CN104518662B - 半电压比电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

一种半电压比电荷泵电路，包含浮动电容器电性耦接于第一节点与第二节点之间。八开关受控以执行四操作阶段，于该些阶段期间进行电荷储存以及转移，藉此，产生正输出电压的值大约为正输入电压的一半，且产生负输出电压的值大约为负输入电压的一半。

Description

半电压比电荷泵电路
技术领域
本发明是有关一种电荷泵电路，特别是关于一种半电压比(half-ratio)电荷泵电路(charge pump)，其输出电压大约为输入电压的一半。
背景技术
电荷泵电路为一种电源转换器，用以将直流电源从一电压电平转换至另一电压电平。电荷泵电路一般会使用电容器作为能量储存元件，用以产生较高或较低的电压源。电荷泵电路例如可适用于源极驱动器的输出入级，用以驱动液晶显示器。
电荷泵电路通常需要使用多个浮动(flying)电容器，用以分别产生正输出电压及负输出电压。然而，具相当电容值的电容器需占用相当的电路面积，此不利于集成电路的设计。
电荷泵电路还需要使用高压元件(例如高压晶体管)，用以获得与(例如源极驱动器)输出入级相当的电压电平。高压元件的设计要求较低压元件来得严格，且占用更多的布局面积。
低压降(LDO)调节器或电路经常被使用来建构源极驱动器的电源转换器，用以产生输入电压一半大小的输出电压。然而，低压降电路的电源效率却很低。
因此亟需提出一种新颖的电荷泵电路，以简化电路架构及较少布局面积来产生特定输出电压。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提供一种半电压比电荷泵电路，具高电源效率及小布局面积，仅使用单一浮动电容器以产生正输入电压一半大小的正输出电压，且产生负输入电压一半大小的负输出电压。
根据本发明实施例，半电压比电荷泵电路包含浮动电容器、八开关、第一稳压电容器及第二稳压电容器。浮动电容器电性耦接于第一节点与第二节点之间。八开关包含第一至第八开关，其受控以执行四操作阶段，于该些阶段期间进行电荷储存以及转移。第一稳压电容器经由第三开关电性耦接于第一节点，且第二稳压电容器经由第四开关电性耦接于第二节点。正输入电压经由第一开关电性耦接于第一节点，负输入电压经由第二开关电性耦接于第二节点，第一节点经由第五开关电性耦接于地，第二节点经由第六开关电性耦接于地，第一节点经由第七开关以提供正输出电压，且第二节点经由该第八开关以提供负输出电压，藉此，正输出电压的值大约为正输入电压的一半，且负输出电压的值大约为负输入电压的一半。
附图说明
图1显示本发明实施例的半电压比电荷泵电路的电路示意图。
图2至图5分别显示图1的电荷泵电路的开关于第一至第四操作阶段的断开或闭合状态。
[标号说明]
100 电荷泵电路 VSP 正输入电压
VSN 负输入电压 VCI 正输出电压
VCL 负输出电压 A 第一节点
B 第二节点 CF 浮动电容器
Cr1 第一稳压电容器 Cr2 第二稳压电容器
SW1 第一开关 SW2 第二开关
SW3 第三开关 SW4 第四开关
SW5 第五开关 SW6 第六开关
SW7 第七开关 SW8 第八开关
具体实施方式
图1显示本发明实施例的半电压比(half-ratio)电荷泵电路100的电路示意图。电荷泵电路100接收一正输入电压VSP与一负输入电压VSN。藉此，电荷泵电路100产生一正输出电压VCI，其值大约为正输入电压VSP的一半，并产生一负输出电压VCL，其值大约为负输入电压VSN的一半。由于输出电压VCI/VCL与输入电压VSP/VSN的比值大约为二分之一，因此电荷泵电路100称为半电压比电荷泵电路。
本实施例的电荷泵电路100包含一浮动(flying)电容器CF，其电性耦接于第一节点A与第二节点B之间。本实施例仅使用单一浮动电容器CF，而非如传统电荷泵电路使用二浮动电容器。本实施例还使用八开关SW1～SW8，其受控于控制器以执行四操作阶段1至4，于该些阶段期间进行电荷储存以及转移。本领域技术人员可使用传统电子元件(例如金属氧化物半导体(MOS)晶体管)来实施每一个开关SW1～SW8。也就是说，本说明书所称的“开关”是广泛指称切换(switching)电子元件，而非局限于机械式的开关零件。互补式金属氧化物半导体(CMOS)制造技术可适用于本实施例所揭示的电路架构的制造。
本实施例仅使用低压(LV)元件，例如低压金属氧化物半导体晶体管，相较于传统电荷泵电路需使用一些高压(HV)元件。因此，本实施例较传统电荷泵电路使用较少布局面积而能达到高电源效率。在本说明书中，“高压(HV)”或“低压(LV)”为一种相对的概念，其大小视技术的发展与应用而定。例如，低压可定义为小于一极小电压(例如5伏特、3.3伏特或更小)的电压值，而高压则定义为大于前述极小电压的电压值。高压元件一般是用于电子系统的输出入级，例如于源极驱动器中用以驱动液晶显示器。
继续参阅图1，正输入电压VSP经由第一开关SW1电性耦接于第一节点A，且负输入电压VSN经由第二开关SW2电性耦接于第二节点B。第一稳压电容器(reservoir capacitor)Cr1经由第三开关SW3电性耦接于第一节点A，且第二稳压电容器Cr2经由第四开关SW4电性耦接于第二节点B。第一/第二稳压电容器Cr1/Cr2可用以将脉冲信号予以平滑化。在本实施例中，第一/第二稳压电容器Cr1/Cr2与浮动电容器CF的电容值大致相同。第一节点A经由第五开关SW5电性耦接于地，且第二节点B经由第六开关SW6电性耦接于地。第一节点A经由第七开关SW7以提供正输出电压VCI，且第二节点B经由第八开关SW8以提供负输出电压VCL。
图2显示图1的电荷泵电路100的开关于第一操作阶段的断开(open)或闭合(close)状态。于操作阶段1，第一开关SW1及第四开关SW4为闭合，而其它开关(亦即SW2～SW3及SW5～SW8)为断开。藉此，正输入电压VSP(经由闭合的第一开关SW1)对浮动电容器CF充电，且(经由闭合的第四开关SW4)对第二稳压电容器Cr2充电。相应于正输入电压VSP的电荷储存于浮动电容器CF与第二稳压电容器Cr2。因此，浮动电容器CF(第一节点A相对于第二节点B)的充电电压大约为正输入电压VSP的一半。
接着，于操作阶段2，如第三图所示，第六开关SW6及第七开关SW7为闭合，而其它开关(亦即SW1～SW5及SW8)为断开。藉此，于前一操作阶段(亦即，第一操作阶段)储存于浮动电容器CF的电荷从第一节点A(经由闭合的第七开关SW7)进行转移。因此，可提供正输出电压VCI，其值大约为正输入电压VSP的一半。
于接下来的操作阶段(亦即，第三及第四操作阶段)，可依第一及第二操作阶段获得正输出电压VCI的类似原理以得到负输出电压VCL。图4显示图1的电荷泵电路100的开关于第三操作阶段的断开或闭合状态。于操作阶段3，第二开关SW2及第三开关SW3为闭合，而其它开关(亦即SW1及SW4～SW8)为断开。藉此，负输入电压VSN(经由闭合的第二开关SW2)对浮动电容器CF充电，且(经由闭合的第三开关SW3)对第一稳压电容器Cr1充电。相应于负输入电压VSN的电荷储存于浮动电容器CF与第一稳压电容器Cr1。因此，浮动电容器CF(第二节点B相对于第一节点A)的充电电压大约为负输入电压VSN的一半。
接着，于操作阶段4，如图5所示，第五开关SW5及第八开关SW8为闭合，而其它开关(亦即SW1～SW4及SW6～SW7)为断开。藉此，于前一操作阶段(亦即，第三操作阶段)储存于浮动电容器CF的电荷从第二节点B(经由闭合的第八开关SW8)进行转移。因此，可提供负输出电压VCL，其值大约为负输入电压VSN的一半。
根据上述实施例，电荷泵电路100使用单一浮动电容器CF，其于操作阶段1～2是作为正电荷泵的浮动电容器，并于操作阶段3～4作为负电荷泵的浮动电容器。换句话说，本实施例的电荷泵电路100可交替作为正电荷泵及负电荷泵，且单一浮动电容器CF可共享于操作阶段1～2与操作阶段3～4。
此外，相较于传统使用低压降(LDO)电路的电源转换器，本实施例的电荷泵电路100消耗较少电流。因此，本实施例的电荷泵电路100较传统电源转换器具有较高的电源效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在上述的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种半电压比电荷泵电路，包含：
一浮动电容器，电性耦接于第一节点与第二节点之间；
八个开关，包含第一至第八开关，其受控以执行四个操作阶段，于该些阶段期间进行电荷储存以及转移；
一第一稳压电容器，经由该第三开关电性耦接于该第一节点；及
一第二稳压电容器，经由该第四开关电性耦接于该第二节点；
其中，正输入电压经由该第一开关电性耦接于该第一节点，负输入电压经由该第二开关电性耦接于该第二节点，该第一节点经由该第五开关电性耦接于地，该第二节点经由该第六开关电性耦接于地，该第一节点经由该第七开关以提供正输出电压，且该第二节点经由该第八开关以提供负输出电压，藉此，该正输出电压的值为该正输入电压的一半，且该负输出电压的值为该负输入电压的一半；
其中于该第三操作阶段期间，该第二开关及该第三开关为闭合，而其它开关为断开，藉此，该浮动电容器的充电电压为该负输入电压的一半；
其中于该第四操作阶段期间，该第五开关及该第八开关为闭合，而其它开关为断开，藉此，提供该负输出电压的值为该负输入电压的一半；
其中该第一稳压电容器、该第二稳压电容器及该浮动电容器的电容值相同。
2.根据权利要求1所述的半电压比电荷泵电路，其中该第一至第八开关包含金属氧化物半导体晶体管。
3.根据权利要求1所述的半电压比电荷泵电路，其中该第一至第八开关不包含高压元件。
4.根据权利要求1所述的半电压比电荷泵电路，其中于该第一操作阶段期间，该第一开关及该第四开关为闭合，而其它开关为断开，藉此，该浮动电容器的充电电压为该正输入电压的一半。
5.根据权利要求4所述的半电压比电荷泵电路，其中于该第一操作阶段期间，该正输入电压对该浮动电容器及该第二稳压电容器充电，藉此，相应于该正输入电压的电荷储存于该浮动电容器与该第二稳压电容器。
6.根据权利要求4所述的半电压比电荷泵电路，其中于该第二操作阶段期间，该第六开关及该第七开关为闭合，而其它开关为断开，藉此，提供该正输出电压的值为该正输入电压的一半。
7.根据权利要求6所述的半电压比电荷泵电路，其中于该第二操作阶段期间，该第一操作阶段储存于该浮动电容器的电荷从该第一节点进行转移。
8.根据权利要求1所述的半电压比电荷泵电路，其中于该第三操作阶段期间，该负输入电压对该浮动电容器及该第一稳压电容器充电，藉此，相应于该负输入电压的电荷储存于该浮动电容器与该第一稳压电容器。
9.根据权利要求1所述的半电压比电荷泵电路，其中于该第四操作阶段期间，该第三操作阶段储存于该浮动电容器的电荷从该第二节点进行转移。
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