TWI543514B - 電荷泵電路以及包含該電路的電源裝置 - Google Patents

電荷泵電路以及包含該電路的電源裝置 Download PDF

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Description

電荷泵電路以及包含該電路的電源裝置
本發明的實施例涉及電子電路，尤其涉及電荷泵電路、包含該電路的電源裝置以及為負載提供電源的方法。
為負載提供電能的驅動電路常常需要大容值的輸出電容器來吸收交流輸出功率，然而大容值的輸出電容器體積大且成本高昂，同時在電容器類型的選取上也有很大侷限。在發光二極體(light-emitting diode,LED)驅動電路中，該問題尤為明顯。
隨著科技的不斷發展，LED由於其體積小、驅動簡單且節能環保，正逐漸取代螢光燈在液晶顯示背光和普通照明中的應用。LED需要驅動電路來為其提供受控的電流信號。為了使電網資源得到充分利用，避免對電網造成高次諧波污染，輸出功率大於5W的LED驅動電路需要滿足功率因數(power factor,PF)和總諧波失真(total harmonic distortion,THD)方面的要求。因而這類LED驅動電路通常包括無源功率因數校正(power factor correction,PFC)電路 或者使用有源PFC技術。
第1圖為具有PFC功能的LED驅動電路的波形圖，其中vin為LED驅動電路的輸入電壓，iin為輸入電流，pin為輸入功率，vo為輸出電壓。由於LED消耗直流功率，因而LED驅動電路需要大容值的輸出電容器來儲存能量並減小紋波。該輸出電容器通常採用電解電容，因為除了電解電容之外，很難再有其他類型的電容能同時滿足高耐壓和大容值的要求。
然而，電解電容的壽命很短，通常小於10000小時。與平均壽命長達50000小時的LED相比，電解電容會對整個LED燈具的壽命造成不利影響。
本發明要解決的技術問題是提供電荷泵電路、包含該電路的電源裝置以及為負載提供電源的方法，可減小輸出電容器的容值並為輸出電容器類型的選取提供更多的選擇。
根據本發明一實施例的一種用於電源裝置的電荷泵電路，包括：第一電容器，與兩端加有一電壓的負載並聯；一個或多個泵送電容器；第二電容器；以及開關陣列，包括多個開關管，電耦接至所述第一電容器、第二電容器和至少一個泵送電容器，接收第一電容器兩端的電 壓，控制至少一個泵送電容器的充電與放電，以使第二電容器兩端的電壓大於第一電容器兩端的電壓。
根據本發明一實施例的一種電源裝置，包括：驅動電路，電耦接至負載，為負載提供驅動信號；以及如前所述的電荷泵電路。
根據本發明一實施例的一種為負載提供電源的方法，包括：為負載提供驅動信號；將第一電容器與負載並聯；以及通過多個開關管控制至少一個泵送電容器的充電與放電，使第二電容器兩端的電壓大於第一電容器兩端的電壓。
通過電荷泵電路增大輸出電容器兩端的電壓，在相同輸出功率下減小了輸出電容器的容值，並為輸出電容器類型的選取提供了更多的選擇。
vin‧‧‧LED驅動電路的輸入電壓
iin‧‧‧輸入電流
pin‧‧‧輸入功率
vo‧‧‧輸出電壓
201、301、501、601‧‧‧驅動電路
202、302、502、602_1、602_2‧‧‧電荷泵電路
203、303、503‧‧‧開關陣列
C1、C2、C3‧‧‧電容器
Cf、Cf1、Cf2‧‧‧泵送電容器
Vout‧‧‧電壓
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11‧‧‧開關管
Vgs(Q1，Q3)、Vgs(Q2，Q4)‧‧‧柵源極電壓
第1圖為具有PFC功能的LED驅動電路的波形圖；第2圖為根據本發明一實施例的電源電路的框圖；第3圖為根據本發明一實施例的電源電路的電路圖；第4圖為根據本發明一實施例的第3圖所示電 源電路的波形圖；第5圖為根據本發明另一實施例的電源電路的電路圖；第6圖為根據本發明又一實施例的電源電路的電路圖；第7圖為根據本發明一實施例的為負載提供電源的方法的流程圖。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在 此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
第2圖為根據本發明一實施例的電源電路的框圖，包括驅動電路201和電荷泵電路202。驅動電路201電耦接至負載，為負載提供驅動信號。驅動電路201可為開關電路、低壓差線性穩壓器(low dropout regulator,LDO)等公知電路。在一個實施例中，驅動電路201具有PFC功能，例如為具有PFC功能的反激電路、或具有PFC功能的升壓電路與其他直流/直流變換電路的組合，負載為LED。
電荷泵電路202包括第一電容器C1、開關陣列203、至少一個泵送電容器Cf以及第二電容器C2。第一電容器C1與負載並聯。開關陣列203包括多個開關管，電耦接至第一電容器C1、第二電容器C2以及至少一個泵送電容器Cf。開關陣列203接收第一電容器C1兩端的電壓，控制至少一個泵送電容器Cf的充電與放電，使泵送電容器Cf先存儲能量，然後以受控方式釋放能量，從而使第二電容器C2兩端的電壓大於第一電容器C1兩端電壓Vout，例如為Vout的n倍。n可為大於1的常數，也可根據開關陣列203中開關管連接方式的不同而在多個大於1的常數中 選取。開關陣列203中的開關管可為任何可控半導體器件，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、雙極結型電晶體(BJT)、絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)等。在一個實施例中，開關陣列203中的開關管被集成於一積體電路中。
由於第二電容器C2兩端的電壓大於第一電容器C1兩端的電壓，且為其n倍，根據電容器存儲功率的計算公式0.5*C*V2，在相同的輸出功率下，第二電容器C2的容值可降為現有技術中輸出電容器容值的1/n2。在相同的電容類型下，容值減小意味著體積減小且成本降低。此外，由於容值減小，第二電容器的選取可不再侷限於電解電容，而選用陶瓷電容、薄膜電容等其他類型的電容器。陶瓷電容和薄膜電容的壽命均長於電解電容，而且佔用空間小、使用成本低。在一個實施例中，第一電容器C1、第二電容器C2和至少一個泵送電容器Cf均選用陶瓷電容或薄膜電容。
在一個實施例中，開關陣列203包括第一組開關管和第二組開關管。在第一狀態下，第一組開關管導通而第二組開關管關斷，第一電容器C1兩端的電壓對至少一個泵送電容器Cf進行充電。在第二狀態下，第二組開關管導通而第一組開關管關斷，第二電容器C2兩端的電壓上升到第一電容器C1兩端的電壓與至少一個泵送電容器Cf兩端的電壓之和。
第3圖為根據本發明一實施例的電源電路的電 路圖。電荷泵電路302包括第一電容器C1、開關陣列303、泵送電容器Cf以及第二電容器C2。第一電容器C1與負載並聯。開關陣列303包括第一組開關管和第二組開關管。第一組開關管包括第二開關管Q2和第四開關管Q4，第二組開關管包括第一開關管Q1和第三開關管Q3。開關管Q1的第一端電耦接至第二電容器C2的第一端，開關管Q1的第二端電耦接至開關管Q2的第一端和泵送電容器Cf的第一端。開關管Q2的第二端電耦接至第一電容器C1的第一端和開關管Q3的第一端，開關管Q3的第二端電耦接至開關管Q4的第一端和泵送電容器Cf的第二端。開關管Q4的第二端電耦接至第一電容器C1的第二端和第二電容器C2的第二端，並接地。
當開關管Q2和Q4導通時，開關管Q1和Q3關斷，電容器Cf充電，其兩端的電壓被增大至等於電容器C1兩端的電壓Vout。當開關管Q1和Q3導通時，開關管Q2和Q4關斷，電容器C1和電容器Cf串聯，電容器C2兩端的電壓被充電至等於電容器C1兩端的電壓和電容器Cf兩端的電壓之和，即2*Vout。由於電容器C2兩端的電壓為2*Vout，在相同的輸出功率下，第二電容器C2的容值可降為現有技術中輸出電容器容值的1/4。
為了維持電容器Cf的充放電平衡，開關管Q1、Q3的導通時間與開關管Q2、Q4的導通時間基本上相等。第4圖為根據本發明一實施例的第3圖所示電源電路的波形圖，其中Vgs(Q1，Q3)為開關管Q1和Q3的柵源極 電壓，Vgs(Q2，Q4)為開關管Q2和Q4的柵源極電壓。開關管Q1~Q4的開關占空比為50%，從而達到最佳的電荷轉移效率。
第5圖為根據本發明另一實施例的電源電路的電路圖。電荷泵電路502包括第一電容器C1、開關陣列503、泵送電容器Cf1、Cf2以及第二電容器C2。第一電容器C1與負載並聯。開關陣列503包括第一組開關管和第二組開關管，第一組開關管包括開關管Q5、開關管Q8和開關管Q11，第二組開關管包括開關管Q6、開關管Q7、開關管Q9和開關管Q10。開關管Q5的第一端耦接至電容器C1的第一端，開關管Q5的第二端耦接至開關管Q6的第一端和泵送電容器Cf1的第一端，開關管Q6的第二端耦接至開關管Q9的第一端和電容器C2的第一端。開關管Q7的第一端耦接至電容器C1的第一端，開關管Q7的第二端耦接至泵送電容器Cf1的第二端和開關管Q8的第一端，開關管Q8的第二端耦接至開關管Q9的第二端和泵送電容器Cf2的第一端。開關管Q10的第一端耦接至電容器C1的第一端，開關管Q10的第二端耦接至泵送電容器Cf2的第二端和開關管Q11的第一端，開關管Q11的第二端耦接至電容器C1的第二端和電容器C2的第二端。開關管Q5~Q11的導通時間基本上相等。在一個實施例中，開關管Q5~Q11的開關占空比為50%，從而達到最佳的電荷轉移效率。
當開關管Q5、Q8和Q11導通，開關管Q6、Q7、Q9和Q10關斷，電容器Cf1和Cf2被充電，其兩端的 電壓均被增大至等於0.5*Vout。當開關管Q5、Q8和Q11關斷，開關管Q6、Q7、Q9和Q10導通，電容器Cf1和Cf2並聯，再與電容器C1串聯。電容器C2兩端的電壓被充電至等於電容器C1兩端的電壓和電容器Cf1、Cf2兩端的電壓之和，即1.5*Vout。由於電容器C2兩端的電壓為1.5*Vout，在相同的輸出功率下，電容器C2的容值可降為現有技術中輸出電容器容值的1/2.25。
電源電路可根據需要將多個電荷泵電路級聯，以進一步增大輸出電容器兩端的電壓並減小輸出電容器的容值。每一級電荷泵電路的內部結構可以相同，也可以不同，其電壓放大倍數可以相等，也可以不等。第6圖為根據本發明又一實施例的電源電路的電路圖，其中將兩個類似於第3圖所示電荷泵電路302的電荷泵電路602_1和602_2級聯，使得電容器C3兩端的電壓為4*Vout。在相同的輸出功率下，電容器C3的容值可降為現有技術中輸出電容器容值的1/16。
在一個實施例中，驅動電路601的輸出電壓Vout為16V，負載電流為0.5A。在基本相同的電壓紋波情況下，現有技術需要兩個並聯連接的470uF電解電容，而對於第6圖所示的電源電路，僅需C1=Cf3=10uF，C2=Cf4=22uF，C3=47uF，而且該五個電容器均可選用陶瓷電容或薄膜電容。此外，由於電荷泵電路602_1和602_2中的開關管在工作過程中均為零電流導通和零電流關斷，所以不存在開關損耗。而這些開關管的導通電阻一般很小 (例如0.2歐姆)，因而電荷泵電路602_1和602_2的功耗很低(例如0.1W)。
第7圖為根據本發明一實施例的為負載提供電源的方法的流程圖，包括步驟711~713。
在步驟711，為負載提供驅動信號。
在步驟712，將第一電容器與負載並聯。
在步驟713，通過多個開關管控制至少一個泵送電容器的充電與放電，使第二電容器兩端的電壓大於第一電容器兩端的電壓。
由於第二電容器C2兩端的電壓大於第一電容器C1兩端的電壓，在相同的輸出功率下，第二電容器C2的容值小於現有技術中輸出電容器容值。在相同的電容類型下，容值減小意味著體積減小且成本降低。此外，由於容值減小，第二電容器的選取可不再侷限於電解電容，而選用陶瓷電容、薄膜電容等其他類型的電容器。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離本發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
201‧‧‧驅動電路
202‧‧‧電荷泵電路
203‧‧‧開關陣列
C1、C2‧‧‧電容器
Vout‧‧‧電壓

Claims (12)

  1. 一種用於電源裝置的電荷泵電路，該電源裝置包括為負載提供驅動信號的驅動電路，該電荷泵電路包括：第一電容器，與負載並聯；一個或多個泵送電容器；第二電容器；以及開關陣列，包括多個開關管，電耦接至所述第一電容器、第二電容器和至少一個泵送電容器，接收第一電容器兩端的電壓，控制所述至少一個泵送電容器的充電與放電，以使第二電容器兩端的電壓大於第一電容器兩端的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵電路，其中所述開關陣列包括第一組開關管和第二組開關管，在第一狀態下，第一組開關管導通而第二組開關管關斷，第一電容器兩端的電壓對至少一個泵送電容器進行充電，在第二狀態下，第二組開關管導通而第一組開關管關斷，第二電容器兩端的電壓上升到第一電容器兩端的電壓與至少一個泵送電容器兩端的電壓之和。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電荷泵電路，其中所述第一組開關管包括第二開關管和第四開關管，第二組開關管包括第一開關管和第三開關管，第一開關管的第一端電耦接至第二電容器的第一端，第一開關管的第二端電耦接至第二開關管的第一端和泵送電容器的第一端，第二開關管的第二端電耦接至第一電容器的第一端和第三開關管的第 一端，第三開關管的第二端電耦接至第四開關管的第一端和泵送電容器的第二端，第四開關管的第二端電耦接至第一電容器的第二端和第二電容器的第二端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電荷泵電路，其中所述第一、第二、第三和第四開關管的開關占空比為50%。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的電荷泵電路，其中第一組開關管包括第五開關管、第八開關管和第十一開關管，第二組開關管包括第六開關管、第七開關管、第九開關管和第十開關管，其中第五開關管的第一端耦接至第一電容器的第一端，第五開關管的第二端耦接至第六開關管的第一端和第一泵送電容器的第一端，第六開關管的第二端耦接至第九開關管的第一端和第二電容器的第一端，第七開關管的第一端耦接至第一電容器的第一端，第七開關管的第二端耦接至第一泵送電容器的第二端和第八開關管的第一端，第八開關管的第二端耦接至第九開關管的第二端和第二泵送電容器的第一端，第十開關管的第一端耦接至第一電容器的第一端，第十開關管的第二端耦接至第二泵送電容器的第二端和第十一開關管的第一端，第十一開關管的第二端耦接至第一電容器的第二端和第二電容器的第二端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電荷泵電路，其中所述第五、第六、第七、第八、第九、第十和第十一開關管的開關占空比為50%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵電路，其中所述第 一電容器、第二電容器和至少一個泵送電容器為陶瓷電容或薄膜電容。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵電路，其中所述開關陣列被集成在一積體電路中。
  9. 一種電源裝置，包括：如申請專利範圍第1至8項中任一項所述的電荷泵電路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電源裝置，包括級聯的多個所述電荷泵電路。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電源裝置，其中所述驅動電路具有PFC功能，負載為LED。
  12. 一種為負載提供電源的方法，包括：為負載提供驅動信號；將第一電容器與負載並聯；以及通過多個開關管控制至少一個泵送電容器的充電與放電，使第二電容器兩端的電壓大於第一電容器兩端的電壓。
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