專利名稱：一種新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電荷泵技術領域，特別是涉及一種新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路。
背景技術：
電荷泵常被應用于電子產品的驅動電路中，例如內存驅動電路、液晶顯示器(LCD)的背光驅動電路或發光二極管LED驅動電路。電荷泵也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC電壓變換器.它能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產生負電壓，其內部的FET開關陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。如圖I所示，是美國專利US6873203提出的一種基于電荷泵的驅動電路，包括兩個電荷泵，主電荷泵12和從電荷泵14，主電荷泵12具有輸出電壓VI，從電荷泵14具有輸出電壓V2，運算放大器U3的正輸入端接主電荷泵12的輸出端，運算放大器U3的負輸入端接從電荷泵14的輸出端，運算放大器U3的輸出端與PMOS晶體管M2的柵極連接，U3產生的電壓差控制M2的柵極，同時M2的源極連接從電荷泵14的輸出，M2的漏極與接地的恒流源16連接；此外還包括一個線性調整PMOS晶體管M3和電流受控電壓源U4，U4的一個輸入端連接到PMOS晶體管M2的漏極和恒流源16之間，其輸出端連接PMOS晶體管M3的柵極，PMOS晶體管M3的源極和漏極串聯在電源18和兩個電荷泵之間，PMOS晶體管M3的作用是根據電流受控電壓源U4感測的流過M2的電流Imodel與恒流源的基準電流Iref之間的不平衡，調節加在負載上的多余電壓，也就是通過調整M3的柵源電壓Vgs來改變M3的導通電阻以調整它的導通程度，從而讓多余的電壓落在M3上，但是這個晶體管M3在集成電路芯片的制造中是要占用很多額外面積的，因此提高了芯片的制造成本。

實用新型內容本實用新型針對現有技術存在的不足，提供一種新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，不需要額外設置線性調整管，而是通過調整電荷泵中的部分晶體管的導通程度，使這些晶體管來承受多余電壓，極大地節省了芯片版圖面積，降低了芯片制造成本。本實用新型的技術方案是一種新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，包括電荷泵，所述電荷泵的輸出端并聯有負載以及控制負載電流大小的電流源，其特征在于，還包括晶體管導通程度控制電路，所述晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與所述電荷泵中的由MOS管組成的開關陣列的部分MOS管的柵極連接，所述柵極與晶體管導通程度控制電路連接的MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。所述晶體管導通程度控制電路包括順次連接的差分放大器、緩沖器和預驅動器，所述差分放大器的正輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，負輸入端與參考電壓源連接，將電流源上的電壓降與參考電壓做比較，差分放大器比較后的輸出信號經過緩沖器的作用后作為輸入給預驅動器的虛擬地線信號，預驅動器的輸出信號即為控制柵極與預驅動器輸出端連接的MOS管導通程度的低電平時鐘信號。所述電荷泵為工作在1X/1.5X/2X三種工作模式下的多模式電荷泵，包括由6個PMOS管MO、MIA、M1B、M2、M3A、M3B和2個NMOS管M4、M5組成的開關陣列以及兩個泵電容Cl和C2，其中M0、M2、M3A、M3B的柵極與晶體管導通程度控制電路連接，M0、M2、M3A、M3B的源極均連接在電荷泵的輸 入端；M0的漏極直接連接電荷泵的輸出端；M2的漏極連MlA的源極，MlA的漏極連接電荷泵的輸出端；M3A的漏極連M5的漏極，M5的源極再接MlB的源極，MlB的漏極連接電荷泵的輸出端；M3B的漏極接M4的漏極，M4的源極接地；第一泵電容Cl的一端連接在M2的漏極和MlA的源極之間，另一端連接在M3A的漏極和M5的漏極之間；第二泵電容C2的一端連接在M5的源極和MlB的源極之間，另一端連接在M3B的漏極和M4的漏極之間。所述緩沖器為增益為I的運算放大器。所述預驅動器為兩個串聯連接的反相器。所述負載為發光二極管LED。本實用新型的技術效果本實用新型提供的一種新型基于電荷泵的穩壓型驅動電路，相比于現有技術的優勢在于，設置了晶體管導通程度控制電路，與所述電荷泵中的由MOS管組成的開關陣列的部分MOS管的柵極連接，控制電荷泵中的MOS晶體管在導通時不是都處于完全導通的狀態，而是巧妙的調整其中的部分MOS晶體管導通時的柵源電壓Vgs來改變其導通程度，使多余的電壓由這些MOS晶體管共同承受，因此就不再需要一個額外的分擔多余電壓的線性調整管，這樣就極大地節省了芯片版圖面積，降低了芯片制造成本。

圖I是是美國專利US6873203提出的一種基于電荷泵的驅動電路示意圖。圖2是本實用新型的新型基于電荷泵的穩壓型驅動電路實施例示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施例作進一步說明。如圖2所示，一種新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，包括電荷泵，電荷泵的輸出端VOUT并聯有負載以及控制負載電流大小的電流源IL，例如本實施例的負載是發光二極管LED，負載LED由VOUT供電，其電流大小由電流源IL來決定。還包括晶體管導通程度控制電路，晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與電荷泵中的由MOS管組成的開關陣列的部分MOS管的柵極連接，這些柵極與晶體管導通程度控制電路連接的MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。本實施例的晶體管導通程度控制電路包括順次連接的差分放大器Err Amp、緩沖器Buffer和預驅動器Predriver,差分放大器ErrAmp的正輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，負輸入端與參考電壓源連接，電流源上的電壓降即節點FB到地之間的電壓被送入差分放大器ErrAmp，與參考電壓Ref做比較，差分放大器比較后的輸出信號ErrAmp_0ut送到緩沖器Buffer中，緩沖器的作用是把ErrAmp_out信號作為下一級預驅動器Predriver的虛擬地線來使用，輸入給預驅動器Predriver,所以把Buffer的輸出叫做Pseudo_VSS,而不是通常的地線VSS ;預驅動器Predriver的輸出信號即為控制柵極與預驅動器輸出端連接的MOS管導通程度的低電平時鐘信號，本實施例圖2中柵極與預驅動器輸出端連接的MOS管包括M0、M2、M3A、M3B。其中緩沖器可以選擇增益為I的運算放大器，預驅動器可以選擇兩個串聯連接的反相器。這樣，晶體管導通程度控制電路和電荷泵以及負載和其相應的電流源一起構成了完整的閉合環路，使電流源IL的電壓FB總是和Ref保持一致，這樣既保證了驅動電路穩定的工作，而且可以通過調整Ref來調整電流源的電壓，提高了整個驅動電路的效率。更主要的是晶體管導通程度控制電路的控制信號不同于現有技術電荷泵的普通的時鐘控制信號，將它與電荷泵中的部 MOS管的柵極連接，可以使這些MOS管在導通的同時，調整其柵源電壓Vgs來改變它們的導通程度，使它們處于不是完全導通的狀態，即調整它們的導通電阻，讓它們的導通電阻比通常的完全導通情況下要大很多，這樣這些受晶體管導通程度控制電路控制的MOS管可以用來承擔多余的電壓，這也是本實用新型相比于美國專利US6873203的根本優勢，我們知道，電荷泵通常是作為一種升壓變換器，是為了在輸入電壓VIN不夠高的情況下，給負載提供足夠高的輸出電壓VOUT而存在的，而VOUT究竟需要多高的電壓，這是由負載的前向壓降和電流大小來決定的，例如，對于發光二極管LED來說，若電流為20mA，此時LED的前向壓降為3. 5V，若參考電壓Ref設定為0. IV，那么此時只需要3. 6V的輸出電壓V0UT，假設這時候VIN= 3V并且電荷泵工作在I. 5X模式下，理論上I. 5X的電荷泵能提供I. 5*3V = 4. 5V的輸出電壓，這樣這多余的4. 5-3. 6 = 0. 9V應該由誰來承受呢？這就是本實用新型的創新之處，也是相比美國專利US6873203有明顯優勢的地方。在美國專利US6873203中，它用了專門的一個線性調整晶體管M3來承受這部分多余的電壓，可以看到這個M3是和后面的電荷泵串聯在一起的，即通過調整M3的柵源電壓Vgs來改變M3的導通電阻以調整它的導通程度，從而讓多余的電壓落在M3上，而電荷泵中所有的晶體管在導通時都是完全導通的，但是這個晶體管M3是要占用很多額外面積的，因此提高了芯片的制造成本。而在本實用新型中，并不是讓電荷泵中的晶體管在導通時都處于完全導通狀態，而是巧妙地調整其中的部分晶體管導通時的柵源電壓Vgs來改變它們的導通程度，讓多余的電壓由它們共同承受，因此就不再需要一個額外的線性調整管，這樣就極大地節省了版圖面積，降低了芯片成本。當然，為實現對這些MOS管的柵源電壓Vgs的有效控制，要使這些MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。本實用新型的電荷泵為工作在1X/1.5X/2X三種工作模式下的多模式電荷泵，包括由6個PMOS管M0、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2個NMOS管M4、M5組成的開關陣列以及兩個泵電容Cl和C2，其中PMOS管MO、M2、M3A、M3B的柵極與晶體管導通程度控制電路連接，MO、M2、M3A、M3B的源極均連接在電荷泵的輸入端VIN ；PM0S管MO的漏極直接連接電荷泵的輸出端VOUT，PMOS管M2的漏極連PMOS管MlA的源極，MlA的漏極連接電荷泵的輸出端VOUT ；PM0S管3A的漏極連NMOS管M5的漏極，M5的源極再接PMOS管MlB的源極，MlB的漏極連接電荷泵的輸出端VOUT ；PM0S管3B的漏極接NMOS管M4的漏極，M4的源極接地；第一泵電容Cl的一端連接在PMOS管M2的漏極和MlA的源極之間，另一端連接在M3A的漏極和M5的漏極之間；第二泵電容C2的一端連接在M5的源極和MlB的源極之間，另一端連接在M3B的漏極和M4的漏極之間。所述電荷泵的工作原理是這樣該電荷泵有三種工作模式1) IX模式(又稱作I倍模式)，這種情況下，只有MO是常導通的，而M1A，MlB, M2，M3A，M3B，M4是一直都不導通的，這時候輸入電壓VIN直接通過MO傳遞到輸出VOUT，即電荷泵本身是不工作的；2)1.5X模式(又稱作I. 5倍模式)，此模式下MO永遠是不導通的；該模式在時鐘的控制下，電荷泵有兩個工作階段第一充電階段，這時候，M2，M5，M4是導通的，而M3A，M3B, MIA, MlB是不導通的，因此VIN通過M2，Cl，M5，C2，M4到地這條電流通路對電容Cl和C2進行充電，而輸出端VOUT由電容Cout來提供電流；第二 放電階段，這時候，M2, M5, M4是不導通的，而M3A, M3B, MIA, MlB是導通的，因此Cl通過VIN, M3A, MIA, VOUT這條通路對Cout和輸出負載進行放電，C2通過VIN，M3B, MlB, VOUT這條通路對COUT和輸出負載進行放電；在電荷泵達到穩態輸出時，VOUT和VIN的關系是VOUT = I. 5VIN,因此稱為
1.5X模式；3) 2X模式(又稱作2倍模式)，此模式下MO，M2和MlA是永遠都不導通的，同時電容Cl也是閑置不用的，該模式在時鐘的控制下，電荷泵也有兩個工作階段第一充電階段,這時候M3A，M5和M4是導通的，而M3B和MlB是不導通的，因此VIN通過M3A，M5，C2，M4 和地這條電流通路對電容C2進行充電，同時，VOUT靠電容Cout來提供電流。第二 放電階段,這時候M3A，M5和M4是不導通的，而M3B和MlB是導通的，因此C2通過VIN，M3B, MlB,VOUT這條通路對COUT以及輸出負載進行放電。在電荷泵達到穩態輸出時，VOUT和VIN的關系是VOUT = 2VIN,因此稱為2X模式。
權利要求1.一種新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，包括電荷泵，所述電荷泵的輸出端并聯有負載以及控制負載電流大小的電流源，其特征在于，還包括晶體管導通程度控制電路，所述晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與所述電荷泵中的由MOS管組成的開關陣列的部分MOS管的柵極連接，所述柵極與晶體管導通程度控制電路連接的MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接。
2.根據權利要求I所述的新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，其特征在于，所述晶體管導通程度控制電路包括順次連接的差分放大器、緩沖器和預驅動器，所述差分放大器的正輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，負輸入端與參考電壓源連接，將電流源上的電壓降與參考電壓做比較，差分放大器比較后的輸出信號經過緩沖器的作用后作為輸入給預驅動器的虛擬地線信號，預驅動器的輸出信號即為控制柵極與預驅動器輸出端連接的MOS管導通程度的低電平時鐘信號。
3.根據權利要求I或2所述的新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，其特征在于，所述電荷泵為工作在1X/1. 5X/2X三種工作模式下的多模式電荷泵，包括由6個PMOS管MO、M1A、M1B、M2、M3A、M3B和2個NMOS管M4、M5組成的開關陣列以及兩個泵電容Cl和C2，其中M0、M2、M3A、M3B的柵極與晶體管導通程度控制電路連接，M0、M2、M3A、M3B的源極均連接在電荷泵的輸入端；M0的漏極直接連接電荷泵的輸出端；M2的漏極連MlA的源極，MlA的漏極連接電荷泵的輸出端；M3A的漏極連M5的漏極，M5的源極再接MlB的源極，MlB的漏極連接電荷泵的輸出端；M3B的漏極接M4的漏極，M4的源極接地；第一泵電容Cl的一端連接在M2的漏極和MlA的源極之間，另一端連接在M3A的漏極和M5的漏極之間；第二泵電容C2的一端連接在M5的源極和MlB的源極之間，另一端連接在M3B的漏極和M4的漏極之間。
4.根據權利要求2所述的新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，其特征在于，所述緩沖器為增益為I的運算放大器。
5.根據權利要求2所述的新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，其特征在于，所述預驅動器為兩個串聯連接的反相器。
6.根據權利要求3所述的新型的基于電荷泵的穩壓型驅動電路，其特征在于，所述負載為發光二極管LED。
專利摘要本實用新型提供的一種新型基于電荷泵的穩壓型驅動電路，包括電荷泵，電荷泵的輸出端并聯有負載以及控制負載電流大小的電流源，還包括晶體管導通程度控制電路，晶體管導通程度控制電路的輸入端連接在串聯的負載和電流源之間，晶體管導通程度控制電路的輸出端與電荷泵中的部分MOS管的柵極連接，這些MOS管的源極均與電荷泵的輸入端連接；因此可以控制電荷泵中的部分MOS晶體管在導通時不是都處于完全導通的狀態，而是調整這些MOS晶體管導通時的柵源電壓Vgs來改變其導通程度，使多余的電壓由這些MOS晶體管共同承受，因此就不再需要一個額外的分擔多余電壓的線性調整管，極大地節省了芯片版圖面積，降低了芯片制造成本。
文檔編號H02M3/07GK202364120SQ201120403669
公開日2012年8月1日 申請日期2011年10月21日 優先權日2011年10月21日
發明者唐婭, 郝躍國 申請人:唐婭, 郝躍國