專利名稱：多輸出電荷泵及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多輸出電荷泵及操作該多輸出電荷泵的方法。
背景技術(shù)：
有三種方法通常用來實(shí)現(xiàn)DC到DC轉(zhuǎn)換器-將電池或DC電壓源轉(zhuǎn)換到一不同的DC電壓的電子電路。這些方法包括線性調(diào)控(linear regulation)、感性開關(guān)調(diào)控器(inductive switching regulator)或者所謂的“開關(guān)模式電源”、以及開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器(switched capacitor converter)(也稱為電荷泵(charge pump))。在這些方法之中，電荷泵由于它的簡(jiǎn)單、劃算并且相對(duì)低噪聲的操作而很有價(jià)值。在某些情況下，電荷泵可以以很高的轉(zhuǎn)換效率操作，但不能在基于開關(guān)電感器的轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)的寬范圍條件下操作。電荷泵的操作原理是簡(jiǎn)明易懂的:包括按交替順序操作的充電階段和電荷轉(zhuǎn)移階段。如

圖1A所示，現(xiàn)有技術(shù)的電荷泵倍壓器型電路I包括四個(gè)M0SFET、一不永久附接到任何具體供應(yīng)電壓的飛馳電容器(flying capacitor)、以及一接地的輸出濾波電容器。在充電階段中，連接電池的M0SFET3和接地的M0SFET2被接通并且允許傳導(dǎo)電流并對(duì)電容器5充電，從而將該電容器與電池或輸入到電路的電壓并聯(lián)連接。M0SFET1和4在操作的充電階段期間保持關(guān)斷。該充電電流在示意圖1中由虛線和箭頭指示。在某段時(shí)間之后，電容器5充電到與電池電壓Vbatt相等的電壓，并且充電電流減退。在電荷轉(zhuǎn)移階段期間，電容器5與電池串聯(lián)連接，具體而言，其負(fù)端子短接到電池的正端子，這是通過接通M0SFET1而實(shí)現(xiàn)的。堆疊在電池輸入上的電容器5的串聯(lián)組合的電壓具有Vbatt+Vbatt=2Vbatt的電壓，或者說電池電壓的兩倍，因此該電荷泵被賦予名稱“倍壓器”(doubler)。該串聯(lián)電路通過接通M0SFET4而同時(shí)連接到輸出電容器6。電容器5隨后將其電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容器6，直到Vtjut — 2Vbatt，如實(shí)線和箭頭所示。在輸出電容器6的初始充電之后，電荷泵的操作變得高效，因?yàn)槲ㄒ涣鲃?dòng)的電流是對(duì)在輸出電容器6上損耗的、提供給負(fù)載的電荷進(jìn)行補(bǔ)充所需的電流。只要期望的輸出電壓是電池電壓的兩倍，即2Vbatt，倍壓器電荷泵I的效率就很高，甚至達(dá)到98%。實(shí)際輸出電壓Vwt與電荷泵的理想輸出VCP=n.Vin之間的任何偏差都將導(dǎo)致由以下關(guān)系式給出的效率的損耗:
權(quán)利要求
1.一種多輸出電荷泵,包括: 第一和第二飛馳電容器； 第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)； 耦接到所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和地的第一輸出電容器； 耦接到所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和地的第二輸出電容器；以及 切換電路，配置為在第一操作模式期間對(duì)所述第一和第二飛馳電容器充電，在第二操作模式期間將第一組第一和第二飛馳電容器耦接到第一參考電壓和所述第一輸出節(jié)點(diǎn)，以將所述第一輸出電容器充電到第一充電電壓，以及在第三操作模式期間將第二組第一和第二飛馳電容器耦接到第二參考電壓和所述第二輸出節(jié)點(diǎn)，以將所述第二輸出電容器充電到具有不同于所述第一充電電壓的大小的第二充電電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的多輸出電荷泵，還包括控制電路，配置為驅(qū)動(dòng)所述切換電路以重復(fù)的序列選擇第一、第二和第三操作模式。
3.如權(quán)利要求2所述的多輸出電荷泵，其中所述重復(fù)的序列遵循第一模式、第二模式、第一模式、第三模式的樣式。
4.如權(quán)利要求2所述的多輸出電荷泵，其中所述重復(fù)的序列遵循第一模式、第二模式、第三模式的樣式。
5.如權(quán)利要求1所述的多輸出電荷泵，其中所述第一組包含并聯(lián)的第一和第二飛馳電容器。
6.如權(quán)利要求5所述的多輸出電荷泵，其中所述第一參考電壓近似等于輸入電壓。`
7.如權(quán)利要求6所述的多輸出電荷泵，其中所述第一充電電壓近似等于輸入電壓的1.5 倍。
8.如權(quán)利要求5所述的多輸出電荷泵，其中所述第二組包含并聯(lián)的第一和第二飛馳電容器。
9.如權(quán)利要求8所述的多輸出電荷泵，其中所述第二參考電壓近似為地。
10.如權(quán)利要求9所述的多輸出電荷泵，其中所述第二充電電壓近似為輸入電壓的一半。
11.如權(quán)利要求5所述的多輸出電荷泵，其中所述第二組包含串聯(lián)的第一和第二飛馳電容器。
12.如權(quán)利要求11所述的多輸出電荷泵，其中所述第一參考電壓近似為地。
13.如權(quán)利要求12所述的多輸出電荷泵，其中所述第一充電電壓近似為輸入電壓的一半。
14.如權(quán)利要求11所述的多輸出電荷泵，其中所述第二參考電壓近似為地。
15.如權(quán)利要求14所述的多輸出電荷泵，其中所述第二充電電壓近似為輸入電壓。
16.如權(quán)利要求1所述的多輸出電荷泵，其中所述第一組包含串聯(lián)的第一和第二飛馳電容器，并且所述第二組包含串聯(lián)的第一和第二飛馳電容器。
17.如權(quán)利要求16所述的多輸出電荷泵，其中所述第一參考電壓近似為地。
18.如權(quán)利要求17所述的多輸出電荷泵，其中所述第一充電電壓近似為輸入電壓。
19.如權(quán)利要求16所述的多輸出電荷泵，其中所述第二參考電壓近似為地。
20.如權(quán)利要求19所述的多輸出電荷泵，其中所述第二充電電壓近似為輸入電壓的兩倍或更多倍。
21.—種操作多輸出電荷泵的方法，所述多輸出電荷泵包含第一飛馳電容器、第二飛馳電容器、第一輸出節(jié)點(diǎn)、第二輸出節(jié)點(diǎn)、耦接到所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和地的第一輸出電容器、耦接到所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和地的第二輸出電容器，所述方法包括: 在第一操作模式期間，將第一和第二飛馳電容器串聯(lián)耦接在輸入電壓和地之間，以對(duì)所述第一和第二飛馳電容器充電； 在第二操作模式期間，將第一組第一和第二飛馳電容器耦接到第一參考電壓和所述第一輸出節(jié)點(diǎn)，以將所述第一輸出電容器充電到第一充電電壓，以及 在第三操作模式期間，將第二組第一和第二飛馳電容器耦接到第二參考電壓和所述第二輸出節(jié)點(diǎn)，以將所述第二輸出電容器充電到具有不同于所述第一充電電壓的大小的第二充電 電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多輸出電荷泵及其操作方法。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多輸出電荷泵包括第一和第二飛馳電容器；第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)；耦接到所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和地的第一輸出電容器；耦接到所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和地的第二輸出電容器；以及切換電路，配置為在第一操作模式期間對(duì)所述第一和第二飛馳電容器充電，在第二操作模式期間將第一組第一和第二飛馳電容器耦接到第一參考電壓和所述第一輸出節(jié)點(diǎn)，以將所述第一輸出電容器充電到第一充電電壓，以及在第三操作模式期間將第二組第一和第二飛馳電容器耦接到第二參考電壓和所述第二輸出節(jié)點(diǎn)，以將所述第二輸出電容器充電到具有不同于所述第一充電電壓的大小的第二充電電壓。
文檔編號(hào)H02M3/07GK103107694SQ20131001258
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者理查德.K.威廉姆斯 申請(qǐng)人:先進(jìn)模擬科技公司