CN103475212B - 用来泵升输入电压以产生输出电压的电压泵升电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用以泵升输入电压以产生输出电压的电压泵升电路。所述电压泵升电路包含：具有第一数量的泵级的第一电压泵升路径以及具有第二数量的泵级的第二电压泵升路径，其中所述第二数量小于所述第一数量。只有所述第一电压泵升路径与所述第二电压泵升路径的其中之一会依据至少一路径选择信号来启动，以泵升所述输入电压来产生所述输出电压。所述电压泵升电路可对应不同需求来选择适当的泵级，因此，可在电流效率与输出电压之间上找到平衡。

Description

用来泵升输入电压以产生输出电压的电压泵升电路

技术领域

本发明涉及电压泵升电路(voltagepumpingcircuit)，特别涉及一种包含分别具有不同数量的泵级(pumpingstage)的多个电压泵升路径(pumpingpath)的电压泵升电路。

背景技术

使用功率/电流而产生的泵升的电源(pumpedsupply)是IDD电流的主要部份，其中IDD电流是指示一电路/元件所消耗的电流。对泵升的电源来说，电流效率(currentefficiency)与泵级的数量密切相关。为了得到较高的电流效率，电压泵升核心(pumpcore)就要用较少数量的泵级，然而，泵级的数量越少，最大输出电压也会越低。

因此，假如电压泵升电路能够使用的泵级的数量是固定的，要在电流效率与输出电压之间找出平衡，在设计上会是相当困难的。

发明内容

因此，本发明的一实施例提供了一种包含一个以上电压泵升路径的电压泵升电路。

本发明的一实施例提供了一种用以泵升输入电压以产生输出电压的电压泵升电路。所述电压泵升电路包含：包含一第一数量的泵级的一第一电压泵升路径以及包含一第二数量的泵级的一第二电压泵升路径，其中所述第二数量小于所述第一数量。只有所述第一电压泵升路径与所述第二电压泵升路径的其中之一会依据至少一路径选择信号来启动，以泵升所述输入电压来产生所述输出电压。

依据本发明的实施例，电压泵升电路还包含：一输出电压侦测电路以及一路径选择电路。所述输出电压侦测电路用以依据所述输出电压以及一第一参考电压来产生一侦测信号，以使所述输出电压可被调整成一所要的值，其中假如所述第一参考电压改变了，所述输出电压侦测电路会使用一第一调整参数来将所述输出电压调整回所述所要的值。所述路径选择电路用以对所述输入电压所产生的一分压与一第二参考电压进行比较，以产生所述路径选择信号，其中输出电压侦测电路使用第二调整参数来产生分压，以及所述第一调整参数与所述第二调整参数具有相同数值。

在上述的实施例中，可对应不同需求来选择适当的泵级。另外，也提供了对应输出电压侦测电路的调整参数来改变本身调整参数的一个准确的路径选择电路。

附图说明

图1是依据本发明的实施例的电压泵升电路的示意图。

图2A是图1所示的实施例的示范性电路结构的电路图。

图2B是用以控制图2A所示的泵级的多个机制之一的电路图。

图3是现有输出电压侦测电路的电路图。

图4是依据本发明的实施例的路径选择电路的电路图。

其中，附图标记说明如下：

100、200电压泵升电路

300输出电压侦测电路

400路径选择电路

401迟滞电路

403、Com比较器

405消抖滤波器

C1、C2、C3、C1’、C2’电容

INV1、INV2、INV3、INV1’、INV2’、INV逆变器

M1、M2、M3、M4、M5、M1’、M2’、M3’开关

R1、R2、R3、RA、RB、MR2、MR3、NR1电阻

St1、St2、St3、St4、St2’泵级

T11、T12、T1C、T21、T22、T2C、T31、T32、T3C、端

T41、T42、T4C、T51、T52、T5C、TC11、TC12、

TC21、TC22、TC31、TC32、T1C’、TC21’、T32’、

T3C’

具体实施方式

在说明书及之前的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及之前的权利要求书并不以名称的差异来作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及之前的权利要求书当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置电连接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接连接于所述第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接到所述第二装置。

图1是依据本发明的实施例的电压泵升电路(voltagepumpingcircuit)100的方块图。如图1所示，电压泵升电路100包含第一泵升路径(pumpingpath)P1与第二泵升路径P2。第一泵升路径P1与第二泵升路径P2具有不同数量的泵级(pumpingstage)。只有第一电压泵升路径P1与第二电压泵升路径P2的其中之一会依据至少路径选择信号PS1、PS2的其中之一来启动，以泵升(pump)输入电压Vin来分别产生输出电压Vout1或Vout2。如上所述，电流效率越高，电压泵升核心所使用的泵级便要越少，然而，泵级的数量越少，最大输出电压便会越低。由于电压泵升电路100包含一个以上的电压泵升路径，因此可依据需求来适当地选择电压泵升电路100的电压泵升路径。

在此实施例中，电压泵升电路100包含多个泵级St1、St2、St3以及St4。泵级St1、泵级St2与泵级St3依序构成(sequentiallyform)第一泵升路径P1，而泵级St4与泵级St3则依序构成第二泵升路径P2。然而，请注意，个别电压泵升路径所包含的泵级的数量以及图1所示的电压泵升路径的数量只是用来作为说明本发明的概念的例子，而非对本发明的范畴设限。另外，在此实施例中，泵级St2与泵级St4共用泵级St2内的至少一装置，然而，这两个电压泵升路径也可以彼此独立。

另外，全部的电压泵级均会接收路径选择信号PS1与PS2以决定哪一个电压泵级要被使用，然而，用以选择电压泵升路径的其它机制也可应用于本发明，例如，可提供一个独立于泵级之外的控制电路来控制电压泵级的选取操作。

图2A是图1的实施例的示范性电路结构的电路图。泵级St2是用来说明电路结构的技术特征，但所描述的电路结构也可适用于其它的泵级。如图2A所示，泵级St2包含：第一开关M1、第二开关M2、第三开关M3、第一电容C1、第二电容C2、第一逆变器INV1以及第二逆变器INV2。第一开关M1具有第一端T11、第二端T12以及控制端T1C，其中第二端T12会基于所在的泵级是否是一开始的第一个泵级(firstpumpingstage)，因而接收来自前一泵级的输出或者是接收输入电压Vin。第二开关M2具有第一端T21、第二端T22与控制端T2C，第二端T22是耦接到第一开关M1的第二端T12。第三开关M3包含第一端T31、第二端T32与控制端T3C，第一端T31会基于所在的泵级是否为最后一个泵级(finalpumpingstage)，因而输出前述的输出电压Vout或产生输出给下一泵级。第二端T32是耦接到第二开关M2的第一端T21。

第一电容C1具有第一端TC11以及第二端TC12，第二端TC12是耦接到第二开关M2的第一端T21。第二电容C2也具有第一端TC21与第二端TC22，第一端TC21是耦接到第二开关M2的控制端T2C。第一逆变器INV1具有耦接到第一电容C1的第一端TC11的输出端，在此实施例中，第一逆变器INV1接收时钟信号CLK。第二逆变器INV2接收路径选择信号PS，并且具有耦接到第二电容C2的第二端TC22的输出端。

泵级St4包含第四开关M4、第五开关M5、第三电容C3以及第三逆变器INV3。泵级St4也包含上述的第三开关M3与第一逆变器INV1，也就是说，泵级St2与泵级St4共用第三开关M3与第一逆变器INV1。第四开关M4具有第一端T41、第二端T42与控制端T4C，其中第二端T42会接收输入电压Vin。第五开关M5具有第一端T51、第二端T52以及控制端T5C，第一端T51是耦接到第三开关M3的第二端T32，控制端T5C是耦接到第四开关M4的第一端T41，以及第二端T52是耦接到第四开关M4的第二端T42。第三电容C3具有第一端TC31与第二端TC32，其中第一端TC31是耦接到第五开关M5的控制端T5C。第三逆变器INV3接收路径选择信号PS2(路径选择信号PS2是不同于路径选择信号PS1)，并且具有耦接到第三电容C3的第二端TC32的输出端。

泵级St2可在两种模式下操作，主要是依时钟信号CLK与路径选择信号PS1而定。在第一模式(也称为预先充电(pre-charge)模式)中，CLK=1，第一逆变器INV1的输出端为0、路径选择信号PS1为低水平以及控制端T2C为高水平，使得第二开关M2会被赋能（enabled），电容C1会被充电，因此第一端T21的电压会被充电到高水平。在这个情形中，第三开关M3的控制端T3C接收高水平，使第三开关M3被禁能（disabled）。

在第二模式中，CLK=0，第一逆变器INV1的输出值为1、路径选择信号PS1为0以及第一开关M1的控制端TIC接收高水平，这样，第一开关M2会被赋能而控制端T2C会是低水平，使得第二开关M2被禁能。同时，第一逆变器INV1的输出值为0，并且第一端T21的电压会被充到至高水平，以及第三开关M3接收低水平而第三开关M3被赋能，这样，电荷将会被传送到下一级。

请注意，在预先充电模式中，使用了第一开关M1、第二开关M2、第二电容C2以及第二逆变器INV2来预先充电。依照相同规则，在泵级St4中使用了第四开关M4、第五开关M5、第三电容C3以及第三逆变器INV3来作预先充电，因此第四开关M4、第五开关M5、第三电容C3以及第三逆变器INV3可被视为预先充电电路。因此，图2A中的电压泵升电路200可被视为包含三个泵级St1、St2、St3以及一预先充电电路(其包含第四开关M4、第五开关M5、第三电容C3和第三逆变器INV3)。这样，第二电压泵升路径P2可被视为包含预先充电电路、泵级St2的一部分以及泵级St3。

泵级St4具有与泵级St2相同的结构，因此具有相似操作。基于本发明的上述说明，本领域的技术人员应可了解如何设计输入到泵级St1～St4的信号，以使第一泵升路径P1或第二泵升路径P2可适当运作，故其它细节便在此省略以求简洁。

上述的概念公开了多个电压泵升路径，然而，如何选择适合的电压泵升路径也是需要考虑的关键。一种方法是依据输入电压Vin来使用一路径选择电路去选择所要的电压泵升路径，然而，由于用来跟电压Vin进行比较的参考电压可能具有电压变动，并且输出电压Vout的靶值（target）可能会改变，所以输入电压Vin的侦测可能会产生变动，因此，需要一个准确的路径选择电路。

提供给泵级St2中的第一开关M1的控制端T1C与第三开关M3的控制端T3C的信号可通过不同的机制来产生。图2B所示的是其中一种机制，但是这并非对本发明的范畴设限。请注意，图2B中省略了泵级St2的一些元件符号以求简洁。如图2B所示，泵级St2是耦接到另一泵级St2’。泵级St2’具有与泵级St2相同的装置与同一配置(arrangement)，然而，泵级St2’操作在相反相位(phase)。

具体地说，泵级St2’的逆变器INV1’(其对应于泵级St2的逆变器INV1)接收时钟信号CLKF，而时钟信号CLKF的相位相反于泵级St2的逆变器INV1所接收的时钟信号CLK的相位。同样地，泵级St2的逆变器INV2接收时钟信号CLKF，但是泵级St2’的逆变器INV2’却是接收时钟信号CLK。

泵级St2中的第一开关M1的控制端T1C的信号等于泵级St2’中的电容C2’的第一端TC21’的信号。同样地，泵级St2’中的第一开关M1’的控制端T1C’的信号等于泵级St2中的电容C2的第一端TC21的信号。另外，泵级St2中的第三开关M3的控制端T3C的信号等于泵级St2’中的第三开关M3’的第二端T32’的信号。同样地，泵级St2’中的第三开关M3’的控制端T3C’的信号等于泵级St2中的第三开关M3的第二端T32的信号。

图3是现有输出电压侦测电路300的电路图。输出电压侦测电路300将产生自输出电压Vout的电压与产生自参考电压Vref1的电压相比较，以产生侦测信号DS。这样，输出电压可被调整成所要的值。如图3所示，M与N为图3中电阻的比例。数值R3等于将电阻R1与电阻R2并联所构成的电阻值。下列的等式(1)是基于图3所得到。

Vout=VCCA+Vref1*M/(N+1)Eq(1)

假如M被设为4，N被设为1.05，而Vref1被设为1.025，会得到下列的等式：

Vout=VCCA+Vref1*4/2.05=VCCA+1.95Vref1Eq(2)

假如因为与工艺相关的不匹配而导致Vref1的变动，则调整参数(trimparameter)M会被调整以使输出电压Vout变回靶值。另外，假如需要不同的Vout-VCCA，调整参数M也会被调整，其中VCCA是指动态随机存取存储器阵列(DynamicRandomAccessMemoryarray，DRAMarray)的功率，而VCC则是指阵列的供电电源。

图4是依据本发明的实施例的路径选择电路400的电路图。如图4所示，路径选择电路400包含比较器（comparator）403、消抖滤波器(glitchfilter)405以及多个电阻RA与RB。另外，路径选择电路400另包含迟滞电路(hysteresiscircuit)401(但是这并非本发明的限制)。如图4所示，比较器403会将参考信号Vref2与产生自输入电压Vin的分压(divisionvoltage)Vdiv相比较，并且因此产生路径选择信号PS1与PS2。

假如需要合理的泵能力(pumpcapacity)，个别泵级的电压降需要小于0.7*Vin。

Vin*0.7>(Vout-VCCA)/n，其中n是泵级的数量

因此，在图2A的实施例中：

Vin*0.7>(Vout-VCCA)/2

带入Eq(1)，得到：

Vin*0.7>Vref2*M/(N+1)/2以及

Vref2<1.4*Vin*(N+1)/M

如图3中所说明，N被设为1.05，因此：

Vref2<2.87*Vin/MEq(3)

假如在图3所示的输出电压侦测电路300与图4所示的路径选择电路400中同时使用相同的调整参数M，则由于调整参数M是依照输出电压侦测电路而改变，故路径选择电路400便会是准确的。

更详细地说，图4中的电阻RB被设为2.84*R4，其中R4在此实施例中是预设电阻值，2.84的数值则是跟图3中的N的数值有关。另外，图4中的电阻RB被设为(M-2.84)*R4，这是同时跟图3中的M与N的数值有关，因此，RA+RB的数值会等于MR4。

在这个情形中，分压Vdiv会等于2.87*Vin/M，其与Eq(3)相同。

在上述的实施例中，可对应不同需求来选择适当的泵级。另外，也提供了对应输出电压侦测电路的调整参数来改变本身调整参数的一个准确的路径选择电路。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用以泵升一输入电压以产生一输出电压的电压泵升电路，其特征在于，包含：

一第一电压泵升路径，包含一第一数量的泵级；以及

一第二电压泵升路径，包含一第二数量的泵级，其中所述第二数量小于所述第一数量；

其中只有所述第一电压泵升路径与所述第二电压泵升路径的其中之一会依据至少一路径选择信号来启动，以泵升所述输入电压来产生所述输出电压；

其特征在于，每一泵级包含：

一第一开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第二端接收所述输入电压或一前一泵级的输出；

一第二开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第二开关的所述控制端耦接到所述第一开关的所述第一端，所述第二开关的所述第二端耦接到所述第一开关的所述第二端；

一第三开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第三开关的所述第一端用以输出所述输出电压或用以输出到一下一泵级，所述第三开关的所述第二端耦接到所述第二开关的所述第一端；

一第一电容，具有一第一端与一第二端，所述第一电容的所述第二端耦接到所述第二开关的所述第一端；

一第一逆变器，具有耦接到所述第一电容的所述第一端的一输出端；

一第二电容，具有耦接到所述第二开关的所述控制端的一第一端，并且还具有一第二端；以及

一第二逆变器，用以接收所述路径选择信号，并且具有耦接到所述第二电容的所述第二端的一输出端。

2.如权利要求1所述的电压泵升电路，其特征在于，所述第一数量比所述第二数量还多1。

3.如权利要求2所述的电压泵升电路，其特征在于，所述第一数量为3以及所述第二数量为2。

4.如权利要求1所述的电压泵升电路，其特征在于，包含：

一第一泵级；

一第二泵级；

一第三泵级；以及

一预先充电电路，耦接到所述第二泵级；

其中所述第一泵级、所述第二泵级与所述第三泵级依序构成所述第一电压泵升路径；而所述预先充电电路、所述第二泵级的一部分与所述第三泵级依序构成所述第二电压泵升路径。

5.如权利要求1所述的电压泵升电路，其特征在于，还包含：

一输出电压侦测电路，用以依据所述输出电压与一第一参考电压来产生一侦测信号，以使所述输出电压可被调整到一所要的值；其中假如所述第一参考电压改变了，所述输出电压侦测电路会使用一第一调整参数来将所述输出电压调整成所述所要的值；以及

一路径选择电路，用以对所述输入电压所产生的一分压与一第二参考电压进行比较，以产生所述路径选择信号，其中所述输出电压侦测电路使用一第二调整参数来产生所述分压；

其中所述第一调整参数与所述第二调整参数具有相同数值。

6.一种用以泵升一输入电压以产生一输出电压的电压泵升电路，其特征在于，包含：

一第一电压泵升路径，包含一第一数量的泵级；以及

一第二电压泵升路径，包含一第二数量的泵级，其中所述第二数量小于所述第一数量；

其中只有所述第一电压泵升路径与所述第二电压泵升路径的其中之一会依据至少一路径选择信号来启动，以泵升所述输入电压来产生所述输出电压；

其特征在于：

所述第一电压泵升路径与所述第二电压泵升路径共用一单一泵级的至少一装置；

还包含一第一泵级、一第二泵级、一第三泵级与一第四泵级；其中所述第一泵级、所述第二泵级与所述第三泵级依序构成所述第一电压泵升路径；而所述第四泵级与所述第三泵级依序构成所述第二电压泵升路径；其中所述第二泵级与所述第四泵级共用至少一装置；

所述第二泵级包含：

一第一开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第二端接收所述第一泵级的输出；

一第二开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第二开关的所述控制端耦接到所述第一开关的所述第一端，所述第二开关的所述第二端耦接到所述第一开关的所述第二端；

一第三开关，具有用以输出至所述第三泵级的一第一端，并另具有耦接到所述第二开关的所述第一端的一第二端；

一第一电容，具有一第一端，并且还具有耦接到所述第二开关的所述第一端的一第二端；

一第一逆变器，具有耦接到所述第一电容的所述第一端的一输出端；

一第二电容，具有耦接到所述第二开关的所述控制端的一第一端，并另具有一第二端；以及

一第二逆变器，用以接收所述路径选择信号，并且具有耦接到所述第二电容的所述第二端的一输出端；

以及所述第四泵级包含：

一第四开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第二端接收所述输入电压；

一第五开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，所述第五开关的所述第一端耦接到所述第三开关的所述第二端，所述第五开关的所述控制端耦接到所述第四开关的所述第一端，所述第五开关的所述第二端耦接到所述第四开关的所述第二端；

所述第一逆变器；

所述第三开关；

一第三电容，具有耦接到所述第五开关的所述控制端的一第一端，并且还具有一第二端；以及

一第三逆变器，用以接收所述路径选择信号，并且具有耦接到所述第三电容的所述第二端的一输出端。