一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路的制作方法
【專利摘要】一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，能夠在低電壓處有效地啟動。本實(shí)用新型通過將集成電路連接到輸出負(fù)載并置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，使輸出負(fù)載與該電路斷開。因此，電路內(nèi)部的電壓在由外部負(fù)載耗盡之前可以上升。一個比較器連接到置為高阻抗?fàn)顟B(tài)的電路，當(dāng)內(nèi)部電壓達(dá)到一個足夠的水平時，在高效的電路運(yùn)行下，對外部電壓的影響可以降到最低。
【專利說明】一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)集成電路低電壓啟動的功能。本發(fā)明的一個首選實(shí)例是具有低輸入電壓和輸出負(fù)載的直流-直流轉(zhuǎn)換電路。然而，本發(fā)明也可以用于其他集成電路。
[0002]本發(fā)明使電路內(nèi)部電壓提高，在電路建立到一個可持續(xù)的水平之前，沒有額外電阻消耗電壓的負(fù)面影響。增加的內(nèi)部電壓也有助于減少集成電路中的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明還可以使這個低電壓啟動功能不增加專用的外部控制引腳。
【背景技術(shù)】:
[0003]升高的直流-直流轉(zhuǎn)換電路可以在基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感和開關(guān)電容(電荷泵)上實(shí)現(xiàn)?；谕?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感對于低輸入電壓的應(yīng)用通常是首選的，因?yàn)樗然谕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容具有更大的封裝效率和啟動性能。例如，轉(zhuǎn)換電路在基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感上實(shí)現(xiàn)輸入電壓四倍的提高，這至少需要三個管腳而基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容至少需要八個管腳?；谕?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感為了實(shí)現(xiàn)一個四倍頻器比基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容需要更少的電源開關(guān)。因此，由于基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感具有更少的電源開關(guān)，它具有較低的導(dǎo)通電阻，從而它提供了低電壓應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]然而，與基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容相比，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感也具有一些缺點(diǎn)。例如，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感比基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容具有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，因?yàn)榍罢叱藘?nèi)部的集成電路控制還需要大量的外部元件。此外，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感需要磁能存儲，很難穩(wěn)定和輻射電磁波。
[0005]基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感和電容不提供足夠的開關(guān)來驅(qū)動集成電路所需的低導(dǎo)通電阻的能力。例如，一個基于拓?fù)潆娙莸碾姾杀米钌傩枰藗€電源開關(guān)和外部引腳。因?yàn)殡娫撮_關(guān)的高阻抗，該基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容在低輸入電壓下難以啟動。一般來說，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容具有比電感更高的導(dǎo)通電阻，因?yàn)轭~外的電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)了一個基于電容拓?fù)涞碾姾杀?八個開關(guān)與上述四倍頻器的開關(guān)相對應(yīng))。在電源開關(guān)下的電阻壓降由驅(qū)動電壓的不足引起，通過額外的電源開關(guān)有效地增加了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容。
[0006]增加的額外負(fù)載造成集成電路的另一個問題，因?yàn)樵谒_(dá)到一個可持續(xù)的水平之前，驅(qū)動電源開關(guān)的內(nèi)部電壓由額外負(fù)載耗盡。因此，最好提供一個基于直流-直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容，在低電壓下可以啟動，同時在非常低的電壓下運(yùn)行，并且不需要額外的控制引腳。
[0007]本發(fā)明可以應(yīng)用于集成電路，在啟動期間，其內(nèi)部偏置電壓被額外負(fù)載消耗。這些電路中的負(fù)載消耗加劇了電路導(dǎo)通電阻引起的低效率。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0008]增強(qiáng)的啟動能力通過將內(nèi)部偏置電壓與內(nèi)部負(fù)載隔離來實(shí)現(xiàn)，同時電壓水平也提高了。在本發(fā)明的一個首選實(shí)例中，內(nèi)部偏置電壓通過一個高阻抗電路屏蔽掉輸出負(fù)載，以至于不再給輸出負(fù)載充電。屏蔽電路由比較器控制，在內(nèi)部電壓被加到負(fù)載之前，以確保內(nèi)部電壓達(dá)到一個可選的水平。
[0009]本發(fā)明是在一個四倍頻器上實(shí)現(xiàn)的。在四倍頻電荷泵中包含兩個電荷泵，比較器最好位于第一和第二電荷泵之間，當(dāng)?shù)谝浑姾杀玫妮敵鲭妷鹤銐蚋哂诘谝浑姾杀玫妮斎腚妷簳r，將第二電荷泵從斷開狀態(tài)(高阻抗)切換到接通狀態(tài)。
[0010]然而，本發(fā)明可以在一個六倍頻或八倍頻電荷泵電路上實(shí)現(xiàn)。在這些電路中，本發(fā)明可位于沿電荷泵鏈的任何位置，但最好是耦合到最后的倍頻器，例如，連接到負(fù)載，以至于內(nèi)部偏置電壓可以作為輸入電壓被提高。本發(fā)明也可以用于負(fù)轉(zhuǎn)換電路或任何電路的正端，由于額外負(fù)載的消耗，也會遇到低電壓啟動問題。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0012]如上所述，直流-直流轉(zhuǎn)換器的低輸入電壓產(chǎn)生一個問題，因?yàn)樽畛鯖]有足夠的電壓驅(qū)動電源開關(guān)來克服它們的導(dǎo)通電阻。當(dāng)使用一個低輸入電壓時，驅(qū)動電壓很小并且電路的導(dǎo)通電阻很大，因此功率損耗在每個開關(guān)上并且電路不能有效地運(yùn)行。為了減少功率損失，內(nèi)部電壓水平必須被激增到足夠大來驅(qū)動晶體管并減小它們的導(dǎo)通負(fù)載，以至于在每個開關(guān)上的功率損耗更少。當(dāng)導(dǎo)通電阻變得很小時，開關(guān)工作更有效并且具有更少的功率損耗，同時信號阻斷電路。
[0013]然而，在建立一個水平來驅(qū)動門電路和降低它們的導(dǎo)通電阻之前，如果不給外部電阻加壓，內(nèi)部電壓水平不能及時激增。因此，本發(fā)明的一個目的是給連接到外部負(fù)載的集成電路提供低電壓啟動能力。
[0014]對比專利文獻(xiàn):CN202939530U —種電流源啟動電路201220620731.2【專利附圖】

【附圖說明】:
[0015]本發(fā)明的目的將在下面作詳細(xì)地描述，附圖將對本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)作進(jìn)一步的描述。部分器件的參考字符已在圖中標(biāo)明。
[0016]圖1是本發(fā)明的一個四倍頻電荷泵框圖。
[0017]圖2是圖1中第二比較器滯后的效果圖。
[0018]圖3是圖1電荷泵中倍頻器電路原理圖。
[0019]圖4A和4B在圖1電荷栗電路中的一系列門電路圖，用來廣生圖3倍頻器的控制信號。
【具體實(shí)施方式】:
[0020]圖1顯示了四倍頻電荷泵電路10的原理圖，具有1-8個引腳，耦合到輸入電壓端Vin,輸出電壓端Vtjut，五個外部電容Cl、C2、C3、Cin, Cout和接地端。
[0021 ] 四倍頻電荷泵電路10包含第一電荷泵電路20，第二電荷泵電路30，第一比較器電路40，定時電路50，第二比較器電路60和偏置控制電路80。電路10的一般操作包括第一電荷泵電路20和第二電荷泵電路30 (在圖3，圖4A和圖4B中)、第一比較器40和偏置控制電路80的操作，被稱為“不使用專用引腳的集成電路控制特點(diǎn)”，與現(xiàn)在的應(yīng)用領(lǐng)域相吻合。采樣電路可以被添加到該電路中，但沒必要對其操作。
[0022]一般來說，電壓Vin輸入到第一電荷泵電路20，它輸出的電壓大約是Vin的兩倍，將該電壓以\2存儲到C2中。如果電壓\2不大于電壓Vin，第二電荷泵電路30被置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到電壓Ve2足夠大于電壓Vin。一旦第二電荷泵電路30啟用，電壓Ve2輸入到第二電荷泵電路30中，反過來，輸出電壓端Vrat大約是電壓\2的兩倍。因此，在穩(wěn)定的運(yùn)行條件下，輸出電壓端Vrat大約是輸入電壓Vin的四倍。
[0023]電壓Vib由偏置控制電路80產(chǎn)生，它選擇輸入電壓Vin，電壓Ve2和輸出電壓端Vwt中最高的電壓。因此，內(nèi)部偏置電壓用于驅(qū)動電源開關(guān)和降低電路的導(dǎo)通電阻，以保持在最高水平。在低電壓啟動期間，電壓Vin是最高的電壓，因?yàn)殡妷汉洼敵鲭妷篤tjut大約為O伏。由于電壓Vin是很低，不提供驅(qū)動電壓來降低電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻，因此，通過電路10的信號功率損耗很多，直到內(nèi)部電壓Vib足夠高來驅(qū)動第一電荷泵電路20和第二電荷泵電路30的電源開關(guān)。
[0024]此外，由于功率損耗在開關(guān)和連接到負(fù)載的輸出端Vrat上，12和Vrat不能通過電荷泵激增，并且內(nèi)部偏置電壓保持很低來阻止四倍頻電荷泵電路10的有效操作。為了解決低電壓啟動的這個問題，第二電荷泵電路30被置為高阻抗?fàn)顟B(tài)(開路)，以至于在它激增到驅(qū)動電路電源開關(guān)的可持續(xù)水平之前，輸出負(fù)載不損耗內(nèi)部偏置電壓。電壓\2通過第一電荷泵電20升高到一個足夠高的水平(高于電壓Vin)，以提供一個有效的驅(qū)動電壓和減小外部負(fù)載的影響。
[0025]當(dāng)?shù)诙姾杀秒娐?0是高阻抗?fàn)顟B(tài)時(例如，具有高阻抗輸入)，第一電荷泵電路20激增到電壓\2。電壓Ve2由電阻R3和R4分壓，在第二比較器60的分壓Vdiv產(chǎn)生信號RS0在第二電荷泵電路30啟用前，R3和R4的比值決定了電壓Ve2的值。R3和R4的比值是設(shè)計(jì)選擇，在首選的實(shí)例中，基于門電路的驅(qū)動電壓Ve2和啟動時間因素，R3和R4的比值約為0.5:1 (或1:2)。因此，在第二電荷泵電路30通過第二比較器60接通(去除高阻抗?fàn)顟B(tài))之前，電壓將達(dá)到比電壓Vin還高的水平(基于電壓Vdiv的選定水平)。當(dāng)?shù)诙姾杀秒娐?0接通時，電壓\2耦合到電壓 Vwt，被加到外部負(fù)載上。
[0026]圖2是電路10啟動時電壓Ve2和電壓Vrat相對于時間的曲線圖，表明了第二比較器60滯后的使用。該圖基于I伏的電壓和電阻R3與R4值的選擇，當(dāng)電壓\2達(dá)到1.5伏時，第二電荷泵電路30被接通。當(dāng)電壓Ve2達(dá)到1.5伏時，第二電荷泵電路30去除了高阻抗?fàn)顟B(tài)(接通)，以至于電壓\2耦合到電壓端U。因此，電壓\2由外部負(fù)載消耗并降低到
1.5伏水平。由于在第二比較器60中的滯后，第二電荷泵電路30不被置為高阻抗?fàn)顟B(tài)(斷開)，直到電壓\2降低到1.1伏。在這段時間內(nèi)，電壓Vrat低于I伏。
[0027]當(dāng)電壓\2再次升高到1.5伏時，第二電荷泵電路30再次接通，電壓耦合到電壓端vwt，并且被外部負(fù)載消耗。這個過程一直持續(xù)到電壓\2和電壓Vrat都足夠高，以至于電壓\2不會降低到1.1伏。第二比較器60中的滯后水平可作為電路的設(shè)計(jì)參數(shù)(例如400mV)o
[0028]回到圖1的電路10，定時電路50由可以產(chǎn)生兩個非重疊時鐘信號CLKl和CLK2的任何電路形成。非重疊時鐘信號控制第一和第二電荷泵電路以確保沒有大的電流擊穿。如果電路用于除了電荷泵的其他電路，一個不同的時鐘信號被使用。電路運(yùn)行所需的時鐘信號類型是基于設(shè)計(jì)考慮的。
[0029]當(dāng)電路10接通時，信號RS是低電平，因?yàn)殡妷海ぁ?低于電壓Vin。當(dāng)信號RS是低電平時，第二電荷泵電路30通過第二比較器60的輸出端(例如信號RS)被置為高阻抗?fàn)顟B(tài)；定時電路50通過信號RS被或門45的輸出端控制，信號RS通過反相器48來達(dá)到正確的極性。因此，定時電路50將繼續(xù)產(chǎn)生信號CLK1，CLK2和第一電荷泵電路20將繼續(xù)發(fā)揮作用。
[0030]在啟動的電路10中，輸出端Vtjut與集成電路斷開連接，因?yàn)榈诙姾杀秒娐?0處于高阻抗?fàn)顟B(tài)；因此，第一比較器40的輸出端是未知的。第一比較器40輸出端的未知導(dǎo)致定時電路50斷開,這導(dǎo)致電路10被完全關(guān)閉。或門45使信號RS或第一比較器40的輸出端控制定時電路50的操作。
[0031 ] 因此，當(dāng)信號RS是低電平并且第二電荷泵電路30處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時，定時電路50通過反相器48和或門45被信號RS控制，以確保信號CLK1，CLK2的產(chǎn)生。因此，當(dāng)?shù)诙姾杀秒娐?0處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時，信號RS使內(nèi)部時鐘運(yùn)行。多控制信號的使用結(jié)構(gòu)確保了定時電路50可以在已知的技術(shù)上以任何方式實(shí)現(xiàn)。
[0032]一旦信號RS變高，第二電荷泵電路30將啟用，定時電路50的操作由第一比較器40的輸出端控制。
[0033]如圖3所示，第一倍頻器22和第二倍頻器32以相同的方式工作?？刂菩盘栆砸粋€略微不同的方式產(chǎn)生，如下面圖4A和4B所述。
[0034]如圖4A所示，邏輯門201到208用來給第一倍頻器22產(chǎn)生控制信號A，B和C。圖4A中給邏輯門提供覆蓋信號。相反，信號A，B和C是基于時鐘信號CLKl和CLK2產(chǎn)生。當(dāng)信號CLKl是高電平時，信號C是高電平。當(dāng)信號CLK2是高電平時，信號B是高電平，信號A是低電平。當(dāng)CLKl脈沖是高電平時，晶體管NI和N2 (圖3)被接通，以至于電壓Vin存儲在電容Cl中。當(dāng)CLK2脈沖是高電平時，晶體管N3，N4和P3，P4 (圖3)被接通，以至于電壓Vcl與Vin相加。
[0035]如圖4B所示，當(dāng)信號RS變?yōu)榈碗娖綍r，信號RS作為一個覆蓋信號。通過第二倍頻器32中的所有晶體管斷開，使第二電荷泵電路30置為高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)信號RS是高電平時，信號D，E和F基于時鐘信號CLKl和CLK2產(chǎn)生。當(dāng)信號CLKl和RS是高電平信號時，信號F是聞電平。當(dāng)/[目號CLK2和RS是聞電平彳目號時[目號E是聞電平[目號D是低電平。因此，在CLKl期間，電壓Ve2存儲在電容C3中，在CLK2期間，電壓Ve3和電壓Ve2相加，當(dāng)信號RS是高電平時，電壓有效地輸入到第二電荷泵電路30。
[0036]用“N”標(biāo)記的晶體管表示N溝道晶體管，用“P”標(biāo)記的晶體管表示P溝道晶體管。
[0037]圖4A和圖4B的反相器鏈增加了圖3中第一和第二電荷泵電路的功率開關(guān)驅(qū)動能力。這些反相器最好在大小上從左至右增加。圖4A的反相器比圖4B的反相器大，因?yàn)榈诙姾杀秒娐?0的晶體管通常不需要與第一電荷泵電路20相同的功率開關(guān)。然而，反相器的大小和尺寸取決于設(shè)計(jì)的選擇，例如晶體管的類型(最好是MOS場效應(yīng)晶體管)，其他因素根據(jù)電路設(shè)計(jì)而不同。
[0038]在兩個以上電荷泵電路中，輸入到比較器的電壓與輸入到集成電路的電壓相比較，或與電荷泵中電路的一個輸入電壓相比較。電壓比較是設(shè)計(jì)選擇，然而，輸入到比較器的電壓最好與輸入到集成電路的電壓相比較。該選擇適用于其他電路，如正負(fù)轉(zhuǎn)換器電路。
[0039]通過將內(nèi)部電壓與輸出負(fù)載的比較，電路10的內(nèi)部偏置電壓不會被外部負(fù)載消耗。因此，有效的低電壓啟動可以在具有外部負(fù)載和導(dǎo)通電阻損耗的電路上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可根據(jù)其描述實(shí)行，為了說明起見，本發(fā)明的目的不受限制，本發(fā)明的權(quán)利受權(quán)力要求說明書的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:該集成電路包括一個第一電路，用于接收第一電壓和提供第二電壓；第二電路耦合到第一電路，第二電路具有接通和斷開狀態(tài)；比較器在第一和第二電路之間耦合，其中第二電路從比較器輸出端的斷開狀態(tài)被置為接通狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:其中當(dāng)在斷開狀態(tài)時，第二電路具有高阻抗輸入端；其中第一和第二電路是電荷泵電路；其中比較器接收第三電壓，并且將第一電路的第二電壓與第三電壓作比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:其中在比較器將第二電壓與第三電壓比較之前，第二電壓被電阻分壓；其中第三電壓輸入到集成電路；其中第三電壓等于第一電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:該電路進(jìn)一步包括一個時鐘發(fā)生器，它的輸出端耦合到第一和第二電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:當(dāng)?shù)诙娐肥菙嚅_狀態(tài)時，比較器的輸出端耦合到時鐘發(fā)生器電路，以確保時鐘發(fā)生器電路提供至少一個時鐘信號給第一電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:該集成電路包括一個第一電路，用于接收第一電壓和提供第二電壓；第二電路耦合到第一電路，并用于接收第二電壓；比較器在第一和第二電路之間耦合，當(dāng)?shù)诙妷撼^第三電壓時，比較器接收第三電壓使第二電路在斷開狀態(tài)，直到比較器使其啟動，以至于即使當(dāng)輸入到集成電路的電壓很低時，第二電壓仍可以被提高。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)低電壓啟動的集成電路，其特征是:該集成電路的特點(diǎn)是四倍頻電荷泵電路包含第一倍頻電路和第二倍頻電路；第一倍頻電路接收第一電壓并輸出第二電壓；第二倍頻電路耦合到第一倍頻電路，用來接收第二電壓并且具有接通和斷開狀態(tài)；存儲電容器在第一和第二倍頻電路之間耦合，存儲電容器存儲來自第一倍頻電路輸出的第二電壓；比較器電路通過一個分壓器耦合到存儲電容器和第二倍頻電路，分壓器提供一個分壓；比較器電路包含被分壓的第一電壓，當(dāng)分壓高于第一電壓時，比較器電路將第二倍頻電路從斷開狀態(tài)設(shè)置為接通狀態(tài)，從而當(dāng)輸入到集成電路的電壓很低時，斷開狀態(tài)的第二倍頻電路使存儲電容器中的電容提高，而不被外部負(fù)載耗盡，因此，四倍頻電荷泵電路啟動在一個低輸入電壓下。
【文檔編號】H02M1/36GK203562947SQ201320760917
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司