[发明专利]充电泵电路

说明书

本发明的几个方面涉及一种双极性输出电压充电泵电路，即，本发明的几个方面涉及一种提供一对相反极性的输出电压的单个充电泵电路。

双极性输出电压充电泵电路，即双轨输出电压充电泵电路是DC-DC类型的转换器，其将传递电容器（transfer capacitor）和存储电容器（storage capacitor）用作分别传递和存储能量的设备，使得所述转换器能够从单极性输入电压源，即单轨输入电压源提供双极性输出电压，所述双极性输出电压的值可以不同于单极性输入电压的值。

在使用时，双极性输出电压充电泵电路可包括通常称为“储存电容器（reservoir capacitor）”的输出存储电容器以及一个或多个通常称为“飞跨电容器（flying capacitor）”的能量传递电容器。“储存电容器”的端子或连接器永久连接至对应的输出电压端子或节点。相反，“飞跨电容器”的端子或连接器能够以受控的次序（in a controlled sequence）被切换至输入或输出电压端子或节点，或者被切换至其他飞跨电容器端子或节点。

例如，一种已知的双极性输出电压充电泵电路，如本发明申请人的共同未决英国专利申请GB2444985中所公开的，可以提供各自等于充电泵电路的单极性输入电压的幅值（magnitude）的一半的正和负双极性输出电压（+/-VDD/2）。

此外，通过合适的控制，该共同未决英国专利申请还可提供各自等于充电泵电路的单极性输入电压的幅值的正和负双极性输出电压（+/-VDD）。

这种已知的双极性输出电压充电泵电路使用一种开关布置——即一种开关网络，即开关矩阵——来控制两个储存电容器的端子（即，两个输出电压端子）和飞跨电容器的端子的连接。飞跨电容器端子可通过这些开关而被连接至：输入电压端子（即，单极性输入电压）、输出电压端子（即，双极性输出电压）、参考端子（即，地电位）；以及被连接至彼此，从而获得双极性输出电压+/-VDD/2或+/-VDD。

图1示意性示出了一种已知的利用充电泵12的音频输出链10。该音频输出链10接收输入音频信号数据14，之后通过放大器16处理（未示出）和放大该音频信号，输出音频信号18。音频信号18可能经由连接器（未示出）——例如单声道插头或立体声插头——输出至一个负载20，例如头戴式受话器、扬声器或线路负载。

如从图1可以看到的，充电泵电路12接收输入供应电压VV和参考电压VG（也就是，地，即零伏），并且通过时钟信号CK被定时。充电泵电路还具有飞跨电容器22。充电泵12的输出电压VP、VN可以是+/-α.VV，其中α可以是1或0.5。这样，从放大器16输出的输出信号数据18可被平衡在参考VG（在该情形中，地）附近。

充电泵电路（例如，图1中所示的充电泵电路12）广泛用在便携式电子设备中，其中减小电力消耗从而延长电池放电时间变得越来越重要。对于例如驱动16Ω的头戴式受话器的音频链，安静环境中的典型听力水平要求仅100μW（对于16Ω的头戴式受话器，40mV rms或者2.5mA rms）。但是，如果该电流由+/-1.5V供应来供应（要求驱动50mW的峰值，以在较嘈杂环境中可听见），则源自1.5V供应的2.5mA rms消耗3.3mW，即效率为100μW/3.3mV=3%。即使使用上文描述的已知充电泵可将供应电压（VP，VN）减半，效率仍然很低，且减小电力供应还使得实际上难以从前置驱动器（未示出）得到足够的电压摆动以适当地驱动放大器16的输出晶体管。

此外，尤其在低信号电平时，切换充电泵的切换设备所要求的电力可能大到足以削弱效率。

另外，为了驱动诸如压电换能器、触觉换能器的换能器或例如背光源，可能要求大于VV的双极性输出电压。在一些用途实例中，可能要求同一输出链来驱动所述负载，随后要求具有大于VV的双极性输出级供应电压的操作模式。

在可提供不同的供应电压的各个应用中，期望的是能够操作一个特定的充电泵电路，尤其是一个集成电路装置。为了在不同的输入供应电压时维持相似的性能，期望的是可提供一个步降和步进比例范围。

生成具有一个输出电压范围的充电泵可具有多个飞跨电容器。这些飞跨电容器通常太大而不能容纳在芯片上，所以在封装上要求专用引脚以及在PCB上要求占用区域。期望的是最小化飞跨电容器的数目，以降低成本、封装尺寸和板面积。

因而，期望的是提供一个音频输出链和一个合适的充电泵，其可供应宽范围的输出级双极性供应电压，以减小或最小化宽范围的输出信号电平和输入供应上的电力消耗，同时提供低成本和小的物理尺寸。