电荷泵及用在其中的方法与流程

1.本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种电荷泵及用在其中的方法。


背景技术：

2.电荷泵是利用电容存储能量的开关变换器，其中利用开关使得电容在充电和放电状态之间切换，从而可以升降供电电压。在移动终端型电子设备中，供电电源的电压可能高于或者低于电子设备的工作电压，电荷泵可以通过将供电电源的电压升降到合理的范围内来满足电子设备的正常工作需要。


技术实现要素：

3.根据本发明实施例的电荷泵，包括第一电容、第二电容、以及串联连接的第一、第二、第三、和第四功率管，其中，第一电容连接在第一功率管的漏极和源极之间，第二电容连接在第二功率管的漏极和第三功率管的源极之间，该电荷泵还包括：第一电流源，用于在第一至第四功率管处于关断状态的情况下，在第一时段内对第二功率管的漏极与第二电容之间的第一电路节点进行放电；第二电流源，用于在第一至第四功率管处于关断状态的情况下，在第一时段内对第三功率管的源极与第二电容之间的第二电路节点进行放电；第一比较器，用于将第一电路节点处的电压与第一电压差值进行比较，该第一电压差值是电荷泵的输出电压与第二阈值电压之间的差值；以及第二比较器，用于将第二电路节点处的电压与第一阈值电压进行比较，其中，在第一时段结束时第一电路节点处的电压小于第一电压差值且第二电路节点处的电压小于第一电压阈值，表示第一至第三功率管和第二电容均不处于短路状态。
4.根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法，该电荷泵包括第一电容、第二电容、以及串联连接的第一、第二、第三、和第四功率管，其中，第一电容连接在第一功率管的漏极和源极之间，第二电容连接在第二功率管的漏极和第三功率管的源极之间，该方法包括：在第一至第四功率管处于关断状态的情况下，在第一时段内利用第一电流对第二功率管的漏极与第二电容之间的第一电路节点进行放电；在第一至第四功率管处于关断状态的情况下，在第一时段内利用第二电流对第三功率管的源极与第二电容之间的第二电路节点进行放电；将第一电路节点处的电压与第一电压差值进行比较，该第一电压差值是电荷泵的输出电压与第二阈值电压之间的差值；以及将第二电路节点处的电压与第一阈值电压进行比较，其中，在第一时段结束时第一电路节点处的电压小于第一电压差值且第二电路节点处的电压小于第一电压阈值，表示第一至第三功率管和第二电容均不处于短路状态。
附图说明
5.从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
6.图1示出了传统的交错式架构的电荷泵的示意图。
7.图2示出了根据本发明实施例的交错式架构的电荷泵的示意图。
8.图3示出了应用于图2所示的电荷泵中的电容/功率管自检测和预启动方法的流程图。
9.图4示出了图2所示的电荷泵中的相关信号的工作波形图。
具体实施方式
10.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
11.图1示出了传统的交错式架构的电荷泵100的示意图。如图1所示，电荷泵100包括相互对称的第一侧电路和第二侧电路及位于它们之间的电容cout，其中，第一侧电路包括功率管q1至q4和电容cbst1和cfly1，第二侧电路包括功率管q5至q8和电容cbst2和cfly2；pmid引脚接输入电源，vout引脚接输出负载；八个功率管q1至q8分为两个相位分别导通，其中，功率管q1、q3、q6、q8在第一相位导通，功率管q2、q4、q5、q7在第二相位导通；在处于导通状态的功率管从q1/q3/q6/q8切换到q2/q4/q5/q7或者从q2/q4/q5/q7切换到q1/q3/q6/q8的过程中，pmid引脚处的电能通过电容cflyx(x＝1或2)转移到vout引脚处；在理想情况下，vout引脚处的电压大约为pmid引脚处的电压的一半。
12.在电荷泵100正常启动前，需要检查电容cflyx/cbstx(x＝1或2)以及每个功率管的开短路以确保安全，同时也需要预启动将电容cflyx和cout上的电容电压预充放到稳态值。
13.鉴于传统的交错式架构的电荷泵的上述需求，提出了根据本发明实施例的交错式架构的电荷泵。
14.图2示出了根据本发明实施例的交错式架构的电荷泵200的示意图。需要说明的是，由于电荷泵200的第一侧电路和第二侧电路相互对称，所以图2仅示出了其中的一侧电路。
15.如图2所示，电荷泵200包括pmid引脚、vout引脚、gnd引脚相互连接的两块电荷泵芯片，功率管q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8，电容cbst1、cbst2、cfly1、cfly2、cout(图2未示出)，以及开关管m1、m2，其中：功率管q1的源极与功率管q2的漏极相连，功率管q2的源极与功率q3的漏极相连，功率管q3的源极与功率管q4的漏极相连；功率管q1的漏极与电荷泵芯片的pmid引脚相连，功率管q4的源极与电荷泵芯片的gnd引脚相连，功率管q3的漏极与电荷泵芯片的vout引脚相连；电容cfly1连接于电荷泵芯片的cfl1、cfh1引脚之间，电容cbst1连接于电荷泵芯片的bst1、cfh1引脚之间，开关管m1连接于电荷泵芯片的bst1、pmid引脚之间；功率管q5的源极与功率管q6的漏极相连，功率管q6的源极与功率管q7的漏极相连，功率管q7的源极与功率管q8的漏极相连；功率管q5的漏极与电荷泵芯片的pmid引脚相连，功率管q8的源极与电荷泵芯片的gnd引脚相连，功率管q7的漏极与电荷泵芯片的vout引脚相连；
电容cfly2连接于电荷泵芯片的cfl2、cfh2引脚之间，电容cbst2连接于电荷泵芯片的bst2、cfh2引脚之间，开关管m2连接于电荷泵芯片的bst2、pmid引脚之间。
16.如图2所示，电荷泵200还包括电荷泵2：1充电模式下的自检测和预启动电路，具体包括正极输入端接入电荷泵芯片的vout引脚、负极输入端接入电荷泵芯片的cfhx(x＝1或2)引脚的比较器comp1和comp7，串联后一端与电荷泵芯片的cfhx引脚相连另一端与电荷泵芯片的gnd引脚相连的电流源idis_cfh1和开关sw1、电流源idis_cfh2和开关sw6，串联后一端与电荷泵芯片的pmid引脚相连另一端与电荷泵芯片的cfhx引脚相连的电流源ich_cfh和开关sw5，正极输入端接入基准电压vr1、负极输入端接入电荷泵芯片的cflx引脚的比较器comp2和comp4，负极输入端接入基准电压vr1、负极输入端接入电荷泵芯片的cflx引脚的比较器comp3，串联后一端与电荷泵芯片的cflx引脚相连另一端与电荷泵芯片的gnd引脚相连的电流源idis_cf2和开关sw2，串联后一端与电荷泵芯片的cflx引脚相连另一端与芯片内部电压源vreg相连的电流源ich_cfl和开关sw3，正极输入端接入电荷泵芯片的bstx引脚、负极输入端接入电荷泵芯片的cfhx引脚的比较器comp5，正极输入端接入电荷泵芯片的pmid引脚、负极输入端接入电荷泵芯片的bstx引脚的比较器comp6，串联后一端与电荷泵芯片的pmid引脚相连另一端与电荷泵芯片的bstx引脚相连的电流源ich_bst和开关sw4，正极输入端接入电荷泵芯片的cfhx引脚、负极输入端接入电荷泵芯片的vout引脚的比较器comp8，正极输入端接入电荷泵芯片的cfhx引脚、负极输入端接入电荷泵芯片的pmid引脚的比较器comp9，正极输入端接入电荷泵芯片的vout引脚、负极输入端接入电荷泵芯片的cflx引脚的比较器comp10，正极输入端接入电荷泵芯片的pmid引脚电压的二分之一分压的基准电压vpmid_div(由pmid引脚电压通过电阻r1和r2分压得到)、负极输入端接入电荷泵芯片的cfhx引脚的比较器comp11。
17.图3示出了应用于图2所示的电荷泵中的电容/功率管自检测和预启动方法的流程图。图4示出了图2所示的电荷泵中的相关信号的工作波形图。需要说明的是，由于电荷泵200中的第一侧电路和第二侧电路相互对称，以下仅描述第一侧电路的功率管q1至q4和电容cbst1和cfly1的自检测过程(第二侧电路的功率管q5至q8和电容cbst2和cfly2的自检测过程相同，所以不再赘述)。
18.如图3和图4所示，用于第一侧电路的功率管q1至q4和电容cbst1和cfly1的自检测过程包括如下步骤：
19.s301：在自检测过程开始时，功率管q1至q4处于关断状态，电荷泵芯片的计时信号q2q3_self_ck开始计时时间t1，用idis_cfh1电流对cfh1节点进行放电，用idis_cfl电流对cfl1节点进行放电，以对功率管q1至q3和电容cfly1进行短路检测。在计时时间t1结束时对比较器comp1和comp2的比较结果进行采样，如果比较结果不满足cfh1电压小于vout-vr2且cfl1电压小于vr1，则判断功率管q1至q3中的至少一个或者电容cfly1处于短路状态；如果比较结果满足cfh1电压小于vout-vr2且cfl电压小于vr1，则判断功率管q1至q3和电容cfly1不处于短路状态，则进入步骤s302。
20.s302：电荷泵芯片的计时信号q4_self_ck开始计时时间t2，计时信号q4_noshort_ck开始计时时间t3，功率管q1至q4处于关断状态，用ich_cfl电流对cfl1节点进行充电，计时时间t3结束时对比较器comp3的比较结果进行采样，如果比较结果不满足cfl1电压大于vr1，则判断功率管q4处于短路状态，否则进入步骤s303。
21.s303：计时信号q4_self_ck继续计时时间t2，同时计时信号q4_gate开始计时时间t4，功率管q1至q3处于关断状态且功率管q4处于导通状态，继续用ich_cfl电流对cfl1节点进行充电，计时时间t2结束时对比较器comp4的比较结果进行采样，如果比较结果不满足cfl1电压小于vr1，则判断功率管q4处于开路状态，否则进入步骤s304。
22.s304：计时信号q4_gate继续计时时间t4，同时计时信号cbst_self_ck开始计时时间t5，功率管q1至q3处于关断状态且功率管q4处于导通状态，用ich_bst电流对bst1节点进行充电，计时时间t5结束时对比较器comp5和比较器comp6的比较结果进行采样，如果比较器comp5的比较结果不满足cfh1电压小于bst1-vr1，则判断电容cbst1处于短路状态，如果比较器comp6的比较结果不满足bst1电压小于pmid-vr2，则判断电容cbst1处于开路状态，否则进入步骤s305。
23.s305，计时信号q4_gate继续计时时间t4，同时计时信号cfly_self_ck开始计时时间t6，功率管q1至q3处于关断状态且功率管q4处于导通状态，用ich_cfh电流对cfh1节点进行充电，计时时间t6结束时对比较器comp7的比较结果进行采样，如果比较结果不满足电压vout大于cfh1-vr3，则判断电容cfly1处于开路状态，否则进入步骤s306。
24.s306，计时信号q4_gate继续计时时间t4，同时计时信号q2_gate开始计时时间t7，功率管q1和q3处于关断状态且功率管q2和q4处限定电流导通状态，计时时间t7结束时对比较器comp8的比较结果进行采样，如果比较结果不满足cfh1电压大于vout-vr1，则判断功率管q2处于开路状态，否则进入步骤s307。
25.s307，计时信号q1/q3_gate开始计时时间t8，功率管q1和q3处于限定电流导通状态且功率管q2和q4处于关断状态，计时时间t8结束时对比较器comp9和comp10的比较结果进行采样，如果比较器comp9的比较结果不满足cfh1电压大于pmid-vr1，则判断功率管q1处于开路状态，如果比较器comp10的比较结果不满足vout电压大于cfl1-vr1，则判断功率管q3处于开路状态，否则判断功率管q1和q3处于正常状态。这时，功率管q1至q4和电容cbst1、cfly1已完成自检，但电容cfly1上的电压可能过高，如果即刻导通功率管q1、q2、q3、q4开始工作，则功率管导通瞬间会产生很大的电流烧坏器件，为了保障系统工作安全，需要进入预启动步骤s308。
26.s308，预启动计时信号cfly_prech_ck开始计时时间t9，功率管q1至q3处于关断状态且功率管q4处于导通状态，用idis_cfh2电流对cfh1节点进行放电，直到cfh1电压低于pmid电压的一半，预启动计时信号cfly_prech_ck计时时间t9结束，电容cfly1预启动完成即刻导通q1、q2、q3、q4开始正常工作。
27.图2所示的电荷泵及图3和图4所示的自检测和预启动过程，能够实现电容和功率管的自检测并实现电荷泵的预启动，从而能够保证电荷泵安全可靠地工作。
28.综上所述，本发明提供了一种用在电荷泵中的方法。具体地，电荷泵包括第一电容、第二电容、以及串联连接的第一、第二、第三、和第四功率管，其中，第一电容连接在第一功率管的漏极和源极之间，第二电容连接在第二功率管的漏极和第三功率管的源极之间，该方法包括：在第一至第四功率管处于关断状态的情况下，在第一时段内利用第一电流对第二功率管的漏极与第二电容之间的第一电路节点进行放电；在第一至第四功率管处于关断状态的情况下，在第一时段内利用第二电流对第三功率管的源极与第二电容之间的第二电路节点进行放电；将第一电路节点处的电压与第一电压差值进行比较，第一电压差值是
电荷泵的输出电压与第二阈值电压之间的差值；以及将第二电路节点处的电压与第一阈值电压进行比较，其中，在第一时段结束时第一电路节点处的电压小于第一电压差值且第二电路节点处的电压小于第一电压阈值，表示第一至第三功率管和第二电容均不处于短路状态。
29.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一至第四功率开关处于关断状态的情况下，在第二时段内利用第三电流对第二电路节点进行充电；以及将第二电路节点处的电压与第一电压阈值进行比较，其中，在第二时段结束时第二电路节点处的电压不大于第一阈值电压，表示第四功率管处于短路状态。
30.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一至第三功率管处于关断状态且第四功率管处于导通状态的情况下，在第三时段内利用第三电流对第二电路节点进行充电；以及将第二电路节点处的电压与第一阈值电压进行比较，其中，在第三时段结束时第三电路节点处的电压不小于第一阈值电压，表示第四功率管处于开路状态。
31.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一至第三功率管处于关断状态且第四功率管处于导通状态的情况下，在第四时段内利用第四电流对第一功率管的漏极与第一电容之间的第三电路节点进行充电；将第一电路节点处的电压与第二电压差值进行比较，其中，第二电压差值是第三电路节点处的电压与第一电压阈值之间的差值，在第四时段结束时第一电压节点处的电压不小于第二电压差值时，表示第一电容处于短路状态。
32.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：将第三电路节点处的电压与第三电压差值进行比较，其中，第三电压差值是电荷泵的输入电压与第二电压阈值之间的差值，在第四时段结束时第三电压节点处的电压不小于第三电压差值，表示第一电容处于开路状态。
33.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一至第三功率管处于关断状态且第四功率管处于导通状态的情况下，在第五时段内利用第五电流源对第一电路节点进行充电；以及将电荷泵的输出电压与第四电压差值进行比较，其中，第四电压差值是第一电路节点处的电压与第三电压阈值之间的差值，在第五时段结束时电荷泵的输出电压不大于第四电压差值，表示第二电容处于开路状态。
34.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一和第三功率管处于关断状态且第二和第四功率管处于限定电流导通状态的情况下，将第一电路节点处的电压与第五电压差值进行比较，其中，第五电压差值是电荷泵的输出电压与第一电压阈值之间的差值，在第六时段结束时第一电路节点处的电压不大于第五电压差值，表示第二功率管处于开路状态。
35.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一和第三功率管处于限电流导通状态且第二和第四功率管处于关断状态的情况下，将第一电路节点处的电压与第六电压差值进行比较，其中，第六电压差值是电荷泵的输入电压与第一电压阈值之间的差值，在第七时段结束时第一电路节点处的电压不大于第六电压差值，表示第一功率管处于开路状态。
36.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一和第
三功率管处于限电流导通状态且第二和第四功率管处于关断状态的情况下，将电荷泵的输出电压与第七电压差值进行比较，其中，第七电压差值是第二电路节点处的电压与第一电压阈值之间的差值，在第七时段结束时电荷泵的输出电压不大于第七电压差值，表示第三功率管处于开路状态。
37.在一些实施例中，根据本发明实施例的用在电荷泵中的方法还包括：在第一至第三功率管处于关断状态且第四功率管处于导通状态的情况下，利用第六电流对第一电路节点进行放电，直到第一电路节点处的电压低于电荷泵的输入电压的一半为止，其中，当第一电路节点处的电压低于电荷泵的输入电压的一半时，第一至第三功率管从关断状态变为导通状态。
38.本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。