电荷泵电路及其运作方法与流程

本发明与显示面板有关，尤其是关于一种应用于有机发光二极管显示面板的高效率动态频率调整的电荷泵电路及其运作方法。

背景技术：

传统的有机发光二极管显示面板(例如amoled显示面板)的源极驱动器通常内建有电荷泵(chargepump)。电荷泵是一种直流-直流转换器，其利用电容为储能元件，大多用来产生比输入电压大的输出电压，或产生负的输出电压。

如图1所示，传统的电荷泵电路1可包含电容cf、cl及开关sw1～sw4，其可利用ping-pong方式转移电荷以产生负电压vneg。详细而言，开关sw1与开关sw4串接于输入电压vin与接地电压gnd之间；开关sw2与开关sw3串接于接地电压gnd与负电压vneg之间；电容cf的一端耦接至开关sw1与开关sw4之间且电容cf的另一端耦接至开关sw2与开关sw3之间；电容cl耦接于负电压vneg与接地电压gnd之间。

如图2所示，当传统的电荷泵电路1运作于充电相(chargingphase)时，亦即于图4中的第一相信号ph1处于高准位的第一期间t1内，开关sw1与开关sw2导通且开关sw3与开关sw4断开，以使输入电压vin能对电容c1充电，且负电压vneg线性上升；如图3所示，当传统的电荷泵电路1运作于转移相(transferphase)时，亦即于图4中的第二相信号ph2处于高准位的第二期间t2内，开关sw1与开关sw2断开且开关sw3与开关sw4导通，以使电容c1所储存的电荷流出而形成转移电流，且负电压vneg线性下降。第一相信号ph1与时钟信号clk同相且第二相信号ph2与时钟信号clk反相。

当电容c1愈大时，其储存的电荷愈多而形成愈大的转移电流，也连带使得负电压vneg的涟波(ripple)变得愈大。由于负电压vneg的涟波大小可表示为0.5*tsw*vin*[c1/(c1+c2)]，其中tsw代表切换周期，因此，在低涟波的应用上，切换周期tsw必须缩短，亦即传统的电荷泵电路1的切换频率必须加快。

然而，当传统的电荷泵电路1的切换频率愈快时，其提供的输出电流会愈大，因而导致传统的电荷泵电路1在轻载时的转移效率变差，此一缺点亟待改善。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种应用于有机发光二极管显示面板的电荷泵电路及其运作方法，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。

根据本发明的一具体实施例为一种电荷泵电路。于此实施例中，电荷泵电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电容、电流源、第一电阻、第二电阻、放大器、另一电流源、电流镜、跳过(skip)侦测电路、切换产生电路及控制单元。第一开关与第四开关彼此串接且第二开关与第三开关彼此串接，第一开关耦接输入电压且第二开关耦接接地电压。电容的一端耦接至第一开关与第四开关之间且其另一端耦接至第二开关与第三开关之间。电流源耦接于第四开关与接地电压之间。第一电阻及第二电阻彼此串接于第三开关sw3与参考电压之间。放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻与第二电阻之间且第二输入端耦接至接地电压。另一电流源耦接放大器的输出端。电流镜分别耦接电流源及另一电流源，用以产生与电流源及另一电流源有关的镜射电流。跳过侦测电路耦接电流镜，用以接收镜射电流并产生跳过侦测信号。切换产生电路耦接跳过侦测电路，用以接收跳过侦测信号并产生时钟周期信号及相位选择信号。控制单元分别耦接切换产生电路、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，用以根据时钟周期信号及相位选择信号控制第一开关、第二开关、第三开关及第四开关的运作。

于一实施例中，跳过侦测电路中的侦测电压与电流源及另一电流源有关且跳过侦测电路根据侦测电压与临界电压的比较结果产生跳过侦测信号。

于一实施例中，当电荷泵电路运作于第一相下，控制单元控制第一开关与第二开关导通且第三开关与第四开关断开；当电荷泵电路运作于第二相下，控制单元控制第三开关与第四开关导通且第一开关与第二开关断开。

于一实施例中，第一相为充电相(chargingphase)且第二相为转移相(transferphase)。

于一实施例中，切换产生电路包含计数单元及调整单元。计数单元根据跳过侦测信号产生特定计数值至调整单元，调整单元接收特定计数值及时钟周期信号并输出时钟周期信号及相位选择信号。

根据本发明的另一具体实施例为一种电荷泵电路运作方法。于此实施例中，电荷泵电路运作方法用以运作电荷泵电路，电荷泵电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电容、电流源、第一电阻、第二电阻、放大器、另一电流源、电流镜、跳过侦测电路、切换产生电路及控制单元。第一开关与第四开关彼此串接且第二开关与第三开关彼此串接。第一开关耦接输入电压且第二开关耦接接地电压。电容的一端耦接至第一开关与第四开关之间且其另一端耦接至第二开关与第三开关之间。电流源耦接于第四开关与接地电压之间。第一电阻及第二电阻彼此串接于第三开关与参考电压之间。放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻与第二电阻之间且第二输入端耦接至接地电压。另一电流源耦接放大器的输出端。电流镜分别耦接电流源及另一电流源。跳过侦测电路耦接电流镜。切换产生电路耦接跳过侦测电路。控制单元分别耦接切换产生电路、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关。

电荷泵电路运作方法包含下列步骤：(a)启动电荷泵电路；(b)电荷泵电路运作于第一相下，第一开关与第二开关导通且第三开关与第四开关断开；(c)电荷泵电路运作于第二相下，第三开关与第四开关导通且第一开关与第二开关断开；(d)判断跳过侦测电路的侦测电压是否大于临界电压；以及(e)根据步骤(d)的判断结果选择性地重新执行步骤(b)或步骤(c)。

于一实施例中，该第一相为充电相且该第二相为转移相。

于一实施例中，该跳过侦测电路的该侦测电压与该电流源及该另一电流源有关。

于一实施例中，于步骤(e)中，若步骤(d)的判断结果为是，则重新执行步骤(b)；若步骤(d)的判断结果为否，则重新执行步骤(c)。

根据本发明的另一具体实施例为一种电荷泵电路运作方法。于此实施例中，电荷泵电路运作方法用以运作电荷泵电路。电荷泵电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电容、电流源、第一电阻、第二电阻、放大器、另一电流源、电流镜、跳过侦测电路、切换产生电路及控制单元。第一开关与第四开关彼此串接且第二开关与第三开关彼此串接。第一开关耦接输入电压且第二开关耦接接地电压。电容的一端耦接至第一开关与第四开关之间且其另一端耦接至第二开关与第三开关之间。电流源耦接于第四开关与接地电压之间。第一电阻及第二电阻彼此串接于第三开关与参考电压之间。放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻与第二电阻之间且第二输入端耦接至接地电压。另一电流源耦接放大器的输出端。电流镜分别耦接电流源及另一电流源。跳过侦测电路耦接电流镜。切换产生电路耦接跳过侦测电路。控制单元分别耦接切换产生电路、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关。

电荷泵电路运作方法包含下列步骤：(a)启动该电荷泵电路；(b)该电荷泵电路运作于一第一相下，该第一开关与该第二开关导通且该第三开关与该第四开关断开；(c)该电荷泵电路运作于一第二相下，该第三开关与该第四开关导通且该第一开关与该第二开关断开；(d)判断该跳过侦测电路中的一侦测电压是否连续两次大于或小于一临界电压；以及(e)若步骤(d)的判断结果为是，产生一特定计数值n并根据该特定计数值n调整该电荷泵电路的一切换频率，以提高该电荷泵电路的转换效率。

于一实施例中，该第一相为充电相且该第二相为转移相。

于一实施例中，该跳过侦测电路的该侦测电压与该电流源及该另一电流源有关。

于一实施例中，于步骤(e)中，若步骤(d)的判断结果为否，则重新执行步骤(b)。

于一实施例中，当步骤(e)完成后，重新执行步骤(b)。

相较于现有技术，根据本发明的电荷泵电路及其运作方法通过跳过侦测电路及切换产生电路依照负载的不同自动降低电荷泵电路的等效切换频率，使得本发明的电荷泵电路无论是在轻载或重载的情况下均能达到最佳转换效率，故能有效改善传统的电荷泵电路在轻载时由于切换频率高而导致转移效率变差的缺点，以实现高效率动态频率调整的电荷泵电路，达到电荷泵电路的自适应频率控制(adaptivefrequencycontrol)与转换效率的最佳化等功效。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。

附图说明

图1示出传统的电荷泵电路的示意图。

图2示出传统的电荷泵电路运作于充电相的示意图。

图3示出传统的电荷泵电路运作于转移相的示意图。

图4示出传统的电荷泵电路中的各信号的时序图。

图5示出根据本发明的一具体实施例中的电荷泵电路的示意图。

图6示出根据本发明的另一具体实施例中的电荷泵电路的示意图。

图7a及图7b分别示出本发明的电荷泵电路在重载时切换频率不变以及在轻载时降低切换频率的时序图。

图8a示出跳过脉冲个数与负载电流的对应关系示意图。

图8b示出切换频率与负载电流的对应关系示意图。

图9示出根据本发明的另一具体实施例中的电荷泵电路的示意图。

图10示出根据本发明的另一具体实施例中的电荷泵电路运作方法的流程图。

图11示出根据本发明的另一具体实施例中的电荷泵电路运作方法的流程图。

主要元件符号说明：

s10～s16、s20～s30：步骤

1：电荷泵电路

sw1～sw4：第一开关～第四开关

vin：输入电压

gnd：接地电压

cf、cl：电容

vneg：负电压

clk：时钟信号

ph1～ph2：第一相信号～第二相信号

t1～t2：第一期间～第二期间

chp：电荷泵电路

iop、iop2：电流源

r1～r2：第一电阻～第二电阻

gm：转导放大器

+：第一输入端

－：第二输入端

k、j：输出端

vref：参考电压

cm：电流镜

sd：跳过侦测电路

sg：切换产生电路

con：控制单元

icm：镜射电流

skip：跳过侦测信号

sel：相位选择信号

tclk：时钟周期信号

csk：电容

op：运算放大器

ff：正反器

vc：侦测电压

vth：临界电压

n1：第一接点

m：倍率

s、r：输入端

q、q：输出端

and：与门

tsw、tsw’：切换周期

il：负载电流

90：滤波单元

92：计数单元

94：调整单元

n：特定计数值

具体实施方式

根据本发明的一具体实施例为一种电荷泵电路。于此实施例中，电荷泵电路可应用于有机发光二极管显示面板(例如amoled显示面板)的源极驱动器内，用以接收输入电压并提供输出电压至负载，但不以此为限。

请参照图5，图5示出此实施例中的电荷泵电路的示意图。如图5所示，电荷泵电路chp包含第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3、第四开关sw4、电容cf、电流源iop2、第一电阻r1、第二电阻r2、转导放大器gm、另一电流源iop、电流镜cm、跳过侦测电路sd、切换产生电路sg及控制单元con。

第一开关sw1与第四开关sw4彼此串接且第二开关sw2与第三开关sw3彼此串接。第一开关sw1耦接输入电压vin且第二开关sw2耦接接地电压gnd。电容cf的一端耦接至第一开关sw1与第四开关sw4之间且电容cf的另一端耦接至第二开关sw2与第三开关sw3之间。电流源iop2耦接于第四开关sw4与接地电压gnd之间。第一电阻r1及第二电阻r2彼此串接于第三开关sw3与参考电压vref之间。

转导放大器gm具有第一输入端+、第二输入端－及输出端k，其中第一输入端+耦接至第一电阻r1与第二电阻r2之间且第二输入端－耦接至接地电压gnd。另一电流源iop耦接转导放大器gm的输出端k。电流镜cm分别耦接电流源iop2及另一电流源iop。跳过侦测电路sd耦接电流镜cm。切换产生电路sg耦接跳过侦测电路sd。控制单元con分别耦接切换产生电路sg、第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3及第四开关sw4。

需说明的是，于本发明的电荷泵电路chp中，当转导放大器gm的输出端k输出的电流通过电流镜cm转移输出后，通过跳过侦测电路sd及切换产生电路sg即可在轻载时自动降频，以提升电荷泵电路chp的轻载效率。

于实际应用中，电荷泵电路chp可选择性地运作于第一相(充电相)或第二相(转移相)下。当电荷泵电路chp运作于第一相(充电相)下，控制单元con会控制第一开关sw1与第二开关sw2导通且第三开关sw3与第四开关sw4断开，由以让输入电压vin对电容cf充电，使得电容cf能储存电荷。当电荷泵电路chp运作于第二相(转移相)下，控制单元con会控制第三开关sw3与第四开关sw4导通且第一开关sw1与第二开关sw2断开，使得电容cf所储存的电荷流出而形成转移电流。

电流镜cm用以产生与电流源iop2及另一电流源iop有关的镜射电流icm至跳过侦测电路sd。跳过侦测电路sd用以接收镜射电流icm并产生跳过侦测信号skip至切换产生电路sg。切换产生电路sg用以接收跳过侦测信号skip并产生时钟周期信号tclk及相位选择信号sel。控制单元con用以根据时钟周期信号tclk及相位选择信号sel控制第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3及第四开关sw4的运作。

当电荷泵电路chp运作于第一相(充电相)下，控制单元con根据时钟周期信号tclk及相位选择信号sel控制第一开关sw1与第二开关sw2导通且第三开关sw3与第四开关sw4断开，由以让输入电压vin对电容cf充电，使得电容cf能储存电荷。当电荷泵电路chp运作于第二相(转移相)下，控制单元con根据时钟周期信号tclk及相位选择信号sel控制第三开关sw3与第四开关sw4导通且第一开关sw1与第二开关sw2断开，使得电容cf所储存的电荷流出而形成转移电流。

接下来，请参照图6，于另一具体实施例中，侦测电路sd可包含电容csk、运算放大器op及正反器(flip-flop)ff。运算放大器op的第一输入端+及第二输入端－分别耦接镜射电流iop2/m(其中m为倍率)及临界电压vth且运算放大器op的输出端j耦接正反器ff的输入端s。电容csk耦接于运算放大器op的第一输入端+的第一接点n1与接地端gnd之间，且第一接点n1具有侦测电压vc。

运算放大器op比较侦测电压vc与临界电压vth并输出比较结果至正反器ff的输入端s。正反器ff的另一输入端r耦接时钟周期信号tclk。正反器ff的输出端q输出跳过侦测信号skip至切换产生电路sg。切换产生电路sg可包含与门and。与门and分别接收跳过侦测信号skip及时钟周期信号tclk并输出相位选择信号sel至控制单元con。此外，切换产生电路sg同时也输出时钟周期信号tclk至控制单元con。接着，再由控制单元con根据时钟周期信号tclk及相位选择信号sel控制第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3及第四开关sw4的运作，以使电荷泵电路chp于第一相(充电相)及第二相(转移相)之间进行切换。

接着，请参照图7a及图7b，图7a及图7b分别示出电荷泵电路chp在重载时切换频率不变以及在轻载时降低切换频率的时序图。

如图7a所示，当电荷泵电路chp运作于重载时，第一相信号ph1与时钟信号clk同相且第二相信号ph2与时钟信号clk反相，电荷泵电路chp的切换周期tsw等于时钟周期信号tclk，亦即电荷泵电路chp的切换频率维持不变。

也请参照图6，假设镜射电流为iop2/m用以对csk充电，m为比例系数，则第一接点n1的侦测电压vc会与输出负载正相关，当负载愈重时，转导放大器gm的输出端k输出的电流愈大，使得第一接点n1的侦测电压vc愈高，在第四开关sw4导通的周期内，侦测电压vc>临界电压vth，由于负载够大，电荷泵电路chp重复ping-pong方法，亦即采用第一相(充电相)→第二相(转移相)→第一相(充电相)→第二相(转移相)的切换顺序，以达到最佳的电荷转移效果。

当第一相信号ph1处于高准位且第二相信号ph2处于低准位时，电荷泵电路chp运作于第一相(充电相)，此时第一开关sw1及第二开关sw2导通且第三开关sw3及第四开关sw4断开，第一接点n1的侦测电压vc为零；当第一相信号ph1处于低准位且第二相信号ph2处于高准位时，电荷泵电路chp运作于第二相(转移相)，此时第一开关sw1及第二开关sw2断开且第三开关sw3及第四开关sw4导通，第一接点n1的侦测电压vc由零开始线性上升，直至切换周期tsw结束为止。

如图7b所示，当电荷泵电路chp运作于轻载时，虽然第一相信号ph1与时钟信号clk同相且第二相信号ph2与时钟信号clk反相，但由于在第四开关sw4导通的周期内，侦测电压vc<临界电压vth，第一相信号ph1与第二相信号ph2会跳过部分的脉冲，由以延长电荷泵电路chp运作于第二相(转移相)的时间，直至侦测电压vc>临界电压vth才会切换至第一相(充电相)，亦即采用第一相(充电相)→第二相(转移相)→第二相(转移相)→第二相(转移相)→第一相(充电相)的切换顺序，以达到最佳的电荷转移效果。由此，电荷泵电路chp的切换周期tsw’增长为时钟周期信号tclk的两倍(但不以此为限)，亦即降低电荷泵电路chp的切换频率。

当电荷泵电路chp运作于第二相(转移相)时，第一开关sw1及第二开关sw2断开且第三开关sw3及第四开关sw4导通，第一接点n1的侦测电压vc由零开始线性上升，直至切换周期tsw’结束为止。由于电荷泵电路chp于轻载时的切换周期tsw’已增长为重载时的切换周期tsw的两倍，因此，轻载时的侦测电压vc线性上升的斜率会明显小于重载时的侦测电压vc线性上升的斜率，以避免电荷泵电路chp在轻载时的转移效率变差。

接着，请参照图8a及图8b，图8a示出跳过脉冲个数与负载电流的对应关系示意图；图8b示出切换频率与负载电流的对应关系示意图。

如图8a所示，当负载电流il由大变小时，亦即由重载变为轻载时，第一相信号ph1与第二相信号ph2所需的跳过脉冲个数随之增加，由以使得电荷泵电路chp运作于第二相(转移相)的时间变长，以延长电荷泵电路chp的切换周期tsw’，亦即降低电荷泵电路chp的切换频率，以大幅提高电荷泵电路chp在轻载时的转换效率。

请参照图9，于另一实施例中，切换产生电路sg可包含滤波单元90、计数单元92及调整单元94。滤波单元90用以对跳过侦测信号skip进行数位滤波。计数单元92根据跳过侦测信号skip产生特定计数值n至调整单元94，再由调整单元94接收特定计数值n及时钟周期信号tclk并根据特定计数值n调整时钟周期信号tclk。

举例而言，调整单元94可将时钟周期信号tclk调整为tclk/2ⁿ后输出相位选择信号sel及调整后的时钟周期信号tclk/2ⁿ至控制单元con，但不以此为限。

根据本发明的另一具体实施例为一种电荷泵电路运作方法。于此实施例中，电荷泵电路运作方法用以运作电荷泵电路，电荷泵电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电容、电流源、第一电阻、第二电阻、放大器、另一电流源、电流镜、跳过侦测电路、切换产生电路及控制单元。第一开关与第四开关彼此串接且第二开关与第三开关彼此串接。第一开关耦接输入电压且第二开关耦接接地电压。电容的一端耦接至第一开关与第四开关之间且其另一端耦接至第二开关与第三开关之间。电流源耦接于第四开关与接地电压之间。第一电阻及第二电阻彼此串接于第三开关与参考电压之间。放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻与第二电阻之间且第二输入端耦接至接地电压。另一电流源耦接放大器的输出端。电流镜分别耦接电流源及另一电流源。跳过侦测电路耦接电流镜。切换产生电路耦接跳过侦测电路。控制单元分别耦接切换产生电路、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关。

请参照图10，图10示出此实施例中的电荷泵电路运作方法的流程图。如图10所示，电荷泵电路运作方法可包含下列步骤：

步骤s10：启动电荷泵电路；

步骤s12：电荷泵电路运作于第一相(充电相)下，第一开关与第二开关导通且第三开关与第四开关断开；

步骤s14：电荷泵电路运作于第二相(转移相)下，第三开关与第四开关导通且第一开关与第二开关断开；

步骤s16：判断跳过侦测电路的侦测电压是否大于临界电压，其中跳过侦测电路的侦测电压与电流源及另一电流源有关；

若步骤s16的判断结果为是，重新执行步骤s12；以及

若步骤s16的判断结果为否，重新执行步骤s14。

根据本发明的另一具体实施例为一种电荷泵电路运作方法。于此实施例中，电荷泵电路运作方法用以运作电荷泵电路。电荷泵电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电容、电流源、第一电阻、第二电阻、放大器、另一电流源、电流镜、跳过侦测电路、切换产生电路及控制单元。第一开关与第四开关彼此串接且第二开关与第三开关彼此串接。第一开关耦接输入电压且第二开关耦接接地电压。电容的一端耦接至第一开关与第四开关之间且其另一端耦接至第二开关与第三开关之间。电流源耦接于第四开关与接地电压之间。第一电阻及第二电阻彼此串接于第三开关与参考电压之间。放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻与第二电阻之间且第二输入端耦接至接地电压。另一电流源耦接放大器的输出端。电流镜分别耦接电流源及另一电流源。跳过侦测电路耦接电流镜。切换产生电路耦接跳过侦测电路。控制单元分别耦接切换产生电路、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关。

请参照图11，图11示出此实施例中的电荷泵电路运作方法的流程图。如图11所示，电荷泵电路运作方法可包含下列步骤：

步骤s20：启动电荷泵电路；

步骤s22：电荷泵电路运作于第一相(充电相)下，第一开关与第二开关导通且第三开关与第四开关断开；

步骤s24：电荷泵电路运作于第二相(转移相)下，第三开关与第四开关导通且第一开关与第二开关断开；

步骤s26：判断跳过侦测电路中的侦测电压是否连续两次大于或小于临界电压，其中跳过侦测电路的侦测电压与电流源及另一电流源有关；

步骤s28：若步骤s26的判断结果为是，产生特定计数值；

步骤s30：根据特定计数值调整电荷泵电路的切换频率，以提高电荷泵电路的转换效率；以及

若步骤s26的判断结果为否或是步骤s30执行完成后，重新执行步骤s22。

相较于现有技术，根据本发明的电荷泵电路及其运作方法通过跳过侦测电路及切换产生电路依照负载的不同自动降低电荷泵电路的等效切换频率，使得本发明的电荷泵电路无论是在轻载或重载的情况下均能达到最佳转换效率，故能有效改善传统的电荷泵电路在轻载时由于切换频率高而导致转移效率变差的缺点，以实现高效率动态频率调整的电荷泵电路，达到电荷泵电路的自适应频率控制(adaptivefrequencycontrol)与转换效率的最佳化等功效。

由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。