200818673 HD-2006-0020-TW 20964twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電荷幫浦，且特別是有關於一種 電荷幫浦電路及其控制電路。 【先前技術】 在電子裝置中，往往需要各種不同準位的電源電壓， 因此常配置電荷幫浦(Charge pump)電路以便利用現有的電 源電壓來產生各種不同準位的電源電壓。 ” 一般在设计電源升壓電路時，最直接的方法是使用升 壓ic去構成升壓電路(boost circuit)。如果在驅動電流 (driving cu腦够大的情況之下(<3〇mA)，使用電荷幫浦電 路是最簡單的方法。但是使用電·浦電路有—個缺點， 就是比起使用升壓電路有較大的漣波雜訊(ripplen〇ise)，尤 其是在輸入電壓愈接近輸出電壓時。 、圖"會示為習知的電荷幫浦電路。如圖i所示，電荷 幫浦電路包括-控制器100與—電荷幫浦單元⑻。控制 杰100包含一控制單元CU10與一比較器〇ρι〇。電荷幫浦 單元ιοί包含一電容n 102與多個開關swu、簡3、 SW14、SW15 〇 圖2、，曰示為圖1之動作波形圖。請同時參考圖1與圖 2，習知的電荷幫浦電路動作原理是使用psM(puise獅
Mention，脈波省略調變)去控制電容器ι〇2的充放電時 間°㈣2所^初始時’輸出電壓VGUt的電壓值較小， 比UP1G正輸人端的電壓小於負輸人端的預設電壓 Vref，此時内部震盈器會產生一時脈訊號去控制開關 200818673 HD-2006-0020-TW 20964twf.doc/n SW11、SW13、SW14、SW15 的導通狀態；當開關 SW11、 SW14導通時，開關swi3、SW15不導通，此時輸入電壓 Vm開始對電容器1〇2充電；當開關SWU、SW14導通時， 開關SW13、SW15會不導通，此時電容器102開始對負載 電容C11放電，負載電容C11兩端之輸出電壓vout為輸 入電壓Vin加上電容器1〇2之電壓。 電容器102所儲存之電荷會隨著時間損耗而使得電容 器102之電壓值下降，導致輸出電壓v〇ut下降。重複數個 充放電週期，直到輸出電壓V〇ut的電壓值上升，比較器 ΟΡΙΟ正輸入端的電壓大於負輸入端的預設電壓Vref。此 時PSM脈波開始作用，開關SW11、SW14保持不導通， 開關SW13、SW15保持導通。當輸出電壓v〇ut下降，比 較器ΟΡΙΟ正輸入端的電壓再度小於負輸入端的預設電壓
Vref之後’ PSM脈波再將開關swi卜SW12、SW13、 SW15的導通狀態反向，使輸入電壓vin重新開始對電容 為102充電，使輸出電壓v〇ut再度上升，比較器〇pl〇正 輸入端的電壓再度大於負輸入端的預設電壓
Vref〇PSM 脈 波會重複此動作，將輸出電壓v〇ut維持在一定電壓值。 為了更突顯習知電荷幫浦電路的缺點，假設輸入電壓 Vm為5V’所需輸出電壓v〇ut為8V，因此目標電容器ι〇2 的電壓為3V。-開始由内部震盤器反覆切換開_ swu、 SW13、SWM、SWI5對電容器1〇2充電，使電容器1〇2 之電壓大於3V，也就是使輸出電壓v〇ut大於8V。 然而習知電荷幫浦電路在對電容器1〇2充電時，由於 200818673 HD-2006-0020-TW 20964twf.doc/r 缺少一個控制電路，電容器102會被過度充電至5V，也 是輸入電壓Vin的電壓準位，使得輪出電壓在開關swi3、 SW15導通的同時為爾。待電容$ 1〇2的電壓下降至w 以下’ PSM脈波控制開關SW13、SW15不導通、swi卜 SW14導通，輸入電壓Vin會重新對電容器1〇2充 容器H)2會再度被過度充電至sv，使得輸出電壓再 ιον。因此在PSM脈波反覆對電容器1〇2充電的過程^ ^生漣=訊至少為2V ’輸人電壓％越接近輸 Vout ’漣波雜訊越嚴重。 ％ i 【發明内容】 本發明的目的就是在提供一種控制電路， :，端之電壓大小去控制電荷幫浦單元以峨容； ’且根據電荷幫浦單元的輸出端的 ； 谷為的放電時間，減少漣波雜訊。 、疋冤 本發_再—目的是提供—㈣前料路， 制輸人端之電壓大小去控制電荷幫浦單= 電電ί根據電荷幫浦單元的輪出端的 穩^决疋電μ的放電時間’穩定輸出電壓，增加系統 ^發明提出—種控制電路，此控制電路係控制 此電荷幫浦單元包括-電容器。控制電路包: 控㈣器。控制輸入端接收-輸入電壓 ^根據控制輸人端之電壓大小去控制電荷 〜疋電容器的充電時間，且根攄雷，¥ _ 70以 且根據電何幫浦早几的輸出端的 7 200818673 HD-2UU6-0020-TW 20964hvf.doc/n 電壓值決定電容器的放電時間。 依照本發明的較佳實施例所述之控制電路，上述電荷 幫浦單元更包括一第一開關，且控制器包括一第一比較器 以及一控制單元。第一開關耦接於電容器與一輸入電壓之 間。第一比較為將控制輸入端的電壓與一鋸齒波作比較 後’ ^出一脈寬調變信號。控制單元根據此脈寬調變信號 的狀悲，決定第一開關的導通狀態。 c o 抑依照本發明的較佳實施例所述之控制電路，上述控制 裔更士括一第二比較器與一控制單元。第二比較器將電荷 幫浦單兀所輸出的電壓與一預設電壓作比較後，輸出一控 制k號。上述控制單元根據此控制信號決定電容器 與否。 本發明更提出-種電荷幫浦電路，此電前浦電路係 匕括一輸入端、-輸出端、一電荷幫浦單元以及一控制電 路二輸入端耦接至一輸入電壓。輸出端輸出一輸出電壓， =!出電壓大於輸入電壓。電荷幫浦單元耦接於輸入 t輸出端之間，包括至少—電容器。控 之間’此控制電路包括-控制輸入端 =5制輸人雜接至輸人端。㈣輸 入wVln之電黯婦電容器的充 電壓v⑽的㈣值決定電容器的放電時間。_輸出 依照本發明的較佳實施例所述之電荷幫 電荷幫浦單元更包括一第一開冑 ，述 乐開關，且控制器包括一第一比 8 200818673 HU^UU〇-0020-TW 20964twf.doc/n 較為以及一控制單元。第一開關耦接於電容器與一輸入電 壓之間。第一比較器將輸入電壓與一鋸齒波作比較後，輪 出-脈寬崎錢。控鮮元根據脈寬難信號的狀態， 決定第一開關的導通狀態。 依照本發明的較佳實施例所述之電荷幫浦電路，上述 控制器更包括-第二比較器以及一控制單元。第二比較器 將，出電壓與-預設電壓作比較後，輸出一控制信號。控 〔制單元根據控制信號的邏輯狀態，決定電容器的放電與否。 本發明因採用控制器根據控制輸入端之電壓值控制電 荷絮浦單元，進而調整電容器的充電時間，且根據電荷幫 浦單元的輸出端的電壓值決定電容器的放電時間，因此 到減少漣波雜訊的目的。 “為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易馇，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 明如下。 ^ 【實施方式】 由於先前技術的電路架構僅利用一個比較器，將輸出 端的電壓與參考電壓比較，輸出—控制信號至—控制單 $ ’以控制電容器的充放電時間，會造成電容器的過度充 ^，產生較大的漣波雜訊。因此本發明提出一種電荷幫浦 %路及其控制電路，用以獲得較良好之電容器充放電時間 控制’減少漣波雜訊，使電荷幫浦電路有較好輸出電壓表 現。以下便以實施例來說明本發明。 圖3繪不為本發明實施例之電荷幫浦電路的電路圖。 200818673 HU-2UU0-0020-TW 20964t\vf.d〇c/n 如圖3所不’電荷幫浦電路包括電荷幫浦單元3〇1及本發 明實施例的控制電路。電荷幫浦單元3G1包括至少一電容 ^302 與數個關 SW3l、SW33、SW34、sw354_ 貫施例的控制電路包括—控制器3⑼以及一控制輸入端 303。控制器300包括一第一比較器〇p3〇、一第二比較器 OP31以及-控制單兀CU3()。㈣輸入端3⑽減到輸入 雷懕νΐη。
第一比杈ΟΡ30將控制輸入端3〇3的電壓與一鑛齒 波vi作比較，輸出一脈寬調變信號CT3〇。第二比較哭 OPS1 ’其將電荷幫浦單元3〇1的輸出端電壓與一預設電^ V2比較之後輸出一控制信號CT31。控制單元c㈣根據 脈寬調變信號CT30與控制信號CT31決定開關撕卜 SW33、SW34、SW35的導通狀態。換句話說，控制單元 CU30根據脈寬調變信號CT3〇與控制信號CT3丨控制 器302之充放電時間。 圖4繪示為圖3之動作波形圖。請同時參考圖3與圖 4,初始電路之電容器3〇2的電壓值小於一門限電壓，^制 單元CU30根據脈寬調變信號CT30與控制信號cT3! ^制 電容器302之充放電時間，重複數個週期直到電容器^〇2 的電壓值大於門限電壓，之後同時應用PSM技術以及 PWM(Pulse Width Modulation，脈波寬度調變)技術之脈波 將電容器302維持在門限電壓之上。 /
比較圖4與習知圖2下方開關SW31、SW34的導通狀 態動作波形，本圖4實施例同時應用PS]VI技術以及PWM 200818673 HU-2U06-0020-TW 20964twf.doc/n 技術，以控制電荷幫浦單元3〇1 ;目2習知技術則是僅應 用PSM技術來控制電荷幫浦單元1〇1。本實施例之動作原 理為當控制輸入端303所耦接到的輸入電壓Vin較大時， 同牯應用PSM技術以及PWM技術之脈波（下文簡稱 PSM+PWM脈波)的工作週期(duty cyde)會變小；反之，當 輸入電壓Vin較小時，PSM+PWM脈波的工作週期會變 大。如此一來，在當輸入電壓Vin增大時，輸出電壓 (' 的漣波雜訊不會跟著提高，且在輸入電壓Vin下降時，增 加的PSM+PWM脈波的責任週期，能讓電容器3〇2在充電 過程中獲得較多的能量。 如圖4上方所示，電容器302之充放電所產生的漣波 雜訊，本實施例在同時應用PSM技術以及PWM技術之 後，車父習知技術僅應用PSM技術來控制電荷幫浦單元 101，所產生之漣波雜訊為小。 為了更突顯此實施例電荷幫浦電路及其控制電路的優 點’假设一開始的輸入電壓Vin為5 V，所需輸出電壓v〇ut 〇 為8V’因此目標電容器302的電壓為3V。一開始控制單 元CU3 0根據脈寬調變信號CT3 0與控制信號CT3丨切換開 關SW31、SW33、SW34、SW35的導通狀態，使電容器 302充電至3V。 此實施例在對電容器302充電時，由於控制器300新 加入一個比較器OP30,電容器302不會被過度充電至5V。 控制電路300將輸入端303的電壓值(也就是輸入電壓vin 的電壓值)與鋸齒波VI比較，控制電容器302的充電時 200818673 HD-2006-0020-TW 20964twf.doc/n 間，使電容器302不至於充電至3.5V，即輸出電壓在開關 SW33、SW35導通的同時僅為約8.5V。待電容器302的電 壓下降至3V以下，PSM+PWM脈波脈波控制開關SW33、 SW35不導通、SW31、SW32、SW34導通，輸入電壓Vin 會重新對電容器302充電，電容器302會再度被充電至約 3.5V，使得輸出電壓再度為約8,5V。因此本實施例在同時 應用PSM技術以及PWM技術之後，產生漣波雜訊僅為約 0.5V，較習知的電荷幫浦電路為低。 經過一段時間之後，假設在時間tl時，輸入電壓Vin 增加為6V’則比較裔OP30將控制輸入端303的電壓值(也 就是輸入電壓Vin的電壓值)與鋸齒波vi比較後，指示控 制單元CU30會減少PSM+PWM脈波脈波的工作週期，使 電容器302的充電時間縮短，使得電容器302亦僅會充電 至約3.5V，因而輸出電壓Vout之漣波雜訊不會隨輸入電 壓Vin增加而增加。 再經過一段時間之後’假設在時間t2，輸入電壓vin 減少為4V，則比較器〇P3〇指示控制單元CU3〇增加 PSM+PWM脈波脈波的工作週期，使電容器3〇2的充電時 間延長，因此可控制電容器302充電至約3.5V，使得電容 器302不會隨輸入電壓Vin之減少而充電不足，維持輸出 電壓Vout穩定。 值得一提的是，雖然上述實施例中已經對電荷幫浦電 路及其控制電路描繪出了一些可能的型態，但在本領域具 有通常知識者應知，各廠商對於控制電路的設計方式都不 12 200818673 nu-zuuo-0020-TW 20964^f.d〇c/n 二樣’因此本發明之應用當不限制於此種可能的型態。換 言之，只要是控制電路的控制輸入端3〇3接收一輸又電壓 二二以及控制器3〇〇根據控制輸入端3〇3之電壓值調整電 容器302的充電時間，且根據電荷幫浦單元3〇1的輸= 電壓值決定電容器3〇2的放電時間，就已經是符合 明的精神所在。 x 接下來將舉出另一種實施例以便本領域具有通常知識 ^ 者能輕易施行本發明。 圖5繪示為本發明另一實施例之電荷幫浦電路的電路 圖。如圖5所示，電荷幫浦電路包括電荷幫浦單元5〇丨與 本發明實施例的控制電路。本發明實施例的控制電路包^ 一控制輸入端503以及控制器500。控制器5〇〇包括一第 一比較器ΟΡ50、一第二比較器〇Ρ51以及一控制單元 CU50。圖5與圖3不同之處在於圖5之電荷幫浦單元5〇卜 其包括電容器502與504,以及開關SW51、SW53、SW54、 SW55、SW56、SW57 與 SW58。 j 第一比較器0p50將控制輸入端503的電壓與一鋸齒 波vi作比較，輸出一脈寬調變信號CT50。第二比較器 OP51 ’其將電荷幫浦單元501的輸出端電壓與一預設電壓 V2比較之後輸出一控制信號CT51。控制單元CU5〇根據 脈寬調變信號CT50與控制信號CT51決定開關SW51、 SW53、SW54、SW55、SW56、SW57 與 SW58 的導通狀 態。換句話說，控制單元CU50根據脈寬調變信號CT50 與控制信號CT51控制電容器502與504之充放電時間。 13 200818673 HD-2006-0020-TW 20964t\vf.doc/n 圖5的電路與圖3的不同之處在於圖5的電荷幫浦單 元501是採用了 3倍壓電路架構的實施例，在本領域具有 通常知識者應當知道，其操作細節如同圖3實施例中的2 倍壓電路架構所述，故在此不予贅述。另外，本發明之應 用不應只侷限於2倍壓、3倍壓電荷幫浦電路結構，4倍壓、 5倍壓乃至任意倍壓皆可應用本發明及其衍生之各種實施 例去降低漣波雜訊。 、 f
綜上所述，本發明控制電路因採用控制器根據控制輸 之電【值控制電;^幫浦單^，進而調整電容器的充電 時間’且根據電荷幫浦單元的輸出端的電壓值 的放電時間，因此可達到減少漣波雜訊，並且增= 穩定性。 电峪的 雖然本發明已經以較佳實施例揭露如上，然 以限疋本發明，任何所屬技術領域具有通常知識者、/ 定者 範圍内，當可作些許之更動與潤掷， 為準。x 圍當視後社t料利範圍所界 【圖式簡單說明】 圖1缘示為習知的電荷幫浦電路。 圖示為圖1之動作波形圖。 電路的電路圖。 幫浦電路的電路 圖3~不為本發明實施例之電荷幫浦 圖4繪示為圖3之動作波形圖。 圖5纷不為本發明另-實施例之電荷 14 200818673 HD-2006-0020-TW 20964twf.doc/n 【主要元件符號說明】 100、 300、500 ··控制器 101、 3(U、5〇1 :電荷幫浦單元 102、 302、502、504 :電容器 303、503 :控制輸入端
Vin :輸入電壓 SW11、SW13、SW14、SW15、SW31、SW33、SW34、 SW35、SW51、SW53、SW54、SW55、SW56、SW57、 SW58 :開關 CU10、CU30、CU50 :控制單元 ΟΡΙΟ、OP30、OP3卜 OP50、OP51 :比較器 R10、Rll、R30、R31、R32、R33、R50、R51、R52、 R53 :電阻 C1卜C31、C51 :負載電容 Vout :輸出電壓 VI :鋸齒波 V2 :預設電壓 CT30、CT50 :脈寬調變信號 CT31、CT51 :控制信號 15