CN202364120U - 一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种新型基于电荷泵的稳压型驱动电路，包括电荷泵，电荷泵的输出端并联有负载以及控制负载电流大小的电流源，还包括晶体管导通程度控制电路，晶体管导通程度控制电路的输入端连接在串联的负载和电流源之间，晶体管导通程度控制电路的输出端与电荷泵中的部分MOS管的栅极连接，这些MOS管的源极均与电荷泵的输入端连接；因此可以控制电荷泵中的部分MOS晶体管在导通时不是都处于完全导通的状态，而是调整这些MOS晶体管导通时的栅源电压Vgs来改变其导通程度，使多余的电压由这些MOS晶体管共同承受，因此就不再需要一个额外的分担多余电压的线性调整管，极大地节省了芯片版图面积，降低了芯片制造成本。

Description

一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路

技术领域

本实用新型涉及电荷泵技术领域，特别是涉及一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路。

背景技术

电荷泵常被应用于电子产品的驱动电路中，例如内存驱动电路、液晶显示器(LCD)的背光驱动电路或发光二极管LED驱动电路。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC电压变换器.它能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压，其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。

如图1所示，是美国专利US6873203提出的一种基于电荷泵的驱动电路，包括两个电荷泵，主电荷泵12和从电荷泵14，主电荷泵12具有输出电压V1，从电荷泵14具有输出电压V2，运算放大器U3的正输入端接主电荷泵12的输出端，运算放大器U3的负输入端接从电荷泵14的输出端，运算放大器U3的输出端与PMOS晶体管M2的栅极连接，U3产生的电压差控制M2的栅极，同时M2的源极连接从电荷泵14的输出，M2的漏极与接地的恒流源16连接；此外还包括一个线性调整PMOS晶体管M3和电流受控电压源U4，U4的一个输入端连接到PMOS晶体管M2的漏极和恒流源16之间，其输出端连接PMOS晶体管M3的栅极，PMOS晶体管M3的源极和漏极串联在电源18和两个电荷泵之间，PMOS晶体管M3的作用是根据电流受控电压源U4感测的流过M2的电流Imodel与恒流源的基准电流Iref之间的不平衡，调节加在负载上的多余电压，也就是通过调整M3的栅源电压Vgs来改变M3的导通电阻以调整它的导通程度，从而让多余的电压落在M3上，但是这个晶体管M3在集成电路芯片的制造中是要占用很多额外面积的，因此提高了芯片的制造成本。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，不需要额外设置线性调整管，而是通过调整电荷泵中的部分晶体管的导通程度，使这些晶体管来承受多余电压，极大地节省了芯片版图面积，降低了芯片制造成本。

本实用新型的技术方案是：

一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，包括电荷泵，所述电荷泵的输出端并联有负载以及控制负载电流大小的电流源，其特征在于，还包括晶体管导通程度控制电路，所述晶体管导通程度控制电路的输入端连接在串联的负载和电流源之间，晶体管导通程度控制电路的输出端与所述电荷泵中的由MOS管组成的开关阵列的部分MOS管的栅极连接，所述栅极与晶体管导通程度控制电路连接的MOS管的源极均与电荷泵的输入端连接。

所述晶体管导通程度控制电路包括顺次连接的差分放大器、缓冲器和预驱动器，所述差分放大器的正输入端连接在串联的负载和电流源之间，负输入端与参考电压源连接，将电流源上的电压降与参考电压做比较，差分放大器比较后的输出信号经过缓冲器的作用后作为输入给预驱动器的虚拟地线信号，预驱动器的输出信号即为控制栅极与预驱动器输出端连接的MOS管导通程度的低电平时钟信号。

所述电荷泵为工作在1X/1.5X/2X三种工作模式下的多模式电荷泵，包括由6个PMOS管M0、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2个NMOS管M4、M5组成的开关阵列以及两个泵电容C1和C2，其中M0、M2、M3A、M3B的栅极与晶体管导通程度控制电路连接，M0、M2、M3A、M3B的源极均连接在电荷泵的输入端；M0的漏极直接连接电荷泵的输出端；M2的漏极连M1A的源极，M1A的漏极连接电荷泵的输出端；M3A的漏极连M5的漏极，M5的源极再接M1B的源极，M1B的漏极连接电荷泵的输出端；M3B的漏极接M4的漏极，M4的源极接地；第一泵电容C1的一端连接在M2的漏极和M1A的源极之间，另一端连接在M3A的漏极和M5的漏极之间；第二泵电容C2的一端连接在M5的源极和M1B的源极之间，另一端连接在M3B的漏极和M4的漏极之间。

所述缓冲器为增益为1的运算放大器。

所述预驱动器为两个串联连接的反相器。

所述负载为发光二极管LED。

本实用新型的技术效果：

本实用新型提供的一种新型基于电荷泵的稳压型驱动电路，相比于现有技术的优势在于，设置了晶体管导通程度控制电路，与所述电荷泵中的由MOS管组成的开关阵列的部分MOS管的栅极连接，控制电荷泵中的MOS晶体管在导通时不是都处于完全导通的状态，而是巧妙的调整其中的部分MOS晶体管导通时的栅源电压Vgs来改变其导通程度，使多余的电压由这些MOS晶体管共同承受，因此就不再需要一个额外的分担多余电压的线性调整管，这样就极大地节省了芯片版图面积，降低了芯片制造成本。

附图说明

图1是是美国专利US6873203提出的一种基于电荷泵的驱动电路示意图。

图2是本实用新型的新型基于电荷泵的稳压型驱动电路实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步说明。

如图2所示，一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，包括电荷泵，电荷泵的输出端VOUT并联有负载以及控制负载电流大小的电流源IL，例如本实施例的负载是发光二极管LED，负载LED由VOUT供电，其电流大小由电流源IL来决定。还包括晶体管导通程度控制电路，晶体管导通程度控制电路的输入端连接在串联的负载和电流源之间，晶体管导通程度控制电路的输出端与电荷泵中的由MOS管组成的开关阵列的部分MOS管的栅极连接，这些栅极与晶体管导通程度控制电路连接的MOS管的源极均与电荷泵的输入端连接。本实施例的晶体管导通程度控制电路包括顺次连接的差分放大器ErrAmp、缓冲器Buffer和预驱动器Predriver，差分放大器ErrAmp的正输入端连接在串联的负载和电流源之间，负输入端与参考电压源连接，电流源上的电压降即节点FB到地之间的电压被送入差分放大器ErrAmp，与参考电压Ref做比较，差分放大器比较后的输出信号ErrAmp_out送到缓冲器Buffer中，缓冲器的作用是把ErrAmp_out信号作为下一级预驱动器Predriver的虚拟地线来使用，输入给预驱动器Predriver，所以把Buffer的输出叫做Pseudo_VSS，而不是通常的地线VSS；预驱动器Predriver的输出信号即为控制栅极与预驱动器输出端连接的MOS管导通程度的低电平时钟信号，本实施例图2中栅极与预驱动器输出端连接的MOS管包括M0、M2、M3A、M3B。其中缓冲器可以选择增益为1的运算放大器，预驱动器可以选择两个串联连接的反相器。这样，晶体管导通程度控制电路和电荷泵以及负载和其相应的电流源一起构成了完整的闭合环路，使电流源IL的电压FB总是和Ref保持一致，这样既保证了驱动电路稳定的工作，而且可以通过调整Ref来调整电流源的电压，提高了整个驱动电路的效率。更主要的是晶体管导通程度控制电路的控制信号不同于现有技术电荷泵的普通的时钟控制信号，将它与电荷泵中的部分MOS管的栅极连接，可以使这些MOS管在导通的同时，调整其栅源电压Vgs来改变它们的导通程度，使它们处于不是完全导通的状态，即调整它们的导通电阻，让它们的导通电阻比通常的完全导通情况下要大很多，这样这些受晶体管导通程度控制电路控制的MOS管可以用来承担多余的电压，这也是本实用新型相比于美国专利US6873203的根本优势，我们知道，电荷泵通常是作为一种升压变换器，是为了在输入电压VIN不够高的情况下，给负载提供足够高的输出电压VOUT而存在的，而VOUT究竟需要多高的电压，这是由负载的前向压降和电流大小来决定的，例如，对于发光二极管LED来说，若电流为20mA，此时LED的前向压降为3.5V，若参考电压Ref设定为0.1V，那么此时只需要3.6V的输出电压VOUT，假设这时候VIN＝3V并且电荷泵工作在1.5X模式下，理论上1.5X的电荷泵能提供1.5*3V＝4.5V的输出电压，这样这多余的4.5-3.6＝0.9V应该由谁来承受呢？这就是本实用新型的创新之处，也是相比美国专利US6873203有明显优势的地方。在美国专利US6873203中，它用了专门的一个线性调整晶体管M3来承受这部分多余的电压，可以看到这个M3是和后面的电荷泵串联在一起的，即通过调整M3的栅源电压Vgs来改变M3的导通电阻以调整它的导通程度，从而让多余的电压落在M3上，而电荷泵中所有的晶体管在导通时都是完全导通的，但是这个晶体管M3是要占用很多额外面积的，因此提高了芯片的制造成本。而在本实用新型中，并不是让电荷泵中的晶体管在导通时都处于完全导通状态，而是巧妙地调整其中的部分晶体管导通时的栅源电压Vgs来改变它们的导通程度，让多余的电压由它们共同承受，因此就不再需要一个额外的线性调整管，这样就极大地节省了版图面积，降低了芯片成本。当然，为实现对这些MOS管的栅源电压Vgs的有效控制，要使这些MOS管的源极均与电荷泵的输入端连接。

本实用新型的电荷泵为工作在1X/1.5X/2X三种工作模式下的多模式电荷泵，包括由6个PMOS管M0、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2个NMOS管M4、M5组成的开关阵列以及两个泵电容C1和C2，其中PMOS管M0、M2、M3A、M3B的栅极与晶体管导通程度控制电路连接，M0、M2、M3A、M3B的源极均连接在电荷泵的输入端VIN；PMOS管M0的漏极直接连接电荷泵的输出端VOUT，PMOS管M2的漏极连PMOS管M1A的源极，M1A的漏极连接电荷泵的输出端VOUT；PMOS管3A的漏极连NMOS管M5的漏极，M5的源极再接PMOS管M1B的源极，M1B的漏极连接电荷泵的输出端VOUT；PMOS管3B的漏极接NMOS管M4的漏极，M4的源极接地；第一泵电容C1的一端连接在PMOS管M2的漏极和M1A的源极之间，另一端连接在M3A的漏极和M5的漏极之间；第二泵电容C2的一端连接在M5的源极和M1B的源极之间，另一端连接在M3B的漏极和M4的漏极之间。所述电荷泵的工作原理是这样：该电荷泵有三种工作模式：1)1X模式(又称作1倍模式)，这种情况下，只有M0是常导通的，而M1A，M1B，M2，M3A，M3B，M4是一直都不导通的，这时候输入电压VIN直接通过M0传递到输出VOUT，即电荷泵本身是不工作的；2)1.5X模式(又称作1.5倍模式)，此模式下M0永远是不导通的；该模式在时钟的控制下，电荷泵有两个工作阶段：第一：充电阶段，这时候，M2，M5，M4是导通的，而M3A，M3B，M1A，M1B是不导通的，因此VIN通过M2，C1，M5，C2，M4到地这条电流通路对电容C1和C2进行充电，而输出端VOUT由电容Cout来提供电流；第二：放电阶段，这时候，M2，M5，M4是不导通的，而M3A，M3B，M1A，M1B是导通的，因此C1通过VIN，M3A，M1A，VOUT这条通路对Cout和输出负载进行放电，C2通过VIN，M3B，M1B，VOUT这条通路对COUT和输出负载进行放电；在电荷泵达到稳态输出时，VOUT和VIN的关系是VOUT＝1.5VIN，因此称为1.5X模式；3)2X模式(又称作2倍模式)，此模式下M0，M2和M1A是永远都不导通的，同时电容C1也是闲置不用的，该模式在时钟的控制下，电荷泵也有两个工作阶段：第一：充电阶段，这时候M3A，M5和M4是导通的，而M3B和M1B是不导通的，因此VIN通过M3A，M5，C2，M4和地这条电流通路对电容C2进行充电，同时，VOUT靠电容Cout来提供电流。第二：放电阶段，这时候M3A，M5和M4是不导通的，而M3B和M1B是导通的，因此C2通过VIN，M3B，M1B，VOUT这条通路对COUT以及输出负载进行放电。在电荷泵达到稳态输出时，VOUT和VIN的关系是VOUT＝2VIN，因此称为2X模式。

Claims (6)

1.一种新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，包括电荷泵，所述电荷泵的输出端并联有负载以及控制负载电流大小的电流源，其特征在于，还包括晶体管导通程度控制电路，所述晶体管导通程度控制电路的输入端连接在串联的负载和电流源之间，晶体管导通程度控制电路的输出端与所述电荷泵中的由MOS管组成的开关阵列的部分MOS管的栅极连接，所述栅极与晶体管导通程度控制电路连接的MOS管的源极均与电荷泵的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，其特征在于，所述晶体管导通程度控制电路包括顺次连接的差分放大器、缓冲器和预驱动器，所述差分放大器的正输入端连接在串联的负载和电流源之间，负输入端与参考电压源连接，将电流源上的电压降与参考电压做比较，差分放大器比较后的输出信号经过缓冲器的作用后作为输入给预驱动器的虚拟地线信号，预驱动器的输出信号即为控制栅极与预驱动器输出端连接的MOS管导通程度的低电平时钟信号。

3.根据权利要求1或2所述的新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，其特征在于，所述电荷泵为工作在1X/1.5X/2X三种工作模式下的多模式电荷泵，包括由6个PMOS管M0、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2个NMOS管M4、M5组成的开关阵列以及两个泵电容C1和C2，其中M0、M2、M3A、M3B的栅极与晶体管导通程度控制电路连接，M0、M2、M3A、M3B的源极均连接在电荷泵的输入端；M0的漏极直接连接电荷泵的输出端；M2的漏极连M1A的源极，M1A的漏极连接电荷泵的输出端；M3A的漏极连M5的漏极，M5的源极再接M1B的源极，M1B的漏极连接电荷泵的输出端；M3B的漏极接M4的漏极，M4的源极接地；第一泵电容C1的一端连接在M2的漏极和M1A的源极之间，另一端连接在M3A的漏极和M5的漏极之间；第二泵电容C2的一端连接在M5的源极和M1B的源极之间，另一端连接在M3B的漏极和M4的漏极之间。

4.根据权利要求2所述的新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，其特征在于，所述缓冲器为增益为1的运算放大器。

5.根据权利要求2所述的新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，其特征在于，所述预驱动器为两个串联连接的反相器。

6.根据权利要求3所述的新型的基于电荷泵的稳压型驱动电路，其特征在于，所述负载为发光二极管LED。 

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