TWI746997B - 電荷泵 - Google Patents

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林聖穎
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Abstract

本發明提供一種電荷泵，其包含一電源產生電路與一頻率控制電路。電源產生電路包含至少一儲能元件，並對該至少一儲能元件充電以產生一供應電壓。及頻率控制電路耦接該至少一儲能元件，輸出一操作訊號至電源產生電路。頻率控制電路依據該至少一儲能元件儲存的電量而調整操作訊號的一操作頻率，以控制該至少一儲能元件的充電而增加儲存的電量。

Description

電荷泵
本發明係有關於一種電荷泵，尤其是一種自動控制操作頻率的電荷泵。
電荷泵(charge pump)是一種直流-直流轉換器(DC-DC converter)，用來產生比輸入電壓大的輸出電壓，亦可以用來產生負的輸出電壓。電荷泵基本原理是電容的充電和放電，其可以採用不同的連接方式實現，如並聯充電、串聯放電，串聯充電、並聯放電等，完成升壓、降壓、負壓等電壓轉換功能。一般電荷泵需從外部接收操作訊號，且操作訊號是固定的操作頻率。為了使電荷泵達到較高的負載驅動能力，常將固定操作頻率設定較高。然而，當負載從重載轉變為輕載時，電荷泵內部的耗能所占比例顯著增加，導致不必要的耗電。再者，當欲調節電荷泵的輸出電壓時，一般會停止傳輸操作訊號至電荷泵。然而，此方式在負載轉變時，因操作訊號無法快速控制電荷泵響應，造成電荷泵有很大的輸出電壓漣波。
本發明之目的，在於提供一種自動控制操作頻率的電荷泵，其降低運作時造成的電磁干擾。
本發明提供一種電荷泵，其包含一電源產生電路與一頻率控制電路。電源產生電路包含至少一儲能元件，並對該至少一儲能元件充電以產生一供應電壓。及頻率控制電路耦接該至少一儲能元件，輸出一操作訊號至電源產生電路。頻率控制電路依據該至少一儲能元件儲存的電量而調整操作訊號的一操作頻率，以控制該至少一儲能元件的充電而增加儲存的電量。
10:電荷泵
12:電荷泵
20:電源產生電路
21:儲能元件
22:切換電路
23:偵測電路
24:充電電路
30:頻率控制電路
31:比較器
32:多工器
33:時脈產生器
40:穩壓電路
50:阻抗元件
a:切換訊號
b:切換訊號
C:控制端
C1:第一儲能元件
C2:第二儲能元件
C3:第三儲能元件
C4:第四儲能元件
CLK[1]:控制訊號
CLK[2]:控制訊號
CLK[3]:控制訊號
CLK[4]:控制訊號
CLK[N-1]:控制訊號
CLK[N]:控制訊號
CLK[1：N]:控制訊號
CLKPUMP:操作訊號
D:輸入端
D1:汲極
D2:汲極
Discharge:放電期間
F1:正反器
F2:正反器
F3:正反器
FN:正反器
G1:閘極
G2:閘極
GND:接地端
Heavy load:重載
IN1:第一輸入端
IN2:第二輸入端
Light load:輕載
OUT:輸出端
Output loading:輸出負載
Q:輸出端
/Q:反相輸出端
Recharge:充電期間
Response time:響應時間
S1:源極
S2:源極
SW1:切換開關
SW2:切換開關
SW3:切換開關
SW4:切換開關
SW5:切換開關
SW6:切換開關
SW7:切換開關
SW8:切換開關
SW9:切換開關
SW10:切換開關
SW11:切換開關
SW12:切換開關
SW13:切換開關
SW14:切換開關
t1:時間
t2:時間
t3:時間
t4:時間
TFT1:第一電晶體
TFT2:第二電晶體
V1:輸出電壓
V2:輸出電壓
V3:輸出電壓
VN-1:輸出電壓
VN:輸出電壓
VCAP:偵測訊號
VCAP1:第一偵測訊號
VCAP2:第二偵測訊號
VCAP[1]:偵測訊號
VCAP[2]:偵測訊號
VCAP[3]:偵測訊號
VCAP[N-1]:偵測訊號
VCAP[N]:偵測訊號
VCAP[1：N]:偵測訊號
VDD:上限電壓
VDDA:充電電壓
VFB:回授電壓
VOUT:供應電壓
VR:穩壓門檻電壓
VREF:參考電壓
VREG:穩壓訊號
第一圖：其為本發明之電荷泵之第一實施例的電路圖；第二圖：其為本發明之電源產生電路之第一實施例的電路圖；第三圖：其為第二圖之偵測訊號相關於儲能電量的波形圖；第四圖：其為第二圖之操作訊號相關於輸出負載的波形圖；第五圖：其為本發明之電源產生電路之第二實施例的電路圖；第六圖：其為本發明之偵測電路之實施例的電路圖；第七圖：其為第五圖之偵測訊號相關於儲能電量的波形圖；第八圖：其為第五圖之操作訊號相關於輸出負載的波形圖；第九圖：其為本發明之電源產生電路之第三實施例的電路圖；第十圖：其為本發明之電荷泵之第二實施例的電路圖；第十一圖：其為第十圖之頻率控制電路之實施例的電路圖；及 第十二圖：其為第十圖之操作訊號與控制訊號的波形圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙指稱特定的元件，然，所屬本發明技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞稱呼同一個元件，而且，本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在整體技術上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。再者，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接該第二裝置，或可透過其他裝置或其他連接手段間接地連接至該第二裝置。
為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例說明，說明如後：
請參閱第一圖，其為本發明之電荷泵之第一實施例的電路圖。如圖所示，電荷泵10包含一電源產生電路20與一頻率控制電路30。頻率控制電路30耦接電源產生電路20而接收一偵測訊號VCAP，及依據偵測訊號VCAP輸出一操作訊號CLKPUMP至電源產生電路20，其中操作訊號CLKPUMP為一時脈訊號。電源產生電路20輸出一供應電壓VOUT。再者，電荷泵10更包含一穩壓電路40。穩壓電路40包含一第一輸入端與一第二 輸入端，第一輸入端耦接電荷泵10的一輸出端，第二輸入端耦接一參考電壓VREF。如此，穩壓電路40依據供應電壓VOUT與參考電壓VREF產生一穩壓訊號VREG。電源產生電路20耦接穩壓電路40而接收穩壓訊號VREG。此外，穩壓電路40可以通過阻抗元件50耦接電荷泵10的輸出端。
請參閱第二圖，其為本發明之電源產生電路之第一實施例的電路圖。如圖所示，電源產生電路20包含至少一儲能元件21，且以儲能元件21的電量輸出供應電壓VOUT。再者，電源產生電路20包含一切換電路22。切換電路22耦接至少一儲能元件21，且導通或截止儲能元件21的一充電路徑或一放電路徑。切換電路22包含四個切換開關SW1、SW2、SW3、SW4，其由複數切換訊號a、b控制。複數切換訊號a、b依據操作訊號CLKPUMP而產生，例如一時脈產生器33依據操作訊號CLKPUMP而產生切換訊號a或切換訊號b，而且，切換訊號a與切換訊號b可以互為反相訊號，即切換訊號b相當於操作訊號CLKPUMP，切換訊號a相當於反相的操作訊號CLKPUMP。其中，時脈產生器33控制切換訊號a與切換訊號b為高準位與低準位的時間，即時脈產生器33決定切換開關SW1、SW2、SW3、SW4的導通時間與截止時間。所以，頻率控制電路30提升或降低操作訊號CLKPUMP的操作頻率，儲能元件21的充電頻率與放電頻率亦跟著提升或降低。如此，儲能元件21的充電頻率與放電頻率可以等於或者相關聯於操作頻率。再者，電源產生電路20以至少一儲能元件21的電量輸出供應電壓VOUT。
當切換訊號a為高準位而切換訊號b為低準位時，切換訊號a控制兩個切換開關SW1、SW2導通而形成充電路徑，切換訊號b控制另兩個切換開關SW3、SW4截止。如此，一充電電壓VDDA經由充電路徑向儲能 元件21充電，儲能元件21耦接於充電電壓VDDA與一接地端GND之間。當切換訊號a為低準位而切換訊號b為高準位時，切換訊號a控制兩個切換開關SW1、SW2截止，切換訊號b控制另兩個切換開關SW3、SW4導通而形成放電路徑。如此，穩壓電路40產生的穩壓訊號VREG傳輸至儲能元件21。電源產生電路20依據穩壓訊號VREG與儲能元件21的電量輸出供應電壓VOUT。
如第二圖所示，儲能元件21可以為一電容器，所以，當切換開關SW1、SW2導通形成充電路徑時，儲能元件21的兩端為充電電壓VDDA的準位與接地端GND的準位。當切換開關SW3、SW4導通形成放電路徑時，儲能元件21的兩端為供應電壓VOUT的準位與穩壓訊號VREG的準位。儲能元件21包含一第一電極端與一第二電極端，第一電極端經由切換電路22(切換開關SW1、SW4)耦接充電電壓VDDA與電源產生電路20的一輸出端，第二電極端耦接切換電路22與頻率控制電路30，第二電極端經由切換電路22(切換開關SW2、SW3)耦接接地端GND與穩壓電路40。所以，當充電電壓VDDA充電儲能元件21時，電源產生電路20停止輸出供應電壓VOUT。
請參閱第二圖與第三圖，第三圖為第二圖之偵測訊號相關於儲能電量的波形圖。如圖所示，在時間t1前，切換訊號a為高準位，切換訊號b為低準位，所以切換開關SW1、SW2導通，充電電壓VDDA充電儲能元件21，且偵測訊號VCAP為接地端GND的準位。在時間t1期間(儲能元件21放電期間(Discharge))，切換訊號a為低準位，切換訊號b為高準位，所以切換開關SW3、SW4導通，電源產生電路20開始依據儲能元件21的電量輸出供應電壓VOUT。由於電荷泵10所連接的負載消耗儲能元件21的電量，所以儲能元件21的電量會逐漸減少。此時，穩壓電路40偵測供 應電壓VOUT，依據供應電壓VOUT的準位產生穩壓訊號VREG。即穩壓電路40比較一回授電壓VFB與參考電壓VREF，以偵測儲能元件21的電量是否不足負載所需的電力。若儲能元件21的電量不足負載所需的電力，穩壓電路40產生的穩壓訊號VREG補償儲能元件21所不足之電量。
因此，在時間t1期間，儲能元件21的電量逐漸減少，而穩壓訊號VREG的準位逐漸提升，如此，偵測訊號VCAP的準位亦逐漸上升。當偵測訊號VCAP的準位上升至一補償上限時，儲能元件21需再次充電。補償上限相關穩壓電路40的補償能力，第三圖實施例的補償上限設定為一上限電壓VDD。所以，當偵測訊號VCAP的準位上升至大約上限電壓VDD(~VDD)的準位時，儲能元件21進入充電期間(Recharge)，即一時間t2期間。切換訊號a再次為高準位，切換訊號b再次為低準位，充電電壓VDDA開始再次充電儲能元件21，偵測訊號VCAP轉變為接地端GND的準位。故，由於穩壓電路40偵測供應電壓VOUT而迅速補償儲能元件21的不足，所以本發明電荷泵10輸出的供應電壓VOUT有較小的漣波現象，且達到快速反應等特色。其中，穩壓電路40可以為一誤差放大器。
偵測訊號VCAP的準位隨著穩壓訊號VREG的準位而變化，穩壓訊號VREG的準位隨著儲能元件21儲存的電量(或電量變化)而變化，所以，偵測訊號VCAP的準位隨著儲能元件21儲存的電量變化而變化。偵測訊號VCAP傳輸至頻率控制電路30，如此，頻率控制電路30依據儲能元件21儲存的電量變化而調整操作訊號CLKPUMP的操作頻率。在不同的電路實施方式中，若電荷泵10不包含穩壓電路40，頻率控制電路30可以直接依據儲能元件21儲存的電量變化而調整操作訊號CLKPUMP的操作頻率。
頻率控制電路30可以包含一比較器31，比較器31耦接時脈產生器33且輸出一比較訊號至時脈產生器33。比較器31耦接一穩壓門檻電壓VR與偵測訊號VCAP，所以，於放電期間，比較器31耦接穩壓門檻電壓VR與穩壓電路40產生的穩壓訊號VREG。於放電期間，比較器31比較穩壓門檻電壓VR與穩壓訊號VREG而產生比較訊號，頻率控制電路30依據比較訊號產生操作訊號CLKPUMP，其中，操作訊號CLKPUMP的操作頻率相關於比較訊號的頻率。再者，穩壓門檻電壓VR相關於穩壓電路40的補償能力，即穩壓門檻電壓VR的準位可以等於上限電壓VDD的準位，或相關於上限電壓VDD的準位，例如穩壓門檻電壓VR的準位為上限電壓VDD的90%準位。所以，頻率控制電路30可以偵測穩壓電路40的輸出是否接近其補償能力上限，也就是偵測儲能元件21的電量是否接近下限，而需控制儲能元件21再次充電。
如第三圖所示，當偵測訊號VCAP上升至上限電壓VDD附近時，頻率控制電路30的比較器31比較偵測訊號VCAP與穩壓門檻電壓VR而控制比較訊號轉變為低準位。頻率控制電路30可以依據比較訊號產生操作訊號CLKPUMP，或者，在未對比較訊號做其它處理時，頻率控制電路30可以直接輸出比較訊號作為操作訊號CLKPUMP。因此，切換訊號a、b依據操作訊號CLKPUMP而轉變為高、低準位，或切換訊號a、b依據比較訊號而轉變為高、低準位。如此，儲能元件21依據切換訊號a、b充電或放電而增加或減少儲存的電量，即儲能元件21依據操作訊號CLKPUMP充電或放電而增加或減少儲存的電量，或者儲能元件21依據比較訊號充電或放電而增加或減少儲存的電量。
再者，儲能元件21儲存的電量消耗速度相關於電荷泵10的負載對於電力的需求。所以，如第四圖所示，其為第二圖之操作訊號相關於 輸出負載的波形圖。當輸出負載(Output loading)於輕載(Light load)時，對於電力的需求較低，儲能元件21儲存的電量消耗速度較慢，即表示儲能元件21的放電時間較長。所以，穩壓電路40產生的穩壓訊號VREG的準位亦上升較慢，偵測訊號VCAP的準位也會較慢上升至上限電壓VDD附近的準位。因此，如第四圖所示，於輕載期間時間t1的週期較長於重載(Heavy load)期間的一時間t3的週期。即重載期間，儲能元件21儲存的電量消耗速度較快。
所以，儲能元件21儲存的電量消耗速度較慢，儲能元件21較慢進入充電週期(時間t1-時間t2)。儲能元件21儲存的電量消耗速度較快，儲能元件21較快進入充電週期(時間t3-時間t4)。第四圖實施例的充電週期t2、t4可以為固定時間，其固定時間可以由儲能元件21的等效阻抗(例如：阻抗(R)與容抗(C))決定。如此，頻率控制電路30透過偵測電荷泵10內部的狀態，可以隨著負載不同(輕載與重載)而自動控制操作訊號CLKPUMP的操作頻率，而達到快速反應特色。如第四圖所示，電荷泵10於輕載的操作頻率低於重載的操作頻率，即時間t1-時間t2的操作頻率低於時間t3-時間t4的操作頻率。其中，操作頻率可以看作充電頻率。所以電荷泵10無須從外部接收不同頻率的多個訊號，或者無須從外部接收可調整頻率的訊號，即可產生出省電的操作頻率，而控制其內部的充放電時間。
復參閱第四圖，在輸出負載從輕載轉變為重載的期間，儲能元件21在充電後所儲存的電量在短時間內快速消耗，頻率控制電路30偵測的偵測訊號VCAP的準位快速上升至上限電壓VDD的準位，所以頻率控制電路30短時間內控制操作訊號CLKPUMP再次轉變為低準位，儲能元件21再次充電。如此，在負載轉換的響應時間(Response time)，操 作訊號CLKPUMP的操作頻率明顯高於輕載與重載期間的操作頻率，而在電源產生電路20穩定提供輸出負載所需的電力時，操作訊號CLKPUMP的操作頻率轉變為時間t3-時間t4的操作頻率。因此，電荷泵10依據偵測儲能元件21儲存的電量變化速度，可以自動產生多種操作頻率的操作訊號CLKPUMP，而達到快速反應特色，以適當的控制電荷泵10內部的功耗。
請參閱第五圖，其為本發明之電源產生電路之第二實施例的電路圖。如圖所示，第二圖實施例的儲能元件21由一第一儲能元件C1與一第二儲能元件C2取代。第一儲能元件C1與第二儲能元件C2經由切換電路22耦接充電電壓VDDA、接地端GND、穩壓電路40與電源產生電路20的輸出端。第五圖實施例的切換電路22相較於第二圖實施例的切換電路22，更多了右側的四個切換開關SW5、SW6、SW7、SW8。如此，第二圖實施例的電荷泵10的狀態可以從單相(充電或放電其中一種狀態)改為第五圖實施例的雙相(充電與放電兩種狀態)。即第二圖實施例的電荷泵10在充電儲能元件21時停止輸出供應電壓VOUT。第五圖實施例的電荷泵10在依據左側第一儲能元件C1的電量輸出供應電壓VOUT(第一儲能元件C1放電)時，充電右側第二儲能元件C2，而在依據右側第二儲能元件C2的電量輸出供應電壓VOUT(第二儲能元件C2放電)時，充電左側第一儲能元件C1。換言之，當電源產生電路20依據第二儲能元件C2的電量輸出供應電壓VOUT時，充電電壓VDDA充電第一儲能元件C1。當電源產生電路20依據第一儲能元件C1的電量輸出供應電壓VOUT時，充電電壓VDDA充電第二儲能元件C2。
再者，第五圖實施例的電荷泵10更包含一偵測電路23。偵測電路23耦接頻率控制電路30、第一儲能元件C1之第二電極端、第二儲能 元件C2之第二電極端與穩壓電路40產生的穩壓訊號VREG，以偵測穩壓訊號VREG而產生偵測訊號VCAP至頻率控制電路30。頻率控制電路30依據偵測電路23產生的偵測訊號VCAP控制操作訊號CLKPUMP的操作頻率。請參閱第六圖，其為本發明之偵測電路之實施例的電路圖。如圖所示，偵測電路23包含一第一電晶體TFT1與一第二電晶體TFT2。第一電晶體TFT1的閘極G1耦接一第二輸入端IN2與第二電晶體TFT2的源極S2，第一電晶體TFT1的源極S1耦接一第一輸入端IN1與第二電晶體TFT2的閘極G2，第一電晶體TFT1的汲極D1耦接偵測電路23的一輸出端OUT。第二電晶體TFT2的源極S2耦接第二輸入端IN2，第二電晶體TFT2的汲極D2耦接偵測電路23的輸出端OUT，第二電晶體TFT2的閘極G2耦接第一輸入端IN1。偵測電路23可以由計數器與切換開關取代，即利用計數器計數儲能元件的充放電時間後，改變切換開關的狀態。
當第一輸入端IN1的電壓準位為低準位表示第一儲能元件C1正在充電，第二輸入端IN2的電壓準位為高準位表示第二儲能元件C2正在放電。如此，第一輸入端IN1的電壓準位為低準位，且第二輸入端IN2的電壓準位為高準位時，第二電晶體TFT2導通而第一電晶體TFT1截止。由於第二電晶體TFT2導通，所以偵測訊號VCAP的準位為第二輸入端IN2的電壓準位。反之，第一輸入端IN1的電壓準位為高準位，且第二輸入端IN2的電壓準位為低準位時，第一電晶體TFT1導通而第二電晶體TFT2截止。由於第一電晶體TFT1導通，所以偵測訊號VCAP的準位為第一輸入端IN1的電壓準位。
請參閱第五圖、第六圖與第七圖，第七圖為第五圖之偵測訊號相關於儲能電量的波形圖。如第五圖所示，第一偵測訊號VCAP1相關左 側第一儲能元件(其可以為一第一電容)C1的電量，第二偵測訊號VCAP2相關右側第二儲能元件(其可以為一第二電容)C2的電量。在第七圖的時間t1，第一儲能元件C1開始放電，第一偵測訊號VCAP1的準位開始逐漸上升，第二儲能元件C2開始充電，第二偵測訊號VCAP2為接地端GND的準位。反之，在第七圖的時間t2，第一儲能元件C1開始充電，第一偵測訊號VCAP1的準位為接地端GND的準位，第二儲能元件C2開始放電，第二偵測訊號VCAP2開始逐漸上升。所以，電荷泵10在同一時間(t1或t2)內可以雙相運作(充電及放電)。其餘技術內容如第三圖的說明，於此不再覆述。
請參閱第八圖，其為第五圖之操作訊號相關於輸出負載的波形圖。如圖所示，第八圖的波形相似於第四圖的波形，其差異在於第四圖為單相電荷泵10的相關波形圖，而第八圖是雙相電荷泵10的相關波形圖。所以，在第八圖的輕載期間，輸出負載需求的電力相同，消耗儲能元件21的電量的速度相同，即偵測訊號VCAP的準位上升至上限電壓VDD的準位附近的時間相同，因此，操作訊號CLKPUMP從高準位轉變為低準位或低準位轉變為高準位的時間會相同。換言之，在雙相電荷泵10實施例中，當第一儲能元件C1(第二儲能元件C2)充電完畢後仍需等待第二儲能元件C2(第一儲能元件C1)的電量減少至一定程度，操作訊號CLKPUMP才會依據第二儲能元件C2(第一儲能元件C1)的電量而轉態(高準位或低準位)。其中，第五圖左側第一儲能元件C1的充電時間大約等於右側第二儲能元件C2的充電時間。
請參閱第九圖，其為本發明之電源產生電路之第三實施例的電路圖。如圖所示，第二圖與第五圖的至少一儲能元件21改由第一儲能元件C1、第二儲能元件C2、一第三儲能元件C3與一第四儲能元件C4取代。 四個儲能元件C1-C4可以為四個電容器C1-C4，其經由切換電路22耦接充電電壓VDDA、接地端GND、穩壓電路40與電源產生電路20的一輸出端。第九圖實施例的切換電路22包含複數切換開關SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8、SW9、SW10、SW11、SW12、SW13、SW14。所以，當切換訊號a為高準位及切換訊號b為低準位時，充電電壓VDDA充電左側第一儲能元件C1，第二儲能元件C2放電，及充電電壓VDDA經切換開關SW11墊高右側第四儲能元件C4的準位(二倍充電電壓VDDA)以充電第三儲能元件C3。所以，若充電電壓VDDA為一倍電壓時，第一儲能元件C1儲存一倍電壓的電量，而第三儲能元件C3儲存二倍電壓的電量。再者，切換訊號a轉為低準位及切換訊號b轉為高準位時，充電電壓VDDA經切換開關SW6墊高第一儲能元件C1的準位，以充電第二儲能元件C2，穩壓訊號VREG經切換開關SW13墊高第三儲能元件C3的準位並放電，及充電電壓VDDA充電第四儲能元件C4。其中，第二儲能元件C2儲存兩倍電壓的電量。
所以，當切換訊號a恢復為高準位及切換訊號b恢復為低準位時，穩壓訊號VREG經切換開關SW4墊高第二儲能元件C2的準位並放電，所以供應電壓VOUT依據第二儲能元件C2的電量與穩壓訊號VREG產生。於第九圖實施例中，供應電壓VOUT的準位最高可以為3倍電壓的準位，即兩倍充電電壓VDDA加上一倍電壓的穩壓訊號VREG。因此，經由電荷泵10的運作，供應電壓VOUT同樣可以依據第三儲能元件C3與穩壓訊號VREG而產生三倍的電壓。所以，當電源產生電路20依據第二儲能元件C2的電量輸出供應電壓VOUT時，充電電壓VDDA充電第一儲能元件C1，並墊高第四儲能元件C4的準位以充電第三儲能元件C3。當電源產生電路20依據第三儲能元件C3的電量輸出供應電 壓VOUT時，充電電壓VDDA墊高第一儲能元件C1的準位以充電第二儲能元件C2，充電電壓VDDA且充電第四儲能元件C4。如第九圖實施例所述，第二圖與第五圖實施例的電荷泵10可以輸出兩倍壓的供應電壓VOUT。
請參閱第十圖，其為本發明之電荷泵之第二實施例的電路圖。如圖所示，電源產生電路20可以如第二圖、第五圖與第九圖的實施例為單組的單相或雙相電路，或者可以如第十圖多組的單相或雙相電路。即電源產生電路20包含複數充電電路24。該些充電電路24分別耦接頻率控制電路30產生的複數控制訊號CLK[1]、CLK[2]、CLK[3]...CLK[N-1]、CLK[N]與電源產生電路20的一輸出端。該些充電電路24依據該些控制訊號CLK[1~N]產生複數輸出電壓V1、V2、V3...VN-1、VN。電源產生電路20依據該些輸出電壓V1~N產生供應電壓VOUT。該些充電電路24產生複數偵測訊號VCAP[1]、VCAP[2]、VCAP[3]...VCAP[N-1]、VCAP[N]至頻率控制電路30，頻率控制電路30依據該些偵測訊號VCAP[1~N]調變該些控制訊號CLK[1~N]。於第十圖實施例的每一充電電路24皆可以如第二圖、第五圖與第九圖的電源產生電路20的實施例，所以，該些充電電路24的技術內容不再覆述。其中，頻率控制電路30是透過多條傳輸線接收每一偵測訊號VCAP[1~N]，及透過多條傳輸線接收該些控制訊號CLK[1~N]。
再者，電荷泵12更包含複數正反器F1、F2、F3...FN，該些正反器F[1~N]可以如前述的時脈產生器33而控制充電電路24內的切換時序，而且於此實施例中該些正反器F[1~N]可以作為一多相位產生器，是基於一詹森式計數器之多相位產生器。該些正反器F[1~N]包含複數輸入端D、複數輸出端Q、複數反相輸出端/Q與複數控制端C。該些正反器 F[1~N]的一第一級正反器F1的輸入端D耦接最後一級的正反器FN的反相輸出端/Q。第一級正反器F1與最後一級正反器FN之間的該些正反器F2、F3...F[N-1]的該些輸出端Q與該些輸入端D依序串接。該些控制端C耦接操作訊號CLKPUMP，操作訊號CLKPUMP控制該些正反器F[1~N]依序輸出一脈波訊號至下一級正反器，該些正反器F[1~N]依據該些脈波訊號產生該些控制訊號CLK[1~N]。
所以，第一級正反器F1輸出脈波訊號至第二級正反器F2，且第一級正反器F1輸出的脈波訊號作為第一級充電電路(1)24的控制訊號CLK[1]。如此，第一級充電電路(1)24依據控制訊號CLK[1]放電或/及充電。再者，當第一級充電電路(1)24放電或/及充電後，依序換第二級正反器F2輸出脈波訊號至第三級正反器F3且作為控制訊號CLK[2]，第二級充電電路(2)24依據控制訊號CLK[2]放電或/及充電。以此類推，操作訊號CLKPUMP透過該些正反器F[1~N]而可以依序控制每一充電電路24的放電與充電。如此，電荷泵12內的該些充電電路24因非同時轉換狀態，即非同時轉換充放電的狀態，而可以減少電磁干擾的產生。此外，該些正反器F[1~N]可以設置於頻率控制電路30內，即頻率控制電路30輸出該些控制訊號CLK[1~N]控制每一充電電路24的放電與充電。
請參閱第十一圖，其為第十圖之頻率控制電路之實施例的電路圖。如圖所示，頻率控制電路30更包含一多工器32。多工器32接收該些控制訊號CLK[1~N]與該些偵測訊號VCAP[1~N]，及依據該些控制訊號CLK[1~N]輸出該些偵測訊號VCAP[1~N]之一，例如偵測訊號VCAP[1]。即電荷泵12依據該些控制訊號CLK[1~N]可以判斷哪一個充 電電路24提供電量，以輸出供應電壓VOUT。所以，頻率控制電路30輸出操作訊號CLKPUMP，以控制該些充電電路24的充電與放電。
請參閱第十圖與第十二圖，第十二圖為第十圖之操作訊號與控制訊號的波形圖。如圖所示，操作訊號CLKPUMP經由控制該些正反器F[1~N]的該些控制端C，觸發該些控制訊號CLK[1~N]之一會轉變為高準位。即初始該些正反器F[1~N]的輸出端Q輸出低準位的脈波訊號，所以最後一級正反器FN的反相輸出端/Q輸出高準位的脈波訊號。如此，第一級正反器F1的輸入端D接收最後一級正反器FN所輸出的高準位脈波訊號。爾後，藉由操作訊號CLKPUMP的控制，每一級正反器F[1~N]依序輸出高準位的脈波訊號。舉例來說，初始該些正反器F[1~N]的輸出端Q的輸出為0000，最後一級正反器FN的反相輸出端/Q的輸出為1，再者，第一級正反器F1的輸入端D接收1。所以，如第十二圖所示，四個正反器的輸出端Q的輸出變化為1000、1100、1110、1111，此時最後一級正反器FN的反相輸出端/Q的輸出為0。因此，第一級正反器F1的輸入端D接收0，則四個正反器的輸出端Q的輸出變化為0111、0011、0001、0000。
此外，在輸出負載的狀態轉變下，因電荷泵12的電量消耗速度隨之改變，所以操作訊號CLKPUMP的操作頻率同樣隨之改變。如此，該些控制訊號CLK[1~N]的頻率同樣隨著操作訊號CLKPUMP的操作頻率而改變。
綜合上述，本發明揭示一種電荷泵，其包含一電源產生電路與一頻率控制電路。電源產生電路包含至少一儲能元件，並對至少一儲能元件充電以產生一供應電壓。及頻率控制電路耦接至少一儲能元件，輸出 一操作訊號至電源產生電路。頻率控制電路依據至少一儲能元件儲存的電量而調整操作訊號的一操作頻率，以控制至少一儲能元的充電而增加儲存的電量。
10:電荷泵
20:電源產生電路
30:頻率控制電路
40:穩壓電路
50:阻抗元件
CLKPUMP:操作訊號
GND:接地端
VCAP:偵測訊號
VFB:回授電壓
VOUT:供應電壓
VREF:參考電壓
VREG:穩壓訊號

Claims (12)

  1. 一種電荷泵，其包含：一電源產生電路，包含至少一儲能元件，並對該儲能元件充電以產生一供應電壓；及一頻率控制電路，耦接該至少一儲能元件，輸出一操作訊號至該電源產生電路，該頻率控制電路依據該至少一儲能元件儲存的電量而調整該操作訊號的一操作頻率，以控制該至少一儲能元件的充電而增加儲存的電量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該至少一儲能元件的一充電頻率等於該操作頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該電荷泵包含：一穩壓電路，包含一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端耦接該電荷泵的一輸出端，該第二輸入端耦接一參考電壓，該穩壓電路依據該供應電壓與該參考電壓產生一穩壓訊號，該電源產生電路依據該穩壓訊號與該至少一儲能元件的電量輸出該供應電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該電源產生電路包含：一切換電路，耦接該至少一儲能元件，導通或截止該至少一儲能元件的一充電路徑或一放電路徑。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該電源產生電路包含：一偵測電路，耦接該頻率控制電路與一穩壓電路產生的一穩壓訊號，偵測該穩壓訊號而產生一偵測訊號至該頻率控制電路，該頻率控制電路依據該偵測訊號控制該操作訊號的該操作頻率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該至少一儲能元件包含一第一電極端與一第二電極端，該第一電極端經由一切換電路耦接一充電電壓與該電源產生電路的一輸出端，該第二電極端耦接該切換電路與該頻率控制電路，該第二電極端經由該切換電路耦接一接地端，當該充電電壓充電該至少一儲能元件時該電源產生電路停止輸出該供應電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中該至少一儲能元件包含：一第一儲能元件，經由一切換電路耦接一充電電壓、一接地端與該電源產生電路的一輸出端；及一第二儲能元件，經由該切換電路耦接該充電電壓、該接地端與該電源產生電路的該輸出端，當該電源產生電路以該第二儲能元件的電量輸出該供應電壓時，該充電電壓充電該第一儲能元件，當該電源產生電路以該第一儲能元件的電量輸出該供應電壓時，該充電電壓充電該第二儲能元件。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中該至少一儲能元件包含：一第一儲能元件，經由一切換電路耦接一充電電壓與一接地端；一第二儲能元件，經由該切換電路耦接該接地端與該電源產生電路的一輸出端；一第三儲能元件，經由該切換電路耦接該接地端與該電源產生電路的該輸出端；及一第四儲能元件，經由該切換電路耦接該充電電壓與該接地端，當該電源產生電路以該第二儲能元件的電量輸出該供應電壓時，該充電電壓充電該第一儲能元件，且該第四儲能元件對該第三儲能元件充電，當該電源產生電路依據該第 三儲能元件的電量輸出該供應電壓時，該第一儲能元件對該第二儲能元件充電，且該充電電壓充電該第四儲能元件。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其包含：一時脈產生器，耦接該頻率控制電路的一比較器，接收一比較訊號而依據該比較訊號產生複數切換訊號，耦接該電源產生電路而輸出該些切換訊號至該電源產生電路，以控制該電源產生電路內的切換時序。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該頻率控制電路包含：一比較器，耦接一穩壓門檻電壓與一穩壓電路產生的一穩壓訊號，比較該穩壓門檻電壓與該穩壓訊號產生一比較訊號，該頻率控制電路依據該比較訊號產生該操作訊號，該操作頻率相關於該比較訊號的頻率。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該電源產生電路包含：複數充電電路，耦接複數控制訊號與該電源產生電路的一輸出端，該些充電電路依據該些控制訊號產生複數輸出電壓，以產生該供應電壓，該些充電電路產生複數偵測訊號至該頻率控制電路，該頻率控制電路依據該些偵測訊號調變該些控制訊號。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，該頻率控制電路包含：複數正反器，包含複數輸入端、複數輸出端、複數反相輸出端與複數控制端，該些正反器的一第一級正反器的該輸入端耦接最後一級的正反器的該反相輸出端，該第一級正反器與該最後一級正反器之間的該些正反器的該些輸出端與該些輸入端依序串接，該些控制端耦接該操作訊號，該操作訊號控制該些正反器依序輸出一脈波訊號至下一級正反器，該些正反器依據該些脈波訊號產生複數控制訊號。
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