一种应用于Micro-LED显示驱动的高效率低纹波电荷泵

本发明涉及电荷泵，尤其是一种应用于micro-led显示驱动的高效率低纹波电荷泵。

背景技术：

1、micro-led继承了oled的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，并且具自发光无需背光源的特性，更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。在micro-led驱动芯片中电源管理系统模块的功能是将锂电池所提供的输入电压转换成micro-led屏幕上像素点电路的栅极驱动电压及芯片内部各模块所需要的电源电压。由于锂电池电压不足，无法满足micro-led显示驱动的供电需求，需要引入电荷泵进行升降压，如图7所示。电荷泵电路凭借其高集成度和低功耗的优点为micro-led驱动芯片中电源管理系统的首选方案。

2、然而，目前micro_led显示驱动所采用的电荷泵，是一种传统的调节输出电压方案，输出纹波较大，效率低，极大影响micro-led显示效果。

3、图1所示的是现有技术中一种稳压调节方式的电荷泵的电路示意图。其中， n级电荷泵核心电路，它通过电容充放电将电荷泵的电荷存储到电荷泵输出端vout的负载电容cl中，rl是电荷泵输出端vout的等效负载电阻。rf1和rf2是用于电荷泵输出电压分压的电阻串联，反馈电压（或分压）vfb通过迟滞比较器comp与参考电压vref进行比较，比较结果输出到压控振荡器的输入端，压控振荡器根据反馈结果增大或减小频率以获得目标输出电压。

4、当vfb大于vref时，迟滞比较器comp输出比较结果flg为低电平。此时，压控振荡器的频率会减小，n级电荷泵核心电路向输出端vout的泵电荷也会减小，rl和rf1、rf2的电流使得cl存储的电荷净流出输出端vout。由于输出端vout的电压开始下降，vfb也会下降。当vfb低于vref-vhys（vhys为迟滞比较器comp的迟滞电压）时，comp输出的比较结果flg变为高电平，压控振荡器的频率会增大，电荷泵开始向输出端vout的泵电荷增加，流入cl的净电流大于0，输出端vout的电压上升。随着输出端vout的电压上升，vfb也会上升。当vfb升高到大于vref时，又会触发comp的输出信号flg变为低电平，电荷泵向输出端vout泵电荷减小，周而复始。

5、反馈电压vfb会在(vref-vhys)到vref的区间反复升降，输出端vout的电压会在[(vref-vhys) * (rf1+rf2) /rf2]到[vref* (rf1+rf2) /rf2]之间反复升降。当vhys足够小时，输出端vout的电压上下波动幅度(即纹波)可以减小到应用能够接受的程度，可以作为固定输出电压的电压值被调节好，用于实际应用中。

6、但是，在图1所示的稳压调节的电荷泵中，它通过改变控制信号的频率，保持了电压源vin对泵电容充电或者泵电容对输出电容充电的时间一定，而改变了另一种工作状态的时间。当压控振荡器的频率较高时，电荷泵电路产生的输出电压提高；反之，当控制信号的频率降低时，电荷泵电路产生的输出电压降低。然而，由于频率的不稳定性，输出电压的纹波变化较大。在负载电流增加时，频率增加，电荷泵开关管的开关次数增加，效率进一步降低。

7、针对以上问题，本发明提供一种应用于micro-led显示驱动的新型电荷泵电路和实现方法，在满足精确调节目标输出电压情况下，提高效率和降低输出纹波，适用于micro-led显示驱动。

技术实现思路

1、本发明提出一种应用于micro-led显示驱动的高效率低纹波电荷泵，能在满足精确调节目标输出电压情况下，提高效率和降低输出纹波，适用于micro-led显示驱动。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种应用于micro-led显示驱动的高效率低纹波电荷泵，所述电荷泵的控制环路包括低压差线性稳压器、误差放大器系统和缓冲器；低压差线性稳压器的输入端与误差放大器系统的输出端相连，输出端与缓冲器的第一输入端相连；所述缓冲器的时钟控制端接入振荡器电路的占空比信号，输出端与电荷泵核心模块的控制端相连，通过控制n级电荷泵核心模块，调节电荷泵的输出端电荷量，从而精确控制micro-led显示驱动电路的输出电压；

4、电荷泵工作时的输出电压通过分压电路反馈到误差放大器系统，以误差放大器系统输出的误差信号作为参考电压施加到低压差线性稳压器，根据micro-led显示驱动的负载条件来改变和更新缓冲器输入电压，最后为micro-led显示驱动提供稳定的输出电压。

5、所述电荷泵包括以下部件：

6、电压源v1，其提供初始电压给电荷泵的输入端vin；

7、振荡器，其用于提供占空比信号；

8、n级电荷泵核心模块，其电路输入端与电荷泵的输入端vin相连，其输出端与电荷泵的输出端vout相连，所述n级电荷泵核心模块以电容为储能元件，将所述电压源提供的初始电压转换为输出电压，且该输出电压通过所述电荷泵的输出端输出，即基于电压源v1提供的初始电压向电荷泵的输出端vout泵电荷；

9、分压电路，其连接于所述电荷泵的输出端和接地端之间，并提供反馈电压；

10、误差放大器系统，其第一输入端接收所述反馈电压，其第二输入端接收参考电压，其输出端输出反馈结果；

11、预启动电路，其输入端接收所述分压电路的反馈电压，其输出端为电荷泵电压初始化提供初始参考电压；

12、低压差线性稳压器，其电路的输入端与误差放大器系统的输出端相连，输出端输出电压为输入端电压的两倍；

13、缓冲器，其第一输入端与低压差线性稳压器的输出端相连，其时钟控制端接占空比信号，其输出端与电荷泵核心模块的控制端相连，根据目标输出电压，控制n级电荷泵核心模块向电荷泵的输出端泵电荷。

14、所述电荷泵核心模块包括能动态偏置电压的交叉耦合结构，其采用能实现低压输入、高压输出的cmos低压工艺。

15、所述分压电路包括第一分压电阻rf1和第二分压电阻rf2，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻串联于所述电荷泵的输出端和接地端之间；

16、电荷泵的输出端vout和接地端之间还接有负载电容cl、负载电阻rl，负载电容cl为电容器件或是其他元器件的寄生等效电容；负载电阻rl为电阻器件或是其他元器件的寄生等效电阻。

17、所述误差放大器系统包括电流基准、电阻、上钳位电路以及跨导运算放大器ota；电流基准与电阻用于提供低压差线性稳压器的初始输入电压；上钳位电路用于防止误差放大器系统的输出电压过大；跨导运算放大器ota用于提供精确的反馈电流；

18、误差放大器的第一输入端接受反馈信号vfb，第二输入端接受信号vref，ota通过比较vfb和vref的大小后，通过其输出端输出反馈电流ifb，最终误差放大器系统输出vref_ldo，以公式表述为：

19、。

20、所述电流基准和电阻基于运放电压跟随原理产生不随工艺变化的初始输入电压；

21、所述上钳位电路的电路结构采用正反馈的比较器结构以加快反馈钳位速度与精度。

22、所述预启动电路根据micro-led显示驱动的目标输出电压，输出对应的参考电压；具体为：预启动电路由比较器，反相器以及二选一比较器组成，根据输出电压的大小，动态调整参考电压vref_ldo；

23、低压差线性稳压器其输入端接收预启动电路的输出端vref_ldo，当两个反馈电阻rl1和rl2阻值相同时，由反馈理论得出以下公式：

24、；

25、基于上述公式来使低压差线性稳压器的输出端输出电压vbuffer能够用于控制缓冲器的时钟幅度；

26、所述预启动电路中，多个反相器级联组成反相器链电路，其中每个反相器的输出都连接到下一个反相器的输入，其输入端接入振荡器的时钟信号，其控制端接入的输出端vbuffer，其输出端输出调节后的时钟信号。

27、当电荷泵建立初始电压并输出电压vref_1v时，所述预启动电路的二选一比较器对vfb与vref_1v进行比较，vfb小于vref_1v时，二选一选择器输出vref1，即vref_ldo=vref1为预启动电路提供的初始参考电压；

28、当vfb大于vref_1v时，二选一选择器输出vref2，即vref_ldo=vref2,快速建立目标输出电压vout；

29、当输出负载电流增大使电荷泵的输出电压vout减小，此时vout通过反馈电阻rf1和rf2进行检测， vfb减小，误差放大器系统将对vfb和参考电压vref进行误差比较，其输出的vref_ldo将设置为低压差线性稳压器的参考电压，使得vbuffer增大，此时缓冲器的控制端接受到vbuffer，最终时钟控制信号clk_cp的幅度增大，时钟幅度增大的结果导致电荷泵核心电路向输出端vout增加泵电荷，以维持目标输出电压vout；反之，当输出负载电流的减小，电荷泵的输出电压vout增大，此时vout通过反馈电阻rf1和rf2进行检测，vfb增大，误差放大器系统将对vfb和参考电压vref进行误差比较，其输出的vref_ldo将设置为低压差线性稳压器的参考电压，使得vbuffer减小，此时缓冲器的控制端接受到vbuffer，使得时钟控制信号clk_cp的幅度减小，时钟幅度增大的结果导致电荷泵核心电路向输出端vout减小泵电荷，以维持目标输出电压vout。

30、所述低压差线性稳压器电路，根据反馈原理以及输入与分压网络的关系来稳定目标输出；

31、所述缓冲器采用反相器链结构驱动电荷泵核心模块的电容，以使反相器输出波形不失真。

32、与现有技术相比，本发明提出的方案，属于基于时钟幅度的稳压调节方式的高效率低纹波电荷泵，优点在于：

33、1、本发明在控制环路上加入低压差线性稳压器，使用基于时钟幅度的稳压调节方式。通过控制低压差线性稳压器的输出电压，使缓冲器可以进行时钟信号幅度的增大或减小来适应负载电流增大或减小，从而稳定目标输出电压。

34、2、本发明能在频率不发生变化的情况下，稳定目标输出电压，所以可以显著提高电源效率并降低输出纹波。