功率電荷泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了一種功率電荷泵，所述功率電荷泵包括輸出電容、至少一飛電容、第一電壓源和第二電壓源、以及第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)，第一、第二時(shí)鐘開關(guān)各自包含至少兩個(gè)時(shí)鐘開關(guān)，第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間不重疊；第一組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制至少一飛電容產(chǎn)生第一電壓源的第一電壓和第二電壓源的第二電壓之差的第三電壓；第二組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制輸出電容產(chǎn)生與第三電壓成比例的輸出電壓。通過本發(fā)明實(shí)施例提供的功率電荷泵，可以構(gòu)建更多產(chǎn)生更多輸入電壓/輸出電壓倍率的電壓模式，有助于優(yōu)化功率電荷泵效率。
【專利說明】功率電何栗【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電子領(lǐng)域，具體涉及一種功率電荷泵。
【背景技術(shù)】
[0002]基于開關(guān)電容的電荷泵電路被廣泛應(yīng)用于電壓轉(zhuǎn)換電路中，可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓轉(zhuǎn)換效率。現(xiàn)有技術(shù)中的功率電荷泵，一般米用一個(gè)輸入電壓，產(chǎn)生比輸入高的輸出電壓或者比輸出低的輸出電壓，其效率高于線性調(diào)壓器。
[0003]相比基于電感的直流-直流轉(zhuǎn)換器相比，功率電荷泵無需體積較大的電感，其更適用于PCB空間較小的應(yīng)用，且成本較低。對(duì)于理想的開關(guān)來說，其能量損耗可被忽略，在這種情況下，可以認(rèn)為功率電荷泵電路的效率為100%。但功率電荷泵電路只能以某些固定的倍率轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，其理想功率為100%。然而這樣的固定倍率是有限的幾種?，F(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于僅采用兩個(gè)飛電容(flying capacitor)的應(yīng)用中，針對(duì)同一個(gè)輸入電壓源,可以產(chǎn)生的V0/VIN(其中VO為輸出電壓，VIN為輸入電壓)的倍率有:3倍、2倍、3/2倍、4/3倍、I倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍。對(duì)于僅采用一個(gè)飛電容(flying capacitor)應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)中存在的V0/VIN倍率有:2倍、I倍、1/2倍。
[0004]采用增加飛電容的個(gè)數(shù)的方式，可以產(chǎn)生更多可能的倍率，但成本隨之增加。增加更多可能的倍率，有利于優(yōu)化功率電荷泵的實(shí)際工作效率。例如，輸入電壓為3.3V，輸出電壓目標(biāo)值為1.7V，對(duì)于僅一個(gè)飛電容情形，只能采用I倍模式，產(chǎn)生3.3V電壓，然后通過線性調(diào)壓技術(shù)(線性調(diào)壓技術(shù)只能降低電壓)降為1.7V，其理想情況下的效率為
1.7V/3.3V=51.5%。對(duì)于采用兩個(gè)飛電容情形，則可以采用2/3倍模式，產(chǎn)生2.2V電壓，然后通過線性調(diào)壓技術(shù)降為1.7V，其理想情況下的效率為1.7V/2.2V=77.3%，這樣就改善了效率。當(dāng)輸入電壓在一定范圍內(nèi) 變化時(shí)(例如電池供電時(shí)，隨著電池放電或充電，其電壓會(huì)不斷變化)，更多倍率模式有助于優(yōu)化不同輸入電壓下的工作效率。飛電容越多，有助產(chǎn)生更多倍率模式，但成本更高。如何以較少的飛電容，產(chǎn)生更多可能的倍率，是本發(fā)明亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種功率電荷泵，以提高功率電荷泵中飛電容的利用效率。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了一種功率電荷泵，所述功率電荷泵包括一輸出電容、至少一飛電容、第一電壓源和第二電壓源、以及第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)，所述第一、第二時(shí)鐘開關(guān)各自包含至少兩個(gè)時(shí)鐘開關(guān)，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間不重疊；
[0007]所述第一組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制所述至少一飛電容產(chǎn)生所述第一電壓源的第一電壓和第二電壓源的第二電壓之差的第三電壓；
[0008]所述第二組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制所述輸出電容產(chǎn)生與第三電壓成比例的輸出電壓。[0009]基于第一方面,在第一種可能的實(shí)施方式中，所述功率電荷泵包含一個(gè)飛電容，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)包括第一時(shí)鐘開關(guān)和第二時(shí)鐘開關(guān)，所述第二組時(shí)鐘開關(guān)包括第三時(shí)鐘開關(guān)和第四時(shí)鐘開關(guān)。
[0010]基于第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，在第二種可能的實(shí)施方式中，所述第一時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一電壓源的正極和所述飛電容的第一端，所述第二時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第二端和所述第二電壓源的正極，所述第三時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第一段和所述輸出電容的第一端，所述第四時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第二端、所述輸出電容的第二端以及所述第一、第二電壓源的負(fù)極。
[0011]基于第一方面，在第三種可能的實(shí)施方式中，所述功率電荷泵包含第一飛電容和第二飛電容，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)包括第一時(shí)鐘開關(guān)、第二時(shí)鐘開關(guān)和第五時(shí)鐘開關(guān)，所述第二組時(shí)鐘開關(guān)包括第三時(shí)鐘開關(guān)、第四時(shí)鐘開關(guān)、第六時(shí)鐘開關(guān)以及第七時(shí)鐘開關(guān)。
[0012]基于第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，在第四種可能的實(shí)施方式中，所述第一時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一電壓源的正極和所述第一飛電容的第一端，所述第二時(shí)鐘開關(guān)連接所述第二飛電容的第二端和所述第二電壓源的正極，所述第三時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一飛電容的第一端和所述輸出電容的第一端，所述第四時(shí)鐘開關(guān)連接所述第二飛電容的第二端、所述輸出電容的第二端以及所述第一、第二電壓源的負(fù)極，所述第五時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一飛電容的第二端和所述第二飛電容的第一端，所述第六時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一飛電容的第二端、所述輸出電容的第二端以及所述第一、第二電壓源的負(fù)極；所述第七時(shí)鐘開關(guān)連接所述第二飛電容的第一端和所述輸出電容的第一端。
[0013]基于以上的任意一種可能的實(shí)施方式，所述第一電壓源為電池，所述第二電壓源為電路中的直流-直流轉(zhuǎn)換器或線性調(diào)壓器。
[0014]基于以上的任意一種可能的實(shí)施方式，所述第一組時(shí)鐘受第一時(shí)鐘控制，當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘為高電平時(shí)，所述第一組時(shí)鐘導(dǎo)通；所述第二組時(shí)鐘受第二時(shí)鐘控制，當(dāng)?shù)诙r(shí)鐘為高電平時(shí)，所述第二組時(shí)鐘導(dǎo)通。
[0015]基于以上的任意一種可能的實(shí)施方式，所述第一組時(shí)鐘的導(dǎo)通時(shí)間和所述第二組時(shí)鐘的導(dǎo)通時(shí)間之間間隔第一時(shí)間長度。
[0016]通過本發(fā)明實(shí)施例提供的功率電荷泵，可以利用應(yīng)用系統(tǒng)中存在的其它電壓，設(shè)計(jì)功率電荷泵，則通過利用除電池電壓外的其他電壓作為第二電壓源，構(gòu)建更多產(chǎn)生更多輸入電壓/輸出電壓倍率的電壓模式，有助于優(yōu)化功率電荷泵效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種功率電荷泵的一種實(shí)施例的電路原理圖；
[0019]圖2是圖1所示的實(shí)施例的第一工作狀態(tài)圖；
[0020]圖3是圖1所示的實(shí)施例的第二工作狀態(tài)圖；
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種功率電荷栗的電路原理圖；[0022]圖5是圖4所示的實(shí)施例的第一工作狀態(tài)圖；
[0023]圖6是圖4所示的實(shí)施例的第二工作狀態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0025]本發(fā)明實(shí)施例的核心思想是，利用系統(tǒng)中存在的更多其它電壓，例如平板電腦、智能手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)等系統(tǒng)中都配備電源管理單元(Power Management Units)，他們通?？梢灾С侄嗦冯妷狠敵?，有些為線性調(diào)壓器，有些為直流-直流轉(zhuǎn)換器，通過這些作為第二輸入電壓源與電池作為第一電壓源，設(shè)計(jì)功率電荷泵，構(gòu)建更多其他倍率的電壓模式，以優(yōu)化功率電荷泵效率。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種功率電荷泵，所述功率電荷泵包括一輸出電容、至少一飛電容、第一電壓源和第二電壓源、以及第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)，所述第一、第二時(shí)鐘開關(guān)各自包含至少兩個(gè)時(shí)鐘開關(guān)，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間不重疊；所述第一組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制所述至少一飛電容產(chǎn)生所述第一電壓源的第一電壓和第二電壓源的第二電壓之差的第三電壓；所述第二組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制所述輸出電容產(chǎn)生與第三電壓成比例的輸出電壓。
[0027]其中，，所述第一組時(shí)鐘受第一時(shí)鐘CKl控制，當(dāng)CKl為高電平時(shí)，所述第一組時(shí)鐘導(dǎo)通；所述第二組時(shí)鐘受CK2控制，當(dāng)CK2為高電平時(shí)，所述第二組時(shí)鐘導(dǎo)通。所述第一組時(shí)鐘的導(dǎo)通時(shí)間和所述第二組時(shí)鐘的導(dǎo)通時(shí)間之間間隔第一時(shí)間長度。
[0028]如圖1所不,在一種實(shí)施例中,所述功率電荷泵包含一個(gè)飛電容Cl,所述第一組時(shí)鐘開關(guān)包括第一時(shí)鐘開關(guān)SI和第二時(shí)鐘開關(guān)S2，所述第二組時(shí)鐘開關(guān)包括第三時(shí)鐘開關(guān)S3和第四時(shí)鐘開關(guān)S4。
[0029]所述SI連接所述第一電壓源Vl的正極和所述飛電容Cl的第一端，所述S2連接所述Cl的第二端和所述第二電壓源V2的正極，所述S3連接所述Cl的第一端和所述輸出電容Q的第一端，所述S4連接所述Cl的第二端、所述Q的第二端以及電壓源Vl和V2的負(fù)極。
[0030]其中，第一電壓源Vl通常為電路中的電池，第二電壓源可以是電路中的線性調(diào)壓器或者直流-直流轉(zhuǎn)換器等電壓輸出電路。
[0031]如圖2和圖3所示，圖2?圖3描述了圖1實(shí)施方式的具體工作過程。當(dāng)CKl為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)圖2工作狀態(tài)，開關(guān)SI和S2導(dǎo)通，開關(guān)S3和S4斷開。電容上的穩(wěn)定電壓滿足VC1+V2=V1，即VC1=V1-V2，其中Vci為飛電容Cl兩端的電壓，Vl為電壓源Vl的電壓值，V2為電壓源V2的電壓值。其中，CKl與CK2為反相時(shí)鐘信號(hào)，之間存在不交疊控制，即在開關(guān)SI和S2關(guān)斷后，延遲一定死區(qū)時(shí)間，開關(guān)S3和S4才導(dǎo)通；開關(guān)S3和S4也是關(guān)斷后，延遲一定死區(qū)時(shí)間，開關(guān)SI和S2才導(dǎo)通。
[0032]當(dāng)CK2為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)圖3工作狀態(tài)，開關(guān)SI和S2斷開，開關(guān)S3和S4導(dǎo)通。飛電容上的穩(wěn)定電壓滿足VCl=VO,其中Va為電容Cl兩端的電壓，Vtj為輸出電容Co兩端的電壓。
[0033]由于穩(wěn)定工作狀態(tài)下，電容兩端電壓維持相等，則Va=Vtj=Vl-VZ,當(dāng)然如果交換圖1中Vl和V2的位置，則可以實(shí)現(xiàn)V0=V2-V1。[0034]圖1描述的實(shí)施例僅有一個(gè)飛電容(flying capacitor)情形，可以構(gòu)建產(chǎn)生V1-V2的電壓輸出。如果Vl=3.3V，輸出目標(biāo)電壓值為1.7V，對(duì)兩個(gè)飛電容情況，采用現(xiàn)有技術(shù)的最佳效率模式為2/3倍模式，理想效率為1.7V/2.2V=77.3% ;而僅采用一個(gè)飛電容情況，采用現(xiàn)有技術(shù)的最佳效率模式為I倍模式，理想效率為1.7V/3.3V=51.5%。而采用本發(fā)明，如果Vl=3.3V，V2=l.5V，則理想效率為1.7V/(3.3V-1.5V) =94.4%，且只用一個(gè)飛電容，大大提聞了電路利用效率。
[0035]如圖4所示，在另一種是實(shí)例中，所述功率電荷泵包含第一飛電容Cl和第二飛電容C2，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)包括第一時(shí)鐘開關(guān)S1、第二時(shí)鐘開關(guān)S2和第五時(shí)鐘開關(guān)S5，所述第二組時(shí)鐘開關(guān)包括第三時(shí)鐘開關(guān)S3、第四時(shí)鐘開關(guān)S4、第六時(shí)鐘開關(guān)S6以及第七時(shí)鐘開關(guān)S7。
[0036]所述SI連接所述第一電壓源Vl的正極和所述Cl的第一端，所述S2連接所述C2的第二端和所述第二電壓源V2的正極，所述S3連接所述Cl的第一端和所述Q的第一端，所述S4連接所述C2的第二端、所述Q的第二端以及所述電壓源V1、V2的負(fù)極，所述S5連接所述Cl的第二端和所述C2的第一端，所述S6連接所述Cl的第二端、所述Q的第二端以及所述電壓源V1、V2的負(fù)極；所述S7連接所述C2的第一端和所述Q的第一端。
[0037]與圖1所示的實(shí)施例類似，第一電壓源Vl通常為電路中的電池，第二電壓源可以是電路中的線性調(diào)壓器或者直流-直流轉(zhuǎn)換器等電壓輸出電路。
[0038]圖5?圖6描述了圖4實(shí)施方式的具體工作過程，當(dāng)CKl為高電平時(shí)，如圖5所示，開關(guān)S1、S2、S5導(dǎo)通，開關(guān)S3、S4、S6、S7斷開。電容電壓滿足:
[0039]VC1+VC2+V2=V1 (I)
[0040]其中Va為電容Cl兩端的電壓，Vc2為電容C2兩端的電壓，Vl為電壓源Vl的電壓值，V2為電壓源V2的電壓值。
[0041]當(dāng)CK2為高電平時(shí)，如圖6所示，開關(guān)S1、S2、S5斷開，開關(guān)S3、S4、S6、S7導(dǎo)通。電容電壓滿足:
[0042]Vci=Vc2=V0 (2)
[0043]其中，Vci為電容Cl兩端的電壓，Ve2為電容C2兩端的電壓，Vtj為輸出電容兩端的電壓值。
[0044]穩(wěn)定狀態(tài)下，電容兩端的電壓相等。根據(jù)公式⑴和⑵可知:
[0045]V0= (Vl-V2)/2
[0046]通過圖4描述的第二實(shí)施方式，采用兩個(gè)飛電容Cl和C2?？梢援a(chǎn)生的輸出電壓等于(Vl-V2)/2。
[0047]通過本發(fā)明實(shí)施例提供的功率電荷泵，可以利用應(yīng)用系統(tǒng)中存在的其它電壓，設(shè)計(jì)功率電荷泵，則通過利用除電池電壓外的其他電壓作為第二電壓源，構(gòu)建更多產(chǎn)生更多輸入電壓/輸出電壓倍率的電壓模式，有助于優(yōu)化功率電荷泵效率。
[0048]可以理解的是，還可以根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的核心思想，通過設(shè)計(jì)更多的時(shí)鐘開關(guān)和飛電容，以產(chǎn)生更多倍率的輸出電壓，在此不多贅述。
[0049]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種功率電荷泵，其特征在于，包括一輸出電容、至少一飛電容、第一電壓源和第二電壓源、以及第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)，所述第一、第二時(shí)鐘開關(guān)各自包含至少兩個(gè)時(shí)鐘開關(guān)，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)和第二組時(shí)鐘開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間不重疊； 所述第一組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制所述至少一飛電容產(chǎn)生所述第一電壓源的第一電壓和第二電壓源的第二電壓之差的第三電壓； 所述第二組時(shí)鐘開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制所述輸出電容產(chǎn)生與第三電壓成比例的輸出電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的功率電荷泵，其特征在于，所述功率電荷泵包含一個(gè)飛電容，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)包括第一時(shí)鐘開關(guān)和第二時(shí)鐘開關(guān)，所述第二組時(shí)鐘開關(guān)包括第三時(shí)鐘開關(guān)和第四時(shí)鐘開關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的功率電荷泵，其特征在于，所述第一時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一電壓源的正極和所述飛電容的第一端，所述第二時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第二端和所述第二電壓源的正極，所述第三時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第一段和所述輸出電容的第一端，所述第四時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第二端、所述輸出電容的第二端以及所述第一、第二電壓源的負(fù)極。
4.如權(quán)利要求1所述的功率電荷泵，其特征在于，所述功率電荷泵包含第一飛電容和第二飛電容，所述第一組時(shí)鐘開關(guān)包括第一時(shí)鐘開關(guān)、第二時(shí)鐘開關(guān)和第五時(shí)鐘開關(guān)，所述第二組時(shí)鐘開關(guān)包括第三時(shí)鐘開關(guān)、第四時(shí)鐘開關(guān)、第六時(shí)鐘開關(guān)以及第七時(shí)鐘開關(guān)。
5.如權(quán)利要求4所述的功率電荷泵，其特征在于，所述第一時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一電壓源的正極和所述第一飛電容的第一端，所述第二時(shí)鐘開關(guān)連接所述第二飛電容的第二端和所述第二電壓源的正極，所述第三時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一飛電容的第一端和所述輸出電容的第一端，所述第四時(shí)鐘開關(guān)連接所述飛電容的第二端、所述輸出電容的第二端以及所述第一、第二電壓源的負(fù)極，所述第五時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一飛電容的第二端和所述第二飛電容的第一端，所述第六時(shí)鐘開關(guān)連接所述第一飛電容的第二端、所述輸出電容的第二端以及所述第一、第二電壓源的負(fù)極；所述第七時(shí)鐘開關(guān)連接所述第二飛電容的第一端和所述輸出電容的第一端。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的功率電荷泵，其特征在于，所述第一電壓源為電池，所述第二電壓源為電路中的直流-直流轉(zhuǎn)換器或線性調(diào)壓器。
7.如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的功率電荷泵，其特征在于，所述第一組時(shí)鐘受第一時(shí)鐘控制，當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘為高電平時(shí)，所述第一組時(shí)鐘導(dǎo)通；所述第二組時(shí)鐘受第二時(shí)鐘控制，當(dāng)?shù)诙r(shí)鐘為高電平時(shí)，所述第二組時(shí)鐘導(dǎo)通。
8.如權(quán)利要求7所述的功率電荷泵，其特征在于，所述第一組時(shí)鐘的導(dǎo)通時(shí)間和所述第二組時(shí)鐘的導(dǎo)通時(shí)間之間間隔第一時(shí)間長度。
【文檔編號(hào)】H02M3/07GK103532376SQ201310518255
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】王釗 申請(qǐng)人:無錫中星微電子有限公司