TWI664799B

TWI664799B - 電壓轉換器

Info

Publication number: TWI664799B
Application number: TW107105142A
Authority: TW
Inventors: 許明偉
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-07-01
Also published as: CN108539971B; CN108539971A; TW201935828A

Abstract

一種電壓轉換器包括電感、第一電容、偵測及比較電路以及通道選擇器。電感耦接在電源電壓以及功率電晶體間。第一電容耦接在電感與偵測端間。偵測及比較電路耦接至偵測端，偵測偵測端上的偵測電壓，並接收功率電晶體的驅動電壓，比較偵測電壓與參考電壓產生第一比較結果，比較驅動電壓與功率電晶體的臨界電壓以產生第二比較結果，再依據第一比較結果、第二比較結果以及驅動電壓來產生控制信號。通道選擇器耦接偵測及比較電路，依據控制信號使偵測端耦接至參考接地端或負電壓供應端。

Description

電壓轉換器

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種顯示裝置中的電壓轉換器。

隨著電子技術的進步，電子裝置已成為人們生活中不可或缺的工具。為提供良好的人機介面，高品質的顯示面板已成為電子裝置中必要的設備。

在先前技術中，設計者可以採用嵌入式閘極電壓產生器（Embedded Gate Voltage Generator）來產生顯示器中的閘極驅動電壓（Gate Drive Voltage）。然而，由於外掛的驅動電晶體的控制端上所具有的寄生電容以及寄生電阻的效應，造成驅動電晶體的控制端上的電壓難以與內部的電荷泵電路（Charge Pump Circuit）的切換開關達到同步動作的效果，致使電荷泵電路容易發生誤動作的現象，以使得顯示器中的顯示面板無法提供具有高品質的顯示畫面。因此，如何使電荷泵電路中的切換開關與驅動電晶體的控制端上的電壓達到同步動作的效果，將是本領域相關技術人員重要的課題之一。

本發明提供一種電壓轉換器，可以使其中的功率電晶體的驅動電壓與通道選擇器中的切換開關達到同步動作的效果。

本發明的電壓轉換器包括電感、第一電容、偵測及比較電路以及通道選擇器。電感耦接在電源電壓以及功率電晶體間。第一電容耦接在電感與偵測端間。偵測及比較電路耦接至偵測端，偵測偵測端上的偵測電壓，並接收功率電晶體的驅動電壓，比較偵測電壓與參考電壓產生第一比較結果，比較驅動電壓與功率電晶體的臨界電壓以產生第二比較結果，再依據第一比較結果、第二比較結果以及驅動電壓來產生控制信號。通道選擇器耦接偵測及比較電路，依據控制信號使偵測端耦接至參考接地端或負電壓供應端。

基於上述，本發明的電壓轉換器可以利用偵測及比較電路來比較偵測端上的偵測電壓與參考電壓，以產生第一比較結果，並且，偵測及比較電路亦可以比較功率電晶體的驅動電壓與此功率電晶體的臨界電壓（Threshold Voltage），以產生第二比較結果。如此一來，偵測及比較電路可以依據上述的第一、第二比較結果以及所述驅動電壓來調整輸出至通道選擇器的控制信號的控制時序，進而使功率電晶體的驅動電壓與通道選擇器中的切換開關達到同步動作的效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明一實施例說明一種電壓轉換器的示意圖。電壓轉換器100包括電感L1、第一電容CX1、第二電容CX2、偵測及比較電路110、通道選擇器120、驅動電壓調整電路130、電流偵測器Rfb、驅動信號產生器140以及負電壓調整電路150。其中，電感L1耦接於電源電壓VDD與功率電晶體MP間，並且電感L1與功率電晶體MP耦接於節點LX。二極體DL耦接於電感L1與節點P3間。負載電容CL耦接於節點P3與參考接地端GND間，並且在負載電容CL上可以儲存電壓轉換器100的輸出電壓Vout。此外，第一電容CX1耦接於電感L1與偵測端P1間，並且第二電容CX2耦接於負電壓供應端P2與參考接地端GND間。

另一方面，在本實施例中，偵測及比較電路110可以耦接至偵測端P1，以使偵測及比較電路110可以偵測偵測端P1上的偵測電壓Va，並且偵測及比較電路110可以接收功率電晶體MP的驅動電壓Vb。值得一提的是，在本實施例中，偵測及比較電路110可以比較偵測電壓Va與參考電壓，藉以產生第一比較結果。同時，偵測及比較電路110另透過比較驅動電壓Vb與功率電晶體MP的臨界電壓（Threshold Voltage），以產生第二比較結果。如此一來，偵測及比較電路110可以依據上述的第一比較結果、第二比較結果以及驅動電壓Vb來產生控制信號（包括第一子控制信號CS1及第二子控制信號CS2）。需注意到的是，關於本實施例的偵測及比較電路110的相關實施細節，將會在下述圖2的實施方式中進行詳細的說明。

接著，在本實施例中，通道選擇器120可以耦接至偵測及比較電路110以接收偵測及比較電路110所提供的第一子控制信號CS1與第二子控制信號CS2，並且，通道選擇器120可以依據第一子控制信號CS1與第二子控制信號CS2，來選擇將偵測端P1耦接至參考接地GND或是將偵測端P1耦接至負電壓供應端P2。值得注意的是，本實施例的通道選擇器120還可以包括第一傳輸通道CH1與第二傳輸通道CH2。其中，第一傳輸通道CH1耦接於偵測端P1與負電壓供應端P2間，第一傳輸通道CH1可以受控於偵測及比較電路110所提供的第一子控制信號CS1。第二傳輸通道CH2則耦接於偵測端P1與參考接地端GND間，第二傳輸通道CH2可以受控於偵測及比較電路110所提供的第二子控制信號CS2。

進一步來說，本實施例中的第一傳輸通道CH1可以利用開關SW1與二極體D1來實施。其中，開關SW1的第一端耦接至負電壓供應端P2，開關SW1的第二端耦接至偵測端P1，開關SW1可以受控於偵測及比較電路110所提供的第一子控制信號CS1。此外，二極體D1的陽極耦接至負電壓供應端P2，二極體D1的陰極耦接至檢測端P1。另一方面，本實施例的第二傳輸通道CH2可以利用開關SW2與二極體D2來實施。其中，開關SW2的第一端耦接至參考接地端GND，開關SW2的第二端耦接至偵測端P1，開關SW2可以受控於偵測及比較電路110所提供的第二子控制信號CS2。此外，二極體D2的陽極耦接至檢測端P1，二極體D2的陰極耦接至參考接地端GND。特別注意的是，本實施例的通道選擇器120中的開關SW1，可以依據第一子控制信號CS1來控制開關SW1的導通狀態。相同的，通道選擇器120中的開關SW2可以依據第二子控制信號CS2來控制開關SW2的導通狀態。順帶一提的是，本實施例的開關SW1、SW2可以是電晶體開關，但本發明實施例不以此為限。

接著，在本實施例中，功率電晶體MP可以接收驅動信號產生器140所產生的驅動電壓Vb，並且功率電晶體MP可以依據驅動電壓Vb來產生驅動電流Id。進一步來說，本實施例的驅動電壓調整電路130可以耦接於功率電晶體MP的控制端與驅動信號產生器140間，並且驅動電壓調整電路130可以接收驅動信號產生器140所產生的驅動電壓Vb。值得一提的是，本實施例的驅動電壓調整電路130可以包括電容Ca與電阻Ra，其中，上述的電容Ca與電阻Ra可以是由寄生電容、電阻所形成。詳細來說，由於驅動電壓調整電路130中的電容Ca與電阻Ra具有一電容電阻延遲（RC delay），使得功率電晶體MP在實際接收驅動電壓Vb時，將會有一延遲時間。換句話說，驅動電壓調整電路130可以利用所包括的電容Ca與電阻Ra所產生的電容電阻延遲，來調整所接收的驅動電壓Vb，藉以產生經過調整後的驅動電壓，以驅動功率電晶體MP。在此同時，功率電晶體MP可以依據上述的調整後的驅動電壓來產生驅動電流Id。

除此之外，由於本實施例的電流偵測器Rfb可以耦接在功率電晶體MP與參考接地端GND的路徑間，並且電流偵測器Rfb可以用以偵測功率電晶體MP上的驅動電流Id。因此，電流偵測器Rfb可以將所偵測到的驅動電流Id回授至驅動信號產生器140，以使驅動信號產生器140接收驅動電流Id，並且驅動信號產生器140可以依據驅動電流Id來產生驅動信號DS，以透過驅動信號DS來提供驅動電壓Vb。值得注意的是，本實施例的驅動信號DS可以是脈波寬度調變信號，但並不限於此。

另一方面，本實施例的負電壓調整電路150包括負電壓控制信號產生電路160、第三電容CX3以及電晶體Q1。其中，負電壓調整電路150耦接至負電壓供應端P2，負電壓調整電路150可以利用負電壓控制信號產生電路160來產生負電壓控制信號NVCS，並且透過負電壓控制信號NVCS來產生低閘極電壓VGL。除此之外，第三電容CX3的第一端耦接至參考接地端GND。電晶體Q1的第一端（例如電晶體Q1的射極端）耦接至第三電容CX3的第二端，電晶體Q1的第二端（例如電晶體Q1的集極端）耦接至該負電壓供應端P2，並且電晶體Q1的控制端（例如電晶體Q1的基極端）可以受控於負電壓控制信號產生電路160所產生的負電壓控制信號NVCS。

為了方便說明第一子控制信號CS1及第二子控制信號CS2的時序動作與偵測端上的偵測電壓Va及驅動電壓Vb的電壓的關係，以下請同時參照圖1以及圖3，圖3是依照本發明一實施例說明圖1的電壓轉換器的時序圖。在圖3中，橫軸為電壓轉換器100的操作時間，縱軸為電壓值。詳細來說，當電壓轉換器100操作於顯示時間區間Ts時，通道選擇器120可以依據偵測及比較電路110所提供的第一子控制信號CS1與第二子控制信號CS2來選擇偵測端P1耦接至參考接地端GND或是耦接至負電壓供應端P2。舉例來說，當第一子控制信號CS1被致能（例如為高電壓準位）且第二子控制信號CS2被禁能（例如為低電壓準位），並且驅動信號產生器140所產生的驅動電壓Vb為高電壓準位時，開關SW1可以被導通。此時，開關SW2與二極體D2可以同時被斷開，以使得通道選擇器120可以將偵測端P1耦接至負電壓供應端P2。換句話說，當第一子控制信號CS1被致能（例如為高電壓準位）且第二子控制信號CS2被禁能（例如為低電壓準位）時，偵測端P1上的偵測電壓Va的電壓值，可以為負電壓調整電路150所產生的低閘極電壓VGL的電壓值。

另一方面，當第二子控制信號CS2被致能（例如為高電壓準位）且第一子控制信號CS1被禁能（例如為低電壓準位），並且驅動信號產生器140所產生的驅動電壓Vb為低電壓準位時，開關SW2可以被導通。此時，開關SW1與二極體D1可以同時被斷開，以使得通道選擇器120可以將偵測端P1耦接至參考接地端GND。也就是說，當第二子控制信號CS2被致能（例如為高電壓準位）且第一子控制信號CS1被禁能（例如為低電壓準位）時，偵測端P1上的偵測電壓Va的電壓值，可以被拉升至參考接地端GND上的電壓準位V1。其中，本實施例的第一子控制信號CS1與第二子控制信號CS2互為反向信號。

依據上述可以得知，在本實施例中，當偵測端上的偵測電壓Va在時間點TP1產生低閘極電壓VGL時，偵測及比較電路110才會使第一子控制信號CS1拉升至高電壓準位，以使開關SW1被導通。藉此，可以避免第二電容CX2的電壓值被拉升至高電壓準位。除此之外，透過本發明實施例的操作方式，可以使功率電晶體MP的驅動電壓Vb與通道選擇器120中的切換開關SW1、SW2達到同步動作的效果，藉以改善習知技術所產生的問題。

圖2繪示本發明圖1實施例的偵測及比較電路的電路圖。以下請同時參照圖1及圖2，關於本實施例的偵測及比較電路200的實施細節，在本實施例中，偵測及比較電路200包括第一比較器210、第二比較器220以及邏輯運算電路230。其中，第一比較器210可以用以比較偵測端P1上的偵測電壓Va與參考電壓Vref，以產生第一比較結果CP1。另一方面，第二比較器220可以用以比較功率電晶體MP的驅動電壓Vb與功率電晶體MP的臨界電壓Vth，以產生第二比較結果CP2。值得注意的是，本實施例中的第二比較器220可以例如是運算放大器221，但並不限於此。

具體來說，偵測及比較電路200可以利用邏輯運算電路230來接收上述的第一比較結果CP1、第二比較結果CP2以及驅動電壓Vb。並且，邏輯運算電路230可以依據第一比較結果CP1以及第二比較結果CP2來產生第一子控制信號CS1，亦即邏輯運算電路230可以將第一子控制信號CS1傳輸至開關SW1的控制端，以控制開關SW1的導通狀態。另一方面，邏輯運算電路230同樣可以依據驅動電壓Vb來產生第二子控制信號CS2，亦即邏輯運算電路230可以將第二子控制信號CS2傳輸至開關SW2的控制端，以控制開關SW2的導通狀態。

進一步來說，本實施例的第一比較器210還可以包括第一運算放大器211、第二運算放大器212、第一電阻R1以及第二電阻R2。詳細來說，本實施例的第一運算放大器211的負相輸入端可以接收偵測電壓Va，並且第一運算放大器211的正相輸入端可以耦接至第一電阻R1的第一端，第一電阻R1的第二端可以耦接至參考接地端GND。另一方面，第二電阻R2可以耦接於第一運算放大器211的輸出端與第一運算放大器211的正相輸入端之間。如此一來，第一運算放大器211可以透過調整第一電阻R1與第二電阻R2的電阻值，來將偵測電壓Va進行放大或縮小的倍率轉換，以使第一運算放大器211可以輸出一輸出電壓Vo。

接著，本實施例的第二運算放大器212的負相輸入端可以接收參考電壓Vref，第二運算放大器212的正相輸入端可以接收第一運算放大器211所輸出的輸出電壓Vo。如此一來，第二運算放大器212可以依據參考電壓Vref與輸出電壓Vo來產生第一比較結果CP1。

值得一提的是，本實施例的邏輯運算電路230可以包括邏輯閘231以及反相器232。其中，邏輯運算電路230中的邏輯閘231可以接收上述的第一比較結果CP1與第二比較結果CP2來進行及邏輯運算，以產生第一控制子信號CS1。需注意到的是，本實施例的邏輯閘231可以是任何具有及邏輯運算功能的一個或多個組合式邏輯電路，例如是及邏輯閘（AND Gate），但不限於此。另一方面，邏輯運算電路230中的反相器232可以接收功率電晶體MP的驅動電壓Vb，並且反相器232可以依據驅動電壓Vb來產生第二子控制信號CS2。

順帶一提的是，本實施例的偵測及比較電路200中的邏輯電路，可以透過本領域技術人員所熟知的邏輯設計方式，依據各邏輯電路所需執行的功能來進行設計。例如：真值表（Truth Table）、卡諾圖（Karnaugh Map）、狀態機（Finite State Machine）或者可以利用硬體描述語言（如Verilog、VHDL）等來進行設計，沒有特別的限制。除此之外，更可以利用相關電路設計的操作軟體中的合成電路（Compiler）功能來建構上述的邏輯電路。

綜上所述，本發明的電壓轉換器可以利用偵測及比較電路來依據第一與第二比較結果以產生第一子控制信號，並且，偵測及比較電路也可以依據驅動信號產生器所提供的驅動電壓來產生第二子控制信號。值得一提的是，當第一子控制信號被致能時，通道選擇器可以將偵測端耦接至負電壓供應端，以使偵測端上的偵測電壓為負電壓調整電路所產生的低閘極電壓。另一方面，當第二子控制信號被致能時，通道選擇器可以將偵測端耦接至參考接地端，以使偵測端上的偵測電壓為參考接地端上的電壓準位。如此一來，偵測及比較電路可以依據上述的第一、第二比較結果以及所述驅動電壓來調整輸出至通道選擇器的控制信號的控制時序，進而使功率電晶體的驅動電壓與通道選擇器中的切換開關達到同步動作的效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電壓轉換器

110、200‧‧‧偵測及比較電路

120‧‧‧通道選擇器

130‧‧‧驅動電壓調整電路

140‧‧‧驅動信號產生器

150‧‧‧負電壓調整電路

160‧‧‧負電壓控制信號產生電路

210‧‧‧第一比較器

211‧‧‧第一運算放大器

212‧‧‧第二運算放大器

220‧‧‧第二比較器

221‧‧‧運算放大器

230‧‧‧邏輯運算電路

231‧‧‧邏輯閘

232‧‧‧反相器

CH1‧‧‧第一傳輸通道

CH2‧‧‧第二傳輸通道

MP‧‧‧功率電晶體

Q1‧‧‧電晶體

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

Rfb‧‧‧電流偵測器

Ra‧‧‧電阻

Ca‧‧‧電容

CL‧‧‧負載電容

CX1‧‧‧第一電容

CX2‧‧‧第二電容

CX3‧‧‧第三電容

L1‧‧‧電感

D1、D2、DL‧‧‧二極體

SW1、SW2‧‧‧開關

VDD‧‧‧電源電壓

GND‧‧‧參考接地端

Vref‧‧‧參考電壓

CP1‧‧‧第一比較結果

CP2‧‧‧第二比較結果

P1‧‧‧偵測端

P2‧‧‧負電壓供應端

LX、P3‧‧‧節點

Vout‧‧‧輸出電壓

V1‧‧‧電壓準位

Va‧‧‧偵測電壓

Vb‧‧‧驅動電壓

VGL‧‧‧低閘極電壓

Id‧‧‧驅動電流

CS1‧‧‧第一子控制信號

CS2‧‧‧第二子控制信號

DS‧‧‧驅動信號

NVCS‧‧‧負電壓控制信號

Ts‧‧‧顯示時間區間

TP1‧‧‧時間點

圖1是依照本發明一實施例說明一種電壓轉換器的示意圖。圖2繪示本發明圖1實施例的偵測及比較電路的電路圖。圖3是依照本發明一實施例說明圖1的電壓轉換器的時序圖。

Claims

一種電壓轉換器，包括：一電感，耦接在一電源電壓以及一功率電晶體間；一第一電容，耦接在該電感與一偵測端間；一偵測及比較電路，耦接至該偵測端，偵測該偵測端上的一偵測電壓，並接收該功率電晶體的一驅動電壓，比較該偵測電壓與一參考電壓產生一第一比較結果，比較該驅動電壓與該功率電晶體的臨界電壓以產生一第二比較結果，再依據該第一比較結果、該第二比較結果以及該驅動電壓來產生一控制信號；以及一通道選擇器，耦接該偵測及比較電路，依據該控制信號使該偵測端耦接至一參考接地端或一負電壓供應端。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，更包括：一驅動電壓調整電路，耦接至該功率電晶體的控制端，其中，該驅動電壓調整電路接收該驅動電壓，並提供一電容、電阻延遲以調整該驅動電壓，藉以產生一調整後驅動電壓。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該偵測及比較電路包括：一第一比較器，比較該偵測電壓與該參考電壓以產生該第一比較結果；一第二比較器，比較該驅動電壓與該功率電晶體的臨界電壓以產生該第二比較結果；以及一邏輯運算電路，接收該第一比較結果、該第二比較結果以及該驅動電壓，該邏輯運算電路依據該第一比較結果以及該第二比較結果產生一第一子控制信號，該邏輯運算電路並依據該驅動電壓產生一第二子控制信號。
如申請專利範圍第3項所述的電壓轉換器，其中該第一比較器包括：一第一運算放大器，其負相輸入端接收該偵測電壓，並且該第一運算放大器輸出一輸出電壓；一第二運算放大器，其負相輸入端接收該參考電壓，其正相輸入端接收該輸出電壓；一第一電阻，其第一端耦接至該第一運算放大器的正相輸入端，其第二端耦接至該參考接地端；以及一第二電阻，耦接於該第一運算放大器的輸出端與該第一運算放大器的正相輸入端之間。
如申請專利範圍第3項所述的電壓轉換器，其中該第二比較器為一運算放大器。
如申請專利範圍第3項所述的電壓轉換器，其中該邏輯運算電路包括：一邏輯閘，接收該第一比較結果與該第二比較結果，並且將該第一比較結果與該第二比較結果進行及邏輯運算，以產生該第一控制子信號。
如申請專利範圍第6項所述的電壓轉換器，其中該邏輯運算電路更包括：一反相器，接收該驅動電壓以產生該第二子控制信號。
如申請專利範圍第7項所述的電壓轉換器，其中該通道選擇器包括：一第一傳輸通道，耦接於該偵測端與該負電壓供應端之間，受控於該第一子控制信號；以及一第二傳輸通道，耦接於該偵測端與該參考接地端之間，受控於該第二子控制信號。
如申請專利範圍第8項所述的電壓轉換器，其中該第一傳輸通道包括：一開關，其第一端耦接至該負電壓供應端，其第二端耦接至該偵測端，受控於該第一子控制信號；以及一二極體，其陽極耦接至該負電壓供應端，其陰極耦接至該檢測端。
如申請專利範圍第8項所述的電壓轉換器，其中該第二傳輸通道包括：一開關，其第一端耦接至該參考接地端，其第二端耦接至該偵測端，受控於該第二子控制信號；以及一二極體，其陽極耦接至該檢測端，其陰極耦接至該參考接地端。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，更包括：一電流偵測器，耦接在該功率電晶體耦接該參考接地端的路徑間，用以偵測該功率電晶體上的一驅動電流。
如申請專利範圍第11項所述的電壓轉換器，更包括：一驅動信號產生器，接收該驅動電流，並依據該驅動電流以產生一驅動信號，並透過該驅動信號以提供該驅動電壓，其中，該驅動信號為脈波寬度調變信號。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，更包括：一第二電容，耦接在該負電壓供應端與該參考接地端間。
如申請專利範圍第13項所述的電壓轉換器，更包括：一負電壓調整電路，耦接至該負電壓供應端，用以產生一低閘極電壓。
如申請專利範圍第14項所述的電壓轉換器，其中該負電壓調整電路包括：一第三電容，其第一端耦接至該參考接地端；一電晶體，其第一端耦接至該第三電容的第二端，其第二端耦接至該負電壓供應端，受控於一負電壓控制信號；以及一負電壓控制信號產生電路，用以產生該負電壓控制信號。