专利名称：负压输出电荷泵电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及负压输出电荷泵电路。
背景技术：
传统的负压输出电荷泵电路如图1所示。其工作原理是在Φ1时钟周期MOS管 MPO，MN2打开，MNl，丽3关闭，输入电压VIN对电容Cl充电，在Φ2时钟周期MOS管MPO，丽2 关闭，丽1，丽3打开，存储在Cl上的电荷在电容Cl，C2上完成电荷再分配，实现负压(VN) 输出。在多数的应用中，负压输出电荷泵电路需要有足够低的电压输出，输出电流通常在几十毫安到几百毫安。同时要保证效率，降低热损耗。因此在负压输出电荷泵电路设计中，主要的MOS管(ΜΡ0，丽1，丽2，丽3)需要选取具有较强输出能力，导通电阻低的大尺寸 MOS驱动管。同时负压输出电荷泵电路的工作频率(Φ1，Φ2)通常在几百KHz到几兆Hz。传统的负压输出电荷泵电路在启动初期，输出电压VN会在工作频率的几个时钟周期从OV(接地)转换到足够低的负压(理想时会到-VIN)。由于MOS驱动管(如图1中的ΜΡ0，丽1，丽2，丽3)导通电阻很小，工作频率高(几百KHz到几兆Hz)，因此在启动初期会有瞬间的大电流流过MOS驱动管。长期工作会造成芯片的损坏。
发明内容
本申请的目的在于提供一种负压输出电荷泵电路，用于解决现有技术中存在的启动时的瞬间电流过大从而损坏电路中电子元件的技术问题。本申请的实施例提供一种负压输出电荷泵电路，包括启动电路，用于降低启动阶段的开关元件的瞬间电流；启动控制电路，用于控制启动阶段的时间长短。本发明通过利用降低启动周期的工作频率，选取驱动能力相对弱，导通电阻大的小尺寸MOS驱动管对电荷进行存储与再分配，使电荷泵电路先进入中间状态，软启动结束后再从中间状态向正常工作状态转换，降低电路在启动初期流过MOS驱动管的瞬间电流， 提高芯片的可靠性。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中图1为现有负压输出电荷泵电路的电路图；图2为本发明的负压输出电荷泵电路的电路图；图3A-图IBB为本发明的负压输出电荷泵电路启动阶段时的操作示意图；图4A-图4B为本发明的负压输出电荷泵电路正常工作阶段时的操作示意图；图5为本发明的负压输出电荷泵电路的工作状态示意图；图6为本发明的负压输出电荷泵电路中启动控制电路的电路示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。本发明实施例提供一种负压输出电荷泵电路，如图2所示。该负压输出电荷泵电路包括M0S驱动管MP0，MPUN1JN2JN3和丽4，电容Cl和C2。其中，MPO的源极作为输入电压VIN的输入端，MPO的漏极、丽1的漏极和Cl的一个电极连接节点CP，丽2的源极、 丽3的漏极和Cl的另一个电极连接节点CN，丽1的源极和丽2的漏极接地，丽3的源极作为负电压输出端连接负载电容C2。MPl的宽长比要远小于MPO的宽长比，导通电阻远大于 MPO的导通电阻。MN4的宽长比要远小于丽1的宽长比，导通电阻远大于MNl的导通电阻。本实施例提供的负压输出电荷泵电路的工作过程包括软启动阶段和正常工作阶段。如图5所示，负压输出电荷泵电路不同的工作状态，在软启动周期内，输出电压VN，节点电压CP，CN向中间状态转换。软启动周期结束后，电荷泵电路开始向正常工作状态转换。 下面参照图3A、图;3B、图4A和图4B详细描述负压输出电荷泵电路工作过程。如图3A和图:3B所示，当电路启动后进入软启动的Φ1时钟周期(几KHf几十 KHz)，MOS驱动管MPO关闭，MPl，MN2打开，MNl，MN3，MN4关闭。输入电源电压VIN通过MOS 驱动管MPl和丽2对电容Cl充电，电荷存储在电容Cl上。由于MOS驱动管MPl的宽长比相对小(要远小于ΜΡ0)，导通电阻相对较大(远大于MPO的导通电阻)，同时在工作频率低 (几KHz 几十KHz)，所以此时流过MOS驱动管MP1，丽2的瞬间电流可以控制在安全范围内。如图4A和图4B所示，φ 1时钟周期结束后进入Φ 2时钟周期(几KHz 几十KHz)， MOS驱动管MPO，MPl,丽2关闭，丽1关闭，丽3，丽4打开。在Φ 1时钟周期存储在电容Cl 上的电荷在Φ 2时钟周期完成电容Cl和C2之间再分配，输出电压VN向中间状态转换。同样由于MOS驱动管ΜΝ4的宽长比相对小(要远小于丽1)，导通电阻大(远大于丽1的导通电阻)，同时在软启动期间工作频率低(几KHf几十KHz)，所以此时流过MOS驱动管MN4， 丽3的瞬间电流可以控制在安全范围内。Φ 2时钟周期结束后重新进入Φ1时钟周期，电源电压VIN重新对电容Cl充电， Φ1时钟周期结束后进入Φ 2时钟周期对存储在Cl上的电荷进行在分配。输出电压VN继续向中间状态转换。伴随着Φ1，Φ2交替转换，输出电压VN和中间节点电压CP，CN逐渐的向中间状态过渡直到软启动结束。软启动结束可以通过两种控制方式中的任何一种或者两种方式同时使用(如图6 所示)。第一种方式是利用计数器来设置软启动时间，当计数器计数结束后，软启动结束。 第二种方式是利用比较器电路来控制软启动结束，如图6中电阻串将输入电源电压VIN与输出电压VN分压，分压后电压与参考电压通过比较器比较，比较器的输出结果(节点1)与计数器输出结果(节点i)控制逻辑控制模块，其结果(节点幻来控制电荷泵内部电路进入软启动周期和结束软启动周期并进入正常工作周期。如图4A所示，当软启动结束后，电荷泵电路开始进入正常工作的ΦΓ时钟周期 (几百KHz到几兆Hz)，MOS驱动管MPO，MPl，丽2打开，丽1，丽3，丽4关闭。输入电源电压VIN通过MOS驱动管MP0，MP1和MN2对电容Cl充电，电荷存储在电容Cl上。与软启动Φ1 时钟周期(图3Α)不同的是在对电容Cl充电时，MPO和MPl同时打开(可以提高MOS驱动管的利用率)，其中MPO是宽长比足够大，导通电阻足够小的MOS驱动管，MPl是宽长比相对小，导通电阻较大的MOS驱动管。负压输出电荷泵电路需要有足够低的电压输出，输出电流通常在几十毫安到几百毫安。同时要保证效率，降低热损耗。所以在正常工作时，要选取宽长比足够大，导通电阻足够小的MOS驱动管(ΜΡ0和丽2)。同时提高电荷泵电路的工作频率 (Φ1，，Φ2，)，通常在几百KHz到几兆Hz。因为电荷泵电路在进入正常工作状态前已经建立好中间状态，因此在从中间状态向正常工作状态过渡时的ΦΓ时钟周期，流过MOS驱动管MPl，MPO和丽2的瞬间电流可以控制在安全范围内。如图4B所示，Φ 1，时钟周期结束后进入正常工作时的Φ 2时钟周期，MOS驱动管 1^0，1^1，丽2关闭，丽1，丽3，丽4打开。在ΦΓ时钟周期存储在电容Cl上的电荷在Φ2， 时钟周期完成电容Cl和C2之间再分配，输出电压VN向正常工作状态时的最终值转换。与软启动Φ2时钟周期(图3Β)不同的是在对电容C1，C2进行电荷再分配时，丽1和ΜΝ4同时打开(可以提高MOS驱动管的利用率)，其中丽1是宽长比足够大，导通电阻足够小的MOS 驱动管，MN4是宽长比相对小，导通电阻较大的MOS驱动管。同样由于负压输出电荷泵电路需要有足够低的电压输出，输出电流通常在几十毫安到几百毫安。同时要保证效率，降低热损耗。所以在正常工作时，要选取宽长比足够大，导通电阻足够小的MOS驱动管(Mm和 MN3)，同时提高电荷泵电路的工作频率(Φ2’)。因为电荷泵电路在进入正常工作状态前已经建立好中间状态，因此在从中间状态向正常工作状态过渡时的Φ2’时钟周期，流过MOS 驱动管丽1，丽3和MN4的瞬间电流可以控制在安全范围内。本专利提出在负压输出电荷泵电路相比于传统的负压输出电荷泵电路启动初期驱动管上的电流，在软启动周期内，由于驱动管的导通电阻大，而且工作频率低(几KHf几十KHz)，流过驱动管的瞬间电流要小的多。当软启动周期结束，电路中各节点电压以及输出电压从中间状态过渡到正常工作状态，此时电路中每个MOS驱动管(参见图2)都将参与工作，同时提高工作频率(参见图2Φ 1，Φ2，几百KHz到几兆Hz)，输出电压VN将从中间状态向正常工作状态的最终值过渡，理想值可以达到-VIN(输入的电源电压)。由于中间状态更接近最终工作状态(参见图5)，所以在过渡期内MOS驱动管的瞬间电流可以控制在可接受的范围内。在一些音频应用中，在芯片工作过程中，负压输出电荷泵电路需要在不同的输出电压间切换。如-VIN和-VIN/2(VIN为输入的电源电压)。当输出电压从-VIN/2向-VIN 切换时，同样存在MOS驱动管瞬间电流过大的问题，利用本专利的软启动技术可以有效解决该问题。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种负压输出电荷泵电路，其特征在于，包括 启动电路，用于降低启动阶段的开关元件的瞬间电流； 启动控制电路，用于控制启动阶段的时间。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，包括 第一到第四开关元件和电容，第一开关元件、第三开关元件和该电容组成输入侧电路， 第二开关元件、第四开关元件和该电容组成输出侧电路，第一开关元件和第二开关元件与该电容的第一电极相连，第三点开关元件与第四开关元件与该电容的第二电极相连，在正常工作阶段时，所述第一开关元件和第三开关元件以第一预定频率同时导通/关闭，所述第二开关元件和第四开关元件以第二预定频率同时导通/关闭，所述第一开关电路和第二开关元件交替导通/关闭。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于 所述启动电路包括第五开关元件和第六开关元件；第五开关元件与所述第一开关元件并联，第六开关元件与第二开关元件并联； 第五开关元件的导通电阻大于第一开关元件，第六开关元件的导通电阻大于第二开关元件；在启动阶段关闭所述第一开关元件和第二开关元件，所述第三开关元件和第五开关元件以第三预定频率同时导通/关闭，所述第四开关元件和第六开关元件以第四预定频率同时导通/关闭，所述第五开关元件和第六开关元件交替导通/关闭；所述第三预定频率低于所述第一预定频率，所述第二预定频率低于所述第二预定频率。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于所述第五开关元件的尺寸小于第一开关元件，所述第六开关元件的尺寸小于第二开关元件。
5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于在正常工作阶段，所述第一开关元件、第三开关元件和第五开关元件以所述第一预定频率同时导通/关闭，所述第二开关元件、第四开关元件和第六开关元件以所述第二预定频率同时导通/关闭，所述第五开关元件和第六开关元件交替导通/关闭。
6.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的电路，其特征在于所述第一预定频率和第二预定频率大于百KHz，所述第三预定频率和第四预定频率小于百KHz。
7.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的电路，其特征在于 所述开关元件为场效应管。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于 所述场效应管为MOS管。
9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于 所述启动控制电路包括计数器。
10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述启动控制电路包括比较电路。
全文摘要
本发明提供一种负压输出电荷泵电路，包括启动电路，用于降低启动阶段的开关元件的瞬间电流；启动控制电路，用于控制启动阶段的时间长短。本发明通过利用降低启动周期的工作频率，选取驱动能力相对弱，导通电阻大的小尺寸MOS驱动管对电荷进行存储与再分配，使电荷泵电路先进入中间状态，软启动结束后再从中间状态向正常工作状态转换，降低电路在启动初期流过MOS驱动管的瞬间电流，提高芯片的可靠性。
文档编号H02M1/36GK102195471SQ20101012129
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者季科夫, 王磊, 陈卡军 申请人:曜鹏亿发(北京)科技有限公司