[發明專利]電荷泵及工作方法

有效

• 申請號: 201110123472.2
• 申請日: 2011-05-13
• 公開（公告）號: CN102324840A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 富聰;宋志棠;陳后鵬;陳小剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉電路領域，特別涉及一種電荷泵及工作方法。

背景技術

電荷泵是一種基于單一供應電壓而輸出不同電壓的電路，一般可涉及提供兩倍于輸入電壓的電壓。電荷泵經常用于存儲電路中，特別是需要多個電壓以適當讀取和寫入的閃存或相變存儲器中。

如圖1所示，圖1為一個現有的產生高壓Vout的電荷泵電路，通過設定參考電壓Vref可控制輸出電壓Vout。該電荷泵電路由時鐘發生器10、可變電阻Rin、電荷轉移電路12、分壓電阻R1和R2、電壓放大器13和參考電壓產生電路14組成，其中Vin為電荷泵電路的輸入電壓，CLK1與CLK2為時鐘發生器10產生的兩相非交疊時鐘。

當輸出電壓Vout經分壓電阻R1、R2分壓后得到的電壓Vn與參考電壓Vref相比較，通過電壓放大器13放大電壓Vn與參考電壓Vref的差值，得到電壓VE來控制可變電阻Rin，從而調節輸入到電荷轉移電路12中的輸入電流，進而得到需要的輸出電壓Vout，Vout＝Vref·(R1+R2)/R2，其中可變電阻Rin可以由MOS管、雙極型晶體管等器件實現。

圖2為電荷轉移電路12的結構示意圖。其中，電容Cf是電荷轉移電容，可變電阻Rin跨接在VCC與Vin之間，VCC為電荷轉移電路12的電壓輸入端。開關S1、S2、S3、S4可以是MOS管、雙極型晶體管或是由其他器件或電路構成。開關S1與S3由CLK1信號控制，當CLK1為高電平時開關S1與S3導通，否則關閉；開關S2與S4由CLK2信號控制，當CLK2為高電平時S2與S4導通，否則關閉。該電荷轉移電路12的工作原理如下：

當CLK1＝“1”，CLK2＝“0”時，開關S1與S3導通，開關S2與S4斷開，電荷轉移電容Cf被充至VCC，而后CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，開關S2與S4導通，開關S1與S3斷開，由于電荷轉移電容Cf兩端的電壓不能跳變，所以輸出電壓Vout理論上被提升為Vin+Vcc，電荷轉移電容Cf上的電荷轉移到穩壓電容Cout上，此過程為電荷轉移電路的一個工作周期。

上述電荷泵電路的主要問題在于轉換效率較低，這是因為：從Vin端流入電荷轉移電路的電流會經過可變電阻Rin，由此在可變電阻Rin上會產生能量消耗；而當電荷泵輸出端Vout負載電流較小時，為降低流入電荷轉移電路的電流，將會增大可變電阻Rin的阻值，由此會進一步增大可變電阻Rin的能量消耗，進而導致電荷泵電路的轉移效率大幅度下降。

為解決上述問題，改進的方法是使用以跳周期模式控制輸出電壓的電荷泵電路，如圖3所示。當輸出電壓Vout低于Vref·(R1+R2)/R2，則電壓比較器33輸出高電平，時鐘發生電路31正常工作，輸出周期性非交疊時鐘信號CLK1，CLK2，電荷轉移電路32也處于正常充電-電荷轉移的工作狀態；當輸出電壓Vout高于Vref·(R1+R2)/R2，則電壓比較器33輸出低電平，將時鐘發生電路31關閉，使得非交疊時鐘信號CLK1，CLK2保持原有的電平，電荷轉移電路32暫停工作，使能信號EN、時鐘信號CLK1與CLK2如圖4所示。

然而，在該電荷泵電路中，由于電荷轉移電容Cf在充電階段過程中，下極板接地，上極板電壓被充至Vin，而放電階段電荷轉移電容Cf下極板接Vin，由于電荷轉移電容Cf兩端的電壓不能跳變，所以電荷轉移電容Cf上極板理論上被提升為2Vin，如果2Vin大于Vout，當電荷轉移電容Cf連接至Vout時則會與輸出電容Cout進行電荷分享，造成輸出電壓Vout出現較大的紋波，同時電荷分享本身也會影響電荷泵工作效率。

針對上述兩種電荷泵電路的缺點，研究人員又提出一種改進的電荷泵電路，具體如圖5所示，該電荷泵電路包括參考電壓發生電路52、電壓比較器53、時鐘發生器51、電荷轉移電容Cf、穩壓電容Cout、開關管M1、54、55、56。首先，電壓比較器53控制開關管M1導通，同時，時鐘發生器生成的非交疊時鐘信號CLK1，CLK2將開關管54導通、開關管55，56斷開，電荷轉移電容Cf下極板與地接通，電荷轉移電容Cf處于充電狀態，當電荷轉移電容Cf上極板電壓達到Vo-Vin后，電壓比較器53將開關管M1關閉，停止對電荷轉移電容充電；然后非交疊時鐘信號CLK1，CLK2將開關管54斷開、開關管55，56導通，電荷轉移電容Cf下極板提升至電源輸入電壓Vin，電荷轉移電容Cf上極板通過開關管55接至電荷泵輸出端，電荷從電荷轉移電容轉移至電荷泵輸出端，由此，電荷泵輸出電壓將穩點在預期值Vo。