CN105763040A - 一种提高电荷泵驱动能力的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高电荷泵驱动能力的电路，包括电压分压电路、比较器、稳压器、振荡器以及电荷泵，该电荷泵利用一开关阵改变其前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式，使其于串联时输出较高高压，于并联时输出具有较强驱动能力的较低高压，本发明可以提高电荷泵在存储器读出数据操作时的驱动力，提高电荷泵的电源使用效率。

Description

一种提高电荷泵驱动能力的电路

技术领域

本发明涉及一种电路，特别是涉及一种提高电荷泵驱动能力的电路。

背景技术

电荷泵是用于产生比电源电压更高的电压值的电路。它的基本工作原理是利用电容器两端电压降不能突变而只能连续变化，如图1所示。在电容器的输入端V_in加阶跃信号V_i，V_i的低电平为V_gnd，高电平为V_dd；则在电容器的输出端电压V_out会有相应的阶跃压差，输出电压V_o初始电压为V_dd，阶跃至2倍的V_dd电平，但当V_i下降至V_gnd时，V_o则下降至V_dd，这就是电容的boost效应。电荷泵利用该原理，串联若干该结构在链路中连续抬高输入电压V_in以达到需要的高压值。

传统电荷泵电路如图2所示，该电荷泵具有偶数级(图示为四级)升压电路结构，其中PUMP1、PUMP2、PUMP3和PUMP4分别为电荷泵第一、第二、第三和第四级升压电路；VDD为电源电压；V_intreg为输入电压，Pclk为电荷泵必需的时钟信号。该结构利用后一级升压电路模块抬高前一级升压电路输出电压，第一级升压电路抬高的是输入电压V_intreg，链路最终输出电压高于电源电压值。后一级将前一级的输出电压抬高时钟信号Pclk的高电平整数倍(一般为2)，最终输出V_out。

V_out＝V_intreg+4*α*V_dd(Pclk)(1)

其中V_dd(pclk)为时钟信号Pclk的高电平，α为系数，表示每级升压电路抬高了V_dd(pclk)的α倍数。

然而这样的一个输出电压值或许不是一个需要的理想的电压值，特别是在各工艺角(MOSFETcorners)、宽温度范围(-40℃～120℃)以及电压变化下，电荷泵输出电压变化较大。为了在各种情况下仍然能得到比较稳定的输出电压(V_out)，设计者常常将电荷泵放在一个类似低压差线性稳压器(LowDropOutvoltageregulator,LDO)的负反馈环路中，构成电荷泵稳压电路，如图3所示，典型具有稳压特点的电荷泵电路结构包括电压分压电路10、比较器20、稳压器30、振荡器40、电荷泵50以及滤波电容Cp，其中振荡器(OSC)40用来给电荷泵提供时钟Pclk，滤波电容Cp用于祛除电荷泵输出Vout的毛刺，电压分压电路10通常由电阻网络组成，用于将电荷泵输出的高压Vout分压为较低电压Vdivider，比较器(comparator)20为常用电路(未示出其电源和其他必要电路)，用于将电荷泵输出电压的分压Vdivider与基准电压(referencevoltage)Vref进行比较并将误差电压Pctrl输出至稳压器的输入端，稳压器30为常用电路(图中Vcd为其电源)，用于将误差电压Pctrl进行调整并将稳压器输出V_intreg输出至电荷泵50的输入端，电荷泵50一般为形如图2所示的多级结构，从而完成对电荷泵电路的一些参数的调整，使得输出电压稳定在预期的范围内。有些设计为了减小输出电压的纹波，也采用了该种结构。

其中，电压分压电路(chargepumpoutputvoltagedivider，Vout-divider)10将电荷泵输出电压采样后再分压，分压电路的电阻类型的基本结构如图4所示。

分压输出V_divider的值为：

$V_{divider}=V_{out}\frac{R_1}{R_1+R_2}---\left(2\right)$

高增益的比较器非常灵敏，它将以一定比例电荷泵输出电压与基准电压(referencevoltage，Vref)进行比较，输出电压为V_pctrl：

V_pctrl＝A(V_ref-V_divider)(3)

其中A为比较器运放的开环增益。

该电压作用于低压差线性稳压器的调节管(regulatorMOSFET)，控制着输入电荷泵升压链路的输入电流变化。

I_intreg＝-g_m*V_pctrl(4)

其中g_m为调节管的跨导。

由于该管子常工作于线性区，故g_m的值如下：

$g_m=\frac{W_{\mathrm{\μ}}{C}_{ox}}{L}{V}_{ds}---\left(5\right)$

其中W/L为调节管的宽长比，μ为电荷迁移率(这里为p型MOSFET，则为空穴的迁移率)，C_ox为栅氧化层的电容值，V_ds为调节管的漏源极电压差。

该电流值是电荷泵的输入，在电源电压及时钟输入一定的情况下，电荷泵输出电压大小的调节只有依赖该电流值。一般电流值越大，电荷泵输出电压值越高；电流值越小，输出电压越低。由此电荷泵输出V_out有如下等式：

$V_{out}={\mathrm{\αI}}_{\mathrm{int}reg}\frac{R_{out}{R}_{load}}{R_{out}+R_{load}}---\left(6\right)$

其中α为比率因子，该值与电荷泵的电源效率有关，R_out为电荷泵的输出电阻，R_load为电荷泵负载电阻。

联合以上各式可以得出，当电荷泵输出电压分压电阻R₂变化时，V_divider跟随变化；电荷泵输出电压将会有相应的变化。

利用该原理，常见的电荷泵输出电压的调节电路如图5所示。其中R-control为电荷泵输出电压在电压值变化较大时的控制电路，模块最终等效电阻为R_ctl，它是通过短接(short)该模块中的大电阻与否来调节式(2)中的R₂的值的；R-DAC电路是电阻类型的数字模拟转换电路(digitalanalogconvertor，DAC)，是电荷泵输出电压微调电路，它也是通过短接(short)电阻与否来调节R₂的值的，不过该模块中电阻值较小，常见的R-DAC电路如图6，这里是5bit的数字模拟转换器。

目前，闪存存储器(flashmemory)中存储单元的擦除(erase)、写入(program)和读出(read)操作都需要用到高于电源电压的高压(highvoltage)，一般在存储器内集成一个或数个电荷泵电路来提供该高压。一般用于擦除(erase)和写入(program)操作的电压值较高，而读出(read)操作的电压较低，但也比电源电压高。

传统结构中，通过将R_ctl值调的很大，再通过细调R_dac，得到R₂＝R_ctl+R_dac调至理想值使得V_out满足擦除和写入时的高压操作电压；而在读出操作下，将R_ctl调至很低的值，以满足字线(WordLine)WL需要的较低高压。

传统的电荷泵升压链路采用的是图2的结构，由于在擦写过程以及读操作过程中电荷泵工作原理相同，时钟频率一致，导致两种操作电荷泵电流输出能力保持不变，而通常读操作时相对于擦写操作需要更高电荷泵输出电流驱动能力。因此，本发明拟在不改变传统电荷泵基本结构基础上，通过一开关阵改变电荷泵单元的连接关系，以提高读操作时电荷泵输出电流驱动能力。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种提高电荷泵驱动能力的电路，其可以提高电荷泵在存储器读出数据操作时的驱动力，提高电荷泵的电源使用效率。

为达上述及其它目的，本发明提出一种提高电荷泵驱动能力的电路，包括电压分压电路、比较器、稳压器、振荡器以及电荷泵，该电荷泵利用一开关阵改变其前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式，使其于串联时输出较高高压，于并联时输出具有较强驱动能力的较低高压。

进一步地，该电荷泵包括前置电荷泵、后置电荷泵和开关阵，该前置电荷泵、后置电荷泵均由多个单级电荷泵级联组成，用于产生高压，该开关阵由多个开关组成，以根据闪存的操作改变前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式。

进一步地，当闪存存储器进行擦除或写入操作时，该开关阵使该前置电荷泵、后置电荷泵为串联方式连接。

进一步地，当该闪存存储器进行读出操作时，该开关阵使该前置电荷泵、后置电荷泵为并联方式连接。

进一步地，该开关阵至少包括第一开关、第二开关以及第三开关，该第一开关连接在该前置电荷泵与后置电荷泵之间，该第二开关连接在该前置电荷泵的输入端与该后置电荷泵的输入端之间，该第三开关连接在该前置电荷泵的输出端与该后置电荷泵的输出端之间。

进一步地，该前置电荷泵至少包括级联的第一电荷泵与第二电荷泵，该后置电荷泵至少包括级联的第三电荷泵与第四电荷泵。

进一步地，各电荷泵的结构和参数一致。

进一步地，该稳压器的输出连接至该第一电荷泵的输入端与第二开关的一端，该第二开关的另一端连接至该第三电荷泵的输入端。

进一步地，该第二电荷泵的输出连接至该该第三开关的一端，该第三开关的另一端连接该第四电荷泵的输出端。

进一步地，该振荡器产生的时钟连接至每个单级电荷泵的时钟输入端，电源连接至每个单级电荷泵的电源输入端。

与现有技术相比，本发明一种提高电荷泵驱动能力的电路利用开关阵改变前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式，使电路于串联时输出较高高压，于并联时输出具有较强驱动能力的较低高压，不仅提高了电荷泵在存储器读出数据操作时的驱动力，而且提高了电荷泵的电源使用效率。

附图说明

图1为电容器boost效应的示意图；

图2为现有技术的四级电荷泵结构示意图；

图3为典型具有稳压特点的电荷泵电路的拓扑结构图；

图4为电荷泵分压电阻类基本结构图；

图5为电荷泵的电压分压电路的电路图；

图6为常见电荷泵输出电压微调电阻类电路示意图；

图7为本发明一种提高电荷泵驱动能力的电路之较佳实施例的电路示意图；

图8为本发明较佳实施例中电荷泵的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图7为本发明一种提高电荷泵驱动能力的电路之较佳实施例的电路示意图。如图7所示，本发明一种提高电荷泵驱动能力的电路包含电压分压电路70、比较器71、稳压器72、振荡器73以及电荷泵74。

其中比较器71、稳压器72、振荡器73和典型具有稳压特点的电荷泵电路拓扑结构(图3所示)一样，电压分压电路70可以采用如图5所示电荷泵电压分压电路或类似简化电路，电荷泵74采用如图8所示结构，电荷泵74包含前置电荷泵741、后置电荷泵742和开关阵743，前置电荷泵741、后置电荷泵742均由多个单级电荷泵级联组成，其结构和参数一致，用于产生高压，开关阵743由多个开关组成(图示为3个，本发明以3个开关为例，但不以此为限)，用于改变前置电荷泵741、后置电荷泵742的连接方式，于串联时输出较高高压，于并联时输出具有较强驱动能力的较低高压。

振荡器73产生的时钟Pclk连接至每个单级电荷泵的时钟输入端，电源VDD连接至每个单级电荷泵的电源输入端，稳压器72输出的稳压器输出Vintreg连接至第一电荷泵PUMP1的输入端和开关SW2之一端，第一电荷泵PUMP1的输出Vout1连接至第二电荷泵PUMP2的输入端，第二电荷泵PUMP2的输出Vout2连接至开关SW1和SW3之一端，开关SW2之另一端和开关SW1之另一端共同连接至第三电荷泵PUMP3的输入端Vin3，第三电荷泵PUMP3的输出Vout3连接至第四电荷泵PUMP4的输入端，开关SW3之另一端连接至第四电荷泵PUMP4的输出端，电荷泵PUMP4的输出Vout作为电荷泵的输出连接至后续电路和电压分压电路70的输入端。

相比图3中的典型具有稳压特点的电荷泵链路结构，本发明增加了三个开关器件SW1、SW2和SW3，链路中第一电荷泵和第二电荷泵串联后形成前置电荷泵，第三电荷泵和第四电荷泵串联后形成后置电荷泵，当闪存存储器进行擦除或写入操作时，电荷泵中SW1开关闭合，SW2和SW3断开，则此时电荷泵的工作原理类似传统电荷泵链路，前置电荷泵和后置电荷泵级联，各级升压电路依次抬高前一级输出电压，第一级抬高了输入电压V_intreg。当闪存存储器进行读出操作时，SW1开关断开，SW2和SW3闭合，则前置电荷泵和后置电荷泵并联，此时输出电压能够达到需要的高压，但链路的输出电流达到甚至超过了传统链路结构的电流值，总驱动能力则达到了传统结构的两倍以上。

可见，本发明一种提高电荷泵驱动能力的电路利用开关阵改变前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式，使电路于串联时输出较高高压，于并联时输出具有较强驱动能力的较低高压，不仅提高了电荷泵在存储器读出数据操作时的驱动力，而且提高了电荷泵的电源使用效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种提高电荷泵驱动能力的电路，包括电压分压电路、比较器、稳压器、振荡器以及电荷泵，其特征在于：该电荷泵利用一开关阵改变其前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式，使其于串联时输出较高高压，于并联时输出具有较强驱动能力的较低高压。

2.如权利要求1所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：该电荷泵包括前置电荷泵、后置电荷泵和开关阵，该前置电荷泵、后置电荷泵均由多个单级电荷泵级联组成，用于产生高压，该开关阵由多个开关组成，以根据闪存的操作改变前置电荷泵、后置电荷泵的连接方式。

3.如权利要求2所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：当闪存存储器进行擦除或写入操作时，该开关阵使该前置电荷泵、后置电荷泵为串联方式连接。

4.如权利要求3所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：当该闪存存储器进行读出操作时，该开关阵使该前置电荷泵、后置电荷泵为并联方式连接。

5.如权利要求4所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：该开关阵至少包括第一开关、第二开关以及第三开关，该第一开关连接在该前置电荷泵与后置电荷泵之间，该第二开关连接在该前置电荷泵的输入端与该后置电荷泵的输入端之间，该第三开关连接在该前置电荷泵的输出端与该后置电荷泵的输出端之间。

6.如权利要求5所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：该前置电荷泵至少包括级联的第一电荷泵与第二电荷泵，该后置电荷泵至少包括级联的第三电荷泵与第四电荷泵。

7.如权利要求6所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：各电荷泵的结构和参数一致。

8.如权利要求7所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：该稳压器的输出连接至该第一电荷泵的输入端与第二开关的一端，该第二开关的另一端连接至该第三电荷泵的输入端。

9.如权利要求8所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：该第二电荷泵的输出连接至该该第三开关的一端，该第三开关的另一端连接该第四电荷泵的输出端。

10.如权利要求8所述的一种提高电荷泵驱动能力的电路，其特征在于：该振荡器产生的时钟连接至每个单级电荷泵的时钟输入端，电源连接至每个单级电荷泵的电源输入端。