专利名称：一种可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电荷泵及其控制电路，尤其涉及一种双电压电荷泵及其控制电路。
背景技术：
有电荷电容的充放电，就叫做电荷泵。常用的是双电压电荷泵，所谓双电压电荷泵就是一种将输入电压转换成一正一负两个输出电压的电路。在很多电路中，例如RS232接口电路，就要求将一个单极输入电压转换成一正一负的双极输出电压，这时就需要使用到双电压电荷泵电路。目前常使用以下几种双电压电荷泵电路专利US 4999761公开了一种双电压电荷泵及其控制电路，它的工作原理如图1所示，图1a是该电荷泵工作状态图，图1b是该电荷泵的工作流程图。该电荷泵有两种工作状态，在需要充电时，该电荷泵循环进入第一和第二工作状态，在不需要充电时，电荷泵在第二工作状态等待。在不充电时，电荷泵处于第二工作状态，此时电容C1的+极接Vcc，电容C1的-极接地，电容C1上的电势差U(C1)＝Vcc。充电时，首先进入第一工作状态，此时电容C1的-极接Vcc，电容C1的+极与电容Cv+的+极相连，电容Cv+的-极接地，需要充电的正极V+连接在电容Cv+的+极上。此时，V+的电压为Vcc+U(C1)＝2Vcc，同时，电容Cv+的电势差也为2Vcc。再次进入第二工作状态，Vcc重新对电容C1充电，电容C1的电势差重新变为Vcc，此时，电容Cv+的-极接地，电容Cv+的+极与电容C2的+极相连，电容C2的-极接地，需要充电的正极V+仍然连接在电容Cv+的+极上，这样的话，电容C2的电势差也将变成2Vcc，电容Cv+保持对V+的充电。再次进入第一工作状态，电容C1和Vcc再次将电容Cv+的电势差恢复到2Vcc，同时，电容C2的+极接地，电容C2的-极与电容Cv-的-极相连，电容Cv-的+极接地，需要充电的负极V-连接在电容Cv-的-极上，由于电容C2的电势差为2Vcc，所以V-的电压为-2Vcc，同时，电容Cv-的电势差也变成2Vcc。再次进入第二工作状态，Vcc为电容C1充电，电容Cv+为电容C2充电，同时，电容Cv+和电容Cv-又为V+和V-充电。再进入第一工作状态，Vcc和电容C1为电容Cv+充电，电容C2为电容Cv-充电。如此反复地循环，就使单一的输入电压Vcc变成了两个输出电压V+和V-。但是，使用这种电荷泵的缺点也非常明显，该电荷泵中提供V-电压的电容C2由电容Cv+充电，考虑到实际的电容器件存在的损耗，该电荷泵得到的|V-|≤|V+|。且该电荷泵只能对正负双极同时进行充电，不能单独对某一极进行充电。且当正负极连接的负载不同时，它们需要的充电时间也不同，但该电荷泵电路只能对两极同时充电，充电时间只能相同，这必然要造成某一极出现不必要的功耗支出。
专利US 5306954公开了一种改进的双电压电荷泵及其控制电路，它的工作原理如图2所示，图2a是该电荷泵工作状态图，图2b是该电荷泵的工作流程图。该电荷泵具有四种工作状态，在不充电时，电荷泵在第四状态等待，充电时则循环进入第一、二、三、四状态。不充电时，此时电容C1的+极接Vcc，电容C1的-极接地，电容C1上的电势差U(C1)＝Vcc。充电时，首先进入第一工作状态，此时电容C1的+极接地，电容C1的-极与电容C2的-极相连，电容C2的+极接Vcc。此时，由于U(C1)＝Vcc，所以电容C1的-极处的电压为-Vcc，由于电容C2的-极与电容C1的-极相连，电容C2的-极电压为-Vcc，正极电压为+Vcc，电容C2的电势差为2Vcc。进入第二状态，此时，Vcc重新为电容C1充电，电容C2的+极接地，电容C2的-极与电容Cv-的-极相连，电容Cv-的+极接地，要充电的V-连接在电容Cv-的-极上，此时，电容Cv-的电势差也变为2Vcc，和电容C2一样。然后进入第三状态，此时，由电容Cv-保持为V-充电，Vcc和电容C1重新为电容C2充电，将电容C2的电势差恢复到2Vcc。再一次进入第四状态，Vcc重新为电容C1充电，电容Cv-保持为V-充电，Vcc重新为电容C1充电，电容C2的-极接地，电容C2的+极与电容Cv+的+极相连，电容Cv+的-极接地，要充电的V+连接在电容Cv+的+极上，此时，电容Cv+的电势差也变为2Vcc，和电容C2一样。再次进入第一状态，Vcc和电容C1重新为电容C2充电，由电容Cv+和电容Cv-保持为V+和V-充电。之后，反复进行上述过程，完成电荷泵的功能。该专利公开的电荷泵在将V-充电完成之后重新对电容C2充电，再完成对V+的充电，这样就可以避免电容的损耗，使得到的正负电压基本等幅。但是该电荷泵仍然是对两极同时充电，不能只对其中的一极充电，仍然没有解决会出现额外的功耗的问题。
另外，上述两种电荷泵电路对于输出的正负极电压有幅值的限制，第一种电荷泵的|V-|≤|V+|，其减少的值由电容的损耗决定，第二种电荷泵的|V-|≈|V+|。
发明内容
本发明的目的是提供一种可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，可以选择对正极或负极进行充电。
本发明的另一目的是提供一种可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，该电路的正负极可以输出不等幅的电压。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，包括双电压电荷泵，与电源相连，将输入的单个电源电压转换成一正一负两个等幅电压；充电信号控制电路，产生充电信号控制电荷泵是否进行充电；其特点是，还包括选择控制电路，连接所述电荷泵和所述充电信号控制电路，还与正负极选择信号相连；接收所述充电信号控制电路产生的充电信号，与正负极选择信号共同产生控制信号控制电荷泵是否进行充电以及对正、负哪一极进行充电。
所述充电信号控制电路包括一或非门、一与门和一振荡器。
所述双电压电荷泵包括9个MOS管，具有4种工作状态，所述双电压电荷泵在所述选择控制电路产生的控制信号下在4种工作状态之间进行切换，为正、负极中的一极进行充电或为两极同时进行充电。
所述的可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，还可与数个比较器相连，通过比较器产生所述充电信号和所述正负极选择信号，已控制所述电荷泵产生不等幅的正负极电压。
由于采用了上述技术方案，本发明的可对正负极分别充电的电荷泵电路可以对正负极分别进行充电，从而可以避免不必要的功耗，通过与比较器配合使用，还可以使正负极产生不同幅值的输出电压。
图1a是专利US 4999761所述的双电压电荷泵的工作状态图；图1b是专利US 4999761所述的双电压电荷泵的工作流程图；图2a是专利US 5306954所述的双电压电荷泵的工作状态图；图2b是专利US 5306954所述的双电压电荷泵的工作流程图；图3a是本发明的电荷泵对V+充电的工作状态图；图3b是本发明的电荷泵对V-充电的工作状态图；图3c是本发明的电荷泵的工作流程图；图4是本发明的双电压电荷泵及其控制电路的一个实施例的电路框图；图5a是上述实施例的电荷泵部分的电路图；图5b是上述实施例的工作时序图；图6是上述实施例的选择控制电路的实现方法；图7是本发明的双电压电荷泵及其控制电路与数个比较器相连后形成的能产生不等幅的正负极电压的双电压电荷泵电路的一个实施例的电路框图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路的工作原理如图3所示，图3a是电荷泵对V+充电的工作状态图，图3b电荷泵对V-充电的工作状态图，图3c是本发明的电荷泵的工作流程图。首先说明一下对正极充电的过程，包括两个状态，为方便描述，这里称之为(V+)A状态和(V+)B状态。(V+)B状态是不需要对正极充电时的等待状态，此时，电容C1的+极接Vcc，电容C1的-极接地，由Vcc为电容C1充电，电容C1上的电势差U(C1)＝Vcc。在需要充电时，进入(V+)A状态，此时电容C1的-极接Vcc，电容C1的+极与电容Cv+的+极相连，电容Cv+的-极接地，需要充电的正极V+连接在电容Cv+的+极上。此时，V+的电压为Vcc+U(C1)＝2Vcc，同时，电容Cv+的电势差也为2Vcc。再次进入(V+)B状态，Vcc重新对电容C1充电，电容C1的电势差重新变为Vcc，电容Cv+的-极接地，电容Cv+的+极接V+，由电容Cv+对V+进行充电。反复进行(V+)A状态和(V+)B状态的循环，就能完成对正极V+的充电。图3b电荷泵对V-充电的工作状态图，对负极充电的过程同样包括两个状态，这里称之为(V-)A状态和(V-)B状态。(V-)B状态是不需要对正极充电时的等待状态，此时，电容C1的+极接Vcc，电容C1的-极接地，由Vcc为电容C1充电，电容C1上的电势差U(C1)＝Vcc。需要充电时，进入(V-)A状态，此时电容C1的+极接地，电容C1的-极与电容C2的-极相连，电容C2的+极接Vcc。由于U(C1)＝Vcc，所以电容C1的-极处的电压为-Vcc，由于电容C2的-极与电容C1的-极相连，电容C2的-极电压为-Vcc，正极电压为+Vcc，电容C2的电势差为2Vcc。再一次进入(V-)B状态，Vcc重新为电容C1充电，电容C2的+极接地，电容C2的-极与电容Cv-的-极相连，电容Cv-的+极接地，要充电的V-连接在电容Cv-的-极上，此时，电容Cv-的电势差也变为2Vcc，和电容C2一样。再一次进入(V-)A状态，由电容Cv-保持为V-充电，Vcc和电容C1重新为电容C2充电，将电容C2的电势差恢复到2Vcc。这样反复进行(V-)A状态和(V-)B状态，就能完成对负极V-的充电。
从图3c中可见，本发明的电荷泵电路的工作流程中包括有一步选择的步骤，可以选择为正极或负极充电，本发明是通过增加一个正负极选择信号的方式来实现上述选择功能的。图4是本发明的电荷泵电路的一个实施例的电路框图，如图4所示，该实施例包括电荷泵1，与电源相连，将输入的单个电源电压转换成一正一负两个输出电压。它的6个输出端口V+和地之间接电容Cv+、V-和地之间接电容Cv-、C1+和C1-之间接电容C1、C2+和C2-之间接电容C2。电荷泵的输入信号S2、S4、S8、S9、S9、S10由选择控制电路2产生。图5a是该实施例的电荷泵部分的电路图，该实施例中的电荷泵由9个受控的MOS管构成，按照选择控制电路产生的信号S2、S4、S8、S9、S9、S10控制电荷泵在4中状态之间转换，从而实现电荷泵的功能。图5b是该实施例的工作时序图。
充电信号控制电路3，产生充电信号控制电荷泵1是否进行充电，该实施例中，充电信号控制电路3包括一或非门31、一与门32和一振荡器33，控制信号OFFV+和OFFV-输入到或非门31，其输出输入到与门32的一个输入端，与门32的输出输入到振荡器33的使能端EN，振荡器33的输出为选择控制电路2的时钟信号CLK，同时该输出还反馈到与门32的另一输入端。
选择控制电路2，连接电荷泵1和充电信号控制电路3，还与正负极选择信号(V+V-)相连；接收充电信号控制电路2产生的充电信号(包括时钟信号CLK和OFFV+以及OFFV-)，产生控制信号S2、S4、S8、S9、S9、S10控制电荷泵是否进行充电以及对正、负哪一极进行充电。图6是该实施例的选择控制电路2的实现方法，采用这种选择控制电路的电荷泵电路按如下的逻辑工作当OFFV+和OFFV-都为低电平时，电荷泵不进行充电，处于等待状态。当OFFV+或OFFV-中有一个为高电平时，电荷泵就可进行充电。当要为正极进行充电时，OFFV+设为高电平，同时选择信号V+V-也设为高电平，以选择正极进行充电。当要为负极进行充电时，OFFV-设为高电平，同时选择信号V+V-设为低电平，以选择负极进行充电。如果需要给正负极都充电，则将OFFV+和OFFV-都设为高电平，并轮流将V+V-设为高电平和低电平，就能完成对正负极的交替充电。在正负极的输出电压达到预设的值以后，就将OFFV+和OFFV-都设为低电平，以使正负电压输出值不会超过预设值。
本发明的可对正负极分别充电的电荷泵电路还可与数个比较器相连，通过比较器产生充电信号OFFV+、OFFV-和正负极选择信号V+V-，以控制电荷泵1产生不等幅的正负极电压。图7是本发明的电荷泵电路与数个比较器相连后形成的能产生不等幅的正负极电压的电荷泵电路的一个实施例的电路框图。如图7所示，该实施例在原来的的电荷泵电路上增加了三个比较器比较器4、比较器5和比较器6。参考电压Vref(参考电压Vref为预先设定的电压参考值)与A|V+|(正极的输出电压的绝对值|V+|与系数A的乘积)作为比较器4的输入，其输出作为OFFV+，参考电压Vref与B|V-|(负极的输出电压的绝对值|V-|与系数B的乘积)作为比较器5的输入，其输出作为OFFV-，A|V+|和B|V-|作为比较器6的输入，其输出作为V+V-。这样，就能产生V+＝Vref/A，V-＝-Vref/B的双极电压，只要对A、B取不同的值，就能使得到的双极电压不等幅。
由于采用了上述技术方案，本发明的可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，可以对正负极同时充电，也可以选择对正极或负极种的一及进行充电，以避免不必要的功耗，通过与比较器相连，该电路的正负极还可以输出不等幅的电压，以适应更多的应用要求。
权利要求
1.一种可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，包括双电压电荷泵，与电源相连，将输入的单个电源电压转换成一正一负两个等幅电压；充电信号控制电路，产生充电信号控制电荷泵是否进行充电；其特征在于，还包括选择控制电路，连接所述电荷泵和所述充电信号控制电路，还与正负极选择信号相连；接收所述充电信号控制电路产生的充电信号，与正负极选择信号共同产生控制信号控制电荷泵是否进行充电以及对正、负哪一极进行充电。
2.如权利要求1所述的可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，其特征在于，所述充电信号控制电路包括一或非门、一与门和一振荡器。
3.如权利要求1所述的可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，其特征在于，所述双电压电荷泵包括9个MOS管，具有4种工作状态，所述双电压电荷泵在所述选择控制电路产生的控制信号下在4种工作状态之间进行切换，为正、负极中的一极进行充电或为两极同时进行充电。
4.如权利要求1所述的可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，其特征在于，该电路可与数个比较器相连，通过比较器产生所述充电信号和所述正负极选择信号，已控制所述电荷泵产生不等幅的正负极电压。
全文摘要
一种可对正负极分别充电的双电压电荷泵及其控制电路，包括双电压电荷泵，与电源相连，将输入的单个电源电压转换成一正一负两个等幅电压；充电信号控制电路，产生充电信号控制电荷泵是否进行充电；选择控制电路，连接电荷泵和充电信号控制电路，还与正负极选择信号相连；接收充电信号控制电路产生的充电信号，与正负极选择信号共同产生控制信号控制电荷泵是否进行充电以及对正、负哪一极进行充电。该电荷泵电路可与数个比较器相连，通过比较器产生充电信号和正负极选择信号，以控制所述电荷泵产生不等幅的正负极电压。本发明的电荷泵电路可以对正负极分别进行充电，可以避免不必要的功耗，通过与比较器配合使用，还可以使正负极产生不同幅值的输出电压。
文档编号G11C5/14GK1581655SQ03141948
公开日2005年2月16日 申请日期2003年7月30日 优先权日2003年7月30日
发明者陈树萱, 吴顺方, 潘建强, 罗震琴 申请人:百利通电子(上海)有限公司