一种低电压高转换效率电荷泵电路的制作方法

本发明属于电荷泵电路领域，特别涉及一种能够实现低电压高转换效率的电荷泵电路。

背景技术：

电荷泵模块在能量采集系统中是一个重要模块，在能量采集系统中电荷泵电路主要起到升压的作用。由于能量采集系统的输入电压低，能够采集到的能量非常有限，所以设计一款具有低输入电压高转换效率的电荷泵电路至关重要。因此本发明提出了一种可以实现低电压高转换效率的电荷泵电路，该电路可以运用到能量采集系统中。

现有的主流电荷泵电路有dickson电荷泵和交叉耦合电荷泵。dickson由于受到阈值损耗的影响使其输出电压较低并影响转换效率。交叉耦合电荷泵通过两条支路的交替导通消除了dickson电荷泵中阈值损耗的影响，但是传统的交叉耦合电荷泵由于时钟交叠时会产生泄漏电流以及开关mos管的vgs摆幅不够大而造成导通损耗会降低其转换效率。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提出一种能够实现低电压高转换效率电荷泵电路，该电路作为能量采集电路的基本单元，可实现具有低电压高转换效率电荷泵。

本发明提出一种低电压高转换效率电荷泵电路，设计的主要思想是增加两个辅助电容和两个辅助时钟来产生驱动nmos管的时钟从而避免电荷泵时钟交叠时引起的泄漏电流，同时增加两个反相器并改变反相器的最高电压和最低电压来实现高摆幅的驱动时钟去驱动pmos管以减小导通损耗。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种低电压高转换效率电荷泵电路，该电荷泵电路由交叉耦合电荷泵、第一反相器和第二反相器，第一和第二辅助电容以及第一和第二辅助nmos管组成；

交叉耦合电荷泵由第一和第二nmos管、第一和第二pmos管以及第一和第二电容组成，第一反相器由第五nmos管和第三pmos管组成，第二反相器由第六nmos管和第四pmos管组成；

该电荷泵电路的输入端分别与第一nmos管的漏极和衬底、第二nmos管的漏极和衬底、第一辅助nmos管的漏极和衬底、第二辅助nmos管的漏极和衬底相连；第一nmos管的源极分别与第一辅助nmos管的栅极、第一pmos管的源极、第四pmos管的源极和第一电容的下极板相连；第一nmos管的栅极分别与第一辅助nmos管的源极和第一辅助电容的上极板相连；第一电容的上极板和第一时钟信号相连；第一辅助电容的下极板与信号第二辅助时钟信号相连；第五nmos管的源极和衬底相接后和第二时钟信号相连；第五nmos管的漏极和第三pmos管的漏极相连后与第一pmos管的栅极相连；第五nmos管的栅极和第三pmos管的栅极相连后与第一时钟信号相连；第二nmos管的源极分别与第二辅助nmos管的栅极、第二pmos管的源极、第三pmos管的源极和第二电容的下极板相连；第二nmos管的栅极分别与第二辅助nmos管的源极和第二辅助电容的上极板相连；第二辅助电容的下极板与第二辅助时钟信号相连；第二电容的下极板和第二时钟信号相连；第六nmos管的源极和衬底相接后和第一时钟信号相连；第六nmos管的漏极和第四pmos管的漏极相连后与第二pmos管的栅极相连；第六nmos管的栅极和第四pmos管的栅极相连后与第二时钟信号相连；第一pmos管的衬底和漏极、第三pmos管的衬底、第四pmos管的衬底、第二pmos管的漏极和衬底相接后和该电荷泵电路的输出端相接。

有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的低电压高转换效率电荷泵电路在传统交叉耦合电荷泵的基础上改变开关管的驱动信号，降低了传统交叉耦合电荷泵电路的泄漏电流和导通损耗，可以实现高转换效率电荷泵，由于增加了pmos开关管的时钟摆幅，本发明可以在更低的输入电压下正常工作，同时相比于使用四个辅助电容，减小了版图面积。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑图；

图2为本发明的时序图；

图3为采用本发明实现的电荷泵在负载电流为100μa时输出电压随输入电压的变化曲线；

图4为采用本发明实现的电荷泵在负载电流为100μa时转换效率随输入电压的变化曲线；

图5为采用本发明实现的电荷泵在输入电压为0.55v时输出电压随负载电流的变化曲线。

图6为采用本发明实现的电荷泵在输入电压为0.55v时转换效率随负载电流的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种低电压高转换效率电荷泵电路，由交叉耦合电荷泵的基本电路结构和两个反相器inv1和inv2，以及两个辅助电容和两个辅助nmos管组成。在传统交叉耦合电荷泵的基础上改变开关管的驱动信号，降低了传统交叉耦合电荷泵电路的泄漏电流和导通损耗，可以实现低电压高转换效率电荷泵。

所述电荷泵电路的输入信号为vin、clka、clkb、clk2a、clk2b，电路整体输出信号为vout。

交叉耦合电荷泵的基本电路结构由mn1、mn2、mp1、mp2、c1、c2组成，反相器inv1由mn5、mp3组成，反相器inv2由mn6、mp4组成，两个辅助电容分别为cs1、cs2，两个辅助mos管分别为mn3、mn4，其中mn1、mn2、mn3、mn4、mn5、mn6为nmos管，mp1、mp2、mp3、mp4为pmos管，c1、c2、cs1、cs2为电容。

所述电荷泵电路的输入端分别与信号vin、mn1的漏极和衬底、mn2的漏极和衬底、mn3的漏极和衬底、mn4的漏极和衬底相连；mn1的源极分别与mn3的栅极、mp1的源极、mp4的源极和c1的下极板相连；mn1的栅极分别与mn3的源极和cs1的上极板相连；cs1的下极板与时钟信号clk2b相连；c1的上极板和时钟信号clka相连；mn5的源极和衬底相接后和时钟信号clkb相连；mn5的漏极和mp3的漏极相连后与mp1的栅极相连；mn5的栅极和mp3的栅极相连后与时钟信号clka相连；mn2的源极分别与mn4的栅极、mp2的源极、mp3的源极和c2的下极板相连；mn2的栅极分别与mn4的源极和cs2的上极板相连；c2的下极板和时钟信号clkb相连；cs2的下极板与时钟信号clk2a相连；mn6的源极和衬底相接后和时钟信号clka相连；mn6的漏极和mp4的漏极相连后与mp2的栅极相连；mn6的栅极和mp4的栅极相连后与时钟信号clkb相连；mp1的衬底和漏极、mp3的衬底、mp4的衬底、mp2的漏极和衬底相接后和所述电荷泵电路的输出端相接。

本发明所提出的低电压高转换效率电荷泵电路可以有效的降低交叉耦合电荷泵电路的泄漏电流和导通损耗，从而降低了最低输入电压、提高了转换效率，同时还减小了版图面积，节约了成本。所提出的电路结构可以运用于能量采集系统中。下面结合具体的电路和仿真结果对其工作原理进行详细说明。

结合图2的时序图，在①区间clka为0时，mn3截止，此时clk2b为vin，在此前a2会被充电到vin，所以此时的a2会被抬升到2vin，mn1导通，a点充电到vin，又由于clkb为vin，所以mn6导通，p2为0，mp2导通。clkb为vin时，b点的电平被抬升到2vin，mn4导通，b2会被充电到vin，clk2a为0，mn2关断，又由于clka为0，所以mp3导通，p1为2vin，mp1关断。

在②区间clka为0时，mn3关断，此时clk2b为0，a2不会被抬升仍然为vin，mn1关断，此时a点为vin，又由于clkb为vin，所以mn6导通，p2为0，mp2导通。clkb为vin时，b点被抬升到2vin，mn4导通，b2会被充电到vin，所以mn2导通，a点充电到vin，又由于clka为0，所以mp3导通，p1为2vin，mp1关断。

在③区间clka为vin时，a点被抬升到2vin，mn3导通，clk2b为0，a2为vin，mn1关断，又由于clkb为vin，所以mp4导通，p2为2vin，mp2关断。clkb为vin时，b点被抬升到2vin，mn4导通，clk2a为0，b2为vin，mn2关断，又由于clka为vin，所以mp3导通，p1为2vin，mp1关断。

在④区间clka为vin时，a点会被抬升到2vin，mn3导通，clk2b为0，a2为vin，mn1关断，又由于clkb为0，所以mp4导通，p2为2vin，mp2关断。clkb为0时，b为vin，mn4关断，clk2a为0，b2为vin，mn2关断，又由于clka为vin，所以mn5导通，p1为0，mp1导通。

在⑤区间clka为vin时，a点会被抬升到2vin，mn3导通，clk2b为0，a2为vin，mn1关断，又由于clkb为0，所以mp4导通，p2点为2vin，mp2关断。clkb为0时，mn4关断，clk2a为vin，b2被抬升到2vin，mn2导通，b点充电到vin，又由于clka为vin，所以mn5导通，p1为0，mp1导通。

通过以上分析可以发现，当a点为vin时，mp1总是关断的；当a点为2vin时，mn1总是关断的；当b点为vin时，mp2总是关断的；当b点为2vin时，mn2总是关断的；mn1、mp1没有同时导通的情况，mn2、mp2也没有同时导通的情况，这有效的避免了泄漏电流的发生。同时可以发现p1和p2点的摆幅都是从0到2vin的，有效的增加了pmos开关管的时钟摆幅，从而降低了导通损耗并降低了最低输入电压。

图3为采用本发明实现的电荷泵在负载电流为100μa时输出电压随输入电压的变化曲线。随着输入电压的增大，输出电压也随之增大，对比四条曲线发现，在较低的输入电压下，只有本发明可以正常工作。

图4为采用本发明实现的电荷泵在负载电流为100μa时转换效率随输入电压的变化曲线。每一条曲线都存在峰值效率，对比四条曲线发现，本发明在低压时的效率最高，当输入电压高于0.4v时，转换效率都高于70％。

图5为采用本发明实现的电荷泵在输入电压为0.55v时输出电压随负载电流的变化曲线。随着负载电流的升高，输出电压随之下降，对比四条曲线发现，本发明在重负载时的输出电压明显高于其他曲线。

图6为采用本发明实现的电荷泵在输入电压为0.55v时转换效率随输入电压的变化曲线。每一条曲线都存在峰值效率，对比四条曲线发现，本发明的峰值效率最高且在重负载条件下，效率明显高于其他曲线。