一種應(yīng)用于OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片的電源自適應(yīng)電荷泵設(shè)計(jì)

權(quán)磊++付秀蘭++龐遵林++賈晨

摘要：本文基于0.162um CMOS高壓工藝，設(shè)計(jì)了一款通過檢測(cè)電源電壓，自動(dòng)選擇倍壓系數(shù)的電荷泵電路。文中詳細(xì)介紹了電源檢測(cè)，模式選擇原理以及泵電路的1.5倍/1.67倍/2倍/2.5倍/3倍五種倍壓模式。泵電路采用了雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有效降低了輸出紋波。通過仿真，驗(yàn)證了電源不同電壓域，倍壓系數(shù)及輸出電壓的正確性；在25KHz工作頻率，負(fù)載20mA時(shí)，基于雙邊對(duì)稱工作的電源4.5V/1.5倍，3.7V/2倍與2.5V/3倍壓模式，輸出紋波均小于13mV。

關(guān)鍵詞：電荷泵；電源自適應(yīng)；低紋波

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）06-0236-03

Design of a Charge Pump with Adaptive Supply Applied to OLED Display Driver

QUAN Lei， FU Xiu-lan， PANG Zun-lin， JIA Chen

（China Electronic Technology Group Corporation No.38th Research Institute， Hefei 230088，China）

Abstract： Based on 0.162um high voltage CMOS technology， a charge pump with adaptive supply is designed. The principle of supply detected and mode selected are analyzed，and five booster circuits are illustrated. Besides， the charge pump is designed with symmetrical architecture， and the ripple is lowered efficiently. The simulation shows the correctness of booster coefficient and output voltage with different power supplies. On the conditions of 25 KHz working frequency and 20mA load， The ripple voltage is less than 13mV when the supply voltage and boost times are 4.5V/1.5， 3.7V/2， 2.5V/3 respectively， which work symmetrically.

Key words： Charge pump； Adaptive supply； Low ripple

1 概述

AMOLED技術(shù)越來越廣泛得應(yīng)用于PDA、手機(jī)、I-watch等便攜式平板顯示設(shè)備，使其顯示驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)集成度與功耗的要求越來越高。電荷泵憑借著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，高效率，低電磁干擾等優(yōu)勢(shì)成為顯示驅(qū)動(dòng)芯片中升壓、反壓電路的首選[1]。

一般地，便攜式平板顯示設(shè)備采用鋰電池供電，隨著電池的使用，供電電壓會(huì)逐漸減小，若采用單一倍數(shù)的電荷泵，必然導(dǎo)致輸出電壓的大幅下降，滿足不了系統(tǒng)要求[2]。為此，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)檢測(cè)鋰電池電壓，并調(diào)整相應(yīng)倍壓系數(shù)的升壓電荷泵電路，可應(yīng)用在顯示驅(qū)動(dòng)芯片電源管理模塊第一級(jí)倍壓電路中；且本文設(shè)計(jì)的泵電路采用雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有效降低了電荷泵紋波[3]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電荷泵架構(gòu)如圖1所示，主要由電源檢測(cè)電路、模式選擇電路、邏輯控制單元與泵電路等構(gòu)成。

主要工作原理如下：電源檢測(cè)電路對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，輸出與電源電壓大小對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)碼，然后經(jīng)過模式選擇電路，得到倍壓系數(shù)的控制字。倍壓系數(shù)控制信號(hào)和非交疊時(shí)鐘等信號(hào)被邏輯控制電路接收，邏輯控制電路根據(jù)接收到的信號(hào)，輸出泵電路每個(gè)開關(guān)管的柵極控制信號(hào)與襯底選擇信號(hào)，控制電荷泵的工作模式和工作過程；泵電路中飛線電容不斷地充電與倍壓，輸出電容不斷地放電與充電，當(dāng)輸出電容放電與充電平衡時(shí)，電荷泵就會(huì)輸出一定倍數(shù)的穩(wěn)定電壓[4]。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電源檢測(cè)電路

本文設(shè)計(jì)的鋰電池電壓檢測(cè)電路如圖2所示。

圖中，R0：R1：R2=5：1：4。Vddb0與Vddb1是鋰電池VDDB通過電阻R0～R2分得的兩個(gè)電壓，分別與參考電壓Vr0、Vr1～Vr3比較，輸出反映鋰電池電壓大小的溫度計(jì)碼，然后存儲(chǔ)在D觸發(fā)器中，其中鋰電池電壓大小與輸出溫度計(jì)碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

3.2模式選擇電路

該模塊是溫度計(jì)碼到二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。主要功能是將電源檢測(cè)電路的結(jié)果Q3～Q0轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的倍壓系數(shù)控制字D<2：0>，進(jìn)而選擇相應(yīng)的倍壓系數(shù)；具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

倍壓系數(shù)控制字與非交疊時(shí)鐘信號(hào)輸出到邏輯控制單元。在本設(shè)計(jì)中，邏輯控制電路根據(jù)倍壓模式控制字D<2：0>的狀態(tài)和非交疊時(shí)鐘產(chǎn)生泵電路各個(gè)開關(guān)管柵極控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)1.5倍/1.67倍/2倍/2.5倍/3倍五種倍壓模式的轉(zhuǎn)換以及每種模式下各開關(guān)管的控制時(shí)序。

3.3泵電路

本文設(shè)計(jì)的倍壓電荷泵電路采用雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具體電路如圖4所示，圖中C11、C12、C21與C22為片外飛線電容，取1uF，Cout為AVDD輸出電容，取4.7uF，其余MOS管均為開關(guān)管，各開關(guān)管的工作狀態(tài)與倍壓模式有關(guān)。

圖4中泵電路根據(jù)鋰電池電源電壓的大小，可以工作于5種倍壓模式，即1.5倍、1.67倍、2倍、2.5倍與3倍。不同的倍壓模式下的泵電路的工作過程如下。

當(dāng)倍壓系數(shù)控制字為001時(shí)，泵電路工作于1.5倍壓模式。

左半邊電路開關(guān)管工作狀態(tài)：階段一，P12、C12、P16、C11與N11 形成通路，其余開關(guān)管斷開，VDDB對(duì)飛線電容C11與C12充電，C12P=VDDB，C12N=C11P=VDDB/2，C11N=0；階段二，P11、P13、P14、P17開關(guān)導(dǎo)通，其余開關(guān)管斷開，由于電容兩端電壓保持不變，所以AVDD倍壓到1.5VDDB電壓。右半邊電路開關(guān)管時(shí)序與左半邊相反，交替對(duì)輸出電容Cout充電，以減小輸出電壓紋波。

當(dāng)倍壓系數(shù)控制字為010時(shí)，泵電路工作于1.67倍壓模式。

在該倍壓模式下，第一階段：P12、C12、N20與C22、N22、P24、C21、N21形成通路，其余開關(guān)管均斷開；VDDB對(duì)飛線電容C12、C22與C21充電，使得，C12P= VDDB，

C21P=C22P=C12N=VDDB/3，C21N=C22N=0；第二階段：P17、P11開關(guān)導(dǎo)通，C12N= VDDB，AVDD倍壓到5VDDB/3，同時(shí)P23、P26與P21導(dǎo)通，C21N=VDDB，C21P=C22N=4VDDB/3，C22P=AVDD=5VDDB/3，AVDD實(shí)現(xiàn)了VDDB 5/3倍壓。

當(dāng)倍壓系數(shù)控制字為011時(shí)，泵電路工作于2倍壓模式。

左半邊電路開關(guān)管工作狀態(tài)：在階段一，P12、C12與N12形成通路，P15，C11與N11形成通路，其余開關(guān)管斷開，VDDB分別對(duì)C12與C11充電，使得，C11N=C12N=0，C11P=C12P=VDDB，第二階段，P17導(dǎo)通，P13、P14導(dǎo)通，P11導(dǎo)通，其余開關(guān)管斷開，C11N=C12N=VDDB，C11P=C12P=AVDD=2VDDB，AVDD被倍壓到2VDDB電壓。右半邊電路開關(guān)時(shí)序與左半邊相反，交替著對(duì)輸出電容充電。

當(dāng)倍壓系數(shù)控制字為100時(shí)，泵電路工作于2.5倍壓模式。

在2.5倍壓模式下，第一階段：P12、C12、N20、C22與N22形成通路，P15、C11與N11形成通路，P25、C21與N21形成通路，其余開關(guān)管均斷開，電源VDDB分別對(duì)C12與C22，C11，C22充電，使得，C11P=C12P=C21P=VDDB，C12N=C22P=VDDB/2，C11N=C21N=C22N=0；第二階段：P13、P16與P11導(dǎo)通，C11N=VDDB，C11P=C12N=2VDDB，C12P=2.5VDDB；同時(shí)，P23、P26與P21導(dǎo)通，C21N=VDDB，C21P=C22N=2VDDB，C22P=2.5VDDB；AVDD實(shí)現(xiàn)了VDDB 的2.5倍壓。

當(dāng)倍壓系數(shù)控制字為101時(shí)，泵電路工作于3倍壓模式。

該模式下，左半邊電路開關(guān)管工作狀態(tài)：階段一，即C11的倍壓與C12的充電階段，N12、P13與P14導(dǎo)通，C12N=0；由于在C11充電階段C11N=0，C11P=VDDB，所以在階段一，C11N=VDDB，C11P倍壓到2VDDB，并對(duì)C12充電，使得C12P=2VDDB。階段二，即C12的倍壓與C11的充電階段，P17與P11導(dǎo)通，C12N=VDDB，C12P倍壓到3VDDB，P15與N11導(dǎo)通，VDDB對(duì)C11充電，C11P=VDDB；其余開關(guān)管均關(guān)斷。泵電路右半部分電路開關(guān)管的控制時(shí)序與左半部分相反，交替著對(duì)AVDD輸出電容充電。

4 電路仿真

本文基于0.162um CMOS工藝，對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如下：

當(dāng)電源電壓從2.5V線性增加到5V，電源檢測(cè)電路輸出結(jié)果如圖5所示。

從圖5仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電源VDDB<3.154V時(shí)，Q3Q2Q1Q0=1111，泵電路工作于3倍壓模式；3.154V4.36V時(shí)，Q3Q2Q1Q0=0000，泵電路工作于1.5倍壓模式。

在時(shí)鐘頻率為25KHz，空載的條件下，分別取電源電壓為4.5V、4V、3.7V、3.3V與2.5V，對(duì)電荷泵AVDD進(jìn)行瞬態(tài)仿真，結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果看出，電源電壓分別取4.5V、4V、3.7V、3.3V與2.5V，電荷泵輸出電壓分別為6.74V、6.65V、7.38V，8.23V與7.48V；表明倍壓系數(shù)分別為1.5、1.6、2、2.5與3，驗(yàn)證了倍壓模式選擇的正確性。

在時(shí)鐘頻率為25KHz，20mA負(fù)載的條件下，電源電壓分別為4.5V、4V、3.7V、3.3V與2.5V時(shí)，對(duì)電荷泵紋波進(jìn)行仿真，仿真如表3示。

在1.5倍、2倍與3倍壓模式下，泵電路兩邊對(duì)稱部分交替著對(duì)輸出電容充電，有效降低了紋波大小。從仿真結(jié)果看出，輸出紋波均小于13mV。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款通過檢測(cè)電源電壓，自動(dòng)選擇倍壓系數(shù)的電荷泵電路，從而避免了因電池放電而導(dǎo)致單一倍數(shù)電荷泵輸出電壓大幅下降的問題；另外泵電路采用雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有效降低了輸出電壓的紋波?；?.162um CMOS工藝，仿真驗(yàn)證了在電源不同的電壓域，倍壓模式與輸出電壓的正確性；在工作頻率25KHz，負(fù)載電流20mA 時(shí)，電源4V/1.67倍與3.3V/2.5倍壓模式下，輸出電壓的紋波分別為87.61mV與90.95mV，電源4.5V/1.5倍，3.7V/2倍與2.5V/3倍壓模式下，輸出電壓紋波均小于13 mV。本文設(shè)計(jì)的電源自適應(yīng)電荷泵可用于便攜式AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片中。

參考文獻(xiàn)：

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