CN100574068C - 电荷泵 - Google Patents

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CN100574068C CNB2006101288948A CN200610128894A CN100574068C CN 100574068 C CN100574068 C CN 100574068C CN B2006101288948 A CNB2006101288948 A CN B2006101288948A CN 200610128894 A CN200610128894 A CN 200610128894A CN 100574068 C CN100574068 C CN 100574068C
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Abstract

一电荷泵，包括多个相串联的子电荷泵，每一子电荷泵包括充电开关模块，其根据充电时钟信号而导通或切断以及电容，连接于该子电荷泵以及参考时钟信号之间。该电荷泵还包括至少一额外开关模块，耦合至所述子电荷泵当中的参考时钟提供子电荷泵与参考时钟接收子电荷泵，用以根据额外时钟信号以提供该参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟信号。

Description

电荷泵
技术领域
本发明是有关于可用于平面显示器(Panel Displays)的电荷泵。
背景技术
图1是传统三级(X4)电荷泵100。如图所示，四个PMOS晶体管MP1至MP3及MPOUT是相串接，每一晶体管分别连接至电容C1至C3及COUT的一端，并且每一晶体管是分别由电平转换器LS1至LS3及LSOUT控制。电容C1至C3及COUT的另一端是分别连接至时钟信号CLK1、XCLK1、CLK1以及参考电压VSS，其中时钟信号CLK1与XCLK1振幅相同但相位相反。时钟信号CLK1亦送进第一及第三电平转换器LS1及LS3的第一输入端，以及送进第二及第四电平转换器LS2及LS4的第二输入端。类似地，时钟信号XCLK1是送进第二及第四电平转换器LS2及LS4的第一输入端，以及送进第一及第三电平转换器LS1及LS3的第二输入端。电荷泵100通过第一PMOS晶体管MP1来接收电平为VCC的输入电压VIN，并通过第四PMOS晶体管MPOUT来输出输出电压VOUT。输出电压亦作为电平转换器LS1至LS3及LSOUT的电压源。典型上，CLK1及XCLK1的电平是等于VIN的电平。
图2是图1的电荷泵的时钟信号CLK1及XCLK1，以及节点P1至P3及POUT分别的电压V1至V3及VOUT的时序图，用以说明电荷泵100的操作原理。首先，每一电平转换器LS1至LSOUT的电压源，即节点POUT的电压VOUT是浮动。然而，即使在电压源浮动下，当时钟信号CLK1为低电平(0)而XCLK1为高电平(VCC)时，第一电平转换器LS1会输出低电平(0)，而使第一PMOS晶体管导通，从而使输入电压VIN对第一电容C1充电。因此，节点P1的电压V1充电至VCC。
接下来，时钟信号CLK1转为高电平(VCC)而时钟信号XCLK1转为低电平(0)。第一电平转换器LS1会因电压源浮动而输出浮动电压，而同时第二电平转换器LS2会输出低电平(0)而使第二PMOS晶体管MP2导通，从而使节点P1的电压V1对第二电容C2充电。由于时钟信号CLK1增加了1个VCC，因此节点P1的电压V1会由VCC拉高至将近2VCC。以下将说明，当输出电压VOUT增加时，电压源会将第一PMOS晶体管MP1切断，因而电压V1及V2都会充电至2VCC。
接下来，时钟信号CLK1转为低电平(0)而时钟信号XCLK1转为高电平(VCC)。第一电平转换器LS1因而使第一PMOS晶体管MP1导通，并且输入电压VIN再度将第一电容C1充电而使得电压V1拉低至VCC。同样地，在电压源浮动下，第二电平转换器LS2输出浮动电压，同时第三电平转换器LS3输出低电平(0)而使第三PMOS晶体管MP3导通，因而使得节点P2的电压V2对第三电容C3充电。由于时钟信号XCLK1增加了1个VCC，因此节点P2的电压V2会由2VCC拉高至将近3VCC，这亦将节点P3的电压V3充电至将近3VCC。以下将说明，当输出电压VOUT增加时，电压源会将第二PMOS晶体管MP2切断，因而电压V2及V3都会充电至3VCC。
接下来，时钟信号CLK1转回高电平(VCC)而时钟信号XCLK1转回低电平(0)。第一及第二电平转换器LS1及LS2因而分别使第一及第二PMOS晶体管MP1及MP2导通，从而使得电压V1及V2再拉高回2VCC。同样地，在电压源浮动下，第三电平转换器LS3输出浮动电压，同时第四电平转换器LS4输出低电平(0)而使第四PMOS晶体管MP4导通，因而使得节点P3的电压V3对第四电容COUT充电。由于时钟信号CLK1增加了1个VCC，因此节点P3的电压V3会由3VCC拉高至将近4VCC，这亦将节点P4的电压V4充电至将近4VCC。以下将说明，当输出电压VOUT增加时，电压源会将第三PMOS晶体管MP3切断，因而电压V3及V4都会充电至4VCC。
接下来，时钟信号CLK1转回低电平(0)而时钟信号XCLK1转回高电平(VCC)。类似的过程在这三级电荷泵中进行而不再赘述。当中差异仅在于节点POUT的电压VOUT不再增加而维持于4VCC，原因是电容COUT是连接至参考电压VSS而非连接至时钟信号。这意味着，电容COUT及电平转换器LSOUT是供交流至直流转换用，而非如电容C1至C3及电平转换器LS1至LS3般作为电荷泵用。如图2所示，当电压VOUT增加时，电平转换器LS1至LS3及LSOUT能够正常运作，因而能分别使PMOS晶体管P1至P3及POUT导通，从而能够产生更稳定的电压V1至V3及VOUT。
在电荷泵100中，每一级电路是将电压增加一个VCC。因此，若欲将振幅为VCC的输入电压VIN转换成振幅为4CC的电压VOUT，则需要三个之多的电容C1至C3以供电荷泵的用途以及一个电容COUT以供最后阶段的交流至直流转换之用。对小电流电路而言，能够轻易地将电容C1至C3及COUT整合至玻璃上。然而，在高操作电流(譬如高于0.2mA)下，整合电容C1至C3及COUT却相当困难。此外，外部连接的电荷泵电容会占据柔性印刷电路板(FlexiblePrinted Circuit)额外的脚位，现今高度发展的薄膜覆晶(Chip on Glass；COG)尤其如此。
发明内容
电荷泵的一实施例中包括多个相串联的子电荷泵，以及至少一额外开关模块。每一该子电荷泵具有输入端、输出端以及参考时钟端。除了第一个子电荷泵以外，每一个子电荷泵的输入端皆与前一相邻的子电荷泵的输出端相连。第一子电荷泵的输入端是作为该电荷泵的输入端以接收输入电压。该每一子电荷泵包括充电开关模块耦合于该子电荷泵的该输入端与该输出端之间，根据充电时钟信号而导通或切断，以及电容，连接于该子电荷泵的该输出端与该参考时钟端之间，经由该参考时钟端以接收参考时钟信号。该额外开关模块是耦合至所述子电荷泵当中的参考时钟提供子电荷泵的该输出端与参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟端，其中该参考时钟提供子电荷泵并非所述子电荷泵的最后一个子电荷泵。该额外开关模块用以提供该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的高电平以作为该参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟信号的高电平。
电荷泵的另一实施例包括相串联的第一、第二及第三PMOS晶体管，第一、第二及第三电平转换器，以及额外电平转换器。每一该电平转换器连接于该电荷泵的输出端及参考电压之间，分别接收第一、第二及第三时钟信号，用以分别控制该第一、第二及第三PMOS晶体管。该第一电容具有第一端连接至该第一时钟信号与第二端连接至该第一及第二PMOS晶体管之间。该第二电容具有第二端连接至该第二及第三PMOS晶体管之间。该第三电容具有第一端连接至该参考电压与第二端连接至该电荷泵的该输出端。该额外电平转换器是连接于该第一电容的该第二端与该参考电压之间，接收相位与该第三时钟信号相反的第三反相时钟信号，用以控制该第二电容的第一端的电压。
电荷泵的更另一实施例包括第一、第二、第三子电荷泵、以及开关模块。该第一子电荷泵具有第一输入端，用以接收输入电压以作为该电荷泵的输入端。该第二子电荷泵具有第二输入端、第二参考时钟端以及第二输出端，其中该第二输入端是与该第一输出端相串接。该第三子电荷泵具有第三输入端、第三参考时钟端以及第三输出端，其中该第三输入端是与该第二输出端相串接。该开关模块是耦合至该第二输出端与该第三参考时钟端，用以提供该第二输出端的电压为该第三子电荷泵的参考时钟信号。
由于额外开关模块的设置，故而本发明的电荷泵可具有较少的电容、提供较高的电源效率，以及减少COG型面板设计所需的脚位及成本。
附图说明
图1是传统三级电荷泵；
图2是图1的电荷泵的代表时钟信号及电压的时序图；
图3是本发明所提供的N级电荷泵(N＞1)的方块架构图的一实施例；
图4A及图4B是分别显示本发明的二级电荷泵的范例实施例的方块架构图与电路图；
图5是图4B的电荷泵的代表时钟信号及电压的时序图；
图6是比较图1的电荷泵与图4B的电荷泵于不同负载电流下的输出电压；
图7是比较图1的电荷泵与图4B的电荷泵于不同负载电流下的电源效率；
图8是本发明所提供的N级电荷泵的方块架构图的另一实施例，是图4B的电荷泵的延伸型式；
图9是本发明所提供的三级电荷泵的方块架构图的另一实施例，是图4B的电荷泵的延伸型式；
图10是图9的电荷泵的代表时钟信号及电压的时序图；
图11是本发明所提供的N级电荷泵的方块架构图的另一实施例，是图9的电荷泵的延伸型式；
图12是本发明所提供的三级电荷泵的方块架构图的另一实施例，是图4B的电荷泵的延伸型式；
图13是图12的电荷泵的代表时钟信号及电压的时序图；以及
图14是本发明所提供的N级电荷泵的方块架构图的另一实施例，是图12的电荷泵的延伸型式。
[主要元件标号说明]
100～电荷泵                        300～电荷泵
400、400’～电荷泵                 800～电荷泵
900～电荷泵                        1100～电荷泵
1200～电荷泵                       1400～电荷泵
C1-CN、CX、CY、COUT～电容          CLK1-CLKN、CLKX、CLKY、
                                   CLKN～时钟信号
CLKA～额外时钟信号                 CLKOUT～输出充电时钟信号
LS1-LS3～电平转换器                MOUT～输出模块
P1-PN、PX、PY、POUT～节点          RCLK1-RCLK3、RCLKX、RCLKY、
                                   RCLKN～参考时钟信号
V1、V2、V3、VOUT～节点P1-P3、      VIN～输入电压
POUT的电压
VOUT～输出电压                     XCLK1-XCLK3～CLK1-CLK3
                                   的反相信号
具体实施方式
图3是本发明所提供的N级电荷泵(N为大于1的整数)的方块架构图的一实施例。如图所示，多个子电荷泵SCP1至SCPN以及一输出模块MOUT是相串联。每一子电荷泵SCP1至SCPN分别包括充电开关模块SWM1至SWMN分别连接至电容C1至CN，其中每一充电开关模块的导通或切断是由充电时钟信号CLK1至CLKN控制。类似地，输出模块MOUT包括输出充电开观摩组SWMOUT连接至电容COUT，其中该输出充电开观摩组SWMOUT的导通或关闭是由输出充电时钟信号CLKOUT来控制。每一电容C1至CN具有第一端P1至PN分别作为子电荷泵SCP1至SCPN的输出端而分别连接至下一子电荷泵SCP2至SCPN及输出模块MOUT，以及具有第二端分别连接至参考时钟信号RCLK1至RCLKN。电容COUT具有第一端作为电荷泵300的输出端POUT，以及具有第二端连接至参考电压VSS。额外开关模块SWMA是耦合于参考时钟提供子电荷泵SCPX(1≤X＜N)以及该参考电压VSS，并且具有输出节点耦合至参考时钟接收子电荷泵SCPY的电容CY的第二端，其中该参考时钟接收子电荷泵SCPY是位于该参考时钟提供子电荷泵SCPX的后面(2≤Y≤N且X＜Y)。该额外开关模块SWMA是由额外时钟信号CLKA来加以控制，以控制是否提供该参考时钟提供子电荷泵SCPX的输出节点PX的电平或是提供该参考电压VSS来作为该参考时钟接收子电荷泵SCPY的参考时钟RCLKY。电荷泵300是经由第一充电开关模块SWM1来接收直流电压VIN，并经由电容COUT的第一端来输出另一高于VIN的直流电压VOUT。典型上，输入电压VIN的振幅，每一参考时钟RCLK至RCLKN的振幅，每一充电时钟信号CLK1至CLKKN的振幅，以及额外时钟信号CLKA的振幅，是皆等于VCC。
为了能够正常运作以将电压VIN转换为另一振幅高于VOUT，有种种不同方法来设定参考时钟RCLK至RCLKN、充电时钟信号CLK1至CLKKN，以及额外时钟信号CLKA的时序。然而，这些种种不同设定时序的方法可以归纳为四个简单规则。第一及第二规则处理同一个子电荷泵SCPZ内(1≤Z≤N)参考时钟信号RCLKZ与充电时钟信号CLKZ间的时序关系。第三规则处理任一子电荷泵SCPZ(1≤Z≤N)的参考时钟信号RCLKZ与下一相邻的子电荷泵SCPW(W＝Z+1)的充电时钟信号CLKW或输出模块MOUT的输出充电时钟信号CLKOUT间的时钟关系。第四规则处理额外时钟信号CLKA与该参考时钟提供子电荷泵SCPX的参考时钟信号RCLKX间的时序关系。
现描述第一规则。对任一子电荷泵SCPZ(1≤Z≤N)而言，当其参考时钟信号RCLZ处于低电平时，存在着一周期的期间内该充电时钟信号CLKZ使充电开关模块SWMZ导通。如此一来，电容CZ的第一端的电压可利用通过电荷开关模块SWMZ而接收的电压来予以充电。
现描述第二规则。对任一子电荷泵SCPZ(1≤Z≤N)而言，当其参考时钟信号RCLZ处于高电平时，充电时钟信号CLKZ使得充电开关模块SWMZ切断。如此一来，电容SCPZ所储存的电荷不会经由充电开关模块SWMZ而漏电，并且电容SCPZ的第一端的电压可以随参考时钟信号RCLKZ的增加而提高。
现描述第三规则。对任一子电荷泵SCPZ(1≤Z＜N)而言，当其参考时钟信号RCLZ处于高电平时，存在着一周期的期间内，下一相邻的子电荷泵SCPW(W＝Z+1)的充电时钟信号CLKW使得充电开关模块SWMW导通。对最后一级的电荷泵而言(Z＝N)，当其参考时钟信号RCLN处于高电平时，存在着一周期的期间内，输出模块MOUT使得输出充电开关模块SWMOUT导通。如此一来，每一子电荷泵SCP1至SCPN的输出电压可以分别传送至下一相邻的子电荷泵SCP2至SCPN及输出模块MOUT。
现描述第四规则。当参考时钟信号RCLKX处于高电平时，存在着一周期的期间内，额外时钟信号CLKA驱动额外开关模块SWMA以输出该参考时钟提供子电荷泵SCPX的输出节点PX的电平VX。反之，当参考时钟信号RCLKX处于低电平时，额外时钟信号CLKA驱动额外开关模块SWMA以输出参考电压VSS。如此一来，参考时钟接收子电荷泵SCPY的参考时钟RCLKY的高电平及低电平则分别为节点PX的高电平以及参考电压VSS。
由于参考时钟信号RCLY是由额外开关模块SWMA来供应，因此输出节点PY的电压增加量即为子电荷泵SCPX的输出节点PY的电压，而此电压增加量乃大于图1及图2所示的VCC。结果，可使用较少的电容数即可得到相同振幅的输出电压VOUT。须注意到，可设置一个以上的额外开关模块以符合不同的设计需求。
图4A是图3的电荷泵的一范例性实施例的二(N＝2)级X2(X2)电荷泵的方块架构图。如图4A所示，二级电荷泵400包括第一电荷泵SCP1，其包括第一充电开关模块SWM1连接至第一电容C1的第一端，第二电荷泵SCP2，其包括第二充电开关模块SWM2连接至第一电容C2的第一端，输出模块MOUT，其包括输出充电开关模块SWMOUT连接至输出电容COUT的第一端，以及额外开关模块SWMA，其连接于第一电容C1的第一端与第二电容C2的第二端之间。电容C1及COUT的第二端则分别接收第一参考时钟信号CLK1及参考电压VSS。充电开关模块SWM1至SWM2以及输出充电开关模块SWMOUT是分别由充电时钟信号CLK1至CLK2以及输出充电时钟信号CLKOUT来控制。额外开关模块SWMA则由额外时钟信号CLKA来控制。
图4B是显示图4A的详细电路图。图5是显示图4A内CLK1至CLK2、CLKOUT、CLKA以及RCLK1的时序图。参考图4B，于电荷泵400’中，第一充电开关模块SWM1包括第一开关，如第一PMOS晶体管MP1，其由第一子开关模块，如第一电平转换器LS1来控制；第二充电开关模块SWM2包括第二开关，如第二PMOS晶体管MP2，其由第二子开关模块，如第二电平转换器LS2来控制；输出充电开关模块SWMOUT包括输出开关，如输出PMOS晶体管MPOUT，其由输出子开关模块，如输出电平转换器LSOUT来控制。每一电平转换器LS1至LS2及LSOUT是皆连接于电荷泵400的输出节点PUT与参考电压VSS之间。额外开关模块SWMA包括额外电平转换器LSA，其连接于第一子电荷泵SCP1的输出节点P1与参考电压VSS之间，并且具有输出端连接于第二电容C2的第二节点。注意到第一及第二开关亦可使用NMOS晶体管来达成。
在图4B的实施例中，第一电平转换器LS1接收第一时钟信号CLK1与第一反相时钟信号XCLK1。类似地，第二电平转换器LS2接收第二时钟信号CLK2与第二反相时钟信号XCLK2。类似地，输出电平转换器LSOUT接收第三时钟信号CLK3与第三反相时钟信号XCLK3。第一至第三反相时钟信号XCLK1至XCLK3是分别与第一至第三时钟信号CLK1至CLK3具有相同的振幅而相反的相位。额外电平转换器LSA接收第三反相时钟信号XCLK3与第三时钟信号CLK3。第一时钟信号CLK1亦作为第一参考时钟信号RCLK1以输入至第一电容C1的第二端。等效而言，时钟信号CLK1至CLK3别作为子电荷泵SCP1至SCP3的充电时钟信号，以及CXLK3是作为额外充电时钟信号。须注意，电平转换器LS1至LSOUT可具有单一输入端而非双输入端。
图5是时钟信号CLK1至CLK3，以及节点P1、P2及PUT分别所具的电压V1、V2及VOUT的时序图，用以说明第4图的电荷泵400’的操作原理。如图所示，于第一充电时钟信号CLK1位于低电平的周期TL期间，第二及第三充电时钟信号CLK2及CLK3是位于高电平。而于第一充电时钟信号CLK1位于高电平的周期TH期间，存在一周期T1的期间第二充电时钟信号CLK2位于低电平而第三充电时钟信号CLK3位于高电平，以及存在另一周期T2的期间第二充电时钟信号CLK2位于高电平而第三充电时钟信号CLK3位于低电平。
首先，于周期TL内，电平转换器LS1至LSOUT的电压源，即节点POUT的电压VOUT是浮动。然而，即使在电压源浮动下，当第一时钟信号CLK1为低电平(0)而第二时钟信号CLK2及第三时钟信号CLK3皆为高电平(VCC)时，第一电平转换器LS1会输出低电平(0)，而使第一PMOS晶体管导通，从而使输入电压VIN对第一电容C1充电。因此，节点P1的电压V1充电至VCC。
接下来，于周期T1内，第一时钟信号CLK1转为高电平(VCC)，第二时钟信号CLK2转为低电平(0)，以及第三时钟信号CLK3维持为高电平。第一电平转换器LS1会因电压源浮动而输出浮动电压，而同时第二电平转换器LS2会输出低电平(0)而使第二PMOS晶体管MP2导通，从而使节点P1的电压V1对第二电容C2充电。由于时钟信号CLK1增加了1个VCC，因此节点P1的电压V1会由VCC拉高至将近2VCC。以下将说明，当输出电压VOUT增加时，电压源会将第一PMOS晶体管MP1切断，因而电压V1及VOUT都会充电至2VCC。
接下来，于周期T2内，第一时钟信号CLK1维持为高电平，第二时钟信号CLK2转为高电平，而第三时钟信号CLK3转为低电平。高电平的第一时钟信号CLK1使得电压V1维持为将近2VCC。类似地，在电压源浮动下，第二电平转换器LS2输出浮动电压，同时第三电平转换器LS3输出低电平(0)而使第三PMOS晶体管MP3导通，因而使得节点P2的电压V2对第三电容C3充电。同时间，第三时钟信号CLK3，目前位于低电平，会使额外开关模块SWMA输出电压V2(目前大小为2VCC)以作为第二参考时钟信号RCLK2。由于第二参考时钟信号RCLK2目前将近2VCC，因此节点P2的电压V2会由2VCC拉高至将近4VCC，这亦将节点POUT的电压VOUT充电至将近4VCC。以下将说明，当输出电压VOUT增加时，电压源会将第二PMOS晶体管MP2切断，因而电压V2及VOUT都会充电至4VCC。
接下来，于周期TL内，第一时钟信号CLK1转回低电平，第二时钟信号CLK2维持为高电平，而第三时钟信号CLK3转回高电平。第一电平转换器LS1因而使第一PMOS晶体管MP1导通，从而使得电压V1再拉回VCC。同时间，第三时钟信号CLK3，目前位于高电平，是控制额外开关模块SWMA输出参考电压(0)作为第二参考时钟信号RCLK2。在电压源浮动下，第二电平转换器LS2输出浮动电压，由于第二参考时钟信号RCLK2降了2VCC，因而节点P2的电压V2由4VCC跌降至2CC。类似地，在电压源浮动下，输出电平转换器LSOUT输出浮动电压，而使得节点PUT的电压维持于4VCC。
类似的过程再度进行，并且如图5所示，由于电压VOUT增加，电平转换器LS1至LS3及LSOUT能够正常运作，于是产生更为稳定的电压V1、V2及VOUT。
电荷泵100及400’两者皆将振幅为VCC的输入电压VIN转换为振幅为4VCC的输出电压VOUT。然而，在电荷泵400’的第二子电荷泵SCP2将电压增加了2VCC而非仅增加1VCC，因此电荷泵400’较电荷泵100少了一级电路从而少了一个泵电容。这是电荷泵100称为X4电荷泵而电荷泵400’称为X2(X2)电荷泵的原因所在。
图6是比较图1的电荷泵100(X4)与图4B的电荷泵400’(X2(X2))于不同负载电流IOUT下的输出电压。如图所示，电荷泵100及400’于0至1mA的负载电流范围内，输出电压几乎完全相同。
图7是比较图1的电荷泵100(X4)与图4B的电荷泵400’(X2(X2))于不同负载电流IOUT下的电源效率。如图所示，电荷泵400’的电源效率较电荷泵100的电源效率为高。理由是电荷泵400’具有较少级泵电路与较少泵电容。
图8是本发明所提供的N级电荷泵的方块架构图的另一实施例，其为图4A的电荷泵400及图4B的电荷泵400’的延伸型式。如图8所示，电荷泵800与图4A及4B的电荷泵400及400’间的差异仅在于总数为偶数的子电荷泵是插入电荷泵400的第一及第二次电泵之间。而同样地，当充电时钟信号为低及高电平时，仍分别使充电开关模块导通及切断，而当额外时钟信号为低电平及高电平时，仍分别驱动额外开关模块输出参考时钟提供子电荷泵的输出电压以及参考电压。如图8所示，所插入的子电荷泵SCP2至SCPN-1的充电时钟信号与参考时钟信号是依序轮替为XCLK1及CLK1，而原来的子电荷泵SCP1及SCPN(即电荷泵400及400’内的子电荷泵SCP2)的充电时钟信号与参考时钟信号以及额外开关模块的额外时钟信号CLK3是维持不变。时钟信号CLK1、CLK2及CLK3的时序与图5所显示者相同。此电荷泵800的操作原理与图4B所描述者十分相似因而不再赘述。
图9是本发明所提供的三(N＝3)级电荷泵的方块架构图的另一实施例，其为图4A的电荷泵400及图4B的电荷泵400’的另一延伸型式。如图所示，于电荷泵900中，第一子电荷泵对SCPP1包括充电开关模块SWM1与SWM2以及第一额外开关模块SWMA1。类似地，第二子电荷泵对SCPP2包括充电开关模块SWM3与SWM4以及第二额外开关模块SWMA2。子电荷泵对SCPP1及SCPP2分别皆与图4A所示包含充电开关模块SWM1与SWM2以及额外开关模块SWMA的结构相似。差异仅在于电荷泵900包含两个子电荷泵对SCPP1与SCPP2，而非如电荷泵400一般仅包含一个子电荷泵对。而同样地，当充电时钟信号为低电平及高电平时，仍分别使充电开关模块导通及切断，而当额外时钟信号为低及高电平时，仍分别驱动额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的输出电压以及参考电压。电荷开关模块SWM1至SWMOUT的充电时钟信号分别为CLK1、CLK2、CLK3，以及CLK5，额外开关模块SWMA1及SWMA2的额外时钟信号分别为CLK4及CLK5。时钟信号CLK1至CLK5、RCLK2至RCLK3，以及电压V1至V3与VOUT的时序是显示于图10中。当中操作原理与图4B所描述者十分相似因而不再赘述。
类似地，此三级电荷泵900可进一步延伸为图11所示的N级电荷泵1100，当中包括N个相串联的子电荷泵。由于每一子电荷泵的输出电压是输入电压的两倍，因此N级电荷泵1100的输出电压VOUT为VCC的2N倍。
图12是本发明所提供的三级电荷泵的方块架构图的另一实施例，其为图4A的电荷泵400及图4B的电荷泵400’的另一延伸型式。如图所示，电荷泵1200与电荷泵400或400’的差异仅在于有一子电荷泵插入在电荷泵400或400’的第一及第二子电荷泵SCP1及SCP2中间。而同样地，当充电时钟信号为低电平及高电平时，仍分别使充电开关模块导通及切断，而当额外时钟信号为低及高电平时，仍分别驱动额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的输出电压以及参考电压。于子电荷泵1200内，充电开关模块SCP1-SCP3至输出模块MOUT的充电时钟信号依序轮替为CLK1及XCL1，而充电开关模块SCP1及SCP2的参考时钟信号分别为CLK1及XCLK1，以及额外开关模块SWMA的额外时钟信号为XCLK1。时钟信号CLK1以及电压V1至V3以及VOUT的时序是显示于图13中。当中操作原理与图4B所描述者十分相似因而不再赘述。
注意到二级电荷泵1200可进一步延伸为图14所示的N级电荷泵1400。参照图4A及4B的电荷泵400及400’并将其与电荷泵1400及1200比较，可观察到电荷泵1400及1200与电荷泵400及400’的差异在于，可以不仅仅插入单一子电荷泵而可插入总数为奇数的子电荷泵于电荷泵400及400’的第一及第二子电荷泵SCP1及SCP2两者之间。而电荷泵1400与电荷泵1200相似，充电开关模块SCP1-SCPN至输出模块MOUT的充电时钟信号依序轮替为CLK1及XCL1，而充电开关模块SCP1至SCPN的参考时钟信号亦依序轮替为CLK1及XCLK1，以及额外开关模块SWMA的额外时钟信号为XCLK1。
须注意，在上述所有图4A、4B、8、9、11、12以及14中，多个子电荷泵可插入在输入电压VIN与第一子电荷泵的充电开关模块中间以及/或插入在最后一个次电泵的充电开关模块与输出模块的充电开关模块之间。
由于额外开关模块的设置，参考时钟接收子电荷泵的电压增加量是参考时钟提供子电荷泵的输出电压，此电压增加量是高于传统技术。故而本发明的实施例可具有较少的泵电容、提供较高的电源效率，以及减少COG型面板设计所需的脚位及成本。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (22)

1.一种电荷泵，包括：
多个相串联的子电荷泵，每一子电荷泵具有输入端、输出端以及参考时钟端，除第一子电荷泵外的每一子电荷泵的输入端皆与前一相邻的子电荷泵的输出端相连，第一子电荷泵的输入端是作为该电荷泵的输入端以接收输入电压，其中每一子电荷泵包括：
充电开关模块耦合于该子电荷泵的该输入端与该输出端之间，根据充电时钟信号而导通或切断；以及
电容，连接于该子电荷泵的该输出端与该参考时钟端之间，经由该参考时钟端以接收参考时钟信号；以及
至少一额外开关模块，耦合至所述子电荷泵当中的参考时钟提供子电荷泵的输出端与参考时钟接收子电荷泵的参考时钟端，用以提供该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的高电平作为该参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟信号的高电平，其中该参考时钟提供子电荷泵并非所述子电荷泵的最后一个子电荷泵。
2.根据权利要求1所述的电荷泵，其中该额外开关模块是耦合至该参考时钟提供子电荷泵的该输出端与参考电压，以及具有输出端连接至该参考时钟接收子电荷泵的参考时钟端，用以根据额外时钟信号以提供该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的电压或该参考电压以作为该参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟信号。
3.根据权利要求1所述的电荷泵，
其中对于任一子电荷泵，当其参考时钟信号位于低电平时，是存在一周期的期间内其充电时钟信号使其充电开关模块导通；
其中对于任一子电荷泵，当其参考时钟信号位于高电平时，其充电时钟信号使其充电开关模块切断，以及存在一周期的期间内该子电荷泵的下一相邻子电荷泵的充电时钟信号使该下一相邻子电荷泵的充电开关模块导通；以及
当该参考时钟提供子电荷泵的该参考时钟信号位于高电平时，是存在一周期的期间内该额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的电压以作为该参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟信号。
4.根据权利要求2所述的电荷泵，
其中对于任一子电荷泵，当其参考时钟信号位于低电平时，是存在一周期的期间内其充电时钟信号使其充电开关模块导通；
其中对于任一子电荷泵，当其参考时钟信号位于高电平时，其充电时钟信号使其充电开关模块切断，以及存在一周期的期间内该子电荷泵的下一相邻子电荷泵的充电时钟信号使该下一相邻子电荷泵的充电开关模块导通；
当该参考时钟提供子电荷泵的该参考时钟信号位于高电平时，是存在一周期的期间内该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的电压；以及
当该参考时钟提供子电荷泵的该参考时钟信号位于低电平时，该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考电压。
5.根据权利要求2所述的电荷泵，其中该参考时钟接收子电荷泵是该参考时钟提供子电荷泵的下一相邻子电荷泵。
6.根据权利要求5所述的电荷泵，其中该参考时钟提供子电荷泵的充电时钟信号，以及该参考时钟接收子电荷泵的充电时钟信号分别为第一及第二时钟信号，
其中当该参考时钟信号提供子电荷泵内的该充电开关模块为导通或切断时，其参考时钟信号分别为低电位或高电位；以及
其中该第一时钟信号使该参考时钟提供子电荷泵内的该充电开关模块切断的周期包括第一及第二子周期，
其中于该第一子周期的期间内，
该第二时钟信号使该参考时钟接收子电荷泵内的该充电开关模块导通，以及该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考电压；
其中于该第二子周期的期间内，
该第二时钟信号使该参考时钟接收子电荷泵内的该充电开关模块切断，以及该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的该电压；以及
其中当该第一时钟信号使该参考时钟提供子电荷泵内的该充电开关模块导通时，该第二时钟信号使该参考时钟接收子电荷泵内的该充电开关模块切断，以及该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考电压。
7.根据权利要求5所述的电荷泵，还包括：
第二参考时钟接收子电荷泵，其输入端连接至该参考时钟接收子电荷泵；以及
第二额外开关模块，耦合于该参考时钟接收子电荷泵与该参考电压之间，并且具有输出端连接至该第二参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟端，用以根据第二额外时钟信号以提供该参考时钟接收子电荷泵的该输出端的电压或该参考电压以作为该第二参考时钟接收子电荷泵的该参考时钟信号。
8.根据权利要求7所述的电荷泵，其中该参考时钟提供子电荷泵的充电时钟信号、该参考时钟接收子电荷泵的充电时钟信号，以及该第二参考时钟接收子电荷泵的充电时钟信号分别为第一、第二以及第三时钟信号，
其中当该参考时钟信号提供子电荷泵内的该充电开关模块为导通或切断时，其参考时钟信号分别为低电位或高电位；以及
其中该第一时钟信号使该参考时钟提供子电荷泵内的该充电开关模块切断的周期包括第一、第二以及第三子周期，
其中于该第一子周期的期间内，
该第二及第三时钟信号分别使该参考时钟接收子电荷泵与该第二参考时钟接收子电荷泵的充电开关模块导通及切断，以及该额外时钟信号与该第二额外时钟信号分别驱动该额外开关模块与该第二额外开关模块皆输出该参考电压；
其中于该第二子周期的期间内，
该第二及第三时钟信号分别使该参考时钟接收子电荷泵与该第二参考时钟接收子电荷泵的充电开关模块切断及导通，该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的该电压，以及该第二额外时钟信号驱动该第二额外开关模块输出该参考电压；以及
其中于该第三子周期的期间内，
该第二及第三时钟信号分别使该参考时钟接收子电荷泵与该第二参考时钟接收子电荷泵的充电开关模块皆导通，该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的该电压，以及该第二额外时钟信号驱动该第二额外开关模块输出该参考时钟接收子电荷泵的该输出端的该电压；以及
其中当该第一时钟信号使该参考时钟提供子电荷泵内的该充电开关模块导通时，该第二及第三时钟信号分别使该参考时钟接收子电荷泵与该第二参考时钟接收子电荷泵的充电开关模块皆切断，该额外时钟信号与该第二额外时钟信号分别驱动该额外开关模块与该第二额外开关模块皆输出该参考电压。
9.根据权利要求2所述的电荷泵，其中偶数个子电荷泵是耦合于该参考时钟提供子电荷泵与该参考时钟接收子电荷泵之间。
10.根据权利要求9所述的电荷泵，其中该参考时钟提供子电荷泵的充电时钟信号，以及该参考时钟接收子电荷泵的充电时钟信号分别为第一及第二时钟信号，
其中当该参考时钟信号提供子电荷泵内的该充电开关模块为导通或切断时，其参考时钟信号分别为低电位或高电位；
其中该偶数个子电荷泵的充电时钟信号是循序轮替为第一反相时钟信号与该第一时钟信号，其中该第一反相时钟信号与该第一时钟信号具有相反的相位；
其中当该偶数个子电荷泵当中任一子电荷泵的充电开关模块导通或切断时，该子电荷泵的参考时钟信号分别位于低电平或高电平；
其中该第一时钟信号使该参考时钟提供子电荷泵内的该充电开关模块切断的周期包括第一及第二子周期，
其中于该第一子周期的期间内，
该第二时钟信号使该参考时钟接收子电荷泵内的该充电开关模块导通，以及该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考电压；
其中于该第二子周期的期间内，
该第二时钟信号使该参考时钟接收子电荷泵内的该充电开关模块切断，以及该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的该电压；以及
其中当该第一时钟信号使该参考时钟提供子电荷泵内的该充电开关模块导通时，该第二时钟信号使该参考时钟接收子电荷泵内的该充电开关模块切断，以及该额外时钟信号驱动该额外开关模块输出该参考电压。
11.根据权利要求2所述的电荷泵，其中奇数个子电荷泵是耦合于该参考时钟提供子电荷泵与该参考时钟接收子电荷泵之间。
12.根据权利要求11所述的电荷泵，其中由该参考时钟提供子电荷泵至该奇数个子电荷泵而至该参考时钟接收子电荷泵的充电时钟信号循序轮替为第一时钟信号与第一反相时钟信号，其中该第一反相时钟信号与该第一时钟信号具有相反的相位；
其中当该参考时钟信号提供子电荷泵内的该充电开关模块为导通或切断时，该额外开关模块分别提供该参考电压与该参考时钟信号提供子电荷泵的该输出端的电压；
其中当该参考时钟信号提供子电荷泵内的该充电开关模块为导通或切断时，其参考时钟信号分别为低电位或高电位；以及
其中当该奇数个子电荷泵当中任一子电荷泵的充电开关模块导通或切断时，该子电荷泵的参考时钟信号分别位于低电平或高电平。
13.根据权利要求2所述的电荷泵，其中该额外开关模块是电平转换器，利用该参考时钟提供子电荷泵的该输出端的电压作为电源。
14.根据权利要求1所述的电荷泵，还包括输出模块，用以转换该最后一个子电荷泵的该输出端的电压为直流电压。
15.根据权利要求14所述的电荷泵，其中该输出模块包括：
输出电容，具有第一端连接至参考电压；以及
输出充电开关模块，具有输入端连接至该最后一个子电荷泵的该输出端以及输出端连接至该输出电容的第二端以作为该电荷泵的输出端，以及根据输出充电时钟信号以导通或切断。
16.根据权利要求15所述的电荷泵，其中当该最后一个子电荷泵的参考时钟信号为高电平及低电平时，该输出充电时钟信号分别使该输出充电模块开关导通及切断。
17.根据权利要求15所述的电荷泵，其中每一子电荷泵的充电开关模块包括：
开关，耦合于该子电荷泵的该输出端及输入端之间；以及
子开关模块，耦合于该子电荷泵的该输出端与该参考电压之间，用以根据该充电时钟信号以提供该输出端的电压或该参考电压而控制该开关；
其中该输出模块的该输出充电开关模块包括：
输出开关，耦合于该输出充电开关模块的该输出端及输入端之间；以及
输出子开关模块，耦合于该输出子电荷泵的该输出端与该参考电压之间，用以根据该充电时钟信号以提供该输出端的电压或该参考电压而控制该输出开关。
18.根据权利要求17所述的电荷泵，其中该子开关模块与该输出子开关模块是使用该电荷泵的该输出端的电压为电源。
19.根据权利要求17所述的电荷泵，其中该子开关与该输出子开关是PMOS或NMOS晶体管。
20.一种电荷泵，包括：
相串联的第一、第二及第三PMOS晶体管；
第一、第二及第三电平转换器，每一电平转换器是连接于该电荷泵的输出端及参考电压之间，分别接收第一、第二及第三时钟信号以分别控制该第一、第二及第三PMOS晶体管；
第一、第二及第三电容，该第一电容具有第一端连接至该第一时钟信号与第二端连接至该第一及第二PMOS晶体管之间，该第二电容具有第二端连接至该第二及第三PMOS晶体管之间；该第三电容具有第一端连接至该参考电压与第二端连接至该电荷泵的该输出端；以及
额外电平转换器，连接于该第一电容的该第二端与该参考电压之间，接收相位与该第三时钟信号相反的第三反相时钟信号，用以控制该第二电容的第一端的电压。
21.根据权利要求20所述的电荷泵，
其中该第一时钟信号于第一电平时的周期包括第一及第二子周期，
其中于该第一子周期的期间，该第二及第三时钟信号分别为第二及第一电平；
其中于该第二子周期的期间，该第二及第三时钟信号分别为第一及第二电平；以及
其中当该第一时钟信号为第二电平时，该第二及第三时钟信号皆为第一电平。
22.一种电荷泵，包括：
第一子电荷泵，具有第一输入端和第一输出端，并且该第一输入端用以接收输入电压以作为该电荷泵的输入端；
第二子电荷泵，具有第二输入端、第二参考时钟端以及第二输出端，该第二输入端是与该第一输出端相串接；
第三子电荷泵，具有第三输入端、第三参考时钟端以及第三输出端，该第三输入端是与该第二输出端相串接；以及
开关模块耦合至该第二输出端与该第三参考时钟端，用以提供该第二输出端的电压为该第三子电荷泵的参考时钟信号。
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