專利名稱：一種新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電荷泵技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
電荷泵常被應(yīng)用于電子產(chǎn)品的驅(qū)動電路中，例如內(nèi)存驅(qū)動電路、液晶顯示器(LCD)的背光驅(qū)動電路或發(fā)光二極管LED驅(qū)動電路。電荷泵也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC電壓變換器.它能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓，其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。如圖I所示，是美國專利US6873203提出的一種基于電荷泵的驅(qū)動電路，包括兩個電荷泵，主電荷泵12和從電荷泵14，主電荷泵12具有輸出電壓VI，從電荷泵14具有輸出電壓V2，運算放大器U3的正輸入端接主電荷泵12的輸出端，運算放大器U3的負輸入端接從電荷泵14的輸出端，運算放大器U3的輸出端與PMOS晶體管M2的柵極連接，U3產(chǎn)生的電壓差控制M2的柵極，同時M2的源極連接從電荷泵14的輸出，M2的漏極與接地的恒流源16連接；此外還包括一個線性調(diào)整PMOS晶體管M3和電流受控電壓源U4，U4的一個輸入端連接到PMOS晶體管M2的漏極和恒流源16之間，其輸出端連接PMOS晶體管M3的柵極，PMOS晶體管M3的源極和漏極串聯(lián)在電源18和兩個電荷泵之間，PMOS晶體管M3的作用是根據(jù)電流受控電壓源U4感測的流過M2的電流Imodel與恒流源的基準電流Iref之間的不平衡，調(diào)節(jié)加在負載上的多余電壓，也就是通過調(diào)整M3的柵源電壓Vgs來改變M3的導通電阻以調(diào)整它的導通程度，從而讓多余的電壓落在M3上，但是這個晶體管M3在集成電路芯片的制造中是要占用很多額外面積的，因此提高了芯片的制造成本。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，不需要額外設(shè)置線性調(diào)整管，而是通過調(diào)整電荷泵中的部分晶體管的導通程度，使這些晶體管來承受多余電壓，極大地節(jié)省了芯片版圖面積，降低了芯片制造成本。本實用新型的技術(shù)方案是一種新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，包括電荷泵，所述電荷泵的輸出端并聯(lián)有負載以及控制負載電流大小的電流源，其特征在于，還包括晶體管導通程度控制電路，所述晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與所述電荷泵中的由MOS管組成的開關(guān)陣列的部分MOS管的柵極連接，所述柵極與晶體管導通程度控制電路連接的MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。所述晶體管導通程度控制電路包括順次連接的差分放大器、緩沖器和預驅(qū)動器，所述差分放大器的正輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，負輸入端與參考電壓源連接，將電流源上的電壓降與參考電壓做比較，差分放大器比較后的輸出信號經(jīng)過緩沖器的作用后作為輸入給預驅(qū)動器的虛擬地線信號，預驅(qū)動器的輸出信號即為控制柵極與預驅(qū)動器輸出端連接的MOS管導通程度的低電平時鐘信號。所述電荷泵為工作在1X/1.5X/2X三種工作模式下的多模式電荷泵，包括由6個PMOS管MO、MIA、M1B、M2、M3A、M3B和2個NMOS管M4、M5組成的開關(guān)陣列以及兩個泵電容Cl和C2，其中M0、M2、M3A、M3B的柵極與晶體管導通程度控制電路連接，M0、M2、M3A、M3B的源極均連接在電荷泵的輸 入端；M0的漏極直接連接電荷泵的輸出端；M2的漏極連MlA的源極，MlA的漏極連接電荷泵的輸出端；M3A的漏極連M5的漏極，M5的源極再接MlB的源極，MlB的漏極連接電荷泵的輸出端；M3B的漏極接M4的漏極，M4的源極接地；第一泵電容Cl的一端連接在M2的漏極和MlA的源極之間，另一端連接在M3A的漏極和M5的漏極之間；第二泵電容C2的一端連接在M5的源極和MlB的源極之間，另一端連接在M3B的漏極和M4的漏極之間。所述緩沖器為增益為I的運算放大器。所述預驅(qū)動器為兩個串聯(lián)連接的反相器。所述負載為發(fā)光二極管LED。本實用新型的技術(shù)效果本實用新型提供的一種新型基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢在于，設(shè)置了晶體管導通程度控制電路，與所述電荷泵中的由MOS管組成的開關(guān)陣列的部分MOS管的柵極連接，控制電荷泵中的MOS晶體管在導通時不是都處于完全導通的狀態(tài)，而是巧妙的調(diào)整其中的部分MOS晶體管導通時的柵源電壓Vgs來改變其導通程度，使多余的電壓由這些MOS晶體管共同承受，因此就不再需要一個額外的分擔多余電壓的線性調(diào)整管，這樣就極大地節(jié)省了芯片版圖面積，降低了芯片制造成本。

圖I是是美國專利US6873203提出的一種基于電荷泵的驅(qū)動電路示意圖。圖2是本實用新型的新型基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路實施例示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作進一步說明。如圖2所示，一種新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，包括電荷泵，電荷泵的輸出端VOUT并聯(lián)有負載以及控制負載電流大小的電流源IL，例如本實施例的負載是發(fā)光二極管LED，負載LED由VOUT供電，其電流大小由電流源IL來決定。還包括晶體管導通程度控制電路，晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與電荷泵中的由MOS管組成的開關(guān)陣列的部分MOS管的柵極連接，這些柵極與晶體管導通程度控制電路連接的MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。本實施例的晶體管導通程度控制電路包括順次連接的差分放大器Err Amp、緩沖器Buffer和預驅(qū)動器Predriver,差分放大器ErrAmp的正輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，負輸入端與參考電壓源連接，電流源上的電壓降即節(jié)點FB到地之間的電壓被送入差分放大器ErrAmp，與參考電壓Ref做比較，差分放大器比較后的輸出信號ErrAmp_0ut送到緩沖器Buffer中，緩沖器的作用是把ErrAmp_out信號作為下一級預驅(qū)動器Predriver的虛擬地線來使用，輸入給預驅(qū)動器Predriver,所以把Buffer的輸出叫做Pseudo_VSS,而不是通常的地線VSS ;預驅(qū)動器Predriver的輸出信號即為控制柵極與預驅(qū)動器輸出端連接的MOS管導通程度的低電平時鐘信號，本實施例圖2中柵極與預驅(qū)動器輸出端連接的MOS管包括M0、M2、M3A、M3B。其中緩沖器可以選擇增益為I的運算放大器，預驅(qū)動器可以選擇兩個串聯(lián)連接的反相器。這樣，晶體管導通程度控制電路和電荷泵以及負載和其相應(yīng)的電流源一起構(gòu)成了完整的閉合環(huán)路，使電流源IL的電壓FB總是和Ref保持一致，這樣既保證了驅(qū)動電路穩(wěn)定的工作，而且可以通過調(diào)整Ref來調(diào)整電流源的電壓，提高了整個驅(qū)動電路的效率。更主要的是晶體管導通程度控制電路的控制信號不同于現(xiàn)有技術(shù)電荷泵的普通的時鐘控制信號，將它與電荷泵中的部 MOS管的柵極連接，可以使這些MOS管在導通的同時，調(diào)整其柵源電壓Vgs來改變它們的導通程度，使它們處于不是完全導通的狀態(tài)，即調(diào)整它們的導通電阻，讓它們的導通電阻比通常的完全導通情況下要大很多，這樣這些受晶體管導通程度控制電路控制的MOS管可以用來承擔多余的電壓，這也是本實用新型相比于美國專利US6873203的根本優(yōu)勢，我們知道，電荷泵通常是作為一種升壓變換器，是為了在輸入電壓VIN不夠高的情況下，給負載提供足夠高的輸出電壓VOUT而存在的，而VOUT究竟需要多高的電壓，這是由負載的前向壓降和電流大小來決定的，例如，對于發(fā)光二極管LED來說，若電流為20mA，此時LED的前向壓降為3. 5V，若參考電壓Ref設(shè)定為0. IV，那么此時只需要3. 6V的輸出電壓V0UT，假設(shè)這時候VIN= 3V并且電荷泵工作在I. 5X模式下，理論上I. 5X的電荷泵能提供I. 5*3V = 4. 5V的輸出電壓，這樣這多余的4. 5-3. 6 = 0. 9V應(yīng)該由誰來承受呢？這就是本實用新型的創(chuàng)新之處，也是相比美國專利US6873203有明顯優(yōu)勢的地方。在美國專利US6873203中，它用了專門的一個線性調(diào)整晶體管M3來承受這部分多余的電壓，可以看到這個M3是和后面的電荷泵串聯(lián)在一起的，即通過調(diào)整M3的柵源電壓Vgs來改變M3的導通電阻以調(diào)整它的導通程度，從而讓多余的電壓落在M3上，而電荷泵中所有的晶體管在導通時都是完全導通的，但是這個晶體管M3是要占用很多額外面積的，因此提高了芯片的制造成本。而在本實用新型中，并不是讓電荷泵中的晶體管在導通時都處于完全導通狀態(tài)，而是巧妙地調(diào)整其中的部分晶體管導通時的柵源電壓Vgs來改變它們的導通程度，讓多余的電壓由它們共同承受，因此就不再需要一個額外的線性調(diào)整管，這樣就極大地節(jié)省了版圖面積，降低了芯片成本。當然，為實現(xiàn)對這些MOS管的柵源電壓Vgs的有效控制，要使這些MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。本實用新型的電荷泵為工作在1X/1.5X/2X三種工作模式下的多模式電荷泵，包括由6個PMOS管M0、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2個NMOS管M4、M5組成的開關(guān)陣列以及兩個泵電容Cl和C2，其中PMOS管MO、M2、M3A、M3B的柵極與晶體管導通程度控制電路連接，MO、M2、M3A、M3B的源極均連接在電荷泵的輸入端VIN ；PM0S管MO的漏極直接連接電荷泵的輸出端VOUT，PMOS管M2的漏極連PMOS管MlA的源極，MlA的漏極連接電荷泵的輸出端VOUT ；PM0S管3A的漏極連NMOS管M5的漏極，M5的源極再接PMOS管MlB的源極，MlB的漏極連接電荷泵的輸出端VOUT ；PM0S管3B的漏極接NMOS管M4的漏極，M4的源極接地；第一泵電容Cl的一端連接在PMOS管M2的漏極和MlA的源極之間，另一端連接在M3A的漏極和M5的漏極之間；第二泵電容C2的一端連接在M5的源極和MlB的源極之間，另一端連接在M3B的漏極和M4的漏極之間。所述電荷泵的工作原理是這樣該電荷泵有三種工作模式1) IX模式(又稱作I倍模式)，這種情況下，只有MO是常導通的，而M1A，MlB, M2，M3A，M3B，M4是一直都不導通的，這時候輸入電壓VIN直接通過MO傳遞到輸出VOUT，即電荷泵本身是不工作的；2)1.5X模式(又稱作I. 5倍模式)，此模式下MO永遠是不導通的；該模式在時鐘的控制下，電荷泵有兩個工作階段第一充電階段，這時候，M2，M5，M4是導通的，而M3A，M3B, MIA, MlB是不導通的，因此VIN通過M2，Cl，M5，C2，M4到地這條電流通路對電容Cl和C2進行充電，而輸出端VOUT由電容Cout來提供電流；第二 放電階段，這時候，M2, M5, M4是不導通的，而M3A, M3B, MIA, MlB是導通的，因此Cl通過VIN, M3A, MIA, VOUT這條通路對Cout和輸出負載進行放電，C2通過VIN，M3B, MlB, VOUT這條通路對COUT和輸出負載進行放電；在電荷泵達到穩(wěn)態(tài)輸出時，VOUT和VIN的關(guān)系是VOUT = I. 5VIN,因此稱為
1.5X模式；3) 2X模式(又稱作2倍模式)，此模式下MO，M2和MlA是永遠都不導通的，同時電容Cl也是閑置不用的，該模式在時鐘的控制下，電荷泵也有兩個工作階段第一充電階段,這時候M3A，M5和M4是導通的，而M3B和MlB是不導通的，因此VIN通過M3A，M5，C2，M4 和地這條電流通路對電容C2進行充電，同時，VOUT靠電容Cout來提供電流。第二 放電階段,這時候M3A，M5和M4是不導通的，而M3B和MlB是導通的，因此C2通過VIN，M3B, MlB,VOUT這條通路對COUT以及輸出負載進行放電。在電荷泵達到穩(wěn)態(tài)輸出時，VOUT和VIN的關(guān)系是VOUT = 2VIN,因此稱為2X模式。
權(quán)利要求1.一種新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，包括電荷泵，所述電荷泵的輸出端并聯(lián)有負載以及控制負載電流大小的電流源，其特征在于，還包括晶體管導通程度控制電路，所述晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與所述電荷泵中的由MOS管組成的開關(guān)陣列的部分MOS管的柵極連接，所述柵極與晶體管導通程度控制電路連接的MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，其特征在于，所述晶體管導通程度控制電路包括順次連接的差分放大器、緩沖器和預驅(qū)動器，所述差分放大器的正輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，負輸入端與參考電壓源連接，將電流源上的電壓降與參考電壓做比較，差分放大器比較后的輸出信號經(jīng)過緩沖器的作用后作為輸入給預驅(qū)動器的虛擬地線信號，預驅(qū)動器的輸出信號即為控制柵極與預驅(qū)動器輸出端連接的MOS管導通程度的低電平時鐘信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，其特征在于，所述電荷泵為工作在1X/1. 5X/2X三種工作模式下的多模式電荷泵，包括由6個PMOS管MO、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2個NMOS管M4、M5組成的開關(guān)陣列以及兩個泵電容Cl和C2，其中M0、M2、M3A、M3B的柵極與晶體管導通程度控制電路連接，M0、M2、M3A、M3B的源極均連接在電荷泵的輸入端；M0的漏極直接連接電荷泵的輸出端；M2的漏極連MlA的源極，MlA的漏極連接電荷泵的輸出端；M3A的漏極連M5的漏極，M5的源極再接MlB的源極，MlB的漏極連接電荷泵的輸出端；M3B的漏極接M4的漏極，M4的源極接地；第一泵電容Cl的一端連接在M2的漏極和MlA的源極之間，另一端連接在M3A的漏極和M5的漏極之間；第二泵電容C2的一端連接在M5的源極和MlB的源極之間，另一端連接在M3B的漏極和M4的漏極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，其特征在于，所述緩沖器為增益為I的運算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，其特征在于，所述預驅(qū)動器為兩個串聯(lián)連接的反相器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型的基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，其特征在于，所述負載為發(fā)光二極管LED。
專利摘要本實用新型提供的一種新型基于電荷泵的穩(wěn)壓型驅(qū)動電路，包括電荷泵，電荷泵的輸出端并聯(lián)有負載以及控制負載電流大小的電流源，還包括晶體管導通程度控制電路，晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯(lián)的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與電荷泵中的部分MOS管的柵極連接，這些MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接；因此可以控制電荷泵中的部分MOS晶體管在導通時不是都處于完全導通的狀態(tài)，而是調(diào)整這些MOS晶體管導通時的柵源電壓Vgs來改變其導通程度，使多余的電壓由這些MOS晶體管共同承受，因此就不再需要一個額外的分擔多余電壓的線性調(diào)整管，極大地節(jié)省了芯片版圖面積，降低了芯片制造成本。
文檔編號H02M3/07GK202364120SQ201120403669
公開日2012年8月1日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者唐婭, 郝躍國 申請人:唐婭, 郝躍國