专利名称：一种闭环控制电荷泵电路的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及功率转换电路，特别是涉及一种用于升高电压的闭环控制电荷泵 电路。
背景技术：
电源是便携式电子设备的必备部分，通常电池是作为便携式电子设备的供 电电源的主要形式。但是，随着技术的发展，设备中元件日益多样，而各种不 同元件对于供电电压的需求往往不尽相同，因此，单凭电池本身无法满足供电 需求，这就需要功率变换器来提供各种不同的输出电压或电流。而电荷泵电路 是功率变换器中应用最广的形式之一，尤其是用于提升供电电压。例如，在
EPROM或者快闪存储器(Flash)的写入/擦除系统、液晶显示器(LCD)系统 以及驱动模拟开关系统等需要提供高于电源电压的场合，电荷泵电路都有着广 泛的应用。
电荷泵的基本思想是通过电容对电荷的积累效应而产生高电势，首先贮存 能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压，这种电荷泵也称为 开关电容式电压变换器，其利用电容的充放电来实现电压的转换，通过输入时 序信号控制输入回路和输出回路轮流导通，通过调节时序信号的频率来控制输 出功率。
常用的Dickson电荷泵的基本原理如图1A、 1B所示，其包括N+l "级" (stage)，每一级用于实现一定数值的增压。单向二极管D (i)保证电荷只能 单向流动，各个充电电容C (i)的一端连接在二极管D (i)和D (i+l)之间， 另一端则通过反相器I (i)连接到时钟信号CLK1、 CLK2,用于根据时钟信号 CLK1、 CLK2进行电荷的存储与释放。其中，i=l， 2, N,时钟信号CLK1、 CLK2互为相反，反相器I (i)可以提高电荷泵的性能但并非必需。关于上述 Dickson电荷泵的稳态和动态性能分析可以参见文献a: Tom Tanzawa, Tomoharu Tanaka ， "A DynamicAnalysis of the Dickson Charge Pump Circuit" , IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 32, NO. 8, ppl231-1240,AUGUST 1997。
由于实际应用中，被供电元件的工作功率并非恒定，因此，如果电荷泵始 终工作在同一状态，在负载电流减小时，输出端会出现电压"紋波"，同时也 会造成能量的浪费。
为解决这些问题，现有技术所采用的方式是引入电荷泵控制电路。例如现 有技术的一种电荷泵控制装置和方法是在电荷泵之前的电路中，包括一高频振 荡器以及一低频振荡器，分别用于输出不同频率的时钟信号；以及一电压检测 器，连接并检测电路电压，以及连接控制一频率选择开关；所述频率选择开关 用于在所述高频振荡器与低频振荡器之间选择。这种控制方法需两个振荡器， 且只能实现两种控制频率，无法满足对于电荷泵输出功率更精确的控制。
发明内容
本发明的目的在于解决电荷泵的输出功率控制问题，克服现有电荷泵电路 输出功率跟随性差的缺点，电荷泵供电能力与负载实际所需的驱动能力保持一 致，提供一种能动态调节电荷泵的输出功率的电荷泵控制电路。
为此，本发明提供的一种闭环控制电荷泵电路，包括基本电荷泵电路与控 制回路，其中，所述控制回路包括依次连接的下述电路
采样电路，其连接到基本电荷泵的电压输出端，用于对其电压值Vout进行 采样，并按预定函数映射关系f生成与电压值Vout相应的釆样电压值VI;
比较器，用于将电压值VI与预定参考电压Vref进行比较，并输出比较结 果V2;
振荡控制电路，接收所述比较结果V2，并根据V2值生成控制信号Ctrl;
振荡器，其振荡频率受所述控制信号Ctrl控制连续变化，并将振荡频率输 出作为所述基本电荷泵的工作频率。
较佳地，所述比较器和所述电流控制电路之间还连接一滤波电路，用于滤 除所述比较结果V2值的紋波。
较佳地，所述闭环控制电荷泵电路还包括一电荷泄放支路，其一端连接电 荷泵的电压输出端，另一端接地，用于释放电压输出端的电荷，且其受所述比 较结果V2的控制而导通或关断。 本发明的有益效果在于1、电荷泵电路的输出功率随负载变化而动态调节， 而不是一直工作于满负荷状态，有效降低了能量损耗；2、振荡器频率是连续动态调节，而不是有限分立的调节，可以更好地跟随实际负载电流的变化而调节 频率，从而使整个电荷泵电路具有良好的功率跟随特性，使电荷泵的供电功率
随负载功率变化而相应调整；3、由于加入了滤波电路，使电荷泵输出电压稳定， 紋波较小；4、引入电荷泄放支路，可以快速释放电压输出端的电荷，可以实现 快速调节。
图1A是Dickson电荷泵的基本电路原理示意图1B是图1A中时钟信号CLK1、 CLK2的时序示意图2是电荷泵电路的满负荷供电功率和实际所需供电功率比较图3是电荷泵电路的供电功率与振荡器频率的关系示意图4是本发明闭环控制电荷泵电路的第 一 实施例电路模块示意图5是本发明闭环控制电荷泵电路的第二实施例电路模块示意图6是本发明闭环控制电荷泵电路的第三实施例电路模块示意图7是本发明闭环控制电荷泵电路的第四实施例电路模块示意图。
具体实施例方式
图2是电荷泵电路的满负荷供电功率和实际所需供电功率比较图，从图中 可见，电荷泵供电的特点是实际所需功率是动态变化的，且这种变化通常是随 机的，既无规律也难以预测，而且，为了满足峰值需求，电荷泵电路的满负荷 供电能力要大于实际需求供电功率的平均值，因此，电荷泵电路满负荷供电将 造成电能的极大浪费。
图3是电荷泵电路的供电功率与振荡器频率的关系示意图，在电荷泵电路 的正常工作范围内，其供电功率与振荡器频率近似呈正比关系。关于电荷泵各 种性能指标的详细分析现有技术中已有详细论述，例如可以参见上述文献a，在 此不再对其原理进行分析而直接引用结果。因此，这就给控制电荷泵电路的供 电功率提供了一条途径一一控制振荡器的时钟频率。本发明正是通过对电荷泵 输出电压进行采样，再将采样信号与设定的标准值进行比较，并根据比较结果 的误差信号控制振荡器频率来实现闭环反馈控制的。
本发明闭环控制电荷泵电路的一实施例电路模块示意图如图4所示。其中， 该闭环控制电荷泵电路图4是本发明闭环控制电荷泵电路的第二实施例电路模块示意图；荷泵电路10与控制回路，所述控制回路包括依次连接的采样电路20， 比较器30，振荡控制电路50和振荡器60。其中，采样电路20连接到基本电荷 泵的电压输出端，用于对其电压值Vout进行采样，并按预定函数映射关系f生 成与电压值Vout相应的采样电压值VI; VI连接到比较器30的一个输入端， 预定参考电压Vref连接到比较器的另一个输入端，所述比较器30将电压值VI 与预定参考电压Vref进行比较，并输出比较结果V2;振荡控制电路50接收所 述比较结果V2，并根据V2值生成控制信号Ctrl;振荡器60的振荡频率受所述 控制信号Ctrl控制连续变化，并将振荡频率输出osc—clk作为所述基本电荷泵的 工作频率。
其中负载15可以是任何需电荷泵供电的元件或装置，如在EPROM或者 快闪存储器的写入/擦除系统、液晶显示器系统以及驱动模拟开关系统等，lout 为负载电流。采样电路20的功能一是对输出电压进行采样，二是将采样结果进 行变换使之适合比较器的输入，对采样结果根据函数关系f进行电压变换的电路 实现同样有多种形式， 一般来说，f应选择单调函数， 一种最简单且便于实现的 方式是f为线性函数，例如，采样电压值VI正比于Vout的电压值。此时，所 述采样电路20可用电阻串联分压电路实现或电容分压电路实现。
预定参考电压Vref可由高精度基准电压源芯片提供或由片内的电路提供， 例如，理想负载供电电压为Vd，则函数/(.)应满足￥<=/(^)
所述比较器30的作用是将电压值VI与预定参考电压Vref进行比较，并输 出比较结果V2;为便于电路设计和对控制电路进行稳定性分析，可令所述V2 与电压值VI与预定参考电压Vref的差值之间成线性关系，此时，所述比较器 可用运算放大电路实现。
所述振荡控制电路的作用是根据比较结果V2产生控制信号Ctrl,根据振荡 器60的类型，例如振荡器60为电压控制振荡器或电流控制振荡器，控制信号 Ctrl可为电压或电流信号。
根据本发明的闭环控制电荷泵电路的一个优选实施例，所述比较器和所述 电流控制电路之间还连接一滤波电路，用于滤除所述比较结果V2值的突变抖 动。其电路模块示意图如图5所示。图5所示的闭环控制电荷泵电路与图3相 比，除增加了滤波电路40外，还包括一电荷泄放支路，其一端连接电荷泵的电 压输出端，另一端接地，用于释放电压输出端的电荷，且其受所述比较结果V2 的控制而导通或关断。以使当输出电压Vout大于预定值时，电荷泄放支路导通，将多余电荷导入"地"端。并且，所述电荷泄放支路还应使电荷释放过程为较 緩和而不是以脉冲形式释放。为达成上述功能，该电荷泄放支路的一种实施方
式的等效电路为由串联连接的电容器71和可控开关70构成，所述可控开关的 控制端耦合到所述比较结果V2，根据V2的值控制其导通或关断。显然，其中 电容器71和可控开关70的连接顺序可以互换而不影响电路功能的实现。
而滤波电路40的实现形式则可选用现有的各种滤波电路形式，如各种一阶 RC滤波电路，二阶RC滤波电路等。
图6是本发明闭环控制电荷泵电路的第三实施例电路模块示意图。与图5 相比，该实施例的特别之处在于，其中的采样电路20由一分压电路21实现， 分压电路的输出VI连接到比较器30的正向输入端，预定参考电压Vref连接到 比较器30的反向输入端。而所述滤波电路40则为包括串.联连接的一电阻RO和 一电容CO构成的支路，所述支路的电阻侧的端点连接到所述比较器30的输出 V2,所述支路电容侧的端点连接到所述基本电荷泵的输出端Vout,所述支路中 电阻和电容之间的节点连接到所述振荡控制电路的输入端点A。
而所述振荡器可选用电流控制振荡器，且所述振荡控制电路包括与所述振 荡器串联连接的阻抗可变模拟元件，所述阻抗可变模拟元件的控制端连接到所 述振荡控制电路的输入端，通过对所述阻抗可变模拟元件等效电阻的调节控制 所述振荡器的控制电流。通常，该可变阻抗模拟元件可用晶体三极管或MOSFET 等实现，也可用可变电阻器实现，在本优选实施例中，是用MOSFET实现的。 其中，在电压源Vdd与振荡器60之间串联连接一 P型场效应管MP1，其控制 端(栅极)直接连接到节点A，受信号pbias的控制而改变其等效电阻；在振荡 器60与"地"端之间，串联连接一 N型场效应管MN2，其控制端(栅极)通 过一反向器41连接到节点A,受信号nbias的控制而改变其等效电阻。要说明 的是，二场效应管同时使用为优选实施方式，但是亦可以择一选用，且其位置 和类型亦不局限于本实施例的方式，本领域的技术人员当可根据实际需要自由 选择而此种替换不会超出本发明的范围。
并且，在图6的实施例中，所述泄》文支路包括一场效应管(MOSFET), 所述MOSFET的控制端耦合到所述比较结果V2。例如，在本实施例中，选用N 型场效应管MN1，且其栅极直接连接到比较结果V2，显然，所述泄放支路也可 使用P型场效应管实现，其栅极通过一反向器连接到比较结果V2。上述电路的 工作过程为当负载电流lout减小时，供电功率大于实际需要，导致输出高压Vout大于预定值，此时，VI将大于参考电压Vref,比较器的输出电压V2为正 向高电压。同时为了减小V2的紋波，经过R0和C0的滤波后，得到较高电压 的pbias以及较低电压的nbias， MP1和MN2可以等效视为两个可变电阻，滤波 后电压pbias和nbias决定了其等效电阻值的大小，从而控制振荡器的导通电流， 这使得振荡器的电流减小，输出频率降低，从而使电荷泵的供电能力减弱。同 时输出电压V2会使场效应管MN1导通，把输出端Vout的电荷泄放掉，这里电 荷泄放是在一定时间内进行的过程，其时间常数由MN1参数等因素确定，以此 来降低输出端Vout的电压值。
当负载电流Iout加大时，供电能力不满足实际需要，导致输出电压Vout小 于预定值，那么Vl将小于参考电压Vref,比较器30的输出电压V2也较小，， 经过RO和.CO的滤波，得到较低电压的pbias以及较高电压的nbias,这使得振 荡器的电流增大，输出频率提高，从而使电荷泵的供电能力增强。
当输出电压Vout达到理想负载供电电压为Vd时，比较器30的输出电压 V2为能使振荡器能工作于理想振荡频率fd,从而达到稳态后，电荷泵电路的输 出电压Vout稳定在Vd。
所述振荡器60亦可使用电压控制振荡器实现，此时，仅需对图6所示的电 路中振荡控制电路的输出进行相应的改动，由负载电流信号变为输出电压信号 即可。例如，如图7所示，直接以节点A的电压作为电压控制振荡器60的电压 控制信号。
要着重说明的是，上述涉及的所有本发明电荷泵电路的各个组成部分的元 件或装置均优选使用模拟器件实现，以使整个闭环回路构成一个连续系统，以 利于参数的连续调节。并且，用模拟元件实现的另一个优点是电路实现简单， 工作稳定。
以上具体实施方式
仅为本发明的较佳实施例，其对本发明而言是说明性的， 而非限制性的。本领域的技术人员在不超出本发明精神和范围的情况下，对之 进行变换、修改甚至等效，这些变动均会落入本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1、一种闭环控制电荷泵电路，包括基本电荷泵电路与控制回路，其特征在于，所述控制回路包括依次连接的下述电路采样电路，其连接到基本电荷泵的电压输出端，用于对其输出电压值Vout进行采样，并按预定函数映射关系f生成与电压值Vout相应的采样电压值V1；比较器，用于将电压值V1与预定参考电压Vref进行比较，并输出比较结果V2；振荡控制电路，接收所述比较结果V2，并根据V2值生成控制信号Ctrl；振荡器，其振荡频率受所述控制信号Ctrl控制连续变化，并将振荡频率输出作为所述基本电荷泵的工作频率。
2、 根据权利要求1所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述采样电 路中，采样电压值VI正比于电压值Vout。
3、 根据权利要求2所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述采样电 路为电阻串联分压电路。
4、 根据权利要求1所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述比较器 为由运算放大电路实现。
5、 根据权利要求1所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述比较器 和所述电流控制电路之间还连接一滤波电路，用于滤除所述比较结果V2值的紋 波。
6、 根据权利要求5所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述滤波电 路包括串联连接的一电阻和一电容构成的支路，所述支路的电阻侧的端点连接 到所述比较器的输出端，所述支路电容侧的端点连接到所述基本电荷泵的输出 端，所述支路中电阻和电容之间的节点连接到所述振荡控制电路的输入端。
7、 根据权利要求l或5或6所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所 述振荡器为电流控制振荡器，且所述振荡控制电路包括与所述振荡器串联连接 的阻抗可变模拟元件，所述阻抗可变模拟元件的控制端连接到所述振荡控制电 路的输入端，通过对所述阻抗可变模拟元件等效电阻的调节控制所述振荡器的 控制电5充。
8、 根据权利要求1所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述闭环控制电荷泵电路还包括一电荷泄放支路，其一端连接电荷泵的电压输出端，另一端接地，用于释放电压输出端的电荷，且其受所述比较结果V2的控制而导通或关断。
9、 根据权利要求8所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述泄放支路的等效电路为由串联连接的电容器和可控开关构成，所述可控开关的控制端耦合到所述比较结果V2。
10、 根据权利要求8所述的闭环控制电荷泵电路，其特征在于，所述泄放支路包括一 MOSFET,所述MOSFET的控制端耦合到所述比较结果V2。
全文摘要
一种闭环控制电荷泵电路，包括基本电荷泵电路与控制回路，所述控制回路包括依次连接的下述电路采样电路，其连接到基本电荷泵的电压输出端Vout，用于对Vout的电压值进行采样，并按预定函数映射关系f生成与Vout的电压值相应的采样电压值V1；比较器，用于将电压值V1与预定参考电压Vref进行比较，并输出比较结果V2；振荡控制电路，接收所述比较结果V2，并根据V2值生成控制信号Ctrl；振荡器，其振荡频率受所述控制信号Ctrl控制连续变化，并将振荡频率输出作为所述基本电荷泵的工作频率。从而使电荷泵电路振荡器频率能连续动态调节，整个电荷泵电路具有良好的功率跟随特性，降低了能耗。
文档编号H02M3/07GK101667774SQ20081011927
公开日2010年3月10日 申请日期2008年9月2日 优先权日2008年9月2日
发明者铭 刘 申请人:北京芯技佳易微电子科技有限公司