專利名稱：電荷泵電路及其動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種電荷泵(charge pump)電路及其相關(guān)方法，特別關(guān)于一種可調(diào)整輸出電壓的電荷泵電路及其動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法。
背景技術(shù)：
電荷泵(charge pump)電路常被應(yīng)用于電子產(chǎn)品的驅(qū)動電路中。電荷泵電路主要利用電容原理來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，以提供所需的輸出電壓。圖1為電荷泵電路的示意圖。請參考圖1,電荷泵電路10包含有一電荷泵單元12、一飛馳電容(flying capacitor)Cf、一第一儲存電容Cpl及一第二儲存電容Cp2。電荷泵單元12會依據(jù)電荷泵時鐘CKp來對飛馳電容Cf、第一儲存電容Cpl及第二儲存電容Cp2進(jìn)行充電以及放電的操作，以將輸入的電源電壓VDD轉(zhuǎn)換成所要的正輸出電壓VPP以及負(fù)輸出電壓VEE。其中，正輸出電壓VPP與負(fù)輸出電壓VEE的電壓差值通常為電源電壓VDD的電壓值的正倍數(shù)(如2倍)且為固定的單一模式。整個編譯碼芯片(CODEC IC)的電源規(guī)劃中，除了輸出需求瓦數(shù)最大的揚聲器(speaker)驅(qū)動裝置之外，耳機(jī)(headphone)驅(qū)動裝置也相當(dāng)耗電。在耳機(jī)驅(qū)動裝置中，目前業(yè)界有許多設(shè)計是利用電荷泵電路產(chǎn)生一穩(wěn)定的負(fù)電壓(-VDD)來推動一放大器電路，如此雖可省下耳機(jī)驅(qū)動端價格不斐的耦合(Coupling)電容，但仍有耗電過高的問題。其中，放大器電路的正電源端通常是接到系統(tǒng)的電壓源(電壓源用以提供電源電壓VDD)，而負(fù)電源端才耦接到電荷泵電路。因此，放大器電路的所有靜態(tài)耗電都會從正電源端(電壓源(VDD))流到負(fù)電源端(-VDD)，而非系統(tǒng)的接地。流到負(fù)電源端的電流再依靠電荷泵電路消耗相同的電流將其抵消，因此整個電路架構(gòu)必須多消耗一倍的輸出功率。并且，若將電荷泵電路本身的電源轉(zhuǎn)換效率考慮進(jìn)來，則耗電量還會再增加。再者，在耳機(jī)驅(qū)動裝置中，不論輸出信號的大小，電荷泵電路均是產(chǎn)生固定值的負(fù)電壓(-VDD)，使得在低輸出功率操作時，整個電路架構(gòu)的效率非常差。因此，若能針對編譯碼芯片采用電源調(diào)變技術(shù)，根據(jù)不同的輸入或輸出信號的電壓范圍使用不同的正輸出電壓VPP與負(fù)輸出電壓VEE的模式，將可進(jìn)一步改善總輸出功率。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于此，本發(fā)明的眾多目的之一在于提供一種電荷泵電路，以降低耳機(jī)驅(qū)動裝置的耗電或提高電源的使用效率，但本發(fā)明的應(yīng)用不限于此。根據(jù)本發(fā)明的一實施例的電荷泵電路，其包括電源接收端、接地端、正電輸出端、負(fù)電輸出端、第一儲能電容、第二儲能電容、第一飛馳電容、第二飛馳電容及泵單元。第一儲能電容耦接于正電輸出端和接地端之間，而第二儲能電容耦接于負(fù)電輸出端和接地端之間。泵單元耦接至電源接收端、接地端、正電輸出端、負(fù)電輸出端、第一飛馳電容和第二飛馳電容。在供電時，泵單元利用工作相位不重疊的第一時鐘和第二時鐘來控制第一飛馳電容、第二飛馳電容、第一儲能電容和第二儲能電容間的電性連接關(guān)系，來將電源接收端接收到的電源電壓轉(zhuǎn)換為正輸出電壓和負(fù)輸出電壓，藉以提供具有不同的轉(zhuǎn)換率的一第一供電模式、一第二供電模式及一第三供電模式中之一供電模式。然后，由正電輸出端和負(fù)電輸出端分別輸出正輸出電壓和負(fù)輸出電壓給后級電路。根據(jù)本發(fā)明的一實施例的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其包括接收一電源電壓；根據(jù)一輸入信號的振幅來選擇具有不同轉(zhuǎn)換率的第一供電模式、第二供電模式和第三供電模式中之一作為供電模式；以及利用工作相位不重疊的第一時鐘和第二時鐘來控制一電性連接關(guān)系，來將電源電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)供電模式的正輸出電壓及負(fù)輸出電壓，藉以驅(qū)動接收輸入信號的后級電路。


圖1為電荷泵電路的示意圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例的電荷泵電路的示意圖。圖3為一實施例的第一時鐘和第二時鐘的時序圖。圖4A及圖4B為一實施例的泵單元的示意圖。圖5A及圖5B為一實施例的第一供電模式和第二供電模式的第一等效電路的不意圖。圖6為一實施例的第一供電模式的第二等效電路的示意圖。圖7A及圖7B為一實施例的第二供電模式的第二等效電路的示意圖。圖8A及圖8B為一實施例的第三供電模式的第一等效電路的示意圖。圖9A及圖9B為一實施例的第三供電模式的第二等效電路的示意圖。圖10為另一實施例的多任務(wù)電路的示意圖。圖11為根據(jù)本發(fā)明一實施例的驅(qū)動裝置的示意圖。符號說明10電荷泵電路12電荷泵單元100電荷泵電路120泵單元122多任務(wù)電路122a多任務(wù)器122b多任務(wù)器124振幅檢測器140信號產(chǎn)生單元200放大器電路300負(fù)載Cf飛馳電容Cfl第一飛馳電容Cf2第二飛馳電容Cpl第一儲存電容Cp2第二儲存電容VDD輸入電源電壓VPP正輸出電壓VEE負(fù)輸出電壓CKp電荷泵時鐘CKl第一時鐘CK2第二時鐘PHl工作相位PH2工作相位GND接地端NO電源接收端NI正電輸出端N2負(fù)電輸出端N3節(jié)點N4 節(jié)點
N5節(jié)點N6節(jié)點Cml控制信號Cm2控制信號SI開關(guān)S2開關(guān)S3開關(guān)S4開關(guān)S5開關(guān)S6開關(guān)S7開關(guān)S8開關(guān)S9開關(guān)SlO開關(guān)Sll開關(guān)AMP放大器Vin輸入信號Vout輸出信號
具體實施例方式圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例的電荷泵電路的示意圖。參照圖2，電荷泵電路100用以依據(jù)第一時鐘CKl和第二時鐘CK2將輸入的電源電壓VDD轉(zhuǎn)換成正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE。其中，第一時鐘CKl的工作相位PHl與第二時鐘CK2的工作相位PH2不重疊，如圖3所示。并且，電荷泵電路100具有三種供電模式。在三種供電模式下，電荷泵電路100具有不同的電源轉(zhuǎn)換率。即，在三種供電模式下，電荷泵電路100所輸出的正輸出電壓VPP及負(fù)輸出電壓VEE對電源電壓VDD分別具有對應(yīng)的不同值。在三種供電模式下，電荷泵電路100分別產(chǎn)生電源電壓VDD的三種不同倍率的輸出電壓(即，正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE之間的電壓差)。舉例來說，在三種供電模式下，電荷泵電路100分別產(chǎn)生為輸入電源電壓VDD的2倍(土VDD)、1倍(±1/2VDD)及2/3倍(±1/3VDD)的輸出電壓。因此，電荷泵電路100可依據(jù)后級電路(即，電荷泵電路100供電的目標(biāo)電路)所需的電力大小(其輸入信號或輸出信號在一段預(yù)設(shè)時間內(nèi)的信號范圍值)，來選擇供電模式。為了方便說明，以下將三種供電模式分別稱為第一供電模式、第二供電模式和第三供電模式。電荷泵電路100包括電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一儲能電容Cpl、第二儲能電容Cp2、第一飛馳電容Cf!、第二飛馳電容Cf2以及泵單元120。電源接收端NO電性連接至系統(tǒng)的電壓源，并且從系統(tǒng)的電壓源接收電源電壓VDD0而接地端GND電性連接至系統(tǒng)的接地。第一儲能電容Cpl耦接在正電輸出端NI和接地端GND之間，而第二儲能電容Cp2耦接在負(fù)電輸出端N2和接地端GND之間。泵單元120耦接至電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl和第二飛馳電容Cf2。在以電荷泵電路100供電時，電荷泵電路100根據(jù)后級電路的輸入或輸出來選擇以第一供電模式、第二供電模式或第三供電模式作為執(zhí)行的供電模式。此時，泵單元120則以所選擇的供電模式進(jìn)行運作，即利用第一時鐘CKl和第二時鐘CK2控制電源接收端、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極、第一飛馳電容Cf I的負(fù)極、第二飛馳電容Cf2的正極 和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極之間的電性連接關(guān)系，藉以通過第一儲能電容Cpl、第二儲能電容Cp2、第一飛馳電容Cfl和第二飛馳電容Cf而將輸入的電源電壓VDD轉(zhuǎn)換為對應(yīng)選擇的供電模式的正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE。換言之，第一飛馳電容Cfl的兩端和第二飛馳電容Cf2的兩端會耦接至泵單元120。在供電時，泵單元120會依據(jù)電荷泵電路100所要執(zhí)行的供電模式(第一供電模式、第二供電模式或第三供電模式)而響應(yīng)第一時鐘CKl的工作相位PHl和第二時鐘CK2的工作相位PH2來交替改變電源接收端、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極、第二飛馳電容Cf2的正極和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極之間的電性連接關(guān)系。然后，在正電輸出端NI輸出由電荷泵電路100轉(zhuǎn)換電源電壓VDD而產(chǎn)生的正輸出電壓VPP，以及在負(fù)電輸出端N2由輸出電荷泵電路100轉(zhuǎn)換電源電壓VDD而產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓VEE，藉以提供給后級電路(例如:放大器電路)作為運作所需的電力。于此，第一儲能電容Cpl和第二儲能電容Cp2亦可分別作為正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE的穩(wěn)壓電容。其中，第一時鐘CKl和第二時鐘CK2可利用一信號產(chǎn)生單兀140產(chǎn)生。由于信號產(chǎn)生單元140的實施結(jié)構(gòu)與運作原理為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，故于此不再贅述。圖4A和圖4B為根據(jù)本發(fā)明一實施例的泵單元120的示意圖。搭配參照圖4A，泵單元120包括多個開關(guān)(如圖式中的SI Sll)。在圖4A中，標(biāo)號「CK」表示第一時鐘CKl和第二時鐘CK2中至少一者。各開關(guān)連接在電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端、負(fù)電輸出端、第一飛馳電容Cfl的正極、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極、第二飛馳電容Cf2的正極和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極其中之任二者之間。搭配參照圖4B，泵單元120還可包括一多任務(wù)電路122。多任務(wù)電路122耦接至每一個開關(guān)(例如:開關(guān)SI至開關(guān)Sll)。并且，多任務(wù)電路122還耦接至信號產(chǎn)生單元140。在電荷泵電路100運作時，多任務(wù)電路122會相應(yīng)于泵單元120 (電荷泵電路100)要執(zhí)行的供電模式將第一時鐘CKl輸入至開關(guān)中的至少一者的控制端，以及相應(yīng)于執(zhí)行的供電模式將第二時鐘CK2輸入至開關(guān)中的至少一者的控制端。在一些實施例中，多任務(wù)電路122可包括多任務(wù)器122a和多任務(wù)器122b。多任務(wù)器122a的輸入端耦接至信號產(chǎn)生單元140，其輸出端耦接至一個或多個開關(guān)(如圖式中所示的S1、S3、S4、S8、SlO或Sll)。多任務(wù)器122a接收第一時鐘CKl，并且相應(yīng)于所選擇的供電模式將輸入端導(dǎo)通至至少一個輸出端，以致使第一時鐘CKl傳送給對應(yīng)的開關(guān)(即，與導(dǎo)通的輸出端耦接的開關(guān))。多任務(wù)器122b的輸入端耦接至信號產(chǎn)生單元140，其輸出端耦接至一個或多個開關(guān)(如圖式中所示的S2、S5、S6、S7、S9或S10)。多任務(wù)器122b接收第二時鐘CK2，并且相應(yīng)于所選擇的供電模式將輸入端導(dǎo)通至至少一個輸出端，以致使第二時鐘CK2傳送給對應(yīng)的開關(guān)(即，與導(dǎo)通的輸出端耦接的開關(guān))。在一些實施例中，泵單元120還可包括一振幅檢測器124。
振幅檢測器124耦接至多任務(wù)電路122。并且，振幅檢測器124還電性連接至后級電路的輸入端或輸出端。其中，后級電路的電源端耦接至正電輸出端NI和負(fù)電輸出端N2，并且由正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE供電給后級電路或驅(qū)動后級電路的輸入信號。振幅檢測器124可根據(jù)后級電路的輸入信號或輸出信號在一段預(yù)設(shè)時間內(nèi)的信號振幅值的大小來決定泵單元120 (電荷泵電路100)要執(zhí)行的供電模式。在一些實施例中，振幅檢測器124可依據(jù)檢測到的振幅大小輸出對應(yīng)的控制信號Cml、Cm2(其代表檢測到的振幅所對應(yīng)的供電模式)給多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122a和多任務(wù)器122b。多任務(wù)器122a再響應(yīng)所接收到的控制信號Cml而將其輸入端導(dǎo)通至對應(yīng)的輸出端，以致使第一時鐘CKl經(jīng)由內(nèi)部導(dǎo)通路徑而傳送給對應(yīng)的開關(guān)。多任務(wù)器122b則響應(yīng)所接收到的控制信號Cm2而將其輸入端導(dǎo)通至對應(yīng)的輸出端，以致使第二時鐘CK2經(jīng)由內(nèi)部導(dǎo)通路徑而傳送給對應(yīng)的開關(guān)。再參照圖4A，開關(guān)包括第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3、第四開關(guān)S4、第五開關(guān)S5、第六開關(guān)S6、第七開關(guān)S7、第八開關(guān)S8、第九開關(guān)S9、第十開關(guān)SlO和第十一開關(guān)Sn。第一開關(guān)SI的兩端分別電性連接(或耦接)在電源接收端NO和第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)之間。第二開關(guān)S2的兩端分別電性連接(或耦接)在正電輸出端NI和第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)之間。第三開關(guān)S3的兩端分別電性連接(或耦接)在正電輸出端NI和第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)之間。第四開關(guān)S4的兩端分別電性連接(或耦接)在正電輸出端NI和第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)之間。第五開關(guān)S5的兩端分別電性連接(或耦接)在接地端GND和第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)之間。第六開關(guān)S6耦接在負(fù)電輸出端N2和第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)之間。即，第六開關(guān)S6的兩端分別電性連接至負(fù)電輸出端N2和第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)。第七開關(guān)S7的兩端分別電性連接(或耦接)在負(fù)電輸出端(節(jié)點N2)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間。第八開關(guān)S8的兩端分別電性連接(或耦接)在接地端GND和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間。第九開關(guān)S9的兩端分別電性連接(或耦接)在接地端GND和第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)之間。第十開關(guān)SlO的兩端分別電性連接(或耦接)在電源接收端NO和正電輸出端NI之間。第十一開關(guān)Sll的兩端分別電性連接(或耦接)在接地端GND和第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)之間。在一些實施例中，第一開關(guān)SI至第十一開關(guān)Sll可采用電源開關(guān)(powerswitch)。
在一些實施例中，第一供電模式、第二供電模式和第三供電模式可分別為低供電模式、中供電模式和高供電模式。在一些實施例中，參照圖4A及圖4B，在第一供電模式下，振幅檢測器124控制多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122a，使第一時鐘CKl輸入至開關(guān)S1、S3、S4、及S8的控制端。并且，振幅檢測器124控制多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122b，使第二時鐘CK2輸入至開關(guān)S2、S5、S6、及S7的控制端。而開關(guān)S9、S10、S11的控制端則不接收任何控制信號，使開關(guān)S9至開關(guān)Sll為斷路。也就是說，在第一供電模式下，開關(guān)SI至開關(guān)S8運作，而開關(guān)S9至Sll不運作。因此，開關(guān)S1、S3、S4、及S8會響應(yīng)第一時鐘CKl的工作相位PHl而導(dǎo)通，以致使電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系形成第一等效電路，如圖5A及圖5B所示。參照圖5A及圖5B，在第一時鐘CKl的工作相位PHl時，第一飛馳電容Cfl正向耦接在電源接收端NO和正電輸出端NI之間，并且第二飛馳電容Cf2和第一儲能電容Cfl正向并聯(lián)在正電輸出端NI和接地端GND之間。S卩，第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)耦接至電源接收端NO，而第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)耦接至正電輸出端NI。第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)耦接至正電輸出端NI，而第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)耦接至接地端GND。此時，負(fù)電輸出端N2對內(nèi)僅直接耦接第二儲能電容Cp2。在第一供電模式的第一等效電路上，第二飛馳電容Cf2的跨壓Vcf2與第一儲能電容Cpl的跨壓等于正電輸出端NI的端電壓(即，正輸出電壓VPP)、第一飛馳電容Cfl的跨壓Vcfl為電源電壓VDD減去正電輸出端NI的端電壓(S卩，正輸出電壓VPP)，并且第二儲能電容Cp2浮接在負(fù)電輸出端N2與接地端GND之間。因此，可得到下列公式I和公式2。Vcfl = VDD-VPP 公式 IVcf2 = VPP公式 2再者，開關(guān)S2、S5、S6及S7會響應(yīng)第二時鐘CK2的工作相位PH2而導(dǎo)通，以致使電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系形成第二等效電路，如圖6所示。參照圖6，在第二時鐘CK2的工作相位PH2時，第一飛馳電容Cfl正向耦接在正電輸出端NI和負(fù)電輸出端N2之間，并且第二飛馳電容Cf2反向耦接在負(fù)電輸出端N2和接地端GND之間。S卩，第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)耦接至正電輸出端NI，而第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)耦接至負(fù)電輸出端N2。第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)耦接至接地端GND，而第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)耦接至負(fù)電輸出端N2。在第一供電模式的第二等效電路上，第二飛馳電容Cf2的跨壓反向倒在第二儲能電容Cp2上，并第一飛馳電容Cfl的跨壓切換為正電輸出端NI的端電壓(正輸出電壓VPP)減去負(fù)電輸出端N2的端電壓(即，負(fù)輸出電壓VEE)。因此，可得到下列公 式3和公式4。
Vcfl = VPP-VEE 公式 3VEE = -Vcf2公式 4由公式I至公式4可得,在第一供電模式下，正電輸出端NI所輸出的正輸出電壓VPP為(1/3)電源電壓，即VDD/3，并且負(fù)電輸出端N2所輸出的負(fù)輸出電壓VEE為(-1/3)輸入電源電壓，即-VDD/3，如下列公式5和公式6。VPP = VDD/3公式 5VEE = -VDD/3 公式 6此夕卜，當(dāng)電荷泵電路100以第一供電模式供電時,相應(yīng)于第一時鐘和第二時鐘，電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系會反復(fù)交替呈現(xiàn)第一等效電路和第二等效電路。再參照回圖4A及圖4B，在第二供電模式下，振幅檢測器124控制多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122a，使第一時鐘CKl輸入至開關(guān)31、33、34、開關(guān)38的控制端。并且，振幅檢測器124控制多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122b，使第二時鐘CK2輸入至開關(guān)S5、S6、S7、S9的控制端。而開關(guān)S2、S10、S11的控制端則不接收任何控制信號，使開關(guān)S2及開關(guān)SlO至開關(guān)Sll為斷路。也就是說，在第二供電模式下，開關(guān)SI和開關(guān)S3至開關(guān)S8運作，而開關(guān)S2、S10、及Sll則不運作。因此，開關(guān)S1、S3、S4、S8會響應(yīng)第一時鐘CKl的工作相位PHl而導(dǎo)通，以致使電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系形成第一等效電路，如圖5A及圖5B所示。參照圖5A及圖5B，在第一時鐘CKl的工作相位PHl時，第二供電模式的運作相同于第一供電模式。也就是，在第一時鐘CKl的工作相位PHl時，第二供電模式所形成的第一等效電路相同于第一供電模式的第一等效電路。在第二供電模式的第一等效電路上，第二飛馳電容Cf2的跨壓Vcf2與第一儲能電容Cfl的跨壓等于正電輸出端NI的端電壓(正輸出電壓VPP)、第一飛馳電容Cfl的跨壓Vcfl為輸入電源電壓VDD減去正電輸出端NI的端電壓(正輸出電壓VPP)，并且第二儲能電容Cp2浮接在負(fù)電輸出端N2與接地端GND之間。因此，可得到前述的公式I和公式2。再者，開關(guān)S5、S6、S7、S9會響應(yīng)第二時鐘CK2的工作相位PH2而導(dǎo)通，以致使電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系形成第二等效電路，如圖7A及圖7B所示。參照圖7A及圖7B，在第二時鐘CK2的工作相位PH2時，第一飛馳電容Cfl和第二飛馳電容Cf2均反向耦接在負(fù)電輸出端N2和接地端GND之間。S卩，第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)耦接至負(fù)電輸出端N2，而第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)耦接至接地端GND。第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)耦接至接地端GND， 而第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)耦接至負(fù)電輸出端N2。
在第二供電模式的第二等效電路上，第一飛馳電容Cfl的跨壓Vcfl和第二飛馳電容Cf2的跨壓Vcf2均反向倒在第二儲能電容Cp2上，并且第一儲能電容Cpl的跨壓等于正電輸出端NI的端電壓(正輸出電壓VPP)。因此，可得到下列公式7。VEE = -Vcfl = -Vcf2 公式 7由公式1、公式2和公式7可得,在第一供電模式下,正電輸出端NI所輸出的正輸出電壓VPP為(1/2)電源電壓，即VDD/2，并且負(fù)電輸出端N2所輸出的負(fù)輸出電壓VEE為(-1/2)電源電壓，即-VDD/2，如下列公式8和公式9。VEE = - (VDD-VPP) = -VDD/2 公式 8VPP = -VEE = VDD/2公式 9同樣地，電荷泵電路100以第二供電模式供電時,相應(yīng)于第一時鐘和第二時鐘,各節(jié)點之間的電性連接關(guān)系亦會反復(fù)交替呈現(xiàn)其第一等效電路和第二等效電路。然而，第二供電模式的第二等效電路不同于第一供電模式的第二等效電路。再參照回圖4A及圖4B，在第三供電模式下，振幅檢測器124控制多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122a，使第一時鐘CKl輸入至開關(guān)S1、S3、S8、S10、Sll的控制端。并且，振幅檢測器124控制多任務(wù)電路122的多任務(wù)器122b，使第二時鐘CK2輸入至開關(guān)S5、S6、S7、S9、S10的控制端。而開關(guān)S2、S4的控制端則不接收任何控制信號，使開關(guān)S2和開關(guān)S4為斷路。也就是說，在第三供電模式下，開關(guān)S1、S3和開關(guān)S5至Sll運作，而開關(guān)S2、S4則不運作。

因此，開關(guān)51、53、58、510、511會響應(yīng)第一時鐘CKl的工作相位PHl而導(dǎo)通，以致使電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系形成第一等效電路，如圖8A及圖8B所示。參照圖8A及圖8B，在第一時鐘CKl的工作相位PHl時，第一飛馳電容Cf I和第二飛馳電容Cf2正向耦接在電源接收端NO和接地端GND之間，以及正向耦接在正電輸出端NI和接地端GND之間。即，第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)耦接至電源接收端NO和正電輸出端NI，而第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)耦接至接地端GND。第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)耦接至電源接收端NO和正電輸出端NI，而第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)耦接至接地端GND。此時，負(fù)電輸出端N2對內(nèi)僅直接耦接第二儲能電容Cp2。在第三供電模式的第一等效電路上，電源電壓VDD分別對第一飛馳電容Cf!、第二飛馳電容Cf2和第一儲能電容Cpl進(jìn)行充電，并第二儲能電容Cp2浮接在負(fù)電輸出端N2與接地端GND之間。因此，可得到下列公式10。VDD = Vcfl = Vcf2 公式 10再者，開關(guān)S5、S6、S7、S9、S10會響應(yīng)第二時鐘CK2的工作相位PH2而導(dǎo)通，以致使電源接收端NO、接地端GND、正電輸出端N1、負(fù)電輸出端N2、第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)、第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)、第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)和第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)之間的電性連接關(guān)系形成第二等效電路，如圖9A及圖9B所示。參照圖9A及圖9B，在第一時鐘CKl的工作相位PHl時，第一飛馳電容Cf I和第二飛馳電容Cf2反向耦接在負(fù)電輸出端N2和接地端GND之間。S卩，第一飛馳電容Cfl的正極(節(jié)點N3)耦接至負(fù)電輸出端N2，而第一飛馳電容Cfl的負(fù)極(節(jié)點N4)耦接至接地端GND。第二飛馳電容Cf2的正極(節(jié)點N5)耦接至負(fù)電輸出端N2，而第二飛馳電容Cf2的負(fù)極(節(jié)點N6)耦接至接地端GND。并且，電源接收端NO耦接至正電輸出端NI。在第三供電模式的第二等效電路上，第一飛馳電容Cfl的跨壓Vcfl和第二飛馳電容Cf 2的跨壓Vcf 2反向倒在第二儲能電容Cp2上，并第一儲能電容Cpl的跨壓等于電源電壓VDD。S卩，正電輸出端NI的端電壓(正輸出電壓VPP)等于電源電壓VDD。因此，可得到下列公式11和公式12。VPP = VDD公式 11VEE = -Vcfl = -Vcf2 公式 12由公式10、公式11和公式12可得,在第三供電模式下,正電輸出端NI所輸出的正輸出電壓VPP為電源電壓VDD，并且負(fù)電輸出端N2所輸出的負(fù)輸出電壓VEE為(-)電源電壓，即-VDD，如公式11和公式13。VEE = -VDD 公式 13同樣地，電荷泵電路100以第三供電模式供電時,相應(yīng)于第一時鐘和第二時鐘,各節(jié)點之間的電性連接關(guān)系亦會反復(fù)交替呈現(xiàn)其第一等效電路和第二等效電路。然而，第三供電模式的第一等效電路不同于第一供電模式和第二供電模式的第一等效電路。且第三供電模式 的第二等效電路亦不同于第一供電模式的第二等效電路和第二供電模式的第二等效電路。此外，由于在三種供電模式下，開關(guān)S1、S3、S8都由第一時鐘CKl控制。因此，在另一實施例中，開關(guān)SI的、S3、S8的控制端亦可不經(jīng)過多任務(wù)電路122，而直接耦接至信號產(chǎn)生單元140以接收第一時鐘CK1。而開關(guān)S4、S10、Sll的控制端才經(jīng)由多任務(wù)電路122相應(yīng)于所選擇的供電模式而接收第一時鐘CK1，如第10圖所示。同樣地，由于在三種供電模式下，開關(guān)S5、S6、S7都由第二時鐘CK2控制。因此，開關(guān)S5、S6、S7的控制端亦可不經(jīng)過多任務(wù)電路122，而直接耦接至信號產(chǎn)生單元140以接收第二時鐘CK2。而開關(guān)S2、S9、S10的控制端才經(jīng)由多任務(wù)電路122相應(yīng)于所選擇的供電模式而接收第二時鐘CK2。參照第2、4B及11圖，當(dāng)實施在驅(qū)動裝置時，在一實施例中，驅(qū)動裝置可包括電荷泵電路100和放大器電路200。于此，前述的后級電路為放大器電路200。放大器電路200主要包括一放大器AMP。放大器AMP具有二輸入端、一輸出端和二電源端。放大器AMP的輸出端耦接至一負(fù)載300。以耳機(jī)驅(qū)動裝置為例，負(fù)載300即為一耳機(jī)。電荷泵電路100的正電輸出端NI和負(fù)電輸出端N2分別耦接至放大器AMP的二電源端。經(jīng)由正電輸出端NI和負(fù)電輸出端N2所輸出的正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE分別施加至放大器AMP的二電源端，以作為放大器AMP運作時所需的電力。
在電荷泵電路100的供電下，放大器電路200所接收到的輸入信號Vin通過二電阻而輸入至放大器AMP的輸入端。由放大器AMP對輸入端所接收到的信號進(jìn)行信號處理而產(chǎn)生一輸出信號Vout,并由輸出端提供輸出信號Vout給負(fù)載300。其中，電荷泵電路100的振幅檢測器124可電性連接至放大器AMP的輸入端和/或輸出端，并對應(yīng)檢測放大器AMP的輸入信號Vin和/或輸出信號Vout。以檢測輸入信號Vin為例，振幅檢測器124電性連接至放大器AMP的輸入端。此時，振幅檢測器124會檢測放大器AMP的輸入信號Vin的振幅。在一段預(yù)設(shè)時間內(nèi)，當(dāng)振幅檢測器124檢測到輸入信號Vin的振幅大于第一閥值且小于或等于第二閥值時，振幅檢測器124控制泵單元120執(zhí)行第二供電模式，以施加分別為(+1/2)倍和(-1/2)倍的電源電壓VDD的正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE至放大器AMP的電源端。當(dāng)振幅檢測器124檢測到輸入信號Vin的振幅大于第二閥值時，振幅檢測器124控制泵單元120執(zhí)行第三供電模式，以施加分別為(+1)倍和(-1)倍的輸入電源電壓VDD的正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE至放大器AMP的電源端。當(dāng)振幅檢測器124檢測到輸入信號Vin的振幅小于或等于第一閥值時，振幅檢測器124控制泵單元120執(zhí)行第一供電模式，以施加分別為(+1/3)倍和(-1/3)倍的電源電壓VDD的正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE至放大器AMP的電源端。如此一來,正輸出電壓VPP和負(fù)輸出電壓VEE的大小可隨著輸入信號Vin的大小而動態(tài)調(diào)整以節(jié)電。以耳機(jī)驅(qū)動裝置為例，一般耳朵能承受的耳機(jī)的音量的輸出信號多半都在土(1/2)VDD的放大器的供電可涵蓋的范圍。實際上，耳機(jī)常有長時間的靜音模式或較小音量輸出的應(yīng)用，對此還提供相較于一般所需供電(±(1/2)VDD)更低的±(1/3)VDD的放大器的供電，藉以大幅改善耗電效率。相應(yīng)于前述的電荷泵電路，本發(fā)明還公開一種動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其包括接收一電源電壓；根據(jù)一輸入信號的振幅來選擇具有不同轉(zhuǎn)換率的第一供電模式、第二供電模式和第三供電模式中之一者作為供電模式；以及利用工作相位不重疊的第一時鐘和第二時鐘來控制第一飛馳電容、第二飛馳電容、第一儲能電容、及第二儲能電容間的電性連接關(guān)系，來將電源電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)供電模式的正輸出電壓及負(fù)輸出電壓，藉以供電給接收輸入信號的后級電路。請注意，本發(fā)明雖以二個工作相位不重疊的第一時鐘和第二時鐘、二個飛馳電容(第一飛馳電容和第二飛馳電容)、二個儲能電容(第一儲能電容、及第二儲能電容)、以及多個開關(guān)為例，但本發(fā)明不以此為限。綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的電荷泵電路及其動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中電荷泵電路可相應(yīng)供電的目標(biāo)電路(如，后級電路)的運作動態(tài)地調(diào)變輸出電壓。在調(diào)整時，電荷泵電路可同時調(diào)變正輸出電壓和負(fù)輸出電壓來降低功耗。并且，在目標(biāo)電路運作時，同一時間只會從二外掛電容(如，第一和第二儲能電容)其中之一做電荷抽放，因此另一者則幾乎沒有電荷損失，且通過此種電荷泵架構(gòu)，二外掛電容可以互相做電荷分享(chargesharing)以降低耗電。此外，正輸出電壓和負(fù)輸出電壓的大小可隨著目標(biāo)電路的輸出信號的大小而調(diào)整，因此在需要低輸出電壓時可切換為低供電模式，而需要高輸出電壓時才切換為高供電模式，以節(jié)電。并且，提供三種等級的供電模式，以大幅改善耗電效率。
權(quán)利要求
1.一種電荷泵電路,包括: 一電源接收端，用以接收一電源電壓； 一接地端； 一正電輸出端，用以輸出一正輸出電壓； 一負(fù)電輸出端，用以輸出一負(fù)輸出電壓； 一第一儲能電容，耦接于所述正電輸出端和所述接地端之間； 一第二儲能電容，耦接于所述負(fù)電輸出端和所述接地端之間； 一第一飛馳電容； 一第二飛馳電容；以及 一泵單元，用以利用工作相位不重疊的一第一時鐘和一第二時鐘來控制所述第一飛馳電容、所述第二飛馳電容、所述第一儲能電容及所述第二儲能電容的電性連接關(guān)系，來將所述電源電壓轉(zhuǎn)換為所述正輸出電壓和所述負(fù)輸出電壓，藉以提供具有不同的轉(zhuǎn)換率的一第一供電模式、一第二供電模式及一第三供電模式中之一供電模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，還包括: 一振幅檢測器，用以檢測由所述正輸出電壓和所述負(fù)輸出電壓供電的后級電路的輸入信號或輸出信號的振幅，來據(jù)以選擇所述泵單元的所述供電模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷泵電路，其中，當(dāng)所述振幅小于一第一閥值時，所述振幅檢測器選擇所述第一供電模 式，當(dāng)所述振幅大于所述第一閥值且小于一第二閥值時，所述振幅檢測器選擇所述第二供電模式，及當(dāng)所述振幅大于所述第二閥值時，所述振幅檢測器選擇所述第三供電模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中，在所述第一供電模式，所述正輸出電壓實質(zhì)上為所述電源電壓的三分之一，在所述第二供電模式，所述正輸出電壓實質(zhì)上為所述電源電壓的二分之一，及在所述第三供電模式，所述正輸出電壓實質(zhì)上為所述電源電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中，所述泵單元利用所述第一時鐘及所述第二時鐘控制多個開關(guān)來執(zhí)行所述供電模式，所述多個開關(guān)包括: 一第一開關(guān)，耦接在所述電源接收端和所述第一飛馳電容的正極之間； 一第二開關(guān)，耦接在所述正電輸出端和所述第一飛馳電容的正極之間； 一第三開關(guān)，耦接在所述正電輸出端和所述第二飛馳電容的正極之間； 一第四開關(guān)，耦接在所述正電輸出端和所述第一飛馳電容的負(fù)極之間； 一第五開關(guān)，耦接在所述接地端和所述第二飛馳電容的正極之間； 一第六開關(guān)，耦接在所述負(fù)電輸出端和所述第一飛馳電容的負(fù)極之間； 一第七開關(guān)，耦接在所述負(fù)電輸出端和所述第二飛馳電容的負(fù)極之間； 一第八開關(guān)，耦接在所述接地端和所述第二飛馳電容的負(fù)極之間； 一第九開關(guān)，耦接在所述接地端和所述第一飛馳電容的正極之間； 一第十開關(guān)，耦接在所述電源接收端和所述正電輸出端之間；以及 一第十一開關(guān)，耦接在所述接地端和所述第一飛馳電容的負(fù)極之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電荷泵電路，其中，在所述第一供電模式下，所述第一開關(guān)、所述第三開關(guān)、所述第四開關(guān)和所述第八開關(guān)響應(yīng)所述第一時鐘的所述工作相位而導(dǎo)通，并且所述第二開關(guān)、所述第五開關(guān)、所述第六開關(guān)和所述第七開關(guān)響應(yīng)所述第二時鐘的所述工作相位而導(dǎo)通。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電荷泵電路，其中，在所述第二供電模式下，所述第一開關(guān)、所述第三開關(guān)、所述第四開關(guān)和所述第八開關(guān)響應(yīng)所述第一時鐘的所述工作相位而導(dǎo)通，并且所述第五開關(guān)、所述第六開關(guān)、所述第七開關(guān)和所述第九開關(guān)響應(yīng)所述第二時鐘的所述工作相位而導(dǎo)通。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電荷泵電路，其中，在所述第三供電模式下，所述第一開關(guān)、所述第三開關(guān)、所述第八開關(guān)、所述第十開關(guān)和所述第十一開關(guān)響應(yīng)所述第一時鐘的所述工作相位而導(dǎo)通，并且所述第五開關(guān)、所述第六開關(guān)、所述第七開關(guān)、所述第九開關(guān)和所述第十開關(guān)響應(yīng)所述第二時鐘的所述工作相位而導(dǎo)通。
9.一種動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，包括: 接收一電源電壓； 根據(jù)一輸入信號的振幅來選擇具有不同轉(zhuǎn)換率的一第一供電模式、一第二供電模式和一第三供電模式其中之一作為供電模式；以及 利用工作相位不重疊的一第一時鐘和一第二時鐘來控制一電性連接關(guān)系，以將所述電源電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)所述供電模式的一正輸出電壓及一負(fù)輸出電壓以供電給接收所述輸入信號的一后級電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中，所述選擇步驟包括: 當(dāng)所述振幅小于一第一閥值時，選擇所述第一供電模式作為所述供電模式； 當(dāng)所述振幅大于所述第一閥值且小于一第二閥值時，選擇所述第二供電模式作為所述供電模式；以及 當(dāng)所述振幅大于所述第二閥值時，選擇所述第三供電模式作為所述供電模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中，所述第一時鐘和所述第二時鐘控制一第一飛馳電容、一第二飛馳電容、一第一儲能電容、及一第二儲能電容間的所述電性連接關(guān)系，來將所述電源電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)所述供電模式的所述正輸出電壓及所述負(fù)輸出電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中，當(dāng)以所述第一供電模式作為所述供電模式時，所述正輸出電壓實質(zhì)上為所述電源電壓的三分之一；當(dāng)以所述第二供電模式作為所述供電模式時，所述正輸出電壓實質(zhì)上為所述電源電壓的二分之一；及當(dāng)以所述第三供電模式作為所述供電模式時，所述正輸出電壓實質(zhì)上為所述電源電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中，當(dāng)以所述第一供電模式作為所述供電模式時，所述控制步驟包括:響應(yīng)所述第一時鐘的所述工作相位而使所述電源電壓導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的正極、使一正電輸出端導(dǎo)通至所述第二飛馳電容的正極和所述第一飛馳電容的負(fù)極、以及使所述第二飛馳電容的負(fù)極接地，并且響應(yīng)所述第二時鐘的所述工作相位而使所述正電輸出端導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的正極、使所述第二飛馳電容的正極接地、以及使一負(fù)電輸出端導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的負(fù)極和所述第二飛馳電容的負(fù)極，其中所述正輸出電壓經(jīng)由所述正電輸出端輸出， 且所述負(fù)輸出電壓經(jīng)由所述負(fù)電輸出端輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中，當(dāng)以所述第二供電模式作為所述供電模式時，所述控制步驟包括:響應(yīng)所述第一時鐘的所述工作相位而使所述電源電壓導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的正極、使一正電輸出端導(dǎo)通至所述第二飛馳電容的正極和所述第一飛馳電容的負(fù)極、及使所述第二飛馳電容的負(fù)極接地，并且響應(yīng)所述第二時鐘的所述工作相位而使所述第二飛馳電容的正極和所述第一飛馳電容的正極接地以及使一負(fù)電輸出端導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的負(fù)極和所述第二飛馳電容的負(fù)極，其中所述正輸出電壓經(jīng)由所述正電輸出端輸出，且所述負(fù)輸出電壓經(jīng)由所述負(fù)電輸出端輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法，其中，當(dāng)以所述第三供電模式作為所述供電模式時，所述控制步驟包括:響應(yīng)所述第一時鐘的所述工作相位而使所述電源電壓導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的正極、使一正電輸出端導(dǎo)通至所述第二飛馳電容的正極和所述電源電壓、以及使所述第二飛馳電容的負(fù)極和所述第一飛馳電容的負(fù)極接地，并且響應(yīng)所述第二時鐘的所述工作相位而使所述第二飛馳電容的正極和所述第一飛馳電容的正極接地、使一負(fù)電輸出端導(dǎo)通至所述第一飛馳電容的負(fù)極和所述第二飛馳電容的負(fù)極、以及使所述電源電壓導(dǎo)通至所述正電輸出端，其中所述正輸出電壓經(jīng)由所述正電輸出端輸出，且所述負(fù)輸出電壓經(jīng)由所述負(fù)電輸出端輸出。
全文摘要
一種電荷泵電路及其動態(tài)調(diào)整電壓的供電方法。于此，電荷泵電路具有不同轉(zhuǎn)換率的三種供電模式。在供電時，泵單元利用工作相位不重疊的第一時鐘和第二時鐘控制第一飛馳電容、第二飛馳電容、第一儲能電容、及第二儲能電容的電性連接關(guān)系，來將接收到的電源電壓轉(zhuǎn)換為正輸出電壓和負(fù)輸出電壓，藉以提供三種供電模式中之一者。
文檔編號H02M3/07GK103219883SQ20121001822
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者簡志剛 申請人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司