本发明涉及集成电路技术领域，更具体的说，涉及一种电荷泵系统。
背景技术：
电荷泵，也称为无电感式dc/dc转换器，是利用电容作为储能元件的特殊类型开关dc/dc转换器。在由电池供电的便携式电子设备中，经常使用作为电源转换器的升压式电荷泵电路，与采用电感作为储能元件的电感式开关dc/dc转换器相比，电荷泵式转换器无需功率电感，具有emi(电磁干扰)小，占板面积小，系统成本低等优点。
电荷泵在作为电子设备的dc/dc转换器时，对于一些特定功能的电子设备，要求电荷泵在具有高电流驱动能力的同时具有较小的纹波电压，因此，如何提供一种具有高电流驱动能力以及较小的纹波电压的电荷泵系统，是集成电路领域一个亟待解决解决的问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种电荷泵系统，所述电荷泵系统能够在输出单元的输出电压上升达到目标电压时，通过电流调节单元降低所述输出单元的电流，以获得低纹波的输出电压，在提高电流驱动能管理的同时降低了纹波电压。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电荷泵系统，所述电荷泵系统包括：
电荷泵模块，所述电荷泵模块具有输出单元以及电流调节单元；
电压检测模块，所述电压检测模块用于检测所述输出单元的输出电压；
时钟驱动模块，所述时钟驱动模块用于基于所述电压检测模块的电压检测结果，生成时钟信号，所述时钟信号用于控制所述输出单元的工作时序；
所述电流调节单元用于基于所述电压检测模块的电压检测结果，在所述输出单元的输出电压上升达到目标电压时，降低所述输出单元的电流。
优选的，在上述电荷泵系统中，所述输出单元包括n级互联的电荷泵电路，所述电荷泵电路具有输入端以及输出端，n为大于1的正整数；
所有所述电荷泵电路的输入端分别通过一个开关与电源连接；
第1级电荷泵电路-第i-1级电荷泵电路的输出端分别通过一个开关与第i级电荷泵电路的输入端连接，i为大于1且不大于n的正整数；
所述输出单元的输出电压上升达到所述目标电压过程具有n个阶段，每个阶段，各级电荷泵电路中均仅闭合一个开关；
在第1阶段，各个电荷泵电路中均闭合与所述电源连接的开关，所述输出单元的输出电压等于所有电荷泵电路的输出电压的并联值；
在第j阶段，1＜j≤n，对于第i级电荷泵电路，如果i≥j，则第i级电荷泵电路闭合与第j-1级电荷泵电路的输出端连接的开关，如果i＜j，则第i级电荷泵电路闭合与第i-1级电荷泵电路的输出端连接的开关；
其中，j＝n时，所述输出单元的输出电压等于所有电荷泵电路的输出电压的串连值；1＜j＜n时，所述输出单元的输出电压等于第j级电荷泵电路-第n级电荷泵电路的输出电压的并联值。
优选的，在上述电荷泵系统中，n＝3。
优选的，在上述电荷泵系统中，所述输出单元具有输入端、输出端、时钟信号端以及控制端；
所述电流调节单元具有输出端、第一输入端以及第二输入端；
所述电压检测模块具有输入端以及输出端；
所述时钟驱动模块具有输入端以及输出端；
所述输出单元的输入端用于接入输入电压，其输出端提供输出电压，且与所述电流调节单元的第一输入端以及所述电压检测模块的输入端连接，其时钟信号端与所述时钟驱动模块的输出端连接，其控制端与所述电流调节单元的输出端连接；
所述电流调节单元的第二输入端与所述电压检测模块的输出端连接；
所述时钟驱动模块的输入端与所述电压检测模块的输出端连接。
优选的，在上述电荷泵系统中，所述电压检测模块包括：第一电容、第二电容以及第一电阻；
所述第一电容的一端与所述输出单元的输出端连接，另一端连接第一节点；所述第二电容的一端与所述第一节点连接，另一端接地；所述第一电阻的一端与所述第一节点连接，另一端接地；所述第一节点与所述电流调节单元的第二输入端以及所述时钟驱动模块的输入端连接。
优选的，在上述电荷泵系统中，所述电流调节单元包括：开关控制器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一比较器以及第二比较器；
所述第三电阻的一端连接第二节点，另一端连接第三节点；
所述第二电阻连接在所述第二节点与所述输出单元的输出端之间；
所述第四电阻连接在所述第三节点与所述第一节点之间；
所述第一比较器的一个输入端与所述第二节点连接，另一个输入端用于输入第一比较电压，其输出端与所述开关控制器的一个输入端连接，提供第一开关使能信号；
所述第二比较器的一个输入端与所述第三节点连接，另一个输入端用于输入第二比较电压，其输出端与所述开关控制器的另一个输入端连接，提供第二开关使能信号；
所述开关控制器的输出端与所述输出单元的控制端连接。
优选的，在上述电荷泵系统中，所述时钟驱动模块包括：第三比较器以及时钟驱动器；
所述第三比较器的一个输入端与所述第一节点连接，另一个输入端用于输入第三比较电压，其输出端与所述时钟驱动器的输入端连接；
所述时钟驱动器的输出端与所述输出单元的时钟信号端连接。
通过上述描述可知，本发明实施例提供的电荷泵系统包括：电荷泵模块，所述电荷泵模块具有输出单元以及电流调节单元；电压检测模块，所述电压检测模块用于检测所述输出单元的输出电压；时钟驱动模块，所述时钟驱动模块用于基于所述电压检测模块的电压检测结果，生成时钟信号，所述时钟信号用于控制所述输出单元的工作时序；所述电流调节单元用于基于所述电压检测模块的电压检测结果，在所述输出单元的输出电压上升达到目标电压时，降低所述输出单元的电流。所述电荷泵系统能够在输出单元的输出电压上升达到目标电压时，通过电流调节单元降低所述输出单元的电流，以获得低纹波的输出电压，在提高电流驱动能管理的同时降低了纹波电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为一种电荷泵系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电荷泵的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种输出单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种电荷泵系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电荷泵大负载上电过程的电压与上电时间曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种电荷泵电压纹波和开关频率的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如背景技术中所述，电荷泵在作为电子设备的dc/dc转换器时，对于一些特定功能的电子设备，要求电荷泵在具有高电流驱动能力的同时具有较小的纹波电压。例如，当电荷泵用于nand闪存的dc/dc转换器，需要具有高电流驱动能力的同时具有较小的纹波电压。
在“大数据”时代，高容量、低成本的nand闪存正变得越来越重要。自3dnand闪存2014年进入市场以来，闪存的容量几乎每年翻一倍。存储容量的增加导致了更加复杂的寄生参数，这对电荷泵的设计带来了更大的挑战。
首先，3dnand闪存结构的字线电容比平面nand大的多，仅仅字线之间的耦合电容就是平面nand的4倍多。另外，增加的寄生电容使得负载电流增大，超出了电荷泵的电流负载能力，进而拉低输出电压。所以，在应用于3dnand闪存的电荷泵的设计中，提高电流驱动能力并减小纹波电压变得越来越重要。
参考图1，图1为一种电荷泵系统的结构示意图，所述电荷泵系统包括：电荷泵11、电压检测模块12以及时钟驱动模块13。电荷泵11具有输入端、输出端以及时钟信号端，其输出端连接负载电路14用于为负载电路14提供输出电压vout，其输入端用于接入输入电压vin，其时钟信号端与时钟驱动模块13的输出端连接。电压检测模块12的输入端与所述电荷泵11的输出端连接，其输出端与所述时钟驱动模块13的输入端连接。所述负载电路14包括电容cl以及输出负载，电容cl的一端连接电荷泵11的输出端，另一端接地。图1中未示出所述输出负载，所述输出负载可以与所述电容cl并联。
当图1所示电荷泵系统用于nand闪存时，由于nand闪存中的字线对于电荷泵来说属于容性负载，为了提高闪存性能，在电压上升阶段需要电荷泵能在字线充电阶段能够提供大的驱动电流以使字线电压迅速上升，在电压稳定阶段提供低纹波电压以提供精确的字线操作电压；并且在整个字线上电过程中要尽量减小字线间的电压串扰。
因此要求电荷泵系统具有快速充电能力，但达到目标电压后输出电压纹波尽可能小。图1所示电荷泵系统不能满足这个要求，提高其驱动电流会在缩短上电时间的同时带来纹波电压的增加。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种电荷泵系统，所述电荷泵系统能够在输出单元的输出电压上升达到目标电压时，通过电流调节单元降低所述输出单元的电流，以获得低纹波的输出电压，在提高电流驱动能管理的同时降低了纹波电压。所述电荷泵电路具有大负载电流能力以及低纹波电压。
当用于nand闪存时，可以有效提高闪存性能，在电压上升阶段，电荷泵系统可以在字线充电阶段提供较大的驱动电流以使得字线电压迅速上升，在电压稳定阶段提供低纹波电压以提供精确的字线操作点阿姨，并且在整个字线上电过程中有效减小字线间的电压串扰问题。
需要说明的，本发明实施例所述电荷泵系统可以的负载电路包括但不局限于nand闪存，所述电荷泵系统可以用于任意需要高电流驱动能力以及较小纹波电压dc/dc转换器的负载电路。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种电荷泵的结构示意图，所述电荷泵系统包括：电荷泵模块21，所述电荷泵模块21具有输出单元211以及电流调节单元212；电压检测模块22，所述电压检测模块22用于检测所述输出单元211的输出电压；时钟驱动模块23，所述时钟驱动模块23用于基于所述电压检测模块22的电压检测结果，生成时钟信号，所述时钟信号用于控制所述输出单元211的工作时序；所述电流调节单元212用于基于所述电压检测模块22的电压检测结果，在所述输出单元211的输出电压上升达到目标电压时，降低所述输出单元211的电流。
通过所述电流调节单元212的调节，可以使得所述输出单元211在电压上升阶段快速声压，且具有较大的负载电流，当输出单元211的输出电压达到预设目标电压时，降低输出单元211的电流，进而使得其具有较低的纹波电压。
本发明实施例所述电荷泵系统中，所述输出单元211的结构可以如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种输出单元的结构示意图，所示输出单元211包括：n级互联的电荷泵电路31，所述电荷泵电路31具有输入端以及输出端，n为大于1的正整数。
所有所述电荷泵电路31的输入端分别通过一个开关与电源vdd连接。如图2所示方式中，第1级电荷泵电路、第2级电荷泵电路以及第3级电荷泵电路的输入端均分别通过一个开关k0与电源vdd连接。
第1级电荷泵电路-第i-1级电荷泵电路的输出端分别通过一个开关与第i级电荷泵电路的输入端连接，i为大于1且不大于n的正整数。也就是说，对于任一级电荷泵电路，其输出端分别通过对应的开关与其之前各级电荷泵电路的输出端连接。如图2所示方式中，对于第2级电荷泵电路，其输入端通过开关k0连接电源vdd，还通过开关k1和第1级电荷泵电路的输出端连接，以在k1闭合时，输入第1级电荷泵电路的输出电压v1，对于第3级电荷泵电路，其输入端通过开关k0连接电源vdd，其输入端还通过开关k1和第1级电荷泵电路的输出端连接，以在k1闭合时，输入第1级电荷泵电路的输出电压v1，其输入端还通过开关k2和第2级电荷泵电路的输出端连接，以在k2闭合时，输入第2级电荷泵电路的输出电压v2。第3级电荷泵电路提供输出电压v3。
需要说明的是n可以为任意大于1的正整数，图2所示实施方式中仅是以n＝3为例进行说明，包括但不局限于等于3。
所述输出单元211的输出电压上升达到所述目标电压过程具有n个阶段，每个阶段，各级电荷泵电路中均仅闭合一个开关。
在第1阶段，各个电荷泵电路31中均闭合与所述电源vdd连接的开关，所述输出单元211的输出电压等于所有电荷泵电路31的输出电压的并联值。如对于图2所示方式，在第1阶段，各级电荷泵电路中均闭合开关k0，三级电荷泵电路的输出电压并联为所述输出单元211的输出电压，等于v1、v2和v3的并联值。
在第j阶段，1＜j≤n，对于第i级电荷泵电路，如果i≥j，则第i级电荷泵电路闭合与第j-1级电荷泵电路的输出端连接的开关，如果i＜j，则第i级电荷泵电路闭合与第i-1级电荷泵电路的输出端连接的开关。
其中，j＝n时，所述输出单元31的输出电压等于所有电荷泵电路的输出电压的串连值。对于图2所示方式，在第3阶段，第1级电荷泵电路中，闭合开关k0，第2级电荷泵电路闭合开关k1，第3级电荷泵电路闭合开关k2，所述第1级电荷泵电路的输出电压v1输入到第2级电荷泵电路，第3级电荷泵电路的输出电压v2输入到第3级电荷泵电路，第3级电荷泵电路的输出电压作为所述输出单元31的输出电压，等于v1、v2和v3的串连值，输出电压为恒定的最大值。
其中，1＜j＜n时，所述输出单元31的输出电压等于第j级电荷泵电路-第n级电荷泵电路的输出电压的并联值。对于图2所示方式，在第2阶段，，第1级电荷泵电路中，闭合开关k0，第2级电荷泵电路以及第3级电荷泵电路均闭合开关k1，第1级电荷泵电路的输出电压v1输入到第2级电荷泵电路以及第3级电荷泵电路，第2级电荷泵电路以及第3级电荷泵电路的输出电压作为所述输出单元31的输出电压，等于v2和v3的并联值。
相对于传统的单级电荷泵，图3所示输出单元211具有多级电荷泵电路，需要大负载电流时，第1阶段，将所有开关k0闭合，三级电荷泵电路选择电源vdd的电压作为输入，输出并联的v1、v2和v3给负载供电，输出电压vout到达vr2/(vr2+vr3+vr4)，进入第2阶段，保持第1级电荷泵电路中开关k0闭合，且使得第2级电荷泵电路以及第3级电荷泵电路中开关k1闭合，输出电压进一步增大，且保证较大的输出电流能力，当输出电压vout到达目标电压vr2/(vr2+vr4)，进入第3阶段，串联v1、v2和v3，进而获得最终的输出电压，此时具有较小的驱动电流，能够抑制低纹波产生。其中，vr2为r2的分压，vr3为r3的分压，vr4为r4的分压。
当输出电压vout到达vr2/(vr2+vr3+vr4)后，本发明实施例所述电荷泵系统可以切换到高输出电压低电流的工作模式，在相同负载下，输出电压上升更快。当输出电压vout到达目标电压vr2/(vr2+vr4)后，本发明实施例所述电荷泵系统可以切换到最大输出电压最小输出电流的工作模式，能够保证在负载轻微扰动下也能稳定的高压输出。
参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种电荷泵系统的结构示意图，如图4所示，本发明实施例中，所述输出单元211具有所述输出单元具有输入端、输出端、时钟信号端以及控制端；所述电流调节单元212具有输出端、第一输入端以及第二输入端；所述电压检测模块22具有输入端以及输出端；所述时钟驱动模块23具有输入端以及输出端。
所述输出单元211的输入端用于接入输入电压vin，其输出端提供输出电压vout，且与所述电流调节212的第一输入端以及所述电压检测模块22的输入端连接，其时钟信号端与所述时钟驱动模块23的输出端连接，其控制端与所述电流调节单元212的输出端连接。所述电流调节单元212的第二输入端与所述电压检测模块22的输出端连接；所述时钟驱动模块23的输入端与所述电压检测模块22的输出端连接。
如图4所示，所述电压检测模块22包括：第一电容cf、第二电容cfs以及第一电阻r1。所述第一电容cf的一端与所述输出单元211的输出端连接，另一端连接第一节点a1。所述第二电容cfs的一端与所述第一节点a1连接，另一端接地。所述第一电阻r1的一端与所述第一节点a1连接，另一端接地。所述第一节点a1与所述电流调节单元212的第二输入端以及所述时钟驱动模块23的输入端连接。
如图4所示，所述电流调节单元212包括：开关控制器2121、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一比较器com1以及第二比较器com2。所述第三电阻r3的一端连接第二节点a2，另一端连接第三节点a3。所述第二电阻r2连接在所述第二节点a2与所述输出单元211的输出端之间。所述第四电阻r4连接在所述第三节点a3与所述第一节点a1之间。所述第一比较器com1的一个输入端与所述第二节点a2连接，另一个输入端用于输入第一比较电压vref1，其输出端与所述开关控制器2121的一个输入端连接，提供第一开关使能信号。所述第二比较器com2的一个输入端与所述第三节点a3连接，另一个输入端用于输入第二比较电压vref2，其输出端与所述开关控制器2121的另一个输入端连接，提供第二开关使能信号。所述开关控制器2121的输出端与所述输出单元211的控制端连接。
所述电流调节单元212中两个比较器以及三个电阻构成了电压检测网络，两个比较器分别对应的一个反馈回路，当电荷泵系统工作时，输出电压vout开始上升时，两个反馈回路均使能，当输出电压达到vr2/(vr2+vr3+vr4)，第一开关使能信号中断，电荷泵系统打开开关k1，驱动电流稍微减弱，输出电压vout增大，电压上升速度减缓，当输出电压达到vr2/(vr2+vr4)，电荷泵系统打开开关k2，输出电压vout上升为最大值，驱动电流最小。当输出电压vout逐步上升到目标电压后，通过时钟使能信号调整输出电压以使得输出电压维持在目标电压。
如图4所示，所述时钟驱动模块23包括：第三比较器com3以及时钟驱动器231。所述第三比较器com3的一个输入端与所述第一节点a1连接，另一个输入端用于输入第三比较电压vref3，其输出端与所述时钟驱动器231的输入端连接。所述时钟驱动器231的输出端与所述输出单元211的时钟信号端连接。
下面通过对比本申请实施例所述技术方案与常规电荷泵，说明本申请实施例所述电荷泵电路的优点。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种电荷泵大负载上电过程的电压与上电时间曲线图，由图5可知，本发明技术方案相对于常规电荷泵，负载充电的时间更短，可以比常规电荷泵快△t完成上电过程，电压稳定阶段。曲线51为本发明技术方案所述电荷泵系统的充电曲线，曲线52为常规电荷泵系统的充电曲线。本发明技术方案中，在t0时段，即n＝3的第1阶段，曲线51的斜率k0，在t1时段，即n＝3的第2阶段，曲线51的斜率k1，在t2时段，即n＝3的第3阶段，曲线51的斜率k2，各时段中曲线51的斜率表示充电速度，可见，在电压稳定阶段(t2时段)之前，曲线51的充电速度明显大于曲线52的充电速度。
参考图6，图6为本发明实施例提供的一种电荷泵电压纹波和开关频率的时序图，由图6可知，本发明技术方案相对于常规电荷泵，在电压稳定阶段，本电荷泵系统可以提供更小的泵电流且输出电压变化更缓慢，相同反馈延迟条件下，电压变化量更小，纹波更低。本电荷泵系统在稳定阶段的“时钟使能”信号的开关频率更低，有助于减小动态功耗和噪声。电压信号61为本发明技术方案所述电荷泵系统的输出电压波形，电压信号62为常规电荷泵系统的输出电压波形，纹波信号63为本发明技术方案所述电荷泵系统的纹波图形，纹波信号64为常规电荷泵系统的纹波图形。
通过上述描述可知，本发明实施例所述电荷泵系统中，在电压上升阶段，即在第1阶段-第n-1阶段，输出单元211处于多级电荷泵电路并联的低压输出状态，此时具有较大的驱动电流，当输出电压vout达到目标值时，通过电流调节单元212调整电荷泵系统，增大输出电压vout，且降低驱动电流，利用较小驱动电流来减小纹波电压。本发明实施例通过在电荷泵模块中增加一个反馈调节的电流调节单元212，进而使得电荷泵模块21实现大负载电流充电，在输出电压vout接近目标电压时，通过控制串并联的关系，提高电荷泵模块的输出电压以快速到达目标电压。本发明实施例采用大负载电流可以使得输出电压vout能够快速上升至目标电压，并在达到目标电压之后降低驱动电流，得到低纹波电压。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。