電荷泵裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電荷泵裝置。該裝置包括：電壓輸入單元，至少包括第一輸入電源和第二輸入電源，用于為電荷泵提供兩個或者以上的輸入電壓，用于為電壓轉換單元中的電容充電；電壓轉換單元，包括電容組，以及與電容組連接的多個電子開關，用于通過電容組中電容的充電放電實現電壓大小的轉換；驅動單元，用于提供用來導通或者關斷多個電子開關的不相交疊時序信號，進而實現電壓輸入單元為電容組中電容的充電或者放電；電壓輸出單元，與電壓轉換單元相連接，用于將電壓通過輸出端輸出；在不相交疊時序信號的控制下，相應電子開關導通和關斷，控制輸出電容輸出相應升降壓倍率的電壓。本實用新型實施例提高了電荷泵電壓轉換的供電效率。
【專利說明】電荷泵裝置【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及集成電路領域，尤其涉及一種電荷泵裝置。
【背景技術】
[0002]目前，有兩種經典電路都被稱為電荷泵(ChargePump)。一種是應用于鎖相環(huán)電路中，連接于鑒頻鑒相器后級，通過對電容充放電產生較為穩(wěn)定的電壓，以便用于控制壓控振蕩器的頻率；另一種是通過開關電容，用于電壓轉換，能提供較大輸出電流的功率輸出電路，可稱為功率電荷泵。
[0003]在現有技術下,功率電荷泵一般米用一個輸入電壓,可以產生比輸入高的輸出電壓，也可以產生比輸入低的輸出電壓，另外其效率高于線性調壓器?；陂_關電容的電荷泵電路被廣泛應用于電壓轉換電路中，可以實現較高的電壓轉換效率。對于理想的開關來說，其能量損耗可被忽略，在這種情況下，可以認為功率電荷泵電路的效率為100%，但是功率電荷泵電路只有在以某些固定的倍率轉換電壓時，其理想功率才為100%，然而固定的倍率只有有限的幾種。通過增加飛電容的個數，可以產生更多可能的倍率,但成本隨之增加。例如，輸入電壓為5V,輸出電壓目標值為0.9V,對于電荷泵中僅有一個飛電容的場景,只能采用1/2倍模式，產生2.5V電壓，然后通過線性調壓技術降為0.9V，其理想情況下的效率為0.9V/2.5V=36%。對于采用兩個飛電容情形，則可以采用1/3倍模式，產生1.67V電壓，然后通過線性調壓技術降為0.9V，其理想情況下的效率為0.9V/1.67V=54%，這樣就改善了效率。但是如果通過增加飛電容個數,來產生更多倍率模式,會導致成本增加。
實用新型內容
[0004] 本實用新型的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種電荷泵裝置，通過增加輸入電源的個數，實現了使用較少的飛電容來產生較多的升降壓倍率，進而有利于提高功率電荷泵的實際供電效率。
[0005]為實現上述目的，本實用新型實施例提供了一種電荷泵裝置，所述裝置包括電壓輸入單元、電壓轉換單元、電壓輸出單元:
[0006]所述電壓輸入單元，至少包括第一輸入電源(Vl)和第二輸入電源(V2)，用于為電荷泵提供兩個或者以上的輸入電壓，與電壓轉換單元相連接，用于為所述電壓轉換單元中的電容充電；
[0007]所述電壓轉換單元，包括電容組，以及與所述電容組中的電容連接的多個電子開關，用于通過所述電容組中的電容的充電放電實現電壓大小的轉換；
[0008]驅動單元，用于提供用來導通或者關斷所述多個電子開關的不相交疊時序信號，進而實現所述電容組中的電容的充電或者放電；
[0009]輸出單元，與所述電壓轉換單元相連接，用于將所述電壓轉換單元轉換后的電壓通過輸出端輸出；
[0010]在所述不相交疊時序信號的控制下，相應電子開關導通和關斷，控制所述輸出電容輸出相應升降壓倍率的電壓。
[0011]因此，本實用新型實施例提供的電荷泵裝置，根據一組用來導通或者關斷多個電子開關的不相交疊時序信號，使用兩個或者兩個以上的輸入電源為電壓轉換單元中的電容組中的電容充電，進而控制輸出電容輸出具有相應的升降壓倍率的電壓。通過應用本實用新型實施例提供的電荷泵裝置，可以實現使用較少的飛電容來產生較多的升降壓倍率，進而有利于提聞功率電荷栗的實際供電效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型實施例提供的一種電荷泵裝置示意圖；
[0013]圖2為本實用新型實施例提供的一種電荷泵裝置的具體實現示意圖；
[0014]圖3為圖2所示的電荷泵裝置第一時序信號CKl為高電平，第二時序信號CK2和第三時序信號CK3為低電平時的等效工作電路示意圖；
[0015]圖4為圖2所示的電荷泵裝置第二時序信號CK2為高電平，第一時序信號CKl和第三時序信號CK3為低電平時的等效工作電路示意圖；
[0016]圖5為圖2所示的電荷泵裝置第三時序信號CK3為高電平，第一時序信號CKl和第二時序信號CK2為低電平時的等效工作電路示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0018]圖1為本實用新型實施例提供的一種電荷泵裝置示意圖。如圖1所示，本實施例包括電壓輸入單元101、電壓轉換單元102、驅動單元103、電壓輸出單元104。
[0019]電壓輸入單兀101至少包括第一輸入電源(Vl)和第二輸入電源(V2),用于為電荷泵提供兩個或者以上的輸入電壓。電壓輸入單元101與電壓轉換單元相連接，用于為所述電壓轉換單元中的電容充電。
[0020]為了在采用盡量少的飛電容的前提下，能使電壓泵采用更多的倍率轉換電壓，本實用新型實施例除了將電池電源作為第一輸入電源外，還采用其他的電源作為第二輸入電源。通過電子開關的關斷或者導通，可以控制電荷泵使用不同的輸入電源為飛電容充放電，進而有助于電壓轉換單元102構建更多倍率的電壓模式。
[0021]例如，如果只有一個輸入電壓V，則對于1/3倍率的場景，可以輸出V/3的輸出電壓，而通過采取輸入電壓分別為V1、V2的兩個輸入電源來為電荷泵提供輸入電壓，通過控制輸入電壓與飛電容的連接關系、輸入電源之間的連接關系，可以構建(V1-V2)/3、(V1+V2)/3、Vl/3、V2/3等多種形式的輸出電壓，由此電荷泵裝置便構建出了更多的升降壓倍率。
[0022]電壓轉換單元102包括電容組，以及與所述電容組中的電容連接的多個電子開關，用于通過所述電容組中的電容的充電放電實現電壓大小的轉換。
[0023]電壓轉換單元102中包括電容組，電容組中可以包括至少一個飛電容，以及與電容組中的電容連接的電子開關，通過電子開關的導通或關斷可以為飛電容充放電。
[0024]驅動單元103用于提供用來導通或者關斷所述多個電子開關的不相交疊時序信號，進而實現所述電壓輸入單元為電容組中的電容的充電或者放電。
[0025]不相交疊時序信號是指驅動單元所提供的時序信號之間存在不交疊控制，即為了避免時序信號同時為高電平出現交疊情形，所有的時序信號之間存在一定的死區(qū)時間。
[0026]為了控制電壓轉換單元102的電壓轉換倍率，時序信號可按照一定的頻率進行變化。
[0027]輸出單元104包括輸出電容(CO)，與所述電壓轉換單元相連接，用于將所述電壓轉換單元轉換后的電壓通過輸出端輸出。
[0028]在所述不相交疊時序信號的控制下，相應電子開關導通和關斷，控制所述輸出電容輸出相應升降壓倍率的電壓。
[0029]通過不相交疊時序信號的控制，相應電子開關導通、關斷，可以控制飛電容為輸出電容充電，使得輸出電容存儲能量，釋放能量，實現將輸出電壓通過與輸出電容的一端相連接的輸出端輸出。
[0030]本實用新型實施例提供的上述技術方案，可以實現通過增加輸入電源的個數，實現了使用較少的飛電容來產生較多的升降壓倍率，進而有利于提高功率電荷泵的實際供電效率。
[0031]本實用新型實施例提供的技術方案適用于具有一個或者多個飛電容的電荷泵，而且輸入電源的個數可以為兩個或者兩個以上。下面以具有兩個輸入電源，兩個飛電容的電荷泵為例，描述本實用新型實施例提供的電荷泵的一種工作過程。
[0032]圖2為本實用新型實施例提供的一種電荷泵裝置的具體實現示意圖，如圖2所示，電荷泵裝置電壓輸入單元201、電壓轉換單元202、驅動單元203、電壓輸出單元204。其中，電壓輸入單兀201包括第一輸入電源Vl和第二輸入電源V2 ;電壓轉換單兀202包括第一電容Cl和第二電容C2，還包括第一電子開關S1、第二電子開關S2、第三電子開關S3、第四電子開關S4、第五電子開關S5、第六電子開關S6、第七電子開關S7、第八電子開關S8 ;驅動單元203用來向電壓轉換單元中的電子開關輸入時序控制信號，包括第一時序信號CK1、第二時序信號CK2、第三時序信號S3 ；電壓輸出單元204包括輸出電容CO。
[0033]如圖2所不，第一時序信號CKl用來控制第一電子開關S1、第二電子開關S2、第五電子開關S5的導通或者關斷；第二時序信號CK2用來控制第三電子開關S3、第六電子開關S6的導通或者關斷；第三時序信號CK3用來控制第四電子開關S4、第七電子開關S7、第八電子開關S8的導通或者關斷。
[0034]具體地，在電壓輸入單元201中，第一輸入電源Vl的正極與電壓轉換單元202中的第一電子開關SI的一端相連接，第二輸入電源V2的正極與電壓轉換單元202中的第二電子開關S2的一端相連接，第一輸入電源Vl的負極、第二輸入電源V2的負極接地。
[0035]電壓轉換單兀中，第一電子開關SI的另一端與第一電容Cl的一端、第八電子開關S8的一端、第三電子開關S3的一端相連接；第一電容Cl的另一端與第五電子開關S5的一端、第六電子開關S6的一端、第五電子開關S5的一端、第七電子開關S7的一端相連接；第五電子開關S5的另一端與第八電子開關S8的另一端、第二電容C2的一端相連接；第二電容C2的另一端與第二電子開關S2的另一端、第四三電子開關S4的一端相連接；第六電子開關S6的另一端與第四電子開關S4的另一端接地。電壓轉換單元中的第三電子開關S3的另一端、第七電子開關S7的另一端與電壓輸出單元的輸出端相連接。
[0036]驅動單兀203可以通過第一時序信號CK1、第二時序信號CK2、第三時序信號CK3來控制電荷泵裝置的工作過程。
[0037]通過圖2所示的電荷泵裝置，通過控制時序信號的高低電平，可以構建(V1-V2)/3、(V1+V2) /3、Vl/3、V2/3等多種形式的輸出電壓，下面以構建(V1-V2) /3為例進行描述。
[0038]通過控制時序信號的變化情況，可以使得同一個電荷泵產生不同的升降壓倍率，本實用新型實施例以O-Tl時間時，CKl為高電平、CK2和CK3為低電平；時間為Tl_Tl+t時，為死區(qū)時間，即CK1、CK2、CK3均為低電平；時間為Tl+t-T2時，CK2為高電平、CKl和CK3為低電平；時間為T2-T2+t時，為死區(qū)時間，即CK1、CK2、CK3均為低電平；時間為T2+t_T3時，CK3為高電平、CKl和CK2為低電平為例，描述電荷泵的工作過程。
[0039]首先，在O-Tl時間內，CKl為高電平，CK2和CK3為低電平，則開關S1、S5、S2導通，開關33、54、56、57、58關斷，第一輸入電源和第二輸入電源通過V1、V2、C1、C2通過S1、S5、S2的導通構成一個電路回路，為第一電容Cl和第二電容C2充電，電荷泵裝置的等效工作電路如圖3所不，第一輸入電源的電壓V1、第二輸入電源的電壓V2、第一電容的電壓VCl、第二電容的電壓VC2滿足以下關系:
[0040]V1=V2+VC1+VC2 ； (I)
[0041]在Tl-Tl+t時間內，CK1、CK2、CK3均為低電平，第一輸入電源的電壓V1、第二輸入電源的電壓V2、第一電容的電壓VCl、第二電容的電壓VC2不會發(fā)生變化。
[0042]在Tl+t_T2時間內，CK2為高電平、CKl和CK3為低電平，則開關S3、S6導通，開關
S1、S2、S4、S5、S7、S8關斷，Cl和CO構成一個電路回路，Cl為CO充電，電荷泵裝置的等效工作電路如圖4所示，且第一電容的電壓VCl和輸出電容的電壓VO滿足以下關系:
[0043]VO=VCl ；(2)
[0044]在T2_T2+t時間內，CKl、CK2、CK3均為低電平，第一電容的電壓VCl和輸出電容的電壓VO不會發(fā)生變化。
[0045]在T2+t-T3時間內，CK3為高電平、CKl和CK2為低電平，開關S4、S7、S8導通，開關S1、S2、S3、S5、S6關斷，Cl、C2、CO構成一個電路回路，電荷泵裝置的等效工作電路如圖5所示，且第一電容的電壓VCl、第二電容的電壓VC2、輸出電容的電壓VO滿足以下關系:
[0046]VO=-VC I+VC2(3)
[0047]結合等式(I)、(2)、(3)可以計算得到:
[0048]VO= (Vl-V2)/3
[0049]以現有技術中，如果飛電容個數為兩個，輸入電壓為5v，目標輸出電壓為0.9v，則采用1/3倍速率的模式供電效率最佳，電荷泵采用1/3倍速率的模式可以產生1.67v的電壓，通過線性調壓技術降為0.9v,則理想情況下的供電效率為0.9v/l.67v=54%。而在本實用新型中，第一輸入電壓為5v、第二輸入電壓為2v，則電荷泵通過上述工作過程，可以產生(Vl-V2)/3=lv的電壓，，通過線性調壓技術降為0.9v，則理想情況下的供電效率為
0.9v/lv=90%o
[0050]由此可見，本實用新型實現使用較少的飛電容來產生較多的升降壓倍率，進而有利于提聞功率電荷栗的實際供電效率。[0051]需要進一步說明的是，本實用新型實施例提供的通過增加輸入電源個數來產生更多的升降壓倍率的技術方案適用于所有基于開關電容的電容式電荷泵，上面【具體實施方式】通過具有兩個飛電容、兩個輸入電源的電荷泵來描述本實用新型的技術方案只是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。對于具有一個、三個或者三個以上的飛電容的電荷泵，通過增加輸入電源的個數，也可以實現產生更多的升降壓倍率。
[0052]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，并不用于限定本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種電荷泵裝置，其特征在于，所述裝置包括電壓輸入單元、電壓轉換單元、電壓輸出單元、驅動單元: 所述電壓輸入單元，至少包括第一輸入電源(Vl)和第二輸入電源(V2)，用于為電荷泵提供兩個或者以上的輸入電壓，與電壓轉換單元相連接，用于為所述電壓轉換單元中的電容充電； 所述電壓轉換單元，包括電容組，以及與所述電容組中的電容連接的多個電子開關，用于通過所述電容組中的電容的充電放電實現電壓大小的轉換； 驅動單元，用于提供用來導通或者關斷所述多個電子開關的不相交疊時序信號，進而實現所述電壓輸入單元為電容組中的電容的充電或者放電； 輸出單元，與所述電壓轉換單元相連接，用于將所述電壓轉換單元轉換后的電壓通過輸出端輸出； 在所述不相交疊時序信號的控制下，相應電子開關導通和關斷，控制輸出電容輸出相應升降壓倍率的電壓。
2.根據權利要求1所述的電荷泵裝置，其特征在于，所述電壓轉換單元中的所述電容組包括第一電容(Cl)、第二電容(C2),所述多個電子開關包括第一電子開關(SI)、第二電子開關(S2)； 所述電壓輸入單元中的所述第一輸入電源(Vl)的正極與所述電壓轉換單元中的所述第一電子開關(SI)的一端相連接，所述電壓輸入單元中的所述第二輸入電源(V2)的正極與所述電壓轉換單元中的所述第二電子開關(S2)的一端相連接，所述第一輸入電源(Vl)的負極、所述第二輸入電源(V2)的負極接地。
3.根據權利要求2所述的電荷泵裝置，其特征在于，所述電壓轉換單元中的所述多個電子開關還包括第三電子開關(S3)、第四電子開關(S4)、第五電子開關(S5)、第六電子開關(S6)、第七電子開關(S7)、第八電子開關(S8)； 所述第一電子開關(SI)的另一端與第一電容(Cl)的一端、第八電子開關(S8)的一端、第三電子開關(S3)的一端相連接；所述第一電容(Cl)的另一端與第五電子開關(S5)的一端、第六電子開關(S6)的一端、第五電子開關(S5)的一端、第七電子開關(S7)的一端相連接；所述第五電子開關(S5)的另一端與所述第八電子開關(S8)的另一端、所述第二電容(C2)的一端相連接；所述第二電容(C2)的另一端與所述第二電子開關(S2)的另一端、所述第四電子開關(S4)的一端相連接；所述第六電子開關(S6)的另一端與所述第四電子開關(S4)的另一端接地。
4.根據權利要求3所述的電荷泵裝置，其特征在于，所述電壓轉換單元中的所述第三電子開關(S3)的另一端、所述第七電子開關(S7)的另一端與所述電壓輸出單元的輸出端相連接。
5.根據權利要求4所述的電荷泵裝置，其特征在于，所述電壓轉換單元包括輸出電容(CO)； 所述第三電子開關(S3)的另一端、所述第七電子開關(S7)的另一端與輸出端、所述輸出電容(CO)的一端相連接；所述輸出電容(CO)的另一端接地。
6.根據權利要求3-5任一項所述的電荷泵裝置，其特征在于，所述驅動單元提供的不相交疊時序信號包括第一時序信號、第二時序信號、第三時序信號；所述驅動單元用于提供用來導通或者關斷所述多個電子開關的不相交疊時序信號，具體為: 所述第一時序信號用來控制所述第一電子開關(SI)、第二電子開關(S2)、第五電子開關(S5)的導通或者關斷；所述第二時序信號用來控制所述第三電子開關(S3)、第六電子開關(S6)的導通或者關斷；所述第三時序信號用來控制所述第四電子開關(S4)、第七電子開關(S7)、第八電子開關(S8)的導通或者關斷。
【文檔編號】H02M3/07GK203537232SQ201320591174
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權日:2013年9月25日
【發(fā)明者】王釗 申請人:無錫中星微電子有限公司