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：
本实用新型涉及电荷泵技术，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。
实用新型内容本实用新型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，本实用新型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N个与该基准电流相等的第一镜像电流，其中N为大于I的整数；第一电流循环切换阵列，具有N个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第一电流循环切换阵列的N个电流输入端分别接收所述第一电流镜阵列输出的N个第一镜像电流，所述第一电流循环切换阵列对所述N个第一镜像电流进行循环切换，从其中选出2个第一镜像电流并分别经由所述2个循环电流输出端输出；第二电流循环切换阵列，具有2个电流输入端、2个循环电流输出端，所述第二电流循环切换阵列的2个电流输入端分别连接所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端，所述第二电流循环切换阵列对所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端输出的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二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端； 第二电流镜，包括第一电流源和第二电流源，将所述基准电流镜像为与该基准电流相等的第二镜像电流；第三电流循环切换阵列，具有I个电流输入端、I个循环电流输出端以及2个循环切换端，所述第三电流循环切换阵列的电流输入端连接所述第二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的一个，所述第三电流循环切换阵列的2个循环切换端分别连接所述第一电流源和第二电流源的输出端，所述第三电流循环切换阵列对所述第一电流源和第二电流源进行循环切换，使二者交替作为电流镜的参考源和输出源，其中参考源接收所述第三电流循环切换阵列的电流输入端传输的第一镜像电流，输出源将所述第二镜像电流传输至所述第三电流循环切换阵列的循环电流输出端；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二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的另一个以及所述第三电流循环切换阵列的循环电流输出端，该输出端连接至外部电容以对其进行充电或放电。根据本实用新型的一个实施例，所述第一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接收所述第一电流镜阵列输出的N个第一镜像电流，该N个开关其中一个开关的第二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，该N个开关中的另N-1个开关的第二端连接所述第一电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端，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。根据本实用新型的一个实施例，所述第二电流循环切换阵列包括:第一开关，其第一端连接所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的一个；第二开关，其第一端连接所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的另一个，其第二端连接所述第一开关的第二端并作为所述第二电流循环切换阵列的一个循环电流输出端；第三开关，其第一端连接所述第二开关的第一端；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并作为所述第二电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端；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。根据本实用新型的一个实施例，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一、第二电流源的控制端，其第二端连接所述第一电流源的输出端并作为所述第三循环切换阵列的电流输入端；第六开关，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二电流源的输出端；第七开关，其第一端作为所述第三循环切换阵列的循环电流输出端，其第二端连接所述第二电流源的输出端；第八开关，其第一端连接所述第七开关的第一端，其第二端连接所述第五开关的
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。根据本实用新型的一个实施例，所述充电放电开关包括:第九开关，其第一端连接所述第三电流循环切换阵列的循环电流输出端，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二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的另一个，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。本实用新型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，本实用新型具有以下优点:本实用新型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示出了本实用新型实施例的提高电荷泵充放电电流匹配度的电路框图；图4示出了本实用新型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示出了本实用新型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。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。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、第二电流循环切换阵列3、充电放电开关4、第三电流循环切换阵列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I用于将基准电流源7输出的基准电流镜像为N个与该基准电流相等的第一镜像电流，其中N为大于I的整数。第一电流镜阵列I可以采用多个电流镜的方式来实现。[0043]第一电流循环切换阵列2具有N个电流输入端和2个循环电流输出端。更具体而言，该N个电流输入端包括I个电流输入端20以及N-1个电流输入端21，该2个循环电流输出端包括循环电流输出端22和循环电流输出端23。其中，电流输入端20以及N-1个电流输入端21分别和第一电流镜阵列I的N个输出端相连,用于接收第一电流镜阵列I输出的N个第一镜像电流。第一电流循环切换阵列2对该N个第一镜像电流进行循环切换，从其中选出2个第一镜像电流并分别经由循环电流输出端22和循环电流输出端23输出。进一步而言，镜像电流输入端20和循环电流输出端22之间串接有一开关，该开关恒定导通；N-1个镜像电流输入端21中的每一个和循环电流输出端23之间均串接有一开关，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，N-1个开关中的每一个各导通一次。通过第一电流循环切换阵列2的循环切换后,循环电流输出端23输出电流为N-1个镜像电流输入端21输入的第一镜像电流的平均值,从而有利于消除由于晶体管偏差所造成的循环电流输出端23输出的电流和基准电流源7的基准电流不匹配的问题。第二电流循环切换阵列3具有2个电流输入端30、31和2个循环电流输出端32、33。其中电流输入端30连接第一电流循环切换阵列2的循环电流输出端22，电流输入端31连接第一电流循环切换阵列2的循环电流输出端23。第二电流循环切换阵列3对循环电流输出端22和循环电流输出端23输出的2个第一镜像电流进行循环切换，使得二者交替导通至第二电流循环切换阵列3的2个循环电流输出端32、33。进一步而言，镜像电流输入端30、31和循环电流输出端32、33之间均接有开关，开关共4个，通过第三电流循环切换阵列3的循环切换后，循环电流输出端32、33输出电流均为两个镜像电流输入端30、31输入的第一镜像电流的平均值，从而起到消除晶体管偏差所造成的循环电流输出端32、33输出的电流之间的不匹配问题。第二电流镜阵列6包括第一电流源和第二电流源(例如，第一电流源采用第一 MOS晶体管实现，第二电流源采用第二 MOS晶体管实现，当然本领域技术人员应当理解，第一电流源和第二电流源还可以采用其他实现方式，例如级联结构的电流源等)，将基准电流镜像为与该基准电流相等的第二镜像电流。当第一电流镜阵列I用作对外部电容8充电时，第二电流镜阵列6则用作放电；反之，当第一电流镜阵列I用作对外部电容8放电时，第二电流镜阵列6在用作充电。第三电流循环切换阵列5具有I个电流输入端52、1个循环电流输出端53以及2个循环切换端51，第三电流循环切换阵列5的电流输入端52连接第二电流循环切换阵列3的循环电流输出端32，第三电流循环切换阵列5的2个循环切换端51分别连接第二电流镜阵列6内的第一电流源和第二电流源，第三电流循环切换阵列5对第一电流源和第二电流源进行循环切换，使二者交替作为电流镜的参考源和输出源，其中参考源接收第三电流循环切换阵列5的电流输入端52传输的第一镜像电流,输出源将输出第二镜像电流至第三电流循环切换阵列5的循环电流输出端53。进一步而言，通过第三电流循环切换阵列5的循环切换后，第二电流镜阵列6内第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管交替作为参考管和输出管，循环电流输出端53输出的电流为第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管输出的镜像电流的平均值，从而起到消除第一 MOS晶体管和第二 MOS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的基准电流不匹配的问题。充电放电开关4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二电流循环切换阵列3的循环电流输出端33以及第三电流循环切换阵列5的循环电流输出端53，充电放电开关4的输出端连接至外部电容8以对其进行充电或放电。进一步而言,在同一时钟周期内，充电放电开关4的输出端仅与其中一个输入端导通，且在两个时钟周期内，充电放电开关4的输出端与充电放电开关4的2个输入端各导通一次。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2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，第二电流镜阵列6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将基准电流源7的基准电流镜像成N个与基准电流源7的基准电流相等的第一镜像电流，并第一镜像电流输入到第一电流循环切换阵列2 ;循环电流输出端22输出的电流为镜像电流输入端20输入的电流，第一电流循环切换阵列2经过循环切换使得在N-1个时钟周期内循环电流输出端23输出的电流为N-1个镜像电流输入端21输入的第一镜像电流的平均值；循环电流输出端22、23输出的电流送入第二电流循环切换阵列3，第二电流循环切换阵列3经过循环切换使得在两个时钟周期内循环电流输出端32、33输出的电流均为两个电流输入端30、31输入的电流的平均值；N个第一镜像电流通过第一电流循环切换阵列2和第二电流循环切换阵列3的循环切换，使得在2X (N-1)个时钟周期内循环电流输出端32、33输出的电流均为N-1个电流输入端21输入的第一镜像电流和电流输入端20输入的第一镜像电流的平均值；第二电流镜阵列6具有两个电流源，并在第三电流循环切换阵列5的循环切换下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5经过循环切换使得在两个时钟周期内循环电流输出端53输出的电流为两个电流源输出的镜像电流的平均值；循环电流输出端32输出的电流用作第二电流镜阵列6的参考源电流，和电流输入端52接收的电流为同一电流，使得在2X2X (N-1)个时钟周期内循环电流输出端53输出的电流和循环电流输出端33输出的电流均为N-1个电流输入端21输入的第一镜像电流的平均值和电流输入端20输入的第一镜像电流的平均值，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N-1个电流输入端21输入的第一镜像电流的平均值和电流输入端20输入的第一镜像电流的平均值。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B3，其中，匪OS晶体管BUB2和B3的栅极连接到NMOS晶体管BO的栅极，NMOS晶体管BO至B3的源极接地，NMOS晶体管BO至B3的漏极分别输出第一镜像电流。第一电流循环切换阵列2包括3个开关JO、Jl和J2，NMOS晶体管BI的漏极连接开关JO的第一端，NMOS晶体管B2的漏极连接到开关Jl的第一端，NMOS晶体管B3的漏极连接到开关J2的第一端。开关Jl和开关J2的第二端连接在一起。在任一时钟周期内，开关Jl和开关J2中有且仅有I个导通，并且在2个时钟周期内，开关Jl和开关J2各导通一次。第二电流循环切换阵列3包括:第一开关Q0、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4。其中，开关JO的第二端连接第一开关QO的第一端和第四开关Q3的第一端，开关Jl和开关J2的第二端共同连接第二开关Ql的第一端和第三开关Q2的第一端，第一开关QO的第二端和第二开关Ql的第二端连接在一起(具体而言，连接到PMOS晶体管Al的栅极)，第三开关Q2和第四开关Q3的第二端连接在一起(具体而言，连接到第十开关Kl的第一端)。其中，第一开关QO和第二开关Ql的控制端接收同一控制信号，第二开关Ql和第四开关Q3的控制端接收该控制信号的反相信号。第三循环切换阵列5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的第一端和第六开关Pl的第一端共同连接到PMOS晶体管Al的栅极，PMOS晶体管A2的栅极连接到PMOS晶体管Al的栅极，PMOS晶体管Al和PMOS晶体管A2的源极连接到电源。第七开关P2的第一端和第八开关P3的第一端连接在一起并作为第三循环切换阵列5的循环电流输出端，第七开关P2的第二端连接PMOS晶体管A2的漏极；第八开关P3的第二端和第五开关PO的第二端共同连接至PMOS晶体管Al的漏极。其中第五开关PO和第七开关P2的控制端接收同一控制信号，第六开关Pl和第八开关P3的控制端接收该控制信号的反相信号。充电放电开关4包括第九开关KO和第十开关K1。其中，第九开关KO的第一端连接第七开关P2和第八开关P3的第一端，第九开关KO的第二端连接外部电容CO的一端；第十开关Kl的第一端连接第三开关Q2和第四开关Q4的第二端，第十开关Kl的第二端连接外部电容CO的一端和第九开关KO的第二端，外部电容CO的另一端接地。其中，第九开关KO和第十开关Kl的控制端接收到的控制信号相互反相。作为一个非限制性的例子，第一开关QO和第三开关Q2的控制端受同一时钟信号CO控制，第二开关Ql和第四开关Q3的控制端受同一时钟信号CO的反相信号Cl控制。第九开关KO的控制端受控制信号C2控制，第十开关Kl的控制端受控制信号C2的反相信号C3控制。第五开关PO和第七开关P2的控制端受同一时钟信号C4控制，第六开关Pl和第八开关P3的控制端受同一时钟信号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，时钟信号CO、C4、C6覆盖000、001、010、011、100、101、110、111这8种状态。控制信号C2例如为50%占空比
的方波。假设为从NMOS晶体管BO镜像到NMOS晶体管BI的传递误差，流经NMOS晶体 BQ
管BI的电流可以用:./。表示，其中Itl表示基准电流的电流值，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8单位周期时钟充电电流I _和放电电流比值为:
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N个与该基准电流相等的第一镜像电流，其中N为大于I的整数； 第一电流循环切换阵列，具有N个电流输入端和2个循环电流输出端，所述第一电流循环切换阵列的N个电流输入端分别接收所述第一电流镜阵列输出的N个第一镜像电流，所述第一电流循环切换阵列对所述N个第一镜像电流进行循环切换，从其中选出2个第一镜像电流并分别经由所述2个循环电流输出端输出； 第二电流循环切换阵列，具有2个电流输入端、2个循环电流输出端，所述第二电流循环切换阵列的2个电流输入端分别连接所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端，所述第二电流循环切换阵列对所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端输出的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二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，包括第一电流源和第二电流源，将所述基准电流镜像为与该基准电流相等的第二镜像电流； 第三电流循环切换阵列，具有I个电流输入端、I个循环电流输出端以及2个循环切换端，所述第三电流循环切换阵列的电流输入端连接所述第二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的一个，所述第三电流循环切换阵列的2个循环切换端分别连接所述第一电流源和第二电流源的输出端，所述第三电流循环切换阵列对所述第一电流源和第二电流源进行循环切换，使二者交替作为电流镜的参考源和输出源，其中参考源接收所述第三电流循环切换阵列的电流输入端传输的第一镜像电流，输出源将所述第二镜像电流传输至所述第三电流循环切换阵列的循环电流输出端； 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二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的另一个以及所述第三电流循环切换阵列的循环电流输出端，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N个开关，该N个开关的第一端分别接收所述第一电流镜阵列输出的N个第一镜像电流，该N个开关其中一个开关的第二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，该N个开关中的另N-1个开关的第二端连接所述第一电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端，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。
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: 第一开关，其第一端连接所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的一个； 第二开关，其第一端连接所述第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的另一个，其第二端连接所述第一开关的第二端并作为所述第二电流循环切换阵列的一个循环电流输出端； 第三开关，其第一端连接所述第二开关的第一端； 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并作为所述第二电流循环切换阵列的另一个循环电流输出端； 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。
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一、第二电流源的控制端，其第二端连接所述第一电流源的输出端并作为所述第三循环切换阵列的电流输入端； 第六开关，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二电流源的输出立而; 第七开关，其第一端作为所述第三循环切换阵列的循环电流输出端，其第二端连接所述第二电流源的输出端； 第八开关，其第一端连接所述第七开关的第一端，其第二端连接所述第五开关的第二端; 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三电流循环切换阵列的循环电流输出端，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二电流循环切换阵列的2个循环电流输出端中的另一个，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。
专利摘要本实用新型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N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N个第一镜像电流进行循环切换；第二电流循环切换阵列，对第一电流循环切换阵列的2个循环电流输出端输出的2个第一镜像电流进行循环切换；第二电流镜阵列；第三电流循环切换阵列，对第二电流镜的第一电流源和第二电流源进行循环切换，使二者交替作为电流镜的参考源和输出源；充电放电开关，输出端连接至外部电容以对其进行充电或放电。本实用新型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H02M3/07GK203014674SQ20122075081
公开日2013年6月19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