CN106714032B

CN106714032B - 具有自举电容充电电路的电子装置

Info

Publication number: CN106714032B
Application number: CN201510793602.1A
Authority: CN
Inventors: 曹斯钧; 施铭镛
Original assignee: Elite Semiconductor Memory Technology Inc
Current assignee: Elite Semiconductor Memory Technology Inc
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2020-02-04
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN106714032A

Abstract

本发明涉及一种具有自举电容充电电路的电子装置，包含一第一晶体管、一第二晶体管、一自举电容、一第一充电电路以及一第二充电电路。该第一晶体管耦接至一电源输入端和一切换节点之间。该第二晶体管耦接至该切换节点和一接地端之间。该自举电容具有耦接至该切换节点的一下端子和一上端子，该上端子用以产生导通该第一晶体管的一电平。该第一充电电路藉由一第一电源以对该自举电容进行充电。该第二充电电路藉由一第二电源以对该自举电容进行充电。该第二电源的电平高于该第一电源的电平。

Description

具有自举电容充电电路的电子装置

技术领域

本发明涉及一种具有自举电容(bootstrap capacitor)充电电路的电子装置。

背景技术

图1绘示一传统自举电容充电电路10的示意图。该自举电容充电电路10包含一稳压电路12和一二极管DX，藉以对一自举电容C1进行充电。如图1所示，该二极管DX具有一阳极端和一阴极端，其中，该阳极端耦接于该稳压电路12，而该阴极端耦接于该自举电容C1。

在运行时，当时钟信号CLK在逻辑0电平时，时钟信号CLK会通过驱动电路14关闭输出级19中的上桥开关M1和通过驱动电路16开启输出级19中的下桥开关M2，所以电压切换端SW的电压电平为接地电平。此时，该稳压电路12开始通过二极管DX对该自举电容C1进行充电。当该自举电容C1上端子A1的电压电平等于该稳压电路12提供的电压GVDD减去二极管DX的顺向压降Vf时，该稳压电路12方停止对该自举电容C1充电。

当时钟信号CLK在逻辑1电平时，时钟信号CLK会通过驱动电路14开启输出级19中的上桥开关M1和通过驱动电路16关闭输出级19中的下桥开关M2，所以电压切换端SW的电压VSW为供应电源电压PVDD。此时，该自举电容C1上端子A1的电压电平VA1由等式(1)决定。

VA1＝PVDD+GVDD－Vf (1)

由等式(1)可知，该自举电容C1上端子A1的电压电平VA1大于供应电源电压PVDD，因此驱动电路14可利用较高的电压电平VA1将上桥驱动单元M1开启，藉以驱动负载18。

然而，当输出级19为D类放大器(class D amplifier)的一部分，且该负载18为一扬声器(speaker)时，具有单端(single-ended)输出级的D类放大器组态会在传送低频输出功率时产生一供电电路能量倒灌(bus pumping)的现象。该供电电路能量倒灌现象会使能量从该负载18回灌至供应电源，造成供应电源电压PVDD的振幅波动。为了解决此一问题，在供应电源PVDD和地端间会有包含大电容的一分压电路20连接于该负载18的另一侧以吸收能量，如图2所示。然而，该分压电路20可能造成D类放大器在开机时需要较长的淡入(fade-in)时间。

发明内容

根据本发明一实施例的一种电子装置，包含一第一N型晶体管、一第二N型晶体管、一自举电容、一第一充电电路以及一第二充电电路。该第一N型晶体管耦接至一电源输入端和一切换节点之间，该电源输入端用以接收一第二电源。该第二N型晶体管耦接至该切换节点和一接地端之间。该自举电容具有耦接至该切换节点的一下端子和一上端子，该上端子用以产生导通该第一N型晶体管的一电平。该第一充电电路耦接至该自举电容的该上端子，该第一充电电路藉由一第一电源以对该自举电容进行充电。该第二充电电路耦接至该自举电容的该上端子，该第二充电电路藉由该第二电源以对该自举电容进行充电。该第二电源的电平高于该第一电源的电平。

根据本发明另一实施例的一种电子装置，包含一第一D类放大器、一第二D类放大器、一第一电感、一第二电感以及一扬声器。该第一D类放大器包含一第一N型晶体管，其耦接至一电源输入端和一切换节点之间，该电源输入端用以接收一第二电源。该第一D类放大器包含一第二N型晶体管，其耦接至该切换节点和一接地端之间。该第一D类放大器包含一自举电容，其具有耦接至该切换节点的一下端子和一上端子，该上端子用以产生导通该第一N型晶体管的一电平。该第一D类放大器包含一第一充电电路，其耦接至该自举电容的该上端子，该第一充电电路藉由一第一电源以对该自举电容进行充电。该第一D类放大器包含一第二充电电路，其耦接至该自举电容的该上端子，该第二充电电路藉由该第二电源以一定电流对该自举电容进行充电。该第二D类放大器包含一第一N型晶体管，其耦接至一电源输入端和一切换节点之间，该电源输入端用以接收该第二电源。该第二D类放大器包含一第二N型晶体管，其耦接至该切换节点和一接地端之间。该第二D类放大器包含一自举电容，其具有耦接至该切换节点的一下端子和一上端子，该上端子用以产生导通该第一N型晶体管的一电平。该第二D类放大器包含一第一充电电路，其耦接至该自举电容的该上端子，该第一充电电路藉由一第一电源以对该自举电容进行充电。该第二D类放大器包含一第二充电电路，其耦接至该自举电容的该上端子，该第二充电电路藉由该第二电源以一定电流对该自举电容进行充电。该第一电感耦接至该第一D类放大器的该切换节点。该第二电感耦接至该第二D类放大器的该切换节点。该扬声器耦接于该第一电感和该第二电感之间。

附图说明

图1绘示一传统自举电容充电电路的示意图。

图2绘示一传统单端输出的D类放大器的示意图。

图3显示结合本发明一实施例的具有自举电容充电电路的电子装置的方块示意图。

图4显示结合本发明一实施例的该低压充电电路和该高压充电电路的电路图。

图5显示结合本发明另一实施例的该低压充电电路和该高压充电电路的电路图。

图6显示结合本发明另一实施例的具有自举电容充电电路的电子装置的方块示意图。

附图符号说明

10 自举电容充电电路

12 稳压电路

14,16 驱动电路

18 负载

19 输出级

20 分压电路

30 电子装置

32 D类放大器

322,322″ 输出级

324,324″ 自举电容充电电路

3242,3242″ 低压充电电路

3244,3244′,3244″ 高压充电电路

326,328,326″,328″ 驱动电路

34 扬声器

36 分压电路

42 稳压电路

60 电子装置

62,64 D类放大器

66 扬声器

C1,CBT,CBT″ 自举电容

C3,C4 电容

CL,CL1,CL2 电容

D1,D2,DX 二极管

L1,L2 电感

M1,M2,MU,MD 晶体管

N1 晶体管

P1,P2,P3,P4,P5 晶体管

ZD1,ZD2 箝制元件

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图3显示结合本发明一实施例的具有自举电容充电电路的电子装置30的方块示意图。在本实施例中，该电子装置30包含一D类放大器32。该D类放大器32包含一输出级322，其中该输出级322由一上桥开关MU和一下桥开关MD所组成。该上桥开关MU和该下桥开关MD以串联方式耦接于一电源输入端(接收一供应电源电压PVDD)和一接地端之间。在本实施例中，该上桥开关MU和该下桥开关MD为一N型晶体管元件。

参考图3，该电子装置30还包含一自举电容充电电路324用以对一自举电容CBT进行充电。该自举电容充电电路324包含一低压充电电路3242和一高压充电电路3244。该自举电容CBT耦接于该自举电容充电电路324以及该上桥开关MU和该下桥开关MD的一交叉点SW之间。该自举电容CBT藉由该自举电容充电电路324充电以产生导通该上桥开关MU的导通(turn on)电压。

图4显示结合本发明一实施例的该低压充电电路3242和该高压充电电路3244的电路图。参考图4，该低压充电电路3242包含一稳压电路42和一二极管D1。该稳压电路42用以产生一稳定的供应电压GVDD。在本发明一实施例中，该供应电压GVDD为5V，然而，本发明不应以此为限。该二极管D1具有接收该供应电压GVDD的一阳极(Anode)和耦接至该自举电容CBT的上端子BST的一阴极(Cathode)。

该高压充电电路3244包含一偏压电流源IB1、P型晶体管P1和P2，一二极管D2以及一箝制元件ZD1。在本实施例中，该箝制元件ZD1为一齐纳二极管(Zener diode)，然而，本发明不应以此为限，任何具有箝制电压功能的半导体元件，例如一雪崩二极管或一瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppresser,TVS)均可实施为该箝制元件。该P型晶体管P1具有接收该供应电源电压PVDD的一源极端，接收该偏压电流源IB1的一漏极端和耦接至该漏极端的一栅极端。该P型晶体管P2具有接收该供应电源电压PVDD的一源极端和耦接至该P型晶体管P1的该栅极端的一栅极端。该箝制元件ZD1具有耦接至该P型晶体管P2的一漏极端的一第一端和耦接至该交叉点SW的一第二端。在本实施例中，该箝制元件ZD为一齐纳二极管ZD1，其具有耦接至该P型晶体管P2的一漏极端的一阴极和耦接至该交叉点SW的一阳极。该二极管D2具有耦接至该P型晶体管P2的该漏极端的一阳极和耦接至该自举电容CBT的该上端子BST的一阴极。在本发明一实施例中，该供应电源电压PVDD为24V，该偏压电流源IB1的电流值为10μA，然而，本发明不应以此为限。

以下参考图3和图4的电路图说明该自举电容CBT的充电方式。当该D类放大器32在供电后的一启动时间内，驱动电路326和328尚未提供驱动信号给该上桥开关MU和该下桥开关MD。此时，该上桥开关MU和该下桥开关MD为关闭状态。由于扬声器18是由具有单端输出级的D类放大器32所推动，为了解决前述供电电路能量倒灌的现象，该扬声器18的右侧会耦接至包含大电容C3和C4的一分压电路36以吸收能量。因为该分压电路36会等分该供应电源电压PVDD和该接地端之间的电平差值，因此，该扬声器的左侧端X1的电压为1/2*PVDD，且该交叉点SW的电压亦为1/2*PVDD。

在此状况下，由于该低压充电电路3242中的该稳压电路42所提供的供应电压GVDD小于该交叉点SW的电压，因此，该低压充电电路3242不会对该自举电容CBT进行充电。另一方面，由于用于该高压充电电路3244中的该供应电源电压PVDD大于该交叉点SW的电压，因此，图4中的该P型晶体管P2会以正比于该偏压电流源IB1的电流值对该自举电容CBT进行充电。此时，该低压充电电路3242中的该二极管D1会避免电流回灌至该稳压电路42。

现以图3和图4说明该二极管D2和该齐纳二极管ZD1的一选择方式。考量到正常运行时(亦即该驱动电路326和328有提供驱动信号后)，该驱动电路326的电压电平差值(节点BST和节点SW间的电平差值)较佳为实质上等于该驱动电路328的电压电平差值(该供应电压GVDD和该接地端之间的电平差值)，因此该节点BST可选择为充电至1/2*PVDD+GVDD。参考图4，在一较佳实施例中，该齐纳二极管ZD1的逆向击穿电压值可选择为GVDD+Vf，其中Vf等于二极管D2的顺向偏压值。如此一来，当该高压充电电路3244对该自举电容CBT进行充电时，该齐纳二极管ZD1工作于逆向偏压区，而该二极管D2工作于顺向偏压区，因此该节点BST的电压可箝制至1/2*PVDD+GVDD。

图5显示结合本发明另一实施例的该高压充电电路3244′的电路图。参考图5，该高压充电电路3244′包含一偏压电流源IB2、P型晶体管P3、P4和P5，一N型晶体管N1、一二极管D3以及一齐纳二极管(Zener diode)ZD2。该P型晶体管P3具有接收该供应电源电压PVDD的一源极端，接收该偏压电流源IB2的一漏极端和耦接至该漏极端的一栅极端。该P型晶体管P4具有接收该供应电源电压PVDD的一源极端和耦接至该P型晶体管P3的该栅极端的一栅极端。该P型晶体管P5具有接收该供应电源电压PVDD的一源极端和耦接至该P型晶体管P3的该栅极端的一栅极端。该N型晶体管N1具有耦接该P型晶体管P5的一漏极端的一漏极端和耦接至该P型晶体管P4的一漏极端的一栅极端。

该齐纳二极管ZD2具有耦接至该P型晶体管P4的该漏极端的一阴极和耦接至该交叉点SW的一阳极。该二极管D3具有耦接至该N型晶体管N1的一源极端的一阳极和耦接至该自举电容CBT的该上端子BST的一阴极。在本发明一实施例中，该供应电源电压PVDD为24V，该偏压电流源IB2的电流值为10μA，然而，本发明不应以此为限。

在运行上，由于该扬声器18的右侧会耦接至包含大电容C3和C4的该分压电路36以吸收前述供电电路能量倒灌的能量，如图3所示。因此，图5中的节点SW的电压初始值为1/2*PVDD。在该D类放大器32供电后的一启动时间内，该驱动电路326和328尚未提供驱动信号给该上桥开关MU和该下桥开关MD。该高压充电电路3244′中的该P型晶体管P5会以比例于该偏压电流源IB2的电流值对该自举电容CBT进行充电。在一实施例中，该节点BST可选择为充电至1/2*PVDD+GVDD。因此，该齐纳二极管ZD1的逆向击穿电压值可选择为VGS,N1+GVDD+Vf，其中VGS,M1为该N型晶体管N1的栅极-源极电压电平差值，而Vf等于二极管D3的顺向偏压值。如此一来，当该高压充电电路3244′对该自举电容CBT进行充电时，该齐纳二极管ZD2工作于逆向偏压区，而该二极管D3工作于顺向偏压区，因此该节点BST的电压可箝制至1/2*PVDD+GVDD。

在图3中，该扬声器34是由具有单端输出级的D类放大器32所推动。在本发明另一实施例中，扬声器可由具有H-桥式(H-bridge)的电子装置60所推动，如图6所示。参考图6，扬声器66是由输出级322中的上桥开关MU和下桥开关MD以及输出级322″中的上桥开关MU和下桥开关MD所推动。输出级322中的上桥开关MU和下桥开关MD以及输出级322″中的上桥开关MU和下桥开关MD形成一H-桥式组态。扬声器66左侧的D类放大器62和扬声器66右侧的D类放大器64具有近似的运行方式，具有H-桥式组态的D类放大器在正常运行时的工作模式已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

参考图6，在D类放大器62和64供电后的一启动时间内，输出级322和322″尚未被对应的驱动电路所驱动。此时，自举电容CBT和CBT′会藉由高压充电电路3244和3244″而被充电。充电方式可参考图4和图5所绘示的电路图和先前的说明。藉由高压充电电路3244和3244″，自举电容CBT和CBT″可充电至足够高的电压电平以驱动对应的上桥开关。在自举电容CBT和CBT″完成充电后，D类放大器62中的输出级322和D类放大器64中的输出级322″会接收对应的驱动电路的信号，以进入正常模式运行。其后，该自举电容充电电路324中的该低压充电电路3242和该自举电容充电电路324″中的该低压充电电路3242″也会分别对该自举电容CBT和该自举电容CBT″进行充电。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包含各种不背离本发明的替换及修饰，并为本发明权利要求书所涵盖。

Claims

1.一种电子装置，包含：

一第一N型晶体管，耦接至一电源输入端和一切换节点之间，该电源输入端用以接收一第二电源；

一第二N型晶体管，耦接至该切换节点和一接地端之间；

一自举电容，具有耦接至该切换节点的一下端子和一上端子，该上端子用以产生导通该第一N型晶体管的一电平；

一第一充电电路，耦接至该自举电容的该上端子，该第一充电电路藉由一第一电源以对该自举电容进行充电；以及

一第二充电电路，其包含：

一第一P型晶体管，具有接收该第二电源的一源极端，接收一偏压电流的一漏极端和耦接至自身的该漏极端的一栅极端；

一第二P型晶体管，具有接收该第二电源的一源极端，耦接至该第一P型晶体管的该栅极端的一栅极端；

一箝制元件，具有耦接至该第二P型晶体管的一漏极端的一第一端子和耦接至该切换节点的一第二端子；以及

一第一二极管，具有耦接至该第二P型晶体管的该漏极端的一阳极和耦接至该自举电容的该上端子的一阴极；

其中，该第二电源的电平高于该第一电源的电平。

2.根据权利要求1所述的电子装置，其中该第二充电电路使用一定电流以对该自举电容进行充电。

3.根据权利要求2所述的电子装置，其中该第一充电电路包含：

一稳压电路，用以产生该第一电源；以及

一第二二极管，具有接收该第一电源的一阳极和耦接至该自举电容的该上端子的一阴极。

4.根据权利要求3所述的电子装置，其中该第二充电电路还包含：

一第三P型晶体管，具有接收该第二电源的一源极端，耦接至该第一P型晶体管的该栅极端的一栅极端；以及

一N型晶体管，具有接收该第三P型晶体管的一漏极端的一漏极端和直接连接至该第二P型晶体管的该漏极端的一栅极端；

其中，该第一二极管的该阳极直接连接至该N型晶体管的一源极端。

5.根据权利要求1或4所述的电子装置，还包含：

一电感，耦接至该切换节点；

一输出电容，耦接至该电感和一接地端之间；

一分压电路，用以等分于该第二电源和该接地端之间的电平差值；以及

一扬声器，耦接于该电感和该分压电路之间。

6.根据权利要求5所述的电子装置，其中该箝制元件为一齐纳二极管，且该齐纳二极管的逆向击穿电压值选择为该第一电源的电平和该第一二极管的顺向偏压值的总和。

7.根据权利要求5所述的电子装置，其中该箝制元件为一齐纳二极管，且该齐纳二极管的逆向击穿电压值选择为该第一电源的电平、该第一二极管的顺向偏压值和该第二充电电路中的该N型晶体管的栅极-源极电平差值的总和。

8.一种电子装置，包含：

一第一D类放大器，该第一D类放大器包含：

一第二N型晶体管，耦接至该切换节点和一接地端之间；

一自举电容，具有耦接至该切换节点的一下端子和一上端子，该上端子用以产生导通该第一N型晶体管的一电位；

一第一充电电路，耦接至该自举电容的该上端子，该第一充电电路藉由一第一电源以对该自举电容进行充电；和

一第二充电电路，其包含:

一第二D类放大器，该第二D类放大器包含：

一第一N型晶体管，耦接至一电源输入端和该切换节点之间，该电源输入端用以接收该第二电源；

一第二N型晶体管，耦接至该切换节点和一接地端之间；

一第二充电电路，其包含:

一第一电感，耦接至该第一D类放大器的该切换节点；

一第二电感，耦接至该第二D类放大器的该切换节点；以及

一扬声器，耦接于该第一电感和该第二电感之间，

其中，该第二电源的电平高于该第一电源的电平。

9.根据权利要求8所述的电子装置，其中该第一D类放大器中的该第二充电电路和该第二D类放大器中的该第二充电电路包含：

10.根据权利要求8或权利要求9所述的电子装置，其中该箝制元件为一齐纳二极管，且该齐纳二极管的逆向击穿电压值选择为该第一电源的电平和该第一二极管的顺向偏压值的总和。

11.根据权利要求8或权利要求9所述的电子装置，其中该箝制元件为一齐纳二极管，且该齐纳二极管的逆向击穿电压值选择为该第一电源的电平、该第一二极管的顺向偏压值和该第二充电电路中的该N型晶体管的栅极-源极电平差值的总和。