专利名称：多模式电压增益的电荷泵电路及其实现方法
技术领域：
本发明涉及电荷泵技术，具体是指一种能实现多种电压增益模式的电荷泵电路。
背景技术：
应用于白光LED驱动芯片的电荷泵电路属于开关电容DC/DC变换器的一种，可实 现各种倍数的电压转换。由于不含电感元件，因此适合制作成集成电路，并广泛用于对元件 效率要求较高的白光LED驱动芯片等由电池供电的便携式设备中。目前，主流的白光LED 驱动芯片采用的是lx/1.5x/2x三种电压增益模式电荷泵，其只需要外接2个充电电容，便 可具备1倍、1. 5倍和2倍的升压功能。图1为已知的lx/1.5x/2x三模式电荷泵电路，CpC2S快速充电电容，CmD为输出 电容，Si S8*功率开关管。当已知的lx/1.5x/2x三模式电荷泵中，功率开关管51 & 的控制信号如图2中M1-M8所示时，Vin = Vout,实现1倍升压功能。当已知的lx/1. 5x/2x三 模式电荷泵中，功率开关管S1 S8的控制信号如图3中M1 M8所示时，Vout = 1. 5VIN，实 现1. 5倍升压功能。当已知的lx/1. 5x/2x三模式电荷泵中，功率开关管S1 S8的控制信 号如图4中M1-M8所示时，Vout = 2VIN，实现2倍升压功能。目前LED驱动芯片中采用的只具备三种升压功能的电荷泵电路已渐渐不能满足 发展所需。因此，本发明提出的电荷泵电路，只需使用2个充电电容，一个输出电容，通过8 个功率开关管的有机结合，可提供1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍等四种模式的电压增益。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种新型的电荷泵电路，本电 荷泵电路能实现1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍等多种电压增益模式。本发明的另一目的在于提供上述多模式电压增益的电荷泵电路实现多模式电压 增益的方法。为达上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现多模式电压增益的电荷泵电 路，如图5所示，包括功率开关管S。S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，相同的充电电容C1和C2,以及 输出电容CmD ；其中，电压输入端Vin与功率开关管S1的漏极连接，功率开关管S1的源极同时与功 率开关管S4的漏极、充电电容C1的第一端C11连接；电压输入端Vin与功率开关管S5的漏极连接，功率开关管S5的源极同时与功率开 关管S7的漏极，以及功率开关管S2的漏极连接；功率开关管S2的漏极与充电电容C1的第二端C12连接；功率开关管S7的源极同时与充电电容C2的第一端C21，以及功率开关管S3的漏极 连接，功率开关管S3的源极接地；功率开关管S2的源极同时与充电电容C2的第二端C22连接，其连接线引出一条支 路通过功率开关管S8接地，该连接线还引出另一条支路通过功率开关管Sf^电压输出端Vqut相连接，同时，功率开关管S4的源极也与电压输出端Vot相连接，电压输出端Vott还通过输 出电容CmD接地。作为优选的技术方案，所述充电电容Cp C2均采用快速充电电容。上述多模式电压增益的电荷泵电路实现多模式电压增益的方法，包括1倍等压方 法、1. 25倍升压方法、1. 5倍升压方法和2倍升压方法；(1) 1倍等压方法具体如下将功率开关管S1和功率开关管S4的控制信号设为高 电平，功率开关管S1和功率开关管S4导通，将功率开关管S2、S3、S5 S8的控制信号设为低 电平，以使得功率开关管S2、s3、s5 S8截止，进而电压输入信号依次通过功率开关管S1、功 率开关管S4短接到电压输出端VOT，从而得到Vin = Vout,由此实现1倍等压。(2) 1. 25倍升压方法具体如下将功率开关管S1 S8各自的控制信号设定为频率 相同的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK21、CLK22和CLK23三个阶段；在CLK21阶段，将功率开关管S1 S3的控制信号设为高电平，以使得功率开关管 S1 S3导通，将功率开关管S4 S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S4 S8截 止，通过上述设计，使得电压输入端Vin在CLK21阶段对充电电容C1和C2进行充电，由稳态分 析得到充电电容Q、C2上的压差为Vci = Vc2 = 0. 5Vino在CLK22阶段，将功率开关管S3、S5和S8的控制信号设为高电平，以使得功率开关 管S3、S5和S8导通，将功率开关管Si、S2、S4、S6和S7的控制信号设为低电平，以使得功率开 关管Si、S2、S4、S6和S7截止，通过上述设计，使得在CLK22阶段C2对地放电，稳态时有Vc2 = OV ；在CLK23阶段，将功率开关管S4 S7的控制信号设为高电平，以使得功率开关管 S4 S7导通，将功率开关管S1 S3，以及S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S1 S3,以及S8截止，通过上述设计，使得在CLK23阶段稳态时输出电压Vqut = 1. 25VIN，由此实现 T 1.25倍升压。(3) 1. 5倍升压方法具体如下将功率开关管S1 S8各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开 关管的周期都均分为CLK31和CLK32两个阶段；在CLK31阶段，将功率开关管S1 S3的控制信号设为高电平，以使得功率开关管 S1 S3导通，将功率开关管S4 S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S4 S8截 止，通过上述设计，使得在CLK31阶段稳态时Vin对充电电容C1和C2充电，获得Va = Vc2 = 0. 5Vin ；在CLK32阶段，将功率开关管S4 S7的控制信号设为高电平，以使得功率开关管 S4 S7导通，将功率开关管S1 S3,以及S8的控制信号设为低电平，以使得S1 S3,以及 S8截止，通过上述设计，使得在CLK32阶段稳态时充电电容C1和C2并接在输入电压Vin与输 出电压Vqut之间，获得输出电压为Vqut = 1. 5VIN，由此实现了 1. 5倍升压。(4) 2倍升压方法具体如下将功率开关管S1 S8各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开 关管的周期都均分为CLK41和CLK42两个阶段；在CLK41阶段，将功率开关管S2、S3和S5的控制信号设为高电平，以使得功率开关 管S2、S3和S5导通，将功率开关管SpS4以及S6 S8的控制信号设为低电平，以使得功率开
5关管Sp S4以及S6 S8截止，通过上述设计，使得在CLK41阶段稳态时Vin对充电电容C2充 电，获得\2 = Vin ；在CLK42阶段，将功率开关管S5 S7的控制信号设为高电平，以使得功率开关管 S5 S7导通，将功率开关管S1 S4以及S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S1 S4以及S8截止，通过上述设计，使得充电电容C2接在Vin与Vott之间，在CLK42阶段稳态时输 出电压Vqut = 2VIN，由此实现了 2倍升压。本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果本发明电路只需使用到8个功率开关管、2个充电电容以及1个输出电容。电路根 据外部的功率开关管控制信号，实现1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍的升压功能。与目前已知 的电荷泵电路相比，无需增加额外的充电电容，即可增加一种1. 25倍升压功能。与现有电荷泵电路相比，本发明主要通过以下2点技术改进以实现电荷泵电路简 化和四种升压功能1)以S1和S4同时闭合组成Vin经SpS4到Vott的1倍升压通路代替已知电荷泵电 路中单闭合S8组成Vin经S8到Vtm的1倍升压通路，提高电荷泵电路中S1和S4的复合利用 率，优化了 Vin到Vot的物理通路；2)与现有电荷泵电路中C2经过S3单极接地相比，本发明以C2 —极经过S3接地和 C2另一极经过S8接地的双端接地方式，使得C2电容可在工作过程中可双极对地放电，电压 置零，通过此功能，本发明的电荷泵电路可以实现一种1.25倍的升压功能。
图1为现有电荷泵电路的电路架构示意图；图2为现有电荷泵电路1倍升压模式时功率开关管控制信号示意图；图3为现有电荷泵电路1. 5倍升压模式时功率开关管控制信号示意图；图4为现有电荷泵电路2倍升压模式时功率开关管控制信号示意图；图5为本发明多模式电压增益的电荷泵电路的电路架构示意图；图6为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现1倍升压时功率开关管控制信号 示意图；图7为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现1. 25倍升压时功率开关管控制 信号示意图；图8为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现1. 5倍升压时功率开关管控制信 号示意图； 图9为本发明多模式电压增益的电荷泵电路实现2倍升压时功率开关管控制信号 示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例本发明多模式电压增益的电荷泵电路如图5所示，其中输入电压Vin可以分别通过
6四种升压模式得到1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍的电压增益，输出Vott，C1, C2为快速充电电 容，Chold为输出电容，S1 S8为功率开关管。四种升压模式实现过程的工作原理如下(1) 1倍升压模式如图6所示，M1-M8Ssi-S8对应的功率开关管的控制信号。可以看出功率开 关管控制信号M1和M4持续为高电平，M2、M3和M5 M8持续为低电平，对应功率开关管S1和 S4导通，S2、S3和S5 S8截止，Vin通过S1和S4短接到Vout,从而得到Vin = Vout,完成1倍升 压模式。(2) 1. 25倍升压模式如图7所示，M1 M8为S1 S8对应的功率开关管的控制信号。可以看出功率开 关管控制信号每个周期均分为CLKp CLK2和CLK3三个阶段，一个完整的工作过程可分为如 下所述CLK1阶段功率开关管控制信号M1 M3高电平，M4 M8低电平，对应功率开关管 S1 S3导通，S4 S8截止。Vin对串联电容Cjn C2充电，这里C1 = C2，由稳态分析可得Cp C2 上的压差为，Vci = Vc2 = 0. 5Vin ；CLK2阶段功率开关管控制信号M3、M5、M8高电平，Mp M2、M4、M6和M7低电平，对应 功率开关管S3> S5, S8导通，S” S2, S4, S6和S7截止。C2对地放电。稳态时有Vc2 = OV ；CLK3阶段功率开关管控制信号开关M4 M7高电平，M1 M3和M8低电平，对应开 关S4 S7导通，S1 S3和S8截止。稳态时可得输出电压Vout = 1. 25VIN，因此，实现了 1. 25 倍升压模式。(3) 1. 5倍升压模式如图8所示，M1 M8为S1 S8对应的开关管控制信号。实现1. 5倍升压模式的 完整过程只需CLK1和CLK2两个阶段。CLK1阶段功率开关管控制信号开关M1 M3高电平，M4 M8低电平，对应功率开 关管S1 S3导通，S4 S8截止，Vin对串联电容C1和C2充电，可得Vci = Vc2 = 0. 5Vin ；CLK2阶段功率开关管控制信号开关虬 礼高电平，M1 礼和礼低电平，对应功 率开关管S4 S7导通，S1 S3和S8截止，C1和C2并接在Vin与Vott之间，可得输出电压为 Vqut = 1. 5Vin。因此，实现了 1. 5倍升压模式。(4) 2倍升压模式如图9所示，M1 M8为S1 S8对应的功率开关管控制信号。实现2倍升压模式 也只需CLK1和CLK2两个阶段。CLKl阶段功率开关管控制信号M2、M3和M5高电平，MpM4和M6 M8低电平，对应 功率开关管S2, S3和S5导通，S” S4和S6 S8截止，Vin对C2充电，可得Vc2 = Vin ；CLK2阶段功率开关管控制信号M5 M7高电平，M1 M4和M8低电平，对应功率开 关管S5 S7导通，S1 S4和S8截止，C2接在Vin与Vott之间，此时输出电压Vott = 2Vino从 而实现了 2倍升压模式。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
多模式电压增益的电荷泵电路，包括功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，相同的充电电容C1和C2，以及输出电容CHOLD，其特征在于电压输入端VIN与功率开关管S1的漏极连接，功率开关管S1的源极同时与功率开关管S4的漏极、充电电容C1的第一端C11连接；电压输入端VIN与功率开关管S5的漏极连接，功率开关管S5的源极同时与功率开关管S7的漏极，以及功率开关管S2的漏极连接；功率开关管S2的漏极与充电电容C1的第二端C12连接；功率开关管S7的源极同时与充电电容C2的第一端C21，以及功率开关管S3的漏极连接，功率开关管S3的源极接地；功率开关管S2的源极同时与充电电容C2的第二端C22连接，其连接线引出一条支路通过功率开关管S8接地，该连接线还引出另一条支路通过功率开关管S6与电压输出端VOUT相连接，同时，功率开关管S4的源极也与电压输出端VOUT相连接，电压输出端VOUT还通过输出电容CHOLD接地。
2.根据权利要求1所述的多模式电压增益的电荷泵电路，其特征在于所述充电电容 Cp C2均采用快速充电电容。
3.根据权利要求1或2所述的多模式电压增益的电荷泵电路现多模式电压增益的方 法，其特征在于，包括1倍等压方法、1. 25倍升压方法、1. 5倍升压方法和2倍升压方法；(1)1倍等压方法具体如下将功率开关管S1和功率开关管S4的控制信号设为高电平， 功率开关管S1和功率开关管S4导通，将功率开关管S2、S3、S5 S8的控制信号设为低电平， 以使得功率开关管S2、S3、S5 S8截止，进而电压输入信号依次通过功率开关管S1、功率开 关管S4短接到电压输出端VOT，从而得到Vin = Vout,由此实现1倍等压；(2)1. 25倍升压方法具体如下将功率开关管S1 S8各自的控制信号设定为频率相同 的周期信号，把每个功率开关管的周期都均分为CLK21、CLK22和CLK23三个阶段；在CLK21阶段，将功率开关管S1 S3的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S1 S3导通，将功率开关管S4 S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S4 S8截止，通 过上述设计，使得电压输入端Vin在CLK21阶段对充电电容C1和C2进行充电，由稳态分析得 到充电电容Q、C2上的压差为Vci = Vc2 = 0. 5Vino在CLK22阶段，将功率开关管S3、Sjn S8的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S3、 S5和S8导通，将功率开关管Si、S2, S4, S6和S7的控制信号设为低电平，以使得功率开关管 Si、S2、S4、S6和S7截止，通过上述设计，使得在CLK22阶段C2对地放电，稳态时有Ve2 = OV ；在CLK23阶段，将功率开关管S4 S7的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S4 S7导通，将功率开关管S1 S3,以及S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S1 S3, 以及S8截止，通过上述设计，使得在CLK23阶段稳态时输出电压Vqut = 1. 25VIN，由此实现了 1. 25倍升压；(3)1. 5倍升压方法具体如下将功率开关管S1 S8各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管 的周期都均分为CLK31和CLK32两个阶段；在CLK31阶段，将功率开关管S1 S3的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S1 S3 导通，将功率开关管S4 S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S4 S8截止，通过上述设计，使得在CLK31阶段稳态时Vin对充电电容C1和C2充电，获得Vei = Vc2 = 0. 5Vin ； 在CLK32阶段，将功率开关管S4 S7的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S4 S7导通，将功率开关管S1 S3,以及S8的控制信号设为低电平，以使得S1 S3,以及S8截 止，通过上述设计，使得在CLK32阶段稳态时充电电容C1和C2并接在输入电压Vin与输出电 压Vqut之间，获得输出电压为Vqut = 1. 5VIN，由此实现了 1. 5倍升压； (4) 2倍升压方法具体如下将功率开关管S1 S8各自的控制信号设定为频率相同的周期信号，把每个功率开关管 的周期都均分为CLK41和CLK42两个阶段；在CLK41阶段，将功率开关管S2、S3* S5的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S2、 S3和S5导通，将功率开关管Si、S4以及S6 S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管 SpS4以及S6 S8截止，通过上述设计，使得在CLK41阶段稳态时Vin对充电电容C2充电，获 得 Vc2 = Vin ；在CLK42阶段，将功率开关管S5 S7的控制信号设为高电平，以使得功率开关管S5 S7导通，将功率开关管S1 S4以及S8的控制信号设为低电平，以使得功率开关管S1 S4 以及S8截止，通过上述设计，使得充电电容C2接在Vin与Vott之间，在CLK42阶段稳态时输出 电压Vqut = 2VIN，由此实现了 2倍升压。
全文摘要
本发明公开了一种能实现多种电压增益模式的电荷泵电路，本电荷泵电路只需使用到8个功率开关管、2个充电电容以及1个输出电容，电路根据外部的功率开关管控制信号，实现1倍、1.25倍、1.5倍和2倍的升压功能。与目前已知的电荷泵电路相比，无需增加额外的充电电容，即可增加一种1.25倍升压功能。
文档编号H02M3/07GK101924465SQ20101024095
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者黄君凯, 黄振杰 申请人:暨南大学