CN113643652B - 内置有电荷泵的驱动芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置有电荷泵的驱动芯片，包括衬底转化模块和电荷泵模块，衬底转化模块与电荷泵模块电性相连，将电荷泵模块的输出电平转化为驱动芯片内的高电位；电荷泵模块包括漏电压检测单元，模式控制单元，振荡器单元，电荷泵单元和电流镜，漏电压检测单元通过利用比较器与阈值电压相比较，输出高电压，模式选择单元对漏电压检测单元输出的高电压进行增益，然后传输至电荷泵单元内，振荡器单元与电荷泵单元相互配合，从而使得驱动芯片的驱动电压在各种情况下都保持稳定，处于高电位水平，本发明通过输出相对应的高电压，配合基准源电路，从而得到稳定的驱动电压，进而驱动LED显示屏进行工作。

Description

内置有电荷泵的驱动芯片
技术领域
本发明涉及驱动芯片领域，尤其涉及针对LED控制的内置有电荷泵的驱动芯片。
背景技术
汽车座舱智能化已经成为现今汽车的趋势，汽车上通常有车载导航系统，车载导航系统包括液晶显示屏不同厂家的车辆，或者不同类型的车辆中的液晶显示屏的尺寸可能不同，大尺寸的如12.3英寸，小尺寸的如10.1英寸，7英寸；液晶显示屏的原理决定其需要好几种供电电压来进行驱动，有模拟电压AVDD，用于为液晶显示屏的显示驱动芯片，(也称为driver IC)供电，包括液晶显示屏的内部TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管薄膜晶体管，简称TFT)的门极高电压VGH，门极低电压VGL，还有液晶显示屏内部控制液晶旋转角度的电极间的公共电压VCOM，这四种供电电压是决定液晶显示屏能不能正常显示的关键特性，并且液晶显示屏对这四种供电电压的上/下电时序有严格的要求，如果没有满足其上/下电时序，液晶显示屏显示会出现各种异常的现象，如导致显示不正常。
因此，需要一种可靠的，低成本的驱动方案，来提高液晶显示屏的可靠性，从而提高应用液晶显示屏的电子设备的可靠性、安全性，另外也需降低电子设备的整体成本。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种内置有电荷泵的驱动芯片，通过输出相对应的高电压，配合基准源电路，从而得到稳定的驱动电压，进而驱动LED显示屏进行工作。
为实现上述目的，本发明提供一种内置有电荷泵的驱动芯片，包括衬底转化模块和电荷泵模块，所述衬底转化模块与电荷泵模块电性相连，将电荷泵模块的输出电平转化为驱动芯片内的高电位；所述电荷泵模块包括漏电压检测单元，模式控制单元，振荡器单元，电荷泵单元和电流镜，漏电压检测单元通过利用比较器与阈值电压相比较，输出高电压，模式选择单元对漏电压检测单元输出的高电压进行增益，然后传输至电荷泵单元内，振荡器单元与电荷泵单元相互配合，从而使得驱动芯片的驱动电压在各种情况下都保持稳定，处于高电位水平。
作为优选，在衬底转化模块中，设置有比较单元，比较单元的输入口分别与电荷泵模块以及基础电压相连，实现电荷泵模块中的PMOS开关的阱电位为驱动芯片的高电位，防止PMOS管漏电。
作为优选，所述漏电压检测单元包括或门和多个比较器，多个比较器相互并联在一起，且每一个比较器的都连接有一个mos管，mos管的G极与电流源相连，S极接地，D极与比较器相连。
作为优选，所述模式控制单元为开关电路，设置有9个开关mos管，利用不同mos管的开启或关闭，从而实现不同状态下的电压调整。
作为优选，电荷泵单元包括非重叠时钟、跨导运算放大器和电流控制电流源，电荷泵输出电压的分压信号与内部基准源产生的固定电平分别作为内部跨导运算放大器的负端与正端输入。
作为优选，两个时钟由非重叠时钟驱动，每个通路由一个电流控制电流源进行控制；跨导运算放大器单路输出电路控制电流控制电流源的电流，实现对充电和放电通路的双路控制。
作为优选，所述振荡器单元为以SMIT触发器为核心构成阻容充放电回路，通过控制充放电的周期得到固定周到振荡信号，控制占空比。
作为优选，所述电荷模块采用电压环和电流环进行控制，在进行模式转化期间，电压外环通过改变电流内环的采样电阻的阻值，利用两个环路共同对电荷泵模块进行反馈控制，从而实现不同模式下的输出电压，模式转化结束后，只有电流内环实现对电荷泵进行反馈控制，实现稳定的输出。
本发明的有益效果是：本发明提供的内置有电荷泵的驱动芯片，内部设置有衬底转化模块与电荷泵模块，利用衬底转化模块将电荷泵模块的输出电平转化为驱动芯片内的高电位；针对电荷泵模块，采用双反馈环路进行控制：通过电压外环和电流内环的自适应调整，电压外环完成电荷泵的多模式转化，电流内环保证电荷泵的稳定输出，利用双反馈环路，稳定电荷泵的电压输出，配合基准源电压，实现对LED屏幕的控制。
附图说明
图1为本发明的衬底电压转换电路；
图2为本发明的电荷泵系统框图；
图3为本发明的电压环控制电路图；
图4为本发明电荷泵电流内环控制电路图；
图5为本发明的漏电压检测电路；
图6为本发明的振荡器电路；
图7为本发明的模式控制电路；
图8为本发明的电荷泵电路图；
图9为本发明的非重叠时钟驱动电路；
图10为本发明的电流控制电流源电路图；
图11为本发明的跨导运算放大器电路图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
请参阅图1至图11，本发明的公开了一种内置有电荷泵的驱动芯片，包括衬底转化模块和电荷泵模块，衬底转化模块与电荷泵模块电性相连，将电荷泵模块的输出电平转化为驱动芯片内的高电位；电荷泵模块包括漏电压检测单元，模式控制单元，振荡器单元，电荷泵单元和电流镜，漏电压检测单元通过利用比较器与阈值电压相比较，输出高电压，模式选择单元对漏电压检测单元输出的高电压进行增益，然后传输至电荷泵单元内，振荡器单元与电荷泵单元相互配合，从而使得驱动芯片的驱动电压在各种情况下都保持稳定，处于高电位水平。在具体实施过程中，对于显示屏进行驱动时，包括数字部分和模拟部分，数字部分为显示屏需要显示的内容，而模拟部分提供显示屏的驱动源，使得数字部分予以显示，而对于显示屏的驱动源，目前采用的都是电荷泵与基准源配合所得到，而基准源电路的输出电压是保持不变的，但是数字部分却需求不同的电压值，因此就必须调整电荷泵的电压值从而满足需求，而本申请中利用电荷泵模块参数不同的电压值，利用衬底转化模块使得电荷泵输出为高电平，确保使用安全。
在衬底转化模块中，通过迟滞比较器对VIN1和CPO的电压进行比较，当VIN1>CPO时，VIN3和VIN4同时输出VIN2的电压值,LC4输出为低电平；当VIN1<CPO时，VIN3和VIN4同时处处CPO的电压值，LC4输出为高电平，其中CPO为电荷泵模块输出的电压值。
漏电压检测单元内设置有多个比较器；多个比较器相互并联在一起，且每一个比较器的都连接有一个mos管，mos管的G极与电流源相连，S极接地，D极与比较器相连；每路的漏电压通过比较器COMP和阈值电压Vcs相比较，比较结果输出信号V1-VN,通过或门输出，这些信号中有任意一个为高电平时，说明漏电压过低，输出电压不足提供所需的电流。因此通过控制这些信息中有任意一个为高电平使模式转化选择升压模式，输出高电压，满足使用需求。
振荡器单元主要以SMIT触发器为核心构成阻容充放电回路，通过控制充放电的周期得到固定周期的振荡信号，在本申请中采用D触发器和几个数字门构成。
本申请采用两个环路进行控制：电流环和电压环，在模式转化期间，电压外环通过改变电流内环的采样电阻R1的阻值，利用两个环路共同对电荷泵进行反馈控制来实现不同模式所需的输出电压,更为具体的是：在1X模式下，VIN直接连接至CPO，该模式提供了最高的效率和最低的噪声，当漏电压检测单元检测到液晶显示屏上的电压低于阈值时，通过模式控制单元产生升压模式转化信号，控制振荡器单元产生现有的时钟逻辑和导通占空比，切换到1.5X模式，如果漏电压检测单元检测到液晶显示屏上的电压还低于阈值时，切换到2X模式，在2X模式下依旧无法满足要求，则模式控制单元进行关断，使得整个电路不进行工作。当升压后所获得的电压满足使用需求时，此时电压环检测不到升压信号，此时电荷泵单元处于稳定状态，只有电流环对电荷泵单元进行反馈控制。内部电阻R1和R2对CPO分压作为采样电压。当CPO下降，其采样值小于设定电压时，电流镜运放GM产生的充电电流就会变大，从而提高CPO，使得CPO的采样值与设定电压相同，从而得到稳定的电荷泵电压。模式控制单元为开关电路，设置有9个开关mos管，利用不同mos管的开启或关闭，从而实现不同状态下的电压调整。
更为具体的是：电压外环控制电路如下：LED为发光二极管，M为开关管，正常情况下导通，传输LED电流。调节Iset1和Iset2电阻，电流源可以设置不同的电流，根据设置的电流参数电压Vset，从而确定LED电流，当LED电流确定后，参数一个与LED电流相关的固定比较电平VCS。Vdrop为发光二极管的低端电压，在电流确定的情况下LED的正向导通电压Vled是基本不变的，而Vdrop=Vout-Vled，Vout随着电池电压的下降而下降，从而导致Vdrop也下降。当电荷泵提供不了LED发光电流所需的正向导通电压时，电荷泵就会进入升压模式，此时Vdrop<VCS，比较器翻转，参数模式控制信号，继而产生相应导通逻辑和占空比的时钟信号，控制电荷泵升压。
电流内环控制电路如下：采样电荷泵输出电压Vout的分压信号Vfb，Vfb与内部基准源产生的固定电平Vref分别作为内部电路镜运算放大器的负端与正端输入，通过两者之间的误差来调整跨接电容的充电电流NIGM,从而实现输出电压的稳定，更为具体的时,Cell1和Cell2采用相同的电流控制电路给电容充放电。在第一个阶段，CK1为高,CK2为低时，Cell1给电容C1充电，同时通过开关给输出电容Cout充电，Cell2给电容C2充电。在另一阶段, CK1为低,CK2为高时，Cell1和Cell2反向工作。
电荷泵单元由非重叠时钟、跨导运算放大器、电流控制电流源及开关组成，电荷泵输出电压Vout的分压信号Vfb与内部基准源产生的固定电平Vref分别作为内部跨导运算方法器的负端与正端输入，两者之间的误差参数IGM。充电通路有CK2控制，放电通路由CK1控制。两个时钟由非重叠时钟驱动，每个通路由一个开关电流NIGM控制，这个开关为电流控制电流源（CCCS）。跨导运算放大器单路输出电路控制CCCS的电流，实现对充电和放电通路的双路控制。
时钟通过反馈到与非门产生非重叠时钟，如果时钟输入从低到高，与非门1的输入端变低，输出变高，其结果是CK1变高，而一旦CK1变高，与非门2的一输入端变高，输出为低，经过多个反相器，CK2变为高;因此CK1和CK2之间形成一定的延迟，当时钟变低时，整个过程相反。对于电流控制电流源，PMOS管1和PMOS管3构成电流镜，当CLK为高，M4,M1和M3导通,ICH电流与IGM电流成镜像关系；电荷泵具有高阻抗的容性负载，这就使得其放大器采用电流镜性运算放大器，此运放由两级构成，输入极采用全差分折叠共源共栅结构,M3和M4引入共模反馈，M5和M6以及M18和M19构成第二级，完成电压到电流的转换，且CE1和CE2为补偿电容。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，包括衬底转化模块和电荷泵模块，所述衬底转化模块与电荷泵模块电性相连，将电荷泵模块的输出电平转化为驱动芯片内的高电位；所述电荷泵模块包括漏电压检测单元，模式控制单元，振荡器单元，电荷泵单元和电流镜，漏电压检测单元通过利用比较器与阈值电压相比较，比较结果输出信号通过或门输出高电压；这些信号中有任意一个为高电平时，说明漏电压过低，输出电压不足提供所需的电流；模式选择单元对漏电压检测单元输出的高电压进行增益，然后传输至电荷泵单元内，振荡器单元与电荷泵单元相互配合，从而使得驱动芯片的驱动电压保持稳定，处于高电位水平；
所述电荷泵模块采用电压环和电流环进行控制，在进行模式转化期间，电压外环通过改变电流内环的采样电阻的阻值，利用两个环路共同对电荷泵模块进行反馈控制，从而实现不同模式下的输出电压，模式转化结束后，只有电流内环实现对电荷泵进行反馈控制，实现稳定的输出。
2.根据权利要求1所述的内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，在衬底转化模块中，设置有比较单元，比较单元的输入口分别与电荷泵模块以及基础电压相连，实现电荷泵模块中的PMOS开关的阱电位为驱动芯片的高电位，防止PMOS管漏电。
3.根据权利要求1所述的内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，所述漏电压检测单元包括或门和多个比较器，多个比较器相互并联在一起，且每一个比较器的都连接有一个mos管，mos管的G极与电流源相连，S极接地，D极与比较器相连。
4.根据权利要求1所述的内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，所述模式控制单元为开关电路，设置有9个开关mos管，利用不同mos管的开启或关闭，从而实现不同状态下的电压调整。
5.根据权利要求1所述的内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，电荷泵单元包括非重叠时钟、跨导运算放大器和电流控制电流源，电荷泵输出电压的分压信号与内部基准源产生的固定电平分别作为内部跨导运算放大器的负端与正端输入。
6.根据权利要求5所述的内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，两个时钟由非重叠时钟驱动，每个通路由一个电流控制电流源进行控制；跨导运算放大器单路输出电路控制电流控制电流源的电流，实现对充电和放电通路的双路控制。
7.根据权利要求1所述的内置有电荷泵的驱动芯片，其特征在于，所述振荡器单元为以SMIT触发器为核心构成阻容充放电回路，通过控制充放电的周期得到固定周到振荡信号，控制占空比。
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