用于把输入电压变换成输出电压的电压变换器和包含电压变换器的驱动电路的制作方法

专利名称：用于把输入电压变换成输出电压的电压变换器和包含电压变换器的驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于把输入电压变换成输出电压的电压变换器，该电压变换器包含多个级联的电压倍增器和用于控制多个电压倍增器的控制电路。此外，本发明导致一个包含这样的电压变换器的驱动电路。
电压变换器(诸如电荷泵装置或包含电压倍增器的其他装置)被用来生成比应用的电源电压更高的电压。电压变换器可以具有几个被安排在一种级联的级中的电压倍增器。第一级的电荷贮存单元在驱动第一级的驱动器的切换事件后可被充电。在这种情况下，第一级的另一个切换单元可处于打开位置。然后，该另一个切换单元被闭合，以便电荷可被提供给下一级。然后，后级的电荷贮存单元在驱动后级的驱动器的切换事件后可被充电。这样，存储在第一级的电荷被转送到一个或多个后级，在这里它被加到这样的后级的电荷中，以便生成更高的电压，而该电压能被提供给应用的设备。
使用电荷泵的优点在于，通常不需要附加的旁路开关，因此这种类型的电压变换器可被相对简单地解释。电荷泵可以由几个级的级联组成，由此，每级包含至少一个开关或二极管、一个通常由电容器实现的电荷贮存单元、和一个驱动器。驱动器指挥电荷贮存单元，并且可以通过周期性的信号或相位(phase)来操作。
电压变换器是从IEEE Journal of solid-state circuit，Vol.SC-11，No.3，1976年6月，374-378页中的文章获知的。在该文章中，电压变换器的输出电压被用来在NMOS集成电路应用中提供高的电源电压。此外，电压变换器可被用在液晶显示器(LCD)驱动器中作为一个应用以生成驱动电路所需要的偏压。而另一个应用是产生写一个闪存所需的高电压。
在LCD驱动集成电路(IC)中采用的电压变换器的基本结构可以针对电压所供给的应用而编程。象引言中提到的这样的电压变换器允许激活适当数目的所选电压倍增器，即，如果想要相对较低的输出电压，则工作的电压倍增器的数目相对较低，而如果想要相对较高的输出电压，则工作的电压倍增器的数目相对较高。由此，可以避免不必要的高数目的工作的电压倍增器，从而避免电压变换器的低功效。非工作的，即，禁用的电压倍增器应当用开关旁路或者应当被并联于工作的电压倍增器而分路(shunted)。某些类型的电压倍增器允许使用电压倍增器内的开关，以便旁路各自的电压倍增器，如果它处在非工作的运行模式的话。
LCD模块在蜂窝电话和其他手持工具，诸如，个人信息管理器、膝上型电脑、PDA等等中得到广泛应用。用于模拟功能块的可用电源电压可能是2.8V，而LCD图形显示器可能是用6V-16V的电压驱动的，而且它还应当在大的电源电压范围内工作。不同类型的应用需要一定范围的输出电压。
然而，在LCD驱动集成电路(IC)中，目前的趋势是朝着不断增加的分辨率和彩色显示的方向发展，特别是用于如电话、PDA等的移动终端。这些显示器需要接近20V的电压下的大电流，该电流必须由LCD驱动IC生成。在实际的LCD驱动IC中，电荷贮存单元的充电容量，具体地，电容值，的总量是有限的，而必需的电流量却在增加。可达到的电压和所需的电流必须得到折衷，但是对于更大电流容量的需求通常还是变得更迫切。具体地说，通常从较小的电容提取越来越大的电流，而由于电荷传送造成的电压降也越来越大。这个大电压降被电压变换器的所有的级增大，从而恶化性能。
这正是本发明出现的原因，本发明的目的是提出一种把输入电压变换成输出电压的设备和方法，由此，应当达到提高了的电流容量。
关于该设备，此目的是通过按照权利要求1的电压变换器而达到的，权利要求1要求保护一种用于把输入电压变换成输出电压的电压变换器，该电压变换器包含多个级联的电压倍增器和用于控制多个电压倍增器的控制电路，其中按照本发明，该控制电路包含切换装置，用于激活至少一个从多个电压倍增器中选择的第一电压倍增器以及用于以与第一电压倍增器相同的方式切换至少一个在级联中位于第一电压倍增器之前的另外的电压倍增器。
再者，关于该设备，该目的是通过按照权利要求14的驱动电路而达到的，目前该驱动电路是包含电压变换器的驱动电路，具体地是用于显示设备的驱动电路。
关于该方法，此目的是通过藉助于包含多个级联的电压倍增器的电压变换器把输入电压变换成输出电压而达到的，其中按照本发明，至少一个从多个电压倍增器中选择的第一电压倍增器被激活，而且至少一个在级联中位于第一电压倍增器之前的另外的电压倍增器以与第一电压倍增器相同的方式被切换。
本提议的发明来自于对进一步增加电压变换器或驱动电路的电流容量的期望，特别是当并非电压变换器的所有级都被用于电压倍增时。本发明认识到，传统地，未使用的倍增器和/或倍增器的电荷贮存单元仅仅充当被动的角色。它们仅仅作为退耦或缓冲单元出现。按照现在的创造性的思想，当如所提议的由切换装置切换时，它们被用来增加从多个电压倍增器中选择的第一电压倍增器的强度。具体地，当使用电荷泵作为电压倍增器时，如果不是电荷泵所有的级都被用于泵浦电荷，则未用的电容器不再在退耦或缓冲电容中充当被动的角色，而是被用来与它们的底板驱动器一起增加第一泵级的强度。
作为本发明的主要优点，第一与另一个电压倍增器可以通过只改变逻辑电路而以相同的方式切换。有利地，可以预见没有面积或模拟部件数目的增加。取决于级数和电源电压，可以因此而达到10％-15％的电流容量中的增加。
此外，附属权利要求中概述了本发明的详细配置。
切换包含激活和禁止。为了激活，各个级优选地被切换到电源电压Vdd电位。因此，倍增器处在有源模式(active mode)。为了禁止，各个级被切换到地电压。因此，倍增器处在无源模式(passive mode)。
有利地，第一电压倍增器是同样位于级联的至多第二或更高阶的级的多个工作的电压倍增器中的一个，特别地，位于级联末端的一系列级中。
有利地，另一个电压倍增器是同样位于级联的第一或更高阶的级的多个另外的电压倍增器中的一个，特别地，位于级联起始端的一系列级中。
多个电压倍增器中的至少一个优选地由电荷泵构成。
这样的电荷泵包含电荷贮存单元，具体为电容器；开关，具体为MOSFET开关；以及驱动器，具体为底板驱动器。电荷贮存单元可以是在芯片上(on-chip)或在芯片外(off-chip)。
另外，一个或多个电压倍增器可以具有至少一个时钟输入端。控制电路优选地被连接到时钟输入端，用于提供时钟信号给电压倍增器，以便控制电压倍增器。
在优选的配置中，电压变换器是可编程的。具体地，切换装置是可编程逻辑装置。这样的逻辑装置有利地被编程装置驱动，以便作为输出和/或输入电压的函数来操纵切换装置，即，取决于应用。因此，电压变换器的倍增因子有利地适配于实际的应用。具体地，当变换器所有的级都被使用时，并非变换器所有的级都可被用于生成低于最大可能电压的输出电压。
具体地，编程装置包含软件代码部分，该软件代码部分能够在输入电压对于实际应用不充足的情形下，即各倍增器保持在有源工作模式时，激活一个或多个第一电压倍增器。此外，编程装置可包含在输入电压对于实际应用足够的情形下，即各倍增器保持在禁止或无源工作模式时，用于禁止从多个电压倍增器中选择的若干电压倍增器的软件代码部分。具体地，对于这个特别的情形，编程装置优选地包含能够从禁止的电压倍增器中选择一个或多个另外的电压倍增器以与第一电压倍增器相同的方式进行切换的软件代码部分。
有利地，可重配置的电压变换器构成以上装置的一个或它们的组合。
有利地，电压变换器和/或驱动电路如所建议的工作在0.1mA-10mA的电流负载下。
现在将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。这意味着，结合优选实施例的详细说明以及与现有技术的比较，用例子阐明所提出的概念。虽然所考虑的优选实施例将被图示和描述，应当自然地明白，在不背离本发明的精神的情况下可以容易地在形式上和细节上作出各种修正和改变。所以，本发明将不局限于这里显示和描述的原原本本的形式和细节，也不局限于比这里所揭示的和此后权利要求所声明的整个本发明更小的任何情况。此外，在揭示本发明的说明书、附图和权利要求中所描述的特性，在单独或组合地考虑时，对于本发明都是必要的。
在附图中

图1电荷泵结构示意图；图2a现有技术的电荷泵-开关方案的示意图；图2b按照优选实施例的电荷泵-开关方案；
图2c图2b的优选实施例的等效电路；图3包含驱动电路的优选的显示设备实施例，该驱动电路含有优选电荷泵。
结合图1所示的可编程电荷泵来描述优选的电压变换器实施例。可编程电荷泵1具有一系列的级S1...SN，SN+1...Smax，每个级都包含作为电荷贮存单元的电容器Cstage，作为开关Sw1...SwN，SwN+1...Swmax的MOSFET和作为切换装置(未示出)的底板驱动器。每个单独的电荷泵S1...SN，SN+1...Smax，还包含具有输入端I1...IN，IN+1...Imax的缓冲器BF1...BFN，BFN+1...BFmax，该输入端用于，举例来说，如图所示，接收时钟信号和电压Vdd。输入电压Vdd由输入接线端IP和地接线端GND之间的电压源生成，并被提供给电荷泵装置1。这些级一个接着一个地被级联。每一级都可以得到一个输入电源电压Vdd。对于没有输出电流的理想情况这是正确的。时钟也可以通过几个阶段自适应地生成。因为有内部损耗，上面描述的理想的情况必须加以校正，这些损耗主要是由于开关在接通位置时的开关电阻和一个或多个底板驱动器导致的耗散电流引起的。单个或多个底板驱动器能够起动每个电荷泵S1...SN，SN+1...Smax，而具体为开关Sw1...SwN，SwN+1...Swmax。当驱动器以适当的方式连接到每个电荷泵S1...SN，SN+1...Smax时是可操作的，例如通过操纵输入端IP，I1...IN，IN+1...Imax和开关Sw1...SwN，SwN+1...Swmax来进行操作。电荷泵可能的工作状态分别在图1和图2上表示。在带有电容器Cbuffer的输出级中，在输出端IO与接地端GND之间生成输出电压Vout。
图1的级S1...SN，SN+1...Smax及其大小在其结构上是相互一致的。然而，这并不是最佳情形，而这样选择仅仅是为了获得一个具有设计时间短的优点的简单设计。进一步发展的电压变换器实施例可能优选地是以不同的方式设计的。具体地，靠近增压器输入端的级S1，S2...SN比靠近输出端的级SN，SN+1...Smax，具有更强的布局。
下面解释优选的电荷泵实施例对于传统的电荷泵的改进。
在单个时钟周期中，电荷通常从级N的电容器转移到后级N+1的电容器中。在时钟周期的开头，级N+1的电容器没有完全放电。事实上，通常它在前一个周期获取的电荷Q没有全部在一个周期内转移到下一级N+2。一般地，转移的量是Q＝Iload/2f，其中f是时钟频率。这相当于ΔU＝Q/C＝I/2fC的电压差。如果电容器具有大的电容值C，对于相同的Iload，由于这个电流引起的电压降ΔU小于具有较小电容值的电容上的电压降，这可以从上面的公式导出。然而，在实际的LCD驱动IC中，电容值是有限的，而因此电流量变得越来越大。通常，电流约为1mA或更高。必须假定每级1...N都有这样的电压降。所以，效率100％Iload＝Isupply/N的假设仍旧成立。结果，得到的电压和电流必须折衷，对于每个应用都必须这样做。
由于电荷泵的第一级把后级作为负载，这意味着，当接近于S1...SN，SN+1...Smax级链的开始级S1时，对于大电流容量的需求变得越来越强烈。具体地，如果从小的电容器Cstage中抽取大的电流，则由于电荷转移引起的电压降ΔU也很大。如所述，这个充电电压降被后级倍增N-1倍，因此恶化了作为传统的电压变换器一个例子的传统电荷泵的性能。
为了解决这样的问题，倍增因子如下所述被编程假设Vout＝Nmax·Vdd，通过设置(Nmax-N)开关Sw为导通状态，可以选择只生成Vout＝N·Vdd，而相应地，底板驱动器永久接地GND。在这种情形下，图2A的第一个工作的电荷泵A不是级联中的第一电荷泵，而可以是级联中的任何电荷泵，例如，在级SN+1中。这意味着，位于工作的电荷泵之前的各个电荷泵被禁止，如图1中用“0”所表示出的。因此，(Nmax-N)级被禁止。在整个设备的运行中，被禁止的级对于输入电源电压Vdd通常仅仅起到滤波元件的作用，或作为由输入电源电压Vdd永久充电的电荷库。事实上这对于电荷泵装置的性能具有一定的好处。然而，它也有缺点，被禁止的级只被用作去耦元件或泵级前的“电荷库”，所以只起到被动的作用。
按照图2b所示的优选实施例，利用了这些被禁止的级，而事实上导致了电荷泵装置1的电流容量的增加。为了简化起见，优选实施例引入了更加有效地利用该“被禁止的”级的手段。
作为例子，下面描述增强图2b所示的第一工作的泵级A，以便在较少的时间获得需要的输出电压和增加由电荷泵提供的电流的一个方法。
仅仅相对图2b和2c来描述第一泵级A的增强，以阐明有效地“利用”该“被禁止的”级，例如级S1...SN的基本原理，并且该原理可以按实际应用的要求被推广。
图2a显示其中第一级被底板驱动器强制到地电压的情形。
优选实施例1b显示于图2b中。逻辑装置给予底板驱动器一个命令，以与第一工作的泵级A相同的方式使第一级(第1)在Vdd(工作的)与地(禁止的)之间切换。图2b中的第一工作的泵级A事实上至多是第二级或级联中的较高级SN+1。图2b中的电路1b等价于图2c中的1c，从这里立即明白，输入级A＝A’现在具有2*Cstage的电容以及A’的等价电阻是Rd/2，因为两个底板驱动器是并联的。因此，在电荷转移结束时存储在第二级A＝A’中的电荷比图2a所示的传统电荷泵装置电路中的高。
图2a和2b中所附的曲线Ga和Gb分别对应于图2a和图2b中的电路1a和1b。从这些曲线可以看到，在第二级A中，被转移到电容器的电荷将被向前传送到图2b的优选实施例1b中的级B，其电荷量是Q＝Iload/3f，而不是图2a的传统电路1a中的Q＝Iload/4f。
当然，应当理解，如果存在两个图2b中由第1所表示的这种级，并且可以被禁止，且假设这两级都如上所述地被加到第一工作的级A，则在一个周期内要被转移的电荷将是Q＝3Iload/8f。按照优选实施例，任何数目可用的、可被禁止的级都可以被加到第一工作的级A。
显然，当电荷泵的输出电容Cbuffer负载很重时，当前实施例有助于缓和该压力。在几个实验中对改进措施进行了检验。具体地，改进的效果用具有5级，即，6个电荷泵的电荷泵装置进行模拟，对于该电荷泵装置，第一级仅仅如图2b所示被用来增加第二级或级联中的更高级的等效电容。模拟的结果证明，优选实施例1b能够在7个时钟周期内达到相同的电压，对比图2a的传统装置1a，其需要8个时钟周期。优选实施例需要的周期少一个。如果考虑图1a中用现有技术方法，和仅仅改进级联中第一级的图2b和2c的优选实施例的所述方法，达到相同的电压所需要的负载电流Iload，电流容量的提高值为12.5％。因此，对于相同的电压，现有技术电荷泵将少给出12.5％的电流。换句话说。传统的装置将多花费12.5％的时间从被负载吸收的大峰值电流中恢复过来。
考虑到以上的例子是在没有考虑任何负载电流和任何损耗的情况下达到(Nstages+1)*Vdd这一事实，这个改进甚至是更有效的。然而，由于在充电时通常有负载电流，通常达到的电压是较低的。为了在负载条件下得到电压，泵通常由于级联中数量增加了的级而必须被加大尺寸。因此，输入电压范围通常必须比理论上的大。为了最有效地达到目标输出电压Vout，工作的级的数目可被编程以满足各种应用。如果有足够的输入电压Vdd，则一个或两个级可被软件禁止。通过以这种方式操作这些级，它们增加了第一电容器的值，人们也能够从增加的电流容量获益。事实上，达到这一点而不浪费任何面积，因为提出的概念可以通过仅仅改变用于底板驱动器的译码器逻辑而或多或少地达到。这样的译码器比起其他装置具有较低的电压而且更小。通常，该译码器只包含几个逻辑门。
为了实现建议的方案，只须对电荷泵装置1的几个项目作出改变。控制级联中的级S1...SN，SN+1...Smax的底板驱动器的逻辑必须和图2b的优选实施例一起如所建议地被修改。作为建议的电荷泵装置的一个后果，在优选实施例中第二泵级电容器A上的电压不同于图2a和2b所示的传统装置的电压。事实上，在所述负载Vdd和目标电压Vout的条件下，该提出的概念是唯一获得上述电流量的有效增加的概念。
总之，该提出的概念允许实现可重新配置的电荷泵软件结构。这样的好处是电流容量增加所需要的倍增因子小于(Nstage+1)。
改进的电荷泵的应用领域可以是用于灰度或彩色显示器的任何驱动器。如图3所示，这样的显示器11可以是任何用于LCD或PolyLED技术或需要工作在0.1mA-10mA电流负载下的增压器的任何其他应用的显示器。驱动电路12的优选实施例可以是用LCD单元14和如所建议的附加显示驱动器IC12构建的显示模块11的一部分。IC12优选地被安装在玻璃上。另外，这样的显示驱动器IC可以用TCP或薄片相连接(15，15a)。电荷泵12a，作为优选电压变换器实施例，是作为优选驱动电路实施例的、图3所示的驱动器IC12的一部分。电荷泵提供驱动LCD单元14所必须的高电压。显示模块可以构建在，例如，小的便携式设备10中，如图3所示的蜂窝电话和个人数字助理(PDA)。
权利要求
1.用于把输入电压变换成输出电压的电压变换器，包含多个级联的电压倍增器和用于控制多个电压倍增器的控制电路，其特征在于，控制电路包含切换装置，用于激活至少一个从多个电压倍增器中选择的第一电压倍增器以及用于以与第一电压倍增器相同的方式切换至少一个在级联中位于第一电压倍增器之前的另外的电压倍增器。
2.按照权利要求1的电压变换器，其特征在于，切换包含激活和/或禁止。
3.按照前述权利要求之一的电压变换器，其特征在于，第一电压倍增器是也位于级联中、在至多第二或更高阶的级处，具体地是位于级联末端的一系列级中的多个激活的电压倍增器之一。
4.按照前述权利要求之一的电压变换器，其特征在于，该另外的电压倍增器是位于该级联的第一或更高阶的级处，具体地是位于级联开始端的一系列级中的多个另外的电压倍增器之一。
5.按照前述权利要求之一的电压变换器，其特征在于，多个电压倍增器中的至少一个是由电荷泵形成的。
6.按照前述权利要求之一的电压变换器，其特征在于，电荷泵包含电荷贮存单元，具体地是电容器；开关，具体地是MOSFET开关；和驱动器，具体地是底板驱动器。
7.按照前述权利要求之一的电压变换器，其特征在于，一个或多个电压倍增器具有至少一个时钟输入端。
8.按照权利要求7的电压变换器，其特征在于，控制电路被连接到时钟输入端，用于提供时钟信号给电压倍增器，以控制该电压倍增器。
9.按照前述权利要求之一的电压变换器，其特征在于，切换装置是可编程逻辑设备。
10.按照权利要求9的电压变换器，其特征在于操作切换装置作为输出和/或输入电压的函数的编程装置。
11.按照权利要求9或10的电压变换器，其特征在于，编程装置包含软件代码部分，在输入电压不足的情况下能够激活若干一个或多个第一电压倍增器。
12.按照权利要求9-11中的一个的电压变换器，其特征在于，编程装置包含软件代码部分，在输入电压充足的情况下用于禁止从多个电压倍增器中选择的若干电压倍增器。
13.按照权利要求9-12中的一个的电压变换器，其特征在于，编程装置包含软件代码部分，能够从禁止的电压倍增器中选择若干一个或多个另外的电压倍增器，以便以与激活的第一电压倍增器相同的方式切换该另外的电压倍增器。
14.包含如在前述权利要求之一中要求的电压变换器的驱动电路，具体地是一个用于显示设备的驱动电路。
15.如在权利要求14中要求的驱动电路，其工作在0.1mA-10mA的电流负载下。
16.籍助于包含多个级联的电压倍增器的电压变换器来把输入电压变换成输出电压的方法，其特征在于，至少一个从多个电压倍增器中选择的第一电压倍增器被激活，而至少一个在级联中位于第一电压倍增器之前的另外的电压倍增器以与第一电压倍增器相同的方式被切换。
全文摘要
本发明涉及具有增加的电流容量的改进的电压变换器。电压变换器结构可以由软件配置。在现有技术中，可编程的电荷泵被以这样的方式配置，即由译码逻辑来简单地使未使用的级短路。按照本发明，这些级被用来增加第一泵级的电流容量。具体地说，结果是在不需要附加部件以及在同样的面积内，建议的电荷泵装置的电流容量增加了10％－15％。
文档编号H02M7/06GK1647354SQ03808658
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月14日 优先权日2002年4月19日
发明者A·C·内戈伊 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司