CN101087104B

CN101087104B - 电源电路

Info

Publication number: CN101087104B
Application number: CN2007101102591A
Authority: CN
Inventors: 藤原博史
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp; Renesas Electronics Corp
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: JP4895694B2; CN101087104A; US7855532B2; US20070285151A1; JP2007330049A

Abstract

电源电路包括：被配置用于输出第一电压的第一电源；与第一电源分开提供的第二电源，以输出第二电压；和被配置用于使用第一电压作为输入电压以将输入电压朝着目标电压升高的升压电路。目标电压具有一电压宽度，且当升压电路的输出电压超出目标电压的上限时，输入电压被从第一电源的第一电压切换到第二电源的第二电压。

Description

电源电路

技术领域

本发明涉及一种包括升压电路的电源电路，更具体地，其涉及一种适用于在用于驱动移动终端的显示单元的驱动器IC中构建的电源电路。

背景技术

移动电话或PDA(个人数字助理)等移动数据终端的显示装置被构成为在低电源电压下工作，以降低功耗。另一方面，适用于显示处理数据的显示装置通常需要高于这些电源电压的电压。因此，通常，适用于驱动显示装置的电路具有通过升高电源电压来产生所需驱动电压的内部电源电路。

这种电源电路的实例在日本专利No.3487581中示出。图1示出了其主要部分。该电源电路200属于电荷泵型，且如图1中所示，该电源电路200具有适用于升高第一电源11的输出电压(其电压被标为VDD)的电荷泵10，以及用于平滑该电荷泵10的输出电压VDD2的平滑电容Co1。该电荷泵10由开关S1至S4和电容器C1构成。

而且，电源电路200具有对输出电压VDD2进行电阻分压的分压电阻R1和R2，以及用于将电阻R1和R2的连接节点(其电压被标为COMIN)连接到其反相输出端子、并使稳定化电源23(其电压被标为VREF)连接到其同相输入从而具有滞后特性的比较器24。

此外，电源电路200具有：与门20，其接收比较器24的输出(其电压被标为COMOUT)和来自振荡器OSC的时钟信号CLK1作为输入；非门26，其将与门20的输出反相；以及电平转换电路LS1，其产生通过对与门20的输出和非门26的输出进行转换而分别获得的时钟信号CLK1A和时钟信号CLK1B。

接下来，将描述常规电源电路200的升压操作。当时钟信号CLK1B为H电平时，开关S1和S2打开，而当时钟信号CLK1A为H电平时，开关S3和S4打开。当与门20的输出为L电平时，电荷泵10变为充电状态(开关S1和S2打开，开关S3和S4关闭，且电容器C1变为充电状态)。当与门20的输出为H电平时，电荷泵10变为放电状态(开关S1和S2关闭，开关S3和S4打开，且电容器C1变为放电状态)。通过对该电容器C1重复充电/放电操作，电源电路200的输出电压VDD2朝着电源电压VDD的两倍电压升高。

输出电压VDD2的目标电压是低于电源电压VDD2两倍的电压，其基于((R1/R2)+1)×VREF来设置。例如，如果VREF＝2.75V，则将目标电压设置为5.5V所需要的仅仅是设置R1＝R2。当输出电压VDD2达到目标电压时，COMIN＞VREF得到保持，且比较器24的输出电压COMOUT从H电平变为L电平。通过这样做，与门的输出同时变为L电平，且电荷泵10停止升压操作并变为充电状态。该状态是脉冲跨越状态。

当输出电压VDD2低于目标电压时，满足COMIN＜VREF，且比较器24的输出电压COMOUT从L电平变为H电平。由于输出电压COMOUT是H电平，则时钟信号CLK1按原样变为与门20的输出。由此，重新开始了响应于被电平转换后的时钟信号CLK1A和CLK1B而对开关S1至S4进行切换的操作，且输出电压VDD2再次朝着目标电压升高。

在前述操作中，脉冲跨越操作这样一种操作，其中基于时钟信号CLK1A和CLK1B来控制意图将输出电压VDD2升高至电源电压VDD两倍的电荷泵10的操作，时钟信号CLK1A和CLK1B适用于通过负反馈操作来操纵开关S1至S4。在输出电压VDD2达到低于电源电压VDD两倍的目标电压之后，电压的升高操作被停止，且输出电压VDD2被调整为处于预定范围内。

图2A至2D是常规电源电路200在脉冲跨越状态下的工作波形图。如图2B和2C中开关S1至S4的波形所示，由于输出电压VDD2的下降曲线，开关S1至S4的开-关周期相对于时钟信号CLK1而变得频率不固定。换句话说，由于输出电压VDD2的负载电流不是恒定的，因此输出电压VDD2的下降曲线的倾斜度不是恒定的。因此，开关S1至S4的开-关周期不会变为恒定的。另一方面，由于对电容器C1充电或放电的电流瞬间流过开关S1至S4，因此需要开关S1至S4具有低阻抗。由于这个原因，在芯片布局中，开关S1至S4尺寸非常大。由此，用于驱动开关S1至S4的电流的峰值及其传导电流的峰值变大。这些大开关S1至S4的不固定频率操作成为芯片上的噪声源，并且它们可能会导致相邻元件和电路中的误操作和特性恶化。例如，当输出电压VDD2被稳压器稳定、并被其他电路使用时，由于因不固定的频率操作而在纹波移除率优良的设计频带中发生噪声频率或纹波，因此无法依赖于稳压器的纹波移除率的频率特性来充分移除纹波。

发明内容

本发明的目的是提供一种其中电荷泵在与时钟信号频率相同的频率下工作的电源电路。

在本发明的第一实施例中，电源电路包括被配置用于输出第一电压的第一电源；与第一电源分开提供的第二电源，用于输出第二电压；和升压电路，被配置用于使用第一电压作为输入电压，以将输入电压朝着目标电压升高。目标电压具有一电压宽度，且当升压电路的输出电压超出目标电压的上限时，输入电压被从第一电源的第一电压转换到第二电源的第二电压。

而且，在本发明的第二实施例中，电源电路包括被配置用于输出第一电压的第一电源；与第一电源分开提供的第二电源，用于输出第二电压；和电荷泵，其与时钟信号同步操作，以使用第一电压作为输入电压，从而将输入电压升高至等于或低于第一电压和一个整数的乘积的目标电压。目标电压具有一电压宽度，且从电荷泵的输出电压超出目标电压的上限时开始，到输出电压变成低于目标电压的下限时为止，输出电压被切换到第二电源的第二电压，该第二电源输出电荷泵的输出电压和该整数的倒数的乘积。

根据本发明，由于用于控制电荷泵开关的控制信号总是具有与时钟信号频率相同的频率，因此无论负载量如何，所有的开关持续在固定频率下操作，且不会落入到不固定频率操作；因此，防止了噪声的发生。通过该功能，能防止在构成电源电路的半导体集成电路中相邻元件和电路中引入误操作和特性降低。

附图说明

结合附图，根据某些优选实施例的以下描述，本发明的上述和其他目的、优点和特征将更明显，附图中：

图1是常规电源电路的电路图；

图2A至2D是常规电源电路的操作波形图；

图3是根据本发明第一实施例的电源电路的电路图；

图4是根据本发明第二实施例的电源电路的电路图；

图5A至5E是本发明电源电路的操作波形图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的电源电路。图3示出了根据本发明第一实施例的电源电路100。如图3中所示，电源电路100包括将输入电压VDD升高至两倍、并且由开关S1至S4和电容器C1构成的电荷泵10。而且，电源电路100包括适用于平滑输出电压VDD2的平滑电容器Co1，和用作与电荷泵10的输入连接的第二电源的电容器 Co2。电源电路100还包括适用于根据电阻比率对输出电压VDD2进行分压的电阻R10、R21和R22，在其同相输入连接电阻R10和R21的连接节点的电压跟随缓冲器12，以及在其反相输入连接电阻R21和R22之间的连接节点、且在其同相输出连接稳定化电源13的比较器14。在电阻R10和R21的连接节点处的电压被标为AMPIN，而在电阻R21和R22之间的连接节点处的电压被标为COMIN。稳定化电源13的电压被标为VREF。

更进一步地，电源电路100包括适用于对比较器14的输出进行电平转换的电平转换电路LS2。比较器14的电压被标为COMIN。电源电路100还包括适用于对比较器14的输出进行反相以产生信号COMOUTB的非门14，适用于基于电平转换信号COMOUT来间断性地连接第一电源11和电荷泵10的开关S5，和适用于基于电平转换信号COMOUTB来间断性地将缓冲器12的输出连接到电荷泵10的开关S6。

而且，电源电路100还包括适用于对来自振荡器OSC的时钟信号CLK1进行反相的非门16，和对时钟信号CLK1和非门16的输出进行电平转换、并产生适用于控制开关S1至S4的关闭/打开的时钟信号CLK1A和时钟信号CLK1B的电平转换电路LS1。

电阻R10、R21和R22的比率被设置为(R21+R22)∶R10＝1∶1，以使电压AMPIN可以是输出电压VDD2的1/2。输出电压VDD2的目标电压被设置成((R10+R21)/R22)+1)×VREF。例如，如果VREF＝1.1V，当意欲将目标电压设置为5.5V时，所需要做的仅仅是设置((R10+R21)/R22)＝4。由此，更具体来讲，所需要做的是根据关系(R21+R22)∶R10＝1∶1建立R10∶R21∶R22＝5∶3∶2。

将参考图5A至5E中示出的操作波形来描述具有上述结构的电源电路100的操作。当时钟信号CLK1B处于H电平时，开关S1和S2 打开；当时钟信号CLK1A处于H电平时，开关S3和S4打开。当时钟信号CLK1处于L电平时，在电荷泵10中的开关S1和S2打开，且开关S3和S4关闭。由此，电容器C1变为充电状态。当时钟信号CLK1处于H电平时，电荷泵10中的开关S1和S2关闭，且开关S3和S4打开。因此，电容器C1变为放电状态(见图5A至5E的CLK1和S1至S4的波形)。以这种方式，电容器C1的充电/放电操作总是与时钟信号CLK1同步地来重复，且电源电路100的输出电压VDD2被调整为处于目标电压的预定范围内。

在COMIN＜VREF的情况下，由于比较器14的输出电压COMOUT处于H电平，因此开关S5处于开态，开关S6处于关态。因此，在图5A中示出的开关S6的关闭周期期间，第一电源11用作电荷泵10的输入电源。

当输出电压VDD2达到通过((R10+R21)/R22)+1)×VREF而设置的目标电压、且保持COMIN＞VREF时，电压COMOUT从H电平变为L电平，以使开关S5变为关态而开关S6变为开态。通过这些改变，缓冲器12的输出现在连接到了电荷泵10的输入，并且通过稍后将描述的电容器Co2的作用，电容器Co2起到第二电源的作用。即，在图5A中示出的开关S6的打开周期期间，电荷泵10的输入电源从第一电源11变为用作第二电源的电容器Co2。此时，由于开关S1至S4继续与时钟信号CLK1同步地打开和关闭，因此即使输出电压VDD2超出了目标电压，也没有像常规电源电路200的情况那样发生脉冲跨越操作。

实际上，由于比较器14的磁滞特性，图5B中示出的输出电压VDD2的目标电压具有给出由虚线示出的上限和下限的磁滞宽度。当输出电压VDD2升高时，在输出电压VDD2达到目标电压的上限的时刻，开关S5变为关态，开关S6变为开态。因此，电荷泵10的电源从第一电源11变为用作第二电源的电容器Co2。

电容器Co2由第一电源11充电，直到输出电压VDD2达到目标电压的上限。因此，尽管电容器Co2的电压在切换之后立即几乎等于第一电源11的电压，但电容器Co2的容量小于第一电源11的容量。而且，在切换之后，通过经由缓冲器12来输出由电阻R10、R21和R22对输出电压VDD2分压而获得的电压(输出电压VDD2的二分之一)，对电容器Co2立即充电。由于这个原因，与时钟信号CLK1同步地升高输出电压VDD2的量小于由第一电源11升高的量。输出电压VDD2由于连接到电荷泵10的负载(未示出)的消耗而逐步降低(见图5A中开关S6的打开周期中的VDD2波形)。然后，当输出电压VDD2下降到目标电压下限之下时，开关S5变为开态，开关S6变为关态。因此，第一电源11用作电荷泵10的电源。因此，输出电压VDD2也逐步增加(见图5A的开关S6的关闭周期中的VDD2波形)。

上述操作可被概括如下：输出电压VDD2与目标电压进行比较，执行开关S5和S6的切换操作以切换电源电路100的输入电源，从而将输出电压VDD2的电压电平调整为在目标电压的预定范围内，而不产生在常规电源电路200中产生的不固定频率的脉冲跨越操作。

在此，将以其中开关S6处于开态的情况作为实例，来描述电容器Co2作为第二电源的效果。当不存在电容器Co2时，流向电容器C1的充电电流将按顺序流经缓冲器12的输出晶体管(未示出)、开关S6和开关S1。这种情况下，缓冲器12的输出晶体管、开关S6和开关S1的阻抗必须制作得较小。如果该阻抗大，则缓冲器12输出晶体管加上开关S6加上开关S1的合成阻抗、以及流向电容器C1的充电电流将导致缓冲器12的输出电压VDD2_2在其被输入到电容器C1之前就下降。如果其已经下降，则电容器C1不能被充电至目标电压。为了降低输出晶体管和开关S6的阻抗，必须增大这些元件，这可能产生新的噪声源。

当插入了电容器Co2时，开关S5处于开态，直到输出电压VDD2 达到目标电压。因此，电容器Co2处于被第一电源11充分充电的状态。当输出电压VDD2达到目标电压时，开关S5关闭，开关S6打开，以使得流向电容器C1的几乎全部充电电流都是由电容器Co2提供的。即，电容器Co2将用作第二电源。这是因为，当从电容器C1的角度来看时，由开关S1加上通向电容器Co2的布线而形成的合成阻抗小于由开关S1加上开关S6加上放大器输出晶体管所形成的合成阻抗。由此，由于几乎全部充电电流都是由电容器Co2提供的，因此变得不再需要考虑由缓冲器12的输出晶体管和开关S6导致的电压下降。因此，能够将开关S5和开关S6的尺寸制作得小于开关S 1至S4。这一点也是由电容器Co2提供的效果。

如上所述，即使开关S1至S4继续与时钟信号CLK1同步地打开和关闭，然而与常规电源电路200不同的是，由于从输出电压VDD2达到目标电压上限的时刻开始，电荷泵10的电源便从第一电源11切换到用作第二电源的电容器Co2，因此输出电压VDD2可以被调整到目标电压的预定范围内，而不进行脉冲跨越操作。由于开关S1至S4继续与时钟信号CLK1同步地以恒定频率打开和关闭，因此开关S1至S4的操作没有成为芯片上的噪声源。由此，该结构能防止在相邻元件和电路中引起误操作和特性降低。

接下来，将描述本发明的第二实施例。图4示出了根据本发明第二实施例的电源电路110。与图1的主要不同点在于并没有采用平滑电容器Co1，而是将具有相同电容的电容器Co3和Co4串联连接，在电容器Co3和Co4之间的连接节点处的电压被标为VDD2_2，其在开关S6的辅助下用作电荷泵10的输入电源。应当注意，电容器Co2和缓冲器12被省略了，并且没有采用图3中的分压电阻R10、R21和R22，而是使用了分压电阻R1和R2。因此，输出电压VDD2的目标电压等于或小于电源电压VDD的两倍，并且通过(R1/R2)+1)×VREF来设定。

而且，电容器Co3和Co4的常数被设置为近似等于或大于图3电源电路100的电容器Co1和Co2的常数的两倍。因此，其目的是，可以改进对于电荷泵10的电流提供能力，且电容器Co3和Co4可以起到与第一实施例中的电容器Co2相同的作用(图3)。这是因为，当电容器Co3和Co4的常数相互相等时，它们串联连接将提供具有该常数的一半的合成电容。

将描述具有上述结构的电源电路110的操作。电荷泵10和开关S 1至S6的操作与第一实施例中电源电路100的那些操作并没有不同。在第二实施例中，图4的电源电路110在以下方面与图3的电源电路100不同。即，当开关S6打开时，在第一实施例中，流向电容器C1的几乎全部充电电流都是由电容器C1提供的，而在第二实施例中，电容器C1是通过储存在电容器Co3和Co4两者中的电荷来充电的。第二实施例与第一实施例相同之处在于当开关S5处于开态，并且由第一电源11提供电力时，电容器Co3和Co4是通过升高的输出电压VDD2来充电的，且被用作电荷泵10的第二电源。由电容器Co3和Co4分压的电压几乎是输出电压VDD2的一半。

第二实施例中的电源电路110不能长时间地持续将类DC的负载电流提供到与其输出连接的负载(未示出)。这种情况下，输出电压VDD2很快下降到目标电压下限之下，且电源电路110将用第一电源11来操作。然而，在轻负载时，流向电容器C1的充电电流是瞬时峰值电流很大、且该电流逐步接近零的过渡电流，而不是类DC的电流。因此，当该过渡电流被平均且被转换为DC电流值时，如果该DC电流很小，则在第二实施例中用作电源电路110的第二电源的串联连接电容器Co3和Co4能对电容器C1进行足够的充电。

在第二实施例中，没有使用第一实施例中的电源电路100的缓冲器12和电容器Co2。这是因为，仅仅在从电容器Co3和Co4之间的连接节点到电容器C1的充电路径上插入了开关S6。因此，不需要像第一实施例中那样考虑提供给电容器C1的充电电压的电压降低。

如上所述，在轻负载的情况下，第二实施例中的图4的结构使得能够省去第一实施例中的图3的缓冲器12的电路。因此，与第一实施例中的图3的电路结构相比可以降低芯片布局的尺寸。

应当注意，在第一和第二实施例中，已经描述了其中使用电荷泵10来将输入电压升高到电源电压两倍的实施例。然而，本发明不限于此。例如，如果通过对由升高操作获得的电源电压进行电阻分压或电容分压而获得的电压被降低到三分之一，则可以使用电荷泵将输入电压升高至电源电压的三倍。而且，作为第二实施例中的电源电路110的改进实例，尽管未获得减少芯片布局的效果，但是可使用以下结构。即，将电容器Co3和Co4之间的连接节点通过在第一实施例中的电源电路100中使用的缓冲器12连接到开关S6，并增加在第一实施例的电源电路100中使用的电容器Co2。

尽管上面已经关于其几个优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，提供这些实施例仅用于说明本发明，且并不依赖于其构成限制目的附属权利要求。

Claims

1.一种电源电路，包括：

第一电源，被配置用于输出第一电压；

与所述第一电源分开提供的第二电源，用于输出第二电压；和

升压电路，被配置用于使用所述第一电压作为输入电压，以将该输入电压朝着目标电压升高，

其中所述目标电压具有电压宽度，

从所述升压电路的输出电压达到所述目标电压的上限之时开始，到所述输出电压变为低于所述目标电压的下限之时为止，该输入电压被从所述第一电源的第一电压切换到所述第二电源的第二电压。

2.如权利要求1的电源电路，其中第二电压等于或低于第一电压，所述第二电源的容量低于所述第一电源的容量。

3.如权利要求1的电源电路，其中所述升压电路将输入电压升高N倍，其中N是大于1的数，且

设置第二电压以便当所述升压电路将第二电压升高N倍时不超出所述目标电压的上限。

4.如权利要求3的电源电路，其中当所述目标电压的上限是V且第二电压是V2时，

V2≤V/N。

5.如权利要求1的电源电路，其中所述第二电源包括电容器。

6.如权利要求5的电源电路，其中所述电容器是通过所述升压电路输出电压来充电的。

7.如权利要求6的电源电路，其中所述电容器是通过如下电压的缓冲输出来充电的，所述电压是通过用电阻对所述升压电路的输出电压进行分压而获得的。

8.如权利要求6的电源电路，其中所述电容器是通过如下电压来充电的，所述电压是通过用电容器对所述升压电路的输出电压进行分压而获得的。

9.如权利要求6的电源电路，其中所述电容器是通过如下电压的缓冲器输出来充电的，所述电压是用电容器对所述升压电路的输出电压进行分压而获得的。

10.一种电源电路，包括：

第一电源，被配置用于输出第一电压；

电荷泵，其与时钟信号同步操作，以使用所述第一电压作为输入电压，从而将输入电压升高到目标电压，该目标电压等于或低于所述第一电压和一整数的乘积，

其中所述目标电压具有电压宽度，和

从所述电荷泵的输出电压达到所述目标电压的上限之时开始，到输出电压变为低于所述目标电压的下限之时为止，该输入电压被切换到所述第二电源的第二电压，该第二电源输出所述电荷泵的输出电压与所述整数的倒数的乘积。

11.如权利要求10的电源电路，其中所述第二电源包括电容器。

12.如权利要求11的电源电路，其中所述电容器是通过如下电压的缓冲器输出来充电的，所说电压是通过用电阻对所述升压电路输出电压进行分压而获得的。

13.如权利要求11的电源电路，其中所述电容器是通过如下电压来充电的，所述电压是通过用电容器对所述升压电路的输出电压进行分压而获得的。