[发明专利]电荷泵及工作方法

说明书

技术领域

本发明涉电路领域，特别涉及一种电荷泵及工作方法。

背景技术

电荷泵是一种基于单一供应电压而输出不同电压的电路，一般可涉及提供两倍于输入电压的电压。电荷泵经常用于存储电路中，特别是需要多个电压以适当读取和写入的闪存或相变存储器中。

如图1所示，图1为一个现有的产生高压Vout的电荷泵电路，通过设定参考电压Vref可控制输出电压Vout。该电荷泵电路由时钟发生器10、可变电阻Rin、电荷转移电路12、分压电阻R1和R2、电压放大器13和参考电压产生电路14组成，其中Vin为电荷泵电路的输入电压，CLK1与CLK2为时钟发生器10产生的两相非交叠时钟。

当输出电压Vout经分压电阻R1、R2分压后得到的电压Vn与参考电压Vref相比较，通过电压放大器13放大电压Vn与参考电压Vref的差值，得到电压VE来控制可变电阻Rin，从而调节输入到电荷转移电路12中的输入电流，进而得到需要的输出电压Vout，Vout＝Vref·(R1+R2)/R2，其中可变电阻Rin可以由MOS管、双极型晶体管等器件实现。

图2为电荷转移电路12的结构示意图。其中，电容Cf是电荷转移电容，可变电阻Rin跨接在VCC与Vin之间，VCC为电荷转移电路12的电压输入端。开关S1、S2、S3、S4可以是MOS管、双极型晶体管或是由其他器件或电路构成。开关S1与S3由CLK1信号控制，当CLK1为高电平时开关S1与S3导通，否则关闭；开关S2与S4由CLK2信号控制，当CLK2为高电平时S2与S4导通，否则关闭。该电荷转移电路12的工作原理如下：

当CLK1＝“1”，CLK2＝“0”时，开关S1与S3导通，开关S2与S4断开，电荷转移电容Cf被充至VCC，而后CLK1＝“0”，CLK2＝“1”，开关S2与S4导通，开关S1与S3断开，由于电荷转移电容Cf两端的电压不能跳变，所以输出电压Vout理论上被提升为Vin+Vcc，电荷转移电容Cf上的电荷转移到稳压电容Cout上，此过程为电荷转移电路的一个工作周期。

上述电荷泵电路的主要问题在于转换效率较低，这是因为：从Vin端流入电荷转移电路的电流会经过可变电阻Rin，由此在可变电阻Rin上会产生能量消耗；而当电荷泵输出端Vout负载电流较小时，为降低流入电荷转移电路的电流，将会增大可变电阻Rin的阻值，由此会进一步增大可变电阻Rin的能量消耗，进而导致电荷泵电路的转移效率大幅度下降。

为解决上述问题，改进的方法是使用以跳周期模式控制输出电压的电荷泵电路，如图3所示。当输出电压Vout低于Vref·(R1+R2)/R2，则电压比较器33输出高电平，时钟发生电路31正常工作，输出周期性非交叠时钟信号CLK1，CLK2，电荷转移电路32也处于正常充电-电荷转移的工作状态；当输出电压Vout高于Vref·(R1+R2)/R2，则电压比较器33输出低电平，将时钟发生电路31关闭，使得非交叠时钟信号CLK1，CLK2保持原有的电平，电荷转移电路32暂停工作，使能信号EN、时钟信号CLK1与CLK2如图4所示。

然而，在该电荷泵电路中，由于电荷转移电容Cf在充电阶段过程中，下极板接地，上极板电压被充至Vin，而放电阶段电荷转移电容Cf下极板接Vin，由于电荷转移电容Cf两端的电压不能跳变，所以电荷转移电容Cf上极板理论上被提升为2Vin，如果2Vin大于Vout，当电荷转移电容Cf连接至Vout时则会与输出电容Cout进行电荷分享，造成输出电压Vout出现较大的纹波，同时电荷分享本身也会影响电荷泵工作效率。

针对上述两种电荷泵电路的缺点，研究人员又提出一种改进的电荷泵电路，具体如图5所示，该电荷泵电路包括参考电压发生电路52、电压比较器53、时钟发生器51、电荷转移电容Cf、稳压电容Cout、开关管M1、54、55、56。首先，电压比较器53控制开关管M1导通，同时，时钟发生器生成的非交叠时钟信号CLK1，CLK2将开关管54导通、开关管55，56断开，电荷转移电容Cf下极板与地接通，电荷转移电容Cf处于充电状态，当电荷转移电容Cf上极板电压达到Vo-Vin后，电压比较器53将开关管M1关闭，停止对电荷转移电容充电；然后非交叠时钟信号CLK1，CLK2将开关管54断开、开关管55，56导通，电荷转移电容Cf下极板提升至电源输入电压Vin，电荷转移电容Cf上极板通过开关管55接至电荷泵输出端，电荷从电荷转移电容转移至电荷泵输出端，由此，电荷泵输出电压将稳点在预期值Vo。