CN109756107A - 一种高效电荷泵电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效电荷泵电路结构，包括至少两路相互并联的充放电单元，至少两路充放电单元输出一负的中间电压VCL，中间电压VCL与稳压电容C2一端连接，稳压电容C2的另一端接地；每一充放电单元包括一充放电电容C1，充放电电容C1的左侧设置有一PMOS管P1和一NMOS管N1,PMOS管P1和NMOS管N1的源极S与充放电电容C1连接，PMOS管P1的漏极D连接到主电压VCI，NMOS管N1的漏极D连接到接地电压VSSA；充放电电容C1的左侧设置有NMOS管N2和NMOS管N2,NMOS管N2和NMOS管N2的漏极D连接到充放电电容C1，NMOS管N2的源极S连接到接地电压VSSA,NMOS管N3的源极S输出中间电压VCL。电压的纹波可以至少减半，栅极G的控制电压改为主电压VCI和中间电压VCL之间，保证MOS管导通电阻小，降压速度快，效率高。

Description

一种高效电荷泵电路结构

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种高效电荷泵电路结构。

背景技术

电荷泵电路由于具有升压和降压的特点，在液晶显示屏和触摸屏的驱动电路中被广泛应用，为了节省芯片成本，芯片只会外接一个3v左右的主电源；而显示屏的驱动电路，由于要驱动TFT(薄膜晶体管)的栅极G并进行数据传输，需要栅极G驱动电路(gate电路)和源极S驱动电路(source和gamma电路)，为了保证较好的显示画面，数据的范围会比较宽，3v的电源是不够的；所以需要电荷泵电路，给栅极G驱动电路提供±12V左右的电源电压，同时给源极S驱动电路(提供±6V左右的电源电压。而且为了继续降低成本，甚至电荷泵的充放电电容(fly cap)和稳压电容，都会内置在芯片。在以上的应用环境，对于内置电容的电荷泵，由于充放电电容和稳压电容都不可能做的很大，所以内置电荷泵更高的工作效率，显得尤为重要。

如图1所示，现有的电荷泵电路通常设置一负的中间电压VCL，用来做源极S电源电荷泵的充放电电压，包括外接电源VCI和接地电源VSSA，充放电电容C1和稳压电容C2，以及充电(charge)的MOS管P1和P2，泵电(pump)的MOS管N1和N2。上述电荷泵电路主要存在以下缺陷：

第一、漏电导致电荷泵效率降低，同时对其他电源造成很大的扰动。如图2所示，MOS管P2的B端接VSSA，A端接充放电电容C1的右边端口，MOS管P2充电时，内部有一个寄生的PNP三极管会导通，使得充电的效率降低，同时对于衬底产生不良影响，尤其对于内置电容的电荷泵产生的负高压电源衬底，由于其带负载能力比较弱，其他电路对其输入电流时会使得电压波动比较大。

第二、由于电平转换电路中PMOS管和NMOS管的驱动能力不同，随着工艺的偏差，无法保证正常的非交叠信号，导致电荷泵效率变低。如图3所示，图1中的MOS管P1和MOS管N1的栅极G控制电压是高电平为VCI，低电平为VSSA的电平转换电路。如图4所示，图1中的MOS管P2和MOS管N2的栅极G控制电平为高电平VSSA，低电平为VCL的电平转换电路，。图1中电荷泵的时序为MOS管P1与MOS管P2同时打开，给充放电电容C1充电，在下一时刻，MOS管P1与MOS管P2关闭，MOS管N1与MOS管N2打开，充放电电容C1与稳压电容C2共享电荷。为了保证充放电电容C1正常的充放电，如图5所示，控制时序需要非交叠，即MOS管P1与MOS管N1/N2栅极G控制信号非交叠，同时MOS管P2与MOS管N1/N2的栅极G控制电压非交叠。MOS管P1与MOS管N1的栅极G控制电压由于电压范围相同，非交叠很好实现，MOS管P2与MOS管N2的栅极G控制电压也是如此；但是对于MOS管P1与MOS管N2和MOS管P2与MOS管N1的栅极G控制信号的非交叠就很难实现。如图3所示，PMOS管强于NMOS管，而如图4所示，NMOS管强于PMOS管，随着工艺的偏差，会导致如图6所示的波形，从而导致电荷泵的效率极低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效电荷泵电路结构，能够克服现有电荷泵电路至少一上述技术缺陷，显著地提升电荷泵的效率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种高效电荷泵电路结构，包括至少两路相互并联的充放电单元，至少两路所述充放电单元输出一负的中间电压VCL，所述中间电压VCL与稳压电容C2一端连接，所述稳压电容C2的另一端接地；每一所述充放电单元包括一充放电电容C1，所述充放电电容C1的左侧设置有一PMOS管P1和一NMOS管N1,所述PMOS管P1和所述NMOS管N1的源极S与所述充放电电容C1连接，所述PMOS管P1的漏极D连接到主电压VCI，所述NMOS管N1的漏极D连接到接地电压VSSA；所述充放电电容C1的左侧设置有NMOS管N2和NMOS管N2,所述NMOS管N2和所述NMOS管N2的漏极D连接到所述充放电电容C1，所述NMOS管N2的源极S连接到所述接地电压VSSA,所述NMOS管N3的源极S输出所述中间电压VCL。

进一步的，所述高效电荷泵电路结构包括两路所述充放电单元，包括PMOS管P1和P2，NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6以及充放电电容C1和C3；所述PMOS管P1、所述NMOS管N1、N2、N3以及所述充放电电容C1形成第一充放电单元，所述PMOS管P2、所述NMOS管N4、N5、N6以及所述充放电电容C3形成第二充放电单元，所述NMOS管N3、N5的源极S输出所述中间电压VCL。

进一步的，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6的栅极G连接有控制电压，所述充放电电容C1充电时，所述充放电电容C3与所述稳压电容C2电荷共享；所述充放电电容C3充电时，所述充放电电容C1与所述稳压电容C2电荷共享。

进一步的，所述高效电荷泵电路结构包括n路所述充放电单元，对应设置有充放电电容C1、C3、C4…Cn+1，通过所述控制电压控制其中一充放电电容充电，其余的所述充放电电容与所述稳压电容C电荷共享，n为大于2的自然数。

进一步的，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N4的栅极G控制电压的高电平的主电压VCI，低电平为接地电压VSSA；所述NMOS管N2、N3、N5、N6的栅极G控制信号的高电平为主电压VCI，低电平为中间电压VCL。

进一步的，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N4的栅极G控制电压的范围通过一电平转换电路转换为主电压VCI和中间电压VCL之间，所述电平转换电路为缓存器。

采用上述技术方案，该高效电荷泵电路结构包括至少两路相互并联的充放电单元，与现有的电荷泵电路相比，采用多路(2路以上)充放电单元利用时序栅极G的控制电压使得多个充放电电容依次交替充电，而稳压电容C2始终处于充电状态；电压的纹波可以至少减半；由于用NMOS管代替PMOS管，栅极G的控制电压改为主电压VCI和中间电压VCL之间，保证MOS管导通电阻小，降压速度快，效率高。另外，栅极G电压的控制方式，可以保证有效的非交叠时序，提高了电荷泵电路的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种电荷泵电路原理结构图；

图2为图1中场效应管P2的剖面结构图；

图3为VSSA_VCI的电平转换电路原理结构图；

图4为VSSA_VCL的电源转换电路原理结构图；

图5为正常的非交叠信号波形时序图；

图6为不正常非交叠信号波形时序图；

图7为本发明实施例的一种高效电荷泵电路结构原理图；

图8为本发明实施例的一种电压范围为VCI-VCL的电平转换电路结构图；

图9为本发明实施例的一种通过缓存器实现电平转换的电路原理结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本发明实施例提供了一种高效电荷泵电路结构，包括至少两路相互并联的充放电单元，至少两路所述充放电单元输出一负的中间电压VCL，所述中间电压VCL与稳压电容C2一端连接，所述稳压电容C2的另一端接地；每一所述充放电单元包括一充放电电容C1，所述充放电电容C1的左侧设置有一PMOS管P1和一NMOS管N1,所述PMOS管P1和所述NMOS管N1的源极S与所述充放电电容C1连接，所述PMOS管P1的漏极D连接到主电压VCI，所述NMOS管N1的漏极D连接到接地电压VSSA；所述充放电电容C1的左侧设置有NMOS管N2和NMOS管N2,所述NMOS管N2和所述NMOS管N2的漏极D连接到所述充放电电容C1，所述NMOS管N2的源极S连接到所述接地电压VSSA,所述NMOS管N3的源极S输出所述中间电压VCL。

如图7所示，所述高效电荷泵电路结构包括两路所述充放电单元，包括PMOS管P1和P2，NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6以及充放电电容C1和C3；所述PMOS管P1、所述NMOS管N1、N2、N3以及所述充放电电容C1形成第一充放电单元，所述PMOS管P2、所述NMOS管N4、N5、N6以及所述充放电电容C3形成第二充放电单元，所述NMOS管N3、N5的源极S输出所述中间电压VCL。

具体的，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6的栅极G连接有控制电压，所述充放电电容C1充电时，所述充放电电容C3与所述稳压电容C2电荷共享；所述充放电电容C3充电时，所述充放电电容C1与所述稳压电容C2电荷共享。这种时序结构可以保证，在任何时刻，稳压电容C2都处在充电的过程。当然如果中间电压VCL已经冲到指定的电压值，所有MOS管的开关都会通过控制栅极G电压而关闭。与只有一相时钟给稳压电容C2充电的结构相比，这种结构使得电荷泵的效率更高，而且中间电压VCL的纹波更小。这种结构相当于保持图1中电荷泵电路的尺寸不变的情况下，把MOS管、充放电电容平均分成两份，在两相时钟内控制电容的充放电。因此在每一次充电过程中，充放电电容充电电荷都是以前的一半，因此共享电荷时引起的纹波就只有以往的一半。在电荷泵瞬间被拉大电流的时候，主要靠稳压电容抽取电流，而两种方法稳压电容的大小是不变的，因此带负载能力会保持和原来相同的指标。

上述电路结构不存在向衬底漏电的情况，NMOS管的衬底会接在充放电电容的右侧，这一点电压不会出现大于接地电压VSSA的情况。这使得每次充电电荷不会损失，提高了电荷泵的效率。

上述充电泵电路构成了类似乒乓结构的电路，可以采用“兵乓操作”，所谓“乒乓操作"是一个常用的数据流控制处理技巧。乒乓操作的处理主要是把输入数据流通过"输入数据选择单元"等时地分配到数据缓冲区SRAM A和SRAM B中。即在第一场时间将输入的数据流缓存到SRAM A；在第二场时间内通过"输入数据选择单元"进行切换,并将输入的数据流缓存到SRAM B,与此同时,还要将SRAM A的数据(第一场图像数据)通过"输出数据选择单元"的选择,送到"图像预处理模块"进行运算处理。之后,再在第三个缓冲周期通过"输入数据选择单元"的再次切换,将输入的数据流缓存到SRAM A,与此同时,再一次将SRAM B的数据(第二场图像数据)通过"输出数据选择单元"的切换,送到"数据预处理模块"进行运算处理。如此循环,周而复始。乒乓操作的最大特点是通过"输入数据选择单元"和"输出数据选择单元",按节拍、相互配合地切换,来将经过缓冲的数据流不停地送到"图像数据处理模块"进行运算及处理。如把乒乓操作模块当作一个整体,此模块两端的输入数据流与输出数据流均是连续不断的,没有任何停顿,因此,非常适合进行流水线式处理,以完成数据的无缝缓冲处理。

优选的，所述高效电荷泵电路结构包括n路所述充放电单元，对应设置有充放电电容C1、C3、C4…Cn+1，通过所述控制电压控制其中一充放电电容充电，其余的所述充放电电容与所述稳压电容C电荷共享，n为大于2的自然数。这样将使得共享电荷时引起的纹波就只有以往的n分之一，纹波将进一步地减小。

具体的，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N4的栅极G控制电压的高电平的主电压VCI，低电平为接地电压VSSA；所述NMOS管N2、N3、N5、N6的栅极G控制信号的高电平为主电压VCI，低电平为中间电压VCL。在NMOS管N3打开时，充放电电容C1右端口的电压值为接地电压VSSA，相比于图1中PMOS管P2的开启，PMOS管P2的栅极G控制电压只有在低于VSSA-VTH(VTH为PMOS管阈值电压的绝对值)时，PMOS管P2才能正常工作，而PMOS管P2栅极G控制电压的低电位是中间电压VCL，在刚开始充电一段时间，中间电压VCL是从0到-VCI电压的一个下降过程，导致充放电电容C1右侧的电压要经历一小段时间才能在充电的过程中达到接地电容VSSA；因此图1的中间电压VCL下降过程比较慢。而本技术方案的N3和N6是NMOS管，在栅极G控制电压为高电平时,MOS管导通，高电平时外接的主电压VCI，所以MOS管的导通电阻小，中间电压VCL的下降速度快，用较少的时间就会降压到目标值。同时用NMOS管来代替PMOS管能够保证充电泵的时序是非交叠的。

其中，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N4的栅极G控制电压的范围通过一电平转换电路转换为主电压VCI和中间电压VCL之间，所述电平转换电路为缓存器。具体的，如图8所示，可以把栅极G电压范围先通过电平转换电路转换到主电压VCI到中间电压VCL，图9的P1、N1，P2、N4的栅极G控制电压的范围是主电压VCI到接地电压VSSA，所以经过电平转换电路的转换后接低电平为接地电压VSSA的驱动电路(buffer)，经过驱动电路就可以把VCI-VCL的电平转换到VCI-VSSA的电平。图9中的电平转换电路(level_shift)是图8的电平转换电路。N3、N2，N5、N6的栅极G控制电压经过图9的电平转换电路后，接与P1、N1，P2、N4管尺寸相同的驱动电路，该驱动电路的低电平依然接中间电压VCL，作为延时。由于驱动电路不像电平转换电路，随着工艺的偏差，会出现PMOS管和NMOS管驱动能力不同。这就可以消除图6的严重时序出错问题，因此可以保证很好地非交叠，可以提高电荷泵的工作效率。

采用上述技术方案，该高效电荷泵电路结构包括至少两路相互并联的充放电单元，与现有的电荷泵电路相比，采用多路(2路以上)充放电单元利用时序栅极G的控制电压使得多个充放电电容依次交替充电，而稳压电容C2始终处于充电状态；电压的纹波可以至少减半；由于用NMOS管代替PMOS管，栅极G的控制电压改为主电压VCI和中间电压VCL之间，保证MOS管导通电阻小，降压速度快，效率高。另外。栅极G电压的控制方式，可以保证有效的非交叠时序，提高了电荷泵电路的效率。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

在本发明专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“排”、“列”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明专利的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在发明专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

在本发明专利中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (6)

1.一种高效电荷泵电路结构，其特征在于，包括至少两路相互并联的充放电单元，至少两路所述充放电单元输出一负的中间电压VCL，所述中间电压VCL与稳压电容C2一端连接，所述稳压电容C2的另一端接地；每一所述充放电单元包括一充放电电容C1，所述充放电电容C1的左侧设置有一PMOS管P1和一NMOS管N1,所述PMOS管P1和所述NMOS管N1的源极S与所述充放电电容C1连接，所述PMOS管P1的漏极D连接到主电压VCI，所述NMOS管N1的漏极D连接到接地电压VSSA；所述充放电电容C1的左侧设置有NMOS管N2和NMOS管N2,所述NMOS管N2和所述NMOS管N2的漏极D连接到所述充放电电容C1，所述NMOS管N2的源极S连接到所述接地电压VSSA,所述NMOS管N3的源极S输出所述中间电压VCL。

2.根据权利要求1所述的高效电荷泵电路结构，其特征在于，所述高效电荷泵电路结构包括两路所述充放电单元，包括PMOS管P1和P2，NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6以及充放电电容C1和C3；所述PMOS管P1、所述NMOS管N1、N2、N3以及所述充放电电容C1形成第一充放电单元，所述PMOS管P2、所述NMOS管N4、N5、N6以及所述充放电电容C3形成第二充放电单元，所述NMOS管N3、N5的源极S输出所述中间电压VCL。

3.根据权利要求2所述的高效电荷泵电路结构，其特征在于，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6的栅极G连接有控制电压，所述充放电电容C1充电时，所述充放电电容C3与所述稳压电容C2电荷共享；所述充放电电容C3充电时，所述充放电电容C1与所述稳压电容C2电荷共享。

4.根据权利要求3所述的高效电荷泵电路结构，其特征在于，所述高效电荷泵电路结构包括n路所述充放电单元，对应设置有充放电电容C1、C3、C4…Cn+1，通过所述控制电压控制其中一充放电电容充电，其余的所述充放电电容与所述稳压电容C电荷共享，n为大于2的自然数。

5.根据权利要求3所述的高效电荷泵电路结构，其特征在于，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N4的栅极G控制电压的高电平的主电压VCI，低电平为接地电压VSSA；所述NMOS管N2、N3、N5、N6的栅极G控制信号的高电平为主电压VCI，低电平为中间电压VCL。

6.根据权利要求5所述的高效电荷泵电路结构，其特征在于，所述PMOS管P1、P2和所述NMOS管N1、N4的栅极G控制电压的范围通过一电平转换电路转换为主电压VCI和中间电压VCL之间，所述电平转换电路为缓存器。