TWI405393B - 電荷幫浦驅動電路以及電荷幫浦系統 - Google Patents

Description

電荷幫浦驅動電路以及電荷幫浦系統

本發明是有關於一種電荷幫浦電路，且特別是有關於一種能夠使原始信號之電壓值變成倍數的電荷幫浦電路。

一般而言，電荷幫浦電路屬於一種直流-直流轉換器(DC-DC converter)，其係採用電容器來作為能量儲存裝置，並能夠提供電壓準位較原始信號更高或更低的電源。電荷幫浦電路的效率高，通常其效率能夠高達90%至95%。電荷幫浦電路通常會採用一些開關裝置來控制電容器與電壓源之間的聯結關係，來得到較原始信號為高的電壓值。為了增加電壓值，這一類的電荷幫浦電路通常會採用一些電容器來儲存電荷，然後將這些電荷轉移至其他電容器上。

用來控制電容器之間的聯結關係的開關裝置係由驅動脈波信號所控制，此驅動脈波信號則由電荷幫浦驅動電路產生。然而，電荷幫浦驅動電路內的電晶體通常存在短路電流(Short Circuit Current)，當電晶體進行切換時(導通與關閉之間的轉換)，此短路電流會由電源供應端流至接地端，造成功率耗損。

因此，需要一個新的電荷幫浦驅動電路，以減少短路電流，進而降低功率消耗。

因此，本發明之一態樣提供一種電荷幫浦驅動電路，用以產生一驅動脈波信號，能夠減少驅動電路內的短路電流，進而降低功率消耗。

依據本發明一實施例，電荷幫浦驅動電路用以產生一驅動脈波信號，此電荷幫浦驅動電路含有一控制信號產生器以及一驅動信號產生器。控制信號產生器產生一第一控制信號、一第二控制信號，以及一第三控制信號，其中第三控制信號先轉態，接著第一控制信號轉態，之後第二控制信號再轉態。驅動信號產生器耦接於控制信號產生器，此驅動信號產生器係由第一控制信號、第二控制信號以及第三控制信號所控制來產生驅動脈波信號。

本發明之另一態樣提供一種電荷幫浦(Charge pump)系統，能夠減少系統內部的短路電流，進而降低功率消耗。

依據本發明之另一實施例，電荷幫浦系統可增加一信號之電壓值，此電荷幫浦系統含有電荷幫浦驅動電路以及電荷幫浦電路。電荷幫浦驅動電路產生一驅動脈波信號，此電荷幫浦驅動電路內含一控制信號產生器以及一驅動信號產生器。控制信號產生器產生一第一控制信號、一第二控制信號，以及一第三控制信號，其中第三控制信號先轉態，接著第一控制信號轉態，之後第二控制信號再轉態。驅動信號產生器耦接於控制信號產生器，此驅動信號產生器係由第一控制信號、第二控制信號以及第三控制信號所控制來產生一驅動脈波信號。電荷幫浦電路由驅動脈波信號驅動來產生一幫浦信號，此幫浦信號之電壓值為驅動脈波信號之倍數。

根據上述實施例，電荷幫浦驅動電路以及電荷幫浦系統能夠減少驅動電路內的短路電流，進而降低功率消耗。

第1圖係繪示本發明一實施方式電荷幫浦系統之方塊圖。電荷幫浦(Charge pump)系統可增加一信號之電壓值，此電荷幫浦系統含有電荷幫浦驅動電路119與電荷幫浦電路105。電荷幫浦驅動電路119係產生驅動脈波信號，電荷幫浦電路105則由此驅動脈波信號所驅動，來產生幫浦信號，幫浦信號之電壓值會是驅動脈波信號電壓值之倍數。

電荷幫浦驅動電路119含有控制信號產生器101與驅動信號產生器103。控制信號產生器101產生第一控制信號、第二控制信號，以及第三控制信號，其中第三控制信號會先轉態，接著第一控制信號轉態，之後第二控制信號再跟著轉態。具體來說，在第三控制信號下降與第二控制信號上升的空檔間隔當中，第一控制信號會上升。另一方面，在第二控制信號下降與第三控制信號上升的空檔間隔當中，第一控制信號會下降。由於第一、第二、第三控制信號依照特定順序轉態，且轉態時間並不重疊，使受其控制的電晶體會交錯地導通，因此在電源供應端與接地端之間不會存在直流路徑。

驅動信號產生器103耦接於控制信號產生器，並由第一控制信號、第二控制信號以及第三控制信號控制，來產生驅動脈波信號，因此在驅動信號產生器103當中，自電源供應端流至接地端的短路電流可被減少。在一些狀況當中，驅動信號產生器103內自電源供應端流至接地端的短路電流可減少至零。如此一來，邏輯轉態所產生的短路電流及其所造成的功率消耗可被減少。

第2A圖係繪示本發明一實施方式驅動信號產生器之電路圖。驅動信號產生器含有第一電晶體201、偏壓電晶體203、第二電晶體205、第三電晶體207以及第四電晶體209。第一電晶體201之源極電性連接至提供供應電壓VDD的電源供應端，其閘級則接收第一控制信號。偏壓電晶體203之源極電性連接至第一電晶體201，其閘極則接收偏壓電壓。第二電晶體205之汲極電性連接至偏壓電晶體203，閘極則接收第二控制信號。第四電晶體209之源極電性連接至電源供應端VDD，閘極電性連接至偏壓電晶體之源極。第三電晶體207之汲極電性連接至第四電晶體209來輸出驅脈波信號，其閘極則接收第三控制信號。

為了避免由電源供應端至接地端之間存在直流路徑，此一實施例係使第一電晶體201以及第二電晶體205於不同時間間隔當中導通，第三電晶體207以及第四電晶體209亦不同時間間隔當中導通。換言之，第一電晶體201與第二電晶體205不會同時導通，第三電晶體207與第四電晶體209也不會同時導通。

舉例來說，在第1圖所繪示的時間間隔107當中，第一控制信號與第三控制信號會分別導通第一電晶體201(PMOS)與第三電晶體207(NMOS)，此時一高邏輯準位電壓則關閉第四電晶體209(PMOS)。接著在時間間隔109當中，第三控制信號會關閉第三電晶體207，第一控制信號會在時間間隔111當中關閉第一電晶體201；在時間間隔109之後的時間間隔113當中，第二控制信號會導通第二電晶體205。

在時間間隔113之後的時間間隔115當中，第二控制信號會關閉第二電晶體205，在之後的時間間隔117當中，第一控制信號則會導通第一電晶體201。最後，第三控制信號上升並導通第三電晶體207，如此便可產生具有高、低邏輯準位的驅動脈波信號，在此驅動信號產生器的電源供應端與接地端之間不易存在直流路徑，因而可降低功率消耗。

驅動信號產生器更含有位準移位器211來調整第一參考信號的電壓準位以產生第一控制信號。舉例來說，第一參考信號可為5伏特，經位準移位器211調整之後，會使第一控制信號變為40伏特。

此外，此一實施例的驅動信號產生器更可採用電流鏡213以及電壓降電路215，來產生控制偏壓電晶體203的偏壓電壓。電流鏡213會複製電流源217來產生定電流。電壓降電路215係電性連接電流鏡213並由前述定電流偏壓，此電壓降電路215會降低供應電壓VDD來產生偏壓電壓。更詳細來說，電壓降電路215含有三個二極體連接式(Diode-Connected)電晶體，這些二極體連接式電晶體之間係電性串接，將供應電壓VDD之電壓值降低三個臨界電壓(Threshold voltage)，所造成的偏壓電壓則為一常數。

當第一電晶體201導通時，偏壓電晶體203源極端電壓的最大值約略與供應電壓VDD之電壓值相等，例如20伏特；當第一電晶體201關閉時，偏壓電晶體203源極端電壓的最小值約略等於供應電壓之電壓值減去設定電壓值，設定電壓值為第四電晶體209閘源接面的電壓降，例如5伏特。換言之，偏壓電晶體203源極上的電壓擺幅可被減少，因此可採用閘源接面承受5伏特的小尺寸電晶體來產生驅動脈波信號。

第2B圖係繪示本發明一實施方式電荷幫浦電路之電路圖。電荷幫浦電路含有串接的第一二極體221、第二二極體223、第三二極體225、第四二極體227以及第五二極體229。第一二極體221接收參考脈波信號，第五二極體229則輸出幫浦信號。

第一電容231耦接第一二極體221、第二二極體223以及接地端；更詳細來說，第一電容231之第一端耦接至接地端，第二端耦接至第二二極體223的陽極以及第一二極體221的陰極。第二電容233自電荷幫浦驅動電路接收驅動脈波信號，第二電容233並耦接第二二極體223以及第三二極體225；進一步來說第二電容233之第一端接收驅動脈波信號，其第二端則耦接第二二極體223的陰極。

第三電容235耦接第三二極體225、第四二極體227以及接地端；進一步地，第三電容235之第一端耦合接地端，其第二端則耦接第三二極體225的陰極與第四二極體227的陽極。第四電容237接收參考脈波信號，並耦接第四二極體227；進一步來說，第四電容237之第一端接收參考脈波信號，其第二端則耦接至第四二極體227之陰極。第五電容239耦接第五二極體229並輸出幫浦信號。

在此一實施例當中，幫浦信號的電壓值為驅動脈波信號電壓值的三倍。具體而言，第一二極體221陰極端、第三二極體225陰極與幫浦信號的電壓值分別為驅動脈波信號電壓值的一倍、兩倍與三倍。

根據上述實施例，由邏輯轉態所引起的電源供應端與接地端之間的短路電流(Short Circuit Current)可被減少。如此一來，由短路電流所引起的功率消耗亦可降低。除此之外，由於可採用小面積的電晶體來產生驅動脈波信號，因此減少了電路面積。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在本發明所屬技術領域中具有通常知識者者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101．．．控制信號產生器

103．．．驅動信號產生器

105．．．電荷幫浦電路

107~117．．．時間間隔

119．．．電荷幫浦驅動電路

201．．．第一電晶體

203．．．偏壓電晶體

205．．．第二電晶體

207．．．第三電晶體

209．．．第四電晶體

211．．．位準移位器

213．．．電流鏡

215．．．電壓降電路

217．．．電流源

221．．．第一二極體

223．．．第二二極體

225．．．第三二極體

227．．．第四二極體

229．．．第五二極體

231．．．第一電容

233．．．第二電容

235．．．第三電容

237．．．第四電容

239．．．第五電容

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示本發明一實施方式電荷幫浦系統之方塊圖。

第2A圖係繪示本發明一實施方式驅動信號產生器之電路圖。

第2B圖係繪示本發明一實施方式電荷幫浦電路之電路圖。

101．．．控制信號產生器

103．．．驅動信號產生器

105．．．電荷幫浦電路

107~117．．．時間間隔

119．．．電荷幫浦驅動電路

Claims (16)

1. 一種電荷幫浦(Charge pump)驅動電路，用以產生一驅動脈波信號，該電荷幫浦驅動電路包含：一控制信號產生器，以產生一第一控制信號、一第二控制信號，以及一第三控制信號，其中該第三控制信號先轉態，接著該第一控制信號轉態，之後該第二控制信號再轉態；以及一驅動信號產生器，耦接於該控制信號產生器，該驅動信號產生器係由該第一控制信號、該第二控制信號以及該第三控制信號所控制來產生該驅動脈波信號，該驅動信號產生器包含：一第一電晶體，具有：一源極，電性連接至一電源供應端；以及一閘級，接收該第一控制信號；一偏壓電晶體，具有：一源極，電性連接至該第一電晶體；以及一閘極，接收一偏壓電壓；一第二電晶體，具有：一汲極，電性連接至該偏壓電晶體；以及一閘極，接收該第二控制信號；一第四電晶體，具有：一源極，電性連接至該電源供應端；以及一閘極，電性連接至該偏壓電晶體之該源極；以及一第三電晶體，具有： 一汲極，電性連接至該第四電晶體，以輸出該驅動脈波信號；以及一閘極，接收該第三控制信號，其中該第一電晶體以及該第二電晶體係於不同時間間隔當中導通，該第三電晶體以及該第四電晶體於不同時間間隔當中導通。
2. 如請求項1所述之電荷幫浦驅動電路，其中該偏壓電晶體之該源極上的最大電壓約等於該電源供應端所提供之一供應電壓，該偏壓電晶體之該源極上的最小電壓約等於該供應電壓減去一設定電壓值。
3. 如請求項1所述之電荷幫浦驅動電路，其中該驅動信號產生器更包含一位準移位器，以調整一第一參考信號的電壓準位來產生該第一控制信號。
4. 如請求項3所述之電荷幫浦驅動電路，其中該驅動信號產生器更包含：一電流鏡，以產生一定電流；以及一電壓降電路，電性連接該定電流，以降低該供應電壓之電壓值來產生該偏壓電壓。
5. 如請求項4所述之電荷幫浦驅動電路，其中該電壓降電路包含三個二極體連接式電晶體，該些二極體連接 式電晶體之間係電性串接，以降低該供應電壓之電壓值。
6. 如請求項1所述之電荷幫浦驅動電路，其中該第一控制信號係於該第三控制信號下降之後才上升。
7. 如請求項6所述之電荷幫浦驅動電路，其中該第一控制信號先上升，接著該第二控制信號才上升。
8. 如請求項7所述之電荷幫浦驅動電路，其中該第一控制信號於該第二控制信號下降之後下降，該第三控制信號則於該第一控制信號下降之後才上升。
9. 一種電荷幫浦(Charge pump)系統，用以增加一信號之電壓值，該電荷幫浦系統包含：一種電荷幫浦驅動電路，以產生一驅動脈波信號，該電荷幫浦驅動電路包含：一控制信號產生器，以產生一第一控制信號、一第二控制信號，以及一第三控制信號，其中該第三控制信號先轉態，接著該第一控制信號轉態，之後該第二控制信號再轉態；以及一驅動信號產生器，耦接於該控制信號產生器，該驅動信號產生器係由該第一控制信號、該第二控制信號以及該第三控制信號所控制來產生一驅動脈波信號，該驅動信號產生器包含： 一第一電晶體，具有：一源極，電性連接至一電源供應端；以及一閘級，接收該第一控制信號；一偏壓電晶體，具有：一源極，電性連接至該第一電晶體；以及一閘極，接收一偏壓電壓；一第二電晶體，具有：一汲極，電性連接至該偏壓電晶體；以及一閘極，接收該第二控制信號；一第四電晶體，具有：一源極，電性連接至該電源供應端；以及一閘極，電性連接至該偏壓電晶體之該源極；以及一第三電晶體，具有：一汲極，電性連接至該第四電晶體，以輸出該驅動脈波信號；以及一閘極，接收該第三控制信號，其中該第一電晶體以及該第二電晶體係於不同時間間隔當中導通，該第三電晶體以及該第四電晶體於不同時間間隔當中導通；以及一電荷幫浦電路，由該驅動脈波信號所驅動，以產生一幫浦信號，該幫浦信號之電壓值為該驅動脈波信號之倍數。
10. 如請求項9所述之電荷幫浦系統，其中該電荷幫浦電路包含：一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體，以及一第五二極體，其中該第一二極體係接收一參考脈波信號，該第五二極體則輸出該幫浦信號；一第一電容，耦接該第一二極體、該第二二極體，以及一接地端；一第二電容，耦接該第二二極體以及該第三二極體，以自該電荷幫浦驅動電路接收該驅動脈波信號；一第三電容，耦接該第三二極體、該第四二極體以及該接地端；一第四電容，耦接該第四二極體，並接收該參考脈波信號；以及一第五電容，耦接該第五二極體，並輸出該幫浦信號。
11. 如請求項10所述之電荷幫浦系統，其中該第一電容具有：一第一端點，耦接至該接地端；以及一第二端點，耦接至該第二二極體之一陽極以及該第一二極體之一陰極。
12. 如請求項10所述之電荷幫浦系統，其中該第二電容具有：一第一端點，以接收該驅動脈波信號；以及 一第二端點，耦接至該第二二極體之一陰極端。
13. 如請求項10所述之電荷幫浦系統，其中該第三電容具有：一第一端點，耦接至該接地端；以及一第二端點，耦接至該第三二極體之一陰極端以及該第四二極體之一陽極端。
14. 如請求項10所述之電荷幫浦系統，其中該第四電容具有：一第一端點，以接收該參考脈波信號；以及一第二端點，耦接至該第四二極體之一陰極端。
15. 如請求項10所述之電荷幫浦系統，其中該第五電容具有：一第一端點，耦接至該第五二極體之一陰極端；以及一第二端點，耦接至該接地端。
16. 如請求項10所述之電荷幫浦系統，其中該參考脈波信號以及該驅動脈波信號具有大約相同的最大電壓值。