電荷泵電路和用於運行電荷泵電路的方法與流程

2023-05-30 05:46:21 2

本申請涉及一種電荷泵電路、一種用於運行這種電荷泵電路的方法以及一種包含這種電荷泵電路的電路。

背景技術：

電荷泵(lp)被用於多種應用，以便提供大於供電電壓的電壓。換句話說，這種電荷泵實現了基於較低的輸入電壓輸出較高的輸出電壓。在許多電荷泵方案中，開關電晶體在此被控制，從而使電容器被周期性地充電和放電。在這種方案中，電荷泵可能產生電磁幹擾，所述電磁幹擾由電流的接通引起。

為了減小所述電磁幹擾和輻射，在許多應用中將接通的電流變換成直流電流。為此，按照傳統方式使用一個或多個恆定電流源。在傳統的實施方案中，所述恆定電流源的實施需要相對大的晶片面積，以便限制由於高的損耗功率導致的發熱。

技術實現要素：

本發明的任務在於，提供以相對小的晶片面積實施這種電荷泵電路的可能性。

本發明提供了一種電荷泵電路、一種電路以及一種方法。本發明還確定了另外的實施方式。

附圖說明

圖1示出根據一個實施例的電荷泵電路的方框圖。

圖2示出根據一個實施例的電荷泵電路的示意性的電路圖。

圖3示出根據一個實施例的電荷泵電路的示意性的電路圖。

圖4示出根據一個實施例的電荷泵電路的電路圖。

圖5示出根據一個實施例的電荷泵電路的電路圖。

圖6-8示出用於說明實施例的工作方式的圖表。

圖9示出根據一個實施例的電荷泵電路的電路圖。

圖10示出用於說明根據一個實施例的方法的流程圖。

具體實施方式

在下文中，詳細地說明不同的實施例。要注意的是，這些實施例僅僅用於說明，而不應當理解為是限定性的。因此，具有大量元件或特徵的實施例的說明不應當理解為，所有這些元件或特徵對於實施所述實施例都是必要的。確切地說，其他實施例可以具有較少的特徵或元件和/或替換的特徵或元件。此外，除了明確地說明的或示出的特徵或元件以外，所述實施例還可以具有另外的特徵或元件，例如通常用於電荷泵電路中的特徵或元件。

只要沒有其他說明，不同的實施例的特徵或元件可以彼此組合。針對所述實施例中的一個實施例所說明的轉換和變化也可以用於其他實施例。

電的連接或耦合可以是直接的連接或耦合，即沒有位於其間的附加元件的連接或耦合，或者可以是間接的連接或耦合，即具有一個或多個位於其間的附加元件的連接或耦合，只要本質上不改變連接或耦合的基本功能，例如傳遞特定的信號、特定的信息、特定的電流或特定的電壓。

在一些實施例中，產生具有預定的溫度相關性的電荷泵偏置電流。由此，特別是在一些實施例中，與在恆定偏置電流的情況下相比，可以使電流鏡的電晶體確定為更小的尺寸，這減小了電路在晶片上的面積需求。下面參考附圖詳細地說明這個方面以及其他方面。

圖1示出電荷泵電路的示意性的方框圖。圖1的電荷泵電路包括電荷泵11，也稱為電荷泵核心。電荷泵11由電流產生電路10供應偏置電流ib。與傳統的電荷泵電路(其使用儘可能與溫度無關的偏置電流並且為此部分地使用用於補償溫度的機構)相反，由電流產生裝置10所產生的偏置電流ib與溫度相關。該電流特別是可以隨著電荷泵電路的溫度升高而降低。例如，所述電流可以在0℃和150℃之間的溫度範圍內降低至少10％、至少20％、至少30％或者至少40％。根據電荷泵11的實施方案，其他值也是可能的。為此，稍後還會更詳細說明所述實施例。

圖2示出根據一個實施例的電荷泵電路。圖2的電荷泵電路布置在正的供電電壓和地線之間，其中，所述供電電壓在圖2的實施例中通過直流電壓源20、例如移動式裝置中的電池或蓄電池產生。

電流源24產生偏置電流，以便能由通過電荷泵核心23的運行所產生的電流(即接通電流)形成直流電流，並且由此減小電磁輻射。電容21和齊納二極體22如同所示的那樣與電荷泵核心23並聯。在傳統的實施方案中，所產生的偏置電流ibias_cp是恆定的並且至少基本上與溫度無關。在圖2的實施例中，所述電流與此相反地如前所述的那樣具有溫度相關性。如同在下文中還詳細說明的那樣，這例如實現了，與在溫度無關的恆定的偏置電流的傳統的情況中相比，使用於實現電荷泵電路中的電流鏡的電晶體確定為更小的尺寸。圖3中詳細說明了具有這種電流源的實施原理。

在圖3的實施例中，電流源30布置在正的供電電壓37和電晶體35的漏極端子之間，所述電晶體的源極端子如圖3中所示地與地線耦合。在所述實施例中，電流源30產生與溫度相關的電流idc，而在傳統的電荷泵電路中，電流idc基本上與溫度無關、特別是溫度補償的。在此，溫度相關性在所述實施例中可以是如同上文簡要地參考圖1說明的那樣，或者是如同下文還要更詳細說明的那樣。

電流idc通過包括mos電晶體35、36的電流鏡來鏡像地形成電流x·idc，其中，電晶體36(也稱為m1)與電晶體35(也稱為m0)的參數比等於x。電荷泵電路此外包括電荷泵核心31，所述電荷泵核心具有與其並聯的電容34和與其並聯的二極體組33a-33c。雖然在該二極體組中示出了三個二極體33a-33c，但是這僅僅應當理解為一個示例，二極體的數量可以根據二極體的類型和選擇參數來改變。

供電電壓vcp_supply被施加到由電荷泵核心31、電容34和二極體組33a-33c構成的這個並聯電路上。電荷泵核心31在運行中通過接通產生電流icp，在此，電流ics流過電容34，並且電流icl流過二極體組。這些電流相加並且藉助於電流源30和電流鏡35、36「修正」成電流x·idc，從而總體上產生直流電流。在圖3中，在附圖標記icl、ics和icp上方示出相應的電流的示例波形。所述波形僅僅用於說明並且可以根據實施方案改變。在一些情況中，也可以省去電容34。在這個情況中，必須將電流x·idc大小確定為，該電流始終大於icp，由此使供電電壓vcp_supply保持穩定。在此，電容34的使用有助於可以將x·idc選擇得較小，因為經過電容34的電流在總和中減小了電流icp的峰值。由此可以藉助於電容34減小電流x·idc，並且由此也減小用於電晶體36所需的面積，其中，相反地產生用於電容34的面積。儘管如此，因為icp可能具有高的峰值，所以為了限制電晶體36的發熱，特別是在傳統的解決方案中存在高的面積需求。

電晶體36的面積優選地選擇為，使得電晶體36由於電流通過導致的發熱被限制到可接受的值上。因此，特別是在電流源30提供恆定電流的傳統實施方案中，電晶體36需要相對大的面積。如同下文還會詳細說明地，通過如同在所述實施例中的那樣提供與溫度相關的電流idc可以減小用於電晶體36所需的面積。

為了說明如何產生具有如圖3中示意性所示的峰值的電流icp，圖4示出根據一個實施例的電荷泵電路的電路圖，其中，示出圖3的電荷泵核心31的一個示例。圖4中與圖3中的元件對應的元件具有相同的附圖標記並且不再詳細說明。

在圖4的實施例中，電荷泵耦合在正的供電電壓37和小於第一供電電壓37的第二供電電壓41之間。供電電壓可以例如藉助於如圖2中所示的電池來提供。電荷泵核心包括電晶體43(也以m2表示)和電晶體44(也以m3表示)。在圖4的實施例中，電晶體43是p通道mosfet(pmos)，而電晶體44是n通道mosfet(nmos)。電晶體43、44的柵極端子與時鐘源42連接，所述時鐘源提供方波信號。由此使電晶體43、44交替地導通接通。

電晶體43、44之間的節點與電容45的第一端子連接。於是，在電容45的第二端子上能夠量取大於供電電壓37的電壓vcp。電容45的第二端子此外通過二極體46與供電電壓37連接。二極體46表示理想的開關，所述開關允許電流僅僅沿著一個方向流動，以便將電容45的第二端子充電至供電電壓37。通過這個電荷泵電路，可以例如給需要大於供電電壓37的電壓的電路47供應相應的電壓。通過交替地接通電晶體43、44，在此產生具有如同所示的峰值的電流icp。特別是在電容45放電(以便給電路47供電)期間，由電晶體44導致電流峰值，所述電流峰值可以處於毫安範圍內。

圖5示出根據另一個實施例的電路圖，其中詳細地示出，如何提供與溫度相關的電流(例如通過圖4的電流源30)。

在圖5的實施例中，圖4的電流源30由兩個電流源50、51代替。除此之外，圖5的實施例相應於圖4的實施例，並且相同的元件以相同的附圖標記表示並且不再說明。

在圖5的實施例中，電流源51提供恆定的電流ibg，而電流源50提供下述的電流，該電流具有負的溫度係數並且特別是能夠以負比例係數與絕對溫度成比例。這個電流稱為intat(英語為「negativetoabsolutetemperature」)。電流源51或電流50的電流ibg和intat被求和，以便獲得與溫度相關的偏置電流in，所述偏置電流相應於電流50的具有直流電流補償ibg的ntat電流intat。

下面參考圖6-8詳細地說明，為什麼能夠使用這種與溫度相關的電流並且由此可以實現特別是電晶體m1的面積節省。

通過電晶體44產生的峰值電流icp相對強地與溫度相關。圖6的曲線60示出在以℃為單位的溫度下的所述峰值電流。如同可看到的那樣，所述電流關於溫度相對明顯地下降，從-40℃的溫度下的大約3ma下降到大約90℃下的大約2ma。這原因在於，當電晶體在溫度穩定的工作點條件的上方工作時，電晶體、例如電晶體44的漏極電流一般隨著溫度升高而降低。由此，圖6中所示的峰值電流也表明下降的特性。

如上所述地，特別是需要通過電晶體36的相對大的電流(x·in)，以便可以補償電流icp中的峰值。當這個峰值電流如圖4所示地隨著溫度升高而降低時，隨著溫度升高也需要更小的電流x·in。

這在圖7中示出。圖7的曲線72表示通過電晶體36的所需的電流。曲線70表示，當如同在傳統的電荷泵電路的情況中那樣使用溫度恆定的偏置電流時(例如當圖3和4的電流源30提供溫度恆定的偏置電流時)，必須提供的電流。曲線71是可以用於本發明的實施例中的電流的一個示例。該電流隨著溫度升高而降低，然而始終以一定安全間距處於所需的電流72的上方。要注意的是，在實施例中在恆定的溫度下，偏置電流是恆定的。

通過使用所述與溫度相關的電流可以在實施例中將電晶體36確定為較小的尺寸。這原因在於，一般需要這樣為電晶體確定尺寸，以使得限制溫度升高並且不超過最大溫度，在所述最大溫度下電晶體準確地工作或者不被損壞。如果電晶體的溫度已經是高的，則由此與當電晶體的溫度是低的時相比，僅僅還允許相對較小的溫度升高。然而，因為在較高的溫度下在實施例中如同參考圖7所述的那樣使較小的電流流過電晶體，所以在此發熱是較小的。由此可以將電晶體確定為較小的尺寸。這參考圖8還詳細地說明。

在圖8中，曲線80表示用於示例電晶體36的所允許的溫度升高。在此例如要求，在150℃下允許電晶體的溫度升高最大是10k。曲線81表示與溫度無關的如同用於傳統的電荷泵電路中那樣的電流。此外示出單個的點，所述點表示對於示例性的溫度的與溫度相關的如同用於所述實施例中那樣的電流。對於這些溫度，此外不僅示出對於與溫度無關的電流而且示出對於與溫度相關的電流的電晶體的溫度升高。如同所示地，例如在150℃下對於與溫度相關的電流的溫度升高處於曲線80的下方，而所述溫度升高對於與溫度無關的如同用於傳統的電荷泵電路中那樣的電流而言處於曲線80的上方。由此，在如同用於傳統的電荷泵電路中那樣的恆定的電流(曲線81)的情況中，必須相應地增大電晶體36的面積，以便減小溫度升高。與此相反地，由此在本發明的實施例中可以使用較小尺寸的電晶體。在一些實施例中，電晶體36的面積減小在此可以達到40-50％範圍內，例如大約45％，這例如對於整個電荷泵電路而言可以導致節省面積大約3-4％。例如，對於恆定的偏置電流的情況下，電晶體面積大約是17000μm2，而對於與溫度相關的偏置電流，電晶體面積肯定是小於10000μm2的，例如僅僅大約是9000μm2。然而所述數值僅僅作為示例理解，並且為了說明在一些情況下僅僅能夠使用這些實施例。根據實施方案和實施例也可以適用其他數值。

接著參考圖9說明一個實施例，其中，特別是示出圖5的用於產生電流intat、ibg和電流總和in的電流源50，51在電路技術方面一種可能的實現方案。圖9的電路耦合在正的供應電壓912和較低的供電電壓913、例如地線之間。供應電壓912可以例如相應於圖5的供應電壓37，並且較低的供電電壓913可以相應於地線。

圖9的電路包括pmos電晶體90，91，93，94、nmos電晶體914，915，916，911和917、雙極型電晶體92，97和98以及差分放大器99，這些如圖9所示地連接。特別是電晶體93和94以及916和917分別連接為電流鏡。此外，電晶體914和915通過差分放大器99控制，並且具有參數比y(電晶體915，也稱為m7)比1(電晶體914，也稱為m6)。通過這個參數比可以調節電流intat的大小。電晶體917(也稱為m5)和916(也稱為m4)的參數比是x:1。通過這個參數比可以調節與溫度無關的電流ibg的大小。將電流intat和ibg求和並且接著通過電流鏡93，94輸出作為電流in。

此外，圖9的電路包括與溫度相關的具有正溫度係數(ptat，英語為「positivetoabsolutetemperature」)的電阻95，96，910。vref表示帶隙參考電壓。電阻95，96，910能夠以任何一個傳統的方式例如自身公知地實施。

電流ibg基本上通過pmos電晶體90，91、雙極型電晶體97，98和電阻910產生，所述雙極型電晶體在所示的示例中具有1:8的參數比(其中，在其他是實施例中可以使用另外的參數比)，並且所述電流接著通過電流鏡916，917接通。通過電路元件90，91，97，98在電阻910上電壓下降δvbe，所述電壓基於帶隙電壓和所使用的電路元件的溫度相關性具有正的溫度相關性。結合電阻910的同樣為正的溫度相關性，得出至少基本上與溫度無關的電流ibg，因為當溫度係數相應地彼此適配時，在具有正的溫度係數的電阻上的具有正的溫度係數的電壓降會得出基本上與溫度無關的電流。

具有負的溫度係數的電流intat基本上通過如下方式產生，即在具有正的溫度係數的電阻96上施加帶隙參考電壓vref，所述帶隙參考電壓基本上藉助於電晶體911(其與電晶體916形成另一個電流鏡)、電晶體92和電阻95產生。然後，藉助於通過差分放大器99的電路將帶隙電壓施加到電阻96上，並且通過電晶體914，915相應地調節電流intat。

以這種方式能夠產生具有期望的溫度特性的電流in，所述電流可以接著使用在圖5的電路中。然而圖9的電路僅僅應當理解為一個示例，並且也可以使用其他的電路來提供具有期望的溫度特性的電流。

在圖10中示出用於說明根據一個實施例的方法的流程圖。所有藉助圖1-9的裝置所討論的變化、特性和變型也能夠用於圖10的方法。圖10的方法特別是可以藉助於上文所討論的裝置實施。

在圖10的步驟100中提供一個電荷泵。電荷泵例如可以如前所述地實施。

在步驟101中接著給電荷泵供應與溫度相關的偏置電流，以便減小例如電磁輻射。電流在此可以特別是隨著升高的溫度而降低，並且特別是如前所述地具有直流電流分量以及與絕對溫度成負比例的分量。也就是說，與溫度相關的電流可以例如通過公式i(t)＝i0–a·t來表示，其中，i(t)是與溫度相關的電流，i0是直流電流分量，並且a是正的比例係數。

在此，溫度相關性可以特別是，所述電流在0℃和100℃之間降低至少10％、至少20％、至少30％或至少40％。

前述的實施例僅僅用於說明，並且其他實施方案也是可能的。