NL9200056A

NL9200056A - Hoogspanningsgenerator met uitgangsstroomregeling.

Info

Publication number: NL9200056A
Application number: NL9200056A
Authority: NL
Original assignee: Sierra Semiconductor Bv
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1992-01-14
Publication date: 1993-08-02
Also published as: DE69205997T2; EP0621991B1; DE69205997D1; ATE130133T1; CA2127995A1; US5483434A; EP0621991A1; WO1993014554A1; JPH07502879A; KR950700632A

Description

Hoogspanningsgenerator met uitgangsstroomregeling.

De uitvinding betreft een hoogspanningsgenerator omvattend verschillende in serie geplaatste spanningsvermenigvuldigingstrappen, elk bestaande uit een diode en een capaciteit die aan de ene zijde met de kathode van de betreffende diode is verbonden, waarbij iedere kathode van een diode is verbonden met de anode van de diode van de volgende spanningsvermenigvuldigingstrap, een klokgenerator die twee, l80 ° uit fase zijnde kloksignalen produceert, die om en om aan de andere zijde van de capaciteiten van opeenvolgende spanningsvermenigvuldigingstrappen worden aangeboden, waarbij de laatste diode in de serie een hoogspanningsuitgang voedt en de hoogspanningsuitgang is verbonden met terugkoppelmiddelen, die de twee kloksignalen modificeren in afhankelijkheid van de spanning op de hoogspanningsuitgang.

Een dergelijke hoogspanningsgenerator is bekend uit de Europese octrooiaanvrage 350.462. Deze bekende hoogspanningsgenerator genereert een hoogspanningspuls om bijvoorbeeld (E)EPROM-geheugencellen te kunnen programmeren. Daartoe wordt een spanning van ongeveer 5 V omgezet in een puls van ongeveer 16 V, welke waarde voldoende is om (E)EPROM-geheugencellen te programmeren. Elke spanningsvermenigvuldigingstrap funktioneert als een ladingspomp en er treedt bij elke trap een spanningsvermeerdering op, maximaal gelijk aan de stapgrootte van het kloksignaal minus de drempelspanning van de diodes.

Een nadeel van de bekende inrichting is dat de hoogspanningsuitgang pieken vertoont telkens als een van beide kloksignalen omklapt.

Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een inrichting die dit nadeel opheft en waarin de uitgangsspanning geen pieken meer bevat.

De inrichting van de onderhavige uitvinding draagt daartoe het kenmerk dat tenminste de capaciteit in de laatste spanningsvermenigvuldigingstrap een door de terugkoppelmiddelen bepaalde stuurstroom ontvangt i.p.v. een van beide kloksignalen.

Door de stuurstroom de juiste vorm te geven, kunnen de pieken op de hoogspanningsuitgang sterk worden gereduceerd.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een tekening. In de tekening toont

Fig. 1 het netwerk volgens de uitvinding, deels in blokdiagram;

Fig. IA een alternatief netwerk volgens de uitvinding.

Fig. 2 de spanning die i.p.v. een van beide kloksignalen aan de laatste capaciteit wordt aangeboden;

Fig. 3 een gesimuleerde weergave van de twee kloksignalen die de ladingspompjes sturen;

Fig. 4 een gesimuleerde weergave van een deel van de opgaande flank van een programmeringspuls zonder stroomsturing van de laatste capaciteit;

Fig. 5 een gesimuleerde weergave van een deel van de opgaande flank van een programmeringspuls met stroomsturing van de laatste capaciteit;

Fig. 6 een gesimuleerde weergave van een programmeringspuls gegenereerd met behulp van de inrichting volgens de uitvinding.

In figuur 1 is de uitvinding gedeeltelijk in blokdiagram weergegeven. De figuur toont een bekende spanningsvermenigvuldiger, bestaande uit verscheidene in serie geplaatste ladingspompjes. Elke ladingspomp betaat uit een diode Di en een met de kathode daarvan gekoppelde capaciteit Ci+1. Aan diens andere zijde ontvangt elke capaciteit een door een oscillator 3 gegenereerd kloksignaal (φΐ of φ2). De oscillator 3 genereert twee, l80 ° uit fase zijnde kloksignalen, die om en om aan de opeenvolgende capaciteiten Ci worden aangeboden. In deze bekende spanningsvermenigvuldiger treedt bij elke trap nagenoeg een spanningsverdubbeling op. De dioden DO.....Dn kunnen als diode geschakelde MOS-transistoren zijn.

In de inrichting volgens de uitvinding wordt de laatste capaciteit Cn niet gestuurd met een van beide kloksignalen φΐ of φ2, maar met een stuurstroom II. Dit verschaft de mogelijkheid om pieken op de hoogspanningsuitgang tijdens het omklappen van de kloksignalen φΐ en φ2 te reduceren.

De stroomsturing van de laatste capaciteit wordt bewerkstelligd met behulp van terugkoppelmiddelen bestaande uit een hoogspanningsterugkoppelnetwerk 1, een referentiebron 2, een verschilversterker A, een stroombron II en twee door de kloksignalen φΐ en φ2 gestuurde schakelaars SI en S2. De uitgang van het hoogspanningsterugkoppelnetwerk 1 is verbonden met de omkeeringang van de verschilversterker A, waarvan de niet-omkeeringang een referentiespanning (of -stroom) ontvangt van een referentiespannings- of referentiestroomgever 2. De uitgang van de verschilversterker A stuurt de waarde van de stroombron II. De uitgang van de stroombron II is via de twee in serie geplaatste, door φΐ, respectievelijk φ2 gestuurde schakelaars SI en S2 met "aarde" (VSS) verbonden. Het verbindingspunt van de schakelaars SI en S2 levert de spanning Vn voor de laatste capaciteit Cn, alsmede de ingangsspanning van de oscillator 3·

Figuur 2 toont het verloop van de spanning Vn op de laatste capaciteit Cn als funktie van de tijd. Als Vn toeneemt, wordt Cn via Dn en een met de hoogspanningsuitgang HVout verbonden belasting ontladen. De met φ2 gestuurde schakelaar S2 is dan dicht, terwijl de met φΐ gestuurde schakelaar SI geopend is. Schakelaar S2 geleidt de stroom II naar de capaciteit Cn, zodat de uitgangsstroom Iout dan ook gelijk is aan II. Op een zeker tijdstip tl overschrijdt Vn een vooraf bepaalde drempelwaarde en klapt de oscillator 3 om: de uitgangen φΐ en φ2 wisselen van teken. De door φΐ en φ2 gestuurde schakelaars SI en S2 klappen dan eveneens om: S2 gaat open, terwijl SI dicht gaat. De spanning Vn daalt met een door de weerstand van SI bepaalde snelheid naar "aarde" (VSS), waarna de capaciteit Cn via diode Dn-1 wordt opgeladen. Op tijdstip t2 klapt oscillator 3 weer om, waarna Vn weer toeneemt en Cn weer via Dn en de belasting wordt ontladen met de stroom Iout = II.

Als II een bestuurde stroom is, is ook de uitgangsstroom Iout een bestuurde stroom. De spanning Vn heeft een zaagtand-verloop. De helling van de opgaande flank wordt bepaald door II, die op zijn beurt door het hoogspanningsterugkoppelnetwerk 1 wordt gestuurd. Aangezien het hoogspanningsterugkoppelnetwerk 1 door de hoogspanningsuitgang HVout wordt gestuurd, wordt de helling van Vn door de met de hoogspanningsuitgang gekoppelde belasting bepaald. Omdat Vn ook de oscillator stuurt, wordt tevens de frekwentie van de kloksignalen φΐ en φ2 door de belasting bepaald. De spanningsvermenigvuldiger pompt derhalve alleen lading naar de uitgang HVout als deze daar nodig is. De spanningsvermenigvuldiger volgens de uitvinding heeft dus niet alleen het voordeel van een stroomgestuurde uitgang die de pieken op de uitgangsspanning reduceert, maar ook een frekwentieregeling van de oscillator.

In figuur 1 is een enkelvoudig vermenigvuldigingsnetwerk getekend. Een nadeel van een enkelvoudig netwerk is, dat er geen uitgangsstroom Iout kan vloeien tijdens de neergaande flank van stuursignaal Vn. In de praktijk wordt dit probleem opgelost door een extra, identieke spanningsvermenigvul-diger toe te passen, waarin de spanningen φΐ en φ2 een ten opzichte van figuur 1 geïnverteerde waarde hebben. Op de momenten dat in de inrichting van figuur 1 Vn daalt en er dus geen uitgangsstroom wordt geleverd, zal in een dergelijke dubbelfasige inrichting de andere identieke spanningsvermenigvuldiger een uitgangsstroom II verschaffen, zodat te allen tijde geldt: Iout = II. Een dergelijk dubbelfasig netwerk is getoond in figuur IA.

Figuur 3 toont een simulatie van een dubbelfasige uitvoering van figuur 1. Hierin is Vnl equivalent met Vn uit figuur 1 voor de ene fase en Vn2 voor de andere fase. De frekwenties van φΐ en φ2 komen overeen met die van Vnl, respectievelijk Vn2. In figuur 3 is te zien hoe deze frekwentie door de belasting wordt bepaald. Boven in figuur 3 is een gedeelte van het gesimuleerde verloop van de -opgaande flank van een programmeringspuls VPP te zien. VPPID geeft het ideale, gewenste verloop van VPP weer. De twee andere curven tonen de stuursignalen Vnl en Vn2. Na 60 ps wordt een hogere belasting op de uitgang HVout geschakeld. Duidelijk is te zien dat de hellingen van Vnl en Vn2 steiler worden en de frekentie derhalve toeneemt. De spanningssprong aan het begin van iedere puls wordt veroorzaakt door de te overbruggen drempelspanning van de dioden in de ladingspomp. De pieken in de stuursignalen bereiken alleen de door hen aangestuurde capaciteiten, maar niet de uitgang van de ladingspomp, mits de schakeling goed is gedimensioneerd.

Figuren 4, 5 en 6 tonen resultaten van het verloop van de programmeringspuls VPP als funktie van de tijd. Figuur 4 toont VPP in het geval de laatste capaciteit Cn niet wordt stroomgestuurd, maar net als de andere capaciteiten een van beide kloksignalen φΐ of φ2 ontvangt. Daarbij toont figuur 4 alleen een deel van de opgaande flank van de programmeringspuls. VPP is het uitgangssignaal van de ladingspomp, terwijl VPPOUT het uitgangssignaal van een (klein) laagdoorlaatfilter is met VPP als ingangssignaal. Figuur 5 laat zien dat in de inrichting van de uitvinding, waar stroomsturing van de laatste capaciteit Cn wordt toegepast, de pieken van de kloksignalen minder sterk terugkeren in de programmeringspuls VPP. Ter vergelijking van figuur 4 en 5 dient nog te worden opgemerkt, dat figuur 5 gesimuleerd is met een ruim zes keer zo kleine condensator (CHV) tussen HV0Ut en aarde (VSS). Indien figuur 4 gesimuleerd zou zijn met dezelfde condensator als bij de simulatie van figuur 5. dan zouden de pieken op het VPP-signaal in figuur 4 ongeveer zes keer groter zijn geweest. Figuur 6 toont een gehele programmeringspuls, zoals die met de inrichting van de uitvinding kan worden gerealiseerd. Duidelijk is hoe nauwgezet de werkelijke puls VPPOUT de ideale puls VPPID volgt.

De uitvinding beperkt zich niet tot stroomsturing van de laatste capaciteit Cn. In principe is het mogelijk ook andere capaciteiten stroom te sturen. Meestal resulteert dit echter in een lager rendement van de ladingspomp. Bovendien is de uitgangsstroom niet meer gelijk aan II en is deze dus minder goed gedefinieerd.

Claims

1. Hoogspanningsgenerator omvattend verschillende in serie geplaatste spanningsvermenigvuldigingstrappen, elk bestaande uit een een diode en een capaciteit die aan de ene zijde met de kathode van de betreffende diode is verbonden, waarbij iedere kathode van een diode is verbonden met de anode van de diode van de volgende spanningsvermenigvuldigingstrap, een klokgenerator die twee, 180 ° uit fase zijnde kloksignalen produceert, die om en om aan de andere zijde van de capaciteiten van opeenvolgende spanningsvermenigvuldigingstrappen worden aangeboden, waarbij de laatste diode in de serie een hoogspanningsuitgang voedt en de hoogspanningsuitgang is verbonden met terugkoppelmiddelen, die de twee kloksignalen modificeren in afhankelijkheid van de spanning op de hoogspanningsuitgang met het kenmerk dat tenminste de capaciteit (Cn) in de laatste spanningsvermenigvuldigingstrap een door de terugkoppelmiddelen bepaalde stuurstroom (II) ontvangt i.p.v. een van beide kloksignalen.

2. Hoogspanningsgenerator volgens conclusie 1 met het kenmerk dat alleen de capaciteit (Cn) in de laatste spanningsvermenigvuldigingstrap de door de terugkoppelmiddelen bepaalde stuurstroom (II) ontvangt.

3. Hoogspanningsgenerator volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat de terugkoppelmiddelen een met de hoogspanningsuitgang (HVout) verbonden hoogspanningsterugkoppelnetwerk 1 omvatten, waarvan de uitgang is verbonden met een ingang van een verschilversterker (A), wiens andere ingang een referentiesignaal ontvangt, waarbij de uitgang van de verschilversterker de waarde van de stuurstroom (II) stuurt, de stuurs troom via een door een van beide kloksignalen (<j>2) bestuurde eerste schakelaar (S2) naar de laatste capaciteit (Cn) kan stromen, het verbindingspunt van de eerste schakelaar (S2) en de laatste capaciteit (Cn) via een tweede door het andere kloksignaal (φΐ) bestuurde schakelaar (SI) met aarde (VSS) kan worden verbonden, alsmede een ingangsspanning (Vn) aan de oscillator levert voor het besturen van de helling en de frekwentie van de beide kloksignalen (φΐ, φ2).

4. Hoogspanningsgenerator volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk dat als de ingangsspanning (Vn) voor de. oscillator boven een vooraf bepaalde drempelwaarde stijgt, de kloksignalen (φΐ, φ2) van teken omklappen zodanig dat de door kloksignaal (φ 2) bestuurde eerste schakelaar (S2) wordt geopend en de door kloksignaal (φΐ) bestuurde eerste schakelaar (SI) wordt gesloten, en als de ingangsspanning dan beneden een vooraf bepaalde andere drempelwaarde daalt, de kloksignalen opnieuw omklappen met als gevolg dat de eerste schakelaar (S2) zich sluit en de tweede schakelaar (SI) zich opent.

5· Hoogspanningsgenerator volgens een van de voorgaande conclusies met het kenmerk dat een tweede identieke, maar inverse hoogspanningsgenerator wordt toegepast, waarbij de hoogspanningsuitgangen van beide hoogspanningsgeneratoren met elkaar zijn verbonden, een en ander zodanig dat als de ene hoogspanningsgenerator geen stuurstroom (II) levert maar diens laatste capaciteit oplaadt, de andere hoogspanningsgenerator de stuurstroom (II) levert.