CN105656307B - 电荷泵电路及栅极开启电压生成电路 - Google Patents

电荷泵电路及栅极开启电压生成电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电荷泵电路，包括负载监测模块、电压转换模块、输入模块、输出模块、多路电平输入端；多路电平输入端分别与输入模块相连；负载监测模块，其与输出模块的输出端以及输入模块的输入端相连，用于监测输出模块输出端的负载，并根据该负载生成控制信号，并将该控制信号发送至输入模块的输入端；输入模块，其输出端与电压转换模块的输入端相连，用于根据控制信号选择输出多路电平输入端中一路输入的电平；电压转换模块，其输出端与输出模块的输入端相连，用于对输入模块输出的电平进行转换并输出；输出模块，用于对电压转换模块输出的电平进行处理并输出。该电荷泵电路可实现在低负载时降低功耗，而在高负载时不会出现驱动能力不足的问题。

Description

电荷泵电路及栅极开启电压生成电路
技术领域
本发明属于液晶显示技术领域，具体涉及一种电荷泵电路及栅极开启电压生成电路。
背景技术
薄膜晶体管液晶显示器(即，TFT-LCD)的电源管理芯片主要包括升压电路、降压电路、正电荷泵电路、负电荷泵电路等模块。电荷泵电路相对于其它开关电源而言，体积小，结构简单，常用于TFT栅极驱动，正电荷泵电路主要用于提供TFT栅极开启电压。
图1为现有的电荷泵电路图，请参阅图1，该电荷泵电路通过输入电压端Vin、四个二极管、四个电容和方波控制信号输入端SW构成三倍电荷泵升压，输出电压V1＝Vin+2Vsw-4VD，其中，VD是指二极管的压降，该电压V1通过外置三极管或内置MOS管调制成VGH信号输出，这样，线性调制消耗的电压V’＝Vin+2Vsw-4VD-VGH，一般Vsw＝VAVDD。
上述电荷泵电路在实际应用中发现存在以下问题：V’较大，即线性调制消耗较大，所产生的消耗均转换为热能，从而影响其他组件的性能；为此，可通过减小Vin来降低V’，但是，这样又会存在在负载较大时驱动能力不足的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种电荷泵电路及栅极开启电压生成电路，不仅可在低负载时降低功耗，而且还可避免在高负载时不会出现驱动能力不足的问题。
为解决上述问题之一，本发明提供了一种电荷泵电路，包括负载监测模块、电压转换模块、输入模块、输出模块、多路电平输入端；其中所述多路电平输入端分别与所述输入模块相连；所述负载监测模块，其与输出模块的输出端以及输入模块的输入端相连，用于监测输出模块输出端的负载，并根据该负载生成控制信号，并将该控制信号发送至所述输入模块的输入端；所述输入模块，其输出端与所述电压转换模块的输入端相连，用于根据所述控制信号选择输出多路电平输入端中一路输入的电平；所述电压转换模块，其输出端与所述输出模块的输入端相连，用于对所述输入模块输出的电平进行转换并输出；所述输出模块，用于对所述电压转换模块输出的电平进行处理并输出。
可选地，所述多路电平输入端包括第一电平输入端和第二电平输入端，分别输入第一电平和第二电平；所述输出模块包括：第一子模块，其输入端与所述电压转换模块的输入端相连，用于在所述输入模块输出第一电平时工作且在输出第二电平时停止工作；第二子模块，其输入端与所述电压转换模块的输入端相连，用于在所述输入模块输出第一电平和第二电平时均工作；所述第一子模块和所述第二子模块的输出端相连，作为所述输出模块的输出端。
可选地，所述输出模块还包括：第一反馈子模块，其第一输入端与所述第一子模块的输出回路相连，第二输入端与第一基准电压输入端相连，输出端与第一子模块的控制端相连；第二反馈子模块，其第一输入端与所述第二子模块的输出回路相连，第二输入端与第二基准电压输入端相连，输出端与所述第二子模块的控制端相连。
可选地，所述电荷泵电路还包括：第一单相导通模块，串接在所述第一子模块的输出端和所述负载监测模块的输入端之间，用以保证所述第一子模块的输出回路单相导通；第二单相导通模块，串接在所述第二子模块的输出端和所述负载监测模块的输入端之间，用以保证所述第二子模块的输出回路单相导通；第一充放电模块，并联在所述第一单相导通模块的两端；第二充放电模块，并联在所述第二单相导通模块的两端。
可选地，所述输入模块包括：第一晶体管和第二晶体管，二者的控制级均与所述负载监测模块的输出端相连，二者的第一极分别与所述第一电平输入端和所述第二电平输入端相连，二者的第二极均与所述电压转换模块的输入端相连。
可选地，所述第一子模块包括：第一PNP三极管，其发射极作为所述第一子模块的输入端，基极作为所述第一子模块的控制端，且串接第一电阻，并与所述电压转换模块的输出端相连，集电极作为所述第一子模块的输出端，串接第二电阻接地。
可选地，所述第二子模块包括：第二PNP三极管，其发射极作为所述第二子模块的输入端，基极作为所述第二子模块的控制端，且串接第三电阻，并与所述电压转换模块的输出端相连，集电极作为所述第二子模块的输出端，且串接第四电阻接地。
可选地，所述第一反馈子模块包括：第一分压电阻，其串接在所述第一子模块的输出回路中，用以采集所述第一子模块的输出回路中的信号；第一反馈控制器，其反向输入端与所述第一分压电阻的分压端相连，正向输入端与第一基准电压输出端相连，输出端作为第一反馈子模块的输出端。
可选地，所述第二反馈子模块包括：第二分压电阻，其串接在所述第二子模块的输出回路中，用以采集所述第二子模块的输出回路中的信号；第二反馈控制器，其反向输入端与所述第二分压电阻的分压端相连，正向输入端与第二基准电压输出端相连，输出端作为第二反馈子模块的输出端。
可选地，所述第一单相导通模块或所述第二单相导通模块为二极管。
可选地，所述第一充放电模块或第二充放电模块为电容。
可选地，所述电压转换模块包括：第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管、第四稳压二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第七电阻，其中，所述第一稳压二极管的负极与所述第二稳压二级管的正极相连，所述第二稳压二极管的负极与所述第三稳压二极管的正极相连，所述第三稳压二极管的负极与所述第四稳压二极管的正极相连，所述第一稳压二极管的正极作为电压转换模块的输入端，所述第四稳压二极管的负极作为电压转换模块的输出端；所述第一电容的第一端与所述第一稳压二极管的负极相连，所述第二电容的第一端与所述第三稳压二极管的负极相连，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端均与所述第七电阻的第一端相连，所述第七电阻的第二端与控制信号输入端相连；所述第三电容的第一端与所述第二稳压二极管的负极相连，所述第三电容的第二端接地，所述第四电容的第一端与所述第四稳压二极管的负极相连，所述第四电容的第二端接地。
本发明还提供一种栅极开启电压生成电路，包括电荷泵电路，所述电荷泵电路采用本发明提供的上述电荷泵电路。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的电荷泵电路及栅极开启电压生成电路，借助负载检测模块实时检测负载为高负载还是低负载，并分别在高负载和低负载时对应输出一种控制信号，输入模块根据不同的控制信号向电压转换模块输入不同的信号，电压转换模块根据输入的不同信号向输出模块输入不同的信号，输出模块根据输入的不同信号输出不同电压VOUT。因此，本发明实施例提供的电荷泵电路，在高负载时输出电压VOUT为VGH额定电压，而在低负载时输出电压VOUT为相对VGH额定电压较小的电压，从而不仅可在低负载时降低功耗，还可避免在高负载时不会出现驱动能力不足的问题。
附图说明
图1为现有的电荷泵电路图；
图2为本发明实施例提供的电荷泵电路的原理框图；
图3为本发明实施例提供的电荷泵电路的一种具体电路图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的电荷泵电路及栅极开启电压生成电路进行详细描述。
实施例1
图2为本发明实施例提供的电荷泵电路的原理框图；图3为本发明实施例提供的电荷泵电路的一种具体电路图。请一并参阅图2和图3，本发明实施例提供电荷泵电路，包括负载监测模块10、电压转换模块11，输入模块12、输出模块13、第一电平输入端DD和第二电平输入端AVDD，第一电平输入端DD用于输入第一电平VDD，第二电平输入端AVDD用于输入第二电平VAVDD。其中，第一电平输入端DD和第二电平输入端AVDD分别与输入模块12相连。
负载监测模块10，与输出模块13的输出端以及输入模块12的输入端相连，用于监测输出模块13输出端的负载，并根据该负载生成控制信号，并将该控制信号发送至输入模块12。具体地，若负载为预设的高负载，则输出控制信号为第一信号，例如，为高电平(或低电平)，若负载为预设的低负载，则输出控制信号为第二信号，例如，为低电平(或高电平)。
输入模块12，其输出端与电压转换模块11的输入端相连，用于根据控制信号选择输出第一电平VDD或第二电平VAVDD。具体地，在控制信号为第一信号(或第二信号)时输出第一电平VDD，在第二信号(或第一信号)时输出第二电平VAVDD。
电压转换模块11，其输出端与输出模块13的输入端相连，用于对第一电平VDD或第二电平VAVDD进行转换并输出，图3中节点P处的电压即为电压转换模块11的输出电压。具体地，第一电平VDD进行转换后，节点P处的电压为第三电平V3，第二电平VAVDD进行转换后，节点P处的电压为第四电平V4。
输出模块13，用于对电压转换模块11输出的电压进行处理并输出电压VOUT，该VOUT可以作为但不限于作为栅极开启电压。具体地，第三电平V3对应输出电压为VOUT1，第四电平V4对应输出电压为VOUT2。
由上可知，本发明实施例提供的电荷泵电路，借助负载检测模块10实时检测负载为高负载还是低负载，并分别在高负载和低负载时对应输出一种控制信号，输入模块12根据不同的控制信号向电压转换模块11输入不同的信号，电压转换模块11根据输入的不同信号向输出模块输入不同的信号，输出模块13根据输入的不同信号输出不同电压VOUT。因此，本发明实施例提供的电荷泵电路，在高负载时输出电压VOUT为VGH额定电压，而在低负载时输出电压VOUT为相对VGH额定电压较小的电压，从而不仅可在低负载时降低功耗，还可避免在高负载时不会出现驱动能力不足的问题。
如图3所示，上述输入模块12包括：第一晶体管M1和第二晶体管M2，二者的控制级均与负载监测模块10的输出端相连，二者的第一极分别与第一电平输入端DD和第二电平输入端AVDD相连，二者的第二极均与电压转换模块11的输入端相连。
在本实施例中，优选地，输出模块13包括：第一子模块131，其输入端与电压转换模块11的输出端相连，用于在输入模块12输出第一电平VDD时工作且在输出第二电平VAVDD时停止工作；第二子模块132，用于在输入模块12输出第一电平VDD和第二电平VAVDD时均工作，第一子模块131和第二子模块132的输出端相连，作为输出模块13的输出端。可以理解，采用双路输出，可独立设置各路电路的输出值，因此，适应性好，使用范围广。
具体地，如图3所示，第一子模块131包括：第一PNP三极管T1，其发射极作为所述第一子模块131的输入端，基极作为第一子模块131的控制端，且串接第一电阻R1，并与电压转换模块11的输出端相连，集电极作为第一子模块131的输出端，串接第二电阻R2接地。
第二子模块132包括：第二PNP三极管T2，其发射极作为第二子模块132的输入端，基极作为第二子模块132的控制端，且串接第三电阻R3，并与电压转换模块11的输出端相连，集电极作为所述第二子模块132的输出端，且串接第四电阻R4接地。
进一步优选地，输出模块13还包括第一反馈子模块133和第二反馈子模块134，其中，第一反馈子模块133的第一输入端与第一子模块131的输出回路相连，具体地，如图3所示，输出回路为接地端、第二电阻R2和负载电路(图中未示出)串接形成的回路，第二输入端与第一基准电压输入端REF1相连，输出端与第一子模块131的控制端相连。
具体地，如图3所示，第一反馈子模块133包括：第一分压电阻R5，其串接在第一子模块131的输出回路中，此时，输出回路为接地端、第一分压电阻R5、第二电阻R2和负载电路(图中未示出)串接形成的回路，用以采集第一子模块131的输出回路中的信号；第一反馈控制器OP1，其反向输入端与第一分压电阻R5的分压端相连，正向输入端与第一基准电压输出端REF1相连，输出端作为第一反馈子模块133的输出端。所谓分压端是指输出有效的分压信号的一端，在此，分压端为R5的下端。反馈具体原理为：输出电压VOUT1通过第一分压电阻R5与第二电阻R2分压，并将获得的分压通过第一反馈控制器OP1与第一基准电压输出端REF1的电压进行比较，控制第一PNP三极管T1的基极电流，以控制第一PNP三极管T1的放大程度，进而控制输出电压VOUT1。
第二反馈子模块134的第一输入端与第二子模块132的输出回路相连，具体地，如图3所示，输出回路为接地端、第四电阻R4和负载电路形成的回路，第二输入端与第二基准电压输入端REF2相连，输出端与第二子模块132的控制端相连。借助第一反馈子模块133和第二反馈子模块134可形成反馈回路，借助反馈回路可确保轻负载和重负载切换过程系统的稳定性。
具体地，如图3所示，第二反馈子模块134包括：第二分压电阻R6，其串接在第二子模块132的输出回路中，此时，输出回路为接地端、第二分压电阻R6、第四电阻R4和负载电路(图中未示出)串接形成的回路，用以采集第二子模块132的输出回路中的信号；第二反馈控制器OP2，其反向输入端与所述第二分压电阻R6的分压端相连，正向输入端与第二基准电压输出端REF2相连，输出端作为第二反馈子模块134的输出端。反馈具体原理为：输出电压VOUT2通过第二分压电阻R6与第四电阻R4分压，并将获得的分压通过第一反馈控制器OP1与第一基准电压输出端REF1的电压进行比较，控制第二PNP三极管T2的基极电流，以控制第一PNP三极管T2的放大程度，进而控制输出电压VOUT2。
另外，优选地，电荷泵电路还包括：第一单相导通模块141和第二单相导通模块142，其中，第一单相导通模块141串接在第一子模块131的输出端和负载监测模块10的输入端之间，用以保证第一子模块131的输出回路单相导通；第二单相导通模块142串接在第二子模块132的输出端和负载监测模块10的输入端之间，用以保证第二子模块131的输出回路单相导通。采用第一单相导通模块141和第二单相导通模块142，可以防止两路输出相互干扰。
在电荷泵具有第一单相导通模块141和第二单相导通模块142的情况下，为确保负载发生波动时反馈回路通畅，电荷泵电路还包括：第一充放电模块151和第二充放电模块152，其中，第一充放电模块151并联在第一单相导通模块141的两端；第二充放电模块152并联在第二单相导通142模块的两端。
具体地，如图3所示，第一单相导通模块141为二极管，二极管的正极与第一子模块131的输出端相连，负极与负载监测模块10的输入端相连。
第二单相导通模块142为二极管，二极管的正极与第二子模块132的输出端相连，负极与负载监测模块10的输入端相连。
第一充放电模块151和第二充放电模块152均为电容。
另外，在本实施例中，电压转换模块11包括：第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2、第三稳压二极管D3、第四稳压二极管D4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第七电阻R7，其中，第一稳压二极管D1的负极与第二稳压二级管D2的正极相连，第二稳压二极管D2的负极与第三稳压二极管D3的正极相连，第三稳压二极管D3的负极与第四稳压二极管D4的正极相连，第一稳压二极管D1的正极作为电压转换模块11的输入端，第四稳压二极管D4的负极作为电压转换模块11的输出端；第一电容C1的第一端与第一稳压二极管D1的负极相连，第二电容C2的第一端与第三稳压二极管D3的负极相连，第一电容C1的第二端和第二电容C2的第二端均与第七电阻R7的第一端相连，第七电阻R7的第二端与控制信号输入端SW相连；第三电容C3的第一端与第二稳压二极管D2的负极相连，第三电容C3的第二端接地，第四电容C4的第一端与第四稳压二极管D4的负极相连，第四电容C4的第二端接地。
下面详细描述采用图3所示的电荷泵电路的工作原理。
在高负载时，第二晶体管M2打开，第一晶体管M1关闭，此时，输入模块12输出第二电平VAVDD，一般约为12V，由于控制信号输入端SW输入的信号为Vsw，而Vsw＝VAVDD，因此，节点P的电压V4＝3VAVDD-4VD，约为36V；由于PNP三极管的放大条件为：Ve＞Vb＞Vc，此时，由于P点的电压为36V，即，T1和T2的Ve＝36V，此时，T1和T2均能够满足放大条件，由于设置VOUT1为VGH额定电压，其大于VOUT2，因此，VOUT为VGH额定电压，一般为27V。
在轻负载时，第一晶体管M1打开，第二晶体管M2关闭，此时，输入模块12输出第一电平VDD，一般约为5V，因此，节点P的电压V3＝VDD+2VAVDD-4VD，约为29V；同样基于PNP三极管的放大条件，T1和T2的Ve＝29V左右，此时，T2打开，T1关闭，因此，VOUT＝VOUT2，即输出小于VGH额定电压的电压，一般小于27V。
实施例2
本发明实施例提供一种栅极开启电压生成电路，包括电荷泵电路，电荷泵电路采用上述实施例1提供电荷泵电路。
由于本发明采用上述实施例1提供的电荷泵电路，因此，不仅可在低负载时降低功耗，而且还可避免在高负载时不会出现驱动能力不足的问题。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括负载监测模块、电压转换模块、输入模块、输出模块、多路电平输入端；其中
所述多路电平输入端分别与所述输入模块相连；
所述负载监测模块，其与输出模块的输出端以及输入模块的输入端相连，用于监测输出模块输出端的负载，并根据该负载生成控制信号，若负载为预设的高负载，则输出控制信号为第一信号，若负载为预设的低负载，则输出控制信号为第二信号，并将该控制信号发送至所述输入模块的输入端；
所述输入模块，其输出端与所述电压转换模块的输入端相连，用于根据所述控制信号选择输出多路电平输入端中一路输入的电平，根据所述第一信号输出第一电平，根据所述第二信号输出第二电平；
所述电压转换模块，其输出端与所述输出模块的输入端相连，用于对所述输入模块输出的电平进行转换并输出，将第一电平转换为第三电平，将第二电平转换为第四电平；
所述输出模块，用于对所述电压转换模块输出的电平进行处理并输出，对所述第三电平处理并输出第一电压，对所述第四电平处理并输出第二电压。
2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述多路电平输入端包括第一电平输入端和第二电平输入端，分别输入第一电平和第二电平；
所述输出模块包括：
第一子模块，其输入端与所述电压转换模块的输出端相连，用于在所述输入模块输出第一电平时工作且在输出第二电平时停止工作；
第二子模块，其输入端与所述电压转换模块的输出端相连，用于在所述输入模块输出第一电平和第二电平时均工作；
所述第一子模块和所述第二子模块的输出端相连，作为所述输出模块的输出端。
3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述输出模块还包括：
第一反馈子模块，其第一输入端与所述第一子模块的输出回路相连，第二输入端与第一基准电压输入端相连，输出端与第一子模块的控制端相连；
第二反馈子模块，其第一输入端与所述第二子模块的输出回路相连，第二输入端与第二基准电压输入端相连，输出端与所述第二子模块的控制端相连。
4.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路还包括：
第一单相导通模块，串接在所述第一子模块的输出端和所述负载监测模块的输入端之间，用以保证所述第一子模块的输出回路单相导通；
第二单相导通模块，串接在所述第二子模块的输出端和所述负载监测模块的输入端之间，用以保证所述第二子模块的输出回路单相导通；
第一充放电模块，并联在所述第一单相导通模块的两端；
第二充放电模块，并联在所述第二单相导通模块的两端。
5.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述输入模块包括：
第一晶体管和第二晶体管，二者的控制级均与所述负载监测模块的输出端相连，二者的第一极分别与所述第一电平输入端和所述第二电平输入端相连，二者的第二极均与所述电压转换模块的输入端相连。
6.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一子模块包括：
第一PNP三极管，其发射极作为所述第一子模块的输入端，基极作为所述第一子模块的控制端，且串接第一电阻，并与所述电压转换模块的输出端相连，集电极作为所述第一子模块的输出端，串接第二电阻接地。
7.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二子模块包括：
第二PNP三极管，其发射极作为所述第二子模块的输入端，基极作为所述第二子模块的控制端，且串接第三电阻，并与所述电压转换模块的输出端相连，集电极作为所述第二子模块的输出端，且串接第四电阻接地。
8.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一反馈子模块包括：
第一分压电阻，其串接在所述第一子模块的输出回路中，用以采集所述第一子模块的输出回路中的信号；
第一反馈控制器，其反向输入端与所述第一分压电阻的分压端相连，正向输入端与第一基准电压输出端相连，输出端作为第一反馈子模块的输出端。
9.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二反馈子模块包括：
第二分压电阻，其串接在所述第二子模块的输出回路中，用以采集所述第二子模块的输出回路中的信号；
第二反馈控制器，其反向输入端与所述第二分压电阻的分压端相连，正向输入端与第二基准电压输出端相连，输出端作为第二反馈子模块的输出端。
10.根据权利要求4所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一单相导通模块或所述第二单相导通模块为二极管。
11.根据权利要求4所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一充放电模块或第二充放电模块为电容。
12.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电压转换模块包括：第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管、第四稳压二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第七电阻，其中，
所述第一稳压二极管的负极与所述第二稳压二级管的正极相连，所述第二稳压二极管的负极与所述第三稳压二极管的正极相连，所述第三稳压二极管的负极与所述第四稳压二极管的正极相连，所述第一稳压二极管的正极作为电压转换模块的输入端，所述第四稳压二极管的负极作为电压转换模块的输出端；
所述第一电容的第一端与所述第一稳压二极管的负极相连，所述第二电容的第一端与所述第三稳压二极管的负极相连，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端均与所述第七电阻的第一端相连，所述第七电阻的第二端与控制信号输入端相连；所述第三电容的第一端与所述第二稳压二极管的负极相连，所述第三电容的第二端接地，所述第四电容的第一端与所述第四稳压二极管的负极相连，所述第四电容的第二端接地。
13.一种栅极开启电压生成电路，包括电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路采用权利要求1-12任意一项所述的电荷泵电路。
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