专利名称：用于电荷泵中的电流控制电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种适用于电荷泵中的自适应低过冲电流控制电路的设计，用以对输入电源电压的调节以实现稳定的电压输出。
背景技术：
对于电子系统而言，电源为各种电子设备供电，其就好像人体的心脏；电池供电的小型设备通常需要多种DC电压，比如，寻呼机里的电池是I. 5V，而整个设备里的信号接收模块、逻辑模块和显示屏都需要不同的电压来驱动，所以必须将电池的I. 5V变换到多种不同电压大小以满足不同模块供电需求。在中、低电流(< 200mA左右)应用领域，电荷泵产品较开关电源具有低噪声、低成本和高效率等优势，但传统电荷泵的功率管栅极电位没有进行任何限制，故传统的电荷泵在转换过程中存在过冲电流太大的问题，对电源电压冲击较大，正因为如此，在电荷泵的输入电源电压处需要连接大电容来进行滤波，但是这会增大PCB板的面积；同时为了防止浪涌电流对电子系统可能造成的损坏，一般都会采用软启动 电路来限流，但这无疑会使电路变得更加复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统电荷泵在状态切换时的输入电流过冲过大的问题以及尽可能的降低电路设计的复杂性，提出了一种用于电荷泵中的电流控制电路。本发明的技术方案为一种用于电荷泵中的电流控制电路，包括一输入电压检测单元、一自适应控制单元和一驱动单元，其中，所述的输入电压检测单元的输入端与外部的电源电压相连，用于检测外部的电源电压；所述的自适应控制单元的输入端与输入电压检测电路的输出端相连，用于产生控制所述驱动电路中的两路控制信号；所述的驱动单元根据所述的自适应控制单元产生的两路控制信号以及输入的外部脉冲信号产生所述电流控制电路的输出信号。进一步的，所述的输入电压检测单元包括一 PMOS管和一偏置电流源，所述的PMOS管的源极作为所述的输入电压检测单元的输入端，所述的PMOS管的栅极和漏极连接作为所述的输入电压检测单元的输出端并通过所述的偏置电流源藕接于地电位。进一步的，所述的自适应控制单元包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管，第一偏置电流源、第二偏置电流源和第一反相器、第二反相器，其中，第一NMOS管漏极连接至外部的电源电压，栅极与第二 NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极相连接并作为所述的自适应控制单元的输入端，第一 NMOS管源极输出所述的自适应控制单元的第一路控制信号并通过第一偏置电流源藕接于地电位；第二偏置电流源第一端子连接至外部的电源电压，第二端子连接至第二 NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极以及第一反相器的输入端，第二 NMOS管的源极和第四NMOS管的源极接地；第三NMOS管的源极连接至第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的栅极与第一反相器的输出端、第二反相器的输入端相连接，第二反相器的输出端输出所述的自适应控制单元的第二路控制信号。进一步的，所述的驱动单元包括第五NMOS管、第一 PMOS管、第一开关和第二开关，其中，第一 PMOS管的栅极与第五NMOS管的栅极相连接用于输入外部的脉冲信号，第一PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极相连接作为所述的驱动单元的输出端，第一 PMOS管的源极连接至外部的电源电压，第五NMOS管的源极与第一开关的第一端子以及第二开关的第一端子相连接，第一开关的控制端子用于输入自适应控制单元的第一路控制信号，第二开关的控制端子用于输入自适应控制单元的第二路控制信号，第一开关的第二端子和第二开关的第二端子藕接于地电位。进一步的，所述的偏置电流源具体通过一 NMOS管实现，其中，所述的NMOS管的漏极作为所述的偏置电流源第一端子，源极作为所述的偏置电流源第二端子，栅极连接外部的偏置电压。更进一步的，所述的第一开关具体通过一 PMOS管实现，所述的PMOS管的栅极作为所述的第一开关的控制端子，源极作为所述的第一开关的第一端子，漏极作为所述的第一 开关的第二端子。更进一步的，所述的第二开关具体通过一 NMOS管实现，所述的NMOS管的栅极作为所述的第二开关的控制端子，漏极作为所述的第一开关的第一端子，源极作为所述的第一开关的第二端子。本发明的有益效果是本发明的电流控制电路可以根据输入电源电压的情况，自适应地调节功率开关管的栅源电位，在电源电压较低时，功率开关管的栅源电压较小，不会产生过大的输入电流纹波，此时本发明提出的电路不会限制功率开关管的栅源电压；在电源电压较高时，功率开关管的栅源电压较大，如不加以限制会产生过大的输入电流纹波，此时本发明提出的电路会自动限制功率开关管的栅源电压，以达到限制输入电流纹波的目的。本发明的控制电路具有成本低、占用面积小、无需外部电感、高EMI抑制等优点，可以应用于各类电荷泵中。
图I为本发明用于电荷泵中的电流控制电路的结构示意图。图2为实施例中的输入电压检测单元的结构示意图。图3为实施例中的自适应控制单元的结构示意图。图4为实施例中的控制单元的结构示意图。图5为应用本发明的电流控制电路普通二倍电荷泵结构示意图。图6为采用本发明电路的二倍电荷泵电路仿真结果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。本发明用于电荷泵中的电流控制电路的结构示意图如图I所示，包括一输入电压检测单元、一自适应控制单元和一驱动单元、其中，所述的输入电压检测单元的输入端与外部的电源电压相连，用于检测外部的电源电压VIN;所述的自适应控制单元的输入端与输入电压检测电路的输出端相连，用于产生控制所述驱动电路中的两路控制信号να、Vc2 ;所述的驱动单元根据所述的自适应控制单元产生的两路控制信号Va、Vc2以及输入的外部脉冲信号的产生所述电流控制电路的输出信号两。上述方案中，输入电压检测单兀的一种实现方案如图2所不,包括一 PMOS管MPO和一偏置电流源Ιβ，ΜΡ0的源极作为所述的输入电压检测单元的输入端，MPO的栅极和漏极连接作为输入电压检测单元的输出端并通过偏置电流源Ib藕接于地电位。上述方案中，自适应控制单元的一种实现方案如图3所示，包括第一 NMOS管ΜΝ10、第二 NMOS管ΜΝ11、第三NMOS管ΜΝ12、第四NMOS管ΜΝ13，第一偏置电流源kJB、第二偏置电流源k2IB和第一反相器INVl、第二反相器INV2，其中，MNlO漏极连接至外部的电源电压，栅极与丽11的栅极、丽12的栅极相连接并作为所述的自适应控制单元的输入端，丽10源极输出所述的自适应控制单元的第一路控制信号Va并通过第一偏置电流源kJB藕接于地电位；第二偏置电流源k2IB第一端子连接至外部的电源电压Vin，第二端子连接至MNll的漏极、丽12的漏极以及第一反相器INVl的输入端，丽11的源极和丽13的源极接地；丽12的 源极连接至丽13的漏极，丽13的栅极与第一反相器INVl的输出端、第二反相器INV2的输入端相连接，第二反相器INV2的输出端输出所述的自适应控制单元的第二路控制信号\2。上述方案中，驱动单元的一种实现方案如图4所示，包括第五NMOS管MN14、第一PMOS管MPl、第一开关Kl和第二开关K2，其中，第一 PMOS管MPl的栅极与丽14的栅极相连接用于输入外部的脉冲信号约，MPl的漏极与MN14的漏极相连接作为所述的驱动单元的输出端输出电流控制电路的输出信号祆MPl的源极连接至外部的电源电压VIN，丽14的源极与Kl的第一端子以及K2的第一端子相连接，Kl的控制端子用于输入自适应控制单元的第一路控制信号Va，Κ2的控制端子用于输入自适应控制单元的第二路控制信号VK，Kl的第二端子和第二开关的第二端子藕接于地电位。当Vin较小不需要限流时，约与孩只是简单的反相关系；当Vin较大需要限流时，两将会是受限制的模拟电平，具体可参见下述分析。在图4中，第一开关Kl和第二开关K2具体通过一 PMOS管和一 NMOS管实现，具体的，Kl通过PMOS管MP2来实现，所述的MP2的栅极作为Kl的控制端子，源极作为Kl的第一端子，漏极作为Kl的第二端子；K2通过一 NMOS管丽15实现，丽15的栅极作为Κ2的控制端子，漏极作为所述的Κ2的第一端子，源极作为所述的Κ2的第二端子。这里的，偏置电流源IbA1IbA2Ib均可以通过一 NMOS管实现，其中，NMOS管的漏极作为偏置电流源第一端子，源极作为偏置电流源第二端子，栅极连接外部的偏置电压。这里只是为了表述方便使用kp k2来表述三个偏置电流源大小的关系，其具体大小可以根据实际情况进行选取。下面给出本发明所提出电路的工作原理。如图2所示，由二极管连接方式的PMOS管MPO与一电流源Ib组成用来检测Vin输入电压的大小，然后给后级电路判断功率管是否完全开启或者进行限流。在电路上电过程中，如果Vin比MPO管子的阈值电压高两倍过驱动电压以上时，偏置电路并已正常工作，那么MPO会工作在饱和区，有如下关系满足
1(W、, ,,Ib=Impo = -Kp — (Vin-Vdet-|Vthp| )(I)
2V L Jmpo公式(I)中Vthp为MPO的阈值电压、Vdet为输入电源电压检测的输出电压，系数Kp=UpCox, μ ρ为PMOS管的载流子迁移率，通过上式可以解出VDET，即
IVdet=Vin-IVthpI- I-γ--(I)
V 心(W/L· )ΜΡ0从公式(2)中可以看出，在电流源电流Ib大小和MPO宽长比(W/L)Mro —定的情况下，Vdet与输入电源电压Vin成线性变化，因此通过Vdet就能知道Vin的大小，就能提供给后级自适应控制单元来判断电路的情况。如图3所示，自适应控制单元的核心主要由两部分组成，一部分由丽10和电流源kJB构成电平移位，用来产生第一路控制信号Va ;另一部分由NMOS管丽11、丽12、丽13，反相器INV1、INV2和电流源k2IB构成自适应控制判断和迟滞电路，用来产生第二路控制信号\2。该单元的主要功能是根据前级电路输出的检测电压Vdet来具体判断功率管是否需要限 流。当前级输出电压Vdet比较小，一方面，NMOS管丽10截止，输出电压Va会一直为低；另一方面丽11管子也会截止，节点电压Vinvi —直保持高电位，通过反相器INVl作用后，节点电压Vinv2 —直保持低电位，最终输出电压Ve2 —直为高。当前级输出电压Vdet足够大，一方面，NMOS管丽10会导通，输出电压Va会由低变为VDET-VesiQ，其中Vesitl为丽10的栅源电压；另一方面丽11管子也会导通，节点电压Vinvi变成低电位，通过反相器INVl作用后，节点电压Vinv2变成高电位，并且通过丽13、丽12和INVl形成的正反馈的作用，Vinv2跳变沿将会变得更快，最终输出电压Vc2—直为低，Vdet存在触发迟滞量，主要由丽13、M12和INVl实现。下面给出具体的定量分析。当Vdet足够大，使得丽11的电流完全等于电流源的电流k2IB时，节点电压Vinvi会下降，反相器INVl开始翻转，MN13也开始处于即将导通状态，此时有如下公式k2lB=lMNi = — Kn — (Vdet-Vthn)2(2)
2V L^mnu其中，Kn= UnCox, μ η为NMOS管的载流子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容，通过上
I 2 5β
面公式(3)可以解出VDET=V_ Jkn^lJ^，代入⑵式中可得，电路开始翻转的阈值电压Vira为
I 2ThIVinh=Vthp+/-η-+Vthn+ ~^(3)
i Kp(WfL)^0WKn(W/L)_当Vdet更大时，节点电压Vinvi会下降得足够低，能使Vinv2翻转为高电平，此时M14管可以看成是开关管，因为工作在深线性区，则流过MNll和MN12的电流之和等于尾电流源k2IB的大小，根据电流基尔霍夫定律，k2IB=Iwll+Imi2，并认为MNll和MN12都工作在饱和区，
即
1(2 I (ψΛ21^Ιβ=Ιμνπ + Ιμνι2 = — Kn - (Vdet-Vthn)一 H—Kn - (Vdet-Vthn) (4)
2V L /ΜΝ112 V L Jmn17
通过上面公式(5)可以解出
权利要求
1.一种用于电荷泵中的电流控制电路，包括一输入电压检测单元、一自适应控制单元和一驱动单元，其中， 所述的输入电压检测单元的输入端与外部的电源电压相连，用于检测外部的电源电压； 所述的自适应控制单元的输入端与输入电压检测电路的输出端相连，用于产生控制所述驱动电路中的两路控制信号； 所述的驱动单元根据所述的自适应控制单元产生的两路控制信号以及输入的外部脉冲信号产生所述电流控制电路的输出信号。
2.根据权利要求I所述的电流控制电路，其特征在于，所述的输入电压检测单元包括一PMOS管和一偏置电流源，所述的PMOS管的源极作为所述的输入电压检测单元的输入端，所述的PMOS管的栅极和漏极连接作为所述的输入电压检测单元的输出端并通过所述的偏置电流源藕接于地电位。
3.根据权利要求I或2所述的电流控制电路，其特征在于，所述的自适应控制单元包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管，第一偏置电流源、第二偏置电流源和第一反相器、第二反相器，其中，第一 NMOS管漏极连接至外部的电源电压，栅极与第二NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极相连接并作为所述的自适应控制单元的输入端，第一NMOS管源极输出所述的自适应控制单元的第一路控制信号并通过第一偏置电流源藕接于地电位；第二偏置电流源第一端子连接至外部的电源电压，第二端子连接至第二 NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极以及第一反相器的输入端，第二 NMOS管的源极和第四NMOS管的源极接地；第三NMOS管的源极连接至第四NMOS管的漏极，第四NMOS管的栅极与第一反相器的输出端、第二反相器的输入端相连接，第二反相器的输出端输出所述的自适应控制单元的第二路控制信号。
4.根据权利要求I或2或3所述的电流控制电路，其特征在于，所述的驱动单元包括第五NMOS管、第一 PMOS管、第一开关和第二开关，其中，第一 PMOS管的栅极与第五NMOS管的栅极相连接用于输入外部的脉冲信号，第一 PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极相连接作为所述的驱动单元的输出端，第一 PMOS管的源极连接至外部的电源电压，第五NMOS管的源极与第一开关的第一端子以及第二开关的第一端子相连接，第一开关的控制端子用于输入自适应控制单元的第一路控制信号，第二开关的控制端子用于输入自适应控制单元的第二路控制信号，第一开关的第二端子和第二开关的第二端子藕接于地电位。
5.根据权利要求4所述的电流控制电路，其特征在于，所述的偏置电流源具体通过一NMOS管实现，其中，所述的NMOS管的漏极作为所述的偏置电流源第一端子，源极作为所述的偏置电流源第二端子，栅极连接外部的偏置电压。
6.根据权利要求4所述的电流控制电路，其特征在于，所述的第一开关具体通过一PMOS管实现，所述的PMOS管的栅极作为所述的第一开关的控制端子，源极作为所述的第一开关的第一端子，漏极作为所述的第一开关的第二端子。
7.根据权利要求4或6所述的电流控制电路，其特征在于，所述的第二开关具体通过一NMOS管实现，所述的NMOS管的栅极作为所述的第二开关的控制端子，漏极作为所述的第一开关的第一端子，源极作为所述的第一开关的第二端子。
全文摘要
本发明公开了一种用于电荷泵中的电流控制电路，包括输入电压检测单元、自适应控制单元和驱动单元，其中，输入电压检测单元的输入端与外部的电源电压相连，用于检测外部的电源电压；自适应控制单元的输入端与输入电压检测电路的输出端相连，用于产生控制驱动电路中的两路控制信号；驱动单元根据自适应控制单元产生的两路控制信号以及输入的外部脉冲信号产生电流控制电路的输出信号。本发明的控制电路根据输入电源电压的情况，自适应地调节功率开关管的栅源电压，在电源电压较低时，功率开关管的栅源电压较小，不会限制开关管的栅源电压；在电源电压较高时，会自动限制功率开关管的栅源电压，进而限制输入电流的纹波。
文档编号H02M3/07GK102832807SQ20121031620
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者周泽坤, 谭林, 王鑫, 石跃, 明鑫, 王卓, 张波 申请人:电子科技大学