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摘要：本文基于0.162um CMOS高压工艺，设计了一款通过检测电源电压，自动选择倍压系数的电荷泵电路。文中详细介绍了电源检测，模式选择原理以及泵电路的1.5倍/1.67倍/2倍/2.5倍/3倍五种倍压模式。泵电路采用了双边对称结构，有效降低了输出纹波。通过仿真，验证了电源不同电压域，倍压系数及输出电压的正确性；在25KHz工作频率，负载20mA时，基于双边对称工作的电源4.5V/1.5倍，3.7V/2倍与2.5V/3倍压模式，输出纹波均小于13mV。
关键词：电荷泵；电源自适应；低纹波
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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技术越来越广泛得应用于PDA、手机、I-watch等便携式平板显示设备，使其显示驱动芯片对集成度与功耗的要求越來越高。电荷泵凭借着结构简单，易于集成，高效率，低电磁干扰等优势成为显示驱动芯片中升压、反压电路的首选[1]。
一般地，便携式平板显示设备采用锂电池供电，随着电池的使用，供电电压会逐渐减小，若采用单一倍数的电荷泵，必然导致输出电压的大幅下降，满足不了系统要求[2]。为此，本文设计了一款自动检测锂电池电压，并调整相应倍压系数的升压电荷泵电路，可应用在显示驱动芯片电源管理模块第一级倍压电路中；且本文设计的泵电路采用双边对称结构，有效降低了电荷泵纹波[3]。
2 系统架构
本文设计的电荷泵架构如图1所示，主要由电源检测电路、模式选择电路、逻辑控制单元与泵电路等构成。
主要工作原理如下：电源检测电路对锂电池电压进行检测，输出与电源电压大小对应的温度计码，然后经过模式选择电路，得到倍压系数的控制字。倍压系数控制信号和非交叠时钟等信号被逻辑控制电路接收，逻辑控制电路根据接收到的信号，输出泵电路每个开关管的栅极控制信号与衬底选择信号，控制电荷泵的工作模式和工作过程；泵电路中飞线电容不断地充电与倍压，输出电容不断地放电与充电，当输出电容放电与充电平衡时，电荷泵就会输出一定倍数的稳定电压[4]。
3 电路设计
3.1 电源检测电路
本文设计的锂电池电压检测电路如图2所示。
图中，R0：R1：R2=5：1：4。Vddb0与Vddb1是锂电池VDDB通过电阻R0～R2分得的两个电压，分别与参考电压Vr0、Vr1～Vr3比较，输出反映锂电池电压大小的温度计码，然后存储在D触发器中，其中锂电池电压大小与输出温度计码的对应关系如表1所示。
3.2模式选择电路
该模块是温度计码到二进制码转换电路，如图3所示。主要功能是将电源检测电路的结果Q3～Q0转换成二进制的倍压系数控制字D<2：0>，进而选择相应的倍压系数；具体对应关系如表2所示。
倍压系数控制字与非交叠时钟信号输出到逻辑控制单元。在本设计中，逻辑控制电路根据倍压模式控制字D<2：0>的状态和非交叠时钟产生泵电路各个开关管栅极控制信号，进而实现1.5倍/1.67倍/2倍/2.5倍/3倍五种倍压模式的转换以及每种模式下各开关管的控制时序。
3.3泵电路
本文设计的倍压电荷泵电路采用双边对称结构，具体电路如图4所示，图中C11、C12、C21与C22为片外飞线电容，取1uF，Cout为AVDD输出电容，取4.7uF，其余MOS管均为开关管，各开关管的工作状态与倍压模式有关。
图4中泵电路根据锂电池电源电压的大小，可以工作于5种倍压模式，即1.5倍、1.67倍、2倍、2.5倍与3倍。不同的倍压模式下的泵电路的工作过程如下。 当倍压系数控制字为001时，泵电路工作于1.5倍压模式。
左半边电路开关管工作状态：阶段一，P12、C12、P16、C11与N11 形成通路，其余开关管断开，VDDB对飞线电容C11与C12充电，C12P=VDDB，C12N=C11P=VDDB/2，C11N=0；阶段二，P11、P13、P14、P17开关导通，其余开关管断开，由于电容两端电压保持不变，所以AVDD倍压到1.5VDDB电压。右半边电路开关管时序与左半边相反，交替对输出电容Cout充电，以减小输出电压纹波。
当倍压系数控制字为010时，泵电路工作于1.67倍压模式。
在该倍压模式下，第一阶段：P12、C12、N20与C22、N22、P24、C21、N21形成通路，其余开关管均断开；VDDB对飞线电容C12、C22与C21充电，使得，C12P= VDDB，
C21P=C22P=C12N=VDDB/3，C21N=C22N=0；第二阶段：P17、P11开关导通，C12N= VDDB，AVDD倍压到5VDDB/3，同时P23、P26与P21导通，C21N=VDDB，C21P=C22N=4VDDB/3，C22P=AVDD=5VDDB/3，AVDD实现了VDDB 5/3倍压。
当倍压系数控制字为011时，泵电路工作于2倍压模式。
左半边电路开关管工作状态：在阶段一，P12、C12与N12形成通路，P15，C11与N11形成通路，其余开关管断开，VDDB分别对C12与C11充电，使得，C11N=C12N=0，C11P=C12P=VDDB，第二阶段，P17导通，P13、P14导通，P11导通，其余开关管断开，C11N=C12N=VDDB，C11P=C12P=AVDD=2VDDB，AVDD被倍压到2VDDB电压。右半边电路开关时序与左半边相反，交替着对输出电容充电。
当倍压系数控制字为100时，泵电路工作于2.5倍压模式。
在2.5倍压模式下，第一阶段：P12、C12、N20、C22与N22形成通路，P15、C11与N11形成通路，P25、C21与N21形成通路，其余开关管均断开，电源VDDB分别对C12与C22，C11，C22充电，使得，C11P=C12P=C21P=VDDB，C12N=C22P=VDDB/2，C11N=C21N=C22N=0；第二阶段：P13、P16与P11导通，C11N=VDDB，C11P=C12N=2VDDB，C12P=2.5VDDB；同时，P23、P26与P21导通，C21N=VDDB，C21P=C22N=2VDDB，C22P=2.5VDDB；AVDD实现了VDDB 的2.5倍压。
当倍压系数控制字为101时，泵电路工作于3倍压模式。
该模式下，左半边电路开关管工作状态：阶段一，即C11的倍压与C12的充电阶段，N12、P13与P14导通，C12N=0；由于在C11充电阶段C11N=0，C11P=VDDB，所以在阶段一，C11N=VDDB，C11P倍压到2VDDB，并对C12充电，使得C12P=2VDDB。阶段二，即C12的倍压与C11的充电阶段，P17与P11导通，C12N=VDDB，C12P倍压到3VDDB，P15与N11导通，VDDB对C11充电，C11P=VDDB；其余开关管均关断。泵电路右半部分电路开关管的控制时序与左半部分相反，交替着对AVDD输出电容充电。
4 电路仿真
本文基于0.162um CMOS工艺，对设计电路进行了仿真验证，仿真结果如下：
当电源电压从2.5V线性增加到5V，电源检测电路输出结果如图5所示。
从图5仿真结果可以看出，当电源VDDB<3.154V时，Q3Q2Q1Q0=1111，泵电路工作于3倍压模式；3.154V4.36V时，Q3Q2Q1Q0=0000，泵电路工作于1.5倍压模式。
在时钟频率为25KHz，空载的条件下，分别取电源电压为4.5V、4V、3.7V、3.3V与2.5V，对电荷泵AVDD进行瞬态仿真，结果如图6所示。
仿真结果看出，电源电压分别取4.5V、4V、3.7V、3.3V与2.5V，电荷泵输出电压分别为6.74V、6.65V、7.38V，8.23V与7.48V；表明倍压系数分别为1.5、1.6、2、2.5与3，验证了倍压模式选择的正确性。
在时钟频率为25KHz，20mA负载的条件下，电源电压分别为4.5V、4V、3.7V、3.3V与2.5V时，对电荷泵纹波进行仿真，仿真如表3示。
在1.5倍、2倍与3倍压模式下，泵电路两边对称部分交替着对输出电容充电，有效降低了纹波大小。从仿真结果看出，输出纹波均小于13mV。
5 结束语
本文设计了一款通过检测电源电压，自动选择倍压系数的电荷泵电路，从而避免了因电池放电而导致单一倍数电荷泵输出电压大幅下降的问题；另外泵电路采用双边对称结构，有效降低了输出电压的纹波。基于0.162um CMOS工艺，仿真验证了在电源不同的电压域，倍压模式与输出电压的正确性；在工作频率25KHz，负载电流20mA 时，电源4V/1.67倍与3.3V/2.5倍压模式下，输出电压的纹波分别为87.61mV与90.95mV，电源4.5V/1.5倍，3.7V/2倍与2.5V/3倍压模式下，输出电压纹波均小于13 mV。本文设计的电源自适应电荷泵可用于便携式AMOLED显示驱动芯片中。
参考文献：
[1] 尚林林，杨红官，郭友红. 一种用于LED驱动的高效電荷泵电路的设计[J].2010， 30（1）：134-138.
[2] 余凯，邹雪城， 余国义. 用于TFT-LCD驱动的高效率高性能电荷泵设计[J]. 2008， 36（10）：95-97.
[3] 王一鹏，张万东，曾龄宇. 一种用于AMOLED显示驱动芯片的电荷泵设计[J].2011， 41（1）：78-81.
[4] 冯勇. 带自适应电源的高效线性音频功率放大器的研究与设计[D]. 复旦大学，2011.
关键词：电荷泵；电源自适应；低纹波
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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技术越来越广泛得应用于PDA、手机、I-watch等便携式平板显示设备，使其显示驱动芯片对集成度与功耗的要求越來越高。电荷泵凭借着结构简单，易于集成，高效率，低电磁干扰等优势成为显示驱动芯片中升压、反压电路的首选[1]。
一般地，便携式平板显示设备采用锂电池供电，随着电池的使用，供电电压会逐渐减小，若采用单一倍数的电荷泵，必然导致输出电压的大幅下降，满足不了系统要求[2]。为此，本文设计了一款自动检测锂电池电压，并调整相应倍压系数的升压电荷泵电路，可应用在显示驱动芯片电源管理模块第一级倍压电路中；且本文设计的泵电路采用双边对称结构，有效降低了电荷泵纹波[3]。
2 系统架构
本文设计的电荷泵架构如图1所示，主要由电源检测电路、模式选择电路、逻辑控制单元与泵电路等构成。
主要工作原理如下：电源检测电路对锂电池电压进行检测，输出与电源电压大小对应的温度计码，然后经过模式选择电路，得到倍压系数的控制字。倍压系数控制信号和非交叠时钟等信号被逻辑控制电路接收，逻辑控制电路根据接收到的信号，输出泵电路每个开关管的栅极控制信号与衬底选择信号，控制电荷泵的工作模式和工作过程；泵电路中飞线电容不断地充电与倍压，输出电容不断地放电与充电，当输出电容放电与充电平衡时，电荷泵就会输出一定倍数的稳定电压[4]。
3 电路设计
3.1 电源检测电路
本文设计的锂电池电压检测电路如图2所示。
图中，R0：R1：R2=5：1：4。Vddb0与Vddb1是锂电池VDDB通过电阻R0～R2分得的两个电压，分别与参考电压Vr0、Vr1～Vr3比较，输出反映锂电池电压大小的温度计码，然后存储在D触发器中，其中锂电池电压大小与输出温度计码的对应关系如表1所示。
3.2模式选择电路
该模块是温度计码到二进制码转换电路，如图3所示。主要功能是将电源检测电路的结果Q3～Q0转换成二进制的倍压系数控制字D<2：0>，进而选择相应的倍压系数；具体对应关系如表2所示。
倍压系数控制字与非交叠时钟信号输出到逻辑控制单元。在本设计中，逻辑控制电路根据倍压模式控制字D<2：0>的状态和非交叠时钟产生泵电路各个开关管栅极控制信号，进而实现1.5倍/1.67倍/2倍/2.5倍/3倍五种倍压模式的转换以及每种模式下各开关管的控制时序。
3.3泵电路
本文设计的倍压电荷泵电路采用双边对称结构，具体电路如图4所示，图中C11、C12、C21与C22为片外飞线电容，取1uF，Cout为AVDD输出电容，取4.7uF，其余MOS管均为开关管，各开关管的工作状态与倍压模式有关。
图4中泵电路根据锂电池电源电压的大小，可以工作于5种倍压模式，即1.5倍、1.67倍、2倍、2.5倍与3倍。不同的倍压模式下的泵电路的工作过程如下。 当倍压系数控制字为001时，泵电路工作于1.5倍压模式。
左半边电路开关管工作状态：阶段一，P12、C12、P16、C11与N11 形成通路，其余开关管断开，VDDB对飞线电容C11与C12充电，C12P=VDDB，C12N=C11P=VDDB/2，C11N=0；阶段二，P11、P13、P14、P17开关导通，其余开关管断开，由于电容两端电压保持不变，所以AVDD倍压到1.5VDDB电压。右半边电路开关管时序与左半边相反，交替对输出电容Cout充电，以减小输出电压纹波。
当倍压系数控制字为010时，泵电路工作于1.67倍压模式。
在该倍压模式下，第一阶段：P12、C12、N20与C22、N22、P24、C21、N21形成通路，其余开关管均断开；VDDB对飞线电容C12、C22与C21充电，使得，C12P= VDDB，
C21P=C22P=C12N=VDDB/3，C21N=C22N=0；第二阶段：P17、P11开关导通，C12N= VDDB，AVDD倍压到5VDDB/3，同时P23、P26与P21导通，C21N=VDDB，C21P=C22N=4VDDB/3，C22P=AVDD=5VDDB/3，AVDD实现了VDDB 5/3倍压。
当倍压系数控制字为011时，泵电路工作于2倍压模式。
左半边电路开关管工作状态：在阶段一，P12、C12与N12形成通路，P15，C11与N11形成通路，其余开关管断开，VDDB分别对C12与C11充电，使得，C11N=C12N=0，C11P=C12P=VDDB，第二阶段，P17导通，P13、P14导通，P11导通，其余开关管断开，C11N=C12N=VDDB，C11P=C12P=AVDD=2VDDB，AVDD被倍压到2VDDB电压。右半边电路开关时序与左半边相反，交替着对输出电容充电。
当倍压系数控制字为100时，泵电路工作于2.5倍压模式。
在2.5倍压模式下，第一阶段：P12、C12、N20、C22与N22形成通路，P15、C11与N11形成通路，P25、C21与N21形成通路，其余开关管均断开，电源VDDB分别对C12与C22，C11，C22充电，使得，C11P=C12P=C21P=VDDB，C12N=C22P=VDDB/2，C11N=C21N=C22N=0；第二阶段：P13、P16与P11导通，C11N=VDDB，C11P=C12N=2VDDB，C12P=2.5VDDB；同时，P23、P26与P21导通，C21N=VDDB，C21P=C22N=2VDDB，C22P=2.5VDDB；AVDD实现了VDDB 的2.5倍压。
当倍压系数控制字为101时，泵电路工作于3倍压模式。
该模式下，左半边电路开关管工作状态：阶段一，即C11的倍压与C12的充电阶段，N12、P13与P14导通，C12N=0；由于在C11充电阶段C11N=0，C11P=VDDB，所以在阶段一，C11N=VDDB，C11P倍压到2VDDB，并对C12充电，使得C12P=2VDDB。阶段二，即C12的倍压与C11的充电阶段，P17与P11导通，C12N=VDDB，C12P倍压到3VDDB，P15与N11导通，VDDB对C11充电，C11P=VDDB；其余开关管均关断。泵电路右半部分电路开关管的控制时序与左半部分相反，交替着对AVDD输出电容充电。
4 电路仿真
本文基于0.162um CMOS工艺，对设计电路进行了仿真验证，仿真结果如下：
当电源电压从2.5V线性增加到5V，电源检测电路输出结果如图5所示。
从图5仿真结果可以看出，当电源VDDB<3.154V时，Q3Q2Q1Q0=1111，泵电路工作于3倍压模式；3.154V
在时钟频率为25KHz，空载的条件下，分别取电源电压为4.5V、4V、3.7V、3.3V与2.5V，对电荷泵AVDD进行瞬态仿真，结果如图6所示。
仿真结果看出，电源电压分别取4.5V、4V、3.7V、3.3V与2.5V，电荷泵输出电压分别为6.74V、6.65V、7.38V，8.23V与7.48V；表明倍压系数分别为1.5、1.6、2、2.5与3，验证了倍压模式选择的正确性。
在时钟频率为25KHz，20mA负载的条件下，电源电压分别为4.5V、4V、3.7V、3.3V与2.5V时，对电荷泵纹波进行仿真，仿真如表3示。
在1.5倍、2倍与3倍压模式下，泵电路两边对称部分交替着对输出电容充电，有效降低了纹波大小。从仿真结果看出，输出纹波均小于13mV。
5 结束语
本文设计了一款通过检测电源电压，自动选择倍压系数的电荷泵电路，从而避免了因电池放电而导致单一倍数电荷泵输出电压大幅下降的问题；另外泵电路采用双边对称结构，有效降低了输出电压的纹波。基于0.162um CMOS工艺，仿真验证了在电源不同的电压域，倍压模式与输出电压的正确性；在工作频率25KHz，负载电流20mA 时，电源4V/1.67倍与3.3V/2.5倍压模式下，输出电压的纹波分别为87.61mV与90.95mV，电源4.5V/1.5倍，3.7V/2倍与2.5V/3倍压模式下，输出电压纹波均小于13 mV。本文设计的电源自适应电荷泵可用于便携式AMOLED显示驱动芯片中。
参考文献：
[1] 尚林林，杨红官，郭友红. 一种用于LED驱动的高效電荷泵电路的设计[J].2010， 30（1）：134-138.
[2] 余凯，邹雪城， 余国义. 用于TFT-LCD驱动的高效率高性能电荷泵设计[J]. 2008， 36（10）：95-97.
[3] 王一鹏，张万东，曾龄宇. 一种用于AMOLED显示驱动芯片的电荷泵设计[J].2011， 41（1）：78-81.
[4] 冯勇. 带自适应电源的高效线性音频功率放大器的研究与设计[D]. 复旦大学，2011.