專利名稱：一種電容式電荷泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源電路，具體是一種升壓的電容式電荷泵電路。
背景技術(shù)：
作為一種電源轉(zhuǎn)換裝置，電荷泵具有廣泛應(yīng)用，其中電容式電荷泵采用電容器來(lái) 貯存能量，工作于較高的頻率，常使用小型陶瓷電容作為儲(chǔ)能元件；這種類型的電荷泵使空 間占用小，使用成本低，且由于不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。電容式電荷泵的種 種優(yōu)點(diǎn)使其十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品，尤其是需要鋰電池供電的以白光LED照明的電子 設(shè)備，這類設(shè)備由于白光LED工作電壓的特點(diǎn)，鋰電池直接供電時(shí)會(huì)因?yàn)殡姵仉妷旱陀贚ED 工作電壓而無(wú)法再放電，這就需要在有限的設(shè)備空間中設(shè)置相應(yīng)的升壓電路，將鋰電池的 電壓加以提升，使其能夠在適合白光LED的工作電壓的條件下充分放電，升壓的電容式電 荷泵就是合乎此要求的一種裝置。目前常用的電容式升壓電荷泵，按照其電壓放大倍數(shù)，常見(jiàn)的有2倍、1. 5倍、1. 33 倍，其電路結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一固定數(shù)量的飛電容個(gè)數(shù)，其最少飛電容數(shù)量對(duì)應(yīng)就是1，2和3個(gè)，若 要達(dá)到1.2倍升壓，則需要多達(dá)5個(gè)飛電容。電容器占用的的體積在便攜產(chǎn)品中往往極易 受到限制，片面地提高飛電容個(gè)數(shù)，雖然可以示輸出電壓達(dá)到要求，但其龐大的體積，導(dǎo)致 毫無(wú)實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)1. 2倍升壓電荷泵飛電容數(shù)量過(guò)多的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種電容式 電荷泵電路，其技術(shù)方案如下一種電容式電荷泵，包括由飛電容和開(kāi)關(guān)組成的升壓回路，該升壓回路具有電源 端，輸出端和接地，所述的升壓回路包括第一、第二和第三飛電容；所述輸出端與地之間并 聯(lián)一濾波電容。在所述升壓回路電源端接入輸入電壓后，所述的飛電容和開(kāi)關(guān)以一包括四個(gè)步驟 的切換程序周期循環(huán)工作，從輸出端得到1. 2倍輸入電壓的輸出電壓。作為本技術(shù)方案的優(yōu)選者，可以作如下改進(jìn)所述飛電容各自均具有一正端和一負(fù)端；所述切換程序包括以下四個(gè)步驟第一步驟所述第一、第二和第三飛電容正負(fù)端同向順次串聯(lián)，第一電容的正端接 電源端，第三電容的負(fù)端接入地；第二步驟第一電容負(fù)端接電源端，正端接輸出端；第三步驟第一電容正端接電源端，負(fù)端接第二電容負(fù)端；第二電容正端接輸出 端；第四步驟第一電容負(fù)端接電源端，正端接第二電容正端；第二電容負(fù)端接第三 電容負(fù)端；第三電容正端接輸出端；
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其中每?jī)蓚€(gè)步驟之間開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)無(wú)重疊。一較佳實(shí)施例中，所述第一、第二和第三飛電容均各自與兩個(gè)開(kāi)關(guān)構(gòu)成相同結(jié)構(gòu) 的第一、第二和第三泵級(jí)回路，每個(gè)泵級(jí)回路均具有第一、第二和第三端，其中第一泵級(jí)回路由第一開(kāi)關(guān)與第一電容串聯(lián)后整體與第五開(kāi)關(guān)并聯(lián)而成；第一開(kāi) 關(guān)與第五開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第一端；第一開(kāi)關(guān)與第一電容的連接點(diǎn)成為第二端；第一電容 與第五開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第三端；第二泵級(jí)回路由第二開(kāi)關(guān)與第二電容串聯(lián)后整體與第七開(kāi)關(guān)并聯(lián)而成；第二開(kāi) 關(guān)與第七開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第一端第二開(kāi)關(guān)與第二電容的連接點(diǎn)成為第二端；第二電容 與第七開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第三端；第三泵級(jí)回路由第三開(kāi)關(guān)與第三電容串聯(lián)后整體與第十開(kāi)關(guān)并聯(lián)構(gòu)成；第三開(kāi) 關(guān)與第十開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第一端；第三開(kāi)關(guān)與第三電容的連接點(diǎn)成為第二端；第三電容 與第十開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第三端以上第一、第二與第三泵級(jí)回路順次以第一端和第三端同向串聯(lián)；第一泵級(jí)回路 的第一端接輸入端；第三泵級(jí)回路的第三端通過(guò)第四開(kāi)關(guān)接地；另外，第一泵級(jí)回路的第二端同時(shí)接第九開(kāi)關(guān)與第六開(kāi)關(guān)的一端；第九開(kāi)關(guān)的另 一端與第二泵級(jí)回路的第二端和第八開(kāi)關(guān)的一端連接；第六開(kāi)關(guān)的另一端與第八開(kāi)關(guān)的另 一端連接后接所述輸出端；第三泵級(jí)回路的第二端通過(guò)第十一開(kāi)關(guān)連接輸出端。一較佳實(shí)施例，其中的所述第一步驟中，第一、第二、第三和第四開(kāi)關(guān)連動(dòng)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉；所述第二步驟中，第五和第六開(kāi)關(guān)連動(dòng)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉；所述第三步驟中，第一、第七和第八開(kāi)關(guān)連動(dòng)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉；所述第四步驟中，第五、第九、第十和第十一開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。一較佳實(shí)施例中所述開(kāi)關(guān)均為包括MOS管的電子開(kāi)關(guān)。—較佳實(shí)施例中所述電子開(kāi)關(guān)由一帶有延遲功能的周期發(fā)生電路驅(qū)動(dòng)；該周期發(fā) 生電路由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。一較佳實(shí)施例中所述第六開(kāi)關(guān)為四個(gè)源極與漏極并聯(lián)的相同MOS管構(gòu)成，且該四 個(gè)MOS管柵極在所述周期發(fā)生電路之前均連接于一啟動(dòng)電路，該啟動(dòng)電路可在電路啟動(dòng)時(shí) 將四個(gè)MOS管逐個(gè)全部導(dǎo)通。一較佳實(shí)施例中所述周期發(fā)生器與所述升壓回路之間還具有一驅(qū)動(dòng)電路。一較佳實(shí)施例中所述升壓回路除飛電容以外的其他部分均在同一芯片上制成。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明帶來(lái)的有益效果是1.升壓電路簡(jiǎn)單，用3個(gè)飛電容就實(shí)現(xiàn)了 1. 2倍升壓，電容器數(shù)量少；2.同等條件下電荷泵效率較高；對(duì)于2倍和1. 5倍的電荷泵，假設(shè)其輸入電壓為 Va,輸出電壓為 Vb，則其效率分別為 Vb/ (Va*2) = 0. 5Vb/Va,和 Vb/ (Va*l. 5) ^ 0. 67Vb/Va, 但本發(fā)明1. 2倍電荷泵可以在此條件下達(dá)到Vb/(Va*l. 2) 0. 83Vb/Va。3.作為第六開(kāi)關(guān)的MOS管用4管并聯(lián)，且接入一啟動(dòng)電路將該4個(gè)MOS管逐個(gè)導(dǎo) 通，使升壓回路的MOS管工作電流逐步加大，從而升壓回路具有軟啟動(dòng)的功能。
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一原理圖；圖2是實(shí)施例一第一步驟等效原理圖；圖3是實(shí)施例一第二步驟等效原理圖；圖4是實(shí)施例一第三步驟等效原理圖；圖5是實(shí)施例一第四步驟等效原理圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例二電路圖；圖7是實(shí)施例二所在的片上系統(tǒng)總概覽圖；圖8是圖7中柵極電平時(shí)序圖；圖9是實(shí)施例二在圖7系統(tǒng)中仿真圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一原理圖。圖中有三個(gè)泵級(jí)回路1至3，每個(gè)泵級(jí)回路包 括一個(gè)飛電容和兩個(gè)開(kāi)關(guān)；泵級(jí)回路1具有電容Cl和開(kāi)關(guān)S1、S5 ；泵級(jí)回路2具有電容C2 和開(kāi)關(guān)S2、S7，泵級(jí)回路3具有電容C3和開(kāi)關(guān)S3、SlO0另有一開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，由S9、S6、S8和 Sll構(gòu)成，與此三個(gè)串聯(lián)的泵級(jí)回路一并構(gòu)成升壓電路。另有一 C4并聯(lián)在輸出端Vout和地 之間濾波。為了方便說(shuō)明，電容Cl至C3按照其初始充放電極性，標(biāo)注了正負(fù)端。飛電容的實(shí)現(xiàn)就是依靠各開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟關(guān)閉，在一定周期內(nèi)使電容構(gòu)成不同的充放 電網(wǎng)絡(luò)，以不同狀態(tài)進(jìn)行能量的貯存和轉(zhuǎn)移從而得到需求的工作電壓。圖1所示的原理圖， 在Vdd端接通直流工作電壓后，依照開(kāi)關(guān)Sl至Sll不同的開(kāi)啟/關(guān)閉組合，達(dá)成4個(gè)等時(shí) 長(zhǎng)的不同步驟，從而形成一個(gè)周期，再無(wú)限循環(huán)此周期，即可從Vout得到持續(xù)的直流電。如圖2，第一步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開(kāi)關(guān)Si，S2，S3，S4保持閉合， 其余保持?jǐn)嚅_(kāi)，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據(jù)基爾霍夫定律得到如下關(guān)系式 (Vcl表示電容Cl兩端電壓，Vout開(kāi)路，下同及類推)Vdd = Vcl+Vc2+Vc3.......................................(1)如圖3，第二步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開(kāi)關(guān)S5，S6保持閉合，其余保持 斷開(kāi)，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據(jù)基爾霍夫定律得到如下關(guān)系式Vout = Vdd+Vcl..........................................(2)如圖4，第三步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開(kāi)關(guān)Si，S7，S8保持閉合，其余 保持?jǐn)嚅_(kāi)，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據(jù)基爾霍夫定律得到如下關(guān)系式Vout = Vdd-Vc 1+Vc2....................................(3)如圖5，第四步驟等效原理圖；此步驟中，圖1中的開(kāi)關(guān)S5，S9，S10, Sll保持閉合， 其余保持?jǐn)嚅_(kāi)，則得到如此等效回路，從此等效回路可根據(jù)基爾霍夫定律得到如下關(guān)系式Vout = Vdd+Vcl-Vc2+Vc3..............................(4)作為飛電容的應(yīng)用，所有開(kāi)關(guān)都工作在比較高的頻率(通常典型在IMHz左右)，故 所有電容器兩端在穩(wěn)定周期中不會(huì)發(fā)生任何跳變，而是保持一致，所以可以從以上等式中 的相同變量進(jìn)行替代將各電壓關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化
從⑵式和(3)式得到Vc2 = 2Vcl ；然后再根據(jù)⑷式得到Vc3 = 2Vc2 ；再把 Vc2 = 2Vcl 和 Vc3 = 2Vcl，代入(1)式得到 Vdd = 5Vcl，所以 Vcl = 0. 2Vdd，最后把 Vcl =0. 2Vdd代入⑵式，最終得到Vout = 1. 2Vdd如此，通過(guò)這樣結(jié)構(gòu)的飛電容和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)4個(gè)步驟的無(wú)限循環(huán)，即可建立該 輸出端Vout是輸入端Vdd對(duì)地電壓1. 2倍的關(guān)系。需要注明的是，這4個(gè)步驟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換不 能有任何狀態(tài)重疊，即在上一步驟中所有開(kāi)關(guān)從同時(shí)閉合(或斷開(kāi))全部轉(zhuǎn)換為斷開(kāi)(或 閉合)狀態(tài)之前，其他開(kāi)關(guān)不會(huì)有任何動(dòng)作。該電荷泵效率，假設(shè)輸入電壓Va，輸出電壓Vb， 則可達(dá)到 Vb/(Va*l. 2) ^ 0. 83Vb/Va。實(shí)施例二 在實(shí)際應(yīng)用里，開(kāi)關(guān)工作在較高的頻率，通常是采用具有開(kāi)關(guān)功能的控制器件現(xiàn)， 在片上系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)MOS管就可以勝任這樣的開(kāi)關(guān)功能。如圖6所示的實(shí)施例二電路圖，該 實(shí)施例集成于芯片上，實(shí)現(xiàn)了小體積化，所有的MOS管都是增強(qiáng)型?；旧?，所有的MOS管的源極和漏極直接替代原圖1中開(kāi)關(guān)的位置，不同的是MOS 管M6，是由4個(gè)相同參數(shù)的MOS管M61，62，63，64源極漏極并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)由圖6所示片上電路的功能，還必須有一系列的外設(shè)。如圖7所示， 圖中的升壓電路框就是圖6中的內(nèi)容，其余是電荷泵電路常用的外部設(shè)施，有周期發(fā)生器， 驅(qū)動(dòng)電路和襯底選擇電路。其中周期發(fā)生器由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，從CLK端輸入，然后從Pl 至Pll端輸出特定的時(shí)序信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制升壓電路中MOS管的柵極，完成電荷泵的 周期工作。值得注意的是，周期發(fā)生電路與驅(qū)動(dòng)電路之間具有一個(gè)A部分，該A部分是一個(gè) 啟動(dòng)電路，其作用是在整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，在周期發(fā)生電路P6端導(dǎo)通信號(hào)有效下，逐步導(dǎo)通 圖6中的M61至M63，使輸出電流逐級(jí)增大，起到軟啟動(dòng)的功能，保護(hù)所有電路所在芯片的安 全可靠。圖中的襯底選擇電路的目的是在Vdd和Vout之間選擇一個(gè)較高的電壓提供給回 路中所有PMOS管襯底。因?yàn)殡娐穭倖?dòng)時(shí)，Vout會(huì)遠(yuǎn)小于Vdd，為實(shí)現(xiàn)PMOS管的導(dǎo)通，就 選擇Vdd提供給襯底；若Vout某一時(shí)刻大于Vdd，則電路將Vout提供給襯底；該襯底選擇 電路從buck端輸出至升壓電路所有PMOS管的襯底。圖8就是圖7系統(tǒng)的柵極電平時(shí)序圖。Pl至Pll分別對(duì)應(yīng)了圖6和圖7中MOS 管柵極的Pl至P11。從圖中可知，所有的上升沿、下降沿均沒(méi)有重疊狀態(tài)。其中Wiasel至 Phase4 一一對(duì)應(yīng)以上4個(gè)不同的步驟，該4個(gè)步驟構(gòu)成一個(gè)完整的周期。在圖6的時(shí)序圖 中，一個(gè)Wiase持續(xù)大約500ns，因此一個(gè)周期2μ s ；而波形彼此上升、下降沿之間的延遲約 IOns0圖9實(shí)施例在圖7系統(tǒng)中仿真圖，從圖中可知，3個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)Vdd分別是3V，4V和 5V，對(duì)應(yīng) Vout 為 3. 6V,4. 8V 和 6V，即實(shí)現(xiàn)了 Vout = 1. 2Vdd。以上所述，僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依 本發(fā)明專利范圍及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電容式電荷泵，包括由飛電容和開(kāi)關(guān)組成的升壓回路，該升壓回路具有電源端， 輸出端和接地，其特征在于所述的升壓回路包括第一、第二和第三飛電容；所述輸出端與地之間并聯(lián)一濾波電容；在所述升壓回路電源端接入輸入電壓后，所述的飛電容和開(kāi)關(guān)以一包括四個(gè)步驟的切 換程序周期循環(huán)工作，從輸出端得到1.2倍輸入電壓的輸出電壓。
2.如權(quán)利要求1所述一種電容式電荷泵，其特征在于 所述飛電容各自均具有一正端和一負(fù)端；所述切換程序包括以下四個(gè)步驟第一步驟所述第一、第二和第三飛電容正負(fù)端同向順次串聯(lián)，第一電容的正端接電源 端，第三電容的負(fù)端接入地；第二步驟第一電容負(fù)端接電源端，正端接輸出端；第三步驟第一電容正端接電源端，負(fù)端接第二電容負(fù)端；第二電容正端接輸出端； 第四步驟第一電容負(fù)端接電源端，正端接第二電容正端；第二電容負(fù)端接第三電容 負(fù)端；第三電容正端接輸出端；其中每?jī)蓚€(gè)步驟之間開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)無(wú)重疊。
3.如權(quán)利要求1所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述第一、第二和第三飛電容均 各自與兩個(gè)開(kāi)關(guān)構(gòu)成相同結(jié)構(gòu)的第一、第二和第三泵級(jí)回路，每個(gè)泵級(jí)回路均具有第一、第 二和第三端，其中第一泵級(jí)回路由第一開(kāi)關(guān)與第一電容串聯(lián)后整體與第五開(kāi)關(guān)并聯(lián)而成；第一開(kāi)關(guān)與 第五開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第一端；第一開(kāi)關(guān)與第一電容的連接點(diǎn)成為第二端；第一電容與第 五開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第三端；第二泵級(jí)回路由第二開(kāi)關(guān)與第二電容串聯(lián)后整體與第七開(kāi)關(guān)并聯(lián)而成；第二開(kāi)關(guān)與 第七開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第一端第二開(kāi)關(guān)與第二電容的連接點(diǎn)成為第二端；第二電容與第 七開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第三端；第三泵級(jí)回路由第三開(kāi)關(guān)與第三電容串聯(lián)后整體與第十開(kāi)關(guān)并聯(lián)構(gòu)成；第三開(kāi)關(guān)與 第十開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第一端；第三開(kāi)關(guān)與第三電容的連接點(diǎn)成為第二端；第三電容與第 十開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)成為第三端以上第一、第二與第三泵級(jí)回路順次以第一端和第三端同向串聯(lián)；第一泵級(jí)回路的第 一端接輸入端；第三泵級(jí)回路的第三端通過(guò)第四開(kāi)關(guān)接地；另外，第一泵級(jí)回路的第二端同時(shí)接第九開(kāi)關(guān)與第六開(kāi)關(guān)的一端；第九開(kāi)關(guān)的另一端 與第二泵級(jí)回路的第二端和第八開(kāi)關(guān)的一端連接；第六開(kāi)關(guān)的另一端與第八開(kāi)關(guān)的另一端 連接后接所述輸出端；第三泵級(jí)回路的第二端通過(guò)第十一開(kāi)關(guān)連接輸出端。
4.如權(quán)利要求3所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述第一步驟中，第一、第二、第三和第四開(kāi)關(guān)連動(dòng)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉； 所述第二步驟中，第五和第六開(kāi)關(guān)連動(dòng)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉； 所述第三步驟中，第一、第七和第八開(kāi)關(guān)連動(dòng)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉； 所述第四步驟中，第五、第九、第十和第十一開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。
5.如權(quán)利要求4所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述開(kāi)關(guān)均為包括MOS管的電子開(kāi)關(guān)。
6.如權(quán)利要求5所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述電子開(kāi)關(guān)由一帶有延遲功 能的周期發(fā)生電路驅(qū)動(dòng)；該周期發(fā)生電路由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述第六開(kāi)關(guān)為四個(gè)源極與漏 極并聯(lián)的相同MOS管構(gòu)成，且該四個(gè)MOS管柵極在所述周期發(fā)生電路之前均連接于一啟動(dòng) 電路，該啟動(dòng)電路可在電路啟動(dòng)時(shí)將四個(gè)MOS管逐個(gè)乃至全部導(dǎo)通。
8.如權(quán)利要求5所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述周期發(fā)生器與所述升壓回 路之間還具有一驅(qū)動(dòng)電路。
9.如權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述一種電容式電荷泵，其特征在于所述升壓回路除 飛電容以外的其他部分均在同一芯片上制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容式電荷泵，包括由飛電容和開(kāi)關(guān)組成的升壓回路，該升壓回路具有電源端，輸出端和接地，其特征在于所述的升壓回路包括第一、第二和第三飛電容和一切換程序；在所述升壓回路電源端接入輸入電壓后，所述的飛電容和開(kāi)關(guān)以一包括四個(gè)步驟的切換程序周期循環(huán)工作，從輸出端得到1.2倍輸入電壓的輸出電壓。這種1.2倍升壓的電容式電荷泵，其升壓回路電路簡(jiǎn)單，僅需要3個(gè)飛電容，同時(shí)在應(yīng)用于LED背光驅(qū)動(dòng)時(shí)，其效率比較高。
文檔編號(hào)H02M3/07GK102082507SQ201010614539
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者熊守芬 申請(qǐng)人:廈門聯(lián)創(chuàng)微電子股份有限公司