一种电荷泵电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电荷泵电路，包括：第一输入电源；第一电容；第二电容；输出电容；其特征在于，还包括：第二输入电源，八个控制开关，三种控制所述开关的时钟信号，通过两个输入电源，经过八个开关控制之后，最后得到的输出电压v0=1/3×v1+2/3×v2。由于通过电子元器件可以形成特定的比例因子与输入电源的乘积之后求和，所以即使是有限数量的电容器件，也形成多种倍率输出。
【专利说明】—种电荷栗电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及电压转换的【技术领域】，尤其是一种电荷泵电路。
【背景技术】
[0002]现有技术中常见的电荷泵(charge pump)有两种:一种是应用于锁相环电路中，连接于鉴频鉴相器后级，通过对电容充放电产生较为稳定的电压，以便用于控制压控振荡器的频率；另一种是通过开关电容，用于电压转换，能提供较大输出电流的功率输出电路，因为这种电荷泵可以实现较高的电压转换效率，所以基于开关电容的电荷电路被广泛应用于电压转换电路中。为了将二者区分开，将后者称为功率电荷泵。一般的功率电荷泵采用一个输入电压，可以产生比输入电压高的输出电压，也可以产生比输入电压低的输出电压，这种功率电荷泵的效率高于线性调压器。
[0003]功率电荷泵与相对于基于电感的直流-直流转换器相比，无需体积较大的电感，所以更加适用于空间较小的电路，例如PCB电路。另外，对于理想的开关来说，功率电荷泵的能量损耗可被忽略，在这种情况下，可以认为电荷泵电路的效率为100%，而且电荷泵的成本较低，所以越来越受到用户的青睐。
[0004]但是现有的功率电荷泵电路只能以某些固定的倍率转换电压，而且这样的固定倍率是有限的几种。例如现有技术中针对同一种输入电压源，仅采用一个飞电容的电路中，可以产生V0/VIN (其中VO为输出电压，VIN为输入电压)的倍率有:2倍、I倍、1/2倍；采用两个飞电容(flying capacitor)的电路中，V0/VIN (其中VO为输出电压，VIN为输入电压)的倍率有:3倍、2倍、3/2倍、4/3被、I倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍；增加更多飞电容的个数，可以产生更多可能的倍率，而更多的可能的倍率，有利于优化功率电荷的实际工作效率。例如:输入电压为3.3V,输出电压为目标值为2.5V,对于仅一个飞电容情形,只能米用I被模式，产生的输出电压为3.3V，然后通过线性调压技术(线性调压技术只能降低电压)降为
2.5V，这样理想情况下的效率为2.5V/3.3V=75.8% ;而对于采用两个飞电容的电路中，仍然只能采用I倍模式，产生的输出电压仍然为3.3V，这效率也只有75.8% ;而对于输入电压为
3.3V，输出电压目标值为2.2V时，采用一个飞电容式的功率电荷泵，效率就只有75.8%，而采用两个飞电容式的功率电荷泵，可以采用2/3倍模式，这样可以产生输出的电压为2.2V，这样理想情况下的效率为2.2V/2.2V=100%。但是增加飞电容数量的同时，成本也相应增加。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中为了获得更多倍率模式，需要更多的飞电容数量，而导致成本高的技术问题。本发明提供一种包括较少飞电容数量的电荷泵电路，而且可以产生更多的倍率。本发明采用的技术方案是:
[0006]—种电荷泵电路包括:第一输入电源；第一电容；第二电容；输出电容；其特征在于，还包括:
[0007]第二输入电源，其一端与所述第一输入电源一端连接在一个等电位点上，并且所述输出电容的一端也连接在所述等电位点上；
[0008]第一开关，其一端与所述第一输入电源的另一端连接，另一端与所述第一电容一端连接；
[0009]第二开关，其一端与所述第二输入电源的另一端连接；
[0010]第三开关，其一端与所述第一开关的另一端连接，另一端与所述输出电容的另一端连接；
[0011]第四开关，其一端与所述第二开关和所述第二输入电源的另一端连接，并且所述第二开关与第四开关的另一端与所述第二电容的一端连接；
[0012]第五开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述第一电容的另一端连接；
[0013]第六开关，其一端与所述第二输入电源的另一端连接，另一端与所述第五开关的另一端连接；
[0014]第七开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述输出电容的另一端连接；
[0015]第八开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述第一电容的一端连接。
[0016]上述的电荷泵电路，其特征在于，还包括:
[0017]第一时钟信号CK1，控制所述第一开关、第二开关、第五开关的开关状态；
[0018]第二时钟信号CK2，控制所述第三开关、第六开关的开关状态；
[0019]第三时钟信号CK3，控制所述第四开关、第七开关、第八开关的开关状态。
[0020]上述的电荷泵电路，其特征在于，所述八个开关分别在接收到的时钟信号为第一电平时处于关的状态，在接收到的时钟信号为第二电平时处于开的状态。
[0021]上述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一时钟信号CKl,第二时钟信号CK2,第三时钟信号CK3不同时为高。
[0022]上述任一的电荷泵电路，其特征在于，所述第一输入电源的电压为vl;所述第二输入电源的电压为v2 ;所述输出电源的电压为v0，并且ν0=1/3Χν1+2/3Χν2 ;目标电压值为V’，其中vO兰V’。
[0023]上述任一的电荷泵电路，其特征在于，所述第一电容、第二电容、第三电容分别为飞电容。
[0024]上述的电荷泵电路，其特征在于，所述飞电容为陶瓷电容。
[0025]上述任一的电荷泵电路，其特征在于，所述八个开关为功率开关。
[0026]上述任一的电荷泵电路，其特征在于，所述第一电源为电池的电源；所述第二电源为非电池电源。
[0027]通过采用上述的电荷泵电路，因为输出电压vO=l/3Xvl+2/3Xv2 ;所以在有限数量的飞电容时，可以通过两个输入电源来调整得到更多的输出电压，即可以得到更多的输出/输入倍率。进一步地，为了得到一个位于vO位于vl、v2之间的输出电压时，采用本发明的技术方案，可以看出vO-vl=2/3X (v2-vl)0,而vO_v2=l/3X (vl_v2);所以无论vl与v2的大小关系，vO都是处于vl与v2之间的值，这样相对于更容易得到与目标值相近的电压。【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1所示为本发明提供的电荷泵电路的结构图；
[0029]图2所示为本发明提供的电荷泵电路在CKl为高时的结构图；
[0030]图3所示为图2所示的结构图简化后的示意图；
[0031]图4所示为本发明提供的电荷泵电路在CK2为高时的结构图；
[0032]图5所示为图4所示的结构图简化后的示意图；
[0033]图6所示为本发明提供的电荷泵电路在CK3为高时的结构图；
[0034]图7所示为图6所示的结构图简化后的示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明，需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释。
[0036]如图1所示为本发明提供的电荷泵电路的结构图。本发明提供的电荷泵电路包括:两个电源，八个开关，三个电容，三种时钟信号。具体地:
[0037]电荷泵电路包括:第一输入电源Vl ;第一电容Cl ;第二电容C2 ;输出电容CO ;其特征在于还包括:
[0038]第二输入电源V2,其一端与所述第一输入电源Vl —端连接在一个等电位点上,并且所述输出电容CO的一端也连接在所述等电位点上；
[0039]第一开关SI,其一端与所述第一输入电源Vl的另一端连接,另一端与所述第一电容Cl 一端连接；
[0040]第二开关S2，其一端与所述第二输入电源V2的另一端连接；
[0041]第三开关S3,其一端与所述第一开关SI的另一端连接,另一端与所述输出电容CO的另一端连接；
[0042]第四开关S4，其一端与所述第二开关S2和所述第二输入电源V2的另一端连接，并且所述第二开关与第四开关的另一端与所述第二电容的一端连接；
[0043]第五开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述第一电容的另一端连接；
[0044]第六开关，其一端与所述第二输入电源的另一端连接，另一端与所述第五开关的另一端连接；
[0045]第七开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述输出电容的另一端连接；
[0046]第八开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述第一电容的一端连接。
[0047]本发明还提供了三种控制上述八个开关的时钟信号，分别为:
[0048]第一时钟信号CK1，控制所述第一开关、第二开关、第五开关的开关状态；
[0049]第二时钟信号CK2，控制所述第三开关、第六开关的开关状态；
[0050]第三时钟信号CK3，控制所述第四开关、第七开关、第八开关的开关状态。[0051 ] 上述的电荷泵电路中，八个开关分别在接收到的时钟信号为第一电平(比如高)时处于关的状态，即开关处于导通的状态，在接收到的时钟信号为第二电平(比如低)时处于开的状态，即开关处于断开的状态。
[0052]上述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一时钟信号CKl，第二时钟信号CK2，第三时钟信号CK3不同时为第一电平，即三种时钟信号在不同时刻，只能有一个为第一电平，其他两个为第二电平。三个时钟信号之间存在不交叠控制，即为了避免同时为第一电平出现交叠情况，3个信号间存在一定死区时间
[0053]本发明采用的技术方案中，优选地，第一电容、第二电容分别为飞电容(快速电容)，第三电容为输出电容；并且飞电容为陶瓷电容；而八个开关为功率开关。
[0054]并且随着现代电子系统设计越来越复杂，例如平板电脑、智能手机、蓝牙耳机等系统中都配备电源管理单元(Power Management Units),他们通常可以支持多路电压输出，有些为线性调压器，有些为直流-直流转换器。所以在这些系统中，设计(功率)电荷泵电路时，可以采用第一电源为电池的电源，第二电源为非电池电源(除电池外能供应电压的电源)。
[0055]如图2~图7描述了图1的具体工作过程:
[0056]图2所示为本发明提供的电荷泵电路在CKl为高时的结构图，图3所示为图2所不的结构图简化后的不意图。如图2所不，当时钟/[目号CKl为闻时,开关S1、S2、S5处于导通状态，其他开关处于断开状态；从图3简化后的示意图，可以看出:在这一时刻，第一输入电源Vl的电压值为vl，第二输入电源的电压值为v2，第一电容Cl的电压值为vcI，第二电容C2的电压值为vc2，并且存在如下关系:
[0057]vl=v2+vcl+vc2(I)`
[0058]图4所示为本发明提供的电荷泵电路在CK2为高时的结构图；图5所示为图4所不的结构图简化后的不意图。如图4所不，当时钟/[目号CKl为闻时，开关S3、S6处于导通状态，其他开关处于断开状态；从图5简化后的示意图，可以看出:在这一时刻，输出电源CO的电压值为vO，第二输入电源的电压值为v2，第一电容Cl的电压值为vcl，并且存在如下关系:
[0059]v0=v2+vcl(2)
[0060]图6所示为本发明提供的电荷泵电路在CK3为高时的结构图；图7所示为图6所不的结构图简化后的不意图。如图6所不，当时钟/[目号CKl为闻时，开关S4、S7、S8处于导通状态，其他开关处于断开状态；从图7简化后的示意图，可以看出:在这一时刻，输出电源CO的电压值为v0，第二输入电源的电压值为v2，第一电容Cl的电压值为vcl，第二电容C2的电压值为vc2，并且存在如下关系:
[0061]v0=v2-vcl+vc2(3)
[0062]需要明确的是，对于稳定状态下，电容Cl、C2上的电压vcl、vc2在三个不同的时亥|J，应当维持近似相等，而输入电源作为常量值，联合公式(I)、(2)、(3)、可以求解得到:
[0063]vO=l/3Xvl+2/3Xv2
[0064]因为输出电压v0=l/3 Xvl+2/3 X v2 ;所以在有限数量的飞电容时，可以通过两个输入电源来调整得到更多的输出电压，即可以得到更多的输出/输入倍率。
[0065]根据上面得到vO与vl、v2的关系式；可以与现有技术中的方案对比，例如所述第一输入电源为3.3V ;所述第二输入电源为2.4V ;而目标值为2.5V。现有技术在不论是采用一个飞电容的技术方案，还是采用两个飞电容的技术方案，都只能得到75.8%的效率。而采用本发明的技术方案，可以先产生1/3X3.3V+2/3X2.4V=2.7V的电压，然后经过线性调压器转换为2.5V，最后的理想效率为2.5V/2.7V=92.6%。可见与现有技术相比，大大提高了电源利用的效率。
[0066]需要说明的是，本发明中的方案，主要适用于目标电压值为V’，其中vO 3 V’;主要原因是如果输出的电压值vO不完全等于目标值V’，还需要将输出电压经过线性调压，才能得到目标值。并且本发明的技术方案中，更适用于为了得到一个位于vO位于vl、v2之间的输出电压时，可以看出vO_vl=2/3X (v2-vl),而vO_v2=l/3X (vl_v2);所以无论vl与v2的大小关系，vO都是处于vl与v2之间的值，这样相对于更容易得到与目标值相近的电压。
[0067]最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。
【权利要求】
1.一种电荷泵电路包括:第一输入电源；第一电容；第二电容；输出电容；其特征在于，还包括: 第二输入电源，其一端与所述第一输入电源一端连接在一个等电位点上，并且所述输出电容的一端也连接在所述等电位点上； 第一开关，其一端与所述第一输入电源的另一端连接，另一端与所述第一电容一端连接； 第二开关，其一端与所述第二输入电源的另一端连接； 第三开关，其一端与所述第一开关的另一端连接，另一端与所述输出电容的另一端连接； 第四开关，其一端与所述第二开关和所述第二输入电源的另一端连接，并且所述第二开关与第四开关的另一端与所述第二电容的一端连接； 第五开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述第一电容的另一端连接； 第六开关，其一端与所述第二输入电源的另一端连接，另一端与所述第五开关的另一端连接； 第七开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述输出电容的另一端连接；` 第八开关，其一端与所述第二电容的另一端连接，另一端与所述第一电容的一端连接。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括: 第一时钟信号CK1，控制所述第一开关、第二开关、第五开关的开关状态； 第二时钟信号CK2，控制所述第三开关、第六开关的开关状态； 第三时钟信号CK3，控制所述第四开关、第七开关、第八开关的开关状态。
3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述八个开关分别在接收到的时钟信号为第一电平时处于关的状态，在接收到的时钟信号处于第二电平时为开的状态。
4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一时钟信号CKl，第二时钟信号CK2,第三时钟信号CK3不同时为第一电平。
5.如权利要求1~4任一所述的电荷泵电路，其特征在于， 所述第一输入电源的电压为Vl ； 所述第二输入电源的电压为v2 ； 所述输出电源的电压为vO，并且vO=l/3Xvl+2/3Xv2 ； 目标电压值为V’，其中vO ^ V’。
6.如权利要求1~4任一所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一电容、第二电容为飞电容、第三电容为输出电容。
7.如权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于，所述飞电容为陶瓷电容。
8.如权利要求1~4任一所述的电荷泵电路，其特征在于，所述八个开关为功率开关。
9.如权利要求1~4任一所述的电荷泵电路，其特征在于， 所述第一输入电源为电池的电源； 所述第二输入电源为非电池电源。
【文档编号】H02M3/07GK103501110SQ201310442155
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】王钊 申请人:无锡中星微电子有限公司