CN102025269B - 电荷泵 - Google Patents

Abstract

一种电荷泵包括：开关电路，该开关电路被插入在第一输出电容器和第二输出电容器、快速电容器与输入电源之间；以及控制单元，该控制单元控制开关电路。电荷泵在包括高电压输出模式、低电压输出模式以及中继模式的操作模式下操作。控制单元控制开关电路，使得在高电压输出模式下充电的第一输出电容器和第二输出电容器的各自的充电电压被逐渐地降低。当在电荷泵的操作模式处于高电压输出模式的时段期间给出降压命令时，控制单元通过从高电压输出模式通过中继模式转换为低电压输出模式的中继转换来改变电荷泵的操作模式。

Description

电荷泵

技术领域

本发明涉及电荷泵，该电荷泵通过使用单个输入电源来生成分别具有正极性和负极性的电源电压。

背景技术

电荷泵是其中电荷在多个电容器之间运动以产生具有期望极性和电平的电压的DC/DC转换器。例如，JP-A-6-165482公开了这种类型的电荷泵。

根据电荷泵的用途，有时要求电荷泵具有下述功能：选择性地生成高电压和低电压两类电压，以及在生成输出电压时，根据升压命令将输出电压从低电压切换到高电压，并且根据降压命令将输出电压从高电压切换到低电压。为了生成前者或者高电压，要求重复执行下述操作：将输入电源的输出电压施加到一个电容器，并且将该电容器的充电电荷重新分配给连接到负载的电源端子的输出电容器。为了生成后者或者低电压，要求重复执行如下操作：将输入电源的输出电压施加到串联地连接的两个电容器，并且将串联连接的两个电容器中的一个的充电电荷重新分配给连接到负载的电源端子的输出电容器。然而，在电荷泵从输出高电压的操作状态转换为输出低电压的操作状态的情况下，发生问题。当终止输出高电压的操作状态时，在电容器中保持了等于输入电源的输出电压的电压。因此，当开始输出低电压的操作时，其中保持充电电压的电容器以及另一个电容器的串联连接被连接到输入电源，从而产生其中在输入电源的电压输出部中生成过电压而导致电荷泵异常操作的情况。

发明内容

鉴于上述情况提出了本发明。本发明的目的在于，提供一种电荷泵，该电荷泵能够选择性地生成高电压和低电压两类电压，并且其中输出高电压的操作状态能够平滑地转换为输出低电压的操作状态。

本发明提供了一种电荷泵，包括：开关电路，该开关电路被插入在第一输出电容器和第二输出电容器、快速电容器与输入电源之间；以及控制单元，该控制单元控制开关电路，其中，电荷泵在包括高电压输出模式、低电压输出模式以及中继模式的操作模式下操作，并且控制单元控制开关电路，使得：在高电压输出模式下，第一输出电容器和第二输出电容器分别输出第一正电压和第一负电压；在低电压输出模式下，第一输出电容器和第二输出电容器分别输出低于第一正电压和第一负电压的第二正电压和第二负电压；并且在中继模式下，在高电压输出模式下被充电的第一电容器和第二电容器的各自的充电电压被逐渐降低，并且当在电荷泵的操作模式处于低电压输出模式的时段期间给出升压命令时，控制单元通过从低电压输出模式到高电压输出模式的直接转换来改变电荷泵的操作模式，并且当在电荷泵的操作模式处于高电压输出模式的时段期间给出降压命令时，控制单元通过从高电压输出模式通过中继模式转换为低电压输出模式的中继转换来改变电荷泵的操作模式。

根据本发明，从高电压输出模式到低电压输出模式的转换经过中继模式。当执行中继模式下的操作时，能够降低第一输出电容器和第二输出电容器以及快速电容器的充电电压，使得能够平滑地执行到低电压输出模式的转换。

附图说明

在附图中：

图1是示出根据本发明的实施例的包括电荷泵的功率放大电路的构造的电路图；

图2A至图2C是示出实施例中的输出状态检测部的构造示例的电路图；

图3示出了实施例中的电荷泵的高电压输出模式下的状态转换；

图4示出了实施例中的电荷泵的低电压输出模式下的状态转换；

图5示出了实施例中的电荷泵的中继模式下的状态转换；以及

图6示出了在实施例中的电荷泵1的模式之间的转换。

具体实施方式

将参考附图描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的实施例的包括电荷泵1的功率放大电路的构造的电路图。功率放大电路包括电荷泵1，该电荷泵1用作电源电路；负载驱动部2；以及输出状态检测部3。电荷泵1是电源电路，该电源电路生成要提供给负载驱动部2的正电源电压和负电源电压。负载驱动部2是放大器，该放大器接收来自电荷泵1的正电源电压和负电源电压，放大从前一级电路(未示出)提供的输入信号AMPI，并且将放大的信号作为输出信号AMPO提供给负载(未示出)。输出状态检测部3监视负载驱动部2的输出状态，并且将输出状态检测信号DETO输出，该输出状态检测信号DETO表示负载驱动部2的输出信号AMPO是否超过预定限制而接近提供给负载驱动部2的电源电压。

如图1中所示，电荷泵1具有控制单元10、开关电路20以及端子CPVDD、CP、GND、CN以及CPVSS。将端子CPVDD连接到负载驱动部2的正电源端子，并且将端子CPVSS连接到负载驱动部2的负电源端子。将端子GND接地，并且将输出电容器C1插入在端子CPVDD和接地线之间，将输出电容器C2插入在端子CPVSS和接地线之间，并且将快速电容器C3插入在端子CP和CN之间。理想地，输出电容器C1、输出电容器C2以及快速电容器C3具有相同的电容。在下面的描述中，为了描述的方便起见，在端子CPVDD处的电压可以被表示为电压CPVDD，在端子CP处的电压可以被表示为电压CP，在端子GND处的电压可以被表示为电压GND，在端子CN处的电压可以被表示为电压CN，在端子CPVSS处的电压可以被表示为电压CPVSS。

开关电路20具有P沟道场效应晶体管(也仅称为晶体管)P1至P5和N沟道晶体管N1至N3。将P沟道晶体管P1插入在电源HPVDD和端子CP之间，将P沟道晶体管P2插入在电源HPVDD和端子CPVDD之间，将P沟道晶体管P3插入在端子CPVDD和端子CP之间，将P沟道晶体管P4插入在端子CPVDD和端子CN之间，并且将P沟道晶体管P5插入在电源SPVDD和端子CP之间。例如，电源HPVDD的电压是1.8V。电源SPVDD的电压高于电源HPVDD的电压，并且例如是3.6V。将N沟道晶体管N1插入在端子CP和端子GND之间，将N沟道晶体管N2插入在端子CN和端子GND之间，并且将N沟道晶体管N3插入在端子CN和端子CPVSS之间。

作为操作模式，实施例的电荷泵1具有高电压输出模式、低电压输出模式、中继模式以及高功率模式。

高电压输出模式是下述操作模式，在该操作模式中，分别从端子CPVDD、CPVSS输出在电平上等于电源电压HPVDD的正电压CPVDD(＝HPVDD)和负电压CPVSS(＝-HPVDD)。低电压输出模式是下述操作模式，在该操作模式中，分别从端子CPVDD、CPVSS输出其电平是电源电压HPVDD的电平的一半的正电压CPVDD(＝HPVDD/2)和负电压CPVSS(＝-HPVDD/2)。中继模式是为了使高电压输出模式平滑地转换为低电压输出模式而设置的操作模式。在高电压输出模式、低电压输出模式以及中继模式下，仅使用电源HPVDD，而不使用电源SPVDD。高功率模式是下述操作模式，在该操作模式中，分别从端子CPVDD、CPVSS输出其电平等于电源电压HPVDD的电平的正电压CPVDD(＝HPVDD)和具有任意电平的负电压CPVSS。在高功率模式下，作为电源HPVDD的补充使用电源SPVDD，并且能够生成在电源电压SPVDD的范围内的其电平高于电源电压HPVDD的负电压CPVDD。

控制单元10控制上述操作模式之间的转换，并且控制在各操作模式下的开关电路20。控制单元10通过与预定频率的时钟CLK同步并且分别针对操作模式确定的程序来切换施加到P沟道晶体管P1至P5的栅极和N沟道晶体管N1至N3的栅极的栅电压，从而实现上述的操作模式。将详细地描述为实现高电压输出模式、低电压输出模式而执行的开关电路20的控制。高功率模式没有与本发明的特性非常相关，并且对本发明来说不太重要，并且因此省略其详细描述。

在实施例中，基于负载驱动部2的输出状态来执行在低电压输出模式和高电压输出模式之间的转换。输出状态检测部3是生成触发模式转换的信息的电路。更具体地，输出状态检测部3监视负载驱动部2的输出状态，并且将输出状态检测信号DETO输出，该输出状态检测信号DETO表示负载驱动部2的输出信号AMPO的电平是否超过预定限制而接近提供给负载驱动部2的电源电压(具体地，正电压CPVDD和负电压CPVSS)。

图2A至图2C是示出输出状态检测部3的各种构造示例的电路图。在图2A中所示的输出状态检测部3A中，电阻器31和恒流源32组成从它们的公共结点生成基准电平REFP的电路。将电阻器31插入在电源CPVDD和恒流源32之间，并且恒流源32的电流流过电阻器。因此，当用I0表示恒流源32的电流，并且用R0表示电阻器31的电阻时，从电阻器31和恒流源32的公共结点获得的基准电平REFP是CPVDD-I0·R0。电阻器33和恒流源34组成从它们的公共结点生成基准电平REFM的电路。将电阻器33插入在电源CPVSS和恒流源34之间，并且恒流源34的电流流过电阻器。因此，当与恒流源32类似地用I0表示恒流源34的电流，并且与电阻器31类似地用R0表示电阻器33的电阻时，从电阻器33和恒流源34的公共结点获得的基准电平REFM是CPVSS+I0·R0。在负载驱动部2的输出信号AMPO高于基准电平REFP的情况下，比较器35输出处于H电平的信号，并且在其它情况下，输出处于L电平的信号。在负载驱动部2的输出信号AMPO低于基准电平REFM的情况下，比较器36输出处于H电平的信号，并且在其它情况下，输出处于L电平的信号。当比较器35、36的输出信号都处于L电平时，OR门37将输出状态检测信号DETO设置为L电平，并且当比较器35、36的输出信号中的至少一个处于H电平时，将输出状态检测信号DETO设置为H电平。因此，当负载驱动部2的输出信号AMPO处于基准电平REFP和基准电平REFM之间的范围内时，输出状态检测信号DETO处于L电平，并且当输出信号AMPO超过恒定限制而接近电源电压CPVDD或者CPVSS时，或者具体地，当输出信号AMPO高于基准电平REFP或者低于基准电平REFM时，输出状态检测信号DETO处于H电平。

在图2B中所示的输出状态检测部3B中，改变了在图2A中所示的输出状态检测部3A中生成基准电平REFP和REFM的电路。由比较器35、36以及OR门37构造的部件的电路构造与图2A中所示的相同。在输出状态检测部3B中，通过具有相同电阻的电阻器41、42、43、N沟道晶体管44以及运算放大器45来构造生成基准电平REFP和REFM的电路。将电阻器41、42、43串联地插入在诸如带隙基准电路的生成恒定基准电平REFV的电压源和N沟道晶体管44的漏极之间。将N沟道晶体管44的源极连接到电源CPVSS。在运算放大器45中，将正输入端子(+端子)接地，并且将反向输入端子(-端子)连接到电阻器42、43的公共结点。根据该构造，通过电阻器42、43的公共结点执行到运算放大器45的负反馈，并且运算放大器45将栅电压输出到N沟道晶体管44，使得电阻器42、43的公共结点的电势等于接地电势。因此，从电阻器41、42的公共结点获得的基准电平REFP是REFV/2，并且从N沟道晶体管44的漏极获得的基准电平REFM是-REFV/2。

图2C中所示的输出状态检测部3C是下述电路，该电路检测流过负载驱动部2的输出级的晶体管的电流，并且基于检测的结果来将输出状态检测信号DETO输出。在图2C中所示的示例中，负载驱动部2具有串联地插入在电源CPVDD、CPVSS之间的P沟道晶体管21和N沟道晶体管22，并且从晶体管的漏极的结点将输出信号AMPO输出。在负载驱动部2中，当通过调整要施加到P沟道晶体管21的栅电压来增加在P沟道晶体管21中流动的漏电流时，输出信号AMPO增大，并且，当通过调整要施加到N沟道晶体管22的栅电压来增加在N沟道晶体管22中流动的漏电流时，输出信号AMPO减小。图2C中所示的输出状态检测部3C检测分别流过负载驱动部2的P沟道晶体管21和N沟道晶体管22的漏电流，并且基于检测的结果来确定负载驱动部2的输出信号AMPO是否超过恒定限制而接近电源电压CPVDD和CPVSS。这将在下面更加详细地进行描述。

首先，P沟道晶体管51被构造为，使得源极被固定在电源电压CPVDD，并且等于施加到负载驱动部2的P沟道晶体管21的栅电压被施加到栅极，并且与P沟道晶体管21协作以组成电流镜。因此，是P沟道晶体管21的漏电流的k1倍(k1是由P沟道晶体管21与P沟道晶体管51的尺寸比定义的系数)的漏电流在P沟道晶体管51中流动。将恒流源52连接到P沟道晶体管51的漏极。恒流源52的电流值是当负载驱动部2的输出信号AMPO的电平处于特定上限电平(与图2A或者图2B中的基准电平REFP相对应)时流动的P沟道晶体管21的漏电流的k1倍。因此，当负载驱动部2的输出信号AMPO的电平低于上限电平时，P沟道晶体管51的漏电流小于恒流源52的电流，并且P沟道晶体管51的漏电压处于大大低于电源电压CPVDD的电压值的L电平。相反，当负载驱动部2的输出信号AMPO的电平高于上限电平时，P沟道晶体管51的漏电流大于恒流源52的电流，并且P沟道晶体管51的漏电压处于接近电源电压CPVDD的电压值的H电平。P沟道晶体管51的漏电压通过反相器55、56被施加到OR门58。

接下来，N沟道晶体管53被构造为，使得源极被固定在电源电压CPVSS，并且等于施加到负载驱动部2的N沟道晶体管22的栅电压被施加到栅极，并且与N沟道晶体管22协作以组成电流镜。因此，是N沟道晶体管22的漏电流的k2倍(k2是由N沟道晶体管22与N沟道晶体管53的尺寸比定义的系数)的漏电流在N沟道晶体管53中流动。将恒流源54连接到N沟道晶体管53的漏极。恒流源54的电流值是当负载驱动部2的输出信号AMPO的电平处于特定下限电平(与图2A或者图2B中的基准电平REFM相对应)时流动的N沟道晶体管22的漏电流的k2倍。因此，当负载驱动部2的输出信号AMPO的电平高于下限电平时，N沟道晶体管53的漏电流小于恒流源54的电流，并且N沟道晶体管53的漏电压处于大大高于电源电压CPVSS的电压值的H电平。相反，当负载驱动部2的输出信号AMPO的电平低于下限电平时，N沟道晶体管53的漏电流大于恒流源54的电流，并且N沟道晶体管53的漏电压处于接近电源电压CPVSS的电压值的L电平。N沟道晶体管53的漏电压经过反相器57而被电平反转，并且然后被施加到OR门58。

当反相器56、57的输出信号都处于L电平时，OR门58将输出状态检测信号DETO设置为L电平，并旦当反相器56、57的输出信号中的至少一个处于H电平时，即，负载驱动部2的输出信号AMPO高于上限电平或者低于下限电平时，将输出状态检测信号DETO设置为H电平。

接下来，将详细地描述电荷泵1的操作模式。图3示出了高电压输出模式下的电荷泵1的状态转换。在高电压输出模式下，如图3中所示，电荷泵1交替地重复与时钟CLK同步的充电操作(参见图3的(a))和快速操作(参见图3的(c))。

在充电操作(参见图3的(a))中，控制单元10使开关电路20的P沟道晶体管P1、P2和N沟道晶体管N2导通，并且使其它的晶体管截止。因此，如图示，通过电源HPVDD→P沟道晶体管P2→输出电容器C1→接地线的路径对输出电容器C1进行充电，并且将电源电压HPVDD施加到输出电容器C1。而且，如图示，通过电源HPVDD→P沟道晶体管P1→快速电容器C3→N沟道晶体管N2→接地线的路径来对快速电容器C3进行充电，并且将电源电压HPVDD施加到快速电容器C3。在该情况下，快速电容器C3处于下述状态中，在该状态中，在端子CP侧上的电极中充电正电荷，而在端子CN侧上的电极中充电负电荷。

当在恒定的时间段中执行充电操作(参见图3的(a))时，然后在恒定的时间段中执行快速操作(参见图3的(c))。在快速操作中(参见图3的(c))中，控制单元10使开关电路20的P沟道晶体管P2和N沟道晶体管N1、N3导通，并且使其它的晶体管截止。因此，如图示，通过电源HPVDD→P沟道晶体管P2→输出电容器C1→接地线的路径来对输出电容器C1进行充电，并且电源电压HPVDD被施加到输出电容器C1。而且，如图示，形成接地线→N沟道晶体管N1→快速电容器C3→N沟道晶体管N3→输出电容器C2→接地线的路径。然后，在快速电容器C3中，通过N沟道晶体管N1来将其中正电荷被充电的端子CP侧上的电极接地，并且通过N沟道晶体管N3将其中负电荷被充电的端子CN侧上的电极连接到端子CPVSS，使得快速电容器被并联地连接到输出电容器C2。以该方式，快速电容器C3的充电电压HPVDD被反相，并且然后被施加到输出电容器C2，并且输出电容器C2的充电电压是-HPVDD。

此后，类似地重复充电操作和快速操作，将电源电压CPVDD＝HPVDD从端子CPVDD提供给负载驱动部2的正电源端子，并且将电源电压CPVSS＝-HPVDD从端子CPVSS提供给负载驱动部件2的负电源端子。

图4示出了在低电压输出模式下的电荷泵1的状态转换。在低电压输出模式下，如图4中所示，电荷泵1与时钟CLK同步地顺序地并且周期性地重复充电操作(参见图4的(a))、平滑化操作(参见图4的(b))以及快速操作(参见图4的(c))。

在充电操作(参见图4的(a))中，控制单元10使开关电路20的P沟道晶体管P1、P4导通，并且使其它的晶体管截止。因此，如图示，形成电源HPVDD→P沟道晶体管P1→快速电容器C3→P沟道晶体管P4→输出电容器C1→接地线的路径。然后，在快速电容器C3和输出电容器C1被串联地连接在电源HPVDD和接地线之间的状态下，快速电容器C3和输出电容器C1被充电。在该情况下，在电源HPVDD和接地线之间快速电容器C3和输出电容器C1处于所谓的堆叠状态中，并且HPVDD/2的电压被施加到电容器中的每一个。在该情况下，快速电容器C3处于下述状态下，在该状态中，在端子CP侧上的电极中充电正电荷，并且在端子CN侧上的电极中充电负电荷。

当在恒定的时间段中执行充电操作(参见图4的(a))时，然后在恒定的时间段中执行平滑化操作(参见图4的(b))。在平滑化操作(参见图4的(b))中，控制单元10使开关电路20的P沟道晶体管P3和N沟道晶体管N2导通，并且使其它的晶体管截止。因此，如图示，形成接地线→N沟道晶体管N2→快速电容器C3→P沟道晶体管P3→输出电容器C1→接地线的路径。然后，在快速电容器C3中，通过N沟道晶体管N2来将其中负电荷被充电的端子CN侧上的电极接地，并且通过P沟道晶体管P3来将其中充电正电荷的端子CP侧上的电极连接到端子CPVDD，使得将快速电容器并联地连接到输出电容器C1。因此，输出电容器C1的充电电压等于快速电容器C3的充电电压，并且输出电容器C1的充电电压是HPVDD/2。

当在恒定的时间段中执行平滑化操作(参见图4的(b))时，然后在恒定的时间段中执行快速操作(参见图4的(c))。在快速操作(参见图4的(c))中，控制单元10使开关电路20的N沟道晶体管N1、N3导通，并且使其它的晶体管截止。因此，如图示，形成接地线→N沟道晶体管N1→快速电容器C3→N沟道晶体管N3→输出电容器C2→接地线的路径。然后，在快速电容器C3中，通过N沟道晶体管N1将其中充电正电荷的端子CP侧上的电极接地，并且通过N沟道晶体管N3将其中充电负电荷的端子CN侧上的电极连接到端子CPVSS，使得将快速电容器并联地连接到输出电容器C2。以该方式，快速电容器C3的充电电压HPVDD/2被反相并且然后被施加到输出电容器C2，并且输出电容器C2的充电电压CPVSS是-HPVDD/2。

此后，类似地，顺序地并且周期性地重复充电操作、平滑化操作以及快速操作，将电源电压CPVDD＝HPVDD/2从端子CPVDD提供给负载驱动部2的正电源端子，并且将电源电压CPVSS＝-HPVDD/2从端子CPVSS提供给负载驱动部2的负电源端子。

图5示出了中继模式下的电荷泵1的状态转换。在中继模式下，如图5中所示，电荷泵1与时钟CLK同步地顺序地并且周期性地重复全截止操作(参见图5的(a))、平滑化操作(参见图5的(b))以及快速操作(参见图5的(c))。

在全截止操作(参见图5的(a))中，控制单元10使开关电路20的所有的晶体管截止。在持续全截止操作的时段期间，快速电容器C3保持相同的充电电压。输出电容器C1、C2分别被连接到负载驱动部2的正电源端子和负电源端子。因此，负载驱动部2消耗输出电容器C1、C2的充电电荷，并且逐渐地降低输出电容器C1、C2的充电电压。

当在恒定的时间段中执行全截止操作(参见图5的(a))时，然后在恒定的时间段中执行平滑化操作(参见图5的(b))。在平滑化操作(参见图5的(b))中，与低电压输出模式下的平滑化操作的情况类似，控制单元10使开关电路20的P沟道晶体管P3和N沟道晶体管N2导通，并且使其它的晶体管截止。因此，输出电容器C1的充电电压等于快速电容器C3的充电电压。

当在恒定的时间段中执行平滑化操作(参见图5的(b))时，然后在恒定的时间段中执行快速操作(参见图5的(c))。在快速操作(参见图5的(c))中，与低电压输出模式下的快速操作的情况类似，控制单元10使开关电路20的N沟道晶体管N1、N3导通，并且使其它的晶体管截止。因此，在端子CP侧上的电极被接地的状态下，快速电容器C3被并联地连接到输出电容器C2，并且输出电容器C2的充电电压是其电平等于快速电容器C3的电平的负电压。

此后，类似地，顺序地并且周期性地重复全截止操作、平滑化操作以及快速操作。在该时段期间，负载驱动部2消耗输出电容器C1、C2的充电电荷，并且逐渐地降低输出电容器C1、C2和快速电容器C3的充电电压，同时它们的电平彼此相等。

图6示出了实施例中的电荷泵1的模式之间的转换。在实施例中，从输出状态检测部3输出的输出状态检测信号DETO从L电平到H电平的改变是对电荷泵1的升压命令。此外，输出状态检测信号DETO从H电平到L电平的改变是对电荷泵1的降压命令。通过使用用作升压命令或者降压命令的输出状态检测信号DETO的改变来触发电荷泵1的模式之间的转换。首先，假定在电荷泵1在低电压输出模式下进行操作的情况下，负载驱动部2的输出信号AMPO的电平超过预定限制而接近提供给负载驱动部2的电源电压CPVDD、CPVSS，并且输出状态检测信号DETO处于H电平。在该情况下，控制单元10使电荷泵1的操作模式立即从低电压输出模式转换为高电压输出模式。在该情况下，在模式转换之前的输出电容器C1、C2和快速电容器C3的充电电压大约是HPVDD/2。因此，即使当电荷泵1的操作模式立即从低电压输出模式转换为高电压输出模式时，也不会出现问题。

相反，假定，在电荷泵1在高电压输出模式下进行操作的情况下，负载驱动部件2的输出信号AMPO的幅度被减小，输出信号AMPO的电平超过预定限制而接近提供给负载驱动部2的电源电压CPVDD、CPVSS，并且输出状态检测信号DETO处于L电平。在该情况下，在处于高电压输出模式的操作期间，输出电容器C1、C2和快速电容器C3的充电电压处于接近HPVDD的电平。因此，如果响应于输出状态检测信号DETO变成L电平，电荷泵1从高电压输出模式立即转换为低电压输出模式，则在低电压输出模式下的充电操作中的电源HPVDD和接地线之间快速电容器C3和输出电容器C1处于堆叠状态(参见图4的(a))。堆叠的全部快速电容器C3和输出电容器C1的充电电压是接近2HPVDD的电压，并且因此，在电荷泵1的操作中出现异常。

因此，在实施例中，在输出状态检测信号DETO处于L电平的情况下，控制单元10使电荷泵1的操作模式从高电压输出模式转换为中继模式，并且监视例如输出电容器1的充电电压CPVDD。在中继模式下，当使负载驱动部2消耗输出电容器C1、C2的充电电荷时，重复全截止操作、平滑化操作以及快速操作(参见图5的(a)至(c))，并且因此输出电容器C1、C2和快速电容器C3的充电电压被逐渐地降低，同时它们的电平彼此相等。当在输出状态检测信号DETO处于L电平的状态下，输出电容器C1的充电电压CPVDD变成充分低的电平，或者具体地等于或者低于α·HPVDD的电平，控制单元10使电荷泵1的操作模式转换为低电压输出模式。

在实施例中，α是0.55。α是0.55的理由如下。首先，图1中所示的功率放大电路被形成在被掺杂有低浓度的P型杂质的P型半导体基底上，并且功率放大电路的P沟道晶体管被形成在N阱中，该N阱是通过将低浓度的N型杂质掺入到P型半导体基底形成的隔离区。在高电压输出模式、低电压输出模式以及中继模式下的操作期间，电源电压HPVDD被施加到图1中所示的P沟道晶体管P1、P2、P3以及P4分别属于的N阱。在高电压输出模式通过中继模式转换为低电压输出模式的情况下，在转换之后的低电压输出模式下获得快速电容器C3和输出电容器C1被堆叠在电源HPVDD和接地线之间的状态。当堆叠的快速电容器C3和输出电容器C1上的电压比电源电压HPVDD高了预定的电压或者更高时，电流流过插入在P沟道晶体管P1的漏极和P沟道晶体管P1属于的N阱之间的寄生二极管，并且存在在电荷泵1的操作中可能出现异常的可能性。相反，在实施例中，当输出电容器C1、C2以及快速电容器C3的充电电压是α·HPVDD＝0.55·HPVDD或者更低时，执行从中继模式到低电压输出模式的转换。因此，在低电压输出模式下的充电操作中，堆叠的快速电容器C3和输出电容器C1的电压是1.1·HPVDD。在HPVDD＝1.8V的情况下，超过电源电压HPVDD的过量大约是0.1·HPVDD＝0.18V。即使当该电平的过电压出现，也不存在上述的寄生二极管被导通的可能性，并且因此在电荷泵1的操作中不会出现异常性。这是α是0.55的原因。

在实施例中，从高电压输出模式到低电压输出模式的转换(该转换在被执行时经过中继模式)具有进一步的优点，或者实现稳定模式转换的优点。在负载驱动部2的输出信号AMPO的幅度被缓慢地增加的情况下，例如，当从高电压输出模式到低电压输出模式的转换没有经过中继模式时，出现下述缺点。输出信号AMPO超过恒定限制而接近提供给负载驱动部2的电源电压，并且输出状态检测信号DETO处于H电平，从而将电荷泵1从低电压输出模式转换到高电压输出模式。在图2A中示出的输出状态检测部3A被用作输出状态检测部3的情况下，例如，根据从低电压输出模式到高电压输出模式的转换，出现基准电平REFP的上升和基准电平REFM的下降。当输出信号AMPO的幅度缓慢地增加时，曾经被设置为H电平的输出状态检测信号DETO立即返回到L电平。因此，当从高电压输出模式到低电压输出模式的转换没有经过中继模式时，响应于输出状态检测信号DETO到L电平的改变，操作模式立即转换为低电压输出模式。然而，当返回到低电压输出模式时，结合返回出现基准电平REFP的下降和基准电平REFM的上升，并且因此输出状态检测信号DETO再次处于H电平，使得低电压输出模式转换为高电压输出模式。在负载驱动部2的输出信号AMPO的幅度如上所述缓慢地增加的情况下，存在在低电压输出模式和高电压输出模式之间的模式转换频繁地发生的可能性。

然而，在实施例中，在例如负载驱动部2的输出信号AMPO的幅度缓慢地增加并且执行了从低电压输出模式到高电压输出模式的转换的情况下，当输出状态检测信号DETO从H电平改变成L电平时，执行从高电压输出模式到中继模式的模式转换。当在中继模式的操作期间，输出状态检测信号DETO再次改变成H电平时，使操作模式从中继模式返回到高电压输出模式。在实施例中，如上所述，在负载驱动部2的输出信号AMPO的幅度缓慢增加的情况下，能够防止低电压输出模式和高电压输出模式之间的模式转换频繁地发生，并且能够稳定电荷泵1的操作和从电荷泵1供电的负载驱动部2的操作。

如上所述，实施例中的功率放大电路被构造为，使得电路监视负载驱动部的输出状态，并且当检测到负载驱动部的输出信号的电平超过预定限制而接近提供给负载驱动部的电源电压时，提供给负载驱动部的电源电压被切换到较高的电源电压。因此，与例如基于输入信号切换电源电压的构造相比，电路能够被容易地设计，并且能够以适当的定时稳定地切换电源电压。

此外，根据实施例，具有高电压输出模式、低电压输出模式以及中继模式的电荷泵被用作电源电路，并且电荷泵的控制单元被构造为，使得当在低电压输出模式下的操作期间检测到负载驱动部的输出信号的电平超过预定限制而接近电源电压时，使电荷泵的操作模式从低电压输出模式立即转换到高电压输出模式，并且当检测到负载驱动部的输出信号的电平没有超过预定限制而接近电源电压时，使电荷泵的操作模式从高电压输出模式转换到中继模式，并且然后使其转换到低电压输出模式。因此，通过经过中继模式能够减少在高电压输出模式下的操作期间被充电到第一输出电容器和第二输出电容器以及快速电容器的电荷。在转换到低电压输出模式之后，能够防止串联连接的快速电容器和第一输出电容器上的电压在充电操作期间异常上升，并且能够实现平滑模式转换。

根据实施例，当检测到负载驱动部的输出信号的电平没有超过预定限制而接近电源电压时，使操作模式从高电压输出模式转换到中继模式，并且然后使其转换到低电压输出模式。因此，例如，在负载驱动部的输出信号的电平的上升速度缓慢的情况下，能够防止频繁地引起低电压输出模式和高电压输出模式之间的模式转换的异常的出现，并且能够稳定电荷泵和负载驱动部的操作。

在实施例中，在中继模式下重复平滑化操作。因此，在检测到负载驱动部的输出信号的电平没有超过预定限制而接近电源电压，并且使操作模式从高电压输出模式转换到中继模式的情况下，在中继模式下，第一输出电容器和第二输出电容器以及快速电容器的充电电压被逐渐地降低，同时它们的电平彼此相等。因此，为了获得从中继模式到低电压输出模式的转换定时，要求仅监视第一输出电容器、第二输出电容器以及快速电容器中的一个的充电电压，并且存在需要用于监视电容器的充电电压的仅一个电路的优点。

<修改>

尽管已经描述了本发明的实施例，在如下所述的各种修改中可以执行本发明。

(1)在中继模式下，全截止操作可以被省略，并且平滑化操作和快速操作可以被交替地重复。

(2)在实施例中，在中继模式下，第一输出电容器C1的充电电压CPVDD被设置为监视对象，并且当电压CPVDD等于或者小于α·HPVDD时，执行到低电压输出模式的转换。替代地，第二输出电容器C2或者快速电容器C3的充电电压可以被设置为监视对象。

(3)在实施例中，当中继模式被持续预定的时间段或者更长的同时，输出状态检测信号DETO被保持在L电平时，从中继模式到低电压输出模式的转换可以被执行。在转换到中继模式之后流逝的时间和第一输出电容器C1、第二输出电容器C2以及快速电容器C3的充电电压之间的关系被稳定的情况下，即使以简单的方法，也能够达到与实施例相同的效果。

(4)在实施例中，用作电源电路的电荷泵1生成正电源电压CPVDD和负电源电压CPVSS，所述电压以接地电平(端子GND的电平)为中心。替代地，电荷泵可以被构造为，使得生成正电源电压CPVDD和负电源电压CPVSS，所述电压以不是接地电平的另一基准电平电压为中心。

(5)在实施例中，用作电源电路的电荷泵1使用正输入电源HPVDD、SPVDD生成正电源电压CPVDD和负电源电压CPVSS。替代地，电荷泵可以被构造为，使得使用负输入电源生成正电源电压CPVDD和负电源电压CPVSS。

(6)在实施例中，场效应晶体管被用作组成开关电路20的开关元件。替代地，可以使用诸如双极型晶体管的其它类型的开关元件。

(7)在实施例中，电荷泵1被用作功率放大电路的电源电路。替代地，本发明的电荷泵还可以适合用于功率放大电路之外的使用。

(8)在实施例中，值α是0.55，用于确定使电荷泵1的操作模式从中继模式转换到低电压输出模式的阈值。然而，值α(＝0.55)是一个示例，并且可以通过将值α设置在小于0.55的任意值来改变到低电压输出模式的转换定时。此外，结合开关电路20中的晶体管的寄生二极管来确定值α。因此，只要寄生二极管没有被导通而在电荷泵1的操作中引起异常，该阈值能够被设置在等于或者小于输入电源HPVDD的输出电压和寄生二极管的导通电压的和的半值的任意值。

Claims (7)

1.一种电荷泵，包括：

开关电路，所述开关电路被插入在第一输出电容器和第二输出电容器、快速电容器与输入电源之间；以及

控制单元，其中

所述电荷泵在包括高电压输出模式、低电压输出模式以及中继模式的操作模式下操作，并且

所述控制单元控制所述开关电路，使得：

在所述高电压输出模式下，所述第一输出电容器和所述第二输出电容器分别输出第一正电压和第一负电压；

在所述低电压输出模式下，所述第一输出电容器和所述第二输出电容器分别输出低于所述第一正电压和所述第一负电压的第二正电压和第二负电压；并且

在所述中继模式下，在所述高电压输出模式下被充电的所述第一输出电容器和所述第二输出电容器的各自的充电电压被逐渐降低，并且

当在所述电荷泵的操作模式处于所述低电压输出模式的时段期间给出升压命令时，所述控制单元通过从所述低电压输出模式到所述高电压输出模式的直接转换来改变所述电荷泵的操作模式，并且

当在所述电荷泵的操作模式处于所述高电压输出模式的时段期间给出降压命令时，所述控制单元通过从所述高电压输出模式通过所述中继模式转换为所述低电压输出模式的中继转换来改变所述电荷泵的操作模式。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其中，在所述中继模式下，所述控制单元使所述开关电路重复地执行：平滑化操作，其中，所述输入电源从所述第一输出电容器和所述第二输出电容器以及所述快速电容器断开，并且所述快速电容器和所述第一输出电容器被并联地连接；以及快速操作，其中，所述快速电容器从所述第一输出电容器断开，并且被并联地连接到所述第二输出电容器。

3.根据权利要求1或2所述的电荷泵，其中，在所述高电压输出模式下，所述控制单元使所述开关电路重复地执行：第一充电操作，其中，所述输入电源的输出电压被施加到所述快速电容器和所述第一输出电容器；以及快速操作，其中，所述快速电容器从所述第一输出电容器断开，并且被并联地连接到所述第二输出电容器，从而使所述第一输出电容器和所述第二输出电容器分别输出所述第一正电压和所述第一负电压，并且

在所述低电压输出模式下，所述控制单元使所述开关电路重复地执行：第二充电操作，其中，所述快速电容器和所述第一输出电容器被串联地连接，并且所述输入电源的所述输出电压被施加到串联连接的所述快速电容器和所述第一输出电容器；平滑化操作，其中，所述快速电容器和所述第一输出电容器被并联地连接；以及快速操作，其中，所述快速电容器从所述第一输出电容器断开，并且被并联地连接到所述第二输出电容器，从而使所述第一输出电容器和所述第二输出电容器输出所述第二正电压和所述第二负电压。

4.根据权利要求1或2所述的电荷泵，其中，当在所述操作模式处于所述高电压输出模式的时段期间给出所述降压命令时，所述控制单元使所述操作模式从所述高电压输出模式转换为所述中继模式，并且当所述第一输出电容器、所述第二输出电容器以及所述快速电容器中的至少一个的充电电压被降低到阈值或更低时，使所述电荷泵的所述操作模式从所述中继模式转换为所述低电压输出模式。

5.根据权利要求1或2所述的电荷泵，其中，在所述中继模式下，所述第一输出电容器和所述第二输出电容器以及所述快速电容器的充电电压被逐渐降低，同时它们的电平彼此相等。

6.根据权利要求4所述的电荷泵，其中，所述阈值是等于或小于所述输入电源的输出电压和所述开关电路中的晶体管的寄生二极管的导通电压的和的半值的任意值。

7.根据权利要求4所述的电荷泵，其中，所述阈值由0.55·HPVDD来表达，其中，HPVDD表示所述输入电源的输出电压。

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