CN107592009B - 电荷泵电路与显示面板 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电荷泵电路，此电荷泵电路包括多个升压级。每一个升压级具有以下元件。第一开关电路受控于第一时脉信号以将第一电容的第二端耦接至第一输入端或第二输入端。第三开关电路受控于第二时脉信号以将第二电容的第二端耦接至第一输入端或第二输入端。第二开关电路受控于第二电容上的电位以将第一电容的第一端耦接至第一输入端或输出端。第四开关电路受控于第一电容上的电位以将第二电容的第一端耦接至第一输入端或输出端。借此，可使用低耐压的电子元件来输出高电压。

Description

电荷泵电路与显示面板

技术领域

本发明涉及一种电荷泵，且特别涉及一种使用低耐压的电子装置来输出高电压的电荷泵。

背景技术

电荷泵是用以将低电压转换为高电压的电子元件。常见的电荷泵是以切换式电容(switched capacitor，SC)电路为基础，通过电容的充放电来输出高电压，这样的电荷泵包括了一或多个电容与金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET)。但在一些应用中电荷泵所输出的电压可能高于所输入的电压好几倍，这使得金属氧化物半导体场效晶体管的耐压需要很高。举例来说，在液晶显示面板中可能需要高达15伏特的高电压，这也意味着需要高压元件及耐高压的电容。然而，高压元件的成本较高，如何解决电荷泵中耐压的问题，为此领域技术人员所关心的议题。

发明内容

本发明的实施例提出一种电荷泵电路，包括多个升压级。每一个升压级具有输入时脉端，第一输入端，第二输入端，输出时脉端与输出端。每一个升压级包括至少一个升压电路，此升压电路包括以下元件。第一电容具有第一端与第二端。第一开关电路耦接至第一电容的第二端、第一输入端与第二输入端，并受控于来自输入时脉端的第一时脉信号以将第一电容的第二端耦接至第一输入端或第二输入端。第二开关电路耦接至第一电容的第一端、第一输入端与输出端。第二电容，具有第一端与第二端。第三开关电路耦接至第二电容的第二端、第一输入端与第二输入端，并受控于来自输入时脉端的第二时脉信号以将第二电容的第二端耦接至第一输入端或第二输入端，其中第二时脉信号反相于第一时脉信号。第四开关电路耦接至第二电容的第一端、第一输入端与输出端。其中第二开关电路受控于第二电容的第一端与第二端上的电位以将第一电容的第一端耦接至第一输入端或输出端。其中第四开关电路受控于第一电容的第一端与第二端上的电位以将第二电容的第一端耦接至第一输入端或输出端。

在一些实施例中，在第一相位期间，第一开关电路将第一电容的第二端耦接至第二输入端，第二开关电路将第一电容的第一端耦接至第一输入端，第三开关电路将第二电容的第二端耦接至第一输入端，第四开关电路将第二电容的第一端耦接至输出端。在第二相位期间，第一开关电路将第一电容的第二端耦接至第一输入端，第二开关电路将第一电容的第一端耦接至输出端，第三开关电路将第二电容的第二端耦接至第二输入端，并且第四开关电路将第二电容的第一端耦接至第一输入端，其中第二相位期间不重叠于第一相位期间。

在一些实施例中，第二开关电路包括以下元件。第一开关的第一端耦接至第一电容的第一端，第二端耦接至第一输入端，控制端耦接至第二电容的第二端。第二开关的第一端耦接至第一电容的第一端，第二端耦接至输出端，控制端耦接至第二电容的第一端。

在一些实施例中，第四开关电路包括以下元件。第三开关的第一端耦接至第二电容的第一端，第二端耦接至第一输入端，控制端耦接至第一电容的第二端。第四开关的第一端耦接至第二电容的第一端，第二端耦接至输出端，控制端耦接至第一电容的第一端。

在一些实施例中，第一开关电路包括以下元件。第五开关的第一端耦接至第二输入端，第二端耦接至第一电容的第二端，控制端耦接至第一时脉信号。第六开关的第一端耦接至第一输入端，第二端耦接至第一电容的第二端，控制端耦接至第一时脉信号。第三开关电路包括以下元件。第七开关的第一端耦接至第二输入端，第二端耦接至第二电容的第二端，控制端耦接至第二时脉信号。第八开关的第一端耦接至第一输入端，第二端耦接至第二电容的第二端，控制端耦接至第二时脉信号。

在一些实施例中，第一开关、第三开关、第五开关与第七开关为N型金属氧化物半导体场效晶体管，第二开关、第四开关、第六开关与第八开关为P型金属氧化物半导体场效晶体管。

在一些实施例中，电荷泵电路还包括第三电容与第四电容。第三电容的第一端耦接至第一电容的第二端，第二端耦接至第三开关的闸极。第四电容的第一端耦接至第一开关的闸极，第二端耦接至第二电容的第二端。

在一些实施例中，输出时脉端耦接在第四电容与第一开关之间。

在一些实施例中，上述的升压级包括第i级升压级与第i-1级升压级，i为大于1的正整数。第i级升压级的输入时脉端耦接至第i-1级升压级的输出时脉端。第i级升压级的第一输入端耦接至第i-1级升压级的输出端。第i级升压级的第二输入端耦接至第i-1级升压级的第一输入端。

以另外一个角度来说，本发明的实施例提出一种显示面板，包括上述的电荷泵电路。如此一来，可以使用低耐压的元件来输出高电压。

为让本发明的上述特征和优端能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据一实施例绘示电荷泵电路的电路图。

图2是根据一实施例绘示升压级中升压电路的电路图。

图3是根据一实施例绘示时脉信号与输出端上信号的波形图。

图4是根据一实施例绘示升压电路的电路图。

图5是根据另一实施例绘示升压电路的电路图。

图6是绘示图5的升压电路在第一相位期间的操作示意图。

图7是根据图5的实施例绘示第二相位期间的操作示意图。

附图标记说明：

100：电荷泵电路

110、120、130：升压级

112、122、132、122(1)～122(8)：升压电路

CLK：输入时脉端

IN1：第一输入端

IN2：第二输出端

CLK_OUT：输出时脉端

OUT：输出端

Φ₁～Φ₈：相位信号

410、420、430、440：开关电路

SW1～SW8：开关

C1～C4：电容

P_1,up、P_2,up、P_1,down、P_2,down：路径

N₁～N₈：节点

具体实施方式

关于本文中所使用的『第一』、『第二』、…等，并非特别指次序或顺位的意思，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。另外，关于本文中所使用的「耦接」，可指二个元件直接地或间接地作电性连接。也就是说，当以下描述「第一物件耦接至第二物件」时，第一物件与第二物件之间还可设置其他的物件。

图1是根据一实施例绘示电荷泵电路的电路图。请参照图1，电荷泵电路100包括多个升压级110、120、130。每一个升压级110、120、130都具有输入时脉端CLK、第一输入端IN1、第二输入端IN2、输出时脉端CLK_OUT与输出端OUT。这些升压级110、120、130是彼此串接。具体来说，第i级升压级(例如为升压级120)的输入时脉端CLK是耦接至第i-1级升压级(例如为升压级110)的输出时脉端CLK_OUT；第i级升压级的第一输入端IN1是耦接至第i-1级升压级的输出端OUT；第i级升压级的第二输入端IN2是耦接至第i-1级升压级的第一输入端IN1，其中i为大于1的正整数。在图1的实施例中共有3个升压级，但本发明并不限制电荷泵电路100中升压级的数目。

每一个升压级110、120、130都小幅度地提升前一级输出端OUT上的电压，如此一来最后可以输出高电压。举例来说，在升压级110中第一输入端IN1为5伏特、第二输入端IN2为0伏特，输入时脉端CLK上的时脉信号介于0至5伏特，输出端OUT为10伏特，输出时脉端CLK_OUT上的时脉信号介于5至10伏特；在升压级120中输出端OUT为15伏特，输出时脉端CLK_OUT上的信号介于10至15伏特；在升压级130中输出端OUT为20伏特，输出时脉端CLK_OUT上的信号介于15至20伏特。然而，上述的数值仅为范例，本发明并不在此限。

每一个升压级中具有至少一个升压电路。例如，升压级110中具有至少一个升压电路112，升压级120中具有至少一个升压电路122，升压级130中具有至少一个升压电路132。以升压电路122为例，当配置了多个升压电路122时，这些升压电路122是彼此并联，并由不同相位的时脉信号所驱动。图2是根据一实施例绘示升压级中升压电路的电路图。请参照图2，在此实施例中共有8个升压电路122(1)、122(2)…122(8)，分别由时脉信号Φ₁、Φ₂、…Φ₈所驱动。每一个升压电路都耦接至升压级120中的第一输入端IN1、第二输入端IN2与输出端OUT。图3是根据一实施例绘示时脉信号与输出端上信号的波形图。请参照图3，时脉信号Φ₁是来自于输入时脉端CLK，而时脉信号Φ₂是延迟时脉信号Φ₁所产生，以此类推。在时脉信号Φ₁、Φ₂…Φ₈的上升边缘与下降边缘，输出端OUT上的电压都会被拉高，通过将8个升压电路122(1)、122(2)…122(8)并联可以输出稳定的电压。

在此实施例中共设置了8个升压电路122(1)、122(2)…122(8)，但在其他实施例中也可以设置更多或更少的升压电路122，本发明并不在此限。以下将以升压电路122(1)为例进行说明，对于其他升压电路则不再重复赘述。

图4是根据一实施例绘示升压电路的电路图。请参照图4，升压电路122(1)包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关电路410、第二开关电路420、第三开关电路430与第四开关电路440。第一电容C1具有第一端N₁与第二端N₂，第二电容C2具有第一端N₃与第二端N₄。第一开关电路410耦接至第一电容C1的第二端N₂、第一输入端IN1与第二输入端IN2，并受控于第一时脉信号Φ₁以将第一电容C1的第二端N₂耦接至第一输入端IN1或第二输入端IN2。第二开关电路420耦接至第一电容C1的第一端N₁、第一输入端IN1与输出端OUT，并且是受控于第二电容C2的第一端N₃与第二端N₄上的电位以将第一电容C1的第一端N₁耦接至第一输入端IN1或输出端OUT。第三开关电路430耦接至第二电容C2的第二端N₄、第一输入端IN1与第二输入端IN2，并受控于第二时脉信号以将第二电容C2的第二端N₄耦接至第一输入端IN1或第二输入端IN2。其中第二时脉信号是反相于第一时脉信号Φ₁，或者第二时脉信号也可称为第一时脉信号的互补(bar)。第四开关电路440耦接至第二电容C2的第一端N₃、第一输入端IN1与输出端OUT，并且是受控于第一电容C1的第一端N₁与第二端N₂上的电位以将第二电容C2的第一端N₃耦接至第一输入端IN1或输出端OUT。

举例来说，第一输入端IN1为10伏特，第二输入端IN2为5伏特。请参照路径P_1,up，在第一相位期间(例如，第一时脉信号Φ₁为逻辑高电平，第二时脉信号为逻辑低电平)，第一开关电路410将第一电容C1的第二端N₂耦接至第二输入端IN2。第二开关电路420将第一电容C1的第一端N₁耦接至第一输入端IN1，如此一来第一输入端IN1与第二输入端IN2可对电容C1充电。另一方面，请参照路径P_1,down，第三开关电路430将第二电容C2的第二端N₄耦接至第一输入端IN1，第四开关电路440将第二电容C2的第一端N₃耦接至输出端OUT。在稳态时，在上一个相位期间第二电容C2的第一端N₃为10伏特，因此在目前的相位期间第二电容C2的第一端N₃会被推升至15伏特，此电压会通过输出端OUT输出。

在第二相位期间(例如，第一时脉信号Φ₁为逻辑低电平，第二时脉信号为逻辑高电平)，请参照路径P_2,up，第一开关电路410将第一电容C1的第二端N₂耦接至第一输入端IN1，第二开关电路420将第一电容C1的第一端N₁耦接至输出端OUT，借此输出端OUT可输出15伏特。于此同时，请参照路径P_2,down，第三开关电路430将第二电容C2的第二端N₄耦接至第二输入端IN2，并且第四开关电路440将第二电容C2的第一端N₃耦接至第一输入端IN1，借此可对第二电容C2充电。

更具体来说，第二开关电路420包括了第一开关SW1与第二开关SW2。第一开关SW1的第一端耦接至第一电容C1的第一端N₁，第一开关SW1的第二端耦接至第一输入端IN1，并且控制端耦接至第二电容C2的第二端N₄。第二开关SW2的第一端耦接至第一电容C1的第一端N₁，第二开关SW2的第二端耦接至输出端OUT，并且控制端耦接至第二电容C2的第一端N₃。值得注意的是，请参照路径P_2,up，在第二相位期间第一端N₁上的电压为15伏特，而第二开关SW2的控制端上为10伏特，第二开关SW2上的跨压仅为5伏特，因此不需要使用高耐压的电子元件来实作第二开关。

类似地，第四开关电路440包括了第三开关SW3与第四开关SW4。第三开关SW3的第一端耦接至第二电容C2的第一端N₃，第三开关SW3的第二端耦接至第一输入端IN1，并且其控制端耦接至第一电容C1的第二端N₂。第四开关SW4的第一端耦接至第二电容C2的第一端N₃，第四开关SW4的第二端耦接至输出端OUT，并且其控制端耦接至第一电容C1的第一端N₁。请参照路径P_1,down，在第一相位期间第一端N₃上的电压为15伏特，而第四开关SW4的控制端上的电压为10伏特，第四开关SW4上的跨压仅为5伏特，因此不需要使用高耐压的电子元件来实作第四开关SW4。

在一些实施例中，上述的第一开关电路410至第四开关电路440是以金属氧化物半导体场效晶体管来实作。以下将再举实施例详细说明。

图5是根据另一实施例绘示升压电路的电路图。请参照图5，第一开关电路410包括了第五开关SW5与第六开关SW6。第五开关SW5的第一端耦接至第二输入端IN2，第五开关SW5的第二端耦接至第一电容C1的第二端N₂，并且其控制端耦接至第一时脉信号Φ₁。第六开关SW6的第一端耦接至第一输入端IN1，第六开关SW6的第二端耦接至第一电容C1的第二端N₂，并且其控制端耦接至第一时脉信号Φ₁。第三开关电路430包括第七开关SW7与第八开关SW8。第七开关SW7的第一端耦接至第二输入端IN2，第七开关SW7的第二端耦接至第二电容C2的第二端N₄，并且其控制端耦接至第二时脉信号第八开关SW8的第一端耦接至第一输入端IN1，第八开关SW8的第二端耦接至第二电容C2的第二端N₄，并且其控制端耦接至第二时脉信号

在图5的实施例中，第一开关SW1、第三开关SW3、第五开关SW5与第七开关SW7为N型金属氧化物半导体场效晶体管。第二开关SW2、第四开关SW4、第六开关SW6与第八开关SW8为P型金属氧化物半导体场效晶体管。然而，在其他实施例中可根据上述的教示而使用其他电子元件来实作第一开关电路410至第四开关电路440。

在图5中，升压电路122(1)还包括第三电容C3与第四电容C4。第三电容C3的第一端N₅耦接至第一电容C1的第二端N₂，第二端N₆耦接至第三开关SW3的闸极。第四电容C4的其第一端N₇耦接至第一开关SW1的闸极，第二端N₈耦接至第二电容C2的第二端N₄。此外，输出时脉端CLK_OUT是耦接在第四电容C4与第一开关SW1之间。

图6是绘示图5的升压电路在第一相位期间的操作示意图。在图6的实施例中，第一输入端IN1为10伏特，第二输入端IN2为5伏特。在第一相位期间，第一时脉信号Φ₁为高电平(10伏特)，因此第六开关SW6为截止，第五开关SW5为导通。第二电容C2的第二端N₄上的电压为10伏特，在稳态下通过电容C4的耦合会使得第一开关SW1闸极上的电压被推升至15伏特，因此第一开关SW1会导通。第一电容C1的第一端N₁上的电压会被推升至10伏特，而第二开关SW2的闸极上的电压会被推升至15伏特，因此第二开关SW2会截止。借此，通过路径P_1,up，第一输入端IN1与第二输入端IN2对第一电容C1充电。另一方面，第二时脉信号为低电平(5伏特)，因此第七开关SW7为截止，第八开关SW8为导通。同时，第一电容C1的第二端N2为5伏特，在稳态下通过电容C3的耦合会使得第三开关SW3的闸极上的电压被下拉至低于10伏特，因此第三开关SW3会截止。第四开关SW4闸极上的电压为10伏特，而第二电容C2的第一端N₃上的电压会被推升至15伏特，因此第四开关SW4会导通。借此，通过路径P_1,down，输出端OUT会输出15伏特的电压。

图7是根据图5的实施例绘示第二相位期间的操作示意图。请参照图7，在第二相位期间，第二时脉信号为高电平(10伏特)，因此第七开关SW7为导通，第八开关SW8为截止。第一电容C1的第二端N₂上的电压为10伏特，在稳态下通过第三电容C3的耦合使得第三开关SW3的闸极上的电压会被推升至超过10伏特，因此第三开关SW3会导通。第四开关SW4的闸极上的电压会被推升至15伏特，而第二电容C2的第一端N₃上的电压为10伏特，因此第四开关SW4会被截止。借此，通过路径P_2,down，第一输入端IN1与第二输入端IN2会对电容C2充电。另一方面，第一时脉信号Φ₁为低电平(5伏特)，因此第六开关SW6为导通，第五开关SW5为截止。第二电容C2的第二端N₄上的电压为5伏特，通过电容C4的耦合会使得第一开关SW1闸极上的电压被下拉至10伏特，因此第一开关SW1会截止。第二开关SW2的闸极上的电压为10伏特，而第一电容C1的第一端N₁上的电压会被推升至15伏特，因此第二开关SW2会导通。借此，通过路径P_2,up，第一输入端IN1会输出15伏特的电压。

在图6与图7的操作中，第一开关SW1至第八开关SW8、电容C1至电容C4上的跨压都不超过5伏特，因此这些开关与电容不需要具有高耐压。另一方面，通过第三电容C3的设置可改变第一电容C1的第二端N₂上的电压，进而导通/截止第三开关SW3，如此一来便不需要使用电平位移器(level shifter)。类似地，通过第四电容C4的设置可改变第二电容C2的第二端N₄上的电压，进而导通/截止第一开关SW1，而不需要使用电平位移器。

请参照回图1，在一些实施例中，电荷泵电路100可设置于显示面板内，电荷泵电路100所输出的高电压可用以驱动薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)。然而，本发明并不限制将电荷泵电路100用于什么电子装置中。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括：

多个升压级，其中每一所述多个升压级具有一输入时脉端，一第一输入端，一第二输入端，一输出时脉端与一输出端，每一所述多个升压级包括至少一升压电路，该至少一升压电路包括：

一第一电容，具有一第一端与一第二端；

一第一开关电路，耦接至该第一电容的该第二端、该第一输入端与该第二输入端，并受控于来自该输入时脉端的一第一时脉信号以将该第一电容的该第二端耦接至该第一输入端或该第二输入端；

一第二开关电路，耦接至该第一电容的该第一端、该第一输入端与该输出端；

一第二电容，具有一第一端与一第二端；

一第三开关电路，耦接至该第二电容的该第二端、该第一输入端与该第二输入端，并受控于来自该输入时脉端的一第二时脉信号以将该第二电容的该第二端耦接至该第一输入端或该第二输入端，其中该第二时脉信号反相于该第一时脉信号；以及

一第四开关电路，耦接至该第二电容的该第一端、该第一输入端与该输出端，

其中该第二开关电路受控于该第二电容的该第一端与该第二端上的电位以将该第一电容的该第一端耦接至该第一输入端或该输出端，

其中该第四开关电路受控于该第一电容的该第一端与该第二端上的电位以将该第二电容的该第一端耦接至该第一输入端或该输出端。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中在一第一相位期间，该第一开关电路将该第一电容的该第二端耦接至该第二输入端，该第二开关电路将该第一电容的该第一端耦接至该第一输入端，该第三开关电路将该第二电容的该第二端耦接至该第一输入端，该第四开关电路将该第二电容的该第一端耦接至该输出端，

其中在一第二相位期间，该第一开关电路将该第一电容的该第二端耦接至该第一输入端，该第二开关电路将该第一电容的该第一端耦接至该输出端，该第三开关电路将该第二电容的该第二端耦接至该第二输入端，并且该第四开关电路将该第二电容的该第一端耦接至该第一输入端，其中该第二相位期间不重叠于该第一相位期间。

3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中该第二开关电路包括：

一第一开关，其第一端耦接至该第一电容的该第一端，第二端耦接至该第一输入端，控制端耦接至该第二电容的该第二端；以及

一第二开关，其第一端耦接至该第一电容的该第一端，第二端耦接至该输出端，控制端耦接至该第二电容的该第一端。

4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其中该第四开关电路包括：

一第三开关，其第一端耦接至该第二电容的该第一端，第二端耦接至该第一输入端，控制端耦接至该第一电容的该第二端；以及

一第四开关，其第一端耦接至该第二电容的该第一端，第二端耦接至该输出端，控制端耦接至该第一电容的该第一端。

5.如权利要求4所述的电荷泵电路，其中该第一开关电路包括：

一第五开关，其第一端耦接至该第二输入端，第二端耦接至该第一电容的该第二端，控制端耦接至该第一时脉信号；

一第六开关，其第一端耦接至该第一输入端，第二端耦接至该第一电容的该第二端，控制端耦接至该第一时脉信号，

其中该第三开关电路包括：

一第七开关，其第一端耦接至该第二输入端，第二端耦接至该第二电容的该第二端，控制端耦接至该第二时脉信号；以及

一第八开关，其第一端耦接至该第一输入端，第二端耦接至该第二电容的该第二端，控制端耦接至该第二时脉信号。

6.如权利要求5所述的电荷泵电路，其中该第一开关、该第三开关、该第五开关与该第七开关为N型金属氧化物半导体场效晶体管，该第二开关、该第四开关、该第六开关与该第八开关为P型金属氧化物半导体场效晶体管。

7.如权利要求6所述的电荷泵电路，还包括：

一第三电容，其第一端耦接至该第一电容的该第二端，第二端耦接至该第三开关的闸极；以及

一第四电容，其第一端耦接至该第一开关的闸极，第二端耦接至该第二电容的该第二端。

8.如权利要求7所述的电荷泵电路，其中该输出时脉端耦接在该第四电容与该第一开关之间。

9.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述多个升压级包括第i级升压级与第i-1级升压级，i为大于1的正整数，

该第i级升压级的该输入时脉端耦接至该第i-1级升压级的该输出时脉端，

该第i级升压级的该第一输入端耦接至该第i-1级升压级的该输出端，

该第i级升压级的该第二输入端耦接至该第i-1级升压级的该第一输入端。

10.一种显示面板，其特征在于，包括如权利要求1所述的电荷泵电路。