非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电荷泵电路领域，公开一种非连续电流控制的双环路电荷泵电路，其包括电荷泵主电路P、采样电压产生电路、电流调节电路、频率控制电路；电荷泵主电路P，通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出VOUT；采样电压产生电路，对电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低于0电平进行采样得到采样电压Vs；频率控制电路，在采样电压Vs控制下，产生用于控制电流调节电路的方波信号；电流调节电路，基于控制电路产生的方波信号控制电荷泵主电路P的输出。本发明提供的非连续性电流控制的双环路电荷泵电路可以产生两个时钟信号CLK1、CLK2共同对电荷泵调节，使电荷泵的输出电压达到预定值，具有提高电荷泵输出电压稳定性，减小输出波纹的优点。
【专利说明】非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电荷泵电路领域，特别涉及一种非连续电流控制的双环路电荷泵电 路。
【背景技术】
[0002] 电荷泵电路是一种运用电荷在电容中的积累来产生高压的电路，它广泛运用在非 易失性存储器电路中。现有技术的电荷泵电路一般采用控制振荡器间歇振荡的方式使输出 电压保持稳定，采用这种结构，电荷泵电路的输出波纹较大，同时存在过充的问题，大大的 降低了电荷泵的效率。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种提高电荷泵输出电压的稳定性，减小电荷 泵的输出波纹的非连续电流控制的双环路电荷泵电路。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种双环电荷泵控制电路，包括：
[0005] 电荷泵主电路P、采样电压产生电路、频率控制电路及电流调节电路；
[0006] 所述电荷泵主电路P，通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降 低，产生一个高于电源电压或低于0电平的电压输出V0UT ;
[0007] 所述米样电压产生电路，对所述电压输出V0UT的输出的高于电源电压或低于0电 平进行采样得到采样电压Vs;
[0008] 所述频率控制电路，在所述采样电压Vs控制下，产生用于控制所述电流电路的方 波信号；
[0009] 所述电流调节电路，基于所述控制电路产生的方波信号控制所述电荷泵主电路P 的输出。
[0010] 进一步地，所述采样电压产生电路包括：电阻R1和电阻R2 ;所述电阻R1 -端与所 述电荷泵主电路P连接，另一端分别与所述频率控制电路和电阻R2连接；
[0011] 所述电阻R2 -端接地，另一端与所述电阻R1、所述频率控制电路连接。
[0012] 进一步地，所述频率控制电路包括压控振荡器VI及压控振荡器V2 ;所述压控振荡 器VI分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采样电压Vs的控制下 产生一个频率为fclkl的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述电荷泵主电路P的 泵电容充电速度；所述压控振荡器V2分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连 接，在所述采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk2的方波信号，用于控制所述电流调 节电路对所述电荷泵主电路P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位的切换。
[0013] 进一步地，所述电流调节电路包括电容C1、电容C2,缓冲器N1、缓冲器N2,电压控 制电流源II、电压控制电流源12,双掷时钟控制开关；
[0014] 所述电容C1、电容C2,接收所述频率为fclkl的方波信号，用于给缓冲器N1、N2提 供输入电平，控制所述电压控制电流源II、电压控制电流源12关断或打开；
[0015] 所述双掷时钟控制开关接收所述频率为fclk2的方波信号，用于控制双掷时钟控 制开关S开启关断从而控制电荷泵主电路P的工作频率。
[0016] 进一步地，所述电荷泵主电路P包括NM0S管Ml、M2、M3、M4、M5,电容C5、C6、C3、 C4、COUT、CS1、CS2、CS3、CS4 ;
[0017] 所述NM0S管Ml的栅极和漏极与电源VDD连接，所述NM0S管Ml的源极分别与电容 C5、NM0S管M2的漏极和栅极、电容CS1连接；所述NM0S管M2的源极分别与电容C6、NM0S 管M3的漏极和栅极、电容CS2连接；所述NM0S管M3的源极分别与电容C3、NM0S管M4的 漏极和栅极、电容CS3连接；所述NM0S管M4的源极分别与电容C4、NM0S管M5的漏极和栅 极、电容CS4连接；所述NM0S管M4的源极分别与输出端V0UT和电容C0UT连接；所述电容 C5、C3还与接线端CLKA连接，电容C6、C4还与接线端CLKB连接；所述电容C0UT、电容CS1、 CS2、CS3、CS4还分别接地。
[0018] 进一步地，所述压控振荡器V1、V2分别包括4个PM0S管，1个NM0S管、3个倒相放 大器 10、II、12,电容 C0、C7 ;
[0019] 所述NM0S管的源极接地端，栅极接Vs，漏极与PM0S管的漏极连接；4个所述PM0S 管的栅极相连，源极分别接电源VDD1，其中3个PM0S管中的每个PM0S管的漏极与一个倒相 放大器连接；
[0020] 所述电容C0 -端连接在倒相放大器10、II之间，另一端接地端；电容C7-端连接 在倒相放大器II、12之间，另一端接地端；
[0021] 所述倒相放大器10、II、12 -端分别接地端；所述倒相放大器10的输出端依次通 过倒相放大器II与倒相放大器12的输入端连接，所述倒相放大器12的输出端还与倒相放 大器10的输入端连接。
[0022] 本发明提供的非连续电流控制的双环路电荷泵电路，可以使电荷泵电路工作时， 减小电荷泵的输出波纹，提高电荷泵输出电压的稳定性，大大提高了电荷泵的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例提供的非连续电流控制的双环路电荷泵电路结构示意图。
[0024] 图2为本发明实施例提供的时钟信号CLKUCLK2和缓冲器的输出端D1，D2的波形 图。
[0025] 图3为本发明实施例提供的电荷泵主电路P的结构示意图。
[0026] 图4为本发明实施例提供的双掷时钟控制开关的结构示意图。
[0027] 图5为本发明实施例提供的电压控制源II的结构示意图。
[0028] 图6为本发明实施例提供的电压控制源12的结构示意图。
[0029] 图7为本发明实施例提供的压控振荡器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 参见图1?图5所示，本发明实施例提供的一种非连续电流控制的双环路电荷泵 电路包括电荷泵主电路P、采样电压产生电路10、频率控制电路20、电流调节电路30。电荷 泵主电路P分别与频率控制电路20、电流调节电路30及采样电压产生电路10连接。采样 电压产生电路10分别与频率控制电路20、电流调节电路30连接。电流调节电路30与频率 控制电路20连接。其中，电荷泵主电路P通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压 提升或降低。电压输出VOUT，基于时钟信号CLKA、CLKB产生一个高于电源电压或低于0电 平的电压输出VOUT。采样电压产生电路10,对电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低 于0电平进行采样得到采样电压Vs。Vs正比于电压输出VOUT。频率控制电路在采样电压 Vs控制下，产生用于控制所述电流电路的方波信号。电流调节电路基于所述控制电路产生 的方波信号控制所述电荷泵主电路P的输出。
[0031] 采样电压产生电路10包括电阻R1和电阻R2。电阻R1-端与电荷泵主电路P连 接，另一端分别与所述频率控制电路和电阻R2连接。电阻R2 -端接地，另一端与所述电阻 R1、所述频率控制电路连接。采样电压产生电路中电阻R1和电阻R2电阻值为设定的比例 关系，其决定了 Vs的大小表达式为Vs = V0UT*R2AR1+R2)，调整合适的电阻R1和电阻R2 电阻值可使Vs的大小在压控振荡器的输入电压范围内。
[0032] 频率控制电路20包括压控振荡器VI及压控振荡器V2,压控振荡器VI分别与采样 电压产生电路、电流调节电路连接，在采样电压Vs的控制下产生一个频率为fclkl的方波 信号，用于控制电流调节电路对电荷泵主电路P的泵电容充电速度，例如，频率为fclkl的 方波信号负责打开和关断两个电流源II、12,从而控制其对电荷泵主电路P的泵电容充电 速度。压控振荡器V2分别与采样电压产生电路、电流调节电路连接，在采样电压Vs的控制 下产生一个频率为fclk2的方波信号，用于控制电流调节电路对电荷泵主电路P的时钟驱 动信号CLKA与CLKB的相位的切换，例如，频率为fclk2的方波信号负责切换电荷泵主电路 P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位，对电荷泵P中不同的泵电容进行充电和放电，达到 升压或者降压的效果。压控振荡器V1、V2的结构参见图7所示，压控振荡器包括4个PM0S 管，3个倒相放大器10、II、12,电容CO、C7。NM0S管的源极接VSS0端，栅极接VS，漏极与 PM0S管的漏极连接。4个PM0S管的栅极相连，源极分别接电源VDD1，漏极分别接电源Vs ; 其中，3个PM0S管中的每个PM0S管的漏极与一个倒相放大器连接。电容C0 -端连接在倒 相放大器10、II之间，另一端接VSS0端；电容C7 -端连接在倒相放大器II、12之间，另一 端接VSS0端；3个倒相放大器10、II、12 -端分别接VSS0端，倒相放大器10的输出端依次 通过倒相放大器II与倒相放大器12的输入端连接，倒相放大器12的输出端还与倒相放大 器10的输入端连接。
[0033] 电流调节电路30包括压控振荡器VI、电容C1、电容C2,缓冲器N1、缓冲器N2,电压 控制电流源11 (参见图5)、电压控制电流源12 (参见图6)，双掷时钟控制开关；压控振荡器 VI连接在电容C1、电容C2之间；电容C1与缓冲器N1的输入端连接；缓冲器N1的输出端通 过电压控制电流源II与双掷时钟控制开关连接；电容C2与缓冲器N1的输入端连接；缓冲 器N2的输出端通过电压控制电流源12与双掷时钟控制开关连接；双掷时钟控制开关与电 荷泵主电路P连接。参见图4,双掷时钟控制开关包括触点A1、触点A2、两个触点B、两个触 点C ;触点A1与电压控制电流源II的输出端连接，触点A2与电压控制电流源12的输出端 连接；两个触点B连接且与电荷泵主电路P的CLKA端连接；两个触点C连接且与电荷泵主 电路P的CLKB端连接。图4给出了双掷时钟控制开关的一具体电路，其中CLK2和CLK2B是 一对相位相反的时钟控制信号。电流调节电路30主要通过开通和关闭电流源II、12以及 控制双掷时钟控制开关A1、A2产生输出电流可控的时钟CLKA、CLKB控制电荷泵P的输出； 例如，当V0UT受外部负载增大的影响降低时，Vs减小，两个压控振荡器输出方波频率提高， 电流源II、12输出至CLKA、CLKB的电流充放电频率提高，CLKA、CLKB在频率提高的同时， 给电荷泵的泵电容充电能力也提高，使电荷泵能输出更大的电流，即内阻减小，于是能提供 给外部的电流更大，至外部负载阻抗不变的情况下，Vout会慢慢上升至初始平衡点，完成负 反馈过程。其中，电容C1、电容C2为电平提升/降低电容，负责给缓冲器Nl、N2提供输入 电平，当CLK1为高（VDD1)时，电容C1的上极板、电容C2下极板预先充电的初始值分别为 VDDUVDD0 ;当CLK1变为低（VSS0)时，电容C1的上极板、电容C2下极板电平值不能突变， 因此电容C1的上极板、电容C2下极板电平值分别变为（VDD1-VDD1 = 0)、（VDD0-VDD1)， 于是反向缓冲器D1输出电平值变为VDD1、反向缓冲器D2输出电平值变为VDDO, D1输出 电平值关断电压控制电流源11、D2输出电平值打开电压控制电流源12 ;此时CLK2为低电 平VSS0,电流源12将CLKB的电平拉低一些；同理当CLK1由低电平VSS0变为高电平VDD1 时，电容C1的上极板、电容C2下极板预先充电的初始值分别为VSS1、VSSO, CLK1变化后电 容C1的上极板、电容C2下极板电平值分别变为（VSS1+VDDDVDD1)、（VSS0+VDDDVDD0)，于 是D1输出电平值变为VSS1、D2输出电平值变为VSSO, D1输出电平值打开电压控制电流源 I1、D2输出电平值关断电压控制电流源12 ;此时CLK2为低电平VSS0,电流源II将CLKA的 电平提升一些；如此CLK2为低电平时多个CLK1周期后，CLKA的电平由初始VSS0提升至 某一电平值VSS0+VA0, CLKB的电平由初始VDD1拉低至VDD1-VB0 ;那么CLKA对V0UT的电 荷贡献量为C*VA0, CLKB对V0UT的电荷贡献量为C*VB0 ;其中C为电荷泵的泵电容值。反 之，CLK2为高时，多个CLK1周期后，CLKB的电平提升至某一电平值VSS0+VA1，CLKA的电平 拉低至VDD1-VB1 ;那么CLKB对V0UT的电荷贡献量为C*VA1，CLKA对V0UT的电荷贡献量为 C*VB1。简化计算假设VAO = VBO = VA1 = VB1 = Vk，则每个CLK2周期内V0UT的输出电荷 为2*C*Vk，Vk正比于电流源的电流大小以及电流源的开通频率时间，于是V0UT的单位时间 输出电荷量（电压值）正比于电流源的电流大小、CLK1的频率fclkl、CLK2的频率fclk2。
[0034] 电荷泵主电路P包括接线端CLKA、接线端CLKB、输出端V0UT ;接线端CLKA与两个 触点B连接，接线端CLKB与两个触点C连接，输出端V0UT与电阻R1连接。图3给出了电 荷泵主电路P的一个具体电路示意图，电荷泵主电路P包括NM0S管M1、M2、M3、M4、M5,电容 C5、C6、C3、C4、C0UT、CS1、CS2、CS3、CS4，接线端 CLKA，接线端 CLKB。NM0S 管 Ml 的栅极和漏 极与电源VDD连接，NM0S管Ml的源极分别与电容Cl、NM0S管M2的漏极和栅极、电容CS1 连接。NM0S管M2的源极分别与电容C6、NM0S管M3的漏极和栅极、电容CS2连接。NM0S管 M3的源极分别与电容C3、NM0S管M4的漏极和栅极、电容CS3连接。NM0S管M4的源极分别 与电容C4、NM0S管M5的漏极和栅极、电容CS4连接。NM0S管M4的源极分别与输出端V0UT 和电容C0UT连接。电容C5、C3还与接线端CLKA连接，电容C6、C4还与接线端CLKB连接。 电容C0UT还接地。电容CS1、CS2、CS3、CS4还接地。
[0035] 本发明实施例提供的非连续电流控制的双环路电荷泵电路，电荷泵主电路P通过 时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产生一个高于电源电压或低于0 电平的电压输出V0UT，输出端V0UT通过电阻R1、R2进行采样得到一个采样电压Vs，采样电 压Vs控制两个输出频率范围不同的压控振荡器VI和压控振荡器V2使其产生频率不同的 时钟信号CLK1和CLK2。时钟信号CLK1控制电压控制电流源II和电压控制电流源12的充 放电频率来调节驱动电荷泵主电路P的电流；时钟信号CLK2控制双掷时钟控制开关S开启 关断，从而控制电荷泵主电路P的工作频率。通过设置两个压控振荡器的参数使时钟信号 CLK2频率较低，时钟信号CLK1频率较高。因而在时钟信号CLK2的一个周期内有一个或者 多个时钟信号CLK1周期存在，CLK1的频率越高则电荷泵主电路P等效电阻越低，电荷泵主 电路P输出电流的能力越大；时钟信号CLK2的频率越高，则电压控制电流源11和电压控制 电流源12的充电频率越快，等效于充电的电流变大；两个时钟CLKUCLK2共同对电荷泵主 电路P进行调节，进而使输出电压达到预定值。图2给出了时钟信号CLK1，CLK2、缓冲器N1 的输出端D1、缓冲器N1的输出端D2的波形图。
[0036] 本发明提供的非连续电流控制的双环电荷泵主电路P电路具有以下有益效果：
[0037] 1.可以使电荷泵主电路P电路工作时，减小电荷泵主电路P的输出波纹。
[0038] 2.可以提高电荷泵主电路P输出电压的稳定性，大大提高了电荷泵主电路P的效 率。
[0039] 最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1. 一种双环电荷泵控制电路，其特征在于，包括： 电荷泵主电路P、采样电压产生电路、频率控制电路及电流调节电路； 所述电荷泵主电路P，通过时钟信号CLKA、CLKB信号周期性的进行电压提升或降低，产 生一个高于电源电压或低于〇电平的电压输出VOUT ; 所述采样电压产生电路，对所述电压输出VOUT的输出的高于电源电压或低于0电平进 行采样得到采样电压Vs; 所述频率控制电路，在所述采样电压Vs控制下，产生用于控制所述电流调节电路的方 波信号； 所述电流调节电路，基于所述频率控制电路产生的方波信号控制所述电荷泵主电路P 的输出。
2. 根据权利要求1所述的非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所 述采样电压产生电路包括： 电阻R1和电阻R2 ; 所述电阻R1-端与所述电荷泵主电路P连接，另一端分别与所述频率控制电路和电阻 R2连接； 所述电阻R2 -端接地，另一端与所述电阻R1、所述频率控制电路连接。
3. 根据权利要求1所述的非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所 述频率控制电路包括： 压控振荡器VI及压控振荡器V2 ; 所述压控振荡器VI分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采 样电压Vs的控制下产生一个频率为fclkl的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述 电荷泵主电路P的泵电容充电速度； 所述压控振荡器V2分别与所述采样电压产生电路、所述电流调节电路连接，在所述采 样电压Vs的控制下产生一个频率为fclk2的方波信号，用于控制所述电流调节电路对所述 电荷泵主电路P的时钟驱动信号CLKA与CLKB的相位的切换。
4. 根据权利要求3所述的非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所 述电流调节电路包括： 电容C1、电容C2,缓冲器N1、缓冲器N2,电压控制电流源II、电压控制电流源12,双掷 时钟控制开关； 所述电容C1、电容C2,接收所述频率为fclkl的方波信号，用于给缓冲器N1、N2提供输 入电平，控制所述电压控制电流源II、电压控制电流源12关断或打开，从而控制电荷泵主 电路P的泵电容充电速度； 所述双掷时钟控制开关接收所述频率为fclk2的方波信号，用于控制双掷时钟控制开 关S开启关断，从而控制电荷栗主电路P的工作频率。
5. 根据权利要求1所述的非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路，其特征在于，所 述电荷泵主电路P包括： 匪05管組、]\12、]\〇、]\14、]\15，电容〇5、〇6、〇3、〇4、〇^1\〇51、〇52、〇53、〇54; 所述NMOS管Ml的栅极和漏极与电源VDD连接，所述NMOS管Ml的源极分别与电容C5、 NMOS管M2的漏极和栅极、电容CS1连接；所述NMOS管M2的源极分别与电容C6、NM0S管M3 的漏极和栅极、电容CS2连接；所述NMOS管M3的源极分别与电容C3、NMOS管M4的漏极和 栅极、电容CS3连接；所述NM0S管M4的源极分别与电容C4、NM0S管M5的漏极和栅极、电 容CS4连接；所述NMOS管M4的源极分别与输出端V0UT和电容C0UT连接；所述电容C5、C3 还与接线端CLKA连接，电容C6、C4还与接线端CLKB连接；所述电容C0UT、电容CS1、CS2、 CS3、CS4还分别接地。
6.根据权利要求2-5任一项所述的非连续性电流控制的双环电荷泵控制电路，其特征 在于，所述压控振荡器VI、V2分别包括： 4个PM0S管、3个倒相放大器10、II、12,电容CO、C7 ; 4个所述PM0S管的栅极相连，源极分别接电源VDD1，漏极分别接电源Vs ;其中，3个 PM0S管中的每个PM0S管的漏极与一个倒相放大器连接； 所述电容C0 -端连接在倒相放大器10、II之间，另一端接地端；电容C7 -端连接在倒 相放大器II、12之间，另一端接地端； 所述倒相放大器10、II、12 -端分别接地端；所述倒相放大器10的输出端依次通过倒 相放大器II与倒相放大器12的输入端连接，所述倒相放大器12的输出端还与倒相放大器 10的输入端连接。
【文档编号】H02M3/07GK104143907SQ201410404393
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】龙爽, 陈岚, 陈巍巍, 杨诗洋 申请人:中国科学院微电子研究所