CN101304212B

CN101304212B - 可提升电压转换效率的电压转换装置

Info

Publication number: CN101304212B
Application number: CN200710102870XA
Authority: CN
Inventors: 颜志仁; 游宗颖
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Current assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2027-05-11
Also published as: CN101304212A

Abstract

一可提升电压转换效率的电压转换装置，包含有一电荷泵，用来根据一输入电压，产生一输出电压，该输出电压的电压值与该输入电压的电压值呈一线性关系；一反馈单元，用来根据该电荷泵所产生的该输出电压，输出一反馈信号；以及一调整单元，用来根据该反馈单元所输出的该反馈信号，输出并调整该输入电压，以使该电荷泵所产生的该输出电压保持于一预设电平。

Description

可提升电压转换效率的电压转换装置

技术领域

本发明涉及一种可提升电压转换效率的电压转换装置，特别涉及一种在不同的开关导通电阻及不同的负载电流之下，均能够自动调整电荷泵输出电压，使其维持于预期电平的电压转换装置。

背景技术

电荷泵(Charge Pump)常应用于升压电路(Booster)或倍压电路(VoltageMultiplier)。例如，现有液晶显示器可利用电荷泵来提升低电压源的输出电压，以提供较高伏特数的工作电压至源极驱动电路(Source Driver)与门极驱动电路(Gate Driver)等驱动电路。如图1及图2所示，电荷泵可视为一双端组件，用来将输入电压Vi转换为正倍数的输出电压Vo(图1)或负倍数的输出电压Vo(图2)。

现有技术已提供许多电荷泵的实现方式及相关电路，例如，图3为一定电荷泵300的示意图。定电荷泵300由一电平移位(Level Shifter)电路302与一电荷交换控制开关电路304所组成。电平移位电路302所提供的时钟信号CLK和XCK及控制信号S1和S2能有效地致动电荷转换电路开关304，使得定电荷泵300能提供准确的将输入电压Vi转换为输出电压Vo，达到升压或倍压的效果。然而，定电荷泵300的操作只能适合在较小的负载变化下操作，若使用在负载变异度大的设计上，定电荷泵300在低负载下的操作效率将严重衰减，在负载过大时也可能无法正常运作。

此外，现有技术另提供一电容推挽式电荷泵400，如图4所示。电容推挽式电荷泵400由一电平移位电路402与一电荷交换控制开关电路404所组成；其中，电荷交换控制开关电路404与图2的电荷交换控制开关电路304相同，但电平移位电路402中以输出电容取代电平移位电路302中的输出晶体管。在此情形下，电容推挽式电荷泵400可随着电荷负载大小自动调整时钟控制信号的振幅，藉此方式自动降低转换的电荷量，因此能提供较高的操作效率。然而，电容推挽式电荷泵400的时钟信号电平并无法到达全电压，输出电压Vo会较不稳定，容易随着负载的不同产生变化。

简言之，由于电荷泵开关导通时有一等效电阻，当负载电流通过时，会导致电荷泵的输出电压直流电平平均值下降，且开关导通电阻愈大，负载电流变动愈大，电压平均值下降情况愈严重。若是调整电荷泵的切换频率以防止电压平均值下降，可能会造成Vo大于负载电路电源电压需求，而导致严重效率损失。

为了改善上述问题，现有技术可在电荷泵输出端耦接一电压调整器(Voltage regulator)，以产生输出电压Vo，如图5及图6所示。然而，此方法有两个缺点：一为需要外接一稳压电容C_L，二是电荷泵先将输入电压倍压至极高的输出电压VCC或VEE之后，再以电压调整器降压，导致效率的损失。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供可提升电压转换效率的电压转换装置。

本发明揭露一种可提升电压转换效率的电压转换装置，包含有一电荷泵，用来根据一输入电压，产生一输出电压，该输出电压的电压值与该输入电压的电压值呈一线性关系；一反馈单元，用来根据该电荷泵所产生的该输出电压，输出一反馈信号；以及一调整单元，用来根据该反馈单元所输出的该反馈信号，输出并调整该输入电压，以使该电荷泵所产生的该输出电压保持在一预设电平，其中，该调整单元包含有：一电压输出端，耦接于该电荷泵，用来输出该输入电压；一反馈端，耦接于该反馈单元，用来接收该反馈信号；一运算放大器，包含有一正输入端、一负输入端及一输出端，该负输入端耦接于一参考电压；一晶体管，包含有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端，一第二端耦接于一电压产生器，及一第三端耦接于该电压输出端；一第一电阻，其一端耦接于该晶体管的该第三端与该电压输出端之间，另一端耦接于该运算放大器的该正输入端与该反馈端之间；以及一第二电阻，其一端耦接于该第一电阻、该运算放大器的该正输入端与该反馈端之间，另一端耦接于地端。

本发明还揭露了一种可提升电压转换效率的电压转换装置，包含有：一电荷泵，用来根据一输入电压，产生一输出电压，该输出电压的电压值与该输入电压的电压值呈一线性关系；一反馈单元，用来根据该电荷泵所产生的该输出电压，输出一反馈信号；以及一调整单元，用来根据该反馈单元所输出的该反馈信号，输出并调整该输入电压，以使该电荷泵所产生的该输出电压保持在一预设电平，其中，该调整单元包含有：一电压输出端，耦接于该电荷泵，用来输出该输入电压；一反馈端，耦接于该反馈单元，用来接收该反馈信号；一电流至电压转换电路，耦接于该反馈端，用来将该反馈信号转换为一反馈电压信号；一运算放大器，包含有一正输入端、一负输入端及一输出端，该负输入端耦接于该电流至电压转换电路，用来接收该反馈电压信号；一晶体管，包含有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端，一第二端耦接于一电压产生器，及一第三端耦接于该电压输出端；一第一电阻，其一端耦接于该晶体管的该第三端与该电压输出端之间，另一端耦接于该运算放大器的该正输入端；以及一第二电阻，其一端耦接于该第一电阻与该运算放大器的该正输入端之间，另一端耦接于地端。

附图说明

图1为现有用来产生正输出电压的电荷泵的功能方块图。

图2为现有用来产生负输出电压的电荷泵的功能方块图。

图3为现有一定电荷泵的示意图。

图4为现有一电容推挽式电荷泵的示意图。

图5为现有产生正电压的电荷泵耦接一电压调整器的功能方块图。

图6为现有产生负电压的电荷泵耦接一电压调整器的功能方块图。

图7为本发明一实施例可提升电压转换效率的电压转换装置的功能方块图。

图8为本发明一实施例调整单元的示意图。

图9为本发明一实施例反馈单元的示意图。

图10至图13为用来实现图9的反馈单元的电路实施例的示意图。

图14为本发明一实施例调整单元的示意图。

图15为本发明一实施例反馈单元的示意图。

图16至图20为用来实现图15的反馈单元的电路实施例的示意图。

图21至图29为用来实现本发明反馈单元的电路实施例的示意图。

附图符号说明

300 定电荷泵

302 电平移位电路

304 电荷交换控制开关电路

400 电容推挽式电荷泵

402 电平移位电路

404 电荷交换控制开关电路

200 电压转换装置

202 电荷泵

C_L 稳压电容

I_L 负载电流

CLK、XCK 时钟信号

S1、S2 控制信号

201、800、1400 调整单元

203、900、1500 反馈单元

If 反馈信号

802、1402 电压输出端

804、1404 反馈端

301、341、451 运算放大器

902、1502 输出电压接收端

904、1504 反馈信号端

906、1506 分压电路

908、1508 电压至电流转换电路

1406、I32、I33、I42、I43、I44电流源

P30、P311、P321、P331、P332、P411、P421、P422、P431、P432、P433、P441、P442、P443、P451 P型金属氧化物半导体晶体管

N311、N312、N321、N331、N332、N333、N341、N431、N441、N442

N型金属氧化物半导体晶体管

R31、R32、R311、R312、R321、R322、R331、R332、R341、R342、R41、R411、R412、R421、R422、R431、R432、R441、R442、R451、R452电阻

1000、1100、1200、1300、1600、1700、1800、1900、2000、2100、2200、2300、2400、2500、2600、2700、2800、2900电路

Vo、Vi、VCC、VDD、VEE、Vref、Vr、V3、V4、V6、V7电压。

具体实施方式

请参考图7，图7为本发明一实施例可提升电压转换效率的电压转换装置200的功能方块图。电压转换装置200用来将输入电压Vi转换为输出电压Vo，其包含有一电荷泵202、一调整单元201及一反馈单元203。电荷泵202可以是任何形式的电荷泵，用来将输入电压Vi转换为特定倍数的输出电压Vo。反馈单元203耦接于电荷泵202，用来根据电荷泵202所产生的输出电压Vo，输出一反馈信号If至调整单元201。调整单元201则可根据反馈单元203所输出的反馈信号If，输出并调整输入电压Vi，以使电荷泵202的输出电压Vo维持于预期的电平。此外，在图7中，一等效电流源204所产生的电流I_L表示电荷泵202的负载电流。

在电压转换装置200中，反馈单元203可根据电荷泵202所产生的电压Vo，产生反馈信号If，而调整单元201则据以调整输入电压Vi，使得电压Vo保持预设的电平。较佳地，反馈信号If为正向或反向的电流。当负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，反馈信号If的电流值会增加，使得调整单元201所输出的输入电压Vi电平提高，以维持电荷泵202的输出电压Vo于预期的电平。换言之，当负载电流I_L发生变化时，调整单元201所输出的电压Vi会因流经反馈路径的电流改变而自动调整，进而使电荷泵202的输出电压Vo保持在预期的固定电平。

简言之，本发明电压转换装置200利用电压转电流的反馈控制方法，在不同的开关导通电阻及不同的负载电流之下，均能够自动调整电荷泵输出电压，使其维持于预期的电平。在此情形下，本发明不需要外接稳压电容或电压调整器，因而可避免浪费效率。

特别注意的是，图7所示的电压转换装置200是本发明实施例的功能方块图，本领域具通常知识者当可据以设计符合所需的电路。以下将以数个实施例，分别说明不同应用下，调整单元201及反馈单元203的实施例。其中，电压VDD表示系统电压，电压V3、V4、V6、V7表示特定直流电压，而GND表示接地。

首先，当输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同时，反馈单元203所输出的反馈信号If可以是由反馈单元203流向调整单元201的电流或由调整单元201流向反馈单元203的电流。请参考图8，图8为一调整单元800的示意图。调整单元800是图7中调整单元201的一实施例，其适用于输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同且反馈信号If为反向电流(由调整单元800流出)的情形。调整单元800包含有一电压输出端802、一反馈端804、一运算放大器301、一P型金属氧化物半导体晶体管(以下简称PMOS晶体管)P30及电阻R31、R32。调整单元800可通过电压输出端802输出电压Vi，并通过反馈端804接收反馈信号If(输出电流)。运算放大器301的负输入端耦接于一参考电压Vr，正输入端耦接电阻R31、R32与反馈端804之间，输出端则耦接一PMOS晶体管P30的栅极。通过调整单元800，当电荷泵202的输出电压Vo下降时，反馈信号If的电流应随之增加，因而流经电阻R31的电流增加，导致电压Vi上升。当电荷泵202的输出电压Vo回到原设定值时，反馈信号If的电流值随之减少，因而流经电阻R31的电流减少使得电压Vi回复原设计值。

调整单元800适用于输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同且反馈信号If为由调整单元800流出的电流的情形，其对应的反馈单元203的实施例有许多种。请参考图9，图9为一反馈单元900的示意图。反馈单元900用以实现反馈单元203，其是配合调整单元800的运作。反馈单元900包含有一输出电压接收端902、一反馈信号端904、一分压电路906及一电压至电流转换电路908。分压电路906通过输出电压接收端902接收电荷泵202的输出电压Vo，以产生分压至电压至电流转换电路908，从而通过反馈信号端904产生反馈信号If(反向电流)。

请继续参考图10至图13，图10至图13分别为电路1000、1100、1200、1300的示意图，电路1000、1100、1200、1300用于实现图9的反馈单元900。在图10中，电阻R311、R312实现分压电路906；PMOS晶体管P311为一电压至电流放大器，而N型金属氧化物半导体晶体管(以下简称NMOS晶体管)N311、N312形成一电流镜，用以实现电压至电流转换电路908，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R311、R312分压使得PMOS晶体管P311导通某一电流，再经由NMOS晶体管N311、N312所形成的电流镜汲取电流，以产生反馈信号If。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P311的栅极电压跟着下降。由于PMOS晶体管P311的源极与栅极电压差变大，因此导通的电流也跟着增加，反馈信号If的电流值也因而增加，使得图8的调整单元800所输出的电压Vi增加，进而使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元800会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到默认值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，PMOS晶体管P311的栅极电压跟着上升。由于PMOS晶体管P311的源极与栅极电压差变小，因此导通的电流也跟着减少，反馈信号If的电流值也因而减少。而反馈信号If的电流值减少使得调整单元800所输出的电压Vi减少，可以使电荷泵202的输出电压Vo下降。同样的，调整单元800最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。因此，当电荷泵202的输出电压Vo随负载电流I_L变动而导致输出电压Vo改变时，调整单元800及电路1000可以自动调整电荷泵202的输出电压Vo使其回复到原设定值，而不受开关导通电阻效应或不同负载电流变化的影响。换句话说，不需要外接电压调整器以及稳压电容，调整单元800及电路1000便可提供类似的稳定输出电压，因而可避免效率的损失。

在图11中，电阻R321、R322实现图9的分压电路906，PMOS晶体管P321、NMOS晶体管N321及电流源I32则用以实现图9的电压至电流转换电路908，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R321、R322分压使得PMOS晶体管P321导通某一电流。电流源I32用以偏压PMOS晶体管P321。而PMOS晶体管P321的漏极与电流源I32的共同节点耦接NMOS晶体管N321的栅极，由NMOS晶体管N321的漏极汲取电流，以产生反馈信号If。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P321的栅极电压跟着下降，使得NMOS晶体管N321的栅极电压跟着上升，反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图8的调整单元800所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元800会自动调整电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，由于PMOS晶体管P321的栅极电压跟着上升，因而NMOS晶体管N321的栅极电压跟着降低，反馈信号If的电流值也因此减少。而反馈信号If的电流值减少使得调整单元800所输出的电压Vi减少，可以使电荷泵202的输出电压Vo下降。同样的，调整单元800最后也会自动调整电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

在图12中，电阻R331、R332实现图9的分压电路906。PMOS晶体管P331、P332形成一差动放大器，NMOS晶体管N331、N332形成一电流镜，而NMOS晶体管N333则形成一主动负载。PMOS晶体管P331、P332及NMOS晶体管N331、N332、N333用以实现图9的电压至电流转换电路908，其运作方式如下。电阻R331、R332的共同节点分压耦接PMOS晶体管P331的栅极，而PMOS晶体管P332的栅极耦接一参考电压Vref。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P331的栅极电压跟着下降，因而电流源I33所产生的电流中会有更多的电流流经PMOS晶体管P331，经过NMOS晶体管N331、N332所形成的电流镜的镜射后，反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图8的调整单元800所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元800会自动调整电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，PMOS晶体管P331的栅极电压跟着上升，因而电流源I33所产生的电流中会有更多的电流流经PMOS晶体管P332与NMOS晶体管N333，流经PMOS晶体管P331的电流因此变少，经过NMOS晶体管N331、N332所形成的电流镜的镜射后，反馈信号If的电流值便会减少。而反馈信号If的电流值减少使得调整单元800所输出的电压Vi降低，可以使电荷泵202的输出电压Vo降低。同样的，调整单元800最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

在图13中，电阻R341、R342实现图9的分压电路906，运算放大器341及NMOS晶体管N341则用以实现图9的电压至电流转换电路908，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R341、R342分压耦接至运算放大器341的负输入端，而运算放大器341的正输入端则耦接于一参考电压Vref，运算放大器341的输出端则耦接至NMOS晶体管N341的栅极。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，NMOS晶体管N341栅极电压跟着上升，因而经由NMOS晶体管N341漏极所产生的反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图8的调整单元800所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元201会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流IL变小而导致输出电压Vo上升时，N341栅极电压跟着下降，因而经由N341漏极所产生的反馈信号If的电流值也因此减少。而反馈信号If的电流值减少使得图8的调整单元800所输出的电压Vi降低，可以使电荷泵202的输出电压Vo降低。同样的，调整单元800最后也会自动调整电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

特别注意的是，图8的调整单元800及图9的反馈单元900适用于输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同且反馈信号If为反向电流(由调整单元800流出至反馈单元900)的情形，而图10至图13则为反馈单元900的实施例。除此之外，针对反馈信号If为正向电流的情形，本发明另提供其它实施例。

请参考图14，图14为一调整单元1400的示意图。调整单元1400是图7中调整单元201的一实施例，其适用于输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同且反馈信号If为正向电流(流入调整单元1400)的情形。调整单元1400的电路结构相似于图8的调整单元800，但增加了一电流源1406及一电阻R41，且反馈端1404移至运算放大器301的负输入端(省略了参考电压Vr)，其运作方式如下。当电荷泵202的输出电压Vo下降时，由外部流入的反馈信号If的电流值会随之增加，因而流经电阻R41的电流增加，使得PMOS晶体管P30的漏极电流增加，电压输出端1402所输出的电压Vi上升。当电荷泵202的输出电压Vo回到原设定值时，反馈信号If的电流值随之减少，因而流经电阻R41的电流减少使得电压Vi回复原设计值。

调整单元1400适用于输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同且反馈信号If为流入至调整单元201的电流的情形，其对应的反馈单元203的实施例有许多种。请参考图15，图15为一反馈单元1500的示意图。反馈单元1500 用以实现反馈单元203，其是配合调整单元1400的运作。反馈单元1500包含有一输出电压接收端1502、一反馈信号端1504、一分压电路1506及一电压至电流转换电路1508。分压电路1506通过输出电压接收端1502接收电荷泵202的输出电压Vo，以产生分压至电压至电流转换电路1508，从而通过反馈信号端1504产生反馈信号If(正向电流)。

请继续参考图16至图20，图16至图20分别为电路1600、1700、1800、1900、2000的示意图，电路1600、1700、1800、1900、2000用于实现图15的反馈单元1500。在图16中，电阻R411、R412实现分压电路1506；PMOS晶体管P411则实现电压至电流转换电路1508，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R411、R412分压使得PMOS晶体管P411导通某一电流，再经由PMOS晶体管P411的漏极产生流出电流，即为反馈信号If。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P411的栅极电压跟着下降。由于PMOS晶体管P411的源极与栅极电压差变大，因此导通的电流跟着增加，反馈信号If的电流值也因而增加。而反馈信号If的电流值增加使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元1400会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，PMOS晶体管P411的栅极电压跟着上升。由于PMOS晶体管P411的源极与栅极电压差变小，因此导通的电流也跟着减少，反馈信号If的电流值也因而减少。而反馈信号If的电流值减少使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi减少，可以使电荷泵202的输出电压Vo下降。同样的，调整单元1400最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。因此，当电荷泵202的输出电压Vo随负载电流I_L变动而导致输出电压Vo改变时，调整单元1400及电路16000可以自动调整电荷泵202的输出电压Vo使其回复到原设定值，而不受开关导通电阻效应或不同负载电流变化的影响。换句话说，不需要外接电压调整器以及稳压电容，调整单元1400及电路1600便可提供类似的稳定输出电压，因而可避免效率的损失。

在图17中，电阻R421、R422实现图15的分压电路1506，PMOS晶体管P421、P422及电流源I42则用以实现图15的电压至电流转换电路1508，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R421、R422分压耦接至PMOS晶体管P421 的栅极。电流源I42用以偏压PMOS晶体管P421。而PMOS晶体管P421的源极与电流源I42的共同节点耦接于PMOS晶体管P422的栅极，由PMOS晶体管P422的漏极产生流出的电流，即反馈信号If。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P421的栅极电压跟着下降，因而PMOS晶体管P422的栅极电压跟着下降，反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元1400会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，由于PMOS晶体管P421的栅极电压跟着上升，因而PMOS晶体管P422的栅极电压跟着上升，反馈信号If的电流值也因此减少。而反馈信号If的电流值减少使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi减少，可以使电荷泵202的输出电压Vo下降。同样的，调整单元1400最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

在图18中，电阻R431、R432实现图15的分压电路1506，而电压至电流转换电路1508则由PMOS晶体管P431、P432、P433、NMOS晶体管N431及电流源I43所实现，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R431、R432分压耦接至PMOS晶体管P431的栅极。电流源I43用以偏压PMOS晶体管P431。而PMOS晶体管P431的漏极与电流源I43的共同节点耦接于NMOS晶体管N431的栅极，由NMOS晶体管N431的漏极再经由PMOS晶体管P432、P433所组成的电流镜产生流出的电流，即为反馈信号If。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P431的栅极电压跟着下降，因而使NMOS晶体管N431栅极电压跟着上升，使得流过PMOS晶体管P432、P433所形成的电流镜的电流增加，反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元1400会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，由于PMOS晶体管P431的栅极电压跟着上升，因而NMOS晶体管N431栅极电压跟着下降，使得PMOS晶体管P432、P433所形成的电流镜的电流减少，反馈信号If的电流值也因此减少。而反馈信号If的电流值减少使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi减少，可以使电荷泵202的输出电压Vo下降。同样的，调整单元1400最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

在图19中，电阻R441、R442实现图15的分压电路1506。NMOS晶体管N441、N442形成一差动放大器，PMOS晶体管P442、P443形成一电流镜，而PMOS晶体管P441则形成一主动负载。NMOS晶体管N441、N442及PMOS晶体管、P441、P442、P443及电流源I44用以实现图15的电压至电流转换电路1508，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R441、R442分压耦接至NMOS晶体管N441的栅极。而NMOS晶体管N442的栅极耦接一参考电压Vref。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，NMOS晶体管N441的栅极电压跟着下降，因而电流源I44所产生的电流中会有更多的电流流经NMOS晶体管N442，经由PMOS晶体管P442、P443所形成的电流镜产生的反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元1400会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，NMOS晶体管N441的栅极电压跟着上升，因而电流源I44所产生的电流中会有更多的电流流经NMOS晶体管N441与PMOS晶体管P441，因而经由PMOS晶体管P442、P443所形成的电流镜产生的反馈信号If的电流值便会减少。而反馈信号If的电流值减少使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi降低，可以使电荷泵202的输出电压Vo降低。同样的，调整单元1400最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

在图20中，电阻R451、R452实现图15的分压电路1506，运算放大器451及PMOS晶体管P451则用以实现图15的电压至电流转换电路1508，其运作方式如下。电压Vo经过电阻R451、R452分压耦接至运算放大器451的正输入端，运算放大器451的负输入端则耦接一参考电压Vref，运算放大器451的输出端则耦接至PMOS晶体管P451的栅极。当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变大而导致输出电压Vo下降时，PMOS晶体管P451的栅极电压跟着下降，因而经由PMOS晶体管P451的漏极所产生的反馈信号If的电流值也因此增加。而反馈信号If的电流值增加使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi增加，可以使电荷泵202的输出电压Vo上升。最后，调整单元1400会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo上升到原设计值。另一方面，当电荷泵202的输出电压Vo的负载电流I_L变小而导致输出电压Vo上升时，PMOS晶体管P451的栅极电压跟着上升，因而经由PMOS晶体管P451的漏极所产生的反馈信号If的电流值也因此减少。而反馈信号If的电流值减少使得图14的调整单元1400所输出的电压Vi降低，可以使电荷泵202的输出电压Vo降低。同样的，调整单元1400最后也会自动调整输出电压Vi直到电荷泵202的输出电压Vo下降至原设计值。

特别注意的是，图14的调整单元1400及图15的反馈单元1500适用于输出电压Vo与输入电压Vi的极性相同且反馈信号If为正向电流(由反馈单元1500流出至调整单元1400)的情形，而图16至图20则为反馈单元1500的实施例。

针对输出电压Vo与输入电压Vi皆为正电压的情形，图8至图20显示了反馈信号If为正向或负向电流时调整单元201及反馈单元203的实施例。同样地，针对输出电压Vo与输入电压Vi的极性相反的情形(即电荷泵202产生负电压的输出电压Vo)，本发明亦可根据反馈信号If为正向或负向电流，提供两类实施例。当输出电压Vo与输入电压Vi的极性相反，且反馈信号If为负向电流(流入反馈单元)时，可以图8的调整单元800实现符合需求的调整单元201，而反馈单元203则可由图21至图25的电路2100、2200、2300、2400、2500实现；而当输出电压Vo与输入电压Vi的极性相反，且反馈信号If为正向电流(由反馈单元流出)时，可以图14的调整单元1400实现符合需求的调整单元201，而反馈单元203则可由图26至图29的电路2600、2700、2800、2900实现。其中，电路2100、2200、2300、2400、2500、2600、2700、2800、2900是通过修改或仿照电路1000、1100、1200、1300、1600、1700、1800、1900、2000而产生，相关操作方式可参考前述说明，在此不赘述。

综上所述，本发明电压转换装置利用电压转电流的反馈控制方法，在不同的开关导通电阻及不同的负载电流之下，均能够自动调整电荷泵输出电压，使其维持于预期的电平。当电荷泵的输出电压随负载电流变动而导致输出电压改变时，本发明的调整单元及反馈单元可以自动调整电荷泵的输出电压使其回复到原设定值，而不受开关导通电阻效应或不同负载电流变化的影响。换句话说，不需要外接电压调整器以及稳压电容，本发明便可提供类似的稳定输出电压，因而可避免效率的损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种可提升电压转换效率的电压转换装置，包含有：

一电荷泵，用来根据一输入电压，产生一输出电压，该输出电压的电压值与该输入电压的电压值呈一线性关系；

一反馈单元，用来根据该电荷泵所产生的该输出电压，输出一反馈信号；以及

一调整单元，用来根据该反馈单元所输出的该反馈信号，输出并调整该输入电压，以使该电荷泵所产生的该输出电压保持在一预设电平，

其中，该调整单元包含有：

一电压输出端，耦接于该电荷泵，用来输出该输入电压；

一反馈端，耦接于该反馈单元，用来接收该反馈信号；

一运算放大器，包含有一正输入端、一负输入端及一输出端，该负输入端耦接于一参考电压；

一晶体管，包含有一第一端耦接于该运算放大器的该输出端，一第二端耦接于一电压产生器，及一第三端耦接于该电压输出端；

一第一电阻，其一端耦接于该晶体管的该第三端与该电压输出端之间，另一端耦接于该运算放大器的该正输入端与该反馈端之间；以及

一第二电阻，其一端耦接于该第一电阻、该运算放大器的该正输入端与该反馈端之间，另一端耦接于地端。

2.如权利要求1所述的电压转换装置，其中，该输出电压的电压值与该输入电压的电压值呈正倍数关系。

3.如权利要求1所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

4.如权利要求2所述的电压转换装置，其中，该反馈单元所输出的该反馈信号由该反馈单元输出一反馈电流而产生。

5.如权利要求4所述的电压转换装置，其中，该反馈单元包含有：

一输出电压接收端，耦接于该电荷泵，用来接收该电荷泵所输出的该输出电压；

一反馈信号端，用来输出该反馈信号；

一分压电路，耦接于该输出电压接收端，用来产生一分压信号；以及

一电压至电流转换电路，耦接于该分压电路，用来根据该分压信号，产生该反馈电流。

6.如权利要求5所述的电压转换装置，其中，该分压电路包含有：

一第一电阻，其一端耦接于该输出电压接收端，另一端耦接于该电压至电流转换电路；以及

一第二电阻，其一端耦接于该第一电阻与该电压至电流转换电路之间，另一端耦接于地端。

7.如权利要求5所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路是一P型金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接于该分压电路，源极耦接于一电压产生器，以及漏极耦接于该反馈信号端。

8.如权利要求5所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路包含有：

一电压至电流放大器，耦接于该分压电路，用来根据该分压信号，产生该反馈电流；以及

一电流镜，包含有一第一分支耦接于该电压至电流放大器，及一第二分支耦接于该反馈信号端与一电压产生器之间，用来将该第一分支的电流镜射至该第二分支。

9.如权利要求8所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器包含有：

一共源极放大器，包含有一输入端耦接于该分压电路，及一输出端，用来根据该分压信号，以产生一输出电压；以及

一晶体管，包含一第一端耦接于该共源极放大器的该输出端，一第二端耦接于地端，及一第三端耦接于该电流镜的该第一分支；用来根据该共源极放大器输出端的该输出电压，在该第三端产生该反馈电流。

10.如权利要求9所述的电压转换装置，其中，该共源极放大器包含有：

一晶体管，包含有一第一端耦接于该共源极放大器的该输入端，一第二端耦接于一电压产生器，及一第三端耦接于该共源极放大器的该输出端；以及

一电流源，其一端耦接于该晶体管的第三端与该共源极放大器的该输出端之间，另一端耦接于地端。

11.如权利要求9所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一N型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

12.如权利要求10所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

13.如权利要求8所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器是一差动放大器。

14.如权利要求13所述的电压转换装置，其中，该差动放大器包含有：

一第一晶体管，包含有一第一端耦接于该分压电路，一第二端耦接于一电流源，及一第三端耦接于一输出电阻；以及

一第二晶体管，包含有一第一端耦接于一参考电压，一第二端耦接于该电流源，及一第三端耦接于该电流镜的该第一分支。

15.如权利要求14所述的电压转换装置，其中，该第一晶体管是一N型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

16.如权利要求15所述的电压转换装置，其中，该第二晶体管是一N型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

17.如权利要求14所述的电压转换装置，其中，该输出电阻是一主动式负载电路。

18.如权利要求5所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路包含有：

一运算放大器，包含有一正输入端耦接于该分压电路，一负输入端耦接于一参考电压，及一输出端，用来比较该分压信号与该参考电压，以产生一电压信号；以及

一电压至电流放大器，耦接于该运算放大器的该输出端与该反馈信号端，用来根据该电压信号，产生该反馈电流。

19.如权利要求18所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器是一P型金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接于该运算放大器的该输出端，漏极耦接于该反馈信号端，以及源极耦接于一电压产生器。

20.如权利要求5所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路包含有：

一电压至电流放大器，耦接于该共源极放大器的该输出端与该反馈信号端，用来根据该共源极放大器输出端的该输出电压，产生该反馈电流。

21.如权利要求20所述的电压转换装置，其中，该共源极放大器包含有：

一晶体管，包含有一第一端耦接于该共源极放大器的该输入端，一第二端耦接于该共源极放大器的该输出端，及一第三端耦接于地端；以及

一电流源，其一端耦接于该晶体管的第二端与该共源极放大器的该输出端之间，另一端耦接于一电压产生器。

22.如权利要求21所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

23.如权利要求20所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器是一P型金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接于该共源极放大器的该输出端，漏极耦接于该反馈信号端，以及源极耦接于一电压产生器。

24.一种可提升电压转换效率的电压转换装置，包含有：

其中，该调整单元包含有：

一电压输出端，耦接于该电荷泵，用来输出该输入电压；

一反馈端，耦接于该反馈单元，用来接收该反馈信号；

一电流至电压转换电路，耦接于该反馈端，用来将该反馈信号转换为一反馈电压信号；

一运算放大器，包含有一正输入端、一负输入端及一输出端，该负输入端耦接于该电流至电压转换电路，用来接收该反馈电压信号；

一第一电阻，其一端耦接于该晶体管的该第三端与该电压输出端之间，另一端耦接于该运算放大器的该正输入端；以及

一第二电阻，其一端耦接于该第一电阻与该运算放大器的该正输入端之间，另一端耦接于地端。

25.如权利要求24所述的电压转换装置，其中，该电流至电压转换电路包含有：

一参考电流源，耦接该反馈端与该运算放大器的该负输入端，用来输出一参考电流；以及

一电阻，其一端耦接于该参考电流源、该反馈端与该运算放大器的该负输入端之间，另一端耦接于地端。

26.如权利要求24所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

27.如权利要求24所述的电压转换装置，其中，该输出电压的电压值与该输入电压的电压值呈负倍数关系。

28.如权利要求27所述的电压转换装置，其中，该反馈单元所输出的该反馈信号是由该反馈单元汲取一反馈电流而产生。

29.如权利要求28所述的电压转换装置，其中，该反馈单元包含有：

一反馈信号端，用来输出该反馈信号；

一分压电路，耦接于该输出电压接收端与一电压产生器之间，用来产生一分压信号；以及

一电压至电流转换电路，耦接于该分压电路，用来根据该分压信号，汲取该反馈电流。

30.如权利要求29所述的电压转换装置，其中，该分压电路包含有：

一第二电阻，其一端耦接于该第一电阻与该电压至电流转换电路之间，另一端耦接于该电压产生器。

31.如权利要求29所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路是一N型金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接于该分压电路，源极耦接于地端，以及漏极耦接于该反馈信号端。

32.如权利要求29所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路包含有：

一电流镜，包含有一第一分支耦接于该电压至电流放大器，及一第二分支耦接于该反馈信号端与地端之间，用来将该第一分支的电流镜射至该第二分支。

33.如权利要求32所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器包含有：

一晶体管，包含一第一端耦接于该共源极放大器的该输出端，一第二端耦接于一电压产生器，及一第三端耦接于该电流镜的该第一分支；用来根据该共源极放大器输出端的该输出电压，在该第三端产生该反馈电流。

34.如权利要求33所述的电压转换装置，其中，该共源极放大器包含有：

一晶体管，包含有一第一端耦接于该共源极放大器的该输入端，一第二端耦接于地端，及一第三端耦接于该共源极放大器的该输出端；以及

一电流源，其一端耦接于该晶体管的第三端与该共源极放大器的该输出端之间，另一端耦接于一电压产生器。

35.如权利要求33所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

36.如权利要求34所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一N型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

37.如权利要求32所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器是一差动放大器。

38.如权利要求37所述的电压转换装置，其中，该差动放大器包含有：

39.如权利要求38所述的电压转换装置，其中，该第一晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

40.如权利要求39所述的电压转换装置，其中，该第二晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

41.如权利要求38所述的电压转换装置，其中，该输出电阻是一主动式负载电路。

42.如权利要求29所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路包含有：

43.如权利要求42所述的电压转换装置，其中，该电压至电流放大器是一N型金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接于该运算放大器的该输出端，漏极耦接于该反馈信号端，以及源极耦接于地端。

44.如权利要求29所述的电压转换装置，其中，该电压至电流转换电路包含有：

一共漏极放大器，包含有一输入端耦接于该分压电路，及一输出端，用来根据该分压信号，以产生一输出电压；以及

一晶体管，包含一第一端耦接于该共漏极放大器的该输出端，一第二端耦接于地端，及一第三端耦接于该反馈信号端；用来根据该共漏极放大器输出端的该输出电压，在该第三端产生该反馈电流。

45.如权利要求44所述的电压转换装置，其中，该共漏极放大器包含有：

一晶体管，包含有一第一端耦接于该共漏极放大器的该输入端，一第二端耦接于一电压产生器，及一第三端耦接于该共漏极放大器的该输出端；以及

一电流源，其一端耦接于该晶体管的第三端与该共漏极放大器的该输出端之间，另一端耦接于地端。

46.如权利要求44所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一N型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是源极，该第三端是漏极。

47.如权利要求45所述的电压转换装置，其中，该晶体管是一N型金属氧化物半导体晶体管，该第一端是栅极，该第二端是漏极，该第三端是源极。