CN1774855A - 直流－直流变换器 - Google Patents

Abstract

公开了一种直流－直流变换器，包含：恒压电路，输出第一电压；电荷泵电路，输出第二电压；电流检测电路，将恒压电路的输出电流变换为第三电压，并且输出第三电压；第一输出电压检测电路，检测第一电压，并且输出与第一电压成比例的第一检测电压；第一过电流保护电路，比较第三电压与第一检测电压，并且当第三电压高于第一检测电压时，减小恒压电路所输出的第一电压与电流；第二输出电压检测电路，检测第二电压，并且输出与第二电压成比例的第二检测电压；以及第二过电流保护电路，比较第三电压与第二检测电压，并且当第三电压高于第二检测电压时，减小恒压电路所输出的第一电压与电流。

Description

直流-直流变换器

技术领域

一般地讲，本发明涉及一种在前级上配备有恒压电路的电荷泵型直流-直流变换器(charge-pump-type DC-DC converter)，更具体地讲，涉及一种具有过电流保护电路的电荷泵型直流-直流变换器。

背景技术

电荷泵型直流-直流变换器允许对于低电流负载以高效率获得高压。另外，电荷泵型直流-直流变换器不需要诸如变压器与电感器等组件，从而所有电路可以集成到单个IC中。相应地，电荷泵型直流-直流变换器已经用于多种电路，例如存储器电路、CCD驱动电路、以及LCD驱动电路。

然而，现有的电荷泵型直流-直流变换器只能够生成为输入电压整数倍的电压。为了解决这个问题，人们已经提出了在前级上附加可变电压源的电荷泵型直流-直流变换器，以能够将输入电压设置到希望值，从而获得希望的输出电压。日本公开专利申请5-111241公开了这样的电荷泵型直流-直流变换器。

现有的在前级上具有可变电压源的电荷泵型直流-直流变换器采用了恒压电路作为可变电压源，并且在恒压电路中包含过电流保护电路。

图1为显示现有电荷泵型直流-直流变换器100的电路图。直流-直流变换器100包含恒压电路部分101与电荷泵电路部分102。另外，恒压电路部分101包括电压控制部分103与过电流保护电路部分104。电压控制部分103包括：电压控制晶体管Ma，生成并输出与恒压电路部分101输出电压VoA成比例的检测电压VdA的电阻器Ra、Rb，生成预定基准电压VrA的基准电压生成电路111，以及运算放大器AMPa。

运算放大器AMPa控制电压控制晶体管Ma的栅极电压，使得检测电压VdA与基准电压VrA均衡。作为结果，恒压电路部分101输出电压VoA等于VrA×(Ra+Rb)/Rb，其中Ra、Rb分别表示电阻器Ra、Rb的电阻。

过电流保护电路部分104包括：检测流经电压控制晶体管Ma的电流的电流检测晶体管Mb，将流经电流检测晶体管Mb的电流变换为电压的电阻器Rc，比较在电阻器Rc中生成的电压与检测电压VdA的运算放大器AMPb，以及控制电压控制晶体管Ma的输出电流的电流控制晶体管Mc。

参照图2，当恒压电路部分101的输出电流ioA增加到ia时，运算放大器AMPb反相输入端的电压超过检测电压VdA，从而导通电流控制晶体管Mc。作为结果，电压控制晶体管Ma的栅极电压增加。相应地，恒压电路部分101输出电压VoA减小，并且从电压控制晶体管Ma输出的电流ioA的增加得到控制。当恒压电路部分101输出电压VoA减小时，检测电压VdA也减小。相应地，从电压控制晶体管Ma输出的电流ioA开始减小。输出电压VoA与输出电流ioA之间的这一关系在图2中显示。在图2中，由OUTa指示的特性表示恒压电路部分101的输出电压VoA与输出电流ioA之间的关系，由OUTb指示的特性表示电荷泵电路部分102的输出电压VoB与输出电流ioB之间的关系。

如图2所示，当恒压电路部分101的输出电压VoA减小到0V时，输出电流ioA只减小到ib。这是因为如果过电流保护电路部分104将输出电流ioA减小到0V，则输出电压VoA在从0V上升的情况下可能不会上升。当恒压电路部分101的输出电压VoA为0V时，会使得在运算放大器AMPb反相输入端生成正失调电压，从而电流ib作为输出电流ioA流出。例如，通过改变用于运算放大器AMPb两个输入的每个晶体管的大小，可以生成失调电压。

电荷泵电路部分102包含：开关元件SWa、SWb、SWc、SWd，其为MOS晶体管；电容器Ca、Cb、Cc；以及时钟生成电路112，用来控制开关元件SWa至SWd的切换。时钟生成电路112生成并输出时钟信号CLKa、CLKb、CLKc。开关元件SWa的切换、开关元件SWd的切换、以及开关元件SWb与SWc的切换分别由时钟信号CLKa、CLKb、CLKc控制。时钟信号CLKa与CLKb相位相反。当时钟信号CLKa的电平为低时，开关元件SWa导通，并且当时钟信号CLKb的电平为高时，开关元件SWd导通。相应地，开关元件SWa与SWd同时导通与截止。

当时钟信号CLKc的电平为低时，开关元件SWb至SWc导通。当开关元件SWa与SWd导通时，电容器Cb由恒压电路部分101的输出电压VoA充电。当开关元件SWb与SWd导通时，电容器Cb的电压加到电容器Ca上，从而电容器Cc由合成电压充电。相应地，为电荷泵电路部分102输出电压VoB的电容器Cc的电压为恒压电路部分101输出电压VoA的两倍。因为电荷泵电路部分102输出电压VoB为恒压电路部分101的输出电压VoA的两倍，所以电荷泵电路部分102输出电流ioB为恒压电路部分101输出电流ioA的一半，如图2所示。

然而，根据这样的现有电路，即使当电荷泵电路部分102的输出端OUTb短路至地时，恒压电路部分101的输出电压VoA也会被防止变为0V，并且只是被减小到电压Vs，如图2所示。这是因为在恒压电路部分101的输出端OUTa与电荷泵电路部分102的输出端OUTb之间配备了开关元件SWa至SWd。这就产生了以下问题：电流ic(大于当恒压电路部分101的输出端OUTa短路至地时流动的电流ib)作为从恒压电路部分101提供的电流ioA流动。

发明内容

相应地，本发明的一般目的在于提供一种在前级上配备有恒压电路的电荷泵型直流-直流变换器，其中消除了上述缺点。

本发明更具体的目的在于提供一种在前级上配备有恒压电路的电荷泵型直流-直流变换器，该电荷泵型直流-直流变换器包含过电流保护电路，即使电荷泵电路部分的输出端短路至地，该电路也可以将电荷泵电路部分的输出电流减小至希望值。

本发明的以上目的通过一种电荷泵型直流-直流变换器实现，包含：恒压电路部分，被配置来将输入电压变换为第一电压，并且从第一输出端输出第一电压；电荷泵电路部分，被配置来将从恒压电路部分输入的第一电压变换为第二电压，并且从第二输出端输出第二电压；电流检测电路部分，被配置来将恒压电路部分的输出电流变换为第三电压，并且输出第三电压；第一输出电压检测电路部分，被配置来检测第一输出端的第一电压，并且生成及输出与所检测的第一电压成比例的第一检测电压；第一过电流保护电路部分，被配置来比较所输出的第三电压与所输出的第一检测电压，并且当所输出的第三电压高于所输出的第一检测电压时，减小恒压电路部分所输出的第一电压与所输出的电流；第二输出电压检测电路部分，被配置来检测电荷泵电路部分的输出第二电压，并且生成及输出与所检测的第二电压成比例的第二检测电压；以及第二过电流保护电路部分，被配置来比较所输出的第三电压与所输出的第二检测电压，并且当所输出的第三电压高于所输出的第二检测电压时，减小恒压电路部分所输出的第一电压与所输出的电流。

根据上述直流-直流变换器，提供第二过电流保护电路部分，其通过检测电荷泵电路部分的输出电压进行过电流保护，由此当电荷泵电路部分的输出电压被减小低于恒压电路部分输出电压时，该第二过电流保护电路部分运行。相应地，即使电荷泵电路部分的输出端短路至地，也可以将电荷泵电路部分的输出电流减小到与当恒压电路部分的输出端短路至地时相同的电流值。因此，增加了该直流-直流变换器的可靠性。

附图说明

本发明其他目的、特征、以及优点将在以下结合附图的详细描述中变得更加明显，其中：

图1为显示现有电荷泵型直流-直流变换器的电路图；

图2为显示现有直流-直流变换器每个输出端上输出电压与输出电流之间关系的图示；

图3为显示根据本发明实施方式的直流-直流变换器的电路图；

图4为从根据本发明实施方式的直流-直流变换器的时钟生成电路输出的时钟信号的时序图；和

图5为显示根据本发明实施方式的直流-直流变换器每个输出端上输出电压与输出电流之间关系的图示。

具体实施方式

现在参照附图描述本发明的实施方式。

图3为显示根据本发明实施方式的直流-直流变换器的电路图。

直流-直流变换器1包含恒压电路部分2与电荷泵电路部分3。恒压电路部分2从输入到输入端IN1的输入电压Vi1生成预置恒定电压，并且从第一输出端OUT1输出所生成的电压作为输出电压Vo1。恒压电路部分2的输出电压Vo1输入至电荷泵电路部分3。电荷泵电路部分3从第二输出端OUT2输出输出电压Vo1的整数倍，作为输出电压Vo2。

恒压电路部分2包含电压控制部分11与过电流保护电路部分12。电压控制部分11进行控制，使得输出电压Vo1恒定于预定恒定电压V1上。过电流保护电路部分12检测从第一输出端OUT1输出的电流io1以及从第二输出端OUT2输出的电流io2。当所检测的输出电流io1和/或所检测的输出电流io2高于或等于预定值i2时，过电流保护电路部分12降低输出电压Vol与输出电流io1，使得Vo1-io1关系具有限流过载保护特性。

电压控制部分11包括：运算放大器AMP1，生成并输出预定基准电压Vr1的基准电压生成电路21，由PMOS晶体管形成的电压控制晶体管M1，以及电阻器R1、R2。电压控制晶体管M1与电阻器R1、R2串联连接在输入端IN1与地之间。电压控制晶体管M1与电阻器R1的连接点连接到第一输出端OUT1。电阻器R1、R2的串联电路生成与输出电压Vo1成比例的第一检测电压Vd1，并且将第一检测电压Vd1输出到运算放大器AMP1的非反相输入端。基准电压Vr1输入到运算放大器AMP1的反相输入端。运算放大器AMP1的输出端连接到电压控制晶体管M1的栅极。

过电流保护电路部分12包括：运算放大器AMP2与AMP3，由PMOS晶体管形成的电流检测晶体管M2，分别由PMOS晶体管形成的电流控制晶体管M3与M4，以及电阻器R3、R4、R5。电流检测晶体管M2与电阻器R3串联连接在输入端IN1与地之间。电流检测晶体管M2的栅极连接到运算放大器AMP1的输出端。电流检测晶体管M2与电阻器R3的连接点连接到运算放大器AMP2与AMP3的反相输入端。

电流控制晶体管M3与M4并联连接在输入端IN1与电压控制晶体管M1的栅极之间。运算放大器AMP2的输出端连接到电流控制晶体管M3的栅极。运算放大器AMP3的输出端连接到电流控制晶体管M4的栅极。电阻器R4与R5串联连接在第二输出端OUT2与地之间。电阻器R4与R5的串联电路生成与输出电压Vo2成比例的第二检测电压Vd2，并且将第二检测电压Vd2输出到运算放大器AMP3的非反相输入端。第一检测电压Vd1输入到运算放大器AMP2的非反相输入端。

接着，电荷泵电路部分3包含：分别由MOS晶体管形成的开关元件SW1、SW2、SW3、SW4；电容器C1、C2、C3；以及时钟生成电路25，用来控制开关元件SW1至SW4的切换。开关元件SW1至SW3分别由PMOS晶体管形成，开关元件SW4由NMOS晶体管形成。开关元件SW1与SW3串联连接在第一与第二输出端OUT1、OUT2之间。开关元件SW2与SW4串联连接在第一输出端OUT1与地之间。

时钟生成电路25生成并输出时钟信号CLK1、CLK2、CLK3。时钟信号CLK1输入到开关元件SW1的栅极。时钟信号CLK3输入到开关元件SW2与SW3每一个的栅极。时钟信号CLK2输入到开关元件SW4的栅极。电容器C1连接在第一输出端OUT1与地之间。电容器C3连接在第二输出端OUT2与地之间。电容器C2连接在开关元件SW1、SW3的连接点与开关元件SW2、SW4的连接点之间。

在这种结构中，在电压控制部分11中，运算放大器AMP1控制电压控制晶体管M1的栅极电压，使得第一检测电压Vd1均衡于基准电压Vr1。作为结果，输出电压Vo1等于Vr1×(R1+R2)/R2，其中R1、R2分别表示电阻器R1、R2的电阻。图4为显示在中时钟生成电路25中生成的时钟信号CLK1至CLK3例子的图。参照图4，时钟信号CLK1与CLK2相位相反。当时钟信号CLK1的电平为低时，开关元件SW1导通。当时钟信号CLK2的电平为高时，开关元件SW4导通。相应地，开关元件SW1与SW4同时导通与截止。

当时钟信号CLK3的电平为低时，开关元件SW2与SW4导通。当开关元件SW1与SW4导通时，电容器C2由恒压电路部分2的输出电压Vo1充电。当开关元件SW2与SW4导通时，电容器C2的电压加到电容器C1上，从而电容器C3由合成电压充电。相应地，作为电荷泵电路部分13输出电压Vo2的电容器C3的电压是恒压电路部分2输出电压Vo1的两倍。

因为电荷泵电路部分3所输出的电压Vo2是恒压电路部分2所输出的电压Vo1的两倍，所以电荷泵电路部分3所输出的电流io2是恒压电路部分2所输出的电流io1的一半，如图5所示。图5为显示输出电压Vo1与输出电流io1之间关系以及输出电压Vo2与输出电流io2之间关系的图。在图5中，由OUT1指示的特性表示输出电压Vo1与输出电流io1之间的关系，由OUT2指示的特性表示输出电压Vo2与输出电流io2之间的关系。

在图5中，当恒压电路部分2的输出电流io1减小到i1时，运算放大器AMP2反相输入端的电压超过第一检测电压Vd1。作为结果，电流控制晶体管M3导通，从而增加电压控制晶体管M1的栅极电压。这将减小恒压电路部分2的输出电压Vo1，并且控制从电压控制晶体管M1输出的电流io1的增加。当恒压电路部分2的输出电压Vo1减小时，第一检测电压Vd1也减小。相应地，从电压控制晶体管M1输出的电流io1开始减小。

参照图5，即使当恒压电路部分2的输出电压Vo1减小到0V时，输出电流io1只减小到i2。这是因为如果过电流保护电路部分12将输出电流io1减小到0V，则恒压电路部分2的输出电压Vo1在从0V上升的情况下可能不会上升。当恒压电路部分2的输出电压Vo1为0V时，会使得在运算放大器AMP2与AMP3每一个的反相输入端生成正失调电压，从而电流i2作为输出电流io1流过。例如，通过改变用于每个运算放大器AMP2与AMP3两个输入的每个晶体管的大小，可以生成失调电压。

在另一方面，在电荷泵电路部分3的输出电压Vo2减小或者恒压电路部分2的输出电流io1增加的情况下，当运算放大器AMP3反相输入端的电压变得高于其非反相输入端的电压时，运算放大器AMP3的输出电压减小，以减小电流控制晶体管M4的栅极电压。作为结果，电流控制晶体管M4导通，以增加电压控制晶体管M1的栅极电压，由此减小恒压电路部分2的输出电流io1。相应地，恒压电路部分2的输出电压Vo1也减小，以减小电荷泵电路部分3的输出电压Vo2，由此进一步减小恒压电路部分2的输出电流io1。

如下设置电阻器R1、R2的电阻与电阻器R4、R5的电阻，从而当恒压电路部分2的输出电压Vo1保持预定值时以及当恒压电路部分2的输出电压Vo1低于电荷泵电路部分3的输出电压Vo2时，第一检测电压Vd1低于第二检测电压Vd2。因此，如图5所示，由运算放大器AMP2与电流控制晶体管M3形成的第一过电流保护电路部分运行，直至恒压电路部分2的输出电压Vo1与电荷泵电路部分3的输出电压Vo2均衡于电压Vs1。

在另一方面，当电荷泵电路部分3的输出电压Vo2变得低于恒压电路部分2的输出电压Vo1时，如在电荷泵电路部分3的第二输出端OUT2短路至地的情况下，由运算放大器AMP3与电流控制晶体管M4形成的第二过电流保护电路部分运行。因此，恒压电路部分2的输出电压Vo1可以被减小到低于电压Vs1，并且恒压电路部分2的输出电流io1可以被减小到低于电流值i2。此处根据该实施方式，PMOS晶体管M2与电阻器R3形成过电流检测电路部分，电阻器R1、R2形成第一输出电压检测电路部分，电阻器R4、R5形成第二输出电压检测电路部分。另外，参照图3，除电容器C1至C3之外，可以将恒压电路部分2与电荷泵电路部分3集成到单个IC中。

由此，根据该实施方式的直流-直流变换器1，当电荷泵电路部分3的输出电压Vo2变得低于恒压电路部分2的输出电压Vo1时，由运算放大器AMP3与电流控制晶体管M4形成的第二过电流保护电路部分将恒压电路部分2的输出电压Vo1减小到低于电压Vs1，并且将恒压电路部分2的输出电流io1减小到希望值，即电流值i2。因此，即使电荷泵电路部分3的输出端OUT2短路至地，也可以将电荷泵电路部分3的输出电流io2减小到希望的电流值i2，由此增加可靠性。

本发明不限于具体公开的实施方式，在不脱离本发明范围的前提下，可以进行修改与变化。

本发明基于2003年4月14日提交的日本优先专利申请2003-109217，其内容全部融入本文作为参考。

Claims (5)

1.一种电荷泵型直流-直流变换器，包含：

恒压电路部分，被配置来将输入电压变换为第一电压，并且从第一输出端输出第一电压；

电荷泵电路部分，被配置来将从恒压电路部分输入的第一电压变换为第二电压，并且从第二输出端输出第二电压；

电流检测电路部分，被配置来将恒压电路部分的输出电流变换为第三电压，并且输出第三电压；

第一输出电压检测电路部分，被配置来检测第一输出端的第一电压，并且生成及输出与所检测的第一电压成比例的第一检测电压；

第一过电流保护电路部分，被配置来比较所输出的第三电压与所输出的第一检测电压，并且当所输出的第三电压高于所输出的第一检测电压时，减小恒压电路部分所输出的第一电压与所输出的电流；

第二输出电压检测电路部分，被配置来检测电荷泵电路部分所输出的第二电压，并且生成及输出与所检测的第二电压成比例的第二检测电压；以及

第二过电流保护电路部分，被配置来比较所输出的第三电压与所输出的第二检测电压，并且当所输出的第三电压高于所输出的第二检测电压时，减小恒压电路部分所输出的第一电压与所输出的电流。

2.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其中当恒压电路部分所输出的第一电压高于电荷泵电路部分所输出的第二电压时，第一输出电压检测电路部分生成及输出第一检测电压，以便使得第一检测电压高于第二检测电压。

3.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其中当恒压电路部分所输出的第一电压低于电荷泵电路部分所输出的第二电压时，第一过电流保护电路部分运行。

4.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其中当电荷泵电路部分所输出的第二电压低于恒压电路部分所输出的第一电压时，第二过电流保护电路部分运行。

5.一种电荷泵型直流-直流变换器，包含：

恒压电路部分，被配置来将输入电压变换为第一电压，并且从第一输出端输出第一电压；

电荷泵电路部分，被配置来将从恒压电路部分输入的第一电压变换为第二电压，并且从第二输出端输出第二电压；

电流检测电路部分，被配置来将恒压电路部分的输出电流变换为第三电压，并且输出第三电压；

第一输出电压检测电路部分，被配置来检测第一输出端的第一电压，并且生成及输出与所检测的第一电压成比例的第一检测电压；

第一过电流保护电路部分，被配置来比较所输出的第三电压与所输出的第一检测电压，并且当所输出的第三电压高于所输出的第一检测电压时，减小恒压电路部分所输出的第一电压与所输出的电流；

第二输出电压检测电路部件，用来检测电荷泵电路部分的输出第二电压，并且生成及输出与所检测的第二电压成比例的第二检测电压；以及

第二过电流保护电路部件，用来比较所输出的第三电压与所输出的第二检测电压，并且当所输出的第三电压高于所输出的第二检测电压时，减小恒压电路部分所输出的第一电压与所输出的电流。

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