具有级联驱动器的开关式电容电路的预充电.pdf

一种用于电压转换的设备，其包括开关式电容电路、预充电电路、分压级和驱动级。所述开关式电容电路具有用于传递能量的泵电容器以及稳态运行模式和预充电模式。所述预充电电路在所述开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对所述泵电容器充电。所述设备包括：具有一个或多个节点的分压级，各个所述节点提供对应的一个或多个电压电平中的其中一个电压电平下的电压；以及，具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子。

1.  一种用于电压转换的设备，所述设备包括：具有泵电容器的开关式 电容电路，所述开关式电容电路具有稳态运行模式和预充电模式；以及， 预充电电路，其在所述开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对 所述泵电容器充电，所述预充电电路包括：具有第一节点和第二节点的分 压级，其中，所述第一节点提供第一电平下的电压而所述第二节点提供第 二电平下的电压；以及，具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个所述 驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电 压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所 述驱动器的第二端子。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述分压级包括一对串联的相 邻电阻器，以及其中，所述第一节点由所述一对串联的相邻电阻器限定。

3.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述驱动级包括FET。

4.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述驱动级包括BJT。

5.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述驱动器具有不同的额定电 流。

6.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述开关式电容电路包括迪克 森电荷泵。

7.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述驱动器包括在稳态运行模 式期间供所述迪克森电荷泵使用的泵开关。

8.  根据权利要求1所述的设备，其中，用于接收驱动信号的所述第一 端子直接连接至节点。

9.  根据权利要求1所述的设备，其进一步包括一个或多个放大器，各 个所述放大器具有：连接至所述驱动器中的一个对应驱动器的第一端子的 输出、连接至所述节点中的一个对应节点的输入、以及第二输入。

10.  根据权利要求1所述的设备，其进一步包括一个或多个PMOS跟 随器，各个所述跟随器具有：连接至所述驱动器中的一个对应驱动器的第 一端子的源极端子和连接至所述节点中的一个对应节点的栅极端子。

11.  根据权利要求1所述的设备，其中，在第一时间间隔期间，所述 分压级包括限定了第一组电压电平的节点，以及在第二时间间隔期间，所 述分压级包括限定了第二组电压电平的节点。

12.  根据权利要求1所述的设备，所述分压级包括用于将电压分为一 个或多个电平的一个或多个串联的电阻器以及与所述串联电阻器串联的 齐纳二极管。

13.  根据权利要求1所述的设备，所述分压级包括用于将电压分为一 个或多个电平的一个或多个串联的电阻器以及与所述串联电阻器串联的 至少一个二极管。

14.  根据权利要求1所述的设备，其进一步包括另一开关式电容电路 和另一预充电电路，所述另一开关式电容电路和所述另一预充电电路相对 于所述开关式电容电路和所述预充电电路异相运行，其中，所述另一开关 式电容电路包括具有泵电容器的开关式电容电路，所述开关式电容电路具 有稳态运行模式和预充电模式，以及其中，所述另一预充电电路包括：具 有第一节点和第二节点的分压级，其中，所述第一节点提供第一电平下的 电压而所述第二节点提供第二电平下的电压；以及，具有一个或多个级联 驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点 处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵 电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子，其中，所述开关式电容电 路、所述预充电电路、所述另一开关式电容电路和所述另一预充电电路协 作以将能量递送至负载。

15.  根据权利要求1所述的设备，其进一步包括在所述预充电模式期 间在对所述泵电容器充电的同时连接至待充电的所述驱动级的输出电容 器。

16.  根据权利要求15所述的设备，其中，所述输出电容器设置为使所 述电容器充电的速率响应于与所述串联电阻器串联的齐纳二极管的击穿 而改变。

17.  一种用于提供电压的设备，所述设备包括预充电电路，所述预充 电电路包括第一级和第二级，所述第一级包括至少一个第一节点和第二节 点，其中，所述第一节点提供第一电压电平下的电压而所述第二节点提供 第二电压电平下的电压，所述第二级包括驱动器组，所述驱动器组包括一 个或多个级联驱动器，其中，来自包括一个或多个级联驱动器的所述驱动 器组的至少一个驱动器包括第一端子和第二端子，所述第一端子配置为在 所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号， 而所述第二端子配置为耦合至来自所述组的另一驱动器并且耦合至在待 预充电的电路中的电容器。

18.  根据权利要求17所述的设备，其进一步包括具有至少一个电容器 的开关式电容电路，所述至少一个电容器耦合至所述第二端子。

19.  根据权利要求18所述的设备，其中，所述开关式电容电路包括迪 克森电荷泵。

20.  根据权利要求17所述的设备，其进一步包括具有至少一个电容器 的电源转换器，所述至少一个电容器耦合至所述第二端子。

21.  根据权利要求17所述的设备，其进一步包括具有至少一个电容器 的多级降压转换器，所述至少一个电容器耦合至所述第二端子。

22.  根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一级包括一个或多个 串联的电阻器，以及其中，各个所述节点由一对相邻电阻器限定。

23.  根据权利要求17所述的设备，其中，所述第二级包括一个或多个 晶体管，各个所述晶体管具有第一端子、第二端子和第三端子，其中，所 述第一端子控制在所述第二和第三端子之间的电流，所述第二端子连接至 另一晶体管的第三端子并且连接至待预充电的电容器。

具有级联驱动器的开关式电容电路的预充电
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年10月16日提交的美国专利申请第13/652,835 号的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及开关式电容(SC)电路，诸如电荷泵。
背景技术
在电荷泵的稳态运行中，人们往往将电荷泵中的泵开关暴露于电压应 力下。这些电压应力取决于电荷泵的设计及其输出电压。一般而言，需要 减小在FET(其通常用作电荷泵中的泵开关)上的最大电压应力。
一类电荷泵是串-并联电荷泵11，图1中示出了这种电荷泵的示例。 所示特定实施例，即1:5降压电荷泵，将三个泵开关SW00、SW10、SW14 暴露于是输出电压Vout四倍的最大电压应力。
另一类电荷泵是迪克森电荷泵14，图2示出了这类电荷泵的示例。为 了与图1所示的串-并联电荷泵11进行比较，所示特定实施例也是1:5降 压电荷泵。迪克森电荷泵14的特征在于四个泵电容器20A-20D和五个互 连泵开关22A-22E，第一泵开关22A接收来自电压源12的输入电压Vin 而最后一个泵开关22E向负载17提供输出电压Vout。在不失一般性的 情况下，负载17建模为并联的负载电阻RL和负载电容CL。
迪克森泵14的优点在于，在稳态运行期间，在任何一个泵开关 22A-22E上的最大电压应力仅仅是输出电压Vout的两倍，而不像在具有 串-并联电荷泵11的情况下是输出电压Vout的四倍。结果，泵开关 22A-22E可以是较低额定电压开关。
然而，虽然迪克森电荷泵14中的泵开关22A-22E在稳压模式下的运 行期间仅仅受到最适中的电压应力，但是仍然存在于启动期间在泵开关之 间存在瞬态电压应力的问题。该瞬态电压应力可超过在稳态运行期间发生 的电压应力。为了避免失去迪克森配置的益处，优选地在稳态运行之前以 避免在任何泵开关22A-22E上诱发过量电压应力的方式对泵开关 20A-20D实行初始充电。该问题通过图2中示出的预充电电路15A得以解 决。
图示的预充电电路15A包括连接至泵开关20A-20D的堆叠电阻器 R0–R4。在当输入电压Vin从零伏特上升到其最终电压值时开始的预充电 间隔期间，堆叠电阻器R0–R4对这些泵开关20A-20D预充电。该预充电 间隔的持续时间取决于与堆叠电阻器R0–R4的电阻和泵开关20A-20D的 电阻相关联的时间常数。
如果输入电压Vin斜升得比与预充电电路15A相关联的时间常数快， 那么可能会损坏泵开关22A-22E。为了避免在该预充电间隔期间在泵开关 22A-22E上的电压应力，有用的是提供一种将功率设定为适应输入电压 Vin的断开开关SWD。断开开关SWD在预充电间隔期间将泵开关 22A-22E隔离。因此，在预充电间隔期间，打开断开开关SWD使泵开关 22A-22E与输入电压Vin隔离。然后，当对泵开关20A-20D充电时，关闭 断开开关SWD，稳态运行开始。
发明内容
断开开关SWD是大多数时候都不需要的大型高电压开关。如此，最 好是从预充电电路15A整个省略掉断开开关。本发明基于对一种避免使用 断开开关预充电迪克森电荷泵的需要的方式的认识。
在一个方面中，本发明的特征在于一种用于电压转换的设备。该设备 包括开关式电容电路、预充电电路、分压级和驱动级。所述开关式电容电 路具有传递能量的泵电容器以及稳态运行模式和预充电模式。所述预充电 电路在所述开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对所述泵电 容器充电。所述设备包括：具有一个或多个节点的分压级，各个所述节点 提供对应的一个或多个电压电平中的其中一个电压电平下的电压；以及， 具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节 点中的一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一 端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子。
在另一方面中，本发明的特征在于一种用于电压转换的设备。该设备 包括开关式电容电路、预充电电路、分压级和驱动级。所述开关式电容电 路具有泵电容器以及稳态运行模式和预充电模式。所述预充电电路在所述 开关式电容电路在所述预充电模式下运行时首先对所述泵电容器充电。所 述设备包括：具有第一和第二节点的分压级，所述第一节点提供第一电压 电平下的电压二所述第二节点提供第二电压电平下的电压；以及，具有一 个或多个级联驱动器的驱动级，各个所述驱动器包括用于在所述节点中的 一个对应节点处接收至少部分取决于电压电平的驱动信号的第一端子和 用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述驱动器的第二端子。
在一个实施例中，分压级包括一对串联的相邻电阻器，并且节点由该 对串联的相邻电阻器限定。
在另一实施例中，驱动级包括一个或多个FET，各个FET具有栅极、 源极和漏极，源极连接至泵电容器并且连接至另一FET的漏极。
又一实施例包括另一开关式电容电路和另一预充电电路，所述另一开 关式电容电路和所述另一预充电电路相对于所述开关式电容电路和所述 预充电电路异相运行，其中，所述另一开关式电容电路包括具有泵电容器 的开关式电容电路，所述开关式电容电路具有稳态运行模式和预充电模 式，以及其中，所述另一预充电电路包括：具有第一节点和第二节点的分 压级，其中，所述第一节点提供第一电平下的电压而所述第二节点提供第 二电平下的电压；以及，具有一个或多个级联驱动器的驱动级，各个驱动 器包括用于在所述节点中的一个相应节点处接收至少部分地取决于电压 电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一所述 驱动器的第二端子，其中，所述开关式电容电路、所述预充电电路、所述 另一开关式电容电路和所述另一预充电电路协作以将能量递送至负载。
其他实施例包括驱动级包括FET的实施例和驱动级包括BJT的实施 例。
在实施例中存在驱动级包括一个或多个BJT(双极结晶体管)的实施 例，各个BJT具有基极、集电极和发射极，其中，发射极连接至泵电容器 并且连接至另一BJT的集电极。
在某些实施例中，驱动器具有不同的额定电流。在其他实施例中，开 关式电容电流包括迪克森电荷泵。在这些实施例中存在驱动器包括在稳态 运行模式期间供迪克森电荷泵使用的泵开关的实施例。
另一些实施例包括用于接收驱动信号的第一端子直接连接至节点的 实施例。
其他实施例也包括一个或多个放大器，各个所述放大器具有：连接至 所述驱动器中的一个对应驱动器的第一端子的输出、连接至所述节点中的 一个对应节点的输入、以及连接至该驱动器的第二端子的第二输入。
另一些实施例包括一个或多个PMOS跟随器，各个所述跟随器具有： 连接至所述驱动器中的一个对应驱动器的第一端子的源极端子和连接至 所述节点中的一个对应节点的栅极端子。
其他实施例是在预充电模式的第一部分期间分压级包括限定了彼此 等距隔开的电压电平的节点以及在预充电模式的第二部分期间分压级包 括限定了彼此不等距隔开的电压电平的节点的实施例。
实施例中还包括在第一时间间隔期间所述分压级包括限定了第一组 电压电平的节点以及在第二时间间隔期间所述分压级包括限定了第二组 电压电平的节点的实施例。
在其他实施例中存在所述分压级包括用于将电压分为一个或多个电 平的一个或多个串联的电阻器以及与所述串联电阻器串联的齐纳二极管 的实施例。
在另一方面中，本发明的特征在于一种用于泵送电荷的设备。该设备 包括具有泵电容器的开关式电容电路。所述开关式电容电路具有稳态运行 模式和预充电模式。所述设备还包括在所述开关式电容电路在所述预充电 模式下运行时首先对所述泵电容器充电的预充电电路。所述预充电电路包 括：具有多个节点的分压级，各个所述节点提供对应的多个电压电平中的 其中一个电压电平下的电压；以及具有多个级联驱动器的驱动级，各个所 述驱动器包括用于在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分取决于 电压电平的驱动信号的第一端子和用于耦合至泵电容器并且耦合至另一 所述驱动器的第二端子。
在某些实施例中，分压级包括多个串联的电阻器。在这些实施例中， 各个节点由一对相邻电阻器限定。
在另一方面中，本发明的特征在于一种用于提供电压的设备。该设备 包括预充电电路，所述预充电电路包括第一级和第二级。所述第一级包括 一个或多个节点，各个所述节点提供在对应的一个或多个电压电平中的一 个电压电平下的电压。第二级包括驱动器组，所述驱动器组包括一个或多 个级联驱动器。来自所述驱动器组的至少一个驱动器包括第一端子和第二 端子，所述第一端子配置为在所述节点中的一个对应节点处接收至少部分 取决于电压电平的驱动信号，而所述第二端子配置为耦合至来自所述组的 另一驱动器并且耦合至在待预充电的电路中的电容器。
某些实施例还包括具有至少一个电容器的开关式电容电路，所述至少 一个电容器耦合至所述第二端子。在这些实施例中的某些实施例中，开关 式电容电路是迪克森电荷泵。
其他实施例还包括具有至少一个电容器的电源转换器，所述至少一个 电容器耦合至所述第二端子。
在实施例中也存在还包括具有至少一个电容器的多级降压转换器而 所述至少一个电容器耦合至所述第二端子的实施例。
在实施例中也存在所述第一级包括一个或多个串联的电阻器而各个 所述节点由一对相邻电阻器限定的实施例。
在又一些实施例中，所述第二级包括一个或多个晶体管，各个所述晶 体管具有第一端子、第二端子和第三端子，其中，所述第一端子控制在所 述第二和第三端子之间的电流，所述第二端子连接至另一晶体管的第三端 子并且连接至待预充电的电容器。
上述实施例中的任何一个实施例还可以包括用于控制电容器的开关 的控制电路。
本发明的这些和其他特征将通过以下说明和附图而变得显而易见。
附图说明
图1是现有技术的串-并联降压电荷泵；
图2是现有技术的具有预充电电路的迪克森电荷泵；
图3是具有替代预充电电路的迪克森电荷泵；
图4是具有级联驱动器预充电电路的迪克森电荷泵；
图5图示了在源极电压与在来自图4所示预充电电路的驱动器处的栅 极电压之间的滞后；
图6示出了具有闭环预驱动器的预充电电路的实现；
图7示出了具有开环预驱动器的预充电电路的实现；
图8示出了具有有源分压器的预充电电路的实现；
图9图示了在来自图8所示预充电电路的驱动器处的栅极电压；
图10示出了适应于对另一输出电容器充电的预充电电路的实现；
图11是具有级联驱动器预充电电路的阶梯式电荷泵；
图12是具有级联驱动器预充电电路的4级飞跨电容器降压转换器；
图13示出了图12的4级飞跨电容器降压转换器中的8种可能状态中 的4种状态；以及
图14示出了具有相关联的预充电电路的两相电荷泵。
具体实施方式
已知的预充电15A电路可以设计为通过使用小电阻器R0–R4快速跟 踪电压源12或者通过使用大电阻器R0–R4缓慢跟踪电压源12。这两种方 法均降低了迪克森电荷泵14的效率，尽管是出于不同的原因。小电阻器 在稳态运行期间从泵电容器20A-20D中排出电荷，从而导致效率较低。大 电阻器要求在预充电间隔期间使用断开开关SWD，这也导致效率较低。
一种可能的方案，如图3所图示，是使用小电阻器，但是在稳态运行 期间利用开关SWD0-SWD4断开预充电电路15B。不幸的是，开关 SWD0-SWD4需要阻断高电压。例如，要求开关SWD4将功率设定为阻 断输入电压Vin。
另一种方案是使用低电压晶体管。在一个实施例中，如图4所图示， 1:5降压迪克森电荷泵14包括预充电电路10A。在图4的剩余说明中，假 设电荷泵14连接至20伏特电压源12并且向负载17提供4伏特的输出电 压Vout。在电荷泵14中，泵电容器20A-20D与第一和第二泵节点P1、 P2并联堆叠。相反，泵电容器20A-20D可与泵节点P1、P2串联堆叠。
电荷泵14包括：通过第一泵开关22A连接至输入电压源12的第一泵 电容器20A、通过第二泵开关22B连接至第一泵电容器20A的第二泵电 容器20B、通过第三泵开关22C连接至第二泵电容器20B的第三泵电容器 20C、以及通过第四泵开关22D连接至第三泵电容器20C并且通过第五泵 开关22E连接至负载17的第四泵电容器20D。负载17通过负载电容CL 和负载电阻RL建模。
电荷泵14具有两种运行模式：预充电模式和稳态运行模式。随着输 入电压Vin初始从零伏特上升至20伏特，电荷泵14在其预充电模式下运 行。在预充电模式期间，开关21A-21B将第一和第二泵节点P1、P2连接 至接地。此外，所有泵开关22A-22E都打开。在预充电模式结束时，泵电 容器20A、20B、20C、20D的正端子分别将已经充电至16伏特、12伏特、 8伏特和4伏特。
在泵电容器20A-20D已经充电之后，电荷泵14在其稳态运行模式下 运行。在该模式期间，随着泵电容器20A-20D以特定频率相继充电和放电， 电荷包沿着泵开关22A-22E穿梭。在稳态运行期间，电荷泵14在两种状 态之间转变。在第一状态中，第一节点P1连接至接地，第二节点P2连接 至电荷泵14的输出，泵开关22A、22C、22E打开，而泵开关22B、22D 关闭。在第二种状态中，第一节点P1连接至电荷泵14的输出，第二节点 P2连接至接地，泵开关22A、22C、22E关闭，而泵开关22B、22D打开。 在任何一个泵开关22A-22E上的最大电压应力是输出电压Vout的两倍。
在预充电模式期间只要预充电电路10A足够快能够跟上输入电压Vin 的变化，那么泵开关22A-22E便不会受到比输出电压Vout大两倍的电压 应力。因此，电荷泵14避免了对与图2所示断开开关SWD相似的断开开 关的需要。
预充电电路10A接受来自电压源12的输入电压Vin并且使用该输入 电压Vin对泵电容器20A-20D进行预充电。预充电电路10A的特征在于 将输入电压Vin分为多个电平并且向具有级联驱动器28A-28D的驱动级 18输出各个这些电平的无源分压器16。分压级的特征在于五个串联的电 阻器26A-26E，这些电阻器将输入电压Vin统一分为四个电压电平，四个 驱动器28A-28D中的每个驱动器具有一个电压电平。这些电压电平在本文 中将称为“目标预充电电压”。驱动器28A-28D最终提供用于对泵电容器 20A-20D充电的电流。
在介于第一和第二电阻器26A、26B之间的第一节点处的电压向用作 第一驱动器28A的第一NMOS FET提供栅极电压Vg1。由此，随着输入 电压Vin上升到20伏特，栅极电压Vg1上升到16伏特。由于FET的源 极电压倾向于跟踪其栅极电压，所以第一驱动器28A的源极电压Vs1也与 输入电压Vin同步上升到稍小于16伏特的值。
在预充电模式中，待充电的第一泵电容器20A的第一端子接地而其第 二端子连接至第一驱动器28A的源极。结果，第一泵电容器20A出现了 与第一驱动器28A的源极电压Vg1相等的电压差。该电压差用于吸引从 第一驱动器28A的源极流入第一泵电容器20A的电流中的一些电流，从 而对其充电。剩余的电流进入用作第二驱动器28B的第二NMOS FET的 漏极。
在介于第二电阻器26B与第三电阻器26C之间的第二节点处的电压然 后驱动该第二驱动器28B的栅极。随着输入电压Vin上升到20伏特，在 该第二节点处的电压与输入电压Vin同步上升。这使得在第二FET处的源 极电压Vg2与输入电压Vin同步上升到稍小于12伏特。第二泵电容器20B 以与第一泵电容器20A相同的方式连接。结果，将某些电流转移进入第二 泵电容器20B中。剩余的电流进入用作第三驱动器28C的第三NMOS FET 中。
第三和第四驱动器28C、28D的运行及其在对剩余的第三和第四泵电 容器20C、20D充电中的作用如上面结合第一和第二驱动器28A、28B所 描述的一样。该运行为第三和第四泵电容器20C、20D产生了相似的目标 预充电电压。
在驱动级18中，特定驱动器28B处理用于对其相关联的泵电容器20B 充电的电流以及提供给通过其源极端子所连接的驱动器28C的电流。由 此，第二驱动器28B的大小可以设计为小于第一驱动器28A，这是因为通 过第二驱动器28B的电流将被对第一泵电容器20A充电所耗尽。相似地， 第三驱动器28C的大小可以设计为小于第二驱动器28B，并且第四驱动器 28D的大小可以设计为小于第三驱动器28C。
各个驱动器28A-28D的大小设计为处理电压差，该电压差最多是在任 何一对待充电的泵电容器20A-20D之间的最高电压。在图4所示实施例中， 各个驱动器28A-28D的大小仅仅需要设计为处理最多8伏特。不需要使用 NFET来实现驱动器28A-28D。例如，PFET、NPN和PNP是合适的。一 般而言，具有与NFET的输入和输出特性相似的输入和输出特性的任何装 置都适用。
在图4所示实施例中，各个驱动器28A-28D的源极电压稍低于在各个 驱动器28A-28D的栅极端子处呈现出来的目标预充电电压。如果是在稳态 运行中，那么泵电容器电压会保持高于该值，预充电电路10A既不会干扰 电荷泵14也不会损害电荷泵14的效率。如果情况并非如此，那么可以调 节在无源分压器16中的电阻器26A-26D将目标预充电电压降低至合适的 值。
另一种方法是动态地调节无源分压器16。例如，可以在预充电模式下 将目标预充电电压调节为一组值而在稳态模式期间将其调节为另一组值。 该方法在预充电模式期间实现了最佳的目标预充电电压，同时也确保了预 充电电路10A不会干扰到电荷泵14的稳态运行。
如上所描述的，图4所示预充电电路10A提供了对电荷泵14中的泵 电容器20A-20D的初始充电，而不需要在电荷泵14与电压源12之间提供 分开的高电压断开开关。预充电电路10A通过与输入电压Vin斜升一样快 地对泵电容器20A-20D充电而实现了这一优点。
在图4所示实施例中，随着输入电压Vin爬到其最终值，无源分压器 16为各个泵电容器20A-20D建立目标电压。这些目标电压被提供给各自 的驱动器28A-28D的栅极端子。最后，在栅极端子处的这些目标电压在驱 动器28A-28D处产生对应的源极电压Vs1-Vs4。然而，受驱动器28A-28D 中固有的电气性能的影响，在驱动器的源极电压Vs1-Vs4与其栅极电压 Vg1-Vg4之间可能会存在一个小的滞后。
在图5中图示了该滞后，图5示出了输入电压Vin、第一驱动器28A 的栅极电压Vg1以及第一驱动器28A的源极电压Vs1。随着输入电压Vin 线性地增加到其最终值20伏特，栅极电压Vg1紧紧跟踪输入电压Vin。 然而，由于驱动器28A中存在内电阻，所以源极电压Vs1会倾向于滞后于 栅极电压Vg1。该滞后在图5中示为阴影区域。
为了使该滞后最小化，单独的驱动器28A-28D的大小设计为尽可能快 地使泵电容器电压迅速上升到这些目标值。例如，这可以通过物理地使驱 动器28A较大以减小其内电阻来完成。
此外，在增加复杂度的代价下，通过将已经用作迪克森电荷泵14内 的泵开关22A-22E的FET用作驱动级18中的级联驱动器28A-28D，可以 节省电路的面积。这通过复用在预充电电路10A与电荷泵14之间的FET 栅极来完成。
在上述实施例中，在驱动器28A-28D的源极端子处的电压会稍低于在 驱动器28A-28D的栅极端子处的电压。为了改善性能，需要对此进行校正。 一种方式是使用预驱动器，该预驱动器可以是闭环、开环或闭环和开环的 组合。预驱动器确保了在各个驱动器28A-28D处的源极电压Vs1-Vs4跟踪 目标预充电电压。预驱动器也提供通往驱动器28A-28D的低阻抗路径。这 减小了RC时间常数并且使驱动器28A-28D更加快速地进行跟踪。
在图6中示出了闭环版本的预驱动器。在无源分压器16的相邻电阻 器26A-26B、26B-26C、26C-26D、26D-26E之间的节点处的电压施加至 对应放大器32A-32D的正输入。同时，在各个驱动器28A-28D处的源极 电压馈回到对应放大器32A-32D的负输入。在所示布置中，在各个驱动器 28A-28D处的栅极电压由对应放大器32A-32D的输出提供。由于反馈回路 的影响，各个放大器32A-32D的输出使在各个目标预充电电压与各个驱动 器28A-28D源极电压之间的差值最小化。该实施例提供了使电阻器网络同 与驱动器28A-28D的栅极端子相关联的电容加载隔离的另一优点。
开环预驱动器提供了实现与通过图6所示闭环预驱动器实现的结果相 似的结果的另一种方式。在使用开环预驱动器的实施例中，如图7所图示 的，使用PMOS跟随器34A-34D来实现预驱动器。在无源分压器16的相 邻电阻器26A-26B、26B-26C、26C-26D、26D-26E之间的节点连接至对 应预驱动器34A-34D的端子。PMOS跟随器34A-34D的源极端子连接至 驱动器28A-28D的栅极端子。其效果在于使提供在各个驱动器28A-28D 的栅极端子处的电压上升一定量，该量等于通常会预料到的在该驱动器 28A-28D处的栅极电压与源极电压之间的压降。结果，在驱动器28A-28D 的源极端子处的电压粗略地等于目标预充电电压。
PMOS跟随器34A-34D使驱动器28A-28D的栅极电压上升，由此抵 消了NMOS中的栅极到源极电压降。PMOS跟随器34A-34D的主要目的 在于提供通往各个驱动器28A-28D的低阻抗路径。这减小了时间常数并且 使驱动器28A-28D更加快速地进行跟踪。
在上述实施例中，无源分压器16实现有电阻器。在这种情况下，目 标预充电电压的相对间距由无源分压器16中的电阻器网络固定。有时候 需要使目标预充电电压的相对间距是输入电压Vin的函数。为此，在预充 电电路10D中使用有源分压器16A而非无源分压器16。图8中示出了利 用有源分压器16A的一种可能实现，其中，齐纳二极管38替代了无源分 压器16中的第五电阻器26E。作为替代实施方式，可以使用有源箝位或 二极管堆叠替代齐纳二极管38。
在图9中图示了由有源分压器16A生成的栅极电压Vg1-Vg。在预充 电模式期间，存在输入电压Vin爬到20伏特的斜升间隔。在该斜升间隔 期间，存在两个运行阶段。第一阶段是输入电压Vin尚未爬到高于齐纳二 极管38的击穿电压。这发生在时间0与时间t1之间。第二运行阶段是输 入电压Vin已经超过了齐纳二极管38的击穿电压。这发生在时间t1与时 间t2之间。
在第一阶段中，在输入电压Vin低于4伏特时，齐纳二极管38会呈 现出比四个电阻器26A-26D高得多的电阻。结果，大多数电压降会穿过齐 纳二极管38。因此，呈现给四个电阻器26A-26D的栅极电压Vg1-Vg4倾 向于彼此非常接近。这意味着，电荷泵14内的四个泵电容器20A-20D会 以大约相同的速率充电。该速率大于电压电平等距隔开(如图4的实施例 中所述)所产生的速率。在第二阶段中，齐纳二极管38击穿，由此维持 穿过其端子的4伏特压降。在该阶段中，预充电电路10D如结合图4所描 述的那样运行。
在某些情况下，对输出电容器36预充电以提供电压V2是有用的。例 如，可以将输出电容器36用作控制泵开关22A-22E的时钟的电源。为此， 图10中示出的实施例利用了具有有源分压器16B和第五驱动器28E的预 充电电路10E对输出电容器36预充电。在这种情况下，利用堆叠的电阻 器26A-26D和堆叠的二极管39A-39C来实现有源分压器16B。作为替代 方案，可以使用有源钳位或齐纳二极管替代堆叠的二极管39A-39C。第五 驱动器28E的栅极端子连接至与第四驱动器28D的栅极端子相同的点。图 示的堆叠的二极管39A-39C具有4伏特的等效正向电压，该等效正向电压 与在图4中示出的实施例中的相邻电压电平之间的差距一致。可以通过改 变串联的二极管的数量来调节二极管堆叠的电压降。
结合图8所论述的预充电电路10E和预充电电路10D以相似的方式运 行。在预充电模式期间，随着输入电压Vin斜升，预充电电路10E具有两 个运行阶段。在第一阶段中，在输入电压Vin低于4伏特时，堆叠的二极 管39A-39C会呈现出比四个电阻器26A-26D高得多的电阻。结果，大多 数电压降会穿过堆叠的二极管39A-39C。因此，呈现给五个驱动器28A-28E 的栅极电压Vg1-Vg5倾向于彼此非常接近。这意味着，电荷泵14内的四 个泵电容器20A-20D和输出电容器36会以大约相同的速率充电。在第二 阶段中，堆叠的二极管39A-39C导通，由此维持穿过堆叠的二极管 39A-39C的4伏特压降。在该阶段中，预充电电路10E如结合图4所描述 的那样运行
虽然在图4中图示的电荷泵14是迪克森电荷泵，但是本文所描述的 各种预充电电路10A-10E可以与其他开关式电容拓扑一起使用，包括：例 如，阶梯式电荷泵、串-并联开关式电容转换器、倍压式开关电容转换器以 及级联乘法器。
例如，在图11中示出了具有1:3.5降压的阶梯式电荷泵13。针对图 11的剩余说明，假设电荷泵13连接至14伏特电压源12并且向负载17提 供4伏特电压。在电荷泵13中，泵电容器40A-40B与泵节点P3串联堆叠。 另外，存在与电荷泵13的输出串联的dc电容器44A-44B。
电荷泵13具有两种运行模式：预充电模式和稳态运行模式。在预充 电模式期间，输出开关41A将泵节点P3连接至接地，并且泵开关42A-42E 打开。第一和第二预充电电路10F、10G接受来自电压源12的输入电压 Vin。第一预充电电路10F使用输入电压Vin对dc电容器44A-44B预充电， 而第二预充电电路10G使用输入电压Vin对泵电容器40B-40C预充电。 在预充电模式期间，第一和第二预充电电路10F、10G如结合图4所描述 的那样运行。
在预充电模式结束时，泵电容器40A、40B的正端子将分别已经充电 到8伏特和4伏特。相似地，dc电容器44A、44B的正端子和输出电容器 CL将分别已经充电到12伏特、8伏特和4伏特。在这种情况下，输出电 容器CL也将已经预充电。
在泵电容器40A-40B和dc电容器44A-44B已经充电之后，电荷泵13 在其稳态运行模式下运行。在该模式下，随着泵电容器40A-40B以特定 频率相继充电和放电，电荷包沿着泵开关42A-42E穿梭。
电荷泵13在两种状态之间转变。在第一状态中，泵节点P3连接至电 荷泵13的输出，泵开关42A、42C、42E打开，而泵开关42B、42D关闭。 在第二种状态中，泵节点P3连接至接地，泵开关42A、42C、42E关闭， 而泵开关42B、242D打开。在任何一个泵开关42A-42E上的最大电压应 力等于输出电压Vout。
本文所描述的预充电电路10A-10E也可以用于对传统开关模式功率 转换器内的电容器预充电。在图2中图示了具有预充电电路10H的4级飞 跨电容器降压转换器19。该多级降压转换器包括开关式电容电路。在图 12的剩余说明中，假设多级降压转换器19连接至12伏特电压源12并且 向负载17提供4伏特。在多级降压转换器19内是六个降压开关52A-52F 和两个飞跨电容器50A-50B。
多级降压转换器19具有两种运行模式：预充电模式和稳态运行模式。 在预充电模式期间，降压开关52A-52C打开，而降压开关52D-52F关闭。 预充电电路10H接受来自电压源12的输入电压Vin并且使用该输入电压 Vin对飞跨电容器50A-50B进行预充电。在预充电模式期间，预充电电路 10H如结合图4所描述的那样运行。在预充电模式结束时，飞跨电容器 50A、50B的正端子将分别已经充电到8伏特和4伏特。
在飞跨电容器50A-50B充电之后，多级降压转换器19在其稳态运行 模式下运行。使用降压开关52A-52F和飞跨电容器50A-50B对输入电压 Vin进行斩波。这在感应器节点LX处产生脉动电压。该脉动电压被呈现 给以滤波感应器57和负载电容器CL为代表的LC滤波器，从而产生输出 电压Vout，该输出电压Vout是在感应器节点LX处的平均电压。
多级降压转换器19总是处于八种不同状态中的一种状态中。取决于 状态，在感应器节点LX处的电压是12伏特、8伏特、4伏特或0伏特， 假设飞跨电容器50A充电到8伏特而飞跨电容器50B充电到4伏特。在 图13中图示了八种状态中的四种状。在状态1中，在感应器节点LX处 的电压是12伏特，其中，降压开关52A-52C关闭而降压开关52D-52F打 开。相似地，在状态2、3和4中，在感应器节点LX处的电压是8伏特。 飞跨电容器50A在状态4中充电并且在状态3中放电，而飞跨电容器50B 在状态2中充电并且在状态4中放电。
多级降压转换器19取决于所需的输出电压Vout在状态的组合之间交 替。例如，如果输出电压Vout在12伏特与8伏特之间，那么多级降压转 换器19会寻循环通过以下状态：1、2、1、3、1、4。另外，多级降压转 换器19处于各种状态下的持续时间实现了对输出电压Vout的调整。重要 的是注意，多级降压转换器19总是运行为使得飞跨电容器50A-50B充电 为与它们放电一样多，由此维持穿过飞跨50A-50B的平均电压恒定。
在上述实施例中，预充电电路10A-10H均结合单个的开关式电容电路 使用。有时候需要运行多个并联的开关式电容电路。在单独电路的时钟相 位彼此异相运转时，这些系统常常称为多相电路。
图14图示了两相电荷泵包括第一和第二预充电电路10I、10J的实施 例。第一预充电电路10I使用来自电压源12的输入电压Vin对第一相14C 内的电容器预充电。第二预充电电路10J使用输入电压Vin对第二相14D 内的电容器预充电。在预充电模式下，第一和第二预充电电路10I、10J 如结合图4所描述的那样运行。
已经对本发明及其优选实施例进行了描述，作为新的受专利证书保护 的权利要求如下。