專利名稱：一種閉環(huán)控制電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換電路，特別是涉及一種用于升高電壓的閉環(huán)控制電荷泵 電路。
背景技術(shù)：
電源是便攜式電子設(shè)備的必備部分，通常電池是作為便攜式電子設(shè)備的供 電電源的主要形式。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備中元件日益多樣，而各種不 同元件對于供電電壓的需求往往不盡相同，因此，單憑電池本身無法滿足供電 需求，這就需要功率變換器來提供各種不同的輸出電壓或電流。而電荷泵電路 是功率變換器中應(yīng)用最廣的形式之一，尤其是用于提升供電電壓。例如，在
EPROM或者快閃存儲器(Flash)的寫入/擦除系統(tǒng)、液晶顯示器(LCD)系統(tǒng) 以及驅(qū)動模擬開關(guān)系統(tǒng)等需要提供高于電源電壓的場合，電荷泵電路都有著廣 泛的應(yīng)用。
電荷泵的基本思想是通過電容對電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高電勢，首先貯存 能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓，這種電荷泵也稱為 開關(guān)電容式電壓變換器，其利用電容的充放電來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，通過輸入時 序信號控制輸入回路和輸出回路輪流導(dǎo)通，通過調(diào)節(jié)時序信號的頻率來控制輸 出功率。
常用的Dickson電荷泵的基本原理如圖1A、 1B所示，其包括N+l "級" (stage)，每一級用于實現(xiàn)一定數(shù)值的增壓。單向二極管D (i)保證電荷只能 單向流動，各個充電電容C (i)的一端連接在二極管D (i)和D (i+l)之間， 另一端則通過反相器I (i)連接到時鐘信號CLK1、 CLK2,用于根據(jù)時鐘信號 CLK1、 CLK2進行電荷的存儲與釋放。其中，i=l， 2, N,時鐘信號CLK1、 CLK2互為相反，反相器I (i)可以提高電荷泵的性能但并非必需。關(guān)于上述 Dickson電荷泵的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能分析可以參見文獻a: Tom Tanzawa, Tomoharu Tanaka ， "A DynamicAnalysis of the Dickson Charge Pump Circuit" , IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 32, NO. 8, ppl231-1240,AUGUST 1997。
由于實際應(yīng)用中，被供電元件的工作功率并非恒定，因此，如果電荷泵始 終工作在同一狀態(tài)，在負載電流減小時，輸出端會出現(xiàn)電壓"紋波"，同時也 會造成能量的浪費。
為解決這些問題，現(xiàn)有技術(shù)所采用的方式是引入電荷泵控制電路。例如現(xiàn) 有技術(shù)的一種電荷泵控制裝置和方法是在電荷泵之前的電路中，包括一高頻振 蕩器以及一低頻振蕩器，分別用于輸出不同頻率的時鐘信號；以及一電壓檢測 器，連接并檢測電路電壓，以及連接控制一頻率選擇開關(guān)；所述頻率選擇開關(guān) 用于在所述高頻振蕩器與低頻振蕩器之間選擇。這種控制方法需兩個振蕩器， 且只能實現(xiàn)兩種控制頻率，無法滿足對于電荷泵輸出功率更精確的控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決電荷泵的輸出功率控制問題，克服現(xiàn)有電荷泵電路 輸出功率跟隨性差的缺點，電荷泵供電能力與負載實際所需的驅(qū)動能力保持一 致，提供一種能動態(tài)調(diào)節(jié)電荷泵的輸出功率的電荷泵控制電路。
為此，本發(fā)明提供的一種閉環(huán)控制電荷泵電路，包括基本電荷泵電路與控 制回路，其中，所述控制回路包括依次連接的下述電路
采樣電路，其連接到基本電荷泵的電壓輸出端，用于對其電壓值Vout進行 采樣，并按預(yù)定函數(shù)映射關(guān)系f生成與電壓值Vout相應(yīng)的釆樣電壓值VI;
比較器，用于將電壓值VI與預(yù)定參考電壓Vref進行比較，并輸出比較結(jié) 果V2;
振蕩控制電路，接收所述比較結(jié)果V2，并根據(jù)V2值生成控制信號Ctrl;
振蕩器，其振蕩頻率受所述控制信號Ctrl控制連續(xù)變化，并將振蕩頻率輸 出作為所述基本電荷泵的工作頻率。
較佳地，所述比較器和所述電流控制電路之間還連接一濾波電路，用于濾 除所述比較結(jié)果V2值的紋波。
較佳地，所述閉環(huán)控制電荷泵電路還包括一電荷泄放支路，其一端連接電 荷泵的電壓輸出端，另一端接地，用于釋放電壓輸出端的電荷，且其受所述比 較結(jié)果V2的控制而導(dǎo)通或關(guān)斷。 本發(fā)明的有益效果在于1、電荷泵電路的輸出功率隨負載變化而動態(tài)調(diào)節(jié)， 而不是一直工作于滿負荷狀態(tài)，有效降低了能量損耗；2、振蕩器頻率是連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)，而不是有限分立的調(diào)節(jié)，可以更好地跟隨實際負載電流的變化而調(diào)節(jié) 頻率，從而使整個電荷泵電路具有良好的功率跟隨特性，使電荷泵的供電功率
隨負載功率變化而相應(yīng)調(diào)整；3、由于加入了濾波電路，使電荷泵輸出電壓穩(wěn)定， 紋波較小；4、引入電荷泄放支路，可以快速釋放電壓輸出端的電荷，可以實現(xiàn) 快速調(diào)節(jié)。
圖1A是Dickson電荷泵的基本電路原理示意圖1B是圖1A中時鐘信號CLK1、 CLK2的時序示意圖2是電荷泵電路的滿負荷供電功率和實際所需供電功率比較圖3是電荷泵電路的供電功率與振蕩器頻率的關(guān)系示意圖4是本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的第 一 實施例電路模塊示意圖5是本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的第二實施例電路模塊示意圖6是本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的第三實施例電路模塊示意圖7是本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的第四實施例電路模塊示意圖。
具體實施例方式
圖2是電荷泵電路的滿負荷供電功率和實際所需供電功率比較圖，從圖中 可見，電荷泵供電的特點是實際所需功率是動態(tài)變化的，且這種變化通常是隨 機的，既無規(guī)律也難以預(yù)測，而且，為了滿足峰值需求，電荷泵電路的滿負荷 供電能力要大于實際需求供電功率的平均值，因此，電荷泵電路滿負荷供電將 造成電能的極大浪費。
圖3是電荷泵電路的供電功率與振蕩器頻率的關(guān)系示意圖，在電荷泵電路 的正常工作范圍內(nèi)，其供電功率與振蕩器頻率近似呈正比關(guān)系。關(guān)于電荷泵各 種性能指標的詳細分析現(xiàn)有技術(shù)中已有詳細論述，例如可以參見上述文獻a，在 此不再對其原理進行分析而直接引用結(jié)果。因此，這就給控制電荷泵電路的供 電功率提供了一條途徑一一控制振蕩器的時鐘頻率。本發(fā)明正是通過對電荷泵 輸出電壓進行采樣，再將采樣信號與設(shè)定的標準值進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果 的誤差信號控制振蕩器頻率來實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的。
本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的一實施例電路模塊示意圖如圖4所示。其中， 該閉環(huán)控制電荷泵電路圖4是本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的第二實施例電路模塊示意圖；荷泵電路10與控制回路，所述控制回路包括依次連接的采樣電路20， 比較器30，振蕩控制電路50和振蕩器60。其中，采樣電路20連接到基本電荷 泵的電壓輸出端，用于對其電壓值Vout進行采樣，并按預(yù)定函數(shù)映射關(guān)系f生 成與電壓值Vout相應(yīng)的采樣電壓值VI; VI連接到比較器30的一個輸入端， 預(yù)定參考電壓Vref連接到比較器的另一個輸入端，所述比較器30將電壓值VI 與預(yù)定參考電壓Vref進行比較，并輸出比較結(jié)果V2;振蕩控制電路50接收所 述比較結(jié)果V2，并根據(jù)V2值生成控制信號Ctrl;振蕩器60的振蕩頻率受所述 控制信號Ctrl控制連續(xù)變化，并將振蕩頻率輸出osc—clk作為所述基本電荷泵的 工作頻率。
其中負載15可以是任何需電荷泵供電的元件或裝置，如在EPROM或者 快閃存儲器的寫入/擦除系統(tǒng)、液晶顯示器系統(tǒng)以及驅(qū)動模擬開關(guān)系統(tǒng)等，lout 為負載電流。采樣電路20的功能一是對輸出電壓進行采樣，二是將采樣結(jié)果進 行變換使之適合比較器的輸入，對采樣結(jié)果根據(jù)函數(shù)關(guān)系f進行電壓變換的電路 實現(xiàn)同樣有多種形式， 一般來說，f應(yīng)選擇單調(diào)函數(shù)， 一種最簡單且便于實現(xiàn)的 方式是f為線性函數(shù)，例如，采樣電壓值VI正比于Vout的電壓值。此時，所 述采樣電路20可用電阻串聯(lián)分壓電路實現(xiàn)或電容分壓電路實現(xiàn)。
預(yù)定參考電壓Vref可由高精度基準電壓源芯片提供或由片內(nèi)的電路提供， 例如，理想負載供電電壓為Vd，則函數(shù)/(.)應(yīng)滿足￥<=/(^)
所述比較器30的作用是將電壓值VI與預(yù)定參考電壓Vref進行比較，并輸 出比較結(jié)果V2;為便于電路設(shè)計和對控制電路進行穩(wěn)定性分析，可令所述V2 與電壓值VI與預(yù)定參考電壓Vref的差值之間成線性關(guān)系，此時，所述比較器 可用運算放大電路實現(xiàn)。
所述振蕩控制電路的作用是根據(jù)比較結(jié)果V2產(chǎn)生控制信號Ctrl,根據(jù)振蕩 器60的類型，例如振蕩器60為電壓控制振蕩器或電流控制振蕩器，控制信號 Ctrl可為電壓或電流信號。
根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制電荷泵電路的一個優(yōu)選實施例，所述比較器和所述 電流控制電路之間還連接一濾波電路，用于濾除所述比較結(jié)果V2值的突變抖 動。其電路模塊示意圖如圖5所示。圖5所示的閉環(huán)控制電荷泵電路與圖3相 比，除增加了濾波電路40外，還包括一電荷泄放支路，其一端連接電荷泵的電 壓輸出端，另一端接地，用于釋放電壓輸出端的電荷，且其受所述比較結(jié)果V2 的控制而導(dǎo)通或關(guān)斷。以使當輸出電壓Vout大于預(yù)定值時，電荷泄放支路導(dǎo)通，將多余電荷導(dǎo)入"地"端。并且，所述電荷泄放支路還應(yīng)使電荷釋放過程為較 緩和而不是以脈沖形式釋放。為達成上述功能，該電荷泄放支路的一種實施方
式的等效電路為由串聯(lián)連接的電容器71和可控開關(guān)70構(gòu)成，所述可控開關(guān)的 控制端耦合到所述比較結(jié)果V2，根據(jù)V2的值控制其導(dǎo)通或關(guān)斷。顯然，其中 電容器71和可控開關(guān)70的連接順序可以互換而不影響電路功能的實現(xiàn)。
而濾波電路40的實現(xiàn)形式則可選用現(xiàn)有的各種濾波電路形式，如各種一階 RC濾波電路，二階RC濾波電路等。
圖6是本發(fā)明閉環(huán)控制電荷泵電路的第三實施例電路模塊示意圖。與圖5 相比，該實施例的特別之處在于，其中的采樣電路20由一分壓電路21實現(xiàn)， 分壓電路的輸出VI連接到比較器30的正向輸入端，預(yù)定參考電壓Vref連接到 比較器30的反向輸入端。而所述濾波電路40則為包括串.聯(lián)連接的一電阻RO和 一電容CO構(gòu)成的支路，所述支路的電阻側(cè)的端點連接到所述比較器30的輸出 V2,所述支路電容側(cè)的端點連接到所述基本電荷泵的輸出端Vout,所述支路中 電阻和電容之間的節(jié)點連接到所述振蕩控制電路的輸入端點A。
而所述振蕩器可選用電流控制振蕩器，且所述振蕩控制電路包括與所述振 蕩器串聯(lián)連接的阻抗可變模擬元件，所述阻抗可變模擬元件的控制端連接到所 述振蕩控制電路的輸入端，通過對所述阻抗可變模擬元件等效電阻的調(diào)節(jié)控制 所述振蕩器的控制電流。通常，該可變阻抗模擬元件可用晶體三極管或MOSFET 等實現(xiàn)，也可用可變電阻器實現(xiàn)，在本優(yōu)選實施例中，是用MOSFET實現(xiàn)的。 其中，在電壓源Vdd與振蕩器60之間串聯(lián)連接一 P型場效應(yīng)管MP1，其控制 端(柵極)直接連接到節(jié)點A，受信號pbias的控制而改變其等效電阻；在振蕩 器60與"地"端之間，串聯(lián)連接一 N型場效應(yīng)管MN2，其控制端(柵極)通 過一反向器41連接到節(jié)點A,受信號nbias的控制而改變其等效電阻。要說明 的是，二場效應(yīng)管同時使用為優(yōu)選實施方式，但是亦可以擇一選用，且其位置 和類型亦不局限于本實施例的方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)實際需要自由 選擇而此種替換不會超出本發(fā)明的范圍。
并且，在圖6的實施例中，所述泄》文支路包括一場效應(yīng)管(MOSFET), 所述MOSFET的控制端耦合到所述比較結(jié)果V2。例如，在本實施例中，選用N 型場效應(yīng)管MN1，且其柵極直接連接到比較結(jié)果V2，顯然，所述泄放支路也可 使用P型場效應(yīng)管實現(xiàn)，其柵極通過一反向器連接到比較結(jié)果V2。上述電路的 工作過程為當負載電流lout減小時，供電功率大于實際需要，導(dǎo)致輸出高壓Vout大于預(yù)定值，此時，VI將大于參考電壓Vref,比較器的輸出電壓V2為正 向高電壓。同時為了減小V2的紋波，經(jīng)過R0和C0的濾波后，得到較高電壓 的pbias以及較低電壓的nbias， MP1和MN2可以等效視為兩個可變電阻，濾波 后電壓pbias和nbias決定了其等效電阻值的大小，從而控制振蕩器的導(dǎo)通電流， 這使得振蕩器的電流減小，輸出頻率降低，從而使電荷泵的供電能力減弱。同 時輸出電壓V2會使場效應(yīng)管MN1導(dǎo)通，把輸出端Vout的電荷泄放掉，這里電 荷泄放是在一定時間內(nèi)進行的過程，其時間常數(shù)由MN1參數(shù)等因素確定，以此 來降低輸出端Vout的電壓值。
當負載電流Iout加大時，供電能力不滿足實際需要，導(dǎo)致輸出電壓Vout小 于預(yù)定值，那么Vl將小于參考電壓Vref,比較器30的輸出電壓V2也較小，， 經(jīng)過RO和.CO的濾波，得到較低電壓的pbias以及較高電壓的nbias,這使得振 蕩器的電流增大，輸出頻率提高，從而使電荷泵的供電能力增強。
當輸出電壓Vout達到理想負載供電電壓為Vd時，比較器30的輸出電壓 V2為能使振蕩器能工作于理想振蕩頻率fd,從而達到穩(wěn)態(tài)后，電荷泵電路的輸 出電壓Vout穩(wěn)定在Vd。
所述振蕩器60亦可使用電壓控制振蕩器實現(xiàn)，此時，僅需對圖6所示的電 路中振蕩控制電路的輸出進行相應(yīng)的改動，由負載電流信號變?yōu)檩敵鲭妷盒盘?即可。例如，如圖7所示，直接以節(jié)點A的電壓作為電壓控制振蕩器60的電壓 控制信號。
要著重說明的是，上述涉及的所有本發(fā)明電荷泵電路的各個組成部分的元 件或裝置均優(yōu)選使用模擬器件實現(xiàn)，以使整個閉環(huán)回路構(gòu)成一個連續(xù)系統(tǒng)，以 利于參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。并且，用模擬元件實現(xiàn)的另一個優(yōu)點是電路實現(xiàn)簡單， 工作穩(wěn)定。
以上具體實施方式
僅為本發(fā)明的較佳實施例，其對本發(fā)明而言是說明性的， 而非限制性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不超出本發(fā)明精神和范圍的情況下，對之 進行變換、修改甚至等效，這些變動均會落入本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種閉環(huán)控制電荷泵電路，包括基本電荷泵電路與控制回路，其特征在于，所述控制回路包括依次連接的下述電路采樣電路，其連接到基本電荷泵的電壓輸出端，用于對其輸出電壓值Vout進行采樣，并按預(yù)定函數(shù)映射關(guān)系f生成與電壓值Vout相應(yīng)的采樣電壓值V1；比較器，用于將電壓值V1與預(yù)定參考電壓Vref進行比較，并輸出比較結(jié)果V2；振蕩控制電路，接收所述比較結(jié)果V2，并根據(jù)V2值生成控制信號Ctrl；振蕩器，其振蕩頻率受所述控制信號Ctrl控制連續(xù)變化，并將振蕩頻率輸出作為所述基本電荷泵的工作頻率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述采樣電 路中，采樣電壓值VI正比于電壓值Vout。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述采樣電 路為電阻串聯(lián)分壓電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述比較器 為由運算放大電路實現(xiàn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述比較器 和所述電流控制電路之間還連接一濾波電路，用于濾除所述比較結(jié)果V2值的紋 波。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述濾波電 路包括串聯(lián)連接的一電阻和一電容構(gòu)成的支路，所述支路的電阻側(cè)的端點連接 到所述比較器的輸出端，所述支路電容側(cè)的端點連接到所述基本電荷泵的輸出 端，所述支路中電阻和電容之間的節(jié)點連接到所述振蕩控制電路的輸入端。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l或5或6所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所 述振蕩器為電流控制振蕩器，且所述振蕩控制電路包括與所述振蕩器串聯(lián)連接 的阻抗可變模擬元件，所述阻抗可變模擬元件的控制端連接到所述振蕩控制電 路的輸入端，通過對所述阻抗可變模擬元件等效電阻的調(diào)節(jié)控制所述振蕩器的 控制電5充。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述閉環(huán)控制電荷泵電路還包括一電荷泄放支路，其一端連接電荷泵的電壓輸出端，另一端接地，用于釋放電壓輸出端的電荷，且其受所述比較結(jié)果V2的控制而導(dǎo)通或關(guān)斷。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述泄放支路的等效電路為由串聯(lián)連接的電容器和可控開關(guān)構(gòu)成，所述可控開關(guān)的控制端耦合到所述比較結(jié)果V2。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的閉環(huán)控制電荷泵電路，其特征在于，所述泄放支路包括一 MOSFET,所述MOSFET的控制端耦合到所述比較結(jié)果V2。
全文摘要
一種閉環(huán)控制電荷泵電路，包括基本電荷泵電路與控制回路，所述控制回路包括依次連接的下述電路采樣電路，其連接到基本電荷泵的電壓輸出端Vout，用于對Vout的電壓值進行采樣，并按預(yù)定函數(shù)映射關(guān)系f生成與Vout的電壓值相應(yīng)的采樣電壓值V1；比較器，用于將電壓值V1與預(yù)定參考電壓Vref進行比較，并輸出比較結(jié)果V2；振蕩控制電路，接收所述比較結(jié)果V2，并根據(jù)V2值生成控制信號Ctrl；振蕩器，其振蕩頻率受所述控制信號Ctrl控制連續(xù)變化，并將振蕩頻率輸出作為所述基本電荷泵的工作頻率。從而使電荷泵電路振蕩器頻率能連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)，整個電荷泵電路具有良好的功率跟隨特性，降低了能耗。
文檔編號H02M3/07GK101667774SQ20081011927
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月2日
發(fā)明者銘 劉 申請人:北京芯技佳易微電子科技有限公司