电荷泵轻载降频电路发明专利解析

南芯半导体的电荷泵轻载降频电路发明专利，提供了一种基于电压差控制的电荷泵轻载降频电路，解决了现有电荷泵电路在无法通过功率管来检测电流的前提下，提高电荷泵电路轻载时的转换效率的问题。

南芯半导体作为国内领先的模拟芯片设计公司，专注于与锂电池相关的充电、保护以及电源管理领域，芯片年出货量达到上亿颗。据了解，南芯于2019年在以升降压和电荷泵为代表的新一代高效率电源管理方案方面取得了突破性进展，其推出的国内首款电荷泵充电器，打破超级快充的国外垄断，并获得诸多手机大客户的认可。

在电路设计领域，电荷泵作为利用电容存储能量的开关变换器，使得电容在供电和放电状态之间切换，从而提升或降低供电电压。同时电荷泵作为一种DCDC直流变换器，其转换效率非常重要，如何确保电荷泵在各种极端情况下（电源跳变/负载跳变/电容开短路/输入输出短地）安全可靠的工作也是当前的一大难题。

为此，南芯半导体于2019年12月30日提出一项名为“一种基于电压差控制的电荷泵的轻载降频电路”（申请号：201911392606.3）的发明专利，申请人为上海南芯半导体科技有限公司。

该发明专利提出的这种电路结构包括与PFM模式检测电路、PFM模式时钟产生电路，PWM模式检测电路以及触发电路和逻辑控制电路。在重载时，电荷泵工作在PWM模式，以固定的较高的开关频率工作，在轻载时，电荷泵工作在PFM模式，开关频率与负载大小正相关。

图1 PFM模式检测电路原理图

参考图1，PFM模式检测电路包括与电荷泵电路的OUT端口相连的电阻R1、比较器cmp、电容C1、电阻R2、基准电压源VTH_ENTER_PFM等结构，其中与门A1的输出端与触发电路相连。

图2 PWM模式检测电路原理图

参考图2，PWM模式检测电路包括基准电压源2*VREF和VREF，开关S1和S2，比较器cmp3的正极输入端与开关S2的自由端相连、负极输入端与VREF的正极相连，与门A3输入端与比较器cmp3输出端相连、另一个输入端与反相器相连，输出端与触发电路相连。

逻辑电路默认电荷泵工作在PWM模式，当负载变为轻载后，由PFM模式检测电路直接利用（PMID/2-OUT）的压差与负载电流近似成正比的关系，来判断电荷泵何时需要进入PFM模式。

当电荷泵工作在PFM模式中，如果负载电流变大，需要退出PFM模式进入PWM模式。如果PFM的时钟频率维持在高频率一段时间，就认为负载电流足够大，需进入PWM模式工作，即进入模式切换。

除了在正常的应用条件下能够工作，电荷泵还需在极端情况下进行自我保护。常见的极端情况为电容开短路和输入输出短地，会造成（PMID/2-OUT）的绝对值很大，因此可通过监测该数值判断异常的工作条件，从而快速关断功率管，保证芯片的安全可靠。

简而言之，南芯半导体的这项电荷泵轻载降频电路发明专利，提供了一种基于电压差控制的电荷泵轻载降频电路，解决了现有电荷泵电路在无法通过功率管来检测电流的前提下，提高电荷泵电路轻载时的转换效率的问题。

南芯半导体在以电荷泵为代表的新一代高效率电源管理方案上具备强大的技术实力，相信在未来几年，公司能够持续围绕电池充放电领域做深耕，不断扩充产品线，提供更稳定、高效、优质的国产解决方案。

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