阅读说明：本技术 升压产生电路以及相关电路、芯片以及穿戴设备 (Boost generation circuit and related circuit, chip and wearing equipment ) 是由 王文祺 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种升压产生电路(10)以及相关电路、芯片以及穿戴设备。所述升压产生电路,具有输出端(OUT),所述输出端提供输出电压(V<Sub>OUT</Sub>)及负载电流(I<Sub>LOAD</Sub>)。所述升压产生电路包括：第一电荷泵(100),提供第一偏置电流(IB1)；第二电荷泵(102),提供所述负载电流；输出电压锁定电路(110),从所述第一电荷泵抽取所述第一偏置电流至所述输出端,其中所述输出电压锁定电路藉由锁定所述第一偏置电流来锁定所述第一电荷泵的第一电荷泵电压(V<Sub>PUMP1</Sub>),并进一步基于被锁定的所述第一电荷泵电压来锁定所述输出电压；以及负载电流产生电路(120),基于所述第二电荷泵的第二电荷泵电压(V<Sub>PUMP2</Sub>)从所述第二电荷泵抽取所述负载电流至所述输出端。(The application discloses boost generation circuit (10) and relevant circuit, chip and wearing equipment. The boost generation circuit has an output terminal (OUT) providing an output voltage (V) OUT ) And load current (I) LOAD ). The boost generation circuit includes: a first charge pump (100) providing a first bias current (IB 1); a second charge pump (102) providing the load current; an output voltage locking circuit (110) that latches a first charge pump voltage (Vpump) of the first charge pump by latching the first bias current to the output terminal PUMP1 ) And further locking the output voltage based on the first charge pump voltage being locked; and a load current generating circuit (120) based on a second charge pump voltage (V) of the second charge pump PUMP2 ) Drawing the load current from the second charge pump to the output.)

升压产生电路以及相关电路、芯片以及穿戴设备

技术领域

本申请涉及一种电源供应技术，尤其涉及一种升压产生电路以及相关电路、芯片以及穿戴设备。

背景技术

随着科技的发展与进步，移动电话、数字相机、平板计算机、笔记本电脑等移动电子装置已经成为了人们生活中不可或缺的工具。这些电子装置通常是通过电子装置的电池或是电子装置的外部电源来提供供应电压。在一些应用中，电子装置的内部电路需要的工作电压高于所述供应电压。因此，需要通过升压电路将所述供应电压升压。现今的升压电路所输出的电压的特性不佳，进而影响所述内部电路的效能。为了让所述内部电路发挥应有的效能，如何改善升压电路所输出的电压的特性，已成为一个重要的工作项目。

发明内容

本申请的目的之一在于公开一种电源供应技术，尤其涉及一种升压产生电路以及相关电路、芯片以及穿戴设备，来解决上述问题。

本申请的一实施例公开了一种升压产生电路。所述升压产生电路具有输出端，所述输出端用以提供输出电压及负载电流至所述升压产生电路之外的高压电路。所述升压产生电路包括：第一电荷泵，用以提供第一偏置电流；第二电荷泵，用以提供所述负载电流；输出电压锁定电路，耦接于所述第一电荷泵及所述升压产生电路的所述输出端之间，用以从所述第一电荷泵抽取所述第一偏置电流至所述升压产生电路的所述输出端，其中所述输出电压锁定电路藉由锁定所述第一偏置电流来锁定所述第一电荷泵的第一电荷泵电压，并进一步基于被锁定的所述第一电荷泵电压来锁定所述升压产生电路的所述输出端的所述输出电压；以及负载电流产生电路，耦接于所述第二电荷泵及所述升压产生电路的所述输出端之间，用以基于所述第二电荷泵的第二电荷泵电压从所述第二电荷泵抽取所述负载电流至所述升压产生电路的所述输出端。

本申请的一实施例公开了一种电路。所述电路包括：前述的升压产生电路；以及所述高压电路。

本申请的一实施例公开了一种芯片。所述芯片包括：前述的电路。

本申请的一实施例公开了一种穿戴设备。所述穿戴设备包括：前述的芯片。

本申请所公开的升压产生电路包括两个电荷泵，第一电荷泵以及第二电荷泵。两个电荷泵分别负责输出电压及负载电流。简言之，输出电压及负载电流不是由同一个电荷泵提供，因此，输出电压不会受到负载电流的干扰，输出电压的特性较佳。

附图说明

图1为本申请的升压产生电路的第一实施例的电路图。

图2为本申请的电荷泵的实施例的电路图。

图3为本申请的升压产生电路的第二实施例的电路图。

图4为本申请的升压产生电路的第三实施例的电路图。

图5为图4的升压产生电路的相关电压的波形示意图。

图6为包括本申请的升压产生电路的芯片应用在穿戴设备的实施例的示意图。

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「相同」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「相同」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「相同」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

电荷泵的输出电压的大小以及输出电压的纹波电压的大小均会受到电荷泵的输出电流(亦即，负载电流)的大小影响。通常，负载电流会使得电荷泵的输出电压变小以及输出电压的纹波电压变大，特别是当负载电流越大时，电荷泵的输出电压越小以及输出电压的纹波电压越大。本申请所公开的升压产生电路包括二个电荷泵，分别负责输出电压及负载电流。也就是说，输出电压及负载电流不是由同一个电荷泵提供，因此，输出电压的大小及输出电压的纹波电压的大小不会受到负载电流的大小影响，其细节说明如下。

图1为本申请的升压产生电路10的第一实施例的电路图。参照图1，升压产生电路10具有输出端OUT。输出端OUT用以提供输出电压V_OUT及负载电流I_LOAD至升压产生电路10之外的高压电路20。输出电压V_OUT做为高压电路20的供应电压。在一些实施例中，高压电路20需要高于电路系统的电源电压的电压来做为自身的供应电压。即，所述高压电路为需要本申请提供的升压产生电路输出的电压进行供电的电路。举例来说，高压电路20包括轨到轨输入放大器。在此实施例中，轨到轨输入放大器的差动对电晶体接收输出电压V_OUT，做为所述差动对电晶体的供应电压，由于轨到轨输入放大器特别需要稳定的电压与电流，因此本申请的升压产生电路10可提升所述轨到轨输入放大器的效能，但高压电路20并不限于此。升压产生电路10包括第一电荷泵100、第二电荷泵102、输出电压锁定电路110、负载电流产生电路120及控制电路130。

第一电荷泵100耦接至供应电压V_DD1，并基于供应电压V_DD1提供第一电荷泵电压V_PUMP1。此外，第一电荷泵100提供第一偏置电流IB1以及第二偏置电流IB2。换言之，第一电荷泵电压V_PUMP1是第一电荷泵100的输出电压，而第一偏置电流IB1以及第二偏置电流IB2的总和是第一电荷泵100的输出电流。在一些实施例中，第一偏置电流IB1及第二偏置电流IB2的大小各为10微安培。

第二电荷泵102耦接至供应电压V_DD2，并基于供应电压V_DD2提供第二电荷泵电压V_PUMP2。此外，第二电荷泵102提供负载电流I_LOAD。换言之，第二电荷泵电压V_PUMP2是第二电荷泵102的输出电压，而负载电流I_LOAD是第二电荷泵102的输出电流。负载电流I_LOAD的大小远大于第一电荷泵100的输出电流，在一些实施例中，负载电流I_LOAD的大小为1毫安。在一些实施例中，供应电压V_DD2相同于供应电压V_DD1。在一些实施例中，供应电压V_DD2可不相同于供应电压V_DD1。

输出电压锁定电路110耦接于第一电荷泵100及升压产生电路10的输出端OUT之间，用以从第一电荷泵100抽取固定大小的第一偏置电流IB1至升压产生电路10的输出端OUT，并且基于第一电荷泵电压V_PUMP1产生输出电压V_OUT。另一方面，控制电路130耦接于第一电荷泵100，用以从第一电荷泵100抽取固定大小的第二偏置电流IB2。由于电压锁定电路110锁定第一偏置电流IB1，且控制电路130锁定第二偏置电流IB2，如此一来，第一电荷泵100的第一电荷泵电压V_PUMP1便可通过锁定的第一偏置电流IB1以及第二偏置电流IB2来被锁定。进一步地，基于被锁定的第一电荷泵电压V_PUMP1，升压产生电路10的输出端OUT的输出电压V_OUT亦可被锁定，以尽量地压低输出电压V_OUT的纹波电压。此外，输出电压锁定电路110基于输出电压V_OUT产生反馈电压V_FB。当输出电压V_OUT的电平变动时，反馈电压V_FB的电平跟着变动。在一些实施例中，第二偏置电流IB2相同于第一偏置电流IB1。在一些实施例中，第二偏置电流IB2可不同于第一偏置电流IB1。

在本揭露中，由于第一电荷泵100的输出电流为第一偏置电流IB1及第二偏置电流IB2的总和，而不包括流入高压电路20的负载电流I_LOAD。因此，第一电荷泵100输出的第一电荷泵电压V_PUMP1不会受到流入高压电路20的负载电流I_LOAD的干扰。又，输出电压锁定电路110是基于第一电荷泵电压V_PUMP1产生输出电压V_OUT，因而输出电压V_OUT不会受到负载电流I_LOAD的干扰。

此外，控制电路130，还耦接于输出电压锁定电路110及负载电流产生电路120之间。控制电路130基于反馈电压V_FB产生控制电压V_CTRL以控制负载电流产生电路120。当输出电压V_OUT受纹波电压影响而使电平变动时，由于第一偏置电流IB1以及第二偏置电流IB2为固定大小，因此反馈电压V_FB的电平会跟着输出电压V_OUT变动，进而使得控制电压V_CTRL的电平也跟着变动，以反向抑制输出电压V_OUT的纹波电压。

负载电流产生电路120，耦接于第二电荷泵102及升压产生电路10的输出端OUT之间，用以基于第二电荷泵102的第二电荷泵电压V_PUMP2从第二电荷泵102抽取负载电流I_LOAD至升压产生电路10的输出端OUT。需注意的是，虽然输出电压锁定电路110及负载电流产生电路120均耦接至高压电路20，但输出电压锁定电路110输出的第一偏置电流IB1的大小已经被锁定，流入高压电路20的负载电流I_LOAD的大小不会影响已经被锁定的第一偏置电流IB1的大小，也就是说，流入高压电路20的负载电流I_LOAD可视为由负载电流产生电路120所提供，输出电压锁定电路110不参与负载电流I_LOAD的提供。又，虽然第二电荷泵电压V_PUMP2会受到负载电流I_LOAD的影响，但第二电荷泵电压V_PUMP2与输出电压V_OUT实质上无关，输出电压V_OUT已被输出电压锁定电路110锁定。

负载电流产生电路120受控于控制电路130。当输出电压V_OUT受纹波电压影响而使电平变动时，控制电路130基于输出电压V_OUT控制负载电流产生电路I_LOAD以调整负载电流I_LOAD的大小。举例来说，当输出电压V_OUT的电平下降时，控制电路130基于输出电压V_OUT控制负载电流产生电路I_LOAD以从第二电荷泵102抽取更多的负载电流I_LOAD，藉此将输出电压V_OUT下降的电平拉升回去。

以下将说明输出电压锁定电路110、负载电流产生电路120以及控制电路130的实施例。然而，电压锁定电路110、负载电流产生电路120以及控制电路130并不限定于下述实施例，任何能够实现电压锁定电路110、负载电流产生电路120以及控制电路130的上述功能的电路架构均未脱离本揭露的范畴。

输出电压锁定电路110包括第一电流源I1及输入级晶体管M_IN。第一电流源I1，耦接于第一电荷泵100，用以从第一电荷泵100抽取固定大小的第一偏置电流IB1。输入级晶体管M_IN串接于第一电流源I1及升压产生电路10的输出端OUT之间，且输入级晶体管M_IN的闸极耦接于第一电荷泵100。由于固定大小的第一偏置电流IB1流通于输入级晶体管M_IN，基于晶体管的操作原理，输入级晶体管M_IN的闸极-源极电压基于固定大小的第一偏置电流IB1而被锁定。据此，当输出电压V_OUT的电平变动时，输入级晶体管M_IN的汲极电压(做为反馈电压V_FB)的电平跟着变动。此外，输出电压V_OUT可表示如下的方程式(1)。

V_OUT＝V_G-V_GS (1)

其中V_G代表输入级晶体管M_IN的闸极电压(也就是，第一电荷泵电压V_PUMP1)，而V_GS代表输入级晶体管M_IN的闸极-源极电压。简言之，升压产生电路10的输出端OUT的输出电压V_OUT为第一电荷泵电压V_PUMP1及输入级晶体管M_IN的闸极-源极电压V_GS之间的电压差。

控制电路130包括控制晶体管M_CTRL及第二电流源I2。控制晶体管M_CTRL的闸极耦接于输出电压锁定电路110的输入级晶体管M_IN的汲极，以及控制晶体管M_CTRL串接于第一电荷泵100和负载电流产生电路120之间。第二电流源I2接收供应电压V_DD3，用以从第一电荷泵100抽取固定大小的第二偏置电流IB2。由于固定大小的第二偏置电流IB2流通于控制晶体管M_CTRL，基于晶体管的操作原理，控制晶体管M_CTRL的闸极-源极电压基于固定大小的第二偏置电流IB2而被锁定。

综上所述，由于输入级晶体管M_IN的闸极电压V_G(也就是，第一电荷泵电压V_PUMP1)已经被输出电压锁定电路110的第一电流源I1及控制电路130的第二电流源I2锁定，且由于输入级晶体管M_IN的闸极-源极电压V_GS被输出电压锁定电路110的第一电流源I1锁定，基于上述方程式(1)，输出电压V_OUT被锁定，而与负载电流I_LOAD无关。

负载电流产生电路120包括输出级晶体管M_OUT，串接于第二电荷泵102及升压产生电路10的输出端OUT之间。输出级晶体管M_OUT从第二电荷泵102抽取的负载电流I_LOAD的大小取决于输出级晶体管M_OUT的闸极电压的大小。在本实施例中，当输出级晶体管M_OUT的闸极电压越大，使得输出级晶体管M_OUT的闸极-源極电压越大时，输出级晶体管M_OUT越导通而能抽取更多的负载电流I_LOAD。

输出级晶体管M_OUT的闸极电压基于第一偏置电流IB1及第二偏置电流IB2而被锁定。详言之，举例来说，当输出电压V_OUT的电平下降时，输入级晶体管M_IN的源极电压下降。因为输入级晶体管M_IN的闸极-源极电压V_GS被第一偏置电流IB1锁定，输入级晶体管M_IN的汲极电压基于于输入级晶体管M_IN的下降的源极电压而下降。输入级晶体管M_IN的汲极电压是控制晶体管M_CTRL的闸极电压。因为控制晶体管M_CTRL的闸极-源极电压被第二偏置电流IB2锁定，控制晶体管M_CTRL的汲极电压基于于控制晶体管M_CTRL的下降的闸极电压而上升。控制晶体管M_CTRL的汲极电压是输出级晶体管M_OUT的闸极电压。输出级晶体管M_OUT基于于输出级晶体管M_OUT的上升的闸极电压而更导通，以从第二电荷泵102抽取更多的负载电流I_LOAD，输出电压V_OUT的电平因而上升。

图2为本申请的电荷泵30的实施例的电路图，其中图1的第一电荷泵100及第二电荷泵102均能以电荷泵30来实施。参照图2，电荷泵30包括电源端32及34、输出端36、开关SW₀、SW₁、SW₂及SW₃，以及电容器C_F及C_H。电源端32接收供应电压V_DD，电源端34接收参考接地电压V_SS，以及输出端36输出电荷泵电压V_PUMP。

当第一电荷泵100以电荷泵30来实施时，电源端32接收供应电压V_DD1，输出端36输出的电荷泵电压V_PUMP是第一电荷泵电压V_PUMP1。当第二电荷泵102以电荷泵30来实施时，电源端32接收供应电压V_DD2，输出端36输出的电荷泵电压V_PUMP是第二电荷泵电压V_PUMP2。

操作时，开关SW₀及SW₁导通，开关SW₂及SW₃不导通。电容器C_F充电至供应电压V_DD。详言之，电容器C_F具有电极V_FD及V_FU。电极V_FD的电压比电极V_FU的电压小，并且电压差为供应电压V_DD。接着，开关SW₀及SW₁不导通，开关SW₂及SW₃导通。电极V_FD的电压由电平为零跳动至电平为供应电压V_DD，据此电极V_FU的电压由电平为供应电压V_DD跳动至电平为两倍的供应电压V_DD。输出端36的电荷泵电压V_PUMP可表示如方程式(2)：

V_PUMP＝2×V_DD (2)

在比较实施例中，直接利用电荷泵30来提供负载电流及电荷泵电压V_PUMP至耦接至输出端36的高压电路，其遇到的问题描述如下。假设电容器C_F及C_H的电容值相等，且均为电容值C。此时，电荷泵电压V_PUMP表示如方程式(3)：

其中，Fs代表开关SW₀、SW₁、SW₂及SW₃的切换频率；以及，I_O代表负载电流。

经比对方程式(2)及(3)，可清楚看出，在有负载电流I_O的情况下，输出端36的电荷泵电压V_PUMP比在没有负载电流I_O情况下的电荷泵电压V_PUMP小。

此外，输出端36的电荷泵电压V_PUMP的纹波电压可表示方程式(4)：

其中V_ripple代表纹波电压。

从方程式(4)可看出，当存在负载电流I_O时，将产生纹波电压V_ripple。此外，综合方程式(3)及(4)，负载电流I_O会同时影响电荷泵电压V_PUMP以及纹波电压V_ripple。当负载电流I_O越大，电荷泵电压V_PUMP越小且纹波电压V_ripple越大，其表示电荷泵30的电荷泵电压V_PUMP失真的情况越严重。如此一来，将导致高压电路无法发挥正常的效能，甚至失能。相较之下，在图1的实施例中，第一电荷泵电压V_PUMP1是受到第一偏置电流IB1的影响，但因为第一偏置电流IB1远小于负载电流I_O，因此图1的第一电荷泵电压V_PUMP1不会像电荷泵电压V_PUMP这样失真。若要解决此问题，根据方程式(4)，可以从切换频率F_S及电容值C来解决。当切换频率F_S越高时，能缓和电荷泵电压V_PUMP失真的情况，但会造成切换损失增加。当电容值C越大时，也能缓和电荷泵电压V_PUMP失真的情况，但这会造成电容器的布局面积的增加。

参回至图1，在图1的实施例中，并不直接利用电荷泵30来提供负载电流及电荷泵电压给高压电路20。在图1的实施例中，是分别利用第一电荷泵100提供输出电压V_OUT以及利用第二电荷泵102提供负载电流I_LOAD。因此，负载电流I_LOAD的大小不会影响输出电压V_OUT的大小及输出电压V_OUT的纹波电压的大小。在电荷泵电压的大小以及电荷泵电压的纹波电压的大小给定的情况下，图1的实施例的切换损失较低，并且布局面积较小。

图3为本申请的升压产生电路40的第二实施例的电路图。参照图3，升压产生电路40类似于图1的升压产生电路10，差别在于，升压产生电路40进一步包括低通滤波器400。低通滤波器400耦接于第一电荷泵100和输出电压锁定电路110之间，用以对第一电荷泵电压V_PUMP1进行滤波处理以提供经滤波第一电荷泵电压V_R至输出电压锁定电路110。受惠于低通滤波器400，经滤波第一电荷泵电压V_R的纹波电压将小于第一电荷泵电压V_PUMP1的纹波电压，进而使得图3的输出电压V_OUT的纹波电压小于图1的输出电压V_OUT的纹波电压。低通滤波器400包括相对于第一电荷泵100串接的电阻器402及电容器404。

图4为本申请的升压产生电路50的第三实施例的电路图。参照图4，升压产生电路50类似于图4的升压产生电路40，差别在于，升压产生电路50包括电流源I3、晶体管M1、M2、M3、M4及M5，其中第一电流源I1包括晶体管M4，以及第二电流源I2包括晶体管M5。

晶体管M1及M2形成电流镜以对与晶体管M1串联的电流源I3提供的偏置电流I_BIAS进行复制，而使晶体管M2输出偏置电流I_BIAS(亦即，第一偏置电流IB1是偏置电流I_BIAS)。类似地，晶体管M1及M4形成电流镜以对与晶体管M1串联的电流源I3提供的偏置电流I_BIAS进行复制，而使晶体管M4输出偏置电流I_BIAS。此外，晶体管M3及M5形成电流镜以对晶体管M2输出的偏置电流I_BIAS进行复制，而使晶体管M5输出偏置电流I_BIAS(亦即，第二偏置电流IB2是偏置电流I_BIAS)。

图5为图4的升压产生电路50的相关电压的波形示意图。参照图5，横轴代表时间，以及纵轴代表电压。由图5可清楚看出，第一电荷泵电压V_PUMP1大于第二电荷泵电压V_PUMP2，并且第一电荷泵V_PUMP1的纹波电压小于第二电荷泵电压V_PUMP2的纹波电压。

此外，经过低通滤波器400进行滤波处理后，经滤波第一电荷泵电压V_R的纹波电压小于第一电荷泵电压V_PUMP1的纹波电压，使得输出电压V_OUT的纹波电压小于第二电荷泵电压V_PUMP2的纹波电压，其中第二电荷泵电压V_PUMP2的纹波电压是负载电流I_LOAD造成的。

在一些实施例中，一种电路包括升压产生电路10/40/50及/或高压电路20。在一些实施例中，一种芯片包括升压产生电路10/40/50及/或高压电路20，举例来说，该芯片可以是不同工艺实现的半导体芯片。

图6为包括本申请的升压产生电路10/40/50的芯片62应用在穿戴设备60的实施例的示意图。参照图6，穿戴设备60包括芯片62。穿戴设备60可为例如手表、项炼或其他任何智能穿戴设备。

上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。