CN105471256B - 电荷泵装置 - Google Patents

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Abstract

一种电荷泵装置，包括：第一级电荷泵电路、第二级电荷泵电路、第三极电荷泵电路；第一级电荷泵电路适于根据输入电压VDD输出第一级电压，所述第一级电压的电压值Vout1=2*Vin，Vin为所述第一级电荷泵电路的输入电压VDD的电压值；所述第二级电荷泵电路适于根据第一级电压输出第二级电压，所述第二级电压的电压值Vout2=2*Vout1；所述第三极电荷泵电路包括两路并联的四个开关管，第一路中包括第一开关管、第二开关管及位于第一开关管、第二开关管之间的第一存储电容；第二路中包括第三开关管、第四开关管及位于第三开关管、第四开关管之间的第二存储电容。

Description

电荷泵装置
技术领域
本发明涉及一种电荷泵装置。
背景技术
随着手机，平板电脑等手持电子设备的需求日益增长，人们对其图像显示的要求也在不断提高，从传统的黑白屏已经发展到彩色视网膜屏等高清高分辨率显示。因此，这些显示需求及技术的发展，无疑对手持终端上采用的液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)及其驱动电路装置的设计提出了高性能低成本设计的挑战。
电荷泵作为液晶显示器驱动芯片的核心单元电路，能提供驱动显示面板所需要的正负倍压。
传统六倍压电荷泵采用的结构如图1所示，完全相同的三级串联而成，现有的三级串联结构采用每级8个开关管、2个存储电容的设计。
传统结构使用开关管数量多，因此存在下列缺点：
1、开关管需要信号驱动，因此能量损耗大；
2、开关管存在寄生，导通-关断状态转换会造成电荷损失；
3、开关管存在导通电阻，电容电荷传输通路上的RC大，电路速度慢，传输损耗大；
4、版图占用面积大，连线复杂。
发明内容
本发明解决现有电荷泵装置的面积较大带来的成本较高、集成难度较高的问题。
本发明解决现有电荷泵装置由于电路复杂而使用较多器件带来的电路损耗大、工作效率低以及面积成本高的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种电荷泵装置，包括：第一级电荷泵电路、第二级电荷泵电路、第三级电荷泵电路；
所述第一级电荷泵电路适于根据输入电压VDD输出第一级电压，所述第一级电压的电压值Vout1＝2*Vin，Vin为所述第一级电荷泵电路的输入电压VDD的电压值；
所述第二级电荷泵电路适于根据第一级电压输出第二级电压，所述第二级电压的电压值Vout2＝2*Vout1；
所述第三级电荷泵电路包括两路并联的四个开关管，第一路中包括第一开关管、第二开关管及位于第一开关管、第二开关管之间的第一存储电容；第二路中包括第三开关管、第四开关管及位于第三开关管、第四开关管之间的第二存储电容；所述第三级电荷泵电路适于根据第二级电压输出第三级电压，所述第三级电压的电压值Vout3＝2*Vout2-Vout1＝6Vin，实现6倍增益。
优选的，所述第一级电荷泵电路包括：第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第三存储电容、第四存储电容；
所述第五开关管的第一端接输入电压，第五开关管第二端接第六开关的第一端和第三存储电容的上级板；
所述第六开关管的第二端接第一级电压；
所述第七开关管的第一端接输入电压，第七开关管的第二端接第八开关的第一端和第四存储电容的上级板；
所述第八开关管的第二端接第一级电压；
所述第三存储电容的下级板分别接第九开关管的第一端和第十开关的第一端；
所述第九开关第二端接地；
所述第十开关第二端接输入电压；
所述第四存储电容的下级板分别接第十一开关管的第一端和第十二开关的第一端；
所述第十一开关第二端接地；
所述第十二开关第二端接输入电压。
优选的，所述第二级电荷泵电路包括：第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、第十八开关管、第十九开关管、第二十开关管、第五存储电容、第六存储电容；
所述第十三开关管的第一端接第一级电压，第十三开关管第二端接第十四开关的第一端和第五存储电容的上级板；所述第五存储电容的上级板为第四电压；
所述第十四开关管的第二端接第二级电压；
所述第十五开关管的第一端接第一级电压，第十五开关管第二端接第十六开关的第一端和第六存储电容的上级板；所述第六存储电容的上级板为第五电压；
所述第十六开关管的第二端接第二级电压；
所述第五存储电容的下级板分别接第十七开关管的第一端和第十八开关的第一端；
所述第十七开关管第二端接地；
所述第十八开关管第二端接第一级电压；
所述第六存储电容的下级板分别接第十九开关管的第一端和第二十开关的第一端；
所述第十九开关第二端接地；
所述第二十开关第二端接第一级电压。
优选的，所述第三级电荷泵电路中：
所述第一开关管的第一端接第二级电压，第一开关管第二端接第二开关管的第一端和第一存储电容的上级板；
所述第二开关管的第二端接第三级电压；
所述第三开关管的第一端接第二级电压，第三开关管的第二端接第四开关的第一端和第二存储电容的上级板；
所述第四开关管的第二端接第三级电压；
所述第一存储电容的下级板接第五电压；
所述第二存储电容的下级板接第四电压。
优选的，其特征在于，
所述第一级电荷泵电路、第二级电荷泵电路、第三级电荷泵电路分别由四组时钟信号控制；分别为：第一时钟信号、第五时钟信号、第二时钟信号、第六时钟信号；第二时钟信号、第六时钟信号、第三时钟信号、第七时钟信号；第四时钟信号、第八时钟信号；
其中第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号、第四时钟信号相位相同为第一相位，电压值分别不同；第五时钟信号、第六时钟信号、第七时钟信号、第八时钟信号相位相同，为第二相位，电压值分别不同；第一相位与第二相位相反。
本发明在实现六倍压输出的基础上，首先减少了开关管的数量，减小了驱动开关管的能量损耗；其次减小了开关管的寄生，减少了电荷损失；再次减小了第三级电容电荷传输通路上的阻抗，减小了传输损耗；最后，简化了版图的连线复杂度，减小了版图的面积。
附图说明
图1为现有电荷泵装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中电荷泵装置的电路结构示意图；
图3为本发明一实施例中电荷泵装置的工作时钟时序图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明提出一种电荷泵装置，适用于LCD Driver的六倍倍增电路中，请参考图2、图3、图2为本发明一实施例中电荷泵装置的电路结构示意图；图3为本发明一实施例中电荷泵装置的工作时钟时序图。
请参考图2，图2中第一级电荷泵电路包括：第五开关管S13、第六开关管S14、第七开关管S13’、第八开关管S14’、第九开关管S11、第十开关管S12、第十一开关管S11’、第十二开关管S12’、第三存储电容C11、第四存储电容C12；所述第五开关管S13的第一端接输入电压VDD，第五开关管S13第二端接第六开关的第一端和第三存储电容C11的上级板；所述第六开关管S14的第二端接第一级电压V1；所述第七开关管S13’的第一端接输入电压VDD，第七开关管S13’的第二端接第八开关的第一端和第四存储电容C12的上级板；所述第八开关管S14’的第二端接第一级电压V1；所述第三存储电容C11的下级板分别接第九开关管S11的第一端和第十开关的第一端；所述第九开关第二端接地；所述第十开关第二端接输入电压VDD；所述第四存储电容C12的下级板分别接第十一开关管S11’的第一端和第十二开关的第一端；所述第十一开关第二端接地；所述第十二开关第二端接输入电压VDD。
第二级电荷泵电路包括：第十三开关管S23、第十四开关管S24、第十五开关管S23’、第十六开关管S24’、第十七开关管S21、第十八开关管S22、第十九开关管S21’、第二十开关管S22’、第五存储电容C21、第六存储电容C22；所述第十三开关管S23的第一端接第一级电压V1，第十三开关管S23第二端接第十四开关的第一端和第五存储电容C21的上级板；所述第五存储电容C21的上级板为第四电压V3；所述第十四开关管S24的第二端接第二级电压V2；所述第十五开关管S23’的第一端接第一级电压V1，第十五开关管S23’第二端接第十六开关的第一端和第六存储电容C22的上级板；所述第六存储电容C22的上级板为第五电压V3’；所述第十六开关管S24’的第二端接第二级电压V2；所述第五存储电容C21的下级板分别接第十七开关管S21的第一端和第十八开关的第一端；所述第十七开关管S21第二端接地；所述第十八开关管S22第二端接第一级电压V1；所述第六存储电容C22的下级板分别接第十九开关管S21’的第一端和第二十开关管S22’的第一端；所述第十九开关管S21’第二端接地；所述第二十开关管S22’第二端接第一级电压V1。
第三级电荷泵电路中：所述第一开关管S33的第一端接第二级电压V2，第一开关管S33第二端接第二开关管S34的第一端和第一存储电容C31的上级板；所述第二开关管S34的第二端接第三级电压Vout；所述第三开关管S33’的第一端接第二级电压V2，第三开关管S33’的第二端接第四开关的第一端和第二存储电容C32的上级板；所述第四开关管S34’的第二端接第三级电压Vout；所述第一存储电容C31的下级板接第五电压V3’；所述第二存储电容C32的下级板接第四电压V3。
请参考图3，所述第一级电荷泵电路、第二级电荷泵电路、第三级电荷泵电路分别由四组时钟信号控制；分别为：第一时钟信号φ1、第五时钟信号φ2、第二时钟信号φ1’、第六时钟信号φ2’；第二时钟信号φ1’、第六时钟信号φ2’、第三时钟信号φ1”、第七时钟信号φ2”；第四时钟信号φ1”’、第八时钟信号φ2”’；
其中第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号、第四时钟信号相位相同为第一相位，电压值分别不同；第五时钟信号、第六时钟信号、第七时钟信号、第八时钟信号相位相同，为第二相位，电压值分别不同；第一相位与第二相位相反。
请同时参考图3、图2，在本实施例的电荷泵工作过程中，
第一级电荷泵电路：在第一相位，S11、S13导通，S12、S14断开，C11上极板接VDD，下极板接GND，被充电至VDD；在第二相位，S12、S14导通，S11、S13断开，C11下极板接VDD，上极板输出V1＝2*VDD；同理，在第二相位，S11’、S13’导通，S12’、S14’断开，C12上极板接VDD，下极板接GND，被充电至VDD；在第一相位，S12’、S14’导通，S11’、S13’断开，C12下极板接VDD，上极板输出V1＝2*VDD；
第二级电荷泵电路：在第二相位，S21、S23导通，S12、S14断开，C21上极板接V1，即V3＝V1，下极板接GND，被充电至V1；在第一相位，S22、S24导通，S21、S23断开，C21下极板接V1，上极板输出V3＝V2＝4*VDD；同理，在第一相位，S21’、S23’导通，S22’、S24’断开，C22上极板接V1，即V3’＝V1，下极板接GND，被充电至V1；在第二相位，S22’、S24’导通，S21’、S23’断开，C22下极板接V1，上极板输出V3’＝V2＝4*VDD；
第三级电荷泵电路：在第一相位，S33导通，S34断开，C31下极板接V3’，此时V3’＝V1，上极板接V2，被充电至(V2-V1)＝2*VDD；在第二相位，S34导通，S33断开，C31下极板接V3’，此时V3’＝V2，上极板输出2*V2-V1＝6*VDD；同理，在第二相位，S33’导通，S34’断开，C32下极板接V3，此时V3＝V1，上极板接V2，被充电至(V2-V1)＝2*VDD；在第一相位，S34’导通，S33’断开，C32下极板接V3，此时V3＝V2，上极板输出2*V2-V1＝6*VDD；
第一级电荷泵电路适于根据输入电压VDD输出第一级电压，所述第一级电压的电压值Vout1＝2*Vin，Vin为所述第一级电荷泵电路的输入电压VDD的电压值；即V1＝2*VDD
第二级电荷泵电路适于根据第一级电压输出第二级电压，所述第二级电压的电压值Vout2＝2*Vout1；即，V2＝2*V1
第三级电荷泵电路包括两路并联的四个开关管，第一路中包括第一开关管S33、第二开关管S34及位于第一开关管S33、第二开关管S34之间的第一存储电容C31；第二路中包括第三开关管S33’、第四开关管S34’及位于第三开关管S33’、第四开关管S34’之间的第二存储电容C32；所述第三级电荷泵电路适于根据第二级电压输出第三级电压，所述第三级电压的电压值Vout3＝2*Vout2-Vout1＝6Vin，实现6倍增益。
本发明在实现六倍压输出的基础上，首先减少了开关管的数量，减小了驱动开关管的能量损耗；其次减小了开关管的寄生，减少了电荷损失；再次减小了第三级电容电荷传输通路上的阻抗，减小了传输损耗；最后，简化了版图的连线复杂度，减小了版图的面积。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种电荷泵装置，其特征在于，包括：第一级电荷泵电路、第二级电荷泵电路、第三级电荷泵电路；
所述第一级电荷泵电路适于根据输入电压VDD输出第一级电压，所述第一级电压的电压值Vout1＝2*Vin，Vin为所述第一级电荷泵电路的输入电压VDD的电压值；
所述第二级电荷泵电路包括：第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、第十八开关管、第十九开关管、第二十开关管、第五存储电容、第六存储电容；所述第十三开关管的第一端接第一级电压，第十三开关管第二端接第十四开关的第一端和第五存储电容的上极板；所述第五存储电容的上极板为第四电压；所述第十四开关管的第二端接第二级电压；所述第十五开关管的第一端接第一级电压，第十五开关管第二端接第十六开关的第一端和第六存储电容的上极板；所述第六存储电容的上极板为第五电压；所述第十六开关管的第二端接第二级电压；所述第五存储电容的下极板分别接第十七开关管的第一端和第十八开关的第一端；所述第十七开关管第二端接地；所述第十八开关管第二端接第一级电压；所述第六存储电容的下极板分别接第十九开关管的第一端和第二十开关的第一端；所述第十九开关第二端接地；所述第二十开关第二端接第一级电压；所述第二级电荷泵电路适于根据第一级电压输出第二级电压，所述第二级电压的电压值Vout2＝2*Vout1；
所述第三级电荷泵电路包括两路并联的四个开关管，第一路中包括第一开关管、第二开关管及位于第一开关管、第二开关管之间的第一存储电容；第二路中包括第三开关管、第四开关管及位于第三开关管、第四开关管之间的第二存储电容；所述第一开关管的第一端接第二级电压，第一开关管第二端接第二开关管的第一端和第一存储电容的上极板；所述第二开关管的第二端接第三级电压；所述第三开关管的第一端接第二级电压，第三开关管的第二端接第四开关的第一端和第二存储电容的上极板；所述第四开关管的第二端接第三级电压；所述第一存储电容的下极板接第五电压；所述第二存储电容的下极板接第四电压；所述第三级电压的电压值Vout3＝2*Vout2-Vout1＝6Vin，实现6倍增益；
所述第一级电荷泵电路、第二级电荷泵电路、第三级电荷泵电路分别由三组时钟信号控制；分别为：第一时钟信号、第五时钟信号、第二时钟信号、第六时钟信号；第二时钟信号、第六时钟信号、第三时钟信号、第七时钟信号；第四时钟信号、第八时钟信号；
其中第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号、第四时钟信号相位相同为第一相位，电压值分别不同；第五时钟信号、第六时钟信号、第七时钟信号、第八时钟信号相位相同，为第二相位，电压值分别不同；第一相位与第二相位相反。
2.如权利要求1所述的电荷泵装置，其特征在于，所述第一级电荷泵电路包括：第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第三存储电容、第四存储电容；
所述第五开关管的第一端接输入电压VDD，第五开关管第二端接第六开关的第一端和第三存储电容的上极板；
所述第六开关管的第二端接第一级电压；
所述第七开关管的第一端接输入电压VDD，第七开关管的第二端接第八开关的第一端和第四存储电容的上极板；
所述第八开关管的第二端接第一级电压；
所述第三存储电容的下极板分别接第九开关管的第一端和第十开关的第一端；
所述第九开关第二端接地；
所述第十开关第二端接输入电压VDD；
所述第四存储电容的下极板分别接第十一开关管的第一端和第十二开关的第一端；
所述第十一开关第二端接地；
所述第十二开关第二端接输入电压VDD。
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