多種變化和修改也是可以的。
例如，儘管上述實施例涉及以下示例在構成電荷泵電路的所有開關器件中，用作導通或斷開輸入端T1與第一電容器C1的第一端(點A)之間的連接路徑的開關裝置的開關器件以P溝道MOS場效應電晶體實現，而用作其它開關裝置的開關器件以N溝道MOS場效應電晶體實現，但是這並不意味著限制本發明；可適當地設計各個開關器件的溝道屬性，使得整體上在電荷泵電路中獲得所希望的特性(例如耐壓特性)。
儘管上述實施例涉及以下示例在對第一電容器C1進行充電時導通的開關裝置包括與第一電晶體C1的電源側相連的開關裝置，並且該開關裝置分為多個開關器件，但是這並不意味著限制本發明；代替地，與第一電晶體的接地側相連的開關裝置可分為多個開關器件，或者兩個開關裝置均分為多個開關器件。
工業實用性本發明有助於減小電荷泵電路中的湧入電流，尤其適用於用作可攜式設備中的電池輸出轉換裝置的DC/DC轉換器。
權利要求
1.一種電源電路，包括第一開關裝置，連接在電容器的第一端與輸入電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通；和/或第二開關裝置，連接在電容器的第二端與基準電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通，所述電源電路通過周期地對電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，其中第一和第二開關裝置中的至少一個包括彼此並聯並具有不同驅動能力的多個分離的電晶體，以及受控，以在輸入電壓高且輸出電壓低時產生最小驅動能力，而在輸入電壓低且輸出電壓穩定時產生最大驅動能力。
2.一種電荷泵電路，包括第一開關裝置，連接在第一電容器的第一端與輸入電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通；第二開關裝置，連接在第一電容器的第二端與基準電壓輸入端之間，並在對電容器進行充電時導通；控制裝置，用於控制第一和第二開關裝置的驅動；第一監控裝置，用於監控輸入電壓；以及第二監控裝置，用於監控輸出電壓，所述電荷泵電路通過周期地對所述第一電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，其中，第一和第二開關裝置中的至少一個被分為彼此並聯的多個分離的電晶體，以及當對第一電容器進行充電時，所述控制裝置根據第一和第二監控裝置的監控結果，確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體。
3.根據權利要求2所述的電荷泵電路，還包括第三和第四開關裝置，在對第一電容器進行放電時導通；以及第二電容器，在第三和第四開關裝置導通時，電荷從第一電容器經過第三和第四開關裝置移動到所述第二電容器。
4.一種電荷泵電路，包括第一電容器；第一開關裝置，連接在第一電容器的第一端與輸入電壓輸入端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第二開關裝置，連接在第一電容器的第二端與基準電壓輸入端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第三開關裝置，連接在第一電容器的第一端與基準電壓輸入端之間，或者連接在第一電容器的第一端與輸出電壓輸出端之間，並在對第一電容器進行放電時導通；第四開關裝置，連接在第一電容器的第二端與輸出電壓輸出端之間，或者連接在第一電容器的第二端與輸入電壓輸入端之間，並在對第一電容器進行放電時導通；第二電容器，連接在輸出電壓輸出端與基準電壓輸入端之間；控制裝置，用於控制第一至第四開關裝置的驅動；第一監控裝置，與輸入電壓輸入端相連，以監控輸入電壓；以及第二監控裝置，與輸出電壓輸出端相連，以監控輸出電壓，所述電荷泵電路通過周期地對所述第一電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，其中，第一和第二開關裝置中的至少一個被分為彼此並聯的多個分離的電晶體，以及當對第一電容器進行充電時，所述控制裝置根據第一和第二監控裝置的監控結果，確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體。
5.一種電荷泵電路，包括電壓升壓單元，包括依次相連的n級電壓升壓電路，其中n≥2，每一個電壓升壓電路包括第一電容器；第一開關裝置，連接在第一節點與第一電容器的第一端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第二開關裝置，連接在第二節點與第一電容器的第二端之間，並在對第一電容器進行充電時導通；第三開關裝置，連接在第三節點與第一電容器的第一端之間，並在對第一電容器進行放電時導通；以及第四開關裝置，連接在第四節點與第一電容器的第二端之間，並在對第一電容器進行放電時導通，其中，要麼第一至第n電壓升壓電路的每一個的第一節點與輸入電壓輸入端相連，第一電壓升壓電路的第二節點與基準電壓輸入端相連，第二至第n電壓升壓電路的每一個的第二節點與前一電壓升壓電路的第四節點相連，第一至第n電壓升壓電路的每一個的第三節點與基準電壓輸入端相連，以及第n電壓升壓電路的第四節點與輸出電壓輸出端相連，要麼第一電壓升壓電路的第一節點與輸入電壓輸入端相連，第二至第n電壓升壓電路的每一個的第一節點與前一電壓升壓電路的第三節點相連，第一至第n電壓升壓電路的每一個的第二節點與基準電壓輸入端相連，第n電壓升壓電路的第三節點與輸出電壓輸出端相連，以及第一至第n電壓升壓電路的每一個的第四節點與輸入電壓輸入端相連；第二電容器，連接在輸出電壓輸出端與基準電壓輸入端之間；控制裝置，用於控制第一至第n電壓升壓電路的每一個中所包括的第一至第四開關裝置的驅動；第一監控裝置，與輸入電壓輸入端相連，以監控輸入電壓；以及第二監控裝置，與輸出電壓輸出端相連，以監控輸出電壓，所述電荷泵電路通過周期地對第一至第n電壓升壓電路的每一個中所包括的第一電容器進行充電和放電，而從輸入電壓中產生所希望的輸出電壓，其中，第一電壓升壓電路中所包括的第一和第二開關裝置中的至少一個被分為彼此並聯的多個分離的電晶體，以及當對第一電容器進行充電時，所述控制裝置根據第一和第二監控裝置的監控結果，確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體。
6.根據權利要求2至5之一所述的電荷泵電路，其中根據第一和第二監控裝置的監控結果，所述控制裝置確定所述多個分離的電晶體中要驅動的電晶體，使得如果輸出電壓尚未達到目標電平，驅動更少量的電晶體，以使對第一電容器進行充電的電流路徑的導通狀態電阻增加，並且輸入電壓越高，導通狀態電阻越高，以及如果輸出電壓已經達到目標電平，則減小導通狀態電阻。
7.根據權利要求6所述的電荷泵電路，其中第一和第二開關裝置中的至少一個被分為第一、第二和第三分離的電晶體，這些電晶體的導通狀態電阻設計為第一電晶體具有最高導通狀態電阻，第二電晶體具有第二高導通狀態電阻，第三電晶體具有最低導通狀態電阻，第一監控裝置的輸出邏輯電平保持為低，直到輸入電壓變為高於第一閾值，並在輸入電壓變為高於第一閾值電平時，第一監控裝置的輸出邏輯電平變高，並且第二監控裝置的輸出邏輯電平保持為低，直到輸出電壓變為低於第二閾值，並在輸出電壓變為低於第二閾值電平時，第二監控裝置的輸出邏輯電平變高，以及控制裝置進行操作，以便在第二監控裝置的輸出邏輯電平為低且第一監控裝置的輸出邏輯電平為高時，僅驅動第一電晶體而不驅動第二和第三電晶體，在第一和第二監控裝置的輸出邏輯電平均為低時，僅驅動第二電晶體而不驅動第一和第三電晶體，在第一和第二監控裝置的輸出邏輯電平均為高時，驅動第一和第二電晶體而不驅動第三電晶體，以及在第二監控裝置的輸出邏輯電平為高且第一監控裝置的輸出邏輯電平為低時，驅動全部第一至第三電晶體。
8.根據權利要求7所述的電荷泵電路，其中，第一和第二監控裝置中的至少一個的輸入-輸出響應具有遲滯。
9.根據權利要求3至5之一所述的電荷泵電路，其中，第一開關裝置是P溝道MOS場效應電晶體，第二至第四開關裝置是N溝道MOS場效應電晶體。
10.一種可攜式設備，包括電池，作為電源；以及DC/DC轉換器，作為轉換電池輸出的裝置，其中，所述可攜式設備包括根據權利要求1所述的電源電路或根據權利要求2至5之一所述的電荷泵電路，作為DC/DC轉換器。
全文摘要
根據本發明，一種電荷泵電路(21)具有並聯連接在電容器(C1)的一端與輸入端(T1)之間的電晶體(P1至P3)，用作在對第一電容器(C1)進行充電時導通的開關裝置。當對第一電容器(C1)進行充電時，控制器(CNT)根據第一和第二檢測器(DET1，DET2)對輸入和輸出電壓的監控結果，確定電晶體(P1至P3)中要驅動的電晶體。因此，即使輸入電壓的電平發生改變，也可以減小啟動時的湧入電流，而不會引起輸出電壓的壓降或效率的損失。
文檔編號H02M3/07GK101088211SQ200580044360
公開日2007年12月12日 申請日期2005年10月17日 優先權日2004年12月28日
發明者柳田修, 今中義德 申請人:羅姆股份有限公司