CN1455980A - 可编程电荷泵设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电荷泵设备和具有该电荷泵设备的显示驱动器，还涉及具有采用了电荷泵设备的显示驱动器的显示模块和具有这种显示模块的通信终端。为了提供用于产生比电源电压高的电压所需的电荷泵设备，建议了一种至少含有两级(S)的电荷泵设备，其中一级(S)包括开关(SWn)和电荷设备(CSn)，设置它们用于产生比电源电压(Vdd)高的电压，串联设置各级(S)，并通过激活/禁止有限个级(S)，可以对电荷泵(CP)的要求放大系数(MF)进行调节，且以同样方式设置每级(Sn)的各开关(SWn)。从而可以自由设置电源电压放大系数，同时，在电荷泵内具有开关，因此通过利用程序将放大系数设置得比最大放大系数小，可以优化功率损耗。

Description

可编程电荷泵设备
本发明涉及电荷泵设备和具有电荷泵设备的显示驱动器。此外，本发明还涉及具有采用电荷泵设备的显示驱动器的显示模块和具有这种显示模块的远程通信终端。
电荷泵设备或电压倍增器应用于其电压必须比电源电压高的设备内。在LCD模块和闪速存储器中尤其要用这些电荷泵设备，因为所需的最高电压比可用电源电压高。当前，大批量生产这些部件，而电流效率成为当前的主要问题。通常，将它们应用于电池供电装备，因此低电流消耗和最近要求的低电压变得越来越重要。
LCD模块在蜂窝式电话和诸如组织器、膝上型计算机、PDA等的手持设备中得到广泛应用。在蜂窝式电话中，模拟模块的可用电源电压为2.8V，而利用6至16V电压驱动LCD图形显示器。至少需要将电压放大为电源电压的3倍。因为应该在大电源电压范围内操作显示器，所以放大系数应该根据应用发生变化。
电荷泵由包括几级的级联组成，其中级至少含有：开关或二极管；电荷存储单元，大部分由电容器实现；以及一个驱动器。驱动器控制电荷存储单元，并被周期信号、阶段所操作。将第一级内存储的电荷将被送到下一级，在下一级将此级的电荷累加在一起，因此可以产生高电压，该高电压被提供给设备，即移动电话内的LCD模块。
有两种类型的电荷泵：
具有片载电容器的电荷泵或
具有外部电容器的电荷泵。
片载电容器驱动器是玻璃板上芯片实现方式的最简单解决方案，而且它可以提供约95％的电流效率。单芯片解决方案的成本较低。具有外部电容器的电荷泵更有效，但是不适合玻璃板上芯片解决方案，因为它较昂贵。
为了改变电荷泵的放大系数从而使该解决方案适于不同应用，可以不采用全部电荷泵的级来产生比采用全部电荷泵级的最高可能电压低的输出电压。例如，显示器液晶的一个特性就是必须在低温下利用高电压进行驱动，然而电池只能提供低电压。在这种情况下，选择比室温情况下更高的放大系数可以改善显示模块的电流消耗。
在这种情况下，即使不采用如此低的电源电压Vdd，在不采用所有级时，恰好中间级之一用作第一开关级，导致电流效率下降。
因此电荷泵起作用，但是因为存在反向电流，电能消耗比最佳情况时高。为了将反向电流产生的损耗降低到最小，对开关进行了改进。其中所述反向电流是在所关注的级中的开关还没有完全打开时，从一级流入到该级向着电荷泵设备输入端方向的前一级。
为了解决反向电流产生的问题，使电荷泵的第一级和最后级中的开关不同于中间开关。
在众所周知的应用中，电荷泵被设计为包括掩模变化，但是禁止出现放大系数的软件变化，利用掩模变化，对所使用的第一级进行变换以提高效率。该解决方案具有相当多的局限性。
EP 03190634披露了一种电压放大器电路，该电压放大器电路包括：一系列整流元件，通过将互补时钟信号交替送到与各对相邻元件的连接点相连的电容器，使得整流元件交替导通。
在可编程电荷泵中，放大系数是由有多少级在切换来决定的。从第一级开始、靠近输出端的各级被导通以将电源电压施加到第一开关级的输入端。中间级或中部级是图2所示具有自举电容器以提高命令门电平的全部类型。
然而，在可编程电荷泵中，第一开关级可以是任何一级。
通过将这种级或元件用作电压放大器或电荷泵的第一级，输入端为恒压(Vdd)，并且不能象当将它作为中间级一样切换。在这种情况下，如果电源电压低于2|Vtp|(Vtp是PMOS的阈值电压)，则不能接通该开关。
由于电源电压Vdd变得越来越低时，所以产生了此问题。当前的电荷泵使用的开关是利用PMOS晶体管作为级开关构造。为了提高这些开关的性能，或者是自举电容器或者是电平移动器用于驱动PMOS开关的栅极。用于所有中间级和最后级的自举电容器技术均被用作或看作一种非常有效的解决方案。但是只有在电源电压Vdd＞2|Vtp|时，各开关才正确运行，其中Vtp是PMOS晶体管的阈值电压。其局限性在于具有自举电容器的开关被用作第一级并被永久设置在Vdd与Vss之间，从而Vss成为开关的地电位，假设为0V，但是它可以发生变化，因为存在寄生电容。对于更低的电源电压，电荷泵将不工作。|Vtp|可以高达1.3V，随处理参数和温度发生变化。因此，低于2.6V的电压Vdd会导致问题。
因此，本发明的目的是提供一种具有可自由调节放大系数并将功率损耗降低到最少的电荷泵的设备。
利用至少含有两级的电荷泵设备可以实现此目的，从而一级包括开关和电荷设备，设置它们用于产生比电源电压高的电压，从而串联设置各级，并可以通过激活/禁止特定数量的级，对电荷泵要求的放大系数进行调节，并且以同样方式设置每级的开关。
本发明解决低电源电压的限制问题，并且还包括对于将放大系数设置得低于最大值时效率降低的问题的解决方案。改进方面涉及具有自举电容器的开关。新的电荷泵在Vdd＝|Vtp|时开始工作，甚至当设置不同于级数N的放大系数时也不会降低电流效率。
根据本发明的电荷泵设备实施例的特征在于，为了将放大系数调节到小于最大可能放大系数，从电荷泵设备的输入端开始的各级将被禁止。通过这样做，保证了将这种电荷泵应用于不同应用中的可能性，从而因为断开不需要的各级，所以不存在功率损耗。
因此对于不需要最大放大系数的应用，可以将不使用的各级断开，而不产生功率损耗。
为了实现此目的，电荷泵由开关、驱动器以及作为级电容器实现的电荷设备的级联构成。级中的每个开关SW包括：开关MP1，设置在电荷泵设备的级(S)的输入(IN)与输出(OUT)之间；还有两个晶体管MP2和MP3，用于控制开关(SW1)的隔离体；以及第四晶体管MP4，用于对自举电容器(CB)进行充电，从而自举电容器(CB)被设置为用于存储驱动开关(MP1)的栅极所需的电荷；还包括栅极开关控制单元(GSU)，从而栅极开关控制单元(GSU)被设置为用于接通或断开开关MP1的栅极。
PMOS晶体管均具有隔离体，因为它们是在N阱区域制作的。通过始终将N阱区域偏置到最高电位，该结被反向偏置，并将PMOS晶体管与衬底电气隔离。MP2和MP3的作用是确定输入端和输出端哪个是最高电位。一个开关的所有PMOS晶体管均被建立在N阱区域内。在本发明实施例中，开关MP1最好实现为隔离体晶体管。
在本发明的一种实施例中，电荷泵设备含有用于对栅极开关控制单元(GSU)提供控制信号的电平发生单元(LGU)，从而可以预见栅极开关控制单元(GSU)将连接或断开使开关MP1的栅极与CB电容器。
在本发明的优选实施例中，电荷泵设备具有栅极开关控制单元，该栅极开关控制单元被设置为在电压低于Vdd情况下，对该级的开关MP1提供控制信号。
通过利用栅极开关控制单元GSU和电平发生单元LGU，实现了在需要接通MP1并直接利用Vdd驱动MP1时，将自举电容器Cb与MP1的栅极断开。在需要断开MP1时，MN1变成OFF状态，而MP5处于ON状态。另外两个晶体管MN2和MP6将直接控制MP5的栅极。在创造性的解决方案中，位于GSU内的两个晶体管MN1和MP5不同时导通。在开关MP1必须被导通时，激活MN1：我们对MP1的栅极施加0V(称为<switchb>)，而不是对自举电容器Cb的底板施加0V，此时该底板的电压可能为|Vtp|，于是它被MP5断开，因为MP5的栅极达到选择的最高电位，所以不导通。
因此，利用该新的结构，可以实现在所有各级中具有含有自举电容器的开关的电荷泵，此外，该电荷泵在Vdd＝|Vtp|时工作。
利用它，可以以同样方式建立或实现所有各级，导致这样的结果，即通过将放大系数设置为小于最大放大系数，电荷泵的中间级之一可以用作第一级，并且可以避免功率损耗。
此外，利用这种电荷泵设备级，可以在使用某个第一放大系数之后，重新设置放大系数。
通过用于对具有至少含有两级的电荷泵设备的显示单元提供显示信息和电压的显示驱动器也可以实现此目的，其中一级包括开关和电荷设备，设置它们用于产生比电源电压高的电压，其中串联设置各级，并以同样方式实现所有各级，通过激活/禁止一定数量的级，可以对要求的放大系数进行调节。
此外，利用具有显示单元和含有电荷泵设备的显示驱动器的显示模块也可以实现本发明目的，该电荷泵设备至少具有两级，其中一级包括开关和电荷设备，设置它们用于产生比电源电压高的电压，其中串联设置各级，并以同样方式实现所有各级，通过激活/禁止某个数量的级，可以对要求的放大系数进行调节。
还可以利用具有显示模块(DM)、显示单元(DU)以及含有电荷泵(CP)设备的显示驱动器(DD)的远程通信终端实现本发明目的，该电荷泵(CP)设备至少具有两级(S)，其中一级包括开关(SWN)和电荷设备(CSn)，设置它们用于产生比电源电压(Vdd)高的电压，其中串联设置各级(S)，并以同样方式实现所有各级(S)，通过激活/禁止一定数量的级(S)，可以对要求的放大系数(MF)进行调节。
由于较长的待机时间和工作时间，在电池供电的远程通信终端中，使LCD模块具有最低功耗非常重要。
以下将参考附图详细说明本发明，附图包括：
图1示出传统电荷泵的例子；
图2示出传统电荷泵的一级；
图3示出具有栅极开关控制单元和电平发生单元的级；
图4示出具有玻璃板上芯片显示驱动器的LCD模块。
图1示出传统电荷泵CP的原理图。存在几级Sn。级Sn由开关SWn和电荷存储单元或设备CSn以及驱动器D构成。驱动器D根据周期性信号，以成对方式交替驱动电荷存储单元CS1至CSn。因为大小原因，Cbuffer不在该芯片上，并设置它以平滑输出电压。将电源电压Vdd施加到电荷泵CP的输入端IN。在电荷泵设备CP的输出端OUT产生用于施加到LCD模块的高电压。
在具有自举电容器CB的开关SWn用作第一级并将Vdd施加到输入端时，会产生上述问题。图2示出在通用电荷泵CP内使用的这种开关SWn。
晶体管MP1是开关SWn的主开关元件，它具有两种状态：在ON状态或闭合状态，它使电流从漏极流入源极，在OFF状态或断开状态，没有电流流过。MP2和MP3构成电压比较器。其作用是利用最高电压对开关MP1的n阱区域或隔离体进行偏置以避免因为正向偏置的二极管而产生泄漏。CB比级电容器CSn小得多。其作用是提供足够高的电压以便在泵送的两个阶段之一打开开关MP1。晶体管MP4的作用是断开MP1，并在MP1断开时，提供由该级电容器CSn对节点switchbhv(自举电容器)进行充电的DC通路。
在第一阶段，将图2所示的开关SWn编排为第一有源开关SW1，并在最初处于ON状态。CB初始被放电。将输入端IN设置为电源电压Vdd，将CS1的底板设置为Vss＝0V，并将输出OUT充电到Vdd。MP1和MP2为ON，MP3和MP4为OFF，WELL＝IN＝Vdd。CB被放电，switchbhv被隔离，switchb＝0V，因此，CB保持放电，并将switchbhv拉到0V，保持MP1和MP2为ON。
在下一阶段，需要在CS1的底板被驱动到Vdd之前，断开开关SW1。发生如下事件：IN＝Vdd(因为它是第一级)。将节点sWitchb驱动到Vdd。因为CB没有DC通路，并且未被驱动，所以switchbhv节点被自举电容器CB向上拉。MP1和MP2被断开。MP3和MP4也保持断开。然后，级电容器CS1的底板被从0V驱动到Vdd，并且下一级S2的开关SW2被接通。输出节点OUT将为2Vdd，并将在下一个级电容器CS2中放电。因为Vdd>|Vtp|，所以MP3和MP4将被接通。通过MP3和MP4，节点WELL和switchbhv与输出节点OUT具有同样电压，直到输出OUT电压降低到Vdd+|Vtp|。然后，断开MP3和MP4。此时，利用Vdd+|Vtp|-Vdd＝|Vtp|对自举电容器CB进行充电(此时switchbhv＞switchb)。MP1和MP2保持断开，因为其栅极电压比漏极电压和源极电压高。在两种情况下，输出OUT可以降低到低于Vdd+|Vtp|：当所有电容器均被放电的开始和输出需要大电流时。
然后，下一级S2的开关SW2被断开，级电容器CS2的底板被再次驱动到0V。现在，输出节点OUT低于|Vtp|，IN＝Vdd，switchb被牵引到0V。MP3和MP4继续处于OFF状态，并且需要我们再次接通MP1和MP2。只有在switchbhv＜IN-|Vtp|时，这才有可能。如果该级不是第一级S1，则在输入IN将有前级输出的Vdd的2倍的电压，因此不存在满足该要求的问题。但是在第一级时IN＝Vdd。
但是利用|Vtp|对CB充电，并且现在，switchbhv节点没有对此电容器进行放电的DC通路。节点switchb为0v(它必须被接通)，因此switchbhv被向下拉到|Vtp|。
到目前为止，电路因为switchbhv＝|Vtp|＜IN-|Vtp|才工作，所以Vdd＞2|Vtp|，这就是该结构的限制。
为了克服此问题，第一级S1必须没有自举电容器CB，或者利用掩模变化对此短路，但是这绝对只能用于这样一种应用。因为在最糟糕情况下，Vdd＝2.8V并不比2|Vtp|＝2.6高很多，而且还会降低效率。
新的LCD驱动器需要利用比2.6V的极限电压低的电压操作，并且为了具有灵活性，最高电压Vdd可高达4.5V。设置放大系数是对所有新显示驱动器的要求。因此，需要一种允许低输入电压的开关结构。本发明同时是低Vdd电压和效率损失的解决方案。
中间开关的改进型结构
在图3中示出具有自举电容器的新型开关结构。附加了栅极开关控制单元GSU和电平发生单元LGU。与MP1和MP4相比，它们非常小，并且在大小上，与MP2和MP3相当。
GSU含有两个晶体管MN1和MP5。将MN1设置在switchb与switchbhv节点之间，而MP5位于swoffhv与switchbhv之间。LGU含有两个晶体管MP6和MN2以产生信号pgatectrl。此外，LGU还含有反相器以根据信号switchb产生信号switch2。
现在的问题是：是否总是可以利用0V来接通MP1，以及在另一阶段始终大于Vdd+|Vtp|的电压断开它。
为了接通MP1，MN1有效：switchb为0V，switch2为Vdd，因此MN1处于ON状态，并将MP1和MP2的栅极拉到0V。为了断开，节点switchb为Vdd，而switch2为0V，因此MN1处于OFF状态，MN2处于ON状态，WELL-swoffhv＜|Vtp|，以致MP6处于OFF状态。这样将节点pgatectrl拉到0V，MP5被接通。随后，节点switchbhv与switchb断开，而与swoffhv相连。如上所述，在MP1处于OFF状态时，利用初始为2Vdd然后下降的电压对swoffhv进行充电，因为负载电压会降低到Vdd+|Vtp|。
在下一阶段，节点switchb被驱动到0以接通。这样可以将MN2强力断开。节点OUT低于|Vtp|。节点swoffhv现在为|Vtp|，而switch2为Vdd。因此，MN1被驱动到ON状态，而switchbhv迅速到达0V。在特定部分，MP5仍被断开：swoffhv＝|Vtp|，pgatectrl不再被强力驱动到0V而是处于浮动状态(WELL等于IN，因为MP2被切换到ON状态)。MP6处于弱倒置状态，因此轻微导通。在初始的弱倒置状态到达WELL＝IN＝Vdd时，它驱动pgatrectrl。同时，通过仍处于ON状态的MP5，CB被放电到0V。因为此放电过程，并且还因为swoffhv初始电压为|Vtp|，所以在pgatectrl不再被强力驱动到0V时，MP5被快速断开，并从此时开始，CB不再释放电荷。这样就解决了在Vdd等于一倍|Vtp|之前的问题和理论上的开关功能问题。
在不是将新的开关用作有源第一级而是用作中间级，即用作第二级时，IN电压在2Vdd与|Vtp|之间(根据上述同样的理由)，而在该开关处于ON状态时，WELL为2Vdd，swoffhv为Vdd+|Vtp|，并通过MP5放电直到它达到WELL-|Vtp|(参考MP6被强力接通情况)，因此从Vdd+|Vtp|变到2Vdd-|Vtp|。CB在每个周期的电荷丢失量(这是在另一阶段从CS获取的电荷量)为CB*(Vdd+|Vtp|-2Vdd+|Vtp|)＝CB*(2|Vtp|-Vdd。如果Vdd＞2|Vtp|，则不丢失电荷，因此不会降低效率。
图4示出用于片载级电容器的电压放大器或电荷泵设备的低电压运行的应用。电荷泵CP是每个LCD驱动器IC(DD)的非常重要的部件，因为可用电源电压Vdd总是比使LCD模块DM具有良好光学性能所需的电压低。电荷泵CP的电流效率确定整个LCD模块DM的低电流消耗。在图4中，示出具有玻璃板上芯片显示驱动器(DD)-IC的LCD模块DM。对电荷泵设备CP设置电源电压Vdd。此外，将它连接到未示出的编程接口PI。利用编程接口PI，可以选择比最大可能MFmax小的放大系数MF。这是通过禁止几级S实现的。此解决方案允许根据应用改变MF，从而具有变化的MF的电荷泵可以不受限制地被再编程为另一个MF。
LCD模块是每个移动电话和其它手持设备的重要部件。它们被大批量生产。另一个应用可以是闪存，它也需要比可用电源电压高的工作电压。例如，闪存还作为存储单元用于数码相机，因此也要求低功率、低电压。

Claims (10)

1.一种至少具有两级(S)的电荷泵设备，其中一级(S)包括开关(SWn)和电荷设备(CSn)，设置它们用于产生比电源电压(Vdd)高的电压，其中串联设置各级(S)，并通过激活/禁止有限个级(S)，可以对电荷泵(CP)要求的放大系数(MF)进行调节，其中以同样方式设置每级(Sn)的各开关(SWn)。
2.根据权利要求1所述的电荷泵设备，其中对于比可能的最大放大系数(MFmax)小的放大系数(MF)，从电荷泵(CP)设备的输入(IN)开始的各级(S)将被禁止。
3.根据权利要求1所述的电荷泵设备，其中开关(SW1)包括：开关MP1，设置在电荷泵设备的级(S)的输入(IN)与输出(OUT)之间；
还有两个晶体管MP2和MP3，用于控制开关(SWt)的隔离体；以及
第四晶体管MP4，用于对自举电容器(CB)进行充电，其中自举电容器(CB)被安排用于存储驱动开关(MP1)的栅极所需的电荷；
还包括栅极开关控制单元(GSU)，其中栅极开关控制单元(GSU)被安排用于控制开关MP1的栅极。
4.根据权利要求3所述的电荷泵设备，但是最好将开关MP1实现为隔离体晶体管。
5.根据权利要求3所述的电荷泵设备，包括电平发生单元(LGU)，用于对栅极开关控制单元(GSU)提供控制信号。
6.根据权利要求3所述的电荷泵设备，其中栅极开关控制单元(GSU)被设计为连接或断开开关MP1的栅极与CB电容器。
7.根据权利要求3所述的电荷泵设备，其中在电压低于Vdd情况下，栅极开关控制单元(GSU)被设置为对级(S)的开关(SW)提供控制信号。
8.一种用于对具有电荷泵(CP)的显示单元(DU)提供显示信息和电压的显示驱动器(DD)，该电荷泵(CP)至少含有两级(S)，其中一级包括开关(SWN)和电荷设备(CSn)，设置它们用于产生比电源电压(Vdd)高的电压，其中串联设置各级(S)，并以同样方式实现所有各级(S)，通过激活/禁止某个数量的级(S)，可以对要求放大系数(MF)进行调节。
9.一种具有显示单元(DU)和含有电荷泵(CP)设备的显示驱动器(DD)的显示模块(DM)，该电荷泵(CP)设备至少具有两级(S)，其中一级包括开关(SWN)和电荷设备(CSn)，设置它们用于产生比电源电压(Vdd)高的电压，其中串联设置各级(S)，并以同样方式实现所有各级(S)，通过激活/禁止某个数量的级(S)，可以对要求放大系数(MF)进行调节。
10.一种具有显示模块(DM)、显示单元(DU)以及含有电荷泵(CP)设备的显示驱动器(DD)的通信终端，该电荷泵(CP)设备至少具有两级(S)，其中一级包括开关(SWN)和电荷设备(CSn)，设置它们用于产生比电源电压(Vdd)高的电压，其中串联设置各级(S)，并以同样方式实现所有各级(S)，通过激活/禁止某个数量的级(S)，可以对要求放大系数(MF)进行调节。
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