[发明专利]高开关频率电荷泵的电压快速恢复电路

说明书

本发明公开了一种高开关频率电荷泵的电压快速恢复电路，包括比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、反相器INV、开关S1至S4、电流源I_S1与电源漏I_D1、电流源I_S2与电源漏I_D2、电容C_Ctrl、压控震荡器VCO、开启电压V_gs调整模块、电荷泵模块以及电荷泵模块内部的MOS管宽长比选择模块。相比于现有技术中的SFM方案与MCW方案，本发明能够在高开关频率电荷泵上实现更好的电压上冲/下冲快速恢复的效果。

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种高开关频率电荷泵的电压快速恢复电路。

背景技术

随着芯片内部集成电源越来越普遍，面积成为芯片内部电源的主要考虑因素之一，由于电荷泵易于集成在芯片内的缘故，使其成为芯片内部电源最好的选择，而高开关频率电荷泵可以减少电荷泵的飞电容的容值，从而减小电荷泵的面积，因此高开关频率电荷泵成为片上电源的趋势。而多功能片上集成系统会从电源中吸收大量且经常变化的电流，因此会导致电源电压的上冲和下冲。电压上冲/下冲恢复时间长、电压上冲/下冲的电压幅度大，会降低片上集成系统的性能，甚至会导致片上集成系统的故障。所以高开关频率、电压恢复时间短的电荷泵成为值得研究的一个命题。

论文《An Integrated DC–DC Converter With Segmented FrequencyModulation and Multiphase Co-Work Control for Fast Transient Recovery》提供了一种基于PFM 控制的电荷泵的输出电压快速恢复方案，但其方案并不适用于高开关频率电荷泵。

该论文中提及的两种减小电压恢复时间的方案分别为：SFM(SegmentedFrequency Modulation，分段频率调节)与MCW(Multiphase Co-Work，多相共同工作)，现说明这两种方案存在的问题：

首先电压上冲/下冲恢复时间是与输出电压R_out有关：R_out越大，电压上冲恢复时间越小；R_out越小，电压下冲恢复时间越小。一般而言，电荷泵的输出电阻R_out是由两部分组成，一部分为R_SSL，另一部分为R_FSL。其中R_SSL与开关频率、飞电容成反比关系；R_FSL与导通电阻成正比关系。根据论文《Analysis and Optimization of Switched-Capacitor DC–DCConverters》中的描述可以知道：在开关高于一定的频率下R_out已经由R_FSL主导。

SFM方案中通过调节开关频率f_i来增加R_out以缩短电压上冲的恢复时间，可以判断该方案是基于调节R_SSL，但依照论文《Analysis and Optimization of Switched-Capacitor DC–DC Converters》中Fig.10所示，在高于一定的开关频率的前提下，R_out已经由R_FSL主导，此时仅仅依靠调节R_SSL以缩短上冲电压恢复时间的效果是不明显的。

MCW方案中通过多相共同工作使得多个飞电容并联以增加飞电容的容值，由此减小R_out以缩短电压下冲的恢复时间，但依照论文《Analysis and Optimization ofSwitched-Capacitor DC–DC Converters》中Fig.10所示，在高于一定的开关频率的前提下，R_out已经由R_FSL主导，此时仅仅依靠调节R_SSL以缩短下冲电压恢复时间的效果同样是不明显的。