CN100547892C - 形成浮动充电泵的方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种形成浮动充电泵的方法，包括：配置充电泵控制器为输出电容器充电，该输出电容器以第一电压源的高端为参考，其中所述第一电压源具有第一电压值；配置所述充电泵控制器使用来自第二电压源的操作电压来驱动所述充电泵控制器，所述第二电压源具有第二电压值，其中所述充电泵控制器被配置为从第二电压源获得为输出电容器充电的泵电压，并且其中所述第二电压源的第二电压值独立于所述第一电压源。在一个实施例中，使充电泵电路的电容器以高端电压或顶端电压线为参考。
Description
技术领域
本发明一般涉及电子学，尤其涉及形成半导体器件的方法和结构。
背景技术
过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成充电泵电路。充电泵电路通常是接收一个电压并产生比接收的电压值更大的输出电压的电路。在一些情况下，输出电压被转换以从正电压源生成负电压。图1一般地示出了典型的现有技术的充电泵电路。现有的充电泵电路100接收电压输入102和地参考101之间的电压。振荡器电源104生成振荡器103所使用的电压。振荡器103提供在地电势101和电源104所生成的电势之间切换的脉冲串。振荡器103的输出对泵电容器107充电，泵电容器107再充电输出电容器110以在输出111和地101之间产生输出电压。该输出电压以地101为参考并是大约等于输入102上的电压加上振荡器103的脉冲电压的电压。
现有技术充电泵电路的问题是，输出电容器两端的电压以地为参考。当需要不同类型的参考时，该地参考妨碍了现有技术充电泵电路的使用。另一个问题是输出电压的值。当输入电压改变时，输出电压的值也增加。因此输出电压改变。另外，来自振荡器103的脉冲的电压值是固定的，并不易于适用于不同的输入电压值102。来自振荡器103的脉冲电压的固定特性不易于被改变，而不管输入电压的值。
发明内容
因此，期望有一种不以地为参考的充电泵电路，能够对于不同的输入电压值容易地调整输出电压，并可以容易地改变来自充电泵振荡器的脉冲的电压值。
附图说明
图1一般地举例说明了现有技术充电泵的一部分；
图2示意性地说明了根据本发明的充电泵电路的实施例的一部分；以及
图3举例说明了根据本发明，包含图2的充电泵电路部分的半导体器件的放大平面图。
具体实施方式
为了举例说明的简单和清晰，图中的元件不一定按比例，并且不同图中的相同标号代表相同元件。另外，为了描述简单，省略了公知步骤和元件的描述和细节。如这里所使用的，电流承载电极表示承载流经器件的电流的该器件的元件，诸如金属氧化物半导体(MOS)晶体管的源极或漏极，或者双极晶体管的发射极或集电极，以及控制电极表示控制流经器件的电流的器件的元件，诸如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。尽管器件在这里被解释为某种N-沟道或P-沟道器件，本领域技术人员将意识到，根据本发明互补器件也是可能的。
图2示意性说明了浮动充电泵电路10的实施例，该电路在输出17上提供随至电路10的输入电压值而浮动的输出电压。输出17和电压输入55之间的输出电压被形成为大于施加至电路10的输入电压的第一电压。电路10从输入55和电压返回16之间的电压源13接收输入电压。电路10在输出17和输入55之间形成比施加给输入55的输入电压大第一电压值的输出电压。输出17上的输出电压以高端电压或高端电源线或输入55的电压为参考。当输入电压改变时，输入55和输出17之间的输出电压保持从输入电压偏移第一电压值，因此，输出电压总是比输入电压大第一电压值。第一电压值是可以选择的，如在下文的详细描述中可以看出的。
电路10包括充电泵控制器11、充电泵电容器46、充电泵输出电路12、电阻器35和反馈网络36。典型地耦合负载50以从电路10接收输出电压。例如，负载50可以是从电路10接收控制电压以便实施“或”运算功能的“或”运算二极管电路。这种“或”运算电路的一个举例是被公知为PIP401的半导体器件，PIP401可以从荷兰Eindhoven的菲力普半导体获得。充电泵输出电路12包括阻塞二极管41、充电二极管42和输出电容器43。电路12在端子18被连接到高端电压、高端电源线或输入电压。
控制器11典型地接收电压输入14和控制器11的电压返回34之间的输入电压，并响应地在输出19上提供驱动信号。电压返回34典型地被连接到电路10的电压返回16。输出19上的驱动信号的电压摆动具有在控制器11的反馈输入15上接收的反馈(FB)信号所设置的最大值。反馈网络36包括串联连接在控制器11的调整器输出20和返回16之间的第一反馈电阻器37和第二反馈电阻器38。网络36还包括与电阻器37并联的电容器39。如下文中进一步看到的，输出17和输入55之间的输出电压值基本上等于输出19上的驱动信号的电压摆动的最大值。
控制器11包括内部电源56、参考电压发生器或参考25、限压器或箝位器29、电压调整器22、振荡器26、过充电保护电路21和输出驱动器，该输出驱动器包括上驱动晶体管27和下驱动晶体管28。以通常的方式由虚线框来表示调整器22、电路21和晶体管27和28。在一个实施例中，箝位器29是齐纳二极管，但是，其也可以是将输入14上的电压限制到期望的最大值的任何电路。在优选实施例中，箝位器29是30伏(30V)的齐纳二极管。在该优选实施例中，振荡器26被形成为在给定频率振荡，该给定频率典型地在大约100千赫兹和1兆赫兹(100KHz-1MHz)之间。过充电保护电路21包括比较器31、“或”门33和偏移电压或偏移32。调整器22包括误差放大器23和调整器晶体管24。箝位器29与电阻器35一起箝位提供给输入14的电压的最大值以保护控制器11。
电源56在电源56的输出57上形成内部操作电压。该内部操作电压通常用于操作放大器23、参考25、振荡器26、比较器31、偏移32和门33。尽管为了图的简化未示出，电源56连接在输入14和返回34之间以从输入14接收电压。典型地连接放大器23、参考25、振荡器26、比较器31、偏移32和门33以接收输出57和返回34之间的调整后的内部操作电压。调整器22在内部电压结点30处形成调整后的电压。结点30上的调整后的电压通常用于生成输出19上的泵电压。在结点30产生的调整后的电压的值依赖于反馈输入15上所接收的反馈电压的值。在一些实施例中，可以从结点30上的电压获得内部操作电压，而不是从电源56获得。
放大器23在放大器23的非反向输入上从参考25接收参考电压，在反向输入上接收反馈(FB)电压，并响应地驱动晶体管24以在结点30上提供调整后的电压。结点30上的调整后的电压值还设置了输出19上的驱动信号的电压摆动的上或高值。选择电阻器37和38的值以在输出19上提供驱动信号的期望上值或高值。输出驱动器的晶体管27和28以图腾柱方式串联连接在结点30和返回34之间用于倒相器结构。在优选实施例中，晶体管27和28分别为P-沟道MOS晶体管和N-沟道MOS晶体管。当晶体管27导通时，输出19被耦合到结点30以提供输出19上的驱动信号的电压摆动的上限。该上限被称为泵电压。因此，泵电压基本上等于结点30上的电压值。当晶体管28导通时，输出19被耦合至返回16，以提供基本上等于返回16上的电压值的电压作为驱动信号的电压摆动的下限。
假定比较器31的输出为低，振荡器26生成由驱动电路接收的脉冲序列，驱动电路响应地用振荡信号或交替脉冲驱动输出19以形成驱动信号。当输出19为低时，二极管41被前向偏置，并且端子18上的输入电压被耦合至结点44以基本上将输入电压施加到电容器46的一个极板上。当输出19变高时，结点44被驱动至大于端子18上的电压的值，反向偏置二极管41并将结点44驱动至基本上等于端子18上的输入电压加上输出19上的泵电压的电压。这前向偏置二极管42并将电压从电容器46施加到电容器43的一侧。电容器43两端的结果电压基本上为泵电压的值。由于电容器43以高端电源线或输入电压的高端为参考，输出17和输入55之间的输出电压的值基本上为泵电压。由于二极管41和42的压降与这些电压值相比很小，二极管41和42的压降被忽略，而电压被认为基本上相等以便示出包括了二极管压降。因此，电容器43两端的输出电压为泵电压减去二极管41和42的压降。
例如，假定选择反馈网络36以在结点30上形成10伏(10V)的电压，以及电压源13为48伏(48V)。当输出19为低时，基本上48伏(48V)的电压通过二极管41被施加到结点44并施加到电容器46的一个极板上。如可以看出的，结点44上的电压为48伏(48V)减去二极管41的压降。当输出19升高到10伏(10V)时，结点44被驱动至基本上58伏(58V)。如可以看出的，从端子18上的48伏(48V)加上输出19的10伏(10V)减去二极管41的压降而形成基本上58伏(58V)。该基本上58伏反向偏置二极管41并前向偏置二极管42，并且该基本上58伏(58V)通过二极管42被施加至电容器43的一端。施加至电容器43的该基本上58伏(58V)是从电容器46所提供的结点44上的基本上58伏(58V)减去二极管42的压降而形成的。由于二极管42被前向偏置，电容器43充电到基本上10伏(10V)。如可以看出的，该基本上10伏(10V)是10伏减去二极管41和42的压降。由于电容器43以高端电压为参考，输出17上的输出电压基本上为电容器43两端的10伏(10V)。对于振荡器26的每个周期继续充电电容器43的周期。
可以看出，输出17跟随施加至输入55的电压。当施加至输入55的电压改变时，这种改变立即被施加至电容器43的一侧。由于电容器43被充电至基本上等于输出19的高水平电压摆动的电压，由于输出17上的电压保持电容器43两端的电压，输出17立即跟随输入55中的改变。因此，通过将充电泵输出电容器连接到高端电压或高端电源线或输入55上的电压而浮动充电泵，允许电路10的输出电压迅速跟随充电泵的输入电压中的任何改变。
过充电保护电路21便于当电路10首次被供电时或当输入55上存在快速或瞬变时保护电路10。比较器31比较输入15上的反馈电压和参考电压加上偏移32的值。偏移32的值形成保护值并通常为参考25所提供的参考电压值的百分之十(10％)。偏移32可以在比较器31外部或形成为内部偏移电压。在任何一种情况下，偏移32的电压为偏移反向输入的正电压，使得将同一电压施加至两个输入导致反向输入接收大于非反向输入上所接收的电压的电压。在优选实施例中，偏移32被设计为比较器31的反向输入。这种内部偏移电压对于本领域技术人员来说是公知的。如果输入15上的反馈电压增加超过参考电压值多于偏移32的值，则比较器31的输出变高，接通晶体管28并禁止控制器11充电电容器46和43，从而保护连接到输出17的负载以及晶体管27和28免受过压情况。
为了提供上述功能，电阻器35的第一端连接到输入55，以及电阻器35的第二端连接到控制器11的输入14。控制器11的输入14连接到齐纳二极管29的阴极，以及二极管29的阳极连接到返回34。晶体管24的漏极连接到输入14，以及晶体管24的源极共连到结点30和输出20。晶体管24的栅极连接到放大器23的输出。放大器23的非反向输入连接到参考25的输出，以及放大器23的反向输入共连到比较器31的非反向输入和输入15。振荡器26的输出连接到门33的第一输入，以及门33的第二输入连接到比较器31的输出。门33的输出共连到晶体管27和28的栅极。晶体管27的源极连接到结点30，以及晶体管27的漏极共连到输出19和晶体管28的漏极。晶体管28的源极连接到返回34。比较器31的反向输入连接到放大器23的非反向输入。
反馈网络36的电阻器37的第一端共连到电容器39的第一端和控制器11的输出20，以及电阻器37的第二端共连到电阻器38的第一端、电容器39的第二端和输入15。电阻器38的第二端连接到返回16。电容器46的第一端或低极板连接到输出19，以及电容器46的第二端或上极板共连到二极管42的阳极和二极管41的阴极。二极管41的阳极连接到端子18和电容器43的第一端或输入极板。电容器43的第二端或输出极板共连到输出17和二极管42的阴极。
图3示意性说明了在半导体基片61上形成的半导体器件60的实施例部分的放大平面图。在基片61上形成控制器11。基片61可以包括为了附图的简单而未在图3中示出的其它电路。通过本领域技术人员公知的半导体制造技术在基片61上形成控制器11和器件60。
考虑到以上所有描述，明显地公开了一种新颖的器件和方法。包括形成一种充电泵电路，具有相对于充电泵电路的输入电压而浮动的输出。充电泵电路的输出电容器以高端电压或输入电压的高端电源线为参考，允许输出电压相对于地参考或下电源线而浮动，并用于不以地或下电源线为参考的电路。另外，输出电容器以高端电源线为参考减小了电容器两端的电压，从而允许更低击穿电压的电容器，这减少了成本。高端参考还减小了施加至控制电路的电压，从而允许更低击穿电压的半导体器件，这也减少了成本。
尽管用特定优选实施例描述了本发明，对于本领域技术人员来说，许多替代或改变将是明显的。
本申请基于已于2004年3月29日向美国提交的专利申请号10/811050。
Claims (9)
1.一种形成浮动充电泵的方法，包括：
配置充电泵控制器为输出电容器充电，该输出电容器以第一电压源的高端为参考，其中所述第一电压源具有第一电压值；
配置所述充电泵控制器使用来自第二电压源的操作电压来驱动所述充电泵控制器，所述第二电压源具有第二电压值，其中所述充电泵控制器被配置为从第二电压源获得为输出电容器充电的泵电压，并且其中所述第二电压源的第二电压值独立于所述第一电压源。
2.根据权利要求1的方法，还包括：耦合泵电容器以充电到等于所述第一电压源的第一电压值的电压，并将所述泵电容器两端的泵电压耦合到所述浮动充电泵的输出电容器。
3.根据权利要求1的方法，还包括：当浮动充电泵的泵电压超过保护值时，耦合浮动充电泵以禁止充电输出电容器。
4.根据权利要求1的方法，其中，配置所述充电泵控制器使用来自第二电压源的操作电压来驱动所述充电泵控制器的步骤包括：配置所述充电泵控制器形成驱动信号，该驱动信号控制在该驱动信号的第一部分期间将所述输出电容器切换到充电配置，控制在该驱动信号的第二部分期间将所述输出电容器切换到非充电配置，还将所述泵电压从该驱动信号耦合到所述输出电容器。
5.一种浮动充电泵电路，包括：
用于接收第一电压源的第一输入，第一电压源具有电压源端和电压返回端；
以所述第一电压源的电压源端为参考的输出电容器；
不同于第一电压源的第二电压源；和
被耦合来接收第二电压源的充电泵控制器，该充电泵控制器被配置为使用第二电压源产生该充电泵控制器的驱动源，并被配置为形成从该驱动源获得的泵电压。
6.根据权利要求5的浮动充电泵电路，其中，以所述第一电压源的电压源端为参考的输出电容器包括：充电到等于浮动充电泵电路的泵电压的电压的输出电容器。
7.根据权利要求5的浮动充电泵电路，还包括充电泵电容器，该充电泵电容器从充电泵控制器接收所述泵电压并将充电泵电容器两端的来自充电泵控制器的泵电压耦合到所述输出电容器，该充电泵电容器具有第一端和第二端。
8.根据权利要求7的浮动充电泵电路，还包括耦合至充电泵电容器的第一端并接收第一电压源的第一二极管。
9.根据权利要求7的浮动充电泵电路，所述输出电容器具有用于接收第一电压源的第一端和耦合至第二二极管的阴极端的第二端，该第二二极管的阳极端耦合至所述充电泵电容器的第一端。
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