TWI531935B - 具有內建的電荷幫浦的光學導航感測器 - Google Patents

Description

具有內建的電荷幫浦的光學導航感測器

本發明係關於光學導航領域，尤指一種內部具有電荷幫浦的光學導航感測器，透過電荷幫浦來提供供應電壓給光源，以及一種提供供應電壓給光源的方法。

在習知的光學導航系統中，需要至少兩個直流至直流升壓轉換器(DC-DC boost converter)，提供電力給光學導航系統內部的元件，其中一者提供一般的供應電壓給光學導航系統中的光學導航感測器，而另一者則提供較高的供應電壓給光學導航系統中的光源。

請參考第1圖，其繪示習知光學導航系統10的架構圖。其中，外接的直流至直流升壓轉換器110與120將電池160所提供的電能轉換成供應電壓VDD1與VDD2，並將其分別提供給光學導航感測器100中的驅動電路130，以及光源140。再者，為了偵測是否代表光源140之端點被不當短路至地的錯誤事件發生，光學導航系統10還包含偵測電路150。當錯誤事件發生時，將造成大量的電流流經光源140，使得光源140產生過強的光線，造成使用者眼部的傷害。當偵測電路150偵測到這個錯誤事件時，偵測電路150會通知驅動電路130。驅動電路130據此產生一個控制訊號LSR_NEN來關閉連接於光源140與供應電壓VDD2之間的開關SW1。當光源140與供應電壓VDD2之間的路徑被切斷時，光源140將無法繼續產生光線，進而確保使用者眼部的安全。

然而，這樣的設計存在兩個問題。第一，外接的直流至直流升壓轉換器120由於總是處在工作狀態，所以消耗相當可觀的電能，第二，為了關閉開關SW1，光學導航感測器100必須提供訊號接腳來傳送控制訊號LSR_NEN，然而，這樣增加了光學導航感測器100的接腳數量，也提高光學導航感測器100的製造成本，而對於開關SW1的需求，同樣也增加了光學導航系統10的製造成本。

有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種整合電荷幫浦的光學導航感測器，以及一種提供供應電壓給光源的方法。在本發明之中，電荷幫浦間歇地運作來提供供應電壓給光源，使得整體功耗可低於習知架構所需的功耗。另外，本發明利用停止電荷幫浦的運作，來停止提供供應電壓給光源，從而解決前述的錯誤事件，所以本發明不需要額外的控制訊號接腳以及開關。由上可知，本發明可有效地降低光學導航系統的整體功耗以及硬體成本。

本發明之一實施例提供一種光學導航感測器，該光學導航感測器包含一驅動電路與一電荷幫浦。該驅動電路用以驅動外接於該光學導航感測器之一光源。該電荷幫浦用以間歇地進行提供一第一供應電壓給該光源的操作。其中，該驅動電路驅動該光源時，該電荷幫浦停止進行提供該第一供應電壓給該光源的操作。

本發明之另一實施例提供一種方法，該方法用以提供一供應電壓給相關於一光學導航感測器之一光源的方法。該方法包含：利用該光學導航感測器中之一電荷幫浦，提供一第一供應電壓給該光源；以及當該光源被驅動時，停止提供該第一供應電壓給該光源。

100、200‧‧‧光學導航感測器

110、120‧‧‧升壓轉換器

130、210‧‧‧驅動電路

220‧‧‧電荷幫浦

150、230‧‧‧偵測電路

140、240‧‧‧光源

160、260‧‧‧電池

250‧‧‧電壓轉換器

241、242‧‧‧端點

270‧‧‧電容

10‧‧‧光學導航系統

310、320‧‧‧步驟

第1圖繪示在習知技術中供電給光源以及光學導航感測器的方式。

第2圖繪示本發明之一實施例中內建電荷幫浦的光學導航感測器的架構圖。

第3圖繪示如第2圖所示之光學導航感測器的驅動電路與光源的運作時序圖。

第4圖繪示本發明之一實施例中提供供應電壓給相關於光學導航感測器的光源的方法流程。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第2圖，該圖繪示本發明之一實施例的光學導航感測器的架構圖。如圖所示，光學導航感測器200包含驅動電路210與電荷幫浦220。光學導航感測器200係用來追蹤一物件(如：滑鼠，未示出)於一平面上的移動，其中，光學導航感測器200擷取相關於光源240照射於該平面上所產生的反射的圖像。之後，光學導航感測器200分析擷取到的圖像來判斷該物件的移動資訊。

外部電壓轉換器250(例如：直流至直流升壓轉換器)係用來將電池 260(或者任何其他類型的電力供應裝置)所提供的電力，轉換成供應電壓VDD1。不過，在本發明其他實施例中，供應電壓VDD1可能直接由電池260所提供，而不須經過電壓轉換器250的轉換。供應電壓VDD1將進一步被提供給光學導航感測器200內部的元件，其中供應電壓VDD1可能直接被提供給驅動電路210，或者中間經過額外的穩壓器來進行穩壓(未示出)。另外，供應電壓VDD1也被提供給電荷幫浦220。電荷幫浦220進行運作，將供應電壓VDD1轉換為供應電壓VDD2，供應電壓VDD2將被進一步提供給光源240。供應電壓VDD2以及由驅動電路210所產生的驅動電流可令光源240發出光線。接著，光學導航感測器200擷取關於光線反射的圖像。於一實施例中，光源240可能為一垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)。然而，在本發明其他實施例中，亦可採用其他種類的光源，例如發光二極體(light-emitting diode)，來提供光線。

根據電荷幫浦220的原理，由電荷幫浦220所提供的供應電壓為變動值，而非定值，這會在光學導航感測器200進行圖像擷取時帶來雜訊。為了避免雜訊的產生，電荷幫浦220間歇地運作來提供供應電壓VDD2給光源240。

請參考第3圖，該圖繪示驅動電路210與電荷幫浦220之運作的時序。於該圖中，兩個低準位有效(active-low)的控制訊號CP_PD與DRV_PD，被用來分別控制電荷幫浦220與驅動電路210，並且，亦在圖中代表驅動電路210與電荷幫浦220的運作狀態。在時間點T1時，用來控制電荷幫浦220的控制訊號CP_PD被降下(de-asserted)，電荷幫浦220從而開始運作，提供供應電壓VDD2。並且，在時間點T1與時間點T2之間，供應電壓VDD2將被增加至一個穩定的準位。於此其間，用來控制驅動電路210的控制訊號維持升起(asserted)，使得驅動電路210暫不提供驅動電流I_DRV給光 源240。如此一來，光源240在此時不會產生光線。在時間點T2時，當供應電壓VDD2的準位被提升至前述的穩定準位時，控制電荷幫浦220的控制訊號CP_PD被升起。此時，電荷幫浦220停止運作，並且不再提供供應電壓VDD2給光源240。再者，連接於光源240與電荷幫浦220的電容270，在時間點T1與時間點T2之間被充電至供應電壓VDD2所具有的最大準位。從時間點T2開始，電容270被用來盡可能地維持光源240之端點241上的電壓準位。之後，控制訊號DRV_PD在時間點T3時被降下，而驅動電路210則開始提供驅動電流I_DRV給光源240。同時，光源240被電容270中所保存的電壓所正向偏壓，光源240從而開始產生光線。

從時間點T3到時間點T4之間，光學導航感測器200進行圖像擷取。於此期間，控制訊號CP_PD維持升起]，電荷幫浦220亦不提供供應電壓VDD2，避免在圖像擷取過程中帶來雜訊。另外，端點241的電壓準位透過電容270來維持，使得光源240得以被正向偏壓，維持光線的產生。電容270的電容值可根據不同需求來選擇，確保供應電壓VDD2的最低準位VDD2_LOW大於足以使光源240處於正向偏壓狀態所需的電壓準位。在時間點T4之後，光學導航感測器200完成圖像的擷取，因此，控制訊號DRV_PD被升起，而驅動電路210停止提供驅動電流I_DRV給光源240。直到時間點T5之前，控制訊號CP_PD與控制訊號DRV_PD保持升起。於此期間，驅動電路210不提供驅動電流I_DRV，電荷幫浦220也停止運作，不提供供應電壓VDD2。由於上可知，本發明的電荷幫浦220並不需要持續運作，所以很大程度地降低了功耗。

於一實施例中，光學導航感測器200另包含如第2圖所示的偵測電路230。偵測電路230用來偵測一錯誤事件的發生，該錯誤事件係指光源240的端點242被不當地短路至接地端。若是該錯誤事件發生，將會使大量 的電流流經光源240，令光源240產生足以傷害人類眼部的光線。為了避免這樣的情形，當偵測到錯誤事件發生時，本發明會使電荷幫浦220停止運作。其中，偵測電路230偵測光源240的端點242上的電壓準位，一旦發現端點242上的電壓準位趨近於零，偵測電路230認定該錯誤事件發生，並且產生指示訊號IDT，通知電荷幫浦220錯誤事件的發生。當電荷幫浦220接收到指示訊號IDT時，電荷幫浦220將停止運作，供應電壓VDD2也不再被提供給光源240。如此一來，將不會有電流繼續流過光源240。由於本發明利用停止提供供應電壓VDD2給光源240，來避免有大量電流流經光源240，因此可取代前述的光學導航系統10中所採用的控制訊號接腳以及開關。

本發明之另一實施例提供一種方法，該方法係關於光學導航感測器中電荷幫浦如何提供供應電壓給光源。請參考第4圖，該圖繪示本發明方法之流程圖。首先，在步驟310之中，電荷幫浦(如：電荷幫浦220)用來提供一第一供應電壓(如：VDD2)給一光源(如：光源240)。之後，在步驟320，該電荷幫浦的運作被停止，並且在停止提供第一供應電壓之後，該光源被驅動。該光學導航感測器所欲追蹤之物件在一平面上移動，而該光源產生的光線則被投射至該平面。此時，該光學導航感測器開始擷取關於該光源之光線所造成的反射的圖像。當停止供應該第一供應電壓給該光源時，該光學導航感測器可以取得沒有雜訊的圖像。於一實施例中，該第一供應電壓可能基於一第二供應電壓來產生(如：VDD1)，而該第二供應電壓則由外接於該光學導航感測器之一電壓轉換器或者是一電池所提供。

此外，在步驟320中所進行的提供該第一供應電壓的操作被停止之前，該第一供應電壓的準位將被增加至一特定準位，且該特定準位大於足以使該光源產生光線之一偏壓的準位。如此一來，即便該第一供應電壓不再被提供，但光源仍可持續產生光線。

於一實施例中，發明之方法另包含有：偵測關於該光源之一錯誤事件是否發生；以及當偵測到該錯誤事件發生時，停止提供該第一供應電壓給該光源等步驟。當供應電壓不被供應時，可避免錯誤事件對使用者的眼部造成傷害。

總結來說，本發明利用整合於該光學導航感測器中的內建電荷幫浦，控制光源的運作。電荷幫浦在驅動電路實際驅動光源之前，增加供應電壓的準位。一旦光源被驅動電路驅動，那麼電荷幫浦的運作將被提止，並且由電容來負責提供供應電壓給光源，對光源進行正向偏壓。如此一來，本發明中的電荷幫浦僅間歇地提供供應電壓，可降地整體的功耗。相較於此，習知技術中的外接直流至直流升壓轉換器，不管在任何時候都維持運作，因此會比本發明消耗更多的電能。

另外，在習知技術之中，當錯誤事件發生時，提供供應電壓給光源的操作，須由開關與對應的控制訊號來中止。相較於此，本發明藉由停止電荷幫浦的運作，來停止提供供應電壓給光源，所以不需要額外的開關與訊號接腳，從而省去了相關的製造成本與降低光學導航感測器的電路複雜度。

以上文中所提及之「一實施例」係代表針對該實施例所描述之特定特徵、結構或者是特性係包含於本發明之至少一實施方式中。文中不同段落中所出現之「一實施例」並非代表相同的實施例。因此，儘管說明書中對於不同實施例在進行描述時，分別提及了不同的結構特徵或是方法性的動作，但應當注意的是，這些不同特徵可透過適當的修改而同時實現於同一特定實施方式中，而不對發明的範疇造成限制。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所 做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

200‧‧‧光學導航感測器

210‧‧‧驅動電路

220‧‧‧電荷幫浦

230‧‧‧偵測電路

240‧‧‧光源

250‧‧‧電壓轉換器

241、242‧‧‧端點

260‧‧‧電池

270‧‧‧電容

Claims (10)

1. 一種光學導航感測器，包含：一驅動電路，用以驅動外接於該光學導航感測器之一光源；以及一電荷幫浦(charge pump)，用以間歇地進行提供一第一供應電壓給該光源的操作；其中當該驅動電路驅動該光源時，該電荷幫浦停止進行提供該第一供應電壓給該光源的操作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學導航感測器，其中當該光學導航感測器擷取關於該光源之光線所造成的反射的圖像時，該電荷幫浦停止進行提供該第一供應電壓給該光源的操作。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學導航感測器，其中在該驅動電路驅動該光源之前，該電荷幫浦開始進行提供該第一供應電壓給該光源的操作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學導航感測器，其中當該驅動電路停止驅動該光源時，該電荷幫浦停止進行提供該第一供應電壓給該光源的操作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學導航感測器，另包含：一偵測電路，耦接於該電荷幫浦，用以偵測是否關於該光源之一錯誤事件發生，其中當偵測到該錯誤事件時，該偵測電路產生一指示訊號，以及該電荷幫浦根據該指示訊號來停止進行提供該第一供應電壓的操作。
6. 一種提供一供應電壓給相關於一光學導航感測器之一光源的方法，包含：利用該光學導航感測器中之一電荷幫浦，提供一第一供應電壓給該光 源；以及當該光源被驅動時，停止提供該第一供應電壓給該光源。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中當該光學導航感測器擷取關於該光源之光線所造成的反射的圖像時，停止進行提供該第一供應電壓給該光源的步驟。
8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中提供該第一供應電壓給該光源的步驟係開始於該光源被驅動之前。
9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中當該光源不被驅動時，停止提供該第一供應電壓給該光源的步驟。
10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，另包含：偵測是否關於該光源之一錯誤事件發生；以及當偵測到該錯誤事件時，停止提供該第一供應電壓給該光源。