电荷泵技术专利申请趋势分析

储维坤

摘要：为了本文以检索系统中DWPI和CNTXT数据库中已经收录的公开专利数据为基础研究，从专利文献的视角对电荷泵技术的专利发展进行了全面标引和分析，主要针对国内外专利申请状况的趋势和专利重要申请人进行分析，以期从中得到相关的技术发展趋势，以及各阶段专利申请国家分布和主要申请人。

关键词：电荷泵 专利分布 主要申请人

1 电荷泵的简介与分类

1.1 电荷泵简介

目前,电源管理系统设计者在面对由电池供电的移动设备的应用时,面临的最大挑战就是如何满足其低成本、小体积、高电能转换效率、快速响应和多通路电压输出等性能的要求。电荷泵电路由于采用电容器来储存和转换能量，由此具有体积小、效率高等特点，目前广泛应用于便携式设备等电子设备中，并且随着其工艺水平的不断改进和提高，电荷泵电路日趋小型化，其应用也日益广泛。

电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。

虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。

电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。电荷泵是一种利用 “快速”或“泵送”电容（而非电感或变压器）来储能的直流-直流变换器，能使输入电压升高或降低，并且既可以输出正电压也可以输出负电压。其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。

图1 电荷泵电路工作原理图

如上图1所示，电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段，即充电阶段，开关S₁和S₂关闭，而开关S₃和S₄打开，电容C₁充电到输入电压；在第二阶段，即转移阶段，开关S₃和S₄关闭，而S₁和S₂打开。因为电容C₁两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。

1.2 电荷泵分类

电荷泵技术领域下按照电荷泵电路结构的不同，可以分为：Dickson电荷泵、开关型电荷泵、电流型电荷泵等；按照电荷泵输出电压的不同，又可以分为：正电荷泵和负电荷泵；另外，根据电荷泵控制方法的不同，又可分为输出电压控制、输出电流控制或者电气保护控制型电荷泵等。

1.2.1 Dickson电荷泵

Dickson电荷泵是最基础的电荷泵结构。图2中示出了普通型Dickson电荷泵结构，其通常为二极管或MOS管的单串级结构，其中图中的M1、M2……M5可被替换为二极管。在该电荷泵中，时钟脉冲被直接施加到泵电容的时钟输入端，以实现电荷泵的充放电。

图2 普通型Dickson电荷泵结构

1.2.2 开关型电荷泵

开关型电荷泵是一种在Dickson电荷泵结构的基础上的进行了改进和变形的电荷泵。其中，在开关型电荷泵中，对泵电容进行充电的电荷脉冲并不直接施加至泵电容两端，而是通过对开关的控制以实现泵电容的充放电，由此，该泵电容的充电电荷和控制用电荷是相互独立的。

开关型电荷泵主要有三种最基础的类型：

（1）基本正输出开关型电荷泵;

图3 基本正输出开关型电荷泵结构

（2）基本负输出开关型电荷泵：

图4 基本负输出开关型电荷泵结构

以及（3）基本正负输出（三型）开关型电荷泵：

图5 基本正负输出（三型）开关型电荷泵结构

其中在上图中标记为1、2的端口为上述各电荷泵的充电端口，针对泵电容进行充电的电荷由上述标记为1、2两个端口提供，而标记为3、4、5、6的端口分别为上述各电荷泵的输出端口，用以输出具有一定升压比的电压，而标记为7、8的端口为泵电容的两端。上述三种基础性开关型电荷泵的不同点就在于该电荷泵输出端高低电势位置的不同。基本正输出开关型电荷泵能够输出具有2倍升压比的输出电压，基本负输出开关型电荷泵能够输出具有-1倍升压比的输出电压，而基本正负输出（三型）开关型电荷泵能够在该一个电路结构中根据控制的不同输出具有2倍升压比的输出电压或者具有-1倍升压比的输出电压。

1.2.3 电流型电荷泵

电流型电荷泵主要应用于微电子领域，其摒弃了电容，而采用直接控制充放电电流的输出来得到所期望的输出电压。其中电流型电荷泵主要涉及CMOS电荷泵、差分式电荷泵等。在电力领域中电流型电荷泵的应用很少，因此在此对该类电荷泵的仅作简单的阐述。

图6 CMOS电荷泵

图6为一种典型电荷泵。它通过采用电流切换来缩短开关时间以提高速度。电荷泵是通过开关管M1、M2和M3、M4控制电流源对Cp进行充/放电。由于开关各结点存在着电容,因此会有一定的上升/下降时间,使得过窄的脉冲信号可能没有足够时间到达高电平,从而无法打开电荷泵开关,这时电路在Δφ=0附近出现一个大小为φ的死区。又由于电路同时使用NMOS管和PMOS管开关,而空穴的迁移率小,所导致的低电流驱动能力会引起电流失配的问题;同时由于M2、M4是直接开关电流源,当它们关闭时,会向Cp注入/抽取电荷;电流源漏端电容的存在还会产生电荷共享效应。

2 电荷泵的专利申请整体状况

为了研究电荷泵专利技术的发展情况以及专利申请趋势，本文以检索系统中DWPI和CNTXT数据库中已经收录的公开专利数据为基础。从专利文献的视角对电荷泵技术的专利发展进行了全面分析，本章主要对国内外专利申请状况的趋势和专利重要申请人进行分析，以期从中得到相关的技术发展趋势，以及各阶段专利申请国家分布和主要申请人。

2.1 全球范围的专利申请状况

2.1.1发展趋势分析

关于开关电源领域中电荷泵技术，在全球范围内1980年首次出现了专利申请，1999年开始相关专利申请在全球范围内迅速增加。1988年以前，该阶段时间内，涉及电荷泵技术的专利申请量非常少，每年的申请量基本为个数，且各年申请量呈现波动状态，发展速度持续维持在较低水平，未形成规模效应。该阶段的申请人主要分布在美国，可见美国对于电荷泵相关技术的研究较早；而日本也逐渐开始进行相关技术的研究。但从每年的申请量来看，各申请人对于该技术仍处于摸索阶段。

从1987年开始，电荷泵技术得以被企业与研究机构逐步重视，其专利申请量也随之呈现递增和波动的趋势，基本进入一个平稳发展阶段，其每年的专利申请量虽是萌芽期的几倍，但未有大幅突破。该阶段中，更多的国家和政府开始这项技术的研究，如法国、韩国等，其中美国和日本仍是该阶段主要的研究国家。

随着电子设备的普及与应用越来越广泛，电荷泵技术以其低成本、小体积等优点越来越受到业界的关注，1999年以后，该领域的专利申请量明显快速增长，这表明在世界各国政策大力扶持和各大企业的高资金投入研发下，电荷泵技术得到了高速发展。全球范围内，更多的国家投入到该项技术的研究中，其中中国也从2002年开始有了相关专利的申请，相对而言，中国对于该项技术的研究落后于其它国家，如美国、日本等。

2.1.2分布区域分析

从全球专利申请区域分布情况来看，在全球范围内，美国的专利申请量遥遥领先于其他各个国家和地区，占总申请量的35%。屈居第二位的是日本，占总申请量的26%。而中国的专利申请量处于第三位，占总申请量的17%。其后依次为韩国、台湾、德国等，分别占申请量的8%、4%、3%，相对于美国、日本和中国申请量份额较少。

美国、日本在电力电子领域的起步较早，在其电荷泵领域的研究也相对其它国家早，且其申请量也处于领先地位，但随着改革开关的推动，以及中国企业的重视，推动了电荷泵技术的发展。中国对于电荷泵技术研究虽起步晚于美国、日本，但其申请量位于全球专利申请的前三位，在专利申请中占有了较大的份额，可见，中国企业迅速投入到研究热潮中，同时人们也意识到电荷泵技术广阔的发展前景以及专利保护的重要性。

2.1.3主要申请人分析

图7 全球专利申请主要申请人分布

图7示出了全球各申请人在电荷泵技术领域的专利申请量排名。从申请量排名情况来看，申请量靠前的申请人多为公司类申请人，其主要申请人均为规模较大的公司，且大部分为美国、日本企业，这与美国、日本作为电力电子行业申请量大国相适应。主要申请人分布中中国申请人涉及一家，即中国电子信息产业集团有限公司，位于第9位，其原因可能是国内对于电力电子领域的企业较晚，与其它国外大型企业相比，国内企业主要为制造业，在相关领域的研究仍处于落后状态，但随着国内政策的引导以及相关企业的重视，国内申请人数量必然迅速增长。

2.2 中国专利申请状况

本节将从专利申请分布区域、主要申请人分析方面对电荷泵技术的国内专利状况进行分析。

图8 中国申请人地域分布

图8中示出了中国国内申请人地域分布状况，国内关于电荷泵技术的专利申请主要集中在上海、台湾，其申请量分别位于第一、第二位；江苏、广东、北京在电荷泵技术的专利申请量也较多，而四川、陕西、浙江、安徽申请量较少，仅为上海的1/8；重庆、福建、湖北、天津、辽宁等省份也有相关专利申请，但数量极少。

图9 国内专利申请主要申请人分布

图中示出了国内专利申请主要申请人，其中中国电子信息产业集团有限公司为国内专利申请重要申请人，其申请量排名第一；其次为松下电工。在申请量排名前五的申请人中，仅涉及一家中国企业，其余均为跨国企业，可见，国内对于电荷泵技术的研究与国外大公司仍存在较大的差距，国内申请人的申请总量虽高于国外来华申请量，但其申请人分布较为分散，国内企业在电荷泵技术领域的研究仍存在较大的提升空间，但国内产业化程度尚未表现出明显优势，且电荷泵技术研究起步较晚，急需加快技术转化，加强科研机构、个人与公司的联合，实现共赢。从统计的整体申请人的情况来看，中国国内申请人的数量较多，但人均申请量很少，这也是并未能出现申请量较多的国内申请人的原因之一。

结语

通过上述对电荷泵电路专利技术分析可以的发现，我国对于电荷泵电路技术的研究晚于国外，但随着改革开放政策的影响，电子设备的逐步普及，国内研究机构和企业逐渐意识到电荷泵电路的优势，并加大成本开展研究，在国内的申请量明显上升，且近几年在国内的申请量明显高于国外来华申请。但国内申请量虽多，但国内申请人的分布却很广，未有很多大申请量的公司或者研究机构，可见，国内企业或研发机构，对电荷泵技术的研究仍处在摸索阶段，未能在传统或国外成熟技术上获得研发突破，其原因在于国内企业多以制造业为主，研发成本或投入未达到国外企业。而低成本、小体积、超长待机成为现有电子设备的普遍需求，也是现今电力电子设备研发的主要方向，电荷泵电路凭借其低成本、小体积的优势，必将获得更多企业的关注，相关专利技术必将获得高速发展。

参考文献

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