一种高压输出可控的电荷泵供电系统

技术领域

本发明属于电源管理技术领域，涉及一种高压输出可控的电荷泵供电系统，该系统能够应用在速度传感器的电源模块中，用于给其他电路提供稳定的电源电压，同时根据被供电电路的要求输出电压可调，并且精简电路结构，降低成本。

背景技术

随着智能手机和超薄平板电脑等移动设备逐渐走进千家万户，大小、功耗、可控性，逐渐成为了评价一个移动设备优劣的重要指标。于是在实现功能和性能的前提下，如何减少电路的功耗和提高可控性，成为亟需解决的问题。电源管理电路作为电路中极其重要的心脏部位，在车载及其手持移动设备中，高集成、高可控性是其主要的发展方向。而众多电源管理电路中，LDO(Low Dropout Regulaor)只能产生一个低于电源电压的电压，在电感储能DC-DC(Direct Current-Direct Current)转换器因为电感存在导致抗电磁干扰性能极差，并且由于外部电路比较复杂，不便于缩小尺寸，很难高度集成；而电荷泵就不存在以上的问题，电荷泵具有低电磁干扰，外围电路简单，理论上通过级数的增加就可以实现高压等优点，自从它问世起，就是电源管理电路研究的常客，对于高压这种应用场合非常常见。

传统电荷泵电路往往采用固定的输出电压模式，电压只与级数的多少有关，往往在设计之初就被设定好了，并且电荷泵作为纯模拟电路而言，可控性比较差，在现如今被供电电路往往需求多样化的电路设计环境中，这会使电路的应用有众多的局限，无法满足被供电电路因为工作状态变化，所需可调整的供电电压；并且传统的电荷泵电压调制电路采用的PWM(Pulse Width Modulation)和PFM(Pulse Frequency Modulation)调制方式往往比较复杂，所需电路比较多，这使电荷泵的集成性较差，进而也会带来一些额外的电路功耗。因此，本发明提出电荷泵电路能够将电荷泵电路和数字电路结合起来，通过数字电路可调可编程性以及可以实现复杂运算的特性，让电荷泵电路的输出电压可调；同时，通过与数字电路的结合，为电荷泵电路带来了不同的可能，并且精简了整体的调制电路，让电荷泵用最少的电路，实现电荷泵电路的稳定供电，提高集成度的同时，降低了整体的功耗，增加了电路的实用性。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种高压输出可控的电荷泵供电系统，该电荷泵供电系统在传统电荷电路的基础上，引入电阻反馈调制模块和与之配套的数字调控电路，利用传输门的开关特性，精准地控制输出反馈的大小，进而通过控制振荡器的震荡的脉冲宽度变化，达到控制输出电压的目的，并且精简调制电路，提高电荷泵调制电路的集成性，极大程度上保持电荷泵性能和功能的基础上，降低整体的功耗。

为达到上述的功能，本发明的技术方案为：

一种高压输出可控的电荷泵供电系统，包含电阻反馈阵列、误差放大器、电压比较器、数字控制电路、电荷泵电路和时钟产生电路。

所述电阻反馈阵列是由可变电阻阵列和固定电阻串联连接；固定电阻就是采用一个普通的电阻，可变电阻是由传输门开关和电阻并联连接，可变电阻阵列是由若干可变电阻串联连接而成，利用传输门的开关特性，决定可变电阻阵列电阻的大小。

所述数字控制电路由Verilog HDL(Hardware Description Language)编程的方式产生，具有运算控制功能。误差放大器采用折叠式共栅共源结构；电压比较器采用迟滞比较器的结构；时钟产生电路采用环形震荡、分频器和非交叠时钟的结构。电荷泵电路采用交叉耦合电荷泵的结构，配合非交叠时钟，可以在高集成的情况的下，尽可能的提高泵压效率。

所述数字控制电路与电阻反馈阵列的可变电阻阵列连接，数字控制电路对被供电系统工作状态和温度做一个拟合运算以后，控制电阻反馈阵列的可变电阻阵列，改变电阻反馈阵列的反馈比，进而改变反馈电压的大小。电阻反馈阵列的采样输出端和误差放大器的负端相连，通过误差放大器对反馈电压和基准电压进行比较并产生误差放大信号。误差放大器的输出端与时钟产生电路相连，误差放大器产生的误差放大信号来校正控制时钟产生电路产生不同占空比的时钟脉冲。时钟产生电路与电荷泵电路相连，通过不同占空比的时钟脉冲控制电荷泵电路工作状态，最终达到控制电荷泵输出电压的作用。电压比较器和数字控制电路相连，电压比较器通过比较反馈电压和基准电压的大小生成电荷泵的工作状态信号，并传递给数字控制电路，可以实现电荷泵电压稳定以后，被供电系统开始工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)通过数字电路控制电荷泵电路的供电电压，提高电荷泵供电电路的可控性，丰富电荷泵电路的应用方式。

(2)精简电荷泵调制电路的结构，提高电路的集成度，并且提高电路的稳定性和电路的实用性。

附图说明

图1为本发明的电路系统结构图。

图2为本发明提供的一个电阻反馈阵列结构示意图。

图3为本发明提供的一个输出稳定的电荷泵电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种低功耗输出可控的电荷泵供电系统，包括电阻反馈阵列、误差放大器、电压比较器、数字控制电路、电荷泵电路和时钟产生电路。其中，电阻反馈阵列会向误差放大器的反向端反馈一个反馈电压Vf，误差放大器将Vf与基准电压VREF进行误差放大，输出的电压作为时钟产生电路的使能端，去决定产生时钟与否，进而决定电荷泵是否工作，最终达到控制电荷泵输出电压的目的。此外，反馈电压Vf还会与基准电压VREF通过电压比较器进行比较，并将比较的结果移交数字控制电路之后，数字控制电路再输出一个使能信号给之后的电路(图中未标出)，这样就可以实现电荷泵充电完成以后其他被供电电路再开始工作的目的。

如图2所示，本发明提供的电阻反馈阵列结构示意图。电阻反馈阵列包括固定电阻Rf、五个串联的可变电阻(传输门开关和电阻并联)组成的可变电阻阵列Rx。可变电阻阵列通过数字控制电路控制可变电阻的传输门开关的方式，实现控制可变电阻阵列Rx阻值的大小，进而控制输出电压VCP的反馈比例。假定固定电阻Rf为4R，则可变电阻阵列Rx中的电阻分别是R、2R、4R、2R、R，这样通过传输门开关的打开与关闭，就能够精准的实现各种目标的电阻比例的精准控制，其电压分压原理为：

其中，Vf是反馈电压，VCP是整个电荷泵供电系统的输出电压，Rx是可变采样电阻的总阻值，Rf是固定电阻。

如图3所示，本发明提供的一个输出稳定的电荷泵电路结构示意图，电荷泵电路会通过频繁的电荷转移，产生一个比输入更高的输出电压VCP，并且达到目标值的时候电荷泵失去时钟信号会停止工作，进而降低电路功耗，提高电荷泵的工作效率，电荷泵电路包括8个NMOS晶体管(MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8)，8个PMOS晶体管(MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8)和8个飞电容(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8)，可以分为4个相同的倍压器，以第一级为例(MN1、MN2、MP1、MP2、C1、C2组成一个倍压器)，其中MN1、MN2、MP1和MP2作为开关按照交叉耦合的连接方式连接，MN1和MP1源级互相连接交于A1点，电容C1两端分别连接时钟信号CLK和A1点；MN2和MP2源级互相连接交于B1点，电容C2两端分别连接时钟信号～CLK和B1点；MN1的漏级和MN2的漏级相连，MP1的漏级和MP2的漏级相连，MN1和MP1的栅极相连接到B1点，MN2和MP2的栅极相连接到A1点，最终形成交叉耦合的机构。四个倍压器依次连接，第一级左端接输入电压VDD，最后一级右端接输出电压VCP，因为是做开关的晶体管，PMOS晶体管的宽长比是NMOS晶体管的两倍，电容的大小还需要综和考虑。

电荷泵电路的工作原理如下：

电荷泵电路的工作原理就是电荷的转移与叠加，于是根据电荷守恒定律：

Q

对电路最终输出电压进行逐级推导，假设在第一切换阶段～CLK为高电位而CLK为低电位，在第二切换阶段～CLK为低电位而CLK为高电位。电荷分析可以分为四个步骤，以模拟从输入到输出的电荷过程：

步骤i)电容C1和C4之间的电荷转移；

步骤ii)电容C4和C5之间的电荷转移；

步骤iii)电容C5与C8之间的电荷转移；

步骤iv)C8与负载电容COUT(图中未标注)之间的电荷转移。

因此给出了CLK第一阶段步骤i)的电荷平衡分析：

令C1＝C4＝C，可以得到

其中，

步骤ii)C4和C5之间的电荷平衡分析：

同样令C4＝C5＝C，可以得到

其中，

步骤iii)C5和C8之间的电荷平衡分析：

同样令C5＝C8＝C，可以得到

其中，VCP表示整个电路输出的输出电压。

步骤iv)C8和COUT之间的电荷平衡分析：

同样令C8＝COUT＝C，可以得到关于输出电压的最终公式

其中，I