CN105515370B - 电荷泵电路及存储器 - Google Patents
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Abstract
一种电荷泵电路及存储器，所述电荷泵电路包括：电荷泵单元，所述电荷泵单元的输出端连接电荷泵电路的输出端；时钟振荡器，适于为电荷泵单元提供驱动时钟信号；第一分压单元，所述第一分压单元的第一输入端连接电荷泵单元的输出端，第一分压单元的第二输入端接地，适于输出第一分压电压；电压比较器，所述电压比较器的第一输入端和第二输入端分别输入有基准电压和第一分压电压，适于输出第一比较结果，第一比较结果用于控制时钟振荡器输出驱动时钟信号；还包括：第二分压单元，所述第二分压单元的第一输入端连接电源，第二分压单元的第二输入端接地，适于对电源电压进行分压以输出基准电压。本发明具有较低的静态电流，可降低存储器的待机功耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种电荷泵电路及存储器。
背景技术
随着电子信息技术的发展，存储器产品的低功耗设计及应用在电子系统中发挥着重要作用。电荷泵是一种开关电容式电压变换器，它的转换效率高，且外围电路简单，在现代电源管理电路中有广泛的应用，十分适用于便携式应用产品和存储器。
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，可以包括基准电路、比较电路、转换电路和控制电路。通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较电路实现电压提升，采用电容器来贮存能量。所述电荷泵可以运用脉冲频率调制机制，只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节时才产生电荷。当电荷泵的输出电压高于目标调节电压时，电荷泵为待机模式，此时消耗的电流最小，因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压以下，电荷泵才会进入激活模式并向输出传输电荷。此电荷供给负载电流，并增加输出电容器上的电压。
图1是现有的一种电荷泵电路的示意性结构框图，如图1所示，现有的电荷泵电路100可以包括：电荷泵单元10，其输出端连接电荷泵电路100的输出端，并输出信号Vpump为负载50供电；时钟振荡器20，适于为电荷泵单元10提供驱动时钟信号CLK；第一分压单元30，其第一输入端连接电荷泵单元10的输出端，其第二输入端接地GND，适于输出第一分压电压Vdiv1；电压比较器40，所述电压比较器40的第一输入端和第二输入端分别输入有基准电压Vref和所述第一分压电压Vdiv1，适于输出第一比较结果Enb，第一比较结果Enb用于控制所述时钟振荡器20输出所述驱动时钟信号CLK；滤波电容C0，用于滤除信号Vpump的纹波。所述基准电压Vref一般由外部输入，通常由带隙基准源50提供，而在存储器中，一般对所述带隙基准源50的精度以及建立时间有较高的要求，使得带隙基准源50的静态电流一般较大。而当所述电荷泵电路100处于待机模式时，其待机电流Istandby可以为时钟振荡器20消耗的电流Iosc、电压比较器40消耗的电流Icmp、电荷泵单元10消耗的电流Ipump以及带隙基准源50消耗的电流Ibd之和。所述电流Ibd较大会引起电荷泵电路100的静态电流较大，以使得集成了所述电荷泵电路100的存储器或者便携设备的待机功耗增加。
因此，现有技术中面临着电荷泵电路待机电流较大，并且不可控的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题如何降低现有技术中的电荷泵电路的待机电流。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电荷泵电路，包括：电荷泵单元，所述电荷泵单元的输出端连接所述电荷泵电路的输出端；时钟振荡器，适于为所述电荷泵单元提供驱动时钟信号；第一分压单元，所述第一分压单元的第一输入端连接所述电荷泵单元的输出端，所述第一分压单元的第二输入端接地，适于输出第一分压电压；电压比较器，所述电压比较器的第一输入端和第二输入端分别输入有基准电压和所述第一分压电压，适于输出第一比较结果，所述第一比较结果用于控制所述时钟振荡器输出所述驱动时钟信号；还包括：第二分压单元，所述第二分压单元的第一输入端连接电源，所述第二分压单元的第二输入端接地，适于对电源电压进行分压以输出所述基准电压。
可选的，所述第二分压单元包括：电容分压支路、电阻分压支路、同时导通或者关断的第一开关和第二开关；其中，所述电容分压支路的第一输入端和第二输入端分别连接所述第二分压单元的第一输入端和第二输入端，所述电容分压支路具有第一分压节点，所述第一分压节点连接所述第二分压单元的输出端；所述电阻分压支路的第一输入端和第二输入端分别连接所述第二分压单元的第一输入端和第二输入端，所述电阻分压支路具有第二分压节点；所述第一开关的第一端和第二端分别连接所述第一分压节点和第二分压节点，所述第一开关的控制端输入第一开关控制信号；所述第二开关串联于所述电阻分压支路中，所述第二开关的控制端输入第二开关控制信号；所述第一开关控制信号和第二开关控制信号由所述第一比较结果生成。
可选的，所述电容分压支路包括：第一电容和第二电容，其中，所述第一电容的第一端连接所述电容分压支路的第一输入端，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第一端均连接所述第一分压节点，所述第二电容的第二端连接所述电容分压支路的第二输入端。
可选的，所述电阻分压支路包括：第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第二端均连接所述第二分压节点，所述第一电阻的第二端连接所述电阻分压支路的第二输入端，所述第二电阻的第一端连接所述第二开关的第二端，所述第二开关的第一端连接所述电阻分压支路的第一输入端。
可选的，所述第一开关为传输门。
可选的，所述第二开关为NMOS晶体管。
可选的，所述第一分压单元包括：第三电容、第四电容、第三电阻、第四电阻、第三开关和第四开关；其中，所述第三电容的第一端连接所述第一分压单元的第一输入端，所述第四电容的第二端连接所述第一分压单元的第二输入端；所述第三电容的第二端连接所述第四电容的第一端和所述第三开关的第一端，并适于输出所述第一分压电压；所述第三电阻的第二端连接所述第四电阻的第一端和所述第三开关的第二端；所述第四开关的第一端连接所述第一分压单元的第一输入端，所述第四开关的第二端连接所述第三电阻的第一端；所述第四电阻的第二端连接所述第一分压单元的第二输入端；所述第三开关和第四开关的控制端分别输入第三开关控制信号和第四开关控制信号；所述第三开关控制信号和第四开关控制信号由所述第一比较结果生成。
可选的，还包括：第五电容，所述第五电容的第一端连接所述电荷泵单元的输出端，所述第五电容的第二端接地，适于滤除所述电荷泵单元的输出端所输出信号的纹波。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种存储器，包括以上所述的电荷泵电路。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例采用了对电源分压的第二分压电路以得到输入至电压比较器输入端的基准电压，在存储器中，可通过对第二分压电路的设计，使得第二分压电路所消耗的电流可控，可以进一步控制集成了电荷泵电路的存储器或便携设备的待机功耗。
进一步而言，所述第二分压电路包括：电容分压支路、电阻分压支路、同时导通或者关断的第一开关和第二开关；当电荷泵电路处于待机状态时，若电荷泵电路的输出信号上升，控制第一开关和第二开关导通，电容分压支路与电阻分压支路连通，两支路共同对电源电压分压以输出基准电压，若电荷泵电路的输出信号下降，控制第一开关和第二开关关断，电容分压支路与电阻分压支路断开，仅有电容分压支路对电源电压分压，由于电容具有维持电压且不消耗电流的特性，因此第二分压电路所消耗的电流较低，使得本实施例的电荷泵电路的待机电流较低。
附图说明
图1是现有技术的一种电荷泵电路的示意性结构框图；
图2是本发明实施例一种电荷泵电路的示意性结构框图；
图3是本发明实施例一种电荷泵电路的电路图；
图4是本发明实施例一种第二分压电路的电路图；
图5a是本发明实施例电荷泵电路中Vpump、Vref以及Istandby信号的仿真波形图；
图5b是图5a中Vpump、Vref以及Istandby信号的仿真波形图的局部放大图。
具体实施方式
如背景技术部分所述，由于电荷泵电路100(参照图1)的待机电流较大，并且不可控，集成了电荷泵电路100的存储器或者便携设备的待机功耗较高。
针对以上所述技术问题，本发明实施例公开了一种电荷泵电路，通过设计一种分压电路，所述分压电路取代了现有技术中静态电流较大的带隙基准源而输出基准电压，在设计中，所述分压电路所消耗的电流可控，进而控制集成了电荷泵电路的存储器或便携设备的待机功耗。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2是本发明实施例一种电荷泵电路的示意性结构框图。如图2所示，本发明实施例电荷泵电路200可以包括：
电荷泵单元10，所述电荷泵单元10的输出端连接所述电荷泵电路100的输出端，该电荷泵单元10可以采用现有技术中任何适当的电荷泵单元电路结构；
时钟振荡器20，适于为所述电荷泵单元10提供驱动时钟信号CLK；
第一分压单元30，所述第一分压单元30的第一输入端连接所述电荷泵单元10的输出端，所述第一分压单元30的第二输入端接地GND，适于输出第一分压电压Vdiv1；
电压比较器40，所述电压比较器40的第一输入端和第二输入端分别输入有基准电压Vref和所述第一分压电压Vdiv1，适于输出第一比较结果Enb，所述第一比较结果Enb用于控制所述时钟振荡器20输出所述驱动时钟信号CLK。
本实施例的电荷泵电路200还可以包括：第二分压单元70，所述第二分压单元70的第一输入端连接电源VDD，所述第二分压单元的第二输入端接地GND，适于对电源电压进行分压以输出所述基准电压Vref。
在具体实施中，所述第二分压单元70可以包括：电容分压支路701、电阻分压支路702、同时导通或者关断的第一开关SW1和第二开关SW2。
其中，所述电容分压支路701的第一输入端和第二输入端分别连接所述第二分压单元70的第一输入端和第二输入端，所述电容分压支路701具有第一分压节点A，所述第一分压节点A连接所述第二分压单元70的输出端；所述电阻分压支路701的第一输入端和第二输入端分别连接所述第二分压单元70的第一输入端和第二输入端，所述电阻分压支路702具有第二分压节点B；所述第一开关SW1的第一端和第二端分别连接所述第一分压节点A和第二分压节点B，所述第一开关SW1的控制端输入第一开关控制信号(图未示)；所述第二开关SW2串联于所述电阻分压支路702中，所述第二开关SW2的控制端输入第二开关控制信号(图未示)；其中，所述第一开关控制信号和第二开关控制信号由所述第一比较结果Enb生成，例如，所述第一开关控制信号和第二开关控制信号就是所述第一比较结果Enb，或者由所述第一比较结果Enb经过适当的逻辑运算后得到。
进一步而言，所述第二分压电路70包括：电容分压支路701、电阻分压支路702、同时导通或者关断的第一开关SW1和第二开关SW2；当电荷泵电路100处于待机状态时，若电荷泵电路100的输出信号Vpump上升，控制第一开关SW1和第二开关SW2导通，电容分压支路701与电阻分压支路702连通，两支路共同对电源电压分压以输出基准电压Vref，若电荷泵电路100的输出信号Vpump下降，控制第一开关SW1和第二开关SW2关断，电容分压支路701与电阻分压支路702断开，仅有电容分压支路701对电源电压分压，由于电容具有维持电压且不消耗电流的特性，因此第二分压电路70所消耗的电流较低，使得本实施例的电荷泵电路100的待机电流较低。
在具体实施中，所述电容分压支路701包括：第一电容C1和第二电容C2，其中，所述第一电容C1的第一端连接所述电容分压支路701的第一输入端，所述第一电容C1的第二端和所述第二电容C2的第一端均连接所述第一分压节点A，所述第二电容C2的第二端连接所述电容分压支路701的第二输入端。所述电容分压支路701还可以包括多个串联或者并联的电容，本实施例不进行特殊限制。
在具体实施中，所述电阻分压支路702包括：第一电阻R1和第二电阻R2，其中，所述第一电阻R1的第一端和所述第二电阻R2的第二端均连接所述第二分压节点B，所述第一电阻R1的第二端连接所述电阻分压支路702的第二输入端，所述第二电阻R2的第一端连接所述第二开关SW2的第二端，所述第二开关SW2的第一端连接所述电阻分压支路702的第一输入端。所述电阻分压支路702还可以包括多个串联或者并联的电阻，还可以包括其他串联或并联的阻性负载，例如晶体管等，本实施例不进行特殊限制。
在具体实施中，所述第一开关SW1和第二开关SW2分别可以为传输门、NMOS晶体管或者PMOS晶体管等开关型元件，或者所述开关型元件的组合，并针对其实施方式，对其控制端的控制逻辑进行相应的调整。
图4是本发明实施例一种第二分压电路的电路图，如图4所示，参照图4，所述第一开关SW1为传输门TG1，控制所述传输门TG1的第一开关控制信号SW和SWb可以由所述第一比较结果Enb经过逻辑电路(图未示)生成，其中，所述第一开关控制信号SW和SWb逻辑相反；所述第二开关SW2为第一NMOS晶体管MN1，控制所述第一NMOS晶体管MN1的第二控制信号X亦可以由所述第一比较结果Enb生成。所述传输门TG1和所述第一NMOS晶体管MN1在所述第一控制信号和第二控制信号的作用下，同时导通或者关断。
继续参照图3，在具体实施中，所述第一分压单元30可以包括：第三电容C3、第四电容C4、第三电阻R3、第四电阻R4、第三开关SW3和第四开关SW4。
其中，所述第三电容C3的第一端连接所述第一分压单元30的第一输入端，所述第四电容C4的第二端连接所述第一分压单元30的第二输入端；所述第三电容C3的第二端连接所述第四电容C4的第一端和所述第三开关SW3的第一端，并适于输出所述第一分压电压Vdiv1；所述第三电阻R3的第二端连接所述第四电阻R4的第一端和所述第三开关SW3的第二端；所述第四开关SW4的第一端连接所述第一分压单元30的第一输入端，所述第四开关SW4的第二端连接所述第三电阻R3的第一端；所述第四电阻R4的第二端连接所述第一分压单元30的第二输入端；所述第三开关SW3和第四开关SW4的控制端分别输入第三开关控制信号(图未示)和第四开关控制信号(图未示)；其中，所述第三开关控制信号和第四开关控制信号由所述第一比较结果Enb生成。
需要说明的是，在本实施例中，所述第一分压单元30的电路结构可以与所述第二分压电路70相同，以使得所述第一分压单元30在电荷泵单元10处于待机模式时，亦可具有较低的待机电流。如图3所示，在具体实施中，可以对所述第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4通过所述第一比较结果Enb进行同步控制，使得四个开关同时导通或者关断。
在本实施例中，电荷泵电路200还可以包括为所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4提供对地GND放电通路的电路(图未示)，如NMOS晶体管。具体地，所述适于提供电容放电通路的NMOS晶体管的栅极可以输入有第五控制信号(图未示)，漏极或者源极可以连接所述各个电容的第一端或第二端，对应地，源极或者漏极接地GND。在所述第一分压电路30和第二分压电路70中，当所述第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4被切换至导通状态时，利用所述第五控制信号控制所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4放电以复位各个电容。
本发明实施例还可以包括：第五电容C5，所述第五电容C5的第一端连接所述电荷泵单元10的输出端，所述第五电容C5的第二端接地GND，适于滤除所述电荷泵单元10的输出端所输出信号Vpump的纹波。
下面结合图3介绍本实施例电荷泵电路200的运行机制：所述电荷泵单元10可以工作于激活模式和待机模式。当所述电荷泵单元10处于待机模式时，若所述电荷泵单元10输出的Vpump经第一分压单元30分压得到的第一分压电压Vdiv1小于等于基准电压Vref，则所述电压比较器40输出的第一比较结果Enb为第一逻辑电平(可以为高电平，也可以为低电平)，所述第一比较结果Enb经逻辑电路(图未示)的逻辑运算后控制所述时钟振荡器20输出所述驱动时钟信号CLK，以驱动所述电荷泵单元10的输出端所输出的信号Vpump电压升高，所述第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4受控导通，电阻分压支路702和电容分压支路701共同完成分压，Vpump在电压升高的过程中，由于电阻分压支路702的作用，具有一定大小的静态电流，但此过程的持续时间较短；若所述电荷泵单元10输出的Vpump经第一分压单元30分压得到的第一分压电压Vdiv1大于基准电压Vref，则所述电压比较器40输出的第一比较结果Enb为不同于第一逻辑电平的第二逻辑电平，所述第一比较结果Enb经逻辑电路(图未示)的逻辑运算后控制所述时钟振荡器20不输出所述驱动时钟信号CLK，所述电荷泵单元10的输出端所输出的信号Vpump电压降低，所述第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4受控关断，仅有电容分压支路701完成分压，Vpump在电压降低的过程中，由第一电容C1和第二电容C2对Vpump的电压进行维持，并且不存在静态电流。综合以上，本实施例电荷泵电路200在待机模式下的待机电流较小。
图5a是本发明实施例电荷泵电路中Vpump、Vref以及Istandby的仿真波形图，图5b是其局部放大图。其中，Vpump为图2中电荷泵单元10所输出的信号，Vref为图2中第二分压电路70所输出的基准电压，Istandby为图2中电荷泵电路200处于待机模式时所消耗的静态电流。
从图5a和图5b中可以得出，Vpump在电压升高的过程中，Istandby较大，峰值可达到1mA/100ns，但是其持续时间较短，而当Vpump切换至电压降低的过程后，Istandby较小，且持续时间较长，使得总体上单位时间的平均待机电流较小，为739nA/ms。
为了解决以上所述技术问题，本发明实施例还公开了一种存储器，包括以上所述的电荷泵电路200，使得所述存储器具有更低的静态功耗。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种电荷泵电路，包括：
电荷泵单元，所述电荷泵单元的输出端连接所述电荷泵电路的输出端；
时钟振荡器，适于为所述电荷泵单元提供驱动时钟信号；
第一分压单元，所述第一分压单元的第一输入端连接所述电荷泵单元的输出端，所述第一分压单元的第二输入端接地，适于输出第一分压电压；
电压比较器，所述电压比较器的第一输入端和第二输入端分别输入有基准电压和所述第一分压电压，适于输出第一比较结果，所述第一比较结果用于控制所述时钟振荡器输出所述驱动时钟信号；
其特征在于，还包括：第二分压单元，所述第二分压单元的第一输入端连接电源，所述第二分压单元的第二输入端接地，适于对电源电压进行分压以输出所述基准电压；
所述第二分压单元包括：电容分压支路、电阻分压支路、同时导通或者关断的第一开关和第二开关；
其中，所述电容分压支路的第一输入端和第二输入端分别连接所述第二分压单元的第一输入端和第二输入端，所述电容分压支路具有第一分压节点，所述第一分压节点连接所述第二分压单元的输出端；
所述电阻分压支路的第一输入端和第二输入端分别连接所述第二分压单元的第一输入端和第二输入端，所述电阻分压支路具有第二分压节点；
所述第一开关的第一端和第二端分别连接所述第一分压节点和第二分压节点，所述第一开关的控制端输入第一开关控制信号；
所述电阻分压支路包括：第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第二端均连接所述第二分压节点，所述第二电阻的第一端连接所述电阻分压支路的第一输入端；
所述第二开关的第一端和第二端分别连接所述电阻分压支路的第二输入端和所述第一电阻的第二端，所述第二开关的控制端输入第二开关控制信号；
所述第一开关控制信号和第二开关控制信号由所述第一比较结果生成；
所述第一分压单元包括：第三电容、第四电容、第三电阻、第四电阻、第三开关和第四开关；其中，
所述第三电容的第二端连接所述第四电容的第一端和所述第三开关的第一端，并适于输出所述第一分压电压；
所述第三电阻的第二端连接所述第四电阻的第一端和所述第三开关的第二端；
所述第四开关的第一端连接所述第一分压单元的第一输入端，所述第四开关的第二端连接所述第三电阻的第一端；
所述第四电阻的第二端连接所述第一分压单元的第二输入端；
所述第三开关和第四开关的控制端分别输入第三开关控制信号和第四开关控制信号；
所述第三开关控制信号和第四开关控制信号由所述第一比较结果生成；
其中，响应于所述第一比较结果指示所述第一分压电压小于等于所述基准电压，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均受控导通，所述时钟振荡器适于驱动所述电荷泵单元输出的电压升高，响应于所述第一比较结果指示所述第一分压电压大于所述基准电压，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均受控关断。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电容分压支路包括：第一电容和第二电容，其中，所述第一电容的第一端连接所述电容分压支路的第一输入端，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第一端均连接所述第一分压节点，所述第二电容的第二端连接所述电容分压支路的第二输入端。
3.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一开关为传输门。
4.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二开关为NMOS晶体管。
5.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括：第五电容，所述第五电容的第一端连接所述电荷泵单元的输出端，所述第五电容的第二端接地，适于滤除所述电荷泵单元的输出端所输出信号的纹波。
6.一种存储器，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的电荷泵电路。
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