CN101436825A - 多级电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级电荷泵(Charge Pump)电路，具有第一及第二泵电容、第一及第二传输电路、第一及第二驱动电路及电荷回收电路。第一泵电容、第一传输电路及第一驱动电路形成第一级电路，第二泵电容、第二传输电路及第二驱动电路形成第二级电路。第一及第二级电路的操作互为反相。电荷回收电路在第一时序期间中传输第一泵电容的第二端的电荷至第二泵电容的第二端，并在第二时序期间中传输第二泵电容的第二端的电荷至第一泵电容的第二端。

Description

多级电荷泵电路
技术领域
本发明是有关于一种多级电荷泵(Multiple-stage Charge Pump)电路，且特别是有关于一种具有电荷回收(Charge Recycle)电路的多级电荷泵电路。
背景技术
随着科技的发展日新月异，多级电荷泵(Multiple-stage ChargePump)电路已广泛地被应用在各种需提供电平高于电源信号的电平的电路应用中。举例来说，多级电荷泵电路时常被应用在对电可擦写可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read OnlyMemory，EEPROM)进行数据写入及数据擦除的应用中。
请参照图1，其绘示传统多级电荷泵电路的电路图。传统多级电荷泵电路100包括四个级电路(Stage)120，各个级电路102包括二极管(Diode)D及泵电容C。频率信号CK1及CK2间的相位差为180度，频率信号CK1及CK2分别被用以在不相互重叠(Non-overlapped)的两个期间中导通奇数序级电路中的二极管及导通偶数序级电路中的二极管。当二极管D导通时，二极管D正端的电压对耦接至二极管D的负端的泵电容C进行充电，使二极管D正端的电压传输至泵电容C的两端。接着，泵电容C接收的频率信号由接地电压提升为高电压Vdd，使得二极管D的负端电压被提升为二极管的正端电压与高电压Vdd之和。如此，经过四个级电路120的操作后，输出电压Vo实质上等于5倍的高电压Vdd。
然而，传统多级泵电路中具有需反复对泵电容进行充电及放电，导致传统多级电荷泵电路具有高功率耗损的缺点。因此，如何提出可降低功率损耗及提升电能使用效率的多级电荷泵电路为业界不断致力的方向之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多级电荷泵(Multiple-stage Charge Pump)电路，相较于传统电路，本发明提出的多级电荷泵电路具有低功率损耗及高电能使用效率的优点。
根据本发明提出的这种多级电荷泵电路，包括多级电路，各级电路包括并电路及电荷回收(Charge Recycle)电路。电荷回收电路包括开关元件，开关元件用以响应于控制信号来将泵电路中的电压分享至其它级电路。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1绘示传统多级电荷泵电路的电路图。
图2绘示依照本发明实施例的多级电荷泵电路的电路图。
图3绘示是图2的多级电荷泵电路的相关信号时序图。
图4绘示本实施例的多级电荷泵电路的另一电路图。
图5绘示本实施例的多级电荷泵电路的再一电路图。
图6绘示本实施例的多级电荷泵电路的再一电路图。
【主要元件符号说明】
100：传统多级电荷泵电路
120：级电路
D：二极管
C：泵电容
12、14：第一、第二级电路
12a、14a：传输电路
CT1、CT2、CT3：转移电容
CP1、CP2：泵电容
E11、E21、E31、E41：第一端
E12、E22、E32、E42：第二端
T1～T12：晶体管
120、140：电压驱动电路
16、16′、16″、16″′：电荷回收电路
162、164：开关电路
具体实施方式
本发明提出多级电荷泵(Multiple-stage Charge Pump)电路，其是透过电荷回收(Charge Recycle)电路形成的短路电路路径来转换储存在相邻两个级电路中的电荷，藉此达到重复利用相邻两个级电路的电荷的效果。
请参照图2及图3，图2绘示依照本发明实施例的多级电荷泵电路的电路图，图3绘示是图2的多级电荷泵电路的相关信号时序图。多级电荷泵电路10包括第一级电路12、第二级电路14及电荷回收电路16。第一级电路12包括传输电路12a、泵电容CP1及电压驱动电路120。传输电路12a包括转移电容CT1及晶体管T1及T2。
泵电容CP1具有第一端E11及第二端E12。转移电容CT1具有第一端E21及第二端E22。晶体管T1及T2例如为N型金氧半(MetalOxide Semiconductor，NMOS)晶体管。晶体管T1及T2的漏极接收高电压VCC，栅极分别耦接至第二端E22及第一端E21，源极分别耦接至第一端E11及第二端E22。第二端E12及第一端E21分别耦接至电压驱动电路120及接收频率信号P4。
在时序期间TP1中，电压驱动电路120提供高电压VCC至第二端E12，以提升第一端E11的电压。晶体管T2是根据第一端E11上的高电压被导通。当晶体管T2在时序期间TP1中被导通时，高电压VCC是经由晶体管T2被提供至第二端E22。在时序期间TP1中，频率信号P4实质上等于低电压VSS。
在时序期间TP2中，频率信号P4自低电压VSS提升为高电压VCC。此时第一端及第二端E21及E22间的电压差实质上维持其在时序周期TP1中的电压差，使得第二端E22的电压实质上自高电压VCC提升为两倍高电压VCC。由于第二端E22的电压(实质上等于两倍高电压2VCC)实质上高于第一端E11的电压(实质上等于高电压VCC)，晶体管T1被导通以提供高电压VCC至第一端E11。在时序期间TP2中，电压驱动电路120提供低电压VSS至第二端E12，以拉低第二端E12的电压至低电压VSS。如此，第一端及第二端E11及E12的电压差实质上等于电压VCC-VSS。低电压VSS例如等于接地电压，第一端及第二端E11及E12的电压差实质上等于高电压VCC。
在下一个时序期间TP1中，第二端E12的电压被提升为高电压VCC，第一端E11的电压被提升一个高电压VCC，而实质上等于两倍的高电压VCC。
第二级电路14包括传输电路14a、泵电容CP2及电压驱动电路140。传输电路14a包括传输电容CT2及晶体管T3及T4。晶体管T3及T4例如为NMOS晶体管。泵电容CP2具有第一端E31及第二端E32。传输电容CT2具有第一端E41及第二端E42。第二级电路14的操作与第一级电路12的操做为实质上相近，用以提供第一端E11上的电压(实质上等于两倍高电压VCC)至第一端E31、将第一端E1上的电压提升一个高电压VCC及产生实质上等于三倍高电压VCC的电压。
在本实施例的多级电荷泵电路10中，第一及第二级电路12及14分别根据频率信号P4及P1来执行操作。第二端E12的电压分别在频率期间TP1及TP2中被提升为高电压VCC及拉低为低电压VSS。第二端E32上的电压分别在频率期间TP1及TP2中被拉低为低电压VSS及提升为高电压VCC。
在本实施例中，电荷回收电路16被用以将第二端E12及E32其中等于高电压VCC之一上的电荷回收至其中具有低电压VSS的另一。本实施例的电荷回收电路16用以在时序期间TP1后的时序期间TP3及时序期间TP2后的时序期间TP4中连接第二端E12及E32。
在时序期间TP3中，第二端E12及E32的电压分别接近高电压VCC及低电压VSS，电压驱动电路120及140均为非致能。如此，电荷回收电路16形成连接第二端E12及第二端E32间的路径。这样一来，在时序期间TP3中，实质上具有高电压VCC的第二端E12上的电荷被转移并回收至实质上具有低电压VSS的第二端E32，而非被直接经由接地路径进行放电。
在时序期间TP4中，第二端E32及E12的电压分别接近高电压VCC及低电压VSS，电压驱动电路120及140均为非致能。如此，电荷回收电路16形成连接第二端E12及第二端E32间的路径。这样一来，在时序期间TP4中，实质上具有高电压VCC的第二端E32上的电荷被转移并回收至实质上具有低电压VSS的第二端E12，而非被直接经由接地路径进行放电。
在本实施例中，电荷回收电路16包括开关电路162及164。开关电路162及164包括第一端及第二端。开关电路162及164的第一端分别耦接至第二端e12及E32，开关电路162及164的第二端相互耦接。开关电路162及164分别在时序期间TP3及TP4中被导通，以使第二端E12短路耦接至第二端E32。
开关电路162及164分别包括晶体管T5及T6，其例如分别等于NMOS晶体管。晶体管T5及T6的漏极实质上分别为开关电路162及164的第一端，其分别耦接至第二端E12及E32。晶体管T5及T6的源极实质上分别为开关电路162及164的第二端，其是相互耦接。晶体管T5及T6的栅极接收控制信号SC1。在频率期间TP3及TP4中，控制信号SC1等于高电压VCC。在时序期间TP3及TP4中，晶体管T5及T6是根据高电平的控制信号SC1导通。
电压驱动电路120包括晶体管T7及T8。晶体管T7及T8例如分别为P型MOS((P-type MOS，PMOS)晶体管及NMOS晶体管。晶体管T7及T8的漏极分别耦接至第二端E12及E32，源极分别接收高电压VCC及低电压VSS。晶体管T7及T8分别用以响应于低电平的频率信号P1B提供提升第二端E12的电压的路径及响应于高电平的频率信号P4提供拉低第二端E12的电压的路径。其中，频率信号P1B实质上为频率信号P1的反相信号。
电压驱动电路140具有与电压驱动电路120实质上相近的电路。电压驱动电路140包括晶体管T9及T10，其例如分别为PMOS晶体管及NMOS晶体管。晶体管T9及T10分别用以根据低电平的频率信号P4B来提升第二端E32的电压，及根据高电平的频率信号P1来拉低第二端E32的电压。频率信号P4B实质上为频率信号P4的反相信号。
多级电荷泵电路10进一步包括输出级电路18，输出级电路18用以接收第一端E31上的电压，并以第一端E31上的电压做为输出电压VO输出。输出级电路18包括晶体管T11、T12及传输电容CT3，其中晶体管T11、T12及传输电容CT3实质上与传输电路12a中的晶体管T1、T2及CT1具有相同的电路连接关系。由于在晶体管T11导通时，晶体管T11的栅极电压实质上接近两倍高电压VCC，使得输出级电路18可有效地将第一端E31上的电压做为输出电压VO输出。当第一端E31的电压低于三倍高电压VCC时，输出级电路18更实质上被偏压成一个逆偏二极管，使输出端与第一端E31为实质上断路，以避免产生自输出端流向第一端E31的电流。
接下来，是对时序期间TP3及TP4中的电荷分享操作进行进一步说明。在时间期间TP3之前的时间期间TP1中，第二端E12及E32上的电压分别为高电压VCC低电压VSS。在第三期间TP3中，将第二端E12与E32短路连接，以将第二端E12中的电荷转移至第二端E32。由于在时间期间TP2中，第二端E12及E32需分别被拉低至低电压VSS及高电压VDD，因此相较于传统电路中直接将第二端E12及E32分别放电至低电压VSS及充电至高电压VCC的操作，本实施例的多级电荷泵电路10在第三期间TP3中将第二端E12中的电荷转移至第二端E32的操作可降低多级电荷泵电路操作需耗损的功率。因此，相较于传统多级电荷泵电路，本实施例的多级电荷泵电路具有可有效地降低功率耗损及提高电能使用效率的优点。
在本实施例中，虽然仅以多级电荷泵电路10具有第一级电路12及第二级电路14的情形为例作说明，然，本实施例的多级电荷泵电路并不局限于包括两级级电路，而更可包括四级或四级以上之级电路。举例来说，请参照图4，其绘示本实施例的多级电荷泵电路的另一电路图。多级电荷泵电路10′与10不同之处在于多级电荷泵电路10′进一步包括第三级电路12′及第四级电路14′。
第一及第三级电路12及12′的电路连结关系与操做为实质上相同，第二及第四级电路14′及14′的电路连接关系与操做为实质上相同。电荷回收电路16′是在时序期间TP3及TP4中耦接所有泵电容CP1至CP4的第二端，以转移其中的电荷。如此，多级电荷泵电路10′可有效地提供实质上等于五倍高电压VCC的输出电压VO′。
在本实施例中，虽然仅以电荷回收电路16包括NMOS晶体管T5及T6，并经由NMOS晶体管T5及T6连接第二端E12及E32的情形为例作说明，然，电荷回收电路16并不局限于透过NMOS晶体管来连接第二端E12及E32，而更可透过其它形式的晶体管来连接第二端E12及E32。举例来说，电荷回收电路16″是透过PMOS来连接第二端E12及E32，如图5所示。其中PMOS接收的重信号SC1B实质上为控制信号SC1的反相信号。或者，电荷回收电路16″′更可包括互补式MOS(Complimentary MOS，CMOS)晶体管来连接第二端E12及E32，如图6所示。
多级电荷泵电路包括电荷回收电路，用以使第一及第二级电路的第一及第二泵电容的第二端相互耦接，以根据自第一及第二泵电容其中之一的电荷转移至第一及第二泵电容其中之另一，藉此提升第一及第二泵电容其中之另一的电压电平。如此，相较于传统多级电荷泵电路，本实施例的多级电荷泵电路具有耗电量较低及电能使用效率较高的优点。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1、一种多级电荷泵电路，包括多级电路，各该多级电路包括：
一泵电路；以及
一电荷回收电路，包括一开关元件，该开关元件用以响应于一第一控制信号来将该泵电路中的一电压分享至剩余的该多级电路。
2、根据权利要求1所述的多级电荷泵电路，其特征在于，各该多级电路进一步包括一传输电路，该传输电路包括一第一晶体管、一第二晶体管及至少一电容，该第一晶体管的第一漏极/源极与该第二晶体管的第一漏极/源极耦接，该第一晶体管的第二漏极/源极与该至少一电容及该第二晶体管的栅极耦接，该第一晶体管的栅极与该第二晶体管的第二源极/漏极耦接，该至少一电容的第二端接收一第一频率信号。
3、根据权利要求2所述的多级电荷泵电路，其特征在于，该第一晶体管及该至少一电容是被该第一频率信号致能，该第二晶体管是被该至少一电容致能。
4、根据权利要求3所述的多级电荷泵电路，其特征在于，该至少一电容耦接至该电荷回收电路。
5、根据权利要求1所述的多级电荷泵电路，其特征在于，各该多级电路进一步包括一电压驱动电路，该电压驱动电路包括一第一晶体管及一第二晶体管，该第一晶体管的第一漏极/源极与该第二晶体管的第一漏极/源极耦接，该第一晶体管的第二漏极/源极与该第二晶体管的第二漏极/源极分别接收一第一电压及一第二电压，该第一晶体管的栅极与该第二晶体管的栅极分别接收一第二频率信号及一第三频率信号。
6、根据权利要求5所述的多级电荷泵电路，其特征在于，该第一电压为一高电源电压，该第二电压为一低电源电压，该第一及该第二晶体管分别被该第二及该第三频率信号致能。
7、根据权利要求1所述的多级电荷泵电路，其特征在于，该多级电路中的一第一级电路中的该电荷回收电路耦接至该第一级电路的下一级电路。
8、根据权利要求7所述的多级电荷泵电路，其特征在于，该电荷回收电路包括一晶体管。
9、根据权利要求1所述的多级电荷泵电路，其特征在于，各该多级电路进一步包括一时序电路，用以提供该第一控制信号。
10、根据权利要求9所述的多级电荷泵电路，其特征在于，该时序电路进一步用以提供一第二频率信号及一第三频率信号至各该多级电路中的泵电路。
11、根据权利要求9所述的多级电荷泵电路，其特征在于，当该第一级电路的电压驱动电路的该第二及该第三频率信号及该第一控制信号为低电平时，该下一级电路的电压驱动电路的该第二及该第三频率信号为高电平，该下一级电路分享电荷至该第一级电路。
12、根据权利要求9所述的多级电荷泵电路，其特征在于，当该第一级电路及该下一级电路的该第二频率信号为低电平，且该第一控制信号、该第一级电路及该下一级电路的该第三频率信号为高电平时，该第一级电路分享电荷至该下一级电路。
13、根据权利要求9所述的多级电荷泵电路，其特征在于，当该第一级电路的该第二及该第三频率信号为高电平，且该第一控制信号、该下一级电路的该第二及该第三频率信号为低电平时，该第一级电路分享电荷至该下一级电路。
14、根据权利要求9所述的多级电荷泵电路，其特征在于，当该第一级电路及该下一级电路的该第二频率信号为低电平，且该第一控制信号、该第一级电路及该下一级电路的一第二控制信号为高电平时，该下一级电路分享电荷至该第一级电路。
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