專利名稱：電荷泵電路的操作控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輸出電壓可變的電荷泵電路的操作控制方法，并且特別地涉及能夠輸
出具有在輸入電壓和輸入電壓的兩倍之間的范圍中的量值的電壓的電荷泵電路的操作控 制方法。
背景技術：
圖11是示出了現(xiàn)有電荷泵電路(例如，參見專利文檔1)的示例的電路圖。
圖11的電荷泵電路通過提供足夠數(shù)量的快速電容器(flying c印acitor) Cl-Cn(n是大于1的整數(shù))，能夠輸出具有升高到輸入電壓Vin的(1+1/n)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut。例如，如果n = 3，則電荷泵電路輸出具有通過三個快速電容器Cl-C3升 高到輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值的電壓作為輸出電壓V。ut。也就是說，取決于快速電
容器的數(shù)量，可以提供具有在輸入電壓Vin和輸入電壓Vin的兩倍之間的范圍中的量值的電 壓作為輸出電壓V。ut。 專利文檔1 :日本專利公開No. 3911188 然而，現(xiàn)有電荷泵電路留下了這樣的問題在提供n個快速電容器的情況下，對于 輸出電壓V。ut來說，僅可以獲得等于輸入電壓Vin的(l+l/n)倍的一個電壓量值。

發(fā)明內容
考慮到現(xiàn)有問題，本發(fā)明旨在提供電荷泵電路的操作控制方法，用于產生其量值 在輸入電壓Vin和輸入電壓Vin的兩倍的范圍中可變的輸出電壓V。ut。 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了輸出電壓可變的電荷泵電路的操作控制方法，其 用于將輸入到電荷泵電路的輸入端子的輸入電壓升壓到在輸入電壓和輸入電壓的兩倍之 間的范圍中的期望電壓量值，并從電荷泵電路的輸出端子輸出已升壓的電壓作為輸出電 壓。電荷泵電路包括多個快速電容器；一個或多個第一開關元件，其每個被配置為串聯(lián)連 接快速電容器中的兩個以形成包括快速電容器和一個或多個第一開關元件的串聯(lián)電路；第 二開關元件，被配置為將串聯(lián)電路的一端連接到輸入端子；第三開關元件，被配置為將串聯(lián) 電路的另一端連接到地；多個第四開關元件，其每個對應于快速電容器中不同的一個，并被 配置為將對應的快速電容器的低電壓端連接到輸入端子；和多個第五開關元件，其每個對 應于快速電容器中不同的一個，并被配置為將對應的快速電容器的高電壓端連接到輸出端 子。該操作控制方法包括步驟(a)在用于對一個或多個快速電容器充電的充電時段期間， 通過根據(jù)期望的電壓量值選擇性地閉合一個或多個第一開關元件，閉合第三開關元件，和 選擇性地閉合第四開關元件之一或第二開關元件，來以輸入電壓對串聯(lián)連接的一個或多個 快速電容器充電；和(b)在用于將在一個或多個快速電容器中累積的電荷放電的放電時段 期間，通過以下列方式將一個或多個已充電快速電容器的所選的一個或多個低電壓端連接 到輸入端子，并將一個或多個已充電快速電容器的所選的一個或多個高電壓端連接到輸出 端子，而從輸出端子輸出具有期望的電壓幅度的輸出電壓斷開已經在充電時段期間閉合的第三開關元件，并且斷開在充電時段期間閉合的第四開關元件之一或第二開關元件；控 制一個或多個第一開關元件的閉合/斷開狀態(tài)；和閉合一個或多個第四開關元件和一個或 多個第五開關元件。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電荷泵電路的示例； 圖2A到圖2C示出了在產生具有等于輸入電壓Vin的量值的電壓并輸出產生的電 壓作為輸出電壓V。ut的情況下每一個開關元件的0N/0FF模式； 圖3A到圖3C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例； 圖4A到圖4C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/2)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例； 圖5A到圖5C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+2/3)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例； 圖6A到圖6C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的2倍的量值的電壓作為輸 出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例； 圖7A到圖7C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的2倍的量值的電壓作為輸 出電壓V。ut的開關元件的開關操作的另一示例； 圖8A到圖8C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的另一示例； 圖9A到圖9C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/2)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的另一示例； 圖IOA到圖10C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的2倍的量值的電壓作為 輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的另一示例；以及
圖11是示出了現(xiàn)有電荷泵電路的示例的電路圖。
具體實施例方式
接著參照圖中所圖示的實施例詳細描述本發(fā)明。
第一實施例 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電荷泵的示例。 圖1的電荷泵電路1輸出具有在輸入到其輸入端子IN的輸入電壓Vin和輸入電壓 Vin的兩倍的范圍中的期望量值的電壓作為來自其輸出端子OUT的輸出電壓V。ut。從直流電 源IO(如，電池或恒壓電路)輸入輸入電壓Vin。 電荷泵電路1包括n個快速電容器Cl-Cn(n是大于1的整數(shù))，其每一個具有相 同的電容；輸出電容器Co，被配置為穩(wěn)定輸出電壓V。ut ;第一開關元件SI (1到n-1);第二開 關元件S2;第三開關元件S3;第四開關元件S4(l到n);第五開關元件S5 (1到n);以及控 制電路2，被配置為執(zhí)行第一開關元件SI (1到n-1)、第二開關元件S2、第三開關元件S3、第 四開關元件S4(l到n)和第五開關元件S5(l到n)的開關控制。 注意，第一開關元件Sl(l到n-l)中的每一個均單獨地是第一開關元件。第二開
5關元件S2和第三開關元件S3分別是第二開關元件和第三開關元件。第四開關元件S4(l 到n)中的每一個均單獨地是第四開關元件。第五開關元件S5(l到n)中的每一個均單獨 地是第五開關元件。 在輸入端子IN與地之間，第二開關元件S2、串聯(lián)電路和第三開關元件S3彼此串聯(lián) 連接。在串聯(lián)電路中，交替地排列快速電容器Cl-Cn和第一開關元件Sl(l到n-l)并且其 彼此連接。也就是說，在由快速電容器Cl-Cn和第一開關元件Sl(l到n-l)形成的串聯(lián)電 路中，快速電容器Cl-Cn經由對應的第一開關元件Sl(l到n-l)彼此串聯(lián)連接。第四開關 元件S4(1到n)中的每一個連接在輸入端子IN與快速電容器Cl-Cn中的對應一個的低電 壓端之間。第五開關元件S5(1到n)中的每一個連接在輸出端子OUT與快速電容器Cl-Cn 中的對應一個的高電壓端之間。注意，在圖1中未示出控制電路2與第一開關元件S1(1到 n-l)、第二開關元件S2、第三開關元件S3、第四開關元件S4(1到n)和第五開關元件S5 (1 到n)的控制電極之間的連接。 接著通過采用提供三個快速電容器(S卩，n = 3)的情況作為示例，具體描述具有 這種結構的圖1的電荷泵電路1的操作。在這種情況下，電荷泵電路1能夠輸出具有以下
五個量值之一的電壓作為輸出電壓V。ut :等于輸入電壓Vin ;等于輸入電壓Vin的(1 + 1/3)倍； 等于輸入電壓Vin的(1 + 1/ 二 2)倍；等于輸入電壓Vin的(1+2/3)倍；和等于輸入電壓Vin
的2倍。根據(jù)輸出電壓V。ut的所選量值，控制電路2控制第一開關元件Sl (1和2)、第二開 關元件S2、第三開關元件S3、第四開關元件S4(1到3)和第五開關元件S5(1到3)的閉合 和斷開。 圖2A到圖2C示出了在產生具有等于輸入電壓Vin的量值的電壓并輸出產生的電 壓作為輸出電壓V。ut的情況下，每一個開關元件的0N/0FF模式。 在圖2A中，閉合第二開關元件S2和第五開關元件S5 (1)且因此導通，同時斷開其 余開關元件且因此阻塞。從而，輸入端子IN和輸出端子0UT通過第二開關元件S2和第五 開關元件S5 (1)連接，由此輸出電壓V。ut的量值變?yōu)榈扔谳斎腚妷篤in的量值。
在圖2B中，閉合第一開關元件Sl (2)、第三開關元件S3、第四開關元件S4(2)和第 五開關元件S5(3)且因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。相應地，輸入端子IN 和輸出端子0UT通過第一開關元件S1(2)、第四開關元件S4(2)和第五開關元件S5(3)連 接，由此輸出電壓V。ut的量值變?yōu)榈扔谳斎腚妷篤in的量值。另外，快速電容器C3通過第三 開關元件S3和第五開關元件S5(3)與輸出電容器Co并聯(lián)連接。結果，連接到輸出端子OUT 的電容增大，反過來引起了輸出電壓V。ut的穩(wěn)定性的提高。 在圖2C中，斷開第四開關元件S4(3)且因此阻塞，同時閉合其余全部開關元件且 因此導通。在輸入端子IN與輸出端子OUT之間存在三組彼此串聯(lián)連接的開關元件第二開 關元件S2和第五開關元件S5 (1);第四開關元件S4 (1)、第一開關元件Sl (1)和第五開關元 件S5(2);以及第四開關元件S4(2)、第一開關元件S1(2)和第五開關元件S5(3)。閉合所 有這些組的開關元件且因此導通。也就是說，在該條件下，閉合在輸入端子IN與輸出端子 OUT之間彼此串聯(lián)連接的所有開關元件且因此導通。相應地，可以最小化輸入端子IN與輸 出端子0UT之間的阻抗。 此外，如圖2B的情況下那樣，快速電容器C3與輸出電容器Co并聯(lián)連接。相應地， 連接到輸出端子0UT的電容增大，這引起了輸出電壓V。ut的穩(wěn)定性的提高。注意，引起輸入端子IN與輸出端子OUT之間的短路的開關元件的ON/OFF模式不限于圖2A到圖2C中所示 的方式?？梢蚤]合開關元件的任意組合，或者更進一步，可以閉合開關元件的多種任意組 合，只要這些開關元件在輸入端子IN與輸出端子OUT之間彼此串聯(lián)連接即可。與輸出電容 器Co并聯(lián)連接的快速電容器不限于快速電容器C3。包括快速電容器C3的快速電容器彼此 串聯(lián)連接的串聯(lián)電路可以與輸出電容器Co并聯(lián)連接。 圖3A到圖3C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例。 圖3A示出了以輸入電壓Vin來對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/ 0FF模式。圖3C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電 到輸出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的ON/OFF模式。圖3B示出了用以從 充電狀態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的ON/OFF模 式。電荷泵電路1重復圖3A —圖3B —圖3C —圖3B —圖3A的操作順序。
首先，描述圖3A的充電狀態(tài)。 如圖3A所示，由于閉合兩個第一開關元件Sl(l和2)且因此導通，所以所有快速 電容器Cl-C3彼此串聯(lián)連接。另外，由于閉合第二開關元件S2和第三開關元件S3且因此 導通，所以將輸入電壓Vin施加到快速電容器Cl-C3的串聯(lián)電路。結果，以等于輸入電壓Vin 的1/3的電壓對快速電容器C1-C3中的每一個充電。 然后，電荷泵電路1轉換到圖3B中所圖示的狀態(tài)。在圖3B中，斷開第二開關元件 S2和第三開關元件S3且因此阻塞，并且還斷開兩個第一開關元件Sl (1和2)且因此阻塞。 因此，快速電容器Cl-C3的充電停止。接著，電荷泵電路1轉換到圖3C中所圖示的狀態(tài)。在 圖3C中，閉合所有第四開關元件S4(1到3)和所有第五開關元件S5(1到3)且因此導通。 也就是說，所有快速電容器Cl-C3彼此并聯(lián)連接，并且快速電容器Cl-C3的低電壓端分別連 接到輸入端子IN，同時它們的高電壓端分別連接到輸出端子0UT。相應地，將在快速電容器 Cl-C3中累積的電荷經由輸出電容器Co放電到連接到輸出端子OUT的負載(未示出)。
接著，電荷泵電路1再次轉換到圖3B的狀態(tài)。在圖3B中，由于斷開所有第四開關 元件S4(1到3)和所有第五開關元件S5(1到3)且因此阻塞，所以通過輸出電容器Co從快 速電容器Cl-C3到負載的放電停止。然后，當電荷泵電路1轉換到圖3A的狀態(tài)時，再次對 快速電容器C1-C3充電，如上所述。在操作順序中，當電荷泵電路1轉換到圖3C的狀態(tài)時， 每一個快速電容器Cl-C3的高電壓端的電壓具有等于輸入電壓Vin和快速電容器Cl-C3的 充電電壓(Vin/3)之和的量值。因此，通過重復以上操作順序，電荷泵電路1的輸出電壓V。ut 具有升高到輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值。 圖4A到圖4C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/2)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例。 圖4A示出了以輸入電壓Vin來對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/ OFF模式。圖4C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電 到輸出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的0N/0FF模式。圖4B示出了用以從 充電狀態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的0N/0FF模 式。電荷泵電路1重復圖4A —圖4B —圖4C —圖4B —圖4A的操作順序。
首先，描述圖4A的充電狀態(tài)。
在圖4A中，閉合第一開關元件SI (1和2)、第三開關元件S3和第四開關元件S4 (1) 且因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件下，快速電容器C2和C3彼此 串聯(lián)連接，并且將輸入電壓Vin施加到該串聯(lián)電路。結果，以等于輸入電壓Vin的一半的電壓 對快速電容器C2和C3中的每一個充電。 然后，電荷泵電路1轉換到圖4B中所圖示的狀態(tài)。在圖4B中，斷開第三開關元件 S3和第四開關元件S4(1)且因此阻塞，并且還斷開兩個第一開關元件S1(1和2)且因此阻 塞。因此，快速電容器C2和C3的充電停止。 接著，電荷泵電路1轉換到圖4C中所圖示的狀態(tài)。在圖4C中，閉合第四開關元件 S4(2和3)和第五開關元件S5(2和3)且因此導通。即，快速電容器C2和C3彼此并聯(lián)連 接，并且快速電容器C2和C3的低電壓端分別連接到輸入端子IN，同時它們的高電壓端分別 連接到輸出端子0UT。相應地，將在快速電容器C2和C3中累積的電荷通過輸出電容器Co 放電到負載。 接著，電荷泵電路1再次轉換到圖4B的狀態(tài)。在圖4B中，由于斷開第四開關元件 S4(2和3)和第五開關元件S5(2和3)且因此阻塞，所以通過輸出電容器Co從快速電容器 C2和C3到負載的放電停止。然后，當電荷泵電路1轉換到圖4A的狀態(tài)時，再次充電快速電 容器C2和C3，如上所述。因此，通過重復以上操作順序，電荷泵電路l的輸出電壓V。ut具有 升高到輸入電壓Vin的(1+1/2)倍的量值。 圖5A到圖5C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+2/3)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例。 圖5A示出了以輸入電壓Vin對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/0FF 模式。圖5C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電到輸 出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的0N/0FF模式。圖5B示出了用以從充電狀 態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的0N/0FF模式。電 荷泵電路1重復圖5A —圖5B —圖5C —圖5B —圖5A的操作順序。
首先，描述圖5A的充電狀態(tài)。 在圖5A中，閉合第一開關元件Sl (1和2)、第二開關元件S2和第三開關元件S3且 因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件下，將輸入電壓Vin施加到快速 電容器C1-C3的串聯(lián)電路。結果，以等于輸入電壓Vin的三分之一的電壓對快速電容器C2 和C3中的每一個充電。 然后，電荷泵電路1轉換到圖5B中所圖示的狀態(tài)。在圖5B中，斷開第一開關元件 Sl (1)、第二開關元件S2和第三開關元件S3且因此阻塞。因此，快速電容器Cl-C3的充電 停止。 接著，電荷泵電路1轉換到圖5C中所圖示的狀態(tài)。在圖5C中，閉合第四開關元件 S4(3)和第五開關元件S5(2)且因此導通。在這種條件下，形成串聯(lián)電路的快速電容器C2 和C3的低電壓端連接到輸入端子IN，同時它們的高電壓端連接到輸出端子0UT。相應地， 將在快速電容器C2和C3中累積的電荷通過輸出電容器Co放電到負載。
接著，電荷泵電路1再次轉換到圖5B的狀態(tài)。在圖5B中，由于斷開第四開關元件 S4(3)和第五開關元件S5(2)且因此阻塞，所以通過輸出電容器Co從串聯(lián)連接的快速電容 器C2和C3到負載的放電停止。然后，當電荷泵電路1轉換到圖5A的狀態(tài)時，再次對快速
8電容器C2和C3充電，如上所述?？缭酱?lián)連接的快速電容器C2和C3兩端的電壓具有等 于輸入電壓Vin的三分之二的量值。因此，通過重復以上操作順序，電荷泵電路l的輸出電 壓V。ut具有提高到輸入電壓Vin的(1+2/3)倍的量值。 圖6A到圖6C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的2倍的量值的電壓作為輸 出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例。 圖6A示出了以輸入電壓Vin對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/0FF 模式。圖6C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電到輸 出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的0N/0FF模式。圖6B示出了用以從充電狀 態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的0N/0FF模式。電 荷泵電路1重復圖6A —圖6B —圖6C —圖6B —圖6A的操作順序。 在圖6A中，閉合第一開關元件Sl (2)、第三開關元件S3和第四開關元件S4(2)且
因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件下，由于僅以輸入電壓Vin對快
速電容器C3充電，所以以等于輸入電壓Vin的電壓對快速電容器C3充電。 然后，電荷泵電路1轉換到圖6B中所圖示的狀態(tài)。在圖6B中，斷開第一開關元件
S1(2)、第三開關元件S3和第四開關元件S4(2)且因此阻塞。這里，快速電容器C3的充電停止。 接著，電荷泵電路1轉換到圖6C中所圖示的狀態(tài)。在圖6C中，閉合第四開關元件 S4(3)和第五開關元件S5(3)且因此導通。在這種條件下，快速電容器C3的低電壓端連接 到輸入端子IN，同時它的高電壓端連接到輸出端子OUT。相應地，將在快速電容器C3中累 積的電荷通過輸出電容器Co放電到負載。 接著，電荷泵電路1再次轉換到圖6B的狀態(tài)。在圖6B中，由于斷開第四開關元件 S4(3)和第五開關元件S5(3)且因此阻塞，所以通過輸出電容器Co從快速電容器C3到負載 的放電停止。 然后，當電荷泵電路1轉換到圖6A的狀態(tài)時，再次對快速電容器C3充電，如上所 述。快速電容器C3的電壓具有等于輸入電壓Vin的量值。因此，通過重復以上操作順序，電 荷泵電路1的輸出電壓V。ut具有升高到輸入電壓Vin的2倍的量值。 注意，在存在用以產生具有相同量值的輸出電壓V。ut的第一到第五開關元件 Sl-S5的0N/0FF模式的多種可能組合的情況下，通常采用在放電時段期間允許串聯(lián)連接的 快速電容器的數(shù)量最小且并聯(lián)連接的快速電容器的數(shù)量最大的組合。然而，取決于輸出條 件，可以基于不同的準則來選擇組合。 圖7A到圖7C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的2倍的量值的電壓作為輸 出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例。 圖7A示出了以輸入電壓Vin對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/0FF 模式。圖7C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器C l-C3的電荷放電到輸 出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的0N/0FF模式。圖7B示出了用以從充電狀 態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的0N/0FF模式。電 荷泵電路1重復圖7A —圖7B —圖7C —圖7B —圖7A的操作順序。 在圖7A中，閉合第一開關元件Sl (1和2)、第二開關元件S2和第三開關元件S3且 因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件下，快速電容器Cl-C3彼此串聯(lián)連接，且將輸入電壓Vin施加到該串聯(lián)電路。結果，以等于輸入電壓Vin的電壓對串聯(lián)連接的 快速電容器C1-C3充電。 然后，電荷泵電路1轉換到圖7B中所圖示的狀態(tài)。在圖7B中，斷開第二開關元件 S2和第三開關元件S3且因此阻塞，由此串聯(lián)連接的快速電容器Cl-C3的充電停止。
接著，電荷泵電路1轉換到圖7C中所圖示的狀態(tài)。在圖7C中，閉合第四開關元 件S4(3)和第五開關元件S5(1)且因此導通。在這種條件下，快速電容器C1-C3的低電壓 端連接到輸入端子IN，同時它們的高電壓端連接到輸出端子OUT。相應地，將在快速電容器 Cl-C3中累積的電荷通過輸出電容器Co放電到負載。 接著，電荷泵電路1再次轉換到圖7B的狀態(tài)。在圖7B中，由于斷開第四開關元件 S4(3)和第五開關元件S5(1)且因此阻塞，所以通過輸出電容器Co從串聯(lián)連接的快速電容 器Cl-C3到負載的放電停止。 然后，當電荷泵電路1轉換到圖7A的狀態(tài)時，再次對串聯(lián)連接的快速電容器C1-C3 充電，如上所述?？缭娇焖匐娙萜鰿l-C3兩端的電壓具有等于輸入電壓Vin的量值。因此， 通過重復以上操作順序，電荷泵電路1的輸出電壓V。ut具有升高到輸入電壓Vin的2倍的量 值。 然而，在圖7A到圖7C的情況下，三個快速電容器彼此串聯(lián)連接，由此串聯(lián)電路的 電容是圖6A到圖6C的情況的電容的三分之一。結果，與圖6A到圖6C的情況相比，在一個 周期中通過輸出電容器Co放電到負載的電荷更小。因此，除非存在要求滿足的特殊輸出條 件，否則輸入電壓Vin應該以圖6A到圖6C中所圖示的方式升壓。 盡管未提供圖示，但是也可以通過將輸入電壓Vin施加到快速電容器C2和C3彼 此串聯(lián)連接的串聯(lián)電路而以上述方式獲得具有等于輸入電壓Vin的兩倍的量值的輸出電壓 V。ut。然而，在這種情況下，串聯(lián)電路的電容是圖6A到圖6C的情況的電容的一半。因此，如 在以上情況中那樣，除非存在要求滿足的特殊輸出條件，否則輸入電壓Vin應該以圖6A到圖 6C中所圖示的方式升壓。 圖8A到圖8C示出了用以輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值的電壓 作為輸出電壓V。ut的開關元件的開關操作的示例。 圖8A示出了以輸入電壓Vin對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/0FF 模式。圖8C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電到輸 出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的0N/0FF模式。圖8B示出了用以從充電狀 態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的0N/0FF模式。電 荷泵電路1重復圖8A —圖8B —圖8C —圖8B —圖8A的操作順序。 在圖8A中，閉合第一開關元件Sl (1和2)、第二開關元件S2和第三開關元件S3且 因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件下，所有快速電容器C1-C3彼此 串聯(lián)連接，且將輸入電壓Vin施加到該串聯(lián)電路。結果，以等于輸入電壓Vin的三分之一的電 壓對快速電容器C1-C3中的每一個充電。 然后，電荷泵電路1轉換到圖8B中所圖示的狀態(tài)。在圖8B中，斷開第一開關元 件Sl (2)、第二開關元件S2和第三開關元件S3且因此阻塞。這里，串聯(lián)連接的快速電容器 Cl-C3的充電停止。 接著，電荷泵電路1轉換到圖8C中所圖示的狀態(tài)。在圖8C中，閉合第四開關元件
10S4(3)和第五開關元件S5(3)且因此導通。在這種條件下，快速電容器C3的低電壓端連接 到輸入端子IN，同時它的高電壓端連接到輸出端子OUT。相應地，將在快速電容器C3中累 積的電荷通過輸出電容器Co放電到負載。 接著，電荷泵電路1再次轉換到圖8B的狀態(tài)。在圖8B中，由于斷開第四開關元件 S4(3)和第五開關元件S5(3)且因此阻塞，所以通過輸出電容器Co從快速電容器C3到負載 的放電停止。 然后，當電荷泵電路1轉換到圖8A的狀態(tài)時，再次充電串聯(lián)連接的快速電容器 Cl-C3，如上所述?？焖匐娙萜鰿3的電壓具有等于輸入電壓Vin的三分之一的量值。因此， 通過重復以上操作順序，電荷泵電路1的輸出電壓V。ut具有升高到輸入電壓Vin的(1+1/3) 倍的量值。 與圖3A到圖3C的情況(其中，三個快速電容器彼此并聯(lián)連接)相比，在圖8A到 圖8C的情況下僅一個快速電容器用于放電。結果，快速電容器的電容是圖3A到圖3C的情 況的電容的三分之一。結果，與圖3A到圖3C的情況相比，在一個周期中通過輸出電容器Co 放電到負載的電荷更少。因此，除非存在要求滿足的特殊輸出條件，否則輸入電壓Vin應該 以圖3A到圖3C中所圖示的方式升壓。 盡管未提供圖示，但是通過將圖8的快速電容器C2和C3彼此并聯(lián)連接，也可以獲 得具有等于輸入電壓Vin的(1+1/3)倍的量值的輸出電壓V。ut。然而，同樣在這種情況下，與 圖3A到圖3C的情況相比，快速電容器C2和C3的電容更小。因此，除非存在要求滿足的特 殊輸出條件，否則輸入電壓Vin應該以圖3A到圖3C中所圖示的方式升壓。
注意，在存在用以產生具有相同量值的輸出電壓V。ut的第一到第五開關元件 S1-S5的0N/0FF模式的多種可能組合的情況下，除非存在要求滿足的特殊輸出條件，否則 采用在放電時段期間允許串聯(lián)連接的快速電容器的數(shù)量最小且并聯(lián)連接的快速電容器的 數(shù)量最大的組合。圖9A到圖9C以及圖10A到圖10C示出了當采用這種組合時開關元件的 開關操作的其他示例。圖9A到圖9C圖示了輸出具有等于輸入電壓Vin的(1+1/2)倍的量 值的電壓作為輸出電壓V。ut的情況，而圖10A到圖10C圖示了輸出具有等于輸入電壓L的 2倍的量值的電壓作為輸出電壓V。ut的情況。 圖9A示出了以輸入電壓Vin對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/0FF 模式。圖9C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電到輸 出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的0N/0FF模式。圖9B示出了用以從充電狀 態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的0N/0FF模式。電 荷泵電路1重復圖9A —圖9B —圖9C —圖9B —圖9A的操作順序。 在圖9A中，閉合第一開關元件Sl (1和2)、第三開關元件S3、第四開關元件S4(1) 和第五開關元件S5(1)且因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件下，以 輸入電壓Vin對彼此串聯(lián)連接的快速電容器C2和C3充電，由此以等于輸入電壓Vin的一半 的電壓對其每一個充電。此外，快速電容器C1串聯(lián)連接到輸入電壓，并且該串聯(lián)電路與輸 出電容器Co并聯(lián)連接。 然后，電荷泵電路1轉換到圖9B中所圖示的狀態(tài)。在圖9B中，斷開第一開關元件 Sl(l和2)和第三開關元件S3且因此阻塞。這里，快速電容器C2和C3的充電停止。然而， 由于保持閉合第四開關元件S4(1)和第五開關元件S5(1)，所以由快速電容器C1和輸入電
11壓Vin形成的串聯(lián)電路保持與輸出電容器Co并聯(lián)連接。 接著，電荷泵電路1轉換到圖9C中所圖示的狀態(tài)。在圖9C中，閉合所有第四開關 元件S4(1到3)和所有第五開關元件S5(1到3)且因此導通。快速電容器C2和C3彼此并 聯(lián)連接，并且快速電容器C2和C3的低電壓端分別連接到輸入端子IN，同時它們的高電壓 端分別連接到輸出端子OUT。相應地，通過由輸出電容器Co、快速電容器Cl和輸入電壓Vin 形成的串聯(lián)電路將在快速電容器C2和C3中累積的電荷放電到負載。 接著，電荷泵電路1再次轉換到圖9B的狀態(tài)。在圖9B中，由于斷開第四開關元件 S4(2和3)和第五開關元件S5(2和3)且因此阻塞，所以通過串聯(lián)電路從快速電容器C2和 C3到負載的放電停止。 然后，當電荷泵電路1轉換到圖9A的狀態(tài)時，再次對快速電容器C2和C3充電，如 上所述。通過重復以上操作順序，電荷泵電路1的輸出電壓V。ut具有提高到輸入電壓Vin的 (1+1/2)倍的量值。 圖9A到圖9C的情況與圖4A到圖4C的情況的不同之處在于在圖4A到圖4C的 情況下，未用于產生輸出電壓V。ut的快速電容器Cl與輸出電容器Co并聯(lián)連接。根據(jù)圖9A 到圖9C，輸出電容增大，由此可以提高輸出電壓V。ut的穩(wěn)定性。 圖10A示出了以輸入電壓Vin對快速電容器Cl-C3充電的每一個開關元件的0N/ 0FF模式。圖10C示出了在以輸入電壓Vin充電之后，用以將快速電容器Cl-C3的電荷放電 到輸出端子OUT和輸出電容器Co的每一個開關元件的ON/OFF模式。圖IOB示出了用以從 充電狀態(tài)轉換到放電狀態(tài)以及從放電狀態(tài)轉換到充電狀態(tài)的每一個開關元件的ON/OFF模 式。電荷泵電路1重復圖10A —圖10B —圖10C —圖10B —圖10A的操作順序。
在圖10A中，閉合第一開關元件Sl (2)、第三開關元件S3、第四開關元件S4 (1和2) 和第五開關元件S5(1和2)且因此導通，同時斷開其余開關元件且因此阻塞。在這種條件 下，由于僅向快速電容器C3施加輸入電壓Vin，所以以等于輸入電壓Vin的電壓對快速電容 器C3充電。此外，彼此并聯(lián)連接的快速電容器C1和C2串聯(lián)連接到輸入電壓Vin，并且該串 聯(lián)電路與輸出電容器Co并聯(lián)連接。 然后，電荷泵電路l轉換到圖IOB中所圖示的狀態(tài)。在圖IOB中，斷開第一開關元 件S1(2)和第三開關元件S3且因此阻塞。因此，快速電容器C3的充電停止。然而，由于保 持閉合第四開關元件S4(1和2)和第五開關元件S5(1和2)，所以由并聯(lián)連接的快速電容器 Cl和C2以及輸入電壓Vin形成的串聯(lián)電路保持與輸出電容器Co并聯(lián)連接。
接著，電荷泵電路1轉換到圖10C中所圖示的狀態(tài)。在圖10C中，閉合所有第四開 關元件S4(1到3)和所有第五開關元件S5(1到3)且因此導通。在這種條件下，快速電容 器C3的低電壓端連接到輸入端子IN，同時它的高電壓端連接到輸出端子0UT。相應地，通 過連接到輸出電容器Co的串聯(lián)電路將在快速電容器C3中累積的電荷放電到負載。
接著，電荷泵電路1再次轉換到圖10B的狀態(tài)。在圖10B中，由于斷開第四開關元 件S4(3)和第五開關元件S5(3)且因此阻塞，所以通過連接到輸出電容器Co的串聯(lián)電路從 快速電容器C3到負載的放電停止。 然后，當電荷泵電路1轉換到圖10A的狀態(tài)時，再次充電快速電容器C3，如上所述。 通過重復以上操作順序，電荷泵電路1的輸出電壓V。ut具有升高到輸入電壓Vin的2倍的量 值。
圖10A到圖10C的情況與圖6A到圖6C的情況的不同之處在于在圖6A到圖6C 的情況下，未用于產生輸出電壓V。ut的快速電容器CI和C2與輸出電容器Co并聯(lián)連接。根 據(jù)圖10A到圖IOC，輸出電容增大，由此可以提高輸出電壓V。ut的穩(wěn)定性。
在圖9A到圖9C以及圖10A到圖IOC的情況下，輸出電容以如下方式增大。關于 在充電期間未以輸入電壓Vin充電的一個或多個快速電容器，連接在輸入端子IN與一個或 多個快速電容器的一個或多個低電壓端之間的一個或多個第四開關元件以及連接在一個 或多個快速電容器的一個或多個高電壓端與輸出端子OUT之間的一個或多個第五開關元 件不變地保持閉合。在這種條件下對應的第四和第五開關元件與輸入電壓Vin串聯(lián)連接，并 且該串聯(lián)電路與輸出電容器Co并聯(lián)連接。這里，可以進一步提高輸出電壓V。ut的穩(wěn)定性。
因此，通過使用與現(xiàn)有電路相同的電路，第一實施例的電荷泵電路控制根據(jù)要輸 出的輸出電壓V。ut的量值而選擇的第一到第五開關元件的閉合和斷開，由此能夠在輸入電 壓Vin和輸入電壓Vin的兩倍之間的范圍內多樣地改變輸出電壓V。ut的量值。
注意，以上給出了提供三個快速電容器的情況的描述；然而，通過增大快速電容 器的數(shù)量可以獲得輸出電壓V。ut的更多不同的量值。在快速電容器的數(shù)量為n的情況 下，要獲得的輸出電壓V。ut的量值是輸入電壓Vin與如下乘數(shù)的乘積(1+1/n) 、 (1+2/n)、
(l+3/n)、 ......、 {l+(n-l)/n}、 (1+n/n) 、 {l+l/(n_l)}、 {l+2/(n_l)}、 {l+3/(n_l)}、......、
{l+(n-l)/(n-l)} 、 ......、 (1+1/3)、 (1+2/3)、 (1+3/3)、 (1+1/2)、 (1+2/2)、 (1+1/1)和1。 另外，以上給出了將正電壓輸入到輸入端子IN的情況的描述；然而，可以將負電 壓輸入到輸入端子IN。在這種情況下，開關元件的開關操作與上述相同，并且因此省略其說 明。 該申請基于2007年11月5日向日本專利局提交的日本專利申請 No. 2007-287039，將其全部內容通過引用的方式合并在此。
權利要求
一種輸出電壓可變的電荷泵電路的操作控制方法，其用于將輸入到其輸入端子的輸入電壓升壓到在輸入電壓和輸入電壓的兩倍之間的范圍中的期望電壓量值，并從其輸出端子輸出已升壓的電壓作為輸出電壓，所述電荷泵電路包括多個快速電容器；一個或多個第一開關元件，其每個被配置為串聯(lián)連接快速電容器中的兩個以形成包括快速電容器和一個或多個第一開關元件的串聯(lián)電路；第二開關元件，被配置為將串聯(lián)電路的一端連接到輸入端子；第三開關元件，被配置為將串聯(lián)電路的另一端連接到地；多個第四開關元件，其每個對應于快速電容器中不同的一個，并被配置為將對應的快速電容器的低電壓端連接到輸入端子；和多個第五開關元件，其每個對應于快速電容器中不同的一個，并被配置為將對應的快速電容器的高電壓端連接到輸出端子，所述操作控制方法包括如下步驟(a)在用于對一個或多個快速電容器充電的充電時段期間，通過根據(jù)期望的電壓量值選擇性地閉合一個或多個第一開關元件，閉合第三開關元件，并選擇性地閉合第四開關元件之一或第二開關元件，來以輸入電壓對串聯(lián)連接的一個或多個快速電容器充電；和(b)在用于將在一個或多個快速電容器中累積的電荷放電的放電時段期間，通過以下列方式將一個或多個已充電快速電容器的所選的一個或多個低電壓端連接到輸入端子，并將一個或多個已充電快速電容器的所選的一個或多個高電壓端連接到輸出端子，來從輸出端子輸出具有期望的電壓量值的輸出電壓斷開已經在充電時段期間閉合的第三開關元件，并斷開已經在充電時段期間閉合的第四開關元件之一或第二開關元件；控制一個或多個第一開關元件的閉合/斷開狀態(tài)；和閉合一個或多個第四開關元件和一個或多個第五開關元件。
2. 如權利要求1所述的操作控制方法，其中，在充電時段和放電時段期間存在第一到 第五開關元件的閉合/斷開模式的多個可能組合以產生具有相同量值的輸出電壓的情況 下，選擇允許在放電時段期間最小化一個或多個已充電快速電容器的數(shù)目且最大化并聯(lián)連 接的已充電快速電容器的數(shù)目的組合。
3. 如權利要求1所述的操作控制方法，其中，對于在充電時段期間沒有以輸入電壓充 電的一個或多個快速電容器，連接在輸入端子與所述一個或多個未充電快速電容器的低電 壓端之間的一個或多個第四開關元件以及連接在輸出端子與所述一個或多個未充電快速 電容器的高電壓端之間的一個或多個第五開關元件恒定地保持閉合。
4. 如權利要求l所述的操作控制方法，其中，當作出從充電時段到放電時段的轉換時 提供用于停止充電的時段，且當作出從放電時段到充電時段的轉換時提供用于停止放電的 時段。
5. 如權利要求1所述的操作控制方法，其中，在串聯(lián)連接在輸入端子和輸出端子之間 的第一、第二、第四和第五開關元件的多種組合當中，全部或部分組合的開關元件被閉合以 直接連接在輸入端子和輸出端子之間。
6. 如權利要求1所述的操作控制方法，其中，所述第三開關元件被閉合以通過一個或多個快速電容器將輸出端子耦合到地c
全文摘要
公開了電荷泵電路的操作控制方法，其用于將輸入電壓升壓到在輸入電壓和輸入電壓的兩倍之間的范圍中的期望量值，并輸出已升壓的電壓。該方法包括步驟(a)在充電時段期間，通過根據(jù)期望的電壓量值選擇性地閉合一個或多個第一開關，閉合第三開關，并選擇性地閉合第四開關之一或第二開關，來以輸入電壓對串聯(lián)連接的一個或多個電容器充電；和(b)在放電時段期間，斷開已被閉合的第三開關和第二開關或第四開關；選擇性地閉合一個或多個第一開關；和閉合一個或多個第四和第五開關。
文檔編號H02M3/04GK101765963SQ20088010107
公開日2010年6月30日 申請日期2008年10月8日 優(yōu)先權日2007年11月5日
發(fā)明者志和屋陽一 申請人:株式會社理光