CN106712497B - 一种交叉耦合电荷泵 - Google Patents

一种交叉耦合电荷泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种交叉耦合电荷泵，包括：升压模块；传输模块包括第一传输开关及第二传输开关，第一传输开关与第二传输开关的输入端分别连接升压模块的第一输出端和第二输出端；第一传输开关与第二传输开关的输出端相连；第一传输开关与所述第二传输开关的栅端分别连接第一栅压控制电路及第二栅压控制电路，用于将第一传输开关与第二传输开关的栅压摆幅增大至2倍电源电压。本发明仅用2个MOSFET就完成了增大PMOS传输开关的栅压摆幅的功能，占用了更小的芯片面积。而且，控制对管的衬底电压，减小了亚阈值和导通时的双重损耗；此外，本发明结构简单，信号稳定，电路拓扑高度对称，有效减小了电路失配等非理想因素带来的影响，具有很好的鲁棒性。

Description

一种交叉耦合电荷泵
技术领域
本发明涉及电源管理领域，特别是涉及一种交叉耦合电荷泵。
背景技术
AMOLED(Active Matrix/Organic Light Emitting Diode，主动矩阵有机发光二极体面板)显示面板的驱动芯片主要功能接收MCU(Micro Control Unit，微控制单元)所传递的数字格式的显示与控制信号，向显示面板提供逐行开启的栅驱动电压，以及控制像素灰度的源驱动电压，常规便携式设备中的中小尺寸AMOLED所需的栅驱动电压为±(3～8)V，源驱动电压为0.3～4.2V。这些驱动电压是由集成在驱动芯片中的电源管理***(MPS)产生的。其中，电源管理***按照工作方式来分，主要分为三类，分别为低压降线性稳压器(LDO)，电感型开关电源和电容型开关电源，而电容型开关电源又称电荷泵。
针对便携式通讯设备的应用场合，相比于电感型开关电源而言，低压降线性稳压器和电荷泵不仅占用面积小，而且无需磁设计，具有一定的优势，但是LDO只能完成降压转换，电荷泵则可以针对电源电压进行大范围的升压、降压与反压，因此成为便携式通讯设备中显示驱动芯片电源管理***的最佳解决方案。
电荷泵根据不同的拓扑结构分为Dickson电荷泵拓扑，阶梯拓扑，Fibonacci拓扑、电容混联拓扑以及交叉耦合拓扑等结构，其中，可以提供自动反向偏置的交叉耦合型电荷泵表现出更高的效率和更小的纹波。如图1所示，现有的交叉耦合型电荷泵电路包括：第一交叉耦合对，第二交叉耦合对以及两个电容。其中，第一交叉耦合对为NMOS管MN1和MN2，NMOS管MN1和MN2的漏端连接输入电压Vin，NMOS管MN1的源端连接一电容的上极板，该电容的下极板连接时钟信号CLK1；NMOS管MN2的源端连接一电容的上极板，该电容的下极板连接时钟信号CLK2。两个电容的上极板分别连接第二交叉耦合对的输入端，第二交叉耦合对为PMOS管MP1和MP2，PMOS管MP1和MP2的输出端相连，并连接输出电容Cout和负载LOAD。PMOS管MP1和MP2的栅源电压摆幅在Vin和2Vin之间，根据MOSFET的电流公式：
如果增大栅源电压摆幅VGS，则上述传输开关的电导率必然会提高，从而提高电荷泵的传输效率。因此，使用Level-Shift(电平转换器)的改良型交叉耦合电荷泵被广泛运用，Level-Shift的改良型交叉耦合电荷泵可增大栅源电压摆幅，但是Level-Shift需要占用较大的芯片面积，而且由于其工作原理是基于正反馈，如果制造过程中出现不匹配等非理想因素，电路的正反馈环路很有可能无法工作，故该电路的稳定性较差。
在电容型直流转换器(DC-DC)中，传输开关的电导率对电路的转换效率有重要影响。若电导率较低，则会有较多的电压损耗在传输开关的等效电阻上，从而降低转换效率。电平转换器(Level-Shift)的使用可以改善该问题，但是该模块占用芯片面积较大，且其工作基于正反馈环路，容易受到电路失配的影响，鲁棒性较差。
因此，在不占用芯片大面积的基础上，如何提高传输开关的电导率，提高转换效率，提高鲁棒性已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种交叉耦合电荷泵，用于解决现有技术中电荷泵转换效率低、占用芯片面积大、鲁棒性差等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种交叉耦合电荷泵，所述交叉耦合电荷泵至少包括：
升压模块，用于对电源电压进行升压；
传输模块，连接于所述升压模块的输出端，用于输出升压后的电压；
其中，所述传输模块包括第一传输开关及第二传输开关，所述第一传输开关与所述第二传输开关的输入端分别连接所述升压模块的第一输出端和第二输出端；所述第一传输开关与所述第二传输开关的输出端相连，作为输出端；所述第一传输开关与所述第二传输开关的栅端分别连接第一栅压控制电路及第二栅压控制电路，用于将所述第一传输开关与所述第二传输开关的栅压摆幅增大至2倍电源电压。
优选地，所述第一栅压控制电路及所述第二栅压控制电路分别包括：下摆幅传输管和上摆幅传输管，所述下摆幅传输管与所述上摆幅传输管串联连接，所述下摆幅传输管的源端接地，所述上摆幅传输管的源端连接传输开关的输出端，所述下摆幅传输管的栅端连接时钟控制信号，所述上摆幅传输管的栅端连接传输开关的输入端。
优选地，所述升压模块包括第一对管、第二对管、第一电容及第二电容，所述第一对管与所述第二对管交叉耦合连接，所述第一对管与所述第二对管的漏端连接电源电压、源端分别连接所述第一电容及所述第二电容的上极板，所述第一电容的下极板连接第一时钟控制信号，所述第二电容的下极板连接第二时钟控制信号，所述第一电容及所述第二电容的上极板作为输出端。
更优选地，所述升压模块还包括连接于所述第一对管底端的第一衬底电压时钟控制电路和连接于所述第二对管底端的第二衬底电压时钟控制电路，所述第一衬底电压时钟控制电路及所述第二衬底电压时钟控制电路分别包括：上拉管和下拉管，所述上拉管与所述下拉管串联连接，所述上拉管的源端连接电源电压，所述下拉管的源端接地，所述上拉管与所述下拉管的栅端相连并连接控制信号，所述第一衬底电压时钟控制电路的控制信号为第一时钟控制信号，所述第二衬底电压时钟控制电路的控制信号为第二时钟控制信号。
更优选地，所述传输模块还包括第一衬底控制管和第二衬底控制管，所述第一衬底控制管的漏端连接所述第一传输开关的输入端、源端连接所述第一传输开关的底端、栅端连接所述第二传输开关的输入端；所述第二衬底控制管的漏端连接所述第二传输开关的输入端、源端连接所述第二传输开关的底端、栅端连接所述第一传输开关的输入端。
如上所述，本发明的交叉耦合电荷泵，具有以下有益效果：
本发明的交叉耦合电荷泵仅用2个MOSFET构成的栅压控制电路就完成了增大PMOS传输开关的栅压摆幅的功能，占用了更小的芯片面积。而且，增加对NMOS传输开关的衬底电压控制，减小了亚阈值和导通时的双重损耗。此外，本发明的交叉耦合电荷泵结构简单，信号稳定，而且电路拓扑高度对称，有效减小了电路失配等非理想因素带来的影响，具有很好的鲁棒性。
附图说明
图1显示为现有技术中的交叉耦合型电荷泵电路的结构示意图。
图2显示为本发明的交叉耦合电荷泵的结构示意图。
元件标号说明
1 交叉耦合电荷泵
11 升压模块
111 第一衬底电压时钟控制电路
112 第二衬底电压时钟控制电路
12 传输模块
121 第一栅压控制电
122 第二栅压控制电路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示，本发明提供一种交叉耦合电荷泵1，所述交叉耦合电荷泵1至少包括：
升压模块11和传输模块12。
如图2所示，所述升压模块11连接于所述传输模块12的输入端，用于对电源电压Vin进行升压。
具体地，如图2所示，所述升压模块11包括第一对管Mn1、第二对管Mn2、第一衬底电压时钟控制电路111、第二衬底电压时钟控制电路112、第一电容C1及第二电容C2。
更具体地，所述第一对管Mn1与所述第二对管Mn2交叉耦合连接，在本实施例中，所述第一对管Mn1与所述第二对管Mn2为NMOS管，所述第一对管Mn1的漏端连接电源电压Vin、栅端连接所述第二对管Mn2的源端、源端连接所述第二对管Mn2的栅端；所述第二对管Mn2的漏端连接电源电压Vin、栅端连接所述第一对管Mn1的源端、源端连接所述第一对管Mn1的栅端。
更具体地，所述第一衬底电压时钟控制电路111连接于所述第一对管Mn1的底端，包括第一上拉管Mp3和第一下拉管Mn3，所述第一上拉管Mp3与所述第一下拉管Mn3串联连接，在本实施例中，所述第一上拉管Mp3为PMOS管，所述第一下拉管Mn3为NMOS管，所述第一上拉管Mp3的源端连接电源电压Vin、漏端连接所述第一下拉管Mn3的漏端并作为输出端连接所述第一对管Mn1的底端，所述第一下拉管Mn3的源端接地，所述第一上拉管Mp3和所述第一下拉管Mn3的栅端连接第一时钟控制信号CLK1。所述第二电压时钟控制电路112连接于所述第二对管Mn2的底端，包括第二上拉管Mp4和第二下拉管Mn4，所述第二上拉管Mp4与所述第二下拉管Mn4串联连接，在本实施例中，所述第二上拉管Mp4为PMOS管，所述第二下拉管Mn4为NMOS管，所述第二上拉管Mp4的源端连接电源电压Vin、漏端连接所述第二下拉管Mn4的漏端并作为输出端连接所述二对管Mn4的底端，所述第二下拉管Mn4的源端接地，所述第二上拉管Mp4和所述第二下拉管Mn4的栅端连接第二时钟控制信号CLK2。
更具体地，所述第一电容C1的上极板连接所述第一对管Mn1的源端并作为所述升压模块11的第二输出端、下极板连接所述第一时钟控制信号CLK1。所述第二电容C2的上极板连接所述第二对管Mn2的源端并作为所述升压模块11的第一输出端、下极板连接所述第二时钟控制信号CLK2。
如图2所示，所述传输模块12连接于所述升压模块11的输出端，用于输出升压后的电压。
具体地，如图2所示，所述传输模块12包括第一传输开关Mp1、第二传输开关Mp2、第一栅压控制电路121、第二栅压控制电路122、第一衬底控制管Mp5以及第二衬底控制管Mp6。
更具体地，所述第一传输开关Mp1与所述第二传输开关Mp2的输入端分别连接所述升压模块11的第一输出端和第二输出端，所述第一传输开关Mp1与所述第二传输开关Mp2的输出端相连，作为输出端。在本实施例中，所述第一传输开关Mp1与所述第二传输开关Mp2为PMOS管，源端作为输入端，漏端作为输出端。
更具体地，所述第一栅压控制电路121连接于所述第一传输开关Mp1的栅端，所述第一栅压控制电路121包括：第一下摆幅传输管Mn5和第一上摆幅传输管Mp7串联连接，所述第一下摆幅传输管Mn5和所述第一上摆幅传输管Mp7，在本实施例中，所述第一下摆幅传输管Mn5为NMOS管，所述第一上摆幅传输管Mp7为PMOS管，所述第一下摆幅传输管Mn5的源端接地、漏端连接所述第一上摆幅传输管Mp7的漏端并作为输出端连接所述第一传输开关Mp1的栅端，所述第一上摆幅传输管Mp7的源端连接所述第一传输开关Mp1的输出端，所述第一下摆幅传输管Mn5的栅端连接所述第二时钟控制信号CLK2，所述第一上摆幅传输管Mp7的栅端连接所述第一传输开关Mp1的输入端。所述第二栅压控制电路122连接于所述第二传输开关Mp2的栅端，所述第二栅压控制电路122包括：第二下摆幅传输管Mn6和第二上摆幅传输管Mp8串联连接，所述第二下摆幅传输管Mn6和所述第二上摆幅传输管Mp8，在本实施例中，所述第二下摆幅传输管Mn6为NMOS管，所述第二上摆幅传输管Mp8为PMOS管，所述第二下摆幅传输管Mn5的源端接地、漏端连接所述第二上摆幅传输管Mp8的漏端并作为输出端连接所述第二传输开关Mp2的栅端，所述第二上摆幅传输管Mp8的源端连接所述第二传输开关Mp2的输出端，所述第二下摆幅传输管Mn6的栅端连接所述第一时钟控制信号CLK1，所述第二上摆幅传输管Mp8的栅端连接所述第二传输开关Mp2的输入端。所述第一栅压控制电路121及所述第二栅压控制电路122用于将所述第一传输开关Mp1与所述第二传输开关Mp2的栅压摆幅增大至2倍电源电压Vin。
更具体地，在本实施例中，所述第一衬底控制管Mp5为PMOS管，所述第一衬底控制管Mp5的漏端连接所述第一传输开关Mp1的输入端、源端连接所述第一传输开关Mp1和所述第一上摆幅传输管Mp7的底端、栅端连接所述第二传输开关Mp2的输入端。在本实施例中，所述第二衬底控制管Mp6为PMOS管，所述第二衬底控制管Mp6的漏端连接所述第二传输开关Mp2的输入端、源端连接所述第二传输开关Mp2和所述第二上摆幅传输管Mp8的底端、栅端连接所述第一传输开关Mp1的输入端。
所述第一传输开关Mp1、所述第二传输开关Mp2、所述第一上摆幅传输管Mp7、所述第二上摆幅传输管Mp8、所述第一衬底控制管Mp5及所述第二衬底控制管Mp6的衬底连接衬底电容CB。
所述传输模块12的输出端连接输出电容Cout以及负载LOAD。
所述交叉耦合电荷泵1的工作原理如下：
由于MOSFET存在体效应，当源衬电压VSB增大时，MOSFET耗尽区宽度增加，阈值电压增大，具体表达式为：
其中，γ为体效应系数。
所以，当所述第一时钟控制信号CLK1为高电平时，所述第一上拉管Mp3截止，所述第一下拉管Mn3导通，所述第一对管Mn1的衬底电压被拉低到地电平，所述第一对管Mn1的源衬电压VSB增大，阈值电压VTH增加，此时所述第一对管Mn1的栅源电压VGS为低电平，所述第一对管Mn1开关截止，同时由于阈值电压VTH增加，极大的减小了所述第一对管Mn1的亚阈值导电损耗。所述第一电容C1的下电极由地电平跳变为高电平(Vin)，由于电容两端的电压不能突变，因此所述第一电容C1的上极板由Vin跳变为2Vin。
所述第一时钟控制信号CLK1与所述第二时钟控制信号CLK2为反信号，即所述第二时钟控制信号CLK2为低电平，所述第二上拉管Mp4导通，所述第二下拉管Mn4截止，所述第二对管Mn2的衬底电压被上拉到电源电压Vin，所述第二对管Mn2的源衬电压VSB减小为负电压，阈值电压VTH减小，此时所述第二对管Mn2的栅源电压VGS为高电平，所述第二对管Mn2开关打开，同时根据公式(1)，低阈值电压增大了开关管的导通电流，降低了导通时的电压损耗。所述第二电容C2处于充电状态，其上极板被充电至电源电压Vin。
此时，所述升压模块11的第一输出端Vp1为低电平(Vin)、第二输出端Vp2为高电平(2Vin)，所述第一下摆幅传输管Mn5截止，所述第一上摆幅传输管Mp7导通，则所述第一传输开关Mp1截止；所述第二下摆幅传输管Mn6导通，所述第二上摆幅传输管Mp8截止，则所述第二传输开关Mp2导通，所述升压模块11的第二输出端的2Vin被输出，同时所述第二衬底控制管Mp6导通，使所述第二传输开关Mp2的衬底电压被拉高到Vp2，即2Vin，有效避免了因漏端电压升高产生闩锁效应。
当所述第一时钟控制信号CLK1为低电平，所述第二时钟控制信号CLK2为高电平时，工作原理类似，在此不一一赘述。
本发明的交叉耦合电荷泵通过栅压控制电路实现增大PMOS传输开关的栅压摆幅的功能，所述栅压控制电路仅用2个MOSFET构成，占用了更小的芯片面积；通过对PMOS传输开关衬底的控制消除闩锁效应；同时增加衬底电压时钟控制电路控制对管的衬底电压，减小了亚阈值和导通时的双重损耗。此外，本发明的交叉耦合电荷泵结构简单，信号稳定，而且电路拓扑高度对称，有效减小了电路失配等非理想因素带来的影响，具有很好的鲁棒性。
综上所述，本发明提供一种交叉耦合电荷泵，包括：升压模块，用于对电源电压进行升压；传输模块，连接于所述升压模块的输出端，用于输出升压后的电压；其中，所述传输模块包括第一传输开关及第二传输开关，所述第一传输开关与所述第二传输开关的输入端分别连接所述升压模块的第一输出端和第二输出端；所述第一传输开关与所述第二传输开关的输出端相连，作为输出端；所述第一传输开关与所述第二传输开关的栅端分别连接第一栅压控制电路及第二栅压控制电路，用于将所述第一传输开关与所述第二传输开关的栅压摆幅增大至2倍电源电压。本发明的交叉耦合电荷泵仅用2个MOSFET构成的栅压控制电路就完成了增大PMOS传输开关的栅压摆幅的功能，占用了更小的芯片面积。而且，增加对NMOS传输开关的衬底电压控制，减小了亚阈值和导通时的双重损耗。此外，本发明的交叉耦合电荷泵结构简单，信号稳定，而且电路拓扑高度对称，有效减小了电路失配等非理想因素带来的影响，具有很好的鲁棒性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种交叉耦合电荷泵，其特征在于，所述交叉耦合电荷泵至少包括：
升压模块，用于对电源电压进行升压；
传输模块，连接于所述升压模块的输出端，用于输出升压后的电压；
所述传输模块包括第一传输开关及第二传输开关，所述第一传输开关与所述第二传输开关的输入端分别连接所述升压模块的第一输出端和第二输出端；所述第一传输开关与所述第二传输开关的输出端相连，作为输出端；所述第一传输开关与所述第二传输开关的栅端分别连接第一栅压控制电路及第二栅压控制电路，用于将所述第一传输开关与所述第二传输开关的栅压摆幅增大至2倍电源电压；
其中，所述第一栅压控制电路及所述第二栅压控制电路分别包括：下摆幅传输管和上摆幅传输管，所述下摆幅传输管与所述上摆幅传输管串联连接，所述下摆幅传输管的源端接地，所述上摆幅传输管的源端连接传输开关的输出端，所述下摆幅传输管的栅端连接时钟控制信号，所述上摆幅传输管的栅端连接传输开关的输入端。
2.根据权利要求1所述的交叉耦合电荷泵，其特征在于：所述升压模块包括第一对管、第二对管、第一电容及第二电容，所述第一对管与所述第二对管交叉耦合连接，所述第一对管与所述第二对管的漏端连接电源电压、源端分别连接所述第一电容的上极板及所述第二电容的上极板，所述第一电容的下极板连接第一时钟控制信号，所述第二电容的下极板连接第二时钟控制信号，所述第一电容的上极板及所述第二电容的上极板作为输出端。
3.根据权利要求2所述的交叉耦合电荷泵，其特征在于：所述升压模块还包括连接于所述第一对管底端的第一衬底电压时钟控制电路和连接于所述第二对管底端的第二衬底电压时钟控制电路，所述第一衬底电压时钟控制电路及所述第二衬底电压时钟控制电路分别包括：上拉管和下拉管，所述上拉管与所述下拉管串联连接，所述上拉管的源端连接电源电压，所述下拉管的源端接地，所述上拉管与所述下拉管的栅端相连并连接控制信号，所述第一衬底电压时钟控制电路的控制信号为第一时钟控制信号，所述第二衬底电压时钟控制电路的控制信号为第二时钟控制信号。
4.根据权利要求1所述的交叉耦合电荷泵，其特征在于：所述传输模块还包括第一衬底控制管和第二衬底控制管，所述第一衬底控制管的漏端连接所述第一传输开关的输入端、源端连接所述第一传输开关的底端、栅端连接所述第二传输开关的输入端；所述第二衬底控制管的漏端连接所述第二传输开关的输入端、源端连接所述第二传输开关的底端、栅端连接所述第一传输开关的输入端。
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