CN102594131B - 电荷泵电路及应用其的驱动集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电荷泵电路及应用其的驱动集成电路。该电荷泵电路，包括输出端、外部电容及开关模块。输出端耦接至一集成电路的一内部电容。外部电容设置于集成电路的外部。开关模块耦接至外部电容与内部电容，用以控制外部电容与内部电容轮流进行充电与放电。于第一操作期间内，开关模块控制外部电容进行充电而不提供电流至该输出端，以及控制内部电容进行放电至输出端。

Description

电荷泵电路及应用其的驱动集成电路

技术领域

本发明是关于一种电荷泵电路(ChargePump)，且特别是一种可减少外部电容数目的电荷泵电路及应用其的电子装置。

背景技术

在科技发展日新月异的现今时代中，电荷泵电路(ChargePump)已被开发且广泛地应用在多种场合中，例如是做为电源电路而应用在集成电路中。一般来说，电荷泵电路包括多个切换开关、以及设置于集成电路外部的两个外部电容，譬如为飞驰电容。此多个切换开关循序切换，以在第一操作期间中控制第一外部电容放电以稳定输出电压，并且控制第二外部电容充电以产生跨压，并在第二操作期间中抬高或压低第二外部电容其中一端的电压电平并控制其放电至第一外部电容，藉此对第一外部电容充电并于第二外部电容的另一端提供增高或降低的输出电压。

然而，现有的电荷泵电路往往需要使用电容值较高(例如数十个微法拉(Microfarad，uf))的外部电容，因此具有电路面积较大及制作成本较高的缺点。据此，设计出电路面积较小及制造成本较低的电荷泵电路，为业界不断致力的方向之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种电荷泵电路及应用其的电子装置，相较于传统电荷泵电路，此种电荷泵电路的电路面积较小及制造成本较低，此外，此种电子装置可于不同的负载电流模式下运作，从而提供良好稳压能力与省电效能。

根据本发明第一方面提出一种电荷泵电路，包括一输出端，耦接至该集成电路的一内部电容；一外部电容，设置于该集成电路的外部；以及一开关模块，耦接至该外部电容与该内部电容，用以控制该外部电容与该内部电容循序进行充放电。于一第一操作期间内，该开关模块控制该外部电容进行充电而不提供电流至该输出端，以及控制该内部电容进行放电至该输出端。此外，于一第二操作期间内，该开关模块可还控制该外部电容进行放电至该内部电容及该输出端，而对该内部电容进行充电。于该第一与第二操作期间内，该输出端分别流通一第一负载电流与一第二负载电流，而该第一负载电流可小于该第二负载电流。

根据本发明第二方面提出一种电子装置，包括上述的电荷泵电路以及一负载电路。该负载电路耦接至该电荷泵电路以接收该电荷泵电路的供电，并分别于该第一操作期间与该第二操作期间内，分别运作于一第一负载电流模式与一第二负载电流模式。

本发明的有益技术效果是：本发明的电荷泵电路中可仅使用一个集成电路外部电容以及一或多个集成电路内部电容(统称为一内部电容)来实施。据此，相较于传统电荷泵电路，本发明的电荷泵电路及驱动装置具有电路面积较小及制造成本较低的优点。此外，本发明的电荷泵电路亦可应用至各类电子装置中，以使电子装置可于不同的负载电流模式下运作，从而提供良好稳压能力与省电效能。

为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，以下将配合附图对本发明的较佳实施例作详细说明：

附图说明

图1绘示依照一实施例的电荷泵电路方块图。

图2绘示依照一实施例的电子装置的方块图。

图3绘示依照一实施例的图2的驱动电路的部份电路图。

图4绘示依照一实施例的图3的驱动集成电路的相关信号时序图。

图5绘示依据一实施例的电荷泵装置的电路方块图。

具体实施方式

请参照图1，其绘示依照一实施例的电荷泵电路方块图。于此实施例中，电荷泵电路10a主要包括输出端No、外部电容Cf及开关模块SW。输出端No耦接至集成电路的内部电容Cs。内部电容Cs在此虽然仅绘示为单一电容，但其实际上通常可以一至多个集成电路内部电容来实现。这些集成电路内部电容可为特别设置于集成电路中以专供电荷泵电路10a使用的电容，或为集成电路内元件本身的寄生电容，或为两者的组合。相对地，外部电容Cf设置于集成电路的外部，其较佳可利用飞驰电容(FlyingCapacitor)来实现。此外，开关模块SW则可包含多个开关，耦接至外部电容Cf与内部电容Cs，用以控制外部电容Cf与内部电容Cs两者的充电与放电操作。

内部电容Cs的尺寸通常远小于外部电容Cf的尺寸，因此内部电容Cs的电容值通常远小于外部电容Cf的电容值。举例来说，外部电容Cf的电容值的数值级距(scale)通常介于数个至数十个微法拉(Microfarad，uF)的范围，而内部电容Cs的电容值的数值级距则介于数个微拉(Picofarad，pF)至毫微法拉(Nanofarad，nF)的范围。

通过开关模块SW内部多个开关的循序导通与切断，电荷泵电路10a可轮流进行充电(charging)操作与供电(pumping)操作。以下将电荷泵电路10a进行充电与供电操作的期间分别称为第一操作期间Tb与第二操作期间Td。于第一操作期间Tb内，开关模块SW控制外部电容Cf进行充电，以及控制内部电容Cs进行放电至输出端No，以使输出端No输出第一负载电流。于第二操作期间Td内，开关模块SW控制外部电容Cf进行放电至内部电容Cs及输出端No，以使内部电容Cs进行充电并且使输出端No输出第二负载电流。由于内部电容Cs的电容值通常小于外部电容Cf的电容值，因此第一负载电流通常小于第二负载电流。

换言之，于第一操作期间Tb内，是由内部电容Cs所储存的电荷来提供第一负载电流；而于第二操作期间Td内，是由外部电容Cf所储存的电荷来提供第二负载电流。结果，电荷泵电路10a可利用单一个外部电容Cf搭配内部电容Cs即可完成完整的充电与供电操作。相较于习知技术使用两个大尺寸的外部电容来分别实现充电与供电操作，本实施例的电荷泵电路10a的尺寸可大幅缩减。

须注意，由于在第一操作期间Tb内，是由尺寸较小的内部电容Cs所储存的电荷来维持输出端No的输出信号Sp的电压电平，因此在部分应用情况下，可能有输出信号Sp的电压电平不易维持的情况。因此，可额外安排一内部电容升压电路B来协助维持输出端No的输出信号Sp的电平。如图1所示，内部电容升压电路B可耦接至输出端No。在第一操作期间Tb中，或是在第一操作期间Tb及第二操作期间Td两者中，内部电容升压电路B可维持输出信号Sp的电平。

请继续参照图1。图1亦显示开关模块SW的细部结构的一实施例。于此实施例中，开关模块SW包括第一组开关12及第二组开关14。第一组开关12系与多个输入电压(在此以第一与第二输入电压VC1与VC2为例)以及外部电容Cf的第一及第二端E1及E2电性连接。第二组开关14则与外部电容Cf的第一端E1与第二端E2以及输出端No电性连接。

第一组开关12主要用于控制多个输入电压(第一及第二输入电压VC1及Vc2)与外部电容Cf之间的耦合状态，以便控制外部电容Cf的充电与放电。反之，第二组开关14主要用于控制外部电容Cf与内部电容Cs之间的耦合状态，俾以控制内部电容Cs的充电与放电。

具体言之，于第一操作期间Tb中，第一组开关12可响应于充电时脉信号CKb而导通，因此输入电压VC1与VC2能耦接至外部电容Cf而对外部电容Cf进行充电，从而使外部电容Cf具有充电跨压V_X。此外，第二组开关14可响应于供电时脉信号CKd而切断，因此外部电容Cf无法耦合至内部电容Cs以对其充电，从而致使内部电容Cs先前所储存的电荷放电至输出端No而产生第一负载电流。

接下来，于第二操作期间Td中，第一组开关12响应于充电时脉信号CKb而转为断路状态，因此外部电容Cf不耦合至该多个输入电压而不会被充电。此外，第二组开关14则响应于充电时脉信号CKb而转为导通，因此外部电容Cf可耦合至外部电容Cs与输出端No，从而致使外部电容Cf先前所储存的电荷对内部电容Cs进行充电，并还传送至输出端No而产生第二负载电流。

值得注意的是，开关模块SW的结构不限于仅包含第一组开关12与第二组开关14，能够控制内部电容Cs与外部电容Cf的充放电操作的其它组数与其它结构皆可采用作为开关模块SW。

图1亦更显示第一组开关12与第二组开关14的特定范例细部结构。于此特定范例中，第一组开关12可包括第一开关S1及第二开关S2。第一开关S1的两输入端分别接收第一输入电压VC1及耦接至外部电容Cf的第一端E1，而第二开关S2的两输入端则分别接收第二输入电压VC2及耦接至外部电容Cf的第二端E2。第二组开关14则可包括第三开关S3及第四开关S4。第三开关S3的两输入端分别耦接至输出端No及外部电容Cf的第一端E1，第四开关S4的两输入端分别接收第三输入电压VC3及耦接至外部电容Cf的第二端E2。

以下再详细解释此特定范例中电荷泵电路10a的操作。首先，在第一操作期间Tb中，第一开关S1及第二开关S2响应于充电时脉信号CKb的高信号电平而导通，以分别提供输入电压VC1及VC2至外部电容Cf的第一及第二端E1及E2，藉此控制外部电容Cf能进行充电。结果外部电容Cf的第一端E1相较于及第二端E2具有充电跨压V_X，此充电跨压V_X满足：V_X＝VC1-VC2。此外，第三开关S3及第四开关S4则响应于供电时脉信号CKd的低信号电平为切断，因此外部电容Cf不耦接至内部电容Cs，而内部电容Cs先前所储存的电荷能放电至输出端No而产生第一负载电流。

接下来，于第二操作期间中，第一开关S1及第二开关S2响应于充电时脉信号CKb的低信号电平而转为切断，因此外部电容Cf不再进行充电。于此同时，第三开关S3及第四开关S4则响应于供电时脉信号CKd的高信号电平而导通。第四开关S4的导通可让第三输入电压VC3传送至外部电容Cf的第二端E2，因此在第二操作期间Td一开始时，外部电容Cf的第一端E1的电压电平实质上可等于第三输入电压VC3与充电跨压V_X之和。换言之，第一端E1上的电压V_E1满足：V_E1＝VC3+V_X。第三开关S3的导通则可将外部电容Cf的第一端E1耦接至内部电容Cs与输出端No，因此输出信号Sp的电压电平可等于V_E1＝VC3+V_X，并且外部电容Cf先前于第一操作期间Tb中所储存的电荷除了可对内部电容Cs充电，还更传送至输出端No而产生第二负载电流。

值得注意的是，第一组开关12与第二组开关14分别并不限定为上述连接方式的两个开关，能够控制内部电容Cs与外部电容Cf的充放电操作的开关数目与其它细部结构皆可采用作为第一组开关12与第二组开关14。

通过设定第一至第三输入电压VC1至VC3的电平关系，可产生不同电平的输出信号Sp以满足不同的应用。举例而言，在一个操作实例中，电荷泵电路10a系设计成为一双倍压电路。第一输入电压VC1与第三输入电压VC3均设定为一高参考电平VDD，而第二输入电压VC2则设定为一低参考电平VG(譬如接地的零电平)。据此，电压V_E1满足：

V_E1＝VC3+V_X＝VC3-VC2+VC1＝VDD-VG+VDD＝2VDD

结果，电荷泵电路10a提供的输出电压Sp的电压电平实质上是两倍于高参考电平VDD。

在另一个操作实例中，电荷泵电路10a设计成为一负一倍压电路。第一输入电压VC1与第三输入电压VC3均等于低参考电平VG(譬如接地的零电平)，而第二输入电压VC2则设定为高参考电平VDD。据此，电压V_E1满足：

V_E1＝VC3+V_X＝VC3-VC2+VC1＝VG-VDD+VG＝-VDD

结果，电荷泵电路10a提供的输出电压Sp的电压电平实质上是负一倍的高参考电平VDD。

由于电荷泵电路10a于不同操作期间内可提供不同大小的负载电流而对于负载具有不同的驱动能力。因此，可设计耦接至该电荷泵电路并接受电荷泵所供电的一负载电路，分别于该第一操作期间与该第二操作期间内，运作于一第一负载电流模式与一第二负载电流模式。

图2绘示依照一实施例，应用图1的电荷泵的一电子装置的方块图。于图2中，电子装置100包括驱动装置1以及显示面板2。驱动装置1包括电源电路10及驱动电路20。电源电路10包括图1所示的电荷泵电路10a。驱动电路20则作为电源电路10的负载电路，接收电荷泵电路10a的供电以驱动显示面板2。于一操作实例中，驱动电路20为一数据驱动器(DataDriver)，其以电源电路10提供的输出信号Sp做为电源信号，而提供显示数据电压Sd来驱动显示面板2。

图3绘示依据一实施例的图2的驱动电路20的部份电路图。如图3所示，驱动电路20譬如可具有一输出级电路20a，其中包括输出运算放大器OA，其响应于输出级电路致能信号SOPEN及输出致能信号SOE两者的高电平以提供显示数据电压Sd驱动显示面板2，并响应于输出级电路致能信号SOPEN及输出致能信号SOE两者的低信号电平而终止输出显示数据电压Sd的操作。

在高耗能操作期间Th中，输出级电路致能信号SOPEN为高信号电平，驱动电路20需提供显示数据电压Sd来推动显示面板2。在低耗能操作期间Tl中，输出级电路致能信号SOPEN为低信号电平，驱动电路20则不需提供显示数据电压Sd来对显示面板2进行驱动。

图4绘示依照一实施例的图3的驱动电路20的相关信号时序图。较佳地，可安排高耗能操作期间Th落于电荷泵电路10a的第二操作期间Td中，以使驱动电路20以第二负载电流模式来运作。如此一来，可确保电源电路10在高耗能操作期间Th中有充足的电流驱动能力，以有效地避免输出信号Sp及驱动电路20的显示数据电压Sd发生电平漂移及操作异常的情形。此外，亦可安排低耗能操作期间Tl落于电荷泵电路10a的第一操作期间Tb中，以使驱动电路20以第一负载电流模式来运作，如此可节省电能损耗。

须注意，在上述实施例中，虽仅以电源电路10包括一个电荷泵电路10a的情形为例做说明，然而于其它实施例中，可串接两个或两个以上的电荷泵电路，来提供其它组态的输出信号。

举例来说，请参照图5，其绘示依据一实施例的电荷泵装置的电路方块图，其同样可应用于图2的电源电路10中。于此实施例中，电荷泵电路10a′及10a″两者相串接，亦即电荷泵电路10a′产生的输出信号系做为输入电压VC1″输入至电荷泵电路10a″。电荷泵电路10a′及10a″分别具有与图1所示的电荷泵电路10a具有实质上相近的电路结构。据此，经由电荷泵电路10a′及10a″的电压电平控制操作，可于电荷泵电路10a″的输出端No″得到一输出信号Sp′，其电压电平可以下式表示：

V_E3＝VC3″+V_X″＝VC3″+(VC2″-VC1″)＝VC3″+VC2″-(VC3′+Vx′)

＝VC3″+VC2″-VC3′-(VC1′-VC2′)

在一个操作实例中，输入电压VC3′与输入电压VC1′均对应至高参考电平VDD，而输入电压VC2′、VC2″及输入电压VC3″对应至低参考电平VG(譬如接地电平)。据此，电压VC1″及V_E3满足以下两式：

VC1″＝VC3′+V_X′＝VDD+(VDD-VG)＝2VDD

V_E3＝VC3″+VC2″-VC3′-(VC1′-VC2′)＝-VDD-(VDD)＝-2VDD

结果，电荷泵电路10a′提供的输出信号的电压电平实质上等于两倍的高参考电平VDD；而电荷泵电路10a″提供的输出信号Sp′的电压电平实质上等于负两倍的高参考电平VDD。

值得注意的是，以上实施例系将电荷泵电路10a区分为两种期间来举例说明电荷泵电路10a的操作。此外，以上部分实施例亦以两组开关分别包括两个开关来举例说明开关模块的细部结构。然而，本发明不限于此，于其它实施例中，可安排其它不同类型的操作态样与开关模块的结构，只要利用单一个外部电容Cf来完成电荷泵电路的完整操作，或是于充电期间内单纯利用内部电容所储存的电荷而不利用任何外部电容所储存的电荷来提供负载电流(外部电容的数目可安排为一至多个)，亦属本发明的范畴。

上述实施例的电荷泵电路中可仅使用一个集成电路外部电容以及一或多个集成电路内部电容(统称为一内部电容)来实施。据此，相较于传统电荷泵电路，上述实施例的电荷泵电路及驱动装置具有电路面积较小及制造成本较低的优点。此外，上述实施例的电荷泵电路亦可应用至各类电子装置中，以使电子装置可于不同的负载电流模式下运作，从而提供良好稳压能力与省电效能的优点。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的改变或替换。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (9)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括：

一输出端，耦接至一集成电路的一内部电容，该内部电容的一端耦接该输出端，该内部电容另一端被偏压至一第一固定参考电平，该内部电容包括该集成电路内部元件的寄生电容；

一外部电容，设置于该集成电路的外部，该外部电容的电容值大于该内部电容的电容值；以及

一开关模块，耦接至该外部电容与该内部电容，用以控制该外部电容与该内部电容循序进行充放电，该开关模块包括：

一第一组开关，耦接于多个输入电压与该外部电容之间，该多个输入电压包括一第一输入电压及一第二输入电压，以及该第一组开关包括：

一第一开关，耦接于该第一输入电压及该外部电容之间；及

一第二开关，耦接于该第二输入电压与该外部电容之间；以及

一第二组开关，耦接于该内部电容与该外部电容之间，该第二组开关包括：

一第三开关，耦接于该输出端与该外部电容之间；及

一第四开关，耦接于一第三输入电压与该外部电容之间，第三输入电压被设定一第二固定参考电平，其中

于一第一操作期间内，该开关模块控制该外部电容进行充电而不提供电流至该输出端，以及控制该内部电容进行放电至该输出端。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，于一第二操作期间内，该开关模块还控制该外部电容进行放电至该内部电容及该输出端，而对该内部电容进行充电。

3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，于该第一操作期间与该第二操作期间内，该输出端分别流通一第一负载电流与一第二负载电流，且该第一负载电流小于该第二负载电流。

4.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，于该第一操作期间内该第一组开关导通而该第二组开关切断。

5.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，于一第二操作期间内该第一组开关切断而该第二组开关导通。

6.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，于该第一操作期间，该外部电容充电而具有一充电跨压，该充电跨压实质上等于该第一输入电压与第二输入电压的电压电平差。

7.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，当该第二操作期间开始时，该外部电容其中一端的电压电平实质上等于该第三输入电压及该外部电容的一充电跨压的电压电平之和。

8.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括：

一内部电容升压电路，设置于该集成电路的内部并耦接至该输出端，用以至少在该第一操作期间维持该输出端的电压电平。

9.一种电子装置，其特征在于，包括：

根据权利要求2或3所述的电荷泵电路；以及

一负载电路，耦接至该电荷泵电路以接收该电荷泵电路的供电，并分别于该第一操作期间与该第二操作期间内，分别运作于一第一负载电流模式与一第二负载电流模式。