一种电流模式电荷泵的驱动方法及其装置与流程

本发明涉及一种电流模式电荷泵的驱动方法及其装置，属于电荷泵电源技术领域。

背景技术：

电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的"快速"(flying)或"泵送"电容(而非电感或变压器)来储能的dc-dc(变换器)。它的工作过程，是通过开关的切换，使电荷泵在一个固定周期的脉冲下进行冲电荷放电。电流模式电荷泵是通过电流源对电荷泵的电流进行控制下进行工作的。一般可以通过根据负载电流调节充电电容器的充电和/或放电电流，使输出纹波最小，从而使其独立于输入电压和内部开关电阻。为了进一步减小输出纹波的影响，现有技术中提出了多相电流模式电荷泵，即两个飞行电容在两个时钟周期内交替充电并向输出电容输送电荷，从而使输出电容处的电荷消耗保持在最小。然而，当负载连接到电荷泵的输出端且负载较轻时，电荷泵尤其是电荷泵的开关在开关过程中可能会消耗大量的功率，导致效率低下。为此，驱动开关的脉冲在时钟信号的两个或多个周期内被选择性地停用，以降低功耗。

图1中的现有技术使用输出电压感测或输出平均电流感测来检测输出时的负载变化，然后使用时钟跳变控制器来跳变连续时钟电荷泵的脉冲。

对于多相电流模式电荷泵，图2中所示的另一现有技术通过比较两个内部飞行电容器上的电压与驱动产生第一和第二互补相位信号的触发器的参考电压来生成自振荡时钟。

上述两种现有技术都包括一种反映输出负载变化的传感方法、一种产生开关频率的比较器，该开关频率可被调整以降低功耗，该功耗在最坏情况下具有良好的开关电阻和充电电容。然而，这些方法很难实现，并且在要求低输出纹波、低负载调节等噪声要求的情况下变得不实用。此外，比较器的延迟和偏移以及电容器的esr的变化将导致输出电压纹波的较大变化。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种电流模式电荷泵的驱动方法及其装置。它可以在保持受控输出电压纹波的同时在降低电荷泵的功耗，提升电荷泵的工作效率。

本发明的技术方案：一种电流模式电荷泵的驱动方法，其特征在于：通过对输出负载条件的检测结果，使驱动方式在非连续工作的突发模式和连续工作模式进行平稳切换；当输出负载较小时，在预设驱动脉冲进行驱动的基础上，通过产生脉冲跳跃，实现非连续工作的突发模式；当输出负载较大时，切换为按预设驱动脉冲进行驱动的连续工作模式。即在轻负载时，电荷泵能够跳过多个开关切换周期，以降低功耗，跳过的周期数目取决于输出负载的大小，直至达到输出满负载时，电荷泵按照预设周期进行连续工作。

上述的电流模式电荷泵的驱动方法中，所述输出负载条件的检测通过输出电压的波动来实现。

前述的电流模式电荷泵的驱动方法中，所述输出电压的波动用于产生突发模式的突发频率。

前述的电流模式电荷泵的驱动方法中，所述输出电压的波动用于产生对电流模式电荷泵的电流源进行最小电流水平进行调节的反馈电流，以平衡较低输出负载下的突发频率和输出纹波。

前述的电流模式电荷泵的驱动方法中，所述反馈电流还可用于调节电流模式电荷泵的电流源的最大电流水平，用于调整电流模式电荷泵软启动时的斜坡速率，从而控制启动时间。电流模式电荷泵的软启动是通过控制启动电流来控制启动时间和启动斜率。高钳位电流造成较短的启动时间，低钳位电流造成较长的启动时间。

实现前述方法的电流模式电荷泵的驱动装置，包括由电流源、充电电容，输出电容和两组切换开关组成的电荷泵装置；还包括输出反馈电路，输出反馈电路用于检测电荷泵装置的输出电压的波动电压，并设有第一电压输出端；第一电压输出端连接至用于产生脉冲跳跃信号的突发模式控制器。

前述的电流模式电荷泵的驱动装置中，所述输出反馈电路包括一个跨导放大器，跨导放大器的一个输入端连接至第一参考电压；另一个输入端通过第一电阻和第三参考电压相连，此输入端还通过第二电阻与电荷泵装置的输出电压相连；所述跨导放大器的电压反馈端为第一电压输出端。

前述的电流模式电荷泵的驱动装置中，所述跨导放大器的电流输出端连接至电流源控制端。

前述的电流模式电荷泵的驱动装置中，所述突发模式控制器包括比较器，比较器的两个输入端分别与第二参考电压和第一电压输出端相连，比较器的输出端连接至d型触发器的d接口，d型触发器的d接口的clx端连接至时钟信号，d型触发器的q接口连接至与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接至d型触发器的d接口，与门的输出端连接至与非门的一个输入端，与非门的另一个输入端连接至非门的输出端，非门的输入端连接至时钟信号，所述与非门的输出端连接至切换开关的控制端。

前述的电流模式电荷泵的驱动装置中，所述跨导放大器的电流输出端通过下拉电阻和下拉电容接地。

与现有技术相比，本发明在现有电流模式电荷泵的基础上，增加了对输出电压的波动进行检测的输出反馈电路，在输出电压波动较大时，产生反馈电压，利用这个反馈电压与预设电压的比较结果来产生跳过开关切换周期的脉冲跳跃信号，因此可以在输出负载较小时，电荷泵进入可以跳过预设开关切换周期的突发模式，从而在轻负载条件下，大幅降低功耗。同时，输出反馈电路还能为电荷泵的电流源提供最小电流的钳位，可以平衡轻负载下的脉冲跳跃频率和输出纹波。本发明可以根据输出负载的大小变化，在突发模式和联系模式之间进行平稳过渡。此外，本发明还能对电流源的最大电流进行钳位，可以调整电荷泵在软启动时的斜坡速率。通过图7可以看出，通过调整最大电流可调整启动时间。

附图说明

图1是现有技术中受控电荷泵的跳跃模式控制原理示意图；

图2是现有技术中自振荡时钟方式的控制原理示意图；

图3是本发明实施例的结构示意图；

图4示出了本发明的一个实施例应用中的轻负载(负载电流5ma)中的突发频率和输出纹波。

图5示出了在本发明的一个实施例应用中的重负载(负载电流80ma)中的突发频率和输出纹波。

图6示出了在本发明的一个实施例应用中的重负载(负载电流100ma)中的突发频率和输出纹波。

图7示出了在本发明的一个实施例中通过最大电流钳位的软启动。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种电流模式电荷泵的驱动装置，如图3所示，包括由电流源ichg、充电电容c1，输出电容c2和两组切换开关s1、s1b组成的电荷泵装置100；还包括输出反馈电路300，输出反馈电路300用于检测电荷泵装置100的输出电压vout的波动电压，并设有第一电压输出端20；第一电压输出端20连接至用于产生脉冲跳跃信号的突发模式控制器310。所述输出反馈电路300包括一个跨导放大器301，跨导放大器301的一个输入端连接至第一参考电压vref1；另一个输入端通过第一电阻r1和第三参考电压vref3相连，此输入端还通过第二电阻r2与电荷泵装置100的输出电压vout相连；所述跨导放大器301的电压反馈端为第一电压输出端20。所述跨导放大器301的电流输出端10连接至电流源ichg控制端。所述突发模式控制器310包括比较器101，比较器101的两个输入端分别与第二参考电压vref2和第一电压输出端20相连，比较器101的输出端连接至d型触发器102的d接口，d型触发器102的d接口的clx端连接至时钟信号vclx，d型触发器102的q接口连接至与门103的一个输入端，与门103的另一个输入端连接至d型触发器102的d接口，与门103的输出端连接至与非门104的一个输入端，与非门104的另一个输入端连接至非门105的输出端，非门105的输入端连接至时钟信号vclx，所述与非门104的输出端连接至切换开关s1、s1b的控制端。所述跨导放大器301的电流输出端10通过下拉电阻r3和下拉电容c3接地。vref1\vref3电压值决定电荷泵最终输出电压。vref2电压设置连同跨导放大器301的输出20决定了突发模式的频率，可根据应用调整。

本发明的工作原理：为了确定优选的工作模式，跨导放大器能够输出负载条件，并提供控制电流(电流输出端10)以对充电电容(飞电容)充电或放电，同时，它还根据输出电压vout波动产生反馈电压(第一电压输出端20)。控制电流10上的最小电流钳位在轻载时向跨导放大器设置的充电电容输送更多电荷。因此，将产生大的输出电压vout纹波，该纹波反过来产生反馈电压(第一电压输出端20)至突发模式。

反馈电压(第一电压输出端20)耦合到突发模式控制器310以确定工作模式并启动电荷泵100的两种不同工作模式之间的转换。为此，突发控制器310向电荷泵100提供切换开关的控制信号。控制信号与时钟信号vclk同步，以提供操作模式之间的平滑过渡。根据跨导放大器提供的结果，在连续工作模式和非连续工作模式突发模式之间选择性地切换电荷泵100。

总之，突发模式控制器310连同对输出负载的感测和充电电容的充电或放电电流的最小电流钳位适于控制施加到电荷泵的输出端子的轻负载下的驱动脉冲的跳跃。组合方法允许从突发模式平稳过渡到连续模式，反之亦然。转换本身独立于输出电压纹波，同时与时钟信号vclk同步。

本实施例分别在三种不同负载下运行，结果如下。

图4示出了在轻负载下向电荷泵装置100输出纹波、突发模式控制信号以及开关门控制信号的波形。最小电流钳位的设置，使输出纹波限制在15毫伏，突发频率约50千赫非常。图5所示，在80毫安的中间负载下仅仅出现20毫伏的最坏输出纹波。当电荷泵装置100的负载达到其满负载时，如图6所示，电荷泵以连续模式工作，输出纹波保持在最小9mv。