一种电荷泵寄生电容电荷回收电路的制作方法

1.本发明涉及电荷泵技术领域，特别是一种电荷泵寄生电容电荷回收电路。


背景技术：

2.电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的dc-dc(变换器)。电荷泵(charge pump)是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率很高，约为90-95％，而电路也相当的简单。电荷泵利用一些开关元件来控制连接到电容器的电压。例如，可以配合二阶段的循环，用较低的输入电压产生较高的脉冲电压输出。在循环的第一阶段，电容器连接到电源端，因此充电到和电源相同的电压，在第二阶段会调整电路组态，使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应，也假设没有负载，其输出电压会是输入电压的两倍。
3.因为cfly1和cfly2是被集成到ic内部的，在实际版图实现时，cfly1和cfly2的上和下极板都会与其它层次(cmos器件及金属连线层次)存在不同程度的寄生电容cpara11、cpara12和cpara21、cpara22，当charge pump给cfly1和cfly2充放电时，就会在寄生电容上产生额外的功耗；从而降低了charge pump的转换效率。特别是在单位面积容值较小的工艺上，为了确保设计容值大小不变，版图需要更大的面积来实现，这样也进一步增大了寄生电容的大小，从而大大降低了charge pump的转换效率。
4.而目前，并没有一种能够解决上述技术问题的技术方案，具体地，并没有一种电荷泵寄生电容电荷回收电路。


技术实现要素：

5.针对现有电容电路在面临较大负载情形时存在的技术缺陷，本发明提供了一种电荷泵寄生电容电荷回收电路，至少包括第一单元电路、第二单元电路、第一开关组以及第二开关组，
6.其中，所述第一开关组至少包括φ11、φ12、φ13、φ14，所述第二开关组至少包括φ21、φ22、φ23、φ24；
7.其中，所述第一单元电路包括第一电容cfly1，所述第一电容cfly1的两端分设有c1p节点以及c1n节点，其中，所述c1p节点通过φ11开关连接到输入电压vdd，通过φ21开关连接到输出电压vsp；所述c1n节点通过φ13开关连接接地，通过φ23开关连接到输入电压vdd；
8.其中，所述第二单元电路包括第二电容cfly2，所述第二电容的cfly2的两端分设有c2p节点以及c2n节点，其中，所述c2p节点通过φ22开关连接到输入电压vdd，通过φ12开关连接到输出电压vsp；所述c2n节点通过φ24开关连接接地，通过φ14开关连接到输入电压vdd；
9.其中，所述c1p节点与所述c2p节点之间通过φ3开关连接。
10.优选地，所述第一电容cfly1与所述第二电容cfly2集成于ic芯片内部，在实际工作状态下，所述第一电容cfly1的上极板和下极板与cmos器件及金属连线存在寄生电容cpara11、寄生电容cpara12，所述第二电容cfly2的上极板和下极板与cmos器件及金属连线存在寄生电容cpara21、寄生电容cpara22。
11.优选地，通过时序t1、t2、t3以及t4控制所述第一开关组、第二开关组以及φ3开关的断开与闭合，其中，通过如下控制时序实现寄生电容电荷回收：
[0012]-当所述第一开关组、第二开关组与φ3为高电平时，开关闭合；
[0013]-当所述第一开关组、第二开关组与φ3为低电平时，开关断开；
[0014]-所述t1为第一开关组、第二开关组的开关非交叠时间；
[0015]-所述t2＝所述t4，为φ3与第一开关组、第二开关组的开关非交叠时间；
[0016]-所述t3为φ3的开关闭合时间。
[0017]
优选地，当第一开关组以及第二开关组处于断开状态，且所述第一电容cfly1已完成充电，所述c1p节点电压为工作电压vdd，所述c1n节点电压为gnd；所述第二电容cfly2已完成放电，所述c2p节点电压为2倍工作电压vdd，所述c2n节点电压为vdd，
[0018]
其中，闭合开关φ3，所述寄生电容cpara11、寄生电容cpara12、寄生电容cpara21、寄生电容cpara22的电荷损耗降低50％。
[0019]
本发明的电荷泵在现有技术的基础上，在第一电源电路与第二单元电路之间引入一个开关φ3，并使用时序控制控制所述第一开关组、第二开关组以及φ3开关的断开与闭合，从而实现对寄生电容电荷回收的功能，本发明可以减少约50％的寄生电容电荷损耗，可以被应用到采用互补结构charge pump的任意电路拓扑结构上，都可以达到降低寄生电容电荷损耗的目的。本发明结构简单，功能强大，具有较大的商业价值。
附图说明
[0020]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0021]
图1示出了本发明的具体实施方式的，在理想工作状态下，一种电荷泵寄生电容电荷回收电路的连接示意图；
[0022]
图2示出了本发明的第一实施例的，在实际工作状态下，一种电荷泵寄生电容电荷回收电路的连接示意图；
[0023]
图3示出了本发明的第二实施例的，控制所述第一开关组、第二开关组以及φ3开关的断开与闭合的控制时序图；
[0024]
图4示出了本发明的第三实施例的，开关φ3未闭合时的等效电路图；以及
[0025]
图5示出了本发明的第四实施例的，开关φ3闭合时的等效电路图。
具体实施方式
[0026]
为了更好的使本发明的技术方案清晰地表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027]
图1示出了本发明的具体实施方式的，在理想工作状态下，一种电荷泵寄生电容电荷回收电路的连接示意图，本发明所提供的电荷泵寄生电容电荷回收电路，至少包括第一
单元电路、第二单元电路、第一开关组以及第二开关组，所述第一单元电路位于图1左侧，所述第二单元电路位于图1右侧，其中，所述第一开关组至少包括φ11、φ12、φ13、φ14，所述第二开关组至少包括φ21、φ22、φ23、φ24，所述第一开关组控制所述φ11、φ12、φ13、φ14的联动，所述第二开关组控制φ21、φ22、φ23、φ24的联动。
[0028]
进一步地，所述第一单元电路包括第一电容cfly1，所述第一电容cfly1的两端分设有c1p节点以及c1n节点，其中，所述第一单元电路包括第一电容cfly1，所述第一电容cfly1的两端分设有c1p节点以及c1n节点，其中，所述c1p节点通过φ11开关连接到输入电压vdd，通过φ21开关连接到输出电压vsp；所述c1n节点通过φ13开关连接接地，通过φ23开关连接到输入电压vdd；
[0029]
其中，所述第二单元电路包括第二电容cfly2，所述第二电容的cfly2的两端分设有c2p节点以及c2n节点，其中，所述c2p节点通过φ22开关连接到输入电压vdd，通过φ12开关连接到输出电压vsp；所述c2n节点通过φ24开关连接接地，通过φ14开关连接到输入电压vdd；
[0030]
其中，所述c1p节点与所述c2p节点之间通过φ3开关连接。
[0031]
本领域技术人员理解，在本技术的图1以及图2中，存在两个c1p节点以及两个c2p节点，其中，位于左侧的两个c1p节点为等效节点，位于右侧的两个c2p节点为等效节点，其为了不引起本领域技术人员理解上的歧义，故采用同样的标识，即两个c1p节点可以等同于一个节点，两个c2p节点也可以等同于一个节点，而为了更好的在图中方便理解φ3开关的连接结构，特此标注，在此不予赘述。
[0032]
电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。结合本技术图1以及图2，现有技术中并没有φ3，目前charge pump采用互补拓扑结构技术，利用非交叠的开关时钟第一开关组、第二开关组控制开关切换，对不同电容进行充放电，从而获得较小的输出电压(vsp)纹波，为了减小输出电压上的纹波，第一单元电路与第二单元电路采用完全相同的尺寸设计，两个单元的唯一区别是控制时序不同。其中，第一开关组、第二开关组为高电平时，开关闭合；第一开关组、第二开关组为低电平时，开关断开。在第一开关组相位，cfly1处于充电状态，cfly2处于放电状态；在第二开关组相位，cfly1处于放电状态，cfly2处于充电状态；第一开关组
→
第二开关组
→
第一开关组
→
第二开关组
→…
依次重复,经过数个循环后，最终vsp上升到2*vdd的电压。
[0033]
图2示出了本发明的第一实施例的，在实际工作状态下，一种电荷泵寄生电容电荷回收电路的连接示意图，所述第一电容cfly1与所述第二电容cfly2集成于ic芯片内部，在实际工作状态下，所述第一电容cfly1的上极板和下极板与cmos器件及金属连线存在寄生电容cpara11、寄生电容cpara12，所述第二电容cfly2的上极板和下极板与cmos器件及金属连线存在寄生电容cpara21、寄生电容cpara22。因为cfly1和cfly2是被集成到ic内部的，在实际版图实现时，cfly1和cfly2的上和下极板都会与其它层次(cmos器件及金属连线层次)存在不同程度的寄生电容cpara11、cpara12和cpara21、cpara22，当charge pump给cfly1和cfly2充放电时，就会在寄生电容上产生额外的功耗；从而降低了charge pump的转换效率。特别是在单位面积容值较小的工艺上，为了确保设计容值大小不变，版图需要更大的面积来实现，这样也进一步增大了寄生电容的大小，从而大大降低了charge pump的转换效率。
[0034]
而本发明为了解决由于寄生电容cpara11、cpara12和cpara21、cpara22而产生的额外功耗，优选地在所述节点c2p及所述节点c1p间加入φ3，在闭合开关φ3后，所述寄生电容cpara11、寄生电容cpara12、寄生电容cpara21、寄生电容cpara22的电荷损耗降低50％。
[0035]
图3示出了本发明的第二实施例的，控制所述第一开关组、第二开关组以及φ3开关的断开与闭合的控制时序图。
[0036]
进一步地，通过时序t1、t2、t3以及t4控制所述第一开关组、第二开关组以及φ3开关的断开与闭合，其中，通过如下控制时序实现寄生电容电荷回收：当所述第一开关组、第二开关组与φ3为高电平时，开关闭合；当所述第一开关组、第二开关组与φ3为低电平时，开关断开；所述t1为第一开关组、第二开关组的开关非交叠时间；所述t2＝所述t4，为φ3与第一开关组、第二开关组的开关非交叠时间；所述t3为φ3的开关闭合时间。
[0037]
图4示出了本发明的第三实施例的，开关φ3未闭合时的等效电路图，图5示出了本发明的第四实施例的，开关φ3闭合时的等效电路图。当第一开关组以及第二开关组处于断开状态，且所述第一电容cfly1已完成充电，所述c1p节点电压为工作电压vdd，所述c1n节点电压为gnd；所述第二电容cfly2已完成放电，所述c2p节点电压为2倍工作电压vdd，所述c2n节点电压为vdd，其中，闭合开关φ3，所述寄生电容cpara11、寄生电容cpara12、寄生电容cpara21、寄生电容cpara22的电荷损耗降低50％。
[0038]
进一步地，如图4所示，cpara11上的电荷量为cpara11*vdd，cpara12上的电荷量为cpara11*gnd，cpara21上的电荷量为cpara21*2*vdd，cpara22上的电荷量为cpara22*vdd,由于第一单元电路与第二单元电路完全相同，所以cfly1＝cfly2，，cpara11＝cpara21，cpara12＝cpara22，设cfly1＝cfly2＝c1，cpara11＝cpara21＝c2，cpara12＝cpara22＝c3，如图5所示，当φ3开关闭合后，第一单元电路与第二单元电路的电容进行电荷共享，共享后，cpara12电容上的电压为cpara22电容上的电压为cpara11电容上的电压约为1.5
×
vdd，cpara21电容上的电压约为1.5
×
vdd，由于c1＞＞c3，所以cpara12和cpara22电容上的电压约等于0.5
×
vdd。
[0039]
经过如上计算可知第一单元电路从充电状态向放电状态转变期间，加入φ3开关后，寄生电容c3节省电荷量约为0.5
×
vdd*c3，寄生电容c2节省电荷量约为0.5
×
vdd*c2；第二单元电路从放电状态向充电状态转变期间，加入φ3开关后，寄生电容c3节省电荷量约为0.5
×
vdd*c3，寄生电容c2节省电荷量约为0.5
×
vdd*c2
[0040]
综上所述，我们可以得出的结论是：在charge pump第一单元电路和第一单元电路之间加入φ3开关，并通过合理的时序控制，可以减少约50％的寄生电容电荷损耗，本发明可以被应用到采用互补结构上述charge pump的任意电路拓扑结构上，都可以达到降低寄生电容电荷损耗的目的。
[0041]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。