一種電荷泵電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種電荷泵電路，包括：第一輸入電源；第一電容；第二電容；輸出電容；其特征在于，還包括：第二輸入電源，八個(gè)控制開關(guān)，三種控制所述開關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)，通過兩個(gè)輸入電源，經(jīng)過八個(gè)開關(guān)控制之后，最后得到的輸出電壓v0=1/3×v1+2/3×v2。由于通過電子元器件可以形成特定的比例因子與輸入電源的乘積之后求和，所以即使是有限數(shù)量的電容器件，也形成多種倍率輸出。
【專利說明】—種電荷栗電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電壓轉(zhuǎn)換的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種電荷泵電路。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中常見的電荷泵(charge pump)有兩種:一種是應(yīng)用于鎖相環(huán)電路中，連接于鑒頻鑒相器后級(jí)，通過對(duì)電容充放電產(chǎn)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(guān)電容，用于電壓轉(zhuǎn)換，能提供較大輸出電流的功率輸出電路，因?yàn)檫@種電荷泵可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓轉(zhuǎn)換效率，所以基于開關(guān)電容的電荷電路被廣泛應(yīng)用于電壓轉(zhuǎn)換電路中。為了將二者區(qū)分開，將后者稱為功率電荷泵。一般的功率電荷泵采用一個(gè)輸入電壓，可以產(chǎn)生比輸入電壓高的輸出電壓，也可以產(chǎn)生比輸入電壓低的輸出電壓，這種功率電荷泵的效率高于線性調(diào)壓器。
[0003]功率電荷泵與相對(duì)于基于電感的直流-直流轉(zhuǎn)換器相比，無需體積較大的電感，所以更加適用于空間較小的電路，例如PCB電路。另外，對(duì)于理想的開關(guān)來說，功率電荷泵的能量損耗可被忽略，在這種情況下，可以認(rèn)為電荷泵電路的效率為100%，而且電荷泵的成本較低，所以越來越受到用戶的青睞。
[0004]但是現(xiàn)有的功率電荷泵電路只能以某些固定的倍率轉(zhuǎn)換電壓，而且這樣的固定倍率是有限的幾種。例如現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)同一種輸入電壓源，僅采用一個(gè)飛電容的電路中，可以產(chǎn)生V0/VIN (其中VO為輸出電壓，VIN為輸入電壓)的倍率有:2倍、I倍、1/2倍；采用兩個(gè)飛電容(flying capacitor)的電路中，V0/VIN (其中VO為輸出電壓，VIN為輸入電壓)的倍率有:3倍、2倍、3/2倍、4/3被、I倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍；增加更多飛電容的個(gè)數(shù)，可以產(chǎn)生更多可能的倍率，而更多的可能的倍率，有利于優(yōu)化功率電荷的實(shí)際工作效率。例如:輸入電壓為3.3V,輸出電壓為目標(biāo)值為2.5V,對(duì)于僅一個(gè)飛電容情形,只能米用I被模式，產(chǎn)生的輸出電壓為3.3V，然后通過線性調(diào)壓技術(shù)(線性調(diào)壓技術(shù)只能降低電壓)降為
2.5V，這樣理想情況下的效率為2.5V/3.3V=75.8% ;而對(duì)于采用兩個(gè)飛電容的電路中，仍然只能采用I倍模式，產(chǎn)生的輸出電壓仍然為3.3V，這效率也只有75.8% ;而對(duì)于輸入電壓為
3.3V，輸出電壓目標(biāo)值為2.2V時(shí)，采用一個(gè)飛電容式的功率電荷泵，效率就只有75.8%，而采用兩個(gè)飛電容式的功率電荷泵，可以采用2/3倍模式，這樣可以產(chǎn)生輸出的電壓為2.2V，這樣理想情況下的效率為2.2V/2.2V=100%。但是增加飛電容數(shù)量的同時(shí)，成本也相應(yīng)增加。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中為了獲得更多倍率模式，需要更多的飛電容數(shù)量，而導(dǎo)致成本高的技術(shù)問題。本實(shí)用新型提供一種包括較少飛電容數(shù)量的電荷泵電路，而且可以產(chǎn)生更多的倍率。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種電荷泵電路包括:第一輸入電源；第一電容；第二電容；輸出電容；其特征在于，還包括:
[0007]第二輸入電源，其一端與所述第一輸入電源一端連接在一個(gè)等電位點(diǎn)上，并且所述輸出電容的一端也連接在所述等電位點(diǎn)上；
[0008]第一開關(guān)，其一端與所述第一輸入電源的另一端連接，另一端與所述第一電容一端連接；
[0009]第二開關(guān)，其一端與所述第二輸入電源的另一端連接；
[0010]第三開關(guān)，其一端與所述第一開關(guān)的另一端連接，另一端與所述輸出電容的另一端連接；
[0011]第四開關(guān)，其一端與所述第二開關(guān)和所述第二輸入電源的另一端連接，并且所述第二開關(guān)與第四開關(guān)的另一端與所述第二電容的一端連接；
[0012]第五開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述第一電容的另一端連接；
[0013]第六開關(guān)，其一端與所述第二輸入電源的另一端連接，另一端與所述第五開關(guān)的另一端連接；
[0014]第七開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述輸出電容的另一端連接；
[0015]第八開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述第一電容的一端連接。
[0016]上述的電荷泵電路，其特征在于，還包括:
[0017]第一時(shí)鐘信號(hào)CK1，控制所述第一開關(guān)、第二開關(guān)、第五開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)；
[0018]第二時(shí)鐘信號(hào)CK2，控制所述第三開關(guān)、第六開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)；
[0019]第三時(shí)鐘信號(hào)CK3，控制所述第四開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。
[0020]上述的電荷泵電路，其特征在于，所述八個(gè)開關(guān)分別在接收到的時(shí)鐘信號(hào)為第一電平時(shí)處于關(guān)的狀態(tài)，在接收到的時(shí)鐘信號(hào)為第二電平時(shí)處于開的狀態(tài)。
[0021]上述的電荷泵電路，其特征在于，所述第一時(shí)鐘信號(hào)CKl,第二時(shí)鐘信號(hào)CK2,第三時(shí)鐘信號(hào)CK3不同時(shí)為高。
[0022]上述任一的電荷泵電路，其特征在于，所述第一輸入電源的電壓為Vl;所述第二輸入電源的電壓為v2 ;所述輸出電源的電壓為v0，并且ν0=1/3Χν1+2/3Χν2 ;目標(biāo)電壓值為V’，其中vO蘭V’。
[0023]上述任一的電荷泵電路，其特征在于，所述第一電容、第二電容、第三電容分別為飛電容。
[0024]上述的電荷泵電路，其特征在于，所述飛電容為陶瓷電容。
[0025]上述任一的電荷泵電路，其特征在于，所述八個(gè)開關(guān)為功率開關(guān)。
[0026]上述任一的電荷泵電路，其特征在于，所述第一電源為電池的電源；所述第二電源為非電池電源。
[0027]通過采用上述的電荷泵電路，因?yàn)檩敵鲭妷簐O=l/3Xvl+2/3Xv2 ;所以在有限數(shù)量的飛電容時(shí)，可以通過兩個(gè)輸入電源來調(diào)整得到更多的輸出電壓，即可以得到更多的輸出/輸入倍率。進(jìn)一步地，為了得到一個(gè)位于vO位于vl、v2之間的輸出電壓時(shí)，采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，可以看出vO-vl=2/3X (v2-vl)0,而vO_v2=l/3X (vl_v2);所以無論vl與v2的大小關(guān)系，vO都是處于vl與v2之間的值，這樣相對(duì)于更容易得到與目標(biāo)值相近的電壓?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0028]圖1所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖2所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路在CKl為高時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖3所示為圖2所示的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化后的示意圖；
[0031]圖4所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路在CK2為高時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖5所示為圖4所示的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化后的示意圖；
[0033]圖6所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路在CK3為高時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖7所示為圖6所示的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化后的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明，需要說明的是，這些具體的說明只是讓本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更加容易、清晰理解本實(shí)用新型，而非對(duì)本實(shí)用新型的限定性解釋。
[0036]如圖1所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路的結(jié)構(gòu)圖。本實(shí)用新型提供的電荷泵電路包括:兩個(gè)電源，八個(gè)開關(guān)，三個(gè)電容，三種時(shí)鐘信號(hào)。具體地:
[0037]電荷泵電路包括:第一輸入電源Vl ;第一電容Cl ;第二電容C2 ;輸出電容CO ;其特征在于還包括:
[0038]第二輸入電源V2,其一端與所述第一輸入電源Vl —端連接在一個(gè)等電位點(diǎn)上,并且所述輸出電容CO的一端也連接在所述等電位點(diǎn)上；
[0039]第一開關(guān)SI,其一端與所述第一輸入電源Vl的另一端連接,另一端與所述第一電容Cl 一端連接；
[0040]第二開關(guān)S2，其一端與所述第二輸入電源V2的另一端連接；
[0041]第三開關(guān)S3,其一端與所述第一開關(guān)SI的另一端連接,另一端與所述輸出電容CO的另一端連接；
[0042]第四開關(guān)S4，其一端與所述第二開關(guān)S2和所述第二輸入電源V2的另一端連接，并且所述第二開關(guān)與第四開關(guān)的另一端與所述第二電容的一端連接；
[0043]第五開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述第一電容的另一端連接；
[0044]第六開關(guān)，其一端與所述第二輸入電源的另一端連接，另一端與所述第五開關(guān)的另一端連接；
[0045]第七開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述輸出電容的另一端連接；
[0046]第八開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述第一電容的一端連接。
[0047]本實(shí)用新型還提供了三種控制上述八個(gè)開關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)，分別為:
[0048]第一時(shí)鐘信號(hào)CK1，控制所述第一開關(guān)、第二開關(guān)、第五開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)；
[0049]第二時(shí)鐘信號(hào)CK2，控制所述第三開關(guān)、第六開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)；
[0050]第三時(shí)鐘信號(hào)CK3，控制所述第四開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。[0051 ] 上述的電荷泵電路中，八個(gè)開關(guān)分別在接收到的時(shí)鐘信號(hào)為第一電平(比如高)時(shí)處于關(guān)的狀態(tài)，即開關(guān)處于導(dǎo)通的狀態(tài)，在接收到的時(shí)鐘信號(hào)為第二電平(比如低)時(shí)處于開的狀態(tài)，即開關(guān)處于斷開的狀態(tài)。
[0052]上述的電荷泵電路，其特征在于，所述第一時(shí)鐘信號(hào)CKl，第二時(shí)鐘信號(hào)CK2，第三時(shí)鐘信號(hào)CK3不同時(shí)為第一電平，即三種時(shí)鐘信號(hào)在不同時(shí)刻，只能有一個(gè)為第一電平，其他兩個(gè)為第二電平。三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間存在不交疊控制，即為了避免同時(shí)為第一電平出現(xiàn)交疊情況，3個(gè)信號(hào)間存在一定死區(qū)時(shí)間
[0053]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案中，優(yōu)選地，第一電容、第二電容分別為飛電容(快速電容)，第三電容為輸出電容；并且飛電容為陶瓷電容；而八個(gè)開關(guān)為功率開關(guān)。
[0054]并且隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，例如平板電腦、智能手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)等系統(tǒng)中都配備電源管理單元(Power Management Units),他們通?？梢灾С侄嗦冯妷狠敵?，有些為線性調(diào)壓器，有些為直流-直流轉(zhuǎn)換器。所以在這些系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)(功率)電荷泵電路時(shí)，可以采用第一電源為電池的電源，第二電源為非電池電源(除電池外能供應(yīng)電壓的電源)。
[0055]如圖2?圖7描述了圖1的具體工作過程:
[0056]圖2所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路在CKl為高時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，圖3所示為圖2所不的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化后的不意圖。如圖2所不，當(dāng)時(shí)鐘/[目號(hào)CKl為聞時(shí)，開關(guān)S1、S2、S5處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他開關(guān)處于斷開狀態(tài)；從圖3簡(jiǎn)化后的示意圖，可以看出:在這一時(shí)刻，第一輸入電源Vl的電壓值為vl，第二輸入電源的電壓值為v2，第一電容Cl的電壓值為vcl，第二電容C2的電壓值為vc2，并且存在如下關(guān)系:
[0057]vl=v2+vcl+vc2 (I)
[0058]圖4所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路在CK2為高時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；圖5所示為圖4所示的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化后的示意圖。如圖4所示，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CKl為高時(shí),開關(guān)S3、S6處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他開關(guān)處于斷開狀態(tài)；從圖5簡(jiǎn)化后的示意圖，可以看出:在這一時(shí)刻，輸出電源CO的電壓值為v0，第二輸入電源的電壓值為V2，第一電容Cl的電壓值為vcl，并且存在如下關(guān)系:
[0059]v0=v2+vcl (2)
[0060]圖6所示為本實(shí)用新型提供的電荷泵電路在CK3為高時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；圖7所示為圖6所示的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化后的示意圖。如圖6所示，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CKl為高時(shí),開關(guān)S4、S7、S8處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他開關(guān)處于斷開狀態(tài)；從圖7簡(jiǎn)化后的示意圖，可以看出:在這一時(shí)刻，輸出電源CO的電壓值為v0，第二輸入電源的電壓值為v2，第一電容Cl的電壓值為vcl，第二電容C2的電壓值為vc2，并且存在如下關(guān)系:
[0061]v0=v2-vcl+vc2 (3)
[0062]需要明確的是，對(duì)于穩(wěn)定狀態(tài)下，電容Cl、C2上的電壓vcl、vc2在三個(gè)不同的時(shí)亥|J，應(yīng)當(dāng)維持近似相等，而輸入電源作為常量值，聯(lián)合公式(I)、(2)、(3)、可以求解得到:
[0063]vO=l/3Xvl+2/3Xv2
[0064]因?yàn)檩敵鲭妷簐0=l/3 Xvl+2/3 X v2 ;所以在有限數(shù)量的飛電容時(shí)，可以通過兩個(gè)輸入電源來調(diào)整得到更多的輸出電壓，即可以得到更多的輸出/輸入倍率。
[0065]根據(jù)上面得到vO與vl、v2的關(guān)系式；可以與現(xiàn)有技術(shù)中的方案對(duì)比，例如所述第一輸入電源為3.3V ;所述第二輸入電源為2.4V ;而目標(biāo)值為2.5V。現(xiàn)有技術(shù)在不論是采用一個(gè)飛電容的技術(shù)方案，還是采用兩個(gè)飛電容的技術(shù)方案，都只能得到75.8%的效率。而采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，可以先產(chǎn)生1/3X3.3V+2/3X2.4V=2.7V的電壓，然后經(jīng)過線性調(diào)壓器轉(zhuǎn)換為2.5V，最后的理想效率為2.5V/2.7V=92.6%?？梢娕c現(xiàn)有技術(shù)相比，大大提高了電源利用的效率。[0066]需要說明的是，本實(shí)用新型中的方案，主要適用于目標(biāo)電壓值為V’，其中vO ^ V’；主要原因是如果輸出的電壓值vO不完全等于目標(biāo)值V’，還需要將輸出電壓經(jīng)過線性調(diào)壓，才能得到目標(biāo)值。并且本實(shí)用新型的技術(shù)方案中，更適用于為了得到一個(gè)位于vO位于vl、v2之間的輸出電壓時(shí),可以看出vO_vl=2/3X (v2-vl),而vO_v2=l/3X (vl_v2);所以無論vl與v2的大小關(guān)系，vO都是處于vl與v2之間的值，這樣相對(duì)于更容易得到與目標(biāo)值相近的電壓。
[0067]最后需要說明的是，上述說明僅是本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型做任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，都可利用上述揭示的做法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和簡(jiǎn)單的替換等，這些都屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電荷泵電路包括:第一輸入電源；第一電容；第二電容；輸出電容；其特征在于，還包括: 第二輸入電源，其一端與所述第一輸入電源一端連接在一個(gè)等電位點(diǎn)上，并且所述輸出電容的一端也連接在所述等電位點(diǎn)上； 第一開關(guān)，其一端與所述第一輸入電源的另一端連接，另一端與所述第一電容一端連接； 第二開關(guān)，其一端與所述第二輸入電源的另一端連接； 第三開關(guān)，其一端與所述第一開關(guān)的另一端連接，另一端與所述輸出電容的另一端連接； 第四開關(guān)，其一端與所述第二開關(guān)和所述第二輸入電源的另一端連接，并且所述第二開關(guān)與第四開關(guān)的另一端與所述第二電容的一端連接； 第五開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述第一電容的另一端連接； 第六開關(guān)，其一端與所述第二輸入電源的另一端連接，另一端與所述第五開關(guān)的另一端連接； 第七開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述輸出電容的另一端連接； 第八開關(guān)，其一端與所述第二電容的另一端連接，另一端與所述第一電容的一端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于，還包括: 第一時(shí)鐘信號(hào)CK1，控制所述第一開關(guān)、第二開關(guān)、第五開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)； 第二時(shí)鐘信號(hào)CK2，控制所述第三開關(guān)、第六開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)； 第三時(shí)鐘信號(hào)CK3，控制所述第四開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的電荷泵電路，其特征在于，所述八個(gè)開關(guān)分別在接收到的時(shí)鐘信號(hào)為第一電平時(shí)處于關(guān)的狀態(tài)，在接收到的時(shí)鐘信號(hào)處于第二電平時(shí)為開的狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的電荷泵電路，其特征在于，所述第一時(shí)鐘信號(hào)CKl，第二時(shí)鐘信號(hào)CK2,第三時(shí)鐘信號(hào)CK3不同時(shí)為第一電平。
5.如權(quán)利要求1~4任一所述的電荷泵電路，其特征在于， 所述第一輸入電源的電壓為Vl ； 所述第二輸入電源的電壓為v2 ； 所述輸出電源的電壓為vO，并且vO=l/3Xvl+2/3Xv2 ； 目標(biāo)電壓值為V’，其中vO≥ V’。
6.如權(quán)利要求1~4任一所述的電荷泵電路，其特征在于，所述第一電容、第二電容為飛電容、第三電容為輸出電容。
7.如權(quán)利要求6所述的電荷泵電路，其特征在于，所述飛電容為陶瓷電容。
8.如權(quán)利要求1~4任一所述的電荷泵電路，其特征在于，所述八個(gè)開關(guān)為功率開關(guān)。
9.如權(quán)利要求1~4任一所述的電荷泵電路，其特征在于， 所述第一輸入電源為電池的電源； 所述第二輸入電源為非電池電源。
【文檔編號(hào)】H02M3/07GK203491890SQ201320595440
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】王釗 申請(qǐng)人:無錫中星微電子有限公司