CN106712498A - 稳压电荷泵装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稳压电荷泵装置及其控制方法，包括：多个并联的电荷泵电路，每个所述电荷泵电路的输出端相连，并连接至一分压模块；低阻抗充电通路，所述低阻抗充电通路的一端连接所述分压模块，另一端分别通过多个开关单元连接至各个电荷泵电路的输入端；高阻抗充电通路，所述高阻抗充电通路的一端连接所述分压模块，另一端通过一电压调节模块分别连接至各个电荷泵电路的输入端，所述高阻抗充电通路的阻抗大于所述低阻抗充电通路的阻抗。本发明中，通过两条支路对电荷泵电路进行通络，能够提高电荷泵效率，降低电源功耗。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种稳压电荷泵装置及其控制方法。
背景技术
目前电荷泵电路被普遍应用于TFT-LCD领域，电荷泵电路是一种DC-DC电路，可以将低的输入电压经过倍压来产生高的输出电压，从而给对工作电压要求较高的模块提供电源。为了降低成本，电荷泵电路所需的外置电容已逐步由内置电容所替代。为了最大化利用芯片内部的面积，需要采用多个电荷泵电路分布在LCD驱动芯片的各处，形成分布式电荷泵电路的结构。尽管如此，有限的电容大小以及寄生电阻因素等的影响会大大降低电荷泵电路的效率，因此，如何提高电荷泵电路的充电效率成为设计关键之处。
发明内容
本发明的目的在于提供一稳压电荷泵装置及其控制方法，解决现有技术中电荷泵电路效率低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种稳压电荷泵装置，包括：
多个并联的电荷泵电路，每个所述电荷泵电路的输出端相连，并连接至一分压模块；
低阻抗充电通路，所述低阻抗充电通路的一端连接所述分压模块，另一端分别通过一开关单元连接至各个电荷泵电路的输入端；
高阻抗充电通路，所述高阻抗充电通路的一端连接所述分压模块，另一端通过一电压调节模块分别连接至各个电荷泵电路的输入端。
可选的，所述低阻抗充电通路包括一比较器，所述比较器的一输入端连接所述分压模块，另一输入端连接第一参考电压，输出端依次连接各个开关单元的控制端。
可选的，所述开关单元为第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的源极连接所述工作电源，漏极连接所述电荷泵电路的输入端，栅极连接所述比较器的输出端。
可选的，所述高阻抗充电通路还包括一运算放大器，所述运算放大器的一输入端连接所述分压模块，另一输入端连接第二参考电压，输出端通过所述电压调节模块依次连接各个电荷泵电路的输入端。
可选的，所述电压调节模块为第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的源极连接所述工作电源，漏极连接各个电荷泵电路的输入端，栅极连接所述运算放大器的输出端。
可选的，所述第一参考电压低于所述第二参考电压。
可选的，所述分压模块为一电阻，所述电阻的第一端连接所述电荷泵电路的输出端，第二端连接地端，第三端连接所述比较器的正输入端及所述运算放大器的正输入端，所述第三端和所述第一端之间电阻与所述第三端和所述第二端之间的电阻为一预设比例系数。
可选的，当所述电荷泵电路输出端的电压低于所述第一参考电压×(1+预设比例系数)，各个开关单元导通，所述工作电源对各个电荷泵电路充电。
可选的，当所述电荷泵电路输出端的电压高于所述第一参考电压×(1+预设比例系数)，各个开关单元断开，所述电荷泵电路的输出端的电压为第二参考电压×(1+预设比例系数)。
相应的，本发明还提供一种上述稳压电荷泵装置的控制方法，包括：
在第一时间段内，各个开关单元导通，工作电源通过低阻抗充电通路对各个电荷泵电路充电；
在第二时间段内，各个开关单元断开，所述工作电源通过高阻抗充电通路中的电压调节模块对各个电荷泵电路充电。所述第二时间段内的充电电流小于第一时间段内的充电电流。
相对于现有技术，本发明的稳压电荷泵装置及其控制方法具有以下有益效果：
本发明中，当所述电荷泵电路的输出端的电压低于第一参考电压×(1+预设比例系)，各个开关单元导通，所述工作电源通过低阻抗充电通路直接对各个电荷泵电路充电，此时充电电流较大，电荷泵电路的充电速度快、效率高、电源损耗低。当所述电荷泵电路的输出端的电压高于第一参考电压×(1+预设比例系数)，各个开关单元断开，工作电源通过高阻抗充电通路中的电压调节模块对各个电荷泵电路充电，所述电荷泵电路的输出端的电压逐渐稳定在第二参考电压×(1+预设比例系数)，此时充电电流较小、功耗低，并达到稳压的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例中稳压电荷泵装置的电路示意图；
图2为本发明一实施例中改进的稳压电荷泵装置的电路示意图；
图3为本发明一实施例中低阻抗充电通路的电流通路；
图4为本发明一实施例中充电电流与电压之间的关系曲线；
图5为本发明一实施例中高阻抗充电通路的电流通路。
具体实施方式
由于驱动电路一般使用中压器件，其耐压值较小，因此电荷泵电路不能工作在无稳压状态下，以免超出耐压范围，使器件受损。因此，本专利的发明人提出了图1中所示的电荷泵装置，其原理为：将电荷泵电路CP的输出电压VOUT进行电阻串R1、R2分压，并将该分压与运算放大器AMP的参考电压VREF进行比较，通过运放放大器AMP的输出电压动态调节功率管M0的导通电阻，从而产生一个受控的输入电源VIN，输入电源VIN输入到各个电荷泵电路CP1、CP2、……、CPN，最终达到稳压的目的。通过设置合适的分压电阻R1、R2和参考电压VREF的值，即可以得到理想的输出电压值VOUT，VOUT=VREF×（1+R1/R2）。然而，发明人发现虽然该电荷泵装置能达到稳压的作用，但是也存在严重的缺点：
1、由于各个电荷泵单元CP1、CP2、……、CPN分布在芯片各处，输入电源VIN需要走长线，因此会引入相当大的走线电阻RP；
2、由于稳压是通过调节功率管M0的导通电阻来实现的，因此随着电荷泵电路输出端电源VOUT的上升，功率管M0的导通电阻RM0也会不断的增加；
电荷泵在驱动负载时会从工作电源VCI上抽取较大的电流IIN，该电流IIN流过走线电阻RP和功率管M0的导通电阻RM0会产生很大的压降，使电荷泵电路的实际输入电源VIN远小于理想的电源VCI，从而严重影响电荷泵装置的效率。
为了解决上述技术问题，发明人经过研究，提出了本发明中改进的稳压电荷泵装置。本发明改进的电荷泵装置中，将电荷泵装置的输出电压VOUT经过电阻串分压，分别通过一条高阻抗充电通路和一条低阻抗充电通路的两条支路对电荷泵电路进行充电，通过开关单元切换两条通路充电，将电荷泵电路的工作过程分为两部分，在大电流充电阶段使用低阻抗充电通路，降低电源损耗，提高电荷泵的效率，在小电流充电阶段使用高阻抗充电通路，实现稳压输出作用，从而使电荷泵装置在稳压输出的基础上，提高电荷泵效率，降低电流消耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，以下结合附图对本发明的稳压电荷泵装置进行详细描述。
参考图2中所示，本发明提供的稳压电荷泵装置包括：多个依次连接的电荷泵电路CP、开关单元10、分压模块20、比较器30、运算放大器40及功率调节器50。其中，开关单元10和比较器30形成低阻抗充电通路，运算放大器40和功率调节器50分别形成高阻抗充电通路，两条充电通路分别对电荷泵电路10进行充电。
具体的，参考图2所示，低阻抗充电通路中，所述开关单元10的一端连接工作电源VCI，另一端连接所述电荷泵电路CP的输入端，每个所述电荷泵电路CP的输出端相连，并连接至所述分压模块20。所述比较器30的一输入端连接所述分压模块20，另一输入端连接第一参考电压VREF1，输出端依次连接各个开关单元10的控制端。本发明中，通过控制开关单元10的导通，控制低阻抗充电通路的导通，使得工作电源VCI直接对电荷泵电路CP充电。具体的，比较器30用于根据第一参考电压VREF1与电荷泵电路输出端电源VOUT的电压控制各个开关单元10的导通或断开，控制该低阻抗充电通路的导通或断开。
继续参考图2所示，本实施例中，所述开关单元10为MOS晶体管，例如，开关单元10为第一PMOS晶体管M11、M12、……、M1N，所述第一PMOS晶体管M11、M12、M13、……、M1N的源极连接所述工作电源VCI，漏极连接所述电荷泵电路CP1、CP2、……、CPN的输入端，栅极连接所述比较器30的输出端。当然，本发明的其他实施例中，所述开关单元还可以为NMOS晶体管或其他开关电路，只要能够根据需要控制电阻的开关，亦在本发明保护的思想范围之内。
此外，需要说明的是，本发明中将开关单元10与电荷泵电路CP设置在驱动芯片中相邻近的位置，使得开关单元10与电荷泵电路CP之间寄生阻抗很小，从而比较器30与开关单元10形成低阻抗充电通路，使得低阻抗充电通路中工作电源VCI对电荷泵电路CP充电过程中，工作电源VCI直接对电荷泵电路CP充电，其充电电流较大，充电时间快，降低电源的功耗。
本发明中，参考图2中所示，所述分压模块20为一电阻，所述电阻20的第一端连接所述电荷泵电路的输出端VOUT，第二端连接地端VSS，第三端连接所述比较器30的正输入端及所述运算放大器40的正输入端，所述第三端和所述第一端之间电阻为第一电阻R1，所述第三端和所述第二端之间的电阻为第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2之间的比值为一预设比例系数R1/R2。可以理解的是，第一电阻R1和第二电阻R2用于对电荷泵电路的输出端电压VOUT进行分压，使得比较器30或运算放大器40可以采用较小的参考电压与电荷泵电路的输出端电源VOUT进行比较，降低电路设计的难度。
继续参考图2所示，在高阻抗充电通路中，所述运算放大器40的一输入端连接所述分压模块20，另一输入端连接第二参考电压VREF2，输出端通过一电压调节模块50依次连接各个电荷泵电路CP的输入端。本实施例中，所述电压调节模块50为一第二PMOS晶体管M0，所述第二PMOS晶体管M0的源极连接所述工作电源VCI，漏极连接各个电荷泵电路CP的输入端，栅极连接所述运算放大器40的输出端。需要说明的是，由于运算放大器自身的导通电阻RM0以及走线电阻RP的存在，使得运算放大器40与电压调节模块50形成高阻抗充电通路，其阻抗远大于低阻抗充电通路的阻抗值，影响电荷泵电路CP的充电效率。
本实施例中，通过设置所述第一电阻R1和第二电阻R2之间的比例系数，以及第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2的数值，可以分别采用低阻抗充电通路和高阻抗充电通路对电荷泵电路进行充电，控制电荷泵电路的充电过程。以下结合图3~图5对本发明的电荷泵装置的工作原理进行说明。例如，设置所述第一参考电压VREF1低于所述第二参考电压VREF2，使得比较器30优先于运算放大器40输出低电位，使得电荷泵电路10中的开关单元10导通，工作电源直接对电荷泵电路CP充电，提高充电的效率，降低电源损耗。
具体的，参考图3和图4所示，在第一时间段t1内，当所述电荷泵电路的输出端的电压VOUT低于第一参考电压×(1+预设比例系数)时，即VOUT小于VREF1×（1+ R1/R2），使得比较器30输出低电位，第一PMOS晶体管P1的栅极为低电位，第一PMOS晶体管M11、M12……均导通，从而各个开关单元10导通，所述工作电源VCI对各个电荷泵电路CP充电。此时，各个充电开关单元10导通，产生的局部电源通路为低阻抗充电通路，各条通路上的电流IIN1、IIN2、IIN3、……IINN之和为IIN。电荷泵电路的输出电压VOUT与消耗电流IIN随时间变化的曲线如图4中实线所示，可以看出这个阶段IIN处于大电流状态，通过低阻抗充电通路充电可以大幅下降电源损耗，从而加速输出电压VOUT上升，提高电荷泵的效率。
此外，需要说明的是，在第一时间段t1内，所述电荷泵电路的输出端的电压VOUT低于第二参考电压×(1+预设比例系数)，即VOUT小于VREF2×（1+ R1/R2），使得运算放大器40输输出低电位，第二PMOS晶体管M0导通，使得高阻抗充电通路同时导通。然而，由于走线电阻Rp与第二PMOS晶体管M0的导通电阻RM0的存在，使得电荷泵电路主要通过低阻抗充电通路充电，而不采用高阻抗充电通路进行充电。
参考图4和图5所示，在第二时间段t2内，当所述电荷泵电路的输出端的电压高于第一参考电压×(1+预设比例系数)，VOUT大于VREF1×（1+ R1/R2），使得比较器30输出高电位，第一PMOS晶体管M11、M12……均关闭，各个开关单元10断开，低阻抗充电通路关闭，使得工作电源VCI通过所述电压调节模块向电荷泵电路CP充电，电荷泵电路的输出电压VOUT与消耗电流IIN随时间变化的曲线如图4中虚线所示，并且，从图2中可以看出，所述第二时间段t2内的充电电流小于所述第一时间段t1内的充电电流，所述电荷泵电路的输出端的电压稳定在第二参考电压×(1+预设比例系数)，从而高阻抗充电通路中的充电电流较小、功耗低，并达到稳压的目的。
综上所述，本发明提供电荷泵装置中，在原有高阻抗充电通路的基础上增加一条低阻抗充电通路，通过开关单元切换两条通路充电，将电荷泵电路的工作过程分为两部分，在大电流阶段使用低阻抗充电通路，降低电源损耗，提高电荷泵的效率，在小电流阶段使用高阻抗充电通路，实现稳压输出作用，从而使电荷泵装置在稳压输出的基础上，提高电荷泵效率，降低电流消耗。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种稳压电荷泵装置，其特征在于，包括：
多个并联的电荷泵电路，每个所述电荷泵电路的输出端相连，并连接至一分压模块；
低阻抗充电通路，所述低阻抗充电通路的一端连接所述分压模块，另一端分别通过一开关单元连接至各个电荷泵电路的输入端；
高阻抗充电通路，所述高阻抗充电通路的一端连接所述分压模块，另一端通过一电压调节模块分别连接至各个电荷泵电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，所述低阻抗充电通路包括一比较器，所述比较器的一输入端连接所述分压模块，另一输入端连接第一参考电压，输出端依次连接各个开关单元的控制端。
3.根据权利要求2所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，所述开关单元为第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的源极连接所述工作电源，漏极连接所述电荷泵电路的输入端，栅极连接所述比较器的输出端。
4.根据权利要求2所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，所述高阻抗充电通路还包括一运算放大器，所述运算放大器的一输入端连接所述分压模块，另一输入端连接第二参考电压，输出端通过所述电压调节模块依次连接各个电荷泵电路的输入端。
5.根据权利要求4所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，所述电压调节模块为第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的源极连接所述工作电源，漏极连接各个电荷泵电路的输入端，栅极连接所述运算放大器的输出端。
6.根据权利要求4所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，所述第一参考电压低于所述第二参考电压。
7.根据权利要求4所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，所述分压模块为一电阻，所述电阻的第一端连接所述电荷泵电路的输出端，第二端连接地端，第三端连接所述比较器的正输入端及所述运算放大器的正输入端，所述第三端和所述第一端之间电阻与所述第三端和所述第二端之间的电阻为一预设比例系数。
8.根据权利要求4所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，当所述电荷泵电路输出端的电压低于所述第一参考电压×(1+预设比例系数)，各个开关单元导通，所述工作电源通过低阻抗充电通路对各个电荷泵电路充电。
9.根据权利要求5所述的稳压电荷泵装置，其特征在于，当所述电荷泵电路输出端的电压高于所述第一参考电压×(1+预设比例系数)，各个开关单元断开，所述工作电源通过所述高阻抗充电通路对各个电荷泵电路充电，所述电荷泵电路的输出端的电压为第二参考电压×(1+预设比例系数)。
10.一种如权利要求1~9中任意一项所述的稳压电荷泵装置的控制方法，其特征在于，包括：
在第一时间段内，各个开关单元导通，工作电源通过低阻抗充电通路对各个电荷泵电路充电；
在第二时间段内，各个开关单元断开，所述工作电源通过高阻抗充电通路中的电压调节模块对各个电荷泵电路充电，所述第二时间段内的充电电流小于所述第一时间段内的充电电流。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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