CN107493013B - 一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路 - Google Patents

一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，包括：正高压时钟产生电路，用于产生正高压电荷泵所需的正高压时钟；正高压电荷泵，用于在正高压时钟的控制下产生正高压；正高压取样电路，用于产生调整正高压幅度的第一取样信号和产生正高压就绪信号所需的第三取样信号；正高压就绪信号产生电路，用于将该第三取样信号转换为数字形式的正高压就绪信号；负高压时钟产生电路，用于产生负高压电荷泵所需的负高压时钟；负高压电荷泵，用于在该负高压时钟的控制下产生负高压；负高压取样电路，用于产生调整该负高压幅度的第二取样信号；正高压负载与负高压负载，通过本发明，可降低非易失存储器擦写阶段功耗。

Description

一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路
技术领域
本发明涉及一种电荷泵电路，特别是涉及一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路。
背景技术
图1为一种传统的2.5V电荷泵电路的电路示意图。如图1所示，传统的电荷泵电路由振荡器OSC、电荷泵单元Charge PUMP、R1-R2和C1-C2组成的取样电路、开关S1-S2、比较器CMP组成，振荡器OSC的输出CLKIN连接至电荷泵单元Charge PUMP的时钟输入端，开关S1、电阻R1、R2依次串联对输出电压VD25进行采样，采样电压经开关S2连接至比较器CMP的一输入端及滤波电容C1、C2的公共端，滤波电容C1、C2连接在输出电压VD25和地间对输出电压VD25及采样电压均有滤波作用，比较器CMP另一输入端连接由带隙基准源Bandgap产生的参考电压Vref，比较器CMP的输出连接至振荡器OSC的控制端以根据采样电压改变时钟CLKIN的频率从而调整输出电压VD25的幅度使其稳定输出，电荷泵Charge PUMP直接连接至负载Iloading和Cloading。
然而，现有技术的带有反馈结构的电荷泵只是对高压稳定阶段功耗进行优化，无法优化电荷泵处于高压上升阶段功耗。
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降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其不仅在正负高压达到额定高压后，采用反馈结构使得时钟信号无效，降低高压信号稳定阶段功耗；而且在正负高压信号上升阶段，采用顺序启动正负电荷泵电路方式，降低上升阶段电荷泵电路功耗，从而整体上降低了非易失存储器擦写阶段功耗。
为达上述及其它目的，本发明提出一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，包括：
正高压时钟产生电路，用于产生正高压电荷泵所需的正高压时钟CLKPOS；
正高压电荷泵，用于在正高压时钟CLKPOS的控制下产生正高压VPOS；
正高压取样电路，用于产生调整正高压VPOS幅度的第一取样信号Vcomp1和产生正高压就绪信号VPOS_ready所需的第三取样信号Vcomp3；
正高压负载，为该正高压电荷泵的用电单元；
正高压就绪信号产生电路，用于将该第三取样信号Vcomp3转换为数字形式的正高压就绪信号VPOS_ready；
负高压时钟产生电路，用于产生负高压电荷泵所需的负高压时钟CLKNEG；
负高压电荷泵，用于在该负高压时钟CLKNEG的控制下产生负高压VNEG；
负高压取样电路，用于产生调整该负高压VNEG幅度的第二取样信号Vcomp2；
负高压负载，为该负高压电荷泵的用电单元。
进一步地，该正高压时钟产生电路包括第一与门以及第一比较器。
进一步地，高压电荷泵许可信号CPEN连接至所述第一与门的第一输入端，输入时钟CLKIN连接至所述第一与门的第二输入端，第一比较器的输出即正高压时钟许可信号CLKEN1连接至所述第一与门的第三输入端，所述第一与门的输出即正高压时钟CLKPOS连接至所述正高压电荷泵，第一参考电压连接所述第一比较器的同相输入端，所述第一比较器的反相输入端连接所述正高压取样电路。
进一步地，所述正高压取样电路包括四个取样电阻，该四个取样电阻依次级联在正高压VPOS和地间。
进一步地，所述正高压就绪信号产生电路包括第一反相器、第一NMOS管和第三比较器。
进一步地，所述第三比较器的反相输入端连接所述正高压取样电路，同相输入端连接第三参考电压，输出端连接第一反相器的输入端与所述第一NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接互补高压电荷泵许可信号CPENB，源极接地，所述第一反相器的输出端输出所述正高压就绪信号VPOS_ready。
进一步地，所述负高压时钟产生电路包括第二与门、第三与门与第二比较器。
进一步地，所述高压电荷泵许可信号CPEN连接至所述第三与门的第一输入端，所述第一反相器的输出端即正高压就绪信号VPOS_ready连接至所述第三与门的第二输入端，所述第三与门的输出即负高压许可信号VNEGEN连接至所述第二与门的第一输入端，输入时钟CLKIN连接至所述第二与门的第二输入端，所述第二比较器的输出即负高压时钟许可信号CLKEN2连接至所述第二与门的第三输入端，所述第二与门的输出端连接所述负高压电荷泵，所述第二比较器的同相输入端连接第二参考电压，反相输入端连接所述负高压取样电路。
进一步地，所述负高压取样电路包括四个取样电阻，该四个取样电阻依次级联在负高压VNEG和第四参考电压间。
进一步地，所述正高压负载与负高压负载由后续电路等效的电阻和电容组成。
与现有技术相比，本发明一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路实现了一种降低电荷泵电路功耗的方法，其不仅在正负高压达到额定高压后，采用反馈结构使得时钟信号无效，降低高压信号稳定阶段功耗；而且在正负高压信号上升阶段，采用顺序启动正负电荷泵电路方式，降低上升阶段电荷泵电路功耗，从而整体上降低了非易失存储器擦写阶段的功耗。
附图说明
图1为一种传统的2.5V电荷泵电路的电路示意图；
图2为本发明一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路的电路结构图；
图3为本发明具体实施例中相关信号波形示意图。
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2为本发明一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路的电路结构图。如图2所示，本发明一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，包括：正高压时钟产生电路110、正高压电荷泵120、正高压取样电路130、正高压负载140、正高压就绪信号产生电路150、负高压时钟产生电路210、负高压电荷泵220、负高压取样电路230、负高压负载240。
其中，正高压时钟产生电路110由与门AND1、比较器CMP1组成，用于产生正高压电荷泵120所需的正高压时钟CLKPOS；正高压电荷泵120一般为多级电荷泵CP1，形式不限，用于在正高压时钟CLKPOS的控制下产生正高压VPOS；正高压取样电路130由取样电阻R11、R12、R13、R14组成，4个取样电阻依次级联在正高压VPOS和地Vgnd间，用于产生调整正高压VPOS幅度的第一取样信号Vcomp1和产生正高压就绪信号VPOS_ready所需的第三取样信号Vcomp3；正高压负载140由后续电路等效的电阻RL1和电容CL1组成，是正高压电荷泵的用电单元；正高压就绪信号产生电路150由反相器INV1、NMOS管NM1和第三比较器CMP3组成，用于将第三取样信号Vcomp3转换为数字形式的正高压就绪信号VPOS_ready；负高压时钟产生电路210由与门AND2、与门AND3以及比较器CMP2组成，用于产生负高压电荷泵220所需的负高压时钟CLKNEG；负高压电荷泵220一般为多级电荷泵CP2，形式不限，用于在负高压时钟CLKNEG的控制下产生负高压VNEG；负高压取样电路230由取样电阻R21、R22、R23、R24组成，4个取样电阻依次级联在负高压VNEG和参考电压Vref4间，用于产生调整负高压VNEG幅度的第二取样信号Vcomp2；负高压负载240由后续电路等效的电阻RL2和电容CL2组成，是负高压电荷泵的用电单元。
高压电荷泵许可信号CPEN连接至与门AND1和AND3的第一输入端，正高压就绪信号VPOS_ready连接至与门AND3的第二输入端，与门AND3的输出端即负高压许可信号VNEGEN连接至与门AND2的第一输入端，输入时钟CLKIN连接至与门AND1和AND2的第二输入端，第一比较器CMP1的输出即正高压时钟许可信号CLKEN1连接至与门AND1的第三输入端，第二比较器CMP2的输出即负高压时钟许可信号CLKEN2连接至与门AND2的第三输入端，与门AND1的输出即正高压时钟CLKPOS连接至正高电荷泵CP1的时钟输入端，与门AND2的输出即负高压时钟CLKNEG连接至负高电荷泵CP2的时钟输入端，正高压电荷泵CP1的输出正高压VPOS连接至取样电阻R11、负载电阻RL1和电容CL1的一端，取样电阻R11的另一端与第三比较器CMP3的反相输入端和取样电阻R12的一端相连组成第三取样信号Vcomp3节点，取样电阻R12的另一端与第一比较器CMP1的反相输入端和取样电阻R13的一端相连组成第一取样信号Vcomp1节点，取样电阻R13的另一端与取样电阻R14的一端相连，取样电阻R14的另一端接地Vgnd，负高压电荷泵CP2的输出负高压VNEG连接至取样电阻R21、负载电阻RL2和电容CL2的一端，取样电阻R21的另一端与取样电阻R22的一端相连，取样电阻R22的另一端与第二比较器CMP2的反相输入端和取样电阻R23的一端相连组成第二取样信号Vcomp2节点，取样电阻R23的另一端与取样电阻R24的一端相连，取样电阻R24的另一端接参考电压Vref4，第一比较器CMP1的输出即正高压时钟许可信号CLKEN1连接至与门AND1的第三输入端，第二比较器CMP2的输出即负高压时钟许可信号CLKEN2连接至与门AND2的第三输入端，第三比较器CMP3的输出连接至反相器INV1的输入端和NMOS管NM1的漏极，反相器INV1的输出端即正高压就绪信号VPOS_ready连接至与门AND3的第二输入端，互补高压电荷泵许可信号CPENB连接至NMOS管NM1的栅极，NMOS管NM1的源极接地Vgnd，第一参考电压Vref1连接第一比较器CMP1的同相输入端，第二参考电压Vref2连接第二比较器CMP2的同相输入端，第三参考电压Vref3连接第三比较器CMP3的同相输入端。
图3为本发明具体实施例中相关信号波形示意图。在高压电荷泵许可信号CPEN变高后，正高压时钟CLKPOS开始出现时钟脉冲，正高压VPOS开始上升，正高压就绪信号VPOS_ready为低，负高压许可信号VNEGEN为低，当正高压VPOS接近正常输出时，正高压就绪信号VPOS_ready变为高，负高压许可信号VNEGEN也变为高，负高压时钟CLKNEG开始出现时钟脉冲，负高压VNEG的绝对值开始上升至负高压建立完成，正高压时钟CLKPOS和负高压时钟CLKNEG的时钟脉冲随高压变化而自动调整。
以下结合图2以及图3的相关信号波形图，说明本发明的具体工作过程：
1)当处于擦写操作时，高压电荷泵许可信号CPEN为高电平信号，互补高压电荷泵许可信号CPENB为低电平，NMOS管NM1关闭，不影响正负高压的产生，起始时正高压VPOS较低，第一取样信号Vcomp1低于第一参考电压Vref1，第一比较器CMP1输出即正高压时钟许可信号CLKEN1为高电平，与门AND1输出即正高压时钟CLKPOS信号有效(输出时钟信号)，当正高压VPOS处于上升阶段，经过电阻R11-R14的分压，第三取样信号Vcomp3的电压幅值低于第三参考电压Vref3，正高压就绪信号VPOS_ready为低电平信号，负高压VNEG产生电路中负高压许可信号VNEGEN为低电平信号，使得负高压时钟CLKNEG处于低电平，负高压VNEG产生电路处于空闲(idle)状态，避免了两组电压生成电路同时启动引起的较大功耗。
2)当正高压VPOS依然处于高压上升阶段，电阻R11-R14的分压使得第三取样信号Vcomp3的电压幅值不断增加，当第三取样信号Vcomp3的电压幅值高于第三参考电压Vref3，正高压就绪信号VPOS_ready变化为高电平信号，负高压VNEG产生电路中负高压许可信号VNEGEN变化为高电平信号，使得负高压时钟CLKNEG信号有效(输出时钟信号)，负高压VNEG产生电路处于工作状态，这样顺序启动两组电荷泵电路，降低了高压信号上升阶段功耗。
综上所述，本发明一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路实现了一种降低电荷泵电路功耗的方法，其不仅在正负高压达到额定高压后，采用反馈结构使得时钟信号无效，降低高压信号稳定阶段功耗；而且在正负高压信号上升阶段，采用顺序启动正负电荷泵电路方式，降低上升阶段电荷泵电路功耗，从而整体上降低了非易失存储器擦写阶段的功耗。
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)

1.一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，包括：
正高压时钟产生电路，用于产生正高压电荷泵所需的正高压时钟CLKPOS；
正高压电荷泵，用于在正高压时钟CLKPOS的控制下产生正高压VPOS；
正高压取样电路，用于产生调整正高压VPOS幅度的第一取样信号Vcomp1和产生正高压就绪信号VPOS_ready所需的第三取样信号Vcomp3；
正高压负载，为该正高压电荷泵的用电单元；
正高压就绪信号产生电路，用于将该第三取样信号Vcomp3转换为数字形式的正高压就绪信号VPOS_ready；
负高压时钟产生电路，用于产生负高压电荷泵所需的负高压时钟CLKNEG；
负高压电荷泵，用于在该负高压时钟CLKNEG的控制下产生负高压VNEG；
负高压取样电路，用于产生调整该负高压VNEG幅度的第二取样信号Vcomp2；
负高压负载，为该负高压电荷泵的用电单元。
2.如权利要求1所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：该正高压时钟产生电路包括第一与门以及第一比较器。
3.如权利要求2所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：高压电荷泵许可信号CPEN连接至所述第一与门的第一输入端，输入时钟CLKIN连接至所述第一与门的第二输入端，第一比较器的输出即正高压时钟许可信号CLKEN1连接至所述第一与门的第三输入端，所述第一与门的输出即正高压时钟CLKPOS连接至所述正高压电荷泵，第一参考电压连接所述第一比较器的同相输入端，所述第一比较器的反相输入端连接所述正高压取样电路。
4.如权利要求3所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述正高压取样电路包括四个取样电阻，该四个取样电阻依次级联在正高压VPOS和地间。
5.如权利要求4所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述正高压就绪信号产生电路包括第一反相器、第一NMOS管和第三比较器。
6.如权利要求5所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述第三比较器的反相输入端连接所述正高压取样电路，同相输入端连接第三参考电压，输出端连接第一反相器的输入端与所述第一NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接互补高压电荷泵许可信号CPENB，源极接地，所述第一反相器的输出端输出所述正高压就绪信号VPOS_ready。
7.如权利要求6所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述负高压时钟产生电路包括第二与门、第三与门与第二比较器。
8.如权利要求7所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述高压电荷泵许可信号CPEN连接至所述第三与门的第一输入端，所述第一反相器的输出端即正高压就绪信号VPOS_ready连接至所述第三与门的第二输入端，所述第三与门的输出即负高压许可信号VNEGEN连接至所述第二与门的第一输入端，输入时钟CLKIN连接至所述第二与门的第二输入端，所述第二比较器的输出即负高压时钟许可信号CLKEN2连接至所述第二与门的第三输入端，所述第二与门的输出端连接所述负高压电荷泵，所述第二比较器的同相输入端连接第二参考电压，反相输入端连接所述负高压取样电路。
9.如权利要求8所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述负高压取样电路包括四个取样电阻，该四个取样电阻依次级联在负高压VNEG和第四参考电压间。
10.如权利要求9所述的一种降低存储器擦写功耗的电荷泵电路，其特征在于：所述正高压负载与负高压负载由后续电路等效的电阻和电容组成。
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