一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路的制作方法

1.本发明涉及电荷泵技术领域，特别是一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路。


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，受限于ic面积，cfly1和cfly2的大小被固定，charge pump通过时序控制，得到2*vdd和3*vdd两种不同倍率的vsp电压值；当应用上需要介于2*vdd～3*vdd电压时，只能通过反馈环路钳位vsp＝3*vdd模式vsp的输出电压来实现。这种方式是牺牲charge pump的效率换来的，无形中加大了charge pump对输入电源上的电流需求。
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，并没有一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路。


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，本发明提供了一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路，至少包括第一单元电路、第二单元电路，第三开关组、第四开关组以及φ3开关，其中，通过开关周期控制所述第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组以及φ3开关的断开与闭合，所述开关周期至少包括时序t1、t2、t3、t4以及t5，其中，所述第一开关组至少包括φ11、φ12，所述第二开关组至少包括φ13、φ14，所述第三开关组至少包括φ21、φ22，所述第四开关组至少包括φ23、φ24，其中，所述控制时序关系如下：
6.第一开关组、第三开关组与φ3为高电平时，开关闭合；
7.第一开关组、第三开关组与φ3为低电平时，开关断开；
8.第二开关组、第四开关组为高电平时，开关闭合；
9.第二开关组、第四开关组为低电平时，开关断开；
10.t1为第一开关组与第三开关组的开关非交叠时间，所述t1为t2、t3、t4、t5之和；
11.其中，t2、t4、t5为固定的相同的非交叠时间,其包括第三开关组与φ3、第四开关组与φ3、第四开关组与第三开关组、第一开关组与φ3、第三开关组与φ3、第四开关组与第二开关组的开关非交叠时间；
12.t3为φ3的开关导通时间，通过控制t3实现对电荷泵输出电压倍率的调节。
13.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；
14.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；
15.其中，所述c1p节点与所述c2p节点之间通过φ3开关连接。
16.进一步地，当φ3开关断开时，cfly1与cfly2不会进行电荷重新分配；
17.当φ3开关导通时，cfly1与cfly2会重新进行电荷分配；
18.随着φ3开关导通时间t的变长，所述电荷泵输出电压倍率变大。
19.进一步地，对电荷泵输出电压倍率的调节的范围为2*vdd～3*vdd。
20.进一步地，所述φ3开关的导通时间范围为0～31*r*c，其中，所述r为第三开关组、φ3开关的导通阻抗，所述c为所述第一电容cfly1。
21.本发明的电荷泵在现有技术的基础上，通过开关周期控制所述第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组以及φ3开关的断开与闭合，所述开关周期至少包括时序t1、t2、t3、t4以及t5，随着φ3开关导通时间t的变长，所述电荷泵输出电压倍率变大。通过设计合理的时序，控制charge pump的第一单元电路和第二单元电路，并把φ3的开关导通的时间设计为寄存器可调整，可以实现vsp的倍率连续可调的功能。同时也对减小charge pump的输入电流，提高其转换效率有显著改善，此种设计思想，可以被应用到采用互补结构charge pump的任意电路拓扑结构上。本发明结构简单，功能强大，具有较大的商业价值。
附图说明
22.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：
23.图1示出了本发明的具体实施方式的，一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路的控制时序图的连接示意图；
24.图2示出了本发明的第一实施例的，一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路的连接示意图；
25.图3示出了本发明的第二实施例的，当φ3开关断开时的等效电路图；
26.图4示出了本发明的第三实施例的，当φ3开关第一次导通时的等效电路图；
27.图5示出了本发明的第四实施例的，当φ3开关再次断开时的等效电路图；以及
28.图6示出了本发明的第五实施例的，当φ3开关第二次导通时的等效电路图。
具体实施方式
29.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。
30.图1示出了本发明的具体实施方式的，一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路的控制时序图的连接示意图，具体地，本发明公开了一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路，至少包括第一单元电路、第二单元电路，第三开关组、第四开关组以及φ3开关，其中，通过开关周期控制所述第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组以及φ3开关的断开与闭合，所述开关周期至少包括时序t1、t2、t3、t4以及t5，其中，所述第一开关组至少包括φ11、φ12，所述第二开关组至少包括φ13、φ14，所述第三开关组至少包括φ21、φ22，所述第四开关组至少包括φ23、φ24，其中，所述控制时序关系如下：
31.第一开关组、第三开关组与φ3为高电平时，开关闭合；
32.第一开关组、第三开关组与φ3为低电平时，开关断开；
33.第二开关组、第四开关组为高电平时，开关闭合；
34.第二开关组、第四开关组为低电平时，开关断开；
35.t1为第一开关组与第三开关组的开关非交叠时间，所述t1为t2、t3、t4、t5之和；
36.其中，t2、t4、t5为固定的相同的非交叠时间,其包括第三开关组与φ3、第四开关组与φ3、第四开关组与第三开关组、第一开关组与φ3、第三开关组与φ3、第四开关组与第二开关组的开关非交叠时间；
37.t3为φ3的开关导通时间，通过控制t3实现对电荷泵输出电压倍率的调节，通过设计合理的时序，控制charge pump的第一单元电路和第二单元电路，并把φ3的开关导通的时间设计为寄存器可调整，可以实现vsp的倍率连续可调的功能。同时也对减小charge pump的输入电流，提高其转换效率有显著改善，此种设计思想，可以被应用到采用互补结构charge pump的任意电路拓扑结构上。
38.本技术与现有技术相比，将现有技术中的两组开关组细分为四组开关组，从结构上虽然没有任何变化，但从控制方法上进行了调整，即从原先的两组开关控制变为了四组开关控制，通过改变四组开关的控制时序并配合新增的开关φ3的导通时长进而实现对电荷泵输出电压倍率的控制。
39.图2示出了本发明的第一实施例的，一种调节电荷泵输出电压倍率的控制电路的连接示意图，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；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；其中，所述c1p节点与所述c2p节点之间通过φ3开关连接。
40.进一步地，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，所述第二开关组至少包括φ13、φ14，所述第三开关组至少包括φ21、φ22，所述第四开关组至少包括φ23、φ24，所述第一开关组控制所述φ11、φ12的联动、所述第二开关组控制所述φ13、φ14的联动，所述第三开关组控制φ21、φ22的联动，所述第四开关组控制所述φ23、φ24的联动。
41.本领域技术人员理解，在本技术的图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。
42.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。
43.图3示出了本发明的第二实施例的，当φ3开关断开时的等效电路图，图4示出了本发明的第三实施例的，当φ3开关第一次导通时的等效电路图，图5示出了本发明的第四实施例的，当φ3开关再次断开时的等效电路图，图6示出了本发明的第五实施例的，当φ3开关第二次导通时的等效电路图。
44.进一步地，当φ3开关断开时，cfly1与cfly2不会进行电荷重新分配；当φ3开关导通时，cfly1与cfly2会重新进行电荷分配；随着φ3开关导通时间t的变长，所述电荷泵输出电压倍率变大。
45.进一步地，对电荷泵输出电压倍率的调节的范围为2*vdd～3*vdd。
46.进一步地，所述φ3开关的导通时间范围为0～31*r*c，其中，所述r为第三开关组、φ3开关的导通阻抗，所述c为所述第一电容cfly1或所述第二电容cfly2。
47.本领域技术人员理解，本发明可以实现vsp的调节的范围为2*vdd～3*vdd。charge pump即电荷泵，在现有技术的基础上，结合图2中所示出的第一单元电路与第二单元电路单元，增加第二开关组和第四开关组的控制时序，控制时序电路工作原理如下：
48.当所述第一单元电路充电相位结束，所述第二单元电路单元放电结束，即第一开关组断开后、第二开关组开关断开前，第三开关组及第四开关组开关处于断开状态，φ3开关打开前；假设所述第一单元电路给电容cfly1已完成充电，c1p结点的电压为vdd，c1n结点的电压为gnd；所述第二单元电路给电容cfly2已完成放电，c2p结点的电压约为2*vdd，c2n结点的电压为vdd。
49.进一步地，此时等效电路如图3所示，所述电容cfly1上的电荷量为cfly1*vdd，所述电容cfly2上的电荷量为cfly2*vdd，由于第一单元电路与第二单元电路完全相同，cfly1＝cfly2，当如图4等效电路φ3开关打开后，所述电容cfly1与所述电容cfly2会重新进行电荷分配，通过控制φ3开关打开时间，从而控制所述电容cfly1与所述电容cfly2电荷重新分配的比例，进而达到我们想要的charge pump的倍率。具体过程推导如下：
50.假设φ3开关打开时间为0；所述电容cfly1与所述电容cfly2不会进行电荷重新分配，vsp＝2*vdd；假设φ3开关打开时间足够长；所述电容cfly1与所述电容cfly2完成了电荷重新分配，φ3第一次打开电荷重新分配后的等效电路如图4：可以得出，所述电容cfly1
在放电相位时，所述电容cfly1下极板变为vdd，上级板会变为(2+0.5)*vdd。
51.当所述第一单元电路放电相位结束，所述第二单元电路单元充电结束，即所述第三开关组断开后、所述第四开关组开关断开前，所述第一开关组及所述第二开关组开关处于断开状态，φ3开关打开前；假设所述第一单元电路给所述电容cfly1已完成放电，c1p结点的电压约为(2+0.5)*vdd，c1n结点的电压为vdd；所述第二单元电路给所述电容cfly2已完成充电，c2p结点的电压为vdd，c2n结点的电压为gnd。此时等效电路如图5所示。
52.进一步地，假设φ3第二次开关打开时间足够长；电荷重新分配后的等效电路如图6所示：这样往复数个开关周期后，vsp上的电压变为：
[0053][0054]
上式n代表φ3开关次数，
[0055]
由上式可知，存在一个等比数列，n只要取值足够大，对这个等比数列求和可得
[0056][0057]
最终vsp＝3*vdd。
[0058]
经过以上分析及推导，vsp的输出电压会在2*vdd～3*vdd之间；我们通过控制φ3开关的打开时间，来控制所述电容cfly1和所述电容cfly2电荷重新分配的比例达到调整vsp的倍率输出：因为实际电路中第三开关组、φ3的开关是有阻抗的，假设导通阻抗都为r，那么电荷重新分配到目标值的99％所需时间为：
[0059]-ln(1-0.99)*3*r*0.5*cfly＝4.6*1.5*r*cfly＝6.9*r*c；
[0060]
所以我们可以把φ3的开关导通的时间设计为寄存器连续可调的，可调范围可以设计在0～31*r*c之间，每档0.25*r*c，即可达到调整vsp的倍率，控制vsp的输出。
[0061]
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。