專利名稱：供電電路和用于控制其的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及供電電路以及用于控制供電電路的操作的方法，所述供電電路被配置 為將電力提供到負載以便穩(wěn)定地驅(qū)動負載。
背景技術(shù)：
當需要高于電源電壓的電壓時，傳統(tǒng)上已經(jīng)使用利用電感器的DC-DC轉(zhuǎn)換器作為 供電電路。由于可以產(chǎn)生處于期望電平的電壓并且可以有效地將電力提供到消耗大量電流 的負載，因此DC-DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)用于許多應(yīng)用。然而，由于需要諸如變壓器和線圈之類的組 件，因此難以對DC-DC轉(zhuǎn)換器進行小型化(downsize)。因此，不可能在半導(dǎo)體集成電路中包 括DC-DC轉(zhuǎn)換器的所有組件。考慮到這些問題，由于電荷泵電路可以小型化并且能夠具有高效率，因此有時使 用電荷泵電路作為供電電路。然而，由于電荷泵電路通過添加由DC電源電壓進行充電的電 容器的電壓而升高了輸出電壓，因此電荷泵電路的輸出電壓極大地依賴于電源電壓。進一 步，當使用電池作為DC電源時，電荷泵電路的輸出電壓根據(jù)電池電壓的下降而降低了通過 將電池電壓中的下降乘以電壓的升高比率而獲得的電壓電平。結(jié)果，電荷泵電路的輸出電 壓迅速降低。為了避免電源電壓的改變的這種影響，已經(jīng)建議了如下三種方法。作為第一種方 法，如圖5所示，通過穩(wěn)壓器101將電源電壓VCC控制為恒壓，并將其輸入到電荷泵電路以 將其升高。然后將升高的電壓提供到負載110(例如，參見專利文獻1)。作為第二種方法， 如圖6所示，將輸入電源電壓VCC輸入到電荷泵電路102以將其升高。然后將升高的電壓 輸入到穩(wěn)壓器110并控制為恒壓，并提供到負載110。作為第三種方法，如圖7所示，當電荷 泵電路的輸出電壓Vout變?yōu)樘幱陬A(yù)定檢測電壓或更高時，強制地縮短晶體管MlOl (其將電 荷泵電路中的回掃電容器Cl與在電荷泵電路之外提供的取回(catch-back)電容器C2連 接)的每一個導(dǎo)通時段以獲得恒定的輸出電壓。[專利文獻1]日本專利申請公開No. 2006-320158通過第一種和第二種方法，可以以穩(wěn)定的波紋振幅來穩(wěn)定輸出電壓。然而，在這些 情況下，需要具有可以流經(jīng)電荷泵電路的最大輸出電流的大輸出驅(qū)動器的穩(wěn)壓器(voltage regulator)。因此，存在的問題在于，芯片尺寸增大。通過第三種方法，通過僅監(jiān)控電荷泵的輸出電壓并且當電荷泵電路的輸出電壓變 為預(yù)定電平或更高時將檢測到的信號反饋回時鐘單元(其控制電荷泵電路的開/關(guān))，可以 穩(wěn)定地輸出恒壓。然而，由于強制地縮短電荷泵電路的每一個開啟時段，因此存在的問題在 于，輸出電壓的波紋振幅變得更大。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上問題已經(jīng)進行了本發(fā)明，并且本發(fā)明的至少一個實施例的目標是提 供電源電路，其通過最優(yōu)地控制電荷泵電路中包括的晶體管的柵極電壓，可以輸出穩(wěn)定地驅(qū)動負載所需的恒壓而不論電源電壓的變化如何，以及提供用于控制供電電路的操作的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，供電電路包括電荷泵電路，被配置為升高從輸入端子輸 入的電壓，并將升高的電壓從輸出端子提供到給定負載；以及控制電路單元。電荷泵電路包 括回掃電容器，被配置為存儲從輸入端子輸入的電壓的電荷；以及輸出晶體管，連接在回 掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸出端子之間?？刂齐娐穯卧邮栈鶞孰妷汉蛷碾姾?泵電路輸出的電壓，并被配置為產(chǎn)生與從電荷泵電路輸出的電壓成比例的比例電壓，并輸 出電壓以根據(jù)比例電壓與基準電壓之差來控制輸出晶體管，使得比例電壓具有與基準電壓 相同的電壓電平。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于控制供電電路的操作的方法，所述供 電電路包括電荷泵電路，被配置為升高從輸入端子輸入的電壓，并將升高的電壓從輸出端 子提供到給定負載。所述電荷泵電路包括回掃電容器，被配置為存儲從輸入端子輸入的電 壓的電荷；以及晶體管，連接在回掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸出端子之間。所述 方法包括如下步驟控制所述晶體管，以便與升高的電壓成比例的電壓變?yōu)榕c基準電壓相 同的電平；以及基于晶體管的所述控制，保持升高的電壓恒定以便提供到負載。


圖1是示出了本發(fā)明的第一實施例的供電電路的示例和時鐘信號的示例。圖2是示出了圖1中所示的供電電路的輸出信號AMPOUT與輸出電壓Vout之間的 關(guān)系示例的時序圖。圖3是示出了本發(fā)明的第一實施例的供電電路的示例和時鐘信號的示例。圖4是示出了圖3中所示的供電電路的輸出信號AMPOUT與輸出電壓Vout之間的 關(guān)系示例的時序圖。圖5是示出了傳統(tǒng)供電電路的示例的圖。圖6是示出了傳統(tǒng)供電電路的另一個示例的圖。圖7是示出了在傳統(tǒng)供電電路中晶體管MlOl的操作與輸出電壓Vout之間的關(guān)系 示例的時序圖。
具體實施例方式基于圖中所示的實施例詳細描述本發(fā)明。(第一實施例)圖1是示出了本發(fā)明的第一實施例的供電電路的示例的圖。在圖1所示的供電電 路中，升高輸入到輸入端子IN的電源電壓VCC，并產(chǎn)生預(yù)定的恒壓。輸出產(chǎn)生的恒壓作為從 輸出端子OUT到負載10的輸出電壓Vout。以這種方式，將電力提供到負載10。供電電路1包括電荷泵電路2 ；基準電壓產(chǎn)生電路3，能夠產(chǎn)生并輸出預(yù)定基準電 壓Vref ；電阻器Rl和R2，用于檢測輸出電壓，所示電阻器Rl和R2能夠?qū)敵鲭妷篤out進 行分壓，并產(chǎn)生和輸出分壓Vfb ；誤差放大器電路4 ；以及取回電容器Cout。電荷泵電路2 包括PMOS晶體管Ml到M3、NM0S晶體管M4和回掃電容器Cl。誤差放大電路4包括運算放 大器電路11、恒流源12和NMOS晶體管Mil。
PMOS晶體管M3用作輸出晶體管，電阻器Rl和R2用作比例電壓產(chǎn)生電路單元，誤 差放大器電路4用作誤差放大器電路單元，NMOS晶體管Mll用作第一晶體管，并且恒流源 12和NMOS晶體管Mll用作輸出電路。進一步，圖1示出了其中PMOS晶體管Ml到M3、NM0S 晶體管M4、基準電壓產(chǎn)生電路3、誤差放大器電路4以及電阻器Rl和R2集成在一個IC中 的示例。IC包括輸入端子IN、輸出端子OUT和連接端子ClP和C1M。PMOS晶體管Ml連接在輸入端子IN與連接端子ClP之間。PMOS晶體管M2連接在 輸入端子IN與連接端子ClM之間?；貟唠娙萜鰿l連接在連接端子ClP與ClM之間。PMOS 晶體管M3連接在連接端子ClP與輸出端子OUT之間。NMOS晶體管M4連接在連接端子ClM 與地電勢之間。取回電容器Cout連接在輸出端子OUT與地電勢之間。電阻器Rl和R2串 聯(lián)連接在輸出端子OUT與地電勢之間。從電阻器Rl和R2之間的連接輸出分壓Vfb，并輸入 到運算放大器電路11的反向輸入端。將基準電壓Vref輸入到運算放大器電路11的正向輸入端。運算放大器電路11 的輸出端連接到NMOS晶體管Mll的柵極。恒流源12和NMOS晶體管Mll串聯(lián)連接在電源 電壓VCC與地電勢之間。恒流源12與NMOS晶體管Mll之間的連接(其用作誤差放大器 電路4的輸出端)連接到PMOS晶體管M3的柵極。時鐘信號Φ1、時鐘信號Φ2、反向信號 Φ1Β(其作為反向時鐘信號Φ1)分別輸入到PMOS晶體管Ml的柵極、PMOS晶體管Μ2的柵 極和NMOS晶體管Μ4的柵極。注意，如圖1的下部分圖所示，時鐘信號Φ 1和Φ 2通過定時 由矩形波表示。通過這種配置，根據(jù)時鐘信號Φ1和Φ 2來導(dǎo)通/截止PMOS晶體管Ml、Μ2以及 NMOS晶體管M4。誤差放大器電路4控制PMOS晶體管M3的操作，以便分壓Vfb具有與基準 電壓Vref相同的電平。以這種方式，誤差放大器電路4控制PMOS晶體管M3的導(dǎo)通電阻， 以便輸出電壓Vout變?yōu)樘幱陬A(yù)定電平的恒定值。圖2是示出了誤差放大器電路4的輸出信號AMPOUT (將其輸入到PMOS晶體管M3 的柵極)與輸出電壓Vout之間的關(guān)系示例的時序圖。參照圖2，更詳細地描述圖1中所示 的供電電路1的操作。當時鐘信號φ 1處于低電平時，PMOS晶體管Ml和NMOS晶體管Μ4導(dǎo)通，并且變?yōu)?導(dǎo)通的。由于時鐘信號Φ 2此時處于高電平，因此PMOS晶體管Μ2截止，并且變?yōu)椴粚?dǎo)通。 在這種情況下，如圖2所示，輸出電壓Vout高于設(shè)置電壓。因此，運算放大器電路11截止 NMOS晶體管Mll以便不導(dǎo)通，使得輸出電壓Vout下降到設(shè)置電壓。因此，誤差放大器電路 4的輸出信號AMPOUT具有能夠截止PMOS晶體管Μ3以便不導(dǎo)通的電壓。鑒于此，由電源電 壓VCC對回掃電容器Cl進行充電。此外，當時鐘信號Φ 1處于高電平時，PMOS晶體管Ml和NMOS晶體管Μ4截止，并 且變?yōu)椴粚?dǎo)通。由于此時時鐘信號Φ 2處于低電平，因此PMOS晶體管Μ2導(dǎo)通，并且變?yōu)閷?dǎo) 通的。如圖2所示，輸出電壓Vout低于設(shè)置電壓。因此，運算放大器電路11導(dǎo)通NMOS晶 體管Mll，并控制NMOS晶體管Mll的導(dǎo)通電阻，以便將輸出電壓Vout升高到設(shè)置電壓。結(jié) 果，誤差放大器電路4的輸出信號AMPOUT具有能夠?qū)≒MOS晶體管Μ3的電壓。誤差放大 器電路4控制PMOS晶體管Μ3的柵極電壓，并控制PMOS晶體管Μ3的導(dǎo)通電阻，以便輸出電 壓Vout變?yōu)轭A(yù)定電壓。通過與用于驅(qū)動電荷泵電路2的時鐘信號的頻率同步地重復(fù)這些操作，控制PMOS晶體管M3的柵極電壓，并且優(yōu)化PMOS晶體管M3的導(dǎo)通電阻。以這種方式，可以穩(wěn)定輸出 電壓Vout而不使得輸出電壓Vout的波紋振幅更大。圖3是示出了本發(fā)明的第一實施例的供電電路的另一示例的圖。在圖3中，由相 同的附圖標記表示與圖1中的組件相同或類似的組件，并且這里省略描述。下面僅描述圖 1與圖3之間的差別。圖3與圖1的不同在于，額外地提供匪OS晶體管M12和PMOS晶體管M13。匪OS晶 體管M12用作第二晶體管，而PMOS晶體管M13用作第三晶體管。進一步，在該示例中，PMOS 晶體管Ml到M3以及M13、NMOS晶體管M4和M12、基準電壓產(chǎn)生電路3、誤差放大器電路4 以及電阻器Rl和R2集成在一個IC中。NMOS晶體管M12連接在運算放大器電路11的輸出端與地電勢之間。將時鐘信號 Φ 2輸入到NMOS晶體管M12的柵極。進一步，PMOS晶體管Μ13與恒流源12并聯(lián)連接。反 向信號Φ2Β(其為反向時鐘信號Φ2)輸入到PMOS晶體管Μ13的柵極。以這種方式，誤差放大器電路4的輸出信號AMPOUT可以快速地升高或降低，并且 圖2中的輸出信號AMPOUT可以具有如圖4所示的波形。在圖3中，可以僅提供NMOS晶體 管Ml2和PMOS晶體管Ml3之一。在本發(fā)明的第一實施例的供電電路中，通過PMOS晶體管Μ3(其將連接到回掃電 容器Cl的一個端子的連接端子ClP與連接到取回電容器Cout的一個端子的輸出端子OUT 相連接)，將回掃電容器Cl中存儲的電荷用泵送入取回電容器Cout，由此升高了電源電壓 VCC0為了將輸出電壓Vout控制為恒定，將升高的輸出電壓Vout經(jīng)反饋電路(其由電阻器 Rl和R2形成，并且連接到輸出端子OUT)反饋回控制PMOS晶體管M3的柵極電壓的誤差放 大器電路4，由此控制PMOS晶體管M3的導(dǎo)通電阻。結(jié)果，可以輸出穩(wěn)定地驅(qū)動負載所需的 恒壓，而不論電源電壓的改變?nèi)绾?。根?jù)本發(fā)明的供電電路以及用于控制本發(fā)明的供電電路的操作的方法，控制電荷 泵電路中包括的、且連接在電荷泵電路中包括的回掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸 出端子之間的輸出晶體管的操作，以便與從輸出端子輸出的輸出電壓成比例的比例電壓變 為與預(yù)定基準電壓相同的電平。結(jié)果，將電荷泵電路的輸出電壓控制為恒壓，并提供到負 載。以這種方式，可以輸出穩(wěn)定地驅(qū)動負載所需的恒壓，而不論電源電壓的改變?nèi)绾巍＿M一步，代替使用具有大輸出驅(qū)動器的穩(wěn)壓器以穩(wěn)定地輸出電壓(這增大了芯片 尺寸)，在電荷泵電路中包括的各晶體管之間，使用具有由晶體管伺服(serve)的輸出驅(qū)動 器的穩(wěn)壓器電路，該晶體管將回掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸出端子相連接。結(jié) 果，可以防止芯片尺寸的增大。進一步，代替采用傳統(tǒng)方法來縮短電荷泵電路的每一個開啟時段以穩(wěn)定輸出電壓 (這增大了波紋振幅)，根據(jù)輸出電壓的電平，控制將回掃電容器中存儲的電荷發(fā)送到取回 電容器的晶體管的柵極電壓。結(jié)果，控制了晶體管的導(dǎo)通電阻。以這種方式，可以獲得穩(wěn)定 的輸出電壓，而不增大波紋振幅。本發(fā)明基于2008年1月15日向日本專利局提交的日本優(yōu)先權(quán)申請 No. 2008-005844，將其全部內(nèi)容通過引用的方式合并在此。
權(quán)利要求
一種供電電路，包括電荷泵電路，被配置為升高從輸入端子輸入的電壓，并將升高的電壓從輸出端子提供到給定負載；以及控制電路單元，其中所述電荷泵電路包括回掃電容器，被配置為存儲從輸入端子輸入的電壓的電荷；以及輸出晶體管，連接在回掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸出端子之間，其中所述控制電路單元接收基準電壓和從電荷泵電路輸出的電壓，并被配置為產(chǎn)生與從電荷泵電路輸出的電壓成比例的比例電壓，并輸出電壓以根據(jù)比例電壓與基準電壓之差來控制輸出晶體管，使得比例電壓具有與基準電壓相同的電壓電平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電電路，其中所述控制電路單元包括比例電壓產(chǎn)生電路 單元，被配置為以預(yù)定的分壓比例對從電荷泵電路的輸出端子輸出的電壓進行分壓，以產(chǎn) 生比例電壓；以及誤差放大器電路，被配置為放大與比例電壓和基準電壓之差對應(yīng)的電壓， 以將放大的電壓輸出到輸出晶體管的控制電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的供電電路，其中所述誤差放大器電路進一步包括 運算放大器電路，其包括用以接收比例電壓的輸入端子、用以接收基準電壓的另一個輸入端子、以及被配置為輸出輸出信號的輸出端子；以及輸出電路，包括恒流源，能夠產(chǎn)生并輸出預(yù)定恒定電流；以及第一晶體管，具有控制 電極，向該控制電極輸入由運算放大器電路輸出的輸出信號，所述恒流源和第一晶體管串 聯(lián)連接在輸入電壓和地電勢之間，其中所述恒流源和第一晶體管之間的連接用作連接到輸出晶體管的控制電極的輸出 端子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的供電電路，進一步包括第二晶體管，連接在運算放大器電路 的輸出端子與地電勢之間，其中控制所述第二晶體管僅在對回掃電容器進行放電的周期期 間導(dǎo)通。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的供電電路，進一步包括第三晶體管，并聯(lián)連接到所述恒流源， 其中控制所述第三晶體管僅在對回掃電容器進行充電的周期期間導(dǎo)通。
6.一種用于控制供電電路的操作的方法，所述供電電路包括電荷泵電路，所述電荷泵 電路被配置為升高從輸入端子輸入的電壓，并將升高的電壓從輸出端子提供到給定負載，其中所述電荷泵電路包括回掃電容器，被配置為存儲從輸入端子輸入的電壓的電荷；以及晶體管，連接在回掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸出端子之間，所述方法包括控制所述晶體管，以便與升高的電壓成比例的電壓變?yōu)榕c基準電壓相同的電平；以及 基于晶體管的所述控制，保持升高的電壓恒定以便提供到負載。
全文摘要
一種供電電路，包括電荷泵電路，被配置為升高從輸入端子輸入的電壓，并將升高的電壓從輸出端子提供到給定負載；以及控制電路單元。電荷泵電路包括回掃電容器，被配置為存儲從輸入端子輸入的電壓的電荷；以及輸出晶體管，連接在回掃電容器的一個端子與電荷泵電路的輸出端子之間?？刂齐娐穯卧邮栈鶞孰妷汉蛷碾姾杀秒娐份敵龅碾妷海⒈慌渲脼楫a(chǎn)生與從電荷泵電路輸出的電壓成比例的比例電壓，并輸出電壓以根據(jù)比例電壓與基準電壓之差來控制輸出晶體管，使得比例電壓具有與基準電壓相同的電壓電平。
文檔編號H02M3/07GK101911456SQ20088012453
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月15日
發(fā)明者志和屋陽一 申請人:株式會社理光