專利名稱：多模式電壓增益的電荷泵電路及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電荷泵技術，具體是指一種能實現(xiàn)多種電壓增益模式的電荷泵電路。
背景技術：
應用于白光LED驅動芯片的電荷泵電路屬于開關電容DC/DC變換器的一種，可實 現(xiàn)各種倍數(shù)的電壓轉換。由于不含電感元件，因此適合制作成集成電路，并廣泛用于對元件 效率要求較高的白光LED驅動芯片等由電池供電的便攜式設備中。目前，主流的白光LED 驅動芯片采用的是lx/1.5x/2x三種電壓增益模式電荷泵，其只需要外接2個充電電容，便 可具備1倍、1. 5倍和2倍的升壓功能。圖1為已知的lx/1.5x/2x三模式電荷泵電路，CpC2S快速充電電容，CmD為輸出 電容，Si S8*功率開關管。當已知的lx/1.5x/2x三模式電荷泵中，功率開關管51 & 的控制信號如圖2中M1-M8所示時，Vin = Vout,實現(xiàn)1倍升壓功能。當已知的lx/1. 5x/2x三 模式電荷泵中，功率開關管S1 S8的控制信號如圖3中M1 M8所示時，Vout = 1. 5VIN，實 現(xiàn)1. 5倍升壓功能。當已知的lx/1. 5x/2x三模式電荷泵中，功率開關管S1 S8的控制信 號如圖4中M1-M8所示時，Vout = 2VIN，實現(xiàn)2倍升壓功能。目前LED驅動芯片中采用的只具備三種升壓功能的電荷泵電路已漸漸不能滿足 發(fā)展所需。因此，本發(fā)明提出的電荷泵電路，只需使用2個充電電容，一個輸出電容，通過8 個功率開關管的有機結合，可提供1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍等四種模式的電壓增益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足之處，提供一種新型的電荷泵電路，本電 荷泵電路能實現(xiàn)1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍等多種電壓增益模式。本發(fā)明的另一目的在于提供上述多模式電壓增益的電荷泵電路實現(xiàn)多模式電壓 增益的方法。為達上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案來實現(xiàn)多模式電壓增益的電荷泵電 路，如圖5所示，包括功率開關管S。S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，相同的充電電容C1和C2,以及 輸出電容CmD ；其中，電壓輸入端Vin與功率開關管S1的漏極連接，功率開關管S1的源極同時與功 率開關管S4的漏極、充電電容C1的第一端C11連接；電壓輸入端Vin與功率開關管S5的漏極連接，功率開關管S5的源極同時與功率開 關管S7的漏極，以及功率開關管S2的漏極連接；功率開關管S2的漏極與充電電容C1的第二端C12連接；功率開關管S7的源極同時與充電電容C2的第一端C21，以及功率開關管S3的漏極 連接，功率開關管S3的源極接地；功率開關管S2的源極同時與充電電容C2的第二端C22連接，其連接線引出一條支 路通過功率開關管S8接地，該連接線還引出另一條支路通過功率開關管Sf^電壓輸出端Vqut相連接，同時，功率開關管S4的源極也與電壓輸出端Vot相連接，電壓輸出端Vott還通過輸 出電容CmD接地。作為優(yōu)選的技術方案，所述充電電容Cp C2均采用快速充電電容。上述多模式電壓增益的電荷泵電路實現(xiàn)多模式電壓增益的方法，包括1倍等壓方 法、1. 25倍升壓方法、1. 5倍升壓方法和2倍升壓方法；(1) 1倍等壓方法具體如下將功率開關管S1和功率開關管S4的控制信號設為高 電平，功率開關管S1和功率開關管S4導通，將功率開關管S2、S3、S5 S8的控制信號設為低 電平，以使得功率開關管S2、s3、s5 S8截止，進而電壓輸入信號依次通過功率開關管S1、功 率開關管S4短接到電壓輸出端VOT，從而得到Vin = Vout,由此實現(xiàn)1倍等壓。(2) 1. 25倍升壓方法具體如下將功率開關管S1 S8各自的控制信號設定為頻率 相同的周期信號，把每個功率開關管的周期都均分為CLK21、CLK22和CLK23三個階段；在CLK21階段，將功率開關管S1 S3的控制信號設為高電平，以使得功率開關管 S1 S3導通，將功率開關管S4 S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S4 S8截 止，通過上述設計，使得電壓輸入端Vin在CLK21階段對充電電容C1和C2進行充電，由穩(wěn)態(tài)分 析得到充電電容Q、C2上的壓差為Vci = Vc2 = 0. 5Vino在CLK22階段，將功率開關管S3、S5和S8的控制信號設為高電平，以使得功率開關 管S3、S5和S8導通，將功率開關管Si、S2、S4、S6和S7的控制信號設為低電平，以使得功率開 關管Si、S2、S4、S6和S7截止，通過上述設計，使得在CLK22階段C2對地放電，穩(wěn)態(tài)時有Vc2 = OV ；在CLK23階段，將功率開關管S4 S7的控制信號設為高電平，以使得功率開關管 S4 S7導通，將功率開關管S1 S3，以及S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S1 S3,以及S8截止，通過上述設計，使得在CLK23階段穩(wěn)態(tài)時輸出電壓Vqut = 1. 25VIN，由此實現(xiàn) T 1.25倍升壓。(3) 1. 5倍升壓方法具體如下將功率開關管S1 S8各自的控制信號設定為頻率相同的周期信號，把每個功率開 關管的周期都均分為CLK31和CLK32兩個階段；在CLK31階段，將功率開關管S1 S3的控制信號設為高電平，以使得功率開關管 S1 S3導通，將功率開關管S4 S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S4 S8截 止，通過上述設計，使得在CLK31階段穩(wěn)態(tài)時Vin對充電電容C1和C2充電，獲得Va = Vc2 = 0. 5Vin ；在CLK32階段，將功率開關管S4 S7的控制信號設為高電平，以使得功率開關管 S4 S7導通，將功率開關管S1 S3,以及S8的控制信號設為低電平，以使得S1 S3,以及 S8截止，通過上述設計，使得在CLK32階段穩(wěn)態(tài)時充電電容C1和C2并接在輸入電壓Vin與輸 出電壓Vqut之間，獲得輸出電壓為Vqut = 1. 5VIN，由此實現(xiàn)了 1. 5倍升壓。(4) 2倍升壓方法具體如下將功率開關管S1 S8各自的控制信號設定為頻率相同的周期信號，把每個功率開 關管的周期都均分為CLK41和CLK42兩個階段；在CLK41階段，將功率開關管S2、S3和S5的控制信號設為高電平，以使得功率開關 管S2、S3和S5導通，將功率開關管SpS4以及S6 S8的控制信號設為低電平，以使得功率開
5關管Sp S4以及S6 S8截止，通過上述設計，使得在CLK41階段穩(wěn)態(tài)時Vin對充電電容C2充 電，獲得\2 = Vin ；在CLK42階段，將功率開關管S5 S7的控制信號設為高電平，以使得功率開關管 S5 S7導通，將功率開關管S1 S4以及S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S1 S4以及S8截止，通過上述設計，使得充電電容C2接在Vin與Vott之間，在CLK42階段穩(wěn)態(tài)時輸 出電壓Vqut = 2VIN，由此實現(xiàn)了 2倍升壓。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點及有益效果本發(fā)明電路只需使用到8個功率開關管、2個充電電容以及1個輸出電容。電路根 據(jù)外部的功率開關管控制信號，實現(xiàn)1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍的升壓功能。與目前已知 的電荷泵電路相比，無需增加額外的充電電容，即可增加一種1. 25倍升壓功能。與現(xiàn)有電荷泵電路相比，本發(fā)明主要通過以下2點技術改進以實現(xiàn)電荷泵電路簡 化和四種升壓功能1)以S1和S4同時閉合組成Vin經(jīng)SpS4到Vott的1倍升壓通路代替已知電荷泵電 路中單閉合S8組成Vin經(jīng)S8到Vtm的1倍升壓通路，提高電荷泵電路中S1和S4的復合利用 率，優(yōu)化了 Vin到Vot的物理通路；2)與現(xiàn)有電荷泵電路中C2經(jīng)過S3單極接地相比，本發(fā)明以C2 —極經(jīng)過S3接地和 C2另一極經(jīng)過S8接地的雙端接地方式，使得C2電容可在工作過程中可雙極對地放電，電壓 置零，通過此功能，本發(fā)明的電荷泵電路可以實現(xiàn)一種1.25倍的升壓功能。


圖1為現(xiàn)有電荷泵電路的電路架構示意圖；圖2為現(xiàn)有電荷泵電路1倍升壓模式時功率開關管控制信號示意圖；圖3為現(xiàn)有電荷泵電路1. 5倍升壓模式時功率開關管控制信號示意圖；圖4為現(xiàn)有電荷泵電路2倍升壓模式時功率開關管控制信號示意圖；圖5為本發(fā)明多模式電壓增益的電荷泵電路的電路架構示意圖；圖6為本發(fā)明多模式電壓增益的電荷泵電路實現(xiàn)1倍升壓時功率開關管控制信號 示意圖；圖7為本發(fā)明多模式電壓增益的電荷泵電路實現(xiàn)1. 25倍升壓時功率開關管控制 信號示意圖；圖8為本發(fā)明多模式電壓增益的電荷泵電路實現(xiàn)1. 5倍升壓時功率開關管控制信 號示意圖； 圖9為本發(fā)明多模式電壓增益的電荷泵電路實現(xiàn)2倍升壓時功率開關管控制信號 示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。實施例本發(fā)明多模式電壓增益的電荷泵電路如圖5所示，其中輸入電壓Vin可以分別通過
6四種升壓模式得到1倍、1. 25倍、1. 5倍和2倍的電壓增益，輸出Vott，C1, C2為快速充電電 容，Chold為輸出電容，S1 S8為功率開關管。四種升壓模式實現(xiàn)過程的工作原理如下(1) 1倍升壓模式如圖6所示，M1-M8Ssi-S8對應的功率開關管的控制信號。可以看出功率開 關管控制信號M1和M4持續(xù)為高電平，M2、M3和M5 M8持續(xù)為低電平，對應功率開關管S1和 S4導通，S2、S3和S5 S8截止，Vin通過S1和S4短接到Vout,從而得到Vin = Vout,完成1倍升 壓模式。(2) 1. 25倍升壓模式如圖7所示，M1 M8為S1 S8對應的功率開關管的控制信號?？梢钥闯龉β书_ 關管控制信號每個周期均分為CLKp CLK2和CLK3三個階段，一個完整的工作過程可分為如 下所述CLK1階段功率開關管控制信號M1 M3高電平，M4 M8低電平，對應功率開關管 S1 S3導通，S4 S8截止。Vin對串聯(lián)電容Cjn C2充電，這里C1 = C2，由穩(wěn)態(tài)分析可得Cp C2 上的壓差為，Vci = Vc2 = 0. 5Vin ；CLK2階段功率開關管控制信號M3、M5、M8高電平，Mp M2、M4、M6和M7低電平，對應 功率開關管S3> S5, S8導通，S” S2, S4, S6和S7截止。C2對地放電。穩(wěn)態(tài)時有Vc2 = OV ；CLK3階段功率開關管控制信號開關M4 M7高電平，M1 M3和M8低電平，對應開 關S4 S7導通，S1 S3和S8截止。穩(wěn)態(tài)時可得輸出電壓Vout = 1. 25VIN，因此，實現(xiàn)了 1. 25 倍升壓模式。(3) 1. 5倍升壓模式如圖8所示，M1 M8為S1 S8對應的開關管控制信號。實現(xiàn)1. 5倍升壓模式的 完整過程只需CLK1和CLK2兩個階段。CLK1階段功率開關管控制信號開關M1 M3高電平，M4 M8低電平，對應功率開 關管S1 S3導通，S4 S8截止，Vin對串聯(lián)電容C1和C2充電，可得Vci = Vc2 = 0. 5Vin ；CLK2階段功率開關管控制信號開關虬 禮高電平，M1 禮和禮低電平，對應功 率開關管S4 S7導通，S1 S3和S8截止，C1和C2并接在Vin與Vott之間，可得輸出電壓為 Vqut = 1. 5Vin。因此，實現(xiàn)了 1. 5倍升壓模式。(4) 2倍升壓模式如圖9所示，M1 M8為S1 S8對應的功率開關管控制信號。實現(xiàn)2倍升壓模式 也只需CLK1和CLK2兩個階段。CLKl階段功率開關管控制信號M2、M3和M5高電平，MpM4和M6 M8低電平，對應 功率開關管S2, S3和S5導通，S” S4和S6 S8截止，Vin對C2充電，可得Vc2 = Vin ；CLK2階段功率開關管控制信號M5 M7高電平，M1 M4和M8低電平，對應功率開 關管S5 S7導通，S1 S4和S8截止，C2接在Vin與Vott之間，此時輸出電壓Vott = 2Vino從 而實現(xiàn)了 2倍升壓模式。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
多模式電壓增益的電荷泵電路，包括功率開關管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，相同的充電電容C1和C2，以及輸出電容CHOLD，其特征在于電壓輸入端VIN與功率開關管S1的漏極連接，功率開關管S1的源極同時與功率開關管S4的漏極、充電電容C1的第一端C11連接；電壓輸入端VIN與功率開關管S5的漏極連接，功率開關管S5的源極同時與功率開關管S7的漏極，以及功率開關管S2的漏極連接；功率開關管S2的漏極與充電電容C1的第二端C12連接；功率開關管S7的源極同時與充電電容C2的第一端C21，以及功率開關管S3的漏極連接，功率開關管S3的源極接地；功率開關管S2的源極同時與充電電容C2的第二端C22連接，其連接線引出一條支路通過功率開關管S8接地，該連接線還引出另一條支路通過功率開關管S6與電壓輸出端VOUT相連接，同時，功率開關管S4的源極也與電壓輸出端VOUT相連接，電壓輸出端VOUT還通過輸出電容CHOLD接地。
2.根據(jù)權利要求1所述的多模式電壓增益的電荷泵電路，其特征在于所述充電電容 Cp C2均采用快速充電電容。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的多模式電壓增益的電荷泵電路現(xiàn)多模式電壓增益的方 法，其特征在于，包括1倍等壓方法、1. 25倍升壓方法、1. 5倍升壓方法和2倍升壓方法；(1)1倍等壓方法具體如下將功率開關管S1和功率開關管S4的控制信號設為高電平， 功率開關管S1和功率開關管S4導通，將功率開關管S2、S3、S5 S8的控制信號設為低電平， 以使得功率開關管S2、S3、S5 S8截止，進而電壓輸入信號依次通過功率開關管S1、功率開 關管S4短接到電壓輸出端VOT，從而得到Vin = Vout,由此實現(xiàn)1倍等壓；(2)1. 25倍升壓方法具體如下將功率開關管S1 S8各自的控制信號設定為頻率相同 的周期信號，把每個功率開關管的周期都均分為CLK21、CLK22和CLK23三個階段；在CLK21階段，將功率開關管S1 S3的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S1 S3導通，將功率開關管S4 S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S4 S8截止，通 過上述設計，使得電壓輸入端Vin在CLK21階段對充電電容C1和C2進行充電，由穩(wěn)態(tài)分析得 到充電電容Q、C2上的壓差為Vci = Vc2 = 0. 5Vino在CLK22階段，將功率開關管S3、Sjn S8的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S3、 S5和S8導通，將功率開關管Si、S2, S4, S6和S7的控制信號設為低電平，以使得功率開關管 Si、S2、S4、S6和S7截止，通過上述設計，使得在CLK22階段C2對地放電，穩(wěn)態(tài)時有Ve2 = OV ；在CLK23階段，將功率開關管S4 S7的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S4 S7導通，將功率開關管S1 S3,以及S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S1 S3, 以及S8截止，通過上述設計，使得在CLK23階段穩(wěn)態(tài)時輸出電壓Vqut = 1. 25VIN，由此實現(xiàn)了 1. 25倍升壓；(3)1. 5倍升壓方法具體如下將功率開關管S1 S8各自的控制信號設定為頻率相同的周期信號，把每個功率開關管 的周期都均分為CLK31和CLK32兩個階段；在CLK31階段，將功率開關管S1 S3的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S1 S3 導通，將功率開關管S4 S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S4 S8截止，通過上述設計，使得在CLK31階段穩(wěn)態(tài)時Vin對充電電容C1和C2充電，獲得Vei = Vc2 = 0. 5Vin ； 在CLK32階段，將功率開關管S4 S7的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S4 S7導通，將功率開關管S1 S3,以及S8的控制信號設為低電平，以使得S1 S3,以及S8截 止，通過上述設計，使得在CLK32階段穩(wěn)態(tài)時充電電容C1和C2并接在輸入電壓Vin與輸出電 壓Vqut之間，獲得輸出電壓為Vqut = 1. 5VIN，由此實現(xiàn)了 1. 5倍升壓； (4) 2倍升壓方法具體如下將功率開關管S1 S8各自的控制信號設定為頻率相同的周期信號，把每個功率開關管 的周期都均分為CLK41和CLK42兩個階段；在CLK41階段，將功率開關管S2、S3* S5的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S2、 S3和S5導通，將功率開關管Si、S4以及S6 S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管 SpS4以及S6 S8截止，通過上述設計，使得在CLK41階段穩(wěn)態(tài)時Vin對充電電容C2充電，獲 得 Vc2 = Vin ；在CLK42階段，將功率開關管S5 S7的控制信號設為高電平，以使得功率開關管S5 S7導通，將功率開關管S1 S4以及S8的控制信號設為低電平，以使得功率開關管S1 S4 以及S8截止，通過上述設計，使得充電電容C2接在Vin與Vott之間，在CLK42階段穩(wěn)態(tài)時輸出 電壓Vqut = 2VIN，由此實現(xiàn)了 2倍升壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能實現(xiàn)多種電壓增益模式的電荷泵電路，本電荷泵電路只需使用到8個功率開關管、2個充電電容以及1個輸出電容，電路根據(jù)外部的功率開關管控制信號，實現(xiàn)1倍、1.25倍、1.5倍和2倍的升壓功能。與目前已知的電荷泵電路相比，無需增加額外的充電電容，即可增加一種1.25倍升壓功能。
文檔編號H02M3/07GK101924465SQ20101024095
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權日2010年7月29日
發(fā)明者黃君凱, 黃振杰 申請人:暨南大學