专利名称：电荷泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在第一输出端和基准端之间产生第一输出电压，以及在第二输出端和基准端之间产生第二输出电压的电荷泵，该电荷泵还包括一个用于输入DC电压的第一输入端，耦合在第一输出端和基准端之间的第一存储电容器，耦合在第二输出端和基准端之间的第二存储电容器。
电荷泵在电池类型的电源供电的便携式设备中使用非常普遍。它们通常在其输出端提供DC电压，该电压的幅度取决于输入DC电压。电荷泵包括电容器和开关，任何开关的开或关状态都受到由周期性时钟信号驱动的计数器/解码器所产生的二进制信号的控制。
美国专利申请5237209A描述了一种包括11个开关和4个电容器并产生双极性电压输出的电荷泵。其中的两个电容器用作输出电压的存储设备。另外的两个电容器通过开关周期性耦合到电压输入端和电压输出端。开关的开或关的顺序由计数器来确定，而计数器由周期性的二进制信号，即时钟来驱动。在电路输入端施加一个DC电压V。该电路能够产生一个基本上两倍于输入电压V的双极性输出电压，即，它产生输出电压+2V和-2V。注意到有些设备，例如显示器需要由如-V和+2V的不对称电压供电，这些设备的成本比较低，并且如果可能的话在芯片中占用了减小的面积。
因此，本发明的一个目的是提供一种低成本的产生平衡或非平衡的双极性电压的电荷泵。
根据本发明，在如前言段落中所描述的设备中实现了上述目的，所述电荷泵还包括-第一端子和第二端子，用于将泵电容器耦合到第一三联开关(triplet of switches)和第二三联开关，-第一三联开关将第一端子选择性耦合到第一输入端或基准端或第二输出端，-第二三联开关将第二端子选择性耦合到第一输入端或基准端或第一输出端。
注意到所需要的开关总数为6，这个数字充分小于现有技术中的开关数量。而且，电荷泵仅包括三个而不是四个电容器。其中两个电容器用作输出电压的存储设备，一个用于产生输出电压。由于使用较少的电容器和开关，所以根据本发明的电荷泵更便宜，并且当被集成时占据小于现在技术电路的面积。
在本发明的一个实施例中，周期性地产生一个矢量信号，这个矢量信号的周期由参考信号控制。双极性电压的产生周期并不会因电压对称与否而从一个设计到另一个发生改变，因此产生电压的效率也是相同的。开关可以是电磁类型的受辐射信号控制的光电晶体管，电压或电流控制的双极性晶体管，或者是压控CMOS晶体管。可以根据具体的应用来选择开关类型。例如，对于便携式手持装置，希望它具有小的电压发生器，并如果可能的话，将其与供电设备一起集成在相同的芯片内。所以，一种可能的解决方案是使用容易被集成的CMOS晶体管。
在本发明的另一个实施例中，在一个供电系统中使用根据本发明的电荷泵。该供电系统包括与LCD显示器耦合的电荷泵，所述显示器通过第一输出电压和第二输出电压来供电。该供电系统极其灵活，因为它能够提供对称和非对称的双极性输出电压，并且能够容易地适于不同类型的显示器，这是因为输出电压能够被容易地提供给任何的输出，即第一输出电压能够为正或者为负，其电压幅度为1V或2V。
通过参考附图对本发明的示意性实施例进行以下的描述，本发明的上述和其他特征和优点将变得显而易见，其中
图1所示为根据本发明的电荷泵的详细图。
图2所示为根据本发明的供电系统。
图1所示为根据本发明的电荷泵的详细图。
电荷泵1产生位于第一输出端E和基准端D之间的第一输出电压Vo1，和位于第二输出端F和基准端D之间的第二输出电压Vo2。这些电压具有不同的极性，即一个为负而另一个为正。电荷泵1还包括用于输入DC电压V的第一输入端C。电荷泵1包括在第一输出端E和基准端D之间耦合的第一存储电容器Cr1，和在第二输出端F和基准端D之间耦合的第二存储电容器Cr2。电荷泵1还包括第一端子A和第二端子B，用于耦合泵电容器Cp至第一三联开关S1、S2、S5和第二三联开关S3、S4、S6。第一三联开关S1、S2、S5选择性耦合第一端子A到第一输入端C或基准端D或第二输出端F。第二三联开关S3、S4、S6选择性耦合第二端子B到第一输入端C或基准端D或第一输出端E。相位发生器/解码器10产生与参考周期信号Ck同步的信号向量P(相位)，所述信号的向量控制开关的状态，即开或关。电荷泵1分别为第一输出电压Vo1和第二输出电压Vo2产生其中一个组合，即(-V，2V)、(-2V，2V)、(-V，V)、(V，-V)、(2V，-2V)、(2V，-V)。注意到电荷泵1只使用三个电容器Cp、Cr1和Cr2，即小于所述现有技术中的数量。而且，开关的总数为6，即小于所述现有技术的数量。所以，本申请的电荷泵1提供了比所述现有技术中使用的方案更为廉价的解决方案。相位发生器/解码器10产生信号的向量，该向量具有四个分量即相位1、相位2、相位3和相位4。
在表1中所示为开关的开关顺序。
表1在表1中，任何行都表示第一输出电压Vo1和第二输出电压Vo2的电压值。在表1的任何列中，表示哪一个开关为开状态，所有其他的开关为关状态。我们考虑一下想要获得Vo1＝+2V和Vo2＝-V的情况。从表1可推导出，信号向量的第一分量相位1命令开关S2和S3为开状态。结果，以电压V给泵电容器Cp充电，此电压在端子B为正电在端子A为负电。当施加信号向量的第二分量相位2时，开关S1和S4进入开状态。所以，第一输出电压Vo1变为+2V，它为在第一存储电容器Cr1中存储的电压。信号相位3确定开关S2和S3进入开状态，泵电容器以与信号相位1相同的方式进行充电。最后，当施加信号相位4时，开关S5和S6进入开状态，以及第二存储电容器Cr2上的电压为-V。该过程利用另一个循环相位1...相位4等等继续进行。注意到在一个时间只有信号相位向量的一个分量相位为有效的，即在确定开关为开状态的一个状态中。控制信号能够使用包括二进制计数器在内的结构来产生，该计数器耦合至四个解码器1其中之一，其结构本身是已知的。
任何开关都具有输入端、输出端和控制端。任何开关能够为开状态或关状态。在开状态中，开关将输出端连接到输入端。在关状态中，在输出端和输入端之间没有任何连接。任何开关的状态由施加到控制端的控制信号来确定。任何一个开关可以是电磁类型的辐射控制的光电晶体管、电压或电流控制的双极性晶体管、压控CMOS晶体管。根据开关的类型，确定开状态的控制信号能够为逻辑1或逻辑0，并逻辑0或逻辑1分别地确定开关的关状态。可以根据具体的应用选择一种开关类型。例如，对于便携式手持装置，想要它具有小的电压发生器，并如果可能的话，将其与供电设备一起集成在相同的芯片内。所以，一种可能的解决方案能够使用相对容易被集成的CMOS晶体管。
还注意到信号向量相位利用基准周期信号Ck控制的周期来周期性地产生。这种情况为电荷泵1运行的突发脉冲模式的特征。在使用已知技术的可控模式中，能够控制一些参数如截止开关、开关频率和负载循环改变。在截止开关的情形下，当输出电压达到预定值时，为该输出充电的开关不再接通，直到输出电压变为低于预定的电压。泵电容器Cp和存储电容器Cr1、Cr2之间的电荷转换取决于信号向量相位的频率和持续时间，所以这取决于时钟。因此，控制相位发生器/解码器10的时钟就能控制电荷转换。可以在给泵电容器Cp充电的阶段，即相位1和相位3，和给泵电容器Cp放电的阶段，即相位2和相位4之间定义了一个负载循环。该参数还控制泵电容器Cp和第一存储电容器Cr1和第二存储电容器Cr2之间的电荷转换。
另外在例如美国专利申请5262934A和5461557中还公开了产生双极性电压的电荷泵。这些电荷泵使用四个电容器，两个泵电容器和两个存储电容器和比本发明更多的开关。所以，它们的价格较高并且比根据本发明的电荷泵1使用了更多的芯片面积。
应该指出的是，为了组合这里所示的输出电压，能够使用表1来产生信号向量相位。这能够在包括例如与存储器耦合的计数器的设备中予以实现，所述存储器存储了表1所示的内容。还注意到根据表1的信号发生能够在软件程序中予以实现。该程序能在根据表1产生信号向量相位的控制器上运行。应该强调的是，输出电压或正或负，以及电荷泵1产生彼此相等或不同的双极性电压。因此，在请求对称双极性电压供电的应用中或在请求非对称电压供电的应用中都能够使用电荷泵1。
在图2中描述了这种情况。电荷泵1耦合至电池100，电池100产生电压V。电荷泵1产生为LCD显示器200供电的输出电压Vo1和Vo2，所述LCD显示器200需要非对称的双极性供电电压即+2V和-1V。注意到如果电荷泵1的负载需要提供在表1中可查找到的对称双极性电压，那么能够使用根据本发明的电荷泵来产生这些电压。
注意到根据用于控制三联开关的逻辑电路，输出电压可不同于表1所示的电压，但是电荷泵的功率效率将会较低。除了在权利要求3所述以外的其他电压能够以直接的方式使用更多的泵电容器和开关而获得。而且，根据负载，为了在电荷泵的任何输出端保持相对恒定的电压，能够修改表1所述的充电顺序。
值得注意的是本发明所保护的范围并不限制于这里所述的实施例。而且本发明的保护范围也不限制于权利要求中的附图标记。单词‘包括’并不排除权利要求所述的那些部件以外的其他部件。位于元件之前的单词‘一个’并不排除包括许多的这些元件。本发明的装置形成部分可以通过专用硬件的形式或可编程处理器的形式来实现。本发明在于每一个新的特征或这些特征的组合。
权利要求
1.一种用于在第一输出端和基准端之间产生第一输出电压，以及在第二输出端和基准端之间产生第二输出电压的电荷泵，该电荷泵还包括用于输入DC电压的第一输入端，耦合在第一输出端和基准端之间的第一存储电容器，耦合在第二输出端和基准端之间的第二存储电容器，其中该电荷泵还包括-第一端子和第二端子，用于将泵电容器耦合到第一三联开关和第二三联开关，-第一三联开关选择性将第一端子耦合到第一输入端或基准端或第二输出端，-第二三联开关选择性将第二端子耦合到第一输入端或基准端或第一输出端。
2.根据权利要求1所述的电荷泵，还包括相位发生器/解码器，用于产生与参考周期信号同步的信号向量，所述信号向量控制开关的状态，即开或关。
3.根据权利要求1或2所述的电荷泵，分别为第一输出电压和第二输出电压产生以下组合之一，即(-V，2V)、(-2V，2V)、(-V，V)、(V，-V)、(2V，-2V)、(2V，-V)。
4.一种包括如权利要求1所述的电荷泵的供电系统，其中第一输出电压和第二输出电压为LCD显示器供电。
全文摘要
用于在第一输出端(E)和基准端(D)之间产生第一输出电压(Vo1)，以及在第二输出端(F)和基准端(D)之间产生第二输出电压(Vo2)的电荷泵(1)。电荷泵(1)还包括一个输入DC电压(V)的第一输入端(C)，耦合在第一输出端(E)和基准端(D)之间的第一存储电容器(Cr1)，耦合在第二输出端(F)和基准端(D)之间的第二存储电容器(Cr2)。电荷泵(1)还包括第一端子(A)和第二端子(B)，用于耦合泵电容器(Cp)到第一三联开关(S1，S2，S5)和第二三联开关(S3，S4，S6)。第一三联开关(S1，S2，S5)选择性地将第一端子(A)耦合到第一输入端(C)或基准端(D)或第二输出端(F)。第二三联开关(S3，S4，S6)选择性地将第二端子(B)耦合到第一输入端(C)或基准端(D)或第一输出端(E)。
文档编号H02M3/07GK1653677SQ03810335
公开日2005年8月10日 申请日期2003年4月11日 优先权日2002年5月7日
发明者P·E·G·斯米特斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司