一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法
2023-10-19 18:28:42 2
一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法
【專利摘要】本發明提供一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法，所述電路包括：用於根據輸出電壓的變化產生使能信號的使能信號產生電路，其通過控制所述升壓模塊的工作狀態調節輸出電壓，最終輸出電壓控制在一個允許的範圍內波動；連接於所述使能信號產生電路的升壓模塊；用於轉移所述升壓模塊中的電荷的泵電容以及連接於所述升壓模塊輸出端，用於儲存電荷並輸出相應電壓的輸出電容。所述方法包括：使能信號起效，升壓模塊工作；Vbg、Vin及Vout生成使能信號；Vout升高至(Vout－Vin)大於Vref1時功率管關斷，Vout下降；Vout降低至(Vout－Vin)小於Vref2時，升壓模塊工作；Vout最終在Vref1與Vref2之間波動。本發明兼顧了低輸出紋波、高電源效率及快負載瞬態響應速度，有效改善電荷泵的性能。
【專利說明】一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及集成電路【技術領域】，特別是涉及一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法。
【背景技術】
[0002]電荷泵(Charge Pump)電路廣泛適用於集成電路系統,是一種基於單一供應電壓而輸出電壓不同於供應電壓的電路。電荷泵經常用於存儲器電路，特別是需要高於一般供應電壓的快閃記憶體或相變存儲器(Phase Change Memory, PCM)。
[0003]以PCM為例，PCM進行編程操作時，需要電荷泵輸出4.2V~4.3V的電壓，IOOmA的電流，將相變材料融化冷卻後置為高阻態。但隨著半導體工藝尺寸的逐漸減小，電源電壓也在逐漸下降，在40nm工藝PCM的一些應用中，整個晶片只有一個1.8V~2.5V的電源電壓，要輸出4.2V~4.3V電壓以滿足PCM的編程需求，必須使用電荷泵對電源電壓進行升壓。
[0004]直流-直流變換器(DC-DC Converter)主要有三種:開關電容電荷泵，採用電感的直流-直流變換器和Dickson電荷泵。與另外兩種相比，開關電容電荷泵放大倍數適中，電磁幹擾較小，輸出響應速度較快，能夠兼顧低輸出紋波和高電源效率。本發明討論的電荷泵即為開關電容電荷泵。
[0005]圖1~圖2為開關電容電荷泵的典型工作方式，電容Cf上下兩個開關由系統生成的非交疊時鐘控制。如圖1所示為開關電容電荷泵的充電階段，電容Cf的上極板接輸入電壓vin，下極板接地，經過一段時間後，電容Cf被充電至輸入電壓Vin ;如圖2所示為開關電容電荷泵的放電階段，電容Cf的上極板切換至輸出電容Cwt，下極板切換至輸入電壓Vin，在開關切換的一瞬間電容Cf上下極板之間的電壓差不變。由於下極板的電壓從O上升至輸入電壓Vin，上極板的電壓必須從輸入電壓Vin上升至2Vin，才能滿足電容Cf上下極板之間的電壓差不變，電容Cf上電荷被轉移至輸出電容Ctjut,輸出電壓Vtjut相較於輸入電壓Vin增大了 2倍，實現了升壓的目的。
[0006]但此種電荷泵存在三個問題:第一，如果2Vin大於V-，當電容(^連接至輸出電壓Vout時則會與輸出電容Ctjut進行電荷分享，造成輸出電壓Vtjut較大的紋波，同時電荷分享本身也會影響電荷泵工作效率。第二，電荷泵開關一般採由MOSFET電晶體，又稱功率管，升壓模塊中一般有上千個功率管。當輸出電壓不變即負載電流為零時，功率管依然受外部非交疊時鐘信號控制做開關運動，浪費了功耗。第三，當電荷泵從輕負載切換到重負載時，瞬態響應速度慢。
[0007]如何改善開關電容電荷泵的性能是本領域的技術人員亟待解決的問題。
【發明內容】
[0008]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法，用於解決現有技術中電荷泵的輸出電壓紋波大、浪費功耗以及瞬態響應速度慢等問題。[0009]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種電荷泵電路，所述電荷泵電路至少包括:
[0010]使能信號產生電路，升壓模塊，泵電容及輸出電容；
[0011]所述使能信號產生電路用於根據所述升壓模塊輸出電壓的變化，產生使能信號，所述使能信號通過控制所述升壓模塊的工作狀態調節其輸出電壓，以將所述輸出電壓控制在一個預設範圍內波動；
[0012]所述升壓模塊受所述使能信號產生電路輸出的使能信號控制實現升壓功能；
[0013]所述泵電容連接於所述升壓模塊，用於轉移所述升壓模塊中的電荷；
[0014]所述輸出電容連接於所述升壓模塊，用於儲存所述泵電容輸出的電荷並輸出相應的電壓。
[0015]優選地，所述使能信號產生電路包括:
[0016]參考電壓Vrefl產生電路，參考電壓VMf2產生電路，減法器，第一放大器，第二放大器，第一反相器，第二反相器，上升沿觸發器，下降沿觸發器及與門；
[0017]所述參考電壓VMfl產生電路及所述參考電壓VMf2產生電路分別用於產生參考電壓Vrefl及參考電壓Vref2 ；
[0018]所述減法器用於對電壓V^jPVin做減法運算，得到運算結果(Vwt — Vin)；
[0019]所述第一放大器連接於所述參考電壓VMfl產生電路及所述減法器，對參考電壓Vrefl及所述減法器輸出的運算結果(Vtjut — Vin)進行比較，並輸出比較結果；
[0020]所述第二放大器連接於所述參考電壓VMf2產生電路及所述減法器，對參考電壓Vref2及所述減法器輸出的運算結果(Vtjut - Vin)進行比較，並輸出比較結果；
[0021]所述第一反相器連接於所述第一放大器，對所述第一放大器輸出的比較結果取反；所述第二反相器連接於所述第二放大器，對所述第二放大器輸出的比較結果取反；所述上升沿觸發器連接於所述第一反相器，當所述第一反相器輸出的信號從低電平跳變到高電平時，所述上升沿觸發器輸出高電平信號；
[0022]所述下降沿觸發器連接於所述第二反相器，當所述第二反相器輸出的信號從高電平跳變到低電平時，所述下降沿觸發器輸出低電平信號；
[0023]所述與門連接於所述上升沿觸發器及所述下降沿觸發器，對所述上升沿觸發器及所述下降沿觸發器輸出的結果做與運算，得到所述升壓模塊的使能信號。
[0024]更優選地，所述參考電壓VMfl的值大於所述參考電壓Vref2的值。
[0025]更優選地，所述第一放大器及所述第二放大器為軌對軌放大器。
[0026]更優選地，從(Vwt— VJ大於Vrefl的Vwt升高階段到(Vrat — Vin)大於Vref2的Vwt降低階段，所述使能信號產生電路輸出高電平信號；其餘情況，所述使能信號產生電路輸出低電平信號。
[0027]優選地，所述升壓模塊的使能信號低有效。
[0028]優選地，所述升壓模塊最終輸出的電壓在Vref2~Vrefl之間波動。
[0029]為實現上述目的及其他相關目的，本發明還提供一種電荷泵的輸出電壓自動調節方法，所述電荷泵的輸出電壓自動調節方法至少包括:
[0030]步驟一:初始階段，使能信號產生電路輸出的使能信號Enable起效，升壓模塊開始正常工作；[0031 ] 步驟二:所述使能信號產生電路根據基準電壓Vbg、輸入電壓Vin及所述升壓模塊反饋的輸出電壓Vtjut產生所述使能信號Enable ；
[0032]步驟三:所述輸出電壓Vwt升高至(ν_ —Vin)大於參考電壓Viefl時，所述使能信號Enable為高電平，所述升壓模塊中所有功率管關斷，輸出電壓Vwt開始下降；
[0033]步驟四:所述輸出電壓Vwt降低至(Vrat-Vin)小於參考電壓VMf2時，所述使能信號Enable為低電平，所述升壓模塊正常工作；
[0034]步驟五:最終輸出電壓Vwt在Vref2與Vrefl之間波動。
[0035]優選地，在步驟二中，參考電壓VMfl與(Vtjut — Vin)比較後取反，生成第一比較結果，採集所述第一比較結果中的上升沿；參考電壓Vref2與(Vrat-Vin)比較後取反，生成第二比較結果，採集所述第二比較結果中的下降沿；將採集到的兩組信號做與運算得到使能信號 Enable。
[0036]優選地，所述參考電壓Vraf fV。— Vi^k1 (V。— Vout),所述參考電壓U0 —Vin+k2(V0 — Vtjut)，其中，V。為電荷泵的預期輸出電壓，Ic1和k2為內部電路設定的係數，其中Ii1Sk2。
[0037]如上所述，本發明的電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法，具有以下有益效果:
[0038]本發明的電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法通過一個使能信號來控制電荷泵升壓模塊，由於使能信號的存在，充電階段泵電容並未充滿，降低了電荷分享對輸出紋波的影響；從(Vout — Vin)大於Vrrfl的Vwt升高階段，到(Vwt — Vin)大於Vm2的Vrat降低階段，所有功率管都處於 關斷狀態，減少再分配功耗和開關功耗，電源效率得到了提高，特別是在輕負載情況下；當電荷泵從輕負載向重負載切換時，Vrat下降。Vrefl和VMf2也會馬上跟隨Vtjut變化，接著Enable信號持續時間變短，Vout立即上升，響應時間在一到兩個時鐘周期之間，有著快速的負載瞬態響應。本發明的電荷泵電路及其輸出電壓自動調節方法兼顧了低輸出紋波、高電源效率及快負載瞬態響應速度，有效改善電荷泵的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1顯示為現有技術中的開關電容電荷泵的充電原理示意圖。
[0040]圖2顯示為現有技術中的開關電容電荷泵的放電原理示意圖。
[0041]圖3顯示為本發明的電荷泵電路示意圖。
[0042]圖4顯示為本發明的使能信號產生電路示意圖。
[0043]圖5顯示為參考電壓產生電路示意圖。
[0044]圖6顯示為本發明的使能信號產生電路的波形示意圖。
[0045]圖7顯示為升壓模塊及電容構成的開關電容電荷泵電路示意圖。
[0046]圖8顯示為本發明的可選模式的電荷泵電路示意圖。
[0047]元件標號說明
[0048]I 電荷泵電路
[0049]11 使能信號產生電路
[0050]110參考電壓VMfl產生電路
[0051]111參考電壓Vref2產生電路[0052]112減法器
[0053]113第一放大器
[0054]114第二放大器
[0055]115第一反相器
[0056]116第二反相器
[0057]117上升沿觸發器
[0058]118下降沿觸發器
[0059]119與門
[0060]12升壓模塊
[0061]13參考電壓產生電路
[0062]131第三放大器
[0063]132第四放大器
[0064]14開關電容電荷泵電路
[0065]141數字控制電路
[0066]1410或門
[0067]1411電平位移器
[0068]1412與門
[0069]1413與門
[0070]1414電平位移器
[0071]1415或門
[0072]1416電平位移器
[0073]1417或門
[0074]1418與非門
[0075]1419電平位移器
[0076]2可選模式的電荷泵電路
[0077]21升壓倍數選擇模塊
[0078]22帶隙基準與過溫保護電路
[0079]23IMHz時鐘生成電路
[0080]24使能信號產生電路
[0081]25電路偏置模塊
[0082]26非交疊時鐘生成電路
[0083]27電源電壓選擇模塊
[0084]282 X /1.5 X 升壓模塊
【具體實施方式】
[0085]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用， 本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。[0086]請參閱圖3~圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0087]實施例一
[0088]如圖3所示，本發明提供一種電荷泵電路，所述電荷泵電路I至少包括:
[0089]使能信號產生電路11，升壓模塊12，泵電容Cfl、Cf2及輸出電容Ctjut。
[0090]如圖3所示，所述使能信號產生電路11連接於所述升壓模塊12的輸入端，用於根據輸出電壓Vrat的變化，產生使能信號Enable，所述使能信號Enable通過控制所述升壓模塊12的工作狀態調節輸出電壓Vwt。最終輸出電壓Vwt控制在一個允許的範圍內波動，所述升壓模塊最終輸出的電壓在Vref2~Vrefl之間波動，其中VMfl及VMf2為根據設計要求設定的參考電壓值。所述升壓模塊12的使能信號Enable低有效。
[0091]如圖4所示，所述使能信號產生電路11包括:參考電壓VMfl產生電路110，參考電壓Vr6f2產生電路111，減法器112，第一放大器113，第二放大器114，第一反相器115，第二反相器116，上升沿觸發器117，下降沿觸發器118及與門119。
[0092]所述參考電壓VMfl產生電路110及所述參考電壓VMf2產生電路111分別用於產生參考電壓VMfl及參考電壓Vmf2 ；
[0093]如圖4所示,所述參考電壓Vrafl產生電路110及所述參考電壓Vraf2產生電路111的輸入信號為基準電壓Vbg、輸入電壓Vin及從所述升壓模塊12反饋回來的輸出電壓Vwt，輸出信號為參考電壓vMfl及參考電壓Vraf2。
[0094]在本實施例中，所述參考電壓V,efl產生電路110及所述參考電壓V,ef2產生電路111可由圖5所示的參考電壓產生電路13實現。如圖5所述，所述參考電壓產生電路13由第三放大器131、第四放大器132及多個電阻組成，所述第三放大器131的第一輸入端連接基準電壓Vbg，第二輸入端連接電阻R1及R2,所述電阻R1的另一端連接輸入電壓Vin，所述電阻R2的另一端連接輸出電壓Vrat，所述第三放大器131的輸出端連接至電阻民及所述第四放大器132的第一輸入端，所述電阻R3的另一端反饋回所述第三放大器131的第二輸入端，所述第四放大器132的輸出端經串聯的電阻&及1?5分壓後反饋回所述第四放大器132的第二輸入端。該參考電壓產生電路13滿足如下公式:
【權利要求】
1.一種電荷泵電路，其特徵在於，所述電荷泵電路至少包括: 使能信號產生電路，升壓模塊，泵電容及輸出電容； 所述使能信號產生電路用於根據所述升壓模塊輸出電壓的變化，產生使能信號，所述使能信號通過控制所述升壓模塊的工作狀態調節其輸出電壓，以將所述輸出電壓控制在一個預設範圍內波動； 所述升壓模塊受所述使能信號產生電路輸出的使能信號控制實現升壓功能； 所述泵電容連接於所述升壓模塊，用於轉移所述升壓模塊中的電荷； 所述輸出電容連接於所述升壓模塊，用於儲存所述泵電容輸出的電荷並輸出相應的電壓。
2.根據權利要求1所述的電荷泵電路，其特徵在於:所述使能信號產生電路包括: 參考電壓VMfl產生電路，參考電壓VMf2產生電路，減法器，第一放大器，第二放大器，第一反相器，第二反相器，上升沿觸發器，下降沿觸發器及與門； 所述參考電壓Vrefl產生電路及所述參考電壓Vref2產生電路分別用於產生參考電壓VMfl及參考電壓VMf2 ； 所述減法器用於對電壓Vwt和Vin做減法運算，得到運算結果(Vwt-Vin)； 所述第一放大器連接於所述參考電壓Vrefl產生電路及所述減法器，對參考電壓Vrefl及所述減法器輸 出的運算結果(Vtjut - Vin)進行比較，並輸出比較結果； 所述第二放大器連接於所述參考電壓Vref2產生電路及所述減法器，對參考電壓Vref2及所述減法器輸出的運算結果(Vtjut - Vin)進行比較，並輸出比較結果； 所述第一反相器連接於所述第一放大器，對所述第一放大器輸出的比較結果取反；所述第二反相器連接於所述第二放大器，對所述第二放大器輸出的比較結果取反；所述上升沿觸發器連接於所述第一反相器，當所述第一反相器輸出的信號從低電平跳變到高電平時，所述上升沿觸發器輸出高電平信號； 所述下降沿觸發器連接於所述第二反相器，當所述第二反相器輸出的信號從高電平跳變到低電平時，所述下降沿觸發器輸出低電平信號； 所述與門連接於所述上升沿觸發器及所述下降沿觸發器，對所述上升沿觸發器及所述下降沿觸發器輸出的結果做與運算，得到所述升壓模塊的使能信號。
3.根據權利要求2所述的電荷泵電路，其特徵在於:所述使能信號產生電路中所述參考電壓Vrefl的值大於所述參考電壓Vref2的值。
4.根據權利要求2所述的電荷泵電路，其特徵在於:所述第一放大器及所述第二放大器為軌對軌放大器。
5.根據權利要求2所述的電荷泵電路，其特徵在於:從(Vout- Vin)大於Vrefl的Vwt升高階段到(Vwt - Vin)大於Vref2的Vtjut降低階段，所述使能信號產生電路輸出高電平信號；其餘情況，所述使能信號產生電路輸出低電平信號。
6.根據權利要求1所述的電荷泵電路，其特徵在於:所述升壓模塊的使能信號低有效。
7.根據權利要求1所述的電荷泵電路，其特徵在於:所述升壓模塊最終輸出的電壓在Vref2~Vref1之間波動。
8.一種電荷泵的輸出電壓自動調節方法，其特徵在於，所述電荷泵的輸出電壓自動調節方法至少包括:步驟一:初始階段，使能信號產生電路輸出的使能信號Enable起效，升壓模塊開始正常工作； 步驟二:所述使能信號產生電路根據基準電壓Vbg、輸入電壓Vin及所述升壓模塊反饋的輸出電壓Vtjut產生所述使能信號Enable ； 步驟三:所述輸出電壓Vrat升高至(Vwt — Vin)大於參考電壓VMfl時，所述使能信號Enable為高電平，所述升壓模塊中所有功率管關斷，輸出電壓Vrat開始下降； 步驟四:所述輸出電壓Vrat降低至(Vwt - Vin)小於參考電壓VMf2時，所述使能信號Enable為低電平，所述升壓模塊正常工作； 步驟五:最終輸出電壓Vtjut在Vref2與VMfl之間波動。
9.根據權利要求8所述的電荷泵的輸出電壓自動調節方法，其特徵在於:在步驟二中，參考電壓1丨與(Vrat-Vin)比較後取反，生成第一比較結果，採集所述第一比較結果中的上升沿；參考電壓1#2與(V- —Vin)比較後取反，生成第二比較結果，採集所述第二比較結果中的下降沿；將採集到的兩組信號做與運算得到使能信號Enable。
10.根據權利要求8所述的電荷泵的輸出電壓自動調節方法，其特徵在於:所述參考電壓 Vrefi=V。一 Vi^k1 (V0 — Vout)，所述參考電壓 \ef2=\ — vin+k2 (V0 — Vout)，其中，V。為電荷泵的預期輸出電壓，ki和k2為內·部電路設定的係數，其中ki>k2。
【文檔編號】H02M3/07GK103856044SQ201410100047
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】雷宇, 陳後鵬, 宋志棠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所