一种电荷泵及其使其负输出电压跟随正输出电压的方法

摘要

本发明公开了一种电荷泵及其使负输出电压跟随正输出电压的方法。该电荷泵包括：输入端，接收输入电压；正电压输出端，提供正输出电压；负电压输出端，提供负输出电压；以及多个开关；其中所述多个开关中的每个开关具有串联电阻值，所述多个开关之中一个开关的串联电阻值是其它开关的串联电阻值的两倍以上。

说明书

技术领域

本发明涉及电源，具体但不限于涉及升压电荷泵及其使其负输出 电压跟随正输出电压的方法。

背景技术

一种电荷泵用于接收输入电压并在两个输出端分别提供高于参考 地电位的正输出电压和低于参考地电位的负输出电压。在一些应用场合 中，负输出电压被要求能很好地跟随正输出电压，也就是说，负电压的 绝对值需要尽量接近正输出电压。而且，在启动阶段负输出电压也需要 能很好地跟随正输出电压。

发明内容

为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出一种电 荷泵及其使其负输出电压跟随正输出电压的方法。

根据本发明的一个方面，一种使电荷泵的负输出电压跟随正输出 电压的方法包括为电荷泵的多个开关选择不对称的串联电阻。其中每 个所述开关可包括一个晶体管，所述串联电阻包括相应开关的导通电 阻。电荷泵可进一步包括第一输出电容、第二输出电容和浮充电容， 其中第一输出电容用于提供正输出电压，第二输出电容用于提供负输 出电压；所述多个开关包括第一组开关和第二组开关；其中在每个开 关周期的第一时间段内，第二组开关导通，第一组开关关断，所述第 一输出电容和浮充电容充电；以及在所述开关周期的第二时间段内， 第一组开关导通，第二组开关关断，第二输出电容和浮充电容放电； 所述方法进一步包括在启动阶段同时开始对第一输出电容和浮充电容 进行充电。在一个实施例在，为电荷泵的多个开关选择不对称的串联 电阻包括选择所述多个开关中的一个开关的串联电阻大于其它开关的 串联电阻的两倍。在一个实施例中，电荷泵包括：电感，具有第一端 和第二端，其中第一端耦接输入端；第一开关，具有第一端、第二端 和控制端，其中第一端耦接电感的第二端，第一开关的第二端耦接参 考地；第二开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第二开关的第 一端耦接电感的第二端，第二开关的第二端输出正输出电压；第一输 出电容，具有第一端和第二端，其中第一输出电容的第一端耦接第二 开关的第二端，第一输出电容的第二端耦接参考地；浮充电容，具有 第一端和第二端，其中浮充电容的第一端耦接电感的第二端；第三开 关，具有第一端、第二端和控制端，其中第三开关的第一端耦接浮充 电容的第二端，第三开关的第二端输出负输出电压；第二输出电容， 具有第一端和第二端，其中第二输出电容的第一端耦接第三开关的第 二端，第二输出电容的第二端耦接参考地；以及第四开关，具有第一 端、第二端和控制端，其中第四开关的第一端耦接浮充电容的第二端， 第四开关的第二端耦接参考地；所述方法进一步包括：在每个开关周 期的第一时间段内，将第二开关和第四开关导通，将第一开关和第三 开关关断；以及在所述开关周期的第二时间段内，将第二开关和第四 开关关断，将第一开关和第三开关导通。其中为电荷泵的多个开关选 择不对称的串联电阻可通过选择第二开关的导通电阻比第一开关、第 三开关和第四开关的导通电阻更高来实现。在一个实施例中，使负输 出电压跟随正输出电压通过选择将一分立电阻和第二开关串联连接来 实现。上述方法可进一步包括当第一开关、第二开关、第三开关和第 四开关都关断时阻断第二开关和第四开关的体二极管。在一个实施例 中，该方法包括将第二开关和第四开关耦接至欠压保护(UVLO)信 号，用于当UVLO信号为有效状态时阻断第二开关和第四开关的体二 极管。在另一个实施例中，该方法包括将一开关耦接在输入端和电感 的第一端之间，其中当输入端的输入电压小于一阈值电压时，所述开 关关断。上述方法可进一步包括通过控制第二开关的控制端上的电压 来控制第二开关的导通电阻，其中控制第二开关的导通电阻根据负输 出电压和正输出电压来进行调节。在一个实施例中，根据正输出电压 和负输出电压的差值调节所述多个开关之中一个开关的串联电阻。

根据本发明的另一个方面，一种电荷泵具有：输入端，接收输入 电压；正电压输出端，提供正输出电压；以及负电压输出端，提供负 输出电压；电荷泵包括多个开关，其中所述多个开关中的每个开关具 有串联电阻值，所述多个开关之中一个开关的串联电阻值是其它开关 的串联电阻值的两倍以上。电荷泵可进一步包括电阻控制模块，该电 阻控制模块具有：第一输入端，耦接正电压输出端用于接收正输出电 压；第二输入端，耦接负电压输出端用于接收负输出电压；以及输出 端，耦接所述多个开关之中一个开关，用于根据正输出电压和负输出 电压调节该开关的串联电阻阻值。在一个实施例中，电荷泵包括电感， 具有第一端和第二端，其中第一端耦接输入端；第一开关，具有第一 端、第二端和控制端，其中第一端耦接电感的第二端，第一开关的第 二端耦接参考地；第二开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第 二开关的第一端耦接电感的第二端，第二开关的第二端耦接正电压输 出端；第一输出电容，具有第一端和第二端，其中第一输出电容的第 一端耦接第二开关的第二端，第一输出电容的第二端耦接参考地；浮 充电容，具有第一端和第二端，其中浮充电容的第一端耦接电感的第 二端；第三开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第三开关的第 一端耦接浮充电容的第二端，第三开关的第二端耦接负电压输出端； 第二输出电容，具有第一端和第二端，其中第二输出电容的第一端耦 接第三开关的第二端，第二输出电容的第二端耦接参考地；以及第四 开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第四开关的第一端耦接浮 充电容的第二端，第四开关的第二端耦接参考地；其中在每个开关周 期的第一时间段内，第二开关和第四开关导通，第一开关和第三开关 关断；以及在所述开关周期的第二时间段内，第二开关和第四开关关 断，第一开关和第三开关导通。在一个实施例中，第二开关和第四开 关可包括MOSFET管，第二开关和第四开关的控制端耦接UVLO信 号，当UVLO信号有效时第二开关的体二极管和第四开关的体二极管 被阻断。电荷泵可进一步包括电阻控制模块，该电阻控制模块具有： 第一输入端，耦接正电压输出端用于接收正输出电压；第二输入端， 耦接负电压输出端用于接收负输出电压；以及输出端，耦接所述第二 开关的控制端，用于根据正输出电压和负输出电压调节第二开关的串 联电阻阻值。其中电阻控制模块可包括：跨导型放大电路，具有第一 输入端、第二输入端和输出端，其中跨导型放大电路的第二输入端耦 接参考地，跨导型放大电路的输出端耦接第二开关的控制端；第一电 阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接正电压输出端，第二端耦 接跨导型放大电路的第一输入端；第二电阻，具有第一端和第二端， 其中第一端耦接负电压输出端，第二端耦接跨导型放大电路的第一输 入端。电荷泵可进一步包括耦接在输入端和电感第一端之间的开关， 所述开关在输入电压低于一阈值电压时关断。

根据本发明的又一个方面，一种升压电荷泵，具有：输入端，耦 接输入电压；正电压输出端，提供正输出电压；负电压输出端，提供 负输出电压；所述升压电荷泵包括：电感，具有第一端和第二端，其 中第一端耦接输入端；第一开关，具有第一端、第二端和控制端，其 中第一端耦接电感的第二端，第一开关的第二端耦接参考地；第二开 关，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接电感的第二端， 第二开关的第二端耦接正电压输出端；第一输出电容，具有第一端和 第二端，其中第一端耦接第二开关的第二端，第一输出电容端的第二 端耦接参考地；浮充电容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接电 感的第二端；第三开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端 耦接浮充电容的第二端，第三开关的第二端耦接负电压输出端；第二 输出电容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接第三开关的第二端， 第二输出电容的第二端耦接参考地；第四开关，具有第一端、第二端 和控制端，其中第一端耦接浮充电容的第二端，第四开关的第二端耦 接参考地；以及分立电阻，和第二开关串联连接；其中在一个开关周 期的第一时间段内，第二开关和第四开关导通，第一开关和第三开关 关断；以及在所述开关周期的第二时间段内，第二开关和第四开关关 断，第一开关和第三开关导通。

根据本发明的实施例所提供的电荷泵和方法能实现负输出电压很 好地跟随正输出电压的效果，且具有结构简单、易于控制调节等优点。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行 描述：

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行 描述。这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中系统或电路的 部分特征。

图1示出了根据本发明一实施例的电荷泵示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的电荷泵示意图，其中该电荷泵 包括第一输出电容、第二输出电容和浮充电容；

图3示出了根据本发明一实施例的升压电荷泵电路图；

图4A、图4B、图4C和图4D分别示出了一种电荷泵电路及其驱 动控制信号和两种工作状态，用于说明根据本发明一实施例的使负输 出电压跟随正输出电压的方法；

图5示出了根据本发明一实施例的包括多个晶体管的升压电荷泵 电路图；

图6示出了根据本发明一实施例的其中两个开关管受欠压保护 (UVLO)信号控制的升压电荷泵的电路图；

图7示出了根据本发明一实施例的将一开关耦接在输入端的升压 电荷泵电路图；

图8示出了根据本发明一实施例的将第二开关和分立电阻串联连 接的升压电荷泵电路图；

图9A和图9B分别示出了根据本发明一实施例的对应图3中升压 电荷泵的稳态时的信号波形图和启动时的信号波形图；

图10示出了根据本发明一实施例的采用反馈环调节开关串联电 阻的电荷泵示意图；

图11示出了根据本发明一实施例的通过控制一开关的门极电压 来调节该开关串联电阻的升压电荷泵的电路图。

贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实 施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细 描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域 技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清 晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。 此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它 实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例 来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方 式。

图1示出了根据本发明一实施例的电荷泵100的示意图。电荷泵 100具有输入端11、正电压输出端12和负电压输出端13。其中输入 端11接收输入电压Vin，电荷泵100将输入电压Vin转换成在正电压 输出端12输出的正输出电压V+和在负电压输出端13输出的负输出 电压V-。在一个实施例中，正输出电压V+大于输入电压Vin。

电荷泵100包括多个开关。该多个开关可以以多种或任意的方式 组合形成多种拓扑。每个开关具有串联电阻值，该串联电阻值可来源 于多种途径。在一个实施例中，串联电阻值来源于与开关串联的分立 电阻器件。在另一个实施例中，多个开关包括多个半导体晶体管，该 串联电阻值为半导体晶体管的寄生电阻值。在又一个实施例中，该串 联电阻值来源于与半导体晶体管集成的集成电阻，该集成电阻可为一 个或多个掺杂的区域。多个开关的串联电阻值可来源于一种形式的电 阻，如都为寄生电阻或都来源于分立电阻。多个开关的串联电阻值也 可以来源于多种形式的电阻，如一个开关的串联电阻值来源于寄生电 阻，另一个来源于分立电阻。

负输出电压V-的绝对值需要等于或近似等于正输出电压V+，换 句话说负输出电压V-需要跟随正输出电压V+。一种使得负输出电压 V-跟随正输出电压V+的方法包括为电荷泵的多个开关选择不对称的 串联电阻。也就是说，多个开关的串联电阻值不相同。在一个实施例 中，其中某个开关的串联电阻值大于其它任何一个开关串联电阻值的 两倍。在一个实施例中，最大的开关串联电阻值大于另一个开关串联 电阻值的十倍。在一个实施例中，串联电阻为开关的导通电阻。在另 一个实施例中，为电荷泵的多个开关选择不对称的串联电阻包括将一 个分立电阻和多个开关中的其中一个开关串联连接。

图2示出了根据本发明一实施例的电荷泵200的示意图。电荷泵 200包括耦接到正电压输出端22的第一模块24和耦接到负电压输出 端23的第二模块25。第一模块24包括第一开关A1和第二开关B1。 第二模块25包括第三开关A2和第四开关B2。电荷泵200进一步包 括多个电容。该多个电容包括第一输出电容C1，第二输出电容C2和 浮充电容Cfly。其中第一输出电容C1耦接在正电压输出端22和参考 地GND之间用于提供正输出电压V+。第二输出电容C2耦接在负电 压输出端23和参考地GND之间用于提供负输出电压V-。浮充电容 Cfly耦接在第一模块24和第二模块25之间。电荷泵200的多个开关 包括第一组开关A1和A2，以及第二组开关B1和B2。其中第一组开 关和第二组开关的导通和关断状态呈互补形式。在每个开关周期中的 第一时间段内，某驱动信号呈第一状态，第一组开关包括第一开关A1 和第三开关A2关断，第二组开关包括第二开关B1和第四开关B2导 通，电流从正电压输出端22流向参考地GND，第一输出电容C1被 充电；在该开关周期内的第二时间段，该驱动信号呈不同于第一状态 逻辑电平的第二状态，第一组开关包括A1和A2导通，第二组开关包 括B1和B2关断，电流从参考地GND流向负电压输出端23，第二输 出电容C2被放电。在一个实施例中，在系统的启动阶段，使得负输 出电压V-跟随正输出电压V+的方法进一步包括同时开始对第一输出 电容C1和浮充电容Cfly进行充电，使得正输出电压V+和负输出电压 V-同时开始增长。

在一个实施例中，电荷泵200包括一个升压电荷泵。在一个实施 例中，启动阶段定义为输入电压Vin从零值上升到一阈值电压之间的 阶段。

图3示出了根据本发明一实施例的升压电荷泵300的电路图。升 压电荷泵300包括电感L、第一开关A1、第二开关B1、第一输出电 容C1、浮充电容Cfly、第三开关A2、第二输出电容C2和第四开关 B2。电感L具有第一端311和第二端312，其中第一端311耦接输入 端31。第一开关A1具有第一端321、第二端322和控制端，其中第 一端321耦接电感L的第二端312，第二端322耦接参考地GND。第 二开关B1具有第一端323、第二端324和控制端，其中第一端323 耦接电感L的第二端312，第二端324耦接正电压输出端32。第一输 出电容C1具有第一端325和第二端326，其中第一端325耦接第二开 关B1的第二端324，第二端326耦接参考地GND。浮充电容Cfly具 有第一端331和第二端332，其中第一端331耦接电感L的第二端312。 第三开关A2具有第一端335、第二端336和控制端，其中第一端335 耦接浮充电容Cfly的第二端332，第二端336耦接负电压输出端33。 第二输出电容C2具有第一端337和第二端338，其中第一端337耦接 第三开关A2的第二端336，第二端338耦接参考地GND。第四开关 B2具有第一端333、第二端334和控制端，其中第一端333耦接浮充 电容Cfly的第二端332，第二端334耦接参考地GND。每个开关A1、 B1、A2或B2和一串联电阻耦接，分别为电阻Ra1、Rb1、Ra2和Rb2。 在一个实施例中，电阻Ra1、Rb1、Ra2和Rb2分别为开关A1、B1、 A2和B2的导通电阻。在开关周期的第一时间段内，第二开关B1和 第四开关B2导通，第一开关A1和第三开关A2关断，第一输出电容 C1被充电，正输出电压V+上升。在开关周期的第二时间段内，第一 开关A1和第三开关A2导通，第二开关B1和第四开关B2关断，第 二输出电容C2被放电，负输出电压V-绝对值上升。电荷泵可具有不 同于图3中电荷泵的拓扑。例如，每个开关可包括多个并联的开关， 或者每个电容可包括一个电容网络。

图4A、图4B、图4C和图4D示出了升压电荷泵400A，其相应 的驱动信号(S1和S2)和不同的工作状态，用于说明根据本发明一 实施例的使负输出电压V-跟随正输出电压V+的方法。升压电荷泵 400A具有与图3中的升压电荷泵300相同的拓扑，为简单起见，将不 再对其连接关系进行赘述。在升压电荷泵400A中，第一开关A1的控 制端和第三开关A2的控制端耦接至第一驱动信号S1。第二开关B1 的控制端和第四开关B2的控制端耦接至第二驱动信号S2。

如图4B所示，第二驱动信号S2与第一驱动信号S1呈互补关系。 在一个开关周期T的第一时间阶段DT内，第一驱动信号S1为第一状 态如逻辑低，第二驱动信号S2为第二状态如逻辑高。相应地，第二 组开关包括第二开关B1和第四开关B2导通，第一组开关包括第一开 关A1和第三开关A2关断，如图4C的示意图所示。在这个时间段内， 电流Ib1从电感L通过第二开关B1流向正电压输出端32，第一输出 电容C1被充电，正输出电压V+升高；同时，电流Ib2通过浮充电容 Cfly和第四开关B2从电感L流向参考地GND，浮充电容Cfly被充电。 在这个阶段，

Ib1*(1-D)＝I_o+                  (1)

Ib1+Ib2＝I_L                (2)

V⁺+Ib1*Rb1＝V_cfly+Ib2*Rb2              (3)

其中D为驱动信号S2的占空比，Io+为正电压输出端的输出电流，IL 为流过电感L的电流，Vcfly为浮充电容Cfly两端的电压差。

在该开关周期T的另外时间阶段(1-D)T内，参看图4B，第 一驱动信号S1转变为逻辑高，第二驱动信号S2转变为逻辑低，因此， 第一组开关包括第一开关A1和第三开关A2被导通，第二组开关包括 第二开关B1和第四开关B2被关断。在这个阶段，参看图4D的示意 图400D，电流Ia1通过第一开关A1从电感L流向参考地GND；同时， 电流Ia2通过第三开关A2和浮充电容Cfly从参考地GND流向第一开 关A1，第二输出电容C2和浮充电容Cfly被放电。在这个阶段，

Ia2*D＝I_o-                    (4)

Vcfly＝V_+Ra2*Ia2+(I_L+Ia2)*Ra1                  (5)

其中Io-为负电压输出端的输出电流，其中这里V-代表负输出电压的 绝对值。

在一个开关周期内，流过浮充电容Cfly的电流设计为平衡状态， 即：

Ib2*(1-D)＝Ia2*D                    (6)

则结合公式(1)至公式(6)，可以推导出：

$V_{-}=V_{+}+\frac{I_{o+}}{1-D}*\mathrm{Rb}1-\frac{I_{o-}}{1-D}\mathrm{Rb}2-\frac{I_{o-}}{D}\mathrm{Ra}2-(I_L+\frac{I_{o-}}{D})\mathrm{Ra}1---\left(7\right)$

由上述公式可知，负输出电压绝对值V-随着电阻值Rb1的升高而升 高，负输出电压绝对值V-随着其他电阻值Ra1，Ra2和Rb2的升高而 降低。为了使负输出电压V-能跟随正输出电压V+，或者说为了使负 输出电压的绝对值和正输出电压V+近似相等，则需要满足：

$\frac{I_{o+}}{1-D}*\mathrm{Rb}1-\frac{I_{o-}}{1-D}\mathrm{Rb}2-\frac{I_{o-}}{D}\mathrm{Ra}2-(I_L+\frac{I_{o-}}{D})\mathrm{Ra}1\approx 0---\left(8\right)$

上述公式可通过选择不对称的开关串联电阻Ra1，Ra2，Rb1和Rb2 来实现，即选择开关B1具有较高的串联电阻值Rb1，而选择开关A1， A2和B2具有较低的串联电阻值Ra1，Ra2和Rb2。通过对第二开关 B1和其他开关A1、A2和B2选择不对称的串联电阻值，正输出电压 V+和负输出电压绝对值V-之间的差值可被缩小。在一个实施例中，电 阻值Rb1＝3欧姆，电阻值Ra1＝0.45欧姆，电阻值Ra2＝Rb2＝0.5欧姆。

图5示出了根据本发明一实施例的电荷泵实施例电路图，其中电 荷泵500包括多个开关A1、A2、B1和B2。电荷泵500的拓扑和图3 中的电荷泵300相似，为简单起见，将不再对电荷泵500的具体连接 关系进行赘述。在电荷泵500中，每个开关A1、A2、B1或B2都包 括一个晶体管，其中不对称的串联电阻Ra1，Ra2，Rb1和Rb2都来 源于各个晶体管的导通电阻。每个晶体管A1、B1、A2或B2各进一 步包括一个体二极管。在一个实施例中，第二开关B1的导通电阻Rb1 大于其他开关的导体电阻Ra1、Ra2和Rb2。半导体晶体管B1的较高 的导通电阻Rb1可通过不同于其它晶体管的制作工艺实现，如通过对 晶体管B1采用不同的掺杂浓度或不同的布图尺寸来实现。在图5所 示的实施例中，每个晶体管包括金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)。应当知道，另外形式的晶体管如结型场效应晶体管 (JFET)也可不脱离本发明的主旨而用在本发明的实施例中。

图6示出了根据本发明一实施例的升压电荷泵600的示意图，其 中电荷泵600的两个开关B1和B2受UVLO信号控制用于在启动阶 段实现负输出电压V-很好地跟随正输出电压V+。电荷泵600的拓扑 和图3中的电荷泵300相似，为简单起见，将不再对电荷泵600的具 体连接关系进行赘述。升压电荷泵600包括多个开关A1、A2、B1和 B2，其中每个开关包括一个MOSFET管。每个MOSFET管A1、A2、 B1或B2可包括多个制作在半导体衬底上的晶体管单元。每个晶体管 如晶体管A1具有导通电阻Ra1和耦接在源极和漏极之间的体二极管。 其中导通电阻为MOSFET管导通时源极和漏极之间的电阻。信号 UVLO耦接至晶体管B1和B2用于在初始状态下阻断晶体管B1和B2 的体二极管。信号UVLO在输入电压Vin低于一阈值电压时处于有效 状态。当信号UVLO处于有效状态时，如逻辑高电平，晶体管A1、 B1、A2和B2的控制端不受驱动信号控制，同时，第二开关B1和第 四开关B2的体二极管被阻断，使得开关A1、B1、A2和B2没有电流 流过。相应地，没有电流对第一输出电容C1和浮充电容Cfly进行充 电。当信号UVLO变成无效状态时，例如在输入电压Vin下降到阈值 电压以下时变为逻辑低电平，驱动信号开始控制开关A1、B1、A2和 B2，使得第一组开关(A1、A2)和第二组开关(B1、B2)交替导通， 同时第二开关B1和第四开关B2的体二极管开通。或者说，当开关 A1、A2、B1和B2都被关断时，第二开关B1和第四开关B2的体二 极管也同时被阻断。当开关正常工作时第二开关B1和第四开关B2的 体二极管停止阻断。因此在升压电荷泵启动时正输出电压V+和负输 出电压V-同时从零开始增大，使得负输出电压V-在启动阶段能很好地 跟随正输出电压V+。

图7示出了根据本发明一实施例的升压电荷泵700电路图，其中 升压电荷泵700包括一耦接在输入端71和电感之间的开关K。电荷泵 700的拓扑和图3中的电荷泵300相似，为简单起见，不再对电荷泵 700的具体连接关系进行赘述。升压电荷泵700进一步包括耦接在输 入端71和电感L之间的开关K。为了在启动阶段使负输出电压V-跟 随正输出电压V+，开关K在初始状态下处于关断状态，使得电感L 在电路启动前和输入端71断开。在一个实施例中，开关K的控制端 耦接UVLO信号。在启动阶段，信号UVLO处于有效状态，开关A1、 B1、A2、B2和K处于关断状态。当输入电压Vin上述到阈值电压以 上，UVLO变为无效状态，开关K导通，电感L耦接输入端71。同 时，开关A1、A2、B1和B2也开始工作。相应地，第一输出电容C1 和浮充电容Cfly能同时开始充电，负输出电压V-跟随正输出电压V+ 同时开始增大。因此负输出电压V-在启动阶段能很好地跟随正输出电 压V+。

图8示出了根据本发明一实施例的升压电荷泵800，其中电荷泵 800的第二开关B1和一分立电阻Rb1串联。升压电荷泵800具有耦 接输入电压Vin的输入端81，提供正输出电压V+的正电压输出端82， 提供负输出电压V-的负电压输出端83，电感L，第一开关A1，第二 开关B1，第三开关A2，第四开关B2，浮充电容Cfly，第一输出电容 C1、第二输出电容C2和电阻Rb1。升压电荷泵800的拓扑和图3中 的升压电荷泵300相似，为便于描述，其相似之处不再进行赘述。不 同之处在于第二开关B1进一步和一个分立电阻Rb1串联连接。应当 知道，其它开关A1、A2和B2也可具有导通电阻。然而，第二开关 B1对应的串联电阻Rb1是为了具有比其他开关更大的串联电阻值而 特地制作的。

在另外一个实施例中，特地制作的串联电阻Rb1通过特别的布图 尺寸或掺杂浓度集成在制作第二开关B1的相同半导体衬底上。

因此，第二开关B1具有比其它开关更高的串联电阻，而这些开 关的不对称的电阻值使得负输出电压V-能很好地跟随正输出电压V+。

在图8所示的实施例中，在输入端81和电感L的第一端之间耦 接了开关K，且当开关A1、A2、B1和B2都关断的初始状态下，开 关K也处于关断状态；当开关A1、A2、B1和B2开始开关动作时， 开关K被导通。这样，第一输出电容C1和浮充电容Cfly同时开始充 电，在启动阶段也很好地实现了负电压与正电压的跟随作用。应当知 道，图8中升压电荷泵的开关K是可选的。在一个实施例中，为了在 启动阶段实现很好的跟随作用，如上面的章节所述，信号UVLO耦接 至第二开关B1和第四开关B2用于在启动阶段阻断第二开关B1和第 四开关B2的体二极管。

图9A和图9B分别示出了根据本发明一实施例的采用图3中升压 电荷泵300的稳态下的仿真波形图以及启动阶段的仿真波形图。在这 个实施例中，输入电压Vin＝3.6伏特，Io+＝Io-＝10mA，Rb1＝3欧姆， Ra1＝0.45欧姆，Rb2＝Ra2＝0.5欧姆。从图9A的稳态状况下可以看到， 负输出电压V-在-5.41伏特至-5.44伏特间波动，正输出电压V+在5.43 伏特至5.45伏特之间波动。正输出电压和负输出电压绝对值之间的差 值百分比小于0.3％，可见实现了负输出电压很好地跟随正输出电压的 效果。具体来说，当施加于第一开关A1和第三开关A2控制端上的驱 动信号S1为高电平时，开关A1和A2导通，开关B1和B2关断。此 时，第二输出电容C2放电，负输出电压V-的绝对值升高。同时，电 感电流IL升高，第一输出电容C1通过负载放电，正输出电压V+降 低。

当驱动信号S1变低电平时，开关B1和B2导通，开关A1和A2 关断，此时，第一输出电容充电，正输出电压V+升高，同时，电感 电流IL下降，负输出电压V-的绝对值下降。

在图9B所示的启动阶段，可以看到负输出电压V-和正输出电压 V+几乎同时从零开始增大，负输出电压V-很好地跟随正输出电压V+ 的变化，正输出电压V+和负输出电压V-的绝对值之间的差值很小。

在一个实施例中，正电压输出端的负载和负电压输出端的负载不 同，其中该实施例中的输入电压Vin＝4.2伏特，正电压输出端的负载 电流Io+＝20mA，负电压输出端的负载电流Io-＝14mA，电阻Rb1＝0.45 欧姆，电阻Rb2＝Ra2＝0.5欧姆。仿真得到的正输出电压和负输出电压 绝对值之间的差值百分比小于1％。说明根据本发明一实施例的电荷 泵，其正电压输出端和负电压输出端的负载不平衡状况能被很好地补 偿。

图10示出了根据本发明一实施例的电荷泵1000，其中电荷泵1000 的一个开关的串联电阻R阻值在开关导通时通过反馈环可调。为使描 述简洁清楚，对电荷泵1000与图3中电荷泵300相同或相似的部分不 再进行赘述。当第二开关B1和第四开关B2导通时，和第二开关B1 串联的电阻R的阻值根据负输出电压V-和正输出电压V+进行调节， 使得负输出电压V-跟随正输出电压V+。在图10所示的实施例中，电 荷泵1000包括含电阻控制模块101的反馈环。电阻控制模块101具有 第一输入端1011、第二输入端1012和输出端1013，其中第一输入端 1011耦接正电压输出端32用于接收正输出电压V+，第二输入端1012 耦接负电压输出端33用于接收负输出电压V-，输出端1013用于调整 与第二开关B1串联的电阻R的阻值。这样，电阻R基于正输出电压 V+和负输出电压V-绝对值的差值进行调节。

在图示的实施例中，当负输出电压V-的绝对值小于正输出电压 时，增大电阻R的阻值，使得负输出电压的绝对值增大；当负输出电 压V-超过正输出电压的值时，降低电阻R的阻值以降低负输出电压的 绝对值。在一个实施例中，开关B1为晶体管，且当第二开关B1导通 时，控制第二开关B1控制端的驱动信号呈高阻状态，采用电阻控制 模块输出端1013输出的放大信号AMP来控制第二开关B1的门极； 当第二开关B1关断时，信号AMP被逻辑低电平如参考地电位拉低屏 蔽。应当知道，电荷泵也可采用其它的拓扑，电荷泵中的某个开关的 串联电阻的阻值可根据正输出电压和负输出电压进行调节。在一个实 施例中，该阻值可调的串联电阻R为一分立电阻，如图8所示的电阻 Rb1。在另一个实施例中，该阻值可调的串联电阻为对应开关的导通 电阻，该阻值通过控制开关的门极电压来实现。

图11示出了根据本发明一实施例的电荷泵1100的电路图，其中 一开关的串联电阻通过控制该开关的门极电压来进行调节。为使描述 简单清楚，该实施例中的电荷泵1100与图3中电荷泵300相同的特征 将不再进行赘述。电荷泵1100的第二开关B1包括一晶体管且具有导 通电阻。和图3中的电荷泵300相比，电荷泵1100进一步包括一电阻 控制模块110。电阻控制模块110包括接收正输出电压V+的第一输入 端1011、接收负输出电压V-的第二输入端1012和耦接第二开关B1 控制端例如门极的输出端1013。在图示的实施例中，电阻控制模块110 包括第一电阻R1，第二电阻R2和跨导型放大电路111。第一电阻R1 的一端耦接正电压输出端32用于接收正输出电压V+，另一端耦接跨 导型放大电路111的反相输入端。第二电阻R2一端耦接负电压输出 端33用于接收负输出电压V-，另一端也耦接跨导型放大电路111的 反相输入端。

这样，跨导型放大电路111接收到正输出电压V+和负输出电压 V-绝对值之间的差值信号，并根据此差值输出一放大信号AMP至晶 体管B1的门极。当负输出电压V-的绝对值小于正输出电压V+时，输 出信号AMP控制晶体管B1的导通电阻增大。在图示的实施例中，晶 体管B1包括N型MOSFET管，当控制信号AMP降低时晶体管B1 的导通电阻增大。在另一个实施例中，当控制信号AMP增大时，开 关B1的导通电阻增大。当负输出电压V-的绝对值高于正输出电压V+ 时，输出信号AMP调节晶体管B1的导通电阻降低。跨导型放大电路 111进一步具有耦接参考地的同相输入端和提供控制信号AMP的输出 端。电阻R1和R2具有相同或接近的阻值。当负输出电压V-的绝对 值小于正输出电压V+时，跨导型放大电路111的反相输入端电位高于 地电位。因此信号AMP下降，晶体管B1的导通电阻增大，相应地， 负输出电压V-的绝对值增大。若负输出电压V-的绝对值高于正输出电 压V+，跨导型放大电路111的反相输入端电压为负电压，低于同相输 入端的参考地电位。因此，信号AMP增大，晶体管B1的导通电阻降 低。相应地，负输出电压V-的绝对值下降。在图示的实施例中，电阻 控制模块110进一步包括电容C3、电容C4和电阻R3，将跨导型放大 电路输出的电流信号转换为电压信号。然而在其它的实施例中，电阻 控制模块110可不包括电阻和电容，或者电阻和电容采用其它的连接 方式。

在另一个实施例中，电阻R1和R2耦接至跨导型放大电路111的 同相输入端而参考地耦接跨导型放大电路111的反相输入端。在又一 个实施例中，跨导型放大电路111的一个输入端接收负输出电压V-， 另一个输入端耦接正输出电压V+，并将负输出电压V-和正输出电压 V+之间的差值放大。在一些实施例中，第二开关B1可包括P型 MOSFET管，JFET管或其它类型的晶体管。应当知道，电阻控制模 块可具有许多不同的结构来实现当正输出电压相对负输出电压绝对值 增长时，增大晶体管B1的导通电阻的功能。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所 提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本 领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、 或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。