TWI481163B - 充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法 - Google Patents

充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法 Download PDF

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Description

充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法
本發明係指一種充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法，尤指一種可依負載狀況調變輸出驅動能力，並同時兼顧輸出漣波及供載能力之效能的充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法。
一般來說，一充電幫浦(charge pump)可用來提供穩定輸出電壓至不同負載，而習知對充電幫浦之控制方式有兩種，分別為以運算放大器及以比較器進行控制。在以運算放大器進行控制的架構下，輸出電壓具有較小的輸出漣波，但在不同負載和外部元件下會有穩定度之考量；而在以比較器進行控制的架構下，雖然沒有穩定度問題，但有輸出電壓具有較大之週期性輸出漣波，且在某些負載下可能會產生音頻雜訊。
舉例來說，請參考第1A圖，第1A圖為習知一充電幫浦裝置10之示意圖。充電幫浦裝置10係以運算放大器(operational amplifier)控制之架構，包含有一充電幫浦電路102、一運算放大器104、一調整電晶體106以及一驅動級108。簡單來說，充電幫浦電路102可根據驅動級108所產生之一驅動訊號DRVP，產生一輸出電壓VGH。譬如充電幫浦電路102可為一狄克森充電幫浦，其於驅動訊號DRVP為低準位時，一輸入電壓AVDD可對飛馳電容(flying capacitor)CF1、CF2充電，使得於驅動訊號DRVP為高準位而抬升飛馳電容CF1、CF2電位時，飛馳電容CF1、CF2所儲存之電荷可傳輸至一輸出電容CS1，以將輸出電壓VGH幫浦至所欲準位。
在產生進行控制之驅動訊號DRVP方面，分壓電阻R1、R2可將輸出電壓VGH分壓以產生一回授電壓FBP予運算放大器104。運算放大器104可比較回授電壓FBP及一參考電壓VREF以提供一輸出訊號OP_OUT予調整電晶體106進行調整，即當輸出電壓VGH較高時，回授電壓FBP亦較高，而拉高輸出訊號OP_OUT，使得調整電晶體106之導通電阻變大(閘極電壓較高)；當輸出電壓VGH較低時，回授電壓FBP亦較低，而拉低輸出訊號OP_OUT，使得調整電晶體106之導通電阻變小(即閘極電壓較低)。接著，驅動級108根據調整電晶體106及一時脈訊號CLK產生驅動訊號DRVP，以控制充電幫浦電路102產生所欲之輸出電壓VGH。
詳細來說，請參考第1B圖，第1B圖為第1A圖所示之充電幫浦裝置10之訊號示意圖。如第1B圖所示，由於驅動級108係於時脈訊號CLK之高準位時不斷將所產生之驅動訊號DRVP觸發至高準位，且調整電晶體106之導通電阻會因輸出電壓VGH進行調整，因此最後充電幫浦電路102對輸出電容CS1之輸出電壓VGH之充電電流對等於於外在負載之放電電流。由於輸出電壓VGH之漣波大小正比於充放電電流，因此具有較小輸出漣波(運算放大器控制之架構之驅動訊號DRVP之高準位較比較器控制之架構下較小，此部份稍後解釋)。
然而，由於充電幫浦裝置10之架構在輸出會有一個極點1/(2π*CS1*外在負載值)，因此在不同外在負載和輸出電容CS1時會改變此極點，因而有穩定度之考量。
另一方面，請參考第2A圖，第2A圖為習知一充電幫浦裝置20之示意圖。充電幫浦裝置20之與充電幫浦裝置10部分相似，因此元件及訊號之作用相似者以相同符號表示。充電幫浦裝置20係以比較器控制之架構，包含有一充電幫浦電路102、一比較電路204、一驅動級206以及分壓電阻R1、R2，而比較電路204包含有一比較器208、一正反器(flip-flop)210以及一反及閘(NAND gate)212。簡單來說，充電幫浦電路102可根據驅動級206所產生之驅動訊號DRVP，將輸出電壓VGH幫浦至所欲準位之運作與上述相似，於此不再贅述。
在產生進行控制之驅動訊號DRVP方面，分壓電阻R1、R2可將輸出電壓VGH分壓以產生回授電壓FBP予比較器208。比較器208可比較回授電壓FBP及參考電壓VREF以提供一比較輸出訊號COMP_OUT，正反器210可於時脈訊號CLK之上緣觸發並輸出當時比較輸出訊號COMP_OUT之電壓準位，以提供一比較取樣訊號COMP_SAM(即比較取樣訊號COMP_SAM於時脈訊號CLK之一週期內維持相同準位，不同於比較輸出訊號COMP_OUT可能會受外界雜訊或干擾而有準位變化)，而反及閘212可根據比較取樣訊號COMP_SAM及時脈訊號CLK產生一比較結果訊號COMP_SIG予驅動級206，使得驅動級206可據以產生驅動訊號DRVP，以控制充電幫浦電路102產生所欲之輸出電壓VGH。
詳細來說，請參考第2B圖，第2B圖為第2A圖所示充電幫浦裝置20之訊號示意圖。如第2B圖所示，當輸出電壓VGH低於一目標電壓後(即回授電壓FBP小於參考電壓VREF)，比較取樣訊號COMP_SAM於時脈訊號CLK之一上緣開始輸出一個週期的高準位，比較取樣訊號COMP_SAM與時脈訊號CLK皆為高準位時(即比較結果訊號COMP_SIG為低準位)，驅動訊號DRVP為高準位以控制充電幫浦電路102不斷對輸出電壓VGH充電。接著，於輸出電壓VGH高於目標電壓後，比較取樣訊號COMP_SAM於時脈訊號CLK之另一上緣開始輸出一個週期的低準位，使驅動訊號DRVP維持低準位而不對輸出電壓VGH充電，此時輸出電容CS1之輸出電壓VGH會因對外在負載供電而逐漸降低，直到低於目標電壓後再重覆上述行為。在此情形下，由於充電幫浦裝置20僅比較回授電壓FBP及參考電壓VREF，因此沒有穩定度問題。
另一方面，相較於充電幫浦裝置10於時脈訊號CLK之高準位時皆將驅動訊號DRVP觸發至高準位，充電幫浦裝置20僅於比較取樣訊號COMP_SAM與時脈訊號CLK皆為高準位才將驅動訊號DRVP觸發至高準位(驅動訊號DRVP時打時不打)，每次充放電的電流會大於平均電流(即負載電流)，因此穩態時充電幫浦電路102對輸出電容CS1之輸出電壓VGH之平均充電電流對等於外在負載之放電電流，以將輸出電壓VGH維持於一目標電壓。
詳細來說，驅動訊號DRVP為高準位時之準位高低和驅動訊號DRVP驅動能力有關。若是比較器架構，則驅動級206之電晶體會全力打開，故驅動訊號DRVP為高準位時之準位會較高；若是運算放大器架構，則運算放大器104之輸出訊號OP_OUT會藉由調整電晶體106調整驅動級108之輸出能力，故驅動訊號DRVP為高準位時之準位會較低。充電幫浦電路102提供負載能量的大小由驅動訊號DRVP觸發為高準位的次數與振幅決定，在不同負載下，比較器架構調變的是觸發為高準位的次數，運算放大器架構架構調變的是觸發為高準位的振幅。
當系統處於穩態時，充電幫浦電路102對輸出電壓VGH之充電電流必須等於負載電流，這樣輸出電壓VGH才能穩定。由於運算放大器架構之驅動訊號DRVP一直打，故充電幫浦電路102對輸出電壓VGH之充電電流就等於負載電流；而比較器架構之驅動訊號DRVP一下打一下不打，故充電幫浦電路102對輸出電壓VGH之充電電流會大於負載電流。又輸出漣波大小正比於充放電電流，故充電電流較大之比較器架構造成輸出電壓VGH會有較大之週期性輸出漣波。
在此情況下，雖然以比較器控制之充電幫浦裝置20沒有穩定度問題，但其具有較大輸出漣波，若透過降低驅動訊號DRVP之驅動能力以減少輸出漣波，其可供載能力亦會下降，有可能無法適當供載。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。
本揭露提供一種可依負載狀況調變輸出驅動能力，並同時兼顧輸出漣波及供載能力之效能的充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法。
根據本揭露的一方面，提供一種充電幫浦裝置，包含有一驅動級，用來產生對應於一驅動能力之一驅動訊號；一充電幫浦電路，用來根據該驅動訊號，產生一輸出電壓；一比較電路，其包括第一比較器，該第一比較器用來比較該輸出電壓及一第一參考電壓，產生一第一比較訊號；一過載偵測電路，用來根據該第一比較訊號與該輸出電壓當中至少之一者，以產生一偵測結果；以及一驅動能力控制電路，耦接於該過載偵測電路與該驅動級之間，用來根據該偵測結果，控制該驅動訊號所對應之該驅動能力。
根據本揭露的另一方面，提供一種充電幫浦裝置，包含有一驅動級，其具有一控制輸入端、一驅動輸入端以及一驅動輸出端；一充電幫浦電路，其具有一輸入端耦接至該驅動級之該驅動輸出端，以及一輸出端；一比較電路，其包括第一比較器，其具有一輸入端耦接至該充電幫浦電路之該輸出端，以及一輸出端耦接至該驅動級之該驅動輸入端；一過載偵測電路，其具有至少一個偵測輸入端，耦接至該比較電路之該輸出端與該充電幫浦電路之該輸出端當中之一者，以及一至多個偵測輸出端；以及一驅動能力控制電路，耦接於該過載偵測電路之該一至多個偵測輸出端與該驅動級之該控制輸入端之間。
根據本揭露的再另一方面，提供一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦裝置中。該驅動能力調整方法包含於一啟動期間，該驅動能力控制電路係依據該充電幫浦裝置之一輸出電壓是否達到於一目標電壓來設定一驅動能力來驅動該充電幫浦裝置；以及於該啟動期間後之一操作期間內，重複執行下述步驟：(i)依據該輸出電壓是否未維持於該目標電壓來設定該驅動能力，以及(ii)依據該輸出電壓是否已達到於該目標電壓來設定該驅動能力。
根據本揭露的更另一方面，提供一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦裝置中，該驅動能力調整方法包含(i)當一輸出電壓未維持於一目標電壓時，以一特定驅動能力進行驅動以產生該輸出電壓；以及(ii)當該輸出電壓到達該目標電壓時，根據該輸出電壓先前未維持於該目標電壓之次數，以對應該次數之一驅動能力進行驅動以產生該輸出電壓。
在本發明之範例實施例之充電幫浦裝置及其驅動能力調整方法中，藉由偵測充電幫浦電路之輸出電壓是否維持於一目標電壓以及未維持於該目標電壓之次數，對應地調整驅動級之驅動能力，進而能夠輸出具有能維持負載之最小漣波之輸出電壓。為更清楚地瞭解本發明，以下將配合圖式，以至少一範例實施例來作詳細說明。在本發明之範例實施例中，所提到的連接用語，例如：耦接或連接等，僅是參考附加圖式用以例示說明，並非用來限制實際上兩個元件之間的連接關係是直接耦接或間接耦接。
請參考第3A圖，第3A圖為本發明實施例之一充電幫浦(charge pump)裝置30之示意圖。如第3A圖所示，充電幫浦裝置30包含有一驅動級302、一充電幫浦電路304、一比較電路306、一過載偵測電路308以及一驅動能力控制電路310。
簡單來說，驅動級302具有一控制輸入端、一驅動輸入端以及一驅動輸出端，可產生對應於一驅動能力之一驅動訊號DRVP’。充電幫浦電路304具有一輸入端耦接至驅動級302之該驅動輸出端，以及一輸出端，可根據驅動訊號DRVP’，產生一輸出電壓VGH’。比較電路306包括一比較器312，其具有一輸入端耦接至充電幫浦電路304之該輸出端，以及一輸出端耦接至驅動級302之該驅動輸入端，比較器312可比較輸出電壓VGH’及一參考電壓VREF1，產生一比較訊號COMP_OUT’。
過載偵測電路308具有至少一個偵測輸入端，耦接至比較電路306之該輸出端與充電幫浦電路304之該輸出端當中之一者(譬如圖中所示，該至少一個偵測輸入端當中之一者係直接耦接於比較器312之該輸出端)，以及具有一至多個偵測輸出端，可根據比較訊號COMP_OUT’與輸出電壓VGH’當中至少之一者，以產生一偵測結果DET。
驅動能力控制電路310耦接於過載偵測電路308之該一至多個偵測輸出端與驅動級302之該控制輸入端之間，可根據偵測結果DET，控制驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力。一般而言，驅動能力控制電路310可調整驅動訊號DRVP’驅動充電幫浦電路304連續進行充電之次數、產生驅動訊號DRVP’之電晶體之尺寸、並聯產生驅動訊號DRVP’之電晶體之數目當中至少之一者以調整驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力。
在上述配置下，充電幫浦裝置30可根據輸出電壓VGH’產生偵測結果DET，然後據以控制驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力，因此可兼顧輸出漣波及供載能力之效能，且係以比較器進行控制因此沒有穩定度問題。
詳細來說，偵測結果DET係指示輸出電壓VGH’是否達到於一目標電壓，以及輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓。當偵測結果DET指示輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓時，此代表目前驅動能力不足以供應目前負載，輸出電壓VGH’長時間無法達到該目標電壓或低於該目標電壓過多。因此，驅動能力控制電路310係將驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力增加為一特定驅動能力譬如為驅動級302所能提供複數個驅動能力當中之一最強驅動能力，以快速將輸出電壓VGH’抬升回該目標電壓。
接著，當驅動能力控制電路310設定該驅動能力為該特定能力驅動而使輸出電壓VGH’到達該目標電壓後，驅動能力控制電路310可再將該驅動能力降低，且經降低之該驅動能力係依據與先前未維持於該目標電壓之次數來決定，其中，若輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數愈多，該驅動能力愈強。
關於第3A圖之充電幫浦裝置之詳細運作，如第3B圖所示，其顯示本發明一實施例之一驅動能力調整流程320，包含以下步驟：
步驟321：開始。
步驟322：於一啟動期間內，首先將一驅動能力設定為一啟動驅動能力。
步驟323：於該啟動期間內，當輸出電壓VGH’達到該目標電壓時，將該驅動能力降低。
步驟324：判斷輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓。若是，則進行步驟325；若否，則進行步驟327。
步驟325：若輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓時，將該驅動能力設定為一特定驅動能力。
步驟326：當以該特定驅動能力驅動後而使輸出電壓VGH’達到該目標電壓後，係將該驅動能力降低為比該特定驅動能力還低。
步驟327：若輸出電壓VGH’維持於該目標電壓時，係將該驅動能力維持為目前的驅動能力。
驅動能力調整流程320可區分為啟動期間與操作期間。簡單來說，於啟動期間，驅動能力控制電路310係依據一充電幫浦裝置之輸出電壓VGH’是否達到於一目標電壓來設定該驅動能力來驅動該充電幫浦裝置(步驟322、323)。接著，於該啟動期間後之一操作期間內，重複執行下述步驟：(i)依據該輸出電壓是否未維持於該目標電壓來設定該驅動能力(步驟324、325、327)，以及(ii)依據該輸出電壓是否已達到於該目標電壓來設定該驅動能力(步驟326)。
詳細來說，於該啟動期間內，首先將該驅動能力設定為一啟動驅動能力(譬如複數個驅動能力當中之一最強驅動能力)(步驟322)，接著當輸出電壓VGH’達到該目標電壓時，將該驅動能力降低(譬如降低至該複數個能力當中之一最弱驅動能力)(步驟323)。
然後，於操作期間中，首先判斷輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓(步驟324)。若輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓，則將該驅動能力設定為一特定驅動能力，譬如複數個驅動能力當中之一最強驅動能力(步驟325)。然後當以該特定驅動能力驅動後而使輸出電壓VGH’達到該目標電壓後，係將該驅動能力降低為比該特定驅動能力還低(步驟326)。其中經降低之該驅動能力較佳係依據輸出電壓VGH’先前未維持於該目標電壓之次數重新設定該驅動能力來決定，當輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數愈多，可將該驅動能力設定為愈強。舉例而言，當輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數為一次時，將該驅動能力設定為該複數個驅動能力當中之一次弱驅動能力，其較最初該最弱驅動能力強。其他次數依此類推。另一方面，若輸出電壓VGH’維持於該目標電壓，將該驅動能力維持為目前的驅動能力，即已將驅動能力調整為剛好可維持此時負載(步驟327)。
綜合上述，當充電幫浦裝置30開始運作時，亦即於啟動期間內，驅動能力控制電路310先設定該驅動能力為該啟動驅動能力，譬如複數個驅動能力當中之一最強驅動能力，而使輸出電壓VGH’到達該目標電壓。接著，由於此時輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數為零次，因此驅動能力控制電路310將該驅動能力降低為驅動級302所能提供複數個驅動能力當中之一最弱驅動能力。再接著，於操作期間內，若該最弱驅動能力無法將輸出電壓VGH’維持於該目標電壓，驅動能力控制電路310會再設定該驅動能力為該特定能力驅動而使輸出電壓VGH’到達該目標電壓。再接著，由於此時輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數為一次，因此驅動能力控制電路310將該驅動能力降低為驅動級302所能提供複數個驅動能力當中之一次弱驅動能力。依此類推，最後到達平衡時，驅動能力控制電路310可設定剛好的驅動能力維持輸出電壓VGH’。如此一來，充電幫浦裝置30可輸出具有能維持此時負載之最小漣波之輸出電壓VGH’。
關於充電幫浦裝置30之各組成電路之細部結構，請參考第4A圖及第4B圖，第4A圖及第4B圖分別為根據不同實施例之第3A圖所示之充電幫浦裝置30之充電幫浦裝置40、42之細部電路之示意圖。如第4A圖所示，過載偵測電路308包含一過載偵測單元402以及一位準切換單元404。過載偵測單元402具有一第一輸入端，耦接至充電幫浦電路之該輸出端(輸出電壓VGH’經如第2A圖所示之分壓電阻R1、R2產生一回授電壓FBP’)，以及一第一偵測輸出端。過載偵測單元402係經配置依據輸出電壓VGH’來判斷輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓，而於該第一偵測輸出端產生一過載訊號HLD。位準切換單元404則經配置以偵測比較訊號COMP_OUT’之特定邊緣，以切換偵測訊號DET_SIG至一第一狀態(高準位)，並依據過載訊號HLD以切換偵測訊號DET_SIG為一第二狀態。換言之，此實施例中，過載偵測電路308所提供的偵測結果DET係包括偵測訊號DET_SIG。
關於過載偵測單元402與位準切換單元404各自之細部結構，舉例而言，如圖4A所示，過載偵測單元402可可包含一低通濾波器及一比較器408。比較器408具有兩輸入端，當中之一者作為過載偵測單元402之該第一輸入端，另一者耦接至一較參考電壓VREF1低的參考電壓VREF2，以及具有一輸出端作為第一偵測輸出端。因此比較器408可根據輸出電壓VGH’與參考電壓VREF2(低通濾波器將輸出電壓VGH’之分壓回授電壓FBP’低通濾波後予比較器408進行比較，以降低雜訊干擾)，產生一比較訊號作為過載訊號HLD。換言之，比較器408係依據輸出電壓VGH’是否低於該目標電壓過多，產生該比較訊號指示作為過載訊號HLD指示輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓。另一方面，位準切換單元404可包括一正反器406，其具有一時脈輸入端，耦接至比較電路306之該輸出端(比較訊號COMP_OUT’)，一重置端，耦接至該第一偵測輸出端以接收過載訊號HLD，一資料輸入端耦接至一固定位準，以及一資料輸出端，作為過載偵測電路308之一第二偵測輸出端以產生偵測訊號DET_SIG。
在此配置下，當偵測比較訊號COMP_OUT’之特定邊緣由高轉低(即輸出電壓VGH’達到該目標電壓)，偵測訊號DET_SIG可切換至高準位。接著，當過載偵測單元402依據輸出電壓VGH’判斷輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓時，過載訊號HLD可切換至高準位對正反器406進行重置(正反器406之一重置端RST於高準位時進行重置)，使得偵測訊號DET_SIG可切換至低準位。如此一來，偵測訊號DET_SIG為高準位可指示輸出電壓VGH’維持於該目標電壓。此外，偵測訊號DET_SIG由高準位切換至低準位之次數亦可指示輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數。
值得注意的是，第4A圖僅繪示過載偵測單元402及位準切換單元404之一實施例。於其他實施例中，譬如第4B圖所示之實施例，過載偵測單元402之該第一輸入端亦可改為耦接至比較電路306之輸出端，然後依據一比較訊號COMP_OUT’來判斷輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓，而於第一偵測輸出端產生一過載訊號HLD。此外，偵測結果DET不僅包括偵測訊號DET_SIG，而可更包括過載訊號HLD。換言之，偵測訊號DET_SIG係被提供給驅動能力控制電路310，以判斷輸出電壓VGH’是否到達目標電壓，以及過載訊號HLD亦被提供給驅動能力控制電路310，以判斷輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓。
此外，關於過載偵測單元402之細部結構，於第4B圖所示之實施例中，過載偵測單元402可包含一計時器412，其具有一輸入端於該比較器312之該輸出端，一輸出端作為該第一偵測輸出端，因此計時器412可偵測比較訊號COMP_OUT’是否維持一特定位準(高位準)達一既定時間以產生過載訊號HLD。換言之，計時器412可依據比較訊號COMP_OUT’是否維持高位準時間過久(即輸出電壓VGH’長時間無法達到該目標電壓)，產生過載訊號HLD指示輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓。
因此，在此配置下，當偵測比較訊號COMP_OUT’之特定邊緣由高轉低(即輸出電壓VGH’達到該目標電壓)，偵測訊號DET_SIG可切換至高準位。接著，當過載偵測單元402依據比較訊號COMP_OUT’判斷輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓時，過載訊號HLD可切換至高準位對正反器406進行重置(正反器406之一重置端RST於高準位時進行重置)，使得偵測訊號DET_SIG可切換至低準位。如此一來，偵測訊號DET_SIG為高準位可指示輸出電壓VGH’維持於該目標電壓，而過載訊號HLD切換至高準位之次數可指示輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數。第4B圖所示之過載偵測單元402及位準切換單元404之其它操作與第4A圖相似，可參考上面敘述，在此不再贅述。
繼續參考第4C圖至第4D圖，其分別為第4A圖及第4B圖所示充電幫浦裝置40、42之變化實施例之充電幫浦裝置44、46之示意圖。第4C圖所示之過載訊號HLD亦輸出至驅動能力控制電路310進行控制，而不限於如第4A圖僅輸出偵測訊號DET_SIG至驅動能力控制電路310進行控制。換言之，第4C圖與第4B圖類似的地方在於，偵測結果DET除了包括偵測訊號DET_SIG，更包括過載訊號HLD。
此外，於第4C圖所示之實施例中，相較於第4A圖，過載偵測單元402可另包含一計時器410，其具有一輸入端於比較器408之該輸出端，一輸出端作為該第一偵測輸出端，因此計時器410可偵測比較器408所產生之該比較訊號是否維持一特定位準達一既定時間以產生過載訊號HLD。在此情形下，計時器410可確保過載訊號HLD轉態是因為輸出電壓VGH’確實低於該目標電壓過多，而非受雜訊干擾。另外，值得注意的是，由於計時器410可降低雜訊干擾，而比較器408前面由電阻和電容所構成之低通濾波器亦可降低雜訊，在其它實施例中亦可移除比較器408前面由電阻和電容所構成之低通濾波器。
值得注意的是，於其他實施例中，第4B圖所示之過載訊號HLD亦可不輸出至驅動能力控制電路310進行控制。第4D圖即顯示這類的實施例，即第4D圖與第4B圖之主要差異在於前者之過載訊號HLD並未輸出至驅動能力控制電路310。換言之，第4D圖同第4A圖之共同特徵為偵測結果DET僅包括偵測訊號DET_SIG。因此，驅動能力控制電路310使用偵測訊號DET_SIG來判斷輸出電壓VGH’是否到達目標電壓，以及更判斷輸出電壓VGH’是否未維持於該目標電壓。
另一方面，請繼續參考第4A圖至第4D圖，以了解、比較電路306、驅動能力控制電路310，以及驅動級302之操作。關於比較電路306，第4A圖至第4D圖所示之比較電路306可具有與第2A圖所示之比較電路204相似之結構。即比較電路306另包含一正反器420以及一反及閘(NAND gate)422。正反器420包含有一資料輸入端D耦接至比較器312之該輸出端、一時脈端CK用來接收時脈訊號CLK，以及一資料輸出端Q。反及閘422具有兩輸入端分別耦接於正反器420之資料輸出端Q及時脈訊號CLK，以及具有一輸出耦接至驅動級302。在此結構下，正反器420可於時脈訊號CLK之上緣觸發並輸出當時比較訊號COMP_OUT’之電壓準位，以提供一比較取樣訊號COMP_SAM’(即比較取樣訊號COMP_SAM’於時脈訊號CLK之一週期內維持相同準位，不同於比較訊號COMP_OUT’可能會受外界雜訊或干擾而有準位變化)，而反及閘422可根據比較取樣訊號COMP_SAM’及時脈訊號CLK產生一比較結果訊號COMP_SIG’予驅動級302。
另一方面，驅動能力控制電路310可包含有一多段驅動能力控制單元414以及一控制輸出單元416。多段驅動能力控制單元414可依據一控制輸入訊號，產生一控制訊號CON1，對應於驅動級302所提供複數個驅動能力當中之某一者。如前所述，該控制輸入訊號可為偵測訊號DET_SIG(如第4A圖及第4D圖)，或過載訊號HLD(如第4B圖及第4C圖)。控制輸出單元416可依據偵測訊號DET_SIG與控制訊號CON1，產生一控制訊號CON2，以控制驅動訊號DRVP’所對應之驅動能力為該某一驅動能力或一特定驅動能力(即前述依輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數所調整之驅動能力或最強驅動能力)。
關於多段驅動能力控制單元414與控制輸出單元416各別之細部結構，舉例而言，於第4A圖至第4D圖所示之實施例中，多段驅動能力控制單元414具有一計數器418，其具有一輸入端耦接於過載偵測電路308之該第一或第二偵測輸出端，以及複數個輸出端，因此計數器418可計算該控制輸入訊號(即由該第一偵測輸出端接收過載訊號HLD或由該第二偵測輸出端接收偵測訊號DET_SIG)由一第二狀態轉為一第一狀態之轉態次數以產生控制訊號CON1。另一方面，控制輸出單元416包括複數個或閘(譬如或閘OR1、OR2)，當中每一者具有一輸入端分別耦接至過載偵測電路308之該第二偵測輸出端，另一輸入端耦接至計數器418之該複數個輸出端當中之一者，以及一輸出端耦接至驅動級302，因此該複數個或閘當中每一者具有一輸入端分別耦接至偵測訊號DET_SIG(該第二偵測輸出端)，另一輸入端耦接至控制訊號CON1之一部分訊號，以及一輸出端耦接至驅動級302以輸出運算結果。
在此配置下，當偵測訊號DET_SIG為低準位指示輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓時(如剛開機或過載訊號HLD對正反器406重置時)，偵測訊號DET_SIG經過一反相器輸出高準位訊號使該複數個或閘皆輸出高準位之控制訊號CON2，因此驅動級302可據以用最強驅動能力先快速將輸出電壓VGH’抬升回該目標電壓。接著，當比較訊號COMP_OUT’切換至低準位，使得偵測訊號DET_SIG切換至高準位以指示輸出電壓VGH’到達該目標電壓時，偵測訊號DET_SIG經過該反相器輸出低準位訊號使該複數個或閘根據控制訊號CON1產生控制訊號CON2。控制訊號CON1可依據輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數(即過載訊號HLD或偵測訊號DET_SIG之轉態次數)所產生(譬如訊號轉態時，會對正反器時脈端觸發以改變正反器輸出結果做為控制訊號CON1。
舉例而言，計數器418可包含有正反器DFF3～DFF5，第一次轉態後，正反器DFF4、DFF5所輸出之控制訊號CON1為(0,0)；第二次轉態後，正反器DFF4、DFF5所輸出之控制訊號CON1為(0,1)；第四次轉態後，正反器DFF4、DFF5所輸出之控制訊號CON1為(1,0)；第六次轉態後，正反器DFF4、DFF5所輸出之控制訊號CON1為(1,1))。結果，驅動級302可根據輸出電壓VGH’未維持於該目標電壓之次數，控制驅動訊號DRVP’所對應之驅動能力為該某一驅動能力，且當未維持於該目標電壓之次數愈多，該某一驅動能力愈強。
在上述配置下，藉由控制訊號CON2調整連續輸出比較結果訊號COMP_SIG’至驅動級302之次數，可調整驅動訊號DRVP’驅動充電幫浦電路304連續進行充電之次數，以調整驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力；或者，連續輸出比較結果訊號COMP_SIG，至驅動級302之次數維持相同，但控制訊號CON2調整驅動級302中產生驅動訊號DRVP’之電晶體之尺寸載並聯產生驅動訊號DRVP’之電晶體之數目，以以調整驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力。
值得注意的是，於第4A圖至第4D圖之實施例中，過載偵測電路308之該至少一個偵測輸入端當中之一者係耦接於正反器420之該資料輸出端，以接收較穩定的比較取樣訊號COMP_SAM’進行偵測，但在其它實施例中亦可耦接於比較器312之該輸出端，直接接收比較訊號COMP_OUT’進行偵測，唯比較訊號COMP_OUT’可能會因雜訊而容易變動而影響偵測結果DET。
值得注意的是，本發明之上述實施例之主要精神在於過載偵測電路308可偵測比較訊號COMP_OUT’或輸出電壓VGH’，以產生偵測結果DET指示輸出電壓VGH’是否維持於該目標電壓以及未維持於該目標電壓之次數，進而輸出具有能維持此時負載之最小漣波之輸出電壓VGH’，且係以比較器進行控制因此沒有穩定度問題。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，第4A圖至第4D圖係繪示計數器418具有兩個正反器進行計數，以及相對應兩個或閘OR1、OR2以控制驅動訊號DRVP’所對應之該驅動能力，但於其它實施例中亦可為其它數量，而不限於此。
在習知技術中，以運算放大器控制之架構在輸出會有一個極點，在不同外在負載和輸出電容時會改變此極點，因而有穩定度之考量。而雖然以比較器控制之充電幫浦裝置沒有穩定度問題，但其具有較大輸出漣波，若透過降低驅動訊號之驅動能力以減少輸出漣波，其可供載能力亦會下降，有可能無法適當供載。相較之下，本發明之上述實施例之過載偵測電路可偵測比較訊號或輸出電壓，以產生偵測結果指示輸出電壓是否維持於該目標電壓以及未維持於該目標電壓之次數，進而輸出具有能維持此時負載之最小漣波之輸出電壓VGH’，且係以比較器進行控制因此可以改善穩定度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、20、30、40、42、44、46．．．充電幫浦裝置
102、304．．．充電幫浦電路
104．．．運算放大器
106．．．調整電晶體
108、206、302．．．驅動級
204、306．．．比較電路
208、408．．．比較器
210、DFF1～DFF5、406、420．．．正反器
212、422．．．反及閘
308．．．過載偵測電路
310．．．驅動能力控制電路
320．．．流程
321～327．．．步驟
402．．．過載偵測單元
404．．．位準切換單元
410、412．．．計時器
414．．．多段驅動能力控制單元
416．．．控制輸出單元
418．．．計數器
DRVP、DRVP’．．．驅動訊號
VGH、VGH’．．．輸出電壓
AVDD．．．輸入電壓
CF1、CF2、CS1．．．電容
R1、R2．．．電阻
FBP、FBP’．．．回授電壓
VREF、VREF1、VREF2．．．參考電壓
OP_OUT．．．輸出訊號
CLK．．．時脈訊號
COMP_OUT、COMP_OUT’．．．比較輸出訊號
COMP_SAM、COMP_SAM’．．．比較取樣訊號
COMP_SIG、COMP_SIG’．．．比較結果訊號
DET‧‧‧偵測結果
D‧‧‧資料輸入端
CK‧‧‧時脈端
Q、QB‧‧‧輸出端
RST‧‧‧重置端
DET_SIG‧‧‧偵測訊號
HLD‧‧‧過載訊號
CON1、CON2‧‧‧控制訊號
OR1、OR2‧‧‧或閘
第1A圖為習知一充電幫浦裝置之示意圖。
第1B圖為第1A圖所示之充電幫浦裝置之訊號示意圖。
第2A圖為習知另一充電幫浦裝置之示意圖。
第2B圖為第2A圖所示充電幫浦裝置之訊號示意圖。
第3A圖為本發明實施例一充電幫浦裝置之示意圖。
第3B圖為本發明實施例一驅動能力調整流程之示意圖。
第4A圖至第4D圖分別為用來實現第3A圖所示之充電幫浦裝置之充電幫浦裝置之示意圖。
30．．．充電幫浦裝置
302．．．驅動級
304．．．充電幫浦電路
306．．．比較電路
308．．．過載偵測電路
310．．．驅動能力控制電路
DRVP’．．．驅動訊號
VGH’．．．輸出電壓
VREF1．．．參考電壓
COMP_OUT’．．．比較輸出訊號
DET．．．偵測結果

Claims (38)

  1. 一種充電幫浦(charge pump)裝置，包含有：一驅動級，用來產生對應於一驅動能力之一驅動訊號；一充電幫浦電路，用來根據該驅動訊號，產生一輸出電壓；一比較電路，其包括第一比較器，該第一比較器用來比較該輸出電壓及一第一參考電壓，產生一第一比較訊號；一過載偵測電路，用來根據該第一比較訊號與該輸出電壓當中至少之一者，以產生一偵測結果；以及一驅動能力控制電路，耦接於該過載偵測電路與該驅動級之間，用來根據該偵測結果，控制該驅動訊號所對應之該驅動能力；其中，該偵測結果係指示該輸出電壓是否達到於一目標電壓，以及該輸出電壓是否未維持於該目標電壓。
  2. 如請求項1所述之充電幫浦裝置，其中當該偵測結果指示該輸出電壓未維持於該目標電壓時，該驅動能力控制電路係將該驅動訊號所對應之該驅動能力增加為一特定驅動能力。
  3. 如請求項2所述之充電幫浦裝置，其中該特定驅動能力係複數個驅動能力當中之一最強驅動能力。
  4. 如請求項2所述之充電幫浦裝置，其中當該驅動能力控制電路設定該驅動能力為該特定能力驅動而使該輸出電壓到達該目標 電壓後，該驅動能力控制電路再將該驅動能力降低，且經降低之該驅動能力係依據與先前未維持於該目標電壓之次數來決定。
  5. 如請求項4所述之充電幫浦裝置，其中該輸出電壓未維持於該目標電壓之次數愈多，該驅動能力愈強。
  6. 如請求項4所述之充電幫浦裝置，其中當該次數為一次時，該驅動能力為複數個驅動能力當中之一次弱驅動能力。
  7. 如請求項1所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測電路係包括：一過載偵測單元，其依據該輸出電壓或該第一比較訊號來判斷該輸出電壓是否未維持於該目標電壓，而產生一過載訊號；以及一位準切換單元，其偵測該第一比較訊號之特定邊緣，以切換一偵測訊號至一第一狀態，並依據該過載訊號以切換該偵測訊號為一第二狀態，其中該偵測結果係包括該偵測訊號與該過載訊號當中至少之一者。
  8. 如請求項7所述之充電幫浦裝置，其中該位準切換單元係包括：一正反器，其具有一時脈輸入端耦接至該第一比較訊號，一重置端耦接至該過載訊號，一資料輸入端耦接至一固定位準，以及一資料輸出端用於產生該偵測訊號。
  9. 如請求項7所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測單元係包括：一第二比較器，用來根據該輸出電壓與一第二參考電壓，產生一第二比較訊號作為該過載訊號。
  10. 如請求項7所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測單元係包括：一第二比較器，用來根據該輸出電壓與一第二參考電壓，產生一第二比較訊號；以及一計時器，用來偵測該第二比較訊號是否維持一特定位準達一既定時間以產生該過載訊號。
  11. 如請求項7所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測單元係包括：一計時器，用來偵測該第一比較訊號是否維持一特定位準達一既定時間以產生該過載訊號。
  12. 如請求項7所述之充電幫浦裝置，其中該驅動能力控制電路係包括：一多段驅動能力控制單元，用於依據一控制輸入訊號，產生一第一控制訊號，對應於複數個驅動能力當中之某一者，其中該控制輸入訊號係該偵測訊號與該過載訊號當中之一者；以及一控制輸出單元，用於依據該偵測訊號與該第一控制訊號，產生一第二控制訊號，以控制該驅動訊號所對應之驅動能力 為該某一驅動能力或一特定驅動能力。
  13. 如請求項12所述之充電幫浦裝置，其中該特定驅動能力為一最強驅動能力。
  14. 如請求項12所述之充電幫浦裝置，其中該多段驅動能力控制電路係包括一計數器，用以計算該控制輸入訊號由一第二狀態轉為一第一狀態之轉態次數以產生該第一控制訊號。
  15. 如請求項12所述之充電幫浦裝置，其中該控制輸出單元係包括複數個或閘，當中每一者具有一輸入端分別耦接至該偵測訊號，另一輸入端耦接至該第一控制訊號之一部分訊號，以及一輸出端耦接至該驅動級。
  16. 如請求項1所述之充電幫浦裝置，其中該驅動能力控制電路調整該驅動訊號驅動該充電幫浦電路連續進行充電之次數、產生該驅動訊號之電晶體之尺寸、並聯產生該驅動訊號之電晶體之數目當中至少之一者以調整該驅動訊號所對應之該驅動能力。
  17. 一種充電幫浦(charge pump)裝置，包含有：一驅動級，其具有一控制輸入端、一驅動輸入端以及一驅動輸出端；一充電幫浦電路，其具有一輸入端耦接至該驅動級之該驅動輸 出端，以及一輸出端；一比較電路，其包括一第一比較器，其具有一輸入端耦接至該充電幫浦電路之該輸出端，以及一輸出端耦接至該驅動級之該驅動輸入端；一過載偵測電路，其具有至少一個偵測輸入端，耦接至該比較電路之該輸出端與該充電幫浦電路之該輸出端當中之一者，以及一至多個偵測輸出端；以及一驅動能力控制電路，耦接於該過載偵測電路之該一至多個偵測輸出端與該驅動級之該控制輸入端之間；其中，該過載偵測電路係包括：一過載偵測單元，其具有一第一輸入端，耦接至該比較電路之該輸出端與該充電幫浦電路之該輸出端當中之一者，以及一第一偵測輸出端；以及一位準切換單元，其包括一正反器，其具有一時脈輸入端，耦接至該比較電路之該輸出端，一重置端，耦接至該第一偵測輸出端，以及一資料輸出端，作為該過載偵測電路之一第二偵測輸出端。
  18. 如請求項17所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測單元係包括：一第二比較器，其具有兩輸入端，當中之一者作為該過載偵測單元之該第一輸入端，另一者耦接至一參考電壓，以及具有一輸出端耦接或作為該第一偵測輸出端。
  19. 如請求項18所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測單元更包括：一計時器，其具有一輸入端於該第二比較器之該輸出端，一輸出端作為該第一偵測輸出端。
  20. 如請求項17所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測單元係包括：一計時器，其具有一輸入端於該第一比較器之該輸出端，一輸出端作為該第一偵測輸出端。
  21. 如請求項17所述之充電幫浦裝置，其中該驅動能力控制電路係包括：一多段驅動能力控制單元，其具有一計數器，其具有一輸入端耦接於該過載偵測電路之該第一或第二偵測輸出端，以及複數個輸出端；以及一控制輸出單元，其包括複數個或閘，當中每一者具有：一輸入端分別耦接至該過載偵測電路之該第二偵測輸出端，另一輸入端耦接至該計數器之該複數個輸出端當中之一者，以及一輸出端耦接至該驅動級。
  22. 如請求項17所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測電路之該至少一個偵測輸入端當中之一者係直接耦接於該第一比較器之該輸出端。
  23. 如請求項17所述之充電幫浦裝置，其中該比較電路另包含： 一正反器(flip-flop)，包含有一資料輸入端耦接至該第一比較器之該輸出端、一時脈端用來接收一時脈訊號，以及一資料輸出端；以及一反及閘(NAND gate)，具有兩輸入端分別耦接於該正反器之該資料輸出端及該時脈訊號，以及具有一輸出耦接至該驅動級。
  24. 如請求項23所述之充電幫浦裝置，其中該過載偵測電路之該至少一個偵測輸入端當中之一者係耦接於該正反器之該資料輸出端。
  25. 一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦(charge pump)裝置中，包含：於一啟動期間，依據該充電幫浦裝置之一輸出電壓是否達到於一目標電壓來設定一驅動能力來驅動該充電幫浦裝置；以及於該啟動期間後之一操作期間內，執行下述流程：(i)依據該輸出電壓是否未維持於該目標電壓來設定該驅動能力；若該輸出電壓未維持於該目標電壓，在步驟(i)設定該驅動能力後，執行步驟(ii)依據該輸出電壓是否已達到於該目標電壓來設定該驅動能力；以及 若該輸出電壓達到該目標電壓，在步驟(ii)設定該驅動能力後，重新開始步驟(i)；其中，步驟(i)包含有：若該輸出電壓未維持於該目標電壓時，將該驅動能力設定為一特定驅動能力；其中，步驟(ii)包含有：當以該特定驅動能力驅動後而使該輸出電壓達到該目標電壓後，係將該驅動能力降低為比該特定驅動能力還低；其中，經降低之該驅動能力係依據該輸出電壓先前未維持於該目標電壓之次數重新設定該驅動能力來決定。
  26. 如請求項25所述之驅動能力調整方法，其中於該啟動期間，依據該充電幫浦裝置之該輸出電壓是否達到於該目標電壓來設定該驅動能力來驅動該充電幫浦裝置之步驟包含有：於該啟動期間內，首先將該驅動能力設定為複數個驅動能力當中之一最強驅動能力。
  27. 如請求項26所述之驅動能力調整方法，其中於該啟動期間，依據該充電幫浦裝置之該輸出電壓是否達到於該目標電壓來設定該驅動能力來驅動該充電幫浦裝置之步驟包含有：於該啟動期間內，當該輸出電壓達到該目標電壓時，將該驅動能 力降低。
  28. 如請求項27所述之驅動能力調整方法，其中於該啟動期間，依據該充電幫浦裝置之該輸出電壓是否達到於該目標電壓來設定該驅動能力來驅動該充電幫浦裝置之步驟包含有：該驅動能力係被降低至該複數個能力當中之一最弱驅動能力。
  29. 如請求項25所述之驅動能力調整方法，其中該特定驅動能力為複數個驅動能力當中之一最強驅動能力。
  30. 如請求項25所述之驅動能力調整方法，其中於步驟(i)內，若該輸出電壓維持於該目標電壓時，係將該驅動能力維持為目前的驅動能力。
  31. 如請求25所述之驅動能力調整方法，其中該輸出電壓未維持於該目標電壓之次數為一次時，係將該驅動能力設定為該複數個驅動能力當中之一次弱驅動能力。
  32. 如請求項25所述之驅動能力調整方法，其中該輸出電壓未維持於該目標電壓之次數愈多，係將該驅動能力設定為愈強。
  33. 一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦(charge pump)裝置中，包含： (i)當一輸出電壓未維持於一目標電壓時，以一特定驅動能力進行驅動以產生該輸出電壓；以及(ii)當該輸出電壓到達該目標電壓時，根據該輸出電壓先前未維持於該目標電壓之次數，以對應該次數之一驅動能力進行驅動以產生該輸出電壓。
  34. 如請求項33所述之驅動能力調整方法，其中該特定驅動能力係複數個驅動能力當中之一最強驅動能力。
  35. 如請求項33所述之驅動能力調整方法，其中該輸出電壓未維持於該目標電壓之次數愈多，該驅動能力愈強。
  36. 一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦(charge pump)裝置中，包含：於一啟動期間，將一驅動能力設定為複數個驅動能力當中之一最強驅動能力來驅動該充電幫浦裝置，其中，在該驅動操作啟動時該複數個驅動能力之一數量大於2；於該啟動期間內，當該輸出電壓達到一目標電壓時，將該驅動能力降低至該複數個能力當中之一最弱驅動能力；於該啟動期間後之一操作期間內，執行下述流程：(i)依據該輸出電壓是否未維持於該目標電壓來設定該驅動能力為一特定驅動能力或一目前驅動能力，以及(ii)在該驅動能力設定為該最強驅動能力後，當該輸出電壓 達到該目標電壓時，降低該驅動能力至一驅動能力；(iii)在該驅動能力於步驟(ii)被降低後，執行步驟(i)。
  37. 一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦(charge pump)裝置中，包含：藉由以一比較器比較該充電幫浦裝置之一輸出電壓與一參考電壓，偵測該輸出電壓，其中，該比較器包含一運算放大器；於一啟動期間，依據該充電幫浦裝置之該輸出電壓是否被偵測達到一目標電壓來設定一驅動能力來驅動該充電幫浦裝置；於該啟動期間後之一操作期間內，重複執行下述步驟：(i)依據該輸出電壓是否被偵測維持於該目標電壓來設定該驅動能力，以及(ii)依據該輸出電壓是否被偵測已達到於該目標電壓來設定該驅動能力。
  38. 一種驅動能力調整方法，用於一充電幫浦(charge pump)裝置中，包含：於一啟動期間，依據該充電幫浦裝置之一輸出電壓是否被偵測達到一目標電壓來設定一驅動能力來驅動該充電幫浦裝置；於該啟動期間後之一操作期間內，重複執行下述步驟：(i)依據該輸出電壓是否被偵測維持於該目標電壓來設定該驅動能力，以及(ii)依據該輸出電壓是否被偵測已達到於該目標電壓來設定 該驅動能力；其中，藉由調整驅動訊號驅動該充電幫浦電路連續進行充電之次數、產生對應於該充電幫浦電路之該驅動能力之一驅動訊號之一電晶體之尺寸及並聯產生該驅動訊號之電晶體之數目當中一者，以設定該驅動能力。
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