本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種電容式電荷泵。

背景技術(shù)：

電容式電荷泵(charge pump)是一種DC/DC變換器，其工作時(shí)先利用電容器件儲(chǔ)存能量，然后再在控制電路的控制下將能量釋放出來，釋放出的電荷再分配實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，具有翻轉(zhuǎn)電壓以及倍壓的特性。圖1為現(xiàn)有的2倍電壓電容式電荷泵。Cbypass電容801、PMOS管1、PMOS管2、PMOS管3、NMOS管4、Cfly電容、Cload電容組成電容電荷泵主結(jié)構(gòu)。K1、K2、K3及K4分別為PMOS管1、PMOS管2、PMOS管3及NMOS管4的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)PMOS管1、NMOS管4導(dǎo)通，PMOS管2、PMOS管3斷開時(shí)，輸入電源電壓VIN開始給電容Cfly充電，此時(shí)S1點(diǎn)電位為VIN，S2點(diǎn)電位為0V。若此時(shí)PMOS管1、NMOS管4斷開，PMOS管2、PMOS管3閉合導(dǎo)通，S2點(diǎn)電位被抬升至VDD，由于電容的自舉特性，則S1點(diǎn)電位被抬升。在控制信號(hào)的控制下，開關(guān)不停地閉合斷開，Vout點(diǎn)電位將不斷上升，理想狀態(tài)達(dá)到2VDD，即Vout＝2VDD，這便達(dá)到了倍壓的效果。

圖1中電路300為輸出電壓Vout檢測(cè)電路。輸出電壓Vout經(jīng)過電阻R1、R2分壓，抽取一個(gè)合適的電壓通過比較器301與一個(gè)基準(zhǔn)電壓VBGR進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果送入控制邏輯電路200。當(dāng)抽取的電壓小于基準(zhǔn)電壓VBGR時(shí)，邏輯電路會(huì)控制電容電荷泵工作；當(dāng)抽取的電壓等于或大于基準(zhǔn)電壓VBGR時(shí)，邏輯電路就會(huì)控制電容電荷泵停止工作，即保持K1、K2、K3和K4電平不變；當(dāng)抽取電壓由于給負(fù)載供電而再次降低到基準(zhǔn)電壓VBGR以下時(shí)，邏輯電路200又會(huì)控制電容電荷泵再次工作。兩相非交疊時(shí)鐘電路700為電荷泵開關(guān)的柵驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電路，將輸入clock信號(hào)轉(zhuǎn)換為非交疊的控制信號(hào)K1、K2、K3和K4。

現(xiàn)有技術(shù)中電容式電荷泵在輸入電壓變化范圍大、負(fù)載電流大時(shí)存在輸出紋波較大的問題，這會(huì)嚴(yán)重降低電容式電荷泵的輸出電壓的供電質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中電容式電荷泵在輸入電壓變化范圍大、負(fù)載電流大時(shí)輸出電壓紋波較大的問題的缺陷，提供一種輸出紋波較小的電容式電荷泵。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：

一種電容式電荷泵，包括充電電容802、第一開關(guān)器件1和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，所述第一開關(guān)器件1的一端的輸入為輸入電源信號(hào)，所述第一開關(guān)器件1的另一端與所述充電電容802連接，其特點(diǎn)在于，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路還包括跨導(dǎo)線性環(huán)和電流偏置電路，所述電流偏置電路的輸出信號(hào)接至所述跨導(dǎo)線性環(huán)的一端，所述跨導(dǎo)線性環(huán)的另一端與所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的非門連接，所述非門輸出開關(guān)控制信號(hào)至所述第一開關(guān)器件1。

本方案中，所述電流偏置電路通過控制所述線性跨導(dǎo)環(huán)的電流實(shí)現(xiàn)第一開關(guān)器件1的低電平電壓不會(huì)隨輸入電源電壓VIN的變化而明顯變化。即在輸入電源電壓VIN變化范圍較大的情況下，每個(gè)周期通過電容式電荷泵傳遞給輸出電壓的電荷量是固定的，也即驅(qū)動(dòng)能力是固定的，因此僅僅控制輸出電壓紋波即可。如果沒有這個(gè)控制機(jī)制，驅(qū)動(dòng)能力可以很強(qiáng)，但是輸出電壓上的紋波會(huì)很大。

較佳地，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路還包括輸入電源檢測(cè)電路，所述輸入電源檢測(cè)電路的輸出信號(hào)控制所述跨導(dǎo)線性環(huán)的另一端接地。

本方案中，當(dāng)輸入電源電壓VIN低于一定閾值時(shí)，輸入電源檢測(cè)電路將輸出信號(hào)使得所述跨導(dǎo)線性環(huán)的另外一端接地，從而使得所述電流偏置電路及所述跨導(dǎo)線性環(huán)的一端不起作用，即放開驅(qū)動(dòng)能力限制。

較佳地，所述跨導(dǎo)線性環(huán)包括第一PMOS管17、第二PMOS管11、第一NMOS管12和第二NMOS管18，所述第一PMOS管17的柵極和漏極與 所述第一NMOS管12的柵極連接，所述第一PMOS管17的源極及所述第一NMOS管12的漏極接輸入電源；所述第一NMOS管12的源極與所述第二PMOS管11的柵極連接，所述第二PMOS管11的漏極接地，所述第二PMOS管11的源極與所述第二NMOS管18的源極連接，所述第二NMOS管18的漏極用于驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的非門；所述電流偏置電路的輸出端與所述第一PMOS管17的柵極連接，所述電流偏置電路的另一輸出端與所述第一NMOS管12的源極連接。

本方案中，有如下關(guān)系式，|VGS17|+VGS12＝|VGS11|+VGS18，其中VGS是源極和柵極間電壓。所以，只要所述電流偏置電路的電壓抑制比(PSRR)高，那么在輸入電源電壓VIN大范圍變化的情況下，|VGS17|+VGS12就是一個(gè)穩(wěn)定值，那么就決定了|VGS11|+VGS18是穩(wěn)定的。因此，所述第一開關(guān)器件1的低電平電壓不會(huì)隨輸入電壓VIN的變化而明顯變化。

較佳地，所述輸入電源檢測(cè)電路包括第三NMOS管14，所述第三NMOS管14的漏極與所述第二NMOS管18的源極連接，所述第三NMOS管14的源極接地。

較佳地，所述電容式電荷泵還包括第二開關(guān)器件2、第三開關(guān)器件3和第四開關(guān)器件4；所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路包括兩組級(jí)聯(lián)的兩相非交疊時(shí)鐘電路，其中一組兩相非交疊時(shí)鐘電路輸出開關(guān)控制信號(hào)至所述第一開關(guān)器件1和所述第四開關(guān)器件4，另一組兩相非交疊時(shí)鐘電路輸出開關(guān)控制信號(hào)至所述第二開關(guān)器件2和所述第三開關(guān)器件3；所述第一開關(guān)器件1和所述第四開關(guān)器件4不能同時(shí)接通；所述第二開關(guān)器件2和所述第三開關(guān)器件3不能同時(shí)接通。

本方案中，兩組級(jí)聯(lián)的兩相非交疊時(shí)鐘電路能夠控制所述第一開關(guān)器件1至所述第四開關(guān)器件4的導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)序，避免所述第一開關(guān)器件1和所述第四開關(guān)器件4同時(shí)接通及所述第二開關(guān)器件2和所述第三開關(guān)器件3同時(shí)接通的情況發(fā)生，以此保證所述電容式電荷泵正常的充放電。

較佳地，所述電容式電荷泵還包括輸出參考電壓產(chǎn)生電路400和輸出紋 波控制電路500；所述輸出參考電壓產(chǎn)生電路400的輸入端接至所述第二開關(guān)器件2遠(yuǎn)離輸入電源的一端；所述輸出參考電壓產(chǎn)生電路400輸出的第一參考電壓VTH1和第二參考電壓VTH2分別接至所述輸出紋波控制電路500的兩個(gè)電壓輸入端。

本方案中，所述輸出參考電壓產(chǎn)生電路400將所述第二NMOS管18的源極端輸出的電壓Vout1生成兩個(gè)參考電壓，并將這兩個(gè)參考電壓送至所述輸出紋波控制電路500，所述輸出紋波控制電路500根據(jù)接收到的兩個(gè)參考電壓生成進(jìn)一步的輸出電壓Vout_inter。

較佳地，所述輸出參考電壓產(chǎn)生電路400包括依次串聯(lián)的第一電流源401、第一電阻和第二電阻，所述第一電流源401的電流輸入端與所述第二開關(guān)器件2遠(yuǎn)離輸入電源的一端相連，所述第二電阻接地。

較佳地，所述輸出紋波控制電路500包括第一運(yùn)放501、第二運(yùn)放502、第二電流源503、第三PMOS管20和第四NMOS管21，所述第一運(yùn)放501的反相端的輸入信號(hào)為所述第一參考電壓，所述第二運(yùn)放502的同相端的輸入信號(hào)為所述第二參考電壓；所述第一運(yùn)放501的輸出端與所述第三PMOS管20的柵極連接，所述第三PMOS管20的源極與所述第二開關(guān)器件2遠(yuǎn)離輸入電源的一端連接，所述第二運(yùn)放502的反相端、所述第四NMOS管21的漏極、所述第一運(yùn)放501的同相端和所述第二電流源503的電流輸入端連接；所述第二運(yùn)放502的輸出端與所述第四NMOS管21的柵極連接，所述第四NMOS管21的源極及所述第二電流源503的電流流出端接地。

本方案中，當(dāng)Vout_inter低于設(shè)定的第一參考VTH1時(shí)，第三PMOS管20導(dǎo)通，第四NMOS管21關(guān)斷，給負(fù)載充電；當(dāng)Vout_inter高于設(shè)定的第二VTH2時(shí)，第三PMOS管20關(guān)斷，第四NMOS管21導(dǎo)通，從而給Vout_inter放電；當(dāng)VTH1<Vout_inter<VTH2時(shí)，第三PMOS管20關(guān)斷，第四NMOS管21關(guān)斷。

較佳地，所述電容式電荷泵還包括輸出電壓斜率控制電路600，所述輸出電壓斜率控制電路600包括第三運(yùn)放601、第四PMOS管22、充電電流源 602、放電電流源603、單刀雙擲開關(guān)604和斜率控制電容803，所述第四PMOS管22的源極與所述輸出紋波控制電路500的輸出端連接，所述第三運(yùn)放601的同相端及所述第四PMOS管22的漏極經(jīng)電容接地，所述充電電流源602的電流輸入端與所述第二開關(guān)器件2遠(yuǎn)離輸入電源的一端相連，所述放電電流源603的電流流出端接地，所述斜率控制電容803的一端接地，所述充電電流源602的電流流出端及所述放電電流源603的電流輸入端通過所述單刀雙擲開關(guān)604以擇一方式與所述斜率控制電容803的另一端及所述第三運(yùn)放601的反相端連接。

本方案中，所述輸出電壓斜率控制電路用于控制所述輸出電壓上電或者掉電時(shí)該電路輸出電壓Vout2的斜率。在上升沿時(shí)，通過充電電流源602給斜率控制電容803充電，控制斜率控制電容803遠(yuǎn)離地的一端的上升斜率，通過第三運(yùn)放601和第四PMOS管22控制輸出電壓Vout2跟隨斜率控制電容803遠(yuǎn)離地的一端的電壓。

較佳地，所述第一開關(guān)器件、第二開關(guān)器件及第三開關(guān)器件為PMOS管，所述第四開關(guān)器件為NMOS管。

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明提供的電容式電荷泵在現(xiàn)有電荷泵的基礎(chǔ)上增加了跨導(dǎo)線性環(huán)和電流偏置電路，其能夠控制電容式電荷泵的第一開關(guān)器件的低電平電壓不隨輸入電壓的變化而明顯變化，從而實(shí)現(xiàn)控制電容式電荷泵的驅(qū)動(dòng)能力并減小輸出電壓的紋波的功能，進(jìn)而改善電容式電荷泵的輸出電壓的供電質(zhì)量。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電容式電荷泵的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的電容式電荷泵的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電容式電荷泵的四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。

如圖2所示，一種電容式電荷泵，包括充電電容802、第一開關(guān)器件1、第二開關(guān)器件2、第三開關(guān)器件3和第四開關(guān)器件4、輸出電壓檢測(cè)電路300、控制邏輯電路200、輸出參考電壓產(chǎn)生電路400、輸出紋波控制電路500、輸出電壓斜率控制電路600和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路100。其中開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路100包括兩組級(jí)聯(lián)的兩相非交疊時(shí)鐘電路、跨導(dǎo)線性環(huán)、電流偏置電路和輸入電源檢測(cè)電路。其中第一開關(guān)器件1、第二開關(guān)器件2及第三開關(guān)器件3均為PMOS管，而第四開關(guān)器件4為NMOS管。

第一開關(guān)器件1的漏極與輸入電源信號(hào)VIN及第三開關(guān)器件3的漏極連接，第一開關(guān)器件1的源極與充電電容802即Cfly的一端及第四開關(guān)器件4的漏極連接，第三開關(guān)器件3的源極與Cfly的另外一端及第二開關(guān)器件的漏極連接，第二開關(guān)器件2的源極輸出為Vout1。Vout1作為輸出電壓檢測(cè)電路300、輸出參考電壓產(chǎn)生電路400及輸出電壓斜率控制電路600的輸入電壓?？刂七壿嬰娐?00接收輸出電壓檢測(cè)電路300輸出的信號(hào)，并輸出控制信號(hào)至開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路100的第一級(jí)兩相非交疊時(shí)鐘電路。

其中開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路100采用與非門實(shí)現(xiàn)兩相非交疊時(shí)鐘信號(hào)，采用兩組嵌套，其中兩組嵌套的第一級(jí)兩相非交疊時(shí)鐘電路包括反相器102、反相器103、反相器104、反相器108、反相器111、反相器112、與非門101、與非門109、PMOS管24和NMOS管23組成的反相器、PMOS管19和NMOS管18組成的反相器；第二級(jí)兩相非交疊時(shí)鐘電路包括反相器106、反相器107、反相器113、反相器114、反相器115、反相器116、與非門105及與非門114。其中反相器102的輸出用于驅(qū)動(dòng)第四開關(guān)器件4的柵極的K4信號(hào)，NMOS管18的漏極用于驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)器件1的柵極的K1信號(hào)，反相器107的輸出用于驅(qū)動(dòng)第三開關(guān)器件3的柵極的K3信號(hào)，反相器116的輸出用于驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)器件2的柵極的K2信號(hào)。

其中K3、K2、K1、K4四個(gè)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序關(guān)系如附圖3：

1)PMOS管1、NMOS管4不能同時(shí)導(dǎo)通，即不能出現(xiàn)K1＝“0”，K4＝“1”的情況；

2)PMOS管3、PMOS管2不能同時(shí)導(dǎo)通，即不能出現(xiàn)K3＝“0”，K2＝“0”的情況；

3)進(jìn)入充電相位時(shí)，NMOS管4先通，PMOS管3后通，即K4先來上升沿，K3再來下降沿；

4)退出充電相位時(shí)，PMOS管3先斷，NMOS管4后斷，即K3上升沿先來，K4下降沿后來；

5)進(jìn)入放電相位時(shí)，PMOS管1先通，PMOS管2后通，即K1先來下降沿，K2再來下降沿；

6)退出放電相位時(shí)，PMOS管2先斷，PMOS管1后斷，即K2上升沿先來，K1上升沿后來。

本實(shí)施例中，PMOS管6、PMOS管7、PMOS管5、NMOS管8、NMOS管9及NMOS管10為電流偏置電路，PMOS管17、NMOS管12、NMOS管18、PMOS管11組成線性跨導(dǎo)環(huán)。其中PMOS管17的柵極和漏極與NMOS管12的柵極連接，PMOS管17的源極及NMOS管12的漏極接輸入電源；NMOS管12的源極與PMOS管11的柵極連接，PMOS管11的漏極接地，PMOS管11的源極與NMOS管18的源極連接；電流偏置電路的NMOS管9的漏極與PMOS管17的柵極連接，NMOS管10的漏極與NMOS管12的源極連接。有如下關(guān)系式，|VGS17|+VGS12＝|VGS11|+VGS18。所以，只要電流偏置電路的電壓抑制比(PSRR)高，那么在輸入電源電壓VIN大范圍變化的情況下，|VGS17|+VGS12就是一個(gè)穩(wěn)定值，那么就決定了|VGS11|+VGS18是穩(wěn)定的。因此，K1信號(hào)所在節(jié)點(diǎn)的低電平電壓不會(huì)隨輸入電壓VIN的變化而明顯變化。這樣在輸入電源電壓VIN大范圍變化的情況下，每個(gè)周期通過電容式電荷泵傳遞給輸出的電荷量是固定的，也即驅(qū)動(dòng)能力是固定的。這樣僅僅控制好輸出電壓紋波即可。如果沒有這個(gè)控制機(jī)制，驅(qū)動(dòng)能力可以很強(qiáng)，但是輸出電壓上看到的紋波會(huì)很大。本實(shí)施例通過控制 K1信號(hào)所在節(jié)點(diǎn)脈沖的低電平電壓和下拉放電速率，控制電容式電荷泵的驅(qū)動(dòng)能力和輸出電壓紋波。

本實(shí)施例中輸入電源檢測(cè)電路包括PMOS管5、NMOS管16、NMOS管15、NMOS管13、NMOS管14、反相器117、反相器118。其中NMOS管14的漏極與NMOS管18的源極連接，NMOS管14的源極接地。當(dāng)輸入電源電壓VIN低于一定閾值時(shí)，放開驅(qū)動(dòng)能力限制。當(dāng)輸入電源電壓VIN降低，節(jié)點(diǎn)L1降低，從而節(jié)點(diǎn)L2升高，L3節(jié)點(diǎn)降低，而L4節(jié)點(diǎn)升高，最終將NMOS管14導(dǎo)通，從而將PMOS管11短路，K1信號(hào)所在節(jié)點(diǎn)的低電平拉到GND，放開了驅(qū)動(dòng)能力限制。

本實(shí)施例中輸出參考電壓產(chǎn)生電路400包括依次串聯(lián)的電流源401、第一電阻R3和第二電阻R4，電流源401的電流輸入端接Vout1，第二電阻R4接地。

本實(shí)施例中，輸出紋波控制電路500包括第一運(yùn)放501、第二運(yùn)放502、第二電流源503、第三PMOS管20和第四NMOS管21，第一運(yùn)放501的反相端的輸入信號(hào)為第一參考電壓VTH1，第二運(yùn)放502的同相端的輸入信號(hào)為第二參考電壓VTH2；第一運(yùn)放501的輸出端與第三PMOS管20的柵極連接，第三PMOS管20的源極與Vout1連接，第二運(yùn)放502的反相端、第四NMOS管21的漏極、第一運(yùn)放501的同相端和第二電流源503的電流輸入端連接；第二運(yùn)放502的輸出端與第四NMOS管21的柵極連接，第四NMOS管21的源極及所述第二電流源503的電流流出端接地。當(dāng)Vout_inter低于設(shè)定的VTH1時(shí)，PMOS管20導(dǎo)通，NMOS管21關(guān)斷，給負(fù)載充電；當(dāng)Vout_inter高于設(shè)定的VTH2時(shí)，PMOS管20關(guān)斷，NMOS管21導(dǎo)通，從而給輸出放電；當(dāng)VTH1<Vout_inter<VTH2時(shí)，PMOS管20關(guān)斷，NMOS管21關(guān)斷。

本實(shí)施例中輸出電壓斜率控制電路600包括第三運(yùn)放601、第四PMOS管22、充電電流源602、放電電流源603、單刀雙擲開關(guān)604和斜率控制電容803，第四PMOS管22的源極與輸出紋波控制電路500的輸出端連接， 第三運(yùn)放601的同相端及第四PMOS管22的漏極經(jīng)電容Cload2接地，充電電流源602的電流輸入端接Vout1，放電電流源603的電流流出端接地，斜率控制電容803的一端接地，充電電流源602的電流流出端及放電電流源603的電流輸入端通過單刀雙擲開關(guān)604以擇一方式與斜率控制電容803的另一端及第三運(yùn)放601的反相端連接。在上升沿時(shí)，通過充電電流源602給電容Cslew充電，控制節(jié)點(diǎn)L5的上升斜率，通過第三運(yùn)放601和第四PMOS管22控制輸出電壓Vout2跟隨節(jié)點(diǎn)L5電壓。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這僅是舉例說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。