一种高效双电容电荷泵的制作方法

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一种高效双电容电荷泵的制造方法与工艺

本发明涉及一种开关电源,尤其是一种高效双电容电荷泵。



背景技术:

电荷泵电路是一种通过电容上电荷积累效应来产生高于电源电压或负电压的电路。电荷泵的工作过程为首先存储能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。电荷泵采用电容器来存储能量,并通过开关阵列和振荡器等实现电压提升。电荷泵非常适用于小巧型便携式电压产品,如手机、笔记本电脑、医疗仪器等。其中最常用的电荷泵结构是倍压电荷泵,采用单个泵电容进行充电。

传统的倍压电荷泵电压由振荡器、多个模拟开关(或模拟开关阵列)、控制电路、外界泵电容CF及输出电容CR组成。如图1所示,在充电阶段,开关S1/S3导通,S2/S4关断。电容CF被充电,CF两端的电压被充电到输入电压VIN,并存储能量,存储的能量将在下一个放电阶段被转移。储能电容CR,在上一个放电周期就已经被从CF转移过来的能量充电到2VIN电压,并为负载提供电流。在放电阶段,开关S1/S3关断,S2/S4导通。电容CF两端的电平被上移了VIN,而CF在上一充电阶段已经充电至VIN,因此,CR两端的总电压现在成为2VIN。然后,电容CF放电将充电阶段存储的能量转移到CR,并且为负载提供电流。

充放电周期的频率取决于时钟频率;通常采用较高的时钟频率来降低对电容CF和CR容值的要求。电荷泵最主要的性能指标有三个:功耗效率、输出电压纹波幅度和面积。可以看出传统的倍压电荷泵功率较低,且输出电压的纹波幅度较大。



技术实现要素:

本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种双电容电荷泵,在上电初期采用软启动的方式,有效地防止输出电压的过冲,同时采用双电容交替工作的方式,提高了输出电流的能力并减小了输出电压纹波。

本发明采用的技术方案如下:

本发明一种高效双电容电荷泵,包括低压差线性稳压电路、模拟开关及其控制信号、电流镜和电容;所述模拟开关的控制信号包括S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8;所述模拟开关包括S2控制的MP1,S6控制的MP2,S1控制的MP6,S5控制的MP5,S3控制的MP3,S7控制的MP4,S4控制的MN1,S8控制的MN2;所述电容包括C1和C2;

所述电流镜分别串联有C1和C2,C1另一端与MP3的漏极、MN1漏极相较于节点CN1,C2另一端与MP4的漏极、MN2漏极相较于节点CN2;所述MP3与MN1的串联电路,以及MP4与MN2的串联电路,处于并联状态;所述MP1、MP2、MP6、MP5并联,其并联电路一端连接功率电源PVDD,MP1和MP6的另一端,以及MP2和MP5的另一端分别连接C1和C2;所述电流镜分别与MP1和MP2相交于节点CP1和节点CP2。

进一步,所述电流镜包括电流镜1和电流镜2;所述电流镜1包括电流I1,以及与其连接的MOS管A和MOS管B;所述MOS管A和MOS管B的源极和栅极分别连接,所述电流I1连接MOS管A和MOS管B的栅极;所述电流镜2包括与电流I2,以及与其连接的MOS管C和MOS管D;所述MOS管C和MOS管D的源极和栅极分别连接,所述电流I2连接MOS管C和MOS管D的栅极;所述电流I1与电流I2相等。

进一步,所述低压差线性稳压电路包括OP放大器、电阻R1、电阻R2和MOS管K;所述OP放大器的反相输入端接入参考电压Vref;所述OP放大器的正相输入端接入R1和R2的并联电路;所述OP放大器的输出端连接MOS管K的栅极;MOS管K的源极分别连接电源电压VDD,MOS管K的漏极连接MP3和MP4的源极;所述R1连接功率电源PVDD,R2接地。

综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:和传统的采用单电容的电荷泵相比,本发明中的双电容电荷泵具有输出电流能力强的优点;在上电初期采用软启动的方式,有效地防止输出电压的过冲;电荷泵采用双电容交替工作的方式,提高了输出电流的能力并减小了输出电压纹波;采用本发明中的电荷泵的功率放大器性能得到很大的改善。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:

图1是传统的倍压电荷泵电路图。

图2是本发明一种高效双电容电荷泵的电路图。

图3是低压差线性稳压电路图。

图4是本发明一种高效双电容电荷泵中所有开关的时序波形图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图2,本发明一种高效双电容电荷泵,包括低压差线性稳压电路、模拟开关及其控制信号、电流镜和电容;所述模拟开关的控制信号包括S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8;所述模拟开关包括S2控制的MP1,S6控制的MP2,S1控制的MP6,S5控制的MP5,S3控制的MP3,S7控制的MP4,S4控制的MN1,S8控制的MN2;所述电容包括C1和C2;

所述电流镜分别串联有C1和C2,C1另一端与MP3的漏极、MN1漏极相较于节点CN1,C2另一端与MP4的漏极、MN2漏极相较于节点CN2;所述MP3与MN1的串联电路,以及MP4与MN2的串联电路,处于并联状态;所述MP1、MP2、MP6、MP5并联,其并联电路一端连接功率电源PVDD,MP1和MP6的另一端,以及MP2和MP5的另一端分别连接C1和C2;所述电流镜分别与MP1和MP2相交于节点CP1和节点CP2。

所述电流镜包括电流镜1和电流镜2;所述电流镜1包括电流I1,以及与其连接的MOS管A和MOS管B;所述MOS管A和MOS管B的源极和栅极分别连接,所述电流I1连接MOS管A和MOS管B的栅极;所述电流镜2包括与电流I2,以及与其连接的MOS管C和MOS管D;所述MOS管C和MOS管D的源极和栅极分别连接,所述电流I2连接MOS管C和MOS管D的栅极;所述电流I1与电流I2大小相等。

如图3,所述低压差线性稳压电路包括OP放大器、电阻R1、电阻R2和MOS管K;所述OP放大器的反相输入端接入参考电压Vref;所述OP放大器的正相输入端接入R1和R2的并联电路;所述OP放大器的输出端连接MOS管K的栅极;MOS管K的源极分别连接电源电压VDD,MOS管K的漏极连接MP3和MP4的源极;所述R1连接功率电源PVDD,R2接地。

本发明一种高效双电容电荷泵的工作原理:电荷泵正常工作分为两个阶段:

第一个阶段为电荷泵的软启动过程,此时S1、S5、S3、S4、S7和S8均为高电平,S2和S6为低电平,仅有开关管MN1、MN2和MP1、MP2导通,电容C1和C2由I1组成的电流镜进行充电,采用恒定电流的方式对电容充电,是为了防止芯片上电过程中PVDD电压过冲。当电容C1和C2充电达到稳定电压VC时,电荷泵完成了第一阶阶段的软启动;

第二个阶段为双电容C1和C2交替工作为PVDD(功率电源)供电的过程,由于电容C1和C1左右电路是完全对称的,包括偏置,所以只分析左边电路,右边电路的开关状态和左边电路相反。由上面分析可知,当S1、S4和S2、S3为高电平时,电容C1上的电压为VC,当处于下一状态时,S1、S4和S2、S3变为低电平,节点CN1电压由0V变为VCN1,由于电容两端电压不能突变,所以节点CN1电压由VC变为VC+VCN1,此时开关管MP1导通,VPVDD的电压可以由运放OP组成的负反馈回路得到:

同理,当右边电路工作时,开关管MP2导通,VPVDD的电压可以得到:

如图4,在一个时钟周期内,左边右边电路交替进行工作,使VPVDD电压在整个时钟周期内恒定为负反馈设计值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

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