[发明专利]监控电荷泵的外部电容器的温度依赖性以及基于此的改进电荷泵

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括具有外部电容器的电荷泵的设备。

背景技术

在许多集成电路中，需要电荷泵。典型地，将电荷泵用于提供大约是电源电压m倍的输出电压(m＝2，3，4，…)。

如果采用m级电容器(C)，将现有技术完全集成于多级Dickson电荷泵的版本，该Dickson电荷泵近似于将电源电压(V_dd)乘于m因子。例如，需要外部级电容器C，以便能够获得大约为95％范围内的高功率效率。当使用显示出温度依赖性的外部电容器时，具有缺点。不仅电容器的值随着温度变化，而且电容器的DC漏电流受温度影响。对于高质量的电容器，在-55℃到+85℃的温度范围内，其值变化为±10％。对于低成本的电容器，典型地，其温度依赖性比较高。这导致Dickson电荷泵在较低温度时增益降低，反过来降低了电荷泵的功率效率。

在许多应用中，经常需要比电源高的电压。如上所述，将电荷转移到作为容性负载的外部电容器，从而在电荷泵中获得增加的电压电平。电荷泵通常操作于高频率电平，以便在用于电荷转移的全部电容的合理大小内增加其输出功率。可以通过对功率需求中的变化进行补偿并节约传递给电荷泵的能量，来对此操作频率进行调整。

在电荷泵的许多设计方法中，诸如上面所提到的Dickson电荷泵的原理的开关电容器电路非常普及，因为这种电路可以与集成系统中的其他元件一起在同一个芯片上实现。在图1中，演示了传统的Dickson电荷泵10的示例。

如果将MOS晶体管用作开关来代替二极管D₁-D_m(参见图1)，则通过接通以及断开这些MOSFET开关来操作Dickson电荷泵，这些MOSFET开关对多个外部(级)电容器C进行充电和放电，该电容器C用于将能量转移到输出负载。每个级的增益ΔV可以如下表示：

ΔV = ( C C + C S ) V dd - I out ( C + C S ) · f osc ]]>

如果在输出负载上给出了由C_out和R_L所表示的预充电值V_in，这导致了m级电荷泵的输出电压V_out，如以下方程所示：

V_out＝V_in+m·ΔV。

如果级电容器C是外部设备，那么温度依赖性C＝f(T)可以非常高。例如，这表示较低温度下的C值可能只是室温时的一半。这反过来表示具有相同负载电流条件(I_out)的增益ΔV将减小。对于许多应用，这是无法接受的。

从电荷泵的拓扑属性、电压增益以及动态属性开始，到其效率和功率考虑的改进，存在对涉及电荷泵的实际实现的不同问题的关注。如果采用外部电容器，要考虑的一个重要的问题是上面提到的温度依赖性。迄今为止，尚未提出令人满意的解决方案来处理这些外部电容器的值的温度诱发变化。