多輸出電荷泵及其操作方法
2023-05-05 10:27:06 1
專利名稱：多輸出電荷泵及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種多輸出電荷泵及操作該多輸出電荷泵的方法。
背景技術：
有三種方法通常用來實現DC到DC轉換器-將電池或DC電壓源轉換到一不同的DC電壓的電子電路。這些方法包括線性調控(linear regulation)、感性開關調控器(inductive switching regulator)或者所謂的「開關模式電源」、以及開關電容轉換器(switched capacitor converter)(也稱為電荷泵(charge pump))。在這些方法之中，電荷泵由於它的簡單、划算並且相對低噪聲的操作而很有價值。在某些情況下，電荷泵可以以很高的轉換效率操作，但不能在基於開關電感器的轉換器能夠實現的寬範圍條件下操作。電荷泵的操作原理是簡明易懂的:包括按交替順序操作的充電階段和電荷轉移階段。如
圖1A所示，現有技術的電荷泵倍壓器型電路I包括四個M0SFET、一不永久附接到任何具體供應電壓的飛馳電容器(flying capacitor)、以及一接地的輸出濾波電容器。在充電階段中，連接電池的M0SFET3和接地的M0SFET2被接通並且允許傳導電流並對電容器5充電，從而將該電容器與電池或輸入到電路的電壓並聯連接。M0SFET1和4在操作的充電階段期間保持關斷。該充電電流在示意圖1中由虛線和箭頭指示。在某段時間之後，電容器5充電到與電池電壓Vbatt相等的電壓，並且充電電流減退。在電荷轉移階段期間，電容器5與電池串聯連接，具體而言，其負端子短接到電池的正端子，這是通過接通M0SFET1而實現的。堆疊在電池輸入上的電容器5的串聯組合的電壓具有Vbatt+Vbatt=2Vbatt的電壓，或者說電池電壓的兩倍，因此該電荷泵被賦予名稱「倍壓器」(doubler)。該串聯電路通過接通M0SFET4而同時連接到輸出電容器6。電容器5隨後將其電荷轉移到輸出電容器6，直到Vtjut — 2Vbatt，如實線和箭頭所示。在輸出電容器6的初始充電之後，電荷泵的操作變得高效，因為唯一流動的電流是對在輸出電容器6上損耗的、提供給負載的電荷進行補充所需的電流。只要期望的輸出電壓是電池電壓的兩倍，即2Vbatt，倍壓器電荷泵I的效率就很高，甚至達到98%。實際輸出電壓Vwt與電荷泵的理想輸出VCP=n.Vin之間的任何偏差都將導致由以下關係式給出的效率的損耗:
權利要求
1.一種多輸出電荷泵,包括: 第一和第二飛馳電容器； 第一和第二輸出節點； 耦接到所述第一輸出節點和地的第一輸出電容器； 耦接到所述第二輸出節點和地的第二輸出電容器；以及 切換電路，配置為在第一操作模式期間對所述第一和第二飛馳電容器充電，在第二操作模式期間將第一組第一和第二飛馳電容器耦接到第一參考電壓和所述第一輸出節點，以將所述第一輸出電容器充電到第一充電電壓，以及在第三操作模式期間將第二組第一和第二飛馳電容器耦接到第二參考電壓和所述第二輸出節點，以將所述第二輸出電容器充電到具有不同於所述第一充電電壓的大小的第二充電電壓。
2.如權利要求1所述的多輸出電荷泵，還包括控制電路，配置為驅動所述切換電路以重複的序列選擇第一、第二和第三操作模式。
3.如權利要求2所述的多輸出電荷泵，其中所述重複的序列遵循第一模式、第二模式、第一模式、第三模式的樣式。
4.如權利要求2所述的多輸出電荷泵，其中所述重複的序列遵循第一模式、第二模式、第三模式的樣式。
5.如權利要求1所述的多輸出電荷泵，其中所述第一組包含並聯的第一和第二飛馳電容器。
6.如權利要求5所述的多輸出電荷泵，其中所述第一參考電壓近似等於輸入電壓。`
7.如權利要求6所述的多輸出電荷泵，其中所述第一充電電壓近似等於輸入電壓的1.5 倍。
8.如權利要求5所述的多輸出電荷泵，其中所述第二組包含並聯的第一和第二飛馳電容器。
9.如權利要求8所述的多輸出電荷泵，其中所述第二參考電壓近似為地。
10.如權利要求9所述的多輸出電荷泵，其中所述第二充電電壓近似為輸入電壓的一半。
11.如權利要求5所述的多輸出電荷泵，其中所述第二組包含串聯的第一和第二飛馳電容器。
12.如權利要求11所述的多輸出電荷泵，其中所述第一參考電壓近似為地。
13.如權利要求12所述的多輸出電荷泵，其中所述第一充電電壓近似為輸入電壓的一半。
14.如權利要求11所述的多輸出電荷泵，其中所述第二參考電壓近似為地。
15.如權利要求14所述的多輸出電荷泵，其中所述第二充電電壓近似為輸入電壓。
16.如權利要求1所述的多輸出電荷泵，其中所述第一組包含串聯的第一和第二飛馳電容器，並且所述第二組包含串聯的第一和第二飛馳電容器。
17.如權利要求16所述的多輸出電荷泵，其中所述第一參考電壓近似為地。
18.如權利要求17所述的多輸出電荷泵，其中所述第一充電電壓近似為輸入電壓。
19.如權利要求16所述的多輸出電荷泵，其中所述第二參考電壓近似為地。
20.如權利要求19所述的多輸出電荷泵，其中所述第二充電電壓近似為輸入電壓的兩倍或更多倍。
21.—種操作多輸出電荷泵的方法，所述多輸出電荷泵包含第一飛馳電容器、第二飛馳電容器、第一輸出節點、第二輸出節點、耦接到所述第一輸出節點和地的第一輸出電容器、耦接到所述第二輸出節點和地的第二輸出電容器，所述方法包括: 在第一操作模式期間，將第一和第二飛馳電容器串聯耦接在輸入電壓和地之間，以對所述第一和第二飛馳電容器充電； 在第二操作模式期間，將第一組第一和第二飛馳電容器耦接到第一參考電壓和所述第一輸出節點，以將所述第一輸出電容器充電到第一充電電壓，以及 在第三操作模式期間，將第二組第一和第二飛馳電容器耦接到第二參考電壓和所述第二輸出節點，以將所述第二輸出電容器充電到具有不同於所述第一充電電壓的大小的第二充電 電壓。
全文摘要
本發明公開了一種多輸出電荷泵及其操作方法。本發明的一個實施例的多輸出電荷泵包括第一和第二飛馳電容器；第一和第二輸出節點；耦接到所述第一輸出節點和地的第一輸出電容器；耦接到所述第二輸出節點和地的第二輸出電容器；以及切換電路，配置為在第一操作模式期間對所述第一和第二飛馳電容器充電，在第二操作模式期間將第一組第一和第二飛馳電容器耦接到第一參考電壓和所述第一輸出節點，以將所述第一輸出電容器充電到第一充電電壓，以及在第三操作模式期間將第二組第一和第二飛馳電容器耦接到第二參考電壓和所述第二輸出節點，以將所述第二輸出電容器充電到具有不同於所述第一充電電壓的大小的第二充電電壓。
文檔編號H02M3/07GK103107694SQ20131001258
公開日2013年5月15日 申請日期2008年8月5日 優先權日2007年8月8日
發明者理察.K.威廉士 申請人:先進模擬科技公司