一种支持超低压充电的电荷泵
阅读说明：本技术 一种支持超低压充电的电荷泵 (Charge pump supporting ultra-low voltage charging ) 是由 胡佳俊 韩颖杰 肖哲飞 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明属于电源管理充电技术领域,具体的说是涉及一种支持超低压充电的电荷泵。本发明的目的是使电荷泵四个功率管驱动电源轨保持恒定设计值,不随电池电压变化而变。本发明提出一种支持低压工作的驱动设计,可以实现不管电池电压处在什么电平状态,四路功率管驱动电压保持恒定设计值,同时可以保持较高的电源转换效率。(The invention belongs to the technical field of power supply management charging, and particularly relates to a charge pump supporting ultra-low voltage charging. The invention aims to keep the driving power supply rails of four power tubes of a charge pump at a constant design value and not to change along with the voltage change of a battery. The invention provides a driving design supporting low-voltage operation, which can realize that the driving voltage of a four-way power tube keeps a constant design value no matter what level state the battery voltage is in, and can keep higher power conversion efficiency at the same time.)
技术领域
本发明属于电源管理充电技术领域，具体的说是涉及一种支持超低压充电的电荷泵。
背景技术
基于2S电池组合的充放电拓扑架构如图1所示，适配器输出电源VAC经过一个降压电感式DC-DC给系统电源VSYS供电，同时通过BATFET开关和1：2电荷泵给电池组充电，BATFET开关可以起到调节充电电流作用。当适配器VAC不在位时，电池组进入放电模式，BATFET选择配置直通模式，电池电压经过2：1降压后给系统电源VSYS供电。
电荷泵在正常工作条件下V1X和V2X需要保持两倍变压比关系，当电池处于死电池状态下，V2X电压通常会低至3V左右，极限场景下可能会出现低于2V的电平状态。
通常电荷泵的驱动设计采用从高压侧V2X取电的方法，每个功率开关的驱动电源轨设计成二分之一V2X电压，以此达到降低驱动损耗和提高系统转换效率的目的。但是这种方案的缺陷在于，当电池电压V2X低于4V场景下，驱动电压的电源轨会同步低于2V，驱动逻辑可能会出现无法正常工作的问题
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种支持低压充电的电荷泵驱动设计：四个功率管驱动电源轨保持恒定设计值，不随电池电压变化而变。
针对上述问题，本发明的技术方案是：
一种支持超低压充电的电荷泵，包括源漏端依次连接的第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管，其中第一功率管Q1的漏极为电荷泵的高侧电压输出端输出电压为V2X，第二功率管源极与第三功率管漏极的连接点为电荷泵的低侧电压输出端输出电压为V1X；还包括辅助电源、高端驱动电路、低端驱动电路、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第一开关、第二开关、第一自举电容和第二自举电容，辅助电源的输出接高端驱动电路和低端驱动电路的输入端；高端驱动电路的输出端分别接第一开关的一端和第二驱动器的电源端，第一开关的另一端接第一自举电容的一端和第一驱动器的电源端；第一自举电容的另一端接第一驱动器的地端和第一功率管的源极，第一驱动器的输出端接第一功率管的栅极；第二驱动器的输出端接第二功率管的栅极，第二驱动器的地端接高端驱动电路的地端和第二功率管的源极；低端驱动电路的输出端分别接第二开关的一端和第四驱动器的电源端，第二开关的另一端接第二自举电容的一端和第三驱动器的电源端；第二自举电容的另一端接第三驱动器的地端和第三功率管的源极，第三驱动器的输出端接第三功率管的栅极；第四驱动器的输出端接第四功率管的栅极，第四驱动器的地端接低端驱动电路的地端和第四功率管的源极，第四功率管的源极接地；
其中，高端驱动电路为第一功率管和第二功率管提供相对V1X的驱动电压；高端驱动电路包括第一跨阻放大器、可变时钟电路、内部升压电荷泵、第一可变电阻、第一电容、第一电流源、第二电流源、第一开关管、第一稳压二极管和第一钳位电路；其中，第一跨阻放大器的同相输入端接第一电流源的输入端和第一可变电阻的一端，第一跨阻放大器的反相输入端接V1X和第一电容的一端，第一跨阻放大器的输出接可变时钟电路的输入端，第一电流源的输出端接地；可变时钟电路的输出端接内部升压电荷泵的输入端，内部升压电荷泵的输出端接第一可变电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电流源的输入端和第一开关管的漏极；第二电流源的输出端接第一稳压二极管的负极和第一开关管的栅极；第一开光管的源极接钳位电路的一端，钳位电路的另一端和第一稳压二极管的正极接V1X；
低端驱动电路为第三功率管和第四功率管提供相对于功率地的驱动电压；低端驱动电路包括第二跨阻放大器、可变时钟电路、内部升压电荷泵、第二可变电阻、第二电容、第三电流源、第四电流源、第二开关管、第二稳压二极管和第二钳位电路；其中，第一跨阻放大器的同相输入端接第三电流源的输入端和第二可变电阻的一端，第一跨阻放大器的反相输入端接功率地，第一跨阻放大器的输出接可变时钟电路的输入端，第三电流源的输出端接地；可变时钟电路的输出端接内部升压电荷泵的输入端，内部升压电荷泵的输出端接第一可变电阻的另一端、第二电容的一端、第四电流源的输入端和第二开关管的漏极；第四电流源的输出端接第一稳压二极管的负极和第一开关管的栅极；第一开关管的源极接钳位电路的一端，第二电容的另一端、钳位电路的另一端和第一稳压二极管的正极接功率地；
高端驱动电路和低端驱动电路的输出电压为恒定值；辅助电源的输入为V1X、V2X和系统电源，规则为根据设定的阈值电压，当电池电压高于阈值电压时辅助电源的输入为V2X，当电池电压低于阈值电压时辅助电源的输入为系统电源，当电池电压高于阈值电压且电荷泵正常工作时，辅助电源的输入为V1X。
本发明的方案中，高端驱动电路提供相对V1X的驱动电平，主要为功率管Q1和Q2提供驱动电压，驱动电平可以由电阻和电流源的乘积产生，经过驱动开关和钳位电路后输出到驱动电路；驱动电平信号产生电路主要由跨阻放大器，内部升压电荷泵，可变时钟组成；跨阻放大器可以实现将参考信号V1X和调制的目标驱动电平差模放大后输出电流调制时钟频率，通过改变时钟频率可以调节内部升压电荷泵的驱动电平大小，进而达到通过电压反馈控制方法来调制驱动电平的目的。Q1驱动电源由Q2驱动电源、一个自举电容、一个自举控制开关产生，在Q2&Q4导通，Q1&Q3关闭相位，自举控制开关打开，Q2驱动电源对自举电容充电；在Q1&Q3导通，Q2&Q4关闭相位，自举开关断开，自举电容对Q1驱动电路放电；自举电容充放电调节稳定后，Q1驱动电平可以实现和Q2驱动电平基本一致。
低端驱动电路提供相对功率地的驱动电平，为功率管Q3和Q4提供驱动电压，驱动电平由跨阻放大器，内部升压电荷泵，可变时钟组成；跨阻放大器可以实现将参考功率地和调制的目标驱动电平差模放大后输出电流调制时钟频率，通过改变时钟频率可以调节内部升压电荷泵的驱动电平大小，进而达到通过电压反馈控制方法来调制驱动电平的目的。Q3驱动电源由Q4驱动电源、一个自举电容、一个自举控制开关产生，在Q2&Q4导通，Q1&Q3关闭相位，自举控制开关打开，Q4驱动电源对自举电容充电；在Q1&Q3导通，Q2&Q4关闭相位，自举开关断开，自举电容对Q3驱动电路放电；自举电容充放电调节稳定后，Q3驱动电平可以实现和Q4驱动电平基本一致。
其中，内部升压电荷泵，可以由两级倍压电荷泵级联组成，输入电平可以是Q2或者Q4驱动电源的参考地，时钟逻辑可以选择由内部电源VAUX供电。可变调节时钟，可以由一组电流源，一个采样电容，一个基准电压和一个电压比较器组成，跨阻放大器输出电流可以对时钟电流源进行调节。
本发明的有益效果是：本发明提出一种支持低压工作的驱动设计，可以实现不管电池电压处在什么电平状态，四路功率管驱动电压保持恒定设计值，同时可以保持较高的电源转换效率。
附图说明
图1为2S电池充放电拓扑原理图；
图2为低压驱动结构示意图；
图3为功率管Q2驱动电路实现；
图4为X3 CP电路实现；
图5为可调时钟电路实现；
图6为Q4驱动电路实现；
图7中，(a)Q1驱动实现；(b)Q3驱动实现。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明提出的低压驱动方案设计如图2所示，组件HVDD_REG提供功率管Q2的驱动电源HVDD，辅助电源VAUX提供时钟供电，HVDD_REG的驱动电源轨HVDD-V1X保持恒定设计值；Q1驱动采用自举开关设计，功率管Q1关断时，开关SW_H导通，HVDD电源对自举电容CBSTH充电，功率管Q1导通时，开关SW_H断开，自举电容对Q1驱动电路放电，Q1驱动的电源轨可以实现HVDD-V1X的设计值；组件LVDD_REG提供功率管Q4的驱动电源AVDD，辅助电源VAUX提供时钟供电，Q4的驱动电压AVDD保持恒定设计值；Q3驱动采用自举开关设计，功率管Q3关断时，开关SW_L导通，驱动电源AVDD对自举电容CBSTL充电，功率管Q3导通时，开关SW_L关闭，自举电容CBSTL对Q3驱动电路放电，Q3驱动的电源轨可以实现保持恒定设计值AVDD。组件PWR_SEL输出提供辅助电源VAUX，当电池电压高于某设计阈值时VAUX从V2X取电，当电池电压低于设计阈值时VAUX从系统电源VSYS取电，进一步地，当电池电压足够高且电荷泵处于正常工作状态下，VAUX还可以从V1X取电以达到进一步提高效率的目的。
Q2驱动电路(高端驱动电路)实现如图3所示，主要构成组件：运算跨阻放大器AMP，输出电流可以表征为差分输入电压除以内部恒定阻抗；频率可调时钟CLK，时钟频率受运算跨阻放大器输出电流调制；三倍升压电荷泵，将输入电压V1X升压至最高V1X+2*VAUX电平附近；闭环驱动电路调制原理：运算跨阻放大器，时钟电路和X3电荷泵组合电路可以产生内部驱动电源VGEN_H，
VGEN_H＝V1X+RH*ISINK_H
由上述公式描述可以发现，Q2驱动电压可以通过调节电阻RH或者电流源ISINK_H来简单实现，组件VZ和clamp可以起到保护驱动电源的目的。
X3 CP电路实现如图4所示，M1～M4组成第一级电荷泵，PHASE1相位：CLKP1低电平，CLKP2高电平，M2&M3导通，M1&M4关闭，VI对电容CF2充电，电容CF1对VM放电；PHASE2相位：CLKP1高电平，CLKP2低电平，M1&M4导通，M2&M3关闭，VI对电容CF1充电，电容CF2对VM放电，时钟信号CLKP1和CLKP2由辅助电源VAUX供电，且保持两相互斥逻辑，调节稳定后输出电压VM可以表征为近乎等于VI+VAUX，第二级电荷泵实现原理和第一级完全一致，最终输出电压VO可以表示为VI+2VAUX。
图5为可调时钟电路实现，时钟clk频率可以表征为，
Fs＝(IB-IDIFF)/(CS*VREF)
当驱动电压VGEN_H电压低于V1X+RH*ISINK_H时，输出电流IDIFF减小，时钟clk频率升高，电荷泵X3 CP供电能力提高，电压VGEN_H升高，通过环路反馈调制最终可以实现将电压VGEN_H调节到V1X+RH*ISINK_H附近。
Q4驱动电路(低端驱动电路)实现如图6所示，实现原理和Q2驱动相类似，可以实现将驱动电压VGEN_L调制到RH*ISINK_L附近。
Q1驱动电路如图7(a)所示，Q1&Q3关闭，Q2&Q4导通，CFP电压等于V1X电压，开关SW_H开启，HVDD对自举电容CBSTH充电；Q2&Q4关闭，Q1&Q3导通，自举电容CBSTH对Q1驱动电路放电，最终可以实现Q1驱动电源轨电压BSTP-CFP近乎等于RH*ISINK_H；Q3驱动实现原理和Q1驱动实现基本一致，可以实现Q3电源轨电压BSTN-CFN近乎等于RH*ISINK_L。
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