功率電荷泵及使用該功率電荷泵的電源管理電路的制作方法
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電壓轉(zhuǎn)換的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種功率電荷泵及使用該功率電荷泵的電源管理電路。
【【背景技術(shù)】】
[0002]有兩種經(jīng)典電路都被稱為電荷泵(Charge Pump)，一種是應(yīng)用于鎖相環(huán)電路中，連接于鑒頻鑒相器后級(jí)，通過(guò)對(duì)電容充放電產(chǎn)生較為穩(wěn)定的電壓，以便用于控制壓控振蕩器的頻率；另一種是通過(guò)開(kāi)關(guān)電容，用于電壓轉(zhuǎn)換，能提供較大輸出電流的功率輸出電路。本實(shí)用新型的電荷泵電路是后者的子類，此處為了區(qū)別，將后者稱為功率電荷泵?，F(xiàn)有技術(shù)中的功率電荷泵一般采用一個(gè)輸入電壓，可以產(chǎn)生比輸入高的輸出電壓，也可以產(chǎn)生比輸入低的輸出電壓，另外，其效率高于線性調(diào)壓器。
[0003]基于開(kāi)關(guān)電容的電荷泵電路被廣泛應(yīng)用于電壓轉(zhuǎn)換電路中，可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓轉(zhuǎn)換效率。與基于電感的直流-直流轉(zhuǎn)換器相比，功率電荷泵無(wú)需體積較大的電感，其更適用于PCB電路等空間較小的應(yīng)用，且成本較低。對(duì)于理想的開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，功率電荷泵的能量損耗可被忽略，在這種情況下，可以認(rèn)為功率電荷泵電路的效率為100%。但現(xiàn)有的功率電荷泵電路只能以某些固定的倍率轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，其理想功率為100%，而且這樣的固定倍率是有限的幾種，例如，現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)同一個(gè)輸入電壓源，僅采用兩個(gè)飛電容(FlyingCapacitor)的應(yīng)用，已有文獻(xiàn)討論過(guò)的V0/VIN(其中，VO為輸出電壓，VIN為輸入電壓)的倍率有:3倍、2倍、3/2倍、4/3倍、I倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍；對(duì)于僅采用一個(gè)飛電容的應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)中存在的V0/VIN倍率有:2倍、I倍、1/2倍。通過(guò)增加飛電容的個(gè)數(shù)，可以產(chǎn)生更多可能的倍率，而更多的可能的倍率，有利于優(yōu)化功率電荷泵的實(shí)際工作效率，例如，輸入電壓為3.3V，輸出電壓目標(biāo)值為1.7V，對(duì)于僅一個(gè)飛電容的情形，只能采用I倍模式，產(chǎn)生3.3V電壓，然后通過(guò)線性調(diào)壓技術(shù)(線性調(diào)壓技術(shù)只能降低電壓)降為1.7V，其理想情況下的效率為1.7V/3.3V = 51.5% ;而對(duì)于采用兩個(gè)飛電容的情形，則可以采用2/3倍模式，產(chǎn)生2.2V電壓，然后通過(guò)線性調(diào)壓技術(shù)降為1.7V，其理想情況下的效率為1.7V/2.2V=77.3%，這樣就改善了工作效率。當(dāng)輸入電壓VIN在一定范圍內(nèi)變化時(shí)(例如，電池供電時(shí)，隨著電池放電或充電，其輸入電壓會(huì)不斷變化)，更多倍率模式有助于優(yōu)化不同輸入電壓下的工作效率。雖然通過(guò)增加飛電容的個(gè)數(shù)可以產(chǎn)生更多可能的倍率，有利于優(yōu)化功率電荷泵的實(shí)際工作效率，但成本會(huì)隨之增加。
[0004]因此，有必要提供一種改進(jìn)的技術(shù)方案來(lái)克服上述問(wèn)題。
【【實(shí)用新型內(nèi)容】】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種功率電荷泵及使用該功率電荷泵的電源管理電路，其可以實(shí)現(xiàn)使用較少的飛電容產(chǎn)生更多可能的倍率轉(zhuǎn)換電壓，從而優(yōu)化功率電荷泵的實(shí)際工作效率。
[0006]為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供一種功率電荷泵，其包括第一電壓源、第二電壓源、電壓轉(zhuǎn)換模塊、輸出模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。所述電壓轉(zhuǎn)換模塊包括電容Cl、第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)，其中，第一電壓源的負(fù)極和第二電壓源的負(fù)極與地節(jié)點(diǎn)相連；第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)依次串聯(lián)于第一電壓源的正極與第二電壓源的正極之間；第二開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)依次串聯(lián)于地節(jié)點(diǎn)和電壓輸出端之間；電容Cl的一端與第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)之間的連接節(jié)點(diǎn)相連，電容Cl的另一端與第二開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)之間的連接節(jié)點(diǎn)相連；所述輸出模塊包括輸出電容，所述輸出電容連接于電壓輸出端和地節(jié)點(diǎn)之間；所述驅(qū)動(dòng)模塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制各個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通或者關(guān)斷，其中，在控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)關(guān)斷；在控制第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)關(guān)斷。
[0007]進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)模塊輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中，第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的控制端相連，以控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通或者關(guān)斷；第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)的控制端相連，以控制第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通或者關(guān)斷。
[0008]進(jìn)一步的，所述四個(gè)開(kāi)關(guān)都為MOS晶體管，第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)。
[0009]進(jìn)一步的，第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在一定的死區(qū)時(shí)間，以避免四個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。
[0010]進(jìn)一步的，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)使對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)使對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)關(guān)斷，當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，滿足如下關(guān)系:
[0011]Vl = VCl (I)
[0012]其中，Vl為第一電壓源的電壓值，VCl為電容Cl兩端的電壓值；
[0013]當(dāng)?shù)诙?qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，滿足如下關(guān)系:
[0014]VO = V2-VC1 (2)
[0015]其中，VO為電壓輸出端的電壓值，V2為第二電壓源的電壓值，VCl為電容Cl兩端的電壓值；聯(lián)合公式⑴和⑵求解得:V0 = V2-V1。
[0016]進(jìn)一步的，所述電容Cl為飛電容。
[0017]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供一種電源管理電路，其包括:電池單元；電壓調(diào)節(jié)電路，其基于電壓?jiǎn)卧峁┑碾妷旱玫筋A(yù)定電壓；功率電荷泵。
[0018]所述電池單元作為功率電荷泵中的第一電壓源，所述電壓調(diào)節(jié)電路作為功率電荷泵中的第二電壓源；或者，所述電池單元作為功率電荷泵中的第二電壓源，所述電壓調(diào)節(jié)電路作為功率電荷泵中的第一電壓源。所述功率電荷泵包括第一電壓源、第二電壓源、電壓轉(zhuǎn)換模塊、輸出模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。所述電壓轉(zhuǎn)換模塊包括電容Cl、第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)，其中，第一電壓源的負(fù)極和第二電壓源的負(fù)極與地節(jié)點(diǎn)相連；第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)依次串聯(lián)于第一電壓源的正極與第二電壓源的正極之間；第二開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)依次串聯(lián)于地節(jié)點(diǎn)和電壓輸出端之間；電容Cl的一端與第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)之間的連接節(jié)點(diǎn)相連，電容Cl的另一端與第二開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)之間的連接節(jié)點(diǎn)相連；所述輸出模塊包括輸出電容，所述輸出電容連接于電壓輸出端和地節(jié)點(diǎn)之間；所述驅(qū)動(dòng)模塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制各個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通或者關(guān)斷，其中，在控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)關(guān)斷；在控制第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)關(guān)斷。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型中的功率電荷泵增加有一個(gè)電壓輸入端，其可以利用電源管理電路中除電池單元外存在的更多其它電壓，產(chǎn)生更多其它倍率，以實(shí)現(xiàn)使用較少的飛電容產(chǎn)生更多可能的倍率轉(zhuǎn)換電壓，從而優(yōu)化功率電荷泵的實(shí)際工作效率。
【【附圖說(shuō)明】】
[0020]為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中:
[0021]圖1為本實(shí)用新型在一個(gè)實(shí)施例中的功率電荷泵的電路示意圖；
[0022]圖2為圖1中的功率電荷泵工作在第一相位時(shí)的等效工作電路圖；
[0023]圖3為圖1中的功率電荷泵工作在第二相位時(shí)的等效工作電路圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0024]為使本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0025]此處所稱的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”是指可包含于本實(shí)用新型至少一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。在本說(shuō)明書中不同地方出現(xiàn)的“在一個(gè)實(shí)施例中”并非均指同一個(gè)實(shí)施例，也不是單獨(dú)的或選擇性的與其他實(shí)施例互相排斥的實(shí)施例。除非特別說(shuō)明，本文中的連接、相連、相接的表示電性連接的詞均表示直接或間接電性相連。
[0026]請(qǐng)參考圖1所不，其為本實(shí)用新型在一個(gè)實(shí)施例中的功率電荷栗的電路不意圖。所述功率電荷泵包括第一電壓源(或稱第一電壓)V1、第二電壓源(或稱第二電壓)V2、電壓轉(zhuǎn)換模塊110、輸出模塊120和驅(qū)動(dòng)模塊130。
[0027]所述電壓轉(zhuǎn)換模塊110包括電容Cl、第一開(kāi)關(guān)S1、第二開(kāi)關(guān)S2、第三開(kāi)關(guān)S3和第四開(kāi)關(guān)S4。其中，第一電壓源Vl的負(fù)極和第二電壓源V2的負(fù)極與地節(jié)點(diǎn)GND相連；第一開(kāi)關(guān)SI和第三開(kāi)關(guān)S3依次串聯(lián)于第一電壓源Vl的正極與第二電壓源V2的正極之間；第二開(kāi)關(guān)S2和第四開(kāi)關(guān)S4依次串聯(lián)于地節(jié)點(diǎn)GND和電壓輸出端VO之間；電容Cl的一端與第一開(kāi)關(guān)SI和第三開(kāi)關(guān)S3之間的連接節(jié)點(diǎn)相連，電容Cl的另一端與第二開(kāi)關(guān)S2和第四開(kāi)關(guān)S4之間的連接節(jié)點(diǎn)相連。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述電容Cl可以為飛電容(或稱快速電容)，并且飛電容為陶瓷電容。
[0028]所述輸出模塊120包括輸出電容Co，所述輸出電容Co連接于電壓輸出端VO和地節(jié)點(diǎn)GND之間。
[0029]所述驅(qū)動(dòng)模塊130輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制開(kāi)關(guān)S1-S4的導(dǎo)通或者關(guān)斷，其中，在控制開(kāi)關(guān)SI和S2導(dǎo)通時(shí)，控制開(kāi)關(guān)S3和S4關(guān)斷；在控制開(kāi)關(guān)S3和S4導(dǎo)通時(shí)，控制開(kāi)關(guān)SI和S2關(guān)斷。在圖1所示的實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)模塊130輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)CKl和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)CK2，其中，第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)CKl與開(kāi)關(guān)SI和S2的控制端相連，以控制開(kāi)關(guān)SI和S2的導(dǎo)通或者關(guān)斷；第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)CK2與開(kāi)關(guān)S3和S4的控制端相連，以控制開(kāi)關(guān)S3和S4的導(dǎo)通或者關(guān)斷。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)S1-S4都為MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶體管，驅(qū)動(dòng)信號(hào)CKl和