專利名稱：監(jiān)控電荷泵的外部電容器的溫度依賴性以及基于此的改進電荷泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括具有外部電容器的電荷泵的設備。
背景技術：
在許多集成電路中，需要電荷泵。典型地，將電荷泵用于提供大約是電源電壓m倍的輸出電壓(m＝2，3，4，…)。
如果采用m級電容器(C)，將現(xiàn)有技術完全集成于多級Dickson電荷泵的版本，該Dickson電荷泵近似于將電源電壓(Vdd)乘于m因子。例如，需要外部級電容器C，以便能夠獲得大約為95％范圍內的高功率效率。當使用顯示出溫度依賴性的外部電容器時，具有缺點。不僅電容器的值隨著溫度變化，而且電容器的DC漏電流受溫度影響。對于高質量的電容器，在-55℃到+85℃的溫度范圍內，其值變化為±10％。對于低成本的電容器，典型地，其溫度依賴性比較高。這導致Dickson電荷泵在較低溫度時增益降低，反過來降低了電荷泵的功率效率。
在許多應用中，經(jīng)常需要比電源高的電壓。如上所述，將電荷轉移到作為容性負載的外部電容器，從而在電荷泵中獲得增加的電壓電平。電荷泵通常操作于高頻率電平，以便在用于電荷轉移的全部電容的合理大小內增加其輸出功率。可以通過對功率需求中的變化進行補償并節(jié)約傳遞給電荷泵的能量，來對此操作頻率進行調整。
在電荷泵的許多設計方法中，諸如上面所提到的Dickson電荷泵的原理的開關電容器電路非常普及，因為這種電路可以與集成系統(tǒng)中的其他元件一起在同一個芯片上實現(xiàn)。在圖1中，演示了傳統(tǒng)的Dickson電荷泵10的示例。
如果將MOS晶體管用作開關來代替二極管D1-Dm(參見圖1)，則通過接通以及斷開這些MOSFET開關來操作Dickson電荷泵，這些MOSFET開關對多個外部(級)電容器C進行充電和放電，該電容器C用于將能量轉移到輸出負載。每個級的增益ΔV可以如下表示ΔV=(CC+CS)Vdd-Iout(C+CS)·fosc]]>如果在輸出負載上給出了由Cout和RL所表示的預充電值Vin，這導致了m級電荷泵的輸出電壓Vout，如以下方程所示Vout＝Vin+m·ΔV。
如果級電容器C是外部設備，那么溫度依賴性C＝f(T)可以非常高。例如，這表示較低溫度下的C值可能只是室溫時的一半。這反過來表示具有相同負載電流條件(Iout)的增益ΔV將減小。對于許多應用，這是無法接受的。
從電荷泵的拓撲屬性、電壓增益以及動態(tài)屬性開始，到其效率和功率考慮的改進，存在對涉及電荷泵的實際實現(xiàn)的不同問題的關注。如果采用外部電容器，要考慮的一個重要的問題是上面提到的溫度依賴性。迄今為止，尚未提出令人滿意的解決方案來處理這些外部電容器的值的溫度誘發(fā)變化。
傳統(tǒng)的電荷泵電路使用固定的切換頻率，這導致由于負載小于額定負載的功率效率的下降。在C-C.Wang等的論文“Efficiencyimprovement in charge pump circuits”，IEEE Journal of Solid StateCircuits，vol.32，no.6，第852-860頁，1997年6月中提出了設計上的努力。根據(jù)這篇論文，建議了特定的電路構造，以便在需要負載電流變化的情況下隨時調整電荷泵的切換頻率。然而，這篇論文并沒有對溫度誘發(fā)的影響進行處理。

發(fā)明內容
因此，考慮到上述，本發(fā)明的目的是提供具有改進溫度穩(wěn)定性的電荷泵。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種設備，該設備可以用于與電荷泵的連接，以便能夠對溫度誘發(fā)的影響進行補償。
通過這里所描述并請求保護的發(fā)明，減少或消除了如上所述的已知系統(tǒng)的這些缺點。
在權利要求1中請求保護根據(jù)本發(fā)明的設備。在權利要求2到9中請求保護各種有利的實施例。
本發(fā)明是基于以下認識可以通過增加電荷泵的切換頻率，來對外部級電容器的值的溫度誘發(fā)減少進行補償。因此，可以再次將增益ΔV看成近似常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包括具有外部基準電容器的監(jiān)控電路的設備。將該監(jiān)控電路設計用于與多級電荷泵連接，該多級電荷泵具有m個外部級電容器，并且外部基準電容器具有與多級電荷泵的外部級電容器相同的值。該多級電荷泵包括多個增益級(也就是所謂的外部級電容器)，用于對外部級電容器進行充電和放電，以便在輸出端提供所需要的輸出電壓。所需要的輸出電壓比電荷泵的電源電壓高。由所述電荷泵內部的開關來影響充電和放電。由具有特定切換頻率的切換信號來控制這些開關。提供上面所提到的監(jiān)控電路，以便能夠對所述外部基準電容器的值的溫度誘發(fā)變化進行監(jiān)控。此外，采用用于調整切換頻率的裝置，以便對所述電荷泵的增益變化進行補償，所述電荷泵的增益變化是由所述m個外部電容器的值的變化引起的。
本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點將在隨后的描述中給出，并部分從描述中顯而易見。


為了更完整地對本發(fā)明及其另外的目的和優(yōu)點進行描述，參考下列描述，并結合附圖，在附圖中圖1示出了傳統(tǒng)的Dickson電荷泵的示意性方框圖；圖2A示出了本發(fā)明的實施例的第一部分的示意性方框圖；圖2B示出了圖2A中的實施例的另一部分的示意性方框圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明對負載模式和測量模式的示例進行演示的時序圖；圖4A示出了，在溫度T＝T0保持不變的情況下，根據(jù)本發(fā)明對外部電容器上的電壓進行演示的電壓相對于時間的圖；圖4B示出了，在溫度T減小到T1的情況下，根據(jù)本發(fā)明對外部電容器上的電壓進行演示的電壓相對于時間的圖；圖4C示出了，在溫度T減小到T2的情況下，根據(jù)本發(fā)明對外部電容器上的電壓進行演示的電壓相對于時間的圖；圖4D示出了，在溫度T減小到T3的情況下，根據(jù)本發(fā)明對演示外部電容器上的電壓進行演示的電壓相對于時間的圖；圖5示出了本發(fā)明的設備的示意性方框圖。
具體實施例方式
如上所述，Dickson電荷泵10的每個級的增益ΔV可以如下所示ΔV=(CC+Cs)Vdd-Iout(C+Cs)·fosc---(1)]]>如果在溫度下降時電容C的值減小，則增益ΔV將隨著上面方程(1)中第二項的增大而減小。對于許多應用，這是無法接受的。如果同時增大了切換頻率fosc，則可以實現(xiàn)對增益的溫度誘發(fā)減少的補償。增大的切換頻率fosc能夠對電容器C的減少值進行補償。應注意的是，為了完備性，在上述方程(1)中包括了寄生電容Cs。
為了能夠提供對上述影響的積極補償，需要能夠監(jiān)控外部級電容器C的實際電容。根據(jù)本發(fā)明，建議了一種監(jiān)控電路，用于監(jiān)控一個或多個m外部級電容器C的溫度依賴性。這是可能的，因為可以忽略電容器的電壓依賴性。
在圖2A中演示了根據(jù)本發(fā)明的這種監(jiān)控電路20的第一實施例。如圖2A所示，監(jiān)控電路20包括計數(shù)器&邏輯塊11。存在兩個開關Sload和Smess。計數(shù)器&邏輯塊11在輸出端11.1處輸出切換信號。將此信號施加于開關Smess，以便閉合這個開關。存在反向器15，用于對切換信號進行反向，以便確定在開關Smess閉合時Sload打開，并且反之亦然。存在一組多個比較器12.1到12.3，其輸入側連接到外部基準電容器13(C)。這個外部基準電容器13(Cref)具有與多級電荷泵的級電容器C相等的值。存在位于電源電壓Vdd和地之間的相等的多個電阻器R。這些電阻器R作為將電源電壓分成相等電壓的分壓器。將電阻器R的特定排列稱為梯形電阻。將外部基準電容器13(Cref)兩端的實際電壓VC與電阻器R兩端的不同電壓進行比較。即，三個比較器12.1-12.3與電阻器R一起作為3比特的數(shù)字-模擬轉換器。三個比較器12.1-12.3的每一個具有獨立的輸出端，標為b0，b1和b2。如圖2B所示，這三條輸出線b0，b1，b2連接到解碼器單元17。這個解碼器單元17將從比較器12.1-12.3接收到的3比特字作為輸入信號，并使得振蕩器18在輸出端19處改變切換頻率fosc。
如結合方程(1)所討論的，增加切換頻率fosc能夠對外部級電容器13的減少值對電荷泵增益的影響進行補償。
計數(shù)器&邏輯塊11驅動圖2A中的兩個開關以及圖2B中的開關Smess。圖2B中的開關Sload和Smess，與電容器R、三個比較器12.1-12.3、以及電流源16一起都是監(jiān)控單元20的重要元件。這里，將解碼器17與振蕩器18一起稱為用于調整切換頻率fosc的裝置30。
因為在大多數(shù)情況下，溫度誘發(fā)對于多級電荷泵內部的級電壓和電荷泵的輸出電壓的影響是緩慢的，可以在諸如10s之后測量外部基準電容器Cref的值。如圖3所示，監(jiān)控電路20可以將在tl之后從負載模式切換到測量模式，然后在持續(xù)了例如10s的超時時間段tm期間執(zhí)行測量。在超時時間段tm之后，監(jiān)控電路10切換回負載模式。如圖3所示，測量模式僅僅是負載模式非常小的一部分。
在監(jiān)控電路20處于負載模式的同時，開關Sload閉合，而開關Smess打開。由于開關的這種特定的設置，對外部基準電容器Cref進行充電，直到其節(jié)點的電壓VC達到電源電壓Vdd為止。如果采用高歐姆p型MOSFET晶體管作為開關Sload，則以幾μA的非常小的電流只需要幾毫秒就可以對外部基準電容器Cref進行完全充電。一旦外部基準電容器Cref完全充電，則其節(jié)點兩端的電壓VC保持在Vdd(假設沒有負載在放電)。
此時，將監(jiān)控電路20切換到測量模式，在其中開關Sload打開，而開關Smess閉合。
如果超時時間段tm的持續(xù)時間固定，那么最大電壓降ΔVmess只取決于電流源16所提供的電流I以及由溫度誘發(fā)變化引起的外部基準電容器Cref值。
參考圖4A到圖4D，以便根據(jù)實際示例對其進行演示。在圖4A中，示出了溫度T具有值T0的情況。溫度T0使得外部基準電容器Cref值發(fā)生微小變化，并且因此忽略電壓降ΔVmess。即，如圖4A所示，電壓VC只是稍微減小到V0。在這種情況下，沒有觸發(fā)比較器12.1-12.3，并且輸出側的3比特字是“000”。
如果外部基準電容器Cref的溫度T下降到T1，外部基準電容器Cref的值變小，并且電壓降ΔVmess變得很明顯。這反過來表示電壓VC下降到V1。在這種情況下，觸發(fā)第一比較器12.1，并且輸出側的3比特字是“100”。電壓V1是第一比較器12.1的閾值電壓。
此時，隨著溫度進一步降低(T達到溫度T1，T2＜T1)，外部基準電容器Cref的值繼續(xù)變小，而電壓降ΔVmess變大。圖4C中對此進行了描述。在這種情況下，觸發(fā)第一比較器12.1和第二比較器12.2，并且輸出側的3比特字是“110”。電壓V2是第二電容器12.2的閾值電壓。
在圖4D中，示出了極端情況，在其中溫度T非常低(T達到溫度T3，T3＜T2＜T1)。此時，外部基準電容器Cref的值甚至更小，而電壓降ΔVmess很大。在這種情況下，觸發(fā)所有的三個比較器12.1-12.3，并且輸出側的3比特字是“111”。電壓V3是第三比較器12.3的閾值電壓。
圖4A到4D的示例夸大并簡化了情況，以便能夠更好地對監(jiān)控電路20的功能進行描述。
因此，監(jiān)控電路20的輸出側的3比特字是對外部基準電容器Cref處的實際電壓降ΔVmess的表示。
根據(jù)本發(fā)明，通過調整切換功率fosc對這個電壓降ΔVmess進行補償。如上所述，用于調整切換頻率fosc的裝置30包括解碼器17和振蕩器18。如果開關Smess閉合，則解碼器17將3比特字轉換成用于轉發(fā)給振蕩器18的信號。本實施例中的振蕩器18可以假設四種不同的狀態(tài)。在第一狀態(tài)(1)中，切換頻率fosc是電荷泵的正常切換頻率。隨著對于外部基準電容器Cref的值的溫度誘發(fā)影響的增加，切換頻率fosc也增大。第二狀態(tài)(2)的切換頻率fosc大于第一狀態(tài)(1)，第三狀態(tài)(3)的切換頻率fosc大于第二狀態(tài)(2)，以及第四狀態(tài)(4)的切換頻率fosc大于第三狀態(tài)(3)。
優(yōu)選地，定義不同狀態(tài)(1)到(4)的不同切換頻率fosc，使得即使在溫度T改變時，方程(1)的第二項也保持不變。
如果外部級電容器C以及對應的外部基準電容器Cref是高質量電容器(溫度變化時，只顯示出小偏差)，或者如果將這里所提出的電荷泵用于溫度穩(wěn)定或進行特定測量以保持溫度穩(wěn)定的環(huán)境下，監(jiān)控電路20將總是輸出3比特字“000”。在這種情況下，電荷泵將總是操作于正常切換頻率fosc(狀態(tài)1)。
實現(xiàn)振蕩器18，使得其保持在最近的測量模式期間所編寫的頻率。例如，如果最近的測量模式顯示了沒有溫度偏差影響電容器的值，那么振蕩器18保持當前的切換頻率fosc(狀態(tài)1)。只有在測量模式期間檢測到溫度偏差，并且因此3比特字發(fā)生變化的情況下，切換頻率fosc才會改變。
在目前存在的實施例中，只使用三個比較器12.1-12.3來實現(xiàn)粗柵格。對于許多應用，這是足夠的。如果只采用很少的比較器，則可以忽略電容器的靜態(tài)偏移，并且梯形電阻的失配誤差不具有任何干擾影響。此外，由開關Sload和Smess所引起的切換尖峰(pike)也是可以忽略不計的。
可以根據(jù)需要對當前所述的實施例進行修改。例如，可以采用更多比較器，以便更嚴密地監(jiān)控和檢測外部基準電容器Cref的電壓VC的變化。
可以按照許多不同的方式來實現(xiàn)計數(shù)器&邏輯塊11。計數(shù)器&邏輯塊11可以包括硬件實現(xiàn)的計數(shù)器，該計數(shù)器計數(shù)到特定數(shù)量，然后在輸出端11.1輸出用于切換開關Sload和Smess的切換信號。例如，在計數(shù)器&邏輯塊11中可以包括邏輯裝置，因此可以通過施加使能信號來激活這個塊11。在更復雜的實施例中，對計數(shù)器&邏輯塊11進行設計，使得其被編程。這向消費者提供了定義超時時間段tm的靈活性。例如，可以通過使用已知的VHDL語言來對計數(shù)器&邏輯塊11進行描述/設計。
這里提出了監(jiān)控電路20的優(yōu)點可以將高歐姆梯形電阻和電容器的電流消耗固定在非常低的點上。這是可能的，因為電容器不需要被設計成快速切換。對于電容器而言，足以在超時時間段tm內作出反應。因此，整個監(jiān)控電路20是低功率電路。
在本發(fā)明的另一個實施例中，電流源16是可編程的電流源。這允許了根據(jù)與其連接的外部基準電容器Cref的種類和大小來對根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控電路20進行定制。這使得監(jiān)控電路20更加通用。然后，使用監(jiān)控電路20的消費者可以在指定了其意欲使用的電容器之后，對電流源16進程編程。
只要滿足以下條件，則也可以使用外部基準電容器Cre，該外部基準電容器Cref的值小于或大于外部級電容器C的值-Cref＝nC，其中n為整數(shù)，而由電流源16流出的電流I在這種情況下為I＝nI；或者-Cref＝C/k，其中k為整數(shù)，而由電流源16流出的電流I在這種情況下為I＝I/k。
在圖5中仍然描述了另一個實施例。在此圖中，示出了包括多級電荷泵10的設備40，多級電荷泵10具有用于驅動由Cout和RL表示的負載的輸出端41。例如，可以將此輸出端連接到顯示驅動芯片的高電壓端口。電荷泵10包括具有m個級電容器C的m個增益級。電荷泵10在輸出端41處提供了輸出電壓Vout，輸出電壓Vout大于提供給電荷泵10的電源電壓Vdd。由開關(例如MOSFET開關)影響充電和放電，該開關由具有切換頻率fosc的切換信號控制。將監(jiān)控電路20用于對外部基準電容器Cref的值的溫度誘發(fā)變化進行監(jiān)控。存在用于調整切換頻率fosc的裝置30，以便對所述電荷泵10的增益變化進行補償，所述電荷泵10的增益變化是由外部級電容器C的值的變化引起的。與外部基準電容器Cref相比，外部級電容器C的電壓依賴性的影響對于監(jiān)控電路20的精確度是可以忽略不計的。
可以將本發(fā)明用于與允許通過調整切換頻率來影響增益的所有電荷泵的連接。本發(fā)明非常適用于Dickson型的電荷泵的組合或積分部分。
具有監(jiān)控電路以及用于調整切換頻率的裝置的電荷泵，特別適于用于顯示驅動器。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種裝置，用于啟用對連接到電荷泵的外部電容器C的溫度依賴性的檢測。不時地執(zhí)行對應的監(jiān)控過程?；诖吮O(jiān)控過程的結果，執(zhí)行對溫度誘發(fā)變化的補償。根據(jù)本發(fā)明，通過調整電荷泵的切換頻率來進行上述行為。
認為以下是本發(fā)明的優(yōu)點新建議的結構不需要更大的外部電容器，更大的外部電容器的成本比較小電容器的成本高。此外，可以節(jié)省芯片面積，因為可以將外部級電容器的內部驅動器造得更小，以便適配于更小的級電容器。
根據(jù)本發(fā)明的電荷泵具有改進的性能。由于需要較少的外部電容器，減少成本是可能的。如果與傳統(tǒng)的電荷泵相比，還可以使用本發(fā)明來減小軌跡(footprint)(芯片面積)。
可以通過監(jiān)控外部電容器的溫度依賴性以及調整切換功率來實現(xiàn)新的電荷泵，以便補償增益的溫度誘發(fā)損失。
可以理解，為了清楚起見，在單獨實施例的上下文中描述的本發(fā)明的各個特征，還可以以單個實施例的組合來提供。相反地，為了簡明起見，還可以單獨地或以任意適當?shù)淖咏M合來提供單個實施例的上下文中所描述的本發(fā)明的各個特征。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例已在附圖和說明中加以說明，雖然使用了特定術語，但是給出的描述僅在普遍以及描述性的意義上使用術語，而非限制性的目的。
權利要求
1.一種設備(40)，包括-多級電荷泵(10)，具有用于連接負載(Cout，RL)的輸出端(41)，所述電荷泵(10)包括具有m個外部級電容器(C)的m個增益級，其中m為大于1的整數(shù)，用于對所述外部級電容器(C)進行充電和放電，以便在所述輸出端(41)處提供大約是所述電荷泵(10)的電源電壓(Vdd)m倍的輸出電壓(Vout)，由開關影響所述充電和放電，所述開關由具有切換頻率(fosc)的切換信號控制，-至少一個外部基準電容器Cref，-監(jiān)控電路(20)，用于對所述外部基準電容器(Cref)的值的溫度誘發(fā)變化進行監(jiān)控，-裝置(30)，用于對所述切換頻率(fosc)進行調整，以便對所述電荷泵(10)的增益變化進行補償，所述電荷泵(10)的增益變化是由所述m個外部級電容器(C)的值的變化引起的。
2.如權利要求1所述的設備(40)，其中，所述監(jiān)控電路(20)包括-多個比較器(12.1-12.3)，-以串聯(lián)配置的多個電阻器(R)，-計數(shù)器(11)，-以及由所述計數(shù)器(11)所控制的開關(Smess，Sload)。
3.如權利要求2所述的設備(40)，其中，所述計數(shù)器(11)不時地將所述監(jiān)控電路(20)切換到測量模式。
4.如權利要求3所述的設備(40)，其中，在所述測量模式期間，所述監(jiān)控電路(20)監(jiān)控外部基準電容器(Cref)兩端的電壓降(ΔVmess)，并提供具有若干比特的輸出(b0，b1，b2)，由此所述輸出(b0，b1，b2)取決于所述電壓降(ΔVmess)。
5.如權利要求4所述的設備(40)，其中，用于調整所述切換頻率(fosc)的所述裝置(30)包括解碼器(17)和可調振蕩器(18)，所述解碼器(17)被設計為對所述輸出(b0，b1，b2)進行處理，并產生用于使所述振蕩器(18)調整所述切換頻率(fosc)的信號。
6.如權利要求1所述的設備(40)，其中，所述監(jiān)控電路(20)包括電流源(16)，優(yōu)選為可調或可編程電流源。
7.如前述權利要求之一所述的設備(40)，其中，所述開關是MOSFET開關。
8.如權利要求1到6之一所述的設備(40)，其中，所述電荷泵(10)包括連接成二極管形式的多個MOSFET晶體管或MOSFET開關。
9.如權利要求8所述的設備(40)，其中，所述電荷泵(10)是Dickson型的電荷泵或基于Dickson原理的電荷泵。
全文摘要
一種設備(40)，包括具有用于連接負載(C
文檔編號H02M3/04GK101095275SQ200580045555
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權日2004年12月30日
發(fā)明者弗蘭德伯特·里德爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司