功率電荷泵及使用該功率電荷泵的電源管理電路的制作方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及電壓轉換的技術領域，特別涉及一種功率電荷泵及使用該功率電荷泵的電源管理電路。
【【背景技術】】
[0002]有兩種經典電路都被稱為電荷泵(Charge Pump)，一種是應用于鎖相環電路中，連接于鑒頻鑒相器后級，通過對電容充放電產生較為穩定的電壓，以便用于控制壓控振蕩器的頻率；另一種是通過開關電容，用于電壓轉換，能提供較大輸出電流的功率輸出電路。本發明的電荷泵電路是后者的子類，此處為了區別，將后者稱為功率電荷泵。現有技術中的功率電荷泵一般采用一個輸入電壓，可以產生比輸入高的輸出電壓，也可以產生比輸入低的輸出電壓，另外，其效率高于線性調壓器。
[0003]基于開關電容的電荷泵電路被廣泛應用于電壓轉換電路中，可以實現較高的電壓轉換效率。與基于電感的直流-直流轉換器相比，功率電荷泵無需體積較大的電感，其更適用于PCB電路等空間較小的應用，且成本較低。對于理想的開關來說，功率電荷泵的能量損耗可被忽略，在這種情況下，可以認為功率電荷泵電路的效率為100%。但現有的功率電荷泵電路只能以某些固定的倍率轉換電壓時，其理想功率為100%，而且這樣的固定倍率是有限的幾種，例如，現有技術中，針對同一個輸入電壓源，僅采用兩個飛電容(FlyingCapacitor)的應用，已有文獻討論過的V0/VIN(其中，VO為輸出電壓，VIN為輸入電壓)的倍率有:3倍、2倍、3/2倍、4/3倍、I倍、2/3倍、1/2倍、1/3倍；對于僅采用一個飛電容的應用，現有技術中存在的V0/VIN倍率有:2倍、I倍、1/2倍。通過增加飛電容的個數，可以產生更多可能的倍率，而更多的可能的倍率，有利于優化功率電荷泵的實際工作效率，例如，輸入電壓為3.3V，輸出電壓目標值為1.7V，對于僅一個飛電容的情形，只能采用I倍模式，產生3.3V電壓，然后通過線性調壓技術(線性調壓技術只能降低電壓)降為1.7V，其理想情況下的效率為1.7V/3.3V = 51.5% ;而對于采用兩個飛電容的情形，則可以采用2/3倍模式，產生2.2V電壓，然后通過線性調壓技術降為1.7V，其理想情況下的效率為1.7V/2.2V=77.3%，這樣就改善了工作效率。當輸入電壓VIN在一定范圍內變化時(例如，電池供電時，隨著電池放電或充電，其輸入電壓會不斷變化)，更多倍率模式有助于優化不同輸入電壓下的工作效率。雖然通過增加飛電容的個數可以產生更多可能的倍率，有利于優化功率電荷泵的實際工作效率，但成本會隨之增加。
[0004]因此，有必要提供一種改進的技術方案來克服上述問題。
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【發明內容】
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[0005]本發明的目的在于提供一種功率電荷泵及使用該功率電荷泵的電源管理電路，其可以實現使用較少的飛電容產生更多可能的倍率轉換電壓，從而優化功率電荷泵的實際工作效率。
[0006]為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，本發明提供一種功率電荷泵，其包括第一電壓源、第二電壓源、電壓轉換模塊、輸出模塊和驅動模塊。所述電壓轉換模塊包括電容Cl、第一開關、第二開關、第三開關和第四開關，其中，第一電壓源的負極和第二電壓源的負極與地節點相連；第一開關和第三開關依次串聯于第一電壓源的正極與第二電壓源的正極之間；第二開關和第四開關依次串聯于地節點和電壓輸出端之間；電容Cl的一端與第一開關和第三開關之間的連接節點相連，電容Cl的另一端與第二開關和第四開關之間的連接節點相連；所述輸出模塊包括輸出電容，所述輸出電容連接于電壓輸出端和地節點之間；所述驅動模塊輸出驅動信號以控制各個開關的導通或者關斷，其中，在控制第一開關和第二開關導通時，控制第三開關和第四開關關斷；在控制第三開關和第四開關導通時，控制第一開關和第—開關關斷。
[0007]進一步的，所述驅動模塊輸出的驅動信號包括第一驅動信號和第二驅動信號，其中，第一驅動信號與第一開關和第二開關的控制端相連，以控制第一開關和第二開關的導通或者關斷；第二驅動信號與第三開關和第四開關的控制端相連，以控制第三開關和第四開關的導通或者關斷。
[0008]進一步的，所述四個開關都為MOS晶體管，第一驅動信號和第二驅動信號為時鐘信號。
[0009]進一步的，第一驅動信號和第二驅動信號之間存在一定的死區時間，以避免四個開關同時導通。
[0010]進一步的，驅動信號為高電平時使對應的開關導通，驅動信號為低電平時使對應的開關關斷，當第一驅動信號為高電平時，第二驅動信號為低電平，滿足如下關系:
[0011]Vl = VCl (I)
[0012]其中，Vl為第一電壓源的電壓值，VCl為電容Cl兩端的電壓值；
[0013]當第二驅動信號為高電平時，第一驅動信號為低電平，滿足如下關系:
[0014]VO = V2-VC1 (2)
[0015]其中，VO為電壓輸出端的電壓值，V2為第二電壓源的電壓值，VCl為電容Cl兩端的電壓值；聯合公式⑴和⑵求解得:V0 = V2-V1。
[0016]進一步的，所述電容Cl為飛電容。
[0017]根據本發明的另一個方面，本發明提供一種電源管理電路，其包括:電池單元；電壓調節電路，其基于電壓單元提供的電壓得到預定電壓；功率電荷泵。
[0018]所述電池單元作為功率電荷泵中的第一電壓源，所述電壓調節電路作為功率電荷泵中的第二電壓源；或者，所述電池單元作為功率電荷泵中的第二電壓源，所述電壓調節電路作為功率電荷泵中的第一電壓源。所述功率電荷泵包括第一電壓源、第二電壓源、電壓轉換模塊、輸出模塊和驅動模塊。所述電壓轉換模塊包括電容Cl、第一開關、第二開關、第三開關和第四開關，其中，第一電壓源的負極和第二電壓源的負極與地節點相連；第一開關和第三開關依次串聯于第一電壓源的正極與第二電壓源的正極之間；第二開關和第四開關依次串聯于地節點和電壓輸出端之間；電容Cl的一端與第一開關和第三開關之間的連接節點相連，電容Cl的另一端與第二開關和第四開關之間的連接節點相連；所述輸出模塊包括輸出電容，所述輸出電容連接于電壓輸出端和地節點之間；所述驅動模塊輸出驅動信號以控制各個開關的導通或者關斷，其中，在控制第一開關和第二開關導通時，控制第三開關和第四開關關斷；在控制第三開關和第四開關導通時，控制第一開關和第二開關關斷。
[0019]與現有技術相比，本發明中的功率電荷泵增加有一個電壓輸入端，其可以利用電源管理電路中除電池單元外存在的更多其它電壓，產生更多其它倍率，以實現使用較少的飛電容產生更多可能的倍率轉換電壓，從而優化功率電荷泵的實際工作效率。
【【附圖說明】】
[0020]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，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發明的一些實施例，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它的附圖。其中:
[0021]圖1為本發明在一個實施例中的功率電荷泵的電路示意圖；
[0022]圖2為圖1中的功率電荷泵工作在第一相位時的等效工作電路圖；
[0023]圖3為圖1中的功率電荷泵工作在第二相位時的等效工作電路圖。
【【具體實施方式】】
[0024]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0025]此處所稱的“一個實施例”或“實施例”是指可包含于本發明至少一個實現方式中的特定特征、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的“在一個實施例中”并非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。除非特別說明，本文中的連接、相連、相接的表示電性連接的詞均表示直接或間接電性相連。
[0026]請參考圖1所示，其為本發明在一個實施例中的功率電荷泵的電路示意圖。所述功率電荷泵包括第一電壓源(或稱第一電壓)V1、第二電壓源(或稱第二電壓)V2、電壓轉換模塊110、輸出模塊120和驅動模塊130。
[0027]所述電壓轉換模塊110包括電容Cl、第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3和第四開關S4。其中，第一電壓源Vl的負極和第二電壓源V2的負極與地節點GND相連；第一開關SI和第三開關S3依次串聯于第一電壓源Vl的正極與第二電壓源V2的正極之間；第二開關S2和第四開關S4依次串聯于地節點GND和電壓輸出端VO之間；電容Cl的一端與第一開關SI和第三開關S3之間的連接節點相連，電容Cl的另一端與第二開關S2和第四開關S4之間的連接節點相連。在一個優選的實施例中，所述電容Cl可以為飛電容(或稱快速電容)，并且飛電容為陶瓷電容。
[0028]所述輸出模塊120包括輸出電容Co，所述輸出電容Co連接于電壓輸出端VO和地節點GND之間。
[0029]所述驅動模塊130輸出驅動信號以控制開關S1-S4的導通或者關斷，其中，在控制開關SI和S2導通時，控制開關S3和S4關斷；在控制開關S3和S4導通時，控制開關SI和S2關斷。在圖1所示的實施例中，所述驅動模塊130輸出的驅動信號包括第一驅動信號CKl和第二驅動信號CK2，其中，第一驅動信號CKl與開關SI和S2的控制端相連，以控制開關SI和S2的導通或者關斷；第二驅動信號CK2與開關S3和S4的控制端相連，以控制開關S3和S4的導通或者關斷。在一個具體的實施例中，開關S1-S4都為MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶體管，驅動信號CKl和CK2為時鐘信號，第一電平為使各個開關導