[发明专利]一种输出恒定差值电压的方法和电荷泵电路

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域技术，尤其涉及一种输出恒定差值电压的方法和电荷泵电路。

背景技术

在蓄电池充电芯片设计中，通常采用PMOS(Positive channel Metal OxideSemiconductor，P沟道金属氧化物半导体场效应)型功率器件，但在一些特定工艺和芯片成本的要求下，传统的PMOS型器件不能满足要求时，需要使用NMOS(N Mental Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体场效应)型器件。因为NMOS相对PMOS来说，具有速度快，导通阻抗低等优势。

如图1(a)所示，采用PMOS型器件的情况下，PMOS型器件101导通时，会有较大的电流由输入端流入输出端；PMOS型器件101关闭时，如果输入端的电压低于输出端电压，PMOS寄生二极管106会存在漏电流111，而且漏电流111与PMOS型器件101的尺寸成正比。为了防止漏电，如图1(c)所示，通常会在使用PMOS器件时，采用一个衬底选择单元110选择一个较高的电位，这样就避免了寄生二极管的放电，关闭了漏电通道113。

在一些特定工艺和成本要求下，也会采用NMOS型器件，如图1(b)所示，与PMOS型器件不同的是NMOS型器件102的栅极电压高于源极电压；当NMOS型器件102关闭且输入端电压低于输出端电压时，同样二极管107也会存在一个漏电流112，而此电路则不能像PMOS型器件101一样采用图1(c)所示的结构，因为在典型低压CMOS工艺中，NMOS的衬底通常为地电位，不能选择；而在一些特殊工艺下，NMOS的衬底连接也是固定的。通常采用如图1(d)所示的结构，能解决NMOS型器件的漏电问题。将两个NMOS型器件相对放置，这样寄生二极管108和寄生二极管109方向相反，由此截断了两个方向的漏电流通道。NMOS型器件104只需起一个保护NMOS型器件105作用，所以它仅作为一个开关。

对于图1(d)结构的芯片来说，为了保证充放电工作正常，NMOS型器件的栅极114需要连接一个电荷泵电路，其提供的电压高于输入端电压才能让NMOS型器件104导通。该电荷泵电路需满足的相关条件通常包括如下几点：

(1)提供的电压要高于输入端电压，但是两者差值不能超过NMOS型器件104的工作范围要求；

(2)电荷泵电路不能外接电容，内部电路及组件都要尽量少，压缩面积；

(3)电荷泵电路可以提供一定的负载能力，其大小可由充电环路来决定；

(4)电荷泵电路应保证在所有的工艺角，相应的工作电压范围和温度范围内都能满足要求。

目前，电荷泵电路主要采用开关电容结构。如图2所示，为Dickson电荷泵结构，其中clkp和clkn为一对差分时钟信号，当clkp为低时，输入端电压VIN通过NMOS型器件201对电容c1充电，而此时端点207为高电平会抑制NMOS型器件202开启。clkp变为高电平时，端点206为高电平抑制NMOS型器件201开启，电容c1上保存的电荷通过NMOS型器件202转移到电容c2上；以此类推，经过NMOS型器件203-205以及端点208、端点209，最终电荷转移到电容c0上。但是，一些特定工艺条件下，不能使用该Dickson结构的二极管连接形式。

另一种是doublers电荷泵结构，如图3(a)所示，主要由S1～S4的4个开关和两个电容C0、Cout组成，S1、S4和S2、S3构成两组反相的时钟信号，当S1、S4导通时，输入端电压VIN对电容C0充电，如图3(b)中所示的电流流向303，最终电容C0的上极板301的电压为输入端电压VIN，下极板302为0；当S2、S3导通时，如图3(c)中的电流流向304所示，电容C0下极板302的电压变为输入端电压，电容C0的荷转移至电容Cout，使得输出端电压上升。

如图4所示，为一个以doublers电路为基础结构的电路，输出端经过电阻R1和R2分压，在端点401得到一个反馈电压，误差放大器402一端与端点401连接，另一端与基准电压源406连接；误差放大器402将两端电压的差值放大后输出到振荡器控制逻辑403，从而得到反馈电压的控制信号407。通过上述负反馈电路将电荷泵输出电压稳定在一定的电压值。采取负反馈的方式包含多种，包括调整振荡器频率，以及调整电荷泵输入电压等。然而，上述电路不能满足输出电压值比输入电压高出固定的电压值；同时它需要单独的振荡器等，会占用较大的芯片资源。而且，外接电容也会降低电荷泵的集成度。

发明内容