电荷泵及包括其的电子设备的制作方法

1.本发明属于变换器技术领域，尤其涉及一种电荷泵及包括其的电子设备。


背景技术：

2.目前，电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快 速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的dc-dc(变换器)， 一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大 的输出电压，或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率很高，约为90
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95％，而电路也相当的简单。目前电荷泵输出的电压变化范围小，电流负载 小，且输出波纹大，并不适应目前的市场需求。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中存在电荷泵输出的电 压变化范围小的缺陷，提供一种电荷泵及包括其的电子设备。
4.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
5.本发明提供一种电荷泵，所述电荷泵包括电压变换器、信号发生器、控 制模块；
6.所述电压变换器包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、 第四nmos管、第五pmos管、第六nmos管、第七nmos管、第八nmos 管、第一电容、第二电容；
7.所述第一pmos管、所述第二pmos管、所述第三pmos管、所述第 五pmos管、所述第六nmos管、所述第七nmos管、所述第八nmos管 的栅极均与所述控制模块连接；
8.所述第一pmos管的漏极和所述第三pmos管的源极均连接电源，所 述第一pmos管的源极分别与所述第二pmos管的漏极以及所述第一电容 的一端连接；
9.所述第二pmos管的源极与所述第五pmos管的漏极连接，形成所述 电压变换器的正电压输出端；
10.所述第三pmos管的漏极分别与所述第一电容的另一端以及所述第四 nmos管的漏极连接；
11.电压变换器所述第五pmos管的源极分别与所述第二电容的一端以及 所述第六nmos管的漏极连接；
12.所述第四nmos管的源极、所述第六nmos管的源极以及所述第七 nmos管的源极均接地，所述第七nmos管的漏极分别与所述第二电容的 另一端以及所述第八nmos管的漏极连接，所述第八nmos管的源极形成 所述电压变换器的负电压输出端；
13.所述信号发生器的第一输入端与所述正电压输出端连接，第二输入端与 参考电源连接，输出端与所述第四nmos管的栅极连接。
14.较佳地，所述信号发生器包括比较器和传输门，所述传输门用于改变输 入信号的周期，并增强输入信号驱动能力；
15.所述比较器的第一输入端与所述正电压输出端连接，第二输入端与参考 电源连接，输出端与所述传输门的输入端连接；
16.所述传输门的输出端与所述第四nmos管的栅极连接。
17.较佳地，所述比较器包括第九pmos管、第十pmos管、第十一pmos 管、第十二nmos管、第十三nmos管、第十四nmos管、第十五nmos 管、第十六pmos管、第十七pmos管、第十八nmos管、第十九nmos 管、第二十pmos管、第二十一pmos管、第二十二pmos管、第一电阻 和第二电阻；
18.所述第九pmos管的源极、所述第二十二pmos管的源极即所述第二 十一管的源极分别与电源连接，所述第九pmos管的漏极分别与所述第十 pmos管的源极和所述第十一pmos管的源极连接；
19.所述第十pmos管的漏极分别与所述第十三nmos管的漏极及所述第 十二nmos管的漏极连接；
20.所述第十一pmos管的漏极分别与所述第十二nmos管的漏极及所述 第十三nmos管的源极连接；
21.所述第十二nmos管的源极、所述第十三nmos管的源极、所述第十 八nmos管的源极及所述第十九nmos管的源极均接地，所述第十二nmos 管的漏极与所述第十四nmos管的源极连接；
22.所述第十三nmos管的漏极与所述第十五nmos管的源极连接；
23.所述第十四nmos管的漏极分别与所述第十六pmos管的漏极及所述 第一电阻的一端连接；
24.所述第一电阻的另一端分别与所述第二电阻的一端、所述第十六pmos 管的栅极、所述第十七pmos管的栅极连接；
25.所述第二电阻的另一端分别与所述第十七pmos管的漏极、所述第十五 nmos管的漏极及所述第二十pmos管的栅极连接；
26.所述第二十二pmos管的漏极分别与所述第二十二的栅极、所述第十六 pmos管源极及所述第十七pmos管的源极连接；
27.所述第二十一pmos管的漏极与所述第二十pmos管的源极连接；
28.所述第十八nmos管的漏极分别与所述第二十pmos管的漏极、与第 二十pmos管的栅极及所述第十九nmos管的栅极连接；
29.所述第二十一pmos管的漏极与所述第十九nmos管的漏极形成所述 比较器的所述输出端；
30.所述第九pmos管、所述第十二nmos管、所述第十三nmos管、所 述第十四nmos管、所述第十五nmos管、第二十一pmos管的栅极均接 收固定电平的驱动信号；
31.所述第十pmos管的栅极接收所述参考电源；
32.所述第十一pmos管的栅极与所述正电压输出端连接。
33.较佳地，所述传输门包括第二十三pmos管、第二十四nmos管和第 二十五pmos管；
34.所述第二十三pmos管的漏极、所述第二十四nmos管的漏极及所述 第二十五pmos管的漏极均与所述第四nmos管的栅极连接，所述第二十 三pmos管的源极、所述第二十四nmos管的源极均与所述比较器的输出 端连接；
35.所述第二十三pmos管、所述第二十四nmos管及所述第二十五pmos 管的栅极均与所述控制模块连接；
36.所述第二十五pmos管的源极与电源连接。
37.较佳地，所述控制模块包括第一电平翻转单元、第二电平翻转单元、第 三电平翻转单元、第一非门、第一与非门以及第二与非门；
38.第一电平翻转单元的输出端通过第一非门与第一与非门的第一输入端 连接，第一与非门的输出端与第二电平翻转单元的输入端连接，第二电平翻 转单元的输出端分别与所述第一pmos管的栅极、所述第二pmos管的栅 极及所述第三pmos管的栅极连接，所述第一与非门的第二输入端与所述第 三电平翻转单元的输入端，所述第一电平翻转单元接收驱动信号；
39.第一电平翻转单元的输出端第二与非门的第一输入端连接，第二与非门 的第二输入端与第二电平翻转单元的输入端连接，第二与非门的输出端与第 三电平翻转单元的输入端连接，第三电平翻转单元的输出端分别与所述第五 pmos管的栅极、所述第六nmos管的栅极、所述第七nmos管的栅极、 所述第八nmos管的栅极连接。
40.较佳地，所述第一与非门的输出端与所述第二电平翻转单元的输入端之 间连接有偶数个非门。
41.较佳地，所述第二与非门与所述第三电平翻转单元的输入端之间连接有 偶数个非门。
42.较佳地，所述控制模块还包括信号产生单元；
43.所述驱动信号由所述信号产生单元产生。
44.较佳地，所述驱动信号由外部信号产生器产生。
45.本发明提供一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的电荷泵。
46.本发明的积极进步效果在于：电荷泵的信号发生器根据电压变换器输出 的正电压和接入的参考电压控制第四nmos管的开启或关断，进而控制电 压变换器的正电压输出端输出1倍的电源电压到2倍的电源电压，负电压输 出端输出-1倍的电源电压到-2倍的电源电压，使电荷泵的电压输出变化范围 增大，输出波纹小，电路负载能力大。
附图说明
47.图1为本发明实施例1提供的一种电荷泵的结构框图。
48.图2为本发明实施例1的电荷泵的电压变换器的电路图。
49.图3为本发明实施例1的电荷泵的信号发生器的结构示意图。
50.图4为本发明实施例1的电荷泵的比较器的电路图。
51.图5为本发明实施例1的电荷泵的传输门的电路图。
52.图6为本发明实施例1的电荷泵的控制模块的结构示意图。
53.图7为本发明实施例1的电荷泵的驱动信号的时序图。
54.图8为本发明实施例1提供的另一种电荷泵的结构框图。
具体实施方式
55.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在 所述的实施例范围之中。
56.实施例1
57.本实施例提供一种电荷泵，如图1所示，所述电荷泵包括电压变换器1、 信号发生器2、控制模块3。
58.如图2所示，所述电压变换器1包括第一pmos管m1、第二pmos管 m2、第三pmos管m3、第四nmos管m4、第五pmos管m5、第六nmos 管m6、第七nmos管m7、第八nmos管m8、第一电容c1、第二电容 c2。
59.所述第一pmos管m1、所述第二pmos管m2、所述第三pmos管m3、所述第五pmos管m5、所述第六nmos管m6、所述第七nmos管 m7、所述第八nmos管m8的栅极均与所述控制模块连接，所述第一pmos 管m1的漏极和所述第三pmos管m3的源极均连接电源，所述第一pmos 管m1的源极分别与所述第二pmos管m2的漏极以及所述第一电容c1的 一端连接，所述第二pmos管m2的源极与所述第五pmos管m5的漏极 连接，形成所述电压变换器的正电压输出端，所述第三pmos管m3的漏极 分别与所述第一电容c1的另一端以及所述第四nmos管m4的漏极连接； 电压变换器所述第五pmos管m5的源极分别与所述第二电容c2的一端以 及所述第六nmos管m6的漏极连接；所述第四nmos管m4的源极、所 述第六nmos管m6的源极以及所述第七nmos管m7的源极均接地，所 述第七nmos管m7的漏极分别与所述第二电容c2的另一端以及所述第八 nmos管m8的漏极连接，所述第八nmos管m8的源极形成所述电压变 换器的负电压输出端。
60.如图3所示，所述信号发生器2的第一输入端与所述正电压输出端连 接，第二输入端与参考电源连接，输出端与所述第四nmos管m4的栅极连 接。
61.本实施例可通过信号发生器2单独控制第四nmos管m4的栅极，进 而控制第四nmos管m4的半开启(不是完全开启)或半关断(不是完全关 断)，控制电压变换器正电压输出端输出电压在vcc至2vcc之间，使电荷 泵输出的电压变化范围增大，且电压变换器正电压输出端输出的电压反馈给 信号发生器2的第一输入端形成反馈环路，使整个的控制环路处于动态平衡 的状态，有利于控制电荷泵输出理想电压。
62.具体地，参见如图8所示，所述信号发生器2包括比较器21和传输门 22，所述传输门用于改变输入信号的周期，并增强输入信号驱动能力。
63.如图3所示，所述比较器21的第一输入端与所述正电压输出端连接， 第二输入端与参考电源连接，输出端与所述传输门的输入端连接；所述传输 门的输出端与所述第四nmos管m4的栅极连接。
64.具体地，如图4所示是比较器的电路图，所述比较器21包括第九pmos 管m9、第十pmos管m10、第十一pmos管m11、第十二nmos管m12、 第十三nmos管m13、第十四nmos管m14、第十五nmos管m15、第 十六pmos管m16、第十七pmos管m17、第十八nmos管m18、第十九 nmos管m19、第二十pmos管m20、第二十一pmos管m21、第二十二 pmos管m22、第一电阻r1和第二电阻r2。
65.所述第九pmos管m9的源极、所述第二十二pmos管m22的源极即 所述第二十一管的源极分别与电源连接，所述第九pmos管m9的漏极分别 与所述第十pmos管m10的源极和所述第十一pmos管m11的源极连接；
66.所述第十pmos管m10的漏极分别与所述第十三nmos管m13的漏 极及所述第十二nmos管m12的漏极连接；所述第十一pmos管m11的 漏极分别与所述第十二nmos管m12的漏极及所述第十三nmos管m13 的源极连接；所述第十二nmos管m12的源极、所述第十三nmos管
m13 的源极、所述第十八nmos管m18的源极及所述第十九nmos管m19的 源极均接地，所述第十二nmos管m12的漏极与所述第十四nmos管m14 的源极连接；所述第十三nmos管m13的漏极与所述第十五nmos管m15 的源极连接；所述第十四nmos管m14的漏极分别与所述第十六pmos管 m16的漏极及所述第一电阻r1的一端连接；所述第一电阻r1的另一端分 别与所述第二电阻r2的一端、所述第十六pmos管m16的栅极、所述第十 七pmos管m17的栅极连接；所述第二电阻r2的另一端分别与所述第十 七pmos管m17的漏极、所述第十五nmos管m15的漏极及所述第二十 pmos管m20的栅极连接；所述第二十二pmos管m22的漏极分别与所述 第二十二的栅极、所述第十六pmos管m16源极及所述第十七pmos管 m17的源极连接；所述第二十一pmos管m21的漏极与所述第二十pmos 管m20的源极连接；所述第十八nmos管m18的漏极分别与所述第二十 pmos管m20的漏极、与第二十pmos管m20的栅极及所述第十九nmos 管m19的栅极连接；所述第二十一pmos管m21的漏极与所述第十九nmos 管m19的漏极形成所述比较器的所述输出端；所述第九pmos管m9、所述 第十二nmos管m12、所述第十三nmos管m13、所述第十四nmos管 m14、所述第十五nmos管m15、第二十一pmos管m21的栅极均接收固 定电平的驱动信号，固定电平的驱动信号可以是控制模块3产生的，也可以 是接收外部输入的固定电平的驱动信号。所述第十pmos管m10的栅极接 收所述参考电源；所述第十一pmos管m11的栅极与所述正电压输出端连 接。
67.比较器21的m9-m17构成比较器21前一级为一个折叠式放大器结构， m16，m17栅极电阻使得m16，m17的vds+电压保持一致，使其阻抗保持 一致。m18-m21后一级，构成为比较器输出级，驱动电荷泵第四nmos管 m4的栅极。由于环路的原因，比较器21输出电压并不是输出数字高低电平， 而是介于两者之间的中间电平，这样clk4信号使第四nmos管m4处于 一个半开启的状态，保证电荷泵输出电压vp(正电压输出端)输出处于vcc 至2vcc之间的电压。
68.具体地，如图5所示是传输门的电路图，所述传输门22包括第二十三 pmos管m23、第二十四nmos管m24和第二十五pmos管m25。
69.所述第二十三pmos管m23的漏极、所述第二十四nmos管m24的 漏极及所述第二十五pmos管m25的漏极均与所述第四nmos管的栅极连 接，所述第二十三pmos管m23的源极、所述第二十四nmos管m24的 源极均与所述比较器的输出端连接；所述第二十三pmos管m23、所述第 二十四nmos管m24及所述第二十五pmos管m25的栅极均与所述控制 模块连接；所述第二十五pmos管m25的源极与电源连接。
70.控制模块3向第二十三pmos管m23的栅极输出信号clk_vop， clk_vop信号可控制第二十三pmos管m23的开启或关断；控制模块3 向第二十四nmos管m24的栅极输出信号clk6_vop_n，clk6_vop_n信 号可控制第二十四nmos管m24的开启或关断；控制模块3第二十五pmos 管m25的栅极输出信号clk5_vop，clk5_vop信号可控制第二十五pmos 管m25的开启或关断。
71.其中，clk5和clk5_vop同相位，clk6和clk6_vop同相位， clk6_vop_n与clk6_vop反相位。
72.具体地，传输门的原理是：
73.(1)(clk6_vop为0时，clk6_vop_n为vcc时，大前提)同时在 clk_vop5为vcc时传输信号，如图3所示，此时，传输门输出控制第四 nmos管m4开启或关断的第四驱动信号clk4；
在clk_vop5为0时， 输出电平为vcc的驱动信号。
74.(2)clk6_vop为vcc时，clk6_vop_n为0时，不输出驱动信号。
75.具体地，如图8所示，所述控制模块3包括第一电平翻转单元31、第二 电平翻转单元32、第三电平翻转单元33，第一非门34，第一与非门35、第 二与非门36以及非门38。
76.第一电平翻转单元31的输出端通过第一非门34与第一与非门35的第 一输入端连接，第一与非门35的输出端与第二电平翻转单元32的输入端连 接，第二电平翻转单元32的输出端分别与所述第一pmos管m1的栅极、 所述第二pmos管m2的栅极及所述第三pmos管m3的栅极连接，所述 第一与非门35的第二输入端与所述第三电平翻转单元33的输入端，所述第 一电平翻转单元31接收驱动信号。
77.参见图6所示，第一驱动信号clk1可控制第一pmos管m1的开启或 关断；第二驱动信号clk2可控制第二pmos管m2的开启或关断；第三驱 动信号clk3可控制第三pmos管m3的开启或关断。
78.第一电平翻转单元31的输出端第二与非门36的第一输入端连接，第二 与非门36的第二输入端与第二电平翻转单元32的输入端连接，第二与非门 36的输出端与第三电平翻转单元33的输入端连接，第三电平翻转单元33的 输出端分别与所述第五pmos管m5的栅极、所述第六nmos管m6的栅 极、所述第七nmos管m7的栅极、所述第八nmos管m8的栅极连接。
79.参见图6所示，第三电平翻转单元33的输出端输出分别控制第五pmos 管m5的栅极、所述第六nmos管m6的栅极、所述第七nmos管m7的 栅极、所述第八nmos管m8的栅极的第五驱动信号clk5、第六驱动信号 clk6、第七驱动信号clk7和第八驱动信号clk8。
80.具体地，八个驱动信号的时序关系图请参见图7所示，在此不再进行赘 述。
81.具体地，如图6所示，所述第一与非门35的输出端与所述第二电平翻 转单元32的输入端之间连接有偶数个非门38；非门38的个数可根据实际 需要进行设置，优选地，本实施例设置了四个非门38，具体四个非门38的 连接关系请参见图6所示内容。
82.所述第二与非门36与所述第三电平翻转单元33的输入端之间连接有偶 数个非门38。非门38的个数越多，对电流的驱动能力越大。
83.具体地，参见图8所示，所述控制模块3还包括信号产生单元37，第一 电平翻转单元接收的所述驱动信号可以由所述信号产生单元产生。所述第一 电平翻转单元31的输入端与所述信号产生单元37的输出端连接。
84.优选地，第一电平翻转单元31接收的所述驱动信号也可以由外部信号 产生器产生。
85.具体地，电荷泵的工作原理可以分为以下四个过程，
86.(1)第三pmos管m3、第二pmos管m2关闭，第一pmos管m1， 第四nmos管m4开启，第一电容c1充电。
87.(2)第一pmos管m1、第四nmos管关闭，第三pmos管m3、第 二pmos管m2开启，第一电容c1放电，电压变换器1的正电压输出端vp 输出vcc至2vcc电压，实现两倍电压输出。
88.(3)第六nmos管m6、第八nmos管m8关闭，第五pmos管m5、 第七nmos管m7开启，第二电容c2充电。
89.(4)第五pmos管m5、第七nmos管m7关闭，第六nmos管m6、 第八nmos管m8开启，第二电容c2放电，电压变换器1的负电压输出端 vn输出-vcc至-2vcc的电压，实现负电压的输
出。
90.具体地，信号发生器2控制第四nmos管m4及电压变换器的vp(正 电压端)电压变化的过程如下：
91.1.电压变换器的vp(正电压输出端)端电压开始为低，vref为参考电压 (固定不变)，vp与vref经比较器比较产生第一电平信号，第一电平信号为 0至二分之一的vcc之间的电平，经过传输门增加驱动，使其电流增大，控 制第四nmos管m4的栅极，使第四nmos管m4打开，并未完全开启， vp电压升高(第一电容c1充电的过程)；
92.2.vp再反馈到比较器与vref电压比较，输出一个与第一电平信号相反 的第二电平信号，再次经过传输门，控制第四nmos管m4的栅极，使第四 nmos管m4电流减小，并未完全关断，使得vp电压降低，过程1和过程 2循环形成一个反馈环路，clk4在这种动态的平衡下呈现高低电压的周期 变化(其随驱动信号变化)。
93.本实施例通过电荷泵的信号发生器根据电压变换器输出的正电压和接 入的参考电压控制第四nmos管m4的开启或关断，进而控制电压变换器 的正电压输出端输出电压在vcc至2vcc之间，负电压输出端输出电压在
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vcc至-2vcc之间，使电荷泵的电压输出变化范围增大，进一步地，反馈 环路响应快，控制的结构比较少，减小了电荷泵的输出波纹，而且还可以通 过开关mos管的宽长比使电荷泵电路的负载能力增大。
94.实施例2
95.本发明提供一种电子设备，所述电子设备包括如实施例1所述电荷泵， 电荷泵和电子设备电连接。
96.本实施例的电子设备具备电荷泵的电路功能及具备与电荷泵相同的技 术效果。
97.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理 解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领 域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式 做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。