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TWI602386B - 電荷泵浦電路 - Google Patents

電荷泵浦電路 Download PDF

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TWI602386B
TWI602386B TW105141481A TW105141481A TWI602386B TW I602386 B TWI602386 B TW I602386B TW 105141481 A TW105141481 A TW 105141481A TW 105141481 A TW105141481 A TW 105141481A TW I602386 B TWI602386 B TW I602386B
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林文琦
吳政達
陳耿男
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矽統科技股份有限公司
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Description

電荷泵浦電路
本發明係關於一種電荷泵浦電路，特別是一種具有切換功能的電荷泵浦電路。
許多的電子產品係必須使用符合規格的工作電壓，才可以驅動內部電路，以達到正常的運作。為了供應適當的工作電壓至電子產品，常見的作法係將電荷泵浦當成升壓電路(Booster)使用，以輸出適合的工作電壓。舉例來說，利用電荷幫浦將低電位的輸入電壓調整成高電位的工作電壓。而其中一種習知的電荷泵浦係為迪克森電荷泵浦(Dickson charge pump)。
迪克森電荷泵浦是由多個二極體與電容器組成的多級電荷泵浦，而每個電容器由時脈訊號驅動。迪克森電荷泵浦的輸入電壓會逐級的升高，藉此提供電子產品所需的高電位輸出電壓。然而，一個迪克森電荷泵浦所具有的多個二極體與電容器的數量係為固定的，也就是說其所具有的級數為固定。在這樣的結構之下，提供一個特定的輸入電壓至該迪克森電荷泵浦時，其只能輸出固定的工作電壓，並無法依據實際產品的需求或規格，隨機地調整工作電壓的電位。
本發明在於提供一種電荷泵浦電路，藉由控制電路所提供的控制信號，以控制切換電路，從而調整輸出工作電壓的電位。
依據本發明之一實施例提供的電荷泵浦電路，包含N個升壓電路，(N-2)個切換電路與控制電路，N為大於2的正整數。其中第k個升壓電路包含單向元件與電容。單向元件具有正端與負端，第k個升壓電路的單向元件正端電性連接至第(k-1)個升壓電路的單向元件的負端。電容具有第一端與第二 端，第一端電性連接至第k個升壓電路的單向元件的負端，k為不大於N的正整數。(N-2)個切換電路中，第(2i-1)個切換電路電性連接第(2i-1)個升壓電路。第(2i-1)個切換電路依據控制信號，選擇性地切換第(2i-1)個升壓電路至第一時脈端或接地端的電流路徑。第2i個切換電路電性連接第2i個升壓電路。第2i個切換電路依據控制信號，選擇性地切換第2i個升壓電路至第二時脈端或接地端的電流路徑。控制電路用以提供控制信號。其中第(N-1)個升壓電路的電容的第二端電性連接第二時脈端。第N個升壓電路的電容的第二端電性連接接地端。
綜合以上所述，本發明所提供的電荷泵浦電路，係設置切換電路，並使切換電路依據控制電路所產生的控制信號，選擇性地切換部分數量的升壓電路至時脈端或接地端的電流路徑，從而可以依據切換的數量調整所需要的輸出電壓。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1‧‧‧電荷泵浦電路
10_1~10_N‧‧‧升壓電路
101_1~101_N‧‧‧單向元件
11_1~11_(N-2)‧‧‧切換電路
12‧‧‧第一時脈產生電路
13‧‧‧第二時脈產生電路
14‧‧‧控制電路
SIG‧‧‧控制信號
GND‧‧‧接地端
TC1‧‧‧第一時脈端
TC2‧‧‧第二時脈端
CLK1‧‧‧第一時脈信號
CLK2‧‧‧第二時脈信號
P1~P4‧‧‧正端
N1~N4‧‧‧負端
K1~K2‧‧‧第一輸入端
Q1~Q2‧‧‧第二輸入端
R1~R2‧‧‧接收端
S1~S2‧‧‧輸出端
T_1‧‧‧電晶體
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
圖1係為依據本發明之一實施例所繪示的電荷泵浦電路的電路架構圖。
圖2係為依據本發明之一實施例所繪示的單向元件的示意圖。
圖3係為依據本發明之一實施例所繪示的第一時脈信號與第二時脈信號的時序圖。
圖4係為依據本發明之另一實施例所繪示的第一時脈信號與第二時脈信號的時序圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根 據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1，係為依據本發明之一實施例所繪示的電荷泵浦電路的電路架構圖。如圖1所示，電荷泵浦電路1包含多個升壓電路10_1~10_N、多個切換電路11_1~11_(N-1)與控制電路14。升壓電路10_1包含單向元件101_1與電容C1。單向元件101_1具有正端P1與負端N1。升壓電路10_2包含單向元件101_2與電容C2。單向元件101_2具有正端P2與負端N2。升壓電路10_3包含單向元件101_3與電容C3。單向元件101_3具有正端P3與負端N3。升壓電路10_4包含單向元件101_4與電容C4。單向元件101_4具有正端P4與負端N4。其餘的升壓電路10_5~10_N亦各別包含單向元件101_(N-5)~101_N與電容C5~CN，於此不再贅述。於實務上，所述的單向元件係為具有單向導電特性的電子元件，於圖1的例子中，電流只能從單向元件的正端流向負端。
於一實施例中，如圖1所示，單向元件包含二極體。以升壓電路10_2舉例說明，當提供輸入電壓Vin至升壓電路10_1時，其電流僅能由單向元件101_1中的二極體的陽極端(也就是正端P1)流向二極體的陰極端(也就是負端N1)。於其他實施例中，單向元件可以是其他具有單向導電特性的電子元件，本發明不以圖1中的二極體為限。請一併參照圖1與圖2，圖2係為依據本發明之一實施例所繪示的單向元件的示意圖。如圖2所示，單向元件10_1包含電晶體T_1，其閘極端連接汲極端而形成一個二極體接法的電晶體(Diode-connected transistor)。此二極體接法的電晶體T1的同樣係具有單向導電特性。可以理解的是，圖2中的單向元件10_1包含電晶體T1係用以方便舉例說明，本發明的其他單向元件10_2~10_N均可以包含二極體接法的電晶體。
升壓電路10_2的單向元件101_2的正端P2電性連接至升 壓電路10_1的單向元件101_1的負端N1。升壓電路10_3的單向元件101_3的正端P3電性連接至升壓電路10_2的單向元件101_2的負端N2。升壓電路10_4的單向元件101_4的正端P4電性連接至升壓電路10_3的單向元件101_3的負端N3。而後續的升壓電路10_5~10_N亦具有相似的連接方式。於圖1的實施例中，升壓電路10_1~10_N分別具有電容C1~CN。電容C1~CN各別具有第一端與一第二端。電容C1~CN的第一端各別對應電性連接升壓電路10_1~10_N的單向元件101_1~101_N的負端。於實務上，升壓電路10_N所包含的電容CN的設置係用以穩壓。於一實施例中，升壓電路10_1~10_(N-1)所具有的電容C1~C(N-1)實質上相同。於一實施例中，升壓電路10_N所具有的電容CN大於升壓電路10_1~10_(N-1)所具有的電容C1~C(N-1)。於另一實施例中，升壓電路10_1~10_N所具有的電容C1~CN係為依序遞增。
第一時脈產生電路12電性連接切換電路10_1、切換電路10_3~10_(N-2)且通過第一時脈端TC1提供第一時脈信號CLK1。第二時脈產生電路13電性連接切換電路10_2、切換電路10_4~10_(N-1)且通過第二時脈端TC2提供第二時脈信號CLK2。具體來說，若以切換電路10_1作為第一個切換電路、以切換電路10_2作為第二個切換電路，後續依此類推的話，便可以理解成，第一時脈產生電路12係電性連接奇數的切換電路，而第二時脈產生電路13係電性連接偶數的切換電路。於一實施例中，請參照圖3，圖3係為依據本發明之一實施例所繪示的第一時脈信號與第二時脈信號的時序圖。如圖3所示，第一時脈端TC1所提供的第一時脈信號CLK1與第二時脈端TC2所提供的第二時脈信號CLK2係互為反向的時脈信號。於另一實施例中，請參照圖4，圖4係為依據本發明之一實施例所繪示的第一時脈信號與第二時脈信號的時序圖。如圖4所示，第一時脈端TC1所提供的第一時脈信號CLK1與第二時脈端TC2所提供的第二時脈信號CLK2係互為非重疊(non-overlapping)的時脈信號。
控制電路14電性連接切換電路11_1~11_(N-2)。控制電路14係用以提供一組控制信號SIG至切換電路11_1~11_(N-2)。於一個例子中，控制電路14是為邏輯電路，能夠通過複雜的邏輯運算，進而產生信號以控制外部電路。升壓電路10_(N-1)的電容的第二端C(N-1)電性連接第二時脈端TC2，升壓電路10_N的電容CN的第二端電性連接接地端GND。切換電路11_1與切換電路11_2分別電性連接升壓電路10_1與升壓電路10_2。切換電路11_1依據控制電路14所產生的該組控制信號SIG，選擇性地切換升壓電路10_1至第一時脈端TC1或接地端GND的電流路徑。切換電路11_2依據控制電路14所產生的該組控制信號SIG，選擇性地切換升壓電路10_2至第二時脈端TC2或接地端GND的電流路徑。具體來說，本發明的電荷泵浦電路，係通過切換升壓電路至時脈端或接地端的電流路徑，進而調整輸出電壓Vout。而其餘的切換電路11_3~11_(N-2)的連接方式與切換原理與前述相同，不再予以贅述。
於製程的實務上，相同的電子產品，例如數位麥克風或是其他需要電荷泵浦供電的電子產品，其每一批產品所需的工作電壓可能不盡相同。舉例來說，第一批的電子產品所需的工作電壓係為11伏特，第二批的電子產品所需的工作電壓係為10伏特，第三批的電子產品所需的工作電壓係為9伏特。為了使每批電子產品都可以接收到符合各自所需的工作電壓，而達到正常運作。可以藉由本發明所提供的電荷泵浦電路，依據產品實際所需要的電壓需求，隨機地調整輸出的電壓，以符合不同批次的電子產品的電壓規格。以一個實際的例子來說，假設第一批電子產品所需要的工作電壓為11伏特。此時可以通過控制電路14發送控制信號SIG，使得切換電路11_1~11_(N-2)切換升壓電路10_1~10_(N-2)至第一時脈端TC1的電流路徑，也就是導通所有奇數的升壓電路10_1~10_(N-2)至第一時脈端TC1的電流路徑。並且使得切換電路11_2~11_(N-1)切換升壓電路10_2~1_(N-1)至第二時脈端TC2的電流路徑，也就是導通所有偶數的升壓 電路10_1~11_(N-1)至第二時脈端TC2的電流路徑。此時，電荷泵浦電路1所能夠提供的輸出電壓Vout大約達到11伏特，以符合第一批電子產品所需的工作電壓的規格。於另一個例子中，假設第二批電子產品所需要的工作電壓為10伏特，其係比第一批電子產品的工作電壓略低。此時，可以通過控制電路14發送控制信號SIG，調整部分的升壓電路10_1~10_(N-2)至第一時脈端TC1的電流路徑，以及調整部分的升壓電路10_2~1_(N-1)至第二時脈端TC2的電流路徑。
更具體的來說，為了提供適當的輸出電壓Vout作為第二批電子產品的工作電壓，電荷泵浦電路1可以依據控制信號SIG，使切換電路11_1切換升壓電路10_1至接地端GND的電流路徑，也就是導通升壓電路10_1至接地端GND的電流路徑。並且使切換電路11_2切換升壓電路10_2至接地端GND的電流路徑，也就是導通升壓電路10_2至接地端GND的電流路徑。而其餘奇數的升壓電路10_3~10_(N-2)與第一時脈端TC1之間的電流路徑保持導通，其餘偶數的升壓電路10_4~10_(N-1)與第二時脈端TC2之間的電流路徑亦保持導通。在這個情況下，相較於應用在第一批電子產品的例子中，電荷泵浦電路1所提供的輸出電壓Vout係為較低的10伏特，以符合第二批電子產品所需的工作電壓。
本領域具有通常知識之人，依據前述的例子可合理推之，假設另有第三批電子產品，其所需的工作電壓係為9伏特，低於前述的第二批電子產品所需的工作電壓。此時，原本應用於第二批電子產品的電荷泵浦電路1，可以進一步地依據控制信號SIG，使切換電路11_3切換升壓電路10_3至接地端GND的電流路徑，也就是導通升壓電路10_3至接地端GND的電流路徑。並且依據控制信號SIG，使切換電路11_4切換升壓電路10_4至接地端GND的電流路徑，也就是導通升壓電路10_4至接地端GND的電流路徑。而其餘的奇數的升壓電路10_5~10_(N-2)與第一時脈端TC1之間的電流路徑保持導通，其餘偶數的升壓電路10_6~10_(N-1)與第 二時脈端TC2之間的電流路徑保持導通。如此一來，電荷泵浦電路1能夠提供更低的輸出電壓Vout為9伏特，以作為第三批電子產品所需的工作電壓。前述所提及的具體電壓值9伏特、10伏特與11伏特僅係作為舉例說明，本發明不以此為限。
於一實施例中，圖1所示的切換電路11_1~11_(N-1)包含有多工器(Multiplexer,MUX)，用以依據控制信號，切換升壓電路至時脈端或接地端的電流路徑。舉例來說，如圖1所示，切換電路11_1具有第一輸入端K1、第二輸入端Q1、輸出端S1與接收端R1。第一輸入端K1電性連接第一時脈電路12的第一時脈端TC1。第二輸入端Q1電性連接接地端GND。輸出端S1電性連接升壓電路10_1。接收端R1電性連接控制電路14。切換電路11_1所包含的多工器依據控制電路14的控制信號，選擇性地導通升壓電路10_1至第一時脈端TC1或接地端GND的電流路徑。而切換電路11_2具有第一輸入端K2、第二輸入端Q2、輸出端S2與接收端R2。第一輸入端K2電性連接第一時脈電路12的第二時脈端TC2。第二輸入端Q2電性連接接地端GND。輸出端S2電性連接升壓電路10_2。接收端R2電性連接控制電路14。切換電路11_2所包含的多工器依據控制電路14的控制信號，選擇性地導通升壓電路10_2至第二時脈端TC2或接地端GND的電流路徑。同樣的原理，切換電路11_3~11_(N-1)所包含的多工器，其所具有的端點以及連接與運作方式與前述例子的多工器相同，故於此不再贅述。
綜合以上所述，本發明所提供的電荷泵浦電路，係藉由切換電路與控制電路的設置，以使切換電路得以依據控制電路所產生的控制信號，依據實際電子產品所需的電壓，選擇性地切換部分數量的升壓電路至時脈端或接地端的電流路徑，進而可以依據切換的數量調整所需要的輸出電壓，以符合電子產品的電壓規格的需求。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1‧‧‧電荷泵浦電路
10_1~10_N‧‧‧升壓電路
101_1~101_N‧‧‧單向元件
11_1~11_(N-2)‧‧‧切換電路
12‧‧‧第一時脈產生電路
13‧‧‧第二時脈產生電路
14‧‧‧控制電路
SIG‧‧‧控制信號
GND‧‧‧接地端
TC1‧‧‧第一時脈端
TC2‧‧‧第二時脈端
P1~P4‧‧‧正端
N1~N4‧‧‧負端
K1~K2‧‧‧第一輸入端
Q1~Q2‧‧‧第二輸入端
R1~R2‧‧‧接收端
S1~S2‧‧‧輸出端
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種電荷泵浦電路，包含：N個升壓電路，N為大於2的正整數，其中第k個升壓電路包含：一單向元件，具有一正端與一負端，該第k個升壓電路的該單向元件的該正端電性連接至第(k-1)個升壓電路的該單向元件的該負端；以及一電容，具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接至該第k個升壓電路的該單向元件的該負端，k為不大於N的正整數；一控制電路，用以提供至少一組控制信號；以及(N-2)個切換電路，其中第(2i-1)個切換電路電性連接第(2i-1)個升壓電路，該第(2i-1)個切換電路依據該組控制信號，選擇性地切換該第(2i-1)個升壓電路至一第一時脈端或一接地端的電流路徑，第2i個切換電路電性連接第2i個升壓電路，該第2i個切換電路依據該組控制信號，選擇性地切換該第2i個升壓電路至一第二時脈端或該接地端的電流路徑，i為正整數且小於；其中第(N-1)個升壓電路的該電容的該第二端電性連接該第二時脈端，第N個升壓電路的該電容的該第二端電性連接該接地端。
  2. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該第一時脈端提供一第一時脈信號，該第二時脈端提供一第二時脈信號，該第二時脈信號與該第一時脈信號反相。
  3. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該第一時脈端提供一第一時脈信號，該第二時脈端提供一第二時脈信號，該第二時脈信號與該第一時脈信號係為非重疊。
  4. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中每一切換電路包含一多工器，該多工器具有一第一輸入端、一第二輸入端、一輸出端與一接收端，每一切換電路的該多工器的該接收端電性連接該控制電路，該第(2i-1)個切換電路的該多工器的該第一輸入端電性連接該第一時脈端，且該第二輸入端電性連接該接地端，該輸出端電性連接第(2i-1)個升壓電路，該第2i個切換電路的該多工器的該第一輸入端電性連接該第二時脈端，且該第二輸入端電性連接該接地端，該輸出端電性連接該第2i個升壓電路。
  5. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該單向元件為一二極體。
  6. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該單向元件為一二極體接法電晶體。
  7. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該第N個升壓電路的電容大於該第(N-1)升壓電路的電容。
  8. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該第1個至第(N-1)個升壓電路的電容實質相同。
  9. 如請求項1所述的電荷泵浦電路，其中該第1個至第N個升壓電路的電容依序遞增。
TW105141481A 2016-12-14 2016-12-14 電荷泵浦電路 TWI602386B (zh)

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