專利名稱：電荷泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電荷泵、用于電荷泵的集成電路、包括這種電荷泵的可移動(dòng)器件以及包括這種電荷泵的USB主器件。
US-A-5808506公開了一種用在非易失性存儲(chǔ)器中的MOS電荷泵。電流受控振蕩器產(chǎn)生用于電荷泵電壓倍增器的時(shí)鐘。振蕩器周期與輸入電壓成比例。如果輸入電壓減小，則振蕩器周期也減小，并因此振蕩器頻率增加。如果輸入電壓減小，則泵送給電荷泵的輸出端的電荷減少。振蕩器頻率的相應(yīng)增加補(bǔ)償了電荷的減少。所必須的是，在最小輸入電壓的最壞情況條件下，電荷泵的開路電壓在打算調(diào)整的輸出電壓之上，并且振蕩器頻率的增加足以保持電荷泵輸出電流足夠高，以便維持在負(fù)載狀態(tài)下調(diào)整的輸出電壓。
已知電荷泵的缺陷在于由電荷泵輸送的最大電流在高輸入電壓下可能相對(duì)較大。
本發(fā)明的目的是提供一種電荷泵，其最大輸出電流與輸入電壓變化的依賴關(guān)系較小。
本發(fā)明的第一方案提供一種如權(quán)利要求1所述的電荷泵。本發(fā)明的第二方案提供一種如權(quán)利要求6所述的集成電路。本發(fā)明的第三方案提供一種如權(quán)利要求7所述的可移動(dòng)器件。本發(fā)明的第四方案提供一種如權(quán)利要求8所述的USB主器件。在從屬權(quán)利要求中限定了有利的實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明第一方案的電荷泵包括單電壓倍增級(jí)。該單電壓倍增級(jí)在時(shí)鐘信號(hào)的控制下將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓。產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器接收輸入電壓，以控制時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期使其基本上與輸入電壓的平方成比例。因而，單電壓倍增級(jí)的最大輸出電流基本上與輸入電壓無(wú)關(guān)。能輸送具有與輸入控制信號(hào)的平方成比例的重復(fù)周期的時(shí)鐘信號(hào)的這種振蕩器可以根據(jù)很多已知實(shí)施手段中的任何一種手段來(lái)構(gòu)造。相反，在US-A-5808506中公開的電荷泵中，時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期與輸入電壓成比例，以獲得調(diào)整的輸出電壓。
下面將解釋如果振蕩器頻率與輸入電壓的平方成反比，則電荷泵的輸出電流基本上與輸入電壓無(wú)關(guān)。這種電荷泵本身及其操作是公知的。簡(jiǎn)而言之，在時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)重復(fù)周期期間，首先，電容器被充電到輸入電壓。然后，將被充電的電容器在電荷泵的輸入和輸出之間切換，從而使得輸出電壓是輸入電壓與被充電電容器兩端的電壓之和。輸出電壓大于輸入電壓，因?yàn)檩斎腚妷汉碗娙萜鲀啥说碾妷壕哂邢嗤臉O性。儲(chǔ)存在充電的電容器中的能量等于EC＝0.5*CP*VDD2其中EC是儲(chǔ)存在電容器CP中的能量，而VDD是輸入電壓。
在電荷泵的輸出端所需的能量是EO＝Vo*Io*Tclk其中EO是在電荷泵的輸出端所需的能量，Vo是電荷泵的輸出電壓，Io是電荷泵的輸出電流，而Tclk是振蕩器向電荷泵輸送的時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期。
當(dāng)輸入電荷EC和輸出電荷EO平衡時(shí)Tclk＝(0.5*CP*VDD2)/(Vo*Io)。
因而，如果在輸出電壓基本上穩(wěn)定時(shí)希望有基本恒定的輸出電流，則時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期應(yīng)該基本上與輸入電壓的平方成比例?；蛘?，時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)頻率應(yīng)該基本上與輸入電壓的平方成反比。
在根據(jù)如權(quán)利要求2所述的發(fā)明的實(shí)施例中，振蕩器具有接收控制信號(hào)的輸入端。由振蕩器輸送的時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期基本上與控制信號(hào)線性相關(guān)。這種振蕩器是本領(lǐng)域中公知的。控制電路接收輸入電壓，并且輸送與輸入電壓的平方基本上成比例的控制信號(hào)。這種控制電路在本領(lǐng)域是公知的。例如，控制電路可以是將輸入信號(hào)與其自身相乘的倍增器，或者控制電路包括查找表存儲(chǔ)器，或者是設(shè)置為輸入信號(hào)和固定參考電壓之間的二極管的MOSFET，從而獲得通過該MOSFET的電流，該電流基本上與穿過MOSFET的電壓差的平方成比例。
在根據(jù)如權(quán)利要求3所述的發(fā)明的實(shí)施例中，振蕩器輸送時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期取決于輸送給電容器的充電或放電偏置電流?，F(xiàn)在，控制電路輸送基本上與輸入電壓的平方成比例的偏置電流。
在根據(jù)如權(quán)利要求4所述的發(fā)明的實(shí)施例中，電荷泵還包括占空比調(diào)制器，用于響應(yīng)輸出電壓而調(diào)制時(shí)鐘信號(hào)的占空比，以獲得基本恒定的輸出電壓。時(shí)鐘信號(hào)的占空比確定了在時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期的第一部分期間的電容器的充電時(shí)間，以及由此確定了儲(chǔ)存在電容器中的電荷量。在較小的占空比時(shí)，在較短的時(shí)間內(nèi)電容器連接到輸入電壓，因此被較少地充電。在時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期的第二部分期間，電容器與輸入電壓串聯(lián)連接，從而輸送輸出電流。
在根據(jù)如權(quán)利要求5所述的發(fā)明的實(shí)施例中，占空比調(diào)制器包括比較器，其將電荷泵的輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較，以獲得比較信號(hào)。第一積分器產(chǎn)生第一鋸齒形信號(hào)，該信號(hào)具有連續(xù)的上升和下降斜面，這取決于比較信號(hào)是表示輸出電壓在參考電壓之上還是之下，或者相反。第二積分器產(chǎn)生第二鋸齒形信號(hào)，其具有取決于輸入電壓的平方的斜率。比較器將第一鋸齒形信號(hào)與第二鋸齒形信號(hào)進(jìn)行比較。這個(gè)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)第二鋸齒具有與輸入電壓的平方成比例的斜率。占空比控制最佳地工作，基本上與輸入電壓無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的這些和其它方案將從下面對(duì)實(shí)施例的說(shuō)明中明顯看出并將參照下述實(shí)施例來(lái)進(jìn)行闡釋。
附圖中

圖1示出具有單電壓倍增級(jí)的電荷泵和用于控制電荷泵的開關(guān)的振蕩器的方框圖；圖2示出在電荷泵中產(chǎn)生的用于解釋其操作的信號(hào)；圖3示出振蕩器的方框圖；圖4示出振蕩器和控制該振蕩器和控制電路的另一實(shí)施例的詳細(xì)電路圖；圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的占空比調(diào)制器的方框圖；圖6示出用于說(shuō)明在相對(duì)低的振蕩器重復(fù)頻率下占空比調(diào)制器的工作的信號(hào)；以及圖7示出用于說(shuō)明在相對(duì)高的振蕩器重復(fù)頻率下占空比調(diào)制器的工作的信號(hào)。
圖1示出電荷泵和用于控制電荷泵開關(guān)的振蕩器的框圖。電荷泵1包括單電壓倍增級(jí)。串聯(lián)設(shè)置的開關(guān)S3、電容器CP、和開關(guān)S4被設(shè)置在電荷泵1的輸入IN和輸出OUT之間。輸入IN接收輸入電壓VDD，輸出OUT向負(fù)載(未示出)輸送輸出電壓Vo和輸出電流Io。開關(guān)S2設(shè)置在開關(guān)S3和電容器CP的連接點(diǎn)與地之間。開關(guān)S2可以連接到除了地以外的電位上。開關(guān)S1設(shè)置在電容器CP和開關(guān)S4的連接點(diǎn)與輸入IN之間。存儲(chǔ)電容器Co設(shè)置在輸出和地或另一參考電位之間。振蕩器2產(chǎn)生分別輸送給開關(guān)S1到S4的控制信號(hào)CS1到CS4?？刂菩盘?hào)CS1和CS2連接到由振蕩器2輸送的相同信號(hào)Qn?？刂菩盘?hào)CS3和CS4連接到由振蕩器2輸送的相同信號(hào)Q。信號(hào)Qn是Q的反相信號(hào)。
通常將控制信號(hào)稱為CS1到CS2，并且由此將時(shí)鐘信號(hào)稱為Q和Qn。時(shí)鐘信號(hào)給電荷泵計(jì)時(shí)，以進(jìn)行電壓上-轉(zhuǎn)換。根據(jù)本發(fā)明的振蕩器2產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)具有與輸入電壓的平方VDD2成比例的重復(fù)周期。因此，在圖1所示的電荷泵中，時(shí)鐘信號(hào)包括信號(hào)Q及其反相信號(hào)Qn，它們都具有與輸入電壓的平方VDD2成比例的重復(fù)周期。關(guān)于圖2所示的信號(hào)來(lái)說(shuō)明電荷泵的操作。
圖2示出在電荷泵中產(chǎn)生的用于解釋其操作的信號(hào)。圖2A示出在輸入電壓VDD的預(yù)定值VDD1下由振蕩器2輸送的信號(hào)Qn，其中在該預(yù)定值下振蕩器的重復(fù)周期為Tr1。圖2B示出作為信號(hào)Qn的反相信號(hào)的信號(hào)Q。圖2C示出在輸入電壓VDD的另一較低預(yù)定值VDD2下由振蕩器2輸送的信號(hào)Qn’，此時(shí)振蕩器的重復(fù)周期Tr2比重復(fù)周期Tr1短。圖2D示出作為信號(hào)Qn’的反相信號(hào)的信號(hào)Q’。圖2顯示出時(shí)鐘信號(hào)的重復(fù)周期Tr1、Tr2取決于輸入電壓的電平VDD1、VDD2，因?yàn)橹貜?fù)周期Tr1、Tr2與輸入電壓的平方VDD2成比例。
當(dāng)輸入電壓VDD的值為VDD1時(shí)，相對(duì)于圖2A和2B來(lái)解釋電荷泵的工作。假設(shè)信號(hào)Q和Qn的高電平表示開關(guān)S1到S4中的相關(guān)的開關(guān)閉合，而低電平表示相關(guān)的開關(guān)打開。當(dāng)然，反之亦然，這取決于使用的開關(guān)。通常，開關(guān)是晶體管，如MOSFET。
在時(shí)刻t1，信號(hào)Qn變高開關(guān)S1和S2閉合，并且信號(hào)Q變低開關(guān)S3和S4打開。輸入電壓VDD連接在電容器CP兩端，并且電容器CP兩端的電壓Vc增加。在時(shí)刻t2，信號(hào)Qn變?yōu)榈烷_關(guān)S1和S2打開，并且信號(hào)Q變?yōu)楦唛_關(guān)S3和S4閉合。現(xiàn)在，電容器CP與輸入電壓VDD串聯(lián)設(shè)置，并且電荷泵的輸出電壓Vo等于輸入電壓加上電容器CP兩端的電壓Vc。
圖3示出振蕩器的方框圖。所示的振蕩器包括振蕩器電路OC和控制電路CC?？刂齐娐稢C接收輸入電壓VDD，并且輸送與輸入電壓的平方VDD2成比例的控制信號(hào)CS。振蕩器電路OC接收控制信號(hào)，并且輸送時(shí)鐘信號(hào)Q、CLKO。振蕩器電路OC可以是其頻率可由控制信號(hào)CS控制以獲得振蕩器信號(hào)Q、CLKO的重復(fù)頻率的任何振蕩器，其中所述重復(fù)頻率與控制信號(hào)CS線性相關(guān)。
圖4示出振蕩器和控制振蕩器的控制電路的另一實(shí)施例的詳細(xì)電路圖。該振蕩器是通過利用例如MOSFET獲得的?？梢杂闷渌线m的半導(dǎo)體元件來(lái)代替MOSFET。優(yōu)選地，振蕩器被集成在集成電路中。被稱為MPi的MOSFET是P溝道MOSFET，被稱為MNi的MOSFET是N溝道MOSFET。
P溝道MOSFET MP1具有設(shè)置在電荷泵的輸入電壓VDD和參考電位VSS之間的主電流路徑，其中所述參考電位VSS可以被認(rèn)為是地電位。MOSFET MP1的柵極連接到參考電位VSS。MOSFET MP1作為二極管工作。通過這個(gè)二極管MP1的電流Id是Id＝K W/L(VDD-Vt)2其中K是常數(shù)，W/L是MOSFETMP1的寬/長(zhǎng)比，而Vt是閾值電壓。
因此，電流Id基本上與輸入電壓VDD的平方成比例。閾值電壓Vt產(chǎn)生小的不準(zhǔn)確性。這個(gè)電流Id通過MOSFET MP2成鏡像，該MOSFET MP2與MOSFET MP1形成電流鏡。流進(jìn)MOSFET MP2的主電流路徑的電流Id1是電流Id的鏡像版本。電流Id1可以等于電流Id，或者與其成固定關(guān)系，這取決于MOSFET MP1和MP2的寬/長(zhǎng)比的比例。電流Id1通過N溝道MOSFET MN3和MN4成鏡像，從而獲得電流Id2。電流Id2通過MOSFET MP3和MP4成鏡像，從而獲得電流Isq。所有電流Id、Id1、Id2、Isq都具有固定比例，因此都與輸入電壓的平方VDD2成比例。
電流Isq被輸送給轉(zhuǎn)變線性(trans-linear)放大器，該放大器包括MOSFET MP5、MP6、MP7和MP8。這個(gè)轉(zhuǎn)變線性放大器在其輸出端輸送電流1/Isq，該電流1/Isq是轉(zhuǎn)變線性放大器的輸入電流Isq的倒數(shù)。參考電流源Iref輸送經(jīng)過MOSFET MN1、MN2成鏡像的電流，從而獲得參考電流Iref。流過MOSFET MP5和MP6的主電流路徑的電流Iref固定。因此，MOSFET MP7的主電流路徑中的電流變化導(dǎo)致流過MOSFET MP8中的主電流路徑的電流1/Isq的相反變化。
MOSFET MP8的源極向振蕩器輸送電流1/Isq，該振蕩器包括由輸送鏡像電流Io的MOSFET MN5、MN6、MN7和MN8獲得的電流鏡。所有電流Io都與1/Isq成比例，因此與1/VDD2成比例。MOSFETMP13和MP14象電容器一樣工作。代替MOSFET，還可以使用內(nèi)部或外部電容器。MOSFET MP9和MP10是將電容器MP13和MP14連接到輸入電壓VDD的開關(guān)。MOSFET MN9和MN10是用電流Io使電容器MP13和MP14放電的開關(guān)。電容器MP13上的電壓被稱為INT1，電容器MP14上的電壓被稱為INT2。
MOSFET MN9和MP9的柵極接收反相時(shí)鐘信號(hào)CLKn，MOSFETMP10和MN10的柵極接收時(shí)鐘信號(hào)CLK。在電壓INT1下降到預(yù)定值以下時(shí)，MOSFET MP11的源極上的電壓DET1呈高電平。在電壓INT2下降到預(yù)定值以下時(shí)，MOSFET MP12的源極上的電壓DET2呈高電平。包括邏輯NOR 120、121、124和125的邏輯電路接收電壓DET1、DET2，并且輸送時(shí)鐘信號(hào)CLK和反相時(shí)鐘信號(hào)CLKn。
下面從時(shí)鐘信號(hào)CLK的低電平以及由此時(shí)鐘信號(hào)CLKn的高電平開始說(shuō)明振蕩器的工作。電容器MP13通過電流Io放電，并且電容器MP14連接到VDD。因此，電容器MP13上的電壓INT1減小，而電容器MP14上的電壓INT2恒定并且高。電容器MP14上的高電壓使電壓DET2為低，這是因?yàn)镸P12截止，并且電流Io不能流過MP12。電容器MP13上的電壓減小，直到MOSFET MP11在MOSFET的預(yù)定閾值電平VT處斷路(trip)為止。至于邏輯NOR門120、121、124、125，電壓DET1從低值到高值的跳變將導(dǎo)致NOR門120的輸出端為低電平。這個(gè)低電平與電壓DET2的低電平一起將使NOR 121的輸出端電平為高。NOR 121的輸出端上的高電平將導(dǎo)致NOR 124的輸出端上的低電平。NOR 124的輸出是反相時(shí)鐘信號(hào)CLKn。這個(gè)低電平與來(lái)自NOR 120的輸出端的低電平一起將提供NOR 125的輸出端上的高電平。NOR 125的輸出是時(shí)鐘信號(hào)CLK。證明了時(shí)鐘信號(hào)CLK和反相時(shí)鐘信號(hào)CLKn具有相反極性。該順序的流程將再次開始，但是現(xiàn)在電容器MP14被電流Io放電，而電容器MP13被切換到輸入電壓VDD。很清楚時(shí)鐘信號(hào)CLK和CLKn兩者的高周期和低周期都是由電容器MP13和MP14的值以及電流Io的值來(lái)確定的。如果電容器MP13和MP14具有相等的值，則時(shí)鐘信號(hào)CLK和CLKn的占空比將是50％。
由于MOSFET MP11和MP12的斷路(trip)電平被標(biāo)注為VDD(MOSFET MP11、MP12的閾值電壓VT)，并且將電容器MP13和MP14從輸入電壓VDD放電到斷路電平所需的時(shí)間段由電流Io和MOSFET MP13、MP14的電容確定，因此電容器MP13、MP14基本上是積分電容器。對(duì)電容器MP13/MP14放電的時(shí)間是T＝CMP13/MP14*(VT)/Io。電容器MP13、MP14和電容器MP13、MP14兩端的增量(delta)電壓都與輸入電壓VDD無(wú)關(guān)。電流Io與1/VDD2成比例。因而，重復(fù)周期T隨著輸入電壓的平方VDD2而變化。因此，如果輸入電壓VDD低，則重復(fù)周期T小，以增加在電荷泵的輸出端輸送的電荷。
MOSFET MP15、MP16、MN17、MN18形成緩沖器，其對(duì)時(shí)鐘信號(hào)CLK進(jìn)行緩沖，以獲得緩沖的時(shí)鐘信號(hào)CLKO，該信號(hào)在圖1和5中用于產(chǎn)生信號(hào)Q和Qn。通過這種方式產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)CLK具有與輸入電壓的平方VDD2成比例的重復(fù)周期，這具有的優(yōu)點(diǎn)是最大輸出電流基本上與輸入電壓VDD的電平無(wú)關(guān)。
進(jìn)一步有利的是，振蕩器的頻率基本上與溫度和工藝容限無(wú)關(guān)。這是由于以下事實(shí)二極管MP1和電容器MP13和MP14都是P溝道MOSFET，因此它們以相同方式工作，而流過二極管MP1的電流Id和流過電容器MP13、MP14的電流Io具有相反的行為。例如，當(dāng)溫度降低時(shí)，電流Isq增加，并且轉(zhuǎn)變線性放大器的輸出電流1/Isq減小。因此，當(dāng)溫度降低時(shí)，用于振蕩器的偏置電流Io減小。在較低溫度時(shí)，如果電容器MP13和MP14以較慢的速度放電，則獲得相同的放電曲線。這是很準(zhǔn)確地發(fā)生的，因?yàn)槠秒娏鱅o在較低溫度下較小。而且相對(duì)于工藝變化來(lái)說(shuō)，存在補(bǔ)償效應(yīng)。在慢工藝中，電流Id較小，因此振蕩器的偏置電流Io較大。電容器MP13和MP14的這個(gè)較高的放電電流被MOSFET MP13和MP14的較低遷移率抵消。
圖5示出占空比調(diào)制器的方框圖。電阻器抽頭包括串聯(lián)設(shè)置的電阻器R1和R2。這個(gè)串聯(lián)裝置設(shè)置在電荷泵的輸出電壓Vo和參考電位之間，所述參考電位在圖4中是地。比較器COM1具有反相輸入端，該反相輸入端連接到串聯(lián)設(shè)置的電阻器R1和R2的連接點(diǎn)上，以接收作為接入的(tapped-in)輸出電壓Vo的電壓Vt。比較器COM1具有接收參考電壓Vr的非反相輸入端。比較器COM1的輸出信號(hào)COS控制開關(guān)S5，該開關(guān)S5被設(shè)置成與輸送電流2*Isc的電流源CU1串聯(lián)。如果開關(guān)S5閉合，則電流源CU1向電容器C2輸送電流2*Isc。電流源CU2與電容器C2并聯(lián)設(shè)置，并輸送從電容器C2提取的電流Isc。
因此，當(dāng)開關(guān)S5打開時(shí)，電容器C2上的電壓CPO將由于從電容器C2取回的電流Isc而線性地減小。當(dāng)開關(guān)S5閉合時(shí)，電壓CPO將由于流進(jìn)電容器C2的電流Isc＝2*Isc-Isc而線性地增加。因而，如果接進(jìn)的(tapped-in)輸出電壓Vt高于參考電壓Vr，則信號(hào)CPO是具有上升斜面的鋸齒形，并且如果接進(jìn)輸出電壓低于參考電壓Vr，則信號(hào)CPO是具有下降斜面的鋸齒形。通常，輸出電壓Vo是可獲得的最高電壓，并且需要接進(jìn)這個(gè)輸出電壓Vo，從而能通過使用比較器COM1將它與參考電平Vr進(jìn)行比較。如果可獲得另一更高的電壓，或者如果比較器COM1能將輸出電壓Vo直接與參考電壓進(jìn)行比較，則可以省略接進(jìn)。代替提供與電流源CU1串聯(lián)的開關(guān)S5，電流源CU1本身可以開啟和關(guān)斷?？梢詫?shí)現(xiàn)一種開關(guān)，當(dāng)接進(jìn)的輸出電壓Vt低于參考電平Vr時(shí)，該開關(guān)將電流2*Isc切換到地。由電流源CU1輸送的電流不必是由電流源CU2輸送的電流的兩倍大。只要電流源CU1提供的電流大于電流源CU2提供的電流，這就足夠了。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員都能理解如何構(gòu)成互補(bǔ)電路，該互補(bǔ)電路采用連接到高電壓而不是連接到地的電容器，并且具有相同的效果。
將與輸入電壓的平方VDD2成比例的電流Io輸送給電容器C3，以產(chǎn)生鋸齒形信號(hào)RA。參照?qǐng)D4來(lái)討論產(chǎn)生電流Io的可行方式。比較器COM2具有接收鋸齒形信號(hào)CPO的反相輸入端和接收鋸齒形信號(hào)RA的非反相輸入端。比較器COM2的輸出連接到觸發(fā)器FF的CL輸入端。觸發(fā)器FF具有連接到輸入電壓VDD以接收高電平的數(shù)據(jù)輸入端D、接收時(shí)鐘信號(hào)CLK的復(fù)位輸入端R、輸送輸出信號(hào)Q的輸出端以及輸送反相輸出信號(hào)Qn的反相輸出端，其中反相輸出信號(hào)Qn是輸出信號(hào)Q的反相信號(hào)。邏輯NAND NA具有接收反相輸出信號(hào)Q的輸入端、接收時(shí)鐘信號(hào)CLK的輸入端以及控制開關(guān)F1的輸出端。開關(guān)F1被示出為MOSFET，其柵極連接到NAND NA的輸出，其漏-源通路與電容器C3并聯(lián)設(shè)置。時(shí)鐘信號(hào)CLKO是振蕩器2的輸出信號(hào)，其可以用如圖4所示的振蕩器來(lái)產(chǎn)生。時(shí)鐘信號(hào)CLKO具有與輸入電壓的平方VDD2成比例并具有優(yōu)選為50％的固定占空比的重復(fù)周期Tr1、Tr2。
下面參照?qǐng)D6和7介紹占空比調(diào)制器的操作。
圖6示出說(shuō)明在振蕩器的相對(duì)低的重復(fù)頻率下占空比調(diào)制器的操作的信號(hào)。
圖6A示出輸出電壓Vo和輸出電壓Vo的所希望的電平DL。輸出電壓Vo在時(shí)刻t0越過所希望的電平DL，并且從時(shí)刻t0以后高于所希望的電平DL。
圖6B示出由圖4的振蕩器產(chǎn)生的、具有基本上50％的占空比和重復(fù)周期TR1的時(shí)鐘信號(hào)CLKO。時(shí)鐘信號(hào)CLKO在時(shí)刻t1和t4具有上升沿，在時(shí)刻t3和t6具有下降沿。重復(fù)周期TR1從時(shí)刻t1持續(xù)到時(shí)刻t4。
圖6C示出鋸齒形信號(hào)CPO和RA，圖6D示出反相輸出信號(hào)Qn。鋸齒形信號(hào)CPO具有下降斜面直到時(shí)刻t0，這是由于輸出電壓Vo在所希望的電平DL以下。從時(shí)刻t0開始，輸出電壓Vo在所希望的電平DL之上，因此鋸齒形信號(hào)CPO具有上升的斜面。在時(shí)鐘信號(hào)CLKO的低電平周期期間，NAND NA使MOSFET F1導(dǎo)電，并且電容器C3短路。因而，鋸齒形信號(hào)RA在一直到時(shí)刻t1、從時(shí)刻t3到t4、和時(shí)刻t6之后都具有低電平。假設(shè)反相輸出信號(hào)Qn在時(shí)刻t0和t1具有高電平。因此，在時(shí)刻t1，時(shí)鐘信號(hào)CLKO和反相輸出信號(hào)Qn都是高電平，并且NAND NA控制FET F1變得不導(dǎo)電。電流Isc開始給電容器C3充電，并且鋸齒形信號(hào)RA開始線性增加。在時(shí)刻t2，鋸齒形信號(hào)RA到達(dá)鋸齒形信號(hào)CPO。比較器COM2向觸發(fā)器FF的時(shí)鐘輸入端CL輸送正電平，并且在數(shù)據(jù)輸入端D上的高電平被記錄(clock in)。反相輸出信號(hào)Qn變?yōu)榈碗娖?。反相輸出信?hào)Qn的低電平使NAND NA的輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，并且FET F1變?yōu)閷?dǎo)電的。因而，鋸齒形信號(hào)RA從時(shí)刻t2到t3和從時(shí)刻t5到t6具有低電平。在時(shí)刻t3，時(shí)鐘信號(hào)CLKO變?yōu)榈碗娖?，并且觸發(fā)器FF被復(fù)位反相輸出信號(hào)Qn再次變?yōu)楦唠娖健?br> 如圖6D所示，反相輸出信號(hào)Qn具有低電平，其持續(xù)時(shí)間取決于鋸齒形信號(hào)RA達(dá)到鋸齒形信號(hào)CPO的時(shí)刻。鋸齒形信號(hào)CPO的斜面取決于輸出電壓Vo的值。如果輸出電壓Vo低于所希望的電平DL，則鋸齒形信號(hào)CPO由于電流Isc而線性地減小。如果輸出電壓Vo高于所希望的電平DL，則鋸齒形信號(hào)CPO隨著電流源CU1提供的電流2*Isc和電流源CU2提供的電流Isc之間的差而線性地增加。電流源CU1輸送的電流是電流源CU2提供的電流的兩倍，這一點(diǎn)對(duì)于本發(fā)明的發(fā)明思想來(lái)說(shuō)不是必須的。如果電流源CU1的電流大于電流源CU2的電流就足夠了。代替兩個(gè)電流源CU1和CU2，還可以采用能產(chǎn)生雙向電流的一個(gè)電流源。
在圖6所示的例子中，從時(shí)刻t0開始，輸出電壓Vo高于所希望的電平DL。因而，鋸齒形電壓CPO繼續(xù)升高，并且反相輸出信號(hào)Qn的低電平期間隨著時(shí)間減小時(shí)刻t5和t6之間的時(shí)間差小于時(shí)刻t2和t3之間的時(shí)間差。在反相輸出信號(hào)Qn的高電平期間，開關(guān)S1和S2(見圖1)閉合，并且電容器CP被充電。通常，將開關(guān)S1和S2的導(dǎo)通時(shí)間選擇得足夠長(zhǎng)，以便將電容器充電到輸入電壓VDD。在反相輸出信號(hào)Qn的低電平期間，開關(guān)S3和S4閉合，并且儲(chǔ)存在電容器CP中的電荷可以被輸送給負(fù)載。如果開關(guān)S3和S4閉合的時(shí)間減小，則可以輸送給負(fù)載的電荷也減小。因而，太高的輸出電壓Vo將導(dǎo)致較少的電荷輸送給負(fù)載，因此輸出電壓將開始減小。如果輸出電壓Vo低于所希望的電平DL(未示出)，鋸齒形信號(hào)CPO繼續(xù)減小，反相輸出信號(hào)Qn的低電平期間的持續(xù)時(shí)間增加。電容器CP中的電荷的較大部分將被輸送給負(fù)載，并且輸出電壓Vo將開始升高。
圖7示出說(shuō)明在振蕩器的相對(duì)高的重復(fù)頻率時(shí)占空比調(diào)制器的操作的信號(hào)。圖7A到7C分別可以與圖6B到6D相比較。差別在于重復(fù)頻率TR2比重復(fù)頻率TR1短，并且電流Io較大。
圖7A示出在低于圖6B到6D相關(guān)的輸入電壓VDD的輸入電壓VDD下、由圖4所示的振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)CLKO。根據(jù)本發(fā)明，重復(fù)周期TR1、TR2與輸入電壓的平方VDD2成比例。因此，在較低的輸入電壓VDD值時(shí)的重復(fù)周期TR2比在較高的輸入電壓VDD時(shí)的重復(fù)周期TR1短。時(shí)鐘信號(hào)CLKO在時(shí)刻t10、t13、t16、t19具有上升沿，而在時(shí)刻t12、t15、t18、t21具有下降沿。
在圖7B中，示出了鋸齒形信號(hào)CPO和RA。鋸齒形信號(hào)CPO再次線性地增加，這是因?yàn)檩敵鲭妷篤o高于所希望的電平DL。鋸齒形信號(hào)CPO的斜面與較高輸入電壓VDD時(shí)的斜面相同，因?yàn)橛呻娏髟碈U1和CU2輸送的電流是恒定的。鋸齒形信號(hào)RA再次在時(shí)鐘信號(hào)CLKO的上升沿開始。鋸齒形信號(hào)RA的斜率比圖5C所示的更陡，因?yàn)榻o電容器C3充電的電流Io與輸入電壓的平方VDD2成比例。在鋸齒形信號(hào)RA和CPO變得相等的時(shí)刻，反相輸出信號(hào)Qn變低。反相輸出信號(hào)Qn保持低電平，直到時(shí)鐘信號(hào)CLKO的下一下降沿出現(xiàn)。因此，反相輸出信號(hào)Qn在時(shí)間按照與圖6D所示相同的方式逐漸減少的期間內(nèi)(參見時(shí)間段t11-t12、t14-t15、t17-t18、t20-t21)具有低電平。因此，隨著輸出電壓Vo高于所希望的電平DL的時(shí)間變得更長(zhǎng)，電容器CP中的電荷可以傳輸給負(fù)載的時(shí)間段再次變得更短。
如從圖6和7清楚看出的，調(diào)節(jié)輸出電壓Vo的占空比控制適于在不同的輸入電壓VDD下最佳地執(zhí)行，其中在不同的輸入電壓VDD下，由振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)CLKO的不同重復(fù)周期TR1、TR2。重復(fù)周期TR1、TR2與輸入電壓的平方VDD2成比例。同樣使對(duì)電容器C3充電的電流Isc與輸入電壓的平方VDD2成比例。因而，時(shí)鐘信號(hào)CLKO的整個(gè)高電平期間仍然可用于占空比控制，而與輸入電壓VDD的實(shí)際值，以及由此實(shí)際的時(shí)鐘重復(fù)周期TR1、TR2無(wú)關(guān)。
應(yīng)該注意的是，占空比控制與實(shí)際的重復(fù)周期TR1、TR2無(wú)關(guān)。占空比控制進(jìn)行操作，從而獨(dú)立于輸入電壓VDD的實(shí)際值而調(diào)節(jié)輸出電壓Vo。與輸入電壓的平方VDD2成比例地控制重復(fù)周期TR1、TR2，以獲得電荷泵基本上恒定的最大輸出電流Io。如果電荷泵用在用電池供電的可移動(dòng)應(yīng)用中，則尤其重要的是限制電荷泵的輸出電流Io，以延長(zhǎng)電池的壽命。
應(yīng)該注意到，上述實(shí)施例只是示意性的，并不構(gòu)成對(duì)權(quán)利要求的限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求范圍的情況下將能夠設(shè)計(jì)出許多替代實(shí)施例。
在權(quán)利要求中，括號(hào)中的任何參考標(biāo)記都不應(yīng)該被視為對(duì)權(quán)利要求的限制。動(dòng)詞“包括”及其變化形式的使用并不排除存在權(quán)利要求中所述的那些元件和步驟以外的其他元件或步驟。元件前面的冠詞“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這種元件。本發(fā)明可以借助包括幾個(gè)不同元件的硬件以及借助適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)施。在列舉了幾個(gè)裝置的產(chǎn)品權(quán)利要求中，這些裝置中的一些可以用同一類硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施這一簡(jiǎn)單的事實(shí)并不表示不能使用這些措施的組合來(lái)得到益處。
權(quán)利要求
1.一種電荷泵，包括單電壓倍增級(jí)(1)，用于在時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)的控制下將輸入電壓(VDD)轉(zhuǎn)換成輸出電壓(Vo)，以及振蕩器(2)，用于接收該輸入電壓(VDD)，以產(chǎn)生具有重復(fù)周期(Tr1、Tr2)的所述時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)，所述重復(fù)周期基本上與輸入電壓的平方(VDD2)成比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵，其中該振蕩器(2)包括控制電路(CC)，用于接收該輸入電壓(VDD)，以輸送與所述輸入電壓的平方(VDD2)基本上成比例的控制信號(hào)(CS)，并且其中該振蕩器(2)的重復(fù)周期基本上線性依賴于該控制信號(hào)(CS)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵，其中該振蕩器(2)包括電容器(MP13、MP14)，電流源(MN7)，用于輸送電流(Io)，以對(duì)該電容器(MP13、MP14)進(jìn)行充電或放電，控制電路(MP1)，用于接收該輸入電壓(VDD)，以輸送基本上與所述輸入電壓的平方(VDD2)成比例的另一電流(Id)，其中首先提到的電流(Io)和該另一電流(Id)具有固定比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵，其中該電荷泵還包括用于調(diào)節(jié)該時(shí)鐘信號(hào)(CLKO)的占空比的占空比調(diào)制器(3)，該占空比調(diào)制器(3)包括輸入端，用于接收該輸出電壓(Vo)以調(diào)節(jié)該占空比，以便獲得基本恒定的輸出電壓(Vo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電荷泵，其中該占空比調(diào)制器(3)包括第一比較器(COM1)，用于將該輸出電壓(Vo)與參考電壓(Vr)進(jìn)行比較，以輸送比較信號(hào)(COS)，第一積分器(C2)，用于產(chǎn)生第一鋸齒形信號(hào)(CPO)，該鋸齒形信號(hào)(CPO)具有上升或下降斜面，這取決于該比較信號(hào)(COS)表示該輸出電壓(Vo)是高于還是低于該參考電壓(Vr)，或者反之，第二積分器(C3)，用于產(chǎn)生第二鋸齒形信號(hào)(RA)，所述第二鋸齒形信號(hào)(RA)具有取決于所述輸入電壓的平方(VDD2)的斜率，以及第二比較器(COM2)，用于比較該第一鋸齒形信號(hào)(CPO)和該第二鋸齒形信號(hào)(RA)，所述占空比取決于該第一鋸齒形信號(hào)(CPO)到達(dá)該第二鋸齒形信號(hào)(RA)的時(shí)刻。
6.一種用在電荷泵中的集成電路，該電荷泵包括用于在時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)的控制下將輸入電壓(VDD)轉(zhuǎn)換成輸出電壓(Vo)的單電壓倍增級(jí)(1)，該集成電路包括振蕩器(2)，用于接收該輸入電壓(VDD)，以產(chǎn)生具有重復(fù)周期(Tr1、Tr2)的所述時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)，所述重復(fù)周期基本上與輸入電壓的平方(VDD2)成比例。
7.一種具有電荷泵的可移動(dòng)器件，所述電荷泵包括單電壓倍增級(jí)(1)，用于在時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)的控制下將電池提供的輸入電壓(VDD)轉(zhuǎn)換成輸出電壓(Vo)，以及振蕩器(2)，用于接收該輸入電壓(VDD)，以產(chǎn)生具有重復(fù)周期(Tr1、Tr2)的所述時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)，所述重復(fù)周期基本上與輸入電壓的平方(VDD2)成比例。
8.一種具有電荷泵的USB主器件，所述電荷泵包括單電壓倍增級(jí)(1)，用于在時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)的控制下將輸入電壓(VDD)轉(zhuǎn)換成用于USB從器件的輸出電壓(Vo)，以及振蕩器(2)，用于接收該輸入電壓(VDD)，以產(chǎn)生具有重復(fù)周期(Tr1、Tr2)的所述時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)，所述重復(fù)周期基本上與輸入電壓的平方(VDD2)成比例。
全文摘要
一種電荷泵，包括單電壓倍增級(jí)(1)，其在時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)的控制下將輸入電壓(VDD)轉(zhuǎn)換成輸出電壓(Vo)。振蕩器(2)接收輸入電壓(VDD)，以產(chǎn)生具有重復(fù)周期(Tr1、Tr2)的時(shí)鐘信號(hào)(Q、Qn；CLKO)，所述重復(fù)周期基本上與輸入電壓的平方(VDD
文檔編號(hào)H02M3/07GK1883105SQ200480030987
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者里克·F.·J.·斯托佩爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司