TWI492509B - 半電壓比電荷泵電路 - Google Patents

Description

半電壓比電荷泵電路

本發明係有關一種電荷泵電路，特別是關於一種半電壓比（half-ratio）電荷泵電路（charge pump），其輸出電壓大約為輸入電壓的一半。

電荷泵電路為一種電源轉換器，用以將直流電源從一電壓位準轉換至另一電壓位準。電荷泵電路一般會使用電容器作為能量儲存元件，用以產生較高或較低的電壓源。電荷泵電路例如可適用於源極驅動器的輸出入級，用以驅動液晶顯示器。

電荷泵電路通常需要使用多個浮動（flying）電容器，用以分別產生正輸出電壓及負輸出電壓。然而，具相當電容值的電容器需佔用相當的電路面積，此不利於積體電路的設計。

電荷泵電路還需要使用高壓元件（例如高壓電晶體），用以獲得與（例如源極驅動器）輸出入級相當的電壓位準。高壓元件的設計要求較低壓元件來得嚴格，且佔用更多的佈局面積。

低壓降（LDO）調節器或電路經常被使用來建構源極驅動器的電源轉換器，用以產生輸入電壓一半大小的輸出電壓。然而，低壓降電路的電源效率卻很低。

因此亟需提出一種新穎的電荷泵電路，以簡化電路架構及較少佈局面積來產生特定輸出電壓。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提供一種半電壓比電荷泵電路，具高電源效率及小佈局面積，僅使用單一浮動電容器以產生正輸入電壓一半大小的正輸出電壓，且產生負輸入電壓一半大小的負輸出電壓。

根據本發明實施例，半電壓比電荷泵電路包含浮動電容器、八開關、第一穩壓電容器及第二穩壓電容器。浮動電容器電性耦接於第一節點與第二節點之間。八開關包含第一至第八開關，其受控以執行四操作階段，於該些階段期間進行電荷儲存以及轉移。第一穩壓電容器經由第三開關電性耦接於第一節點，且第二穩壓電容器經由第四開關電性耦接於第二節點。正輸入電壓經由第一開關電性耦接於第一節點，負輸入電壓經由第二開關電性耦接於第二節點，第一節點經由第五開關電性耦接於地，第二節點經由第六開關電性耦接於地，第一節點經由第七開關以提供正輸出電壓，且第二節點經由該第八開關以提供負輸出電壓，藉此，正輸出電壓的值大約為正輸入電壓的一半，且負輸出電壓的值大約為負輸入電壓的一半。

第一圖顯示本發明實施例之半電壓比（half-ratio）電荷泵電路100的電路示意圖。電荷泵電路100接收一正輸入電壓VSP與一負輸入電壓VSN。藉此，電荷泵電路100產生一正輸出電壓VCI，其值大約為正輸入電壓VSP的一半，並產生一負輸出電壓VCL，其值大約為負輸入電壓VSN的一半。由於輸出電壓VCI/VCL與輸入電壓VSP/VSN的比值大約為二分之一，因此電荷泵電路100稱為半電壓比電荷泵電路。

本實施例之電荷泵電路100包含一浮動（flying）電容器C_F ，其電性耦接於第一節點A與第二節點B之間。本實施例僅使用單一浮動電容器C_F ，而非如傳統電荷泵電路使用二浮動電容器。本實施例還使用八開關SW1~SW8，其受控於控制器以執行四操作階段1至4，於該些階段期間進行電荷儲存以及轉移。熟悉本技術領域的人士可使用傳統電子元件（例如金屬氧化半導體（MOS）電晶體）來實施每一個開關SW1~SW8。也就是說，本說明書所稱的“開關”係廣泛指稱切換（switching）電子元件，而非侷限於機械式的開關零件。互補式金屬氧化半導體（CMOS）製造技術可適用於本實施例所揭示之電路架構的製造。

本實施例僅使用低壓（LV）元件，例如低壓金屬氧化半導體電晶體，相較於傳統電荷泵電路需使用一些高壓（HV）元件。因此，本實施例較傳統電荷泵電路使用較少佈局面積而能達到高電源效率。在本說明書中，“高壓（HV）”或“低壓（LV）”為一種相對的概念，其大小視技術的發展與應用而定。例如，低壓可定義為小於一極小電壓（例如5伏特、3.3伏特或更小）的電壓值，而高壓則定義為大於前述極小電壓的電壓值。高壓元件一般係用於電子系統的輸出入級，例如於源極驅動器中用以驅動液晶顯示器。

繼續參閱第一圖，正輸入電壓VSP經由第一開關SW1電性耦接於第一節點A，且負輸入電壓VSN經由第二開關SW2電性耦接於第二節點B。第一穩壓電容器（reservoir capacitor）C_r1 經由第三開關SW3電性耦接於第一節點A，且第二穩壓電容器C_r2 經由第四開關SW4電性耦接於第二節點B。第一/第二穩壓電容器C_r1 /C_r2 可用以將脈波信號予以平滑化。在本實施例中，第一/第二穩壓電容器C_r1 /C_r2 與浮動電容器C_F 的電容值大致相同。第一節點A經由第五開關SW5電性耦接於地，且第二節點B經由第六開關SW6電性耦接於地。第一節點A經由第七開關SW7以提供正輸出電壓VCI，且第二節點B經由第八開關SW8以提供負輸出電壓VCL。

第二圖顯示第一圖之電荷泵電路100的開關於第一操作階段之斷開（open）或閉合（close）狀態。於操作階段1，第一開關SW1及第四開關SW4為閉合，而其他開關（亦即SW2~SW3及SW5~SW8）為斷開。藉此，正輸入電壓VSP（經由閉合的第一開關SW1）對浮動電容器C_F 充電，且（經由閉合的第四開關SW4）對第二穩壓電容器C_r2 充電。相應於正輸入電壓VSP的電荷儲存於浮動電容器C_F 與第二穩壓電容器C_r2 。因此，浮動電容器C_F （第一節點A相對於第二節點B）的充電電壓大約為正輸入電壓VSP的一半。

接著，於操作階段2，如第三圖所示，第六開關SW6及第七開關SW7為閉合，而其他開關（亦即SW1~SW5及SW8）為斷開。藉此，於前一操作階段（亦即，第一操作階段）儲存於浮動電容器C_F 的電荷從第一節點A（經由閉合的第七開關SW7）進行轉移。因此，可提供正輸出電壓VCI，其值大約為正輸入電壓VSP的一半。

於接下來的操作階段（亦即，第三及第四操作階段），可依第一及第二操作階段獲得正輸出電壓VCI的類似原理以得到負輸出電壓VCL。第四圖顯示第一圖之電荷泵電路100的開關於第三操作階段之斷開或閉合狀態。於操作階段3，第二開關SW2及第三開關SW3為閉合，而其他開關（亦即SW1及SW4~SW8）為斷開。藉此，負輸入電壓VSN（經由閉合的第二開關SW2）對浮動電容器C_F 充電，且（經由閉合的第三開關SW3）對第一穩壓電容器C_r1 充電。相應於負輸入電壓VSN的電荷儲存於浮動電容器C_F 與第一穩壓電容器C_r1 。因此，浮動電容器C_F （第二節點B相對於第一節點A）的充電電壓大約為負輸入電壓VSN的一半。

接著，於操作階段4，如第五圖所示，第五開關SW5及第八開關SW8為閉合，而其他開關（亦即SW1~SW4及SW6~SW7）為斷開。藉此，於前一操作階段（亦即，第三操作階段）儲存於浮動電容器C_F 的電荷從第二節點B（經由閉合的第八開關SW8）進行轉移。因此，可提供負輸出電壓VCL，其值大約為負輸入電壓VSN的一半。

根據上述實施例，電荷泵電路100使用單一浮動電容器C_F ，其於操作階段1~2係作為正電荷泵的浮動電容器，並於操作階段3~4作為負電荷泵的浮動電容器。換句話說，本實施例之電荷泵電路100可交替作為正電荷泵及負電荷泵，且單一浮動電容器C_F 可共享於操作階段1~2與操作階段3~4。

此外，相較於傳統使用低壓降（LDO）電路的電源轉換器，本實施例之電荷泵電路100消耗較少電流。因此，本實施例之電荷泵電路100較傳統電源轉換器具有較高的電源效率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100              電荷泵電路 VSP             正輸入電壓 VSN             負輸入電壓 VCI              正輸出電壓 VCL             負輸出電壓 A                第一節點 B                      第二節點 C_F 浮動電容器 C_r1 第一穩壓電容器 C_r2 第二穩壓電容器 SW1           第一開關 SW2            第二開關 SW3            第三開關 SW4            第四開關 SW5            第五開關 SW6           第六開關 SW7            第七開關 SW8           第八開關

第一圖顯示本發明實施例之半電壓比電荷泵電路的電路示意圖。 第二圖至第五圖分別顯示第一圖之電荷泵電路的開關於第一至第四操作階段之斷開或閉合狀態。

100          電荷泵電路 VSP          正輸入電壓 VSN         負輸入電壓 VCI          正輸出電壓 VCL         負輸出電壓 A              第一節點 B              第二節點 CF浮動電容器 Cr1第一穩壓電容器 Cr2第二穩壓電容器 SW1         第一開關 SW2         第二開關 SW3         第三開關 SW4         第四開關 SW5         第五開關 SW6         第六開關 SW7         第七開關 SW8         第八開關

Claims (12)

1. 一種半電壓比電荷泵電路，包含：        一浮動電容器，電性耦接於第一節點與第二節點之間；        八開關，包含第一至第八開關，其受控以執行四操作階段，於該些階段期間進行電荷儲存以及轉移；        一第一穩壓電容器，經由該第三開關電性耦接於該第一節點；及        一第二穩壓電容器，經由該第四開關電性耦接於該第二節點；        其中，正輸入電壓經由該第一開關電性耦接於該第一節點，負輸入電壓經由該第二開關電性耦接於該第二節點，該第一節點經由該第五開關電性耦接於地，該第二節點經由該第六開關電性耦接於地，該第一節點經由該第七開關以提供正輸出電壓，且該第二節點經由該第八開關以提供負輸出電壓，藉此，該正輸出電壓的值大約為該正輸入電壓的一半，且該負輸出電壓的值大約為該負輸入電壓的一半。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之半電壓比電荷泵電路，其中該第一 至第八開關包含金屬氧化半導體（MOS）電晶體。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之半電壓比電荷泵電路，其中該第一 至第八開關不包含高壓（HV）元件。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之半電壓比電荷泵電路，其中該第一 穩壓電容器、該第二穩壓電容器及該浮動電容器的電容值大致相同。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 一操作階段期間，該第一開關及該第四開關為閉合，而其他開關為斷開，藉此，該浮動電容器的充電電壓大約為該正輸入電壓的一半。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 一操作階段期間，該正輸入電壓對該浮動電容器及該第二穩壓電容器充電，藉此，相應於該正輸入電壓的電荷儲存於該浮動電容器與該第二穩壓電容器。
7. 根據申請專利範圍第5項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 二操作階段期間，該第六開關及該第七開關為閉合，而其他開關為斷開，藉此，提供該正輸出電壓的值大約為該正輸入電壓的一半。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 二操作階段期間，該第一操作階段儲存於該浮動電容器的電荷從該第一節點進行轉移。
9. 根據申請專利範圍第7項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 三操作階段期間，該第二開關及該第三開關為閉合，而其他開關為斷開，藉此，該浮動電容器的充電電壓大約為該負輸入電壓的一半。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 三操作階段期間，該負輸入電壓對該浮動電容器及該第一穩壓電容器充電，藉此，相應於該負輸入電壓的電荷儲存於該浮動電容器與該第一穩壓電容器。
11. 根據申請專利範圍第9項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 四操作階段期間，該第五開關及該第八開關為閉合，而其他開關為斷開，藉此，提供該負輸出電壓的值大約為該負輸入電壓的一半。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之半電壓比電荷泵電路，其中於該第 四操作階段期間，該第三操作階段儲存於該浮動電容器的電荷從該第二節點進行轉移。