储维坤
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摘要：为了本文以检索系统中DWPI和CNTXT数据库中已经收录的公开专利数据为基础研究，从专利文献的视角对电荷泵技术的专利发展进行了全面标引和分析，针对dickson电荷泵结构以及电荷泵输出电压控制两个角度分析电荷泵专利技术发展路线。
关键词：电荷泵，Dickson，输出电压控制
1 引言
随着便携式电子设备的流行,各种各样功耗电子器件的集成度越来越高,相应的电源管理系统也需要同步地改进。电荷泵电路由于采用电容器来储存和转换能量，由此具有体积小、效率高等特点，目前广泛应用于便携式设备等电子设备中，并且随着其工艺水平的不断改进和提高，电荷泵电路日趋小型化，其应用也日益广泛。电荷泵稳压器具有效率高、静态电流小、芯片面积小、重量轻、价格便宜等优点 ,作为一种常用的DC/DC转换器被广泛应用于各种小功率电子系统中。它通常采用电容器存储能量 ,外接组件少 ,非常适用于便携式设备(例如手机、PDA、笔记本电脑)中 ,并且随着其电路结构的改进和工艺水平的提高 ,也可应用在需要较大电流的应用电路中。
电荷泵是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换为负电压或倍压输出，由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器。
电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。 便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品。
2 电荷泵领域专利分类
电荷泵技术领域下的专利申请主要涉及电路结构以及控制方法。其中，按照电荷泵电路结构的不同，可以分为：Dickson电荷泵、开关型电荷泵、电流型电荷泵等；按照电荷泵输出电压的不同，又可以分为：正电荷泵和负电荷泵；另外，根据电荷泵控制方法的不同，又可分为输出电压控制、输出电流控制或者电气保护控制型电荷泵等。
涉及电荷泵电路的IPC分类号是H02M3/07：直流功率输入变换为直流功率输出-用静态变换器的-用电容器交替充放电的，而电容器的交替充放电是用有控制极的半导体器件来实现的。
另外，还有一些分类在其他的IPC分类号下的专利申请公开文献也涉及电荷泵，见下表：
表1 其它涉及电荷泵技术的IPC分类号
电荷泵的技术改进主要在于电荷泵结构的改进以及对电荷泵的控制方法的改进。电荷泵电路往往由最基本的元器件，例如二极管、开关、电容等组成，而且涉及电荷泵电路结构的专利申请更多地是基础结构上具体细节的改进，例如开关元件的基极和衬底电路的改进、电容时钟端的改进、开关元件类型的改进等。
而电荷泵控制方法的专利申请更多地涉及控制方法的工作过程、工作原理以及达到的预期效果，这其中往往包括控制脉冲的时序、幅值变化对电路运行产生的影响，电路中各个开关元件导通的先后顺序，整个电路的工作方式，以及采取不同的控制方法对电路性能的改进等，而且电路的控制方法有时会很复杂，或者即使对电路的控制方法进行细微的改进，往往也会对电路的运行及性能产生很大的影响。
3 电荷泵专利技术发展路线
3.1 Dickson电荷泵结构
图1 Dickson电荷泵结构专利技术发展路线
（1）更高电压输出
文献US5422586A用于在升压电荷泵基础上电压倍增的一种装置,这种装置例如作为在EEPROM和闪电EEPROM上的片上高压发生器得到采用。通过经三态驱动器的泵电容器的充电和通过简化的节拍图表来减少损耗功率和节省芯片面积。其包括多级，每级包括第一N型场效应开关晶体管器件，其具有与所有其他级的源极和漏极端子串联连接的源极和漏极端子，第二N型场效应控制晶体管器件，具有连接第一开关晶体管器件的漏极端子和栅极端子的漏极和源极端子，以及连接到第一器件的源极端子的存储电容器;待泵浦的电压源连接到第一级的第一装置的漏极端子。控制时钟交替的传输到晶体管的控制端，使得开关晶体管以交替的接通和断开，并使得晶体管栅极端子高于漏极端子，从而电荷传输没有阈值下降，并且高电流以及高电压被泵送到输出端。
文献US6037622A提供一种应用于低供应电压充电泵电路,是在Dickson充电泵电路每一级中,在原有晶体管栅极上由另一子充电泵电路提供一偏压且在基底与源极间加入一个第一晶体管,以消除基底效应。亦在原有晶体管栅极与漏极间加入一个第二晶体管,以消除电荷回充问题。因此,此充电泵电路可利用低供应电压而提供一较高正向或负向电压,而同时消除Dickson充电泵电路中问题。
文献US6736474A，改进结构使用更小的电容，提供更大电流、电压输出。其改进电荷泵电路包括第一电容器，其具有耦合到第一信号的输入。 第二电容器具有耦合到第二信号的输入。 第一二极管具有耦合到第一电容器的输出的阳极和耦合到第二电容器的输出的阴极。 第二二极管的阳极耦合到第二电容器的输出，阴极耦合到第一电容器的输出。 可控开关具有耦合到第二电容器的输出的控制输入，并将第一电容器的输出耦合到电荷泵电路的输出。
文献US6914791A，其使用三阱结构提供改进的电荷泵电路，其中电荷泵电路具有包含N沟道MOSFET器件的多个级， 每个泵级包括电荷转移器件，第一辅助器件，用于利用来自前一级的电压对电荷转移器件的栅极进行预充电;以及第二辅助器件，用于切换电荷转移器件与其衬底区域之间的耦合，以减小电荷转移器件。从而实现减小纹波，提高输出电压的效果。
文献US8076968A，级联跨接的方式从更小的输入转变为更大的输出。提供了一种设计相对简单的电荷泵，其可以从低电源电压（例如，1V）为功率开关器件产生足够的驱动电压。 在一些实施例中，当存在负载条件时（即，当电荷泵输出为诸如放大器和LDO的其他电路块供电时），该电荷泵在较低输入电压下表现更好。
（2）减小损耗
文献US6292048A，通过在其门极设置增强型结构来改进dickson结构，其为一种低压电源的栅极增强型电荷泵。
文献US6466489A，通过采用非对称结构的晶体管，提高dickson结构的效率。该非对称晶体管优选地具有正向阈值电压和反向阈值电压的晕源区域注入，其中正向阈值电压基本上大于反向阈值电压。
文献CN1734908A，减少背栅电压损耗，提供一种可抑制背栅效应的电荷泵电路及其升压电荷泵电路，其能减少电荷泵电路由于MOS晶体管背栅效应造成的输出电压的减小，能以少量级的升压电荷泵电路得到高输出电压。该升压电荷泵电路，用于MOS晶体管的背栅电压通过二极管被提供。其包括：多个单元升压电路、电容器。升压电路即升压电荷泵电路，当电压检测电路检测到升压电路的输出电压超过任意值时则接通开关元件。单元升压电路包括P沟或者N沟MOS晶体管，其一端作为输入端，另一端作为输出端。因此使得源于MOS晶体管的阈电压增大而导致的升压电压的减小变少。
（3）消除阈值影响
文献CN1773823A，提供一种电荷泵浦电路及其应用的直流转换电路，能增大输入电压，且对晶体管的阈值电压变化不敏感，从而提高效率。电荷泵浦电路的电压泵浦单元根据第一和第二时钟信号，分级增大从源晶体管输出的电压，产生泵浦输出电压。在前级增加辅助电路，从而使得阈值不敏感。
文献CN103219882A，其电荷泵电路包含有级联的N级放大单元，第N级放大单元包括：第N级传输管，为PMOS管；第十二NMOS管；控制模块，其输入端与CTS2电荷泵的时钟信号相连接，其输出端连接至第N级传输管的栅端，用于当时钟信号为低电平时，输出低电平控制信号至第N级传输管的栅端；当时钟信号为高电平时，输出低电平控制信号至第N级传输管的栅端，使其关闭。从而使得电荷泵中各级传输管，尤其是最后一级传输管，能够在需要的时候导通，从而彻底消除阈值电压和体效应的影响。
3.2 电荷泵输出电压控制
图2 电荷泵输出电压控制专利技术发展路线
（1）参考电压调整
文献US5553295A提供一种调节电路，包括用于提供参考电压的电路，用于提供由电荷泵电路提供的电压的分压器，用于比较电荷泵电路的输出与参考电压的比较器，以及用于操作电荷泵的装置。当电荷泵产生的电压变得大于参考电压时，电压下降到低于参考电平并且用于中断电荷泵的操作。
文献US6642774A，提供一种高精度电荷泵调节方法，调节输出电压。一个实施例的方法包括将输出反馈电压与参考电压进行比较以确定输出反馈电压是否大于或小于参考电压。 响应于该比较，如果输出反馈电压小于参考电压，则增加时钟信号的频率，如果输出反馈电压大于参考电压，则降低时钟信号的频率； 如果输出反馈电压远大于参考电压，则禁用时钟信号。响应于时钟信号的变化产生泵浦电压。
文献US7362165A，负电压输出可变控制，可变电阻控制。用于电荷泵的伺服回路，包括比较器。可变电阻器和比较器串联，并将电荷泵的输出耦合到使能输入。耦合到可变电阻器的电流源/吸收器向比较器提供第一输入电压，比较器的第二输入端耦合到地或Vdd。与电荷泵输出端的负载并联的分流电路也耦合到比较器的输出。电荷泵和分流器由比较器交替启用和禁用，以维持体偏置电源电压。伺服环路可以被配置为NFET或PFET提供体偏置。
（2）纹波控制
文献US6438005A，提供一种用于通过包括多个开关和电容器的开关电容器电路调节电压的电路和方法。 该电路可在多种模式下操作，这些模式使由开关电容器传递的功率与由负载汲取的功率相匹配。该电路和方法在改变输入电压电平和输出电流电平时提高了调节器电路的效率。此外，该电路提供比传统电荷泵更低的输出纹波。
（3）结构改进
文献CN101048930A，提供一种电荷泵电路，即使在负载较小时，该电荷泵电路也可缩短其输出电压的纹波周期，并获得较小的纹波电压。电荷泵电路具有积分器和可变电流源，其中积分器用于提供通过对输出端子的反馈电压与基准电压之差进行积分而产生的电压，可变电流源用于提供基于积分器的输出电压的电流。
文献US8120411A，输出电压控制，根据输出需求控制振荡器时钟。提供具有可控斜坡率的电荷泵电路。 电荷泵电路可以从控制电路接收控制信号。 控制信号可以由控制电路断言以接通电荷泵电路。 当电荷泵电路接通时，电荷泵电路产生输出电压。 输出电压从初始值上升到期望的目标值。 在斜升过程中，斜坡率调节电路监控输出电压并确保斜率不超过所需的最大值。 可以以期望的斜坡速率对电容器充电以用作时变参考电压。 一旦加速过程完成，反馈电路可用于将输出电压维持在期望的目标值。
文献US8400212A，其改进感测电阻大小，从而进行输出电压控制。用于电荷泵系统的调节器系统将二进制解码分成两个分支。一个控制一组并联电阻，用于精细输出电压阶跃。 另一个分支控制串联电阻，以提供大步长。例如，9位数字输入信号被分成2个最低有效值用于微调，而其他7个用于较大调整。在50 mV步长的示例中，在一个电流路径中，2位二进制输入然后控制两个并联电阻，用于50 mV和100 mV步长，而在另一个电流路径中，7位用于单热解码 控制串联电阻，提供200 mV的步长。在两个分支之间添加单位增益运算放大器和高压器件，以将大并联电阻器的寄生电容与其他元件分离。
文献US8917126A，输出电压控制，动态偏置。公开了一种系统，其可包括差分电荷泵。 差分电荷泵可以包括第一和第二H桥电路，每个H桥电路在相应的输出上驱动在输出电压工作范围内基本相似的输出电流。差分电荷泵可以被设计为接收递增，递减和偏置信号，并且响应于递增和递减信号驱动输出电流以将每个H桥电路输出拉向第一或第二电源电压。差分电荷泵还可以被设计为响应于偏置信号而增加输出电压操作范围，输出电流基本上类似于该输出电压操作范围。差分电荷泵还可以包括偏置信号发生器，其被设计为响应于H桥电路输出电压而产生偏置信号。基于其动态偏置实现输出电压控制。
4 结语
从以上分析内容可以了解到，一般而言，电荷泵电路主要有两个方向的技术发展路线，即电荷泵电路结构改进和电荷泵控制方法改进。对于电荷泵电路结构的改进而言，由于电荷泵的三个类型电路结构比较固定，其主要的电路构成技术已成熟，大部分的电路结构改进均是在成熟的电荷泵类型结构上对电荷泵电路的效率、成本以及输出电压大小上的改进，即在现有的电荷泵类型的基础上，改进电荷泵的晶体管构成或改进电容充电结构，使得电路中晶体管损耗减小或是尽可能的降低晶体管阈值电压的影响，从而尽可能减小电路损耗，提高电荷泵电路变换效率，以在相同输入电压范围的情况下，获得更高的输出电压。而对于电荷泵控制方式的改进，其主要目的也在于尽可能的使得电荷泵的输出电压更高，具有更高的升压比或是提高电荷泵电路的变换效率，其主要包含根据负载的需求对其输出电压、输出电流、损耗控制，以及为对电荷泵电路进行保护的一些保护控制，如过压、过充控制。总体来说，不管是对电荷泵电路结构的改进或是对电荷泵控制方式的改进，其根本目的均在于使得电荷泵电路在输入更小的电压的基础上能够输出更高变比的输出电压，满足现在电子设备，节能和超长待机的需求。
参考文献
[1] Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计，人民邮电出版社,2008年10月.
[2] Keith Billings，Taylor Morey.开关电源手册,人民邮电出版社,2012年1月.