一种级联电荷泵正负输出电压可调电路及其控制方法与流程

本发明属于电荷泵，特别涉及一种级联电荷泵正负输出电压可调电路及其控制方法。

背景技术：

1、电荷泵charge pump广泛应用于集成电路中，为各单元模块提供增压、倍压、减压、负压等各种变压操作或者供电。电荷泵通过电容搬运电荷的方法，实现电压倍增，负压等功能，能够输出低压差线性稳压器ldo无法输出的电压。

2、参见图1和图2，现有技术1通过控制两组开关来实现电荷的搬运，在时钟相位1，ckp电压为高，ckn电压为低，m0和m2闭合，给c0充电，在时钟相位2，ckp电压为低，ckn电压为高，m1和m3断开，m0和m2闭合。由于电容c0是储能原件，电容两端的电压倾向于不变化，所以最终输出电压voutp＝voutn+vinp-vin。如果vinp-vinn＝vdd，而voutn等于vdd，那么输出电压voutp＝2*vdd。从而实现了电荷泵的升压功能。

3、现有技术2中，利用二极管的单向导通性，在时钟ck1和ck2的控制下，实现了电压的增加或者减少。如果ck2为低电压，ck1为高电压，那么d2将导通，电荷从c1流向c2，在下一个相位，ck1为低ck2为高，d2反向截止，而由于c1的电压低，neg端电压高，d1将导通，给c1充电。如此往复，实现了升压功能，电流按照开关二极管的方向流动。如果sw1闭合，sw2断开，那么pos端将输出高压，如果sw1断开，而sw2闭合，那么neg端将输出高压。

4、但上述两种技术方案存在如下技术缺点：1.由于所有开关器件都是由ckp和ckn控制的，在输出电压较高的情况下，mos管无法正确开启，所以无法实现更高的输出电压。从而也无法支持级联输出更高的电压。在输出负压的情况下，也会导致开关器件无法正常关闭，所以输出负压的能力受限。

5、2.现有技术2中，由于二极管的单向导通性，虽然可以实现正压电荷泵chargepump和负压电荷泵charge pump两个输出电压可选，但是输出端口不是同一个，而是具有两个输出端口，分别是pos和neg，无法对同一个输出电压进行调控。同时，两个输出端口的方式也无法对charge pump通过级联的方式调控其输出电压的大小。只能通过时钟电压，控制输出电压的大小。由于二极管有一定的导通电压，导致其输出电压范围的选择比较少。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出了一种级联电荷泵正负输出电压可调电路及其控制方法，有利于实现正负电压可调输出，通过级联方式实现了输出电压多级大范围可调。

2、本发明具体方案为：一种级联电荷泵正负输出电压幅度可调的电路，包括电荷泵电路和时钟控制电路，

3、所述电荷泵电路包括：时钟信号源ckp与时钟信号源ckp_f之间通过电容c1耦合电连接，时钟信号源ckn与时钟信号源ckn_f之间通过电容c2耦合电连接；

4、所述时钟控制电路包括：所述时钟信号源ckp_f与开关管m6的栅极电连接，同时，所述时钟信号源ckp_f与开关管m5的漏极电连接；所述时钟信号源ckn_f与所述开关管m5的栅极电连接，同时，所述时钟信号源ckn_f与所述开关管m6的漏极电连接；所述开关管m5的源极与所述开关管m6的源极电连接于低压选择端vpw。

5、可选的，所述电荷泵电路还包括：所述时钟信号源ckp与开关管m0的栅极电连接，所述时钟信号源ckp_f与开关管m2的栅极电连接，所述开关管m0的漏极与所述开关管m2的源极通过电容c0耦合电连接。

6、可选的，所述电荷泵电路还包括：所述时钟信号源ckn与开关管m1的栅极电连接，所述时钟信号源ckn_f与开关管m3的栅极电连接，所述开关管m1的漏极与所述开关管m3的源极通过电容c0耦合电连接。

7、可选的，所述开关管m0的漏极与所述开关管m1的漏极作为第一级，所述开关管m2的源极与所述开关管m3的源极作为第二级，通过电容c0将第一级与第二级耦合电连接。

8、可选的，所述开关管m0的源极作为输入端vinp，所述开关管m1的源极作为输入端vinn；

9、所述开关管m2的漏极作为输出端voutp，所述开关管m3的漏极作为输出端voutn。

10、可选的，所述时钟控制电路中的低压选择端还连接输出选择电路，所述输出选择电路包括开关管m7和开关管m8，所述开关管m7的漏极与所述开关管m8的栅极电连接，所述开关管m7的漏极电连接于将输出端voutp，将voutp作为开关管m7的输入电压和开关管m8的控制电压。

11、可选的，所述开关管m8的漏极与所述开关管m7的栅极电连接，所述开关管m8的漏极电连接于将输出端voutn，将voutn作为开关管m8的输入电压和开关管m7的控制电压。

12、可选的，所述开关管m7的源极与所述开关管m8的源极电连接于低压选择端vpw。

13、可选的，将所述输出端voutp作为输出vo端，将所述输出端voutn作为参考端，将多个参考端与输出端进行级联形成级联电路。

14、基于同一发明构思，本发明还提供一种级联电荷泵正负输出电压幅度可调的电路控制方法，时钟信号源发出时钟信号控制开关管的栅极，使得开关管导通；其中，时钟信号源ckp与时钟信号源ckp_f为同频率不同直流电压的信号；

15、时钟信号源ckn与时钟信号源ckn_f为同频率不同直流电压的信号，时钟信号源ckp与时钟信号源ckn相位相差180度；

16、多个输入电压vinn和输入电压vinn通过电荷泵电路将电压放大得到输出电压vo。

17、本发明的有益效果：本发明通过两个交流耦合电容c1和c2，把时钟信号耦合到电荷泵charge pump输出端的开关栅极(m2和m3)控制端；通过m5和m6两个栅漏交叉连接的mosfet，给交流耦合后的时钟信号确定正确工作电压点；通过m7和m8两个栅漏交叉连接的mosfet，将vpw的电压设定为voutn和voutp中的最低点，确保开关能够正常工作。由此可见，上述技术方案能够实现正压与负压输出且正压与负压可调，通过级联的方式，实现了输出电压的大范围灵活可控，实现从最大正压输出和最大负压输出之间的全部电压范围覆盖，交流耦合后的时钟的低压都能被设定到vpw的电压值，因而m2、m3的开关能够正常工作，提升了开关管工作的稳定性。

18、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种级联电荷泵正负输出电压可调电路，其特征在于，包括电荷泵电路和时钟控制电路；

2.根据权利要求1所述的可调电路，其特征在于，所述电荷泵电路还包括：所述时钟信号源ckp与开关管m0的栅极电连接，所述时钟信号源ckp_f与开关管m2的栅极电连接，所述开关管m0的漏极与所述开关管m2的源极通过电容c0耦合电连接。

3.根据权利要求1所述的可调电路，其特征在于，所述电荷泵电路还包括：所述时钟信号源ckn与开关管m1的栅极电连接，所述时钟信号源ckn_f与开关管m3的栅极电连接，所述开关管m1的漏极与所述开关管m3的源极通过电容c0耦合电连接。

4.根据权利要求2或3所述的可调电路，其特征在于，所述开关管m0的漏极与所述开关管m1的漏极作为第一级，所述开关管m2的源极与所述开关管m3的源极作为第二级，通过电容c0将第一级与第二级耦合电连接。

5.根据权利要求4所述的可调电路，其特征在于，所述开关管m0的源极作为输入端vinp，所述开关管m1的源极作为输入端vinn；

6.根据权利要求5所述的可调电路，其特征在于，所述时钟控制电路中的低压选择端还连接输出选择电路，所述输出选择电路包括开关管m7和开关管m8，所述开关管m7的漏极与所述开关管m8的栅极电连接，所述开关管m7的漏极电连接于将输出端voutp，将voutp作为开关管m7的输入电压和开关管m8的控制电压。

7.根据权利要求6所述的可调电路，其特征在于，所述开关管m8的漏极与所述开关管m7的栅极电连接，所述开关管m8的漏极电连接于将输出端voutn，将voutn作为开关管m8的输入电压和开关管m7的控制电压。

8.根据权利要求7所述的可调电路，其特征在于，所述开关管m7的源极与所述开关管m8的源极电连接于低压选择端vpw。

9.根据权利要求5所述的可调电路，其特征在于，将所述输出端voutp作为输出vo端，将所述输出端voutn作为参考端，将多个参考端与输出端进行级联形成级联电路。

10.一种级联电荷泵正负输出电压可调电路控制方法，其特征在于，时钟信号源发出时钟信号控制开关管的栅极，使得开关管导通；其中，时钟信号源ckp与时钟信号源ckp_f为同频率不同直流电压的时钟信号；

技术总结
本发明通过两个交流耦合电容C1和C2，把时钟信号耦合到电荷泵charge pump输出端的开关栅极(M2和M3)控制端；通过M5和M6两个栅漏交叉连接的mosfet，给交流耦合后的时钟信号确定正确工作电压点；通过M7和M8两个栅漏交叉连接的mosfet，将VPW的电压设定为VOUTN和VOUTP中的最低点，确保开关能够正常工作。由此可见，上述技术方案能够实现正压与负压输出且正压与负压可调，通过级联的方式，实现了输出电压的大范围灵活可控，实现从最大正压输出和最大负压输出之间的全部电压范围覆盖，交流耦合后的时钟的低压都能被设定到VPW的电压值，因而M2、M3的开关能够正常工作，提升了开关管工作的稳定性。

技术研发人员：刘永平,阮沈勇,冯稀亮
受保护的技术使用者：深圳飞渡微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15