专利名称：监控电荷泵的外部电容器的温度依赖性以及基于此的改进电荷泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括具有外部电容器的电荷泵的设备。
背景技术：
在许多集成电路中，需要电荷泵。典型地，将电荷泵用于提供大约是电源电压m倍的输出电压(m＝2，3，4，…)。
如果采用m级电容器(C)，将现有技术完全集成于多级Dickson电荷泵的版本，该Dickson电荷泵近似于将电源电压(Vdd)乘于m因子。例如，需要外部级电容器C，以便能够获得大约为95％范围内的高功率效率。当使用显示出温度依赖性的外部电容器时，具有缺点。不仅电容器的值随着温度变化，而且电容器的DC漏电流受温度影响。对于高质量的电容器，在-55℃到+85℃的温度范围内，其值变化为±10％。对于低成本的电容器，典型地，其温度依赖性比较高。这导致Dickson电荷泵在较低温度时增益降低，反过来降低了电荷泵的功率效率。
在许多应用中，经常需要比电源高的电压。如上所述，将电荷转移到作为容性负载的外部电容器，从而在电荷泵中获得增加的电压电平。电荷泵通常操作于高频率电平，以便在用于电荷转移的全部电容的合理大小内增加其输出功率。可以通过对功率需求中的变化进行补偿并节约传递给电荷泵的能量，来对此操作频率进行调整。
在电荷泵的许多设计方法中，诸如上面所提到的Dickson电荷泵的原理的开关电容器电路非常普及，因为这种电路可以与集成系统中的其他元件一起在同一个芯片上实现。在图1中，演示了传统的Dickson电荷泵10的示例。
如果将MOS晶体管用作开关来代替二极管D1-Dm(参见图1)，则通过接通以及断开这些MOSFET开关来操作Dickson电荷泵，这些MOSFET开关对多个外部(级)电容器C进行充电和放电，该电容器C用于将能量转移到输出负载。每个级的增益ΔV可以如下表示ΔV=(CC+CS)Vdd-Iout(C+CS)·fosc]]>如果在输出负载上给出了由Cout和RL所表示的预充电值Vin，这导致了m级电荷泵的输出电压Vout，如以下方程所示Vout＝Vin+m·ΔV。
如果级电容器C是外部设备，那么温度依赖性C＝f(T)可以非常高。例如，这表示较低温度下的C值可能只是室温时的一半。这反过来表示具有相同负载电流条件(Iout)的增益ΔV将减小。对于许多应用，这是无法接受的。
从电荷泵的拓扑属性、电压增益以及动态属性开始，到其效率和功率考虑的改进，存在对涉及电荷泵的实际实现的不同问题的关注。如果采用外部电容器，要考虑的一个重要的问题是上面提到的温度依赖性。迄今为止，尚未提出令人满意的解决方案来处理这些外部电容器的值的温度诱发变化。
传统的电荷泵电路使用固定的切换频率，这导致由于负载小于额定负载的功率效率的下降。在C-C.Wang等的论文“Efficiencyimprovement in charge pump circuits”，IEEE Journal of Solid StateCircuits，vol.32，no.6，第852-860页，1997年6月中提出了设计上的努力。根据这篇论文，建议了特定的电路构造，以便在需要负载电流变化的情况下随时调整电荷泵的切换频率。然而，这篇论文并没有对温度诱发的影响进行处理。
发明内容
因此，考虑到上述，本发明的目的是提供具有改进温度稳定性的电荷泵。
本发明的另一个目的是提供一种设备，该设备可以用于与电荷泵的连接，以便能够对温度诱发的影响进行补偿。
通过这里所描述并请求保护的发明，减少或消除了如上所述的已知系统的这些缺点。
在权利要求1中请求保护根据本发明的设备。在权利要求2到9中请求保护各种有利的实施例。
本发明是基于以下认识可以通过增加电荷泵的切换频率，来对外部级电容器的值的温度诱发减少进行补偿。因此，可以再次将增益ΔV看成近似常数。
根据本发明，提供了一种包括具有外部基准电容器的监控电路的设备。将该监控电路设计用于与多级电荷泵连接，该多级电荷泵具有m个外部级电容器，并且外部基准电容器具有与多级电荷泵的外部级电容器相同的值。该多级电荷泵包括多个增益级(也就是所谓的外部级电容器)，用于对外部级电容器进行充电和放电，以便在输出端提供所需要的输出电压。所需要的输出电压比电荷泵的电源电压高。由所述电荷泵内部的开关来影响充电和放电。由具有特定切换频率的切换信号来控制这些开关。提供上面所提到的监控电路，以便能够对所述外部基准电容器的值的温度诱发变化进行监控。此外，采用用于调整切换频率的装置，以便对所述电荷泵的增益变化进行补偿，所述电荷泵的增益变化是由所述m个外部电容器的值的变化引起的。
本发明的附加特征和优点将在随后的描述中给出，并部分从描述中显而易见。
为了更完整地对本发明及其另外的目的和优点进行描述，参考下列描述，并结合附图，在附图中图1示出了传统的Dickson电荷泵的示意性方框图；图2A示出了本发明的实施例的第一部分的示意性方框图；图2B示出了图2A中的实施例的另一部分的示意性方框图；图3示出了根据本发明对负载模式和测量模式的示例进行演示的时序图；图4A示出了，在温度T＝T0保持不变的情况下，根据本发明对外部电容器上的电压进行演示的电压相对于时间的图；图4B示出了，在温度T减小到T1的情况下，根据本发明对外部电容器上的电压进行演示的电压相对于时间的图；图4C示出了，在温度T减小到T2的情况下，根据本发明对外部电容器上的电压进行演示的电压相对于时间的图；图4D示出了，在温度T减小到T3的情况下，根据本发明对演示外部电容器上的电压进行演示的电压相对于时间的图；图5示出了本发明的设备的示意性方框图。
具体实施例方式
如上所述，Dickson电荷泵10的每个级的增益ΔV可以如下所示ΔV=(CC+Cs)Vdd-Iout(C+Cs)·fosc---(1)]]>如果在温度下降时电容C的值减小，则增益ΔV将随着上面方程(1)中第二项的增大而减小。对于许多应用，这是无法接受的。如果同时增大了切换频率fosc，则可以实现对增益的温度诱发减少的补偿。增大的切换频率fosc能够对电容器C的减少值进行补偿。应注意的是，为了完备性，在上述方程(1)中包括了寄生电容Cs。
为了能够提供对上述影响的积极补偿，需要能够监控外部级电容器C的实际电容。根据本发明，建议了一种监控电路，用于监控一个或多个m外部级电容器C的温度依赖性。这是可能的，因为可以忽略电容器的电压依赖性。
在图2A中演示了根据本发明的这种监控电路20的第一实施例。如图2A所示，监控电路20包括计数器&逻辑块11。存在两个开关Sload和Smess。计数器&逻辑块11在输出端11.1处输出切换信号。将此信号施加于开关Smess，以便闭合这个开关。存在反向器15，用于对切换信号进行反向，以便确定在开关Smess闭合时Sload打开，并且反之亦然。存在一组多个比较器12.1到12.3，其输入侧连接到外部基准电容器13(C)。这个外部基准电容器13(Cref)具有与多级电荷泵的级电容器C相等的值。存在位于电源电压Vdd和地之间的相等的多个电阻器R。这些电阻器R作为将电源电压分成相等电压的分压器。将电阻器R的特定排列称为梯形电阻。将外部基准电容器13(Cref)两端的实际电压VC与电阻器R两端的不同电压进行比较。即，三个比较器12.1-12.3与电阻器R一起作为3比特的数字-模拟转换器。三个比较器12.1-12.3的每一个具有独立的输出端，标为b0，b1和b2。如图2B所示，这三条输出线b0，b1，b2连接到解码器单元17。这个解码器单元17将从比较器12.1-12.3接收到的3比特字作为输入信号，并使得振荡器18在输出端19处改变切换频率fosc。
如结合方程(1)所讨论的，增加切换频率fosc能够对外部级电容器13的减少值对电荷泵增益的影响进行补偿。
计数器&逻辑块11驱动图2A中的两个开关以及图2B中的开关Smess。图2B中的开关Sload和Smess，与电容器R、三个比较器12.1-12.3、以及电流源16一起都是监控单元20的重要元件。这里，将解码器17与振荡器18一起称为用于调整切换频率fosc的装置30。
因为在大多数情况下，温度诱发对于多级电荷泵内部的级电压和电荷泵的输出电压的影响是缓慢的，可以在诸如10s之后测量外部基准电容器Cref的值。如图3所示，监控电路20可以将在tl之后从负载模式切换到测量模式，然后在持续了例如10s的超时时间段tm期间执行测量。在超时时间段tm之后，监控电路10切换回负载模式。如图3所示，测量模式仅仅是负载模式非常小的一部分。
在监控电路20处于负载模式的同时，开关Sload闭合，而开关Smess打开。由于开关的这种特定的设置，对外部基准电容器Cref进行充电，直到其节点的电压VC达到电源电压Vdd为止。如果采用高欧姆p型MOSFET晶体管作为开关Sload，则以几μA的非常小的电流只需要几毫秒就可以对外部基准电容器Cref进行完全充电。一旦外部基准电容器Cref完全充电，则其节点两端的电压VC保持在Vdd(假设没有负载在放电)。
此时，将监控电路20切换到测量模式，在其中开关Sload打开，而开关Smess闭合。
如果超时时间段tm的持续时间固定，那么最大电压降ΔVmess只取决于电流源16所提供的电流I以及由温度诱发变化引起的外部基准电容器Cref值。
参考图4A到图4D，以便根据实际示例对其进行演示。在图4A中，示出了温度T具有值T0的情况。温度T0使得外部基准电容器Cref值发生微小变化，并且因此忽略电压降ΔVmess。即，如图4A所示，电压VC只是稍微减小到V0。在这种情况下，没有触发比较器12.1-12.3，并且输出侧的3比特字是“000”。
如果外部基准电容器Cref的温度T下降到T1，外部基准电容器Cref的值变小，并且电压降ΔVmess变得很明显。这反过来表示电压VC下降到V1。在这种情况下，触发第一比较器12.1，并且输出侧的3比特字是“100”。电压V1是第一比较器12.1的阈值电压。
此时，随着温度进一步降低(T达到温度T1，T2＜T1)，外部基准电容器Cref的值继续变小，而电压降ΔVmess变大。图4C中对此进行了描述。在这种情况下，触发第一比较器12.1和第二比较器12.2，并且输出侧的3比特字是“110”。电压V2是第二电容器12.2的阈值电压。
在图4D中，示出了极端情况，在其中温度T非常低(T达到温度T3，T3＜T2＜T1)。此时，外部基准电容器Cref的值甚至更小，而电压降ΔVmess很大。在这种情况下，触发所有的三个比较器12.1-12.3，并且输出侧的3比特字是“111”。电压V3是第三比较器12.3的阈值电压。
图4A到4D的示例夸大并简化了情况，以便能够更好地对监控电路20的功能进行描述。
因此，监控电路20的输出侧的3比特字是对外部基准电容器Cref处的实际电压降ΔVmess的表示。
根据本发明，通过调整切换功率fosc对这个电压降ΔVmess进行补偿。如上所述，用于调整切换频率fosc的装置30包括解码器17和振荡器18。如果开关Smess闭合，则解码器17将3比特字转换成用于转发给振荡器18的信号。本实施例中的振荡器18可以假设四种不同的状态。在第一状态(1)中，切换频率fosc是电荷泵的正常切换频率。随着对于外部基准电容器Cref的值的温度诱发影响的增加，切换频率fosc也增大。第二状态(2)的切换频率fosc大于第一状态(1)，第三状态(3)的切换频率fosc大于第二状态(2)，以及第四状态(4)的切换频率fosc大于第三状态(3)。
优选地，定义不同状态(1)到(4)的不同切换频率fosc，使得即使在温度T改变时，方程(1)的第二项也保持不变。
如果外部级电容器C以及对应的外部基准电容器Cref是高质量电容器(温度变化时，只显示出小偏差)，或者如果将这里所提出的电荷泵用于温度稳定或进行特定测量以保持温度稳定的环境下，监控电路20将总是输出3比特字“000”。在这种情况下，电荷泵将总是操作于正常切换频率fosc(状态1)。
实现振荡器18，使得其保持在最近的测量模式期间所编写的频率。例如，如果最近的测量模式显示了没有温度偏差影响电容器的值，那么振荡器18保持当前的切换频率fosc(状态1)。只有在测量模式期间检测到温度偏差，并且因此3比特字发生变化的情况下，切换频率fosc才会改变。
在目前存在的实施例中，只使用三个比较器12.1-12.3来实现粗栅格。对于许多应用，这是足够的。如果只采用很少的比较器，则可以忽略电容器的静态偏移，并且梯形电阻的失配误差不具有任何干扰影响。此外，由开关Sload和Smess所引起的切换尖峰(pike)也是可以忽略不计的。
可以根据需要对当前所述的实施例进行修改。例如，可以采用更多比较器，以便更严密地监控和检测外部基准电容器Cref的电压VC的变化。
可以按照许多不同的方式来实现计数器&逻辑块11。计数器&逻辑块11可以包括硬件实现的计数器，该计数器计数到特定数量，然后在输出端11.1输出用于切换开关Sload和Smess的切换信号。例如，在计数器&逻辑块11中可以包括逻辑装置，因此可以通过施加使能信号来激活这个块11。在更复杂的实施例中，对计数器&逻辑块11进行设计，使得其被编程。这向消费者提供了定义超时时间段tm的灵活性。例如，可以通过使用已知的VHDL语言来对计数器&逻辑块11进行描述/设计。
这里提出了监控电路20的优点可以将高欧姆梯形电阻和电容器的电流消耗固定在非常低的点上。这是可能的，因为电容器不需要被设计成快速切换。对于电容器而言，足以在超时时间段tm内作出反应。因此，整个监控电路20是低功率电路。
在本发明的另一个实施例中，电流源16是可编程的电流源。这允许了根据与其连接的外部基准电容器Cref的种类和大小来对根据本发明的监控电路20进行定制。这使得监控电路20更加通用。然后，使用监控电路20的消费者可以在指定了其意欲使用的电容器之后，对电流源16进程编程。
只要满足以下条件，则也可以使用外部基准电容器Cre，该外部基准电容器Cref的值小于或大于外部级电容器C的值-Cref＝nC，其中n为整数，而由电流源16流出的电流I在这种情况下为I＝nI；或者-Cref＝C/k，其中k为整数，而由电流源16流出的电流I在这种情况下为I＝I/k。
在图5中仍然描述了另一个实施例。在此图中，示出了包括多级电荷泵10的设备40，多级电荷泵10具有用于驱动由Cout和RL表示的负载的输出端41。例如，可以将此输出端连接到显示驱动芯片的高电压端口。电荷泵10包括具有m个级电容器C的m个增益级。电荷泵10在输出端41处提供了输出电压Vout，输出电压Vout大于提供给电荷泵10的电源电压Vdd。由开关(例如MOSFET开关)影响充电和放电，该开关由具有切换频率fosc的切换信号控制。将监控电路20用于对外部基准电容器Cref的值的温度诱发变化进行监控。存在用于调整切换频率fosc的装置30，以便对所述电荷泵10的增益变化进行补偿，所述电荷泵10的增益变化是由外部级电容器C的值的变化引起的。与外部基准电容器Cref相比，外部级电容器C的电压依赖性的影响对于监控电路20的精确度是可以忽略不计的。
可以将本发明用于与允许通过调整切换频率来影响增益的所有电荷泵的连接。本发明非常适用于Dickson型的电荷泵的组合或积分部分。
具有监控电路以及用于调整切换频率的装置的电荷泵，特别适于用于显示驱动器。根据本发明，提供了一种装置，用于启用对连接到电荷泵的外部电容器C的温度依赖性的检测。不时地执行对应的监控过程。基于此监控过程的结果，执行对温度诱发变化的补偿。根据本发明，通过调整电荷泵的切换频率来进行上述行为。
认为以下是本发明的优点新建议的结构不需要更大的外部电容器，更大的外部电容器的成本比较小电容器的成本高。此外，可以节省芯片面积，因为可以将外部级电容器的内部驱动器造得更小，以便适配于更小的级电容器。
根据本发明的电荷泵具有改进的性能。由于需要较少的外部电容器，减少成本是可能的。如果与传统的电荷泵相比，还可以使用本发明来减小轨迹(footprint)(芯片面积)。
可以通过监控外部电容器的温度依赖性以及调整切换功率来实现新的电荷泵，以便补偿增益的温度诱发损失。
可以理解，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的各个特征，还可以以单个实施例的组合来提供。相反地，为了简明起见，还可以单独地或以任意适当的子组合来提供单个实施例的上下文中所描述的本发明的各个特征。
本发明的优选实施例已在附图和说明中加以说明，虽然使用了特定术语，但是给出的描述仅在普遍以及描述性的意义上使用术语，而非限制性的目的。
权利要求
1.一种设备(40)，包括-多级电荷泵(10)，具有用于连接负载(Cout，RL)的输出端(41)，所述电荷泵(10)包括具有m个外部级电容器(C)的m个增益级，其中m为大于1的整数，用于对所述外部级电容器(C)进行充电和放电，以便在所述输出端(41)处提供大约是所述电荷泵(10)的电源电压(Vdd)m倍的输出电压(Vout)，由开关影响所述充电和放电，所述开关由具有切换频率(fosc)的切换信号控制，-至少一个外部基准电容器Cref，-监控电路(20)，用于对所述外部基准电容器(Cref)的值的温度诱发变化进行监控，-装置(30)，用于对所述切换频率(fosc)进行调整，以便对所述电荷泵(10)的增益变化进行补偿，所述电荷泵(10)的增益变化是由所述m个外部级电容器(C)的值的变化引起的。
2.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述监控电路(20)包括-多个比较器(12.1-12.3)，-以串联配置的多个电阻器(R)，-计数器(11)，-以及由所述计数器(11)所控制的开关(Smess，Sload)。
3.如权利要求2所述的设备(40)，其中，所述计数器(11)不时地将所述监控电路(20)切换到测量模式。
4.如权利要求3所述的设备(40)，其中，在所述测量模式期间，所述监控电路(20)监控外部基准电容器(Cref)两端的电压降(ΔVmess)，并提供具有若干比特的输出(b0，b1，b2)，由此所述输出(b0，b1，b2)取决于所述电压降(ΔVmess)。
5.如权利要求4所述的设备(40)，其中，用于调整所述切换频率(fosc)的所述装置(30)包括解码器(17)和可调振荡器(18)，所述解码器(17)被设计为对所述输出(b0，b1，b2)进行处理，并产生用于使所述振荡器(18)调整所述切换频率(fosc)的信号。
6.如权利要求1所述的设备(40)，其中，所述监控电路(20)包括电流源(16)，优选为可调或可编程电流源。
7.如前述权利要求之一所述的设备(40)，其中，所述开关是MOSFET开关。
8.如权利要求1到6之一所述的设备(40)，其中，所述电荷泵(10)包括连接成二极管形式的多个MOSFET晶体管或MOSFET开关。
9.如权利要求8所述的设备(40)，其中，所述电荷泵(10)是Dickson型的电荷泵或基于Dickson原理的电荷泵。
全文摘要
一种设备(40)，包括具有用于连接负载(C
文档编号H02M3/04GK101095275SQ200580045555
公开日2007年12月26日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月30日
发明者弗兰德伯特·里德尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司