CN113765369A - 在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路 - Google Patents

在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，包括电平转换模块、电源切换模块和负压电荷泵开关电容阵列，电平转换模块包括多个电平转换单元，所述电平转换模块的输入端连接有正电压电源域的信号，转换为负电压电源域的信号；负电压电源域的信号输入至负压电荷泵开关电容阵列的输入端，负压电荷泵开关电容阵列输出负电压；所述电源切换模块分别与所述电平转换模块和负压电荷泵开关电容阵列连接，为所述电平转换模块提供额外的稳定电压。本发明电源切换模块主要负责在负压电荷泵启动过程中，为电平转换模块提供额外的稳定电压，解决了负压电荷泵自启动过程中负压建立不稳定的问题，显著增加了显示驱动IC的可靠性。

Description

在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路
技术领域
本发明涉及电压转换电路技术，特别是涉及一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路。
背景技术
随着显示技术不断发展，产品应用场景越来越复杂，对显示品质的要求越来越高，显示面板对显示驱动IC的稳定性和灵活性也有了越来越高的要求，即既要有高可靠性，也要有高灵活性。
现有技术当中，正电压DVDD电源域的信号通过level shifter转换，转换为VSS～VSN电源域的信号，其中DVDD＝1.5V，VSN＝-6V。开关电容阵列负责产生负电压VSN。现有的正压转负压level shifter功能如下：DVDD～VSS电源域的信号经过level shifter的转换，转换成为VSS～VSN电源域的信号。负压电荷泵自启动过程中负压建立不稳定，降低了显示驱动IC的可靠性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，解决了负压电荷泵自启动过程中负压建立不稳定的问题，显著增加了显示驱动IC的可靠性。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，包括电平转换模块、电源切换模块和负压电荷泵开关电容阵列，所述电平转换模块包括多个电平转换单元，所述电平转换模块的输入端连接有正电压电源域的信号，转换为负电压电源域的信号；负电压电源域的信号输入至负压电荷泵开关电容阵列的输入端，负压电荷泵开关电容阵列输出负电压；所述电源切换模块分别与所述电平转换模块和负压电荷泵开关电容阵列连接，为所述电平转换模块提供额外的稳定电压。
优选的，所述电平转换单元包括第一级的低压PMOS管LP1和LP2、低压NMOS管LN1和LN2，LP1和LP2连接正极电压DVDD，LN1和LN2接地，LP1、LP2、LN1和LN2的公共端连接第二级的PMOS管MP3；第二级包括中压PMOS管MP3和MP4，中压NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4，反相器INV1和INV2，电容C1和C2，MP4连接LP2和LN2的公共端，MP3、MN1、MN3依次连接，MP4、MN2、MN4依次连接，MP4和反相器INV1连接，INV1分别连接电容C1和INV2，电容C1连接MN1、MN3的公共节点N，INV2通过电容C2连接MN2、MN4的公共节点P；第三级包括中压PMOS管MP5和MP6，中压NMOS管MN5和MN6，反相器INV3和INV4，MP5和MP6连接可切换电压Vpct，MN5与节点P连接，MN6连接节点N，MP6、MN6的公共端依次连接INV3和INV4。
优选的，低压PMOS管、低压NMOS管为小于或者等于1.5V，中压PMOS管、中压NMOS管为大于或者等于3V。
优选的，反相器INV1和INV2由低压MOS管组成。
优选的，反相器INV3和INV4由中压MOS管组成。
优选的，所述电源切换模块由与外部参考电压连接的电阻R1、R2、R3和R4，比较器CMP，中压PMOS管MP1和中压NMOS管MN7组成，电阻R1、R2依次连接，R3和R4依次连接，构成分压电阻串与比较器CMP连接，比较器CMP输出端与中压PMOS管MP1和中压NMOS管MN7连接。
优选的，正电压电源域的信号范围在1.5V-0V之间。
优选的，负电压电源域的信号范围在0V～-8V之间。
本发明的有益效果在于：电源切换模块主要负责在负压电荷泵启动过程中，为电平转换模块提供额外的稳定电压，保证电平转换模块在VSN建立之初也能有效稳定地工作，在VSN建立稳定达到电源切换模块设定值时，电源切换模块把原有的稳定电源切换到VSS，防止MOS管出现过压问题，达到保护电路的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路的系统框图；
图2是本发明一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路的电路原理图；
图3是SS、-40℃、低压条件level shifter的输入输出波形；
图4是本发明SS、-40℃、低压条件level shifter的输入输出波形；
图5是系统电源切换波形图；
图6是现有技术负压电荷泵启动过程中输出电压VSN波形；
图7是本发明负压电荷泵启动过程中输出电压VSN波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图7所示，本发明提出了一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，包括电平转换模块、电源切换模块和负压电荷泵开关电容阵列，所述电平转换模块包括多个电平转换单元，所述电平转换模块的输入端连接有正电压电源域的信号，转换为负电压电源域的信号；负电压电源域的信号输入至负压电荷泵开关电容阵列的输入端，负压电荷泵开关电容阵列输出负电压；所述电源切换模块分别与所述电平转换模块和负压电荷泵开关电容阵列连接，为所述电平转换模块提供额外的稳定电压。正电压电源域的信号范围在1.5V-0V之间。负电压电源域的信号范围在0V～-8V之间。
优选的，所述电平转换模块包括多个电平转换单元(即level shifter)，所述电平转换单元包括第一级的低压PMOS管LP1和LP2、低压NMOS管LN1和LN2，LP1和LP2连接正极电压DVDD，LN1和LN2接地，LP1、LP2、LN1和LN2的公共端连接第二级的PMOS管MP3；第二级包括中压PMOS管MP3和MP4，中压NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4，反相器INV1和INV2，电容C1和C2，MP4连接LP2和LN2的公共端，MP3、MN1、MN3依次连接，MP4、MN2、MN4依次连接，MP4和反相器INV1连接，INV1分别连接电容C1和INV2，电容C1连接MN1、MN3的公共节点N，INV2通过电容C2连接MN2、MN4的公共节点P；第三级包括中压PMOS管MP5和MP6，中压NMOS管MN5和MN6，反相器INV3和INV4，MP5和MP6连接可切换电压Vpct，MN5与节点P连接，MN6连接节点N，MP6、MN6的公共端依次连接INV3和INV4。
其中，电平转换模块包含多个level shifter，用于不同信号的电源域转换，levelshifter的数量根据需要转换电源域的信号的数量而定，电源切换模块主要负责在负压电荷泵启动过程中，VSN建立之初，为level shifter提供额外的稳定电压，保证levelshifter在VSN建立之初也能有效稳定地工作，在VSN建立稳定达到电源切换模块设定值时，电源切换模块把level shifter原有的稳定电源切换到VSS，防止level shifter中的MOS管出现过压问题，达到保护电路的目的。
优选的，低压PMOS管、低压NMOS管为小于或者等于1.5V，中压PMOS管、中压NMOS管为大于或者等于3V。反相器INV1和INV2由低压MOS管组成。反相器INV3和INV4由中压MOS管组成。
优选的，所述电源切换模块由与外部参考电压连接的电阻R1、R2、R3和R4，比较器CMP，中压PMOS管MP1和中压NMOS管MN7组成，电阻R1、R2依次连接，R3和R4依次连接，构成分压电阻串与比较器CMP连接，比较器CMP输出端与中压PMOS管MP1和中压NMOS管MN7连接。
本发明的工作原理如下：
如图1所示，为本发明正电压转负电压的系统框图。DVDD～VSS电源域的信号经过level shifter的转换，转换成为VSS～VSN电源域的信号，VSS～VSN电源域的信号控制负压电荷泵开关电容阵列产生VSN电压，电源切换模块采样VSN电压值，切换level shifter的电源电压。
首先，修改level shifter内部结构，提高level shifter自身的稳定性和速度；其次，增加电源切换模块，实时采样负压电荷泵的输出电压VSN，设定需要切换level shifter电源的VSN阈值；最后，电源切换模块适时切换电源，解决level shifter启动的可靠性问题和其中部分MOS管的过压问题。
如图2所示，为本发明level shifter的原理图。原理图主要分为三级：第一级，包括LP1和LP2为低压PMOS管，LN1和LN2为低压NMOS管。第二级，包括中压PMOS管MP3和MP4，中压NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4，由低压MOS管组成的反相器INV1和INV2，电容C1和C2。第三级，包括中压PMOS管MP5和MP6，中压NMOS管MN5和MN6，由中压MOS管组成的反相器INV3和INV4。
第一级的电源域为DVDD～VSS，第二级的电源域为DVDD～VSN，其中低压反相器电源域为DVDD～VSS，第三级电源域为Vpct～VSN，其中Vpct为可切换的电源，由电源切换模块负责切换。
本发明相较于现有技术，第二级低压信号直接驱动第二级中压管的源极。第一级的输出和节点P和节点N之间增加了反相器INV1和反相器INV2，电容C1和C2，第三级电源域也改为可切换的电源域。
首先，在深亚微米工艺当中，随着工艺特征尺寸的减小，DVDD也在不断地降低，DVDD的电压可能不足以驱动堆叠起来的四层中压管，因此，由第一部分低压信号直接驱动第二级，第二级堆叠的MOS管减少一层，由原来的四层变为三层，降低了对DVDD电压要求，提高了level shifter启动的可靠性。
其次，在第一级的输出与节点P和节点N之间分别增加了低压反相器INV1和INV2以及电容C1和C2。产生VSN的电荷泵在启动初期，VSN还未稳定建立，偏置电压VBP和VBN也还没有稳定建立，导致level shifter的P节点和N节点处于不稳定状态。在第一级输出与节点P和节点N之间分别增加一个低压反相器INV1和INV2以及电容C1和C2。第一级的输出通过INV1和INV2驱动电容C1和C2，第一级的输出信号通过电容C1和C2耦合到节点N和节点P，低压信号通过电容驱动该节点，使得节点P和节点N能够在VSN未稳定建立之时，也能够正常翻转，解决了level shifter在VSN建立初期无法启动的问题，也进一步提高了level shifter的速度。
最后，增加电源切换模块，第三级的电源VSS改为可控电压源Vpct，Vpct由电源切换模块负责切换。VSN在建立初期，电压值接近于零，第三级无法正常工作，因而无法有效传输电荷泵控制信号，进而影响电荷泵的启动。改为Vpct之后，Vpct由电源切换模块负责切换，在VSN建立初期，电源切换模块将电源切换到VDDB＝1.8V，为level shifter在启动初始阶段提供稳定的电压源，第三级有稳定电压源之后，可稳定有效地传输电荷泵控制信号，增加电荷泵启动的可靠性，从而增加VSN建立的稳定性。VSN升压到电源切换模块设定的阈值时，电源切换模块将level shifter模块的第三级电源电压切换到VSS，避免第三级电路产生过压问题。
经仿真，本发明与现有技术相比，效果明显。
现有技术在typical条件下，level shifter可以有效转换电平，传输时钟信号。但是，在SS、-40℃、低压条件下，level shifter已经失效，如图3所示，输入为时钟方波信号，输出持续为低，无法有效传输时钟信号。
如图4所示，是本发明的仿真结果，从仿真波形可看出，在ss、-40℃、低压条件下，本发明均可有效转换电平，稳定传输信号。从仿真结果看，本发明解决了不稳定的问题，效果明显。
Vref为外部参考电压，R1和R2串联组成分压电阻串，按适当比例对Vref进行分压，产生一个基准电压作为比较器的正相输入电压。R3和R4组成串联分压电阻串，按适当比例对Vref-VSN进行分压，得到的电压作为比较器CMP的负相输入电压，R1/R2>R3/R4。当VSN电压的绝对值相对较小时，比较器的负极输入电压大于正极输入电压，比较器的输出为低，Vpct＝VDDB；当VSN的电压值达到由R1、R2、R3与R4设定的阈值时，比较器的负极输入电压小于正极输入电压，比较器输出为高，Vpct＝VSS，电源切换模块实时采样VSN的电压值，从而达到电源切换的目的。保证了level shifter第三级不会出现MOS管过压的问题。
电源切换模块具有高度的灵活性，首先，R3与R4的电阻值可以根据VSN与VDDB的压差灵活配置。减小R3/R4的比值，电源切换时VSN的电压绝对值增大；增大R3/R4的比值，电源切换时VSN的电压绝对值减小。其次，当系统中有其他电源域的电源时，VDDB也可由其他电源代替，并依据电源的大小可改变R3与R4的电阻值。从而使得电源模块可根据系统灵活的选择可切换的电源，减小了负压电荷泵设计的难度。
增加了电源切换模块之后，首先，增加了level shifter的稳定性，在VSN建立初期，levelshifter的第三级也有稳定电源，使其信号稳定建立。
其次，增加了level shifter实用性与易用性，由于level shifter第三级有电源切换模块提供的额外电源，使其在不同电源域的适应性大大提高。在不同系统中，电源不同，可根据系统实际情况，为电源切换模块提供不同的电源，进一步为level shifter的第三级提供不同电源。
再次，由于电源选择模块的电源选择具有很高的灵活性，使得电荷泵系统的电源选择也有更高的自由度，从而使得电荷泵的适应性和灵活性也大大提高。
电压转换系统如图1所示，当负压电荷泵启动之初，VSN还未完全建立，电源切换模块将Vpct切换为VDDB，使得level shifter建立初始阶段有足够的电压裕度能够正常工作，当VSN升压到预设值，电源切换模块将Vpct切换到VSS，避免level shifter的过压问题。
仿真结果如图5所示，在负压电荷泵启动初期，电源切换模块将电源保持在VDDB＝1.8V的状态，为level shifter提供足够的电压裕度，使其能够稳定工作，负压电荷泵能够有效升压。在负压电荷泵升压到设定的阈值(此处为-3V)时，电源切换模块将levelshifter的电源切换到VSS，保证level shifter在电荷泵继续升压的情况下，其内部无过压问题。
本发明通过改进level shifter的内部结构，系统上增加电源切换模块实时采样VSN电压值，在初始阶段保证level shifter有足够的电压裕度，启动完成后保证levelshifter无过压问题。从模块和系统两个方面的改进，保证了正压转负压的稳定性，提升了整个转换的速度。
如图6所示，是现有技术负压电荷泵输出的升压过程波形。
从图6可以看出，现有技术，在typical条件下，可有效升压，最终输出电压为-5.8V左右，在SS、-40℃、低压条件下为-1.5V左右，远远达不到负压电荷泵正常使用的电压范围-4.5V～-6V。PVT条件的变化，负压电荷泵变得不稳定。
如图7所示是改进后负压电荷泵的输出波形，在带负载条件下，无论是typical还是SS、-40℃、低压条件都能稳定升压，SS条件下，最终电压稳定在-4.8V左右，完全达到负压电荷泵正常使用的电压范围-4.5V～-6V。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，包括电平转换模块、电源切换模块和负压电荷泵开关电容阵列，所述电平转换模块包括多个电平转换单元，电平转换模块的输入端连接有正电压电源域的信号，转换为负电压电源域的信号；负电压电源域的信号输入至负压电荷泵开关电容阵列的输入端，负压电荷泵开关电容阵列输出负电压；所述电源切换模块分别与所述电平转换模块和负压电荷泵开关电容阵列连接，为所述电平转换模块提供额外的稳定电压。
2.根据权利要求1所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，所述电平转换单元包括第一级的低压PMOS管LP1和LP2、低压NMOS管LN1和LN2，LP1和LP2连接正极电压DVDD，LN1和LN2接地，LP1、LP2、LN1和LN2的公共端连接第二级的PMOS管MP3；第二级包括中压PMOS管MP3和MP4，中压NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4，反相器INV1和INV2，电容C1和C2，MP4连接LP2和LN2的公共端，MP3、MN1、MN3依次连接，MP4、MN2、MN4依次连接，MP4和反相器INV1连接，INV1分别连接电容C1和INV2，电容C1连接MN1、MN3的公共节点N，INV2通过电容C2连接MN2、MN4的公共节点P；第三级包括中压PMOS管MP5和MP6，中压NMOS管MN5和MN6，反相器INV3和INV4，MP5和MP6连接可切换电压Vpct，MN5与节点P连接，MN6连接节点N，MP6、MN6的公共端依次连接INV3和INV4。
3.根据权利要求2所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，低压PMOS管、低压NMOS管为小于或者等于1.5V，中压PMOS管、中压NMOS管为大于或者等于3V。
4.根据权利要求2所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，反相器INV1和INV2由低压MOS管组成。
5.根据权利要求2所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，反相器INV3和INV4由中压MOS管组成。
6.根据权利要求1所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，所述电源切换模块由与外部参考电压连接的电阻R1、R2、R3和R4，比较器CMP，中压PMOS管MP1和中压NMOS管MN7组成，电阻R1、R2依次连接，R3和R4依次连接，构成分压电阻串与比较器CMP连接，比较器CMP输出端与中压PMOS管MP1和中压NMOS管MN7连接。
7.根据权利要求1所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，正电压电源域的信号范围在1.5V-0V之间。
8.根据权利要求1所述的在复杂电源域中的新型正电压转负电压的电压转换电路，其特征在于，负电压电源域的信号范围在0V～-8V之间。
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