[发明专利]用于1：2反向电荷泵的软启电和驱动电路及其实现方法

说明书

本发明公开了一种用于1：2反向电荷泵的软启电和驱动电路及其实现方法，主要解决现有电荷泵驱动电路需要串联QB管来实现软启动，既增加了芯片成本，同时在正常工作时QB产生了额外的热损耗，降低了电压转换效率的问题。该电路包括包括均与电荷泵芯片的VOUT引脚相连的分压电阻RF1、MOS管开关S和钳压电路A3，均与电荷泵芯片的BT引脚相连的钳压电路A1、钳压电路A2，与电荷泵芯片上的NMOS管Q3、NMOS管Q4均相连的无源限流电路。本发明将PMOS管Q3b和NMOS管Q4的限流值与(VIN‑VOUT/2)乘积作为负反馈量，与一个参考P_REF做积分来控制Q3b和Q4的限流值，从而确保Q3b和Q4的限流值为满足芯片热损耗小于P_REF前提下的最大值，即具有最大带载能力。同时降低了芯片成本，提高了电压转换效率。

技术领域

本发明涉及一种集成电路，具体地说，是涉及一种用于1：2反向电荷泵的软启电和驱动电路及其实现方法。

背景技术

电荷泵是利用电容存储能量的开关变换器，其中，利用开关使得电容在供电和放电状态之间切换，从而可以提升或降低供电电压。在移动终端或便携式电子设备中，供电电源的电压可能低于工作电压，电荷泵可以将供电电源的电压提供之后系统工作，例如，电荷泵产生的电压在3.3V至4.0V范围内，从而满足电子设备的工作需要。

多数的电荷泵芯片都是应用在将输入电压降为一半的2：1模式，鲜有支持反向升为两倍电压的1：2模式。如图1所示为电荷泵的电路原理图，四个P管分为两个相位ɸ1和ɸ2分别导通，在没有负载的理想情况下，VX=2*VY。最常见的应用是将VX作为输入电源，从而得到近似一半的输出电压VY。类似的，如果将VY作为输入电源，那么就会得到近似两倍的输出电压VX。

通常集成P管的电荷泵芯片会采用N型MOS器件，这就需要相应的驱动电路。由于电荷泵没有电感这类限制电流变化的储能器件，所以需要有软启动的过程来限制启动电流。对于正向2：1模式的电荷泵，软起动的方案比较简单和成熟。但是对于反向1：2模式的电荷泵，由于输入电压低于输出电压，这变得非常有挑战。

如图2所示为现有技术的电荷泵的驱动电路，电路中没有一个最高电压点为Q1/Q2/Q3的驱动电路供电，所以Q1/2/3不能导通。

最通常的做法是通过另外的子电荷泵，产生一个最高电压（需要高于2*VIN+V_overdrive，这里选为3*VIN），然后用这个最高电压来驱动Q1/2/3。要产生一个比两倍VIN还高V_overdrive的电平，需要两个子电荷泵。由于驱动Q1/2/3的电流远小于Q1/2/3的工作电流，所以子电荷泵管子的面积远小于P管；但是驱动Q1/2/3高速开关，需要mA级别的电流，所以子电荷泵的电容通常要在nF级别，这样大的电容很难在片内集成，所以需要采用片外电容。

产生最高电压可以驱动Q1/2/3后，并不能直接启电。因为Q1/2/3/4的导通电阻很小（mohm级别），而初始的VOUT电平和稳态的VOUT电平的压差最大为VIN+2*Vdiode。如果直接让Q1/2/3/4硬启动，瞬间会产生上百安培甚至更高的电流，会烧坏芯片，所以需要一个限流的软起动过程。通常的做法是再串联一个P管QB，在软起动过程中，通过一个运放构成的反馈环路让QB工作在饱和区，限制启动过程的最大电流，从而实现安全的软启电。当VOUT电平接近两倍VIN电平时，将QB的驱动电平拉到最大，使其工作在线性区（最小的导通电阻），结束软启电开始正常工作。

传统方案的好处是直观，都是通用做法。还有一个好处是，由于两倍的VIN电流相当于一倍的VOUT电流，所以由VIN产生最高电平的方案比由VOUT产生最高电平的方案效率更高。