专利名称：开关电源转换器及提高电荷泵充放电电流匹配度的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电荷泵技术，尤其涉及一种开关电源转换器及提高电荷泵充放电电流匹配度的电路。
背景技术：
目前，在开关电源转换器电路中广泛通过控制电荷泵充电、放电电流的比例关系来控制恒流输出。图1为现有技术中的一种CMOS电荷泵充电、放电电路，该电路由多个共源共栅的晶体管连接而成。其中，基准电流IO被镜像为充电基准电流Il和放电电流Idisch，充电基准电流Il再镜像为充电电流Ich。由于CMOS器件的匹配度较差，充电电流Ich、放电电流Idisch和基准电流Iin之间存在较大的失配。图2为现有技术中的一种循环切换CMOS电荷泵充电、放电电路，该电路由多个共源共栅的晶体管连接而成。基准电流IO被镜像为与该基准电流IO相等的充电基准电流Il和M个放电基准电流，其中M为大于I的整数，M个放电基准电流经过第一电流循环切换阵列201循环选择一个放电基准电流作为放电电流Idisch，充电基准电流Il镜像为与所述充电基准电流Il相等的N个镜像充电基准电流，其中N为大于I的整数，N个镜像充电基准电流经过第二电流循环切换阵列202循环选择一个镜像充电基准电流作为充电电流Ich。第一电流循环切换阵列201包含M个镜像电流输入端和一个电流循环阵列输出端，第二电流循环阵列202包含N个镜像电流输入端和一个电流循环阵列输出端，每个镜像电流输入端与电流循环阵列输出端之间都有一个控制开关。通过从M个放电基准电流循环选出一个放电电流Idisch和从N个镜像充电基准电流循环选出一个充电电流Ich，相当于将M个放电基准电流和N个镜像充电基准电流分别求平均值，使得失配度有所下降，但从基准电流IO镜像为与所述基准电流IO相等的充电基准电流Il的过程仍然存在较大误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源转换器及提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，能够解决晶体管之间的偏差导致的充电电流与放电电流失配的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，包括第一电流镜阵列，用于将基准电流镜像为2个与该基准电流相等的第一镜像电流；第一电流循环切换阵列，具有2个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第一电流循环切换阵列的2个电流输入端分别接收所述第一电流镜阵列输出的2个第一镜像电流，所述第一电流循环切换阵列对所述2个第一镜像电流进行循环切换，使二者交替导通至所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端；第二电流镜阵列，包含N个电流源，用于将所述基准电流镜像为N-1个与该基准电流相等的第二镜像电流，其中N为大于I的整数；第二电流循环切换阵列，具有N个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第二电流循环切换阵列的N个电流输入端分别连接所述第二电流镜阵列中的N个电流源，所述第二电流循环切换阵列对所述N个电流源进行循环切换，使所述N个电流源其中之一作为电流镜的参考源而其他N-1个电流源作为电流镜的输出源，所述第二电流循环阵列的2个循环电流输出端分别连接至所述参考源和其中一个输出源；第三电流循环切换阵列，具有2个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第三电流循环切换阵列的2个电流输入端分别连接所述第二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端，所述第三电流循环切换阵列对所述第二循环切换阵列的2个循环电流输出端进行循环切换，使所述第二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端交替作为电流镜的输入端和输出端；充电放电开关，具有2个输入端和I个输出端，该2个输入端分别连接到所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端其中之一以及所述第三电流循环切换阵列的2个循环电流输出端其中之一，该输出端连接至外部电容以对其进行充电或放电。根据本发明的一个实施例，所述第一电流循环切换阵列包括第一开关，其第一端接收所述第一电流镜阵列输出的一个第一镜像电流，其第二端作为所述第一电流循环切换阵列的一个循环电流输出端；第二开关，其第 一端接收所述第一电流镜阵列输出的另一个第一镜像电流，其第二端连接所述第一开关的第二端；第三开关，其第一端连接所述第二开关的第一端，其第二端作为所述第一电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端；第四开关，其第一端连接所述第一开关的第一端，其第二端连接所述第三开关的
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弟·~- ；其中，所述第一开关和第三开关的控制端接收同一控制信号，所述第二开关和第四开关的控制端接收所述控制信号的反相信号。根据本发明的一个实施例，所述第二电流循环切换阵列包括N个开关，该N个开关的第一端分别连接所述N个电流源，所述N个开关其中一个开关的第二端连接所述第二电流循环切换阵列的一个循环电流输出端且恒定导通，所述N个开关中的另N-1个开关的第二端连接所述第二电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端，且在任一时钟周期内所述另N-1个开关中有且仅有一个导通，且在N-1个时钟周期内所述另N-1个开关各导通一次。根据本发明的一个实施例，所述第三电流循环切换阵列包括第五开关，其第一端连接所述第二电流循环切换阵列的一个循环电流输出端，其第二端作为所述第三电流循环切换阵列的一个循环电流输出端并连接到所述第二电流镜阵列的N个电流源的控制端；第六开关，其第一端连接所述第二电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端，其第二端连接所述第五开关的第二端；第七开关，其第一端连接所述第六开关的第一端，其第二端作为所述第三电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端；第八开关，其第一端连接所述第五开关的第一端，其第二端连接所述第七开关的AA~ ~ 上山
弟_~ 觸；其中，所述第五开关和第七开关的控制端接收同一控制信号，所述第六开关和第 八开关的控制端接收所述控制信号的反相信号。根据本发明的一个实施例，所述充电放电开关包括第九开关，其第一端连接所述第一电流循环切换阵列的一个循环电流输出端，其 第二端连接所述外部电容；第十开关，其第一端连接所述第三电流循环切换阵列的一个循环电流输出端，其 第二端连接所述外部电容；其中，所述第九开关和第十开关的控制端接收到的控制信号相互反相。本发明还提供了一种开关电源转换器，包括以上任一项所述的提高电荷泵充放电 电流匹配度的电路。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明实施例的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路中，将电流镜输入、输出电 流经过周期循环切换以消除晶体管间的工艺偏差造成的对电荷泵充电、放电电流匹配度的 影响，除基准电流流经的电流源之外，与充电、放电电流相关的电流源都经过循环切换，从 而大大消除了充电、放电电流匹配度差带来的误差。
图1是现有技术中的一种电荷泵充电、放电电路；图2是现有技术中的另一种电荷泵充电、放电电路；图3示出了本发明实施例的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路框图；图4示出了本发明第一实施例中提高电荷泵充放电电流匹配度的电路的详细电 路图；图5示出了本发明第二实施例中提高电荷泵充放电电流匹配度的电路的详细电 路图。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保 护范围。参考图3，本实施例的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路包括第一电流镜阵 列1、第一电流循环切换阵列2、充电放电开关3、第三电流循环切换阵列4、第二电流循环切 换阵列5、第二电流镜阵列6以及基准电流源7。其中，基准电流源7输出基准电流，其可以采用现有技术中任意一种适当的基准 电流源结构。第一电流镜阵列1用于将基准电流源7输出的基准电流镜像为2个与该基准电流 相等的第一镜像电流，第一电流镜阵列1例如可以采用2个电流镜来实现。第一电流循环切换阵列2具有2个电流输入端21和2个循环电流输出端22、23， 第一电流循环切换阵列2的2个电流输入端21分别接收第一电流镜阵列1输出的2个第 一镜像电流，第一电流循环切换阵列2对接收到的2个第一镜像电流进行循环切换，使二者交替导通至第一电流循环切换阵列2的2个循环电流输出端22、23。进一步而言，每一镜像电流输入端21和每一循环电流输出端22、23之间均接有一控制开关，控制开关共4个，通过第一电流循环切换阵列2的循环切换后，每一循环电流输出端22、23输出电流均为两个镜像电流输入端21输入的镜像电流的平均值，从而起到消除晶体管的偏差所造成的循环电流输出端22、23输出的电流和基准电流源7的基准电流不匹配。第二电流镜阵列6包含N个电流源，用于将基准电流源7输出的基准电流镜像为N-1个与该基准电流相等的第二镜像电流，其中N为大于I的整数。当第一电流镜阵列I用作充电电流时，第二电流镜阵列6可以用作放电电流；当第一电流镜阵列I用作放电电流时，第二电流镜阵列6可以用作充电电流。作为一个非限制性的例子，第二电流镜阵列中的N个电流源采用N个MOS晶体管来实现，当然，本领域技术人员应当理解，电流源还可以采用其他适当方式实现，例如级联结构的电流源。第二电流循环切换阵列5具有N个电流输入端(包括I个电流输入端50以及N_1个电流输入端51)和2个循环电流输出端52、53，第二电流循环切换阵列的N个电流输入端50、51分别连接第二电流镜阵列6中的N个电流源，第二电流循环切换阵列5对该N个电流源进行循环切换，使N个电流源其中之一作为电流镜的参考源而其他N-1个电流源作为电流镜的输出源，第二电流循环阵列5的2个循环电流输出端52、53分别连接至参考源和其中一个输出源。进一步而言，电流源输入端50、N-1个电流输入端51和第二电流镜阵列6的N个MOS晶体管 对应，电流输入端50和循环电流输出端52之间接有一开关,控制开关恒定导通；N-1个电流源输入端51和循环电流输出端53之间接均有一开关,在任一时钟周期内，N-1个开关中有且仅有一个导通，且在N -1个时钟周期内，任一 N-1个开关各导通一次。通过第二电流循环切换阵列5的循环切换后，循环电流输出端53输出电流为N-1个电流输入端51输入的第一镜像电流的平均值，从而起到消除晶体管的偏差所造成的循环电流输出端53输出的电流和基准电流源7的基准电流不匹配。第三电流循环切换阵列4具有2个电流输入端40、41和2个循环电流输出端42、43，第三电流循环切换阵列4的2个电流输入端40、41分别连接第二电流循环切换阵列5的2个循环电流输出端52、53，第三电流循环切换阵列4对第二循环切换阵列5的2个循环电流输出端52、53进行循环切换，使第二电流循环切换阵列5的2个循环电流输出端52、53交替作为电流镜的输入端和输出端。进一步而言，电流输入端40、41和第二电流循环切换阵列5的两个循环电流输出端52、53 —一对应，且电流输入端40、41和循环电流输出端42、43之间均接有一控制开关，控制开关共4个，通过第三电流循环切换阵列4的循环切换后，循环电流输出端42、43输出电流均为两个镜像电流输入端40、41输入的第一镜像电流的平均值，从而起到消除晶体管的偏差所造成的循环电流输出端52、53输出的电流之间的不匹配。作为一个非限制性的例子，第三电流循环切换阵列4的循环电流输出端42和第一电流循环切换阵列2的循环电流输出端22直接连接。充电放电开关3具有2个输入端和I个输出端，该2个输入端分别连接到第一电流循环切换阵列2的2个循环电流输出端其中之一以及第三电流循环切换阵列4的2个循环电流输出端其中之一，该输出端连接至外部电容8以对其进行充电或放电。更加具体而言，充电放电开关3的两个输入端分别连接到第一电流循环切换阵列2的循环电流输出端23和第三电流循环切换阵列4的循环电流输出端43，输出端连接到外部电容8。在同一时钟周期内，充电放电开关3的输出端有且仅有一个充电、放电开关3的输入端与其导通，且在两个时钟周期内，充电放电开关3的输出端与任一充电放电开关3的输入端各导通一次。其中第一电流镜阵列I可以采用多个NMOS晶体管互连实现，此时第二电流镜阵列6采用多个PMOS晶体管互连实现；反之，当第一电流镜阵列I采用PMOS晶体管实现时，第二电流镜6可以采用NMOS晶体管实现。本实施例中提高电荷泵充电、放电电流匹配度的电路的工作方式简述如下第一电流镜阵列I将输入的基准电流源7的基准电流镜像成两个与基准电流源7的基准电流相等的第一镜像电流，并将第一镜像电流送入第一电流循环切换阵列2 ;第一电流循环切换阵列2经过循环切换使得在两个时钟周期内循环电流输出端22、23输出的电流均为两个镜像电流输入端21输入的第一镜像电流的平均值；第二电流镜阵列6具有N个电流源，其输出端连接第二电流循环切换阵列5 ;循环电流输出端52输出的电流为电流输入端50输入的电流，第二电流循环切换阵列5经过循环切换使得在N-1个时钟周期内循环电流输出端53输出的电流为N-1个电流输入端51输入的电流的平均值；循环电流输出端52、53输出的电流送入第三电流循环切换阵列4，第三电流循环切换阵列4经过循环切换使得在两个时钟周期内循环电流输出端42、43输出的电流均为两个电流输入端40、41输入的电流的平均值；通过第二电流循环切换阵列5和第三电流循环切换阵列4的循环切换，使得在2 X (N-1)个时钟周期内循环电流输出端42、43输出的电流均为N-1个电流输入端51输入的电流的平均值和电流输入端50输入的电流的平均值；循环电流输出端42输出的电流用作第二电流镜阵列6的参考源的参考源电流并和循环电流输出端22输出的电流为同一电流，使得在2X2X (N-1)个时钟周期内循环电流输出端43输出的电流和循环电流输出端23输出的电流均为两个镜像电流输入端21输入的镜像电流的平均值，也就是使得在2X2X (N-1)个时钟周期内电荷泵的充电电流和放电电流均为两个镜像电流输入端21输入的镜像电流的平均值。图3所示的电路可以用于开关电源转换器，该开关电源转换器可以是现有技术中各种通过电荷泵充电、放电电流比例关系来控制恒流输出的开关电源转换器。参考图4，图4示出了第一实施例的详细电路图，其中N等于3。下面进行详细描述。在第一实施例中，第一电流镜阵列I包括NMOS晶体管BO至B2，其中NMOS晶体管BO的栅极和漏极短接，源极接地；NM0S晶体管BI和NMOS晶体管B2的栅极连接到NMOS晶体管BO的栅极，源极接地；NM0S晶体管BI和NMOS晶体管B2的漏极分别输出第一镜像电流。第二电流镜阵列6包括PMOS晶体管Al至A2，其中PMOS晶体管Al至A2的源极连接至源极，PMOS晶体管Al至A2的栅极连接在一起。第一电流循环切换阵列2包括第一开关Q0、第二开关Q1、第三开关Q2、第四开关Q3。其中，第一开关QO和第四开关Q3的第一端连接在一起，第二开关Ql和第三开关Q2的第一端连接在一起(具体为连接至NMOS晶体管B2的漏极)。第一开关QO和第二开关Ql的第二端连接在一起，第三开关Q2和第四开关Q3的第二端连接在一起。在图4所示的第一实施例中，第二电流循环切换阵列5包括3个开关JO、JU J2。其中开关JO的第一端连接PMOS晶体管Al的漏极，开关Jl的第一端连接PMOS晶体管A2的漏极，开关J2的第一端连接PMOS晶体管A3的漏极，开关Jl和开关J2的第二端连接在一起。第三电流循环切换阵列4包括第五开关PO、第六开关P1、第七开关P2和第八开关P3。其中第五开关PO和第六开关Pl的第二端连接到PMOS晶体管Al的栅极，PMOS晶体管A2和PMOS晶体管A3的栅极连接到PMOS晶体管Al的栅极。第五开关PO和第八开关P3的第一端连接到开关JO的一端，第六开关Pl和第七开关P2的第一端连接到开关Jl和开关J2的一端。充电放电开关3包括第九开关Kl和第十开关K0。其中，第九开关Kl的第一端连接第三开关Q2和第四开关Q3的一端，第十开关KO的第一端连接开关P2和P3的一端，第九开关Kl的第二端和第十开关KO的第二端连接在一起并共同连接至外部电容CO的一端，外部电容CO的另一端接地。作为一个非限制性的例子，第一开关QO和第三开关Q2受同一时钟信号CO控制，第二开关Ql和第四开关Q3受同一时钟信号CO的反相信号Cl控制。第十开关KO受控制信号C2控制，第九开关Kl受控制信号C2的反相信号C3控制。第五开关PO和第七开关P2受同一时钟信号C4控制，第六开关Pl和第八开关P3受同一时钟信号C4的反相信号C5控制。开关JO恒定导通，开关Jl受时钟信号C6控制，开关J2受时钟信号C6的反相信号C7控制。时钟信号CO、时钟信 号C4和时钟信号C6构成8单位周期时钟，C0、C4、C6覆盖000、
001、010、011、100、101、110、111 这 8 种状态。控制信号C2例如可以为50%占空比的方波。假设$从NMOS晶体管BO镜像到NMOS晶体管BI的传递误差，流经NMOS晶体管BI的电流可以用A,表示，其中Itl表示基
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准电流的电流值，类似地，其他MOS晶体管之间的传递误差以及流经各MOS晶体管的电流也可以采用如上方式进行表述，则每4单位周期时钟充电电流I _和放电电流Im比值为
/.,..11 m Al r BI Al
-^ = (----L +----1
BO A\ BO Al
成电
BI 乂1 BI Al BI
I Al Al Α\ A3 ^
——* (--1---1---H-)
4 Al Al A3 Al
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AlA3
.m AX . BI Al . m A1. BI A3 r
In H-----L· "1-----1n ^-----L· H-----1n +
BO A2 BO Al BO Al HO /ilm BI , m , BI /il R权利要求
1.一种提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，其特征在于，包括第一电流镜阵列，用于将基准电流镜像为2个与该基准电流相等的第一镜像电流；第一电流循环切换阵列，具有2个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第一电流循环切换阵列的2个电流输入端分别接收所述第一电流镜阵列输出的2个第一镜像电流，所述第一电流循环切换阵列对所述2个第一镜像电流进行循环切换，使二者交替导通至所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端；第二电流镜阵列，包含N个电流源，用于将所述基准电流镜像为N-1个与该基准电流相等的第二镜像电流，其中N为大于I的整数；第二电流循环切换阵列，具有N个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第二电流循环切换阵列的N个电流输入端分别连接所述第二电流镜阵列中的N个电流源，所述第二电流循环切换阵列对所述N个电流源进行循环切换，使所述N个电流源其中之一作为电流镜的参考源而其他N-1个电流源作为电流镜的输出源，所述第二电流循环阵列的2个循环电流输出端分别连接至所述参考源和其中一个输出源；第三电流循环切换阵列，具有2个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第三电流循环切换阵列的2个电流输入端分别连接所述第二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端，所述第三电流循环切换阵列对所述第二循环切换阵列的2个循环电流输出端进行循环切换，使所述第二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端交替作为电流镜的输入端和输出端；充电放电开关，具有2个输入端和I个输出端，该2个输入端分别连接到所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端其中之一以及所述第三电流循环切换阵列的2个循环电流输出端其中之一，该输出端连接至外部电容以对其进行充电或放电。
2.根据权利要求1所述的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，其特征在于，所述第一电流循环切换阵列包括第一开关，其第一端接收所述第一电流镜阵列输出的一个第一镜像电流，其第二端作为所述第一电流循环切换阵列的一个循环电流输出端；第二开关，其第一端接收所述第一电流镜阵列输出的另一个第一镜像电流，其第二端连接所述第一开关的第二端；第三开关，其第一端连接所述第二开关的第一端，其第二端作为所述第一电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端；第四开关，其第一端连接所述第一开关的第一端，其第二端连接所述第三开关的第二端;其中，所述第一开关和第三开关的控制端接收同一控制信号，所述第二开关和第四开关的控制端接收所述控制信号的反相信号。
3.根据权利要求1所述的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，其特征在于，所述第二电流循环切换阵列包括N个开关，该N个开关的第一端分别连接所述N个电流源，所述N个开关其中一个开关的第二端连接所述第二电流循环切换阵列的一个循环电流输出端且恒定导通，所述N个开关中的另N-1个开关的第二端连接所述第二电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端，且在任一时钟周期内所述另N-1个开关中有且仅有一个导通，且在N-1个时钟周期内所述另N-1个开关各导通一次。
4.根据权利要求1所述的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，其特征在于，所述第三电流循环切换阵列包括第五开关，其第一端连接所述第二电流循环切换阵列的一个循环电流输出端，其第二端作为所述第三电流循环切换阵列的一个循环电流输出端并连接到所述第二电流镜阵列的N个电流源的控制端；第六开关，其第一端连接所述第二电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端，其第二端连接所述第五开关的第二端；第七开关，其第一端连接所述第六开关的第一端，其第二端作为所述第三电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端；第八开关，其第一端连接所述第五开关的第一端，其第二端连接所述第七开关的第二端;其中，所述第五开关和第七开关的控制端接收同一控制信号，所述第六开关和第八开关的控制端接收所述控制信号的反相信号。
5.根据权利要求1所述的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，其特征在于，所述充电放电开关包括第九开关，其第一端连接所述第一电流循环切换阵列的一个循环电流输出端，其第二端连接所述外部电容；第十开关，其第一端连接所述第三电流循环切换阵列的一个循环电流输出端，其第二端连接所述外部电容；其中，所述第九开关和第十开关的控制端接收到的控制信号相互反相。
6.一种开关电源转换器，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路。
全文摘要
本发明提供了一种开关电源转换器及提高电荷泵充放电电流匹配度的电路，该电路包括第一电流镜阵列，将基准电流镜像为两个与该基准电流相等的第一镜像电流；第一电流循环切换阵列，对两个第一镜像电流进行循环切换；第二电流镜阵列，包含N个电流源；第二电流循环切换阵列，对第二电流镜阵列中的N个电流源循环切换，使其交替作为电流镜的参考源和输出源；第三电流循环切换阵列，对第二电流循环切换阵列的两个循环电流输出端循环切换，使其交替作为电流镜的输入端和输出端；充电放电开关，对外部电容进行充电或放电。本发明能够解决晶体管之间的偏差导致的充电电流与放电电流失配的问题。
文档编号H02M3/07GK103066833SQ201210594578
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者严先蔚 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司