专利名称：多输出电荷泵及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种多输出电荷泵及操作该多输出电荷泵的方法。
背景技术：
有三种方法通常用来实现DC到DC转换器-将电池或DC电压源转换到一不同的DC电压的电子电路。这些方法包括线性调控(linear regulation)、感性开关调控器(inductive switching regulator)或者所谓的“开关模式电源”、以及开关电容转换器(switched capacitor converter)(也称为电荷泵(charge pump))。在这些方法之中，电荷泵由于它的简单、划算并且相对低噪声的操作而很有价值。在某些情况下，电荷泵可以以很高的转换效率操作，但不能在基于开关电感器的转换器能够实现的宽范围条件下操作。电荷泵的操作原理是简明易懂的:包括按交替顺序操作的充电阶段和电荷转移阶段。如
图1A所示，现有技术的电荷泵倍压器型电路I包括四个M0SFET、一不永久附接到任何具体供应电压的飞驰电容器(flying capacitor)、以及一接地的输出滤波电容器。在充电阶段中，连接电池的M0SFET3和接地的M0SFET2被接通并且允许传导电流并对电容器5充电，从而将该电容器与电池或输入到电路的电压并联连接。M0SFET1和4在操作的充电阶段期间保持关断。该充电电流在示意图1中由虚线和箭头指示。在某段时间之后，电容器5充电到与电池电压Vbatt相等的电压，并且充电电流减退。在电荷转移阶段期间，电容器5与电池串联连接，具体而言，其负端子短接到电池的正端子，这是通过接通M0SFET1而实现的。堆叠在电池输入上的电容器5的串联组合的电压具有Vbatt+Vbatt=2Vbatt的电压，或者说电池电压的两倍，因此该电荷泵被赋予名称“倍压器”(doubler)。该串联电路通过接通M0SFET4而同时连接到输出电容器6。电容器5随后将其电荷转移到输出电容器6，直到Vtjut — 2Vbatt，如实线和箭头所示。在输出电容器6的初始充电之后，电荷泵的操作变得高效，因为唯一流动的电流是对在输出电容器6上损耗的、提供给负载的电荷进行补充所需的电流。只要期望的输出电压是电池电压的两倍，即2Vbatt，倍压器电荷泵I的效率就很高，甚至达到98%。实际输出电压Vwt与电荷泵的理想输出VCP=n.Vin之间的任何偏差都将导致由以下关系式给出的效率的损耗:
权利要求
1.一种多输出电荷泵,包括: 第一和第二飞驰电容器； 第一和第二输出节点； 耦接到所述第一输出节点和地的第一输出电容器； 耦接到所述第二输出节点和地的第二输出电容器；以及 切换电路，配置为在第一操作模式期间对所述第一和第二飞驰电容器充电，在第二操作模式期间将第一组第一和第二飞驰电容器耦接到第一参考电压和所述第一输出节点，以将所述第一输出电容器充电到第一充电电压，以及在第三操作模式期间将第二组第一和第二飞驰电容器耦接到第二参考电压和所述第二输出节点，以将所述第二输出电容器充电到具有不同于所述第一充电电压的大小的第二充电电压。
2.如权利要求1所述的多输出电荷泵，还包括控制电路，配置为驱动所述切换电路以重复的序列选择第一、第二和第三操作模式。
3.如权利要求2所述的多输出电荷泵，其中所述重复的序列遵循第一模式、第二模式、第一模式、第三模式的样式。
4.如权利要求2所述的多输出电荷泵，其中所述重复的序列遵循第一模式、第二模式、第三模式的样式。
5.如权利要求1所述的多输出电荷泵，其中所述第一组包含并联的第一和第二飞驰电容器。
6.如权利要求5所述的多输出电荷泵，其中所述第一参考电压近似等于输入电压。`
7.如权利要求6所述的多输出电荷泵，其中所述第一充电电压近似等于输入电压的1.5 倍。
8.如权利要求5所述的多输出电荷泵，其中所述第二组包含并联的第一和第二飞驰电容器。
9.如权利要求8所述的多输出电荷泵，其中所述第二参考电压近似为地。
10.如权利要求9所述的多输出电荷泵，其中所述第二充电电压近似为输入电压的一半。
11.如权利要求5所述的多输出电荷泵，其中所述第二组包含串联的第一和第二飞驰电容器。
12.如权利要求11所述的多输出电荷泵，其中所述第一参考电压近似为地。
13.如权利要求12所述的多输出电荷泵，其中所述第一充电电压近似为输入电压的一半。
14.如权利要求11所述的多输出电荷泵，其中所述第二参考电压近似为地。
15.如权利要求14所述的多输出电荷泵，其中所述第二充电电压近似为输入电压。
16.如权利要求1所述的多输出电荷泵，其中所述第一组包含串联的第一和第二飞驰电容器，并且所述第二组包含串联的第一和第二飞驰电容器。
17.如权利要求16所述的多输出电荷泵，其中所述第一参考电压近似为地。
18.如权利要求17所述的多输出电荷泵，其中所述第一充电电压近似为输入电压。
19.如权利要求16所述的多输出电荷泵，其中所述第二参考电压近似为地。
20.如权利要求19所述的多输出电荷泵，其中所述第二充电电压近似为输入电压的两倍或更多倍。
21.—种操作多输出电荷泵的方法，所述多输出电荷泵包含第一飞驰电容器、第二飞驰电容器、第一输出节点、第二输出节点、耦接到所述第一输出节点和地的第一输出电容器、耦接到所述第二输出节点和地的第二输出电容器，所述方法包括: 在第一操作模式期间，将第一和第二飞驰电容器串联耦接在输入电压和地之间，以对所述第一和第二飞驰电容器充电； 在第二操作模式期间，将第一组第一和第二飞驰电容器耦接到第一参考电压和所述第一输出节点，以将所述第一输出电容器充电到第一充电电压，以及 在第三操作模式期间，将第二组第一和第二飞驰电容器耦接到第二参考电压和所述第二输出节点，以将所述第二输出电容器充电到具有不同于所述第一充电电压的大小的第二充电 电压。
全文摘要
本发明公开了一种多输出电荷泵及其操作方法。本发明的一个实施例的多输出电荷泵包括第一和第二飞驰电容器；第一和第二输出节点；耦接到所述第一输出节点和地的第一输出电容器；耦接到所述第二输出节点和地的第二输出电容器；以及切换电路，配置为在第一操作模式期间对所述第一和第二飞驰电容器充电，在第二操作模式期间将第一组第一和第二飞驰电容器耦接到第一参考电压和所述第一输出节点，以将所述第一输出电容器充电到第一充电电压，以及在第三操作模式期间将第二组第一和第二飞驰电容器耦接到第二参考电压和所述第二输出节点，以将所述第二输出电容器充电到具有不同于所述第一充电电压的大小的第二充电电压。
文档编号H02M3/07GK103107694SQ20131001258
公开日2013年5月15日 申请日期2008年8月5日 优先权日2007年8月8日
发明者理查德.K.威廉姆斯 申请人:先进模拟科技公司