[发明专利]基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵

说明书

本发明公开了一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，包括第一二极管D1，连接电源VDD，输出电压V1；第二二极管D2，输入电压V1，输出电压V4、并与PMOS管PM1的漏极连接；电容C3；电平转换器A1；逻辑模块，连接时钟信号CK、第一检测单元DET1的输出端VO1、第二检测单元DET2的输出端VO2，输出电压V2、V3；跨接在V1、V2之间的第一级电容C1、第一检测单元DET1；跨接在V1、V2之间的第二级电容C2、第二检测单元DET2。本发明适用于大输入电压范围，输出为基于电源电压上增加恒定电压的电荷泵，并且有较低的静态功耗，适用于低功耗应用。

技术领域

本发明涉及一种低功耗电荷泵，适用于宽输入电压范围，但又要求输出电压保持高于电源电压固定值的应用下，为芯片内部提供局部电源或者产生外部输出电源，属于电荷泵技术领域。

背景技术

电荷泵(charge pump)是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。

一种输出基于电源电压相对恒定的电荷泵如图1所示，主要包括串联的第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3，第一升压电容C1，跨接在V1和V2之间，V1是第一二极管D1的N型节点，V2是时钟信号CK经过反相器I1整形后的时钟信号；第二升压电容C2，跨接在输出节点VCP和时钟信号CK之间；串接在电荷泵输出VCP和地之间的电容C3；跨接在电源电压VDD和电荷泵输出VCP之间的稳压二极管Z1。电荷泵工作期间，分为两个阶段，第一阶段CK为高信号，V2为低电平，此时第一二极管D1导通，VDD经过第一二极管D1给第一升压电容C1充电，V1电压值升高；第二升压电容C2下极板为高，V3产生两倍的VDD的电压，通过第三二极管D3为电容C3充电。第二阶段CK为低信号，V2为高信号，此时V1升高到两倍的VDD，第一二极管D1截止，V1通过第二二极管D2给第二升压电容C2充电，此时电容C3上电压为最高电位，因此第三二极管D3截止，电容C3独自为负载供电，维持VCP电压。若不计损耗，VCP的最高电压可以达到。稳压二极管Z1跨接在VDD和电荷泵输出VCP之间，泄放多余电荷泵产生的电荷，保证输出电压VCP始终维持在VDD+VZENER上。其中，VZENER为稳压二极管Z1的嵌位电压。这种电荷泵属于开环电荷泵，电荷泵的输出电压取决于稳压二极管Z1的嵌位电压，因此稳压二极管Z1的工艺偏差，温度等因素非常容易引起输出电压的偏差；另外，这种结构在宽输入电压应用下，两级电荷泵始终都在工作，多余抬起的电荷以负载电流形式泄放掉，这样在稳压二极管Z1上消耗了额外的功耗，尤其在输入电压比较高的时候，自身静态消耗更加明显。

目前，还有一种闭环工作的电荷泵，如图2所示，它的结构与图1类似，不同之处在于在输出节点VCP和电源VDD之间串联一个电阻R，采用一个四输入运算放大器OP1对VCP和VDD之间的电压差与Vr到GND之间的电压差进行比较，当VCP和VDD之间电压差过大的时候，输出电压翻转为高，VO＝H，通过逻辑或非门I1的控制，阻止时钟信号CK进入电荷泵内部，从而避免电荷泵继续工作，维持输出VCP保持在VDD加上Vr的电压值上。这种电荷泵输出电压的精度比较高，但额外增加的运算放大器设计复杂，需要针对高压进行设计，另外，额外的电阻R仍然提供了很大的静态功耗。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，其适用于大输入电压范围，输出为基于电源电压上增加恒定电压的电荷泵，并且有较低的静态功耗，适用于低功耗应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于宽范围输入电压输出相对恒定的CMOS电荷泵，包括：

第一二极管D1，连接电源VDD，输出电压V1；

第二二极管D2，输入电压V1，输出电压V4、并与PMOS管PM1的漏极连接；

PMOS管PM1，衬底和源极短接，作为电荷泵的输出端VCP；