專利名稱：一種電容式電荷泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電源電路，具體是一種升壓的電容式電荷泵電路。
背景技術：
作為一種電源轉換裝置，電荷泵具有廣泛應用，其中電容式電荷泵采用電容器來 貯存能量，工作于較高的頻率，常使用小型陶瓷電容作為儲能元件；這種類型的電荷泵使空 間占用小，使用成本低，且由于不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。電容式電荷泵的種 種優(yōu)點使其十分適用于便攜式應用產品，尤其是需要鋰電池供電的以白光LED照明的電子 設備，這類設備由于白光LED工作電壓的特點，鋰電池直接供電時會因為電池電壓低于LED 工作電壓而無法再放電，這就需要在有限的設備空間中設置相應的升壓電路，將鋰電池的 電壓加以提升，使其能夠在適合白光LED的工作電壓的條件下充分放電，升壓的電容式電 荷泵就是合乎此要求的一種裝置。目前常用的電容式升壓電荷泵，按照其電壓放大倍數，常見的有2倍、1. 5倍、1. 33 倍，其電路結構對應一固定數量的飛電容個數，其最少飛電容數量對應就是1，2和3個，若 要達到1.2倍升壓，則需要多達5個飛電容。電容器占用的的體積在便攜產品中往往極易 受到限制，片面地提高飛電容個數，雖然可以示輸出電壓達到要求，但其龐大的體積，導致 毫無實用性。

發(fā)明內容
針對現有技術1. 2倍升壓電荷泵飛電容數量過多的問題，本發(fā)明提出一種電容式 電荷泵電路，其技術方案如下一種電容式電荷泵，包括由飛電容和開關組成的升壓回路，該升壓回路具有電源 端，輸出端和接地，所述的升壓回路包括第一、第二和第三飛電容；所述輸出端與地之間并 聯(lián)一濾波電容。在所述升壓回路電源端接入輸入電壓后，所述的飛電容和開關以一包括四個步驟 的切換程序周期循環(huán)工作，從輸出端得到1. 2倍輸入電壓的輸出電壓。作為本技術方案的優(yōu)選者，可以作如下改進所述飛電容各自均具有一正端和一負端；所述切換程序包括以下四個步驟第一步驟所述第一、第二和第三飛電容正負端同向順次串聯(lián)，第一電容的正端接 電源端，第三電容的負端接入地；第二步驟第一電容負端接電源端，正端接輸出端；第三步驟第一電容正端接電源端，負端接第二電容負端；第二電容正端接輸出 端；第四步驟第一電容負端接電源端，正端接第二電容正端；第二電容負端接第三 電容負端；第三電容正端接輸出端；
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其中每兩個步驟之間開關轉換狀態(tài)無重疊。一較佳實施例中，所述第一、第二和第三飛電容均各自與兩個開關構成相同結構 的第一、第二和第三泵級回路，每個泵級回路均具有第一、第二和第三端，其中第一泵級回路由第一開關與第一電容串聯(lián)后整體與第五開關并聯(lián)而成；第一開 關與第五開關的連接點成為第一端；第一開關與第一電容的連接點成為第二端；第一電容 與第五開關的連接點成為第三端；第二泵級回路由第二開關與第二電容串聯(lián)后整體與第七開關并聯(lián)而成；第二開 關與第七開關的連接點成為第一端第二開關與第二電容的連接點成為第二端；第二電容 與第七開關的連接點成為第三端；第三泵級回路由第三開關與第三電容串聯(lián)后整體與第十開關并聯(lián)構成；第三開 關與第十開關的連接點成為第一端；第三開關與第三電容的連接點成為第二端；第三電容 與第十開關的連接點成為第三端以上第一、第二與第三泵級回路順次以第一端和第三端同向串聯(lián)；第一泵級回路 的第一端接輸入端；第三泵級回路的第三端通過第四開關接地；另外，第一泵級回路的第二端同時接第九開關與第六開關的一端；第九開關的另 一端與第二泵級回路的第二端和第八開關的一端連接；第六開關的另一端與第八開關的另 一端連接后接所述輸出端；第三泵級回路的第二端通過第十一開關連接輸出端。一較佳實施例，其中的所述第一步驟中，第一、第二、第三和第四開關連動同時開啟和關閉；所述第二步驟中，第五和第六開關連動同時開啟和關閉；所述第三步驟中，第一、第七和第八開關連動同時開啟和關閉；所述第四步驟中，第五、第九、第十和第十一開關同時開啟和關閉。一較佳實施例中所述開關均為包括MOS管的電子開關?！^佳實施例中所述電子開關由一帶有延遲功能的周期發(fā)生電路驅動；該周期發(fā) 生電路由一個時鐘信號驅動。一較佳實施例中所述第六開關為四個源極與漏極并聯(lián)的相同MOS管構成，且該四 個MOS管柵極在所述周期發(fā)生電路之前均連接于一啟動電路，該啟動電路可在電路啟動時 將四個MOS管逐個全部導通。一較佳實施例中所述周期發(fā)生器與所述升壓回路之間還具有一驅動電路。一較佳實施例中所述升壓回路除飛電容以外的其他部分均在同一芯片上制成。相比現有技術，本發(fā)明帶來的有益效果是1.升壓電路簡單，用3個飛電容就實現了 1. 2倍升壓，電容器數量少；2.同等條件下電荷泵效率較高；對于2倍和1. 5倍的電荷泵，假設其輸入電壓為 Va,輸出電壓為 Vb，則其效率分別為 Vb/ (Va*2) = 0. 5Vb/Va,和 Vb/ (Va*l. 5) ^ 0. 67Vb/Va, 但本發(fā)明1. 2倍電荷泵可以在此條件下達到Vb/(Va*l. 2) 0. 83Vb/Va。3.作為第六開關的MOS管用4管并聯(lián)，且接入一啟動電路將該4個MOS管逐個導 通，使升壓回路的MOS管工作電流逐步加大，從而升壓回路具有軟啟動的功能。
以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步說明

圖1是本發(fā)明實施例一原理圖；圖2是實施例一第一步驟等效原理圖；圖3是實施例一第二步驟等效原理圖；圖4是實施例一第三步驟等效原理圖；圖5是實施例一第四步驟等效原理圖；圖6是本發(fā)明實施例二電路圖；圖7是實施例二所在的片上系統(tǒng)總概覽圖；圖8是圖7中柵極電平時序圖；圖9是實施例二在圖7系統(tǒng)中仿真圖。
具體實施例方式實施例一圖1是本發(fā)明的實施例一原理圖。圖中有三個泵級回路1至3，每個泵級回路包 括一個飛電容和兩個開關；泵級回路1具有電容Cl和開關S1、S5 ；泵級回路2具有電容C2 和開關S2、S7，泵級回路3具有電容C3和開關S3、SlO0另有一開關網絡，由S9、S6、S8和 Sll構成，與此三個串聯(lián)的泵級回路一并構成升壓電路。另有一 C4并聯(lián)在輸出端Vout和地 之間濾波。為了方便說明，電容Cl至C3按照其初始充放電極性，標注了正負端。飛電容的實現就是依靠各開關的開啟關閉，在一定周期內使電容構成不同的充放 電網絡，以不同狀態(tài)進行能量的貯存和轉移從而得到需求的工作電壓。圖1所示的原理圖， 在Vdd端接通直流工作電壓后，依照開關Sl至Sll不同的開啟/關閉組合，達成4個等時 長的不同步驟，從而形成一個周期，再無限循環(huán)此周期，即可從Vout得到持續(xù)的直流電。如圖2，第一步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開關Si，S2，S3，S4保持閉合， 其余保持斷開，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據基爾霍夫定律得到如下關系式 (Vcl表示電容Cl兩端電壓，Vout開路，下同及類推)Vdd = Vcl+Vc2+Vc3.......................................(1)如圖3，第二步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開關S5，S6保持閉合，其余保持 斷開，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據基爾霍夫定律得到如下關系式Vout = Vdd+Vcl..........................................(2)如圖4，第三步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開關Si，S7，S8保持閉合，其余 保持斷開，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據基爾霍夫定律得到如下關系式Vout = Vdd-Vc 1+Vc2....................................(3)如圖5，第四步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開關S5，S9，S10, Sll保持閉合， 其余保持斷開，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據基爾霍夫定律得到如下關系式Vout = Vdd+Vcl-Vc2+Vc3..............................(4)作為飛電容的應用，所有開關都工作在比較高的頻率(通常典型在IMHz左右)，故 所有電容器兩端在穩(wěn)定周期中不會發(fā)生任何跳變，而是保持一致，所以可以從以上等式中 的相同變量進行替代將各電壓關系進行簡化
從⑵式和(3)式得到Vc2 = 2Vcl ；然后再根據⑷式得到Vc3 = 2Vc2 ；再把 Vc2 = 2Vcl 和 Vc3 = 2Vcl，代入(1)式得到 Vdd = 5Vcl，所以 Vcl = 0. 2Vdd，最后把 Vcl =0. 2Vdd代入⑵式，最終得到Vout = 1. 2Vdd如此，通過這樣結構的飛電容和開關網絡，通過4個步驟的無限循環(huán)，即可建立該 輸出端Vout是輸入端Vdd對地電壓1. 2倍的關系。需要注明的是，這4個步驟開關轉換不 能有任何狀態(tài)重疊，即在上一步驟中所有開關從同時閉合(或斷開)全部轉換為斷開(或 閉合)狀態(tài)之前，其他開關不會有任何動作。該電荷泵效率，假設輸入電壓Va，輸出電壓Vb， 則可達到 Vb/(Va*l. 2) ^ 0. 83Vb/Va。實施例二 在實際應用里，開關工作在較高的頻率，通常是采用具有開關功能的控制器件現， 在片上系統(tǒng)中，開關MOS管就可以勝任這樣的開關功能。如圖6所示的實施例二電路圖，該 實施例集成于芯片上，實現了小體積化，所有的MOS管都是增強型?；旧?，所有的MOS管的源極和漏極直接替代原圖1中開關的位置，不同的是MOS 管M6，是由4個相同參數的MOS管M61，62，63，64源極漏極并聯(lián)實現。當然，要實現由圖6所示片上電路的功能，還必須有一系列的外設。如圖7所示， 圖中的升壓電路框就是圖6中的內容，其余是電荷泵電路常用的外部設施，有周期發(fā)生器， 驅動電路和襯底選擇電路。其中周期發(fā)生器由一個時鐘信號驅動，從CLK端輸入，然后從Pl 至Pll端輸出特定的時序信號，通過驅動電路控制升壓電路中MOS管的柵極，完成電荷泵的 周期工作。值得注意的是，周期發(fā)生電路與驅動電路之間具有一個A部分，該A部分是一個 啟動電路，其作用是在整個系統(tǒng)啟動后，在周期發(fā)生電路P6端導通信號有效下，逐步導通 圖6中的M61至M63，使輸出電流逐級增大，起到軟啟動的功能，保護所有電路所在芯片的安 全可靠。圖中的襯底選擇電路的目的是在Vdd和Vout之間選擇一個較高的電壓提供給回 路中所有PMOS管襯底。因為電路剛啟動時，Vout會遠小于Vdd，為實現PMOS管的導通，就 選擇Vdd提供給襯底；若Vout某一時刻大于Vdd，則電路將Vout提供給襯底；該襯底選擇 電路從buck端輸出至升壓電路所有PMOS管的襯底。圖8就是圖7系統(tǒng)的柵極電平時序圖。Pl至Pll分別對應了圖6和圖7中MOS 管柵極的Pl至P11。從圖中可知，所有的上升沿、下降沿均沒有重疊狀態(tài)。其中Wiasel至 Phase4 一一對應以上4個不同的步驟，該4個步驟構成一個完整的周期。在圖6的時序圖 中，一個Wiase持續(xù)大約500ns，因此一個周期2μ s ；而波形彼此上升、下降沿之間的延遲約 IOns0圖9實施例在圖7系統(tǒng)中仿真圖，從圖中可知，3個穩(wěn)定狀態(tài)Vdd分別是3V，4V和 5V，對應 Vout 為 3. 6V,4. 8V 和 6V，即實現了 Vout = 1. 2Vdd。以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，即依 本發(fā)明專利范圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內。
權利要求
1.一種電容式電荷泵，包括由飛電容和開關組成的升壓回路，該升壓回路具有電源端， 輸出端和接地，其特征在于所述的升壓回路包括第一、第二和第三飛電容；所述輸出端與地之間并聯(lián)一濾波電容；在所述升壓回路電源端接入輸入電壓后，所述的飛電容和開關以一包括四個步驟的切 換程序周期循環(huán)工作，從輸出端得到1.2倍輸入電壓的輸出電壓。
2.如權利要求1所述一種電容式電荷泵，其特征在于 所述飛電容各自均具有一正端和一負端；所述切換程序包括以下四個步驟第一步驟所述第一、第二和第三飛電容正負端同向順次串聯(lián)，第一電容的正端接電源 端，第三電容的負端接入地；第二步驟第一電容負端接電源端，正端接輸出端；第三步驟第一電容正端接電源端，負端接第二電容負端；第二電容正端接輸出端； 第四步驟第一電容負端接電源端，正端接第二電容正端；第二電容負端接第三電容 負端；第三電容正端接輸出端；其中每兩個步驟之間開關轉換狀態(tài)無重疊。
3.如權利要求1所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述第一、第二和第三飛電容均 各自與兩個開關構成相同結構的第一、第二和第三泵級回路，每個泵級回路均具有第一、第 二和第三端，其中第一泵級回路由第一開關與第一電容串聯(lián)后整體與第五開關并聯(lián)而成；第一開關與 第五開關的連接點成為第一端；第一開關與第一電容的連接點成為第二端；第一電容與第 五開關的連接點成為第三端；第二泵級回路由第二開關與第二電容串聯(lián)后整體與第七開關并聯(lián)而成；第二開關與 第七開關的連接點成為第一端第二開關與第二電容的連接點成為第二端；第二電容與第 七開關的連接點成為第三端；第三泵級回路由第三開關與第三電容串聯(lián)后整體與第十開關并聯(lián)構成；第三開關與 第十開關的連接點成為第一端；第三開關與第三電容的連接點成為第二端；第三電容與第 十開關的連接點成為第三端以上第一、第二與第三泵級回路順次以第一端和第三端同向串聯(lián)；第一泵級回路的第 一端接輸入端；第三泵級回路的第三端通過第四開關接地；另外，第一泵級回路的第二端同時接第九開關與第六開關的一端；第九開關的另一端 與第二泵級回路的第二端和第八開關的一端連接；第六開關的另一端與第八開關的另一端 連接后接所述輸出端；第三泵級回路的第二端通過第十一開關連接輸出端。
4.如權利要求3所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述第一步驟中，第一、第二、第三和第四開關連動同時開啟和關閉； 所述第二步驟中，第五和第六開關連動同時開啟和關閉； 所述第三步驟中，第一、第七和第八開關連動同時開啟和關閉； 所述第四步驟中，第五、第九、第十和第十一開關同時開啟和關閉。
5.如權利要求4所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述開關均為包括MOS管的電子開關。
6.如權利要求5所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述電子開關由一帶有延遲功 能的周期發(fā)生電路驅動；該周期發(fā)生電路由一個時鐘信號驅動。
7.如權利要求6所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述第六開關為四個源極與漏 極并聯(lián)的相同MOS管構成，且該四個MOS管柵極在所述周期發(fā)生電路之前均連接于一啟動 電路，該啟動電路可在電路啟動時將四個MOS管逐個乃至全部導通。
8.如權利要求5所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述周期發(fā)生器與所述升壓回 路之間還具有一驅動電路。
9.如權利要求5至8中任一項所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述升壓回路除 飛電容以外的其他部分均在同一芯片上制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式電荷泵，包括由飛電容和開關組成的升壓回路，該升壓回路具有電源端，輸出端和接地，其特征在于所述的升壓回路包括第一、第二和第三飛電容和一切換程序；在所述升壓回路電源端接入輸入電壓后，所述的飛電容和開關以一包括四個步驟的切換程序周期循環(huán)工作，從輸出端得到1.2倍輸入電壓的輸出電壓。這種1.2倍升壓的電容式電荷泵，其升壓回路電路簡單，僅需要3個飛電容，同時在應用于LED背光驅動時，其效率比較高。
文檔編號H02M3/07GK102082507SQ201010614539
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者熊守芬 申請人:廈門聯(lián)創(chuàng)微電子股份有限公司