TWI408526B - 具自動溫度補償之多段式電壓調節電路及方法 - Google Patents

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Description

具自動溫度補償之多段式電壓調節電路及方法
本發明是有關於一種電源電壓調節電路，且特別是有關於一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路及方法。
在供應液晶面板電源之電壓調節電路中，由於液晶面板所使用之薄膜電晶體(Thin Film Transistor，簡稱TFT)的導通電壓(gate-on voltage)會隨著溫度的降低而提高，故為了在低溫環境下仍能維持液晶面板之正常運作，不得不將液晶面板之電源電壓予以提高。惟，此一作法雖可解決液晶面板之低溫啟動的問題，卻會引致液晶面板正常運作後、其操作溫度提昇時效能不佳之問題。
為了解決此一問題，習知係以如圖1所示之升壓型(Boost-type)具自動溫度補償之電壓調節電路或如圖2所示之固定式電荷泵型(Fixed-mode charge-pump type)具自動溫度補償之電壓調節電路，來作為供應液晶面板電源之電壓調節電路，以在液晶面板正常運作後、其操作溫度提昇時，將輸出之電源電壓予以降低，進而改善液晶面板正常運作時效能不佳之問題。
然而，圖1之升壓型具自動溫度補償之電壓調節電路，由於需使用電感及功率電晶體元件，以致成本無法下降，而圖2之固定式電荷泵型具自動溫度補償之電壓調節電路，雖然成本較低，但卻因為可調電壓範圍固定，以致運作效能的改善受到極大的限制。
有鑑於此，本發明之目的是提供一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路及方法，其不僅製造成本低且能維持高度之運作效能。
為達上述及其他目的，本發明提供一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路，適用於依據一環境溫度來自動調節其輸出電源之電壓，此電路包括：多個電荷泵、溫度補償器、比較單元及控制邏輯電路。
其中，每一電荷泵均連接有輸入電源，溫度補償器係用以偵測所述之環境溫度，並輸出與環境溫度相關之參考電壓。比較單元耦接溫度補償器，用以比較輸出電源之電壓及溫度補償器輸出之參考電壓，並據以產生一比較訊號，控制邏輯電路則耦接比較單元，用以依據比較訊號及電荷泵所連接之輸入電源的電壓，來控制電荷泵之充放電操作，以自動調節輸出電源之電壓。
在一實施例中，此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路的控制邏輯電路包括：模式決定邏輯電路與模式操作邏輯電路。模式決定邏輯電路用以依據電荷泵所連接之輸入電源及輸出電源的電壓，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作，而模式操作邏輯電路則耦接模式決定邏輯電路，用以依據比較訊號來控制模式決定邏輯電路所決定應致能運作之電荷泵的充放電操作。其中，模式決定邏輯電路係以致能之電荷泵所連接之輸入電源的電壓值總和高於輸出電源之電壓值一預設值以上為原則，來決定應致能哪幾個電荷泵之運作。
在一實施例中，此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路的每一電荷泵係由具有相互串接之兩開關的開關組、以及連接於開關組之串接點上的電容所構成。其中，所述之開關組係由PMOS電晶體及NMOS電晶體所構成。
在一實施例中，此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路的溫度補償器，其所輸出之參考電壓係介於一高限電壓值與一低限電壓值之間。
在一實施例中，此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路的比較單元包括：比較器、第一電阻及第二電阻。比較器具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端，第一輸入端用以接收溫度補償器輸出之參考電壓，輸出端用以輸出比較訊號，第一電阻之一端連接於輸出電源、另一端連接於比較器之第二輸入端，第二電阻之一端連接於比較器之第二輸入端、另一端則接地。
本發明另提供一種具自動溫度補償之多段式電壓調節方法，適用於依據一環境溫度，來自動調節一電壓調節電路之輸出電源的電壓，所述之電壓調節電路具有多個電荷泵，每一電荷泵並連接有輸入電源。此多段式電壓調節方法包括下列步驟：偵測環境溫度，並依據所偵測之環境溫度來輸出一參考電壓；比較輸出電源之電壓及參考電壓，並據以輸出一比較訊號；以及依據所述之比較訊號及電荷泵所連接之輸入電源的電壓，來控制電荷泵之充放電操作，以自動調節輸出電源之電壓。
其中，控制電荷泵之充放電操作的步驟更包括：依據電荷泵所連接之輸入電源及輸出電源的電壓，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作；以及依據比較訊號來控制致能運作之電荷泵的充放電操作。
其中，係以致能之電荷泵所連接之輸入電源的電壓值總和高於輸出電源之電壓值一預設值以上為原則，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作。
其中，依據偵測之環境溫度而輸出之參考電壓，係介於一高限電壓值與一低限電壓值之間，以確保電路得以正常運作。
綜上所述可知，本發明所提供之一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路及方法，由於毋需使用電感及功率電晶體元件，故可降低製造成本，另外，也因為其可隨著液晶面板操作溫度的提昇，來適時地調節輸出電源之電壓，故能維持高度之運作效能。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特以較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參圖3所示，其係顯示根據本發明較佳實施例之一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路示意圖。此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路30，係可適用於依據所偵測之環境溫度來自動調節其輸出電源Vout之電壓。
如圖所示，此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路30包括多個電荷泵34、35~36、溫度補償器31、比較單元32及具有模式決定邏輯電路331與模式操作邏輯電路332之控制邏輯電路33。
其中，電荷泵34係由相互串接之PMOS電晶體341與NMOS電晶體342所組成之開關組及連接於開關組之串接點上的電容343所構成，電荷泵35係由相互串接之PMOS電晶體351與NMOS電晶體352所組成之開關組及連接於開關組之串接點上的電容353所構成。依此類推地，電荷泵36則由相互串接之PMOS電晶體361與NMOS電晶體362所組成之開關組及連接於開關組之串接點上的電容363所構成。
另外，PMOS電晶體341、351~361之另一端分別連接至輸入電源Vin1、Vin2~Vinn，電容343之另一端經由二極體371連接至輸入電源Vinm、並經由二極體372、373連接至電容353之另一端，電容353經由二極體374、375連接至電容363之另一端，電容363經由二極體376連接至輸出電源Vout。
比較單元32耦接溫度補償器31，其係由比較器321、電阻322及323所構成。比較器321具有一正輸入端、一負輸入端與輸出端，電阻322之一端連接於輸出電源Vout、另一端連接於比較器321之負輸入端，電阻323之一端連接於比較器321之負輸入端、另一端則接地。因此，比較器321即得以應用其正輸入端，來接收溫度補償器31依據所偵測之環境溫度而輸出之參考電壓Vref_TC，並與藉由電阻322、323迴授取得之輸出電源Vout的電壓相比較，再經由輸出端將代表比較結果之比較訊號Comp傳送至模式操作邏輯電路332。
此時，模式操作邏輯電路332即得以依據比較訊號Comp，來控制電荷泵34、35~36之充放電操作，以自動調節輸出電源Vout之電壓。其調節方式較佳地係同時參考模式決定邏輯電路331輸出之致能訊號M1~Mn來操作，而致能訊號M1~Mn之致能與否，則由模式決定邏輯電路331依據電荷泵34、35~36所連接之輸入電源Vin1、Vin2~Vinn及輸出電源Vout的電壓來決定。
其中，模式決定邏輯電路331係以致能之電荷泵34、35~36所連接之輸入電源Vin1、Vin2~Vinn的電壓值總和高於輸出電源Vout之電壓值一預設值以上為原則，來決定應致能哪幾個電荷泵34、35~36之運作。其運算式如下：
VCPn =Vinm+ΣVinn　......(1)
VCPn-1 -ΔVn-1 <Vout<VCPn -ΔVn 　......(2)
上式中，VCPn 代表致能n個電荷泵34、35~36運作時，所致能之電荷泵34、35~36連接之輸入電源Vin1、Vin2~Vinn的電壓值總和，VCPn-1 代表致能n-1個電荷泵34、35~36運作時，所致能之電荷泵34、35~36連接之輸入電源Vin1、Vin2~Vinn的電壓值總和，ΔVn 及ΔVn-1 則分別代表所致能之電荷泵34、35~36連接之二極體所造成之壓降。
上式係同時考慮連接於電荷泵34、35~36之間的二極體所造成之壓降的結果，也就是說，模式決定邏輯電路331輸出之致能訊號M1~Mn，其所致能運作之電荷泵34、35~36連接之輸入電源Vin1、Vin2~Vinn的電壓值總和，至少應較輸出電源Vout之電壓值高出二極體所造成之壓降為原則，以避免實際調節之輸出電源Vout的電壓，無法達到溫度補償器31依據所偵測之環境溫度而輸出之參考電壓Vref_TC的要求。
請參圖4所示，其係顯示圖3之溫度補償器31輸出的參考電壓之波形示意圖。圖中，溫度補償器31所輸出之參考電壓Vref_TC，僅在溫度介於T1與T2時，才會輸出與所偵測之環境溫度相關的參考電壓Vref_TC值，當溫度低於T1時，係維持於高限電壓值VHI，而在溫度高於T2時，則維持在低限電壓值Vref，以確保所調節之輸出電源Vout的電壓可以介於高限電壓值VHI與低限電壓值Vref之間，以便得以維持應用電路之正常運作。
請參圖5所示，其係顯示一種具自動溫度補償的兩段式電壓調節電路實施例圖。圖中，此具自動溫度補償之兩段式電壓調節電路50係僅使用兩個電荷泵54、55，且電荷泵54、55均連接至相同之輸入電源AVDD。另外，圖3之基本輸入電源Vinm，則除了以相同之輸入電源AVDD來替代外，更經由電容58而連接至應用電路之電壓調節器用以調節輸出一倍AVDD的功率開關SW。因此，此具自動溫度補償之多段式電壓調節電路50之基本輸出電源Vout即為2倍之AVDD，並得以將輸出電源Vout選擇性地調節於3倍或4倍之AVDD。
圖5中，模式決定邏輯電路已被簡化為一比較器531來實現，比較器531之正輸入端連接輸入電源AVDD減去1伏特之電壓，負輸入端連接輸出電源Vout除以3之電壓，並於比較後將代表比較結果之致能訊號Mode，經由輸出端予以輸出。其中，比較器531之正輸入端連接輸入電源AVDD減去1伏特之電壓的原因，乃是考慮連接於電荷泵54、55之二極體所造成的電壓降之故。
於是，當電源啟動後，此具自動溫度補償之兩段式電壓調節電路50將操作在預設之4倍AVDD的模式，而當溫度逐漸提昇使得溫度補償器51輸出之參考電壓Vref_TC變小，進而降低了輸出電源Vout之電壓至小於3*(AVDD-1)時，比較器531將輸出高準位之致能訊號Mode，以便致能兩個電荷泵54、55之PMOS電晶體541、551與NMOS電晶體542、552所組成開關組之其一的運作，藉以提高電路的運作效能。
反之，當溫度降低使得溫度補償器51輸出之參考電壓Vref_TC升高，進而提昇了輸出電源Vout之電壓至高於3*(AVDD-1)時，比較器531將輸出低準位之致能訊號Mode，以同時致能兩個電荷泵54、55之PMOS電晶體541、551與NMOS電晶體542、552所組成之開關組的運作，以利於維持輸出電源Vout之電壓於所需之準位。
綜上所述，可歸納一種具自動溫度補償之多段式電壓調節方法，其適用於依據一環境溫度，來自動調節一電壓調節電路之輸出電源的電壓，所述之電壓調節電路具有多個電荷泵，每一電荷泵並連接有輸入電源。此多段式電壓調節方法包括下列步驟：偵測環境溫度，並依據所偵測之環境溫度來輸出一參考電壓；比較輸出電源之電壓及參考電壓，並據以輸出一比較訊號；以及依據所述之比較訊號及電荷泵所連接之輸入電源的電壓，來控制電荷泵之充放電操作，以自動調節輸出電源之電壓。
其中，控制電荷泵之充放電操作的步驟更包括：依據電荷泵所連接之輸入電源及輸出電源的電壓，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作；以及依據比較訊號來控制致能運作之電荷泵的充放電操作。
其中，係以致能之電荷泵所連接之輸入電源的電壓值總和高於輸出電源之電壓值一預設值以上為原則，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作。
其中，依據偵測之環境溫度而輸出之參考電壓，係介於一高限電壓值與一低限電壓值之間，以確保電路得以正常運作。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之各種更動與潤飾，亦屬本發明之範圍。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
30．．．具自動溫度補償之多段式電壓調節電路
31、51．．．溫度補償器
32．．．比較單元
321、531．．．比較器
322、323．．．電阻
33．．．控制邏輯電路
331．．．模式決定邏輯電路
332．．．模式操作邏輯電路
34、35、36、54、55．．．電荷泵
341、351、361、541、551．．．PMOS電晶體
342、352、362、542、552．．．NMOS電晶體
343、353、363、58．．．電容
371、372、373、374、375、376．．．二極體
50．．．具自動溫度補償之兩段式電壓調節電路
圖1係顯示習知之升壓型具自動溫度補償之電壓調節電路示意圖。
圖2係顯示習知之固定式電荷泵型具自動溫度補償之電壓調節電路示意圖。
圖3係顯示根據本發明較佳實施例之一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路示意圖。
圖4係顯示圖3之溫度補償器輸出的參考電壓波形示意圖。
圖5係顯示一種具自動溫度補償的兩段式電壓調節電路實施例圖。
30．．．具自動溫度補償之多段式電壓調節電路
31．．．溫度補償器
32．．．比較單元
321．．．比較器
322、323．．．電阻
33．．．控制邏輯電路
331．．．模式決定邏輯電路
332．．．模式操作邏輯電路
34、35、36．．．電荷泵
341、351、361．．．PMOS電晶體
342、352、362．．．NMOS電晶體
343、353、363．．．電容
371、372、373、374、375、376．．．二極體

Claims (11)

  1. 一種具自動溫度補償之多段式電壓調節電路，適用於依據一環境溫度，來自動調節一輸出電源之電壓，包括：多個電荷泵，每一電荷泵均連接有輸入電源；一溫度補償器，用以偵測該環境溫度，並依據該環境溫度輸出一參考電壓；一比較單元，耦接該溫度補償器，用以比較該輸出電源之電壓及該參考電壓，並據以輸出一比較訊號；以及一控制邏輯電路，耦接該比較單元，用以依據該比較訊號及該些電荷泵所連接之輸入電源的電壓，來控制該些電荷泵之充放電操作，以自動調節該輸出電源之電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多段式電壓調節電路，其中該控制邏輯電路包括：一模式決定邏輯電路，用以依據該些電荷泵所連接之輸入電源及該輸出電源的電壓，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作；以及一模式操作邏輯電路，耦接該模式決定邏輯電路，用以依據該比較訊號來控制致能運作之該些電荷泵之充放電操作。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多段式電壓調節電路，其中該模式決定邏輯電路係以致能之該些電荷泵所連接之輸入電源的電壓值總和高於該輸出電源之電壓值一預設值以上為原則。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多段式電壓調節電路，其中每一電荷泵包括：一開關組，具有相互串接之兩開關；以及一電容，連接於該開關組之串接點上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多段式電壓調節電路，其中該開關組係由一PMOS電晶體及一NMOS電晶體所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多段式電壓調節電路，其中該溫度補償器輸出之該參考電壓介於一高限電壓值與一低限電壓值之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多段式電壓調節電路，其中該比較單元包括：一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端用以接收該參考電壓，該輸出端用以輸出該比較訊號；一第一電阻，一端連接該輸出電源，另一端連接該第二輸入端；以及一第二電阻，一端連接該第二輸入端，另一端接地。
  8. 一種具自動溫度補償之多段式電壓調節方法，適用於依據一環境溫度，來自動調節一電壓調節電路之輸出電源的電壓，該電壓調節電路具有多個電荷泵，每一電荷泵均連接有輸入電源，該方法包括下列步驟：偵測該環境溫度，並依據該環境溫度輸出一參考電壓；比較該輸出電源之電壓及該參考電壓，並據以輸出一比較訊號；以及依據該比較訊號及該些電荷泵所連接之輸入電源的電壓，來控制該些電荷泵之充放電操作，以自動調節該輸出電源之電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多段式電壓調節方法，其中控制該些電荷泵之充放電操作的步驟更包括：依據該些電荷泵所連接之輸入電源及該輸出電源的電壓，來決定應將哪幾個電荷泵致能運作；以及依據該比較訊號來控制致能運作之該些電荷泵之充放電操作。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多段式電壓調節方法，其中致能之該些電荷泵所連接之輸入電源的電壓值總和高於該輸出電源之電壓值一預設值以上。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之多段式電壓調節方法，其中該參考電壓係介於一高限電壓值與一低限電壓值之間。
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