專利名稱：電荷泵電路及應用其的驅(qū)動集成電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種電荷泵電路(Charge Pump)，且特別是一種可減少外部電容數(shù)目的電荷泵電路及應用其的電子裝置。
背景技術：
在科技發(fā)展日新月異的現(xiàn)今時代中，電荷泵電路(Charge Pump)已被開發(fā)且廣泛地應用在多種場合中，例如是做為電源電路而應用在集成電路中。一般來說，電荷泵電路包括多個切換開關、以及設置于集成電路外部的兩個外部電容，譬如為飛馳電容。此多個切換開關循序切換，以在第一操作期間中控制第一外部電容放電以穩(wěn)定輸出電壓，并且控制第二外部電容充電以產(chǎn)生跨壓，并在第二操作期間中抬高或壓低第二外部電容其中一端的電壓電平并控制其放電至第一外部電容，藉此對第一外部電容充電并于第二外部電容的另一端提供增高或降低的輸出電壓。然而，現(xiàn)有的電荷泵電路往往需要使用電容值較高(例如數(shù)十個微法拉(Microfarad, uf))的外部電容，因此具有電路面積較大及制作成本較高的缺點。據(jù)此，設計出電路面積較小及制造成本較低的電荷泵電路，為業(yè)界不斷致力的方向之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電荷泵電路及應用其的電子裝置，相較于傳統(tǒng)電荷泵電路，此種電荷泵電路的電路面積較小及制造成本較低，此外，此種電子裝置可于不同的負載電流模式下運作，從而提供良好穩(wěn)壓能力與省電效能。根據(jù)本發(fā)明第一方面提出一種電荷泵電路，包括一輸出端，耦接至該集成電路的一內(nèi)部電容；一外部電容，設置于該集成電路的外部；以及一開關模塊，耦接至該外部電容與該內(nèi)部電容，用以控制該外部電容與該內(nèi)部電容循序進行充放電。于一第一操作期間內(nèi)，該開關模塊控制該外部電容進行充電而不提供電流至該輸出端，以及控制該內(nèi)部電容進行放電至該輸出端。此外，于一第二操作期間內(nèi)，該開關模塊可還控制該外部電容進行放電至該內(nèi)部電容及該輸出端，而對該內(nèi)部電容進行充電。于該第一與第二操作期間內(nèi)，該輸出端分別流通一第一負載電流與一第二負載電流，而該第一負載電流可小于該第二負載電流。根據(jù)本發(fā)明第二方面提出一種電子裝置，包括上述的電荷泵電路以及一負載電路。該負載電路耦接至該電荷泵電路以接收該電荷泵電路的供電，并分別于該第一操作期間與該第二操作期間內(nèi)，分別運作于一第一負載電流模式與一第二負載電流模式。本發(fā)明的有益技術效果是本發(fā)明的電荷泵電路中可僅使用一個集成電路外部電容以及一或多個集成電路內(nèi)部電容(統(tǒng)稱為一內(nèi)部電容)來實施。據(jù)此，相較于傳統(tǒng)電荷泵電路，本發(fā)明的電荷泵電路及驅(qū)動裝置具有電路面積較小及制造成本較低的優(yōu)點。此外，本發(fā)明的電荷泵電路亦可應用至各類電子裝置中，以使電子裝置可于不同的負載電流模式下運作，從而提供良好穩(wěn)壓能力與省電效能。為了對本發(fā)明的上述及其它方面有更佳的了解，以下將配合附圖對本發(fā)明的較佳實施例作詳細說明


圖1繪示依照一實施例的電荷泵電路方塊圖。圖2繪示依照一實施例的電子裝置的方塊圖。圖3繪示依照一實施例的圖2的驅(qū)動電路的部份電路圖。圖4繪示依照一實施例的圖3的驅(qū)動集成電路的相關信號時序圖。圖5繪示依據(jù)一實施例的電荷泵裝置的電路方塊圖。
具體實施例方式請參照圖1，其繪示依照一實施例的電荷泵電路方塊圖。于此實施例中，電荷泵電路IOa主要包括輸出端No、外部電容Cf及開關模塊SW。輸出端No耦接至集成電路的內(nèi)部電容Cs。內(nèi)部電容Cs在此雖然僅繪示為單一電容，但其實際上通?？梢砸恢炼鄠€集成電路內(nèi)部電容來實現(xiàn)。這些集成電路內(nèi)部電容可為特別設置于集成電路中以專供電荷泵電路IOa使用的電容，或為集成電路內(nèi)元件本身的寄生電容，或為兩者的組合。相對地，外部電容Cf設置于集成電路的外部，其較佳可利用飛馳電容(Flying Capacitor)來實現(xiàn)。此外，開關模塊SW則可包含多個開關，耦接至外部電容Cf與內(nèi)部電容Cs，用以控制外部電容Cf與內(nèi)部電容Cs兩者的充電與放電操作。內(nèi)部電容Cs的尺寸通常遠小于外部電容Cf的尺寸，因此內(nèi)部電容Cs的電容值通常遠小于外部電容Cf的電容值。舉例來說，外部電容Cf的電容值的數(shù)值級距(scale)通常介于數(shù)個至數(shù)十個微法拉(Microfarad，uF)的范圍，而內(nèi)部電容Cs的電容值的數(shù)值級距則介于數(shù)個微拉(Picofarad，pF)至毫微法拉(Nanofarad，nF)的范圍。通過開關模塊SW內(nèi)部多個開關的循序?qū)ㄅc切斷，電荷泵電路IOa可輪流進行充電(charging)操作與供電(pumping)操作。以下將電荷泵電路IOa進行充電與供電操作的期間分別稱為第一操作期間Tb與第二操作期間Td。于第一操作期間Tb內(nèi)，開關模塊SW控制外部電容Cf進行充電，以及控制內(nèi)部電容Cs進行放電至輸出端No，以使輸出端No輸出第一負載電流。于第二操作期間Td內(nèi)，開關模塊SW控制外部電容Cf進行放電至內(nèi)部電容Cs及輸出端No，以使內(nèi)部電容Cs進行充電并且使輸出端No輸出第二負載電流。由于內(nèi)部電容Cs的電容值通常小于外部電容Cf的電容值，因此第一負載電流通常小于第二負載電流。換言之，于第一操作期間Tb內(nèi)，是由內(nèi)部電容Cs所儲存的電荷來提供第一負載電流；而于第二操作期間Td內(nèi)，是由外部電容Cf所儲存的電荷來提供第二負載電流。結(jié)果，電荷泵電路IOa可利用單一個外部電容Cf搭配內(nèi)部電容Cs即可完成完整的充電與供電操作。相較于習知技術使用兩個大尺寸的外部電容來分別實現(xiàn)充電與供電操作，本實施例的電荷泵電路IOa的尺寸可大幅縮減。須注意，由于在第一操作期間Tb內(nèi)，是由尺寸較小的內(nèi)部電容Cs所儲存的電荷來維持輸出端No的輸出信號Sp的電壓電平，因此在部分應用情況下，可能有輸出信號Sp的電壓電平不易維持的情況。因此，可額外安排一內(nèi)部電容升壓電路B來協(xié)助維持輸出端No的輸出信號Sp的電平。如圖1所示，內(nèi)部電容升壓電路B可耦接至輸出端No。在第一操作期間Tb中，或是在第一操作期間Tb及第二操作期間Td兩者中，內(nèi)部電容升壓電路B可維持輸出信號Sp的電平。請繼續(xù)參照圖1。圖1亦顯示開關模塊SW的細部結(jié)構的一實施例。于此實施例中，開關模塊SW包括第一組開關12及第二組開關14。第一組開關12系與多個輸入電壓(在此以第一與第二輸入電壓VCl與VC2為例)以及外部電容Cf的第一及第二端El及E2電性連接。第二組開關14則與外部電容Cf的第一端El與第二端E2以及輸出端No電性連接。第一組開關12主要用于控制多個輸入電壓(第一及第二輸入電壓VCl及Vc2)與外部電容Cf之間的耦合狀態(tài)，以便控制外部電容Cf的充電與放電。反之，第二組開關14主要用于控制外部電容Cf與內(nèi)部電容Cs之間的耦合狀態(tài)，俾以控制內(nèi)部電容Cs的充電與放電。具體言之，于第一操作期間Tb中，第一組開關12可響應于充電時脈信號CKb而導通，因此輸入電壓VCl與VC2能耦接至外部電容Cf而對外部電容Cf進行充電，從而使外部電容Cf具有充電跨壓\。此外，第二組開關14可響應于供電時脈信號CKd而切斷，因此外部電容Cf無法耦合至內(nèi)部電容Cs以對其充電，從而致使內(nèi)部電容Cs先前所儲存的電荷放電至輸出端No而產(chǎn)生第一負載電流。接下來，于第二操作期間Td中，第一組開關12響應于充電時脈信號CKb而轉(zhuǎn)為斷路狀態(tài)，因此外部電容Cf不耦合至該多個輸入電壓而不會被充電。此外，第二組開關14則響應于充電時脈信號CKb而轉(zhuǎn)為導通，因此外部電容Cf可耦合至外部電容Cs與輸出端No，從而致使外部電容Cf先前所儲存的電荷對內(nèi)部電容Cs進行充電，并還傳送至輸出端No而
產(chǎn)生第二負載電流。值得注意的是，開關模塊SW的結(jié)構不限于僅包含第一組開關12與第二組開關14，能夠控制內(nèi)部電容Cs與外部電容Cf的充放電操作的其它組數(shù)與其它結(jié)構皆可采用作為開關模塊SW。圖1亦更顯示第一組開關12與第二組開關14的特定范例細部結(jié)構。于此特定范例中，第一組開關12可包括第一開關Sl及第二開關S2。第一開關Sl的兩輸入端分別接收第一輸入電壓VCl及耦接至外部電容Cf的第一端El，而第二開關S2的兩輸入端則分別接收第二輸入電壓VC2及耦接至外部電容Cf的第二端E2。第二組開關14則可包括第三開關S3及第四開關S4。第三開關S3的兩輸入端分別耦接至輸出端No及外部電容Cf的第一端El，第四開關S4的兩輸入端分別接收第三輸入電壓VC3及耦接至外部電容Cf的第二端E2。以下再詳細解釋此特定范例中電荷泵電路IOa的操作。首先，在第一操作期間Tb中，第一開關Sl及第二開關S2響應于充電時脈信號CKb的高信號電平而導通，以分別提供輸入電壓VCl及VC2至外部電容Cf的第一及第二端El及E2，藉此控制外部電容Cf能進行充電。結(jié)果外部電容Cf的第一端El相較于及第二端E2具有充電跨壓\，此充電跨壓Vx滿足VX = VC1-VC2。此外，第三開關S3及第四開關S4則響應于供電時脈信號CKd的低信號電平為切斷，因此外部電容Cf不耦接至內(nèi)部電容Cs，而內(nèi)部電容Cs先前所儲存的電荷能放電至輸出端No而產(chǎn)生第一負載電流。接下來，于第二操作期間中，第一開關Sl及第二開關S2響應于充電時脈信號CKb的低信號電平而轉(zhuǎn)為切斷，因此外部電容Cf不再進行充電。于此同時，第三開關S3及第四開關S4則響應于供電時脈信號CKd的高信號電平而導通。第四開關S4的導通可讓第三輸入電壓VC3傳送至外部電容Cf的第二端E2，因此在第二操作期間Td —開始時，外部電容Cf的第一端El的電壓電平實質(zhì)上可等于第三輸入電壓VC3與充電跨壓Vx之和。換言之，第一端El上的電壓Vei滿足VE1 = VC3+VX。第三開關S3的導通則可將外部電容Cf的第一端El耦接至內(nèi)部電容Cs與輸出端No，因此輸出信號Sp的電壓電平可等于Vei = VC3+VX,并且外部電容Cf先前于第一操作期間Tb中所儲存的電荷除了可對內(nèi)部電容Cs充電，還更傳送至輸出端No而產(chǎn)生第二負載電流。值得注意的是，第一組開關12與第二組開關14分別并不限定為上述連接方式的兩個開關，能夠控制內(nèi)部電容Cs與外部電容Cf的充放電操作的開關數(shù)目與其它細部結(jié)構皆可采用作為第一組開關12與第二組開關14。通過設定第一至第三輸入電壓VCl至VC3的電平關系，可產(chǎn)生不同電平的輸出信號Sp以滿足不同的應用。舉例而言，在一個操作實例中，電荷泵電路IOa系設計成為一雙倍壓電路。第一輸入電壓VCl與第三輸入電壓VC3均設定為一高參考電平VDD，而第二輸入電壓VC2則設定為一低參考電平VG(譬如接地的零電平)。據(jù)此，電壓Vei滿足Vei = VC3+VX = VC3-VC2+VC1 = VDD-VG+VDD = 2 VDD結(jié)果，電荷泵電路IOa提供的輸出電壓Sp的電壓電平實質(zhì)上是兩倍于高參考電平VDD。在另一個操作實例中，電荷泵電路IOa設計成為一負一倍壓電路。第一輸入電壓VCl與第三輸入電壓VC3均等于低參考電平VG (譬如接地的零電平)，而第二輸入電壓VC2則設定為高參考電平VDD。據(jù)此，電壓Vei滿足Vei = VC3+VX = VC3-VC2+VC 1 = VG-VDD+VG = -VDD結(jié)果，電荷泵電路IOa提供的輸出電壓Sp的電壓電平實質(zhì)上是負一倍的高參考電平 VDD。由于電荷泵電路IOa于不同操作期間內(nèi)可提供不同大小的負載電流而對于負載具有不同的驅(qū)動能力。因此，可設計耦接至該電荷泵電路并接受電荷泵所供電的一負載電路，分別于該第一操作期間與該第二操作期間內(nèi)，運作于一第一負載電流模式與一第二負載電流模式。圖2繪示依照一實施例，應用圖1的電荷泵的一電子裝置的方塊圖。于圖2中，電子裝置100包括驅(qū)動裝置1以及顯示面板2。驅(qū)動裝置1包括電源電路10及驅(qū)動電路20。電源電路10包括圖1所示的電荷泵電路10a。驅(qū)動電路20則作為電源電路10的負載電路，接收電荷泵電路IOa的供電以驅(qū)動顯示面板2。于一操作實例中，驅(qū)動電路20為一數(shù)據(jù)驅(qū)動器(Data Driver)，其以電源電路10提供的輸出信號Sp做為電源信號，而提供顯示數(shù)據(jù)電壓Sd來驅(qū)動顯示面板2。圖3繪示依據(jù)一實施例的圖2的驅(qū)動電路20的部份電路圖。如圖3所示，驅(qū)動電路20譬如可具有一輸出級電路20a，其中包括輸出運算放大器0A，其響應于輸出級電路致能信號SOPEN及輸出致能信號SOE兩者的高電平以提供顯示數(shù)據(jù)電壓Sd驅(qū)動顯示面板2，并響應于輸出級電路致能信號SOPEN及輸出致能信號SOE兩者的低信號電平而終止輸出顯示數(shù)據(jù)電壓Sd的操作。在高耗能操作期間Th中，輸出級電路致能信號SOPEN為高信號電平，驅(qū)動電路20需提供顯示數(shù)據(jù)電壓Sd來推動顯示面板2。在低耗能操作期間Tl中，輸出級電路致能信號SOPEN為低信號電平，驅(qū)動電路20則不需提供顯示數(shù)據(jù)電壓Sd來對顯示面板2進行驅(qū)動。圖4繪示依照一實施例的圖3的驅(qū)動電路20的相關信號時序圖。較佳地，可安排高耗能操作期間Th落于電荷泵電路IOa的第二操作期間Td中，以使驅(qū)動電路20以第二負載電流模式來運作。如此一來，可確保電源電路10在高耗能操作期間Th中有充足的電流驅(qū)動能力，以有效地避免輸出信號Sp及驅(qū)動電路20的顯示數(shù)據(jù)電壓Sd發(fā)生電平漂移及操作異常的情形。此外，亦可安排低耗能操作期間Tl落于電荷泵電路IOa的第一操作期間Tb中，以使驅(qū)動電路20以第一負載電流模式來運作，如此可節(jié)省電能損耗。須注意，在上述實施例中，雖僅以電源電路10包括一個電荷泵電路IOa的情形為例做說明，然而于其它實施例中，可串接兩個或兩個以上的電荷泵電路，來提供其它組態(tài)的輸出信號。舉例來說，請參照圖5，其繪示依據(jù)一實施例的電荷泵裝置的電路方塊圖，其同樣可應用于圖2的電源電路10中。于此實施例中，電荷泵電路IOa'及IOa"兩者相串接，亦即電荷泵電路IOa'產(chǎn)生的輸出信號系做為輸入電壓VCl"輸入至電荷泵電路IOa"。電荷泵電路IOa'及IOa"分別具有與圖1所示的電荷泵電路IOa具有實質(zhì)上相近的電路結(jié)構。據(jù)此，經(jīng)由電荷泵電路IOa'及IOa"的電壓電平控制操作，可于電荷泵電路IOa"的輸出端No"得到一輸出信號Sp'，其電壓電平可以下式表示VE3 = VC3 “ +Vx" = VC3 “ + (VC2 “ -VCl 〃 ) = VC3 “ +VC2 “ - (VC3 ‘ +Vx')= VC3“ +VC2“ -VC3' -(VCl' -VC2')在一個操作實例中，輸入電壓VC3'與輸入電壓VCr均對應至高參考電平VDD，而輸入電壓VC2'、VC2"及輸入電壓VC3"對應至低參考電平VG(譬如接地電平)。據(jù)此，電壓VCl"及Ve3滿足以下兩式VCl" = VC3' +Vx' = VDD+ (VDD-VG) = 2VDDVE3 = VC3 “ +VC2 “ -VC3' -(VCl' -VC2' ) = -VDD- (VDD) = -2VDD結(jié)果，電荷泵電路IOa'提供的輸出信號的電壓電平實質(zhì)上等于兩倍的高參考電平VDD;而電荷泵電路IOa"提供的輸出信號Sp'的電壓電平實質(zhì)上等于負兩倍的高參考電平VDD。值得注意的是，以上實施例系將電荷泵電路IOa區(qū)分為兩種期間來舉例說明電荷泵電路IOa的操作。此外，以上部分實施例亦以兩組開關分別包括兩個開關來舉例說明開關模塊的細部結(jié)構。然而，本發(fā)明不限于此，于其它實施例中，可安排其它不同類型的操作態(tài)樣與開關模塊的結(jié)構，只要利用單一個外部電容Cf來完成電荷泵電路的完整操作，或是于充電期間內(nèi)單純利用內(nèi)部電容所儲存的電荷而不利用任何外部電容所儲存的電荷來提供負載電流(外部電容的數(shù)目可安排為一至多個)，亦屬本發(fā)明的范疇。上述實施例的電荷泵電路中可僅使用一個集成電路外部電容以及一或多個集成電路內(nèi)部電容(統(tǒng)稱為一內(nèi)部電容)來實施。據(jù)此，相較于傳統(tǒng)電荷泵電路，上述實施例的電荷泵電路及驅(qū)動裝置具有電路面積較小及制造成本較低的優(yōu)點。此外，上述實施例的電荷泵電路亦可應用至各類電子裝置中，以使電子裝置可于不同的負載電流模式下運作，從而提供良好穩(wěn)壓能力與省電效能的優(yōu)點。綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種等同的改變或替換。因此，本發(fā)明的保護范圍當視后附的本申請權利要求范圍所界定的為準。
權利要求
1.一種電荷泵電路，其特征在于，包括一輸出端，耦接至該集成電路的一內(nèi)部電容；一外部電容，設置于該集成電路的外部；以及一開關模塊，耦接至該外部電容與該內(nèi)部電容，用以控制該外部電容與該內(nèi)部電容循序進行充放電，其中于一第一操作期間內(nèi)，該開關模塊控制該外部電容進行充電而不提供電流至該輸出端，以及控制該內(nèi)部電容進行放電至該輸出端。
2.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于，于一第二操作期間內(nèi)，該開關模塊還控制該外部電容進行放電至該內(nèi)部電容及該輸出端，而對該內(nèi)部電容進行充電。
3.根據(jù)權利要求2所述的電荷泵電路，其特征在于，于該第一與第二操作期間內(nèi)，該輸出端分別流通一第一負載電流與一第二負載電流，且該第一負載電流小于該第二負載電流。
4.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于，該開關模塊包括一第一組開關，耦接于多個輸入電壓與該外部電容之間；以及一第二組開關，耦接于該內(nèi)部電容與該外部電容之間。
5.根據(jù)權利要求4所述的電荷泵電路，其特征在于，于該第一操作期間內(nèi)該第一組開關導通而該第二組開關切斷。
6.根據(jù)權利要求4所述的電荷泵電路，其特征在于，于一第二操作期間內(nèi)該第一組開關切斷而該第二組開關導通。
7.根據(jù)權利要求4所述的電荷泵電路，其特征在于該多個輸入電壓包括一第一輸入電壓及一第二輸入電壓，以及該第一組開關包括一第一開關，耦接于該第一輸入電壓及該外部電容之間；及一第二開關，耦接于該第二輸入電壓與該外部電容之間。
8.根據(jù)權利要求7所述的電荷泵電路，其特征在于，于該第一操作期間，該外部電容充電而具有一充電跨壓，該充電跨壓實質(zhì)上等于該第一輸入電壓與第二輸入電壓的電壓電平差。
9.根據(jù)權利要求4所述的電荷泵電路，其特征在于，該第二組開關包括一第三開關，耦接于該輸出端與該外部電容之間；及一第四開關，耦接于一第三輸入電壓與該外部電容之間。
10.根據(jù)權利要求9所述的電荷泵電路，其特征在于，當該第二操作期間開始時，該外部電容其中一端的電壓電平實質(zhì)上等于該第三輸入電壓及該外部電容的一充電跨壓的電壓電平之和。
11.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于，還包括一內(nèi)部電容升壓電路，設置于該集成電路的內(nèi)部并耦接至該輸出端，用以至少在該第一操作期間維持該輸出端的電壓電平。
12.一種電子裝置，其特征在于，包括根據(jù)權利要求2或3所述的電荷泵電路；以及一負載電路，耦接至該電荷泵電路以接收該電荷泵電路的供電，并分別于該第一操作期間與該第二操作期間內(nèi)，分別運作于一第一負載電流模式與一第二負載電流模式。
全文摘要
本發(fā)明是一種電荷泵電路及應用其的驅(qū)動集成電路。該電荷泵電路，包括輸出端、外部電容及開關模塊。輸出端耦接至一集成電路的一內(nèi)部電容。外部電容設置于集成電路的外部。開關模塊耦接至外部電容與內(nèi)部電容，用以控制外部電容與內(nèi)部電容輪流進行充電與放電。于第一操作期間內(nèi)，開關模塊控制外部電容進行充電而不提供電流至該輸出端，以及控制內(nèi)部電容進行放電至輸出端。
文檔編號H02M3/07GK102594131SQ201110008618
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者劉上逸 申請人:聯(lián)詠科技股份有限公司