CN102255497B - 电荷泵电路的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷泵电路的控制电路，包括环形振荡器以及负载状态检测单元。其中环形振荡器用以产生时钟脉冲信号，并依据第一控制信号调整时钟脉冲信号的频率，并依据一调整信号停止产生时钟脉冲信号。负载状态检测单元用以产生第一控制信号，并依据电荷泵电路的输出电压的压降变化与调整信号决定使能第一控制信号的时间点，其中调整信号的脉冲宽度随输出电压的电压值下降幅度变小而变窄。本发明的电荷泵电路的控制电路，可依照负载状态的变化情形同时兼顾电荷泵电路的效率与驱动能力。

Description

电荷泵电路的控制电路

技术领域

本发明是有关于一种电荷泵电路的控制电路，且特别是有关于一种可同时兼顾电荷泵电路效率与驱动能力的控制电路。

背景技术

在电子装置中，往往需要各种不同准位的电源电压(source voltage)，因此常配置电荷泵电路以便利用现有的电源电压来产生各种不同准位的电源电压。

图1示出了现有的电荷泵电路及其控制电路的方框图。其中控制电路100包括电压准位检测器102以及环形振荡器104。电压准位检测器102用以检测电荷泵电路106的输出电压Vout的电压准位，当输出电压Vout小于一固定预设电压准位时，电压准位检测器102便输出触发信号S1至环形振荡器104。环形振荡器104则依据触发信号S1决定是否输出时钟脉冲信号P1，使电荷泵电路106依据时钟脉冲信号P1将输出电压Vout拉回至正常的电压准位。一般来说，当环形振荡器104所输出的时钟脉冲信号P1频率高时，电荷泵电路106的驱动能力较好，而效率较差，相反地，当环形振荡器104所输出的时钟脉冲信号P1频率低时，电荷泵电路106的驱动能力较差，而效率较好。由于现有的电荷泵电路的环形振荡器输出频率固定，因此往往在设计电路时就必须依实际情形在电荷泵电路的驱动能力以及效率之间做取舍，而无法同时兼顾两者。

美国专利申请案第20060197583号揭示了一种增进电荷泵电路效率的方法，其依据电荷泵所驱动的负载大小来决定电荷泵的输入频率，以增进电荷泵电路的效率。然此方法亦是利用固定的电压准位来决定环形振荡器的频率转换，仍无法兼顾电荷泵的效率与驱动能力，因此当输出电压在预设电压准位的上下间来回漂移时，将会造成环形振荡器不断地转换频率，而降低电荷泵电路的效率，甚至使环形振荡器在频率转换的过程中无法产生电荷泵电路提升输出电压所需的时钟脉冲信号，而造成输出电压下降。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电荷泵电路的控制电路，可依照负载状态的变化情形同时兼顾电荷泵电路的效率与驱动能力。

本发明提出一种电荷泵电路的控制电路，包括环形振荡器以及负载状态检测单元。其中环形振荡器耦接电荷泵电路与负载状态检测单元。环形振荡器用以产生时钟脉冲信号，依据第一控制信号调整时钟脉冲信号的频率，并依据一调整信号停止产生时钟脉冲信号。负载状态检测单元则用以产生第一控制信号，并依据电荷泵电路的输出电压的压降变化与调整信号决定使能第一控制信号的时间点，其中调整信号的脉冲宽度随输出电压的电压值下降幅度变小而变窄。

在本发明的一实施例中，当输出电压达到目标电压准位时，环形振荡器依据调整信号停止产生时钟脉冲信号，当输出电压的电压值下降幅度变大时，负载状态检测单元依据调整信号提早使能第一控制信号的时间点。

在本发明的一实施例中，电荷泵电路的控制电路更包括一电压准位检测器，其耦接环形振荡器与电荷泵电路的输出端，检测输出电压的压降并据以产生调整信号。

在本发明的一实施例中，上述的负载状态检测单元包括偏压电压产生单元与延迟单元。其中偏压电压产生单元耦接电压准位检测器与电荷泵电路的输出端，并依据输出电压产生一偏压电压。延迟单元则耦接偏压电压产生单元，并依据偏压电压延迟使能第一控制信号的时间点。

本发明的有益效果在于，基于上述，本发明通过调整信号的脉冲宽度变化以及输出电压的压降变化来调整第一控制信号的使能时间点，使电压泵电路可依据负载的状态改变其操作频率，以兼顾电压泵电路的效率与驱动能力。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出了现有的电荷泵电路及其控制电路的方框图。

图2示出了本发明一实施例的电荷泵电路及其控制电路的方框图。

图3示出了本发明另一实施例的电荷泵电路及其控制电路的方框图。

图4示出了本发明一实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的电路图。

图5A～图5C示出了本发明一实施例的调整信号，控制信号以及时钟脉冲信号的波形示意图。

图6示出了本发明一实施例的输出电压、负载电流、调整信号以及控制信号的波形示意图。

图7示出了本发明另一实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的电路图。

图8示出了本发明又一实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的电路图。

其中，附图标记说明如下：

100、200：控制电路

102、202：电压准位检测器

104、206：环形振荡器

106、208：电荷泵电路

204：负载状态检测单元

302：偏压电压产生单元

304：延迟单元

Is：电流源

C1：缓冲电容

Vc：参考电压

Ib：偏压电流

I-load：负载电流

Q1～Q14：晶体管

VDD：电源电压

GND：接地

R1、R2：电阻

A1、A2：缓冲器

Vb：偏压电压

S1：触发信号

LMT：调整信号

CON1：第一控制信号

CON2：第二控制信号

Vout：输出电压

P1、P2：时钟脉冲信号

T1、T2：时间

具体实施方式

图2示出了本发明一实施例的电荷泵电路及其控制电路的方框图。请参照图2，控制电路200包括电压准位检测器202、负载状态检测单元204以及环形振荡器206。电压准位检测器202耦接负载状态检测单元204、环形振荡器206以及电荷泵电路208的输出端，环形振荡器206则耦接负载状态检测单元204以及电荷泵电路208。

其中电压准位检测器202用以检测电荷泵电路208输出端的输出电压Vout的压降变化，并依据输出电压Vout的压降变化输出调整信号LMT。负载状态检测单元204用以产生第一控制信号CON1，并根据输出电压Vout与调整信号LMT决定使能第一控制信号CON1的时间点。环形振荡器206依据第一控制信号CON1调整其产生的时钟脉冲信号P2的频率。另外，电荷泵电路208则依据时钟脉冲信号P2将基本电压进行倍压后于其输出端产生输出电压Vout。

举例来说，当输出电压Vout因轻负载电流而下降，而第一控制信号CON1未被使能时，环形振荡器206所输出的时钟脉冲信号P2具有较低的频率，因此使得电荷泵电路208以较低操作频率工作，此时电荷泵电路208具有较高的效率，但当输出电压Vout的电压准位突然被拉低时(亦即负载电流变大时)，负载状态检测单元204依据输出电压Vout的电压值下降的幅度以及调整信号LMT来调整使能第一控制信号CON1的时间点。当输出电压Vout的电压值下降的幅度越大时，负载状态检测单元204越早使能第一控制信号CON1。而当第一控制信号CON1被使能后，环形振荡器206依据第一控制信号CON1提高时钟脉冲信号P2的频率，而使得电荷泵电路208以较高的操作频率工作，此时的电荷泵电路208具有较强的驱动能力，可将电荷泵电路208的输出电压Vout快速地拉回正常的电压准位。

利用本实施例的控制电路200可依据输出电压Vout的电压值下降的幅度以及调整信号LMT来调整电荷泵电路208的操作频率，同时兼顾电荷泵电路208的效率与驱动能力，避免如现有技术般利用固定的电压准位来决定环形振荡器206的频率转换，而无法同时兼顾电荷泵电路208的效率与驱动能力。甚至当负载电流持续发生并且使Vout下降至频率转换点附近时，可避免因时钟脉冲信号P2不断切换造成电荷泵电路208无法获得提高输出电压所需的时钟脉冲信号P2，而使得输出电压Vout下降。

图3示出了本发明另一实施例的电荷泵电路及其控制电路的方框图。请参照图3，在本实施例中，图2实施例的负载状态检测单元204可包括偏压电压产生单元302与延迟单元304，其中偏压电压产生单元302耦接电压准位检测器202、延迟单元304以及电荷泵电路208的输出端。偏压电压产生单元302用以检测电荷泵电路208的输出电压Vout的压降，并依据输出电压Vout的压降输出一偏压电压Vb，延迟单元304则产生第一控制信号CON1，并依据调整信号LMT与偏压电压Vb延迟使能第一控制信号CON1的时间点。其中当输出电压Vout的电压值下降的幅度越大时，偏压电压产生单元302所输出的偏压电压Vb越大，而延迟单元304延迟使能第一控制信号CON1的时间也越短。也就是说当输出电压Vout的电压值下降的幅度越大时，第一控制信号CON1越快被使能，以提高时钟脉冲信号P2的频率，进而将电荷泵电路208的输出电压Vout拉回正常的电压准位。

详细来说，图3中的负载状态检测单元204与环形振荡器206可如图4所示。图4示出了本发明一实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的电路图。请参照图4，偏压电压产生单元302包括晶体管Q1～Q5以及电阻R1、R2。其中晶体管Q1的第一源/漏极耦接输出电压Vout，晶体管Q1的栅极耦接调整信号LMT，电阻R1、R2串接于晶体管Q1的第二源/漏极与接地GND之间。晶体管Q2的栅极与第一源/漏极分别耦接调整信号LMT与电源电压VDD，晶体管Q2的第二源/漏极则耦接晶体管Q3与Q4的第一源/漏极，其中晶体管Q3的栅极耦接电阻R1与R2的共同接点，晶体管Q4的第一源/漏极耦接晶体管Q2的第二源/漏极，晶体管Q4的栅极则耦接晶体管Q4的第二源/漏极，且晶体管Q4的第二源/漏极与晶体管Q3的的第二源/漏极相耦接。晶体管Q5则耦接于晶体管Q4的第二源/漏极与接地GND之间，且晶体管Q5的栅极耦接至晶体管Q5的第一源/漏极与延迟单元304。

延迟单元304包括串接的多个缓冲器A1、多个缓冲电容C1以及多个晶体管Q6。其中，串接的多个缓冲器A1的输入端(亦即多个缓冲器A1所形成的串联缓冲器的输入端)耦接调整信号LMT，串接的多个缓冲器A1的输出端(亦即多个缓冲器A1所形成的串联缓冲器的输出端)耦接环形振荡器206。多个缓冲电容C1分别耦接于对应的缓冲器A1的输出端与接地GND之间。另外，晶体管Q6则分别耦接于对应的缓冲器A1与接地GND之间，其中晶体管Q6的栅极耦接偏压电压产生单元302。

另外，环形振荡器206则包括多个缓冲器A2以及多个电流源Is。其中，串接的多个缓冲器A2的输入端(亦即多个缓冲器A2所形成的串联缓冲器的输入端)耦接至其本身的输出端(亦即多个缓冲器A2所形成的串联缓冲器的输出端)，电流源Is则耦接于对应的缓冲器A2与接地GND之间，且各电流源Is的电流大小受控于第一控制信号CON1与第二控制信号CON2。在本实施例中，各电流源Is可包括晶体管Q9～Q12，其中晶体管Q11与晶体管Q12串接于缓冲器A2与接地GND之间，而晶体管Q9与晶体管Q10亦串接于缓冲器A2与接地GND之间，且晶体管Q11与晶体管Q9的栅极耦接调整信号LMT，晶体管Q12与Q10的栅极则分别耦接第一控制信号CON1与第二控制信号CON2。其中，在第一控制信号CON1被使能前，第二控制信号CON2控制环形振荡器206产生的时钟脉冲信号P2维持在一基本频率，此基本频率小于第一控制信号CON1被使能后时钟脉冲信号P2的频率。

图5A～图5C示出了本发明一实施例的调整信号，控制信号以及时钟脉冲信号的波形示意图。其中图5A为电荷泵电路具有较大负载电流时的波形图，图5B为电荷泵电路具有较小的负载电流时的波形图，而图5C则为电荷泵电路具有微负载电流时的波形图，也就是说，图5A～图5C所对应的电荷泵电路的输出电压的下降幅度依序为由大至小。

请参照图3、图4以及图5A，当电荷泵电路208的输出电压Vout下降一电压值时，将使得偏压电压产生单元302中电阻R1、R2共同接点上的参考电压Vc(亦即晶体管Q3的栅极电压)下降，使得晶体管Q3的电流变大，进而使得流向晶体管Q5的偏压电流Ib变大(同时亦使晶体管Q5栅极的偏压电压Vb上升)。受到晶体管Q5栅极的偏压电压Vb上升的影响，流经延迟单元304中晶体管Q6的电流也将变大而加快缓冲电容C1的充放电速率，使得第一控制信号CON1在输出电压Vout下降经过一段时间T1后得以被使能。环形振荡器206中的晶体管Q12随着第一控制信号CON1被使能而打开其通道，电流源Is的电流因而增大为流经晶体管Q12的电流I1加上流经晶体管Q10的电流I2。其中，在时间T1期间内，电流源Is的电流为流经晶体管Q10的电流I2，其电流值受控于第二控制信号CON2的电压准位。电流源Is的电流增大将提高环形振荡器206输出的时钟脉冲信号P2的频率，进而提供较大的驱动电流，以快速地将电荷泵电路208的输出电压Vout拉回正常的电压准位。

接着请参照图3、图4与图5B，由于本实施例的电荷泵电路208相对于图5A的实施例具有较小的负载电流，因此电阻R1、R2共同接点上参考电压Vc下降的电压值将较小于图5A实施例的参考电压Vc，而偏压电流Ib也较小于图5A实施例的偏压电流Ib(亦即偏压电压Vb的电压值上升幅度较小)，使得缓冲电容C1的充放电速率慢于电荷泵电路208具有较大的负载电流时的充放电速率。如此一来，第一控制信号CON1被使能的时间点将较图5A实施例的时间点晚(亦即时间T2将大于时间T1)，环形振荡器206提高时钟脉冲信号P2频率的时间点也因而较晚。

另外，请参照图3、图4与图5C，本实施例假设电荷泵电路208仅具有微小的负载电流。由于调整信号LMT的脉冲宽度随输出电压Vout的电压值下降幅度变小而变窄，当调整信号LMT的脉冲宽度太窄时，调整信号LMT将被延迟单元304滤除，因而使得本实施例的第一控制信号CON1不会被使能。此时电流源Is的电流为第二控制信号CON2所控制的电流I2，环形振荡器206依据电流I2产生基本频率的时钟脉冲信号P2，以使电荷泵电路208的输出电压Vout回到正常的电压准位。当电荷泵电路208的输出电压Vout达到目标电压准位(亦即回到正常的电压准位)时，调整信号LMT将由高电压准位转为低电压准位，将晶体管Q11与晶体管Q9的通道关闭，进而使环形振荡器206停止输出时钟脉冲信号P2，以将输出电压Vout维持在目标电压准位。

如上所述，通过调整信号LMT的脉冲宽度变化以及输出电压Vout的压降变化来调整第一控制信号CON1的使能时间点，在负载电流较大时，提早使能第一控制信号CON1，在负载电流较小时，则延后使能第一控制信号CON1，如此便可依据负载的状态调整改变电压泵电路208操作频率的时间点，以兼顾电压泵电路208的效率与驱动能力。

图6为本发明一实施例的输出电压、负载电流、调整信号以及控制信号的波形示意图。由图6可看出，相较于现有技术，本实施例的装置在输出电压Vout低于正常的电压准位时，控制信号CON1不会因负载电流I-load的变化而不断切换其电压准位，因此环形振荡器206所输出的时钟脉冲信号P2不会如现有技术般不断地转换频率而减低电压泵电路的效率。其中，当输出电压Vout回到正常的电压准位时，调整信号LMT与第一控制信号CON1、第二控制信号CON2的电压准位由高电压准位转为低电压准位。而当输出电压Vout自正常的电压准位略微下降一电压值时，调整信号LMT与第二控制信号CON2将再转换为高电压准位以将输出电压Vout拉回正常的电压准位。

值得注意的是，图4实施例中的缓冲器A1与缓冲器A2亦可为反相器或晶体管。举例来说，图7示出了本发明另一实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的电路图。如图7所示，缓冲器A1与A2可以分别以晶体管Q7与晶体管Q8来实现。其中，晶体管Q7的栅极即为缓冲器A1的输入端，晶体管Q7的第二源/漏极则为缓冲器A1的输出端，而晶体管Q7的第一源/漏极则耦接至电源电压VDD。另外，晶体管Q8的栅极为缓冲器A2的输入端，晶体管Q8的第二源/漏极为缓冲器A2的输出端，而晶体管Q8的第一源/漏极则耦接至电源电压VDD。本实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的工作原理类似于图4的负载状态检测器以及环形振荡器，因此在此不再赘述。

图8示出了本发明又一实施例的负载状态检测器以及环形振荡器的电路图。本实施例与图4的实施例的不同之处在于，电流源Is可增加一由晶体管Q13、Q14所形成的串联晶体管。其中晶体管Q13、Q14串接于缓冲器A2与接地GND之间，晶体管Q13的栅极耦接调整信号LMT，晶体管Q14的栅极则耦接多个缓冲器A1其中之一的输出端(例如串联缓冲器中的第一个缓冲器A1的输出端)。由于晶体管Q12与Q14耦接至不同缓冲器A1的输出端，因此晶体管Q12、Q14的通道被打开的时间也不同，如此一来便可使环形振荡器206产生的时钟脉冲信号P2具有多种不同的频率变化，能视不同负载电流的情形使电荷泵电路208具有更好的效率与驱动能力。本实施例的电路的工作原理类似于图4实施例的电路，因此在此不再赘述。

综上所述，本发明通过调整信号的脉冲宽度变化以及输出电压的压降变化来调整第一控制信号CON1的使能时间点。当负载电流较大时，提早使能第一控制信号CON1，当负载电流较小时，延后使能第一控制信号CON1，使电压泵电路208可依据负载的状态控制第一控制信号的使能时间点来改变其操作频率，以兼顾电压泵电路208的效率与驱动能力。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，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，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电荷泵电路的控制电路，包括：

一环形振荡器，耦接该电荷泵电路，产生一时钟脉冲信号，依据一第一控制信号调整该时钟脉冲信号的频率，并依据一调整信号停止产生该时钟脉冲信号；以及

一负载状态检测单元，耦接该环形振荡器，直接接收该电荷泵电路的一输出电压与该调整信号，产生该第一控制信号，并依据直接接收的该电荷泵电路的该输出电压的压降变化与该调整信号决定使能该第一控制信号的时间点，其中该调整信号的脉冲宽度随该输出电压的电压值下降幅度变小而变窄。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，当该输出电压达到一目标电压准位时，该环形振荡器依据该调整信号停止产生该时钟脉冲信号，当该输出电压的电压值下降幅度变大时，该负载状态检测单元依据该调整信号提早使能该第一控制信号的时间点。

3.如权利要求2所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，所述电荷泵电路的控制电路还包括：

一电压准位检测器，耦接该电荷泵电路的输出端、该负载状态检测单元、与该环形振荡器，检测该输出电压的压降并据以产生该调整信号。

4.如权利要求3所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，该负载状态检测单元包括：

一偏压电压产生单元，耦接该电压准位检测器以及该电荷泵电路的输出端，依据该输出电压产生一偏压电压；以及

一延迟单元，耦接该偏压电压产生单元，产生该第一控制信号，并依据该偏压电压延迟使能该第一控制信号的时间点。

5.如权利要求4所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，该偏压电压产生单元包括：

一第一晶体管，其第一源极或漏极耦接该输出电压，其栅极耦接该调整信号；

一第一电阻：

一第二电阻，与该第一电阻串接于该第一晶体管的第二源极或漏极与一接地之间：

一第二晶体管，其第一源极或漏极耦接一电源电压，该第二晶体管的栅极耦接该调整信号；

一第三晶体管，其第一源极或漏极耦接该第二晶体管的第二源极或漏极，该第三晶体管的栅极耦接该第一电阻与该第二电阻的共同接点；

一第四晶体管，其第一源极或漏极耦接该第二晶体管的第二源极或漏极，该第四晶体管的第二源极或漏极耦接该第四晶体管的栅极与该第三晶体管的第二源极或漏极；

一第五晶体管，耦接于该第四晶体管的第二源极或漏极与该接地之间，且该第五晶体管的栅极耦接至该第五晶体管的第一源极或漏极与该延迟单元。

6.如权利要求4所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，该延迟单元包括：

串接的多个第一缓冲器，串接的所述多个第一缓冲器的输入端耦接该调整信号，串接的所述多个第一缓冲器的输出端耦接该环形振荡器；

多个缓冲电容，分别耦接于对应的第一缓冲器的输出端与一接地之间；以及

多个第六晶体管，分别耦接于对应的第一缓冲器与该接地之间，各该第六晶体管的栅极耦接该偏压电压产生单元。

7.如权利要求6所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，各该第一缓冲器为一第七晶体管，各该第一缓冲器的输入端与输出端分别为该第七晶体管的栅极与第二源极或漏极，该第七晶体管的第一源极或漏极耦接一电源电压。

8.如权利要求1所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，该环形振荡器包括：

串接的多个第二缓冲器，串接的所述多个第二缓冲器的输入端耦接至串接的所述多个第二缓冲器的输出端；以及

多个电流源，分别耦接于对应的第二缓冲器与一接地之间，各该电流源的电流大小受控于该第一控制信号与一第二控制信号。

9.如权利要求8所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，各该第二缓冲器为一第八晶体管，各该第二缓冲器的输入端与输出端分别为该第八晶体管的栅极与第二源极或漏极，该第八晶体管的第一源极或漏极耦接一电源电压。

10.如权利要求8所述的电荷泵电路的控制电路，其特征在于，各该电流源包括：

一第九晶体管，其栅极耦接该调整信号；

一第十晶体管，与该第九晶体管串接于对应的第二缓冲器与该接地之间，该第十晶体管的栅极耦接该第二控制信号；

一第十一晶体管，其栅极耦接该调整信号；以及

一第十二晶体管，与该第十一晶体管串接于对应的第二缓冲器与该接地之间，该第十二晶体管的栅极耦接该第一控制信号。

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