TWI499182B - 回收電能之方法及其相關驅動電路 - Google Patents

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Description

回收電能之方法及其相關驅動電路
本發明係指一種回收電能之方法及其相關驅動電路，尤指一種用於一電荷泵中可回收該電荷泵之一雜散電容之電能之方法及其相關驅動電路。
電荷泵(Charge Pump)常應用於升壓電路(Booster)或倍壓電路(Voltage Multiplier)。例如，習知液晶顯示器可利用電荷泵來提升低電壓源的輸出電壓，以提供較高伏特數之工作電壓至源極驅動電路(Source Driver)及閘極驅動電路(Gate Driver)等驅動電路。
當電荷泵(Charge Pump)進行電源切換升壓時，會不斷地對電路內部產生的雜散電容進行充放電的動作。然而，對雜散電容不斷的充放電會導致多餘的電源消耗。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種回收電能之方法，以有效回收再利用一電荷泵之雜散電容之電能。
本發明揭露一種用於一電荷泵(charge pump)中回收電能之方法。該方法包含有於一升壓階段結束後，操作於一回收階段；於該回收階段，回收一雜散電容之電能；以及將該雜散電容之電能再利用至一內部電路。
本發明另揭露一種驅動電路。該驅動電路包含有至少一電荷泵以 及一電能回收電路。每一電荷泵包含有一雜散電容以及一輸出電容，用來於一充電階段時進行充電以及於一升壓階段時進行升壓。該電能回收電路包含有一儲能元件以及一第一開關。該儲能元件，耦接於該每一電荷泵之該雜散電容，用來於一回收階段時，回收該每一電荷泵之該雜散電容之電能以及將該每一電荷泵之該雜散電容之電能再利用至該內部電路。該第一開關，耦接於該每一電荷泵之該雜散電容與該儲能元件，用來控制該每一電荷泵之該雜散電容與該儲能元件間之一耦接關係。
10、20、30‧‧‧驅動晶片
100、300A 、300B ‧‧‧電荷泵
140、340‧‧‧電能回收電路
160、360‧‧‧內部電路
102‧‧‧輸出電容
120、320A 、320B ‧‧‧雜散電容
141、341‧‧‧儲能元件
142‧‧‧穩壓元件
143‧‧‧脈衝產生器
380‧‧‧漣波消除電路
VDD、VDDA 、VDDB ‧‧‧電壓源
VOUT、VOUTA 、VOUTB ‧‧‧輸出端
D1、D2‧‧‧二極體
S1、S2、S3、S4‧‧‧開關
40‧‧‧流程
400、402、404、406、408‧‧‧步驟
410、412、414、416‧‧‧步驟
50‧‧‧流程
500、502、504、506、508‧‧‧步驟
第1圖為本發明實施例一驅動晶片之示意圖。
第2圖為本發明實施例另一驅動晶片之示意圖。
第3圖為本發明實施例另一驅動晶片之示意圖。
第4圖為本發明實施例一流程之示意圖。
第5圖為本發明實施例一流程之示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一驅動晶片10之示意圖。 驅動晶片10包含有一電荷泵100、一電能回收電路140以及一內部電路160。電荷泵100包含有二電壓源VDD、一輸出端VOUT、一輸出電容102以及一雜散電容120。輸出電容102包含有一第一端以及一第二端。輸出電容102之第一端可耦接至一電壓源VDD、一輸出端VOUT或浮接。輸出電容102之第二端可耦接至一電壓源VDD、一接地端或浮接。電荷泵100可於一充電階段時對輸出電容102進行充電，以及於一升壓階段時利用輸出電容102進行升壓。雜散電容120為輸出電容102與接地端間之一雜散電容。電能回收電路140，耦接於雜散電容120，用來於一回收階段時回收並再利用雜散電容120之電能。內部電路160耦接於電能回收電路140。電能回收電路140包含有一第一二極體D1、一第一開關S1、一儲能元件141、一第二開關S2、一第二二極體D2、一穩壓元件142以及一脈衝產生器143。儲能元件141，耦接於雜散電容120，用來回收雜散電容120之電能以及將雜散電容120之電能再利用至內部電路160。儲能元件141可為一電容、一電感或任何可儲存電能之一電子元件。第一二極體D1，耦接於雜散電容120，用來避免儲能元件141回充(Countercurrent)雜散電容120。第一開關S1，耦接於雜散電容120與儲能元件141，用來控制雜散電容120與儲能元件141間之一耦接關係。穩壓元件142，耦接於儲能元件141，用來穩定儲能元件141之一輸出電壓。第二二極體D2，耦接於儲能元件141以及穩壓元件142，用來避免穩壓元件142回充至該儲能元件141。第二開關S2，耦接於穩壓元件142，用來控制儲能元件141與穩壓元件142間之一耦接關係。脈衝產生器143耦接於儲能元件141，用來控制儲能元件141之一初始電壓，以增加儲能元件141之一儲電能力。更進一步而言，在本實施例中，二極體D1與D2主要用途是分別避免回充現象，或避免電流逆流，而在其他實施例中，電能回收電路140可以不需要二極體D1或D2。
關於驅動晶片的詳細操作方式可如下所述。在一充電階段時電荷 泵100進行充電，輸出電容102之第一端耦接至電壓源VDD，第二端耦接至接地端，且第一開關S1開啟，電荷泵100對輸出電容102充電。在一升壓階段時，輸出電容102之第一端耦接至輸出端VOUT，第二端耦接至電壓源VDD，且第一開關S1開啟，使得電荷泵100進行升壓。在升壓階段結束後與下一個充電階段進行前，可進行回收階段，也就是利用雜散電容120對電能回收電路140進行充電。在回收階段時，當雜散電容120被充電至電壓VDD後，輸出電容102之第一端耦接至電壓源VDD，第二端浮接，第一開關S1關閉而第二開關S2開啟，雜散電容120之電能被儲存於儲能元件141中。透過儲能元件141，雜散電容120之電能可被回收並再利用。第一二極體D1耦接於雜散電容120，用來避免儲能元件141回充雜散電容120。脈衝產生器143，可產生一負脈衝，先將儲能元件141之初始電壓充至一負電壓。當雜散電容120對儲能元件141充電時，儲能元件141由負電壓向上充電。當負電壓越大時，儲能元件141可從雜散電容120回收的電能也越多。也就是說，透過控制負電壓的大小，可控制儲電元件141之儲電能力。當電能回收電路140將雜散電容120之電能再利用至內部電路160時，第一開關S1開啟而第二開關S2關閉，儲電元件141可將儲存的電能提供給內部電路160。穩壓元件142，用來穩定儲能元件141之一輸出電壓。第二二極體D2，耦接於儲能元件141以及穩壓元件142，用來避免穩壓元件142回充儲能元件141。較佳地，穩壓元件142可為一電容或一電感。
簡單的來說，電能回收電路140在升壓階段結束後與下一個充電階段進行前回收電荷泵100中雜散電容120之電能，並且再利用至內部電路。如此一來，減少驅動晶片10之電源消耗。
在本發明實施例中，儲能元件141以及穩壓元件142可個別耦接於一電阻，以用來限定流入儲能元件141以及穩壓元件142之電流。請參考 第2圖，第2圖為本發明實施例另一驅動晶片20之示意圖。驅動晶片20之基本電路架構與驅動晶片10相似，因此相同元件使用相同標號表示。在驅動晶片20中，電阻R1耦接至儲能元件141，電阻R2耦接至穩壓元件142。電阻R1以及電阻R2可分別用來限定流入儲能元件141以及穩壓元件142之電流。另外，透過調整電阻R1、R2之電阻值以及儲能元件141以及穩壓元件142之電容值，可定義由電阻R2與穩壓元件142所組成之一濾波器之強度。更進一步而言，在第2圖繪示的實施例中，二極體D1與D2主要用途是分別避免回充現象，或避免電流逆流，而在其他實施例中，電能回收電路140可以不需要二極體D1或D2。
請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一驅動晶片30之示意圖。驅動晶片30包含有電荷泵300A 與300B 、一電能回收電路340以及一內部電路360。電荷泵300A 與300B 之基本架構與電荷泵100相似，因此操作原理於此不再贅述，每一元件之標號包含一下標A或B，其代表該元件屬於電荷泵300A 或300B 。電能回收電路340耦接於電荷泵300A 與300B ，用來回收雜散電容320A 與320B 之電能，並再利用至內部電路360。在本實施例中，電荷泵300A 與300B 共用電能回收電路340，其中電能回收電路340包含開關S3、S4以及一儲能元件341，且儲能元件341操作原理與儲能元件140相同，於此不再贅述。電能回收電路340透過開關S3、S4分別回收電荷泵300A 的雜散電容320A 與300B 的雜散電容320B 之電能。利用上述充電階段、升壓階段與回收階段之說明，在本實施例中，當電荷泵300A 與300B 分別操作於升壓階段與回收階段時，開關S3與S4分別為開啟與關閉，雜散電容320B 對電能回收電路340進行充電。當電荷泵300A 與300B 分別操作於升壓階段與充電階段時，開關S3與S4皆為開啟。當電荷泵300A 與300B 分別操作於回收階段與升壓階段時，開關S3與S4分別為與關閉開啟，雜散電容320A 對電能回收電路340進行充電。當電荷泵300A 與300B 分別操作於充電階段與升壓階段 時，開關S3與S4皆為開啟。驅動晶片30另包含一漣波消除電路380(Ripple Cancelling Circuit)。漣波消除電路380耦接於電能回收電路340以及內部電路360，用來消除漣波，穩定電能回收電路340之輸出電壓。一般來說，當本發明應用於數位電路時，驅動晶片30不一定需要配置漣波消除電路380，而當本發明應用於類比電路時，驅動晶片30可配置漣波消除電路380，其中漣波消除電路380的實施方式可參照低壓降穩壓器(Low-dropout regulator，LDO)。
關於上述之驅動晶片10之操作方式可歸納為一電能回收流程40。第4圖為電能回收流程40之示意圖。電能回收流程40可用於驅動晶片10中，用來回收再利用電荷泵100之雜散電容120之電能。電能回收流程包含有下列步驟：
步驟400：開始。
步驟402：於充電階段，輸出電容102之第一端耦接至電壓源VDD，第二端耦接至地，第一開關S1開啟。
步驟404：電荷泵100對輸出電容102進行充電。
步驟406：於升壓階段，輸出電容102之第一端耦接至輸出端VOUT，第二端耦接至電壓源VDD，第一開關S1開啟。
步驟408：電荷泵100進行升壓。
步驟410：於回收階段，輸出電容102之第一端耦接至電壓源VDD，第二端浮接，第一開關S1關閉，第二開關S2開啟。
步驟412：雜散電容120之電能儲存於儲能元件141。
步驟414：第一開關S1開啟，第二開關S2關閉。
步驟416：儲能元件140對內部電路160充電。
根據電能回收流程40，雜散電容120可被回收並再利用。關於電 能回收流程40之詳細實施方式可參考上述於此不再贅述。
關於上述之驅動晶片30之操作方式可歸納為一電能回收流程50。第5圖為電能回收流程50之示意圖。電能回收流程50可用於具有複數個電荷泵之驅動晶片(例如：驅動晶片30)，以回收再利用複數個電荷泵之雜散電容之電能。電能回收流程50包含有下列步驟：
步驟500：開始。
步驟502：第一電荷泵操作於升壓階段，第二電荷泵操作於回收階段，電能回收電路將該第二電荷泵之雜散電容電能儲存於儲能元件，並將該第二電荷泵之雜散電容電能再利用至內部電路。
步驟504：第一電荷泵操作於升壓階段，第二電荷泵操作於充電階段。
步驟506：第一電荷泵操作於回收階段，第二電荷泵操作於升壓階段，電能回收電路將第一電荷泵之雜散電容電能儲存於儲能元件，並將第一電荷泵之雜散電容電能再利用至內部電路。
步驟508：第一電荷泵操作於充電階段，第二電荷泵操作於升壓階段。
關於電能回收流程50之詳細實施方式可參考驅動晶片30之操作，於此不再贅述。需注意的是，電能回收流程50亦可利用複數個開關切換每個電荷泵之回收階段，以於升壓階段結束後而下個充電階段開始前，回收複數個電荷泵之雜散電容之電能，而不限於上述兩個電荷泵。
綜上所述，本發明實施例可於電荷泵進行電源切換升壓時，將雜散電容上的電能取出，並再利用至驅動晶片的內部電路或電壓源電路中。如此一來，可節省電源消耗。
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。
40‧‧‧流程
400、402、404、406、408‧‧‧步驟
410、412、414、416‧‧‧步驟

Claims (15)

  1. 一種回收電能之方法，用於一電荷泵(charge pump)中，該方法包含有：於一升壓階段結束後，操作於一回收階段；於該回收階段，回收一雜散電容之電能；以及將該雜散電容之電能再利用至一內部電路。
  2. 如請求項1所述之方法，其另包含：於該回收階段結束後，操作於一充電階段；於該充電階段，對一輸出電容進行充電；於該充電階段結束後，操作於該升壓階段；以及於該升壓階段，利用該輸出電容進行升壓。
  3. 如請求項1所述之方法，其中回收該雜散電容之電能包含：對一儲能元件充電，以將該雜散電容之電能儲存於該儲能元件。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該儲能元件為一電容或一電感。
  5. 如請求項3所述之方法，其另包含：控制該儲能元件之一初始電壓，以增加或降低該儲能元件之一儲電能力。
  6. 如請求項1所述之方法，其另包含：於該回收階段時，耦接一輸出電容之一第一端至電壓源以及浮接該輸出電容之一第二端。
  7. 如請求項2所述之方法，其中將該雜散電容之電能再利用至該內部電路包含：穩定一儲能元件之一輸出電壓。
  8. 一種驅動電路，包含有：至少一電荷泵(charge pump)，每一電荷泵包含有：一雜散電容；以及一輸出電容，用來於一充電階段進行充電以及於一升壓階段進行升壓；以及一電能回收電路，包含有：一儲能元件，耦接於該每一電荷泵之該雜散電容，用來於一回收階段，回收該每一電荷泵之該雜散電容之電能以及將該每一電荷泵之該雜散電容之電能再利用至一內部電路；以及一第一開關，耦接於該每一電荷泵之該雜散電容與該儲能元件，用來控制該每一電荷泵之該雜散電容與該儲能元件間之一耦接關係。
  9. 如請求項8所述之驅動電路，其中該電能回收電路另包含：一穩壓元件，耦接於該儲能元件，用來穩定該儲能元件之一輸出電壓；以及一第二開關，耦接於該儲能元件以及該穩壓元件，用來控制該儲能元件與該穩壓元件間之一耦接關係。
  10. 如請求項9所述之驅動電路，其中該電能回收電路另包含：一第一二極體，耦接於該每一電荷泵之該雜散電容以及該儲能元件，用來避免該儲能元件回充該雜散電容；以及一第二二極體，耦接於該儲能元件以及該穩壓元件，用來避免該穩壓元件回充該儲能元件。
  11. 如請求項9所述之驅動電路，其中該電能回收電路另包含： 一第一阻抗元件，耦接於該儲能元件，用來限定流入該儲能元件之一第一電流；以及一第二阻抗元件，耦接於該穩壓元件，用來限定流入該穩壓元件之一第二電流。
  12. 如請求項8所述之驅動電路，其中該儲能元件為一電容或一電感。
  13. 如請求項9所述之驅動電路，其中該穩壓元件為一電容或一電感。
  14. 如請求項8所述之驅動電路，其中該電能回收電路另包含：一脈衝產生器，耦接於該儲能元件，用來控制該儲能元件之一初始電壓，以增加該儲能元件之一儲電能力。
  15. 如請求項8所述之驅動電路，其中該至少一電荷泵由該充電階段進入該升壓階段，並由該升壓階段進入該回收階段，在由該回收階段回至該充電階段。
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