專利名稱：一種具有軟啟動電路的開關電容電荷泵的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及開關電容電荷泵電路領域，具體涉及一種具有軟啟動電路的開關電容電荷泵。
背景技術：
白光LED具有發光效率高、功耗小、使用壽命長和安全環保等優點，是下一代主流照明光源。目前，在手機、數碼相機和PDA等小型LED應用領域，白光LED已被認為是其背光照明的最佳選擇。便攜式設備一般由單節鋰電池供電，但若直接由鋰電池供電，隨著電池電壓的下降，LED的發光亮度難以保持穩定并進而無法被驅動，所以需要專門的驅動電路來驅動LED。電荷泵以其電路結構簡單、體積小、低EMI等特點成為便攜式設備的首選驅動方案。圖1所示為現有技術中倍壓電荷泵的結構示意圖，其中Ml M4為開關管，Φ1和 Φ 2為兩相非重疊時鐘，時鐘Φ 1控制開關管Ml和Μ4的導通和關斷，時鐘Φ 2控制開關管 Μ2和Μ3的導通和關斷。假設初始時，電容器都沒有存儲電荷，當Φ1為高電平、Φ2為低電平時，開關管Sl和S4導通，開關管S2和S3關斷，輸入電壓Vin給電容CO充電至Vin ；當Φ 2 為高電平、Φ 1為低電平時，開關管S2和S3導通，開關管Sl和S3關斷，此時電容CO的下極板電壓為Vin，根據電容兩端的電壓不能突變原理，電容CO的上極板的電壓被倍壓至2VIN， 對電容Cl進行充電，如此幾個周期之后，輸出電壓最終被倍壓至2VIN，即V。ut = 2Vin。要得到更高的電壓增益，可以級聯此電荷提升電路，把本級的輸出電壓作為下級的輸入電壓。理論上，N級電荷泵提升的輸出電壓為(N+1)Vin。由上面的工作原理可以看出，由于在上電時，電容CO和Cl都沒有存儲電荷，當Φ1 為高電平、Φ2為低電平時，開關管Ml和M4導通，輸入電壓Vin給電容CO充電，由于此時開關管工作在線性區，其溝道電阻很小，那么輸入電壓Vin給電容CO充電的電流將會很大，這樣容易損壞電路。所以，為了防止啟動期間的尖峰電流需要在電荷泵電路中加入軟啟動電路。現有技術中提出了一種軟啟動電路，應用于電荷泵電路，包括電流源和控制開關； 所述電流源連接在驅動模塊和地之間；所述驅動模塊用于驅動開關管的柵極；所述控制開關并聯在所述電流源兩端；當電荷泵軟啟動時，所述控制開關斷開，所述開關管的柵極通過所述驅動模塊以所述電流源的電流放電；當所述電荷泵軟啟動結束后，所述控制開關閉合， 所述開關管的柵極通過所述驅動模塊和所述控制開關接地。但是，所述現有技術中的軟啟動電路需要精準的電流源，且需要多個電流源，實現較為復雜。另一方面，現有的軟啟動電路仍然存在一個周期內將開關管的柵極電壓放電至
零的可能，根據漏極電流公式(Vcs-Vt)2，還會產生較大的浪涌電流，影響軟
啟動的效果。
發明內容[0007]本實用新型實施例提供了一種具有軟啟動電路的開關電容電荷泵，該電荷泵包括開關管柵極驅動模塊、倍壓電荷泵模塊，該電荷泵還包括開關管柵極低電平提升模塊、開關控制模塊，其中，開關管柵極低電平提升模塊，用于提供軟啟動所需的倍壓電荷泵模塊中開關管的柵極電壓值；開關控制模塊，用于在軟啟動時選擇開關管柵極低電平提升模塊與倍壓電荷泵模塊相連；在軟啟動結束后，選擇開關管柵極驅動模塊與倍壓電荷泵模塊相連。所述開關控制模塊包括四個開關K1、K2、K3、K4，其中所述四個開關均為三相開關， 開關Κ1、Κ3、Κ4的第一端口均接所述柵極低電平提升模塊的輸出電壓，開關Κ2的第一端口接電源電壓；開關Κ1、Κ2、Κ3、Κ4的第二端口均連接于所述開關管柵極驅動模塊的輸出端， 第三端口均連接于所述倍壓電荷泵模塊。所述開關管柵極低電平提升模塊包括電源電壓、電阻R0、電阻Rl和地端，其中，電阻RO和電阻Rl串聯于電源電壓和地端之間，電阻RO和電阻Rl的公共端輸出所述開關管柵極低電平提升模塊的輸出電壓。所述開關管柵極低電平提升模塊還包括一開關Κ5，該開關Κ5串聯于由電源電壓、 電阻RO和電阻Rl及地端組成的串聯支路中。所述開關管柵極低電平提升模塊包括電源電壓、電阻R0、電阻R1、地端和放大器 0Ρ，其中，電阻RO和電阻Rl串聯于電源電壓和地端之間，電阻RO和電阻Rl的公共端與放大器OP的正向輸入端相連，所述放大器OP的輸出端與該放大器OP的負向輸入端相連，由所述放大器OP的輸出端輸出該開關管柵極低電平提升模塊的輸出電壓。所述開關管柵極低電平提升模塊還包括一開關Κ6，該開關Κ6串聯于由電源電壓、 電阻RO和電阻Rl及地端組成的串聯支路中。本實用新型實施例中通過提升倍壓電荷泵模塊中的開關管柵極電壓，從而降低開關管上流過的電流，避免了啟動時流過器件的尖峰電流，通過簡單的電路實現了電路的軟啟動。且當軟啟動完成之后，軟啟動開關控制模塊將電荷泵中的開關管柵極驅動信號連接到正常的電荷泵驅動模塊，實現正常的驅動。
為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本實用新型現有技術中倍壓電荷泵的結構示意圖；圖2是本實用新型具體實施方式
中具有軟啟動電路的電荷泵的結構示意圖；圖3(a)是本實用新型具體實施方式
中開關管柵極低電平提升模塊的一種具體電路結構圖；圖3(b)是本實用新型具體實施方式
中開關管柵極低電平提升模塊的一種具體電路結構圖；圖3(c)是本實用新型具體實施方式
中開關管柵極低電平提升模塊的一種具體電路結構圖；圖3(d)是本實用新型具體實施方式
中開關管柵極低電平提升模塊中的一種具體電路結構圖；圖4是本實用新型具體實施方式
中開關控制模塊的具體電路結構圖。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。如圖2所示為本實用新型具體實施方式
中具有軟啟動電路的電荷泵的結構示意圖，該電荷泵結構包括開關管柵極低電平提升模塊100、開關管柵極驅動模塊101、開關控制模塊102、倍壓電荷泵模塊103 ；其中，所述現有的電荷泵電路包括開關管柵極驅動模塊 101和倍壓電荷泵模塊103，本實用新型具體實施方式
在所述現有的電荷泵電路基礎上增加了開關管柵極低電平提升模塊100和開關控制模塊102，在軟啟動階段，由開關控制模塊 102控制，使開關管柵極低電平提升模塊100接入電路，驅動倍壓電荷泵模塊103，軟啟動結束后，通過開關控制模塊102的控制，使驅動模塊由開關管柵極低電平提升模塊100改為開關管柵極驅動模塊101，從而進入正常的電荷泵倍壓工作過程。如圖3(a)所示為本實用新型具體實施方式
中開關管柵極低電平提升模塊100的一種具體電路結構圖，該結構包括電源電壓VIN、電阻R0、電阻R1，其中，電阻RO和Rl串聯于電源電壓Vin和地端之間，分壓得到電壓Vdiv，采用該電壓Vdiv去控制所述倍壓電荷泵模塊 103的開關管柵極。如圖3(b)在所述圖3(a)的基礎上，增加了一放大器0P，所述圖3 (a)輸出的電壓 Vdiv輸入至放大器OP的正向輸入端，放大器OP的輸出端V。與其負輸入端相連，使放大器OP 的輸出電壓跟隨其正向輸入電壓Vdiv，且經放大器OP后的輸出相比圖3(a)所示的輸出電壓 Vdiv具有較強的驅動能力。圖3(c)所示為本實用新型具體實施方式
中開關管柵極低電平提升模塊100的一種具體電路結構，所述電路結構在圖3(a)的基礎上增加了一開關K5，串聯于電阻Rl和地端之間，當軟啟動時，開關K5閉合，當軟啟動結束后，開關K5斷開，使所述軟啟動支路斷開，從而避免了軟啟動支路在非工作狀態時的功率損耗。同樣的道理，圖3(d)所示電路結構是在圖3(b)所示電路的基礎上增加了開關K6， 從而使軟啟動結束后開關K6斷開，避免軟啟動支路在非工作狀態時的功率損耗。值得注意的是，開關K5不局限于串聯于電阻Rl和地端之間，其只要串聯于所述電源電壓、電阻RO和Rl及地端組成的串聯支路中均可，都能起到在軟啟動時閉合，使該串聯支路處于工作狀態，軟啟動結束后斷開，使該串聯支路斷開的功能。同樣，開關K6也可串聯于所述電源電壓、電阻R0、電阻Rl和地的串聯支路中的任何地方，只要滿足在軟啟動時閉合使該串聯支路閉合，軟啟動結束后斷開，使該串聯支路斷開即可。另外，由于電阻RO和電阻Rl采用串聯分壓的方式連接，因此，圖3(a)、(b)、(C)、 (d)中，均可通過調節電阻RO和電阻Rl的比例關系，得到不同的電壓V。的輸出值，既可以對倍壓電荷泵電路中開關管的柵極低電平進行不同程度的提升，從而影響流過開關管的電流。圖4所示為本實用新型具體實施方式
中開關控制模塊102的具體電路結構圖，該單元包括四個開關κι、K2、K3和K4，所述四個開關均為三相開關，開關ΚΙ、K3、K4的第一端口均接所述柵極低電平提升模塊的輸出電壓，開關K2的第一端口接電源電壓；開關K1、K2、 Κ3、Κ4的第二端口均連接于所述開關管柵極驅動模塊的輸出端，第三端口依次連接于所述倍壓電荷泵模塊的四個開關管Μ1、Μ2、Μ3、Μ4的柵極SGl、SG2、SG3、SG4。通過所述四個開關ΚΙ、Κ2、Κ3、Κ4，選擇所述開關管柵極低電平提升模塊100的輸出或所述開關管柵極驅動模塊101的輸出來控制所述倍壓電荷泵模塊103的四個開關管的柵極電壓。值得注意的是，所述開關的個數不局限于如圖4所示的四個，所述開關的個數取決于倍壓電荷泵模塊中開關管的個數。以下以結合圖1、圖2、圖3(b)和圖4的電路結構為例，對本實用新型具體實施方式
所述開關電容電荷泵的軟啟動過程進行詳細描述。當電路啟動時，首先通過所述開關控制模塊102選擇所述開關管柵極低電平提升模塊100作為所述倍壓電荷泵模塊103的驅動單元，即所述開關Κ1、Κ2、Κ3、Κ4的選擇端撥向V。和Vin，使柵極SGl、SG2、SG3、SG4分別輸入電壓V。、Vin, V。、V。。此時，所述倍壓電荷泵模塊103中開關管Μ1、Μ3、Μ4導通，開關管Μ2截止。則輸入電壓Vin直接與輸出端連通，輸入電壓Vin直接對電容CO和Cl進行充電。根據PMOS管的溝道電流公式
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(2)由式(1)和式⑵可知，通過減小柵源電壓Vm的值可以減小流過MOS管的電流， 即提升MOS管的柵電壓可以減小流過MOS管的電流。根據圖3的描述可知
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4 由上述式(3)和式(4)可知，開關管柵極電平的提升使流過MOS管的電流變小了， 避免了軟啟動期間的尖峰電流。當軟啟動完成之后，通過開關控制模塊102選擇所述開關管柵極驅動模塊101作為所述倍壓電荷泵模塊103的驅動單元，即所述開關Kl、K2、K3、K4 的選擇端撥向所述開關管柵極驅動模塊101的四個輸出端，使所述倍壓電荷泵模塊由通常的驅動模式進行工作。
6[0044]本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過計算機程序來指令相關的硬件來完成，所述的程序可存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(Read-Only Memory, ROM)或隨機存儲記憶體(Random Access Memory, RAM)等。以上對本實用新型實施例進行了詳細介紹，本文中應用了具體實施方式
對本實用新型進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及設備；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
權利要求1.一種具有軟啟動電路的開關電容電荷泵，該電荷泵包括開關管柵極驅動模塊、倍壓電荷泵模塊，其特征在于，該電荷泵還包括開關管柵極低電平提升模塊、開關控制模塊，其中，開關管柵極低電平提升模塊，用于提供軟啟動所需的倍壓電荷泵模塊中開關管的柵極電壓值；開關控制模塊，用于在軟啟動時選擇開關管柵極低電平提升模塊與倍壓電荷泵模塊相連；在軟啟動結束后，選擇開關管柵極驅動模塊與倍壓電荷泵模塊相連。
2.根據權利要求1所述的電荷泵，其特征在于，所述開關控制模塊包括四個開關K1、 K2、K3、K4，其中所述四個開關均為三相開關，開關K1、K3、K4的第一端口均接所述柵極低電平提升模塊的輸出電壓，開關Κ2的第一端口接電源電壓；開關Κ1、Κ2、Κ3、Κ4的第二端口均連接于所述開關管柵極驅動模塊的輸出端，第三端口均連接于所述倍壓電荷泵模塊。
3.根據權利要求1所述的電荷泵，其特征在于，所述開關管柵極低電平提升模塊包括電源電壓、電阻RO、電阻Rl和地端，其中，電阻RO和電阻Rl串聯于電源電壓和地端之間，電阻RO和電阻Rl的公共端輸出所述開關管柵極低電平提升模塊的輸出電壓。
4.根據權利要求3所述的電荷泵，其特征在于，所述開關管柵極低電平提升模塊還包括一開關Κ5，該開關Κ5串聯于由電源電壓、電阻RO和電阻Rl及地端組成的串聯支路中。
5.根據權利要求1所述的電荷泵，其特征在于，所述開關管柵極低電平提升模塊包括電源電壓、電阻RO、電阻Rl、地端和放大器0Ρ，其中，電阻RO和電阻Rl串聯于電源電壓和地端之間，電阻RO和電阻Rl的公共端與放大器OP的正向輸入端相連，所述放大器OP的輸出端與該放大器OP的負向輸入端相連，由所述放大器OP的輸出端輸出該開關管柵極低電平提升模塊的輸出電壓。
6.根據權利要求5所述的電荷泵，其特征在于，所述開關管柵極低電平提升模塊還包括一開關Κ6，該開關Κ6串聯于由電源電壓、電阻RO和電阻Rl及地端組成的串聯支路中。
專利摘要本實用新型實施例公開了一種具有軟啟動電路的開關電容電荷泵，該電荷泵包括開關管柵極驅動模塊、倍壓電荷泵模塊，還包括開關管柵極低電平提升模塊、開關控制模塊，其中，開關管柵極低電平提升模塊，用于提供軟啟動所需的倍壓電荷泵模塊中開關管的柵極電壓值；開關控制模塊，用于在軟啟動時選擇開關管柵極低電平提升模塊與倍壓電荷泵模塊相連；在軟啟動結束后，選擇開關管柵極驅動模塊與倍壓電荷泵模塊相連。本實用新型技術方案通過提升倍壓電荷泵模塊中的開關管柵極電壓，從而降低開關管上流過的電流，避免了啟動時流過器件的尖峰電流，通過簡單的電路有效實現軟啟動。
文檔編號H02M3/07GK202004641SQ20112005178
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月1日 優先權日2011年3月1日
發明者吳玉強, 李漢光, 石嶺 申請人:深圳艾科創新微電子有限公司