CN107546976A - 电荷泵电路及电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电荷泵电路及电荷泵，包括充放电模块、充电启动模块、充放电控制模块和泵电容。通过在泵电容的第一端输出电压，减少了一个输出端口的PAD。同时使输出链路上的不存在晶体管压降，避免了输出链路上的晶体管压降影响效率，以便于输出链路上开关管的大小，基于此减小电荷泵电路的体积。

Description

电荷泵电路及电荷泵

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种电荷泵电路及电荷泵。

背景技术

近年来，各种各样的便携式电子产品发展迅速。作为电子产品的一个重要组成部分，电源需具备效率高、静态电流小、体积小、成本低等规格要求。因此，电荷泵电路成为首选的电子产品电源。

二倍增电荷泵是电子产品中低压应用中电源升压的主要实现方式。传统的电荷泵电路，在连接电压输出端的放电链路上，连接外挂保护电路的端口需要制作成衬垫(PAD)，增加芯片面积。同时由于放电链路上的开关管存在压降，尤其是在驱动输出电压较大或输出功率较高的应用上，为了尽量减小开关管的压降，提高效率，需要相应增加开关管的面积，导致电荷泵电路的体积较大，增加成本。

发明内容

基于此，有必要针对传统的二倍增电荷泵电路存在体积较大的缺陷，提供一种电荷泵电路及电荷泵。

本发明所提供的技术方案如下：

一种电荷泵电路，包括充放电模块、充电启动模块、充放电控制模块和泵电容。

所述充放电模块分别连接所述充电启动模块、所述充放电控制模块、所述泵电容的第一端和所述泵电容的第二端。

所述充放电模块用于接入电源电压和第一时钟信号。

所述充电启动模块连接所述泵电容的第二端。

所述充电启动模块用于接入第一时钟信号和接地。

所述充放电控制模块分别连接所述泵电容的第二端。

所述充放电控制模块用于接入第二时钟信号和电源电压，并用于接地。

所述泵电容的第一端用于输出电压。

一种电荷泵，包括上述的电荷泵电路。

本发明所提供的电荷泵电路和电荷泵，通过在泵电容的第一端输出电压，减少了一个输出端口的PAD。同时在输出链路上的不存在晶体管压降，避免了输出链路上的晶体管压降影响效率，以便于减小放电链路上的开关管的大小,基于此减小电荷泵电路的体积。

附图说明

图1为电荷泵电路的功能模块图；

图2为CLK₁和CLK₂的非交叠时钟驱动信号时序图；

图3为电荷泵电路的原理电路图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

二倍增电荷泵是电子产品中低压应用中电源升压的主要实现方式。传统的电荷泵电路，在连接电压输出端的放电链路上，连接外挂保护电路的端口需要制作成衬垫(PAD)，增加芯片面积。同时由于放电链路上的开关管存在压降，尤其是在驱动输出电压较大或输出功率较高的应用上，为了尽量减小开关管的压降，提高效率，需要相应增加开关管的面积，导致电荷泵电路的体积较大，增加成本。

基于此，在一实施例中，如图1所示，为电荷泵电路的功能模块图，包括充放电模块10、充电启动模块11、充放电控制模块12和泵电容C_PUMP。

所述充放电模块10分别连接所述充电启动模块11、所述充放电控制模块12、所述泵电容C_PUMP的第一端CP和所述泵电容C_PUMP的第二端CN。

所述充放电模块10用于接入电源电压V_i(VDD)和第一时钟信号

充电启动模块11连接所述泵电容C_PUMP的第二端CN。

充电启动模块11用于接入第一时钟信号和接地。

充放电控制模块12分别连接所述泵电容C_PUMP的第二端CN。

充放电控制模块12用于接入第二时钟信号CLK₂和电源电压V_i(VDD)，并用于接地。

所述泵电容C_PUMP的第一端CP用于输出电压V_out(AVDDCP)。

其中，电荷泵电路在工作时需要接入第一时钟信号和第二时钟信号CLK₂，以驱动电荷泵电路工作。如图2所示，为CLK₁和CLK₂的非交叠时钟驱动信号时序图，其中时间段Φ₁为充电阶段，时间段Φ₂为放电阶段。其中，电源电压V_i(VDD)分别与所述第一时钟信号的高电平电压和第二时钟信号CLK₂的高电平电压相等。

可选地，还包括反相器，所述反相器用于将所述第一时钟信号的相位反转180度，将时钟信号CLK₁反转180度，得到第一时钟信号

基于上述的非交叠时钟驱动信号时序，在充电阶段Φ₁，第一时钟信号和第二时钟信号CLK₂均处于高电平(VDD)，充电启动模块11通过充电控制模块12控制充放电模块10为泵电容C_PUMP充电，将泵电容C_PUMP的第一端CP和第二端CN间的电压充电至VDD，其中泵电容C_PUMP的第一端CP的电压为VDD，泵电容C_PUMP的第二端CN接地。在放电阶段Φ₂，第一时钟信号和第二时钟信号CLK₂均处于低电平，充电启动模块11通过充电控制模块12控制充放电模块10为泵电容C_PUMP放电，将泵电容C_PUMP的第二端CN拉高至电源电压VDD，使泵电容C_PUMP的第一端CP的电压被推到两倍VDD，两倍VDD的电压输出即为电荷泵电路的输出电压V_out(AVDDCP)，基于此实现电荷泵电路的输出二倍增压。

其中，电荷泵电路还包括输出二极管D0，所述输出二极管D0的正极连接所述泵电容C_PUMP的第一端CP，负极用于输出电压V_out(AVDDCP)。通过连接在泵电容C_PUMP的第一端CP的输出二极管D0，起到保护电荷泵电路的作用。可选地，输出二极管为肖特基二极管。

其中，电荷泵电路还包括输出电容C_out，所述输出电容C_out一端连接所述输出二极管D0的负极，另一端接地。通过输出电容C_out，降低元件耦合到输出电压V_out(AVDDCP)的噪声，起到储蓄电荷、输出电荷和稳定输出电压的作用。

其中，如图3所示，为电荷泵电路的原理电路图，所述充放电模块10包括第一充放电晶体管M_P1、第二充放电晶体管和M_P2和第三充放电晶体管M_P3；所述第一充放电晶体管M_P1的栅极用于接入第一时钟信号漏极连接所述泵电容C_PUMP的第二端CN；所述第一充放电晶体管M_P1的源极和第二充放电晶体管M_P2的漏极用于接入电源电压V_i(VDD)，所述第二充放电晶体管M_P2的源极和所述第三充放电晶体管M_P3的源极连接所述泵电容C_PUMP的第一端CP，所述第二充放电晶体管M_P2的栅极连接所述第三充放电晶体管M_P3的漏极。

其中，如图3所示，所述充电启动模块11包括充电启动晶体管M_N1；所述充电启动晶体管M_N1的栅极用于接入第一时钟信号漏极连接所述泵电容C_PUMP的第二端CN，源极用于接地。

其中，如图3所示，充放电控制模块12包括第一控制晶体管M_N2a、或门电路OR2和第二控制晶体管M_N2b；所述或门电路OR2的第一输入端连接所述泵电容C_PUMP的第二端CN，第二输入端用于接入第二时钟信号CLK₂；所述第一控制晶体管M_N2a的栅极用于接入第二时钟信号CLK₂，源极用于接地，漏极连接所述第二控制晶体管M_N2b的源极，所述第二控制晶体管M_N2b的栅极用于接入电源电压V_i(VDD)；所述或门电路OR2的输出端连接所述第三充放电晶体管M_P3的栅极；所述第二控制晶体管M_N2b的漏极连接所述第三充放电晶体管M_P3的漏极。

以下结合图2的非交叠时钟驱动信号时序和图3的电荷泵电路的原理电路解释本实施例提供的电荷泵电路的工作原理。

在充电阶段Φ₁，当CLK₂的时序电压从0到VDD，第一控制晶体管M_N2a导通，或门电路OR2输出高电平，第二控制晶体管M_N2b导通。此时电荷泵电路中d2节点电压被拉低至地，使得第二充放电晶体管M_P2导通，电源电压输入端V_i(VDD)对泵电容C_PUMP进行充电，泵电容C_PUMP的第二端CN被拉低至地，泵电容C_PUMP的第一端CP电压为VDD。在过渡阶段ΔΦ，第一时钟信号和第二时钟信号CLK₂均处于低电平，第一控制晶体管M_N2a和第二控制晶体管M_N2b关闭。在放电阶段Φ₂，泵电容C_PUMP的第二端CN的电压为VDD，或门电路OR2的输出变为VDD而泵电容C_PUMP的第一端CP则为两倍VDD。基于此，第三充放电晶体管M_P3的氧化层两端电压为VDD，第三充放电晶体管M_P3工作在安全状态。

同时，第一控制晶体管M_N2a和第二控制晶体管M_N2b可以承受两倍VDD电压，所以对于电荷泵电路中任意一个晶体管，氧化层和漏/源端间的电压均限制在VDD以内，使电荷泵电路中不存在氧化层过压，防止产生电路可靠性的问题。

本实施例所提供的电荷泵电路，通过在泵电容C_PUMP的第一端CP输出电压，减少了一个输出端口的PAD。同时在输出链路上的不存在晶体管压降，避免了输出链路上的晶体管压降影响效率，以便于减小第三放电晶体管，即第三充放电晶体管M_P3的大小，基于此减小电荷泵电路的体积。

在一实施例中，提供一种电荷泵，电荷泵包括上述任一实施例的电荷泵电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括充放电模块、充电启动模块、充放电控制模块和泵电容；

所述充放电模块分别连接所述充电启动模块、所述充放电控制模块、所述泵电容的第一端和所述泵电容的第二端；

所述充放电模块用于接入电源电压和第一时钟信号；

所述充电启动模块连接所述泵电容的第二端；

所述充电启动模块用于接入第一时钟信号和接地；

所述充放电控制模块分别连接所述泵电容的第二端；

所述充放电控制模块用于接入第二时钟信号和电源电压，并用于接地；

所述泵电容的第一端用于输出电压。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括输出二极管，所述输出二极管的正极连接所述泵电容的第一端，负极用于输出电压。

3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述输出二极管为肖特基二极管。

4.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括输出电容，所述输出电容一端连接所述输出二极管的负极，另一端用于接地。

5.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述充放电模块包括第一充放电晶体管、第二充放电晶体管和第三充放电晶体管；

所述第一充放电晶体管的栅极用于接入第一时钟信号，漏极连接所述泵电容的第二端；

所述第一充放电晶体管的源极和第二充放电晶体管的漏极用于接入电源电压；

所述第二充放电晶体管的源极和所述第三充放电晶体管的源极连接所述泵电容的第一端；

所述第二充放电晶体管的栅极连接所述第三充放电晶体管的漏极。

6.根据权利要求5所述的电荷泵电路，其特征在于，所述充电启动模块包括充电启动晶体管；

所述充电启动晶体管的栅极用于接入第一时钟信号，漏极连接所述泵电容的第二端，源极用于接地。

7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于，所述充放电控制模块包括第一控制晶体管、或门电路和第二控制晶体管；

所述或门电路的第一输入端连接所述泵电容的第二端，第二输入端用于接入第二时钟信号；

所述第一控制晶体管的栅极用于接入第二时钟信号，源极用于接地，漏极连接所述第二控制晶体管的源极，所述第二控制晶体管的栅极用于接入电源电压；

所述或门电路的输出端连接所述第三充放电晶体管的栅极；

所述第二控制晶体管的漏极连接所述第三充放电晶体管的漏极。

8.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括反相器，所述反相器用于将所述第一时钟信号的相位反转180度。

9.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电源电压分别与所述第一时钟信号的高电平电压和第二时钟信号的高电平电压相等。

10.一种电荷泵，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的电荷泵电路。