[發(fā)明專利]一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調(diào)節(jié)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410100047.5
• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN103856044A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷宇;陳后鵬;宋志棠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(wù)所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)

電荷泵(Charge?Pump)電路廣泛適用于集成電路系統(tǒng)，是一種基于單一供應(yīng)電壓而輸出電壓不同于供應(yīng)電壓的電路。電荷泵經(jīng)常用于存儲器電路，特別是需要高于一般供應(yīng)電壓的閃存或相變存儲器(Phase?Change?Memory，PCM)。

以PCM為例，PCM進(jìn)行編程操作時，需要電荷泵輸出4.2V～4.3V的電壓，100mA的電流，將相變材料融化冷卻后置為高阻態(tài)。但隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的逐漸減小，電源電壓也在逐漸下降，在40nm工藝PCM的一些應(yīng)用中，整個芯片只有一個1.8V～2.5V的電源電壓，要輸出4.2V～4.3V電壓以滿足PCM的編程需求，必須使用電荷泵對電源電壓進(jìn)行升壓。

直流-直流變換器(DC-DC?Converter)主要有三種：開關(guān)電容電荷泵，采用電感的直流-直流變換器和Dickson電荷泵。與另外兩種相比，開關(guān)電容電荷泵放大倍數(shù)適中，電磁干擾較小，輸出響應(yīng)速度較快，能夠兼顧低輸出紋波和高電源效率。本發(fā)明討論的電荷泵即為開關(guān)電容電荷泵。

圖1～圖2為開關(guān)電容電荷泵的典型工作方式，電容C_f上下兩個開關(guān)由系統(tǒng)生成的非交疊時鐘控制。如圖1所示為開關(guān)電容電荷泵的充電階段，電容C_f的上極板接輸入電壓V_in，下極板接地，經(jīng)過一段時間后，電容C_f被充電至輸入電壓V_in；如圖2所示為開關(guān)電容電荷泵的放電階段，電容C_f的上極板切換至輸出電容C_out，下極板切換至輸入電壓V_in，在開關(guān)切換的一瞬間電容C_f上下極板之間的電壓差不變。由于下極板的電壓從0上升至輸入電壓V_in，上極板的電壓必須從輸入電壓V_in上升至2V_in，才能滿足電容C_f上下極板之間的電壓差不變，電容C_f上電荷被轉(zhuǎn)移至輸出電容C_out，輸出電壓V_out相較于輸入電壓V_in增大了2倍，實(shí)現(xiàn)了升壓的目的。

但此種電荷泵存在三個問題：第一，如果2V_in大于V_out，當(dāng)電容C_f連接至輸出電壓V_out時則會與輸出電容C_out進(jìn)行電荷分享，造成輸出電壓V_out較大的紋波，同時電荷分享本身也會影響電荷泵工作效率。第二，電荷泵開關(guān)一般采由MOSFET晶體管，又稱功率管，升壓模塊中一般有上千個功率管。當(dāng)輸出電壓不變即負(fù)載電流為零時，功率管依然受外部非交疊時鐘信號控制做開關(guān)運(yùn)動，浪費(fèi)了功耗。第三，當(dāng)電荷泵從輕負(fù)載切換到重負(fù)載時，瞬態(tài)響應(yīng)速度慢。

如何改善開關(guān)電容電荷泵的性能是本領(lǐng)域的技術(shù)人員亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種電荷泵電路及其輸出電壓自動調(diào)節(jié)方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中電荷泵的輸出電壓紋波大、浪費(fèi)功耗以及瞬態(tài)響應(yīng)速度慢等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種電荷泵電路，所述電荷泵電路至少包括：

使能信號產(chǎn)生電路，升壓模塊，泵電容及輸出電容；

所述使能信號產(chǎn)生電路用于根據(jù)所述升壓模塊輸出電壓的變化，產(chǎn)生使能信號，所述使能信號通過控制所述升壓模塊的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)其輸出電壓，以將所述輸出電壓控制在一個預(yù)設(shè)范圍內(nèi)波動；

所述升壓模塊受所述使能信號產(chǎn)生電路輸出的使能信號控制實(shí)現(xiàn)升壓功能；

所述泵電容連接于所述升壓模塊，用于轉(zhuǎn)移所述升壓模塊中的電荷；

所述輸出電容連接于所述升壓模塊，用于儲存所述泵電容輸出的電荷并輸出相應(yīng)的電壓。

優(yōu)選地，所述使能信號產(chǎn)生電路包括：

參考電壓V_ref1產(chǎn)生電路，參考電壓V_ref2產(chǎn)生電路，減法器，第一放大器，第二放大器，第一反相器，第二反相器，上升沿觸發(fā)器，下降沿觸發(fā)器及與門；

所述參考電壓V_ref1產(chǎn)生電路及所述參考電壓V_ref2產(chǎn)生電路分別用于產(chǎn)生參考電壓V_ref1及參考電壓V_ref2；