CN1288828C - 电荷泵型升压电路 - Google Patents

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Abstract

一种电荷泵型升压电路可以减少开关和电容的数目。该电荷泵型升压电路具有连接充电电容的高电势端子和低电势端子的第一电子开关和第二开关，这两个开关连接至一侧接地的第一输出电容的未接地端子。这些电子开关不在同时导通。提供了第三电子开关，用于连接充电电容的高电势端子和一侧接地的第二输出电容的未接地端子。

Description

电荷泵型升压电路
本申请以2002年7月31日提交的日本专利申请No.2002-222291作为优先权。这里包括上述日本专利申请作为参考。
技术领域
本发明通常涉及电荷泵型升压电路。更具体地，本发明涉及DC/DC反相器电路，其将提供的直流电压转换为任意电平的直流电压，进一步，特别涉及从单供电电源生成较高电压的电荷泵型升压电路。
背景技术
由一个或多个电子开关如晶体管等，以及一个或多个电容构成的电荷泵型升压电路是用于将外部提供的电压升压至需要的较高电压的电路。通过将电子开关与半导体晶体管、薄膜晶体管或类似物集成，可以将该电路制得紧凑且重量轻。因此，电荷泵型升压电路用于便携仪器，如蜂窝电话、个人电脑等。
在日本未审查的专利公开号No.2000-236658和日本未审查的专利公开号No.平成9-191639中公开了这种技术的一个例子。图10是在日本未审查的专利公开号No.2000-236658的图6和日本未审查的专利公开号No.平成9-191639的图3中已经显示的现有的三倍升压电路的一个例子的电路图。
该电路至少由四个充电开关、两个充电电容、三个升压开关和一个输出电容构成，其中输出电容保持经升压的电压并且一侧常接地。
充电开关11连接输入电源1的端子72和充电电容61的端子75。充电开关12连接充电电容61的端子74和接地点71。充电开关13连接输入电源1的端子72和充电电容62的端子79。充电开关14连接充电电容62的端子78和接地点71。
升压开关21连接输入电源1的端子72和充电电容61的端子74。升压开关22连接充电电容61的端子75和充电电容62的端子78。升压开关23连接充电电容62的端子79和输出电容51的端子77。
接下来，图11中显示了图10中的开关的操作的时序图。当充电开关11、12、13和14变为导通(ON)并且升压开关21、22和23变为非导通(OFF)时，充电电容61和62被连接至输入电源1，以由输入电压充电。接下来，当升压开关21、22和23变为导通(ON)并且充电开关11、12、13和14变为非导通(OFF)时，输入电源1和充电电容61和62串联连接。然后，以三倍输入电压对输入电容51充电，并且三倍升压的电压被提供至负载52。
当电压被提供至内置显示设备的便携仪器时，有必要从单电源生成用于数据线驱动电路、门线驱动电路等的多个电压。作为现有结构的一个例子，图12中显示了同时提供二倍升压的电压和三倍升压的电压的电路。其与图10的不同之处在于增加了升压开关22、输出电容53和负载54，用于向负载提供二倍升压的电压。
升压开关22连接充电电容61的端子75和输出电容53的端子76。该电路的开关以图11中显示的时序操作。该电路至少由四个充电开关、两个充电电容、四个升压开关和两个输出电容构成，其中输出电容用于保持经升压的电压。
当电子开关由MOS(金属氧化物半导体)晶体管构成时，有必要形成具有大尺寸晶体管的开关，以降低开关导通时的电阻，即导通电阻。于是，根据开关数目的增加而增加布局面积。另一方面，当通过集成电路的外部部分如陶瓷电容等，形成用于保持充电及输出的电容时，电容数目的增加阻止了电源电路的尺寸及重量的减少。另一方面，集成电路中内置电容导致电路的布局面积增加。
当升压电路用于便携仪器时，需要尺寸和重量减少并且耗电降低。在电荷泵型升压电路中，减少电容数目可以有效减少重量和面积。而且，减少形成电路的开关的数目可能导致面积减少。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种电荷泵型升压电路，其可以减少作为电荷泵型升压电路的元件的开关和电容的数目，并保持与现有技术类似的操作。
为了实现上述目的，一种电荷泵型升压电路使用多个电容和多个电子开关对输入电压进行升压，其包括：
由输入电压充电的一个充电电容；和
多个输出电容，其使用充电电容的输入电压和端子电压生成输入电压的多倍电压，
其中所述充电电容在两个端子处都与至少一个电子开关相连，并且所述输出电容在一个端子处常接地。
在电荷泵型升压电路的优选操作中，充电电容在第一定时由输入电压充电，输入电源和充电电容的低电势端子相连，以用输入电压的二倍对一侧接地的第一输出电容充电，其中输入电压是在第二定时处在充电电容的高电势端子生成的，并且充电电容的低电势端子和保持(N-1)倍升压电势且一端常接地的第(N-2)输出电容的未接地端子相连，以用输入电压的N倍电压对一端常接地的第(N-1)输出电容充电，其中输入电压是在第三和随后的第N定时于充电电容的高电势端子处生成的，其中N是大于等于3的整数。
而且，在电荷泵型升压电路中，使用多个电容和多个电子开关通过以下操作使输入电压升压：用两端都连接至少一个电子开关的充电电容对输入电压进行充电的操作，对一侧常接地的输出电容的充电操作，和通过将充电电容的低电势端子和一侧接地的输出电容的未接地端子相连而将充电电容的高电势端子处的电势升压至高于充电电容的电势的升压操作。
在优选的结构中，一侧常接地的至少一个输出电容的未接地端通过第一电子开关和第二电子开关连接至充电电容的高电势端子和低电势端子，并且防止第一电子开关和第二电子开关同时导通。
在一侧常接地的至少一个输出电容的未接地端子处生成的电压可以提供至负载。
优选地，在用输入电压向充电电容充电并将输入电源和充电电容的低电势端子相连之后，通过导通第一电子开关，而将在充电电容的高电势端子处生成的二倍于输入电压的电压向一侧常接地的输出电容充电。
电荷泵型升压电路可以进一步包括时钟发生电路，其生成多于或等于三种相位的时钟，用于切换电子开关。
可以由MOS晶体管形成用于改变连接关系的电子开关。也可以由薄膜晶体管形成用于改变连接关系的电子开关。
尽管前面所述的电荷泵型升压电路不是限定性的，本发明的特征可以是：充电电容的高电势端子和低电势端子通过第一电子开关和第二电子开关选择性地连接至一侧常接地的第一输出电容的未接地端子。防止第一电子开关和第二电子开关同时导通。而且，充电电容的高电势端子通过第三电子开关连接至一侧常接地的第二输出电容的未接地端子。第三电子开关和第二电子开关同时导通。
在本发明中，由于用于升压的许多电容一侧接地，所以当集成电子开关电路时，连接集成电路和电容的接点数目与两个端子都连接至电子开关的情况相比得到减少。另一方面，通过将未接地的端子直接连接至负载，将在一侧接地的输出电容中保持的升压电压提供至负载。于是，当多个不同的升压电压要提供给不同负载时，有可能执行必要的操作而无需附加的电容和/或附加的电子开关。
更具体的，通过将由输入电压预先充电的充电电容61的低电势端子与输入电源1相连，充电电容61的高电势端子75处的电势升压到输入电压的二倍。然后，导通第一电子开关22，并且第一输出电容53的未接地的端子76的电势变为与充电电容61的高电势端子75的电势相等。
接下来，导通第二电子开关31，并且充电电容61的低电势端子74的电势变为等于输入电压的二倍，其是第一输出电容53的未接地的端子76的电势。于是，充电电容61的高电势端子75的电势被升压至输入电压的三倍电势。
然后，为了保持一侧接地的第二输出电容51中被三倍升压的电势，导通第三电子开关32，其连接充电电容61的高电势端子75和第二输出电容51的未接地端子77。
附图说明
从后面的详细说明以及本发明的优选实施例的附图，可以更充分地理解本发明，然而不应将说明书和附图看作对本发明的限定，它们仅是用于解释和理解的目的。
附图中：
图1是根据本发明的电荷泵型升压电路的第一实施例的电路图；
图2是根据本发明的三倍升压电路的控制信号的时序图
图3是根据本发明的二倍及三倍升压电路的一个例子的电路图；
图4是根据本发明的用于显示设备的电源的一个例子的电路图；
图5是时钟发生电路的一个例子的电路图；
图6是电平移动电路的一个例子(LS1)的电路图；
图7是电平移动电路的一个例子(LS2)的电路图；
图8是开关控制信号的时序图；
图9是门信号的时序图；
图10是现有的三倍升压电路的一个例子的电路图；
图11是图10中的开关的操作的时序图；和
图12是同时提供二倍及三倍升压电压的现有电路的电路图。
具体实施方式
下面将参考附图，按照根据本发明的电荷泵型升压电路的优选实施例，介绍本发明。在下面的说明中，为了提供本发明的详尽理解，提出了众多特定的细节。但是对于本领域技术人员，很明显本发明可以不按照这些特定的细节而得到实践。在其它情况下，为了避免本发明不必要的含糊，没有详细显示众所周知的结构。
图1是根据本发明的电荷泵型升压电路的第一实施例的电路图。图1显示了三倍升压电路的一个例子。显示的三倍升压电路由两个充电开关、一个充电电容、四个升压开关和一侧常接地的两个输出电容构成。
充电开关11连接输入电源1的端子72和充电电容61的端子75。充电开关12连接充电电容61的端子74和接地点71。升压开关21连接输入电源1的端子72和充电电容61的端子74。升压开关22连接充电电容61的端子75和输出电容53的端子76。升压开关31连接输出电容53的端子76和充电电容61的端子74。升压开关32连接充电电容61的端子75和输出电容51的端子77。所显示的电路的独特特征在于输出电容53的端子76，其没有接地，连接至开关22和开关31。应当注意，三倍升压负载与输出电容51并联。
接下来，将讨论三倍升压电路的操作。图2是根据本发明的三倍升压电路的控制信号的时序图。根据本发明的三倍升压电路通过以图2中显示的时序重复导通(ON)和非导通(OFF)而执行升压操作。
在第一定时，开关11和12变为导通，并且所有其他开关为非导通。此时，充电电容61连接至输入电源1。于是，以输入电压(假设为Va)充电。
在第二定时，开关21和22变为导通，并且所有其他开关为非导通。于是，输入电源1和充电电容61串联连接。以输入电压(Va)的二倍(2Va)对输出电容53充电。
在第三定时，开关31和32变为导通，并且所有其他开关为非导通。于是，被输入电压(Va)的二倍(2Va)充电的输出电容53和被输入电压(Va)充电的充电电容61串联连接。于是，以输入电压(Va)的三倍(3Va)对输出电容51充电。然后，将三倍升压电压(3Va)提供至三倍升压负载52。
前面所述的实施例是关于三倍升压的披露。然而，应当将其理解为输入电压的N倍升压的代表(N是大于等于3的整数)。即，在第N定时，保持输入电压的(N-1)倍的电压的输出电容与充电电容串联连接，以用N倍电压对其他输出电容充电，以向负载提供N倍的升压电压。
接下来，将给出对于第二实施例的讨论。第二实施例是关于二倍及三倍升压电路的。图3是根据本发明的二倍及三倍升压电路的一个例子的电路图。应当注意，在图3中，以相似的参考数字标识与图1中显示的相似的元件，并且省略对于这些共有元件的说明，以避免多余的说明，并从而使说明足够简单以便于理解本发明。
在图1中显示的本发明的三倍升压电路中，输出电容53在端子的一侧接地，并由二倍的输入电压充电。于是，如图3所示，通过将二倍升压负载54连接至端子76，提供了常电压，其为输入电压的二倍。
将显示的实施例与图12中显示的现有结构相比，同时提供二倍及三倍升压电压的功能是相同的。然而，在现有结构中，增加了开关和电容以得到二倍升压的电压。与之相反，本发明可以以较少数目的开关和电容得到相同功能。
前面所述的实施例是关于三倍升压的公开。然而，应当将其理解为输入电压的N倍升压的代表(N是大于等于3的整数)，与第一实施例相似。即，在N倍升压电路中，通过连接负载和保持二倍至N倍升压电压的输出电容，将二倍至N倍的升压电压同时提供至负载。
接下来，将参考附图讨论本发明的实施例。显示的实施例涉及用于显示设备以生成显示设备所需的电压的电源电路。图4是根据本发明的用于显示设备的电源的一个例子的电路图。
参考图4，用于显示设备的电源电路具有生成二倍升压电压和三倍升压电压及负二倍升压电压的功能，其中二倍升压电压要提供至数据线驱动电路，三倍升压电路及负二倍升压电压提供至门线驱动电路。用于所示实施例的显示设备的电源电路由升压电路、时钟(开关控制信号)发生电路和电平移动电路(LS)构成。
组成升压电路的开关由MOS晶体管形成。在图4中，开关102、104、105、106、107、111和114由P-沟道MOS晶体管构成，并且开关103、112和113由N-沟道MOS晶体管构成。
图5是显示时钟发生电路的一个例子的电路图。时钟发生电路121由三分频器151、触发电路152、153和154、二分频器155和反相器156构成。
图6是电平移动电路的一个例子(LS1)的电路图，并且图7是电平移动电路的一个例子(LS2)的电路图。图6中显示的电平移动电路(LS1)130、131、和132由MOS晶体管和反相器形成。类似的，图7中显示的电平移动电路(LS2)133由MOS晶体管和反相器形成。即，参考图6，电平移动电路(LS1)由P-沟道MOS晶体管160和161、N-沟道MOS晶体管162和163以及反相器164至167构成。参考图7，电平移动电路(LS2)由P-沟道MOS晶体管170、171、174和175、N-沟道MOS晶体管172、173、176和177以及反相器178至181构成。
在多晶硅薄膜晶体管技术中，形成显示设备的数据线驱动电路和门线驱动电路倾向于通过与象素驱动薄膜晶体管相同的过程而集成在同一玻璃衬底上，以减少零件数目并使显示设备的外围边缘变窄。与用于显示设备的电源电路的所示实施例相似，通过用薄膜晶体管替代MOS晶体管，使得将MOS晶体管集成在显示设备的玻璃衬底上变为可能。即使在这种情况下，也可以实现本发明的目的。
下面，将讨论所示实施例的操作。时钟发生电路121从输入时钟120生成开关控制信号122至129。这些开关控制信号122至129在图8中所示的定时处输出。
接下来，电平移动电路(LS1)130、131和132将0V～VDD的开关控制信号122～127的电平转换为0V～3VDD，以将信号作为门信号134、135、136和137而分别输出。另一方面，电平移动电路(LS2)133将0V～VDD的开关控制信号128和129的电平转换为0V～2VDD，以将信号作为门信号138和139而输出。在图9中显示的定时处，输出门信号134～139。
接下来，将给出对于升压电路的操作的讨论。首先，当门信号134为0V且门信号135为3VDD时，P-沟道MOS晶体管102和N-沟道MOS晶体管103导通。于是，晶体管108被VDD充电。
接下来，当门信号136为0V时，P-沟道晶体管104和105导通。于是，端子201的电势变为VDD，并且端子202和203的电势变为2VDD。于是，用2VDD对输出电容109进行充电。
然后，当门信号137为0V时，P-沟道MOS晶体管106和107导通，端子201的电势变为2VDD，与端子203相同，并且端子202和204的电势变为3VDD。于是，用3VDD对输出电容110进行充电。
当门信号138为2VDD并且门信号139为-2VDD时，P-沟道MOS晶体管111和N-沟道MOS晶体管112导通。于是，端子205的电势变为2VDD，与端子203相同，并且端子206的电势变为0V。于是，用2VDD对用于变换极性的电容115进行充电。
接下来，当门信号138为-2VDD并且门信号139为2VDD时，P-沟道MOS晶体管114和N-沟道MOS晶体管113导通。于是，端子205的电势变为0V，并且通过对用于变换极性的电容115的2VDD充电，端子206和207的电势变为-2VDD。于是，用-2VCC对输出电容116进行充电。
如上所述，根据本发明的电荷泵型升压电路使用多个电容和多个开关升压输入电压，并且包括由输入电压充电的一个充电电容，和多个输出电容，所述多个输出电容使用输入电压和充电电容的端子电压生成输入电压的成倍电压。于是，即使当作为形成电荷泵型升压电路的开关和电容的数目减少时，也可以提供与现有的升压电路操作相当的电荷泵型升压电路。
在根据本发明的电荷泵型升压电路中，保持已经升压的电压并在一侧接地的输出电容用于得到更高的电压。于是，可以减少两侧都连接电子开关的充电电容的数目以及电子开关的数目，以得到下面的效果。
第一个效果是，由于即使通过减少形成电荷泵型N(N是大于等于3的整数)倍升压电路的电子开关的数目也可以得到相同的升压电压，所以可以减小电路面积。
第二个效果是，可以减少作为外部零件的电容的数目。在N倍升压电路中，可以同时提供多个2至N(N是大于等于3的整数)倍的升压电压。通过这样，可以将需要多个电压的电源电路，如显示设备等，制造得紧凑。
尽管已经对于实施例说明并描述了本发明，当本领域技术人员应当理解，可以在其中或对其作出上述以及多种其他改变、省略以及附加，而不脱离本发明的精神和范围。于是，不应将本发明理解为限于上面陈述的特定实施例，而是包括在所附权利要求中陈述的特征所包含的范围及其等同物中可以得到体现的所有可能的实施例。

Claims (9)

1.一种电荷泵型升压电路，其使用多个电容和多个电子开关对输入电压进行升压，所述电荷泵型升压电路包括：
一个充电电容，其由所述输入电压进行充电；和
多个输出电容，其使用所述输入电压和所述充电电容的端子电压，生成所述输入电压的倍数电压，
其中，所述充电电容在两个端子处都与至少一个电子开关相连，并且所述输出电容在一个端子处常接地。
2.如权利要求1的电荷泵型升压电路，其中所述充电电容在第一定时由所述输入电压充电，所述充电电容的低电势端子和输入电源相连，以在第二定时处用在所述充电电容的高电势端子生成的所述输入电压的二倍电压对一侧接地的第一输出电容进行充电，并且所述充电电容的所述低电势端子和保持N-1倍升压电势且在一个端子处常接地的第N-2输出电容的未接地端子相连，以在第三和随后的第N定时处用在所述充电电容的高电势端子生成的所述输入电压的N倍电压对在一个端子处常接地的第N-1输出电容充电，其中N是大于或等于三的整数。
3.如权利要求1的电荷泵型升压电路，其中通过以下操作使用多个电容和多个电子开关对输入电压进行升压：
通过用所述输入电压对在两个端子处都与至少一个电子开关相连的充电电容进行充电的操作，
对一侧常接地的输出电容进行充电的操作，和
通过连接所述充电电容的低电势端子和一侧接地的输出电容的未接地端子，而将所述充电电容的高电势端子处的电势升压至高于所述充电电容的电势的操作。
4.如权利要求1的电荷泵型升压电路，其中一侧常接地的至少一个输出电容的未接地端子通过第一电子开关和第二电子开关连接至所述充电电容的高电势端子和低电势端子，并且所述第一电子开关和所述第二电子开关不在同时导通。
5.如权利要求1的电荷泵型升压电路，其中在一侧常接地的至少一个输出电容的未接地端子生成的电压被提供至负载。
6.如权利要求4的电荷泵型升压电路，其中在将所述输入电压充电至所述充电电容，并且连接输入电源和所述充电电容的所述低电势端子之后，通过导通所述第一电子开关，用在所述充电电容的所述高电势端子处生成的二倍于输入电压的电压对一侧常接地的所述输出电容进行充电。
7.如权利要求1的电荷泵型升压电路，进一步包括时钟发生电路，其生成多于或等于三种相位的时钟，用于切换电子开关。
8.如权利要求1的电荷泵型升压电路，其中用于改变连接关系的所述电子开关由MOS晶体管形成。
9.如权利要求1的电荷泵型升压电路，其中用于改变连接关系的所述电子开关由薄膜晶体管形成。
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