電荷泵的製作方法

2023-12-11 20:20:52

專利名稱：電荷泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及電荷泵，該電荷泵通過使用單個輸入電源來生成分別具有正極性和 負極性的電源電壓。
背景技術：
電荷泵是其中電荷在多個電容器之間運動以產生具有期望極性和電平的電壓的 DC/DC轉換器。例如，JP-A-6-165482公開了這種類型的電荷泵。根據電荷泵的用途，有時要求電荷泵具有下述功能選擇性地生成高電壓和低 電壓兩類電壓，以及在生成輸出電壓時，根據升壓命令將輸出電壓從低電壓切換到高電 壓，並且根據降壓命令將輸出電壓從高電壓切換到低電壓。為了生成前者或者高電壓， 要求重複執行下述操作將輸入電源的輸出電壓施加到一個電容器，並且將該電容器的 充電電荷重新分配給連接到負載的電源端子的輸出電容器。為了生成後者或者低電壓， 要求重複執行如下操作將輸入電源的輸出電壓施加到串聯地連接的兩個電容器，並且 將串聯連接的兩個電容器中的一個的充電電荷重新分配給連接到負載的電源端子的輸出 電容器。然而，在電荷泵從輸出高電壓的操作狀態轉換為輸出低電壓的操作狀態的情況 下，發生問題。當終止輸出高電壓的操作狀態時，在電容器中保持了等於輸入電源的輸 出電壓的電壓。因此，當開始輸出低電壓的操作時，其中保持充電電壓的電容器以及另 一個電容器的串聯連接被連接到輸入電源，從而產生其中在輸入電源的電壓輸出部中生 成過電壓而導致電荷泵異常操作的情況。

發明內容
鑑於上述情況提出了本發明。本發明的目的在於，提供一種電荷泵，該電荷泵 能夠選擇性地生成高電壓和低電壓兩類電壓，並且其中輸出高電壓的操作狀態能夠平滑 地轉換為輸出低電壓的操作狀態。本發明提供了一種電荷泵，包括開關電路，該開關電路被插入在第一輸出電 容器和第二輸出電容器、快速電容器與輸入電源之間；以及控制單元，該控制單元控制 開關電路，其中，電荷泵在包括高電壓輸出模式、低電壓輸出模式以及中繼模式的操作 模式下操作，並且控制單元控制開關電路，使得在高電壓輸出模式下，第一輸出電容 器和第二輸出電容器分別輸出第一正電壓和第一負電壓；在低電壓輸出模式下，第一輸 出電容器和第二輸出電容器分別輸出低於第一正電壓和第一負電壓的第二正電壓和第二 負電壓；並且在中繼模式下，在高電壓輸出模式下被充電的第一電容器和第二電容器的 各自的充電電壓被逐漸降低，並且當在電荷泵的操作模式處於低電壓輸出模式的時段期 間給出升壓命令時，控制單元通過從低電壓輸出模式到高電壓輸出模式的直接轉換來改 變電荷泵的操作模式，並且當在電荷泵的操作模式處於高電壓輸出模式的時段期間給出 降壓命令時，控制單元通過從高電壓輸出模式通過中繼模式轉換為低電壓輸出模式的中 繼轉換來改變電荷泵的操作模式。
根據本發明，從高電壓輸出模式到低電壓輸出模式的轉換經過中繼模式。當執 行中繼模式下的操作時，能夠降低第一輸出電容器和第二輸出電容器以及快速電容器的 充電電壓，使得能夠平滑地執行到低電壓輸出模式的轉換。


在附圖中圖1是示出根據本發明的實施例的包括電荷泵的功率放大電路的構造的電路 圖；圖2A至圖2C是示出實施例中的輸出狀態檢測部的構造示例的電路圖；圖3示出了實施例中的電荷泵的高電壓輸出模式下的狀態轉換；圖4示出了實施例中的電荷泵的低電壓輸出模式下的狀態轉換；圖5示出了實施例中的電荷泵的中繼模式下的狀態轉換；以及圖6示出了在實施例中的電荷泵1的模式之間的轉換。
具體實施例方式將參考附圖描述本發明的實施例。圖1是示出根據本發明的實施例的包括電荷泵1的功率放大電路的構造的電路 圖。功率放大電路包括電荷泵1，該電荷泵1用作電源電路；負載驅動部2;以及輸出狀 態檢測部3。電荷泵1是電源電路，該電源電路生成要提供給負載驅動部2的正電源電壓 和負電源電壓。負載驅動部2是放大器，該放大器接收來自電荷泵1的正電源電壓和負 電源電壓，放大從前一級電路(未示出)提供的輸入信號AMPI，並且將放大的信號作為 輸出信號AMPO提供給負載(未示出)。輸出狀態檢測部3監視負載驅動部2的輸出狀 態，並且將輸出狀態檢測信號DETO輸出，該輸出狀態檢測信號DETO表示負載驅動部2 的輸出信號AMPO是否超過預定限制而接近提供給負載驅動部2的電源電壓。如圖1中所示，電荷泵1具有控制單元10、開關電路20以及端子CPVDD、CP、 GND、CN以及CPVSS。將端子CPVDD連接到負載驅動部2的正電源端子，並且將端 子CPVSS連接到負載驅動部2的負電源端子。將端子GND接地，並且將輸出電容器Cl 插入在端子CPVDD和接地線之間，將輸出電容器C2插入在端子CPVSS和接地線之間， 並且將快速電容器C3插入在端子CP和CN之間。理想地，輸出電容器Cl、輸出電容器 C2以及快速電容器C3具有相同的電容。在下面的描述中，為了描述的方便起見，在端 子CPVDD處的電壓可以被表示為電壓CPVDD，在端子CP處的電壓可以被表示為電壓 CP,在端子GND處的電壓可以被表示為電壓GND，在端子CN處的電壓可以被表示為電 壓CN，在端子CPVSS處的電壓可以被表示為電壓CPVSS。開關電路20具有P溝道場效應電晶體(也僅稱為電晶體)Pl至P5和N溝道晶 體管m至N3。將P溝道電晶體Pl插入在電源HPVDD和端子CP之間，將P溝道晶體 管P2插入在電源HPVDD和端子CPVDD之間，將P溝道電晶體P3插入在端子CPVDD 和端子CP之間，將P溝道電晶體P4插入在端子CPVDD和端子CN之間，並且將P溝道 電晶體P5插入在電源SPVDD和端子CP之間。例如，電源HPVDD的電壓是1.8V。電 源SPVDD的電壓高於電源HPVDD的電壓，並且例如是3.6V。將N溝道電晶體m插入在端子CP和端子GND之間，將N溝道電晶體N2插入在端子CN和端子GND之間， 並且將N溝道電晶體N3插入在端子CN和端子CPVSS之間。作為操作模式，實施例的電荷泵1具有高電壓輸出模式、低電壓輸出模式、中 繼模式以及高功率模式。高電壓輸出模式是下述操作模式，在該操作模式中，分別從端子CPVDD、 CPVSS輸出在電平上等於電源電壓HPVDD的正電壓CPVDD( = HPVDD)和負電壓 CPVSS ( = _HPVDD)。低電壓輸出模式是下述操作模式，在該操作模式中，分別從端 子CPVDD、CPVSS輸出其電平是電源電壓HPVDD的電平的一半的正電壓CPVDD(= HPVDD/2)和負電壓CPVSS( = -HPVDD/2)。中繼模式是為了使高電壓輸出模式平滑地 轉換為低電壓輸出模式而設置的操作模式。在高電壓輸出模式、低電壓輸出模式以及中 繼模式下，僅使用電源HPVDD，而不使用電源SPVDD。高功率模式是下述操作模式， 在該操作模式中，分別從端子CPVDD、CPVSS輸出其電平等於電源電壓HPVDD的電平 的正電壓CPVDD( = HPVDD)和具有任意電平的負電壓CPVSS。在高功率模式下，作 為電源HPVDD的補充使用電源SPVDD，並且能夠生成在電源電壓SPVDD的範圍內的其 電平高於電源電壓HPVDD的負電壓CPVDD。控制單元10控制上述操作模式之間的轉換，並且控制在各操作模式下的開關電 路20。控制單元10通過與預定頻率的時鐘CLK同步並且分別針對操作模式確定的程序 來切換施加到P溝道電晶體Pl至P5的柵極和N溝道電晶體Nl至N3的柵極的柵電壓， 從而實現上述的操作模式。將詳細地描述為實現高電壓輸出模式、低電壓輸出模式而執 行的開關電路20的控制。高功率模式沒有與本發明的特性非常相關，並且對本發明來說 不太重要，並且因此省略其詳細描述。在實施例中，基於負載驅動部2的輸出狀態來執行在低電壓輸出模式和高電壓 輸出模式之間的轉換。輸出狀態檢測部3是生成觸發模式轉換的信息的電路。更具體 地，輸出狀態檢測部3監視負載驅動部2的輸出狀態，並且將輸出狀態檢測信號DETO 輸出，該輸出狀態檢測信號DETO表示負載驅動部2的輸出信號AMPO的電平是否超 過預定限制而接近提供給負載驅動部2的電源電壓(具體地，正電壓CPVDD和負電壓 CPVSS)。圖2A至圖2C是示出輸出狀態檢測部3的各種構造示例的電路圖。在圖2A中 所示的輸出狀態檢測部3A中，電阻器31和恆流源32組成從它們的公共結點生成基準電 平REFP的電路。將電阻器31插入在電源CPVDD和恆流源32之間，並且恆流源32的 電流流過電阻器。因此，當用IO表示恆流源32的電流，並且用RO表示電阻器31的電阻 時，從電阻器31和恆流源32的公共結點獲得的基準電平REFP是CPVDD-IO · R0。電 阻器33和恆流源34組成從它們的公共結點生成基準電平REFM的電路。將電阻器33插 入在電源CPVSS和恆流源34之間，並且恆流源34的電流流過電阻器。因此，當與恆流 源32類似地用IO表示恆流源34的電流，並且與電阻器31類似地用RO表示電阻器33的 電阻時，從電阻器33和恆流源34的公共結點獲得的基準電平REFM是CPVSS+I0 · R0。 在負載驅動部2的輸出信號AMPO高於基準電平REFP的情況下，比較器35輸出處於H 電平的信號，並且在其它情況下，輸出處於L電平的信號。在負載驅動部2的輸出信號 AMPO低於基準電平REFM的情況下，比較器36輸出處於H電平的信號，並且在其它情況下，輸出處於L電平的信號。當比較器35、36的輸出信號都處於L電平時，OR門37 將輸出狀態檢測信號DETO設置為L電平，並且當比較器35、36的輸出信號中的至少一 個處於H電平時，將輸出狀態檢測信號DETO設置為H電平。因此，當負載驅動部2的 輸出信號AMPO處於基準電平REFP和基準電平REFM之間的範圍內時，輸出狀態檢測 信號DETO處於L電平，並且當輸出信號AMPO超過恆定限制而接近電源電壓CPVDD 或者CPVSS時，或者具體地，當輸出信號AMPO高於基準電平REFP或者低於基準電平 REFM時，輸出狀態檢測信號DETO處於H電平。在圖2B中所示的輸出狀態檢測部3B中，改變了在圖2A中所示的輸出狀態檢 測部3A中生成基準電平REFP和REFM的電路。由比較器35、36以及OR門37構造 的部件的電路構造與圖2A中所示的相同。在輸出狀態檢測部3B中，通過具有相同電阻 的電阻器41、42、43、N溝道電晶體44以及運算放大器45來構造生成基準電平REFP 和REFM的電路。將電阻器41、42、43串聯地插入在諸如帶隙基準電路的生成恆定基 準電平REFV的電壓源和N溝道電晶體44的漏極之間。將N溝道電晶體44的源極連接 到電源CPVSS。在運算放大器45中，將正輸入端子(+端子)接地，並且將反向輸入端 子(_端子)連接到電阻器42、43的公共結點。根據該構造，通過電阻器42、43的公共 結點執行到運算放大器45的負反饋，並且運算放大器45將柵電壓輸出到N溝道電晶體 44，使得電阻器42、43的公共結點的電勢等於接地電勢。因此，從電阻器41、42的公 共結點獲得的基準電平REFP是REFV/2，並且從N溝道電晶體44的漏極獲得的基準電 平 REFM 是-REFV/2。圖2C中所示的輸出狀態檢測部3C是下述電路，該電路檢測流過負載驅動部2的 輸出級的電晶體的電流，並且基於檢測的結果來將輸出狀態檢測信號DETO輸出。在圖 2C中所示的示例中，負載驅動部2具有串聯地插入在電源CPVDD、CPVSS之間的P溝 道電晶體21和N溝道電晶體22，並且從電晶體的漏極的結點將輸出信號AMPO輸出。 在負載驅動部2中，當通過調整要施加到P溝道電晶體21的柵電壓來增加在P溝道晶體 管21中流動的漏電流時，輸出信號AMPO增大，並且，當通過調整要施加到N溝道晶體 管22的柵電壓來增加在N溝道電晶體22中流動的漏電流時，輸出信號AMPO減小。圖 2C中所示的輸出狀態檢測部3C檢測分別流過負載驅動部2的P溝道電晶體21和N溝道 電晶體22的漏電流，並且基於檢測的結果來確定負載驅動部2的輸出信號AMPO是否超 過恆定限制而接近電源電壓CPVDD和CPVSS。這將在下面更加詳細地進行描述。首先，P溝道電晶體51被構造為，使得源極被固定在電源電壓CPVDD，並且等 於施加到負載驅動部2的P溝道電晶體21的柵電壓被施加到柵極，並且與P溝道電晶體 21協作以組成電流鏡。因此，是P溝道電晶體21的漏電流的kl倍(kl是由P溝道晶體 管21與P溝道電晶體51的尺寸比定義的係數)的漏電流在P溝道電晶體51中流動。將 恆流源52連接到P溝道電晶體51的漏極。恆流源52的電流值是當負載驅動部2的輸出 信號AMPO的電平處於特定上限電平(與圖2A或者圖2B中的基準電平REFP相對應) 時流動的P溝道電晶體21的漏電流的kl倍。因此，當負載驅動部2的輸出信號AMPO 的電平低於上限電平時，P溝道電晶體51的漏電流小於恆流源52的電流，並且P溝道晶 體管51的漏電壓處於大大低於電源電壓CPVDD的電壓值的L電平。相反，當負載驅動 部2的輸出信號AMPO的電平高於上限電平時，P溝道電晶體51的漏電流大於恆流源52的電流，並且P溝道電晶體51的漏電壓處於接近電源電壓CPVDD的電壓值的H電平。 P溝道電晶體51的漏電壓通過反相器55、56被施加到OR門58。接下來，N溝道電晶體53被構造為，使得源極被固定在電源電壓CPVSS，並且 等於施加到負載驅動部2的N溝道電晶體22的柵電壓被施加到柵極，並且與N溝道晶 體管22協作以組成電流鏡。因此，是N溝道電晶體22的漏電流的k2倍(k2是由N溝 道電晶體22與N溝道電晶體53的尺寸比定義的係數)的漏電流在N溝道電晶體53中流 動。將恆流源54連接到N溝道電晶體53的漏極。恆流源54的電流值是當負載驅動部 2的輸出信號AMPO的電平處於特定下限電平(與圖2A或者圖2B中的基準電平REFM 相對應)時流動的N溝道電晶體22的漏電流的k2倍。因此，當負載驅動部2的輸出信 號AMPO的電平高於下限電平時，N溝道電晶體53的漏電流小於恆流源54的電流，並 且N溝道電晶體53的漏電壓處於大大高於電源電壓CPVSS的電壓值的H電平。相反， 當負載驅動部2的輸出信號AMPO的電平低於下限電平時，N溝道電晶體53的漏電流大 於恆流源54的電流，並且N溝道電晶體53的漏電壓處於接近電源電壓CPVSS的電壓值 的L電平。N溝道電晶體53的漏電壓經過反相器57而被電平反轉，並且然後被施加到 OR 門 58。當反相器56、57的輸出信號都處於L電平時，OR門58將輸出狀態檢測信號 DETO設置為L電平，並旦當反相器56、57的輸出信號中的至少一個處於H電平時， 即，負載驅動部2的輸出信號AMPO高於上限電平或者低於下限電平時，將輸出狀態檢 測信號DETO設置為H電平。接下來，將詳細地描述電荷泵1的操作模式。圖3示出了高電壓輸出模式下的 電荷泵1的狀態轉換。在高電壓輸出模式下，如圖3中所示，電荷泵1交替地重複與時 鍾CLK同步的充電操作(參見圖3的(a))和快速操作(參見圖3的(C))。在充電操作(參見圖3的(a))中，控制單元10使開關電路20的P溝道電晶體 PU P2和N溝道電晶體N2導通，並且使其它的電晶體截止。因此，如圖示，通過電源 HPVDD — P溝道電晶體P2 —輸出電容器Cl —接地線的路徑對輸出電容器Cl進行充電， 並且將電源電壓HPVDD施加到輸出電容器Cl。而且，如圖示，通過電源HPVDD —P 溝道電晶體Pl —快速電容器C3 — N溝道電晶體N2 —接地線的路徑來對快速電容器C3 進行充電，並且將電源電壓HPVDD施加到快速電容器C3。在該情況下，快速電容器C3 處於下述狀態中，在該狀態中，在端子CP側上的電極中充電正電荷，而在端子CN側上 的電極中充電負電荷。當在恆定的時間段中執行充電操作(參見圖3的(a))時，然後在恆定的時間段中 執行快速操作(參見圖3的(C))。在快速操作中(參見圖3的(C))中，控制單元10使 開關電路20的P溝道電晶體P2和N溝道電晶體Ni、N3導通，並且使其它的電晶體截 止。因此，如圖示，通過電源HPVDD —P溝道電晶體P2—輸出電容器Cl—接地線的 路徑來對輸出電容器Cl進行充電，並且電源電壓HPVDD被施加到輸出電容器Cl。而 且，如圖示，形成接地線一N溝道電晶體Ni—快速電容器C3 —N溝道電晶體N3—輸 出電容器C2—接地線的路徑。然後，在快速電容器C3中，通過N溝道電晶體Nl來將 其中正電荷被充電的端子CP側上的電極接地，並且通過N溝道電晶體N3將其中負電荷 被充電的端子CN側上的電極連接到端子CPVSS，使得快速電容器被並聯地連接到輸出電容器C2。以該方式，快速電容器C3的充電電壓HPVDD被反相，並且然後被施加到 輸出電容器C2，並且輸出電容器C2的充電電壓是-HPVDD。此後，類似地重複充電操作和快速操作，將電源電壓CPVDD = HPVDD從端子 CPVDD提供給負載驅動部2的正電源端子，並且將電源電壓CPVSS = -HPVDD從端子 CPVSS提供給負載驅動部件2的負電源端子。圖4示出了在低電壓輸出模式下的電荷泵1的狀態轉換。在低電壓輸出模式下， 如圖4中所示，電荷泵1與時鐘CLK同步地順序地並且周期性地重複充電操作(參見圖 4的(a))、平滑化操作(參見圖4的(b))以及快速操作(參見圖4的(C))。在充電操作(參見圖4的(a))中，控制單元10使開關電路20的P溝道電晶體 PU P4導通，並且使其它的電晶體截止。因此，如圖示，形成電源HPVDD —P溝道晶 體管Pl —快速電容器C3 — P溝道電晶體P4 —輸出電容器Cl —接地線的路徑。然後， 在快速電容器C3和輸出電容器Cl被串聯地連接在電源HPVDD和接地線之間的狀態下， 快速電容器C3和輸出電容器Cl被充電。在該情況下，在電源HPVDD和接地線之間快 速電容器C3和輸出電容器Cl處於所謂的堆疊狀態中，並且HPVDD/2的電壓被施加到 電容器中的每一個。在該情況下，快速電容器C3處於下述狀態下，在該狀態中，在端子 CP側上的電極中充電正電荷，並且在端子CN側上的電極中充電負電荷。當在恆定的時間段中執行充電操作(參見圖4的(a))時，然後在恆定的時間段中 執行平滑化操作(參見圖4的(b))。在平滑化操作(參見圖4的(b))中，控制單元10 使開關電路20的P溝道電晶體P3和N溝道電晶體N2導通，並且使其它的電晶體截止。 因此，如圖示，形成接地線一N溝道電晶體N2—快速電容器C3 —P溝道電晶體P3—輸 出電容器Cl—接地線的路徑。然後，在快速電容器C3中，通過N溝道電晶體N2來將 其中負電荷被充電的端子CN側上的電極接地，並且通過P溝道電晶體P3來將其中充電 正電荷的端子CP側上的電極連接到端子CPVDD，使得將快速電容器並聯地連接到輸出 電容器Cl。因此，輸出電容器Cl的充電電壓等於快速電容器C3的充電電壓，並且輸出 電容器Cl的充電電壓是HPVDD/2。當在恆定的時間段中執行平滑化操作(參見圖4的(b))時，然後在恆定的時間 段中執行快速操作(參見圖4的(C))。在快速操作(參見圖4的(C))中，控制單元10 使開關電路20的N溝道電晶體Ni、N3導通，並且使其它的電晶體截止。因此，如圖 示，形成接地線一N溝道電晶體Nl —快速電容器C3 — N溝道電晶體N3 —輸出電容器 C2—接地線的路徑。然後，在快速電容器C3中，通過N溝道電晶體Nl將其中充電正 電荷的端子CP側上的電極接地，並且通過N溝道電晶體N3將其中充電負電荷的端子CN 側上的電極連接到端子CPVSS，使得將快速電容器並聯地連接到輸出電容器C2。以該方 式，快速電容器C3的充電電壓HPVDD/2被反相併且然後被施加到輸出電容器C2，並且 輸出電容器C2的充電電壓CPVSS是-HPVDD/2。此後，類似地，順序地並且周期性地重複充電操作、平滑化操作以及快速操 作，將電源電壓CPVDD = HPVDD/2從端子CPVDD提供給負載驅動部2的正電源端 子，並且將電源電壓CPVSS = -HPVDD/2從端子CPVSS提供給負載驅動部2的負電源端子。圖5示出了中繼模式下的電荷泵1的狀態轉換。在中繼模式下，如圖5中所示，電荷泵1與時鐘CLK同步地順序地並且周期性地重複全截止操作(參見圖5的(a))、平 滑化操作(參見圖5的(b))以及快速操作(參見圖5的(C))。在全截止操作(參見圖5的(a))中，控制單元10使開關電路20的所有的晶體 管截止。在持續全截止操作的時段期間，快速電容器C3保持相同的充電電壓。輸出電 容器Cl、C2分別被連接到負載驅動部2的正電源端子和負電源端子。因此，負載驅動 部2消耗輸出電容器Cl、C2的充電電荷，並且逐漸地降低輸出電容器Cl、C2的充電電壓。當在恆定的時間段中執行全截止操作(參見圖5的(a))時，然後在恆定的時間 段中執行平滑化操作(參見圖5的(b))。在平滑化操作(參見圖5的(b))中，與低電壓 輸出模式下的平滑化操作的情況類似，控制單元10使開關電路20的P溝道電晶體P3和 N溝道電晶體N2導通，並且使其它的電晶體截止。因此，輸出電容器Cl的充電電壓等 於快速電容器C3的充電電壓。當在恆定的時間段中執行平滑化操作(參見圖5的(b))時，然後在恆定的時間 段中執行快速操作(參見圖5的(c))。在快速操作(參見圖5的(C))中，與低電壓輸出 模式下的快速操作的情況類似，控制單元10使開關電路20的N溝道電晶體Ni、N3導 通，並且使其它的電晶體截止。因此，在端子CP側上的電極被接地的狀態下，快速電容 器C3被並聯地連接到輸出電容器C2，並且輸出電容器C2的充電電壓是其電平等於快速 電容器C3的電平的負電壓。此後，類似地，順序地並且周期性地重複全截止操作、平滑化操作以及快速操 作。在該時段期間，負載驅動部2消耗輸出電容器Cl、C2的充電電荷，並且逐漸地降 低輸出電容器Cl、C2和快速電容器C3的充電電壓，同時它們的電平彼此相等。圖6示出了實施例中的電荷泵1的模式之間的轉換。在實施例中，從輸出狀態 檢測部3輸出的輸出狀態檢測信號DETO從L電平到H電平的改變是對電荷泵1的升壓 命令。此外，輸出狀態檢測信號DETO從H電平到L電平的改變是對電荷泵1的降壓命 令。通過使用用作升壓命令或者降壓命令的輸出狀態檢測信號DETO的改變來觸發電荷 泵1的模式之間的轉換。首先，假定在電荷泵1在低電壓輸出模式下進行操作的情況下， 負載驅動部2的輸出信號AMPO的電平超過預定限制而接近提供給負載驅動部2的電源電 壓CPVDD、CPVSS,並且輸出狀態檢測信號DETO處於H電平。在該情況下，控制單元 10使電荷泵1的操作模式立即從低電壓輸出模式轉換為高電壓輸出模式。在該情況下， 在模式轉換之前的輸出電容器Cl、C2和快速電容器C3的充電電壓大約是HPVDD/2。 因此，即使當電荷泵1的操作模式立即從低電壓輸出模式轉換為高電壓輸出模式時，也 不會出現問題。相反，假定，在電荷泵1在高電壓輸出模式下進行操作的情況下，負載驅動部 件2的輸出信號AMPO的幅度被減小，輸出信號AMPO的電平超過預定限制而接近提供 給負載驅動部2的電源電壓CPVDD、CPVSS,並且輸出狀態檢測信號DETO處於L電 平。在該情況下，在處於高電壓輸出模式的操作期間，輸出電容器Cl、C2和快速電容 器C3的充電電壓處於接近HPVDD的電平。因此，如果響應於輸出狀態檢測信號DETO 變成L電平，電荷泵1從高電壓輸出模式立即轉換為低電壓輸出模式，則在低電壓輸出模 式下的充電操作中的電源HPVDD和接地線之間快速電容器C3和輸出電容器Cl處於堆疊狀態(參見圖4的(a))。堆疊的全部快速電容器C3和輸出電容器Cl的充電電壓是接近 2HPVDD的電壓，並且因此，在電荷泵1的操作中出現異常。因此，在實施例中，在輸出狀態檢測信號DETO處於L電平的情況下，控制單 元10使電荷泵1的操作模式從高電壓輸出模式轉換為中繼模式，並且監視例如輸出電容 器1的充電電壓CPVDD。在中繼模式下，當使負載驅動部2消耗輸出電容器Cl、C2的 充電電荷時，重複全截止操作、平滑化操作以及快速操作(參見圖5的(a)至(C))，並且 因此輸出電容器Cl、C2和快速電容器C3的充電電壓被逐漸地降低，同時它們的電平彼 此相等。當在輸出狀態檢測信號DETO處於L電平的狀態下，輸出電容器Cl的充電電 壓CPVDD變成充分低的電平，或者具體地等於或者低於α · HPVDD的電平，控制單 元10使電荷泵1的操作模式轉換為低電壓輸出模式。在實施例中，α是0.55。 α是0.55的理由如下。首先，圖1中所示的功率 放大電路被形成在被摻雜有低濃度的P型雜質的P型半導體基底上，並且功率放大電路 的P溝道電晶體被形成在N阱中，該N阱是通過將低濃度的N型雜質摻入到P型半導 體基底形成的隔離區。在高電壓輸出模式、低電壓輸出模式以及中繼模式下的操作期 間，電源電壓HPVDD被施加到圖1中所示的P溝道電晶體PI、Ρ2、Ρ3以及Ρ4分別 屬於的N阱。在高電壓輸出模式通過中繼模式轉換為低電壓輸出模式的情況下，在轉 換之後的低電壓輸出模式下獲得快速電容器C3和輸出電容器Cl被堆疊在電源HPVDD 和接地線之間的狀態。當堆疊的快速電容器C3和輸出電容器Cl上的電壓比電源電壓 HPVDD高了預定的電壓或者更高時，電流流過插入在P溝道電晶體Pl的漏極和P溝道 電晶體Pl屬於的N阱之間的寄生二極體，並且存在在電荷泵1的操作中可能出現異常的 可能性。相反，在實施例中，當輸出電容器Cl、C2以及快速電容器C3的充電電壓是 α · HPVDD = 0.55 · HPVDD或者更低時，執行從中繼模式到低電壓輸出模式的轉換。 因此，在低電壓輸出模式下的充電操作中，堆疊的快速電容器C3和輸出電容器Cl的電 壓是1.1 · HPVDD。在HPVDD = 1.8V的情況下，超過電源電壓HPVDD的過量大約是 0.1 · HPVDD = 0.18V。即使當該電平的過電壓出現，也不存在上述的寄生二極體被導 通的可能性，並且因此在電荷泵1的操作中不會出現異常性。這是α是0.55的原因。在實施例中，從高電壓輸出模式到低電壓輸出模式的轉換(該轉換在被執行時 經過中繼模式)具有進一步的優點，或者實現穩定模式轉換的優點。在負載驅動部2的 輸出信號AMPO的幅度被緩慢地增加的情況下，例如，當從高電壓輸出模式到低電壓輸 出模式的轉換沒有經過中繼模式時，出現下述缺點。輸出信號AMPO超過恆定限制而接 近提供給負載驅動部2的電源電壓，並且輸出狀態檢測信號DETO處於H電平，從而將電 荷泵1從低電壓輸出模式轉換到高電壓輸出模式。在圖2Α中示出的輸出狀態檢測部3Α 被用作輸出狀態檢測部3的情況下，例如，根據從低電壓輸出模式到高電壓輸出模式的 轉換，出現基準電平REFP的上升和基準電平REFM的下降。當輸出信號AMPO的幅度 緩慢地增加時，曾經被設置為H電平的輸出狀態檢測信號DETO立即返回到L電平。因 此，當從高電壓輸出模式到低電壓輸出模式的轉換沒有經過中繼模式時，響應於輸出狀 態檢測信號DETO到L電平的改變，操作模式立即轉換為低電壓輸出模式。然而，當返 回到低電壓輸出模式時，結合返回出現基準電平REFP的下降和基準電平REFM的上升， 並且因此輸出狀態檢測信號DETO再次處於H電平，使得低電壓輸出模式轉換為高電壓輸出模式。在負載驅動部2的輸出信號AMPO的幅度如上所述緩慢地增加的情況下，存 在在低電壓輸出模式和高電壓輸出模式之間的模式轉換頻繁地發生的可能性。然而，在實施例中，在例如負載驅動部2的輸出信號AMPO的幅度緩慢地增加 並且執行了從低電壓輸出模式到高電壓輸出模式的轉換的情況下，當輸出狀態檢測信號 DETO從H電平改變成L電平時，執行從高電壓輸出模式到中繼模式的模式轉換。當 在中繼模式的操作期間，輸出狀態檢測信號DETO再次改變成H電平時，使操作模式從 中繼模式返回到高電壓輸出模式。在實施例中，如上所述，在負載驅動部2的輸出信號 AMPO的幅度緩慢增加的情況下，能夠防止低電壓輸出模式和高電壓輸出模式之間的模 式轉換頻繁地發生，並且能夠穩定電荷泵1的操作和從電荷泵1供電的負載驅動部2的操 作。如上所述，實施例中的功率放大電路被構造為，使得電路監視負載驅動部的輸 出狀態，並且當檢測到負載驅動部的輸出信號的電平超過預定限制而接近提供給負載驅 動部的電源電壓時，提供給負載驅動部的電源電壓被切換到較高的電源電壓。因此，與 例如基於輸入信號切換電源電壓的構造相比，電路能夠被容易地設計，並且能夠以適當 的定時穩定地切換電源電壓。此外，根據實施例，具有高電壓輸出模式、低電壓輸出模式以及中繼模式的電 荷泵被用作電源電路，並且電荷泵的控制單元被構造為，使得當在低電壓輸出模式下的 操作期間檢測到負載驅動部的輸出信號的電平超過預定限制而接近電源電壓時，使電荷 泵的操作模式從低電壓輸出模式立即轉換到高電壓輸出模式，並且當檢測到負載驅動部 的輸出信號的電平沒有超過預定限制而接近電源電壓時，使電荷泵的操作模式從高電壓 輸出模式轉換到中繼模式，並且然後使其轉換到低電壓輸出模式。因此，通過經過中繼 模式能夠減少在高電壓輸出模式下的操作期間被充電到第一輸出電容器和第二輸出電容 器以及快速電容器的電荷。在轉換到低電壓輸出模式之後，能夠防止串聯連接的快速 電容器和第一輸出電容器上的電壓在充電操作期間異常上升，並且能夠實現平滑模式轉 換。根據實施例，當檢測到負載驅動部的輸出信號的電平沒有超過預定限制而接近 電源電壓時，使操作模式從高電壓輸出模式轉換到中繼模式，並且然後使其轉換到低電 壓輸出模式。因此，例如，在負載驅動部的輸出信號的電平的上升速度緩慢的情況下， 能夠防止頻繁地引起低電壓輸出模式和高電壓輸出模式之間的模式轉換的異常的出現， 並且能夠穩定電荷泵和負載驅動部的操作。在實施例中，在中繼模式下重複平滑化操作。因此，在檢測到負載驅動部的輸 出信號的電平沒有超過預定限制而接近電源電壓，並且使操作模式從高電壓輸出模式轉 換到中繼模式的情況下，在中繼模式下，第一輸出電容器和第二輸出電容器以及快速電 容器的充電電壓被逐漸地降低，同時它們的電平彼此相等。因此，為了獲得從中繼模式 到低電壓輸出模式的轉換定時，要求僅監視第一輸出電容器、第二輸出電容器以及快速 電容器中的一個的充電電壓，並且存在需要用於監視電容器的充電電壓的僅一個電路的 優點。儘管已經描述了本發明的實施例，在如下所述的各種修改中可以執行本發明。
(1)在中繼模式下，全截止操作可以被省略，並且平滑化操作和快速操作可以被
交替地重複。(2)在實施例中，在中繼模式下，第一輸出電容器Cl的充電電壓CPVDD被設 置為監視對象，並且當電壓CPVDD等於或者小於α · HPVDD時，執行到低電壓輸出 模式的轉換。替代地，第二輸出電容器C2或者快速電容器C3的充電電壓可以被設置為 監視對象。(3)在實施例中，當中繼模式被持續預定的時間段或者更長的同時，輸出狀態檢 測信號DETO被保持在L電平時，從中繼模式到低電壓輸出模式的轉換可以被執行。在 轉換到中繼模式之後流逝的時間和第一輸出電容器Cl、第二輸出電容器C2以及快速電容 器C3的充電電壓之間的關係被穩定的情況下，即使以簡單的方法，也能夠達到與實施例 相同的效果。(4)在實施例中，用作電源電路的電荷泵1生成正電源電壓CPVDD和負電源電 壓CPVSS，所述電壓以接地電平(端子GND的電平)為中心。替代地，電荷泵可以被 構造為，使得生成正電源電壓CPVDD和負電源電壓CPVSS，所述電壓以不是接地電平 的另一基準電平電壓為中心。(5)在實施例中，用作電源電路的電荷泵1使用正輸入電源HPVDD、SPVDD生 成正電源電壓CPVDD和負電源電壓CPVSS。替代地，電荷泵可以被構造為，使得使用 負輸入電源生成正電源電壓CPVDD和負電源電壓CPVSS。(6)在實施例中，場效應電晶體被用作組成開關電路20的開關元件。替代地， 可以使用諸如雙極型電晶體的其它類型的開關元件。(7)在實施例中，電荷泵1被用作功率放大電路的電源電路。替代地，本發明的 電荷泵還可以適合用於功率放大電路之外的使用。(8)在實施例中，值α是0.55，用於確定使電荷泵1的操作模式從中繼模式轉換 到低電壓輸出模式的閾值。然而，值α ( = 0.55)是一個示例，並且可以通過將值α設 置在小於0.55的任意值來改變到低電壓輸出模式的轉換定時。此外，結合開關電路20中 的電晶體的寄生二極體來確定值α。因此，只要寄生二極體沒有被導通而在電荷泵1的 操作中引起異常，該閾值能夠被設置在等於或者小於輸入電源HPVDD的輸出電壓和寄生 二極體的導通電壓的和的半值的任意值。
權利要求
1.一種電荷泵，包括開關電路，所述開關電路被插入在第一輸出電容器和第二輸出電容器、快速電容器 與輸入電源之間；以及控制單元，所述控制單元控制所述開關電路，其中所述電荷泵在包括高電壓輸出模式、低電壓輸出模式以及中繼模式的操作模式下操 作，並且所述控制單元控制所述開關電路，使得在所述高電壓輸出模式下，所述第一輸出電容器和所述第二輸出電容器分別輸出第 一正電壓和第一負電壓；在所述低電壓輸出模式下，所述第一輸出電容器和所述第二輸出電容器分別輸出低 於所述第一正電壓和所述第一負電壓的第二正電壓和第二負電壓；並且在所述中繼模式下，在所述高電壓輸出模式下被充電的所述第一電容器和所述第二 電容器的各自的充電電壓被逐漸降低，並且當在所述電荷泵的操作模式處於所述低電壓輸出模式的時段期間給出升壓命令時， 所述控制單元通過從所述低電壓輸出模式到所述高電壓輸出模式的直接轉換來改變所述 電荷泵的操作模式，並且當在所述電荷泵的操作模式處於所述高電壓輸出模式的時段期間給出降壓命令時， 所述控制單元通過從所述高電壓輸出模式通過所述中繼模式轉換為所述低電壓輸出模式 的中繼轉換來改變所述電荷泵的操作模式。
2.根據權利要求1所述的電荷泵，其中，在所述中繼模式下，所述控制單元使所述開 關電路重複地執行平滑化操作，其中，所述輸入電源從所述第一輸出電容器和所述第 二輸出電容器以及所述快速電容器斷開，並且所述快速電容器和所述第一輸出電容器被 並聯地連接；以及快速操作，其中，所述快速電容器從所述第一輸出電容器斷開，並且 被並聯地連接到所述第二輸出電容器。
3.根據權利要求1或2所述的電荷泵，其中，在所述高電壓輸出模式下，所述控制單 元使所述開關電路重複地執行第一充電操作，其中，所述輸入電源的輸出電壓被施加 到所述快速電容器和所述第一輸出電容器；以及快速操作，其中，所述快速電容器從所 述第一輸出電容器斷開，並且被並聯地連接到所述第二輸出電容器，從而使所述第一輸 出電容器和所述第二輸出電容器分別輸出所述第一正電壓和所述第一負電壓，並且在所述低電壓輸出模式下，所述控制單元使所述開關電路重複地執行第二充電 操作，其中，所述快速電容器和所述第一輸出電容器被串聯地連接，並且所述輸入電源 的所述輸出電壓被施加到串聯連接的所述快速電容器和所述第一輸出電容器；平滑化操 作，其中，所述快速電容器和所述第一輸出電容器被並聯地連接；以及快速操作，其 中，所述快速電容器從所述第一輸出電容器斷開，並且被並聯地連接到所述第二輸出電 容器，從而使所述第一輸出電容器和所述第二輸出電容器輸出所述第二正電壓和所述第 二負電壓。
4.根據權利要求1或2所述的電荷泵，其中，當在所述操作模式處於所述高電壓輸出 模式的時段期間給出所述降壓命令時，所述控制單元使所述操作模式從所述高電壓輸出 模式轉換為所述中繼模式，並且當所述第一輸出電容器、所述第二輸出電容器以及所述快速電容器中的至少一個的充電電壓被降低到閾值或更低時，使所述電荷泵的所述操作 模式從所述中繼模式轉換為所述低電壓輸出模式。
5.根據權利要求1或2所述的電荷泵，其中，在所述中繼模式下，所述第一輸出電容 器和所述第二輸出電容器以及所述快速電容器的充電電壓被逐漸降低，同時它們的電平 彼此相等。
6.根據權利要求4所述的電荷泵，其中，所述閾值是等於或小於所述輸入電源的輸出 電壓和所述開關電路中的電晶體的寄生二極體的導通電壓的和的半值的任意值。
7.根據權利要求4所述的電荷泵，其中，所述閾值由0.55^HPVDD來表達，其中， HPVDD表示所述輸入電源的輸出電壓。
全文摘要
一種電荷泵包括開關電路，該開關電路被插入在第一輸出電容器和第二輸出電容器、快速電容器與輸入電源之間；以及控制單元，該控制單元控制開關電路。電荷泵在包括高電壓輸出模式、低電壓輸出模式以及中繼模式的操作模式下操作。控制單元控制開關電路，使得在高電壓輸出模式下充電的第一輸出電容器和第二輸出電容器的各自的充電電壓被逐漸地降低。當在電荷泵的操作模式處於高電壓輸出模式的時段期間給出降壓命令時，控制單元通過從高電壓輸出模式通過中繼模式轉換為低電壓輸出模式的中繼轉換來改變電荷泵的操作模式。
文檔編號H02M3/07GK102025269SQ20101028749
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月17日 優先權日2009年9月18日
發明者中村勝義, 宮崎雅人, 岸井達也, 川合博賢, 牧野憲 申請人:山葉株式會社