通的电平信号，比如，开关S1-S4都NMOS(N-Channel Metal OxideSemiconductor)晶体管，驱动信号CKl和CK2为反相时钟信号，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断，且使驱动信号CKl和CK2的高电平(即第一电平)时间不交叠(也可以说，第一驱动信号CKl和第二驱动信号CK2之间存在一定的死区时间)，这样，可以避免开关S1-S4同时导通。
[0030]为了便于理解本发明，以下参考图2-图3介绍图1中的功率电荷泵在一个实施例中的具体工作过程。
[0031]当第一驱动信号CKl为高电平时，第二驱动信号CK2为低电平，驱动模块130控制开关SI和S2导通，控制开关S3和S4关断，此时，图1中的功率电荷泵工作在第一相位，其等效工作电路图如图2所示，第一电压源Vl对电容Cl进行充电，稳态时满足如下关系:
[0032]Vl = VCl (I)
[0033]其中，Vl为第一电压源Vl的电压值，VCl为电容Cl两端的电压值。
[0034]当第二驱动信号CK2为高电平时，第一驱动信号CKl为低电平，驱动模块130控制开关S3和S4导通，控制开关SI和S2关断，此时，图1中的功率电荷泵工作在第二相位，其等效工作电路图如图3所示，稳态时满足如下关系:
[0035]VO = V2-VC1 (2)
[0036]其中，V2为第二电压源V2的电压值，VCl为电容Cl两端的电压值，VO为电压输出端VO上的电压值(其等于输出电容Co两端的电压值)。
[0037]由于稳态时，上述两个相位中的电容Cl两端的电压保持不变，因此，联合公式(I)和⑵求解得:
[0038]VO = V2-Vlo
[0039]综上可知，本发明中的功率电荷泵基于两个电源电压转换输出一个输出电压V0，且VO = V2-V1，其中，Vl为第一电压源Vl的电压值，V2为第二电压源V2的电压值，因此，本发明中的功率电荷泵又可称为差值电荷泵。需要特别说明的是，当V2 < Vl时，通过本发明还能产生负电压。
[0040]随着现代电子系统设计越来越复杂，电子系统中除了电池单元电压外还需要更多其它电压，例如，平板电脑、智能手机、蓝牙耳机等系统中都配备有电源管理单元(PowerManagement Units)，其通常可支持多路电压输出，具体为，电源管理电路包括电池单元和电源调节电路，所述电压调节电路基于电池单元提供的电压得到多个预定的其它电压(或称非电池单元电压)。若将上述本发明中的功率电荷泵应用于电源管理电路中，则可以通过利用电池单元电压和电源管理电路中除电池单元电压外存在的其它电压(即电压调节电路输出的电压)构建更多其它倍率的电压模式，从而有助于优化功率电荷泵的效率。
[0041]以下通过一个实施例具体介绍本发明中图1所示的功率电荷泵在电源管理电路中的应用。
[0042]以电源管理电路中的电池单元作为图1中的功率电荷泵的第二电压源V2，以电源管理电路中的电压调节电路作为图1中的功率电荷泵的第一电压源VI，当电池单元电压(其称为功率电荷泵的输入电压VIN) —定的情况下，采用不同的非电池单元电压(即所述电压调节电路基于电池单元电压输出的其它电压)作为第一电源电压Vl，可得到不同的输出电压V0，以产生更多其它倍率(倍率等于V0/VIN)，从而实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。在一个具体实施例中，假设功率电荷泵的输入电压(或称电池单元电压)VIN为3.3V，目标输出电压为3.4V，若使用现有技术中仅一个输入电压源、飞电容个数为两个的功率电荷泵，则该电荷泵采用2/3倍模式的供电效率最佳，采用2/3倍模式可以产生2.2V的输出电压V0，通过线性调压技术降为1.7V，则理想情况下的供电效率为1.7V/2.2V = 77.3% ;若使用现有技术中仅一个输入电压源、飞电容个数为一个的功率电荷泵，则该电荷泵采用I倍模式的供电效率最佳，采用I倍模式可以产生3.3V的输出电压V0，通过线性调压技术降为1.7V，则理想情况下的供电效率为1.7V/3.3V = 51.5% ;若使用本发明中的功率电荷泵，则输入电压VIN(3.3V)作为第二输入电压源V2，以所述电压调节电路输出的1.5V的其它电压作为第一输入电压源VI，通过上述工作过程，可产生3.3V-1.5V = 1.8V的输出电压V0，然后通过线性调压器转换为1.7V，则理想情况下的供电效率为1.7V/(3.3V-1.5V) = 94.4%，且只用一个飞电容。由此可见，本发明可以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率，进而有利于提高功率电荷泵的实际供电效率。
[0043]易于思及的是，也可以以电源管理电路中的电池单元作为图1中的功率电荷泵的第一电压源VI，以电源管理电路中的电压调节电路作为图1中的功率电荷泵的第二电压源V2，从而在功率电荷泵的输人电压VIN—定的情况下，采用不同的非电池单元电压，可产生更多其它倍率。
[0044]综上所述，本发明中的功率电荷泵包括第一电压源V1、第二电压源V2、电压转换模块110、输出模块120和输出驱动模块130，该功率电荷泵基于这两个电源电压转换输出一个输出电压VO，且VO = V2-V1，其可以利用电源管理电路中除电池单元电压外存在的更多其它电压，产生更多其它倍率，以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率转换电压，从而优化功率电荷泵的实际工作效率。
[0045]在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
[0046]需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的【具体实施方式】所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述【具体实施方式】。
【主权项】
1.一种功率电荷泵，其特征在于，包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块， 所述电压转换模块包括电容Cl、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中，第一电压源的负极和第二电压源的负极与地节点相连；第一开关和第三开关依次串联于第一电压源的正极与第二电压源的正极之间；第二开关和第四开关依次串联于地节点和电压输出端之间；电容Cl的一端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，电容Cl的另一端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连； 所述输出模块包括输出电容，所述输出电容连接于电压输出端和地节点之间； 所述驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或者关断，其中，在控制第一开关和第二开关导通时，控制第三开关和第四开关关断；在控制第三开关和第四开关导通时，控制第一开关和第二开关关断。
2.根据权利要求1所述的功率电荷泵，其特征在于， 所述驱动模块输出的驱动信号包括第一驱动信号和第二驱动信号，其中，第一驱动信号与第一开关和第二开关的控制端相连，以控制第一开关和第二开关的导通或者关断；第二驱动信号与第三开关和第四开关的控制端相连，以控制第三开关和第四开关的导通或者关断。
3.根据权利要求2所述的功率电荷泵，其特征在于， 所述四个开关都为MOS晶体管，第一驱动信号和第二驱动信号为时钟信号。
4.根据权利要求3所述的功率电荷泵，其特征在于， 第一驱动信号和第二驱动信号之间存在一定的死区时间，以避免四个开关同时导通。
5.根据权利要求4所述的功率电荷泵，其特征在于， 驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时使对应的开关关断， 当第一驱动信号为高电平时，第二驱动信号为低电平，满足如下关系: Vl = VCl (I) 其中，Vl为第一电压源的电压值，VCl为电容Cl两端的电压值； 当第二驱动信号为高电平时，第一驱动信号为低电平，满足如下关系: VO = V2-VC1 (2) 其中，VO为电压输出端的电压值，V2为第二电压源的电压值，VCl为电容Cl两端的电压值； 联合公式⑴和(2)求解得:VO = V2-Vlo
6.根据权利要求1所述的功率电荷泵，其特征在于， 所述电容Cl为飞电容。
7.一种电源管理电路，其特征在于，其包括: 电池单元； 电压调节电路，其基于电压单元提供的电压得到预定电压； 如权利要求1-6所述的功率电荷泵， 所述电池单元作为功率电荷泵中的第一电压源，所述电压调节电路作为功率电荷泵中的第二电压源；或者， 所述电池单元作为功率电荷泵中的第二电压源，所述电压调节电路作为功率电荷泵中的第一电压源。
【专利摘要】本发明提供一种功率电荷泵及使用该功率电荷泵的电源管理电路，其中，功率电荷泵包括第一电压源、第二电压源、电压转换模块、输出模块和驱动模块。电压转换模块包括电容C1、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，第一电压源的负极和第二电压源的负极与地节点相连；第一开关和第三开关依次串联于第一电压源的正极与第二电压源的正极之间；第二开关和第四开关依次串联于地节点和电压输出端之间；电容C1的一端与第一开关和第三开关之间的连接节点相连，电容C1的另一端与第二开关和第四开关之间的连接节点相连。驱动模块输出驱动信号以控制各个开关的导通或者关断。本发明可以实现使用较少的飞电容产生更多可能的倍率。
【IPC分类】H02M3-07
【公开号】CN104852570
【申请号】CN201510237632
【发明人】王钊
【申请人】无锡中星微电子有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月11日