专利名称：供电电路和用于控制其的方法
技术领域：
本发明涉及供电电路以及用于控制供电电路的操作的方法，所述供电电路被配置 为将电力提供到负载以便稳定地驱动负载。
背景技术：
当需要高于电源电压的电压时，传统上已经使用利用电感器的DC-DC转换器作为 供电电路。由于可以产生处于期望电平的电压并且可以有效地将电力提供到消耗大量电流 的负载，因此DC-DC转换器已经用于许多应用。然而，由于需要诸如变压器和线圈之类的组 件，因此难以对DC-DC转换器进行小型化(downsize)。因此，不可能在半导体集成电路中包 括DC-DC转换器的所有组件。考虑到这些问题，由于电荷泵电路可以小型化并且能够具有高效率，因此有时使 用电荷泵电路作为供电电路。然而，由于电荷泵电路通过添加由DC电源电压进行充电的电 容器的电压而升高了输出电压，因此电荷泵电路的输出电压极大地依赖于电源电压。进一 步，当使用电池作为DC电源时，电荷泵电路的输出电压根据电池电压的下降而降低了通过 将电池电压中的下降乘以电压的升高比率而获得的电压电平。结果，电荷泵电路的输出电 压迅速降低。为了避免电源电压的改变的这种影响，已经建议了如下三种方法。作为第一种方 法，如图5所示，通过稳压器101将电源电压VCC控制为恒压，并将其输入到电荷泵电路以 将其升高。然后将升高的电压提供到负载110(例如，参见专利文献1)。作为第二种方法， 如图6所示，将输入电源电压VCC输入到电荷泵电路102以将其升高。然后将升高的电压 输入到稳压器110并控制为恒压，并提供到负载110。作为第三种方法，如图7所示，当电荷 泵电路的输出电压Vout变为处于预定检测电压或更高时，强制地缩短晶体管MlOl (其将电 荷泵电路中的回扫电容器Cl与在电荷泵电路之外提供的取回(catch-back)电容器C2连 接)的每一个导通时段以获得恒定的输出电压。[专利文献1]日本专利申请公开No. 2006-320158通过第一种和第二种方法，可以以稳定的波纹振幅来稳定输出电压。然而，在这些 情况下，需要具有可以流经电荷泵电路的最大输出电流的大输出驱动器的稳压器(voltage regulator)。因此，存在的问题在于，芯片尺寸增大。通过第三种方法，通过仅监控电荷泵的输出电压并且当电荷泵电路的输出电压变 为预定电平或更高时将检测到的信号反馈回时钟单元(其控制电荷泵电路的开/关)，可以 稳定地输出恒压。然而，由于强制地缩短电荷泵电路的每一个开启时段，因此存在的问题在 于，输出电压的波纹振幅变得更大。
发明内容
考虑到以上问题已经进行了本发明，并且本发明的至少一个实施例的目标是提 供电源电路，其通过最优地控制电荷泵电路中包括的晶体管的栅极电压，可以输出稳定地驱动负载所需的恒压而不论电源电压的变化如何，以及提供用于控制供电电路的操作的方法。根据本发明的一个方面，供电电路包括电荷泵电路，被配置为升高从输入端子输 入的电压，并将升高的电压从输出端子提供到给定负载；以及控制电路单元。电荷泵电路包 括回扫电容器，被配置为存储从输入端子输入的电压的电荷；以及输出晶体管，连接在回 扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输出端子之间。控制电路单元接收基准电压和从电荷 泵电路输出的电压，并被配置为产生与从电荷泵电路输出的电压成比例的比例电压，并输 出电压以根据比例电压与基准电压之差来控制输出晶体管，使得比例电压具有与基准电压 相同的电压电平。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于控制供电电路的操作的方法，所述供 电电路包括电荷泵电路，被配置为升高从输入端子输入的电压，并将升高的电压从输出端 子提供到给定负载。所述电荷泵电路包括回扫电容器，被配置为存储从输入端子输入的电 压的电荷；以及晶体管，连接在回扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输出端子之间。所述 方法包括如下步骤控制所述晶体管，以便与升高的电压成比例的电压变为与基准电压相 同的电平；以及基于晶体管的所述控制，保持升高的电压恒定以便提供到负载。
图1是示出了本发明的第一实施例的供电电路的示例和时钟信号的示例。图2是示出了图1中所示的供电电路的输出信号AMPOUT与输出电压Vout之间的 关系示例的时序图。图3是示出了本发明的第一实施例的供电电路的示例和时钟信号的示例。图4是示出了图3中所示的供电电路的输出信号AMPOUT与输出电压Vout之间的 关系示例的时序图。图5是示出了传统供电电路的示例的图。图6是示出了传统供电电路的另一个示例的图。图7是示出了在传统供电电路中晶体管MlOl的操作与输出电压Vout之间的关系 示例的时序图。
具体实施例方式基于图中所示的实施例详细描述本发明。(第一实施例)图1是示出了本发明的第一实施例的供电电路的示例的图。在图1所示的供电电 路中，升高输入到输入端子IN的电源电压VCC，并产生预定的恒压。输出产生的恒压作为从 输出端子OUT到负载10的输出电压Vout。以这种方式，将电力提供到负载10。供电电路1包括电荷泵电路2 ；基准电压产生电路3，能够产生并输出预定基准电 压Vref ；电阻器Rl和R2，用于检测输出电压，所示电阻器Rl和R2能够对输出电压Vout进 行分压，并产生和输出分压Vfb ；误差放大器电路4 ；以及取回电容器Cout。电荷泵电路2 包括PMOS晶体管Ml到M3、NM0S晶体管M4和回扫电容器Cl。误差放大电路4包括运算放 大器电路11、恒流源12和NMOS晶体管Mil。
PMOS晶体管M3用作输出晶体管，电阻器Rl和R2用作比例电压产生电路单元，误 差放大器电路4用作误差放大器电路单元，NMOS晶体管Mll用作第一晶体管，并且恒流源 12和NMOS晶体管Mll用作输出电路。进一步，图1示出了其中PMOS晶体管Ml到M3、NM0S 晶体管M4、基准电压产生电路3、误差放大器电路4以及电阻器Rl和R2集成在一个IC中 的示例。IC包括输入端子IN、输出端子OUT和连接端子ClP和C1M。PMOS晶体管Ml连接在输入端子IN与连接端子ClP之间。PMOS晶体管M2连接在 输入端子IN与连接端子ClM之间。回扫电容器Cl连接在连接端子ClP与ClM之间。PMOS 晶体管M3连接在连接端子ClP与输出端子OUT之间。NMOS晶体管M4连接在连接端子ClM 与地电势之间。取回电容器Cout连接在输出端子OUT与地电势之间。电阻器Rl和R2串 联连接在输出端子OUT与地电势之间。从电阻器Rl和R2之间的连接输出分压Vfb，并输入 到运算放大器电路11的反向输入端。将基准电压Vref输入到运算放大器电路11的正向输入端。运算放大器电路11 的输出端连接到NMOS晶体管Mll的栅极。恒流源12和NMOS晶体管Mll串联连接在电源 电压VCC与地电势之间。恒流源12与NMOS晶体管Mll之间的连接(其用作误差放大器 电路4的输出端)连接到PMOS晶体管M3的栅极。时钟信号Φ1、时钟信号Φ2、反向信号 Φ1Β(其作为反向时钟信号Φ1)分别输入到PMOS晶体管Ml的栅极、PMOS晶体管Μ2的栅 极和NMOS晶体管Μ4的栅极。注意，如图1的下部分图所示，时钟信号Φ 1和Φ 2通过定时 由矩形波表示。通过这种配置，根据时钟信号Φ1和Φ 2来导通/截止PMOS晶体管Ml、Μ2以及 NMOS晶体管M4。误差放大器电路4控制PMOS晶体管M3的操作，以便分压Vfb具有与基准 电压Vref相同的电平。以这种方式，误差放大器电路4控制PMOS晶体管M3的导通电阻， 以便输出电压Vout变为处于预定电平的恒定值。图2是示出了误差放大器电路4的输出信号AMPOUT (将其输入到PMOS晶体管M3 的栅极)与输出电压Vout之间的关系示例的时序图。参照图2，更详细地描述图1中所示 的供电电路1的操作。当时钟信号φ 1处于低电平时，PMOS晶体管Ml和NMOS晶体管Μ4导通，并且变为 导通的。由于时钟信号Φ 2此时处于高电平，因此PMOS晶体管Μ2截止，并且变为不导通。 在这种情况下，如图2所示，输出电压Vout高于设置电压。因此，运算放大器电路11截止 NMOS晶体管Mll以便不导通，使得输出电压Vout下降到设置电压。因此，误差放大器电路 4的输出信号AMPOUT具有能够截止PMOS晶体管Μ3以便不导通的电压。鉴于此，由电源电 压VCC对回扫电容器Cl进行充电。此外，当时钟信号Φ 1处于高电平时，PMOS晶体管Ml和NMOS晶体管Μ4截止，并 且变为不导通。由于此时时钟信号Φ 2处于低电平，因此PMOS晶体管Μ2导通，并且变为导 通的。如图2所示，输出电压Vout低于设置电压。因此，运算放大器电路11导通NMOS晶 体管Mll，并控制NMOS晶体管Mll的导通电阻，以便将输出电压Vout升高到设置电压。结 果，误差放大器电路4的输出信号AMPOUT具有能够导通PMOS晶体管Μ3的电压。误差放大 器电路4控制PMOS晶体管Μ3的栅极电压，并控制PMOS晶体管Μ3的导通电阻，以便输出电 压Vout变为预定电压。通过与用于驱动电荷泵电路2的时钟信号的频率同步地重复这些操作，控制PMOS晶体管M3的栅极电压，并且优化PMOS晶体管M3的导通电阻。以这种方式，可以稳定输出 电压Vout而不使得输出电压Vout的波纹振幅更大。图3是示出了本发明的第一实施例的供电电路的另一示例的图。在图3中，由相 同的附图标记表示与图1中的组件相同或类似的组件，并且这里省略描述。下面仅描述图 1与图3之间的差别。图3与图1的不同在于，额外地提供匪OS晶体管M12和PMOS晶体管M13。匪OS晶 体管M12用作第二晶体管，而PMOS晶体管M13用作第三晶体管。进一步，在该示例中，PMOS 晶体管Ml到M3以及M13、NMOS晶体管M4和M12、基准电压产生电路3、误差放大器电路4 以及电阻器Rl和R2集成在一个IC中。NMOS晶体管M12连接在运算放大器电路11的输出端与地电势之间。将时钟信号 Φ 2输入到NMOS晶体管M12的栅极。进一步，PMOS晶体管Μ13与恒流源12并联连接。反 向信号Φ2Β(其为反向时钟信号Φ2)输入到PMOS晶体管Μ13的栅极。以这种方式，误差放大器电路4的输出信号AMPOUT可以快速地升高或降低，并且 图2中的输出信号AMPOUT可以具有如图4所示的波形。在图3中，可以仅提供NMOS晶体 管Ml2和PMOS晶体管Ml3之一。在本发明的第一实施例的供电电路中，通过PMOS晶体管Μ3(其将连接到回扫电 容器Cl的一个端子的连接端子ClP与连接到取回电容器Cout的一个端子的输出端子OUT 相连接)，将回扫电容器Cl中存储的电荷用泵送入取回电容器Cout，由此升高了电源电压 VCC0为了将输出电压Vout控制为恒定，将升高的输出电压Vout经反馈电路(其由电阻器 Rl和R2形成，并且连接到输出端子OUT)反馈回控制PMOS晶体管M3的栅极电压的误差放 大器电路4，由此控制PMOS晶体管M3的导通电阻。结果，可以输出稳定地驱动负载所需的 恒压，而不论电源电压的改变如何。根据本发明的供电电路以及用于控制本发明的供电电路的操作的方法，控制电荷 泵电路中包括的、且连接在电荷泵电路中包括的回扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输 出端子之间的输出晶体管的操作，以便与从输出端子输出的输出电压成比例的比例电压变 为与预定基准电压相同的电平。结果，将电荷泵电路的输出电压控制为恒压，并提供到负 载。以这种方式，可以输出稳定地驱动负载所需的恒压，而不论电源电压的改变如何。进一步，代替使用具有大输出驱动器的稳压器以稳定地输出电压(这增大了芯片 尺寸)，在电荷泵电路中包括的各晶体管之间，使用具有由晶体管伺服(serve)的输出驱动 器的稳压器电路，该晶体管将回扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输出端子相连接。结 果，可以防止芯片尺寸的增大。进一步，代替采用传统方法来缩短电荷泵电路的每一个开启时段以稳定输出电压 (这增大了波纹振幅)，根据输出电压的电平，控制将回扫电容器中存储的电荷发送到取回 电容器的晶体管的栅极电压。结果，控制了晶体管的导通电阻。以这种方式，可以获得稳定 的输出电压，而不增大波纹振幅。本发明基于2008年1月15日向日本专利局提交的日本优先权申请 No. 2008-005844，将其全部内容通过引用的方式合并在此。
权利要求
一种供电电路，包括电荷泵电路，被配置为升高从输入端子输入的电压，并将升高的电压从输出端子提供到给定负载；以及控制电路单元，其中所述电荷泵电路包括回扫电容器，被配置为存储从输入端子输入的电压的电荷；以及输出晶体管，连接在回扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输出端子之间，其中所述控制电路单元接收基准电压和从电荷泵电路输出的电压，并被配置为产生与从电荷泵电路输出的电压成比例的比例电压，并输出电压以根据比例电压与基准电压之差来控制输出晶体管，使得比例电压具有与基准电压相同的电压电平。
2.根据权利要求1所述的供电电路，其中所述控制电路单元包括比例电压产生电路 单元，被配置为以预定的分压比例对从电荷泵电路的输出端子输出的电压进行分压，以产 生比例电压；以及误差放大器电路，被配置为放大与比例电压和基准电压之差对应的电压， 以将放大的电压输出到输出晶体管的控制电极。
3.根据权利要求2所述的供电电路，其中所述误差放大器电路进一步包括 运算放大器电路，其包括用以接收比例电压的输入端子、用以接收基准电压的另一个输入端子、以及被配置为输出输出信号的输出端子；以及输出电路，包括恒流源，能够产生并输出预定恒定电流；以及第一晶体管，具有控制 电极，向该控制电极输入由运算放大器电路输出的输出信号，所述恒流源和第一晶体管串 联连接在输入电压和地电势之间，其中所述恒流源和第一晶体管之间的连接用作连接到输出晶体管的控制电极的输出 端子。
4.根据权利要求3所述的供电电路，进一步包括第二晶体管，连接在运算放大器电路 的输出端子与地电势之间，其中控制所述第二晶体管仅在对回扫电容器进行放电的周期期 间导通。
5.根据权利要求3所述的供电电路，进一步包括第三晶体管，并联连接到所述恒流源， 其中控制所述第三晶体管仅在对回扫电容器进行充电的周期期间导通。
6.一种用于控制供电电路的操作的方法，所述供电电路包括电荷泵电路，所述电荷泵 电路被配置为升高从输入端子输入的电压，并将升高的电压从输出端子提供到给定负载，其中所述电荷泵电路包括回扫电容器，被配置为存储从输入端子输入的电压的电荷；以及晶体管，连接在回扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输出端子之间，所述方法包括控制所述晶体管，以便与升高的电压成比例的电压变为与基准电压相同的电平；以及 基于晶体管的所述控制，保持升高的电压恒定以便提供到负载。
全文摘要
一种供电电路，包括电荷泵电路，被配置为升高从输入端子输入的电压，并将升高的电压从输出端子提供到给定负载；以及控制电路单元。电荷泵电路包括回扫电容器，被配置为存储从输入端子输入的电压的电荷；以及输出晶体管，连接在回扫电容器的一个端子与电荷泵电路的输出端子之间。控制电路单元接收基准电压和从电荷泵电路输出的电压，并被配置为产生与从电荷泵电路输出的电压成比例的比例电压，并输出电压以根据比例电压与基准电压之差来控制输出晶体管，使得比例电压具有与基准电压相同的电压电平。
文档编号H02M3/07GK101911456SQ20088012453
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年1月15日
发明者志和屋阳一 申请人:株式会社理光