快速瞬態響應的電荷泵電路系統的製作方法

2023-12-03 15:48:11 1

本發明涉及電子技術領域，具體涉及一種電源系統。

背景技術：

電荷泵是利用電容作為儲能元件的一種開關電源，其內部通過控制開關管陣列來控制電容的充放電，實現電壓轉化，依據不同的拓撲結構，可以實現升壓、降壓和電壓反轉功能，由於電荷泵電路外接電路簡單，且沒有使用電感作為儲能元件，因而電磁幹擾小，廣泛應用於測量儀器、數位相機及可攜式通信設備中，瞬態響應是衡量電源系統性能的一個重要指標，反映了電源系統對負載發生階躍變化時其輸出電壓能夠快速響應的能力，典型的電荷泵電路應用系統如圖1和圖2所示，當負載電流ILOAD跳變時，由於電路的輸出電壓無法瞬態跟蹤負載電流的快速變化，易於造成輸出電壓較大波動，使得系統的正常工作面臨很大的挑戰。

技術實現要素：

本發明的目的在於，提供一種快速瞬態響應的電荷泵電路系統，解決以上技術問題；

本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現：

快速瞬態響應的電荷泵電路系統，其中，包括一電荷泵電路，用於提供一輸出電壓至一受控負載；所述電荷泵電路包括：

一誤差放大器，對一參考電壓和一採樣自所述輸出電壓的電壓反饋信號進行比較產生一誤差放大信號，所述誤差放大器於一第二控制信號的作用下於具有第一增益的電路拓撲和具有第二增益的電路拓撲之間切換以改變所述誤差放大信號的大小；

一電荷泵控制電路，於所述誤差放大信號的作用下產生一組開關控制信號；

一設置有儲能電容的工作電路，於所述開關控制信號作用下改變所述儲能電容的充放電時間，以穩定輸出電壓。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述第二控制信號通過一控制電路產生。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述控制電路還用於產生一第一控制信號，所述第一控制信號控制所述受控負載的負載電流降低或增加，所述控制電路於所述負載電流降低或增加之前的預定時間內產生所述第二控制信號。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述工作電路包括，

一輸入電壓端，與一工作電壓連接；

一輸出電壓端，用於提供輸出電壓；

第一開關支路，連接於所述輸入電壓端和一第一參考節點之間；

第二開關支路，連接於所述第一參考節點和接地端之間；

第三開關支路，連接於所述輸出電壓端和一第二參考節點之間；

第四開關支路，連接於所述第二參考節點和接地端之間；

所述第一開關支路、所述第二開關支路、所述第三開關支路和所述第四開關支路的控制端分別與所述開關控制信號連接；

所述儲能電容連接於所述第一參考節點和所述第二參考節點之間；

所述工作電路於充電模式時，所述第一開關支路和所述第四開關支路導通，所述第二開關支路和所述第三開關支路斷開，所述輸入電壓端向所述儲能電容充電；

所述工作電路於放電模式時，所述第二開關支路和所述第三開關支路導通，所述第一開關支路和所述第四開關支路斷開，自所述儲能電容兩端向所述輸出電壓端放電。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述電壓反饋信號通過一反饋網絡產生，所述反饋網絡主要由一電阻分壓電路形成，所述電阻分壓電路包括預訂數量且相互串聯地連接於所述輸出電壓端與接地端之間的分壓電阻，所述分壓電阻間相連接的點形成分壓節點，所述電壓反饋信號自所述分壓節點引出。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述誤差放大器包括，

工作電壓端，用於輸入所述工作電壓；

第一輸入端，用於輸入一第一輸入信號；

第二輸入端，用於輸入一第二輸入信號；

輸出端，用於輸出所述誤差放大信號；

複數個MOS管組成的差分放大電路，可控制地連接於所述工作電壓端、所述接地端、所述第一輸入端、所述第二輸入端及所述輸出端之間，用於對 所述第一輸入信號和所述第二輸入信號進行差分放大以輸出所述誤差放大信號；

所述差分放大電路中預定的所述MOS管的兩端並聯一第二MOS管，所述第二MOS管的柵極與預定的所述MOS管的柵極之間連接一開關支路，所述開關支路於所述第二控制信號的作用下導通或斷開，以實現所述差分放大電路於所述具有第一增益的電路拓撲和所述具有第二增益的電路拓撲之間切換。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述差分放大電路包括，

第一PMOS管，其源極連接一第一交匯節點，其漏極連接一第二交匯節點，其柵極連接所述第一輸入端；

第二PMOS管，其源極連接所述第一交匯節點，其漏極連接一第三交匯節點，其柵極連接所述第二輸入端；

第三PMOS管，其柵極連接一第一偏置電壓，其源極連接所述工作電壓端，漏極連接所述第一交匯節點，於所述第一偏置電壓的作用下提供第一偏置電流。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，還包括一第四PMOS管，並聯於所述第三PMOS管的源極和漏極之間，所述第四PMOS管的柵極與所述第三PMOS管的柵極之間連接一第五開關支路，所述第五開關支路於所述第二控制信號的作用下導通時，所述第二PMOS管與所述第一PMOS管同步工作，以改變所述第一偏置電流的大小。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述差分放大電路包括，

第一NMOS管，連接於所述第二交匯節點和電源地之間，其柵極連接 一第二偏置電壓；

第二NMOS管，連接於所述第三交匯節點和電源地之間，其柵極連接所述第二偏置電壓；

所述第一NMOS管和所述第二NMOS管於所述第二偏置電壓的作用下以產生第二偏置電流。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，所述差分放大電路還包括，

第三NMOS管，並聯於所述第一NMOS管的源極和漏極之間，所述第三NMOS管的柵極與所述第一NMOS管的柵極之間連接一第六開關支路，所述第六開關支路於所述第二控制信號的作用下導通時，所述第三NMOS管與所述第一NMOS管同步工作；

第四NMOS管，並聯於所述第二NMOS管的源極和漏極之間，所述第四NMOS管的柵極與所述第二NMOS管的柵極之間連接一第七開關支路，所述第七開關支路於所述第二控制信號的作用下導通時，所述第四NMOS管與所述第二NMOS管同步工作。

有益效果：由於採用以上技術方案，本發明於負載電流突變之前改變誤差放大器的增益，減小輸出電壓的波動，可以增強瞬態響應，改善系統性能。

附圖說明

圖1為傳統的電源系統結構圖；

圖2為傳統的輸出電壓和負載電流的波形圖；

圖3為本發明的電源系統結構圖；

圖4為本發明的電荷泵電路結構示意圖；

圖5為本發明的第二控制信號、誤差放大信號、輸出電壓、負載電流的波形圖；

圖6為本發明的誤差放大器的電路結構示意圖；

圖7為本發明的第五開關支路示意圖；

圖8為本發明的第六開關支路示意圖；

圖9為本發明的第七開關支路示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為本發明的限定。

參照圖3、圖4，快速瞬態響應的電荷泵電路系統，其中，包括一電荷泵電路1，用於提供一輸出電壓Vout至一受控負載3；電荷泵電路1包括：

一誤差放大器123，對一參考電壓Vref和一採樣自輸出電壓Vout的電壓反饋信號Vfb進行比較產生一誤差放大信號Iea，誤差放大器123於第二控制信號s2的作用下具有第一增益的電路拓撲和具有第二增益的電路拓撲之間切換以改變誤差放大信號Iea大小；

一電荷泵控制電路121，於誤差放大信號Iea的作用下產生一組開關控制信號；

設置有儲能電容的工作電路，於開關控制信號作用下改變儲能電容的充放電時間，以穩定輸出電壓。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，第二控制信號s2通過一控制電路2產生。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，控制電路2還用於產生一第一控制信號s1，控制電路於第一控制信號s1控制受控負載3的負載電流Iload增加或降低之前的預定時間內產生所述第二控制信號s2。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，工作電路可以包括，

一輸入電壓端，與一工作電壓VDD連接；

一輸出電壓端，用於提供輸出電壓Vout；

第一開關支路，連接於輸入電壓端和一第一參考節點x1之間；

第二開關支路，連接於第一參考節點x1和接地端GND之間；

第三開關支路，連接於輸出電壓端和一第二參考節點x2之間；

第四開關支路，連接於第二參考節點x2和接地端GND之間；

第一開關支路、第二開關支路、第三開關支路和第四開關支路的控制端分別與開關控制信號連接；

儲能電容C1連接於第一參考節點x1和第二參考節點x2之間；

工作電路於充電模式時，第一開關支路和第四開關支路導通，第二開關支路和第三開關支路斷開，輸入電壓端向儲能電容C1充電；

工作電路於放電模式時，第二開關支路和第三開關支路導通，第一開關支 路和第四開關支路斷開，自儲能電容C1兩端向輸出電壓端放電。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，電壓反饋信號Vfb可以通過一反饋網絡13產生，反饋網絡13主要由一電阻分壓電路形成，電阻分壓電路包括預訂數量且相互串聯地連接於輸出端與接地端之間的分壓電阻，分壓電阻間相連接的點形成分壓節點，電壓反饋信號Vfb自分壓節點引出。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，誤差放大器123包括，

工作電壓端，用於輸入一工作電壓VDD；

第一輸入端Vin1，用於輸入一第一輸入信號；

第二輸入端Vin2，用於輸入一第二輸入信號；

輸出端EAout，用於輸出誤差放大信號Iea；

複數個MOS管組成的差分放大電路，可控制地連接於工作電壓端、接地端、第一輸入端Vin1、第二輸入端Vin2及輸出端EAout之間，用於對第一輸入信號和第二輸入信號進行差分放大以輸出誤差放大信號EAout；

差分放大電路中預定的MOS管的兩端並聯一第二MOS管，第二MOS管的柵極與預定的MOS管的柵極之間連接一開關支路，開關支路於第二控制信號s2的作用下導通或斷開，以實現該差分放大電路具有第一增益的電路拓撲和具有第二增益的電路拓撲之間切換。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，差分放大電路包括，

第一PMOS管M1，其源極連接一第一交匯節點A，其漏極連接一第二交匯節點X，其柵極連接第一輸入端Vin1；

第二PMOS管M2，其源極連接第一交匯節點A，其漏極連接一第三交匯節點Y，其柵極連接第二輸入端Vin2；

第三PMOS管M11，其柵極連接一第一偏置電壓Vb5，其源極連接工作電壓VDD，漏極連接第一交匯節點A，於第一偏置電壓Vb5的作用下提供第一偏置電流。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，還包括一第四PMOS管M12，並聯於第三PMOS管M11的源極和漏極之間，第四PMOS管M12的柵極與第三PMOS管M11的柵極之間連接一第五開關支路，第五開關支路於第二控制信號s2的作用下導通時，第二PMOS管M2與第一PMOS管M1同步工作，以改變第一偏置電流的大小。如圖7所示，第五開關支路於第二控制信號s2的作用下導通時，第四PMOS管M12的柵極Vb6與第一偏置電壓Vb5連通。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，差分放大電路包括，

第一NMOS管M5，連接於第二交匯節點X和電源地GND之間，其柵極連接一第二偏置電壓；

第二NMOS管M6，連接於第三交匯節點Y和電源地之間，其柵極連接第二偏置電壓Vb4；

第一NMOS管M5和第二NMOS管M6於第二偏置電壓Vb4的作用下以產生第二偏置電流。

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，差分放大電路還可以進一步包括，

第三NMOS管M13，並聯於第一NMOS管M5的源極和漏極之間，第三NMOS管M13的柵極與第一NMOS管M5的柵極之間連接一第六開關支路，第六開關支路於第二控制信號s2的作用下導通時，第三NMOS管M13 與第一NMOS管M5同步工作；如圖8所示，第六開關支路於第二控制信號s2的作用下導通時，第三NMOS管M13的柵極Vb7與第二偏置電壓Vb4連通；

第四NMOS管M14，並聯於第二NMOS管M6的源極和漏極之間，第四NMOS管M14的柵極與第二NMOS管M6的柵極之間連接一第七開關支路，第七開關支路於第二控制信號s2的作用下導通時，第四NMOS管M14與第二NMOS管M6同步工作。如圖9所示，第七開關支路於第二控制信號s2的作用下導通時，第四NMOS管M14的柵極Vb8與第二偏置電壓Vb4連通；

本發明的快速瞬態響應的電荷泵電路系統，差分放大電路主要採用差分輸入單端輸出的共源共柵結構。優選採用摺疊共源共柵結構，以提高增益，及增加電源電壓的噪聲抑制能力。

如圖5的波形圖可以看出，本發明於負載電流突變之前產生第二控制信號以改變誤差放大器在具有第一增益的電路拓撲和具有第二增益的電路拓撲之間切換，可以減小輸出電壓的波動，增強瞬態響應，改善系統性能。

以上所述僅為本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。