TW382158B

TW382158B - Charge pump circuit

Info

Publication number: TW382158B
Application number: TW087102906A
Authority: TW
Inventors: Hiroshi Mukainakano; Kimio Shibata
Original assignee: Seiko Instr Inc
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2000-02-11
Also published as: EP0862260A3; US6107862A; JPH10248240A; JP2847646B2; DE69819576D1; KR100283012B1; KR19980071764A; EP0862260B1; DE69819576T2; EP0862260A2

Description

五、發明説明（1 ) 發明領域本發明有關PWM (脈寬調變）充電泵電路，可輸出經轉換之電源電壓以驅動一負載。背景資訊 ,·：，已有二種習知充電泵電路可產生調制輸出電壓。其包括線性調制式，僅可調降源電壓，及交換模式，可增減源電壓。各習知充電泵電路均有缺點》如線式調制式充電栗電路中紋波電壓小時，因僅可降壓，故輸入/輸出效率低。交換模式充電泵電路中雖可增減源電壓，則產生大紋波電壓。此外，交換時產生明顯射頻噪訊。因此必須提供可增減源電壓之充電泵電路，具小紋波電壓，並具適當射頻噪訊特性。已有各式充電泵電路欲符合此目標•一般此裝置具安排成多數階之電容，及一開關組可驅動各別電容由電壓源傳送至一輸出端，以調制電壓驅動負載。因此，各電容可接至一對開關而由電路前一階傳送電荷至電容》經濟部中央標率局員工消費合作社印製 {餚先《讀背面之注意事項再填莴本頁) 圖2方塊圖中充電泵電路爲此類充電泵電路。其揭示於日本公開專利63 — 15 7667號（US 941373)，名稱爲「整合雙負載泵電源電路，含電降特性及RS—232收發器」。此電路中，充電泵開關組包含第一至第四開關（SW1 — SW4) 101 — 104。第一開關（SW1) 101及第三開關（SW3 )103閉上，第二開關（SW2) 102及第四開關（本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐）-4 - 經濟、邓中央標準局員工消費合作社印製 A7 ______B7 _ 五、發明説明（2 ) SW4) 104打開，電荷由外電源（VPD) 100:傳 ' /_ 至泵電容（C 1 ) 1 1 1 »—段時間完成電荷滿傳後，泵電容（Cl) 111充至與外電源（VDD)同電壓•之後，第二開關（SW2) 102與第四:開關（S W 4 ) 104閉上，第一開關（S.W1) 1〇1與第三開關（ SW3 )打開，電荷由泵電容（C 1 )11 1傳至輸出電容（C 2 ) 1 1 2。一段時間滿傳後，输出電容（C 2 ) 1 1 2亦充至與外電源（ VDD) 1 0 0同電壓。因輸出電容（C 2 ) 1 1 2與泵電容（C 1 ) 1 1 1串聯，輸出端121與地端（GND) 12 0間電壓爲外電源（ VDD) 100二倍。熟習者可即知，使用輸出端121 電源爲電源，第五至第八開關（SW5 — SW8) 105 -108及第三與第四電容（C3，C4) 1 13， 1 1 4可如以上相同方式驅動而進行類似電壓轉換。完成時，輸出端1 2 2電壓爲負，電壓絕對値爲電源者二倍》圖3 (A)爲另一種充電泵電路方塊圖，如揭示於日本公開專利6 3 5 1 2 2 9號，名稱爲具输出電壓穩定器之充電泵上升電路。此電路中，充電泵開關組之開關SW 1-SW4 包含 FET (TR1-TR4) 301-30 4。使用脈波差生器1產生鋸齒波形（如圖3 (b) 中信號A)以驅動FET30 1 — 304。電阻及反向器 4，5轉換鋸齒波形成適當極性之脈波作爲控制訊號。例如，第一電晶體（TR1) 101及第三電晶體（TR3 )103先打開而傳送電荷由電壓源（VDD) 10 0至本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ΓδΊ ---------1,—.κ—'-----Λν (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 __B7_ _ 五、發明説明（3 ) 泵電容111，第—電晶體（TR1) 10 1及第三電晶體（T R 3 ) 1 〇 3然後開關’而第二電晶體（T R 2 ) 與第四電晶體（T R 4 ) 104打開。電荷傳送至輸出電容（C 2 ) 1 1 2而於輸出端（V 〇 u t ;) 1 2 2輸出2 XVDD大小之電壓。圖3(A)充電泵電路結構中，施加負回饋由輸出端 (Vout) 122至充電泵電容（Cl) 111之第三電晶體（TR3) 103而調制輸出電壓。具體地，所提供回饋網路包含一電阻分割器，具第一電阻R 1及第二電阻R 2。以分割輸出端（V r e f ) 1 2 2所加電壓並產生一基準電壓（V r e f )1 1 6，一比較器1 1 7以基準電壓（Vout) 116比較分割之輸出電壓，第三電阻R 3及第三電容C 3可轉換比較器11 7之輸出電流成一電壓，及一固定電流源（ISRC)。回饋結果，第三電晶體（T R 3 ) 1 0 3之開啓時間變化（圖3 (B)中訊號D之脈寬），故可調整泵電容（C 1)之充電位率，使輸出端（V o u t ) 122之平均輸出電壓爲固定電壓。經濟部中央標準局員工消费合作社印繁 (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 圖2及3 (A)充電泵電路具各式缺點。例如，若圖 t 2充電泵電路之外電源電壓爲VDD，輸出S電壓爲2 X VDD及一 2XVDD。若連接多數充電泵電路成多階（即η階）而增加輸出電壓，此輸出電壓爲電源電壓η倍（ η爲充電泵電路增壓階之整數）。故此充電泵電路之輸出限於外電源之輸出電壓V D D整數倍數。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210 X 297公釐）-6 - 經濟部中央標準局貝工消f合作社印裝 A7 __B7___ 五、發明説明（4 ) 因此，當電源（VDD) 10 0電壓改變，輸出電壓亦同時改變。考慮充電栗電路之输出電壓爲電源電壓二倍，若之N i - C d電池與電源串聯，一電池電壓高階爲 1 . 3V，而總電壓最高爲3 ·9·ν，故輸出電壓最初爲 7 . 8 V。但當電池電壓落至0 . 9 V，此充電泵電路之輸出電壓落至5.4V。若電源之電壓隨電流降低而落下 (如電池）而配合此種充電泵電路使用，輸出電壓將逐漸衰減。以充電泵電路爲電源驅動電子組件（I C等）可正確操作之電壓範圍經常有限制。若充電泵電路之輸出電壓變異大，可能行至電壓範圍外而正確操作I C，防止不當加工又不穩定性。圖3 (Α)充電泵電路可克服此問題。此電路中，使用輸出電壓V 〇u t値調整泵電容（C 1)之充電位準，故穩定輸出電壓並解決上述問題。有二種調整輸出電壓方法，包含變化第三電晶體（TR3) 10 3之開啓時間或開啓時變化第三電晶體（TR3) 103之電阻。這些方法使用PWM (脈寬調變技術）並實施固定周期交換，紋波電壓小。爲調整泵電容（C1 ) 1 1 1之充電而控制輸出電壓 (V 0 u t ) 1 2 2，利用圖3 ( A )充電栗電路控制加至第三電晶體（T R 3 ) 1 0 3之閘極脈寬開啓時間。但當本發明人模擬精確分析，發現由技術觀點不易使用此電路調整輸出電壓。本發明人模擬中所用電路及波形示於圖 4 ( A )及4 ( B )，條件如下：本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公楚)~ (祷先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 •Q. A7 B7 五、發明説明（5 ) 條件1 (所有部分固定）

VDD (電源電壓）=5. 〇V，F (振盪頻率） =5 Ο Κ Η Z

Cl (泵電容）=1#F，C2 (輸出電容）=10

M F RSW1 (TR1 開啓時電阻）=RSW2 (TR2 開啓時電阻）=2 Ω RSW3CTR3開啓時電阻）=RSW4(TR4 開啓時電阻）_'= 2 Ω

Iout(輸出電流）=10mA 驅動開關SW1 — SW4之反向器輸出無延遲。圖5顯示條件1模擬下輸出電壓與脈寬之關係。由輸出端無回饋電流引出時達最大輸出電壓，其値爲2倍 VDD = 1 0V。當電流引自輸出端，降低輸出電壓。爲再降低輸出電壓，縮短脈寬（之後縮寫爲PW)。由圖5 可見，輸出電壓與PW關係非正比，不易控制輸出電壓爲低電壓。經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 例如，若輸出電壓（V 〇 u t )爲9 . 5 V，P W等於 2 . 。若 Vout 爲 9 . 0V，PW 等於 0 . 9 从s。即變化輸出電壓9 . 5 V之0 . 5，P W長度必須變化約1 . 2以s。若輸出電壓低於上値，如7 . 0V，PW=〇 . 28 仁s 。若輸出電壓爲6 . 0V，PW=〇 . 21# s 。此意指脈寬明顯短於l#s。輸出電壓由7 . 0V變至本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-8- A7 __ B7 _ 五、發明説明（6 ) 6 . Ο V時，脈寬萇度僅變化0 · 〇 7 // s。因此，可 7 0 n s短之脈寬可變化輸出電壓1 V。因電路具此特性，調整圖3( Α.)電路之輸出電壓時遇到一些技術問題其一在於開關驅動電路（振盪器）· 當輸出電壓低時，必須於數n s秒位準進行脈寬調整。若脈波升降需時較長，即不能在此條件上調整輸出電壓。升降時間必須少於1 n s。爲使上升時間小於1 n s，開關，振盪器，反向器，比較器及充電栗電路所需其他部分必須可高速運作。此高速元件耗電大，製造不易而貴。再者，當使用具高內阻抗之電池爲電源，因耗電大致電源之電壓波動大。因此因控制時鐘之上升時間及脈寬受 '·! 電源波動影響，更不易控制。此外，因耗電極大，輸出入效率低。若使用此種電池爲電源，不易穩定輸出電壓。因輸出入轉換效率極低，不易用於攜帶式設備。理論上可用圖3 (Α)充電泵電路調整輸出電壓，必須於極高速控制電路，就穩定輸出電壓言效果不佳》經濟部中央標率局員工消費含作社印裝 (諳先«诔背面之注意事項再填寫本頁) 圖6爲另一輸出電壓用以減輕上述問題。藉控制加至第三電晶體（Tk 3 ) 10 3之閘極脈波電壓，第三電晶體（TR3) 103開啓時電阻可予調整。當發明人模擬分析此電路，發現由技術觀點不易維持固定輸出電壓。模擬所用電路及波形如圖7 (A)及7 (B)所示。一可變電組（RSW3) 118串聯第三開關（SW3) 以變化第三開關（SW3) 103電阻而形成等效電路。各組件之操作條件如下：本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐）一7〇Ζ A7 ._____B7 _ 五、發明説明（7 ) 條件2 (所有部分固定）， 1 /

v D D (電源電壓）=5 · 〇 V，f (振盪頻率） =5 Ο Κ Η Z C 1 (泵電容）=1 # f，C 2 (輸出電容）=1 .0 / β F ' RSW1(TR1開啓時電阻）=2Ω RSW2 (TR2 開啓時電阻）=RWS4 (TR4 開啓畤電阻）=2 Ω R S W 2 _. ( T R 3 開啓時電阻）=2 - 3 0 0 Ω I 〇 u t (輸出電流）1 〇 m A 驅動開關SW1—SW4之反向器輸出無延遲。圖8顯示第三開關（R S W 3 ) 1 1 8電阻與條件2 模擬所見輸出電壓間關係，輸出電流I nut爲參數。由圖 8可見，因輸出電壓與第三開關（RSW3) 118電阻有正比關係，較圖3(A)充電栗電路更易控制輸出電壓。例如改變 V 〇 u t 由 5 V - 9 . 8 V，I 〇 u t = 經濟部中央標準局員工消费合作社印掣 (¾先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 1^0 m A，變化R S W 3於2 - 2 4 Ο Ω即夠。但因電容經電阻加至泵電容（C 1 ) 1 1 1，電阻耗費電力，降低輸出入轉換效率。當輸出電流大時有另外問題。I ou t = 100mA 時，RSW3必須於2 — 17Ω範圍中變化，故Vou t 於範圍5V—7·7V變化。雖圖6之充電泵電路以 FET爲第三開關（SW3)，爲保持於上述電阻値，必須調整閘極電壓。即使補償F E T製品變異，需極複雜電本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐）_ *|〇 · A7 ____ B7___ 五、發明説明（8 ) . 路調整此電阻値。換言之，輸出電流愈C大，愈不易調整、輸出電壓。因此裝置太貴，電路太複雜。此外髙速操作增加耗電。當輸出電壓低時，輸出入效率不良。另一方面，輸出電流高時，調整需複雜電路。結果，圖6充電泵電路穩定輸出電壓之功效不良》經濟部中央標率局負工消費合作社印製 (对先聞讀背面之注意事邛再填寫本頁) 圖9顯示解決問題之另一種充電泵電路。此充電泵開關組與圖3 ( A )所不同。但此電路中，使用第一及第二脈波產生器驅動0 R閘極以提供控制訊號至充電泵開關組。回饋迴路包含一電阻分割器，具第一電阻R 1及第二電阻R 2以分割充電泵電路之輸出電壓並產生分割之輸出電壓，一基準電壓電路115產生基準電壓，及一比較器 1 1 7比較基準電準與分割之輸出電壓。根據此電路.所用控制方法，間歇開關充電泵電路O N及0 F F而保持充電栗電路之輸出電壓爲固定値。使用比較器1 1 7及〇 R閘極實施開關。比較器比較分割之輸出電壓於基準電壓，當分割之輸出電壓超過基準電壓則開關充電泵開關組。開關特性不會影響輸出入轉換效率。此控制方法稱爲P FM ( 脈頻調變）之缺點爲因交換頻率引起輸出電壓中有軾波· 不易予以除去。發明槪述鑒於習知充電栗電路上述問題，本發明一目的提供 PWM式充電泵電路，具固定輸出電壓，且輸出入轉換效本紙張尺度適用.中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-11- A7 _____B7 _ 五、發明説明（9 ) : 率高，容易控制，使用開關系統結構簡單，紋波電壓小，即使電源電壓明顯變化亦然》爲解決上述習知充電泵電路問題，本發明提供一種充電泵電路，此類充電泵電路利用負回饋供應一分割輸出電

I 壓至充電泵開關組以調制輸出電壓。充電栗電路包含一充電泵開關組，具一以上第一開關元件以選擇地傳送一輸入電荷至一以上第一電容，及一以上第二開關元件傳送一以上第一電容之電荷至一以上第二電容。電路有一回饋經包含一基準電壓·電路產生基準電壓，一誤差放大器放大分割輸出電壓與基準電壓間差異，一相位特性補償電路供相位補償回饋網路，一振盪器產生斜坡波形，及一控制電路驅動一以上第一及第二開關元件》傳送電荷至一以上第一或第二電容之至少一開關元件包含如電晶體裝置，可由外部調整其開啓電阻，可以斜坡波形驅動之而隨時間變化電阻値。經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 (#先Μ讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 藉此，由電源傳送至一以上第一電容之電荷或由一以上第一電容傳送至一以上第二電容之電荷可輕易控制。若傳送電荷小，斜坡波形開啓時間短，開啓電阻平均値大。因回饋網路使用斜坡波形調整可變電阻開關元件之開啓時間，其結構中當電源電壓大幅波動時可輕易變化開關電路之平均電阻値。上述結構之充電泵電路中，當電源電壓變化時開關電路之平均電阻變化，故取得固定電壓及低紋波電壓之輸出。再者，控制電路簡單且製造低廉，可低價供應。此外，本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨Ο X 297公釐）.-12- A7 _'_B7_._ 五、發明説明（1〇 ) , 本發明充電泵電路具適當低之電磁輻射（射頻噪訊）特性，低耗電，高輸出入轉換效率。因可輕易用於製於製造單體I c，本發明充電栗電路適用於攜帶式電子設備。圖式簡要說明圖1爲本發明第一例充電泵電路方塊圖；圖2充電泵電路示意圖說明習知充電泵電路缺點；圖3 (A)另一充電泵電路示意圖說明習知技術之缺點；圖3 ( B )圖示波形出現於圖3 (A )充電泵電路各部分；圖4 (A)爲分析圖3 (A)充電泵電路之模擬電路 » 圖4 (B)爲圖4 (A)模擬電路各部出現之波形：圖5爲圖4 (A)中模擬電路脈寬與輸出電壓間關係 » 圖6另一充電泵電路說明習知技術之缺點；經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 (秭先閱讀背面之注意事碩再填寫本頁) 圖7 (A)爲分析圖6充電泵電路之模擬電路；圖7 (B)爲圖7 (A)模擬電路各部出現之波形；圖8爲圖7 (A)模擬電路中輸出電壓與電阻間關係 » . 圖9另一充電泵電路說明習知技術之缺點；圖10爲本發明充電泵電路所用充電泵開關組一例示意圖；本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐）-13· A 7 B7 五、發明説明（11 ) 圖1 1爲本發明充電泵電路所用充電泵開關組另例示 ISI · 惠圖，圖1/之爲本發明所用充電泵開關組再例示意圖；圖1 3爲本發明所用充電泵開關組另例示意圖，與圖 1 0相周，以F E T代替各開關；圖14(A)爲本例充電泵電路一部分示意圖；圖14 (B)爲圖14 (A)電路各部出現之波形；圖1 5爲Μ 0 S電晶體之V g s - I d s特性；圖16爲撾03電晶體之¥£8及11〇11關係；圖1 7爲斜坡波形（Vg sma X)最大功率與平均電阻（Rave)關係；圖18爲輸出電壓與脈寬間關係；圖1 9爲圖1 8部位放大圖；圖2 0爲本發明一例之斜坡波形；圖2 1爲本發明另例之斜坡波形：圖2 2爲本發明另例之斜坡波形；圖2 3爲本發明再例之斜坡波形；經濟部中央標牟局貝工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖2 4爲本發明充電泵電路所用斜坡波形產生電路一例示意圖；及波形；/ 圖2 5爲本發明充電泵電路所用斜坡波形產生電路二例示意圖；主要元件對照表 100 外電源本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-14· A7 B7 五、發明説明（12 ) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印掣 1 0 1 第 —- 開關 1 0 2 第二開關 1 0 3 第三開關 1 0 4 第四開關 1 1 1 泵電容 1 1 2 輸出電容 1 2 0 地端 1 2 1 輸出端 1 0 5 開關 1 0 6 開關 1 0 7 開關 1 0 8 開關 1 1 3 電容 1 1 4 電容 3 0 1 場效電晶體 3 0 2 場效電晶體 3 0 3 場效電晶體 3 0 4 場效電晶體 1 脈波產生器 2 電阻 4 反向器 5 反向器 1 2 2 輸出端 1 1 5 基準電壓電路 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-15 A7 ' B7 五、發明説明（13 ) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 1 1 6 基準電壓 1丨 1 1 7 比較器 R 1 電阻 R 2 電阻 R 3 電阻 1 1 3 0 充電泵開關組 1 2 4 電阻 1 2 5 電阻 1 2 6 誤差放大器 1 2 7 振盪器 1 2 8 控制電路 1 3 1 增益及相位特性補償電路 1 3 2 增益及相位特性補償電路 1 2 3 輸出端 1 4 0 控制端 1 4 1 控制端. 〜1 4 2 控制端 1 5 0 泵電容 2 0 0 低功率固定電流源 2 0 2 環振盪器 2 0 4 反向器 2 0 6 反向器 1 3 3 控制端 1 « 3 5 控制端本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-· -ο. A7 B7 五、發明説明（14 ) 較佳實施例詳細說明參考附圖說明本發明充電泵電路各較佳例，其中相似部分標以相似數字。先說明本發明主要部分。圖1爲本發明充電泵電路第一例方'塊圖。此電路包含 —充電泵開關組1 3 0具多數開關元件，並具內建電容供傳送及貯存電荷，一電阻分割器包含第一電阻（R 1 ) 1 2 4及第二電阻（R 2 ) 1 2 5以分割充電泵開關組 1 3 0之輸出'電壓，一誤差放大器1 2 6可放大分割輸出電壓與基準電壓間差異，第一及第二增益及相位特性補償電路1 31，1 3 2可穩定回饋電路網路，一控制電路 1 2 8供應充電泵開關組1 3 0，而直接或間接以誤差放大器之輸出電壓或電流爲〇 N / 0 F F控制訊號，及一振盪器1 2 7。經濟部中央標车局貝工消費合作社印裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此例中，以圖1虛線顯示充電泵電路，上述設計組件均可建入單塊1C晶片。熟習者可結合各式零件於誤差放大器，電阻及電容等，亦可創出所謂混合I C »圖1例中，一栗電容（Cl) 111及一輸出電容（C2) 112 外接至充電泵電路。一般泵電容（C1)111及輸出電容（C 2 ) 1 1 2因各操作條件需大電容俥，如負載耗電大小及操作頻率。這些電容外供乃因不易形成具有電容 1 0 # f之單晶片積體電路。若輸出電流不特別重要，或振盪頻率可定於更高値，乃可建泵電容（C 1 ) 1 1 1及輸出電容（C2)112於1C中。本紙張尺度適用中國國家標準（〇阳>八4規格（2丨0乂297公釐> -17- 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 A7 __B7___ 五、發明説明（15 ) .基準電壓電路1 1 5即使電源電遍變化亦產生固定電壓。此可爲帶隙基準電壓電路等*基準電壓電路1 1 5之電源可爲外電源（VDD)l 00，或取決電路設計爲輸出端1 2 3之输出電壓。二者中，必須較基準電壓

I V r e f 高 β 振盪器1 2 7遇電流電壓波動時供應固定頻率之波形至控制電路12 8。因此可使用環振盪電路，非穩多振電路或阻擋振盪電路等，均爲習知技術而不詳述•振盪電路 1 2 7之電源可爲外電源（VDD) 1〇〇，類似基準電壓電路1 1 5所用者，或取決電路設計，可爲輸出端 1 2 3之輸出電壓Vo u t。取決輸出電流及栗電容條件，安排振盪器12 7而使用外供電壓或外接電容値調整振盪頻率。誤差放大器1 ‘2 6有一負輸入端承接基準電壓訊號 Vr e f ，一正輸入端承接充電泵開關組1 3 0之分割輸出電壓，及一輸出端輸出一添加訊號》誤差放大器1 2 6 放大或減弱分割輸出電壓與V r e f間差異。可用配有運算放大器之裝置取代第一及第二增益及相位補償電路 13 1，13 2。圖1例中，若第一增益又相位補償電路 1 3 1簡單接至誤差放大器1 2 6輸出及反向輸入端，熟習者顯然可用其他回饋方式形成誤差放大器1 2 6及第一增益及相位補償電路131。增益及相位補償非僅用於補償誤差放大器1 2 6之相位延遲。圖1例中，第二增益又相位補償電路1 3 2亦接本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐)~-18- ~ (秭先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 •ο.. 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 _ B7 ___ 五、發明説明（16 ) 至第一電阻（R1) 124·如此，¥用第一及第二增益及相位補償電路1 3 1，1 3 2穩定充電泵電路整個回饋網路。外電源電壓（VDD) 1 0 0插入外電源輸入端與地端（G N D ) 1 2 0之間》外電源電壓（VDD)l 〇〇亦接至至少充電泵開關組130。參考圖10，說明充電泵開關組1 3 0。此圖中，以虛線包圍之部分成爲充電泵開關組1 3 0。圖1 〇例中，有四開關（SW1-SW4) 101-104,各開關分別具控制端1 3 3，1 3 5，1 3 4及1 3 6，以接受控制電路1 2 8之Ο N/ Ο F F控制訊號。外電源（V D D )1 0 0經第一及第二端1 2 0，1 2 9接至充電泵開關組。外電源（V D D ) 1 〇〇經第一及第三開關（S W 1 )1 0 1及（S W 3 ) 1 0 3所加電荷傳送至泵電容（ C 1 )111，電荷之後乃由栗電容（C 1 )經第二開關 (SW2) 102及第四開關（SW4) 104傳送至输出電容（C2) 1 1 2。各開關獨立進行電荷傳送，重複之可電源（VDD) 1〇〇間接供電至輸出端•換言之，電荷非由外電源1 0 0直接傳至輸出電容1 1 2。根據圖 10電路，輸出端123處由Vou t取出最大輸出電壓爲外電源（V D D ) 1 0 0者二倍》充電泵開關組之設計不限於圖1 0構形。圖1 1爲另一充電泵開關組例。此例中，如圖1 0例同樣使用具ON /0 F F訊號輸入/輸出端之開關，但輸出端1 2 3位置本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~-19- (錆先閱讀背面之注意事項再填寫本资>. 訂 ¢. A7 B7 五、發明説明（17) 及拉線予以改變。電荷由外電源（VDD) 1〇〇傳送至泵電容（C 1 ) 1 1 1 ’之後重複傳送電荷由泵電容（ C 1 ) 1，1 1至輸出電容（C2)l 12完全與圖10例相同。但圖1 1充電泵開關組1 3 0中輸出電容（C 2 ) 1 1 2出現之電壓爲負，最大輸出電壓爲一 2 XVDD。如此可變化輸出電壓’取決於充電泵開關組1 3 0，泵電容（Cl) 111與輸出電容（C2) 112間連接形式 0 此外，開關數不限爲四，如上述開關組。圖1 2例中三額外開關（SW5，SW6，SW7) 105，106 ，107分別具控制端14〇，141及142而添加至圖1 0例。圖1 2與圖1 〇例差異在於圖1 2中電荷由外電源（VDD) IQO同時傳送至泵電容（ci) 111 及第二泵電容（C 5 ) 1 5 〇。第五開關（ S W 5 ) 1 3 7及第七開關（SW7) 1 3 9控制第二泵電容（ C5)136充電。此時，第一、第三、第五及第七開關 (SW1，SW3，SW5，SW7) 10.1，103， 105，107閉上，第二、第四及第六開關（SW2， 514，5翟6)102，1〇4，106開啓。完成栗電容充電時，第二、第四及第六開關（ SW2，SW4， SW6) 102 ’ 104，1〇6 閉上，而第一、第三，第五及第七開關（SW1，SW3，SW5，SW7) 101 ’ 103 ’105，107開啓。第一泵電容（ Cl) 111與外電源輸入端129串聯，此外充電之泵本紙張尺度適用中國國家標準（,0NS ) A4規格（2丨0 X 2们公釐）_ 20 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -Q. .經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（18 ) 電容（C S )亦串#。重複上述操作導致輸出端1 2 3之最大輸出電壓V 〇 u t爲3 X V D D · 如此，可變化最大输出電壓爲電源電壓之整數倍，改變開關及栗電容數’並藉改變元件間連接及/或變化開關時機而變化特性。因完成之方法及電路爲已知’不再贅述。.本發明之充電泵開關組包含多數開關接線—起’而外部或內建泵電容及輸出電容與其連接，裝置之功能可藉外部訊號控制多數開關。此外因M:0 S F E T等鼇晶體取決閘極電壓具可變開啓電阻，可用F E T取代上述例之一以上開關。如圖1 3 中，以FET取代圖1 0例之第一至第四開關（SW1 — SW4)101_l〇4。可用雙極電晶體取代開關元件’即用基極電流I b變化電阻。但本發明詳述中僅提及以MO S電晶體爲開關元件，以利了解。再者，MO S電晶體包含ΡΜΌ S電晶體及NMO S電晶體，只要取用閘極與源極間電壓V g s變化開啓電阻，二者均可使用。經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 (銪先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 說明裝置之操作圖14 (B)顯示加至圖14 (A)充電泵開關組中開關之0 N/0 F F控制端之電壓波形。這些波形形成於眉1控制電路12 8中。如圖14 (B)所示，斜坡波形 (鋸齒形）加至第三開關（SW3 ) 1 0 3 ’短形波形加至第一開關（SW1) 101，第二開關（SW2) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）- 21 - ! A7 _；_B7 _ 五、發明説明（19 ) 102及第四開關（SW4) 10 4, λ圖14 (A)電路電路中，充電泵有開關1 0充電泵電路如上述進行。圖 1 4 (Α)電路中，最大輸出電壓爲輸入電壓二倍。因此，操作條件決定如下：條件3 (所有部分固定）

VDD (電源電壓）=5 . 0V，f (振盪頻率） =5 0 Κ Η Z P W 0長度固定（PWO爲l/(f*2))

Cl (泵電容）=1#F，C2 (輸出電容）=10

β F 以0 — 5伏特電壓驅動斜坡波形 RSW1 (TR1 開啓時電阻）=RSW2 (TR2 開啓時電阻）2 Ω R S W 3 ( T R 3 開啓時電阻）=R S W 4 ( 丁 R 2 開啓時電阻）2 Ω . 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

/開啓時電阻爲閘極一源極電壓5 V (最大）之電阻 lout(輸出電流）=10mA 此例中，變化加至第三開關（S W 3 ) 1 0 3 (當第三開關（SW3 ) 1 0 3爲ON)之斜坡波形脈寬調整輸出電壓。加至第三開關（SW3 )最長時之電壓期間爲期間PW1，斜坡波形最大電壓爲5V »此時，由電源傳送至泵電容（C 1 ) 1 1 1之電荷亦爲最大値，故輸出電壓爲最大値。爲調整輸出電壓，使用圖14(B)箭頭所示本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐）-22- A7 __ B7_ 五、發明説明（20 ). 較小斜坡波形。換言之，電壓加至第三開關（S W 3 ) I ·

I 1 0 3之期間（導通時間）爲PW2，短於PW1，斜坡波形最大電壓僅爲3 V。爲如此變化輸出電壓，必須變化斜坡波形之最大電壓及脈寬。當脈寬短而最大電壓低’結果爲輸出電壓降低β 由下詳述，脈波波形不限於圖1 4 ( Β )中鋸齒波形。以下說明變化輸出電壓之方法功效。一般MOSFET具圖1 5Vg s (閘極源極電壓）及I ds (汲:極源極電流）特性。此非飽和條件下（ Vds<Vgs-Vt) ， Ids由等式（1)而得：

Ids= "•冗Π · [(^gs-Vt)-(-^)] · Vds · (1+ λ v Vds) (1) 私爲載子移動性，C o x爲單位面積之電容’ w爲 FET有效通道寬度，L爲實際逋道長度，Vf爲FET 臨裉値電壓，λ爲通道長度調變參數。若V d s小，等式（1 )簡化爲以下等式（2 ):

Ids= Cox% w · (rgs-Vt) · Vds=^^ · (Vgs-Vf) · Vds

L L ........'(2) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印聚 {诗先W讀背面之注意事項再蜞寫本頁) 假設 K = /i · C o x 就開啓電阻解出，可由等式（2 )導出以下等式（3 )：八 r L … ΛοΛ*= μ -cox^fvgs- vW s K-W- (Vgs- Vt)…⑶ 如條件3所示，圖1 4 ( A)電路中V g s = 5 V ’ R ο η假設爲2 Ω。爲利計算，Vt = 〇V’取代該値等本紙張尺度適用.中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-23· A 7 ____'_B7______ ——— 五、發明説明（21 ) 以下等式：、伽β^·:2(。)..·⑷

- ' , I 將等式（4)導入等式（3)，決定圖14(A)^J 所用MOSFET之Ron及Vg關係如下：, 她Τί^Γ(。)…⑸ 圖16顯示圖式之等式（5)(假設Vt=0) β當 V g s增加，R ο η漸減。再者，若V g s爲0附近（接近Vt)，因Vgs引起開啓電阻之變異大。結果’當圖 1 4 ( B )斜坡波形加至MO S F E T閘極’可隨時間變化Μ 0 S電晶體電阻。若圖1 7 ( Β )斜坡波形電壓隨時間比例變化’ MOSFET對時間之電阻可用等式（5)簡單表示’故可找出卒均電阻。圖17 (Α)顯示此計算結果，水平軸爲斜坡波形最大電塵（Vg smax)，垂直軸爲單位時間平均電阻（R a v e )。窜然，隨最大電壓增加，平均電阻減少。但可即見當最大電壓低（脈寬短），平均電阻足夠高。因此，較圖2，3 ( A ) ，4 ( A ) ，6及9所經濟部中央標準局貝工消费合作社印掣 (秭先《讀背面之注意寧項再填寫本萸) 述充電泵電路中可用斜坡波形更簡單控制輸出電壓β 因最大電壓（Vgma X)之平均電阻（Ra ν e ) 隨斜坡波形變化，可用相同方式找出脈寬（PW)及平均電阻（Rave)。可代入PW於水平軸（未示）而自圓 1 7看出。因此，躕1 4電路中斜坡波形最大電壓與脈寬間關係可用模擬決定，如圖18示。使用圖5充電栗電路模擬結果比較，差異更明顯。圖19顱示圖1 8部位放大本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~~-24- A7 __ B7_. 五、發明説明（22 ) ，若以圖5充電栗電路模擬結果比較，差.異更明顯•爲以圖5充電泵電路變化輸出電壓由6 V至7 V，脈寬僅須改變7 0 n s。另者，因脈寬必須改變7 0 0 n s，故本例極易控制。再者，加長脈寬更易提高輸出電壓。爲降低輸出電壓，開關之開啓時間更短，因電阻元件中功率損失小，輸入/輸出轉換效率高。圖14 ( A )及（Β )所示本發明例中，固定矩形波形脈寬第一、第二及第四開關（SW1，SW2，SW4 )101，1__02，104之閘極電壓波形），亦可予以變化以符合斜坡波形開啓時間。如圖2 0箭頭所示，斜坡波形升降與矩形波形同步。此充電泵操作完全與上述相同〇經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (餚先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖2 1顯示斜坡波形子同例。變化斜坡波形由_§_至_g_ ，可變化輸出電壓。根據波形卫_，輸出電壓升降快，特定時間內抵最大電壓。波形互_類似上述。相較波形上_，波形平均電阻較低，而充電泵電路之輸出電壓高。若輸出電壓低，即使用波形之斜坡波形，平均電阻高而輸出電壓低，可輕易調整輸出電壓。若習知例中開關控制訊號之脈波電壓起升點發生延遲，有時波形似波形1，此延遲非基於可控制地產生，不可視爲本發明所用斜坡波形。本發明之斜坡波形經精心設計，在電壓抵峯値須經過一段時間。圖2 2及2 3爲應用本發明之斜坡波形另例。根據圖 2 2斜坡彼形，當脈寬抵最大値，平均電阻低於圖2 0者本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐）~-25- 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 A7 __ B7_______ 五、發明説明（23 ) 。因此使用本波形可由充電栗電路取得大輸出電流。根據圖2 3波形，若脈寬處於最大値，平均電阻低。另者’當設定輸出電壓低，調整脈寬之範圍較寬· 因此，即使輸出電壓之波形未隨時間比例變化，仍可輕易調整充電泵電路之輸出電壓。換言之，若使用電壓波形中輸出電壓隨時間上升而驅動作爲開關之MO S F E T 閘極，可輕易調整輸出電壓。若使用雙極電晶體爲開關’ 基極電流隨時間一起上升即足夠，若使用電阻隨時間變化之裝置，可用其他種開關實施本發明。再者，可用簡單電路形成斜坡波形。圖2 4及2 5顯示產生斜坡波形之電路。圖2 4例中，僅用低功率固定電流源2 0 0，環振盪器2 0 2及反向器2 0 4可簡單創出圖2 0之鋸齒波形。此類似習知用途之振盪，且電路尺寸不大•此外，此電路製造成本很低。且不須產生極短脈寬，故耗電少。圖2 5 例中，僅用低功率固定電流源2 0 0，環振盪器2 0 2及反向器2 0 6可完成圖2 1波形，類似圖2 4電路。此亦製造低廉，不耗電。如上述，根據本發明，使用可調整斜坡波形驅動電荷轉移所用開關元件以控制輸出電壓，免除複雜電路或耗電性，尤其可用簡單電路產生斜坡波形。上述例中，施加斜坡波形至第三開關（SW3 ) 1 0 3而調整輸出電壓。但可知亦可類似地施加斜坡波形至其他開關之一或以上而調整輸出電壓· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（2】0 X 297公釐）""""-26- ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .tT. -oi. A7 B7 五、發明説明（24) .參考圖10電路圖說明之。討論至今之電路中，斜坡波形加至圖1 0控制端1 3 4。若斜坡波形僅加至控制端 1 3 2 ,仍可調整由外電源（VDD) 1 0 0傳至泵電容 (C)之電荷。如此可輕易了解，不再赘述。再者，若斜坡波形同時加至控制端132及134可得同結果。 .即使使用斜坡波形控制傳送負載由泵電容（C 1 ) 1 1 1至輸出電容（C 2 ) 1 1 2之開關電阻，亦可變化輸出電源。換言之，可分開加斜坡波形至控制.端1 3 3或 1 3 5而調整·而栗電容（C 1 ) 1 1 1傳至傳出電容（2 ' )1 1 2之負載。尤其，若斜坡波形同時加至控制端 1 33及1 35，雖然可調整輸出電源。根據本發明如上述，驅動充電栗電路所使用之方法以斜坡波形控制一以上開關裝置之平均電阻，當輸出電壓波動時，使用回饋電路等變化開關電路電阻使輸出電壓保持固定。再者，達成此結果之電路尺寸小，耗電少，不須高速操作即可輕易控制輸出電壓。經濟部中央標率局貝工消费合作社印製 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外輸出入效率高，輸出紋波訊低，無射頻噪訊，結果可廣泛使用本發明充電泵電路爲各種攜帶式電子設備之電源。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐）-27-

Claims

經濟部中央標準局貝工消費合作社印裂 A8 BS C8 D8 六、申請專利範圍 1 . 一種充電泵電路，包含：一輸入端承接一電源電 / 壓；一以上第一電容，電容値足夠允許充電至電源電壓位準；第一及第二開關並聯至一以上第一電容及輸入端；一 ' 以上第二電容’電容可自一以上第一電容傳送至第二電容 I :及第二及第四開關並聯至第一及第二電容；及控制機構，控制第一及第二開關傳送電荷由輸入端而充電一以上第一電容’並控制第三及第四開關傳送電荷由一以上第一電容至一以上第二電容：其中第一至第四開關至少之一具可變開啓電阻’ ·而控制機構包含機構控制開關使開啓電阻隨時間變化。 2 .如申請專利範圍第1項之充電泵電路，其中具可變開啓電阻之至少一開關包含一MO S電晶體由隨時間逐漸變化之閘極電壓驅動。 3 .如申請專利範圔第1項之充電泵電路，其中具可變開啓電阻之至少一開關包含隨時間逐漸變化之基極電流所驅動之雙極電晶體。 / 4 ·如申請專利範圍第1項之充電泵電路，其中控制機構包含機構以一波形控制具可變開啓電阻之至少一開關，波形之振幅隨時間變化，以控制充電至少一第一電容及至少一第二電容》 5 .如申請專利範圍第4項之充電泵電路，其中波形包含斜坡波形。 6 .如申請專利範圍第5項之充電泵電路，其中控制機構包含機構可降低斜坡波形之最大振幅及脈寬至少之一本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS > A4规格（210X297公釐） 28 · (請先W讀背面之注$項再填窝本頁) r IT A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍，以降低至少一第一電容及至少一第二每容之充電位準。· 7 .如申請專利範圍第5項之充鼋泵電路*其中控制機構包含機構可增加斜坡波形之最大振福及脈寬至少之一，以降低至少一第一電容及至少一第二電容之充電位準。 8 .如申請專利範圍第1項之充電泵電路，另包含一環振盪器可產生斜坡波形以驅動具可變開啓電阻之至少一開關，以隨時間變化開啓電阻。 9 .—種充電泵電路，包含：一輸入端承接一源電壓；一開關組具一以上開關元件以傳送電荷由輸入端至輸出端；一以上電容連接至選定一以上開關元件以接受傳送之電荷；一輸出端接至一以上電容至少之一以輸出傳送之電荷爲輸出電壓；一回饋網路可回饋輸出電壓之分割部；及一控制電路承接回饋網路之輸出回據以控制一以上開關元件而保持輸出電壓固定；其中至少一開關元件其可變開啓電阻且控制電路包含機構驅動開關元件而變化其開啓電阻，以控制一以上電容之充電而保持輸出電壓固定。經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 (請先閾讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 0 ·如申請專利範圍第9項之充電泵電路，其中一以上電容钽含第一及第二電容；開關組包含第一及第二開關元件並聯至輸入端及第一電容以傳送電荷由輸入端至第 {. —電容，及第三及第四開關元件並聯至第一電容及第二電容以傳送電荷由第一電容至第二電容。 1 1 .如申請專利範圍第9項之充電泵電路，其中一以上電容包含第一、第二及第三電容；而開關組包含第一及第二開關元件並聯至輸入端及第一電容以傳送電荷由輸本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐)~~- 29 - 六、申請專利範園入端至第一電容，第三及第四開關元件並聯至輸入端及第二電容以傳送電荷由輸入端至第二電容，第五及第六開關 _ . I 元件並聯至第一電容及第二電容以傳送電荷由第一電容至第二電容。 , 12.如申請專利範圍第9項之充電泵電路，其中具可變開啓電阻之至少一開關包含一MO S電晶體，而由隨時間逐漸變化之閘極電壓所驅動。 1 3 .如申請專利範圍第9項之充電泵電路，其中具可變開啓電阻之至少一開關包含一雙極電晶體，而由隨時間逐漸變化之基極電流所驅動。 1 4 .如申請專利範圍第9項之充電泵電路，其中控制電路包含機構以一波形控制具可變開啓電阻之至少一開關，波形之振幅隨時間變化以控制至少一電容之充電位準〇一 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之充電泵電路，其中波形包含斜坡波形。經濟部中央標準局負工消費合作社印装 {請先閎讀背面之注意事項再填窝本頁) 16.如申請專利範圍第15項之充電泵電路，其中控制電路包含機搆降低.斜坡波形之最大振幅及脈寬至少之 —以降低至少一電容之充電位準。 1 7 .如申請專利範圔第1 5項之充電泵電路，其中控制電路包含機構增加斜坡波形之最大振幅及脈寬至少之 —以增加至少一電容之充電位準。 1 8 .如申請專利範圍第9項之充電栗電路，另包含 —環振盪器產生斜坡波形以驅動具可變開啓電阻之至少一本紙張尺度逍用中國國家標率（CNS ) A4规格（210X297公釐）~-30: A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍開關，乃根據時間變化開啓電阻以控制至少一電容之充電位準。經濟部中央標準局員工消費合作社印装 (诗先聞讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-31 -